DE102015113632A1

DE102015113632A1 - inverter

Info

Publication number: DE102015113632A1
Application number: DE102015113632.5A
Authority: DE
Inventors: Jochen Mielke; Henning Fricke-Begemann
Original assignee: Aeconversion & Co KG GmbH
Current assignee: Aeconversion & Co KG GmbH
Priority date: 2014-08-26
Filing date: 2015-08-18
Publication date: 2016-03-03
Also published as: DE202014103973U1

Abstract

Inverter zum Einspeisen von Energie aus einer Gleichspannungsquelle (10) in ein Wechselstromnetz (16), mit einem Wandler (12) zum Umwandeln der Spannung (U0) der Gleichspannungsquelle (10) in einen pulsierenden, aus Halbwellen bestehenden und mit der Netzwechselspannung (Un) synchronen Gleichstrom (I1), und einem Polwender (14) zum Umwandeln des pulsierenden Gleichstroms (I1) in einen Wechselstrom (I2), gekennzeichnet durch eine Energiespeicherschaltung (20) und eine elektronische Steuereinrichtung (18), die dazu eingerichtet ist, getriggert durch Vorzeichenwechsel der Netzwechselspannung (Un), die Energiespeicherschaltung (20) intervallweise an den Polwender (14) anzukoppeln und Blindleistung aus dem Wechselstromnetz (16) in der Energiespeicherschaltung (20) zu puffern.Inverter for feeding energy from a DC voltage source (10) into an AC network (16), comprising a converter (12) for converting the voltage (U0) of the DC voltage source (10) into a pulsating, half-wave and AC mains voltage (Un) synchronous direct current (I1), and a pole turner (14) for converting the pulsating direct current (I1) to an alternating current (I2), characterized by an energy storage circuit (20) and an electronic control device (18) arranged to be triggered by sign changes the AC line voltage (Un), the energy storage circuit (20) intermittently coupled to the Polwender (14) and to buffer reactive power from the AC network (16) in the energy storage circuit (20).

Description

Die Erfindung betrifft einen Inverter zum Einspeisen von Energie aus einer Gleichspannungsquelle in ein Wechselstromnetz, mit einem Wandler zum Umwandeln der Spannung der Gleichspannungsquelle in einen pulsierenden, aus Halbwellen bestehenden und mit der Netzwechselspannung synchronen Gleichstrom, und einem Polwender zum Umwandeln des pulsierenden Gleichstroms in einen Wechselstrom. The invention relates to an inverter for feeding energy from a DC voltage source in an AC network, comprising a converter for converting the voltage of the DC voltage source into a pulsating, consisting of half-waves and synchronous with the AC mains voltage direct current, and a Polwender for converting the pulsating DC into AC ,

Insbesondere befasst sich die Erfindung mit Invertern, die zur Ankopplung von Solaranlagen an das öffentliche Wechselstromnetz geeignet sind. In particular, the invention is concerned with inverters that are suitable for coupling solar systems to the public AC network.

Inverter, die für hohe Leistungen ausgelegt sind, weisen üblicherweise eine kostspielige Elektronik auf, die es erlaubt, die Gleichspannung in eine Folge von Hochfrequenzimpulsen zu zerhacken und daraus einen Wechselstrom mit jeder gewünschten Wellenform und Phase zu generieren. Inverters designed for high performance usually have expensive electronics that allow the DC voltage to be chopped into a series of RF pulses and used to generate AC current of any desired waveform and phase.

In der Photovoltaik ist es jedoch oft erwünscht, sogenannte Mikro-Inverter zu verwenden, die nur für verhältnismäßig geringe Leistungen ausgelegt sind und es erlauben, jedes einzelne Solarmodul direkt an das Netz anzukoppeln, so dass unterschiedlichen Abschattungs- und Lichteinstrahlungsverhältnissen für die einzelnen Module besser Rechnung getragen werden kann. Für eine gegebene Gesamtleistung wird in diesem Fall eine entsprechend große Anzahl von Invertern benötigt, die deshalb einen möglichst kostengünstigen Aufbau haben sollten. Dieses Erfordernis ist bei Invertern der eingangs genannten Art erfüllt, da die Leistungselektronik-Komponenten des Inverters, insbesondere der Polwender, nur mit niedrigen Frequenzen geschaltet zu werden brauchen, die etwa in der Größenordnung der Netzfrequenz liegen, so dass entsprechend kostengünstige und verlustarme elektronische Schalter verwendet werden können. In photovoltaics, however, it is often desirable to use so-called micro-inverters, which are designed only for relatively low power and allow each solar module to couple directly to the grid so that different shading and light irradiation ratios for each module better account can be worn. For a given total power in this case, a correspondingly large number of inverters is needed, which should therefore have the most cost-effective design possible. This requirement is met in inverters of the type mentioned, since the power electronics components of the inverter, in particular the Polwender need to be switched only at low frequencies, which are approximately in the order of the mains frequency, so that uses correspondingly inexpensive and low-loss electronic switch can be.

