EP2661808A2 - Verfahren zum betrieb eines wechselrichters und steuereinrichtung - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines wechselrichters und steuereinrichtung

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Publication number
EP2661808A2
EP2661808A2 EP11807694.2A EP11807694A EP2661808A2 EP 2661808 A2 EP2661808 A2 EP 2661808A2 EP 11807694 A EP11807694 A EP 11807694A EP 2661808 A2 EP2661808 A2 EP 2661808A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
inverter
switch
measured variable
representative
converter
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11807694.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Oliver Kirsch
Lars Bethke
Bernhard Sofaly
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SMA Solar Technology AG
Original Assignee
SMA Solar Technology AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SMA Solar Technology AG filed Critical SMA Solar Technology AG
Publication of EP2661808A2 publication Critical patent/EP2661808A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/40—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into DC
    • H02M5/42—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into DC by static converters
    • H02M5/44—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into DC by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate DC into AC
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    • H02M5/458—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into DC by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate DC into AC using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
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    • H02M7/42—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters
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    • H02M7/5387—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
    • H02M7/53871—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H02M1/007—Plural converter units in cascade

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an inverter, in particular as part of a power generation plant, and to a control device, in particular as part of an inverter, for carrying out the method.
  • Inverters are used to convert the power generated by a generator, for example by a photovoltaic generator as a DC voltage in a grid-compatible AC power. This leads to a heating of the inverter due to the losses within the inverter.
  • the modules inside the inverter which contain the power semiconductors, have temperature monitoring elements, for example thermodiodes or NTC resistors (Negative Temperature Coefficient).
  • a load limiter as part of the inverter monitors the temperature thus measured, and initiates a reduction in the converter power if the temperature of the monitored switches is expected to continue to exceed the current converter power when the inverter operation continues. In this way it can be ensured that the modules are protected against excessive heating, in particular against heating, which would lead to shortening the life or to the destruction of switching elements.
  • a disadvantage of the known state of the art is that switching elements which do not have their own temperature monitoring elements can not be monitored in the manner described above. Instead, it is necessary, via a thermal modeling of the inverter, to determine its temperature indirectly via the measured quantities detected, for example the temperature of the switch To calculate the network bridge of the inverter, and the current converter power and convert it into limiting values, starting from a reduction of
  • Transducer power is required.
  • Such indirectly monitored switching elements may for example be part of a boost converter, which converts the DC voltage supplied by the connected generator into a higher value of a voltage at a DC link of the inverter.
  • the inverter is tillregelt, that is the current
  • Transformer power is calculated to be equal to or below a calculated value
  • Temperature sensors directly monitored switch and the indirectly monitored switches are widely spaced from each other in the inverter, and therefore have an unreliable temperature correlation. Then they are
  • Switching elements of the inverter are thermally stressed excessively. It is also an object of the invention to provide a control device for an inverter, which ensures such operation without overloading the switching elements.
  • the method according to the invention comprises the steps of detecting a first measured quantity which is representative of a current bridge temperature, for example the temperature of a temperature sensor integrated in a module of the network bridge, and a second measured variable which is representative of a current converter power of the inverter.
  • a first measured quantity which is representative of a current bridge temperature
  • a second measured variable which is representative of a current converter power of the inverter.
  • Limit value can be determined for a converter power, which excludes an overload of the network bridge. Furthermore, the method comprises the detection of an additional third measured variable which is representative of a current one
  • Generator voltage to generator terminals is, or alternatively or in
  • Measured variable is used in combination with the first and second measured variable to specify a reduced power value, to which the converter power is reduced by the reduction of the inverter.
  • boost converters are used, which have two switches operated in parallel.
  • MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • the MOSFET has lower switching losses due to its shorter switching phases compared to the IGBT, while the IGBT has a lower internal resistance compared to the MOSFET. Therefore, it has been found to be advantageous to operate at low load of the boost converter this only by switching the MOSFET, while at high load of the boost converter operation of both switches is parallel advantageous.
  • the second measured variable and at least one of the third and fourth measured variable determines whether the boost converter in a first operating mode by simultaneous timing of the first and second switches or in a second operating mode only Clocking the first switch is operated. In this way it is possible, with sufficiently low converter power the
  • Switching between the operating modes with a hysteresis characteristic done. Switching from the second operating mode (only one switched switch) to the first operating mode (parallel clocked switches) occurs at a first threshold for the generator current or for the converter power or comparable quantities for the load of the boost converter, the return to the second Operation mode but takes place at a second threshold, which is less than the first threshold.
  • Generator current value to be executed This specification can be carried out by calculation from the respective measured variables, but can also be realized by looking up in a table of reference values with optionally possible interpolation between adjacent reference values. These reference values can be determined in advance
  • the overall efficiency of the boost converter can be further optimized by the fact that in parallel operation both switches of the
  • the IGBT can be turned off earlier than the MOSFET.
