DE202006001063U1

DE202006001063U1 - Wechselrichter zur Einspeisung elektrischer, mit einer PV-Anlage o.dgl. erzeugter Energie in ein Energieversorgungsnetz

Info

Publication number: DE202006001063U1
Application number: DE202006001063U
Authority: DE
Original assignee: Inst Solare Energieversorgungstechnik Iset; Institut fuer Solare Energieversorgungstechnik ISET
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2006-01-23
Filing date: 2006-01-23
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2016-01-24

Abstract

Wechselrichter zur Einspeisung elektrischer, mit einer PV-Anlage (2) od. dgl. erzeugter Energie in die drei Außenleiter (L1, L2, L3) eines dreiphasigen Energieversorgungsnetzes (3), enthaltend einen zum Anschluss an die PV-Anlage (2) od. dgl. bestimmten Eingang (4a, 4b), einen Ausgang mit zum Anschluss an die drei Außenleiter (L1, L2, L3) des Netzes (3) bestimmten Anschlüssen (5a, 5b, 5c), ggf. einen an den Eingang (4a, 4b) angeschlossenen, durch MPP-Tracking (6) geregelten DC-Wand-ler (7), eine an den Wandler (7) angeschlossene Brückenschaltung (10), die eine Mehrzahl von elektronischen, mit Steuerleitungen (35a bis 35f) versehenen, zu den Anschlüssen (5a, 5b, 5c) führenden Schaltern (20 bis 25) aufweist, und eine mit den Steuerleitungen (35a bis 35f) verbundene Steuereinrichtung (11), dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (7) als eine Stromquelle für die Brückenschaltung (10) ausgebildet ist, die Schalter (20 bis 25) direkt mit den Ausgangs-Anschlüssen (5a, 5b, 5c) verbunden sind und die Steuereinrichtung (11) zur Steuerung der Schalter...

