-
Die
Erfindung betrifft Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters zum
Einspeisen elektrischer Energie aus einer ersten und einer zweiten
Gleichstromquelle mit einem gemeinsamen Bezugspotenzial in ein Wechselstromnetz,
wobei der Wechselrichter ausgangseitig mit einem Leiter und einem
Nullleiter des Wechselstromnetzes verbunden ist und wobei die erste
Gleichstromquelle ein positives Potenzial gegenüber dem Bezugspotenzial aufweist,
die zweite Gleichstromquelle ein negatives Potenzial gegenüber dem
Bezugspotenzial aufweist, das Bezugspotenzial der beiden Gleichstromquellen
mit dem Nullleiter verbunden ist, der Wechselrichter einen ersten
Tiefsetzsteller umfasst, mit dem das positive Potenzial an den Leiter
des Wechselstromnetzes angeschaltet ist und der Wechselrichter einen
zweiten Tiefsetzsteller umfasst, mit dem das negative Potenzial
an den Leiter des Wechselstromnetzes angeschaltet ist. Des Weiteren
betrifft die Erfindung einen Wechselrichter zur Durchführung des
Verfahrens.
-
Um
die Energie von Gleichstromquellen in ein Wechselstromnetz einzuspeisen
sind Wechselrichter mit unterschiedlichen Topologien bekannt. Gleichstromquellen
wie beispielsweise Photovoltaikzellen, Brennstoffzellen, Batterien
etc. weisen in der Regel vom Entnahmestrom abhängige Spannungskennlinien auf.
Durch äußere Einflüsse, beispielsweise
sich verändernde
Lichtverhältnisse
bei Photovoltaikzellen, ändert
sich zudem laufend die maximale Entnahmeleistung, auch Maximal Power
Point (MPP) genannt. Die Regelung eines Wechselrichters muss derartige
dynamische Betriebszustände
berücksichtigen.
-
Zusätzlich wird
von Wechselstromnetzbetreibern gefordert, dass Wechselrichter einen
sinusförmigen
Strom in ein Wechselstromnetz einspeisen, unabhängig davon, ob es sich um ein
Verbundnetz oder ein so genanntes Inselnetz handelt. Andererseits
werden Wechselrichter in der Regel mit Schaltungselementen zum Schutz
vor Spannungsspitzen im Wechselstromnetz ausgestattet. Entsprechende Anordnungen
sind beispielsweise aus der
JP 2005 160 268 A bekannt.
-
Eine
einfache Möglichkeit
zur Regelung eines Wechselrichters ist in der Patentschrift
US 6 914 418 B2 angegeben.
Es ist ein so genanntes MPP-Tracking beschrieben, bei dem laufend
der Entnahmestrom geringfügig
geändert
und mit der gemessenen Spannung der Gleichstromquelle multipliziert
wird. Die sich so ergebende Entnahmeleistung wird mit der unmittelbar
davor gemessen verglichen. Ebenso wird die Spannung mit der unmittelbar
davor gemessenen verglichen. Entsprechend der Änderungen von Entnahmeleistung
und Spannung wird im nächsten
Schritt ein höherer
oder niedrigerer Entnahmestrom vorgegeben.
-
Alternativ
dazu ist in der Patentschrift
US 4 390 940 A1 ein Wechselrichter angegeben,
mit dem Photovoltaikzellen mit einer maximalen Entnahmeleistung
betrieben werden können.
-
Die
Auswahl einer bekannten Wechselrichtertopologie für einen
bestimmten Einsatzfall hängt unter
anderem vom Spannungsniveau der angeschlossenen Gleichstromquellen
ab. Liegt das Spannungsniveau der Gleichstromquellen unterhalb der Scheitelspannung
des Wechselstromnetzes, in das eingespeist wird, umfasst der Wechselrichter
in der Regel eine Hochsetzerstufe und eine Wechselrichterstufe.
Die Patentschrift
US
2004/0165408 A1 beschreibt einen solchen Wechselrichter,
wobei hier zwei Gleichstromquellen mit einem gemeinsamen Bezugspotenzial
verbunden sind.
-
Da
eine Hochsetzerstufe nicht verlustfrei ist und somit den Wirkungsgrad
des Wechselrichters herabsetzt, kennt man deshalb auch Wechselrichter, die
nur eine Wechselrichterstufe umfassen. Dann muss die Spannung der
angeschlossenen Gleichstromquellen immer über der Scheitelspannung des Wechselstromnetzes
liegen. Nach dem Stand der Technik werden Gleichstromquellen deshalb
zu so genannten Strings zusammengefasst, wodurch sich als Stringausgangsspannungen
Vielfache der Spannungen der einzelnen Gleichstromquellen ergeben. Zum
Beispiel beschreibt die
US
6 104 624 A einen Wechselrichter mit zwei Tiefsetzstellern
zur Anbindung zweier Gleichstromquellen an ein Wechselstromnetz
mit durchgehendem Nullleiter.
-
Nach
dem Stand der Technik sind zudem Ausgleichswandler bekannt, mittels
welcher die Energieentnahme aus zwei Gleichstromquellen ausgeglichen
werden kann. So bezieht sich die
DE 102 19 956 A1 auf den Ausgleich der Leistung
mehrerer an einen Wechselrichter angeschlossener Solarzelleneinheiten.
Dabei wird das Tastverhältnis
der Steuerspannung zur Ansteuerung der Schalttransistoren des Wechselrichters
in Abhängigkeit
des Leistungsvermögens
der entsprechenden Solarzelleneinheiten ermittelt.
-
Eine
weitere Möglichkeit
des Ausgleichs zweier Solarzelleneinheiten ist in der
DE 102 25 020 A1 offenbart.
Dabei sind zwei Solarzelleneinheiten über ein Mittel zur Leistungskompensation
mit einem nachgeschalteten Wechselrichter verbunden. Dieses Mittel
teilt die unterschiedlichen Leistungen der Solarzelleneinheiten
in zwei gleiche Leistungsanteile auf.
