DE102008050765A1 - Inverter arrangement for feeding photovoltaic energy into a public grid - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Wechselrichteranordnung zum Einspeisen von photovoltaisch gewonnener Energie in ein öffentliches Netz mit einer mit dem positiven und dem negativen Anschluss eines Solargenerators verbindbaren Gleichspannungswandleranordnung und einer Wechselrichterschaltung vorgeschlagen. Die Gleichspannungswandleranordnung umfasst einen Eingangspufferkondensator, einen Wandler und mindestens einen Zwischenkreiskondensator. Dabei bildet das Bezugspotenzial der Gleichspannungswandleranordnung die positive Verbindungsleitung zwischen dem positiven Anschluss für den Solargenerator und dem Zwischenkreiskondensator und der Wandler liegt in der Verbindung zwischen dem negativen Anschluss zu dem Solargenerator und dem negativen Anschluss des Zwischenkreiskondensators.An inverter arrangement for feeding photovoltaically obtained energy into a public grid having a DC-DC converter arrangement connectable to the positive and the negative terminal of a solar generator and to an inverter circuit is proposed. The DC-DC converter arrangement comprises an input buffer capacitor, a converter and at least one DC link capacitor. The reference potential of the DC-DC converter arrangement forms the positive connecting line between the positive terminal for the solar generator and the DC link capacitor and the converter is in the connection between the negative terminal to the solar generator and the negative terminal of the DC link capacitor.

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Description

Die Erfindung betrifft eine Wechselrichteranordnung zum Einspeisen von photovoltaisch gewonnener Energie in ein öffentliches Netz nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.The The invention relates to an inverter arrangement for feeding photovoltaic energy into a public grid according to the preamble of the main claim.

Derartige Wechselrichteranordnungen sind allgemein bekannt und 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Systems zur Einspeisung einer photovoltaisch gewonnenen Energie in das öffentliche Netz. Ein Wechselrichter ist auf seiner Ausgangsseite mit dem öffentlichen Netz 6 verbunden, wobei diese Anbindung ein- oder auch mehrphasig über die Phasen P1 bis P3 sowie einen Neutralleiter N und einen Schutzleiter PE (Protective Earth, Erdpotenzial) erfolgen kann. Auf der Eingangsseite ist der Wechselrichter 1 mit einem oder mehreren Solargeneratoren 5 verbunden, wobei ab hängig von der Schaltungstechnik des Wechselrichters 1 sich an den Anschlussklemmen des Solargenerators 5 bestimmte Potenziale gegenüber dem Erdpotenzial PE einstellen, die mit UPlus und UMinus bezeichnet sind. Der Solargenerator 5 besteht aus einer Reihenschaltung vieler einzelner Zellen, so dass letztlich jede einzelne Zelle ein definiertes Potenzial gegenüber Erdpotenzial annimmt.Such inverter arrangements are well known and 1 shows the basic structure of a system for feeding a photovoltaic energy into the public grid. An inverter is on its output side with the public network 6 connected, wherein this connection one or more phases over the phases P1 to P3 and a neutral conductor N and a protective conductor PE (Protective Earth, ground potential) can take place. On the input side is the inverter 1 with one or more solar generators 5 connected, being dependent on the circuitry of the inverter 1 at the connection terminals of the solar generator 5 set certain potentials with respect to the ground potential PE, which are called U plus and U minus . The solar generator 5 consists of a series connection of many individual cells, so that ultimately every single cell assumes a defined potential compared to ground potential.

Bestimmte Zelltechnologien, insbesondere Dünnschicht-Technologien, reagieren mit einer Leistungsminderung oder auch einer Schädigung auf das Potenzial der Zellen gegenüber Erde. Hierbei wirken sich in vielen Fällen hohe negative Spannungen gegenüber Erdpotenzial schädlich aus.Certain Cell technologies, in particular thin-film technologies, react with a reduction in performance or even damage on the potential of cells to earth. This effect in many cases high negative voltages Earth potential harmful.

In 2 ist ein System nach 1 dargestellt, bei dem eine bekannte häufig eingesetzte Wechselrichtertopologie näher ausgeführt wird. Sie besteht aus einer symbolisch als Brückenschaltung dargestellten eigentlichen Wechselrichterschaltung 2, welche in vielfältiger Form ein- oder mehrphasig ausgebildet sein kann. Besonders vorteilhaft sind dabei transformatorlose Topologien, die einen sehr hohen Wirkungsgrad bei gleichzeitig geringem Gewicht und niedrigen Kosten aufweisen. Derartige Topologien benötigen eine mit UZK bezeichnete Eingangsspannung, die bei einphasigen Systemen größer sein muss als die Amplitude der Netz-Wechselspannung, also größer als ca. 350 V, bei dreiphasigen Topologien größer als ca. 700 V. Zur Erweiterung des Eingangsspannungsbereichs zu kleineren Spannungen hin wird oftmals der eigentlichen Wechselrichterschaltung 2 ein Gleichspannungswandler 3 vorgeschaltet, wobei diese Gruppen in der Praxis zu einer baulichen Wechselrichteranordnung 1 zusammengefasst sind. Bei dem in 2 gezeigten, allgemein bekannten Stand der Technik umfasst der Gleichspannungswandler 3 einen Eingangspufferkondensator C0, einen DC/DC-Wandler 4, der die Eingangsspannung auf eine höhere Spannung wandelt und der in der Verbindung zwischen dem Eingang UPlus und einem Zwischenkreisspannungsanschluss +UZK liegt, sowie einen Ausgangs- oder Zwischenkreiskondensator CZK. Dieser kann je nach Anforderungen der Wechselrichterschaltung 2 als einzelner Kondensator oder als Reihenschaltung mehrerer Teilkondensatoren ausgebildet sein. Im Fall von zwei Zwischenkreiskondensatoren teilt sich die dargestellte Zwischenkreisspannung UZK beispielsweise symmetrisch auf, wobei das mittlere Potenzial geräteintern über eine Leitung mit dem Neutralleiter des öffentlichen Netzes verbunden sein kann und somit Erdpotenzial aufweist. Diese Leitung ist in 2 gestrichelt angedeutet.In 2 is a system after 1 shown in which a known frequently used inverter topology is detailed. It consists of a symbolic bridge circuit as shown actual inverter circuit 2 , which may be formed in a variety of forms single or multi-phase. Transformerless topologies which have a very high efficiency and at the same time low weight and low costs are particularly advantageous. Such topologies require a designated U ZK input voltage, which must be greater than the amplitude of the AC line voltage, ie greater than about 350 V in single-phase systems, in three-phase topologies greater than about 700 V. To extend the input voltage range to lower voltages often the actual inverter circuit 2 a DC-DC converter 3 upstream, these groups in practice to a structural inverter arrangement 1 are summarized. At the in 2 The generally known prior art includes the DC-DC converter 3 an input buffer capacitor C 0 , a DC / DC converter 4 which converts the input voltage to a higher voltage and which is in the connection between the input U plus and an intermediate circuit voltage terminal + U ZK , and an output or intermediate circuit capacitor C ZK . This can vary depending on the requirements of the inverter circuit 2 be designed as a single capacitor or as a series circuit of several sub-capacitors. In the case of two DC link capacitors, the illustrated intermediate circuit voltage U ZK, for example, divides symmetrically, wherein the mean potential can be connected inside the device via a line to the neutral of the public network and thus has ground potential. This line is in 2 indicated by dashed lines.

