DE102008018497A1 - Inverter i.e. solar inverter, for feeding multi-phase line current into mixing point of power network, has downstream line filter that is active line filter connected parallel to output of inverter - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter, insbesondere einen Solarwechselrichter, zur Einspeisung eines mehrphasigen Netzstromes in einen Verknüpfungspunkt eines Stromversorgungsnetzes, wobei der Wechselrichter einen eingangsseitigen DC/DC-Wandler, einen netzgeführten, gesteuerten Stromrichter mit einem nachfolgenden Kommutierungsfilter und ein nachgeschaltetes Netzfilter zur Reduzierung von stromrichterseitig erzeugten Oberschwingungsströmen aufweist. Es ist jeweils ein abschaltbarer Leistungshalbleiterschalter mit antiparallel geschalteter Diode als Stromrichterventil einer jeden Phase des Stromrichters vorgesehen. Der Wechselrichter weist eine Steuereinrichtung zum Ansteuern der Leistungshalbleiterschalter mittels Ansteuersignale und zum Erfassen der anstehenden Phasenspannungen des Stromversorgungsnetzes auf.The The invention relates to an inverter, in particular a solar inverter, for feeding a multiphase mains current into a connection point a power supply network, the inverter having an input side DC / DC converter, a line-commutated, controlled power converter with a subsequent commutation filter and a downstream line filter to reduce harmonic currents generated on the power converter side having. It is each a turn-off power semiconductor switch with antiparallel diode connected as a converter valve one provided each phase of the power converter. The inverter points a control device for driving the power semiconductor switches by means of control signals and for detecting the pending phase voltages of the power supply network.
Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
Aus
dem Fachaufsatz
Die eingangsseitige Gleichspannungsquelle kann z. B. ein Solarmodul oder ein Solarfeld mit einer Vielzahl derartiger Solarmodule sein. Sie kann eine Brennstoffzelle oder auch ein Generator einer Windkraftanlage oder einer Biogasanlage sein.The input-side DC voltage source can, for. B. a solar module or a solar panel with a plurality of such solar modules. It can be a fuel cell or even a generator of a wind turbine or a biogas plant.
Der Wechselrichter ist vorzugsweise ein dreiphasiger Wechselrichter, insbesondere zur Einspeisung in ein 3-phasiges 50 Hz/400 V-Stromversorgungsnetz oder in ein 60 Hz/460 V-Stromversorgungsnetz, wie z. B. eines Energieversorgungsunternehmens.Of the Inverter is preferably a three-phase inverter, in particular for feeding into a 3-phase 50 Hz / 400 V power supply network or in a 60 Hz / 460 V power supply network such. B. a power company.
Die z. B. von einem Solarfeld erzeugte Feld- oder Ausgangsgleichspannung ist von der aktuellen Sonneneinstrahlung sowie insbesondere von dessen elektrischer Belastung abhängig. Üblicherweise steuert die Steuereinrichtung des Wechselrichters den Leistungshalbleiterschalter im DC/DC-Wandler derart getaktet an, dass die Einspeiseleistung in das elektrische Netz maximal ist. Dieser Leistungspunkt wird auch als MPP (für Maximum Power Point) bezeichnet.The z. B. generated by a solar field or DC output voltage is from the current solar radiation as well as in particular from its electrical load dependent. Usually the controller of the inverter controls the power semiconductor switch clocked in the DC / DC converter such that the feed power in the electrical network is maximum. This credit point will also referred to as MPP (Maximum Power Point).
Vorzugsweise ist der DC/DC-Wandler ein Hochsetzsteller zum Hochsetzen der eingangseitig anliegenden Eingangsspannung auf Höhe der netzseitigen Spannungswerte, das heißt auf eine Spannung von ca. 560 V bei dem 50 Hz/400 V-Stromversorgungsnetz. Alternativ kann der DC/DC-Wandler ein Tiefsetzsteller sein, um die von einem Solarfeld erzeugte Feld- oder Ausgangsgleichspannung herabzusetzen, falls diese Spannungswerte von mehr als 560 V aufweisen sollte.Preferably is the DC / DC converter, a boost converter for raising the input-side Input voltage at the level of the line-side voltage values, that is to a voltage of about 560 V at the 50 Hz / 400 V power supply network. Alternatively, the DC / DC converter can be a buck converter be the field or output DC voltage generated by a solar field if these voltages exceed 560V should.
