WO2014184254A1 - Wandlerschaltung - Google Patents

Wandlerschaltung Download PDF

Info

Publication number
WO2014184254A1
WO2014184254A1 PCT/EP2014/059869 EP2014059869W WO2014184254A1 WO 2014184254 A1 WO2014184254 A1 WO 2014184254A1 EP 2014059869 W EP2014059869 W EP 2014059869W WO 2014184254 A1 WO2014184254 A1 WO 2014184254A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
circuit
converter circuit
converter
voltage
solar
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/059869
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Schweizer
Norbert Danneberg
Original Assignee
Thomas Schweizer
Norbert Danneberg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thomas Schweizer, Norbert Danneberg filed Critical Thomas Schweizer
Publication of WO2014184254A1 publication Critical patent/WO2014184254A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/66—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal
    • H02M7/68—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters
    • H02M7/72—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/79—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/797—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/66—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal
    • H02M7/68—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters
    • H02M7/72—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/79—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/81—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal arranged for operation in parallel

Definitions

  • the invention relates to a converter circuit and a circuit device for a device for generating electrical energy with this converter circuit and a solar system with this converter circuit.
  • power-generating units are known as current or voltage sources that emit either direct current or alternating current.
  • solar cells are connected to an inverter via a DC-DC converter when AC power is needed to power a consumer or to feed the power into supply networks of the correct frequency.
  • the solar modules are each associated with DC voltage converters which are connected in parallel at their output and connected to a central inverter, which converts the intermediate circuit DC voltage generated by the DC-DC converters into a sinusoidal AC voltage with a predetermined frequency.
  • each solar module is electrically connected to an individual DC-DC converter, which transforms the DC output voltage of the associated solar module into the much higher DC link DC voltage.
  • Photovoltaic solar modules are usually operated at an operating point in which an output power is optimal.
  • This operating point is called MPPT, which stands for "maximum power point tracking", ie analogous tracking at the maximum operating point.
  • MPPT maximum power point tracking
  • a circuit arrangement with a “Maximum Power Point Tracker” is shown in DE 10201 1076184 A1 The circuit arrangement has output terminals for providing an output current, input terminals for supplying a source current and a source voltage from a DC power source and a maximum power point tracker interposed between A bypass circuit is coupled between the input terminals and the output terminals, wherein the bypass circuit is configured to assume a bypass state depending on the output current and the source current, the source current in the bypass state the bypass circuit flows.
  • the circuit includes one or more short-lived electrolytic capacitors or has more than two current-carrying switches in the DC-AC converter.
  • the former reduces the life, the latter brings losses.
  • Usual circuits work At high (often greater than 500 V) DC voltages, since the solar modules are connected in series, which brings high safety requirements. If the solar modules or other generators are connected in series, then the system current is limited by the module / generator with the worst performance.
  • the solar module system with inverter includes a battery storage
  • the solar module system requires an additional charge controller to unload for the power storage and also a DC-DC converter to discharge. This leads to additional power losses.
  • the input voltage must generally be greater than 500 - 600 V, since the usual inverter electronics has a fundamentally deep-set property. This is achieved by connecting solar modules in series. Due to the series connection, however, individual modules can not be optimized for maximum power output. The total current flow is determined by the lowest performing module and reduces the power output of the entire series circuit. The switching speed of the transistors is usually below 30 - 50kHz to keep the switching losses low. As a result, very large (in volume, weight, and cost) storage chokes and capacitors must be used. Series inverters have no possibility of detecting the power output of individual modules, or regulating them in such a way that they become maximum.
  • a converter circuit which converts a DC voltage applied to a first terminal pair into an AC voltage at a second terminal pair as an inverter, wherein between the first terminal pair and the second terminal pair for a first half-wave of the AC voltage, a first Hochtiefsetzsteller and for the second half-wave a second Hochtiefsetzsteller are each provided with two strom mallosse- NEN switch, which are mutually operable, wherein the DC voltage is lower than a peak value of the AC voltage selectable.
  • the description of the traveling circuit represents a single-phase conversion concept, which however can easily be extended to a three-phase operation.
  • the converter circuit according to the invention has been optimized in particular for use as an inverter for solar modules.
  • not the usual buck converter is used in terms of circuitry, but rather a circuit with high and low setting properties.
  • a step-down converter which is usually used in inverters, requires on the input side a voltage which is higher than the highest voltage at the output. With an AC output voltage of 230 V, the highest voltage value is 325 V, ie the input voltage should be at least 400 to 500V lie.
  • an essential part of this invention is a high efficiency inverter that can set both high and low voltages to model a sine wave at the output.
  • the special feature of the present circuit is that it manages with only two simultaneously current-carrying semiconductors, in contrast to conventional variants, in which three current-carrying semiconductors are used. This circuit improves efficiency and is at least 95% to 98%.
  • the first and the second vertical step-down converter are connected in parallel with the first terminal pair and with complementary terminals of the second terminal pair.
  • the first and the second vertical step-down converter are constructed almost identically.
  • By connecting to complementary terminals of the second pair of terminals is selected which of the two Hochissensetz- the negative and which of the positive half-wave is assigned.
  • the first and the second stepping converter each comprise between the first terminal pair a coil and a series-connected switch as a switching element, at the junction of a diode and another switch are connected in series, as a switch with the respective complementary Connections of the second pair of terminals are connected.
  • This circuit uses the classic step-up converter, which consists of a switch, a coil and a diode.
  • the output-side changeover switch only ever connects the active vertical step-down converter to the output. Consequently, the circuit concept consists of two switches for the positive and for the negative AC half-wave at the output. The two half-waves are then combined with two other switches to the total sine wave.
  • the converter circuit is designed to output a rectifier as an AC voltage applied to the second terminal pair as DC voltage at the first terminal pair.
  • the converter circuit can be operated bidirectionally.
  • the converter circuit can generate an AC output voltage from the DC input side.
  • the converter circuit can also rectify an AC voltage and deliver it to the first terminal pair. This dual function saves component costs.
  • the converter circuit is designed so that you can operate it as a rectifier backwards.
  • Reverse operation means that the switches used in inverter operation for polarity reversal are now high-frequency clocked as fast switches in the reverse step-down converter and controlled by pulse width modulation.
  • the switches clocked in inverter mode are now used for switching.
  • the Circuit is constructed in mirror image in forward and reverse operation. The combination of forward and reverse operation in a circuit minimizes component costs.
  • the switches are connected to a control circuit, which is designed to control the switch acting as a switching element via a pulse width modulation.
  • the current either flows back from the coils through the switch acting as a switching element back to the source or, when the switch acting as a switching element is opened, through the diode.
  • the switch acting as a toggle switch must be closed.
  • the current of the coils of the high-setting converter flows into a capacitor on the second connection pair and charges it alternately.
  • the voltage and / or the current at the second connection pair are measured.
  • a negative feedback algorithm regulates either the voltage (in island mode to generate a local AC voltage or in motor control) or the current (AC mains supply) at the output.
  • the high switching frequency makes it possible to use relatively small capacitors and storage chokes in terms of volume, weight and cost, which reduces costs and creates a compact circuit.
  • a transformer is provided instead of a coil in the first and / or the second vertical step-down converter. Accordingly, a galvanic isolation of the inputs or the outputs of the converter circuit is achieved by the above-mentioned storage chokes are each replaced by a transformer, which may have a transmission ratio of 1: 1. This makes it possible, for example, to choose the potential connected to ground on a solar module as desired.
  • the transformer or transformers can also be used with a different transmission ratio.
  • the converter circuit is then suitable as a microinverter, which can be used without upstream circuit for performance optimization.
  • a higher transmission ratio of, for example, 4 or 1: 5 is selected for the transformers, so that the input voltages are correspondingly transformed upwards.
  • the high-gain stage with the current-carrying switches must transform lower voltages and become more efficient.
  • the converter circuit operates in rectifier operation as a charge controller for a battery.
  • a battery as a buffer, which can be charged without the provision of a special charge controller via the converter circuit.
  • the voltage at the first terminal pair which now defines the output of the converter circuit, is regulated so that a charging current can flow.
  • it is possible to charge the battery from other sources of energy which is particularly advantageous during the night hours when using the converter circuit with solar cells or low wind times when used with a wind turbine. So can often during the night hours cheaper night electricity from the public power grid are obtained, which is then available as an energy buffer by means of the battery for future needs.
  • the converter circuit optimizes the output power of each solar module and increases system efficiency.
  • the converter circuit can be controlled as an inverter so that an electric motor can be operated on the second connection pair.
  • the control circuit may be programmed to appropriately monitor the voltage on the second pair of terminals to allow direct operation of a motor. In this way, an adaptation to the actual power requirement of the electric motor by means of the control circuit of the converter circuit is possible.
  • the converter circuit is operable as an inverter at the second terminal pair for feeding in the grid.
  • the current AC mains supply can be regulated at the output, for example via the control circuit. It is also possible to provide a possibility for capacitive and inductive reactive current feed-in at the output. In order to meet the reactive current requirement, a relay can use an inductance or a capacitance at the AC output. can be easily switched to provide reactive power passively, as often required by law.
  • a circuit device for a device for generating electrical energy in particular for a solar system or a wind turbine, specified, which is adapted to raise an output voltage of the device by means of a boost converter, wherein an output of the boost converter connected to a converter circuit as described above is.
  • the circuit device can be designed to optimize the performance of a solar cell and, for example, implement a maximum power point tracking ("MPPT") . This optimizes each module / generator separately with respect to the output power, a total of 10-20% additional output power is obtained.
  • MPPT maximum power point tracking
  • a battery is arranged between the step-up converter and the circuit device, wherein the step-up converter is controllable such that the battery can be charged by the device for generating electrical energy.
  • the battery can be rechargeable via the converter circuit by means of electricity from the public power grid, such as night power.
  • a solar system is provided with a circuit device as described above, in which a plurality of solar modules are each connected to a circuit device as a power optimizer, which are connected to a central converter circuit.
  • the individual power optimizers on the solar modules communicate directly via the power line.
  • the controller which is integrated into the central converter circuit, collects power and other operating data of the individual solar modules, evaluates them and controls the individual power optimizers in such a way as to optimally achieve overall performance
  • the integrated controller can also completely switch off individual solar modules if operating parameters exceed or fall below certain specified frame values.
  • a central battery can be arranged between the circuit devices and the central converter circuit.
  • a plurality of solar modules are each connected to a circuit device and a converter circuit.
  • At least one battery can be arranged between one of the circuit devices and the associated converter circuit, preferably between all circuit devices and the associated converter circuits.
  • the solar system can be provided with a data interface, in particular a wireless or wired network, which is suitable for transmitting parameters for controlling the solar system.
  • a data interface in particular a wireless or wired network, which is suitable for transmitting parameters for controlling the solar system.
  • several solar plants can be connected to a virtual power plant, which can be operated both as a current sink and as a power source.
  • a solar system group with solar systems as described above which is to a virtual power plant to provide control power, via a central computer via the data interface are controllable, are summarized, the virtual power plant is operated both as a power source and as a current sink.
  • At least two solar systems can exchange electrical energy with each other, store in local power storage or provide power to other consumers via the power grid.
  • Each power optimizer installed on a solar module may be provided with an identification number that can be read out over the network.
  • Fig. 1 (A) is a schematic representation of an inventive
  • FIG. 5 is a further schematic representation of a circuit device with associated converter circuits.
  • the converter circuit WS has a first connection pair AP1 and a second connection pair AP2.
  • the first terminal pair AP1 and the second terminal pair AP2 each have one positive and one negative terminal, hereinafter referred to as AP1 +, AP1 -, AP2 + and AP2-.
  • the converter circuit WS represents a bidirectional DC-AC converter, which converts a DC voltage UZ present at the first terminal pair AP1 into an AC voltage UA at the second terminal pair AP2. In a reverse operation, the AC voltage UA at the second terminal pair AP2 is converted into a DC voltage UZ at the first terminal pair AP1.
  • the converter circuit WS is designed such that it can operate with a DC voltage UZ which is lower than the peak voltage of the AC voltage UA. If the converter circuit WS is used as an inverter, a sine wave must be modulated on the second terminal pair AP2, wherein the
  • the first step-up converter HTS1 comprises a first switch S1 whose first terminal is connected to the terminal AP1 -.
  • the second terminal of the first switch S1 is connected to the first connection point VP1 both with an anode terminal of a first diode D1 and with a terminal of a first connected to the coil SP1.
  • the cathode terminal of the first diode D1 is connected to the terminal AP2-.
  • the other terminal of the first coil SP1 is connected to the terminal AP1 +.
  • a second Hochtiefsetzsteller HTS2 is constructed, the second switch S2 to the terminal AP1 - is connected.
  • a first terminal of the second coil SP2 and an anode terminal of a second diode D2 are connected.
  • the other terminal of the second coil SP2 is in turn connected to the terminal AP1 +, the cathode terminal of the second diode D2 is connected to the terminal AP2 +.
