DE102006024482A1

DE102006024482A1 - Verfahren zur Steuerung eines Leistungswandlers und elektrisches System, das dieses Verfahren anwendet

Info

Publication number: DE102006024482A1
Application number: DE102006024482A
Authority: DE
Inventors: Brian Beck Christensen
Original assignee: PowerLynx AS
Current assignee: Danfoss Power Electronics AS
Priority date: 2006-05-26
Filing date: 2006-05-26
Publication date: 2007-12-06

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Steuerung eines Leistungswandlers mit mindestens zwei Ausgangsschaltkreisen angegeben. Der Wirkungsgrad des Leistungswandlers soll unter niedrigen Energiebedingungen verbessert werden. Hierzu wählt man die Anzahl der angesteuerten Ausgangsschaltkreise in Abhängigkeit von der zur Verfügung stehenden Leistung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Leistungswandlers mit mindestens zwei Ausgangsschaltkreisen und ein elektrisches System, das eine Steuereinheit, einen Eingang und mindestens zwei Ausgänge aufweist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Systems beschrieben, bei dem als Leistungsquelle eine Quelle von erneuerbarer Energie vorgesehen ist. Zu solchen Quellen zählen Einrichtungen, die Sonne, Wind, Wasserkraft oder andere natürlich vorkommende Energien in elektrische Energie umsetzen. Diese Energie wird auch als "grüne Energie" bezeichnet.
Die nachfolgende Beschreibung verwendet Solarzellen als Beispiel für die Erzeugung von grüner Energie. Eine Übertragung auf andere Energiequellen ist ohne weiteres möglich. Solarzellen werden verwendet, um Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln. Die von Solarzellen zur Verfügung gestellte Energie ist allerdings stark schwankend, da sie von der Sonneneinstrahlung und weiteren Umwelteinflüssen abhängig ist. Die Leistung kann an Solarzellen als elektrische Gleichspannung abgegriffen werden.
Die meisten elektrischen Verbraucherstromnetze werden allerdings mit Wechselstrom versorgt. Für die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom stehen Wechselrichter zur Verfügung. Ein solcher Wandler, der für die Einspeisung der durch Solarzellen gewonnenen Energie in öffentliche Netze eingesetzt werden kann, wird beispielsweise in US 5 625 539 beschrieben.
Wechselstromnetze gibt es als Ein- und Mehrphasennetze. Öffentliche Netze sind in der Regel Mehrphasensysteme. Dabei ist es aber durchaus möglich, Wechselstrom mit nur einer Phase in solche Systeme einzuspeisen.
Bei der Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom treten Verluste auf, die um so größer sind, je mehr elektrische Bauteile bei der Umwandlung beteiligt sind. Sie treten beispielsweise in Meßgeräten, in Filtereinrichtungen, die unerwünschte Oberwellen unterdrücken sollen, in einzelnen Schaltkreisen und Treibereinrichtungen sowie in Schaltern und Sicherheitseinrichtungen auf. Mehrphasenwandler, die bei einem höheren Leistungseinsatz energetisch günstiger arbeiten als Einphasenwandler, benötigen beispielsweise für jeden Ausgang einen eigenen Schaltkreis, der Schalter, Filter-, Treiber- und Sicherheitseinrichtungen aufweist.
In Verbindung mit einer Solarzelle, die eine stark schwankende Leistung bereitstellt, führt dies dazu, daß der Wirkungsgrad der Wandlereinrichtung bei geringer Sonneneinstrahlung deutlich schlechter ist als bei hoher Strahlungsintensität.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad des Leistungswandlers unter niedrigen Energiebedingungen zu verbessern.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß man die Anzahl der angesteuerten Ausgangsschaltkreise in Abhängigkeit von der zur Verfügung stehenden Leistung wählt.
Mit dieser Vorgehensweise ist es möglich, die Energieverluste im Wandler bei Verhältnissen, in denen nur wenig Energie umgesetzt wird, zu minimieren. Bei einer geringen Eingangsleistung wird nur ein Ausgang angesteuert, und die Schaltkreise, die zu den anderen Ausgängen führen, werden nicht verwendet. Damit entstehen in den dort eingesetzten Bauteilen auch keine Verluste, und der Wirkungsgrad des Wandlers verbessert sich. Vergrößert sich die umzuwandelnde Leistung, wird ein weiterer Ausgangsschaltkreis zugeschaltet. Mit diesem Verfahren erreicht man über einen großen Leistungsbereich einen guten Wirkungsgrad.
