DE102012223170A1

DE102012223170A1 - Inverter e.g. solar cell inverter used in photovoltaic plant, has magnetic throttle that is provided with first inductance, such that product from first switching frequency and first inductance is less than or equal to specific value

Info

Publication number: DE102012223170A1
Application number: DE201210223170
Authority: DE
Inventors: Martin Neuburger; Konstantin Spanos; Thomas Plum; Hartmut Steinbuch; Mohammad Nassar Albunni
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2014-06-18

Abstract

The inverter has a magnetic throttle (10) that is provided with a first inductance, such that product from first switching frequency and first inductance is less than or equal to 12 Hz.H. A control device (19) is adapted to control the inverter to the first switching frequency. An output filter (14) is adapted to filter spurious signals of the inverter. A control device (29) is provided to control a step-up converter with the second switching frequency. Independent claims are included for the following: (1) a photovoltaic plant; and (2) a method for operating inverter.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wechselrichter mit einer magnetischen Drossel und ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Wechselrichters.The present invention relates to an inverter having a magnetic reactor and a method of operating such an inverter.

Stand der TechnikState of the art

Wechselrichter sind in der Energietechnik seit langem bekannt. So haben Wechselrichter zur Umwandlung eines Gleichstroms (DC) in einen Wechselstrom (AC) in zahlreichen Bereichen Anwendung gefunden. Insbesondere bei der Nutzung regenerativer Energien, wie beispielsweise Windkraft oder Solarenergie werden Wechselrichter in Form von DC-AC Wandlern eingesetzt. Inverters have long been known in power engineering. For example, inverters have been used to convert a direct current (DC) to an alternating current (AC) into many areas. In particular, when using renewable energy, such as wind power or solar energy inverters are used in the form of DC-AC converters.

Die Druckschrift DE 10 2011 017 601 A1 offenbart eine Wechselrichteranordnung. Dabei wird eine von einer Photovoltaikanlage erzeugte Gleichspannung mittels eines Wechselrichters in eine Wechselspannung überführt. Diese Wechselspannung kann daraufhin beispielsweise in ein Stromnetz eingespeist werden.The publication DE 10 2011 017 601 A1 discloses an inverter arrangement. In this case, a DC voltage generated by a photovoltaic system is converted by means of an inverter into an AC voltage. This AC voltage can then be fed, for example, in a power grid.

Insbesondere im Bereich der Wechselrichter für Photovoltaikanlagen ist der Wirkungsgrad eine entscheidende Größe. Da Photovoltaikanlagen über einen sehr langen Zeitraum im Teillastbetrieb arbeiten, kommt diesem Teillastbetrieb eine entscheidende Bedeutung zu. Insbesondere auch bei der Definition des sogenannten europäischen Wirkungsgrades wird daher dieser Teillastbetrieb sehr stark bewertet. Bei der Dimensionierung eines Wechselrichters ist man daher bestrebt, die Verluste in dem Teillastbetrieb möglichst klein zu halten. In particular, in the field of inverters for photovoltaic systems, the efficiency is a crucial factor. Since photovoltaic systems operate in partial load operation over a very long period of time, this partial load operation is of crucial importance. In particular, in the definition of so-called European efficiency, therefore, this part-load operation is rated very strong. When sizing an inverter is therefore anxious to keep the losses in the part-load operation as small as possible.

Einen wesentlichen Einfluss auf die Verluste im Teillastbetrieb haben dabei die verwendeten induktiven Bauelemente des Wechselrichters. Dabei handelt es sich unter anderem um die magnetischen Drosseln in dem Wechselrichter. Darüber hinaus kommen in zahlreichen Wechselrichtern auch Hochsetzstellerstufen und Tiefsetzstellerstufen zum Einsatz, in denen weitere magnetische Drosseln eingesetzt werden. Die dabei verwendeten magnetischen Drosseln weisen in der Regel einen großen Induktivitätswert auf. Diese Drosseln werden im Teillastbetrieb nur wenig belastet, weshalb im Teillastbetrieb auch nur geringe Verluste auftreten. Auf der anderen Seite erfordern solche Drosseln auch eine relativ hohe Windungszahl. Somit ergibt sich für diese Drosseln ein hoher Gleichstromwiderstand, was insbesondere bei Volllast hohe Verluste zur Folge hat. Darüber hinaus sind solche Drosseln mit großen Induktivitätswerten auch sehr groß und schwer und damit auch sehr teuer.The inductive components of the inverter used have a significant influence on the losses during partial load operation. These include the magnetic chokes in the inverter. In addition, in many inverters also Hochsetzstellerstufen and Tiefsetzstellerstufen are used in which more magnetic chokes are used. The magnetic chokes used in this case generally have a large inductance value. These throttles are only slightly loaded in part-load operation, which is why in partial load operation only small losses occur. On the other hand, such chokes also require a relatively high number of turns. This results in a high DC resistance for these chokes, resulting in high losses, especially at full load. In addition, such chokes with large inductance values are also very large and heavy and therefore very expensive.

