WO2012104335A1 - Signalerzeugender wechselrichter und betriebsverfahren für einen wechselrichter - Google Patents

Signalerzeugender wechselrichter und betriebsverfahren für einen wechselrichter Download PDF

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WO2012104335A1
WO2012104335A1 PCT/EP2012/051649 EP2012051649W WO2012104335A1 WO 2012104335 A1 WO2012104335 A1 WO 2012104335A1 EP 2012051649 W EP2012051649 W EP 2012051649W WO 2012104335 A1 WO2012104335 A1 WO 2012104335A1
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WO
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inverter
signal
connection
life
life signal
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PCT/EP2012/051649
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Inventor
Matthias Victor
Frank Greizer
Gerd Bettenwort
Jens Friebe
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SMA Solar Technology AG
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SMA Solar Technology AG
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/95—Circuit arrangements
    • H10F77/953—Circuit arrangements for devices having potential barriers
    • H10F77/955—Circuit arrangements for devices having potential barriers for photovoltaic devices

Definitions

  • the invention relates to an inverter, in particular an inverter as part of a power generation plant having the features of claim 1, and a method having the features of claim 13.
  • the document DE102006060815A1 discloses a solar power plant whose generator is composed of several interconnected PV modules, and which feeds via an inverter into a low-voltage grid.
  • Each module is associated with a switching element, with which the respective module is switched dead in a missing enable signal.
  • Release signal is a modulated on the DC lines carrier signal, the release is to be done by a downstream equipment.
  • DE102006060815A1 thus initially only a safe generator is created; However, there is no concrete indication in the text as to which means and by what triggering event a downstream resource will cause such a release.
  • Generator field can be switched by a switching device on the generator field in a safe operating point.
  • Switching device contained protection device takes place here by a
  • an object of the present invention to provide an inverter capable of generating a signal receivable by associated switching elements having receiving units, such that a correspondingly established generator or the electrical connection between the generator and the inverter between a safe state and an operating state for feeding power into
  • the inverter according to the invention as part of a power generation plant for feeding a power from a DC power source via a
  • DC connection is provided, in a AC network, a status unit for detecting a normal state and a special state, or for distinguishing between these states of the inverter on.
  • This status unit is so with a signal generator for generating a
  • Life signal is generated on the DC link.
  • the life signal may then be received, for example, from a suitably established receiver associated with a generator or part of a generator, such as a module, then from a safe state in which there is no or only a safe voltage on the lines of the DC link the power generation plant is present, in the necessary for feeding power into an AC power operating condition to transfer. Accordingly, such a generator will remain in the safe state or transferred into this, if the life signal is not or no longer generated in the case of the special state of the inverter.
  • the inverter is therefore preferably set up in such a way that the status unit recognizes the special status when the AC network is omitted.
  • the signal generator is adapted to a high-frequency, many times higher than a mains frequency
  • This alternating current signal can be inductively coupled into the direct current connection, for example, by means of a coupling coil which is connected to the signal generator.
  • Inverters often have additional DC-to-DC converters, such as a boost converter, buck converter, or a galvanic isolator, in front of the converter circuit, which converts the DC power into AC power
  • the coupling coil can therefore be part of a
  • an alternative form of coupling of the signal generated by the signal generator life signal in the DC connection can be realized that the signal generator is connected via a coupling capacitor for capacitive coupling of the life signal to the DC connection.
  • the signal generator instead of an inductive or capacitive coupling of the life signal generated by the signal generator in the DC link, the signal generator, the life signal on the DC voltage connection by means of a clockable switch, the drive is connected to the signal generator, generate.
  • the signal generator can generate a current signal or voltage signal corresponding to the switch timing on the DC connection.
  • the switch can be arranged for example in one or between the DC lines. It can to
  • Inverters typically include a Maximum Power Point Tracking (MPP) unit configured to adjust the power of the DC power source to a maximum value by varying a voltage of the DC power source.
  • MPP Maximum Power Point Tracking
  • Such an MPP tracker may also serve as a signal generator and generate the life signal on the DC link, the life signal of a characteristic magnitude of the voltage generated by the MPP tracker, in particular a frequency of change, a jump level or a rate of variation of the voltage, or a combination corresponds to these sizes.
  • inverter in a further embodiment of the inverter according to the invention can be generated by the signal generator not only in the normal state, the life signal, but also in the special state, a second signal different from the life signal on the DC link.
  • an operating state of the inverter is first determined, at least distinguishing between a normal state and a special state. Only in the case that a normal state of the inverter is detected, the inverter generates a live signal on the DC link.
  • Life signal can as described above to implement a
  • the determination of the operating state can be advantageously carried out in the form of a monitoring of the AC network to the AC connection, whereby the change in the special state by a
  • Inverter located can be brought about by an electrical supply network targeted, which is a standard measure of the fire department in case of fire.
  • the generation of the life signal can be done by a
  • DC converter or an MPP tracker of the inverter is operated in a first manner, which differs from a second mode of operation, which use the aforementioned components of the inverter in the special state.
  • the two modes of operation differ by temporal courses of current and / or voltage on the DC connection whose
  • inverter as a multi-phase, in particular three-phase inverter, although in favor of clarity in the following the invention only by way of example
  • FIG. 1 is a block diagram of a power plant according to the invention
  • Coupling coil is realized as part of a DC-DC converter and
  • the power generating plant 1 shown in Figure 1 has a DC power source 10, for example, a photovoltaic generator, which via a
  • DC connection 60 is connected to an inverter 20 for power transmission.
