DE102008018497B4 - Inverter, in particular solar inverter, with an active line filter - Google Patents

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Abstract

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 F3E-Stromrichter (4) mit einem nachfolgenden Kommutierungsfilter (5) und ein nachgeschaltetes Netzfilter (7) zur Reduzierung von stromrichterseitig erzeugten Oberschwingungsströmen (iv) aufweist, wobei jeweils ein abschaltbarer Leistungshalbleiterschalter (42) mit antiparallel geschalteter Diode (41) als Stromrichterventil einer jeden Phase (R, S, T) des Stromrichters (4) vorgesehen ist und wobei der Wechselrichter 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,
– 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 (iv)...
Inverter, in particular solar inverter, for feeding a polyphase mains current (iL1-iL3) into a connection point (SK) of a power supply network (N), the inverter comprising an input-side DC / DC converter (3), a line-commutated, controlled F3E converter (4 ) with a subsequent commutation filter (5) and a downstream line filter (7) for reducing harmonic currents generated on the converter side (iv), wherein in each case a turn-off power semiconductor switch (42) with antiparallel connected diode (41) as a converter valve of each phase (R, S , T) of the power converter (4) is provided and wherein the inverter comprises a control device (6) for driving the power semiconductor switch (42) by means of control signals (T1-T6) and for detecting the upcoming phase voltages (uR, uS, uT) of the power supply network (N ) having,
characterized,
- that the line filter (7) is a parallel to the output of the inverter switched active line filter (7 '),
- That the active line filter (7 ') a pulse inverter (74) with a compared to the mains frequency (fN) often higher switching frequency (fT) for the substantial compensation of the harmonic currents generated on the converter side (iv) ...

Figure 00000001
Figure 00000001

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 F3E-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 net-guided, controlled F3E converter with a subsequent commutation filter and a downstream line filter to reduce the power converter side generated harmonic currents 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 den Oberbegriff bildenden, 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 general term forming, 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 der europäischen Patentanmeldung EP 0 685 919 A1 ist ein elektrischer Strom-Oberschwingungskompensator für ein Stromversorgungsnetz bekannt, der einen Kondensator, einen selbstgeführten Stromrichter und eine Drosselspule aufweist, wobei ein in der Drosselspule eingeprägter Strom einer invertierten Summe der Stromoberschwingungen einer Oberschwingungen erzeugenden Einrichtung entspricht. Zum Erzeugen des eingeprägten Stroms sind Mittel zum Bilden eines Sollstroms vorgesehen, die eine mit dem Versorgungsnetz verbundene, erste Bandpasseinrichtung zum Erzeugen einer oberschwingungsfreien Wechselspannung aufweisen. Es sind weiterhin Mittel zum Erzeugen eines Sollwertes für die invertierte Summe der Stromoberschwingungen vorgesehen, die eine auf die Netzfrequenz abgestimmte, zweite Bandpasseinrichtung mit nachgeschalteter Invertiereinrichtung aufweisen.From the European patent application EP 0 685 919 A1 For example, there is known an electric current harmonic compensator for a power supply network comprising a capacitor, a self-commutated power converter and a choke coil, wherein a current impressed in the choke coil corresponds to an inverted sum of the current harmonics of a harmonic generating means. For generating the impressed current, means for forming a desired current are provided which have a first band-pass device connected to the supply network for generating a harmonic-free alternating voltage. There are further provided means for generating a desired value for the inverted sum of the current harmonics having a tuned to the line frequency, second bandpass device with downstream inverter.

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.Out the technical essay "Active Line filter to improve the power quality "by Gustav H. Vaupel, University of Applied Sciences Hamburg, Department of Electrical Engineering and Computer Science, page 22 bis 27, is the structure and operation of a three-phase active line filter disclosed on the basis of a pulse inverter.

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 control device controls of the inverter clocked the power semiconductor switch in the DC / DC converter such indicates that the feed-in power into the electrical grid is maximum. This power point is also known as MPP (Maximum Power Point).

