DE10018943A1 - Photovoltaik-Wechselrichter - Google Patents

Photovoltaik-Wechselrichter

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Photovoltaik-Wechselrichter zum energieoptimierten Betreiben von Photovoltaikanlagen, die als Inselsysteme ausgeführt sind, wie z. B. autarke Kühlcontainer oder Brauchwasserkühler, aber auch Inselnetzsysteme. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist es, die unterschiedlichen Energiequellen und Energiesenken einer Photovoltaikanlage so zu verbinden, daß eine ständige Anpassung der einzelnen Komponenten gewährleistet ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß sind alle für ein Photovoltaikinselsystem erforderlichen Energiequellen und Energiesenken über Wandler ausschließlich an einen Gleichspannungsbus (1) mit frei wählbarem Spannungsniveau gekoppelt. Eine Regelung bzw. Steuerung dieser Komponenten erfolgt über die Auswertung des Spannungsniveaus des Gleichspannungsbusses. Dazu werden ein Photovoltaikgenerator (2) über einen Anpaßwandler (3), einen bidirektionalen Laderegler (5) mit einer Batterie (4) und ein Inselwechselrichter (7) mit dem Verbraucher (6) über einen Gleichspannungsbus (1) verbunden. Eine Steuer- und Regeleinrichtung (8) ist für das Energiemanagement über die Auswertung des Spannungsniveaus des Gleichspannungsbusses (1) angeschlossen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Photovoltaik-Wechselrichter zum energieoptimierten Betrei­ ben von Photovoltaikanlagen, die als Inselsysteme ausgeführt sind, wie z. B. autarke Kühlcontainer oder Brauchwasserkühler, aber auch Inselnetzsysteme.
Für die Energieversorgung mit Photovoltaikanlagen ist eine Anpassung zwischen dem Photovoltaikgenerator und den unterschiedlichen Verbrauchern erforderlich. Der Photo­ voltaikgenerator soll möglichst in jedem Betriebszustand der Anlage so betrieben wer­ den, daß er in dem Punkt seiner maximalen Leistungsabgabe (MPP) arbeitet. Der Ar­ beitspunkt des für Inselsysteme meistens erforderlichen Elektroenergiespeichers stimmt nur in wenigen Fällen mit dem MPP überein, so daß in jedem Betriebszustand eine An­ passung erforderlich ist.
Bei herkömmlichen Anlagen wird die Nennspannung des Elektroenergiespeichers durch die Nennspannung des Photovoltaikgenerators bestimmt, was einen erhöhten Aufwand bei der Installation des Gesamtsystems erfordert. Bei niedrigen Systemspannungen und Leistungen im Kilowattbereich ergeben sich hohe Ansprüche an die Strombelastbarkeit der verwendeten Kabel. Die Verwendung einer hohen Systemspannung ist beim Einsatz eines Elektroenergiespeichers nur durch das Zusammenschalten mehrerer Speicher und den damit verbundenen Problemen bei der Ladung möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es, die unterschiedlichen Energiequellen und Energiesenken einer Photovoltaikanlage so zu verbinden, daß eine ständige Anpassung der einzelnen Komponenten gewährleistet ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des 1. Patentanspruchs gelöst, indem eine Photovoltaik-Wechselrichter mit Gleichspannungsbus eingesetzt wird. Der Photovoltaik-Wechselrichter wird zweistufig ausgeführt. Im ersten Teil, einem Gleich­ spannungswandler, erfolgt die Anpassung der Spannung des Photovoltaikgenerators an das für den jeweiligen Anwendungsfall erforderliche Spannungsniveau. Der so entstan­ dene Spannungszwischenkreis dient als Schnittstelle (Gleichspannungsbus) für weitere Komponenten. wie Batterie, Gleich- und Wechselspannungslasten und andere Energie­ quellen, die über geeignete Wandler angekoppelt werden können.
Durch einen Gleichspannungsbus an den alle Energiequellen und Energiesenken über separate Wandler gekoppelt werden, wird eine große Unabhängigkeit bezüglich der Auswahl des Nennspannungsniveaus dieser Komponenten erreicht, d. h. eine Batterie mit einer Nennspannung von 48 V kann zum Beispiel durch einen bidirektionalen Lade­ regler mit einem Photovoltaikgenerator mit einer Nennspannung von 150 V über den Gleichspannungsbus verbunden werden.
Erfindungsgemäß wird eine Steuer- und Regeleinrichtung für das Energiemanagement über die Auswertung des Spannungsniveaus des Gleichspannungsbusses eingesetzt. Ein Energieüberschuß im Gleichspannungsbus führt zu einer Erhöhung der Busspan­ nung, ein Energiedefizit zu einer Verringerung der Busspannung. Die Busspannung ist die Regelgröße und die Änderung dieser Spannung die Regelabweichung. Die Re­ gelabweichung wird über die Änderung der Sollwerte für die einzelnen an den Gleich­ spannungsbus angeschlossenen Wandler minimiert.
An folgenden Ausführungsbeispiel soll die Erfindung näher erläutert werden:
In Fig. 1 ist das Prinzip des Spannungszwischenkreises als universeller Gleichspan­ nungsbus 1 dargestellt. An den Gleichspannungsbus 1 werden ein Anpaßwandler 3, ein bidirektionaler Laderegler 5 und ein Inselwechselrichter 7 angeschlossen. Mit 2 ist der Photovoltaikgenerator und mit 6 ein Verbraucher bezeichnet. Der Betrieb dieser Wandler wird durch eine Steuer- und Regeleinrichtung 8, wie in Fig. 3 dargestellt, in Abhängigkeit des Spannungsniveaus des Gleichspannungbusses 1 koordiniert.
Der bidirektionale Laderegler 5 regelt das Laden und Entladen der Batterie 4. Im Lade­ betrieb arbeitet der bidirektionale Laderegler 5 als Tiefsetzsteller mit der Spannung des Gleichspannungsbusses 1 am Eingang und der Batterie 4 am Ausgang.
Bei Energieüberschuß im Gleichspannungsbus arbeitet dieser Wandler als Tiefsetzstel­ ler und regelt die Batterieladung. Bei Energiedefizit im Gleichspannungsbus wird in den Hochsetzstellermodus gewechselt und die Batterie unter Überwachung der zulässigen Grenzwerte entladen.
In Fig. 2 ist das Schaltschema des bidirektionalen Ladereglers 5 dargestellt. Im Ladebe­ trieb bleibt der Schalter S2 geöffnet und der Schalter S1 wird mit einem pulsweitenmo­ dulierten Signal angesteuert. Beim Entladen der Batterie 4 bleibt der Schalter S1 geöff­ net und der Schalter S2 wird geschaltet und damit ein Hochsetzstellerbetrieb mit der Batteriespannung am Eingang und dem Gleichspannungsbus 1 am Ausgang realisiert.
Durch den Anpaßwandler 3 wird die Leistungsanpassung realisiert. Dazu wird über die Änderung der Einschaltdauer der Halbleiterschalter der Innenwiderstand des Gleich­ spannungswandlers so eingestellt, daß der Arbeitspunkt mit dem aktuellen MPP des Photovoltaikgenerators 2 übereinstimmt.
Die Spannung des Gleichspannungsbusses 1 wird durch den Inselwechselrichter 7 in eine Wechselspannung konvertiert.
Der Energiefluß zwischen den einzelnen Komponenten wird über das Spannungsniveau des Gleichspannungsbusses 1 geregelt, da sich dieses proportional zu dem Verhältnis von Energieangebot und Energieverbrauch einstellt. Bei der Kopplung mehrerer Kompo­ nenten werden diesen verschiedene Prioritäten über das Spannungsniveau zugeordnet.
Bei einem System bestehend aus Photovoltaikgenerator 2 mit Anpaßwandler 3, Batterie 4 mit bidirektionalem Laderegler 5, Motor mit Frequenzumrichter 7 und hier nicht darge­ stellten Dieselgenerator mit aktiven Gleichrichter können zum Beispiel gemäß Fig. 3 fol­ gende Spannungsniveaus für den Gleichspannungsbus 1 festgelegt werden:
  • 1. Batterie laden bei 305 V bis 320 V (ULaden)
  • 2. Batterie entladen bei Unterschreiten von 300 V (UEntladen)
  • 3. Start des Dieselgenerators bei Unterschreiten von 280 V (UDiesel)
  • 4. Betrieb des Motors von 270 V (Umin) bis 330 V (Umax)