Es besteht daher ein Bedarf nach einem verbesserten Wechselrichter mit kostengünstigen Drosseln, der im Teillastbetrieb geringe Verluste aufweist. There is therefore a need for an improved inverter with cost-effective chokes, which has low losses in part-load operation.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung schafft gemäß eines ersten Aspekts einen Wechselrichter, der mit einer ersten Schaltfrequenz betreibbar ist, mit einer ersten magnetischen Drossel, die eine erste Induktivität aufweist, wobei das Produkt aus erster Schaltfrequenz und erster Induktivität kleiner oder gleich 12 Hz·H ist. The present invention, according to a first aspect, provides an inverter operable at a first switching frequency with a first magnetic choke having a first inductance, wherein the product of first switching frequency and first inductance is less than or equal to 12 Hz · H.

Gemäß eines weiteren Aspekts schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters mit den Schritten des Bereitstellens eines Wechselrichters mit einer ersten magnetischen Drossel, die eine erste Induktivität aufweist; und dem Betreiben des Wechselrichters mit einer ersten Schaltfrequenz, wobei das Produkt aus erster Schaltfrequenz und erster Induktivität kleiner oder gleich 12 Hz·H ist. In another aspect, the present invention provides a method of operating an inverter comprising the steps of providing an inverter having a first magnetic inductor having a first inductance; and operating the inverter at a first switching frequency, wherein the product of the first switching frequency and the first inductance is less than or equal to 12 Hz · H.

Es ist eine Idee der vorliegenden Erfindung, den Arbeitspunkt eines Wechselrichters so einzustellen, dass sich im Vergleich zu konventionellen Wechselrichtern eine reduzierte Drosselinduktivität bei gleicher Schaltfrequenz erforderlich ist. Dies bedeutet, dass sich das Produkt aus Schaltfrequenz und Drosselinduktivität im Vergleich zu bekannten Wechselrichtern verkleinert. Erfindungsgemäße Wechselrichter erfordern daher deutlich kleinere magnetische Drosseln.It is an idea of the present invention to set the operating point of an inverter so that a reduced reactor inductance at the same switching frequency is required compared to conventional inverters. This means that the product of switching frequency and reactor inductance decreases in comparison to known inverters. Inverters according to the invention therefore require significantly smaller magnetic chokes.

Durch die Verwendung von Drosseln mit geringerer Induktivität kann durch die erfindungsgemäße Einstellung des Arbeitspunktes eines Wechselrichters der Verlust innerhalb der Drossel deutlich gesenkt werden.Through the use of inductors with lower inductance, the loss within the inductor can be significantly reduced by the inventive setting of the operating point of an inverter.

Darüber hinaus können die Drosseln bei der erfindungsgemäßen Einstellung des Arbeitspunktes deutlich kleiner gewählt werden und weisen somit eine geringere Masse auf, als Drosseln in vergleichbaren konventionellen Wechselrichtern.In addition, the throttles can be chosen significantly smaller in the adjustment of the operating point according to the invention and thus have a lower mass than throttling in comparable conventional inverters.

Gemäß einer Ausführungsform ist das Produkt aus erster Schaltfrequenz und erster Induktivität kleiner oder gleich 10 Hz·H, vorzugsweise kleiner oder gleich 8 Hz·H. Mit einem solchen Produkt aus Schaltfrequenz und Induktivität lassen sich Wechselrichter mit besonders kleinen Drosseln aufbauen, wodurch sich sowohl die Masse der Drossel, als auch die in der Drossel auftretenden Verluste weiter minimieren lassen.According to one embodiment, the product of first switching frequency and first inductance is less than or equal to 10 Hz · H, preferably less than or equal to 8 Hz · H. With such a product of switching frequency and inductance, inverters with particularly small chokes can be set up, which further minimizes both the mass of the choke and the losses occurring in the choke.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der erfindungsgemäßeWechselrichter ein Ausgangsfilter, das dazu ausgelegt ist, Störsignale des Wechselrichters zu filtern. Ein solches Ausgangsfilter ist in der Lage, die durch die Verkleinerung der Induktivität auftretenden erhöhten Stromrippel effizient zu minimieren und somit einen störungsfreien Anschluss an einen Verbraucher oder ein Energienetz zu ermöglichen.According to a further embodiment, the inverter according to the invention comprises an output filter, which is adapted to disturb signals of the Inverter filter. Such an output filter is capable of efficiently minimizing the increased current ripple arising from the reduction in inductance and thus allowing for trouble-free connection to a load or power grid.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Wechselrichter ferner mindestens einen Hochsetzsteller, der mit einer zweiten Schaltfrequenz betreibbar ist und der eine zweite magnetische Drossel umfasst, die eine zweite Induktivität aufweist, wobei das Produkt aus zweiter Schaltfrequenz und zweiter Induktivität kleiner oder gleich 12 Hz·H, vorzugsweise kleiner oder gleich 8 Hz·H ist. Durch die Verwendung eines solchen Hochsetzstellers kann die Eingangsspannung des Wechselrichters entsprechend angepasst werden, wobei durch die erfindungsgemäße Dimensionierung der im Hochsetzsteller verwendeten magnetischen Drossel ebenfalls die Größe der Drossel minimiert werden kann.According to a further embodiment, the inverter further comprises at least one boost converter operable at a second switching frequency and comprising a second magnetic throttle having a second inductance, the product of the second switching frequency and the second inductance being less than or equal to 12 Hz · H, preferably less than or equal to 8 Hz · H. By using such a step-up converter, the input voltage of the inverter can be adjusted accordingly, which can be minimized by the inventive dimensioning of the magnetic inductor used in the boost converter also the size of the throttle.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Wechselrichter mit dem Hochsetzsteller eine zweite Steuervorrichtung, die dazu ausgelegt ist, den Hochsetzsteller mit einer zweiten Schaltfrequenz anzusteuern. Auf diese Weise kann auch der Hochsetzsteller in dem gewünschten Arbeitspunkt betrieben werden.According to a further embodiment, the inverter with the boost converter comprises a second control device, which is designed to control the boost converter with a second switching frequency. In this way, the boost converter can be operated at the desired operating point.

