DE102009029387A1

DE102009029387A1 - DC-AC-Wechselrichteranordnung, insbesondere Solarzelleninverter

Info

Publication number: DE102009029387A1
Application number: DE102009029387A
Authority: DE
Inventors: Walter Thieringer; Gisbert Krauter; Bernhard Feuchter; Georg Mayer; Liliane Gasse
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2009-09-11
Filing date: 2009-09-11
Publication date: 2011-03-24
Also published as: US20120228938A1; EP2476194A1; KR20120041791A; AU2010294425A1; IN2012DN01551A; CN102640409A; WO2011029650A1

Abstract

DC-AC-Wechselrichteranordnung, insbesondere Solarzelleninverter einer Photovoltaikanlage, mit einer Halbleiter-Brückenschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gleichstromsteller zur Erzeugung von Halbwellen einer ausgangsseitigen Wechselspannung vorgesehen und die Brückenschaltung dem Gleichstromsteller nachgeschaltet ist und als Polwender auf die Halbwellen wirkt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wechselrichteranordnung nach dem Oberbegriffs des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 10.
Stand der Technik
Derartige Wechselrichteranordnungen sind unter anderem aus Steuerungen von Wechsel- und Drehspannungsmotoren sowie aus der Energietechnik seit langem bekannt. Im letzteren Bereich haben sie als Gleichstrom-Wechselstrom(AC-DC)-Wandler zur Wandlung von durch Photovoltaik-Anlagen oder Brennstoffzellen erzeugter Gleichspannung in eine Wechselspannung zur Einspeisung in ein Stromversorgungsnetz breite Anwendung gefunden. Auch bei Nutzung anderer regenerativer Energien, so etwa bei Windkraftanlagen, Stirlingmaschinen, Wärmepumpen oder modernen Energiespeichersystemen auf Basis von Primär- bzw. Sekundärzellen werden Wandler dieser oder ähnlicher Art eingesetzt.
Eine gattungsgemäße DC-AC-Wechselrichteranordnung ist aus der DE 10 2004 030 912 B3 bekannt.
Ein wesentliches Ziel der weiteren Entwicklung derartiger Wandler besteht in der Erzielung einer höheren Effizienz, und weitere Ziele können sich aus Anforderungen der Betreiber von Versorgungsnetzen bzw. aus entsprechenden Standards ergeben.
Offenbarung der Erfindung
Vorgeschlagen wird eine DC-AC-Wechselrichteranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Des weiteren wird eine Photovoltaikanlage mit einer solchen Wechselrichteranordnung vorgeschlagen, und schließlich eine AC-DC-Wechselrichteranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Bei üblichen Wechselrichter-Schaltungen wird eine B4-Brückenschaltung eingesetzt, um aus Gleichspannung eine Wechselspannung zu erzeugen. Diese Brückenschaltung arbeitet mit hoher Schaltfrequenz und erzeugt so Schaltverluste und Durchlassverluste, die von der Bauteileauswahl bestimmt werden.
Die Erfindung beschreibt eine Möglichkeit, bei welcher die Halbwellen der ausgangsseitigen Wechselspannung nicht durch die Brücke, sondern von einem vorgeschalteten Gleichstromsteller erzeugt werden. Die Brücke arbeitet nur noch als Polwender. Dadurch können Halbleiterbauelemente in der Brücke auf niedrige Leitverluste ausgelegt werden, denn die Brücke schaltet in diesem Fall nur mit der doppelten Netzfrequenz (100 mal bei 50 Hz) und nur, wenn die ausgangsseitige Spannung einen Nulldurchgang hat und somit auch U(C_TSS bzw. C_HTSS) = 0 ist. Dabei treten vernachlässigbare Schaltverluste auf.
Insbesondere ist es dadurch möglich, bei der Brückenschaltung für Schalter S1 in der Brücke Transistoren mit niedrigem R_ds,on zu verwenden. Dies kann wesentlich zur Verringerung der Verlustleistung beitragen, da diese Bauteile nur auf den Scheitelwert der Ausgangsspannung ausgelegt werden müssen und somit sehr niedrige R_ds,on aufweisen können, auch bei einem großen Eingangsspannungsbereich des Umrichters. Zusätzlich können diese Transistoren auch bei Rückwärtsleitung über eine Diode eingeschaltet werden, so dass auch bei diesem Betriebszustand ein nur minimaler Spannungsabfall am Bauteil erzeugt wird.
