DE202010007346U1

DE202010007346U1 - Wechselrichteranordnung zum Einspeisen elektrischer Energie in ein elektrisches Wechselspannungsnetz

Info

Publication number: DE202010007346U1
Application number: DE202010007346U
Authority: DE
Original assignee: Voltwerk Electronics GmbH
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2010-05-31
Filing date: 2010-05-31
Publication date: 2011-12-08
Anticipated expiration: 2020-06-01

Abstract

Wechselrichteranordnung zum Einspeisen elektrischer Energie in ein elektrisches Wechselspannungsnetz umfassend – mehrere Wechselrichter zum Erzeugen jeweils eines Wechselstromes mittels einer Puls-Modulation, insbesondere einer Puls-Weiten-Modulation, wobei jeder Wechselrichter hierfür ein gepulstes Signal erzeugt und die Pulse durch Schalten von Halbleiterschaltern erzeugt werden und die Halbleiterschalter hierzu mit einer Schaltfrequenz und zu bestimmten Schaltzeiten angesteuert werden, und – ein Synchronisationsmittel zum Synchronisieren der Wechselrichter untereinander, wobei das Synchronisieren derart erfolgt, dass die Schaltenigstens eines anderen Wechselrichters versetzt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wechselrichteranordnung zum Einspeisen elektrischer Energie in ein elektrisches Wechselspannungsnetz. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Solaranlage mit mehreren Solargeneratoren und einer Wechselrichteranordnung zum Einspeisen elektrischer Energie in ein elektrisches Wechselspannungsnetz.
Es ist bekannt, elektrische Energie, die beispielsweise durch Solargeneratoren erzeugt wird, mittels Wechselrichter in ein Wechselspannungsnetz einzuspeisen. Mittels der Wechselrichter wird ein sinusförmiger Strom erzeugt, der in Frequenz und Phase an das Wechselspannungsnetz angepasst ist. Hierzu erzeugt jeder Wechselrichter ein Puls-Weiten-moduliertes Signal, aus dem mittels Filterdrosseln der etwa sinusförmige Strom gebildet wird, der in das Wechselspannungsnetz eingespeist wird.
Solche Drosseln stellen jeweils ein teures Bauteil dar. Je mehr Energie in das Wechselspannungsnetz einzuspeisen ist, umso größer – im elektrischen Sinne – ist der Wechselrichter und umso größer und damit teurer sind die Drosseln. Insbesondere bei der Erzeugung der elektrischen Energie mittels Solargeneratoren geht eine höhere erzeugte elektrische Leistung einher mit einer örtlichen Ausdehnung der gesamten Solaranlage. So erstrecken sich beispielsweise Freifeld-Solaranlagen über eine große Fläche. Hierbei werden häufig Aufteilungen in mehrere Solargeneratoren vorgenommen, die jeweils über einen Wechselrichter mit dem Netz verbunden sind. Auch hier wird entsprechend der einzuspeisenden elektrischen Leistung eine entsprechend große Drossel oder – abhängig davon, wo die durch die Wechselrichter erzeugten Ströme zusammengeführt werden – entsprechend viele einzelne Drosseln benötigt, die an die jeweils zu übertragende Leistung in der Größe angepasst sind.
Somit werden auch bei Freifeld-Solaranlagen mit vielen parallel geschalteten Wechselrichtern viele und/oder große Drosseln benötigt, um Schaltrippel des einzuspeisenden Stroms in vorbestimmten Grenzen zu halten.
Grundsätzlich stellen somit induktive Bauelemente in Wechselrichtern für Solargeneratoren, nämlich Solarwechselrichtern, einen Verlust-, Gewichts- und Kostenfaktor dar, weil diese Faktoren mit dem Induktivitätswert steigen, ist es sinnvoll, die nötigen Induktivitätswerte so weit wie möglich zu reduzieren.
Somit war Aufgabe der Erfindung, eine Lösung zu schaffen, die eines oder mehrere der oben genannten Probleme behebt oder zumindest verringert. Insbesondere soll eine Lösung geschaffen werden, die Induktivitätswerte zumindest einiger der in Solarwechselrichtern oder anderen Wechselrichtern benötigten induktiven Bauelemente zu reduzieren. Zumindest soll eine alternative Lösung geschaffen werden.
