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

The inverter (1) has an input-sided direct current/direct current converter (3) i.e. boost converter, and a network-guided, controlled static converter (4) with a commutation filter (5) and a downstream line filter for reducing static converter-sided produced harmonic current. A control device (6) controls a disconnectable power semiconductor circuit (42) by control signals (T1-T6) and detects present phase voltages (uR, uS, uT) of a power network (N). The downstream line filter is an active line filter (7') connected parallel to an output of the inverter.

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 DE 10 2006 016 502 A1 ist ein Wechselrichter, insbesondere ein Solar-Wechselrichter, bekannt. Er weist einen Hochsetzsteller, einen netzgeführten, gesteuerten Stromrichter und ein Filter auf, wobei das Filter mit wechselspannungsseitigen Anschlüssen und der Hochsetzsteller ausgangsseitig mit gleichspannungsseitigen Anschlüssen des netzgeführten, gesteuerten Stromrichters verknüpft sind. Es ist jeweils ein abschaltbarer Leistungshalbleiterschalter mit antiparallel geschalteter Diode als Stromrichterventil einer jeden Phase des netzgeführten, gesteuerten Stromrichters vorgesehen. Diese abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter sind steuerungsseitig mit einer Steuereinrichtung verknüpft, an deren Eingängen ermittelte Phasenspannungen eines Netzes anstehen.From the German patent application DE 10 2006 016 502 A1 is an inverter, in particular a solar inverter, known. It has a boost converter, a network-controlled controlled converter and a filter, wherein the filter with AC-side terminals and the boost converter output side are connected to DC side terminals of the grid-connected, controlled power converter. In each case, a turn-off power semiconductor switch with antiparallel-connected diode is provided as the converter valve of each phase of the line-commutated, controlled power converter. These turn-off power semiconductor switches are linked on the control side with a control device, at the inputs of which determined phase voltages of a network are pending.

Aus dem Fachaufsatz „Aktive Netzfilter zur Verbesserung der Netzqualität” von Gustav H. Vaupel, Fachhochschule Hamburg, Fachbereich Elektrotechnik und Informatik, Seite 22 bis 27 , ist der Aufbau und die Funktionsweise eines dreiphasigen aktiven Netzfilters auf Basis eines Pulswechselrichters offenbart.From the technical essay "Active Line Filters to Improve Power Quality" by Gustav H. Vaupel, Hamburg University of Applied Sciences, Department of Electrical Engineering and Computer Science, pages 22 to 27 , The construction and operation of a three-phase active network filter based on a pulse inverter is disclosed.

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 EN 61000-3-2 oder EN 61000-3-12 geregelt. Die von der jeweiligen Ordnungszahl maximal zulässigen Ober schwingungsströme sind dabei abhängig von der maximalen Kurzschlussleistung des elektrischen Netzes am jeweiligen Verknüpfungspunkt des öffentlichen Stromversorgungsnetzes.The switching operations in the F3E inverter lead to mains harmonics in the mains current, in particular in the case of the odd ordinal numbers, such as 5th, 7th, 11th, 13th order and so on. The respective harmonic currents generated on the inverter side typically decrease with increasing atomic number. To national or inter In order to comply with national requirements for the grid connection of power generation plants in a public power grid, appropriate line filters are required. For example, the maximum permissible harmonic currents are in the European standard, at least for the territory of the European Union EN 61000-3-2 or EN 61000-3-12 regulated. The maximum permissible by the respective Ordnungszahl harmonic currents are dependent on the maximum short-circuit power of the electrical network at the respective node of the public power grid.

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

1 den Aufbau eines F3E-Wechselrichters nach dem Stand der Technik, 1 the construction of a F3E inverter according to the prior art,

2 den Aufbau eines beispielhaften Wechselrichters gemäß der Erfindung, 2 the structure of an exemplary inverter according to the invention,

3 ein beispielhaftes Oberwellenspektrum eines F3E-Wechselrichters mit eingetragenen Grenzwerten für die Einspeisung in ein Stromversorgungsnetz und 3 an exemplary harmonic spectrum of a F3E inverter with registered limits for feeding into a power grid and

4 eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters. 4 an advantageous embodiment of the inverter according to the invention.

