DE102011081111A1

DE102011081111A1 - Wechselrichteranordnung

Info

Publication number: DE102011081111A1
Application number: DE102011081111A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Rupp; Gerd Griepentrog
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-08-17
Filing date: 2011-08-17
Publication date: 2013-02-21
Also published as: WO2013023914A1

Abstract

Es wird eine Wechselrichteranordnung für die Verwendung in Photovoltaikanlagen zur Wandlung einer Gleich- in eine dreiphasige Wechselspannung angegeben. Die Wechselrichteranordnung umfasst drei Halbbrücken mit je einem Highside-Halbleiterschalter und einem Lowside-Halbleiterschalter und eine Steuereinrichtung, ausgestaltet, die Halbleiterschalter so zu schalten, dass eine Wandlung einer an der Wechselrichteranordnung anliegenden Gleichspannung in eine dreiphasige Wechselspannung bewirkt wird, wobei dafür Schaltzustände der Halbleiterschalter zur Raumzeigermodulation verwendet werden, bei denen je einer der Halbleiterschalter einer Halbbrücke an und der andere Halbleiterschalter der Halbbrücke ausgeschaltet ist, wobei die Wechselrichteranordnung weiterhin eine Kurzschließ-Einrichtung zum Kurzschließen der wechselspannungsseitigen Ausgangsleitungen der Wechselrichteranordnung aufweist und wobei die Steuereinrichtung ausgestaltet ist, bei der Raumzeigermodulation notwendige Schaltzustände, bei denen sämtliche Highside-Halbleiterschalter angeschaltet sind oder sämtliche Lowside-Halbleiterschalter angeschaltet sind, durch einen Schaltzustand zu ersetzen, bei dem sowohl die Highside-Halbleiterschalter als auch die Lowside-Halbleiterschalter ausgeschaltet sind und gleichzeitig die Kurzschließ-Einrichtung so geschaltet wird, dass eine Kurzschließung der drei wechselspannungsseitigen Ausgangsleitungen bewirkt ist. Es wird eine deutliche Reduktion von Gleichtaktspannungen erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wechselrichteranordnung zur Verwendung in Photovoltaikanlagen zur Wandlung einer Gleich- in eine dreiphasige Wechselspannung.
Hart schaltende Wechselrichter, wie sie beispielsweise zur Umwandlung von Gleichspannung (DC) auf Wechselspannung (AC) verwendet werden, stellen eine pulsfrequente Gleichtaktspannungs-Quelle dar (auch as „Common-Mode-Spannung“ bezeichnet). Diese pulsfrequente Gleichtaktspannung führt in großen Photovoltaik-Anlagen (PV) einerseits zu kapazitiven Ableitströmen, andererseits zu einer Degradation der PV-Module und somit zu deren frühzeitigem Ausfall.
Regelmäßig wird in großen PV-Anlagen dem 3-phasigen Wechselrichter ein netzseitiger Transformator vorgeschaltet. Dieser Transformator entkoppelt Netz und Photovoltaikanlage bzgl. der Gleichtaktspannung. Ein solcher Transformator ist kostenintensiv und reduziert den Gesamtwirkungsgrad um 1 % bis 2 %. Mit einem Transformator ist die PV-Anlage im Grunde genommen "erdfrei" (d. h. ein IT-Netz), insofern die PV-Anlage nicht wiederum geerdet ist oder geerdet werden muss (wie z.B. durch entsprechende Normen vorgeschrieben).
Für einphasige Wechselrichter sind Schaltungen bekannt, mit denen eine pulsfrequente Gleichtaktspannung unterdrückt werden kann. Die bekannteste Schaltung ist hierbei die sog. HERIC-Topologie, s. 1. Das Prinzip der HERIC-Topologie besteht darin, zur Erzeugung einer Null-Spannung am AC-Eingang hinter den Speicherdrosseln einen Kurzschließer vorzusehen (Schalter 15 und 16) und hierfür nicht – wie sonst in einphasigen PFC-Schaltungen üblich – die Schalterkombinationen 11, 13 bzw. 12, 14 zu nutzen, da diese beiden Kombinationen jeweils sehr hohe pulsfrequente Gleichtaktspannungen am DC-Eingang und damit der angeschlossenen PV-Anlage erzeugen. Am DC-Eingang liegt damit nur die halbe, netzfrequente (50 Hz) Eingangsspannung als Gleichtaktspannung an, welche kaum schädlichen Einflüsse auf die PV-Anlage hat.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Wechselrichteranordnung anzugeben, mit der eine Unterdrückung von Gleichtaktspannungen unter Vermeidung der o. g. Nachteile ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Wechselrichteranordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Wechselrichteranordnung.