Erfindungsgemäß wird somit eine Wechselrichteranordnung zum Einspeisen elektrischer Energie in ein elektrisches Wechselspannungsnetz gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Ein typisches Wechselspannungsnetz ist als dreiphasiges Netz aufgebaut. Nachfolgend wird die Erfindung ungeachtet dessen erläutert, ob ein einphasiges oder dreiphasiges Netz vorliegt und entsprechend unabhängig davon, ob einphasig oder dreiphasig in das Wechselspannungsnetz eingespeist wird. Der Einfachheit halber basieren die nachfolgenden Erläuterungen sprachlich auf einem einphasigen Netz und einer entsprechend einphasigen Einspeisung. Dies kann in gleichem Maße auf ein dreiphasiges System mit dreiphasiger Einspeisung übertragen werden.
Die Wechselrichteranordnung umfasst somit mehrere Wechselrichter zum Erzeugen jeweils eines Wechselstroms mittels einer Puls-Modulation, insbesondere einer Puls-Weiten-Modulation. Jeder Wechselrichter erzeugt hierfür ein gepulstes Signal, wobei die Pulse durch Schalten von Halbleiterschaltern erzeugt werden. Die Halbleiterschalter werden hierzu mit einer Schaltfrequenz und zu bestimmten Schaltzeiten angesteuert. Unter Schaltzeiten sind hierbei im Wesentlichen Schaltzeitpunkte zu verstehen. Zu jeder Schalthandlung wird im Grunde ein Schaltzeitpunkt festgelegt, sowohl zum Ein- als auch zum Ausschalten des betreffenden Halbleiterschalters, also zur anfallenden und abfallenden Flanke jedes Pulses.
Weiterhin ist ein Synchronisationsmittel zum Synchronisieren der Wechselrichter untereinander vorgesehen, wobei das Synchronisieren derart erfolgt, dass die Schaltzeiten eines Wechselrichters zu den Schaltzeiten eines anderen Wechselrichters versetzt sind.
Somit liegen mehrere im Grunde selbständig arbeitende Wechselrichter vor, die zumindest jeder für sich ein gepulstes Signal erzeugt. Mittels wenigstens einer Drossel, die als Filterdrossel bezeichnet werden kann, entsteht ausgehend von diesem gepulsten Signal ein etwa sinusförmiger Strom. Dieser sinusförmige Strom weist Schaltrippel auf, nämlich vereinfacht ausgedrückt eine überlagerte Zick-Zack-Form. Die Stärke bzw. Amplitude dieses überlagerten Signals wird durch einen netzseitigen Filterkreis reduziert werden. Ein solcher netzseitiger Filterkreis kann beispielsweise nur aus einer Seriendrossel, einem LC-Filter, einem LCL-Filter oder anderen Filterkombinationen bestehen bzw. diese aufweisen. Die Spitze des überlagerten Signals, nämlich die lokalen Minima und Maxima dieses Signals korrespondieren jeweils mit einer abfallenden bzw. ansteigenden Flanke eines Pulses des Puls-Weiten-modulierten Signals.
Obgleich die Wechselrichter im Wesentlichen selbständig arbeiten, sind sie jedoch parallel geschaltet und ihre Ströme addieren sich beim Einspeisen in das Wechselspannungsnetz. Dieses Addieren kann an einem Überlagerungsknoten erfolgen, der vor oder hinter Netzfiltern oder einem Netzfilter liegen kann. Grundsätzlich kann die Überlagerung auch erst in dem Wechselspannungsnetz erfolgen. Üblicherweise erfolgt die Überlagerung jedoch vorher, gegebenenfalls auch vor einem Transformator. Die erzeugten Ströme der einzelnen Wechselrichter sind zumindest in Frequenz und Phase aufeinander abzustimmen. Auch verwenden die Wechselrichter der vorliegenden Erfindung vorzugsweise dieselbe Schaltfrequenz, also die Frequenz, mit der die Halbleiterschalter im Mittel ein- und wieder ausgeschaltet werden. Übliche Schaltfrequenzen liegen im Bereich von 4 bis 30 kHz.