  • the cathode terminal of the first diode is connected via a third switch S3 and the cathode terminal of the second diode D2 is connected via a fourth switch S4 to the terminal AP1 +.
  • the third switch S3 and the fourth switch S4 act as a switch to close the circuit for the respective half-wave through the first coil SP1 or the second coil SP2.
  • the first switch S1 and the second switch S2 are switching elements which are used for control via pulse width modulation.
  • a control circuit ST is provided, the corresponding control signals to the first switch S1 and to the second switch S2 and the third switch S3 and the fourth switch S4 further ter.
  • the applied voltage or the current flow is respectively measured at the first terminal pair AP1 and at the second terminal pair AP2.
  • These measured quantities are indicated in FIG. 1 (A) by the reference symbols UZ, UA, IZ and IA.
  • a capacitor C1 which may be embodied for example as a film capacitor.
  • FIG. 1 (B) a second embodiment of the converter circuit WS will be described below.
  • the converter circuit according to FIG. 1 (B) essentially corresponds to that of FIG. 1 (A), where the two coils SP1 and SP2 have been replaced there by transformers TR1 and TR2. Accordingly, a coupling between the first switch S1 and the second switch S2 and the respective diodes D1 or D2 is no longer via the connection points VP1 and VP2 but galvanically separated via the transformer TR1 or TR2. Accordingly, a galvanic isolation between the first terminal pair AP1 and the second terminal pair AP2 is achieved.
  • the transformers TR1 and TR2 can either have a transmission ratio of 1: 1 or also a different transmission ratio.
  • the operation of the converter circuit WS described in FIG. 1 (A) or FIG. 1 (B) can be described as follows.
  • the two switches S1 and S2 are operated at high frequency and by pulse width modulation. For one positive and one negative half wave at the output AP2, one of the two switches is provided.
  • the two half-waves are then combined with the two switches S3 and S4 to form a total sine wave.
  • the current flows either from the coil through the switch back to the source or, if the switch is open, through the diode.
  • the high-step converter which is currently active is selected via the third switch S3 or the fourth switch S4.
  • the circuit at the second terminal pair AP2, ie at the AC output, closed, the active switch now by means of the pulse wide modulation is switched while the other switch remains open.
  • the current of the two coils SP1 and SP2 flows into a first capacitor C1 at the output AP2. Accordingly, the first capacitor C1 is alternately charged, wherein current IA and voltage UA are measured and fed back to the control circuit ST.
  • current IA and voltage UA are measured and fed back to the control circuit ST.
  • a second capacitor C2 is provided, whose capacity is chosen large enough to store the energy for a network period between.
  • the output power is pulsed sinusoidally.
  • a large electrolytic capacitor is avoided here, so that instead of a small film capacitor for the second capacitor C2 can be used. This is achieved by applying a higher voltage (higher than the module voltage) to the input, since the size of the capacitor is square with the voltage and also by allowing the voltage at the input terminal pair AP1 of the DC-AC converter to be in phase with the pulsed power output may be up to 30% variable. This is possible by decoupling the solar module from the DC-AC converter by combining the DC-AC converter with the circuit device in Figure 2, as will be described later.
  • the converter circuit WS is designed so that you can also operate it backwards.
  • the two switches S3 and S4, which were previously used only for polarity reversal, are now operated as fast switches in the reverse step-down converter HTS1 or HTS2.
  • the switches S1 and S2 are used as a switch, and the previously acting as a switch switches S3 and S4 regulated by means of pulse width modulation.
  • the correct polarity at the first terminal pair AP1 is achieved by correspondingly controlling the switches via the control circuit ST in accordance with the positive or negative wave at the second terminal pair AP2, so that a constant voltage UZ is generated at the output of the two coils SP1 and SP2.
  • Suitable switches are MOSFETs, IGBTs, thyristors or SiC transistors.
  • the converter circuit WS shown in Fig. 1 (A) or 1 (B) illustrates the concept of the invention for a single-phase AC voltage on the second terminal pair AP2.
  • FIG. 2 shows a circuit device SE which has a third connection pair AP3 to the connections AP3 + and AP3-.
  • the third connection pair AP3 is provided as an input of the circuit device SE and can be connected to a power source EQ.
  • the energy source EQ can be a solar system or a solar module, a fuel cell or a wind turbine. Since the circuit device SE is provided for processing a DC voltage, when operating with a wind turbine, a suitable rectifier should be provided, which is however known to a person skilled in the art.
  • the central element of the circuit device SE is a boost converter HS, which consists of a series-connected third coil SP3 and third diode D3.
  • the third coil SP3 and the third diode D3 are connected to the negative terminals of the third and fourth terminal pair AP3, AP4.
  • the cathode terminal of the third diode D3 is connected to the terminal AP4 +, the terminal of the third coil SP3 not connected to the anode of the third diode D3 is connected to the terminal AP3 +.
  • a third or a fourth capacitor C3, C4 is provided between the third and fourth terminal pair AP3, AP4, which smooth the pulsed coil current through SP3 or the pulsed current from the switch.
  • the boost converter HS is selected in FIG. 2 according to an example known in electrical engineering. However, it is also possible to use other embodiments for the boost converter HS.
  • the fifth switch S5 is in turn connected to the controller ST, which also receives the voltage applied to the third terminal pair AP3 and the fourth terminal pair AP4 voltages or currents as input variables. These measured quantities are indicated in FIG. 2 by means of the reference symbols UZ2, UE, IZ2 and IE.
  • the control circuit ST may also be implemented separately from the control circuit provided in FIGS. 1 (A) and 1 (B).
  • the circuit device SE is consequently a classic high-seated actuator, which converts a DC voltage applied to the third connection pair into a DC voltage on the fourth connection pair A4, which is typically between 70 V and 200 V.
  • the fifth switch S5 is switched on or off at high frequency.
  • the current of the third coil SP3 now flows either through the fifth switch S5 or through the third diode D3 to the output.
  • the induced voltage which occurs at the voltage measuring point between AP4 + and AP4-, depends on the ratio of the pulse width to the period.
  • the pulse width is adjusted by means of the control circuit ST via a suitable negative feedback so that, depending on the operating mode either the desired voltage, desired current or maximum power.
  • the current and the voltage of the switching device SE are measured both on the input side and on the output side. Accordingly, it is possible to monitor the power at the input and output and calculate the efficiency of the first switching stage.
  • the switching operations on the fifth switch S5 are carried out in the range of a few ns. This is accomplished by a very fast driver circuit known to a skilled artisan. Accordingly, switching losses are minimized, so that it is possible to operate the switch S5 at a frequency of up to 200 kHz.
  • the high switching frequency allows the use of relatively small capacitors and coils, which reduces the package size and thus the cost.
  • Suitable switches are MOSFETs, IGBTs, thyristors or SiC transistors.
  • the switching function of the fifth switch S5 is controlled by the controller ST, wherein as mentioned above, a plurality of operating modes are possible.
  • a fixed voltage output, a fixed current output or a maximum power output (MPP tracking) can be achieved.
  • the circuit device SE has a controllable via the control circuit ST control time constant, within which the output power is integrated.
  • This control time constant is greater than the reaction time of the entire system and less than typical changes in the load at the output AP4.
  • This time constant can typically be between 0.1 ms and 10 ms.
  • the converter circuit according to FIG. 1 and the circuit device according to FIG. 2 can contain a current store as an intermediate element. A suitable for this purpose current memory is shown in Fig. 3.
  • the current memory is arranged between the circuit device SE and the converter circuit WS and comprises a battery BA as a central element.
  • the storage by means of the battery BA also makes it possible to provide power if at the input of the circuit device SE the energy source EQ has no or only a small current supplies.
  • the battery BA can also be charged by the circuit device SE also by the reverse-mode converter circuit WS.
  • no additional charge controller is used here, which would cause additional efficiency losses.
  • the current memory in the form of the battery BA is in turn connected to the controller ST, which takes into account the voltage across the battery UB, the current of the battery IB, the output voltage UZ and the output current IZ as possible control variables.
  • a relay RE is provided for the separation of the battery BA from the circuit device SE.
  • the relay RE is activated or deactivated by the control circuit ST via the relay inputs RE1 and RE2, respectively.
  • the battery BA is disconnected and via the diodes D4 and D5 current with the correct polarity can be provided by the converter circuit WS to charge the battery BA.
  • the charge current IB is controlled by the voltage which is applied to the battery BA.
  • the control unit ST controls the output voltage of the switching processing unit SE or the reverse-operated converter circuit WS.
  • the control circuit ST thus enables the following operating modes.
  • the output voltage UZ2 of the circuit device SE is lowered so that it corresponds to the battery voltage UB. Accordingly, no current IB flows into the battery BA. In this case, it is also possible that the battery BA is disconnected via the relay RE.
  • a second mode of operation all power is used to charge the battery BA.
  • the circuit device SE is used with a power optimization, so that the maximum power of the power source EQ is given to the battery BA.
  • the converter circuit WS is then switched off.
  • part of the power is supplied to the battery BA and part of the power flows to the converter circuit WS.
  • the output voltage UZ is slightly reduced via the control circuit ST, so that part of the current IB flows into the battery and the remaining current IZ flows to the converter circuit WS.
  • the converter circuit WS is fed from the battery BA alone.
  • the output voltage of the circuit device is set down so far that it is below the battery voltage UB.
  • the current IB flows exclusively from the battery to the converter circuit WS.
  • the power storage ie the battery BA
  • the battery BA is disconnected from the switching device SE by means of the relay RE.
  • the charge current IB then flows, as illustrated above, via the diodes D1 to D4 from the reverse-connected AC circuit WS to the battery BA.
  • circuit device SE and converter circuit WS can be combined in many ways to form an overall system, in particular with solar cells as the energy source EQ. Examples of such systems are explained in more detail below with reference to FIGS. 4 and 5.
  • the converter circuit WS converts direct current into alternating current which is fed into the network via a mains connection NA or to consumers, e.g. a motor, can be provided directly.
  • the converter circuit WS is connected to one or more circuit devices SE.
  • a power store can be connected, for example in the form of a battery BA, which can be charged and discharged both by the converter circuit WS and by the circuit device SE.
  • the energy source EQ can be, for example, one (or more) solar cell (s), but also another direct current source.
  • a solar cell one possible operating mode of the circuit device SE is that the solar cell is always operated at the highest power point (Maximum Power Point Tracking "MPPT").
  • MPPT Maximum Power Point Tracking
  • the control adjusts by means of the control circuit ST sure that the power source EQ will always operate at its optimum operating point.
  • the operating modes of the converter circuit WS are (i) charge battery BA from power source EQ, (ii) discharge battery BA through converter circuit WS and feed power to the grid or deliver it to a load, (iii) power of power source EQ via converter circuit WS deliver it to the consumer or feed it into the grid (iv) Charge current storage via the grid.
  • the converter circuit WS can be switched in two different configurations.
  • a circuit device SE connected as a power optimizer is used for each of the energy sources EQ and is connected to the converter circuit WS as a central DC-AC inverter.
  • a central battery BA may be mounted in front of the converter circuit WS, as described above.
  • the converter circuit WS is operated at a power which corresponds to the total power of the system.
  • a cooling of the converter circuit WS is required.
  • each solar module is equipped with a circuit device SE, which transforms the voltage of the solar module or fuel cell or other source EQ to the voltage required at the battery BA.
  • the switching device SE which is connected as a power optimizer, maximizes the power from each individual current / voltage source EQ. If, for example, solar modules are used as the energy source EQ, the circuit device SE maximizes the overall system performance, in particular in the case of partial shading of solar modules.
  • the switching device SE can also compensate for characteristics of other sources, such as fuel cells, provided that these sources have different characteristics, so that each source operate at their optimum operating point. For example, wind turbines, solar plants or fuel cells could be operated together.
  • the circuit device SE is also used as a charge controller.
  • the output voltage of the circuit device SE is adapted to the battery voltage UB, as described above.
  • a separate charge regulator and also the DC-DC regulator for the discharge function can be dispensed with, which improves the power efficiency of the battery charging process.
  • the circuit device SE can be connected together with the converter circuit WS as a so-called microinverter (with or without current storage) directly to the energy source EQ.
  • a microinverter is an inverter with a relatively low power of up to about 300 W and is adapted to the power and the output voltage of a solar module (about 30 to 40 V). The low power extends the life, because on all semiconductors only little heat drops. An additional cooling is omitted here.
  • the circuit parts WS and SE (with or without battery BA) are controlled and controlled via the controller ST.
  • the control ST acquires several measured values (voltages and currents) in the individual circuit parts and uses them via a negative feedback to control the output voltages and currents. These are the current and voltage values (i) at the power source, (ii) at the battery (iii) and at the AC part of the inverter.
  • the Controller ST may be located in an assembly or divided into two assemblies, especially when the circuit device SE is mounted separately from the inverter WS to the solar module.
  • an intelligent controller which receives measured values of the individual circuit devices SE and inverters WS, evaluates them, stores any control parameters in the individual circuit devices SE and converts inverters WS and provides all measured values, parameters for further processing and receives control commands from an external computer and evaluate.
  • the controller thus provides an interface to an external computer via which all system parameters and measured values are queried and all the necessary parameters can be changed.
  • This central controller has access to a data network such as the Internet and can be controlled by it.
  • the Powermanager includes a CPU, in which complex processes can be controlled, eg the complete energy management of a complete system with several producers, users and public network.
  • the central control also takes over the task of monitoring the individual generators. Each generator (solar module, fuel cell, etc.) can be individually monitored. The power output and other operating parameters are measured. Each subsystem can be controlled individually or switched off in case of malfunction.
  • each solar module is provided with an identification number that can be read out via the network. As a result, an anti-theft device is achieved.
  • the central controller can then only work with certain solar modules that were previously programmed by the manufacturer.
  • the central controller can be used to interconnect individual installations to a virtual power plant or to a virtual power storage - in case the individual installations each have a power storage.
  • installations can act both as a power source and as a sink to provide control power and act as a rule-store to balance power surges and power shortages in the grid.