Ein Nachteil dieser Mikro-Inverter besteht jedoch darin, dass die Phase der pulsierenden Gleichspannung und damit auch der Schalttakt des Polwenders durch die Netzwechselspannung fest vorgegeben ist, so dass auch der in das Netz eingespeiste Wechselstrom mit der Netzwechselspannung in Phase sein muss. Das bedeutet, dass sich das Netz für den Inverter im wesentlichen wie eine Ohm'sche Last verhalten muss und eine Übertragung von Blindleistung zwischen dem Inverter und dem Netz nicht möglich ist. Wenn die durch das Netz dargestellte Last wesentliche kapazitive oder induktive Komponenten enthält, so würde dies zu einer Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung führen, die der Polwender des Inverters nicht darstellen kann. Zunehmend strengere Netzeinspeisungsregeln verlangen jedoch häufig, dass die zur Einspeisung benutzen Inverter auch schon bei geringerer Gesamtleistung eine gewisse Blindleistungsfähigkeit aufweisen müssen. A disadvantage of this micro-inverter, however, is that the phase of the pulsating DC voltage and thus the switching clock of the Polwenders is fixed by the mains AC voltage, so that even the fed into the grid AC must be in phase with the AC line voltage. This means that the network for the inverter must behave essentially like an ohmic load and a transfer of reactive power between the inverter and the grid is not possible. If the load represented by the network contains substantial capacitive or inductive components, this would result in a phase shift between current and voltage which the inverter of the inverter can not represent. Increasingly stringent grid feed-in rules, however, often require that the inverters used for feed-in need to have some reactive power even at lower total power.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Inverter der eingangs genannten Art mit erhöhter Blindleistungfähigkeit zu schaffen. The object of the invention is therefore to provide an inverter of the type mentioned with increased reactive power capability.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Energiespeicherschaltung und eine elektronische Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, getriggert durch Vorzeichenwechsel der Netzwechselspannung die Energiespeicherschaltung intervallweise an den Polwender anzukoppeln und Blindleistung aus dem Wechselstromnetz in der Energiespeicherschaltung zu puffern. This object is achieved according to the invention by an energy storage circuit and an electronic control device which is set up to trigger the energy storage circuit at intervals to the pole turner triggered by sign change of the AC line voltage and to buffer reactive power from the AC network in the energy storage circuit.

Wenn die Netzwechselspannung und der durch den Inverterausgang fließende Netzwechselstrom nicht genau in Phase sind, erlaubt es die Erfindung, nach jedem Vorzeichenwechsel der Netzwechselspannung die Energiespeicherschaltung an den Polwender anzukoppeln, so dass Blindstrom aus dem Netz über den Polwender in die Energiespeicherschaltung fließen und dort zwischengespeichert werden kann. Zu einem etwas späteren Zeitpunkt innerhalb derselben Wechselspannungsperiode, in der Strom und Spannung wieder das gleiche Vorzeichen haben, kann dann die in der Energiespeicherschaltung zwischengespeicherte Energie über den Polwender wieder in das Netz zurückgegeben werden. Auf diese Weise ist eine Übertragung von Blindleistung zwischen dem Inverter und dem Netz möglich, so dass auch dann, wenn sich das Netz wie eine induktive oder kapazitive Last verhält, einerseits Verzerrungen der sinusförmigen Soll-Wellenformen der Spannung und des Stromes im Netz vermieden werden und andererseits auch Schäden an den elektronischen Komponenten des Inverters vermieden werden. If the mains alternating voltage and the alternating current flowing through the inverter output are not exactly in phase, the invention allows the energy storage circuit to be coupled to the polarity reverser after every change of sign of the mains alternating voltage so that reactive current flows from the network via the polarity reverser into the energy storage circuit and is temporarily stored there can. At a later time within the same AC voltage period, in which current and voltage again have the same sign, then the energy stored in the energy storage circuit energy can be returned via the Polwender back into the network. In this way, a transmission of reactive power between the inverter and the network is possible, so that even if the network behaves as an inductive or capacitive load, on the one hand distortions of the sinusoidal desired waveforms of the voltage and the current in the network can be avoided and On the other hand, damage to the electronic components of the inverter can be avoided.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Advantageous embodiments and further developments of the invention are specified in the subclaims.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: In the following an embodiment will be explained in more detail with reference to the drawing. Show it:

1 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Inverters; 1 a block diagram of an inverter according to the invention;

2 ein Schaltbild einer ersten Stufe des Inverters; 2 a circuit diagram of a first stage of the inverter;

3 ein Schaltbild einer zweiten Stufe des Inverters; 3 a circuit diagram of a second stage of the inverter;

4 Spannungs- und Stromwellenformen für eine an den Inverter angeschlossene Ohm'sche Last; 4 Voltage and current waveforms for an ohmic load connected to the inverter;