1 zeigt den Aufbau eines F3E-Wechselrichters 1 nach dem Stand der Technik. Bei dem gezeigten Wechselrichter 1 handelt es sich um einen Solarwechselrichter zur Einspeisung eines dreiphasigen Netzstromes iL1–iL3 in einen Verknüpfungspunkt SK eines Stromversorgungsnetzes N. Typischerweise ist er für Einspeiseleistung von mindestens 25 kW ausgelegt. Mit dem Bezugszeichen 2 ist eine Gleichspannungsquelle stellvertretend für eine einspeisende Quelle, wie z. B. ein Solarmodul, ein Solarfeld, eine Brennstoffzelle, ein Windkraftgenerator oder dergleichen, bezeichnet. Die Gleichspannungsquelle 2 ist mit der Eingangsseite eines DC/DC-Wandlers 3 verbunden. Vorzugsweise ist dieser, wie in 1 gezeigt, ein Hochsetzsteller 3 bzw. ein „Boost-Converter” entsprechend dem fachenglischen Sprachgebrauch. Der an sich bekannte Hochsetzsteller 3 weist einen abschaltbaren weiteren Leistungshalbleiterschalter 32, eine Entkopplungsdiode 33, eine Speicherdrossel 31 und einen Filterkondensator 34 auf. Der weitere Leistungshalbleiterschalter 32 wird dabei über eine prozessorgestützte Steuereinrichtung 6 des Solarwechselrichters 1 über ein Steuersignal S angesteuert, um den Solarwechselrichter 1 zumindest na hezu in seinem maximalen Leistungspunkt (MPP) betreiben zu können. 1 shows the structure of an F3E inverter 1 According to the state of the art. In the shown inverter 1 it is a solar inverter for feeding a three-phase mains current iL1-iL3 into a connection point SK of a power supply network N. It is typically designed for a feed-in power of at least 25 kW. With the reference number 2 is a DC voltage source representative of a feeding source, such. For example, a solar module, a solar panel, a fuel cell, a wind power generator or the like referred to. The DC voltage source 2 is with the input side of a DC / DC converter 3 connected. Preferably, this is as in 1 shown, a boost converter 3 or a "boost converter" according to the English language usage. The known boost converter 3 has a turn-off another power semiconductor switch 32 , a decoupling diode 33 , a storage choke 31 and a filter capacitor 34 on. The additional power semiconductor switch 32 is doing about a processor-based control device 6 of the solar inverter 1 controlled by a control signal S to the solar inverter 1 at least almost in its maximum power point (MPP) to operate.

Am Ausgang des Hochsetzstellers 3 liegt eine Stromrichtereingangsspannung uZ an. Mit iZ ist der korrespondierende Eingangsstrom für einen nachfolgenden netzgeführten, gesteuerten Stromrichter 4 bezeichnet. Letzterer trägt in der Fachwelt die gängigere Bezeichnung F3E-Stromrichter bzw. F3E-Converter. Mit R, S, T sind die drei Phasen des Stromrichters 4 bezeichnet. Er weist die gemäß der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2006 016 502 A1 die bekannten Bauelemente wie Gleichrichterdiode 33, Leistungshalbleiterschalter 32, insbesondere IGBT, Speicherdrossel 31 und gegebenenfalls einen Filterkondensator 34 auf. Die Ansteuerung der Steuerelektrode, insbesondere des Gates, der jeweiligen IGBTs erfolgt mittels Ansteuersignale T1–T6, welche die Steuereinrichtung 6 aus den erfassten Phasenspannungen uR, uS, uT des Stromversorgungsnetzes N bildet. Mit fN sind die daraus abgeleitete Netzfrequenz, wie z. B. 50 Hz, mit iL1'–iL3' die ausgangsseitigen, oberschwingungsbehafteten Stromrichterströme bezeichnet.At the output of the boost converter 3 is a power converter input voltage uZ on. With iZ, the corresponding input current is for a subsequent line-commutated, controlled power converter 4 designated. The latter carries in the professional world the more common name F3E converter or F3E converter. With R, S, T are the three phases of the power converter 4 designated. He has the according to the German patent application DE 10 2006 016 502 A1 the known components such as rectifier Dio de 33 , Power semiconductor switch 32 , in particular IGBT, storage choke 31 and optionally a filter capacitor 34 on. The control of the control electrode, in particular of the gate, the respective IGBTs by means of control signals T1-T6, which the control device 6 from the detected phase voltages uR, uS, uT of the power supply network N forms. With fN, the derived network frequency, such. B. 50 Hz, referred to with iL1'-iL3 'the output side, harmonic-prone power converter currents.

