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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Wechselrichter, insbesondere einen sogenannten Photovoltaikwechselrichter, mit einem Generatoranschluss, einem Netzanschluss und einem Batterieanschluss und mit den weiteren Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1.
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Wenn an den Generatoranschluss des Wechselrichters ein Gleichstromgenerator angeschlossen ist, der elektrische Energie aus regenerativen Quellen wie Windkraft oder Sonnenstrahlung gewinnt, steht diese elektrische Energie nicht dauerhaft und möglicherweise nicht genau dann zur Verfügung, wenn sie benötigt wird. Deshalb weist der Wechselrichter die Möglichkeit des Anschlusses einer Batterie als Puffer für elektrische Energie an seinen Batterieanschluss auf.
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Durch das Zwischenspeichern von elektrischer Energie kann der Verbrauch der von dem Gleichstromgenerator erzeugten elektrischen Energie am Ort der Erzeugung, der auch als Eigenverbrauch bezeichnet wird, maximiert werden. Das heißt, es wird so weit wie möglich vermieden, dass der Wechselrichter in einem Zeitraum elektrische Energie in das Wechselstromnetz einspeist, weil sie vor Ort gerade nicht benötigt wird, und in einem anderen Zeitraum elektrische Energie aus dem Wechselstromnetz entnommen wird. In gleicher Weise können auch kurzfristige Schwankungen der elektrischen Leistung eines an den Generatoranschluss angeschlossenen Gleichstromgenerators ausgeglichen werden, wie sie z. B. bei Photovoltaikgeneratoren auftreten. Durch beide Maßnahmen wird die Belastung eines an den Netzanschluss angeschlossenen Wechselstromnetzes reduziert.
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Bei dem Wechselstromnetz, an das der Wechselrichter angeschlossen ist, kann es sich unmittelbar um ein öffentliches Stromnetz handeln, so dass ein Netzübergabepunkt im Bereich des Netzanschlusses des Wechselrichters gebildet ist. Es kann sich aber auch um ein lokales Wechselstromnetz handeln, das an einem separaten Netzübergabepunkt an ein öffentliches Stromnetz angebunden ist. Diese Konfiguration ist günstig, weil dann mit dem Wechselrichter ein Bedarf an elektrischer Energie in dem lokalen Wechselstromnetz mit möglichst geringem verbleibenden Energietransfer über den Netzübergabepunkt gedeckt werden kann.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit einer besonders günstigen Anbindung der Batterie an den Wechselrichter. Dabei versteht es sich, dass vorzugsweise besonders hochwertige Batterien mit anhaltend hohem Wirkungsgrad beim Zwischenspeichern von elektrischer Energie, wie beispielsweise Lithiumionenbatterien, zum Einsatz kommen.
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STAND DER TECHNIK
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Grundsätzlich ist es bekannt, eine Batterie über einen eigenen bidirektionalen Wechselrichter an ein Wechselstromnetz anzuschließen, an das auch ein Gleichstromgenerator, beispielsweise ein Photovoltaikgenerator, über einen Wechselrichter angeschlossen ist, und zwar auf derselben Seite eines Netzübergabepunkts zu einem öffentlichen Stromnetz hin. Dieses Konzept ist aufwändig, weil zwei getrennte Wechselrichter benötigt werden und weil beim Aufladen der Batterie mit elektrischer Energie von dem Gleichstromgenerator Verluste durch die begrenzten Wirkungsgrade aller im Energiefluss angeordneten Einrichtungen auftreten.
