DE102011084773A1

DE102011084773A1 - Netzgeführter, transformatorfreier Wechselrichter, Verfahren zum Betreiben des Wechselrichters und Photovoltaikanlage

Info

Publication number: DE102011084773A1
Application number: DE102011084773A
Authority: DE
Inventors: Thomas Hauser; Alexey Dobrenko
Original assignee: SUNWAYS AG
Current assignee: SF SUNTECH DEUTSCHLAND GMBH, DE
Priority date: 2010-10-20
Filing date: 2011-10-19
Publication date: 2012-04-26

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen netzgeführten, transformatorfreien Wechselrichter, insbesondere für eine netzgekoppelte Photovoltaikanlage, mit einer passiven Ausgangsschaltung zur Ankoppelung des Wechselrichters an ein Energienetz, mit einer steuerbaren Schalteinrichtung, die aus einem Gleichstrom einen an der Ausgangsschaltung anliegenden Wechselstrom erzeugt, mit einer Messeinrichtung, welche eine an der Impedanz der Ausgangsschaltung abfallende Gleichspannung erfasst, mit einer Regeleinrichtung, welche Schaltvorgänge der Schalteinrichtung abhängig von einer mit der Messeinrichtung erfassten Gleichspannung so steuert, dass der Gleichstromanteil im ausgangsseitig durch die Schalteinrichtung erzeugten Wechselstrom reduziert wird. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben des Wechselrichters und eine Photovoltaikanlage.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen netzgeführten, transformatorfreien Wechselrichter, insbesondere für eine netzgekoppelte Photovoltaikanlage. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben des Wechselrichters und eine Photovoltaikanlage.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung befindet sich im Umfeld von elektrischen Umrichtern, wie sie beispielsweise bei Photovoltaikanlagen eingesetzt werden. Eine Photovoltaikanlage, die auch als PV-Anlage, PVA oder Solarkraftwerk bezeichnet wird, ist eine Solarstromanlage, die Licht der Sonne direkt in eine elektrische Energie, insbesondere in einen Gleichstrom, umwandelt. Man unterscheidet netzunabhängige und netzgekoppelte Photovoltaikanlagen. Bei netzgekoppelten Photovoltaikanlagen wird der gewonnene Gleichstrom mit Hilfe eines Wechselrichters in einen Wechselstrom gewandelt und mit der Netzwechselspannung synchronisiert, um den gewandelten und synchronisierten Wechselstrom anschließend in ein öffentliches Versorgungsnetz einspeisen zu können. Diese Art von Wechselrichtern nennt man netzgeführt oder netzgerichtet. Die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Idee wird nachfolgend anhand eines netzgeführten Wechselrichters für eine Photovoltaikanlage erläutert, jedoch ohne die Erfindung dahingehend einzuschränken.
Ein wesentlicher Aspekt bei der Einspeisung elektrischer Energie in das öffentliche Versorgungsnetz bezieht sich auf die Qualität des erzeugten Wechselstroms, insbesondere was dessen Phase, Frequenz, Amplitude und Gleichanteil angeht. Die Einspeisung von solar erzeugtem Wechselstrom in das öffentliche Versorgungsnetz wurde in Deutschland mit der Neufassung des Einspeisegesetzes 2009 geregelt.
Bei herkömmlichen Wechselrichtern wird zur Ankopplung an das öffentliche Versorgungsnetz und zur Unterdrückung des Gleichstromanteils ein 50 Hz Transformator eingesetzt. Bei solchen Wechselrichtern sollte idealerweise die Einspeisung eines Gleichstroms in das Versorgungsnetz ausgeschlossen sein. In der Realität können jedoch auch bei derartigen Wechselrichtern, bei z. B. falsch ausgelegten Transformatoren, Gleichströme auftreten, welche dann unerwünschterweise in das öffentliche Versorgungsnetz eingespeist werden. Zudem verursachen solche Transformatoren in Wechselrichtern zusätzliche Verluste, die bei Photovoltaikanlagen nicht gewünscht sind. Ein solcher Wechselrichter mit Transformator, der zusätzlich noch eine Regelung zur Offset-Kompensation aufweist, ist in der EP 844 729 A2 beschrieben.
Wechselrichter für Photovoltaikanlagen werden insbesondere aufgrund der hohen erreichbaren Effizienz vorzugsweise transformatorlos aufgebaut, das heißt es besteht keine Potentialtrennung zwischen dem Wechselrichter und dem öffentlichen Versorgungsnetz. In der DE 102 49 122 B4 ist ein solcher transformatorfrei ausgebildeter Wechselrichter beschrieben.
Bei Netzparallelbetrieb des Wechselrichters, also bei Verwendung eines transformatorlosen Wechselrichters, besteht bei Einspeisung in das Versorgungsnetz die Gefahr, dass gleichzeitig mit dem von dem Wechselrichter erzeugten Wechselstrom auch ein Gleichstromanteil in das Versorgungsnetz eingespeist wird. Problematisch daran ist, dass dieser Gleichstromanteil nicht übertragen wird. Durch diesen Gleichstromanteil wird aber der netzseitige Verteilertransformator vormagnetisiert, was zu höheren Übertragungsverlusten bis hin zu einem Totalausfall dieses Verteilertransformators führen kann. Länderspezifische Regelungen und Normen erfordern daher die Begrenzung des Gleichstromanteils auf maximal 0,1% des ausgangsseitig erzeugten Wechselstroms. Aus diesem Grunde ist es erforderlich, bei einem netzgeführten, transformatorfreien Wechselrichter den erzeugten Gleichstromanteil möglichst genau zu kennen.
Zur Reduzierung des Gleichstromanteils bei netzgerichteten, transformatorfreien Wechselrichtern kann im Ausgangskreis des Wechselrichters ein Kondensator geschaltet sein, der den Gleichstromanteil unterdrücken soll. Aufgrund der gerade bei Photovoltaikanlagen erzeugten hohen Leistungen im kW-Bereich ist hierfür eine große Kapazität dieses Kondensators erforderlich. Da dennoch vergleichsweise hohe Gleichspannungen beider Polaritäten an diesem Kondensator auftreten können, ist der Kondensator in der Praxis für derartige Leistungen nicht ökonomisch.
