DE19635606A1 - Vorrichtung zur Erzeugung einer höheren Wechselspannung aus mehreren niedrigeren Gleichspannungen und dafür geeigneter Bausatz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung und einen für die Vorrichtung geeigneten Bausatz.

Die Erzeugung einer höheren Wechselspannung aus mehreren, niedrigeren Gleichspannun­ gen ist z. B. in Verbindung mit Photovoltaikanlagen bekannt, die nachfolgend kurz als PV-An­ lagen bezeichnet werden. Derartige Anlagen bestehen aus einer Vielzahl von parallel und/oder in Reihe geschalteten Solar- bzw. PV-Modulen, die jeweils eine Gleichspannung von typischerweise einigen zehn Volt erzeugen, wobei jeder Modul seinerseits aus einer vorgewählten Anzahl von Solarzellen mit einer Ausgangsspannung von z. B. je 0,5 Volt aufgebaut ist. Um zur Versorgung für Verbraucher geeignet zu sein, muß die mit derartigen Anlagen erzielbare Leistung konzentriert und aufbereitet werden. Hierzu ist neben der Parallel- und/oder Reihenschaltung von Solarzellen und/oder PV-Modulen vor allem auch eine Strom/Spannungs-Konvertierung mit Hilfe von Stromrichtern erforderlich, die aus Gleichspannung-/Gleichspannungs-(DC/DC-) oder Gleichspannungs-/Wech­ selspannungs-(DC/AC-)Wandlern oder entsprechenden Stromwandlern bestehen und dazu geeignet sein müssen, variable Anpassungen und Steuerungsaufgaben zu übernehmen, insbesondere wenn die Energie in ein bestehendes oder ein zu bildendes Wechsel- oder Drehstromnetz eingespeist werden soll. Entsprechendes gilt, wenn anstelle von PV-Modulen andersartige Gleichspannungsquellen vorhanden sind.

In der nachfolgenden Beschreibung wird in diesem Zusammenhang der Einfachheit halber überwiegend auf Gleichspannungsquellen, Gleichspannungen und deren Umwandlung in Wechselspannungen Bezug genommen. Dabei versteht sich, daß eine Gleichspan­ nungs-/Wechselspannungs-Quelle immer zugleich auch eine Gleichstrom/Wechselstrom- Quelle und umgekehrt ist und letztlich nicht eine bloße Strom- oder Spannungswandlung, sondern die damit verbundene Leistungs- bzw. Energieaufbereitung im Vordergrund steht.

Zur Energieaufbereitung der hier interessierenden Art ist es bekannt, die niedrigeren Gleichspannungen zunächst zur Leistungserhöhung in Reihe und/oder parallel zu schalten und über eine Gleichstromverdrahtung an einen gemeinsamen Stromrichter anzuschließen (Forschungsverband Sonnenenergie, Themen 92/93, Köln 1993, ISSN 0939-7582, Seiten 10, 11). Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß nur wenige Wechselrichter benötigt werden und ein vergleichsweise hoher Wechselrichter-Wirkungsgrad erzielt werden kann. Nachteilig ist jedoch, daß bei der Energieeinspeisung in ein normales Wechsel- bzw. Drehstromnetz eingangsseitig durch Gleichstromverdrahtung hohe Gleichspannungen bis zu ca. 400 V bzw. hohe Gleichströme erzeugt werden müssen, die z. B. wegen des Lichtbogenrisikos und der damit verbundenen Brandgefahr zu Problemen im Hinblick auf die Sicherheitsanforderungen führen, die an erd- und kurzschlußsicher verlegte Leitungen und damit verbundene Schalter gestellt werden. Außerdem beeinflussen die technologie-, fabrikations- und umweltbedingten unterschiedlichen Kenninien der einzelnen Span­ nungsquellen den Gesamtwirkungsgrad der PV-Anlage nachteilig, weil aus Gründen der Leistungsmaximierung oder zur gegenseitigen Anpassung erwünschte, individuelle Einstellungen der Arbeitspunkte nicht möglich sind.

