WO2013135578A1 - Schaltungsanordnung und verfahren zum wandeln und anpassen einer gleichspannung, photovoltaikanlage - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a circuit arrangement for electrical systems for converting and adjusting a DC voltage.
- the present invention further relates to a method and a photovoltaic system.
- Photovoltaic systems are used to extract electrical energy from solar energy and to feed this electrical energy into a public energy grid or power grid.
- inverters are usually used which convert the electrical direct current generated by the solar cells of the photovoltaic system into an alternating current. This alternating current can then be fed into the public grid.
- the solar cells or solar cell strings are, for example, coupled directly to the inverter.
- the negative pole of the solar cell array is coupled to the negative pole of the inverter and the positive pole of the solar cell array to the positive pole of the inverter.
- Problematic with this Type of interconnection of solar cell and inverter is that under low sunlight, the DC voltage generated by the solar cells may fail too low to generate with the help of the inverter an alternating current, which can then be fed into the public grid.
- the voltage in the negative and positive DC link must be greater than the amplitude of the mains voltage.
- boost converters are used between the solar cell array and the inverter, which increase the amount of DC voltage generated by the solar cell array. This makes it possible to generate and supply an alternating current for a public power grid even if the solar cell arrangement supplies a DC voltage that is lower in magnitude than required for the public power grid.
- the solar cell arrangement is connected to the inverter in such a way that the positive pole of the solar cell arrangement has a positive potential relative to the reference ground and the negative pole of the solar cell arrangement has a negative potential compared to the reference ground, this can lead to a creeping performance degradation of the solar cells due to the so-called PID effect lead.
- the cause of this PID effect lies essentially in the negative po- Potential of the negative pole of the solar cell relative to the potential of the reference ground, which can lead to unwanted leakage currents. Overall, this leads to accelerated aging and a significant power loss of the solar cell array.
- a corresponding circuit system is described for example in DE 10 2007 050 554 AI. If the potential of the positive pole of the solar cell is raised, so does the potential of the negative pole of the solar cell.
- a method for operating electrical installations for converting and adjusting a DC voltage of a voltage source comprising the steps of: increasing a potential in a positive branch of the intermediate circuit of the electrical system such that a potential of a negative pole of the voltage source has a value greater than the potential which the negative pole has before increasing, or lowering the potential in a negative branch of the intermediate circuit of the electrical circuit Device in such a way that a positive pole output potential of the voltage source assumes a voltage value smaller than the potential which the positive pole has before sinking, and balancing the electric power between the positive branch of the intermediate circuit of the electrical system and the negative branch of the intermediate circuit of the electrical system ,
- a photovoltaic system with a circuit arrangement according to the invention is a photovoltaic system with a circuit arrangement according to the invention.
- the finding underlying the present invention is that it is not necessarily necessary to use in the intermediate circuit symmetric voltages with respect to the potential of the reference ground in order to increase the efficiency of the inverter.
- the idea underlying the present invention is now to take this knowledge into account and to provide a circuit arrangement which does not just symmetrically design the potentials of the positive and of the negative intermediate circuit branch with respect to a reference potential. Rather, by the circuit arrangement, the amount of electrical power which is supplied to the positive DC voltage connection of the inverter, the amount of electrical power equalized, which is the negative
- the circuit arrangement according to the invention has two operating modes. In the first operating mode symmetrical intermediate circuit voltages are provided for the inverter. This first operating mode can be used, for example, with solar modules which are not subject to the PID effect. In this operating mode, a solar system achieves the maximum efficiency. But if solar modules are used, which are subject to the PID effect (eg thin-film solar modules) and in which consequently the potential at the negative pole of the solar modules must be raised, the circuit arrangement is operated in the second mode.
- the PID effect eg thin-film solar modules
- the circuit arrangement is operated in such a way that the potential in the positive branch of the intermediate circuit is increased by the inverter in order to make the potential at the negative pole of the solar modules positive relative to reference potential, or the potential in the negative branch of the intermediate circuit is lowered Potential at the positive pole of the solar modules to make reference potential negative.
- the potential may also correspond to the reference potential instead of being either greater or less than this.
- the circuit arrangement according to the invention also makes it possible to regulate the potential of the negative intermediate circuit branch in such a way that it becomes asymmetrical with respect to the reference potential to the potential of the positive intermediate circuit branch.
- the present invention provides a balancing device, which balances the branches of the intermediate circuit with respect to the electrical power.
- the circuit arrangement can be operated with a group of solar cells, with solar cells connected in series and / or in parallel, with solar cell strings or the like.
- At least one first boost converter is provided, which is designed to increase the amount of voltage between the negative and the positive pole of the voltage source of the electrical system and / or to equalize the amount of a mains voltage of a public power grid. This allows feed of current generated by the voltage source even if the voltage provided by the voltage source is smaller than a mains voltage of the public power grid.
- the equalizer includes an inverting adjuster electrically coupled to the positive leg, the negative leg and a first node of the electrical system. This makes it possible to provide a very efficient and simple balancing device.
- the first node has a reference potential.
- the inverting controller is designed to compensate for the electrical power in the positive branch and the negative branch relative to the reference potential. This makes it possible to adapt the circuit arrangement to different reference potentials and applications.
- an inverting actuator instead of an inverting actuator, an inverse converter or another type of DC / DC converter can be used.
- the inverting actuator is arranged electrically between the at least one first boost converter and an electrical output of the vision arrangement. This makes it possible to compensate for electric power between the positive branch of the intermediate circuit of the electrical system and the negative branch of the intermediate circuit of the electrical system with a single compensating device, even if a plurality of solar cells in the photovoltaic system is used.
