DE202010000493U1 - Aufwärtswandler-Anordnung - Google Patents

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Abstract

Aufwärtswandler-Anordnung (4), die einen Verstärkereingang (41), einen Verstärkerausgang (42), eine Aufwärtswandlereinheit (BCU1) und eine Steuereinheit (CU) umfasst, wobei der Verstärkereingang (41) ausgebildet ist, um mit einer Gleichspannungsquelle verbunden zu werden, die eine Eingangsgleichspannung (DCIN) zuführt, wobei die Aufwärtswandlereinheit (BCU1) einen steuerbaren Schalter (S11) und eine Eingangsspule (L11) umfasst, und wobei die Aufwärtswandler-Anordnung (4) ausgebildet ist, um die Eingangsgleichspannung (DCIN) zu einer Ausgangsgleichspannung (DCOUT) zu wandeln, die höher als die Eingangsgleichspannung (DCIN) ist, und um die Ausgangsgleichspannung (DCOUT) zu dem Verstärkerausgang (42) zu geben, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufwärtswandler-Anordnung (4) weiterhin wenigstens eine zusätzliche Aufwärtswandlereinheit (BCU2, BCU3) umfasst, wobei jede zusätzliche Aufwärtswandlereinheit (BCU2) einen steuerbaren Schalter (S21) und eine Eingangsspule (L21) umfasst, wobei die Aufwärtswandlereinheiten der Aufwärtswandler-Anordnung parallel verbunden sind, und wobei die Steuereinheit (CU) ausgebildet ist, um die steuerbaren Schalter (S11 bis S32) der Aufwärtswandlereinheiten derart zu steuern, dass eine Phasenverschiebung zwischen den Operationen der verschiedenen Aufwärtswandlereinheiten (BCU1, BCU2, BCU3)...

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Aufwärtswandler-Anordnung gemäß dem Vorbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.
  • Ein Aufwärtswandler ist ein Leistungswandler, der ausgebildet ist, um eine Gleichspannung zu erhöhen. Der Betrieb eines Aufwärtswandlers beruht auf dem Zusammenwirken zwischen einer Spule und einem steuerbaren Schalter, sodass die Spule wiederholt geladen und entladen wird. Wegen dieses Betriebsprinzips des Aufwärtswandlers enthält der Eingangsstrom des Aufwärtswandlers eine große Welligkeit. Der Eingangsstrom eines Aufwärtswandlers kann geglättet werden, indem die Induktivität einer Eingangsspule erhöht wird.
  • Eines der mit einem einfachen, zweistufigen Aufwärtswandler assoziierten Probleme besteht darin, dass eine Eingangsspule eines Hochleistungs- und/oder Hochspannungssystems eine große und kostspielige Komponente ist. Dieses Problem kann durch die Verwendung eines dreistufigen Aufwärtswandlers gemildert werden.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Welligkeit des Eingangsstroms eines Aufwärtswandlers weiter zu reduzieren. Diese Aufgabe der Erfindung wird durch eine Aufwärtswandler-Anordnung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden durch die abhängigen Ansprüche angegeben.
  • Die Erfindung beruht auf der Idee, eine Vielzahl von Aufwärtswandlereinheiten parallel miteinander zu verbinden und die parallel verbundenen Aufwärtswandlereinheiten derart zu steuern, dass eine Phasenverschiebung zwischen den Operationen der einzelnen Aufwärtswandlereinheiten vorhanden ist.
  • Ein Vorteil der Aufwärtswandler-Anordnung der Erfindung besteht darin, dass die Welligkeit des Eingangsstroms reduziert wird.
  • Im Folgenden wird die Erfindung im größeren Detail anhand von bevorzugten Ausführungsformen und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
  • 1 zeigt einen Schaltplan eines Solarkraftwerks, das eine Aufwärtswandler-Anordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst.
  • 2 zeigt den Schaltplan von 1 mit einer alternativen Wechselrichtereinrichtung.