Eine weitere Möglichkeit zur Unterdrückung eines Gleichstromanteils im Ausgangsstrom von Wechselrichtern besteht in einer regelungstechnischen Unterdrückung des Gleichstromanteils. Hierfür ist es erforderlich, den jeweils vorhandenen Gleichstromanteil möglichst genau zu kennen, indem bei der Inbetriebnahme eines Wechselrichters der Gleichstromanteil ausgemessen wird und in der Folge als fest vorgegebener Korrekturfaktor in der Regelung übernommen wird. Diese Art der Offset-Kompensation des auszuregelnden Gleichstromanteils ist aber wenig präzise, insbesondere wenn es mit der Zeit zu Änderungen des Gleichstromanteils kommt. Alternativ könnten für die Erfüllung der vorgegebenen Grenzwerte für den Gleichstromanteil auch sehr hochwertige Stromsensoren verwendet werden. Problematisch daran ist, dass der Gleichstromanteil u. a. durch den Offset des Stromsensors verursacht wird. Aus diesem Grunde ist man stets bestrebt, offsetarme, hochwertige Stromsensoren zu verwenden, die allerdings relativ kostenintensiv sind. Bei Verwendung kostengünstigerer und damit weniger genauer Stromsensoren ergibt sich indes ein höherer Offset, den es aber gerade zu vermeiden gilt.
Bei der Verwendung von Stromsensoren ist insbesondere auch ein Problem darin zu sehen, dass aufgrund der eher geringeren Anzahl der Anbieter der bei solaren Wechselrichtern benötigten Stromsensoren sich ein Verfügbarkeitsproblem ergeben könnte, mit der Folge, dass aufgrund des Fehlens solcher Stromsensoren der gesamte Wechselrichter nicht mehr herstellbar ist. Dies ist ein Zustand, den es zu vermeiden gilt.
Statt der Messung des Gleichstromanteils im ausgangsseitigen Wechselstrom wäre es auch denkbar, ausgangsseitig eine Gleichspannung zu messen, welche ein Maß für den Gleichstromanteil ist. Hierfür werden Shunt-Widerstände im Ausgangspfad verwendet. Problematisch dabei ist, dass solche Shunt-Widerstände immer auch mit zusätzlichen Energieverlusten einhergehen, was es im Bereich der Photovoltaik aus Effizienzgründen allerdings gerade zu vermeiden gilt, da dadurch die durch die Photovoltaikanlage erzeugte Energie zumindest teilweise wieder verloren geht.
Insbesondere wird daher nach Möglichkeiten gesucht, Wechselrichter insbesondere zur Verwendung von Photovoltaikanlagen bereitzustellen, die die vorgegebenen Grenzwerte für den Gleichstromanteil bereitstellen und die insbesondere ohne aufwändige Strommessung auskommen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen hinsichtlich der Offset-Kompensation des Gleichstromanteils verbesserten Wechselrichter bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgaben durch einen Wechselrichter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 9 und/oder durch eine Photovoltaikanlage mit den Merkmalen des Patentanspruches 15 gelöst.
Demgemäß ist vorgesehen:

– Ein netzgeführter, transformatorfreier Wechselrichter, insbesondere für eine netzgekoppelte Photovoltaikanlage, mit einer Ausgangsschaltung zur Ankoppelung des Wechselrichters an ein Energienetz, mit einer steuerbaren Schalteinrichtung, die aus einem Gleichstrom einen an der Ausgangsschaltung anliegenden Wechselstrom erzeugt, mit einer Messeinrichtung, welche eine an der Impedanz der Ausgangsschaltung abfallende erste Gleichspannung und eine an den Anschlüssen der Ausgangsschnittstelle der Ausgangsschaltung anliegende zweite Gleichspannung erfasst, mit einer Regeleinrichtung, welche Schaltvorgänge der Schalteinrichtung abhängig von den mit der Messeinrichtung erfassten Gleichspannungen so steuert, dass ein Gleichstromanteil im Versorgungsnetz reduziert wird.
– Verfahren zum Betreiben eines netzgeführten, transformatorfreien Wechselrichters, insbesondere unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Wechselrichters, mit den Schritten: Erfassen einer an der Impedanz einer Ausgangsschaltung des Wechselrichters abfallenden ersten Gleichspannungen und einer an den Anschlüssen der Ausgangsschnittstelle der Ausgangsschaltung anliegenden zweiten Gleichspannung und Steuern von Schaltvorgängen der Schalteinrichtung abhängig von den erfassten Gleichspannungen derart, dass der Gleichstromanteil im Versorgungsnetz reduziert wird.
– Eine Photovoltaikanlage, mit einem Photovoltaik-Generator und mit einem erfindungsgemäßen Wechselrichter, welcher zur netzparallelen Ankopplung der Photovoltaikanlage an ein Versorgungsnetz mit dem Photovoltaik-Generator verbindbar ist.

Die Erkenntnis der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Gleichstromanteil unter anderem durch einen Offset des bei einem Wechselrichter verwendeten Stromsensors verursacht wird, der meist nicht konstant bleibt und sich mit der Zeit und mit Temperaturänderungen verändert. Ebenso wirken auf den Stromsensor fremde Magnetfelder und andere Einflüsse, die ebenfalls einen mehr oder weniger starken Einfluss auf den Offset des Gleichstromanteils haben können.
Der von einem Stromsensor gemessene Strom I_Messung ergibt sich somit aus einem jeweils erzeugten Wechselstrom I_AC sowie einem durch den Offset des Stromsensors bedingten Offsetstrom I_Offset. Zusätzlich ist ein durch sich verändernde Einflüsse ergebender Driftstrom I_Drift vorhanden. Dieser Driftstrom entspricht dem Gleichstromanteil I_DC im ausgangsseitig erzeugten Wechselstrom. Für eine exakte Strommessung ist es erforderlich, diesen Offsetstrom und damit auch den Driftstrom so gering wie möglich zu halten. Sehr hochwertige, messempfindliche und damit kostenintensivs Stromsensoren weisen nahezu keinen Offset und dadurch bedingt auch nahezu keinen Gleichstromanteil auf. Weniger hochwertige Stromsensoren weisen hingegen einen mehr oder weniger großen Offset und damit einen Gleichstromanteil im ausgangsseitigen Wechselstrom auf, der sich zudem mit der Zeit und Temperaturänderungen verändert.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht nun darin, bei einem Wechselrichter ausgangsseitig nicht den Gleichstrom, sondern die Gleichspannung zu ermitteln. Die Gleichspannung ist ein Maß für den Gleichstromanteil im ausgangsseitigen Wechselstrom. Für eine möglichst genaue Messung dieser Gleichspannung wird erfindungsgemäß kein eigens dafür vorgesehener Shunt-Widerstand verwendet, was aus Effizienzgründen nachteilig wäre. Vielmehr wird zur Gleichspannungsmessung die Impedanz der ohnehin vorhandenen Ausgangsschaltung verwendet, an der abhängig von dem ausgangsseitigen Ausgangsstrom ein Spannungsabfall entsteht.
