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Technisches Gebiet
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Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters mit einem Gleichstromeingang und einem Wechselstromausgang sowie einen Wechselrichter und dessen Verwendung. Der Wechselrichter kann zur Anbindung von Photovoltaik oder anderer spezifischer DC-Spannungsquellen an ein AC-Netz verwendet werden.
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Stand der Technik
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In manchen Situationen ist es beim Betrieb eines Wechselrichters erforderlich, eine DC-Quelle, aus der der Wechselrichter elektrische Leistung in ein AC-Netz einspeist, zu belasten. Mit AC-Netz kann z. B. ein Wechselstromnetz oder ein Wechselspannungsnetz bezeichnet werden. Mit DC kann Gleichstrom oder Gleichspannung bezeichnet werden, eine DC-Quelle kann entsprechend eine Gleichstromquelle oder eine Gleichspannungsquelle bezeichnen.
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Beispielsweise gibt es die Anforderung, bei Ausfall des Wechselstromnetzes oder auch bei einem kontrollierten Herunterfahren des Systems, die DC-Quelle, beispielsweise eine Wasserstoffbrennstoffzelle oder einen Eingangszwischenkreis in einem PV(Photovoltaik)-System, in einer vorgegebenen Zeit zu entladen. Dazu können zur Entladung Widerstände an die Ausgangsseite der DC-Quelle zugeschaltet werden. Diese Widerstände wandeln die Restenergie der Brennstoffzelle oder des Zwischenkreises in Wärme um. Da die Restenergie meist recht hoch ist, müssen die Widerstände hohe Energiemengen umsetzen können und sind dadurch sehr groß und teuer. Insbesondere stellen diese Widerstände zusätzliche Komponenten dar, die eine erhöhte Komplexität bei der Ansteuerung und Betriebsführung des Gesamtsystems bedeuten.
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Ein PV-Wechselrichter startet in der Regel morgens auf, sobald die DC-Spannung des PV-Generators ausreichend hoch ist und der Wechselrichter ans Wechselstromnetz geht. Problematisch ist es, wenn die DC-Spannung zwar ausreichend hoch ist, die Einstrahlung aber so gering, dass eine wechselstromseitige Netzzuschaltung dazu führen würde, dass die DC-Spannung gleich wieder einbricht und sofort eine AC-Netztrennung hervorrufen würde. Dieser dauerhafte Schaltvorgang geht zu Lasten der Lebensdauer der Netztrennstelle, denn diese ist meist nur für eine bestimmte Anzahl an Schaltspielen ausgelegt. An der Stelle ist es sinnvoll, nur dann eine AC-Netzzuschaltung zu veranlassen, wenn nicht nur genügend DC-Spannung, sondern auch ausreichend DC-Leistung zur Verfügung steht. Das gleiche Problem kann auch bei Windgeneratoren auftreten, wenn noch keine ausreichende Leistung zur Verfügung steht.
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Bei zweistufigen Wechselrichtertopologien, die einen der Wechselrichterbrücke vorgeschalteten DC/DC-Wandler aufweisen, kann die verfügbare Leistung der DC-Quelle dadurch ermittelt werden, dass man diese belastet und dadurch den Zwischenkreis des zweistufigen Wechselrichters auf ein bestimmtes Potential auflädt. Aus dem Energiegehalt des Ladevorgangs kann direkt auf die Leistungsverfügbarkeit der DC-Quelle rückgeschlossen werden.
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Bei einstufigen Topologien wird hauptsächlich die DC-Spannung der DC-Quelle als Indikator genutzt. Dieser Indikator kann jedoch unzuverlässig sein, da die Information über den Nennstrom in diesem Falle fehlt.
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Aufgabe
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Davon ausgehend ist eine Aufgabe der Anmeldung, ein verbessertes Verfahren und einen verbesserten Wechselrichter zur Belastung einer an den Wechselrichter anschließbaren DC-Quelle zur Verfügung zu stellen.
