DE19635606A1

DE19635606A1 - Low voltage direct current to high voltage alternating current converter

Info

Publication number: DE19635606A1
Application number: DE1996135606
Authority: DE
Inventors: Werner Prof Dr Ing Kleinkauf
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-09-02
Filing date: 1996-09-02
Publication date: 1998-03-05

Abstract

The convertor has at least two DC sources (1-3), a series circuit (7) and current/voltage DC to AC converters that generate part-voltages. The DC to AC converters that have power switches and couple the series circuit to the DC sources. The switches are controlled so that the part-voltages can be coupled independently to the series circuit and the series circuit can be switched on independently of the number of part-voltages. The converters generate square voltage waveforms, and can vary their width and phase. The converters are formed in bridges with four branches, each branch having a power switch and a parallel diode.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung und einen für die Vorrichtung geeigneten Bausatz.The invention relates to a device specified in the preamble of claim 1 Genus and a kit suitable for the device.

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.Generating a higher AC voltage from multiple, lower DC voltages gen is z. B. known in connection with photovoltaic systems, hereinafter briefly as PV-An were referred to. Such systems consist of a large number of parallel and / or solar or PV modules connected in series, each with a DC voltage of typically a few tens of volts, each module itself consisting of one preselected number of solar cells with an output voltage of z. B. 0.5 volts each is constructed. In order to be suitable for supply to consumers, the with achievable performance is concentrated and processed. This is in addition to the parallel and / or series connection of solar cells and / or PV modules a current / voltage conversion with the help of converters is also required, which consist of direct voltage / direct voltage (DC / DC) or direct voltage / altern voltage (DC / AC) converters or corresponding current transformers exist and in addition must be able to take on variable adjustments and control tasks, especially if the energy is in an existing or an alternating or to be formed Three-phase network to be fed. The same applies if instead of PV modules different types of direct voltage sources are available.

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.In this connection, the following description is for the sake of simplicity predominantly on DC voltage sources, DC voltages and their conversion into AC voltages referenced. It goes without saying that a DC voltage / alternating voltage source always also a direct current / alternating current Source and vice versa and ultimately not just a current or voltage conversion, The focus is rather on the associated power and energy processing.

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.It is known for energy processing of the type of interest here, the lower ones First switch DC voltages in series and / or in parallel to increase the power and to be connected to a common converter via DC wiring (Solar Energy Research Association, topics 92/93, Cologne 1993, ISSN 0939-7582, pages 10, 11). This has the advantage that only a few inverters are required and a comparatively high inverter efficiency can be achieved. It is disadvantageous, however, that when the energy is fed into a normal alternating or Three-phase network on the input side through DC wiring high DC voltages up to 400 V or high direct currents that z. B. because of Arc risks and the associated fire risk to problems with regard to the safety requirements that lead to earth and short-circuit proof lines and related switches are set. In addition, the technology, different characteristics of the individual chips due to manufacturing and environmental factors the overall efficiency of the PV system, because for reasons of Maximize performance or individual, desired for mutual adjustment Settings of the working points are not possible.

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.A device of the type described at the outset is therefore already known (RWE, private PV power generation systems in parallel operation, 1991), at of each DC voltage source to one connected to a series circuit Circuit breakers and diodes built DC / DC converter and the series connection a DC / AC converter is connected, whereby individual PV modules are the same voltage sources are summarized that their DC output voltages result of binary multiples of a basic DC voltage of 11 V. Aim this Measure is to control the output DC voltages by specifically controlling the Lei to influence the circuit breaker so that there are graded partial DC voltages that add up to a pulsating DC voltage in the series circuit and am Output of the DC / AC converter to an almost sinusoidal AC output voltage to lead. This also results in this known device for energy processing Disadvantage of wiring leading to comparatively high direct voltages. Apart from that, those generated by the individual DC voltage sources Performances are not maximized separately and the currents generated by a variety of Semiconductor devices passed, of which at least two circuit breakers with high Reverse voltages and correspondingly high forward resistances are so that reducing plant efficiency. They also have to be different DC / DC converters adapted to DC voltage sources are provided.