- the first boost converter may be implemented as a multi-channel boost converter having at least two solar cell input terminals arranged in parallel. Instead of individual solar cells, it is also possible to connect to the first step-up converter a series and / or parallel connection of solar cells and / or at least one solar cell string or solar cell array.
- the inverting adjuster comprises a controllable switch and a reverse-biased diode arranged in series therewith, which are electrically arranged between the positive branch and the negative branch.
- the controllable switch can be, for example, a MOSFET, IGBT, JFET, bipolar transistor or other power semiconductor.
- the inverting actuator includes an inductive element (coil, inductor) electrically disposed between a second node connected between the controllable switch and the diode and the first node. This allows a simple and less complex structure of the inverting actuator.
- the compensation device has a control device, which is designed to control the inverting controller in such a way that the same electrical power is output at a positive output terminal of the circuit arrangement as at a negative output terminal of the circuit arrangement.
- the control device may include, for example, a microprocessor or an FPGA or PLD. The use of such a control device allows a very flexible control of the inverting actuator.
- Fig. 1 is a block diagram of an embodiment of a circuit arrangement according to the invention.
- FIG. 2 shows a flow chart of an embodiment of a method according to the invention
- FIG. 3 shows a block diagram of an embodiment of a photovoltaic plant according to the invention
- FIG. 4 shows a further block diagram of an embodiment of a photovoltaic system according to the invention.
- Fig. 1 shows a block diagram of a first embodiment of a circuit arrangement according to the invention.
- the circuit arrangement designated by reference numeral 1 has a compensating device 4.
- the compensating device 4 is coupled to a negative branch 3 and a positive branch 5 of the intermediate circuit of a photovoltaic plant 24 (not shown in FIG. 1).
- the circuit arrangement 1 is designed as a discrete electrical circuit arrangement 1. In further embodiments, the circuit arrangement 1 can also be designed as integrated electronic circuit arrangement 1. In still further embodiments, the circuit arrangement 1 can also be designed as a component of an inverter 14.
- the circuit arrangement 1 is formed in the example shown for a total electrical power of up to 10kW. In further embodiments, the circuit arrangement 1 can also be designed for a total electrical power of up to 1 MW, in particular also up to 100 kW or even 1 kW.
- the circuit arrangement 1 has a control device which is designed to control the compensation device 4 and, if present, a first boost converter 2 (not shown).
- the control device is designed in one embodiment as a microcontroller.
- the control device is designed as a computer program product, which is executed on a microcontroller.
- the computer program product can be an independently executable program (software).
- the computer program product is designed as a computer program product module which is executed as a module of an operating system.
- control device has a plurality of sensors for detecting voltages and currents in order to detect the currents and voltages which are provided by individual solar cells and which occur in the negative branch 3 and the positive branch 5 of the intermediate circuit, and the like Value to be determined.
- control device is designed to control the compensation device 4 in such a way that the same electrical power is output at the positive output connection of the circuit arrangement 1 as at a negative output connection of the circuit arrangement 1.
- a potential in a positive branch of the intermediate circuit of the electrical system 24 is increased such that a potential of a negative pole of the voltage source 18 assumes a value greater than the potential which the negative pole has before increasing, or becomes the potential in a negative branch of the intermediate circuit of the electrical system 24 is lowered such that an output potential of a positive pole of the voltage source 18 assumes a voltage value smaller than the potential, which has the positive pole before lowering.
- the electrical power between the positive branch 5 of the intermediate circuit of the electrical system 24 and the negative branch 3 of the intermediate circuit of the electrical system 24 is compensated.
- the potential of the positive branch 5 of the intermediate circuit is increased such that the potential at the negative pole of the solar cell is greater than or equal to the potential of a reference ground, eg ground.
- the voltage of the negative branch 3 of the intermediate circuit is adjusted to the voltage of the public power grid.
- the method of the invention includes increasing the electrical voltages provided by a plurality of solar cells in parallel.
- FIG. 3 shows a block diagram of an embodiment of a photovoltaic system 24 according to the invention.
- the photovoltaic system 24 here has a circuit arrangement according to the invention
- FIG. 4 shows a further block diagram of an embodiment of a photovoltaic system 24 according to the invention.
- the photovoltaic system 24 is shown in greater detail in terms of circuitry compared with the exemplary embodiment of FIG. 3.
- the photovoltaic system 24 in FIG. 4 has a solar cell 18, which is electrically coupled to a first step-up converter 2.
- FIG. 4 shows a further solar cell 18 with its own first step-up converter 2. That this second and further solar cells is provided, which by two dashed connecting lines, which the second solar cell 18 and its first boost converter
- the first boost converter 2 may be e.g. a multi-channel step-up converter 2, which can adjust the output voltage separately for a plurality of solar cells 18 for each solar cell 18.
- the compensating device (not explicitly shown) in FIG. 4 has an inverting actuator 6 and is arranged between the solar cells 18 with the corresponding boost converters 2 and the inverter 14 with the intermediate circuit capacitors 22, 23.
- the inverter 14 has three input terminals.
- the first intermediate circuit capacitor 22 is arranged between the positive input terminal of the inverter 14 and the ground input terminal of the inverter 14.
- the second DC link capacitor 23 is arranged between the ground input terminal of the inverter 14 and the negative input terminal of the inverter 14.
- the inverter 14 has only two input terminals.
- the inverter 14 has three output terminals, each of which corresponds to one of the three phases 15-17 of a public power grid.
- the three phases 15-17 are coupled at their node via a neutral conductor to the ground input terminal of the inverter 14.
- Of the first node 7 is also coupled to the ground input terminal of the inverter 14.