Eine weitere Ausführungsform umfasst einen Solarzelleninverter mit einem erfindungsgemäßen Wechselrichter. Insbesondere beim Aufbau von solchen Solarzelleninvertern kann durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Wechselrichters eine deutlich kleinere magnetische Drossel eingesetzt werden. Another embodiment comprises a solar cell inverter with an inverter according to the invention. In particular, in the construction of such solar cell inverters can be used by the inventive design of the inverter, a much smaller magnetic throttle.

Eine weitere Ausführungsform betrifft eine Photovoltaikanlage mit einer Mehrzahl von Solarmodulen, einem Anschluss zur Einspeisung der durch die Solarmodule erzeugten elektrischen Energie in ein Wechsel- oder Drehstromnetz, und einem erfindungsgemäßen Wechselrichter.A further embodiment relates to a photovoltaic system with a plurality of solar modules, a connection for feeding the electrical energy generated by the solar modules into an AC or three-phase network, and an inverter according to the invention.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Hochsetzsteller mit einer zweiten magnetischen Drossel bereitgestellt, die eine zweite Induktivität aufweist; und der Hochsetzsteller mit einer zweiten Schaltfrequenz betrieben, wobei das Produkt aus Schaltfrequenz und zweiter Induktivität kleiner oder gleich 12 Hz·H ist.According to a further embodiment of the method according to the invention, a step-up converter with a second magnetic inductor is provided, which has a second inductance; and the boost converter operates at a second switching frequency, wherein the product of switching frequency and second inductance is less than or equal to 12 Hz · H.

Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.Further features and advantages of embodiments of the invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying drawings.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Es zeigen:Show it:

1: eine schematische Darstellung eines Schaltbilds gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 1 FIG. 2 is a schematic diagram of a circuit diagram according to an embodiment of the present invention; FIG.

2: eine schematische Darstellung einer Photovoltaikanlage gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und 2 a schematic representation of a photovoltaic system according to an embodiment of the present invention; and

3: eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betrieb eines Wechselrichters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 3 : A schematic representation of a method for operating an inverter according to an embodiment of the present invention.

Die im Folgenden verwendete Richtungsterminologie, das heißt Begriffe wie „links“, „rechts“, „oben“, „unten“ und dergleichen wird lediglich zum besseren Verständnis der Zeichnungen verwendet. Dies soll in keinem Fall eine Beschränkung der Allgemeinheit darstellen. Gleiche Bezugszeichen bezeichen im Allgemeinen gleichartige oder gleichwirkende Komponenten. Die in den Figuren dargestellten Komponenten und Elemente, sowie deren spezifische Bemaßungen können im Rahmen der Überlegungen eines Fachmanns variieren und an die jeweilige Anwendung angepasst werden.The directional terminology used herein, that is, terms such as "left," "right," "top," "bottom," and the like, is used merely to better understand the drawings. In no case should this constitute a restriction of the general public. Like reference numerals generally designate like or equivalent components. The components and elements shown in the figures, as well as their specific dimensions can vary within the scope of the considerations of a person skilled in the art and adapted to the particular application.

