- Forschungsprojekt
Hochdynamischer PV-Modul Kennlinien-Simulator
Das PV-Labor entwickelt und fertigt eigene PV-Modul-Simulatoren (PVMS), um höchste Anforderungen bei Tests von Mikrowechselrichtern und Optimierern zu erfüllen – mit Fokus auf Kennlinientreue und Dynamik.
Steckbrief
- Beteiligte Departemente Technik und Informatik
- Institut(e) Institut für Energie- und Mobilitätsforschung
- Forschungseinheit(en) IEM / Photovoltaiksysteme
- Laufzeit (geplant) 01.01.2025 - 31.12.2026
- Projektleitung Theo Zwahlen
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Projektmitarbeitende
Simon Remo Fiechter
Luciano Borgna
Hector Tobias Rodriguez Villalobos
David Joss
Ausgangslage
Um Photovoltaikmodule oder -anlagen für Tests im Labor zu emulieren, werden spezielle DC-Quellen eingesetzt. Sie imitieren das nichtlineare Strom-Spannungs-Verhalten von PV-Modulen (IU-Charakteristik) durch eine spannungsabhängige Stromregelung am Ausgang. Am Markt verfügbare DC-Quellen, insbesondere im tiefen Leistungsbereich (bis ca. 3 kW), können zwar grösstenteils zum Testen von Wechselrichtern verwendet werden, bilden aufgrund ihrer langsamen Regelung und den hohen Ausgangskapazitäten die PV-Module jedoch nicht realistisch ab. Dies führt dazu, dass sie das Verhalten von Wechselrichtern beeinflussen, insbesondere beim Aufstarten, bei der Leistungsregelung oder bei der Erkennung von Lichtbögen. Zum Beispiel starten einige PV-Systeme an handelsüblichen Geräten gar nicht erst, da sie einen Isolationsfehler detektieren. Andere Quellen eignen sich nicht für Messungen, wie der Wirkungsgradmessung, weil sie das Resultat verfälschen.
Am Labor ist viel Erfahrung zum Betriebsverhalten und im Bau von sogenannten PV-Simulatoren vorhanden. Mit dieser Ausgangslage und mit dem Fakt, dass im erwähnten Leistungsbereich die Qualität der Simulatoren nicht mit dem Preisniveau korrespondiert, wurde 2025 der Entscheid gefällt, eine neue Generation solcher Simulatoren selbst zu bauen.
PV-Simulatoren am PV-Labor: Eine lange Vorgeschichte
Seit 1989 testet das Labor für Photovoltaiksysteme Wechselrichter; seit 1994 steht dafür eine frei verschaltbare PV-Anlage mit einer Spitzenleistung von 60 kW zur Verfügung. Gegen Ende der 90er Jahre wurde erstmals eine DC-Quelle zur Emulation von PV-Anlagen angeschafft. Es stellte sich heraus, dass dieses Gerät aufgrund seiner schlechten elektrischen Eigenschaften nicht für Wechselrichtertests einsetzbar war. Daraufhin wurde der erste Simulator am Labor für Photovoltaiksysteme selbst entwickelt und gebaut. Im Zeitraum zwischen 1999 und 2009 wurden insgesamt drei PV-Array Simulatoren mit 25 kW, 20 kW und 100 kW gebaut. 2013 erfolgte die Ergänzung mit den ersten PV-Modul-Simulatoren. 2017 ging dann der erste Multi-Strang PV-Array Simulator mit dreimal 15 kW in Betreib. Dieser ermöglichte erstmals eine synchrone Versorgung mehrerer Maximum Power Point Tracker (MPPT) eines Multi-Stang Wechselrichters. Im Abschlussbericht unter Download können die Details nachgelesen werden.
Im Jahr 2024 startete das Beschaffungsverfahren eines weiteren Multi-Strang PV-Array-Simulators. Nach einer ersten Testrunde im Labor zeigte sich, das keines der drei angebotenen Systeme die Musskriterien erfüllen konnte. Das Verfahren wurde daher abgebrochen und neu ausgelegt. Im Anschluss erfolgten Messungen mit sechs am Markt erhältlichen PV-Array-Simulatoren, ohne dass eines der Geräte die Kriterien erfüllte. Erst nach einer Entwicklungskooperation mit dem vielversprechendsten Hersteller erfolgte schliesslich der Kauf von einem Multi Strang PV-Array Simulator mit sechsmal 27 kW Ausgangsleistung – also total 162 kW. Neben der soliden Partnerschaft zu jenem Hersteller resultierte aus dem Verfahren eine wissenschaftliche Publikation, die erstmalig beschreibt, wie solche Simulatoren systematisch getestet, bewertet und verglichen werden können. Das Paper ist unter Download verlinkt. Seit 2025 arbeitet das PV-Labor an der neuesten Generation von Eigenbau-PV-Modul-Simulatoren.
