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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Wechselrichtervorrichtung. Daneben betrifft die Erfindung eine Wechselrichtervorrichtung.
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Wechselrichter dienen der Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung. Dabei weisen sie einen zulässigen Bereich ihrer Auslastung auf, der durch eine zulässige Höchstauslastung begrenzt ist. Als Auslastungsgrad ist dabei das Verhältnis von abgegebener Leistung zur zulässigen Höchstauslastung definiert. Typischerweise steigt der Wirkungsgrad eines Wechselrichters mit steigendem Auslastungsgrad degressiv an, so dass im Teillastbetrieb, also einem geringen Auslastungsgrad von beispielsweise weniger als 20 %, nur ein im Vergleich zum Betrieb nahe der zulässigen Höchstauslastung niedriger und damit unzureichender Wirkungsgrad erzielt wird. Es sind Wechselrichter bekannt, die auch in umgekehrter Leistungstransportrichtung als Gleichrichter betrieben werden können.
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Es ist bekannt an eine Gleichspannungsquelle eine Wechselrichtervorrichtung mit mehreren zueinander parallel geschalteten gleichartigen Wechselrichtern anzuschließen, und je nach Lastanforderung eine solche Zahl von Wechselrichtern mit der Gleichspannungsquelle zu verbinden, dass jeder von ihnen mit einem Auslastungsgrad betrieben wird, der einen ausreichenden Wirkungsgrad jedes einzelnen Wechselrichters bzw. der Wechselrichtervorrichtung insgesamt erzielt.
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Es ist dabei jedoch nachteilhaft, dass bei Lastprofilen mit sehr weit auseinanderliegenden Lastfällen (sogenannte bi- oder mehrpolare Lastprofile) eine sehr hohe Anzahl von Wechselrichtern vorzusehen ist, da durch das parallele Hinzuschalten eines Wechselrichters der Auslastungsbereich der gesamten Wechselrichteranordnung lediglich höchstens um die zulässige Höchstauslastung eines einzelnen Wechselrichters erweitert wird. Dabei können sich bei einem Betrieb mit bi- oder mehrpolaren Lastprofilen auch die technischen Anforderungen an einen Wechselrichter in unterschiedlichen Lastfällen ändern.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Wechselrichtervorrichtung anzugeben, welches einen effizienten Betrieb einer Wechselrichtervorrichtung über sehr breite, insbesondere bi- oder mehrpolare Lastprofile ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Wechselrichtervorrichtung mit mehreren parallel zueinander geschalteten, sich in wenigstens einer ihrer technischen Eigenschaften unterscheidenden Wechselrichtern, die mittels einer Schalteinrichtung an einem zum Anschluss einer Gleichspannungsquelle vorgesehenen Gleichspannungseingang der Wechselrichtervorrichtung betreibbar sind, umfassend folgende Schritte: Erfassen wenigstens einer den Betriebszustand der Wechselrichtervorrichtung und/oder einer angeschlossenen weiteren Vorrichtung beschreibenden Auswahlgröße mittels wenigstens eines Erfassungsmittels, Auswahl einer wenigstens einen an dem Gleichspannungseingang zu betreibenden Wechselrichter beschreibenden Wechselrichterkonfiguration in Abhängigkeit wenigstens eines die Auswahlgröße auswertenden Auswahlkriteriums und Inbetriebnahme des durch die gewählte Wechselrichterkonfiguration beschriebenen wenigstens einen Wechselrichters am Gleichspannungseingang mittels der Schalteinrichtung.
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Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, eine Wechselrichtervorrichtung so zu betreiben, dass sie Wechselrichterkonfigurationen nach wenigstens einem Auswahlkriterium bestimmt und die Wechselrichter in dieser Wechselrichterkonfiguration an ihrem Gleichspannungseingang betreibt. Dazu wird wenigstens eine Auswahlgröße erfasst, die den Betriebszustand der Wechselrichtervorrichtung und/oder einer angeschlossenen weiteren Vorrichtung beschreibt und durch das Auswahlkriterium ausgewertet wird. Geeignete Auswahlkriterien und Auswahlgrößen, die vorteilhafterweise die Effizienz der Wechselrichtervorrichtung unter unterschiedlichen Gesichtspunkten verbessern, werden später genauer beschrieben.
