WO2009062785A1 - Solarwechselrichter mit mehreren parallel geschalteten einzelwechselrichtern und mit einer übergeordneten elektronischen steuereinheit - Google Patents

Solarwechselrichter mit mehreren parallel geschalteten einzelwechselrichtern und mit einer übergeordneten elektronischen steuereinheit Download PDF

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WO2009062785A1
WO2009062785A1 PCT/EP2008/063200 EP2008063200W WO2009062785A1 WO 2009062785 A1 WO2009062785 A1 WO 2009062785A1 EP 2008063200 W EP2008063200 W EP 2008063200W WO 2009062785 A1 WO2009062785 A1 WO 2009062785A1
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control unit
voltage
phase
individual inverters
electronic control
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PCT/EP2008/063200
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Inventor
Sebastian Schmitt
Jens Weidauer
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
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    • H02M7/48—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
    • H02M7/493—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 the static converters being arranged for operation in parallel
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    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Definitions

  • the invention relates to a solar inverter with a plurality of parallel-connected individual inverters, each having a power section for converting an input-side field voltage into an output-side mains voltage and with a higher-level electronic control unit.
  • the considered solar inverters convert the DC voltage provided by a solar field or one or more solar modules into an AC voltage.
  • the solar inverter can, for example, feed the output side into a single-phase 50 Hz / 230 V power supply network or into a 60 Hz / 120 V power supply network of an energy supply company.
  • three-phase inverters are used, which in a corresponding three-phase power supply network such. B. in a 50Hz / 400V power grid, feed. It is also possible to connect several solar inverters to a common busbar, into which the solar field or the solar modules feed.
  • Solar inverters which are connected on the input side to a solar field, usually have several parallel-connected individual inverters, which are switched on individually as the intensity of the solar radiation increases. When all single inverters are connected, a maximum electrical power can be fed back into the power supply network. The gradual connection improves the efficiency of the entire solar inverter or the entire photovoltaic system with smaller irradiation values.
  • each individual inverter has its own control electronics unit, in which the judge functions, such.
  • a higher-level controller in particular an electronic control unit, takes over the coordination of the entire solar inverter and, among other things, switches the individual inverters on and off depending on the operating state of the system.
  • the electronic control unit also provides the setpoint values for the individual inverters, in particular a mains voltage or a mains current.
  • the required control and control functions of the solar inverter are processed distributed on different electronic modules.
  • the respective individual inverters are interconnected for data exchange.
  • the control electronics units of the individual inverters are usually connected via a communication bus with the higher-level control unit. This bus connection can be for example a parallel or a serial bus. Alternatively or additionally, the data or signal exchange between the respective individual inverters and the superordinate electronic control unit can take place via digital or analog signal lines.
  • a disadvantage of the solar inverters described above is the complex programming of the plurality of control electronics units and the superordinate electronic control unit. This requires the use of various programming tools, which are each tailored to the higher-level control unit and to the control electronics units of the individual inverters. Another disadvantage is the complex data storage and archiving of the source and object files as well as the associated change management of the developed software. Another disadvantage is the time-consuming troubleshooting, if one of the control electronics units of the individual inverter should be faulty.
  • the electronic control unit is designed to carry out all higher-level control and control functions that can be assigned to the respective individual inverters.
  • the structure of the solar inverter according to the invention also leads advantageously to a simplified installation and to a lower total power consumption due to the presence of only a single central control unit. Another advantage is the higher reliability, since only a single electronic control unit is available. This advantageously reduces the hardware costs as well as the development and configuration costs for the entire solar inverter. In addition, the commissioning of the solar inverter according to the invention and the time required for troubleshooting in the solar inverter are simplified due to the greatly reduced number of possible sources of error.
  • the electronic control unit and all individual inverters are connected to each other via a communication bus.
  • the communication bus may be, for example, a serial or a parallel communication bus. He can z. B. a CAN bus, a fieldbus or a so-called "DRIVE-CLiQ" be.
  • the electronic control unit has first means for mains current control and superimposed mains voltage control for each individual inverter.
  • the individual inverters each have an ammeter and a voltmeter for detecting a mains actual value and a mains voltage actual value.
  • the individual inverters each have a signal conditioning unit for signal conditioning and forwarding of the detected actual values to the control unit.
  • the individual inverters each have the signal conditioning unit for converting a respective mains current setpoint supplied by the control unit and a respective mains voltage setpoint into a corresponding pulse sequence for controlling switching elements of the respective power section.
  • the signal conditioning unit of each individual inverter serves (exclusively) to convert the respective current setpoint or voltage setpoint into the respective corresponding pulse sequence for controlling the power semiconductors without any feedback effect.
  • the signal processing unit forms the respective setpoint value, transmitted in the form of data words, according to one in one
  • the transmitted data words may address a read-only memory in the signal processing unit, which then provides a plurality of corresponding binary pulse values.
  • the latter preferably form an on / off ratio of the respective switching element to be controlled, which corresponds to the respective desired value.
  • the binary impulse values are cyclically repeated as binary signal sequences for generating the output-side single- or multi-phase mains voltage.
  • the binary signal sequences can be raised by means of a downstream driver or amplifier to a required voltage level for driving the preferably semiconductor-based switching elements.
  • the signal conditioning unit serves to digitize the detected analog current and voltage actual values and to output these in the form of data words via the communication bus to the central control and regulation unit.
  • For digitization is preferably an analog / digital converter.
  • the electronic control unit has second means for mains current control and superimposed mains voltage control and for phase current control and phase voltage control of the individual inverters for each individual inverter.
  • the solar inverters each have an ammeter and a voltmeter for detecting a mains actual value and a mains voltage actual value, and at least one phase current meter and at least one phase voltage meter for detecting respective phase current actual values and respective phase voltage actual values.
  • the individual inverters each have a signal processing unit for signal processing and forwarding of the detected actual values to the control unit.
  • the second means of the electronic control unit then convert the processed actual values in a control loop into a corresponding pulse sequence for controlling switching elements of the respective power unit.
