DE202010005520U1

DE202010005520U1 - Einphasiger Wechselrichter

Info

Publication number: DE202010005520U1
Application number: DE201020005520
Authority: DE
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2009-06-02
Filing date: 2010-05-28
Publication date: 2010-08-05
Anticipated expiration: 2020-05-29
Also published as: CN201830164U; EP2259420A1

Abstract

Wechselrichter mit Eingangsklemmen (3, 4) zum Aufnehmen eines Gleichspannungseingangs, einer Serienschaltung von zwischen den Eingangsklemmen angeschlossenen Kondensatoren (C1, C2), einer Serienschaltung von zwischen den Eingangsklemmen (3, 4) angeschlossenen Schalterkomponenten (S1, S2), wobei eine erste AC-Klemme (5) des Wechselrichters aus einem Mittelpunkt zwischen der Serienschaltung der Schalterkomponenten (S1, S2) besteht und eine zweite AC-Klemme (6) des Wechselrichters aus einem Mittelpunkt zwischen der Serienschaltung der Kondensatoren (C1, C2) besteht, welcher Wechselrichter ferner eine bidirektionale Schaltereinheit (7) aufweist, die zwischen der ersten und der zweiten AC-Klemme angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die bidirektionale Schaltereinheit (7) aufweist:
erste und zweite Dioden (D1, D2), die in Serie geschaltet sind und eine erste Serienschaltung von Dioden ausbilden,
dritte und vierte Dioden (D3, D4), die in Serie geschaltet sind und eine zweite Serienschaltung von Dioden ausbilden, wobei die Serienschaltungen von Dioden mit denselben Polaritäten parallel geschaltet sind,
eine mit den Serienschaltungen von Dioden parallel...

