DE102012215975A1 - Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer des Zwischenkreiskondensators einer einen Wechselrichter aufweisenden elektrischen Anlage, elektrische Anlage und Steuereinheit für eine elektrische Anlage - Google Patents

Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer des Zwischenkreiskondensators einer einen Wechselrichter aufweisenden elektrischen Anlage, elektrische Anlage und Steuereinheit für eine elektrische Anlage Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer des Zwischenkreiskondensators einer einen Wechselrichter aufweisenden elektrischen Anlage, welche eine Gleichspannungsquelle, einen Wechselrichter, einen einen Zwischenkreiskondensator aufweisenden Zwischenkreis und einen mehrere Komponenten aufweisenden Spannungsstabilisator aufweist. Zur Reduzierung der Belastung des Zwischenkreiskondensators erfolgt für die elektrische Anlage individuell eine Belastungsreduzierungsroutine, bei welcher die Ausgangsströme der mehreren Komponenten des Spannungsstabilisators relativ zueinander phasenverschoben werden, bezüglich jeder Phasenverschiebung der Zwischenkreisstrom ermittelt wird und für den Betrieb der elektrischen Anlage diejenige Phasenverschiebung ausgewählt wird, bei welcher die Belastung des Zwischenkreiskondensators minimiert ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine elektrische Anlage und eine Steuereinheit für eine elektrische Anlage.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer des Zwischenkreiskondensators einer einen Wechselrichter aufweisenden elektrischen Anlage, eine elektrische Anlage und eine Steuereinheit für eine elektrische Anlage.
  • Stand der Technik
  • Wechselrichter haben die Aufgabe, einer Gleichspannungsquelle entnommene Energie in eine Wechselspannung umzuwandeln.
  • In realen Anwendungen ist die Eingangsspannung eines Wechselrichters oftmals nicht konstant. Dies hat negative Auswirkungen auf den Wirkungsgrad des jeweiligen Wechselrichters. Um diesen negativen Auswirkungen entgegenzuwirken ist es bereits bekannt, dem Wechselrichter zur Spannungsstabilisierung eine Spannungsstabilisierungseinheit vorzuschalten.
  • Handelt es sich bei dem Wechselrichter um einen Bestandteil einer Photovoltaikanlage, dann wird die Stabilisierungseinheit oftmals durch einen oder mehrere miteinander verschaltete Hochsetzsteller realisiert. Alternativ dazu ist es auch möglich, dass anstelle eines oder mehrerer Hochsetzsteller ein oder mehrere Tiefsetzsteller oder eine Kombination beider vorgenannter Einheiten als Stabilisierungseinheit verwendet wird. Bei einer derartigen Anwendung ist zwischen der Stabilisierungseinheit und dem Wechselrichter ein Zwischenkreis vorgesehen, der einen Zwischenkreiskondensator aufweist, welcher als Energiespeicher dient. Dieser Zwischenkreiskondensator ist elektrisch sowohl mit dem Ausgang der Stabilisierungseinheit als auch mit dem Eingang des Wechselrichters verbunden, so dass er sowohl von der Stabilisierungseinheit als auch vom Wechselrichter verwendet werden kann.
  • Typischerweise handelt es sich bei diesem Zwischenkreiskondensator um eine kostenintensive Komponente mit bis zu 20 Prozent der Gesamtkosten der Photovoltaikanlage. Der Auslegung des Zwischenkreiskondensators kommt folglich bei dem Bestreben, die Kosten der Photovoltaikanlage niedrig zu halten, eine besondere Bedeutung zu. Bei dieser Auslegung des Zwischenkreiskondensators wird üblicherweise darauf geachtet, dass eine Optimierung in dem Sinne erfolgt, dass der Zwischenkreiskondensator entsprechend dem Lastkollektiv und den im Betrieb vorliegenden funktionellen Anforderungen eine vorgegebene Lebensdauer erreicht.
