DE102012100477B4

DE102012100477B4 - Shuntstrommessung für Multistringgeräte und Interleavingwandler

Info

Publication number: DE102012100477B4
Application number: DE102012100477.3A
Authority: DE
Inventors: Jens Friebe; Klaus Rigbers; Matthias Feisel
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2012-01-20
Filing date: 2012-01-20
Publication date: 2015-05-28
Anticipated expiration: 2032-01-21
Also published as: DE102012100477C5; DE102012100477A1

Abstract

Verfahren zum Messen von Strömen (31 bis 33), die durch mehrere Wandler (2 bis 4) fließen, welche jeweils mindestens einen mit einem Ansteuersignal (14 bis 16) aktiv geschalteten Schalter (19) umfassen und die an mindestens eine gemeinsame Ausgangsleitung (9, 20) angeschlossen sind, wobei ein Shuntwiderstand (10) in der gemeinsamen Ausgangsleitung (9, 20) angeordnet wird und die über dem Shuntwiderstand (10) abfallende Spannung in Abhängigkeit von den sich unterscheidenden Ansteuersignalen (14 bis 16) der Schalter (19) erfasst wird, wobei die Spannung über dem Shuntwiderstand (10) fortlaufend gemessen wird und wobei die gemessene Spannung (12) in Abhängigkeit von den Ansteuersignalen (14 bis 16) der Schalter (19) gefiltert wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Filtern der fortlaufend gemessenen Spannung Änderungen der über den Shuntwiderstand (10) abfallenden Spannung in Hinblick auf die durch die einzelnen Wandler (2 bis 4) fließenden Ströme (31 bis 33) analysiert werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen von Strömen, die durch mehrere Wandler fließen, welche jeweils mindestens einen mit einem Ansteuersignal aktiv geschalteten Schalter umfassen und die an mindestens eine gemeinsame Ausgangsleitung angeschlossen sind, wobei das Verfahren die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Schaltungsanordnung mit mehreren solchen Wandlern, die die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 8 aufweist.
Die mehreren Wandler können einander parallel geschaltet und Teil einer Wandlerstufe sein. Dabei können die Wandler identisch ausgebildet sein oder abgestufte Leistungen aufweisen.
Die Wandler können weiterhin im Interleavingmodus betrieben, d. h. zeitlich versetzt getaktet werden. Dies gilt nicht nur, wenn sie einander zwischen einer gemeinsamen Strom- oder Spannungsquelle und der gemeinsamen Ausgangsleitung parallel geschaltet sind, sondern auch wenn sie jeweils an eine eigene Strom- und/oder Spannungsquelle angeschlossen sind. Die letztgenannte Situation tritt beispielsweise dann auf, wenn mehrere Strings aus Solarmodulen über jeweils einen eigenen Wandler, der das Festlegen eines eigenen MPP für den jeweiligen String erlaubt, an einen eingangsseitigen Gleichspannungszwischenkreis einer Wechselrichterbrücke eines Photovoltaikwechselrichters angeschlossen sind.
Die vorliegende Erfindung fällt auch ganz allgemein insbesondere auf das Gebiet von Photovoltaikwechselrichtern, mit denen elektrische Leistung von einem oder mehreren Photovoltaikgeneratoren in ein Wechselstromnetz eingespeist wird.
Bei Wandlern einer Wandlerstufe, die im Interleavingmodus betrieben werden, ist es häufig sinnvoll, dass die durch sie fließenden Ströme gleich groß sind, damit die durch den Interleavingmodus angestrebte Nivellierung des Ausgangsstroms soweit als möglich erreicht wird. Zudem ist eine gleiche Leistung aller Wandler für ihre gleichmäßige Belastung und für das Ausschöpfen ihrer Maximalleistungen erforderlich. Eine derartige Symmetrisierung der Leistungen verlangt nach einer Kenntnis der durch die einzelnen Wandler fließenden Ströme.
STAND DER TECHNIK
Aus der DE 101 12 820 A1 ist ein Verfahren zur Messung von Strömen in Multiphasenwandlern bekannt. Konkret geht es um Mehrphasenwandler, die mit einer geraden Anzahl in versetzter Taktung betreibbare Halbbrücken aufweisen. Die Messung der Ströme erfolgt an jeweils zwei zu einer Stromerfassungseinheit zusammengefassten Halbbrücken. Diese beiden Halbbrücken sind über einen Shuntwiderstand an eine gemeinsame Ausgangsleitung aller Halbbrücken angeschlossen. Die über die Shuntwiderstände abfallenden Spannungen werden durch Center-Mode-Abtastung immer dann gemessen, wenn der Strom über die jeweils eine der beiden Halbbrücken jedes Paars von Halbbrücken fließt und so dieser Halbbrücke zugeordnet werden kann. Zu diesem Zeitpunkt kann über die jeweils andere Halbbrücke kein Strom durch den Shuntwiderstand fließen.