Abstract

Es wird eine Wandlerschaltung sowie eine Schaltungseinrichtung für einen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit dieser Wandlerschaltung und eine Solaranlage mit dieser Wandlerschaltung angegeben. Die Wandlerschaltung setzt als Wechselrichter eine an einem ersten Anschlusspaar anliegende Gleichspannung in eine Wechselspannung an einem zweiten Anschlusspaar um, wobei zwischen dem ersten Anschlusspaar und dem zweiten Anschlusspaar für eine erste Halbwelle der Wechselspannung ein erster Hochtiefsetzsteller und für die zweite Halbwelle ein zweiter Hochtiefsetzsteller mit je zwei stromdurchflossenen Schalter vorgesehen sind, die wechselseitig betreibbar sind, wobei die Gleichspannung niedriger als ein Scheitelwert der Wechselspannung ist.

Description

Wandlerschaltung
Die Erfindung betrifft eine Wandlerschaltung sowie eine Schaltungseinrichtung für einen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit dieser Wandler- Schaltung und eine Solaranlage mit dieser Wandlerschaltung.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Strom erzeugende Einheiten als Strom- oder Spannungsquellen bekannt, die entweder Gleichstrom oder Wechselstrom abgeben. So werden beispielsweise Solarzellen über einen Gleich- stromwandler an einen Wechselrichter angeschlossen, wenn Wechselspannung benötigt wird, um einen Verbraucher zu betreiben oder um den Strom in Versorgungsnetze mit der richtigen Frequenz einzuspeisen.
Aus der DE 10136147 A1 ist ein photovoltaischer Wechselstromerzeuger be- kannt, der eine Vielzahl photovoltaischer Solarmodule mit schwankender
Nennleistung aufweist. Den Solarmodulen sind jeweils Gleichspannungswandler zugeordnet, die an ihrem Ausgang parallel geschaltet und mit einem zentralen Wechselrichter verbunden sind, welcher die von den Gleichspannungswandlern erzeugte Zwischenkreis-Gleichspannung in eine sinusförmige Wech- selspannung mit vorgegebener Frequenz umformt. Um einen vergleichsweise geringen baulichen Aufwand des Wechselstromerzeugers zu erzielen, wird jedes Solarmodul mit einem individuellen Gleichspannungswandler elektrisch verbunden, welcher die Ausgangsgleichspannung des zugeordneten Solarmoduls in die wesentlich höhere Zwischenkreis-Gleichspannung transformiert.
Photovoltaik-Solarmodule werden üblicherweise in einem Arbeitspunkt betrieben, bei dem eine Ausgangsleistung optimal ist. Dieser Arbeitspunkt wird als MPPT bezeichnet, was für„maximum power point tracking", also sinngemäß Nachführen am maximalen Arbeitspunkt, steht. Eine Schaltungsanordnung mit einem„Maximum Power Point Tracker" ist in der DE 10201 1076184 A1 gezeigt. Die Schaltungsanordnung weist Ausgangsanschlüsse zum Bereitstellen eines Ausgangsstroms Eingangsanschlüsse zum Zuführen eines Quellenstromes und einer Quellenspannung von einer Gleich- Stromquelle und einen Maximum Power Point Tracker auf, der zwischen die Eingangsanschlüsse und die Ausgangsanschlüsse gekoppelt ist. Eine Über- brückungsschaltung ist zwischen die Eingangsanschlüsse und die Ausgangsanschlüsse gekoppelt ist, wobei die Überbrückungsschaltung dazu ausgebildet ist, einen Überbrückungszustand abhängig von dem Ausgangsstrom und ab- hängig von dem Quellenstrom anzunehmen, wobei der Quellenstrom im Überbrückungszustand durch die Überbrückungsschaltung fließt.
Ein Beispiel für eine entsprechendes Verfahren zum Auffinden des optimalen Arbeitspunktes ist in der DE 102005032864 A1 gezeigt. Dort wird ein Verfahren zum Auffinden eines Maximums eines Photovoltaik-Generators beschrieben, bei dem eine MPP-Regelung eines Photovoltaik-Wechselrichters eingesetzt wird, mit der eine maximale Generatorleistung bei einem Arbeitspunkt der Generatorkennlinie eingestellt wird, soll bei Teilverschattung des Generators einen verbesserten Wirkungsgrad liefern. Dies wird dadurch erreicht, dass die MPP-Regelung abgeschaltet wird, um den Generator anschließend zu be- und/oder entlasten, damit sich ein neuer Arbeitspunkt der Generatorkennlinie einstellen kann, und dass die MPP-Regelung anschließend wieder eingeschaltet wird.
Für Wechselrichter und Mikroinverter existiert eine Vielzahl von Schaltungs- möglichkeiten, die in der Regel eine oder mehrere der folgenden ungünstigen Charakteristika aufweisen. Die Schaltung beinhaltet einen oder mehrere kurzlebige Elektrolytkondensatoren oder weist mehr als zwei stromdurchflossene Schalter im Gleichstrom-Wechselstrom-Umrichter auf. Ersteres verringert die Lebensdauer, letzteres bringt Verluste mit sich. Übliche Schaltungen arbeiten bei hohen (oft größer als 500 V) Gleichspannungen, da die Solarmodule in Serie geschaltet sind, was hohe Sicherheitsanforderungen mit sich bringt. Wenn die Solarmodule oder andere Generatoren in Serie geschaltet sind, dann wird der Systemstrom limitiert durch das Modul/Generator mit der schlechtesten Performance.
Falls das Solarmodulsystem mit Wechselrichter einen Batteriespeicher beinhaltet, dann benötigt das Solarmodulsystem einen zusätzlichen Laderegler, um für den Stromspeicher auszuladen und auch einen DC-DC Konverter zum entladen. Dies führt zu zusätzlichen Leistungsverlusten.
Dabei muss die Eingangsspannung in der Regel grösser als 500 - 600 V sein, da die übliche Wechselrichterelektronik eine grundsätzlich tiefsetzende Eigenschaft hat. Dies wird dadurch erreicht, dass Solarmodule in Serie geschaltet werden. Durch die Serienschaltung können jedoch einzelne Module nicht auf maximale Leistungsabgabe optimiert werden. Der Gesamtstromfluss wird durch das leistungsschwächste Modul bestimmt und vermindert die Leistungsabgabe der gesamten Serienschaltung. Die Schaltgeschwindigkeit der Transistoren ist üblicherweise unterhalb 30 - 50kHz, um die Schaltverluste niedrig zu halten. Dies führt dazu, dass sehr große (in Volumen, Gewicht und Kosten) Speicherdrosseln und Kondensatoren verwendet werden müssen. Serienwechselrichter besitzen keine Möglichkeit die Leistungsabgabe einzelner Module zu erfassen, bzw. so zu regeln, dass diese maximal wird. Außerdem können Anlagen mit zentral installiertem Serienwechselrichter Prinzip bedingt nicht einzelne Module der Solaranlage oder gesamte Serienschaltung abschalten. Dies ist insbesondere im Brandfall sehr problematisch, da typische Systemspannungen bei 800 V liegen, was für eine Löschmannschaft gefährlich ist. Zusammenfassend wurde erkannt, dass bei bekannten Wandlerschaltungen unter anderem nachteilig ist, dass zur Speicherung von elektrischer Ladung Elektrolytkondensatoren vorgesehen werden müssen, die zwischen der Ausgangsschaltung zur Leistungsoptimierung und der Wandlerschaltung zur Um- Wandlung in die Netzwechselspannung angebracht sind. Elektrolytkondensatoren weisen jedoch eine geringe Lebensdauer auf, was sich eventuell nachteilig auf die Betriebskosten auswirkt und einen erhöhten Wartungsaufwand der installierten Module bedeuten kann. Um einen Betrieb mit einer Batterie zu ermöglichen, ist es ferner notwendig, die Ausgangsschaltung zur Leistungsopti- mierung mit einem Laderegler für die Batterie auszustatten. Im Falle einer Aufladung der Batterie über die Netzwechselspannung ist ebenso ein weiterer Laderegler für die Batterie notwendig. Diese zusätzlichen Komponenten verteuern jedoch zum einen die Bereitstelllung, reduzieren aber zum anderen auch die Effizienz aufgrund von Leistungsverlusten. Darüber hinaus lassen sich nach dem Stand der Technik übliche uni-direktionale Wandlerschaltungen nicht intelligent vernetzen, um durch den Zusammenschluss ein virtuelles Kraftwerk zu erschaffen, das sowohl als Stromquelle als auch als Stromsenke fungieren kann. Durch die Serienschaltung von Solarmodulen verliert man Effizienz, da die abgegebene Leistung durch das schlechteste Modul begrenzt wird.
Folglich besteht in der Technik ein Bedarf nach einer Wandlerschaltung, die die oben genannten Nachteile überwindet, d.h. eine Verbesserung der Lebensdauer ermöglicht und eine höhere Effizienz aufweist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Wandlerschaltung anzugeben, die eine möglichst geringe Verlustleistung aufweist, die einfache Einbindung eines Stromspeichers ermöglicht, auch bei geringen Zwischenspannungen effizient arbeitet, mit wenigen Bauteilen auskommt und eine intelligente Vernetzung einzelner Wandlerschaltungen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weite- re vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche. Diese können in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich. Gemäß der Erfindung wird eine Wandlerschaltung geschaffen, die als Wechselrichter eine an einem ersten Anschlusspaar anliegende Gleichspannung in eine Wechselspannung an einem zweiten Anschlusspaar umsetzt, wobei zwischen dem ersten Anschlusspaar und dem zweiten Anschlusspaar für eine erste Halbwelle der Wechselspannung ein erster Hochtiefsetzsteller und für die zweite Halbwelle ein zweiter Hochtiefsetzsteller mit je zwei stromdurchflosse- nen Schalter vorgesehen sind, die wechselseitig betreibbar sind, wobei die Gleichspannung niedriger als ein Scheitelwert der Wechselspannung wählbar ist. Die Beschreibung der Wanderschaltung stellt ein einphasiges Wandlungskonzept dar, das jedoch einfach auf einen dreiphasigen Betrieb ausgeweitet werden kann. Die erfindungsgemäße Wandlerschaltung wurde insbesondere für den Einsatz als Wechselrichter für Solarmodule optimiert. Für diesen Zweck wird schaltungstechnisch nicht der übliche Tiefsetzsteller verwendet, sondern eine Schaltung mit hoch- und tiefsetzenden Eigenschaften. Ein Tiefsetzsteller, der üblicherweise in Wechselrichtern zum Einsatz kommt, benötigt eingangs- seitig eine Spannung, die höher ist, als die höchste Spannung am Ausgang. Bei einer AC-Ausgangsspannung von 230 V liegt der höchste Spannungswert bei 325 V, das heißt die Eingangsspannung sollte bei mindestens 400 bis 500V liegen. Es ist aber sehr ineffizient beispielsweise die Solargeneratorausgangs- spannung von typischerweise 30 V bis 40 V auf mindestens 400 bis 500 V Systemspannung hoch zu transformieren, sodass der anschließende Wechselrichter mit tiefsetzenden Eigenschaften eingesetzt werden kann. Deshalb ist ein wesentlicher Teil dieser Erfindung ein hocheffizienter Wechselrichter, der mittlere Spannungen sowohl hoch- als auch tiefsetzen kann, um eine Sinuswelle am Ausgang zu modellieren. Das besondere an der vorliegenden Schaltung ist, dass sie mit nur zwei gleichzeitig stromdurchflossenen Halbleitern auskommt, im Gegensatz zu herkömmlichen Varianten, bei denen drei strom- durchflossene Halbleiter verwendet werden. Aufgrund dieser Schaltung wird die Effizienz verbessert und beträgt mindestens 95% bis 98%.