Die Gleichspannung kann dann durch Tiefpassfilterung aus dem gemessenen Spannungsabfall ermittelt werden und einer entsprechenden Regeleinrichtung zugeführt werden. Mittels eines Tiefpassfilters ergibt sich aus dem gemessenen Spannungsabfall eine extrahierte Gleichspannung, die entsprechend dem Gleichstromanteil im ausgangsseitig bereitgestellten Ausgangsstrom verläuft. Über eine eigens dafür vorgesehene Regeleinrichtung kann diese Gleichspannung dann auf Null geregelt werden. Dabei ist es ohne Belang, wie große die Netzimpedanz bzw. die Impedanz der Ausgangsschaltung ist, da nicht die absolute Größe der Gleichspannung ermittelt werden soll. Vielmehr soll der Drift der Gleichspannung, d. h. die Veränderung der ausgangsseitig von dem Wechselrichter erzeugten Gleichspannungsanteils, untersucht werden.
Die Messung der an der Impedanz der Ausgangsschaltung abfallenden Spannung fungiert somit als Nullsensor. Als Nullsensor wird die Wechselspannung als Referenz verwendet, da hier idealer Weise kein Gleichstromanteil vorhanden ist. Die Stromregelung des Gleichstromanteils wird so realisiert, dass das Signal des Nullsensors immer gegen Null geregelt wird.
Der besondere Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass auf die Strommessung sogar vollständig verzichtet werden könnte. Alternativ wäre auch denkbar, eine Strommessung mit einem Stromsensor, bei dem sehr geringe Anforderungen an die Messgenauigkeit gelegt wird, einzusetzen. Somit kann ein Stromsensor mit geringerer Messgenauigkeit und damit ein kosteneffizienterer Stromsensor eingesetzt werden. Dadurch lassen sich Wechselrichter kostengünstiger bereitstellen.
Darüber hinaus lassen sich erfindungsgemäß nun Wechselrichter bereitstellen, die ausgangsseitig einen qualitativ sehr hochwertigen Wechselstrom bereitstellen. Insbesondere ist der erfindungsgemäße Wechselrichter, beispielsweise im Unterschied zu bekannten Lösungen, dazu eingerichtet, einen Wechselstrom zu erzeugen, der bei Einkopplung in das öffentliche Versorgungsnetz die Stromqualität im öffentlichen Versorgungsnetz, was den Gleichstromanteil angeht, typischerweise verbessert, zumindest aber nicht verschlechtert.
Ein Störfaktor stellen andere Einsgeiser oder Verbraucher dar, die im öffentlichen Versorgungsnetz einen Gleichstromanteil erzeugen. Wird die Gleichspannung unmittelbar an den Anschlüssen der Ausgangsschnittstelle der Ausgangsschaltung abgegriffen, dann kann auch der Einfluss von fremden Verbrauchern oder Einsgeisern, die einen Gleichstromanteil ins Versorgungsnetz einspeisen, erfasst werden und zum Teil über die Regelungseinrichtung des Wechselrichters ausgeregelt werden. Insgesamt ergibt sich dadurch eine Verbesserung der Stromqualität im öffentlichen Netz.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Messeinrichtung zumindest ein Tiefpassfilter, vorzugsweise ein im Wesentlichen passives Tiefpassfilter, auf. Dieses Tiefpassfilter ist derart verschaltet, eine am Eingang der Ausgangsschaltung erfasste Gleichspannung abzugreifen. Die Ausgangsschaltung ist vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise als passive Ausgangsschaltung (also ohne aktive Bauelemente) ausgebildet. Zusätzlich oder alternativ wäre auch denkbar, eine am Ausgang der Ausgangsschaltung erfasste Gleichspannung abzugreifen. Das Tiefpassfilter ist zur Ermittlung der Gleichspannung derart ausgebildet, eine an der Impedanz der Ausgangsschaltung abgreifbare Messspannung unterhalb einer vorgegebenen Grenzfrequenz des Tiefpasses, welche kleiner ist als die Frequenz des Wechselstroms, auf Null zu reduzieren oder zumindest stark zu dämpfen.
Um die Empfindlichkeit der Messmethode zu erhöhen, kann der Abgriff des Tiefpassfilters, über welchen die Gleichspannung an der Ausgangsschaltung abgegriffen wird, alternativ bis kurz vor die aktiven Schaltelemente der Schalteinrichtung ins Innere des Wechselrichters verlegt werden. In diesem Fall wird der intern durch den Wechselrichter bereitgestellte Gleichstromanteil gemessen und auf Null geregelt. Auf diese Weise nutzt man die zusätzlichen Impedanzen von Filtern, passiven Bauteilen, etc. in der Ausgangsschaltung des Wechselrichters, die oft am Ausgang des Wechselrichters angeschlossen sind.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind zwei Messeinrichtungen mit jeweils einem Tiefpassfilter vorgesehen. Eine erste Messeinrichtung mit einem ersten Tiefpassfilter erfasst eine erste Gleichspannung und eine zweite Messeinrichtung mit einem zweiten Tiefpassfilter erfasst eine zweite Gleichspannung. Eine Differenz der erfassten ersten und zweiten Gleichspannungen bildet ein Maß für den zu kompensierenden Gleichstromanteil im ausgangsseitigen Wechselstrom des Wechselrichters und der Betrag der zweiten Gleichspannung bildet ein Maß für den zu kompensierenden Gleichstromanteil des öffentlichen Versorgungsnetzes. Die Regelungseinrichtung ist in einer Ausführungsform dazu ausgebildet, die Differenz zwischen den beiden, von den Tiefpassfiltern aufgenommenen Gleichspannungen auf Null zu regeln.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Regelungseinrichtung dazu ausgebildet, nicht die Differenz, sondern den Betrag der zweiten Gleichspannung auf Null zu regeln. Dies ermöglicht es, die Qualität des Stroms in dem öffentlichen Versorgungsnetz zu deutlich verbessern, da von weiteren Teilnehmern des öffentlichen Versorgungsnetzes erzeugte Gleichströme ausgeglichen werden können.