Es ist daher auch bereits eine Vorrichtung der eingangs bezeichneten Gattung bekannt geworden (RWE, Private PV-Stromerzeugungsanlagen im Netzparallelbetrieb, 1991), bei der jede Gleichspannungsquelle an einen mit einer Reihenschaltung verbundenen, aus Leistungsschaltern und Dioden aufgebauten DC/DC-Wandler und die Reihenschaltung an einen DC/AC-Wandler angeschlossen ist, wobei einzelne PV-Module so zu Gleich­ spannungsquellen zusammengefaßt sind, daß deren Ausgangsgleichspannungen eine Folge von binären Vielfachen einer Grundgleichspannung von 11 V ergeben. Ziel dieser Maßnahme ist es, die Ausgangsgleichspannungen durch gezielte Ansteuerung der Lei­ stungsschalter so zu beeinflussen, daß sich abgestufte Teil-Gleichspannungen ergeben, die sich in der Reihenschaltung zu einer pulsierenden Gleichspannung addieren und am Ausgang des DC/AC-Wandlers zu einer nahezu sinusförmigen Ausgangswechselspannung führen. Auch bei dieser bekannten Vorrichtung zur Energieaufbereitung ergibt sich der Nachteil einer zu vergleichsweisen hohen Gleichspannungen führenden Verdrahtung. Abgesehen davon werden die von den einzelnen Gleichspannungsquellen generierten Leistungen nicht separat maximiert und die erzeugten Ströme durch eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen geleitet, von denen wenigstens zwei Leistungsschalter mit hohen Sperrspannungen und entsprechend hohen Durchlaßwiderständen sind, so daß sich vermindernde Anlagennutzungsgrade ergeben. Außerdem müssen unterschiedliche, an die Gleichspannungsquellen angepaßte DC/DC-Wandler vorgesehen werden.

Schließlich ist es bekannt (W. Kleinkauf "Elektrische Energieaufbereitung für einen thermionischen Generator", Promotionsschrift an der Fakultät für Maschinenbau und Elektrotechnik der Technischen Universität Braunschweig, 1975, S. 49, 50), die niedrige­ ren Gleichspannungen unmittelbar nach ihrer Erzeugung auf geringem Leistungsniveau in Teil-Wechselspannungen umzuwandeln und jede Teil-Wechselspannung vor der Ankopp­ lung an eine Reihenschaltung durch je einen Transformator hochzusetzen. Wegen der Multiplikation der Wirkungsgrade in den aus Wandlern und nachgeschalteten Trans­ formatoren bestehenden Schaltkreisen werden hierbei jedoch nur geringe Gesamtwirkungs­ grade erzielt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einerseits das Auftreten hoher Gleichspannungen zu vermeiden und andererseits einen hohen Gesamtwirkungsgrad zu erzielen, d. h. es soll die Aufbereitung der Energie aus mehreren Gleichspannungs-/Gleichstrom-Quellen unter Berücksichtigung der individuellen Ausprägung dieser Quellen besonders effizient und kostengünstig möglich sein. Außerdem soll ein für die Vorrichtung geeigneter Bausatz geschaffen werden, mit dem ein einfacher und sicherer Aufbau von PV-Anlagen in AC-Verdrahtungstechnik möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 13.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Energieaufbereitung in einem Energiever­ sorgungssystem, das eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung einer höheren Wechselspannung aus wenigstens zwei niedrigeren Gleichspannungen aufweist;

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungs­ form der im Energieversorgungssystem nach Fig. 1 enthaltenen Vorrichtung zur Erzeu­ gung der Wechselspannung; und

Fig. 3 eine grafische Darstellung des zeitlichen Spannungsverlaufs an verschiedenen Stellen der Vorrichtung nach Fig. 1.

Nach Fig. 1 enthält ein Energieversorgungssystem wenigstens zwei, hier drei Gleich­ spannungs- bzw. Gleichstromquellen 1, 2 und 3 mit Spannungen U_E1, U_E2 . . . U_En, denen je ein Gleichspannungs-/Wechselspannungs- bzw. DC/AC-Wandler bzw. Wechselrichter 4, 5 bzw. 6 nachgeschaltet ist. Anstelle der n = 3 Eingangszweige könnte eine wesentlich größere Anzahl von Eingangszweigen vorhanden sein, was vor allem von der Höhe der von den Gleichspannungsquellen abgegebenen Gleichspannungen und von der Höhe der geforderten Ausgangswechselspannung U_Σ bzw. U_{Σ *} abhängt.

