DE102012215978A1

DE102012215978A1 - Verfahren zur Verlängerung der Lebensdauer des Wechselrichters einer elektrischen Anlage, elektrische Anlage und Steuer- und Regeleinheit für eine elektrische Anlage

Info

Publication number: DE102012215978A1
Application number: DE201210215978
Authority: DE
Inventors: Martin Neuburger; Ioan Serban
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-09-10
Filing date: 2012-09-10
Publication date: 2014-03-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verlängerung der Lebensdauer des Wechselrichters einer elektrischen Anlage, welche einen Wechselrichter und einen einen Zwischenkreiskondensator aufweisenden Zwischenkreis aufweist. Zur Verlängerung der Lebensdauer des Wechselrichters wird eine Reduzierung der auf den Wechselrichter wirkenden Temperaturlastwechsel vorgenommen. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine elektrische Anlage und eine Steuer- und Regeleinheit für eine elektrische Anlage.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verlängerung der Lebensdauer des Wechselrichters einer elektrischen Anlage, eine elektrische Anlage und eine Steuer- und Regeleinheit für eine elektrische Anlage.
Stand der Technik
Regenerative Energien symbolisieren derzeit einen der wohl am stärksten wachsenden Märkte und haben im Hinblick auf eine zunehmende Ressourcenknappheit ein hohes weiteres Wachstumspotential.
Ein Beispiel dafür ist eine Energiegewinnung mittels einer Photovoltaikanlage. Zu einer derartigen Photovoltaikanlage gehören ein Photovoltaikgenerator und ein Wechselrichter. Der Photovoltaikgenerator, der eine Vielzahl von Solarzellen aufweist und auch als Solarpanel bezeichnet wird, stellt an seinem Ausgang eine Gleichspannung bereit, die mittels des Wechselrichters in eine zur Weiterleitung an ein Wechselstromnetz geeignete Wechselspannung umgewandelt wird. Zwischen dem Photovoltaikgenerator und dem Wechselrichter ist ein einen Zwischenkreiskondensator aufweisender Zwischenkreis vorgesehen, wobei der Zwischenkreiskondensator mittels der vom Photovoltaikgenerator bereitgestellten, oftmals mittels eines Spannungsstabilisators stabilisierten Gleichspannung geladen wird und die gespeicherte Ladung dann an den nachgeschalteten Wechselrichter abgibt.
Bisher ging das Bestreben der Industrie dahin, Wechselrichter mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad bereitzustellen. Dies ist insbesondere auch deshalb von Vorteil, weil die in das Wechselstromnetz eingespeiste Energie finanziell vergütet wird und folglich bei einem hohen Wirkungsgrad bei gleicher Sonnenintensität ein höherer Ertrag erzielt werden kann.
Eine andere Überlegung bei der Auslegung einer Photovoltaikanlage geht dahin, die dem Betreiber der Photovoltaikanlage entstehenden Gesamtkosten zu minimieren. Bei diesen Überlegungen spielt die Lebensdauer der Bauteile der Photovoltaikanlage eine wichtige Rolle. Dabei stehen neuartige Geschäftsmodelle wie beispielsweise Garantien für einen Ertrag im Raume. Für diesen Fall wird die Lebensdauer der Einzelkomponenten maßgebend dafür sein, ob der gewünschte Ertrag erzielt werden kann oder nicht. Eine wesentliche Einzelkomponente einer Photovoltaikanlage ist der Wechselrichter, so dass Maßnahmen zur Verlängerung von dessen Lebensdauer wünschenswert sind.
Aus der DE 10 2009 029 387 A1 ist eine Wechselrichteranordnung bekannt, die als Solarzelleninverter einer Photovoltaikanlage dient. Diese Wechselrichteranordnung weist eine Halbleiter-Brückenschaltung auf. Des Weiteren enthält sie einen Gleichstromsteller zur Erzeugung von Halbwellen einer ausgangsseitigen Wechselspannung. Die Brückenschaltung ist dem Gleichstromsteller nachgeschaltet und wirkt als Polwender auf die Halbwellen. Dadurch können die Halbleiterbauelemente in der Brückenschaltung auf niedrige Leitverluste ausgelegt werden. Die auftretenden Schaltverluste sind vernachlässigbar. Die Photovoltaikanlage insgesamt weist eine höhere Effizienz auf.
