DE102016005079A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Netzstrom-Speicherung und Inselnetzerzeugung mit gemeinsam genutzten Schaltelementen zur Halbwellen-Polaritätsumschaltung - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Netzstrom-Speicherung und Inselnetzerzeugung mit gemeinsam genutzten Schaltelementen zur Halbwellen-Polaritätsumschaltung Download PDF

Info

Publication number
DE102016005079A1
DE102016005079A1 DE102016005079.9A DE102016005079A DE102016005079A1 DE 102016005079 A1 DE102016005079 A1 DE 102016005079A1 DE 102016005079 A DE102016005079 A DE 102016005079A DE 102016005079 A1 DE102016005079 A1 DE 102016005079A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
switching elements
bridge
converter
boost converter
boost
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102016005079.9A
Other languages
English (en)
Inventor
Reiner Nowitzki
Joachim Arb
Tobias Fuhr
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
FINEPOWER GmbH
Original Assignee
FINEPOWER GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by FINEPOWER GmbH filed Critical FINEPOWER GmbH
Priority to DE102016005079.9A priority Critical patent/DE102016005079A1/de
Publication of DE102016005079A1 publication Critical patent/DE102016005079A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/40Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc
    • H02M5/42Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/44Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac
    • H02M5/453Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M5/458Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M5/4585Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having a rectifier with controlled elements

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Netzstrom-Speicherung mittels einer Kombination aus Hochsetzsteller (2) und einer Halbbrücke (3) zur Netzhalbwellen-Polaritätsumschaltung. Weiterhin ist ein Tiefsetzsteller (6) vorhanden, der eine Inselnetzerzeugung für Wechselstromverbraucher ermöglicht. Dabei kann die Energie aus einem Versorgungsnetz (1) bezogen und in einem Energiespeicher (4) vorgehalten werden, um zu einem beliebigen Zeitpunkt über den Tiefsetzsteller (6) am Verbraucher-Anschluss (5) wieder bereitgestellt zu werden. Weiterhin kann durch gleichzeitiges Schließen der beiden oberen Schaltelemente (22, 62) von Hochsetz- (2) und Tiefsetzsteller (6) während positiver Eingangsspannung (1) bzw. gleichzeitiges Schließen der beiden unteren Schaltelemente (23, 63) von Hochsetz- (2) und Tiefsetzsteller (6) während negativer Eingangsspannung (1) eine direkte Verbindung des Verbraucher-Anschlusses (5) mit dem Versorgungsnetz (1) hergestellt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Netzstrom-Speicherung und Inselnetzerzeugung mit gemeinsam genutzten Schaltelementen zur Halbwellen-Polaritätsumschaltung.
  • Durch die sinkenden Einspeisevergütungen für private Solarstromanlagen sinkt auch die Anzahl der Neuinstallationen und der Betrieb solcher Anlagen wird sowohl für private Erzeuger wie auch für Industriekunden immer unrentabler. Eine sehr interessante Alternative zur Einspeisung des erzeugten Solarstroms in ein Versorgungsnetz stellen sogenannte Pufferspeicher dar. Hier wird der Solarstrom in elektrischen Energiespeichern, zumeist Batteriepacks, gespeichert, um zeitversetzt bei Bedarf dann verbraucht zu werden. Damit sinkt der Strombezug aus dem öffentlichen Stromnetz und damit auch die Strom- bzw. Betriebskosten.
  • Ein typischer Pufferspeicher umfasst neben einer Batterie einen Wechselrichter zur Einspeisung in das öffentliche Stromnetz. Klassische Systeme sind außerdem mit einer DC-Schnittstelle sowie einem Gleichspannungswandler zur Anbindung von Solargeneratoren ausgestattet. Insbesondere neuere Systeme stellen über eine weitere Inverterschaltung einen separaten Anschluss für elektrische Verbraucher zur Verfügung.
  • Weiterhin kann zwischen der Batterie und dem Wechselrichter noch ein weiterer Gleichspannungswandler vorhanden sein, der eine galvanische Trennung von Netz- und Batteriepotenzial mittels Transformator beinhaltet.
  • Mit einem solchen Pufferspeicher-System kann auch eine sogenannte unterbrechungsfreie Stromversorgung (kurz: „USV”) realisiert werden, indem ein separater Anschluss für einen elektrischen Verbraucher vorgesehen wird.