- the inverter 14 has only two output terminals or one output terminal. Further, in the coupling line between the neutral conductor and the reference point 7 of the circuit arrangement 1, various components, such as relays, coils and the like may be arranged.
- the first boost converter 2 illustrated in FIG. 4 each have an inductive element 20, such as a coil.
- the inductive element 20 is disposed between the negative pole of the corresponding solar cell 18 and a reverse-biased diode 21.
- a switch 19 is provided in the first step-up converters, which couples the junction between inductance 20 and diode 21 with the positive pole of the solar cell 18 and the positive branch 5 of the intermediate circuit of the photovoltaic system 24.
- the switch 19 is, for example, a semiconductor switch such as a MOSFET, JFET, bipolar transistor or the like.
- the anode of the diode 21 is coupled to the negative branch 3 of the intermediate circuit of the photovoltaic system 24.
- the compensating device 4 (not explicitly shown) has an inverting actuator 6.
- the inverting controller 6 has a controllable switch 9 and a diode 10 arranged in series in the reverse direction, which are arranged electrically between the positive branch 5 and the negative branch 3.
- the inverting controller 6 has an inductance 11, which is electrically connected between a second node 12, which is arranged between the switch 9 and the diode 10, and the first node 7 is arranged.
- the inverting controller also called an inverted converter
- the switch 9 is closed.
- the inverse converter transfers the extracted energy into the negative branch 3 of the intermediate circuit. For this purpose, the switch 9 is opened.
Abstract
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für elektrische Anlagen zum Wandeln und Anpassen einer Gleichspannung einer Spannungsquelle, insbesondere für einen Solarinverter einer Photovoltaikanlage, mit einem elektrischen Ausgang, welcher mit einem Wechselrichter koppelbar ist, wobei an dem elektrischen Ausgang ein Potential in einem positiven Zweig eines Zwischenkreises der elektrischen Anlage derart erhöhbar ist, dass ein Ausgangspotential eines negativen Pols der Spannungsquelle einen Wert größer dem Potential annimmt, welches der negative Pol vor dem Erhöhen aufweist, oder das Potential in einem negativen Zweig des Zwischenkreises der elektrischen Anlage derart senkbar ist, dass ein Ausgangspotential eines positiven Pols der Spannungsquelle einen Wert kleiner dem Potential annimmt, welches der positive Pol vor dem Senken aufweist, und mit einer Ausgleichsvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, im Betrieb der Schaltungsanordnung die elektrische Leistung zwischen dem positiven Zweig des Zwischenkreises der elektrischen Anlage und dem negativen Zweig des Zwischenkreises der elektrischen Anlage auszugleichen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren und eine Photovoltaikanlage.
Description
SCHALTUNGSANORDNUNG UND VERFAHREN ZUM WANDELN UND ANPASSEN EINER GLEICHSPANNUNG, PHOTOVOLTAIKANLAGE
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für elektrische Anlagen zum Wandeln und Anpassen einer Gleichspannung. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren und eine Photovoltaikanlage.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Obwohl die vorliegende Erfindung auf eine Vielzahl von elektrischen und elektronischen Anlagen anwendbar ist, wird sie im Folgenden mit Bezug auf eine Photovoltaikanlage, welche einen Solarinverter aufweist, dargestellt.
Photovoltaikanlagen werden eingesetzt, um elektrische Energie aus Sonnenenergie zu gewinnen und diese elektrische Energie in ein öffentliches Energienetz bzw. Stromnetz einzuspeisen. Dazu werden üblicherweise Wechselrichter eingesetzt, welche den von den Solarzellen der Photovoltaikanlage erzeugten elektrischen Gleichstrom in einen Wechselstrom wandeln. Dieser Wechselstrom kann dann in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden.
Um einen möglichst symmetrischen Wechselstrom in die öffentlichen Stromnetze einspeisen zu können, werden die Solarzellen oder Solarzellenstrings zum Beispiel direkt mit dem Wechselrichter gekoppelt. Dabei wird der negative Pol der Solarzellenanordnung mit dem negativen Pol des Wechselrichters und der positive Pol der Solarzellenanordnung mit dem positiven Pol des Wechselrichters gekoppelt. Problematisch bei dieser
Art der Verschaltung von Solarzelle und Wechselrichter ist, dass bei geringer Sonneneinstrahlung die von den Solarzellen erzeugte Gleichspannung unter Umständen zu gering ausfällt, um mit Hilfe des Wechselrichters einen Wechselstrom zu erzeugen, welcher dann in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann. Bei Wechselrichtertopologien mit gesplittetem Zwischenkreis (UZK+ und UZK-) muss die Spannung in dem negativen und dem positiven Zwischenkreis betragsmäßig größer als die Amplitude der Netzspannung sein. Bei 230 Volt Netzspannung beträgt die Amplitude 324V. Erzeugt die Solarzellenanordnung einer Photovoltaikanlage zum Beispiel eine Gleichspannung von weniger als 2*324V = 648V, kann die so gewonnene Gleichspannung durch einen Wechselrichter mit gesplittetem Zwischenkreis nicht mehr in eine 230V WechselSpannung gewandelt werden.
Aus diesem Grund werden zwischen der Solarzellenanordnung und dem Wechselrichter so genannte Hochsetzsteller eingesetzt, welche den Betrag der von der Solarzellenanordnung erzeugten Gleichspannung erhöhen. Damit ist die Erzeugung und Einspei- sung eines Wechselstroms für ein öffentliches Stromnetz auch dann möglich, wenn die Solarzellenanordnung eine betragsmäßig geringere Gleichspannung liefert, als sie für das öffentliche Stromnetz erforderlich ist.
