DE102017106224A1 - Wechselrichter und Steuerverfahren für einen Wechselrichter - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter (1) zur Einspeisung einer an einem DC-Eingang (4) als Gleichspannung bereitgestellten Leistung in ein an einem AC-Ausgang (5) anschließbares Wechselspannungsnetz (3). Dabei umfasst der Wechselrichter (1) ein Schaltnetzwerk (6) mit einer Mehrzahl von Halbleiterschaltern (6.1–6.n, 9.1, 9.2) und eine Digital-Steuereinheit (7) zur Erzeugung eines digitalen Schaltmusters für digital betriebene Halbleiterschalter (6.1–6.n) des Schaltnetzwerks (6), mit denen eine erste Ausgangsspannung (Uaus,dig) erzeugbar ist. Der Wechselrichter (1) weist als charakterisierendes Merkmal weiterhin eine Linear-Steuereinheit (8) zur Erzeugung von Signalen zur Ansteuerung mindestens eines Halbleiterschalters (9.1, 9.2) des Schaltnetzwerks (6) in einem Linearbetrieb auf, wobei die Linear-Steuereinheit (8) zur Erzeugung eines Spannungsabfalls (Uaus,lin) über dem und/oder eines Stromflusses (Iaus,lin) durch den mindestens einen linear betriebenen Halbleiterschalter (9.1, 9.2) auf einen Zielwert eingerichtet ist, der abhängig von einer momentanen Differenz zwischen der ersten Ausgangsspannung (Uaus,dig) und einer Spannung (UAC) des Wechselspannungsnetzes (3) ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Steuerverfahren für einen derartigen Wechselrichter (1) und eine Photovoltaik(PV)-Anlage (26) mit einem derartigen Wechselrichter (1).

Description

  • TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Wechselrichter zur Umwandlung einer in Form einer Gleichspannung an einem DC-Eingang des Wechselrichters bereitgestellten Leistung in eine an einem AC-Ausgang des Wechselrichters in Form einer Wechselspannung gewandelte Leistung. Dabei ist der Wechselrichter geeignet, die gewandelte Leistung in ein an den AC-Ausgang angeschlossenes Wechselspannungsnetz einzuspeisen. Die Erfindung bezieht sich gleichfalls auf ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Wechselrichters und eine Photovoltaik(PV)-Anlage, die mit einem derartigen Wechselrichter als Photovoltaik(PV)-Wechselrichter ausgelegt ist.
  • Eine Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung bzw. Gleichstrom in Wechselstrom erfolgt üblicherweise über geeignete als Schaltwandler ausgelegte Wechselrichter. Zur Umwandlung weisen herkömmliche Wechselrichter ein Schaltnetzwerk mit einer Mehrzahl von Halbleiterschaltern auf, die über eine entsprechende Ansteuerung hochfrequent eingeschaltet (d.h. niederohmig geschaltet) und ausgeschaltet (d.h. hochohmig geschaltet) werden. Eine Ansteuerung der Halbleiterschalter zur Signalformung des Wechselstroms erfolgt dabei üblicherweise digital und unter Verwendung von Ansteuersignalen, die eine Taktfrequenz und eine dieser Taktfrequenz überlagerte Puls-Weiten-Modulation (PWM) aufweisen. Eine gewünschte Sinusform des in das Wechselspannungsnetz einzuspeisenden Wechselstroms wird dabei umso besser angenähert, je höher die Taktfrequenz bei der Umwandlung des Gleichstroms in Wechselstrom ist. Aufgrund der zunehmenden Schaltverluste sinkt jedoch der Wirkungsgrad des Wechselrichters üblicherweise mit zunehmender Taktfrequenz. Mit abnehmender Taktfrequenz steigt zwar der Wirkungsgrad des Wechselrichters, allerdings wird die gewünschte Sinusform des einzuspeisenden Wechselstroms immer schlechter angenähert und der Anteil an harmonischen Oberwellen, die dem einzuspeisenden Wechselstrom überlagert sind, nimmt zu.
  • Für die Einspeisung von Wechselstrom in ein öffentliches zur Energieverteilung ausgelegtes Wechselspannungsnetz sind Grenzwerte normativ definiert, die einen für eine Einspeisung erlaubten Anteil von der reinen Sinusform überlagerten Oberwellen spezifizieren. Die Grenzwerte werden üblicherweise sowohl frequenzabhängig, wie auch kumulativ, d.h. über alle Frequenzen summiert, angegeben und sind unter dem Begriff THD (THD = Total Harmonic Distortion) in entsprechenden länderspezifischen Normen aufgeführt.
  • Um nun die Grenzwerte bei der Einspeisung von Wechselstrom in ein öffentliches Energieverteilungsnetz (EVN) nicht zu überschreiten, haben herkömmliche Wechselrichter einen passiven Filter. Der üblicherweise Induktivitäten und Kapazitäten aufweisende passive Filter stellt eine hohe Impedanz für hochfrequente, der Sinusform überlagerte Störsignale bereit und reduziert damit deren Einspeisung in das Wechselspannungsnetz. Derartige passive Filter sind jedoch kostenaufwendig und beinhalten gerade bei Wechselrichtern kleiner Leistungsklassen (üblicherweise mit einer Nennleistung PNenn ≤ 5kW) einen nicht unwesentlichen Anteil der Gesamtkosten des Wechselrichters.
  • Bei einem geringen Frequenzabstand zwischen dem herauszufilternden Störsignal und dem eigentlichen Nutzsignal – insbesondere der Frequenz des Wechselspannungsnetzes von z.B. 50 Hz – sind passive Filter höherer Ordnung notwendig, die einen komplexeren Aufbau und auch höhere Kosten aufweisen. Auch passive Filter höherer Ordnung weisen jedoch immer noch einen gewissen Anteil einer unerwünschten Dämpfung des Nutzsignals auf, die mit abnehmendem Frequenzabstand zwischen Störsignal und Nutzsignal zunimmt. Zudem eignen sich passive Filter nur eingeschränkt zur selektiven Filterung von Gleichtakt und Gegentaktsignalen. In jedem Fall ist bei herkömmlichen als Schaltwandler ausgelegten Wechselrichtern eine aufwendige Signalaufbereitung notwendig, um eine Einspeisung von dem einzuspeisenden Wechselstrom überlagerten Störsignalen zu unterdrücken.
  • STAND DER TECHNIK
  • Zur Reduzierung von Oberschwingungen in einem Energieverteilungsnetz werden aktive Filter eingesetzt. Entsprechende Aktive Filter werden beispielsweise in dem Fachartikel „Clean Grid Solutions“ der Firma Danfoss unter dem Internet-Link http://danfoss.ipapercms.dk/Drives/DD/Global/SalesPromotion/Brochures/ProductBrochures/ DE/CleanGrid/ beschrieben. Derartige Filter können parallel zu einer nichtlinearen Last an das Energieverteilungsnetz angeschlossen werden. Bei diesen aktiven Filtern handelt es sich um modifizierte, rückspeisefähige Frequenz-Umrichter, die im Energieverteilungsnetz vorhandene Oberschwingungsströme detektieren und um 180° phasenverschobene Ströme in das Energieverteilungsnetz zurückspeisen. Die eingespeisten Ströme überlagern sich mit den im Energieverteilungsnetz vorhandenen Oberschwingungsströmen und führen so dort zu einer Auslöschung der Oberschwingungsströme. Hier wird also das Energieverteilungsnetz zunächst mit einem Störstrom belastet, der jedoch über eine phasenversetzte Stromeinspeisung von dem aktiven Filter möglichst zeitnah wieder kompensiert wird.
  • Die DE 10 2014 101 571 A1 offenbart einen Wechselrichter zur Einspeisung elektrischer Leistung einer Gleichstromquelle in ein Wechselspannungsnetz. Eine Steuerung von Schaltern der Wechselrichterbrücke wandelt im Falle der Einspeisung von Blindleistung während Zeitabschnitten einer Netzperiode des Wechselspannungsnetzes, in denen der Wechselrichter elektrische Leistung aus dem Wechselspannungsnetz bezieht, die aus dem Wechselspannungsnetz bezogene elektrische Leistung in Wärme um. Hierzu betreibt die Steuerung einen ersten Schalter der Wechselrichterbrücke in einem linearen oder einem dissipativ getakteten Betriebsmodus. Auf diese Weise wird ein Leistungsfluss der Wechselrichterbrücke in Richtung der Gleichstromquelle unterbunden.
  • Die Schrift EP 0578548 A1 , wie auch die Schrift AT 71779 B offenbaren jeweils eine unterbrechungsfreie Stromversorgung, die zwischen einem Stromversorgungsnetz und einem Verbraucher geschaltet ist und linear betriebene, als auch digital betriebene Halbleiterschalter aufweist.
  • Die Schrift DE 10 2009 029387 A1 offenbart eine Wechselrichteranordnung mit einer Halbleiter-Brückenschaltung, wobei ein Gleichstromsteller zur Erzeugung einer halbwellenförmigen Spannung vorgesehen ist und die Brückenschaltung dem Gleichstromsteller nachgeschaltet ist und als Polwender auf die Halbwellen wirkt.
  • AUFGABE DER ERFINDUNG
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wechselrichter zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom aufzuzeigen, der die bisherigen Nachteile einer expliziten Signalaufbereitung bei der Wandlung von Gleichspannung in Wechselspannung bzw. Gleichstrom in Wechselstrom bei der Leistungseinspeisung in ein Wechselspannungsnetz minimiert. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Betriebsverfahren für einen derartigen Wechselrichter, wie auch eine Photovoltaik(PV)-Anlage zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie zur Einspeisung in ein Wechselspannungsnetz mit einem derartigen Wechselrichter aufzuzeigen.
  • LÖSUNG
  • Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Wechselrichter mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1, sowie durch ein Betriebsverfahren für einen Wechselrichter gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch 14 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche 2 bis 13 sind auf bevorzugte Ausführungsformen des Wechselrichters gerichtet, während die abhängigen Patentansprüche 15 bis 20 bevorzugte Ausführungsformen des Betriebsverfahrens beschreiben. Der nebengeordnete Patentanspruch 21 betrifft eine Photovoltaik(PV)-Anlage mit einem derartigen Wechselrichter.
  • BESCHREIBUNG
  • Ein erfindungsgemäßer Wechselrichter zur Einspeisung einer an einem DC-Eingang als Gleichspannung bereitgestellten Leistung in ein an einem AC-Ausgang anschließbares Wechselspannungsnetz, umfasst ein Schaltnetzwerk mit einer Mehrzahl von Halbleiterschaltern und eine Digital-Steuereinheit zur Erzeugung eines digitalen Schaltmusters für digital betriebene Halbleiterschalter des Schaltnetzwerks, mit denen eine erste Ausgangsspannung Uaus,dig erzeugbar ist. Der Wechselrichter ist dadurch ausgezeichnet, dass der Wechselrichter weiterhin eine Linear-Steuereinheit zur Erzeugung von Signalen zur Ansteuerung mindestens eines Halbleiterschalters des Schaltnetzwerks in einem Linearbetrieb aufweist. Dabei ist die Linear-Steuereinheit zur Erzeugung eines Spannungsabfalls Uaus,lin über dem und/oder eines Stromflusses (Iaus,lin) durch den mindestens einen linear betriebenen Halbleiterschalter auf einen Zielwert eingerichtet, der abhängig von einer momentanen Differenz zwischen der ersten Ausgangsspannung Uaus,dig und einer Spannung UAC des Wechselspannungsnetzes ist.
  • Erfindungsgemäß steuert die Digital-Steuereinheit die digital betriebenen Halbleiterschalter derart an, dass die entsprechenden Halbleiterschalter als Schalter im eigentlichen Sinne betrieben werden, die im eingeschalteten Zustand eine niederohmige Verbindung und im ausgeschalteten Zustand eine hochohmige Verbindung zwischen Lastanschlüssen des jeweiligen Halbleiterschalters aufweisen. Dabei kann das digitale Schaltmuster eine Puls-Weiten-Modulation (PWM) aufweisen, worüber eine Zeitdauer der niederohmigen bzw. der hochohmigen Verbindung zwischen den Lastanschlüssen des jeweiligen Halbleiterschalters definiert wird. Ein digital betriebener Halbleiterschalter weist in seinem digitalen Betrieb üblicherweise keine weiteren als diese beiden digitalen Zustände auf. Die digital betriebenen Halbleiterschalter des Schaltnetzwerkes stellen eine erste Ausgangsspannung Uaus,dig bereit, die einen Stromfluss von dem Wechselrichter in das an den Wechselrichter angeschlossene Wechselspannungsnetzes generiert. Hierbei weist die erste Ausgangsspannung Uaus,dig typische Charakteristika ihrer digitalen Erzeugung auf. Derartige Charakteristika sind beispielsweise sprunghafte und/oder stufenförmige Spannungsänderungen, häufig auch eine sogenannte Ripple-Spannung. Diese Charakteristika führen bei herkömmlichen Wechselrichtern üblicherweise zu unerwünschten Störstromanteilen, die dem einzuspeisenden Strom überlagert werden.