  • Aus der DE 100 62 075 A1 ist ein Umrichter bekannt, welcher mit einem einen Ladungsspeicher aufweisenden Spannungszwischenkreis verbunden ist. Dieser Umrichter enthält eine Halbbrücken- oder eine Brückenschaltung, welche Bestandteil eines in einem Gehäuse angeordneten Moduls ist. Der Ladungsspeicher weist mehrere Zwischenkreiskondensatoren auf, von denen einer, mehrere oder alle ebenfalls integrierter Bestandteil des Moduls sind. Dadurch soll eine Reduzierung von auftretenden Überspannungen, eine Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit, eine Erhöhung von Schaltgeschwindigkeiten bei geringen Schaltverlusten in den Halbleiterschaltern und eine Verkleinerung oder ein Entfall einer Busbar erreicht werden.
  • Aus der EP 2 158 671 B1 ist eine trafolose Wechselrichtereinheit für Dünnfilm-Solarpaneele bekannt. Die dort beschriebene elektrische Einrichtung umfasst mindestens einen Eingang mit einem positiven Eingangsanschluss und einem negativen Eingangsanschluss sowie mindestens einen Wechselrichter mit mindestens einem positiven Eingang und mindestens einem negativen Eingang. Am positiven Eingang des Wechselrichters wird im Betrieb eine gegenüber dem Erdpotential positive Spannung aufgebaut. Am negativen Eingang des Wechselrichters wird im Betrieb eine gegenüber dem Erdpotential negative Spannung aufgebaut. Zwischen dem positiven Eingangsanschluss und dem positiven Eingang des Wechselrichters besteht eine im Wesentlichen spannungsverlustfreie Verbindung. Des Weiteren umfasst die elektrische Einrichtung mindestens einen Hochsetzsteller, welcher zwischen dem negativen Eingangsanschluss und dem negativen Eingang des Wechselrichters angeordnet ist, sowie einen Zwischenkreis.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen ermöglicht eine Erhöhung der Lebensdauer des Zwischenkreiskondensators einer einen Wechselrichter aufweisenden elektrischen Anlage. Zu diesem Zweck wird für die jeweils konkret vorliegende elektrische Anlage individuell eine adaptive Belastungsreduzierungsroutine durchgeführt. Im Rahmen dieser Belastungsreduzierungsroutine wird eine Phasenverschiebung der Ausgangssignale der parallel zueinander angeordneten Komponenten des Spannungsstabilisators durchgeführt und ermittelt, bei welcher Phasenverschiebung die Belastung des Zwischenkreiskondensators im Hinblick auf dessen Lebensdauer minimiert ist. Diese Phasenverschiebung wird im nachfolgenden Betrieb der elektrischen Anlage verwendet.
  • Die vorstehend beschriebene Optimierung findet in vorteilhafter Weise ausschließlich in der Modulation statt und ist unabhängig vom Regler der elektrischen Anlage durchführbar. Sie wird vorzugsweise im Rahmen der Erstinbetriebnahme der elektrischen Anlage durchgeführt, so dass die jeweils installierte elektrische Anlage bereits ab diesem Zeitpunkt mit optimiertem Lastkollektiv für den Zwischenkreiskondensator betrieben werden kann.
  • In vorteilhafter Weise bewirkt die vorstehend angegebene Optimierung zusätzlich eine Minimierung der Zwischenkreis-Spannungsrippel. Dadurch wird der Wirkungsgrad der elektrischen Anlage erhöht und die elektromagnetische Verträglichkeit der elektrischen Anlage verbessert.
  • Bei der elektrischen Anlage handelt es sich beispielsweise um eine Photovoltaikanlage, eine Windkraftanlage, eine Meeresenergiegewinnungsanlage, eine Spannungswandleranlage, einen Charger oder um eine elektrische Antriebsanlage. Die nachfolgende beispielhafte Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand einer Photovoltaikanlage und anhand der Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechend auf die erfindungsgemäße Steuereinheit und umgekehrt beziehungsweise auf die elektrische Anlage zutreffen beziehungsweise anwendbar sind.
  • Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
  • In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente, Merkmale und Komponenten – sofern nichts anderes ausgeführt ist – jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. Es versteht sich, dass Komponenten und Elemente in den Zeichnungen aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht notwendigerweise maßstabsgetreu wiedergegeben sind.
  • Weitere mögliche Ausgestaltungen und Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombination von zuvor oder im Folgenden beschriebenen Merkmalen der Erfindung.
