AT505801A1

AT505801A1 - Verfahren zum betrieb eines elektronisch gesteuerten wechselrichters

Info

Publication number: AT505801A1
Application number: AT0147307A
Authority: AT
Inventors: Jalal Hallak
Original assignee: Siemens Ag Isterreich
Priority date: 2007-09-20
Filing date: 2007-09-20
Publication date: 2009-04-15
Also published as: AT505801B1; KR20100054164A; US8681522B2; WO2009040199A3; EP2191562A2; CN101803168A; WO2009040199A2; US20100202176A1

Description

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Verfahren zum Betrieb eines elektronisch gesteuerten Wechselrichters

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektronisch gesteuerten Wechselrichters, welcher Halbleiterschalter, Drosseln und einen Kondensator umfasst. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Anordnung zur 10 Durchführung des Verfahrens.

Elektronisch gesteuerte Wechselrichter sind beispielsweise aus US-Z.:C.M. Penalver, u.a. „Microprocessor Control of DC/AC Static Converters"; IEEE Transactions on Industrial 15 Electronics, Vol. IE-32, No.3, August 1985, S.186 -191; bekannt. Sie werden beispielsweise in Solaranlagen dazu eingesetzt, den durch die Solarzellen erzeugten Gleichstrom so umzuformen, dass eine Abgabe in das öffentliche Wechselstrom-Netz möglich ist. Erst damit ist eine praktisch 20 uneingeschränkte Nutzung der solar produzierten Energie gewährleistet.

Die Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten für Wechselrichter hat unter anderem dazu geführt, die Grundtypen von 25 Hochsetzsteller, Hochtiefsetzsteller und Tiefsetzsteller für spezielle Anwendungsfälle abzuwandeln. Als Beispiel sei hier eine Veröffentlichung in der Zeitschrift EDN vom 17. Okt. 2002 „Slave Converters power auxiliary Outputs", Sanjaya Maniktala; angeführt, in der verschiedene 30 Kombinationsmöglichkeiten von Wechselrichter-Grundtypen beschrieben werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Wechselrichter weiterzubilden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst mit einem Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem die Halbleiterschalter 1 35 200714524 ·· · ·· ···· ·· ·· • ···· · ·· · · · ·· ··· · ·· · · • · · · ·· · ···· ·· ···· ·· · ·· ··· ·· · ·· ·· des Wechselrichters mittels eines Mikrocontrollers alternierend als Elemente eines Hoch-Tiefsetzstellers und als Elemente eines invertierenden Cuk-Konverters mit einer durchgehender Verbindung eines Ausgangs-Nulleiters mit einem 5 eingangsseitigen positiven Pol angesteuert werden.

Die erfindungsgemäße Kombination der Funktionen von Hoch-Tiefsetzsteller und Cuk-Konverter führt zu einem besonders verlustarmen Wechselrichter, der damit auch einen hohen 10 Wirkungsgrad aufweist und daher insbesondere für den Einsatz in Solaranlagen geeignet ist. Dabei ist durch die Durchschaltung des positiven Pols an den Nullleiter eines Wechselspannungsnetzes sichergestellt, dass eingangsseitig eine Stromquelle anschließbar ist, welche ein negatives 15 Potenzial gegenüber Erde aufweist. Das ist beispielsweise bei Photovoltaikgeneratoren mit rückseitenkontaktierten Zellen (z.B. monokristalline Siliziumzellen) der Fall.

In einer vorteilhaften Ausprägung des Verfahrens werden die 20 Halbleiterschalter des Wechselrichters mittels

Mikrocontroller in der Weise angesteuert, dass eine eingangsseitig anliegende Gleichspannung während einer negativen Halbwelle einer ausgangsseitig anliegenden Wechselspannung mittels Hoch-Tiefsetzsteller umgewandelt wird 25 und dass die eingangsseitig anliegende Gleichspannung während einer positiven Halbwelle der ausgangsseitig anliegenden Wechselspannung mittels Cuk-Konverter umgewandelt wird. Damit ist ein verlustarmes Verfahren zur Einspeisung des Stromes aus einer Gleichstromquelle in ein Wechselstromnetz 30 angegeben.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Wechselrichter vorgesehen, welcher einen Mikrocontroller umfasst, der zur Steuerung der HalbleiterSchalter 35 entsprechend programmiert ist. Dabei handelt es sich günstigerweise um einen gängigen Mikrocontroller, welcher zur 2 > • ·· ···· ·· ·· • ·· · · • • • • · • • · · • ·· • · • • · · • • • ··· • • · · • • ' • • #·· ·· # ·· ·· 200714524