Wird nun die Solarzellenanordnung mit dem Wechselrichter derart verbunden, dass der positive Pol der Solarzellenanordnung ein gegenüber der Bezugsmasse positives Potential aufweist und der negative Pol der Solarzellenanordnung ein gegenüber der Bezugsmasse negatives Potential aufweist, kann dies zu einer schleichenden Leistungsdegradation der Solarzellen auf Grund des so genannten PID Effektes führen. Die Ursache für diesen PID-Effekt liegt im Wesentlichen in dem negativen Po-
tential des negativen Pols der Solarzelle gegenüber dem Potential der Bezugsmasse, was zu unerwünschten Leckströmen führen kann. Insgesamt führt dies zu einer beschleunigten Alterung sowie einem signifikantem Leistungsverlust der Solarzellenanordnung.
Um das Auftreten dieses PID-Effektes zu verhindern, werden elektrische Schaltungen eingesetzt, welche das Spannungspotential des negativen Pols der Solarzelle anheben sollen, so dass dieses dem Potential der Bezugsmasse gleicht oder einen gegenüber dem Potential der Bezugsmasse positiven Wert annimmt .
Ein entsprechendes SchaltungsSystem ist beispielsweise in der DE 10 2007 050 554 AI beschrieben. Wird das Potential des positiven Pols der Solarzelle angehoben, so steigt auch das Potential des negativen Pols der Solarzelle.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Photovoltaikanlage mit einem positiven oder zumindest nicht negativen Potential des negativen Pols der Solarzelle gegenüber dem Potential der Bezugsmasse effizient an einem trafolosen Wechselrichter mit gesplittetem Zwischenkreis betreiben zu können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 8 und/oder durch eine Photovoltaikanlage mit den Merkmalen des Patentanspruches 11 gelöst.
Demgemäß ist vorgesehen:
Eine Schaltungsanordnung für elektrische Anlagen zum Wandeln und Anpassen einer Gleichspannung einer Spannungsquelle, insbesondere für einen Solarinverter einer Photovoltaikanlage, mit einem elektrischen Ausgang, welcher mit einem Wechselrichter koppelbar ist, wobei an dem elektrischen Ausgang ein Potential in einem positiven Zweig eines Zwischenkreises der elektrischen Anlage derart erhöhbar ist, dass ein Ausgangspotential eines negativen Pols der Spannungsquelle einen Wert größer dem Potential annimmt, welches der negative Pol vor dem Erhöhen aufweist, oder das Potential in einem negativen Zweig des Zwischenkreises der elektrischen Anlage derart senkbar ist, dass ein Ausgangspotential eines positiven Pols der Spannungsquelle einen Wert kleiner dem Potential annimmt, welches der positive Pol vor dem Senken aufweist, und mit einer Ausgleichsvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, im Betrieb der Sehaltungsanordnung die elektrische Leistung zwischen dem positiven Zweig des Zwischenkreises der elektrischen Anlage und dem negativen Zweig des Zwischenkreises der elektrischen Anlage auszugleichen.
Ferner ist vorgesehen
Ein Verfahren zum Betreiben von elektrischen Anlagen zum Wandeln und Anpassen einer Gleichspannung einer Spannungsquelle, insbesondere mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, mit den Schritten: Erhöhen eines Potentials in einem positiven Zweig des Zwischenkreises der elektrischen Anlage derart, dass ein Potential eines negativen Pols der Spannungsquelle einen Wert größer dem Potential annimmt, welches der negative Pol vor dem Erhöhen aufweist, oder Senken des Potentials in einem negativen Zweig des Zwischenkreises der elektrischen
Anlage derart, dass ein Ausgangspotential eines positiven Pols der Spannungsquelle einen Spannungswert kleiner dem Potential annimmt, welches der positive Pol vor dem Senken aufweist, und Ausgleichen der elektrischen Leistung zwischen dem positiven Zweig des Zwischenkreises der elektrischen Anlage und dem negativen Zweig des Zwischenkreises der elektrischen Anlage.
Schließlich ist vorgesehen:
Eine Photovoltaikanlage, mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass es nicht zwingenderweise notwendig ist, in dem Zwischenkreis symmetrische Spannungen bezüglich dem Potenzial der Bezugsmasse zu nutzen, um den Wirkungsgrad des Wechselrichters zu erhöhen.
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht nun darin, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Schaltungsanordnung vorzusehen, welche eben nicht die Potentiale des positiven und des negativen Zwischenkreiszweigs gegenüber einem Bezugspotential symmetrisch gestaltet. Vielmehr wird durch die Schaltungsanordnung der Betrag der elektrischen Leistung, welche dem positiven Gleichspannungs- anschluss des Wechselrichters zugeführt wird, dem Betrag der elektrischen Leistung angeglichen, welche dem negativen
Gleichspannungsanschluss des Wechselrichters zugeführt wird. Dies ermöglicht einen effizienten Betrieb des Wechselrichters auch bei asymmetrischen EingangsSpannungen des Wechselrichters .