Description

Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.
Wechselrichter dieser Art werden bisher überwiegend an PV-Module mit Ausgangsspannungen von 60 V bis 70 V, maximal bis 400 V angeschlossen und weisen daher Hochsetzsteller auf. Diese sind als Spannungsquellen für mit ihnen verbundene Brückenschaltungen ausgebildet und mit vergleichsweise großen Speicherkondensatoren versehen. Die Brückenschaltungen werden durch Pulsweitenmodulation (PWM) mit Frequenzen von z. B. 8 kHz bis 100 kHz betrieben. Das erfordert einerseits die Anwendung schneller und daher kostspieliger Schalter und macht andererseits eine Filterung der von der Brückenschaltung abgegebenen Rechteckspannungen erforderlich, um wenigstens angenähert sinusförmige Ströme in das Netz einspeisen zu können. Durch die Filterung und die PWM-Steuerung ergeben sich außerdem nicht unbeträchtliche Verluste, was den Wirkungsgrad der Wechselrichter reduziert. Schließlich werden für die Kondensatoren und Netzfilter sperrige Bauelemente benötigt, so dass die Wechselrichter insgesamt vergleichsweise großvolumig ausgebildet sind und sich nur schlecht oder gar nicht zum direkten Einbau in ein PV-Modul eignen.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Wechselrichter der eingangs bezeichneten Gattung so auszubilden, dass er kostengünstig und mit kleinerem Bauvolumen hergestellt werden kann, einen höheren Wirkungsgrad besitzt und in gleicher Weise für PV-Module mit niedrigen oder hohen Ausgangsspannungen geeignet ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
Die Erfindung bringt vor allem den Vorteil mit sich, dass der Wechselrichter mit Netzfrequenz betrieben wird und die Einspeisung der elektrischen Energie in das Netz durch blockförmige Stromeinspeisung erfolgt. Dadurch entfallen aufwendige Schalter und Filter. Außerdem wird der DC-Wandler erfindungsgemäß als Strom- und nicht als Spannungsquelle verwendet, so dass keine großen und kostspieligen Kondensatoren benötigt werden. Dadurch reduzieren sich die Kosten, die Baugröße und die Störanfälligkeit. Die DC-Wandler können in vorteilhafter Weise sowohl als Tiefsetz- als auch als Hochsetzsteller ausgebildet werden.
Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen, an eine PV-Anlage und ein Energieversorgungsnetz angeschlossenen Wechselrichters;
2 Einzelheiten des Wechselrichters nach 1, der hier einen als Tiefsetzsteller ausgebildeten DC-Wandler aufweist;
3 ein Diagramm mit den Schaltzeitpunkten für aus 2 ersichtliche Schalter des Wechselrichters;
4 eine mit dem Wechselrichter nach 2 erzeugte, blockweise Stromeinspeisung in ein Energieversorgungsnetz; und
5 Einzelheiten des Wechselrichters nach 1, der hier einen als Hochsetzsteller ausgebildeten DC-Wandler aufweist.
1 zeigt schematisch einen Wechselrichter 1 zur Einspeisung der von einer PV-Anlage 2 erzeugten elektrischen Energie in ein dreiphasiges Energieversorgungsnetz 3. Der Wechselrichter 1 enthält einen Eingang mit zwei Anschlüssen 4a (positiv) und 4b (negativ), die an die entsprechenden Ausgangsanschlüsse der PV-Anlage 2, z. B. eines 800 V-PV-Moduls od. dgl. angeschlossen sind, und einen drei Anschlüsse 5a, 5b und 5c aufweisenden Ausgang für die drei Phasen des Netzes 3. Der Wechselrichter 1 wird in der bei PV- oder Solaranlagen üblichen Weise mit Hilfe eines Reglers 6 in Form eines MPPT (Maximum Power Point Tracking) so betrieben, dass die PV-Anlage 2 unter allen gegebenen Bedingungen ihre maximal mögliche Leistung abgibt.
