CH711566B1 - Inverter for exchanging electrical energy between a DC system and an AC system. - Google Patents

Inverter for exchanging electrical energy between a DC system and an AC system. Download PDF

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Abstract

Ein erfindungsgemässer Inverter dient zum Austausch elektrischer Energie zwischen einem DC-System und einem AC-System, wobei der Inverter mehrere Brückenzweige aufweist und jeder Brückenzweig einen Mittelpunkt (I, II) aufweist, und im Betrieb der Inverter jeweils vom Mittelpunkt (I, II) eines Brückenzweigs ein Brückenzweigstrom (i_1, i_2) durch eine dem Brückenzweig zugeordnete Filterinduktivität (L_1, L_2) eines Ausgangsfilters (L_1, C_1, L_2, C_2) und über dem Brückenzweig zugeordnete Ausgangsklemme (1, 2) zum AC-System fliesst, wobei an die Ausgangsklemme (1, 2) eine Ausgangsfilterkapazität (C_1, C_2) zur Glättung einer entsprechenden Ausgangsteilspannung (u_1, u_2) angeschlossen ist. Der Inverter weist eine Regelung zur Ansteuerung der Schalter der Brückenzweige auf, welche dazu eingerichtet ist, die Brückenzweige zum Erzeugen von Spannungen an ihren Mittelpunkten (I, II) entsprechend Sollwerten von Brückenzweigausgangsspannungen (u_I*, u_II*) anzusteuern und diese Sollwerte derart zu bestimmen, dass ein niederfrequenter Wechselanteil einer mit dem AC-System ausgetauschten Leistung durch die Ausgangsfilterkapazitäten (C_1, C_2) aufgenommen respektive abgegeben wird.An inverter according to the invention serves to exchange electrical energy between a DC system and an AC system, wherein the inverter has a plurality of bridge branches and each bridge branch has a center (I, II), and in operation the inverter respectively from the center (I, II) a bridge branch flows a bridge branch current (i_1, i_2) to the AC system through a filter inductance (L_1, L_2) associated with the bridge branch of an output filter (L_1, C_1, L_2, C_2) and output terminal (1, 2) associated with the bridge branch, wherein the output terminal (1, 2) is connected to an output filter capacitance (C_1, C_2) for smoothing a corresponding output partial voltage (u_1, u_2). The inverter has a control for driving the switches of the bridge arms, which is set up to drive the bridge branches to generate voltages at their midpoints (I, II) according to setpoint values of bridge branch output voltages (u_I *, u_II *) and to determine these setpoints in such a way in that a low-frequency alternating component of a power exchanged with the AC system is picked up or emitted by the output filter capacitors (C_1, C_2).

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der leistungselektronischen Konverter oder Wandler.Description [0001] The invention relates to the field of power electronic converters or converters.

[0002] Einphasen-DC/AC-Konverter (nachfolgend kurz Inverterschaltungen oder Inverter) werden typisch in Vollbrückenstruktur ausgeführt, wobei ein erster Brückenzweig und ein zweiter Brückenzweig zwischen der positiven und der negativen Eingangs-Gleichspannungsschiene angeordnet sind. Für die Speisung des Systems ist eine DC-Quelle, z.B. ein Batteriespeicher mit einer DC-Spannung oder Eingangsspannung oder Batteriespannung U_DC, vorgesehen, deren positiver Pol mit der positiven Gleichspannungsscheine verbunden ist und deren negativer Pol an die negative Gleichspannungsschiene gelegt ist. Jeder Brückenzweig wird durch eine Serienschaltung von Transistoren mit antiparallelen Freilaufdioden gebildet. Beide Brückenzweige werden pulsbreitenmoduliert betrieben, wobei dieser Betrieb für jeden Brückenzweig jener eines Umschalters zwischen der positiven und negativen Gleichspannungsschiene entspricht. Von jeweiligen Schaltungspunkten I und II zwischen den Transistoren des jeweils ersten und zweiten Brückenzweiges wird dann jeweils eine pulsbreitenmodulierte Spannung abgegriffen und über jeweils eine Filterinduktivität L_1 bzw. L_2 an je eine Klemme einer jeweils zugeordneten Ausgangsfilterkapazität C_O gelegt. Da die Induktivitäten und die Ausgangsfilterkapazität ein Tiefpassfilter bilden, tritt an den Klemmen 1 und 2 der Ausgangsfilterkapazität C_O eine glatte Spannung u_O auf, welche im einfachsten Fall, d.h. ohne weitere Filterung, die Ausgangswechselspannung (nachfolgend kurz Ausgangsspannung) der Inverterschaltung bildet (im Grenzfall kann diese Spannung auch die Frequenz Null aufweisen, d.h., zu einer Gleichspannung entarten); die beiden Enden 1 und 2 der Ausgangsfilterkapazität stellen also gleichzeitig die Ausgangsklemmen dar.Single-phase DC / AC converter (hereinafter referred to as inverter circuits or inverter) are typically carried out in full-bridge structure, wherein a first bridge branch and a second bridge branch between the positive and the negative input DC rail are arranged. For powering the system, a DC source, e.g. a battery storage with a DC voltage or input voltage or battery voltage U_DC, provided, whose positive pole is connected to the positive DC voltage and whose negative pole is connected to the negative DC rail. Each bridge branch is formed by a series circuit of transistors with antiparallel freewheeling diodes. Both bridge branches are operated with pulse width modulation, this operation for each bridge branch corresponds to that of a switch between the positive and negative DC busbar. From each of the circuit points I and II between the transistors of the respective first and second bridge branch then a pulse width modulated voltage is tapped and placed in each case via a filter inductance L_1 or L_2 to a respective terminal of a respective associated output filter capacitance C_O. Since the inductors and the output filter capacitance form a low-pass filter, terminals 1 and 2 of the output filter capacitance C_O have a smooth voltage u_O, which in the simplest case, i. without further filtering, the AC output voltage (hereafter short output voltage) of the inverter circuit forms (in the limit, this voltage can also have the frequency zero, that is, degenerate to a DC voltage); the two ends 1 and 2 of the output filter capacitance thus also represent the output terminals.

[0003] Durch das vorstehend beschriebene Tiefpassfilter wird nur die Spannungsdifferenz der Schaltungspunkte I und II, d.h. die Differential-Mode-Komponente, kurz DM-Komponente, der Brückenzweigausgangsspannungen gefiltert. Neben dieser DM-Komponente weisen die Brückenzweigausgangsspannungen allerdings auch noch eine Gleichtaktkomponente oder Common-Mode-Komponente, kurz CM-Komponente, auf. Werden alle Spannungen und auch die Brückenzweigausgangsspannungen u_l und u_lI (an den Schaltungspunkten I und II) auf die negative Spannungsschiene bezogen, ist diese Spannung als Mittelwert von u_l und u_ll, also 1/2 (u_l + u_ll) zu erhalten. Soll auch die CM-Komponente tiefpassgefiltert werden, ist gemäss dem Stand der Technik zusätzlich zur Ausgangsfilterkapazität abzweigend von Ausgangsklemme 1 ein erster CM-Filterkondensator C_1 und weiters abzweigend von Ausgangsklemme 2 ein zweiter CM-Filterkondensator C_2 gegen die negative Gleichspannungsschiene zu legen; über den Kondensatoren C_1 und C_2 treten dann Ausgangsteilspannungen u_1 und u_2 auf, auch Pufferkondensatorspannungen genannt. Alternativ können C_1 und C_2 auch gegen die positive Spannungsschiene geschaltet werden, oder es können CM-Filterkondensatoren sowohl gegen die positive als auch gegen die negative Gleichspannungsschiene angeordnet werden. Werden C_1 und C_2 vorgesehen, kann die Ausgangsfilterkapazität auch entfallen, da die CM-Filterung in abgeschwächter Form auch für eine Gegentaktkomponente wirksam ist (die gegen eine Gleichspannungsschiene geschalteten CM-Kondensatoren wirken in Serienschaltung).By the above-described low-pass filter, only the voltage difference of the nodes I and II, i. the differential mode component, short DM component, of the bridge branch output voltages filtered. In addition to this DM component, however, the bridge branch output voltages also have a common-mode component or CMM component. If all voltages and also the bridge branch output voltages u_l and u_lI (at the circuit points I and II) are related to the negative voltage rail, this voltage is to be obtained as the mean value of u_l and u_ll, ie 1/2 (u_l + u_ll). If the CM component is also to be low-pass filtered, according to the prior art, in addition to the output filter capacitance, branching off from output terminal 1 is a first CM filter capacitor C_1 and further branching from output terminal 2 is a second CM filter capacitor C_2 against the negative DC voltage rail; Then output partial voltages u_1 and u_2 occur via the capacitors C_1 and C_2, also called buffer capacitor voltages. Alternatively, C_1 and C_2 may also be switched against the positive voltage rail, or CM filter capacitors may be placed against both the positive and negative DC rail. If C_1 and C_2 are provided, the output filter capacitance can also be dispensed with, since the CM filtering in an attenuated form is also effective for a push-pull component (the CM capacitors connected in opposition to a DC rail act in series).