Durch das bekannte Verfahren wird die Anzahl der benötigten Shuntwiderstände gegenüber je einem Shuntwiderstand pro Halbbrücke halbiert. Es werden aber immer noch mehrere Messeinrichtungen zum Messen des Spannungsabfalls über mehrere Shuntwiderstände benötigt. Die Anzahl der einzelnen Messungen der Spannung über dem Shuntwiderstand ist gleich der Anzahl der Schalttakte jedes Wandlers multipliziert mit der Anzahl der Wandler.
Durch den gemeinsam genutzten Shuntwiderstand werden die Zuleitungen zu mindestens einem der beiden Kommutierungskreise länger und dies hat eine Erhöhung der Schaltverluste durch erhöhte Leitungsinduktivitäten zur Folge.
Aus der EP 2149979 A1 ist ein Verfahren zur Messwertermittlung in einem getakteten System bekannt, wobei die Taktung Ansteuerungszeiträume, in denen das System angesteuert wird, und Nichtansteuerungszeiträume aufweist, in denen das System nicht angesteuert wird. Eine über einem Shuntwiderstand abfallende Spannung wird über mehrere Ansteuerungszeiträume aufintegriert und durch die Summe dieser Ansteuerungszeiträume dividiert, um einen Messwert für den durch den Shuntwiderstand fließenden Strom zu erhalten, dessen Präzision größer als derjenige einer der Einzelmessungen der Spannung ist. Die Integration der Spannung kann durch analoge Integrationsschritte eines Delta-Sigma-Wandlers und anschließende Summation über die von dem Delta-Sigma-Wandler ausgegebenen Einzelwerte erfolgen.
Aus der US 2003/0185024 A1 ist eine Schaltungsanordnung mit mehreren Wandlern und den weiteren Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 8 bekannt, in deren Betrieb die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 realisiert werden. Dabei verwendet die bekannte Schaltungsanordnung Informationen von dem nicht überlappenden Anteil der durch die mehreren Wandler fließenden Ströme in Form der über den Shuntwiderstand abfallenden Spannung bei der Festlegung des Tastverhältnisses der Schalter der einzelnen Wandler.
Aus der US 2010/0288327 A1 sind ein System und ein Verfahren zum Überspannungsschutz eines Photovoltaikstrings mit verteiltem MPP-Tracking mittels separater DC/DC-Wandler bekannt. Dabei ist für jedes von mehreren Solarpaneelen des Photovoltaikstrings, die in Reihe und parallel geschaltet sind, ein DC/DC-Wandler vorgesehen. Die Ausgänge der DC/DC-Wandler sind entsprechend an den Eingang eines gemeinsamen DC/AC-Wandlers, der elektrische Energie von dem Photovoltaikstring in ein Wechselstromnetz einspeist, sowohl in Reihe als auch parallel zueinander angeschlossen.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung aufzuzeigen, die mit möglichst wenig Bestandteilen zum Messen der Ströme durch mehrere Wandler, die an eine gemeinsame Ausgangsleitung angeschlossen sind, geeignet sind. Dabei sollen zusätzliche Schaltverluste durch die Strommessung möglichst vermieden werden.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 8 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des neuen Verfahrens und der neuen Schaltungsanordnung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Messen von Strömen, die durch mehrere Wandler fließen, welche jeweils mindestens einen mit einem Ansteuersignal aktiv geschalteten Schalter umfassen und die an mindestens eine gemeinsame Ausgangsleitung angeschlossen sind, wird ein Shuntwiderstand in der gemeinsamen Ausgangsleitung angeordnet, wird die Spannung über dem Shuntwiderstand fortlaufend gemessen und wird die gemessene Spannung in Abhängigkeit von den sich unterscheidenden Ansteuersignalen der Schalter gefiltert. Dieses Vorgehen erlaubt es überraschenderweise auch dann die durch die einzelnen Wandler fließenden Ströme zu messen, wenn diese ausschließlich überlappend mit anderen Strömen durch die Wandler fließen. Dies ist deshalb möglich, weil sich der insgesamt durch den Shuntwiderstand fließende Strom und damit die über dem Shuntwiderstand abfallende Spannung zumindest ändert, wenn neben den zu einem Zeitpunkt bislang aktiven Wandlern ein weiterer Wandler durch Ansteuern seines Schalters aktiviert wird und einen zusätzlichen Strom liefert. D. h., bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Änderungen des durch den Shuntwiderstand fließenden Stroms und der damit über ihn abfallenden Spannung beobachtet und durch das Filtern der fortlaufend gemessenen Spannung im Hinblick auf die durch die einzelnen Wandler fließenden Ströme analysiert. Dabei erweist sich die Filterung der gemessenen Spannung in Abhängigkeit von dem Ansteuersignal der Schalter der verschiedenen Wandler, um die Ströme durch die einzelnen Wandler zu erfassen, als unproblematisch.