  • Zur Unterdrückung der unerwünschten Störstromanteile und deren Einspeisung weist der Wechselrichter zusätzlich den mindestens einen linear betriebenen Halbleiterschalter auf, der von der Linear-Steuereinheit angesteuert wird. Hierzu erzeugt die Linear-Steuereinheit Signale zur Ansteuerung des mindestens einen linear betriebenen Halbleiterschalters. Je nach verwendetem Typ des Halbleiterschalters kann es sich hierbei um Strom und/oder Spannungssignale handeln. Der linear betriebene Halbleiterschalter ist in der Lage, eine Impedanz, insbesondere einen ohmschen Widerstand zwischen seinen Lastanschlüssen in Abhängigkeit seines Signales zur Ansteuerung stufenlos zu variieren. Der in das Wechselspannungsnetz einzuspeisende Strom kann, muss jedoch nicht zwingend über den zumindest einen linear betriebenen Halbleiterschalter fließen. Sofern der zumindest eine linear betriebene Halbleiterschalter von dem einzuspeisenden Strom durchflossen wird, wird über diesem ein Spannungsabfall Uaus,lin erzeugt, der der den Strom treibenden ersten Ausgangsspannung Uaus,dig entgegenwirkt. Mit dem Spannungsabfall ist eine Verlustleistung verknüpft, die an dem linear betriebenen Halbleiterschalter erzeugt wird und in Form von Wärme abgeführt wird. Über eine entsprechende Ansteuerung des mindestens einen linear betriebenen Halbleiterschalters durch die Linear-Steuereinheit wird der Spannungsabfall Uaus,lin nun derart variiert, dass eine Kombination – insbesondere eine Differenz – der ersten Ausgangsspannung Uaus,dig und des Spannungsabfalls Uaus,lin über dem mindestens einen linear betriebenen Halbleiterschalter als Funktion der Zeit eine Sinusform oder eine Sinus-halbwellenartige Signalform aufweist. Im Falle einer Sinus-halbwellenartigen Signalform kann jede zweite Sinus-Halbwelle von einem nachgeschalteten als Polwender operierenden DC/AC-Wandler, insbesondere einer Umklapp-Brücke als DC/AC-Wandler, umgeklappt und somit in eine Sinusform umgewandelt werden. Die sinusförmige Kombination aus der ersten Ausgangsspannung Uaus,dig und des Spannungsabfalls Uaus,lin über dem mindestens einen linear betriebenen Halbleiterschalter wird wechselrichterseitig als Ausgangsspannung Uaus an den AC-Ausgang des Wechselrichters übergeben bzw. angelegt.
  • Gleichzeitig ist der AC-Ausgang des Wechselrichters mit dem Wechselspannungsnetz verbunden. Im verbundenen Zustand des Wechselrichters mit dem Wechselspannungsnetz ist also zu jedem Zeitpunkt die Ausgangsspannung Uaus gleich der am AC-Ausgang des Wechselrichters anliegenden Wechselspannung UAC des Wechselspannungsnetzes. Über eine Veränderung seiner Ausgangsspannung Uaus ist der Wechselrichter daher in der Lage, lokal an einem Ende des an den AC-Ausgang des Wechselrichters angeschlossenen Leitungszweiges des Wechselspannungsnetzes eine Änderung der dort lokal anliegenden Wechselspannung UAC des Wechselspannungsnetzes hervorzurufen. So führt beispielsweise ein Anheben der Ausgangsspannung Uaus durch den Wechselrichter ebenfalls zu einer gleichgerichteten Änderung der Wechselspannung UAC im Wechselspannungsnetz. Gemeint ist hierbei jedoch, dass die Wechselspannung UAC lediglich am Ende des an den AC-Ausgang des Wechselrichters angeschlossenen Leitungszweiges, und nicht global im gesamten Wechselspannungsnetz geändert wird. Vielmehr wird durch die lokale Änderung der Wechselspannung UAC an dem einen Ende des Leitungszweiges ein Spannungsgradient in dem entsprechenden Leitungszweig erzeugt. Aufgrund des Spannungsgradienten kann ein Stromfluss vom Wechselrichter in den entsprechenden Leitungszweig des Wechselspannungsnetzes, also ein Einspeisen eines Stroms in den entsprechenden Leitungszweig erfolgen. Wenn somit im Folgenden von der Wechselspannung UAC im Wechselspannungsnetz gesprochen wird, ist hiermit – sofern nicht explizit etwas Anderes erwähnt wird – stets diejenige Wechselspannung gemeint, die am Ende des an den AC-Ausgang des Wechselrichters angeschlossenen Leitungszweiges des Wechselspannungsnetzes vorherrscht bzw. gemessen werden kann.
  • In einem Zustand, bei dem kein Strom in das an den AC-Ausgang angeschlossene Wechselspannungsnetz eingespeist wird – beispielsweise bei einem geöffneten internen AC-Relais des Wechselrichters oder bei einem deaktivierten Wechselrichter, liegt an dem AC-Ausgang des Wechselrichters eine den stromlosen Zustand (des Wechselrichters) charakterisierende Wechselspannung UAC,stromlos des Wechselspannungsnetzes an. Für die Einspeisung einer Wirkleistung in das Wechselspannungsnetz ist die im aktivierten Zustand des Wechselrichters an dem AC-Ausgang des Wechselrichters bereitgestellte Ausgangsspannung Uaus, also die Differenz der ersten Ausgangsspannung Uaus,dig und des Spannungsabfalls Uaus,lin, vorteilhafterweise phasengleich zu der den stromlosen Zustand charakterisierenden Wechselspannung UAC,stromlos im Wechselspannungsnetz und hinsichtlich der Amplitude geringfügig oberhalb einer Amplitude der den stromlosen Zustand charakterisierenden Wechselspannung UAC,stromlos im Wechselspannungsnetz. Aufgrund einer Anhebung der Wechselspannung UAC des Wechselspannungsnetzes durch die am AC-Ausgang des Wechselrichters durch den Wechselrichter bereitgestellte Ausgangsspannung Uaus ergibt sich ein Spannungsgradient in dem betreffenden Leitungszweig des Wechselspannungsnetzes und somit eine Leistungseinspeisung über den AC-Ausgang in das Wechselspannungsnetz. Indem die Ansteuerung der linear betriebenen Schalter derart erfolgt, dass der Spannungsabfall Uaus,lin in Kombination mit der ersten Ausgangsspannung Uaus,dig eine hochgradige Sinusform aufweist, führt dies bei einer auch im stromlosen Zustand herrschenden sinusförmigen Wechselspannung UAC,stromlos im Wechselspannungsnetz zu einem ebenfalls hochgradig sinusförmigen in das Wechselspannungsnetz fließenden Strom Iaus. Für den Fall, den hochgradig sinusförmigen Strom Iaus in Form einer Wirkleistung in das Wechselspannungsnetz einzuspeisen, lässt sich der Zielwert für den Spannungsabfall Uaus,lin berechnen. Mathematisch formuliert ergibt sich hier, dass der Zielwert des Spannungsabfalls Uaus,lin gleich einer momentanen Differenz zwischen der ersten Ausgangsspannung Uaus,dig und der Wechselspannung UAC des Wechselspannungsnetzes ist, d.h. es gilt Uaus,lin = Uaus,dig – UAC. Dabei ist die Wechselspannung UAC des Wechselspannungsnetzes geringfügig oberhalb der in einem stromlosen Zustand (Iaus = 0) herrschenden Wechselspannung UAC,stromlos im Wechselspannungsnetz, d.h es gilt UAC = k·UAC,stromlos mit k ≥ 1.
  • Der mindestens eine linear betriebene Halbleiterschalter kann ein Halbleiterschalter sein, der ausschließlich linear betrieben wird. Gleichfalls ist es jedoch auch möglich, dass der entsprechende linear betriebene Halbleiterschalter nur während einer bestimmten Zeitdauer linear und während einer anderen Zeitdauer digital betrieben wird. Gleiches gilt so ebenfalls für einen digital betriebenen Halbleiterschalter. Alternativ dazu ist es möglich, statt einem Halbleiterschalter eine Reihenschaltung eines ersten und eines zweiten Halbleiterschalters zu verwenden. In diesem Fall kann der erste Halbleiterschalter der Reihenschaltung ausschließlich digital und der zweite Halbleiterschalter der Reihenschaltung ausschließlich linear betrieben werden.
  • Dem Schaltnetzwerk ist eingangsseitig eine Kapazität vorgelagert. Diese Kapazität, die beispielsweise eine Eingangskapazität des Wechselrichters umfassen kann, ist in der Lage, eine von der DC-Quelle als Gleichspannung bzw. Gleichstrom bereitgestellte elektrische Leistung zu puffern und diese in Form einer Gleichspannungsquelle für das Schaltnetzwerk bereitzustellen. Dabei ist die Größe der Kapazität so gewählt, dass der Wechselrichter als spannungsgespeister – und nicht als stromgespeister – Wechselrichter operiert.
  • Die Erzeugung des Spannungsabfalles Uaus,lin über dem mindestens einen linear betriebenen Halbleiterschalter mit der Linear-Steuereinheit kann ein Regeln oder ein Stellen des Spannungsabfalles Uaus,lin umfassen. Bei beiden Varianten – i.e. Regeln oder Stellen – können elektrische Parameter während der Erzeugung des Spannungsabfalles Uaus,lin gemessen und als Kontroll- oder Regelparameter für das Regeln bzw. Stellen genutzt werden. Beispielsweise kann ein Spannungsabfall über den mindestens einen linear betriebenen Halbleiterschalter direkt gemessen werden. In gleicher Weise kann alternativ oder kumulativ ein über den mindestens einen linear betriebenen Halbleiterschalter fließender Strom gemessen und/oder als Kontroll- oder Regelparameter genutzt werden. Weiterhin kann die Erzeugung des Spannungsabfalles Uaus,lin über dem linear betriebenen Halbleiterschalter auf direkte oder indirekte – d.h. mittelbare Art und Weise – erfolgen. Bei einer mittelbaren Erzeugung des Spannungsabfalles Uaus,lin kann das Regeln bzw. Stellen primär auf einen von dem Spannungsabfall Uaus,lin verschiedenen Parameter abzielen und der Spannungsabfall Uaus,lin kann ein sich in Abhängigkeit des primär variierten Parameters ergebender sekundärer Parameter sein. Dabei kann der primäre Parameter z.B. ein ohmscher Widerstand zwischen den Lastanschlüssen, oder ein über die Lastanschlüsse des Halbleiterschalters fließender Strom sein.
  • Da die Erzeugung des Spannungsabfalls Uaus,lin über den mindestens einen Halbleiterschalter in Abhängigkeit des Ansteuersignales prinzipiell stufenlos erfolgen kann, kann in Kombination mit der ersten Ausgangsspannung Uaus,dig eine sehr guten Annäherung der gewünschten Sinusform erzielt werden. Demzufolge weist der in das an den AC-Ausgang angeschlossene Wechselspannungsnetz einzuspeisende Strom Iaus einen signifikant reduzierten, gegebenenfalls sogar vernachlässigbaren Anteil an harmonischen Oberwellen auf. Eine zusätzliche Signalaufbereitung des einzuspeisen Stroms über einen passiven Filter kann daher im Idealfall ganz entfallen, wird jedoch zumindest in ihrem Aufwand deutlich reduziert. Auch ein dem einzuspeisenden Strom (Iaus) überlagertes Störsignal, dessen Frequenz nahe bei der Nutzfrequenz der Wechselspannung in dem Wechselspannungsnetz ist, kann ohne signifikante Dämpfung des Nutzsignals reduziert werden. Das Stellen bzw. Regeln des Spannungsabfalles Uaus,lin kann mit einer Frequenz erfolgen, die einem Vielfachen der Frequenz der Wechselspannung des Wechselspannungsnetzes entspricht. Sie kann in einigen Fällen deutlich geringer als die Taktfrequenz eines herkömmlichen Wechselrichters sein, der als rein digital betriebener Schaltwandler ausgelegt ist. Daher weist die Linear-Steuereinheit im Allgemeinen eine geringe Komplexität auf. Der Nachteil einer dabei verstärkt auftretenden Verlustleistung an dem mindestens einen linear betriebenen Halbleiterschalter und dessen Auswirkung auf den Wirkungsgrad des Wechselrichters wird dabei in Kauf genommen, da die erzielten Vorteile gerade bei Wechselrichtern mit geringer Nennleistung diesen Nachteil überkompensieren. Zusätzlich lässt sich die Verlustleistung über eine geeignete Signalvorformung – z.B. durch weitere digital betriebene Schalter des Schaltnetzwerkes – weiter minimieren.