  • the IGBT may also be turned on later than the MOSFET.
  • the switching losses can be further reduced because the longer switching phases of the IGBT partially overlap with the periods in which the MOSFET is in a conductive state, whereby only a small voltage drops across the IGBT.
  • Boost converter is the variation of the clock frequency of the switch (s) of the
  • Figure 1 shows a schematic representation of an inverter
  • FIG. 2 illustrates a structure for a control device according to the invention.
  • Figure 1 shows a structure of an inverter 10, the on
  • Generator terminals 60 provided DC power of a generator 65 converts into a grid-compatible AC voltage and fed in a network 100 via a network output 1 10.
  • the generator voltage at an input capacitance 61 is first boosted by a step-up converter 20 to a first intermediate circuit voltage of a first intermediate circuit 50. From there, the DC link voltage via an RF bridge 30 in a high-frequency
  • Network bridge 40 the output side has a line filter 90, via a Mains output 1 10 is fed into a connected mains 100 as a line-compatible AC voltage.
  • the boost converter 20 comprises a first switch 70, which is arranged parallel to a second switch 71. In this way, a current is split across the first and second switches when both switches are clocked together, whereby each of the switches 70, 71 is loaded less and the
  • the two switches are of different types, in particular the first switch 70 may be a MOSFET and the second switch 71 may be an IGBT.
  • the HF bridge 30 is designed as an H-bridge in FIG. 1, but can also be realized as a half-bridge.
  • the intermediate circuit 50 is preferably designed as a divided intermediate circuit with two DC link capacitors.
  • Resonance frequency determined.
  • the resonant capacitance 31 and the leakage inductance can be arranged to the RF transformer 35 here either primary or secondary side.
  • network bridge 40 is shown in Figure 1 as H-bridge, although the
  • a person skilled in the art knows that a multiplicity of further topologies is likewise suitable for converting the DC voltage of the second intermediate circuit 51 into an AC voltage for feeding into the network 100. It is also easy to deduce for the skilled person, but not shown that instead of a network bridge 40 for single-phase feed and a network bridge for feeding into a drei- or
  • multi-phase network can be used.
  • FIG. 2 shows a control device for controlling the inverter 10.
  • the control device comprises a load limiter 210, which is divided into several modules 21 1, 212, 213 in this example. Each module 21 1, 212, 213 is assigned its own detection unit 200, can be detected and quantified via the measured variables of the inverter 10 for further processing, and then transmitted to the corresponding load limiter module.
  • a first measured variable which contains information about the temperature of the network bridge 40 or is representative thereof, is supplied via a first signal line 250 to the detection unit 200 of the first module 21 1.
  • a second measured variable with information about the current converter power passes via a second signal line 240 to the detection unit 200 of the first module 21 1.
  • Load limiter 210 generates from this a first limiting value, which is transmitted via a signal line 310 to a drive circuit 220.
  • Limiting value here can correspond to a limit value of the converter power, at which a reduction takes place.
  • Signal line 260 and a fourth signal line 270 detected and quantified.
  • the second module 212 determines a second limit value, which is transmitted to the drive circuit 220 via a signal line 290.
  • the first measured variable is likewise transmitted via a branch of the first signal line 250 to the detection unit 200 assigned to the second module 212 and is taken into account in the determination of the second limiting value.
  • the limit value can correspond to a limit value for the generator current, at which point the transformer power is to be reduced.
  • a third limiting value is transmitted via a signal line 300 to the third module 213, which serves as a selection module for an operating mode of the
  • the third limiting value in this case predetermines a threshold value with which a fifth measured variable, which transmits via a fifth signal line 280 to the detection unit 200 assigned to the third module 213 is being compared.
  • the fifth measured variable corresponds to a current generator current, and the switching between the operating modes takes place when the generator current exceeds the limit defined by the threshold value.
  • the transition can take place in both directions and leads accordingly to a change from the first to the second operating mode or vice versa.
  • Operating mode is communicated as a signal via the signal line 320 of the drive circuit 220.
  • the third module 213 and the operation mode selection function are optional.
  • the drive circuit 220 generates switching signals on the control lines 230a, via which the switches of the network bridge 40 are controlled in such a way that the corresponding limit values are maintained in the inverter operation. If necessary, the converter power is reduced to comply with the limit values. Similarly, on the control lines 230b switching signals to the
  • Selection module 213 correspond to certain operating mode, on the other hand, as described above ensure compliance with the limit values.
  • the drive circuit 220 can generate further switching signals for further switches of the inverter 10, taking into account the limiting values, for example for the switches of the HF bridge 30, if present.
  • Measured variables are assigned to the modules in a different way or are shared by several modules used to further increase the reliability of the monitoring, or to initiate a reduction in the converter power only when the maximum load level of a functional area, in particular the maximum temperature of a switch, is reached.