  • Die DE202008014919U1 offenbart ein Solarstromversorgungssystem, welches als USV dient. Dabei wird eine erste elektrische Energie aus einem Solargenerator erzeugt, welche über einen MPPT (engl. „maximum power point tracking”) und einen Gleichspannungswandler an einen Batteriespeicher angebunden ist. Eine zweite elektrische Energie wird über eine Steckdose aus dem öffentlichen Stromnetz bereitgestellt. Dafür ist eine Leistungsfaktor-Korrektur vorgesehen, deren Ausgang mit dem Ausgang des Gleichspannungswandlers der ersten elektrischen Energie verbunden ist. Damit kann ein elektrischer Verbraucher entweder aus dem Solargenerator, oder aus dem öffentlichen Stromnetz, oder vorübergehend auch nur aus dem Batterie-Pufferspeicher versorgt werden. Mit dem vorgeschlagenen System können jedoch keine Wechselstrom-Verbraucher gespeist werden, welche gemäß Ihres bestimmungsgemäßen Gebrauchs zum Anschluss an das öffentliche Stromnetz vorgesehen sind.
  • Ein Wechselstrom-Verbraucher kann entweder direkt am Netz betrieben werden, wobei dann die Leistungsfaktor-Korrektur der USV bidirektionalen Betrieb ermöglichen muss, oder es wird ein separater Wechselspannungs-Anschluss an der USV vorgesehen, welcher durch einen zusätzlichen Wechselrichter eine Wechselspannung zur Verfügung stellt. Der Anschluss eines Verbrauchers direkt an das öffentliche Stromnetz stellt für den Verbraucher insofern keine unterbrechungsfreie Stromversorgung dar, als zum Einen die USV erst einen Netzausfall detektieren muss, was zu verzögerter Bereitstellung der Energie und somit zu einer kurzen Unterbrechung in der Spannungsversorgung führt, und zum Anderen zusätzliche installationsseitige Maßnahmen notwendig sind, um eine Netzeinspeisung im Falle eines Netzausfalls zu unterbinden. Weiterhin müssen für einen bidirektionalen Wechselrichter mit Netzanbindung zusätzliche Anforderungen aus den Einspeise-Richtlinien eingehalten werden.
  • Somit bleibt als einzige Möglichkeit die Bereitstellung eines Wechselspannungs-Anschlusses mit zusätzlicher Wechselrichter-Elektronik, welche ein Inselnetz erzeugt. Die gängigste Topologie für eine Leistungsfaktor-Korrekturschaltung und eine Wechselrichterelektronik ist ein Hoch-Tiefsetzsteller, der für beide Energieflussrichtungen gleichermaßen geeignet ist. Es wäre wünschenswert, wenn bei Einsatz von zwei getrennten Wandlern zur Netzanbindung und zur Inselnetzerzeugung zumindest ein Teil der Elektronik gemeinsam genutzt werden könnte, um Platz, Gewicht und Kosten einzusparen.
  • Daher stellt sich die Aufgabe, eine unterbrechungsfreie Stromversorgung für Wechselspannungs-Verbraucher durch ein Pufferspeichersystem zu realisieren, welche ausschließlich zum Eigenverbrauch von selbst erzeugter bzw. zwischengespeicherter Energie dient und welche eine möglichst effiziente Ausnutzung der benötigten Komponenten zur Kosten-, Gewichts- und Effizienzoptimierung ermöglicht.
  • Eine Lösung dieser Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie Verfahren nach den Ansprüchen 6 oder 9 erreicht. Weitere günstige Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur Netzstrom-Speicherung und Inselnetzerzeugung mit gemeinsam genutzten Schaltelementen zur Halbwellen-Polaritätsumschaltung.
  • Nachfolgend sind gleiche Komponenten mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • Die Vorrichtung umfasst eine Hochsetzsteller-Schaltung (2) mit zumindest zwei aktiven, steuerbaren Schaltelementen (22, 23), wobei das Speicherelement (21) der Schaltung mit einem Anschlusspol (11) eines Versorgungsnetzes (1) verbunden werden kann und die beiden Schaltelemente (22, 23) mit einem Energiespeicher (4) verbunden sind, einer Tiefsetzsteller-Schaltung (6) mit zumindest zwei weiteren aktiven, steuerbaren Schaltelementen (62, 63), wobei das Speicherelement (61) der Tiefsetzsteller-Schaltung (6) mit einem Anschlusspol (51) zur Inselnetzerzeugung (5) verbunden ist und die beiden Schaltelemente (62, 63) der Tiefsetzsteller-Schaltung (6) mit dem Energiespeicher (4) verbunden sind. Des Weiteren enthält die Vorrichtung eine Halbbrücke (3), bestehend aus zumindest zwei weiteren aktiven, steuerbaren Schaltelementen (31, 32), welche mit dem Energiespeicher (4) verbunden sind und an Ihrem gemeinsamen Verbindungspunkt (30) mit dem anderen Anschluss (12) des Versorgungsnetzes verbunden werden können. Erfindungsgemäß kann der Verbindungspunkt (30) der beiden Schaltelemente (31, 32) der Halbbrücke (3) mit dem anderen Anschluss (52) zur Inselnetzerzeugung (5) elektrisch verbunden sein. Damit kann die Halbbrücke (3) sowohl zur Netzstrom-Zwischenspeicherung als auch zur Inselnetzerzeugung genutzt werden. Der Energiespeicher (4) umfasst dabei üblicherweise einen oder mehrere hochkapazitive Elektrolyt-Kondensatoren; es kann aber auch ein elektrochemischer Speicher verwendet werden, wenn sichergestellt ist, dass dessen Spannung immer höher ist als die Spannung des Versorgungsnetzes (1). Der Begriff „Schaltelement” steht im Sinne der Erfindung für ein Halbleiter-Bauelement, welches eine intrinsische Diode enthalten kann; auch umfasst der Begriff die Parallelschaltung einer Diode zum eigentlichen Schalter. Zum einfacheren Verständnis wird jedoch nur der Begriff ”Schaltelement” verwendet.
