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Die Erfindung betrifft eine Wandlerschaltung sowie eine Schaltungseinrichtung für einen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit dieser Wandlerschaltung und eine Solaranlage mit dieser Wandlerschaltung.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Strom erzeugende Einheiten als Strom- oder Spannungsquellen bekannt, die entweder Gleichstrom oder Wechselstrom abgeben. So werden beispielsweise Solarzellen über einen Gleichstromwandler an einen Wechselrichter angeschlossen, wenn Wechselspannung benötigt wird, um einen Verbraucher zu betreiben oder um den Strom in Versorgungsnetze mit der richtigen Frequenz einzuspeisen.
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Aus der
DE 10136147 A1 ist ein photovoltaischer Wechselstromerzeuger bekannt, der eine Vielzahl photovoltaischer Solarmodule mit schwankender Nennleistung aufweist. Den Solarmodulen sind jeweils Gleichspannungswandler zugeordnet, die an ihrem Ausgang parallel geschaltet und mit einem zentralen Wechselrichter verbunden sind, welcher die von den Gleichspannungswandlern erzeugte Zwischenkreis-Gleichspannung in eine sinusförmige Wechselspannung mit vorgegebener Frequenz umformt. Um einen vergleichsweise geringen baulichen Aufwand des Wechselstromerzeugers zu erzielen, wird jedes Solarmodul mit einem individuellen Gleichspannungswandler elektrisch verbunden, welcher die Ausgangsgleichspannung des zugeordneten Solarmoduls in die wesentlich höhere Zwischenkreis-Gleichspannung transformiert.
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Photovoltaik-Solarmodule werden üblicherweise in einem Arbeitspunkt betrieben, bei dem eine Ausgangsleistung optimal ist. Dieser Arbeitspunkt wird als MPPT bezeichnet, was für „maximum power point tracking“, also sinngemäß Nachführen am maximalen Arbeitspunkt, steht.
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Eine Schaltungsanordnung mit einem „Maximum Power Point Tracker“ ist in der
DE 10 2011 076 184 A1 gezeigt. Die Schaltungsanordnung weist Ausgangsanschlüsse zum Bereitstellen eines Ausgangsstroms Eingangsanschlüsse zum Zuführen eines Quellenstromes und einer Quellenspannung von einer Gleichstromquelle und einen Maximum Power Point Tracker auf, der zwischen die Eingangsanschlüsse und die Ausgangsanschlüsse gekoppelt ist. Eine Überbrückungsschaltung ist zwischen die Eingangsanschlüsse und die Ausgangsanschlüsse gekoppelt ist, wobei die Überbrückungsschaltung dazu ausgebildet ist, einen Überbrückungszustand abhängig von dem Ausgangsstrom und abhängig von dem Quellenstrom anzunehmen, wobei der Quellenstrom im Überbrückungszustand durch die Überbrückungsschaltung fließt.
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Ein Beispiel für eine entsprechendes Verfahren zum Auffinden des optimalen Arbeitspunktes ist in der
DE 10 2005 032 864 A1 gezeigt. Dort wird ein Verfahren zum Auffinden eines Maximums eines Photovoltaik-Generators beschrieben, bei dem eine MPP-Regelung eines Photovoltaik-Wechselrichters eingesetzt wird, mit der eine maximale Generatorleistung bei einem Arbeitspunkt der Generatorkennlinie eingestellt wird, soll bei Teilverschattung des Generators einen verbesserten Wirkungsgrad liefern. Dies wird dadurch erreicht, dass die MPP-Regelung abgeschaltet wird, um den Generator anschließend zu be- und/oder entlasten, damit sich ein neuer Arbeitspunkt der Generatorkennlinie einstellen kann, und dass die MPP-Regelung anschließend wieder eingeschaltet wird. Für Wechselrichter und Mikroinverter existiert eine Vielzahl von Schaltungsmöglichkeiten, die in der Regel eine oder mehrere der folgenden ungünstigen Charakteristika aufweisen. Die Schaltung beinhaltet einen oder mehrere kurzlebige Elektrolytkondensatoren oder weist mehr als zwei stromdurchflossene Schalter im Gleichstrom-Wechselstrom-Umrichter auf. Ersteres verringert die Lebensdauer, letzteres bringt Verluste mit sich. Übliche Schaltungen arbeiten bei hohen (oft größer als 500 V) Gleichspannungen, da die Solarmodule in Serie geschaltet sind, was hohe Sicherheitsanforderungen mit sich bringt. Wenn die Solarmodule oder andere Generatoren in Serie geschaltet sind, dann wird der Systemstrom limitiert durch das Modul/Generator mit der schlechtesten Performance.
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Falls das Solarmodulsystem mit Wechselrichter einen Batteriespeicher beinhaltet, dann benötigt das Solarmodulsystem einen zusätzlichen Laderegler, um für den Stromspeicher auszuladen und auch einen DC-DC Konverter zum entladen. Dies führt zu zusätzlichen Leistungsverlusten.
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Dabei muss die Eingangsspannung in der Regel grösser als 500–600 V sein, da die übliche Wechselrichterelektronik eine grundsätzlich tiefsetzende Eigenschaft hat. Dies wird dadurch erreicht, dass Solarmodule in Serie geschaltet werden. Durch die Serienschaltung können jedoch einzelne Module nicht auf maximale Leistungsabgabe optimiert werden. Der Gesamtstromfluss wird durch das leistungsschwächste Modul bestimmt und vermindert die Leistungsabgabe der gesamten Serienschaltung. Die Schaltgeschwindigkeit der Transistoren ist üblicherweise unterhalb 30–50kHz, um die Schaltverluste niedrig zu halten. Dies führt dazu, dass sehr große (in Volumen, Gewicht und Kosten) Speicherdrosseln und Kondensatoren verwendet werden müssen. Serienwechselrichter besitzen keine Möglichkeit die Leistungsabgabe einzelner Module zu erfassen, bzw. so zu regeln, dass diese maximal wird. Außerdem können Anlagen mit zentral installiertem Serienwechselrichter Prinzip bedingt nicht einzelne Module der Solaranlage oder gesamte Serienschaltung abschalten. Dies ist insbesondere im Brandfall sehr problematisch, da typische Systemspannungen bei 800 V liegen, was für eine Löschmannschaft gefährlich ist.
