CH698917B1 - Transformatorlose Wechselrichter-Schaltungsanordnung. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine transformatorlose Wechselrichter-Schaltungsanordnung mit wenigstens einer getaktet ansteuerbaren Gleichstromstellerschaltung (GS1, GS2, GSn), die ausgangsseitig einen betragssinusförmig modulierten Ausgangsstrom liefert, und einer an die Ausgangsseite der wenigstens einen Gleichstromstellerschaltung angekoppelten, getaktet ansteuerbaren Polwenderschaltung (PW).Bei einer erfindungsgemässen Schaltungsanordnung ist wenigstens eine zwischen Eingangsanschlüssen und/oder Ausgangsanschlüssen der Polwenderschaltung angeordnete Energiespeicher- und/oder Spannungsbegrenzereinheit (ES1, ES2) vorgesehen.Die transformatorlose Wechselrichter-Schaltungsanordnung dient der Verwendung z.B. zur Netzankopplung von Photovoltaikgeneratoren und Brennstoffzellensystemen.

Description

  [0001]    Die Erfindung bezieht sich auf eine transformatorlose Wechselrichter-Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

  

[0002]    Derartige Wechselrichter-Schaltungsanordnungen werden beispielsweise zur Netzankopplung von Fotovoltaikanlagen und Brennstoffzellensystemen verwendet und sind Wechselrichtern mit potentialtrennenden Transformatoren im Allgemeinen hinsichtlich hohem Wirkungsgrad sowie niedrigem Gewicht und Bauvolumen überlegen.

  

[0003]    In der Veröffentlichung B. Burger, Der BWR-500 - trafoloser Wechselrichter mit höchstem Wirkungsgrad, Symp. PV Solarenergie, OTTI, Staffelstein, März 1994, Seite 556 wird ein transformatorloser Wechselrichter zur Ankopplung einer Fotovoltaikanlage an ein Wechselspannungsnetz vorgestellt, der aus nur drei leistungsführenden Komponenten aufgebaut ist, und zwar einem gleichstromseitigen Glättungskondensator, einer wechselstromseitigen Induktivität und einer zwischenliegenden Wechselrichterbrücke, die aus einer Kombination von vier Taktschaltern, speziell Leistungshalbleiterschaltern in Form von MOSFETs und IGBTs besteht und die Gleichspannung des Solargenerators in eine pulsweitenmodulierte Wechselspannung wandelt. Weitere Wechselrichter-Schaltungsanordnungen zur Netzankopplung von Fotovoltaikanlagen sind in der Veröffentlichung B. Gruss et al., 12. Symp.

   PV Solarenergie, OTTI, Staffelstein, 26-28.02.1997, Seite 324 für einphasige und dreiphasige Ausführungen beschrieben.

  

[0004]    In der Patenschrift DE 19 732 218 C1 wird eine transformatorlose Wechselrichter-Schaltungsanordnung vorgeschlagen, die eine potentialfeste Leiterverbindung zwischen einem ersten, z.B. eingangsseitigen, Gleichspannungsanschluss und einem ersten, z.B. ausgangsseitigen, Wechselspannungsanschluss aufweist, um EMV-Probleme zu minimieren.

  

[0005]    In der Offenlegungsschrift DE 10 221 592 A1 ist ein Wechselrichter mit zwei eingangsseitigen Gleichspannungsanschlüssen offenbart, denen ein Energiezwischenspeicher und eine Brückenschaltung parallel geschaltet sind, die wenigstens zwei Paralleläste mit jeweils zwei in Reihe geschalteten, getaktet ansteuerbaren Schaltern aufweist. Letzteren ist je eine Gleichrichterdiode parallel geschaltet. Zwei Wechselspannungsanschlüsse sind über je eine Verbindungsleitung mit jeweiliger Speicherdrossel mit je einem der Paralleläste der Brückenschaltung jeweils zwischen zwei der Schalter verbunden. Zwischen den beiden Verbindungsleitungen befindet sich ein ansteuerbarer Schaltkreis, der die beiden Verbindungsleitungen in einem ersten Zustand elektrisch miteinander verbindet und in einem zweiten Zustand elektrisch gegeneinander isoliert.

   Dabei wird der Schaltkreis so gesteuert, dass er mit Beginn und während einer Halbwelle der Wechselspannung den ersten Zustand annimmt, wenn die vier Schalter sämtlich geöffnet sind, und den zweiten Zustand einnimmt, wenn wenigstens einer der Schalter geschlossen ist, und gegen Ende einer jeweiligen Halbwelle bis zum Beginn der nächsten Halbwelle im zweiten Zustand bleibt.