  • Die Schaltelemente (31, 32) der weiteren Halbbrücke (3) können im einfachsten Fall nur als Dioden ausgeführt sein, was zu einer weiteren Kostensenkung führt.
  • Vorteilhafterweise besitzt die Hochsetzsteller-Schaltung (2) zum Anschluss an ein Versorgungsnetz (1) einen Trennschalter (7), der zumindest einen Netz-Pol (12) von der Vorrichtung trennen kann. Damit kann unabhängig von einem Versorgungsnetz (1) immer ein Inselnetz (5) aus dem Energiespeicher (4) bereitgestellt werden.
  • Eine spezielle Ausführungsform der Vorrichtung nach Anspruch 3 weist einen Trennschalter (7) auf, der zumindest drei Pole besitzt, wobei zumindest jeweils ein Pol mit der Anschlussklemme (12) des Versorgungsnetzes (1), dem Massepotenzial (42) des Zwischenkreises (4) sowie dem Verbindungspunkt (30) der weiteren Halbbrücke (3) verbunden ist. Damit kann auch mit einer gleichförmigen Versorgungsspannung, beispielsweise einem Solargenerator, am Anschluss (1) über die Hochsetzsteller-Schaltung (2) der Pufferspeicher aufgeladen werden indem der Trennschalter (7) eine Verbindung zwischen dem Netzanschluss-Pol (12) und dem Massepotenzial (42) des Zwischenkreises (4) herstellt, wobei der Tiefsetzsteller (6) gleichzeitig eine Wechselspannung am Anschluss (5) erzeugen kann. Ein dauerhaftes Schließen des Schalters (32) der weiteren Halbbrücke (3) würde zwar für die Hochsetzsteller-Schaltung (2) denselben Effekt darstellen, verhindert aber gleichzeitig das Erzeugen einer Wechselspannung durch den Tiefsetzsteller (6).
  • Eine andere vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung nach Anspruch 1 umfasst einen weiteren Energiespeicher (9), welcher über einen zusätzlichen bidirektionalen Glelchspannungswandler (8), vorzugsweise mit Potenzialtrennung, an die Gleichspannungsanschlüsse (41, 42) des Hoch- (2) und Tiefsetzstellers (6) bzw. der Halbbrücke (3) angebunden ist. Dadurch ergibt sich an den Gleichspannungsanschlüssen (41, 42) ein Gleichspannungs-Zwischenkreis, dessen Spannung von dem Energiespeicher (4) gestützt wird. Durch den Gleichspannungswandler (8) wird eine von der Netzspannung (1) unabhängige Betriebsspannung des weiteren Energiespeichers (9) ermöglicht, welche dann beispielsweise unterhalb der zulässigen Höchstgrenze für Kleinspannungen (SELV, PELV) gehalten werden kann, womit ein sicherer Einsatz solcher Systeme in privaten Haushalten wesentlich erleichtert wird. Durch geeignete Ansteuerung des Gleichspannungswandlers (8) kann zudem der netzfrequente Wechselanteil des Stroms im Zwischenkreis wesentlich reduziert werden, wodurch prinzipiell auf Elektrolyt-Kondensatoren verzichtet und der Bauraum wesentlich verkleinert werden kann. Als Resultat einer solchen geeigneten Ansteuerung ergibt sich dann ein entsprechend transformierter netzfrequenter Wechselanteil im Batteriestrom.