Nach 1 und 2 weist der Wechselrichter 1 einen mit seinem Eingang 4a, 4b verbundenen DC-Wandler 7 auf, der einen Ausgang mit zwei Anschlüssen 8a und 8b hat, an die der ebenfalls zwei Anschlüsse 9a, 9b aufweisende Eingang einer Brückenschaltung 10 angeschlossen ist, die drei mit den Ausgangs-Anschlüssen 5a, 5b und 5c des Wechselrichters 1 verbundene Ausgangsleitungen aufweist. Der Brückenschaltung 10 ist außerdem eine Steuereinrichtung 11 des Wechselrichters 1 zugeordnet, von der sie in der weiter unten beschriebenen Weise gesteuert wird. Dabei ist nach einem Merkmal der Erfindung vorgesehen, die Brückenschaltung 10 mit der Netzfrequenz, d. h. z. B. mit einer Frequenz von 50 Hz zu steuern, weshalb die Steuereinrichtung 11 über einen Eingang mit drei Anschlüssen 12a, 12b und 12c verfügt, die wie die Ausgänge 5a, 5b und 5c mit den drei Phasen bzw. Außenleitern L1, L2 und L3 des Netzes 3 verbunden werden.
Bei dem aus 2 ersichtlichen Ausführungsbeispiel ist der Wandler 7 (1) des Wechselrichters 1 als ein Tiefsetzsteller 14 ausgebildet, der in üblicher Weise einen mit dem positiven Anschluss 4a verbundenen, vom Regler 6 gesteuerten Schalter 15 und eine an dessen Ausgang angeschlossene Drossel 16 aufweist, deren Ausgang mit dem Anschluss 8a verbunden ist. Außerdem liegt parallel zu den Anschlüssen 4a, 4b ein Kondensator 17. Weiter liegt zwischen dem Eingang der Drossel 16 und dem Anschluss 4b eine Diode 18. Aufgrund dieser Anordnung wird mit der Drossel 16 ein von der Ausgangsspannung der PV-Anlage 2 weitgehend unabhängiger Gleichstrom erzeugt.
Die Brückenschaltung 10 weist im Ausführungsbeispiel sechs Schalter 20 bis 25 auf, die paarweise seriell zwischen zwei mit den Eingangs-Anschlüssen 9a, 9b verbundene Leitungen 26 und 27 geschaltet sind. Außerdem ist eine die Schalter 20, 21 auch seriell verbindende Ausgangsleitung 28 an den Ausgangs-Anschluss 5a, eine die Schalter 22, 23 auch seriell verbindende Ausgangsleitung 29 an den Ausgangs-Anschluss 5b und eine die Schalter 24, 25 auch seriell verbindende Ausgangs-Leitung 30 an den Ausgangs-Anschluss 5c angeschlossen. Daher führt die Ausgangs-Leitung 28 zu dem mit L1 bezeichneten Außenleiter des Netzes 3, während die Ausgangs-Leitungen 29, 30 entsprechend zu den mit L2 und L3 bezeichneten Außenleitern des Netzes 3 führen.
Mit den Eingangs-Anschlüssen 12a, 12b und 12c sind paarweise drei in der Steuereinrichtung 11 vorgesehene Spannungsmesser 31, 32 und 33 verbunden. Diese dienen dazu, die Spannungen zwischen den Ausgangs-Anschlüssen 5a, 5b und 5c bzw. den Außenleitern L1 und L2 bzw. L2 und L3 bzw. L1 und L3 zu messen und den gemessenen Differenzen entsprechende Signale an eine Steuereinheit 34 der Steuereinrichtung 11 weiterzuleiten. Die Steuereinheit 34 ist mit sechs Ausgangs-Anschlüssen der Steuereinrichtung 11 verbunden, die über je eine Steuerleitung 35a bis 35f an je einen Steuereingang eines der Schalter 20 bis 25 angeschlossen sind. Außerdem ist die Steuereinheit 34 mit an die Spannungsmesser 31 bis 33 angeschlossenen Schwellwertschaltern, Vergleichern od. dgl. ausgerüstet und so eingerichtet, dass die Schalter 20 bis 25 immer dann ein- bzw. ausgeschaltet werden, wenn die Differenzen der Spannungen an den Außenleitern L1 bis L3 vorgewählte Werte über- oder unter schreiten.