Wie bereits angesprochen wurde, können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die aktiv geschalteten Schalter der verschiedenen Wandler mit den Ansteuersignalen so geschaltet werden, dass die Ströme durch die Wandler einander zeitlich überlappen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann insbesondere auch ein Strom durch einen der Wandler gemessen werden, der immer mit mindestens einem anderen Strom durch einen anderen der Wandler zeitlich überlappt.
Die Spannung über dem Shuntwiderstand wird z. B. mittels eines Delta-Sigma-Wandlers fortlaufend gemessen. Diese Art der Messung beruht auf einer 1-Bit-Messung mit sehr hoher Abtastrate. Sie führt einerseits zu genauen Messwerten und andererseits zu einer gewissen Mittelung und damit zu trotz der Genauigkeit relativ stabilen Messwerten. Trotz der endlichen Abtastrate eines Delta-Sigma-Wandlers erfolgt die Messung der Spannung über dem Shuntwiderstand in soweit kontinuierlich, als dass sie um ein Vielfaches größer als eine Frequenz der Ansteuersignale der Schalter der Wandler ist. Konkret ist hier mit einer kontinuierlichen Messung der Spannung über dem Shuntwiderstand gemeint, dass eine dabei wirksame endliche Abtastrate mindestens 10 mal und vorzugsweise mindestens 100 mal größer ist als die Frequenz der Ansteuersignale der Schalter multipliziert mit der Anzahl der Wandler. Damit ist die Messung der Spannung bezogen auf alle möglichen Änderungen des Stroms durch den Shuntwiderstand hinreichend fortlaufend. Delta-Sigma-Wandler zudem sind in hoher Qualität kostengünstig verfügbar.
Die gemessene Spannung über dem Shuntwiderstand wird vorzugsweise digital in Abhängigkeit von den Ansteuersignalen der Schalter der verschiedenen Wandler gefiltert. Dabei wird typischerweise von einer bestimmen charakteristischen Form des (zusätzlichen) Stroms aufgrund des Schließens des aktiv angesteuerten Schalters jedes Wandlers ausgegangen. So kann beispielsweise immer der Strom erfasst werden, der nach dem Schließen des Schalters des jeweils interessierenden Wandlers hinzukommt.
Mit den ermittelten Werten der Ströme durch die einzelnen Wandler kann beispielsweise ein Regelkreis für die Ansteuerung der verschiedenen Schalter geschlossen werden. So kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Symmetrisierung der Ströme durch die Wandler erfolgen, d. h. dafür gesorgt werden, dass diese Ströme immer gleich groß sind.
Um die Schaltverluste in den Kommutierungskreisen der einzelnen Wandler trotz des gemeinsamen Shuntwiderstands klein zu halten, ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt, wenn mindestens eine Kommutierungskapazität für die Schalter mindestens eines Wandlers vor dem Shuntwiderstand zwischen die Ausgangsleitungen des Wandlers geschaltet wird. D. h. mindestens ein Kommutierungskreis wird mit Hilfe einer zusätzlichen Kommutierungskapazität verkleinert. Bevorzugt ist es, wenn jedem Kommutierungskreis jedes Wandlers eine Kommutierungskapazität zugeordnet wird, die für eine kleine Kommutierungsinduktivität und entsprechend kleine Schaltverluste sorgt.
Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit mehreren Wandlern, die jeweils mindestens einen mit einem Ansteuersignal aktiv geschalteten Schalter umfassen und die an mindestens eine gemeinsame Ausgangsleitung angeschlossen sind, weist einen in der gemeinsamen Ausgangsleitung angeordneten Shuntwiderstand und eine Messeinrichtung auf, die die Spannung über dem Shuntwiderstand fortlaufend misst. Weiterhin ist ein Filter zum Filtern der gemessenen Spannung in Abhängigkeit von den Ansteuersignalen der Schalter vorgesehen. Das Filter analysiert durch das Filtern der fortlaufend gemessenen Spannung Änderungen der über den Shuntwiderstand abfallenden Spannung in Hinblick auf die durch die einzelnen Wandler fließenden Ströme.