  • In einer Ausführungsform weist das Schaltnetzwerk einen DC/AC-Wandler mit mindestens einem Brückenzweig – optional mit zwei Brückenzweigen – auf. Der Eingang des DC/AC-Wandlers ist über die Eingangskapazität mit dem DC-Eingang des Wechselrichters verbunden, während ein Ausgang des DC/AC-Wandlers mit dem AC-Ausgang des Wechselrichters verbunden ist. Dabei kann der DC/AC-Wandler entweder direkt oder indirekt – d.h. mit einer Zwischenschaltung weiterer Komponenten mit dem DC-Eingang und/oder dem AC-Ausgang verbunden sein. Beispielsweise kann der Ausgang des DC/AC-Wandlers über einen passiven Filter mit dem AC-Ausgang des Wechselrichters verbunden sein.
  • In einer vorteilhaften Ausführung weist der mindestens eine Brückenzweig einen Multilevel-Brückenzweig auf. Optional ist jeder Brückenzweig des DC/AC-Wandlers in Form eines Multilevel-Brückenzweiges ausgeführt. Über einen Multilevel-Brückenzweig in Verbindung mit einer mehrstufig geteilten Kapazität ist das Schaltnetzwerk in der Lage, eine Signalvorformung durchzuführen und damit die über dem mindestens einen linear betriebenen Halbleiterschalter entstehende Verlustleistung zu reduzieren.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist das Schaltnetzwerk einen DC/DC-Wandler auf, der über einen Zwischenkreis mit dem DC/AC-Wandler verbunden ist. Dabei kann der DC/DC-Wandler einen Hochsetzsteller, einen Tiefsetzsteller oder einen kombinierten Hoch- / Tiefsetzsteller umfassen. Weiterhin kann der DC/DC-Wandler zur Erzeugung einer gepulsten Gleichspannung, insbesondere einer sinus-halbwellenförmigen Gleichspannung eingerichtet sein. Der DC/AC-Wandler kann als Polwender ausgebildet sein. Auch in einer derartigen Konfiguration ist der Wechselrichter in der Lage, eine Signalvorformung der Gleichspannung der DC-Quelle vorzunehmen, die der gewünschten Sinusform schon sehr weit angenähert ist. In diesem Fall dient der Spannungsabfall Uaus,lin über dem mindestens einen linear betriebenen Halbleiterschalter lediglich einer Reduktion bzw. einem Entfernen eines noch vorhandenen Spannungsripples, der der gepulsten, insbesondere sinus-halbwellenförmigen an dem Zwischenkreises anstehenden Gleichspannung überlagert ist. Jeder zweite Puls der gepulsten, insbesondere sinus-halbwellenförmigen Gleichspannung wird durch den als Polwender ausgelegten DC/AC-Wandler umgeklappt und so in eine Wechselspannung umgewandelt.
  • Der mindestens eine linear betriebenen Halbleiterschalter kann innerhalb des Schaltnetzwerkes ein Bestandteil des DC/DC-Wandler oder des DC/AC-Wandler sein. Gleichfalls ist es möglich, dass das Schaltnetzwerk mehrere linear betriebene Halbleiterschalter aufweist, von denen der DC/DC-Wandler eine erste Anzahl und der DC/AC-Wandler eine zweite Anzahl umfasst. In einer Ausführungsform ist der mindestens eine linear betriebene Halbleiterschalter Teil einer Verbindung zwischen dem mindestens einen Brückenzweig beziehungsweise zwischen den zwei Brückenzweigen und dem Zwischenkreis. In einer weiteren Ausführungsform ist der mindestens eine linear betriebene Halbleiterschalter Teil einer Verbindung zwischen dem mindestens einen Brückenzweig beziehungsweise zwischen den zwei Brückenzweigen und der Eingangskapazität. In einer alternativen Ausführungsform ist der mindestens eine linear betriebene Halbleiterschalter Teil einer Verbindung zwischen einem Mittelabgriff der Brückenzweige und dem AC-Ausgang. Weiterhin ist hinsichtlich der Anordnung des mindestens einen linear betriebenen Halbleiterschalters eine Kombination der beiden letztgenannten Ausführungsformen möglich.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst der mindestens eine linear betriebene Halbleiterschalter einen ersten und einen zweiten Halbleiterschalter im Linearbetrieb. In diesem Fall erfolgt ein Linearbetrieb des ersten und zweiten Halbleiterschalters gleichzeitig zueinander. Dabei kann der Spannungsabfall Uaus,lin durch den ersten und zweiten Halbleiterschalter im Linearbetrieb gemeinsam gebildet werden, beispielsweise dann, wenn der erste und der zweite linear betriebene Halbleiterschalter innerhalb eines Strompfades angeordnet sind, der von dem einzuspeisenden Strom Iaus durchflossen wird. Innerhalb des Strompfades sind sie relativ zueinander in einer Serienschaltung verschaltet. Zusätzlich zu dem zweiten linear betriebenen Halbleiterschalter können noch weitere linear betriebene Halbleiterschalter vorhanden sein, wodurch sich die entstehende Verlustleistung auf mehrere Halbleiterschalter verteilen lässt. Auch die weiteren linear betriebenen Halbleiterschalter sind dann innerhalb des Strompfades in Reihe zueinander und in Reihe zu dem ersten bzw. zweiten linear betriebenen Halbleiterschalter verschaltet.
  • In einer alternativen Ausführungsform des Wechselrichters ist der mindestens eine linear betriebe Halbleiterschalter abseits eines Strompfades angeordnet, der von dem einzuspeisenden Strom Iaus durchflossen wird. In diesem Fall wird über eine Variation des ohmschen Widerstandes des mindestens einen linear betriebenen Halbleiterschalters ein Stromfluss Iaus,lin durch den mindestens einen linear betriebenen Halbleiterschalter erzeugt, der an dem AC-Ausgang des Wechselrichters vorbeigeleitet und insbesondere nicht in das Wechselspannungsnetz eingespeist wird.
  • Der mindestens eine in einem linearen Betrieb betriebene Halbleiterschalter kann einen bipolaren Transistor, einen IGBT (IGBT = Insulated-Gate-Bipolar-Transistor) oder einen MOSFET (MOSFET = Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor) umfassen. Beide werden im Linearbetrieb in ihrem jeweils linearen Bereich betrieben. Dabei ist der lineare Bereich eines bipolaren Transistors dadurch charakterisiert, dass der bipolare Transistor in einem stromverstärkenden Betrieb operiert, bei dem ein Basisstrom IB über einen Verstärkungsfaktor ß einen Strom IC zwischen den entsprechenden Lastanschlüssen des bipolaren Transistors verstärkt. Für den bipolaren Transistor ergibt sich somit in dem linearen Betrieb eine Stromverstärkung gemäß IB = ß·IC weitestgehend unabhängig von der Spannung zwischen den Lastanschlüssen. Der bipolare Transistor wird über die lineare Steuereinheit derart angesteuert, dass seine Basis mit einem Basisstrom IB beaufschlagt wird. Je nach Höhe des Basisstroms IB stellt sich ein Laststrom IC zwischen den Lastanschlüssen des bipolaren Transistors ein. Dieser wird zwar getrieben durch die Spannungsdifferenz zwischen den Lastanschlüssen, ist in dem linearen Bereich jedoch weitestgehend unabhängig von dieser Spannungsdifferenz. Insofern ist die Erzeugung des Spannungsabfalles Uaus,lin über dem bipolaren Transistor als linear betriebener Halbleiterschalter eher als ein Stellen, insbesondere als ein indirektes Stellen, zu verstehen.
  • Ein in einem linearen Bereich betriebener MOSFET wird über eine Spannung an dem Gate Anschluss angesteuert. Je höher die Gate Spannung, desto geringer ist der ohmsche Widerstand zwischen den Lastanschlüssen des MOSFET. In diesem Fall ist der Laststrom abhängig von der Spannungsdifferenz zwischen den Lastanschlüssen und das Erzeugen des Spannungsabfalles Uaus,lin über dem MOSFET als linear betriebener Halbleiterschalter ist eher in Form eines Regelprozesses umzusetzen. Auch ein Durchlassverhalten eines IGBTs wird über eine Spannung an seinem Gate gesteuert, weswegen ein IGBT sich diesbezüglich ähnlich zu einem MOSFET verhält. Daher lässt sich das für den MOSFET Aufgeführte auch auf den IGBT als Halbleiterschalter übertragen. Unabhängig davon, ob es sich bei der Erzeugung des Spannungsabfalles um ein Regeln und/oder ein Stellen handelt, kann ein Laststrom und/oder ein Spannungsabfall zwischen den Lastanschlüssen des Halbleiterschalters über einen Stromsensor bzw. über einen Spannungssensor detektiert werden und zum Regeln bzw. zum Stellen des Spannungsabfalls Uaus,lin genutzt werden.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Wechselrichter keinen passiven Filter zwischen dem DC/AC-Wandler und dem AC-Ausgang auf. Hier ist der in das am AC-Ausgang angeschlossene Wechselspannungsnetz einzuspeisende Strom Iaus über den Spannungsabfall Uaus,lin des mindestens einen linear betriebenen Halbleiterschalters ausreichend hinsichtlich eventuell vorhandener und dem Strom Iaus überlagerter Störsignale bereinigt. In diesem Fall ist keine weitere Filterung über einen passiven Filter vor der Einspeisung des Stroms Iaus in das Wechselspannungsnetz erforderlich. Abhängig von normativ vorgeschriebenen Grenzwerten kann der Wechselrichter alternativ jedoch auch einen passiver Filter zwischen DC/AC-Wandler und AC-Ausgang aufweisen. In diesem Fall kann der entsprechende passive Filter jedoch deutlich einfacher und kostengünstiger ausgelegt werden.
  • Ein erfindungsgemäßes Steuerverfahren für einen Wechselrichter zur Einspeisung einer an einem DC-Eingang als Gleichspannung bereitgestellten Leistung in ein am AC-Ausgang anschließbares Wechselspannungsnetz, wobei der Wechselrichter ein Schaltnetzwerk mit einer Mehrzahl von Halbleiterschaltern und eine Digital-Steuereinheit für digital betriebene Halbleiterschalter des Schaltnetzwerks aufweist, weist die folgenden Schritte auf:
    • – Ansteuern der digital betriebenen Halbleiterschalter des Schaltnetzwerks mit einem in der Digital-Steuereinheit erzeugten digitalen Schaltmuster,
    • – Bestimmung einer Differenz zwischen einer durch das digitale Schaltmuster erzeugten ersten Ausgangsspannung Uaus,dig des Schaltnetzwerks und einer Wechselspannung UAC des Wechselspannungsnetzes, und
    • – Erzeugen eines Spannungsabfalls Uaus,lin über mindestens einem oder eines Sromflusses Iaus,lin durch mindestens einen in einem Linearbetrieb betriebenen Halbleiterschalter des Schaltnetzwerks durch Ansteuerung des mindestens einen in einem Linearbetrieb betriebenen Halbleiterschalters mit einer Linear-Steuereinheit auf einen in Abhängigkeit der Differenz bestimmten Zielwert.
  • Über die Erzeugung des Spannungsabfalles Uaus,lin an dem mindestens einen linear betriebenen Halbleiterschalter wird eine Verlustleistung an dem Halbleiterschalter erzeugt, die dem über den Halbleiterschalter fließenden Strom Leistung entzieht. Die Verlustleistung wird in Form von Wärme abgeführt. Die Erzeugung des Spannungsabfalles Uaus,lin kann über einen Regel und/oder einen Stellprozess – jeweils in direkter oder indirekter Art und Weise erfolgen. Indem der Spannungsabfall Uaus,lin über und/oder der Strom Iaus,in durch den mindestens einen Halbleiterschalter auf einen Zielwert geregelt oder gestellt werden, der abhängig von der momentanen Differenz zwischen erster Ausgangsspannung Uaus,dig und Wechselspannung UAC des Wechselspannungsnetzes ist, lassen sich Spannungsspitzen bzw. Spannungsripple, die zu einer Überlagerung eines Störstroms auf den einzuspeisenden Strom führen würden, vor der Einspeisung des Stroms in das Wechselspannungsnetz gezielt dissipativ entfernen. Es ist somit möglich, einen hochgradig sinusförmigen Strom Iaus über den Wechselrichter in das Wechselspannungsnetz einzuspeisen. Für den Fall, dass den hochgradig sinusförmiger Strom in das Wechselspannungsnetz einzuspeisen, lässt sich der in Summe über alle linear betriebenen Halbleiterschalter abfallende Spannungsabfall berechnen. Mathematisch formuliert ergibt sich hierbei, dass bei der Einspeisung elektrischer Wirkleistung in das Wechselspannungsnetz, der Zielwert des Spannungsabfalls Uaus,lin gleich einer momentanen Differenz zwischen der ersten Ausgangsspannung Uaus,dig und der Wechselspannung UAC des Wechselspannungsnetzes ist, d.h. es gilt Uaus,lin = Uaus,dig – UAC. Hinsichtlich der Bedeutung der Wechselspannung gilt auch hier sinngemäß das bereits im Zusammenhang mit der Beschreibung des Wechselrichters Aufgeführte. Die Wechselspannung UAC im Wechselspannungsnetz ist im einspeisenden Betrieb (Iaus ≠ 0) des Wechselrichters gegenüber einer den stromlosen Zustand (Iaus = 0) charakterisierenden Wechselspannung UAC,stromlos des Wechselspannungsnetzes leicht angehoben, d.h. es gilt: UAC = k·UAC,stromlos mit k ≥ 1.