  

[0006]    In der Patentschrift DE 19 700 100 C2 ist eine Tiefsetzstellerschaltung mit einem positiven und einem negativen Ausgang zur Erzeugung einer gegen Masse gleichtakt-ripplefreien Spannung an den Ausgängen beschrieben, der einen positiven und einen negativen Zweig, jeweils eine Speicherdrossel und einen Halbleiterschalter in dem positiven und in dem negativen Zweig sowie einen oder zwei Eingangskondensatoren und eine oder zwei Freilaufdioden zwischen dem positiven und dem negativen Zweig aufweist. Die Halbleiterschalter werden periodisch und im Gleichtakt zueinander geöffnet und geschlossen.

   In der Ausführungsvariante mit zwei Eingangskondensatoren und zwei Freilaufdioden ist eine feste Leiterverbindung zwischen einem Mittelabgriff der beiden Eingangskondensatoren und einem Mittelabgriff der beiden Freilaufdioden vorgesehen, die sich zudem zu einem Mittelabgriff zweier Ausgangskondensatoren erstreckt, die in Reihe zueinander zwischen den positiven und den negativen Ausgang angeordnet sind.

  

[0007]    In der Veröffentlichung Y. Nishida, A New Simple Topology for Three-Phase Buck-Mode PFC Rectifier, APEC 96, 11<th>Annual Conf. Proceedings IEEE 1996, Band 2, Seite 531 wird eine spezielle Gleichrichterschaltung beschrieben, die mit einem eingangsseitigen Dreiphasen-IFT-Wandler an eine Drehstromquelle angekoppelt ist und ausgangsseitig eine Gleichstromstellerschaltung beinhaltet, die über eine Dreiphasen-Diodenbrücke mit dem IFT-Wandler gekoppelt ist und zusätzlich zu zwei Hauptzweigen, in denen sich je ein getaktet ansteuerbarer Schalter befindet, einen Mittelzweig aufweist, der einen Zwischenknoten einer eingangsseitigen Kondensatorreihenschaltung zwischen den Hauptzweigen mit einem Zwischenknoten einer ausgangsseitigen Diodenreihenschaltung zwischen den Hauptzweigen verbindet.

   Zusätzlich ist der Mittelzweig an einen Sternpunkt des eingangsseitigen IFT-Wandlers rückgekoppelt. Die beiden Schalter der Gleichstromstellerschaltung können in unterschiedlichen Taktungsmodi angesteuert werden.

  

[0008]    In der Offenlegungsschrift DE 3 832 442 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Stromversorgung elektrischer Verbraucher eines Reisezugwagens aus einer Zugsammelschiene offenbart, wozu ein eingangsseitiger Gleichrichter an die Zugsammelschiene angekoppelt ist und sich an den Eingangsgleichrichter ein Tiefsetzsteller und zwei seriell geschaltete und kapazitiv gekoppelte Thyristoren anschliessen. Aus einer dadurch bereitgestellten Zwischenkreisspannung erzeugen zwei parallele Drehstromwechselrichter eine sinusförmige Spannung, die über Transformatoren potentialgetrennt an Verbraucher weitergeleitet wird.

   Der Tiefsetzsteller beinhaltet zwischen zwei Hauptzweigen einen Mittelzweig, der einen Zwischenknoten einer eingangsseitigen Kondensatorreihenschaltung zwischen den Hauptzweigen mit einem Zwischenknoten einer ausgangsseitigen Diodenreihenschaltung zwischen den Hauptzweigen verbindet. Zusätzlich ist bei diesem Tiefsetzsteller der Mittelzweig mit einem Zwischenknoten einer Kondensatorreihenschaltung verbunden, welche zwischen die Ausgangsklemmen des Tiefsetzstellers angeordnet ist.

  

[0009]    In der älteren deutschen Patentanmeldung 10 2005 047 373 des Anmelders ist eine Tiefsetzstellerschaltung offenbart, bei welcher ein entsprechender Mittelzweig, der einen Zwischenknoten einer eingangsseitigen Kondensatorreihenschaltung mit einem Zwischenknoten einer eingangsseitigen Diodenreihenschaltung verbindet, floatend gehalten wird, d.h. ohne weitere Anbindung an einen anderen potentialführenden Schaltungsteil. Des Weiteren ist dort eine transformatorlose Wechselrichter-Schaltungsanordnung mit einer solchen Tiefsetzstellerschaltung sowie einer daran angekoppelten Polwender- oder Wechselrichterbrückenschaltung beschrieben.