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind der erste und der zweite Hochtiefsetzsteller als Parallelschaltung mit dem ersten Anschlusspaar und mit komplementären Anschlüssen des zweiten Anschlusspaars verbunden.
Bei diesem Aufbau sind der erste und der zweite Hochtiefsetzsteller nahezu identisch aufgebaut. Durch die Verbindung mit komplementären Anschlüssen des zweiten Anschlusspaars wird ausgewählt welcher der beiden Hochtiefsetz- steller der negativen und welcher der positiven Halbwelle zugeordnet ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst der erste und der zweite Hochtiefsetzsteller jeweils zwischen dem ersten Anschlusspaar eine Spule und einen in Serie geschalteten Schalter als Schaltelement, an deren Verbindungspunkt eine Diode und ein weiterer Schalter in Serie geschaltet sind, die als Umschalter mit den jeweiligen komplementären Anschlüssen des zweiten Anschlusspaars verbunden sind. Diese Schaltung verwendet den klassischen Hochtiefsetzsteller, der aus einem Schalter, einer Spule und einer Diode gebildet wird. Durch den ausgangsseiti- gen Umschalter wird immer nur der jeweils aktive Hochtiefsetzsteller mit dem Ausgang verbunden. Das Schaltungskonzept besteht folglich aus zwei Schal- tern für die positive und für die negative AC Halbwelle am Ausgang. Die beiden Halbwellen werden dann mit zwei weiteren Umschaltern zu der Gesamtsinuswelle zusammengesetzt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Wandlerschal- tung ausgebildet, als Gleichrichter eine am zweiten Anschlusspaar anliegende Wechselspannung als Gleichspannung am ersten Anschlusspaar auszugeben.
Ein weiteres Merkmal der Wandlerschaltung ist, dass sie bidirektional betrieben werden kann. So kann die Wandlerschaltung von der DC-Eingangsseite eine AC-Ausgangsspannung erzeugen. Umgekehrt kann die Wandlerschaltung aber auch eine AC-Spannung gleichrichten und am ersten Anschlusspaar abgeben. Durch diese Doppelfunktion werden Bauteil-Kosten eingespart.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind bei der Wandler- Schaltung im Wechselrichterbetrieb als Schaltelement fungierenden Schalter im Gleichrichterbetrieb Umschalter und die im Wechselrichterbetrieb als Umschalter fungierenden Schalter im Gleichrichterbetrieb Schaltelement.
Die Wandlerschaltung ist so konzipiert, dass man sie auch als Gleichrichter rückwärts betreiben kann. Rückwärtsbetrieb bedeutet, dass die Schalter, die im Wechselrichterbetrieb zum Umpolen verwendet wurden, jetzt als schnelle Schalter im Rückwärts-Hochtiefsetzsteller hochfrequent getaktet und mittels Pulsweiten-Modulation geregelt werden. Im Rückwärtsbetrieb werden die im Wechselrichterbetrieb getakteten Schalter nun zum Umschalten verwendet. Die Schaltung ist im Vorwärts- und Rückwärtsbetrieb spiegelbildlich aufgebaut. Die Kombination von Vorwärts- und Rückwärtsbetrieb in einer Schaltung minimiert die Bauteilkosten. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Schalter mit einer Steuerschaltung verbunden, die ausgebildet ist, über eine Pulsweiten- Modulation die als Schaltelement fungierenden Schalter zu steuern.
Bei der Modulation fließt der Strom entweder von den Spulen durch den als Schaltelement fungierenden Schalter zurück zur Quelle, oder, wenn der als Schaltelement fungierender Schalter geöffnet ist, durch die Diode. Damit der Stromkreis zum AC-Ausgang geschlossen wird, muss der als Umschalter fungierende Schalter geschlossen sein. Der Strom der Spulen des Hochtiefsetz- stellers fließt beispielsweise in einen Kondensator am zweiten Anschlusspaar und lädt ihn wechselseitig auf. Es werden die Spannung und/oder der Strom am zweiten Anschlusspaar gemessen. Durch einen negativen Feedbackalgorithmus wird je nach Betriebsmodus entweder die Spannung (bei Inselmodus zur Erzeugung einer lokalen Wechselspannung oder bei Motorsteuerung) oder der Strom (AC-Netzeinspeisung) am Ausgang reguliert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die als Schaltelement fungierenden Schalter mit einer Frequenz von mehr als 50 kHz, vorzugsweise ungefähr 200 kHz betreibbar. Die hohe Schaltfrequenz erlaubt es, in Bezug auf Volumen, Gewicht und Kosten relativ kleine Kondensatoren und Speicherdrosseln zu verwenden, was die Kosten reduziert und eine kompakte Schaltung entstehen lässt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist bei dem ersten und/oder dem zweiten Hochtiefsetzsteller anstelle einer Spule ein Transformator vorgesehen. Demgemäß wird eine galvanische Trennung der Eingänge beziehungsweise der Ausgänge der Wandlerschaltung erreicht, indem die oben genannten Speicherdrosseln jeweils durch einen Transformator ersetzt werden, die ein Übertragungsverhältnis von 1 :1 aufweisen können. Dies erlaubt es, beispielsweise an einem Solarmodul das mit Erde verbundene Potential beliebig zu wählen. Der oder die Transformatoren können auch mit einem anderen Übertragungsverhältnis eingesetzt werden. Die Wandlerschaltung eignet sich dann als Mi- kroinverter, der ohne vorgeschaltete Schaltung zur Leistungsoptimierung eingesetzt werden kann. Dazu wählt man bei den Transformatoren ein höheres Übertragungsverhältnis von beispielsweisel :4 oder 1 :5, sodass die Eingangs- Spannungen entsprechend hochtransformiert werden. Somit muss die Hoch- Tiefsetzstufe mit den stromdurchflossenen Schaltern geringere Spannungen transformieren und wird effizienter.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung arbeitet die Wandler- Schaltung im Gleichrichterbetrieb als Laderegler für eine Batterie.
Demgemäß ist es möglich, eine Batterie als Zwischenspeicher einzusetzen, die ohne die Bereitstellung eines speziellen Ladereglers über die Wandlerschaltung aufgeladen werden kann. Dazu wird im Gleichrichterbetrieb die Spannung am ersten Anschlusspaar, das nun den Ausgang der Wandlerschaltung definiert, so geregelt, dass ein Ladestrom fließen kann. Demgemäß ist es möglich, die Batterie aus anderen Energiequellen zu laden, was insbesondere während der Nachtstunden bei Verwendung der Wandlerschaltung mit Solarzellen oder windarmer Zeiten bei Verwendung mit einem Windrad vorteilhaft ist. So kann oftmals während der Nachtstunden verbilligter Nachtstrom aus dem öffentlichen Energienetz bezogen werden, der dann als Energiepuffer mittels der Batterie für zukünftigen Bedarf zur Verfügung steht. Die Wandlerschaltung optimiert die abgegebene Leistung eines jeden Solarmodules und erhöht die Systemeffizi- enz.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Wandlerschaltung als Wechselrichter so ansteuerbar, dass am zweiten Anschlusspaar ein Elektromotor betreibbar ist.
Die Steuerschaltung kann so programmiert sein, dass sie die Spannung am zweiten Anschlusspaar entsprechend überwacht, so dass der direkte Betrieb eines Motors ermöglicht wird. Auf diese Weise ist eine Anpassung an den tatsächlichen Leistungsbedarf des Elektromotors mittels der Steuerschaltung der Wandlerschaltung möglich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Wandlerschaltung als Wechselrichter am zweiten Anschlusspaar zur Netzeinspeisung betreibbar.
Bereitgestellte elektrische Energie, die nicht zur Aufladung einer Batterie oder zur lokalen Versorgung elektrischer Verbraucher benötigt wird, kann demgemäß in das öffentliche Netz eingespeist werden, wodurch über die entsprechenden Vergütungsentgelte eine Refinanzierung der Anlage erfolgen kann. Bei der Netzeinspeisung kann beispielsweise über die Steuerschaltung der der Strom AC-Netzeinspeisung am Ausgang reguliert werden. Ebenso ist es möglich, am Ausgang eine Möglichkeit zur kapazitiven und induktiven Blindstromeinspeisung zu schaffen. Um die Blindstromforderung zu erfüllen, kann mit einem Relais eine Induktivität oder eine Kapazität am AC-Ausgang dazu ge- schaltet werden, um auf einfache Weise Blindstrom passiv bereitzustellen, wie oftmals vom Gesetzgeber verlangt.