Die Wechselrichter 4, 5 und 6 geben an ihren Ausgängen je eine Teil-Wechselspannung U_A1, U_A2 . . . U_An ab. Diese Ausgänge der Wechselrichter 4, 5 und 6 sind in Reihe geschaltet und so in einer Reihenschaltung 7 als String miteinander verbunden, daß die Teil-Wechselspannungen U_A1, U_A2 . . . U_An in dieser bzw. diesem zu einer höheren Wechselspannung U_Σ addiert bzw. aufsummiert werden, die an zwei Anschlüssen 8 und 9 der Reihenschaltung 7 abgenommen werden kann. An diese Anschlüsse 8 und 9 ist jedoch vorzugsweise noch eine Optimierungsschaltung 10 mit Ausgangsklemmen 11 und 12 angeschlossen, die eine weitere Übersetzung und Aufbereitung der Wechselgrößen Strom bzw. Spannung ermöglicht, um an den Ausgangsklemmen 11, 12 des Energieversor­ gungssystems eine Ausgangsspannung U_{Σ *} mit einer gewünschten Amplitude, Kurvenform bzw. Phasenlage zu erhalten, wie es beispielsweise für spezielle Anwendungen erforder­ lich sein kann.

In Fig. 2 sind die Gleichspannungsquellen 1, 2 und 3 symbolisch als PV-Module darge­ stellt, die beispielsweise jeweils eine Gleichspannung von max. 40 V abgeben können. Parallel zu jeder Spannungsquelle 1, 2 und 3 ist einerseits je ein Kondensator 13, 14 bzw. 15 und andererseits je ein DC/AC-Wandler bzw. Wechselrichter im Sinne der Bauelemen­ te 4, 5 bzw. 6 nach Fig. 1 geschaltet. Dabei besteht jeder Wechselrichter aus einer Brückenschaltung 16, 17 bzw. 18. Die Brückenschaltung 16 enthält vier Zweige, in die je ein z. B. aus einem Feldeffekttransistor od. dgl. bestehender Leistungsschalter 19, 20, 21 bzw. 22 geschaltet ist, der in je einer Richtung leitend gemacht werden kann. Parallel zu jedem Leistungsschalter 19, 20, 21 und 22 ist je eine Invers- bzw. Freilaufdiode 23, 24, 25 bzw. 26 so geschaltet, daß sie in Durchlaßrichtung des betreffenden Leistungsschalters sperrt und in Sperrichtung des betreffenden Leistungsschalters leitet. Außerdem ist ein Verbindungspunkt 27 der Leistungsschalter 19, 21 mit dem positiven Pol der Spannungs­ quelle 1 und ein Verbindungspunkt 28 der Leistungsschalter 20, 22 mit dem negativen Pol der Spannungsquelle 1 verbunden, so daß diese beiden Verbindungspunkte 27, 28 den Eingang der Brückenschaltung 16 bilden, während Verbindungspunkte 29 und 30 der Leistungsschalter 19, 20 einerseits bzw. 21, 22 andererseits den Ausgang der Brücken­ schaltung 16 bilden und zu zwei Ausgangsklemmen führen, die in Reihe in die Reihen­ schaltung 7 geschaltet sind. Entsprechend ist der Aufbau der Brückenschaltungen 17 und 18, wobei die in diesen vorhandenen Leistungsschalter und Dioden, soweit erforderlich, zusätzlich mit den Buchstaben "a" bzw. "b" versehen sind. Schließlich zeigt Fig. 2, allerdings nur für die Brückenschaltung 18, daß jeder Leistungsschalter einen Steuer­ eingang besitzt, der über eine Leitung 31, 32, 33 bzw. 34 mit einer Steuereinrichtung 35 verbunden ist.

Die Steuereinrichtung 35, die beispielsweise als Microprozessor oder Microcontroller ausgebildet sein kann, dient dem Zweck, die einzelnen Brückenschaltungen 16, 17 bzw. 18 durch zeitlich getaktetes Ein- bzw. Ausschalten der zugehörigen Leistungsschalter 19 bis 21 so zu steuern, daß die an ihren Eingängen 27, 28 liegenden Gleichspannungen in an ihren Ausgängen 29, 30 erscheinende Teil-Wechselspannungen umgewandelt werden. Die Freilaufdioden 23 bis 26 stellen dabei sicher, daß der Stromfluß durch die Reihenschaltung 7 unabhängig davon aufrechterhalten werden kann, welche der Gleichspannungsquellen 1, 2 bzw. 3 momentan gerade an die Reihenschaltung 7 angekoppelt ist. Die möglichen Stromrichtungen in der Reihenschaltung 7 sind in Fig. 1 und 2 durch die Pfeile +i bzw. -i angedeutet.