Claims (5)

1. Photovoltaik-Wechselrichter bei dem alle für ein Photovoltaikinselsystem erforderli­ chen Energiequellen und Energiesenken über Wandler ausschließlich an einen Gleichspannungsbus (1) mit frei wählbarem Spannungsniveau gekoppelt sind und ei­ ne Regelung bzw. Steuerung dieser Komponenten über die Auswertung des Span­ nungsniveaus des Gleichspannungsbusses (1) erfolgt. Dazu werden ein Photovoltaik­ generator (2) über einen Anpaßwandler (3), ein bidirektionaler Laderegler (5) mit einer Batterie (4) und ein Inselwechselrichter (7) mit dem Verbraucher (6) über einen Gleichspannungsbus (1) verbunden und eine Steuer- und Regeleinrichtung (8) für das Energiemanagement über die Auswertung des Spannungsniveaus des Gleichspan­ nungsbusses (1) angeschlossen.
2. Photovoltaik-Wechselrichter nach Anspruch 1, bei dem die Steuer- und Regelein­ richtung dergestalt ausgeführt ist, daß jeder Komponente ein Gleichspannungsniveau innerhalb des Arbeitsspannungsbereiches des Gleichspannungsbusses zugeordnet wird und der Betrieb dieser Komponenten abhängig von den Abweichungen eines Nennenergieniveaus gesteuert wird, d. h. die Arbeitspunkte der einzelnen Kompo­ nenten durch die Steuer- und Regeleinrichtung beeinflußt werden.
3. Photovoltaik-Wechselrichter nach Anspruch 1, bei dem die Steuer- und Regelein­ richtung dezentral für jede Komponente ausgeführt ist.
4. Photovoltaik-Wechselrichter nach Anspruch 1, bei dem der Inselwechselrichter (7) über einen dreiphasigen, frequenzgeregelten Ausgang für den direkten Anschluß von Asynchronmotoren verfügt.
5. Photovoltaik-Wechselrichter nach Anspruch 1, bei dem zusätzlich eine externe Elek­ troenergiequelle über einen Wandler an den Gleichspannungsbus (1) angeschlossen ist.
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