Bildung pulsweitenmodulierter Signale ln Abhängigkeit eines Reglerausgangsignals geeignet ist.

Dabei ist es von Vorteil, wenn der Wechselrichter eine erste 5 Drossel umfasst, deren erste Seite mit dem negativen Poll einer Gleichspannung verbunden ist und deren zweite Seite über einen ersten Halbleiterschalter mit dem positiven Pol der Gleichspannung verbunden ist, dass die zweite Seite der ersten Drossel über die Serienschaltung eines zweiten 10 Halbleiterschalters und eines dritten Halbleiterschalters mit dem ersten Anschluss einer zweiten Drossel verbunden ist, deren zweiter Anschluss an einen Leiter der Wechselspannung angeschlossen ist, dass die Verbindung von zweitem und drittem Halbleiterschalter über den ersten Kondensator und 15 einen fünften Halbleiterschalter mit dem Nulleiter der

Wechselspannung verbunden ist und dass die Verbindung von erstem Kondensator und fünftem Halbleiterschalter über einen vierten Halbleiterschalter mit dem ersten Anschluss der zweiten Drossel verbunden ist. Dieser Schaltungsaufbau ist 20 mit wenigen Schaltungselementen realisierbar, wodurch die

Verluste gering gehalten und somit ein hoher Wirkungsgrad der Schaltung erreicht wird.

Ein vorteilhaftes Verfahren zum betreiben des vorteilhaft 25 ausgeprägten Wechselrichters sieht vor, dass mittels Mikrocontroller während der negativen Halbwelle der Wechselspannung der erste, zweite, dritte und vierte Halbleiterschalter gepulst und der fünfte Halbleiterschalter permanent eingeschaltet werden, und dass dabei erster und 30 zweiter Halbleiterschalter sowie dritter und vierter

Halbleiterschalter jeweils im Gegentakt geschaltet werden und dass während der positiven Halbwelle der Wechselspannung erster und fünfter Halbleiterschalter im Gegentakt gepulst geschaltet werden und dass in diesem Zeitraum der zweite und 35 der vierte Halbleiterschalter dauerhaft eingeschaltet und der dritte Halbleiterschalter dauerhaft ausgeschaltet werden. 3 • · • ·· ···· ·· ·· • · ·· · · · • · • • · • · · · ·· • • · • · · · • · • · • · • · · · • · • · ·♦· ·· · • · • · 200714524

Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung: 5 Fig. 1 Schaltplan des Wechselrichters mit Hoch-

Tiefsetzsteller und Cuk-Wandler bei Verwendung allgemeiner Halbleiterschalter

Fig. 2 10

Schaltplan des Wechselrichters mit Hoch-Tiefsetzsteller und Cuk-Wandler bei Verwendung von n-Kanal Sperrschicht MOSFETs

Fig. 3 Stromfluss während einer Einschaltphase des Cuk-Wandlers

Fig. 4 Stromfluss während einer Ausschaltphase des Cuk-Wandlers 15 Fig. 5-8 Stromflüsse während eines Betriebs des Hoch-Tief setzstellers bei negativer Halbwelle der Wechselspannung

Fig. 9 Signalverläufe des Wechselrichters mit Hoch-Tiefsetzsteller- und Cuk-Wandlerbetrieb 20 Fig. 10 Alternative Signalverläufe des Wechselrichters mit Hoch-Tiefsetzsteller- und Cuk-Wandlerbetrieb

Eine einfache beispielhafte Schaltungsanordnung eines Wechselrichters mit Hoch-Tiefsetzsteller und Cuk-Wandler 25 unter Verwendung weniger Bauelemente ist in Figur 1 dargestellt. Eingangsseitig liegt an einem Eingangskondensator Ci eine Gleichspannung UiN an. Der negative Pol dieser Gleichspannung U™ ist mit der ersten Seite einer ersten Drossel LI verbunden. Die zweite Seite der 30 ersten Drossel LI ist über einen ersten Halbleiterschalter S1 mit dem positiven Pol der Gleichspannung ϋΪΗ verbunden.