Zum besseren Verständnis der DC/AC-Wandlung sei beispielsweise angenommen, daß zu irgendeinem Zeitpunkt von der Steuereinrichtung 35 die Leistungsschalter 19 und 22 der Brückenschaltung 16 und die Leistungsschalter 22a, 22b der Brückenschaltungen 17, 18 im eingeschalteten Zustand sind. Es ist dann ein Stromfluß in Richtung der Pfeile +i vom positiven Pol der Spannungsquelle 1 über den Leistungsschalter 19 und den Verbindungs­ punkt 29 in die Reihenschaltung 7 und von dort zurück durch den Leistungsschalter 22b, die Freilaufdiode 24b, den Leistungsschalter 22a, die Freilaufdiode 24a und den Lei­ stungsschalter 22 zurück zum negativen Pol der Spannungsquelle 1 möglich, so daß in diesem Fall nur die Spannungsquelle 1 an die Reihenschaltung 7 angekoppelt ist. Wären dagegen z. B. die Leistungsschalter 20, 21, 20a, 21a, 20b und 21b momentan durch­ geschaltet, dann würde ein Stromfluß in Richtung der Pfeile -i vom positiven Pol der Gleichspannungsquelle 1 nacheinander durch die Leistungsschalter 21, 20a, die Gleich­ spannungsquelle 2, die Leistungsschalter 21a, 20b, die Gleichspannungsquelle 3 und den Leistungsschalter 21b in die Reihenschaltung 7 und von dort zurück über den Leistungs­ schalter 20 zum negativen Pol der Gleichspannungsquelle 1 möglich sein, so daß in diesem Fall alle drei Gleichspannungsquellen 1, 2 und 3 an die Reihenschaltung 7 angekoppelt wären. Je nach Ansteuerung der Leistungsschalter ist daher entweder ein Stromfluß durch diese oder durch die zu ihnen parallelen Freilaufdioden möglich, so daß der Stromfluß in der Reihenschaltung 7 unter allen gewünschten Betriebsbedingungen auch ohne Anwendung von Transformatoren und ohne Auftreten der hohen Ausgangsspannung U_Σ als Sperrspannung an den Leistungshalbleitern aufrechterhalten werden kann.

Auf diese Weise wird jeder Gleichspannungsquelle 1 ein Leistungsteil zugeordnet, das mit einem Übersetzungsverhältnis ü < 1 arbeitet und ausgangsseitig eine vorzugsweise rechteckige Teil-Wechselspannung mit einer vorgewählten Grundfrequenz von z. B. 50 Hz zur Verfügung stellt. Unter der Bezeichnung "rechteckförmig" wird im Zusammenhang mit Spannungen oder Strömen eine Form dieser Größen in Abhängigkeit von der Zeit verstanden, wie in Fig. 3 für die Spannungen dargestellt ist. Die maximale Breite der Rechteckspannungen entspricht dabei einem Zeitintervall, das einer halben Periode der die Leistungsschalter 19 bis 22 ansteuernden Steuerspannungen entspricht. Durch diese Periode ist eine bestimmte Grundfrequenz der Schaltung als Basisgröße bestimmt. In dem erwähnten Zeitintervall liegt jede Teil-Wechselspannung auf einem im wesentlichen konstanten, von Null verschiedenen Wert oder auf dem Wert Null. Die Höhe der Recht­ ecke stellt also die Spannungsamplitude dar.