Bei dem in der eingangs genannten Druckschrift offenbarten Wechselrichter, der in der Fachwelt auch als F3E-Wechselrichter bezeichnet wird (F3E für Fundamental Frequency Front End), werden die antiparallel zu den Gleichrichterdioden verschalteten Leistungshalbleiterschalter in Abhängigkeit von der Netzspannung geschaltet. Auf der oberen Brückenhälfte ist immer der jeweilige Leistungshalbleiterschalter eingeschaltet, dessen Emitter-Potential höher ist als das der anderen beiden Phasen. Auf der unteren Brückenhälfte ist dies sinngemäß mit dem niedrigsten Kollektor-Potential ebenso. Es handelt sich also um einen netzgeführten Betrieb mit Weiterschalten von einer Phase zur nächsten. Ein Schaltbetrieb zwischen oberem und unterem Leistungshalbleiterschalter einer Phase tritt nicht auf. Daher können als Dioden Gleichrichterdioden mit minimierter Durchlassspannung eingesetzt werden, die sich gegenüber Freilaufdioden mit optimierten Schalteigenschaften durch erheblich geringere Durchlassverluste auszeichnen. Die Schaltverluste sind daher wegen des Betriebs mit Netzfrequenz nahezu vernachlässigbar. Zur Sicherstellung der Stromkommutierung in den jeweiligen Phasen ist einem solchen F3E-Stromrichter zwingend ein Kommutierungsfilter nachgeschaltet. Ein derartiger Wechselrichter weist im Vergleich zu herkömmlichen Wechselrichtern mit einem hochtaktenden Pulswechselrichter und mit einem Wirkungsgrad von typischerweise etwa 96% einen höheren Wirkungsgrad von 98% und besser auf.at the inverter disclosed in the cited document, which is also referred to in the art as F3E inverter (F3E for Fundamental Frequency Front End), the antiparallel connected to the rectifier diodes power semiconductor switch switched depending on the mains voltage. On the The upper half of the bridge is always the respective power semiconductor switch turned on, whose emitter potential is higher than that the other two phases. On the lower bridge half this is analogous with the lowest collector potential as well. It is therefore a grid-controlled operation with switching from one phase to the next. A switching operation between upper and lower power semiconductor switch of one phase does not occur. Therefore, as diodes rectifier diodes be used with minimized forward voltage, facing each other Freewheeling diodes with optimized switching properties by considerably distinguish lower passage losses. The switching losses are therefore almost negligible due to the operation at mains frequency. To ensure the current commutation in the respective phases such a F3E converter is necessarily a commutation filter downstream. Such an inverter has in comparison to conventional inverters with a high-clocking Pulse inverter and with an efficiency of typically about 96% higher efficiency of 98% and better on.
Die
Umschaltvorgänge im F3E-Wechselrichter führen
zu Netzoberschwingungen im Netzstrom, insbesondere bei den ungeraden
Ordnungszahlen, wie 5., 7., 11., 13. Ordnung und so weiter. Die
jeweiligen wechselrichterseitig erzeugten Oberschwingungsströme
nehmen typischerweise mit zunehmender Ordnungszahl ab. Um nationale
oder auch internationale Anforderungen zur Netzeinspeisung von Energieerzeugungsanlagen
in ein öffentliches Stromversorgungsnetz zu erfüllen,
sind entsprechende Netzfilter erforderlich. So sind die maximal
zulässigen Oberschwingungsströme beispielsweise
zumindest für das Gebiet der Europäischen Union
in der europäischen Norm
Nachteilig bei dem eingangs genannten Wechselrichter ist, dass das Netzfilter zur wirksam Filterung der vergleichsweise niederfrequenten Oberschwingungsanteile äußerst voluminös ist. Derartige Netzfilter weisen üblicherweise Kapazitäten, Induktivitäten und/oder Dämpfungswiderstände auf. Letztere verschlechtern zudem den Wirkungsgrad eines solchen Netzfilters.adversely in the aforementioned inverter is that the line filter for effectively filtering the comparatively low-frequency harmonic components extremely is voluminous. Such line filters usually have Capacities, inductances and / or damping resistors on. The latter also worsen the efficiency of such Line filter.
Ein weiterer Nachteil sind die Komplexität und mögliche Schwingungsneigungen des Netzfilters bei Verwendung einer höheren Filterordnung, um gezielt dominante Oberschwingungsanteile, wie z. B. der 5. oder 7. Ordnung, zu bedämpfen.One Another disadvantage is the complexity and possible Vibration tendencies of the line filter when using a higher Filter order to specifically dominant harmonic components, such as z. B. the 5th or 7th order to dampen.