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Lösung
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe wird weiterhin durch einen Wechselrichter mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 12 und durch die Verwendungen des Wechselrichters nach Anspruch 13 und 14 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Beschreibung
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Ein Wechselrichter weist einen Gleichstromeingang zur Verbindung mit einer DC-Quelle und einen Wechselstromausgang zur Verbindung mit einem AC-Netz über Trennschalter auf, wobei Brückenzweige einer Brückenschaltung über Netzdrosseln mit dem Wechselstromausgang verbunden sind. Der Wechselstromausgang ist über die Trennschalter mit dem AC-Netz verbindbar und über die Trennschalter von dem AC-Netz trennbar. Der Wechselrichter ist ausgelegt, von der DC-Quelle zur Verfügung gestellte elektrische Leistung in das AC-Netz einzuspeisen. Ein Verfahren zum Betrieb des Wechselrichters weist die Schritte auf:
- a) Öffnen der Trennschalter,
- b) Ansteuern von Halbleiterschaltern von mindestens zwei Brückenzweigen der Brückenschaltung, die wechselstromseitig hinter zumindest einer Netzdrossel verbunden sind, derart, dass die an den Gleichstromeingang anschließbare DC-Quelle belastet wird.
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Eine Gesamtheit von aus mindestens einem der mindestens zwei Brückenzweige wechselstromseitig herausfließenden Ströme entspricht dabei in ihrer Summe einer Gesamtheit von in mindestens einen anderen der mindestens zwei Brückenzweige wechselstromseitig hineinfließenden Ströme. Dies bedeutet, dass die Summe der wechselstromseitig aus den Brückenzweigen herausfließenden Ströme der Summe der wechselstromseitig in die Brückenzweige hineinfließenden Ströme entspricht.
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Es kann also Energie zwischen zwei oder mehr Brückenzweigen des Wechselrichters gewandelt werden, um durch die so entstehenden Wandlungsverluste, die DC-Seite zu entladen. Ein solcher Wechselrichter sowie ein solchermaßen betriebener Wechselrichter ermöglicht die Belastung der DC-Quelle, aus der der Wechselrichter Leistung in ein Wechselstromnetz einspeisen kann. Dabei kann die Belastung ohne den Einsatz zusätzlicher widerstandsbehafteter Komponenten erfolgen. Dies ermöglicht eine einfachere und preiswertere Auslegung des Wechselrichters. Außerdem kann die DC-Quelle, aus der der Wechselrichter elektrische Leistung in das AC-Netz einspeisen kann, gezielt belastet werden, ohne dass in dieser Situation eine Leistung in das Wechselstromnetz eingespeist werden muss. Die Belastung der DC-Quelle erfolgt durch Entnahme elektrischer Leistung aus der DC-Quelle und deren Verbrauch innerhalb des Wechselrichters. Der Verbrauch der Leistung muss nicht über zusätzliche Bauteile und/oder durch ein Einspeisen in ein AC-Netz und/oder durch andere an den Wechselstromausgang anschließbare Komponenten erfolgen. Hierfür werden die Schaltverluste eines Wechselrichters benutzt, die bei einem Wirkungsgrad der Brückenschaltungen von beispielsweise 98% in einer Größenordnung von ca. 2% der Nennleistung des Wechselrichters liegen können, um einen Eigenverbrauch zu generieren, ohne dass eine AC-seitige Last oder Senke angeschlossen werden muss. Es ist aber möglich, noch weitere vorhandene Verbraucher im System, wie z.B. Lüfter, zu betreiben. Bei einer Nennleistung des Wechselrichters von 100kW kann die Entladeleistung somit 2kW betragen. Dieser Wert bildet einen signifikanten Vorteil gegenüber beispielsweise einer Entladung einer DC-Spannungsquelles mittels eines 2kW Widerstands.
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Dies kann z. B. einer schnellen Entladung von DC-seitigen Ladungsspeichern dienen, wie in Form der Applikation für eine Wasserstoffbrennstoffzelle oder eines PV-Systems bei AC-Netzausfall oder auch bei einem kontrollierten Herunterfahren des Wasserstoffbrennstoffzellensystems oder des PV-Systems.
