WO2013023914A1 - Inverter arrangement - Google Patents

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WO2013023914A1
WO2013023914A1 PCT/EP2012/065006 EP2012065006W WO2013023914A1 WO 2013023914 A1 WO2013023914 A1 WO 2013023914A1 EP 2012065006 W EP2012065006 W EP 2012065006W WO 2013023914 A1 WO2013023914 A1 WO 2013023914A1
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semiconductor switches
voltage
short
switched
side semiconductor
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PCT/EP2012/065006
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Gerd Griepentrog
Jürgen RUPP
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48Conversion 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
    • H02M7/53Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/12Arrangements for reducing harmonics from ac input or output
    • H02M1/123Suppression of common mode voltage or current
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/56Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Definitions

  • the invention relates to an inverter arrangement for use in photovoltaic systems for converting a DC into a three-phase AC voltage.
  • Hard-switching inverters such as those used to convert DC (DC) to AC (AC) voltage, are a pulse-frequency common-mode voltage source (also referred to as "common-mode voltage”.)
  • This pulse-frequency common-mode voltage results in large Photovoltaic systems (PV) on the one hand to capacitive leakage currents, on the other hand to a degradation of the PV modules and thus to their premature failure.
  • PV Photovoltaic systems
  • the 3-phase inverter is regularly preceded by a line-side transformer.
  • This transformer decouples grid and photovoltaic system with respect to the common mode voltage.
  • Such a transformer is costly and reduces the overall efficiency by 1% to 2%.
  • the PV system is basically "floating" (i.e., an IT network), as long as the PV system is not grounded or earthed (as prescribed by appropriate standards, for example).
  • circuits are known with which a pulse-frequency common-mode voltage can be suppressed.
  • the best known circuit here is the so-called.
  • the principle of the HERIC topology is to provide a short circuiter behind the storage chokes (switches 15 and 16) to generate a zero voltage at the AC input, and not switch combinations 11 as usual in single-phase PFC circuits , 13 and 12, 14 to use, since these two combinations each generate very high pulse frequency common mode voltages at the DC input and thus the connected PV system.
  • the DC input only half the mains frequency (50 Hz) input voltage is applied as the common-mode voltage, which has hardly any harmful effects on the PV system.
  • the subclaims relate to advantageous embodiments of the inverter arrangement.
  • the inverter arrangement according to the invention for use in photovoltaic systems for converting a DC into a three-phase AC voltage comprises three half-bridges each having a high-side semiconductor switch and a low-side semiconductor switch. Furthermore, the inverter arrangement comprises a control device. The controller is configured to switch the semiconductor switch so that ei ⁇ ne converting a voltage applied to the inverter device DC voltage is effected in a three-phase AC voltage, for switching states of the semiconductor switches are used for the space vector modulation, in which each one of the semiconductor switches of a half-bridge and the other semiconductor switch of the half-bridge is turned off.
  • the inverter arrangement further has a short-circuiting device for short-circuiting the AC-side output lines of the inverter arrangement.
  • the control device is designed, in the Griffinzei ⁇ germodulation necessary switching states in which all high-side semiconductor switches are turned on or all lowside semiconductor switches are turned on, to replace it with a switching state in which both the high-side semiconductor switch and the low-side semiconductor switch off and at the same time the short-circuit Device is switched so that a short-circuiting of the three AC-side output lines is effected.
  • This zero voltage space vector is normally generated by the switching states "000” or "111”, ie by all the high-side semiconductor switches are turned on or all lowside semiconductor switches are turned on, but this has a ho ⁇ he common mode voltage result. If a zero voltage space vector must be generated at the AC input, then according to the invention, the semiconductor switches are opened and the
  • Short-circuit device activated for the time of the zero voltage room pointer.
  • the short-circuiting device is designed to appropriately so that they can execute within the Pulswei ⁇ width modulation of pulse frequency switching operations.
  • the semiconductor switches may be IGBTs or other types of semiconductor switches known per se. In this case, as a semiconductor switch individual switches can be used or a parallel connection of several similar switches.
  • control device is further configured to use a definable triplet of switching states for space vector modulation depending on the current phase of the generated three-phase alternating voltage, wherein a first of the triples comprises the three switching states in which one of the high-side semiconductor switches turned on, two of the high-side semiconductor switch turned off and accordingly two of the low-side semiconductor switch turned on and one of the low-side semiconductor switch are turned off and wherein a two ⁇ tes the triple includes the three switching states in which two of the high-side semiconductor switch turned on, one of Highside semiconductor switch off and accordingly one of the lowside semiconductor switches is turned on and two of the lowside semiconductor switches are turned off.
  • This embodiment has the advantage that the switching states of each of the triples generate the same common-mode voltage. A change between the switching states of one of the triples thus does not result in a change of the common-mode voltage. The frequency with which the common-mode voltage changes can therefore be reduced compared with the frequency of the pulse width modulation.
  • the short-circuiting means comprises three semiconducting ⁇ terschalter, in particular three IGBTs or MOSFETs, in a star circuit.
  • the short-circuit device comprises three reverse-blocking semiconductor switches, in particular reverse-blocking IGBTs or 3 pairs of antiserial semiconductor switches in delta connection.
  • the short-circuit device comprises three reverse-blocking semiconductor switches, in particular reverse-blocking IGBTs or 3 pairs of antiserial semiconductor switches in delta connection.
  • the short-circuit device comprises three reverse-blocking semiconductor switches, in particular reverse-blocking IGBTs or 3 pairs of antiserial semiconductor switches in delta connection.