  • the power transmitted as DC power is converted by the inverter 20 by means of a converter circuit 50 into an alternating current and fed via an alternating current connection 90 in an alternating current network 30.
  • the inverter 20 has a status unit 25, which monitors the operating state of the inverter, and between a
  • Normal state and a special state of the inverter 20 may differ.
  • the special status is at least assumed if
  • Events are detected by the inverter, which require a safe state of the DC power source 10 and the DC link 60.
  • This can be, for example, events of an electrical nature, which the inverter, for example, via its current and voltage sensors or his
  • Communication devices receives as data signals, trigger a change of the status unit 25 in the special state.
  • the status unit 25 receives as data signals, triggers a change of the status unit 25 in the special state.
  • a self-test of the functionalities of the inverter 20 can also be used to detect a transition between the states of the inverter
  • Direct current connection 60 transferred to a receiver 80, the is arranged to detect the presence of the life signal 70 on the DC link 60.
  • the receiver 80 may be located in the vicinity of the DC power source 10 and depending on the presence of the life signal 70 on the
  • DC connection 60 interrupts, for example, by disconnecting the
  • DC connection 60 between DC power source 10 and inverter 20 disconnects or short-circuits the DC power source 10. In this way, the direct current connection 60 can be brought into a safe state at the instigation of the inverter 20, if necessary.
  • the inverter 20 can successfully transition the inverter 20
  • Communication channels continue, for example, by electricity or
  • Voltage on the DC link 60 are determined, or by the receiver 80 via another transmission path (wired or wireless), the successful transfer of the DC power source 10 in the safe state to the inverter 20 or a separate signaling device.
  • the successful transition to the safe state can be combined with the fact that only in this case the
  • DC connection 60 can be separated, for example by an electromechanical safety lock is released from corresponding connectors.
  • the transition from a normal state to a special state can hereby be brought about because of a large number of events. For example, the detection of a Netzwegfalls can lead to a special state is accepted by the inverter 20, whereupon the signal generator 40 stops the generation of the life signal 70 on the DC link 60.
  • the inverter 20 shown in Figure 2 has a network monitoring 1 10 for monitoring the AC network 30, which here to the AC terminals 91, 92 is connected, wherein the network monitoring 1 10 is connected to the status unit 25, and transmits a corresponding signal upon the elimination of the AC network 30.
  • the AC connection 90 at the terminals 91, 92 is typically separated in this case by means of a power disconnect switch 130.
  • the inverter of Figure 2 shows a coupling coil 100, which allows an inductive coupling of the signal generated by the signal generator 40 life signal 70 in the DC connection 60, formed by the DC terminals 61, 62.
  • the life signal 70 preferably comprises a high-frequency alternating current signal in a frequency range between 10 kHz and 300 kHz.
  • the coupling of a high-frequency life signal 70 can also take place in a capacitive manner, the frequency range being comparable.
  • the signal generator 40 and the
  • a coupling capacitor 140 is arranged. Both in the inductive coupling according to Figure 2 and in the capacitive
  • the signal generator 40 is galvanically from the
  • the inductive coupling can also be realized by means of the inductance, which is part of a
  • DC-DC converter 120 for example a boost converter.
  • a corresponding structure of an inverter 20 is shown in FIG.
  • other known types of DC-DC converters can be used.
  • Life signal 70 can also be accomplished by a switchable switch 150, which is connected to the DC connection 60, is controlled by the signal generator 40. It is conceivable that via the activation of the tactile switch 150, a voltage or current source clocked with one of
  • Life signal 70 in the form of a switch timing corresponding current signal or generates voltage signal.
  • the tactile switch 150 may be integrated into the inverter 20 specifically for this purpose, or the signal generator 40 is connected to the control of an already existing tactile switch, that its timing is changed so that the life signal 70 to the
  • the switch also fulfills a further function within the inverter 20.
  • An example of an already existing tactile switch is a switch of a DC-DC converter 120 from FIG. 4.
  • the life signal 70 can consist, for example, in the selection of an operating frequency of the switch or in the selection of a characteristic clock pattern.
  • MPP Maximum Power Point
  • the signal generator 40 may cooperate with the MPP tracker so that a characteristic quantity for the operation of the MPP tracker in dependence on the state, which is predetermined by the status unit 25, is changed. Possible options for the changed characteristic size are, for example, the time intervals in which the voltage is changed or the magnitude of the voltage change, or the speed at which the voltage is changed, or combinations of these variables. In this case, the life signal 70 then consists of choosing a value for the corresponding characteristic quantity.
  • the inverter 20 is thus used in the normal state in a first mode and in a special state in a second mode, the two modes of operation to distinguish each other Lead times of current and / or voltage on the DC connection 60.
  • the buzzer 40 may apply a second signal to the DC link 60 that is different from the live signal 70, or the buzzer 40 may be disabled in this case and not output a signal. It is also conceivable that the life signal 70 and / or the second signal from complex
  • Signal forms are composed, which have a redundancy function, so that an erroneous recognition of one or the other waveform can be minimized or excluded by the receiver 80.
  • the return from the special state to the normal state of the inverter 20 can be triggered by the fact that the event which has led to the inverter 20 changing over from the normal state to the special state no longer exists.
  • the inverter 20 can automatically return to the normal state when the AC grid 30 is present again after previous omission, which can be detected by the grid monitoring 1 10. Frequently it is also desirable that the
  • Inverter 20 does not automatically return to normal.
  • the life signal 70 must be further generated during this time.
  • AC network 30 also be accomplished via a monitoring circuit of the electrical system.