Ausgehend von dem eingangs genannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der Erfindung einen Wechselrichter anzugeben, bei welchem die zuvor genannten Nachteile vermieden werden.outgoing From the above-mentioned prior art, it is an object the invention to provide an inverter in which the previously mentioned disadvantages are avoided.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 10 genannt.The The object of the invention is achieved with the features of the claim 1 solved. Advantageous embodiments are mentioned in the dependent claims 2 to 10.
Erfindungsgemäß ist das Netzfilter ein parallel zum Ausgang des Wechselrichters geschaltetes aktives Netzfilter. Der besondere Vorteil ist, dass ein derartiges Netzfilter nur für einen Bruchteil, wie z. B. 10%, der elektrischen Gesamtleistung ausgelegt zu werden braucht, um die stromrichterseitig erzeugten Oberschwingungsströme weitgehend zu kompensieren. Ein solches aktives Netzfilter kann entsprechend kompakt realisiert werden. Das aktive Netzfilter ist dazu ausgelegt, einen zum Oberschwingungsstrom der jeweiligen Ordnung entgegengesetzten, das heißt gegenphasigen, Kompensationsstrom in den gemeinsamen Ausgang des Wechselrichters einzuspeisen. Dadurch weist der erfindungsgemäße Wechselrichter im netzseitigen Verknüpfungspunkt auch ein vorherbestimmtes, vorgegebenes Oberschwingungsspektrum auf.According to the invention the line filter is an active parallel to the inverter output Mains filter. The particular advantage is that such a line filter only for a fraction, such as. B. 10%, the electrical Overall performance needs to be designed to be the power converter side largely compensate for generated harmonic currents. Such an active line filter can be realized compact accordingly become. The active line filter is designed to be one of the harmonic currents of the respective opposite order, that is, opposite phase, Compensation current in the common output of the inverter feed. As a result, the inverter according to the invention in the network-side connection point also a predetermined, predetermined harmonic spectrum.
Nach einer Ausführungsform weist das aktive Netzfilter einen Pulswechselrichter mit einer im Vergleich zur Netzfrequenz vielfach höheren Schaltfrequenz zur weitgehenden Kompensation der stromrichterseitig erzeugten Oberschwingungsströme auf. Vorzugsweise liegt die Schaltfrequenz bei zumindest dem 100-fachen der Netzfrequenz. Die Schaltfrequenz beträgt bei einem 50 Hz/400 V-Stromversorgungsnetz folglich mindestens 5000 Hz, wie z. B. 8 kHz. Dadurch ist durch die vielfache „Überabtastung” in Bezug auf die Netzfrequenz eine gezielte gegenphasige Oberschwingungskompensation bis zu hohen Ordnungszahlen der Oberschwingungsanteile möglich. Vorzugsweise weist der Pulswechselrichter des aktiven Netzfilters einen Zwischenkreis mit einem Kondensator auf. Er dient als Energiespeicher zum kurzfristigen Aufnehmen und wieder Zurückspeisung von elektrischer Energie. Ein solches aktives Netzfilter weist einen besonders hohen Wirkungsgrad von etwa 95% auf. Da das aktive Netzfilter jedoch nur für ca. 10% der elektrischen Gesamtleistung ausgelegt zu werden braucht, verschlechtert sich der Gesamtwirkungsgrad des erfindungsgemäßen Wechselrichters lediglich um nur ca. 0,5%.To In one embodiment, the active line filter has a Pulse inverter with a multiple compared to the mains frequency higher switching frequency for extensive compensation of the on the converter side generated harmonic currents. Preferably the switching frequency is at least 100 times the mains frequency. The switching frequency is at a 50 Hz / 400 V power supply network consequently at least 5000 Hz, such as. B. 8 kHz. This is through the multiple "oversampling" in relation on the mains frequency a targeted antiphase harmonic compensation possible up to high atomic numbers of the harmonic components. Preferably, the pulse inverter of the active network filter a DC link with a capacitor. It serves as energy storage for short-term recording and back feeding of electrical Energy. Such an active line filter has a particularly high Efficiency of about 95%. However, since the active network filter only designed for about 10% of the total electrical power too is needed, the overall efficiency of the invention deteriorates Inverter only by about 0.5%.
