DE4243205A1 - Vorrichtung zum Einspeisen von photovoltaisch erzeugtem Strom in ein Wechselstromnetz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einspeisen von photovoltaisch erzeugtem Strom in ein Wechselstromnetz, wobei ein Solarmodul mit einem zugeordneten Wechselrichter zur Um­ wandlung des vom Solarmodul erzeugten Gleichstroms in einen zur Einspeisung ins öffentliche Stromnetz geeigneten Wechselstrom elektrisch verbunden ist, und wobei der Wechselrichter besteht aus

• - einem dem Solarmodul parallel geschalteten Kondensator,
• - einem an den Kondensator angeschlossenen Gegentakt-Wechsel­ richter,
• - einer dem Gegentakt-Wechselrichter nachgeschalteten Gleich­ richteranordnung,
• - einem der Gleichrichteranordnung nachgeschalteten und mit dem Wechselstromnetz gekoppelten Brücken-Wechselrichter,
• - einem Steuer- und Regelteil.

Ein Wechselrichter für eine Vorrichtung dieser Art ist bekannt (Prospekt "PV-WR 1500" der Flachglas Solartechnik GmbH, Köln, Druckvermerk WR 1500-A 0690). Der vollautomatisch betriebene Wechselrichter basiert auf dem Verfahren der Pulsweitenmodula­ tion, durch welches der Zeitverlauf des einzuspeisenden Wech­ selstromes bestimmt wird. Der am Solargenerator abgegriffene Gleichstrom wird durch einen Eingangsfilter auf durch ein pulsweitenmoduliertes Regelsignal getaktete schnelle Schalt­ transistoren gegeben. Die Schalttransistoren (MOSFET-Transis­ toren) schalten den Gleichstrom im Gegentakt auf einen Trans­ formator. Der im Sekundärkreis des Transformators auf das Netzspannungsniveau transformierte Strom wird mit Hilfe von Halbleiterdioden und einer Drossel gleichgerichtet und geglät­ tet, so daß durch die Drossel ein gleichgerichteter Sinusstrom fließt. Die Umsetzung in einen symmetrischen Wechselstrom er­ folgt daran anschließend über eine von einem Mikroprozessor an­ gesteuerte Thyristorbrückenschaltung. Die Regel- und Steuer­ technik des Wechselrichters besteht im wesentlichen aus einem Mikroprozessor, der für eine netzspannungs-synchrone Sinusform des einzuspeisenden Stromes sorgt und den Arbeitspunkt des Solarmoduls im Leistungsmaximum hält. Vor der Inbetriebnahme des Wechselrichters muß dieser über eine Gleichstromzuführung mit dem zugeordneten Solargenerator verbunden werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, den schaltungstechnischen Aufbau eines Wechselrichters einer Photovoltaikanlage zu vereinfachen.

Die Lösung der Aufgabe besteht bei einer Vorrichtung der ein­ gangs genannten Art darin, daß der Wechselrichter zur Regelung seiner Eingangsspannung eine zeitdiskrete Proportional-Differ­ ential-Regelung aufweist, deren Taktfrequenz aus dem Wechsel­ stromnetz erzeugt wird.

Vorteilhafterweise verfügt diese zeitdiskrete Proportional- Differential-Regelung über einen Komparator, der die mit einer vorbestimmten Taktfrequenz periodisch abgespeicherte Differenz der Eingangsspannung zu ihrem Sollwert vergleicht. Ein Auf-/Ab­ wärtszähler registriert eine Zu- oder Abnahme der Differenz bitweise und gibt ein digitales Signal aus.

Die Eingangsgröße für Proportional-Differential-Regelungen zur Regelung der Eingangsspannung eines netzgekoppelten Wechsel­ richters ist der über eine Periode des angeschlossenen Wechsel­ stromnetzes gebildete Mittelwert der Eingangsspannung. Bei kontinuierlich arbeitenden Proportional-Differential-Regelungen muß zur Mittelwertbestimmung die sinusförmige Eingangsspannung geglättet werden, was jedoch mit einer hohen zeitlichen Verzö­ gerung verbunden ist. Eine erfindungsgemäße zeitdiskrete Pro­ portional-Differential-Regelung nimmt die Mittelwertbestimmung und die Differenzbildung dieses Wertes zu seinem Sollwert periodisch mit einer aus dem Wechselstromnetz erzeugten Takt­ frequenz vor.

Da keine zusätzliche Schaltung zur Mittelwertbestimmung not­ wendig ist, wird der schaltungstechnische Aufbau eines Wechsel­ richters bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Proportional- Differential-Regelung vereinfacht. Insbesondere kann in Verbin­ dung mit einer zeitdiskreten Proportional-Differential-Regelung ein kleiner dimensionierter Kondensator für die Zwischen­ speicherung der Eingangsspannung verwendet werden.

