WO2014037297A1 - Method for increasing the service life of the intermediate circuit capacitor of an electric system which has an inverter, electric system, and control unit for an electric system - Google Patents

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WO2014037297A1
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phase shift
electrical system
capacitor
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Martin Neuburger
Konstantin Spanos
Thomas Plum
Hartmut STEINBUCH
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for increasing the life of the DC link capacitor of an inverter having electrical system, an electrical system and a control unit for an electrical system.
  • Inverters have the task of converting energy taken from a DC voltage source into an AC voltage.
  • the stabilization unit is often realized by one or more interconnected boost converter.
  • boost converters one or more buck converters or a combination of the two aforementioned units is used as the stabilization unit.
  • a DC link is provided between the stabilization unit and the inverter, which has a DC link capacitor, which serves as an energy store.
  • This DC link capacitor is electrically connected both to the output of the stabilization unit and to the input of the inverter so that it can be used by both the stabilizer unit and the inverter.
  • this DC link capacitor is a cost-intensive component with up to 20 percent of the total cost of the photovoltaic system.
  • a converter which is connected to a charge storage having voltage intermediate circuit.
  • This converter contains a half-bridge circuit or a bridge circuit, which is a component of a module arranged in a housing.
  • the charge storage device has a plurality of DC link capacitors, one of which, several or all are also an integral part of the module. This is intended to reduce the occurrence of overvoltages, improve the electromagnetic compatibility, increase switching speeds with low switching losses in the semiconductor switches, and reduce or eliminate a busbar.
  • the electrical device described therein comprises at least one input with a positive input terminal and a negative input terminal and at least one inverter with at least one positive input and at least one negative input.
  • a positive voltage is built up at the positive input of the inverter in comparison with the earth potential.
  • a negative voltage is established at the negative input of the inverter during operation in relation to the earth potential.
  • the electrical device comprises at least one boost converter, which is arranged between the negative input terminal and the negative input of the inverter, and a DC link. Disclosure of the invention
  • a method with the features specified in claim 1 allows an increase in the life of the DC link capacitor of an inverter having electrical system.
  • an adaptive load reduction routine is carried out individually for each specific electric system.
  • a phase shift of the output signals of the components of the voltage stabilizer arranged parallel to one another is carried out and it is determined at which phase shift the load of the intermediate circuit capacitor is minimized with regard to its service life. This phase shift is used in the subsequent operation of the electrical system.
  • the optimization described above takes place in an advantageous manner exclusively in the modulation and is independent of the controller of the electrical system feasible. It is preferably carried out as part of the initial commissioning of the electrical system, so that each installed electrical system can already be operated from this time with optimized load spectrum for the DC link capacitor.
  • the above-mentioned optimization additionally causes a minimization of the DC link voltage ripple.
  • the efficiency of the electrical system is increased and improves the electromagnetic compatibility of the electrical system.
  • the electrical system is for example a
  • Photovoltaic system a wind turbine, a Meeresenergie portlä- ge, a voltage converter, a charger or an electric drive system.
  • the following exemplary explanation of the invention is based on a photovoltaic system and with reference to the drawing. It is understood that the features, properties and advantages of the method according to the invention corresponding to the control unit according to the invention and vice versa or apply to the electrical system or are applicable.
  • FIG. 1 shows a block diagram for illustrating a
  • Figure 2 is a block diagram illustrating the interconnection of two boost converter with a DC link capacitor and an inverter
  • Figure 4 is a diagram illustrating RMS currents in the DC link capacitor as a function of the number of boost converters used
  • Figure 5 is a diagram illustrating two current-voltage characteristics for different temperatures of the photovoltaic generator.
  • the invention relates, according to the embodiment described below, a method for increasing the life of the DC link capacitor of an electrical system, for example a photovoltaic system.
  • a photovoltaic generator which is the input side connected to the electrical system.
  • This photovoltaic system has an inverter, an inverter, an Circuit capacitor having DC link and a multi-component voltage stabilizer.
  • an adaptive load reduction routine controlled by a control unit is carried out individually for the photovoltaic system. In this case, the output currents of the several components of the
  • Voltage stabilizer phase shifted relative to each other With regard to each phase shift, the DC link current is determined. For the operation of the photovoltaic system that phase shift is selected in which the load of the DC link capacitor is minimized.
  • FIG. 1 shows a block diagram for illustrating a
  • Photovoltaic system in which a method according to the invention can be used.
  • this photovoltaic system 1 is an input side
  • Photovoltaic generator 2 connectable, which is a solar panel having a plurality of solar panels.
  • the photovoltaic generator 2 provides a DC voltage at its output.
  • This DC voltage is subject to undesirable fluctuations in operation of the photovoltaic system.
  • a voltage stabilizer 3 at the output of a stabilized DC voltage is provided.
  • This is supplied to an inverter 5 via a DC link 4, which has a DC link capacitor 4a.
  • This is provided for converting the DC voltage provided to it into an AC voltage. He provides this AC voltage at its output. From there, the AC voltage is fed into an unillustrated AC mains.
  • the voltage stabilizer 3 shown in FIG. 1 has a plurality of components. For example, it contains two or more output side parallel boost converter. Alternatively, it may also have two or more output side connected in parallel buck converter. A further alternative consists in that the voltage stabilizer has one or more boost converters and one or more buck converters whose outputs are connected in parallel are. The common goal of these components is always to stabilize the DC voltage provided by the photovoltaic generator.
  • the boost converter 3a is the
  • Photovoltaic generator on the input side a DC voltage DC1 provided, the boost converter 3b, a DC voltage DC2.
  • the outputs of the boost converters 3a and 3b are connected to one another in each case, so that a stabilized DC voltage is applied to the terminals of the DC link capacitor 4a of the DC link 4.
  • This is provided to the inverter 5, which converts this stabilized DC voltage into an AC voltage AC output at the output of the inverter 5.
  • the DC link capacitor 4a is charged by means of the stabilized DC voltage supplied by the photovoltaic generator 2 and discharged again via the inverter 5, which converts the DC voltage into an AC voltage.
  • This charging and discharging of the intermediate circuit capacitor 4a can be simplified by a Rippeistrom represent. This will be illustrated below with reference to FIG.
  • FIG. 3 shows diagrams for explaining a phase shift between the output currents of two boost converters connected in parallel on the output side and their effects on the current in the intermediate circuit capacitor.
  • the boost converter 3a shown in FIG. 3 has a choke L1 whose one terminal is connected to a positive input + and whose other terminal is connected via a diode D1 to the upper terminal of the DC link capacitor 4a in FIG.
  • the negative input - of the boost converter 3a is connected to the lower terminal of the DC link capacitor 4a.
  • the boost converter 3a has a switch S1 provided between the connection point between the reactor L1 and the diode D1 and the lower terminal of the intermediate circuit capacitor 4a.
  • the boost converter 3b has a throttle L2, whose one terminal is connected to a positive input + and whose other terminal is connected via a diode D2 to the upper terminal of the intermediate circuit capacitor 4a in FIG.
  • the negative input - of the boost converter 3b is connected to the lower terminal of the DC link capacitor 4a. Furthermore, the boost converter 3b has a switch S2 provided between the connection point between the reactor L2 and the diode D2 and the lower terminal of the intermediate circuit capacitor 4a.
  • the switches S1 and S2 are controlled by the control unit 6 shown in FIG. 1 and have the task of carrying out a phase shift of the output currents of the two boost converters relative to each other in the sense of modifying the modulation.
  • FIG. 3b shows on its left side that the switches S1 and S2 are clocked out of phase by 180 °.
  • the current ⁇ flowing through the intermediate circuit capacitor behaves as a function of time, with .lambda the intermediate circuit current caused by the first step-up converter 3a, I2 the DC link current produced by the second step-up converter 3b, and I3 the resulting capacitor current.
  • a comparison of the right diagram of Figure 3a with the right diagram of Figure 3b shows that the resulting current at a phase shift of 180 ° is substantially smaller than in a common timing of S1 and S2.