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wechselrichter und insbesondere auf einen einphasigen Halbbrücken-Wechselrichter, der fähig ist, drei Spannungspegel zu erzeugen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Herkömmliche netzgekoppelte einphasige Wechselrichter werden durch eine vier Schalter umfassende Vollbrückenanordnung oder eine zwei Schalter umfassende Halbbrückenanordnung realisiert. Diese Wechselrichter werden zum Beispiel in Zusammenhang mit photovoltaischen Anwendungen verwendet, in denen die Gleichspannung aus Solarmodulen in Wechselspannung umgewandelt und in das AC-Versorgungsnetz eingespeist wird.
Ein Nachteil des Vier-Schalter-Vollbrückenwechselrichters ist die
Wechselspannung zwischen den DC-Eingängen der Brücke und Erde. Insbesondere in den photovoltaischen Anwendungen wird diese Wechselspannung über Streukapazität eines Photovoltaikmoduls mit Erde verbunden. Diese Spannung produziert auch einen Strom, der insbesondere in Dünnschicht-Photovoltaikmodulen zu Verschlechterungen führen könnte.
Dieses Problem könnte unter Verwendung eines Niederfrequenz-Transformators zwischen dem Wechselrichter und dem Netz gelöst werden. Eine andere Lösung ist, einen getrennten DC-DC-Wandler zu benutzen, in dem die Größe des Transformators durch Vergrößerung der Schaltfrequenz des DC-DC-Wandlers verkleinert werden könnte. In einigen Ländern setzen nationale Regelungen eine galvanische Trennung zwischen den PV-Modulen und dem Netz voraus, aber in anderen Ländern wird keine Trennung benötigt.
Das Dokument EP 1861914 offenbart einen Halbbrücken-Wechselrichter mit einem Schalter, der das Anschließen von bidirektionalem Stromfluss zwischen der Wechselstromleitung und dem Mittelpunkt des Zwischenkreises ermöglicht Die in EP 1861914 dargestellte Konstruktion wird in 1 gezeigt. Der bidirektionale Schalter, der als Kollektorschaltung ausgeführt ist, wird zur Erzeugung eines Nullspannungsausgangs für die Halbbrückenanordnung verwendet, um gleichstromseitigen Ableitstrom abzuschwächen. Der bidirektionale Schalter weist zwei Steuerelektroden auf, die separat gesteuert wenden müssen, wobei Jede auf verschiedene Weise je nach der Polarität der erzeugten Halbwelle gesteuert wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wechselrichter bereitzustellen, mit dem das oben erwähnte Problem überwunden wird. Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Wechselrichter erreicht, der dadurch gekennzeichnet ist, was in den unabhängigen Schutzansprüchen angegeben wird. Die vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung basiert auf der Idee, dass die bekannten Konstruktionen zur Bereitstellung von Dreipegelspannung vereinfacht werden. Die Vereinfachung wird mit dem Wechselrichter der vorliegenden Erfindung erreicht, da nur ein Steuersignal für die Steuerung des bidirektionalen Schalters notwendig ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von vorteilhaften Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Wechselrichterschaltung nach dem Stand der Technik;
2 eine Schaltung nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung;
3 eine andere Ausführungsform der Erfindung; und
4 eine Ausführungsform der Erfindung mit einer Dreipegel-Boost-Schaltung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
2 zeigt eine Ausführungsform, in der ein DC-DC-Wandler 2 eine Gleichspannung einem Wechselrichter der vorliegenden Erfindung speist. Die Eingangsgleichspannung des Wechselrichters wird durch eine Serienschaltung von Kondensatoren C1, C2 aufgeteilt. Die Klemmen der Serienschaltung bilden Eingangsklemmen 3, 4 des Wechselrichters aus. Eine Serienschaltung von Halbleiterschaltern s1, s2 wird auch zwischen den Eingangsklemmen angeschlossen und diese Schalter werden betrieben, eine Wechselspannung für die Ausgangsklemmen 5, 6 zu bilden. Die erste Ausgangsklemme 5 besteht aus einem Punkt zwischen den Schalterkomponenten s1 und s2. Somit werden die Schalterkomponenten betrieben, entweder eine positive Eingangsgleichspannung oder eine negative Eingangsgleichspannung zur ersten Ausgangsklemme 5 zu leiten.
Die zweite Ausgangsklemme 6 besteht aus einem Punkt zwischen den Kondensatoren C1, C2. Die Spannung der zweiten Ausgangsklemme ist wesentlich fest in Bezug auf Spannungspegel, die der ersten Ausgangsklemme zur Verfügung stehen. 2 zeigt auch, dass die zweite Ausgangsklemme ferner mit Erde verbunden ist, was die Spannung der ersten Ausgangsklemme entweder positiv oder negativ in Bezug auf die zweite Ausgangsklemme macht.
Es ist gezeigt, dass der Wechselrichter in 2 mit dem Netz zur Einspeisung von Strom verbunden ist. Das Netz wird durch eine Wechselspannung Vline symbolisiert. Der Ausgang des Wechselrichters wird mit dem Netz über eine induktive Komponente L1 verbunden, die zur Filterung der erzeugten Strom- und Spannungswellenformen verwendet wird. Es ist dargestellt, dass eine Gleichspannungsquelle 8, die der in 2 gezeigten Schaltung eine Gleichspannung erzeugt, eine Serienschaltung von photovoltaischen Modulen oder Solarzellen ist. Die Module weisen eine Parasitärkapazität gegen Erde auf, was auch in 2 durch gestrichelt dargestellte Kondensatoren symbolisiert wird.