Des Weiteren wird eine Schaltungseinrichtung für einen Vorrichtung zur Er- zeugung elektrischer Energie, insbesondere für eine Solaranlage oder ein Windrad, angegeben, die geeignet ist, eine Ausgangsspannung der Vorrichtung mittels eines Hochsetzstellers anzuheben, wobei ein Ausgang des Hochsetzstellers mit einer Wandlerschaltung wie vorstehend beschrieben verbunden ist.
Die Schaltungseinrichtung kann zur Leistungsoptimierung einer Solarzelle ausgebildet sein und beispielsweise ein Maximum Power Point Tracking („MPPT") implementieren. Dadurch, dass jedes Modul/jeder Generator einzeln bezüglich der Ausgangsleistung optimiert wird, gewinnt man insgesamt 10 - 20% an zusätzlicher Ausgangsleistung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Schaltungseinrichtung ist zwischen dem Hochsetzsteller und der Schaltungseinrichtung eine Batterie angeordnet, wobei der Hochsetzsteller so steuerbar ist, dass die Batterie von der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aufladbar ist.
Die Batterie kann über die Wandlerschaltung mittels Strom aus dem öffentlichen Stromnetz, beispielsweise Nachtstrom, aufladbar sein. Außerdem wird Solaranlage mit einer Schaltungseinrichtung wie vorstehend beschrieben angegeben, bei der eine Vielzahl von Solarmodulen mit jeweils einer Schaltungseinrichtung als Leistungsoptimierer verbunden sind, die mit einer zentralen Wandlerschaltung verbunden sind. Die einzelnen Leistungsoptimierer an den Solarmodulen kommunizieren hierbei direkt über die Stromlei- tungen („Power-Line-Communication") mit der zentralen Wandlerschaltung. Der in die zentrale Wandlerschaltung integrierte Controller sammelt dabei Lei- stungs- und weitere Betriebsdaten der einzelnen Solarmodule, wertet diese aus und steuert die einzelnen Leistungsoptimierer beispielsweise so, dass einen optimal Gesamtleistung der Solaranlage erreicht wird. Insbesondere kann der integrierte Controller auch einzelnen Solarmodule komplett ausschalten, wenn Betriebsparameter bestimmte festgelegte Rahmenwerte über- oder unterschreiten. Es kann eine zentrale Batterie zwischen den Schaltungseinrichtungen und der zentralen Wandlerschaltung angeordnet sein.
Alternativ ist es vorgesehen, dass eine Vielzahl von Solarmodulen mit jeweils einer Schaltungseinrichtung und einer Wandlerschaltung verbunden sind.
Außerdem kann wenigstens eine Batterie zwischen einer der Schaltungseinrichtungen und der zugehörigen Wandlerschaltung angeordnet sein, vorzugsweise zwischen allen Schaltungseinrichtungen und den zugehörigen Wandlerschaltungen.
Die Solaranlage kann mit einer Datenschnittstelle, insbesondere einem kabellosen oder kabelgebundenen Netzwerk, versehen sein, die geeignet ist, Parameter zur Steuerung der Solaranlage zu übertragen. So können mehrere Solaranlagen zu einem virtuellen Kraftwerk verbunden werden, das sowohl als Stromsenke als auch als Stromquelle betrieben werden kann.
Schließlich wird eine Solaranlagengruppe mit Solaranlagen wie vorstehend beschrieben angegeben, die zu einem virtuellen Kraftwerk zur Bereitstellung von Regelenergie, die über einen Zentralcomputer über die Datenschnittstelle steuerbar sind, zusannnnengefasst sind, wobei das virtuelle Kraftwerk sowohl als Stromquelle als auch als Stromsenke betreibbar ist.
Wenigstens zwei Solaranlagen, vorzugsweise alle Solaranlagen, können miteinander elektrische Energie austauschen, in lokalen Stromspeichern speichern oder über das Stromnetz Energie anderen Verbrauchern bereitstellen.
Jeder an einem Solarmodul installierter Leistungsoptimierer kann mit einer Identifikationsnummer versehen sein, die über das Netzwerk auslesbar ist.
Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 (A) eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Wandlerschaltung,
Fig. 1 (B) eine weitere schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Wandlerschaltung,
Fig. 2 eine Schaltungseinrichtung zur Verwendung mit der erfindungsgemäßen Wandlerschaltung,
Fig. 3 eine weitere schematische Darstellung der Schaltungseinrichtung,
Fig. 4 eine weitere schematische Darstellung der Schaltungseinrichtungen mit einer Wandlerschaltung, und
Fig. 5 eine weitere schematische Darstellung einer Schaltungs- einrichtung mit zugehörigen Wandlerschaltungen.
In den Figuren sind gleiche oder funktional gleich wirkende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 (A) ist eine erste Ausführungsform einer Wandlerschaltung WS gezeigt. Die Wandlerschaltung WS weist ein erstes Anschlusspaar AP1 und ein zweites Anschlusspaar AP2 auf. Das erste Anschlusspaar AP1 und das zweite Anschlusspaar AP2 weisen jeweils einen positiven und einen negativen Anschluss auf, die im folgenden als AP1 +, AP1 -, AP2+ und AP2- bezeichnet werden. Wie nachfolgend erläutert werden wird, stellt die Wandlerschaltung WS einen bidirektionalen DC-AC-Wandler dar, der eine am ersten Anschlusspaar AP1 anliegende Gleichspannung UZ in eine Wechselspannung UA am zweiten Anschlusspaar AP2 wandelt. In einem Rückwärts- betrieb wird die Wechselspannung UA am zweiten Anschlusspaar AP2 in eine Gleichspannung UZ am ersten Anschlusspaar AP1 gewandelt. Die Wandlerschaltung WS ist so ausgelegt, dass sie mit einer Gleichspannung UZ arbeiten kann, die niedriger ist als die Scheitelwertspannung der Wechselspannung UA. Wenn die Wandlerschaltung WS als Wechselrichter eingesetzt wird, muss eine Sinuswelle am zweiten Anschlusspaar AP2 moduliert werden, wobei die
Gleichspannung UZ am ersten Anschlusspaar AP1 sowohl hoch als auch tief gesetzt werden muss. Demgemäß werden bei der Wandlerschaltung WS gemäß Fig. 1 (A) ein erster Hochtiefsetzsteller HTS1 und ein zweiter Hochtief- setzsteiler HTS2 verwendet.
Der erste Hochtiefsetzsteller HTS1 umfasst einen ersten Schalter S1 dessen erster Anschluss mit dem Anschluss AP1 - verbunden ist. Der zweite Anschluss des ersten Schalters S1 ist am ersten Verbindungspunkt VP1 sowohl mit einem Anodenanschluss einer ersten Diode D1 sowie mit einem Anschluss einer er- sten Spule SP1 verbunden. Der Kathodenanschluss der ersten Diode D1 ist mit dem Anschluss AP2- verbunden. Der andere Anschluss der ersten Spule SP1 ist mit dem Anschluss AP1 + verbunden. Auf ähnliche Weise ist auch ein zweiter Hochtiefsetzsteller HTS2 aufgebaut, dessen zweiter Schalter S2 mit dem Anschluss AP1 - verbunden ist. Am zweiten Verbindungspunkt VP2 sind ein erster Anschluss der zweiten Spule SP2 sowie ein Anodenanschluss einer zweiten Diode D2 angeschlossen. Der andere Anschluss der zweiten Spule SP2 ist wiederum mit dem Anschluss AP1 + verbun- den, der Kathodenanschluss der zweiten Diode D2 ist mit dem Anschluss AP2+ verbunden.
Der Kathodenanschluss der ersten Diode ist über einen dritten Schalter S3 und der Kathodenanschluss der zweiten Diode D2 ist über einen vierten Schalter S4 mit dem Anschluss AP1 + verbunden. Der dritte Schalter S3 und der vierte Schalter S4 fungieren als Umschalter, um für eine jeweilige Halbwelle den Stromkreis über die erste Spule SP1 oder die zweite Spule SP2 zu schließen. Bei dem ersten Schalter S1 und dem zweiten Schalter S2 handelt es sich dagegen um Schaltelemente, die zur Steuerung über eine Pulsweiten-Modulation herangezogen werden.
Zur Pulsweiten-Modulation ist eine Steuerschaltung ST vorgesehen, die entsprechende Steuersignale an den ersten Schalter S1 und an den zweiten Schalter S2 sowie an den dritten Schalter S3 und den vierten Schalter S4 wei- ter gibt. Darüber hinaus wird jeweils am ersten Anschlusspaar AP1 und am zweiten Anschlusspaar AP2 die anliegende Spannung bzw. der Stromfluss gemessen. Diese Messgrößen sind in Fig. 1 (A) mittels der Bezugszeichen UZ, UA, IZ und IA angedeutet. Darüber hinaus ist zwischen den beiden Anschlüs- sen des zweiten Anschlusspaares AP2 ein Kondensator C1 angeordnet, der beispielsweise als Folienkondensator ausgeführt sein kann.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 (B) wird im Folgenden eine zweite Ausführungsform der Wandlerschaltung WS beschrieben. Die Wandlerschaltung gemäß Fig. 1 (B) entspricht dabei im Wesentlichen der der Fig. 1 (A), wobei dort die beiden Spulen SP1 und SP2 durch Transformatoren TR1 und TR2 ersetzt wurden. Demgemäß erfolgt nun eine Kopplung zwischen dem ersten Schalter S1 bzw. dem zweiten Schalter S2 und den jeweiligen Dioden D1 oder D2 nicht mehr über die Verbindungspunkte VP1 und VP2 sondern galvanisch getrennt über den Transformator TR1 bzw. TR2. Demgemäß wird eine galvanische Trennung zwischen dem ersten Anschlusspaar AP1 und dem zweiten Anschlusspaar AP2 erreicht. Die Transformatoren TR1 und TR2 können entweder ein Übersetzungsverhältnis von 1 :1 oder auch ein anderes Übertragungsverhältnis aufweisen.
Die Funktionsweise der in Fig. 1 (A) bzw. Fig. 1 (B) beschriebenen Wandlerschaltung WS lässt sich wie folgt beschreiben. Die beiden Schalter S1 und S2 werden mit hoher Frequenz und mittels Pulsbreiten-Modulation betrieben. Für eine positive und eine negative Halbwelle am Ausgang AP2 ist je einer der bei- den Schalter vorgesehen. Die beiden Halbwellen werden dann mit den zwei Umschaltern S3 und S4 zu einer Gesamtsinuswelle zusammen gesetzt.