In noch einer weiteren Ausführungsform ist ein Grenzwert festgelegt, bis zu welchem der Betrag der zweiten Gleichspannung auf Null geregelt wird. Dadurch wird es möglich, das Verbessern der Qualität des Stroms in dem öffentlichen Versorgungsnetz zu begrenzen und so z. B. den Wechselrichter vor zu großen Gleichströmen zu schützen.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das erste Tiefpassfilter derart verschaltet, dass es die erste Gleichspannung vor der Ausgangsschaltung und vorzugsweise unmittelbar vor der Ausgangsschaltung abgreift. Das zweite Tiefpassfilter ist derart verschaltet, dass es die zweite Gleichspannung nach der Ausgangsschaltung und vorzugsweise unmittelbar nach der Ausgangsschaltung abgreift. In diesem Fall werden ein ausgangsseitig nur durch den Wechselrichter verursachter Gleichstromanteil gemessen und gegen Null geregelt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist zumindest ein Tiefpassfilter eine einstellbare Grenzfrequenz auf. Auf diese Weise ist es möglich, beliebige Frequenzen aus der gemessenen Wechselspannung herauszufiltern und für die weitere Auswertung heranzuziehen. Üblicherweise geht man davon aus, dass eine Wechselspannung eine vorgegebene Frequenz aufweist und eine Gleichspannung keine Frequenz aufweist. Dies sollte idealer Weise zutreffen, in der Realität weist allerdings auch ein Gleichspannungssignal immer auch eine gewisse Frequenz auf. Durch die geeignete Wahl der Grenzfrequenz und insbesondere durch die Veränderung der Grenzfrequenz lässt sich diesem Umstand Rechnung tragen, indem die Grenzfrequenz so gewählt wird, dass ein tatsächlicher Wechselspannungsanteil herausgefiltert wird. Dadurch wird lediglich ein gewünschter Gleichspannungsanteil, der durchaus eine gewisse Frequenz beinhalten kann, für die weitere Auswertung verwendet.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung ist ein Stromsensor vorgesehen, der derart angeordnet ist, parallel zur Messung der Gleichspannung den von der Schalteinrichtung erzeugten Wechselstrom zu erfassen. Dieser Stromsensor erzeugt abhängig von dem erfassten Wechselstrom ein Steuersignal, welches der Regeleinrichtung zugeführt wird. Diese Strommessung dient der Offset-Messung und verläuft parallel zu der Messung der Gleichspannung. Der besondere Vorteil besteht darin, dass für die Strommessung im vorliegenden Fall ein Stromsensor mit einer deutlich geringeren Messgenauigkeit verwendet werden kann. Dennoch wird eine sehr effektive Möglichkeit bereitgestellt, ausgangsseitig ein gleichstromfreies Wechselstromsignal bereitzustellen.
In einer typischen Ausgestaltung ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, welche dazu ausgebildet ist, die Schaltvorgänge von Schaltern der Schalteinrichtung zu steuern. Darüber hinaus dient diese Steuereinrichtung typischerweise auch dem Zweck, den erzeugten Wechselstrom mit einer Netzwechselspannung des Versorgungsnetzes zu synchronisieren.
In einer typischen Ausgestaltung weist die Regeleinrichtung einen Offset-Regler auf. Insbesondere kann die Regeleinrichtung ein P-Regler, PI-Regler, PD-Regler oder I-Regler umfassen.
In einer typischen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Steuersignal zur Ansteuerung der Schalter der Schalteinrichtung bereitgestellt. Dieses Steuersignal beinhaltet eine Information der durch die Messeinrichtung erfassten Gleichspannung. Die Schalter der Schalteinrichtung werden abhängig von dem Wert der erfassten Gleichspannung derart ein- und ausgeschaltet, beispielsweise durch verzögertes oder verfrühtes Ein- und Ausschalten, um den Gleichstromanteil im ausgangsseitig Wechselstrom zumindest zu reduzieren. Dies ist insbesondere bei einer Ausgestaltung der Schalteinrichtung als Brückenschaltung oder als Halbbrückenschaltung von Vorteil.
In einer typischen Ausgestaltung wird zur Ermittlung der erfassten Gleichspannung eine gemessene Ausgangsspannung unterhalb einer vorgegebenen Grenzfrequenz auf Null reduziert oder zumindest stark gedämpft. Dieses Reduzieren der Frequenz der Ausgangsspannung unterhalb der Grenzfrequenz erfolgt typischerweise durch Tiefpassfilterung, wobei die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters so gesetzt ist, dass sie kleiner ist als die Frequenz der Wechselspannung. Auf diese Weise ergibt sich durch Tiefpassfilterung vorzugsweise der im Wechselspannungssignal vorhandene Gleichspannungsanteil.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird ausgangsseitig eine erste Gleichspannung und eine zweite Gleichspannung erfasst. Aus der erfassten ersten und zweiten Gleichspannung wird eine Differenz ermittelt, wobei die ermittelte Differenz ein Maß für den zu kompensierenden Gleichstromanteil im ausgangsseitig erzeugten Wechselstrom ist. Die ermittelte Differenz wird zur Erzeugung des Steuersignals zur Ansteuerung der Schalteinrichtung verwendet.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
INHALTSANGABE DER ZEICHNUNG
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
1 ein Blockschaltbild für ein erstes, allgemeines Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wechselrichters;
2 ein Blockschaltbild für ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wechselrichters;
3 ein Blockschaltbild für ein drittes, bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wechselrichters;
4 ein Blockschaltbild für ein viertes, besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wechselrichters;
5 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage.
In den Figuren der Zeichnung sind gleiche und funktionsgleiche Elemente, Merkmale und Komponenten – sofern nichts Anderes ausführt ist – jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
1 zeigt ein Blockschaltbild für ein erstes, allgemeines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wechselrichters. Der Wechselrichter ist hier mit Bezugszeichen 10 bezeichnet. Der Wechselrichter 10 ist als netzgeführter Wechselrichter ausgebildet, das heißt der Wechselrichter 10 ist an ein in 1 nicht dargestelltes, zum Beispiel öffentliches Versorgungsnetz angeschlossen. Darüber hinaus ist der Wechselrichter 10 als transformatorfreier Wechselrichter ausgebildet. Transformatorfreie Wechselrichter lassen sich ohne einen ausgangsseitigen Transformator direkt an das Versorgungsnetz anschließen.