  • Es zeigt 1 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer Photovoltaikanlage, 2 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung der Verschaltung zweier Hochsetzsteller mit einem Zwischenkreiskondensator und einem Wechselrichter, 3 Darstellungen zur Erläuterung der Phasenverschiebung zwischen den Ausgangsströmen zweier Hochsetzsteller und deren Auswirkung auf den Strom im Zwischenkreiskondensator, 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung von Effektivströmen im Zwischenkreiskondensator in Abhängigkeit von der Anzahl der verwendeten Hochsetzsteller und 5 ein Diagramm zur Veranschaulichung zweier Strom-Spannungs-Kennlinien für unterschiedliche Temperaturen des Photovoltaikgenerators.
  • Die Erfindung betrifft gemäß dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel ein Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer des Zwischenkreiskondensators einer elektrischen Anlage, beispielsweise einer Photovoltaikanlage. Als Energie- und Gleichspannungs dient in diesem Ausführungsbeispiel somit ein Photovoltaikgenerator, der eingangsseitig an die elektrische Anlage anschließbar ist. Diese Photovoltaikanlage weist einen Wechselrichter, einen einen Zwischenkreiskondensator aufweisenden Zwischenkreis und einen mehrere Komponenten aufweisenden Spannungsstabilisator auf. Zur Erhöhung der Lebensdauer des Zwischenkreiskondensators wird für die Photovoltaikanlage individuell eine von einer Steuereinheit gesteuerte adaptive Belastungsreduzierungsroutine durchgeführt. Bei dieser werden die Ausgangsströme der mehreren Komponenten des Spannungsstabilisators relativ zueinander phasenverschoben. Bezüglich jeder Phasenverschiebung wird der Zwischenkreisstrom ermittelt. Für den Betrieb der Photovoltaikanlage wird diejenige Phasenverschiebung ausgewählt, bei welcher die Belastung des Zwischenkreiskondensators minimiert ist.
  • Die 1 zeigt ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer Photovoltaikanlage, bei welcher ein Verfahren gemäß der Erfindung verwendet werden kann. An diese Photovoltaikanlage 1 ist eingangsseitig ein Photovoltaikgenerator 2 anschliessbar, bei dem es sich um ein eine Vielzahl von Solarzellen aufweisendes Solarpanel handelt. Der Photovoltaikgenerator 2 stellt an seinem Ausgang eine Gleichspannung zur Verfügung. Diese Gleichspannung ist im Betrieb der Photovoltaikanlage unerwünschten Schwankungen unterworfen. Zum Ausgleich bzw. zur Kompensation dieser unerwünschten Spannungsschwankungen ist der Photovoltaikgenerator 2 mit einem Spannungsstabilisator 3 verbunden, an dessen Ausgang eine stabilisierte Gleichspannung bereitgestellt wird. Diese wird über einen Zwischenkreis 4, welcher einen Zwischenkreiskondensator 4a aufweist, einem Wechselrichter 5 zugeführt. Dieser ist zur Umwandlung der ihm bereitgestellten Gleichspannung in eine Wechselspannung vorgesehen. Er stellt diese Wechselspannung an seinem Ausgang bereit. Von dort aus wird die Wechselspannung in ein nicht dargestelltes Wechselspannungsnetz eingespeist. Des Weiteren weist die in der 1 gezeigte elektrische Anlage eine Steuereinheit 6 auf, die dazu ausgebildet ist, ein Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer des Zwischenkreiskondensators der elektrischen Anlage zu steuern.
  • Der in der 1 gezeigte Spannungsstabilisator 3 weist mehrere Komponenten auf. Beispielsweise enthält er zwei oder mehr ausgangsseitig parallel geschaltete Hochsetzsteller. Alternativ dazu kann er auch zwei oder mehr ausgangsseitig parallel geschaltete Tiefsetzsteller aufweisen. Eine weitere Alternative besteht darin, dass der Spannungsstabilisator einen oder mehrere Hochsetzsteller und einen oder mehrere Tiefsetzsteller aufweist, deren Ausgänge parallel geschaltet sind. Das gemeinsame Ziel dieser Komponenten besteht stets darin, die vom Photovoltaikgenerator bereitgestellte Gleichspannung zu stabilisieren.