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Die Schalteinrichtung kann beispielsweise so ausgebildet sein, dass sie eine Schaltverbindung zwischen dem Gleichspannungseingang und dem wenigstens einen durch die Wechselrichterkonfiguration beschriebenen Wechselrichter herstellt. Alternativ oder zusätzlich kann die Schalteinrichtung auch dazu ausgelegt sein, wenigstens einen durch die Wechselrichterkonfiguration beschriebenen Wechselrichter einzuschalten bzw. auch wieder auszuschalten. Dies bietet sich besonders an, wenn dieser wenigstens eine Wechselrichter permanent mit dem Gleichspannungseingang verbunden ist. Selbstverständlich können durch die Schalteinrichtung auch gleichzeitig ein oder mehrere nicht durch die Wechselrichterkonfiguration beschriebene Wechselrichter vom Gleichspannungseingang getrennt beziehungsweise ausgeschaltet werden. Zu Beginn des Verfahrens können selbstverständlich bereits einer oder mehrere Wechselrichter mit dem Gleichspannungseingang verbunden sein.
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Die Wechselrichterkonfiguration kann grundsätzlich jede Kombination der Wechselrichter unabhängig voneinander beschreiben. Je nach Anwendungsfall können jedoch auch mehrere Wechselrichter in einer Master-Slave-Beziehung stehen, das heißt ein Slave-Wechselrichter kann nur Teil der Wechselrichterkonfiguration sein, wenn ein ihm zugeordneter Master-Wechselrichter auch dazu gehört. Dabei kann dieser Slave-Wechselrichter wiederum Master eines weiteren Wechselrichters sein. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass die Wechselrichterkonfiguration mehrere nebeneinander stehende Master-Wechselrichter aufweist, welche unabhängig voneinander Teil der Wechselrichterkonfigurationen sein können.
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Als mit dem Gleichspannungseingang der Wechselrichtervorrichtung verbindbare Gleichspannungszellen kommen insbesondere Energiespeicher in Betracht, die beispielsweise der temporären oder dauerhaften Speicherung elektrischer Energie in einem Wechselspannungsnetz dienen und ihre gespeicherte Energie mit einer Gleichspannung abgeben. Dies kann mechanische Speicher wie Schwungräder, Pumpspeicher, Kraftwerke oder Druckspeicher, aber auch elektrochemische, elektrostatische oder magnetische Energiespeicher betreffen. Daneben können auch chemische Energiespeicher, die zur Umwandlung elektrischer Energie beispielsweise in Wasserstoff, Methan oder Methanol und deren Rückwandlung ausgebildet sind, wie auch Wärmespeicher auf Basis von Dampf, Warmwasser, Phasenwechselmaterialien oder Karbonatschmelzen in Betracht kommen. Die Breite der denkbaren Typen von Energiespeichern, gegebenenfalls auch in einer Kombination miteinander, die mit der Wechselrichtervorrichtung verbunden werden können und bei geschickter Vorgabe von Auswahlkriterien effizient betreibbar sind, ist ein zentraler Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Es wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders bevorzugt, wenn durch das Umschalten von der bisherigen Wechselrichterkonfiguration in die ausgewählte Wechselrichterkonfiguration wenigstens ein verbesserter Wert einer Kenngröße des Betriebs der Wechselrichtervorrichtung erreicht wird, wobei insbesondere das wenigstens eine Auswahlkriterium einen auf die Kenngröße bezogenen Optimierungsvorgang umfasst. Es wird mithin vorgeschlagen, dass das Auswahlkriterium auf die Verbesserung einer festgesetzten Kenngröße ausgerichtet ist. Dabei ist zu beachten, dass die Kenngröße in Abhängigkeit ihrer Natur zu vergrößern oder zu verringern ist, um die Verbesserung zu erzielen. Es wird dabei insbesondere bevorzugt, wenn das Auswahlkriterium die Optimierung der Kenngröße, also deren Maximierung oder Minimierung, zum Gegenstand hat.