  • control device can be constructed in a non-modular manner, and only one detection unit 200, via which all measured variables are detected and quantified, as well as a load limiter 210 to which the detection unit 200 is connected for transmitting the measured quantities. Accordingly, the downshifting of the inverter 10 in this case is implemented by the load limiter 210 in conjunction with the drive circuit.

Landscapes

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  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abregelung eines Wechselrichters (10) mit einer Netzbrücke (40) und einem vorgeschalteten Hochsetzsteller (20), bei dem eine erste Messgröße, die repräsentativ für eine Brückentemperatur ist, und eine zweite Messgröße, die repräsentativ für eine eingespeiste Wandlerleistung des Wechselrichters (10) ist, erfasst werden. Die in ein Netz (100) eingespeiste Wandlerleistung wird bei der Abregelung auf einen reduzierten Leistungswert verringert, wobei zusätzlich eine dritte Messgröße, die repräsentativ für eine Generatorspannung an Generatoranschlüssen (60) des Wechselrichters (10) ist, oder eine vierte Messgröße, die repräsentativ für eine Netzspannung an einem Netzausgang (110) des Wechselrichters (10) ist, erfasst werden und der reduzierte Leistungswert in Abhängigkeit der ersten Messgröße und der zweiten Messgröße und mindestens einer der dritten und vierten Messgröße bestimmt wird. Eine Steuereinrichtung ist zur Erfassung der Messgrößen und zur Abregelung anhand von aus den Messgrößen bestimmten Begrenzungswerten für die Wandlerleistung eingerichtet, und kann Teil des Wechselrichters (10) sein.

Description

Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters und Steuereinrichtung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters, insbesondere als Teil einer Energieerzeugungsanlage, sowie eine Steuereinrichtung, insbesondere als Teil eines Wechselrichters, zur Durchführung des Verfahrens.
Wechselrichter dienen zur Umwandlung der durch einen Generator, beispielsweise durch einen Photovoltaik-Generator als Gleichspannung erzeugten Leistung in eine netzkonforme Wechselspannungsleistung. Hierbei kommt es durch die Verluste innerhalb des Wechselrichters zu einer Erwärmung des Wechselrichters,
insbesondere zu einer Erwärmung der Leistungshalbleiter als Schaltelemente, die als Folge einer übermäßigen Erwärmung beschädigt werden können. Daher ist es erforderlich, die Temperatur dieser Schaltelemente zu überwachen und bei
Überschreiten eines Grenzwertes der Schaltertemperatur gegebenenfalls die
Wandlerleistung des Wechselrichters zu reduzieren. Zu diesem Zweck weisen die Module im Inneren des Wechselrichters, die die Leistungshalbleiter enthalten, Überwachungselemente für die Temperatur auf, beispielsweise Thermodioden oder NTC-Widerstände (Negative Temperature Coefficient). Ein Lastbegrenzer als Teil des Wechselrichters überwacht die so gemessene Temperatur, und initiiert eine Reduktion der Wandlerleistung, falls eine Überschreitung der Temperatur der überwachten Schalter bei Fortsetzen des Wechselrichterbetriebes mit der aktuellen Wandlerleistung zu erwarten ist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Module vor einer übermäßigen Erwärmung geschützt werden, insbesondere vor einer Erwärmung, die zur Verkürzung der Lebensdauer oder zu einer Zerstörung von Schaltelementen führen würden.
Nachteilig bei dem bekannten Stand der Technik ist, dass Schaltelemente, die keine eigenen Überwachungselemente für die Temperatur aufweisen, nicht auf die oben beschriebene Weise überwacht werden können. Stattdessen ist es erforderlich, über eine thermische Modellierung des Wechselrichters deren Temperatur indirekt über die erfassten Messgrößen, zum Beispiel der Temperatur der Schalter einer Netzbrücke des Wechselrichters, und der aktuellen Wandlerleistung zu berechnen und in Begrenzungswerte umzuwandeln, ab der eine Reduzierung der
Wandlerleistung erforderlich ist. Solche indirekt überwachten Schaltelemente können beispielsweise Teil eines Hochsetzstellers sein, der die vom angeschlossenen Generator gelieferte Gleichspannung in einem höheren Wert einer Spannung an einem Zwischenkreis des Wechselrichters umwandelt. Hierbei kommt es zu der Situation, dass der Wechselrichter abgeregelt wird, das heißt die aktuelle
Wandlerleistung wird auf einen Wert gleich oder unterhalb eines errechneten
Begrenzungswertes reduziert, obwohl bei einer Fortsetzung des Betriebs des
Wechselrichters mit nicht reduzierter Wandlerleistung noch keine kritischen
Temperaturen erreicht würden. Ursache hierfür ist, dass aus den Messgrößen der aktuellen Wandlerleistung und der Brückentemperatur nicht zuverlässig auf die Temperatur der Schaltelemente des Hochsetzstellers geschlossen werden kann, weil Messgrößen, die die Belastung der Schaltelemente des Hochsetzstellers maßgeblich mit beeinflussen, unberücksichtigt bleiben. In dieser Situation wird häufig auf sogenannte Worst Case Szenarien zurückgegriffen, in denen für nicht erfasste Messgrößen Werte angenommen werden, die dem ungünstigsten Betriebszustand entsprechen. Folglich wird daher in diesem Fall die Wandlerleistung zu früh reduziert, wenn der reale Betriebszustand nicht diesem ungünstigsten Betriebszustand entspricht.