  • Die 2 zeigt ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels für eine Verschaltung der beiden Hochsetzsteller 3a und 3b eines Spannungsstabilisators mit dem Zwischenkreiskondensator 4a des Zwischenkreises 4 und dem Wechselrichter 5. Dem Hochsetzsteller 3a wird vom Photovoltaikgenerator eingangsseitig eine Gleichspannung DC1 bereitgestellt, dem Hochsetzsteller 3b eine Gleichspannung DC2. Die Ausgänge der Hochsetzsteller 3a und 3b sind jeweils miteinander verbunden, so dass an den Klemmen des Zwischenkreiskondensators 4a des Zwischenkreises 4 eine stabilisierte Gleichspannung anliegt. Diese wird dem Wechselrichter 5 bereitgestellt, der diese stabilisierte Gleichspannung in eine Wechselspannung AC umwandelt, die am Ausgang des Wechselrichters 5 ausgegeben wird. Der Zwischenkreiskondensator 4a wird folglich mittels der vom Photovoltaikgenerator 2 gelieferten, stabilisierten Gleichspannung aufgeladen und über den Wechselrichter 5, der eine Umwandlung der Gleichspannung in eine Wechselspannung durchführt, wieder entladen. Diese Aufladung und Entladung des Zwischenkreiskondensators 4a lässt sich vereinfacht durch einen Rippelstrom darstellen. Dies wird nachfolgend anhand der 3 veranschaulicht.
  • Die 3 zeigt Darstellungen zur Erläuterung einer Phasenverschiebung zwischen den Ausgangsströmen zweier ausgangsseitig parallel geschalteter Hochsetzsteller und deren Auswirkungen auf den Strom im Zwischenkreiskondensator.
  • Der in der 3 gezeigte Hochsetzsteller 3a weist eine Drossel L1 auf, deren einer Anschluss mit einem positiven Eingang + und deren anderer Anschluss über eine Diode D1 mit der in der 3 oberen Klemme des Zwischenkreiskondensators 4a verbunden ist. Der negative Eingang – des Hochsetzstellers 3a ist mit der unteren Klemme des Zwischenkreiskondensators 4a verbunden. Des Weiteren weist der Hochsetzsteller 3a einen Schalter S1 auf, der zwischen dem Verbindungspunkt zwischen der Drossel L1 und der Diode D1 und der unteren Klemme des Zwischenkreiskondensators 4a vorgesehen ist.
  • Der Hochsetzsteller 3b weist eine Drossel L2 auf, deren einer Anschluss mit einem positiven Eingang + und deren anderer Anschluss über eine Diode D2 mit der in der 3 oberen Klemme des Zwischenkreiskondensators 4a verbunden ist. Der negative Eingang – des Hochsetzstellers 3b ist mit der unteren Klemme des Zwischenkreiskondensators 4a verbunden. Des Weiteren weist der Hochsetzsteller 3b einen Schalter S2 auf, der zwischen dem Verbindungspunkt zwischen der Drossel L2 und der Diode D2 und der unteren Klemme des Zwischenkreiskondensators 4a vorgesehen ist.
  • Die Schalter S1 und S2 werden von der in der 1 gezeigten Steuereinheit 6 angesteuert und haben die Aufgabe, im Sinne einer Veränderung der Modulation eine Phasenverschiebung der Ausgangsströme der beiden Hochsetzsteller relativ zueinander durchzuführen.
  • In den Diagrammen gemäß 3a und 3b ist davon ausgegangen, dass beide Hochsetzsteller mit identischer Taktfrequenz betrieben werden, dass die Induktivitätswerte der Drosseln L1 und L2 übereinstimmen und dass die Hochsetzsteller bezüglich ihrer Leistung und ihrer Eingangsspannung ebenfalls übereinstimmen.
  • Dies vorausgesetzt ist in der 3a auf der linken Seite dargestellt, dass die Schalter S1 und S2 stets gleichzeitig öffnen und schließen, d.h. dass eine Gleichtaktung dieser Schalter vorliegt, so dass die Phasenverschiebung zwischen den Ausgangsströmen der beiden Hochsetzsteller 0° beträgt. Im rechten Diagramm von 3a ist dargestellt, wie sich in diesem Falle der durch den Zwischenkreiskondensator fließende Strom IZK in Abhängigkeit von der Zeit verhält.