Da der Gleichstromsteller gegenüber der Brückenschaltung nur zwei statt vier Halbleiterbauelemente besitzt, treten bei sonst vergleichbaren elektrischen Eigenschaften der Schaltung nur halb so große Schaltverluste auf wie im allgemein üblichen Fall.
In einer Ausführung der Erfindung weist der Gleichstromsteller einen Tiefsetzsteller auf. In weiteren Ausführungen ist vorgesehen, dass der Gleichstromsteller eine Kombination aus einem Tiefsetzsteller und einem Hochsetzsteller oder einen Hochtiefsetzsteller mit gemeinsamer Induktivität aufweist.
In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass der Gleichstromsteller als Vierquadrantensteller ausgebildet und somit rückspeisefähig und die Wechselrichteranordnung hierdurch blindleistungsfähig ausgeführt ist. Diese Ausführung kann durch die Rückspeisefähigkeit dem Stromnetz Blindleistung zur Verfügung stellen, was evtl. in Zukunft von den E-Werken gefordert wird. Darüber hinaus ist die Rückspeisefähigkeit auch für verschiedene andere Anwendungen geeignet. So ist der Wandler bei Rückspeisefähigkeit auch in der Lage, aus Wechselstrom geregelt Gleichstrom zu machen, wodurch diese Topologie beispielsweise für Ladegeräte geeignet ist.
Zur möglichst weitgehenden Erreichung des weiter oben erwähnten Ziels einer Verringerung der Verlustleistung sind bei einer weiteren Ausführung die Bauelemente der Halbleiter-Brückenschaltung zur Minimierung von Leitungsverlusten, unter nachrangiger Berücksichtigung von Schaltverlusten, ausgewählt. Insbesondere ist hierbei vorgesehen, dass Schalteinrichtungen der Brückenschaltung MOSFETs oder IGBTs mit niedrigem Wert von R_ds,on aufweisen.
In für herkömmliche Versorgungsnetz-Konfigurationen geeigneter Weise ist die Halbleiter-Brückenschaltung als H-Brücke für einphasigen Ausgang ausgeführt.
Zeichnungen
Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im übrigen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren: Es zeigen:
1 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
2 ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
3 ein Schaltbild einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
4 ein Schaltbild einer vierten Ausführungsform der Erfindung und
5 eine grafische Darstellung des zeitlichen Verlaufes der Ausgangsspannung der Gesamtanordnung sowie der durch den Gleichstromsteller erzeugten Spannung bei der Ausführungsform nach 4.
Bei der Beschreibung der Ausführungsbeispiele gilt folgende Terminologie.
TSS: Tiefsetzsteller, leistungselektronische Basis-Schaltung zur Spannungswandlung, bei der U₁ > U₂ ist.
HSS: Hochsetzsteller, leistungselektronische Basis-Schaltung zur Spannungswandlung, bei der U₂ > U₁ ist.
HTSS: Hochtiefsetzsteller, Kombination aus TSS und HSS mit gemeinsamer Induktivität, bei der U₁ und U₂ unabhängig voneinander sein können (U₁ >=< U₂).
U₁ (in den Figuren bezeichnet als u_1) ist die Eingangsspannung der Schaltung, U₂ (in den Figuren u_2) die Ausgangsspannung der Schaltung.
u_TSS (in 1 und 2 bezeichnet als U_TSS) ist die Spannung am Ausgang des Tiefsetzstellers, und u_HTSS (in 3 und 4 bezeichnet als U_HTSS) ist die Spannung am Ausgang des Hochtiefsetzstellers.
Die Schaltbilder der 1 bis 4 sind im wesentlichen selbsterklärend, so dass nachfolgend keine geschlossene verbale Beschreibung des Schaltungsaufbaus gegeben wird, sondern vorrangig wesentliche Funktionsaspekte der jeweiligen Anordnung beschrieben werden.