  • Short-circuit device on a passive B6 diode circuit with a semiconductor switch in the DC circuit Short-circuit device on a passive B6 diode circuit with a semiconductor switch in the DC circuit.
  • FIG. 2 shows a block diagram of a photovoltaic system with an inverter arrangement
  • FIG. 3 shows an embodiment for the short-circuiting device
  • 4 shows a program schedule for controlling the exchange ⁇ rectifier arrangement
  • 5 shows a diagram for Heidelbergmentsstripel of semiconductor ⁇ switches for controlling the inverter assembly
  • FIG. 6 shows a diagram for an inverter of the inverter arrangement.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of a photovoltaic system.
  • the photovoltaic system comprises a field of solar modules (Pa ⁇ nel) 21. These are connected by means of a DC line to the input side of an inverter 22. On the output side, the inverter 22 has three output lines. The ⁇ se are performed on the one hand to a short-circuit device 23. On the other hand, the output lines lead via a respective storage throttle 24 to an EMC filter 25 and on to the network connection. Inverter 22 and short-circuit device 23 together form an inverter arrangement according to an exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 3 shows the construction of the short-circuiting device 23 in the present exemplary embodiment.
  • Three IGBTs 31 are connected with their emitter output to a star point 32.
  • Collector outputs are each connected to one of the three output ⁇ lines of the inverter 22.
  • FIG. 6 shows a construction scheme for the inverter 22. It comprises six IGBTs 61... 66, which are arranged to form serial pairs in three parallel half-bridges 67, 68, 69 in a manner known per se to form a three-phase inverter.
  • a controller 70 controls the IGBTs 61 ... 66.
  • the switching states which can be used for a voltage modulation result from the fact that only one of the IGBTs 61... 66 of a half bridge 67, 68, 69 is switched on at a time while the other is switched off. This results in half-bridge 67, 68, 69, two switching states and three independent half-bridges 67, 68, 69 thus 8 different switching states.
  • the eight different switching states are shown schematically in FIG. 5 in the direction of their respective voltage space vector.
  • the switching states are with digit triplets of "1” or "0" respectively, where "1” means that a high-side IGBT 61, 62, 63 of a half-bridge 67, 68, 69 is turned on and corresponding to the low-side IGBT 64, 65, 66 of the same half-bridge 67 , 68, 69.
  • the zero voltage space vector results from the switching states "000” and "111".
  • the control device 70 of the inverter 22 now takes ei ⁇ ne space vector modulation based on the reproduced in Figure 4 scheme.
  • the microprocessor determines which voltage is to be generated on the output lines respectively.
  • the microprocessor specifies the voltages themselves and they depend on the set point of the current to be generated on the AC side. From this, the controlling microprocessor determines in a second step 42 whether a zero-voltage space vector is to be output for the moment. If this is the case, in a third step 43 a shutdown ⁇ tion of the IGBTs 61 ... 66 of the inverter 22 is made and the short-circuit device 23 is driven to short-circuit the réellelei ⁇ lines. For this the IGBTs 31 of the
  • Short-circuit device 23 for the duration of the present step 41 is turned on. It is thus in the case of a pointer to be generated Nullschreibsraum- not one of the switching states "000" or "111" ver ⁇ turns in which all high-side IGBTs 61 ... 63 or all low-side IGBTs 64 ... 66 connected are. Instead, all IGBTs 61 ... 66 of the inverter are switched off and the
  • Short-circuit device 23 used.
  • the controlling microprocessor decides in a fourth step 44 which triplet of switching states is to be used. This decision is made based on the current electrical phase of the output voltage. In this example it is checked if the phase is in one of the ranges between -30 ° and + 30 ° or between 90 ° and 150 ° or between 210 ° and 270 °, where 0 ° corresponds to the zero crossing of the voltage of a first of the output lines. In this case, in a fifth step 45, a first triplet of switching states is used. The controlling micro- processor this has to select on the basis of need ⁇ necessity of pulse width modulation the exact switching state.
  • the triples result from the specification that all switching states of a triple generate the same common-mode voltage.
  • the switching states “100”, “010”, and “001”, in which one of the high-side IGBTs 61 ... 63 is switched on form the first tripel
  • the switching states "110”, “011 ", and” 101 ", in which in each case two of the high-side IGBTs 61 ... 63 are switched on form a second triple.
  • the current phase is instead in the remaining phase range, i. between 30 ° and 90 ° or between 150 ° and
  • the controlling microprocessor also has to select the exact switching state based on the need for pulse width modulation.

Abstract

The invention relates to an inverter arrangement for use in photovoltaic systems in order to convert a DC voltage into a three-phase AC voltage. The inverter arrangement comprises three half-bridges, each of which comprises a high-side semiconductor switch and a low-side semiconductor switch, and a control device designed to switch the semiconductor switches such that a DC voltage applied to the inverter arrangement is converted into a three-phase AC voltage. For this purpose, switching states of the semiconductor switches are used for a space vector modulation, wherein one of the semiconductor switches of a half-bridge is switched on and the other semiconductor switch of the half-bridge is switched off in each switching state. The inverter arrangement further has a short-circuiting device for short-circuiting the AC voltage-side output lines of the inverter arrangement. The control device is designed to replace necessary switching states in which all the high-side semiconductor switches are switched on or all the low-side semiconductor switches are switched on with a switching state in which both the high-side semiconductor switches as well as the low-side semiconductor switches are switched off in the space vector modulation, and simultaneously the short-circuiting device is connected such that the three AC voltage-side output lines are short-circuited. A substantial reduction of common-mode voltages is achieved.