Die Messeinrichtung kann die Spannung über dem Shuntwiderstand fortlaufend durch Delta-Sigma-Wandlung messen. Das Filter kann ein digitales Filter sein.
Eine Kommutierungskapazität zur Verkleinerung des Kommutierungskreises der Schalter mindestens eines Wandlers kann mit einem Dämpfungswiderstand in Reihe geschaltet sein, der einen durch die Kommutierungskapazität gebildeten Schwingkreis in dem relevanten Frequenzbereich dämpft, ohne zu einer signifikanten Verlustleistung zu führen.
Für jeden Wandler der Schaltungsanordnung kann eine eigene Kommutierungskapazität vorgesehen sein. Dies ermöglicht es, den jeweiligen Kommutierungskreis möglichst klein zu halten.
Häufig werden die Wandler der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung an einem gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen sein, der eine Zwischenkreiskapazität aufweist. Dann ist jede Kommutierungskapazität typischerweise um mindestens einen Faktor 10^–3, vorzugsweise um mindestens einen Faktor 10^–4, mehr bevorzugt um mindestens einen Faktor 10^–5 und am meisten bevorzugt um mindestens einen Faktor 10^–6 kleiner als diese Zwischenkreiskapazität.
Die Wandler der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind zwar an mindestens eine gemeinsame Ausgangsleitung angeschlossen. Die jeweils zweite Ausgangsleitung der Wandler kann aber für jeden Wandler separat vorgesehen sein. So können die einzelnen Wandler nur einen gemeinsamen Potentialbezug aufweisen, aber ansonsten getrennt sein. Vielfach werden sie jedoch an einen gemeinsamen Zwischenkreis, wie insbesondere einen Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen sein.
Eingangsseitig können die Wandler an eine gemeinsame Strom- und/oder Spannungsquelle angeschlossen sein. Wenn sie auch ausgangsseitig an einen gemeinsamen Zwischenkreis angeschlossen sind, sind sie Teile einer gemeinsamen Wandlerstufe und werden dann insbesondere als Interleavingwandler betrieben.
Insbesondere dann, wenn die Wandler Teil einer gemeinsamen Wandlerstufe sind, weist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung vorzugsweise eine Steuereinrichtung auf, die die Ansteuersignale in Abhängigkeit von der gefilterten Spannung generiert. Wenn die einzelnen Wandler gleich ausgebildet sind, erfolgt das Generieren der Ansteuersignale möglichst so, dass gleich große Ströme durch sie fließen. Wenn die Wandler ungleich ausgebildet sind, kann die Generierung der Ansteuersignale so vorgenommen werden, dass die Wandler trotzdem prozentual gleich ausgelastet sind. Außerdem kann der Stromfluss durch die Steuereinrichtung auch in beliebiger anderer vorgegebener Weise durch die verschiedenen Wandler koordiniert werden.
Sowohl gleiche als auch ungleiche Wandler können eingangsseitig auch an jeweils eigene Strom- und/oder Spannungsquellen angeschlossen sein. Auch dann ist ihr ausgangsseitiger Anschluss an einen gemeinsamen Zwischenkreis die Regel. Konkret können die jeweils eigenen Strom- und/oder Spannungsquellen der einzelnen Wandler einzelne Strings sein, die mittels der Wandler in unterschiedlichen MPP betrieben werden, obwohl sie an denselben Gleichspannungszwischenkreis einer Wechselrichterbrücke eines Photovoltaikwechselrichters angeschlossen sind.
Wie bereits angedeutet wurde, kann die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung insbesondere in einem Photovoltaikwechselrichter zur Anwendung kommen. Dies gilt sowohl für ihre Ausführungsform als Wandlerstufe mit mehreren parallel geschalteten Wandlern als auch als verschiedene Eingangswandler, über die verschiedene, in verschiedenen MPP betriebene Strings an einen gemeinsamen Eingangszwischenkreis anschließbar sind.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.
1 zeigt eine erste, generalisierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, bei der ihre Wandler parallel geschaltet sind.
2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, bei der ihre Wandler parallel geschaltete Hochsetzsteller mit einem Shuntwiderstand im gemeinsamen Schalterpfad sind.
3 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, bei der ihre Wandler parallel geschaltete Hochsetzsteller mit einem Shuntwiderstand im gemeinsamen Diodenpfad sind.
4 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, bei der zusätzlich zu 2 jeder Schalter mit einer Kommutierungskapazität versehen ist.
5 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, bei der zusätzlich zu 3 jeder Wandler mit einer Kommutierungskapazität versehen ist.
6 zeigt einen Photovoltaikwechselrichter mit mehreren eingangsseitigen Wandlern für jeweils einen String von Solarmodulen.