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Aus D. Magnor et al.: Analysis of the Model Dynamics for the Battery and Battery Converter in a Grid-Connected 5kW Photovoltaic System, Beitrag des ISEA (Aachen) auf der 25. EUPVSEC in Valencia 2010: http://www.sol-ion-project.eu/sites/en/media_center/conference_papers.html, ist ein Wechselrichter mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 bekannt, bei dem ein Gleichspannungszwischenkreis des Wechselrichters über einen ersten DC/DC-Wandler aus einem Photovoltaikgenerator aufladbar ist, und ein zweiter, bidirektionaler DC/DC-Wandler vorgesehen ist, um einerseits eine Batterie aus dem Gleichspannungszwischenkreis zu laden und um andererseits den Gleichspannungszwischenkreis aus der Batterie zu laden. Dieser zweite, bidirektionale DC/DC-Wandler ist konkret aus zwei symmetrischen Halbbrücken aufgebaut, deren Mittelpunkte über Speicherdrosseln zu der Batterie hin miteinander verbunden sind und die gegenphasig getaktet werden, um einen möglichst konstanten Batteriestrom zur bzw. von der Batterie zu erzielen. Bei diesem bekannten Wechselrichter werden beim Aufladen der Batterie mit elektrischer Energie von dem Gleichstromgenerator Verluste durch Umwandlung in Wechselstrom vermieden. Die elektrische Energie von dem Gleichstromgenerator fließt über den ersten und den zweiten DC/DC-Wandler in die Batterie. Auf diese Weise wird ein verbesserter Wirkungsgrad beim Zwischenspeichern von elektrischer Energie in der Batterie erreicht.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wechselrichter mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, mit dem ein noch besserer Wirkungsgrad beim Zwischenspeichern von elektrischer Energie von einem angeschlossenen Gleichstromgenerator in eine angeschlossene Batterie erreicht wird.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Wechselrichter mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des neuen Wechselrichters sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
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Wenn in den Ansprüchen auf einen Generatoranschluss für einen Gleichstromgenerator, einen Batterieanschluss für eine Batterie oder einen Netzanschluss für ein Wechselstromnetz hingewiesen wird, so bedeutet dies nicht, dass der Gleichstromgenerator oder die Batterie oder das Wechselstromnetz Teil des beanspruchten Wechselrichters ist. Der Gleichstromgenerator oder die Batterie oder das Wechselstromnetz werden auch dann nicht zu einem Teil des beanspruchten Wechselrichters, wenn in den Ansprüchen von einem an den Generatoranschluss angeschlossenen Gleichstromgenerator oder einer an den Batterieanschluss angeschlossenen Batterie oder einem an den Netzanschluss angeschlossenen Wechselstromnetz die Rede ist.
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Aus eben diesem Grund wird in den Patentansprüchen wiederholt mit unbestimmtem Artikel auf "einen Gleichstromgenerator", "eine Batterie" und "ein Wechselstromnetz" Bezug genommen, obwohl "ein Gleichstromgenerator", "eine Batterie" bzw. "ein Wechselstromnetz" bereits vorherige Erwähnung in den Patentansprüchen gefunden hat.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei einem Wechselrichter mit einem Generatoranschluss für einen Gleichstromgenerator, einem Batterieanschluss für eine Batterie, einem Netzanschluss für ein Wechselstromnetz, einem Gleichspannungszwischenkreis, einem ersten DC/DC-Wandler, um den Gleichspannungszwischenkreis mit elektrischer Energie von einem an den Generatoranschluss angeschlossenen Gleichstromgenerator aufzuladen, einem DC/AC-Wandler, um elektrische Energie aus dem Gleichspannungszwischenkreis in ein an den Netzanschluss angeschlossenes Wechselstromnetz einzuspeisen, und einem bidirektionalen Batterieladeschaltkreis, der an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen ist, um den Gleichspannungszwischenkreis mit elektrischer Energie von einer an dem Batterieanschluss angeschlossenen Batterie aufzuladen, ist erfindungsgemäß der Batterieladeschaltkreis zusätzlich an den Generatoranschluss angeschlossen, um eine an dem Batterieanschluss angeschlossene Batterie direkt, d. h. unter Umgehung des Gleichspannungszwischenkreises und damit auch des ersten DC/DC-Wandlers, mit elektrischer Energie von einem an den Generatoranschluss angeschlossenen Gleichstromgenerator aufzuladen.
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Mit anderen Worten fließt die elektrische Energie beim Aufladen der an den Batterieanschluss angeschlossenen Batterie von dem an den Generatoranschluss angeschlossenen Gleichstromgenerator nur durch den Batterieladeschaltkreis, nicht jedoch durch den ersten DC/DC-Wandler, über den der Gleichspannungszwischenkreis mit elektrischer Energie von dem an den Generatoranschluss angeschlossenen Gleichstromgenerator aufgeladen wird. Hierdurch wird der Wirkungsgrad beim Zwischenspeichern von elektrischer Energie, die dann über den zweiten DC/DC-Wandler in den Gleichspannungszwischenkreis eingespeist werden kann, signifikant gesteigert.
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Der Batterieladeschaltkreis kann einen bidirektional ausgebildeten DC/DC-Wandler aufweisen, der hier in Bezug auf den ersten DC/DC-Wandler zwischen dem Generatoranschluss und dem Gleichspannungszwischenkreis als zweiter DC/DC-Wandler bezeichnet wird und der wahlweise zwischen den Generatoranschluss oder den Gleichspannungszwischenkreis einerseits und den Batterieanschluss andererseits schaltbar ist.
