AT505143B1

AT505143B1 - Verfahren zur steuerung eines wechselrichters und wechselrichter

Info

Publication number: AT505143B1
Application number: AT0074207A
Authority: AT
Original assignee: Fronius Int Gmbh
Priority date: 2007-05-14
Filing date: 2007-05-14
Publication date: 2012-03-15
Also published as: ES1072801U; CN201966628U; DE212008000035U1; AU2008101271A4; AU2008250994A1; ES1072801Y; WO2008138020A1; AT505143A1

Description

österreichisches Patentamt AT505 143B1 2012-03-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Wechselrichters, welcher die von einer Energiequelle erzeugte Gleichspannung über zumindest einen Eingangs-DC-DC-Wandler, einen Zwischenkreis und einen Ausgangs-DC-AC-Wandler in eine Wechselspannung zur Versorgung von Verbrauchern und bzw. oder zur Einspeisung in ein Versorgungsnetz umwandelt, wobei die Komponenten des Wechselrichters mit einer Steuervorrichtung gesteuert werden.

[0002] Ebenso betrifft die Erfindung einen Wechselrichter zur Umwandlung der von einer Energiequelle erzeugten Gleichspannung über zumindest einen Eingangs-DC-DC-Wandler, einen Zwischenkreis und einen Ausgangs-DC-AC-Wandler in eine Wechselspannung zur Versorgung von Verbrauchern und bzw. oder zur Einspeisung in ein Versorgungsnetz, wobei der Eingangs-DC-DC-Wandler mit einer Steuervorrichtung verbunden ist. Der Wechselrichter wird bevorzugt durch einen Hochfrequenz (HF)-Wechselrichter gebildet.

[0003] Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, einen netzgekoppelten Wechselrichter derart zu erweitern, dass bei einem Netzausfall die Verbraucher weiterhin mit Energie versorgt werden können.

[0004] Die JP 2005-137124 A zeigt eine Solaranlage mit einem parallel angeordneten Energiespeicher, der durch eine Energiesparschaltung für optimalen Wirkungsgrad entsprechend geregelt wird, sodass die Verbraucher optimal und störungsfrei mit elektrischer Energie versorgt werden können.

[0005] Die JP 2005-117871 A beschreibt ein Batterieladegerät, welches den Anschluss einer zu ladenden Batterie erkennt und dazu einen Ladeimpulsgenerator entsprechend regelt.

[0006] Die US 6,239,579 B1 betrifft eine Vorrichtung für das Management eines Batteriepakets, bei der eine Steuervorrichtung Schalter entsprechend ansteuert um einzelne Batteriemodule unter Last zu testen ohne die Ladekapazität des gesamten Batteriepakets zu gefährden.

[0007] Die JP 2006-320099 A zeigt ein System zur Speicherung elektrischer Energie, welches bei Erkennung eines Spannungseinbruchs des Versorgungsnetzes eine Versorgung zumindest der wichtigsten Verbraucher mit elektrischer Energie über eine Batterie gewährleistet.

[0008] Die JP 08-223816 A beschreibt ein Wechselrichtersystem mit einer Batterie, deren Ladezustand überwacht wird um einen optimalen Betrieb des Wechselrichters zu ermöglichen.

[0009] Die JP 10-031525 A zeigt ein Solarenergieerzeugungssystem mit einer Speicherbatterie, über die Änderungen der Sonneneinstrahlung ausgeglichen werden.

[0010] Die US 6,081,104 A beschreibt ein System zur Versorgung einer Batterie und gleichzeitig eines Beleuchtungssystems mit elektrischer Energie. Dabei wird die Last auf optimale Art betrieben während die Batterie auf einem möglichst hohen Ladezustand gehalten wird.

[0011] Schließlich beschreibt die JP 2001-095179 A eine Einrichtung zur Versorgung einer Last mit elektrischer Energie über eine Batterie auch im Falle eines Netzausfalls.