Der negative Anschluss UMinus des Solargenerators 5 ist entsprechend 2 direkt mit dem negativen Zwischenkreis-Anschluss –UZK verbunden. Bei einer Wechselrichteranordnung mit einer symmetrisch aufgeteilten Zwischenkreisspannung UZK von 700 V liegt also gemäß 3 der negative Anschluss UMinus auf einer Spannung von –350 V. Das Potential des positiven Anschlusses ergibt sich aus der Arbeitspunktspannung USG des Solargenerators. Ist diese kleiner als 350 V, so weisen alle Zellen ein negatives Potenzial gegenüber Erde auf. Bei einer höheren Spannung liegt, wie in 3 beispielhaft dargestellt, ein Teil der Zellen auf einem geringen positiven Potenzial. Es hat sich erwiesen, dass das hohe negative Potential von –350 V sich schädigend auf bestimmte Solarzellen auswirkt.The negative connection U minus of the solar generator 5 is appropriate 2 directly connected to the negative DC link connection -U ZK . In an inverter arrangement with a symmetrically divided intermediate circuit voltage U ZK of 700 V is thus according to 3 the negative terminal U minus on a voltage of -350 V. The potential of the positive terminal results from the operating point voltage U SG of the solar generator. If this is less than 350 V, then all cells have a negative potential compared to earth. At a higher voltage, as in 3 exemplified, a portion of the cells at a low positive potential. It has been shown that the high negative potential of -350 V has a damaging effect on certain solar cells.

Eine Verbesserung einer Wechselrichteranordnung, die diesen Sachverhalt berücksichtigt, wird in der DE 10 2004 037 446 B4 vorgeschlagen, wobei eine Ausführung dieser Verbesserung in 4 dargestellt ist. Gemäß diesem Stand der Technik ist die Gleichspannungswandleranordnung 3 vollkommen symmetrisch aufgebaut, was durch die Blöcke 4a, 4b angedeutet ist. Damit teilt sich auch die Solargeneratorspannung USG symmetrisch zum Erdpotential auf, was in 5 dargestellt ist. Dadurch stellen sich abhängig von der Höhe der Solargeneratorspannung USG weniger hohe negative Potenziale ein. Dieser Ansatz bringt eine Verbesserung gegenüber dem oben dargestellten Stand der Technik, dennoch können negative Spannungen in schädlicher Höhe auftreten, so dass die Funktion der Schaltungsanordnung bzw. der Solarzellen beeinträchtigt werden kann.An improvement of an inverter arrangement that takes this fact into account is described in the DE 10 2004 037 446 B4 suggested an embodiment of this improvement in 4 is shown. According to this prior art, the DC-DC converter arrangement 3 perfectly symmetrical, what through the blocks 4a . 4b is indicated. This also divides the solar generator voltage U SG symmetrical to ground potential, which in 5 is shown. As a result, depending on the height of the solar generator voltage U SG less high negative potentials. This approach provides an improvement over the prior art presented above, yet negative voltages can occur at a harmful level, so that the function of the circuit arrangement or of the solar cells can be impaired.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Wechselrichteranordnung zum Einspeisen von photovoltaisch gewonnener Energie in ein öffentliches Netz zu schaffen, mit der hohe negative Potentiale der Solarzellen gegenüber Erdpotenzial vermieden werden.Of the Invention is therefore based on the object, an inverter arrangement for feeding photovoltaic energy into a public Network to create, with the high negative potentials of solar cells against earth potential.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.This object is achieved by the characterizing features of Hauptan solved in connection with the features of the preamble.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.By the measures specified in the dependent claims Advantageous developments and improvements are possible.

Dadurch, dass das Bezugspotenzial der Gleichspannungswandleranordnung die positive Verbindungsleitung zwischen positivem Anschluss für einen Solargenerator und dem Zwischenkreiskondensator ist und der Wandler im wesentlichen in der Verbindung zwischen dem negativen Anschluss eines Solargenerators bzw. einer So largeneratoranordnung und dem negativen Anschluss des Zwischenkreiskondensators liegt, weisen die Solarzellen des Solargenerators abhängig von der Solargeneratorspannung alle ein positives Potenzial gegenüber Erde oder aber ein Teil der Zellen ein geringes, aber tolerables negatives Potenzial auf. Dadurch können auch derartige Module, die sensibel auf negative Potenziale gegenüber Erde reagieren, mit transformatorlosen Wechselrichtern betrieben werden.Thereby, the reference potential of the DC-DC converter arrangement is the positive connection line between positive connection for a solar generator and the DC link capacitor is and the Transducer essentially in the connection between the negative Connection of a solar generator or a solar generator arrangement and the negative terminal of the DC link capacitor, the solar cells of the solar generator depend on the solar generator voltage is all a positive potential to earth or some of the cells have a low but tolerable negative Potential up. This also allows such modules, the sensitive to negative potentials towards Earth, be operated with transformerless inverters.