Wechselrichter im Sinne der vorliegenden Erfindung sind alle Arten von Energiewandlern, die bereitgestellte elektrische Energie in eine periodischen Wechselspannung konvertieren. Wechselrichter sind insbesondere solche Vorrichtungen, die eine elektrische Gleichspannung (DC) in eine Wechselspannung (AC) konvertieren. Wechselrichter können beispielsweise sogenannte Inverter sein, die elektrische Energie aus einer Gleichspannungsquelle, beispielsweise einer Photovoltaikanlage, einer Windkraftanlage, einer Brennstoffzelle oder einer anderen Gleichspannungsquelle in eine periodische Wechselspannung überführen. Die konvertierte elektrische Energie kann daraufhin beispielsweise in ein Wechsel- oder Drehstromnetz eingespeist werden.Inverters in the sense of the present invention are all types of energy converters that convert supplied electrical energy into a periodic alternating voltage. Inverters are, in particular, those devices which convert a direct electrical voltage (DC) into an alternating voltage (AC). Inverters can be, for example, so-called inverters which convert electrical energy from a DC voltage source, for example a photovoltaic system, a wind power plant, a fuel cell or another DC voltage source into a periodic AC voltage. The converted electrical energy can then be fed, for example, in a AC or three-phase network.

Ferner können Wechselrichter auch mit unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) eingesetzt werden, die die Gleichspannung einer Batterie oder eines Akkumulators in eine periodische Wechselspannung umwandeln. Ferner werden Wechselrichter auch zur Steuerung von Wechsel- und Drehspannungsmotoren eingesetzt.Furthermore, inverters can also be used with uninterruptible power supplies (UPS), which convert the DC voltage of a battery or a rechargeable battery into a periodic AC voltage. Furthermore, inverters are also used to control AC and three-phase motors.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Wechselrichters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Wechselrichter umfasst dabei die erste magnetische Drossel 10, sowie die Schaltelemente 11, 12, 13. Der Wechselrichter wird in diesem Beispiel durch einen Hochsetzsteller mit der Drossel 20, dem Schaltelement 21, der Diode 22 und den beiden Kondensatoren 23 und 24 gespeist. 1 shows a schematic representation of an inverter according to an embodiment of the present invention. The inverter includes the first magnetic throttle 10 , as well as the switching elements 11 . 12 . 13 , The inverter is in this example by a boost converter with the throttle 20 , the switching element 21 , the diode 22 and the two capacitors 23 and 24 fed.

Der Hochsetzsteller umfasst eine Reihenschaltung der beiden Kondensatoren 23 und 24. Der erste Anschluss des Kondensators 23 dieser Reihenschaltung ist mit einem ersten Eingangsanschluss des Hochsetzstellers verbunden, der zweite Anschluss dieses Kondensators 23 ist mit einem Anschluss des Kondensators 24 verbunden. Der weitere Anschluss des Kondensators 24 ist über die Diode 22 und die Drossel 20 mit dem zweiten Eingangsanschluss des Hochsetzstellers verbunden. Ferner ist zwischen dem ersten Anschluss des Hochsetzstellers und dem Verbindungspunkt zwischen Diode 22 und Drossel 20 das Schaltelement 21 des Hochsetzstellers angeordnet. The boost converter comprises a series connection of the two capacitors 23 and 24 , The first connection of the capacitor 23 this series circuit is connected to a first input terminal of the boost converter, the second terminal of this capacitor 23 is with a connection of the capacitor 24 connected. The further connection of the capacitor 24 is over the diode 22 and the throttle 20 connected to the second input terminal of the boost converter. Further, between the first terminal of the boost converter and the connection point between the diode 22 and throttle 20 the switching element 21 arranged the boost converter.

Für den Wechselrichter ist ein erstes Schaltelement 11 mit dem Verbindungspunkt der Kondensatoren 23 und 24 des Hochsetzstellers verbunden. Die beiden äußeren Anschlüsse der Reihenschaltung aus den Kondensatoren 23 und 24 sind jeweils mit einem der Schaltelemente 12 und 13 verbunden. Die jeweils anderen Anschlüsse der drei beschriebenen Schaltelemente 11, 12, 13 des Wechselrichters sind in einem gemeinsamen Punkt verbunden, der über die Drossel 10 des Wechselrichters mit einem Anschluss des Ausgangs des Wechselrichters verbunden ist. Der zweite Anschluss des Ausgangs des Wechselrichters ist mit dem Verbindungspunkt der beiden Kondensatoren 23 und 24 verbunden. Zwischen den beiden Ausgangsanschlüssen des Wechselrichters befindet sich ferner ein Kondensator 14.For the inverter is a first switching element 11 with the connection point of the capacitors 23 and 24 connected to the boost converter. The two outer terminals of the series connection of the capacitors 23 and 24 are each with one of the switching elements 12 and 13 connected. The other connections of the three described switching elements 11 . 12 . 13 of the inverter are connected in a common point, via the choke 10 of the inverter is connected to a terminal of the output of the inverter. The second connection of the output of the inverter is with the connection point of the two capacitors 23 and 24 connected. Between the two output terminals of the inverter is also a capacitor 14 ,