  • a monitoring circuit of the electrical system Of course, the use of a
  • Energy storage e.g. a rechargeable battery, conceivable to ensure that to maintain the life signal generation or the condition monitoring during the periods in which other energy sources are not available.
  • the invention is not limited to the described embodiments, which can be modified in many ways and expertly supplemented. In particular, it is possible to carry out the features mentioned in other than the said combinations. Also, other or additional actions can be triggered within the power generation system with the life signal.

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Abstract

Es wird ein Wechselrichter (20) zur Einspeisung einer Leistung, die von einer Gleichstromquelle (10) über eine Gleichstromverbindung (60) bereitgestellt wird, in ein Wechselstromnetz (30) offenbart. Der Wechselrichter (20) weist eine Statuseinheit (25) zur Erkennung eines Normalzustandes und eines Sonderzustandes des Wechselrichters (20) sowie einen Signalgeber (40) zur Erzeugung eines Lebenssignals (70) auf der Gleichstromverbindung (60) auf, wobei der Wechselrichter (20) derart eingerichtet ist, dass das Lebenssignal (70) auf der Gleichstromverbindung (60) nur im Normalzustand erzeugt wird. Ein entsprechendes Betriebsverfahren für den Wechselrichter (20) ist ebenfalls offenbart.

Description

Signalerzeugender Wechselrichter und Betriebsverfahren für einen
Wechselrichter
Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter, insbesondere einen Wechselrichter als Teil einer Energieerzeugungsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13.
Wechselrichter finden unter anderem Verwendung in dezentralen
Energieerzeugungsanlagen, insbesondere Solaranlagen, um den darin von einem Generator bereitgestellten Gleichstrom in netzkonformen Wechselstrom
umzuwandeln, der in ein öffentliches Energieversorgungsnetz oder in ein Inselnetz eingespeist wird. Mit der zunehmenden Verbreitung solcher dezentralen
Energieerzeugungsanlagen, deren Generatoren nicht nur freistehend, sondern bei Solaranlagen bevorzugt auch auf privaten, öffentlichen oder gewerblich genutzten Gebäuden installiert werden, tritt zunehmend ins Bewusstsein, dass die von den Generatoren bereitgestellte Gleichspannung eine potenzielle Gefahr für Menschen durch elektrischen Schlag oder Lichtbögen darstellt. Diese Gefahr besteht im Besonderen für Feuerwehrleute bei Lösch- und Rettungsarbeiten am und im Gebäude durch den Generator selbst sowie durch im Gebäude vom Generator zum Wechselrichter verlaufende Gleichstromleitungen, da an diesen auch nach der im Brandfall üblichen wechselspannungsseitigen Abschaltung der
Stromversorgung des Gebäudes nach wie vor die vom Generator bereitgestellte Gleichspannung anliegt. Die Gefahr besteht aus gleichem Grunde auch für Installateure bei Installations-, Wartungs- und Reparaturarbeiten auf der
Gleichspannungsseite der Energieerzeugungsanlage. Sicherungseinrichtungen zur zuverlässigen Überführung der spannungsführenden Teile einer
Energieerzeugungsanlage in einen sicheren Zustand sind daher wünschenswert.
Die Schrift DE102006060815A1 offenbart eine Solarenergieerzeugungsanlage, deren Generator aus mehreren miteinander verschalteten PV-Modulen aufgebaut ist, und die über einen Wechselrichter in ein Niederspannungsnetz einspeist.
Dabei ist jedem Modul ein Schaltelement zugeordnet, mit dem das jeweilige Modul bei einem fehlenden Freigabesignal spannungslos geschaltet wird. Als Freigabesignal dient ein auf die Gleichstromleitungen aufmoduliertes Trägersignal, wobei die Freigabe durch ein nachgeschaltetes Betriebsmittel erfolgen soll. Durch die DE102006060815A1 ist somit zunächst nur ein sicherer Generator geschaffen; in der Schrift fehlen jedoch konkrete Angaben, mit welchen Mitteln und durch welches auslösende Ereignis ein nachgeschaltetes Betriebsmittel eine solche Freigabe veranlasst.