  • FIG. 4 shows a diagram for illustrating effective currents in the DC link capacitor as a function of the number of boost converters of a voltage stabilizer used and as a function of the input voltage of the inverter. From Figure 4 it can be seen that a use of several boost converter leads to reduced RMS currents in the DC link capacitor.
  • the presented cases are generalized in order to determine a procedure for an optimized modulation with a resulting minimum current in the DC link capacitor.
  • the parameters to be considered include the number of components of the voltage stabilizer, the interconnection of the components of the voltage stabilizer, the design of the components of the voltage stabilizer, the input voltage of the components of the voltage stabilizer, the ambient temperature and the output voltage of the components of the voltage stabilizer.
  • FIG. 5 shows a diagram for illustrating two current-voltage characteristics for different temperatures. These curves describe the typical current-voltage behavior of
  • Photovoltaic generators The maximum power can be any power.
  • Photovoltaic generator at the inflection point KN of the characteristic curve, represented by the operating points of the maximum power, are removed.
  • Investigations of the photovoltaic generator including its influence on a voltage stabilizer connected to it have shown that the influence of the temperature of the photovoltaic generator has a negligible influence on the voltage stabilizer connected to it.
  • This allows the simplification of the input voltage of the voltage stabilizer, i. H. the input voltages of its components, with unchanged installation for the respective site as quasi-constant. Therefore, for an installed concrete photovoltaic system, a power variation can be interpreted as a current variation.
  • the operating point of the boost converter of a voltage stabilizer can change such that the current in the chokes of the boost converter expires periodically, so that there is a gaping operation. Since this happens in the range of low power, these operating points for the dimensioning of the DC link capacitor are only of minor importance. Rather, a linear correlation of the DC link ripple current with the power output by the photovoltaic generator can be used for the dimensioning of the DC link capacitor. This linear dependence makes it possible, with a constant modulation, to achieve optimum control over the entire operating range with respect to the DC link capacitor, provided that the installation of the photovoltaic system remains unchanged.
  • the current profile is determined at which the lowest load of the intermediate circuit capacitor occurs in terms of its life.
  • a simplification of the method described above is to determine the effective DC link current for the different phase shifts, to compare the determined effective currents with one another and to use the phase shift corresponding to the lowest effective current for the subsequent operation of the photovoltaic system.
  • the most suitable phase shift between the output currents of the boost converter is stored and used for the subsequent operation of the photovoltaic system.
  • the control unit controlled load reduction routine in which the output currents of the plurality of components of the voltage stabilizer are relatively phase-shifted with respect to each phase shift of DC link current is determined and the phase shift is selected for the subsequent operation of the photovoltaic system, in which the load of the DC link capacitor is minimized in terms of its life.
  • a Fourier transformation of the detected intermediate circuit currents preferably takes place. Given that the clock frequency is kept constant, the modulation type associated with the minimum amplitude of the Fourier transform may be used for the present clock frequency as the most suitable modulation pattern associated with a particular phase shift between the output currents of the components of the voltage stabilizer.
  • an optimization according to the invention can also be made via a determination of the effective DC link currents using an already existing current measurement and using a relative comparison.
  • the MPP efficiency i. the measure with which the of
  • Photovoltaic generator offered power is reduced, and on the other hand also a reduced conducted emissions and a concomitant reduced filter effort for compliance with the electromagnetic compatibility requirements.

Abstract

The invention relates to a method for increasing the service life of the intermediate circuit capacitor of an electric system which has an inverter, a DC voltage source, an intermediate circuit that has an intermediate circuit capacitor, and a voltage stabilizer that has multiple components. In order to reduce the load on the intermediate circuit capacitor, a load reducing routine is carried out individually for the electric system. In the load reducing routing, the output currents of the multiple components of the voltage stabilizer are phase-shifted relative to one another, the intermediate circuit current is ascertained with respect to each phase shift, and the phase shift with which the load on the intermediate circuit capacitor is minimized is selected for operating the electric system. The invention further relates to an electric system and a control unit for an electric system.

Description

Beschreibung  description
Titel title
Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer des Zwischenkreiskondensators einer einen Wechselrichter aufweisenden elektrischen Anlage, elektrische Anlage und Steuereinheit für eine elektrische Anlage A method for increasing the life of the DC link capacitor of an inverter having electrical system, electrical system and control unit for an electrical system
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer des Zwischenkreiskondensators einer einen Wechselrichter aufweisenden elektrischen Anlage, eine elektrische Anlage und eine Steuereinheit für eine elektrische Anlage. The invention relates to a method for increasing the life of the DC link capacitor of an inverter having electrical system, an electrical system and a control unit for an electrical system.
Stand der Technik State of the art
Wechselrichter haben die Aufgabe, einer Gleichspannungsquelle entnommene Energie in eine Wechselspannung umzuwandeln. Inverters have the task of converting energy taken from a DC voltage source into an AC voltage.
In realen Anwendungen ist die Eingangsspannung eines Wechselrichters oftmals nicht konstant. Dies hat negative Auswirkungen auf den Wirkungsgrad des jeweiligen Wechselrichters. Um diesen negativen Auswirkungen entgegenzuwirken ist es bereits bekannt, dem Wechselrichter zur Spannungsstabilisierung eine Span- nungsstabilisierungseinheit vorzuschalten. In real applications, the input voltage of an inverter is often not constant. This has a negative effect on the efficiency of the respective inverter. To counteract these negative effects, it is already known to connect a voltage stabilization unit to the inverter for voltage stabilization.
Handelt es sich bei dem Wechselrichter um einen Bestandteil einer Is it the inverter is part of a
Photovoltaikanlage, dann wird die Stabilisierungseinheit oftmals durch einen oder mehrere miteinander verschaltete Hochsetzsteller realisiert. Alternativ dazu ist es auch möglich, dass anstelle eines oder mehrerer Hochsetzsteller ein oder mehrere Tiefsetzsteller oder eine Kombination beider vorgenannter Einheiten als Stabilisierungseinheit verwendet wird. Bei einer derartigen Anwendung ist zwischen der Stabilisierungseinheit und dem Wechselrichter ein Zwischenkreis vorgesehen, der einen Zwischenkreiskondensator aufweist, welcher als Energiespeicher dient. Dieser Zwischenkreiskondensator ist elektrisch sowohl mit dem Ausgang der Stabilisierungseinheit als auch mit dem Eingang des Wechselrichters verbunden, so dass er sowohl von der Stabilisierungseinheit als auch vom Wechselrichter verwendet werden kann. Typischerweise handelt es sich bei diesem Zwischenkreiskondensator um eine kostenintensive Komponente mit bis zu 20 Prozent der Gesamtkosten der Photovoltaikanlage. Der Auslegung des Zwischenkreiskondensators kommt folg- lieh bei dem Bestreben, die Kosten der Photovoltaikanlage niedrig zu halten, eine besondere Bedeutung zu. Bei dieser Auslegung des Zwischenkreiskondensators wird üblicherweise darauf geachtet, dass eine Optimierung in dem Sinne erfolgt, dass der Zwischenkreiskondensator entsprechend dem Lastkollektiv und den im Betrieb vorliegenden funktionellen Anforderungen eine vorgegebene Lebensdau- er erreicht. Photovoltaic system, then the stabilization unit is often realized by one or more interconnected boost converter. Alternatively, it is also possible that, instead of one or more boost converters, one or more buck converters or a combination of the two aforementioned units is used as the stabilization unit. In such an application, a DC link is provided between the stabilization unit and the inverter, which has a DC link capacitor, which serves as an energy store. This DC link capacitor is electrically connected both to the output of the stabilization unit and to the input of the inverter so that it can be used by both the stabilizer unit and the inverter. Typically, this DC link capacitor is a cost-intensive component with up to 20 percent of the total cost of the photovoltaic system. The interpretation of the DC link capacitor is consequently lien in the effort to keep the cost of the photovoltaic system low, a special importance. With this design of the intermediate circuit capacitor, care is usually taken that optimization takes place in the sense that the intermediate circuit capacitor reaches a predetermined service life in accordance with the load spectrum and the functional requirements present during operation.