5 ein Schaltbild entsprechend 3, mit Schalterstellungen zum Zeitpunkt t5 in 4; 5 a circuit diagram accordingly 3 , with switch positions at time t5 in 4 ;

6 ein Schaltbild mit Schalterstellungen zum Zeitpunkt t6 in 4; 6 a circuit diagram with switch positions at time t6 in 4 ;

7 phasenverschobene Spannungs- und Stromwellenformen für einen herkömmlichen Inverter; 7 phase shifted voltage and current waveforms for a conventional inverter;

8 modifizierte Stromwellenformen für den herkömmlichen Inverter; 8th modified current waveforms for the conventional inverter;

9 Spannungs- und Stromwellenformen für den erfindungsgemäßen Inverter auf einer gedehnten Zeitskala; 9 Voltage and current waveforms for the inventive inverter on an extended time scale;

10 ein Schaltbild mit Schalterstellungen zum Zeitpunkt t₁₀ in 9; und 10 a circuit diagram with switch positions at time t ₁₀ in 9 ; and

11 ein Schaltbild mit Schalterstellungen zum Zeitpunkt t₁₁ in 9. 11 a circuit diagram with switch positions at time t ₁₁ in 9 ,

In dem in 1 dargestellten Blockdiagramm ist eine Gleichspannungsquelle 10 gezeigt, die eine Gleichspannung U₀ liefert. Beispielsweise kann es sich bei der Gleichspannungsquelle 10 um ein einzelnes Solarmodul einer Photovoltaik-Anlage handeln. Ein elektronischer Wandler 12 dient dazu, aus der Gleichspannung U₀ einen pulsierenden Gleichstrom I₁ zu erzeugen, dessen Wellenform einer Folge von sinusförmigen Halbwellen entspricht. Im Stand der Technik sind verschiedene Formen von kostengünstigen und dennoch relativ verlustarmen Schaltungsanordnungen bekannt, die die Funktion eines solchen Wandlers 12 erfüllen können. Ein Beispiel ist in einem vereinfachten Schaltbild in 2 dargestellt und wird weiter unten kurz beschrieben werden. In the in 1 The block diagram shown is a DC voltage source 10 shown, which supplies a DC voltage U ₀ . For example, it can be at the DC voltage source 10 to act a single solar module of a photovoltaic system. An electronic converter 12 serves to generate from the DC voltage U ₀ a pulsating direct current I ₁ , whose waveform corresponds to a series of sinusoidal half-waves. In the prior art, various forms of inexpensive, yet relatively low-loss circuit arrangements are known which perform the function of such a converter 12 able to fulfill. An example is in a simplified diagram in 2 and will be briefly described below.

Mit einem Polwender 14 lässt sich der pulsierende Gleichstrom I₁ so kommutieren, dass man einen sinusförmigen Wechselstrom I₂ erhält. Der Wandler 12 und der Polwender 14 bilden zusammen einen Inverter, mit dem die Energie der Gleichspannungsquelle 10 als Wechselstrom I_n in ein angeschlossenes Wechselstromnetz 16 eingespeist werden kann. With a turncoat 14 can the pulsating direct current I ₁ commute so that one receives a sinusoidal alternating current I ₂ . The converter 12 and the Rev. 14 together form an inverter, with which the energy of the DC voltage source 10 as alternating current I _n in a connected AC network 16 can be fed.

Zu dem Inverter gehört weiterhin eine elektronische Steuereinrichtung 18, die über einen angeschlossenen Spannungsdetektor die Netzwechselspannung U_n misst und die anhand dieses Spannungssignals den Wandler 12 und den Polwender 14 so ansteuert, dass die Phase der vom Inverter erzeugten Wechselspannung U₂ stets der Phase der Netzwechselspannung U_n nachgeführt wird. Die Steuereinrichtung 18 kann beispielsweise durch einen oder mehrere Mikroprozessoren gebildet werden. To the inverter further includes an electronic control device 18 , which measures the AC mains voltage U _n via a connected voltage detector and the converter on the basis of this voltage signal 12 and the Rev. 14 so controls that the phase of the AC voltage generated from the inverter U ₂ is always of the phase of the mains AC voltage U _n is tracked. The control device 18 For example, it may be formed by one or more microprocessors.

In dem hier gezeigten Beispiel liefert der Inverter an seinem Ausgang eine Spannung, die die gleiche Frequenz und auch die gleiche Amplitude hat wie die Netzwechselspannung U_n (z. B. 50 Hz / 230 V). Es sind jedoch auch Anwendungen denkbar, bei denen eine Anzahl N von Invertern der hier gezeigten Art in Reihe geschaltet sind und die Amplitude der Spannung jedes Inverters nur ein 1/N der Netzamplitude beträgt. In the example shown here, the inverter supplies at its output a voltage which has the same frequency and also the same amplitude as the mains alternating voltage U _n (eg 50 Hz / 230 V). However, applications are also conceivable in which a number N of inverters of the type shown here are connected in series and the amplitude of the voltage of each inverter is only 1 / N of the network amplitude.