Dieser nachteilige Effekt tritt besonders dann auf, wenn die thermisch mittels
Temperatursensoren direkt überwachten Schalter und die indirekt überwachten Schalter in großem Abstand voneinander im Wechselrichter angeordnet sind, und daher eine unzuverlässige Temperaturkorrelation aufweisen. Dann sind die
Sicherheitsmargen für die Worst Case Szenarien besonders groß, und der
Wechselrichter regelt häufig unnötigerweise ab. Diese Situation ergibt sich
beispielsweise bei Hochfrequenzwandlern in ausgeprägter Weise, da die galvanische Trennung zwischen dem Hochsetzsteller als Eingangsstufe und der Netzbrücke als Ausgangsstufe regelmäßig auch eine räumliche Trennung nach sich zieht. Ebenso ergibt sich ein konstruktiver Mehraufwand, wenn zur Überwachung eines Schalters elektrische Signale aus galvanisch getrennten Bereichen erforderlich sind. Selbst wenn die Module mit den Leistungshalbleitern Temperatursensoren
aufweisen, liefert die so bestimmte Messgröße nur ein ungenaues Maß für die Belastung des einzelnen Schalters, insbesondere wenn die einzelnen Schalter eines Moduls unterschiedlich belastet sind, und man ist auf eine ausreichend große
Sicherheitsmarge bei der Bestimmung der Belastungsschwelle für die Abregelung des Wechselrichters entsprechend den bekannten Verfahren nach dem Stand der Technik angewiesen.
Es ist daher Aufgabe diese Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem ein Wechselrichter zuverlässig möglichst lange mit unverminderter, insbesondere mit maximal möglicher Wandlerleistung betrieben werden kann, ohne dass die
Schaltelemente des Wechselrichters thermisch übermäßig belastet werden. Ebenso ist es Aufgabe der Erfindung, eine Steuereinrichtung für einen Wechselrichter aufzuzeigen, die einen solchen Betrieb ohne Überlastung der Schaltelemente sicherstellt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in den Unteransprüchen 2 bis 5 beschrieben. Eine
erfindungsgemäße Steuereinrichtung wird in Anspruch 6 beschrieben, wobei vorteilhafte Ausführungsformen in den Unteransprüchen 7 bis 8 aufgezeigt sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte des Erfassens einer ersten Messgröße, die repräsentativ für eine aktuelle Brückentemperatur ist, beispielsweise die Temperatur eines in einem Modul der Netzbrücke integrierten Temperatursensor, und einer zweiten Messgröße, die repräsentativ für eine aktuelle Wandlerleistung des Wechselrichters ist. Aus diesen beiden Messgrößen kann grundsätzlich ein
Begrenzungswert für eine Wandlerleistung bestimmt werden, der eine Überlastung der Netzbrücke ausschließt. Weiterhin umfasst das Verfahren die Erfassung einer zusätzlichen dritten Messgröße, die repräsentativ für eine aktuelle
Generatorspannung an Generatoranschlüssen ist, oder alternativ oder in
Kombination die Erfassung einer vierten Messgröße, die repräsentativ für eine aktuelle Netzspannung an einem Netzausgang des Wechselrichters ist. Die dritte und die vierte Messgröße ermöglichen es, den Belastungsgrad eines Hochsetzstellers des Wechselrichters wesentlich zuverlässiger zu erfassen, als es durch die erste und zweite Messgröße alleine möglich wäre. Insbesondere
bestimmen sie den Grad, um den der Hochsetzsteller eine Eingangsspannung an Generatoranschlüssen auf eine Spannung eines Zwischenkreises am Ausgang des Hochsetzstellers erhöhen muss. Mindestens eine dieser dritten und vierten
Messgröße wird in Kombination mit der ersten und zweiten Messgröße genutzt, um einen reduzierten Leistungswert vorzugeben, auf den die Wandlerleistung durch die Abregelung des Wechselrichters herabgesetzt wird.