[0012] Die Aufgabe der Erfindung wird verfahrensmäßig dadurch gelöst, dass das Versorgungsnetz von einer Netzüberwachungseinheit überwacht wird, und in Abhängigkeit des Versorgungsnetzes der Wechselrichter durch die Steuervorrichtung der Wechselrichter zwischen einem netzgekoppelten Betrieb, bei dem zumindest der Eingangs-DC-DC-Wandler und der Ausgangs-DC-AC-Wandler aktiviert werden, so dass die vom Wechselrichter erzeugte Wechselspannung in das Versorgungsnetz eingespeist wird und einem Inselbetrieb, bei dem der Eingangs-DC-DC-Wandler und oder ein zusätzlicher, mit einem optionalen Energiespeicher verbindbarer Speicher-DC-DC-Wandler sowie der Ausgangs-DC-AC-Wandler aktiviert werden, so dass mit der vom Wechselrichter erzeugten Wechselspannung die Verbraucher versorgt werden, umgeschaltet wird. Vorteilhaft ist hierbei, dass der Wechselrichter sowohl im netzgekoppelten Betrieb als auch im Inselbetrieb betrieben werden kann, wobei die für den Inselbe- 1 /11 österreichisches Patentamt AT505 143 B1 2012-03-15 trieb zusätzlich erforderlichen Komponenten insbesondere den hohen Wirkungsgrad des Wechselrichters im netzgekoppelten Betrieb nicht beeinträchtigen. Ebenso ist von Vorteil, dass der große Eingangsspannungsbereich gemäß einem netzgekoppelten Wechselrichter erhalten bleibt. Des Weiteren ist von Vorteil, dass durch die Umschaltung auf den Inselbetrieb zumindest ein Teil der Verbraucher weiter versorgt werden kann, wenn das Versorgungsnetz ausfällt. Auch ist vorteilhaft, dass im netzgekoppelten Betrieb die Einspeisung auch ohne dem optionalen Energiespeicher möglich ist. Somit kann der teure Energiespeicher auch nur bei Bedarf nachgerüstet werden. Schließlich kann der Energiespeicher vorteilhaft im Betrieb getauscht oder erweitert werden, während der Zwischenkreis nicht vom Energiespeicher versorgt wird. Durch die Überwachung des Versorgungsnetzes durch eine Netzüberwachungseinheit kann erreicht werden, dass der Status, ob ein Versorgungsnetz vorhanden ist oder nicht, jederzeit verfügbar ist.

[0013] Vorteilhafterweise wird der optional mit dem Speicher-DC-DC-Wandler verbindbare Energiespeicher automatisch erkannt, beispielsweise über die am Speicher-DC-DC-Wandler anliegende Eingangsspannung. Dadurch entsteht für den Benutzer nach Anschluss des Energiespeichers kein zusätzlicher Aufwand.

[0014] Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ladezustand des Energiespeichers ermittelt wird. Dies kann durch ständige oder zyklische Abfragen erfolgen.

[0015] Vorteilhafterweise wird im netzgekoppelten Betrieb der Zwischenkreis des Wechselrichters vom Eingangs-DC-DC-Wandler versorgt und zumindest der Ausgangs-DC-AC-Wandler vom Zwischenkreis versorgt.

[0016] Vorteilhafterweise wird in Abhängigkeit des ermittelten Ladezustands des Energiespeichers der Energiespeicher von der Energiequelle oder vom Versorgungsnetz geladen. Durch das Abfragen des Ladezustands und gegebenenfalls Nachladen des Energiespeichers ist stets ein voller Energiespeicher für den Inselbetrieb gewährleistet. Vorteilhafterweise wird in Abhängigkeit des Ladezustands des Energiespeichers der Speicher-DC-DC-Wandler zum Laden des Energiespeichers aktiviert, so dass der Energiespeicher über den Zwischenkreis und den Speicher-DC-DC-Wandler geladen wird. Dadurch, dass der Speicher-DC-DC-Wandler nur in Abhängigkeit des Ladezustands des Energiespeichers, also nur zeitweise aktiviert wird um die Selbstentladung des Speichers zu kompensieren, wird der Zwischenkreis des Wechselrichters nur minimal belastet. Somit wird der hohe Wirkungsgrad des HF-Wechselrichters in netzgekoppelten Betrieb im Wesentlichen nicht beeinträchtigt. Insbesondere auch deshalb, da der Aus-gangs-DC-AC-Wandler ohne Unterbrechung weiterhin vom Zwischenkreis versorgt wird.

[0017] Bei vollständig geladenem Energiespeicher wird der Speicher-DC-DC-Wandler vorteilhafterweise wieder deaktiviert.

[0018] Im Inselbetrieb des Wechselrichters wird der Zwischenkreis vorteilhafterweise in Abhängigkeit der von der Energiequelle gelieferten Leistung vom Eingangs-DC-DC-Wandler und bzw. oder vom Speicher-DC-DC-Wandler und der Ausgangs-DC-AC-Wandler vom Zwischenkreis versorgt. Dadurch wird die Versorgung der Verbraucher auch dann sichergestellt, wenn die Energiequelle, beispielsweise ein Solarmodul während der Nachtstunden, keine oder nicht genügend Energie liefert. So kann der optionale Energiespeicher auch über den Speicher-DC-DC-Wandler und den Ausgangs-DC-AC-Wandler die Verbraucher versorgen.

[0019] Der Speicher-DC-DC-Wandler wird vorteilhafterweise in Abhängigkeit der von der Energiequelle gelieferten Leistung auch wieder deaktiviert.