Aus der DE 100 62 075 A1 ist ein Umrichter bekannt, welcher mit einem einen Ladungsspeicher aufweisenden Spannungszwischenkreis verbunden ist. Dieser Umrichter enthält eine Halbbrücken- oder eine Brückenschaltung, welche Be- standteil eines in einem Gehäuse angeordneten Moduls ist. Der Ladungsspeicher weist mehrere Zwischenkreiskondensatoren auf, von denen einer, mehrere oder alle ebenfalls integrierter Bestandteil des Moduls sind. Dadurch soll eine Reduzierung von auftretenden Überspannungen, eine Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit, eine Erhöhung von Schaltgeschwindigkeiten bei geringen Schaltverlusten in den Halbleiterschaltern und eine Verkleinerung oder ein Entfall einer Busbar erreicht werden. From DE 100 62 075 A1 a converter is known, which is connected to a charge storage having voltage intermediate circuit. This converter contains a half-bridge circuit or a bridge circuit, which is a component of a module arranged in a housing. The charge storage device has a plurality of DC link capacitors, one of which, several or all are also an integral part of the module. This is intended to reduce the occurrence of overvoltages, improve the electromagnetic compatibility, increase switching speeds with low switching losses in the semiconductor switches, and reduce or eliminate a busbar.
Aus der EP 2 158 671 B1 ist eine trafolose Wechselrichtereinheit für Dünnfilm- Solarpaneele bekannt. Die dort beschriebene elektrische Einrichtung umfasst mindestens einen Eingang mit einem positiven Eingangsanschluss und einem negativen Eingangsanschluss sowie mindestens einen Wechselrichter mit mindestens einem positiven Eingang und mindestens einem negativen Eingang. Am positiven Eingang des Wechselrichters wird im Betrieb eine gegenüber dem Erdpotential positive Spannung aufgebaut. Am negativen Eingang des Wechselrich- ters wird im Betrieb eine gegenüber dem Erdpotential negative Spannung aufgebaut. Zwischen dem positiven Eingangsanschluss und dem positiven Eingang des Wechselrichters besteht eine im Wesentlichen spannungsverlustfreie Verbindung. Des Weiteren umfasst die elektrische Einrichtung mindestens einen Hochsetzsteller, welcher zwischen dem negativen Eingangsanschluss und dem negativen Eingang des Wechselrichters angeordnet ist, sowie einen Zwischenkreis. Offenbarung der Erfindung From EP 2 158 671 B1 a transformerless inverter unit for thin-film solar panels is known. The electrical device described therein comprises at least one input with a positive input terminal and a negative input terminal and at least one inverter with at least one positive input and at least one negative input. During operation, a positive voltage is built up at the positive input of the inverter in comparison with the earth potential. During operation, a negative voltage is established at the negative input of the inverter during operation in relation to the earth potential. There is a substantially voltage loss-free connection between the positive input terminal and the positive input of the inverter. Furthermore, the electrical device comprises at least one boost converter, which is arranged between the negative input terminal and the negative input of the inverter, and a DC link. Disclosure of the invention
Ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen ermöglicht eine Erhöhung der Lebensdauer des Zwischenkreiskondensators einer einen Wechselrichter aufweisenden elektrischen Anlage. Zu diesem Zweck wird für die jeweils konkret vorliegende elektrische Anlage individuell eine adaptive Belas- tungsreduzierungsroutine durchgeführt. Im Rahmen dieser Belastungsreduzie- rungsroutine wird eine Phasenverschiebung der Ausgangssignale der parallel zueinander angeordneten Komponenten des Spannungsstabilisators durchgeführt und ermittelt, bei welcher Phasenverschiebung die Belastung des Zwischenkreiskondensators im Hinblick auf dessen Lebensdauer minimiert ist. Diese Phasenverschiebung wird im nachfolgenden Betrieb der elektrischen Anlage verwendet. A method with the features specified in claim 1 allows an increase in the life of the DC link capacitor of an inverter having electrical system. For this purpose, an adaptive load reduction routine is carried out individually for each specific electric system. As part of this load reduction routine, a phase shift of the output signals of the components of the voltage stabilizer arranged parallel to one another is carried out and it is determined at which phase shift the load of the intermediate circuit capacitor is minimized with regard to its service life. This phase shift is used in the subsequent operation of the electrical system.
Die vorstehend beschriebene Optimierung findet in vorteilhafter Weise ausschließlich in der Modulation statt und ist unabhängig vom Regler der elektrischen Anlage durchführbar. Sie wird vorzugsweise im Rahmen der Erstinbetriebnahme der elektrischen Anlage durchgeführt, so dass die jeweils installierte elektrische Anlage bereits ab diesem Zeitpunkt mit optimiertem Lastkollektiv für den Zwischenkreiskondensator betrieben werden kann. The optimization described above takes place in an advantageous manner exclusively in the modulation and is independent of the controller of the electrical system feasible. It is preferably carried out as part of the initial commissioning of the electrical system, so that each installed electrical system can already be operated from this time with optimized load spectrum for the DC link capacitor.
In vorteilhafter Weise bewirkt die vorstehend angegebene Optimierung zusätzlich eine Minimierung der Zwischenkreis-Spannungsrippel. Dadurch wird der Wirkungsgrad der elektrischen Anlage erhöht und die elektromagnetische Verträglichkeit der elektrischen Anlage verbessert. Advantageously, the above-mentioned optimization additionally causes a minimization of the DC link voltage ripple. As a result, the efficiency of the electrical system is increased and improves the electromagnetic compatibility of the electrical system.
Bei der elektrischen Anlage handelt es sich beispielsweise um eine The electrical system is for example a
Photovoltaikanlage, eine Windkraftanlage, eine Meeresenergiegewinnungsanla- ge, eine Spannungswandleranlage, einen Charger oder um eine elektrische Antriebsanlage. Die nachfolgende beispielhafte Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand einer Photovoltaikanlage und anhand der Zeichnung. Es versteht sich, dass die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechend auf die erfindungsgemäße Steuereinheit und umgekehrt beziehungsweise auf die elektrische Anlage zutreffen beziehungsweise anwendbar sind. Photovoltaic system, a wind turbine, a Meeresenergiegewinnlä- ge, a voltage converter, a charger or an electric drive system. The following exemplary explanation of the invention is based on a photovoltaic system and with reference to the drawing. It is understood that the features, properties and advantages of the method according to the invention corresponding to the control unit according to the invention and vice versa or apply to the electrical system or are applicable.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts anderes ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. Es versteht sich, dass Komponenten und Elemente in den Zeichnungen aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht notwendigerweise maßstabsgetreu wiedergegeben sind. Further features and advantages of embodiments of the invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying drawings. In the figures, identical and functionally identical elements, features and components - unless otherwise stated - each provided with the same reference numerals. It is understood that components and elements in the drawings are not necessarily drawn to scale for the sake of clarity.
Weitere mögliche Ausgestaltungen und Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombination von zuvor oder im Folgenden beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Es zeigt Figur 1 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer Further possible embodiments and further developments and implementations of the invention also include not explicitly mentioned combination of previously or subsequently described features of the invention. FIG. 1 shows a block diagram for illustrating a
Photovoltaikanlage, Figur 2 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung der Verschaltung zweier Hochsetzsteller mit einem Zwischenkreiskondensator und einem Wechselrichter, Figur 3 Darstellungen zur Erläuterung der Phasenverschiebung zwischen den Ausgangsströmen zweier Hochsetzsteller und deren Auswirkung auf den Strom im Zwischenkreiskondensator, Figur 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung von Effektivströmen im Zwischenkreiskondensator in Abhängigkeit von der Anzahl der verwendeten Hochsetzsteller und Figur 5 ein Diagramm zur Veranschaulichung zweier Strom-Spannungs-Kennlinien für unterschiedliche Temperaturen des Photovoltaikgenerators.  Figure 2 is a block diagram illustrating the interconnection of two boost converter with a DC link capacitor and an inverter, Figure 3 representations to explain the phase shift between the output currents of two boost converters and their effect on the current in the DC link capacitor, Figure 4 is a diagram illustrating RMS currents in the DC link capacitor as a function of the number of boost converters used and Figure 5 is a diagram illustrating two current-voltage characteristics for different temperatures of the photovoltaic generator.