In aktuellen Wechselrichtertopologien werden Hochsetzsteller verwendet, die zwei parallel betriebene Schalter aufweisen. Hierbei wird häufig ein sogenannter MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) zusammen mit einem IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) verwendet. Der MOSFET weist aufgrund seiner im Vergleich zum IGBT kürzeren Umschaltphasen geringere Schaltverluste auf, während der IGBT einen im Vergleich zum MOSFET geringeren Innenwiderstand aufweist. Daher hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, bei geringer Belastung des Hochsetzstellers diesen nur durch Schalten des MOSFET zu betreiben, während bei hoher Belastung des Hochsetzstellers ein Betrieb beider Schalter parallel vorteilhaft ist. Entsprechend wird in einer vorteilhaften Variante des Verfahrens in Abhängigkeit der ersten Messgröße, der zweiten Messgröße und mindestens einer der dritten und vierten Messgröße bestimmt, ob der Hochsetzsteller in einem ersten Betriebsmodus durch gleichzeitige Taktung des ersten und des zweiten Schalters oder in einem zweiten Betriebsmodus nur durch Taktung des ersten Schalters betrieben wird. Auf diese Weise ist es möglich, bei hinreichend geringer Wandlerleistung die
Schaltverluste des Hochsetzstellers zu minimieren, und gleichzeitig die
Leistungsreserven der Parallelschaltung der beiden Schalter des Hochsetzstellers optimal zu nutzen. Um einen stabilen Betrieb des Wechselrichters ohne unnötig häufiges Umschalten zwischen den Betriebsmodi zu gewährleisten, kann die
Umschaltung zwischen den Betriebsmodi mit einer Hysterese-Charakteristik erfolgen. Die Umschaltung vom zweiten Betriebsmodus (nur ein getakteter Schalter) zum ersten Betriebsmodus (parallele getaktete Schalter) erfolgt bei einem ersten Schwellwert für den Generatorstrom oder für die Wandlerleistung oder vergleichbare Größen für die Belastung des Hochsetzstellers, die Rückkehr zum zweiten Betriebsmodus erfolgt aber bei einem zweiten Schwellwert, der geringer als der ersten Schwellwert ist.
Sowohl die Bestimmung einer reduzierten Wandlerleistung als auch die Auswahl zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus kann alternativ durch
Vorgabe eines maximalen Stromwertes, insbesondere eines maximalen
Generatorstromwertes ausgeführt sein. Diese Vorgabe kann durch Berechnung aus den jeweiligen Messgrößen erfolgen, aber auch durch Nachschlagen in einer Tabelle von Referenzwerten mit optional möglicher Interpolation zwischen benachbarten Referenzwerten realisiert sein. Diese Referenzwerte können vorab durch
Experimente an einem realen Wechselrichter bestimmt werden oder Ergebnisse einer thermischen Modellierung sein, zum Beispiel durch Simulation des
Wärmetransportes innerhalb des Wechselrichters, oder durch Kombination dieser beiden Bestimmungsverfahren.
In einer vorteilhaften Variante kann der Gesamtwirkungsgrad des Hochsetzstellers weiter dadurch optimiert werden, dass im Parallelbetrieb beider Schalter des
Hochsetzstellers der Ausschaltvorgang der beiden Schalter nicht gleichzeitig sondern zeitversetzt erfolgt; insbesondere kann der IGBT zu einem früheren Zeitpunkt ausgeschaltet werden als der MOSFET. Alternativ oder in Kombination kann der IGBT ebenfalls später eingeschaltet werden als der MOSFET. Hierdurch können die Schaltverluste weiter reduziert werden, weil die längeren Umschaltphasen des IGBT teilweise mit den Zeitabschnitten überlappen, in denen der MOSFET sich in einem leitenden Zustand befindet, wodurch über den IGBT nur eine geringe Spannung abfällt.
Ein optionaler zusätzlicher Schritt zur Optimierung des Wirkungsgrades des
Hochsetzstellers ist die Variation der Taktfrequenz des oder der Schalter des
Hochsetzstellers. So ist es denkbar, beispielsweise bei geringer Wandlerleistung den Hochsetzsteller mit reduzierter Taktfrequenz von zum Beispiel 16 kHz zu betreiben, während bei höherer Wandlerleistung auf eine Taktfrequenz von zum Beispiel 48 kHz umgeschaltet wird. Die Umschaltung zwischen den Taktfrequenzen kann hierbei auch in Kombination mit einem Wechseln desjenigen der beiden parallelen Schalter erfolgen, der gerade getaktet wird. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich
beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile von erfindungsgemäßen Ausführungsformen zwingend erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und
beschrieben.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Wechselrichters und
Figur 2 illustriert eine Struktur für eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung.
