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) ...
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
Aus
der europäischen
Patentanmeldung
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
Am
Ausgang des Hochsetzstellers
Zur
Sicherstellung der Stromkommutierung in Phasen R, S, T ist dem F3E-Stromrichter
Im
linken Teil der
Die
Steuereinheit
Im
Beispiel der
Wie das vorliegende Diagramm zeigt, nehmen einerseits die Oberschwingungsströme 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
Weiterhin
sind im Beispiel der
Alternativ
können
die Abbildungsmittel
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