Ein erfindungsgemäßer Wechselrichter verfügt somit über kleine räumliche Abmessungen und kann daher z. B. auch direkt in ein Solarmodul integriert werden, wodurch die Installation einer Photovoltaikanlage vereinfacht wird, da nun keine gefährlichen Gleichstromübertragungsleitungen zwischen dem Solarmodul und einem zugeordneten Wechselrichter mehr verlegt werden müssen. Der integrierte Wechselrichter ist in seiner Eingangsleistung an die Solarmodulleistung angepaßt, weitere Solarmodule mit integrierten Wechselrichtern können parallel geschaltet werden, so daß die Solaranlage in ihrer Leistung ausbaufähig ist. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit integriertem Wechselrichter kann z. B. direkt und ohne zusätzlichen Aufwand an ein be­ stehendes Wechselstromnetz im Haus angeschlossen werden.

In Ausgestaltung der Erfindung verfügt der Wechselrichter über eine Ausgangsstromregelung, welche eine multiplizierende Digi­ tal/Analog-Wandlung eines digitalen Amplitudensollwertes des Ausgangsstromes bewirkt, wobei der digitale Amplitudensollwert dem digitalen Ausgabesignal der Proportional-Differential-Rege­ lung entspricht. Die Ausgangsstromregelung erzeugt aus dem digitalen Amplitudensollwert mit Hilfe eines formgebenden Sig­ nals einen gewichteten Analogwert, von welchem die Differenz zu einem Istsignal des Ausgangsstromes gebildet wird.

Die Digital/Analog-Wandlung der Ausgangsstromregelung besteht vorteilhafterweise aus einer der maximalen Bitzahl des digi­ talen Amplitudensollwertes entsprechenden Anzahl von Analog­ schaltern, die amplitudensollwertabhängig jeweils einen der parallelen Gewichtungswiderstände zu- oder abschalten, und so ein an die Schalter angelegtes Netzstromsignal amplitudensoll­ wertabhängig gewichtet auf einen mit dem gegenpoligen Ausgangs­ strom-Istsignal belegten Summationspunkt eines Proportional- Integral-Reglers durchschalten. Eine solche Ausgangsstrom­ regelung zeichnet sich durch einen schaltungstechnisch einfa­ chen Aufbau aus.

In weiterer Ausführung verfügt die Erfindung nach den Merkmalen der Unteransprüche 8 bis 12 über eine Maximum Power Point-Re­ gelschaltung zur kontinuierlichen automatischen Einstellung des Arbeitspunktes maximaler elektrischer Leistung des Solarzellen­ moduls. In besonders vorteilhafter Ausführung verändert die Maximum Power Point-Regelschaltung im Sinne einer Ausgangs­ strommaximierung ständig den Sollwert der Eingangsspannung, wo­ bei ein Zähler der Regelschaltung eine vorbestimmte Anzahl von Auf-/Abwärtssignalen der Proportional-Differential-Regelung zählt und ein logisches Glied in Verbindung mit einer Kipp­ schaltung den Zählerstand abfragt. Bei einem überwiegenden An­ teil von Aufwärtssignalen bewirkt die Kippschaltung eine Bei­ behaltung der Änderungsrichtung des Eingangsspannungssoll­ wertes, bei einem überwiegenden Anteil von Abwärtssignalen be­ wirkt sie jedoch eine Änderung der Änderungsrichtung des Ein­ gangsspannungssollwertes. Die erfindungsgemäße Maximum Power Point-Regelschaltung verzichtet auf eine durch den Stand der Technik vorbekannte Messung des Eingangsstromes. Neben dem Vorteil eines schaltungstechnisch einfachen Aufbaus wird durch den Verzicht der Eingangsstrommessung der Umwandlungswirkungs­ grad des Wechselrichters verbessert.

In weiterer vorteilhafter Ausführung verfügt der Wechselrichter über eine Potentialverbindung zwischen einem seiner Ausgangs­ pole und einem Pol des Solarmoduls.

Vorteilhafterweise verläuft die Potentialverbindung zwischen einem der Ausgangspole des Wechselrichters und dem Minuspol des Solarmoduls. Durch eine solche Potentialverbindung liegen alle nötigen Regelsignale auf dem gleichen Potential, wodurch eine bauteil- und platzaufwendige potentialüberwindende Regelsignal­ übertragung zwischen den Eingangs- und Ausgangsgrößen entfällt. Für den Steuer- und Regelteil des Wechselrichters ist nur noch eine einzige Stromversorgung notwendig, wodurch sich der Steuer- und Regelteil kompakt und homogen ausführen läßt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß eine Übertragung der Steuerströme für die Vollbrücken­ ventile des Wechselrichters durch Optokoppler erfolgt, wobei die Versorgungsspannung zur Verstärkung der Steuerströme durch Ableitung eines Teils der zu schaltenden Energie direkt am je­ weiligen Vollbrückenventil entsteht. Gegenüber üblicherweise Verwendung findenden Methoden zur Spannungsversorgung einer Brückenschaltung können mit der beschriebenen Brückenansteu­ erung Bauteile eingespart werden. Somit trägt auch die Brücken­ ansteuerung zur kompakten und schaltungstechnisch einfachen Ausführung des Wechselrichters bei.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrich­ tung zum Einspeisen von photovoltaisch erzeugtem Strom in ein Wechselstromnetz,

Fig. 2A den zeitlichen Verlauf der Netzspannung,

Fig. 2B den zeitlichen Verlauf des Ausgangsstromes,

Fig. 2C den zeitlichen Verlauf der Ausgangsleistung,

Fig. 2D den zeitlichen Verlauf der Eingangsspannung,

Fig. 3 eine Proportional- Differential-Regelung der Vorrich­ tung der Fig. 1,

Fig. 4 eine Ausgangsstromregelung der Vorrichtung der Fig. 1,

Fig. 5 eine Maximum Power Point(MPP)-Regelung zur konti­ nuierlichen Einstellung des Arbeitspunktes im Lei­ stungsmaximum des Solarmoduls der Vorrichtung der Fig. 1, und

Fig. 6 eine Vollbrückenventilsteuerung der Vorrichtung der Fig. 1.