Vorteilhafterweise kann die Wechselrichterschaltung eine Vollbrücke aufweisen, deren Ausgänge über jeweils eine Drosselspule an Ausgangsanschlüsse für ein einphasiges Netz angeschlossen sind, wodurch die Wechselrichteranordnung für Solargeneratoren mit einer MPP-Spannung (Spannung im Punkt maximaler Solargeneratorleistung) im Bereich bis ca. 350 V besonders geeignet ist.advantageously, the inverter circuit can have a full bridge, their outputs via a respective choke coil to output terminals for a single-phase network are connected, whereby the inverter arrangement for Solar generators with a MPP voltage (voltage at the point maximum Solar generator power) in the range up to approx. 350 V particularly suitable is.

Weiter vorteilhaft ist, wenn die Wechselrichterschaltung eine Halbbrücke aufweist und der Zwischenkreiskondensator aus zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren besteht, wobei der Verbindungspunkt zwischen den Kondensatoren mit einem Ausgangsanschluss und der Ausgang der Halbbrücke über eine Drosselspule mit einem anderen Ausgangsanschluss für ein einphasiges Netz verbunden sind, wodurch die Wechselrichteranordnung insbesondere für Solargeneratoren mit einer MPP-Spannung im Bereich bis ca. 700 V geeignet ist.Further is advantageous if the inverter circuit has a half-bridge and the DC link capacitor consists of two series-connected Capacitors exists, with the connection point between the capacitors with an output terminal and the output of the half bridge over a choke coil with another output terminal for a single-phase network are connected, whereby the inverter assembly especially for solar generators with an MPP voltage in the range up to 700 V is suitable.

Eine vorteilhafte Ausbildung ist, dass zur Bildung einer dreiphasigen Wechselrichteranordnung drei Halbbrücken vorgesehen sind, und jeder Ausgang der Halbbrücken über eine Drosselspule mit Ausgangsanschlüssen und der Verbindungspunkt der Kondensatoren an einen weiteren Ausgangsanschluss für den Neutralleiter eines dreiphasigen Netzes verbunden sind, wodurch vorteilhafterweise symmetrisch in das Netz eingespeist werden kann.A advantageous training is that to form a three-phase Inverter arrangement three half-bridges are provided and each output of the half bridges via a choke coil with output terminals and the connection point of the capacitors to another output terminal for the neutral conductor of a Three-phase network are connected, which advantageously symmetrical can be fed into the network.

Besonders vorteilhaft ist, dass zwei antiparallele Freilaufpfade mit jeweils mindestens einem Schalter und einer Diode zwischen den jeweiligen Ausgängen der Vollbrücke und den Drosselspulen oder dem jeweiligen Ausgang der Halbbrücke und der zugehörigen Drosselspule liegen. Dadurch werden verlustbehaftete Blindströme innerhalb der Wechselrichterschaltung vermieden, was einen erhöhten Wirkungsgrad gegenüber dem Stand der Technik und ein verbessertes EMV-Verhalten der Wechselrichterschaltung mit sich bringt.Especially It is advantageous that two antiparallel freewheeling paths, respectively at least one switch and a diode between the respective outputs the full bridge and the choke coils or the respective Output of the half-bridge and the associated choke coil lie. As a result, lossy reactive currents are within avoided the inverter circuit, which increased Efficiency over the prior art and an improved EMC behavior of the inverter circuit brings with it.

Durch die Kombination dieser sehr effektiven Wechselrichterschaltung mit der Gleichspannungswandleranordnung nach der Erfindung ergibt sich eine Wechselrichteranordnung mit einem hohen Wirkungsgrad, verbunden mit einem großen Eingangsspannungsbereich bei gleichzeitiger Anwendbarkeit für Module, welche empfindlich auf negative Zellpotenziale gegenüber Erdpotenzial reagieren.By the combination of this very effective inverter circuit with the DC-DC converter arrangement according to the invention results in a Inverter assembly with a high efficiency, connected with a large input voltage range at the same time Applicability for modules that are sensitive to negative Cell potentials react to earth potential.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass sich die Wechselrichteranordnung durch einen großen Eingangsspannungsbereich auszeichnet und keine oder nur geringe negative Spannungen gegenüber dem Erdpotenzial auftreten. Die Wechselrichteranordnung ist daher besonders geeignet für Solarzellen, bei denen bei hohen negativen Zellspannungen gegenüber Erde Degradationen auftreten, z. B. durch Korrosion des Zellmaterials oder durch Wirkungsgradminderungen aufgrund von Polarisationsvorgängen innerhalb der Zellen, wobei diese Effekte bevorzugt bei Dünnschichtmodulen auftreten, aber auch bei bestimmten kristallinen Zellen.In summary can be said that the inverter arrangement by a large input voltage range and no or only small negative voltages compared to the earth potential occur. The inverter arrangement is therefore particularly suitable for solar cells, where faced with high negative cell voltages Earth degradations occur, eg. B. by corrosion of the cell material or by efficiency reductions due to polarization processes within the cells, these effects being preferred for thin film modules occur, but also in certain crystalline cells.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigenembodiments The invention are illustrated in the drawings and in the explained in more detail below description. It demonstrate

1 eine schematische Darstellung einer Wechselrichteranordnung zum Einspeisen von photovoltaisch gewonnener Energie entsprechend dem Stand der Technik, 1 a schematic representation of an inverter arrangement for feeding photovoltaic energy obtained according to the prior art,

2 eine detailliertere Darstellung einer Ausführungsform einer Wechselrichteranordnung nach dem Stand der Technik, 2 a more detailed representation of an embodiment of an inverter assembly according to the prior art,

3 eine Kennlinie der Solargeneratorspannung bei einer Wandleranordnung nach 2, 3 a characteristic of the solar generator voltage in a transducer assembly according to 2 .