Die Erfindung betrifft gemäß dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel ein Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer des Zwischenkreiskondensa- tors einer elektrischen Anlage, beispielsweise einer Photovoltaikanlage. Als Energie- und Gleichspannungs dient in diesem Ausführungsbeispiel somit ein Photovoltaikgenerator, der eingangsseitig an die elektrische Anlage anschließbar ist. Diese Photovoltaikanlage weist einen Wechselrichter, einen einen Zwischen- kreiskondensator aufweisenden Zwischenkreis und einen mehrere Komponenten aufweisenden Spannungsstabilisator auf. Zur Erhöhung der Lebensdauer des Zwischenkreiskondensators wird für die Photovoltaikanlage individuell eine von einer Steuereinheit gesteuerte adaptive Belastungsreduzierungsroutine durchge- führt. Bei dieser werden die Ausgangsströme der mehreren Komponenten desThe invention relates, according to the embodiment described below, a method for increasing the life of the DC link capacitor of an electrical system, for example a photovoltaic system. As a power and DC voltage is used in this embodiment thus a photovoltaic generator, which is the input side connected to the electrical system. This photovoltaic system has an inverter, an inverter, an Circuit capacitor having DC link and a multi-component voltage stabilizer. To increase the service life of the intermediate circuit capacitor, an adaptive load reduction routine controlled by a control unit is carried out individually for the photovoltaic system. In this case, the output currents of the several components of the
Spannungsstabilisators relativ zueinander phasenverschoben. Bezüglich jeder Phasenverschiebung wird der Zwischenkreisstrom ermittelt. Für den Betrieb der Photovoltaikanlage wird diejenige Phasenverschiebung ausgewählt, bei welcher die Belastung des Zwischenkreiskondensators minimiert ist. Voltage stabilizer phase shifted relative to each other. With regard to each phase shift, the DC link current is determined. For the operation of the photovoltaic system that phase shift is selected in which the load of the DC link capacitor is minimized.
Die Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer FIG. 1 shows a block diagram for illustrating a
Photovoltaikanlage, bei welcher ein Verfahren gemäß der Erfindung verwendet werden kann. An diese Photovoltaikanlage 1 ist eingangsseitig ein Photovoltaic system in which a method according to the invention can be used. At this photovoltaic system 1 is an input side
Photovoltaikgenerator 2 anschliessbar, bei dem es sich um ein eine Vielzahl von Solarzellen aufweisendes Solarpanel handelt. Der Photovoltaikgenerator 2 stellt an seinem Ausgang eine Gleichspannung zur Verfügung. Diese Gleichspannung ist im Betrieb der Photovoltaikanlage unerwünschten Schwankungen unterworfen. Zum Ausgleich bzw. zur Kompensation dieser unerwünschten Spannungsschwankungen ist der Photovoltaikgenerator 2 mit einem Spannungsstabilisator 3 verbunden, an dessen Ausgang eine stabilisierte Gleichspannung bereitgestellt wird. Diese wird über einen Zwischenkreis 4, welcher einen Zwischenkreiskon- densator 4a aufweist, einem Wechselrichter 5 zugeführt. Dieser ist zur Umwandlung der ihm bereitgestellten Gleichspannung in eine Wechselspannung vorgesehen. Er stellt diese Wechselspannung an seinem Ausgang bereit. Von dort aus wird die Wechselspannung in ein nicht dargestelltes Wechselspannungsnetz eingespeist. Des Weiteren weist die in der Figur 1 gezeigte elektrische Anlage eine Steuereinheit 6 auf, die dazu ausgebildet ist, ein Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer des Zwischenkreiskondensators der elektrischen Anlage zu steuern. Der in der Figur 1 gezeigte Spannungsstabilisator 3 weist mehrere Komponenten auf. Beispielsweise enthält er zwei oder mehr ausgangsseitig parallel geschaltete Hochsetzsteller. Alternativ dazu kann er auch zwei oder mehr ausgangsseitig parallel geschaltete Tiefsetzsteller aufweisen. Eine weitere Alternative besteht darin, dass der Spannungsstabilisator einen oder mehrere Hochsetzsteller und ei- nen oder mehrere Tiefsetzsteller aufweist, deren Ausgänge parallel geschaltet sind. Das gemeinsame Ziel dieser Komponenten besteht stets darin, die vom Photovoltaikgenerator bereitgestellte Gleichspannung zu stabilisieren. Photovoltaic generator 2 connectable, which is a solar panel having a plurality of solar panels. The photovoltaic generator 2 provides a DC voltage at its output. This DC voltage is subject to undesirable fluctuations in operation of the photovoltaic system. To compensate for or compensate for these unwanted voltage fluctuations of the photovoltaic generator 2 is connected to a voltage stabilizer 3, at the output of a stabilized DC voltage is provided. This is supplied to an inverter 5 via a DC link 4, which has a DC link capacitor 4a. This is provided for converting the DC voltage provided to it into an AC voltage. He provides this AC voltage at its output. From there, the AC voltage is fed into an unillustrated AC mains. Furthermore, the electrical system shown in FIG. 1 has a control unit 6, which is designed to control a method for increasing the service life of the DC link capacitor of the electrical system. The voltage stabilizer 3 shown in FIG. 1 has a plurality of components. For example, it contains two or more output side parallel boost converter. Alternatively, it may also have two or more output side connected in parallel buck converter. A further alternative consists in that the voltage stabilizer has one or more boost converters and one or more buck converters whose outputs are connected in parallel are. The common goal of these components is always to stabilize the DC voltage provided by the photovoltaic generator.
Die Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels für eine Verschaltung der beiden Hochsetzsteller 3a und 3b eines Spannungsstabilisators mit dem Zwischenkreiskondensator 4a des Zwischenkreises 4 und dem Wechselrichter 5. Dem Hochsetzsteller 3a wird vom 2 shows a block diagram illustrating an exemplary embodiment of an interconnection of the two boost converters 3a and 3b of a voltage stabilizer with the intermediate circuit capacitor 4a of the intermediate circuit 4 and the inverter 5. The boost converter 3a is the
Photovoltaikgenerator eingangsseitig eine Gleichspannung DC1 bereitgestellt, dem Hochsetzsteller 3b eine Gleichspannung DC2. Die Ausgänge der Hochsetzsteller 3a und 3b sind jeweils miteinander verbunden, so dass an den Klemmen des Zwischenkreiskondensators 4a des Zwischenkreises 4 eine stabilisierte Gleichspannung anliegt. Diese wird dem Wechselrichter 5 bereitgestellt, der diese stabilisierte Gleichspannung in eine Wechselspannung AC umwandelt, die am Ausgang des Wechselrichters 5 ausgegeben wird. Der Zwischenkreiskondensator 4a wird folglich mittels der vom Photovoltaikgenerator 2 gelieferten, stabilisierten Gleichspannung aufgeladen und über den Wechselrichter 5, der eine Umwandlung der Gleichspannung in eine Wechselspannung durchführt, wieder entladen. Diese Aufladung und Entladung des Zwischenkreiskondensators 4a lässt sich vereinfacht durch einen Rippeistrom darstellen. Dies wird nachfolgend anhand der Figur 3 veranschaulicht. Photovoltaic generator on the input side, a DC voltage DC1 provided, the boost converter 3b, a DC voltage DC2. The outputs of the boost converters 3a and 3b are connected to one another in each case, so that a stabilized DC voltage is applied to the terminals of the DC link capacitor 4a of the DC link 4. This is provided to the inverter 5, which converts this stabilized DC voltage into an AC voltage AC output at the output of the inverter 5. Consequently, the DC link capacitor 4a is charged by means of the stabilized DC voltage supplied by the photovoltaic generator 2 and discharged again via the inverter 5, which converts the DC voltage into an AC voltage. This charging and discharging of the intermediate circuit capacitor 4a can be simplified by a Rippeistrom represent. This will be illustrated below with reference to FIG.