Zur Sicherstellung der Stromkommutierung in Phasen R, S, T ist dem F3E-Stromrichter 4 ein passives Kommutierungsfilter 5 nachgeschaltet. Es weist beispielhaft eine Sternschaltung von drei Reihenschaltungen aus jeweils einem Filterwiderstand 51 und einem Filterkondensator 52 auf.To ensure the current commutation in phases R, S, T is the F3E converter 4 a passive commutation filter 5 downstream. By way of example, it has a star connection of three series circuits each consisting of a filter resistor 51 and a filter capacitor 52 on.

Im linken Teil der 1 ist eine Strommesseinheit 8 zur Erfassung eines Eingangsgleichstromes iDC vorhanden. Mit iDC ist der dazu korrespondierende Messstromwert bezeichnet. Er dient unter anderem zur Einstellung des maximalen Leistungspunktes durch die Steuereinrichtung 6.In the left part of the 1 is a current measuring unit 8th for detecting a DC input current iDC present. IDC is the corresponding measured current value. It is used inter alia to set the maximum power point by the controller 6 ,

2 zeigt den Aufbau eines beispielhaften Wechselrichters 1 gemäß der Erfindung. Im Vergleich zur Ausführung gemäß 2 weist der gezeigte Wechselrichter 1 nun anstelle eines passiven Netzfilters 7 ein parallel zum Ausgang des Wechselrich ters 1 geschaltetes aktives Netzfilter 7' auf. Mit „aktiv” ist eine elektronisch gesteuerte mögliche Veränderung der Filtercharakteristik des Netzfilters 7' gemeint. Weiterhin weist das aktive Netzfilter 7' Frequenzanalysemittel 71 sowie Ansteuermittel 72 auf. Die Frequenzanalysemittel 71 dienen zur Ermittlung der Oberschwingungsströme iν, die den Stromrichterströmen iL1'–iL3' überlagert sind. Die Ansteuermittel 72 sind dazu ausgebildet, einen zu den jeweiligen, ordnungszahlabhängigen Oberschwingungsströmen iν gleichgroßen gegenphasigen Kompensationsstrom iC1–iC3 einzustellen, sodass die frequenzabhängigen Oberschwingungsströme iν im Verknüpfungspunkt SK des Stromversorgungsnetzes N weitgehend kompensiert werden können. Hierzu steuert das Ansteuermittel 72 einen in der 2 nicht weiter gezeigten Pulswechselrichter im aktiven Netzfilter 7' an. Dabei weist der Pulswechselrichter im Vergleich zum netzgeführten, gesteuerten Stromrichter 4 eine vielfach höhere Schaltfrequenz fT von z. B. 8 kHz auf. 2 shows the structure of an exemplary inverter 1 according to the invention. Compared to the execution according to 2 indicates the inverter shown 1 now instead of a passive network filter 7 one parallel to the output of the inverter 1 Switched active line filter 7 ' on. With "active" is an electronically controlled possible change in the filter characteristic of the line filter 7 ' meant. Furthermore, the active network filter 7 ' Frequency analysis means 71 as well as drive means 72 on. The frequency analysis means 71 serve to determine the harmonic currents iν, which are superimposed on the converter currents iL1'-iL3 '. The driving means 72 are designed to set a to the respective, ordnungszahlabhängigen harmonic currents iν equal antiphase compensation current iC1-iC3, so that the frequency-dependent harmonic currents iν in the node SK of the power supply network N can be largely compensated. For this purpose, the drive means controls 72 one in the 2 Pulse inverter not shown in the active line filter 7 ' at. In this case, the pulse inverter in comparison to the grid-driven, controlled converter 4 a much higher switching frequency fT of z. B. 8 kHz.