   Da die vorliegende Erfindung auch Kenntnisse aus dieser vorigen Erfindung des Anmelders nutzt, wird zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen der Inhalt dieser älteren Patentanmeldung des Anmelders hiermit durch Verweis in vollem Umfang in die vorliegende Anmeldung aufgenommen.

  

[0010]    Bei den meisten herkömmlichen potentialverbindenden Tiefsetzstellern und damit ausgerüsteten Wechselrichtern, wie sie gerade auch zur Netzankopplung von Fotovoltaikanlagen benutzt werden, werden für die getaktet ansteuerbaren Schalter und die Freilaufdioden Leistungshalbleiter mit relativ hoher Spannungsfestigkeit von z.B. bis 1200 V eingesetzt, insbesondere Leistungshalbleiterschalter vom IGBT-Typ, damit diese die an ihnen wenigstens in bestimmten Schaltzuständen anliegende Spannung in der Höhe der Eingangsspannung aushalten. Mit höherer Spannungsfestigkeit nehmen jedoch die Schaltverluste und die Durchlassverluste deutlich zu.

   Ausserdem ist bei diesen herkömmlichen Anordnungen die jeweilige Speicherdrossel auf einen entsprechend hohen Spannungshub und folglich mit relativ grossem Bauvolumen auszulegen, wenn mit hohen Eingangsspannungen von z.B. etwa 330 V bis etwa 1000 V gearbeitet werden soll.

  

[0011]    Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer transformatorlosen Wechselrichter-Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zugrunde, die gegenüber den oben erläuterten Anordnungen des Standes der Technik insbesondere hinsichtlich verringerter Schaltungskomplexität, hoher Anwendungsflexibilität und Qualität der bereitgestellten Ausgangsspannung verbessert ist.

  

[0012]    Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung einer transformatorlosen Wechselrichter-Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs.

  

[0013]    Bei der Wechselrichter-Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 ist speziell wenigstens eine Energiespeicher- und/oder Spannungsbegrenzereinheit zwischen Eingangsanschlüssen der Polwenderschaltung und/oder zwischen Ausgangsanschlüssen der Polwenderschaltung angeschlossen. Es zeigt sich, dass dadurch mit vergleichsweise geringem Schaltungsaufwand effektiv eine Ausgangsspannung allenfalls geringfügiger Welligkeit im Strom- bzw. Spannungsverlauf bereitgestellt werden kann. Dabei kann die Energiespeicher- und/oder Spannungsbegrenzereinheit auch als Energieabsorber wirken und dadurch übermässige Belastungen der Polwenderschaltung verhindern, insbesondere schädliche Spannungsspitzen für überspannungsempfindliche Halbleiterschalter der Polwenderschaltung.

   Für die Energiespeicher und/oder Spannungsbegrenzereinheit sind jedwede herkömmliche Energiespeicherschaltungen oder Spannungsbegrenzerschaltungen oder kombinierte Energiespeicher- und Spannungsbegrenzerschaltungen einsetzbar, wie sie dem Fachmann geläufig sind. Im Zusammenspiel mit ausgangsseitig der Polwenderschaltung vorzugsweise vorhandenen Induktivitäten kann die Energiespeicher- und/oder Spannungsbegrenzereinheit eine Filterschaltung bilden, deren Spannungsbegrenzungsschwelle oberhalb eines Scheitelwerts einer ausgangsseitig angekoppelten Wechselspannungsquelle liegt und dadurch im regulären störungsfreien Betrieb nicht greift.

   Die Energiespeicher und/oder Spannungsbegrenzereinheit wird dann vorzugsweise so dimensioniert, dass sie die gespeicherte Energie der jeweiligen Induktivität aufnehmen kann, ohne dass dadurch die Spannungsfestigkeit von in der Polwenderschaltung verbauten Halbleiterschaltern überschritten wird.

  

[0014]    Bei der Wechselrichter-Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 sind speziell mehrere Gleichstromstellerschaltungen vorgesehen, die mit ihrer Ausgangsseite parallel an die Eingangsseite der Polwenderschaltung angekoppelt sind. Dadurch können in schaltungstechnisch vorteilhafter Weise mehrere parallele Gleichstromquellen, z.B. Photovoltaikgeneratoreinheiten oder Brennstoffzelleneinheiten, gemeinsam zur Bereitstellung einer ausgangsseitigen Wechselspannung bzw. zur Ankopplung an eine Wechselspannungsquelle eingesetzt werden.