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Zusammenfassend wurde erkannt, dass bei bekannten Wandlerschaltungen unter anderem nachteilig ist, dass zur Speicherung von elektrischer Ladung Elektrolytkondensatoren vorgesehen werden müssen, die zwischen der Ausgangsschaltung zur Leistungsoptimierung und der Wandlerschaltung zur Umwandlung in die Netzwechselspannung angebracht sind. Elektrolytkondensatoren weisen jedoch eine geringe Lebensdauer auf, was sich eventuell nachteilig auf die Betriebskosten auswirkt und einen erhöhten Wartungsaufwand der installierten Module bedeuten kann. Um einen Betrieb mit einer Batterie zu ermöglichen, ist es ferner notwendig, die Ausgangsschaltung zur Leistungsoptimierung mit einem Laderegler für die Batterie auszustatten. Im Falle einer Aufladung der Batterie über die Netzwechselspannung ist ebenso ein weiterer Laderegler für die Batterie notwendig. Diese zusätzlichen Komponenten verteuern jedoch zum einen die Bereitstelllung, reduzieren aber zum anderen auch die Effizienz aufgrund von Leistungsverlusten. Darüber hinaus lassen sich nach dem Stand der Technik übliche uni-direktionale Wandlerschaltungen nicht intelligent vernetzen, um durch den Zusammenschluss ein virtuelles Kraftwerk zu erschaffen, das sowohl als Stromquelle als auch als Stromsenke fungieren kann. Durch die Serienschaltung von Solarmodulen verliert man Effizienz, da die abgegebene Leistung durch das schlechteste Modul begrenzt wird.
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Folglich besteht in der Technik ein Bedarf nach einer Wandlerschaltung, die die oben genannten Nachteile überwindet, d.h. eine Verbesserung der Lebensdauer ermöglicht und eine höhere Effizienz aufweist.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Wandlerschaltung anzugeben, die eine möglichst geringe Verlustleistung aufweist, die einfache Einbindung eines Stromspeichers ermöglicht, auch bei geringen Zwischenspannungen effizient arbeitet, mit wenigen Bauteilen auskommt und eine intelligente Vernetzung einzelner Wandlerschaltungen ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche. Diese können in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
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Gemäß der Erfindung wird eine Wandlerschaltung geschaffen, die als Wechselrichter eine an einem ersten Anschlusspaar anliegende Gleichspannung in eine Wechselspannung an einem zweiten Anschlusspaar umsetzt, wobei zwischen dem ersten Anschlusspaar und dem zweiten Anschlusspaar für eine erste Halbwelle der Wechselspannung ein erster Hochtiefsetzsteller und für die zweite Halbwelle ein zweiter Hochtiefsetzsteller mit je zwei stromdurchflossenen Schalter vorgesehen sind, die wechselseitig betreibbar sind, wobei die Gleichspannung niedriger als ein Scheitelwert der Wechselspannung wählbar ist.
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Die Beschreibung der Wanderschaltung stellt ein einphasiges Wandlungskonzept dar, das jedoch einfach auf einen dreiphasigen Betrieb ausgeweitet werden kann. Die erfindungsgemäße Wandlerschaltung wurde insbesondere für den Einsatz als Wechselrichter für Solarmodule optimiert. Für diesen Zweck wird schaltungstechnisch nicht der übliche Tiefsetzsteller verwendet, sondern eine Schaltung mit hoch- und tiefsetzenden Eigenschaften. Ein Tiefsetzsteller, der üblicherweise in Wechselrichtern zum Einsatz kommt, benötigt eingangsseitig eine Spannung, die höher ist, als die höchste Spannung am Ausgang. Bei einer AC-Ausgangsspannung von 230 V liegt der höchste Spannungswert bei 325 V, das heißt die Eingangsspannung sollte bei mindestens 400 bis 500V liegen. Es ist aber sehr ineffizient beispielsweise die Solargeneratorausgangsspannung von typischerweise 30 V bis 40 V auf mindestens 400 bis 500 V Systemspannung hoch zu transformieren, sodass der anschließende Wechselrichter mit tiefsetzenden Eigenschaften eingesetzt werden kann. Deshalb ist ein wesentlicher Teil dieser Erfindung ein hocheffizienter Wechselrichter, der mittlere Spannungen sowohl hoch- als auch tiefsetzen kann, um eine Sinuswelle am Ausgang zu modellieren. Das besondere an der vorliegenden Schaltung ist, dass sie mit nur zwei gleichzeitig stromdurchflossenen Halbleitern auskommt, im Gegensatz zu herkömmlichen Varianten, bei denen drei stromdurchflossene Halbleiter verwendet werden. Aufgrund dieser Schaltung wird die Effizienz verbessert und beträgt mindestens 95% bis 98%.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind der erste und der zweite Hochtiefsetzsteller als Parallelschaltung mit dem ersten Anschlusspaar und mit komplementären Anschlüssen des zweiten Anschlusspaars verbunden.
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Bei diesem Aufbau sind der erste und der zweite Hochtiefsetzsteller nahezu identisch aufgebaut. Durch die Verbindung mit komplementären Anschlüssen des zweiten Anschlusspaars wird ausgewählt welcher der beiden Hochtiefsetzsteller der negativen und welcher der positiven Halbwelle zugeordnet ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst der erste und der zweite Hochtiefsetzsteller jeweils zwischen dem ersten Anschlusspaar eine Spule und einen in Serie geschalteten Schalter als Schaltelement, an deren Verbindungspunkt eine Diode und ein weiterer Schalter in Serie geschaltet sind, die als Umschalter mit den jeweiligen komplementären Anschlüssen des zweiten Anschlusspaars verbunden sind.
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Diese Schaltung verwendet den klassischen Hochtiefsetzsteller, der aus einem Schalter, einer Spule und einer Diode gebildet wird. Durch den ausgangsseitigen Umschalter wird immer nur der jeweils aktive Hochtiefsetzsteller mit dem Ausgang verbunden. Das Schaltungskonzept besteht folglich aus zwei Schaltern für die positive und für die negative AC Halbwelle am Ausgang. Die beiden Halbwellen werden dann mit zwei weiteren Umschaltern zu der Gesamtsinuswelle zusammengesetzt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Wandlerschaltung ausgebildet, als Gleichrichter eine am zweiten Anschlusspaar anliegende Wechselspannung als Gleichspannung am ersten Anschlusspaar auszugeben.
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Ein weiteres Merkmal der Wandlerschaltung ist, dass sie bidirektional betrieben werden kann. So kann die Wandlerschaltung von der DC-Eingangsseite eine AC-Ausgangsspannung erzeugen. Umgekehrt kann die Wandlerschaltung aber auch eine AC-Spannung gleichrichten und am ersten Anschlusspaar abgeben. Durch diese Doppelfunktion werden Bauteil-Kosten eingespart.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind bei der Wandlerschaltung im Wechselrichterbetrieb als Schaltelement fungierenden Schalter im Gleichrichterbetrieb Umschalter und die im Wechselrichterbetrieb als Umschalter fungierenden Schalter im Gleichrichterbetrieb Schaltelement.
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Die Wandlerschaltung ist so konzipiert, dass man sie auch als Gleichrichter rückwärts betreiben kann. Rückwärtsbetrieb bedeutet, dass die Schalter, die im Wechselrichterbetrieb zum Umpolen verwendet wurden, jetzt als schnelle Schalter im Rückwärts-Hochtiefsetzsteller hochfrequent getaktet und mittels Pulsweiten-Modulation geregelt werden. Im Rückwärtsbetrieb werden die im Wechselrichterbetrieb getakteten Schalter nun zum Umschalten verwendet. Die Schaltung ist im Vorwärts- und Rückwärtsbetrieb spiegelbildlich aufgebaut. Die Kombination von Vorwärts- und Rückwärtsbetrieb in einer Schaltung minimiert die Bauteilkosten.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Schalter mit einer Steuerschaltung verbunden, die ausgebildet ist, über eine Pulsweiten-Modulation die als Schaltelement fungierenden Schalter zu steuern.
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Bei der Modulation fließt der Strom entweder von den Spulen durch den als Schaltelement fungierenden Schalter zurück zur Quelle, oder, wenn der als Schaltelement fungierender Schalter geöffnet ist, durch die Diode. Damit der Stromkreis zum AC-Ausgang geschlossen wird, muss der als Umschalter fungierende Schalter geschlossen sein. Der Strom der Spulen des Hochtiefsetzstellers fließt beispielsweise in einen Kondensator am zweiten Anschlusspaar und lädt ihn wechselseitig auf. Es werden die Spannung und/oder der Strom am zweiten Anschlusspaar gemessen. Durch einen negativen Feedbackalgorithmus wird je nach Betriebsmodus entweder die Spannung (bei Inselmodus zur Erzeugung einer lokalen Wechselspannung oder bei Motorsteuerung) oder der Strom (AC-Netzeinspeisung) am Ausgang reguliert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die als Schaltelement fungierenden Schalter mit einer Frequenz von mehr als 50 kHz, vorzugsweise ungefähr 200 kHz betreibbar.
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Die hohe Schaltfrequenz erlaubt es, in Bezug auf Volumen, Gewicht und Kosten relativ kleine Kondensatoren und Speicherdrosseln zu verwenden, was die Kosten reduziert und eine kompakte Schaltung entstehen lässt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist bei dem ersten und/oder dem zweiten Hochtiefsetzsteller anstelle einer Spule ein Transformator vorgesehen.
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Demgemäß wird eine galvanische Trennung der Eingänge beziehungsweise der Ausgänge der Wandlerschaltung erreicht, indem die oben genannten Speicherdrosseln jeweils durch einen Transformator ersetzt werden, die ein Übertragungsverhältnis von 1:1 aufweisen können. Dies erlaubt es, beispielsweise an einem Solarmodul das mit Erde verbundene Potential beliebig zu wählen. Der oder die Transformatoren können auch mit einem anderen Übertragungsverhältnis eingesetzt werden. Die Wandlerschaltung eignet sich dann als Mikroinverter, der ohne vorgeschaltete Schaltung zur Leistungsoptimierung eingesetzt werden kann. Dazu wählt man bei den Transformatoren ein höheres Übertragungsverhältnis von beispielsweise 1:4 oder 1:5, sodass die Eingangsspannungen entsprechend hochtransformiert werden. Somit muss die Hoch-Tiefsetzstufe mit den stromdurchflossenen Schaltern geringere Spannungen transformieren und wird effizienter.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung arbeitet die Wandlerschaltung im Gleichrichterbetrieb als Laderegler für eine Batterie.
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Demgemäß ist es möglich, eine Batterie als Zwischenspeicher einzusetzen, die ohne die Bereitstellung eines speziellen Ladereglers über die Wandlerschaltung aufgeladen werden kann. Dazu wird im Gleichrichterbetrieb die Spannung am ersten Anschlusspaar, das nun den Ausgang der Wandlerschaltung definiert, so geregelt, dass ein Ladestrom fließen kann. Demgemäß ist es möglich, die Batterie aus anderen Energiequellen zu laden, was insbesondere während der Nachtstunden bei Verwendung der Wandlerschaltung mit Solarzellen oder windarmer Zeiten bei Verwendung mit einem Windrad vorteilhaft ist. So kann oftmals während der Nachtstunden verbilligter Nachtstrom aus dem öffentlichen Energienetz bezogen werden, der dann als Energiepuffer mittels der Batterie für zukünftigen Bedarf zur Verfügung steht. Die Wandlerschaltung optimiert die abgegebene Leistung eines jeden Solarmodules und erhöht die Systemeffizienz.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Wandlerschaltung als Wechselrichter so ansteuerbar, dass am zweiten Anschlusspaar ein Elektromotor betreibbar ist.
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Die Steuerschaltung kann so programmiert sein, dass sie die Spannung am zweiten Anschlusspaar entsprechend überwacht, so dass der direkte Betrieb eines Motors ermöglicht wird. Auf diese Weise ist eine Anpassung an den tatsächlichen Leistungsbedarf des Elektromotors mittels der Steuerschaltung der Wandlerschaltung möglich.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Wandlerschaltung als Wechselrichter am zweiten Anschlusspaar zur Netzeinspeisung betreibbar.
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Bereitgestellte elektrische Energie, die nicht zur Aufladung einer Batterie oder zur lokalen Versorgung elektrischer Verbraucher benötigt wird, kann demgemäß in das öffentliche Netz eingespeist werden, wodurch über die entsprechenden Vergütungsentgelte eine Refinanzierung der Anlage erfolgen kann. Bei der Netzeinspeisung kann beispielsweise über die Steuerschaltung der der Strom AC-Netzeinspeisung am Ausgang reguliert werden. Ebenso ist es möglich, am Ausgang eine Möglichkeit zur kapazitiven und induktiven Blindstromeinspeisung zu schaffen. Um die Blindstromforderung zu erfüllen, kann mit einem Relais eine Induktivität oder eine Kapazität am AC-Ausgang dazu geschaltet werden, um auf einfache Weise Blindstrom passiv bereitzustellen, wie oftmals vom Gesetzgeber verlangt.
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Des Weiteren wird eine Schaltungseinrichtung für einen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, insbesondere für eine Solaranlage oder ein Windrad, angegeben, die geeignet ist, eine Ausgangsspannung der Vorrichtung mittels eines Hochsetzstellers anzuheben, wobei ein Ausgang des Hochsetzstellers mit einer Wandlerschaltung wie vorstehend beschrieben verbunden ist.
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Die Schaltungseinrichtung kann zur Leistungsoptimierung einer Solarzelle ausgebildet sein und beispielsweise ein Maximum Power Point Tracking („MPPT“) implementieren. Dadurch, dass jedes Modul/jeder Generator einzeln bezüglich der Ausgangsleistung optimiert wird, gewinnt man insgesamt 10–20% an zusätzlicher Ausgangsleistung.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Schaltungseinrichtung ist zwischen dem Hochsetzsteller und der Schaltungseinrichtung eine Batterie angeordnet, wobei der Hochsetzsteller so steuerbar ist, dass die Batterie von der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aufladbar ist.
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Die Batterie kann über die Wandlerschaltung mittels Strom aus dem öffentlichen Stromnetz, beispielsweise Nachtstrom, aufladbar sein.
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Außerdem wird Solaranlage mit einer Schaltungseinrichtung wie vorstehend beschrieben angegeben, bei der eine Vielzahl von Solarmodulen mit jeweils einer Schaltungseinrichtung als Leistungsoptimierer verbunden sind, die mit einer zentralen Wandlerschaltung verbunden sind. Die einzelnen Leistungsoptimierer an den Solarmodulen kommunizieren hierbei direkt über die Stromleitungen („Power-Line-Communication“) mit der zentralen Wandlerschaltung. Der in die zentrale Wandlerschaltung integrierte Controller sammelt dabei Leistungs- und weitere Betriebsdaten der einzelnen Solarmodule, wertet diese aus und steuert die einzelnen Leistungsoptimierer beispielsweise so, dass einen optimal Gesamtleistung der Solaranlage erreicht wird. Insbesondere kann der integrierte Controller auch einzelnen Solarmodule komplett ausschalten, wenn Betriebsparameter bestimmte festgelegte Rahmenwerte über- oder unterschreiten.
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Es kann eine zentrale Batterie zwischen den Schaltungseinrichtungen und der zentralen Wandlerschaltung angeordnet sein.
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Alternativ ist es vorgesehen, dass eine Vielzahl von Solarmodulen mit jeweils einer Schaltungseinrichtung und einer Wandlerschaltung verbunden sind.
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Außerdem kann wenigstens eine Batterie zwischen einer der Schaltungseinrichtungen und der zugehörigen Wandlerschaltung angeordnet sein, vorzugsweise zwischen allen Schaltungseinrichtungen und den zugehörigen Wandlerschaltungen.
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Die Solaranlage kann mit einer Datenschnittstelle, insbesondere einem kabellosen oder kabelgebundenen Netzwerk, versehen sein, die geeignet ist, Parameter zur Steuerung der Solaranlage zu übertragen. So können mehrere Solaranlagen zu einem virtuellen Kraftwerk verbunden werden, das sowohl als Stromsenke als auch als Stromquelle betrieben werden kann.
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Schließlich wird eine Solaranlagengruppe mit Solaranlagen wie vorstehend beschrieben angegeben, die zu einem virtuellen Kraftwerk zur Bereitstellung von Regelenergie, die über einen Zentralcomputer über die Datenschnittstelle steuerbar sind, zusammengefasst sind, wobei das virtuelle Kraftwerk sowohl als Stromquelle als auch als Stromsenke betreibbar ist.
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Wenigstens zwei Solaranlagen, vorzugsweise alle Solaranlagen, können miteinander elektrische Energie austauschen, in lokalen Stromspeichern speichern oder über das Stromnetz Energie anderen Verbrauchern bereitstellen.
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Jeder an einem Solarmodul installierter Leistungsoptimierer kann mit einer Identifikationsnummer versehen sein, die über das Netzwerk auslesbar ist.
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Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1(A) eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Wandlerschaltung,
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1(B) eine weitere schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Wandlerschaltung,
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2 eine Schaltungseinrichtung zur Verwendung mit der erfindungsgemäßen Wandlerschaltung,
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3 eine weitere schematische Darstellung der Schaltungseinrichtung,
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4 eine weitere schematische Darstellung der Schaltungseinrichtungen mit einer Wandlerschaltung, und
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5 eine weitere schematische Darstellung einer Schaltungseinrichtung mit zugehörigen Wandlerschaltungen.
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In den Figuren sind gleiche oder funktional gleich wirkende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Unter Bezugnahme auf 1(A) ist eine erste Ausführungsform einer Wandlerschaltung WS gezeigt. Die Wandlerschaltung WS weist ein erstes Anschlusspaar AP1 und ein zweites Anschlusspaar AP2 auf. Das erste Anschlusspaar AP1 und das zweite Anschlusspaar AP2 weisen jeweils einen positiven und einen negativen Anschluss auf, die im folgenden als AP1+, AP1–, AP2+ und AP2– bezeichnet werden. Wie nachfolgend erläutert werden wird, stellt die Wandlerschaltung WS einen bidirektionalen DC-AC-Wandler dar, der eine am ersten Anschlusspaar AP1 anliegende Gleichspannung UZ in eine Wechselspannung UA am zweiten Anschlusspaar AP2 wandelt. In einem Rückwärtsbetrieb wird die Wechselspannung UA am zweiten Anschlusspaar AP2 in eine Gleichspannung UZ am ersten Anschlusspaar AP1 gewandelt. Die Wandlerschaltung WS ist so ausgelegt, dass sie mit einer Gleichspannung UZ arbeiten kann, die niedriger ist als die Scheitelwertspannung der Wechselspannung UA. Wenn die Wandlerschaltung WS als Wechselrichter eingesetzt wird, muss eine Sinuswelle am zweiten Anschlusspaar AP2 moduliert werden, wobei die Gleichspannung UZ am ersten Anschlusspaar AP1 sowohl hoch als auch tief gesetzt werden muss. Demgemäß werden bei der Wandlerschaltung WS gemäß 1(A) ein erster Hochtiefsetzsteller HTS1 und ein zweiter Hochtiefsetzsteller HTS2 verwendet.
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Der erste Hochtiefsetzsteller HTS1 umfasst einen ersten Schalter S1 dessen erster Anschluss mit dem Anschluss AP1– verbunden ist. Der zweite Anschluss des ersten Schalters S1 ist am ersten Verbindungspunkt VP1 sowohl mit einem Anodenanschluss einer ersten Diode D1 sowie mit einem Anschluss einer ersten Spule SP1 verbunden. Der Kathodenanschluss der ersten Diode D1 ist mit dem Anschluss AP2– verbunden. Der andere Anschluss der ersten Spule SP1 ist mit dem Anschluss AP1+ verbunden.
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Auf ähnliche Weise ist auch ein zweiter Hochtiefsetzsteller HTS2 aufgebaut, dessen zweiter Schalter S2 mit dem Anschluss AP1– verbunden ist. Am zweiten Verbindungspunkt VP2 sind ein erster Anschluss der zweiten Spule SP2 sowie ein Anodenanschluss einer zweiten Diode D2 angeschlossen. Der andere Anschluss der zweiten Spule SP2 ist wiederum mit dem Anschluss AP1+ verbunden, der Kathodenanschluss der zweiten Diode D2 ist mit dem Anschluss AP2+ verbunden.
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Der Kathodenanschluss der ersten Diode ist über einen dritten Schalter S3 und der Kathodenanschluss der zweiten Diode D2 ist über einen vierten Schalter S4 mit dem Anschluss AP1+ verbunden. Der dritte Schalter S3 und der vierte Schalter S4 fungieren als Umschalter, um für eine jeweilige Halbwelle den Stromkreis über die erste Spule SP1 oder die zweite Spule SP2 zu schließen. Bei dem ersten Schalter S1 und dem zweiten Schalter S2 handelt es sich dagegen um Schaltelemente, die zur Steuerung über eine Pulsweiten-Modulation herangezogen werden.
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Zur Pulsweiten-Modulation ist eine Steuerschaltung ST vorgesehen, die entsprechende Steuersignale an den ersten Schalter S1 und an den zweiten Schalter S2 sowie an den dritten Schalter S3 und den vierten Schalter S4 weiter gibt. Darüber hinaus wird jeweils am ersten Anschlusspaar AP1 und am zweiten Anschlusspaar AP2 die anliegende Spannung bzw. der Stromfluss gemessen. Diese Messgrößen sind in 1(A) mittels der Bezugszeichen UZ, UA, IZ und IA angedeutet. Darüber hinaus ist zwischen den beiden Anschlüssen des zweiten Anschlusspaares AP2 ein Kondensator C1 angeordnet, der beispielsweise als Folienkondensator ausgeführt sein kann. Unter Bezugnahme auf 1(B) wird im Folgenden eine zweite Ausführungsform der Wandlerschaltung WS beschrieben. Die Wandlerschaltung gemäß 1(B) entspricht dabei im Wesentlichen der der 1(A), wobei dort die beiden Spulen SP1 und SP2 durch Transformatoren TR1 und TR2 ersetzt wurden. Demgemäß erfolgt nun eine Kopplung zwischen dem ersten Schalter S1 bzw. dem zweiten Schalter S2 und den jeweiligen Dioden D1 oder D2 nicht mehr über die Verbindungspunkte VP1 und VP2 sondern galvanisch getrennt über den Transformator TR1 bzw. TR2. Demgemäß wird eine galvanische Trennung zwischen dem ersten Anschlusspaar AP1 und dem zweiten Anschlusspaar AP2 erreicht. Die Transformatoren TR1 und TR2 können entweder ein Übersetzungsverhältnis von 1:1 oder auch ein anderes Übertragungsverhältnis aufweisen.
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Die Funktionsweise der in 1(A) bzw. 1(B) beschriebenen Wandlerschaltung WS lässt sich wie folgt beschreiben. Die beiden Schalter S1 und S2 werden mit hoher Frequenz und mittels Pulsbreiten-Modulation betrieben. Für eine positive und eine negative Halbwelle am Ausgang AP2 ist je einer der beiden Schalter vorgesehen. Die beiden Halbwellen werden dann mit den zwei Umschaltern S3 und S4 zu einer Gesamtsinuswelle zusammen gesetzt.
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Bei der Modulation fließt der Strom entweder von der Spule durch den Schalter zurück zur Quelle oder, wenn der Schalter geöffnet ist, durch die Diode. Dies gilt für beide Hochtiefsetzsteller HTS1 und HTS2. Derjenige Hochtiefsetzsteller der gerade aktiv ist, wird über den dritten Schalter S3 bzw. den vierten Schalter S4 ausgewählt. Somit ist der Stromkreis am zweiten Anschlusspaar AP2, d. h. am AC-Ausgang, geschlossen, wobei der aktive Schalter nun mittels der Pulsweiten-Modulation geschaltet wird, während der andere Schalter entsprechend geöffnet bleibt.
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Der Strom der beiden Spulen SP1 und SP2 fließt in einen ersten Kondensator C1 am Ausgang AP2. Demgemäß wird der erste Kondensator C1 wechselseitig aufgeladen, wobei Strom IA und Spannung UA gemessen und an die Steuerschaltung ST zurückgeführt werden. Durch einen entsprechenden Algorithmus innerhalb der Steuerschaltung ST wird je nach Betriebsmodus entweder die Spannung am Kondensator oder der Strom am Ausgang reguliert.
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Am Anschlusspaar AP1 ist ein zweiter Kondensator C2 vorgesehen, dessen Kapazität groß genug gewählt ist, um die Energie für eine Netz-Periode zwischen zu speichern. Die abgegebene Leistung ist sinusförmig gepulst. Im Gegensatz zu konventionellen, aus dem Stand der Technik bekanten Wandlerschaltungen wird hier jedoch ein großer Elektrolytkondensator vermieden, so dass stattdessen ein kleiner Folienkondensator für den zweiten Kondensator C2 eingesetzt werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass eine höhere Spannung (höher als die Modulspannung) am Eingang anliegt, da die Größe des Kondensators quadratisch mit der Spannung eingeht und auch dadurch, dass man erlaubt, dass die Spannung am Eingangsanschlusspaar AP1 des DC-AC Wandlers in Phase mit der gepulsten Leistungsabgabe um bis zu 30% variabel sein darf. Dies ist möglich durch die Entkopplung des Solarmoduls vom DC-AC Wandler durch Kombination des DC-AC-Wandlers mit der Schaltungseinrichtung in 2, wie später noch beschrieben wird.
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Darüber hinaus ist die Wandlerschaltung WS so konzipiert, dass man sie auch rückwärts betreiben kann. In diesem Fall werden die beiden Schalter S3 und S4, die vorher nur zum Umpolen verwendet wurden, nun als schnelle Schalter im Rückwärts-Hochtiefsetzsteller HTS1 bzw. HTS2 betrieben. Im Rückwärtsbetrieb werden dann die Schalter S1 und S2 als Umschalter verwendet, und die bisher als Umschalter fungierenden Schalter S3 und S4 mittels Pulsweiten-Modulation geregelt. Die richtige Polarität am ersten Anschlusspaar AP1 wird dadurch erreicht, dass entsprechend der positiven bzw. negativen Welle am zweiten Anschlusspaar AP2 die Schalter über die Steuerschaltung ST entsprechend gesteuert werden, so dass am Ausgang der beiden Spulen SP1 und SP2 eine konstante Spannung UZ erzeugt wird. Die Kombination von Vorwärts- und Rückwärtsbetrieb innerhalb einer Schaltung minimiert die Bauteilekosten. Als verwendete Schalter kommen MOSFETs, IGBTs, Thyristoren oder SiC-Transistoren in Frage.
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Die in 1(A) oder 1(B) gezeigte Wandlerschaltung WS verdeutlicht das Konzept der Erfindung für eine einphasige Wechselspannung am zweiten Anschlusspaar AP2. Es ist selbstverständlich möglich, auch eine drei- oder mehrphasige Wechselspannung durch Bereitstellen weiterer Schaltungsteile am Ausgang erzeugen zu können beziehungsweise im Rückwärtsbetrieb gleichzurichten.
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In 2 ist eine Schaltungseinrichtung SE gezeigt, die ein drittes Anschlusspaar AP3 den Anschlüssen AP3+ und AP3– aufweist. Das dritte Anschlusspaar AP3 ist als Eingang der Schaltungseinrichtung SE vorgesehen und kann mit einer Energiequelle EQ verbunden sein. Bei der Energiequelle EQ kann es sich um eine Solaranlage bzw. ein Solarmodul, eine Brennstoffzelle oder um ein Windrad handeln. Da die Schaltungseinrichtung SE zur Verarbeitung einer Gleichspannung vorgesehen ist, wäre bei Betrieb mit einem Windrad ein geeigneter Gleichrichter vorzusehen, der einem Fachmann jedoch bekannt ist. Zentrales Element der Schaltungseinrichtung SE ist ein Hochsetzsteller HS, der aus einer in Serie geschalteten dritten Spule SP3 und dritten Diode D3 besteht. Zwischen der dritten Spule SP3 und der dritten Diode D3 ist ein Schalter S5 vorgesehen, der mit den negativen Anschlüssen des dritten bzw. vierten Anschlusspaares AP3, AP4 verbunden ist. Der Kathodenanschluss der dritten Diode D3 ist mit dem Anschluss AP4+ verbunden, der nicht mit der Anode der dritten Diode D3 verbundene Anschluss der dritten Spule SP3 ist mit dem Anschluss AP3+ verbunden. Des Weiteren ist zwischen des dritten bzw. vierten Anschlusspaares AP3, AP4 ein dritter bzw. ein vierter Kondensator C3, C4 vorgesehen, die den gepulsten Spulenstrom durch SP3 bzw. den gepulsten Strom vom Schalter glätten.
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Der Hochsetzsteller HS ist in 2 entsprechend eines in der Elektrotechnik bekannten Beispiels gewählt. Es ist jedoch auch möglich, andere Ausführungsformen für den Hochsetzsteller HS zu verwenden. Der fünfte Schalter S5 ist wiederum mit der Steuerung ST verbunden, die darüber hinaus die am dritten Anschlusspaar AP3 bzw. am vierten Anschlusspaar AP4 anliegenden Spannungen bzw. Ströme als Eingangsgrößen erhält. Diese Messgrößen sind in 2 mittels der Bezugszeichen UZ2, UE, IZ2 und IE angedeutet. Die Steuerschaltung ST kann auch getrennt von der in 1(A) bzw. 1(B) vorgesehenen Steuerschaltung ausgeführt sein.
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Die Schaltungseinrichtung SE ist folglich ein klassischer Hochsitzsteller, der eine am dritten Anschlusspaar anliegende Gleichspannung in eine Gleichspannung am vierten Anschlusspaar A4 wandelt, die typischerweise zwischen 70 V und 200 V liegt. Dazu wird der fünfte Schalter S5 mit hoher Frequenz an bzw. aus geschaltet. Der Strom der dritten Spule SP3 fließt nun entweder durch den fünften Schalter S5 oder durch die dritte Diode D3 zum Ausgang. Die induzierte Spannung, die sich am Spannungsmesspunkt zwischen AP4+ und AP4– einstellt, hängt von dem Verhältnis der Pulsweite zur Periodendauer ab. Die Pulsweite wird mittels der Steuerschaltung ST über eine geeignete negative Rückkopplung so eingestellt, dass man je nach Betriebsmodus entweder die gewünschte Spannung, den gewünschten Strom oder die maximale Leistung erhält.
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Wie bereits oben erwähnt, werden der Strom und die Spannung der Schaltungseinrichtung SE sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig gemessen. Demgemäß ist es möglich, die Leistung am Eingang und Ausgang zu überwachen und die Effizienz der ersten Schaltstufe zu berechnen.
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Die Schaltvorgänge an dem fünften Schalter S5 werden im Bereich einiger ns ausgeführt. Dies wird durch eine sehr schnelle Treiberschaltung erreicht, die einem kundigen Fachmann bekannt ist. Demgemäß werden Schaltverluste minimiert, so dass es möglich ist, den Schalter S5 mit einer Frequenz von bis zu 200 kHz zu betreiben. Die hohe Schaltfrequenz ermöglicht die Verwendung relativ kleiner Kondensatoren und Spulen, was die Gehäusegröße und somit die Kosten reduziert. Als verwendete Schalter kommen MOSFETs, IGBTs, Thyristoren oder SiC-Transistoren in Frage.
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Die Schaltfunktion des fünften Schalters S5 wird über die Steuerung ST gesteuert, wobei wie oben erwähnt, mehrere Betriebsmodi möglich sind. Es kann eine feste Spannungsabgabe, eine feste Stromabgabe oder eine maximale Leistungsabgabe (MPP-Tracking) erreicht werden.
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Die Schaltungseinrichtung SE hat eine, über die Steuerschaltung ST einstellbare Regelzeitkonstante, innerhalb derer die abgegebene Leistung integriert wird. Diese Regelzeitkonstante ist größer als die Reaktionszeit des Gesamtsystems und kleiner als typische Veränderungen der Last am Ausgang AP4. Diese Zeitkonstante kann sich typischerweise zwischen 0,1 ms und 10 ms bewegen.
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Die Wandlerschaltung gemäß 1 und die Schaltungseinrichtung gemäß 2 können als Zwischenelement einen Stromspeicher enthalten. Ein zu diesem Zweck geeigneter Stromspeicher ist in 3 gezeigt. Der Stromspeicher wird zwischen der Schaltungseinrichtung SE und der Wandlerschaltung WS angeordnet und umfasst als zentrales Element eine Batterie BA. Für ein ordnungsgemäßes Zusammenwirken der Schaltungseinrichtung SE und der Wandlerschaltung WS ist ein Stromspeicher zwar nicht zwingend erforderlich, die Speicherung mittels der Batterie BA ermöglicht es aber auch dann Leistung bereit zu stellen, wenn am Eingang der Schaltungseinrichtung SE die Energiequelle EQ keinen oder nur einen geringen Strom liefert.
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Wie schon oben beschrieben, kann die Batterie BA sowohl von der Schaltungseinrichtung SE auch von der im Rückwärtsbetrieb arbeitenden Wandlerschaltung WS geladen werden. Im Gegensatz zu bekannten Systemen wird hier kein zusätzlicher Laderegler verwendet, der zusätzliche Effizienzverluste bewirken würde.
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Der Stromspeicher in Form der Batterie BA ist wiederum mit der Steuerung ST verbunden, die die Spannung an der Batterie UB, den Strom der Batterie IB, die Ausgangsspannung UZ und den Ausgangsstrom IZ als mögliche Regelgrößen berücksichtigt. Zur Abtrennung der Batterie BA von der Schaltungseinrichtung SE ist ein Relais RE vorgesehen. Das Relais RE wird von der Steuerschaltung ST über die Relaiseingänge RE1 und RE2 entsprechend aktiviert oder deaktiviert. Somit ist im Rückwärtsbetrieb die Batterie BA abgeklemmt und über die Dioden D4 und D5 kann Strom mit der richtigen Polarität von der Wandlerschaltung WS zur Ladung der Batterie BA bereitgestellt werden.
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Der Ladestrom IB wird über die Spannung gesteuert, welche an die Batterie BA angelegt wird. Die Steuereinheit ST steuert die Ausgangsspannung der Schaltungseinheit SE bzw. der rückwärts betriebenen Wandlerschaltung WS. Die Steuerschaltung ST ermöglicht somit folgende Betriebsmodi.
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Wenn die Batterie BA nicht geladen werden soll, so dass die gesamte Leistung an die Wandlerschaltung WS weiter gegeben wird, dann wird die Ausgangsspannung UZ2 der Schaltungseinrichtung SE herabgesetzt, so dass sie der Batteriespannung UB entspricht. Demgemäß fließt kein Strom IB in die Batterie BA. In diesem Falle ist es ebenso möglich, dass die Batterie BA über das Relais RE abgeklemmt wird.
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In einem zweiten Betriebsmodus wird die gesamte Leistung zum Laden der Batterie BA verwendet. In diesem Betriebsmodus wird die Schaltungseinrichtung SE mit einer Leistungsoptimierung eingesetzt, so dass die maximale Leistung der Energiequelle EQ an die Batterie BA gegeben wird. Die Wandlerschaltung WS ist dann abgeschaltet.
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In einem dritten Betriebsmodus wird ein Teil der Leistung an die Batterie BA gegeben und ein Teil der Leistung fließt an die Wandlerschaltung WS. In diesem Fall wird über die Steuerschaltung ST die Ausgangsspannung UZ geringfügig erniedrigt, so dass ein Teil des Stroms IB in die Batterie fließt und der verbleibende Strom IZ zur Wandlerschaltung WS.
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In einem vierten Betriebsmodus ist es vorgesehen, dass die Wandlerschaltung WS aus der Batterie BA allein gespeist wird. Dazu wird die Ausgangsspannung der Schaltungseinrichtung soweit herunter gesetzt, dass sie unterhalb der Batteriespannung UB liegt. Somit fließt der Strom IB ausschließlich von der Batterie zur Wandlerschaltung WS.
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In einem fünften Betriebsmodus wird der Stromspeicher, d. h. die Batterie BA, von einer externen Netzspannung geladen, wobei mittels des Relais RE die Batterie BA von der Schaltungseinrichtung SE getrennt wird. Der Ladestrom IB fließt dann, wie oben dargestellt, über die Dioden D1 bis D4 von der rückwärts geschalteten Wechselschaltung WS zur Batterie BA.
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Die bisher beschriebenen Baugruppen Schaltungseinrichtung SE und Wandlerschaltung WS lassen sich auf vielfältige Weise zu einem Gesamtsystem insbesondere mit Solarzellen als Energiequelle EQ zusammenführen. Bespiele für solche Systeme werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die 4 und die 5 näher erläutert.
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Dabei wandelt die Wandlerschaltung WS Gleichstrom in Wechselstrom, der in das Netz über einen Netzanschluss NA eingespeist oder Verbrauchern, wie z.B. einem Motor, direkt bereitgestellt werden kann. Dazu ist die Wandlerschaltung WS mit einem oder mehreren Schaltungseinrichtungen SE verbunden. Zwischen der Schaltungseinrichtung SE und der Wandlerschaltung WS kann ein Stromspeicher beispielsweise in Form einer Batterie BA angeschlossen werden, der sowohl von der Wandlerschaltung WS als auch von der Schaltungseinrichtung SE geladen und entladen werden kann.
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Die Energiequelle EQ kann beispielsweise eine (oder mehrere) Solarzelle(n), aber auch eine andere Gleichstromquelle sein. Im Falle einer Solarzelle ist ein möglicher Betriebsmodus der Schaltungseinrichtung SE so, dass die Solarzelle stets am Punkt höchster Leistung betrieben wird (Maximum Power Point Trakking „MPPT“). Im Falle anderer Quellen, wie ein Windrad oder eine Brennstoffzelle, stellt die Regelung mittels der Steuerschaltung ST sicher, dass die Energiequelle EQ stets an ihrem optimalen Arbeitspunkt betreiben wird.
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Die Betriebsmodi der Wandlerschaltung WS sind (i) Batterie BA aus Energiequelle EQ laden, (ii) Batterie BA über die Wandlerschaltung WS entladen und Leistung in das Netz einspeisen oder an einen Verbraucher abgeben, (iii) Leistung der Energiequelle EQ über den die Wandlerschaltung WS an den Verbraucher abgeben oder in das Netz einspeisen (iv) Stromspeicher über das Netz laden.