-
Vor
allem alternative Gleichstromquellen wie Photovoltaikanlagen oder
Brennstoffzellen erfordern für
ihren wirtschaftlichen Einsatz einen hohen Wirkungsgrad des Wechselrichters.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, mittels welchem
ein gegenüber dem
Stand der Technik verbesserter Wechselrichter mit hohem Wirkungsgrad
betreibbar ist.
-
Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe gelöst mit
einem Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichter zum Einspeisen
elektrischer Energie aus einer ersten und einer zweiten Gleichstromquelle
mit einem gemeinsamen Bezugspotenzial in ein Wechselstromnetz, wobei
der Wechselrichter ausgangseitig mit einem Leiter und einem Nullleiter
des Wechselstromnetzes verbunden ist und wobei
- – die erste
Gleichstromquelle ein positives Potenzial gegenüber dem Bezugspotenzial aufweist,
- – die
zweite Gleichstromquelle ein negatives Potenzial gegenüber dem
Bezugspotenzial aufweist,
- – das
Bezugspotenzial der beiden Gleichstromquellen mit dem Nullleiter
verbunden ist,
- – der
Wechselrichter einen ersten Tiefsetzsteller umfasst, mit dem das
positive Potenzial an den Leiter des Wechselstromnetzes angeschaltet
ist,
- – der
Wechselrichter einen zweiten Tiefsetzsteller umfasst, mit dem das
negative Potenzial an den Leiter des Wechselstromnetzes angeschaltet
ist.
-
Dabei
wird ab einer vorgegebenen Verringerung der Einspeiseleistung eines
Tiefsetzstellers Energie von dem Potenzial, an dem dieser Tiefsetzsteller
angeschlossen ist, mittels eines Ausgleichswandlers auf das andere
Potenzial übertragen,
wobei dem Tiefsetzsteller, der an dem Potenzial angeschlossen ist,
auf das der Ausgleichswandler Energie überträgt, eine höhere Einspeiseleistung vorgegeben
wird.
-
Das
Potenzial, an dem der erste Tiefsetzsteller angeschlossen ist, entspricht
dabei dem positiven Anschluss der ersten Gleichstromquelle. Das
Potenzial, an dem der zweite Tiefsetzsteller angeschlossen ist,
entspricht dem negativen Anschluss der zweiten Gleichstromquelle.
Die Entnahmeströme
der Tiefsetzsteller können
dann weiterhin so vorgegeben werden, dass den Gleichstromquellen
die maximal mögliche
Leistung entnommen wird und eine höhere Einspeiseleistung wird
vorgegeben, bevor über
ein MPP-Tracking eine Anpassung der Leistungsvorgabe erfolgt.
-
Vorteilhafterweise
werden die beiden Tiefsetzsteller in der Weise alternierend angesteuert, dass
sich ein Einspeisestrom in Form ganzer Sinuswellen ergibt und dass
die positiven Sinushalbwellen mittels erstem Tiefsetzsteller aus
dem eingangsseitig anliegenden positiven Potenzial bebildet werden
und dass die negativen Sinushalbwellen mittels zweitem Tiefsetzsteller
aus dem eingangsseitig anliegenden negativen Potenzial gebildet
werden. Damit wird in einfacher Weise die Energie aus zwei Gleichstromquellen
in ein Wechselstromnetz eingespeist.
-
Zudem
ist es vorteilhaft, wenn laufend die Spannung und der Entnahmestrom
der ersten Gleichstromquelle gemessen wird und wenn der erste Tiefsetzsteller
in der Weise angesteuert wird, dass laufend das Produkt aus Entnahmestrom
und Spannung der ersten Gleichstromquelle der momentan maximal abzugebenden
Leistung der ersten Gleichstromquelle angenähert wird und wenn laufend
die Spannung und der Entnahmestrom der zweiten Gleichstromquelle
gemessen wird dass der zweite Tiefsetzsteller in der Weise angesteuert
wird, dass laufend das Produkt aus Entnahmestrom und Spannung der
zweiten Gleichstromquelle der momentan maximal abzugebenden Leistung
der zweiten Gleichstromquelle angenähert wird. Den beiden Gleichstromquellen
wird dann immer die maximal abzugebende Leistung entnommen und somit
der Gesamtwirkungsgrad optimiert.
-
Um
einen Gleichstromanteil des Einspeisestromes zu verhindern, ist
es von Vorteil, wenn laufend der Gleichstromanteil des Einspeisestroms
gemessen wird und wenn bei positivem Gleichstromanteil dem ersten
Tiefsetzsteller eine geringere Einspeiseleistung vorgegeben wird
und wenn bei negativem Gleichstromanteil dem zweiten Tiefsetzsteller
eine geringere Einspeiseleistung vorgegeben wird.
-
Die
Erfindung umfasst zudem einen Wechselrichter zum Einspeisen elektrischer
Energie aus einer ersten und einer zweiten Gleichstromquelle mit einem
gemeinsamen Bezugspotenzial in ein Wechselstromnetz, wobei der Wechselrichter
ausgangseitig mit einem Leiter und einem Nullleiter des Wechselstromnetzes
verbunden ist, wobei die erste Gleichstromquelle ein positives Potenzial
gegenüber dem
Bezugspotenzial aufweist, die zweite Gleichstromquelle ein negatives
Potenzial gegenüber
dem Bezugspotenzial aufweist, das Bezugspotenzial der beiden Gleichstromquellen
mit dem Nullleiter verbunden ist, der Wechselrichter einen ersten
Tiefsetzsteller umfasst, mit dem das positive Potenzial an den Leiter
des Wechselstromnetzes angeschaltet ist, der Wechselrichter einen
zweiten Tiefsetzsteller umfasst, mit dem das negative Potenzial
an den Leiter des Wechselstromnetzes angeschaltet ist. Dabei sind das
positive Potenzial der ersten Gleichstromquelle und das negativen
Potenzial der zweiten Gleichstromquelle über einen Ausgleichswandler
miteinander verbunden. Das ist vor allem dann wichtig, wenn der
ins Wechselstromnetz eingespeiste Strom keinen Gleichstromanteil
aufweisen darf. Unterschiede bei der maximal möglichen Leistungsabgabe der
beiden Gleichstromquellen können
dann ausgeglichen werden, indem die überschüssige Leistung einer Gleichstromquelle
mittels Ausgleichswandler in den Leistungspfad und somit auf das
Potenzial der anderen Gleichstromquelle übertragen wird.