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.Finally, it is known (W. Kleinkauf "Electrical energy processing for one thermionic generator ", doctoral thesis at the Faculty of Mechanical Engineering and Electrical engineering from the Technical University of Braunschweig, 1975, p. 49, 50), the low one DC voltages immediately after their generation at a low power level Convert partial AC voltages and each partial AC voltage before docking to a series connection by means of a transformer. Because of the Multiplication of the efficiencies in the from Transducers and downstream Trans existing circuitry will only have a small overall effect just achieved.

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.Starting from this prior art, the invention is based on the object on the one hand to avoid the occurrence of high DC voltages and on the other hand to avoid to achieve high overall efficiency, d. H. it is supposed to process the energy multiple DC / DC sources considering individual These sources can be developed particularly efficiently and cost-effectively. Furthermore a kit suitable for the device is to be created, with which a simple and safe construction of PV systems using AC wiring technology is possible.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 13.To solve this problem, the characterizing features of claims 1 and 13.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Further advantageous features of the invention emerge from the subclaims.

Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below in conjunction with the accompanying drawing Embodiment explained in more detail. Show it:

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; Figure 1 is a block diagram of an arrangement for energy processing in a power supply system, which has an inventive device for generating a higher AC voltage from at least two lower DC voltages.

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. 2 is a schematic circuit diagram of a preferred embodiment of the invention form of the device included in the power supply system of Figure 1 for generating the AC voltage. and

Fig. 3 eine grafische Darstellung des zeitlichen Spannungsverlaufs an verschiedenen Stellen der Vorrichtung nach Fig. 1. Fig. 3 is a graphical representation of the time course of voltage at various points of the device of 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.According to Fig. 1, a power supply system comprises at least two, here three DC voltage or DC power sources 1, 2 and 3 with voltages U _E1, U _E2. . . U _En , each of which is followed by a DC voltage / AC voltage or DC / AC converter or inverters 4 , 5 or 6 . Instead of the n = 3 input branches, there could be a much larger number of input branches, which depends above all on the level of the DC voltages emitted by the DC voltage sources and on the level of the required output _AC voltage U _Σ or U _Σ _* .

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.The inverters 4 , 5 and 6 each give a partial AC voltage U _A1 , U _A2 at their outputs. . . U _An down. These outputs of the inverters 4 , 5 and 6 are connected in series and connected to one another as a string in a series connection 7 such that the partial alternating voltages U _A1 , U _A2 . . . U _An in this or this can be added or summed to a higher alternating voltage U _Σ , which can be taken off at two connections 8 and 9 of the series circuit 7 . However, an optimization circuit 10 with output terminals 11 and 12 is preferably connected to these connections 8 and 9 , which enables a further translation and preparation of the alternating variables current or voltage in order to have an output voltage U _Σ _* at the output terminals 11 , 12 of the energy supply system to obtain a desired amplitude, curve shape or phase position, as may be necessary for special applications, for example.

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.In Fig. 2, the DC voltage sources 1 , 2 and 3 are symbolically represented as PV modules, each of which, for example, a DC voltage of max. Can deliver 40 V. In parallel with each voltage source 1 , 2 and 3 , on the one hand a capacitor 13 , 14 or 15 and on the other hand a DC / AC converter or inverter in the sense of components 4 , 5 and 6 according to FIG. 1 are connected. Each inverter consists of a bridge circuit 16 , 17 or 18 . The bridge circuit 16 contains four branches, in each of which a z. B. from a field effect transistor. Like. Existing circuit breaker 19 , 20 , 21 or 22 is connected, which can be made conductive in one direction. In parallel to each circuit breaker 19 , 20 , 21 and 22 , an inverse or freewheeling diode 23 , 24 , 25 or 26 is connected so that it blocks in the forward direction of the circuit breaker in question and conducts in the blocking direction of the circuit breaker in question. In addition, a connection point 27 of the circuit breakers 19 , 21 is connected to the positive pole of the voltage source 1 and a connection point 28 of the circuit breakers 20 , 22 to the negative pole of the voltage source 1 , so that these two connection points 27 , 28 form the input of the bridge circuit 16 , while connection points 29 and 30 of the circuit breakers 19 , 20 on the one hand and 21 , 22 on the other hand form the output of the bridge circuit 16 and lead to two output terminals which are connected in series in the series circuit 7 . The structure of the bridge circuits 17 and 18 is corresponding, the circuit breakers and diodes present in these being additionally provided with the letters "a" and "b", if necessary. Finally, Fig. 2 shows, but only for the bridge circuit 18 , that each circuit breaker has a control input, which is connected via a line 31 , 32 , 33 and 34 to a control device 35 .