Die erfindungsgemäße Wechselrichteranordnung zur Verwendung in Photovoltaikanlagen zur Wandlung einer Gleich- in eine dreiphasige Wechselspannung umfasst drei Halbbrücken mit je einem Highside-Halbleiterschalter und einem Lowside-Halbleiterschalter. Weiterhin umfasst die Wechselrichteranordnung eine Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung ist ausgestaltet, die Halbleiterschalter so zu schalten, dass eine Wandlung einer an der Wechselrichteranordnung anliegenden Gleichspannung in eine dreiphasige Wechselspannung bewirkt wird, wobei dafür Schaltzustände der Halbleiterschalter zur Raumzeigermodulation verwendet werden, bei denen je einer der Halbleiterschalter einer Halbbrücke an und der andere Halbleiterschalter der Halbbrücke ausgeschaltet ist.
Die Wechselrichteranordnung weist weiterhin eine Kurzschließ-Einrichtung zum Kurzschließen der wechselspannungsseitigen Ausgangsleitungen der Wechselrichteranordnung auf. Schließlich ist die Steuereinrichtung ausgestaltet, bei der Raumzeigermodulation notwendige Schaltzustände, bei denen sämtliche Highside-Halbleiterschalter angeschaltet sind oder sämtliche Lowside-Halbleiterschalter angeschaltet sind, durch einen Schaltzustand zu ersetzen, bei dem sowohl die Highside-Halbleiterschalter als auch die Lowside-Halbleiterschalter ausgeschaltet sind und gleichzeitig die Kurzschließ-Einrichtung so geschaltet wird, dass eine Kurzschließung der drei wechselspannungsseitigen Ausgangsleitungen bewirkt ist.
Für die Erfindung wurde erkannt, dass es vorteilhaft ist, am AC-Eingang der Wechselrichteranordnung eine Kurzschließ-Einrichtung vorzusehen, mit dem ein Nullspannungsraumzeiger am AC-Eingang erzeugt werden kann. Dieser Nullspannungsraumzeiger wird normalerweise durch die Schaltzustände „000“ oder „111“ erzeugt, d. h. indem sämtliche Highside-Halbleiterschalter angeschaltet sind oder sämtliche Lowside-Halbleiterschalter angeschaltet sind, was allerdings eine hohe Gleichtaktspannung zur Folge hat. Wenn ein Nullspannungsraumzeiger am AC-Eingang erzeugt werden muss, dann werden erfindungsgemäß die Halbleiterschalter geöffnet und die Kurzschließ-Einrichtung für die Zeit des Nullspannungsraumzeigers aktiviert. Die Kurzschließ-Einrichtung ist dazu zweckmäßig so ausgestaltet, dass sie innerhalb der Pulsweitenmodulation pulsfrequente Schaltvorgänge ausführen kann.
Bei den Halbleiterschaltern kann es sich um IGBTs oder andere Arten von für sich genommen bekannten Halbleiterschaltern handeln. Dabei können als Halbleiterschalter einzelne Schalter zum Einsatz kommen oder eine Parallelschaltung mehrerer gleichartiger Schalter.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinrichtung weiterhin ausgestaltet, abhängig von der aktuellen Phase der erzeugten dreiphasigen Wechselspannung ein festlegbares Tripel von Schaltzuständen zur Raumzeigermodulation zu verwenden, wobei ein erstes der Tripel die drei Schaltzustände umfasst, bei denen einer der Highside-Halbleiterschalter angeschaltet, zwei der Highside-Halbleiterschalter ausgeschaltet und dementsprechend zwei der Lowside-Halbleiterschalter angeschaltet und einer der Lowside-Halbleiterschalter ausgeschaltet sind und wobei ein zweites der Tripel die drei Schaltzustände umfasst, bei denen zwei der Highside-Halbleiterschalter angeschaltet, einer der Highside-Halbleiterschalter ausgeschaltet und dementsprechend einer der Lowside-Halbleiterschalter angeschaltet und zwei der Lowside-Halbleiterschalter ausgeschaltet sind.
Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Schaltzustände jedes der Tripel die gleiche Gleichtaktspannung erzeugen. Ein Wechsel zwischen den Schaltzuständen eines der Tripel hat also keine Änderung der Gleichtaktspannung zur Folge. Die Frequenz, mit der die Gleichtaktspannung wechselt, kann daher gegenüber der Frequenz der Pulsweitenmodulation reduziert werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Wechsel zwischen den verwendeten Tripeln nach jeweils 60° elektrisch stattfindet. Da ein Wechsel der Gleichtaktspannung nur mit dem Wechsel des Tripels stattfindet, kann somit die Frequenz der Gleichtaktspannung in den Bereich der Netzfrequenz gesenkt werden.
Bevorzugt umfasst die Kurzschließ-Einrichtung drei Halbleiterschalter, insbesondere drei IGBTs oder MOSFETs, in Sternschaltung. In einer alternativen Ausgestaltung umfasst die Kurzschließ-Einrichtung drei reverse-blocking Halbleiterschalter, insbesondere reverse-blocking IGBTs oder 3 Paare jeweils antiserieller Halbleiterschalter in Dreieckschaltung. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung weist die Kurzschließ-Einrichtung eine passive B6-Diodenschaltung mit einem Halbleiterschalter im DC-Kreis auf.
Ein bevorzugtes, jedoch keinesfalls einschränkendes Ausführungsbeispiel für die Erfindung wird nunmehr anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert dargestellt. Es zeigen
2 ein Prinzipschaltbild einer Photovoltaikanlage mit einer Wechselrichteranordnung,
3 eine Ausführungsform für die Kurzschließ-Einrichtung,
4 ein Programmschema für die Steuerung der Wechselrichteranordnung,
5 ein Schema für Schaltzustandstripel von Halbleiterschaltern zur Steuerung der Wechselrichteranordnung und
6 ein Schema für einen Wechselrichter der Wechselrichteranordnung.
2 zeigt ein Prinzipschaltbild eine Photovoltaikanlage. Die Photovoltaikanlage umfasst ein Feld von Solarmoduln (Panel) 21. Diese sind mittels einer DC-Leitung mit der Eingangsseite eines Wechselrichters 22 verbunden. Ausgangsseitig weist der Wechselrichters 22 drei Ausgangsleitungen auf. Diese sind zum Einen zu einer Kurzschließ-Einrichtung 23 geführt. Zum Anderen führen die Ausgangsleitungen über je eine Speicherdrossel 24 zu einem EMV-Filter 25 und weiter zum Netz-Anschluss. Wechselrichter 22 und Kurzschließ-Einrichtung 23 bilden zusammen eine Wechselrichteranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel für die Erfindung.
3 zeigt den Aufbau der Kurzschließ-Einrichtung 23 im vorliegenden Ausführungsbeispiel. Drei IGBTs 31 sind mit ihrem Emitter-Ausgang zu einem Sternpunkt 32 verbunden. Die Kollektor-Ausgänge sind jeweils mit einer der drei Ausgangsleitungen des Wechselrichters 22 verbunden.
6 zeigt ein Aufbauschema für den Wechselrichter 22. Er umfasst sechs IGBTs 61... 66, die zu seriellen Paaren in drei parallelen Halbbrücken 67, 68, 69 in für sich genommen bekannter Weise zu einem dreiphasigen Wechselrichter angeordnet sind. Eine Steuereinrichtung 70 steuert die IGBTs 61... 66. Die für eine Spannungsmodulation verwendbaren Schaltzustände ergeben sich daraus, dass immer nur einer der IGBTs 61... 66 einer Halbbrücke 67, 68, 69 angeschaltet wird, während der andere ausgeschaltet wird. Daraus ergeben sich pro Halbbrücke 67, 68, 69 zwei Schaltzustände und bei drei unabhängigen Halbbrücken 67, 68, 69 somit 8 verschiedene Schaltzustände.