Bei der Modulation fließt der Strom entweder von der Spule durch den Schalter zurück zur Quelle oder, wenn der Schalter geöffnet ist, durch die Diode. Dies gilt für beide Hochtiefsetzsteller HTS1 und HTS2. Derjenige Hochtiefsetzsteller der gerade aktiv ist, wird über den dritten Schalter S3 bzw. den vierten Schalter S4 ausgewählt. Somit ist der Stromkreis am zweiten Anschlusspaar AP2, d. h. am AC-Ausgang, geschlossen, wobei der aktive Schalter nun mittels der Puls- weiten-Modulation geschaltet wird, während der andere Schalter entsprechend geöffnet bleibt.
Der Strom der beiden Spulen SP1 und SP2 fließt in einen ersten Kondensator C1 am Ausgang AP2. Demgemäß wird der erste Kondensator C1 wechselseitig aufgeladen, wobei Strom IA und Spannung UA gemessen und an die Steuerschaltung ST zurückgeführt werden. Durch einen entsprechenden Algorithmus innerhalb der Steuerschaltung ST wird je nach Betriebsmodus entweder die Spannung am Kondensator oder der Strom am Ausgang reguliert.
Am Anschlusspaar AP1 ist ein zweiter Kondensator C2 vorgesehen, dessen Kapazität groß genug gewählt ist, um die Energie für eine Netz-Periode zwischen zu speichern. Die abgegebene Leistung ist sinusförmig gepulst. Im Gegensatz zu konventionellen, aus dem Stand der Technik bekanten Wandler- Schaltungen wird hier jedoch ein großer Elektrolytkondensator vermieden, so dass stattdessen ein kleiner Folienkondensator für den zweiten Kondensator C2 eingesetzt werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass eine höhere Spannung (höher als die Modulspannung) am Eingang anliegt, da die Größe des Kondensators quadratisch mit der Spannung eingeht und auch dadurch, dass man erlaubt, dass die Spannung am Eingangsanschlusspaar AP1 des DC-AC Wandlers in Phase mit der gepulsten Leistungsabgabe um bis zu 30% variabel sein darf. Dies ist möglich durch die Entkopplung des Solarmoduls vom DC-AC Wandler durch Kombination des DC-AC-Wandlers mit der Schaltungseinrichtung in Figur 2, wie später noch beschrieben wird.
Darüber hinaus ist die Wandlerschaltung WS so konzipiert, dass man sie auch rückwärts betreiben kann. In diesem Fall werden die beiden Schalter S3 und S4, die vorher nur zum Umpolen verwendet wurden, nun als schnelle Schalter im Rückwärts- Hochtiefsetzsteller HTS1 bzw. HTS2 betrieben. Im Rückwärts- betrieb werden dann die Schalter S1 und S2 als Umschalter verwendet, und die bisher als Umschalter fungierenden Schalter S3 und S4 mittels Pulsweiten- Modulation geregelt.
Die richtige Polarität am ersten Anschlusspaar AP1 wird dadurch erreicht, dass entsprechend der positiven bzw. negativen Welle am zweiten Anschlusspaar AP2 die Schalter über die Steuerschaltung ST entsprechend gesteuert werden, so dass am Ausgang der beiden Spulen SP1 und SP2 eine konstante Spannung UZ erzeugt wird. Die Kombination von Vorwärts- und Rückwärtsbetrieb innerhalb einer Schaltung minimiert die Bauteilekosten. Als verwendete Schal- ter kommen MOSFETs, IGBTs, Thyristoren oder SiC-Transistoren in Frage.
Die in Fig. 1 (A) oder 1 (B) gezeigte Wandlerschaltung WS verdeutlicht das Konzept der Erfindung für eine einphasige Wechselspannung am zweiten Anschlusspaar AP2. Es ist selbstverständlich möglich, auch eine drei- oder mehr- phasige Wechselspannung durch Bereitstellen weiterer Schaltungsteile am Ausgang erzeugen zu können beziehungsweise im Rückwärtsbetrieb gleichzurichten.
In Fig. 2 ist eine Schaltungseinrichtung SE gezeigt, die ein drittes Anschlus- spaar AP3 den Anschlüssen AP3+ und AP3- aufweist. Das dritte Anschlusspaar AP3 ist als Eingang der Schaltungseinrichtung SE vorgesehen und kann mit einer Energiequelle EQ verbunden sein. Bei der Energiequelle EQ kann es sich um eine Solaranlage bzw. ein Solarmodul, eine Brennstoffzelle oder um ein Windrad handeln. Da die Schaltungseinrichtung SE zur Verarbeitung einer Gleichspannung vorgesehen ist, wäre bei Betrieb mit einem Windrad ein geeigneter Gleichrichter vorzusehen, der einem Fachmann jedoch bekannt ist. Zentrales Element der Schaltungseinrichtung SE ist ein Hochsetzsteller HS, der aus einer in Serie geschalteten dritten Spule SP3 und dritten Diode D3 besteht. Zwischen der dritten Spule SP3 und der dritten Diode D3 ist ein Schalter S5 vorgesehen, der mit den negativen Anschlüssen des dritten bzw. vierten Anschlusspaares AP3, AP4 verbunden ist. Der Kathodenanschluss der dritten Diode D3 ist mit dem Anschluss AP4+ verbunden, der nicht mit der Anode der dritten Diode D3 verbundene Anschluss der dritten Spule SP3 ist mit dem An- schluss AP3+ verbunden. Des Weiteren ist zwischen des dritten bzw. vierten Anschlusspaares AP3, AP4 ein dritter bzw. ein vierter Kondensator C3, C4 vorgesehen, die den gepulsten Spulenstrom durch SP3 bzw. den gepulsten Strom vom Schalter glätten. Der Hochsetzsteller HS ist in Fig. 2 entsprechend eines in der Elektrotechnik bekannten Beispiels gewählt. Es ist jedoch auch möglich, andere Ausführungsformen für den Hochsetzsteller HS zu verwenden. Der fünfte Schalter S5 ist wiederum mit der Steuerung ST verbunden, die darüber hinaus die am dritten Anschlusspaar AP3 bzw. am vierten Anschlusspaar AP4 anliegenden Spannungen bzw. Ströme als Eingangsgrößen erhält. Diese Messgrößen sind in Fig. 2 mittels der Bezugszeichen UZ2, UE, IZ2 und IE angedeutet. Die Steuerschaltung ST kann auch getrennt von der in Fig. 1 (A) bzw. 1 (B) vorgesehenen Steuerschaltung ausgeführt sein. Die Schaltungseinrichtung SE ist folglich ein klassischer Hochsitzsteller, der eine am dritten Anschlusspaar anliegende Gleichspannung in eine Gleichspannung am vierten Anschlusspaar A4 wandelt, die typischerweise zwischen 70 V und 200 V liegt. Dazu wird der fünfte Schalter S5 mit hoher Frequenz an bzw. aus geschaltet. Der Strom der dritten Spule SP3 fließt nun entweder durch den fünften Schalter S5 oder durch die dritte Diode D3 zum Ausgang. Die induzierte Spannung, die sich am Spannungsmesspunkt zwischen AP4+ und AP4- einstellt, hängt von dem Verhältnis der Pulsweite zur Periodendauer ab. Die Pulsweite wird mittels der Steuerschaltung ST über eine geeignete negative Rückkopplung so eingestellt, dass man je nach Betriebsmodus entweder die gewünschte Spannung, den gewünschten Strom oder die maximale Leistung erhält.
Wie bereits oben erwähnt, werden der Strom und die Spannung der Schal- tungseinrichtung SE sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig gemessen. Demgemäß ist es möglich, die Leistung am Eingang und Ausgang zu überwachen und die Effizienz der ersten Schaltstufe zu berechnen.
Die Schaltvorgänge an dem fünften Schalter S5 werden im Bereich einiger ns ausgeführt. Dies wird durch eine sehr schnelle Treiberschaltung erreicht, die einem kundigen Fachmann bekannt ist. Demgemäß werden Schaltverluste minimiert, so dass es möglich ist, den Schalter S5 mit einer Frequenz von bis zu 200 kHz zu betreiben. Die hohe Schaltfrequenz ermöglicht die Verwendung relativ kleiner Kondensatoren und Spulen, was die Gehäusegröße und somit die Kosten reduziert. Als verwendete Schalter kommen MOSFETs, IGBTs, Thyristoren oder SiC-Transistoren in Frage.
Die Schaltfunktion des fünften Schalters S5 wird über die Steuerung ST gesteuert, wobei wie oben erwähnt, mehrere Betriebsmodi möglich sind. Es kann eine feste Spannungsabgabe, eine feste Stromabgabe oder eine maximale Leistungsabgabe (MPP-Tracking) erreicht werden.
Die Schaltungseinrichtung SE hat eine, über die Steuerschaltung ST einstellbare Regelzeitkonstante, innerhalb derer die abgegebene Leistung integriert wird. Diese Regelzeitkonstante ist größer als die Reaktionszeit des Gesamtsystems und kleiner als typische Veränderungen der Last am Ausgang AP4. Diese Zeitkonstante kann sich typischerweise zwischen 0,1 ms und 10 ms bewegen. Die Wandlerschaltung gemäß Fig. 1 und die Schaltungseinrichtung gemäß Fig. 2 können als Zwischenelement einen Stromspeicher enthalten. Ein zu diesem Zweck geeigneter Stromspeicher ist in Fig. 3 gezeigt. Der Stromspeicher wird zwischen der Schaltungseinrichtung SE und der Wandlerschaltung WS ange- ordnet und umfasst als zentrales Element eine Batterie BA. Für ein ordnungsgemäßes Zusammenwirken der Schaltungseinrichtung SE und der Wandlerschaltung WS ist ein Stromspeicher zwar nicht zwingend erforderlich, die Speicherung mittels der Batterie BA ermöglicht es aber auch dann Leistung bereit zu stellen, wenn am Eingang der Schaltungseinrichtung SE die Energiequelle EQ keinen oder nur einen geringen Strom liefert.
Wie schon oben beschrieben, kann die Batterie BA sowohl von der Schaltungseinrichtung SE auch von der im Rückwärtsbetrieb arbeitenden Wandlerschaltung WS geladen werden. Im Gegensatz zu bekannten Systemen wird hier kein zusätzlicher Laderegler verwendet, der zusätzliche Effizienzverluste bewirken würde.
Der Stromspeicher in Form der Batterie BA ist wiederum mit der Steuerung ST verbunden, die die Spannung an der Batterie UB, den Strom der Batterie IB, die Ausgangsspannung UZ und den Ausgangsstrom IZ als mögliche Regelgrößen berücksichtigt. Zur Abtrennung der Batterie BA von der Schaltungseinrichtung SE ist ein Relais RE vorgesehen. Das Relais RE wird von der Steuerschaltung ST über die Relaiseingänge RE1 und RE2 entsprechend aktiviert oder deaktiviert. Somit ist im Rückwärtsbetrieb die Batterie BA abgeklemmt und über die Dioden D4 und D5 kann Strom mit der richtigen Polarität von der Wandlerschaltung WS zur Ladung der Batterie BA bereitgestellt werden.