[0020] Schließlich kann der Speicher-DC-DC-Wandler in Abhängigkeit des Ladezustands des Energiespeichers und der von der Energiequelle gelieferten Leistung vollständig aktiviert werden und der Energiespeicher geladen werden. Dadurch wird der Energiespeicher geschont und kann gegebenenfalls wieder aufgeladen werden. Somit wird die Haltbarkeit des Energiespeichers und die Versorgungszeit der Verbraucher aus dem Energiespeicher erhöht. Des Weiteren wird auch eine stabile Ausgangsspannung stets gewährleistet.

[0021] Die Umschaltung des Wechselrichters vom netzgekoppelten Betrieb auf den Inselbetrieb 2/11 österreichisches Patentamt AT505 143 B1 2012-03-15 wird vorteilhafterweise automatisch durchgeführt, wenn ein Ausfall des Versorgungsnetzes erkannt wird. Dadurch ist im Wesentlichen eine unterbrechungsfreie Stromversorgung zumindest für eine begrenzten Zeitraum gewährleistet.

[0022] Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wechselrichter vom Versorgungsnetz getrennt wird, wenn ein Ausfall des Versorgungsnetzes erkannt wird. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass sämtliche Energie den Verbrauchern zur Verfügung gestellt wird und keine Energie über das Versorgungsnetz verbraucht wird.

[0023] Die Umschaltung des Wechselrichters vom Inselbetrieb auf den netzgekoppelten Betrieb wird vorteilhafterweise automatisch durchgeführt, wenn wieder ein vorhandenes Versorgungsnetz erkannt wird. Sobald wieder ein Versorgungsnetz verfügbar ist, wird die vom Wechselrichter erzeugte Energie wieder in dieses eingespeist. Üblicherweise wird die eingespeiste Energie von den Betreibern des Versorgungsnetzes finanziell vergütet, wodurch der Betrieb des Wechselrichters für den Benutzer wirtschaftlicher wird.

[0024] Wenn der Wechselrichter mit dem Versorgungsnetz verbunden wird, wenn ein vorhandenes Versorgungsnetz erkannt wird, kann das Versorgungsnetz und der Verbraucher entsprechend mit Energie versorgt werden.

[0025] Dadurch, dass eine Kommunikation über einen Datenbus zwischen den Komponenten des Wechselrichters durchgeführt wird, kann eine Optimierung des Energiemanagements bzw. des Energieflusses in beiden Betriebsmoden, dem netzgekoppelten Betrieb und dem Inselbetrieb, erreicht werden.

[0026] Dadurch, dass die Information über den vorhandenen Energiespeicher über den Datenbus weitergeleitet wird, kann die Umschaltung auf den Inselbetrieb und das Aufladen des Energiespeichers ermöglicht werden.

[0027] Gelöst wird die erfindungsgemäße Aufgabe auch durch einen oben genannten Wechselrichter, bei dem ein Speicher-DC-DC-Wandler vorgesehen ist, der einerseits mit dem Zwischenkreis verbunden ist und andererseits mit einem optionalen Energiespeicher verbindbar ist, welcher Speicher-DC-DC-Wandler mit der Steuervorrichtung verbunden ist, und weiters eine mit der Steuervorrichtung verbundene Netzüberwachungseinheit zur Überwachung des Versorgungsnetzes und zur Umschaltung zwischen einem netzgekoppelten Betrieb, bei dem zumindest der Eingangs-DC-DC-Wandler und der Ausgangs-DC-AC-Wandler aktiviert werden, so dass die vom Wechselrichter erzeugte Wechselspannung in das Versorgungsnetz eingespeist wird, und einem Inselbetrieb, bei dem der Eingangs-DC-DC-Wandler und/oder ein zusätzlicher Speicher-DC-DC-Wandler sowie der Ausgang-DC-AC-Wandler aktiviert werden, so dass mit der vom Wechselrichter erzeugten Wechselspannung die Verbraucher versorgt werden in Abhängigkeit des überwachten Versorgungsnetzes vorgesehen ist. Vorteile dazu können aus den bereits zu den Verfahrensschritten angeführten Vorteilen und der nachfolgenden Beschreibung entnommen werden.

[0028] Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen: [0029] Fig. 1 eine schematische Übersichtsdarstellung eines üblichen Wechselrichters; und [0030] Fig. 2 eine schematische Übersichtsdarstellung des erfindungsgemäßen Wechselrich ters.

[0031] Einführend wird festgehalten, dass gleiche Teile des Ausführungsbeispiels mit gleichen Bezugszeichen versehen werden.

[0032] In Fig. 1 ist ein üblicher Aufbau eines Wechselrichters 1 schematisch dargestellt. Da die einzelnen Komponenten bzw. Baugruppen und Funktionen von Wechselrichtern 1 bereits aus dem Stand der Technik bekannt sind, wird auf diese nachstehend nicht im Detail eingegangen.

