DE102011010172A1 - Signal generating inverter and operating method for an inverter - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Wechselrichter (20) zur Einspeisung einer Leistung, die von einer Gleichstromquelle (10) über eine Gleichstromverbindung (60) bereitgestellt wird, in ein Wechselstromnetz (30) offenbart. Der Wechselrichter (20) weist eine Statuseinheit (25) zur Erkennung eines Normalzustandes und eines Sonderzustandes des Wechselrichters (20) auf, die derart mit einem Signalgeber (40) zur Erzeugung eines Lebenssignals (70) auf der Gleichstromverbindung (60) gekoppelt ist, dass nur im Normalzustand das Lebenssignal (70) erzeugt wird. Das Lebenssignal (70) kann induktiv, kapazitiv oder über eine Ansteuerung eines taktbaren Schalters (150) erzeugt werden. Das Lebenssignal (70) kann über ein zugeordnetes Schaltelement empfangen werden, welches die Gleichstromquelle (10) bzw. die Gleichstromverbindung (60) bei Fehlen des Lebenssignals (70) in einen sicheren Zustand überführt. Ein entsprechendes Betriebsverfahren für den Wechselrichter (20) ist ebenfalls offenbart.An inverter (20) for feeding power provided by a DC power source (10) via a DC link (60) to an AC power grid (30) is disclosed. The inverter (20) has a status unit (25) for detecting a normal state and a special state of the inverter (20), which is coupled to a signal generator (40) for generating a life signal (70) on the direct current connection (60) only in the normal state, the life signal (70) is generated. The life signal (70) can be generated inductively, capacitively or via a triggering of a tactile switch (150). The life signal (70) can be received via an associated switching element, which converts the DC power source (10) or the DC link (60) in the absence of the life signal (70) in a safe state. A corresponding operating method for the inverter (20) is also disclosed.
Description
Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter, insbesondere einen Wechselrichter als Teil einer Energieerzeugungsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13.The invention relates to an inverter, in particular an inverter as part of a power generation plant having the features of
Wechselrichter finden unter anderem Verwendung in dezentralen Energieerzeugungsanlagen, insbesondere Solaranlagen, um den darin von einem Generator bereitgestellten Gleichstrom in netzkonformen Wechselstrom umzuwandeln, der in ein öffentliches Energieversorgungsnetz oder in ein Inselnetz eingespeist wird. Mit der zunehmenden Verbreitung solcher dezentralen Energieerzeugungsanlagen, deren Generatoren nicht nur freistehend, sondern bei Solaranlagen bevorzugt auch auf privaten, öffentlichen oder gewerblich genutzten Gebäuden installiert werden, tritt zunehmend ins Bewusstsein, dass die von den Generatoren bereitgestellte Gleichspannung eine potenzielle Gefahr für Menschen durch elektrischen Schlag oder Lichtbögen darstellt. Diese Gefahr besteht im Besonderen für Feuerwehrleute bei Lösch- und Rettungsarbeiten am und im Gebäude durch den Generator selbst sowie durch im Gebäude vom Generator zum Wechselrichter verlaufende Gleichstromleitungen, da an diesen auch nach der im Brandfall üblichen wechselspannungsseitigen Abschaltung der Stromversorgung des Gebäudes nach wie vor die vom Generator bereitgestellte Gleichspannung anliegt. Die Gefahr besteht aus gleichem Grunde auch für Installateure bei Installations-, Wartungs- und Reparaturarbeiten auf der Gleichspannungsseite der Energieerzeugungsanlage. Sicherungseinrichtungen zur zuverlässigen Überführung der spannungsführenden Teile einer Energieerzeugungsanlage in einen sicheren Zustand sind daher wünschenswert.Inverters find use, inter alia, in decentralized power generation plants, in particular solar plants, in order to convert the direct current provided therein by a generator into grid-compatible alternating current which is fed into a public power grid or into a stand-alone grid. With the increasing use of such decentralized power generation plants whose generators are installed not only freestanding, but also on private, public or commercial buildings in solar systems, it is increasingly becoming aware that the DC voltage provided by the generators poses a potential danger to people due to electric shock or arcs represents. This danger exists in particular for fire-fighters with extinguishing and rescue work on and in the building by the generator itself as well as by in the building from the generator to the inverter running direct current lines, since at these also after the usual in the case of a fire alternating voltage cut off the power supply of the building as before supplied by the generator DC voltage is applied. The danger is for the same reason also for installers in installation, maintenance and repair work on the DC side of the power plant. Safety devices for reliably transferring the live parts of a power plant to a safe state are therefore desirable.