Die zweite Seite der ersten Drossel LI ist zudem über die Serienschaltung eines zweiten und eines dritten 35 Halbleiterschalters S2, S3 mit dem ersten Anschluss einer 4 200714524 • · ·«· ·· ·♦ zweiten Drossel L2 verbunden, deren zweiter Anschluss an den Leiter L einer ausgangsseitigen Wechselspannung Uoot angeschlossen ist. Die Verbindung von zweitem und drittem Halbleiterschalter S2, S3 ist über einen ersten Kondensator 5 Cc und einen fünften Halbleiterschalter S5 mit dem Nullleiter N der Wechselspannung ϋ0στ verbunden. Des Weiteren ist eine direkte Verbindung zwischen positiven Pol der Gleichspannung Um und dem Nullleiter N der Wechselspannung ü0ot vorgesehen. Ein Verbindungspunkt zwischen erstem Kondensator Cc und 10 fünftem Halbleiterschalter ist über einen vierten

Halbleiterschalter S4 mit dem ersten Anschluss der zweiten Drossel L2 verbunden. Als Ausgangsfilter ist zwischen Leiter L und Nullleiter N der Wechselspannung U0ut optional ein Ausgangskondensator Co geschaltet. 15

Alternativ zu dieser Anordnung ist das erfindungsgemäße Verfahren auch mit anderen Schaltungsanordnungen durchführbar, beispielsweise mit einer Parallelschaltung eines Hoch-Tiefsetzstellers und eines Cuk-Konverters. 20

Werden, wie in Figur 2 dargestellt, Halbleiterschalter Sl, S2, S3, S4, S5 mit Inversdioden verwendet (n-Kanal Sperrschicht MOSFETs oder IGBTs), müssen die Durchflussrichtungen dieser Dioden beachtet werden. Dabei ist 25 die Durchflussrichtung der Inversdiode des ersten

Halbleiterschalters Sl vom negativen Pol zum positiven Pol der Gleichspannung Um festgelegt. Die Durchflussrichtungen der Inversdioden des zweiten und dritten Halbleiterschalters S2, S3 sind vom ersten Kondensator Cc zu den Drosseln LI, L2 30 geschaltet. Die Inversdiode des vierten Halbleiterschalters S4 ist von der zweiten Drossel L2 zum ersten Kondensator Cc in Durchlassrichtung geschaltet. Die Durchlassrichtung der Inversdiode des fünften Halbleiterschalters S5 ist schließlich von der Verbindungsleitung zwischen positivem Pol 35 der Gleichspannung Um und Nullleiter der Wechselspannung U0ot zum ersten Kondensator Cc festgelegt. 5 200714524 •· * ·· ···· ·· ·· • ···· · · · · « · • · · · · · ···· • · · · · · ·· ··« ·······# · ·· ·♦· ·· · ·· ··

Eine derartige Anordnung verhindert unerwünschte Stromflüsse durch die Inversdioden in den einzelnen Schaltphasen des Wechselrichters. 5 In den Figuren 3 bis 8 sind Schaltanordnungen mit allgemeinen Halbleiterschaltern Sl, S2, S3, S4, S5 dargestellt. Die Schaltzustande gelten dabei auch für Halbleiterschalter Sl, S2, S3, S4, S5 mit Inversdiode. 10 Die Figuren 3 und 4 zeigen die Schaltzustande der

