DE102006010694A1 - Direct current voltage converting method for use in inverter, involves clocking switch units such that high potential and input direct current voltage lie at inputs of storage reactor in magnetized and free-wheel phases, respectively - Google Patents
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- 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
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- H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter und ein Verfahren zur Umwandlung einer elektrischen Gleichspannung in eine Wechselspannung einer bestimmten Frequenz.The The invention relates to an inverter and a method of conversion an electrical DC voltage in an AC voltage of a certain frequency.
Wechselrichter werden z.B. dann eingesetzt, wenn elektrische Energie aus Gleichspannungsquellen, wie bspw. Fotovoltaikanlagen, Brennstoffzellen oder dgl. in das öffentliche Versorgungsnetz einzuspeisen ist. Derartige Wechselrichter sind z.B. in der Lage, aus einem oder mehreren Gleichspannungspotentialen einen an den Potentialverlauf einer sinusförmigen Netzspannung mit einer Frequenz von 50 oder 60 Hz angeglichenen Wechselstrom erzeugen.inverter are used e.g. then used when electrical energy from DC sources, such as photovoltaic systems, fuel cells or the like. In the public Supply network is to feed. Such inverters are e.g. capable of one or more DC potentials one to the potential curve of a sinusoidal mains voltage with a Frequency equal to 50 or 60 Hz.
Aus
der
Eine weitere Wechselrichterschaltungsanordnung ist in der am 24.05.2005 eingereichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2005 024 465.3 beschrieben. Die Schaltungsanordnung basiert ebenfalls auf der Halbbrückenschaltung, die pro Gleichspannungszweig lediglich einen einzigen Schalter benötigt, der hochfrequent zu takten ist. Zwischen den Wechselspannungsanschlüssen ist eine Weichenschaltung mit weiteren Schaltereinheiten und Gleichrichterdioden vorgesehen, die eine Umlenkung der Strompfade ermöglicht. Eine Steuerungseinrichtung steuert die Halbbrücke und die Weichenschaltung geeignet an, um einen Wechselstrom zu erzeugen, wobei ein Freilaufstrom über die Weichenschaltung geleitet wird, so dass eine Rückkommutierung auf gleichspannungsseitige Speicherkondensatoren verhindert wird. Die Steuerungseinrichtung weist ferner eine Logik auf, um die Schalter der Halbbrücke und der Weichenschaltung bedarfsweise zum Leistungsausgleich zwischen den Gleichspannungszweigen anzusteuern.A Further inverter circuit arrangement is in the on 24.05.2005 filed German patent application with the file number 10 2005 024 465.3. The circuit arrangement is also based on the half-bridge circuit, which requires only a single switch per DC branch, the high-frequency clock is. Between the AC voltage terminals is a switch circuit with other switch units and rectifier diodes provided, which allows a deflection of the current paths. A controller controls the half bridge and the switch circuit suitable to generate an alternating current, wherein a freewheeling current over the Switching circuit is passed, so that a Rückkommutierung DC-side storage capacitors is prevented. The controller further includes logic on to the switches of the half bridge and the point circuit, if necessary, for power equalization between to control the DC voltage branches.
Die bekannten Wechselrichterschaltungen haben sich bei der Einspeisung von Energie in ein Netz in der Praxis bewährt. Allerdings müssen die auf der Gleichspannungsseite anliegenden Gleichspannungen wenigstens den Betrag des Scheitelwerts der Netzspannung aufweisen. Ansonsten reicht die Spannung zur Aufmagnetisierung der Drosselspule und somit zur Erzeugung des gewünschten Wechselstromes oder der gewünschten Wechselspan nung nicht aus. Die Höhe der zugeführten Gleichspannung ist jedoch insbesondere beim Anschluss regenerativer Energiequellen, z.B. Fotovoltaikgeneratoren, nicht in jedem Betriebspunkt sichergestellt. Ein Fotovoltaikgenerator ist aus mehreren Modulen aufgebaut, die jeweils eine Reihenschaltung von mehreren Generatorzellen mit einer Nennspannung von bspw. 0,7 bis 0,8 Volt aufweisen. Die von den Zellen gelieferte Spannung variiert herstellungs- und betriebsbedingt, insbesondere in Abhängigkeit von der Temperatur und aufgrund von Abschattungseffekten, in erheblichem Maße. Umso größer ist die gesamte Spannungsvarianz der Module und Generatoren. Eine beliebige Erhöhung der Anzahl der Generatormodule zur Erzielung einer Generatorspannung, die für die meisten Betriebspunkte ausreicht, ist aufgrund der begrenzten Durchschlagsfestigkeit der eingangsseitigen Speicherkondensatoren nicht möglich und aus Kostengründen wenig sinnvoll.The known inverter circuits have proven themselves in the supply of energy in a network in practice. However, the DC voltages applied to the DC side must at least have the magnitude of the peak value of the mains voltage. Otherwise, the voltage is sufficient for magnetizing the choke coil and thus generating the desired alternating current or the desired AC voltage is not sufficient. However, the level of the DC voltage supplied is not ensured in particular at the connection of renewable energy sources, such as photovoltaic generators, not at every operating point. A photovoltaic generator is constructed from a plurality of modules, each having a series circuit of a plurality of generator cells with a rated voltage of, for example, 0.7 to 0.8 volts. The voltage supplied by the cells varies considerably in terms of production and operation, in particular as a function of the temperature and due to shadowing effects. The greater the total voltage variance of the modules and generators. Any increase in the number of generator modules for generating a generator voltage sufficient for most operating points is due to the limited dielectric strength of the input-side storage capacitors not possible and cost reasons little sense.
Es ist deshalb bekannt, Energiequellen, deren Gleichspannungspegel in bestimmten Betriebspunkten unterhalb des Netzscheitelwerts liegt, üblicherweise über einen sog. DC-DC-Steller an eine Wechselrichterschaltung anzuschließen. Ein DC-DC-Hochsetzsteller, der auch als Gleichstromsteller oder getakteter Spannungswandler bezeichnet wird, ist eine elektronische Schaltung, die eine eingangsseitige Gleichspannung in eine größere Ausgangsspannung wandelt. Hochsetzsteller sind in unterschiedlichen Ausführungsformen allgemein bekannt. Bei einem induktiven Wandler wird bspw. zur Energiespeicherung eine Spule benutzt, die über einen schließbaren Schalter geladen wird. Beim geöffneten Schalter entlädt sich die Spule über eine in Reihe angeschlossene Diode, um Energie, die im Magnetfeld der Spule gespeichert war, an einen Verbraucher abzugeben.It is therefore known energy sources whose DC level at certain operating points below the grid peak, usually over one so-called DC-DC controller to connect to an inverter circuit. A DC-DC boost converter, also as a DC-DC converter or clocked voltage converter is an electronic circuit that has an input side DC voltage in a larger output voltage converts. Step-up converters are in different embodiments well known. In an inductive converter is, for example, for energy storage used a spool over a closable one Switch is loaded. When opened Switch discharges the coil over a diode connected in series to produce energy in the magnetic field the coil was stored to deliver to a consumer.
Wenn Hochsetzsteller in einer Wechselrichterschaltung eingesetzt werden, führt dies zwangsläufig zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrads. Dieser ist umso schlechter, je größer der Hochsetzsteller dimensioniert ist und je höher die Belastung, also der von dem Hochsetzsteller abgegebene Strom ist, wobei die Verluste proportional zur zweiten Potenz der Stromstärke sind. Der hohe Spannungspegel am Ausgang des Hochsetzstellers hat in einer Wechselrichterschaltung hohe Verluste zur Folge. Am Ausgang der Brückenschaltung entstehen hohe Potentialsprünge zwischen aufeinander folgenden Aufmagnetisierungs- und Freilaufphasen mit der Folge hoher Schaltverluste und großer Rippelströme und Ummagnetisierungsverluste innerhalb der Speicherdrossel. Außerdem sind stark dimensionierte Hochsetzsteller verhältnismäßig kostspielig.If Boost converters are used in an inverter circuit, does this inevitably to a deterioration of the efficiency. This one is the worse, ever bigger the Step-up converter is dimensioned and the higher the load, so the from the boost converter output current, the losses are proportional to the second power of the current. The high voltage level at the output of the boost converter has in an inverter circuit high losses result. At the output of the bridge circuit high potential jumps arise successive magnetization and freewheeling phases the result of high switching losses and large Rippelströme and Ummagnetisierungsverluste within the storage throttle. There are also heavily dimensioned boost converters relatively expensive.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, eine Wechselrichterschaltung und ein Verfahren zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung einer bestimmten Frequenz zu schaffen, die es ermöglichen, auch bei unzureichenden Eingangsgleichspannungswerten, insbesondere unterhalb des Scheitelwerts der Netzwechselspannung, Energie mit hohem Wirkungsgrad in ein Netz einzuspeisen. Dabei sollen insbesondere Schaltverluste sowie Ummagnetisierungsverluste und Rippelströme in der Speicherdrossel weitgehend reduziert werden.outgoing It is the object of the invention to provide an inverter circuit and a method of converting a DC voltage to an AC voltage to create a specific frequency that makes it possible even with insufficient input DC voltage values, in particular below the peak value of the AC mains voltage, energy with high efficiency to feed into a network. In particular, switching losses should as well as reversal losses and ripple currents in the storage throttle largely be reduced.
Diese und weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und den erfindungsgemäßen Wechselrichter nach Anspruch 17 gelöst.These and further objects of the present invention are achieved by the inventive method with the features of claim 1 and the inverter according to the invention solved according to claim 17.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Umwandlung einer elektrischen Gleichspannung in eine Wechselspannung mittels einer Schaltungsanordnung geschaffen, die eine Brückenschaltung mit Schalterelementen und Freilaufelementen und wenigstens eine Speicherdrossel am Ausgang der Brückenschaltung aufweist, die mit einem Wechselspannungsanschluss verbunden ist, der an eine Wechselspannung mit einer bestimmten Frequenz angeschlossen werden kann. Die Schalterelemente werden in Abhängigkeit von der Polarität der Wechselspannung mit festgelegtem Taktmuster geschaltet, wobei einzelne Schalterelemente synchron mit der Frequenz der Wechselspannung und andere Schalter mit hoher Taktfrequenz angesteuert werden. Im Schließzustand der hochfrequent getakteten Schalter, also in Aufmagnetisierungsphasen, wird ein Aufmagnetisierungsstrom zur Aufmagnetisierung der wenigstens einen Speicherdrossel bereitgestellt. Im Öffnungszustand dieser Schalterelemente, den Freilaufphasen, fließt über ausgewählte Freilaufelemente ein Freilaufstrom, der eine Abmagnetisierung der Speicherdrossel ermöglicht.According to one Aspect of the present invention is a method of transformation an electrical DC voltage in an AC voltage means a circuit arrangement is provided, which is a bridge circuit with switch elements and freewheeling elements and at least one Storage choke at the output of the bridge circuit, the connected to an AC voltage terminal connected to an AC voltage can be connected with a certain frequency. The switch elements become dependent from the polarity the AC voltage switched with a fixed clock pattern, wherein individual switch elements in synchronism with the frequency of the AC voltage and other switches are driven at high clock frequency. in the closing state the high frequency clocked switch, so in magnetization phases, is a Aufmagnetisierungsstrom for magnetizing the at least provided a storage throttle. In the opening state of these switch elements, the freewheeling phases, flows through selected freewheeling elements a freewheeling current, the demagnetization of the storage choke allows.
Erfindungsgemäß werden die momentanen Betriebsbedingungen erfasst und es wird an Hand dieser festgestellt, ob die Drossel (L) bei Anwendung des Taktmusters in den Aufmagnetisierungsphasen ausreichend aufmagnetisiert wird. In Abhängigkeit von dem Ergebnis dieser Feststellung wird der Betriebsmodus zur Ansteuerung der Schalterelemente geeignet gewählt. Wenn festgestellt wird, dass die Speicherdrossel in den Aufmagnetisierungsphasen ausreichend aufmagnetisiert werden kann, wird gemäß einem normalen Betriebsmodus das Gleichspannungspotential selbst in den Aufmagnetisierungsphasen zur Bereitstellung des Stroms zur Aufmagnetisierung der Speicherdrossel verwendet, d.h. bei entsprechender Schließung wenigstens eines hochfrequent getakteten Schalterelementes der Halbbrückenschaltung an die Speicherdrossel angekoppelt. In der Freilaufphase des normalen Betriebs, wenn das Schalterelement geöffnet ist, kommutiert der aufgrund der Abmagnetisierung innerhalb der Speicherdrossel weiter fließende Freilaufstrom auf einen gesonderten Freilaufpfad.According to the invention The current operating conditions are recorded and it is on the basis of this determined whether the throttle (L) when using the clock pattern in the magnetization phases is sufficiently magnetized. In Dependence on The result of this determination becomes the operating mode for driving the switch elements suitably chosen. If it is determined that the storage choke in the Aufmagnetisierungsphasen sufficient can be magnetized according to a normal operating mode the DC potential even in the Aufmagnetisierungsphasen for providing the current for magnetizing the storage choke used, i. with appropriate closure of at least one high frequency clocked switch element of the half-bridge circuit to the storage choke coupled. In the freewheeling phase of normal operation, if that Switch element opened is commutated due to the demagnetization within the storage choke continuing to flow Freewheeling current on a separate freewheeling path.
Wenn festgestellt wird, dass die Speicherdrossel in den Aufmagnetisierungsphasen nicht oder unzureichend aufmagnetisiert wird, wird ein erweiterter Betriebsmodus festgesetzt. In diesem Modus wird das Eingangsgleichspannungspotential in ein betragsmäßig höheres Potential gewandelt, das durch entsprechende Taktung wenigstens eines Schalterelementes in den Aufmagnetisierungsphasen als Aufmagnetisierungspotential zur Bereitstellung des Ladestroms für die Speicherdrossel verwendet oder an die Speicherdrossel angekoppelt wird. In den Freilaufphasen wird aber nicht der im normalen Betriebsmodus verwendete Freilaufpfad, sondern der im normalen Betriebsmodus verwendete Aufmagnetisierungspfad zur Bereitstellung des Freilaufstroms verwendet, so dass das Gleichspannungspotential selbst an die Speicherdrossel angekoppelt wird und das Freilaufpotential vorgibt.If it is determined that the storage choke is not or insufficiently magnetized in the magnetization phases, an extended operating mode is set. In this mode, the DC input voltage potential is converted into a magnitude higher potential, which is used by appropriate timing of at least one switch element in the Aufmagnetisierungsphasen as Aufmagnetisierungspotential for providing the charging current for the storage inductor or coupled to the storage inductor. In the freewheeling phases but not in normal operation mode used freewheeling path, but used in the normal operating mode Aufmagnetisierungspfad used to provide the freewheeling current, so that the DC potential is itself coupled to the storage inductor and the free-running potential dictates.
Die
Erfindung eignet sich insbesondere zur Anwendung für die Einspeisung
von Energie in ein Netz, bspw. öffentliches
Versorgungsnetz, mittels einer Fotovoltaikanlage. Hierzu können ein
oder zwei oder sogar mehrere Fotovoltaikgeneratoren insbesondere
in Reihenschaltung an dem Eingang der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
vorgesehen sein. Es können
auch andere Gleichspannungsquellen, die ein variables Gleichspannungspotential liefern,
wie bspw. Brennstoffzellen oder Akkumulatoren, eingesetzt werden.
Spannungsvarianzen, die auf herstellungsbedingte Toleranzen oder
auf Temperaturdrift oder Abschattungseffekte im Betrieb zurückzuführen sind,
werden durch die Erfindung ohne weiteres ausgeglichen, indem bspw.
das erhöhte
Potential auf ein gewünschtes
Niveau eingeregelt wird. Es kann ein weiter Bereich variabler Gleichspannungspotentiale
am Eingang verwendet werden, wobei die Gleichspannung auch deutlich
unter dem Scheitelwert der Wechselspannung, bspw. dem Scheitelwert
von etwa
Die Erfindung ermöglicht es, auch bei unzureichenden Generatorspannungen Energie mit hohem Wirkungsgrad in ein Netz einzuspeisen, wozu mehrere Maßnahmen vorgesehen sind. Bspw. ist der Einsatz des erhöhten Spannungspotentials lediglich auf Zeiträume der Halbwelle beschränkt, in denen die Gleichspannung eines Generators kein ausreichendes Aufmagnetisierungspotential liefert. In den übrigen Zeiträumen wird die niedrigere Gleichspannung eines Generators zur Aufmagnetisierung der Speicherdrossel verwendet. Durch die geringere Potentialhöhe der Generatorspannung sind die Schaltverluste, Rippelströme und Eisenverluste in der Speicherdrossel und elektromagnetische Störungen im Vergleich zu einer Betriebsweise, bei der stets von dem erhöhten Potential, bspw. dem Ausgangspotential eines Hochsetzstellers, abgetaktet würde, deutlich reduziert. Ferner ist der Wirkungsgrad dadurch verbessert, dass in den Zeiträumen, in denen die Gleichspannung eines Generators nicht ausreicht und im erweiterten Betriebsmodus das erhöhte Potential an den Eingang der Speicherdrossel angekoppelt wird, die Gleichspannung des Generators das Freilaufpotential vorgibt. Der Freilaufstrom wird der Speicherdrossel von einem Gleichspannungszweig, an dem der Generator angeschlossen ist, zugeführt. Dies hat im Vergleich zu einem Freilauf z.B. aus einem Neutralleiter oder gar einem gegenüberliegenden Gleichspannungszweig einen geringeren Spannungshub auf dem an die Brückenschaltung angeschlossenen Eingang der Speicherdrossel zur Folge. Der Spannungshub entspricht lediglich in etwa der Spannungsdifferenz zwischen dem Ausgangspotential des Hochsetzstellers und dem Potential der Eingangsgleichspannung. Durch das höhere Freilaufpotential erfolgt die Abmagnetisierung der Speicherdrossel wesentlich langsamer, wodurch vorteilhafterweise selbst in der Freilaufphase Energie ins Netz eingespeist wird. Außerdem werden dadurch Rippelströme und Ummagnetisierungsverluste innerhalb der Speicherdrossel ebenso wie EMV-Störungen drastisch reduziert. Durch die geringen Spannungssprünge, die ein Schalterelement der Brückenschaltung, das in dem zur betragsmäßigen Potentialerhöhung dienenden Spannungswandlerzweig zur Erzeugung des Pulsmusters vorgesehen ist, bei seiner hochfrequenten Taktung ausführen muss, fallen in diesem ebenso wie in einer in dem Gleichspannungszweig vorgesehenen Freilaufdiode nur geringe Schaltverluste an. Ferner kann die Leitenddauer des hochfrequent getakteten Schalterelementes im Bereich des Scheitelwertes der Halbwelle der Wechselspannung wirksam verringert werden, so dass über diesen eine geringere Energiemenge ins Netz gelangt und der Schalter wie auch ein eventuell diesem vorgelagerter Hochsetzsteller wesentlich kleiner ausgeführt werden können. Jedenfalls können zusätzlich Kosten eingespart werden.The Invention allows it, even with insufficient generator voltages energy with high To inject efficiency in a network, including several measures are provided. For example. is the use of the increased voltage potential only on periods limited to the half wave, in which the DC voltage of a generator is not sufficient Magnetizing potential delivers. In the remaining periods is the lower DC voltage of a generator for magnetization the storage throttle used. Due to the lower potential level of the generator voltage are the switching losses, Rippelströme and iron losses in the Storage choke and electromagnetic interference compared to a Operation, in which always of the increased potential, eg. The output potential of a boost converter, would be clocked, significantly reduced. Further the efficiency is improved by that in the periods, in where the DC voltage of a generator is insufficient and in extended operating mode the increased potential to the input the storage choke is coupled, the DC voltage of the generator specifies the free-wheeling potential. The freewheeling current becomes the storage choke from a DC branch to which the generator is connected is fed. This has compared to a freewheel, for example from a neutral conductor or even an opposite one Gleichspannungszweig a lower voltage swing on the s.den bridge circuit connected input of the storage throttle result. The voltage swing corresponds only approximately to the voltage difference between the Output potential of the boost converter and the potential of the DC input voltage. By the higher Freewheeling potential is the demagnetization of the storage throttle much slower, thereby advantageously even in the freewheeling phase Energy is fed into the grid. In addition, thereby Rippelströme and Ummagnetisierungsverluste within the storage throttle as well as EMC interference drastically reduced. Due to the low voltage jumps, a switch element of the bridge circuit, in the for the potential increase in potential Voltage converter branch is provided for generating the pulse pattern, at its high-frequency clocking must fall in this as well as in a provided in the DC branch freewheeling diode only low switching losses. Furthermore, the Leitenddauer of the high-frequency clocked switch element in the range of the peak value of the half-wave the AC voltage can be effectively reduced, so that over this a smaller amount of energy gets into the network and the switch like also a possibly this upstream boost converter essential made smaller can be. Anyway additional costs be saved.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindung wird zur Feststellung, ob die Drossel in den Aufmagnetisierungsphasen ausreichend aufmagnetisiert wird, der aktuelle Drosselspulenstrom erfasst und ein zur Aufmagnetisierung der Speicherdrossel erforderlicher Sollstrom festgelegt. Ferner wird eine gewünschte mittlere Spannung am Eingang der Speicherdrossel bestimmt und mit einem Referenzwert verglichen, der die Wahl des geeigneten Betriebsmodus und der geeigneten Ansteuerungsstrategie ermöglicht. Insbesondere ist der Referenzwert passend gewählt, um eine Entscheidung zu ermöglichen, ob die Eingangsgleichspannung gegebenenfalls unter Berücksichtigung geeigneter Sicherheitsreserven zur Erzielung der gewünschten mittleren Brückenausgangs- bzw. Drosseleingangsspannung ausreicht.In a preferred embodiment The invention is used to determine whether the throttle in the Aufmagnetisierungsphasen is sufficiently magnetized, the current inductor current detected and required for magnetizing the storage throttle Set current. Further, a desired average voltage at Input of the storage choke determined and with a reference value comparing the choice of the appropriate operating mode and the appropriate Driving strategy allows. In particular, the reference value is suitably chosen to be a decision enable, if the input DC voltage is possibly taking into account appropriate safety reserves to achieve the desired middle bridge output or throttle input voltage is sufficient.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Referenzwert ein variabler, in Abhängigkeit von momentanen Betriebsbedingungen anpassbarer oder einstellbarer Wert. Vorzugsweise ist der Referenzwert durch den Betrag des aktuellen Gleichspannungswertes gebildet oder gekennzeichnet, wobei bspw. Spannungsabfälle in dem Aufmagnetisierungspfad und bestimmte Toleranzen berücksichtigt werden. Wenn die gewünschte mittlere Drosseleingangsspannung betragsmäßig unterhalb des Gleichspannungspotentials liegt, erfolgt die Aufmagnetisierung der Speicherdrossel gemäß dem normalen Betriebsmodus aus dem Gleichspannungskreis, während der Freilauf vorzugsweise über einen Freilaufpfad erfolgt, der eine Kommutierung des Freilaufstroms auf den gegenüberliegenden Gleichspannungszwei oder den Nullleiter oder dgl. verhindert. Wenn der Betrag des gewünschten mittleren Drosseleingangsspannungswertes oberhalb der Gleichspannung liegt, wird der erfindungsgemäße erweiterte Betriebsmodus mit Aufmagnetisierung aus dem Spannungswandlerzweig und Freilauf aus dem Gleichspannungskreis über einen Gleichspannungszweig festgesetzt. Um dies zu ermöglichen, sind Schalterelemente und Freilaufelemente, bspw. Freilaufdioden, der Halbbrücke sowohl in dem Gleichspannungszweig als auch in dem Spannungswandlerzweig vorgesehen.In an advantageous embodiment, the reference value is a variable, depending on current operating conditions adjustable or adjustable value. Preferably, the reference value is formed or characterized by the amount of the current DC voltage value, wherein For example, voltage drops in the Aufmagnetisierungspfad and certain tolerances are taken into account. If the desired mean throttle input voltage is below the DC potential in terms of magnitude, the magnetizing of the storage inductor is carried out in accordance with the normal operating mode of the DC circuit, while the freewheeling preferably takes place via a freewheeling path that prevents commutation of the freewheeling current to the opposite DC voltage or neutral or the like. If the amount of the desired average throttle input voltage value is above the DC voltage, the extended operating mode according to the invention with magnetization from the voltage converter branch and freewheeling from the DC voltage circuit is set via a DC voltage branch. To make this possible, switch elements and freewheeling elements, for example freewheeling diodes, of the half-bridge are provided both in the DC voltage branch and in the voltage converter branch.
Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Wechselrichter
zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung, insbesondere
eine Netzwechselspannung mit einer Frequenz von 50 oder 60 Hertz,
geschaffen, wobei der Wechselrichter zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
eingerichtet ist. Der Wechselrichter weist einen Gleichspannungskreis mit
wenigstens einem Gleichspannungszweig, an den eine Gleichspannungsquelle
anschließbar
ist, die eine Eingangsgleichspannung liefert, einen Wechselspannungskreis
mit einem Wechselspannungszweig, an den eine Wechselspannung angelegt
werden kann und der eine Speicherdrossel enthält, und eine Brückenschaltung
auf, die Schalterelemente sowie Freilaufelemente, bspw. Freilaufdioden, zur
Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung aufweist,
und deren Abgriff mit dem Eingang der Speicherdrossel verbunden
ist. Der Wechselrichter weist ferner einen an den Gleichspannungszweig
angeschlossenen Spannungswandlerzweig mit einer Spannungswand lereinrichtung
zur Hochsetzung der Eingangsgleichspannung auf ein betragsmäßig höheres Ausgangspotential auf.
Eine Steuerungseinrichtung ist dazu vorgesehen, die Schalterelemente
der Brückenschaltung
gemäß einem
festgelegten Taktmuster anzusteuern, um die Wechselrichtung zu bewerkstelligen.
Die Steuerungseinrichtung weist eine Auswerteeinrichtung (
Der so ausgebildete Wechselrichter gemäß der Erfindung weist die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorstehend erwähnten Vorteile auf. Ebenso wird auf die vorstehend beschriebenen Modifikationen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen, die entsprechend auch auf den erfindungsgemäßen Wechselrichter anwendbar sind.Of the thus formed inverter according to the invention comprises in the In connection with the method according to the invention the advantages mentioned above on. Likewise, the above-described modifications and further developments of the method according to the invention, which accordingly also applicable to the inverter according to the invention are.
Vorzugsweise gehört zu den erfassten Eingangssignalen ein Signal, das die aktuell durch die Speicherdrossel fließende Stromstärke oder eine damit in Beziehung stehende Größe kennzeichnet. Die Steuerungseinrichtung weist dann vorteilhafterweise eine Stromreglerlogik auf, die den Istwert des durch die Speicherdrossel fließenden Stroms auf einen gewünschten mittleren Wert regelt.Preferably belongs to the detected input signals, a signal that the current through the storage throttle is flowing amperage or a related quantity. The control device then advantageously has a current controller logic that the Actual value of the current flowing through the storage choke current to a desired mean value regulates.
Für die Festlegung des geeigneten Betriebsmodus kann die Auswerteeinrichtung eine Bestimmungslogik, die ausgehend von den Eingangssignalen eine gewünschte mittlere Spannung am Eingang der Drossel bestimmt, und eine Vergleicherlogik enthalten, die den gewünschten mittleren Spannungswert mit einem Referenzwert, z.B. einem die Eingangsspannung kennzeichnenden Referenzwert vergleicht, wie dies vorstehend näher erläutert ist.For the determination of the suitable operating mode, the evaluation device can use a determination logic, from the input signals, a desired average voltage at Input of the choke and containing a comparator logic, the desired one mean voltage value with a reference value, e.g. one the input voltage comparing reference value, as explained in more detail above.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält der Gleichspannungszweig wenigstens eines der Schalterelemente der Brückenschaltung sowie eine in Reihe mit dem Schalterelement angeordnete Gleichrichterdiode. Dieses Schalterelement wird im normalen Betriebsmodus hochfrequent getaktet, um die Speicherdrossel aufzumagnetisieren. Im erweiterten Betriebsmodus ist dieses Schalterelement geschlossen, und die Gleichrichterdiode dient als Freilaufdiode, über die der Freilaufstrom fließt.According to one embodiment of the invention the DC branch at least one of the switch elements of Bridge circuit as well a rectifier diode arranged in series with the switch element. This switch element is high frequency in the normal operating mode clocked to magnetize the storage choke. In the extended Operating mode, this switch element is closed, and the rectifier diode serves as a freewheeling diode, via the freewheeling current flows.
Der Spannungswandlerzweig ist vorzugsweise parallel zu der Reihenschaltung aus dem Schalterelement und der Gleichrichterdiode des Gleichspannungszweigs angeordnet und weist eine Spannungswandlereinrichtung, die vorzugsweise einen DC-DC-Hochsetzsteller, insbesondere einen induktiven Spannungswandler, und einen Speicherkondensator enthält, sowie ein mit der Spannungswandlereinrichtung in Reihe verbundenes Schalterelement der Brückenschaltung auf. Dieses Schalterelement wird im erweiterten Betriebsmodus zur Aufmagnetisierung der Speicherdrossel hochfrequent getaktet und ist im normalen Betriebsmodus offen. Vorteilhafterweise ist der Spannungshub, den dieser Schalter sowie die Freilaufdiode in dem Gleichspannungszweig im erweiterten Betriebsmodus ausführen, verhältnismäßig gering.The voltage converter branch is preferably arranged parallel to the series circuit of the switch element and the rectifier diode of the DC branch and has a voltage converter device which preferably comprises a DC-DC boost converter, in particular an inductive voltage converter, and a storage capacitor, as well as a switch element connected in series with the voltage converter device the bridge circuit on. This switch element is clocked high-frequency in the extended operating mode for magnetizing the storage inductor and is open in the normal operating mode. Advantageously, the voltage swing, this Run switch and the freewheeling diode in the DC voltage branch in the extended operating mode, relatively low.
Die Brückenschaltung kann eine beliebige Schaltungstopologie aufweisen. Bevorzugt wird eine Halbbrücke verwendet, bei der pro Halbwelle lediglich ein Schalterelement hochfrequent getaktet werden muss. Es kann auch eine H- oder Vollbrücken schaltung eingesetzt werden, wenn dies gewünscht ist.The bridge circuit can have any circuit topology. It is preferred a half bridge used in the per-half-wave, only one switch element high frequency must be clocked. It can also be a H or full bridge circuit be used if desired.
Der erfindungsgemäße Wechselrichter kann ferner Mittel zur Leistungskompensation aufweisen, die erforderlichenfalls einen Leistungsausgleich zwischen den Gleichspannungszweigen ermöglichen. Dies kann bspw. bei unterschiedlicher Abschattung zweier in Reihe geschalteter Fotovoltaikgeneratoren erforderlich sein, um zu verhindern, dass die Gesamtleistung der Anlage aufgrund der Solarzellenkennlinie gesenkt wird. Die Leistungskompensation kann bspw. dadurch bewerkstelligt werden, dass für bestimmte Zeiträume dem Freilaufstrom ermöglicht wird, auf den gegenüberliegenden Spannungswandlerzweig zurück zu kommutieren, wodurch Energie über die Spannungswandlereinrichtung auf den jeweiligen Gleichspannungszweig übertragen wird bzw. durch den Hochsetzsteller weniger Energie eingespeist werden muss. Die durch die Steuerungseinrichtung und bestimmte Schalterelemente und Freilaufelemente der Brückenschaltung gebildeten Leistungskompensationsmittel ermöglichen es somit, beide Generatoren an ihrem optimalen Betriebspunkt gemäß der Solarzellenkennlinie betreiben zu können. In gleicher Weise können Speicherkondensatoren der Spannungswandlereinrichtung in bestimmten Freilaufphasen gezielt aufgeladen werden, um das erhöhte Potential zu erzeugen, ohne dass gegebenenfalls ein DC-DC-Hochsetzsteller erforderlich ist.Of the inverter according to the invention may further comprise power compensation means, if necessary enable power equalization between the DC voltage branches. This can, for example, at different shading two connected in series Photovoltaic generators may be needed to prevent the total output of the plant due to the solar cell characteristic is lowered. The power compensation can, for example, accomplished by be that for certain periods the freewheeling current is enabled on the opposite Voltage transformer branch back to commute, causing energy over transmit the voltage converter means to the respective DC voltage branch is or fed by the boost converter less energy must become. By the control device and certain switch elements and freewheeling elements of the bridge circuit thus formed power compensation means allow both generators at its optimum operating point according to the solar cell characteristic to be able to operate. In the same way you can Storage capacitors of the voltage converter device in certain freewheeling phases be specifically charged to produce the increased potential without possibly requiring a DC-DC boost converter is.
Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Zeichnung, der Beschreibung oder Patentansprüche.Further Details of advantageous embodiments The invention are the subject of the drawing, the description or Claims.
In der Zeichnung sind Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:In The drawings are embodiments of Invention illustrated. Show it:
In
Der
Gleichspannungskreis weist drei Gleichspannungsanschlüsse
Von
den Gleichspannungsanschlüssen
Parallel
zu der Reihenschaltung der Kondensatoren C1,
C2 ist die Halbbrückenschaltung
Die
Halbbrücke
Der
Spannungswandlerzweig
In ähnlicher
Weise und in symmetrischer Ausbildung enthält der parallel zu der Reihenanordnung
aus Schalterelement S2 und Gleichrichterdiode D20 vorgesehene Spannungswandlerzweig
Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
Der
Mittelabgriff
Wie
aus
Unabhängig von
ihrer Realisierung enthält die
Steuerungseinrichtung
In
Wie
aus
Sobald
die Zwischenkreisspannung UZK1 für eine hinreichende
Aufladung der Drosselspule L nicht ausreicht, wird ein erweiterter
Betriebsmodus eingeleitet. Dieser Fall wird von der Auswerteeinrichtung
In
dem erweiterten Betriebsmodus veranlasst die Ansteuerungseinrichtung
Vorteilhafterweise
schwankt die Brückenspannung
UBR lediglich zwischen dem Wert der erhöhten Zwischenkreisspannung
UZK2 in der Aufmagnetisierungsphase und
in etwa dem niedrigeren Wert der Eingangsspannung UZK1,
der das Freilaufpotential in der Freilaufphase definiert. Die Spannungssprünge der
Brückenspannung
UBR sind verhältnismäßig gering, jedenfalls deutlich
geringer als in dem Fall, wenn der Freilauf von dem Neutralleiter
oder gar dem gegenüberliegenden
Gleichspannungszweig
Vorteilhafterweise
wird sogar in der Freilaufphase Energie der Speicherdrossel L und
nachgelagert dem Netz zugeführt.
Somit kann, wie aus
Wenn
die Netzspannung UNETZ nach dem Scheitelpunkt
wieder absinkt und das Referenz-Spannungsniveau REF unterschreitet,
wie dies durch das Signal
In
der negativen Halbwelle der Netzspannung UNETZ bleiben
die Schalterelemente S1, S3 und S5 geöffnet,
während
in analoger Weise die Schalterelemente S2,
S4 und S6 geeignet
angesteuert werden. Dabei wird im normalen Betriebsmodus, wenn die
gewünschte
mittlere Spannung
In
dem Zeitabschnitt, in dem der Istwert der Wechselspannung UNETZ das Potential –UZK1 unterschreitet
oder, genauer gesagt, der Betrag der momentan gewünschten
mittleren Spannung
Die
Steuerungseinrichtung
Ein
umgekehrter Leistungsausgleich von dem unteren
Im
Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Modifikationen möglich. Bspw.
kann die Schaltungsanordnung
Ferner kann auch ein anderes geeignetes Kriterium zur Feststellung, ob die Eingangsspannung UZK1 zur Aufmagnetisierung der Speicherdrossel ausreicht oder nicht, aufgestellt werden. Ein derartiges Kriterium kann bspw. auf einem Vergleich des Betrags des aktuellen Wertes der Netzwechselspannung UNETZ mit einem geeigneten Spannungsreferenzwert, bspw. einem von der Eingangsspannung abhängigen Referenzwert, basieren. Es ist auch zu beachten, dass Zustandgrößen in der Schaltung an Hand allgemeiner elektrotechnischer Beziehungen aus anderen Größen abgeleitet oder anstatt derer für das Kriterium verwendet werden können.Furthermore, another suitable criterion for determining whether or not the input voltage U ZK1 is sufficient for magnetizing the storage choke can also be set up. Such a criterion can, for example, be based on a comparison of the magnitude of the current value of the mains alternating voltage U NETZ with a suitable voltage reference value, for example a reference value dependent on the input voltage. It is also to be noted that state quantities in the circuit can be derived from other quantities by means of general electrotechnical relationships or used instead of those for the criterion.
Außerdem kann
der erfindungsgemäße Wechselrichter
in einer besonderen Ausgestaltung auch ohne die Hochsetzsteller
Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den
Die
in
In
analoger Weise weist der Freilaufpfad
In
anderen Worten sind die Freilaufpfade
Hinsichtlich
der Ansteuerung der Schalterelemente S1 bis
S6 ergibt sich kein Unterschied zu der Schaltungsanordnung
In
Im
Betrieb werden jeweils nur die Schalterelemente S1 und
S3 im normalen bzw. modifizierten Betriebsmodus
hochfrequent geschaltet, wie dies auch bei den Ausführungsformen
nach
Auch
diese Schaltungsanordnung
Es
ist ein Verfahren zur Umwandlung einer elektrischen Gleichspannung
UZK1 in eine Wechselspannung UNETZ einer
bestimmten Frequenz und eine Wechselrichterschaltung
Bei
ausreichender Eingangsspannung UZK1 wird
der Schalter S1, S2 in
dem Zweig
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