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Alternativ kann der Batterieladeschaltkreis einen zweiten DC/DC-Wandler sowie einen dritten DC/DC-Wandler aufweisen, wobei der zweite DC/DC-Wandler zwischen dem Gleichspannungszwischenkreis einerseits und dem Batterieanschluss andererseits und der dritte DC/DC-Wandler zwischen dem Generatoranschluss einerseits und dem Batterieanschluss andererseits vorgesehen ist. Der zweite und der dritte DC/DC-Wandler können dabei durch Stromdrosseln passiv entkoppelt sein.
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Um eindeutige Energieflusspfade durch den neuen Wechselrichter sicherzustellen, ist es jedoch bevorzugt, wenn der der Batterieladeschaltkreis eine Schalteinrichtung aufweist. Diese kann dann wahlweise den zweiten DC/DC-Wandler zwischen den Gleichspannungszwischenkreis einerseits und dem Batterieanschluss andererseits oder den dritten DC/DC-Wandler zwischen den Generatoranschluss einerseits und den Batterieanschluss andererseits zu schalten. Dies bedeutet, dass durch Schalter, vorzugsweise Relais, jeweils nur der gewünschte Strompfad zu der an den Batterieanschluss angeschlossenen Batterie freigegeben wird.
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Weiterhin ist es bevorzugt, wenn der Batterieladeschaltkreis beim Aufladen des Gleichspannungszwischenkreises mit elektrischer Energie von einer an den Batterieanschluss angeschlossenen Batterie eine Ausgangsspannung der Batterie hochsetzt, während er beim Laden der Batterie mit elektrischer Energie direkt von einem an den Generatoranschluss angeschlossenen Gleichstromgenerator eine Ausgangsspannung des Gleichstromgenerators tiefsetzt. Das heißt, der dritte DC/DC-Wandler ist, falls vorhanden, als unidirektionaler Tiefsetzsteller ausgebildet. Hingegen ist der zweite DC/DC-Wandler, falls unidirektional ausgebildet, als Hochsetzsteller ausgebildet. Wenn der zweite DC/DC-Wandler jedoch bidirektional ausgebildet ist, wird er zum Batterieanschluss hin tiefsetzend und vom Batterieanschluss weg hochsetzend betrieben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Wechselrichter kann eine an den Batterieanschluss angeschlossene Batterie über den Batterieladeschaltkreis alternativ mit elektrischer Energie aus dem Gleichspannungszwischenkreis aufladbar sein. Auf diese Weise kann der erste DC/DC-Wandler zwischen dem Generatoranschluss und dem Gleichspannungszwischenkreis zum Hochsetzen einer zum direkten Laden der Batterie zu niedrigen Ausgangsspannung eines angeschlossenen Gleichstromgenerators genutzt werden. Außerdem ist das Aufladen der Batterie aus dem Gleichspannungszwischenkreis der bevorzugte Energiefluss beim Aufladen der Batterie mit elektrischer Energie aus einem an den Netzanschluss des Wechselrichters angeschlossenen Wechselstromnetz, weil dann der Wirkungsgrad beim Zwischenspeichern der elektrischen Energie in der Batterie maximiert ist.
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Für das alternative Aufladen der Batterie mit elektrischer Energie aus dem Gleichspannungszwischenkreis kann in dem Batterieladeschaltkreis ein bidirektional ausgebildeter zweiter DC/DC-Wandler oder ein grundsätzlich unidirektional ausgebildeter und sonst zum Laden der Batterie direkt aus dem Generatoranschluss verwendeter dritter DC/DC-Wandler oder ein ebenfalls unidirektional ausgebildeter, zusätzlicher vierter DC/DC-Wandler vorgesehen sein. Bei diesen unidirektionalen DC/DC-Wandlern handelt es vorzugsweise um Tiefsetzsteller.
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Wenn in dem Batterieladeschaltkreis der dritte DC/DC-Wandler neben dem zweiten DC/DC-Wandler vorgesehen ist, ist es bevorzugt, wenn diese beiden DC/DC-Wandler mindestens ein gemeinsames Bauteil aufweisen. Vorzugsweise handelt es sich dabei um eine gemeinsame Speicherdrossel, wie sie für die Realisierung der gewünschten Hochsetz- bzw. Tiefsetzstellerfunktion der DC/DC-Wandler benötigt wird. Durch diese doppelte Verwendung der Speicherdrossel werden eine zweite Speicherdrossel und damit zusätzliches erhebliches Gewicht bzw. zusätzliche erhebliche Kosten eingespart.