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist zwei Betriebsarten auf. In der ersten Betriebsart werden symmetrische Zwi- schenkreisspannungen für den Wechselrichter bereitgestellt. Diese erste Betriebsart kann z.B. mit Solarmodulen verwendet werden, welche dem PID-Effekt nicht unterliegen. In dieser Betriebsart erreicht eine Solaranlage den maximalen Wirkungsgrad. Werden aber Solarmodule eingesetzt, welche dem PID- Effekt unterliegen (z.B. Dünnschicht-Solarmodule) und bei welchen folglich das Potential an dem negativen Pol der Solarmodule angehoben werden muss, wird die Schaltungsanordnung in der zweiten Betriebsart betrieben. Dabei wird die Schaltungsanordnung derart betrieben, dass durch den Inverter das Potential in dem positiven Zweig des Zwischenkreises erhöht wird, um das Potential am negativen Pol der Solarmodule gegenüber Bezugspotential positiv zu gestalten, oder das Potential in dem negativen Zweig des Zwischenkreises gesenkt wird, um das Potential am positiven Pol der Solarmodule gegenüber Bezugspotential negativ zu gestalten. Das Potential kann auch dem Bezugspotential entsprechen anstatt entweder größer oder kleiner als dieses zu sein.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ermöglicht es ferner, das Potential des negativen Zwischenkreiszweigs derart zu regeln, dass dieses gegenüber dem Bezugspotential unsymmetrisch zu dem Potential des positiven Zwischenkreiszweigs wird. Insbesondere regelt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung das Potential des negativen Zwischenkreiszweigs entsprechend der Netzspannung des öffentlichen Stromnetzes (z.B. 324V) . Dies ermöglicht es, bei einer Spannung der Solarzellen von z.B. 650V in der Schaltungsanordnung Halbleiterschalter einzusetzen, welche eine Spannungsfestigkeit von weniger als 1200V aufweisen (650V + 324V <= 1200V).
Um ein Einspeisen eines Gleichstromanteils in das öffentliche Stromnetz auf Grund der unsymmetrischen Spannungen in dem Zwischenkreis bzgl . dem Bezugspotential zu vermeiden, sieht die vorliegende Erfindung eine Ausgleichsvorrichtung vor, welche die Zweige des Zwischenkreises in Bezug auf die elektrische Leistung ausbalanciert. Anstelle mit einzelnen Solarzellen kann die Schaltungsanordnung mit einer Gruppe von Solarzellen, mit in Reihe und/oder parallel verschalteten Solarzellen, mit Solarzellenstrings oder dergleichen betrieben werden .
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
In einer Ausführungsform ist mindestens ein erster Hochsetzsteller vorgesehen, welcher dazu ausgebildet ist, den Betrag der Spannung zwischen dem negativen und dem positiven Pol der Spannungsquelle der elektrischen Anlage zu erhöhen und/oder an den Betrag einer Netzspannung eines öffentlichen Stromnetzes anzugleichen. Dies ermöglicht ein Einspeisen von durch die Spannungsquelle erzeugtem Strom auch dann, wenn die Spannung, welche die Spannungsquelle bereitstelle, kleiner ist, als eine Netzspannung des öffentlichen Stromnetzes.
In einer Ausführungsform weist die Ausgleichvorrichtung einen invertierenden Steller auf, welcher elektrisch mit dem positiven Zweig, dem negativen Zweig und einem ersten Knotenpunkt der elektrischen Anlage gekoppelt ist. Dies ermöglicht es, eine sehr effiziente und einfache Ausgleichsvorrichtung bereitzustellen.
In einer weiteren Ausführungsform weist der erste Knotenpunkt ein Bezugspotential auf. Ferner ist der invertierende Steller dazu ausgebildet, die elektrische Leistung in dem positiven Zweig und dem negativen Zweig gegenüber dem Bezugspotential auszugleichen. Dies ermöglicht es, die Schaltungsanordnung an unterschiedliche Bezugspotentiale und Anwendungsfälle anzupassen. In einer weiteren Ausführungsform kann anstelle eines invertierenden Stellers ein Inverswandler oder eine andere Art von DC/DC-Wandler eingesetzt werden.
In einer Ausführungsform ist der invertierende Steller elektrisch zwischen dem mindestens einem ersten Hochsetzsteller und einem elektrischen Ausgang der Sehaltungsanordnung angeordnet. Dies ermöglicht es, elektrische Leistung zwischen dem positiven Zweig des Zwischenkreises der elektrischen Anlage und dem negativen Zweig des Zwischenkreises der elektrischen Anlage mit einer einzelnen Ausgleichsvorrichtung auszugleichen, auch wenn eine Vielzahl von Solarzellen in der Pho- tovoltaikanlage eingesetzt wird. In solch einem Fall kann der erste Hochsetzsteller als Mehrkanal-Hochsetzsteller ausgeführt sein, der über mindestens zwei elektrisch parallel angeordnete Eingangsanschlüsse für Solarzellen verfügt. Anstelle einzelner Solarzellen können an den ersten Hochsetzsteller auch eine Serien- und/oder Parallelschaltung von Solarzellen und/oder mindestens ein Solarzellenstring oder Solarzellenarray angeschlossen werden.
In einer Ausführungsform weist der invertierende Steller einen steuerbaren Schalter und eine zu diesem in Serie angeordnete Diode in Sperrrichtung auf, welche elektrisch zwischen dem positiven Zweig und dem negativen Zweig angeordnet sind. Der steuerbare Schalter kann zum Beispiel ein MOSFET, IGBT,
JFET, Bipolartransistor oder anderer Leistungshalbleiter sein.
In noch einer weiteren Ausführungsform weist der invertierende Steller ein induktives Element (Spule, Induktivität) auf, welches elektrisch zwischen einem zweiten Knotenpunkt, welcher zwischen dem steuerbaren Schalter und der Diode geschaltet ist, und dem ersten Knotenpunkt angeordnet ist. Dies ermöglicht einen einfachen und wenig komplexen Aufbau des invertierenden Stellers .