Die Schrift
Alternativ zu einer Schalthandlung an den PV-Modulen beschreibt die
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wechselrichter bereitzustellen, der in der Lage ist, ein Signal zu erzeugen, das durch zugeordnete Schaltelemente mit Empfangseinheiten empfangbar ist, so dass ein entsprechend eingerichteter Generator bzw. die elektrische Verbindung zwischen dem Generator und dem Wechselrichter zwischen einem sicheren Zustand und einem Betriebszustand zum Einspeisen von Leistung in ein Wechselstromnetz gezielt überführt wird.Against this background, it is an object of the present invention to provide an inverter capable of generating a signal receivable by associated switching elements having receiving units, such that a correspondingly established generator or the electrical connection between the generator and the inverter is selectively transferred between a safe state and an operating state for feeding power to an AC grid.
Der erfindungsgemäße Wechselrichter als Teil einer Energieerzeugungsanlage zur Einspeisung einer Leistung, die von einer Gleichstromquelle über eine Gleichstromverbindung bereitgestellt wird, in ein Wechselstromnetz weist eine Statuseinheit zur Erkennung eines Normalzustandes und eines Sonderzustandes, bzw. zur Unterscheidung zwischen diesen Zuständen des Wechselrichters auf. Diese Statuseinheit ist derart mit einem Signalgeber zur Erzeugung eines Lebenssignals auf der Gleichstromverbindung gekoppelt, dass nur im Normalzustand das Lebenssignal erzeugt wird. Das Lebenssignal kann dann beispielsweise von einem entsprechend eingerichteten Empfänger empfangen werden, der einem Generator oder einem Teil eines Generators, beispielsweise einem Modul, zugeordnet ist, um diesen dann von einem sicheren Zustand, in dem keine oder nur eine ungefährliche Spannung an den Leitungen der Gleichstromverbindung der Energieerzeugungsanlage anliegt, in den zum Einspeisen von Leistung in ein Wechselstromnetz notwendigen Betriebszustand zu überführen. Dementsprechend wird ein solcher Generator in dem sicheren Zustand verbleiben oder in diesen überführt, wenn das Lebenssignal im Fall des Sonderzustandes des Wechselrichters nicht oder nicht mehr erzeugt wird.The inverter according to the invention as part of a power generation plant for feeding a power, which is provided by a DC power source via a DC link in an AC power network has a status unit for detecting a normal state and a special state, or for distinguishing between these states of the inverter. This status unit is coupled to a signal generator for generating a life signal on the DC link, such that only in the normal state, the life signal is generated. The life signal may then be received, for example, from a suitably established receiver associated with a generator or part of a generator, such as a module, then from a safe state in which there is no or only a safe voltage on the lines of the DC link the power generation plant is present, in the necessary for feeding power into an AC power operating condition to transfer. Accordingly, such a generator will remain in the safe state or transferred into this, if the life signal is not or no longer generated in the case of the special state of the inverter.
Im Brandfall, aber auch bei Installations-, Wartungs- oder Reparaturarbeiten ist es eine übliche Maßnahme, eine wechselspannungsseitige Abschaltung der Stromversorgung eines Gebäudes oder der betroffenen Teile des Gebäudes durchzuführen. Der Wechselrichter ist daher bevorzugt derart eingerichtet, dass die Statuseinheit bei Wegfall des Wechselstromnetzes den Sonderzustand erkennt.In the event of fire, but also during installation, maintenance or repair work, it is a common measure to perform an AC side shutdown of the power supply of a building or the affected parts of the building. The inverter is therefore preferred set up so that the status unit recognizes the special status when the AC network is no longer available.