Der Ladestrom IB wird über die Spannung gesteuert, welche an die Batterie BA angelegt wird. Die Steuereinheit ST steuert die Ausgangsspannung der Schal- tungseinheit SE bzw. der rückwärts betriebenen Wandlerschaltung WS. Die Steuerschaltung ST ermöglicht somit folgende Betriebsmodi.
Wenn die Batterie BA nicht geladen werden soll, so dass die gesamte Leistung an die Wandlerschaltung WS weiter gegeben wird, dann wird die Ausgangsspannung UZ2 der Schaltungseinrichtung SE herabgesetzt, so dass sie der Batteriespannung UB entspricht. Demgemäß fließt kein Strom IB in die Batterie BA. In diesem Falle ist es ebenso möglich, dass die Batterie BA über das Relais RE abgeklemmt wird.
In einem zweiten Betriebsmodus wird die gesamte Leistung zum Laden der Batterie BA verwendet. In diesem Betriebsmodus wird die Schaltungseinrichtung SE mit einer Leistungsoptimierung eingesetzt, so dass die maximale Leistung der Energiequelle EQ an die Batterie BA gegeben wird. Die Wandler- Schaltung WS ist dann abgeschaltet.
In einem dritten Betriebsmodus wird ein Teil der Leistung an die Batterie BA gegeben und ein Teil der Leistung fließt an die Wandlerschaltung WS. In diesem Fall wird über die Steuerschaltung ST die Ausgangsspannung UZ gering- fügig erniedrigt, so dass ein Teil des Stroms IB in die Batterie fließt und der verbleibende Strom IZ zur Wandlerschaltung WS.
In einem vierten Betriebsmodus ist es vorgesehen, dass die Wandlerschaltung WS aus der Batterie BA allein gespeist wird. Dazu wird die Ausgangsspannung der Schaltungseinrichtung soweit herunter gesetzt, dass sie unterhalb der Batteriespannung UB liegt. Somit fließt der Strom IB ausschließlich von der Batterie zur Wandlerschaltung WS. In einem fünften Betriebsmodus wird der Stromspeicher, d. h. die Batterie BA, von einer externen Netzspannung geladen, wobei mittels des Relais RE die Batterie BA von der Schaltungseinrichtung SE getrennt wird. Der Ladestrom IB fließt dann, wie oben dargestellt, über die Dioden D1 bis D4 von der rückwärts geschalteten Wechselschaltung WS zur Batterie BA.
Die bisher beschriebenen Baugruppen Schaltungseinrichtung SE und Wandlerschaltung WS lassen sich auf vielfältige Weise zu einem Gesamtsystem insbesondere mit Solarzellen als Energiequelle EQ zusammenführen. Bespiele für solche Systeme werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und die Fig. 5 näher erläutert.
Dabei wandelt die Wandlerschaltung WS Gleichstrom in Wechselstrom, der in das Netz über einen Netzanschluss NA eingespeist oder Verbrauchern, wie z.B. einem Motor, direkt bereitgestellt werden kann. Dazu ist die Wandlerschaltung WS mit einem oder mehreren Schaltungseinrichtungen SE verbunden. Zwischen der Schaltungseinrichtung SE und der Wandlerschaltung WS kann ein Stromspeicher beispielsweise in Form einer Batterie BA angeschlossen werden, der sowohl von der Wandlerschaltung WS als auch von der Schaltungseinrichtung SE geladen und entladen werden kann.
Die Energiequelle EQ kann beispielsweise eine (oder mehrere) Solarzelle(n), aber auch eine andere Gleichstromquelle sein. Im Falle einer Solarzelle ist ein möglicher Betriebsmodus der Schaltungseinrichtung SE so, dass die Solarzelle stets am Punkt höchster Leistung betrieben wird (Maximum Power Point Trak- king„MPPT"). Im Falle anderer Quellen, wie ein Windrad oder eine Brennstoffzelle, stellt die Regelung mittels der Steuerschaltung ST sicher, dass die Energiequelle EQ stets an ihrem optimalen Arbeitspunkt betreiben wird. Die Betriebsmodi der Wandlerschaltung WS sind (i) Batterie BA aus Energiequelle EQ laden, (ii) Batterie BA über die Wandlerschaltung WS entladen und Leistung in das Netz einspeisen oder an einen Verbraucher abgeben, (iii) Leistung der Energiequelle EQ über den die Wandlerschaltung WS an den Ver- braucher abgeben oder in das Netz einspeisen (iv) Stromspeicher über das Netz laden.
Die Wandlerschaltung WS kann in zwei verschiedenen Konfigurationen geschaltet werden.
Wie in Fig. 4 gezeigt ist, wird für jede der Energiequellen EQ eine als Lei- stungsoptimierer geschaltete Schaltungseinrichtung SE verwendet, die mit der Wandlerschaltung WS als zentralem DC-AC-lnverter verbunden ist. Optional kann eine zentrale Batterie BA vor der Wandlerschaltung WS angebracht sein, wie oben beschrieben. In diesem Fall wird die Wandlerschaltung WS mit einer Leistung betrieben, die der Gesamtleistung des Systems entspricht. Gegebenenfalls ist eine Kühlung der Wandlerschaltung WS erforderlich. In diesem Beispiel wird jedes Solarmodul mit einer Schaltungseinrichtung SE ausgestattet, die die Spannung des Solarmoduls oder Brennstoffzelle oder sonstiger Quelle EQ auf die Spannung hochtransformiert, die an der Batterie BA benötigt wird.
Die als Leistungsoptimierer geschaltete Schaltungseinrichtung SE maximiert die Leistung aus jeder individuellen Strom-/Spannungsquelle EQ. Werden z.B. Solarmodule als Energiequelle EQ verwendet, maximiert die Schaltungseinrichtung SE die Gesamtsystemleistung insbesondere bei teilweiser Abschattung von Solarmodulen. Die Schaltungseinrichtung SE kann auch Charakteristika anderer Quellen, wie beispielsweise Brennstoffzellen ausgleichen, sofern diese Quellen unterschiedliche Eigenschaften haben, so dass jede Quelle an ihrem optimalen Arbeitspunkt betreiben. Beispielsweise könnten auch Windanlagen, Solaranlagen oder Brennstoffzellen zusammen betrieben werden.
Die Schaltungseinrichtung SE wird auch als Laderegler verwendet. Die Aus- gangsspannung der Schaltungseinrichtung SE wird der Batteriespannung UB angepasst, wie oben beschrieben. Somit kann auf einen gesonderten Laderegler und auch den DC-DC-Regler zur Entladefunktion verzichtet werden, welches die Leistungseffizienz des Batterieladeprozesses verbessert. In Fig. 5 ist eine weitere Konfiguration gezeigt. Hier kann die Schaltungseinrichtung SE zusammen mit der Wandlerschaltung WS als sogenannter Mikro- inverter (mit oder ohne Stromspeicher) direkt an die Energiequelle EQ angeschlossen sein. Ein Mikroinverter ist ein Wechselrichter mit relativ kleiner Leistung bis etwa 300 W und ist an die Leistung und die Ausgangsspannung ei- nes Solarmoduls (etwa 30 bis 40 V) angepasst. Die geringe Leistung verlängert die Lebensdauer, da an allen Halbleitern nur wenig Wärme abfällt. Eine zusätzliche Kühlung entfällt hier.
Bei den in Fig. 4 oder in Fig. 5 gezeigten Beispielen wurden vereinfachend je- weils drei Energiequellen EQ dargestellt. Es versteht sich jedoch von selbst, dass das erfinderische Konzept leicht auf andere Konfiguration mit einer anderen Anzahl von Energiequellen EQ erweiterbar ist.
Die Schaltungsteile WS und SE (mit oder ohne Batterie BA) werden über die Steuerung ST angesteuert und geregelt. Die Steuerung ST erfasst mehrere Messwerte (Spannungen und Ströme) in den einzelnen Schaltungsteilen und verwendet sie über eine negative Rückkoppelung zur Regelung der Ausgangsspannungen und Ströme. Dies sind die Strom- und Spannungswerte (i) an der Stromquelle, (ii) an der Batterie (iii) und am AC-Teil des Wechselrichters. Die Steuerung ST kann sich in einer Baugruppe befinden oder auf zwei Baugruppen aufgeteilt werden, insbesondere wenn die Schaltungseinrichtung SE von dem Wechselrichter WS getrennt an dem Solarmodul angebracht ist.
Des Weiteren ist ein intelligenter Controller vorgesehen, der Messwerte der einzelnen Schaltungseinrichtungen SE und Wechselrichter WS empfängt, diese auswertet, speichert ggf. Regelparameter in den einzelnen Schaltungseinrichtungen SE und Wechselrichtern WS ändert und alle Messwerte, Parameter zur Weiterverarbeitung bereitstellt und Steuerungsbefehle von einem externen Computer empfangen und auswerten kann. Der Controller stellt so einen Schnittstelle zu einem externen Computer dar über den alle Systemparameter und Messwerte abgefragt uns alle notwenigen Parameter geändert werden können.
Dieser zentrale Controller hat Zugang zum einem Datennetzwerk wie dem In- ternet und kann vom diesem aus gesteuert werden kann. Der Powermanager beinhaltet eine CPU, in der komplexe Vorgänge gesteuert werden können, z.B. das komplette Energiemanagement eines kompletten Systems mit mehreren Erzeugern, Nutzern und öffentlichem Netz. Die zentrale Steuerung übernimmt auch die Aufgabe der Überwachung der einzelnen Generatoren. Jeder Gene- rator (Solarmodul, Brennstoffzelle, etc.) kann einzeln überwacht werden. Die Leistungsabgabe und weitere Betriebsparameter werden gemessen. Jedes Subsystem kann einzeln gesteuert werden, oder bei Fehlfunktion auch abgeschaltet werden. Außerdem ist es vorgesehen, dass jedes Solarmodul mit einer Identifikationsnummer versehen ist, die über das Netzwerk auslesbar ist. Da- durch wird eine Diebstahlsicherung erreicht. Der zentrale Controller kann dann nur mit bestimmten Solarmodulen zusammenarbeiten, welche vorher vom Hersteller programmiert wurden. Über den zentralen Controller können einzelne Installationen zu einem virtuellen Kraftwerk bzw. zu einem virtuellen Stromspeicher - im Falle dass die einzelnen Installationen jeweils einen Stromspeicher haben - zusammengeschaltet werden. Installationen können im Netz gemeinsam sowohl als Stromquelle als auch als Stromsenke fungieren und so Regelleistung bereitstellen und gemeinsam als Regelspeicher fungieren um Stromüberschüsse und Stromdefizite im Netz auszugleichen.
Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbil- düngen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar.