[0004] Wird durch die Inverterschaltung zwischen den Ausgangsklemmen 1 und 2 eine Sinuswechselspannung erzeugt und z.B. eine ohmsche Last gespeist, weist der Zeitverlauf der Ausgangsleistung die für Einphasensysteme charakteristische Schwankung mit zweifacher Netzfrequenz um einen als Wirkleistung bezeichneten Mittelwert auf. Diese Leistungsschwankung tritt, da die Filterinduktivitäten und die Filterkapazitäten nur auf schaltfrequente Vorgänge ausgelegt sind, also keine nennenswerte Energiespeicherfähigkeit aufweisen, im Wesentlichen auch an der Gleichspannungs(DC)-Ein-gangsseite der Vollbrücke auf und kann dort durch einen zwischen der positiven und negativen Gleichspannungsschiene angeordneten Pufferkondensator hoher Kapazität in Verbindung mit einer Induktivität in den Zuleitungen zum Batteriespeicher geglättet werden, sodass der aus der DC-Quelle resp. dem Batteriespeicher bezogene Strom nur mehr eine geringe Schwankung aufweist, d.h., nur den Gleichanteil der Momentanleistung der Last bzw. die Wirkleistung deckt. Ein klarer Nachteil dieser Lösung ist das hohe Bauvolumen des Pufferkondensators und eine aufgrund der endlichen Pufferkondensatorkapazität letztlich doch verbleibende Schwankung des dem Batteriespeicher entnommenen Stromes mit zweifacher Netzfrequenz.If a sine AC voltage is generated by the inverter circuit between the output terminals 1 and 2, and e.g. fed an ohmic load, the time characteristic of the output power, the characteristic of single-phase systems fluctuation with two-fold network frequency by an active value called average. This power fluctuation occurs, since the filter inductances and the filter capacitances are designed only for switching-frequency processes, ie have no appreciable energy storage capability, essentially also at the DC voltage input side of the full bridge and can there by one between the positive and negative DC busbar arranged buffer capacitor of high capacity in conjunction with an inductance in the leads to the battery storage are smoothed, so that from the DC source resp. The battery-related current has only a small fluctuation, that is, only the DC component of the instantaneous power of the load or the active power covers. A clear disadvantage of this solution is the high volume of construction of the buffer capacitor and, due to the finite buffer capacitor capacity, ultimately remaining fluctuation of the current drawn from the battery storage with twice the network frequency.

[0005] Alternativ kann anstelle des Pufferkondensators auch eine aktive leistungselektronische Einheit mit internem Energiespeicher eingesetzt, d.h., zwischen die positive und negative Gleichspannungsschiene geschaltet werden, welche bei entsprechender Regelung und Vorsteuerung durch den Wechselanteil der von der Last bezogenen Leistung eine Schwankung des Batteriespeicherstromes ideal gänzlich unterdrückt. Eine derartige Lösung wird gemeinsam mit dem zugehörigen Regelverfahren z.B. in der Patentanmeldung CH 0 151/15 mit Anmeldetag 4.2.2015 beschrieben. Nachteile dieser Lösung stellen der relativ hohe Realisierungsaufwand und die relativ hohe Komplexität dar. Es ist ja neben der die eigentliche Ausgangsspannung erzeugenden Vollbrücke eine weitere aktive Einheit anzuordnen und entsprechend den Lastverhältnissen zu regeln.Alternatively, instead of the buffer capacitor and an active power electronic unit with internal energy storage used, ie, be switched between the positive and negative DC rail, which with appropriate control and feedforward by the AC component of the load-related power a fluctuation of the battery storage current ideally completely suppressed. Such a solution, together with the associated control method, e.g. described in the patent application CH 0 151/15 with filing date 4.2.2015. Disadvantages of this solution are the relatively high implementation costs and the relatively high complexity. It is indeed next to the actual output voltage generating full bridge to arrange another active unit and to regulate according to the load conditions.

[0006] Anzumerken ist, dass die vorstehende Beschreibung auch für Leistungsfluss von der Last, d.h. der Wechselspannungs(AC)-Seite an die DC-Seite der Vollbrücke, also für Gleichrichterbetrieb, gilt. Hierbei tritt ein Einphasenwechselspannungsnetz an die Stelle der Last, wird also im einfachsten Fall an die Klemmen der Ausgangsfilterkapazität geschaltet; gleichspannungsseitig wird Strom in die DC-Quelle resp. den Batteriespeicher gespeist, die Batterie also aufgeladen. Derartige Systeme werden aufgrund der typisch sinusförmigen Führung des dem Netz entnommenen Stromes als Einphasen-PFC-Gleichrichter bezeichnet und finden z.B. als On-Board-Charger von Elektrofahrzeugen Einsatz.It should be noted that the foregoing description also applies to power flow from the load, i. the AC (AC) side to the DC side of the full bridge, so for rectifier operation applies. In this case, a single-phase alternating voltage network takes the place of the load, so is switched in the simplest case to the terminals of the output filter capacitor; On the DC side, current is fed into the DC source resp. the battery storage is powered, so charged the battery. Such systems are referred to as a single-phase PFC rectifier due to the typically sinusoidal routing of the current drawn from the mains and find e.g. as an on-board charger of electric vehicles use.

[0007] Weiters ist anzumerken, dass für Wechselrichterbetrieb, d.h. für DC/AC-Konversion anstelle des Batteriespeichers, grundsätzlich auch ein Photovoltaik-Modul (im Weiteren kurz PV-Modul) treten kann, wobei dann bei Netzeinspeisung der photovoltaisch erzeugten Leistung wieder das Netz an die Ausgangsklemmen 1 und 2 gelegt wird. Um das PV-Modul im Betriebspunkt maximaler Leistungsabgabe (Maximum Power Point) zu halten, ist dann wieder eine konstante DC-Spannung anzustreben, d.h. eine Schwankung der seitens des PV-Moduls abgegebenen Leistung möglichst zu vermeiden.It should also be noted that for inverter operation, i. for DC / AC conversion instead of the battery storage, in principle, a photovoltaic module (hereinafter PV module) can occur, in which case the grid is again connected to the output terminals 1 and 2 when feeding the photovoltaic power generated. In order to keep the PV module in the operating point of maximum power point, then again a constant DC voltage is to be strived for, ie. To avoid a fluctuation of the power delivered by the PV module as far as possible.

[0008] Wie oben erwähnt sind die hierfür bisher bekannten technischen Lösungen allerdings bauraumintensiv oder komplex und kostenintensiv.As mentioned above, the hitherto known technical solutions, however, space-consuming or complex and costly.

Aufgabe der Erfindung [0009] Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Inverter und eine entsprechende Regelung zu schaffen, welche eine Pufferung der Leistungsschwankung erlauben und welche mit weniger Leistungskomponenten und/oder mit einem geringeren Bauvolumen als herkömmliche Lösungen realisierbar ist.OBJECT OF THE INVENTION It is therefore an object of the invention to provide an inverter and a corresponding regulation which allow a buffering of the power fluctuation and which can be realized with fewer power components and / or with a smaller construction volume than conventional solutions.

Darstellung der Erfindung [0010] Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Inverter gemäss den Patentansprüchen sowie durch eine Regelung für den Inverter und ein durch die Regelung ausgeführtes Regelverfahren.DESCRIPTION OF THE INVENTION [0010] This object is achieved by an inverter according to the patent claims as well as by a regulation for the inverter and a control method implemented by the regulation.