4 eine weitere schaltungsgemäße Ausgestaltung einer Wechselrichteranordnung nach dem Stand der Technik, 4 a further circuit configuration of an inverter arrangement according to the prior art,

5 eine Kennlinie der Solargeneratorspannung bei einer Wechselrichteranordnung nach 4, 5 a characteristic of the solar generator voltage in an inverter arrangement according to 4 .

6 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Wechselrichteranordnung, 6 a block diagram of the inverter arrangement according to the invention,

7 eine Kennlinie der Solargeneratorspannung bzw. der Potenziale für eine Wechselrichteranordnung nach 6, 7 a characteristic of the solar generator voltage or the potentials for an inverter arrangement according to 6 .

8 eine schaltungsgemäße Ausgestaltung der Gleichspannungswandleranordnung in der Wechselrichteranordnung, 8th a circuit configuration of the DC-DC converter arrangement in the inverter arrangement,

9 eine erste Ausführungsform einer schaltungsgemäßen Ausgestaltung der Wechselrichterschaltung zusammen mit der Gleichspannungsanordnung nach 8 als erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Wechselrichteranordnung, 9 a first embodiment of a circuit according to the embodiment of the inverter circuit together with the DC voltage arrangement according to 8th as the first embodiment of the inverter arrangement according to the invention,

10 eine zweite Ausführungsform der Wechselrichterschaltung zusammen mit der Gleichspannungswandleranordnung zur Bildung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Wechselrichteranordnung, 10 a second embodiment of the inverter circuit together with the DC-DC converter arrangement for forming a second embodiment of the inverter arrangement according to the invention,

11 eine dritte Ausführungsform der Wechselrichterschaltung zusammen mit der Gleichspannungswandleranordnung zur Bildung eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Wechselrichteranordnung, und 11 a third embodiment of the inverter circuit together with the DC-DC converter arrangement for forming a third embodiment of the inverter arrangement according to the invention, and

12 verschiedene Ausführungsformen des bei der erfindungsgemäßen Wechselrichteranordnung verwendeten Freilaufzweiges. 12 various embodiments of the freewheeling branch used in the inverter assembly according to the invention.

In 6 ist als Blockschaltbild die erfindungsgemäße Wechselrichteranordnung 1 dargestellt, die wie im Stand der Technik eine Gleichspannungswandleranordnung 3 und eine Wechselrichterschaltung 2 umfasst. Die Gleichspannungswandleranordnung 3 weist den Eingangspufferkondensator C0, den Zwischenkreiskondensator CZK und den Wandler 4, der auch als Gleichspannungshochsetzsteller bezeichnet werden kann, auf. Die Wechselrichterschaltung 2 ist in prinzipieller Weise dreiphasig dargestellt und umfasst somit Ausgangsanschlüsse P1, P2, P3, die auch die drei Phasen eines öffentlichen Netzes 6 bezeichnen, und den Neutralan schluss aus N sowie den Schutzleiteranschluss PE, üblicherweise Erdpotential.In 6 is a block diagram of the inverter arrangement according to the invention 1 which, as in the prior art, a DC-DC converter arrangement 3 and an inverter circuit 2 includes. The DC-DC converter arrangement 3 has the input buffer capacitor C 0 , the intermediate circuit capacitor C ZK and the converter 4 , which can also be referred to as a DC boost converter on. The inverter circuit 2 is shown in principle three-phase and thus includes output terminals P1, P2, P3, which are also the three phases of a public network 6 denote, and the Neutralan circuit of N and the protective earth terminal PE, usually ground potential.

Der positive Anschluss UPlus des Solargenerators 5 ist mit dem positiven Zwischenkreis-Anschluss +UZK des Zwischenkreiskondensators CZK verbunden und der Wandler 4 befindet sich im Gegensatz zum Stand der Technik in der Verbindung zwischen dem negativen Anschluss UMinus des Solargenerators 5 und dem Zwischenkreis-Anschluss –UZK.The positive terminal of the solar generator U Plus 5 is connected to the positive intermediate circuit terminal + U ZK of the intermediate circuit capacitor C ZK and the converter 4 is in contrast to the prior art in the connection between the negative terminal U minus the solar generator 5 and the DC link connection -U ZK.

Durch eine solche Anordnung weisen gemäß 7, die die Potenziale UPlus und UMinus über der Zeit zeigt, bei einer Zwischenkreisspannung UZK von 700 V und einer Solargeneratorspannung USG von weniger als 350 V alle Zellen ein positives Potential gegenüber Erde auf. Bei höheren Solargeneratorspannungen USG treten bei wenigen Zellen tolerable negative Potenziale auf, wie in 7 angedeutet ist.By such an arrangement according to 7 , which shows the potentials U plus and U minus over time, with a DC link voltage U ZK of 700 V and a solar generator voltage U SG of less than 350 V, all cells have a positive potential to earth. At higher solar generator voltages U SG occur in a few cells tolerable negative potentials, as in 7 is indicated.