Zur Erzeugung einer Dreipegelspannung umfasst der Wechselrichter der vorliegenden Erfindung eine bidirektionale Schaltereinheit 7. Die Einheit wird betrieben, dem Ausgang des Wechselrichters einen Nullspannungspegel bereitzustellen. Die bidirektionale Schaltereinheit verbindet den Mittelpunkt zwischen Kondensatoren, der auch die zweite Ausgangsklemme 6 ist, mit der ersten Ausgangsklemme 5. In der Ausführungsform der 2 besteht die bidirektionale Schaltereinheit 7 aus vier Dioden und einer steuerbaren Schalterkomponente s3.
In der Schaltereinheit sind eine erste Diode D1 und eine zweite Diode D2 ähnlich wie eine dritte Diode D3 und eine vierte Diode D4 in Serie geschaltet. Die Serienschaltungen sind ferner mit denselben Polaritäten parallel geschaltet. Parallel mit den in Serie geschalteten Dioden Ist eine gesteuerte Schalterkomponente s3 geschaltet, die zum Beispiel eine IGBT- oder Mosfet-Komponente sein kann. Die Polarität der Schalterkomponente ist derartig, dass der durch die Dioden fließende Strom auch durch die vom Durchlasszustand gesteuerte Schalterkomponente fließen kann.
Die bidirektionale Schaltereinheit bildet eine Diodenbrücke aus, die einen Stromfluss von der ersten Ausgangsklemme 5 zur zweiten Ausgangs klemme 6 oder von der zweiten Ausgangsklemme zur ersten Ausgangsklemme erlaubt. Falls die Stromrichtung zum Netz von der ersten Ausgangsklemme zur induktiven Komponente ist und ein Nullspannungszustand als Ausgangsspannung ausgewählt wird, wird der Strom vom Mittelpunkt zwischen den Kondensatoren durch die zweite Diode D2, den Schalter s3 und die dritte Diode D3 gezogen. Falls die Stromrichtung zur Belastung umgekehrt wird, fließt der Strom über die vierte Diode D4, die Schalterkomponente s3 und die erste Diode D1. Somit führen die Dioden den Strom zur Schalterkomponente in der richtigen Richtung, egal welche die Stromrichtung ist.
Zur Bildung des Nullspannungsausgangs des Wechselrichters wird der Schalter s3 eingeschaltet und die erste und die zweite Ausgangsklemme 5 und 6 werden aneinander gekoppelt. Da die zweite Ausgangsklemme 6 eine Nullspannung aufweist, setzt auch die erste Ausgangsklemme 5 diese Spannung voraus. Die Steuerung des bidirektionalen Schalters ist einfach, da die Stromrichtung in der Belastung nicht berücksichtigt werden muss, wenn ein Nullspannungszustand eingesetzt wird.
3 eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Ausführungsform der 3 weicht von der Ausführungsform der 2 derart ab, dass der bidirektionale Schalter anhand von zwei steuerbaren Schalterkomponenten s13, s14 und zwei Dioden D13, D14 ausgeführt wird. Die Dioden D13, D14 sind mit den entsprechenden Schalterkomponenten s13, s14 in Serie geschaltet und die Serienschaltungen sind ferner miteinander antiparallel geschaltet. Die Dioden werden zur Blockierung von Sperrspannungen verwendet, die ansonsten schädlich für die Schalterkomponenten sein würden. Die bidirektionale Schaltereinheit verbindet die erste und die zweite Ausgangsklemme 5 und 6 miteinander. Zur Vereinfachung des Wechselrichters kann dasselbe Steuersignal für beide Schalterkomponenten s13, s14 angewandt werden. Somit wird nur eine Steuerschaltung benötigt und die Stromrichtung braucht nicht berücksichtigt zu werden.
4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, in der der DC-DC-Wandler als Dreipegel-Hochsetzsteller ausgeführt ist. Die Konstruktion eines solchen Hochsetzstellers ist an sich bekannt. Die Schalter s31, s32 des Hochsetzstellers werden auf bekannte Weise moduliert, um einen erwünschten Spannungspegel zu erzeugen. In Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Wechselrichter wird der Hochsetzsteller zur Vergrößerung von gespeister Gleichspannung auf ein angemessenes Niveau für den Wechselrichterteil ver wendet. Wenn der Wechselrichter Strom ins Netz einspeist, sollte die Spannung zwischen den Eingangsklemmen 3, 4 höher als die Spitzenspannung des Netzes sein.
Ein anderer Zweck des Hochsetzstellers ist, die Spannung der Kondensatoren auszugleichen, d. h. die Spannungen der Kondensatoren C1 und C2 auf dieselbe Spannung geladen zu halten. Je nach dem Betrieb der Schalter s31, s32 kann die Spannung aus der DC-Quelle angeschlossen werden, die Kondensatoren auf erwünschte Weise zu laden, falls die Spannungen nicht ausgeglichen sind. Zum Beispiel der Kondensator C2 kann geladen werden, indem der Schalter s31 als leitend und der Schalter s32 zum Sperrzustand gesteuert wird. In ähnlicher Weise kann die Spannung der DC-Quelle angeschlossen werden, über dem Kondensator C1 einzuwirken, indem der Schalter s32 geöffnet und der Schalter s31 geschlossen wird.
In Zusammenhang mit 3 und 4 sind oben nur die von 2 abweichenden Teile erläutert. Dieselben Bezugszeichen wenden in 3 und 4 für entsprechende Merkmale benutzt.
In den Figuren wird angezeigt, dass die Quelle von Gleichspannung eine Reihe von Solarzellen oder -modulen ist Es ist jedoch klar, dass der erfindungsgemäße Wechselrichter in Verbindung mit jeder Art von DC-Spannungsquellen verwendet werden kann.
Einem Fachmann ist klar, dass, wenn die Technologie Fortschritte macht, der erfinderische Gedanke auf viele Weisen ausgeführt werden kann. Die Erfindung und ihre Ausführungsformen sind nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt sondern können im Rahmen der Schutzansprüche variieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1861914 [0005, 0005]