Die Figur 3 zeigt Darstellungen zur Erläuterung einer Phasenverschiebung zwischen den Ausgangsströmen zweier ausgangsseitig parallel geschalteter Hochsetzsteller und deren Auswirkungen auf den Strom im Zwischenkreiskondensa- tor. FIG. 3 shows diagrams for explaining a phase shift between the output currents of two boost converters connected in parallel on the output side and their effects on the current in the intermediate circuit capacitor.
Der in der Figur 3 gezeigte Hochsetzsteller 3a weist eine Drossel L1 auf, deren einer Anschluss mit einem positiven Eingang + und deren anderer Anschluss über eine Diode D1 mit der in der Figur 3 oberen Klemme des Zwischenkreis- kondensators 4a verbunden ist. Der negative Eingang - des Hochsetzstellers 3a ist mit der unteren Klemme des Zwischenkreiskondensators 4a verbunden. Des Weiteren weist der Hochsetzsteller 3a einen Schalter S1 auf, der zwischen dem Verbindungspunkt zwischen der Drossel L1 und der Diode D1 und der unteren Klemme des Zwischenkreiskondensators 4a vorgesehen ist. Der Hochsetzsteller 3b weist eine Drossel L2 auf, deren einer Anschluss mit einem positiven Eingang + und deren anderer Anschluss über eine Diode D2 mit der in der Figur 3 oberen Klemme des Zwischenkreiskondensators 4a verbunden ist. Der negative Eingang - des Hochsetzstellers 3b ist mit der unteren Klemme des Zwischenkreiskondensators 4a verbunden. Des Weiteren weist der Hochsetzsteller 3b einen Schalter S2 auf, der zwischen dem Verbindungspunkt zwischen der Drossel L2 und der Diode D2 und der unteren Klemme des Zwischenkreiskondensators 4a vorgesehen ist. Die Schalter S1 und S2 werden von der in der Figur 1 gezeigten Steuereinheit 6 angesteuert und haben die Aufgabe, im Sinne einer Veränderung der Modulation eine Phasenverschiebung der Ausgangsströme der beiden Hochsetzsteller relativ zueinander durchzuführen. The boost converter 3a shown in FIG. 3 has a choke L1 whose one terminal is connected to a positive input + and whose other terminal is connected via a diode D1 to the upper terminal of the DC link capacitor 4a in FIG. The negative input - of the boost converter 3a is connected to the lower terminal of the DC link capacitor 4a. Furthermore, the boost converter 3a has a switch S1 provided between the connection point between the reactor L1 and the diode D1 and the lower terminal of the intermediate circuit capacitor 4a. The boost converter 3b has a throttle L2, whose one terminal is connected to a positive input + and whose other terminal is connected via a diode D2 to the upper terminal of the intermediate circuit capacitor 4a in FIG. The negative input - of the boost converter 3b is connected to the lower terminal of the DC link capacitor 4a. Furthermore, the boost converter 3b has a switch S2 provided between the connection point between the reactor L2 and the diode D2 and the lower terminal of the intermediate circuit capacitor 4a. The switches S1 and S2 are controlled by the control unit 6 shown in FIG. 1 and have the task of carrying out a phase shift of the output currents of the two boost converters relative to each other in the sense of modifying the modulation.
In den Diagrammen gemäß Figur 3a und Figur 3b ist davon ausgegangen, dass beide Hochsetzsteller mit identischer Taktfrequenz betrieben werden, dass die Induktivitätswerte der Drosseln L1 und L2 übereinstimmen und dass die Hochsetzsteller bezüglich ihrer Leistung und ihrer Eingangsspannung ebenfalls übereinstimmen. In the diagrams according to FIG. 3a and FIG. 3b, it has been assumed that both boost converters are operated at identical clock frequency, that the inductance values of the inductors L1 and L2 coincide and that the boost converters also coincide with regard to their power and their input voltage.
Dies vorausgesetzt ist in der Figur 3a auf der linken Seite dargestellt, dass die Schalter S1 und S2 stets gleichzeitig öffnen und schließen, d.h. dass eine Gleich- taktung dieser Schalter vorliegt, so dass die Phasenverschiebung zwischen den Ausgangsströmen der beiden Hochsetzsteller 0° beträgt. Im rechten Diagramm von Figur 3a ist dargestellt, wie sich in diesem Falle der durch den Zwischen- kreiskondensator fließende Strom Ι^κ in Abhängigkeit von der Zeit verhält. Provided this is shown in the figure 3a on the left side, that the switches S1 and S2 always open and close simultaneously, ie that a DC- clock this switch is present, so that the phase shift between the output currents of the two boost converter is 0 °. In the right diagram of Figure 3a is shown how in this case the circuit capacitor by the intermediate current flowing Ι ^ κ i n a function of time behaves.
Die Figur 3b zeigt auf ihrer linken Seite, dass die Schalter S1 und S2 um 180° phasenverschoben getaktet werden. Im rechten Diagramm von Figur 3b ist dar- gestellt, wie sich in diesem Falle der durch den Zwischenkreiskondensator fließende Strom Ιζκ in Abhängigkeit von der Zeit verhält, wobei mit l-| der durch den ersten Hochsetzsteller 3a hervorgerufene Zwischenkreisstrom, mit I2 der durch den zweiten Hochsetzsteller 3b hervorgerufene Zwischenkreisstrom und mit I3 der resultierende Kondensatorstrom bezeichnet ist. Ein Vergleich des rechten Diagrammes von Figur 3a mit dem rechten Diagramm von Figur 3b zeigt, dass der resultierende Strom bei einer Phasenverschiebung von 180° wesentlich kleiner ist als bei einer Gleichtaktung von S1 und S2. FIG. 3b shows on its left side that the switches S1 and S2 are clocked out of phase by 180 °. In the right-hand diagram of FIG. 3b, it is shown how, in this case, the current Ιζκ flowing through the intermediate circuit capacitor behaves as a function of time, with .lambda the intermediate circuit current caused by the first step-up converter 3a, I2 the DC link current produced by the second step-up converter 3b, and I3 the resulting capacitor current. A comparison of the right diagram of Figure 3a with the right diagram of Figure 3b shows that the resulting current at a phase shift of 180 ° is substantially smaller than in a common timing of S1 and S2.
Die Figur 4 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung von Effektivströmen im Zwischenkreiskondensator in Abhängigkeit von der Anzahl der verwendeten Hochsetzsteller eines Spannungsstabilisators und in Abhängigkeit von der Eingangsspannung des Wechselrichters. Aus der Figur 4 ist ersichtlich, dass eine Verwendung mehrerer Hochsetzsteller zu reduzierten Effektivströmen im Zwischenkreiskondensator führt. FIG. 4 shows a diagram for illustrating effective currents in the DC link capacitor as a function of the number of boost converters of a voltage stabilizer used and as a function of the input voltage of the inverter. From Figure 4 it can be seen that a use of several boost converter leads to reduced RMS currents in the DC link capacitor.