Weil grundsätzlich in einer solchen Anordnung von Wechselrichtern diese im Grunde das gleiche sinusförmige Signal erzeugen sollen, nämlich hinsichtlich Frequenz und Phase und – bei gleicher Dimensionierung und vorhandener elektrischer Leistung – auch mit gleicher Amplitude, erzeugen alle Wechselrichter im Ergebnis und dabei im Grunde unabhängig voneinander jeweils gleiche Puls-Weiten-modulierte Signale. Dass diese im Grunde gleich, fast identisch sind, ergibt sich aus den Randbedingungen, einschließlich der präzisen Abstimmung auf das Wechselspannungsnetz, in das einzuspeisen ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun eine gezielte Synchronisation der Wechselrichter mittels des Synchronisationsmittels vorgeschlagen. Die genauen Schaltzeiten, nämlich Schaltzeitpunkte der Wechselrichter werden demnach genau aufeinander abgestimmt. Die Abstimmung erfolgt dabei jedoch nicht so, dass die Wechselrichter zu identischen Schaltzeitpunkten schalten und ein in zeitlicher Hinsicht identisches Puls-Weitenmoduliertes Signal erzeugen, sondern dass die Schaltzeitpunkte der Wechselrichter untereinander geringfügig gegeneinander verschoben sind. Dies hat auf den jeweils erzeugten, im Wesentlichen sinusförmigen Strom hinsichtlich Frequenz und Phase keinen Einfluss. Allerdings verschiebt sich das dem Signal überlagerte Stromrippel – das auch als Schaltrippel bezeichnet werden kann – gegeneinander. Beim Addieren der Ströme mit dem gegeneinander verschobenen Stromrippel ergibt sich ein verringertes Gesamtstromrippel des durch Addition erzeugten Gesamtstroms bzw. Summenstroms.
Somit kann durch ein leichtes Versetzen der Schaltzeiten der Wechselrichter untereinander, was eine entsprechend genaue Synchronisation der Wechselrichter untereinander benötigt, Stromrippel bzw. Schaltrippel des Summenstroms verringern. Als Folge davon können insbesondere die in den einzelnen Wechselrichtern verwendeten Filterdrosseln kleiner ausgelegt werden. Entsprechend sind Verluste, das Gewicht der Elemente und entsprechend Kosten zu reduzieren.
Vorzugsweise wird der Versatz der Schaltzeiten des einen Wechselrichters zu den Schaltzeiten des wenigstens einen anderen Wechselrichters abhängig von der Schaltfrequenz f und der Anzahl involvierter Wechselrichter N gewählt. In diesem Fall wird der zeitliche Versatz T_V von einem Wechselrichter zum nächsten Wechselrichter nach der folgenden Formel ausgewählt: T_V = 1/(N·f)
Sind mehr als zwei Wechselrichter vorhanden, so ist diese Versatzzeit T_V jeweils sukzessive von einem zum nächsten Wechselrichter zu verstehen. Anders ausgedrückt beträgt der zeitliche Versatz von einem ersten zu einem zweiten Wechselrichter die Versatzzeit T_V und von dem zweiten zu einem dritten Wechselrichter ebenfalls T_V und der zeitliche Versatz vom ersten zum dritten Wechselrichter beträgt entsprechend 2·T_V, was nachfolgend jeweils als absolute Verschiebungszeit T_Ai bezeichnet wird, mit „i” als veränderlichem Index Die Puls-Flanken und damit die Spitzen bzw. Minima und Maxima des Strom- bzw. Schaltrippels der einzelnen Ströme sind somit gleichmäßig gegeneinander verschoben und reduzieren sich durch die Überlagerung der Ströme stark. Im optimalen Fall wäre eine vollständige Reduktion des Strom- oder Schaltrippels im Gesamtausgangsstrom, der auch als Summenstrom bezeichnet wird, zu erzielen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Synchronisationsmittel eine Kommunikationseinrichtung, insbesondere einen Datenbus, um die Wechselrichter untereinander zu synchronisieren. Dabei erfolgt die Synchronisierung durch Bereitstellen eines Synchronisationssignals, so dass jeder Wechselrichter abhängig von dem einen Synchronisationssignal seine Schaltzeiten einstellt. Der vorliegenden Erfindung liegt eine Wechselrichteranordnung mit mehreren im Grunde eigenständig arbeitenden Wechselrichtern zugrunde. Um wie beschrieben das Schaltrippel zu reduzieren, müssen diese im Grunde selbständig arbeitenden Wechselrichter wie beschrieben untereinander synchronisiert werden. Dies kann durch eine Kommunikationseinrichtung, wie einen Datenbus, erfolgen. Über diese Kommunikationseinrichtung, die kabelgebunden oder zumindest teilweise drahtlos arbeiten kann, wird vorzugsweise ein Synchronisationssignal übertragen und jedem Wechselrichter bereitgestellt. Dazu ist die Wechselrichteranordnung vorbereitet. Das Synchronisationssignal kann beispielsweise in bestimmten Abständen ein Signal zum Festlegen eines Nullzeitpunktes oder eines anderen Referenzzeitpunktes an die Wechselrichter übertragen werden. Abhängig hiervon wird für jeden Wechselrichter sein individueller zeitlicher Versatz, nämlich seine absolute Verschiebungszeit T_Ai, festgelegt. Zwischen solchen Synchronisationszeitpunkten können die Wechselrichter durch einen entsprechenden Gleichlauf den festgelegten zeitlichen Versatz beibehalten. Gemäß dieser Ausführungsform erfolgt somit im Grunde nur eine Gleichlaufkorrektur zu jedem Synchronisationszeitpunkt.