Halbleiterschalter Sl, S2, S3, S4, S5 während einer positiven Halbwelle der Wechselspannung ü0dt· Die Umwandlung der Gleichspannung UIN in eine Wechselspannung U0ot erfolgt dabei mittels Cuk-Konverter. Der zweite und vierte 15 Halbleiterschalter S2, S4 sind dauerhaft eingeschaltet und der dritte Halbleiterschalter S3 ist dauerhaft ausgeschaltet, wie auch in Figur 9 und 10 ersichtlich. Der erste und der fünfte Halbleiterschalter Sl, S5 werden im Gegentakt gepulst geschaltet. Ein Einschaltvorgang des Cuk-Konverters ist durch 20 das Ausschalten des fünften Halbleiterschalters S5 und das

Einschalten des ersten Halbleiterschalters Sl gekennzeichnet, wie in Figur 3 dargestellt. Es fließt Strom vom positiven Pol der Gleichspannung Um über das erste Schaltelement Sl und die erste Drossel LI zum negativen Pol der Gleichspannung 25 Um. Gleichzeitig fließt Strom vom Nullleiter N der

Wechselspannung U0ut über den ersten Halbleiterschalter Sl, den zweiten Halbleiterschalter S2, den ersten Kondensator Cc, den vierten Halbleiterschalter S4 und die zweite Drossel L2 zum Leiter L der Wechselspannung U0ot· 30

Eine Ausschaltphase des Cuk-Konverters beginnt mit dem Einschalten des fünften Halbleiterschalters S5 und dam Ausschalten des ersten Halbleiterschalters Sl, wie in Figur 4 dargestellt. Im Eingangskreis kommutiert der Strom vom ersten 35 Halbleiterschalter Sl zur Reihenschaltung aus fünftem

HalbleiterSchalter S5, erstem Kondensator Cc und durchgehend geschlossenem zweiten Halbleiterschalter S2. Im Ausgangskreis 6 200714524

♦ « • · · • · · ·· *·Φ verläuft der Strom vom Nullleiter N der Wechselspannung U0ut über den fünften Halbleiterschalter S5, den vierten Halbleiterschalter S4 und die zweite Drossel L2 zum Leiter L der Wechsel Spannung ϋ0οτ· 5

Die Figuren 5 bis 8 zeigen die Schaltzustände während einer negativen Halbwelle der Wechselspannung ϋοστ· Dabei erfolgt die Spannungsumwandlung mittel Hoch-Tiefsetzsteller. Der erste, zweite, dritte und vierte Halbleiterschalter Sl, S2, 10 S3, S4 werden gepulst und der fünfte Halbleiterschalter S5 bleibt permanent eingeschaltet, wobei erster und zweiter Halbleiterschalter Sl, S2 sowie dritter und vierter Halbleiterschalter S3, S4 jeweils im Gegentakt geschaltet werden. 15

Im Nulldurchgang von der positiven zur negativen Halbwelle wird der erste Halbleiterschalter Sl eingeschaltet und der zweite und der vierte Halbleiterschalter S2, S4 ausgeschaltet, wie in Figur 5 dargestellt. In diesem 20 Schaltzustand nimmt der Wechselrichter aus einer eingangsseitigen Gleichspannungsquelle Energie auf. Dazu ist ein Strompfad zwischen dem positiven Pol der Gleichspannung Uin über den ersten Halbleiterschalter Sl sowie die erste Drossel LI und dem negativen Pol der Gleichspannung üiN 25 gegeben.

Dabei speichert die ersten Drossel LI Energie, die im nächsten Schritt, wie in Figur 6 dargestellt, nach dem öffnen des ersten Halbleiterschalters Sl bei nunmehr geschlossenem 30 zweiten und dritten Halbleiterschalter S2, S3 über die zweite Drossel L2 an ein ausgangsseitiges Wechselspannungsnetz oder ein Last abgegeben wird.

