Entwurf und Konzeptionierung einer Regelschaltung zur Anpassung des Tastverhältnisses eines Boost-Konverters bei Anschluss an einem PV-Modul

Abstract

Die Sonne bietet als eine praktisch unerschöpfliche Energiequelle die Möglichkeit, einerseits mit photovoltaischen (PV) Modulen elektrischen Strom zu erzeugen. Andererseits ist alternativ auch eine solarthermische Nutzung möglich, bei welcher mit thermischen Solarkollektoren Warmwasser aufbereitet wird. Durch die signifikante Preisreduktion von PV-Modulen in den letzten Jahren erscheint nun aber in gewissen Fällen auch eine Erzeugung von Warmwasser mittels PV-Modulen und Elektroboiler interessant, weil damit eine einfachere Umsetzung unter Vermeidung von hydraulischen Leitungen, Wärmetauschern bzw. Spezialboilern und Pumpen realisierbar ist. In der vorliegenden Arbeit soll deshalb ein Konzept bzw. System entwickelt werden, welches eine photovoltaische Warmwasser-Erzeugung unter Verwendung von Standard-PV-Solarmodulen und eines Standard-E-Boilers erlaubt. Wesentlich dabei ist, dass dieses System autark sein soll, also keine Verbindung zum öffentlichen Strom benötigt und somit nicht unter die Anschlussrichtlinien von klassischen PV-Anlagen fällt bzw. auch abseits eines Netzanschlusses eingesetzt werden könnte. Es bedarf dazu eines leistungselektronischen Konverters zur Anpassung der PV-Modul-Ausgangsspannung an den Heizwiderstand im Boiler um das PV-Modul im Punkt maximaler Leistung (MPP) zu betreiben. Die einfachste Schaltungsvariante dafür ist ein DC/DC-Konverter (z.B. Boost-Konverter), da der Boiler-Heizwiderstand prinzipiell auch mit Gleichstrom gespeist werden könnte. Problematisch dabei ist aber, dass die im Boiler eingebauten Regel- bzw. Sicherheitsthermostate nicht für DC-Betrieb geeignet sind. Bei üblichen elektromechanischen Thermostaten sind die elektrischen Kontakte recht einfach gestaltet. Sie sind nur für Wechselströme geeignet und benötigen einen genügend langen Strom-Nulldurchgang, damit der beim Abschalten entstehende Lichtbogen löscht. Als leistungselektronischer Konverter wäre somit ein DC/AC-Umrichter zwingend erforderlich. Bei Voruntersuchungen konnte aber gezeigt werden, dass übliche AC-Kontakte auch DC-Ströme abschalten können, wenn diese Ströme gepulst sind. Das im Rahmen der Arbeit entwickelte Konzept verwendet daher einen DC/DC-Konverter mit einem nachgeschalteten simplen Ausgangspulser („Chopper“). Durch ein spezielles Regelungsverfahren wird dabei der PV-Eingangsstrom konstant gehalten, sodass es zu keinen Leistungseinbußen infolge der Ausgangsstrompause kommt. Die Arbeit beinhaltet den Entwurf des Gesamtkonzepts, die Basis-Dimensionierung des Leistungsteils mit Berechnung der Bauelemente-Belastungen wie auch die Konzipierung und Erstellung eines Implementierungsvorschlages für ein 600W-Labormuster. Die Funktion des Konzeptes wurde durch Spice-Simulation demonstriert, abgerundet und bestätigt durch erfolgreiche Messungen an einem Testaufbau.

The sun offers as a practically unlimited energy source the possibility to generate electric power with photovoltaic (PV) modules on the one hand. On the other hand, solar thermal use is a possible alternative, in which hot water is prepared using thermal solar collectors. Due to the significant price reduction of PV-modules in the last years, however, the generation of hot water by PV-modules and electric boilers seems to be interesting in certain cases. This is because such a “fully electrical” system avoids hydraulic pipes, heat exchangers or special boilers and pumps.In the presented thesis, therefore, a concept/system is developed which allows photovoltaic hot water generation using standard PV solar modules and a standard electric boiler. It is essential that this system is self-sufficient, i.e. it does not require a connection to the public electric power supply and therefore does not fall under the connection guidelines of classic PV systems or could also be used away from any grid connection. Basically, a power electronic converter to adapt the PV module output voltage to the heating resistor in the boiler in order to operate the PV module at the point of maximum power (MPP) is required. The simplest circuit topology for this is a DC/DC converter (e.g. boost converter), since the boiler heating resistor could in principle also be supplied with direct current. The problem here, however, is that the boiler’s control and safety thermostats are not suitable for DC operation. In common electromechanical thermostats, the electrical contacts are quite simple in design. Consequently, they are suitable only for alternating currents and require a sufficiently long current zero-interval to extinguish the arc that occurs during turn-off. Thus, a DC/AC converter would be mandatory as a power electronic converter. However, preliminary investigations have shown that conventional AC contacts can also switch off DC currents if these currents are pulsed. The concept developed in this work therefore uses a DC/DC converter with a subsequent simple output pulser ("chopper"). In addition, a special control method is used which keeps the PV input current constant within the choppers off-interval such there is no loss of solar power during the output current pause.The work includes the design of the overall concept, the basic dimensioning of the power circuitry with calculation of the component stresses as well as the conceptual design and development of an implementation proposal for a 600W laboratory sample. The function of the concept is demonstrated by spice simulation, rounded off and confirmed by successful measurements on a test setup.