  • the function of the signal conditioning unit is limited to the fact that the digitally coded drive pulses, which are preferably transmitted via the communication bus, are converted directly into binary drive pulses for the respective switching elements.
  • the digitally coded drive pulses which are preferably transmitted via the communication bus
  • two data bits will be consecutive Inverter phase transmitted, which correspond to the binary switching states of the respective phase associated switching elements.
  • the signal conditioning unit is provided for outputting the already digitized actual values to the communication bus according to a defined bus protocol.
  • the electronic control unit has a multitasking and / or real-time operating system. This ensures that a large number of parallel single inverters can be reliably controlled.
  • the operating system is preferably designed so that a large number of modular individual inverters can be integrated and operated automatically in the installation slots provided for this purpose in the solar inverter in terms of control and regulation.
  • the individual inverters each have an input-side switching means for switching the respective individual inverters to the field voltage and / or in each case an output-side switching means for
  • the electronic control unit is connected to the switching means for individually controlling the switching means.
  • This has the advantage that, depending on the radiation intensity, a corresponding number of individual inverters can be switched on or off. This increases the overall efficiency of such a solar change richter.
  • the switching means is a relay or a contactor.
  • the individual inverters each have a three-phase power unit for converting the input-side field voltage into an output-side three-phase mains voltage.
  • the signal conditioning units are designed for the three-phase case.
  • FIG. 1 shows a basic structure of a solar inverter with, for example, three individual inverters, each with a control electronics unit and with a higher-level control unit,
  • FIG. 2 shows by way of example a solar inverter according to the invention with three individual inverters and with a higher-level central control unit
  • FIG. 3 shows by way of example a basic circuit diagram of a signal conditioning unit according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows by way of example a basic circuit diagram of a signal conditioning unit according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows by way of example a basic circuit diagram of a signal conditioning unit according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows by way of example a basic circuit diagram of a signal conditioning unit according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 5 shows a block diagram of an exemplary single inverter with a signal conditioning unit and with a power unit according to the invention.
  • FIG. 1 shows a solar inverter 1 with, by way of example, three parallel-connected individual inverters 11-13 each having a power section 6 for converting an input side
  • Field voltage UF in an output-side mains voltage UN and with a higher-level electronic control unit 70th The respective individual inverters 11-13 can be switched by means of input-side switching means 4 individually to DC voltage lines 21, which in turn are connected to a solar panel 2 or with one or more solar modules.
  • UF denotes a field voltage or DC link voltage that is related to a first reference potential 22.
  • the respective individual inverters 11-13 can be individually connected to a power supply network 3 by means of output-side switching means 5.
  • the switching means 4, 5 shown are exemplary relays. With S1-S6 are
  • Control signals for driving the switching means 4, 5, which are output from the higher-level control unit 70 are output from the higher-level control unit 70.
  • the individual inverters 11-13 can be selectively switched on and off depending on the sun's rays.
  • the feed is three-phase. It can alternatively be single-phase.
  • the reference numeral 31 designates corresponding mains supply lines.
  • UN is a three-phase mains voltage referred to a second reference potential 32, such. B. ground potential, based.
  • the electronic control unit 70 is connected, for example, via a communication bus 9 for exchanging data with the respective control electronics units 80 of the individual inverters 11-13. Via this communication bus 9, the electronic control unit 70 outputs a respective mains voltage setpoint UNS1-UNS3 or a respective mains current setpoint INS1-INS3 to the respective control electronics units 80 either for the higher-level voltage regulation or for the higher-level current regulation.
  • D1-D3 are more data, such as. As diagnostic data called. Among other things, they serve for monitoring or for determining the status of the individual inverters 11-13.
  • FIG. 2 shows a block diagram of a solar inverter 1 according to the invention, which exemplifies three individual inverters 11-13 and a parent central Control and regulating unit 7 has as an electronic control unit.
  • the electronic control unit 7 has not further designated first means for superimposed mains current control or mains voltage control for each individual inverter 11-13.
  • the electronic control unit 7 is connected to all individual inverters 11-13 via a communication bus 9. The data transmission can take place in parallel or in series.
  • the control unit 7 outputs via this communication bus 9 a respective mains current setpoint INS1-INS3 or a respective mains voltage setpoint UNS1-UNS3 to a respective signal conditioning unit 8 of the individual inverters 11-13.
  • the respective signal processing unit 8 outputs corresponding mains voltage actual values UNI1-UNI3 detected in the respective individual inverters 11-13 as well as mains actual values INI1-INI3 detected there to the communication bus 9 for control feedback to the electronic control unit 7.
  • the electronic control unit 7 preferably has a multitasking and / or real-time operating system. As a result, a reliable operation and a simple extension of the solar inverter 1 according to the invention by further individual inverters 11-13 are possible.
  • FIG. 3 shows a block diagram of an exemplary signal conditioning unit 8 according to a first embodiment of the invention.
  • the signal conditioning unit 8 shown serves to convert a respective mains current setpoint INS supplied by the control unit 7 via the communication bus 9 or a respective mains voltage setpoint value USS into a corresponding one
  • Pulse train P1-P6 for controlling switching elements of the respective power section.
  • the Implementation three-phase, with a separate pulse generator 83 is present for each phase of the network.
  • the processing of the respective mains current setpoint INS or mains voltage setpoint UNS is combined in a subunit 81 of the signal conditioning unit 8.
  • a second subunit 82 of the signal conditioning unit 8 is shown. It is used to signal processing and forwarding of the detected actual values INI, UNI to the control unit 7. The output is in turn sent to the communication bus 9.
  • the signal conditioning unit has an analog / digital converter 84, which usually the analog input actual values INI, UNI digitized and outputs these as digitally coded values INI ', UNI' to the communication bus 9.
  • respective detected field voltage actual values UFI and / or field current actual values IFI can be converted by means of the analog / digital converter 84 into corresponding digitally coded values UFI ', IFI'.