Die Erfindung bringt zahlreiche Vorteile mit sich. Zunächst können Leistungsschalter in Form von Halbleiterbauelementen mit kleinen Sperrspannungen und Durchlaßwider­ ständen, d. h. kleinen Verlusten verwendet werden. Weiter kann wegen der Vermeidung von Hochsetzstellern (ü < 1) auf Transformatoren und andere energieumsetzende Induktivi­ täten völlig verzichtet werden, wodurch sich ein hoher Gesamtwirkungsgrad und Möglich­ keiten zur kostengünstigen Serienproduktion ergeben. Vorteilhaft ist ferner, daß bei Anwendung gleichartiger Gleichspannungsquellen 1, 2 bzw. 3 auch im wesentlichen baugleiche DC/AC-Wandler vorgesehen werden können, wobei in Verbindung mit PV-Anlagen vor allem die Anwendung je eines DC/AC-Wandlers pro Modul zweckmäßig ist, obwohl auch mehrere Module zu einer Gleichspannungsquelle zusammengefaßt werden könnten. Schließlich besteht ein besonders wesentlicher Vorteil der Erfindung darin, daß die einzelnen Gleichspannungsquellen nicht nur in Abhängigkeit vom gewünschten Verlauf der Gesamtwechselspannung U_Σ einzeln an- bzw. abgekoppelt, sondern auch entsprechend dem bekannten MPP-Tracking im optimalen Arbeitspunkt (Maximum Power Point) betrieben werden können, indem die sich im Mittel an den Kondensatoren 13, 14 und 15 einstellenden Spannungen bzw. die zugehörigen Lade-/Entlade-Ströme entsprechend gewählt werden. Damit stellt die Kombination der einzelnen DC/AC-Wandler 16, 17 und 18 in PV-Anlagen insgesamt einen moduloptimierenden String-Wechselrichter dar. Die Kondensatoren 13, 14 und 15 dienen dabei dem Zweck, bei Anwendung von Spannungs­ quellen ohne interne Energiespeicherfähigkeit (z. B. PV-Modulen) den diskontinuierlichen Energiefluß auf der Ausgangsseite auszugleichen.

In Fig. 3 ist eine beispielhaft gewählte additive Zusammensetzung der höheren Wechsel­ spannung U_Σ dargestellt. Fig. 3 zeigt in ihrem oberen Teil schematisch einen willkürlich gewählten, von den Strom-Spannungsrelationen der einzelnen Quellen abhängenden zeitlichen Verlauf der drei Teil-Wechselspannungen U_A1, U_A2 und U_An zwischen den in Fig. 2 dargestellten Verbindungspunkten 29, 30, 29a, 30a bzw. 29b und 30b, wobei sich diese Teil-Wechselspannungen durch die Reihenspaltung 7 zu der höheren Wechsel­ spannung U_Σ aufsummieren, was aus dem mittleren Teil der Fig. 3 hervorgeht, wo die Spannung zwischen den Ausgangsklemmen 8 und 9 dargestellt ist. Ein derartiger zeitlicher Verlauf der einzelnen Teil-Wechselspannungen wird lediglich durch gezieltes Ein- und Ausschalten bzw. Ausgeschaltet-lassen der Leistungsschalter 19 bis 22 im oben be­ schriebenen Umfang während bestimmter Zeitintervalle 41 und 42, die im allgemeinen kleiner als eine halbe Periode sind, erreicht, indem die Steueranschlüsse der Leistungs­ schalter 19 bis 22 in den verschiedenen Zweigen der Brückenschaltungen 16, 17 und 18 entsprechend angesteuert werden. Dabei versteht sich, daß durch eine andere Wahl der Steuerzeitpunkte und die damit verbundene Einstellung der Breiten und Phasenlage der Teil-Wechselspannungen auch andere Kurvenformen erhalten werden können.

Der zeitliche Verlauf der String-Wechselspannung U_Σ kann mit Hilfe der Optimierungs­ schaltung 10 in Fig. 1 bei Bedarf weiter optimiert werden. Hierzu enthält die Optimie­ rungsschaltung 10 beispielsweise eine zwischen die beiden Klemmen 9 und 11 geschaltete Parallelschaltung aus zwei Zweigen, die aus je einer Serienschaltung aus einem Leistungs­ schalter und einer Diode bestehen, die in entgegengesetzte Richtungen leiten können und zur Wechselstromaufteilung in der positiven bzw. negativen Halbwelle dienen. Bei Ansteuerung der Leistungsschalter mit einer ausreichend hohen Frequenz im Sinne des unteren Teils der Fig. 3 wird dadurch eine stärkere Annäherung an eine Sinusform erhalten, was zu einer besseren Netzanpassung führt oder zur Erfüllung anderer, anwen­ dungsspezifischer Vorgaben dienen kann. Zusätzlich könnte die Optimierungsschaltung 10 mit einem Hochsetzsteller und einer Glättungsinduktivität versehen sein. Um die mit Induktivitäten im Lastkreis verbundenen, prinzipbedingten Spannungsspitzen zu ver­ meiden, wird bei deren Anwendung die Optimierungsschaltung 10 zusätzlich für jede Stromrichtung mit je einem Freilauf für die positive bzw. negative Halbwelle versehen, der z. B. aus je einer zwischen die Klemmen 11 und 12 geschalteten Serienschaltung aus einem Leistungsschalter und einer Diode besteht, die wie die oben genannten Dioden dem Schutz des Leistungsschalters in Sperrichtung dient. Schließlich können in bekannter Weise Kapazitäten und/oder Induktivitäten in der Reihenschaltung 7 vorgesehen werden, um eine Anpassung an eine an die Ausgangsklemmen 11 und 12 angeschlossene, nicht rein ohmsche Last zu bewirken.