-
Zudem
umfasst der Wechselrichter eine Steuerungseinheit mit geeigneten
Mitteln zur Ansteuerung der Tiefsetzsteller und des Ausgleichswandlers,
wobei die Steuerungseinheit zur Durchführung der Schritte des Verfahrens
nach einem der Ansprüche
1 bis 4 eingerichtet ist. Die Steuersignale werden dann im Wechselrichter
selbst generiert, wodurch eine integrierte Bauweise des Wechselrichters
möglich
ist. Die Steuerungseinheit gibt dem Tiefsetzsteller, der an dem
Potenzial angeschlossen ist, auf das der Ausgleichswandler Energie überträgt, eine
höhere
Einspeiseleistung vor, noch bevor über ein MPP-Tracking eine Anpassung
der Leistungsvorgaben erfolgt.
-
Diese
Anordnung reduziert die notwendigen Bauelemente auf ein Minimum,
wodurch die Verlustleistung gegenüber bekannten Wechselrichterschaltungen
reduziert und der Wirkungsgrad optimiert wird. Dabei sind die Spannungen
der Gleichstromquellen mindestens gleich oder höher als die wiederkehrende
maximal zu erwartende Scheitelspannung des Wechselstromnetzes.
-
Von
Vorteil ist diese Anordnung vor allem, wenn die erste und die zweite
Gleichstromquelle als so genannte Strings einer Photovoltaikanlage
ausgebildet sind. Dabei liefert jeder String eine Spannung oberhalb
der Scheitelspannung des Wechselspannungsnetzes. Da Photovoltaikanlagen
in der Regel auf Dächern
von Gebäuden
angebracht sind, bewirkt die Verbindung des Bezugspotenzials der
beiden Strings mit dem Nullleiter, dass im Gebäude kein eventuell störendes elektrisches
netzfrequentes Wechselfeld gegenüber
Erde besteht.
-
Eine
vorteilhafte Ausführung
sieht vor, dass der erste Tiefsetzsteller einen ersten Kondensator, ein
erstes Schaltelement, eine mit einem ersten Hilfsschaltelement in
Reihe geschaltete erste Diode und eine Drosselschaltung umfasst
und eingangsseitig mit dem positiven Potenzial und dem Bezugspotenzial
der ersten Gleichstromquelle und ausgangsseitig über einen Filterkondensator
an den Leiter des Wechselstromnetzes angeschlossen ist und dass
der zweite Tiefsetzsteller einen zweiten Kondensator, ein zweites
Schaltelement, eine mit einem zweiten Hilfsschaltelement in Reihe
geschaltete zweite Diode und die Drosselschaltung umfasst und eingangsseitig
mit dem negativen Potenzial und dem Bezugspotenzial der zweiten
Gleichstromquelle und ausgangsseitig über den Filterkondensator an
den Leiter des Wechselstromnetzes angeschlossen ist und dass der
Nullleiter durchgängig
mit dem Bezugspotenzial der ersten und der zweiten Gleichstromquelle
verbunden ist. Diese Topologie bildet in besonders einfacher Weise die
beiden Tiefsetzsteller zur Anbindung von zwei Gleichstromquellen
an ein Wechselstromnetz.
-
Vorteilhaft
ist dabei, wenn die Drosselschaltung in ein erstes Drosselelement
und ein zweites Drosselelement aufgeteilt ist, wenn der erste Tiefsetzsteller
das erste Drosselelement umfasst und wenn der zweite Tiefsetzsteller
das zweite Drosselelement umfasst. Damit wird die Belastung der
Schaltelemente deutlich reduziert.
-
Eine
vorteilhafte Anordnung sieht des Weiteren vor, dass der Ausgleichswandler
ein drittes Schaltelement und ein in Reihe geschaltetes viertes Schaltelement
umfasst, und dass ein Verbindungspunkt zwischen dem dritten Schaltelement
und dem vierten Schaltelement über
eine dritte Drossel und ein Mittel zur Strommessung mit dem Bezugspotenzial
verbunden ist. Damit erhält
man eine einfache Topologie des Ausgleichswandlers mit wenigen Bauelementen
und hohem Wirkungsgrad.
-
Dabei
ist es günstig,
wenn das Mittel zur Strommessung einen Shuntwiderstand umfasst.
Der Strom ist dann auf einfache Weise messbar. Andere Arten der
Strommessung wie mittels eines gleichstromkompensierten magnetischen
Wandlers sind ebenso möglich.
-
Von
Vorteil ist es außerdem,
wenn antiparallel zum ersten Schaltelement eine dritte Diode angeordnet
ist und wenn antiparallel zum zweiten Schaltelement eine vierte
Diode angeordnet ist. Über
diese Dioden kann sich dann bei Trennung des Wechselrichters vom
Wechselstromnetz die in der Drosselschaltung gespeicherte Energie
abbauen. Zudem bilden diese Dioden Elemente einer Schutzschaltung zum
Schutz des Weselrichters vor Spannungsspitzen im Wechselstromnetz.
-
Zum
Schutz der Bauelemente im Wechselrichter vor Spannungsspitzen im
Wechselstromnetz ist es des Weiteren von Vorteil, wenn ein Verbindungspunkt
zwischen dem zweiten Schaltelement und dem zweiten Drosselelement über eine
fünfte
Diode und eine Parallelschaltung aus einem ersten Widerstand und
einem dritten Kondensator mit dem Bezugspotenzial verbunden ist
und wenn ein Verbindungspunkt zwischen dem ersten Schaltelement
und dem ersten Drosselelement über
eine sechste Diode und eine Parallelschaltung aus einem zweiten
Widerstand und einem vierten Kondensator mit dem Bezugspotenzial
verbunden ist. Über
diese und die antiparallel zum ersten und zweiten Schaltelement
angeordneten Dioden werden dann bei Spannungsspitzen aus dem Wechselstromnetz
Strompfade zu den Kondensatoren aufgebaut, wodurch die kurzzeitigen Überspannungen
an der Drosselschaltung abfallen und somit nicht die Schaltelemente
belasten. Die Schaltelemente müssen
also nicht überdimensioniert werden
und es sind keine zusätzlichen
aufwändigen Filter
notwendig.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme
auf die beigefügten Figuren
erläutert.