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Es sind für eine solche Optimierung verschiedene Vorgehensweisen zur Auswahl der Wechselrichterkonfigurationen in Abhängigkeit des Auswahlkriteriums denkbar. Sofern a priori bekannt ist, bei welchen Werten der wenigstens einen Auswahlgröße sich ein Optimum der Kenngröße einstellt, kann im einfachsten Fall eine Look-Up-Tabelle mit einer Zuordnung von Auswahlgrößen zu entsprechenden Wechselrichterkonfigurationen eine geeignete Auswertung des Auswahlkriteriums darstellen. Daneben kann aber auch ein bekannter Optimierungsalgorithmus implementiert werden. Insbesondere ist es möglich, dass eine Auswahlgröße oder mehrere arithmetisch verknüpfte Auswahlgrößen mittels eines Vergleichsoperators eine logische Bedingung beschreiben und so Nebenbedingungen für die Verbesserung oder Optimierung der Kenngröße bilden. Es ist dabei zu beachten, dass auch eine Vielzahl von Auswahlkriterien vorgegeben sein kann, welche sich auf unterschiedliche Kenngrößen beziehen.
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Es ist bei einem auf die Verbesserung einer Kenngröße gerichteten Verfahren besonders vorteilhaft, wenn als ein Auswahlkriterium eine Maximierung des Wirkungsgrads der Wechselrichteranordnung als Kenngröße verwendet wird. Wie bereits eingangs beschrieben, stellt die Maximierung des Wirkungsgrades der Wechselrichter, gerade bei bi- oder mehrpolaren Lastprofilen, einen der zentralen Einsatzbereiche des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Es wird mithin der Wirkungsgrad, also der Quotient von abgegebener Leistung zu aufgenommener Leistung, als Kenngröße verwendet, wobei ein Auswahlkriterium einen auf den Wirkungsgrad bezogenen Optimierungsvorgang umfasst.
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Alternativ oder zusätzlich kann als ein Auswahlkriterium eine Maximierung der Lebensdauer wenigstens eines Wechselrichters als Kenngröße verwendet werden. Dadurch wird der Vorteil erzielt, die Auslastung der Wechselrichter so zu verteilen, dass ein oder mehrere Wechselrichter möglichst lange bis zum Erreichen ihrer auslegungsgemäßen Lebensdauer betrieben werden können. Dazu kann im Rahmen der Auswertung des Auswahlkriteriums insbesondere extrapoliert werden, welche Lebensdauer sich in den jeweiligen Wechselrichterkonfigurationen ergeben würde. Es wird dann die günstigste dieser Alternativen ausgewählt. Darüber hinaus ist es auch denkbar, eine betriebskostenoptimale Wechselrichterkonfiguration auszuwählen, wobei Betriebszeiten der einzelnen Wechselrichter mit ihren Betriebskosten je Zeiteinheit zu gewichten und die Summe dieser Produkte zu minimieren ist. Es ist ferner denkbar, die Maximierung der Lebensdauer wenigstens eines Wechselrichters, mittelbar durch eine Minimierung der Anzahl von Schaltvorgängen dieses Wechselrichters zu erzielen.