Einer weiteren Ausführungsform zufolge weist das aktive Netzfilter zumindest eine Stromerfassungseinheit zur Erfassung eines mehrphasigen Netzstromes, Frequenzanalysemittel zur Ermittlung der Oberschwingungsströme, wie z. B. eine Strommesseinheit mit nachgeschalteter FFT-Analyseeinheit, und Ansteuermittel zur geregelten Ansteuerung des Pulswechselrichters auf.one According to another embodiment, the active network filter at least one current detection unit for detecting a multiphase mains current, Frequency analysis means for determining the harmonic currents, such as B. a current measuring unit with downstream FFT analysis unit, and control means for controlled control of the pulse inverter on.
Eine derartige Analyseeinheit weist vorzugsweise Mittel zur Durchführung einer FFT-Frequenzanalyse (FFT für Fast Fourier Transformation) eines jeweiligen wechselrichterseitigen Netzstromes auf. Aus dem rechnerisch ermittelten Oberschwingungsspektrum kann dann der Pulswechselrichter derart mittels Kom pensationsansteuermittel geregelt angesteuert werden, dass die Oberschwingungsströme im Verknüpfungspunkt des Stromversorgungsnetzes weitgehend kompensiert sind. Vorzugsweise weist dieses aktive Netzfilter Strommesseinheiten, insbesondere Stromwandler, zur Erfassung des mehrphasigen Netzstromes auf.A Such analysis unit preferably has means for carrying out an FFT Frequency Analysis (FFT for Fast Fourier Transformation) a respective inverter-side network power. From the arithmetically determined harmonic spectrum can then be the pulse inverter controlled by Kom pensationsansteuermittel so controlled be that the harmonic currents in the node of the power supply network are largely compensated. Preferably This active mains filter has current measuring units, in particular Current transformer, for detecting the multiphase mains current.
Vorzugsweise weist das aktive Netzfilter im dreiphasigen Fall zwei Strommesseinheiten zur Erfassung des jeweiligen Phasenstromes auf. Der verbleibende Phasenstrom lässt sich direkt aus den beiden gemessenen Phasenströmen ermitteln.Preferably In the three-phase case, the active line filter has two current measuring units for detecting the respective phase current. The remaining one Phase current can be directly measured from the two Determine phase currents.
Einer weiteren Ausführungsform zufolge weist der Wechselrichter zumindest eine Strommesseinheit und eine Spannungsmesseinheit zur Erfassung eines Eingangsgleichstromes und einer Eingangsgleichspannung am Eingang des DC/DC-Wandlers auf. Die Steuereinrichtung weist ferner Abbildungsmittel zur Abbildung einer dazu korrespondierenden aktuellen elektrischen Leistung in ein dazu zu erwartendes, stromabhängiges Oberschwingungsspektrum auf. Weiterhin weist die Steuereinrichtung Ansteuermittel zur geregelten Ansteuerung des Pulswechselrichters mittels PWR-Ansteuersignale auf.According to a further embodiment, the inverter has at least one current measuring unit and one voltage measuring unit for detecting a DC input current and a DC input voltage at the input of the DC / DC converter. The control device also has imaging means for imaging a corresponding current electrical power in an expected, current-dependent upper oscillation spectrum. Furthermore, the control device has control means for the controlled control of the pulse-controlled inverter by means of PWR drive signals.
Aus der ermittelten aktuellen elektrischen Leistung können mittels der Steuereinrichtung die jeweiligen netzseitigen Phasenströme und deren stromabhängiger Oberschwingungsanteil ermittelt werden. Der besondere Vorteil ist, dass die beiden Messeinheiten sowieso erforderlich sind, um den maximalen Leistungspunkt für die Einspeisung in das elektrische Netz fortlaufend zu ermitteln.Out the determined current electrical power can by means of the control device, the respective network-side phase currents and whose current-dependent harmonic content are determined. The particular advantage is that the two measuring units anyway are required to set the maximum power point for to continuously determine the feed into the electrical network.
Das Abbildungsmittel kann z. B. eine elektronisch hinterlegte Tabelle sein, welche abhängig von der aktuellen elektrischen Leistung bzw. abhängig vom jeweiligen ermittelten Phasenstrom die zu erwartenden Oberschwingungsströme der jeweiligen Ordnung beinhalten. Darauf basierend kann ein Ansteuermittel den Pulswechselrichter derart ansteuern, dass die frequenzabhän gigen Oberschwingungsströme im Verknüpfungspunkt des Netzes wiederum weitgehend kompensiert sind.The Imaging agent may, for. B. an electronically stored table which depends on the current electrical power or depending on the respective determined phase current the expected harmonic currents of the respective order include. Based on this, a drive means may be the pulse inverter to control such that the frequenzabhän dependent harmonic currents in the connection point of the network in turn largely compensated are.