Die DC/AC-Wandler 16, 17 und 18 werden erfindungsgemäß vorzugsweise als komplett vorgefertigte, kompakte Bausätze ausgebildet und als moduloptimierende Kleinst-Wechsel­ richter unmittelbar an oder in den PV-Modulen 1, 2 bzw. 3 oder in unmittelbarer Nähe derselben angebracht. Am Eingang der Bausätze wird zweckmäßigerweise auch der ent­ sprechende Kondensator 13, 14 bzw. 15 angebracht.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die sich auf vielfache Weise abwandeln lassen. Insbesondere können auch andere elektrische Spannungsquellen oder Energiespeicher als Gleichspannungsquellen Verwendung finden, beispielsweise Batterien. In diesem Fall sind die mit den Eingängen der Brückenschaltun­ gen parallel geschalteten Kondensatoren 13, 14 bzw. 15 nicht zwingend erforderlich. Weiter können mehrere PV-Module miteinander verschaltet werden und gemeinsam eine der Gleichspannungsquellen 1, 2 bzw. 3 bilden. Ferner können die erfindungsgemäßen Vorrichtungen auch zum Erzeugen von Drehstrom verwendet werden, indem beispiels­ weise drei der beschriebenen Vorrichtungen drehstromverschaltet werden. Weiter können in den Brückenschaltungen anstelle der Freilaufdioden 23 bis 26 andere, von Induktivitäten freie Bauelemente verwendet werden, um sicherzustellen, daß in der Reihenschaltung 7 auch dann ein Stromfluß aufrechterhalten werden kann, wenn einzelne der Gleichspan­ nungsquellen momentan abgekoppelt sind, sofern durch sie die etwa vorhandenen Kondensatoren 13, 14 und 15 nicht kurzgeschlossen werden. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform kann außerdem dadurch erhalten werden, daß den von den verschiede­ nen DC/AC-Wandlern abgegebenen Teil-Wechselspannungen durch entsprechende Austeuerung der Leistungsschalter 19 bis 22 eine derart abgestufte unterschiedliche Breite gegeben wird, daß sie sich bereits innerhalb der Reihenschaltung 7 zu einer Gesamt­ wechselspannung U_Σ addieren, die annähernd eine vorgewählte Form, z. B. Sinusform, besitzt. Dabei kann es zweckmäßig sein, die Steuerung so durchzuführen, daß die abgestuften Teil-Wechselspannungen im zyklischen Wechsel von den DC/AC-Wandlern abgegeben werden, damit alle Gleichspannungsquellen im Mittel im wesentlichen in gleicher Weise belastet werden. Schließlich versteht sich, daß die verschiedenen Elemente auch in anderen als den dargestellten und beschriebenen Kombinationen verwendet werden können.

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Aufbereitung der Energie aus mehreren Gleichspannungsquellen in Wechsel- oder Drehstrom sowohl unter Berücksichtigung der individuellen, fabrikations- und alterungs­ bedingten Ausprägung dieser Quellen als auch unter Berücksichtigung ihrer jeweiligen, sich zeitlich ändernden Betriebszustände besonders effizient und kostengünstig möglich ist. Dies wird vor allem durch die Möglichkeit der individuellen Einstellung von Arbeits­ punkten maximaler Leistung bei allen Gleichspannungsquellen, durch den Verzicht auf Transformatoren und andere den Wirkungsgrad beeinträchtigende Induktivitäten sowie durch Vermeidung von Verlusten durch Anwendung von Halbleiterbauelementen mit geringem Durchlaßwiderstand bewirkt. Dabei kann die Energieaufbereitung durch eine nahezu vollständige Wechselstromverdrahtung gleichzeitig störungssicher und durch Einsparung passiver Bauelemente und Minimierung der Anzahl der in Reihe geschalteten Halbleiterbauelemente auch kostengünstig durchgeführt werden.