Description

Beschreibung description
Wechselrichteranordnung Die Erfindung betrifft eine Wechselrichteranordnung zur Verwendung in Photovoltaikanlagen zur Wandlung einer Gleich- in eine dreiphasige Wechselspannung. The invention relates to an inverter arrangement for use in photovoltaic systems for converting a DC into a three-phase AC voltage.
Hart schaltende Wechselrichter, wie sie beispielsweise zur Umwandlung von Gleichspannung (DC) auf Wechselspannung (AC) verwendet werden, stellen eine pulsfrequente Gleichtaktspan- nungs-Quelle dar (auch as „Common-Mode-Spannung" bezeichnet) . Diese pulsfrequente Gleichtaktspannung führt in großen Photo- voltaik-Anlagen (PV) einerseits zu kapazitiven Ableitströmen, andererseits zu einer Degradation der PV-Module und somit zu deren frühzeitigem Ausfall. Hard-switching inverters, such as those used to convert DC (DC) to AC (AC) voltage, are a pulse-frequency common-mode voltage source (also referred to as "common-mode voltage".) This pulse-frequency common-mode voltage results in large Photovoltaic systems (PV) on the one hand to capacitive leakage currents, on the other hand to a degradation of the PV modules and thus to their premature failure.
Regelmäßig wird in großen PV-Anlagen dem 3-phasigen Wechselrichter ein netzseitiger Transformator vorgeschaltet. Dieser Transformator entkoppelt Netz und Photovoltaikanlage bzgl. der Gleichtaktspannung. Ein solcher Transformator ist kostenintensiv und reduziert den Gesamtwirkungsgrad um 1 % bis 2 %. Mit einem Transformator ist die PV-Anlage im Grunde genommen "erdfrei" (d.h. ein IT-Netz), insofern die PV-Anlage nicht wiederum geerdet ist oder geerdet werden muss (wie z.B. durch entsprechende Normen vorgeschrieben) . In large PV systems, the 3-phase inverter is regularly preceded by a line-side transformer. This transformer decouples grid and photovoltaic system with respect to the common mode voltage. Such a transformer is costly and reduces the overall efficiency by 1% to 2%. With a transformer, the PV system is basically "floating" (i.e., an IT network), as long as the PV system is not grounded or earthed (as prescribed by appropriate standards, for example).
Für einphasige Wechselrichter sind Schaltungen bekannt, mit denen eine pulsfrequente Gleichtaktspannung unterdrückt wer- den kann. Die bekannteste Schaltung ist hierbei die sog. For single-phase inverters, circuits are known with which a pulse-frequency common-mode voltage can be suppressed. The best known circuit here is the so-called.
HERIC-Topologie, s. Figur 1. Das Prinzip der HERIC-Topologie besteht darin, zur Erzeugung einer Null-Spannung am AC- Eingang hinter den Speicherdrosseln einen Kurzschließer vorzusehen (Schalter 15 und 16) und hierfür nicht - wie sonst in einphasigen PFC-Schaltungen üblich - die Schalterkombinationen 11, 13 bzw. 12, 14 zu nutzen, da diese beiden Kombinationen jeweils sehr hohe pulsfrequente Gleichtaktspannungen am DC-Eingang und damit der angeschlossenen PV-Anlage erzeugen. Am DC-Eingang liegt damit nur die halbe, netzfrequente (50 Hz) Eingangsspannung als Gleichtaktspannung an, welche kaum schädlichen Einflüsse auf die PV-Anlage hat. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Wechselrichteranordnung anzugeben, mit der eine Unterdrückung von Gleichtaktspannungen unter Vermeidung der o.g. Nachteile ermöglicht wird. Diese Aufgabe wird durch eine Wechselrichteranordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Wechselrichteranordnung. HERIC topology, s. FIG. 1. The principle of the HERIC topology is to provide a short circuiter behind the storage chokes (switches 15 and 16) to generate a zero voltage at the AC input, and not switch combinations 11 as usual in single-phase PFC circuits , 13 and 12, 14 to use, since these two combinations each generate very high pulse frequency common mode voltages at the DC input and thus the connected PV system. At the DC input, only half the mains frequency (50 Hz) input voltage is applied as the common-mode voltage, which has hardly any harmful effects on the PV system. It is an object of the present invention to provide an improved inverter arrangement, with which a suppression of common-mode voltages while avoiding the above-mentioned disadvantages is made possible. This object is achieved by an inverter arrangement having the features of claim 1. The subclaims relate to advantageous embodiments of the inverter arrangement.
Die erfindungsgemäße Wechselrichteranordnung zur Verwendung in Photovoltaikanlagen zur Wandlung einer Gleich- in eine dreiphasige Wechselspannung umfasst drei Halbbrücken mit je einem Highside-Halbleiterschalter und einem Lowside- Halbleiterschalter . Weiterhin umfasst die Wechselrichteranordnung eine Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung ist ausgestaltet, die Halbleiterschalter so zu schalten, dass ei¬ ne Wandlung einer an der Wechselrichteranordnung anliegenden Gleichspannung in eine dreiphasige Wechselspannung bewirkt wird, wobei dafür Schaltzustände der Halbleiterschalter zur Raumzeigermodulation verwendet werden, bei denen je einer der Halbleiterschalter einer Halbbrücke an und der andere Halbleiterschalter der Halbbrücke ausgeschaltet ist. The inverter arrangement according to the invention for use in photovoltaic systems for converting a DC into a three-phase AC voltage comprises three half-bridges each having a high-side semiconductor switch and a low-side semiconductor switch. Furthermore, the inverter arrangement comprises a control device. The controller is configured to switch the semiconductor switch so that ei ¬ ne converting a voltage applied to the inverter device DC voltage is effected in a three-phase AC voltage, for switching states of the semiconductor switches are used for the space vector modulation, in which each one of the semiconductor switches of a half-bridge and the other semiconductor switch of the half-bridge is turned off.