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.The control device 35 , which can be designed, for example, as a microprocessor or microcontroller, serves the purpose of controlling the individual bridge circuits 16, 17 and 18 by switching the associated circuit breakers 19 to 21 on and off in a manner timed in such a way that they are connected to their inputs 27 , 28 direct voltages are converted into partial alternating voltages appearing at their outputs 29 , 30 . The freewheeling diodes 23 to 26 ensure that the current flow through the series circuit 7 can be maintained regardless of which of the DC voltage sources 1 , 2 or 3 is currently coupled to the series circuit 7 . The possible current directions in the series circuit 7 are indicated in FIGS. 1 and 2 by the arrows + i and -i.

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.For a better understanding of the DC / AC conversion, it may be assumed, for example, that the circuit breakers 19 and 22 of the bridge circuit 16 and the circuit breakers 22 a, 22 b of the bridge circuits 17 , 18 are in the switched-on state at some point in time from the control device 35 . There is then a current flow in the direction of the arrows + i from the positive pole of the voltage source 1 via the circuit breaker 19 and the connection point 29 into the series circuit 7 and from there back through the circuit breaker 22 b, the freewheeling diode 24 b, the circuit breaker 22 a, the free-wheeling diode 24 a and the Lei stungsschalter 22 back to the negative pole of the voltage source 1 possible, so that in this case only the voltage source 1 is coupled to the series circuit 7 . If, on the other hand, B. the circuit breaker 20 , 21 , 20 a, 21 a, 20 b and 21 b currently switched through, then a current flow in the direction of arrows -i from the positive pole of the DC voltage source 1 would be successively through the circuit breaker 21 , 20 a, the same Voltage source 2 , the circuit breaker 21 a, 20 b, the DC voltage source 3 and the circuit breaker 21 b in the series circuit 7 and from there back via the power switch 20 to the negative pole of the DC voltage source 1 , so that in this case all three DC voltage sources 1 , 2 and 3 would be coupled to the series circuit 7 . Depending on the control of the circuit breakers, either a current flow through them or through the parallel freewheeling diodes is possible, so that the current flow in the series circuit 7 under all desired operating conditions without the use of transformers and without the occurrence of the high output voltage U _Σ as reverse voltage to the Power semiconductors can be maintained.

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.In this way, each DC voltage source 1 is assigned a power section that works with a gear ratio ü <1 and on the output side a preferably rectangular partial AC voltage with a preselected fundamental frequency of z. B. 50 Hz. The term "rectangular" in connection with voltages or currents is understood to mean a form of these quantities as a function of time, as is shown in FIG. 3 for the voltages. The maximum width of the square-wave voltages corresponds to a time interval which corresponds to half a period of the control voltages driving the circuit breakers 19 to 22 . Through this period, a certain basic frequency of the circuit is determined as the basic variable. In the time interval mentioned, each partial AC voltage is at an essentially constant, non-zero value or at the value zero. The height of the rectangle represents the voltage amplitude.