  • Faktisch wird über das Steuerverfahren der einzuspeisende Strom vor dessen Einspeisung über eine an dem Halbleiterschalter entstehende Verlustleistung dissipativ von einem eventuell vorhandenen Störstrom bereinigt, zumindest jedoch teilweise bereinigt. Auf diese Weise lässt liefert eine Kombination der ersten Ausgangsspannung Uaus,dig und des Spannungsabfalls Uaus,lin über dem mindestens einen linear betriebenen Halbleiterschalter eine relativ zur Wechselspannung UAC des Wechselspannungsnetzes treibende Spannung, die einer gewünschten Sinusform sehr nahe kommt, im Idealfall dieser sogar entspricht. Da die den einzuspeisenden Strom treibende Spannung hochgradig sinusförmig ist, gilt dies auch für den einzuspeisender Strom Iaus. Der einzuspeisende beziehungsweise vor seiner Einspeisung bereinigte Strom Iaus kann nahezu frei von unerwünschten Störstromanteilen gehalten werden. Es ergeben sich die bereits in Verbindung mit dem Wechselrichter aufgeführten Vorteile.
  • In einer vorteilhaften Variante des Steuerverfahrens ist der mindestens eine linear betriebene Halbleiterschalter innerhalb eines Strompfades angeordnet, der von dem in das Wechselspannungsnetz einzuspeisenden Strom Iaus durchflossen wird. Dabei wird der einzuspeisende Strom Iaus durch eine Variation des ohmschen Widerstandes des mindestens einen linear betriebenen Halbleiterschalters und dem darüber erzeugten Spannungsabfall Uaus,lin mehr oder weniger stark gedämpft. Tendenziell ist hierbei ein ohmscher Widerstand zwischen den Lastanschlüssen des linear betriebenen Halbleiterschalters eher gering und bewegt sich in einem Bereich zwischen dem 1-fachen und dem 100-fachen des ohmschen Widerstandes eines voll geschlossenen Halbleiterschalters. Dabei ist es jedoch auch möglich, dass kurzzeitig höhere Werte des ohmschen Widerstandes angenommen werden können. In einer alternativen Ausführungsform des Steuerverfahrens ist der mindestens eine linear betriebene Halbleiterschalter abseits – also nicht innerhalb – des Strompfades angeordnet, der von dem in das Wechselspannungsnetz einzuspeisenden Strom Iaus durchflossen wird. In diesem Fall wird ein Bruchteil des einzuspeisenden Strom Iaus über den mindestens einen linear betriebenen Halbleiterschalter geleitet, wodurch die Einspeisung des entsprechenden Bruchteiles unterdrückt wird und lediglich der verbleibende Rest des einzuspeisenden Stroms Iaus über den AC-Ausgang des Wechselrichters geführt und eingespeist wird. Somit eröffnet der mindestens eine linear betriebene Halbleiterschalter einen Bypasspfad, wobei der Stromfluss Iaus,lin durch den mindestens einen linear betriebenen Halbleiterschalter von dem einzuspeisenden Strom Iaus subtrahiert wird und somit insbesondere nicht mit dem in das Wechselspannungsnetz einzuspeisenden Strom Iaus übereinstimmt. Tendenziell wird hier der mindestens eine linear betriebene Halbleiterschalter hinsichtlich seines ohmschen Widerstandes in einem hochimpedanten Bereich betrieben. Dabei ist es jedoch auch möglich, dass kurzzeitig niedrige Werte des ohmschen Widerstandes angenommen werden können.
  • In einer vorteilhaften Variante des Steuerverfahrens umfasst der mindestens eine linear betriebene Halbleiterschalter einen ersten und einen zweiten linear betriebenen Halbleiterschalter, die gleichzeitig linear betrieben werden. In einer Variante werden der erste und der zweite linear betriebene Hableiterschalter von dem einzuspeisenden Strom Iaus durchflossen. Dabei wird der Spannungsabfall Uaus,lin durch den ersten linear betriebenen Halbleiterschalter und den zweiten linear betriebenen Halbleiterschalter gemeinsam gebildet. In einer Ausführungsform werden dabei ohmsche Widerstände des ersten und des zweiten linear betriebenen Halbleiterschalters zeitgleich und gleichsinnig zueinander variiert. Die gleichsinnige – oder genauer – zeitsynchrone Änderung der ohmschen Widerstände des ersten und des zweiten linear betriebenen Halbleiterschalters ermöglicht dabei die selektive Beeinflussung, insbesondere die selektive Reduktion eines Gegentakt – Störsignales, das dem in das Wechselspannungsnetz einzuspeisenden Strom Iaus überlagert ist. In einer alternativen Ausführungsform lässt sich ebenfalls ein dem einzuspeisenden Strom Iaus überlagertes Gleichtakt-Störsignal beeinflussen, insbesondere reduzieren. Hierzu werden die ohmschen Widerstände des ersten und des zweiten linear betriebenen Halbleiterschalters zeitlich invers zueinander variiert. Zeitlich invers bedeutet hier insbesondere, dass eine Änderung im ohmschen Widerstand des ersten linear betriebenen Halbleiterschalters mit einer betragsmäßig gleichen – aber negativen – Änderung im ohmschen Widerstand des zweiten Halbleiterschalters einhergeht. Dabei bleibt der Spannungsabfall Uaus,lin, der sich aus der Summe der Spannungsabfälle über den einzelnen linear betriebenen Halbleiterschaltern ergibt, weitestgehend konstant. Auf diese Weise lässt sich selektiv das Gleichtakt – Störsignal aus dem in das Wechselspannungsnetz einzuspeisenden Strom Iaus herausfiltern.
  • In einer alternativen Variante des Steuerverfahrens sind der erste und der zweite linear betriebene Hableiterschalter abseits eines Strompfades angeordnet, der von dem einzuspeisenden Strom Iaus durchflossen wird. Auch in diesem Fall lässt sich der einzuspeisende Strom Iaus selektiv hinsichtlich eines Gleichtakt-Störsignals und oder eines Gegentakt-Störsignals beeinflussen. Wie in Verbindung mit den 5a und 5b beschrieben wird, kann auch in dieser Variante über eine gleichzeitig erfolgende und gleichsinnige – oder genauer – synchroner Änderung der ohmschen Widerstände des ersten und zweiten linear betriebenen Halbleiterschalters selektiv ein dem einzuspeisenden Strom Iaus überlagertes Gegentakt – Störsignal beeinflusst, insbesondere reduziert werden. Entsprechend kann über eine gleichzeitig, aber gegensinnig bzw. invers zueinander erfolgende Änderung der ohmschen Widerstände von erstem und zweitem Halbleiterschalter selektiv ein dem einzuspeisenden Strom Iaus überlagertes Gleichtakt – Störsignal beeinflusst, und insbesondere reduziert werden.
  • Unabhängig davon, ob der erste und der zweite linear betriebene Halbleiterschalter innerhalb oder abseits des von dem einzuspeisenden Strom Iaus durchflossenen Strompfades liegt, lässt sich die insgesamt entstehende Verlustleistung auf mehrere Halbleiterschalter aufteilen, wodurch eine thermische Überlastung einzelner Halbleiterschalter signifikant reduziert wird. Es ist auch möglich, die Verlustleistung des ersten linear betriebenen Halbleiterschalters und die des zweiten linear betriebenen Halbleiterschalters jeweils auf eine Mehrzahl linear betriebener Halbleiterschalter zu verteilen. In einer weiteren Variante des Steuerverfahrens ist es möglich, die Beeinflussung eines Gleichtakt-Störsignals mit der Beeinflussung eines Gegentakt-Störsignals zu kombinieren, um ein dem einzuspeisenden Strom Iaus überlagertes Störsignal zu beeinflussen, das sowohl Gleichtakt- als auch Gegentaktanteile beinhaltet.
  • In einer weiteren Ausführungsform des Steuerverfahrens weist der Wechselrichter einen DC/DC-Wandler auf, der ausgangsseitig über einen Zwischenkreis mit einem Eingang des DC/AC-Wandlers verbunden ist. Eingangsseitig ist der DC/DC-Wandler an den DC-Eingang bzw. die Eingangskapazität des Wechselrichters angeschlossen. Über den DC/DC-Wandler wird eine gepulste Gleichspannung, insbesondere einer sinus-halbwellenförmige Gleichspannung an dem Zwischenkreis erzeugt. Eine Stromamplitude des in das Wechselspannungsnetz einzuspeisenden Stroms Iaus wird nun über eine Spannungsamplitude U0,ZWK der von dem DC/DC-Wandler an dem Zwischenkreis erzeugten gepulsten Gleichspannung, insbesondere der sinus-halbwellenförmigen Gleichspannung, gesteuert. Je höher die Spannungsamplitude U0,ZWK der gepulsten Gleichspannung bei ansonsten annähernd gleichem Spannungsabfall Uaus,lin des mindestens einen linear betriebenen Halbleiterschalters gewählt wird, desto größer ist auch der in das Wechselspannungsnetz einzuspeisende bzw. eingespeiste Strom Iaus bzw. dessen Amplitude. In einer alternativen Ausführungsform ist es auch möglich, die Spannungsamplitude U0,ZWK der gepulsten Gleichspannung auf dem Zwischenkreis ausreichend hoch, aber konstant zu wählen, und eine Variation des einzuspeisenden Stroms Iaus bzw. dessen Amplitude über eine entsprechende Änderung des ohmschen Widerstandes und damit des Spannungsabfalls Uaus,lin des mindestens einen linear betriebenen Halbleiterschalters durchzuführen. Während im ersten Fall der Spannungsabfall Uaus,lin lediglich einen auf der gepulsten Gleichspannung noch vorhandenen Spannungsripple entfernt, wird im letztgenannten Fall zusätzlich noch ein darüber hinausgehender Anteil des Spannungsabfalles Uaus,lin dafür genutzt, eine Amplitude des einzuspeisenden Stroms Iaus zu begrenzen. Entsprechend ist die auftretende Verlustleistung im letztgenannten Fall höher als die im erstgenannten Fall.
  • Bei einem Verwendungszweck des Wechselrichters ist der Wechselrichter als Photovoltaik(PV)-Wechselrichter ausgelegt. Eine erfindungsgemäße Photovoltaik(PV)-Anlage weist dabei den als PV-Wechselrichter ausgelegten Wechselrichter und einen an den DC-Eingang des Wechselrichters angeschlossenen Photovoltaik(PV)-Generator auf. Dabei kann die Photovoltaik(PV)-Anlage über den AC-Ausgang des Wechselrichters zur Einspeisung elektrischer Leistung an ein öffentliches Energieversorgungsnetz angeschlossen werden.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung 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. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere der dargestellten relativen Anordnung und Wirkverbindung mehrerer Bauteile – 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.
  • Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs "mindestens" bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht.
  • Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
  • 1a zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Photovoltaik(PV)-Anlage mit einem erfindungsgemäßen Wechselrichter als Photovoltaik(PV)-Wechselrichter.
  • 1b zeigt eine PV-Anlage mit einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters als PV-Wechselrichter in einer detaillierteren Darstellung.
  • 2a illustriert eine PV-Anlage mit einem Stromverlauf des einzuspeisenden Stroms zu einem Zeitpunkt bei einer zweiten Ausführungsform des Wechselrichters.
  • 2b illustriert die PV-Anlage aus 2a mit einem Stromverlauf des einzuspeisenden Stroms zu einem anderen Zeitpunkt.
  • 3a zeigt einen Teil des Schaltnetzwerkes am Beispiel einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters.
  • 3b zeigt einen Teil des Schaltnetzwerkes am Beispiel einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters.
  • 3c zeigt einen Teil des Schaltnetzwerkes am Beispiel einer fünften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters.
  • 3d zeigt einen Teil des Schaltnetzwerkes am Beispiel einer sechsten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters.
  • 4a zeigt Spannungs-Zeit-Verläufe für verschiedene Spannungen am Beispiel der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters gemäß 3d.
  • 4b zeigt Spannungs-Zeit-Verläufe für verschiedene Spannungen am Beispiel der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters gemäß 1b.
  • 5a illustriert eine PV-Anlage mit einem Stromverlauf des einzuspeisenden Stroms zu einem Zeitpunkt bei einer siebten Ausführungsform des Wechselrichters.