Erfindungsgemäß weist der Inverter zusätzlich eine Energiespeicherschaltung 20 auf, die an den Polwender 14 ankoppelbar ist und durch die Steuereinrichtung 18 so angesteuert wird, dass sie einen etwaigen Blindstrom aufnimmt, der aus dem Wechselstromnetz 16 in den Inverter zurückfließt. Die entsprechende Blindleistung wird in der Energiespeicherschaltung 20 gepuffert und dann, wiederum gesteuert durch die Steuereinrichtung 18, zu einem etwas späteren Zeitpunkt wieder in das Wechselstromnetz 16 zurückgegeben. According to the invention, the inverter additionally has an energy storage circuit 20 on, to the Rev. 14 can be coupled and by the control device 18 is driven so that it receives any reactive current from the AC grid 16 flows back into the inverter. The corresponding reactive power is in the energy storage circuit 20 buffered and then, again controlled by the controller 18 , at a later date back into the AC mains 16 returned.

Anhand der 2 soll zunächst der Aufbau und die Funktionsweise des Wandlers 12 näher erläutert werden. Based on 2 should first the structure and operation of the converter 12 be explained in more detail.

Ein elektronisch (beispielsweise von der Steuereinrichtung 18) gesteuerter Schalter S₁, eine Spule L₁, ein Kondensator C₁ und eine Diode D₁ bilden einen Abwärtswandler, der eine hochfrequente pulsierende Gleichspannung mit einer Frequenz beispielsweise in der Größenordnung von einigen kHz erzeugt. Die Spannung am Kondensator C₁ kann dabei maximal den Wert U₀ erreichen, und der Scheitelwert der pulsierenden Spannung ist von der Dauer der Einschaltimpulse des Schalters S₁ abhängig, so dass durch Pulsweitenmodulation des Einschaltsignals für den Schalter S₁ eine gewünschte Wellenform erzeugt werden kann, beispielsweise eine Wellenform, deren Hüllkurve die Form von Sinus-Halbwellen hat und die mit der Netzwechselspannung U_n synchronisiert ist. Mit Hilfe einer getakteten Schaltstufe P₁, die in bekannter Weise durch eine Brücke aus vier elektronischen Schaltern gebildet wird, wird die pulsierende Gleichspannung in eine Wechselspannung umgewandelt, die dann mit einem Transformator T₁ auf ein höheres Spannungsniveau transformiert wird, nämlich auf das Niveau der Netzwechselspannung. Mit Hilfe einer Gleichrichterbrücke G₁ wird die Spannung wieder gleichgerichtet, so dass man den aus Sinus-Halbwellen bestehenden pulsierenden Gleichstrom I₁ mit der Frequenz, Amplitude und Phase des Netzwechselstroms erhält. An electronic (for example, from the controller 18 ) controlled switch S ₁ , a coil L ₁ , a capacitor C ₁ and a diode D ₁ form a down converter, which generates a high-frequency pulsating DC voltage with a frequency, for example in the order of a few kHz. The voltage across the capacitor C ₁ can reach at most the value U ₀ , and the peak value of the pulsating voltage is dependent on the duration of the switch-on of the switch S ₁ , so that a desired waveform can be generated by pulse width modulation of the switch for the switch S ₁ For example, a waveform whose envelope has the form of sinusoidal half-waves and which is synchronized with the AC line voltage U _n . With the aid of a clocked switching stage P ₁ , which is formed in a known manner by a bridge of four electronic switches, the pulsating DC voltage is converted into an AC voltage, which is then transformed with a transformer T ₁ to a higher voltage level, namely the level of AC line voltage. With the aid of a rectifier bridge G ₁ , the voltage is rectified again, so as to obtain the existing of sine half-waves pulsating direct current I ₁ with the frequency, amplitude and phase of the AC line current.

Wahlweise kann der Wandler 12 auch ein Wandler mit Potentialtrennung sein, mit einem Trenntransformator als Transformator T₁. Optionally, the converter 12 also be a transformer with potential separation, with an isolating transformer as a transformer T ₁ .

Der Aufbau des Polwenders 14 und der Energiespeicherschaltung 20 ist in 3 dargestellt. The construction of the Polurner 14 and the energy storage circuit 20 is in 3 shown.