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.The invention has numerous advantages. First, circuit breakers in the form of semiconductor devices with small reverse voltages and ON resistances, ie small losses, can be used. Furthermore, because of the avoidance of step-up converters (ü <1), transformers and other energy-converting inductors can be dispensed with entirely, which results in high overall efficiency and opportunities for cost-effective series production. It is also advantageous that when using DC voltage sources 1 , 2 or 3 of the same type, essentially identical DC / AC converters can also be provided, with the use of one DC / AC converter per module being particularly useful in connection with PV systems , although several modules could also be combined to form a DC voltage source. Finally, a particularly important advantage of the invention is that the individual DC voltage sources are not only coupled or uncoupled individually as a function of the desired profile of the total _AC voltage U _Σ , but are also operated in accordance with the known MPP tracking at the optimum operating point (maximum power point) can be selected accordingly by the voltages established on the capacitors 13 , 14 and 15 or the associated charge / discharge currents. The combination of the individual DC / AC converters 16 , 17 and 18 in PV systems thus represents a module-optimizing string inverter. The capacitors 13 , 14 and 15 serve the purpose of using voltage sources without internal energy storage capacity (e.g. B. PV modules) to balance the discontinuous energy flow on the output side.

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.An exemplary additive composition of the higher alternating voltage U _{Σ is} shown in FIG. 3. Fig. 3 shows in its upper part schematically an arbitrarily chosen depended ends of the current-voltage relationships of the individual sources over time of the three AC voltages U _A1, U _A2 and U _On between the illustrated in Fig. 2 connecting points 29, 30, 29 a, 30 a and 29 b and 30 b, these partial alternating voltages add up by the series splitting 7 to the higher alternating voltage U _Σ , which is apparent from the middle part of FIG. 3, where the voltage between the output terminals 8 and 9 is shown. Such a time profile of the individual partial AC voltages is only achieved by switching the circuit breakers 19 to 22 on and off or off to the extent described above during certain time intervals 41 and 42 , which are generally less than half a period , by the control connections of the power switches 19 to 22 in the different branches of the bridge circuits 16 , 17 and 18 are driven accordingly. It goes without saying that other curve shapes can also be obtained by a different choice of the control times and the associated setting of the widths and phase positions of the partial alternating voltages.

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. The time profile of the AC string voltage U _Σ can be further optimized with the aid of the optimization circuit 10 in FIG. 1 if necessary. For this purpose, the optimization circuit 10 includes, for example, a parallel connection between the two terminals 9 and 11 , consisting of two branches, each consisting of a series circuit comprising a power switch and a diode, which can lead in opposite directions and for alternating current distribution in the positive or negative Serve half wave. When driving the circuit breaker with a sufficiently high frequency in the sense of the lower part of FIG. 3, a closer approximation to a sinusoidal shape is obtained, which leads to a better network adaptation or to serve other, application-specific requirements. In addition, the optimization circuit 10 could be provided with a step-up converter and a smoothing inductor. In order to avoid the principle-related voltage peaks associated with inductors in the load circuit, the optimization circuit 10 is additionally provided with a freewheel for the positive or negative half-wave for each current direction when they are used. B. consists of a series circuit between the terminals 11 and 12 consists of a circuit breaker and a diode which, like the diodes mentioned above, serves to protect the circuit breaker in the reverse direction. Finally, capacitances and / or inductivities can be provided in the series circuit 7 in a known manner in order to bring about an adaptation to a not purely ohmic load connected to the output terminals 11 and 12 .

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.The DC / AC converters 16 , 17 and 18 are preferably designed according to the invention as completely prefabricated, compact kits and attached as module-optimizing miniature inverters directly on or in the PV modules 1 , 2 or 3 or in the immediate vicinity thereof. At the entrance of the kits, the appropriate capacitor 13 , 14 and 15 is also appropriately attached.