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Die wechselstromseitige Verbindung der mindestens zwei Brückenzweige der Brückenschaltung hinter der zumindest einen Netzdrossel kann beispielsweise durch das Schließen eines Relais vor Schritt b) erfolgen. Es ist ebenfalls möglich, dass die wechselstromseitige Verbindung der mindestens zwei Brückenzweige der Brückenschaltung hinter der zumindest einen Netzdrossel bereits vorhanden ist und kein Relais hierfür vorgesehen werden muss. In der Regel ist es erforderlich, dass die Verbindung der Brückenzweige zur Durchführung des Verfahrens nach einer Trennung vom Netz über Schaltvorrichtungen, beispielsweise Relais, hergestellt wird. Bei Wechselrichtern, die für jede Phase zwei oder mehrere parallele Brückenzweige aufweisen, die beispielsweise im Interleaving-Modus betrieben werden, ist eine Verbindung der Brückenzweige hinter der zumindest einen Netzdrossel der parallelen Brückenzweige bereits vorhanden, sodass das Verfahren unter Verwendung dieser parallelen Brückenzweige ohne den Einsatz zusätzlicher Relais durchgeführt werden kann. Dennoch können in dem Fall alternativ auch einzelne der zwei oder mehreren parallelen Brückenzweige je Phase über Relais mit Brückenzweigen anderer Phasen verbunden werden.
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In einer Ausführungsform können z. B. bei einem dreiphasigen Wechselrichter, der für jede Phase einen Brückenzweig aufweist, beispielsweise zwei Brückenzweige miteinander verbunden sein, sodass der aus dem einen Brückenzweig herausfließende Strom in den anderen Brückenzweig hineinfließt.
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In einer Ausführungsform können z. B. aber auch z. B. bei einem dreiphasigen Wechselrichter alle drei Brückenzweige miteinander verbunden sein, sodass der aus dem einen Brückenzweig herausfließende Strom sich aufteilt und in die beiden anderen Brückenzweige hineinfließt oder die aus zwei Brückenzweigen herausfließenden Ströme in Summe in den dritten Brückenzweig hineinfließen.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Halbleiterschalter zur Belastung der mit dem Gleichstromeingang verbundenen DC-Quelle so angesteuert, dass der Wechselrichter in einem spannungsstellenden Betrieb mit einer Spannung von Null am Wechselstromausgang betrieben wird. Bei einer solchen Ausführungsform, insbesondere bei Verbindung von Brückenzweigen aller drei Phasen eines dreiphasigen Systems, kann die Ansteuerung der Halbleiterschalter in gleicher Weise erfolgen, wie im regulären ein Speisebetrieb, wobei lediglich die Regelung des Wechselrichters in einem spannungsstellenden Betrieb auf einen Sollwert der Ausgangsspannung von Null, entsprechend dem durch die Verbindung der Brückenzweige vorliegenden Kurzschluss regeln muss. Bei Verbindung von zwei Phasen eines dreiphasigen Wechselrichters ist in einem spannungsstellenden Betrieb mit einer Ausgangsspannung von Null bei dem Verfahren zusätzlich noch eine Phasenverschiebung von 180° zwischen den Strömen anstelle einer im regulären Betrieb eines dreiphasigen Wechselrichters vorliegenden Phasenverschiebung von 120° einzustellen.
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Die Brückenschaltung für einen dreiphasigen Wechselrichter kann z. B. eine B6-Brückenschaltung sein.
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In einer Ausführungsform mit z. B. einem einphasigen Wechselrichter mit beispielsweise einer H4-Brückenschaltung oder einer H5-Brückenschaltung, die insgesamt zwei Brückenzweige aufweist, können diese beiden Brückenzweige miteinander verbunden sein.
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Auch bei einem einphasigen System kann eine Ansteuerung der Halbleiterschalter zur Belastung der mit dem Gleichstromeingang verbundenen DC-Quelle derart erfolgen, dass der Wechselrichter in einem spannungsstellenden Betrieb mit einer Spannung von Null am Wechselstromausgang betrieben wird.