[0011] Der Inverter dient zum Austausch elektrischer Energie zwischen einem DC-System und einem AC-System, wobei der Inverter mehrere Brückenzweige aufweist und jeder Brückenzweig einen Mittelpunkt (I, II) aufweist, der über einen oberen Schalter mit einer positiven Gleichspannungsschiene (p) und über einen unteren Schalter mit einer negativen Gleichspannungsschiene (n) verbunden werden kann, und im Betrieb der Inverter jeweils vom Mittelpunkt (I, II) eines Brückenzweigs ein Brückenzweigstrom (i_1, i_2) durch eine dem Brückenzweig zugeordnete Filterinduktivität (L_1, L_2) eines Ausgangsfilters (L_1, C_1, L_2, C_2) und über dem Brückenzweig zugeordnete Ausgangsklemme (1, 2) zum AC-System fliesst, wobei an die Ausgangsklemme (1,2) eine Ausgangsfilterkapazität (C_1, C_2) zur Glättung einer entsprechenden Ausgangsteilspannung (u_1, u_2) angeschlossen ist.The inverter is used to exchange electrical energy between a DC system and an AC system, wherein the inverter has a plurality of bridge branches and each bridge branch has a center (I, II), which via an upper switch with a positive DC rail (p ) and can be connected to a negative DC rail (s) via a lower switch, and a bridge branch current (i_1, i_2) in each case from the midpoint (I, II) of a bridge branch through a filter inductance (L_1, L_2) assigned to the bridge branch. an output filter (L_1, C_1, L_2, C_2) and output terminal (1, 2) assigned to the bridge branch flows to the AC system, an output filter capacitance (C_1, C_2) being provided to the output terminal (1, 2) for smoothing a corresponding output partial voltage ( u_1, u_2) is connected.

[0012] Dabei weist der Inverter eine Regelung oder einen Regler zur Ansteuerung der Schalter der Brückenzweige auf, respektive führt ein entsprechendes Regelverfahren aus. Die Regelung respektive das Regelverfahren ist dazu eingerichtet, die Brückenzweige zum Erzeugen von Spannungen an ihren Mittelpunkten (I, II) entsprechend jeweils zugeordneten Sollwerten von Brückenzweigausgangsspannungen (u_l*, u_ll*) anzusteuern, und diese Sollwerte von Brückenzweigausgangsspannungen (u_l*, u_ll*) derart zu bestimmen, dass ein niederfrequenter Wechselanteil einer mit dem AC-System ausgetauschten Leistung durch die Ausgangsfilterkapazitäten (C_1, C_2) aufgenommen respektive abgegeben wird.In this case, the inverter has a control or a controller for controlling the switches of the bridge arms, respectively, executes a corresponding control method. The regulation or the regulating method is set up to control the bridge branches to generate voltages at their midpoints (I, II) corresponding respectively to assigned nominal values of bridge branch output voltages (u_l *, u_ll *), and these setpoint values of bridge branch output voltages (u_l *, u_ll *). to be determined such that a low-frequency alternating component of an exchanged with the AC system power through the output filter capacitances (C_1, C_2) recorded or delivered.

[0013] «Niederfrequent» ist hier im Gegensatz zu «schaltfrequent» zu verstehen und entspricht einer Grundfrequenz des AC-Systems. Der niederfrequente Wechselanteil pendelt beispielsweise mit der doppelten Frequenz einer Grundfrequenz des AC-Systems, insbesondere wenn eine ohmsche Last am AC-System vorliegt."Low frequency" is here in contrast to "switching frequency" to understand and corresponds to a fundamental frequency of the AC system. The low-frequency alternating component, for example, oscillates at twice the frequency of a fundamental frequency of the AC system, in particular if an ohmic load is present on the AC system.

[0014] Es ist also - im Gegensatz zum Stand der Technik - nicht ein Pufferkondensator DC-seitig zwischen der positiven und der negativen Gleichspannungsschiene, sondern zwei Ausgangsfilterkapazitäten AC-seitig von den Ausgangsklemmen beispielsweise gegen die negative DC-Spannungsschiene angeordnet und die Vollbrückenschaltung derart geregelt, dass der den beiden Ausgangsfilterkapazitäten entnommene Gesamtleistungsfluss den niederfrequenten Wechselanteil der von der Last bezogenen Leistung deckt, sodass an der DC-Seite der Vollbrücke mit Ausnahme schaltfrequenter Schwankungen nur ein konstanter Momentanleistungsfluss auftritt.It is therefore - in contrast to the prior art - not a buffer capacitor DC side between the positive and the negative DC rail, but two output filter capacitors AC side arranged by the output terminals, for example, against the negative DC voltage rail and the full bridge circuit regulated in that the total power flow taken from the two output filter capacitances covers the low-frequency alternating component of the load-related power, so that only a constant instantaneous power flow occurs at the DC side of the full bridge, with the exception of switching-frequency fluctuations.

[0015] Es werden mit anderen Worten also die CM-Filterkondensatoren oder Ausgangsfilterkapazitäten mit insbesondere hoher Kapazität versehen, also als Pufferkondensatoren mit vorteilhaft gleichem Kapazitätswert ausgeführt und wird der Zeitverlauf der CM-Komponente der Ausgangsspannung u_CM = 1/2 (u_1 + u_2) so eingestellt, dass ein Gesamtleistungsfluss aus den beiden Ausgangsfilterkapazitäten derart auftritt, dass einerseits der niederfrequente Wechselanteil der von der Last bezogenen Leistung und andererseits die zufolge der Ausgangswechselspannung u_O, d.h. der DM-Komponente u_DM = (u1 - u2) = u_O auftretende Blindleistung der Ausgangsfilterkapazitäten gedeckt wird, sodass an der DC-Seite der Vollbrücke mit Ausnahme schaltfrequenter Schwankungen nur ein konstanter Momentanleistungsfluss auftritt.In other words, in other words, the CM filter capacitors or output filter capacitors are provided with, in particular, high capacitance, ie designed as buffer capacitors with advantageously the same capacitance value, and the time characteristic of the CM component of the output voltage u_CM = 1/2 (u_1 + u_2) becomes set that a total power flow from the two output filter capacitances occurs such that on the one hand, the low-frequency alternating component of the load-related power and on the other hand due to the output AC voltage u_O, ie the DM component u_DM = (u1-u2) = u_O occurring reactive power of the output filter capacitances is covered so that on the DC side of the full bridge with the exception of switching frequency fluctuations only a constant instantaneous power flow occurs.

[0016] Die Kapazität der Ausgangsfilterkapazitäten ist z.B. 10-fach höher gegenüber üblichen Kapazitätswerten von Ausgangsfilterkondensatoren für einen Inverter mit ansonsten gleichen Parametern bezüglich Spannungen und Leistung.The capacity of the output filter capacitances is e.g. 10 times higher than usual capacitance values of output filter capacitors for an inverter with otherwise identical parameters regarding voltages and power.

[0017] Damit ist es möglich, die leistungselektronischen Komponenten auf die DC/AC-Konvertergrundstruktur, d.h. die Vollbrücke und das AC-seitige Tiefpassfilter, zu beschränken und durch entsprechende Regelung dieses Systems das Auftreten einer niederfrequenten Momentanleistungsschwankung auf der DC-Seite zu unterbinden.Thus, it is possible to apply power electronic components to the DC / AC converter base structure, i. the full bridge and the AC-side low-pass filter, and to prevent the occurrence of a low-frequency instantaneous power fluctuation on the DC side by appropriate regulation of this system.

[0018] Grundsätzlich sind verschiedenste Regelverfahren denkbar, welche das so definierte Regelziel erreichen. Aspekte einer möglichen Regelstruktur sind im Folgenden beschrieben.In principle, a variety of control methods are conceivable, which achieve the so-defined control target. Aspects of a possible rule structure are described below.

[0019] In einer Ausführungsform ist die Regelung dazu eingerichtet, einen zeitlichen Mittelwert (u_CMquer) eines Com-mon-Mode-Anteils (u_CM) der Ausgangsteilspannungen (u_1, u_2) auf einen vorgegebenen Sollwert (u_CM*quer) zu regeln, insbesondere auf einen über die Zeit konstanten Wert.In one embodiment, the control is set up to regulate, in particular, a time average (u_CMquer) of a com mon-mode component (u_CM) of the output partial voltages (u_1, u_2) to a predetermined desired value (u_CM * transverse) a constant value over time.