In 8 ist eine Realisierungsmöglichkeit des eigentlichen Wandlers 4 dargestellt. Er besteht aus einer Speicherdrossel L0 sowie einer Gleichrichterdiode D0, die im Verbindungspfad zwischen dem negativen Solargeneratoranschluss UMinus und dem negativen Zwischenkreis-Anschluss –UZK liegen. Dabei soll unter den Begriff der Diode D0 auch jede andere Form eines Gleichrichters fallen, so kann sie auch als Halbleiterschalter, beispielsweise in Form eines so genannten Synchrongleichrichters ausgeführt sein. Zwischen dem Verbindungspunkt der Speicherdrossel L0 und der Diode D0 und dem positiven Zwischenkreisanschluss +UZK liegt ein Halbleiterschalter S0, z. B. ein MOS-FET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor) oder IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode), der mit einer Taktfrequenz von z. B. 16 kHz ge taktet wird.In 8th is a possibility to realize the actual converter 4 shown. It consists of a storage inductor L 0 and a rectifier diode D 0 , which lie in the connection path between the negative solar generator connection U minus and the negative intermediate circuit connection -U ZK . It should also fall under the concept of the diode D 0 , any other form of rectifier, it may also be designed as a semiconductor switch, for example in the form of a so-called synchronous rectifier. Between the connection point of the storage inductor L 0 and the diode D 0 and the positive DC link + U ZK is a semiconductor switch S 0 , z. As a MOS-FET (metal oxide semiconductor field effect transistor) or IGBT (bipolar transistor with insulated gate electrode), which with a clock frequency of z. B. 16 kHz ge clocked.

Bei geschlossenem Schalter S0 sperrt die Diode D0 und in der Speicherdrossel L0 fließt ein zeitlich zunehmender Strom, verbunden mit einer Energiespeicherung im magnetischen Kreis der Drossel L0. Nach Öffnen des Schalters S0 fließt der Drosselstrom über die Diode D0 in den Zwischenkreiskondensator CZK und lädt diesen auf. Der Zwischenkreiskondensator CZK ist hier als Reihenschaltung von zwei Kondensatoren CZK1 und CZK2 realisiert. Durch einen hier nicht dargestellten Regelkreis wird entsprechend einer Pulsweitenmodulation das Verhältnis der Einschaltdauer des Schalters S0 zu dessen Ausschaltdauer so eingestellt, dass die geforderte Zwischenkreisspannung UZK erreicht wird. Der Zwischenkreis speist wiederum den eigentlichen Wechselrichter 2, der hier symbolisch als Brückenschaltung dargestellt ist.When switch S is closed, the diode blocks 0 and D 0 in the storage inductor L 0 flowing a time-increasing current, connected to an energy storage in the magnetic circuit of the inductor L 0th After opening the switch S 0 , the inductor current flows through the diode D 0 in the intermediate circuit capacitor C ZK and charges it. The intermediate circuit capacitor C ZK is realized here as a series connection of two capacitors C ZK1 and C ZK2 . By a control circuit, not shown here, the ratio of the duty cycle of the switch S 0 is set to its off period according to a pulse width modulation so that the required intermediate circuit voltage U ZK is reached. The DC link in turn feeds the actual inverter 2 symbolically represented here as a bridge circuit.

Eine erste bevorzugte einphasige Ausführung der Wechselrichteranordnung 1 ist in der 9 dargestellt, wobei die Gleichspannungswandleranordnung 3 derjenigen nach 8 entspricht. Dieser nachgeschaltet ist eine Vollbrücke, die aus den Halbleiterschaltern S10, S20 und S30, S40 besteht. Der Verbindungspunkt zwischen dem Schalter S10 und dem Schalter S20 ist über eine erste Drosselspule L1 mit einem ersten Ausgangsanschluss P1 verbunden und der Verbindungspunkt zwischen dem Schalter S30 und dem Schalter S40 ist über eine zweite Drosselspule L2 mit einem zweiten Aus gangsanschluss N verbunden. Zwischen den Ausgangsleitungen der Vollbrücke vor den Speicherdrosseln L1 und L2 sind zwei antiparallel geschaltete Freilaufpfade XII b–e geschaltet, die aus den Schaltern und Freilaufdioden S5 und D5 resp. S6 und D6 gebildet werden.A first preferred single-phase embodiment of the inverter arrangement 1 is in the 9 shown, wherein the DC-DC converter arrangement 3 those after 8th equivalent. This is followed by a full bridge, which consists of the semiconductor switches S 10 , S 20 and S 30 , S 40 . The connection point between the switch S 10 and the switch S 20 is connected via a first choke coil L 1 to a first output terminal P1 and the connection point between the switch S 30 and the switch S 40 is connected via a second choke coil L 2 with a second output terminal N connected. Between the output lines of the full bridge in front of the storage inductors L 1 and L 2 , two antiparallel-connected freewheeling paths XII b-e are connected, which consist of the switches and freewheeling diodes S 5 and D 5, respectively. S 6 and D 6 are formed.

In der positiven Halbwelle der Netzspannung werden die Schalter S10. und S40 mit variabler Pulsweite entsprechend der Pulsweitenmodulation derart getaktet, dass sich in den Drosselspulen L1, L2 ein idealerweise sinusförmiger Strom aufbaut, der dann in das Netz abgegeben wird. Die beiden antiparallelen Freilaufpfade vermeiden dabei die verlustbehafteten Blindströme innerhalb der Wechselrichterschaltung 2. In der positiven Halbwelle der Netzspannung ist der Schalter S5 permanent geschlossen, wodurch sich für den positiven Ausgangsstrom ein Freilaufpfad über S5 und D5 ergibt. In der negativen Halbwelle der Netzspannung werden entsprechend die Halbleiterschalter S20 und S30 getaktet und der Freilaufpfad S6 und D6 ist geschlossen.In the positive half-wave of the mains voltage, the switches S 10 . and S 40 with variable pulse width clocked according to the pulse width modulation such that in the inductors L 1 , L 2, an ideally sinusoidal current builds up, which is then discharged into the network. The two antiparals len freewheeling paths avoid the lossy reactive currents within the inverter circuit 2 , In the positive half-cycle of the mains voltage, the switch S 5 is permanently closed, resulting in a freewheeling path over S 5 and D 5 for the positive output current. In the negative half-wave of the mains voltage, the semiconductor switches S 20 and S 30 are clocked accordingly and the freewheeling path S 6 and D 6 is closed.

Weitere mögliche Ausführungsformen der Freilaufpfade XII b–e sind in der 12b–e angegeben.Other possible embodiments of the freewheel paths XII b-e are in the 12b -E stated.