Die Wechselrichteranordnung weist weiterhin eine Kurzschließ- Einrichtung zum Kurzschließen der wechselspannungsseitigen Ausgangsleitungen der Wechselrichteranordnung auf. Schließlich ist die Steuereinrichtung ausgestaltet, bei der Raumzei¬ germodulation notwendige Schaltzustände, bei denen sämtliche Highside-Halbleiterschalter angeschaltet sind oder sämtliche Lowside-Halbleiterschalter angeschaltet sind, durch einen Schaltzustand zu ersetzen, bei dem sowohl die Highside- Halbleiterschalter als auch die Lowside-Halbleiterschalter ausgeschaltet sind und gleichzeitig die Kurzschließ- Einrichtung so geschaltet wird, dass eine Kurzschließung der drei wechselspannungsseitigen Ausgangsleitungen bewirkt ist. The inverter arrangement further has a short-circuiting device for short-circuiting the AC-side output lines of the inverter arrangement. Finally, the control device is designed, in the Raumzei ¬ germodulation necessary switching states in which all high-side semiconductor switches are turned on or all lowside semiconductor switches are turned on, to replace it with a switching state in which both the high-side semiconductor switch and the low-side semiconductor switch off and at the same time the short-circuit Device is switched so that a short-circuiting of the three AC-side output lines is effected.
Für die Erfindung wurde erkannt, dass es vorteilhaft ist, am AC-Eingang der Wechselrichteranordnung eine Kurzschließ-For the invention, it has been recognized that it is advantageous to provide a short-circuit at the AC input of the inverter arrangement.
Einrichtung vorzusehen, mit dem ein Nullspannungsraumzeiger am AC-Eingang erzeugt werden kann. Dieser Nullspannungsraumzeiger wird normalerweise durch die Schaltzustände „000" oder „111" erzeugt, d.h. indem sämtliche Highside- Halbleiterschalter angeschaltet sind oder sämtliche Lowside- Halbleiterschalter angeschaltet sind, was allerdings eine ho¬ he Gleichtaktspannung zur Folge hat. Wenn ein Nullspannungsraumzeiger am AC-Eingang erzeugt werden muss, dann werden erfindungsgemäß die Halbleiterschalter geöffnet und die To provide means for generating a zero voltage space vector at the AC input. This zero voltage space vector is normally generated by the switching states "000" or "111", ie by all the high-side semiconductor switches are turned on or all lowside semiconductor switches are turned on, but this has a ho ¬ he common mode voltage result. If a zero voltage space vector must be generated at the AC input, then according to the invention, the semiconductor switches are opened and the
Kurzschließ-Einrichtung für die Zeit des Nullspannungsraum- zeigers aktiviert. Die Kurzschließ-Einrichtung ist dazu zweckmäßig so ausgestaltet, dass sie innerhalb der Pulswei¬ tenmodulation pulsfrequente Schaltvorgänge ausführen kann. Bei den Halbleiterschaltern kann es sich um IGBTs oder andere Arten von für sich genommen bekannten Halbleiterschaltern handeln. Dabei können als Halbleiterschalter einzelne Schalter zum Einsatz kommen oder eine Parallelschaltung mehrerer gleichartiger Schalter. Short-circuit device activated for the time of the zero voltage room pointer. The short-circuiting device is designed to appropriately so that they can execute within the Pulswei ¬ width modulation of pulse frequency switching operations. The semiconductor switches may be IGBTs or other types of semiconductor switches known per se. In this case, as a semiconductor switch individual switches can be used or a parallel connection of several similar switches.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinrichtung weiterhin ausgestaltet, abhängig von der aktuellen Phase der erzeugten dreiphasigen Wechselspannung ein festlegbares Tripel von Schaltzuständen zur Raumzeigermo- dulation zu verwenden, wobei ein erstes der Tripel die drei Schaltzustände umfasst, bei denen einer der Highside- Halbleiterschalter angeschaltet, zwei der Highside- Halbleiterschalter ausgeschaltet und dementsprechend zwei der Lowside-Halbleiterschalter angeschaltet und einer der Lowsi- de-Halbleiterschalter ausgeschaltet sind und wobei ein zwei¬ tes der Tripel die drei Schaltzustände umfasst, bei denen zwei der Highside-Halbleiterschalter angeschaltet, einer der Highside-Halbleiterschalter ausgeschaltet und dementsprechend einer der Lowside-Halbleiterschalter angeschaltet und zwei der Lowside-Halbleiterschalter ausgeschaltet sind. In an advantageous embodiment of the invention, the control device is further configured to use a definable triplet of switching states for space vector modulation depending on the current phase of the generated three-phase alternating voltage, wherein a first of the triples comprises the three switching states in which one of the high-side semiconductor switches turned on, two of the high-side semiconductor switch turned off and accordingly two of the low-side semiconductor switch turned on and one of the low-side semiconductor switch are turned off and wherein a two ¬ tes the triple includes the three switching states in which two of the high-side semiconductor switch turned on, one of Highside semiconductor switch off and accordingly one of the lowside semiconductor switches is turned on and two of the lowside semiconductor switches are turned off.
Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Schaltzustände jedes der Tripel die gleiche Gleichtaktspannung erzeugen. Ein Wechsel zwischen den Schaltzuständen eines der Tripel hat also keine Änderung der Gleichtaktspannung zur Folge. Die Frequenz, mit der die Gleichtaktspannung wechselt, kann daher gegenüber der Frequenz der Pulsweitenmodulation reduziert werden. This embodiment has the advantage that the switching states of each of the triples generate the same common-mode voltage. A change between the switching states of one of the triples thus does not result in a change of the common-mode voltage. The frequency with which the common-mode voltage changes can therefore be reduced compared with the frequency of the pulse width modulation.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Wechsel zwischen den verwendeten Tripeln nach jeweils 60° elektrisch stattfindet. Da ein Wechsel der Gleichtaktspannung nur mit dem Wechsel des Tripels stattfindet, kann somit die Frequenz der Gleichtakt¬ spannung in den Bereich der Netzfrequenz gesenkt werden. It is particularly advantageous if a change takes place between the triples used after each 60 ° electrical. Since a change of the common mode voltage occurs only with the change of the triplet, thus the frequency of the common mode ¬ voltage can be lowered in the region of the mains frequency.
Bevorzugt umfasst die Kurzschließ-Einrichtung drei Halblei¬ terschalter, insbesondere drei IGBTs oder MOSFETs, in Stern- Schaltung. In einer alternativen Ausgestaltung umfasst die Kurzschließ-Einrichtung drei reverse-blocking Halbleiterschalter, insbesondere reverse-blocking IGBTs oder 3 Paare jeweils antiserieller Halbleiterschalter in Dreieckschaltung. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung weist die Preferably, the short-circuiting means comprises three semiconducting ¬ terschalter, in particular three IGBTs or MOSFETs, in a star circuit. In an alternative embodiment, the short-circuit device comprises three reverse-blocking semiconductor switches, in particular reverse-blocking IGBTs or 3 pairs of antiserial semiconductor switches in delta connection. In a further alternative embodiment, the
Kurzschließ-Einrichtung eine passive B6-Diodenschaltung mit einem Halbleiterschalter im DC-Kreis auf. Short-circuit device on a passive B6 diode circuit with a semiconductor switch in the DC circuit.
Ein bevorzugtes, jedoch keinesfalls einschränkendes Ausfüh¬ rungsbeispiel für die Erfindung wird nunmehr anhand der Figu- ren der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert dargestellt. Es zeigen A preferred, but by no means limitative exporting ¬ approximately example of the invention will be with reference to the drawing Figu- ren explained in more detail. The features are shown schematically. Show it
Figur 2 ein Prinzipschaltbild einer Photovoltaikanlage mit einer Wechselrichteranordnung, FIG. 2 shows a block diagram of a photovoltaic system with an inverter arrangement,
Figur 3 eine Ausführungsform für die Kurzschließ- Einrichtung, FIG. 3 shows an embodiment for the short-circuiting device,
Figur 4 ein Programmschema für die Steuerung der Wechsel¬ richteranordnung, Figur 5 ein Schema für Schaltzustandstripel von Halbleiter¬ schaltern zur Steuerung der Wechselrichteranordnung und 4 shows a program schedule for controlling the exchange ¬ rectifier arrangement, 5 shows a diagram for Schaltzustandstripel of semiconductor ¬ switches for controlling the inverter assembly and
Figur 6 ein Schema für einen Wechselrichter der Wechselrichteranordnung . FIG. 6 shows a diagram for an inverter of the inverter arrangement.
Figur 2 zeigt ein Prinzipschaltbild eine Photovoltaikanlage . Die Photovoltaikanlage umfasst ein Feld von Solarmoduln (Pa¬ nel) 21. Diese sind mittels einer DC-Leitung mit der Eingangsseite eines Wechselrichters 22 verbunden. Ausgangsseitig weist der Wechselrichters 22 drei Ausgangsleitungen auf. Die¬ se sind zum Einen zu einer Kurzschließ-Einrichtung 23 geführt. Zum Anderen führen die Ausgangsleitungen über je eine Speicherdrossel 24 zu einem EMV-Filter 25 und weiter zum Netz-Anschluss . Wechselrichter 22 und Kurzschließ-Einrichtung 23 bilden zusammen eine Wechselrichteranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Figure 2 shows a schematic diagram of a photovoltaic system. The photovoltaic system comprises a field of solar modules (Pa ¬ nel) 21. These are connected by means of a DC line to the input side of an inverter 22. On the output side, the inverter 22 has three output lines. The ¬ se are performed on the one hand to a short-circuit device 23. On the other hand, the output lines lead via a respective storage throttle 24 to an EMC filter 25 and on to the network connection. Inverter 22 and short-circuit device 23 together form an inverter arrangement according to an exemplary embodiment of the invention.
Figur 3 zeigt den Aufbau der Kurzschließ-Einrichtung 23 im vorliegenden Ausführungsbeispiel. Drei IGBTs 31 sind mit ih- rem Emitter-Ausgang zu einem Sternpunkt 32 verbunden. DieFIG. 3 shows the construction of the short-circuiting device 23 in the present exemplary embodiment. Three IGBTs 31 are connected with their emitter output to a star point 32. The
Kollektor-Ausgänge sind jeweils mit einer der drei Ausgangs¬ leitungen des Wechselrichters 22 verbunden. Collector outputs are each connected to one of the three output ¬ lines of the inverter 22.