Es zeigen in schematischer Darstellung:
-
1 Topologie
einer Grundschaltung
-
2 Schaltung
mit zwei Drosselelementen
-
3 Schaltung
mit Ausgleichswandler
-
4 Schaltung
mit Ausgleichswandler und Schutzschaltung gegen Spannungsspitzen
-
In 1 ist
eine beispielhafte Schaltungstopologie für einen erfindungsgemäßen Wechselrichter mit
zwei parallel angeordneten Tiefsetzstellern dargestellt. An den
ersten Tiefsetzsteller, bestehend aus einem ersten Kondensator C1,
einem ersten Schaltelement S1 (z. B. Transistor), einer ersten Diode
D1 und einer Drossel als Drosselschaltung L ist eingangsseitig die
erste Gleichstromquelle mit ihrem positiven Anschluss als positives
Potenzial 1 und ihrem negativen Anschluss als Bezugspotenzial 0
angeschlossen. Die zweite Gleichstromquelle ist mit ihrem positiven
Anschluss als Bezugspotenzial 0 und mit ihrem negativen Anschluss
als negatives Potenzial 2 an den zweiten Tiefsetzsteller angeschlossen,
der aus einem zweiten Kondensator C2, einem zweiten Schaltelement
S2, einer zweiten Diode D2 und der Drossel als Drosselschaltung
L besteht.
-
Damit
kein Netzkurzschluss entsteht, sind zwei weitere Hilfsschaltelemente
HS1 und HS2 angeordnet. Dabei ist das erste Hilfsschaltelement HS1 in
Reihe mit der ersten Diode D1 des ersten Tiefsetzstellers angeordnet.
Es ist abgeschaltet, wenn der zweite Tiefsetzsteller arbeitet. Das
zweite Hilfsschaltelement HS2 ist in Reihe mit der zweiten Diode
D2 des zweiten Tiefsetzstellers angeordnet und ist abgeschaltet,
wenn der erste Tiefsetzsteller arbeitet.
-
Die
in 2 dargestellte Schaltung unterscheidet sich von
der in 1 dargestellten nur dadurch, dass als Drosselschaltung
zwei Drosselelemente L1 und L2 angeordnet sind, wobei der ersten Tiefsetzsteller
das erste Drosselelement L1 und der zweite Tiefsetzsteller das zweite
Drosselelement L2 umfasst. Diese Anordnung bewirkt eine geringere Belastung
der Schaltelemente S1 und S2.
-
Ausgangsseitig
ist der Wechselrichter an ein Wechselstromnetz angeschlossen, wobei
das Bezugspotenzial 0 durchgängig
mit dem Nullleiter NNetz und der Ausgang
der Drosselschaltung L mit einem Leiter L1Netz des
Wechselstromnetzes verbunden ist. Ausgangsseitig ist zudem zwischen
Nullleiter NNetz und Leiter L1Netz ein
Filterkondensator CF angeordnet.
-
Zu
den Schaltelementen S1 und S2 sind antiparallele Dioden D3 und D4
angeordnet, die bei einer Trennung des Wechselrichters vom Wechselstromnetz
einen Strompfad zum Abmagnetisieren der Drosselschaltung L offen
halten.
-
Die
beiden Gleichstromquellen werden beispielsweise durch zwei Strings
einer Photovoltaikanlage gebildet. Der Wechselrichter speist dann
Energie aus den Strings in das angeschlossenes Wechselstromnetz,
wenn die Stringspannung höher
als der Scheitelwert der maximal zu erwartenden Wechselspannung
ist (z. B. 230 V + 10% × 1,414
= 358 V).
-
Zudem
sollen beide Strings aus gleich großen Paneelflächen bestehen,
da die erste Paneelfläche
nur den ersten Tiefsetzsteller versorgt, der bei der positiven Netzhalbwelle
Energie einspeist und die zweite Paneelfläche nur den zweiten Tiefsetzsteller
versorgt, der bei der negativen Netzhalbwelle Energie einspeist.
Um keinen Gleichstromanteil ins Wechselstromnetz einzuspeisen, werden
demnach beiden Paneelflächen
gleich große
Energiemengen entnommen.
-
Die
beiden Kondensatoren C1 und C2 müssen
ausreichend groß dimensioniert
sein, da jeder der beiden Tiefsetzsteller nur während der ihm zugeordneten
Netzhalbwellen Energie ins Wechselstromnetz einspeist und dazwischen
keine Energie abgegeben wird. Die Kondensatoren C1 und C2 werden aber
auch in den Perioden fehlender Energieabgabe weiterhin von den Gleichstromquellen
geladen, wobei die für
die Schaltung festgelegten Spannungsgrenzen nicht erreicht werden
dürfen.
-
Der
Wechselrichter wird wie folgt betrieben:
Ausgangsseitig wird
der Gleichstromanteil des ins Wechselstromnetz gespeisten Stroms
gemessen. Das kann beispielsweise mittels eines Stromwandlers mit
Hallwandler erfolgen. Der so gemessene Restgleichstrom bildet eine
Eingangsgröße für die Regelung
der beiden Tiefsetzsteller.
-
Die
Tiefsetzsteller werden mit einer Stromsollwertvorgabe geregelt.
