DE102006016502A1 - Wechselrichter - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wechselrichter, insbesondere einen Solar-Wechselrichter. Erfindungsgemäß weist der Wechselrichter einen Hochsetzsteller (4), einen netzgeführten, gesteuerten Stromrichter (2) und ein Filter (6) auf, wobei das Filter (6) mit wechselspannungsseitigen Anschlüssen (12, 14, 16) und der Hochsetzsteller (4) ausgangsseitig mit gleichspannungsseitigen Anschlüssen (8, 10) des netzgeführten, gesteuerten Stromrichters (2) verknüft sind, wobei als Stromrichterventile (T1, T2; T3, T4; T5, T6) einer jeden Phase (R, S, T) des netzgeführten, gesteuerten Stromrichters (2) jeweils ein abschaltbarer Leistungshalbleiterschalter (28) mit antiparallel geschalteter Diode (30) vorgesehen ist und wobei diese abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter (28) steuerungsseitig mit einer Steuereinrichtung (32) verknüpft sind, an deren Eingängen ermittelte Phasenspannungen eines Netzes (18) anstehen. Somit erhält man einen Wechselrichter, insbesondere einen Solar-Wechselrichter, der kostengünstiger und platzsparender ausfällt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Wechselrichter, insbesondere einen Solar-Wechselrichter.
  • Bei vielen regenerativen Energiequellen soll Energie aus einer Gleichspannungsquelle in ein Netz, insbesondere Drehstromnetz, gespeist werden. Dazu wird ein Wechselrichter benötigt, mit dessen Hilfe ein Gleichstrom in einen Wechselstrom gewandelt werden kann. Wird als regenerative Energiequelle ein Solargenerator verwendet, so wird der Wechselrichter, mit dem die mittels des Solargenerators erzeugte Energie in ein Netz gespeist werden soll, als Solar-Wechselrichter bezeichnet und vermarktet.
  • Im Handel erhältliche Solar-Wechselrichter weisen einen selbstgeführten Pulsstromrichter auf, der wechselspannungsseitig mittels einer mehrphasigen Drosselschaltung mit einem die regenerative Energie aufnehmenden Netz verknüpft ist. Gleichspannungsseitig ist diesem selbstgeführten Pulsstromrichter wenigstens ein Elektrolytkondensator elektrisch parallel geschaltet. Die Steuereinrichtung dieses selbstgeführten Pulsstromrichters ist steuerungsseitig jeweils mit einem Steuereingang der abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter des selbstgeführten Pulsstromrichters elektrisch leitend verbunden, wobei eingangsseitig ermittelte Phasenspannungen und Phasenströme des energieaufnehmenden Netzes anstehen.
  • Durch die Verwendung eines Elektrolytkondensators bei einem derartigen im Handel erhältlichen Solar-Wechselrichter ist die Lebensdauer dieses Solar-Wechselrichters begrenzt. Diese Lebensdauer ist nur einige 10.000 Betriebsstunden lang. Außerdem benötigt dieser Solar-Wechselrichter Netzdrosseln, die einen nicht zu vernachlässigenden Platz beanspruchen. Ferner ist die Steuereinrichtung aufwändig und damit kostenintensiv.
  • Solche im Handel erhältlichen Solar-Wechselrichter sind beispielsweise mit einem Wechselrichter einer unterbrechungsfreien Stromversorgungseinrichtung, die auch als USV-Einrichtung bezeichnet wird, aufgebaut. Dadurch werden für die Entwicklung eines Solar-Wechselrichters Kosten eingespart. Eine solche zweite Verwendung eines Wechselrichters einer USV-Einrichtung bietet sich an, da einerseits der Wechselrichter der USV-Einrichtung ebenfalls Energie aus einer Batterie in ein Netz speist und zweitens die USV-Einrichtung aus einzelnen Komponenten wie Gleichrichter, Spannungszwischenkreis und Wechselrichter aufgebaut ist. Dadurch steht die Komponente "Wechselrichter" einer USV-Einrichtung zur Verfügung.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Wechselrichter anzugeben, mit dem ein Solar-Wechselrichter kostengünstiger und platzsparender wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Dadurch, dass der Wechselrichter einen netzgeführten, gesteuerten Stromrichter aufweist, der gleichspannungsseitig mit einem Hochsetzsteller und wechselspannungsseitig mit einem Filter versehen ist, weist dieser Wechselrichter keine Elektrolytkondensatoren und keine Netzdrosseln mehr auf. Dadurch erhöht sich die Lebensdauer des Wechselrichters erheblich und sein Platzbedarf ist wesentlich geringer. Da an Stelle eines selbstgeführten Pulsstromrichters ein netzgeführter, gesteuerter Stromrichter verwendet wird, wird die aufwändige Steuereinrichtung durch eine einfache Steuereinrichtung ersetzt. Diese einfache Steuereinrichtung benötigt nur noch die Phasenspannungen des energieaufnehmenden Netzes.