1 zeigt eine DC-AC-Wechselrichteranordnung 10, bei der zur Wandlung einer eingangsseitigen Gleichspannung u_1 in eine ausgangsseitige Wechselspannung u_2 ein Tiefsetzsteller 11 und eine nachgeschaltete B4-Brücke 12 vorgesehen sind. Wie bei allen hier gezeigten Ausführungsformen umfasst die Brückenschaltung vier Schalteinrichtungen S1 bis S4, die speziell als MOSFETs oder IGBTs mit niedrigem R_ds,on ausgebildet sein können. Die Gleichstromsteller-Komponente 11 hat bei allen Ausführungen einen eingangsseitigen Kondensator C_ZK und einen Ausgangskondensator, der in 1 sowie 2 mit C_TSS bezeichnet ist, sowie eine Schaltungsinduktivität (die in 1 und 2 mit L_TSS bezeichnet ist).
Zunächst wird die Eingangsspannung Ui in dem Pufferkondensator C_K gepuffert. Anschließend wird diese Spannung über den Tiefsetzsteller 11 heruntergestellt auf eine regelbare Spannung U_TSS mit U₁ > U_TSS > 0.
Der zeitliche Verlauf der Spannung U_TSS wird als Betragsfunktion der Ausgangsspannung u₂(t) vorgegeben: u_TSS(t) := |u₂(t)|.
Die H-Brücke, welche am Ausgang des Tiefsetzstellers angeschlossen ist, arbeitet als Polwender, so dass
Die Schaltung aus 1 kann erweitert werden, indem der Tiefsetzsteller rückspeisefähig ausgeführt wird. Dann kann mit der beschriebenen Topologie auch Leistung aus dem angeschlossenen Netz (Spannung U₂) genommen und im Zwischenkreis gespeichert werden. Eine solche modifizierte Wechselrichteranordnung 20 mit einem Tiefsetzsteller 21 und einer B4-Brücke 22 ist in 2 dargestellt. Sie ist durch das Vorsehen einer zweiten Schalteinrichtung S2_TSS des Tiefsetzstellers blindleistungsfähig und weist darüber hinaus eine höhere Stellreserve auf, welche notwendig ist, um bei kleinen Netzströmen den Filterkondensator C₂ des Tiefsetzstellers entladen zu können.
Zusätzlich ist eine Erweiterung der Topologie möglich, bei der der nutzbare Eingangsspannungsbereich vergrößert wird. Bei den Ausführungen nach 1 und 2 ist U₁ >= U_TSS => U₁ > Û₂
Der bei der ersten und zweiten Ausführungsform genutzte Tiefsetzsteller kann, wie in 3 gezeigt, mit einem Hochsetzsteller kombiniert werden. Demgemäß zeigt 3 eine Wechselrichteranordnung 30 mit einem Hochtiefsetzsteller 31 und einer B4-Brücke 32, wobei ausgangsseitig der Tiefsetzsteller-Komponenten S1_TSS und D2_TSS, unter gemeinsamer Nutzung einer Induktivität L_HTSS, Hochsetzsteller-Komponenten S2_HSS und D1_HSS angeschlossen sind. Der Ausgangskondensator ist hier mit C_HTSS bezeichnet.
Der Hochsetzsteller ermöglicht es, eine Ausgangsspannung einzustellen, deren Momentanwert auch größer als die Spannung am Zwischenkreis werden kann. Damit ist
also frei einstellbar. Die gemeinsame Verwendung der Induktivität L_HTSS durch beide Gleichstrom-Komponenten erhöht die Effizienz der Schaltung und spart gleichzeitig Bauteile ein.
4 zeigt, als blindleistungsfähige Abwandlung der Schaltungsanordnung aus 3, eine Wechselrichteranordnung 40 mit einem rückspeisefähigen Hochtiefsetzsteller 41 und einer B4-Brücke 42. Sowohl im Tiefsetzsteller- als auch im Hochsetzstellerabschnitt ist gegenüber der Ausführung nach 3 die jeweilige Diode durch eine Schalteinrichtung S2_TSS bzw. S1_HSS ersetzt.
5 zeigt mit der grafischen Darstellung der Spannungsverläufe der Ausgangsspannung u_HTSS(t) am Hochtiefsetzsteller und der Ausgangsspannung u_2(t) der Wechselrichteranordnung, dass die Gleichstrom-Komponente der jeweiligen Schaltungen die Sinuswellen-Formung der eingangsseitigen Gleichspannung leistet, während die nachgeschaltete H- bzw. B4-Brücke lediglich noch als Polwender wirkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004030912 B3 [0003]