Diese Synchronisation, um einen im Grunde kleinen zeitlichen Versatz gewährleisten zu können, bedarf einer hohen Genauigkeit. Wird beispielsweise eine Wechselrichteranordnung mit zehn Wechselrichtern verwendet und eine Schaltfrequenz von 8 kHz, so ergibt sich eine Versatzzeit T_V von 1/(8000·10) s und damit von etwa T_V = 12,5 μs. Eine entsprechende Genauigkeit muss das Kommunikationsmittel gewährleisten können. Beispielsweise wird hierzu ein Datenbus, wie ein CAN-Bus, vorgeschlagen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Wechselrichter räumlich voneinander getrennt und/oder jeweils in einem eigenen Gehäuse angeordnet. Somit bildet jeder Wechselrichter eine eigenständige Einheit. Eine Synchronisation zum Reduzieren des Schaltrippels wird durch die Kommunikationseinrichtung, insbesondere eine die Wechselrichter verbindenden Datenbus, erreicht. Dabei ist es vorteilhaft, als Kommunikationseinrichtung zum Synchronisieren der Wechselrichter untereinander einen Datenbus zu verwenden, der zudem auch zum Übertragen anderer Informationen verwendet werden kann. Darunter, dass die Wechselrichter räumlich voneinander getrennt angeordnet sind, ist insbesondere eine Aufstellung der Wechselrichter in einer Solar-Freifeld-Anlage zu verstehen, bei der beispielsweise Abstände der Wechselrichter untereinander von über 50 m auftreten. Insbesondere für solche weitläufigen Wechselrichteranordnungen bietet die vorliegende Erfindung einen Lösungsvorschlag.
Im Übrigen ermöglicht die Verwendung räumlich voneinander getrennter Wechselrichter und/oder Wechselrichter, die jeweils ein eigenes Gehäuse aufweisen, insbesondere im Zusammenhang mit einem Datenbus als Kommunikationseinrichtung einen modularen Aufbau der Wechselrichteranordnung. Es können so Wechselrichter ergänzt, entfernt oder getauscht werden und brauchen im Wesentlichen nur an das einzuspeisende Wechselspannungsnetz und den Datenbus angeschlossen zu werden. Weitere Anpassungen, wie beispielsweise die Berechnung einer Versatzzeit oder einer absoluten Verschiebungszeit kann über Software erfolgen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass eine zentrale Steuereinheit vorgesehen ist zum Vorgeben eines bzw. des Synchronisationssignals und/oder zum Vorgeben einer Versatzzeit oder jeweils einer absoluten Verschiebungszeit für jeden Wechselrichter und/oder einer Kennung zum Bestimmen der jeweiligen Verschiebungszeit des betreffenden Wechselrichters.
Eine solche zentrale Steuereinheit kann somit die Wechselrichteranordnung hinsichtlich einiger Eigenschaften wie zuvor erläutert steuern. Dabei ist zu beachten, dass die zentrale Steuereinheit ein separates Gerät sein kann oder in einem der Wechselrichter untergebracht ist. Es besteht auch die Möglichkeit, dass jeder Wechselrichter eine Steuereinheit aufweist, die die Aufgabe der zentralen Steuereinheit übernehmen kann und bei Bedarf eine dieser Steuerungen der Wechselrichter als zentrale Steuereinheit verwendet wird, wobei gegebenenfalls zunächst eine entsprechende Programmierung einer solchen Wechselrichtersteuereinheit vorzusehen sein kann. Zunächst einmal kann die zentrale Steuereinheit zum Generieren des Synchronisationssignals verwendet werden. Alternativ oder ergänzend kann die zentrale Steuereinheit eine Verschiebungszeit für jeden Wechselrichter einzeln bestimmen und mittels der Kommunikationseinrichtung an die Wechselrichter übertragen. Alternativ oder ergänzend wird mittels der zentralen Steuereinheit eine Versatzkennung für jeden Wechselrichter bestimmt und an den jeweiligen Wechselrichter übertragen. Jeder Wechselrichter kann dann aus der Versatzkennung und der Versatzzeit T_V seine Verschiebungszeit berechnen und umsetzen. So kann eine Versatzkennung beispielsweise eine natürliche Zahl von 0 bis N-1 sein, wenn N Wechselrichter involviert sind. Der zeitliche Versatz jedes Wechselrichters rechnet sich dann als Produkt aus der Versatzzeit T_V und der Versatzkennung. Der Wechselrichter, der als Versatzzeit den Wert 0 erhält, weist somit keine zeitliche Verschiebung auf.