  • In dem Schaltplan von 1 umfasst ein Solarkraftwerk eine Solarzelleneinrichtung 2, eine Aufwärtswandler-Anordnung 4 und eine Wechselrichtereinrichtung 6. Die Solarzelleneinrichtung 2 umfasst eine Solarzelle 22, die ausgebildet ist, um Sonnenenergie zu einem Gleichstrom zu wandeln. Die Aufwärtswandler-Anordnung 4 umfasst einen Verstärkereingang 41, drei parallel verbundene Aufwärtswandlereinheiten BCU1, BCU2 und BCU3, einen Verstärkungsausgang 42, eine Kondensatoreinrichtung und eine Steuereinheit CU.
  • Die Solarzelleneinrichtung 2 ist ausgebildet, um eine Eingangsgleichspannung DCIN in den Verstärkeingang 41 einzugeben. Ein Solarzellenkondensator C22 ist zwischen dem positiven Anschluss und dem negativen Anschluss der Solarzelle 22 verbunden. Die Aufwärtswandler-Anordnung 4 ist ausgebildet, um die Eingangsgleichspannung DCIN zu einer Ausgangsgleichspannung DCOUT zu wandeln, die höher als die Eingangsgleichspannung DCIN ist und die Ausgangsgleichspannung DCOUT zu dem Verstärkerausgang 42 zu geben.
  • Jede der Aufwärtswandlereinheiten BCU1, BCU2 und BCU3 ist eine dreistufige Aufwärtswandlereinheit. Der Aufbau jeder der Aufwärtswandlereinheiten BCU1, BCU2 und BCU3 ist dem Aufbau eines bekannten dreistufigen Aufwärtswandler ähnlich. Die Aufwärtswandlereinheiten BCU1, BCU2 und BCU3 sind jeweils identisch.
  • Jede Aufwärtswandlereinheit BCU1, BCU2 und BCU3 umfasst zwei steuerbare Schalter sowie weiterhin für jeden der steuerbaren Schalter jeweils eine Eingangsspule und eine Schutzdiode. Die Aufwärtswandlereinheit BCU1 umfasst steuerbare Schalter S11 und S12, Eingangsspulen L11 und L12 und Schutzdioden D11 und D12. Die Aufwärtswandlereinheit BCU2 umfasst steuerbare Schalter S21 und S22, Eingangsspulen L21 und L22 und Schutzdioden D21 und D22. Die Aufwärtswandlereinheit BCU3 umfasst steuerbare Schalter S31 und S32, Eingangsspulen L31 und L32 und Schutzdioden D31 und D32.
  • Die Steuereinheit CU der Aufwärtswandler-Anordnung ist ausgebildet, um die steuerbaren Schalter S11 bis S32 der Aufwärtswandlereinheiten BCU1, BCU2 und BCU3 derart zu steuern, dass eine Phasenverschiebung von 2π/3 rad zwischen den Operationen der verschiedenen Aufwärtswandlereinheiten vorhanden ist. Die Phasenverschiebung der Aufwärtswandlereinheit BCU1 ist gleich null rad; die Phasenverschiebung der Aufwärtswandlereinheit BCU2 ist gleich 2π/3 rad (120°); und die Phasenverschiebung der Aufwärtswandlereinheit BCU3 ist gleich 4π/3 rad (240°). Wegen der Phasenverschiebung zwischen den Aufwärtswandlereinheiten BCU1, BCU2 und BCU3 können die Aufwärtswandlereinheiten BCU1, BCU2 und BCU3 als verschachtelte Aufwärtswandlereinheiten bezeichnet werden. Die Phasenverschiebung zwischen den Modulationen der Aufwärtswandlereinheiten reduziert die Welligkeit des Eingangsstroms der Aufwärtswandler-Anordnung, weil die durch die verschiedenen Aufwärtswandlereinheiten erzeugten Stromspitzen mit vorbestimmten Perioden auftreten.