Aus der DE 10 2008 042 199 A1 ist eine Photovoltaikvorrichtung bekannt. Diese weist ein Solarzellen aufweisendes Photovoltaikmodul und MPP-Mittel zur Ermittlung eines elektrischen Leistungsmaximums des Photovoltaikmoduls und zum Einstellen eines zugehörigen Strom-Spannungs-Arbeitspunkts für einen nachgeschalteten Wechselrichter auf. Den MPP-Mitteln ist eine Erfassungseinheit zugeordnet, die zum Erfassen einer jeweiligen Zellenspannung einer Mehrzahl von Solarzellen und zum Erzeugen eines Steuersignals für die MPP-Mittel derart ausgebildet ist, dass als Reaktion auf eine detektierte vorbestimme Spannungsänderung einer Zellenspannung einer Solarzelle relativ zu den Zellenspannungen der anderen der Mehrzahl von Solarzellen des Photovoltaikmoduls durch die Wirkung des Steuersignals eine eine Leistungsveränderung, insbesondere eine Leistungsabsenkung des Photovoltaikmoduls bewirkende Verschiebung des Strom-Spannungs-Arbeitspunkts ausgelöst wird. Die Erfassungseinheit ist zur Detektierung vorbestimmter Spannungsänderungen der Zellenspannung einer abgeschatteten Solarzelle vorgesehen. Durch die genannte Verschiebung des Strom-Spannungs-Arbeitspunkts wird erreicht, dass die elektrischen Leistungs- und Betriebseigenschaften bei verschatteten oder teilverschatteten Betriebszuständen des Photovoltaikmoduls verbessert werden und der Gesamtertrag über die Lebensdauer des Moduls erhöht ist.
Offenbarung der Erfindung
Ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen ermöglicht eine Verlängerung der Lebensdauer des Wechselrichters einer elektrischen Anlage. Zu diesem Zweck wird eine Reduzierung der auf den Wechselrichter wirkenden Temperaturlastwechsel vorgenommen. Diese Reduzierung der auf den Wechselrichter wirkenden Temperaturlastwechsel erfolgt vorzugsweise unter Verwendung einer dynamischen Regelung der Zwischenkreisspannung der elektrischen Anlage.
Zu dieser dynamischen Regelung der Zwischenkreisspannung wird vorzugsweise der Istwert der Zwischenkreisspannung über einen elektrischen Filter, beispielsweise ein PT1-Glied, einem Vergleicher zugeführt, im Vergleicher mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen und dem Wechselrichter ein vom erhaltenen Differenzsignal abhängiges Regelsignal zugeführt. Vorzugsweise wird das erhaltene Differenzsignal über einen Linearregler und einen Stromregler einem Pulsweitenmodulator zugeführt, dessen Ausgangssignale dem Wechselrichter bzw. dessen Schaltelementen als pulsweitenmodulierte Steuersignale zugeführt werden.
Durch diese dynamische Regelung der Zwischenkreisspannung erfolgt im Ergebnis eine Glättung der mittels des Wechselrichters bereitgestellten Wechselspannung. Dies entspricht einer Reduzierung der Dynamik des Wechselrichters in dem Sinne, dass die auf den Wechselrichter einwirkenden Temperaturlastwechsel reduziert sind und die Lebensdauer des Wechselrichters verlängert ist.
In der Praxis bedeutet dies, dass bei auftretenden starken Schwankungen der von der Gleichspannungsquelle bereitgestellten Gleichspannung die Leistungsanpassung des Wechselrichters zwar verzögert erfolgt, im Ergebnis jedoch die Ausgangsleistung des Wechselrichters konstanter ist als ohne die beschriebene dynamische Regelung der Zwischenkreisspannung.
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 elektrischen Anlage, beispielsweise einer Photovoltaikanlage und anhand der Zeichnung. Es zeigt
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.
1 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer Photovoltaikanlage,
2 ein Diagramm zur Veranschaulichung des zeitlichen Sonnenintensitätsverlaufes bei Wolkenflug,
3 Skizzen zur Erläuterung der in der 2 veranschaulichten Sonnenintensitätsüberhöhungen,
4 ein Diagramm, in welchem Verläufe der Leistung des Wechselrichters über der Zeit veranschaulicht sind,
5 eine Blockdarstellung zur Erläuterung der Regelung des Spannungsstabilisators und des Wechselrichters einer Photovoltaikanlage,
6 ein Diagramm zur Erläuterung eines Sonnenintensitätsverlaufes, eines zugehörigen Verlaufes der Zwischenkreisspannung und zugehöriger Temperaturverläufe und
7 eine Blockdarstellung zur Erläuterung der Regelung des Wechselrichters gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Die Erfindung betrifft gemäß dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel ein Verfahren zur Verlängerung der Lebensdauer des Wechselrichters einer Photovoltaikanlage. An diese Photovoltaikanlage wird als Gleichspannungsquelle ein Photovoltaikgenerator angeschlossen. Die Photovoltaikanlage enthält des Weiteren einen Wechselrichter und einen Zwischenkreis mit einem Zwischenkreiskondensator. Zur Verlängerung der Lebensdauer des Wechselrichters wird eine Reduzierung der auf den Wechselrichter wirkenden Temperaturlastwechsel vorgenommen. Diese Reduzierung erfolgt unter Verwendung einer Steuer- und Regeleinheit, die zu einer dynamischen Regelung der Zwischenkreisspannung ausgebildet ist. Dabei wird vorzugsweise der Istwert der Zwischenkreisspannung über einen elektrischen Filter einem Vergleicher zugeführt, im Vergleicher mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen und dem Wechselrichter ein vom erhaltenen Differenzsignal abhängiges Regelsignal zugeführt.