In einer bevorzugten Ausgestaltung verwendet man einen Leistungswandler mit einer Zusammenschaltung von Einphasenwandlern. Sie sind mit einer Steuereinrichtung verbunden, die die Phasenverschiebung kontrolliert und je nach verfügbarer Leistung einen Einphasenwandler zu- oder abschaltet.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung verwendet man als Leistungswandler einen Mehrphasenwandler. Mehrphasenwandler erzeugen durch die höhere Integrationsdichte geringere Leistungsverluste als eine Zusammenschaltung von Einphasenwandlern und beanspruchen weniger Bauraum. In Verbindung mit variabler Ansteuerung der Ausgänge wird der Wirkungsgrad noch einmal gesteigert.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn man den Wert der verfügbaren Leistung mit Hilfe von charakteristischen Größen bestimmt. Diese Größen, zum Beispiel Eingangsspannung oder Eingangsstrom, beispielsweise des Eingangssignals oder der Ausgangssignale, lassen sich relativ leicht bestimmen und ermöglichen eine schnelle und automatische Berechnung der verfügbaren Leistung.
Vorzugsweise wird die Leistung durch eine Energiequelle mit variabler Ausgangsleistung erzeugt. Der bessere Wirkungsgrad über einen erweiterten Leistungsbereich hat hierbei besondere Bedeutung.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Leistung durch eine Energiequelle erzeugt, die regenerative Energie ausnutzt. Die Leistungsausbeute dieser Quellen ist stark von Umwelteinflüssen abhängig. Großen Einfluß auf die Leistungsfähigkeit z.B. von Solarzellen haben der Sonnenstand und natürlich die Wetterverhältnisse, die sich manchmal kurzfristig ändern können. Mit Hilfe des hier offenbarten Verfahrens läßt sich der Wirkungsgrad vorhandener Anlagen effektiv steigern.
Insbesondere wird das Verfahren bei Leistungswandlern eingesetzt, die die Leistung einem Mehrphasensystem zur Verfügung stellen. Dabei kann es sich um ein öffentliches oder privates Netz handeln. Im allgemeinen ist es möglich, Leistung mit weniger Phasen in ein öffentliches Netz einzuspeisen, als dieses aufweist. Dabei ist nur zu beachten, daß die Leistungsschwankungen zwischen den Phasen einen gewissen Wert nicht übersteigen.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens bestimmt man immer einen anderen Ausgang, der am längsten angeschaltet bleibt, wenn sich die verfügbare Energie verringert. Auf diese Weise wird die Betriebsdauer der einzelnen Ausgänge ausgeglichen, wodurch eine längere Lebensdauer erreicht wird. Die Auswahl des Ausgangs kann durch eine Steuereinheit automatisch erfolgen. Durch eine Steuerung ist es auch möglich, das Versorgungsnetz zu balancieren, indem man z.B. immer die Phase(n) mit der momentan geringsten Spannung anschließt.
Vorteilhafterweise sorgt die Steuereinrichtung dafür, daß keiner der Ausgangsschaltkreise überlastet wird. Übersteigt die Leistung den Wert, der in einem Schaltkreis umgesetzt werden kann, wird ein weiterer Ausgangsschaltkreis zugeschaltet. Denkbar ist dabei auch, daß dieser Wert vom Verbraucher ausgewählt oder vom Versorgungsnetz vorgegeben wird. Durch die Verwendung einer Hysterese kann wiederholtes Hin- und Herschalten bei Leistungsschwankungen im Bereich des Schwellwerts vermieden werden.
Die Aufgabe wird auch bei einem elektrischen System der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Anzahl der angesteuerten Schaltkreise und Ausgänge von der Eingangsleistung abhängig ist.
Ein solches System weist unter niedrigen Energieverhältnissen einen verbesserten Wirkungsgrad auf. Bei einer geringen Eingangsleistung ist nur ein Ausgang leitend, die anderen Ausgänge sind einschließlich der dazugehörigen Ausgangsschaltkreise von der Spannung getrennt. Dadurch treten in den dort eingesetzten Bauteilen auch keine Verluste auf, was zu einem verbesserten Wirkungsgrad führt.
Dabei ist besonders bevorzugt, daß das elektrische System durch einen Leistungswandler gebildet ist. Ein solcher Leistungswandler weist gegenüber herkömmlichen Leistungswandlern einen verbesserten Wirkungsgrad unter Niedrigenergieverhältnissen auf.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das elektrische System eine Zusammenschaltung von Einphasenwandlern oder einen Mehrphasenwandler auf. Bei der Verwendung von Einphasenwandlern können handelsübliche Einphasenwandler eingesetzt werden, was zu einer entsprechend kostengünstigen Lösung führt. Mehrphasenwandler benötigen dagegen weniger Bauraum und sind etwas weniger verlustbehaftet.