Die acht verschiedenen Schaltzustände sind in 5 in Richtung ihres jeweiligen Spannungsraumzeigers schematisch dargestellt. Die Schaltzustände sind dabei mit Zifferntripeln von jeweils „1“ oder „0“ bezeichnet, wobei „1“ bedeutet, dass ein Highside-IGBT 61, 62, 63 einer Halbbrücke 67, 68, 69 angeschaltet und dem entsprechend der Lowside-IGBT 64, 65, 66 derselben Halbbrücke 67, 68, 69 ausgeschaltet ist. Der Null-spannungsraumzeiger ergibt sich bei den Schaltzuständen „000“ und „111“.
Die Steuereinrichtung 70 des Wechselrichters 22 nimmt nun eine Raumzeigermodulation anhand des in 4 wiedergegebenen Schemas vor. In hochfrequenten Schritten 41, die durch die Taktung des steuernden Mikroprozessors vorgegeben sind, bestimmt der Mikroprozessor, welche Spannung auf den Ausgangsleitungen jeweils zu erzeugen ist. Der Mikroprozessor gibt die Spannungen selbst vor und sie hängen vom Sollwert des zu erzeugenden Stromes auf der AC-Seite ab. Daraus bestimmt der steuernde Mikroprozessor in einem zweiten Schritt 42, ob für den Moment ein Nullspannungsraumzeiger auszugeben ist. Ist das der Fall, wird in einem dritten Schritt 43 eine Abschaltung der IGBTs 61... 66 des Wechselrichters 22 vorgenommen und die Kurzschließ-Einrichtung 23 angesteuert, die Ausgangsleitungen kurzzuschließen. Hierzu werden die IGBTs 31 der Kurzschließ-Einrichtung 23 für die Dauer des vorliegenden Schritts 41 angeschaltet.
Es wird also im Falle eines zu erzeugenden Nullspannungsraumzeigers nicht einer der Schaltzustände „000“ oder „111“ verwendet, bei denen alle Highside-IGBTs 61... 63 oder alle Lowside-IGBTs 64... 66 angeschaltet sind. Stattdessen werden alle IGBTs 61... 66 des Wechselrichters abgeschaltet und die Kurzschließ-Einrichtung 23 verwendet.
Ist ein vom Nullspannungsraumzeiger verschiedener Raumzeiger auszugeben, entscheidet der steuernde Mikroprozessor in einem vierten Schritt 44, welches Tripel von Schaltzuständen zu verwenden ist. Diese Entscheidung wird anhand der derzeitigen elektrischen Phasenlage der Ausgangsspannung getroffen. Im vorliegenden Beispiel wird geprüft, ob die Phase in einem der Bereiche zwischen –30° und +30° oder zwischen 90° und 150° oder zwischen 210° und 270° liegt, wobei 0° dem Nulldurchgang der Spannung einer ersten der Ausgangsleitungen entspricht. In diesem Fall wird in einem fünften Schritt 45 ein erstes Tripel von Schaltzuständen verwendet. Der steuernde Mikroprozessor muss hierbei den genauen Schaltzustand anhand der Notwendigkeit der Pulsweitenmodulation auswählen.
Dabei ergeben sich die Tripel aus der Vorgabe, dass alle Schaltzustände eines Tripels die gleiche Gleichtaktspannung zu erzeugen. Beispielsweise bilden bei dem Wechselrichter 22 die Schaltzustände „100“, „010“, und „001“, bei denen also jeweils einer der Highside-IGBTs 61... 63 eingeschaltet ist, das erste Tripel. Die Schaltzustände „110“, „011“, und „101“, bei denen also jeweils zwei der Highside-IGBTs 61... 63 eingeschaltet sind, bilden ein zweites Tripel. Die verbleibenden Schaltzustände „000“ und „111“ werden, wie bereits beschrieben, nicht verwendet.
Liegt die derzeitige Phase stattdessen im restlichen Phasenbereich, d. h. zwischen 30° und 90° oder zwischen 150° und 210° oder zwischen 270° und 330°, so wird in einem sechsten Schritt 46 das zweite Tripel der Schaltzustände verwendet. Der steuernde Mikroprozessor muss auch hierbei den genauen Schaltzustand anhand der Notwendigkeit der Pulsweitenmodulation auswählen.