Der Wechselrichter 10 weist eine Eingangsschnittstelle 11 sowie eine Ausgangsschnittstelle 12 auf. Über die Eingangsschnittstelle 11, die den Gleichstromeingang 11 bildet, ist der Wechselrichter 10 mit einer in 1 nicht dargestellten Photovoltaikanlage gekoppelt. Über die Eingangsschnittstelle 11 wird ein Gleichstrom I0 in den Wechselrichter 10 eingekoppelt. Der Wechselrichter 10 ist dazu ausgelegt, diesen Gleichstrom I0 in einen Wechselstrom I1 umzuwandeln, der an der Ausgangsschnittstelle 12 abgreifbar ist. Über diese Ausgangsschnittstelle 12, die den Wechselstromausgang 12 bildet, ist der Wechselrichter 10 mit dem Versorgungsnetz verbindbar. Eine Möglichkeit der genauen Ankopplung des Wechselrichters 10 an die Photovoltaikanlage und das Versorgungsnetz wird mit Bezug auf 5 beschrieben.
Der Wechselrichter 10 weist u. a. eine steuerbare Schalteinrichtung 13, eine Ausgangsschaltung 14, eine Messeinrichtung 15 sowie eine Regeleinrichtung 16 auf.
Der über den Gleichstromeingang 11 eingekoppelte Gleichstrom I0 wird der steuerbaren Schalteinrichtung 13 zugeführt. Die steuerbare Schalteinrichtung 13 wird gesteuert über eine in 1 nicht näher dargestellte Steuereinrichtung. Die steuerbare Schalteinrichtung 13 weist beispielsweise eine Brückenschaltung bestehend aus vier Leistungsschaltern auf, die wechselseitig in an sich bekannter Weise durch die Steuereinrichtung derart angesteuert werden, dass die steuerbare Schalteinrichtung 13 ausgangsseitig einen Wechselstrom I2 bereitstellt.
Dieser Wechselstrom I2 wird der Ausgangsschaltung 14 zugeführt. Diese Ausgangsschaltung 14 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel z. B. als passive Ausgangsschaltung 14 ausgebildet und weist beispielsweise Drosselspulen auf, um bei geeigneter Ansteuerung der einzelnen Schalter der steuerbaren Schaltereinrichtung 13 einen idealerweise sinusförmigen Wechselstrom I1 zu erzeugen. Dieser Wechselstrom I1 kann über den Wechselstromausgang 12 von einem Versorgungsnetz aufgenommen werden.
Der ausgangsseitig erzeugte Wechselstrom I1, I2 enthält unerwünschterweise einen Gleichstromanteil IDC.
Zur Kompensation dieses Gleichstromanteils IDC ist erfindungsgemäß eine Messeinrichtung 15 und eine Regeleinrichtung 16 vorgesehen. Die ausgangsseitig des Wechselrichters 10 angeordnete Messeinrichtung 15 ist dazu ausgelegt, einen Gleichstromanteil IDC im ausgangsseitig erzeugten Wechselstrom I1, I2 zu ermitteln. Hierzu misst die Messeinrichtung 15 die an der Ausgangsschaltung 14 abfallende Ausgangsspannung VM. Da diese gemessene Ausgangsspannung VM sowohl einen Wechselspannungsanteil VAC als auch einen Gleichspannungsanteil VDC beinhaltet, d. h. VM = VDC + VAC, der Wechselspannungsanteil VAC zur Ermittlung einer Korrekturgröße für die Regelung aber nicht benötigt wird, wird der Wechselspannungsanteil VAC durch Tiefpassfilterung herausgefiltert. Die so ermittelte Gleichspannung VDC ist ein Maß für den im Wechselstrom I1 enthaltenen Gleichstrom.
Die Gleichspannung VDC wird der Regeleinrichtung 16 zugeführt. Die Regeleinrichtung 16 erzeugt ausgangsseitig Steuersignale S1, die eine Information über die Größe des gemessenen Gleichspannungsanteils VDC und damit des Gleichspannungs-Offsets beinhalten und die zur Ansteuerung der Schalter der steuerbaren Schaltereinrichtung 13 dienen. Die Regeleinrichtung 16 regelt dadurch die gemessene Gleichspannung VDC gegen Null, so dass auch der Gleichstromanteil IDC im ausgangsseitig erzeugten Wechselstrom I1 gegen Null geht.
Die Regeleinrichtung 16 ist mit einer Steuereinrichtung gekoppelt. Durch Verzögerung der Ein- und Ausschaltzeitpunkte der Schalter der steuerbaren Schalteinrichtung 13 nach Maßgabe der von der Regeleinrichtung 16 erzeugten Steuersignale S1 wird der Gleichspannungs-Offset ausgeregelt. Wird zum Beispiel ein positiver Gleichspannungs-Offset gemessen, so werden z. B. die Schalter der Schaltereinrichtung 13 zum Einschalten der positiven Halbwelle verzögert, bis schlussendlich kein Gleichspannungs-Offset mehr festzustellen ist. Bei negativen Gleichspannungs-Offsets werden die Einschaltzeitpunkte für die negative Halbwelle entsprechend verzögert. Es können statt einer Verzögerung auch die jeweils anderen Schalter der Schalteinrichtung 13 verfrüht eingeschaltet werden, während die bereits leitenden Schalter verfrüht ausgeschaltet werden. Dasselbe gilt natürlich auch für eine pulsdauermodulierte Ansteuerung der Schalter der Schalteinrichtung 13.
2 zeigt ein Blockschaltbild für ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wechselrichters. Der Wechselrichter 10 weist hier zwei Ausgangsleitungen 21a, 21b zur Ankopplung des Wechselrichters 10 an das Versorgungsnetz auf. Die Messeinrichtung greift hier die Messspannung VM unmittelbar nach der Ausgangsschaltung 14 ab. Hierzu ist ein jeweiliger Messabgriff 20a, 20b an jeder der Ausgangsleitungen 21a, 21b vorgesehen. Über diese Abgriffe 20a, 20b wird die an der Impedanz des Versorgungsnetzes abfallende Spannung VM abgegriffen. Die Impedanz des Versorgungsnetzes fungiert somit als Shunt- oder Mess-Impedanz. Diese an der Impedanz der Ausgangsschaltung 14 abgegriffene Spannung VM umfasst einen Wechselspannungsanteil VAC und einen Gleichspannungsanteil VDC. Nachdem lediglich der Gleichspannungsanteil VDC erfasst werden soll, wird die gemessene Spannung VM einem Tiefpassfilter 22a zugeführt. Dieses Tiefpassfilter 22a weist eine Grenzfrequenz fg auf, die typischerweise geringer ist als die Frequenz der Ausgangswechselspannung bzw. des Ausgangsstroms I1. Dadurch werden die Wechselspannungsanteile VAC herausgefiltert und am Ausgang des Tiefpasses 22a ist lediglich der Gleichspannungsanteil VDC abgreifbar, welcher ein Maß des Gleichstromanteils IDC ist.