7 zeigt eine Konkretisierung des Photovoltaikwechselrichters gemäß 6, bei der die Wandler Hochsetzsteller mit einem gemeinsamen Shuntwiderstand im Schalterpfad sind.
8 zeigt eine Konkretisierung des Photovoltaikwechselrichters gemäß 6, bei der die Wandler Hochsetzsteller mit einem gemeinsamen Shuntwiderstand im Diodenpfad sind.
9 zeigt einen Photovoltaikwechselrichter, der zusätzlich zu dem Photovoltaikwechselrichter gemäß 7 für jeden Wandler eine Kommutierungskapazität aufweist.
10 zeigt einen Photovoltaikwechselrichter, der zusätzlich zu dem Photovoltaikwechselrichter gemäß 8 für jeden Wandler eine Kommutierungskapazität aufweist.
11 zeigt einen generalisierten Photovoltaikwechselrichter mit mehreren eingangsseitigen Wandlern für einzelne Strings unterschiedlicher Generatorleistung.
12 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit zwei jeweils eine Halbbrücke aufweisenden Wandlern, die nur eine gemeinsame Ausgangsleitung aufweisen.
13 illustriert die Funktion eines Filters, das bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Anwendung kommt.
14 illustriert eine mögliche Detailausgestaltung des Filters gemäß 13.
15 illustriert eine andere mögliche Detailausgestaltung des Filters gemäß 13; und
16 illustriert noch eine andere mögliche Detailausgestaltung des Filters gemäß 13.
FIGURENBESCHREIBUNG
Die in 1 illustrierte Schaltungsanordnung 1 weist drei Wandler 2 bis 4 auf, die zwischen Eingangsleitungen 5 und 6 einerseits und einem Gleichspannungszwischenkreis 7 mit einer Zwischenkreiskapazität 8 andererseits parallel geschaltet sind. Dabei ist in einer gemeinsamen Ausgangsleitung 9 der Wandler 2 bis 4 ein Shuntwiderstand 10 angeordnet. Die über diesem Shuntwiderstand 10 abfallende Spannung wird von einer Messeinrichtung 11 fortlaufend gemessen; und die gemessene Spannung 12 wird einem Filter 13 zugeführt, dem auch Ansteuersignale 14 bis 16 zugeführt werden, mit denen Schalter der Wandler 2 bis 4 aktiv geschaltet werden. Das Filter 13 filtert aus der Spannung 12 die Anteile, die auf die Ströme durch die einzelnen Wandler 2 bis 4, die weiter durch den Shuntwiderstand 10 fließen, zurückgehen. Diese gefilterten Spannungen können dann verwendet werden, um die Ansteuersignale 14 bis 16 beispielsweise derart zu generieren, dass die Ströme durch alle Wandler 2 bis 4 immer gleich groß sind.
2 zeigt als Konkretisierung der Schaltungsanordnung 1 gemäß 1 eine Parallelschaltung von drei Hochsetzstellern 2 bis 4. Mit Punkten ist angedeutet, dass die Zahl der parallel geschalteten Hochsetzsteller auch noch größer sein kann. Jeder Hochsetzsteller weist eine Induktivität 17, eine Diode 18 und einen Schalter 19 in üblicher Anordnung auf. Der Shuntwiderstand 10 ist hier in der Ausgangsleitung 9 zwischen den Schaltern 19 und dem Gleichspannungszwischenkreis 7, d. h. im Schalterpfad, vorgesehen. Die Messeinrichtung 11, die die Spannung über dem Shuntwiderstand 10 misst, ist auch hier vorhanden, aber ebenso wie das Filter 13 nicht dargestellt. Die Steuersignale 14 bis 16 werden zum Ansteuern der Schalter 19 verwendet.
Die Schaltungsanordnung 1 gemäß 3 weicht von derjenigen gemäß 2 nur bezüglich der Lage des Shuntwiderstands 10 ab, der hier in der gemeinsamen Ausgangsleitung 20 zwischen den Dioden 18 und dem Gleichspannungszwischenkreis 7, d. h. im Diodenpfad, angeordnet ist. In 3 ist zwar die Messeinrichtung 11, die die über dem Shuntwiderstand 10 abfallende Spannung misst, dargestellt, nicht aber das Filter 13 gemäß 1, obwohl es hier ebenfalls vorhanden ist.