Der Polwender 14 wird durch eine Brücke aus vier elektronischen Schaltern S₂, S₃, S₄ und S₅ gebildet, bei denen es sich beispielsweise um MOS-FETs oder IGBTs handeln kann, die durch die Steuereinrichtung 18 angesteuert werden. Am Eingang des Polwenders liegt die Spannung U₁ an. Die Schalter S₂ und S₄ sind in Reihe zwischen den Eingang und Masse geschaltet. Die Schalter S₃ und S₅ sind parallel zu den Schaltern S₂ und S₄ in Reihe zwischen den Eingang und Masse geschaltet. Der (Wechselstrom-)Ausgang des Polwenders 14 wird durch die Mittelpunkte zwischen den Schaltern S₂ und S₄ einerseits und den Schaltern S₃ und S₅ andererseits gebildet, die jeweils über eine Spule L₂ bzw. L₃ mit einem Leiter des Wechselstromnetzes 16 verbunden sind. The Rev. Turner 14 is formed by a bridge of four electronic switches S ₂ , S ₃ , S ₄ and S ₅ , which may be, for example, MOS FETs or IGBTs by the control device 18 be controlled. At the entrance of the Polwenders the voltage U _{1 is applied} . The switches S ₂ and S ₄ are connected in series between the input and ground. The switches S ₃ and S ₅ are connected in parallel with the switches S ₂ and S ₄ in series between the input and ground. The (AC) output of the pole turner 14 ₃ and S ₅ on the other hand, formed by the mid-points between the switches S ₂ and S ₄ on the one hand and the switches S, which each have a coil L ₂ and L ₃ with a conductor of the ac network 16 are connected.

Ein Kondensator C₂ ist parallel zu dem Polwender 14 zwischen U₁ und Masse geschaltet. Der Kondensator C₂ sowie die Spulen L₂ und L₃ dienen zur Glättung des in das Wechselstromnetz eingespeisten Wechselstroms. A capacitor C ₂ is parallel to the pole turner 14 switched between U ₁ and ground. The capacitor C ₂ and the coils L ₂ and L ₃ are used for smoothing the fed into the AC mains alternating current.

Die Energiespeicherschaltung 20 weist als hauptsächlichen Energiespeicher einen weiteren Kondensator C₃ auf, dessen eine Elektrode auf Masse geschaltet ist und dessen andere Elektrode über einen Schalter S₆, eine Spule L₄ und eine Diode D₂ mit dem Eingang des Polwenders 14 und folglich mit der Spannung U₁ verbunden ist. Diese Elektrode des Kondensators C₃ ist außerdem über einen unidirektionalen Schalter S₈ (symbolisiert durch eine Reihenschaltung aus Diode und Schalter) mit entgegengesetzter Stromflussrichtung mit der Spannung U₁ verbunden. The energy storage circuit 20 has as the main energy storage another capacitor C ₃ , whose one electrode is connected to ground and the other electrode via a switch S ₆ , a coil L ₄ and a diode D ₂ to the input of the pole reverser 14 and consequently connected to the voltage U ₁ . This electrode of the capacitor C ₃ is also connected via a unidirectional switch S ₈ (symbolized by a series circuit of diode and switch) with opposite current flow direction to the voltage U ₁ .

Ein weiterer elektronischer Schalter S₉, der ebenfalls durch die Steuereinrichtung 18 angesteuert wird, ist parallel zu der Diode D₂ und dem Kondensator C₃ geschaltet und bildet zusammen mit der Spule L₄ und dem Kondensator C₃ einen Aufwärtswandler, mit dem es möglich ist, den Kondensator C₃ auf eine Spannung aufzuladen, die höher ist als die Spannung, die über den unidirektionalen Schalter S₆ zugeführt wird. Another electronic switch S ₉ , also by the control device 18 is driven in parallel with the diode D ₂ and the capacitor C ₃ and forms together with the coil L ₄ and the capacitor C _3, a step-up converter, with which it is possible to charge the capacitor C ₃ to a voltage which is higher as the voltage supplied via the unidirectional switch S ₆ .

Die Schalter S₂–S₅ des Polwenders 14 sind so ausgebildet, dass sie im geöffneten Zustand den Stromfluss vom Eingang (Strom I₁) zur Masse unterbrechen, jedoch einen Stromfluss in entgegengesetzter Richtung zulassen, wie in 3 jeweils durch eine Bypassdiode symbolisiert wird. The switches S ₂ -S _{5 of} the Polwenders 14 are designed so that they interrupt the flow of current from the input (current I ₁ ) to ground in the open state, but allow a flow of current in the opposite direction, as in 3 each symbolized by a bypass diode.

Zur Erläuterung der Funktionsweise des Inverters soll zunächst der Fall betrachtet werden, dass sich das Wechselstromnetz 16 für den Inverter im wesentlichen wie eine Ohm'sche Last verhält. Für diesen Fall sind in 4 der Verlauf der Netzwechselspannung U_n und der Verlauf des im Wechselstromnetz und folglich auch durch den Ausgang des Polwenders 14 fließenden Stroms I_n als Funktion der Zeit t dargestellt. Die Spannung U_n und der Strom I_n sind gleichphasig. Eine positive Halbwelle der Spannung und des Stromes beginnt zum Zeitpunkt t₀ und endet zum Zeitpunkt t₁, und eine negative Halbwelle beginnt zum Zeitpunkt t₁ und endet zum Zeitpunkt t₂. To explain the operation of the inverter should first be considered the case that the AC mains 16 for the inverter essentially behaves like an ohmic load. For this case are in 4 the course of the AC line voltage U _n and the course of the AC in the network and, consequently, by the output of the Polwenders 14 flowing current I _n as a function of time t. The voltage U _n and the current I _n are in phase. A positive half cycle of the voltage and the current begins at time t ₀ and ends at time t ₁ , and a negative half cycle starts at time t ₁ and ends at time t ₂ .