Von Wechselstromnetzbetreibern wird gefordert, dass der ins Wechselstromnetz
gespeiste Strom sinusförmig,
d. h. ohne Stromoberwellen, sein muss. Um dies zu erreichen, gibt
es zwei Möglichkeiten
zur Grund-Sollstrombildung:
- a) Mittels eines
Spannungsteilers wird aus der Netzspannung eine Sinushalbwelle abgeleitet und
als Vorbild für
die Stromform herangezogen.
- b) In einem Speicher (z. B. EPROM) wird eine Sinushalbwelle
als Tabelle abgespeichert und beim Auslesen im 50 Hz-Rhythmus von einem DA-Wandler
in ein Analogsignal umgewandelt. Diese Lösung erfordert die Generierung
eines Synchronimpulses aus der Netzspannung, um den Beginn der jeweiligen
Halbwelle anzuzeigen und den Auslesevorgang aus dem Speicher zu starten.
Diese ist zwar aufwändiger
als Lösung
a), erlaubt aber, mit einer Anpassung der Tabelle auf schaltungsbedingte
Verzerrungen des Stroms zu reagieren und diese zu kompensieren.
-
Das
Ergebnis ist in beiden Fällen
eine Abfolge von Sinushalbwellen. Dabei wird für den ersten Tiefsetzsteller
ein Grund-Sollstromsignal generiert, das aus positiven Sinushalbwellen
besteht und für den
zweiten Tiefsetzsteller eines, das aus negativen Sinushalbwellen
besteht. Eine Addition der beiden Grund-Sollstromsignale ergibt
somit ein vollständiges
Sinuswellensignal.
-
In
einem nächsten
Schritt wird ein Belastungswert für jede der beiden Gleichstromquellen
generiert. Dabei soll jeweils der Wert ermittelt werden, bei dem
jede Gleichstromquelle die maximale Leistung abgibt (Maximum Power
Point, MPP). Für
eine Paneelfläche
einer Photovoltaikanlage lässt
sich eine Kennlinie für
den Strom in Abhängigkeit
von der Sonneneinstrahlung angeben, bei dem ein Maximum an Leistung
ins Netz eingespeist wird. Die Sonneneinstrahlung kann dann gemessen
und der entsprechende Stromwert vorgegeben werden. Allerdings bleiben
dabei Störfaktoren
wie partielle Beschattung oder Beschmutzung von Paneelflächen unberücksichtigt.
-
Es
ist deshalb zweckmäßiger, das
so genannte MPP-Tracking durchzuführen, bei dem laufend der aus
einem String entnommenen Strom und die entsprechende Stringspannung
gemessen und miteinander multipliziert werden. Durch geringfügige Variation
der Belastung ist dann feststellbar, ob tendenziell eine Leistungssteigerung
möglich
oder das Maximum bereits erreicht ist.
-
Als
Resultat des MPP-Trackings liegt ein Ausgangssignal vor, das entweder
den Sollstrom aus einem String oder die Sollspannung beschreibt.
Bei einer Vorgabe der Sollspannung muss der Wechselrichter den Strom
so lange erhöhen,
bis die Stringspannung auf den vorgegebenen Wert absinkt. Im erfindungsgemäßen Fall
ist eine Sollspannung als Regelungsvorgabe zweckmäßiger. Durch
die angeschlossenen Kondensatoren C1 und C2 ändert sich diese nicht so rasch
und die Regelung wird dadurch stabiler als bei Stromsollwerten.
-
Für jede der
beiden Gleichstromquellen wird mittels MPP-Tracking demnach eine Sollspannung als
Sollwert vorgegeben. Dabei wird für jede Gleichstromquelle mittels
eines Differenzverstärkers
die Spannung am Kondensator C1 bzw. C2 mit dem jeweiligen Sollwert
verglichen. Die Regelungscharakteristik benötigt dabei einen Integralanteil
(z. B. PI-Regler), um langsam zu agieren und die Regelabweichungen
gering zu halten.
-
Zur
Begrenzung der Leistung jedes Tiefsetzstellers zum Schutz der Leistungsbauteile
ist es zweckmäßig, für das Ausgangssignal
jedes der beiden Differenzverstärker
einen Maximalwert vorzusehen. Dadurch kann der Sollstrom begrenzt
werden, ohne Stromverzerrungen und Oberwellen im Wechselnetzstrom
zu erzeugen.
-
Die
Sollstrombildung zur Ansteuerung jedes Tiefsetzstellers erfolgt
durch Multiplikation der Ausgangssignale der Differenzverstärker mit
dem jeweiligen Grund-Sollstromsignal. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers des
ersten Tiefsetzstellers wird dabei mit dem Grund-Sollstromsignal
multipliziert, das aus der Abfolge positiver Sinushalbwellen gebildet
ist. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers des zweiten Tiefsetzstellers
wird mit dem Grund-Sollstromsignal multipliziert, das aus der Abfolge
negativer Sinushalbwellen gebildet ist.
-
Es
ist zweckmäßig, die
Tiefsetzsteller im so genannten Current-Mode anzusteuern. Dabei
wird von einem Taktgenerator die Schaltfrequenz der Schaltelemente
S1 und S2 bestimmt (z. B. 30 kHz).
-
Die
einzelnen Schaltvorgänge
sind dann für die
in 2 dargestellte Variante folgende (dabei wird zunächst der
erste Tiefsetzsteller betrachtet):
Das Schaltelement S1 wird
am Beginn einer Periode eingeschaltet. Dadurch fließt Strom
in das Drosselelement L1 und steigt nach der Beziehung: ΔI(Stromanstieg)
=
= [U(Spannung)/L(Induktivität L1)] × Δt(Einschaltzeit)
-
Mittels
eines Komparators wird der aktuell durch das Drosselelement L1 fließende Strom
mit dem Sollstromwert verglichen. Erreicht der Drosselstrom den
Sollstromwert, schaltet der Komparator das Schaltelement S1 ab und
der Drosselstrom kommutiert auf die erste Diode D1 und das in Reihe
geschaltete Hilfsschaltelement SH1.