4 zeigt eine Schaltungsanordnung 1, die sich von derjenigen gemäß 2 dadurch unterscheidet, dass jeder Wandler 2 bis 4 eine zusätzliche Kommutierungskapazität 36 aufweist. Die Kommutierungskapazitäten 36 sind typischerweise um einen Faktor 10^–4 oder weniger kleiner als die Zwischenkreiskapazität 8 des Gleichspannungszwischenkreises 7 und sorgen dafür, dass die Kommutierungsströme der Schalter nicht über den Shuntwiderstand 10 in der gemeinsamen Ausgangsleitung 9 fließen. Zugleich erleichtern es die zusätzlichen Kommutierungskapazitäten 36, die Kommunitierungsinduktivitäten der Kommutierungskreise der einzelnen Wandler 2 bis 4 ebenso wie die Kommutierungskreise insgesamt klein zu halten.
Dasselbe wird mit den Kommutierungskapazitäten 36 in der Schaltungsanordnung 1 gemäß 5 erreicht, die ansonsten mit der Schaltungsanordnung 1 gemäß 3 übereinstimmt. In 5 ist jedoch auch die Messeinrichtung 11 für die über den Shuntwiderstand 10 in der Ausgangsleitung 20 abfallende Spannung nicht wiedergegeben.
6 zeigt einen Photovoltaikwechselrichter 21, an den eingangsseitig mehrere Strings 22 aus jeweils mehreren Solarmodulen 23 angeschlossen sind und der ausgangsseitig über eine Wechselrichterbrücke 24 an ein Wechselspannungsnetz 25 angeschlossen ist. Die Wechselrichterbrücke 24 besteht hier aus zwei Halbbrücken, die jeweils zwei Schalter 26 umfassen. Die Mittelpunkte der beiden Halbbrücken sind unter Zwischenschaltung mindestens einer Induktivität 27 mit dem Wechselspannungsnetz 25 verbunden. Die Wechselrichterbrücke 24 wird aus dem Gleichspannungszwischenkreis 7 mit der Zwischenkreiskapazität 8 gespeist, an den die Strings 22 über jeweils einen der Wandler 2 bis 4 angeschlossen sind. Anders als bei der Schaltungsanordnung 1 gemäß 1 weist also jeder der Wandler 2 bis 4 eine eigene Strom- bzw. Spannungsquelle auf. Alle Wandler 2 bis 4 sind aber weiterhin an den gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis 7 angeschlossen. In der gemeinsamen Ausgangsleitung 9 ist dabei wieder der gemeinsame Shuntwiderstand 10 zur Messung der Ströme durch die einzelnen Wandler 2 bis 4 angeordnet. Die die Spannung über dem Shuntwiderstand 10 messende Messeinrichtung 11 und das Filter 13 sind, obwohl erneut vorhanden, in der Figur weggelassen.
Die Konkretisierung des Photovoltaikwechselrichters 21 gemäß 7 entspricht der Konkretisierung der elektrischen Schaltung gemäß 2, außer dass die Wandler 2 bis 4 nicht parallel geschaltet sind, sondern eingangsseitig mit jeweils einem der Strings 22 verbunden sind. Ebenso entspricht die Konkretisierung des Photovoltaikwechselrichters 21 gemäß 8 derjenigen gemäß 3, diejenige gemäß 9 derjenigen gemäß 4 und diejenige gemäß 10 derjenigen gemäß 5.
Die Ausführungsform des Photovoltaikwechselrichters 21 gemäß 11 stimmt grundsätzlich mit derjenigen gemäß 6 überein. Allerdings sind an den Wandler 4 zwei parallel geschaltete Strings 22 angeschlossen, während an die Wandler 2 und 3 jeweils nur ein String 22 angeschlossen ist. Das heißt, die Generatorleistung, die über den Wandler 9 in den Zwischenkreis 7 eingespeist wird, ist doppelt do groß wie die Generatorleistung über die beiden anderen Wandler 2 und 3. Auch unter diesen Umständen, d. h. bei grundsätzlich unterschiedlichen Strömen durch die Wandler 2 bis 4, erfolgt die Strommessung über den einzigen gemeinsamen Shuntwiderstand 10. Entsprechend ist der apparative Aufwand für die Durchführung der Strommessung besonders gering, selbst wenn man die zusätzlichen Kommutierungskapazitäten 36 gemäß den 4, 5, 9 und 10 berücksichtigt. Es gibt nur einen Shuntwiderstand 10, eine zugehörige Messeinrichtung 11, und auch die gesamte Auswertung der fortlaufend gemessenen Spannung über dem Shuntwiderstand 10 ist auf ein Filter 13 konzentriert.