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 über ein Netzfilter in ein Wechselspannungsnetz eingespeist.
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.
Bei der in der 1 gezeigten Anordnung wird der Zwischenkreiskondensator 4a sowohl vom Spannungsstabilisator 3 als auch vom Wechselrichter 5 verwendet. Dabei wird der Zwischenkreiskondensator 4a mittels der am Ausgang des Spannungsstabilisators bereitgestellten Gleichspannung geladen und gibt dann seine Ladung an den Wechselrichter 5 ab, der ausgangsseitig eine Wechselspannung AC zur Einspeisung in ein Wechselstromnetz bereitstellt.
Bei der in der 1 gezeigten Anordnung hat der Spannungsstabilisator die Aufgabe, die vom Photovoltaikgenerator 2 bereitgestellte, im Betrieb Schwankungen unterworfene Gleichspannung zu stabilisieren. Bei anderen Anwendungen, bei denen die Gleichspannungsquelle eine zumindest weitgehend konstante Gleichspannung zur Verfügung stellt, kann auf die Verwendung eines Spannungsstabilisators verzichtet werden und die Gleichspannungsquelle direkt mit dem Zwischenkreis verbunden sein.
In Photovoltaikanlagen, wie sie in der 1 dargestellt sind, stellt der Wechselrichter 5 eine sehr kostenintensive Einheit dar, deren Lebensdauer auf die Lebensdauer der Gesamtanlage auszulegen ist, wobei letztere in der Größenordnung von 25 Jahre liegt. Untersuchungen der Erfinder haben ergeben, dass im Betrieb einer Photovoltaikanlage Temperaturlastwechsel auftreten und diese Temperaturlastwechsel einen wesentlichen Lebensdauer begrenzenden Aspekt für den Wechselrichter der jeweiligen Anlage darstellen. Ziel der Erfindung ist es, die Auswirkungen von auftretenden Temperaturlastwechseln auf den Wechselrichter zu reduzieren und dadurch dessen Lebensdauer zu verlängern. Ein Beispiel für einen Temperaturlastwechsel wird nachfolgend erläutert.
Temperaturlastwechsel liegen beispielsweise vor, wenn sich starke Sonnenstrahlung und Wolken einander abwechseln. In diesem Falle variiert die Sonnenintensität zyklisch. Mit dieser korreliert ist die Verlustleistung respektive Eigenerwärmung, welche entsprechend der zeitlichen Sonnenintensitätsänderung Schwankungen unterworfen ist. Dabei findet an den Übergängen zwischen direkter Sonneneinstrahlung und einer Verschattung der Solarzellen durch Wolkenflug und umgekehrt eine kurzzeitige Intensitätsüberhöhung statt. Dies ist in der 2 veranschaulicht, in welcher längs der Abszisse die Zeit und längs der Ordinate die Sonnenintensität SI aufgetragen ist. Dabei sind mit SI1 die Sonnenintensität bei direkter Sonneneinstrahlung auf den Photovoltaikgenerator, mit SI2 die an den Übergangsstellen zum Wolkenflug auftretenden Intensitätsüberhöhungen und mit SI3 die Sonnenintensität bei Wolkenflug bezeichnet.
Die 3 zeigt Skizzen zur Erläuterung der in der 2 veranschaulichten Sonnenintensitätsüberhöhungen. Dabei ist in der 3a der Fall gezeigt, dass die Sonnenstrahlen direkt auf den Photovoltaikgenerator 2 bzw. dessen Solarzellen auftreffen. Dadurch wird die in der 2 mit SI1 bezeichnete Sonnenintensität hervorgerufen. Werden die Sonnenstrahlen an einer Wolkengrenze reflektiert, wie es in der 3b veranschaulicht ist, dann treffen direkte Sonnenstrahlen und reflektierte Sonnenstrahlen auf dieselben Stellen des Photovoltaikgenerators 2. Dadurch werden die in der 2 mit SI2 bezeichneten Sonnenintensitätsüberhöhungen hervorgerufen.
Die anhand der 2 und 3 erläuterten Sonnenintensitätsveränderungen sind mit Temperaturlastwechseln verbunden, welche Auswirkungen auf die Lebensdauer des Wechselrichters haben.