Die Schaltelemente 11, 12, 13 werden dabei durch die erste Steuervorrichtung 19 angesteuert. Durch eine geeignete Ansteuerung der Schaltelemente 11, 12, 13 kann somit am Ausgang des Wechselrichters eine annähernd sinusförmige periodische Wechselspannung U_AC erzeugt werden. Die Schaltelemente 11, 12, 13 werden durch die Steuervorrichtung 19 dabei mit einer Schaltfrequenz angesteuert, die deutlich höher als die Frequenz der Ausgangsspannung U_AC ist. Für die Erzeugung einer Wechselspannung mit einer Frequenz von 50 Hz werden die Schaltelemente 11, 12, 13 beispielsweise mit einer Schaltfrequenz f₁ von etwa 16–20 kHz angesteuert.The switching elements 11 . 12 . 13 are doing by the first control device 19 driven. By a suitable control of the switching elements 11 . 12 . 13 Thus, an approximately sinusoidal periodic AC voltage U _AC can be generated at the output of the inverter. The switching elements 11 . 12 . 13 be through the control device 19 thereby driven with a switching frequency which is significantly higher than the frequency of the output voltage U _AC . For the generation of an alternating voltage with a frequency of 50 Hz, the switching elements 11 . 12 . 13 For example, with a switching frequency f ₁ of about 16-20 kHz driven.

Aufgrund der hochfrequenten Ansteuerung der Schaltelemente 11, 12, 13 wird die sinusförmige Ausgangsspannung U_AC von einem Stromrippel überlagert. Dieser Stromrippel kann durch geeignete Dimensionierung der Drossel 10 begrenzt werden. Es ist bekannt, bei den oben genannten Schaltfrequenzen von 16–20 kHz eine Drossel mit einer Induktivität von mindestens 1 mH zu verwenden. Hieraus ergibt sich ein Produkt aus Schaltfrequenz f₁ und Drosselinduktivität zu 16–20 Hz·H. Due to the high-frequency control of the switching elements 11 . 12 . 13 the sinusoidal output voltage U _{AC is} superimposed by a current ripple. This current ripple can by suitable dimensioning of the throttle 10 be limited. It is known to use a choke with an inductance of at least 1 mH at the above-mentioned switching frequencies of 16-20 kHz. This results in a product of switching frequency f ₁ and inductor inductance to 16-20 Hz · H.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Drossel 10 dagegen eine deutlich geringere Induktivität auf. Beispielsweise kann das Produkt aus Schaltfrequenz f₁ und Drosselinduktivität auf weniger als 12 Hz·H verkleinert werden, womit sich bei einer Schaltfrequenz von 16 kHz eine Induktivität von 0,75 mH ergibt. Darüber hinaus ist auch eine Verkleinerung des Produktes aus Schaltfrequenz f₁ und Induktivität auf 10 Hz·H, in speziellen Fällen, sogar auf 8 Hz·H oder weniger möglich. Auf diese Weise wird die Induktivität der Drossel 10 deutlich verkleinert. Da kleinere Drosseln 10 ein geringeres Gewicht aufweisen, verringert sich somit auch das Gewicht des Wechselrichters.According to an embodiment of the present invention, the throttle 10 contrast, a significantly lower inductance. For example, the product of switching frequency f ₁ and reactor inductance can be reduced to less than 12 Hz · H, resulting in an inductance of 0.75 mH at a switching frequency of 16 kHz. In addition, a reduction of the product from switching frequency f ₁ and inductance to 10 Hz · H, in special cases, even to 8 Hz · H or less is possible. In this way, the inductance of the choke 10 significantly reduced. Because smaller chokes 10 have a lower weight, thus reducing the weight of the inverter.

Auf der anderen Seite führt diese Verringerung der Drosselinduktivität zu einem größeren Rippelstrom an den Netzklemmen des Wechselrichters. Diese Erhöhung des Rippelstroms kann zu Beeinträchtigung eines angeschlossenen Stromnetzes führen und muss daher durch geeignete Filtermaßnahmen kompensiert werden. Beispielsweise kann dies durch eine entsprechende Dimensionierung des Kondensators 14 erfolgen. On the other hand, this reduction in reactor inductance results in a larger ripple current at the inverter's power terminals. This increase in the ripple current can lead to impairment of a connected power grid and must therefore be compensated by suitable filter measures. For example, this can be achieved by appropriate dimensioning of the capacitor 14 respectively.

Andernfalls besteht die Gefahr, dass ein an den Wechselrichter angeschlossener Verbraucher oder ein mit dem Wechselrichter verbundenes Stromnetz in unzulässiger Weise beeinträchtigt wird.Otherwise, there is a risk that an inverter connected to the inverter or a power grid connected to the inverter will be unduly compromised.