Fig. 1 zeigt einen einem Solarmodul (SM) zugeordneten Wechsel­ richter (WR) zur Umwandlung des vom Solarmodul (SM) erzeugten elektrischen Gleichstromes in einen über Wechselrichterausgänge (NP1, NP2) in das öffentliche Stromnetz einzuspeisenden Wech­ selstrom. Der Wechselrichter (WR) besteht aus zwei Abschnitten, einem Leistungsteil (LT) und einem im Schaltbild gestrichelt umrahmten Steuer- und Regelteil (SRT).

Der Leistungsteil (LT) ist am Pluspol (+) und am Minuspol (-) des Solarmoduls (SM) angeschlossen. Er verfügt über einen Ein­ gangsfilterkondensator (CE), einen Übertragungsteil mit einem Transformator (TR) und Schalttransistoren (Ta, Tb), sowie über eine Vollbrückenanordnung von Brückenschaltern (BS1, BS2, BS3, BS4) zur Durchschaltung der Halbwellen des erzeugten Wechsel­ stroms in das öffentliche Stromnetz über die Ausgangspole (NP1, NP2). Der Minuspol (-) des Solarmoduls (SM) ist über eine Po­ tentialverbindung (P) mit einem Ausgangspol (NP2) des Wechsel­ richters (WR) verbunden.

Der Steuer- und Regelteil (SRT) umfaßt einen Sperrwandler (SW) zur internen Stromversorgung, eine Pulsweitenmodulation (PWM), eine Maximum Power Point (MPP)-Regelung (MPP) zum Ein- und Nachstellen des Arbeitspunktes maximaler Leistung des Solar­ moduls (SM), eine Proportional-Differential (PD)-Regelung (PD), eine Ausgangsstromregelung (IAR), eine Überwachungsschaltung (UW) zur Überwachung der Gleichstromeingangsspannung (UE), einen Taktgeber (K50) zur Erzeugung eines 50 Hz Triggersignals, einen Entkoppler (EK) für ein Netzsignal (IN), sowie einen Proportionalverstärker (PV) für das Ausgangsstromsignal (IA).

Die Wirkungsweise der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung wird im folgenden beschrieben.

An einem Eingangsfilterkondensator (CE), der von einem von dem Solarmodul (SM) gelieferten Gleichstrom aufgeladen ist, wird eine Eingangsspannung (UE) abgegriffen. Diese Spannung (UE) wird auf die zwei getrennten Primärwicklungen (TRa, TRb) des Transformators (TR) gegeben. Außerdem wird die Eingangsspannung (UE) in den Steuer- und Regelteil (SRT) abgeleitet und dort auf den Sperrwandler (SW) zur internen Stromversorgung, die Puls­ weitenmodulation (PWM), die MPP-Regelung (MPP) und die PD-Rege­ lung (PD) gegeben. Zusätzlich erfolgt in der Überwachungsschal­ tung (UW) eine Überwachung der Eingangsspannung (UE).

Die Primärwicklungen (TRa, TRb) des Transformators (TR) werden über schnelle Schalttransistoren (Ta, Tb), insbesondere MOSFET- Transistoren geschaltet. Diese Transistoren (Ta, Tb) werden von Steuerungsschaltungen (Sa bzw. Sb) gesteuert, welche wiederum von der Pulsweitenmodulation (PWM) des Regelteils (RT) getaktet sind. Die Schaltfrequenz der Schalttransistoren (Ta, Tb) be­ trägt vorteilhafterweise 50 kHz. Der durch die Primärwicklungen (TRa, TRb) fließende Strom induziert im Sekundärkreis (TR2) des Transformators (TR) eine Spannung, wobei das Wicklungsverhält­ nis der einzelnen Transformatorwicklungen insbesondere TRa: TRb: TR2 = 1:1:26 beträgt, bei einer Eingangsleistung von ca. 50 W und einer Eingangsnennspannung von ca. 17,5 V. Allgemein beträgt das Wicklungsverhältnis 1:1 : x, wobei sich x berechnet zu:

Der im Sekundärkreis auf das Netzspannungsniveau transformierte Strom wird mit Hilfe von Halbleiterdioden (D1, D2, D3, D4) und einer Drossel (L) gleichgerichtet bzw. geglättet. Ein parallel zu den Ausgangspolen (NP1, NP2) des Wechselrichters (WR) ge­ schalteter Kondensator (CL) bewirkt eine weitere Glättung des Sekundärkreisstromes. Über eine Vollbrückenanordnung (BS1, BS2, BS3, BS4) erfolgt eine Umsetzung in einen symmetrischen Wechselstrom. Dazu werden die Brückenschalter (BS1 bis BS4) durch von einem Taktgeber (K50) erzeugte Steuersignale (OS, OS′) paarweise diagonal durchgeschaltet. Die Taktfrequenz be­ trägt hierbei entsprechend der Netzfrequenz 50 Hz. Eine erste Halbwelle der einzuspeisenden Spannung wird z. B. vom durch das Steuersignal (OS) gesteuerten Brückenschalterpaar (BS1, BS3) an die Ausgangspole (NP1, NP2) gelegt, eine darauffolgende zweite Halbwelle entsprechend durch das vom Steuersignal (OS′) ge­ steuerte Brückenschalterpaar (BS2, BS4), wodurch über die Ausgangspole (NP1, NP2) ein sinusförmiger Wechselstrom fließt. Der Taktgeber (K50) wird über die Überwachungsschaltung (ÜW) mit einem Sperrsignal (SP) ein- bzw. ausgeschaltet.

Der effektive vom Kondensator (CE) abfließende Strom wird über die Proportional-Differential-Regelung (PD) so geregelt, daß die Eingangsspannung (UE) konstant bleibt, wobei der Sollwert (UES) der Eingangsspannung von der MPP-Regelung (MPP) erzeugt und auf die PD-Regelung (PD) gegeben wird. Die PD-Regelung (PD) erzeugt ein digitales Amplitudensollwertsignal (8B) des Ausgangsstromes, welches an die Ausgangsstromregelung (IAR) weitergeleitet wird. Dieses amplitudenbestimmende Signal wird mit einem an einem ersten Ausgangspol (NP1) abgegriffenen und von einem Entkoppler (EK) bereitgestellten Netzsignal (IN), welches die Funktion eines formgebenden Signals konstanter Amplitude übernimmt, einer multiplizierenden Digital/Analog- Wandlung unterzogen. Das entstehende Signal (IN′) wird mit einem von einem Proportionalverstärker (PV) vor dem zweiten Ausgangspol (NP2) abgegriffenen Istwertsignal (IA) des Aus­ gangsstromes verglichen. Aus diesem Vergleich wird ein Regel­ signal (RS) für die Pulsweitenmodulation (PWM) erzeugt, welche daraus ihre Schaltsignale für die Transistorschaltungen (Sa, Sb) erzeugt.

Durch die Potentialverbindung (P) zwischen dem Minuspol (-) des Solarmoduls (SM) und einem Ausgangspol (NP2) des Wechselrich­ ters (WR) vereinfacht sich der schaltungstechnische Aufbau des Wechselrichters (WR), da alle nötigen Regelsignale für die Ein­ gangsspannung, die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom auf demselben Potential liegen, und somit eine aufwendige poten­ tialüberwindende Regelsignalübertragung (z. B. durch Trennver­ stärker) entfällt. Bei nicht schutzisolierten Solarmodulen muß lediglich sichergestellt werden, daß der an der Potentialver­ bindung (P) anliegende Ausgangspol (NP2) grundsätzlich mit dem Nulleiter des Netzes verbunden ist. Zusätzlich kann eine Schutzschaltung vorgesehen werden, um einen Betrieb mit fal­ schem Anschluß des Ausgangspoles (NP2) zu unterbinden. Hierzu wird z. B. die Zuleitung zwischen der Potentialverbindung (P) und dem Ausgang (NP2) über einen spannungsabhängigen Widerstand geerdet und zum Ausgangspol (NP2) hin mit einer Schmelzsiche­ rung gesichert.

Die Fig. 2A bis 2D stellen verschiedene zeitliche Spannungs- und Stromverläufe dar. In allen vier Diagrammen ist auf der Abszisse die Zeit t aufgetragen.

Fig. 2A zeigt den zeitlichen Verlauf der Netzspannung (UN) über eine Periode, beginnend zum Zeitpunkt T0 und endend zum Zeit­ punkt T1. Die Periodendauer ΔT einer Schwingung der sinus­ förmigen Netzspannung (UN) entspricht einer Frequenz von 50 Hz. Diese Frequenz wird von dem in Fig. 1 dargestellten Taktgeber (K50) synchron zur Netzspannung (UN) am Ausgangspol (NP1) des Wechselrichters (WR) abgegriffen.

Fig. 2B zeigt den entsprechenden zeitlichen Verlauf des Aus­ gangsstromes (IA). Hierbei wird deutlich, daß die Netzspannung (UN) und der Ausgangsstrom (IA) gleichphasig verlaufen, d. h. die Nulldurchgänge und die Stellen größter Amplituden beider Kurvenverläufe entsprechen einander.

Die in Fig. 2C dargestellte Ausgangsleistung (PA) berechnet sich zu:

PA = UN : IA.

Die Ausgangsleistung (PA) ist immer größer Null, abgesehen von den den Nulldurchgängen der Netzspannung (UN) entsprechenden Stellen, an denen sie Null wird.