-
Zum
Schutz vor schnell ansteigenden Überströmen (infolge
von Netzspannungsimpulsen, Störungen
der Elektronik von außen,
etc.) ist es zweckmäßig, einen
Komparator zum Strommessen mit einem fixen Grenzwert einzusetzen,
der bei Stromüberschreitungen
sofort die Schaltelemente S1 und S2 abschaltet.
-
Der
Strom ist dabei am besten in der Drainleitung des ersten Schaltelements
S1 zu messen; mittels Shuntwiderstand oder gleichstromfähigem (kompensiertem)
Stromwandler. Durch den einseitigen Anschluss an den ersten Kondensator
C1 ist das gemessene Stromsignal relativ störungsfrei.
-
Es
besteht auch die Möglichkeit,
den Strom in der Entmagnetisierungsphase des ersten Drosselelements
L1 zu messen. Dabei ist der günstigste Messpunkt
in der Drainleitung des ersten Hilfsschaltelements HS1. Dieser Strom
ist dann phasenversetzt gegenüber
dem Strom durch das erste Schaltelement S1. Es kann auch nur der
zuletzt durch das erste Schaltelement S1 geflossene Strom gemessen werden.
Das Drosselelement L1 verhindert abrupte Stromänderungen, so dass nach dem
Ausschalten des ersten Schaltelements S1 und dem Kommutieren des
Drosselstromes auf die erste Diode D1 und das erste Hilfsschaltelement
HS1 im ersten Moment noch der zuletzt durch das erste Schaltelement
S1 geflossene Strom weiter fließt.
Abhängig
vom detektierten Stromwert muss dann in die Einschaltzeit des ersten
Schaltelements S1 durch eine Beeinflussung des Taktgenerators eingegriffen
werden.
-
Die
Ansteuerung des ersten Schaltelements S1 erfolgt dann nicht mehr
nach dem bekannten Current-Mode, da der steigende Drosselstrom nicht
direkt zum Abschalten des Schaltelements S1 führt, sondern ein zu einem späteren Zeitpunkt
detektierter Stromwert herangezogen wird.
-
Der
zweite Tiefsetzsteller mit dem Kondensator C2, dem zweiten Schaltelement
S2, dem zweiten Drosselelement L2, der zweiten Diode D2 und dem
zweiten Hilfsschaltelement HS2 arbeiten in der entsprechenden Weise
während
der negativen Netzhalbwellen.
-
Da
es sich um einen Wechselrichter für zwei Gleichstromquellen handelt,
ist es sinnvoll, die Ansteuerstufe des nicht in Betrieb befindlichen
Tiefsetzstellers zu sperren. Dies ist besonders beim Übergang
von positiver zu negativer Netzhalbwelle wichtig. Es kann um den
Netznullpunkt leicht zu Störungen
im Wechselstromnetz kommen (z. B. durch Rundsteuerimpulse, Schalthandlungen).
Wären dann
beide Tiefsetzsteller aktiviert, würde Strom zwischen den beiden
Tiefsetzstellern fließen
und zu deutlichen Verlusten führen.
-
Wie
oben bereits erläutert
ist in Einspeisevorschriften von Wechselstromnetzbetreibern geregelt,
dass kein oder nur ein sehr geringer Gleichstromanteil in das Wechselstromnetz
eingespeist werden darf. Um diesen Anforderungen zu entsprechen,
ist Folgendes zweckmäßig:
Ein
Stromsensor (Wandler oder Shuntwiderstand) in der Netzeinspeiseleitung
des Wechselrichters misst den Wechselstrom, der eingespeist wird. Über einen Integrator, der
im einfachsten Fall aus einem RC-Glied mit einer Zeitkonstante deutlich über der
50 Hz-Netzfrequenz besteht, kann ein ins Netz fließender Gleichstrom
detektiert werden. Alternativ dazu kann der Strom jeder Sinushalbwelle
digitalisiert, in einem Prozessor integriert und von einander subtrahiert
werden.
-
Aus
dem Gleichstromsignal wird ein Korrektursignal abgeleitet. Dieses
Korrektursignal greift als zusätzliches
Signal in die Stromregelung der Tiefsetzsteller ein und wirkt für jenen
Tiefsetzsteller leistungsbegrenzend, der den Gleichstromanteil in
das Wechselstromnetz speist. Es ist immer nur eine Reduktion der
Einspeiseleistung eines Tiefsetzstellers möglich, da eine bereits im MPP-Arbeitspunkt
laufende Gleichstromquelle zur Kompensation von Ungleichheiten der
Einspeiseströme
nicht mehr Leistung abgeben kann.
-
Es
wird somit die Stromentnahme aus jener Gleichstromquelle mit der
höheren
möglichen
Einspeiseleistung (z. B. Brennstoffzelle mit höherem Wirkungsgrad, größere Paneelfläche oder
unterschiedliche Dachneigung bei Photovoltaikanlagen, unterschiedliche
Leitungsverluste etc.) reduziert, um keinen Gleichstrom einzuspeisen.
Dadurch steigt die Spannung dieser Gleichstromquelle, die somit
nicht mehr im optimalen Arbeitspunkt läuft. Deshalb ist es wichtig,
dass zwei identische Gleichstromquellen mit gleicher maximaler Leistungsabgabe
zum Einsatz kommen.
-
Lässt sich
die Forderung nach zwei Gleichstromquellen mit gleicher maximaler
Leistungsabgabe nicht erfüllen,
wird die Schaltung um einen Ausgleichswandler AW zur Energieübertragung
zwischen erstem und zweitem Kondensator C1 und C2 ergänzt. Beide
Gleichstromquellen können
dann die maximal mögliche
Leistung liefern. Bei einem Leistungsüberschuss der ersten Gleichstromquelle
wird dann die Hälfte
dieses Überschusses
vom ersten Kondensator C1 auf den zweiten Kondensator C2 des zweiten
Tiefsetzstellers übertragen.
Bei einem Leistungsüberschuss
der zweiten Gleichstromquelle erfolgt die Übertragung entsprechend umgekehrt.