  • 5b illustriert die PV-Anlage aus 5a mit einem Stromverlauf des einzuspeisenden Stroms zu einem anderen Zeitpunkt.
  • FIGURENBESCHREIBUNG
  • 1a illustriert eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Photovoltaik(PV)-Anlage (26) mit einem erfindungsgemäßen Wechselrichter (1) als Photovoltaik(PV)-Wechselrichter. Der Wechselrichter weist einen DC-Eingang (4) auf, an den eine DC Quelle (2), hier ein Photovoltaik (PV) Generator (25) angeschlossen ist. Der Wechselrichter (1) ist an einem AC-Ausgang (5) an ein Wechselspannungsnetz (3) angeschlossen, in das eine elektrische Leistung, die der DC-Quelle (2) entnommen wird, nach einer Wandlung von Gleichstrom in Wechselstrom bzw. von Gleichspannung in Wechselspannung durch den Wechselrichter (1) eingespeist wird. Zur Umwandlung der als Gleichspannung bereitgestellten Leistung weist der Wechselrichter (1) ein Schaltnetzwerk (6) auf, welches mehrere Halbleiterschalter (6.1–6.n, 9.1, 9.2) enthält. Dem Schaltnetzwerk (6) ist eine Eingangskapazität (15) vorgelagert, die einen Puffer für die Gleichspannung bzw. den Gleichstrom am DC-Eingang (4) bereitstellt und dazu führt, dass sich der Wechselrichter wie ein spannungsgespeister Wechselrichter verhält. Digital betriebene Halbleiterschalter (6.1–6.n) des Schaltnetzwerks (6) werden über eine Digital-Steuereinheit (7) angesteuert und über diese entweder in einen leitenden (niederimpedanten) oder einen nichtleitenden (hochimpedanten) Zustand geschaltet. Dabei kann ein Ansteuersignal bzw. ein Schaltmuster der digitalen Steuereinheit eine Puls-Weiten-Modulation (PWM) aufweisen. Durch eine entsprechende Ansteuerung der digital betriebenen Halbleiterschalter (6.1–6.n) wird eine an der Eingangskapazität (15) bereitgestellte Eingangsspannung (Uein) in eine erste Ausgangsspannung (Uaus,dig) gewandelt. Weiterhin weist das Schaltnetzwerk (6) mindestens einen linear betriebenen Halbleiterschalter (9.1, 9.2) auf, der über eine Linear-Steuereinheit (8) angesteuert wird. Bei einer linearen Ansteuerung des mindestens einen linear betriebenen Halbleiterschalters (9.1, 9.2) wird der ohmsche Widerstand zwischen Lastanschlüssen des Halbleiterschalters (9.1, 9.2) im allgemeinen stufenlos geändert, so dass über dem Halbleiterschalter (9.1, 9.2) durch einen über seine Lastanschlüsse fließenden Strom ein Spannungsabfall (Uaus,lin) generiert wird. Der Spannungsabfall (Uaus,lin) wird nun über die Linear-Steuereinheit (8) derart eingestellt – insbesondere gestellt und/oder geregelt – dass in Kombination mit der ersten Ausgangsspannung (Uaus,dig) eine treibende Spannung für den einzuspeisenden Strom (Iaus) resultiert, die infolge einer prinzipiell stufenlosen Variationsmöglichkeit des Spannungsabfalles (Uaus,lin) keine sprunghaften Änderungen mehr aufweist. Vielmehr verläuft die kombinierte Spannung signifikant geglättet und kommt einer gewünschten Sinusform sehr nahe. Die Kombination aus erster Ausgangsspannung (Uaus,dig) und Spannungsabfall (Uaus,lin), insbesondere deren Differenz, entspricht der Ausgangsspannung Uaus des Wechselrichters (1), d.h. es gilt Uaus = Uaus,dig – Uaus,lin. Die Ausgangsspannung wird über ein AC-Relais (16) des Wechselrichters (1) mit dem AC-Ausgang (5) verbunden. Bei geschlossenem AC-Relais (16) ist die Ausgangsspannung Uaus des Wechselrichters hart mit einer Wechselspannung UAC des Wechselspannungsnetzes (3) gekoppelt, insbesondere mit einer Wechselspannung UAC, die an einem Leitungszweigende des Wechselspannungsnetzes (3) anliegt, das mit dem AC-Ausgang (5) des Wechselrichters (1) verbunden ist. Bei harter Kopplung bzw. geschlossenem AC-Relais (16) gilt daher zu jeder Zeit Gleichheit der beiden Spannungen, d.h. es gilt Uaus = UAC. Damit ist der Wechselrichter (1) in der Lage, die Spannung am Leitungszweigende des Wechselspannungsnetzes (3) zumindest geringfügig zu verändern und so einen Spannungsgradienten innerhalb des Leitungszweiges zu erzeugen, der eine Einspeisung eines Stroms Iaus in Richtung des Wechselspannungsnetzes (3) ermöglicht. Unter Berücksichtigung der sinusförmigen Ausgangsspannung (Uaus) bzw. der sinusförmigen Wechselspannung (UAC) des Wechselspannungsnetzes (3) ist auch der über die treibende Spannung generierte einzuspeisende Strom (Iaus) geglättet und frei von sprunghaften Änderungen. Vielmehr weist der Strom (Iaus) ebenfalls in hohem Maße einen gewünschten sinusförmigen Verlauf auf, der weitestgehend frei von harmonischen Oberwellen ist. Zur Einspeisung des Stroms (Iaus) wird die Kombination der ersten Ausgangsspannung (Uaus,dig) und des Spannungsabfalles (Uaus,lin) am AC-Ausgang (5) des Wechselrichters (1) bereitgestellt.
  • Die Digital-Steuereinheit (7) und die Linear-Steuereinheit (8) können innerhalb des Wechselrichters separate Steuereinheiten sein, sie können jedoch auch Bestandteil einer übergeordneten Steuerung des Wechselrichters (1) sein, was in 1 über eine gestrichelte Umrandung beider Steuereinheiten (7, 8) symbolisiert ist. Der Wechselrichter kann optional einen passiven Filter (14) zur Filterung noch vorhandener Störstromanteile aus dem einzuspeisenden Strom (Iaus) aufweisen. Dabei weist der passive Filter (14) eine Verschaltung von Induktivitäten und Kapazitäten auf. Der passive Filter (14) ist ein optionales Bauelement, welches vorhanden sein kann, aber nicht vorhanden sein muss. Deswegen ist er in 1a in gestrichelter Form dargestellt. Wenn vorhanden, kann der passive Filter (14) jedoch im Vergleich zu herkömmlichen passiven Filtern deutlich einfacher und kostengünstiger aufgebaut sein, da der einzuspeisende Strom (Iaus) aufgrund einer bereits erfolgten dissipativ ausgelegten Signalformung nur noch geringe Anteile an Störstrom enthält.
  • 1b zeigt eine PV-Anlage (26) mit einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters (1) als PV-Wechselrichter in einer im Vergleich zu 1a detaillierteren Darstellung. Gleichartige Komponenten des Wechselrichters (1), die auch in der 1a auftauchen, sind in 1b – wie auch in den folgenden Figuren – mit gleichen Bezugszeichen versehen. Zur Beschreibung dieser Komponenten wird auf die entsprechenden Ausführungen der Figurenbeschreibung zur 1a verwiesen.
  • Relativ zur 1a ist in 1b das Schaltnetzwerk (6) des Wechselrichters (1) detaillierter dargestellt. Das Schaltnetzwerk (6) weist in dieser Ausführungsform einen DC/DC-Wandler (12) auf dessen Eingang über die Eingangskapazität (15) mit dem DC-Eingang (4) des Wechselrichters (1) verbunden ist. Ein Ausgang des DC/DC-Wandlers (12) ist über einen Zwischenkreis (13) mit einem Eingang eines DC/AC-Wandlers (10) verbunden. Der Ausgang des DC/AC-Wandlers (10) ist über einen optionalen passiven Filter (14) mit dem AC-Ausgang (5) des Wechselrichters verbunden.
  • Der DC/DC-Wandler (12) ist als kombinierter Hoch-/Tiefsetzsteller ausgelegt und weist zu diesem Zweck einige der digital betriebenen Halbleiterschalter (6.1–6.j, mit j < n) auf. Er wird im Wesentlichen über die Digital-Steuereinheit (7) mit dem Ziel angesteuert, die am DC-Eingang (4) bzw. an der Eingangskapazität (15) durch die DC-Quelle (2) bereitgestellte Eingangsspannung (Uein) als Gleichspannung in eine gepulste, insbesondere in eine sinus-halbwellenförmig gepulste Spannung (UZWK) an dem Zwischenkreis zu wandeln. Aufgrund der digital betriebenen Halbleiterschalter (6.1–6.j) des DC/DC-Wandlers (12) weist die über dem Zwischenkreis (13) abfallende gepulste Gleichspannung (UZWK) einen ripple-artigen Verlauf auf. Einzelne Halbwellen der am Zwischenkreis (13) anstehenden gepulsten Gleichspannung (UZWK) werden danach über den als Polwender operierenden DC/AC-Wandler (10) umgeklappt und so in eine Wechselspannung umgewandelt. Der noch vorhandene Spannungsripple wird über mindestens einen linear betriebenen Halbleiterschalter (9.1, 9.2) des DC/AC-Wandlers (10) dissipativ entfernt, zumindest jedoch reduziert. Zu diesem Zweck ist der DC/AC-Wandler (10) steuerungstechnisch sowohl mit der Digital-Steuereinheit (7), als auch mit der Linear Steuereinheit (8) verbunden, da er einerseits einzelne der digital betriebenen Halbleiterschalter (6.j + 1–6.n) als auch den mindestens einen linear betriebenen Halbleiterschalter (9.1, 9.2) enthält. Die digital und die linear betriebenen Schalter sind aus Übersichtlichkeitsgründen in 1b nicht explizit dargestellt. Die steuerungstechnische Verbindung ist in 1b – wie auch in 1a – über gestrichelte Pfeile auf das Schaltnetzwerk (6) symbolisiert.
  • An bestimmten Stellen des Wechselrichters (1) sind dort beobachtbare Spannungsverläufe in Abhängigkeit der Zeit schematisch skizziert. So ist über der Eingangskapazität (15) der zeitliche Verlauf der Eingangsspannung (Uein) skizziert, der dem einer reinen Gleichspannung entspricht. Dies bedeutet nicht, dass die Eingangsspannung (Uein) sich zeitlich überhaupt nicht ändert. So ändert sie sich aufgrund eines Maximum Power Point (MPP) Tracking Verfahrens schon – zumindest auf einer makroskopischen Zeitskala, z.B. auf einer Zeitskale einiger Sekunden, bzw. Minuten). Hingegen erfolgt eine Änderung der Eingangsspannung (Uein) nicht, zumindest jedoch in deutlich geringerem Maß, auf einer mikroskopischen Zeitskala, z.B. auf einer Zeitskala von einigen Schwingungsdauern der Frequenz im Wechselspannungsnetz (3). Über dem Zwischenkreis (13) ist der zeitliche Verlauf der dort abfallenden Spannung (UZWK) dargestellt. Dieser entspricht einer sinus-halbwellenförmig gepulsten Gleichspannung, der ein Spannungsripple überlagert ist. Am AC-Ausgang (5) ist der zeitliche Verlauf der dort anliegenden Ausgangsspannung (Uaus) schematisch skizziert. Dieser entspricht einer Wechselspannung, die eine geglättete Sinusform aufweist. Der Spannungsripple ist durch den mindestens einen linear betriebenen Halbleiterschalter (9.1, 9.2) entfernt, zumindest jedoch deutlich reduziert. Im zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung (Uaus) ist auch die sinus-halbwellenförmig gepulste Gleichspannung inklusive des noch vorhandenen Spannungsripples, so wie sie zuvor über dem Zwischenkreis (13) abfällt, der Verständlichkeit halber nochmals gestrichelt skizziert. Zur Detektion von Spannungen, Spannungsabfällen und/oder Strömen können geeignete Spannungs- und/oder Stromsensoren vorhanden sein. Diese können mit einer separaten Auswerte- und Regeleinrichtung verbunden sein, die wiederum mit der Digital-Steuereinheit (7) bzw. der Linear-Steuereinheit (8) in Wirkverbindung stehen kann und das Regeln bzw. Stellen des Spannungsabfalles in Verbindung mit der Steuerung durchführt bzw. unterstützt. Alternativ kann die Auswerte- und Regeleinrichtung auch integraler Bestandteil der Digital-Steuereinheit (7) bzw. Linear-Steuereinheit (8) oder einer übergeordneten Steuerung des Wechselrichters (1) sein. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Sensoren und die Auswerte- und Regeleinrichtung in 1b – wie auch den folgenden Figuren – nicht dargestellt. Ebenfalls ist das AC-Relais (16) in 1b, wie auch den folgenden Figuren aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht explizit dargestellt. Es kann jedoch dennoch vorhanden sein.
