Entwurf einer modellprädiktiven Regelung für Quasi-Z-Source-Umrichter mit geschalteter Induktivität im Vergleich zum traditionellen Zweipunkt-Umrichter auf Basis von Photovoltaik.

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ralph Kennel
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 262773038

Die begrenzte Menge an verfügbare Brennstoffe und die Zunahme der ökologischen Bedenken haben ein großes Interesse für die Nutzung erneuerbarer Energien geweckt. Die anhaltende Entwicklung von PV-Stromerzeuger belegt das Potential der Solarenergie, sich als Hauptquelle der Stromerzeugung für die ganze Welt durchzusetzen. Mehrere Umrichtertopologien werden zur Generierung von Wechselstromleistung an das Versorgungsnetz verwendet. Die Kosten für die Leistungselektronik stellen einen wesentlichen Anteil der Gesamtinstallationskosten dar. Mit der Entwicklung von Solarzellen-Technologien ist der Preis für Solarmodule merklich gesunken, während sich der Preis der Stromrichter kaum geändert hat, weswegen dessen Senkung von zentraler Bedeutung für PV-Systeme ist.Der Spannungszwischenkreisumrichter wurde weitgehend zur Leistungsumwandlung verwendet. Dessen Einschränkungen haben jedoch zur Entwicklung von Z-Source- Wechselrichtern (ZSIs) geführt. Diese verfügen über einen zusätzlichen Nullvektor und sind unempfindlich gegenüber Kurzschlüsse in einer Halbbrücke. Diese Möglichkeit kann genutzt werden, um eine Erhöhung der Zwischenkreisspannung und somit der maximal möglichen Ausgangsspannung zu bewirken. Darüber hinaus wird die Zuverlässigkeit des Umrichters stark verbessert, da eine Zerstörung des Umrichters durch falsche Ansteuerung der Schaltelemente oder elektromagnetische Störungen ausgeschlossen ist. Aus diesen Gründen bieten ZSIs eine zuverlässige und effiziente einstufige Topologie zur Leistungsumwandlung. Sie ziehen jedoch keinen kontinuierlichen Strom von der Gleichstromquelle und sind folglich nicht geeignet für PV- Anwendungen. Quasi Z-Source-Umrichter (qZSIs) stellt in dieser Hinsicht eine verbesserte Version des klassischen ZSI mit gleichem Verstärkungsfaktor. Bedingt durch den breiten Wertebereich der Ausgangsspannung von PV-Anlagen ist ein Betrieb des Umrichters als Hochsetzsteller ebenfalls erforderlich. Um dies zu erreichen und gleichzeitig die Vorteile des qZSI auszunutzen wird in diesem Projekt ein qZSI mit geschalteter Induktivität als Schnittstelle zwischen PV-Modul und Stromnetz.Das Hauptziel dieses Projekts ist es, eine modellprädiktive Regelung (MPC) für die neue Umrichtertopologie zu realisieren. Diese wird mit dem traditionellen Zweipunkt-Wechselrichter hinsichtlich des Wirkungsgrads, der passiven Komponenten und elektrischer Belastung der Leistungsschalter verglichen. Hierzu werden zwei 3-kW-Wechselrichter entwickelt und untersucht mit den gleichen Komponenten und unter den gleichen Betriebsbedingungen. Zudem wird die MPC mit der herkömmlichen PI-Regelung im Hinblick auf transiente und stationäre Betriebszustand bewertet. Am Ende wird ein günstiger und robuster einstufiger Umrichter für PV-Anwendungen erwartet. Diese neuen Entwicklungen werden dazu beitragen, die Solarenergie effizienter und wirtschaftlicher zu nutzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen