DE102014101571B4 - INVERTER AND PROCESS FOR OPERATING AN INVERTER - Google Patents
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Abstract
Es ist ein Wechselrichter zur Einspeisung von elektrischer Leistung einer Gleichstromquelle (100, 300, 500, 600) in ein Wechselspannungsnetz (110, 310, 510, 610) offenbart. Eine Steuerung von Schaltern der Wechselrichterbrücke (130, 330, 530, 630) wandelt im Falle der Einspeisung von Blindleistung während Zeitabschnitten einer Netzperiode des Wechselspannungsnetzes (110, 310, 510, 610), in denen der Wechselrichter elektrische Leistung aus dem Wechselspannungsnetz (110, 310, 510, 610) bezieht, die aus dem Wechselspannungsnetz (110, 310, 510, 610) bezogene elektrische Leistung in Wärme um. Hierzu betreibt die Steuerung einen ersten Schalter (T1, LS1) der Wechselrichterbrücke (130, 330, 530, 630) in einen linearen oder einem dissipativ getakteten Betriebsmodus. Der lineare oder dissipativ getaktete Betriebsmodus kann in Abhängigkeit von einem durch den ersten Schalter (T1, LS1) fließenden Strom gewählt werden, so dass ein Leistungsfluss von der Wechselrichterbrücke (130, 330, 530, 630) in Richtung der Gleichstromquelle (100, 300, 500, 600) unterbunden wird. Ein entsprechendes Betriebsverfahren ist ebenfalls beschrieben.An inverter for feeding electric power of a DC power source (100, 300, 500, 600) to an AC power network (110, 310, 510, 610) is disclosed. A control of switches of the inverter bridge (130, 330, 530, 630) converts in the case of feeding reactive power during periods of a grid period of the AC voltage network (110, 310, 510, 610), in which the inverter electrical power from the AC mains (110, 310, 510, 610), converts the electrical power sourced from the AC mains (110, 310, 510, 610) into heat. For this purpose, the controller operates a first switch (T1, LS1) of the inverter bridge (130, 330, 530, 630) in a linear or a dissipatively clocked operating mode. The linear or dissipatively clocked mode of operation may be selected in response to a current flowing through the first switch (T1, LS1) such that power flow from the inverter bridge (130, 330, 530, 630) toward the DC source (100, 300, 500, 600) is prevented. A corresponding operating method is also described.
Description
TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNGTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
Die Erfindung betrifft einen blindleistungsfähigen Wechselrichter zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom und zur Einspeisung des Wechselstroms in ein Wechselspannungsnetz, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines blindleistungsfähigen Wechselrichters.The invention relates to a dummy power inverter for converting direct current into alternating current and for feeding the alternating current into an alternating voltage network, as well as a method for operating a blind power inverter.
Bei der Einspeisung von elektrischer Leistung, insbesondere solcher von regenerativen Energieerzeugungsanlagen mit Photovoltaik- oder Windkraftgeneratoren, in ein Wechselspannungsnetz sind normative Rahmenbedingungen zu beachten. Bis vor kurzem mussten netzgekoppelte Energieerzeugungsanlagen den von ihnen erzeugten Wechselstrom mit einem Leistungsfaktor (power factor, kurz PF) nahe eins, d. h. ohne Phasenverschiebung zur Netzspannung (cos phi etwa gleich eins) einspeisen. Neuere Normen sehen jedoch vor, dass sich gerade auch dezentrale Energieerzeugungsanlagen an einem Netzmanagement beteiligen und dazu insbesondere auf einer Niederspannungsebene sowohl kapazitive als auch induktive Blindleistung mit Leistungsfaktoren im Bereich 0.95 < PF < 1 bereitstellen müssen. Mit zunehmender Durchdringung insbesondere der Niederspannungsebene mit dezentralen Energieerzeugungsanlagen ist zu erwarten, dass der geforderte Bereich auf mindestens 0.90 < PF < 1 ausgedehnt wird.In the supply of electrical power, in particular those of renewable energy generation systems with photovoltaic or wind power generators, in an AC network normative framework conditions are observed. Until recently, grid-connected power plants had to drive the AC power they produced with a power factor (PF) close to one, ie. H. without phase shift to the mains voltage (cos phi about equals one) feed. However, more recent standards stipulate that decentralized power generation plants in particular must participate in network management and, in particular, provide both capacitive and inductive reactive power with power factors in the range 0.95 <PF <1, especially at a low voltage level. With increasing penetration, in particular of the low-voltage level with decentralized power generation plants, it is to be expected that the required range will be extended to at least 0.90 <PF <1.
Zur Bereitstellung von Blindleistung und zu deren Regelung muss ein Wechselrichter in der Lage sein, im Laufe einer Periode der sinusförmigen Netzspannung sowohl zeitweise elektrische Leistung in das Wechselspannungsnetz einzuspeisen als auch zeitweise elektrische Leistung aus dem Wechselspannungsnetz zu beziehen. Insbesondere auf das Beziehen elektrischer Leistung aus dem Wechselspannungsnetz sind jedoch viele bekannte Wechselrichter-Topologien nicht eingerichtet, so dass besonderer Aufwand betrieben wird, solche Topologien blindleistungsfähig zu machen. Hierdurch steigen sowohl Komplexität als auch Herstellkosten signifikant an und es entstehen zudem Wirkungsgradverluste.In order to provide reactive power and to control it, an inverter must be able to temporarily supply electrical power to the AC mains during a period of the sinusoidal mains voltage, as well as to temporarily receive electrical power from the AC mains. However, many known inverter topologies are not set up, in particular with regard to the drawing of electrical power from the AC voltage network, so that particular effort is made to make such topologies perform blindly. As a result, both complexity and manufacturing costs increase significantly and there are also efficiency losses.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Aus der
In der Schrift
Aus der
Bei Verwendung einer derartigen Kombination eines DC-DC-Wandlers zur Formung der Sinuswelle mit einem nachgeschaltetem Polwender besteht zusätzlich das Problem, dass das Umschalten des Polwenders zu einem bestimmten Zeitpunkt durchgeführt werden muss und dies bei einem beispielsweise durch eine ausgangsseitige Filterinduktivität induktiv getriebenen Strom zu erheblichen Überspannungen führen kann. Der Polwender kann zerstört werden, wenn es zu unerwarteten Änderungen der Netzspannung und somit u. U. zu einem verfrühten Schalten des Polwenders kommt. Zusätzlich treten beim Spannungsnulldurchgang „Blanking”-Zeiten auf, die zu erhöhten Verzerrungen (Total Harmonic Distortion, kurz THD) führen. Weiterhin muss bei Blindleistungseinspeisung auch im fehlerfreien Betrieb der Strom des DC-DC-Wandlers sehr schnell auf null reduziert werden, um eine Stromform möglichst lange entsprechend eines Sinus einzuspeisen. Hierbei besteht jedoch das Problem, dass im Bereich des Spannungsnulldurchgangs an einer ausgangsseitigen Induktivität keine hohe negative Spannungszeitfläche zur Absenkung des Stroms verfügbar ist.When using such a combination of a DC-DC converter for forming the sine wave with a subsequent pole turner, there is the additional problem that the switching of the pole turner must be performed at a certain time and this at a, for example, by an output-side filter inductance inductively driven current to considerable Overvoltages can result. The Polwender can be destroyed if there are unexpected changes in the mains voltage and thus u. U. comes to a premature switching of the Polwenders. Additionally, at zero voltage crossing, "blanking" times occur, leading to increased total harmonic distortion (THD) distortion. Furthermore, during reactive power supply, the current of the DC-DC converter must also be reduced very quickly to zero in error-free operation in order to feed in a current form as long as possible according to a sine wave. In this case, however, there is the problem that in the region of the voltage zero crossing at an output-side inductance no high negative voltage time surface is available for lowering the current.
AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wechselrichter mit einer Wechselrichterbrücke aufzuzeigen, der mit minimalem Schaltungsaufwand aufgebaut ist und Blindleistung bereitstellen kann, und ein Betriebsverfahren für einen Wechselrichter mit einer Wechselrichterbrücke aufzuzeigen, wobei ein gefahrloses Schalten der Schalter der Wechselrichterbrücke möglich ist und gleichzeitig Verzerrungen sowie Oberschwingungen bei einer verbesserten Dynamik der Stromformung minimiert sind.The invention has for its object to provide an inverter with an inverter bridge, which is constructed with minimal circuit complexity and can provide reactive power, and to demonstrate an operating method for an inverter with an inverter bridge, a safe switching of the inverter bridge bridge is possible and at the same time distortions Harmonics are minimized with improved dynamics of current shaping.
LÖSUNGSOLUTION
Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Wechselrichter mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 und ein Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 14 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.The object of the invention is achieved by an inverter having the features of independent claim 1 and a method for Operating an inverter with the features of independent claim 14 solved. Preferred embodiments are defined in the dependent claims.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION
In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung umfasst ein Wechselrichter zur Einspeisung von elektrischer Leistung einer Gleichstromquelle in ein Wechselspannungsnetz eine mit der Gleichstromquelle verbindbare Wechselrichterbrücke. Eine Steuerung von Schaltern der Wechselrichterbrücke ist derart eingerichtet, dass während einer Einspeisung von Blindleistung in Zeitabschnitten einer Netzperiode des Wechselspannungsnetzes, in denen der Wechselrichter Leistung aus dem Wechselspannungsnetz bezieht, ein erster Schalter der Wechselrichterbrücke derart betrieben wird, dass die aus dem Wechselspannungsnetz bezogene elektrische Leistung in Wärme umgewandelt wird.In an embodiment according to the invention, an inverter for feeding electrical power of a DC power source into an AC voltage network comprises an inverter bridge which can be connected to the DC power source. A control of switches of the inverter bridge is set up such that during a supply of reactive power in periods of a grid period of the AC voltage network in which the inverter draws power from the AC mains, a first switch of the inverter bridge is operated such that the electric power related from the AC mains is converted into heat.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Vorteile eines gegenüber einem bidirektional arbeitenden Wechselrichter deutlich einfacher und kostengünstiger aufbaubaren erfindungsgemäßen Wechselrichters dessen Nachteile, die die Umwandlung der aus dem Wechselspannungsnetz bezogenen elektrischen Leistung in Wärme und mithin der Verzicht auf das Recycling der in den Wechselrichter fließenden Energie mit sich bringen, deutlich überwiegen.The invention is based on the realization that the advantages of a converter which is much simpler and less costly to construct than a bidirectionally operating inverter are its disadvantages, ie the conversion of the electrical power drawn from the AC voltage network into heat and thus the absence of recycling of the inverter current Energy, clearly outweigh.
Insbesondere kann die Wechselrichterbrücke als Polwender ausgeführt sein, der eingangsseitig anliegende halbwellenweise modulierte Gleichspannungen oder Gleichströme als Wechselströme in ein Wechselspannungsnetz einspeist, wobei die Schalter der Wechselrichterbrücke von einer Steuerung angesteuert werden. Die halbwellenweise modulierte elektrische Leistung kann von einer der Wechselrichterbrücke vorgeschalteten Modulationsvorrichtung, beispielsweise einem Gleichspannungswandler, aus der Gleichstromquelle erzeugt und bereitgestellt werden.In particular, the inverter bridge can be designed as a polarity reverser which feeds the input side applied half-wave modulated DC voltages or DC currents as AC currents in an AC voltage network, the switches of the inverter bridge are controlled by a controller. The half-wave modulated electrical power may be generated and provided from a DC link to the inverter bridge upstream modulation device, such as a DC-DC converter.
Der Wechselrichter zeichnet sich bevorzugt dadurch aus, dass die Steuerung dazu eingerichtet ist, mindestens einen der Schalter der Wechselrichterbrücke derart in einem linearen Betriebsmodus anzusteuern, dass der mindestens eine Schalter als schaltbarer, geregelter Widerstand wirkt. Dadurch werden Rückströme, die bei einem Leistungsfaktor ungleich 1 in Zeitabschnitten auftreten, in denen der Wechselrichter elektrische Leistung aus dem Wechselspannungsnetz bezieht, in dem mindestens einen Schalter in Wärme umgewandelt, d. h. dissipiert. Dadurch können diese Rückströme und gegebenenfalls auftretende Strom- und Leistungsspitzen insbesondere auch von Wechselrichtern beherrscht werden, die keinen oder nur einen sehr kleinen Zwischenkreisspeicher aufweisen.The inverter is preferably characterized in that the controller is set up to control at least one of the switches of the inverter bridge in a linear operating mode such that the at least one switch acts as a switchable, regulated resistor. As a result, return currents that occur at a power factor not equal to 1 in periods in which the inverter draws electrical power from the AC power network in which at least one switch is converted into heat, d. H. dissipated. As a result, these return currents and possibly occurring current and power peaks can be controlled in particular by inverters which have no or only a very small DC link memory.
Als Wechselrichterbrücke im Rahmen dieser Beschreibung wird nicht nur die parallele Anordnung von zwei oder mehr Halbbrückenzweigen verstanden, die jeweils mindestens zwei in Reihe geschaltete Halbbrückenschalter aufweisen. Es können zu diesen Halbbrückenschaltern weitere Bauelemente, insbesondere Schalter hinzukommen, die Teil der Halbbrückenzweige sein können, aber auch außerhalb der Halbbrückenzweige, insbesondere parallel zu den Halbbrückenzweigen angeordnet sein können und einen Teil der Wechselrichterbrücke bilden.As an inverter bridge in the context of this description, not only the parallel arrangement of two or more half-bridge branches is understood, each having at least two series-connected half-bridge switch. It can be added to these half-bridge switches other components, in particular switches, which may be part of the half-bridge branches, but also outside the half-bridge branches, in particular may be arranged parallel to the half-bridge branches and form part of the inverter bridge.
In einer Ausführungsform ist die Steuerung dazu eingerichtet, einen Schalter einer der Halbbrückenzweige oder je einen Schalter in einer von zwei eine Wechselrichterbrücke bildenden Halbbrückenzweigen in den Zeitabschnitten, in denen der Wechselrichter Leistung aus dem AC-Netz bezieht, im linearen Betriebsmodus als schaltbare, geregelte Widerstände zu betreiben. Bevorzugt werden die an dem negativen Pol der eingangsseitigen Gleichspannung angeschlossenen Schalter der Halbbrückenzweige derart betrieben.In one embodiment, the controller is configured to provide a switch of one of the half-bridge branches or a switch in one of two half-bridge branches forming an inverter bridge in the linear operating mode as switchable, controlled resistors in the periods when the inverter draws power from the AC grid to operate. The switches of the half-bridge branches connected to the negative pole of the input-side DC voltage are preferably operated in this way.
In einer alternativen Ausführungsform umfasst die Wechselrichterbrücke neben den zwei Halbbrückenzweigen einen weiteren Schalter, der parallel zu den Halbbrückenzweigen und damit zwischen den Polen der eingangsseitigen Gleichspannung angeordnet ist. Bevorzugt ist die Steuerung dazu eingerichtet, diesen weiteren Schalter in den Zeiträumen im linearen Betrieb als schaltbaren, geregelten Widerstand zu betreiben. Optional kann eine Strommessung in Reihe zu dem weiteren Schalter angeordnet sein, insbesondere um mit Hilfe des Schalters einen stromgeregelten Betrieb zu ermöglichen.In an alternative embodiment, the inverter bridge comprises, in addition to the two half-bridge branches, a further switch which is arranged parallel to the half-bridge branches and thus between the poles of the input-side DC voltage. Preferably, the controller is adapted to operate this further switch in the periods in linear operation as a switchable, controlled resistance. Optionally, a current measurement can be arranged in series with the further switch, in particular in order to enable current-controlled operation with the aid of the switch.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform umfasst die Wechselrichterbrücke neben den zwei Halbbrücken einen weiteren Schalter, der parallel zu den Brückenausgängen und damit zwischen den Polen der ausgangsseitigen Wechselspannung, also parallel zu einem angeschlossenen Wechselspannungsnetz angeordnet ist. Vorzugsweise ist dieser Schalter bidirektional ausgeführt, sodass er zu jedem Nulldurchgang der Netzspannung angesteuert werden kann. Solche bidirektionale Schalter können auf vorbekannte Weise durch die antiparallele Schaltung zweier unidirektionaler Schalter oder durch die Serienschaltung zweier entgegengesetzt ausgerichteter unidirektionaler Schalter mit antiparalleler Diode gebildet werden. Dabei kann der erfindungsgemäße Vorteil auch mit einem einzelnen unidirektionalen Schalter erzielt werden, wobei dann der Schalter nur einmal pro Netzperiode (d. h. nur jede zweite Halbwelle) angesteuert wird. In diesem Fall erfolgt die Umwandlung der vom Wechselspannungsnetz bezogenen Leistung in Wärme nur in Zeitabschnitten mit einer vorgegebenen Polarität des Wechselspannungsnetzes.In a further alternative embodiment, the inverter bridge comprises, in addition to the two half-bridges, a further switch which is arranged parallel to the bridge outputs and thus between the poles of the output-side AC voltage, ie parallel to a connected AC voltage network. Preferably, this switch is bidirectional, so that it can be controlled to each zero crossing of the mains voltage. Such bidirectional switches can be formed in a previously known manner by the antiparallel circuit of two unidirectional switches or by the series connection of two oppositely directed unidirectional switches with antiparallel diode. In this case, the advantage of the invention can also be achieved with a single unidirectional switch, in which case the switch only once per network period (ie only every other half-wave) is driven. In this case, the conversion takes place from the AC mains related power in heat only in periods of a predetermined polarity of the AC voltage network.
Bevorzugt ist die Steuerung dazu eingerichtet, den weiteren Schalter in den Zeitabschnitten, in denen der Wechselrichter Leistung aus dem Wechselspannungsnetz bezieht, im linearen Betriebsmodus als schaltbaren, geregelten Widerstand zu betreiben. Optional kann eine Strommessung in Reihe zu dem weiteren Schalter angeordnet sein, insbesondere um mit Hilfe des Schalters einen stromgeregelten Betrieb zu ermöglichen. Optional kann die Strommessung auch an anderer Stelle innerhalb der Wechselrichterbrücke erfolgen und so ebenfalls einen stromgeregelten Betrieb des Schalters ermöglichen.Preferably, the controller is configured to operate the other switch in the time periods in which the inverter draws power from the AC voltage network in the linear operating mode as a switchable, controlled resistance. Optionally, a current measurement can be arranged in series with the further switch, in particular in order to enable current-controlled operation with the aid of the switch. Optionally, the current measurement can also take place elsewhere in the inverter bridge and thus also enable a current-controlled operation of the switch.
Der Betrieb eines Schalters, beispielsweise eines Transistors, eines MOSFET oder eines IGBTs, im linearen Betriebsmodus als schaltbarer, geregelter Widerstand kann dabei bedeuten, den Schalter nicht wie in einer Wechselrichterbrücke sonst üblich von einem leitenden in einen nicht leitenden Zustand und zurück zu schalten, was im Normalbetrieb einer Wechselrichterbrücke zur Einspeisung reiner Wirkleistung zur Vermeidung von Schaltverlusten zudem möglichst schnell passieren sollte. Vielmehr kann die Steuerelektrode des Schalters mittels einer geeigneten Treiberschaltung analog angesteuert werden, so dass der Schalter einen teilleitenden Zwischenzustand zwischen leitend und nicht leitend einnimmt und somit einen einstellbaren endlichen ohmschen Widerstand darstellt.The operation of a switch, such as a transistor, a MOSFET or an IGBT, in the linear operating mode as a switchable, controlled resistance can mean that the switch is not as usual in an inverter bridge from a conductive to a non-conductive state and back, which In normal operation of an inverter bridge for feeding pure active power to avoid switching losses should also happen as quickly as possible. Rather, the control electrode of the switch can be controlled analogously by means of a suitable driver circuit, so that the switch occupies a partially conductive intermediate state between conductive and non-conductive and thus represents an adjustable finite ohmic resistance.
Alternativ kann die Steuerelektrode des Schalters während eines Schaltvorgangs mit einer vorgegebenen Signalform angesteuert werden, die während des Schaltvorgangs zu erhöhten Schaltverlusten führt. In diesem Fall wird der Schaltvorgang mit einer geeignet gewählten Frequenz wiederholt, die zu einem dem endlichen ohmschen Widerstand entsprechenden Verlustverhalten führt. Bei Verwendung einer ausreichend erhöhten Schaltfrequenz können auch die bei einer Ansteuerung des Schalters mit einer herkömmlichen, an sich auf minimale Schaltverluste ausgelegten Signalform ausreichende Verluste erzeugen.Alternatively, the control electrode of the switch can be driven during a switching operation with a predetermined waveform, which leads to increased switching losses during the switching operation. In this case, the switching operation is repeated with a suitably selected frequency, which leads to a loss behavior corresponding to the finite ohmic resistance. When a sufficiently high switching frequency is used, the signal form which is designed to trigger the switch with a conventional signal form which is inherently designed for minimum switching losses can also generate sufficient losses.
Im Folgenden wird der zeitweise Betrieb eines Schalters in einem teilleitenden Zustand auch als linearer Betriebsmodus bezeichnet, während das verlustbehaftete Takten unter den Begriff des dissipativen Taktens fällt.Hereinafter, the temporary operation of a switch in a partially conductive state is also referred to as a linear mode of operation, while the lossy clocking falls under the concept of dissipative clocking.
Der Wirkungsgrad eines erfindungsgemäßen Wechselrichters, der die bei Bereitstellung von Blindleistung notwendigerweise aus dem Wechselspannungsnetz bezogene elektrische Leistung dissipiert und aus der Gleichspannungs- oder Gleichstromquelle oder einem Zwischenkreis elektrische Leistung ausschließlich unidirektional ins Wechselspannungsnetz einspeist, ist in vielen Fällen trotz der Dissipationsverluste höher als der anderer blindleistungsfähiger Wechselrichter, die elektrische Leistung bidirektional zwischen Quelle bzw. Zwischenkreis und Wechselspannungsnetz austauschen können. Zudem ist ein erfindungsgemäßer Wechselrichter aufgrund der geringen Anzahl an Bauteilen deutlich günstiger herstellbar.The efficiency of an inverter according to the invention, which necessarily dissipates the electric power obtained from the AC mains in the provision of reactive power and feeds electric power exclusively unidirectionally into the AC mains from the DC or DC power source or a DC bus, is in many cases higher than that of other reactive power despite the dissipation losses Inverters that can exchange electrical power bidirectionally between source or DC link and AC mains. In addition, an inverter according to the invention is significantly cheaper to produce due to the small number of components.
Im Prinzip kann jede herkömmliche Wechselrichter-Topologie, insbesondere eine solche, die nicht blindleistungsfähig ist, erfindungsgemäß modifiziert werden, indem mindestens einer der Schalter des mindestens einen Halbbrückenzweiges in den Zeiträumen, in denen der Wechselrichter elektrische Leistung aus dem Wechselspannungsnetz bezieht, in einem linearen Betriebsmodus als schaltbarer, geregelter Widerstand betrieben wird und die bezogene Leistung in Wärme umwandelt. Bei Wechselrichtern, die im Zwischenkreis keine mittels eines vorgeschalteten Gleichspannungswandlers erzeugte netzfrequente Spannungshalbwellen aufweisen, sondern eine weitgehend konstante Zwischenkreisspannung, wird durch geeignete Ansteuerung der übrigen Brückenschalter oder eines in einer der Verbindungen zum Zwischenkreis befindlichen Schalters ein Leistungsabfluss aus dem Zwischenkreis in den einen geregelten, schaltbaren Widerstand bildenden Schalter im linearen Betriebsmodus unterbunden. Die Ansteuerung des Schalters in einer der Verbindungen zum Zwischenkreis erfolgt in der Art, dass der Zwischenkreis und damit auch die Gleichstromquelle von der Wechselrichterbrücke während der Zeitabschnitte elektrisch getrennt wird, in denen der Wechselrichter Leistung aus dem AC-Netz bezieht. Während der übrigen Zeit der Netzperiode verbindet der Schalter den Zwischenkreis und damit auch die Gleichstromquelle mit der Wechselrichterbrücke, so dass ein Leistungsfluss von der DC-Quelle in das AC-Netz ermöglicht wird.In principle, any conventional inverter topology, in particular one that is not blind-performing, may be modified in accordance with the present invention by operating at least one of the switches of the at least one half-bridge branch in the periods when the inverter receives electrical power from the AC grid in a linear mode of operation is operated as a switchable, regulated resistor and converts the related power into heat. In the case of inverters which have no mains-frequency voltage half-waves generated by an upstream DC-DC converter in the DC link, but a largely constant DC link voltage, a power drain from the DC link into the one controlled, switchable circuit is achieved by suitable control of the remaining bridge switches or a switch located in one of the connections to the DC link Inhibited resistance switch in the linear operating mode. The control of the switch in one of the connections to the DC link takes place in such a way that the DC link and thus also the DC source is electrically separated from the inverter bridge during the periods in which the inverter draws power from the AC grid. During the remainder of the grid period, the switch connects the DC bus and thus also the DC power source to the inverter bridge, allowing power to flow from the DC source to the AC grid.
Eine besondere Kostenersparnis wird erzielt, wenn bereits in der herkömmlichen Wechselrichterbrücke vorhandene Schalter derart verwendet werden, dass lediglich die Steuerung entsprechend eingerichtet und geeignete Treiber für die Schalter, insbesondere für den Betrieb mindestens eines Schalters in einem linearen Betriebsmodus eingerichtete Treiber vorgesehen werden.A special cost saving is achieved when already existing in the conventional inverter bridge switches are used so that only the controller is set up appropriately and suitable drivers for the switch, in particular for the operation of at least one switch in a linear operating mode configured drivers are provided.
Die erfindungsgemäßen Wechselrichter sind geeignet, im Fehlerfall die Spannung am Polwender durch kontrolliertes resistives Absenken der Spannung zu begrenzen, sowie einen durch eine netzseitig angeordnete Induktivität fließenden Strom schneller auf null abzusenken und damit einen Schaltvorgang besonders effizient und störungsfrei durchführen zu können. Dazu kann mit Hilfe des mindestens einen Schalters im linearen Betriebsmodus kurzzeitig eine der eingangsseitig anliegenden Spannung der DC-Quelle entgegen gerichtete Gegenspannung erzeugt werden.The inverters according to the invention are suitable, in the event of a fault, to limit the voltage at the pole reverser by controlled resistive lowering of the voltage and to lower a current flowing through a network-side inductance to zero more quickly and thus to be able to perform a switching operation in a particularly efficient and trouble-free manner. For this purpose, with the help of the at least one switch in the linear operating mode for a short time one of the input side applied voltage of the DC source counter-directed counter-voltage can be generated.
Zur genaueren Steuerung des Stromes, insbesondere während der Bereitstellung von Blindleistung, ist es vorteilhaft, in Reihe mit dem mindestens einen im linearen Betriebsmodus betriebenen Schalter eine Strommesseinrichtung anzuordnen. Bevorzugt befindet sich die Strommesseinrichtung eingangsseitig vor dem mindestens einen Schalter.For a more precise control of the current, in particular during the provision of reactive power, it is advantageous to arrange a current measuring device in series with the at least one switch operated in the linear operating mode. Preferably, the current measuring device is located on the input side in front of the at least one switch.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters zur Einspeisung von elektrischer Leistung einer Gleichstromquelle in ein Wechselspannungsnetz mittels einer Wechselrichterbrücke ist dadurch gekennzeichnet, dass während Zeitabschnitten, in denen der Wechselrichter elektrische Leistung aus dem Wechselspannungsnetz bezieht, diese bezogene elektrische Leistung innerhalb der Wechselrichterbrücke in Wärme umgewandelt wird. Bevorzugt umfasst das Verfahren ein Ansteuern von Schaltern der Wechselrichterbrücke, wobei das Ansteuern in Zeiträumen, in denen der Wechselrichter elektrische Leistung aus dem Wechselspannungsnetz bezieht, mindestens einen der Schalter der Wechselrichterbrücke derart in einem linearen oder dissipativ getakteten Betriebsmodus betrieben wird, dass der so betriebene mindestens eine Schalter als schaltbarer, geregelter Widerstand wirkt und so die aus dem Wechselspannungsnetz bezogene Leistung in Wärme umwandelt.A method according to the invention for operating an inverter for feeding electrical power of a DC power source into an AC voltage network by means of an inverter bridge is characterized in that, during periods in which the inverter draws electrical power from the AC voltage network, this related electric power is converted into heat within the inverter bridge , Preferably, the method comprises driving switches of the inverter bridge, wherein the driving is operated in periods in which the inverter receives electrical power from the AC voltage network, at least one of the switches of the inverter bridge in a linear or dissipatively clocked operating mode, that the so operated at least a switch acts as a switchable, regulated resistor and thus converts the power sourced from the AC mains into heat.
In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird ein Schalter, der parallel zu den Halbbrückenzweigen und zwischen den Polen einer eingangsseitigen Gleichspannung angeordnet ist, in den Zeiträumen, in denen der Wechselrichter elektrische Leistung aus dem Wechselspannungsnetz bezieht, in einem linearen oder dissipativ getakteten Betriebsmodus betrieben und wirkt als schaltbarer, geregelter Widerstand.In an alternative embodiment of the method, a switch, which is arranged parallel to the half-bridge branches and between the poles of an input-side DC voltage, is operated and operates in a linear or dissipatively clocked operating mode during the periods in which the inverter draws electrical power from the AC voltage network as a switchable, regulated resistor.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird ein Schalter der Wechselrichterbrücke, der parallel zu den Ausgängen der Wechselrichterbrücke und damit parallel zum Wechselspannungsnetz ist, in den Zeiträumen, in denen der Wechselrichter elektrische Leistung aus dem Wechselspannungsnetz bezieht, in einem linearen oder dissipativ getakteten Betriebsmodus betrieben und wirkt als schaltbarer, geregelter Widerstand.In a further alternative embodiment of the method, a switch of the inverter bridge, which is parallel to the outputs of the inverter bridge and thus parallel to the AC voltage network, is operated in a linear or dissipatively clocked operating mode in the periods in which the inverter receives electrical power from the AC mains and acts as a switchable, controlled resistance.
Das erfindungsgemäße Umwandeln der aus dem Wechselstromnetz in den Wechselrichter fließenden elektrischen Leistung in Wärme kann besonders vorteilhaft zu einer Übertragung der elektrischen Leistung der Gleichspannungsquelle in das Wechselspannungsnetz verwendet werden, die ein Umwandeln der elektrischen Leistung der Gleichstromquelle in eine halbwellenweise modulierte elektrische Leistung und ein anschließendes Einspeisen der halbwellenweise modulierten elektrischen Leistung in das Wechselstromnetz mittels einer einen Polwender bildenden Wechselrichterbrücke verwendet werden. Bevorzugt umfasst der Wechselrichter dazu einen eingangsseitigen Gleichspannungswandler zur halbwellenweisen Modulierung der elektrischen Leistung und eine ausgangsseitige Wechselrichterbrücke, die die Polarität der halbwellenweise modulierten elektrischen Leistung halbwellenweise umklappt. In dieser Ausführungsform wird die Wechselrichterbrücke als Polwender betrieben.The conversion according to the invention of the electrical power flowing from the AC network into the inverter into heat can be used particularly advantageously for a transmission of the electrical power of the DC voltage source into the AC network, converting the electrical power of the DC power source into half-wave modulated electrical power and then feeding it the half-wave modulated electric power is used in the AC network by means of a Polwender forming inverter bridge. For this purpose, the inverter preferably comprises an input-side DC-DC converter for half-wave-wise modulation of the electrical power and an output-side inverter bridge, which half-wave-folds the polarity of the half-wave-modulated electrical power. In this embodiment, the inverter bridge is operated as a pole turner.
Darüber hinaus kann das Verfahren in einer herkömmlichen, an sich bereits blindleistungsfähigen Wechselrichter-Topologie verwendet werden, beispielsweise in einer einphasigen H4-, H5- oder H6-Brücke oder auch in einer dreiphasigen B6- oder NPC-Topologie, jeweils sowohl in einstufiger wie auch in mehrstufiger Ausführung. In allen diesen Topologien werden herkömmlicherweise in den Zeiträumen, in denen elektrische Leistung aus dem Wechselspannungsnetz in den Wechselrichter fließt, elektrische Ströme über eine oder mehrere diskrete oder in den Schaltern der Wechselrichterbrücke enthaltene intrinsische Dioden geführt, die elektrisch parallel zu in diesen Zeiträumen sperrenden Schaltern angeordnet sind. Dies führt dazu, dass entweder entsprechende diskrete Dioden vorgesehen sein müssen, was erhöhten Bauteileaufwand bedeutet, oder dazu, dass die in den Schaltern enthaltenen intrinsischen Dioden besonderen Anforderungen entsprechen müssen, was die Auswahl der verwendbaren Schalter einschränkt und insbesondere die Verwendung besonders auf niedrige Durchlassverluste optimierter Schalter verhindern kann. Auch hier überwiegen die Vorteile, die sich bei Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung aus der Einsparung an Bauteilen bzw. der Verwendbarkeit optimaler Schalter ergeben, dessen Nachteile, die der Verzicht auf das Recycling der in den Wechselrichter fließenden Energie mit sich bringt.In addition, the method can be used in a conventional inherently blind power invertor topology, for example, in a single-phase H4, H5 or H6 bridge, or even in a three-phase B6 or NPC topology, both in single-stage and single-phase in multi-stage execution. In all of these topologies, conventionally, during the periods in which electrical power from the AC mains is flowing into the inverter, electrical currents are passed through one or more discrete intrinsic diodes included in the switches of the inverter bridge, which are electrically arranged in parallel with switches blocking those periods are. This results in either corresponding discrete diodes must be provided, which means increased component cost, or to the fact that the intrinsic diodes contained in the switches must meet special requirements, which limits the selection of usable switches and in particular the use optimized especially for low forward losses Can prevent switch. Again, the advantages that arise when using the solution according to the invention from the saving of components or the availability of optimal switch, the disadvantages that brings the waiver of the recycling of the energy flowing into the inverter with it.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.In the following the invention will be further explained and described with reference to embodiments shown in the figures.
FIGURENBESCHREIBUNGDESCRIPTION OF THE FIGURES
Die Topologie in
Die Topologie gemäß
Die in
Die resultierende Energie E, die im Zeitraum 0 < ωt < 180°, d. h. in einer Halbwelle, in das Wechselspannungsnetz
Mithilfe des unbestimmten Integrals
Im in
Diese Erkenntnis ist überraschend, da ein an sich unerwünschter Verzicht auf das Recycling der im Rahmen der Bereitstellung von Blindleistung mit Leistungsfaktoren im Bereich von etwa 0,85 < PF < 1 in den Wechselrichter fließenden Energie Esink nur einen marginalen Effekt auf den Gesamtwirkungsgrad η des Wechselrichters hat. Dabei kann der Gesamtwirkungsgrad η aufgrund anderweitiger Verluste (Schaltverluste, Diodenverluste, resistive Verluste etc.) bereits um einige Prozent unterhalb des theoretische Optimums von 100 Prozent liegen oder aber bereits durch Minimierung anderweitiger Verluste derart optimiert sein, dass die zusätzlich erzeugte Wärme problemlos abführbar ist. Daraus ergibt sich die bemerkenswerte Folgerung, dass die Vorteile eines erfindungsgemäßen Wechselrichters, der gegenüber einem bidirektional arbeitenden Wechselrichter deutlich einfacher und kostengünstiger aufbaubar ist. dessen Nachteile, die der Verzicht auf das Recycling der in den Wechselrichter fließenden Energie mit sich bringt, überwiegen. Dies gilt insbesondere unter Berücksichtigung der Tatsache, dass in vielen Anwendungsfällen nur relativ selten die Bereitstellung eines höheren Anteils von Blindleistung vom Wechselrichter gefordert wird.This finding is surprising since an undesirable per se waiver of recycling in response to the supply of reactive power with power factors in the range of about 0.85 <PF <1 flowing into the inverter energy E only a marginal effect sink on the overall efficiency η of Inverter has. In this case, the overall efficiency η due to other losses (switching losses, diode losses, resistive losses, etc.) are already a few percent below the theoretical optimum of 100 percent or already optimized by minimizing other losses such that the additional heat generated is easily dissipated. This results in the remarkable conclusion that the advantages of an inverter according to the invention, which is clearly simpler and less expensive to build compared to a bidirectionally operating inverter. its disadvantages, which entail the renouncement of the recycling of the energy flowing into the inverter, outweigh. This is especially true considering the fact that in many applications, the provision of a higher proportion of reactive power from the inverter is required only relatively rarely.
In
Im Prinzip ist jeder der Schalter der Halbbrückenzweige dazu geeignet, die elektrische Leistung, die im Rahmen der Bereitstellung von Blindleistung in den Wechselrichter fließt, in Wärme umzuwandeln, indem er in den entsprechenden Zeiträumen (vergl.
In
Im rechten Teil der
Dieser Widerspruch wird erfindungsgemäß dadurch aufgelöst, dass der rechte Lowside-Schalter LS2 derart in einem linearen Betriebsmodus als schaltbarer, geregelter Widerstand betrieben wird, dass er die Summe aus dem geforderten Netzstrom Igrid und dem Strom I aus der DC-Quelle
Nach dem Nulldurchgang des Netzstromes Igrid sind Strom I aus der DC-Quelle
Die hier beschriebene Wechselrichterbrücke
An jeder der Steuerelektroden der vier Schalter HS1, HS2, LS1, LS2 der Wechselrichterbrücke (vergleiche auch
Die Treiberbausteine
- – der Schalter ist leitend, wenn am Eingang „on” eine logische 1 („high”) anliegt
- – der Schalter ist gesperrt, wenn am Eingang „on” eine logische 0 („low”) anliegt und am Eingang „Enable” (E) eine logische 0 („low”) anliegt
- – der Schalter ist in einem linearen Betriebsmodus, wenn am Eingang „on” eine logische 0 („low”) anliegt und am „Enable”-Eingang (E) eine logische 1 („high”) anliegt
- - The switch is conductive if a logic 1 ("high") is present at the input "on"
- - The switch is disabled if a logic 0 ("low") is present at the input "on" and a logic 0 ("low") is present at the input "Enable" (E)
- - The switch is in a linear operating mode, if at the input "on" a logical 0 ("low") is applied and at the "Enable" input (E) is a logical 1 ("high")
Im letztgenannten linearen Betriebsmodus wird der jeweilige Schalter als schaltbarer, geregelter Widerstand betrieben, wobei sich der Strom durch den linken Schalter LS1 auf VcL/Rs und der Strom durch den rechten Schalter LS2 auf VcR/Rs einstellt. Dabei werden die Steuersignale VcL und VcR aus der Summe der über die Widerstände Rs abfallenden Spannungen abzüglich bzw. zuzüglich des Quotienten aus dem momentan geforderten Netzstrom Igrid und dem Widerstandswert Rs bestimmt.In the latter linear operating mode, the respective switch is operated as a switchable, regulated resistor, wherein the current through the left switch LS1 to V cL / R s and the current through the right switch LS2 adjusts to V cR / R s . In this case, the control signals VcL and VcR are determined from the sum of the voltages dropping across the resistors Rs minus or plus the quotient of the instantaneously required mains current I grid and the resistance value R s .
