Multizellen-Pulsumrichtrer für Alternativenergie-DC-Netze

Im Rahmen des beantragten Projektes sollen Multizellen-Pulsumrichter-Topologien für den Einsatz bei Alternativenergie-Systemen bzw. DC-Mikronetzen untersucht werden. Lokale elektrische Energienetze auf Gleichstrombasis (wie sich diese seit langem z.B. für Notbeleuchtungsanlagen bewähren) werden zukünftig verstärkt für allgemeine Energieversorgungsaufgaben Attraktivität gewinnen. Dies deshalb, weil die meisten Alternativenergie-Quellen (Solargeneratoren, Brennstoffzellen, ...) wie auch praktisch alle modernen Verbraucher (PCs, Energiesparlampen, geregelte Haushaltsgeräte, ...) im Grundprinzip gleichspannungsorientiert sind und deshalb DC-Netze bei leistungselektronischer Ankopplung aller Erzeuger und Verbraucher erhöhte Flexibilität bei reduzierten Gesamtverlusten bieten. Die für das Projekt vorgeschlagenen Pulsumrichter-Strukturen sind optimal für den Einsatz bei DC-Netzen geeignet, da sie sich wegen des Multizellen-Konzepts mit modernen Niederspannungs-MOSFETs realisieren lassen. Durch den extrem geringen Leitwiderstand dieser Leistungshalbleiter wird ein sehr hoher Umrichter- Wirkungsgrad erreicht, besonders auch in dem für die erwähnten Anwendungen sehr wichtigen Teillastbetrieb. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass sich das Konzept besonders gut für "stacked" DC-Systeme eignet (z.B. in Serie geschaltete Batterie-/Kondensator-Gruppen bzw. Serienschaltungen von Solarmodulen), weil einzelne Module bei unterschiedlichen (d.h., optimalen) Arbeitspunkten betrieben werden können. Dies führt zu einer weiteren Erhöhung der Gesamteffizienz. Das beantragte Projekt ist auf zwei Schlüsselapplikationen fokussiert: 1. Eine Batteriespeichereinheit (battery storage unit, BSU) wie sie für DC-Mikronetze zum Ausgleich von Belastungsspitzen bzw. generell zur Spannungsführung benötigt wird. 2. Ein "verteilter" Solarumrichter (distributed solar converter, DSC), bei welchem für jedes Solarmodul ein eigener DC/DC-Wandler vorgesehen ist. Die Ausgänge aller DC/DC-Wandler sind in Serie geschaltet und bilden einen "intelligenten" Solar-String die Gesamtleistung in das DC-Mikronetz einspeist (bzw. alternativ in die Gleichspannungsschiene eines Wechselrichters). Jedes Solarmodul kann so im individuellen Punkt maximaler Leistung (MPP) betrieben werden, was zu einer beträchtlichen Steigerung der Energieausbeute (speziell bei Teilabschattung) führt. Bei geeigneter Regelung unter Verwendung moderner Mikrokontroller kann dies auch ohne explizite Informationsübertragung zwischen den einzelnen Zellen erreicht werden, was Verschaltung und Integration des Konverters in das Solarmodul erheblich erleichtert. Für den Batteriespeicher (BSU) wiederum bietet das Multizellen-Konzept den Vorteil, dass ein gleichmäßiger Ladezustand aller Batteriemodule garantiert ist. Überdies kann durch eine spezielle Steuerung der DC/DC-Wandler eine gewünschte Ausgangscharakteristik verlustfrei emuliert werden. Dies erlaubt über entsprechende Regelkennlinien eine selbsttätige Primär-Leistungsflusssteuerung innerhalb des DC-Mikronetzes.

Im Rahmen des Projektes wurden spezielle leistungselektronische Konverter (Multizellen-Pulsumrichter) für den Einsatz bei Alternativenergie-Systemen bzw. DC-Mikronetzen untersucht. Lokale elektrische Energienetze auf Gleichstrombasis (wie sich diese seit langem z.B. für Notbeleuchtungsanlagen bewähren) werden zukünftig verstärkt auch für allgemeine Energieversorgungsaufgaben Attraktivität gewinnen. Dies deshalb, weil die meisten Alternativenergie-Quellen (Solargeneratoren, Brennstoffzellen, ...) wie auch praktisch alle modernen Verbraucher (PCs, Energiesparlampen, geregelte Haushaltsgeräte, etc.) im Grundprinzip gleichspannungsorientiert sind und deshalb DC-Netze bei leistungselektronischer Ankopplung aller Erzeuger und Verbraucher erhöhte Flexibilität bei reduzierten Gesamtverlusten bieten. Die im Projekt entwickelten Pulsumrichter-Strukturen sind optimal für den Einsatz bei DC-Netzen geeignet, da sie sich wegen des Multizellen-Konzepts mit modernen Niederspannungs-MOSFETs realisieren lassen. Durch den extrem geringen Leitwiderstand dieser Leistungshalbleiter werden Umrichter-Wirkungsgrade von über 99% erreicht, besonders auch in dem für die erwähnten Anwendungen sehr wichtigen Teillastbetrieb. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass sich das entwickelte Konzept besonders gut für z.B. in Serie geschaltete Batterie-/Kondensator-Gruppen bzw. Serienschaltungen von Solarmodulen eignet, weil einzelne Module auch bei unterschiedlichen (d.h., lokal-optimalen) Arbeitspunkten betrieben werden können. Dies führt zu einer weiteren Erhöhung der Gesamteffizienz. Für einen Batteriespeicher bietet das Multizellen-Konzept den Vorteil, dass ein gleichmäßiger Ladezustand aller Batteriemodule garantiert werden kann. Zusätzlich kann durch eine spezielle Steuerung der DC/DC-Wandler eine gewünschte Ausgangscharakteristik verlustfrei emuliert werden. Dies erlaubt über entsprechende Regelkennlinien eine selbsttätige Primär-Leistungsflusssteuerung innerhalb des DC-Mikronetzes unter Verwendung einer variierenden Netzspannung zur Kommunikation des Lastzustandes des Mikronetzes.