Alternativ zu einer Schalthandlung an den PV-Modulen beschreibt die
DE102005018173B4 eine Photovoltaikanlage mit einem Generatorfeld, das mittels
Gleichstromkabeln mit einem Wechselrichter verbunden ist, bei der das
Generatorfeld durch eine Schalteinrichtung am Generatorfeld in einen sicheren Arbeitspunkt geschaltet werden kann. Die Auslösung einer in der
Schalteinrichtung enthaltenen Schutzeinrichtung erfolgt hierbei durch ein
Steuersignal über eine separate Steuerleitung, wobei als Auslöseeinrichtungen lediglich Lösungen wie manuelle Schalter oder Sensoren vorgesehen sind. Auch durch die DE102005018173B4 ist somit ein sicherer Generator geschaffen, für den ein Bedarf an einer effizienten und zuverlässigen Erzeugung eines
Steuersignals besteht.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wechselrichter bereitzustellen, der in der Lage ist, ein Signal zu erzeugen, das durch zugeordnete Schaltelemente mit Empfangseinheiten empfangbar ist, so dass ein entsprechend eingerichteter Generator bzw. die elektrische Verbindung zwischen dem Generator und dem Wechselrichter zwischen einem sicheren Zustand und einem Betriebszustand zum Einspeisen von Leistung in ein
Wechselstromnetz gezielt überführt wird. Der erfindungsgemäße Wechselrichter als Teil einer Energieerzeugungsanlage zur Einspeisung einer Leistung, die von einer Gleichstromquelle über eine
Gleichstromverbindung bereitgestellt wird, in ein Wechselstromnetz weist eine Statuseinheit zur Erkennung eines Normalzustandes und eines Sonderzustandes, bzw. zur Unterscheidung zwischen diesen Zuständen des Wechselrichters auf. Diese Statuseinheit ist derart mit einem Signalgeber zur Erzeugung eines
Lebenssignals auf der Gleichstromverbindung gekoppelt, dass nur im
Normalzustand des Wechselrichters das Lebenssignal erzeugt wird. Demnach ist der Wechselrichter derart eingerichtet, dass nur im Normalzustand das
Lebenssignal auf der Gleichstromverbindung erzeugt wird. Das Lebenssignal kann dann beispielsweise von einem entsprechend eingerichteten Empfänger empfangen werden, der einem Generator oder einem Teil eines Generators, beispielsweise einem Modul, zugeordnet ist, um diesen dann von einem sicheren Zustand, in dem keine oder nur eine ungefährliche Spannung an den Leitungen der Gleichstromverbindung der Energieerzeugungsanlage anliegt, in den zum Einspeisen von Leistung in ein Wechselstromnetz notwendigen Betriebszustand zu überführen. Dementsprechend wird ein solcher Generator in dem sicheren Zustand verbleiben oder in diesen überführt, wenn das Lebenssignal im Fall des Sonderzustandes des Wechselrichters nicht oder nicht mehr erzeugt wird.
Im Brandfall, aber auch bei Installations-, Wartungs- oder Reparaturarbeiten ist es eine übliche Maßnahme, eine wechselspannungsseitige Abschaltung der
Stromversorgung eines Gebäudes oder der betroffenen Teile des Gebäudes durchzuführen. Der Wechselrichter ist daher bevorzugt derart eingerichtet, dass die Statuseinheit bei Wegfall des Wechselstromnetzes den Sonderzustand erkennt.
In einer möglichen Ausführungsform ist der Signalgeber dazu eingerichtet, ein hochfrequentes, um ein Vielfaches über einer Netzfrequenz liegendes
Wechselstromsignal als Lebenssignal zu erzeugen. Dieses Wechselstromsignal kann beispielsweise mittels einer Koppelspule, die mit dem Signalgeber verbunden ist, induktiv in die Gleichstromverbindung eingekoppelt werden.
Wechselrichter weisen häufig vor der Wandlerschaltung, die den Gleichstrom in Wechselstrom wandelt, zusätzliche Gleichstromwandler, beispielsweise einen Hochsetzsteller, Tiefsetzsteller oder einen galvanisch trennenden
Resonanzwandler auf, bei deren Aufbau Spulen verwendet werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Koppelspule daher Teil eines
Gleichstromwandlers des Wechselrichters sein.
Eine alternative Form der Einkopplung des durch den Signalgeber erzeugten Lebenssignals in die Gleichstromverbindung lässt sich dadurch realisieren, dass der Signalgeber über einen Koppelkondensator zur kapazitiven Einkopplung des Lebenssignals mit der Gleichstromverbindung verbunden ist. Anstelle einer induktiven oder kapazitiven Einkopplung des durch den Signalgeber erzeugten Lebenssignals in die Gleichstromverbindung kann der Signalgeber das Lebenssignal auf der Gleichspannungsverbindung auch mittels eines taktbaren Schalters, dessen Ansteuerung mit dem Signalgeber verbunden ist, erzeugen. Beispielsweise kann der Signalgeber mittels des taktbaren Schalters ein der Schaltertaktung entsprechendes Stromsignal oder Spannungssignal auf der Gleichstromverbindung erzeugen. Der Schalter kann beispielsweise in einer oder auch zwischen den Gleichstromleitungen angeordnet sein. Es können zur
Erzeugung des Signals auch mehrere Schalter zur Erzeugung des Signals zur Anwendung kommen. Insbesondere können auch in den Wandlerschaltungen des Wechselrichters, beispielsweise in einem Hochsetz- oder Tiefsetzsteller bereits vorhandene Schalter zur Erzeugung des Signals verwendet werden. Die Aufgabe der Signalerzeugung kann in diesem Fall mit der Aufgabe des oder der Schalter innerhalb der Wandlerschaltung kombiniert werden. Wechselrichter weisen üblicherweise eine Maximum-Power-Point-Tracking-Einheit (MPP-Tracker) auf, die zur Einstellung der Leistung der Gleichstromquelle auf einen maximalen Wert durch Variation einer Spannung der Gleichstromquelle eingerichtet ist. Ein solcher MPP-Tracker kann ebenfalls als Signalgeber dienen und das Lebenssignals auf der Gleichspannungsverbindung erzeugen, wobei das Lebenssignal einer charakteristischen Größe der durch den MPP-Tracker erzeugten Variation der Spannung, insbesondere einer Wechselhäufigkeit, einer Sprunghöhe oder einer Variationsrate der Spannung, oder einer Kombination dieser Größen entspricht.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters kann durch den Signalgeber nicht nur im Normalzustand das Lebenssignal, sondern auch im Sonderzustand ein zweites, vom Lebenssignal unterschiedliches Signal auf der Gleichstromverbindung erzeugt werden.
Ebenso ist es möglich, dass der Signalgeber im Sonderzustand deaktiviert ist.