  • Vorgeschlagen wird außerdem ein Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dabei wird aus dem Versorgungsnetz (1) über eine adäquate pulsweitenmodulierte Ansteuerung zumindest jeweils eines der beiden Schaltelemente (22, 23) des Hochsetzstellers (2) eine elektrische Größe im Zwischenkreis (4) geregelt, beispielsweise also eine Zwischenkreis-Gleichspannung bzw. ein gleichförmiger Speicherstrom erzeugt, und es kann ein Netzstrom mit hohem Leistungsfaktor bezogen werden, wobei sich der Stromkreis über die beiden Schaltelemente (31, 32) der Halbbrücke (3) schließt. Gleichzeitig kann zumindest eines der beiden Schaltelemente (62, 63) des Tiefsetzstellers (6) mit einer adäquaten pulsweitenmodulierten Ansteuerung derart angesteuert werden, dass sich eine Ausgangsspannung, insbesondere eine sinusförmige Spannung mit einer einstellbaren Amplitude, an den Anschlüssen (51, 52) zur Inselnetzversorgung (5) einstellt. Der Stromkreis schließt sich dabei erfindungsgemäß über dieselbe Halbbrücke (3), über die sich auch der Stromkreis des Hochsetzstellers (2) schließt. Dadurch wird beispielsweise bei Anbindung an das öffentliche Wechselspannungsnetz eine netzsynchrone, potenzialgebundene, jedoch in ihrer Amplitude unabhängig vom Versorgungsnetz einstellbare Wechselspannung mit sehr wenig Bauteil-, Volumen- und Kostenaufwand am Verbraucheranschluss (5) erzeugt. Außerdem kann so der Leistungsfluss in beiden Wandlern (2, 6) unabhängig voneinander eingestellt werden, sodass als Resultat der Energiespeicher (4, 9) aufgeladen oder entladen wird.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens wird dabei bei positiver Eingangsspannung (1) des Hochsetzstellers (2) das untere Schaltelement (32) der weiteren Halbbrücke (3) vorzugsweise dauerhaft eingeschaltet, sowie bei negativer Eingangsspannung (1) des Hochsetzstellers (2) das obere Schaltelement (31) der weiteren Halbbrücke (3) vorzugsweise dauerhaft eingeschaltet, während das jeweils andere Schaltelement der Halbbrücke (3) deaktiviert wird.
  • Das Verfahren nach Anspruch 6 oder 7 erzeugt dabei die pulsweitenmodulierten Ansteuersignale von Hochsetz- (2) und Tiefsetzsteller (6) gegenphasig zueinander, sodass der Tiefsetzsteller (6) den Zwischenkreis bzw. Energiespeicher (4) genau dann entlädt, seinen Speicherstrom also aufbaut, wenn der Zwischenkreis bzw. Energiespeicher (4) durch den Hochsetzsteller (2) geladen wird, der Hochsetzsteller (2) also seinen Speicherstrom abbaut. Dadurch kompensieren sich die schaltfrequenten Rippelströme im Zwischenkreis (4) und Filtermaßnahmen können eingespart werden.
  • Weiter vorgeschlagen wird ein Verfahren, welches durch dauerhaftes Schließen der oberen Schaltelemente (22, 62) des Hochsetz- (2) und des Tiefsetzstellers (6) während einer positiven Spannung zwischen den Anschlüssen (11, 12) des Versorgungsnetzes (1), bei sinusförmiger Wechselspannung also der positiven Netzhalbwelle, bzw. dauerhaftes Schließen der unteren Schaltelemente (23, 63) des Hochsetz- (2) und des Tiefsetzstellers (6) während einer negativen Spannung zwischen den Anschlüssen (11, 12) des Versorgungsnetzes (1), bei sinusförmiger Wechselspannung also der negativen Netzhalbwelle, eine direkte Verbindung zwischen Verbraucher (5) und Versorgungsnetz (1) hergestellt, ohne dass Energie zwischengespeichert wird. Damit wird erreicht, dass keine Energie mehr in den Speicher (4, 9) geladen wird, beispielsweise wenn dieser vollgeladen ist oder andere Bedingungen einen Energieaustausch mit dem Speicher (4, 9) verhindern oder verbieten.
  • Ein weiteres Verfahren wird vorgestellt, welches auf eine Energieentnahme aus dem Versorgungsnetz (1) verzichtet, indem der Trennschalter (7) geöffnet wird und/oder lediglich der Tiefsetzsteller (6) über eine adäquate pulsweitenmodulierte Ansteuerung der beiden Schaltelemente (62, 63) eine beliebig geformte, den jeweiligen anwendungsorientierten Anforderungen entsprechende, insbesondere aber eine sinusförmige Ausgangsspannung, am Verbraucheranschluss (5) erzeugt. Dadurch werden insbesondere beispielsweise bei zusätzlicher Anbindung eines Solargenerators an den Energiespeicher Stromverbrauchskosten eingespart. Der Polaritätswechsel kann dabei zudem mit einer beliebigen Frequenz, welche auch während des Betriebs beliebig verändert werden kann, durch entsprechende Ansteuerung der beiden Schaltelemente (31, 32) der Halbbrücke (3) vollzogen werden. Solange die Zwischenkreisspannung bzw. im Falle eines direkt angebundenen Energiespeichers (4, 9) die Betriebsspannung des Energiespeichers (4, 9) über der Scheitelspannung des Versorgungsnetzes (1) liegt, kann der Trennschalter (7) geschlossen bleiben.