-
3 zeigt
diese Schaltung, wobei zu der in 2 dargestellten
Grundschaltung beispielhaft ein Drossel-Inverter mit folgenden Elementen hinzugefügt ist:
Der
Drossel-Inverter umfasst eine dritte Drossel L3, die mit einem ersten
Anschluss über
einen Shuntwiderstand RS zur Strommessung an den Nullleiter NNetz angeschaltet ist. Der zweite Anschluss
der dritten Drossel L3 ist über
ein drittes Schaltelement S3 mit der Drainleitung des ersten Schaltelements
S1 und über
ein viertes Schaltelement S4 mit der Drainleitung des zweiten Schaltelements
S2 verbunden. Antiparallel zu den beiden Schaltelementen S3 und S4
des Inverters sind ggf. Freilaufdioden angeordnet (z. B. MOSFETs
oder IGBTs mit Freilaufdioden).
-
Alternativ
dazu kann auch ein bidirektionaler Wandler (z. B. Sperrwandler)
als Ausgleichswandler AW dienen.
-
Es
ist zweckmäßig, dass
die Regelung des Ausgleichswandlers AW unabhängig von der restlichen Regelung
arbeitet, um die Regelschleifen nicht zu komplex zu machen.
-
Für jeden
Tiefsetzsteller wird zusätzlich
zum Differenzverstärker,
der den Einspeisestrom definiert, ein getrennter Differenzverstärker angeordnet, der
die Regelabweichung zwischen der MPP-Sollspannung und der Istspannung
ermittelt. Erreicht diese Differenz einen vorgebbaren Maximalwert
(z. B. 2% der MPP-Sollspannung), wird der Ausgleichswandler AW gestartet.
Der Ausgleichswandler AW setzt dann die überschüssige Energie von einem Kondensator
zum anderen Kondensator um. Das Differenzsignal dient dem Ausgleichswandler
AW dabei als Sollstromvorgabe.
-
Die
Regelung des Ausgleichswandlers AW wirkt der Gleichstromregelung
entgegen. Detektiert die Gleichstromregelung einen Gleichstromanteil
im Einspeisstrom, bewirkt dies zunächst eine Absenkung der Stromentnahme
aus der leistungsstärkeren Gleichstromquelle.
Damit entfernt sich die Gleichstromquelle mit steigender Spannung
vom MPP-Arbeitpunkt,
wodurch die Regelung des Ausgleichswandlers anspricht und die Stromentnahme
wieder anhebt. Mittels Ausgleichswandler AW wird dann der andere
Tiefsetzsteller versorgt, wodurch bei gleichzeitiger Leistungssteigerung
der Gleichstromanteil im Einspeisestrom absinkt.
-
Es
gibt dabei zwei Möglichkeiten,
die Steigerung der übertragenen
Leistung des zusätzlich
versorgten Tiefsetzstellers herbeizuführen. Ohne zusätzliche
Eingriffe in die Steuerung geschieht dies mittels MPP-Trackings,
allerdings erst nach einer relativ großen Zeitkonstante, da ein MPP-Tracker
in der Regel eine langsame Regeldynamik aufweist.
-
Um
eine schnellere Erhöhung
des Einspeisestromes des zusätzlich
versorgten Tiefsetzstellers zu bewirken, ist es zweckmäßig, den
Sollstrom des Tiefsetzstellers direkt von der Leistung des Ausgleichswandlers
AW abhängig
zu machen.
-
Da
der Ausgleichswandler AW in beide Richtungen Energie übertragen
kann, muss dessen Ansteuerung beim Hochlauf des Wechselrichters
oder bei stark schwankenden Leistungsabgaben der Gleichstromquellen
(z. B. Photovoltaikpaneele bei sehr wechselhafter Bewölkung) ein
weiteres Kriterium prüfen.
Sollte von beiden Tiefsetzstellern die Anforderung zur Energieübertragung
auf den jeweils anderen kommen, muss die Ansteuerung den Ausgleichswandler
AW sperren. In diesem Fall liegt kein stabiler Zustand vor und beide
Tiefsetzsteller müssen erst
die Einspeiseleistung erhöhen,
bis einer den MPP-Arbeitspunkt
erreicht hat.
-
Für Anlagen
mit technisch bedingten Unterschieden der beiden Gleichstromquellen
führt der Einsatz
einer digitalen Steuerung zu einer weiteren Verbesserung der Regeldynamik.
Das ist z. B. der Fall, wenn bei einer Photovoltaikanlage eine durch
einen String gebildete Gleichstromquelle geringere Paneelflächen aufweist.
Die digitale Steuerung ermöglicht
dann eine Erfassung der Leistungsdifferenz der beiden Gleichstromquellen über mehrere
Stunden hinweg und die Bildung eines Mittelwertes, der beim nächsten Einschalten
der Anlage gleich von Beginn an die vom Ausgleichswandler AW zu übertragenen Ausgleichsleistung
vorgibt. Das Erreichen des Regelgleichgewichts nimmt auf diese Weise
weniger Zeit in Anspruch.
-
In 4.
ist eine Grundschaltung mit einem Ausgleichswandler und zusätzlichen
Schaltungselementen zur Ableitung von im Wechselstromnetz auftretenden
Spannungsspitzen dargestellt. Spannungsspitzen werden beispielsweise
durch Schalthandlungen ausgelöst
und erreichen Impulsspannungshöhen
bis zu wenigen Kilovolt auf einer 230 V/400 V-Leitung. Um die Elektronik
eines Wechselrichters gegen derartige Spannungsspitzen abzusichern,
ist in der Regel eine Überdimensionierung
der Schaltungselemente erforderlich. Zusätzlich sind aufwändige Filter
notwendig.
-
Bei
der vorliegenden Schaltung sind zusätzliche Strompfade mit zwei
zusätzlichen
Kondensatoren C3 und C4 vorgesehen. Damit wird sichergestellt, dass
die Spannungsbelastung der Schaltungselemente nicht wesentlich über die
maximale betriebsmäßige Belastung
ansteigt, indem der Strom durch die Drosselelemente L1 und L2 in
die vier Kondensatoren C1, C2, C3 und C4 geleitet wird. Dabei ist
darauf zu achten, dass die Zeitkonstanten der aus den Drosselelementen
L1 bzw. L2 mit den Kondensatoren C1, C2, C3, C4 gebildeten LC-Gliedern
größer sind
als die maximal zu erwartende Zeitdauer eines Netzüberspannungsimpulses.
