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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung und eine Schaltungsanordnung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung und eine zugehörige Schaltungsanordnung zur Verfügung zu stellen, die einen hohen Wirkungsgrad bei gleichzeitig geringer Störemission aufweisen.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 10.
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Das Verfahren dient zum Betreiben einer Schaltungsanordnung. Die Schaltungsanordnung weist mindestens einen getakteten Gleichspannungswandler, beispielsweise einen Hochsetzsteller oder Boost-Converter, zur Erzeugung einer, insbesondere auf einen vorgebbaren Sollwert geregelten, Zwischenkreisspannung aus einer Eingangsspannung mit veränderlichem Pegel auf. Der Gleichspannungswandler kann als Maximum Power Point (MPP)-Tracker dienen bzw. betrieben werden.
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Der mindestens eine Gleichspannungswandler weist einen Eingang zum Anschließen mindestens eines Photovoltaikmoduls bzw. PV-Generators und einen Ausgang zum Anschließen eines Photovoltaik(PV)-Wechselrichters und Ausgeben der Zwischenkreisspannung auf.
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Der mindestens eine Gleichspannungswandler weist mindestens zwei Betriebszustände auf. Einer der Betriebszustände ist ein Entkopplungsbetriebszustand, während dem ein Stromfluss von seinem Ausgang in Richtung seines Eingangs verhindert ist bzw. eine elektrische Entkopplung zwischen Ausgang und Eingang vorliegt. Der Entkopplungsbetriebszustand stellt sich beispielsweise abhängig von einem Schaltzustand eines getaktet angesteuerten Schaltmittels ein.
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Die Schaltungsanordnung weist weiter einen, insbesondere genau einen, Photovoltaik(PV)-Wechselrichter auf, der eingangsseitig mit dem Ausgang des Gleichspannungswandlers gekoppelt ist und der ausgangsseitig beispielsweise mit einem Wechselspannungsnetz gekoppelt ist.
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Der PV-Wechselrichter weist eine Brückenschaltung auf, die in einer unipolaren oder einer bipolaren Betriebsart betreibbar ist. In der bipolaren Betriebsart weist die Brückenschaltung einen ersten oder einen zweiten Schaltzustand auf. In dem ersten Schaltzustand wird die Zwischenkreisspannung an einem Brückenschaltungsausgang ausgegeben und in dem zweiten Schaltzustand wird die negierte Zwischenkreisspannung an dem Brückenschaltungsausgang ausgegeben. In der unipolaren Betriebsart weist die Brückenschaltung zusätzlich noch einen dritten Schaltzustand auf, wobei in dem dritten Schaltzustand keine Spannung an dem Brückenschaltungsausgang ausgegeben wird. Im Übrigen sei insoweit auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen, um Wiederholungen zu vermeiden.
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Der mindestens eine Gleichspannungswandler und der PV-Wechselrichter werden derart zueinander synchronisiert betrieben bzw. getaktet, dass der PV-Wechselrichter zumindest temporär in seiner unipolaren Betriebsart betrieben wird, wobei der dritte Schaltzustand der unipolaren Betriebsart nur während des Entkopplungsbetriebszustands des Gleichspannungswandlers eingestellt wird.
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Für PV-Wechselrichter mit Brückenschaltungen, beispielsweise in H4-Topologie, existieren unterschiedliche Ansteuerungsverfahren, beispielsweise bipolares Schalten (bipolare Betriebsart) und unipolares Schalten (unipolare Betriebsart). Bei Verwendung der unipolaren Betriebsart lässt sich ein höherer Wirkungsgrad erzielen, da hier drei Schaltzustände mit zugehörigen Spannungspegeln nutzbar sind.
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Aufgrund der Problematik kapazitiver Ableitströme über PV-Modulrahmen ist es wünschenswert, dass ein Potential an einem Anschluss für PV-Module (DC-Eingang) nicht springt. Diese Randbedingung verhindert jedoch herkömmlich die Verwendung des unipolaren Schaltens.