Um einer Verfälschung des Lebenssignals oder des im Sonderzustand erzeugten Signals, beispielsweise durch Überlagerung mit einem auf der
Gleichstromverbindung vorhandenen Störsignal, aber auch um einer gegebenenfalls möglichen Verwechselung beispielsweise eines auf der
Gleichstromverbindung vorhandenen Störsignals mit dem Lebenssignal oder dem im Sonderzustand erzeugten Signal vorzubeugen, kann es vorteilhaft sein, das Lebenssignal und/oder das im Sonderzustand erzeugte Signal aus komplexen Signalformen, beispielsweise Codefolgen, zusammenzusetzen, die eine
Redundanzfunktion aufweisen.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters mit einer Gleichstromverbindung zum Anschluss einer Gleichstromquelle und einer Wechselstromverbindung zum Anschluss an ein Wechselstromnetz wird zunächst ein Betriebszustand des Wechselrichters festgestellt, wobei mindestens zwischen einem Normalzustand und einem Sonderzustand unterschieden wird. Lediglich in dem Fall, dass ein Normalzustand des Wechselrichters festgestellt wird, erzeugt der Wechselrichter ein Lebenssignal auf der Gleichstromverbindung. Das
Lebenssignal kann wie oben beschrieben zur Umsetzung einer
Sicherungsfunktion für die Gleichstromquelle eingesetzt werden.
Das Feststellen des Betriebszustandes kann vorteilhafterweise in Form einer Überwachung des Wechselstromnetzes an der Wechselstromverbindung ausgeführt sein, wodurch der Wechsel in den Sonderzustand durch ein
Freischalten des Wechselrichters bzw. des Gebäudes, in dem sich der
Wechselrichter befindet, von einem elektrischen Versorgungsnetz gezielt herbeigeführt werden kann, was eine Standardmaßnahme der Feuerwehr im Brandfall ist. Die Erzeugung des Lebenssignals kann dadurch erfolgen, dass ein
Gleichstromwandler oder ein MPP-Tracker des Wechselrichters in einer ersten Weise betrieben wird, die sich von einer zweiten Betriebsweise unterscheidet, die die vorgenannten Komponenten des Wechselrichters im Sonderzustand verwenden. Die beiden Betriebsweisen unterscheiden sich durch zeitliche Verläufe von Strom und/oder Spannung auf der Gleichstromverbindung, deren
Unterschiede dann das Lebenssignal ausmachen. 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.
Selbstverständlich ist es ebenfalls möglich, den Wechselrichter als mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen Wechselrichter vorzusehen, obwohl zugunsten der Verständlichkeit im Folgenden die Erfindung lediglich am Beispiel eines
einphasigen Wechselrichters erläutert wird. Eine Umsetzung des erfinderischen Konzeptes auf mehrphasige Systeme ist dem Fachmann geläufig.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren illustriert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Energieerzeugungsanlage,
Fig. 2 einen Wechselrichter mit induktiver Einkopplung eines Lebenssignals in eine Gleichstromverbindung,
Fig. 3 einen Wechselrichter mit kapazitiver Einkopplung eines Lebenssignals in eine Gleichstromverbindung,
Fig. 4 einen Wechselrichter, bei dem die induktive Einkopplung über eine
Koppelspule als Teil eines Gleichstromwandlers realisiert wird und
Fig. 5 einen Wechselrichter, bei dem das Lebenssignal mittels eines taktbaren Schalters erzeugt wird. Die in Figur 1 gezeigte Energieerzeugungsanlage 1 weist eine Gleichstromquelle 10 auf, beispielsweise einen photovoltaischen Generator, die über eine
Gleichstromverbindung 60 mit einem Wechselrichter 20 zur Leistungsübertragung verbunden ist. Die als Gleichstrom übertragene Leistung wird vom Wechselrichter 20 mittels einer Wandlerschaltung 50 in einen Wechselstrom umgewandelt und über eine Wechselstromverbindung 90 in ein Wechselstromnetz 30 eingespeist. Erfindungsgemäß weist der Wechselrichter 20 eine Statuseinheit 25 auf, die den Betriebszustand des Wechselrichters überwacht, und zwischen einem
Normalzustand und einem Sonderzustand des Wechselrichters 20 unterscheiden kann.
Allgemein wird der Sonderzustand zumindest dann angenommen, wenn
Ereignisse durch den Wechselrichter erfasst werden, die einen sicheren Zustand der Gleichstromquelle 10 bzw. der Gleichstromverbindung 60 erfordern. Dies können beispielsweise Ereignisse elektrischer Natur sein, die der Wechselrichter beispielsweise über seine Strom- und Spannungssensoren oder seine
Programmierung detektiert. Weiterhin können sicherheitsrelevante Ereignisse wie die Betätigung eines Notausschalters, Rauch-, Brand-, Gas- oder Wasseralarme oder solche Ereignisse, die der Wechselrichter 20 über seine
Kommunikationseinrichtungen als Datensignale empfängt, einen Wechsel der Statuseinheit 25 in den Sonderzustand auslösen. Insbesondere kann der
Übergang in den Sonderzustand zwischen Wechselrichtern, die in einer
Datenverbindung miteinander stehen, weitergemeldet werden, so dass eine gemeinsame Abschaltung einer Mehrzahl von Wechselrichtern im Gefahrenfall ermöglicht wird. Auch ein Selbsttest der Funktionalitäten des Wechselrichters 20 kann genutzt werden, um einen Übergang zwischen den Zuständen des
Wechselrichters zu verursachen.