Es wird also den Notwendigkeiten der Pulsmodulation folgend weiterhin eine hohe Schaltfrequenz verwendet, um die richtigen Spannungen auf den Ausgangsleitungen zu erzeugen. Durch die Verwendung nur ausgewählter Schaltzustände in Abhängigkeit von Phasenbereichen und die Verwendung der Kurzschließ-Einrichtung 23 anstelle der Schaltzustände „000“ und „111“ wird vorteilhaft erreicht, dass die Gleichtaktspannung nicht mehr mit der Schaltfrequenz der Pulsweitenmodulation variiert, also pulsfrequent, sondern nur noch netzfrequent. Dabei ist der Aussteuerbereich um ein Drittel reduziert, so dass die DC-Spannung zweckmäßig um 33% höher als bei einer herkömmlichen Raumzeigermodulation gewählt werden muss.

Claims

Wechselrichteranordnung (20) zur Verwendung in Photovoltaikanlagen zur Wandlung einer Gleich- in eine dreiphasige Wechselspannung mit – drei Halbbrücken (67... 69) mit je einem Highside-Halbleiterschalter (61... 63) und einem Lowside-Halbleiterschalter (64... 66), – einer Steuereinrichtung (70), ausgestaltet, die Halbleiterschalter (61... 66) so zu schalten, dass eine Wandlung einer an der Wechselrichteranordnung (20) anliegenden Gleichspannung in eine dreiphasige Wechselspannung bewirkt wird, wobei dafür Schaltzustände der Halbleiterschalter (61... 66) zur Raumzeigermodulation verwendet werden, bei denen je einer der Halbleiterschalter (61... 66) einer Halbbrücke (67... 69) an- und der andere Halbleiterschalter (61... 66) der Halbbrücke (67... 69) ausgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Wechselrichteranordnung (20) weiterhin eine Kurzschließ-Einrichtung (23) zum Kurzschließen der wechselspannungsseitigen Ausgangsleitungen der Wechselrichteranordnung (20) aufweist und wobei die Steuereinrichtung (70) ausgestaltet ist, bei der Raumzeigermodulation notwendige Schaltzustände, bei denen sämtliche Highside-Halbleiterschalter (61... 63) angeschaltet sind oder sämtliche Lowside-Halbleiterschalter (64... 66) angeschaltet sind, durch einen Schaltzustand zu ersetzen, bei dem sowohl die Highside-Halbleiterschalter (61... 63) als auch die Lowside-Halbleiterschalter (64... 66) ausgeschaltet sind und gleichzeitig die Kurzschließ-Einrichtung (23) so geschaltet wird, dass eine Kurzschließung der drei wechselspannungsseitigen Ausgangsleitungen bewirkt ist.
Wechselrichteranordnung (20) gemäß Anspruch 1, bei der die Steuereinrichtung (70) weiterhin ausgestaltet ist, abhängig von der aktuellen Phase der erzeugten dreiphasigen Wechselspannung ein festlegbares Tripel von Schaltzuständen zur Raumzeigermodulation zu verwenden, wobei ein erstes der Tripel die drei Schaltzustände umfasst, bei denen einer der Highside-Halbleiterschalter (61... 63) angeschaltet, zwei der Highside-Halbleiterschalter (61... 63) ausgeschaltet und zwei der Lowside-Halbleiterschalter (64... 66) angeschaltet und einer der Lowside-Halbleiterschalter (64... 66) ausgeschaltet sind und wobei ein zweites der Tripel die drei Schaltzustände umfasst, bei denen zwei der Highside-Halbleiterschalter (61... 63) angeschaltet, einer der Highside-Halbleiterschalter (61... 63) ausgeschaltet und dementsprechend einer der Lowside-Halbleiterschalter (64... 66) angeschaltet und zwei der Lowside-Halbleiterschalter (64... 66) ausgeschaltet sind.
Wechselrichteranordnung (20) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Kurzschließ-Einrichtung (23) drei Halbleiterschalter (31), insbesondere drei IGBTs (31) oder MOSFETs, in Sternschaltung umfasst.
Wechselrichteranordnung (20) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Kurzschließ-Einrichtung (23) drei reverse blocking Halbleiterschalter, insbesondere reverse blocking IGBTs oder drei Paare jeweils antiserieller Halbleiterschalter in Dreieckschaltung umfasst.
Wechselrichteranordnung (20) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Kurzschließ-Einrichtung (23) eine passive B6-Diodenschaltung mit einem Halbleiterschalter im DC-Kreis umfasst.