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Die Wandlerschaltung WS kann in zwei verschiedenen Konfigurationen geschaltet werden.
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Wie in 4 gezeigt ist, wird für jede der Energiequellen EQ eine als Leistungsoptimierer geschaltete Schaltungseinrichtung SE verwendet, die mit der Wandlerschaltung WS als zentralem DC-AC-Inverter verbunden ist. Optional kann eine zentrale Batterie BA vor der Wandlerschaltung WS angebracht sein, wie oben beschrieben. In diesem Fall wird die Wandlerschaltung WS mit einer Leistung betrieben, die der Gesamtleistung des Systems entspricht. Gegebenenfalls ist eine Kühlung der Wandlerschaltung WS erforderlich. In diesem Beispiel wird jedes Solarmodul mit einer Schaltungseinrichtung SE ausgestattet, die die Spannung des Solarmoduls oder Brennstoffzelle oder sonstiger Quelle EQ auf die Spannung hochtransformiert, die an der Batterie BA benötigt wird.
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Die als Leistungsoptimierer geschaltete Schaltungseinrichtung SE maximiert die Leistung aus jeder individuellen Strom-/Spannungsquelle EQ. Werden z.B. Solarmodule als Energiequelle EQ verwendet, maximiert die Schaltungseinrichtung SE die Gesamtsystemleistung insbesondere bei teilweiser Abschattung von Solarmodulen. Die Schaltungseinrichtung SE kann auch Charakteristika anderer Quellen, wie beispielsweise Brennstoffzellen ausgleichen, sofern diese Quellen unterschiedliche Eigenschaften haben, so dass jede Quelle an ihrem optimalen Arbeitspunkt betreiben. Beispielsweise könnten auch Windanlagen, Solaranlagen oder Brennstoffzellen zusammen betrieben werden.
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Die Schaltungseinrichtung SE wird auch als Laderegler verwendet. Die Ausgangsspannung der Schaltungseinrichtung SE wird der Batteriespannung UB angepasst, wie oben beschrieben. Somit kann auf einen gesonderten Laderegler und auch den DC-DC-Regler zur Entladefunktion verzichtet werden, welches die Leistungseffizienz des Batterieladeprozesses verbessert.
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In 5 ist eine weitere Konfiguration gezeigt. Hier kann die Schaltungseinrichtung SE zusammen mit der Wandlerschaltung WS als sogenannter Mikroinverter (mit oder ohne Stromspeicher) direkt an die Energiequelle EQ angeschlossen sein. Ein Mikroinverter ist ein Wechselrichter mit relativ kleiner Leistung bis etwa 300 W und ist an die Leistung und die Ausgangsspannung eines Solarmoduls (etwa 30 bis 40 V) angepasst. Die geringe Leistung verlängert die Lebensdauer, da an allen Halbleitern nur wenig Wärme abfällt. Eine zusätzliche Kühlung entfällt hier.
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Bei den in 4 oder in 5 gezeigten Beispielen wurden vereinfachend jeweils drei Energiequellen EQ dargestellt. Es versteht sich jedoch von selbst, dass das erfinderische Konzept leicht auf andere Konfiguration mit einer anderen Anzahl von Energiequellen EQ erweiterbar ist.
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Die Schaltungsteile WS und SE (mit oder ohne Batterie BA) werden über die Steuerung ST angesteuert und geregelt. Die Steuerung ST erfasst mehrere Messwerte (Spannungen und Ströme) in den einzelnen Schaltungsteilen und verwendet sie über eine negative Rückkoppelung zur Regelung der Ausgangsspannungen und Ströme. Dies sind die Strom- und Spannungswerte (i) an der Stromquelle, (ii) an der Batterie (iii) und am AC-Teil des Wechselrichters. Die Steuerung ST kann sich in einer Baugruppe befinden oder auf zwei Baugruppen aufgeteilt werden, insbesondere wenn die Schaltungseinrichtung SE von dem Wechselrichter WS getrennt an dem Solarmodul angebracht ist. Des Weiteren ist ein intelligenter Controller vorgesehen, der Messwerte der einzelnen Schaltungseinrichtungen SE und Wechselrichter WS empfängt, diese auswertet, speichert ggf. Regelparameter in den einzelnen Schaltungseinrichtungen SE und Wechselrichtern WS ändert und alle Messwerte, Parameter zur Weiterverarbeitung bereitstellt und Steuerungsbefehle von einem externen Computer empfangen und auswerten kann. Der Controller stellt so einen Schnittstelle zu einem externen Computer dar über den alle Systemparameter und Messwerte abgefragt uns alle notwenigen Parameter geändert werden können.
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Dieser zentrale Controller hat Zugang zum einem Datennetzwerk wie dem Internet und kann vom diesem aus gesteuert werden kann. Der Powermanager beinhaltet eine CPU, in der komplexe Vorgänge gesteuert werden können, z.B. das komplette Energiemanagement eines kompletten Systems mit mehreren Erzeugern, Nutzern und öffentlichem Netz. Die zentrale Steuerung übernimmt auch die Aufgabe der Überwachung der einzelnen Generatoren. Jeder Generator (Solarmodul, Brennstoffzelle, etc.) kann einzeln überwacht werden. Die Leistungsabgabe und weitere Betriebsparameter werden gemessen. Jedes Subsystem kann einzeln gesteuert werden, oder bei Fehlfunktion auch abgeschaltet werden. Außerdem ist es vorgesehen, dass jedes Solarmodul mit einer Identifikationsnummer versehen ist, die über das Netzwerk auslesbar ist. Dadurch wird eine Diebstahlsicherung erreicht. Der zentrale Controller kann dann nur mit bestimmten Solarmodulen zusammenarbeiten, welche vorher vom Hersteller programmiert wurden.
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Über den zentralen Controller können einzelne Installationen zu einem virtuellen Kraftwerk bzw. zu einem virtuellen Stromspeicher – im Falle dass die einzelnen Installationen jeweils einen Stromspeicher haben – zusammengeschaltet werden. Installationen können im Netz gemeinsam sowohl als Stromquelle als auch als Stromsenke fungieren und so Regelleistung bereitstellen und gemeinsam als Regelspeicher fungieren um Stromüberschüsse und Stromdefizite im Netz auszugleichen.
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Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10136147 A1 [0003]
- DE 102011076184 A1 [0005]
- DE 102005032864 A1 [0006]