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Weiterhin ist es bei dem erfindungsgemäßen Wechselrichter bevorzugt, wenn in dem Batterieanschluss ein Gleichstromfilter vorgesehen ist. Ein solches Gleichstromfilter, das vorzugsweise mindestens eine Stromdrossel und einen Glättungskondensator aufweist, glättet den Batteriestrom, so dass er von Schwankungen frei ist, die die Lebensdauer der Batterie beeinträchtigen. Dies gilt auch dann, wenn der zweite DC/DC-Wandler und ggf. jeder weitere DC/DC-Wandler, der einen Strom zur oder von der Batterie führt, als einfacher Wandler mit nur einem hochfrequent angesteuerten Schalter ausgebildet ist. Grundsätzlich kann zur Glättung des Batteriestroms auch jeweils eine Mehrzahl von parallel geschalteten Teilwandlern für jeden oder einzelne der DC/DC-Wandler vorgesehen sein, wobei die Teilwandler in an sich bekannter Weise in einem Interleavingmode betrieben werden. Dies erhöht jedoch den konstruktiven Aufwand für den erfindungsgemäßen Wechselrichter.
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Zusätzlich können in dem Batterieanschluss auch ein Batterieschalter zum Vermeiden von Selbstentladung der Batterie und/oder Sicherungen vorgesehen sein. Vielfach ist bei dem erfindungsgemäßen Wechselrichter aber ein separater die Selbstentladung der Batterie verhindernder Schalter nicht erforderlich, da zu diesem Zweck auch Schalter geöffnet werden können, die eigentlich zum Auswählen der Anbindung der Batterie entweder an den Gleichspannungszwischenkreis oder den Generatoreingang vorgesehen sind.
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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 allen 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 der relativen Anordnung und Wirkverbindung mehrerer dargestellter Bauteile – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.
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1 zeigt eine Photovoltaikanlage mit einer grundsätzlichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters, der einen DC/DC-Wandler zwischen einem Generatoranschluss und einem Gleichspannungszwischenkreis und einen Batterieladeschaltkreis zwischen einem Batterieanschluss einerseits und dem Gleichspannungszwischenkreis sowie dem Generatoranschluss andererseits aufweist.
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2 zeigt eine erste Ausgestaltung des Batterieladeschaltkreises des erfindungsgemäßen Wechselrichters gemäß 1, bei der ein bidirektionaler DC/DC-Wandler zu dem Gleichspannungszwischenkreis und dem Generatoranschluss hin verzweigt ist.
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3 zeigt eine nähere Ausgestaltung des Batterieladeschaltkreises gemäß 2 als Synchronwandler.
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4 zeigt eine Ausgestaltung des Batterieladeschaltkreises des erfindungsgemäßen Wechselrichters gemäß 1, bei der ein DC/DC-Wandler zwischen dem Batterieanschluss und dem Gleichspannungszwischenkreis und ein weiterer DC/DC-Wandler zwischen dem Generatoranschluss und dem Batterieanschluss vorgesehen ist.
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5 zeigt eine nähere Ausgestaltung des Batterieladeschaltkreises gemäß 4 mit einem Hochsetzsteller und einem Tiefsetzsteller.
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6 zeigt eine alternative Ausgestaltung des Batterieladeschaltkreises gemäß 4 und 5 ohne aktive Schalteinrichtung zur Auswahl des Hochsetzstellers oder des Tiefsetzstellers.
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7 zeigt eine Variante der Ausgestaltung des Batterieladeschaltkreises gemäß 4 und 5 mit einem eingangsseitig zu dem Generatoranschluss und dem Gleichspannungszwischenkreis verzweigten Tiefsetzsteller.
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8 zeigt eine Variante der Ausgestaltung des Batterieladeschaltkreises gemäß 4 und 5 mit einem zusätzlichen Tiefsetzsteller zwischen dem Gleichspannungszwischenkreis und dem Batterieanschluss.
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9 zeigt eine erste Ausgestaltung eines Gleichstromfilters des erfindungsgemäßen Wechselrichters gemäß 1.