Bei der beschriebenen Wechselrichteranordnung nach 9 ist eine Mindest-Zwischenkreisspannung UZK von 350 V erforderlich, die in dem Zwischenkreiskondensator CZK gespeichert ist, wobei bei dieser Spannung auch der höchste Umwandlungswirkungsgrad erzielt wird.In the described inverter arrangement according to 9 a minimum intermediate circuit voltage U ZK of 350 V is required, which is stored in the intermediate circuit capacitor C ZK , and at this voltage also the highest conversion efficiency is achieved.

10 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Wechselrichteranordnung 1. Hierbei ist im Unterschied zu der Gleichspannungswandleranordnung nach 9 der Zwischenkreiskondensator CZK als Reihenschaltung der beiden Kondensatoren CZK1 und CZK2 ausgeführt (wie in 8 angedeutet), wobei der Mittelabgriff zwischen den beiden Kondensatoren mit dem Ausgangsanschluss für den Neutralleiter N verbunden ist. Die einphasige Wechselrichterschaltung 2 besteht aus einer Halbbrücke S10, S20, den im Zusammenhang mit der 9 beschriebenen Freilaufpfaden S5, D5, S6 und D6 sowie einer einzelnen Einspeisedrossel L1, die in der Verbindungsleitung zwischen dem Ausgang der Halbbrücke und dem Ausgangsanschluss P1 liegt. Auch hier können die antiparallelen Freilaufpfade XII b–e in Ausführungsformen, wie im Zusammenhang mit 12 weiter beschrieben wird, ausgebildet sein. 10 shows a further advantageous embodiment of the inverter arrangement according to the invention 1 , This is in contrast to the DC-DC converter according to 9 the intermediate circuit capacitor C ZK as a series circuit of the two capacitors C ZK1 and C ZK2 executed (as in 8th indicated), wherein the center tap between the two capacitors is connected to the output terminal for the neutral conductor N. The single-phase inverter circuit 2 consists of a half bridge S 10 , S 20 , in connection with the 9 described freewheeling paths S 5 , D 5 , S 6 and D 6 and a single Einspeischrossel L 1 , which lies in the connecting line between the output of the half-bridge and the output terminal P1. Again, the antiparallel freewheeling paths XII b-e in embodiments, as related to 12 is further described, be formed.

In der positiven Halbwelle der Netzspannung wird durch die nicht dargestellte Regelschaltung nur der Schalter S10 getaktet, wobei der Drosselstrom in den Schaltpausen über den dann permanent geschlossenen Schalter S5 und die Freilaufdiode D5 weiterfließt. Bei der negativen Halbwelle wird der Schalter S20 getaktet und der Freilaufpfad für den Drosselstrom wird durch den Schalter S6 und die Diode D6 gebildet.In the positive half-wave of the mains voltage, only the switch S 10 is clocked by the control circuit, not shown, wherein the inductor current in the switching pauses on the then permanently closed switch S 5 and the freewheeling diode D 5 continues to flow. In the negative half-cycle, the switch S 20 is clocked and the freewheeling path for the inductor current is formed by the switch S 6 and the diode D 6 .

Bei der Wechselrichteranordnung nach 10 ist eine Mindest-Zwischenkreisspannung UZK von 700 V erforderlich, wobei bei dieser Spannung auch der höchste Umwandlungswirkungsgrad erzielt wird. Der Wechselrichter ist somit insbesondere für Solargeneratoren mit einer MPP-Spannung im Bereich bis ca. 700 V geeignet.In the inverter arrangement according to 10 a minimum intermediate circuit voltage U ZK of 700 V is required, with this voltage also the highest conversion efficiency is achieved. The inverter is thus particularly suitable for solar generators with an MPP voltage in the range up to 700 V.

Eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Wechselrichteranordnung, und zwar eine dreiphasige Wechselrichteranordnung 1 ist in der 11 dargestellt, wobei eine Phase der Ausführungsform nach 10 entspricht. Es sind somit drei Halbbrückenzweige S10, S20, S30, S40, S50 und S60 vorgesehen, an deren Ausgängen in der jeweiligen Verbindungsleitung zu den Ausgangsanschlüssen P1, P2, P3 jeweils eine Drosselspule L1, L2, L3 liegt, wobei zwischen dem jeweiligen Ausgang und dem Neutralleiter zwischen dem Verbindungspunkt zwischen den zwei Kondensatoren CZK1, CZK2 des Zwischenkreises und dem zugehörigen Ausgangsanschluss N die antiparallelen Freilaufpfade geschaltet sind, die symbolisch in den Blöcken H1, H2 und H3 zusammengefasst sind. Die Ausbildungen dieser Freilaufpfade H sind in der 12 dargestellt.A further embodiment of the inverter arrangement according to the invention, namely a three-phase inverter arrangement 1 is in the 11 shown, wherein a phase of the embodiment according to 10 equivalent. There are thus three half-bridge branches S 10 , S 20 , S 30 , S 40 , S 50 and S 60 are provided, at the outputs in the respective connecting line to the output terminals P1, P2, P3 each have a choke coil L 1 , L 2 , L 3rd is located, between the respective output and the neutral conductor between the connection point between the two capacitors C ZK1 , C ZK2 of the intermediate circuit and the associated output terminal N, the antiparallel freewheeling paths are connected, which are summarized symbolically in the blocks H 1 , H 2 and H 3 , The training of these freewheel paths H are in the 12 shown.

Die dreiphasige Ausführung des Wechselrichters erfordert ebenfalls eine Zwischenkreisspannung UZK von mindestens 700 V. Bei dieser dreiphasigen Wechselrichteranordnung 1 wird symmetrisch in das öffentliche Netz 6 eingespeist. Weiterhin ist die abgegebene Leistung konstant, so dass der Zwischenkreiskondensator CZK von seiner Kapazität her erheblich kleiner gewählt werden kann, da er keine großen Energiemengen zwischenspeichern muss.The three-phase design of the inverter also requires an intermediate circuit voltage U ZK of at least 700 V. In this three-phase inverter arrangement 1 becomes symmetrical in the public network 6 fed. Furthermore, the power output is constant, so that the DC link capacitor C ZK can be chosen considerably smaller in terms of its capacity, since it does not have to cache large amounts of energy.

