Solarwechselrichter zur Einpeisung (Rückspeisung) von Sonnenenergie ins 50Hz Einphasennetz
Für die Sonnenenergiegewinnung ist ein Solar-Panel-Array erforderlich. Diese Komponente ist nicht Gegenstand der vorliegenden Simulation. Stattdessen wurde eine DC-Spannung von 400Vdc (…450Vdc) zur Speisung des Netzwechselrichters verwendet.
Der Netzwechselrichter speist seine gewonnene Energie ins einphasige 230V/50Hz Netz zurück. Das funktioniert nur, wenn die Ausgangsspannung des Wechselrichters dem Betrag und der Phase der realen Netzspannung entspricht. Ändert sich die reale Netzspannung hinsichtlich Betrag und Phase, so muss der Wechselrichter diese Änderung ausgleichen.
Um das zu erreichen, wird eine Wechselrichtertopologie als H-Vollbrückenschaltung eingesetzt, wobei eine Sinusspannung als pulsbreitenmoduliertes Signal über einen Treiber die MOS-Schalter ansteuert. Der PWM- Modulator besteht aus einer symmetrischen Dreieckspannung „Vtri“ und einer dem Regelzustand entsprechenden, überlagerten, variablen DC-Regelspannung.
Zunächst muss der Istwert der floatenden Netzspannung auf einen Ground GND der gesamten Steuerspannung bezogen werden. Dazu dient ein Differenzsubtrahierer. An dessen Ausgang steht die dividierte Netzspannung zur Verfügung, die über einen Komparator als Rechteckspannung mit synchroner Netzfrequenz abgebildet wird.
Im nächsten Schritt muss die Schaltung dafür sorgen, dass Veränderungen der Netzspannung hinsichtlich der Phasenlage ausgeglichen werden. Dazu dient ein PLL-Regelkreis (phased lock loop), der die Phasenlage in festgelegten Frequenzbereichen (fmin…fmax) nachziehen/nachtrimmen kann. Fmin=10Hz und fmax=100Hz sind dafür ausreichend. Als PLL-Steuerbaustein wurde der CD4046 vorgesehen. Dieser enthält die Module „Phasendetector“, „Integrator“ „VCO (voltage controlled oscillator) mit Ausgangsstufe.
Ändert sich beispielsweise die Phasenlage der Original-Netzspannung um X°, dann reagiert der PLL-Ausgang mit exakt einer Phasenänderung um eben diesem X°-Anteil. Da die Ausgangsspannung aber rechteckig ist und noch in eine Sinusspannung umgesetzt werden muss, bietet sich eine Filterschaltung höherer Ordnung an. In der LTspice-lib habe ich ein Butterworth-Modell gefunden, das eine hochgenaue Sinusspannung erzeugt. Damit nicht genug. Die Sinusspannung hat zwar eine konstante Phasendifferenz zur Netzspannung, ist aber noch um ca. 45° versetzt. Um dies auszugleichen, ist ein Phasenschieber erforderlich. Jetzt steht an dessen Aushang eine zur Netzspannung phasensynchrone Spannung zur Verfügung, die lediglich noch für den richtigen Sollwert-Strompegel aufbereitet werden muss. Für die Sollwertvorgabe wird dann noch ein Multiplzierer mit Konstantwert und Phasenschieberausgang verbunden und an den Eingang eines Regelverstärkers U5 gegeben, der den Stromsollwert Iref mit dem Stromistwert Iist vergleicht und an den PWM-Modulator weiterreicht.
Was leider mit analogen Mitteln kompliziert anmutet, ist dadurch zu erklären, dass LTspice eben ein Analog-Simulator ist und elegantere Lösungen mit dem Einsatz eines Mikrokontrollers nicht zu stemmen sind.
Für die Sonnenenergiegewinnung ist ein Solar-Panel-Array erforderlich. Diese Komponente ist nicht Gegenstand der vorliegenden Simulation. Stattdessen wurde eine DC-Spannung von 400Vdc (…450Vdc) zur Speisung des Netzwechselrichters verwendet.
Der Netzwechselrichter speist seine gewonnene Energie ins einphasige 230V/50Hz Netz zurück. Das funktioniert nur, wenn die Ausgangsspannung des Wechselrichters dem Betrag und der Phase der realen Netzspannung entspricht. Ändert sich die reale Netzspannung hinsichtlich Betrag und Phase, so muss der Wechselrichter diese Änderung ausgleichen.
Um das zu erreichen, wird eine Wechselrichtertopologie als H-Vollbrückenschaltung eingesetzt, wobei eine Sinusspannung als pulsbreitenmoduliertes Signal über einen Treiber die MOS-Schalter ansteuert. Der PWM- Modulator besteht aus einer symmetrischen Dreieckspannung „Vtri“ und einer dem Regelzustand entsprechenden, überlagerten, variablen DC-Regelspannung.
Zunächst muss der Istwert der floatenden Netzspannung auf einen Ground GND der gesamten Steuerspannung bezogen werden. Dazu dient ein Differenzsubtrahierer. An dessen Ausgang steht die dividierte Netzspannung zur Verfügung, die über einen Komparator als Rechteckspannung mit synchroner Netzfrequenz abgebildet wird.
Im nächsten Schritt muss die Schaltung dafür sorgen, dass Veränderungen der Netzspannung hinsichtlich der Phasenlage ausgeglichen werden. Dazu dient ein PLL-Regelkreis (phased lock loop), der die Phasenlage in festgelegten Frequenzbereichen (fmin…fmax) nachziehen/nachtrimmen kann. Fmin=10Hz und fmax=100Hz sind dafür ausreichend. Als PLL-Steuerbaustein wurde der CD4046 vorgesehen. Dieser enthält die Module „Phasendetector“, „Integrator“ „VCO (voltage controlled oscillator) mit Ausgangsstufe.
Ändert sich beispielsweise die Phasenlage der Original-Netzspannung um X°, dann reagiert der PLL-Ausgang mit exakt einer Phasenänderung um eben diesem X°-Anteil. Da die Ausgangsspannung aber rechteckig ist und noch in eine Sinusspannung umgesetzt werden muss, bietet sich eine Filterschaltung höherer Ordnung an. In der LTspice-lib habe ich ein Butterworth-Modell gefunden, das eine hochgenaue Sinusspannung erzeugt. Damit nicht genug. Die Sinusspannung hat zwar eine konstante Phasendifferenz zur Netzspannung, ist aber noch um ca. 45° versetzt. Um dies auszugleichen, ist ein Phasenschieber erforderlich. Jetzt steht an dessen Aushang eine zur Netzspannung phasensynchrone Spannung zur Verfügung, die lediglich noch für den richtigen Sollwert-Strompegel aufbereitet werden muss. Für die Sollwertvorgabe wird dann noch ein Multiplzierer mit Konstantwert und Phasenschieberausgang verbunden und an den Eingang eines Regelverstärkers U5 gegeben, der den Stromsollwert Iref mit dem Stromistwert Iist vergleicht und an den PWM-Modulator weiterreicht.
Was leider mit analogen Mitteln kompliziert anmutet, ist dadurch zu erklären, dass LTspice eben ein Analog-Simulator ist und elegantere Lösungen mit dem Einsatz eines Mikrokontrollers nicht zu stemmen sind.