  

[0015]    In Ausgestaltung dieses Erfindungsaspekts sind gemäss Anspruch 3 Mittel zur getakteten Ansteuerung der mehreren Gleichstromstellerschaltungen in Abhängigkeit von der Anzahl arbeitender, d.h. zum jeweiligen Zeitpunkt in aktivem Gleichstromstellerbetrieb befindlicher Gleichstromstellerschaltungen vorgesehen. Durch die Berücksichtigung der Anzahl von jeweils momentan aktiven Gleichstromstellerschaltungen für deren getaktete Ansteuerung können Stromwelligkeiten in günstiger Weise minimiert werden. In weiterer Ausgestaltung dieser Massnahme ist gemäss Anspruch 4 vorteilhaft ein phasenversetztes Takten der Gleichstromstellerschaltungen in Abhängigkeit von der Anzahl arbeitender Gleichstromstellerschaltungen derart vorgesehen, dass Stromwelligkeiten reduziert, d.h. minimiert sind.

   Des Weiteren kann ein Takten der Gleichstromstellerschaltungen mit je nach Anzahl arbeitender Gleichstromstellerschaltungen unterschiedlicher Taktfrequenz vorgesehen sein.

  

[0016]    Gemäss einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung beinhaltet die jeweilige Gleichstromstellerschaltung bei einer Wechselrichter-Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 zwei getaktet ansteuerbare Halbleiterschalter, von denen der eine zwischen einer ersten Eingangsklemme und einem ersten Hauptzweig und der andere zwischen einer zweiten Eingangsklemme und einem zweiten Hauptzweig der Gleichstromstellerschaltung angeordnet sind, wobei zwischen die erste und zweite Eingangsklemme ein Kondensator und zwischen dem ersten und zweiten Hauptzweig eine Diode angeschlossen sind. Es zeigt sich, dass dies eine vorteilhaft einfache Schaltungsrealisierung darstellt, um der anschliessenden Polwenderschaltung über einen Stromzwischenkreis einen geeigneten Zwischenkreisstrom bereitzustellen, wobei die beiden Halbleiterschalter vorzugsweise gleichphasig getaktet werden.

  

[0017]    Mit einem weiteren vorteilhaften Erfindungsaspekt beinhaltet die jeweilige Gleichstromstellerschaltung bei einer Wechselrichter-Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 zwei getaktet ansteuerbare Halbleiterschalter, von denen der eine zwischen einer ersten Eingangsklemme und einem ersten Hauptzweig und der andere zwischen einer zweiten Eingangsklemme und einem zweiten Hauptzweig der Gleichstromstellerschaltung angeordnet ist sowie eine eingangsseitige Kondensatorreihenschaltung zwischen den Eingangsklemmen und eine ausgangsseitige Diodenreihenschaltung zwischen den Hauptzweigen und einen Mittelzweig, der einen Zwischenknoten der Kondensatorreihenschaltung mit einem Zwischenknoten der Diodenreihenschaltung verbindet.

   Es zeigt sich auch hier, dass mit dieser Schaltungsrealisierung mit relativ geringem Schaltungsaufwand ein gut geeigneter Zwischenkreisstrom für die anschliessende Polwenderschaltung bereitgestellt werden kann, wobei durch den floatend gehaltenen Mittelzweig die Spannungsbelastung für die Halbleiterschalter vergleichsweise gering gehalten werden kann.

  

[0018]    In einer Ausgestaltung dieser Schaltungsrealisierung ist gemäss Anspruch 7 eine ausgangsseitige Diode hinter der mit dem Mittelzweig gekoppelten Diodenreihenschaltung zwischen die Hauptzweige der jeweiligen Gleichstromstellerschaltung angeordnet. Dadurch lassen sich die Dioden-Leitendverluste der Gleichstromstellerschaltung reduzieren.

  

[0019]    In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 8 sind ausgangsseitig der jeweiligen Gleichstromstellerschaltung in deren beiden Hauptzweigen je eine Induktivität vorgesehen, die optional miteinander magnetisch gekoppelt sind und dabei in einem einzigen Bauteil integriert sein können. Auch dies trägt zur Verbesserung der Güte der ausgangsseitig der Gleichstromstellerschaltung bereitgestellten Zwischenkreisspannung und zu verringertem Schaltungsaufbau bei.

  

[0020]    In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 9 ist die Wechselrichter-Schaltungsanordnung zur Ankopplung an eine Wechselspannungsquelle ausgelegt und beinhaltet Polwendersteuerungsmittel zur getakteten Steuerung der Polwenderschaltung mit einer Grundfrequenz der Wechselspannungsquelle. Damit können beispielsweise eine Mehrzahl von Photovoltaikgeneratoreinheiten oder Brennstoffzelleneinheiten an ein öffentliches Stromnetz angekoppelt werden.

  

[0021]    In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 10 beinhaltet die Polwenderschaltung unipolare und/oder bipolare Halbleiterleistungsschalter in Parallel- und/oder Reihenschaltung als getaktet ansteuerbare Schaltelemente. Dies trägt zur Verringerung von Verlusten der Polwenderschaltung im Teillastbetrieb bei.

  

[0022]    Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:
<tb>Fig. 1<sep>ein Blockschaltbild einer transformatorlosen Wechselrichter-Schaltungsanordnung zur Ankopplung mehrerer Gleichspannungsquellen an eine Wechselspannungsquelle mit mehreren Gleichstromstellerschaltungen und einer gemeinsam nachgeschalteten Polwenderschaltung,


  <tb>Fig. 2<sep>ein Schaltbild einer ersten schaltungstechnischen Realisierung für die jeweilige Gleichstromstellerschaltung von Fig. 1 und


  <tb>Fig. 3<sep>ein Schaltbild einer zweiten schaltungstechnischen Realisierung für die jeweilige Gleichstromstellerschaltung von Fig. 1.

  

[0023]    Die in Fig.1 dargestellte transformatorlose Wechselrichter-Schaltungsanordnung koppelt eine beliebige Anzahl n von Gleichstrom- bzw. Gleichspannungsquellen G1, G2, ..., Gn an eine Wechselstrom- bzw. Wechselspannungssenke W an. Die Gleichspannungsquellen G1, G2, ..., Gn können insbesondere Photovoltaikgeneratoreinheiten oder Brennstoffzelleneinheiten sein, bei der Wechselspannungssenke W kann es sich z.B. um ein öffentliches Einphasen-Stromnetz mit 230V/50Hz oder 120V/60Hz handeln.

  

[0024]    Die Wechselrichter-Schaltungsanordnung beinhaltet eintrittsseitig eine der Anzahl n anzukoppelnder Gleichspannungsquellen entsprechende Anzahl von Gleichstromstellerschaltungen GS1, GS2, ..., GSn, die eintrittsseitig an je eine der Gleichspannungsquellen G1, G2, ..., Gn angekoppelt sind und mit je einem ihrer beiden Ausgänge gemeinsam parallel an einen ersten Zwischenkreisknoten KN1 bzw. zweiten Zwischenkreisknoten KN2 angekoppelt sind.

  

[0025]    Eine Polwenderschaltung PW ist mit ihren beiden Eingangsklemmen an je einen dieser beiden Zwischenkreisknoten KN1, KN2 angekoppelt. Über je eine Induktivität L1, L2 ist die Polwenderschaltung PW im folgenden auch kurz Polwender bezeichnet, ausgangsseitig an die Wechselspannungsquelle W geführt, wobei die beiden Induktivitäten L1, L2 optional magnetisch miteinander gekoppelt sind und dabei zwecks vereinfachtem Realisierungsaufwand gemeinsam als ein Bauteil gefertigt sein können. Auch lassen sich bei dieser integrierten Realisierung im Vergleich zur Alternative zweier getrennter Bauteile elektrische Verluste verringern. Der Polwender PW ist aus vier getaktet ansteuerbaren Schaltern S1, S2, S3, S4 aufgebaut, die mit der Grundschwingung der Wechselspannungssenke W getaktet, d.h. geschaltet werden, beispielsweise mit der Netzspannungsfrequenz von 50Hz oder 60Hz.

   Die zusätzlich zum gezeigten Polwenderaufbau hierzu benötigten Polwendersteuerungsmittel sind dem Fachmann an sich bekannt und daher hier nicht gezeigt und beschrieben. Bezüglich der vorliegend gezeigten Ausführung des Polwenders PW kann für weitere Details auch auf die oben erwähnte frühere Patentanmeldung des Anmelders verwiesen werden.

  

[0026]    Zwischen die Eingangsklemmen des Polwenders PW ist eine erste Energiespeicher- und/oder Spannungsbegrenzereinheit ES1 angeschlossen, und in gleicher Weise ist zwischen die Ausgangsklemmen des Polwenders PW eine zweite Energiespeicher- und/oder Spannungsbegrenzereinheit ES2 angeschlossen. In alternativen Ausführungsformen der Erfindung ist nur eine dieser beiden Einheiten ES1, ES2 vorgesehen. Je nach Anwendungsfall und Bedarf kann für die jeweilige Energiespeicher- und/oder Spannungsbegrenzereinheit ES1, ES2 eine beliebige herkömmliche Schaltung mit dieser Funktionalität verwendet werden, z.B. eine reine Energiespeicherschaltung, eine reine Spannungsbegrenzerschaltung oder eine kombinierte Energiespeicher- und Spannungsbegrenzerschaltung.

   Dabei wirkt der energiespeichernde Schaltungsteil auch als Energieabsorber für die Wechselrichter- Schaltungsanordnung und insbesondere den sich an die Zwischenkreisknoten KN1, KN2 anschliessenden ausgangsseitigen Schaltungsteil. Eine mögliche schaltungstechnische Realisierung für die Energiespeicher- und/oder Spannungsbegrenzereinheit beinhaltet z.B. im einfachsten Fall eine Parallelschaltung eines Varistors und eines Kondensators.

  

[0027]    Die Gleichstromstellerschaltungen GS1, ..., GS2, GSn, im folgenden auch kurz Gleichstromsteller bezeichnet, sind als betragssinusförmig modulierende, transformatorlose Gleichstromsteller ausgelegt, d.h. jeder dieser Gleichstromsteller moduliert den eingangsseitig anliegenden Gleichstrom in einen betragsmässig sinusförmigen Stromverlauf, d.h. einen Stromverlauf, der sich aus einem Sinusverlauf durch "Hochklappen" der negativen Halbwellen ergibt. Die Fig. 2und 3zeigen zwei hierfür mögliche, vorteilhafte Realisierungsvarianten für den jeweiligen Gleichstromsteller GSi (i=1, ..., n).

  

[0028]    Im Ausführungsbeispiel von Fig. 2beinhaltet der jeweilige Gleichstromsteller GSi einen ersten ansteuerbaren Halbleiterschalter S5 in einem ersten Hauptzweig H1 zwischen einer ersten Eingangsklemme E1 und einer ersten Ausgangsklemme A1 sowie einen zweiten ansteuerbaren Halbleiterschalter S6 in einem zweiten Hauptzweig H2 zwischen einer zweiten Eingangsklemme E2 und einer zweiten Ausgangsklemme A2. Zwischen die beiden Eingangsklemmen E1, E2 ist ein Kondensator Cs angeschlossen. Vor den beiden Ausgangsklemmen A1, A2 ist je eine Induktivität L3, L4 vorgeschaltet, die wie oben zu den Induktivitäten L1 und L2 erläutert optional magnetisch miteinander gekoppelt sein können. Vor den beiden Induktivitäten L3, L4 ist eine Diode D1 zwischen die beiden Hauptzweige H1, H2 angeordnet.

  

[0029]    Fig. 3 zeigt eine Schaltungsvariante, wobei für identische oder funktionell äquivalente Elemente gleiche Bezugszeichen wie für die Schaltungsrealisierung von Fig. 2verwendet sind und insoweit auf deren obige Beschreibung verwiesen werden kann. Im Unterschied zur Schaltung von Fig. 2 ist beim jeweiligen Gleichstromsteller GSi gemäss Fig. 3zwischen die Eingangsklemmen E1, E2 eine Reihenschaltung aus mehreren Kondensatoren angeordnet, wobei exemplarisch ein Beispiel mit zwei Kondensatoren C1, C2 gezeigt ist. Zudem ist an der Ausgangsseite der parallelen getaktet ansteuerbaren Halbleiterschalter S5, S6 eine Diodenreihenschaltung aus mehreren Dioden zwischen die beiden Hauptzweige H1, H2 angeordnet, wobei in Fig. 3exemplarisch eine Reihenschaltung mit zwei Dioden D2, D3 gezeigt ist.

   Ein Mittelzweig M verbindet einen Zwischenknoten der Kondensatorreihenschaltung mit einem Zwischenknoten der Diodenreihenschaltung. Zwischen der Diodenreihenschaltung D2, D3 und den Induktivitäten L3, L4 ist optional eine weitere Diode D4 zwischen die beiden Hauptzweige H1, H2 angeordnet. Durch den floatend gehaltenen Mittelzweig M braucht die Spannungsfestigkeit der Halbleiterschalter S5, S6 im Fall von Fig. 3nur halb so gross zu sein wie die maximal an den Eingangsklemmen E1, E2 anstehende Spannung.