Nachfolgend werden die vorgestellten Fälle verallgemeinert, um ein Vorgehen für eine optimierte Modulation mit einem resultierenden minimalen Strom im Zwischenkreiskondensator zu ermitteln. In diesem Zusammenhang sind eine Vielzahl von Wirkzusammenhängen von Bedeutung. Zu den Parametern, die dabei zu berücksichtigen sind, gehören die Anzahl der Komponenten des Spannungsstabilisators, die Verschaltung der Komponenten des Spannungsstabilisators, die Auslegung der Komponenten des Spannungsstabilisators, die Eingangsspannung der Komponenten des Spannungsstabilisators, die Umgebungstemperatur und die Ausgangsspannung der Komponenten des Spannungsstabilisators. The presented cases are generalized in order to determine a procedure for an optimized modulation with a resulting minimum current in the DC link capacitor. In this context, a variety of interactions are important. The parameters to be considered include the number of components of the voltage stabilizer, the interconnection of the components of the voltage stabilizer, the design of the components of the voltage stabilizer, the input voltage of the components of the voltage stabilizer, the ambient temperature and the output voltage of the components of the voltage stabilizer.
Beim Vorliegen einer Photovoltaikanlage, welche einen Wechselrichter, einen Zwischenkreiskondensator aufweisenden Zwischenkreis und einen mehrere Komponenten aufweisenden Spannungsstabilisator aufweist, werden die Randbedingungen durch die jeweils vorliegende konkrete Installation bestimmt. Sie können daher für unterschiedliche Installationsorte unterschiedlich sein. Des Weiteren beeinflussen auch die Auswahl der Komponenten des anzuschließenden Photovoltaikgenerators als auch die Verschaltung der Komponenten des Spannungsstabilisators als auch umgebungsspezifische Größen wie die Dachneigung und die Dachausrichtung die relevanten Parameter. Dabei ist zu beachten, dass die genannten Parameter über die Betriebszeit der Photovoltaikanlage konstant gehalten werden. Der Einfluss der Jahreszeiten wirkt sich im Wesentlichen auf die auftretenden Leistungen aus, welche für die nachfolgenden Betrachtungen als Untermenge eines Tag-Nacht-Überganges mitberücksichtigt werden. Die Figur 5 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung zweier Strom- Spannungs-Kennlinien für unterschiedliche Temperaturen. Diese Kennlinien beschreiben das typische Strom-Spannungs-Verhalten von In the presence of a photovoltaic system, which has an inverter, an intermediate circuit capacitor having intermediate circuit and a multi-component voltage stabilizer, the boundary conditions are determined by the particular actual installation. They can therefore be different for different installation locations. Furthermore, the selection of the components of the photovoltaic generator to be connected as well as the interconnection of the components of the voltage stabilizer as well as environment-specific variables such as the roof pitch and the roof orientation influence the relevant parameters. It should be noted that the parameters mentioned are kept constant over the operating time of the photovoltaic system. The influence of the seasons mainly has an effect on the performances which are taken into account for the following considerations as a subset of a day-night transition. FIG. 5 shows a diagram for illustrating two current-voltage characteristics for different temperatures. These curves describe the typical current-voltage behavior of
Photovoltaikgeneratoren. Die maximale Leistung kann dem Photovoltaic generators. The maximum power can be
Photovoltaikgenerator an dem Knickpunkt KN der Kennlinie, dargestellt durch die Arbeitspunkte der maximalen Leistung, entnommen werden. Untersuchungen des Photovoltaikgenerators inklusive seines Einflusses auf einen an diesen angeschlossenen Spannungsstabilisator haben ergeben, dass der Einfluss der Temperatur des Photovoltaikgenerators einen vernachlässigbaren Einfluss auf den mit diesem verbundenen Spannungsstabilisator hat. Dies erlaubt die Vereinfachung, die Eingangsspannung des Spannungsstabilisators, d. h. die Eingangsspannungen von dessen Komponenten, bei unveränderter Installation für den jeweiligen Aufstellungsort als quasi konstant zu betrachten. Deshalb kann für eine installierte konkrete Photovoltaikanlage eine Leistungsvariation als eine Stromvariation interpretiert werden. Photovoltaic generator at the inflection point KN of the characteristic curve, represented by the operating points of the maximum power, are removed. Investigations of the photovoltaic generator including its influence on a voltage stabilizer connected to it have shown that the influence of the temperature of the photovoltaic generator has a negligible influence on the voltage stabilizer connected to it. This allows the simplification of the input voltage of the voltage stabilizer, i. H. the input voltages of its components, with unchanged installation for the respective site as quasi-constant. Therefore, for an installed concrete photovoltaic system, a power variation can be interpreted as a current variation.
Grundsätzlich kann sich bei einem Teillastbetrieb der Betriebspunkt der Hochsetzsteller eines Spannungsstabilisators derart verändern, dass der Strom in den Drosseln der Hochsetzsteller periodisch erlischt, so dass ein lückender Betrieb vorliegt. Da dies im Bereich kleiner Leistungen geschieht, sind diese Betriebspunkte für die Dimensionierung des Zwischenkreiskondensators nur von untergeordneter Bedeutung. Für die Dimensionierung des Zwischenkreiskondensators kann vielmehr eine lineare Korrelation des Zwischenkreis-Rippelstromes mit der vom Photovoltaikgenerator abgegebenen Leistung herangezogen werden. Diese lineare Abhängigkeit ermöglicht es, mit einer konstanten Modulation eine in Bezug auf den Zwischenkreiskondensator optimale Ansteuerung über den gesamten Betriebsbereich zu erreichen unter der Voraussetzung, dass die Installation der Photovoltaikanlage unverändert bleibt. Nachfolgend wird nunmehr erläutert, wie vorgegangen wird, um die im Betrieb der Photovoltaikanlage auftretende Belastung des Zwischenkreiskondensators im Hinblick auf dessen Lebensdauer zu minimieren, wobei die nachfolgend beschriebenen Vorgänge von der Steuereinheit 6 gesteuert werden, die zu diesem Zweck mit einer zugehörigen Software ausgestattet ist. Zunächst wird nach erfolgter Installation der Photovoltaikanlage dafür Sorge getragen, dass die Hochsetzsteller des Spannungsstabilisators in einem Betriebspunkt arbeiten, der einen nicht lückenden Betrieb der Drosselströme gewährleistet. Danach wird eine Belastungsreduzierungsroutine gestartet, bei welcher eine fortlaufende Veränderung der Phasenverschiebung zwischen den Ausgangsströmen der einzelnen Komponenten des Spannungsstabilisators vorgenommen wird. Nachfolgend wird stets davon ausgegangen, dass es sich bei den Komponenten des Spannungsstabilisators um ausgangsseitig parallel geschaltete Hochsetzsteller handelt. Für jede Phasenverschiebung wird der im Zwischenkreis fließende Strom erfasst und es wird eine Fouriertransformation durchgeführt. Die Erfassung des Stromes kann unter Verwendung einer Zwischenkreisstrommes- sung oder unter Verwendung einer Zwischenkreisspannungsmessung erfolgen. In principle, during a partial load operation, the operating point of the boost converter of a voltage stabilizer can change such that the current in the chokes of the boost converter expires periodically, so that there is a gaping operation. Since this happens in the range of low power, these operating points for the dimensioning of the DC link capacitor are only of minor importance. Rather, a linear correlation of the DC link ripple current with the power output by the photovoltaic generator can be used for the dimensioning of the DC link capacitor. This linear dependence makes it possible, with a constant modulation, to achieve optimum control over the entire operating range with respect to the DC link capacitor, provided that the installation of the photovoltaic system remains unchanged. It will now be explained below how to minimize the load of the DC link capacitor during operation of the photovoltaic system with respect to its life, wherein the operations described below are controlled by the control unit 6, which is equipped for this purpose with associated software. First, after installation of the photovoltaic system, care is taken to ensure that the boost regulators of the voltage stabilizer operate at an operating point which ensures non-latching operation of the inductor currents. Thereafter, a load reduction routine is started, in which a continuous change in the phase shift between the output currents of the individual components of the voltage stabilizer is made. In the following, it is always assumed that the components of the voltage stabilizer are output boosters connected in parallel on the output side. For each phase shift, the current flowing in the intermediate circuit is detected and a Fourier transformation is performed. The detection of the current can be carried out using a DC link current measurement or using a DC link voltage measurement.