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Ausgleichsvorrichtung eine Steuervorrichtung auf, welche dazu ausgebildet ist, den invertierenden Steller derart zu steuern, dass an einem positiven Ausgangsanschluss der Schaltungsanordnung die gleiche elektrische Leistung abgegeben wird, wie an einem negativen Ausgangsanschluss der Schaltungsanordnung. Die Steuervorrichtung kann zum Beispiel ein Mikroprozessor oder auch ein FPGA oder PLD enthalten. Der Einsatz einer solchen Steuervorrichtung ermöglicht eine sehr flexible Ansteuerung des invertierenden Stellers.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
INHALTSANGABE DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens ;
Fig. 3 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer er- findungsgemäßen Photovo11aikanlage;
Fig. 4 ein weiteres Blockdiagramm einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage .
Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausf hrungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts Anderes ausführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Die mit Bezugszeichen 1 bezeichnete Schaltungsanordnung weist eine Ausgleichsvorrichtung 4 auf. Die Ausgleichsvorrichtung 4 ist mit einem negativen Zweig 3 und einem positiven Zweig 5 des Zwischenkreises einer (in Fig. 1 nicht dargestellten) Photovol- taikanlage 24 gekoppelt.
Die Schaltungsanordnung 1 ist als diskrete elektrische Schaltungsanordnung 1 ausgebildet. In weiteren Ausführungsformen kann die Schaltungsanordnung 1 auch als integrierte elektronische Schaltungsanordnung 1 ausgebildet sein. In noch weiteren Ausführungsformen kann die Schaltungsanordnung 1 auch als Komponente eines Wechselrichters 14 ausgebildet sein.
Die Schaltungsanordnung 1 ist im gezeigten Beispiel für eine elektrische Gesamtleistung von maximal 10kW ausgebildet. In weiteren Ausführungsformen kann die Schaltungsanordnung 1 auch für eine elektrische Gesamtleistung von bis zu 1MW, insbesondere auch bis zu 100kW oder auch 1KW, ausgelegt sein.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Schaltungsanordnung 1 eine Steuervorrichtung auf, welche dazu ausgebildet ist, die AusgleichsVorrichtung 4 und falls vorhanden einen (nicht dargestellten) ersten Hochsetzsteller 2 zu steuern. Die Steuervorrichtung ist in einer Ausführungsform als Mikro- controller ausgebildet. In weiteren Ausführungsformen ist die Steuervorrichtung als Computerprogrammprodukt ausgebildet, welches auf einem MikroController ausgeführt wird. Das Computerprogrammprodukt kann dabei ein selbständig ablauffähiges Programm (Software) sein. In weiteren Ausführungsformen ist
das Computerprograitimprodukt als ein Computerprogrammprodukt- Modul ausgebildet, welches als Modul eines Betriebssystems ausgeführt wird.
In einer Ausführungsform weist die Steuervorrichtung eine Vielzahl von Sensoren zur Erfassung von Spannungen und Strömen auf, um die Ströme und Spannungen, welche von einzelnen Solarzellen bereitgestellt werden und welche in dem negativen Zweig 3 und dem positiven Zweig 5 des Zwischenkreises auftreten, zu erfassen und deren Wert zu bestimmen.
Ferner ist die Steuervorrichtung dazu ausgebildet, die Ausgleichsvorrichtung 4 derart zu steuern, dass an dem positiven Ausgangsanschluss der Schaltungsanordnung 1 die gleiche elektrische Leistung abgegeben wird, wie an einem negativen Ausgangsanschluss der Schaltungsanordnung 1.
Fig. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung einer Ausfüh- rungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt Sl wird ein Potential in einem positiven Zweig des Zwischenkreises der elektrischen Anlage 24 derart erhöht, dass ein Potential eines negativen Pols der Spannungsquelle 18 einen Wert größer dem Potential annimmt, welches der negative Pol vor dem Erhöhen aufweist, oder wird das Potential in einem negativen Zweig des Zwischenkreises der elektrischen Anlage 24 derart gesenkt, dass ein Ausgangspotential eines positiven Pols der Spannungsquelle 18 einen Spannungswert kleiner dem Potential annimmt, welches der positive Pol vor dem Senken aufweist. In einem zweiten Schritt S2 wird die elektrische Leistung zwischen dem positiven Zweig 5 des Zwischenkreises der elektrischen Anlage 24 und dem negativen Zweig 3 des Zwischenkreises der elektrischen Anlage 24 ausgeglichen.
Insbesondere wird in dem ersten Schritt das Potential des positiven Zweigs 5 des Zwischenkreises derart erhöht, dass das Potential an dem negativen Pol der Solarzelle größer oder gleich dem Potential einer Bezugsmasse, z.B. Erde, ist. Ferner wird in dem ersten Schritt die Spannung des negativen Zweigs 3 des Zwischenkreises an die Spannung des öffentlichen Stromnetzes angeglichen.
In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet das erfindungsgemäße Verfahren das parallele Erhöhen der von einer Vielzahl von Solarzellen bereitgestellten elektrischen Spannungen.
Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage 24. Die Photovoltaikan- lage 24 weist hier eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
1 auf .
Fig. 4 zeigt ein weiteres Blockdiagramm einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage 24. Die Photovoltaikanlage 24 ist gegenüber dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 schaltungstechnisch detaillierter dargestellt.
Die Photovoltaikanlage 24 in Fig. 4 weist eine Solarzelle 18 auf, welche mit einem ersten Hochsetzsteller 2 elektrisch gekoppelt ist. In Fig. 4 ist eine weitere Solarzelle 18 mit einem eigenen ersten Hochsetzsteller 2 eingezeichnet. Dass diese zweite und weitere Solarzellen ist vorgesehen, was durch zwei gestrichelt eingezeichnete Verbindungsleitungen, welche die die zweite Solarzelle 18 und deren ersten Hochsetzsteller
2 parallel zu der ersten Solarzelle 18 und deren ersten Hochsetzsteller 2 mit dem negativen Zweig 3 und dem positiven
Zweig 5 des Zwischenkreises der Photovoltaikanlage 24 koppeln, dargestellt ist.