  • In 1 sind die Signalpfade zwischen der Steuereinheit CU und den steuerbaren Schaltern S11 bis S32 nicht gezeigt. Diese Signalpfade können durch geeignete und bekannte Komponenten realisiert werden.
  • In einer alternativen Ausführungsform kann die Aufwärtswandler-Anordnung auch nur zwei Aufwärtswandlereinheiten oder mehr als drei Aufwärtswandlereinheiten umfassen. Allgemein kann die Steuereinheit ausgebildet sein, um die steuerbaren Schalter der Aufwärtswandlereinheiten derart zu steuern, dass die Phasenverschiebung zwischen den Operationen der verschiedenen Aufwärtswandlereinheiten im wesentlichen gleich dem Quotienten aus 2π rad und der Gesamtanzahl der Aufwärtswandlereinheiten ist.
  • Die Aufwärtswandler-Anordnung 4 umfasst eine positive Spannungsschiene DC+ und eine negative Spannungsschiene DC–. Die Kathoden der Schutzdioden D11, D21 und D31 sind mit der positiven Spannungsschiene DC+ verbunden, und die Anoden der Schutzdioden D12, D22 und D32 sind mit der negativen Spannungsschiene DC– verbunden. Der positive Anschluss des Verstärkerausgangs 42 ist mit der positiven Spannungsschiene DC+ verbunden, sodass der positive Anschluss des Verstärkerausgangs 42 und die positive Spannungsschiene DC+ das gleiche elektrische Potential aufweisen. Der negative Anschluss des Verstärkerausgangs 42 ist mit der negativen Spannungsschiene DC– verbunden, sodass der negative Anschluss des Verstärkerausgangs 42 und die negative Spannungsschiene DC– das gleiche elektrische Potential aufweisen.
  • Die Wechselrichtereinrichtung 6 umfasst einen herkömmlichen dreiphasigen Vollbrücken-Wechselrichter. Der dreiphasige Vollbrücken-Wechselrichter ist zwischen dem positiven Anschluss des Verstärkerausgangs 42 und dem negativen Anschluss des Verstärkerausgangs 42 verbunden.
  • Die Aufwärtswandler-Anordnung 4 umfasst weiterhin eine Mittelpunkt-Stromschiene 44, die einen Punkt zwischen den in Reihe verbundenen steuerbaren Schaltern S11 und S12, einen Punkt zwischen den in Reihe verbundenen steuerbaren Schaltern S21 und S22 und einen Punkt zwischen den in Reihe verbundenen steuerbaren Schaltern S31 und S32 miteinander verbindet.
  • Die Kondensatoreinrichtung ist ausgebildet, um als Energiespeicher zu dienen. Die Kondensatoreinrichtung umfasst Kondensatoren CDC+ und CDN–, die in Reihe zwischen dem positiven Anschluss und dem negativen Anschluss des Verstärkerausgangs 42 verbunden sind. Die Kondensatoren CDC+ und CDC– sehen weiterhin einen Spannungsteiler für den Verstärkerausgang 42 vor. Die Mittelpunkt-Stromschiene 44 ist zwischen dem negativen Anschluss des Kondensators CDC+ und dem positiven Anschluss des Kondensators CDC– verbunden.
  • Wegen der Phasenverschiebung zwischen den Aufwärtswandlereinheiten BCU1, BCU2 und BCU3 beträgt die Spannungswelligkeit der Kondensatoren CDC+ und CDC– nur ein Sechstel im Vergleich zu einer entsprechenden Aufwärtswandler- Anordnung ohne Phasenverschiebung zwischen den Aufwärtswandlereinheiten. Folglich ermöglicht es die vorliegende Erfindung, Kondensatoreinrichtungen mit kleineren Kondensatoren zu verwenden, ohne die Qualität des Ausgangsstroms der Kondensatoreinrichtung zu beeinträchtigen. Alternativ hierzu ermöglicht es die vorliegende Erfindung, die Qualität des Ausgangsstroms der Kondensatoreinrichtung zu verbessern, ohne die Kapazität der Kondensatoreinrichtung zu vergrößern.