Vorzugsweise sind die vorangegangenen Mittel Softwareroutinen und Speichertabellen, welche vorzugsweise die prozessorgestützte Steuereinrichtung ausführt bzw. ausliest.Preferably the previous means are software routines and memory tables, which is preferably the processor-based control device executes or reads out.
Alternativ können zur Ermittlung der aktuellen elektrischen Leistung auch die jeweiligen Phasenströme messtechnisch erfasst werden.alternative can be used to determine the current electrical power also the respective phase currents detected by measurement become.
Nach einer weiteren Ausführungsform weist der vorzugsweise als Hochsetzsteller ausgebildete DC/DC-Wandler einen abschaltbaren weiteren Leistungshalbleiterschalter, eine Entkopplungsdiode, eine Speicherdrossel und einen Filterkondensator auf. Die Steuereinrichtung weist Mittel zu getakteten Ansteuerung des weiteren Leistungshalbleiterschalters über ein Steuersignal auf, sodass der Wechselrichter am maximalen Leistungspunkt betreibbar ist. Dadurch wird der Ertrag der Gleichspannungsquelle maximiert.To another embodiment, preferably as Step-up converter trained DC / DC converter a turn-off another Power semiconductor switch, a decoupling diode, a storage choke and a filter capacitor. The control device has means to clocked control of the other power semiconductor switch via a control signal, so that the inverter at the maximum power point is operable. This maximizes the yield of the DC power source.
Einer weiteren Ausführungsform zufolge kann dem aktiven Netzfilter noch ein passives Kleinnetzfilter zur Bedämpfung der Oberschwingungsströme insbesondere ab der 25. Ordnung nachgeschaltet sein. Ein derartiges Filter kann gegebenenfalls noch vorhandene hochfrequente Oberschwingungsanteile herausfiltern, sofern die nationalen oder internationalen Normen dies erfordern. Im einfachsten Fall ist dieses Filter ein kompaktes Tiefpassfilter mit einer Eckfrequenz von ca. 1 kHz.one According to another embodiment, the active line filter another passive mini mesh filter to dampen the harmonic currents be followed in particular from the 25th order. Such a thing Filter can filter out any existing high-frequency harmonic components, if required by national or international standards. In the simplest case, this filter is a compact low-pass filter with a corner frequency of approx. 1 kHz.
Insbesondere ist der betrachtete erfindungsgemäße Wechselrichter für eine Einspeiseleistung von mindestens 25 kW ausgelegt.Especially is the considered inverter according to the invention designed for a feed-in capacity of at least 25 kW.
Vorzugsweise ist der Wechselrichter ein Solarwechselrichter zum eingangsseitigen Anschließen an ein Solarmodul oder an ein Solarfeld.Preferably the inverter is a solar inverter to the input side Connecting to a solar module or to a solar panel.
Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungen der Erfindung werden im Weiteren anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Es zeigenThe Invention and advantageous embodiments of the invention will be explained in more detail below with reference to the following figures described. Show it
Am
Ausgang des Hochsetzstellers
Zur
Sicherstellung der Stromkommutierung in Phasen R, S, T ist dem F3E-Stromrichter
Im
linken Teil der
Die
Steuereinheit
Im
Beispiel der
Wie das vorliegende Diagramm zeigt, nehmen einerseits die Oberschwingungsströme iν mit zunehmender Ordnungszahl und zugleich mit abnehmender Einspeiseleistung P1–P6 ab. Das Diagramm zeigt auch, dass die eingetragenen und vom Typ des Verknüpfungspunktes SK abhängigen Grenzwerte G1.5, G4.5, G9 nicht in jedem Fall eingehalten werden.As the present diagram shows, on the one hand take the harmonic currents iν with increasing atomic number and at the same time with decreasing Feed-in power P1-P6 from. The diagram also shows that the registered and the type of node SK dependent limits G1.5, G4.5, G9 not in every case be respected.
Weiterhin
zeigt das Oberwellenspektrum Sν des netzgeführten,
gesteuerten Stromrichters
Weiterhin
sind im Beispiel der
Alternativ
können die Abbildungsmittel
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