Figur 1 zeigt einen Aufbau eines Wechselrichters 10, der die an
Generatoranschlüssen 60 bereitgestellte Gleichspannungsleistung eines Generators 65 in eine netzkonforme Wechselspannung umwandelt und in einem Netz 100 über einen Netzausgang 1 10 einspeist. Hierzu wird die Generatorspannung an einer Eingangskapazität 61 zunächst durch einen Hochsetzsteller 20 auf eine erste Zwischenkreisspannung eines ersten Zwischenkreises 50 hochgesetzt. Von dort wird die Zwischenkreisspannung über eine HF-Brücke 30 in eine hochfrequente
Wechselspannung umgewandelt, die an eine Primärwicklung einen HF- Transformators 35 angelegt wird. Eine Sekundärwicklung des HF-Transformators 35 ist mit einem Gleichrichter 80 verbunden, der die transformierte hochfrequente Wechselspannung wieder in eine Gleichspannung umwandelt und an einen zweiten Zwischenkreis 51 anlegt. Von dort wird die Gleichspannung mit Hilfe einer
Netzbrücke 40, die ausgangsseitig einen Netzfilter 90 aufweist, über einen Netzausgang 1 10 als netzkonforme Wechselspannung in ein angeschlossenes Netz 100 eingespeist.
Der Hochsetzsteller 20 umfasst einen ersten Schalter 70, der parallel zu einem zweiten Schalter 71 angeordnet ist. Auf diese Weise wird ein Strom über den ersten und zweiten Schalter aufgeteilt, wenn beide Schalter gemeinsam getaktet werden, wodurch jeder einzelne der Schalter 70, 71 geringer belastet wird und der
Hochsetzsteller insgesamt entsprechend höher belastet werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die beiden Schalter von unterschiedlichem Typ, insbesondere kann der erste Schalter 70 hierbei ein MOSFET und der zweite Schalter 71 ein IGBT sein.
Die HF-Brücke 30 ist in Figur 1 als H-Brücke ausgeführt, kann aber auch als Halbbrücke realisiert sein. In diesem Fall wird der Zwischenkreis 50 bevorzugt als geteilter Zwischenkreis mit zwei Zwischenkreiskondensatoren ausgeführt. Zur Schaltentlastung der Schalter der HF-Brücke 30 empfiehlt es sich, eine Kopplung zwischen der HF-Brücke 30 und dem Gleichrichter 80 als resonante Kopplung auszuführen, bei der eine Resonanzkapazität 31 zusammen mit einer (nicht gezeigten) Streuinduktivität einer Wicklung des HF-Transformators 35 eine
Resonanzfrequenz bestimmt. Die Resonanzkapazität 31 sowie die Streuinduktivität können zum HF-Transformator 35 hierbei wahlweise primär- oder sekundärseitig angeordnet sein.
Auch die Netzbrücke 40 ist in Figur 1 als H-Brücke gezeigt, wenngleich der
Fachmann weiß, dass eine Vielzahl weiterer Topologien ebenfalls geeignet ist, die Gleichspannung des zweiten Zwischenkreises 51 in eine Wechselspannung zur Einspeisung in das Netz 100 umzuwandeln. Ebenfalls ist für den Fachmann leicht ableitbar, aber nicht gezeigt, dass anstelle einer Netzbrücke 40 für einphasige Einspeisung auch eine Netzbrücke für eine Einspeisung in ein drei- oder
mehrphasiges Netz eingesetzt werden kann.
An dieser Stelle sei weiterhin bemerkt, dass auch für die anderen in Figur 1 illustrierten Funktionsbereiche Hochsetzsteller 20, Gleichrichter 80 und Netzfilter 90 den gezeigten Schaltungen nur beispielhafte Bedeutung zukommt, und andere Ausführungen, die dem Fachmann geläufig sind, zum Einsatz kommen können. Die Figur 2 zeigt eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung des Wechselrichters 10. Die Steuereinrichtung umfasst einen Lastbegrenzer 210, der in diesem Beispiel in mehrere Module 21 1 , 212, 213 aufgeteilt ist. Jedem Modul 21 1 , 212, 213 ist eine eigene Erfassungseinheit 200 zugeordnet, über die Messgrößen des Wechselrichters 10 für die weitere Verarbeitung erfasst und quantifiziert werden, und anschließend an das entsprechende Lastbegrenzermodul übertragen werden. Eine erste Messgröße, die Informationen über die Temperatur der Netzbrücke 40 enthält beziehungsweise hierfür repräsentativ ist, wird über eine erste Signalleitung 250 der Erfassungseinheit 200 des ersten Moduls 21 1 zugeführt. Ebenso gelangt eine zweite Messgröße mit Informationen über die aktuelle Wandlerleistung über eine zweite Signalleitung 240 zur Erfassungseinheit 200 des ersten Moduls 21 1 . Das erste Modul 21 1 des
Lastbegrenzers 210 erzeugt hieraus einen ersten Begrenzungswert, der über eine Signalleitung 310 an eine Ansteuerschaltung 220 übertragen wird. Der erste
Begrenzungswert kann hierbei einem Grenzwert der Wandlerleistung entsprechen, bei dessen Überschreiten eine Abregelung erfolgt.