Die Schaltungsanordnung 1 gemäß 12 umfasst zwei Wandler 2 und 3, die jeweils eine Induktivität 17 und eine Halbbrücke aus Schaltern 19 aufweisen. Dabei umfassen die beiden Wandler 2 und 3 nur die gemeinsame Ausgangsleitung 9, in der der Shuntwiderstand 10 angeordnet ist und die nach Erde führt, d. h. das gemeinsame Bezugspotential der beiden Wandler 2 und 3 bereitstellt. Beide Wandler 2 und 3 sind an eine eigene eingangsseitige Strom- bzw. Spannungsquelle 28 angeschlossen; und sie stellen auch getrennte Ausgangsspannungen 29 bereit. Dennoch erfolgt die Messung der durch beide Wandler 2 und 3 fließenden Ströme mittels eines einzigen Shuntwiderstands 10 einer einzigen Messeinrichtung 11 für die über den Shuntwiderstand 10 abfallende Spannung und eines Filters 13 für die fortlaufend gemessene Spannung 12.
13 illustriert die Grundfunktion des Filters 13, dem neben der fortlaufend gemessenen Spannung 12 die Ansteuersignale 14 bis 16 der Schalter der Wandler 2 bis 4 zugeführt werden. Diese Ansteuersignale 14 bis 16 zeigen an, wann die Schalter 19 der einzelnen Wandler 2 bis 4 so geschaltet sind, dass durch die einzelnen Wandler 2 bis 4 ein Strom fließen kann, der weiter durch den Shuntwiderstand 10 fließt. Das Filter 13 ermittelt neben einem Gesamtstrom 30 durch die Gesamtheit der Wandler 2 bis 4 Ströme 31 bis 33 durch die einzelnen Wandler 2 bis 4.
14 skizziert eine mögliche Umsetzung des Filters 13 gemäß 13. Mit dem Ansteuersignal 14 wird die Spannung 12 einem CIC-Filter 34 zugeführt, um die Lücken zwischen den einzelnen Abtastpunkten bei der Delta-Sigma-Wandlung durch die Messeinrichtung 10 aufzufüllen. Das so entstandene Signal CIC 1 wird einer Korrektureinrichtung 35 zugeführt, die die parallel generierten Signale CIC 2 bis CIC n zu den anderen Wandlern als weitere Eingangswerte erhält und daraus den Strom durch den Wandler 2 ermittelt.
Wie 15 zeigt, können statt der Signale CIC 2 bis CIC n aus der Auswertung der gemessenen Spannung 12 für die anderen Wandler auch deren Ansteuersignale 15 und 16 in der Korrektureinrichtung 35 verwendet werden.
16 illustriert die weitere Möglichkeit, die Eingangs- oder Ausgangsspannungen 37 bis 39 der Wandler als zusätzliche Eingangssignale der Korrektureinrichtung 35 zu verwenden.
Das Filter 13 bzw. die Korrektureinrichtung 35 kann statt eines Stroms auch nur die entsprechende Spannung über dem Shuntwiderstand 10 ausgeben, wobei der Strom der Quotient aus der Spannung und dem ohmschen Widerstand des Shuntwiderstands 10 ist.
Der Fachmann kann das Filter 13 anhand der ihm hierfür in den 14 bis 16 gemachten Vorschläge leicht realisieren, wobei auch Kombinationen von Ausführungsdetails dieser Filterkonzepte möglich sind. Besonders einfach ist dies durch Programmierung eines Prozessors zur digitalen Datenverarbeitung möglich.