Das an den „Enable”-Eingängen E anliegende Signal CD wird derart in Abhängigkeit von der Steuerung der DC-Quelle gesetzt, dass in den Zeiträumen, in denen kein Steuersignal („PWM from micro”) für die DC-Quelle erzeugt wird, eine logische 1 („high”) anliegt. Diese Zeiträume, in denen die DC-Quelle keine elektrische Leistung erzeugt, entsprechen im Falle der Bereitstellung von Blindleistung gerade denjenigen Zeiträumen, in denen Leistung aus dem Wechselspannungsnetz in den Wechselrichter fließt. Im Umkehrschluss ist das Signal CD immer logisch 0 („low”), wenn keine Blindleistung bereitgestellt wird, so dass dann alle Schalter entweder komplett leitend oder komplett gesperrt sind.The signal CD present at the "Enable" inputs E is set in such a manner in dependence on the control of the DC source that in the periods in which no control signal ("PWM from micro") is generated for the DC source logical 1 ("high") is present. These periods in which the DC source generates no electrical power, correspond in the case of providing reactive power just those periods in which power flows from the AC mains in the inverter. Conversely, the signal CD is always logic 0 ("low"), if no reactive power is provided, so that then all switches are either completely conductive or completely blocked.
In einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform kann der Schalter T1 auch zwischen den Ausgängen der Halbbrückenzweige
Es versteht sich, dass alternativ zu dem bisher beschriebenen linearen Betrieb eines Schalters als schaltbarer, geregelter Widerstand alternative Ausführungen möglich sind, um das erfindungsgemäße Merkmal des Umwandeln der aus dem Wechselstromnetz in den Wechselrichter fließenden elektrischen Leistung in Wärme zu realisieren. Insbesondere ist dazu ein dissipativ getakteter Betrieb des Schalters geeignet, der ein getakteter Betrieb mit einem parallel dazu geschalteten Kondensator und/oder einem in Reihe geschalteten Widerstand sein kann, oder ein derart getakteter Betrieb, dass die Schaltverluste des Schalters durch die Taktung sich zur gewünschten Wärmeumwandlung kumulieren. Die Schaltverluste des Schalters können durch die Frequenz der Ansteuerung oder die Form des Ansteuersignals beeinflusst werden. Insbesondere für die Ausführungsform der Wechselrichterbrücke mit separatem Schalter parallel zu den Halbbrückenzweigen, wobei der Schalter ausschließlich zur Umwandlung der aus dem Wechselstromnetz in den Wechselrichter fließenden elektrischen Leistung in Wärme verwendet wird, kann zudem der Schalter optimal auf diese Umwandlung ausgelegt sein. Dazu eignet sich neben dem linearen oder dissipativ getakteten Betrieb des separaten Schalters auch eine Widerstandskette mit mehreren Teilschaltern, wobei die Teilschalter je nach aktuell gefordertem Widerstandswert einen oder mehrere Widerstände der Widerstandskette in den elektrischen Pfad parallel zu den Halbbrückenzweigen und damit zwischen die Polen der eingangsseitigen DC-Quelle schalten können.It will be understood that as an alternative to the previously described linear operation of a switch as a switchable, regulated resistor, alternative embodiments are possible in order to realize the inventive feature of converting the electrical power flowing from the AC mains into the inverter into heat. In particular, a dissipatively clocked operation of the switch is suitable, which may be a clocked operation with a capacitor connected in parallel and / or a resistor connected in series, or such a clocked operation that the switching losses of the switch by the clock to the desired heat conversion cumulate. The switching losses of the switch can be influenced by the frequency of the drive or the shape of the drive signal. In particular, for the embodiment of the inverter bridge with a separate switch in parallel with the half-bridge branches, the switch being used exclusively for converting the electrical power flowing from the AC grid into the inverter into heat, the switch can also be optimally designed for this conversion. This is in addition to the linear or dissipative clocked operation of the separate switch and a resistor chain with multiple part switches, the part switches depending on the currently required resistance one or more resistors of the resistor chain in the electrical path parallel to the half-bridge branches and thus between the poles of the input side DC Source can switch.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.Advantageous developments of the invention will become apparent from the claims, the description and the drawings. The advantages of features and of combinations of several features mentioned in the introduction to the description are merely exemplary and can come into effect alternatively or cumulatively, without the advantages having to be achieved by embodiments according to the invention. Further features can be taken from the drawings. The combination of features of different embodiments of the invention or of features of different claims is also possible deviating from the chosen relationships of the claims and is hereby stimulated. This also applies to those features which are shown in separate drawings or are mentioned in their description. These features can also be combined with features of different claims. Likewise, in the claims listed features for further embodiments of the invention can be omitted.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100, 300, 500, 600100, 300, 500, 600
- DC-QuelleDC source
- 110, 310, 510, 610110, 310, 510, 610
- WechselstromnetzAC power
- 120120
- GleichspannungswandlerDC converter
- 130, 330, 530, 630130, 330, 530, 630
- WechselrichterbrückeInverter bridge
- 440440
- Treiberbausteinedriver blocks
- 550550
- HalbbrückenzweigHalf-bridge branch
- 560560
- Widerstandresistance
- HS1, HS2, LS1, LS2, T1HS1, HS2, LS1, LS2, T1
- Schalterswitch
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