[0033] Der Wechselrichter 1, welcher bevorzugt durch einen HF-Wechselrichter 1 gebildet wird, weist zumindest einen Eingangs-DC-DC-Wandler 2, einen Zwischenkreis 3 und einen Aus- 3/11 österreichisches Patentamt AT505 143B1 2012-03-15 gangs-DC-AC-Wandler 4 auf. Am Eingangs-DC-DC-Wandler 2 ist eine Energiequelle 5 bzw. ein Energieerzeuger angeschlossen, die bevorzugt aus einem oder mehreren parallel und/oder seriell zueinander geschalteten Solarmodulen gebildet wird. Der Ausgang des Wechselrichters 1 bzw. des Ausgangs-DC-AC-Wandlers 4, ist entweder mit einem Versorgungsnetz 6, wie einem öffentlichen oder privaten Wechselspannungsnetz oder einem Mehr-Phasennetz, oder mit einem oder mehreren elektrischen Verbrauchern 7, welche eine Last darstellen, verbunden. Beispielsweise werden die Verbraucher 7 durch einen Motor, einen Kühlschrank, ein Funkgerät usw. gebildet. Ebenso kann der Verbraucher 7 auch eine Hausversorgung darstellen. Des Weiteren sind die einzelnen Komponenten des Wechselrichters 1, wie der Eingangs-DC-DC-Wandler 2 usw., über einen Datenbus 12 mit einer Steuervorrichtung 8 verbunden.

[0034] Das Energiemanagement eines derartigen so genannten netzgekoppelten Wechselrichters 1 wird dahingehend optimiert, möglichst viel Energie in das Versorgungsnetz 6 einzuspeisen. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, werden die Verbraucher 7 über das Versorgungsnetz 6 mit elektrischer Energie versorgt. Selbstverständlich können beispielsweise auch mehrere Wechselrichter 1 parallel geschaltet werden. Dadurch kann mehr Energie zum Betrieb der Verbraucher 7 bereitgestellt werden.

[0035] Die Steuervorrichtung 8 bzw. der Regler des Wechselrichters 1 ist beispielsweise durch einen Mikroprozessor, einen Mikrocontroller oder einen Rechner gebildet. Über die Steuervorrichtung 8 kann eine entsprechende Steuerung der einzelnen Komponenten, wie dem Eingangs-DC-DC-Wandler 2 oder dem Ausgangs-DC-AC-Wandler 4, insbesondere der darin angeordneten Schaltelemente, vorgenommen werden. In der Steuervorrichtung 8 sind hierzu die einzelnen Regel- bzw. Steuerabläufe durch entsprechende Software-Programme und/oder Daten bzw. Kennlinien gespeichert.

[0036] In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßer Wechselrichter 1 dargestellt, welcher mit einem Speicher-DC-DC-Wandler 9 erweitert ist, an welchem optional ein Energiespeicher 10 angeschlossen werden kann. Daraus resultiert, dass der Wechselrichter 1 neben der Funktionalität eines netzgekoppelten Wechselrichters 1 auch die Funktionalität eines so genannten Inselwechselrichters erfüllt.

[0037] Allgemein wird ein Wechselrichter 1 mit diesen Funktionalitäten als Hybridwechselrichter bezeichnet. Wesentlich ist allerdings bei dem erfindungsgemäßen Wechselrichter 1, dass die Funktionalitäten vollständig entkoppelt sind. Das heißt, dass diese unabhängig voneinander arbeiten können, wodurch der Wirkungsgrad jeder einzelnen Funktionalität optimal ausgenutzt werden kann sowie der Energiefluss optimal auf jede Funktionalität abgestimmt werden kann.

[0038] Erreicht wird dies insbesondere durch den Speicher-DC-DC-Wandler 9, der mit dem Zwischenkreis 3 verbunden ist. Somit kann der Eingangs-DC-DC-Wandler 2 und/oder der Spei-cher-DC-DC-Wandler 9 den Zwischenkreis 3 versorgen, wobei der Speicher-DC-DC-Wandler 9 die dazu nötige Energie aus dem Energiespeicher 10 entnimmt. Bevorzugt ist der Speicher-DC-DC-Wandler 9 mit einer im Gehäuse des Wechselrichters 1 integrierten Anschlussbuchse 14 für den Anschluss des externen Energiespeichers 10 verbunden. Bei Bedarf des Benutzers kann daher optional der Energiespeicher 10 angeschlossen werden. Beispielsweise wird der Energiespeicher 10 durch eine Batterie oder dgl. gebildet. Der Wechselrichter 1 kann im netzgekoppelten Betrieb und gegebenenfalls auch im Inselbetrieb ohne Energiespeicher 10 betrieben werden. Daraus ergeben sich unterschiedliche Möglichkeiten zur Versorgung der Verbraucher 7 im Inselbetrieb und zum Laden des Energiespeichers 10 im netzgekoppelten Betrieb oder im Inselbetrieb.