Bezugszeichenliste

1: Schaltungsanordnung
2: Wandler
3: Wandler
4: Wandler
5: Eingangsleitung
6: Eingangsleitung
7: Gleichspannungszwischenkreis
8: Zwischenkreiskapazität
9: Ausgangsleitung
10: Shuntwiderstand
11: Messeinrichtung
12: gemessene Spannung
13: Filter
14: Ansteuersignal
15: Ansteuersignal
16: Ansteuersignal
17: Induktivität
18: Diode
19: Schalter
20: Ausgangsleitung
21: Photovoltaikwechselrichter
22: String
23: Solarmodul
24: Wechselrichterbrücke
25: Wechselstromnetz
26: Schalter
27: Induktivität
28: Strom- und/oder Spannungsquelle
29: Ausgangsspannung
30: Gesamtstrom
31: Strom
32: Strom
33: Strom
34: CIC-Filter
35: Korrektureinrichtung
36: Kommutierungskapazität
37: Spannung
38: Spannung
39: Spannung

Claims

Verfahren zum Messen von Strömen (31 bis 33), die durch mehrere Wandler (2 bis 4) fließen, welche jeweils mindestens einen mit einem Ansteuersignal (14 bis 16) aktiv geschalteten Schalter (19) umfassen und die an mindestens eine gemeinsame Ausgangsleitung (9, 20) angeschlossen sind, wobei ein Shuntwiderstand (10) in der gemeinsamen Ausgangsleitung (9, 20) angeordnet wird und die über dem Shuntwiderstand (10) abfallende Spannung in Abhängigkeit von den sich unterscheidenden Ansteuersignalen (14 bis 16) der Schalter (19) erfasst wird, wobei die Spannung über dem Shuntwiderstand (10) fortlaufend gemessen wird und wobei die gemessene Spannung (12) in Abhängigkeit von den Ansteuersignalen (14 bis 16) der Schalter (19) gefiltert wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Filtern der fortlaufend gemessenen Spannung Änderungen der über den Shuntwiderstand (10) abfallenden Spannung in Hinblick auf die durch die einzelnen Wandler (2 bis 4) fließenden Ströme (31 bis 33) analysiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandler (2 bis 4) eingangsseitig an jeweils eigene Strom- und/oder Spannungsquellen angeschlossen sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiv geschalteten Schalter (19) während des Messens der durch die Wandler (2 bis 4) fließenden Ströme (31 bis 33) mit den Ansteuersignalen (14 bis 16) so geschaltet werden, dass die durch die jeweiligen Wandler (2 bis 4) fließenden Ströme (31 bis 33) einander zeitlich überlappen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiv geschalteten Schalter (19) während des Messens der durch die Wandler (2 bis 4) fließenden Ströme (31 bis 33) mit den Ansteuersignalen (14 bis 16) so geschaltet werden, dass mindestens eine durch einen der Wandler (2 bis 4) fließender Strom (31 bis 33) immer mit jeweils mindestens einem anderen, durch einen anderen der Wandler (2 bis 4) fließenden Strom (31 bis 33) zeitlich überlappt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung über dem Shuntwiderstand (10) fortlaufend mittels Delta-Sigma-Wandlung gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessene Spannung (12) in Abhängigkeit von den Ansteuersignalen (14 bis 16) der Schalter (19) digital gefiltert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuersignale (14 bis 16) in Abhängigkeit von der gefilterten Spannung generiert werden.
Schaltungsanordnung (1) mit mehreren Wandlern (2 bis 4), die jeweils mindestens einen mit einem Ansteuersignal (14 bis 16) aktiv geschalteten Schalter (19) umfassen und die an mindestens eine gemeinsame Ausgangsleitung (9, 20) angeschlossen sind, mit einem in der gemeinsamen Ausgangsleitung (9, 20) angeordneten Shuntwiderstand (10) und mit einer Messeinrichtung (11), die die über dem Shuntwiderstand (10) abfallende Spannung in Abhängigkeit von den sich unterscheidenden Ansteuersignalen (14 bis 16) der Schalter (19) erfasst, wobei die Messeinrichtung (11) die Spannung über dem Shuntwiderstand (10) fortlaufend misst und ein Filter (13) zum Filtern der gemessenen Spannung (12) in Abhängigkeit von den Ansteuersignalen (14 bis 16) der Schalter (19) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter (13) durch das Filtern der fortlaufend gemessenen Spannung Änderungen der über den Shuntwiderstand (10) abfallenden Spannung in Hinblick auf die durch die einzelnen Wandler (2 bis 4) fließenden Ströme (31 bis 33) analysiert.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandler (2 bis 4) eingangsseitig an jeweils eigene Strom- und/oder Spannungsquellen (28) angeschlossen sind.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandler (2 bis 4) eingangsseitig an unterschiedliche Strings (22) eines Solarmoduls (23) angeschlossen sind.
Schaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (11) einen Delta-Sigma-Wandler für die Spannung über dem Shuntwiderstand (10) aufweist.
Schaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter (13) ein digitales Filter ist.
Schaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kommutierungskapazität (36) für mindestens einen Schalter (19) mindestens eines Wandlers (2 bis 4) vor dem Shuntwiderstand (10) zwischen die Ausgangsleitungen des Wandlers (2 bis 4) geschaltet ist.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kommutierungskapazität (36) mit einem Dämpfungswiderstand in Reihe geschaltet ist.
Schaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandler (2 bis 4) an einen gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis (7) angeschlossen sind.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 15 und einem der Ansprüche 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass jede Kommutierungskapazität (36) um mindestens einen Faktor 10^–3 kleiner ist als eine Zwischenkreiskapazität (8) des Gleichspannungszwischenkreises (7).
Schaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandler (2 bis 4) Interleavingwandler einer Wandlerstufe sind.
Schaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandler (2 bis 4) ungleich ausgebildet sind.
Photovoltaikwechselrichter (21) mit einer Schaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 18.