Der Wechselrichter 1 nach 2 eignet sich insbesondere für den Fall, dass am Ausgang der PV-Anlage 2 eine vergleichsweise große Gleichspannung abgegeben wird. Das ist z. B. der Fall, wenn es sich bei der PV-Anlage 2 um ein aus 400 Dünnschichtzellen zusammengesetztes PV-Modul mit einer Ausgangsspannung von 800 V bei einer vergleichsweise kleinen Leistung von z. B. 200 W handelt. Der Tiefsetzsteller 7 wird zu diesem Zweck nicht, wie bisher bei der Anwendung von Hochsetzstellern allgemein üblich, als Spanungsquelle, sondern als Stromquelle bzw. Stromzwischenkreis verwendet, der der Brückenschaltung 10 über die Drossel 16 einen mehr oder weniger konstanten, entsprechend dem Solarangebot schwankenden Strom von z. B. 300 mA zuführt. Dieser Strom wird mit Hilfe der Brückenschaltung 10 und der Schalter 20 bis 25 blockweise in das Netz 3 eingespeist.
Eine blockförmige Stromeinspeisung in das Netz 3 bei Anwendung der in 2 dargestellten Steuereinheit 34 für die Schalter 20 bis 25 wird nachfolgend anhand der 3 und 4 näher erläutert. Dabei sind in 3 längs der Abszisse die Zeitpunkte in Millisekunden während einer Periode einer sinusförmigen Netzspannung und in Zeilen a bis c längs der Ordinate Spannungswerte der drei Phasen L1, L2 und L3 in Volt abgetragen. Dagegen sind in 4 längs der Ordinate wiederum die Zeitpunkte während einer Periode in ms, längs der Ordinate dagegen links die für je eine Phase L1, L2, L3 erhaltenen Spannungen in Volt und rechts die Amplituden der eingespeisten Stromblöcke in Milliampère abgetragen. In 3 ist außerdem in den ersten drei Zeilen a bis c der Verlauf der Spannungsdifferenzen dargestellt, die sich in den Außenleitern L1 bis L3 ergeben und in 3 mit UL1 – UL2 (gemessen am Spannungsmesser 31), UL2 – UL3 (gemessen am Spannungsmesser 32) und UL3 – ULl (gemessen am Spannungsmesser 33) bezeichnet sind, wobei für die drei Phasen L1 bis L3 des Netzes 3 jeweils ein sinusförmiger Verlauf bei einer Netzfrequenz von 50 Hz und die übliche Phasenverschiebung von 2Π/3 vorausgesetzt sind. Demgemäß zeigt 3, dass eine Periode (360°) über 20 ms erstreckt ist und die Phasenverschiebung jeweils 6,67 ms (120°) beträgt.
Die Steuereinheit 34 der Steuereinrichtung 11 ist wie folgt ausgebildet:
Wenn die Spannungsdifferenz UL1 – UL2 größer als 0 und gleichzeitig die Spannungsdifferenz UL3 – UL1 kleiner als 0 ist (vgl. Zeilen a und c in 3), dann ist über die Steuerleitung 35a der Schalter 20 eingeschaltet bzw. leitend (Zeile d in 3). Weiter ist gemäß Zeilen a, c und e in 3 der Schalter 21 über die Steuerleitung 35b leitend gemacht, wenn UL1 – UL2 kleiner 0 V und gleichzeitig UL3 – UL1 größer als 0 V ist usw., und schließlich wird gemäß Zeilen b, c und i in 3 der Schalter 25 durch die Steuerleitung 35f in den leitenden Zustand gebracht, wenn die Sparmungsdifferenz UL3 – UL1 kleiner als 0 V und gleichzeitig die Spannungsdifferenz UL2 – UL3 größer als 0 V ist. Insgesamt ergeben sich somit folgende Bedingungen für leitende Schalterzustände:

Schalter 20 leitend: UL1 – UL2 > 0 V und UL3 – UL1 < 0 V
Schalter 21 leitend: UL1 – UL2 < 0 V und UL3 – UL1 > 0 V
Schalter 22 leitend: UL2 – UL3 > 0 V und UL1 – UL2 < 0 V
Schalter 23 leitend: UL2 – UL3 < 0 V und UL1 – UL2 > 0 V
Schalter 24 leitend: UL3 – UL1 > 0 V und UL2 – UL3 < 0 V
Schalter 25 leitend: UL3 – UL1 < 0 V und UL2 – UL3 > 0 V.

Bei allen anderen als den genannten Spannungsdifferenzen sind die Schalter 20 bis 25 jeweils geschlossen bzw. nicht leitend.
Aufgrund der beschriebenen Schaltzustände ergeben sich in 2 z. B. folgende Strompfade für eine in 3 dargestellte, von 0 bis 20 ms dauernde Periode:
In den ersten ca. 1,6 ms sind die Schalter 23 und 24 leitend. Es besteht daher ein Strompfad von der positiven Leitung 26 durch den Schalter 24 zur Phase L3 und zurück von der Phase L2 durch den Schalter 23 zur negativen Leitung 27. Das hat gemäß 4 zur Folge, dass ein positiver Strom durch den Schalter 24 (Phase L3) und ein negativer Strom durch den Schalter 23 (Phase 2) fließt. Im Intervall von ca. 1,6 ms bis ca. 5 ms sind nach 3 die Schalter 20 und 23 leitend, so dass ein Strompfad von 26 über 20 zu L1 und zurück L2 zu 23 und 27 vorhanden ist. Daher fließt nach 4 ein positiver Strom durch den Schalter 20 (Phase 1) und ein negativer Strom durch den Schalter 23 (Phase 2).
Im nächsten Intervall bis ca. 8,3 ms ergeben sich die aus 3 ersichtlichen Schalterzustände mit der Folge, dass gemäß 4 ein positiver Strom durch den Schalter 20 (Phase 1) und ein negativer Strom durch den Schalter 25 (Phase 3) fließt.
Das Ende einer Periode ist bei der aus 3 und 4 ersichtlichen Darstellung nach 20 ms erreicht, wobei in den letzten ca. 1,6 ms die Schalter 23 und 24 leitend sind. Daher fließt jetzt gemäß 3 und 4 ein positiver Strom von der Leitung 26 durch den Schalter 24 zum Außenleiter der Phase L3 und ein negativer Strom vom Außenleiter der Phase L2 über den Schalter 23 zur Leitung 27, was dem Zustand im oben beschriebenen Intervall von 0 bis ca. 1,6 ms entspricht.
Wie 4 zeigt, werden somit abwechselnd positive und negative Stromblöcke 38a, 38b (Phase L1) bzw. 39a, 39b (Phase L2) bzw. 40a, 40b (Phase L3) erzeugt und in das Netz eingespeist.
Der Spannungsvergleich mit Hilfe der Spannungsmesser 31, 32 und 33 kann digital unter Anwendung einer entsprechend programmierten Software oder analog mit entsprechend ausgelegten Vergleicherschaltungen od. dgl. vorgenommen werden. Da derartige Maßnahmen dem Fachmann bekannt sind, wird auf deren detaillierte Erläuterung verzichtet.
Wie insbesondere 2 zeigt, besteht ein besonderer Vorteil des Wechselrichters 1 in der Einfachheit seines Aufbaus. Es werden weder groß dimensionierte und teure Kondensatoren noch aufwendige Filter am Ausgang der Brückenschaltung 10 benötigt. Denn einerseits dient der Kondensator 17 lediglich dazu, etwaige zeitliche Schwankungen der von der PV-Anlage 2 abgenommenen Leistung auszugleichen, während andererseits die Steuerung der Schalter 20 bis 25 mit Netzfrequenz anstatt mit hochfrequenter PWM erfolgt, so dass keine glättenden Filterelemente erforderlich sind. Eine Folge dieses einfachen Aufbaus sind reduzierte Kosten z. B. aufgrund niederfrequent arbeitender Schalter, eine verringerter Störanfälligkeit und damit Wartungshäufigkeit aufgrund der kleinen Anzahl an Bauteilen, ein hoher Wirkungsgrad aufgrund geringer Verluste, die sonst z. B. durch hohe Schaltfrequenzen und Filterung entstehen, und ein reduzierter Raumbedarf, da sperrige Kondensatoren und Filter wie z. B. Drosseln entfallen. Der erfindungsgemäße Wechselrichter eignet sich daher vor allem zum direkten Einbau in ein PV-Modul.
Das in 5 stark vereinfacht und ohne die Steuereinrichtung 11 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wechselrichters entspricht dem Ausführungsbeispiel nach 2 bis auf den Unterschied, dass sein Wandler 7 (1) hier als Hochsetzsteller 41 ausgebildet ist. Gleiche Teile sind daher in 5 mit denselben Bezugszeichen wie in 2 versehen. Der Hochsetzsteller 14 enthält wie üblich eine mit dem Eingang 4a verbundene Drossel 42, eine mit deren Ausgang verbundene, in die Leitung 26 geschaltete Diode 43 und einen mit den Anschlüssen 4a und 4b verbundenen Schalter 44, der analog zu 1 und 2 durch einen in 5 nicht dargestellten MPPT-Regler geschaltet wird. Im übrigen entspricht der Wechselrichter nach 5 konstruktiv und im Hinblick auf die mit ihm erzielbaren Vorteile dem Wechselrichter nach 2, weshalb auf weitere Erläuterungen verzichtet wird.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die auf vielfache Weise abgewandelt werden können. Das gilt zunächst für die Frequenz, mit der die Schalter der Brückenschaltung betrieben werden, da die Netzfrequenz auch beispielsweise 60 Hz betragen könnte. Weiterhin können anstelle der Spannungsmesser 31 bis 33 andere Mittel zur Messung der paarweise zwischen den Außenleitern L1 bis L3 auftretenden Spannungsdifferenzen vorgesehen werden. Auch die Ein- und Ausschaltzeitpunkte für die Schalter 20 bis 25 können anders gewählt werden, als aus 3 ersichtlich ist, um andere als die in 4 gezeigte Stromblöcke zu erzeugen. Weiterhin ist klar, dass die Ausgangsleitungen 28, 29 und 30 bzw. die Ausgangs- Anschlüsse 5a, 5b und 5c anders als bisher nicht über Filter od. dgl., sondern direkt mit den Außenleitern L1, L2 und L3 verbunden sind. Dabei wird unter der Bezeichnung "direkt" verstanden, dass zwischen den Ausgangsleitungen 28, 29 bzw. 30 und dem Netz 3 keine Filterelemente oder andere für den Betrieb des Wechselrichters unverzichtbare Mittel angeordnet sind, andere Bauteile wie z. B. Sicherungen, die weder die Funktion noch die oben erläuterten Vorteile des Wechselrichters beeinträchtigen, jedoch zusätzlich vorhanden sein könnten. Weiterhin lässt sich der beschriebene Wechselrichter in entsprechender Abänderung für ein einphasiges System anwenden. Außerdem können andere Energieerzeuger, insbesondere Brennstoffzellen od. dgl. anstatt Solarzellen verwendet werden. Schließlich versteht sich, dass die verschiedenen Merkmale auch in anderen als den beschriebenen und dargestellten Kombinationen angewendet werden können.