Weiterhin wird eine Solaranlage mit mehreren Solargeneratoren und einer erfindungsgemäßen Wechselrichteranordnung vorgeschlagen, wobei jedem Wechselrichter wenigstens einer der Solargeneratoren zugeordnet ist. Es sind somit mehrere, insbesondere viele Solargeneratoren vorhanden, die die erzeugte elektrische Energie an jeweils einen Wechselrichter der Wechselrichteranordnung beim Einspeisen in das elektrische Wechselspannungsnetz übertragen. Durch die Verwendung einer wie oben beschriebenen Wechselrichteranordnung kann für diese Solaranlage eine Einsparung bei induktiven Bauelementen, insbesondere den Drosseln erreicht werden. Vorzugsweise ist die Solaranlage als Freifeld-Anlage ausgebildet. Solche Freifeld-Anlagen sind Solaranlagen mit einer Vielzahl von Solargeneratoren, die großflächig verteilt sind und zusammen eine Freifläche von mehreren hundert Quadratmetern oder sogar mehreren tausend Quadratmetern überspannen können. Insbesondere für solche großflächig verteilten Solaranlagen ist eine eine entsprechend große Distanzen überbrückende Kommunikationseinrichtung vorzusehen, um die beschriebene Synchronisation durchführen zu können.
Erfindungsgemäß wird zudem ein Verfahren zum Einspeisen elektrischer Energie in ein elektrisches Wechselspannungsnetz mittels mehrerer, parallel geschalteter Wechselrichter vorgesehen mit den Schritten Erzeugen jeweils eines Wechselstroms mittels einer Puls-Modulation, insbesondere einer Puls-Weiten-Modulation in jedem Wechselrichter, wobei hierzu jeder Wechselrichter ein gepulstes Signal durch Schalten von Halbleiterschaltern erzeugt, wobei das Schalten mit einer Schaltfrequenz und zu bestimmten Schaltzeiten erfolgt, und Überlagern der durch die Wechselrichter erzeugten Wechselströme zu einem gemeinsamen Wechselstrom, der als Summenstrom bezeichnet wird, wobei die Wechselrichter untereinander so synchronisiert sind, dass die Schaltzeiten eines Wechselrichters zu den Schaltzeiten eines anderen Wechselrichters versetzt sind.
Vorzugsweise wird den Wechselrichtern zum Synchronisieren wenigstens ein Synchronisierungssignal über eine Kommunikationseinrichtung, insbesondere einen Datenbus, bereitgestellt, und die Schaltzeiten jedes Wechselrichters werden abhängig von dem Synchronisationssignal eingestellt.
Vorzugsweise wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem jedem Wechselrichter eine individuelle Verschiebungszeit übertragen wird, insbesondere von einer zentralen Steuereinheit über die Kommunikationseinrichtung, wobei die Verschiebungszeit eine zeitliche Verschiebung der Schaltzeit des jeweiligen Wechselrichters in Bezug auf die Schaltzeiten eines Referenzwechselrichters kennzeichnet. Die Schaltzeiten des Referenzwechselrichters orientieren sich insbesondere ohne zeitlichen Versatz an dem Synchronisationssignal. Während die Versatzzeit den zeitlichen Versatz jeweils zwischen den Schaltzeiten zweier Wechselrichter angibt, betrifft die absolute Verschiebungszeit den zeitlichen Versatz in Bezug auf einen Referenzwechselrichter. Demnach beträgt die jeweilige absolute Verschiebungszeit ein ganzzahliges Vielfaches der Versatzzeit T_V, wobei der ganzzahlige Faktor zum Bestimmen des Vielfachen auch 0 oder 1 betragen kann, für den Referenzwechselrichter als solchen beträgt der Faktor 0.