Vorzugsweise ist der DC/DC-Wandler ein Hochsetzsteller zum Hochsetzen der eingangsseitig 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 height the line-side voltage values, that is, to a voltage of approx. 560 V for the 50 Hz / 400 V power supply network. Alternatively, you can the DC / DC converter to be a buck converter to those generated by a solar panel Field or output DC voltage 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 hoch taktenden Pulswechselrichter und mit einem Wirkungsgrad von typischerweise etwa 96% einen höheren Wirkungsgrad von 98% und besser auf.In 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 switches are switched in response to the mains voltage. On the upper bridge half always the respective power semiconductor switch is turned on, whose emitter potential is higher than that of the other two phases. On the lower bridge half this is analogous with the lowest collector potential as well. It is therefore a network-controlled operation with switching from one phase to the next. A switching operation between upper and lower power semiconductor switch of a phase does not occur. Therefore can be used as diodes rectifier diodes with minimized forward voltage, compared to free-wheeling diodes with optimized Schaltalteigen characterized by significantly lower transmission losses. The switching losses are therefore almost negligible because of the operation at mains frequency. To ensure current commutation in the respective phases, such a F3E converter is necessarily followed by a commutation filter. Such an inverter has a higher efficiency of 98% and better compared to conventional inverters with a high-clock pulse inverter and with an efficiency of typically about 96%.

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 Oberschwingungsströme sind dabei abhängig von der maximalen Kurzschlussleistung des elektrischen Netzes am jeweiligen Verknüpfungspunkt des öffentlichen Stromversorgungsnetzes.The switchover in the F3E inverter to mains harmonics in the mains, especially in the odd-numbered Ordinal numbers such as 5th, 7th, 11th, 13th order and so on. The take respective harmonic currents generated on the inverter side typically with increasing atomic number. To national or also international requirements for grid connection of power generation plants in a public To meet the power grid, Corresponding line filters are required. So are the maximum permissible Harmonics for example, at least for the territory of the European Union in the European Standard EN 61000-3-2 or EN 61000-3-12 regulated. The of the respective Ordinal maximum permissible Harmonics are dependent on it from the maximum short circuit power of the electric network at respective connection point of public Power supply network.

Nachteilig bei dem eingangs genannten Wechselrichter ist, dass das Netzfilter zur wirksamen 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 is extremely bulky for effective filtering of the comparatively low-frequency harmonic components. such Line filters usually have Capacities, inductances and / or Damping resistors on. Latter also worsen the efficiency of such a network 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 mains filter when using a higher filter order to targeted dominant harmonic components, such. B. the 5th or 7th order, to dampen.

Ausgehend von dem eingangs genannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Wechselrichter anzuge ben, bei welchem die zuvor genannten Nachteile vermieden werden.outgoing From the above-mentioned prior art, it is an object The invention, suits an inverter ben, 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 8 genannt.The The object of the invention is achieved with the features of the claim 1 solved. Advantageous embodiments are in the dependent claims 2 to 8 called.

Erfindungsgemäß ist das Netzfilter ein parallel zum Ausgang des Wechselrichters geschaltetes aktives Netzfilter. Das aktive Netzfilter weist einen Pulswechselrichter mit einer im Vergleich zur Netzfrequenz vielfach höheren Schaltfrequenz zur weitgehenden Kompensation der stromrichterseitig erzeugten Oberschwingungsströme auf. Der Wechselrichter weist zumindest eine Strommesseinheit und eine Spannungsmesseinheit zur Erfassung eines Eingangsgleichstromes und einer Eingangsgleichspannung am Eingang des DC/DC-Wandlers auf. Die Steuereinrichtung weist Abbildungsmittel zur Abbildung einer dazu korrespondierenden aktuellen elektrischen Leistung in ein dazu zu erwartendes, stromabhängiges Oberschwingungsspektrum auf. Die Steuereinrichtung weist Ansteuermittel zur geregelten Ansteuerung des Pulswechselrichters mittels PWR-Ansteuersignale derart auf, dass die frequenzabhängigen Oberschwingungsströme im Verknüpfungspunkt des Stromversorgungsnetzes weitgehend kompensiert sind.This is according to the invention Line filter an active parallel to the output of the inverter switched Mains filter. The active line filter has a pulse inverter with a much higher switching frequency compared to the mains frequency for extensive compensation of the harmonic currents generated on the power converter side. 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 has imaging means for mapping a corresponding current electrical Power in an expected, current-dependent harmonic spectrum on. The control device has control means for controlled activation of the pulse-controlled inverter by PWR drive signals in such a way, that the frequency dependent Harmonics in the connection point of the power supply network are largely compensated.