Claims (17)

1. Vorrichtung zur Erzeugung einer höheren Wechselspannung (U_Σ) aus mehreren, niedrigeren Gleichspannungen (U_E1, U_E2, U_En) enthaltend: wenigstens zwei Gleichspan­ nungs-/Gleichstrom-Quellen (1, 2, 3), eine Reihenschaltung (7) und die Gleichspan­ nungs-Gleichstrom-Quellen (1, 2, 3) an die Reihenschaltung (7) ankoppelnde, Lei­ stungsschalter (19 bis 22) aufweisende, Teilspannungen (U_A1, U_A2, U_An) erzeugende Strom-/Spannungs-Wandler (16, 17, 18), wobei die Leistungsschalter (19 bis 22) so angeordnet und ansteuerbar sind, daß die Teilspannungen (U_A1, U_A2, U_An) unabhängig voneinander an die Reihenschaltung (7) ankoppelbar sind und die Reihenschaltung (7) unabhängig von der Anzahl der angekoppelten Teilspannungen (U_A1, U_A2, U_An) geschlos­ sen sein kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Strom-/Spannungswandler (16, 17, 18) Teil-Wechselspannungen (U_A1, U_A2, U_An) erzeugende DC/AC-Wandler sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die DC/AC-Wandler (16, 17, 18) zur Erzeugung rechteckförmiger Teil-Wechselspannungen (U_A1, U_A2, U_An) eingerichtet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß den DC/AC- Wandlern (16, 17, 18) Mittel (35) zur Variation der Breite der Teil-Wechselspannungen (U_A1, U_A2, U_An) zugeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den DC/AC-Wandlern (16, 17, 18) Mittel (35) zur Variation der Phasenlage der Teil- Wechselspannungen (U_A1, U_A2, U_An) zugeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die DC/AC-Wandler (16, 17, 18) aus Brückenschaltungen mit vier Zweigen gebildet sind, in denen je ein Leistungsschalter (19 bis 22) und eine diesem parallel geschaltete, in Sperrichtung des Leistungsschalters (19 bis 22) leitende Diode (23 bis 26) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß den Brückenschaltungen (16, 17, 18) wenigstens eine Steuereinrichtung (35) zugeordnet ist, durch die zwei in die Reihenschaltung (7) geschaltete Ausgangsanschlüsse (29, 30) der Brückenschaltungen der DC/AC-Wandler (16, 17, 18) paarweise und nach Zeitpunkt und Zeitdauer gesteuert mit vorgewählter Polarität mit den zugehörigen Spannungsquellen (1, 2, 3) leitend verbunden werden.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (35) den Gleichspannungsquellen (1, 2, 3) zugeordnete MPP-Regel­ einrichtungen enthält.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (35) als Teil einer Regeleinrichtung für die Ausgangsspannung (U_Σ, U_{Σ *}) bzw. den Ausgangsstrom eingerichtet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsschalter (19 bis 22) so steuerbar sind, daß die Teil-Wechselspannungen (U_A1, U_A2, U_An) eine so abgestufte unterschiedliche Breite aufweisen, daß sich eine z. B. einem Sinus angenäherte Gesamtspannung (U_Σ) ergibt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsschalter (19 bis 22) so steuerbar sind, daß die DC/AC-Wandler die verschieden breiten Teil-Wechsel­ spannungen (U_A1, U_A2, U_An) im zyklischen Wechsel abgeben.

11. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reihenschaltung (7) eine Optimierungsschaltung (10) zur weiteren Übersetzung und/oder Aufbereitung der höheren Wechselspannung (U_Σ) hinsichtlich ihrer Amplitude, Kurvenform oder Phasenlage nachgeschaltet ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Gleichspannungsquelle (1, 2, 3) als PV-Modul ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu den Gleichspannungsquellen (1, 2, 3) geschaltete Kondensatoren (13, 14, 15) vorgesehen sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die DC/AC- Wandler (16, 17, 18) und ggf. die Kondensatoren (13, 14, 15) zur unmittelbaren An­ bringung in oder an einem PV-Modul eingerichtet sind.

15. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die DC/AC-Wandler (16, 17, 18) keine den Wirkungsgrad beeinträchtigenden, induktiven Bauelemente aufweisen.

16. Bausatz für eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß er wenigstens eine Brückenschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 12 enthält.

17. Bausatz nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß er zur unmittelbaren Anbringung an einem PV-Modul eingerichtet ist.