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Bei einer Verbindung von nur zwei Brückenzweigen eines dreiphasigen Wechselrichters oder eines einphasigen Wechselrichters oder von parallelen Brückenzweigen einer Phase können die Halbleiterschalter der Brückenzweige jeweils derart angesteuert werden, dass sie als DC/DC-Wandler arbeiten. Eine Gleichspannungsdifferenz zwischen den beiden Brückenzweigen bestimmt dann den Stromfluss über die Verbindung zwischen den Brückenzweigen.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens ist damit das Maß der Belastung der an den Gleichstromeingang anschließbaren DC-Quelle durch die Ansteuerung der Halbleiterschalter einstellbar. Dabei ist insbesondere auch das Maß der Belastung durch die Wahl der Brückenzweige, deren Halbleiterschalter für das Verfahren genutzt werden, einstellbar. Eine einstellbare Belastung wird z. B. ermöglicht, indem beispielsweise beim Betrieb zweier Brückenzweige jeweils als DC/DC-Wandler über die Spannungsdifferenz zwischen den verbundenen Brückenzweigen der fließende Strom eingestellt wird. Dies kann auch für ein Monitoring beispielsweise einer Brennstoffzelle verwendet werden, indem ein V(I,t)-Spannungskennlinie aufgezeichnet wird.
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Eine Ansteuerung der Brückenzweige als DC/DC-Wandler ist auch bei drei oder mehr verbundenen Brückenzweigen möglich.
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Die Topologie der Wechselrichterbrücke ist für die Anwendung des Verfahrens nicht auf die die genannten B6-, H4- oder H5-Schaltungen beschränkt, sondern kann jede beliebige Topologie umfassen die mindestens zwei Brückenzweige aufweist. Anstelle einer Halbrücke können die Brückenzweige auch beispielsweise eine NPC-, auch bekannt als INPC-, eine BSNPC-, auch bekannt als TNPC-, oder eine ANPC-Topologie aufweisen.
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Ein Wechselrichter weist einen Gleichstromeingang und einen Wechselstromausgang und eine Brückenschaltung mit ansteuerbaren Halbleiterschaltern auf. Der Gleichstromeingang ist mit einer DC-Quelle verbindbar und die Brückenschaltung ist über Netzdrosseln mit dem Wechselstromausgang verbunden. Der Wechselstromausgang ist über Trennschalter mit einem AC-Netz verbindbar, wobei der Wechselrichter ausgelegt ist, von der DC-Quelle zur Verfügung gestellte elektrische Leistung in das AC-Netz einzuspeisen. Der Wechselrichter weist weiter eine Steuereinheit auf, die ausgelegt und eingerichtet ist, das zuvor beschriebene Verfahren auszuführen. Hierfür ist die Steuereinheit z. B. als Recheneinheit mit Speicher und Prozessor ausgebildet, wobei Anweisungen, die den Verfahrensschritten entsprechen, auf dem Prozessor ausgeführt werden können.
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Ein solcher Wechselrichter kann z. B. zur Entladung einer an den Gleichstromeingang angeschlossenen DC-Quelle verwendet werden. Dabei kann die Entladung mit einer Entladeleistung bis zur maximalen Verlustleistung der Halbleiterschalter erfolgen.
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Ein solcher Wechselrichter kann z. B. auch zur Ermittlung einer Leistungsverfügbarkeit einer an den Gleichstromeingang angeschlossenen DC-Quelle verwendet werden.
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Für die Anwendung zur Ermittlung der DC-seitigen Leistungsverfügbarkeit der DC-Quelle kann beispielsweise eine kurzzeitige Belastung der DC-Quelle bis zur maximalen Verlustleistung des Wechselrichters erfolgen und die Belastbarkeit der DC-Quelle aus ermittelten Strom- und Spannungswerten bestimmt werden.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird der Gegenstand der Anmeldung mithilfe von Figuren näher erläutert.
- 1 zeigt schematisch ein Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters;
- 2 zeigt schematisch einen Wechselrichter mit DC-Quelle und AC-Netz sowie Ausführungsbeispiele von Phasenzweigen;
- 3 zeigt Ausführungsbeispiele von Brückenzweigen mit Halbleiterschaltern;
- 4 bis 8 zeigen Ausführungsbeispiele von dreiphasigen Brückenschaltungen;
- 9 zeigt schematisch den Betrieb zweier Brückenzweige von 8;
- 10 und 11 zeigen Ausführungsbeispiele von einphasigen Brückenschaltungen.