Die Regeleinrichtung 16 ist im gezeigten Beispiel Bestandteil einer Steuereinrichtung 23 des Wechselrichters 10 und steuert die Schalter der Schalteinrichtung 13 mittels entsprechender Steuersignale S2 an, wie dies beispielhaft oben ausgeführt wurde. Diese Steuersignale S2 enthalten eine Information des auszuregelnden Gleichspannungsanteils VDC.
Der Wechselrichter 10 weist einen Stromsensor 24 auf, der dazu ausgelegt ist, den von der Schalteinrichtung 13 erzeugten Wechselstrom I2 zu erfassen. Abhängig von dem erfassten Wechselstrom I2 erzeugt der Stromsensor 24 Steuersignale S3, welche der Steuereinrichtung 23 zugeführt werden.
Im gezeigten Beispiel der 2 ist der Stromsensor 24 zwischen der Schalteinrichtung 13 und der Ausgangsschaltung 14 angeordnet. Allerdings ist diese konkrete Anordnung des Stromsensors 24 nicht zwingend. Insbesondere ist es nicht relevant, an welcher Stelle des Wechselstrompfades der Stromsensor 24 angeordnet ist, sofern dieser in der Lage ist, den ausgangsseitig erzeugten Wechselstrom I1, I2 zu erfassen. Denkbar wäre zum Beispiel auch, wenn der Stromsensor 24 zwischen der Ausgangsschaltung 14 und dem Wechselstromausgang 12 angeordnet ist. Ebenfalls denkbar wäre, wenn der Stromsensor 24 innerhalb der Ausgangsschaltung 14, innerhalb der Schalteinrichtung 13 oder in einer anderen in der 2 nicht dargestellten Komponente innerhalb des Wechselstrompfades angeordnet ist. Schließlich wäre sogar auch denkbar, wenn die Strommessung außerhalb des Wechselrichters 10 erfolgt, sofern der Stromsensor 24 den Wechselstrom I1, I2 erfasst. Der Stromsensor 24 könnte dann z. B. ein entsprechendes Strommsignal über eine Schnittstelle in den Wechselrichter 10 einkoppeln.
Die Steuereinrichtung 23 wertet den gemessenen Gleichspannungsanteil VDC sowie die Steuersignale S3, welche eine Information über den gemessenen Wechselstrom I2 beinhalten, aus und erzeugt daraus die Steuersignale S2 zur Ansteuerung der Schalter der steuerbaren Schalteinrichtung 13.
Der Wechselrichter 10 kann bevorzugter Weise als einphasiger oder dreiphasiger Wechselrichter 10 ausgebildet sein.
Die Schalteinrichtung 13 kann in bekannter Weise eine Brückenschaltung enthalten. Denkbar wäre auch, eine andere Ausgestaltung der Schalteinrichtung 13, z. B. in Form einer ein- oder mehrstufigen Schaltstufe, einer kaskadierten Schaltstufe und dergleichen. Die Schalter dieser Schalteinrichtung 13 können beispielsweise Leistungsschalter, wie etwa MOSFETs, JFETs, IGBTs, Thyristoren und dergleichen, sein.
Das Tiefpassfilter 22a kann als passives Tiefpassfilter und/oder aktives Tiefpassfilter ausgebildet sein. Zum Beispiel weist das Tiefpassfilter 22a einen passiven Teil und einen aktiven Teil auf, wobei der passive Teil des Tiefpassfilters 22a beispielsweise in Form einer ein- oder mehrstufigen Kaskade von RC-Gliedern aufgebaut sein kann. Passive Filter haben den Vorteil, dass sie keinen eigenen Gleichspannungs-Offset generieren. Aus diesen Gründen ist es besonders bevorzugt, wenn das Tiefpassfilter 22a als ein passives Tiefpassfilter ausgebildet ist. Sofern ein aktiver Teil des Tiefpassfilters 22a vorhanden ist, wird dieser vorzugsweise mit einem Offset-armen Operationsverstärker ausgestattet, der vorzugsweise auch eine relativ geringe Temperaturdrift aufweist.
Die Regeleinrichtung 16 kann als P-Regler, PI-Regler, PD-Regler oder I-Regler ausgebildet sein. Alternativ kann die Regeleinrichtung 16 auch als Digitalregler ausgebildet sein. Vorzugsweise sind die Komponenten der Regeleinrichtung 16 ebenfalls Offset-arm ausgebildet, so dass diese dem gesamten System keinen zusätzlichen Gleichspannungs-Offset hinzufügen.
Die Ausgangsschaltung 14 kann beispielsweise eine Drossel aufweisen, die ein sinusförmiges Ausgangssignal erzeugen soll. Die Ausgangsschaltung 14 kann darüber hinaus auch Filter, Impedanzen und sonstige aktive oder nicht aktive Bauelemente umfassen.
3 zeigt ein Blockschaltbild für ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wechselrichters. Auch hier sind zwei Abgriffe 30a, 30b zum Erfassen der Ausgangsspannung vorgesehen. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel in 2 sind hier die beiden Abgriffe 30a, 30b allerdings unmittelbar vor der Ausgangsschaltung 14 vorgesehen, das heißt diese Abgriffe 30a, 30b sind zwischen der Schaltereinrichtung 13 bzw. dem Stromsensor 24 und der Ausgangsschaltung 14 vorgesehen. Auf diese Weise wird die Empfindlichkeit der gesamten Messmethode erhöht, da das Tiefpassfilter 22 die Summe der an der Netzimpedanz und an der Impedanz der Ausgangsschaltung 14 vorhandenen Ausgangsspannung VM misst.
4 zeigt ein Blockschaltbild für ein viertes, besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wechselrichters. Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen in 3 und 4 weist die Messeinrichtung hier zwei Tiefpassfilter 22a, 22b und für jedes Tiefpassfilter 22a, 22b jeweils zwei Abgriffe 20a, 20b; 30a, 30b auf. Das Ausführungsbeispiel in 4 bildet somit gewissermaßen eine Kombination der in den 2 und 3 dargestellten Messeinrichtungen. Dadurch kann die Ausgangsspannung VM1, VM2 sowohl unmittelbar vor der Ausgangsschaltung 14 als auch unmittelbar nach der Ausgangsschaltung 14 erfasst werden. Beide Tiefpassfilter 22a, 22b ermitteln daraus jeweils ein Gleichspannungssignal VDC1, VDC2, welches jeweils eine Information des Gleichspannungsanteils vor und nach der Ausgangsschaltung 14 beinhaltet. Die Differenz dieser beiden gemessenen Gleichspannungen VDC1, VDC2 ist ein Maß des im Ausgangsstrom I1 vorhandenen Gleichstromanteils IDC. Über die Regeleinrichtung 16 wird eine Differenz dieser beiden gemessenen Gleichstromanteile VDC1, VDC2 auf Null geregelt, das heißt es gilt VDC1 – VDC2 = 0. Der Vorteil besteht hier darin, dass durch die Ausgangsschnittstelle 12 eingekoppelte Einflüsse nicht berücksichtigt werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Regelungseinrichtung 16 dazu ausgebildet, lediglich den Betrag der zweiten Gleichspannung auf Null zu regeln, um den Gleichstromanteil in dem öffentlichen Versorgungsnetz zu beseitigen.