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Der Gleichspannungswandler bietet nun die Möglichkeit, dem Problem kapazitiver Ableitströme bei unipolarem Schalten zu begegnen. Durch synchronisierte Ansteuerung von Gleichspannungswandler und PV-Wechselrichter kann trotz unipolarer Betriebsart ein Potentialsprung an dem Anschluss für die PV-Module vermieden werden.
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Wenn beispielsweise ein Gleichspannungswandler in Form eines Hochsetzstellers (HSS) verwendet wird, ist in der so genannten Boostphase des HSS der DC-Eingang über eine Diode des HSS entkoppelt. Solange der DC-Eingang entkoppelt ist, beeinflussen Schaltzustandswechsel des PV-Wechselrichters das Potential des DC-Eingangs nicht. Während dieses Entkopplungsbetriebszustands ist es daher zulässig, die Betriebsart des PV-Wechselrichters auf die unipolare Betriebsart zu ändern und damit eine Wirkungsgradverbesserung zu bewirken. Bei Betrieb außerhalb des Entkopplungsbetriebszustands bzw. der Boostphase kann der PV-Wechselrichter in seiner bipolaren Betriebsart betrieben bzw. getaktet werden.
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Der Gleichspannungswandler kann mindestens ein getaktet angesteuertes Gleichspannungswandler-Schaltmittel aufweisen, beispielsweise in Form eines Transistors, wobei der Gleichspannungswandler den Entkopplungsbetriebszustand dann aufweist bzw. einnimmt, wenn das Gleichspannungswandler-Schaltmittel einen vorgegebenen Schaltzustand aufweist. Für den Fall eines Gleichspannungswandlers in Form eines Hochsetzstellers ist der Entkopplungsbetriebszustand üblicherweise bei geschlossenem Schaltzustand gegeben und für den Fall eines Gleichspannungswandlers in Form eines Tiefsetzstellers ist der Entkopplungsbetriebszustand üblicherweise bei geöffnetem Schaltzustand gegeben.
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Die Brückenschaltung kann eine H4-Brückenschaltung sein.
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Das Gleichspannungswandler-Schaltmittel kann mittels eines pulsweitenmodulierten Signals angesteuert werden, das einen variablen Tastgrad innerhalb sich wiederholender Schaltzyklen aufweist. Der Tastgrad kann beispielsweise als Stellgröße einer Zwischenkreisspannungsregelung dienen. Beispielsweise kann der Tastgrad vergrößert werden, wenn die Zwischenkreisspannung kleiner als ein Sollwert ist, und umgekehrt. Ansteuersignale für die Brückenschaltung bzw. deren Schaltmittel können innerhalb mindestens eines der Schaltzyklen derart erzeugt werden, dass sich die unipolare Betriebsart bzw. deren dritter Schaltzustand einstellt.
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Der Gleichspannungswandler kann ein Hochsetzsteller oder ein Tiefsetzsteller sein.
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Der PV-Wechselrichter kann ein einphasiger PV-Wechselrichter sein. Zwischen Ausgangspole des Ausgangs, an dem die Zwischenkreisspannung ausgegeben ist, können ein Zwischenkreisfreischalt-Schaltmittel und ein Zwischenkreiskondensator in Serie eingeschleift sein.
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Das Zwischenkreisfreischalt-Schaltmittel kann bevor der dritte Schaltzustand der unipolaren Betriebsart eingestellt wird und/oder in Abhängigkeit von einem Pegel einer Netzwechselspannung geöffnet werden.
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Mittels des optionalen Zwischenkreisfreischalt-Schaltmittels zur temporären Freischaltung des Zwischenkreises kann ein stromfreies Schalten der Brückenschaltung realisiert werden, da bei einem Öffnen des Zwischenkreisfreischalt-Schaltmittels ein Stromfluss durch das in Kürze zu öffnende Schaltmittel der Brückenschaltung abgeschaltet wird. Der Strom fließt dann stattdessen durch eine Freilaufdiode des komplementären Schaltmittels der Brückenschaltung. Ein Schaltzeitpunkt zum Öffnen des Zwischenkreisfreischalt-Schaltmittels kann beispielsweise im Bereich von π/4 bis 3π/4 des Netzspannungsphasenverlaufs gewählt werden, so dass ein im Wesentlichen spannungsfreies bzw. spannungsarmes Öffnen des Zwischenkreisfreischalt-Schaltmittels erfolgen kann. Auf diese Weise kann eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades erzielt werden.