  • Die Phasenverschiebung zwischen Modulationen von verschiedenen Aufwärtswandlereinheiten erhöht die Frequenz des welligen Stroms. Dadurch kann der wellige Strom einfacher gefiltert werden.
  • Die Steuereinheit CU ist ausgebildet, um den durch die Solarzelleneinrichtung 2 zu dem Verstärkereingang 41 zugeführten Strom zu überwachen und wenigstens eine der Aufwärtswandlereinheiten in Teillastbetriebssituationen auszuschalten, in denen nur einige aus der Vielzahl von Aufwärtswandlereinheiten benötigt werden, um die Ausgangsleistung der Solarzelleneinrichtung 2 handzuhaben. Wenn zum Beispiel die Ausgangsleistung der Solarzelleneinrichtung 2 nur zwei Drittel der Nennleistung der Aufwärtswandler-Anordnung 4 beträgt, schaltet die Steuereinheit CU die Aufwärtswandlereinheit BCU3 aus. Wenn die Ausgangsleistung der Solarzelleneinrichtung 2 nur ein Drittel der Nennleistung der Aufwärtswandler-Anordnung 4 beträgt, schaltet die Steuereinheit CU sowohl die Aufwärtswandlereinheit BCU3 als auch die Aufwärtswandlereinheit BCU2 aus. Durch das Ausschalten der Aufwärtswandlereinheiten wird Energie gespart, weil eine ausgeschaltete Aufwärtswandlereinheit keine Energie verbraucht. Unter dem Ausschalten einer Aufwärtswandlereinheit ist hier das Unterbrechen der Zufuhr eines Steuersignals zu den steuerbaren Schaltern der Aufwärtswandlereinheit zu verstehen, sodass die steuerbaren Schalter stets in einem geöffneten Zustand bleiben.
  • Die Steuereinheit CU ist ausgebildet, um in Situationen, in denen nur einige der Aufwärtswandlereinheiten BCU1, BCU2 und BCU3 aktiv sind, die Phasenverschiebung zwischen den aktiven Aufwärtswandlereinheiten anzupassen. Wenn nur die Aufwärtswandlereinheiten BCU1 und BCU2 aktiv sind, passt die Steuereinheit CU die Phasenverschiebung zwischen deren Operationen auf π (180°) an. Dem Fachmann sollte deutlich sein, dass eine entsprechende Anpassung der Phasenverschiebung auch bei einer Aufwärtswandler-Anordnung mit mehr als drei Aufwärtswandlereinheiten möglich ist. Wenn zum Beispiel insgesamt sechs Aufwärtswandlereinheiten vorhanden sind und zwei Aufwärtswandlereinheiten vorübergehend als redundant ausgeschaltet werden, wird die Phasenverschiebung zwischen den verbleibenden vier Aufwärtswandlereinheiten auf π/2 (90°) angepasst.
  • Die Phasenverschiebung zwischen den steuerbaren Schaltern einer einzelnen dreiphasigen Aufwärtswandlereinheit ist im wesentlichen gleich dem Quotienten aus π rad und der Anzahl der aktiven Aufwärtswandlereinheiten. Wenn also alle Aufwärtswandlereinheiten BCU1, BCU2 und BCU3 aktiv sind, ist die Phasenverschiebung zwischen den steuerbaren Schaltern S11 und S12 der Aufwärtswandlereinheit BCU1 gleich π/3 (60°). Dasselbe gilt für die steuerbaren Schalter S21 und S22 der Aufwärtswandlereinheit BCU2 und die steuerbaren Schalter S31 und S32 der Aufwärtswandlereinheit BCU3.
  • Die folgende Tabelle zeigt die Phasenverschiebungen der steuerbaren Schalter der Aufwärtswandler-Anordnung von 1, wenn alle Aufwärtswandlereinheiten aktiv sind. In der folgenden Tabelle ist der Betrieb des steuerbaren Schalters S11 als Bezug definiert, sodass die Phasenverschiebung von S11 gleich null rad ist.