  • Die Erfindung wird anhand 1 bis 5 im Folgenden näher erläutert.
  • 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines bidirektionalen Netz-Wechselrichters nach dem Stand der Technik
  • 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der vorgeschlagenen Vorrichtung
  • 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der vorgeschlagenen Vorrichtung
  • 4 zeigt beispielhaft ein mögliches Ansteuerschema des vorgeschlagenen Verfahrens nach Anspruch 6, 7 und 8
  • 5 zeigt beispielhaft ein mögliches Ansteuerschema des vorgeschlagenen Verfahrens nach Anspruch 9
  • 1 stellt ein Beispiel aus dem gegenwärtigen Stand der Technik für Leistungselektronik zur Energiespeicherung dar. Eine Hochsetzsteller-Schaltung (2), welche durch ein geeignetes Ansteuerschema als Leistungsfaktor-Korrekturschaltung betrieben wird, lädt über eine Speicherdrossel (21) sowie den Schaltelementen (22, 23) und den Schaltelementen (31, 32) einer Halbbrücke (3) zur Halbwellen-Umschaltung einen Zwischenkreis (4) auf, an dem üblicherweise über eine nachgeschaltete Gleichspannungswandler-Elektronik ein Energiespeicher (hier nicht dargestellt) angeschlossen ist. Zusätzlich wird über einen weiteren, separaten Gleichspannungswandler ein weiteres Versorgungsnetz, oftmals ein Solargenerator, an den Zwischenkreis (4) oder den Energiespeicher angebunden (hier nicht dargestellt). Weiterhin ist ein zusätzlicher Inverter am Zwischenkreis (4) angeschlossen, um einen Wechselstrom-Verbraucher über einen separaten Anschluss (5) unterbrechungsfrei zu versorgen. Der Inverter umfasst dabei einen Tiefsetzsteller (6) sowie eine Halbbrücke (3) zur Halbwellen-Umschaltung. Die Hochsetzsteller-Schaltung (2) kann dabei auch bidirektional betrieben werden, um Energie ins Netz (1) einzuspeisen.
  • 2 zeigt die vorgeschlagene Vorrichtung in einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Hochsetzsteller-Schaltung (2) und die Halbbrücke (3) zur Halbwellen- bzw. Polaritätsumschaltung des Versorgungsnetzes (1) sind mit dem Zwischenkreis (4) verbunden und die Tiefsetzsteller-Schaltung (3) ist ebenfalls mit dem Zwischenkreis (4) verbunden. Dabei wird auf eine zweite Halbbrücke (3) verzichtet, sodass ein- und dieselbe Halbbrücke (3) gleichzeitig an der Stromführung im Versorgungs-Stromkreis (1) als auch an der Stromführung im Inselnetz-Stromkreis (5) beteiligt ist. Dadurch kann bei Anbindung eines Energiespeichers an die Zwischenkreis-Anschlüsse (41, 42) eine unterbrechungsfreie Stromversorgung realisiert werden, mit reduzierter Anzahl an Bauelementen durch Einsparung einer Halbbrücke (3) und damit reduzierten Kosten und verbesserter Effizienz. Weiterhin kann ein Trennschalter (7) im Stromkreis der Hochsetzsteller-Schaltung (2) vorhanden sein, womit eine Netztrennung vollzogen und eine von der Netzfrequenz unabhängige Inselnetz-Frequenz eingestellt werden kann.
  • In 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der vorgeschlagenen Vorrichtung dargestellt, in der ein Energiespeicher (9) über einen bidirektionalen Gleichspannungswandler (8) mit den Anschlüssen (41, 42) des Zwischenkreises (4) verbunden ist. Damit entfallen zum Einen zusätzliche sich aus entsprechenden Standards ergebende Anforderungen zum Betrieb von Hochvolt-Energiespeichern, zum anderen kann der Gleichspannungswandler einen bezogen auf den Zwischenkreis-Ladestrom des Hochsetzstellers (2) gegenphasigen Strom zur Ladung oder Entladung des Energiespeichers (9) erzeugen, sodass der durch den netzfrequenten Ladestrom des Hochsetzstellers (2) verursachte netzfrequente Wechselspannungsanteil im Zwischenkreis (4) reduziert werden kann. Als Folge daraus ist es beispielsweise möglich, auf Elektrolyt-Kondensatoren zu verzichten.