Die Steuereinheit 6 gibt dem aktiven Netzfilter 7' in Abhängigkeit vom aktuellen Arbeitspunkt, wie z. B. Teillast oder Volllast, des F3E-Wechselrichters vor, wie stark die einzelnen Oberschwingungsanteile bedämpft werden müssen. Einen entsprechenden Sollwert SP generiert der Controller 6 z. B. aus einer Tabelle.The control unit 6 gives the active network filter 7 ' depending on the current operating point, such. B. partial load or full load, the F3E inverter, how much the individual harmonic components must be damped. The controller generates a corresponding desired value SP 6 z. B. from a table.

Im Beispiel der 2 ist dem aktiven Netzfilter 7' ein optionales passives Kleinnetzfilter 7'' zur Bedämpfung der Oberschwingungsströme iν insbesondere ab der 25. Ordnung nachgeschaltet. Ein solches Kleinnetzfilter 7'' kann für höhere Frequenzen erforderlich sein, wenn die maßgebliche Norm für den Einspeisebetrieb dies erfordert.In the example of 2 is the active network filter 7 ' an optional passive net mesh filter 7 '' downstream of the damping of the harmonic currents iν in particular from the 25th order. Such a small mesh filter 7 '' may be required for higher frequencies if required by the relevant standard for feed-in operation.

3 zeigt ein beispielhaftes Oberwellenspektrum Sν eines F3E-Wechselrichters 1 mit eingetragenen Grenzwerten G1.5, G4.5, G9 für die Einspeisung in ein Stromversorgungsnetz N. Es sind die stromrichterausgangsseitigen Oberschwingungsströme iν über den maßgeblichen ungeraden Ordnungszahlen zur Netzfrequenz von 50 Hz sowie über der entsprechenden Frequenz f aufgetragen. Weiterhin sind Oberschwingungsströme iν in Abhängigkeit von beispielhaft sechs Einspeiseleitungswerten P1–P6 aufgetragen. Die beispielhaften Leistungswerte P1–P6 für den Wechselrichter 1 sind 35 kW, 30 kW, 20 kW, 10 kW, 5 kW und 1 kW. Mit G1.5, G4.5 und G9 sind die Grenzwerte der Stromoberschwingungen für einen Wechselrichter mit 30 kW Nennleistung in einem Verknüpfungspunkt SK mit einer Netzkurzschlussleistung von 1,5 MVA, 4,5 MVA und 9 MVA bezeichnet. 3 shows an exemplary harmonic spectrum Sν of a F3E inverter 1 with registered limit values G1.5, G4.5, G9 for feeding into a power supply network N. The converter output-side harmonic currents iν are plotted against the relevant odd atomic numbers at the mains frequency of 50 Hz and above the corresponding frequency f. Furthermore, harmonic currents iν are plotted as a function of, for example, six feed line values P1-P6. The exemplary power values P1-P6 for the inverter 1 are 35 kW, 30 kW, 20 kW, 10 kW, 5 kW and 1 kW. With G1.5, G4.5 and G9, the limits of the current harmonics are designated for an inverter with 30 kW rated power in a connection point SK with a system short-circuit power of 1.5 MVA, 4.5 MVA and 9 MVA.