Der dabei entstehende Stromkreis verläuft vom positiven Pol 35 der Gleichspannung Uin über das Wechselspannungsnetz bzw. die Last, die zweite Drossel L2, den dritten und zweiten Halbleiterschalter S3, S2 und die erste Drossel LI zum 7 200714524 ·· ···· ·· ·· • · · · · · · • · · ·· · · • ·· · ···· • · · · · · • ·# · ·· ·· negativen Pol der Gleichspannung Üin· Die zweite Drossel L2 speichert dabei Energie. Gleichzeitig wird aufgrund des ebenfalls geschlossenen fünften Halbleiterschalters S5 der erste Kondensator Cc geladen. 5

Im nächsten Schaltvorgang wird, wie in Figur 7 dargestellt, der dritte Halbleiterschalter S3 geöffnet und der vierte Halbleiterschalter S4 geschlossen. Es bildet sich ein Stromkreis über die zweite Drossel L2, den vierten und 10 fünften Halbleiterschalter S4, S5 und das

Wechselspannungsnetz, wobei die zweite Drossel L2 die gespeicherte Energie an das Wechselspannungsnetz abgibt.

Gleichzeitig verläuft ein weiterer Stromkreis vom positiven 15 Pol der Gleichspannung UIN über das fünfte und zweite

Schaltelement S5, S2, den ersten Kondensator Cc und die erste Drossel Ll zum negativen Pol der Gleichspannung Um.

Mit dem in Figur 8 dargestellten Schaltzustand wird ein 20 Schaltzyklus während der negativen Halbwelle abgeschlossen. Der erste Halbleiterschalter S1 ist geschlossen und damit ein Strompfad zwischen dem positiven Pol der Gleichspannung Um über den ersten Halbleiterschalter S1 und die erste Drossel Ll zum negativen Pol der Gleichspannung Um gegeben. Der 25 Wechselrichter nimmt elektrische Energie aus der Gleichspannungsquelle auf.

Gleichzeitig gibt noch die zweite Drossel L2 Energie an das Wechselspannungsnetz ab, da über den vierten und den fünften 30 Halbleiterschalter S4, S5 der entsprechende Stromkreis noch geschlossen ist. Dieser Stromkreis wird erst wieder mit öffnen des vierten Halbleiterschalters S4 unterbrochen.

In Figur 9 und 10 ist jeweils der beispielhafte Verlauf der 35 Steuersignale für die Halbleiterschalter Sl, S2, S3, S4 und S5 dargestellt, wobei die beiden Figuren vorstellbare 8 200714524 ·· ·♦·· Φ· ·· • · · · · • ·

• · • ··· • · unterschiedliche Schaltvarianten während des Zeitraums der negativen Halbwelle der WechselSpannung ü0ot zeigen.

Bei der in Figur 9 dargestellten Schaltvariante während einer 5 negativen Halbwelle erfolgt ein gleichzeitiger Betrieb als Hochsetzsteller und als Tiefsetzsteller. Der erste Halbleiterschalter S1 mit der Funktion eines Hochsetzstellerelements und der dritte Halbleiterschalter S3 mit der Funktion eines Tiefsetzstellerelements werden 10 durchgehend gepulst geschaltet. Dabei fungiert der zweite Halbleiterschalter S2 als Synchrongleichrichter, welcher synchron im Gegentakt mit dem ersten Halbleiterschalter S1 geschaltet wird. 15 Alternativ dazu ist in Figur 10 eine Schaltvariante dargestellt, bei welcher der Wechselrichter während der negativen Halbwelle entweder als Tiefsetzsteller oder als Hochsetzsteller arbeitet. 20 Während der Zeitspannen, in welchen die Wechselspannung ü0ot tiefer als die Gleichspannung Ui» ist, wird der dritte Halbleiterschalter S3 und im Gegentakt dazu der vierte Halbleiterschalter S4 gepulst geschaltet. Der erste Halbleiterschalter S1 bleibt währenddessen durchgehend 25 ausgeschaltet und der zweite Halbleiterschalter S2 durchgehend eingeschaltet.