In einer möglichen Ausführungsform ist der Signalgeber dazu eingerichtet, ein hochfrequentes, um ein Vielfaches über einer Netzfrequenz liegendes Wechselstromsignal als Lebenssignal zu erzeugen. Dieses Wechselstromsignal kann beispielsweise mittels einer Koppelspule, die mit dem Signalgeber verbunden ist, induktiv in die Gleichstromverbindung eingekoppelt werden. Wechselrichter weisen häufig vor der Wandlerschaltung, die den Gleichstrom in Wechselstrom wandelt, zusätzliche Gleichstromwandler, beispielsweise einen Hochsetzsteller, Tiefsetzsteller oder einen galvanisch trennenden Resonanzwandler auf, bei deren Aufbau Spulen verwendet werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Koppelspule daher Teil eines Gleichstromwandlers des Wechselrichters sein.In one possible embodiment, the signal generator is set up to generate a high-frequency alternating-current signal lying a multiple above a mains frequency as a life signal. This alternating current signal can be inductively coupled into the direct current connection, for example, by means of a coupling coil which is connected to the signal generator. Inverters often have additional DC-DC converters, such as a step-up converter, step-down converter or a galvanically isolating resonant converter, in the construction of which coils are used in front of the converter circuit which converts the direct current into alternating current. In an advantageous embodiment, the coupling coil can therefore be part of a DC converter of the inverter.
Eine alternative Form der Einkopplung des durch den Signalgeber erzeugten Lebenssignals in die Gleichstromverbindung lässt sich dadurch realisieren, dass der Signalgeber über einen Koppelkondensator zur kapazitiven Einkopplung des Lebenssignals mit der Gleichstromverbindung verbunden ist.An alternative form of coupling of the signal generated by the signal generator life signal in the DC connection can be realized that the signal generator is connected via a coupling capacitor for capacitive coupling of the life signal to the DC connection.
Anstelle einer induktiven oder kapazitiven Einkopplung des durch den Signalgeber erzeugten Lebenssignals in die Gleichstromverbindung kann der Signalgeber das Lebenssignal auf der Gleichspannungsverbindung auch mittels eines taktbaren Schalters, dessen Ansteuerung mit dem Signalgeber verbunden ist, erzeugen.Instead of an inductive or capacitive coupling of the life signal generated by the signal generator in the DC link, the signal generator, the life signal on the DC voltage connection by means of a clockable switch, the drive is connected to the signal generator, generate.
Beispielsweise kann der Signalgeber mittels des taktbaren Schalters ein der Schaltertaktung entsprechendes Stromsignal oder Spannungssignal auf der Gleichstromverbindung erzeugen. Der Schalter kann beispielsweise in einer oder auch zwischen den Gleichstromleitungen angeordnet sein. Es können zur Erzeugung des Signals auch mehrere Schalter zur Erzeugung des Signals zur Anwendung kommen. Insbesondere können auch in den Wandlerschaltungen des Wechselrichters, beispielsweise in einem Hochsetz- oder Tiefsetzsteller bereits vorhandene Schalter zur Erzeugung des Signals verwendet werden. Die Aufgabe der Signalerzeugung kann in diesem Fall mit der Aufgabe des oder der Schalter innerhalb der Wandlerschaltung kombiniert werden.For example, by means of the tactile switch, the signal generator can generate a current signal or voltage signal corresponding to the switch timing on the DC connection. The switch can be arranged for example in one or between the DC lines. It can also be used to generate the signal several switches to generate the signal. In particular, existing switches for generating the signal can also be used in the converter circuits of the inverter, for example in a step-up converter or step-down converter. The task of signal generation can be combined in this case with the task of the switch or switches within the converter circuit.
Wechselrichter weisen üblicherweise eine Maximum-Power-Point-Tracking-Einheit (MPP-Tracker) auf, die zur Einstellung der Leistung der Gleichstromquelle auf einen maximalen Wert durch Variation einer Spannung der Gleichstromquelle eingerichtet ist. Ein solcher MPP-Tracker kann ebenfalls als Signalgeber dienen und das Lebenssignals auf der Gleichspannungsverbindung erzeugen, wobei das Lebenssignal einer charakteristischen Größe der durch den MPP-Tracker erzeugten Variation der Spannung, insbesondere einer Wechselhäufigkeit, einer Sprunghöhe oder einer Variationsrate der Spannung, oder einer Kombination dieser Größen entspricht.Inverters typically include a Maximum Power Point Tracking (MPP) unit configured to adjust the power of the DC power source to a maximum value by varying a voltage of the DC power source. Such an MPP tracker may also serve as a signal generator and generate the life signal on the DC link, the life signal of a characteristic magnitude of the voltage generated by the MPP tracker, in particular a frequency of change, a jump level or a rate of variation of the voltage, or a combination corresponds to these sizes.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters kann durch den Signalgeber nicht nur im Normalzustand das Lebenssignal, sondern auch im Sonderzustand ein zweites, vom Lebenssignal unterschiedliches Signal auf der Gleichstromverbindung erzeugt werden.In a further embodiment of the inverter according to the invention can be generated by the signal generator not only in the normal state, the life signal, but also in the special state, a second signal different from the life signal on the DC link.