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 4 bedingt durch die im Vergleich zum herkömmlichen Pulswechselrichter netzsynchrone Phasenumschaltungen ausgeprägte und somit auch vorbestimmte harmonische Oberschwingungsanteile.Furthermore, the harmonic spectrum Sν of the line-commutated controlled converter shows 4 caused by the compared in the conventional pulse inverter network synchronous phase switching pronounced and thus also predetermined harmonic harmonic components.

4 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters 1. Die Darstellung zeigt den Aufbau des aktiven Netzfilters 7' im Detail. Es weist einen Pulswechselrichter 74 in Drehstrombrückenschaltung mit IGBTs auf. Die gemeinsamen Anschlüsse der jeweiligen phasenbezogenen Brücken sind jeweils über eine Längsdrossel 73 parallel zum Ausgang des Stromrichters 4 geschaltet. Mit dem Bezugszeichen 75 ist ein Zwischenkreiskondensator bezeichnet, über den eine Zwischenkreisspannung uK anliegt. Durch gezielte getaktete Ansteuerung der nicht weiter bezeichneten IGBTs des Pulswechselrichters 74 ist somit ein nahezu verlustfreies Einprägen von Kompensationsströmen iC1–iC3, das heißt von Blindströmen, möglich, sodass die Summenströme iL1–iL3 der jeweiligen Stromrichterströme iL1'–iL3' und der jeweiligen Kompensationsströmen iC1–iC3 nahezu oberschwingungsfrei sind. 4 shows an advantageous embodiment of the inverter according to the invention 1 , The illustration shows the structure of the active network filter 7 ' in detail. It has a pulse inverter 74 in three-phase bridge circuit with IGBTs. The common connections of the respective phase-related bridges are each via a longitudinal choke 73 parallel to the output of the converter 4 connected. With the reference number 75 is a DC link capacitor referred to, via which a DC link voltage uK is applied. By targeted clocked control of IGBTs of the pulse inverter not further described 74 is thus a virtually lossless impressing of compensation currents iC1-iC3, that is, of reactive currents, possible, so that the sum currents iL1-iL3 of the respective converter currents iL1'-iL3 'and the respective Kom compensation currents iC1-iC3 are almost harmonic-free.

Weiterhin sind im Beispiel der 4 für die Regelung zwei Strommesseinheiten 9 zur Erfassung der Phasenströme iL1–iL3 vorgesehen. Die aktuelle Leistung des DC/DC-Wandlers 3 wird einem Abbildungsmittel 61 der Steuereinrichtung 6 zugeführt, um auf Basis dieser Leistung das zu erwartende, stromabhängige Oberschwingungsspektrum Sν zu ermitteln. Die aktuelle elektrische Leistung wird aus einem aktuell erfassten Eingangsgleichstromwert iDC und einem aktuellen Eingangsspannungswert uE rechnerisch ermittelt. Vorzugsweise ist jedem Leistungswert eine Reihe von zu erwartenden, ordnungszahlabhängigen Oberschwingungsstromwerten zugeordnet, die vom aktiven Netzfilter 7'' zu kompensieren sind. Die korrespondierenden Daten sind vorzugsweise elektronisch in einem Speicher der Steuereinrichtung 6 hinterlegt. Diese Daten werden dann ausgelesen und nachfolgenden Ansteuermitteln 62 zugeführt, welche in Echtzeit geeignete PWR-Ansteuersignale K1–K6 zur getakteten Ansteuerung des Pulswechselrichters 74 erzeugen, sodass die frequenzabhängigen Oberschwingungsströme iν im Verknüpfungspunkt SK des Stromversorgungsnetzes N weitgehend kompensiert werden.Furthermore, in the example of 4 for regulation two current measuring units 9 provided for detecting the phase currents iL1-iL3. The current power of the DC / DC converter 3 becomes an imaging agent 61 the control device 6 supplied on the basis of this power to determine the expected, current-dependent harmonic spectrum Sν. The current electrical power is calculated from a currently detected DC input current value iDC and a current input voltage value uE. Preferably, each power value is assigned a series of expected harmonic-dependent harmonic current values from the active line filter 7 '' to compensate. The corresponding data are preferably electronically in a memory of the control device 6 deposited. These data are then read out and subsequent activation means 62 supplied, which in real time suitable PWR control signals K1-K6 for clocked control of the pulse inverter 74 generate, so that the frequency-dependent harmonic currents iν in the node SK of the power supply network N are largely compensated.