  • Die 3b zeigt auf ihrer linken Seite, dass die Schalter S1 und S2 um 180° phasenverschoben getaktet werden. Im rechten Diagramm von 3b ist dargestellt, wie sich in diesem Falle der durch den Zwischenkreiskondensator fließende Strom IZK in Abhängigkeit von der Zeit verhält, wobei mit I1 der durch den ersten Hochsetzsteller 3a hervorgerufene Zwischenkreisstrom, mit I2 der durch den zweiten Hochsetzsteller 3b hervorgerufene Zwischenkreisstrom und mit I3 der resultierende Kondensatorstrom bezeichnet ist.
  • Ein Vergleich des rechten Diagrammes von 3a mit dem rechten Diagramm von 3b zeigt, dass der resultierende Strom bei einer Phasenverschiebung von 180° wesentlich kleiner ist als bei einer Gleichtaktung von S1 und S2.
  • Die 4 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung von Effektivströmen im Zwischenkreiskondensator in Abhängigkeit von der Anzahl der verwendeten Hochsetzsteller eines Spannungsstabilisators und in Abhängigkeit von der Eingangsspannung des Wechselrichters. Aus der 4 ist ersichtlich, dass eine Verwendung mehrerer Hochsetzsteller zu reduzierten Effektivströmen im Zwischenkreiskondensator führt.
  • Nachfolgend werden die vorgestellten Fälle verallgemeinert, um ein Vorgehen für eine optimierte Modulation mit einem resultierenden minimalen Strom im Zwischenkreiskondensator zu ermitteln. In diesem Zusammenhang sind eine Vielzahl von Wirkzusammenhängen von Bedeutung. Zu den Parametern, die dabei zu berücksichtigen sind, gehören die Anzahl der Komponenten des Spannungsstabilisators, die Verschaltung der Komponenten des Spannungsstabilisators, die Auslegung der Komponenten des Spannungsstabilisators, die Eingangsspannung der Komponenten des Spannungsstabilisators, die Umgebungstemperatur und die Ausgangsspannung der Komponenten des Spannungsstabilisators.
  • Beim Vorliegen einer Photovoltaikanlage, welche einen Wechselrichter, einen einen Zwischenkreiskondensator aufweisenden Zwischenkreis und einen mehrere Komponenten aufweisenden Spannungsstabilisator aufweist, werden die Randbedingungen durch die jeweils vorliegende konkrete Installation bestimmt. Sie können daher für unterschiedliche Installationsorte unterschiedlich sein. Des Weiteren beeinflussen auch die Auswahl der Komponenten des anzuschließenden Photovoltaikgenerators als auch die Verschaltung der Komponenten des Spannungsstabilisators als auch umgebungsspezifische Größen wie die Dachneigung und die Dachausrichtung die relevanten Parameter. Dabei ist zu beachten, dass die genannten Parameter über die Betriebszeit der Photovoltaikanlage konstant gehalten werden. Der Einfluss der Jahreszeiten wirkt sich im Wesentlichen auf die auftretenden Leistungen aus, welche für die nachfolgenden Betrachtungen als Untermenge eines Tag-Nacht-Überganges mitberücksichtigt werden.
  • Die 5 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung zweier Strom-Spannungs-Kennlinien für unterschiedliche Temperaturen. Diese Kennlinien beschreiben das typische Strom-Spannungs-Verhalten von Photovoltaikgeneratoren. Die maximale Leistung kann dem Photovoltaikgenerator an dem Knickpunkt KN der Kennlinie, dargestellt durch die Arbeitspunkte der maximalen Leistung, entnommen werden. Untersuchungen des Photovoltaikgenerators inklusive seines Einflusses auf einen an diesen angeschlossenen Spannungsstabilisator haben ergeben, dass der Einfluss der Temperatur des Photovoltaikgenerators einen vernachlässigbaren Einfluss auf den mit diesem verbundenen Spannungsstabilisator hat. Dies erlaubt die Vereinfachung, die Eingangsspannung des Spannungsstabilisators, d. h. die Eingangsspannungen von dessen Komponenten, bei unveränderter Installation für den jeweiligen Aufstellungsort als quasi konstant zu betrachten. Deshalb kann für eine installierte konkrete Photovoltaikanlage eine Leistungsvariation als eine Stromvariation interpretiert werden.