    BCU1 BCU2 BCU3
    S11 0 S21 2π/3 (120°) S31 4π/3 (240°)
    S12 π/3 (60°) S22 3π/3 (180°) S32 5π/3 (300°)
  • In Ausführungsformen, in denen die Steuereinheit der Aufwärtswandler-Anordnung ausgebildet ist, um redundante Aufwärtswandlereinheiten auszuschalten, wird die Phasenverschiebung zwischen den Operationen von aktiven Aufwärtswandlereinheiten vorzugweise anhand der Anzahl der aktiven Aufwärtswandlereinheiten und nicht anhand der Gesamtanzahl der Aufwärtswandlereinheiten berechnet. Wenn die Aufwärtswandlereinheiten wenigstens drei Stufen aufweisen und die Steuereinheit ausgebildet ist, um redundante Aufwärtswandlereinheiten auszuschalten, dann wird die Phasenverschiebung zwischen den steuerbaren Schaltern jeder Aufwärtswandlereinheit vorzugsweise anhand der Anzahl der aktiven Aufwärtswandlereinheiten und nicht anhand der Gesamtanzahl der Aufwärtswandlereinheiten berechnet.
  • 2 zeigt einen Schaltplan eines Solarkraftwerks, das ansonsten mit dem Solarkraftwerk von 1 identisch ist, wobei jedoch die Wechselrichtereinrichtung 6 von 1 durch die Wechselrichtereinrichtung 6' ersetzt wurde. Die Wechselrichtereinrichtung 6' umfasst einen dreistufigen, Neutralpunkt-geklemmten Wechselrichter, dessen Neutralpunkt mit der Mittelpunkt-Stromschiene 44 der Aufwärtswandler-Anordnung 4 verbunden ist. Die Verbindung zwischen dem Neutralpunkt des Wechselrichters und der Mittelpunkt-Stromschiene 44 der Aufwärtswandler-Anordnung 4 unterstützt den Betrieb der Wechselrichtereinrichtung, indem sie die Spannung des Wechselrichters ausgleicht.
  • In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann die Wechselrichtereinrichtung einen fünfstufigen Wechselrichter oder einen Wechselrichter mit noch mehr Stufen umfassen.
  • Eine Aufwärtswandler-Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung kann zweistufige Aufwärtswandlereinheiten anstelle von dreistufigen Aufwärtswandlereinheiten umfassen. Es können aber auch vierstufige Aufwärtswandlereinheiten oder Aufwärtswandlereinheiten mit noch mehr Stufen verwendet werden.
  • Dem Fachmann sollte deutlich sein, dass das Konzept der Erfindung auf verschiedene Weise implementiert werden kann. Die Erfindung ist in ihren Ausführungsformen nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Der Erfindungsumfang wird durch die Ansprüche definiert.

Claims (9)

  1. Aufwärtswandler-Anordnung (4), die einen Verstärkereingang (41), einen Verstärkerausgang (42), eine Aufwärtswandlereinheit (BCU1) und eine Steuereinheit (CU) umfasst, wobei der Verstärkereingang (41) ausgebildet ist, um mit einer Gleichspannungsquelle verbunden zu werden, die eine Eingangsgleichspannung (DCIN) zuführt, wobei die Aufwärtswandlereinheit (BCU1) einen steuerbaren Schalter (S11) und eine Eingangsspule (L11) umfasst, und wobei die Aufwärtswandler-Anordnung (4) ausgebildet ist, um die Eingangsgleichspannung (DCIN) zu einer Ausgangsgleichspannung (DCOUT) zu wandeln, die höher als die Eingangsgleichspannung (DCIN) ist, und um die Ausgangsgleichspannung (DCOUT) zu dem Verstärkerausgang (42) zu geben, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufwärtswandler-Anordnung (4) weiterhin wenigstens eine zusätzliche Aufwärtswandlereinheit (BCU2, BCU3) umfasst, wobei jede zusätzliche Aufwärtswandlereinheit (BCU2) einen steuerbaren Schalter (S21) und eine Eingangsspule (L21) umfasst, wobei die Aufwärtswandlereinheiten der Aufwärtswandler-Anordnung parallel verbunden sind, und wobei die Steuereinheit (CU) ausgebildet ist, um die steuerbaren Schalter (S11 bis S32) der Aufwärtswandlereinheiten derart zu steuern, dass eine Phasenverschiebung zwischen den Operationen der verschiedenen Aufwärtswandlereinheiten (BCU1, BCU2, BCU3) vorhanden ist.