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In den Figuren sind gleiche oder ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Figurenbeschreibung
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In 1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters 100 dargestellt. Der Wechselrichter 100 kann einphasig oder mehrphasig, beispielsweise zweiphasig oder dreiphasig ausgebildet sein und entsprechend mit einem einphasigen, einem zweiphasigen oder einem dreiphasigen AC-Netz verbindbar sein. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- a) Trennschalter, die den Wechselrichter mit einem AC-Netz verbinden, werden geöffnet.
- b) Halbleiterschalter T1, T2, T3, T4, T5, T6 von mindestens zwei Brückenzweigen 125 der Brückenschaltung 110 werden so angesteuert, dass eine an einen Gleichstromeingang des Wechselrichters 100 angeschlossene DC-Quelle 10 belastet wird.
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Die zumindest zwei Brückenzweige 125 sind dabei wechselstromseitig hinter zumindest einer Netzdrossel L1ac, L1ac_a, L1ac_b, L2ac, L2ac_a, L2ac_b, L3ac, L3ac_a, L3ac_b verbunden. Die Halbleiterschalter T1, T2, T3, T4, T5, T6 können daher so angesteuert werden, dass eine Gesamtheit von aus mindestens einem der mindestens zwei Brückenzweige 125 wechselstromseitig herausfließenden Ströme in ihrer Summe einer Gesamtheit von in mindestens einen anderen der mindestens zwei Brückenzweige 125 wechselstromseitig hineinfließenden Strömen entspricht. Dies bedeutet, dass die Summe der wechselstromseitig aus den Brückenzweigen 125 herausfließenden Ströme der Summe der wechselstromseitig in die Brückenzweige 125 hineinfließenden Ströme entspricht.
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In 2 ist ein solcher Wechselrichter 100, der für das Verfahren von 1 eingerichtet ist, dargestellt. Der Wechselrichter 100 weist einen Gleichstromeingang und einen Wechselstromausgang auf, wobei der Gleichstromeingang mit einer DC-Quelle 10 verbunden ist und drei Phasenzweige 120, 130 einer Brückenschaltung 110 mit dem Wechselstromausgang verbunden sind. Der Wechselstromausgang ist mit einem dreiphasigen AC-Netz 20 verbunden, wobei der Wechselrichter 100 ausgelegt ist, von der DC-Quelle 10 zur Verfügung gestellte elektrische Leistung in das AC-Netz 20 einzuspeisen. Der Wechselrichter 100 weist pro Phase des AC-Netzes 20 einen Phasenzweig 120,130 auf.
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Jeder Phasenzweig 120, 130 weist Brückenzweige 125 und passive Bauelemente wie Induktivitäten und Kapazitäten auf. Zum Anschluss an den Wechselstromausgang weist jeder Phasenzweig 120, 130 eine oder mehrere Netzdrosseln L1ac, L1ac_a, L1ac_b sowie zur Verbindung mit einem Mittenpotential M oder einem negativen Potential DC- der DC-Quelle 10 einen Kondensator C1ac auf. Der Phasenzweig 120, 130 kann als monolithischer Phasenzweig 120 oder als Phasenzweig 130 mit mehreren parallelen Brückenzweigen 125, hier beispielsweise zwei parallelen Brückenzweigen 125 ausgebildet sein. Die parallelen Brückenzweige 125 werden dabei bevorzugt im Interleaving-Verfahren betrieben, bei dem die Halbleiterschalter T1, T2, T3, T4, T5, T6 der Brückenzweige 125 versetzt zueinander getaktet werden.
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Weiterhin umfasst der Wechselrichter 100 eine Steuereinheit 150 zur Ansteuerung der Halbleiterschalter T1, T2, T3, T4, T5, T6 der Brückenzweige 125.