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.Of the special advantage is that such a network filter only for one Fraction, such as B. 10%, the total electrical power designed needs to be to the power converter side generated harmonic currents largely to compensate. Such an active line filter can be correspondingly compact will be realized. The active line filter is designed to have a opposite to the harmonic current of the respective order, this means antiphase, compensation current in the common output of the Inverter feed. As a result, the inverter according to the invention in the network connection point as well a predetermined, predetermined harmonic spectrum.

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 leaves determine directly from the two measured phase currents.

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 their current-dependent harmonic content be determined. The particular advantage is that the two measuring units anyway, to the maximum power point for the feed in the electrical network continuously to determine.

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 frequenzabhängigen Oberschwingungsströme im Verknüpfungspunkt des Netzes wiederum weitgehend kompensiert sind.The imaging agent may, for. Example, be an electronically stored table, which depending on the current electrical power or depending on the respective determined phase current include the expected harmonic currents of the respective order. Based on this, a drive means can control the pulse-controlled inverter in such a way that the frequency-dependent harmonic currents at the point of connection of the network, such as are largely compensated.

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 preferably executes the processor-based control device or reads.

Alternativ können zur Ermittlung der aktuellen elektrischen Leistung auch die jeweiligen Phasenströme messtechnisch erfasst werden.alternative can to determine the current electrical power and the respective phase currents be detected metrologically.

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 zur getakteten Ansteuerung des weiteren Leistungshalbleiterschalters über ein Steuersignal auf, sodass der Wechsel richter am maximalen Leistungspunkt betreibbar ist. Dadurch wird der Ertrag der Gleichspannungsquelle maximiert.To a further embodiment has the preferably designed as a boost converter DC / DC converter a turn-off another power semiconductor switch, a decoupling diode, a Storage choke and a filter capacitor on. The control device has means for clocked activation of the further power semiconductor switch over Control signal on, 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 another embodiment According to the active net filter can still passively a small mesh filter for damping 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 for a feed 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 a solar panel.

Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungen der Erfindung werden im Weiteren anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Es zeigenThe Invention as well as advantageous embodiments of the invention further described below with reference to the following figures. 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, 2 the construction of an exemplary,

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 iL1–1L3 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 nahezu 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 supplying a three-phase mains current iL1-1L3 to 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 to be able to operate at least almost in its maximum power point (MPP).

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 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 abgeleite te 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 known components such as rectifier diode 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 are derived from te 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. He serves under derem for setting the maximum power point by the controller 6 ,

2 zeigt den Aufbau eines beispielhaften Wechselrichters 1. Im Vergleich zur Ausführung gemäß 1 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 iv, die den Stromrichterströmen iL1'–iL3' überlagert sind. Die Ansteuermittel 72 sind dazu ausgebildet, einen zu den jeweiligen, ordnungszahlabhängigen Oberschwingungsströmen iv gleichgroßen gegenphasigen Kompensationsstrom iC1–iC3 einzustellen, sodass die frequenzabhängigen Oberschwingungsströme iv 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 , Compared to the execution according to 1 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 iv, which are superimposed on the converter currents iL1'-iL3 '. The driving means 72 are designed to set a to the respective ordnungszahlabhängigen harmonic currents iv equal-phase antiphase compensation current iC1-iC3, so that the frequency-dependent harmonic currents iv 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 iv 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 attenuation of the harmonic currents iv 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 Sv eines F3E-Wechselrichters 1 mit eingetragenen Grenzwerten G1.5, G4.5, G9 für die Einspeisung in ein Stromversorgungsnetz N. Es sind die stromrichterausgangsseitigen Oberschwingungsströme iv über den maßgeblichen ungeraden Ordnungszahlen zur Netzfrequenz von 50 Hz sowie über der entsprechenden Frequenz f aufgetragen. Weiterhin sind Oberschwingungsströme iv 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 Sv of a F3E inverter 1 with registered limit values G1.5, G4.5, G9 for feeding into a power supply network N. The rectifier output-side harmonic currents iv are plotted against the relevant odd ordinal numbers at the mains frequency of 50 Hz and above the corresponding frequency f. Furthermore, harmonic currents iv 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 nominal 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 iv 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 iv with increasing Ordnungszahl and at the same time with decreasing feed-in power P1-P6. The diagram also shows that the registered and the type of node SK dependent Limit values G1.5, G4.5, G9 are not observed in every case.