  

[0030]    Im Betrieb werden die Gleichstromsteller der Fig. 2 und 3, d.h. speziell die Halbleiterschalter S5, S6, geeignet angesteuert, wie dem Fachmann an sich bekannt. Insbesondere kann vorliegend eine gleichphasige, d.h. gleichzeitige Taktung der beiden Schalter S5, S6 vorgesehen sein. Die dadurch von den Gleichstromstellern GS1, GS2, ..., GSn bereitgestellten, betragssinusförmig modulierten Gleichströme addieren sich in den Zwischenspeicherknoten KN1, KN2 von Fig. 1. Der Gesamtstrom in diesem dynamischen Stromzwischenkreis wird dann von den anschliessenden Schaltungskomponenten und insbesondere dem Polwender PW in einen sinusförmigen Wechselstrom zur Einspeisung in die Wechselspannungssenke W umgewandelt.

   Die hierzu erforderlichen Steuermittel für die Gleichstromsteller GS1, GS2, ..., GSn und den Polwender PW sind dem Fachmann an sich geläufig und daher hier nicht dargestellt. Für Details hierzu kann auch auf die besagte frühere Patentanmeldung des Anmelders und die dort zitierte Literatur verwiesen werden.

  

[0031]    Dies gilt speziell auch für den Betrieb des Gleichstromstellertyps von Fig. 3, der sich ähnlich in der dortigen Patentanmeldung findet.

  

[0032]    Dabei werden zur Erzielung geringer Ausgangsstromwelligkeiten die Gleichstromsteller GS1, GS2, ..., GSn in einer bevorzugten Ausführungsform speziell abhängig von der Anzahl arbeitender Gleichstromsteller phasenversetzt getaktet, d.h. beispielsweise mit einem gegenseitigen Phasenversatz von 1/n einer Taktperiode, wenn alle n Gleichstromsteller arbeiten.

   Wenn einer oder mehrere der Gleichstromsteller zum jeweiligen Zeitpunkt nicht arbeiten, weil beispielsweise ein Teil der vorgeschalteten Photovoltaikgeneratoren oder Brennstoffzelleneinheiten nicht aktiv ist, wird der Phasenversatz für die gegenseitige Taktung der mit ihren Teilströmen zum Gesamtstrom beitragenden, ausgangsseitig parallel geschalteten Gleichstromsteller GS1, GS2, ..., GSn geeignet angepasst bzw. variiert, d.h. bei einer Anzahl j momentan aktiver Gleichstromsteller z.B. durch gegenseitigen Phasenversatz um 1/j einer Taktperiode. Des Weiteren ist vorzugsweise vorgesehen, je nach Anzahl momentan arbeitender Gleichstromsteller ausser der Änderung des Phasenversatzes des Taktsignals für die einzelnen Gleichstromsteller GS1, GS2, ..., GSn auch deren Schaltfrequenz entsprechend anzupassen bzw. zu variieren.

  

[0033]    Insgesamt ergibt sich durch die oben beschriebene Schaltungsauslegung und die spezifische Ansteuerung der Gleichstromsteller GS1, GS2, ..., GSn und des Polwenders PW eine vorteilhaft einfach realisierbare transformatorlose Wechselrichter-Schaltungsanordnung, die mehrere parallele Gleichspannungsquellen bzw. Gleichstromquellen gemeinsam an eine Wechselspannungssenke bzw. Wechselstromsenke anzukoppeln vermag und dabei einen Gesamtausgangsstrom mit vergleichsweise geringer Stromwelligkeit bereitstellt.

  

[0034]    Es versteht sich anhand der obigen Beschreibung und Erläuterungen, dass einzelne Komponenten der Wechselrichter-Schaltungsanordnung auch in anderem Zusammenhang isoliert von den vorliegend gezeigten anderen Schaltungskomponenten vorteilhaft zum Einsatz kommen können. So können Gleichstromsteller mit dem Schaltungsaufbau gemäss Fig. 2oder gemäss Fig. 3auch ohne nachgeschalteten Polwender und ohne ausgangsseitige Parallelschaltung mit anderen Gleichstromstellern für bestimmte andere Anwendungen zum Einsatz kommen. Auch ist in einer entsprechenden Ausführungsform der Erfindung die Verwendung nur eines Gleichstromstellers, d.h. n=1, in der Schaltung gemäss Fig.1möglich.

   Bei parallelem ausgangsseitigem Zusammenkoppeln mehrerer Gleichstromsteller nach Art von Fig. 1 kann die oben erwähnte, spezifisch adaptiv an die Anzahl jeweils arbeitender Gleichstromsteller angepasste Taktung der Gleichstromsteller auch in Ausführungsformen ohne nachgeschalteten Polwender zum Einsatz kommen.