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10 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters, bei der der DC/DC-Wandler, der Batterieladeschaltkreis und das Gleichstromfilter gemäß 1 konkretisiert sind.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Der in 1 als Teil einer Energieerzeugungsanlage in Form einer Photovoltaikanlage dargestellte Wechselrichter 1 weist einen Generatoranschluss 2 für einen Gleichstromgenerator 3 auf, der eine Ausgangsspannung UPV bereitstellt. Hier ist ein Photovoltaikgenerator 4 angedeutet. Weiterhin weist der Wechselrichter 1 einen Batterieanschluss 5 für eine Batterie 6 auf, um elektrische Energie von dem Gleichstromgenerator 3 zwischenzuspeichern. Die Batterie 6 stellt eine Ausgangsspannung UBatt bereit. An einem Netzanschluss 7 des Wechselrichters 1 ist ein Wechselstromnetz 8 mit einer Netzspannung UGrid angeschlossen. In dem Wechselrichter 1 wird ein Gleichspannungszwischenkreis 9 mit einem oder mehreren Zwischenkreiskondensator 10 über einen DC/DC-Wandler 11, typischerweise einen Hochsetzsteller, mit elektrischer Energie von dem Gleichstromgenerator 3 auf eine Zwischenkreisspannung UDCL aufgeladen. Ein DC/AC-Wandler 12 des Wechselrichters 1 ist vorgesehen, um elektrische Energie aus dem Gleichspannungszwischenkreis 9 in das Wechselstromnetz 8 einzuspeisen, wobei er einen zwischen Leitungen 13 und 14 von dem Generatoranschluss 2 zu dem Gleichspannungszwischenkreis 9 fließenden Gleichstrom in einen Wechselstrom wandelt. Zum Auf- und Entladen der Batterie 6 ist ein Batterieladeschaltkreis 15 zwischen dem Generatoranschluss 2 und dem Batterieanschluss 5 einerseits und dem Batterieanschluss 5 und dem Gleichspannungszwischenkreis 9 andererseits vorgesehen. Der Batterieladeschaltkreis 15 dient zum Laden der Batterie 6 mit elektrischer Energie von dem Generator 3 und zum Laden des Gleichspannungszwischenkreises 9 mit elektrischer Energie aus der Batterie 6. In dem Batterieanschluss 5 ist weiterhin ein Gleichstromfilter 16 vorgesehen, das den Batteriestrom von und zu der Batterie 6 glättet.
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Im Betrieb des Wechselrichters 1 wird der Zwischenkreis 9 wahlweise über den DC/DC-Wandler 11 mit elektrischer Energie aus dem Gleichstromgenerator 3 oder über den Batterieladeschaltkreis 15 mit elektrischer Energie aus der Batterie 6 geladen. Dabei wird entweder die Ausgangsspannung UPV des Gleichstromgenerators 3 mit dem DC/DC-Wandler 11 oder die Ausgangsspannung UBatt der Batterie 6 mit dem Batterieladeschaltkreis 15 auf die gewünschte Zwischenkreisspannung UDCL hochgesetzt. Das Aufladen der Batterie 6 mit elektrischer Energie von dem Gleichstromgenerator 3 erfolgt unter Umgehung des DC/DC-Wandlers 11 über den Batterieladeschaltkreis 15, wobei die Ausgangsspannung UPV des Gleichstromgenerators 3 tiefgesetzt wird.
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2 zeigt eine mögliche prinzipielle Ausgestaltung des Batterieladeschaltkreises 15 durch einen bidirektionalen DC/DC-Wandler 17, der über eine Schalteinrichtung 18, hier in Form eines Wechselschalters 19, zu einem Anschluss 22 zu dem Gleichspannungszwischenkreis 9 und einem Anschluss 23 dem Generatoranschluss 2 gemäß 1 verzweigt ist.
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3 illustriert, dass der bidirektionale DC/DC-Wandler 17 gemäß 2 zum Beispiel ein Synchronwandler mit einer symmetrischen Halbbrücke aus zwei Halbleiterschaltern S1 und S2 mit antiparallelen Dioden D2 und D1 und einer an den Mittelpunkt der Halbbrücke angeschlossenen Speicherdrossel L1 sein kann.
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Mit dem bidirektionalen DC/DC-Wandler 17, der über die Schalteinrichtung 18 wahlweise dem Anschluss 23 zu dem Generatoranschluss 2 und dem Anschluss 22 zu dem Gleichspannungszwischenkreis 9 zugeschaltet wird, ist es auch möglich, den Gleichspannungszwischenkreis 9 indirekt, d.h. über den DC/DC-Wandler 11 gemäß 1 aus der Batterie 6 zu laden, um sowohl eine hochsetzende Funktion des DC/DC-Wandlers 17 als auch des DC/DC-Wandler 11 zu nutzen.