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Es ist möglich, im Wechselrichter 100 auf der DC-Seite zusätzliche DC/DC-Wandler zu integrieren. Als Leistungshalbleiter für die Halbleiterschalter T1, T2, T3, T4, T5, T6 können z. B. Si- oder SiC-Bauelemente, ausgeführt als IGBTs oder MOSFETs gewählt werden. Das Verfahren ist z. B. für dreistufige 3L- oder zweistufige 2L- oder mehrstufige (Multi-Level) Topologien verwendbar, jedoch nicht darauf beschränkt.
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Beispielhaft sind in 3 mögliche Topologien für die Brückenzweige 125 dargestellt. Dargestellt sind Anordnungen der Halbleiterschalter T1, T2, T3, T4, T5, T6 für eine TNPC-Topologie, die alternativ auch als BSNPC-Topologie bezeichnet wird, für eine INPC-Topologie, die alternativ auch als (Standard-)NPC-Topologie bezeichnet wird, und eine ANPC-Topologie, sowie ferner für eine Halbbrücke HB, welche beispielsweise bei B6-, H4- oder H5-Schaltungen zur Anwendung kommt.
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In 4 ist eine dreiphasige Brückenschaltung 110 mit monolithischen Phasenzweigen 120 dargestellt, bei der Relais R die Phasen miteinander verbinden. Trennschalter GR zur Trennung des Wechselrichters 100 vom AC-Netz 20 sind geöffnet. Jeder Phasenzweig 120 weist einen Brückenzweig 125 und passive Bauelemente wie Netzdrosseln L1ac, L2ac, L3ac und Kondensatoren C1ac, C2ac, C3ac auf, wobei die Brückenzweige 125 über die Netzdrosseln L1ac, L2ac, L3ac mit dem Wechselstromausgang verbunden sind. Jede Phase des Wechselstromausgangs ist über Trennschalter GR mit dem AC-Netz 20 verbindbar.
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Ein möglicher Energiefluss 140 stellt einen möglichen Pfad zur Verlustgenerierung zur Belastung der DC-Quelle 10 dar. Der Lastfluss 140 erfolgt über eines der Relais R, im dargestellten Beispiel zwischen Phase 1 und Phase 2.
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Bei dieser Ausführungsform wird ein AC-seitiger Kurzschluss von zwei Phasen des Wechselrichters 100 verwendet. Dazu werden die zwei AC-Phasen hinter den Netzdrosseln L1ac, L2ac über das Relais R kurzgeschlossen und die Halbleiterschalter T1, T2, T3, T4, T5, T6 beispielsweise so angesteuert, dass das System im DC/DC-Wandler-Betrieb betrieben wird. Alternativ können die Halbleiterschalter T1, T2, T3, T4, T5, T6 auch derart angesteuert werden, dass zwei um 180° phasenverschobene AC-Signale erzeugt werden und die Spannung am Wechselstromausgang auf null geregelt wird.
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In 5 ist eine dreiphasige Brückenschaltung 110 mit Phasenzweigen 130 in Interleaving-Topologie dargestellt. Die Trennschalter GR sind zur Trennung des Wechselrichters 100 vom AC-Netz 20 geöffnet. Jede Phase der Phasenzweige 130 weist parallele Subphasen Phase 1a, Phase1b, Phase 2a, Phase 2b, Phase 3a, Phase 3b auf. Jede Subphase weist jeweils einen Brückenzweig 125 und passive Bauelemente wie Netzdrosseln L1ac_a, L1ac_b, L2ac_a, L2ac_b, L3ac_a, L3ac_b und Kondensatoren C1ac, C2ac, C3ac auf, wobei die Brückenzweige 125 über die Netzdrosseln L1ac_a, L1ac_b, L2ac_a, L2ac_b, L3ac_a, L3ac_b mit dem Wechselstromausgang verbunden sind. Jede Phase des Wechselstromausgangs ist über Trennschalter GR mit dem AC-Netz 20 verbindbar.
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Bei der dreiphasigen Brückenschaltung 110 in 5 können optional Relais R verwendet werden. Eine Realisierung des Verfahrens ist hier jedoch auch ohne Relais R möglich. Ein möglicher Energiefluss 140 stellt einen möglichen Pfad zur Verlustgenerierung zur Belastung der DC-Quelle 10 dar. Im dargestellten Beispiel erfolgt der Lastfluss 140 ohne Relais R. Der Lastfluss 140 kann z. B. direkt über den Verbindungspunkt der Subphase Phase 1a und Phase 1b erfolgen.