Weiterhin zeigt das Oberwellenspektrum Sv 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 Sv of the grid-controlled 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 power converter currents iL1'-iL3 'and the respective compensation currents iC1-iC3 are almost free of harmonics.

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 Sv 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 iv 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 Sv. 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 iv 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.

Claims (8)

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 F3E-Stromrichter (4) mit einem nachfolgenden Kommutierungsfilter (5) und ein nachgeschaltetes Netzfilter (7) zur Reduzierung von stromrichterseitig erzeugten Oberschwingungsströmen (iv) aufweist, wobei jeweils ein abschaltbarer Leistungshalbleiterschalter (42) mit antiparallel geschalteter Diode (41) als Stromrichterventil einer jeden Phase (R, S, T) des Stromrichters (4) vorgesehen ist und wobei der Wechselrichter 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, – 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 (iv) aufweist, – 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 (Sv) aufweist und – dass die Steuereinrichtung (6) Ansteuermittel (62) zur geregelten Ansteuerung des Pulswechselrichters (74) mittels PWR-Ansteuersignale (K1–K6) derart aufweist, dass die frequenzabhängigen Oberschwingungsströme (iv) in einem Ver knüpfungspunkt (SK) des Stromversorgungsnetzes (N) weitgehend kompensiert sind.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-driven, controlled F3E power converter ( 4 ) with a subsequent commutation filter ( 5 ) and a downstream line filter ( 7 ) for the reduction of harmonic currents generated on the power converter side (iv), wherein in each case a turn-off power semiconductor switch ( 42 ) with antiparallel-connected diode ( 41 ) as a converter valve of each phase (R, S, T) of the power converter ( 4 ) and wherein the inverter comprises 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 ' ), that - the active line filter ( 7 ' ) a pulse inverter ( 74 ) with a switching frequency (fT) that is many times higher than the line frequency (fN) for substantially compensating the harmonic currents (iv) generated on the converter side, - 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 (Sv), 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) such that the frequency-dependent harmonic currents (iv) are largely compensated in a linking point (SK) of the power supply network (N). Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbildungsmittel (61) eine elektronisch hinterlegte Tabelle ist, welche abhängig von der aktuellen elektrischen Leistung die zu erwartenden Oberschwingungsströme (iv) der jeweiligen Ordnung beinhalten.Inverter according to Claim 1, characterized in that the imaging means ( 61 ) is an electronically stored table, which depending on the current electrical power include the expected harmonic currents (iv) of the respective order. Wechselrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorangegangenen Mittel (61, 62) Softwareroutinen und Speichertabellen sind, welche auf der prozessorgestützten Steuereinrichtung ausführbar bzw. auslesbar sind.Inverter according to Claim 1 or 2, characterized in that the preceding means ( 61 . 62 ) Software routines and memory tables are, which are executable or readable on the processor-based control device. Wechselrichter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulswechselrichter (74) für eine Schaltfrequenz (fT) mit dem zumindest 100-fachen der Netzfrequenz (fT) ausgelegt ist.Inverter according to one of the preceding claims, 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 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 zur 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 activation 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 Ober schwingungsströme (iv) 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 (iv) 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 characterized in that the inverter for a feed-in of at least 25 kW is designed.
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