DC-Link-Kondensatoren für das Mikrogenerator-Zeitalter

Nachhaltige Energiegewinnung DC-Link-Kondensatoren für das Mikrogenerator-Zeitalter

06.02.2013Autor / Redakteur: Andrew Bellavia * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Neben immer mehr großen Photovoltaik- und Windenergieanlagen sind auch Kleingeneratoren im Trend. Wir verraten Ihnen, welche Anforderungen Kondensatoren in solchen Mikrogeneratoren erfüllen müssen.

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DC-Link-Kondensatoren: in Solaranlagen stabilisieren sie als Snubber-Kondensatoren Spannungsspitzen
(Bild: Kemet)

Der wachsende Markt der Energieerzeugung in privaten Haushalten sorgt für einen Umbruch im Bereich alternativer Energieversorgung. Hochleistungsfähige Kondensatoren sorgen dabei in wichtigen Bereichen wie dem DC-Link für ein vereinfachtes thermisches Design, eine höhere Energieeffizienz, geringere Baugröße und damit für einen wettbewerbsfähigeren Preis.

EU will bis 2020 rund 20% des Energiebedarfs durch erneuerbare Energien decken

Das Ziel der EU, im Jahr 2020 an die 20% des Energiebedarfs durch erneuerbare Energien zu decken, ist nur eine der zahlreichen Umweltinitiativen weltweit, die nicht nur die Installation großer Ökostrom-Anlagen durch die Energieerzeuger beflügelt, sondern auch die Energieerzeugung im kleinen Bereich bzw. Privathaushalt mit Mikrogeneratoren vorantreibt. Richtlinien zum Verbraucherschutz, wie z.B. Solar Keymark des britischen Microgeneration Certification Scheme (MCS) für Produkte und Installateure bestätigen diesen wachsenden Markt. Mehr als 7500 PV-Panel-Arten sind heute allein unter dem MCS zertifiziert, sowie mehr als 20 Kleinwindanlagen, die Leistungen von 6 bis 22 kW abdecken.

Der Erfolg im Consumermarkt hängt von kontinuierlichen Neuerungen ab

Windkraftanlagen: Spezielle DC-Link-Kondensatoren helfen in der Leistungselektronik, Spannungsschwankungen zu beseitigen, die typischerweise am Rohausgang des PV-Panels oder der Windturbine auftreten
(Bild: Kemet)

Für Ausrüster hängt der Erfolg im Consumermarkt und bei versorgungsgeeigneten Anwendungen von kontinuierlichen Neuerungen ab, wie z.B. kleineren Generatorgrößen, geringeren Kosten und dem Erreichen höherer Wirkungsgrade. Diese Vorgaben gelten auch für Leistungselektronikbauteile wie DC/DC-Wandler und DC/AC-Wechselrichter, als auch für Energy-Harvesting-Einrichtungen wie PV-Solarpanels und Windkraftanlagen. Die Leistungselektronik in Windkraft- und Solaranlagen muss die Schwankungen beseitigen, die typischerweise am Rohausgang des PV-Panels oder der Windturbine auftreten. Nur dann kann ein sinusförmiger Wechselstrom an die Last vor Ort oder zur Einspeisung ins Netz abgegeben werden. In einer Windkraftanlage erzeugt der turbinengetriebene Generator einen stets wechselhaften Strom, der ständig variierende Oberwellen und Spannungen enthält, die aufgrund der sich ändernden Windgeschwindigkeiten entstehen. Dieses Rauschen wird im Wesentlichen durch Filter am Eingang des AC/DC-Wandlers beseitigt, der eine Gleichstromversorgung (DC-Link) für einen Wechselrichter speist.

Wechselrichter erzeugt sinusförmigen Wechselstrom

Leistungsumwandlung in Windkraftanlagen: Der Wechselrichter erzeugt einen hochwertigen sinusförmigen Wechselstrom für die gewünschte Netzspannung, oft wird auch ein AC-Filter am Ausgang des Wechselrichters installiert
(Bild: Kemet)

Der Wechselrichter erzeugt einen hochwertigen sinusförmigen Wechselstrom für die gewünschte Netzspannung. Meist wird aber oft auch ein AC-Filter am Ausgang des Wechselrichters installiert.

Leistungselektronik in PV-Anlagen

In einer Solaranlage erzeugen die einzelnen Photovoltaik-Zellen eine Spannung zwischen 0,5 und 0,6 V. Sie werden in Serie geschaltet, um eine höhere Spannung zu erreichen. Die Zellen werden an einen DC/DC-Wandler angeschlossen, der einen Mikro-Inverter speist. Dieser wiederum ist direkt auf dem jeweiligen Panel installiert. Je nach Anwendung kann die Speisung alternativ auch an einen zentralisierten Umrichter über DC-Link mit einer Spannung zwischen 450 und 1500 V erfolgen.

Voll- oder Halbbrückenwandler

Bei dem DC/DC-Wandler kann es sich um einen Vollbrücken- oder einen Halbbrückenwandler mit IGBTs handeln, die bei einer festen Frequenz von etwa 20 kHz schalten. Herkömmliche MOSFETs, die bei höheren Frequenzen schalten, den Wirkungsgrad damit verbessern und die Systemgröße verringern könnten, widerstehen jedoch den erforderlichen hohen DC-Betriebsspannungen nicht. Fortschrittlichere Bausteine auf Basis der Super-Junction- oder SiC-Substrattechnologie können höheren Betriebsspannungen von etwa 600 bis 1200 V standhalten – innerhalb der Abmessungen standardgemäßer Gehäuse. Damit bieten sich für Entwickler wertvolle neue Design-Optionen.

Schnell schaltende Halbleiter erzeugen Spannungsspitzen

Aufgrund des schnellen Schaltens der IGBTs oder MOSFETs in der Brücke können Spannungsspitzen von bis zu 4000 V erzeugt werden. Diese Spannungsspitzen lassen sich jedoch mit einem kapazitiven Snubber entfernen, der nahe am Brückenausgang angebracht wird. Hier lassen sich doppelt metallisierte oder Metallfilm-/Alumininium-Folienkondensatoren einsetzen, die eine hohe Stabilität bieten und extremen Temperaturen widerstehen.

Kondensatoren sollen schädliche Rippleströme abschwächen

Rippleströme treten im DC-Link nach dem Brückenausgang auf. Die Leitung wird an den System-Wechselrichter angeschlossen, und die Ströme entstehen durch Spannungsschalten und -schwankungen, was durch Schaltkreis-Induktivitäten und ungefilterte Effekte seitens des PV-Panels oder des Windturbinenausgangs hervorgerufen wird. Um möglicherweise schädliche Rippleströme abzuschwächen und eine stabile Spannung auf dem DC-Link zu gewährleisten, wird eine Reihe von Kondensatoren angeschlossen. Hochspannungs-Folienkondensatoren oder Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren eignen sich für diese Aufgabe.

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