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Ein möglicher Energiefluss 140 wie in 4 dargestellt über ein optionales Relais R, z. B. zwischen Phase 1 und Phase 2, wäre alternativ auch in bei der dreiphasigen Brückenschaltung 110 gemäß 5 möglich.
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In 6 ist eine Ausführungsform mit einer dreiphasigen Brückenschaltung 110 mit monolithischen Phasenzweigen 120 dargestellt, bei der alle drei Phasen über die zwei Relais R verbunden sind. Die Ansteuerung der Halbleiterschalter T1, T2, T3, T4, T5, T6 in den Brückenzweigen 125 erfolgt so, dass auf den AC-seitigen Kurzschluss gespeist wird und Energieflüsse 140 ermöglicht werden.
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Bei dieser Ausführungsform wird ein AC-seitiger Kurzschluss von drei Phasen des Wechselrichters 100 verwendet. Dazu werden die drei AC-Phasen hinter den Netzdrosseln L1ac, L2ac, L3ac über die Relais R kurzgeschlossen und die Halbleiterschalter so angesteuert, dass das System auf einen Kurzschluss getaktet wird. Alternativ können die Brückenzweige auch als DC/DC-Wandler betrieben werden.
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In 7 ist eine Ausführungsform einer dreiphasigen Brückenschaltung 110 mit Interleaving-Phasenzweigen 130 dargestellt, bei der alle drei Phasen - und damit auch die Subphasen - über die zwei Relais R verbunden sind. Die Ansteuerung der Halbleiterschalter T1, T2, T3, T4, T5, T6 in den Brückenzweigen 125 erfolgt so, dass auf den AC-seitigen Kurzschluss gespeist wird und Energieflüsse 140 ermöglicht werden. Alternativ können auch hier die Brückenzweige als DC/DC-Wandler betrieben werden.
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In 8 ist eine Ausführungsform einer dreiphasigen Brückenschaltung 110 mit Interleaving-Phasenzweigen 130 dargestellt. Der dreiphasige Wechselrichter 100 weist jeweils zwei Subphasen z. B. in ANPC-Topologie im Interleaving auf. Die Brückenzweige 125 sind z. B. in ANPC-Topologie ausgebildet und es sind bei diesem Ausführungsbeispiel keine Relais R zwischen den Phasen vorgesehen. Der Wechselrichter 100 weist damit für jede der drei Phasen zwei Brückenzweige auf, die sowohl auf der AC-Seite, als auch auf der DC-Seite parallelgeschaltet sind. Optional kann der Wechselrichter 100 auch mehr Subphasen pro Phase aufweisen.
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Das AC-Netz 20 kann über die Trennschalter GR von dem Wechselrichter 100 getrennt werden.
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Das Verfahren zum Betrieb des Wechselrichters 100 in 8 kann z. B. die folgenden Schritte aufweisen:
- a) Öffnen der Trennschalter GR zur Trennung des Wechselrichters 100 vom AC-Netz 20. Dadurch sind jeweils Subphasen 1a und 1b sowie Subphasen 2a und 2b sowie Subphasen 3a und 3b parallel zueinander geschaltet.
- b) Umschaltung des Betriebsverfahrens auf der AC-Seite der Phasen von AC-Stromgeregelt auf DC-Strom- oder Spannungsgeregelt. Dabei werden die Halbleiterschalter T1, T2, T3, T4, T5, T6 der Brückenzweige 125 so angesteuert, dass die Brückenzweige 125 in Verbindung mit den Netzdrosseln L1ac_a, L1ac_b, L2ac_a, L2ac_b, L3ac_a, L3ac_b und den Kondensatoren C1ac, C2ac, C3ac die Funktion von DC/DC-Wandlern annehmen (9).