[0020] In einer Ausführungsform ist die Regelung dazu eingerichtet, einen Differential-Mode-Anteil (u_DM) der Ausgangsteilspannungen (u_1, u_2) auf einen vorgegebenen Ausgangspannungssollwert (u_O*) zu regeln, insbesondere auf einen sich über die Zeit sinusförmig ändernden Wert.In one embodiment, the control is configured to regulate a differential mode component (u_DM) of the output partial voltages (u_1, u_2) to a predetermined output voltage setpoint (u_O *), in particular to a sinusoidally changing value over time.

[0021] In einer Ausführungsform weist der Inverter keinen Pufferkondensator oder eine aktive leistungselektronische Einheit zwischen der positiven und negativen Gleichspannungsschiene (p, n) zum Ausgleich von Lastschwankungen auf.In one embodiment, the inverter has no buffer capacitor or an active power electronic unit between the positive and negative DC rail (p, n) to compensate for load fluctuations.

[0022] In einer Ausführungsform sind die Ausgangsfilterkapazitäten (C_1, C_2) alle zwischen die jeweilige Ausgangsklemme (1, 2) und die positive Gleichspannungsschiene (p) oder alle zwischen die jeweilige Ausgangsklemme (1, 2) und die negative Gleichspannungsschiene (n) geschaltet.In one embodiment, the output filter capacitances (C_1, C_2) are all connected between the respective output terminal (1, 2) and the positive DC rail (p) or all between the respective output terminal (1, 2) and the negative DC rail (s) ,

[0023] In einer Ausführungsform ist jede der Ausgangsklemmen (1,2) jeweils über eine obere Ausgangsfilterteilkapazität an die positive Gleichspannungsschiene (p) und über eine untere Ausgangsfilterteilkapazität an die negative Gleichspannungsschiene (n) angeschlossen.In one embodiment, each of the output terminals (1, 2) is connected to the positive DC rail (p) via an upper output filter sub-capacitance and to the negative DC rail (s) via a lower output filter sub-capacitance.

[0024] Damit ergibt sich eine Symmetrierung der Schaltungsfunktion hinsichtlich Energiespeicherung in Abhängigkeit der CM-Spannung, da bei Erhöhung der CM-Spannung ausgehend von der halben Batteriespannung U_DC dieselbe Energieänderung wie bei Absenkung der CM-Spannung ausgehend von der halben Batteriespannung U_DC resultiert.This results in a symmetrization of the circuit function with respect to energy storage as a function of the CM voltage, since increasing the CM voltage, starting from half the battery voltage U_DC same energy change as when lowering the CM voltage, starting from half the battery voltage U_DC results.

[0025] In einer Ausführungsform ist mindestens eine der Ausgangsklemmen (1,2) über eine erste Ausgangsfilterkapazität an die positive Gleichspannungsschiene (p) und mindestens eine andere der Ausgangsklemmen (1,2) über eine weitere Ausgangsfilterkapazität an die negative Gleichspannungsschiene (n) angeschlossen.In one embodiment, at least one of the output terminals (1,2) via a first output filter capacitance to the positive DC rail (p) and at least one other of the output terminals (1,2) via a further output filter capacitance to the negative DC rail (s) connected ,

[0026] Damit wird eine Symmetrierung der Schaltungsfunktion hinsichtlich Energiespeicherung mit minimalem Aufwand erreicht.For a balancing of the circuit function with respect to energy storage is achieved with minimal effort.

[0027] In einer Ausführungsform sind die Filterinduktivitäten (L_1, L_2) der Ausgangsfilters magnetisch miteinander gekoppelt.In one embodiment, the filter inductances (L_1, L_2) of the output filter are magnetically coupled together.

[0028] Damit wird eine Verringerung der Baugrösse und eine Erhöhung der zu filternden effektiven Schaltfrequenz erreicht. Beispielsweise werden dabei die Brückenzweige der Vollbrücke um eine halbe Taktperiode phasenversetzt getaktet.Thus, a reduction of the size and an increase of the effective switching frequency to be filtered is achieved. For example, the bridge branches of the full bridge are clocked out of phase by half a clock cycle.

[0029] In einer Ausführungsform ist die Regelung dazu eingerichtet, eine Energiespeicherung in den Ausgangsfilterkapazitäten (C_1, C_2) • durch Vorgabe einer Common-Mode-Komponente (i_CM*) der Brückenzweigströme (i_1, i_2) so zu regeln, dass ein Wechselanteil der mit dem AC-System ausgetauschten Leistung, welche einen Wirk- und einen Blindleistungsanteil umfassen kann, kompensiert wird und so mit dem DC-System eine im Wesentlichen konstante Momentanleistung ausgetauscht wird; und • durch Vorgabe einer Differential-Mode-Komponente (i_DM*) der Brückenzweigströme (i_1, i_2) so zu regeln, dass einerseits ein AC-seitiger Laststrom (i_O) gedeckt ist und andererseits ein Umladestrom für die Ausgangsfilterkapazitäten (C_1, C_2) fliesst, welcher eine Differenz der Ausgangsteilspannungen (u_1, u_2) an den Ausgangsfilterkapazitäten (C_1, C_2) auf einen vorgegebenen Ausgangspannungssollwert (u_O*) einstellt.In one embodiment, the control is configured to regulate an energy storage in the output filter capacitors (C_1, C_2) by specifying a common-mode component (i_CM *) of the bridge branch currents (i_1, i_2) such that an alternating component of the with the AC system replaced power, which may include an active and a reactive power component is compensated, and so with the DC system, a substantially constant instantaneous power is exchanged; and • by specifying a differential-mode component (i_DM *) of the bridge branch currents (i_1, i_2) to be regulated so that on the one hand an AC-side load current (i_O) is covered and on the other hand, a recharging current for the output filter capacitances (C_1, C_2) flows which adjusts a difference of the output partial voltages (u_1, u_2) at the output filter capacitances (C_1, C_2) to a predetermined output voltage reference value (u_O *).

[0030] Es versteht sich, dass die mit dem DC-System ausgetauschte «im Wesentlichen konstante» Momentanleistung mit Bezug auf eine Frequenz des niederfrequenten AC-Systems als konstant betrachtet werden kann. Sie kann noch hochfrequente respektive schaltfrequente Schwankungen aufweisen. Die Ausgangsfilterkapazitäten weisen typischerweise den gleichen Kapazitätswert auf. Die Ausgangsfilterkapazitäten wirken, von den Ausgangsklemmen aus betrachtet, als Serienschaltung zweier Kapazitäten.It will be appreciated that the "substantially constant" instantaneous power exchanged with the DC system may be considered constant with respect to a frequency of the low frequency AC system. It can still have high-frequency or switching-frequency fluctuations. The output filter capacitances typically have the same capacitance value. The output filter capacitances, viewed from the output terminals, act as a series connection of two capacitors.