Claims

Wechselrichter zur Einspeisung elektrischer, mit einer PV-Anlage (2) od. dgl. erzeugter Energie in die drei Außenleiter (L1, L2, L3) eines dreiphasigen Energieversorgungsnetzes (3), enthaltend einen zum Anschluss an die PV-Anlage (2) od. dgl. bestimmten Eingang (4a, 4b), einen Ausgang mit zum Anschluss an die drei Außenleiter (L1, L2, L3) des Netzes (3) bestimmten Anschlüssen (5a, 5b, 5c), ggf. einen an den Eingang (4a, 4b) angeschlossenen, durch MPP-Tracking (6) geregelten DC-Wand-ler (7), eine an den Wandler (7) angeschlossene Brückenschaltung (10), die eine Mehrzahl von elektronischen, mit Steuerleitungen (35a bis 35f) versehenen, zu den Anschlüssen (5a, 5b, 5c) führenden Schaltern (20 bis 25) aufweist, und eine mit den Steuerleitungen (35a bis 35f) verbundene Steuereinrichtung (11), dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (7) als eine Stromquelle für die Brückenschaltung (10) ausgebildet ist, die Schalter (20 bis 25) direkt mit den Ausgangs-Anschlüssen (5a, 5b, 5c) verbunden sind und die Steuereinrichtung (11) zur Steuerung der Schalter (20 bis 25) mit einer der Netzfrequenz entsprechenden Schaltfrequenz eingerichtet ist und dazu drei mit den Ausgangs-Anschlüssen (5a, 5b, 5c) verbundene Eingangs-Anschlüsse (12a, 12b, 12c) aufweist.
Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (11) mit ihren Eingangs-Anschlüssen (12a, 12b, 12c) verbundene Mittel (31, 32, 33) zur Messung der Spannungsdifferenzen in den drei Außenleitern (L1, L2, L3) aufweist.
Wechselrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (7) als Tiefsetzsteller (14) ausgebildet ist.
Wechselrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (7) als Hochsetzsteller (41) ausgebildet ist.
Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (11) mit je zwei ihrer Eingangs-Anschlüsse (12a, 12b, 12c) verbundene Spannungsmesser (31, 32, 33) enthält und so eingerichtet ist, dass die Schalter (20 bis 25) beim Über- oder Unterschreiten vorgewählter Spannungsdifferenzen zwischen den Außenleitern (L1, L2, L3) paarweise ein- bzw. ausgeschaltet werden.
Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass er für einen einphasigen statt dreiphasigen Betrieb ausgelegt ist.