Claims

Wechselrichter mit Eingangsklemmen (3, 4) zum Aufnehmen eines Gleichspannungseingangs, einer Serienschaltung von zwischen den Eingangsklemmen angeschlossenen Kondensatoren (C1, C2), einer Serienschaltung von zwischen den Eingangsklemmen (3, 4) angeschlossenen Schalterkomponenten (S1, S2), wobei eine erste AC-Klemme (5) des Wechselrichters aus einem Mittelpunkt zwischen der Serienschaltung der Schalterkomponenten (S1, S2) besteht und eine zweite AC-Klemme (6) des Wechselrichters aus einem Mittelpunkt zwischen der Serienschaltung der Kondensatoren (C1, C2) besteht, welcher Wechselrichter ferner eine bidirektionale Schaltereinheit (7) aufweist, die zwischen der ersten und der zweiten AC-Klemme angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die bidirektionale Schaltereinheit (7) aufweist: erste und zweite Dioden (D1, D2), die in Serie geschaltet sind und eine erste Serienschaltung von Dioden ausbilden, dritte und vierte Dioden (D3, D4), die in Serie geschaltet sind und eine zweite Serienschaltung von Dioden ausbilden, wobei die Serienschaltungen von Dioden mit denselben Polaritäten parallel geschaltet sind, eine mit den Serienschaltungen von Dioden parallel geschaltete dritte Schalterkomponente (S3), wobei ein Punkt zwischen den ersten und den zweiten Dioden mit der zweiten AC-Klemme (6) verbunden ist und ein Punkt zwischen der dritten und der vierten Diode mit der ersten AC-Klemme (5) verbunden ist.
Wechselrichter mit Eingangsklemmen (3, 4) zum Aufnehmen eines Gleichspannungseingangs, einer Serienschaltung von zwischen den Eingangsklemmen angeschlossenen Kondensatoren (C1, C2), einer Serienschaltung von zwischen den Eingangsklemmen (3, 4) angeschlossenen Schalterkomponenten (S1, S2), wobei eine erste AC-Klemme (5) des Wechselrichters aus einem Mittelpunkt zwischen der Serienschaltung der Schalterkomponenten (S1, S2) besteht und eine zweite AC-Klemme (8) des Wechselrichters aus einem Mittelpunkt zwischen der Serienschaltung der Kondensatoren (C1, C2) besteht, welcher Wechselrichter ferner eine bidirektionale Schaltereinheit (7) aufweist, die zwischen der ersten und der zweiten AC-Klemme angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die bidirektionale Schaltereinheit (7) aufweist: zwei Serienschaltungen einer Schalterkomponente (S13, S14) und einer Diode (D13, D14), welche Serienschaltungen miteinander antiparallel geschaltet sind.
Wechselrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bidirektionale Schaltereinheit (7) vorgesehen ist, anhand eines Steuersignals gesteuert zu werden.
Wechselrichter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter ferner einen DC-DC-Wandler aufweist, dessen Ausgang mit den Eingangsklemmen (3, 4) des Wechselrichters verbunden ist.
Wechselrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der DC-DC-Wandler ein Dreipegel-Hochsetzsteller ist.
Wechselrichter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der DC-DC-Wandler vorgesehen ist, Spannungen der in Serie geschalteten Kondensatoren (C1, C2) auszugleichen.
Wechselrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter eine oder mehr photovoltaische Zellen als Gleichspannungsquelle aufweist.