In der Zeitspanne, in welchen die Wechselspannung Uout höher als die Gleichspannung UiN ist, wird der erste 30 Halbleiterschalter S1 und im Gegentakt dazu der zweite

Halbleiterschalter S2 gepulst geschaltet. Dabei bleibt der dritte Halbleiterschalter S3 durchgehend eingeschaltet und der vierte Halbleiterschalter S4 durchgehend ausgeschaltet. 9

Claims

200714524 ΦΦ • Φ ΦΦ Φ · • · · a · • · · · · · • · · · · · ♦ ♦ ··· ΦΦ φ ·· ΦΦΦΦ aa ΦΦ Φ Φ Φ Φ ΦΦ Φ Φ Φ Φ ΦΦΦ Φ Φ Φ ΦΦ ΦΦ Patentansprüche 1. Verfahren zum Betrieb eines elektronisch gesteuerten Wechselrichters, welcher Halbleiterschalter (Sl, S2, S3, S4, 5 S5), Drosseln (LI, L2) und einen ersten Kondensator (Cc) umfasst, dadurch gakannzaichnat, dass die Halbleiterschalter (Sl, S2, S3, S4, S5) des Wechselrichters mittels eines Mikrocontrollers alternierend als Elemente eines Hoch-Tiefsetzstellers und als Elemente eines 10 invertierenden Cuk-Konverters mit einer durchgehender Verbindung eines Ausgangs-Nulleiters (N) mit einem eingangsseitigen positiven Pol angesteuert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gakaanzaichnat, 15 dass die Halbleiterschalter (Sl, S2, S3, S4, S5) des Wechselrichters mittels Mikrocontroller in der Weise angesteuert werden, dass eine eingangsseitig anliegende Gleichspannung (Um) während einer negativen Halbwelle einer ausgangsseitig anliegenden Wechselspannung (Uout) mittels 20 Hoch-Tiefsetzsteller umgewandelt wird und dass die eingangsseitig anliegende Gleichspannung (Um) während einer positiven Halbwelle der ausgangsseitig anliegenden Wechselspannung (U0ut) mittels Cuk-Konverter umgewandelt wird.
3. Wechselrichter zur Durchführung der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gakannzaichnat, da·· ein Mikrocontroller vorgesehen ist, welcher zur Steuerung der Halbleiterschalter (Sl, S2, S3, S4, S5) entsprechend programmiert ist. 30
4. Wechselrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter eine erste Drossel (LI) umfasst, deren erste Seite mit dem negativen Poll einer Gleichspannung (Um) verbunden ist und deren zweite Seite 35 über einen ersten Halbleiterschalter (Sl) mit dem positiven Pol der Gleichspannung (Um) verbunden ist, dass die zweite Seite der ersten Drossel (LI) über die Serienschaltung eines 10 ·· • · • ·· ·· e e ·#·· • ee e e • e • · • · • · • e · • · · • • ee • • • e ·· · • e • · · , · • • • ·· ··· ·· • • e • · 200714524 zweiten Halbleiterschalters (S2) und eines dritten Halbleiterschalters (S3) mit dem ersten Anschluss einer zweiten Drossel (L2) verbunden ist, deren zweiter Anschluss an einen Leiter (L) der Wechselspannung (U0ot) angeschlossen 5 ist, dass die Verbindung von zweitem und drittem Halbleiterschalter (S2, S3) über den ersten Kondensator (Cc) und einen fünften Halbleiterschalter (S5) mit dem Nullleiter (N) der Wechselspannung (U0ot) verbunden ist und dass die Verbindung von erstem Kondensator (Cc) und fünftem 10 Halbleiterschalter (S5) über einen vierten Halbleiterschalter (S4) mit dem ersten Anschluss der zweiten Drossel (L2) verbunden ist.
5. Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters nach 15 Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, da·· mittels Mikrocontroller während der negativen Halbwelle der Wechselspannung (U0ot) der erste, zweite, dritte und vierte Halbleiterschalter (Sl, S2, S3, S4) gepulst und der fünfte Halbleiterschalter (S5) permanent eingeschaltet werden, und 20 dass dabei erster und zweiter Halbleiterschalter (Sl, S2) sowie dritter und vierter Halbleiterschalter (S3, S4) jeweils im Gegentakt geschaltet werden und dass während der positiven Halbwelle der Wechselspannung (U0ut) erster und fünfter Halbleiterschalter (Sl, S5) im Gegentakt gepulst geschaltet 25 werden und dass in diesem Zeitraum der zweite und der vierte Halbleiterschalter (S2, S4) dauerhaft eingeschaltet und der dritte Halbleiterschalter (S3) dauerhaft ausgeschaltet werden. 30 11