Für eine optimierte Wandlung an zur Verfügung stehender Sonnenenergie in elektrische Energie ist im Betrieb einer Photovoltaikanlage eine permanente Strom-Spannungs-Anpassung durchzuführen, um den Photovoltaikgenerator 2 in seinem optimalen Arbeitspunkt zu betreiben. Dieser Prozess wird als „Maximum Power Point Tracking“ (MPPT) bezeichnet. Dabei werden die vom Photovoltaikgenerator bereitgestellte Gleichspannung und der Ausgangsstrom des Photovoltaikgenerators im Sinne einer Erzielung einer maximalen Ausgangsleistung wiederholt geringfügig verändert, um das Leistungsmaximum zu ermitteln. Wird dabei die Zeitkonstante des MPPT groß gewählt, beispielsweise im Bereich mehrerer Sekunden, dann resultiert dies in einer nicht optimierten Veränderung des Arbeitspunktes des Photovoltaikgenerators. Dadurch wird eine signifikante Energiemenge, die eigentlich zur Verfügung steht, nicht ausgenutzt. Diese nichtgenutzte Energiemenge ist deshalb vergleichsweise groß, weil eine permanente „Fehlanpassung“ bei Wolkenflug und ansonsten hoher Sonnenintensität stark zu Buche schlägt.
Eine Lösungsmöglichkeit für das vorstehend wiedergegebene Problem besteht darin, eine MPPT mit kleiner Zeitkonstante zu realisieren. Damit verbunden ist die Notwendigkeit einer Überdimensionierung der Halbleiterbauteile der Photovoltaikanlage, um eine gewünschte Lebensdauer der Photovoltaikanlage gewährleisten zu können. Die genannte Überdimensionierung ist jedoch mit vergleichsweise hohen Kosten verbunden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Verlängerung der Lebensdauer des Wechselrichters durch eine Reduzierung der auf den Wechselrichter wirkenden Temperaturlastwechsel vorgenommen. Dies erfolgt vorzugsweise unter Verwendung einer Steuer- und Regeleinheit, die zu einer dynamischen Regelung der Zwischenkreisspannung ausgebildet ist.
Bei bisherigen Photovoltaikanlagen ist die Regelung des Wechselrichters so ausgelegt, dass die Zwischenkreisspannung auf einen konstanten Wert geregelt wird. Eine potentielle Schwankung der Zwischenkreisspannung, die beispielsweise durch eine Sonnenintensitätsveränderung als Folge eines Wolkenfluges verursacht werden könnte, wird durch eine Leistungsanpassung des Wechselrichters ausgeregelt. Folglich kann bei bisherigen Photovoltaikanlagen die Zwischenkreisspannung als konstant angesehen werden.
Bei einer Photovoltaikanlage gemäß der Erfindung wird im Unterschied dazu die Zwischenkreisspannung dynamisch geregelt. Dazu wird beispielsweise der Istwert der Zwischenkreisspannung über einen elektrischen Filter einem Vergleicher zugeführt, im Vergleicher mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen und dem Wechselrichter ein vom erhaltenen Differenzsignal abhängiges Regelsignal zugeführt.
Die 4 zeigt ein Diagramm, in welchem Verläufe der Leistung des Wechselrichters über der Zeit veranschaulicht sind. Dabei kennzeichnet die Kurve K1 den Verlauf der Leistung bei optimaler Anpassung (schneller MPPT) und Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Kurve K2 den Verlauf der Leistung bei optimaler Anpassung ohne Anwendung des erfinderischen Verfahrens und die Kurve K3 den Verlauf der Leistung im Falle einer ungeeigneten Anpassung. Es ist ersichtlich, dass bei einer Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens die durch die Sonneneinstrahlung bereitgestellte Energie wesentlich besser in Leistung umgesetzt wird als ohne Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die 5 zeigt eine Blockdarstellung zur Erläuterung der Regelung des Spannungsstabilisators und des Wechselrichters einer Photovoltaikanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel für die Erfindung.
Die in der 5 dargestellte Photovoltaikanlage weist einen als Gleichspannungsquelle angeschlossenen Photovoltaikgenerator 2, einen in Form eines Gleichspannungswandlers realisierten Spannungsstabilisator 3, einen Zwischenkreis 4 mit einem Zwischenkreiskondensator 4a, einen Wechselrichter 5, ein Netzfilter 6, ein Wechselstromnetz 7 und eine Steuer- und Regeleinheit 8 auf.
Der Photovoltaikgenerator 2 stellt ausgangsseitig eine Gleichspannung V_PV und einen Strom I_PV zur Verfügung. Diese Gleichspannung ist im Betrieb des Photovoltaikgenerators Schwankungen unterworfen und wird deshalb unter Verwendung des Spannungsstabilisators 3 stabilisiert. Die stabilisierte Gleichspannung wird zur Aufladung des Zwischenkreiskondensators 4a verwendet. Der Zwischenkreiskondensator 4a gibt seine Ladung an den Wechselrichter 5 ab, der ausgangsseitig eine Wechselspannung bereitstellt. Diese wird im Netzfilter 6 derart gefiltert, dass ein zur Einspeisung in das Wechselstromnetz 7 geeigneter sinusförmiger Wechselstrom entsteht.