5 zeigt die Stellungen der Schalter S₂–S₅ für jeden beliebigen Zeitpunkt zwischen t₀ und t₁, beispielsweise zum Zeitpunkt t₅. Die Schalter S₂ und S₅ sind geschlossen, während die Schalter S₃ und S₄ geöffnet sind. Folglich fließt der Strom vom Eingang des Polwenders über den Schalter S₂ und die Spule L₂ durch das Wechselstromnetz 16 und weiter über die Spule L₃ und den Schalter S₅ zur Masse. Zum Zeitpunkt t₁ werden sämtliche Schalter des Polwenders nahezu simultan umgeschaltet, so dass während der negativen Halbwelle, beispielsweise zum Zeitpunkt t₆, die Schalter S₂ und S₅ geöffnet und dafür die Schalter S₃ und S₄ geschlossen sind, wie in 6 gezeigt ist. In der Praxis liegt zwischen dem Öffnen der Schalter S₂ und S₅ und dem Schließen der Schalter S₃ und S₄ eine kleine Karenzzeit, damit ein Kurzschluss zuverlässig vermieden wird. Während der negativen Halbwelle fließt der Strom vom Eingang des Polwenders über den Schalter S₃ und die Spule L₃ durch das Wechselstromnetz und weiter über die Spule L₂ und den Schalter S₄ zur Masse. 5 shows the positions of the switches S ₂ -S ₅ for any time between t ₀ and t ₁ , for example, at time t. ₅ The switches S ₂ and S ₅ are closed, while the switches S ₃ and S _{4 are} open. Consequently, the current flows from the input of the Polwenders via the switch S ₂ and the coil L ₂ through the AC mains 16 and continue on the coil L ₃ and the switch S ₅ to ground. At time t ₁ , all switches of the Polwenders are switched almost simultaneously, so that during the negative half-wave, for example, at time t ₆ , the switches S ₂ and S ₅ open and for the switches S ₃ and S _{4 are} closed, as in 6 is shown. In practice, between the opening of the switches S ₂ and S ₅ and the closing of the switches S ₃ and S ₄ a short grace period, so that a short circuit is reliably avoided. During the negative half cycle, the current flows from the input of the Polwenders via the switch S ₃ and the coil L ₃ through the AC mains and on through the coil L ₂ and the switch S ₄ to ground.

Wenn das Wechselstromnetz 16 für den Inverter keine Ohm'sche Last, sondern eine Last mit kapazitiven oder induktiven Komponenten darstellt, so muss der Wandler 12 den Strom I₁ so modulieren, dass sich ein Phasenversatz zwischen der Netzwechselspannung U_n und dem Strom I_n ergibt, wie als Beispiel in 7 dargestellt ist. Zum Zeitpunkt t₁ erreicht die Netzwechselspannung U_n den Wert null und wechselt das Vorzeichen, während der Strom I_n noch von null verschieden ist und sich deshalb beim Umschalten des Polwenders sprunghaft ändert. Ohne zusätzliche Maßnahmen hätte deshalb der Strom I_n keinen sinusförmigen Verlauf mehr, wie in der unteren Kurve in 7 dargestellt ist. Eine entsprechende Verzerrung des Stromflusses träte auch nach dem erneuten Vorzeichenwechsel der Spannung zum Zeitpunkt t₂ ein. If the AC power 16 for the inverter is not an ohmic load, but a load with capacitive or inductive components, so the converter 12 to modulate the current I ₁ so that a phase offset between the AC line voltage U _n and the current I _n results, as an example in 7 is shown. At time t ₁ , the AC line voltage U _{n reaches} the value zero and changes the sign, while the current I _{n is} still different from zero and therefore changes abruptly when switching the Polwenders. Therefore, without additional measures, the current I _{n would} no longer have a sinusoidal course, as in the lower curve in FIG 7 is shown. A corresponding distortion of the current flow would occur even after the renewed change of sign of the voltage at time t ₂ .

Zweck der hier beschriebenen Energiespeicherschaltung 20 ist es, auch unter diesen Bedingungen einen (zumindest annähernd) sinusförmigen Stromverlauf zu ermöglichen. Dazu wird die Steuereinrichtung 18 so programmiert, dass sie auf einen vorgegebenen (oder ggf. auch gemessenen) Phasenversatz zwischen Strom und Spannung angemessen reagiert. Purpose of the energy storage circuit described herein 20 is to allow even under these conditions (at least approximately) sinusoidal current waveform. For this purpose, the control device 18 programmed to respond appropriately to a predetermined (or possibly measured) phase offset between current and voltage.