Anhand der erhaltenen spektralen Komponenten und eines abgespeicherten Datensatzes des Zwischenkreiskondensators, welcher Spektralwerte eines vorgegebenen Lebensdauerdiagrammes enthält, wird das Stromprofil ermittelt, bei welchem die geringste Belastung des Zwischenkreiskondensators im Hinblick auf dessen Lebensdauer auftritt. On the basis of the obtained spectral components and a stored data set of the intermediate circuit capacitor, which contains spectral values of a predetermined life diagram, the current profile is determined at which the lowest load of the intermediate circuit capacitor occurs in terms of its life.
Eine Vereinfachung des vorstehend beschriebenen Verfahrens besteht darin, für die verschiedenen Phasenverschiebungen jeweils den effektiven Zwischenkreis- strom zu ermitteln, die ermittelten Effektivströme miteinander zu vergleichen und die dem geringsten Effektivstrom zugehörige Phasenverschiebung für den nachfolgenden Betrieb der Photovoltaikanlage zu verwenden. A simplification of the method described above is to determine the effective DC link current for the different phase shifts, to compare the determined effective currents with one another and to use the phase shift corresponding to the lowest effective current for the subsequent operation of the photovoltaic system.
Da bei der vorliegenden Erfindung eine dauerhafte Reduzierung der Belastung des Zwischenkreiskondensators im Betrieb der Photovoltaikanlage im Vordergrund steht und nicht - wie beim Stand der Technik - die Gewährleistung einer gewünschten vorgegebenen Lebensdauer des Zwischenkreiskondensators, sind bei der vorliegenden Erfindung relative Vergleiche des Effektivstromes ausreichend, um eine Erhöhung der Lebensdauer des Zwischenkondensators herbeiführen zu können. Since in the present invention, a permanent reduction of the load of the DC link capacitor in the operation of the photovoltaic system is in the foreground and not - as in the prior art - ensuring a desired predetermined life of the DC link capacitor, in the present invention relative comparisons of the RMS current are sufficient to a To increase the life of the intermediate capacitor cause.
Die am Besten geeignete Phasenverschiebung zwischen den Ausgangsströmen der Hochsetzsteller wird abgespeichert und für den nachfolgenden Betrieb der Photovoltaikanlage verwendet. Wie vorstehend beschrieben kann bei einer konkreten, bereits installierten Photovoltaikanlage unmittelbar nach erfolgter Installation zur Erhöhung der Lebensdauer des Zwischenkreiskondensators der Photovoltaikanlage eine von der Steuereinheit gesteuerte Belastungsreduzierungsroutine durchgeführt werden, bei welcher die Ausgangsströme der mehreren Komponenten des Spannungsstabilisators relativ zueinander phasenverschoben werden, bezüglich jeder Phasenverschiebung der Zwischenkreisstrom ermittelt wird und für den nachfolgenden Betrieb der Photovoltaikanlage diejenige Phasenverschiebung ausgewählt wird, bei welcher die Belastung des Zwischenkreiskondensators im Hinblick auf dessen Lebensdauer minimiert ist. In diesem Zusammenhang erfolgt vorzugsweise eine Fouriertransformation der ermittelten Zwischenkreisstrome. Unter der Voraussetzung einer Konstanthaltung der Taktfrequenz kann die Modulationsart, die den minimalen Amplituden der Fouriertransformation zugeordnet ist, für die vorliegende Taktfrequenz als am besten geeignetes Modulationsmuster, welchem eine bestimmte Phasenverschiebung zwischen den Ausgangsströmen der Komponenten des Spannungsstabilisators zugeordnet ist, verwendet werden. The most suitable phase shift between the output currents of the boost converter is stored and used for the subsequent operation of the photovoltaic system. As described above, in a concrete, already installed photovoltaic system immediately after installation to increase the life of the DC link capacitor of the photovoltaic system can be performed by the control unit controlled load reduction routine, in which the output currents of the plurality of components of the voltage stabilizer are relatively phase-shifted with respect to each phase shift of DC link current is determined and the phase shift is selected for the subsequent operation of the photovoltaic system, in which the load of the DC link capacitor is minimized in terms of its life. In this context, a Fourier transformation of the detected intermediate circuit currents preferably takes place. Given that the clock frequency is kept constant, the modulation type associated with the minimum amplitude of the Fourier transform may be used for the present clock frequency as the most suitable modulation pattern associated with a particular phase shift between the output currents of the components of the voltage stabilizer.
Alternativ dazu kann eine Optimierung gemäß der Erfindung auch über eine Er- mittlung der effektiven Zwischenkreisstrome unter Verwendung einer bereits vorhandenen Strommessung und unter Verwendung eines Relativvergleiches vorgenommen werden. Alternatively, an optimization according to the invention can also be made via a determination of the effective DC link currents using an already existing current measurement and using a relative comparison.
Da nach erfolgter Optimierung die Stromrippel im Zwischenkreiskondensator mi- nimiert sind, sind auch die Rückwirkungen auf die Netzseite als auch die Rückwirkungen auf die Seite des Photovoltaikgenerators minimiert. Dadurch wird zum einen der MPP-Wirkungsgrad, d.h. das Maß, mit welchem die vom Since the current ripple in the DC link capacitor is minimized after optimization, the effects on the network side as well as the effects on the side of the photovoltaic generator are also minimized. Thereby, on the one hand, the MPP efficiency, i. the measure with which the of
Photovoltaikgenerator angebotene Leistung abgenommen wird, optimiert, und zum anderen auch eine reduzierte leitungsgeführte Störaussendung und ein da- mit verbundener reduzierter Filteraufwand für die Einhaltung der die elektromagnetische Verträglichkeit betreffenden Vorgaben erreicht. Photovoltaic generator offered power is reduced, and on the other hand also a reduced conducted emissions and a concomitant reduced filter effort for compliance with the electromagnetic compatibility requirements.