Da die Eckfrequenz des Filters aus Drossel 10 und Kondensator 14 proportional vom Produkt aus Induktivität und Kapazität abhängt, zieht eine Verringerung der Drosselinduktivität bei gleichbleibender Schaltfrequenz f₁ eine entsprechende Vergrößerung der Kapazität des Kondensators 14 mit sich. Aufgrund dieser Erhöhung der Kapazität des Kondensators 14 ist ein an ein Stromnetz angeschlossener Wechselrichter somit auch in der Lage, einen erhöhten Anteil an Blindleistung bereitzustellen. Dies wirkt sich insbesondere bei Netzen mit einem erhöhten Blindleistungsbetrag zusätzlich positiv auf die Netzqualität aus.Since the cutoff frequency of the filter from throttle 10 and capacitor 14 is proportional to the product of inductance and capacitance depends on a reduction in the inductance inductance at a constant switching frequency f _1, a corresponding increase in the capacitance of the capacitor 14 with himself. Due to this increase in the capacity of the capacitor 14 Thus, an inverter connected to a grid is also able to provide an increased amount of reactive power. This has an additional positive effect on the network quality, particularly in the case of networks with an increased reactive power amount.

Die Verringerung der Induktivität der Drossel 10 führt zunächst zu einer Vergrößerung des Rippelstroms. Diese Erhöhung des Rippelstroms steht zunächst den geltenden Netznormen und dem Bestreben einer hohen elektromagnetischen Verträglichkeit entgegen. Durch geeignete Anpassung eines Ausgangsfilters, beispielsweise durch entsprechende Dimensionierung der Kapazitäten 14 am Ausgang des Wechselrichters kann dieser Rippelstrom jedoch auf ein zulässiges Maß begrenzt werden. Gleichzeitig wird dabei noch die bereitgestellte kapazitive Blindleistung vergrößert. The reduction of the inductance of the choke 10 initially leads to an increase in the ripple current. This increase in ripple current initially precludes the applicable network standards and the desire for high electromagnetic compatibility. By suitable adaptation of an output filter, for example by appropriate dimensioning of the capacities 14 However, at the output of the inverter, this ripple current can be limited to a permissible level. At the same time, the capacitive reactive power provided is increased.

Eine Vergrößerung der Kapazität des Kondensators 14 kann relativ preisgünstig realisiert werden. Ferner ist für die erforderliche Steigerung der Kapazität auch nur eine moderate Gewichtszunahme zu erwarten. Demgegenüber führt die Verkleinerung der Drosselinduktivität zu deutlichen Kosten- und Gewichtseinsparungen des Wechselrichters.An increase in the capacitance of the capacitor 14 can be realized relatively inexpensive. Furthermore, for the required increase in Capacity to expect even a moderate weight gain. In contrast, the reduction of the reactor inductance leads to significant cost and weight savings of the inverter.

1 zeigt weiterhin im linken Teil des Schaltbilds einen Hochsetzsteller. Dieser Hochsetzsteller umfasst die Induktivität 20, das Schaltelement 21, das von der Steuereinheit 29 angesteuert wird, sowie die Diode 22 und die Kondensatoren 23 und 24. 1 also shows in the left part of the diagram a boost converter. This boost converter includes the inductance 20 , the switching element 21 that from the control unit 29 is controlled, as well as the diode 22 and the capacitors 23 and 24 ,

Auch in diesem Fall kann, wenn ein erhöhter Stromrippel in Kauf genommen wird, die Induktivität der Drossel 20 verringert werden. Während bei bekannten Hochsetzstellern auch hier ein Produkt aus Schaltfrequenz und Drosselinduktivität von 16–20 Hz·H verwendet wird, so ist bei einer erfindungsgemäßen Dimensionierung der Drossel 20 ein Produkt aus Schaltfrequenz und Drosselinduktivität von 12 Hz·H oder weniger möglich. Je nach Anwendungsfall sind auch hier Werte von 10 Hz·H bzw. 8 Hz·H oder weniger denkbar. Da bei Hochsetzstellerschaltungen generell deutlich höhere Verhältnisse aus Stromrippel und Grundwelle akzeptabel sind, kann das Produkt aus Schaltfrequenz und Drosselinduktivität gegebenenfalls sogar noch weiter reduziert werden.Also in this case, if an increased current ripple is accepted, the inductance of the choke 20 be reduced. While in known boost converters a product of switching frequency and choke inductance of 16-20 Hz · H is used here as well, the throttle is in a dimensioning according to the invention 20 a product of switching frequency and reactor inductance of 12 Hz · H or less is possible. Depending on the application, values of 10 Hz · H or 8 Hz · H or less are also conceivable here. Since in boost converter circuits generally significantly higher ratios of current ripple and fundamental wave are acceptable, the product of switching frequency and reactor inductance can possibly even be further reduced.