Figur 6 zeigt ein Aufbauschema für den Wechselrichter 22. Er umfasst sechs IGBTs 61...66, die zu seriellen Paaren in drei parallelen Halbbrücken 67, 68, 69 in für sich genommen bekannter Weise zu einem dreiphasigen Wechselrichter angeordnet sind. Eine Steuereinrichtung 70 steuert die IGBTs 61...66. Die für eine Spannungsmodulation verwendbaren Schaltzustände ergeben sich daraus, dass immer nur einer der IGBTs 61...66 einer Halbbrücke 67, 68, 69 angeschaltet wird, während der andere ausgeschaltet wird. Daraus ergeben sich pro Halbbrücke 67, 68, 69 zwei Schaltzustände und bei drei unabhängigen Halbbrücken 67, 68, 69 somit 8 verschiedene Schaltzustände . FIG. 6 shows a construction scheme for the inverter 22. It comprises six IGBTs 61... 66, which are arranged to form serial pairs in three parallel half-bridges 67, 68, 69 in a manner known per se to form a three-phase inverter. A controller 70 controls the IGBTs 61 ... 66. The switching states which can be used for a voltage modulation result from the fact that only one of the IGBTs 61... 66 of a half bridge 67, 68, 69 is switched on at a time while the other is switched off. This results in half-bridge 67, 68, 69, two switching states and three independent half-bridges 67, 68, 69 thus 8 different switching states.
Die acht verschiedenen Schaltzustände sind in Figur 5 in Richtung ihres jeweiligen Spannungsraumzeigers schematisch dargestellt. Die Schaltzustände sind dabei mit Zifferntripeln von jeweils „1" oder „0" bezeichnet, wobei „1" bedeutet, dass ein Highside-IGBT 61, 62, 63 einer Halbbrücke 67, 68, 69 angeschaltet und dem entsprechend der Lowside-IGBT 64, 65, 66 derselben Halbbrücke 67, 68, 69 ausgeschaltet ist. Der Null- spannungsraumzeiger ergibt sich bei den Schaltzuständen „000" und „111". The eight different switching states are shown schematically in FIG. 5 in the direction of their respective voltage space vector. The switching states are with digit triplets of "1" or "0" respectively, where "1" means that a high-side IGBT 61, 62, 63 of a half-bridge 67, 68, 69 is turned on and corresponding to the low-side IGBT 64, 65, 66 of the same half-bridge 67 , 68, 69. The zero voltage space vector results from the switching states "000" and "111".
Die Steuereinrichtung 70 des Wechselrichters 22 nimmt nun ei¬ ne Raumzeigermodulation anhand des in Figur 4 wiedergegebenen Schemas vor. In hochfrequenten Schritten 41, die durch die Taktung des steuernden Mikroprozessors vorgegeben sind, bestimmt der Mikroprozessor, welche Spannung auf den Ausgangsleitungen jeweils zu erzeugen ist. Der Mikroprozessor gibt die Spannungen selbst vor und sie hängen vom Sollwert des zu erzeugenden Stromes auf der AC-Seite ab. Daraus bestimmt der steuernde Mikroprozessor in einem zweiten Schritt 42, ob für den Moment ein Nullspannungsraumzeiger auszugeben ist. Ist das der Fall, wird in einem dritten Schritt 43 eine Abschal¬ tung der IGBTs 61...66 des Wechselrichters 22 vorgenommen und die Kurzschließ-Einrichtung 23 angesteuert, die Ausgangslei¬ tungen kurzzuschließen. Hierzu werden die IGBTs 31 der The control device 70 of the inverter 22 now takes ei ¬ ne space vector modulation based on the reproduced in Figure 4 scheme. In high-frequency steps 41, which are predetermined by the timing of the controlling microprocessor, the microprocessor determines which voltage is to be generated on the output lines respectively. The microprocessor specifies the voltages themselves and they depend on the set point of the current to be generated on the AC side. From this, the controlling microprocessor determines in a second step 42 whether a zero-voltage space vector is to be output for the moment. If this is the case, in a third step 43 a shutdown ¬ tion of the IGBTs 61 ... 66 of the inverter 22 is made and the short-circuit device 23 is driven to short-circuit the Ausgangslei ¬ lines. For this the IGBTs 31 of the
Kurzschließ-Einrichtung 23 für die Dauer des vorliegenden Schritts 41 angeschaltet. Es wird also im Falle eines zu erzeugenden Nullspannungsraum- zeigers nicht einer der Schaltzustände „000" oder „111" ver¬ wendet, bei denen alle Highside-IGBTs 61...63 oder alle Low- side-IGBTs 64...66 angeschaltet sind. Stattdessen werden alle IGBTs 61...66 des Wechselrichters abgeschaltet und die Short-circuit device 23 for the duration of the present step 41 is turned on. It is thus in the case of a pointer to be generated Nullspannungsraum- not one of the switching states "000" or "111" ver ¬ turns in which all high-side IGBTs 61 ... 63 or all low-side IGBTs 64 ... 66 connected are. Instead, all IGBTs 61 ... 66 of the inverter are switched off and the
Kurzschließ-Einrichtung 23 verwendet. Short-circuit device 23 used.