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Der PV-Wechselrichter kann abwechselnd in seiner unipolaren Betriebsart und in seiner bipolaren Betriebsart betrieben werden. Beispielsweise kann im Bereich von Nulldurchgängen einer Phase eines Wechselspannungsnetzes, in das der PV-Wechselrichter einspeist, ab einem von einer MPP-Spannung des Gleichspannungswandlers abhängigen Grenzwert kurzzeitig auf eine bipolare Betriebsart umgeschaltet werden und anschließend wieder auf die unipolare Betriebsart umgeschaltet werden, wobei sich dieser Vorgang zyklisch wiederholt.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann eine Steuereinheit aufweisen, beispielsweise in Form eines Mikrocontrollers bzw. eines digitalen Signalprozessors (DSP), die dazu ausgebildet ist, den Gleichspannungswandler und den PV-Wechselrichter bzw. deren Schaltmittel derart anzusteuern, dass der PV-Wechselrichter zumindest zeitweise in seiner unipolaren Betriebsart betrieben wird, wobei der dritte Schaltzustand der unipolaren Betriebsart nur während des Entkopplungsbetriebszustands des Gleichspannungswandlers eingestellt wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigt schematisch:
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1 eine Schaltungsanordnung mit einem Gleichspannungswandler und einem PV-Wechselrichter,
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2 einen Signalfluss der in 1 gezeigten Schaltungsanordnung im Bereich eines positiven Maximums einer Netzspannung und
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3 einen Signalfluss der in 1 gezeigten Schaltungsanordnung im Bereich eines Nulldurchgangs der Netzspannung.
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1 zeigt eine Schaltungsanordnung 1 mit einem Gleichspannungswandler in Form eines Hochsetzstellers 2, einem nachgeschalteten einphasigen PV-Wechselrichter 6 und einer zentralen Steuereinrichtung 9 in Form eines digitalen Signalprozessors.
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Der PV-Wechselrichter 6 ist herkömmlich über Spulen L2 und L3 mit einer Phase eines Wechselspannungsnetzes 10 gekoppelt und speist Energie in das Wechselspannungsnetz 10 ein, die von einem oder mehreren PV-Generatoren bzw. PV-Modulen 4 bereitgestellt wird.
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Der Hochsetzsteller 2 dient zur Erzeugung einer auf einen vorgebbaren Sollwert geregelten Zwischenkreisspannung UZK aus einer variablen Eingangsspannung, die mittels des oder der PV-Generatoren 4 erzeugt wird.
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Der Hochsetzsteller 2 weist einen Eingang 3 zum Anschließen des mindestens einen PV-Generators 4 und einen Ausgang 5 zum Anschließen des PV-Wechselrichters 6 und Ausgeben der Zwischenkreisspannung UZK auf.
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Der Hochsetzsteller 2 weist einen dem Eingangsanschluss 3 parallel geschalteten Eingangskondensator C1, eine Spule L1, ein erstes ansteuerbares Schaltmittel (Gleichspannungswandler-Schaltmittel) S5, eine Diode D1, ein optionales zweites ansteuerbares Schaltmittel (Zwischenkreisfreischalt-Schaltmittel) S6 und einen Zwischenkreiskondensator C2 auf.
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Der Zwischenkreiskondensator C2 puffert die Zwischenkreisspannung UZK. Der Zwischenkreiskondensator C2 kann als Parallelschaltung eines Kondensators und einer Batterie gebildet sein.
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Die Spule L1 und die Diode D1 sind in Serie zwischen einen Pol des Eingangsanschlusses 3 und einen Pol des Ausgangsanschlusses 5 eingeschleift.