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Es kann im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens weiterhin vorgesehen sein, dass als wenigstens eine Auswahlgröße eine von der Gleichspannungsquelle und/oder von den Wechselrichtern abgegebene elektrische Leistung und/oder die aufgenommene und/oder abgegebene Energiemenge und/oder die Betriebsdauer einzelner Wechselrichter, insbesondere mittels eines als Sensor ausgebildeten Erfassungsmittels, erfasst wird. Dabei lässt sich aus dem Quotienten der von den Wechselrichtern abgegebenen elektrischen Leistung und der von der Gleichspannungsquelle abgegebenen Leistung der Wirkungsgrad ermitteln. Zur Erfassung der elektrischen Leistung geeignete Sensoren sind dabei aus dem Stand der Technik an sich bekannt. Daneben kann die abgegebene Energiemenge als Produkt der abgegebenen elektrischen Leistung und der Betriebsdauer eines jeweiligen Wechselrichters ermittelt werden, was insbesondere als Maß im Rahmen eines auf die Maximierung der Lebensdauer ausgerichteten Auswahlkriteriums zweckmäßig ist. Dabei können zum Beispiel für einzelne Wechselrichter bekannte Energiemengen oder Betriebsdauern, für die dieser ausgelegt ist, herangezogen werden, um seine Lebensdauer zu maximieren.
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Alternativ oder zusätzlich kann auch vorgesehen sein, dass als wenigstens eine Auswahlgröße von einer einem mit einem Wechselspannungsausgang der Wechselrichtereinrichtung verbundenen Wechselstromnetz zugeordneten Energiemanagementeinrichtung übermittelte Informationen erfasst werden. Das Verfahren ist somit nicht darauf beschränkt, nur den Betriebszustand der Wechselrichtervorrichtung beschreibende Auswahlgrößen, also interne Größen, zu berücksichtigen, sondern kann auch externe Größen der Energiemanagementeinrichtung durch das Erfassungsmittel zu erfassen. Dabei finden derartige Energiemanagementeinrichtungen im Stand der Technik eine breite Verwendung (z.B. im Rahmen sogenannter Smart Grids) und sind dazu ausgebildet, Informationen an einzelne Verbrauchs- oder Erzeugungsstellen im Wechselstromnetz zu übermitteln. So können im Rahmen des Verfahrens, beispielsweise Informationen über prognostizierte zukünftige Lastanforderungen, welche von der Energiemanagementeinrichtung ermittelt wurden, als Auswahlgröße verwendet werden und so in die Auswertung des Auswahlkriteriums einbezogen werden. Vorteilhafterweise kann für die Wechselrichtervorrichtung dann bereits vorausschauend auf Lastanforderungen in näherer Zeit eine geeignete Wechselrichterkonfiguration ausgewählt werden.
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Es ist im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens weiterhin zweckmäßig, wenn mehrere Wechselrichter, die sich hinsichtlich ihrer Kennlinie des Wirkungsgrades über ihre Auslastung und/oder ihrer Ansprechzeiten und/oder Ausgangsfrequenzen und/oder Schalttaktfrequenzen unterscheiden, verwendet werden. Es ist also denkbar, dass in Abhängigkeit der Auswahlgrößen eine Wechselrichterkonfiguration mit Wechselrichtern unterschiedlicher Ansprechzeiten und/oder Ausgangsfrequenzen gewählt wird. Es kann je nach Anwendungsfall auch besonders zweckmäßig sein, eine Wechselrichterkonfiguration mit einer bestimmten Schalttaktfrequenz aus einer Menge von Wechselrichterkonfigurationen verschiedener Schalttaktfrequenz auszuwählen. Besonders bei mobilen Anwendungen von Wechselrichtervorrichtungen kann es sehr vorteilhaft sein, wenn die an der Gleichspannungsquelle zu betreibenden Wechselrichter einen speziell gewählten zulässigen Bereich zwischen einer Maximal- und Minimalbetriebstemperatur aufweisen, weil je nach räumlichem Einsatzszenario (z. B. bei einem in verschiedenen Klimazonen der Welt reisenden Schiff oder einem in unterschiedlichen Höhen fliegenden Flugzeug) unterschiedliche Witterungsbedingungen gegeben sind. In diesem Fall bietet es sich besonders an, als Auswahlgröße eine Temperatur, insbesondere mittels eines als Thermometer ausgebildeten Sensors, zu erfassen.