  2. Aufwärtswandler-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverschiebung zwischen den Operationen der verschiedenen Aufwärtswandlereinheiten (BCU1, BCU2, BCU3) im wesentlichen gleich dem Quotienten aus 2π rad und der Gesamtanzahl der Aufwärtswandlereinheiten ist.
  3. Aufwärtswandler-Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Aufwärtswandlereinheit (BCU1) eine dreistufige Aufwärtswandlereinheit ist, die zwei steuerbare Schalter (S11, S12) umfasst, und dass eine Phasenverschiebung zwischen den zwei steuerbaren Schaltern jeder dreistufigen Aufwärtswandlereinheit im wesentlichen gleich dem Quotienten aus π rad und der Gesamtanzahl von Aufwärtswandlereinheiten ist.
  4. Aufwärtswandler-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufwärtswandlereinheiten (BCU1, BCU2, BCU3) der Aufwärtswandler-Anordnung (4) jeweils identisch sind.
  5. Aufwärtswandler-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (CU) der Aufwärtswandler-Anordnung (4) ausgebildet ist, um die zu dem Verstärkereingang (41) zugeführte Leistung zu überwachen und wenigstens eine der Aufwärtswandlereinheiten (BCU1, BCU2, BCU3) in Teillastbetriebssituationen auszuschalten, in denen nur einige aus der Vielzahl von Aufwärtswandlereinheiten benötigt werden, um die zu dem Verstärkereingang zugeführte Leistung handzuhaben.
  6. Aufwärtswandler-Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (CU) ausgebildet ist, um die Aufwärtswandlereinheiten derart zu steuern, dass die Phasenverschiebung zwischen den Operationen der verschiedenen aktiven Aufwärtswandlereinheiten (BCU1, BCU2, BCU3) im wesentlichen gleich dem Quotienten aus 2π rad und der Anzahl der aktiven Aufwärtswandlereinheiten ist.
  7. Aufwärtswandler-Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede Aufwärtswandlereinheit (BCU1) eine dreistufige Aufwärtswandlereinheit ist, die zwei steuerbare Schalter (S11, S12) umfasst, und dass die Steuereinheit (CU) ausgebildet ist, um die steuerbaren Schalter derart zu steuern, dass eine Phasenverschiebung zwischen den zwei steuerbaren Schaltern jeder dreistufigen Aufwärtswandlereinheit im wesentlichen gleich dem Quotienten aus π rad und der Anzahl der aktiven Aufwärtswandlereinheiten ist.
  8. Aufwärtswandler-Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufwärtswandler-Anordnung weiterhin eine Kondensatoreinrichtung umfasst, die zwischen dem positiven und dem negativen Anschluss des Verstärkerausgangs (42) verbunden ist, wobei die Kondensatoreinrichtung ausgebildet ist, um als ein Energiespeicher zu dienen.
  9. Solarkraftwerk mit einer Solarzelleneinrichtung (2), die wenigstens eine Solarzelle (22) umfasst, die ausgebildet ist, um Sonnenenergie zu einem Gleichstrom zu wandeln, dadurch gekennzeichnet, dass das Solarkraftwerk weiterhin eine Aufwärtswandler-Anordnung (4) nach einem der vorstehenden Ansprüche umfasst, wobei die wenigstens eine Solarzelle (22) mit dem Verstärkereingang (41) verbunden ist.
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