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4 illustriert, dass der Batterieladeschaltkreis 15 auch aus einem DC/DC-Wandler 24 zwischen dem Batterieanschluss 5 und dem Anschluss 22 zu dem Gleichspannungszwischenkreis 9 gemäß 1 und einem weiteren DC/DC-Wandler 25 zwischen dem Anschluss 23 zu dem Generatoranschluss 2 und dem Batterieanschluss 5 gemäß 1 aufgebaut sein kann, die wechselweise über eine Schalteinrichtung 18 in Form zwei separater Schalter 26 und 27 mit dem Batterieanschluss 5 gemäß 1 verbunden werden. Die beiden Schalter 26 und 27 werden alternativ geschlossen; dabei wählt der Schalter 26 den DC/DC-Wandler 24 und der Schalter 27 den DC/DC-Wandler 25 aus.
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Ein in einer Batterieanbindung häufig vorhandener Schalter, der geöffnet wird, um eine Selbstentladung der Batterie zu verhindern, ist hier nicht erforderlich, da eine Selbstentladung der Batterie 6 gemäß 1 dann unterbunden ist, wenn beide Schalter 26 und 27 geöffnet sind.
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5 zeigt eine konkrete Ausgestaltung des Batterieladeschaltkreises 15 gemäß 4, wobei der DC/DC-Wandler 24 als Hochsetzsteller mit einem Schalter S1, einer Diode D1 und einer Speicherdrossel L1 ausgebildet ist, während der DC/DC-Wandler 25 als Tiefsetzsteller mit einem Schalter S2, einer Diode D2 und ebenfalls der Speicherdrossel L1 ausgebildet ist. Die gemeinsame Nutzung der Speicherdrossel L1 sowohl für den Hochsetzsteller 24 als auch für den Tiefsetzsteller 25 ist dadurch ermöglicht, dass die Schalteinrichtung 18 jeweils zwischen dem Mittelpunkt der Diode D1 und des Schalters S1 bzw. des Schalters S2 und der Diode D2 und der Speicherdrossel L1 vorgesehen ist. Die Schalteinrichtung 18 wählt so nicht nur aus, welcher der beiden DC/DC-Wandler 24 und 25 mit dem Batterieanschluss 5 gemäß 1 verbunden ist, sondern auch, wer damit die Speicherdrossel L1 nutzt.
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6 illustriert die Möglichkeit, ohne eine aktive Schalteinrichtung 18 auszukommen, indem die beiden DC/DC-Wandler 24 und 25 durch Stromdrosseln L2 und L3 zwischen der gemeinsamen Speicherdrossel L1 und den Mittelpunkten zwischen der Diode D1 und dem Schalter S1 bzw. der Diode D2 und dem Schalter S2 entkoppelt sind. Vergleichsweise kleine Induktivitäten dieser Stromdrosseln L2 und L3 sind für eine ausreichende Entkopplung der beiden DC/DC-Wandler 24 und 25 ausreichend, so dass die Auswahl des jeweils aktiven DC/DC-Wandlers nur durch Ansteuerung seines Schalters S1 bzw. S2 erfolgen kann.
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Die Ausführungsform des Batterieladeschaltkreises 15 gemäß 7 unterscheidet sich von derjenigen gemäß 5 darin, dass der Tiefsetzsteller 25 über einen Schalter S3, auch zu dem Gleichspannungszwischenkreis 9 verzweigt ist. Weiterhin ist eine Sperrdiode D3 in demselben Zweig wie der Schalters S2 vorgesehen, die einen Kurzschluss des DC/DC-Wandlers 11 gemäß 1 über eine in 7 eingezeichnete "Bodydiode" von S2 bei geschlossenem Schalter S3 verhindert. Bei geschlossenem Schalter 27 kann durch wahlweises Ansteuern eines der Schalter S1 oder S3 die Batterie 6 über den Tiefsetzsteller 25 mit elektrischer Energie direkt von dem Gleichstromgenerator 3 oder mit elektrischer Energie aus dem Gleichspannungszwischenkreis 9 gemäß 1 geladen werden. Das Aufladen der Batterie 6 mit elektrischer Energie aus dem Wechselstromnetz 8 kann beispielsweise erwünscht sein, um Netzdienstleistungen zu erbringen, indem überschüssige Leistung gespeichert wird, um zu einem späteren Zeitpunkt wieder in das Wechselstromnetz 8 eingespeist zu werden. Es versteht sich, dass dann, wenn ein Aufladen der Batterie 6 aus dem Wechselstromnetz 8 heraus möglich sein soll, der DC/AC-Wandler 16 bidirektional ausgebildet sein muss. Das Aufladen der Batterie 6 aus dem Gleichspannungszwischenkreis 9 kann auch dann sinnvoll sein, wenn die Ausgangsspannung UPV des Gleichstromgenerators 3 bereits unter die Ausgangsspannung UBatt der Batterie 6 abgefallen ist, und dennoch ein Aufladen der Batterie 6 mit elektrischer Energie von dem Gleichstromgenerator 3 erfolgen soll.