Eine Information über den Zustand wird an einen an die Statuseinheit 25 gekoppelten Signalgeber 40 übertragen, der ein Lebenssignal 70 nur dann erzeugt und in die Gleichstromverbindung 60 einbringt, wenn sich der Wechselrichter 20 in dem Normalzustand befindet. Das Lebenssignal 70 wird über die
Gleichstromverbindung 60 auf einen Empfänger 80 übertragen, der dazu eingerichtet ist, das Vorhandensein des Lebenssignals 70 auf der Gleichstromverbindung 60 festzustellen.
Der Empfänger 80 kann sich in der Nähe der Gleichstromquelle 10 befinden und in Abhängigkeit vom Vorhandensein des Lebenssignals 70 auf der
Gleichstromverbindung 60 die Gleichstromquelle 10 kontrollieren. Beispielsweise ist es denkbar, dass der Empfänger 80 die Einspeisung von Leistung aus der Gleichstromquelle 10 bei Fehlen des Lebenssignals 70 auf der
Gleichstromverbindung 60 unterbricht, zum Beispiel, indem er die
Gleichstromverbindung 60 zwischen Gleichstromquelle 10 und Wechselrichter 20 auftrennt oder die Gleichstromquelle 10 kurzschließt. Auf diese Weise kann die Gleichstromverbindung 60 auf Veranlassung des Wechselrichters 20 in einen sicheren Zustand überführt werden, wenn dies erforderlich ist.
Zusätzlich kann der Wechselrichter 20 den erfolgreichen Übergang der
Gleichstromquelle 10 in den sicheren Zustand über die Gleichstromverbindung 60 detektieren und nach außen signalisieren oder über vorhandene
Kommunikationskanäle weitermelden, beispielsweise indem Strom oder
Spannung auf der Gleichstromverbindung 60 bestimmt werden, oder indem der Empfänger 80 über einen anderen Übertragungsweg (kabelgebunden oder kabellos) die erfolgreiche Überführung der Gleichstromquelle 10 in den sicheren Zustand an den Wechselrichter 20 oder eine eigene Signalisierungsvorrichtung meldet. Seitens des Wechselrichters 20 kann der erfolgreiche Übergang in den sicheren Zustand verbunden werden damit, dass nur in diesem Fall die
Gleichstromverbindung 60 aufgetrennt werden kann, zum Beispiel indem eine elektromechanische Sicherungssperre von entsprechenden Steckverbindern aufgehoben wird.
Der Übergang von einem Normalzustand in einen Sonderzustand kann hierbei aufgrund einer Vielzahl von Ereignissen herbeigeführt werden. Beispielweise kann die Erkennung eines Netzwegfalls dazu führen, dass ein Sonderzustand durch den Wechselrichter 20 angenommen wird, woraufhin der Signalgeber 40 die Erzeugung des Lebenssignals 70 auf der Gleichstromverbindung 60 beendet.
Hierzu weist der in Figur 2 gezeigte Wechselrichter 20 eine Netzüberwachung 1 10 zur Überwachung des Wechselstromnetzes 30 auf, das hier an den Wechselstromanschlüssen 91 , 92 angeschlossen ist, wobei die Netzüberwachung 1 10 mit der Statuseinheit 25 verbunden ist, und ein entsprechendes Signal bei Wegfall des Wechselstromnetzes 30 überträgt. Parallel wird typischerweise in diesem Fall auch die Wechselstromverbindung 90 an den Anschlüssen 91 , 92 mittels eines Netztrennschalters 130 aufgetrennt.
Weiterhin zeigt der Wechselrichter aus Figur 2 eine Koppelspule 100, die eine induktive Einkopplung des vom Signalgeber 40 erzeugten Lebenssignals 70 in die Gleichstromverbindung 60, gebildet durch die Gleichstromanschlüsse 61 ,62, ermöglicht. Im Falle der induktiven Einkopplung umfasst das Lebenssignal 70 vorzugsweise ein hochfrequentes Wechselstromsignal in einem Frequenzbereich zwischen 10 kHz und 300 kHz.
Alternativ kann die Einkopplung eines hochfrequenten Lebenssignals 70 auch auf kapazitive Weise erfolgen, wobei der Frequenzbereich vergleichbar ist. Hierbei ist, wie in Figur 3 gezeigt, zwischen dem Signalgeber 40 und der
Gleichstromverbindung 60 ein Koppelkondensator 140 angeordnet. Sowohl bei der induktiven Einkopplung gemäß Figur 2 als auch bei der kapazitiven
Einkopplung gemäß Figur 3 ist der Signalgeber 40 galvanisch von der
Gleichstromverbindung 60 getrennt.
In einer besonders kostengünstigen Variante kann die induktive Einkopplung auch mittels der Induktivität realisiert werden, die Teil eines
Gleichspannungswandlers120, zum Beispiel eines Hochsetzstellers, ist. Ein entsprechender Aufbau eines Wechselrichters 20 ist in Figur 4 gezeigt. Alternativ können auch andere bekannte Typen von Gleichspannungswandlern eingesetzt werden. Anstelle einer induktiven oder kapazitiven Einkopplung kann die Erzeugung des
Lebenssignals 70 auch dadurch bewerkstelligt werden, dass ein taktbarer Schalter 150, der mit der Gleichstromverbindung 60 verbunden ist, über den Signalgeber 40 angesteuert wird. Es ist denkbar, dass über die Ansteuerung des taktbaren Schalters 150 eine Spannungs- oder Stromquelle getaktet mit einem der
Anschlüsse 61 ,62 der Gleichstromverbindung 60 verbunden wird, und so das
Lebenssignal 70 in Form eines der Schaltertaktung entsprechenden Stromsignals oder Spannungssignals erzeugt. Der taktbare Schalter 150 kann eigens zu diesem Zweck in den Wechselrichter 20 integriert sein, oder der Signalgeber 40 ist so mit der Ansteuerung eines bereits vorhandenen taktbaren Schalters verbunden, dass dessen Taktung so verändert wird, dass das Lebenssignal 70 auf die
Gleichstromverbindung 60 aufgeprägt wird, wobei der Schalter auch eine weitere Funktion innerhalb des Wechselrichters 20 erfüllt. Ein Beispiel für einen bereits vorhandenen taktbaren Schalter stellt ein Schalter eines Gleichstromwandlers 120 aus Figur 4 dar. Hierbei kann das Lebenssignal 70 beispielsweise in der Wahl einer Arbeitsfrequenz des Schalters oder in der Wahl eines charakteristischen Taktmusters bestehen.