Herausforderungen und Ziele
Bereits 2022 startete das PV-Labor den Bau eines MLPE-Prüfstands mit 15 verbauten Einzelquellen. MLPE steht für Module-Level Power Electronics – quasi als Überbegriff für Modulwechselrichter oder Leistungsoptimierer. Dabei wird jedes PV-Modul einzeln emuliert, damit die MLPE-basierten Systeme getestet werden können. Der Bau erfolgte mit am Markt beschafften PV-Simulatoren, jedoch war das Ergebnis nur bedingt zufriedenstellend. Einmal mehr war die Kennlinientreue eine Herausforderung. Neben anderen Problemen verfügen die verbauten Quellen über so grosse Ausgangsfilter, dass die Kommunikation von Optimizern, welche bei einigen Systemen auf die DC-Verbindung moduliert wird, herausgefiltert und so verunmöglicht wird. Dieses Problem konnte zwar teilweise mit dem Bau eines Entkopplungsnetzwerk behoben werden. Trotzdem bietet der Prüfstand keine umfänglich zufriedenstellende Lösung. Im Projekt wird deshalb ein hochdynamischer PV-Modul-Simulator entwickelt und gebaut. Damit können IU-Kennlinien mit einer Leerlaufspannung bis zu 60 V und einem Kurzschlussstrom bis zu 20 A emuliert werden. Die Kurvenform kann frei parametriert werden und somit beliebige Verschattungsszenarien imitieren. Der Simulator unterstützt sowohl das Abfahren von Einstrahlungsprofilen (Sonnenverlauf), wie auch die schnelle Umschaltung zwischen verschiedenen Kennlinien, wodurch beispielsweise bewegte Verschattungen emuliert werden können. Das Projekt beinhaltet ausserdem die Entwicklung einer soliden Firm- und Software, wodurch der PV-Modul-Simulator bedient und auch im Verbund mit mehreren anderen Simulatoren synchron gesteuert werden kann. Des Weiteren kann das Gerät auch im Handbetrieb, also ohne Steuercomputer, beispielsweise im Rahmen von Studierendenarbeiten, eingesetzt werden.
Konzept und Ergebnisse
Der Grundstein für die Entwicklung dieser neusten Generation wurde in einer Bachelorarbeit und dem damit verbundenen Bau eines Prototyps gelegt. Die Bachelorarbeit kann bei den Download eingesehen werden.
Der Simulator besteht aus einem Trenntransformator, einem vorgelagerten handelsüblichen DC-Netzteil für die Spannungsbereitstellung und einer linearen Endstufe. Eine zusätzliche Leiterplatte deckt die Logik, SW-Konnektivität und Bedieneinheit ab. Auf ihr ist die Regelung wie auch die IU-Kennlinien-Charakterisierung hinterlegt.
Um den hohen Ansprüchen an die Dynamik gerecht zu werden, ist die IU-Charakteristik auf einem Speicher hinterlegt, welcher direkt über die Messgrösse angesteuert wird, um den Stromsollwert abzurufen. Dadurch erfolgt die Regelung sehr schnell, ohne dass der Mikrokontroller belastet wird. Der Kontroller übernimmt lediglich die Skalierung der Kennlinie, damit der Kurzschlussstrom und die Leerlaufspannung mit den parametrierten Werten übereinstimmen. Über die Skalierung erfolgt auch die Anpassung der Einstrahlung bei einem programmierten Sonnenverlauf. Falls bewegte Verschattungen emuliert werden sollen, kann der Mikrokontroller zwischen verschiedenen Kennlinien umschalten. Die Kennlinien sind mit rund 4000 Stützstellen abgespeichert. Es können bis zu 8000 unterschiedliche Kennlinien hinterlegt werden. Anhand des Prototypen konnten die Funktionsfähigkeit und die erreichte Performance gezeigt werden. Neben dem Bau der restlichen Simulatoren erfolgt eine laufende Erweiterung und Verbesserung der Software.
Interessiert?
Haben Sie Erfahrungen, Interesse oder Fragen bezüglich der realitätsnahen Emulation von PV-Systemen? Oder sind Sie interessiert an einem Vergleichstest Ihrer Quelle gegenüber der Konkurrenz? Zögern Sie nicht, uns zu kontaktieren. Wir freuen uns über einen Austausch und auf eine mögliche Zusammenarbeit!