Der Wandler 12 wird durch die Steuereinrichtung 18 so angesteuert (Pulsweitenmodulation des Schalters S₁), dass der Strom I₁ die in 8 in der oberen Graphik gezeigte Wellenform annimmt. Der zugehörige Strom I_n wäre dann zwar auch noch nicht sinusförmig aber wenigstens stetig, da der Strom in den Zeitspannen, in denen er das falsche Vorzeichen hätte, zwangsweise auf null gehalten wird. The converter 12 is through the control device 18 so controlled (pulse width modulation of the switch S ₁ ) that the current I _1, the in 8th assumes the waveform shown in the upper graph. The associated current I _n would then not be sinusoidal but at least steady, since the current in the periods in which it would have the wrong sign, is forced to zero.

In 9 sind die phasenversetzten Strom- und Spannungskurven für U_n in I_n auf einer gedehnten Zeitskala dargestellt. Zum Zeitpunkt t₁ werden die Schalter S₂ und S₅ geöffnet, doch bleiben anders als im zuvor beschriebenen Fall auch die Schalter S₃ und S₄ noch geöffnet, so dass sich unmittelbar nach dem Zeitpunkt t₁, zu einem Zeitpunkt t₁₀, das in 10 dargestellte Bild ergibt. Die Induktivität der Spulen L₂ und L₃ und die Induktivität im Wechselstromnetz erzwingen einen fortgesetzten Stromfluss über die internen Bypassdioden der Schalter S₄ und S₃. Der Strom fließt also über S₄ und L₂ in das Wechselstromnetz und dann zurück über L₃ und S₃ in den Kondensator C₂, der dadurch aufgeladen wird. Sobald zum Zeitpunkt t₁₀ (9) die Spannung am Kondensator C₂ einen bestimmten Schwellenwert erreicht hat, schließt der Schalter S₆, und der Strom fließt über die Spule L₄ und die Diode D₂ in den Kondensator C₃. In 9 the out of phase current and voltage curves for U _n in I _{n are shown} on a stretched time scale. At time t ₁ , the switches S ₂ and S _{5 are} opened, but unlike in the case described above, the switches S ₃ and S ₄ remain open, so that immediately after the time t ₁ , at a time t ₁₀ , the in 10 displayed image results. The inductance of the coils L ₂ and L ₃ and the inductance in the AC network enforce a continued current flow through the internal bypass diodes of the switches S ₄ and S ₃ . The current thus flows through S ₄ and L ₂ in the AC network and then back through L ₃ and S ₃ in the capacitor C ₂ , which is charged by it. Once at time t ₁₀ ( 9 ), the voltage across the capacitor C _{2 has reached} a certain threshold, the switch S ₆ closes, and the current flows through the coil L ₄ and the diode D ₂ in the capacitor C _3rd

Der Schalter S₉ bildet zusammen mit der Spule L₄, der Diode D₂ und dem Kondensator C₃ einen Aufwärtswandler, mit dem im Kondensator C₃ eine Spannung erzeugt werden kann, die höher ist als die Spannung im Kondensator C₂. Der Schalter S₉ wird mit einer Frequenz geöffnet und geschlossen, die deutlich höher ist als die Wechselstromfrequenz und beispielsweise in der Größenordnung von einigen kHz liegt. Durch Pulsweitenmodulation der Schließperioden des Schalters S₉ lässt sich der Strom I_b modulieren, der über die Schalter S₃ und S₄ des Polwenders als Blindstrom aus dem Wechselstromnetz aufgenommen wird. Durch die Steuereinrichtung 18 wird der Schalter S₉ so angesteuert, dass sich der in 9 gezeigte Verlauf der ergibt, der den in 8 "fehlenden" Teil der Sinuskurve für I_n ergänzt, so dass sich zusammen mit dem von Wandler 12 aufgenommenen Strom ein (annähernd) sinusförmiger Verlauf ergibt, wie er durch die gestrichelte Kurve in 9 angegeben wird. The switch S ₉ , together with the coil L ₄ , the diode D ₂ and the capacitor C _3, a boost converter, with which in the capacitor C _3, a voltage can be generated, which is higher than the voltage in the capacitor C ₂ . The switch S ₉ is opened and closed at a frequency which is significantly higher than the AC frequency and, for example, in the order of a few kHz. By pulse width modulation of the closing periods of the switch S ₉ , the current I _{b can be} modulated, which is received via the switches S ₃ and S _{4 of} the Polwenders as reactive current from the AC network. By the control device 18 the switch S ₉ is controlled so that the in 9 shown course of results, the in 8th "missing" part of the sine wave for I _n supplemented, so that together with the transducer of 12 absorbed current (approximately) results sinusoidal course, as indicated by the dashed curve in 9 is specified.