Der erste Hochsetzsteller 2 kann z.B. ein Mehrkanal- Hochsetzsteller 2 sein, welcher für eine Vielzahl von Solarzellen 18 für jede Solarzelle 18 separat die AusgangsSpannung anpassen kann.
Die einzelnen Anordnungen aus Solarzellen 18 und entsprechenden ersten Hochsetzstellern 2 werden parallel geschaltet.
Dennoch ist weiterhin eine einzelne (nicht explizit dargestellte) Ausgleichsvorrichtung 4 ausreichend. Die (nicht explizit dargestellte) Ausgleichsvorrichtung in Fig. 4 weist einen invertierenden Steller 6 auf und ist zwischen den Solarzellen 18 mit den entsprechenden Hochsetzstellern 2 und dem Wechselrichter 14 mit den Zwischenkreiskondensatoren 22, 23 angeordnet.
Der Wechselrichter 14 weist drei Eingangsanschlüsse auf. Dabei ist der erste Zwischenkreiskondensator 22 zwischen dem positiven Eingangsanschluss des Wechselrichters 14 und dem Masseeingangsanschluss des Wechselrichters 14 angeordnet. Der zweite Zwischenkreiskondensator 23 ist zwischen dem Masseeingangsanschluss des Wechselrichters 14 und dem negativen Eingangsanschluss des Wechselrichters 14 angeordnet. In einer weiteren Ausführungsform weist der Wechselrichter 14 lediglich zwei Eingangsanschlüsse auf.
Ferner weist der Wechselrichter 14 drei Ausgangsanschlüsse auf, von denen jeder einer der drei Phasen 15-17 eines öffentlichen Stromnetzes entspricht. Die drei Phasen 15-17 sind an ihrem Knotenpunkt über einen Neutralleiter mit dem Masseeingangsanschluss des Wechselrichters 14 gekoppelt. Der
erste Knotenpunkt 7 ist ebenfalls mit dem Masseeingangsan- schluss des Wechselrichters 14 gekoppelt. In einer weiteren Ausführungsform weist der Wechselrichter 14 lediglich zwei Ausgangsanschlüsse oder einen Ausgangsanschluss auf. Ferner können auch in der Koppel1eitung zwischen Neutralleiter und dem Bezugspunkt 7 der Schaltungsanordnung 1 verschiedene Komponenten, wie z.B. Relais, Spulen und dergleichen angeordnet sein.
Die in Fig. 4 dargestellten ersten Hochsetzsteller 2 weisen jeweils ein induktives Element 20, wie etwa eine Spule, auf. Das induktive Element 20 ist zwischen dem negativen Pol der entsprechenden Solarzelle 18 und einer in Sperrrichtung angeordneten Diode 21 angeordnet. Ferner ist in den ersten Hochsetzstellern jeweils ein Schalter 19 vorgesehen, welcher den Knotenpunkt zwischen Induktivität 20 und Diode 21 mit dem positiven Pol der Solarzelle 18 und dem positiven Zweig 5 des Zwischenkreises der Photovoltaikanlage 24 koppelt. Der Schalter 19 sei zum Beispiel ein Halbleiterschalter, wie etwa ein MOSFET, JFET, Bipolartransistor oder dergleichen. Die Anode der Diode 21 ist mit dem negativen Zweig 3 des Zwischenkreises der Photovoltaikanlage 24 gekoppelt.
In Fig. 4 weist die (nicht explizit dargestellte) Ausgleichsvorrichtung 4 einen invertierender Steller 6 auf. Der invertierende Steller 6 weist einen steuerbaren Schalter 9 und eine zu diesem in Serie angeordnete Diode 10 in Sperrrichtung auf, welche elektrisch zwischen dem positiven Zweig 5 und dem negativen Zweig 3 angeordnet sind.
Ferner weist der invertierende Steller 6 eine Induktivität 11 auf, welche elektrisch zwischen einen zweiten Knotenpunkt 12,
welcher zwischen dem Schalter 9 und der Diode 10 angeordnet ist, und dem ersten Knotenpunkt 7 angeordnet ist.