Die Steuer- und Regeleinheit 8 weist eine MPPT-Einheit 9 auf, welche eingangsseitig mit der vom Photovoltaikgenerator 2 bereitgestellten Gleichspannung V_PV und dem Ausgangsstrom I_PV des Photovoltaikgenerator 2 beaufschlagt wird. Die MPPT-Einheit führt unter Zuhilfenahme ihrer Eingangssignale eine permanente Strom-Spannungs-Anpassung durch, so dass der Photovoltaikgenerator in seinem optimalen Arbeitspunkt betrieben wird. Diese Strom-Spannungs-Anpassung erfolgt dadurch, dass im Sinne einer Erzielung der maximalen Ausgangsleistung die Eingangsgrößen der MPPT-Einheit 9 wiederholt geringfügig verändert werden, um das Leistungsmaximum zu ermitteln. Die MPPT-Einheit stellt an ihrem Ausgang einen Gleichspannungswert dc1 zur Verfügung, der in einem ersten Pulsweitenmodulator 10 in einem Tastverhältnis entsprechende Ansteuersignale für den Spannungsstabilisator 3 umgewandelt wird. Aufgrund dieser Ansteuersignale wird die Arbeitsweise des Spannungsstabilisators 3 derart eingestellt, dass der Photovoltaikgenerator 2 in seinem optimalen Arbeitspunkt betrieben wird. Die Zeitkonstante der MPP-Einheit ist klein gewählt, so dass die MPPT-Einheit auf Veränderungen der Ausgangssignale des Photovoltaikgenerators schnell reagiert und den Arbeitspunkt des Photovoltaikgenerators schnell an die geänderten Ausgangssignale des Photovoltaikgenerators anpasst.
Die Steuer- und Regeleinheit 8 weist des Weiteren einen elektrischen Filter 11 auf, bei dem es sich beim gezeigten Ausführungsbeispiel um PT1-Glied handelt. Diesem elektrischen Filter wird der Istwert der am Zwischenkreiskondensator 4a anliegenden Zwischenkreisspannung V_dc zugeführt. Die am Ausgang des elektrischen Filters 11 zur Verfügung stehende gefilterte Zwischenkreisspannung V_dc´ wird einem Vergleicher 12 zugeführt und dort mit einer vorgegebenen konstanten Referenzspannung V_dc´,ref verglichen. Das dabei erhaltene Differenzsignal ε1 wird einem Linearregler 13 zugeführt. Dieser verstärkt beispielsweise das erhaltene Differenzsignal ε1 um einen vorgegebenen Faktor und stellt an seinem Ausgang einen Sollwert î_r für den Netzstrom bereit.
Der Sollwert î_r für den Netzstrom wird in einem Multiplizierer 14 mit einem Faktor sin⊝ multipliziert, wobei dieser Faktor am Ausgang einer Frequenzregelschleife 15 bereitgestellt wird. Dieser Frequenzregelschleife wird eine Information V_g über die Netzspannung zugeführt, die von ihr in ein die Phasenlage der Netzspannung beschreibendes Winkelschätzsignal sin⊝ umgewandelt wird.
Am Ausgang des Multiplizierers 14 steht ein Stromreferenzsignal I_ref zur Verfügung, das Informationen über die Amplitude und die Phase des Netzstromes enthält. Dieses Stromreferenzsignal I_ref wird einem Subtrahierer 16 zugeführt, in welchem vom Stromreferenzsignal I_ref der Istwert I_g des Netzstromes subtrahiert wird, welcher am Ausgang des Netzfilters 6 gemessen wird. Das vom Subtrahierer 16 bereitgestellte Stromdifferenzsignal ε wird einem Stromregler 17 zugeführt, der an seinem Ausgang ein Signal V_ac* zur Verfügung stellt, welches einem Sollwert für die Spannung am Ausgang des Wechselrichters 5 entspricht.