Claims

Ansprüche:
1 . Wandlerschaltung, die als Wechselrichter eine an einem ersten Anschlusspaar anliegende Gleichspannung in eine Wechselspannung an einem zweiten Anschlusspaar umsetzt, wobei zwischen dem ersten Anschlusspaar und dem zweiten Anschlusspaar für eine erste Halbwelle der Wechselspannung ein erster Hochtiefsetzsteller und für die zweite Halbwelle ein zweiter Hochtiefsetz- steller mit je zwei stromdurchflossenen Schalter vorgesehen sind, die wechselseitig betreibbar sind, wobei die Gleichspannung niedriger als ein Scheitelwert der Wechselspannung ist.
2. Wandlerschaltung nach Anspruch 1 , bei der der erste und der zweite Hochtiefsetzsteller als Parallelschaltung mit dem ersten Anschlusspaar und mit komplementären Anschlüssen des zweiten Anschlusspaars verbunden sind.
3. Wandlerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der erste und der zweite Hochtiefsetzsteller zwischen dem ersten Anschlusspaar eine Spule und einen in Serie geschalteten Schalter als Schaltelement umfasst, an deren Verbindungspunkt eine Diode und ein weiterer Schalter in Serie geschaltet sind, die als Umschalter mit den jeweiligen komplementären Anschlüssen des zweiten Anschlusspaars verbunden sind.
4. Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die als Gleichrichter eine am zweiten Anschlusspaar anliegende Wechselspannung als Gleich- Spannung am ersten Anschlusspaar ausgibt.
5. Wandlerschaltung nach Anspruch 3 und 4, bei der die im Wechselrichterbetrieb als Schaltelement fungierenden Schalter im Gleichrichterbetrieb Um- Schalter sind und bei der die im Wechselrichterbetrieb als Umschalter fungierenden Schalter im Gleichrichterbetrieb Schaltelement sind.
6. Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Schalter mit einer Steuerschaltung verbunden sind, die über eine Pulsweiten-Modulation die als Schaltelement fungierenden Schalter steuert.
7. Wandlerschaltung nach Anspruch 6, bei der die als Schaltelement fungierenden Schalter mit einer Frequenz von mehr als 50 kHz, insbesondere mehr als 100 kHz, vorzugsweise ungefähr 200 kHz betreibbar sind.
8. Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der zur galvanischen Trennung die Spulen Teil eines Transformators sind.
9. Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die im Gleichrichterbetrieb als Laderegler für eine Batterie arbeitet.
10. Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die als Wechselrichter so ansteuerbar ist, dass am zweiten Anschlusspaar ein Elektromotor betreibbar ist.
1 1 . Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die als Wechselrichter am zweiten Anschlusspaar als Netzeinspeisung betreibbar ist.
12. Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , bei der für einen dreiphasigen Betrieb die Hochtiefsetzsetzsteller entsprechend mehrfach vorhanden sind und die Ansteuerung der Schalter einen dreiphasigen Betrieb ermöglicht.
13. Schaltungseinrichtung für einen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, insbesondere für eine Solaranlage, eine Brennstoffzelle oder ein Windrad, die geeignet ist, eine Ausgangsspannung der Vorrichtung mittels ei- nes Hochsetzstellers anzuheben, wobei ein Ausgang des Hochsetzstellers mit einer Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 verbunden ist.
14. Schaltungseinrichtung nach Anspruch 13, die zur Leistungsoptimierung einer Solarzelle ausgebildet ist.
15. Schaltungseinrichtung nach Anspruch 13 oder 14, bei der zwischen dem Hochsetzsteller und der Schaltungseinrichtung eine Batterie angeordnet ist, wobei der Hochsetzsteller so steuerbar ist, dass die Batterie von der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aufladbar ist.
16. Schaltungseinrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei der die Batterie über die Wandlerschaltung mittels Strom aus dem Netz aufladbar ist.
17. Solaranlage mit einer Schaltungseinrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei der eine Vielzahl von Solarmodulen mit jeweils einer Schaltungseinrichtung als Leistungsoptimierer verbunden ist, die mit einer zentralen Wandlerschaltung verbunden sind.
18. Solaranlage nach Anspruch 17, bei der eine zentrale Batterie zwischen den Schaltungseinrichtungen und der zentralen Wandlerschaltung angeordnet ist.
19. Solaranlage mit einer Schaltungseinrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei der eine Vielzahl von Solarmodulen mit jeweils einer Schaltungs- einrichtung und einer Wandlerschaltung verbunden sind.
20. Solaranlage nach Anspruch 17, bei der wenigstens eine Batterie zwischen einer der Schaltungseinrichtungen und der zugehörigen Wandlerschaltung angeordnet ist, vorzugsweise zwischen allen Schaltungseinrichtungen und den zugehörigen Wandlerschaltungen.
21 . Solaranlage nach einem der Ansprüche 16 bis 20, die mit einer Datenschnittstelle, insbesondere einem kabellosen oder kabelgebundenen Netzwerk, versehen ist, die geeignet ist, Parameter zur Steuerung der Solaranlage zu übertragen.
22. Solaranlagengruppe mit Solaranlagen nach Anspruch 21 , die zu einem virtuellen Kraftwerk zur Bereitstellung von Regelenergie, die über einen Zentralcomputer über die Datenschnittstelle steuerbar sind, zusammengefasst sind, wobei das virtuelle Kraftwerk sowohl als Stromquelle als auch als Strom- senke betreibbar ist.
23. Solaranlagengruppe nach Anspruch 22, bei der wenigstens zwei Solaranlagen miteinander elektrische Energie austauschen können oder in ein Stromnetz einspeisen und anderen Verbrauchern bereitstellen.
24. Solaranlagengruppe nach Anspruch 21 oder 22, bei der jede, an eine Solarzelle oder an eine Solaranlage montierte Schaltungseinrichtung nach Anspruch 13 mit einer eindeutigen Identifikationsnummer versehen ist, die über das Netzwerk auslesbar ist und als Diebstahlssicherung dienen kann.
PCT/EP2014/059869 2013-05-14 2014-05-14 Wandlerschaltung WO2014184254A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102013104940.0 2013-05-14
DE102013104940.0A DE102013104940A1 (de) 2013-05-14 2013-05-14 Wandlerschaltung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014184254A1 true WO2014184254A1 (de) 2014-11-20

Family

ID=50732171

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2014/059869 WO2014184254A1 (de) 2013-05-14 2014-05-14 Wandlerschaltung

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102013104940A1 (de)
WO (1) WO2014184254A1 (de)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2451910A (en) * 2007-08-17 2009-02-18 Pwm Drives Ltd Bidirectional DC AC converter with multiple buck boost converters and magnetic energy storage device.
US20100135054A1 (en) * 2007-06-29 2010-06-03 Sma Solar Technology Ag Inverter for feeding electric energy into a power supply system
EP2400650A2 (de) * 2010-06-22 2011-12-28 Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki Gleichstrom-/Wechselstromwandler

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10136147B4 (de) 2001-07-25 2004-11-04 Kolm, Hendrik, Dipl.-Ing. Photovoltaischer Wechselstromerzeuger
DE602004023497D1 (de) * 2003-05-06 2009-11-19 Enecsys Ltd Stromversorgungsschaltungen
DE102005032864B4 (de) 2005-07-14 2011-04-14 Sma Solar Technology Ag Verfahren zum Auffinden eines Leistungsmaximums eines Photovoltaik-Generators
EP1971018A1 (de) * 2007-03-13 2008-09-17 SMA Solar Technology AG Schaltungsvorrichtung zum transformatorlosen Umwandeln einer Gleichspannung in eine Wechselspannung mittels zweier DC/DC Wandler und einem AC/DC Wandler
US10468993B2 (en) * 2007-05-17 2019-11-05 Enphase Energy, Inc. Inverter for use in photovoltaic module
TWI373906B (en) * 2009-04-06 2012-10-01 Ablerex Electronics Co Ltd Dc/ac inverter
US8390261B2 (en) 2010-05-21 2013-03-05 Infineon Technologies Austria Ag Maximum power point tracker bypass
IT1401606B1 (it) * 2010-07-30 2013-07-26 Bitron Spa Metodo e dispositivo per la massimizzazione della potenza elettrica prodotta da un generatore, in particolare un generatore basato su una fonte energetica rinnovabile.

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100135054A1 (en) * 2007-06-29 2010-06-03 Sma Solar Technology Ag Inverter for feeding electric energy into a power supply system
GB2451910A (en) * 2007-08-17 2009-02-18 Pwm Drives Ltd Bidirectional DC AC converter with multiple buck boost converters and magnetic energy storage device.
EP2400650A2 (de) * 2010-06-22 2011-12-28 Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki Gleichstrom-/Wechselstromwandler

Also Published As

Publication number Publication date
DE102013104940A1 (de) 2014-11-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3022835B1 (de) Wechselrichter mit mindestens zwei gleichstromeingängen, photovoltaikanlage mit einem derartigen wechselrichter und verfahren zur ansteuerung eines wechselrichters
EP2325993B1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters und Wechselrichter
EP2173024B1 (de) Schaltungsanordnung mit einem Hochsetzsteller und Wechselrichterschaltung mit einer solchen Schaltungsanordnung
DE102014106162A1 (de) Hochleistungsspannungskompensation
DE102013201055A1 (de) Leistungswandlerschaltungsanordnung
EP1971018A1 (de) Schaltungsvorrichtung zum transformatorlosen Umwandeln einer Gleichspannung in eine Wechselspannung mittels zweier DC/DC Wandler und einem AC/DC Wandler
DE102013212682B4 (de) Energiespeichereinrichtung mit Gleichspannungsversorgungsschaltung und Verfahren zum Bereitstellen einer Gleichspannung aus einer Energiespeichereinrichtung
DE102013005070A1 (de) Hochsetzsteller
EP3647108A1 (de) Ladeanordnung für kraftfahrzeuge mit mehreren energiequellen
DE102011110197B4 (de) System mit einem Gleichspannungszwischenkreis als gemeinsamer Verbindungsschiene und Verfahren zum Betreiben eines Systems mit in verschiedenen Gehäusen angeordneten Stellern
EP2856625B1 (de) Spannungsversorgung für einen wechselrichter
DE102011056135A1 (de) Energieerzeugungsanlage mit einem Energiespeichersystem und zugehöriges Betriebsverfahren
DE102012002599B4 (de) Energieerzeugungsanlage mit Wechselrichter und Energiespeichersystem
DE102014012028A1 (de) Vorrichtung und ein Verfahren zum Laden oder Entladen eines elektrischen Energiespeichers mit beliebigen Betriebsspannungen
EP3596792B1 (de) Elektrisches energieversorgungsnetz und verfahren zu dessen betrieb
WO2014184254A1 (de) Wandlerschaltung
DE102011001284A1 (de) Schaltungsanordnung für einen Speicher
DE102014100257A1 (de) Modularer Umrichter und Energieübertragungseinrichtung
EP4070444B1 (de) Verfahren zum betreiben eines wechselrichters und wechselrichter zur durchführung des verfahrens
DE202010007787U1 (de) Gleichspannungssteller
EP2826126B1 (de) Leistungselektronische anordnung mit symmetrierung eines spannungsknotens im zwischenkreis
EP2523339B1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von Energie mittels einer Photovoltaikanlage mit Ausgleich von Energie zwischen den Zweigen der Gleichspannungsgeneratoren
DE202017007328U1 (de) Lade-/Entladeeinheit zur Anbindung eines mobilen elektrischen Energiespeichers an ein Spannungsnetz
DE102017121728A1 (de) Hybridregelkraftwerk
DE102022208258A1 (de) Elektrolysesystem

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14724428

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 14724428

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1