  • 4 veranschaulicht ein qualitatives Ansteuerschema des vorgeschlagenen Verfahrens. Im unteren Teil dargestellt ist ein typischer Verlauf einer Wechselspannung aus einem öffentlichen Stromnetz (101), welche am Netzanschluss (1) anliegt. Während die Spannung positiv ist, werden jeweils die unteren Schaltelemente (23, 63) von Hochsetz- (2) und Tiefsetzsteller (6) mit einem pulsweitenmodulierten Signal angesteuert, während die jeweils oberen Schaltelemente (22, 62) deaktiviert sind. Zur Erhöhung der Effizienz können aber auch die oberen Schaltelemente (22, 62) mit einem zum Ansteuersignal der unteren Schaltelemente (23, 62) invertierten pulsweitenmodulierten Signal angesteuert werden. Zusätzlich zur Invertierung der Signale kann es auch noch notwendig sein, eine Totzeit zur Strom-Kommutierung einzufügen. Während der Zeit, in der die Spannung (101) positiv ist, ist außerdem das untere Schaltelement (32) der Halbbrücke (3) dauerhaft eingeschaltet, während das obere Schaltelement (31) ausgeschaltet ist. Im umgekehrten Fall, wenn die Versorgungsspannung (101) am Netzanschluss (1) negativ ist, sind die Ansteuersignale der jeweils oberen (22, 62, 31) und unteren Schaltelemente (23, 63, 32) jeweils miteinander vertauscht. Nun werden die beiden oberen Schaltelemente (22, 62) mit einem pulsweitenmodulierten Signal angesteuert, während die beiden unteren Schaltelemente (23, 63) entweder deaktiviert sind oder mit einem entsprechend invertierten pulsweitenmodulierten Signal unter Berücksichtigung von eventuell notwendigen Totzeiten zur Strom-Kommutierung angesteuert werden. Das obere Schaltelement (31) der Halbbrücke (3) ist in dieser Zeit dauerhaft eingeschaltet, während das untere Schaltelement (32) dauerhaft ausgeschaltet ist. Zum Zeitpunkt der Umpolung (102) der Versorgungsspannung (101) kann es zweckdienlich oder notwendig sein, für eine bestimmte, frei wählbare Zeitdauer eines oder mehrere Signale zu deaktivieren.
  • 5 zeigt ein weiteres Ansteuerschema des vorgeschlagenen Verfahrens, welches insbesondere zur direkten Speisung eines Verbrauchers (5) aus dem Versorgungsnetz (1) dient, ohne dass eine manuelle Änderung an der Vorrichtung notwendig ist. Bei positiver Eingangsspannung (101) am Versorgungsanschluss (1) werden die beiden oberen Schaltelemente (22, 62) des Hochsetz- (2) und des Tiefsetzstellers (6) sowie das untere Schaltelement (32) der Halbbrücke (3) dauerhaft eingeschaltet, während bei negativer Eingangsspannung (101) die beiden unteren Schaltelemente (23, 63) des Hochsetz- (2) und Tiefsetzstellers (6) sowie das obere Schaltelement (31) der Halbbrücke (3) dauerhaft eingeschaltet werden. Zum Zeitpunkt der Umpolung (102) der Versorgungsspannung (101) kann es zweckdienlich oder notwendig sein, für eine bestimmte, frei wählbare Zeitdauer eines oder mehrere Signale zu deaktivieren.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Netzanschluss
    2
    Hochsetzsteller-Schaltung
    3
    Halbbrücken-Schaltung
    4
    Energiespeicher (Zwischenkreis)
    5
    Anschluss für elektrische Verbraucher
    6
    Tiefsetzsteller-Schaltung
    7
    Trennschalter
    8
    Bidirektionaler Gleichspannungswandler
    9
    Energiespeicher (Batterie)
    11
    erster Pol Netzanschluss
    12
    zweiter Pol Netzanschluss
    21
    induktiver Energiespeicher des Hochsetzstellers
    22
    oberes Schaltelement des Hochsetzstellers
    23
    unteres Schaltelement des Hochsetzstellers
    30
    Verbindungspunkt oberes und unteres Schaltelement der Halbbrücke
    31
    oberes Schaltelement der Halbbrücke
    32
    unteres Schaltelement der Halbbrücke
    41
    oberer Anschluss für Gleichspannung
    42
    unterer Anschluss für Gleichspannung (Massepotenzial)
    51
    erster Pol Verbraucheranschluss
    52
    zweiter Pol Verbraucheranschluss
    61