  • Grundsätzlich kann sich bei einem Teillastbetrieb der Betriebspunkt der Hochsetzsteller eines Spannungsstabilisators derart verändern, dass der Strom in den Drosseln der Hochsetzsteller periodisch erlischt, so dass ein lückender Betrieb vorliegt. Da dies im Bereich kleiner Leistungen geschieht, sind diese Betriebspunkte für die Dimensionierung des Zwischenkreiskondensators nur von untergeordneter Bedeutung. Für die Dimensionierung des Zwischenkreiskondensators kann vielmehr eine lineare Korrelation des Zwischenkreis-Rippelstromes mit der vom Photovoltaikgenerator abgegebenen Leistung herangezogen werden. Diese lineare Abhängigkeit ermöglicht es, mit einer konstanten Modulation eine in Bezug auf den Zwischenkreiskondensator optimale Ansteuerung über den gesamten Betriebsbereich zu erreichen unter der Voraussetzung, dass die Installation der Photovoltaikanlage unverändert bleibt.
  • Nachfolgend wird nunmehr erläutert, wie vorgegangen wird, um die im Betrieb der Photovoltaikanlage auftretende Belastung des Zwischenkreiskondensators im Hinblick auf dessen Lebensdauer zu minimieren, wobei die nachfolgend beschriebenen Vorgänge von der Steuereinheit 6 gesteuert werden, die zu diesem Zweck mit einer zugehörigen Software ausgestattet ist.
  • Zunächst wird nach erfolgter Installation der Photovoltaikanlage dafür Sorge getragen, dass die Hochsetzsteller des Spannungsstabilisators in einem Betriebspunkt arbeiten, der einen nicht lückenden Betrieb der Drosselströme gewährleistet. Danach wird eine Belastungsreduzierungsroutine gestartet, bei welcher eine fortlaufende Veränderung der Phasenverschiebung zwischen den Ausgangsströmen der einzelnen Komponenten des Spannungsstabilisators vorgenommen wird. Nachfolgend wird stets davon ausgegangen, dass es sich bei den Komponenten des Spannungsstabilisators um ausgangsseitig parallel geschaltete Hochsetzsteller handelt. Für jede Phasenverschiebung wird der im Zwischenkreis fließende Strom erfasst und es wird eine Fouriertransformation durchgeführt. Die Erfassung des Stromes kann unter Verwendung einer Zwischenkreisstrommessung oder unter Verwendung einer Zwischenkreisspannungsmessung erfolgen.
  • Anhand der erhaltenen spektralen Komponenten und eines abgespeicherten Datensatzes des Zwischenkreiskondensators, welcher Spektralwerte eines vorgegebenen Lebensdauerdiagrammes enthält, wird das Stromprofil ermittelt, bei welchem die geringste Belastung des Zwischenkreiskondensators im Hinblick auf dessen Lebensdauer auftritt.
  • Eine Vereinfachung des vorstehend beschriebenen Verfahrens besteht darin, für die verschiedenen Phasenverschiebungen jeweils den effektiven Zwischenkreisstrom zu ermitteln, die ermittelten Effektivströme miteinander zu vergleichen und die dem geringsten Effektivstrom zugehörige Phasenverschiebung für den nachfolgenden Betrieb der Photovoltaikanlage zu verwenden.
  • Da bei der vorliegenden Erfindung eine dauerhafte Reduzierung der Belastung des Zwischenkreiskondensators im Betrieb der Photovoltaikanlage im Vordergrund steht und nicht – wie beim Stand der Technik – die Gewährleistung einer gewünschten vorgegebenen Lebensdauer des Zwischenkreiskondensators, sind bei der vorliegenden Erfindung relative Vergleiche des Effektivstromes ausreichend, um eine Erhöhung der Lebensdauer des Zwischenkondensators herbeiführen zu können.
  • Die am Besten geeignete Phasenverschiebung zwischen den Ausgangsströmen der Hochsetzsteller wird abgespeichert und für den nachfolgenden Betrieb der Photovoltaikanlage verwendet.