Alternativ oder ergänzend kann jedem Wechselrichter eine individuelle Kenngröße zum Bestimmen der jeweiligen Verschiebungszeit bereitgestellt werden. Die Kenngröße ist im einfachsten Fall ein Faktor, um die Verschiebungszeit als ein Vielfaches der Versatzzeit zu bestimmen. Abhängig von der jeweiligen Verschiebungszeit wird die Schaltzeit jedes Wechselrichters abhängig von dem Synchronisationssignal bestimmt. Jeder Wechselrichter generiert hierbei auf bekannte Weise ein Puls-Weiten-moduliertes Signal und verschiebt zusätzlich die hierfür berechneten Schaltzeiten bzw. Schaltzeitpunkte jeweils um die individuelle Verschiebungszeit des betreffenden Wechselrichters.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Wechselrichteranordnung dazu vorbereitet, die Schaltzeiten des wenigstens einen Wechselrichters zu den Schaltzeiten des wenigstens einen anderen Wechselrichters oder gegenüber einer Referenzzeit um eine Verschiebungszeit einzustellen, die den zeitlichen Versatz der Schaltzeiten des einen Wechselrichters zu den Schaltzeiten des wenigstens einen anderen Wechselrichters angibt, Hierbei wird die Verschiebungszeit für wenigstens einen oder jeden Wechselrichter jeweils über eine Zufallsfunktion bestimmt. Es wird hierbei für den jeweiligen Wechselrichter die Verschiebungszeit im Bereich von 0 bis 1/f durch eine Zufallsfunktion bestimmt. Insbesondere bei der Verwendung vieler Wechselrichter kann eine möglichst gleichmäßige Verschiebung statistisch bedingt erreicht werden. Dieses Verfahren hat auch den Vorteil, dass die Bestimmung der jeweiligen Verschiebungszeit unabhängig von der Anzahl der verwendeten Wechselrichter erfolgt. Somit kann jeder Wechselrichter im Grunde unabhängig von den übrigen Wechselrichtern die jeweilige Verschiebungszeit bestimmen, jedenfalls insoweit als dass eine Änderung der Anzahl der Wechselrichter in der Wechselrichteranordnung für die Bestimmung der jeweiligen Verschiebungszeit nicht berücksichtigt zu werden braucht.,
Grundsätzlich kommt auch in Betracht, die Schaltzeiten jedes Wechselrichters durch eine zentrale Steuereinheit vorzugeben. Hierdurch kann der Rechenaufwand in jedem Wechselrichter reduziert werden, wobei wesentlich mehr Daten über eine Kommunikationseinrichtung zu den Wechselrichtern übertragen werden müssen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen exemplarisch unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert.
1 zeigt schematisch eine Wechselrichteranordnung, die in eine Solaranlage eingebunden ist; und
2 zeigt exemplarisch einen Ausschnitt aus einem Puls-Weiten-modulierten Signal dreier Wechselrichter.
Die Solaranlage 1 gemäß 1 weist exemplarisch eine Wechselrichteranordnung 2 mit drei Wechselrichtern W1, W2 und W3 auf. Außerdem sind drei Solargeneratoren 4 vorhanden, von denen jeweils einer mit einem der Wechselrichter W1, W2 oder W3 verbunden ist. Jeder Wechselrichter W1, W2 und W3 weist an seinem Ausgang eine Ausgangsdrossel L auf, die auch als Filterdrosseln bezeichnet werden können. Hinter den Ausgangsdrosseln L werden die Ausgänge der Wechselrichter W1, W2 und W3 an einem Überlagerungsknoten 6 zusammengeführt, so dass die Wechselrichter W1, W2 und W3 parallel geschaltet sind. Der Wechselrichter W3, der damit verbundene Solargenerator 4 und Ausgangsleitungen 8 sind gestrichelt dargestellt, um anzudeuten, dass der dargestellte dritte Wechselrichter W3 optional ist, dass aber auch mehr als drei Wechselrichter vorgesehen sein können.
Hinter dem Überlagerungsknoten 6 wird der gesamte Strom der drei Wechselrichter W1, W2 und W3 über einen Netzanschluss, der hier vereinfacht als Netzinduktivität L_N dargestellt ist, ins Wechselspannungsnetz 10 eingespeist.
Die Wechselrichter W1, W2 und W3 erzeugen an ihren jeweiligen Ausgängen 12 ein Puls-Weiten-moduliertes Signal. Hierzu werden Halbleiterschalter in den Wechselrichtern W1, W2 und W3 entsprechend geschaltet und hierzu zu bestimmten Schaltzeitpunkten angesteuert. Die Wechselrichter W1, W2 und W3 sind über eine Kommunikationseinrichtung 14, die hier als Datenbus ausgebildet ist, zur Kommunikation untereinander verbunden. Über diese Kommunikationseinrichtung 14 wird im Betrieb der Wechselrichteranordnung 2 ein Synchronisationssignal übertragen, um die Wechselrichter W1, W2 und W3 derart zu synchronisieren, dass die Schaltzeitpunkte zwischen ihnen etwas versetzt sind. Dadurch ist das Schaltrippel, das den durch die Filterdrosseln L fließenden Ströme überlagerte Schaltrippel für die unterschiedlichen Wechselrichter W1, W2 und W3 gegeneinander verschoben. Bei der Überlagerung in dem Überlagerungsknoten 6 kompensieren sich somit diese Schaltrippel der Ströme der einzelnen Wechselrichter zumindest teilweise in dem entstehenden Gesamtstrom, der über die Netzinduktivität L_N fließt.