  • FIG. 4 shows a block diagram of a signal conditioning unit 8 according to a second embodiment of the invention.
  • the signal conditioning unit 8 has a further pulse generator 85, which transmits the digitally coded control signals P1 '-P6' transmitted by the central control and regulation unit 7 via the communication bus 9 into corresponding control signals P1-P6 for, in particular, direct control of the switching elements of the power unit.
  • the illustrated six digitally coded control signals Pl '-P6' are transmitted as a data word via the communication bus 9, wherein one bit of this data word represents the corresponding switching state of a switching element.
  • a logical "1" of the corresponding bit may represent a positive drive signal for the switching element to be driven, while a logical "1" may represent a positive drive signal for the switching element to be driven "0" of this data word represents a blocking signal for the switching means to be controlled.
  • a second subunit 82 of the signal conditioning unit 8 is shown for transmitting the actual values UFI, IFI, IRI, ITI, USTI, URSI.
  • Reference numeral 84 designates an analog / digital converter, which in addition to a field voltage actual value UFI and a field current actual value IFI additionally digitizes two actual phase current values IRI, ITI and two phase voltage actual values USTI, URSI.
  • the signal processing unit 8 converts these into "bus-capable" digitally coded actual values UFI ', IFI', IRI ', ITI', USTI ', URSI' for forwarding to the communication bus 9.
  • only two phase current values IRI, ITI and two phase voltage actual values USTI, URSI digitized
  • the remaining third phase quantities can be calculated from the first two.
  • FIG 5 a schematic diagram of a single inverter 11-13 is shown according to the invention.
  • the signal conditioning unit 8 in the lower part of FIG. 5, the circuit diagram of the associated power unit 6 is shown.
  • the power unit 6 has in the left part of FIG. 5 a voltage intermediate circuit designated by the reference numeral 60.
  • the field voltage UF is applied.
  • the field voltage UF can consequently also be referred to as intermediate circuit voltage.
  • Reference symbol IF denotes the associated field current flowing into the intermediate circuit 60.
  • the intermediate circuit 60 has an intermediate circuit capacitor 69 for buffering the input voltage UF.
  • a voltmeter 91 is present.
  • a three-phase inverter unit 68 is shown in the intermediate circuit 60, which serves for measuring the field current IF and outputs a corresponding actual value IFI to the signal conditioning unit 8.
  • a three-phase inverter unit 68 is shown in the lower right part of FIG 5, . It sets by appropriate control of their respective switching elements 61-66 which there applied intermediate circuit voltage UF in a three-phase mains voltage UN.
  • the switching elements 61-66 are semiconductor switches.
  • phase current meters 93, 94 For measuring the output-side phase currents IPR, IPS, IPT two phase current meters 93, 94 are present.
  • the missing phase current IPS can be derived from the two already detected phase currents IPR, IPT.
  • the corresponding phase current actual values IRI, ITI are supplied to the associated signal conditioning unit 8. to
  • Phase voltage measurement are two phase voltage meters 95, 96 available. The remaining phase voltage can also be derived from the already detected phase voltages. The corresponding phase voltage actual values USTI, URSI are supplied to the signal conditioning unit 8.
  • the signal conditioning unit 8 also has a bus interface 86, which converts the data traffic from and to the communication bus 9 into corresponding binary data for further processing in the signal conditioning unit 8.
  • a bus interface 86 which converts the data traffic from and to the communication bus 9 into corresponding binary data for further processing in the signal conditioning unit 8.
  • the reference numeral 87 is exemplified a multiplexer, which converts the coming of a data word of the communication bus 9 binary information in parallel individual signals.
  • the reference numeral 88 denotes amplifiers which convert the corresponding signals P1-P6 to the required voltage level for driving the semiconductor elements 61-66.
  • the analog / digital conversion of the actual values UFI, IFI, IRI, ITI, USTI, URSI into corresponding data for transmission via the communication bus.

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Abstract

Ein Solarwechselrichter (1) weist mehrere parallel geschaltete Einzelwechselrichter (11-13) mit jeweils einem Leistungsteil (6) zur Umsetzung einer eingangsseitigen FeId-Spannung (UF) in eine ausgangsseitige Netzspannung (UN) sowie eine übergeordnete elektronische Steuereinheit (7) auf. Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit (7) zur Durchführung sämtlicher übergeordneter sowie den jeweiligen Einzelwechselrichtern (11-13) zuordenbarer Regel- und Steuerfunktionen ausgebildet.

Description

Beschreibung
Solarwechselrichter mit mehreren parallel geschalteten Einzelwechselrichtern und mit einer übergeordneten elektro- nischen Steuereinheit
Die Erfindung betrifft einen Solarwechselrichter mit mehreren parallel geschalteten Einzelwechselrichtern mit jeweils einem Leistungsteil zur Umsetzung einer eingangsseitigen Feldspan- nung in eine ausgangsseitige Netzspannung sowie mit einer übergeordneten elektronischen Steuereinheit.
Die betrachteten Solarwechselrichter wandeln die von einem Solarfeld oder von einem oder mehreren Solarmodulen bereit- gestellte Gleichspannung in eine Wechselspannung um. Der Solarwechselrichter kann beispielsweise ausgangsseitig in ein einphasiges 50Hz/230V-Stromversorgungsnetz oder in ein 60Hz/120V-Stromversorgungsnetz eines Energieversorgungsunternehmens einspeisen. Für große Solarfelder kommen vor- zugsweise Drehstromwechselrichter zum Einsatz, welche in ein entsprechendes dreiphasiges Stromversorgungsnetz, wie z. B. in ein 50Hz/400V-Stromversorgungsnetz, einspeisen. Es können auch mehrere Solarwechselrichter mit einer gemeinsamen Sammelschiene verbunden sein, in welche das Solarfeld bzw. die Solarmodule einspeisen.