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Daneben kann zusätzlich oder alternativ vorgesehen sein, dass mehrere Wechselrichter, die sich hinsichtlich ihrer mechanischen Beanspruchungsklassen und/oder ihres Regelungsverhaltens und/oder der Anzahl ihrer Ausgangsphasen unterscheiden, verwendet werden. Bei Unterschieden hinsichtlich mechanischer Beanspruchungsklassen sind wiederum mobile Einsatzszenarien denkbar, bei denen die Wechselrichter unterschiedlichen mechanischen Einflüssen ausgesetzt sind, wie z. B. in Fahrzeugen. Eine Auswahl einer Wechselrichterkonfiguration aus mehreren Wechselrichtern mit unterschiedlichen Regelungsverhalten oder einer unterschiedlichen Anzahl von Ausgangsphasen wird hingegen vornehmlich bei der Verwendung von Informationen einer Energiemanagementeinrichtung als Auswahlgröße in Betracht kommen.
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Es ist bei einer Verwendung mehrerer Wechselrichter, die sich hinsichtlich ihrer Kennlinie des Wirkungsgrades über ihre Auslastung unterscheiden, besonders vorteilhaft, wenn nach ihrer zulässigen Höchstauslastung gestaffelte Wechselrichter verwendet werden, wobei jeweils ein Wechselrichter eine um einen, insbesondere konstanten, Faktor höhere Höchstauslastung aufweist als jener mit der nächstniedrigen Höchstauslastung. Dies betrifft insbesondere den besonders prominenten Anwendungsfall des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem der Wirkungsgrad der Wechselvorrichtervorrichtung als Kenngröße verwendet wird. Dies heißt, dass die Wechselrichtervorrichtung mehrere Wechselrichter umfasst, wobei jenem mit der nächstniedrigsten Höchstauslastung ein solcher nachgeordnet ist, der eine um einen Faktor höhere Höchstauflastung aufweist, und diesem wiederum ein Wechselrichter nachgeordnet ist, dessen Höchstauslastung wieder um einen weiteren Faktor höher ist und so weiter. Es ist dabei besonders zweckmäßig, wenn diese Faktoren identisch sind. So kann erzielt werden, dass Auslastungsbereiche, in welchen der Wirkungsgrad eines Wechselrichters eher ungünstig ist, von dem nächstniedrigeren Wechselrichter abgedeckt werden. Dieser Wechselrichter kann in diesen Bereichen mit einem höheren Wirkungsgrad betrieben werden.
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Schließlich kann ein solches Verfahren mit Vorteil dadurch weitergebildet werden, dass die mehreren Wechselrichter derart gestaffelt werden, dass die Kennlinien des Wirkungsgrades über ihre Auslastung jeweils zweier unmittelbar nacheinander gestaffelter Wechselrichter in ihrem zulässigen Auslastungsbereich einen Überlappungsbereich aufweisen und der Wirkungsgrad des Wechselrichters mit der höheren Höchstauslastung bei der Höchstauslastung des Wechselrichters mit der niedrigeren Höchstauslastung einen für alle Überlappungsbereiche festgelegten Mindestwirkungsgrad aufweist. So wird erreicht, dass über den gesamten Auslastungsbereich der Wechselrichtervorrichtung immer ein Wechselrichter auswählbar ist, dessen Wirkungsgrad im konkreten Auslastungsfall oberhalb des festgelegten Mindestwirkungsgrades liegt. Es wird somit erreicht, dass nicht nur über einen sehr breiten Bereich ein besonders hoher (z. B. über 95 % liegender) Wirkungsgrad erreicht wird, sondern auch, dass der Wirkungsgrad über einen weiteren Bereich des Auslastungsgrades der Wechselrichtervorrichtung möglichst flach verläuft. Es kann dabei mit besonderem Vorteil vorgesehen sein, dass bei der Auswertung des Auswahlkriteriums im Überlappungsbereich der Kennlinien zweier Wechselrichter, also beispielsweise bei der zulässigen Höchstauslastung desjenigen Wechselrichters mit der niedrigeren Höchstauslastung, eine Hysterese beim Schalten zwischen diesen beiden Wechselrichtern vorgesehen wird. Dadurch kann bei Auslastungsänderungen in diesen Bereich sichergestellt werden, dass ein oszillierendes Schalten zwischen diesen beiden Wechselrichtern verhindert wird.