Ebenso ist es möglich, dass der Signalgeber im Sonderzustand deaktiviert ist.It is also possible that the signal generator is deactivated in the special state.
Um einer Verfälschung des Lebenssignals oder des im Sonderzustand erzeugten Signals, beispielsweise durch Überlagerung mit einem auf der Gleichstromverbindung vorhandenen Störsignal, aber auch um einer gegebenenfalls möglichen Verwechselung beispielsweise eines auf der Gleichstromverbindung vorhandenen Störsignals mit dem Lebenssignal oder dem im Sonderzustand erzeugten Signal vorzubeugen, kann es vorteilhaft sein, das Lebenssignal und/oder das im Sonderzustand erzeugte Signal aus komplexen Signalformen, beispielsweise Codefolgen, zusammenzusetzen, die eine Redundanzfunktion aufweisen.In order to prevent a corruption of the life signal or the signal generated in the special state, for example by interference with an existing on the DC link interference signal, but also to a possibly possible confusion, for example, a present on the DC link interference signal with the life signal or the signal generated in the special state, it can be advantageous to the life signal and / or the signal generated in the special state composed of complex signal forms, such as code sequences, which have a redundancy function.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters mit einer Gleichstromverbindung zum Anschluss einer Gleichstromquelle und einer Wechselstromverbindung zum Anschluss an ein Wechselstromnetz wird zunächst ein Betriebszustand des Wechselrichters festgestellt, wobei mindestens zwischen einem Normalzustand und einem Sonderzustand unterschieden wird. Lediglich in dem Fall, dass ein Normalzustand des Wechselrichters festgestellt wird, erzeugt der Wechselrichter ein Lebenssignal auf der Gleichstromverbindung. Das Lebenssignal kann wie oben beschrieben zur Umsetzung einer Sicherungsfunktion für die Gleichstromquelle eingesetzt werden.In a method according to the invention for operating an inverter with a direct current connection for connecting a direct current source and an alternating current connection for connection to an alternating current network, an operating state of the inverter is first determined, at least distinguishing between a normal state and a special state. Only in the case that a normal state of the inverter is detected, the inverter generates a live signal on the DC link. The life signal can be used as described above to implement a backup function for the DC power source.
Das Feststellen des Betriebszustandes kann vorteilhafterweise in Form einer Überwachung des Wechselstromnetzes an der Wechselstromverbindung ausgeführt sein, wodurch der Wechsel in den Sonderzustand durch ein Freischalten des Wechselrichters bzw. des Gebäudes, in dem sich der Wechselrichter befindet, von einem elektrischen Versorgungsnetz gezielt herbeigeführt werden kann, was eine Standardmaßnahme der Feuerwehr im Brandfall ist.The determination of the operating state can be advantageously carried out in the form of a monitoring of the AC network to the AC connection, whereby the change in the special state can be brought about by an activation of the inverter or the building in which the inverter is located, of an electrical supply network, which is a standard measure of the fire department in case of fire.
Die Erzeugung des Lebenssignals kann dadurch erfolgen, dass ein Gleichstromwandler oder ein MPP-Tracker des Wechselrichters in einer ersten Weise betrieben wird, die sich von einer zweiten Betriebsweise unterscheidet, die die vorgenannten Komponenten des Wechselrichters im Sonderzustand verwenden. Die beiden Betriebsweisen unterscheiden sich durch zeitliche Verläufe von Strom und/oder Spannung auf der Gleichstromverbindung, deren Unterschiede dann das Lebenssignal ausmachen.The generation of the life signal can be carried out by operating a DC converter or an MPP tracker of the inverter in a first manner, which differs from a second mode of operation, which use the aforementioned components of the inverter in a special state. The two modes of operation differ by temporal courses of current and / or voltage on the direct current connection, whose differences then make up the life signal.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile von erfindungsgemäßen Ausführungsformen zwingend erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden.Advantageous developments of the invention will become apparent from the claims, the description and the drawings. The advantages of features and of combinations of several features mentioned in the description are merely exemplary and can take effect alternatively or cumulatively, without the advantages of embodiments according to the invention necessarily having to be achieved. Further features can be taken from the drawings. The combination of features of different embodiments of the invention or of features of different claims is also possible deviating from the chosen relationships of the claims and is hereby stimulated. This also applies to those features which are shown in separate drawings or are mentioned in their description. These features can also be combined with features of different claims.