[0039] Grundsätzlich arbeitet der erfindungsgemäße Wechselrichter 1 im netzgekoppelten Betrieb. Dabei wird die von der Energiequelle 5, beispielsweise den Solarmodulen gelieferte Spannung vom Eingangs-DC-DC-Wandler 2 in eine höhere und konstante Zwischenkreisspannung umgewandelt, so dass der Ausgangs-DC-AC-Wandler 4 eine netzkonforme Spannung ins Versorgungsnetz 6 liefern bzw. den Verbrauchen 7 zur Verfügung stellen kann. Bevorzugt werden allerdings die Verbraucher 7 aus dem Versorgungsnetz 6 versorgt. Demzufolge ist dieser Betriebsmodus unabhängig davon, ob an dem Speicher-DC-DC-Wandler 9 ein Energie- 4/11 österreichisches Patentamt AT505143B1 2012-03-15

Speicher 10 angeschlossen ist.

[0040] Des Weiteren kann im Wechselrichter 1 eine Netzüberwachungseinheit 11 integriert sein, welche während des Betriebs des Wechselrichters 1 die Verfügbarkeit des Versorgungsnetzes 6 überwacht. Sollte das Versorgungsnetz 6 ausfallen und somit die Versorgung der Verbraucher 7 unterbrochen werden, meldet dies die Netzüberwachungseinheit 11 über den Datenbus 12 der Steuervorrichtung 8, so dass der Wechselrichter 1 auf den Inselbetrieb umgeschaltet werden kann. Hierbei werden die selben Verbraucher 7 versorgt, wie dies im netzgekoppelten Betrieb der Fall ist.

[0041] Für einen stabilen Inselbetrieb sind allerdings gewisse Voraussetzungen zu erfüllen. Zum einen kann dieser gewährleistet werden, wenn die Energiequelle 5 genügend Leistung zur Verfügung stellt, um die Verbraucher 7 versorgen zu können. Ist eine ausreichende Versorgung gewährleistet, ist die Aktivierung des Speicher-DC-DC-Wandlers 9 nicht erforderlich, da sich der Wechselrichter 1 wie im netzgekoppeltem Betrieb verhält. Sollte jedoch die Energiequelle 5 für einen stabilen Inselbetrieb keine ausreichende bzw. keine Leistung zur Verfügung stellen, muss dies durch den Speicher-DC-DC-Wandler 9 ausgeglichen werden, so dass die Verbraucher 7 ausreichend mit elektrischer Energie versorgt werden. Demzufolge wird hierbei vorausgesetzt, dass der optionale Energiespeicher 10 am Speicher-DC-DC-Wandler 9 angeschlossen ist.

[0042] Die Erkennung, ob ein Energiespeicher 10 an Speicher-DC-DC-Wandler 9 angeschlossen ist, erfolgt bevorzugt automatisch. Beispielsweise derart, dass die durch das Anschließen des Energiespeichers 10 am Eingang des Speicher-DC-DC-Wandlers 9 anliegende Spannung diesen zumindest soweit aktiviert, dass dieser das Vorhandensein des Energiespeichers 10 an die Steuervorrichtung 8 übermitteln kann. In diesem Fall, also wenn im Inselbetrieb zur Energie aus der Energiequelle 5 zusätzlich Energie benötigt wird, entnimmt der Speicher-DC-DC-Wandler 9 Energie aus dem Energiespeicher 10, welcher selbstverständlich vollständig geladen sein sollte, damit der Ausfall des Versorgungsnetzes 6 möglichst lange überbrückt werden kann.

[0043] Das Laden des Energiespeichers 10 erfolgt grundsätzlich über den Speicher-DC-DC-Wandler 9, welcher mit dem außerhalb des Wechselrichters 1 angeordneten Energiespeicher 10 verbunden ist. Der Energiespeicher 10 kann im netzgekoppelten Betrieb geladen werden. In diesem Betriebsmodus ist der Speicher-DC-DC-Wandler 9 nicht aktiv. Dadurch wird der Spei-cher-DC-DC-Wandler 9 von der Steuervorrichtung 8 über den Datenbus 12 entsprechend angesteuert, bevorzugt zyklisch den Ladezustand des Energiespeichers 10 abzufragen bzw. seine Eingangsspannung, welche der Spannung des Energiespeichers 10 entspricht, zu messen. Ist es erforderlich, den Energiespeicher 10 zu laden, wird der Speicher-DC-DC-Wandler 9 vollständig aktiviert und er bezieht den Strom zum Laden des Energiespeichers 10 vom Zwischenkreis 3, welcher von der Energiequelle 5, beispielsweise den Solarmodulen bzw. vom Eingangs-DC-DC-Wandler 2 versorgt wird. Dadurch wird der Zwischenkreis 3 minimal belastet, wobei dies jedoch auf den Wirkungsgrad im netzgekoppelten Betrieb keinen nennenswerten Einfluss hat. Ist der Energiespeicher 10 vollständig geladen, wird der Speicher-DC-DC-Wandler 9 wieder deaktiviert. Dabei wird aber der Energiespeicher 10 weiterhin ständig bzw. zyklisch überwacht und gegebenenfalls geladen.