    induktiver Energiespeicher des Tiefsetzstellers
    62
    oberes Schaltelement des Tiefsetzstellers
    63
    unteres Schaltelement des Tiefsetzstellers
    101
    beispielhafte Spannungsform Netzanschluss
    102
    Spannungs-Nulldurchgang (Polaritätswechsel)
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 202008014919 U1 [0006]

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur Netzstrom-Speicherung und Inselnetzerzeugung mit gemeinsam genutzten Schaltelementen zur Halbwellen-Polaritätsumschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hochsetzsteller-Schaltung (2), eine Tiefsetzsteller-Schaltung (6), sowie eine weitere Halbbrücke (3), jeweils bestehend aus zumindest 2 steuerbaren Schaltelementen (22, 23, 31, 32, 62, 63), an den Anschlüssen der Schaltelemente (41, 42) elektrisch parallel geschaltet und mit einem Energiespeicher (4) verbunden sind und dass jeweils eine Anschlussklemme (12, 52) des Hochsetz- (2) und Tiefsetzstellers (6) elektrisch mit dem Verbindungspunkt (30) der Schaltelemente (31, 32) der weiteren Halbbrücke (3) verbunden ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schaltelemente (31, 32) der weiteren Halbbrücke (3) als Dioden ausgeführt sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Eingang der Hochsetzsteller-Schaltung (2) ein Trennschalter (7) vorhanden ist, der zumindest eine Anschlussklemme (12) des Eingangs von der Hochsetzsteller-Schaltung (2) trennen kann.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennschalter (7) zumindest drei Pole aufweist, wobei zumindest jeweils ein Pol mit dem Anschluss (12) des Versorgungsnetzes (1), dem Massepotenzial (42) des Zwischenkreises (4) sowie dem Mittelpunkt (30) der weiteren Halbbrücke (3) verbunden ist und derart ausgeführt ist, dass der Anschluss (12) des Versorgungsnetzes (1) einstellbar entweder mit dem Massepotenzial (42) des Zwischenkreises (4) oder mit dem Mittelpunkt (30) der weiteren Halbbrücke (3) verbunden werden kann.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Energiespeicher (9) über einen bidirektionalen Gleichspannungs-Wandler (8) am Zwischenkreis (4) angebunden ist.
  6. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung von zumindest jeweils einem Schaltelement der Hochsetz- (2) und Tiefsetzsteller-Schaltung (6) eine elektrische Größe im Zwischenkreis (4) geregelt und eine Ausgangsspannung am Verbraucheranschluss (5) bereitgestellt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6 zum Betrieb der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 3, 4 oder 5, gekennzeichnet durch zusätzliches Einschalten des unteren Schaltelements (32) der weiteren Halbbrücke (3) bei positiver Eingangsspannung des Hochsetzstellers (2) bzw. Einschalten des oberen Schaltelements (31) der weiteren Halbbrücke (3) bei negativer Eingangsspannung des Hochsetzstellers (2).
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch gegenphasige Ansteuerung von Hochsetz- (2) und Tiefsetzsteller (6) derart, dass der Hochsetzsteller (2) seinen Speicherstrom abbaut, wenn der Tiefsetzsteller (6) seinen Speicherstrom aufbaut, und umgekehrt.
  9. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch dauerhaftes Schließen der jeweils oberen Schaltelemente (22, 62) von Hochsetz- (2) und Tiefsetzsteller (6) bei positiver Eingangsspannung des Hochsetzstellers (2) und dauerhaftes Schließen der jeweils unteren Schaltelemente (23, 63) von Hochsetz- (2) und Tiefsetzsteller (6) bei negativer Eingangsspannung des Hochsetzstellers (2).
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennschalter (7) geöffnet wird bzw. nur zumindest ein Schaltelement des Tiefsetzstellers (6) pulsweitenmoduliert angesteuert und je nach gewünschter Polarität der erzeugten Spannung am Ausgang (5) das obere (31) oder untere Schaltelement (32) der weiteren Halbbrücke (3) angesteuert wird.