In noch einer weiteren Ausführungsform wird die erste Spannung VM2 lediglich über einen Zweig der Ausgangsschaltung 14 an den Abgriffen 30a und 20a gemessen und die zweite Spannung VM1 an den Abgriffen 20a und 20b gemessen. Dies ermöglicht es mit lediglich drei Abgriffen 20a, 20b und 30a sowohl die erste Spannung VM2 als auch die zweite Spannung VM1 zu erfassen.
In noch einer weiteren Ausführungsform ist die Regelungseinrichtung 16 dazu ausgebildet, bei einem Überschreiten eines festgelegten Schwellwertes durch die zweite Spannung VM1 einen Alarm auszulösen. In noch einer Ausführungsform wird durch die Regelungseinrichtung 16 zusätzlich oder alternativ zu dem Alarm eine Meldung, z. B. über ein Datennetz des öffentlichen Versorgungsnetzes, an einen Betreiber des öffentlichen Versorgungsnetzes übermittelt.
5 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage, welche mit einem erfindungsgemäßen Wechselrichter ausgestattet ist. Die Photovoltaikanlage ist hier mit Bezugszeichen 50 bezeichnet. Die 5 zeigt das Schaltungskonzept der Photovoltaikanlage 50 im Netzparallelbetrieb, bei dem die Photovoltaikanlage 50 an ein öffentliches Versorgungsnetz 51, an dem diverse elektrische Verbraucher angeschlossen sein können, angekoppelt ist. Die Photovoltaikanlage weist einen Photovoltaikgenerator 52 auf, der aus einem oder mehreren Photovoltaikmodulen oder Solarmodulen bestehen kann. Solche Solarmodule weisen als wichtigsten Bestandteil Solarzellen auf, die dazu ausgelegt sind, kurzwellige Strahlungsenergie, wie etwa Sonnenlicht, direkt in elektrische Energie zu wandeln. Die erzeugte elektrische Energie liegt in Form eines Gleichstroms vor, der über einen Photovoltaikabzweig 53 dem Wechselrichter 10 zugeführt wird. Zwischen dem Photovoltaikabzweig 53 und dem Wechselrichter 10 ist typischerweise eine Trennstelle 54 vorgesehen, um den Wechselrichter 10 bei Bedarf von dem Photovoltaikgenerator 52 zu entkoppeln.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern lässt sich auf vielfältige Art und Weise modifizierbar, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen. So sei die Erfindung insbesondere nicht auf die oben angegebenen Zahlenangaben beschränkt, die im Wesentlichen lediglich der Erläuterung der Erfindung dienen sollen.
Auch versteht es sich von selbst, dass ein erfindungsgemäßer Wechselrichter auch mehr als eine Regeleinrichtungen, Sensoreinrichtungen, Schalteinrichtungen, Ausgangsschaltungen und dergleichen aufweisen kann. Insbesondere ist der Wechselrichter damit nicht auf die in den 1 bis 4 dargestellten Schaltungstopologien beschränkt, die auch variieren können.
Dasselbe gilt auch für die in 5 dargestellte Photovoltaikanlage, die lediglich dem Verständnis der Erfindung dienen soll, jedoch nicht die Erfindung auf eben eine solche Anordnung beschränken soll. Vielmehr kann diese Anordnung, entsprechend dem allgemeinen Fachwissen natürlich in beliebiger Weise variiert werden.
Der erfindungsgemäße Wechselrichter kann eine Nennleistung von bis zu 1000 Watt aufweisen. In einer dazu alternativen Ausgestaltungsform kann der erfindungsgemäße Wechselrichter natürlich auch eine Nennleistung von mehr als 1000 Watt aufweisen. Darüber hinaus kann ein erfindungsgemäßer Wechselrichter für eine Ausgangswechselspannung zwischen 50 Volt und 180 Volt oder 180 Volt und 300 Volt dimensioniert sein. Alternativ wäre auch denkbar, wenn der Wechselrichter für eine Ausgangswechselspannung von 300 Volt bis 450 Volt oder etwa auch von mehr als 450 Volt dimensioniert ist.
Bezugszeichenliste

10: netzgeführter, transformatorfreier Wechselrichter
11: Gleichstromeingang, Eingangsschnittstelle
12: Wechselstromausgang, Ausgangsschnittstelle
14: (passive) Ausgangsschaltung
13: steuerbare Schalteinrichtung
15: Messeinrichtung
16: Regeleinrichtung
20a, 20b: ausgangsseitige (Mess-)Abgriffe
21a, 21b: Ausgangsleitungen
22a, 22b: passives Tiefpassfilter
23: Steuereinrichtung
24: Stromsensor
30a, 30b: ausgangsseitige (Mess-)Abgriffe
50: Photovoltaikanlage
51: Versorgungsnetz, Energienetz
52: Photovoltaikgenerator
53: Photovoltaikabzweig
54: Trennstelle
fg: Grenzfrequenz des Tiefpassfilters
I0: eingangsseitiger Gleichstrom
I1: ausgangsseitiger Wechselstrom, Ausgangsstrom
I2: Wechselstrom
IDC: Gleichstromanteil
S1–S3: Steuersignale
VDC – VDC2: gemessener Gleichspannungsanteil im Wechselstrom
VAC: Wechselspannungsanteil
VM – VM2: gemessene Ausgangsspannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 844729 A2 [0004]
DE 10249122 B4 [0005]

Claims

Netzgeführter, transformatorfreier Wechselrichter (10), insbesondere für eine netzgekoppelte Photovoltaikanlage (50), mit einer Ausgangsschaltung (14) zur Ankoppelung des Wechselrichters (10) an ein Energienetz, mit einer steuerbaren Schalteinrichtung (13), die aus einem Gleichstrom (I0) einen an der Ausgangsschaltung (14) anliegenden Wechselstrom (I1, I2) erzeugt, mit einer Messeinrichtung (15; 20a, 20b, 22a; 30a, 30b, 22b), welche eine an der Impedanz der Ausgangsschaltung (14) abfallende erste Gleichspannung (VDC; VDC1, VDC2) und eine an den Anschlüssen der Ausgangsschnittstelle (12) der Ausgangsschaltung (14) anliegende zweite Gleichspannung (VM1) erfasst, mit einer Regeleinrichtung (16), welche Schaltvorgänge der Schalteinrichtung (13) abhängig von den mit der Messeinrichtung (15; 20a, 20b, 22a; 30a, 30b, 22b) erfassten Gleichspannungen (VDC; VDC1, VDC2, VM1) so steuert, dass ein Gleichstromanteil (IDC) im Versorgungsnetz (51) reduziert wird.
Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (15; 20a, 20b, 22a; 30a, 30b, 22b) zumindest ein Tiefpassfilter (22a, 22b) aufweist, welches derart verschaltet ist, eine am Ausgang (20a, 20b) und/oder am Eingang (30a, 30b) der Ausgangsschaltung (14) erfasste Gleichspannung (VM1; VDC; VDC1, VDC2) abzugreifen.
Wechselrichter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Messeinrichtungen (15; 20a, 20b, 22a; 30a, 30b, 22b) mit jeweils einem Tiefpassfilter (22a, 22b) vorgesehen sind, wobei eine erste Messeinrichtung (15; 30a, 30b, 22b) eine erste Gleichspannung (VDC2) erfasst und eine zweite Messeinrichtung (15; 20a, 20b, 22a) eine zweite Gleichspannung (VDC1, VM1) erfasst, wobei eine Differenz der erfassten ersten und zweiten Gleichspannung (VDC1, VDC2) ein Maß für den zu kompensierenden Gleichstromanteil (IDC) des Wechselrichters (10) ist und der Betrag der zweiten Gleichspannung (VDC1, VM1) ein Maß für den zu kompensierenden Gleichstromanteil des öffentlichen Versorgungsnetzes ist.
Wechselrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Tiefpassfilter (22b) derart verschaltet ist, dass es die erste Gleichspannung (VDC2) vor der Ausgangsschaltung (14) abgreift, und dass das zweite Tiefpassfilter (22a) derart verschaltet ist, dass es die zweite Gleichspannung (VDC1, VM1) nach der Ausgangsschaltung (14) abgreift.
Wechselrichter nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Tiefpassfilter (22a, 22b) eine einstellbare Grenzfrequenz (fg) aufweist.
Wechselrichter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stromsensor (24) vorgesehen ist, der derart angeordnet ist, parallel zur Messung der Gleichspannung (VDC, VDC1, VDC2) den von der Schalteinrichtung (13) erzeugten Wechselstrom (I1) zu erfassen und der Regeleinrichtung (16) abhängig davon ein Steuersignal (S3) zuzuführen.
Wechselrichter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (23) vorgesehen ist, welche dazu ausgebildet ist, die Schaltvorgänge der Schalteinrichtung (13) zu steuern und/oder den erzeugten Wechselstrom (I1) mit einem Netzwechselstrom des Versorgungsnetzes (51) zu synchronisieren.
Wechselrichter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (16) einen Offset-Regler, insbesondere einen P-Regler, einen PI-Regler, einen PD-Regler, einen I-Regler und/oder dass die Regeleinrichtung (16) einen Digitalregler umfasst.
Verfahren zum Betreiben eines netzgeführten, transformatorfreien Wechselrichters (10), insbesondere unter Verwendung eines Wechselrichters (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit den Schritten: Erfassen einer an der Impedanz einer Ausgangsschaltung (14) des Wechselrichters (10) abfallenden ersten Gleichspannungen (VDC; VDC1, VDC2) und einer an den Anschlüssen der Ausgangsschnittstelle (12) der Ausgangsschaltung (14) anliegenden zweiten Gleichspannung (VM1); Steuern von Schaltvorgängen der Schalteinrichtung (13) abhängig von den erfassten Gleichspannungen (VDC; VDC1, VDC2, VM1) derart, dass der Gleichstromanteil (IDC) im Versorgungsnetz (51) reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuersignal (S1, S2) zur Ansteuerung der Schalter der Schalteinrichtung (13) bereit gestellt wird, welches eine Information der erfassten Gleichspannung beinhaltet, wobei die Schalter abhängig von dem Wert der erfassten Gleichspannung (VDC; VDC1, VDC2) geschaltet werden, um den Gleichstromanteil (IDC) im ausgangsseitig erzeugten Wechselstrom (I1) zumindest zu reduzieren.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der erfassten Gleichspannung (VDC; VDC1, VDC2) eine gemessene Ausgangsspannung (VM) unterhalb einer vorgegebenen Grenzfrequenz (fg), welche kleiner ist als die Frequenz des erzeugten Wechselstroms (I1), durch Tiefpassfilterung auf Null reduziert oder zumindest stark gedämpft wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Grenzfrequenz (fg) einstellbar ist.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gleichspannung (VDC; VDC1, VDC2, VM1) am Eingang (30a, 30b) und/oder am Ausgang (20a, 20b) der Ausgangsschaltung (14) erfasst wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ausgangsseitig eine erste Gleichspannung (VDC2) und eine zweite Gleichspannung (VDC1) erfasst werden und dass aus der erfassten ersten und zweiten Gleichspannung (VDC1, VDC2) eine Differenz ermittelt wird, wobei die ermittelte Differenz ein Maß für den zu kompensierenden Gleichstromanteil (IDC) im ausgangsseitig durch den Wechselrichter (10) erzeugten Wechselstrom (I1) ist und wobei der Betrag der zweiten Gleichspannung (VDC1, VM1) ein Maß für den zu kompensierenden Gleichstromanteil des öffentlichen Versorgungsnetzes ist und wobei der größere Wert aus der ermittelten Differenz und der zweiten Gleichspannung (VDC1, VM1) zur Erzeugung des Steuersignals (S1, S2) zur Ansteuerung der Schalteinrichtung (13) verwendet wird.
Photovoltaikanlage (50), mit einem Photovoltaik-Generator (52) und mit einem Wechselrichter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, welcher zur netzparallelen Ankopplung der Photovoltaikanlage (50) an ein Versorgungsnetz (51) mit dem Photovoltaik-Generator (52) verbindbar ist.