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Bei der Ausführungsform des Batterieladeschaltkreises 15 gemäß 8 ist gegenüber der Ausführungsform gemäß 5 ein zusätzlicher DC/DC-Wandler 28 in Form eines Tiefsetzstellers ergänzt, der einen eigenen Schalter S4 und eine eigene Diode D4 aufweist und über einen Schalter 29 der Schalteinrichtung 18, der alternativ zu den Schaltern 26 und 27 geschlossen wird, ebenfalls auf die gemeinsame Speicherdrossel L1 zurückgreift, die auch von dem Tiefsetzsteller 25 und dem Hochsetzsteller 24 genutzt wird. Dieser zusätzliche Tiefsetzsteller 28 ist durch Schließen des Schalters 29 zwischen den Gleichspannungszwischenkreis 9 und den Batterieanschluss 5 mit der angeschlossenen Batterie 6 gemäß 1 schaltbar, um die Batterie 6 aus dem Gleichspannungszwischenkreis 9 zu laden. Grundsätzlich kann der Tiefsetzsteller 28 mit dem Hochsetzsteller 24 zu einem bidirektionalen DC/DC-Wandler zusammengefasst werden, wie beispielsweise dem in 3 gezeigten Synchronwandler, der ein Laden und Entladen des Gleichspannungszwischenkreises mit der bzw. in die Batterie 6 erlaubt.
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9 illustriert eine mögliche Ausführung des Gleichstromfilters 16 gemäß 1. Das Gleichstromfilter besteht aus einer Kombination von Drosseln 30 und 31 und Kondensatoren 32 und 33 in und zwischen den beiden Leitungen 20 und 21 des Batterieanschlusses 5. Zusätzlich sind in den beiden Leitungen 20 und 21 Sicherungen 34 vorgesehen. Die Sicherungen 34 können als Schmelzsicherungen ausgebildet sein. Die Kondensatoren 32 sind als sogenannte X-Kondensatoren direkt zwischen die beiden Leitungen 20 und 21 geschaltet, während die Mittelpunkte der in Reihe geschalteten Kondensatoren 33 geerdet, d. h. die Kondensatoren 33 als sogenannte Y-Kondensatoren vorgesehen sind. Die Drossel 30 ist nur in einer der beiden Leitungen des Batterieanschlusses 5 vorgesehen. Die Drosseln 31 sind durch magnetische Kopplung stromkompensiert und dienen der Gleichtaktunterdrückung. Zu den den Gleichstrom von und zu der Batterie 6 gemäß 5 filternden Bauteilen zählt auch die Speicherdrossel L1 gemäß den 3 sowie 5 bis 8, die das Gleichstromfilter 16 zu einem LCL-Filter mit zusätzlichen Entstörmaßnahmen ergänzt.
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Bei der Ausführungsform des Wechselrichters 1 gemäß 10 ist der Tiefsetzsteller 25 gemäß 5 über den Schalter 27 der Schalteinrichtung 18 mit dem Generatoranschluss 2 und alternativ dazu über den Schalter 29 mit dem Gleichspannungszwischenkreis 9 verbindbar. Das heißt, der Schalter 29 ist wie in 8 und anders als der Schalter S3 in 7 kein gepulster Schalter und dementsprechend vorzugsweise als Relais ausgebildet. Egal, ob der Tiefsetzsteller 25 mit dem Generatoranschluss 2 oder dem Gleichspannungszwischenkreis 9 verbunden ist, weist er den Schalter S2, die Diode D2 und die Speicherdrossel L1 als aktive Bestandteile auf. Bei der Ausführungsform des Wechselrichters 1 gemäß 10 bewirken die Schalter 26, 27 und 29 der Schalteinrichtung 18 keine vollständige Trennung der beiden Leitungen des Batterieanschlusses 5, da diese über die Diode D2 in Verbindung stehen. Es kann daher sinnvoll sein, ein zusätzliches Batterieabschaltrelais zur Vermeidung einer Selbstentladung der Batterie 6 vorzusehen.