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Es sei noch darauf hingewiesen, dass im Fall einer über die Wechselrichtervorrichtung zu ladenden Gleichspannungsquelle entsprechend modifizierte Auswahlkriterien auch für den Ladebetrieb realisiert werden können.
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Daneben betrifft die Erfindung auch eine Wechselrichtervorrichtung, umfassend mehrere parallel zueinander geschaltete, sich in wenigstens einer ihrer technischen Eigenschaften unterscheidende Wechselrichter, die mittels einer Schalteinrichtung an einem zum Anschluss einer Gleichspannungsquelle vorgesehenen Gleichspannungseingang der Wechselrichtervorrichtung betreibbar sind, wenigstens ein zum Erfassen jeweils wenigstens einer Auswahlgröße ausgebildetes Erfassungsmittel sowie eine zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildete Steuerungseinrichtung.
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Sämtliche Ausführungen zum Verfahren zum Betrieb einer Wechselrichtervorrichtung lassen sich analog auf die erfindungsgemäße Wechselrichtervorrichtung übertragen, so dass auch mit dieser die bereits genannten Vorteile erzielt werden können.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wechselrichtervorrichtung,
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2 ein Diagramm des Wirkungsgrades dreier Wechselrichter der Wechselrichtervorrichtung über den Auslastungsgrad der Wechselrichtervorrichtung und
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3 den resultierenden Wirkungsgrad der Wechselvorrichtervorrichtung über ihren Auslastungsgrad bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 ist ein Blockschaltbild eines bevorzugten ersten Ausführungsbeispiels einer Wechselrichtereinrichtung 1, sowie einer Gleichspannungsquelle 2 und einem Wechselspannungsnetz 3.
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Die Wechselrichtervorrichtung 1 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel ohne Beschränkung der Allgemeinheit drei Wechselrichter 4, 5, 6, eine Schalteinrichtung 7, eine Steuerungseinrichtung 8 sowie zwei Erfassungsmittel 9, 10. Daneben weist sie einen Gleichspannungseingang 11, der mit der Gleichspannungsquelle 2 und einem Wechselspannungsausgang 12, der mit dem Wechselspannungsnetz 3 verbunden ist, auf. Das Erfassungsmittel 9 ist ein Sensor, der die von der Gleichspannungsquelle 2 abgegebene Leistung erfasst, wohingegen das Erfassungsmittel 10 die von den Wechselrichtern 4, 5, 6 abgegebenen Leistungen an das Wechselspannungsnetz 3 als Sensor misst. Daneben ist dem Wechselspannungsnetz 3 ein weiteres Erfassungsmittel 13 zugeordnet, welches als Energiemanagementeinrichtung ausgebildet ist. Die Erfassungsmittel 9, 10, 13 stellen Eingangssignale für die Steuerungseinrichtung 8 bereit.
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Die Schalteinrichtung 7 ist durch eine aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung von Halbleiterbauelementen realisiert und weist einen gemeinsamen Schaltkontakt 14 auf, der über das Erfassungsmittel 9 mit dem Gleichspannungseingang 11 verbunden ist. Daneben umfasst sie drei weitere Schaltkontakte 15, 16, 17, welche mit den Gleichspannungseingängen von jeweils einem der Wechselrichter 4, 5, 6 verbunden sind. Die Schalteinrichtung 7 weist schließlich einen Schalter 18 auf, der den gemeinsamen Schaltkontakt 14 mit wenigstens einem der Schaltkontakte 15, 16, 17 verbindet. Es können so auch mehrere Wechselrichter parallel an dem Gleichspannungseingang 11 der Wechselrichtervorrichtung 1 betrieben werden, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit der Schalter 18 nur zur Verbindung des gemeinsamen Schaltkontakts 14 mit einem der Schaltkontakte 15, 16, 17 gezeigt ist.