In 12 sind mögliche Ausgestaltungen der Freilaufpfade XII b–e bzw. H, die in den 9 bis 11 verwendet werden. Jede der Ausführungsformen b, c, d, e kann in Zusammenhang mit den Wechselrichteranordnungen 1 dieser Figuren gewählt werden. Die Ausführungsform nach 12b ist beispielhaft in den 9 und 10 dargestellt und im Zusammenhang mit diesen Figuren schon beschrieben. Die Schalter, die beispielsweise als MOS-FET oder IGBT ausgebildet sein können, und die Dioden D5 und D6 können unabhängig voneinander ausgewählt und optimiert werden.In 12 are possible embodiments of the freewheel paths XII b-e and H, respectively, in the 9 to 11 be used. Each of the embodiments b, c, d, e may be associated with the inverter arrangements 1 selected from these figures. The embodiment according to 12b is exemplary in the 9 and 10 shown and already described in connection with these figures. The switches, which may be formed for example as MOS-FET or IGBT, and the diodes D 5 and D 6 may be selected and optimized independently of each other.

Diese Bauelemente sind in dieser Ausführungsform als vier Einzelhalbleiter mit jeweils eigenem Gehäuse vorgesehen.These Devices are in this embodiment as four single semiconductors each provided with its own housing.

In 12c ist eine Querverbindung zwischen dem Verbindungspunkt des Schalters S5 und der Diode D5 des einen Freilaufpfads und der Diode D6 und dem Schalter S6 des anderen Freilaufpfades vorgesehen. Diese Quer verbindung ändert an der prinzipiellen Funktionsweise nichts, jedoch wird es dadurch möglich, dass so genannte CoPacks verwendet werden können, bei denen in jeweils einem Gehäuse ein IGBT-Transistor und eine Diode antiparallel miteinander verschaltet sind. Auch kann bei dieser Anordnung die bei MOS-FETs inhärent vorhandene Body-Diode als Freilaufdiode genutzt werden.In 12c is a cross-connection between the connection point of the switch S 5 and the diode D 5 of a freewheeling path and the diode D 6 and the switch S 6 of the other freewheeling path provided. This cross-connection does not change the basic mode of operation, but it is thereby possible that so-called CoPacks can be used in which in each case an IGBT transistor and a diode are connected in anti-parallel with each other. Also, in this arrangement, the inherent in MOS-FETs body diode can be used as a freewheeling diode.

Die 12d und 12e zeigen entsprechend gleich wirkende Anordnungen, bei denen die Reihenfolge von Schalter und Diode in den jeweiligen Freilaufpfaden vertauscht wurde. Hierdurch können sich Vorteile bei der Ansteuerung der Schalter ergeben.The 12d and 12e show correspondingly equivalent arrangements in which the order of the switch and diode in the respective free running paths was reversed. This can result in advantages in the control of the switch.

In den Zeichnungen, die als Prinzipschaltungen zu verstehen sind, ist die positive Verbindungsleitung als durchgehende Leitung gezeichnet. Selbstverständlich können in der Praxis in dieser positiven Leitung Filterdrosseln oder Messwiderstände oder dergleichen liegen, die zu geringen Potenzialverschiebungen führen können, aber das Grundprinzip nicht aufheben.In the drawings, which are to be understood as principle circuits, is drawn the positive connection line as a continuous line. Of course, in practice in this positive line filter reactors or measuring resistors or the like lie that lead to small potential shifts can, but do not cancel the rationale.

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Claims (10)