[0044] Nahezu in gleicher Weise kann der Energiespeicher 10 auch im Inselbetrieb geladen werden, wenn die Energiequelle 5 bzw. die Solarmodule die Verbraucher 7 versorgen können und zusätzlich noch genügend Leistung am Zwischenkreis 3 zur Verfügung steht, den Energiespeicher 10 über den Speicher-DC-DC-Wandler 9 zu laden. Dieses Energiemanagement übernimmt die Steuervorrichtung 8, welche die dazu erforderlichen Daten von den einzelnen Komponenten des Wechselrichters 1 überden Datenbus 12 bezieht.

[0045] Eine weitere Möglichkeit, den Energiespeicher 10 zu laden, besteht darin, den Strom aus dem Versorgungsnetz 6 zu entnehmen. Hierbei wird der Zwischenkreis 3 über den Aus-gangs-DC-AC-Wandler 4 versorgt, so dass der Speicher-DC-DC-Wandler 9 wiederum den Energiespeicher 10 laden kann. Diese Möglichkeit wird insbesondere dann eingesetzt, wenn die Energiequelle 5 bzw. die Solarmodule beispielsweise über einen längeren Zeitraum keine bzw. 5/11 österreichisches Patentamt AT505143B1 2012-03-15 zu wenig Energie geliefert haben, um den Energiespeicher 10 aufzuladen.

[0046] Somit ist stets ein aufgeladener Energiespeicher 10 gewährleistet, so dass jederzeit, wenn das Versorgungsnetz 6 ausfällt, eine Umschaltung des Wechselrichters 1 auf den Inselbetrieb möglich ist.

[0047] Wenn die Netzüberwachungseinheit 11 einen Ausfall des Versorgungsnetzes 6 erkennt, wird die Verbindung zwischen dem Versorgungsnetz 6 und dem Ausgangs-DC-AC-Wandler 4 über den Schalter 13 unterbrochen. Somit ist gewährleistet, dass die Verbraucher 7 immer nur von einer Quelle, in diesem Fall die Energiequelle 5 bzw. die Solarmodule, versorgt werden. Ebenso werden dadurch die Sicherheitsanforderungen erfüllt, so dass beispielsweise gefahrlos Wartungsarbeiten am Versorgungsnetz 6 durchgeführt werden können. Weiters bewirkt die Netzüberwachungseinheit 11, dass der Wechselrichter 1 im Inselbetrieb durch das Versorgungsnetz 6 nicht belastet wird und somit der Wirkungsgrad nicht beeinträchtigt wird.

[0048] Im Falle der Realisierung der Energiequelle 5 durch Solarmodule kann tagsüber die erforderliche Energie aus diesen Solarmodulen bezogen werden. Reicht die Energie aus, ist die Aktivierung des Speicher-DC-DC-Wandlers 9 nicht erforderlich. Können die Solarmodule über den Eingangs-DC-DC-Wandler 2, den Zwischenkreis 3 und den Ausgangs-DC-AC-Wandler 4 allerdings nur einen Teil der für die Verbraucher 7 erforderlichen Energie zur Verfügung stellen, wird die fehlende Energie aus dem Energiespeicher 10 ergänzt. Dazu wird der Speicher-DC-DC-Wandler 9 aktiviert und liefert die erforderliche zusätzliche Energie an den Zwischenkreis 3, so dass der Ausgangs-DC-AC-Wandler 4 die Verbraucher 7 mit der entsprechenden Energie versorgen kann. Sollte ein Verbraucher 7 abgeschaltet werden oder mehr Energie aus den Solarmodulen geliefert werden, kann der Speicher-DC-DC-Wandler 9 wieder deaktiviert werden. Hierbei versorgen die Solarmodule die Verbraucher 7 vollständig mit elektrischer Energie. Somit wird der Energiespeicher 10 geschont, wodurch dessen Haltbarkeit verlängert wird und ein Netzausfall länger überbrückt werden kann. Wenn beispielsweise ein Verbraucher 7 zugeschaltet wird, kann wiederum Energie aus dem Energiespeicher 10 entnommen werden.

[0049] Sollte das Versorgungsnetz 6 während der Nachtstunden ausfallen, müssen die Verbraucher 7 zur Gänze aus dem Energiespeicher 10 versorgt werden. In diesem Fall ist der Eingangs-DC-DC-Wandler 2 deaktiviert und der Speicher-DC-DC-Wandler 9 versorgt den Zwischenkreis 3 und somit der Ausgangs-DC-AC-Wandler 4 die Verbraucher 7.