  • In den 2a und 2b sind Strompfade für den einzuspeisenden Strom (Iaus) am Beispiel eines Wechselrichters (1) in einer zweiten Ausführungsform für zwei unterschiedliche Zeitpunkte illustriert. In der zweiten Ausführungsform des Wechselrichters (1) ist der DC/DC-Wandler (12) des Schaltnetzwerkes (6) als Tiefsetzsteller mit digital betriebenen Halbeiterschaltern (6.1, 6.2) und einer Induktivität (20) ausgeführt. Der DC/AC-Wandler (10) weist zwei Brückenzweige (11a, 11b) mit jeweils zwei Halbleiterschaltern auf. In dieser Ausführungsform des Wechselrichters (1) ist kein passiver Filter (14) vor dem AC-Ausgang (5) des Wechselrichters (1) skizziert. Er kann jedoch als zusätzliches optionales Bauteil ebenfalls vorhanden sein.
  • Zu dem in 2a skizzierten Zeitpunkt werden ein oberer Halbleiterschalter eines ersten Brückenzweiges (11a) und ein unterer Halbleiterschalter eines zweiten Brückenzweiges (11b) als erster linear betriebener Halbleiterschalter (9.1) bzw. zweiter linear betriebener Halbleiterschalter (9.2) in einem Linearbetrieb mit veränderbaren ohmschen Widerstand zwischen deren Lastanschlüssen betrieben. Zu diesem Zweck sind die entsprechenden Halbleiterschalter über das Symbol eines veränderlichen Widerstandes gekennzeichnet. Ein unterer Halbleiterschalter des ersten Brückenzweiges (11a), sowie ein oberer Halbleiterschalter des zweiten Brückenzweiges (11b) agieren als dritter digital betriebener Halbleiterschalter (6.3) bzw. als vierter digital betriebener Halbleiterschalter (6.4) und werden über die digitale Steuereinheit (7) mit einem digitalen Schaltmuster angesteuert. Sie sind zu dem in 2a dargestellten Zeitpunkt geöffnet. Für den einzuspeisenden Strom (Iaus) ergibt sich ein Strompfad (19.1) vom Zwischenkreis (13) über den ersten linear betriebenen Halbleiterschalter (9.1), den AC Ausgang (5), das Wechselspannungsnetz (3), den zweiten linear betriebenen Halbleiterschalter (9.2) zurück zum Zwischenkreis (13). Der entsprechende Strompfad (19.1) für den einzuspeisenden Strom (Iaus) ist in 2a schematisch illustriert.
  • In 2b ist ein Stromverlauf des einzuspeisenden Stroms (Iaus) für einen späteren Zeitpunkt dargestellt. Zu diesem Zeitpunkt wird der obere Halbleiterschalter des ersten Brückenzweiges (11a) und der untere Halbleiterschalter des zweiten Brückenzweiges (11b) als dritter digital betriebener Halbleiterschalter (6.3) bzw. als vierter digital betriebener Halbleiterschalter (6.4) betrieben. Die digital betriebenen Halbleiterschalter (6.3, 6.4) sind in dem in 2b dargestellten Zeitpunkt geöffnet. Zu diesem Zeitpunkt operieren der untere Halbleiterschalter des ersten Brückenzweiges (11a) und der obere Halbleiterschalter des zweiten Brückenzweiges (11b) als erster linear betriebener Halbleiterschalter (9.1) bzw. als zweiter linearbetriebener Halbleiterschalter (9.2).
  • In dem dargestellten Beispiel hat sich somit die Rolle der digital betriebenen (6.3, 6.4) und der linear betriebenen Halbleiterschalter (9.1, 9.2) vertauscht. Die in einem vorigen Zeitpunkt gemäß 2a digital betriebenen Halbleiterschalter (6.3, 6.4) agieren in dem in 2b dargestellten späteren Zeitpunkt als linear betriebene Halbleiterschalter (9.1, 9.2) und umgekehrt. Die digital betriebenen Halbleiterschalter (6.3, 6.4) müssen also nicht zu jeder Zeit digital betrieben werden, sondern können während eines ersten Zeitraums digital und während eines zweiten Zeitraums linear betrieben werden. Gleiches gilt so auch für die linear betriebenen Halbleiterschalter (9.1, 9.2).
  • Für den einzuspeisenden Strom (Iaus) ergibt sich zu dem zweiten Zeitpunkt ein Strompfad (19.2) vom Zwischenkreis (13) über den zweiten linear betriebenen Halbleiterschalter (9.2), den AC Ausgang (5), das Wechselspannungsnetz (3), den ersten linear betriebenen Halbleiterschalter (9.1) zurück zum Zwischenkreis (13). Der entsprechende Strompfad (19.2) für den einzuspeisenden Strom (Iaus) ist in 2b schematisch illustriert.
  • In den 2a und 2b sind die linear betriebenen Halbleiterschalter (9.1, 9.2) jeweils innerhalb des Strompfades (19.1, 19.2) angeordnet, der von dem einzuspeisenden Strom (Iaus) durchflossen wird. Innerhalb dieser Strompfade (19.1, 19.2) sind die linear betriebenen Halbleiterschalter (9.1, 9.2) jeweils in Serie zueinander angeordnet, so dass der Spannungsabfall (Uaus,lin) durch den ersten (9.1) und den zweiten linear betriebenen Halbleiterschalter (9.2) gemeinsam gebildet wird. Durch eine zeitgleich und gleichsinnig, insbesondere synchron erfolgende Änderung der ohmschen Widerstände von erstem (9.1) und zweitem linear betriebenen Halbleiterschalter (9.2) lässt sich selektiv ein Gegentakt-Störsignal, das dem einzuspeisenden Strom (Iaus) überlagert ist, beeinflussen. Entsprechend lässt sich durch eine zeitgleich, aber invers zueinander erfolgende Variation der ohmschen Widerstände des ersten (9.1) und zweiten linear betriebenen Halbleiterschalters (9.2) selektiv ein dem einzuspeisenden Stroms (Iaus) überlagertes Gleichtakt – Störsignal beeinflussen.
  • Die 3a, 3b, 3c, 3d zeigen jeweils einen Teil des Schaltnetzwerkes (6) am Beispiel unterschiedlicher Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wechselrichters (1). Dargestellt ist jeweils der DC/AC-Wandler (10) als Bestandteil des Schaltnetzwerks (6) von Halbleiterschaltern (6.1–6.n, 9.1, 9.2). Der DC/AC-Wandler (10) ist eingangsseitig entweder direkt an die Eingangskapazität (15) bzw. den DC-Eingang (4) angeschlossen. Gleichfalls ist es möglich, dass der DC/AC-Wandler (10) über den Zwischenkreis (13) und einen vorgelagerten DC/DC-Wandler (12) (in 3a–d nicht dargestellt) an die Eingangskapazität (15) bzw. den DC-Eingang (4) angeschlossen ist. Sowohl die Eingangskapazität (15) und / oder die Kapazität des Zwischenkreises (13) gewährleistet, dass sich der DC/AC-Wandler (10) als spannungsgespeister DC/AC-Wandlers (10) bzw. der Wechselrichter (1) als spannungsgespeister Wechselrichter verhält und dementsprechend operiert. Der DC/AC-Wandler (10) ist steuerungstechnisch sowohl mit der Digital-Steuereinheit (7), als auch mit der Linear-Steuereinheit (8) verbunden. Zusätzlich ist eine durch den AC-Ausgang (5) verlaufende Grenze des Wechselrichters (1) in Form einer gestrichelten Linie dargestellt. Die verschiedenen Ausführungsformen der 3a–3d unterscheiden sich hauptsächlich in Bezug auf eine jeweilige Umsetzung des DC/AC-Wandlers (10) und eine Anordnung der linear betriebenen Halbleiterschalter (9.1, 9.2). Der Übersichtlichkeit halber sind sämtliche Halbleiterschalter in den 3a–3d, wie auch in den 2a und 2b nur in Form von Schaltersymbolen ohne den Schaltern jeweils zugeordnete parallele Freilaufdioden dargestellt. Auch wenn diese nicht explizit gezeichnet sind, können die Freilaufdioden aber dennoch vorhanden sein.
  • In 3a weist der DC/AC-Wandler (10) einen ersten und einen zweiten Brückenzweig mit jeweils zwei digital betriebenen Halbleiterschaltern (6.1–6.4) auf. Die linear betriebenen Halbleiterschalter (9.1, 9.2) sind in einer Verbindungsleitung zwischen den Brückenzweigen (11a, 11b) und dem Zwischenkreis (13), beziehungsweise zwischen den Brückenzweigen (11a, 11b) und der Eingangskapazität (15) angeordnet.
  • Im Unterschied zu 3a sind in 3b die linear betriebenen Halbleiterschalter (9.1, 9.2) jeweils in einer Verbindungsleitung eines Mittelabgriffes jedes Brückenzweiges (11a, 11b) und einem entsprechenden Ausgangsanschluss des AC-Ausgangs (5) angeordnet. Der DC/AC-Wandler (10) der Ausführungsform gemäß 3c weist lediglich einen Brückenzweig (11a) auf. Der Brückenzweig (11a) ist in Form einer Umklappbrücke mit zwei digital betriebenen Halbleiterschaltern (6.1, 6.2) ausgeführt. Der DC/AC-Wandler (10) weist zudem lediglich einen linear betriebenen Halbleiterschalter (9.1) auf, der in einer Verbindungsleitung zwischen dem Mittelabgriff des Brückenzweiges (11a) und einem Ausgangsanschluss des AC-Ausgangs (5) angeordnet ist. Der Zwischenkreis (13) und/oder die Eingangskapazität (15) ist als geteilter Zwischenkreis (13) bzw. als geteilte Eingangskapazität (15) mit einer Mehrzahl – hier: zwei – von in Reihe geschalteten Kondensatoren ausgeführt. Auf diese Weise ist der geteilte Zwischenkreis (13) und/oder die geteilte Eingangskapazität (15) in der Lage, mehrere Spannungsniveaus bereitzustellen. Auf die Spannungsniveaus kann unter Verwendung eines Multi-Level Brückenzweiges als Brückenzweig (11a) des DC/AC-Wandlers (10) explizit zugegriffen werden, wobei sich dann der Mittelabgriff des jeweiligen Brückenzweiges (11a) auf die einzelnen Spannungsniveaus schalten lässt. Ein Mittelabgriff des geteilten Zwischenkreises (13) bzw. der geteilten Eingangskapazität (15) ist in 3c mit einem anderen Ausgangsanschluss des AC-Ausgangs (5) verbunden.
  • Der DC/AC-Wandler (10) der Ausführungsform gemäß 3d weist ähnlich zur Ausführungsform gemäß 3c einen Brückenzweig (11a) auf, der als Multilevel Brückenzweig ausgeführt ist. Der Brückenzweig (11a weist insgesamt acht digital betriebene Halbleiterschalter (6.1–6.8) auf. In Verbindung mit dem geteilten Zwischenkreis (13) bzw. der geteilt ausgeführten Eingangskapazität (15) ist der Brückenzweig in der Lage, insgesamt fünf Spannungs-Niveaus auf einen ihm zugeordneten Mittelabgriff zu schalten. Der Mittelabgriff des Brückenzweiges (11a) ist über einen linear betriebenen Halbleiterschalter (9.1) mit einem Ausgangsanschluss des AC-Ausgangs (5) verbunden. Der weitere Ausgangsanschluss des AC-Ausgangs (5) ist mit einem Mittelpunkt des geteilten Zwischenkreises (13) bzw. der geteilten Eingangskapazität (15) verbunden.
  • Alternativ zu dem lediglich einen dargestellten Brückenzweig (11a) kann der DC/AC-Wandler (10) in den Ausführungsformen gemäß 3c und 3d auch mehrere Brückenzweige, insbesondere zwei Brückenzweige (11a, 11b) aufweisen. Im letztgenannten Fall sind beide Ausgangsanschlüsse jeweils mit einem Mittelabgriff eines der Brückenzweige (11a, 11b) verbunden. Der geteilte Zwischenkreis (13) und/oder die geteilte Eingangskapazität (15) kann eine andere als die dargestellte Anzahl von in Reihe geschalteten Kondensatoren aufweisen. Entsprechend kann auch der Multi-Level Brückenzweig bzw. die Multi-Level Brückenzweige ausgelegt sein, eine andere Anzahl als die gargestellte Anzahl an Spannungsniveaus auf den jeweiligen Mittelabgriff zu schalten. Gleichfalls können alternativ zu dem einen linear betriebenen Halbleiterschalter (9.1) auch mehrere linear betriebene Halbleiterschalter vorhanden sein. So kann z.B. zusätzlich ein zweiter linear betriebener Halbleiterschalter (9.2) in einer Verbindung zwischen dem Mittelpunkt des geteilten Zwischenkreises (13) und/oder der geteilten Eingangskapazität (15) angeordnet sein. Gleichfalls kann er in einer Verbindung zwischen einem Mittelabgriff des zweiten Brückenzweiges (11b) und dem Ausgangsanschluss des AC-Ausgangs (5) angeordnet sein. In den 3a–3d sind passive Filter 14 zwischen dem DC/AC-Wandler 10 und dem AC-Ausgang des Wechselrichters 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht explizit dargestellt. Ungeachtet dessen können diese aber dennoch als zusätzliche Bauteile vorhanden sein.