[0031] Hierbei kann der Sollwert u_CM*quer des zeitlichen Mittelwertes des Common-Mode-Anteils der Ausgangsspannungen, z.B. durch eine überlagerte Regelschleife, so vorgegeben werden, dass der Maximalwert der Ausgangsteilspannungen u_1 und u_2 (beide Ausgangsteilspannungen weisen stationär denselben Maximalwert auf) vom Wert der Spannung U_DC des DC-Systems respektive Batteriespeichers denselben Abstand wie der Minimalwert der Ausgangsteilspannungen u_1 und u_2 (beide Spannungen weisen stationär denselben Minimalwert auf) vom Wert Null aufweist, der Zeitverlauf von u_1 und u_2 also in der Mitte des durch die Batteriespannung U_DC bzw. Eingangsspannung der Vollbrücke und den Wert Null definierten Spannungsbandes liegt. Alternativ kann der Sollwert u_CM*quer auch gleich der Energiemitte des Spannungsbandes gewählt werden, wobei hier die Energie aller von den Ausgangsklemmen abzweigenden und gegen die negative oder positive DC-Spannungsschiene geschalteten Kondensatoren berücksichtigt wird. Eine weitere Möglichkeit ist eine Vorgabe derart, dass der Maximalwert der Ausgangsteilspannungen u_1 und u_2 einen definierten Abstand von der Batteriespannung U_DC oder der Minimalwert von u_1 und u_2 einen definierten Abstand von Null beibehält.Here, the desired value u_CM * across the time average of the common mode portion of the output voltages, e.g. be predetermined by a superimposed control loop, that the maximum value of the output sub-voltages u_1 and u_2 (both output sub-voltages have stationary the same maximum value) from the value of the voltage U_DC of the DC system or battery storage the same distance as the minimum value of the output sub-voltages u_1 and u_2 (both voltages have stationarily the same minimum value) of the value zero, the time course of u_1 and u_2 thus lies in the middle of the voltage band defined by the battery voltage U_DC or input voltage of the full bridge and the value zero. Alternatively, the desired value u_CM * can also be chosen to be equal to the energy center of the voltage band, taking into account the energy of all capacitors branching from the output terminals and connected against the negative or positive DC voltage rail. Another possibility is a specification such that the maximum value of the output partial voltages u_1 and u_2 maintains a defined distance from the battery voltage U_DC or the minimum value of u_1 and u_2 a defined distance of zero.

[0032] In einer Ausführungsform liegt ein mehrphasiges, insbesondere dreiphasiges AC-System vor und ist die Regelung dazu eingerichtet, CM-Komponenten und DM-Komponenten aus Phasengrössen von Strömen und/oder Spannung zu bestimmen.In one embodiment, a multiphase, in particular three-phase AC system is present and the control is set up to determine CM components and DM components from phase quantities of currents and / or voltage.

[0033] Beispielsweise kann bei einem dreiphasigen System die Common-Mode-Komponente i_CM von Brückenzweigströmen i_1, i_2, i_3 als i_CM = 1/3 (i_1 + i_2 + i_3) gebildet werden. Ferner kann die Bildung von DM-Komponenten in an sich bekannter Weise geschehen, am Beispiel der Phasenströme sind diese DM-Komponenten i_alpha, i_beta und werden bestimmt als i_alpha = i_1 - i_CM und i_beta = l/sqrt(3) (i_2 - i_3).For example, in a three-phase system, the common-mode component i_CM of bridge branch currents i_1, i_2, i_3 may be formed as i_CM = 1/3 (i_1 + i_2 + i_3). Furthermore, the formation of DM components can take place in a manner known per se; using the example of the phase currents, these DM components i_alpha, i_beta are determined as i_alpha = i_1-i_CM and i_beta = l / sqrt (3) (i_2-i_3) ,

[0034] In der Anmeldung ist stellenweise die DC-Seite als Eingangsseite und die AC-Seite als Ausgangsseite bezeichnet. Dies geschieht lediglich der Einfachheit der Erklärung halber. Es ist die Erfindung für einen Wechselrichterbetrieb, mit Leistungsfluss von der DC-Seite an die AC-Seite, wie auch für einen Gleichrichterbetrieb, mit Leistungsfluss von der AC- an die DC-Seite, realisierbar.In the application, the DC side is referred to as the input side and the AC side as the output side in places. This is for the sake of simplicity of explanation only. It is the invention for inverter operation, with power flow from the DC side to the AC side, as well as for a rectifier operation, with power flow from the AC to the DC side feasible.

[0035] Im Folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:In the following, the subject invention will be explained in more detail with reference to preferred embodiments, which are illustrated in the accompanying drawings. Each show schematically:

Fig. 1 eine Inverterschaltung mit einer Regelung;1 shows an inverter circuit with a control;

Fig. 2 eine Bildung eines Vorsteuerwertes für eine Common-Mode-Komponente von Ausgangsströmen;FIG. 2 shows a formation of a pilot value for a common-mode component of output currents; FIG.

Fig. 3 einen zeitlichen Verlauf von charakteristischen Grössen der Schaltung.Fig. 3 shows a time course of characteristic quantities of the circuit.

[0036] Die physikalische Möglichkeit einer Kompensation von Leistungsschwankungen kann anschaulich auf Basis einer Zerlegung der Ströme i_1 und i_2 in den Filterinduktivitäten L_1 und L_2 (beide in Richtung der zugehörigen Ausgangsklemme 1 bzw. 2 positiv gezählt) in eine DM-Komponente i_DM = 1/2(i_1 - i_2) und eine Gleichtaktkomponente i_CM = 1/2(i_1 + i_2) und die vorstehend angegeben Zerlegung der Ausgangsteilspannungen u_1 und u_2 mit u_CM = 1/2(u_1 + u_2) und u_DM = (u1 -u2) = u_O verstanden werden. Wichtig ist hier festzuhalten, dass die Ströme i_1 und i_2 unabhängig voneinander vorgebbar sind, also nicht i_1= -i_2 gelten muss; in anderen Worten ist also die DM- und CM-Komponente der Ströme i_1 und i_2 unabhängig voneinander vorgebbar, da über die negative Spannungsschiene eine Möglichkeit des Rückflusses des Summenstromes besteht. Weiter ist festzuhalten, dass die Ausgangsteilspannungen u_1 und u_2 nur hinsichtlich der Differenz, d.h. des DM-Anteiles u_DM definiert sind, da u_DM gleich der geforderten Ausgangsspannung u_O gebildet werden muss. Die Spannung u_DM wird durch i_DM erzeugt, wobei dieser Strom einerseits den Laststrom i_O über den zwischen den Klemmen 1 und 2 liegenden Lastwiderstand und den von Ausgangsklemme 1 über C_1 und zurück über C_2 fliessenden Strom für die Einprägung einer DM-Spannungskomponente bzw. Differenz von u_1 und u_2 gleich der geforderten Ausgangsspannung u_O* (Ausgangspannungssollwert) decken muss. Resultierend verbleiben also die Grössen u_CM und i_CM als nicht direkt an die Bildung des Ausgangsspannungssollwerts u_O* (der Index «*» bezeichnet jeweils den Referenzwert oder Sollwert) gebunden.The physical possibility of compensating for power fluctuations can be graphically illustrated on the basis of a decomposition of the currents i_1 and i_2 in the filter inductances L_1 and L_2 (both positively counted in the direction of the associated output terminal 1 or 2) into a DM component i_DM = 1 / 2 (i_1 - i_2) and a common mode component i_CM = 1/2 (i_1 + i_2) and the above decomposition of the output partial voltages u_1 and u_2 with u_CM = 1/2 (u_1 + u_2) and u_DM = (u1 -u2) = u_O be understood. It is important to note here that the currents i_1 and i_2 can be specified independently of each other, ie i_1 = -i_2 does not have to apply; in other words, therefore, the DM and CM components of the currents i_1 and i_2 can be predetermined independently of one another, since there is a possibility of the return flow of the total current via the negative voltage rail. It should also be noted that the output partial voltages u_1 and u_2 are limited only to the difference, i. of the DM component u_DM are defined, since u_DM must be formed equal to the required output voltage u_O. The voltage u_DM is generated by i_DM, this current on the one hand the load current i_O over the lying between the terminals 1 and 2 load resistor and the output terminal 1 via C_1 and back via C_2 flowing current for the impression of a DM-voltage component or difference of u_1 and u_2 must equal the required output voltage u_O * (output voltage setpoint). As a result, the quantities u_CM and i_CM are not bound directly to the formation of the output voltage setpoint u_O * (the index "*" denotes the reference value or setpoint, respectively).

