Stromwandler für PV-Wechselrichter müssen folgende Anforderungen erfüllen: Sie müssen kompakt sein und im Vergleich zu ihren Vorgängern eine gleichwertige oder bessere Leistung zu geringeren Kosten bieten. PV-Anlagen verwenden Stromwandler typischerweise an drei Stellen. Einer befindet sich auf der Gleichstromseite für das Maximum Power Point Tracking (MPPT). Die beiden anderen befinden sich auf der Wechselstromseite: Der erste dient zur Definition der Ausgangsstromwellenformparameter, der zweite misst aus Sicherheitsgründen den Fehlerstrom (RCM) am Ausgang, der durch Erdschlüsse entsteht und im Notfall eine Systemabschaltung auslösen kann. Dieser Artikel stellt einen neuen, kompakten Wandler vor, der speziell für die Fehlerstrommessung entwickelt wurde.

1. EINLEITUNG

Abbildung 1 zeigt die Hauptkomponenten um den Wechselrichter in einer typischen Photovoltaikanlage für Wohnhäuser bis ca. 20 kW. Mehrere Wechselrichter dieses Typs können zu einem kompletten System kombiniert werden, das über Zähler an das Stromnetz angeschlossen wird.

Abbildung 2. Restspannungen und -ströme in der PV-Anlage.

Im letzten Jahrzehnt wurden neue Silizium-MOSFETs in Wechselrichter integriert, und zukünftig werden SiC- und GaN-basierte MOSFETs die Silizium-basierten ersetzen. Dies ermöglicht höhere Schaltfrequenzen, wodurch die Größe reaktiver Bauelemente (Induktivitäten, Kondensatoren) und somit deren Abmessungen reduziert werden können. Ein 2010 erhältlicher 2-kW-Wechselrichter mit einem Gewicht von 20 kg (laut Herstellerangaben) wurde 2016 durch ein Modell mit weniger als 10 kg Gewicht ersetzt. Um sicherzustellen, dass Stromwandler, die als Messgeräte in einer PV-Anlage eingesetzt werden, weiterhin einen vernachlässigbaren Anteil am Gesamtplatzbedarf und -gewicht ausmachen, muss auch ihre Größe reduziert werden, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Ebenso müssen ihre Kosten gesenkt werden, um dem Abwärtstrend des gesamten Wechselrichtersystems gerecht zu werden.

Die Abbildung zeigt drei LEM-Stromwandler, die alle kundenspezifisch entwickelte, proprietäre CMOS-ASICs mit vollständig integrierten Hall-Effekt-Zellen enthalten. Auf der Gleichstromseite des Wechselrichters befindet sich ein Open-Loop-GO, auf der Wechselstromseite ein Closed-Loop-LPSR für das Wechselrichter-Regelsystem und am Ausgang ein Closed-Loop-LDSR, ein neuer Differenzialwandler für den RCM. (Eine detaillierte Erklärung der Open-Loop- und Closed-Loop-Hall-Effekt-Wandler finden Sie in Referenz (1).)

Abbildung 2 veranschaulicht die Spannungsverläufe auf der Gleich- und Wechselstromseite des Wechselrichters. In einem transformatorlosen System liegt auf der Gleichstromseite zwar eine Gleichspannung an, die der Ausgangsspannung der Photovoltaikzellen zwischen den Knoten PV+ und PV- entspricht (diese muss gegebenenfalls mit einem DC/DC-Wandler verstärkt werden), jedoch weist jeder PV-Knoten auch eine Wechselspannung auf, deren Spitzenwert der maximalen Ausgangsspannung auf der Wechselstromseite ähnelt. Wird dies auf Systemebene nicht berücksichtigt, stellt es ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar.

2. Messung des Fehlerstroms zur Gewährleistung der Sicherheit.

Die PV+ und PV- Knoten in Abbildung 1 sind in einem typischen PV-System groß. Die mittlere Spannung an jedem Knoten, bezogen auf Erde, beträgt die Hälfte der Spannung an den PV-Zellen, enthält aber auch eine Wechselspannung mit einem Spitzenwert, der dem der Zellen ähnelt. Berührt eine Person die PV+ oder PV- Knoten (oder allgemein einen beliebigen Knoten auf der Gleichstromseite des Wechselrichters), fließt ein Ableitstrom zwischen dem System und der Person sowie gegen Erde. Da nur ein Knoten im System – der Ausgangsknoten N – auf Erdpotenzial liegt, muss dieser Ableitstrom über Knoten N ins System zurückfließen und verursacht eine Gleichstromungleichheit, den sogenannten Reststrom, zwischen den Ausgängen L und N. Dieser Reststrom muss erfasst werden, damit das System schnellstmöglich reagieren und die Person, die den Reststrom verursacht hat, schützen kann. Zu den Herausforderungen des Fehlerstrommanagements (RCM) gehören unter anderem:
i) Der Absolutwert des zu erfassenden Stroms ist gering, in der Größenordnung von wenigen zehn mA, weshalb die Messgenauigkeit der Messwandler ausreichend niedrig sein muss, um diesen Strompegel zu erfassen;
ii) Der Wechselstromausgang hat einen Wert zwischen null und einigen zehn Ampere, und der Fehlerstrom muss in diesem Fall erkannt werden;
iii) Aufgrund der Kapazität zwischen den PV-Modulen und Erde fließt stets ein Strom zur Erdung. Das System soll diesen von einem durch gefährlichen Personenkontakt verursachten Zusatzstrom unterscheiden.
Abbildung 2 zeigt den Leckstrompfad in einem vereinfachten Wechselrichtersystem mit dem neuen LEM LDSR-Wandler für RCM.