  • Ein netzgeführter, gesteuerter Stromrichter ist aus der Veröffentlichung "Fundamental Frequency Front End Converter (F3E) – a DC-link drive converter without electrolytic capa citor", abgedruckt im Konferenzband der Konferenz "PCIM 2003", in Nürnberg, Mai 2003, bekannt.
  • Die Erfindung besteht nun darin, dass für den Aufbau eines Solar-Wechselrichters von diesem kondensatorlosen Spannungszwischenkreis-Umrichter der lastseitige selbstgeführte Pulsstromrichter durch einen Hochsetzsteller, insbesondere einen hochfrequent getakteten Hochsetzsteller, ersetzt wird. An den beiden Eingangs-Anschlüssen dieses Hochsetzstellers kann dann ein Solargenerator angeschlossen werden. Mittels dieses Hochsetzstellers kann dieser Wechselrichter so gesteuert werden, dass sich der Solargenerator immer im Betriebspunkt Maximum Power Point (MPP) befindet.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters ist der Hochsetzsteller eingangsseitig mit einem Kondensator versehen. Mittels dieses Kondensators werden Spannungsschwankungen eines Solargenerators über einen vorbestimmten Zeitbereich gemittelt.
  • Der Hochsetzsteller weist, wie aus Lehrbüchern bekannt ist, einen abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter, eine Entkopplungsdiode, eine Speicherdrossel und einen Glättungskondensator auf, die in bekannter Weise miteinander zu einem Hochsetzsteller verschaltet sind. Damit die Baugröße der Speicherdrossel möglichst gering ausfällt, wird dieser Hochsetzsteller hochfrequent getaktet. Je höher die Taktfrequenz ist, umso kleiner ist die Baugröße der Speicherdrossel. Mit Anstieg der Taktfrequenz steigen ebenfalls die Schaltverluste des abschaltbaren Leistungshalbleiterschalters an. Um diese Schaltverluste zu reduzieren, wird als abschaltbarer Leistungshalbleiterschalter ein abschaltbarer Leistungshalbleiterschalter aus Siliziumkarbid vorgesehen. Als abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter wird beispielsweise ein selbstsperrender MOS-Feldeffekttransistor (MOSFET) oder ein Insulated-Gate-Bipolar-Transistor (IGBT) aus Silizium mit einer antiparallel geschalteten Diode aus Siliziumkarbid verwendet. Durch die Reduzierung der Schaltverluste benötigt der ab schaltbare Leistungshalbleiterschalter des Hochsetzstellers nur noch eine Kühleinrichtung, die kaum einen nennenswerten Platz beansprucht, so dass der erfindungsgemäße Wechselrichter gegenüber einem bekannten Wechselrichter einen wesentlich geringeren Platz beansprucht.
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wechselrichters schematisch veranschaulicht ist.
  • Gemäß dem Ersatzschaltbild dieser Figur weist der erfindungsgemäße Wechselrichter, insbesondere ein Solar-Wechselrichter, einen netzgeführten, gesteuerten Stromrichter 2 mit einem wechselspannungsseitigen Filter 6 und einem gleichspannungsseitigen Hochsetzsteller 4 auf. Dieser Hochsetzsteller 4 ist ausgangsseitig mit gleichspannungsseitigen Anschlüssen 8 und 10 des netzgeführten, gesteuerten Stromrichters 2 verknüpft. Das Filter 6 ist mit den wechselspannungsseitigen Anschlüssen 12, 14 und 16 des netzgeführten, gesteuerten Stromrichters 2 elektrisch leitend verbunden. An diesen Anschlüssen 12, 14 und 16 ist ebenfalls ein Netz 18 angeschlossen, das Energie aus einer Gleichspannungsquelle 20, beispielsweise einer regenerativen Energiequelle, aufnehmen soll.