In einer besonderen Ausführungsform ist das elektrische System mit einer Energiequelle mit variabler Ausgangsleistung verbunden. Der Vorteil des elektrischen Sy stems, ein verbesserter Wirkungsgrad über einen großen Leistungsbereich, kommt dabei besonders zum Tragen.
Vorzugsweise ist das elektrische System mit einer Energiequelle verbunden, die regenerative Energien ausnutzt. Die Leistung, die eine solche Quelle zur Verfügung stellt, ist nicht konstant. Gerade dabei erweist sich ein verbesserter Wirkungsgrad im Niedrigenergiebereich als besonders vorteilhaft.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Ausgänge des elektrischen Systems an ein zwei- oder mehrphasiges Netz angeschlossen. Im allgemeinen stellt es kein Problem dar, mit einer verringerten Phasenanzahl in ein Mehrphasensystem einzuspeisen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
1 Schema einer Gleichstrom-Wechselstrom-Umwandlung mit einem Einphasenwandler,
2 Schema einer Gleichstrom-Wechselstrom-Umwandlung mit einem Dreiphasenwandler und Null-Leiter,
3 Zusammenschaltung von drei Einphasenwandlern zu einem Dreiphasenwandler mit Null-Leiter,
4 eine bevorzugte Ausführungsform des Wandlers,
5 graphische Darstellung der Verbesserung des Wirkungsgrades unter Niedrigenergieverhältnissen,
6 Ausgangskennlinien in Bezug auf die Energieverhältnisse nach 7,
7 qualitative Darstellung der Energiewerte, die bei einem dreiphasigen System zum Ein- und Ausschalten weiterer Ausgänge führen,
8 eine weitere bevorzugte Ausführungsform,
9 Schema einer Gleichstrom-Wechselstrom-Umwandlung mit einem Dreiphasenwandler ohne Null-Leiter und
10 Schema einer Gleichstrom-Wechselstrom-Umwandlung mit einem Zweiphasenwandler mit Null-Leiter.
1 zeigt in schematischer Darstellung ein System, bei dem mit Sonnenenergie Gleichstrom erzeugt wird, der mit einem Einphasenwandler 10 in Wechselstrom umgewandelt wird. Das System besitzt zwei Ausgänge L1, L2, wobei der eine den Null-Leiter darstellt.
2 stellt das gleiche System mit einem Mehrphasenwandler 11 dar, der drei Ausgänge L1, L2, L3 und den Null-Leiter N aufweist.
3 zeigt das Prinzipbild eines Leistungswandlers, der aus drei parallelgeschalteten Einphasenwandlern 10 besteht. Eine übergeordnete Steuerung 3 ist über gestrichelt eingezeichnete Steuerleitungen mit den einzelnen Einphasenwandlern 10 verbunden und sorgt dafür, daß die einzelnen Phasen die richtige Phasenlage aufweisen.
Ein erfindungsgemäßes elektrisches System, das eine Steuereinrichtung 3 und einen Mehrphasenwandler 11 mit drei Ausgängen L1, L2, L3 aufweist, ist in 4 dargestellt. Anhand dieser Darstellung soll das Verfahren näher erläutert werden.
Am Eingang 1 liegt eine Gleichspannung an, die von einer nicht näher bezeichneten nicht konstanten Gleichstromquelle zur Verfügung gestellt wird. Die Eingangsleistung wird von einem Meßsystem 2 gemessen und einer Steuereinheit 3 zur Verfügung gestellt. Mit Hilfe von Schaltern 4 wird der Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt. Schalter 4 können zum Beispiel Bipolar-Transistoren, MOSFETs, IGBTs oder gesteuerte Silicium-Gleichrichter sein. Spulen 5 und Kondensatoren 6 sind in jedem Ausgang angeordnet und reduzieren Oberwellen der Ausgangssignale. Amperemeter 7 messen die Ausgangsströme für jeden einzelnen Ausgang L1, L2, L3 und stellen diese Größe der Steuereinheit 3 zur Verfügung. Die Steuereinheit 3 kann von einem Bediener 8 über ein Bedienfeld 9 programmiert werden. Sicherheitseinrichtungen 10 an den Ausgängen L1, L2 und L3 schützen zum Beispiel einen angeschlossenen Verbraucher vor Überspannung. Die Steuereinheit 3 bestimmt anhand der Meßgrößen, die durch die Meßeinrichtungen 2 und 7 ermittelt werden, die Anzahl der anzusteuernden Ausgänge L1 bis L3. Steht am Eingang 1 nur wenig Leistung zur Verfü gung, wird nur ein Ausgang L1, L2, L3 angesteuert, die anderen beiden Ausgänge L1, L2, L3 werden einschließlich der dazugehörenden Spulen 5, Kondensatoren 6, Meßgeräte 7 und Schalteinrichtungen 4 vom Eingangssignal getrennt. Damit arbeitet nur noch die minimale Anzahl an Bauelementen, die Verlustleistung verringert sich entsprechend.