Claims

DC-AC-Wechselrichteranordnung, insbesondere Solarzelleninverter einer Photovoltaikanlage, mit einer Halbleiter-Brückenschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gleichstromsteller zur Erzeugung von Halbwellen einer ausgangsseitigen Wechselspannung vorgesehen und die Brückenschaltung dem Gleichstromsteller nachgeschaltet ist und als Polwender auf die Halbwellen wirkt.
DC-AC-Wechselrichteranordnung nach Anspruch 1, wobei der Gleichstromsteller einen Tiefsetzsteller aufweist.
DC-AC-Wechselrichteranordnung nach Anspruch 2, wobei der Gleichstromsteller eine Kombination aus einem Tiefsetzsteller und einem Hochsetzsteller oder einen Hochtiefsetzsteller mit gemeinsamer Induktivität aufweist.
DC-AC-Wechselrichteranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Gleichstromsteller als Vierquadrantensteller ausgebildet und somit rückspeisefähig und die Wechselrichteranordnung hierdurch blindleistungsfähig ausgeführt ist.
DC-AC-Wechselrichteranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Bauelemente der Halbleiter-Brückenschaltung zur Minimierung von Leitungsverlusten, unter nachrangiger Berücksichtigung von Schaltverlusten, ausgewählt sind.
DC-AC-Wechselrichteranordnung nach Anspruch 5, wobei Schalteinrichtungen der Brückenschaltung MOSFETs oder IGBTs mit niedrigem Wert von R_ds,on aufweisen.
DC-AC-Wechselrichteranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Mittel, insbesondere eine Halbleiterdiode, vorgesehen sind, um Schalteinrichtungen der Halbleiter-Brückenschaltung auch im Rückwärtsleitungsbetrieb im Einschaltzustand zu betreiben.
DC-AC-Wechselrichteranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Halbleiter-Brückenschaltung als H-Brücke für einphasigen Ausgang ausgeführt ist.
Photovoltaikanlage mit einer Mehrzahl von Solarzellenmodulen, einem Anschluss zur Einspeisung von durch die Solarzellenmodule erzeugter elektrischer Energie in ein Wechsel- bzw. Drehspannungsnetz und einer DC-AC-Wechselrichteranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Rückspeisefähige AC-DC-Wechselrichteranordnung, mit einer Halbleiter-Brückenschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiter-Brückenschaltung aus der eingangsseitigen Wechselspannung Halbwellen gleicher Polarität erzeugt und ihr ein Gleichstromsteller zur Erzeugung einer geglätteten Gleichspannung aus den Halbwellen gleicher Polarität, insbesondere ausgebildet als Tiefsetzsteller oder Kombination aus einem Tiefsetzsteller und einem Hochsetzsteller oder als Hochtiefsetzsteller, nachgeschaltet ist.