Durch das Absenken der Drosselinduktivität innerhalb der Hochsetzstellerschaltung, oder auch einer entsprechenden Tiefsetzstellerschaltung, können entsprechend kleinere, leichtere und kostengünstigere magnetische Drosseln 20 eingesetzt werden. Da im Bereich der Hoch- bzw. Tiefsetzstellerschaltungen auch größere Stromrippel akzeptabel sind, ist hier eine besonders starke Veringerung der Drosselinduktivitäten möglich. Erfindungsgemäß wird somit der Arbeitspunkt des Wechselrichters so eingestellt, dass im Vergleich zu bekannten konventionellen Wechselrichtern mit einem erhöhten Stromrippel betrieben wird. Durch das Inkaufnehmen dieses erhöhten Stromrippels kann die Induktivität der verwendeten Drosseln signifikant reduziert werden. Dies ermöglicht die Verwendung deutlich kleinerer und somit auch kostengünstigerer Drosseln beim Aufbau eines erfindungsgemäßen Wechselrichters. Insbesondere wenn der Wechselrichter darüber hinaus noch einen Hochsetzsteller umfasst, bei dem ebenfalls das erfindungsgemäße Prinzip eines erhöhten Stromrippels aufgrund verringerter Drosselinduktivität implementiert wird, so kann ein erfindungsgemäßer Wechselrichter kostengünstiger und leichter aufgebaut werden. Eventuell auftretende Wechselwirkungen mit einem angeschlossenen Netz oder einem Verbraucher können durch angepasste Dimensionierung der Filter kompensiert werden. By lowering the Drosselinduktivität within the boost converter circuit, or even a corresponding buck converter circuit, correspondingly smaller, lighter and less expensive magnetic chokes 20 be used. Since larger current ripples are also acceptable in the field of buck-boost and step-down circuits, a particularly great reduction in inductance inductances is possible here. According to the invention, the operating point of the inverter is thus adjusted so that it is operated in comparison to known conventional inverters with an increased current ripple. By taking this increased current ripple, the inductance of the reactors used can be significantly reduced. This allows the use of significantly smaller and thus more cost-effective chokes in the construction of an inverter according to the invention. In particular, if the inverter further comprises a step-up converter, in which also the inventive principle of an increased current ripple is implemented due to reduced reactor inductance, so an inverter according to the invention can be constructed cheaper and easier. Possible interactions with a connected network or a consumer can be compensated for by appropriate dimensioning of the filters.

2 zeigt eine schematische Darstellung einer Photovoltaikanlage mit einem erfindungsgemäßen Wechselrichter. Die Photovoltaikanlage umfasst mehrere Solarmodule 1. Diese Solarmodule 1 erzeugen bei Lichteinfall elektrische Energie, die einem Solarzelleninverter 2 mit einem erfindungsgemäßen Wechselrichter zugeführt wird. Der Solarzelleninverter 2 wandelt die von den Solarmodulen bereitstellte Gleichspannung in eine Wechselspannung mit Netzfrequenz um und speist die elektrische Energie daraufhin über einen Anschluss in ein angeschlossenes Wechsel- oder Drehstromnetz 3 ein. 2 shows a schematic representation of a photovoltaic system with an inverter according to the invention. The photovoltaic system comprises several solar modules 1 , These solar modules 1 generate electrical energy when exposed to light, which is a solar cell inverter 2 is supplied with an inverter according to the invention. The solar cell inverter 2 converts the DC voltage provided by the solar modules into an AC voltage at mains frequency and then feeds the electrical energy via a connection to a connected AC or three-phase network 3 one.

In gleicher Weise kann auch die elektrische Energie aus anderen Energiequellen, beispielsweise von einer Windkraftanlage, einer Brennstofzelle oder dergleichen durch einen erfindungsgemäßen Wechselrichter in eine zu einem angeschlossenen Netz angepasste elektrische Energie umgewandet werden.In the same way, the electrical energy from other energy sources, for example from a wind turbine, a fuel cell or the like can be converted by an inverter according to the invention into an electrical energy adapted to a connected network.

3 zeigt schematisch die Darstellung eines Verfahrens 100 zum Betrieb eines Wechselrichters, insbesondere eines im Zusammenhang mit 1 schematisch gezeigten Wechselrichters. In einem ersten Schritt 100 wird der Wechselrichter mit einer Drossel bereitgestellt. Diese Drossel weist eine vorgegebene Induktivität auf. In Schritt 120 wird der Wechselrichter mit einer Schaltfrequenz betrieben, wobei das Produkt der Schaltfrequenz mit der Induktivität der Drossel des Wechselrichters kleiner oder gleich 12 Hz·H ist. Je nach Anwendungsfall und akzeptablem maximalen Stromrippel kann das Produkt aus Schaltfrequenz und Induktivität auch kleiner gewählt werden, beispielsweise maximal 10 Hz·H oder 8 Hz·H. Bei vorgegebener Schaltfrequenz ergibt sich somit ein Richtwert für die Dimensionierung der Drossel in dem Wechselrichter. 3 schematically shows the representation of a method 100 for operating an inverter, in particular one related to 1 schematically shown inverter. In a first step 100 the inverter is provided with a choke. This throttle has a predetermined inductance. In step 120 the inverter is operated at a switching frequency, wherein the product of the switching frequency with the inductance of the inductor of the inverter is less than or equal to 12 Hz · H. Depending on the application and the acceptable maximum current ripple, the product of switching frequency and inductance can also be selected to be smaller, for example a maximum of 10 Hz · H or 8 Hz · H. For a given switching frequency thus results in a guideline for the dimensioning of the throttle in the inverter.