Eine andere Möglichkeit, ohne zusätzliche Komponenten die Erzeugung eines Lebenssignals 70 zu bewerkstelligen, besteht in der Nutzung eines sogenannten MPP(Maximum Power Point)-Trackers, dessen Aufgabe es ist, eine Spannung der Gleichstromquelle 10 so einzustellen, dass diese eine maximale Leistung abgibt. Hierzu variiert der MPP-Tracker in regelmäßigen Abständen die Spannung der
Gleichstromquelle 10 und prüft, ob durch die Variation der Spannung eine höhere Leistung erreichbar wird. Der Signalgeber 40 kann mit dem MPP-Tracker so zusammenwirken, dass eine charakteristische Größe für den Betrieb des MPP- Trackers in Abhängigkeit vom Zustand, die durch die Statuseinheit 25 vorgegeben ist, verändert wird. Als Möglichkeiten für die veränderte charakteristische Größe kommen beispielsweise die Zeitabstände, in denen die Spannung verändert wird, oder die Höhe der Spannungsänderung, beziehungsweise die Geschwindigkeit, mit der die Spannung verändert wird, oder Kombinationen dieser Größen in Betracht. In diesem Fall besteht dann das Lebenssignal 70 in der Wahl eines Wertes für die entsprechende charakteristische Größe.
Sowohl im Falle der Verwendung des Gleichstromwandlers 120 als auch im Falle der Verwendung des MPP-Trackers zur Erzeugung des Lebenssignals 70 wird somit der Wechselrichter 20 im Normalzustand in einer ersten Betriebsweise und im Sonderzustand in einer zweiten Betriebsweise verwendet, wobei die beiden Betriebsweisen zu voneinander unterscheidbaren zeitlichen Verläufen von Strom und/oder Spannung auf der Gleichstromverbindung 60 führen. Im Allgemeinen kann der Signalgeber 40 in dem Fall, dass der Wechselrichter 20 im Sonderzustand ist, ein zweites Signal auf die Gleichstromverbindung 60 aufprägen, das sich vom Lebenssignal 70 unterscheidet, oder der Signalgeber 40 kann in diesem Fall deaktiviert sein und kein Signal abgeben. Es ist auch denkbar, dass das Lebenssignal 70 und/oder das zweite Signal aus komplexen
Signalformen zusammengesetzt sind, die eine Redundanzfunktion aufweisen, so dass eine fehlerhafte Erkennung der einen oder der anderen Signalform durch den Empfänger 80 minimiert oder ausgeschlossen werden kann.
Die Rückkehr vom Sonderzustand in den Normalzustand des Wechselrichters 20 kann dadurch ausgelöst werden, dass das Ereignis, das dazu geführt hat, dass der Wechselrichter 20 vom Normalzustand in den Sonderzustand gewechselt ist, nicht mehr weiter vorliegt. Beispielsweise kann der Wechselrichter 20 automatisch wieder in den Normalzustand zurückkehren, wenn das Wechselstromnetz 30 nach vorhergegangenem Wegfall wieder anliegt, was durch die Netzüberwachung 1 10 detektiert werden kann. Häufig ist es aber auch wünschenswert, dass der
Wechselrichter 20 nicht automatisch in den Normalzustand zurückkehrt.
Beispielsweise ist dies dann der Fall, wenn das Ergebnis, das den Wechsel in den Sonderzustand ausgelöst hat, ein sicherheitsrelevantes Ereignis war,
beispielsweise das Abschalten des Netzes durch die Feuerwehr aufgrund eines Brandfalles. In diesem Fall wäre es wünschenswert, dass der Wechsel vom
Sonderzustand in den Normalzustand nur durch einen manuellen Eingriff am Wechselrichter 20 vorgenommen werden kann.