  • Der Hochsetzsteller 4, der gleichspannungsseitig den netzgeführten, gesteuerten Stromrichter 2 mit den gleichspannungsseitigen Anschlüssen 22 und 24 des Wechselrichters elektrisch leitend verbindet, an denen eine Gleichspannungsquelle 20 anzuschließen ist, weist einen abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter THS, eine Entkopplungsdiode DHS, eine Speicherdrossel LS und einen Glättungskondensator CG1 auf. Der abschaltbare Leistungshalbleiterschalter THS und die Entkopplungsdiode DHS sind elektrisch in Reihe geschaltet. Elektrisch parallel zu dieser Reihenschaltung ist der Glättungskondensator CG1 geschaltet. Dadurch ist dieser Glättungskondensator CG1 ebenfalls elektrisch parallel zu den gleichspannungsseitigen Anschlüssen 8 und 10 des netzgeführten, gesteuerten Stromrichters 2 geschaltet. Der Verbindungspunkt 26 der Reihenschaltung des abschaltbaren Leistungshalbleiterschalters THS und der Entkopplungsdiode DHS ist mittels der Speicherdrossel LS mit dem gleichspannungsseitigen Anschluss 22 des Wechselrichters elektrisch leitend verbunden. Wenn als Gleichspannungsquelle 20 ein Solargenerator verwendet wird, so ist die gelieferte Gleichspannung UDC über einen vorbestimmten Zeitbereich (Tagesverlauf) schwankend. Um diese Spannungsschwankungen annähernd zu glätten, ist elektrisch parallel zu den gleichspannungsseitigen Anschlüssen 22 und 24 des Wechselrichters ein zweiter Glättungskondensator CG2 geschaltet.
  • Der netzgeführte, gesteuerte Stromrichter 2 weist als Stromrichterventile T1, ..., T6 jeweils einen abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter 28, insbesondere einen Insulated-Gate-Bipolar-Transistor (IGBT), auf, dem jeweils eine Diode 30 elektrisch antiparallel geschaltet ist. Jeweils zwei Stromrichterventile T1, T2 bzw. T3, T4 bzw. T5, T6 bilden einen Brückenzweig, der auch als Stromrichterphase R bzw. S bzw. T bezeichnet wird. Jeweils ein Verbindungspunkt zweier elektrisch in Reihe geschalteter Stromrichterventile T1, T2 bzw. T3, T4 bzw. T5, T6 einer Stromrichterphase R bzw. S bzw. T bilden einen wechselspannungsseitigen Anschluss 12 bzw. 14 bzw. 16 des netzgeführten, gesteuerten Stromrichters 2. An diesen Anschlüssen 12, 14 und 16 sind einerseits das Filter 6 und andererseits das energieaufnehmende Netz 18 angeschlossen.
  • Das Filter 6 weist drei Kondensatoren C1, C2 und C3 auf, die hier elektrisch in Stern geschaltet sind. Diese können jedoch auch elektrisch in Dreieck geschaltet werden. Dieses Filter 6 weist außerdem drei Dämpfungs-Widerstände R1, R2 und R3 auf, die jeweils elektrisch in Reihe zu einem Kondensator C1 bzw. C2 bzw. C3 geschaltet sind.
  • Zur Ansteuerung der abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter 28 der Stromrichterventile T1, ..., T6 des netzgeführten, gesteuerten Stromrichters 2 ist eine Steuereinrichtung 32 vor gesehen. Diese Steuereinrichtung 32 erzeugt Steuersignale, die die abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter 28 der Stromrichterventile T1, ..., T6 derart ansteuert, dass diese jeweils leitend werden, wenn jeweils die korrespondierende antiparallel geschaltete Diode 30 leitend ist. Das heißt, dass jeweils zu den natürlichen Kommutierungszeitpunkten (Schnittpunkt zweier Phasenspannungen; Amplitude einer verketteten Netzspannung ist gleich Null) ein Ansteuersignal generiert wird. Somit ist jeder abschaltbare Leistungshalbleiterschalter 28 des netzgeführten, gesteuerten Stromrichters 2 während der Stromführungszeiten seiner elektrisch antiparallel geschalteten Dioden 30 leitend geschaltet. Durch diese netzfrequente Steuerung der abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter 28 der Stromrichterventile T1, ... T6 des netzgeführten, gesteuerten Stromrichters 2 ist dieser zu jeder Zeit rückspeisefähig. Eine Ausführungsform der Steuereinrichtung 32 ist beispielsweise der DE 199 13 634 A1 entnehmbar.
  • Dieser netzgeführte, gesteuerte Stromrichter und das Filter 6 bilden zusammen ein so genanntes Fundamental Frequency Front End (F3E). Ein kondensatorloser Spannungszwischenkreis-Umrichter, der neben einem lastseitigen selbstgeführten Pulsstromrichter einen F3E-Stromrichter als netzseitigen Stromrichter aufweist, ist wie eingangs erwähnt im Tagungsband der Fachtagung "PCIM 2003" ausführlich beschrieben.