Das Signal V_ac* des Stromreglers 17 wird ebenso wie das Ausgangssignal V_dc´ des elektrischen Filters 11 einem Teiler 18 zugeführt, in welchem eine Division von V_ac* durch V_dc‘ erfolgt. Das vom Teiler 18 bereitgestellte Ausgangssignal dc2 wird in einem zweiten Pulsweitenmodulator 19 in pulsweitenmodulierte Steuersignale für den Wechselrichter 5 bzw. dessen Halbleiterschalter umgesetzt.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, erfolgt beim beschriebenen Ausführungsbeispiel eine kaskadierte Regelung des Wechselrichters 5, durch welche eine Glättung des Netzstrom-Sollwertes erzielt wird und durch welche auch die Dynamik des Wechselrichters 5 reduziert wird. Um dies zu erreichen wird die Zeitkonstante des elektrischen Filters 11 und damit auch die Zeitkonstante der Regelung des Wechselrichters und der Zwischenkreisspannung im Vergleich zur Zeitkonstante der MPPT 9 groß gewählt. Dies bedeutet in der Praxis, dass bei eintretenden Sonnenintensitätsänderungen der MPPT 9 schnell reagiert, um den Arbeitspunkt des Solargenerators 2 zu optimieren, während die Leistungsanpassung des Wechselrichters 5 verzögert erfolgt. Betrachtet man die Energiebilanz der Photovoltaikanlage, dann variiert diese beim Vorliegen von dynamischen Ereignissen in dem Sinne, dass die Zwischenkreisspannung im Sinne einer dynamischen Regelung Veränderungen unterworfen ist. Dieser Effekt hat eine integrierende Wirkung, so dass eine höhere Konstanz der Wechselrichterleistung erzielt wird.
Dies wird anhand der 6 erläutert, welche ein Diagramm zur Erläuterung eines Sonnenintensitätsverlaufes über der Zeit, eine davon abhängige Zwischenkreisspannung und zugehörige Temperaturverläufe des Wechselrichters zeigt.
Dabei entspricht die Kurve K4 einem Sonnenintensitätsverlauf, die Kurve K5 dem zugehörigen Verlauf der Zwischenkreisspannung V_dc bei dynamischer Regelung derselben, die Kurve K6 einem Temperaturverlauf des Wechselrichters bei Verwendung einer dynamischen Regelung der Zwischenkreisspannung und die Kurve K7 einem Temperaturverlauf bei konventioneller Regelung des Wechselrichters.
Aus diesen Kurvenverläufen ist ersichtlich, dass im Falle eines Auftretens von abrupten Sonnenintensitätsschwankungen die damit verbundenen Temperaturlastwechsel durch den Zwischenkreiskondensator in ihrer Spitze gekappt werden, ohne dass es dabei aufgrund von Fehlanpassungen zu einer Nichtausnutzung eigentlich zur Verfügung stehender Sonnenenergie kommt. Der Zwischenkreiskondensator ist derart dimensioniert, dass er mehr als die hierfür nötige Speicherkapazität besitzt, um auftretende Energiedifferenzen puffern zu können.
Bezüglich der Zeitkonstante des elektrischen Filters 11 liegt lediglich die Vorgabe vor, diese Zeitkonstante größer zu wählen als die Zeitkonstante des MPPT 9, um die vom Wechselrichter ausgegebene Wechselspannung zu glätten und die Dynamik des Wechselrichters zu verringern. Darüber hinaus besteht ein Freiheitsgrad darin, die Zeitkonstante des elektrischen Filters 11 so festzulegen, dass die durch die reale Aufbau- und Verbindungstechnik bedingte Zeitkonstante und die Zeitkonstante des elektrischen Filters so aneinander angepasst sind, dass eine Optimierung im Hinblick auf eine Verlängerung der Lebensdauer des Wechselrichters erzielt wird. Dabei besteht auch die Möglichkeit, im Betrieb der Photovoltaikanlage das Lastkollektiv, das auf die Halbleiter des Wechselrichters einwirkt, im Sinne einer Verlängerung der Lebensdauer des Wechselrichters zu optimieren.
Die 7 zeigt eine Blockdarstellung zur Erläuterung der Regelung des Wechselrichters gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Bei diesem weiteren Ausführungsbeispiel stellt die Gleichspannungsquelle 2 eine Gleichspannung V_PV bereit, deren Schwankungen vernachlässigbar sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel bedarf es keines Spannungsstabilisators. Der Ausgangsstrom der Spannungsquelle ist mit I_PV bezeichnet.
An die Gleichspannungsquelle 2 ist ein Zwischenkreis 4 angeschlossen, welcher einen Zwischenkreiskondensator 4a enthält. Dieser wird von dem von der Gleichspannungsquelle gelieferten Strom aufgeladen und gibt dann seine Ladung an einen Wechselrichter 5 ab. Dessen Aufgabe besteht darin, die ihm zugeführte Gleichspannung in eine Wechselspannung umzuwandeln. Diese Wechselspannung wird an ein Netzfilter 6 weitergeleitet, das die zugeführte Wechselspannung derart filtert, dass ein zur Einspeisung in das Wechselstromnetz 7 geeigneter sinusförmiger Wechselstrom bereitgestellt wird.