[0037] Durch i_CM werden beide Kondensatoren C_1 und C_2 gleichartig geladen und so eine CM-Spannung u_CM gebildet. i_CM und u_CM sind also gekoppelt, repräsentieren also de facto nur einen Freiheitsgrad. Dieser Freiheitsgrad kann nun dafür genutzt werden, einen Leistungsfluss u_CM.i_CM aus den Pufferkondensatoren derart zu bewirken, dass die ohne die Puffervorrichtung an der DC-Seite der Vollbrücke auftretende zweifach netzfrequente Leistungsschwankung durch den Leistungsfluss aus der Puffervorrichtung, d.h. aus den Pufferkondensatoren C_1 und C_2, genau kompensiert wird. Hierfür wird der Leistungsfluss aus den Pufferkondensatoren derart eingestellt, dass der zweifach netzfrequente Wechselanteil der von der Last bezogenen Leistung und die für die Einstellung der Differenz der Ausgangsteilspannung oder Pufferkondensatorspannung u_1 und u_2 in Höhe des Ausgangspannungssollwerts, u_O* = u_1 - u_2, erforderliche Blindleistung genau gedeckt wird.By i_CM both capacitors C_1 and C_2 are charged similarly and thus a CM voltage u_CM is formed. i_CM and u_CM are thus coupled, that is to say they de facto only represent one degree of freedom. This degree of freedom can now be used to effectuate a power flow u_CM.i_CM from the buffer capacitors such that the double mains frequency power fluctuation occurring on the DC side of the full bridge without the buffering device is affected by the power flow from the buffer device, i. from the buffer capacitors C_1 and C_2, is exactly compensated. For this purpose, the power flow from the buffer capacitors is set in such a way that the twice-mains-frequency alternating component of the load-related power and the reactive power required for setting the difference of the output partial voltage or buffer capacitor voltage u_1 and u_2 equal to the output voltage setpoint, u_O * = u_1-u_2, exactly is covered.

[0038] Der hierfür erforderliche Verlauf von i_CM kann in einem realen System durch die in Fig. 1 gezeigte Regelvorrichtung eingestellt werden.The required course of i_CM can be set in a real system by the control device shown in FIG.

[0039] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Fig. 1 und Fig. 2 näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to FIG. 1 and FIG. 2.

[0040] Fig. 1 zeigt den Leistungsteil einer Inverterschaltung mit Einphasenausgang, realisiert durch eine Vollbrückenschaltung mit AC-seitigem Tiefpassfilter, gebildet durch von den Wurzelpunkten I und II des ersten und zweiten Brückenzweiges abzweigenden Filterinduktivitäten L1, L2 und einer als CM-Filterkondensatoren oder Ausgangsfilterkapazitäten C_1 und C_2 ausgeführten Ausgangsfilterkapazität. Vorzusweise sind C_1 und C_2 als Pufferkondensatoren mit hoher Kapazität ausgeführt. Die gezeigte Regelung stellt einen DM-Anteil und CM-Anteil der Ausgangsteilspannungen u_1 und u_2 derart sicher, dass eine niederfrequente Schwankung der dem DC-System resp. Batteriespeicher an der DC-Seite der Vollbrücke entnommenen Leistung mit Ausnahme schaltfrequenter Schwankungen unterbunden, d.h., der DC-seitige Leistungsfluss stationär konstant gehalten wird, d.h., keine niederfrequente und insbesondere keine zweifach ausgangsfrequente Leistungsschwankung auftritt.Fig. 1 shows the power part of a inverter circuit with single-phase output, realized by a full bridge circuit with AC-side low-pass filter formed by branching from the root points I and II of the first and second bridge branch filter inductances L1, L2 and one as CM filter capacitors or Ausgangsfilterkapazitäten C_1 and C_2 executed output filter capacity. Preferably, C_1 and C_2 are designed as high capacitance buffer capacitors. The control shown ensures a DM component and CM component of the output partial voltages u_1 and u_2 such that a low-frequency fluctuation of the DC system resp. Battery storage at the DC side of the full-bridge power with the exception of switching-frequency fluctuations prevented, that is, the DC-side power flow is kept stationary constant, that is, no low-frequency and in particular no dual output frequency power fluctuation occurs.

[0041] Hierfür werden die Ausgangsteilspannungen u_1 und u_2 gemessen und durch Addition und Gewichtung des CM-Anteils, u_CM = 1/2(u_1 + u_2), und durch Subtraktion von u_1 und u_2 der DM-Anteil, u_DM = (u1 - u2), bestimmt. u_DM muss nun durch eine Spannungsregelung so geführt werden, dass der Verlauf dem Ausgangspannungssollwert u_O* folgt. Hierfür wird die Regeldifferenz u_O* - u_DM gebildet und einem DM-Spannungsregler 5 zugeführt. Der Reglerausgang wird vorteilhaft durch den gemessenen Laststrom i_O vorgesteuert, sodass seitens des Reglers nur der für die Umladung der Serienschaltung von C_1 und C_2 erforderliche Strom iC_DM respektive dessen Sollwert iC_DM* zu bilden ist. Insgesamt resultiert damit der Sollwert i_DM* der DM-Komponente von i_1 und i_2.For this purpose, the output partial voltages u_1 and u_2 are measured and by addition and weighting of the CM component, u_CM = 1/2 (u_1 + u_2), and by subtracting u_1 and u_2 the DM component, u_DM = (u1-u2 ), certainly. u_DM must now be controlled by voltage regulation so that the curve follows the output voltage setpoint u_O *. For this purpose, the control deviation u_O * - u_DM is formed and fed to a DM voltage regulator 5. The controller output is advantageously pre-controlled by the measured load current i_O, so that only the current iC_DM required for transhipping the series circuit of C_1 and C_2 or its desired value iC_DM * is to be formed by the controller. Overall, this results in the desired value i_DM * of the DM component of i_1 and i_2.

[0042] Anzumerken ist, dass optional auch iC_DM vorgesteuert werden kann, da der Verlauf der über der Serienschaltung von C_1 und C_2 zu bildenden Spannung mit dem Ausgangspannungssollwert u_O* ja bekannt ist. Weisen die Pufferkondensatoren jeweils eine Kapazität C auf, kann also neben der Laststromvorsteuerung durch i_O auch noch eineIt should be noted that optionally iC_DM can also be precontrolled, since the course of the voltage to be formed across the series circuit of C_1 and C_2 is known with the output voltage setpoint u_O * yes. Assign the buffer capacitors each have a capacitance C, so in addition to the load current feedforward control by i_O also one

Vorsteuerkomponente C/2 d u_O7dt dem Reglerausgang des DM-Spannungsreglers 5 addiert werden, womit der Regler stationär nur mehr einen Messfehler von i_O oder durch Nichtidealitäten der Komponenten verursachte Abweichungen ausgleichen muss.Pre-control component C / 2 d u_O7dt be added to the controller output of the DM voltage regulator 5, so that the controller stationary only a measurement error of i_O or compensate for Nichtidealitäten of the components must compensate deviations.

[0043] Der Sollwert der CM-Komponente i_CM*AC der Ströme i_1 und i_2 wird direkt durch die für die Kompensation der zweifach ausgangsfrequenten Schwankung der von der Last bezogenen Leistung sowie der für die Umladung der Serienschaltung von C_1 und C_2 erforderlichen Blindleistung bestimmt. Die entsprechende Schaltung ist in Fig. 2 gezeigt und weiter unten beschrieben.The setpoint value of the CM component i_CM * AC of the currents i_1 and i_2 is determined directly by the reactive power required for the compensation of the double output frequency fluctuation of the power consumed by the load and the reactive power required for the transhipment of the series circuit of C_1 and C_2. The corresponding circuit is shown in Fig. 2 and described below.

[0044] Zusätzlich ist durch eine Regelung dafür zu sorgen, dass u_CM einen Mittelwert derart beibehält, dass eine symmetrische Aussteuerbarkeit von u_1 und u_2 zur Bildung der Differenzspannung u_1 - u_2 = u_O* gegeben ist. Dies kann durch Tiefpassfilterung 3 von u_CM derart erfolgen, dass eine hinreichende Mittelung über die betriebsmässig auftretenden Schwankungen mit zweifacher Ausgangsfrequenz gegeben ist. Es folgt als Ergebnis der Tiefpassfilterung 3 der Istwert u_CMquer, welcher mit einem Sollwert u_CM*quer verglichen wird. Die Differenz beider Grössen wird einem CM-Spannungsregler 4 zugeführt, welcher eine i_CM*AC ergänzenden Stromanteil i_CM*DC bildet. Die Addition beider Stromanteile führt letztlich auf den gesamten Sollwert i_CM* = i_CM*AC + iCM*DC. Aus den Stromsollwerten i_DM* und i_CM* können nun durch Addition und Subtraktion die Sollwerte ML* und i_2* der Ströme i_1 und i_2 durch die die Filterinduktivitäten gebildet werden; also i_1 * = i_CM* + i_DM*, i_2* = i_CM* - i_DM*.In addition, it is to be ensured by a regulation that u_CM maintains an average value such that a symmetrical controllability of u_1 and u_2 for the formation of the differential voltage u_1-u_2 = u_O * is given. This can be done by low-pass filtering 3 of u_CM such that a sufficient averaging over the operational fluctuations with twice the output frequency is given. It follows as a result of the low-pass filtering 3, the actual value u_CMquer, which is compared with a target value u_CM * across. The difference between the two quantities is supplied to a CM voltage regulator 4, which forms an i_CM * AC supplementary current component i_CM * DC. The addition of both current components ultimately leads to the total setpoint i_CM * = i_CM * AC + iCM * DC. From the current setpoint values i_DM * and i_CM *, the setpoint values ML * and i_2 * of the currents i_1 and i_2 can now be formed by adding and subtracting the filter inductances; ie i_1 * = i_CM * + i_DM *, i_2 * = i_CM * - i_DM *.