Das versetzte Schalten der Wechselrichter W1, W2 und W3 untereinander ist in der 2 veranschaulicht. 2 zeigt dabei für drei Wechselrichter W1, W2 und W3, die den drei Wechselrichtern W1, W2 und W3 der 1 entsprechen können, einen Ausschnitt eines Puls-Weiten-modulierten Signals. Außerdem ist exemplarisch ein Synchronisationssignal Sync dargestellt. Den vier in 2 dargestellten Diagrammen liegt dieselbe Zeitachse zugrunde.
Der in 2 gezeigte Ausschnitt der Puls-Weiten-modulierten Signale konnte etwa jeweils einem zu einer ansteigenden Sinusflanke gehörendes Signal sein, worauf es zur Erläuterung aber nicht ankommt. Sämtliche drei Wechselrichter W1, W2 und W3 werden mit einer Schaltfrequenz f = 1/T angesteuert. In diesem Zusammenhang kann T als Periodendauer oder Taktzeit bezeichnet werden. Der Wechselrichter W1 bildet in der 2 einen Referenzwechselrichter. Die Pulse des Wechselrichters W2 sind im Grunde zu den Pulsen des Wechselrichters W2 identisch, jedoch um die Versatzzeit T_V verschoben. Für den Wechselrichter W2, wie dargestellt, ist die Versatzzeit T_V gleich mit der absoluten Verschiebungszeit T_A2, die den zeitlichen Versatz gegenüber dem Referenzwechselrichter angibt.
Die Pulse des Wechselrichters W3 sind um die Versatzzeit T_V gegenüber den korrespondieren Pulsen des Wechselrichters W2 verschoben. Bezogen auf den Referenzwechselrichter W1 liegt eine absolute Versatzzeit von T_A3 vor, die einer doppelten Versatzzeit T_V entspricht. Dem dargestellten Beispiel liegt zudem eine Berechnung der Versatzzeit T_V nach der Formel T_V = 1/(N·f) zugrunde, wobei f die Schaltfrequenz und N die Anzahl der Wechselrichter, im vorliegenden Fall nämlich drei Wechselrichter, angibt. Die Anfangszeiten der Pulse – beispielsweise des ersten jeweils dargestellten Pulses der 2 – sind somit gleichmäßig über die Periodendauer bzw. Taktzeit T verteilt.
In 2 ist schließlich noch ein Synchronisationssignal Sync als Veranschaulichung schematisch dargestellt. Gemäß dieser Darstellung wird ein Synchronisationspuls PS erzeugt und an alle Wechselrichter W1, W2 und W3 über die in 1 gezeigte Kommunikationseinrichtung 14 übertragen. Die abfallende Flanke des Synchronisationspulses P_s ist hier – nur als ein Beispiel – als Synchronisationszeitpunkt angenommen. Abhängig von diesem Synchronisationszeitpunkt richten sich die Schaltzeitpunkte. Der erste Wechselrichter W1, der auch als Referenzwechselrichter dient, weist zu diesem Synchronisationszeitpunkt t₀ keinen Versatz auf. Entsprechend ergibt sich eine absolute Verschiebungszeit T_A1 für den ersten Wechselrichter W1 zu 0. Die absolute Versatzzeit T_A2 des zweiten Wechselrichters W2 entspricht der Versatzzeit T_V und die absolute Verschiebungszeit T_A3 des dritten Wechselrichters weist den doppelten Wert der Versatzzeit T_V auf.
Die 2 zeigt nur exemplarisch zur Veranschaulichung eine Variante. Es ist auch möglich, ohne Referenzwechselrichter auszukommen und jeweils nur einen zeitlichen Versatz von einem Wechselrichter zum nächsten zu berechnen und umzusetzen, oder ein Referenzsignal unabhängig von einem Referenzwechselrichter zu verwenden.
Zusammenfassend beruht die Erfindung somit auf einer parallelen Einspeisung mehrerer Wechselrichter, wie sie z. B. bei großen Freifeld-Anlagen üblich ist. Die Erfindungsidee beruht auf einem Wechselrichterkonzept mit netzseitigen Filterkomponenten, die aus ein- oder mehrstufigen Netzfiltern bestehen. Die genutzten Wechselrichter beinhalten eine schnelle Kommunikationseinrichtung, wie sie beispielsweise durch einen Datenbus, wie einen CAN-Datenbus gegeben sein kann. Diese Kommunikationseinrichtung wird dann dazu genutzt, eine Synchronisation zwischen den Wechselrichtern vorzunehmen, so dass alle Wechselrichter ihre Ansteuersignale der Leistungshalbleiter auf diese Synchronisation synchronisieren.