Solarwechselrichter, die eingangsseitig an ein Solarfeld angeschlossen sind, weisen üblicherweise mehrere parallel geschaltete Einzelwechselrichter auf, die bei steigender Inten- sität der Sonneneinstrahlung einzeln zugeschaltet werden. Bei Zuschaltung aller Einzelwechselrichter kann eine maximale elektrische Leistung in das Stromversorgungsnetz zurückgespeist werden. Die stufenweise Zuschaltung verbessert den Wirkungsgrad des gesamten Solarwechselrichters bzw. der ge- samten Photovoltaikanlage bei kleineren Einstrahlungswerten.
Jeder Einzelwechselrichter verfügt neben einem Leistungsteil über eine eigene Regelelektronikeinheit, in der die Wechsel- richterfunktionen, wie z. B. die Ansteuerung der Leistungshalbleiter, Strom- und Spannungsregelung, Schutzfunktion und Überwachung, für den jeweiligen Einzelwechselrichter realisiert werden. Eine übergeordnete Steuerung, insbesondere eine elektronische Steuereinheit, übernimmt die Koordination des gesamten Solarwechselrichters und schaltet unter anderem die Einzelwechselrichter je nach Betriebszustand der Anlage zu und ab. Die elektronische Steuereinheit gibt zudem die Sollwerte für die Einzelwechselrichter, insbesondere eine Netz- Spannung oder einen Netzstrom, vor. Die erforderlichen Regel- und Steuerfunktionen des Solarwechselrichters werden verteilt auf verschiedenen Elektronikbaugruppen abgearbeitet. Die jeweiligen Einzelwechselrichter sind untereinander zum Datenaustausch verbunden. Die Regelelektronikeinheiten der Einzel- Wechselrichter sind üblicherweise über einen Kommunikationsbus mit der übergeordneten Steuereinheit verbunden. Diese Busverbindung kann beispielsweise ein paralleler oder ein serieller Bus sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Daten- bzw. Signalaustausch zwischen den jeweiligen Einzel- Wechselrichtern und der übergeordneten elektronischen Steuereinheit über digitale oder analoge Signalleitungen erfolgen.
Nachteilig bei den zuvor beschriebenen Solarwechselrichtern ist die aufwändige Programmierung der mehreren Regelelektro- nikeinheiten sowie der übergeordneten elektronischen Steuereinheit. Dies erfordert die Anwendung verschiedener Programmierwerkzeuge, die jeweils auf die übergeordnete Steuereinheit sowie auf die Regelelektronikeinheiten der Einzelwechselrichter zugeschnitten sind. Ein weiterer Nachteil ist die komplexe Datenhaltung und Archivierung der Quell- und Objektdateien sowie das zugehörige Änderungsmanagement der entwickelten Software. Ein weiterer Nachteil ist die aufwändige Fehlersuche, falls bei einer der Regelelektronikeinheiten der Einzelwechselrichter fehlerhaft sein sollte.
Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, einen modular aufgebauten Solarwechselrichter mit mehreren Einzelwechselrich- tern anzugeben, welcher die zuvor genannten Nachteile nicht mehr aufweist.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit einem Solarwechselrichter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Solarwechselrichters sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 7 genannt.
Erfindungsgemäß ist die elektronische Steuereinheit zur Durchführung sämtlicher übergeordneter sowie den jeweiligen Einzelwechselrichtern zuordenbarer Regel- und Steuerfunktionen ausgebildet.
Damit ist der große Vorteil verbunden, dass anstelle einer Vielzahl von Regelelektronikeinheiten in den Einzelwechselrichtern und der übergeordneten elektronischen Steuereinheit nur noch eine (einzige) zentrale Steuer- und Regeleinheit verwendet wird, die alle Regel- und Steuerfunktionen des aus mehreren Einzelwechselrichtern aufgebauten Solarwechselrich- ters übernimmt. Mit anderen Worten findet in den jeweiligen Einzelwechselrichtern keine Regelung mehr statt. Damit ist der weitere Vorteil verbunden, dass die Einzelwechselrichter nicht mehr konfigurierbar sein müssen und folglich als „black box" ausgeführt sein können.
Der erfindungsgemäße Aufbau des Solarwechselrichters führt weiterhin vorteilhaft zu einer vereinfachten Montage sowie zu einem geringeren Gesamtstromverbrauch aufgrund des Vorhandenseins nur einer einzigen zentralen Steuer- und Regeleinheit. Ein weiterer Vorteil ist die höhere Zuverlässigkeit, da nur noch eine einzige elektronische Steuereinheit vorhanden ist. Dadurch reduzieren sich vorteilhaft die Hardwarekosten sowie die Entwicklungs- und Projektierungskosten für den gesamten Solarwechselrichter. Zudem vereinfachen sich die Inbetrieb- nähme des erfindungsgemäßen Solarwechselrichters sowie der Zeitaufwand zur Fehlersuche im Solarwechselrichter aufgrund der stark reduzierten Anzahl von möglichen Fehlerquellen. Nach einer Ausführungsform sind die elektronische Steuereinheit und alle Einzelwechselrichter über einen Kommunikationsbus miteinander verbunden. Der Kommunikationsbus kann beispielsweise ein serieller oder ein paralleler Kommunika- tionsbus sein. Er kann z. B. ein CAN-Bus, ein Feldbus oder ein so genannter ,,DRIVE-CLiQ" sein.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung weist die elektronische Steuereinheit erste Mittel zur Netzstromregelung und zur überlagerten Netzspannungsregelung für jeden Einzelwechselrichter auf. Die Einzelwechselrichter weisen jeweils einen Strommesser und einen Spannungsmesser zur Erfassung eines Netzstromistwertes und eines Netzspannungsistwertes auf. Die Einzelwechselrichter weisen jeweils eine Signal- aufbereitungseinheit zur Signalaufbereitung und Weiterleitung der erfassten Istwerte an die Steuereinheit auf. Die Einzelwechselrichter weisen jeweils die Signalaufbereitungseinheit zur Umsetzung eines jeweiligen von der Steuereinheit zugeführten Netzstromsollwertes und eines jeweiligen Netzspan- nungssollwertes in eine entsprechende Impulsfolge zur Ansteuerung von Schaltelementen des jeweiligen Leistungsteils auf .