Über die einem zweiten Modul 212 zugeordnete Erfassungseinheit 200 wird eine dritte Messgröße mit Informationen zur aktuellen Generatorspannung an
Generatoranschlüssen 60, sowie eine vierte Messgröße, die Informationen zur aktuellen Netzspannung am Netzausgang 1 10 enthält, mittels einer dritten
Signalleitung 260 und einer vierten Signalleitung 270 erfasst und quantifiziert.
Hieraus ermittelt das zweite Modul 212 einen zweiten Begrenzungswert, der über eine Signalleitung 290 an die Ansteuerschaltung 220 übertragen wird. Die erste Messgröße wird ebenfalls über einen Abzweig der ersten Signalleitung 250 an die dem zweiten Modul 212 zugeordnete Erfassungseinheit 200 übertragen und wird bei der Bestimmung des zweiten Begrenzungswertes berücksichtigt. Der zweite
Begrenzungswert kann beispielsweise einem Grenzwert für den Generatorstrom entsprechen, bei dessen Überschreitung die Wandlerleistung zu reduzieren ist.
Weiterhin wird ein dritter Begrenzungswert über eine Signalleitung 300 an das dritte Modul 213 übergeben, das als Auswahlmodul für einen Betriebsmodus des
Hochsetzstellers 20 ausgebildet ist. Der dritte Begrenzungswert gibt hierbei einen Schwellwert vor, mit dem eine fünfte Messgröße, die über eine fünfte Signalleitung 280 an die dem dritten Modul 213 zugeordnete Erfassungseinheit 200 übertragen wird, verglichen wird. Beispielsweise entspricht die fünfte Messgröße einem aktuellen Generatorstrom, und die Umschaltung zwischen den Betriebsmodi erfolgt, wenn der Generatorstrom die durch den Schwellwert definierte Grenze übertritt. Der Übertritt kann in beide Richtungen erfolgen und führt entsprechend zu einem Wechsel vom ersten in den zweiten Betriebsmodus oder umgekehrt. Der zu verwendete
Betriebsmodus wird als Signal über die Signalleitung 320 der Ansteuerschaltung 220 mitgeteilt. Das dritte Modul 213 und die Funktion der Auswahl des Betriebsmodus ist hierbei optional.
Die Ansteuerschaltung 220 erzeugt Schaltsignale auf den Steuerleitungen 230a, über die die Schalter der Netzbrücke 40 derart angesteuert werden, dass die entsprechenden Begrenzungswerte im Wechselrichterbetrieb eingehalten werden. Sofern erforderlich, wird die Wandlerleistung zur Einhaltung der Begrenzungswerte reduziert. Ebenso werden auf den Steuerleitungen 230b Schaltsignale an die
Schalter 70, 71 des Hochsetzstellers 20 übermittelt, die zum einen dem vom
Auswahlmodul 213 bestimmten Betriebsmodus entsprechen, zum anderen ebenfalls wie vorbeschrieben eine Einhaltung der Begrenzungswerte sicherstellen.
Selbstverständlich kann die Ansteuerschaltung 220 weitere Schaltsignale für weitere Schalter des Wechselrichters 10 unter Beachtung der Begrenzungswerte erzeugen, beispielsweise für die Schalter der HF-Brücke 30, sofern vorhanden.
Durch den modularen Aufbau des Lastbegrenzers kann eine eigenständige
Überwachung eines thermischen Überlastungsfalls für die einzelnen
Funktionsbereiche des Wechselrichters, wie für den Hochsetzsteller 20 und die Netzbrücke 40, umgesetzt werden. Hierzu ist es denkbar, dass die erfassten
Messgrößen auf andere Weise den Modulen zugeordnet sind oder auch gemeinsam von mehreren Modulen genutzt werden, um die Zuverlässigkeit der Überwachung weiter zu steigern, beziehungsweise um eine Reduzierung der Wandlerleistung erst dann einzuleiten, wenn der maximale Belastungsgrad eines Funktionbereichs, insbesondere die maximale Temperatur eines Schalters, erreicht ist.
In einer Verallgemeinerung der Steuereinrichtung kann die Steuereinrichtung in nicht-modularer Weise aufgebaut sein, und nur eine Erfassungseinheit 200, über die alle Messgrößen erfasst und quantifiziert werden, sowie einen Lastbegrenzer 210 aufweisen, mit dem die Erfassungseinheit 200 zur Übertragung der Messgrößen verbunden ist. Entsprechend wird die Abregelung des Wechselrichters 10 in diesem Fall durch den Lastbegrenzer 210 in Verbindung mit der Ansteuerschaltung umgesetzt.