Fig. 2D zeigt den zeitlichen Verlauf der am Eingangsspeicher­ kondensator (CE) abgegriffenen Eingangsspannung (UE). Auch die­ se Eingangsspannung (UE) weist einen sinusförmigen Verlauf auf, dessen Amplitude von der Amplitude des in Fig. 2B dargestellten Ausgangsstromes abhängig ist. Die Eingangsspannung (UE) vari­ iert nicht um den Wert Null, sondern um einen Eingangsspan­ nungsmittelwert (UEM), der größer als Null ist. Verglichen mit der Netzspannung (UN) und dem Ausgangsstrom (IA) verfügt die Eingangsspannung (UE) über die doppelte Frequenz, wobei sämtliche Nulldurchgänge der Netzspannung (UN) mit Mittelwert­ durchgängen der Eingangsspannung (UE) zusammenfallen (vgl. Fig. 2A mit Fig. 2D).

Die genaue Funktionsweise der zeitdiskreten Proportional-Diffe­ rential-Regelung (PD) wird in der Fig. 3 veranschaulicht. Die tatsächliche Eingangsspannung (UE) und der von der MPP-Regelung gelieferte negative Sollwert (UES) der Eingangsspannung werden an einem Summationspunkt (10) voneinander subtrahiert. Die Dif­ ferenz der beiden Werte wird über einen durch ein Triggersignal (50) getakteten Analogschalter (A1) auf einen Speicherkondensa­ tor (CM) gegeben. Das Takten des Schalters (A1) findet z. B. zu dem in den Fig. 2A-2D bezeichneten Zeitpunkt (T0) das erste Mal statt, und wiederholt sich dann periodisch mit der Perioden­ dauer (ΔT). Somit wird der Schalter (A1) immer dann geschlos­ sen, wenn der Momentanwert der Eingangsspannung (UE) dem Mittelwert (UEM) der Eingangsspannung entspricht. Bei geöff­ netem Schalter entlädt sich der Speicherkondensator (CM) über einen Spannungsteiler aus den Widerständen (R4) und (R5) auf den positiven Eingang eines Komparators (OP1).

Durch Versuche wurde gefunden, daß eine der Netzfrequenz ent­ sprechende Taktfrequenz von 50 Hz das beste Ergebnis liefert, also eine stabile Regelschaltung bei ausreichend häufig vorge­ nommenem Soll-Istwert-Vergleich. Eine Erhöhung der Frequenz z. B. auf 100 Hz, entsprechend einer Betätigung des Schalters (A1) bei jedem Mittelwertdurchgang der Eingangsspannung (UE) (vgl. Fig. 2D), würde zu kleine Regelsignale bewirken. Ein Abfragen nur jedes achten Mittelwertdurchgangs, entsprechend einer Taktfrequenz von 25 Hz, resultiert in einer zu großen Zeitspanne zwischen den einzelnen Soll-Istwert-Vergleichen, wodurch die Regelung zu langsam arbeiten würde.

Am Summationspunkt (10) vor dem negativen Eingang des Kompara­ tors (OP1) wird kontinuierlich die Differenz zwischen dem Soll- und dem Istwert der Eingangsspannung gebildet. Bei sich ändern­ der Eingangsspannung (UE) wird also zum Triggerzeitpunkt (T0, T1, . . .) am negativen Eingang des Komparators (OP1) ein sich vom Signal am positiven Eingang unterscheidendes Signal anlie­ gen. Der Komparator (OP1) ist auf einen Nullabgleich seiner Eingänge ausgelegt, weshalb er ein der Differenz entgegenwir­ kendes Signal erzeugt, welches von einem invertierenden Schmitt-Trigger (ST1) in ein gegensinniges Auf- oder Abwärts- Signal (AAS) gewandelt wird. Dieses Signal (AAS) wird zum einen über einen hochohmigen Widerstand (R3) zum Summationspunkt (10) rückgekoppelt und liegt zum anderen an einem Eingang (U/D) eines Auf-/Abwärtszählers (AAZ). Beim nächsten Triggersignal (50) werden gleichzeitig der Auf-/Abwärtszähler (AAZ) über seinen Clock-Eingang (CL) und der Analogschalter (A1) akti­ viert, so daß zum einen das dem Unterschied der aktuellen Spannungsdifferenz zur beim vorherigen Takt abgespeicherten Spannungsdifferenz entsprechenden Auf- bzw. Abwärtssignal vom Zähler (AAZ) registriert wird, zum anderen die aktuelle Spannungsdifferenz am Summationspunkt (10) über den Schalter (A1) auf den Speicherkondensator (CM) geladen wird. Das von den Ausgängen (1 bis 8) des Zählers (AAZ) ausgegebene digitale Signal entspricht dann dem Amplitudensollwert (8B) des Aus­ gangsstromes. In Abhängigkeit von der zeitlichen Änderung der Soll-Istwert-Differenz der Eingangsspannung (UE) und der Soll- Istwert-Differenz selbst wird also die Amplitude des Ausgangs­ stromes verkleinert oder vergrößert. Diese Änderung bewirkt dann eine Änderung des Mittelwerts des Eingangsstromes des Wechselrichters und über den resultierenden Kondensatorlade­ strom eine Änderung des Mittelwertes der am Kondensator (CE) anliegenden Spannung (UE).

Der Komparator (OP1) kann natürlich auch umgepolt und ohne in­ vertierenden Schmitt-Trigger (ST1) betrieben werden. Die Ver­ wendung eines Schmitt-Triggers wirkt sich jedoch vorteilhaft auf die Steilheit der Signalflanken aus.