Die Signalaufbereitungseinheit jedes Einzelwechselrichters dient dabei (ausschließlich) dazu, den jeweiligen Stromsollwert oder Spannungssollwert ohne regelungstechnische Rückwirkung in die jeweilige entsprechende Impulsfolge zur Ansteuerung der Leistungshalbleiter umzusetzen. Vorzugsweise bildet die Signalverarbeitungseinheit den jeweiligen, in Form von Datenwörtern übertragenen Sollwert nach einem in einem
Programmspeicher der Signalverarbeitungseinheit hinterlegten Algorithmus in entsprechende binäre Signalfolgen ab. Alternativ können die übertragenen Datenwörter einen Festwertspeicher in der Signalverarbeitungseinheit adressieren, wel- eher dann mehrere korrespondierende binäre Impulswerte bereitstellt. Letztere bilden vorzugsweise ein dem jeweiligen Sollwert entsprechendes Ein-/Ausschaltverhältnis des jeweiligen anzusteuernden Schaltelementes ab. Die binären Impuls- werte werden als binäre Signalfolgen zur Erzeugung der aus- gangsseitigen ein- oder mehrphasigen Netzspannung zyklisch wiederholt. Die binären Signalfolgen können mittels nachgeschalteter Treiber oder Verstärker auf ein erforderliches Spannungsniveau zur Ansteuerung der vorzugsweise auf Halbleiter basierenden Schaltelemente angehoben werden.
In umgekehrter Richtung dient die Signalaufbereitungseinheit dazu, die erfassten analogen Strom- und Spannungsistwerte zu digitalisieren und diese in Form von Datenwörtern über den Kommunikationsbus an die zentrale Steuer- und Regelungseinheit auszugeben. Zur Digitalisierung dient vorzugsweise ein Analog/Digital-Umsetzer .
Nach einer alternativen Ausführungsform weist die elektronische Steuereinheit zweite Mittel zur Netzstromregelung und überlagerten Netzspannungsregelung sowie zur Phasenstrom- regelung und Phasenspannungsregelung der Einzelwechselrichter für jeden Einzelwechselrichter auf. Die Solarwechselrichter weisen jeweils einen Strommesser und einen Spannungsmesser zur Erfassung eines Netzstromistwertes und eines Netzspannungsistwertes sowie jeweils zumindest einen Phasenstrommesser und zumindest einen Phasenspannungsmesser zur Erfassung von jeweiligen Phasenstromistwerten und jeweiligen Phasenspannungsistwerten auf. Die Einzelwechselrichter weisen jeweils eine Signalverarbeitungseinheit zur Signalaufbereitung und Weiterleitung der erfassten Istwerte an die Steuereinheit auf. Die zweiten Mittel der elektronischen Steuereinheit setzen dann die aufbereiteten Istwerte in einer Regelschleife in eine entsprechende Impulsfolge zur Ansteuerung von Schaltelementen des jeweiligen Leistungsteils um.
Im Vergleich zur vorherigen Ausführungsform ist die Funktion der Signalaufbereitungseinheit dahin gehend beschränkt, dass die vorzugsweise über den Kommunikationsbus übertragenen digital kodierten Ansteuerimpulse direkt in binäre Ansteuerimpulse für die jeweiligen Schaltelemente umgesetzt werden. Im einfachsten Fall werden fortlaufend zwei Datenbits je Wechselrichterphase übertragen, welche mit den binären Schaltzuständen der einer jeweiligen Phase zugeordneten Schaltelemente korrespondieren.
Auf umgekehrtem Wege erfolgt die Digitalisierung aller von den Strom- und Spannungsmessern erfassten Spannungs- und Stromistwerte. Die entsprechenden digital kodierten Istwerte werden als Datenwörter an den Kommunikationsbus ausgegeben.
Für den alternativen Fall, dass die Strom- und Spannungsmesser die erfassten Strom- und Spannungsistwerte bereits digital bereitstellen, ist die Signalaufbereitungseinheit dafür vorgesehen, die bereits digitalisierten Istwerte gemäß einem festgelegten Busprotokoll an den Kommunikationsbus auszugeben.
Insbesondere weist die elektronische Steuereinheit ein Multitasking- und/oder Echtzeitbetriebssystem auf. Dadurch ist gewährleistet, dass eine Vielzahl paralleler Einzel- Wechselrichter zuverlässig angesteuert werden kann. Das Betriebssystem ist vorzugsweise dahin gehend ausgelegt, dass eine Vielzahl von modularen Einzelwechselrichtern in dafür vorgesehene Einbauplätze im Solarwechselrichter steuerungs- und regelungstechnisch automatisch eingebunden und betrieben werden kann.
Einer weiteren Ausführungsform zufolge weisen die Einzelwechselrichter jeweils ein eingangsseitiges Schaltmittel zum Schalten der jeweiligen Einzelwechselrichter an die Feldspan- nung und/oder jeweils ein ausgangsseitiges Schaltmittel zum
Schalten der jeweiligen Einzelwechselrichter an die Netzspannung auf. Die elektronische Steuereinheit ist zum individuellen Ansteuern der Schaltmittel mit den Schaltmitteln verbunden. Damit ist der Vorteil verbunden, dass je nach Einstrah- lungsintensität eine entsprechende Anzahl von Einzelwechselrichtern zu- bzw. abgeschaltet werden kann. Dadurch erhöht sich der Gesamtwirkungsgrad eines derartigen Solarwechsel- richters. Vorzugsweise ist das Schaltmittel ein Relais oder ein Schütz.
Im Besonderen weisen die Einzelwechselrichter jeweils ein dreiphasiges Leistungsteil zur Umsetzung der eingangsseitigen Feldspannung in eine ausgangsseitige dreiphasige Netzspannung auf. In entsprechender Weise sind die Signalaufbereitungseinheiten für den dreiphasigen Fall ausgeführt.
Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungen der Erfindung werden im Weiteren anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
FIG 1 einen prinzipiellen Aufbau eines Solarwechsel- richters mit beispielhaft drei Einzelwechselrichtern mit jeweils einer Regelelektronikeinheit und mit einer übergeordneten Steuereinheit,
FIG 2 beispielhaft einen erfindungsgemäßen Solarwechselrichter mit drei Einzelwechselrichtern und mit einer übergeordneten zentralen Steuer- und Regeleinheit,
FIG 3 beispielhaft ein Prinzipschaltbild einer Signalaufbereitungseinheit gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, FIG 4 beispielhaft ein Prinzipschaltbild einer Signalaufbereitungseinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und
FIG 5 ein Prinzipschaltbild eines beispielhaften Einzelwechselrichters mit einer Signalaufbereitungs- einheit und mit einem Leistungsteil gemäß der Erfindung.
FIG 1 zeigt einen Solarwechselrichter 1 mit beispielhaft drei parallel geschalteten Einzelwechselrichtern 11-13 mit jeweils einem Leistungsteil 6 zur Umsetzung einer eingangsseitigen
Feldspannung UF in eine ausgangsseitige Netzspannung UN sowie mit einer übergeordneten elektronischen Steuereinheit 70. Die jeweiligen Einzelwechselrichter 11-13 können mittels eingangsseitiger Schaltmittel 4 einzeln an Gleichspannungsleitungen 21 geschaltet werden, die ihrerseits mit einem Solarfeld 2 oder mit einem oder mehreren Solarmodulen verbunden sind. Mit UF ist eine Feld- oder Zwischenkreis- spannung bezeichnet, die auf ein erstes Bezugspotential 22 bezogen ist. Weiterhin sind die jeweiligen Einzelwechselrichter 11-13 mittels ausgangsseitiger Schaltmittel 5 einzeln an ein Stromversorgungsnetz 3 anschließbar. Die gezeigten Schaltmittel 4, 5 sind beispielhaft Relais. Mit S1-S6 sind
Steuersignale zur Ansteuerung der Schaltmittel 4, 5 bezeichnet, die von der übergeordneten Steuereinheit 70 ausgegeben werden. Über die Steuersignale S1-S6 können die Einzelwechselrichter 11-13 je nach Sonneneinstrahlung gezielt zu- und abgeschaltet werden.
Im vorliegenden Beispiel erfolgt die Einspeisung dreiphasig. Sie kann alternativ einphasig erfolgen. Mit dem Bezugszeichen 31 sind korrespondierende Netzeinspeisungsleitungen bezeich- net. Mit UN ist eine dreiphasige Netzspannung bezeichnet, die auf ein zweites Bezugspotential 32, wie z. B. Erdpotential, bezogen ist. Die elektronische Steuereinheit 70 ist beispielhaft über einen Kommunikationsbus 9 zum Austausch von Daten mit den jeweiligen Regelelektronikeinheiten 80 der Einzel- Wechselrichter 11-13 verbunden. Über diesen Kommunikationsbus 9 gibt die elektronische Steuereinheit 70 einen jeweiligen Netzspannungssollwert UNS1-UNS3 oder einen jeweiligen Netzstromsollwert INS1-INS3 an die jeweiligen Regelelektronikeinheiten 80 entweder zur übergeordneten Spannungsregelung oder zur übergeordneten Stromregelung vor. Mit D1-D3 sind weitere Daten, wie z. B. Diagnosedaten, bezeichnet. Sie dienen unter anderem zur Überwachung bzw. zur Statusermittlung der Einzelwechselrichter 11-13.
FIG 2 zeigt ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Solarwechselrichters 1, welcher beispielhaft drei Einzelwechselrichter 11-13 sowie eine übergeordnete zentrale Steuer- und Regeleinheit 7 als elektronische Steuereinheit aufweist .
Die elektronische Steuereinheit 7 weist nicht weiter bezeich- nete erste Mittel zur überlagerten Netzstromregelung oder Netzspannungsregelung für jeden Einzelwechselrichter 11-13 auf. Die elektronische Steuereinheit 7 ist mit allen Einzelwechselrichtern 11-13 über einen Kommunikationsbus 9 verbunden. Die Datenübertragung kann parallel oder seriell erfol- gen. Die Steuereinheit 7 gibt über diesen Kommunikationsbus 9 einen jeweiligen Netzstromsollwert INS1-INS3 oder einen jeweiligen Netzspannungssollwert UNS1-UNS3 an eine jeweilige Signalaufbereitungseinheit 8 der Einzelwechselrichter 11-13 aus. Auf umgekehrtem Wege gibt die jeweilige Signalaufberei- tungseinheit 8 entsprechende, im jeweiligen Einzelwechselrichter 11-13 erfasste Netzspannungsistwerte UNI1-UNI3 sowie dort erfasste Netzstromistwerte INI1-INI3 an den Kommunikationsbus 9 zur Regelrückführung an die elektronische Steuereinheit 7 aus.
Zur übergeordneten Steuerung und Regelung der Einzelwechselrichter 11-13 weist die elektronische Steuereinheit 7 vorzugsweise ein Multitasking- und/oder Echtzeitbetriebssystem auf. Dadurch sind ein zuverlässiger Betrieb und eine einfache Erweiterung des erfindungsgemäßen Solarwechselrichters 1 um weitere Einzelwechselrichter 11-13 möglich.
FIG 3 zeigt ein Prinzipschaltbild einer beispielhaften Signalaufbereitungseinheit 8 gemäß einer ersten Ausführungs- form der Erfindung.
Die gezeigte Signalaufbereitungseinheit 8 dient zur Umsetzung eines jeweiligen, von der Steuereinheit 7 über den Kommunikationsbus 9 zugeführten Netzstromsollwertes INS oder eines je- weiligen Netzspannungssollwertes UNS in eine entsprechende
Impulsfolge P1-P6 zur Ansteuerung von Schaltelementen des jeweiligen Leistungsteils. Im Beispiel der FIG 3 erfolgt die Umsetzung dreiphasig, wobei für jede Netzphase ein eigener Pulserzeuger 83 vorhanden ist.