Die in der 7 gezeigt Anordnung weist des Weiteren eine Steuer- und Regeleinheit 8 auf. Dieser werden die am Ausgang der Gleichspannungsquelle 2 zur Verfügung stehende Gleichspannung V_PV, der Ausgangsstrom I_PV der Gleichspannungsquelle, der Istwert I_g des Netzstromes und die Netzspannung V_g als Eingangsgrößen zugeführt. Die Steuer- und Regeleinheit 8 ist dazu vorgesehen, aus den genannten Eingangssignalen Ansteuersignale für den Wechselrichter bereitzustellen derart, dass die Auswirkungen von im Betrieb auftretenden Temperaturlastwechseln auf den Wechselrichter reduziert sind, wodurch eine Verlängerung der Lebensdauer des Wechselrichters erzielt wird.
Zu diesem Zweck wird die von der Gleichspannungsquelle bereitgestellte Gleichspannung V_PV einem elektrischen Filter 11 zugeführt, bei dem es sich beispielsweise um ein PT1-Glied handelt. Das Ausgangssignal des elektrischen Filters 11 wird einer MPPT-Einheit 9 zugeführt, welche als weiteres Eingangssignal eine Information über den Ausgangsstrom I_PV der Gleichspannungsquelle 2 empfängt, welcher am Ausgang der Gleichspannungsquelle 2 gemessen wird.
Die MPPT-Einheit 9 führt unter Zuhilfenahme ihrer Eingangssignale eine permanente Strom-Spannungs-Anpassung durch, so dass die Gleichspannungsquelle 2 in ihrem optimalen Arbeitspunkt betrieben wird. Die MPPT-Einheit 9 stellt an ihrem Ausgang einen Sollwert î_r für den Netzstrom bereit. Dieser wird in einem Multiplizierer 14 mit einem Faktor sin⊝ multipliziert, wobei dieser Faktor am Ausgang einer Frequenzregelschleife 15 bereitgestellt wird.
Der Frequenzregelschleife 15 wird die Information V_g über die Netzspannung zugeführt, die von ihr in ein die Phasenlage der Netzspannung beschreibendes Winkelschätzsignal sin⊝ umgewandelt wird.
Am Ausgang des Multiplizierers 14 steht ein Stromreferenzsignal I_ref zur Verfügung, welches Informationen über die Amplitude und die Phase des Netzstromes enthält. Dieses Stromreferenzsignal wird einem Subtrahierer 16 zugeführt, in welchem vom Stromreferenzsignal I_ref der Istwert I_g des Netzstromes subtrahiert wird, welcher am Ausgang des Netzfilters 6 gemessen wird.
Das vom Subtrahierer 16 bereitgestellte Stromdifferenzsignal ε wird einem Stromregler 17 zugeführt, der an seinem Ausgang ein Signal V_ac* zur Verfügung stellt, welches einem Sollwert für die Spannung am Ausgang des Wechselrichters 5 entspricht.
Das Signal V_ac* des Stromreglers 17 wird ebenso wie das Ausgangssignal V_dc´ des elektrischen Filters 11 einem Teiler 18 zugeführt, in welchem eine Division von V_ac* durch V_dc‘ erfolgt. Das vom Teiler 18 bereitgestellte Ausgangssignal dc wird in einem Pulsweitenmodulator 19 in pulsweitenmodulierte Steuersignale für den Wechselrichter 5 bzw. dessen Halbleiterschalter umgesetzt. Durch diese Steuersignale wird die Arbeitsweise des Wechselrichters derart beeinflusst, dass dessen Dynamik reduziert ist und eine Glättung des vom Wechselrichter bereitgestellten Wechselstromes auftritt. Dies wird im Wesentlichen dadurch erreicht, dass in der Steuer- und Regeleinheit 8 der MPPT 9 durch die Filterung des Signals V_PV gedrosselt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009029387 A1 [0006]
DE 102008042199 A1 [0007]

Claims

Verfahren zur Verlängerung der Lebensdauer des Wechselrichters (5) einer elektrischen Anlage (1), welche eine Gleichspannungsquelle (2), einen Wechselrichter (5) und einen einen Zwischenkreiskondensator (4a) aufweisenden Zwischenkreis (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verlängerung der Lebensdauer des Wechselrichters (5) eine Reduzierung der auf den Wechselrichter wirkenden Temperaturlastwechsel vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung der auf den Wechselrichter (5) wirkenden Temperaturlastwechsel unter Verwendung einer Steuer- und Regeleinheit (8) erfolgt, die zu einer dynamischen Regelung der Zwischenkreisspannung ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Regeleinheit (8) dem Wechselrichter (5) ein vom Ausgangssignal eines elektrischen Filters (11) abhängiges Regelsignal zuführt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Eingang des elektrischen Filters (11) der Istwert (V_dc) der Zwischenkreisspannung oder die am Ausgang der Gleichspannungsquelle (2) zur Verfügung stehende Gleichspannung (V_PV) bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuer- und Regeleinheit (8) als weitere Eingangssignale der Istwert (I_g) eines von der elektrischen Anlage bereitgestellten Netzstromes und eine von der elektrischen Anlage bereitgestellte Netzspannung (V_g) zugeführt werden und die Steuer- und Regeleinheit (8) das Regelsignal für den Wechselrichter (5) in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des elektrischen Filters (11) und diesen weiteren Eingangssignalen ermittelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung einer Vorrichtung (9) zur Ermittlung des elektrischen Leistungsmaximums der elektrischen Anlage ein Steuersignal für den Gleichspannungswandler (3) ermittelt und dem Gleichspannungswandler (3) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitkonstante zur dynamischen Regelung der Zwischenkreisspannung größer ist als die Zeitkonstante zur Ermittlung des elektrischen Leistungsmaximums der elektrischen Anlage.