Der Zähler (AAZ) erhält an einem Preset-Eingang (PE) nach dem Einschalten des Wechselrichters (WR) ein Preset-Signal (PRS) und wird dadurch auf einen Initialwert "1" gesetzt. Die Auf-/ Abwärtssignale (AAS) werden, ebenso wie das Triggersignal (50), zur MPP-Regelung abgezweigt.

Der digitale Amplitudensollwert (8B) wird von dem Zähler (AAZ) auf die Ausgangsstromregelung (IAR) gegeben, deren Funktions­ weise in der Fig. 4 veranschaulicht ist. Das Amplitudensoll­ wertsignal (8B) wird über eine 8-Bit-Leitung als Steuersignal auf eine entsprechende Anzahl von acht Analogschaltern (A) ge­ geben. Die Analogschalter (A) sind insbesondere CMOS-Schalter. An ihnen liegt ein formgebendes Netzsignal (IN) an.

An der gegenüberliegenden Zuleitung eines jeden Schalters (A) ist ein Widerstand (R, 2R, . . ., 128R) angeordnet, wobei die Größe des jeweiligen Widerstandes umgekehrt proportional zur Wertigkeit der entsprechenden Bitleitung ist. An dem der Bit­ leitung (8) zugeordneten Schalter ist ein Widerstand R ange­ schlossen, an dem der Bitleitung (7) zugeordneten Schalter ein doppelt so großer Widerstand 2R, an dem der Bitleitung (6) zu­ geordneten Schalter wiederum ein doppelt so großer Widerstand 4R, usw. bis zum der Bitleitung (1) zugeordneten Schalter, an welchem ein Widerstand von 128R angeschlossen ist. Diese Ge­ wichtungswiderstände werden in Abhängigkeit vom Zustand der entsprechend zugeordneten Bitleitung zu- oder abgeschaltet, so daß diese Schalteranordnung die Funktion eines multiplizieren­ den Digital/Analogwandlers besitzt. Durch die variable Pa­ rallelschaltung der Gewichtungswiderstände ergibt sich am negativen Eingang (20) eines Komparators (OP2) ein unterschied­ lich gewichtetes Sollwertsignal (IN′), d. h. das Signal (IN′) entspricht einer Multiplikation des formgebenden Signals (IN) mit dem Amplitudensollwertsignal (8B).

Am Summationspunkt (20) wird die Differenz zwischen dem Soll­ signal (IN′) und einem gegenpolig abgegriffenen und über einen Widerstand R/2 zugeleiteten Ausgangsstrom-Istsignals (IA) ge­ bildet. Diese Differenz wird von einem Proportional-Integral- Regler (PI), bestehend aus dem Komparator (OP2), einem am posi­ tiven Eingang des Komparators angeschlossenen und geerdeten Widerstand (R7) sowie einem Integrierglied aus einem Konden­ sator (C2) und einem Widerstand (R6), in ein Regelsignal (RS) gewandelt, welches nach einer (nicht dargestellten) getakteten Gleichrichtung an die Pulsweitenmodulation (PWM) gegeben wird. In Abhängigkeit dieses Regelsignals (RS) werden die Schalttran­ sistoren (Ta, Tb) des Transistors (TR) angesteuert und durch den dadurch erzeugten Spannungsverlauf werden sowohl der Aus­ gangsstrom- als auch die Eingangsspannung geregelt.

Fig. 5 veranschaulicht die Wirkungsweise der Maximum Power Point-Regelung (MPP) zur Einstellung eines Arbeitspunktes auf der nichtlinearen Kennlinie des Solarmoduls (SM), bei dem die elektrische Leistung des Moduls bei konstanter Sonneneinstrah­ lung maximal ist. Die dargestellte MPP-Regelung basiert auf dem Prinzip der Ausgangsstrommaximierung, d. h. der Sollwert (UES) der Eingangsspannung wird ständig so verändert, daß der Aus­ gangsstrom (IA) maximal wird. Das Schaltbild der Fig. 5 zeigt eine MPP-Regelung (MPP), die einen aus Gründen der Darstel­ lungsvereinfachung nicht näher dargestellten Regelkreis (MPP′) für den Sollwert (UES) der Eingangsspannung umfaßt, zwei Kipp­ schaltungen (K1, K3), einen digitalen Zähler (Z2) und ein logisches Glied (XOR). An einem Eingang (D1) der Kippschaltung (K1) liegen die Auf-/Abwärtssignale (AAS) der PD-Regelung (PD) an, und werden in Abhängigkeit von einem am Clock-Eingang (CL1) der Kippschaltung (K1) angelegten Triggersignal (50) eingele­ sen. Der Ausgang (Q1) gibt nur die Aufwärtssignale (AUF) an den digitalen Zähler (Z2) weiter. Die Kippschaltung (K1) fungiert demnach als Filter für die Abwärtssignale der Auf-/Abwärtssig­ nale (AAS).