  • Damit die Speicherdrossel LS des Hochsetzstellers 4 möglichst ein kleines Bauvolumen einnimmt, damit diese mit geringem Platzbedarf in den Wechselrichter, insbesondere Solar-Wechselrichter, integriert werden kann, wird der abschaltbare Leistungshalbleiterschalter THS des Hochsetzstellers 4 mit einer hohen Frequenz getaktet. Um eine hohe Taktfrequenz umsetzen zu können, wird ein MOSFET oder ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor, der auch als Junction-Field-Effect-Transistor (JFET) bezeichnet wird, vorgesehen. Im dargestellten Ersatzschaltbild des Wechselrichters nach der Erfindung ist als abschaltbarer Leistungshalbleiterschalter THS ein n-Kanal Enhancement MOSFET vorgesehen. Damit die Schaltverluste bei einer hohen Taktfrequenz gering bleiben, wird als abschaltbarer Leistungshalbleiterschalter THS ein MOSFET und ein JFET aus Siliziumkarbid verwendet. Außerdem kann als abschaltbarer Leistungshalbleiterschalter THS ein IGBT verwendet werden. Damit dieser eine hohe Taktfrequenz umsetzen kann, bestehen der IGBT aus Silizium und eine zugehörige antiparallel geschaltete Diode aus Siliziumkarbid. Mittels dieses Hochsetzstellers 4 kann eine Gleichspannung am Glättungskondensator CG1 auf den Wert einer gleichgerichteten Netzspannung gesteuert werden. Dadurch wird ein Solargenerator, der als Gleichspannungsquelle 20 an den gleichspannungsseitigen Anschlüssen 22 und 24 des Wechselrichters, insbesondere eines Solar-Wechselrichters, angeschlossen ist, immer im Betriebspunkt MPP betrieben.
  • Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Wechselrichters, insbesondere eines Solar-Wechselrichters, wird einerseits die Lebensdauer dieses Wechselrichters wesentlich verlängert und andererseits kann dieser Wechselrichter wesentlich kostengünstiger als ein im Handel erhältlicher Wechselrichter hergestellt werden. Außerdem benötigt dieser Wechselrichter nach der Erfindung einen wesentlich geringeren Platz.

Claims (10)

  1. Wechselrichter mit einem Hochsetzsteller (4), einem netzgeführten, gesteuerten Stromrichter (2) und einem Filter (6), wobei das Filter (6) mit wechselspannungsseitigen Anschlüssen (12, 14, 16) und der Hochsetzsteller (4) ausgangsseitig mit gleichspannungsseitigen Anschlüssen (8, 10) des netzgeführten, gesteuerten Stromrichters (2) verknüpft sind, wobei als Stromrichterventile (T1, T2; T3, T4; T5, T6) einer jeden Phase (R, S, T) des netzgeführten, gesteuerten Stromrichters (2) jeweils ein abschaltbarer Leistungshalbleiterschalter (28) mit antiparallel geschalteter Diode (30) vorgesehen ist, und wobei diese abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter (28) steuerungsseitig mit einer Steuereinrichtung (32) verknüpft sind, an deren Eingängen ermittelte Phasenspannungen eines Netzes (18) anstehen.
  2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochsetzsteller (4) eingangsseitig mit einem Kondensator (CG2) versehen ist.
  3. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochsetzsteller (4) einen abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter (THS), eine Entkopplungsdiode (DHS), eine Speicherdrossel (LS) und einen Glättungskondensator (CG1) aufweist, wobei der abschaltbare Leistungshalbleiterschalter (THS) und die Entkopplungsdiode (DHS) elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei der Glättungskondensator (CG1) elektrisch parallel zu dieser Reihenschaltung geschaltet ist, und wobei ein Eingangs-Anschluss (22) mittels der Speicherdrossel (LS) mit dem Verknüpfungspunkt (26) des abschaltbaren Leistungshalbleiterschalters (THS) und der Entkopplungsdiode (DHS) verknüpft ist.
  4. Wechselrichter nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als abschaltbarer Leistungshalbleiterschalter (THS) des Hochsetzstellers (4) ein selbstsperrender MOS-Feldeffekttransistor vorgesehen ist.
  5. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als abschaltbarer Leistungshalbleiterschalter (THS) des Hochsetzstellers (4) ein Insulated-Gate-Bipolar-Transistor aus Silizium mit einer antiparallel geschalteten Diode aus Siliziumkarbid vorgesehen ist.
  6. Wechselrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der selbstsperrende MOS-Feldeffekttransistor aus Siliziumkarbid ist.
  7. Wechselrichter nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wechselspannungsseitige Filter (6) drei Kondensatoren (C1, C2, C3) aufweist, die in Stern geschaltet sind.
  8. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das wechselspannungsseitige Filter (6) drei Kondensatoren (C1, C2, C3) aufweist, die in Dreieck geschaltet sind.
  9. Wechselrichter nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Kondensator (C1, C2, C3) des wechselspannungsseitigen Filters (6) ein Dämpfungswiderstand (R1, R2, R3) elektrisch in Reihe geschaltet ist.
  10. Wechselrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Glättungskondensator (CG1) ein Folienkondensator vorgesehen ist.
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