Selbstverständlich ist es ebenfalls möglich, den Wechselrichter als mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen Wechselrichter vorzusehen, obwohl zugunsten der Verständlichkeit im Folgenden die Erfindung lediglich am Beispiel eines einphasigen Wechselrichters erläutert wird. Eine Umsetzung des erfinderischen Konzeptes auf mehrphasige Systeme ist dem Fachmann geläufig.Of course, it is also possible to provide the inverter as a multi-phase, in particular three-phase inverter, although in the interest of clarity in the following the invention is explained only by the example of a single-phase inverter. An implementation of the inventive concept on multiphase systems is familiar to the expert.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren illustriert. Es zeigen:In the following the invention is illustrated by means of figures. Show it:
Die in
Allgemein wird der Sonderzustand zumindest dann angenommen, wenn Ereignisse durch den Wechselrichter erfasst werden, die einen sicheren Zustand der Gleichstromquelle
Eine Information über den Zustand wird an einen an die Statuseinheit
Der Empfänger
Zusätzlich kann der Wechselrichter
Der Übergang von einem Normalzustand in einen Sonderzustand kann hierbei aufgrund einer Vielzahl von Ereignissen herbeigeführt werden. Beispielweise kann die Erkennung eines Netzwegfalls dazu führen, dass ein Sonderzustand durch den Wechselrichter
Weiterhin zeigt der Wechselrichter aus
Alternativ kann die Einkopplung eines hochfrequenten Lebenssignals
In einer besonders kostengünstigen Variante kann die induktive Einkopplung auch mittels der Induktivität realisiert werden, die Teil eines Gleichspannungswandlers
Anstelle einer induktiven oder kapazitiven Einkopplung kann die Erzeugung des Lebenssignals
Eine andere Möglichkeit, ohne zusätzliche Komponenten die Erzeugung eines Lebenssignals
Sowohl im Falle der Verwendung des Gleichstromwandlers
Im Allgemeinen kann der Signalgeber
Die Rückkehr vom Sonderzustand in den Normalzustand des Wechselrichters
Beispielsweise ist dies dann der Fall, wenn das Ergebnis, das den Wechsel in den Sonderzustand ausgelöst hat, ein sicherheitsrelevantes Ereignis war, beispielsweise das Abschalten des Netzes durch die Feuerwehr aufgrund eines Brandfalles. In diesem Fall wäre es wünschenswert, dass der Wechsel vom Sonderzustand in den Normalzustand nur durch einen manuellen Eingriff am Wechselrichter
Sofern es gewünscht ist, den Normalzustand auch während der Zeit beizubehalten, während der die Gleichstromquelle
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die auf vielfache Weise abgewandelt und fachmännisch ergänzt werden können. Insbesondere ist es möglich, die genannten Merkmale auch in anderen als den genannten Kombinationen auszuführen. Auch können mit dem Lebenssignal andere bzw. zusätzliche Aktionen innerhalb der Energieerzeugungsanlage ausgelöst werden.The invention is not limited to the described embodiments, which can be modified in many ways and expertly supplemented. In particular, it is possible to carry out the features mentioned in other than the said combinations. Also, other or additional actions can be triggered within the power generation system with the life signal.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- EnergieerzeugungsanlagePower generation plant
- 1010
- GleichstromquelleDC power source
- 2020
- Wechselrichterinverter
- 3030
- WechselstromnetzAC power
- 4040
- Signalgebersignaler
- 5050
- Wandlerschaltungconverter circuit
- 6060
- GleichstromverbindungDC link
- 61, 6261, 62
- GleichstromanschlussDC power connector
- 7070
- Lebenssignallive signal
- 8080
- Empfängerreceiver
- 9090
- WechselstromverbindungAC connection
- 91, 9291, 92
- WechselstromanschlussAC connection
- 100100
- Koppelspulecoupling coil
- 110110
- Netzüberwachungnetwork monitoring
- 120120
- GleichstromwandlerDC converter
- 130130
- NetztrennschalterMains switch
- 140140
- Koppelkondensatorcoupling capacitor
- 150150
- taktbarer Schaltertactile switch
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102005018173 B4 [0004, 0004] DE 102005018173 B4 [0004, 0004]
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