Claims (10)

1. Transformatorlose Wechselrichter-Schaltungsanordnung, insbesondere zur Netzankopplung eines Photovoltaikgenerators oder eines Brennstoffzellensystems, mit

- wenigstens einer getaktet ansteuerbaren Gleichstromstellerschaltung (GS1, GS2, ..., GSn), die ausgangsseitig einen betragssinusförmig modulierten Ausgangsstrom liefert, und

- einer an die Ausgangsseite der wenigstens einen Gleichstromstellerschaltung angekoppelten, getaktet ansteuerbaren Polwenderschaltung (PW),

gekennzeichnet durch

- wenigstens eine zwischen Eingangsanschlüssen und/oder Ausgangsanschlüssen der Polwenderschaltung (PW) angeschlossene Energiespeicher- und/oder Spannungsbegrenzereinheit (ES1, ES2).

2. Transformatorlose Wechselrichter-Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

- dem Polwenderschaltung (PW) mehrere ausgangsseitig parallel gekoppelte Gleichstromstellerschaltungen (GS1, GS2, ..., GSn) vorgeschaltet sind.

3. Transformatorlose Wechselrichter-Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gleichstromstellersteuerungsmittel zur getakteten Ansteuerung der Gleichstromstellerschaltungen in Abhängigkeit von der Anzahl arbeitender Gleichstromstellerschaltungen vorhanden ist.

4. Transformatorlose Wechselrichter-Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichstromstellersteuerungsmittel dafür eingerichtet sind, die Gleichstromstellerschaltungen in Abhängigkeit von der Anzahl arbeitender Gleichstromstellerschaltungen stromwelligkeitsreduzierend phasenversetzt und/oder mit unterschiedlicher Taktfrequenz zu takten.

5. Transformatorlose Wechselrichter-Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass

- die jeweilige Gleichstromstellerschaltung (GS1, GS2, ..., GSn) zwei getaktet ansteuerbare Halbleiterschalter (S5, S6) beinhaltet, von denen der eine zwischen einer ersten Eingangsklemme (E1) und einem ersten Hauptzweig (H1) und der andere zwischen einer zweiten Eingangsklemme (E2) und einem zweiten Hauptzweig (H2) der Gleichstromstellerschaltung angeordnet ist, wobei zwischen die erste und die zweite Eingangsklemme ein Kondensator (Cs) und zwischen dem ersten und dem zweiten Hauptzweig eine Diode (D1) angeschlossen sind.

6. Transformatorlose Wechselrichter-Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass

- die jeweilige Gleichstromstellerschaltung zwei getaktet ansteuerbare Halbleiterschalter (S5, S6) beinhaltet, von denen der eine zwischen einer ersten Eingangsklemme (E1) und einem ersten Hauptzweig (H1) und der andere zwischen einer zweiten Eingangsklemme (E2) und einem zweiten Hauptzweig (H2) der Gleichstromstellerschaltung angeordnet ist, wobei eingangsseitig der Halbleiterschalter eine Kondensatorreihenschaltung mit wenigstens zwei seriell geschalteten Kondensatoren (C1, C2) zwischen den beiden Eingängen (E1, E2) und ausgangsseitig der Halbleiterschalter eine Diodenreihenschaltung mit wenigstens zwei seriell geschalteten Dioden (D2, D3) zwischen den beiden Hauptzweigen (H1, H2) angeordnet ist und ein Mittelzweig (M) vorgesehen ist, der einen Zwischenknoten der Kondensatorreihenschaltung mit einem Zwischenknoten der Diodenreihenschaltung verbindet.

7. Transformatorlose Wechselrichter-Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass hinter der Diodenreihenschaltung eine Diode (D4) zwischen die beiden Hauptzweige (H1, H2) angeordnet ist.

8. Transformatorlose Wechselrichter-Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor den Ausgangsklemmen der jeweiligen Gleichstromstellerschaltung zwei Induktivitäten (L3, L4) vorgesehen sind, die magnetisch miteinander wirksam gekoppelt sein können.

9. Transformatorlose Wechselrichter-Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Ankopplung einer Gleichstromquelle an eine Wechselspannungssenke, insbesondere eines Stromnetzes, ausgelegt ist und ein Polwendersteuerungsmittel zur getakteten Steuerung der Polwenderschaltung mit der Grundfrequenz der Wechselspannungssenke aufweist.

10. Transformatorlose Wechselrichter-Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Polwenderschaltung aus unipolaren und/oder bipolaren Halbleiterleistungsschaltern in einer Reihen- und/oder Parallelschaltung aufgebaut ist.