Im Beispiel der FIG 3 ist die Verarbeitung des jeweiligen Netzstromsollwertes INS oder Netzspannungssollwertes UNS in einer Teileinheit 81 der Signalaufbereitungseinheit 8 zu- sammengefasst . Im unteren Teil der FIG 3 ist eine zweite Teileinheit 82 der Signalaufbereitungseinheit 8 dargestellt. Sie dient zur Signalaufbereitung und Weiterleitung der er- fassten Istwerte INI, UNI an die Steuereinheit 7. Die Ausgabe erfolgt wiederum an den Kommunikationsbus 9. Insbesondere weist die Signalaufbereitungseinheit einen Analog/Digital- Umsetzer 84 auf, welcher die üblicherweise analog zugeführten Istwerte INI, UNI digitalisiert und diese als digital kodier- te Werte INI', UNI' an den Kommunikationsbus 9 ausgibt.
Zusätzlich können insbesondere zu Schutzzwecken, wie im Beispiel der FIG 3 gezeigt, jeweilige erfasste Feldspannungsistwerte UFI und/oder Feldstromistwerte IFI mittels des Analog/Digital-Umsetzers 84 in korrespondierende digital kodierte Werte UFI', IFI' umgesetzt werden.
FIG 4 zeigt ein Prinzipschaltbild einer Signalaufbereitungseinheit 8 nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Im Beispiel der FIG 4 weist die Signalaufbereitungseinheit 8 einen weiteren Pulserzeuger 85 auf, welcher die von der zentralen Steuer- und Regeleinheit 7 über den Kommunikationsbus 9 übertragenen digital kodierten Ansteuersignale Pl' -P6' in entsprechende Ansteuersignale P1-P6 zur insbesondere direkten Ansteuerung der Schaltelemente des Leistungsteils umsetzt. So können z. B. die dargestellten sechs digital kodierten Ansteuersignale Pl' -P6' als ein Datenwort über den Kommunikationsbus 9 übertragen werden, wobei ein Bit dieses Daten- wortes den entsprechenden Schaltzustand eines Schaltelementes repräsentiert. So kann beispielsweise eine logische „1" des entsprechenden Bits ein positives Ansteuersignal für das anzusteuernde Schaltelement darstellen, während eine logische „0" dieses Datenwortes ein Sperrsignal für das anzusteuernde Schaltmittel darstellt.
Im unteren Teil der FIG 4 ist wiederum zur Übertragung der Istwerte UFI, IFI, IRI, ITI, USTI, URSI eine zweite Teileinheit 82 der Signalaufbereitungseinheit 8 dargestellt. Mit dem Bezugszeichen 84 ist ein Analog/Digital-Umsetzer bezeichnet, welcher neben einem Feldspannungsistwert UFI und einem Feldstromistwert IFI zusätzlich zwei Phasenstromistwerte IRI, ITI sowie zwei Phasenspannungsistwerte USTI, URSI digitalisiert. Die Signalverarbeitungseinheit 8 setzt diese in „busfähige" digital kodierte Istwerte UFI', IFI', IRI', ITI', USTI', URSI' zur Weiterleitung an den Kommunikationsbus 9 um. Im Beispiel der FIG 4 werden lediglich zwei Phasenstrom- istwerte IRI, ITI sowie zwei Phasenspannungsistwerte USTI, URSI digitalisiert. Die verbleibenden dritten Phasengrößen lassen sich jeweils aus den beiden ersten errechnen.
Im Beispiel der FIG 5 ist ein Prinzipschaltbild eines Einzel- Wechselrichters 11-13 gemäß der Erfindung dargestellt. Im oberen Teil der FIG 5 ist die Signalaufbereitungseinheit 8, im unteren Teil der FIG 5 das Schaltbild des zugehörigen Leistungsteils 6 dargestellt. Das Leistungsteil 6 weist im linken Teil der FIG 5 einen mit dem Bezugszeichen 60 be- zeichneten Spannungszwischenkreis auf. An diesem Spannungszwischenkreis 60 liegt die Feldspannung UF an. Die Feldspannung UF kann folglich auch als Zwischenkreisspannung bezeichnet werden. Mit dem Bezugszeichen IF ist der zugehörige, in den Zwischenkreis 60 hineinfließende Feldstrom be- zeichnet. Der Zwischenkreis 60 weist zur Pufferung der Eingangsspannung UF einen Zwischenkreiskondensator 69 auf. Zur Messung der Zwischenkreisspannung bzw. der Feldspannung UF ist ein Spannungsmesser 91 vorhanden. Dieser gibt einen korrespondierenden Feldspannungsistwert UFI an die Signal- aufbereitungseinheit 8 aus. Weiterhin ist im Zwischenkreis 60 ein Strommesser 92 vorhanden, welcher zur Messung des Feldstroms IF dient und einen entsprechenden Istwert IFI an die Signalaufbereitungseinheit 8 ausgibt. Im rechten unteren Teil der FIG 5 ist eine dreiphasige Wechselrichtereinheit 68 dargestellt. Sie setzt durch entsprechende Ansteuerung ihrer jeweiligen Schaltelemente 61-66 die dort anliegende Zwischenkreisspannung UF in eine dreiphasige Netzspannung UN um. Im Beispiel der FIG 5 sind die Schaltelemente 61-66 Halbleiterschalter. Bei den gezeigten Halbleiterschaltern 61-66 handelt es sich um so genannte IGBT- Transistoren (IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor) . Antiparallel zu den jeweiligen Transistoren 61-66 ist eine Freilaufdiode 67 geschaltet. Zur Messung der ausgangsseitigen Phasenströme IPR, IPS, IPT sind zwei Phasenstrommesser 93, 94 vorhanden. Der fehlende Phasenstrom IPS lässt sich aus den beiden bereits erfassten Phasenströmen IPR, IPT herleiten. Die korrespondierenden Phasenstromistwerte IRI, ITI werden der zugehörigen Signalaufbereitungseinheit 8 zugeführt. Zur
Phasenspannungsmessung sind zwei Phasenspannungsmesser 95, 96 vorhanden. Die verbleibende Phasenspannung lässt sich gleichfalls aus den bereits erfassten Phasenspannungen herleiten. Die korrespondierenden Phasenspannungsistwerte USTI, URSI werden der Signalaufbereitungseinheit 8 zugeführt.