DE102016005079.9A 2016-04-27 2016-04-27 Vorrichtung und Verfahren zur Netzstrom-Speicherung und Inselnetzerzeugung mit gemeinsam genutzten Schaltelementen zur Halbwellen-Polaritätsumschaltung Pending DE102016005079A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016005079.9A DE102016005079A1 (de) 2016-04-27 2016-04-27 Vorrichtung und Verfahren zur Netzstrom-Speicherung und Inselnetzerzeugung mit gemeinsam genutzten Schaltelementen zur Halbwellen-Polaritätsumschaltung

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016005079.9A DE102016005079A1 (de) 2016-04-27 2016-04-27 Vorrichtung und Verfahren zur Netzstrom-Speicherung und Inselnetzerzeugung mit gemeinsam genutzten Schaltelementen zur Halbwellen-Polaritätsumschaltung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102016005079A1 true DE102016005079A1 (de) 2017-11-02

Family

ID=60081397

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102016005079.9A Pending DE102016005079A1 (de) 2016-04-27 2016-04-27 Vorrichtung und Verfahren zur Netzstrom-Speicherung und Inselnetzerzeugung mit gemeinsam genutzten Schaltelementen zur Halbwellen-Polaritätsumschaltung

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102016005079A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019000727A1 (de) * 2019-01-31 2020-08-06 Finepower Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur bidirektionalen induktiven Energieübertragung

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080012426A1 (en) * 2006-07-12 2008-01-17 Delta Electronics, Inc. Method of controlling an uninterruptible power supply apparatus
DE202008014919U1 (de) 2007-11-19 2009-02-26 Yeh, Ming-Hsiang Solarstromversorgungssystem
CN104158243A (zh) * 2014-08-05 2014-11-19 华为技术有限公司 不间断电源电路及其控制方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080012426A1 (en) * 2006-07-12 2008-01-17 Delta Electronics, Inc. Method of controlling an uninterruptible power supply apparatus
DE202008014919U1 (de) 2007-11-19 2009-02-26 Yeh, Ming-Hsiang Solarstromversorgungssystem
CN104158243A (zh) * 2014-08-05 2014-11-19 华为技术有限公司 不间断电源电路及其控制方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019000727A1 (de) * 2019-01-31 2020-08-06 Finepower Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur bidirektionalen induktiven Energieübertragung

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3014725B1 (de) Energiespeichereinrichtung mit gleichspannungsversorgungsschaltung und verfahren zum bereitstellen einer gleichspannung aus einer energiespeichereinrichtung
EP2027647B1 (de) Vorrichtung zur einspeisung elektrischer energie in ein energieversorgungsnetz und gleichspannungswandler für eine solche vorrichtung
EP2467927B1 (de) Verfahren zum entladen eines zwischenkreiskondensators eines spannungszwischenkreis-umrichters
EP2924839B1 (de) Einphasiger notbetrieb eines dreiphasigen wechselrichters und entsprechender wechselrichter
DE102013212682B4 (de) Energiespeichereinrichtung mit Gleichspannungsversorgungsschaltung und Verfahren zum Bereitstellen einer Gleichspannung aus einer Energiespeichereinrichtung
DE102017130474A1 (de) Transformatorvorrichtung für eine Ladestation für das elektrische Laden von Fahrzeugen mit wenigstens zwei Ladepunkten
DE102019106485B4 (de) Weissach-Gleichrichteranordnung
DE102010039886A1 (de) Antriebssystem für ein batteriebetriebenes Fahrzeug
DE102010064325A1 (de) System mit einer elektrischen Maschine
DE102018008603A1 (de) Schaltungsanordnung und Verfahren zum Laden einer Batterieanordnung mit mehreren Batteriemodulen
EP2514627A1 (de) Wechselrichteranordnung zum Laden der Batterie in einem Elektrofahrzeug und zum Rückspeisen in das öffentliche Netz
EP2451065A2 (de) Tiefsetzsteller
DE102019005621A1 (de) Bordnetz für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug
WO2016091426A1 (de) Vorrichtung zum laden einer batterieeinheit und betreiben einer lasteinheit über einen wechselrichter
DE102011115189A1 (de) PV-Anlage mit Sicherung gegen Einspeisung in ein öffentliches Stromversorgungsnetz
DE4426017C2 (de) Stromversorgungsgerät, insbesondere Batterie-Ladegerät für Elektrofahrzeuge oder dergleichen
DE102018111154B4 (de) Ladesystem
DE10225020A1 (de) Schaltungsanordnung, Verfahren zur Wechselstromerzeugung
DE102016005079A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Netzstrom-Speicherung und Inselnetzerzeugung mit gemeinsam genutzten Schaltelementen zur Halbwellen-Polaritätsumschaltung
EP2745390B1 (de) Potenzialdefinition von eingangsleitungen eines wechselrichters
DE102014012028A1 (de) Vorrichtung und ein Verfahren zum Laden oder Entladen eines elektrischen Energiespeichers mit beliebigen Betriebsspannungen
EP3326283A1 (de) Verfahren zum betrieb eines wechselrichters und wechselrichter, sowie photovoltaikanlage
DE102018009625A1 (de) Verfahren zum Aufladen einer wenigstens zwei in Reihe geschaltete Batteriemodule aufweisenden Batterie
DE102014212930B3 (de) Vorrichtung zum Bereitstellen einer elektrischen Spannung sowie Antriebsanordnung und Verfahren
DE102018000577A1 (de) Elektrisches Koppeln eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs mit einer Ladestation

Legal Events

Date Code Title Description
R086 Non-binding declaration of licensing interest
R012 Request for examination validly filed
R163 Identified publications notified
R016 Response to examination communication
R084 Declaration of willingness to licence