Ist ein vom Nullspannungsraumzeiger verschiedener Raumzeiger auszugeben, entscheidet der steuernde Mikroprozessor in einem vierten Schritt 44, welches Tripel von Schaltzuständen zu verwenden ist. Diese Entscheidung wird anhand der derzeitigen elektrischen Phasenlage der Ausgangsspannung getroffen. Im vorliegenden Beispiel wird geprüft, ob die Phase in einem der Bereiche zwischen -30° und +30° oder zwischen 90° und 150° oder zwischen 210° und 270° liegt, wobei 0° dem Nulldurchgang der Spannung einer ersten der Ausgangsleitungen entspricht. In diesem Fall wird in einem fünften Schritt 45 ein erstes Tripel von Schaltzuständen verwendet. Der steuernde Mikropro- zessor muss hierbei den genauen Schaltzustand anhand der Not¬ wendigkeit der Pulsweitenmodulation auswählen. If a room pointer different from the zero voltage space vector is to be output, the controlling microprocessor decides in a fourth step 44 which triplet of switching states is to be used. This decision is made based on the current electrical phase of the output voltage. In this example it is checked if the phase is in one of the ranges between -30 ° and + 30 ° or between 90 ° and 150 ° or between 210 ° and 270 °, where 0 ° corresponds to the zero crossing of the voltage of a first of the output lines. In this case, in a fifth step 45, a first triplet of switching states is used. The controlling micro- processor this has to select on the basis of need ¬ necessity of pulse width modulation the exact switching state.
Dabei ergeben sich die Tripel aus der Vorgabe, dass alle Schaltzustände eines Tripels die gleiche Gleichtaktspannung zu erzeugen. Beispielsweise bilden bei dem Wechselrichter 22 die Schaltzustände „100", „010", und „001", bei denen also jeweils einer der Highside-IGBTs 61...63 eingeschaltet ist, das erste Tripel. Die Schaltzustände „110", „011", und „101", bei denen also jeweils zwei der Highside-IGBTs 61...63 einge- schaltet sind, bilden ein zweites Tripel. Die verbleibenden Schaltzustände „000" und „111" werden, wie bereits beschrie¬ ben, nicht verwendet. The triples result from the specification that all switching states of a triple generate the same common-mode voltage. For example, in the inverter 22, the switching states "100", "010", and "001", in which one of the high-side IGBTs 61 ... 63 is switched on, form the first tripel, the switching states "110", "011 ", and" 101 ", in which in each case two of the high-side IGBTs 61 ... 63 are switched on, form a second triple. The remaining switching states "000" and "111", as already described ¬ ben, not used.
Liegt die derzeitige Phase stattdessen im restlichen Phasen- bereich, d.h. zwischen 30° und 90° oder zwischen 150° undIf the current phase is instead in the remaining phase range, i. between 30 ° and 90 ° or between 150 ° and
210° oder zwischen 270° und 330°, so wird in einem sechsten Schritt 46 das zweite Tripel der Schaltzustände verwendet. Der steuernde Mikroprozessor muss auch hierbei den genauen Schaltzustand anhand der Notwendigkeit der Pulsweitenmodula- tion auswählen. 210 ° or between 270 ° and 330 °, so in a sixth step 46, the second triplet of the switching states is used. The controlling microprocessor also has to select the exact switching state based on the need for pulse width modulation.
Es wird also den Notwendigkeiten der Pulsmodulation folgend weiterhin eine hohe Schaltfrequenz verwendet, um die richti¬ gen Spannungen auf den Ausgangsleitungen zu erzeugen. Durch die Verwendung nur ausgewählter Schaltzustände in Abhängigkeit von Phasenbereichen und die Verwendung der Kurzschließ- Einrichtung 23 anstelle der Schaltzustände „000" und „111" wird vorteilhaft erreicht, dass die Gleichtaktspannung nicht mehr mit der Schaltfrequenz der Pulsweitenmodulation vari- iert, also pulsfrequent , sondern nur noch netzfrequent . Dabei ist der Aussteuerbereich um ein Drittel reduziert, so dass die DC-Spannung zweckmäßig um 33% höher als bei einer herkömmlichen Raumzeigermodulation gewählt werden muss. It is thus the needs of the pulse modulation continues to use a high switching frequency as following, to produce the richti ¬ gen voltages on the output lines. By using only selected switching states as a function of phase regions and using the short-circuiting device 23 instead of the switching states "000" and "111", it is advantageously achieved that the common-mode voltage no longer varies with the switching frequency of the pulse width modulation, ie pulse-frequency only mains frequency. In this case, the control range is reduced by one third, so that the DC voltage must be appropriately selected by 33% higher than in a conventional space vector modulation.

