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"Der Z-Umrichter in Sytemen der regenerativen Energieerzeugung"
In dieser Arbeit steht der Z-Umrichter (ZSI) im Mittelpunkt. Er wird untersucht im Kontext der verteilten Erzeugung elektrischer Energie aus regenerativer Quellen in kleinen Leistungsbereich geeignet für entlegene Regionen. Dabei steht er in Konkurrenz zu anderen bekannten und erprobten Konzepten der Leistungselektronik. Die grundsätzliche Aufgabenstellung ist es, die zur Verfügung stehende Leistung nutzbar zu machen. Egal von welcher regenerativen Quelle der Umrichter gespeist wird, unterliegt sie einer unterschiedlich starken Schwankung. Je nach Wasserstand, Sonneneinstrahlung oder Windverhältnissen schwankt die Eingangsspannung und ist so nicht direkt nutzbar. Die Aufgabe der Leistungselektronik ist es, diese schwankende Spannung in geeigneter Weise in eine Wechsel- oder Drehspannung mit konstanter Spannung und konstanter Frequenz umzuwandeln. Der ZSI bietet dabei den besonderen Vorteil, dass er mit variablen Eingangsspannungen, wie sie sich aus regenerativen Quellen oft ergeben, betrieben werden kann. Er ist in der Lage, die Eingangsspannung sowohl hoch als auch herunter zu setzten. Des Weiteren stellt ein Brückenkurzschluss keine Gefahr dar. Er ist vielmehr Teil des Funktionsprinzips und ermöglicht erst die Spannungsverstärkung des ZSI.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden als regenerative Energiequellen Wasserturbinen im Leistungsbereich P<2kW untersucht. Als Standardlösung für die elektrische Energieumwandlung bietet sich hier die weitverbreitete Struktur bestehend aus einem Hochsetzsteller mit nachgeschaltetem Wechselrichter an. Es stellt sich heraus, dass der ZSI zur Erfüllung dieser Aufgabe sehr flexibel ist und einen weiten Bereich der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien abdecken kann.
Für die niedrige verfügbare Leistung der untersuchten Wasserturbine wurde zunächst eine einphasige Lösung angestrebt. Der einphasige ZSI wurde in der Literatur bisher selten behandelt, deshalb musste im Rahmen der Arbeit eine geeignete Regelung entworfen werden. Diese sieht eine Linearisierung des Zusammenhangs zwischen der Dauer des Kurzschlusses und der Spannungsanhebung zur Einstellung der Spannungsverstärkung vor. In einer kaskadierten Struktur werden dann die Spannungsverstärkung (boost) und die Ausgangs-spannung geregelt. Die Funktion der vorgeschlagenen Regelung wurde durch Messungen an einem eigens dazu entworfenen Laboraufbau verifiziert. Die Messungen bestätigten die theoretischen Überlegungen.
Im weiteren Verlauf der Forschungsarbeit, wurde der dreiphasige ZSI untersucht. Die Realisierung bekannter Regelungs- und Modulationsverfahren, z.B. PWM nach dem Maximum Boost Verfahren für einen dreiphasigen ZSI erweist sich als schwierig und nicht zielführend. Deshalb ergibt sich die Anwendung von einer PWM-freien DPC (Direct Power Control)-Regelung als geeignete Alternative. Dabei wird nicht der Insel- sondern der Verbundbetrieb untersucht. Die aktuell ins Netz eingespeiste Leistung wird in festen Intervallen abgetastet und für das nächste Intervall ein passender Spannungsraumzeiger so gewählt, dass die eingespeiste Wirk- und Blindleistung den Sollwerten folgt. Eine dazu überlagerte Regelung hält die Zwischenkreisspannung konstant. Die Erprobung des vorgeschlagenen Regelverfahrens erfolgte auf einem eigens dazu entworfenen Laboraufbau und zeigte einen zuverlässigen Betrieb. Die Messungen bestätigten auch hier die theoretischen Überlegungen.
Für die Gewinnung kleinerer Energiemengen, spielt neben der Robustheit, den Kosten und der Komplexität des Systems auch der Wirkungsgrad eine Rolle. Darum wurde in dieser Arbeit der Wirkungsgrad des Systems untersucht. Durch den Einsatz von SiC – MOSFETS und die Neuentwicklung der Drosseln konnte der Wirkungsgrad auch im Teillastbetrieb erheblich gesteigert werden.
Verglichen mit der klassischen Lösung bestehend aus Hochsetzsteller und Wechselrichter zeigt der ZSI eine erhöhte Robustheit gegenüber versehentlichen Brückenkurzschlüssen. Da die Umwandlung in nur einer Stufe erfolgt, sind keine getrennten Regelungen für Hochsetzsteller und Wechselrichter erforderlich. Die Steuerungs- und Regelungselektronik lässt sich auf einer günstigen Hardware realisieren und die Systemkomplexität wird geringer.
Insgesamt scheint der ZSI für regenerative, dezentrale Systeme der Energieerzeugung eine geeignete leistungselektronische Topologie zu sein. Die Ergebnisse der vorliegenden Forschung zeigen jedoch, dass der Wirkungsgrad trotz Verwendung neuester Halbleiterschalter nicht besser ist als bei anderen Topologien, denn die für die Funktion des ZSI erforderlichen Brückenkurzschlüsse rufen zusätzliche Verluste hervor und beeinträchtigen die Effizienz.
Publikationen
2016
M.Steinbring and M.Pacas2014
Steinbring, Manuel; Pacas, MarioIncreasing the Efficiency of a Single Phase Z-Source Inverter by utilizing SiC - MOSFETS, International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management; Proceedings of PCIM Europe 2014, pp.1,7, 20-22 May 2014
Steinbring, Manuel; Pacas, Mario
Resonant circuit for the reduction of the power pulsation in the DC-link of a single phase ZSI, Industrial Electronics Society, IECON 2014 - 40th Annual Conference of the IEEE , pp.1747,1753, Oct. 29 2014 - Nov. 1 2014
2012
Steinbring, Manuel; Pacas, Mario; Alnajjar, Mohamme
Emulation of a micro-hydro-turbine for stand-alone power plants with Z-Source inverter, IECON 2012 - 38th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society, pp.5291-5296, 25-28 Oct. 2012
Steinbring, Manuel; Pacas, Mario
Modified control ctructure for single phase z-source inverter and efficiency analysis, PCIM 2012