Claims

Ansprüche claims
1 . Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer des Zwischenkreiskondensators (4a) einer einen Wechselrichter (5) aufweisenden elektrischen Anlage (1 ), welche eine Gleichspannungsquelle (2), einen Wechselrichter (5), einen Zwischenkreis- kondensator (4a) aufweisenden Zwischenkreis (4) und einen mehrere Komponenten (3a, 3b) aufweisenden Spannungsstabilisator (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Lebensdauer des Zwischenkreiskondensators (4a) für die elektrische Anlage (1 ) individuell eine Belastungsreduzierungs- routine durchgeführt wird, bei welcher die Ausgangsströme der mehreren Komponenten des Spannungsstabilisators (3) relativ zueinander phasenverschoben werden, bezüglich jeder Phasenverschiebung der Zwischenkreisstrom ermittelt wird und für den Betrieb der elektrischen Anlage diejenige Phasenverschiebung ausgewählt wird, bei welcher die Belastung des Zwischenkreiskondensators minimiert ist. 1 . Method for increasing the service life of the intermediate circuit capacitor (4a) of an inverter (5) having electrical system (1), which a DC voltage source (2), an inverter (5), an intermediate circuit capacitor (4a) having intermediate circuit (4) and a Having a plurality of components (3a, 3b) having voltage stabilizer (3), characterized in that to increase the life of the intermediate circuit capacitor (4a) for the electrical system (1) individually a load reduction routine is performed, wherein the output currents of the plurality of components Voltage stabilizer (3) are phase-shifted relative to each other, with respect to each phase shift of the DC link current is determined and for the operation of the electrical system that phase shift is selected, in which the load of the DC link capacitor is minimized.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Belastungsre- duzierungsroutine bei der Erstinbetriebnahme der elektrischen Anlage (1 ) durchgeführt wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the load reduction routine at the initial startup of the electrical system (1) is performed.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Belas- tungsreduzierungsroutine automatisch oder durch die Eingabe eines Startbefehles ausgelöst wird. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the load reduction routine is triggered automatically or by the input of a Startbefehles.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsstabilisator (3) mehrere ausgangsseitig parallel zueinander angeordnete Komponenten aufweist, bei denen es sich um Hochsetzsteller und/oder Tiefsetzsteller handelt. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the voltage stabilizer (3) has a plurality of output side mutually parallel components, which are step-up converter and / or buck converter.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Belastungsreduzierungsroutine eine Phasenverschiebung der Ausgangsströme der ausgangsseitig parallel zueinander angeordneten Komponenten (3a, 3b) relativ zueinander vorgenommen wird. 5. The method according to claim 4, characterized in that in the context of the load reduction routine, a phase shift of the output currents of the output side mutually parallel components (3a, 3b) is made relative to each other.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweils ermittelte Zwischenkreisstrom einer Fouriertransformation unterworfen wird, die erhaltenen Spektralwerte mit den Spektralwerten eines vorgegebenen Lebensdauerdiagrammes verglichen werden und diejenige Phasenverschiebung ausgewählt wird, deren zugeordnete Spektralwerte der geringsten Belastung des Zwischenkreiskondensators entsprechen. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the respectively determined DC link current of a Fourier transform is subjected to, the spectral values obtained are compared with the spectral values of a given life diagram and that phase shift is selected whose associated spectral values correspond to the lowest load of the DC link capacitor.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -5, dadurch gekennzeichnet, dass für die verschiedenen Phasenverschiebungen jeweils der Effektivstrom des Zwischenkreiskondensators ermittelt wird, die ermittelten Effektivströme miteinander verglichen werden und die dem geringsten Effektivstrom entsprechende Phasenverschiebung für den Betrieb der Anlage ausgewählt wird. 7. The method according to any one of claims 1-5, characterized in that for each of the different phase shifts the RMS current of the DC link capacitor is determined, the determined RMS currents are compared and the least RMS corresponding phase shift is selected for the operation of the system.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Anlage eine Photovoltaikanlage, eine Windkraftanlage, eine Meeresenergiegewinnungsanlage, eine Spannungswandleranlage, ein Charger oder eine elektrische Antriebsanlage ist. 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the electrical system is a photovoltaic system, a wind turbine, a Meeresenergiegewinnungsanlage, a voltage converter, a charger or an electric drive system.
9. Steuereinheit zur Ansteuerung einer elektrischen Anlage (1 ), welche eine Gleichspannungsquelle (9), einen Wechselrichter (5), einen Zwischenkreiskon- densator (4a) aufweisenden Zwischenkreis (4) und einen mehrere Komponenten (3a, 3b) aufweisenden Spannungsstabilisator (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu ausgebildet ist, zur Erhöhung der Lebensdauer des Zwischenkreiskondensators (4a) für die elektrische Anlage (1 ) individuell eine Belastungs- reduzierungsroutine zu steuern, bei welcher die Ausgangsströme der mehreren Komponenten (3a, 3b) des Spannungsstabilisators (3) relativ zueinander phasenverschoben werden, bezüglich jeder Phasenverschiebung der Zwischenkreis- strom ermittelt wird und für den Betrieb der elektrischen Anlage diejenige Phasenverschiebung ausgewählt wird, bei welcher die Belastung des Zwischenkreiskondensators minimiert ist. 9. control unit for controlling an electrical system (1), which a DC voltage source (9), an inverter (5), a DC link capacitor (4a) having intermediate circuit (4) and a plurality of components (3a, 3b) having voltage stabilizer (3 ), characterized in that it is designed to individually control a load reduction routine for increasing the service life of the intermediate circuit capacitor (4a) for the electrical system (1), in which the output currents of the plurality of components (3a, 3b) of the voltage stabilizer (3) are phase-shifted relative to each other, with respect to each phase shift of the DC link current is determined and for the operation of the electrical system that phase shift is selected, in which the load of the DC link capacitor is minimized.
10. Steuereinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu ausgebildet ist, im Rahmen der Belastungsreduzierungsroutine eine Phasenverschiebung der Ausgangsströme der ausgangsseitig parallel zueinander angeordneten Komponenten (3a, 3b) relativ zueinander vorzunehmen. 10. Control unit according to claim 9, characterized in that it is designed to make a phase shift of the output currents of the output side parallel to each other arranged components (3a, 3b) relative to each other as part of the load reduction routine.
1 1. Steuereinheit nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass dazu ausgebildet ist, den jeweils ermittelten Zwischenkreisstrom einer Fouriertransformation zu unterwerfen, die erhaltenen Spektralwerte mit den Spektralwerten eines vorgegebenen Lebensdauerdiagrammes zu vergleichen und diejenige Phasenverschiebung auszuwählen, deren zugeordnete Spektralwerte der geringsten Belastung des Zwischenkreiskondensators entsprechen. 1 1. A control unit according to claim 9 or 10, characterized in that it is adapted to the respectively determined DC link current of a To subject Fourier transform, to compare the spectral values obtained with the spectral values of a given lifetime diagram and to select the phase shift whose associated spectral values correspond to the lowest load of the DC link capacitor.
12. Steuereinheit nach einem der Ansprüche 9 - 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu ausgebildet ist, für die verschiedenen Phasenverschiebungen jeweils den Effektivstrom des Zwischenkreiskondensators (4a) zu ermitteln, die ermittelten Effektivströme miteinander zu vergleichen und die dem geringsten Ef- fektivstrom entsprechende Phasenverschiebung für den Betrieb der elektrischen12. Control unit according to one of claims 9 - 1 1, characterized in that it is designed to determine the effective current of the intermediate circuit capacitor (4a) for the different phase shifts, to compare the detected RMS currents with each other and corresponding to the smallest ef fectivstrom Phase shift for the operation of the electrical
Anlage auszuwählen. Select plant.
13. Elektrische Anlage (1 ), welche einen Wechselrichter (5), einen Zwischen- kreiskondensator (4a) aufweisenden Zwischenkreis (4) und einen mehrere Komponenten (3a, 3b) aufweisenden Spannungsstabilisator (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Steuereinheit (6) nach einem der Ansprüche 9 bis 12 aufweist, die dazu ausgebildet ist, zur Erhöhung der Lebensdauer des Zwischenkreiskondensators (4a) für die elektrische Anlage (1 ) individuell eine Belastungs- reduzierungsroutine zu steuern, bei welcher die Ausgangsströme der mehreren Komponenten (3a, 3b) des Spannungsstabilisators (3) relativ zueinander phasenverschoben werden, bezüglich jeder Phasenverschiebung der Zwischenkreis- strom ermittelt wird und für den Betrieb der elektrischen Anlage diejenige Phasenverschiebung ausgewählt wird, bei welcher die Belastung des Zwischenkreiskondensators minimiert ist. 13. Electrical system (1), which has an inverter (5), an intermediate circuit capacitor (4a) having intermediate circuit (4) and a plurality of components (3a, 3b) having voltage stabilizer (3), characterized in that it is a control unit (6) according to one of claims 9 to 12, which is designed to increase the life of the intermediate circuit capacitor (4a) for the electrical system (1) individually to control a load reduction routine in which the output currents of the plurality of components (3a , 3b) of the voltage stabilizer (3) are phase-shifted relative to each other, with respect to each phase shift of the DC link current is determined and selected for the operation of the electrical system that phase shift in which the load of the DC link capacitor is minimized.
14. Elektrische Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsstabilisator (3) mehrere ausgangsseitig parallel zueinander angeordnete Komponenten (3a, 3b) aufweist, bei denen es sich um Hochsetzsteller und/oder Tiefsetzsteller handelt. 14. Electrical system according to claim 13, characterized in that the voltage stabilizer (3) has a plurality of output side mutually parallel components (3a, 3b), which is a boost converter and / or step-down converter.
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