Sobald zum Zeitpunkt t₃ in 9 auch die Stromkurve den Nulldurchgang erreicht hat, werden die Schalter S₃ und S₄ geschlossen und die Schalter S₆ und S₉ werden geöffnet, so dass die Situation wieder die gleiche ist wie in 6. Once at time t ₃ in 9 and the current curve has reached the zero-crossing, the switches are closed S ₃ and S _4, and the switch S ₆ and S ₉ are opened so that the situation is again the same as in 6 ,

Zum Zeitpunkt t₄ in 9 hat die negative Halbwelle der Spannung U_n ihren Scheitelwert erreicht und dementsprechend hat auch die Spannung am Kondensator C₂ ihren Scheitelwert erreicht. Die Spannung am Kondensator C₂ nimmt wieder ab und wird ab einem bestimmten Zeitpunkt, beispielsweise dem Zeitpunkt t₁₁ in 9, kleiner als die Spannung am Kondensator C₃. Unter diesen Bedingungen wird der Schalter S₈ leitend, wie symbolisch in 11 dargestellt ist. In den Eingang des Polwenders 14 fließt dann zusätzlich zu dem Strom aus dem Wandler 12 auch der Entladestrom des Kondensators C₃, so dass die in dem Kondensator gespeicherte Energie wieder in das Wechselstromnetz 16 zurückgegeben wird. Der Schalter S₈ ist ein elektronischer Schalter und bietet die vorteilhafte Möglichkeit den Entladestrom des Kondensators C₃ zu modulieren. At time t ₄ in 9 has reached the negative half-wave of the voltage U _n their peak value and accordingly, the voltage across the capacitor C _{2 has reached} its peak value. The voltage across the capacitor C ₂ decreases again and is from a certain time, for example, the time t ₁₁ in 9 , smaller than the voltage across the capacitor C ₃ . Under these conditions, the switch S ₈ becomes conductive, as symbolically in 11 is shown. In the entrance of the Polwenders 14 then flows in addition to the current from the converter 12 also the discharge current of the capacitor C ₃ , so that the energy stored in the capacitor back into the AC mains 16 is returned. The switch S ₈ is an electronic switch and offers the advantageous possibility of modulating the discharge current of the capacitor C ₃ .

Wenn schließlich zum Zeitpunkt t₂ (7) die Netzwechselspannung U_n erneut das Vorzeichen wechselt, wiederholen sich die oben beschriebenen Abläufe mit umgekehrtem Vorzeichen. Finally, if at time t ₂ ( 7 ) the mains AC voltage U _n again changes the sign, the above-described processes are repeated with the opposite sign.

Auf diese Weise ist die oben beschriebene Schaltung in der Lage, den Blindstrom aus dem Wechselstromnetz 16 aufzunehmen und die entsprechende Blindleistung zu puffern, bis sie wieder in das Netz zurückgegeben werden kann. In this way, the circuit described above is capable of reactive power from the AC mains 16 and buffer the corresponding reactive power until it can be returned to the grid.

In einer modifizierten Ausführungsform können die Schalter S₃ und S₄ auch in der Zeitspanne zwischen t₁ und t₂ geschlossen gehalten werden (wie in 6). Das hat den Vorteil, dass der Blindstrom nicht die Flussspannungen der internen Dioden dieser Schalter zu überwinden braucht und dass der Polwender 14 sich unmittelbar durch die Netzwechselspannung takten lässt. In a modified embodiment, the switches S ₃ and S _{4 may} also be kept closed in the period between t ₁ and t ₂ (as in FIG 6 ). This has the advantage that the reactive current does not need to overcome the forward voltages of the internal diodes of these switches and that the pole turner 14 can be clocked directly by the AC mains voltage.

Claims

Inverter for feeding energy from a DC voltage source ( 10 ) into an AC network ( 16 ), with a converter ( 12 ) for converting the voltage (U ₀ ) of the DC voltage source ( 10 ) in a pulsating, consisting of half-waves and with the AC line voltage (U _n ) synchronous direct current (I ₁ ), and a Polwender ( 14 ) for converting the pulsating direct current (I ₁ ) into an alternating current (I ₂ ), characterized by an energy storage circuit ( 20 ) and an electronic control device ( 18 ), which is set up, triggered by sign change of the mains alternating voltage (U _n ), the energy storage circuit ( 20 ) at intervals to the Polwender ( 14 ) and reactive power from the AC grid ( 16 ) in the energy storage circuit ( 20 ) to buffer.

An inverter according to claim 1, wherein on the input side of the pole turner ( 14 ) a capacitor C _{2 is connected in} parallel with the pole turner and the energy storage circuit ( 20 ) has an electronic converter with a capacitance C ₃ as an energy store, which can be coupled to the capacitance C ₂ , wherein the energy storage circuit ( 20 ) further comprises a current path for discharging the capacitance C ₃ into the input of the polarity reverser ( 14 ) and the control device ( 18 ) is adapted to receive power from the AC mains ( 16 ) about the Rev. 14 ) into the energy storage circuit ( 20 ) flowing electricity to modulate by driving the converter contained in this energy storage circuit.

An inverter according to claim 2, wherein the converter is a boost converter.