  • 4a zeigt Spannungs-Zeit-Verläufe für verschiedene Spannungen am Beispiel der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters gemäß 3d. Für die folgende Beschreibung wird angenommen, dass der DC/AC-Wandler (10) des Schaltnetzwerkes (6) direkt mit dem DC-Eingang (4) bzw. der geteilten Eingangskapazität (15) verbunden ist.
  • Dargestellt ist im Einzelnen ein Verlauf der Eingangsspannung (Uein), die am DC-Eingang (4) bzw. an der Eingangskapazität (15) gemessen wird, in Form einer strichpunktierten Linie. Die Eingangsspannung (Uein) wird an den Eingang des DC/AC-Wandlers (10) bzw. den entsprechenden Brückenzweig (11a) geschaltet. Aufgrund einer Multilevel-Topologie ist der Brückenzweig (11a) in der Lage, diskrete Spannungsniveaus an den Mittelabgriff der Brücke zu schalten. Durch eine entsprechende Ansteuerung der digital betriebenen Halbleiterschalter (6.1–6.8) über die digitale Steuer-Einheit (7) wird am Mittelabgriff des Brückenzweiges (11a) die erste Ausgangsspannung (Uaus,dig) generiert. Dabei ergibt sich die erste Ausgangsspannung (Uaus,dig) allein aufgrund des Schaltverhaltens der digital betriebenen Schalter (6.1–6.8) des Brückenzweiges (11a) und weist den in 4a dargestellten treppenförmigen Verlauf auf. Die erste Ausgangsspannung (Uaus,dig) kann konkret am Mittelabgriff des Brückenzweiges (11a) beobachtet werden. Gleichfalls kann sie prinzipiell auch am AC-Ausgang (5) des Wechselrichters (1) beobachtet werden, nämlich dann, wenn sämtliche linear betriebenen Halbleiterschalter (9.1, 9.2) nicht im vorgesehenen Linearbetrieb, sondern stattdessen vollständig geschlossen betrieben würden. Weiterhin ist der sinusförmige Verlauf der Wechselspannung (UAC) im Wechselspannungsnetz (3) in gestrichelter Form dargestellt. Mit der Wechselspannung im Wechselspannungsnetz (3) ist hier insbesondere ein direkt an der Quelle des Wechselspannungsnetzes (3) – beispielsweise einem dem Abschnitt des Wechselspannungsnetzes (3) zugeordneten Ortsnetztransformator – gemessener Spannungsverlauf (UAC) gemeint. In einem stromlosen Zustand einer Verbindungsleitung zwischen Wechselrichter (1) und Ortsnetztransformator ist dieser Verlauf weitestgehend auch an dem AC-Ausgang (5) des Wechselrichters (1) beobachtbar. Der in das Wechselspannungsnetz (3) einzuspeisende Strom (Iaus) fließt durch den mindestens einen linear betriebenen Halbleiterschalter (9.1, 9.2) der über die Linear-Steuereinheit (8) angesteuert und in einem Linearbetrieb betrieben wird. Die Ansteuerung des mindestens einen linear betriebenen Halbleiterschalters (9.1, 9.2) durch die Linear-Steuereinheit (8) erfolgt derart, dass über dem linear betriebenen Halbleiterschalter ein Spannungsabfall (Uaus,lin) erzeugt wird, der in Kombination mit der ersten Ausgangsspannung (Uaus,dig) ebenfalls einen sinusförmigen Verlauf aufweist. Der Spannungsabfall (Uaus,lin) ist in 4a beispielhaft für zwei bestimmte Zeitpunkte in dem Zeitverlauf als Doppelpfeil dargestellt. Die Kombination des Spannungsabfalls (Uaus,lin) und der ersten Ausgangsspannung (Uaus,dig) wird als Ausgangsspannung (Uaus) an den AC-Ausgang (5) des Wechselrichters (1) geschaltet. Der sinusförmige Verlauf der Ausgangsspannung (Uaus) entspricht bei harter Kopplung mit einem an den AC-Ausgang angeschlossenen Leitungszweigende der dort herrschenden Wechselspannung (UAC) des Wechselspannungsnetzes (3). Aufgrund der harten Kopplung ist der Wechselrichter in der Lage, die Wechselspannung (UAC) am Leitungszweigende des Wechselspannungsnetzes geringfügig zu ändern. Zusätzlich ist schematisch auch eine einen einspeisefreien bzw. stromlosen Zustand (Iaus = 0) charakterisierende sinusförmige Wechselspannung (UAC,stromlos) des Wechselspannungsnetzes (3) dargestellt. Dabei kann die den stromlosen Zustand charakterisierende Wechselspannung (UAC,stromlos) z.B. dann detektiert werden, wenn kein Strom (Iaus) in das Wechselspannungsnetz (3) eingespeist wird bzw. ein AC-Relais (16) des Wechselrichters (1) geöffnet ist. Eine Differenz zwischen der Ausgangsspannung (Uaus) bzw. der über die Ausgangsspannung (Uaus) modifizierten Wechselspannung (UAC) des Wechselspannungsnetzes (3) und der den stromlosen Zustand charakterisierenden Wechselspannung (UAC,stromlos) stellt eine treibende Kraft für den einzuspeisenden Strom (Iaus) dar. Aufgrund der Sinusform der Ausgangsspannung (Uaus) und der den stromlosen Zustand charakterisierenden Wechselspannung (UAC,stromlos) im Wechselspannungsnetz (3) ist auch deren Differenz ΔU = Uaus – UAC,stromlos hochgradig sinusförmig. Die Differenz ΔU = Uaus – UAC,stromlos ist in 4a für einen bestimmten Zeitpunkt in dem Zeitverlauf als Doppelpfeil dargestellt. Da dies die treibende Kraft für den einzuspeisenden Strom (Iaus) darstellt, ist auch der einzuspeisende Strom (Iaus) selbst hochgradig sinusförmig und weitestgehend frei von unerwünschten Störstromanteilen bzw. harmonischen Oberwellen.
  • 4b zeigt Spannungs-Zeit-Verläufe für verschiedene Spannungen am Beispiel der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters (1) gemäß 1b. In diesem Fall ist der DC/AC-Wandler (10) des Schaltnetzwerkes (6) über den Zwischenkreis (13) und einen vorgelagerten DC/DC-Wandler (12) mit dem DC-Eingang (4) bzw. der Eingangskapazität (15) verbunden. Der DC/DC-Wandler (12) ist dabei als kombinierter Hoch-/Tiefsetzsteller ausgeführt. Der DC/AC-Wandler weist zwei Brückenzweige (11a, 11b) auf und ist ausgelegt, als Polwender zu operieren. Beispielhaft sei angenommen, dass der DC/AC-Wandler (10) zwei linear betriebene Halbleiterschalter (9.1, 9.2) aufweist, wobei jeweils ein linear betriebener Halbleiterschalter in jeder Verbindungsleitung zwischen den Brückenzweigen und dem Zwischenkreis (13) angeordnet ist.
  • Am DC-Eingang (4) des Wechselrichters (1) bzw. der Eingangskapazität (15) liegt die Eingangsspannung (Uein) als Gleichspannung an. Die Eingangsspannung (Uein) ist in 4b als strichpunktierte Linie dargestellt. Der DC/DC-Wandler (12) wandelt die Eingangsspannung (Uein) in eine sinus-halbwellenförmig gepulste Gleichspannung, die an den Zwischenkreis (13) übergeben wird. Die an dem Zwischenkreis (13) anliegende Spannung (UZWK) ist in 4b beispielhaft in Form von zwei Spannungsripple behafteten Sinus-Halbwellen für eine Periodendauer der Frequenz im Wechselspannungsnetz (3) dargestellt. In Zeitabschnitten, bei denen die Eingangsspannung (Uein) kleiner als die an dem Zwischenkreis (13) anliegende Spannung (UZWK) ist, operiert der DC/DC-Wandler (12) als Hochsetzsteller, und in den jeweils anderen Zeitabschnitten als Tiefsetzsteller. Der DC/AC-Wandler (10) operiert als Polwender und klappt jede zweite der in dem Zwischenkreis (13) auftretenden Sinus-Halbwellen durch entsprechende digital betriebene Schalter (6.j + 1–6.n) um. Dies ist in 4b durch den geschwungen Pfeil in Verbindung mit einer Spiegelung der entsprechenden Sinus-Halbwelle an der Zeitachse symbolisiert. Der der ersten Ausgangsspannung (Uaus,dig) noch überlagerte Spannungsripple wird über eine entsprechende Ansteuerung der linear betriebenen Halbleiterschalter (9.1, 9.2) entfernt, indem über diesen durch eine Ansteuerung über die Linear-Steuereinheit (8) in Summe ein Spannungsabfall (Uaus,lin) erzeugt wird, so dass die Kombination des Spannungsabfalls (Uaus,lin) mit der ersten Ausgangsspannung (Uaus,dig) einen hochgradig sinusförmigen Verlauf aufweist. In 4b ist die Höhe des Spannungsabfalles (Uaus,lin) beispielhaft für zwei bestimmte Zeitpunkte als Doppelpfeil illustriert.
  • Der sinusförmige Verlauf der Kombination von Spannungsabfall (Uaus,lin) und erster Ausgangsspannung (Uaus,dig) ist in 4b als Ausgangsspannung (Uaus) in Form einer durchgezogenen Linie dargestellt. Die sinusförmige Ausgangsspannung (Uaus) wird an den AC-Ausgang (5) des Wechselrichters (1) übergeben und ist hart mit der Wechselspannung (UAC) im Wechselspannungsnetz (3) gekoppelt, zumindest im Hinblick auf eine an einem Leitungszweigende des Wechselspannungsnetzes (3) herrschenden Wechselspannung (UAC). Weiterhin ist auch hier eine einen einspeisefreien bzw. stromlosen Zustand (Iaus = 0) charakterisierende sinusförmige Wechselspannung (UAC,stromlos) des Wechselspannungsnetzes (3) in Form einer gestrichelten Kurve dargestellt. Die Differenz ΔU = Uaus – UAC,stromlos der Ausgangsspannung (Uaus) bzw. der Wechselspannung (UAC) des Wechselspannungsnetzes (3) und der den stromlosen Zustand des Leitungszweiges zu diesem Zeitpunkt charakterisierenden Wechselspannung (UAC,stromlos) im Wechselspannungsnetz (3) stellt die treibende Kraft für den einzuspeisenden Strom (Iaus) dar. In 4b ist die Differenz ΔU = Uaus – UAC,stromlos beispielhaft für einen bestimmten Zeitpunkt als Doppelpfeil illustriert. Ähnlich zu 4a ist auch die Differenz Uaus – UAC,stromlos hochgradig sinusförmig, weswegen auch der einzuspeisende Strom (Iaus) hochgradig sinusförmig und weitestgehend frei von unerwünschten Störstromanteilen ist.
  • In den 5a und 5b ist eine PV-Anlage mit Strompfaden für den einzuspeisenden Strom (Iaus) am Beispiel eines Wechselrichters (1) in einer siebten Ausführungsform für zwei unterschiedliche Zeitpunkte illustriert. Die siebte Ausführungsform des Wechselrichters ähnelt weitestgehend der zweiten Ausführungsform gemäß der 2a und 2b, weswegen im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zu der zweiten Ausführungsform eingegangen wird. Zu dem in 5a dargestellten Zeitpunkt operiert ein oberer Halbleiterschalter des linken Brückenzweigs (11a) als dritter digital betriebener Halbleiterschalter (6.3), während ein unterer Halbleiterschalter des rechten Brückenzweiges (11b) als vierter digital betriebener Halbleiterschalter operiert. Beide digital betriebenen Halbleiterschalter (6.3, 6.4) sind zu dem in 5a dargestellten Zeitpunkt geschlossen. Zusätzlich operieren ein unterer Halbleiterschalter des linken Brückenzweiges (11a) bzw. ein oberer Halbleiterschalter des rechten Brückenzweiges (11b) als erster (9.1) bzw. zweiter linear betriebener Halbleiterschalter (9.2). Die linear betriebenen Halbleiterschalter (9.1, 9.2) sind abseits eines punktiert dargestellten Strompfades (19.1) angeordnet, der von dem einzuspeisenden Strom (Iaus) durchflossen wird. Ausgehend von dem geöffneten Zustand werden die linear betriebenen Halbleiterschalter (9.1, 9.2) etwas geschlossen, wodurch der ohmsche Widerstand zwischen ihren Lastanschlüsse etwas verkleinert wird. Hierdurch wird ein Bruchteil des einzuspeisenden Stroms Iaus über strichpunktartig dargestellte Strompfade (19.3, 19.4) geleitet. Der betroffene Bruchteil fließt somit nicht über den AC-Ausgang (5) des Wechselrichters (1) und wird daher auch nicht in das Wechselspannungsnetz (3) eingespeist.