Die Signalaufbereitungseinheit 8 weist weiterhin eine Bus- anschaltung 86 auf, welche den Datenverkehr von und zu dem Kommunikationsbus 9 in entsprechende binäre Daten zur Weiter- Verarbeitung in der Signalaufbereitungseinheit 8 umsetzt. Mit dem Bezugszeichen 87 ist beispielhaft ein Multiplexer bezeichnet, welcher die von einem Datenwort des Kommunikationsbusses 9 stammenden binären Informationen in parallele Einzelsignale umsetzt. Mit dem Bezugszeichen 88 sind Verstärker bezeichnet, welche die entsprechenden Signale P1-P6 auf das erforderliche Spannungsniveau zur Ansteuerung der Halbleiterelemente 61-66 umsetzen. Im unteren Teil der Signalaufbereitungseinheit 8 erfolgt wiederum die Analog/Digital-Umsetzung der Istwerte UFI, IFI, IRI, ITI, USTI, URSI in entsprechende Daten zur Übertragung über den Kommunikationsbus 9.

Claims

Patentansprüche
1. Solarwechselrichter mit mehreren parallel geschalteten Einzelwechselrichtern (11-13) mit jeweils einem Leistungsteil (6) zur Umsetzung einer eingangsseitigen Feldspannung (UF) in eine ausgangsseitige Netzspannung (UN) sowie mit einer übergeordneten elektronischen Steuereinheit (7), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) zur Durchführung sämtlicher über- geordneter sowie den jeweiligen Einzelwechselrichtern (11-13) zuordenbarer Regel- und Steuerfunktionen ausgebildet ist.
2. Solarwechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - dass die elektronische Steuereinheit (7) erste Mittel zur überlagerten Netzstromregelung oder Netzspannungsregelung für jeden Einzelwechselrichter (11-13) aufweist,
- dass die Einzelwechselrichter (11-13) jeweils einen Strommesser (92) und einen Spannungsmesser (91) zur Erfassung eines Netzstromistwertes (INI) und eines Netzspannungsistwertes (UNI) aufweisen und
- dass die Einzelwechselrichter (11-13) jeweils eine Signalaufbereitungseinheit (8) zur Signalaufbereitung und Weiterleitung der erfassten Istwerte (INI, UNI) an die Steuer- einheit (7) sowie zur Umsetzung eines jeweiligen von der Steuereinheit (7) zugeführten Netzstromsollwertes (INS) oder eines jeweiligen Netzspannungssollwertes (UNS) in eine entsprechende Impulsfolge zur Ansteuerung von Schaltelementen (61-66) des jeweiligen Leistungsteils (6) aufweisen.
3. Solarwechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- dass die elektronische Steuereinheit (7) zweite Mittel zur überlagerten Netzstromregelung oder Netzspannungsregelung sowie zur Phasenstromregelung und Phasenspannungsregelung der Einzelwechselrichter (11-13) für jeden Einzelwechselrichter (11-13) aufweist, - dass die Solarwechselrichter (11-13) jeweils einen Strommesser (92) und einen Spannungsmesser (91) zur Erfassung eines Feldstromistwertes (IFI) und eines Feldspannungsistwertes (UFI) sowie jeweils zumindest einen Phasenstrom- messer (93, 94) und zumindest einen Phasenspannungsmesser (95, 96) zur Erfassung von jeweiligen Phasenstromistwerten (IRI, ITI) und jeweiligen Phasenspannungsistwerten (USTI, URSI) aufweisen,
- dass die Einzelwechselrichter (11-13) jeweils eine Signal- aufbereitungseinheit (8) zur Signalaufbereitung und Weiterleitung der erfassten Istwerte (IFI, UFI, IRI, ITI, USTI, URSI) an die Steuereinheit (7) aufweisen und
- dass die zweiten Mittel der elektronischen Steuereinheit
(7) die aufbereiteten Istwerte (IFI, UFI, IRI, ITI, USTI, URSI) in eine entsprechende Impulsfolge zur Ansteuerung von Schaltelementen (61-66) des jeweiligen Leistungsteils (6) umsetzen .
4. Solarwechselrichter nach einem der vorangegangenen An- Sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinheit (7) und alle Einzelwechselrichter (11-13) über einen Kommunikationsbus (9) miteinander verbunden sind.
5. Solarwechselrichter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinheit (7) ein Multitasking- und/oder Echtzeitbetriebssystem aufweist.
6. Solarwechselrichter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Einzelwechselrichter (11-13) jeweils ein ein- gangsseitiges Schaltmittel (4) zum Schalten der jeweiligen Einzelwechselrichter (11-13) an die Feldspannung (UF) und/oder jeweils ein ausgangsseitiges Schaltmittel (5) zum Schalten der jeweiligen Einzelwechselrichter (11-13) an die Netzspannung (UN) aufweisen und - dass die elektronische Steuereinheit (7) zum individuellen Ansteuern der Schaltmittel (4, 5) mit den Schaltmitteln (4, 5) verbunden ist.
7. Solarwechselrichter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelwechselrichter (11-13) jeweils ein einphasiges oder dreiphasiges Leistungsteil (6) zur Umsetzung der ein- gangsseitigen Feldspannung (UF) in eine ausgangsseitige ein- phasige oder dreiphasige Netzspannung (UN) aufweisen.
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