Die Verbesserung des Wirkungsgrades unter niedrigen Energieverhältnissen bei einem Umwandler mit dem hier beschriebenen Verfahren gegenüber einem Standardumwandler ist in 5 dargestellt. Der Graph zeigt den Wirkungsgrad über der verfügbaren Eingangsleistung. Die gestrichelte Kurve stellt den Wirkungsgrad eines elektrischen Systems mit dem hier beschriebenen Verfahren dar. Während bei normalen bis guten Energieverhältnissen kein Unterschied zu Umwandlern ohne variable Ansteuerung der Ausgänge (durchgezogene Linie) zu erkennen ist, zeigt sich bei schlechteren Bedingungen eine deutliche Verbesserung.
In 6 sind die Ausgangssignale der Ausgänge L1 bis L3 eines Dreiphasenwandlers untereinander dargestellt. Im Bereich A herrschen gute Energieverhältnisse. Die Eingangsleistung liegt über dem Niveau 3 aus 7. Sinkt die Eingangsleistung auf ein Niveau zwischen 3 und 2 ab, wird ein Ausgang L1, L2, L3 abgeschaltet. Die dazugehörenden Signalverläufe sind im Bereich B in 6 dargestellt. Sinkt die Eingangsleistung unter ein Niveau 1 in 7, wird ein weiterer Ausgang L1, L2, L3 abgeschaltet. Die entsprechenden Ausgangssignale sind im Bereich C in 6 dargestellt.
In 8 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, im Unterschied zu 4 werden Leistungstransistoren als Schalter 4 eingesetzt. Ansonsten entspricht 8 dem Beispiel aus 4.
In 9 ist ein Schema für die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom mit drei Phasen dargestellt, das dem in 2 dargestellten Schema bis auf den fehlenden Null-Leiter N entspricht. 10 zeigt einen Zweiphasenumwandler 12 mit Null-Leiter N.
Die Ausführungsformen, welche in den 2, 3, 4, 8, 9 und 10 dargestellt sind, können alle mit dem hier beschriebenen Verfahren betrieben werden, da sie alle mehrere Ausgänge L1, L2, L3 aufweisen. Einzige Voraussetzung ist dabei das Vorhandensein einer entsprechenden Steuereinheit 3.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Leistungswandlers mit mindestens zwei Ausgangsschaltkreisen, dadurch gekennzeichnet, daß man die Anzahl der angesteuerten Ausgangsschaltkreise in Abhängigkeit von der zur Verfügung stehenden Leistung wählt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Leistungswandler mit einer Zusammenschaltung von Einphasenwandlern verwendet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Leistungswandler einen Mehrphasenwandler verwendet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man den Wert der verfügbaren Leistung mit Hilfe von charakteristischen Größen bestimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung durch eine Energiequelle mit variabler Ausgangsleistung erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung durch eine Energiequelle erzeugt wird, die regenerative Energien ausnutzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung einem Mehrphasensystem zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man immer einen anderen Ausgang bestimmt, der am längsten angeschaltet bleibt, wenn sich die Energieverhältnisse verschlechtern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung dafür sorgt, daß keiner der Ausgangsschaltkreise überlastet wird.
Elektrisches System, das eine Steuereinheit, einen Eingangs- und mindestens zwei Ausgänge aufweist, wobei jeder Ausgang einen eigenen Ausgangsschaltkreis aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der angesteuerten Ausgangsschaltkreise und Ausgänge von der Eingangsleistung abhängig ist.
Elektrisches System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es durch einen Leistungswandler gebildet ist.
Elektrisches System nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Zusammenschaltung von Einphasenwandlern oder einen Mehrphasenwandler aufweist.
Elektrisches System nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einer Energiequelle mit variabler Ausgangsleistung verbunden ist.
Elektrisches System nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einer Energiequelle verbunden ist, die regenerative Energien ausnutzt.
Elektrisches System nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge an einem zwei- oder mehrphasigen Netz angeschlossen sind.