Bezugszeichenliste
10 Wechselrichter
20 Hochsetzsteller
30 HF-Brücke
31 Resonanzkapazität
35 HF-Transformator
40 Netzbrücke
50, 51 Zwischenkreis
60 Generatoranschlüsse
61 Eingangskapazität
65 Generator
70 erster Schalter
71 zweiter Schalter
80 Gleichrichter
90 Netzfilter
100 Netz
1 10 Netzausgang
200 Erfassungseinheit
210 Lastbegrenzer
21 1 , 212 Modul eines Lastbegrenzers
213 Auswahlmodul für Betriebsmodus
220 Ansteuerschaltung
230a, 230b Steuerleitungen
240, 250, 260, 270, 280 Signalleitungen für Messgrößen
280, 290, 300, 310 Signalleitungen für Begrenzungswerte

Claims

Patentansprüche:
1 . Verfahren zur Abregelung eines Wechselrichters (10) mit einer Netzbrücke (40) und einem vorgeschalteten Hochsetzsteller (20), wobei das Verfahren umfasst:
- Erfassen einer ersten Messgröße, die repräsentativ für eine
Brückentemperatur ist, und einer zweiten Messgröße, die repräsentativ für eine eingespeiste Wandlerleistung des Wechselrichters (1 0) ist, und
- Reduzieren der in ein Netz (100) eingespeisten Wandlerleistung auf einen reduzierten Leistungswert,
dadurch gekennzeichnet, dass
zusätzlich eine dritte Messgröße, die repräsentativ für eine Generatorspannung an Generatoranschlüssen (60) des Wechselrichters (10) ist, oder eine vierte Messgröße, die repräsentativ für eine Netzspannung an einem Netzausgang (1 10) des Wechselrichters (10) ist, erfasst wird, wobei der reduzierte
Leistungswert in Abhängigkeit von der ersten Messgröße und der zweiten Messgröße und mindestens einer der dritten und vierten Messgröße bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der ersten und zweiten Messgröße und mindestens einer der dritten und vierten Messgröße bestimmt wird, ob der Hochsetzsteller (20) in einem ersten
Betriebsmodus durch gleichzeitige Taktung eines ersten Schalters (70) und eines zum ersten Schalter parallelen zweiten Schalters (71 ) betrieben wird oder in einem zweiten Betriebsmodus nur durch Taktung des ersten Schalters (70) betrieben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der reduzierte Leistungswert durch Vorgabe eines maximalen Stromwertes, insbesondere eines maximalen Generatorstromwertes bestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Betriebsmodus derart getaktet wird, dass der erste Schalter (70) nach dem zweiten Schalter (71 ) ausgeschaltet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schalter (70) ein MOSFET und der zweite Schalter (71 ) ein IGBT ist.
6. Steuereinrichtung für einen Wechselrichter (10), umfassend:
- eine Erfassungseinheit (200) zur Erfassung einer ersten Messgröße, die repräsentativ für eine Brückentemperatur ist, und einer zweiten Messgröße, die repräsentativ für eine Wandlerleistung des Wechselrichters (10) ist
- einen Lastbegrenzer (210) zur Bestimmung von Begrenzungswerten für die Abregelung des Wechselrichters (10), wobei der Lastbegrenzer (210) mit der Erfassungseinheit (200) zur Übertragung der ersten und zweiten Messgröße verbunden ist und
- eine Ansteuerschaltung (220), die mit dem Lastbegrenzer (210) zum
Empfang mindestens eines Begrenzungswertes verbunden ist, und zu einer Ansteuerung von Schaltern des Wechselrichters (10) derart eingerichtet ist, dass der mindestens eine Begrenzungswerte in einem Betrieb des Wechselrichters (10) eingehalten wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Lastbegrenzer (210) weiterhin mit einer Erfassungseinheit (200) zur
Erfassung mindestens einer dritten Messgröße, die repräsentativ für eine
Generatorspannung an Generatoranschlüssen (60) des Wechselrichters (10) ist, oder einer vierten Messgröße, die repräsentativ für eine Netzspannung an einem Netzausgang (1 10) des Wechselrichters ist, verbunden ist und den mindestens einen Begrenzungswerte in Abhängigkeit von der ersten Messgröße und der zweiten Messgröße und mindestens einer der dritten und vierten Messgröße bestimmt.
7. Steuereinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der
Lastbegrenzer (210) mit einem Hochsetzsteller (20) des Wechselrichters (10) derart verbunden ist, dass in Abhängigkeit der ersten und zweiten Messgröße und mindestens einer der dritten und vierten Messgröße bestimmt wird, ob der Hochsetzsteller (20) in einem ersten Betriebsmodus mit gleichzeitiger Taktung eines ersten Schalters (70) und eines zum ersten Schalter (70) parallelen zweiten Schalters (71 ) betrieben wird oder in einem zweiten Betriebsmodus nur mit Taktung des ersten Schalters (70) betrieben wird.
8. Steuereinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schalter (70) ein MOSFET und der zweite Schalter (71 ) ein IG BT ist.
9. Wechselrichter (10) mit einer Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8.
10. Wechselrichter (10) nach Anspruch 9, ausgeführt als Hochfrequenzwandler.
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