Der invertierende Steller, auch Inverswandler genannt, entnimmt in einem ersten Schritt Energie aus dem positiven Zwi- schenkreiszweig 5. In diesem ersten Schritt ist der Schalter 9 geschlossen. In einem zweiten Schritt überträgt der Inverswandler die entnommene Energie in den negativen Zweig 3 des Zwischenkreises. Dazu wird der Schalter 9 geöffnet.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
Bezugszeichenliste
1 Scha11ungsanordnung
2 Hochsetzstel1er
3 negativer Zweig
4 Ausgleichsvorrichtung
5 positiver Zweig
6 invertierender Steller
7 Knotenpunkt
8 elektrischer Ausgang
9, 19 steuerbarer Schalter
10 Diode
11, 20 induktives Element, Spule
12 Knotenpunkt
14 Wechselrichter
15 - 17 Phasen
18 Solarzelle
21 Diode
22, 23 Kondensatoren
24 Photovoltaikanlage
Sl, S2 Verfahrensschritte
Claims
1. Schaltungsanordnung (1) für elektrische Anlagen zum Wandeln und Anpassen einer Gleichspannung einer Spannungsquelle, insbesondere für einen Solarinverter einer Photovoltaikanlage (24) , mit einem elektrischen Ausgang (8), welcher mit einem Wechselrichter (14) koppelbar ist, wobei an dem elektrischen Ausgang (8) ein Potential in einem positiven Zweig eines Zwischenkreises der elektrischen Anlage (24) derart erhöhbar ist, dass ein Ausgangspotential eines negativen Pols der Spannungsquelle (18) einen Wert größer dem Potential annimmt, welches der negative Pol vor dem Erhöhen aufweist, oder das Potential in einem negativen Zweig des Zwischenkreises der elektrischen Anlage (24) derart senkbar ist, dass ein Ausgangspotential eines positiven Pols der Spannungsquelle (18) einen Wert kleiner dem Potential annimmt, welches der positive Pol vor dem Senken aufweist, mit einer Ausgleichsvorrichtung (4) , die dazu ausgebildet ist, im Betrieb der Sehaltungsanordnung (1) die elektrische Leistung zwischen dem positiven Zweig (5) des Zwischenkreises der elektrischen Anlage (24) und dem negativen Zweig (3) des Zwischenkreises der elektrischen Anlage (24) auszugleichen.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennz e i chne t ,
dass mindestens ein erster Hochsetzsteller (2) vorgesehen ist, welcher dazu ausgebildet ist, den Betrag der Spannung zwischen dem negativen und dem positiven Pol der Spannungsquelle (18) der elektrischen Anlage (24) zu erhöhen und/oder an den Betrag einer Netzspannung eines öffentlichen Stromnetzes anzugleichen.
3. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Ausgleichvorrichtung (4) einen invertierenden Steller (6) aufweist, welcher elektrisch mit dem positiven Zweig (5), dem negativen Zweig (3) und einem ersten Knotenpunkt (7) der elektrischen Anlage (24) gekoppelt ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Knotenpunkt (7) im Betrieb der Schaltungsanordnung (1) ein Bezugspotential aufweist und dass der invertierende Steller (6) dazu ausgebildet ist, die elektrische Leistung in dem positiven Zweig (5) und dem negativen Zweig (3) gegenüber dem Bezugspotential auszugleichen.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet ,
dass der invertierende Steller (6) elektrisch zwischen dem ersten Hochsetzsteller (2) und einem elektrischen Ausgang (8) der Schaltungsanordnung (1) angeordnet ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet ,
dass der invertierende Steller (6) einen steuerbaren Schalter (9) und eine zu dessen gesteuerten Pfad in Serie angeordnete Diode (10) in Sperrrichtung aufweist, welche elektrisch zwischen dem positiven Zweig (5) und dem negativen Zweig (3) angeordnet sind.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6,
dadurch gekennze i chnet ,
dass der invertierende Steller (6) ein induktives Element
(11) aufweist, welches elektrisch zwischen einem zweiten Knotenpunkt (12), welcher zwischen dem Schalter (9) und der Diode (10) angeordnet ist, und dem ersten Knotenpunkt (7) angeordnet ist.
8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennz e i chnet ,
dass die AusgleichsVorrichtung (4) eine Steuervorrichtung aufweist, welche dazu ausgebildet ist, den invertierenden Steller (6) derart zu steuern, dass an einem positiven Aus- gangsanschluss der Schaltungsanordnung (1) die gleiche elektrische Leistung abgebbar ist, wie an einem negativen Ausgangsanschluss der Schaltungsanordnung (1) .
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennz e i chnet ,
dass die Ausgleichvorrichtung (4) einen DC/DC-Wandler aufweist, welcher elektrisch mit dem positiven Zweig (5), dem negativen Zweig (3) und einem ersten Knotenpunkt (7) der elektrischen Anlage (24) gekoppelt ist.
10. Verfahren zum Betreiben von elektrischen Anlagen (24), insbesondere eines Solarinverters einer Photovoltaikanlage (24) , insbesondere mit einer Schaltungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, mit den Schritten:
Erhöhen (Sl) eines Potentials in einem positiven Zweig (5) des Zwischenkreises der elektrischen Anlage (24) derart, dass ein Potential eines negativen Pols der Spannungsquelle (18) einen Wert größer dem Potential annimmt, welches der negative Pol vor dem Erhöhen aufweist, oder Senken des Potentials in einem negativen Zweig (3) des Zwischenkreises der elektrischen Anlage (24) derart, dass ein Ausgangspotential eines positiven Pols der Spannungsquelle (18) einen Spannungswert kleiner dem Potential annimmt, welches der positive Pol vor dem Senken aufweist;
Ausgleichen (S2) der elektrischen Leistung zwischen dem positiven Zweig (5) des Zwischenkreises der elektrischen Anlage (24) und dem negativen Zweig (3) des Zwischenkreises der elektrischen Anlage (24) .
11. Verfahren nach Anspruch 10,
wobei ferner der Betrag der Spannung zwischen dem negativen und dem positiven Pol der Spannungs uelle (18) der elektrischen Anlage (24) erhöht oder an eine Netzspannung eines öffentlichen Stromnetzes angeglichen wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 und 11,
dadurch gekennzeichnet ,
dass beim Ausgleichen der elektrischen Leistung die elektrische Leistung in dem positiven Zweig (5) und dem negativen Zweig (3) gegenüber einem Bezugspotential durch einen invertierenden Steller (6) ausgeglichen wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass der invertierende Steller (6) derart gesteuert wird, dass an einem positiven Ausgangsanschluss der Schaltungsanordnung (1) die gleiche elektrische Leistung abgegeben wird, wie an einem negativen Ausgangsanschluss der Schaltungsanordnung (1) .
14. Photovoltaikanlage (24),
mit einer Schaltungsanordnung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 9.
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