Von den drei oben genannten Punkten wurden (i) und (ii) mit LDSR dank einer speziellen Konstruktion für RCM erreicht, während (iii) durch Anwendung eines Signalverarbeitungsalgorithmus auf den Wandlerausgang erreicht wird.

Abbildung 3 zeigt den grundlegenden Aufbau des RCM: Ein ASIC mit einer Hall-Zelle, ähnlich der im LPSR-Wandler verwendeten, befindet sich im Zentrum eines geschlossenen Regelkreises. Die Wechselströme I1 und I2 heben sich gegenseitig auf, und der geringe Reststrom wird vom Hall-Zellen-ASIC erfasst und in der Sekundärwicklung kompensiert. Diese hat deutlich weniger Windungen als der LPSR, da der zu erfassende Strom wesentlich geringer ist.
Abbildung 3: Funktionsprinzip des RCM basierend auf der Hall-Effekt-Regelkreistechnologie.

Eine detaillierte Analyse der Primärleiterposition in Abbildung 3 zeigt, dass die Kompensation von I1 und I2 nicht vollständig ist und das Restmagnetfeld im Luftspalt von deren Position abhängt. Daher wurde beschlossen, die Primärleiterpositionen präzise zu definieren. Zu diesem Zweck wurde im Wandler eine mehrlagige Leiterplatte verwendet. Da die RCM-Technologie nur wenige Dutzend Windungen in der Sekundärspule benötigt, können diese ebenfalls auf einer Leiterplatte realisiert werden. Dies führt zu einem innovativen Sensor mit deutlich einfacherer Konstruktion als andere Closed-Loop-Sensoren. Die Platzierung der Primärleiter auf einer Leiterplatte begrenzt zwar den maximalen Primärstrom, der realisierbare Wert von 35 A pro Leiter ist jedoch für Hausinstallationen mehr als ausreichend.

Zu Testzwecken ist auf der Leiterplatte des ASIC eine zusätzliche Spule konzentrisch zum Sekundärkreis gewickelt. Dies ist für Systemtests nützlich: Der durch sie fließende Strom liefert ein Messsignal, analog zur Stromdifferenz zwischen den Primärwicklungen.

Wie der LPSR-Wandler ist auch der ASIC so konstruiert, dass er einen minimalen Offset aufweist. Der Offset in Bezug auf den Eingangsstrom wird reduziert, indem unter dem ASIC ein Loch in die Leiterplatte eingelassen wird, wodurch der Luftspalt im Magnetkreis so klein wie möglich wird.

Aufgrund der hohen Empfindlichkeit des LDSR wird eine magnetische Abschirmung um den ASIC und den Luftspalt angebracht.

Abbildung 4 zeigt ein Foto des LDSR-Wandlers.

Im Allgemeinen weisen die vom LDSR erfassten Leckströme sowohl Wechsel- als auch Gleichstromkomponenten auf. Jeder Anwender verwendet einen spezifischen Algorithmus am Wandlerausgang, um zu bestimmen, wann ein Leckstrom als „übermäßig“ einzustufen ist und entsprechende Maßnahmen zu ergreifen. Eine besonders anspruchsvolle Situation entsteht, wenn aufgrund parasitärer Kapazitäten eine große, natürlich auftretende und variable Wechselstromkomponente vorliegt (beispielsweise abhängig von der Umgebungsfeuchtigkeit). Hierbei muss der höchste Leckstrom erfasst werden, der durch die Berührung der Gleichstromseite durch eine Person verursacht wird. Da die Impedanz einer Person hochohmig ist, entspricht der zusätzliche Strom, wie in Abbildung 5 dargestellt, praktisch dem Effektivwert des Leckstroms; der Haupteffekt ist eine Phasenverschiebung.

Abbildung 5: Effekt nach Hinzufügen eines Widerstandspfads zum Leck.

Natürlich trägt auch Rauschen zu den Real- und Imaginärströmen in Abbildung 5 bei. Ist nur eine Frequenz bekannt, muss diese mithilfe einer abgetasteten Wellenform analysiert werden; der Goertzel-Algorithmus ist hierfür sehr effizient. In Abbildung 6 wird ein „Personenleckstrom“ von 30 mA_eff zu einem „kapazitiven Leckstrom“ von 300 mA_eff mit 7,5 mA_eff Rauschen nach 0,1 s addiert. Der sichtbare Effekt auf den Gesamtleckstrom ist kaum wahrnehmbar, doch nach der Verarbeitung mit dem Goertzel-Algorithmus lässt sich der Strom problemlos auf 30 mA reduzieren. Überschreitet dieser Wert einen vordefinierten Schwellenwert, können geeignete Systemmaßnahmen ergriffen werden.

Abbildung 6. Simulation des Reststroms während eines Fehlers und Ausgabe des Goertzel-Algorithmus.

Abschluss

Dieser Artikel nutzt das Beispiel von Photovoltaikanlagen, um die jüngsten Fortschritte bei LEM-Stromwandlern zur Messung von Fehlerströmen zu veranschaulichen. Ihre Größe und Kosten wurden reduziert, während ihre Leistung beibehalten oder sogar verbessert wurde. Die Wandler kommen nun ohne die zuvor benötigte magnetische Induktionskomponente aus. Diese Innovation ist möglich, da die Designkomplexität des Wandlers auf die verwendeten kundenspezifischen Hall-Effekt-ASICs verlagert wurde.

Referenz (1): https://www.lem.com/en/file/3139/download