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In 9 ist dies beispielhaft anhand der Phasen 1a und 1b dargestellt. Die Regelung der Verlustleistung und damit auch die Identifikation der gewünschten DC-Leistung für eine sichere und zuverlässige AC-Netzzuschaltung und/oder für eine gewünschte Entladeleistung der DC-Quelle kann über den Strom I erfolgen, der aus der Differenz der Spannungen Vc1 und Vc2 resultiert, die als Sollwerte für die Ausgangsspannungen der beiden DC/DC-Wandler eingestellt sind.
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In 10 ist eine Brückenschaltung 110 in H4-Topologie für einen einphasigen Wechselrichter 100 dargestellt. Die Phasenzweige 120 einer H4-Topologie sind gleich den Phasenzweigen 120 einer dreiphasigen B6-Brückenschaltung. Die Brückenzweige 125 sind als Halbbrücken ausgeführt und über die Netzdrosseln L1ac und L2ac mit dem Wechselstromausgang verbunden, welcher über die Trennschalter GR mit dem AC-Netz 30 verbindbar ist. Die Phasenzweige 120 sind über das Relais R zur Ausführung des Verfahrens, insbesondere zur Eigenverbrauchsgenerierung, verbindbar.
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Im unteren Teil von 10 ist beispielhaft ein Lastfluss 140 zur Ausführung des Verfahrens, insbesondere zur Eigenverbrauchsgenerierung, für eine einphasige H4-Topologie mit Relais R zur Verbindung der zwei Phasen dargestellt. Die Trennschalter GR sind geöffnet und es kann über das Relais R ein Lastfluss 140 zwischen den Halbbrücken T1/T2 und T3/T4 erzeugt werden. Die Ansteuerung der Halbleiterschalter T1, T2, T3, T4 der Brückenzweige 125 erfolgt hierbei analog zur Ansteuerung von 4, 8 / 9 entweder durch einen Betrieb der Brückenzweige 125 in Verbindung mit den Netzdrosseln L1ac und L2ac sowie den Kondensatoren C1ac und C2ac als DC/DC-Wandler oder durch einen Betrieb der Brückenzweige 125 als Wechselrichterbrücke, deren Ausgangspannung entsprechend dem vorliegenden Kurzschluss auf null geregelt wird.
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In 11 ist beispielhaft ein Lastfluss 140 zur Ausführung des Verfahrens, insbesondere zur Eigenverbrauchsgenerierung, für eine einphasige H5-Topologie mit Relais R zur Verbindung der zwei Phasen dargestellt. Die Trennschalter GR sind geöffnet und es kann über das Relais R ein Lastfluss 140 zwischen den Halbbrücken T1/T2 und T3/T4 erzeugt werden. Die Ansteuerung der Halbleiterschalter T1, T2, T3, T4, T5 der Brückenzweige 125 erfolgt hierbei analog zur Ansteuerung von 4, 8 / 9 entweder durch einen Betrieb der Brückenzweige 125 in Verbindung mit den Netzdrosseln L1ac und L2ac sowie den Kondensatoren C1ac und C2ac als DC/DC-Wandler oder durch einen Betrieb der Brückenzweige 125 als Wechselrichterbrücke, deren Ausgangspannung entsprechend dem vorliegenden Kurzschluss auf null geregelt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- DC-Quelle
- 20
- AC-Netz, mehrphasig
- 30
- AC-Netz, einphasig
- 100
- Wechselrichter
- 110
- Brückenschaltung
- 120
- Phasenzweig, monolithisch
- 125
- Brückenzweig
- 130
- Phasenzweig, interleaved
- 140
- Energiefluss
- 150
- Steuereinheit
- GR
- Trennschalter
- R
- Relais
- C1ac, C2ac, C3ac
- Kapazität
- L1ac, L1ac_a, L1ac_b, L2ac, L2ac_a, L2ac_b, L3ac, L3ac_a, L3ac_b
- Netzdrosseln
- a), b)
- Verfahrensschritte
- DC+
- pos. Gleichspannungspotential
- DC-
- neg. Gleichspannungspotential
- M
- Mittenpotential
- AC
- Wechselspannung, Wechselstrom
- L1, L2, L3
- Leiter AC-Netz
- N
- Neutralleiter AC-Netz
- I
- Strom
- VC1, VC2
- Spannung
- T1, T2, T3, T4, T5, T6
- Halbleiterschalter