Die Aufwärtssignale (AUF) sind an einen Clock-Eingang (CL2) des Zählers (Z2) angelegt und bewirken somit eine Triggerung des Zählers (Z2), der dann in einem Zählzyklus den Anteil an Auf­ wärtssignalen an einer vorbestimmten Anzahl von Auf-/Abwärts­ signalen (AAS) zählt. Zu Beginn jedes Zählzyklus wird der Zähler (Z2) durch ein an seinem Reseteingang (RE) angelegtes Resetsignal (RES) vom Regelkreis (MPP′) auf Null gesetzt. Der Zähler (Z2) ist so gesetzt, daß sein Ausgang (Q2) genau dann von Null auf Eins wechselt, wenn die am Clock-Eingang (CL2) registrierte Anzahl von Aufwärtssignalen (AUF) 50% oder mehr der vorbestimmten Anzahl von an der Kippschaltung (K1) empfangenen Signalen (AAS) entspricht. Entspricht z. B. ein Einlesezyklus der Kippschaltung (K1) einer Anzahl von 16 Auf-/Abwärtssignalen (AAS), so wechselt ein Ausgang (Q2) des Zählers (Z2) von Null auf Eins, wenn der Clock-Eingang (CL2) wenigstens 8 Aufwärtssignale (AUF) registriert hat.

Der Ausgang (Q2) liegt an einem ersten Eingang des logischen Glieds (XOR) an, dessen Ausgang wiederum mit einem Eingang (D3) der Kippschaltung (K3) verbunden ist. Ein erster Ausgang (Q3) der Kippschaltung (K3) ist mit der Regelschaltung (MPP′) ver­ bunden, während ein zweiter Ausgang (Q3) auf einen zweiten Eingang des XOR-Gliedes gelegt ist, wobei der zweite Ausgang (Q3) das dem ersten Ausgang (Q3) entsprechende binäre Gegen­ zeichen ausgibt. Die Kippschaltung (K3) wird vom an ihrem Clock-Eingang (CL3) anliegenden Resetsignal (RES) des Regel­ kreises (MPP′) getaktet. Am Ende eines jeden Einlesezyklus werden also gleichzeitig die Kippschaltung (K3) getaktet und der Zähler (Z2) auf Null gesetzt. Durch das Takten der Kipp­ schaltung (K3) wird das am Ausgang des logischen Gliedes (XOR) anliegende Signal von der Kippschaltung (K3) in ihren Eingang (D3) eingelesen. Dieses Signal entspricht einem logischen Ex­ klusiv-Oder-Vergleich der an den beiden Eingängen des XOR- Gliedes anliegenden Signale. Die Verschaltung des XOR-Gliedes und der Kippschaltung (K3) bewirkt dabei bei einem überwie­ genden Anteil von Aufwärtssignalen, was ja einer Vergrößerung des Amplitudensollwertes (8B) des Ausgangsstromes entspricht, eine Beibehaltung der Änderungsrichtung des Eingangsspannungs­ sollwertes (UES), d. h. der vom Ausgang (Q3) der Kippschaltung (K3) ausgegebene Wert verändert sich nicht. Bei einem über­ wiegenden Anteil von Abwärtssignalen, entsprechend einem Null- Signal am Ausgang (Q2) des Zählers (Z2), wird eine Änderung des Ausgangssignals (Q3) der Kippschaltung (K3) bewirkt, ent­ sprechend einer Änderung der Änderungsrichtung des Eingangs­ spannungssollwertes (UES).

Fig. 6 veranschaulicht die Wirkungsweise eines Brückenschalters (BS). Ein Brückenschalter (BS) besteht im wesentlichen aus einem Schalttransistor (BT) als eigentlichem Schaltventil, insbesondere aus einem MOSFET-Transistor, und einer diesem Transistor (BT) zugeordneten Steuerschaltung. Die von dem Takt­ geber (K50) erzeugten Steuersignale (OS, OS′) werden auf die einzelnen Brückenschalter (BS1 bis BS4) gegeben (vgl. Fig. 1), und dort von Optokopplern (OK1, OK2) übertragen. Die Opto­ koppler (OK1, OK2) bestehen jeweils aus einer Fotodiode (FD1, FD2) und einem zugeordneten Fototransistor (FT1, FT2), welcher die von der Fotodiode (FD1, FD2) aufgrund der Steuersignale ausgesandten Lichtsignale empfängt und verstärkt. Die Versor­ gungsspannung (UV) zur Verstärkung dieser Steuerströme wird mit Hilfe eines hochohmigen Widerstandes (R8) direkt am Brücken­ ventil (BT) von der zu schaltenden Energie abgeleitet. Die für die Versorgungsspannung (UV) entsprechende abgeleitete Schalt­ energie ist sehr gering und beträgt weniger als 12 Milliwatt bei einem Schaltvermögen des Brückenschalters von 2,4 A. Die Schaltenergie wird in einem Kondensator (C3) zwischengespei­ chert, wobei die Spannung an diesem Kondensator (C3) durch eine Zenerdiode (ZD) begrenzt wird. Durch das Abgreifen der Versor­ gungsspannung (UV) direkt am Brückenventil (BT) vermeidet man aufwendige Stromübertragungen. Dieses Vorgehen verträgt sich besonders gut mit der Potentialverbindung (P) (vgl. Fig. 1).