[0050] Der Ladezustand des Energiespeichers 10 kann auch dann überwacht werden, wenn aus diesem Energie entnommen wird. Dadurch wird gewährleistet, dass der Energiespeicher 10 nicht vollständig entladen wird und ein Wiederaufladen möglich ist. Dadurch wird der Energiespeicher 10 geschont und dessen Haltbarkeit verlängert.

[0051] Erkennt die Netzüberwachungseinheit 11 wieder das Vorhandensein des Versorgungsnetzes 6, wird der Schalter 13 wieder geschlossen, so dass die Verbraucher 7 vom Versorgungsnetz 6 versorgt werden. Der Wechselrichter 1 wird von der Steuervorrichtung 8 vom Inselbetrieb auf den netzgekoppelten Betrieb umgeschaltet. Der Energiespeicher 10 kann wieder aufgeladen werden, so dass dieser bei der nächsten Umschaltung auf Inselbetrieb wieder vollständig aufgeladen zur Verfügung steht. Durch ein derartiges Halten des Ladezustandes des Energiespeichers 10 wird dessen Lebensdauer verlängert.

[0052] Wie der obigen Beschreibung entnommen werden kann, ist der Speicher-DC-DC-Wandler 9 insbesondere bidirektional aufgebaut, also ermöglicht der Speicher-DC-DC-Wandler einen Stromfluss vom Zwischenkreis 3 zum Energiespeicher 10 und vom Energiespeicher 10 zum Zwischenkreis 3.

[0053] Ebenso kann auch der Ausgangs-DC-AC-Wandler 4 diese Funktion aufweisen, um gegebenenfalls den Zwischenkreis 3 aus dem Versorgungsnetz 6 mit Energie zu versorgen, um den Energiespeicher 10 über den Speicher-DC-DC-Wandler 9 aufladen zu können.

[0054] Es können auch mehrere erfindungsgemäße Wechselrichter 1 in Parallelschaltung angeordnet und eine Umschaltung zwischen dem netzgekoppelten Betrieb und dem Inselbetrieb durchgeführt werden. 6/11