Alternativ können die Abbildungsmittel 61 ein mathematisches Modell beschreiben, welches abhängig von der aktuellen Leistung des DC/DC-Wandlers 3 die zu erwartenden, ordnungszahlabhängigen Oberschwingungsstromwerte nachbildet.Alternatively, the imaging agents 61 describe a mathematical model, which depends on the current performance of the DC / DC converter 3 simulates the expected harmonic-dependent harmonic current values.

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Claims (10)

Wechselrichter, insbesondere Solarwechselrichter, zur Einspeisung eines mehrphasigen Netzstromes (iL1–iL3) in einen Verknüpfungspunkt (SK) eines Stromversorgungsnetzes (N), wobei der Wechselrichter einen eingangsseitigen DC/DC-Wandler (3), einen netzgeführten, gesteuerten Stromrichter (4) mit einem nachfolgenden Kommutierungsfilter (5) und ein nachgeschaltetes Netzfilter (7) zur Reduzierung von stromrichterseitig erzeugten Oberschwingungsströmen (iν) aufweist, wobei jeweils ein abschaltbarer Leistungshalbleiterschalter (42) mit antiparallel geschalteter Diode (41) als Stromrichterventile einer jeden Phase (R, S, T) des Stromrichters (4) vorgesehen ist und wobei eine Steuereinrichtung (6) zum Ansteuern der Leistungshalbleiterschalter (42) mittels Ansteuersignale (T1–T6) und zum Erfassen der anstehenden Phasenspannungen (uR, uS, uT) des Stromversorgungsnetzes (N) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Netzfilter (7) ein parallel zum Ausgang des Wechselrichters geschaltetes aktives Netzfilter (7') ist.Inverter, in particular solar inverter, for feeding a multiphase mains current (iL1-iL3) into a connection point (SK) of a power supply network (N), the inverter having an input-side DC / DC converter ( 3 ), a line-commutated, controlled power converter ( 4 ) with a subsequent commutation filter ( 5 ) and a downstream line filter ( 7 ) for reducing harmonic currents generated on the converter side (iν), wherein in each case a turn-off power semiconductor switch ( 42 ) with antiparallel-connected diode ( 41 ) as converter valves of each phase (R, S, T) of the converter ( 4 ) and wherein a control device ( 6 ) for driving the power semiconductor switches ( 42 ) by means of control signals (T1-T6) and for detecting the pending phase voltages (uR, uS, uT) of the power supply network (N), characterized in that the line filter ( 7 ) an active line filter connected in parallel with the output of the inverter ( 7 ' ). Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Netzfilter (7') einen Pulswechselrichter (74) mit einer im Vergleich zur Netzfrequenz (fN) vielfach höheren Schaltfrequenz (fT) zur weitgehenden Kompensation der stromrichterseitig erzeugten Oberschwingungsströme (iν) aufweist.Inverter according to claim 1, characterized in that the active line filter ( 7 ' ) a pulse inverter ( 74 ) with a compared to the mains frequency (fN) often higher switching frequency (fT) for extensive compensation of the harmonic currents generated on the converter side (iν). Wechselrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Netzfilter (7) zumindest eine Stromerfassungseinheit (9) zur Erfassung eines mehrphasigen Netzstromes (iL1–iL3), Frequenzanalysemittel (71) zur Ermittlung der Oberschwingungsströme (iν) und Ansteuermittel (72) zur geregelten Ansteuerung des Pulswechselrichters (74) aufweist.Inverter according to claim 2, characterized in that the active line filter ( 7 ) at least one current detection unit ( 9 ) for detecting a multiphase mains current (iL1-iL3), frequency analysis means ( 71 ) for determining the harmonic currents (iν) and driving means ( 72 ) for the controlled control of the pulse inverter ( 74 ) having. Wechselrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter zumindest eine Strommesseinheit (8) und eine Spannungsmesseinheit zur Erfassung eines Eingangsgleichstromes (iDC) und einer Eingangsgleichspannung (uE) am Eingang des DC/DC-Wandlers (3) aufweist, dass die Steuereinrichtung (6) Abbildungsmittel (61) zur Abbildung einer dazu korrespondierenden aktuellen elektrischen Leistung in ein dazu zu erwartendes, stromabhängiges Oberschwingungsspektrum (Sν) aufweist und dass die Steuereinrichtung (6) Ansteuermittel (62) zur geregelten Ansteuerung des Pulswechselrichters (74) mittels PWR-Ansteuersignale (K1–K6) aufweist.Inverter according to Claim 2, characterized in that the inverter has at least one current measuring unit ( 8th ) and a voltage measuring unit for detecting an input direct current (iDC) and a DC input voltage (uE) at the input of the DC / DC converter ( 3 ), that the control device ( 6 ) Imaging agent ( 61 ) for mapping a corresponding current electrical power into an expected, current-dependent harmonic spectrum (Sν) and that the control device ( 6 ) Driving means ( 62 ) for the controlled control of the pulse inverter ( 74 ) by means of PWR drive signals (K1-K6). Wechselrichter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulswechselrichter (74) für eine Schaltfrequenz (fT) mit dem zumindest 100-fachen der Netzfrequenz (fT) ausgelegt ist.Inverter according to claim 3 or 4, characterized in that the pulse inverter ( 74 ) is designed for a switching frequency (fT) of at least 100 times the line frequency (fT). Wechselrichter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter (4) ein F3E-Stromrichter ist.Inverter according to one of the preceding claims, characterized in that the power converter ( 4 ) is a F3E converter. Wechselrichter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der DC-/DC-Wandler (3) ein Hochsetzsteller oder ein Tiefsetzsteller ist.Inverter according to one of the preceding claims, characterized in that the DC / DC converter ( 3 ) is a boost converter or a buck converter. Wechselrichter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochsetzsteller (3) einen abschaltbaren weiteren Leistungshalbleiterschalter (32), eine Entkopplungsdiode (33), eine Speicherdrossel (31) und einen Filterkondensator (34) aufweist und dass die Steuereinrichtung (6) Mittel zu getakteten Ansteuerung des weiteren Leistungshalbleiterschalters (32) über ein Steuersignal (S) aufweist, sodass der Wechselrichter zumindest nahezu in seinem maximalen Leistungspunkt (MPP) betreibbar ist.Inverter according to one of the preceding claims, characterized in that the boost converter ( 3 ) a turn-off further power semiconductor switch ( 32 ), a decoupling diode ( 33 ), a storage choke ( 31 ) and a filter capacitor ( 34 ) and that the control device ( 6 ) Means for clocked control of the further power semiconductor switch ( 32 ) via a control signal (S), so that the inverter is operable at least almost in its maximum power point (MPP). Wechselrichter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem aktiven Netzfilter (7) ein passives Kleinnetzfilter (7'') zur Bedämpfung der Oberschwingungsströme (iν) insbesondere ab der 25. Ordnung nachgeschaltet ist.Inverter according to one of the preceding claims, characterized in that the active line filter ( 7 ) a passive small mesh filter ( 7 '' ) for damping the harmonic currents (iν) is followed in particular from the 25th order. Wechselrichter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter für eine Einspeiseleistung von mindestens 25 kW ausgelegt ist.Inverter according to one of the preceding claims, characterized in that the inverter for a Feed-in power of at least 25 kW is designed.
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