  • In dem in 5b illustrierten Zeitpunkt sind die digital und die linear operierenden Halbleiterschalter relativ zur 5a vertauscht. Nunmehr operieren ein unterer Halbleiterschalter des linken Brückenzweiges (11a) und ein oberer Halbleiterschalter des rechten Brückenzweiges (11b) als dritter (6.3) bzw. vierter digital betriebener Halbleiterschalter (6.4). Beide digital betriebenen Halbleiterschalter (6.3, 6.4) sind zu dem in 5b illustrierten Zeitpunkt geschlossen. Weiterhin agiert ein oberer Halbleiterschalter des linken Brückenzweiges (11a) als erster (9.1) und ein unterer Halbleiterschalter des rechten Brückenzweiges (11b) als zweiter linear betriebener Halbleiterschalter (9.2). Auch zu dem in 5b dargestellten Zeitpunkt sind die linear betriebenen Halbleiterschalter (9.1, 9.2) abseits eines punktiert dargestellten Strompfades (19.2) angeordnet, der von dem einzuspeisenden Strom durchflossen (Iaus) wird. Die linear betriebenen Halbleiterschalter (9.1, 9.2) werden nun ausgehend von ihrem geöffneten Zustand etwas aufgesteuert, wodurch sich ihr ohmscher Widerstand entsprechend verringert. Hierdurch wird ein Bruchteil des einzuspeisenden Stroms (Iaus) über die linear betriebenen Halbleiterschalter (9.1, 9.2) entlang der strichpunktartig dargestellte Strompfade (19.3, 19.4) geleitet. Dieser Bruchteil fließt nicht über den AC-Ausgang (5) des Wechselrichters (1) und wird somit insbesondere nicht in das Wechselspannungsnetz (3) eingespeist.
  • Abhängig davon, wie die ohmschen Widerstände der linear betriebenen Halbleiterschalter (9.1, 9.2) der 5a und 5b relativ zueinander geändert werden, lässt sich selektiv ein Gegentakt-Störsignal oder aber ein Gleichtakt-Störsignal, das dem einzuspeisenden Strom (Iaus) überlagert ist, beeinflussen. Konkret lässt sich über eine gleichsinnige bzw. synchrone Variation der ohmschen Widerstände von erstem (9.1) und zweitem linear betriebenen Halbleiterschalter (9.2) selektiv ein Gegentakt-Störsignal beeinflussen. Entsprechend lässt sich über eine inverse Variation der ohmschen Widerstände von erstem (9.1) und zweitem linear betriebenen Halbleiterschalter (9.2) selektiv ein Gleichtakt-Störsignal beeinflussen, insbesondere reduzieren. BEZUGSZEICHENLISTE
    1 Wechselrichter
    2 DC-Quelle
    3 Wechselspannungsnetz
    4 DC-Eingang
    5 AC-Ausgang
    6 Schaltnetzwerk
    6.1–6.n Halbleiterschalter
    7 Digital-Steuereinheit
    8 Linear-Steuereinheit
    9.1, 9.2 Halbleiterschalter (im Linearbetrieb)
    10 DC/AC-Wandler
    11a, 11b Brückenzweig
    12 DC/DC-Wandler
    13 Zwischenkreis
    14 Passiver Filter
    15 Eingangskapazität
    16 AC-Relais
    19.1, 19.2, 19.3, 19.4 Strompfad
    20 Induktivität
    25 Photovoltaik(PV)-Generator
    26 Photovoltaik(PV)-Anlage
    Uaus,dig Erste Ausgangsspannung
    Uaus,lin Spannungsabfall
    Iein Eingangsstrom
    Uein Eingangsspannung
    Iaus Ausgangsstrom
    Uaus Ausgangsspannung
    UAC Spannung des Wechselspannungsnetzes
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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    • http://danfoss.ipapercms.dk/Drives/DD/Global/SalesPromotion/Brochures/ProductBrochures/ DE/CleanGrid/ [0006]

Claims (21)

  1. Wechselrichter (1) zur Einspeisung einer an einem DC-Eingang (4) als Gleichspannung bereitgestellten Leistung in ein an einem AC-Ausgang (5) anschließbares Wechselspannungsnetz (3), umfassend ein Schaltnetzwerk (6) mit einer Mehrzahl von Halbleiterschaltern (6.1–6.n, 9.1, 9.2) und eine Digital-Steuereinheit (7) zur Erzeugung eines digitalen Schaltmusters für digital betriebene Halbleiterschalter (6.1–6.n) des Schaltnetzwerks (6), mit denen eine erste Ausgangsspannung (Uaus,dig) erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – der Wechselrichter (1) weiterhin eine Linear-Steuereinheit (8) zur Erzeugung von Signalen zur Ansteuerung mindestens eines Halbleiterschalters (9.1, 9.2) des Schaltnetzwerks (6) in einem Linearbetrieb aufweist, wobei die Linear-Steuereinheit (8) zur Erzeugung eines Spannungsabfalls (Uaus,lin) über dem und/oder eines Stromflusses (Iaus,lin) durch den mindestens einen linear betriebenen Halbleiterschalter (9.1, 9.2) auf einen Zielwert eingerichtet ist, der abhängig von einer momentanen Differenz zwischen der ersten Ausgangsspannung (Uaus,dig) und einer Spannung (UAC) des Wechselspannungsnetzes (3) ist.
  2. Wechselrichter (1) nach Anspruch 1, wobei das Schaltnetzwerk (6) einen DC/AC-Wandler (10) mit mindestens einem Brückenzweig (11a), optional mit zwei Brückenzweigen (11a, 11b), aufweist.
  3. Wechselrichter (1) nach Anspruch 2, wobei der mindestens eine Brückenzweig (11a, 11b) einen Multilevel-Brückenzweig aufweist.
  4. Wechselrichter (1) nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Schaltnetzwerk (6) einen DC/DC-Wandler (12) aufweist, der über einen Zwischenkreis (13) mit dem DC/AC-Wandler (10) verbunden ist.
  5. Wechselrichter (1) nach Anspruch 4, wobei der DC/DC-Wandler (12) den mindestens einen linear betriebenen Halbleiterschalter (9.1, 9.2) enthält.
  6. Wechselrichter (1) nach Anspruch 4 oder 5, wobei der DC/DC-Wandler (12) zur Erzeugung einer gepulsten Gleichspannung, insbesondere einer sinus-halbwellenförmigen Gleichspannung eingerichtet ist, und wobei der DC/AC-Wandler (10) als Polwender ausgebildet ist.
  7. Wechselrichter (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der DC/AC-Wandler (10) mindestens einen linear betriebenen Halbleiterschalter (9.1, 9.2) enthält.
  8. Wechselrichter (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine linear betriebene Halbleiterschalter (9.1, 9.2) einen ersten (9.1) und einen zweiten Halbleiterschalter (9.2) im Linearbetrieb umfasst, deren Linearbetrieb gleichzeitig erfolgt.
  9. Wechselrichter (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine linear betriebe Halbleiterschalter (9.1, 9.2) – Teil einer Verbindung zwischen den Brückenzweigen (11a, 11b) und dem Zwischenkreis (13) ist, und/oder – Teil einer Verbindung zwischen einem Mittelabgriff der Brückenzweige (11a, 11b) und dem AC-Ausgang (5) ist.
  10. Wechselrichter (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine linear betriebene Halbleiterschalter (9.1, 9.2) in einem Strompfad (19.1, 19.2) angeordnet ist, der von dem einzuspeisenden Strom (Iaus) durchflossen wird, und wobei gegebenenfalls der Spannungsabfall (Uaus,lin) durch den ersten (9.1) und den zweiten Halbleiterschalter (9.2) im Linearbetrieb gemeinsam gebildet wird.
  11. Wechselrichter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der mindestens eine linear betriebene Halbleiterschalter (9.1, 9.2) abseits eines Strompfades (19.1, 19.2) angeordnet ist, der von dem einzuspeisenden Strom (Iaus) durchflossen wird, und wobei der Stromfluss (Iaus,lin) durch den mindestens einen Halbleiterschalter (9.1, 9.2) im Linearbetrieb an dem AC-Ausgang (5) des Wechselrichters (1) vorbeigeleitet wird.
  12. Wechselrichter (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine in einem linearen Betrieb betriebene Halbleiterschalter (9.1, 9.2) einen Bipolar-Transistor, einen IGBT (IGBT = Insulated-Gate-Bipolar-Transistor) oder einen MOSFET (MOSFET = Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor) umfasst.
  13. Wechselrichter (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (1) keinen passiven Filter (14) zwischen dem DC/AC-Wandler (10) und dem AC-Ausgang (5) aufweist,
  14. Steuerverfahren eines Wechselrichters (1) zur Einspeisung einer an einem DC-Eingang (4) als Gleichspannung bereitgestellten Leistung in ein am AC-Ausgang (5) anschließbares Wechselspannungsnetz (3), wobei der Wechselrichter (1) ein Schaltnetzwerk (6) mit einer Mehrzahl von Halbleiterschaltern (6.1–6.n, 9.1, 9.2) und eine Digital-Steuereinheit (7) für digital betriebene Halbleiterschalter (6.1–6.n) des Schaltnetzwerks (6) aufweist, wobei das Steuerverfahren die folgenden Schritte aufweist: – Ansteuern der digital betriebenen Halbleiterschalter (6.1–6.n) des Schaltnetzwerks (6) mit einem in der Digital-Steuereinheit (7) erzeugten digitalen Schaltmuster, – Bestimmung einer Differenz zwischen einer durch das digitale Schaltmuster erzeugten ersten Ausgangsspannung (Uaus,dig) des Schaltnetzwerks (6) und einer Wechselspannung (UAC) des Wechselspannungsnetzes (3), und – Erzeugen eines Spannungsabfalls (Uaus,lin) über mindestens einem oder eines Sromflusses (Iaus,lin) durch mindestens einen in einem Linearbetrieb betriebenen Halbleiterschalter (9.1, 9.2) des Schaltnetzwerks (6) durch Ansteuerung des mindestens einen in einem Linearbetrieb betriebenen Halbleiterschalters (9.1, 9.2) mit einer Linear-Steuereinheit (8) auf einen in Abhängigkeit der Differenz bestimmten Zielwert.
  15. Steuerverfahren nach Anspruch 14, wobei der mindestens eine linear betriebene Halbleiterschalter (9.1, 9.2) von einem einzuspeisenden Strom (Iaus) durchflossen wird.
  16. Steuerverfahren nach einem der Ansprüche 14, wobei der Stromfluss (Iaus,lin) durch den mindestens einen linear betriebenen Halbleiterschalter (9.1, 9.2) an dem AC-Ausgang (5) des Wechselrichters (1) vorbeigeleitet wird.
  17. Steuerverfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei der mindestens eine linear betriebene Halbleiterschalter (9.1, 9.2) einen ersten (9.1) und einen zweiten linear betriebenen Halbleiterschalter (9.2) umfasst, die gleichzeitig linear betrieben werden.
  18. Steuerverfahren nach Anspruch 17, wobei ohmsche Widerstände des ersten (9.1) und des zweiten linear betriebenen Halbleiterschalters (9.2) gleichsinnig, insbesondere synchron zueinander variiert werden, um ein Gegentakt – Störsignal, das dem in das Wechselspannungsnetz (3) einzuspeisenden Strom (Iaus) überlagert ist, zu beeinflussen, insbesondere zu reduzieren.
  19. Steuerverfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei ohmsche Widerstände des ersten (9.1) und des zweiten linear betriebenen Halbleiterschalters (9.2) zeitlich invers zueinander variiert werden, um ein Gleichtakt-Störsignal, das dem in das Wechselspannungsnetz (3) einzuspeisenden Strom (Iaus) überlagert ist, zu beeinflussen, insbesondere zu reduzieren.
  20. Steuerverfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei eine Stromamplitude des in das Wechselspannungsnetz (3) einzuspeisenden Stroms (Iaus) über eine Spannungsamplitude (U0,ZWK) einer von einem DC/DC-Wandler (6) an einem Zwischenkreis (13) des Wechselrichters (1) erzeugten gepulsten Gleichspannung, insbesondere einer sinus-halbwellenförmigen Gleichspannung, gesteuert wird.
  21. Photovoltaik(PV)-Anlage (26) mit einem als PV-Wechselrichter ausgelegten Wechselrichter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, und einem an den DC-Eingang (4) des Wechselrichters (1) angeschlossenen Photovoltaik(PV)-Generator (25).
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