Durch versetztes Ansteuern der Leistungshalbleiter erfolgt eine Reduktion – im optimalen Fall eine Kompensation – des Schaltrippels des Summenstroms, nämlich des Stroms durch die Netzinduktivität L_N, der parallel geschalteten Wechselrichter. Die in den einzelnen Wechselrichter verwendeten Filterdrossel L können daher kleiner ausgelegt werden. Entsprechend können somit Verluste, Kosten und Gewicht eingespart werden. Dies gilt unabhängig davon, ob ein netzseitiger Filterkreis, wie in der 1 dargestellt, nur aus einer Seriendrossel besteht, oder ob der Filterkreis aus einem LC-Filter oder einem LCL-Filter oder anderweitigen Filterkombinationen besteht.
Grundsätzlich besteht auch eine Möglichkeit der Synchronisation der Wechselrichter untereinander darin, eine hochgenaue Zeiterfassung für jeden Wechselrichter vorzusehen. Sofern jeder Wechselrichter eine hochgenaue, absolute Zeit kennt, kann die Synchronisation auf Basis der absoluten Zeit erfolgen.

Claims

Wechselrichteranordnung zum Einspeisen elektrischer Energie in ein elektrisches Wechselspannungsnetz umfassend – mehrere Wechselrichter zum Erzeugen jeweils eines Wechselstromes mittels einer Puls-Modulation, insbesondere einer Puls-Weiten-Modulation, wobei jeder Wechselrichter hierfür ein gepulstes Signal erzeugt und die Pulse durch Schalten von Halbleiterschaltern erzeugt werden und die Halbleiterschalter hierzu mit einer Schaltfrequenz und zu bestimmten Schaltzeiten angesteuert werden, und – ein Synchronisationsmittel zum Synchronisieren der Wechselrichter untereinander, wobei das Synchronisieren derart erfolgt, dass die Schaltzeiten eines Wechselrichters zu den Schaltzeiten wenigstens eines anderen Wechselrichters versetzt sind.
Wechselrichteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselrichteranordnung dazu vorbereitet ist, die Schaltzeiten des einen Wechselrichters zu den Schaltzeiten des wenigstens einen anderen Wechselrichters um eine Versatzzeit T_V und/oder ein Vielfaches der Versatzzeit T_V abhängig von der Schaltfrequenz f und der Anzahl N der Wechselrichter der Wechselrichteranordnung einzustellen, insbesondere nach der Formel T_V = 1/(N·f).
Wechselrichteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselrichteranordnung dazu vorbereitet ist, die Schaltzeiten des wenigstens einen Wechselrichters zu den Schaltzeiten des wenigstens einen anderen Wechselrichters um eine Verschiebungszeit, die den zeitlichen Versatz der Schaltzeiten des einen Wechselrichters zu den Schaltzeiten des wenigstens einen anderen Wechselrichters angibt, abhängig von der Schaltfrequenz f mittels einer Zufallsfunktion einzustellen.
Wechselrichteranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Synchronisationsmittel eine Kommunikationseinrichtung, insbesondere einen Datenbus, umfasst, um die Wechselrichter untereinander zu synchronisieren, insbesondere durch Bereitstellen eines Synchronisationssignals, so dass jeder Wechselrichter abhängig von dem bzw. einem Synchronisationssignal seine Schaltzeiten einstellt.
Wechselrichteranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselrichter räumlich voneinander getrennt und/oder jeweils in einem eigenen Gehäuse angeordnet sind.
Wechselrichteranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zentrale Steuereinheit zum Vorgeben eines bzw. des Synchronisationssignals für jeden Wechselrichter und/oder zum Vorgeben einer bzw. der Versatzzeit oder einer bzw. der Verschiebungszeit für jeden Wechselrichter, die den zeitlichen Versatz der Schaltzeiten des einen Wechselrichters zu den Schaltzeiten des wenigstens einen anderen Wechselrichters angibt, und/oder zum Vorgeben einer Versatzkennung zum Bestimmen der Verschiebungszeit für jeden Wechselrichter.
Solaranlage mit mehreren Solargeneratoren und einer Wechselrichteranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jedem Wechselrichter wenigstens einer der Solargeneratoren zugeordnet ist.
Solaranlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Freifeldanlage ausgebildet ist.