  • Wie vorstehend beschrieben kann bei einer konkreten, bereits installierten Photovoltaikanlage unmittelbar nach erfolgter Installation zur Erhöhung der Lebensdauer des Zwischenkreiskondensators der Photovoltaikanlage eine von der Steuereinheit gesteuerte Belastungsreduzierungsroutine durchgeführt werden, bei welcher die Ausgangsströme der mehreren Komponenten des Spannungsstabilisators relativ zueinander phasenverschoben werden, bezüglich jeder Phasenverschiebung der Zwischenkreisstrom ermittelt wird und für den nachfolgenden Betrieb der Photovoltaikanlage diejenige Phasenverschiebung ausgewählt wird, bei welcher die Belastung des Zwischenkreiskondensators im Hinblick auf dessen Lebensdauer minimiert ist. In diesem Zusammenhang erfolgt vorzugsweise eine Fouriertransformation der ermittelten Zwischenkreisströme. Unter der Voraussetzung einer Konstanthaltung der Taktfrequenz kann die Modulationsart, die den minimalen Amplituden der Fouriertransformation zugeordnet ist, für die vorliegende Taktfrequenz als am besten geeignetes Modulationsmuster, welchem eine bestimmte Phasenverschiebung zwischen den Ausgangsströmen der Komponenten des Spannungsstabilisators zugeordnet ist, verwendet werden.
  • Alternativ dazu kann eine Optimierung gemäß der Erfindung auch über eine Ermittlung der effektiven Zwischenkreisströme unter Verwendung einer bereits vorhandenen Strommessung und unter Verwendung eines Relativvergleiches vorgenommen werden.
  • Da nach erfolgter Optimierung die Stromrippel im Zwischenkreiskondensator minimiert sind, sind auch die Rückwirkungen auf die Netzseite als auch die Rückwirkungen auf die Seite des Photovoltaikgenerators minimiert. Dadurch wird zum einen der MPP-Wirkungsgrad, d.h. das Maß, mit welchem die vom Photovoltaikgenerator angebotene Leistung abgenommen wird, optimiert, und zum anderen auch eine reduzierte leitungsgeführte Störaussendung und ein damit verbundener reduzierter Filteraufwand für die Einhaltung der die elektromagnetische Verträglichkeit betreffenden Vorgaben erreicht.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10062075 A1 [0006]
    • EP 2158671 B1 [0007]

Claims (14)

  1. Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer des Zwischenkreiskondensators (4a) einer einen Wechselrichter (5) aufweisenden elektrischen Anlage (1), welche eine Gleichspannungsquelle (2), einen Wechselrichter (5), einen einen Zwischenkreiskondensator (4a) aufweisenden Zwischenkreis (4) und einen mehrere Komponenten (3a, 3b) aufweisenden Spannungsstabilisator (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Lebensdauer des Zwischenkreiskondensators (4a) für die elektrische Anlage (1) individuell eine Belastungsreduzierungsroutine durchgeführt wird, bei welcher die Ausgangsströme der mehreren Komponenten des Spannungsstabilisators (3) relativ zueinander phasenverschoben werden, bezüglich jeder Phasenverschiebung der Zwischenkreisstrom ermittelt wird und für den Betrieb der elektrischen Anlage diejenige Phasenverschiebung ausgewählt wird, bei welcher die Belastung des Zwischenkreiskondensators minimiert ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Belastungsreduzierungsroutine bei der Erstinbetriebnahme der elektrischen Anlage (1) durchgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Belastungsreduzierungsroutine automatisch oder durch die Eingabe eines Startbefehles ausgelöst wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsstabilisator (3) mehrere ausgangsseitig parallel zueinander angeordnete Komponenten aufweist, bei denen es sich um Hochsetzsteller und/oder Tiefsetzsteller handelt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Belastungsreduzierungsroutine eine Phasenverschiebung der Ausgangsströme der ausgangsseitig parallel zueinander angeordneten Komponenten (3a, 3b) relativ zueinander vorgenommen wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweils ermittelte Zwischenkreisstrom einer Fouriertransformation unterworfen wird, die erhaltenen Spektralwerte mit den Spektralwerten eines vorgegebenen Lebensdauerdiagrammes verglichen werden und diejenige Phasenverschiebung ausgewählt wird, deren zugeordnete Spektralwerte der geringsten Belastung des Zwischenkreiskondensators entsprechen.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass für die verschiedenen Phasenverschiebungen jeweils der Effektivstrom des Zwischenkreiskondensators ermittelt wird, die ermittelten Effektivströme miteinander verglichen werden und die dem geringsten Effektivstrom entsprechende Phasenverschiebung für den Betrieb der Anlage ausgewählt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Anlage eine Photovoltaikanlage, eine Windkraftanlage, eine Meeresenergiegewinnungsanlage, eine Spannungswandleranlage, ein Charger oder eine elektrische Antriebsanlage ist.