Claims

österreichisches Patentamt AT505 143B1 2012-03-15 Patentansprüche 1. Verfahren zur Steuerung eines Wechselrichters (1), welcher die von einer Energiequelle (5) erzeugte Gleichspannung über zumindest einen Eingangs-DC-DC-Wandler (2), einen Zwischenkreis (3) und einen Ausgangs-DC-AC-Wandler (4) in eine Wechselspannung zur Versorgung von Verbrauchern (7) und bzw. oder zur Einspeisung in ein Versorgungsnetz (6) umwandelt, wobei die Komponenten des Wechselrichters (1) mit einer Steuervorrichtung (8) gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Versorgungsnetz (6) von einer Netzüberwachungseinheit (11) überwacht wird, und in Abhängigkeit des Versorgungsnetzes (6) der Wechselrichter (1) durch die Steuervorrichtung (8) zwischen einem netzgekoppelten Betrieb, bei dem zumindest der Eingangs-DC-DC-Wandler (2) und der Ausgangs-DC-AC-Wandler (4) aktiviert werden, sodass die vom Wechselrichter (1) erzeugte Wechselspannung in das Versorgungsnetz (6) eingespeist wird, und einem Inselbetrieb, bei dem der Eingangs-DC-DC-Wandler (2) und/oder ein zusätzlicher, mit einem optionalen Energiespeicher (10) verbindbarer Speicher-DC-DC-Wandler (9) sowie der Ausgangs-DC-AC-Wandler (4) aktiviert werden, so dass mit der vom Wechselrichter (1) erzeugten Wechselspannung die Verbraucher (7) versorgt werden, umgeschaltet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der optional mit dem Speicher-DC-DC-Wandler (9) verbindbare Energiespeicher (10) automatisch erkannt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (10) durch Erkennung einer am Speicher-DC-DC-Wandler (9) anliegenden Eingangsspannung vom Speicher-DC-DC-Wandler (9) automatisch erkannt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladezustand des Energiespeichers (10) ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im netzgekoppelten Betrieb der Zwischenkreis (3) vom Eingangs-DC-DC-Wandler (2) versorgt wird und zumindest der Ausgangs-DC-AC-Wandler (4) vom Zwischenkreis (3) versorgt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des ermittelten Ladezustands des Energiespeichers (10) der Energiespeicher (10) von der Energiequelle (5) oder vom Versorgungsnetz (6) mit Energie geladen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des Ladezustands des Energiespeichers (10) der Speicher-DC-DC-Wandler (9) zum Laden des Energiespeichers (10) aktiviert wird, so dass der Energiespeicher (10) über den Zwischenkreis (3) und den Speicher-DC-DC-Wandler (9) geladen wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher-DC-DC-Wandler (9) bei vollständig geladenem Energiespeicher (10) deaktiviert wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Inselbetrieb der Zwischenkreis (3) in Abhängigkeit der von der Energiequelle (5) gelieferten Leistung vom Eingangs-DC-DC-Wandler (2) und bzw. oder vom Speicher-DC-DC-Wandler (9) und der Ausgangs-DC-AC-Wandler (4) vom Zwischenkreis (3) versorgt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher-DC-DC-Wandler (9) in Abhängigkeit der von der Energiequelle (5) gelieferten Leistung deaktiviert wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Spei-cher-DC-DC-Wandler (9) in Abhängigkeit des Ladezustandes des Energiespeichers (10) und der von der Energiequelle (5) gelieferten Leistung vollständig aktiviert wird und der Energiespeicher (10) geladen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung vom netzgekoppelten Betrieb auf den Inselbetrieb automatisch durchgeführt wird, wenn ein Ausfall des Versorgungsnetzes (6) erkannt wird. 7/11 österreichisches Patentamt AT505 143 B1 2012-03-15
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (1) vom Versorgungsnetz (6) getrennt wird, wenn ein Ausfall des Versorgungsnetzes (6) erkannt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung vom Inselbetrieb auf den netzgekoppelten Betrieb automatisch durchgeführt wird, wenn ein vorhandenes Versorgungsnetz (6) erkannt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (1) mit dem Versorgungsnetz (6) verbunden wird, wenn ein vorhandenes Versorgungsnetz (6) erkannt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kommunikation über einen Datenbus (12) zwischen den Komponenten des Wechselrichters (1) durchgeführt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Information über den vorhandenen Energiespeicher (10) über den Datenbus (12) weitergeleitet wird.
18. Wechselrichter (1) zur Umwandlung der von einer Energiequelle (5) erzeugten Gleichspannung über zumindest einen Eingangs-DC-DC-Wandler (2), einen Zwischenkreis (3) und einen Ausgangs-DC-AC-Wandler (4) in eine Wechselspannung zur Versorgung von Verbrauchern (7) und bzw. oder zur Einspeisung in ein Versorgungsnetz (6), wobei der Eingangs-DC-DC-Wandler (2) mit einer Steuervorrichtung (8) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Speicher-DC-DC-Wandler (9) vorgesehen ist, der einerseits mit dem Zwischenkreis (3) verbunden ist und andererseits mit einem optionalen Energiespeicher (10) verbindbar ist, welcher Speicher-DC-DC-Wandler (9) mit der Steuervorrichtung (8) verbunden ist, und weiters eine mit der Steuervorrichtung (8) verbundene Netzüberwachungseinheit (11) zur Überwachung des Versorgungsnetzes (6) und zur Umschaltung zwischen einem netzgekoppelten Betrieb, bei dem zumindest der Eingangs-DC-DC-Wandler (2) und der Ausgangs-DC-AC-Wandler (4) aktiviert werden, so dass die vom Wechselrichter (1) erzeugte Wechselspannung in das Versorgungsnetz (6) eingespeist wird, und einem Inselbetrieb, bei dem der Eingangs-DC-DC-Wandler (2) und/oder ein zusätzlicher Speicher-DC-DC-Wandler (9) sowie der Ausgangs-DC-AC-Wandler (4) aktiviert werden, so dass mit der vom Wechselrichter (1) erzeugten Wechselspannung die Verbraucher (7) versorgt werden in Abhängigkeit des überwachten Versorgungsnetzes (6) vorgesehen ist.
19. Wechselrichter (1) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (10) extern angeordnet ist und über eine Anschlussbuchse (14) mit dem Speicher-DC-DC-Wandler (9) verbindbar ist.
20. Wechselrichter (1) nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Erkennung der Verbindung des Energiespeichers (10) mit dem Speicher-DC-DC-Wandler (9) vorgesehen ist.
21. Wechselrichter (1) nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Ermittlung des Ladezustands des Energiespeichers (10) vorgesehen ist.
22. Wechselrichter (1) nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein von der Netzüberwachungseinheit (11) gesteuerter Schalter (13) zur Auftrennung der Verbindung zum Versorgungsnetz (6) vorgesehen ist, so dass im Falle der Erkennung eines Ausfalls des Versorgungsnetzes (6) dieses vom Wechselrichter (1) trennbar ist.
23. Wechselrichter (1) nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass ein Datenbus (12) vorgesehen ist, welcher mit dem Eingangs-DC-DC-Wandler (2), dem Ausgangs-DC-AC-Wandler (4) dem Speicher-DC-DC-Wandler (9) und allenfalls der Steuervorrichtung (8) und der Netzüberwachungseinheit (11) verbunden ist. 8/11 österreichisches Patentamt AT505 143 B1 2012-03-15
24. Wechselrichter (1) nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (5) durch Solarmodule gebildet ist. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 9/11