[0045] Diese Sollwerte werden unterlagerten Stromregelschleifen zugeführt, welche die Istwerte i_1 und i_2 erfassen, und mittels Reglern 6, 7 die über die Filterinduktivitäten L_1 und L_2 zur Einprägung von i_1* und i_2* anzulegenden Spannungen bilden, wobei die Reglerausgänge vorteilhaft durch die Messwerte von den Ausgangsteilspannungen u_1 und u_2 vorgesteuert werden, womit die Sollwerte der von den Brückenzweigen der Vollbrücke auszugebenden Brückenzweigausgangsspannungen uj* und u_ll* resultieren, welche über Pulsbreitenmodulatorstufen unter Berücksichtigung des aktuellen Wertes der DC-Spannung bzw. der Spannung des Batteriespeichers eingestellt werden. Alternativ können auch andere Stromregelverfahren verwendet, und/oder die Vollbrücke mit dreieckförmigem, die Nulllinie geringfügig unterschreitendem Ausgangsstrom, d.h. im Triangular-Current-Mode betrieben und so weiches Schalten der Brückenzweige sichergestellt werden, wobei dann die Dreieckströme so eingestellt werden, dass über eine Taktperiode die geforderten lokalen Mittelwerte in Höhe der Sollwerte i_1 * und i_2* auftreten.These setpoint values are supplied to subordinate current-control loops, which detect the actual values i_1 and i_2, and form the voltages to be applied via the filter inductances L_1 and L_2 for impressing i_1 * and i_2 * by means of regulators 6, 7, the controller outputs advantageously being determined by the measured values are precontrolled by the output partial voltages u_1 and u_2, whereby the setpoint values of the bridge branch output voltages uj * and u_ll * to be output by the bridge branches of the full bridge result, which are set via pulse width modulator stages taking into account the current value of the DC voltage or the voltage of the battery store. Alternatively, other current control methods may be used, and / or the full bridge with triangular output current slightly less than the zero line, i. operated in triangular current mode and so soft switching of the bridge arms are ensured, in which case the triangular currents are set so that over a clock period, the required local averages in the amount of the setpoints i_1 * and i_2 * occur.

[0046] Die genannten Regler 4, 5, 6, 7 können beispielsweise durch P-, PI-, PID- oder andere Regler realisiert sein.The said controllers 4, 5, 6, 7 can be realized for example by P, PI, PID or other controller.

[0047] Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild der Generierung des Vorsteuerwertes i_CM*AC der CM-Komponente der Ströme i_1 und i_2 derart, dass der zweifach ausgangsfrequente Wechselanteil der von der Last bezogenen Leistung (gebildet durch Hochpassfilterung 8 der von der Last bezogenen Momentanleistung u_O i_O) sowie die für die Bildung der Spannungsdifferenz u_1 - u_2 = u_O* über der Serienschaltung von C_1 und C_2 erforderliche Blindleistung (gebildet durch Differentiation 9 des Ausgangspannungssollwerts u_O* und anschliessende Multiplikation mit C/2 u_O*, wobei C/2 als Kapazität der Serienschaltung von C_1 und C_2 folgt, falls C_1 und C_2 dieselbe Kapazität C aufweisen) durch einen entsprechenden Leistungsfluss aus den Pufferkondensatoren C_1 und C_2 gedeckt wird und auch eine ev. aufgrund von Nichtidealitäten der Vorsteuerung verbleibende niederfrequente Wechselkomponente der DC-seitigen Eingangsleistung der Vollbrücke (gebildet durch Hochpassfilterung 10 der DC-seitigen Leistungsaufnahme der Vollbrücke) zu Null geregelt wird.2 shows a block diagram of the generation of the precontrol value i_CM * AC of the CM component of the currents i_1 and i_2 in such a way that the double output frequency alternating component of the load-related power (formed by high-pass filtering 8 of the instantaneous power u_O i_O) and the reactive power required for the formation of the voltage difference u_1-u_2 = u_O * over the series circuit of C_1 and C_2 (formed by differentiation 9 of the output voltage setpoint u_O * and subsequent multiplication by C / 2 u_O *, where C / 2 is the capacitance of the Series connection of C_1 and C_2 follows, if C_1 and C_2 have the same capacitance C) is covered by a corresponding power flow from the buffer capacitors C_1 and C_2 and also ev. Due to non-idealities of the pilot control remaining low-frequency alternating component of the DC-side input power of the full bridge (formed through high-pass filtering of 10-side power absorption of the full bridge) is regulated to zero.

[0048] Fig. 3 zeigt bei Einsatz der beschriebenen Regelung für typische Lastfälle resultierende Zeitverläufe der beiden Ausgangsteilspannungen u_1 und u_2 und den Zeitverlauf der in diesen Spannungen enthaltenen CM-Komponente u_CM und DM-Komponente u_DM, welche entsprechend dem vorgegebenen Ausgangsspannungssollwert u_O* einen rein sinusförmigen Verlauf aufweist. Weiters sind die Zeitverläufe der Ströme i_1, i_2 und deren DM- und CM-Komponente sowie der Eingangsstrom ij der Vollbrücke angegeben (schaltfrequente Änderungen sind ausgefiltert) angegeben; der Strom i_i weist einen über die Periodendauer der Ausgangsspannung konstanten Wert auf, dem DC-System oder Batteriespeicher wird also - wie durch die Regelung angestrebt - eine zeitlich konstante Momentanleistung entnommen. Die Lastfälle sind, bei ansonsten gleichbleibenden Parametern:Fig. 3 shows when using the described control for typical load cases resulting time curves of the two output partial voltages u_1 and u_2 and the time course of the contained in these voltages CM component u_CM and DM component u_DM, which according to the predetermined output voltage setpoint u_O * a pure sinusoidal course has. Furthermore, the time courses of the currents i_1, i_2 and their DM and CM components as well as the input current ij of the full bridge are indicated (switching frequency changes are filtered out); the current i_i has a constant over the period of the output voltage value, the DC system or battery storage is thus - as sought by the regulation - taken a temporally constant instantaneous power. The load cases are, with otherwise constant parameters:

• Fig. 3a: Speisung der Last mit einer Wirkleistung von 2000 W • Fig. 3b: Speisung der Last mit einer Blindleistung von 2000 kVA bei cos(phi) = 0.7• Fig. 3a: Supply of the load with an active power of 2000 W • Fig. 3b: Supply of the load with a reactive power of 2000 kVA at cos (phi) = 0.7

• Fig. 3c: Speisung der Last mit einer Wirkleistung von 100 W• Fig. 3c: Supply of the load with an active power of 100 W.