Sofern es gewünscht ist, den Normalzustand auch während der Zeit
beizubehalten, während der die Gleichstromquelle 10 keine Leistung über den Wechselrichter 20 einspeist, im Fall einer Photovoltaikanlage beispielsweise nachts, muss das Lebenssignal 70 auch während dieser Zeit weiter erzeugt werden. Damit die hierzu benötigte Energie zur Verfügung steht, ist es vorteilhaft, den Wechselrichter 20 auch während dieser Zeit mit dem Wechselstromnetz 30 zu verbinden, und nicht, wie sonst häufig üblich, über den Netztrennschalter 130 von diesem abzukoppeln. Dies umfasst die Alternative, dass die
Wechselstromverbindung 90 zum Einspeisen von Leistung in ein
angeschlossenes Wechselstromnetz 30 aufgetrennt wird, aber eine weitere Wechselstromverbindung zur Versorgung eines Bordnetzes des Wechselrichters 20 aufrechterhalten wird. In letzterem Fall kann der Wegfall des
Wechselstromnetzes 30 auch über eine Überwachungsschaltung des Bordnetzes bewerkstelligt werden. Selbstverständlich ist auch der Einsatz eines
Energiespeichers, z.B. einer wiederaufladbaren Batterie, denkbar, um die zur Aufrechterhaltung der Lebenssignalerzeugung bzw. der Zustandsüberwachung während der Zeiträume zu gewährleisten, in denen andere Energiequellen nicht zur Verfügung stehen.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die auf vielfache Weise abgewandelt und fachmännisch ergänzt werden können. Insbesondere ist es möglich, die genannten Merkmale auch in anderen als den genannten Kombinationen auszuführen. Auch können mit dem Lebenssignal andere bzw. zusätzliche Aktionen innerhalb der Energieerzeugungsanlage ausgelöst werden.
Bezugszeichenliste
1 Energieerzeugungsanlage
10 Gleichstromquelle
20 Wechselrichter
30 Wechselstromnetz
40 Signalgeber
50 Wandlerschaltung
60 Gleichstromverbindung
61 , 62 Gleichstromanschluss
70 Lebenssignal
80 Empfänger
90 Wechselstromverbindung
91 , 92 Wechselstromanschluss
100 Koppelspule
1 10 Netzüberwachung
120 Gleichstromwandler
130 Netztrennschalter
140 Koppelkondensator
150 taktbarer Schalter

Claims

Patentansprüche:
1 . Wechselrichter (20) zur Einspeisung einer Leistung, die von einer
Gleichstromquelle (10) über eine Gleichstromverbindung (60) bereitgestellt wird, in ein Wechselstromnetz (30), dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (20) eine Statuseinheit (25) zur Erkennung eines
Normalzustandes und eines Sonderzustandes des Wechselrichters (20) sowie einen mit der Statuseinheit (25) gekoppelten Signalgeber (40) zur Erzeugung eines Lebenssignals (70) auf der Gleichstromverbindung (60) aufweist, wobei der Wechselrichter derart eingerichtet ist, dass das Lebenssignal (70) auf der Gleichstromverbindung (60) nur im Normalzustand erzeugt wird.
2. Wechselrichter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der
Wechselrichter derart eingerichtet ist, dass die Statuseinheit (25) bei Wegfall des Wechselstromnetzes (30) den Sonderzustand erkennt.
3. Wechselrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgeber (40) zur Erzeugung eines hochfrequenten Wechselstromsignals als Lebenssignal (70) eingerichtet ist.
4. Wechselrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der
Signalgeber (40) mit einer Koppelspule (100) zur induktiven Einkopplung des Lebenssignals (70) in die Gleichstromverbindung (60) verbunden ist.
5. Wechselrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Koppelspule (100) Teil eines Gleichstromwandlers (120) des Wechselrichters (20) ist.
6. Wechselrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der
Signalgeber (40) über einen Koppelkondensator (140) zur kapazitiven
Einkopplung des Lebenssignals (70) mit der Gleichstromverbindung (60) verbunden ist.
7. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgeber (40) mit einer Ansteuerung eines taktbaren Schalters (150) zur Erzeugung des Lebenssignals (70) auf der Gleichstromverbindung (60) verbunden ist.
8. Wechselrichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der
Signalgeber (40) mittels des taktbaren Schalters (1 50) ein der Schaltertaktung entsprechendes Stromsignal oder Spannungssignal auf der
Gleichstromverbindung (60) erzeugt.
9. Wechselrichter nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Wechselrichter (20) einen MPP-Tracker als Signalgeber (40) aufweist, die zur Einstellung der Leistung der Gleichstromquelle (10) durch Variation einer Spannung der
Gleichstromquelle (10) auf einen maximalen Wert eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Lebenssignal (70) einer charakteristischen Größe der Variation der Spannung, insbesondere einer Wechselhäufigkeit, einer Sprunghöhe oder einer Variationsrate der Spannung, entspricht.
10. Wechselrichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Signalgeber (40) im Sonderzustand ein zweites, vom Lebenssignal (70) unterschiedliches Signal auf der
Gleichstromverbindung (60) erzeugt.
1 1 . Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgeber (40) im Sonderzustand deaktiviert ist.
12. Wechselrichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Lebenssignal (70) und/oder das zweite Signal aus komplexen Signalformen zusammengesetzt sind, die eine Redundanzfunktion bereitstellen.
13. Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters (20) mit einer
Gleichstromverbindung (60) zum Anschluss einer Gleichstromquelle (10) und einer Wechselstromverbindung (90) zum Anschluss an ein Wechselstromnetz (30) umfassend die Schritte:
- Feststellen eines Betriebszustandes des Wechselrichters (20), wobei mindestens zwischen einem Normalzustand und einem Sonderzustand unterschieden wird und
- Erzeugen eines Lebenssignals (70) auf der Gleichstromverbindung (60) nur in dem Fall, dass ein Normalzustand des Wechselrichters (20) festgestellt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Feststellen des Betriebszustandes eine Überwachung des Wechselstromnetzes (30) an der Wechselstromverbindung (90) umfasst.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung des Lebenssignals (70) eine erste Betriebsweise eines
Gleichstromwandlers (120) oder eines MPP-Trackers des Wechselrichters (20) umfasst, die sich von einer zweiten Betriebsweise unterscheidet, die der Wechselrichter (20) im Sonderzustand verwendet.
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