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Das Gleichstromfilter 16 ist in 10 als LCL-Filter aus der Speicherdrossel L1, einer Entstördrossel 30 und einem Glättungskondensator 32 dargestellt. Zusätzlich ist in jeder der beiden Leitungen des Batterieanschlusses 5 eine Sicherung 34 vorgesehen. Der DC/DC-Wandler 11 zwischen dem Generatoranschluss 2 und dem Gleichspannungszwischenkreis 9 ist als Hochsetzsteller mit einer Speicherdrossel LBC, einer Diode DBC und einem Schalter SBC ausgebildet. Daneben weist der DC/DC-Wandler 11 eine Bypassdiode DBP auf, die es ermöglicht, die Hochsetzstellerschaltung zu umgehen, wenn die Ausgangsspannung UPV des Gleichstromgenerators 3 die benötigte Zwischenkreisspannung UDCL übersteigt, um Verluste zu reduzieren. Auch hier dient der als Hochsetzsteller ausgebildete DC/DC-Wandler 24 zum Aufladen des Gleichspannungszwischenkreises 9 mit elektrischer Energie von der Batterie 6. Dazu wird der Schalter 26, der vorzugsweise als Relais ausgebildet ist, anhaltend geschlossen, und der Schalter S1 wird gepulst betrieben, um die gewünschte Hochsetzung der Ausgangsspannung UBatt der Batterie herbeizuführen. Zum Aufladen der Batterie wird der Schalter 26 geöffnet und entweder der Schalter 27 oder der Schalter 29 geschlossen, je nachdem, ob über den Tiefsetzsteller 25 die Batterie 6 direkt, d. h. unter Umgehung des DC/DC-Wandlers 11 mit elektrischer Energie aus dem Gleichstromgenerator 3 oder aus dem Gleichspannungszwischenkreis 9 aufgeladen werden soll. Beim Aufladen wird dann jeweils der Schalter S2 gepulst betrieben.
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Alle in 10 mit einer gestrichelten Linie umschlossenen Teile des Wechselrichters 1 sind vorzugsweise gemeinsam in einem Wechselrichtergehäuse angeordnet. Dasselbe gilt für den Wechselrichter 1 gemäß 1. Grundsätzlich ist aber auch die Aufteilung auf mehrere Teilgehäuse denkbar, beispielsweise mit einem separaten Gehäuse für den Batterieladeschaltkreis 15 und das Gleichstromfilter 16.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wechselrichter
- 2
- Generatoranschluss
- 3
- Gleichstromgenerator
- 4
- Photovoltaikgenerator
- 5
- Batterieanschluss
- 6
- Batterie
- 7
- Netzanschluss
- 8
- Wechselstromnetz
- 9
- Gleichspannungszwischenkreis
- 10
- Zwischenkreiskondensator
- 11
- DC/DC-Wandler
- 12
- DC/AC-Wandler
- 13
- Leitung
- 14
- Leitung
- 15
- Batterieladeschaltkreis
- 16
- Gleichstromfilter
- 17
- bidirektionaler DC/DC-Wandler
- 18
- Schalteinrichtung
- 19
- Wechselschalter
- 20
- Leitung
- 21
- Leitung
- 22
- Anschluss
- 23
- Anschluss
- 24
- DC/DC-Wandler
- 25
- DC/DC-Wandler
- 26
- Schalter
- 27
- Schalter
- 28
- DC/DC-Wandler
- 29
- Schalter
- 30
- Drossel
- 31
- Drossel
- 32
- Kondensator
- 33
- Kondensator
- 34
- Sicherung
- S1
- Schalter
- S2
- Schalter
- S3
- Schalter
- S4
- Schalter
- SBC
- Schalter
- D1
- Diode
- D2
- Diode
- D3
- Diode
- D4
- Diode
- DBC
- Diode
- DBP
- Bypassdiode
- L1
- Speicherdrossel
- L2
- Drossel
- L3
- Drossel
- L4
- Drossel
- LBC
- Drossel
- UPV
- Ausgangsspannung
- UDCL
- Zwischenkreisspannung
- UGrid
- Netzspannung
- UBatt
- Ausgangsspannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- D. Magnor et al.: Analysis of the Model Dynamics for the Battery and Battery Converter in a Grid-Connected 5kW Photovoltaic System, Beitrag des ISEA (Aachen) auf der 25. EUPVSEC in Valencia 2010: http://www.sol-ion-project.eu/sites/en/media_center/conference_papers.html [0007]