Claims (10)

Patentansprücheclaims 1. Inverter zum Austausch elektrischer Energie zwischen einem DC-System und einem AC-System, wobei der Inverter mehrere Brückenzweige aufweist und jeder Brückenzweig einen Mittelpunkt (I, II) aufweist, der über einen oberen Schalter mit einer positiven Gleichspannungsschiene (p) und über einen unteren Schalter mit einer negativen Gleichspannungsschiene (n) verbunden werden kann, und im Betrieb der Inverter jeweils vom Mittelpunkt (I, II) eines Brückenzweigs ein Brückenzweigstrom (i_1, i_2) durch eine dem Brückenzweig zugeordnete Filterinduktivität (L_1, L_2) eines Ausgangsfilters (L_1, C_1, L_2, C_2) und über dem Brückenzweig zugeordnete Ausgangsklemme (1, 2) zum AC-System fliesst, wobei an die Ausgangsklemme (1, 2) eine Ausgangsfilterkapazität (C_1, C_2) zur Glättung einer entsprechenden Ausgangsteilspannung (u_1, u_2) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Inverter eine Regelung zur Ansteuerung der Schalter der Brückenzweige aufweist, welche dazu eingerichtet ist, die Brückenzweige zum Erzeugen von Spannungen an ihren Mittelpunkten (I, II) entsprechend jeweils zugeordneten Sollwerten von Brückenzweigausgangsspannungen (u_l*, u_ll*) anzusteuern, und diese Sollwerte von Brückenzweigausgangsspannungen (u_l*, u_ll*) derart zu bestimmen, dass ein niederfrequenter Wechselanteil einer mit dem AC-System ausgetauschten Leistung durch die Ausgangsfilterkapazitäten (C_1, C_2) aufgenommen respektive abgegeben wird.An inverter for exchanging electrical energy between a DC system and an AC system, wherein the inverter has a plurality of bridge branches and each bridge branch has a center (I, II), via an upper switch with a positive DC rail (p) and over a lower switch can be connected to a negative DC rail (s) and, during operation of the inverters, from the midpoint (I, II) of a bridge branch a bridge branch current (i_1, i_2) through a filter inductance (L_1, L_2) of an output filter assigned to the bridge branch ( L_1, C_1, L_2, C_2) and output terminal (1, 2) assigned to the bridge branch flows to the AC system, an output filter capacitance (C_1, C_2) for smoothing a corresponding output partial voltage (u_1, u_2) being applied to the output terminal (1, 2) ) is connected, characterized in that the inverter has a control for controlling the switches of the bridge arms, which set up to do so t is to drive the bridge branches to generate voltages at their midpoints (I, II) according to respectively assigned setpoint values of bridge branch output voltages (u_l *, u_ll *), and to determine these setpoint values of bridge branch output voltages (u_l *, u_ll *) such that a Low-frequency alternating component of an exchanged with the AC system power through the output filter capacitances (C_1, C_2) recorded or delivered. 2. Inverter gemäss Anspruch 1, wobei die Regelung dazu eingerichtet ist, einen zeitlichen Mittelwert (u_CMquer) eines Common-Mode-Anteils (u_CM) der Ausgangsteilspannungen (u_1, u_2) auf einen vorgegebenen Sollwert (u_CM*quer) zu regeln, insbesondere auf einen über die Zeit konstanten Wert.2. Inverter according to claim 1, wherein the control is adapted to a temporal average (u_CMquer) of a common mode component (u_CM) of the output partial voltages (u_1, u_2) to a predetermined setpoint (u_CM * transverse) to regulate, in particular a constant value over time. 3. Inverter gemäss Anspruch 1 oder 2, wobei die Regelung dazu eingerichtet ist, einen Differential-Mode-Anteil (u_DM) der Ausgangsteilspannungen (u_1, u_2) auf einen vorgegebenen Ausgangspannungssollwert (u_O*) zu regeln, insbesondere auf einen sich über die Zeit sinusförmig ändernden Wert.3. Inverter according to claim 1 or 2, wherein the control is adapted to a differential mode component (u_DM) of the output partial voltages (u_1, u_2) to a predetermined output voltage setpoint (u_O *) to regulate, in particular over a time sinusoidally changing value. 4. Inverter gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Inverter keinen Pufferkondensator und keine aktive leistungselektronische Einheit zwischen der positiven und negativen Gleichspannungsschiene (p, n) zum Ausgleich von Lastschwankungen aufweist.4. Inverter according to one of the preceding claims, wherein the inverter has no buffer capacitor and no active power electronic unit between the positive and negative DC rail (p, n) to compensate for load fluctuations. 5. Inverter gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Ausgangsfilterkapazitäten (C_1, C_2) alle zwischen die jeweilige Ausgangsklemme (1,2) und die positive Gleichspannungsschiene (p) oder alle zwischen die jeweilige Ausgangsklemme (1,2) und die negative Gleichspannungsschiene (n) geschaltet sind.5. Inverter according to one of claims 1 to 4, wherein the output filter capacitances (C_1, C_2) all between the respective output terminal (1,2) and the positive DC rail (p) or all between the respective output terminal (1,2) and the negative DC busbar (s) are connected. 6. Inverter gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei jede der Ausgangsklemmen (1,2) jeweils über eine obere Ausgangsfilterteilkapazität an die positive Gleichspannungsschiene (p) und über eine untere Ausgangsfilterteilkapazität an die negative Gleichspannungsschiene (n) angeschlossen ist.6. Inverter according to one of claims 1 to 4, wherein each of the output terminals (1,2) in each case via an upper output filter part capacitance to the positive DC rail (p) and a lower output filter part capacitance to the negative DC rail (s) is connected. 7. Inverter gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei mindestens eine der Ausgangsklemmen (1,2) über eine erste Ausgangsfilterkapazität an die positive Gleichspannungsschiene (p) und mindestens eine andere der Ausgangsklemmen (1,2) über eine weitere Ausgangsfilterkapazität an die negative Gleichspannungsschiene (n) angeschlossen ist.7. Inverter according to one of claims 1 to 4, wherein at least one of the output terminals (1,2) via a first output filter capacitance to the positive DC rail (p) and at least one other of the output terminals (1,2) via a further output filter capacitance to the negative DC busbar (s) is connected. 8. Inverter gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Filterinduktivitäten (L_1, L_2) der Ausgangsfilter magnetisch miteinander gekoppelt sind.8. Inverter according to one of the preceding claims, wherein the filter inductances (L_1, L_2) of the output filters are magnetically coupled together. 9. Inverter gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Regelung dazu eingerichtet ist, eine Energiespeicherung in den Ausgangsfilterkapazitäten (C_1, C_2) • durch Vorgabe einer Common-Mode-Komponente (i_CM*) der Brückenzweigströme (i_1, i_2) so zu regeln, dass ein Wechselanteil der mit dem AC-System ausgetauschten Leistung, welche einen Wirk- und einen Blindleistungsanteil umfassen kann, kompensiert wird und so mit dem DC-System eine im Wesentlichen konstante Momentanleistung ausgetauscht wird; und • durch Vorgabe einer Differential-Mode-Komponente (i_DM*) der Brückenzweigströme (i_1, i_2) so zu regeln, dass einerseits ein AC-seitiger Laststrom (i_O) gedeckt ist und andererseits ein Umladestrom für die Ausgangsfilterkapazitäten (C_1, C_2) fliesst, welcher eine Differenz der Ausgangsteilspannungen (u_1, u_2) an den Ausgangsfilterkapazitäten (C_1, C_2) auf einen vorgegebenen Ausgangspannungssollwert (u_O*) einstellt.9. Inverter according to one of the preceding claims, wherein the control is set up to regulate an energy storage in the output filter capacitances (C_1, C_2) by specifying a common-mode component (i_CM *) of the bridge branch currents (i_1, i_2) that an alternating component of the power exchanged with the AC system, which can comprise an active power and a reactive power component, is compensated, and thus a substantially constant instantaneous power is exchanged with the DC system; and • by specifying a differential-mode component (i_DM *) of the bridge branch currents (i_1, i_2) to be regulated so that on the one hand an AC-side load current (i_O) is covered and on the other hand, a recharging current for the output filter capacitances (C_1, C_2) flows which adjusts a difference of the output partial voltages (u_1, u_2) at the output filter capacitances (C_1, C_2) to a predetermined output voltage reference value (u_O *). 10. Inverter gemäss Anspruch 9, wobei ein mehrphasiges, insbesondere dreiphasiges AC-System vorliegt, und die Regelung dazu eingerichtet ist, CM-Komponenten und DM-Komponenten aus Phasengrössen von Strömen und/oder Spannung zu bestimmen.10. Inverter according to claim 9, wherein a multiphase, in particular three-phase AC system is present, and the controller is adapted to determine CM components and DM components of phase quantities of currents and / or voltage.
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