Zur Anpassung des Ausgangsfilters kann ferner in einem nicht dargestellten Schritt eine Kapazität 14 zwischen den Anschlüssen der Ausgangsspannung angepasst werden.In order to adapt the output filter, a capacitance can also be provided in a step which is not shown 14 be adjusted between the terminals of the output voltage.

Optional kann in einem weiteren Schritt 130 ein Hochsetzsteller in einer zweiten magnetischen Drossel bereitgestellt werden. Daraufhin kann der Hochsetzsteller in einem Schritt 140 mit einer Schaltfrequenz betrieben werden, so dass das Produkt aus der Schaltfrequenz des Hochsetzstellers und der Induktivität des Hochsetzstellers maximal 12 Hz·H ist. Da für den Betrieb von Hochsetzstellern auch größere Stromrippel akzeptabel sein können, kann das Produkt aus der Schaltfrequenz und der Induktivität in dem Hochsetzsteller auch entsprechend kleiner gewählt werden, beispielsweise maximal 10 Hz·H, 8 Hz·H oder sogar maximal 6 Hz·H. Optionally, in a further step 130 a boost converter may be provided in a second magnetic choke. Then the boost converter in one step 140 be operated with a switching frequency, so that the product of the switching frequency of the boost converter and the inductance of the boost converter is a maximum of 12 Hz · H. Since larger current ripples can also be acceptable for the operation of boost converters, the product of the switching frequency and the inductance in the boost converter can also be selected correspondingly smaller, for example at most 10 Hz · H, 8 Hz · H or even at most 6 Hz · H.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung einen Wechselrichter mit einer modifizierten Auslegung. Die Auslegung des Wechselrichters wird dabei so verändert, dass sich ein reduziertes Produkt aus Schaltfrequenz und Induktivität der Drossel im Hochsetzsteller ergibt. Durch die modifizierte Auslegung für den Betriebsmodus des Wechselrichters kann die Drosselinduktivität reduziert werden. Dies ermöglicht den Aufbau kleinerer und leichterer Wechselrichter.In summary, the present invention relates to an inverter with a modified design. The design of the inverter is changed so that a reduced product of switching frequency and inductance of the Throttle in the boost converter results. The modified design for the operating mode of the inverter, the reactor inductance can be reduced. This enables the construction of smaller and lighter inverters.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102011017601 A1 [0003]

Claims

Inverter which is operable at a first switching frequency, with a first magnetic throttle ( 10 ) having a first inductance, wherein the product of first switching frequency and first inductance is less than or equal to 12 Hz · H.

The inverter of claim 1, wherein the product of first switching frequency and first inductance is less than or equal to 10 Hz · H, preferably less than or equal to 8 Hz · H.

Inverter according to one of the preceding claims, further comprising a first control device ( 19 ), which is designed to drive the inverter at the first switching frequency.

Inverter according to one of the preceding claims, further comprising an output filter ( 14 ), which is designed to filter noise from the inverter.

An inverter according to any one of the preceding claims, further comprising a boost converter operable at a second switching frequency and having a second magnetic throttle ( 20 ) having a second inductance, wherein the product of the second switching frequency and the second inductance is less than or equal to 12 Hz · H, preferably less than or equal to 8 Hz · H.

An inverter according to claim 5, further comprising a second control device ( 29 ), which is designed to control the boost converter with the second switching frequency.

Solar cell inverter ( 2 ) with an inverter according to one of the preceding claims.

Photovoltaic system with a plurality of solar modules ( 1 ), a connection for feeding the solar modules ( 1 ) generated electrical energy in a AC or three-phase network ( 3 ) and an inverter according to one of claims 1 to 5.

Procedure ( 100 ) for operating an inverter, with the steps Providing ( 110 ) of an inverter with a first magnetic throttle ( 10 ) having a first inductance; and operating ( 110 ) of the inverter at a first switching frequency, wherein the product of first switching frequency and first inductance is less than or equal to 12 Hz · H.

Procedure ( 100 ) according to claim 9, further comprising the steps of providing ( 130 ) of a boost converter with a second magnetic throttle ( 20 ) having a second inductance; and operating ( 140 ) of the boost converter at a second switching frequency, wherein the product of the second switching frequency and the second inductance is less than or equal to 12 Hz · H.