Claims

Patentansprüche claims
1. Wechselrichteranordnung (20) zur Verwendung in Photovol- taikanlagen zur Wandlung einer Gleich- in eine dreiphasige Wechselspannung mit 1. inverter arrangement (20) for use in photovoltaic systems for the conversion of a DC into a three-phase AC voltage with
- drei Halbbrücken (67...69) mit je einem Highside- Halbleiterschalter (61...63) und einem Lowside- Halbleiterschalter (64...66),  three half-bridges (67... 69) each having a high-side semiconductor switch (61... 63) and a low-side semiconductor switch (64... 66),
- einer Steuereinrichtung (70), ausgestaltet, die Halbleiter- Schalter (61...66) so zu schalten, dass eine Wandlung einer an der Wechselrichteranordnung (20) anliegenden Gleichspannung in eine dreiphasige Wechselspannung bewirkt wird, wobei dafür Schaltzustände der Halbleiterschalter (61...66) zur Raumzeigermodulation verwendet werden, bei denen je einer der Halbleiterschalter (61...66) einer Halbbrücke (67...69) an- und der andere Halbleiterschalter (61...66) der Halbbrücke (67...69) ausgeschaltet ist,  - A control device (70) configured to switch the semiconductor switch (61 ... 66) so that a conversion of a voltage applied to the inverter assembly (20) DC voltage is effected in a three-phase AC voltage, for switching states of the semiconductor switch (61 ... 66) are used for space vector modulation, in which each one of the semiconductor switches (61 ... 66) of a half-bridge (67 ... 69) on and the other semiconductor switch (61 ... 66) of the half-bridge (67. ..69) is switched off,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
- die Wechselrichteranordnung (20) weiterhin eine  - The inverter assembly (20) further a
Kurzschließ-Einrichtung (23) zum Kurzschließen der wechsel- spannungsseitigen Ausgangsleitungen der Wechselrichteranordnung (20) aufweist und wobei die Steuereinrichtung (70) aus¬ gestaltet ist, bei der Raumzeigermodulation notwendige Short-circuit means (23) for short-circuiting the AC voltage side output lines of the inverter assembly (20) and wherein the control device (70) is designed from ¬ in the space vector modulation necessary
Schaltzustände, bei denen sämtliche Highside- Halbleiterschalter (61...63) angeschaltet sind oder sämtliche Lowside-Halbleiterschalter (64...66) angeschaltet sind, durch einen Schaltzustand zu ersetzen, bei dem sowohl die Highside- Halbleiterschalter (61...63) als auch die Lowside- Halbleiterschalter (64...66) ausgeschaltet sind und gleich- zeitig die Kurzschließ-Einrichtung (23) so geschaltet wird, dass eine Kurzschließung der drei wechselspannungsseitigen Ausgangsleitungen bewirkt ist. Switching states in which all high-side semiconductor switches (61 ... 63) are switched on or all lowside semiconductor switches (64 ... 66) are switched on, to be replaced by a switching state in which both the high-side semiconductor switches (61 ... 63) as well as the low-side semiconductor switches (64 ... 66) are switched off and at the same time the short-circuiting device (23) is switched so that a short-circuiting of the three AC-side output lines is effected.
2. Wechselrichteranordnung (20) gemäß Anspruch 1, bei der die Steuereinrichtung (70) weiterhin ausgestaltet ist, abhängig von der aktuellen Phase der erzeugten dreiphasigen Wechselspannung ein festlegbares Tripel von Schaltzuständen zur Raumzeigermodulation zu verwenden, wobei ein erstes der Tri- pel die drei Schaltzustände umfasst, bei denen einer der Highside-Halbleiterschalter (61...63) angeschaltet, zwei der Highside-Halbleiterschalter (61...63) ausgeschaltet und zwei der Lowside-Halbleiterschalter (64...66) angeschaltet und ei- ner der Lowside-Halbleiterschalter (64...66) ausgeschaltet sind und wobei ein zweites der Tripel die drei Schaltzustände umfasst, bei denen zwei der Highside-Halbleiterschalter 2. Inverter arrangement (20) according to claim 1, wherein the control device (70) is further configured to use a definable triplet of switching states for space vector modulation, depending on the current phase of the generated three-phase AC voltage, wherein a first of the tri-state pel comprises the three switching states in which one of the high-side semiconductor switches (61 ... 63) turned on, two of the high-side semiconductor switches (61 ... 63) turned off and two of the low-side semiconductor switches (64 ... 66) turned on and one of the low-side semiconductor switches (64 ... 66) are turned off and wherein a second of the triples comprises the three switching states in which two of the high-side semiconductor switches
(61...63) angeschaltet, einer der Highside-Halbleiterschalter ( 61...63 ) ausgeschaltet und dementsprechend einer der Lowside- Halbleiterschalter (64...66) angeschaltet und zwei der Lowsi¬ de-Halbleiterschalter (64...66) ausgeschaltet sind. (61 ... 63) is turned on, one of the high-side semiconductor switch (61 ... 63) is switched off and, accordingly, one of the low-side semiconductor switch (64 ... 66) is turned on and two of the Lowsi ¬ de-semiconductor switch (64 ... 66) are switched off.
3. Wechselrichteranordnung (20) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Kurzschließ-Einrichtung (23) drei Halbleiterschalter (31), insbesondere drei IGBTs (31) oder MOSFETs, in Stern¬ schaltung umfasst. 3. Inverter arrangement (20) according to claim 1 or 2, wherein the short-circuiting device (23) comprises three semiconductor switches (31), in particular three IGBTs (31) or MOSFETs, in star ¬ circuit.
4. Wechselrichteranordnung (20) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Kurzschließ-Einrichtung (23) drei reverse blocking Halbleiterschalter, insbesondere reverse blocking IGBTs oder drei Paare jeweils antiserieller Halbleiterschalter in Dreieckschaltung umfasst. 4. Inverter arrangement (20) according to claim 1, wherein the short-circuiting device (23) comprises three reverse blocking semiconductor switches, in particular reverse blocking IGBTs or three pairs of antiserial semiconductor switches in delta connection.
5. Wechselrichteranordnung (20) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Kurzschließ-Einrichtung (23) eine passive Bö- Diodenschaltung mit einem Halbleiterschalter im DC-Kreis umfasst . 5. Inverter assembly (20) according to claim 1 or 2, wherein the short-circuiting device (23) comprises a passive Gauss diode circuit with a semiconductor switch in the DC circuit.
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