-
Die
zusätzlichen
Schaltungselemente sind dabei so angeordnet, dass ein Verbindungspunkt zwischen
dem zweiten Schaltelement S2 und dem zweiten Drosselelement L2 über eine
fünfte
Diode D5 und eine Parallelschaltung aus einem ersten Widerstand
R1 und einem dritten Kondensator C3 mit dem Bezugspotenzial 0 verbunden
ist. Des Weiteren ist das Bezugspotenzial 0 über eine Parallelschaltung aus
einem vierten Kondensator C4 und einem zweiten Widerstand R2 und
weiter über
eine sechste Diode D6 mit einem Verbindungspunkt zwischen dem ersten
Schaltelement S1 und dem ersten Drosselelement L1 verbunden.
-
Zudem
ist es notwendig, dass zu den Schaltelemente S1 und S2 der Tiefsetzsteller
antiparallele Dioden D3 und D4 angeordnet sind, z. B. durch MOSFETs
mit integrierten Dioden.
-
Bei
einem positiven Spannungsimpuls aus dem Wechselstromnetz geschieht
durch diese Schaltungsanordnung folgendes:
Der erste Kondensator
C1 ist durch die vorangegangene Netzperiode auf den Spitzenwert
der Netzspannung aufgeladen. (Da der Kondensator C1 einen hochohmigen
Entladungswiderstand aufweist, kommt es im Normalbetrieb zu nahezu
keiner Nachladung und somit Oberwellenverzerrung des Sinusstrom.)
Durch einen positiven Spannungsimpuls fließt dann über das ersten Drosselelement
L1 und die antiparallel zum ersten Schaltelement S1 angeordnete
dritte Diode D3 Strom in den ersten Kondensator C1, wodurch die
Spannung am Verschaltungspunkt zwischen dem ersten Schaltelement
S1 und der ersten Diode D1 auf die Spannung des ersten Kondensators
C1 plus der Diodenschwelle der dritten Diode D3 begrenzt wird. Gleichzeitig
fließt
ein Strom über
das zweite Drosselelement L2, über
die fünfte Diode
D5 in den dritten Kondensator C3, wodurch die Spannung am Verschaltungspunkt
zwischen dem zweiten Schaltelement S2 und der zweiten Diode D2 auf
die Spannung des dritten Kondensators C3 plus der Diodenschwelle
der fünften
Diode D5 begrenzt wird. Klingt die Netzspannungsspitze wieder ab,
entmagnetisieren sich die beiden Drosselelemente L1 und L2 weiterhin
in die Kondensatoren C1 und C3 und werden schließlich stromlos.
-
Ist
der Spannungsimpuls aus dem Wechselstromnetz negativ, läuft der
gleiche Vorgang über
die vierte Diode D4 und den zweiten Kondensator C2 sowie die sechste
Diode D6 und den vierten Kondensator C4 ab.
-
Dabei
ist darauf zu achten, dass die Kondensatoren C1, C2, C3 und C4 so
bemessen sind, dass sie bei der maximal zu erwartenden Netzüberspannung
mit einer maximal zu erwartenden Dauer nicht unzulässig hoch
aufgeladen werden. Nach der Stromaufnahme infolge der Überspannungen
entladen sich der dritte und der vierte Kondensator C3 und C4 über den
jeweils parallel geschalteten ersten und zweiten Widerstand R1 und
R2 wieder.
-
Der
wesentliche Vorteil dieses Designs liegt darin, dass die Funktion
dieser Schutzschaltung nicht von der Schaltgeschwindigkeit einer Überwachung und
ggf. von Leistungsschaltelementen abhängt, da sich die Drosselelemente
L1 und L2 wie Stromquellen verhalten und in sehr kurzer Zeit (wenige
10 ns) beliebige Spannungen aufbauen können. Weiters kann es nach
dem Abmagnetisieren zu Oszillationen durch parasitäre Kapazitäten (z.
B. Wicklungskapazitäten)
kommen, wodurch die Steuerung von Leistungsschaltelementen bei einer
aktiven Schutzschaltung überfordert
werden kann. Bei der vorliegenden Schutzschaltung sind deshalb als
Begrenzungselemente nur Dioden vorgesehen.
-
Alternativ
zu der oben beschriebenen Anordnung einer Schutzschaltung kann auch
eine Anordnung vorgesehen werden, bei der den Kondensatoren C1,
C2, C3 und C4 über
zusätzliche
Schaltelemente niederohmige Entladungswiderstände zugeschaltet werden können. Mittels
Komparatoren werden dann die Spannungen an den Kondensatoren C1,
C2, C3 und C4 überwacht
und bei Erreichung oberer Grenzwerte die Entladungswiderstände zugeschaltet.
-
Bei
einer weitern Schutzschaltungsvariante sind spannungsbegrenzende
Varistoren vorgesehen, mit denen die Drosselelemente L1 und L2 über Dioden
verbunden sind. Dabei ist der differenzielle Innenwiderstand der
Varisotren oder Suppressordioden zu beachten, wodurch hohe Ströme zustande kommen
können,
die dann die Begrenzungsspannung deutlich anheben würden.
-
Die
Steuerung des ersten Schaltelements S1 und des zweiten Schaltelements
S2 ist so einzustellen, dass beim Auftreten einer Überspannung
(wenn die Netzspannung die maximal vorkommende Scheitelspannung übersteigt;
z. B. [240 V + 10%] × Scheitelfaktor
= 373 V) sowohl in positiver als auch in negativer Richtung die
Schaltelemente S1 und S2 für eine
festgelegte Zeit abgeschaltet bleiben, um den Impulsspannungen und
den Strömen
in den Drosselelementen L1 und L2 Zeit zum Abklingen zu geben (z.
B. 500 μs).