Wechselrichteranordnung zum Einspeisen von photovoltaisch gewonnener Energie in ein öffentliches Netz mit einer mit dem positiven und dem negativen Anschluss (UPlus, UMinus) eines Solargenerators (5) verbindbaren Gleichspannungswandleranordnung (3) und einer Wechselrichterschaltung (2), wobei die Gleichspannungswandleranordnung einen Eingangspufferkondensator (C0), einen Wandler (4) und mindestens einen Zwischenkreiskondensator (CZK) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Bezugspotenzial der Gleichspannungswandleranordnung die positive Verbindungsleitung zwischen dem positiven Anschluss für den Solargenerator und dem Zwischenkreiskondensator (CZK) bildet und der Wandler (4) in der Verbindung zwischen dem negativen Anschluss (UMinus) zu dem Solargenerator (5) und dem negativen Anschluss (–UZK) des Zwischenkreiskondensators (CZK) liegt.Inverter arrangement for feeding photovoltaic energy into a public grid with one of the positive and negative terminals (U plus , U minus ) of a solar generator ( 5 ) connectable DC-DC converter arrangement ( 3 ) and an inverter circuit ( 2 ), wherein the DC-DC converter arrangement comprises an input buffer capacitor (C 0 ), a converter ( 4 ) and at least one DC link capacitor (C ZK ), characterized in that the reference potential of the DC-DC converter arrangement forms the positive connecting line between the positive terminal for the solar generator and the DC link capacitor (C ZK ) and the converter ( 4 ) in the connection between the negative terminal (U minus ) to the solar generator ( 5 ) and the negative terminal (-U ZK ) of the DC link capacitor (C ZK ). Wechselrichteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (4) mindestens eine mit dem negativen Anschluss (UMinus) verbundene Speicherdrossel (L0) und eine mit dem negativen Anschluss (–UZK) des Zwischenkreiskondensators (CZK) verbundene Gleichrichtervorrichtung (D0) und einen getakteten Schalter (S0) umfasst, wobei der getaktete Schalter (S0) an dem Verbindungspunkt der Speicherdrossel (L0) und der Gleichrichtervorrichtung (D0) und dem positiven Zwischenkreisanschluss (+UZK) liegt.Inverter arrangement according to claim 1, characterized in that the converter ( 4 ) comprises at least one storage inductor (L 0 ) connected to the negative terminal (U minus ) and a rectifier device (D 0 ) connected to the negative terminal (-U ZK ) of the intermediate circuit capacitor (C ZK ) and a clocked switch (S 0 ), wherein the clocked switch (S 0 ) at the connection point of the storage inductor (L 0 ) and the rectifier device (D 0 ) and the positive intermediate circuit terminal (+ U ZK ) is located. Wechselrichteranordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichtervorrichtung eine Diode (D0) ist.An inverter arrangement according to claim 1 or claim 2, characterized in that the rectifier device is a diode (D 0 ). Wechselrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichtervorrichtung als Halbleiterschalter, vorzugsweise Synchrongleichrichter ausgebildet ist.Inverter arrangement according to one of the claims 1 to 3, characterized in that the rectifier device as a semiconductor switch, preferably synchronous rectifier formed is. Wechselrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der getaktete Schalter (S0) als Halbleiterschalter, wie ein MOS-FET und ein IGBT ausgebildet ist.Inverter arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the clocked switch (S 0 ) as a semiconductor switch, such as a MOS-FET and an IGBT is formed. Wechselrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselrichterschaltung (2) eine Vollbrücke (S10, S20, S30, S40) aufweist, die zwischen dem positiven (+UZK) und dem negativen Anschluss (–UZK) des Zwischenkreiskondensators (C) liegt, und die Ausgänge der Vollbrücke über jeweils eine Drosselspule (L1, L2) an Ausgangsanschlüsse (P1, N) zur Verbindung mit einem einphasigen Netz (6) angeschlossen sind.Inverter arrangement according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the inverter circuit ( 2 ) has a full bridge (S 10 , S 20 , S 30 , S 40 ), which lies between the positive (+ U ZK ) and the negative terminal (-U ZK ) of the intermediate circuit capacitor (C), and the outputs of the full bridge over each a choke coil (L 1 , L 2 ) at output terminals (P1, N) for connection to a single-phase network ( 6 ) are connected. Wechselrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselrichterschaltung (2) als Halbbrücke (S10, S20) und der Zwischenkreiskondensator als eine Reihenschaltung aus zwei Kondensatoren (CZK1, CZK2) ausgebildet sind, wobei die Halbbrücke (S10, S20) zwischen dem positiven und negativen Anschluss (+UZK, –UZK) der Reihenschaltung liegt und der Ausgang der Halbbrücke (S10, S20) über eine Drosselspule (L1) an einen Ausgangsanschluss (P1) und der Verbindungspunkt zwischen den zwei Kon densatoren (CZK1, CZK2) an einen weiteren Ausgangsanschluss (N) zur Verbindung mit einem einphasigen Netz (6) angeschlossen ist.Inverter arrangement according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the inverter circuit ( 2 ) are formed as half bridge (S 10 , S 20 ) and the intermediate circuit capacitor as a series circuit of two capacitors (C ZK1 , C ZK2 ), wherein the half-bridge (S 10 , S 20 ) between the positive and negative terminal (+ U ZK , -U ZK ) of the series circuit and the output of the half-bridge (S 10 , S 20 ) via a choke coil (L 1 ) to an output terminal (P1) and the connection point between the two Kon capacitors (C ZK1 , C ZK2 ) to another Output terminal (N) for connection to a single-phase network ( 6 ) connected. Wechselrichteranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass drei Halbbrücken (S10, S20, S30, S40, S50, S60) vorgesehen sind, die zwischen dem positiven und negativen Anschluss (+UZK, –UZK) der Reihenschaltung liegen und jeder Ausgang der Halbbrücken über eine Drosselspule (L1, L2, L3) an jeweils einen Ausgangsanschluss (P1, P2, P3) und der Verbindungspunkt der Kondensatoren (CZK1, CZK2) an den weiteren Anschluss (N) zur Verbindung mit einem dreiphasigen Netz (6) angeschlossen sind.Inverter arrangement according to claim 7, characterized in that three half-bridges (S 10 , S 20 , S 30 , S 40 , S 50 , S 60 ) are provided, which between the positive and negative terminal (+ U ZK , -U ZK ) of the Series connection are and each output of the half bridges via a choke coil (L 1 , L 2 , L 3 ) to one output terminal (P1, P2, P3) and the connection point of the capacitors (C ZK1 , ZKK Z ) to the other terminal (N) for connection to a three-phase network ( 6 ) are connected. Wechselrichteranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei antiparallele Freilaufpfade mit jeweils mindestens einem Schalter (S5, S6) und mindestens einer Diode (D5, D6) zwischen den zwei Ausgängen der Vollbrücke vor den Drosselspulen (L1, L2) geschaltet sind.Inverter arrangement according to claim 6, characterized in that two antiparallel freewheeling paths each having at least one switch (S 5 , S 6 ) and at least one diode (D 5 , D 6 ) between the two outputs of the full bridge in front of the choke coils (L 1 , L 2 ) are switched. Wechselrichteranordnung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei antiparallele Freilaufpfade mit jeweils mindestens einem Schalter (S5, S6) und mindestens einer Diode (D5, D6) zwischen dem Ausgang oder den Ausgängen der Halbbrücke (N) und der Verbindungsleitung zwischen dem Verbindungspunkt der zwei Kondensatoren (CZK1, CZK2) und dem weiteren Ausgangsanschluss (N) vor den Drosselspulen (L1, L2, L3) liegen.Inverter arrangement according to one of claims 7 or 8, characterized in that two antiparallel freewheeling paths each having at least one switch (S 5 , S 6 ) and at least one diode (D 5 , D 6 ) between the output or the outputs of the half-bridge (N) and the connecting line between the connection point of the two capacitors (C ZK1 , C ZK2 ) and the other output terminal (N) in front of the choke coils (L 1 , L 2 , L 3 ) lie.
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