Claims (17)

1. Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einspeisen von photovoltaisch erzeugtem Strom in ein Wechselstromnetz, wobei ein Solarmodul mit einem zugeordneten Wechselrichter zur Umwandlung des vom Solarmodul erzeugten Gleichstroms in einen zur Einspeisung ins öffentliche Stromnetz geeigneten Wechsel­ strom elektrisch verbunden ist, und wobei der Wechselrichter besteht aus

• - einem dem Solarmodul parallel geschalteten Kondensator,
• - einem an den Kondensator angeschlossenen Gegentakt-Wechsel­ richter,
• - einer dem Gegentakt-Wechselrichter nachgeschalteten Gleich­ richteranordnung,
• - einem der Gleichrichteranordnung nachgeschalteten und mit dem Wechselstromnetz gekoppelten Brücken-Wechselrichter,
• - einem Steuer- und Regelteil,
  dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter (WR) zur Regelung seiner Eingangsspannung (UE) eine zeitdiskrete Proportional- Differential-Regelung (PD) aufweist, deren Taktfrequenz aus dem Wechselstromnetz erzeugt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitdiskrete PD-Regelung (PD) über einen Komparator (OP1) verfügt, der die mit einer vorbestimmten Taktfrequenz (50) periodisch abgespeicherte Differenz der Eingangsspannung (UE) zu ihrem Sollwert (UES) mit der zuletzt abgespeicherten Differenz vergleicht, wobei ein Auf-/Abwärtszähler (AAZ) eine Zu- oder Abnahme der Differenz bitweise registriert und ein digitales Signal (8B) ausgibt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der Eingangsspannung (UE) zu ihrem Sollwert (UES) periodisch auf einem Kondensator (CM) abgespeichert wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Taktfrequenz (50) 50 Hz beträgt.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter (WR) über eine Ausgangsstromregelung (IAR) verfügt, welche eine multiplizie­ rende Digital/Analog-Wandlung eines digitalen Amplitudensoll­ wertes (8B) des Ausgangsstromes bewirkt, und welche die Differenz des somit erzeugten gewichteten Analogsignals (IN′) zu einem Istsignal (IA) des Ausgangsstromes bildet und diese Differenz auf eine Proportional-Integral-Regelung (PI) gibt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Digital/Analog-Wandlung aus einer der maximalen Bitzahl des digitalen Amplitudensollwertes (8B) entsprechenden Anzahl von Analogschaltern (A) besteht, die amplitudensollwertabhängig jeweils einen der parallelen Gewichtungswiderstände zu- oder abschalten, und so ein an die Schalter (A) angelegtes Netz­ stromsignal (IN) amplitudensollwertabhängig gewichtet auf einen mit dem gegenpoligen Ausgangsstrom-Istsignal (IA) belegten Sum­ mationspunkt (20) des Proportional-Integral-Reglers (PI) durch­ schalten.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Analogschalter (A) mit den Ausgängen des Auf-/Abwärts­ zählers (AAZ) der PD-Regelung (PD) verbunden sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter (WR) über eine Maximum Power Point (MPP)-Regelschaltung (MPP) zur kontinuier­ lichen automatischen Einstellung des Arbeitspunktes maximaler elektrischer Leistung des Solarzellenmoduls (SM) verfügt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die MPP-Regelschaltung (MPP) im Sinne einer Ausgangsstrom­ maximierung ständig den Sollwert (UES) der Eingangsspannung verändert.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zähler (Z2) der MPP-Regelschaltung (MPP) eine vorbe­ stimmte Anzahl von Auf-/Abwärtssignalen (AAS) der PD-Regelung (PD) zählt, und daß ein logisches Glied (XOR) in Verbindung mit einer Kippschaltung (K3) den Zählerstand abfragt und bei einem überwiegenden Anteil von Aufwärtssignalen eine Beibehaltung der Änderungsrichtung des Eingangsspannungssollwertes (UES) be­ wirkt, bei einem überwiegenden Anteil von Abwärtssignalen jedoch eine Änderung der Änderungsrichtung des Eingangsspan­ nungssollwertes (UES) bewirkt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler (Z2) vor jedem Zählzyklus einer vorbestimmten Anzahl von Auf-/Abwärtssignalen (AAS) durch ein Reset-Signal (RES) auf einen Initialwert gesetzt wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kippschaltung (K3) von dem Reset-Signal (RES) ge­ triggert wird.

13. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter (WR) über eine feste Potentialverbindung (P) zwischen einem seiner Aus­ gangspole (NP2) und einem Pol des Solarmoduls (SM) verfügt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialverbindung (P) zwischen einem der Ausgangspole (NP2) des Wechselrichters (WR) und dem Minuspol (-) des Solar­ moduls (SM) verläuft.

15. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Übertragung der Steuerströme (OS, OS′) für die Vollbrückenventile (BT) des Wechselrichters (WR) durch Optokoppler (OK1, OK2) erfolgt, und daß eine Ver­ sorgungsspannung (UV) zur Verstärkung der Steuerströme (OS, OS′) durch Ableiten eines Teils der zu schaltenden Energie direkt am jeweiligen Vollbrückenventil (BT) entsteht.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Ableiten eines Teils der zu schaltenden Energie mit Hilfe eines hochohmigen Widerstands (R8) erfolgt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vollbrückenventile (BT) MOSFET-Transistoren (BT) sind.