  9. Steuereinheit zur Ansteuerung einer elektrischen Anlage (1), welche eine Gleichspannungsquelle (9), einen Wechselrichter (5), einen einen Zwischenkreiskondensator (4a) aufweisenden Zwischenkreis (4) und einen mehrere Komponenten (3a, 3b) aufweisenden Spannungsstabilisator (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu ausgebildet ist, zur Erhöhung der Lebensdauer des Zwischenkreiskondensators (4a) für die elektrische Anlage (1) individuell eine Belastungsreduzierungsroutine zu steuern, bei welcher die Ausgangsströme der mehreren Komponenten (3a, 3b) des Spannungsstabilisators (3) relativ zueinander phasenverschoben werden, bezüglich jeder Phasenverschiebung der Zwischenkreisstrom ermittelt wird und für den Betrieb der elektrischen Anlage diejenige Phasenverschiebung ausgewählt wird, bei welcher die Belastung des Zwischenkreiskondensators minimiert ist.
  10. Steuereinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu ausgebildet ist, im Rahmen der Belastungsreduzierungsroutine eine Phasenverschiebung der Ausgangsströme der ausgangsseitig parallel zueinander angeordneten Komponenten (3a, 3b) relativ zueinander vorzunehmen.
  11. Steuereinheit nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu ausgebildet ist, den jeweils ermittelten Zwischenkreisstrom einer Fouriertransformation zu unterwerfen, die erhaltenen Spektralwerte mit den Spektralwerten eines vorgegebenen Lebensdauerdiagrammes zu vergleichen und diejenige Phasenverschiebung auszuwählen, deren zugeordnete Spektralwerte der geringsten Belastung des Zwischenkreiskondensators entsprechen.
  12. Steuereinheit nach einem der Ansprüche 9–11, dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu ausgebildet ist, für die verschiedenen Phasenverschiebungen jeweils den Effektivstrom des Zwischenkreiskondensators (4a) zu ermitteln, die ermittelten Effektivströme miteinander zu vergleichen und die dem geringsten Effektivstrom entsprechende Phasenverschiebung für den Betrieb der elektrischen Anlage auszuwählen.
  13. Elektrische Anlage (1), welche einen Wechselrichter (5), einen einen Zwischenkreiskondensator (4a) aufweisenden Zwischenkreis (4) und einen mehrere Komponenten (3a, 3b) aufweisenden Spannungsstabilisator (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Steuereinheit (6) nach einem der Ansprüche 9 bis 12 aufweist, die dazu ausgebildet ist, zur Erhöhung der Lebensdauer des Zwischenkreiskondensators (4a) für die elektrische Anlage (1) individuell eine Belastungsreduzierungsroutine zu steuern, bei welcher die Ausgangsströme der mehreren Komponenten (3a, 3b) des Spannungsstabilisators (3) relativ zueinander phasenverschoben werden, bezüglich jeder Phasenverschiebung der Zwischenkreisstrom ermittelt wird und für den Betrieb der elektrischen Anlage diejenige Phasenverschiebung ausgewählt wird, bei welcher die Belastung des Zwischenkreiskondensators minimiert ist.
  14. Elektrische Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsstabilisator (3) mehrere ausgangsseitig parallel zueinander angeordnete Komponenten (3a, 3b) aufweist, bei denen es sich um Hochsetzsteller und/oder Tiefsetzsteller handelt.
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