Elektrische Anlage, welche einen Wechselrichter (5) und einen einen Zwischenkreiskondensator (4a) aufweisenden Zwischenkreis (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Steuer- und Regeleinheit (8) aufweist, die dazu ausgebildet ist, zur Verlängerung der Lebensdauer des Wechselrichters (5) eine Reduzierung der auf den Wechselrichter (5) wirkenden Temperaturlastwechsel vorzunehmen.
Elektrische Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Regeleinheit (8) zu einer dynamischen Regelung der am Zwischenkreiskondensator (4a) anliegenden Zwischenkreisspannung ausgebildet ist.
Elektrische Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Regeleinheit (8) ein elektrisches Filter (11) aufweist und dazu ausgebildet ist, dem Wechselrichter (5) ein vom Ausgangssignal des elektrischen Filters (11) abhängiges Regelsignal zuzuführen.
Elektrische Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem elektrischen Filter (11) als Eingangssignal der Istwert (V_dc) der Zwischenkreisspannung oder die am Ausgang einer angeschlossenen Gleichspannungsquelle (2) zur Verfügung stehende Gleichspannung (V_PV) bereitgestellt wird.
Elektrische Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Regeleinheit (8) dazu ausgebildet ist, das Regelsignal für den Wechselrichter (5) in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des elektrischen Filters (11) und von weiteren Eingangssignalen zu ermitteln, bei denen es sich um den Istwert (I_g) eines von der elektrischen Anlage bereitgestellten Netzstroms und eine von der elektrischen Anlage bereitgestellte Netzspannung (V_g) handelt.
Steuer- und Regeleinheit (8) für eine elektrische Anlage (1), welche eine Gleichspannungsquelle (2), einen Wechselrichter (5) und einen einen Zwischenkreiskondensator (4a) aufweisenden Zwischenkreis (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu ausgebildet ist, zur Verlängerung der Lebensdauer des Wechselrichters (5) eine Reduzierung der auf den Wechselrichter (5) wirkenden Temperaturlastwechsel vorzunehmen.
Steuer- und Regeleinheit nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie zu einer dynamischen Regelung der Zwischenkreisspannung der elektrischen Anlage ausgebildet ist.
Steuer- und Regeleinheit nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein elektrisches Filter aufweist, dessen Ausgangssignal (V_dc‘) einem Vergleicher (12) zugeführt wird, im Vergleicher (12) mit einem vorgegebenen Sollwert (V_dc’_ref) verglichen wird, das Ausgangssignal (ε1) des Vergleichers (12) über zwei in Reihe zueinander angeordnete Regler (13, 17) geführt wird, das Ausgangssignal (V_ac*) des zweiten Reglers (17) und das Ausgangssignal (V_dc‘) des elektrischen Filters (11) einem Dividierer (18) zugeführt werden und das Ausgangssignal des Dividierers (18) in ein Regelsignal für den Wechselrichter (5) umgewandelt wird.
Steuer- und Regeleinheit nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein elektrisches Filter (11) aufweist, dessen Ausgangssignal (V_dc‘) einer Vorrichtung (9) zur Ermittlung des elektrischen Leistungsmaximums der elektrischen Anlage zugeführt wird, welche als weiteres Eingangssignal eine Information über den Ausgangsstrom (I_PV) der Gleichspannungsquelle (2) empfängt, das Ausgangssignal (î_r) der Vorrichtung (9) über einen Multiplizierer (14) und einen Subtrahierer (16) einem Regler (17) zugeführt wird, das Ausgangssignal (V_ac*) des Reglers (17) und das Ausgangssignal (V_dc‘) des elektrischen Filters (11) einem Dividierer (18) zugeführt werden und das Ausgangssignal des Dividierers (18) in ein Regelsignal für den Wechselrichter (5) umgewandelt wird.