Modellprädiktive Regelung einer transformatorlosen CSI7-Photovoltaikanlage zur Reduzierung von Ableitstrom und Klirrfaktor

Stromquellen-Wechselrichter (CSIs) haben aufgrund ihrer inhärenten Strombegrenzungsfähigkeiten und ihrer überragenden Zuverlässigkeit bei netzgekoppelten Photovoltaikanwendungen große Beachtung gefunden. Unter diesen hat sich die Modifikation des Sieben-Schalter-CSI (CSI7) mit einem internen Stromrückführungspfad als vielversprechende transformatorlose Lösung zur Isolierung von Leckströmen herauskristallisiert. Die Regelung dieser „ hardware “ stellt jedoch eine Herausforderung dar. Die herkömmliche Raumvektor-PWM (SVPWM) geht von einem konstanten Zwischenkreisstrom aus, wodurch sie unter den stark schwankenden Gleichstrommoduli versagt, die durch den häufigen Betrieb des siebten Schalters entstehen. Darüber hinaus führt die direkte Anwendung einer standardmäßigen prädiktiven Regelung auf diese „ hardware “ aufgrund variabler Schaltfrequenzen zu starken hochfrequenten Resonanzen innerhalb des Rückleitungspfads. Dieser Beitrag schließt diese Lücken durch den Vorschlag einer fortschrittlichen, für „ hardware “ optimierten Finite-Control-Set-Model-Predictive-Control-Strategie (FCS-MPC). Erstens integriert das vorgeschlagene Rahmenkonzept die dynamische Gleichstrombegleitung direkt in das prädiktive Modell. Dies passt sich zeitabhängigen Schwankungen an, unterdrückt aktiv Welligkeit und ermöglicht den Einsatz einer deutlich kleineren Gleichstrominduktivität. Zweitens wird zur Beseitigung hochfrequenter Resonanzen eine neuartige Kommutierungsstrategie mit Überlappungszeit eingeführt; durch die Umleitung des Stroms über den Bypass-Schalter (S7) während aktiver Vektorübergänge verhindert sie Resonanzen und gewährleistet gleichzeitig das Nullstromschalten (ZCS) für die Hauptschalter (S1–S6). Schließlich wird eine Kostenfunktion mit drei Zielgrößen formuliert, um zeitliche Abweichungen der vorhergesagten Gleichtaktspannung (CMV) direkt zu bestrafen und so die Ursache des Erdleckstroms zu unterdrücken. Umfassende „ Hardware-in-the-Loop“-Tests (HIL) und physikalische Validierungen unter dynamisch variierenden Betriebsbedingungen zeigen, dass die vorgeschlagene FCS-MPC im Vergleich zu herkömmlichen CSI7-Reglern eine überlegene Robustheit, erhebliche Reduzierungen der Gesamtklirrfaktor (THD) und eine effektive Minderung des Leckstroms bietet.