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Die Steuerungseinrichtung 8 erfasst als Auswahlgrößen die vom Erfassungsmittel 9 gemessene Leistung am Gleichspannungseingang 11, die vom Erfassungsmittel 10 gemessenen einzelnen Leistungen der Wechselrichter 4, 5, 6 sowie Informationen über zukünftige Lastanforderungen des als Energiemanagementeinrichtung ausgebildeten Erfassungsmittels 13. Diese Auswahlgrößen werden durch ein in der Steuerungseinrichtung 8 implementiertes Auswahlkriterium dahingehend ausgewertet, dass eine Wechselrichterkonfiguration vorgegeben wird, bei der der Wirkungsgrad der Wechselrichtervorrichtung 1, also der Quotient aus der mit der Erfassungseinrichtung 10 erfassten Leistung am Wechselspannungsausgang 12 und der mittels des Erfassungsmittels 9 am Gleichspannungseingang 11 aufgenommenen Leistung, maximiert wird. Bei Betrieb der Wechselrichter 4, 5, 6 als Gleichrichter, beispielsweise, wenn ein Ladevorgang der Gleichspannungsquelle 2 erfolgen soll, ist exakt der umgekehrte Fall zu betrachten und auch realisierbar. Der Einfachheit halber werden hier drei mögliche Wechselrichterkonfigurationen betrachtet, nämlich jeweils einen Betrieb eines der Wechselrichter 4, 5, 6, wobei jede Wechselrichterkonfiguration einer möglichen Schalterstellung des Schalters 18 an den Schaltkontakten 15, 16, 17 entspricht. Es ist darüber hinaus auch denkbar, dass mehrere der Wechselrichter 4, 5, 6 parallel betrieben werden oder weitere Wechselrichter vorgesehen sind. In diesem Fall ist insbesondere die Schalteinrichtung 7 entsprechend anzupassen.
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Dazu zeigen die 2 und 3 jeweils Diagramme des Wirkungsgrades η über den Auslastungsgrad D der Wechselrichtervorrichtung 1. Dabei sind in 2 ein Wirkungsgrad 19 des Wechselrichters 4, ein Wirkungsgrad 20 des Wechselrichters 5 und ein Wirkungsgrad 21 des Wechselrichters 6 über den Auslastungsgrad D aufgetragen. Die Wechselrichter 4, 5, 6 sind in dieser Reihenfolge nach ihrer jeweiligen zulässigen Höchstauslastung 22, 23, 24 gestaffelt. Dabei ist die zulässige Höchstauslastung 24 des Wechselrichters 6 um den Faktor 3 höher als die zulässige Höchstauslastung 23 des Wechselrichters 5, welche wiederum um den Faktor 3 höher ist als die zulässige Höchstauslastung 22 des Wechselrichters 4. Die Wirkungsgrade 19, 20, 21 sind dabei etwa in ihrem unteren Fünftel verhältnismäßig gering, so dass ihr Betrieb bei diesen Auslastungsgraden grundsätzlich unerwünscht ist. Die Steuerungseinrichtung 8 stellt im Rahmen eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens sicher, dass jeweils einer der Wechselrichter 4, 5, 6 ausgewählt wird, welcher bei dem erfassten Auslastungsgrad der Wechselrichtervorrichtung 1 den maximalen Wirkungsgrad hervorbringt. Dabei werden als Nebenbedingungen die Definitionsbereiche der Kennlinien der Wirkungsgrade 19, 20, 21, also insbesondere auch die zulässigen Höchstauslastung 22, 23, 24 erfasst. Übersteigt die benötigte Leistung die Höchstleistung des Wechselrichters 6 können bei entsprechender Ausgestaltung der Schalteinrichtung 7, worauf im Folgenden noch näher eingegangen wird, auch mehrere Wechselrichter 4, 5, 6 ausgewählt werden.