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Das erste Schaltmittel S5 ist zwischen einen Verbindungsknoten der Spule L1 und der Diode D1 und den anderen Pol des Eingangsanschlusses bzw. des Ausgangsanschlusses eingeschleift.
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Das zweite Schaltmittel S6 und der Zwischenkreiskondensator C2 sind in Serie zwischen die Anschlusspole des Ausgangsanschlusses 5 eingeschleift.
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Der Hochsetzsteller 2 weist in Abhängigkeit vom Schaltzustand des ersten Schaltmittels S5 zwei Betriebszustände auf, nämlich einen Entkopplungsbetriebszustand bei geschlossenem Schaltmittel S5, während dem ein Stromfluss vom Ausgang 5 in Richtung des Eingangs 3 verhindert ist, und einen weiteren Betriebszustand bei geöffnetem Schaltmittel S5.
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Der PV-Wechselrichter 6 weist eine Brückenschaltung 7 mit in H-Topologie verschalteten Schaltmitteln S1 bis S4 auf, wobei die Brückenschaltung 7 in einer unipolaren oder einer bipolaren Betriebsart betreibbar ist. Der PV-Wechselrichter 6 kann als 4-Quadranten-Wechselrichter bidirektional arbeiten.
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In der bipolaren Betriebsart weist die Brückenschaltung 7 einen ersten oder einen zweiten Schaltzustand auf bzw. kann den ersten und den zweiten Schaltzustand einnehmen. In dem ersten Schaltzustand (S1 und S4 sind geschlossen, S2 und S3 sind geöffnet) wird die Zwischenkreisspannung UZK an einem Brückenschaltungsausgang 8 ausgegeben. In dem zweiten Schaltzustand (S1 und S4 sind offen, S2 und S3 sind geschlossen) wird die negierte Zwischenkreisspannung -UZK an dem Brückenschaltungsausgang 8 ausgegeben.
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In der unipolaren Betriebsart weist die Brückenschaltung 7 zusätzlich noch einen dritten Schaltzustand auf bzw. kann den dritten Schaltzustand einnehmen, während dem keine Spannung an dem Brückenschaltungsausgang 8 ausgegeben wird. Während des dritten Schaltzustands kann beispielsweise S1 geschlossen und S2 bis S4 können offen sein.
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Im Übrigen sei insoweit auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen, um Wiederholungen zu vermeiden.
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Das Verfahren zum Betreiben der in 1 gezeigten Schaltungsanordnung 1 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2 und 3 detailliert beschrieben.
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2 zeigt einen Signalfluss der in 1 gezeigten Schaltungsanordnung 1 im Bereich eines positiven Maximums der Phase der Netzspannung 10.
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Ansteuersignale US1 bis US6 werden mittels der Steuereinrichtung 9 erzeugt, wobei das Ansteuersignal US1 dem Schaltmittel S1 zugeordnet ist, das das Ansteuersignal US2 dem Schaltmittel S2 zugeordnet ist, usw.
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In 2 ist ein Schaltzyklus SZ gegliedert in sechs Zustände Z1 bis Z6 dargestellt, wobei der Schaltzyklus SZ eine Basis bzw. Periode für eine Pulsweitenmodulationsansteuerung des Gleichspannungswandler-Schaltmittels S5 darstellt.
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Im ersten Zustand Z1 werden die Ansteuersignale US1 bis US6 derart erzeugt, dass die Schaltmittel S1, S4, S5 und S6 geschlossen sind und die verbleibenden Schaltmittel S2 und S3 geöffnet sind.
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Im folgenden zweiten Zustand Z2 werden die Ansteuersignale US1 bis US6 derart erzeugt, dass die Schaltmittel S1, S4 und S6 geschlossen sind und die verbleibenden Schaltmittel S2, S3 und S5 geöffnet sind, d.h. das Schaltmittel S5 wird geöffnet. Im zweiten Zustand Z2 lädt der Hochsetzsteller 2 den Zwischenkreiskondensator C2.