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Das Ergebnis der Durchführung des Verfahrens ist in 3 als resultierende Kennlinie des Wirkungsgrads 25 über den Auslastungsgrad D gezeigt. Jenseits eines Auslastungsgrades 26 liegt der resultierende Wirkungsgrad 25 der Wechselrichtervorrichtung 1 kontinuierlich in einem Bereich zwischen einem Mindestwirkungsgrad 27 und dem technisch bestmöglichen Wirkungsgrad 28. Die Steuerungseinrichtung 8 wählt also je nach Auslastungsgrad die wirkungsgradoptimale Wechselrichterkonfiguration aus, so dass jenseits des Auslastungsgrades 26 ein ausreichend hoher Wirkungsgrad mit einem flachen Verlauf erzielt wird.
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Wird als Gleichspannungsquelle 2 beispielsweise eine Lithiumbatterie mit einer Kapazität von 1 MWh und einer Maximalleistung von 2 MW verwendet, so kann diese ihre gespeicherte Energie bei der Maximalleistung innerhalb von 30 min oder über einen längeren Zeitraum abgeben. Bei einer Entladung der Lithiumbatterie über einen Zeitraum von 12 h würde ihre Energie also bei einer Leistung von 83 kW abgegeben werden. Ihre Auslastung würde dann ca. 4 % entsprechen. Wäre lediglich ein Wechselrichter mit einer zulässigen Höchstauslastung von 2 MW für die Lithiumbatterie vorgesehen, so würde sich der in 2 gezeigte Arbeitspunkt 29 einstellen, welcher inakzeptabel niedrig wäre. Auch ein Wechselrichter mit einer um den Faktor 3 geringeren zulässigen Höchstauslastung, also von ca. 667 kW könnte lediglich bei einem Arbeitspunkt 30 und damit nur unbefriedigend effizient betrieben werden.
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Erst ein wiederum um den Faktor 3 geringer dimensionierter Wechselrichter 4 wird bei einem günstigen Arbeitspunkt 31 betrieben werden, er hätte dann allerdings lediglich eine zulässige Höchstauslastung von ca. 222 kW. Durch den Betrieb der Lithiumbatterie als Gleichspannungsquelle 2 an der Wechselrichtervorrichtung 1 kann so für jeden Lastfall eine wirkungsgradoptimale Wechselrichterkonfiguration gefunden werden.
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Soll die Wechselrichtervorrichtung mit einer höheren Auslastung als 2 MW betrieben werden so können der Wechselrichter 4 und/oder der Wechselrichter 5 parallel zum Wechselrichter 6 mit dem Gleichspannungseingang 11 verbunden werden, so dass sich eine theoretische mögliche Höchstauslastung von 2,75 MW der Wechselrichtervorrichtung 1 ergibt.
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Da die Steuerungseinrichtung 8 Informationen über erwartete zukünftige Lastfälle des Wechselspannungsnetzes 3 erhält, können diese im Rahmen einer vorausschauenden Auswahl von Wechselrichterkonfigurationen berücksichtigt werden. Dadurch kann insbesondere die Anzahl an Schaltvorgängen der Schalteinrichtung 7 reduziert und damit verbessert werden, wodurch sich die Lebensdauer der Wechselrichter 4, 5, 6 vorteilhafterweise erhöht. Dies kann als weiteres Auswahlkriterium in der Steuerungseinrichtung 8 implementiert sein.
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Ein im Übrigen mit dem ersten Ausführungsbeispiel identisches zweites Ausführungsbeispiel einer Wechselrichtervorrichtung sieht vor, dass die Wechselrichter über das Erfassungsmittel mit dem Gleichspannungseingang verbunden sind und eine Schalteinrichtung dazu ausgebildet ist, die Wechselrichter in Abhängigkeit der gewählten Wechselrichterkonfiguration ein- und auszuschalten. In diesem Fall kann die Schalteinrichtung insbesondere mit der Steuerungseinrichtung zusammengefasst werden.
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Die übrigen Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel lassen sich analog auf das zweite Ausführungsbeispiel übertragen.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