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Im folgenden dritten Zustand Z3 werden die Ansteuersignale US1 bis US6 derart erzeugt, dass die Schaltmittel S1, S4, S5 und S6 geschlossen sind und die verbleibenden Schaltmittel S2 und S3 geöffnet sind, d.h. das Schaltmittel S5 wird wieder geschlossen, so dass das Photovoltaikmodul 4 von dem PV-Wechselrichter 6 entkoppelt ist.
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Im folgenden vierten Zustand Z4 werden die Ansteuersignale US1 bis US6 derart erzeugt, dass die Schaltmittel S1, S4 und S5 geschlossen sind und die verbleibenden Schaltmittel S2, S3 und S6 geöffnet sind, d.h. das Schaltmittel S6 wird geöffnet, wobei das Öffnen des Schaltmittels S6 in Abhängigkeit von einem Pegel der Phase der Netzwechselspannung 10 derart erfolgt, dass ein spannungsarmes Öffnen möglich ist.
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Im folgenden fünften Zustand Z5 werden die Ansteuersignale US1 bis US6 derart erzeugt, dass die Schaltmittel S1, S3 und S5 geschlossen sind und die verbleibenden Schaltmittel S2, S4 und S6 geöffnet sind, d.h. das Schaltmittel S3 wird geschlossen und das Schaltmittel S4 wird geöffnet, so dass sich der dritte Schaltzustand der unipolaren Betriebsart einstellt. Aufgrund des geschlossenen Schaltmittels S5 ist der DC-Eingang 3 vom PV-Wechselrichter 6 entkoppelt, so dass Potentialsprünge aufgrund der unipolaren Betriebsart auf der DC-Seite vermieden werden können.
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Im folgenden sechsten Zustand Z6 werden die Ansteuersignale US1 bis US6 derart erzeugt, dass die Schaltmittel S1, S3, S5 und S6 geschlossen sind und die verbleibenden Schaltmittel S2 und S4 geöffnet sind, d.h. das Schaltmittel S6 wird geöffnet. Anschließend beginnt der Zyklus erneut.
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3 zeigt einen Signalfluss der in 1 gezeigten Schaltungsanordnung 1 im Bereich eines Nulldurchgangs der Netzspannung.
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Bis auf die veränderten Dauern der Zustände Z1 bis Z6 entspricht der Signalfluss dem in 2 gezeigten. Insoweit sei auf die diesbezügliche Beschreibung verwiesen.
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Das Schaltmittel S3 kann beispielsweise nur in Blindleistungsphasen (Phasen während einer Taktperiode SZ, während denen Strom und Spannung in entgegengesetzter Richtung auftreten) eingeschaltet werden. Das Schaltmittel S6 kann in Blindleistungsphasen konstant angeschaltet bleiben.
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Im Bereich der Nulldurchgänge der Phase des Wechselspannungsnetzes 10 kann ab einem von einer MPP-Spannung abhängigen Grenzwert kurzzeitig auf eine bipolare Betriebsart umgeschaltet werden.
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Die Diode D1 kann durch einen getakteten MOSFET (im Rückwärtsbetrieb) oder eine Parallelschaltung aus Diode und MOSFET ersetzt werden, um eine getaktete Gleichrichtung zu realisieren.
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In den gezeigten Ausführungsformen der Erfindung ist ein einzelner Gleichspannungswandler in Form des Hochsetzstellers 2 beschrieben. Es versteht sich, dass anstelle des Hochsetzstellers 2 bei Bedarf auch ein Tiefsetzsteller verwendet werden kann.
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Weiter können anstelle eines einzelnen Gleichspannungswandlers auch mehrere Gleichspannungswandler verwendet werden, die dann mit dem PV-Wechselrichter 6 wie oben beschrieben synchronisiert betrieben werden. Die Gleichspannungswandler, die beispielsweise dazu ausgebildet sein können, ein MPP-Tracking durchzuführen, können hierbei während ihres Betriebs aufgrund des MPP-Trackings unterschiedliche Tastgrade aufweisen.