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.The invention is not restricted to the exemplary embodiments described, which can be modified in many ways. In particular, other electrical voltage sources or energy stores can also be used as DC voltage sources, for example batteries. In this case, the capacitors 13 , 14 and 15 connected in parallel with the inputs of the bridge circuits are not absolutely necessary. Furthermore, several PV modules can be interconnected and together form one of the DC voltage sources 1 , 2 or 3 . Furthermore, the devices according to the invention can also be used to generate three-phase current by, for example, three of the devices described being three-phase connected. Furthermore, other components free of inductors can be used in the bridge circuits instead of the freewheeling diodes 23 to 26 , in order to ensure that a current flow can also be maintained in the series circuit 7 when individual ones of the DC voltage sources are currently decoupled, provided that they provide the approximately existing capacitors 13 , 14 and 15 are not short-circuited. A particularly preferred embodiment can also be obtained in that the partial alternating voltages emitted by the various DC / AC converters are given a graduated different width by appropriate control of the circuit breakers 19 to 22 in such a way that they already exist within the series circuit 7 add a total alternating voltage U _Σ , which is approximately a preselected shape, e.g. B. sinusoidal. It can be expedient to carry out the control in such a way that the graduated partial alternating voltages are emitted in a cyclical alternation by the DC / AC converters, so that on average all direct voltage sources are loaded in essentially the same way. Finally, it goes without saying that the various elements can also be used in combinations other than those shown and described.

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.In summary, it can be said that with the aid of the device according to the invention a processing of the energy from several DC voltage sources in AC or Three-phase current, taking into account the individual, manufacturing and aging conditional expression of these sources as well as taking into account their respective, changing operating states over time is particularly efficient and cost-effective. This is mainly due to the possibility of individual adjustment of work score maximum performance with all DC voltage sources by doing without Transformers and other inductances affecting efficiency, and by avoiding losses through the use of semiconductor components low forward resistance. The energy treatment can be done by a Almost complete AC wiring, both fail-safe and through Saving passive components and minimizing the number of series connected Semiconductor components can also be carried out inexpensively.

Claims

1. Device for generating a higher AC voltage (U _Σ ) from several, lower DC voltages (U _E1 , U _E2 , U _En ) containing: at least two DC voltage / DC sources ( 1 , 2 , 3 ), a series circuit ( 7 ) and the direct voltage sources ( 1 , 2 , 3 ) coupling to the series circuit ( 7 ), circuit breakers ( 19 to 22 ) having partial voltages (U _A1 , U _A2 , U _An ) generating current / voltage Converter ( 16 , 17 , 18 ), the circuit breakers ( 19 to 22 ) being arranged and controllable so that the partial voltages (U _A1 , U _A2 , U _An ) can be coupled to the series circuit ( 7 ) independently of one another and the series circuit ( 7 ) regardless of the number of coupled partial voltages (U _A1 , U _A2 , U _An ) can be closed, characterized in that the current / voltage converter ( 16 , 17 , 18 ) partial AC voltages (U _A1 , U _A2 , U _An ) generating DC / AC converters.

2. Device according to claim 1, characterized in that the DC / AC converter ( 16 , 17 , 18 ) for generating rectangular partial AC voltages (U _A1 , U _A2 , U _An ) are set up.

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the DC / AC converters ( 16, 17 , 18 ) means ( 35 ) for varying the width of the partial alternating voltages (U _A1 , U _A2 , U _An ) are assigned .

4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the DC / AC converters ( 16 , 17 , 18 ) means ( 35 ) for varying the phase position of the partial alternating voltages (U _A1 , U _A2 , U _An ) are assigned .

5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the DC / AC converter ( 16 , 17 , 18 ) are formed from bridge circuits with four branches, in each of which a circuit breaker ( 19 to 22 ) and one connected in parallel, in the reverse direction of the circuit breaker ( 19 to 22 ) conductive diode ( 23 to 26 ) are arranged.

6. The device according to claim 5, characterized in that the bridge circuits ( 16 , 17 , 18 ) is assigned at least one control device ( 35 ) through which two in the series circuit ( 7 ) connected output connections ( 29 , 30 ) of the bridge circuits of the DC / AC converters ( 16 , 17 , 18 ) in pairs and controlled according to the time and duration with a preselected polarity with the associated voltage sources ( 1 , 2 , 3 ) are conductively connected.

7. Device according to one of claims 5 or 6, characterized in that the control device ( 35 ) contains the DC voltage sources ( 1 , 2 , 3 ) associated MPP control devices.

8. Device according to one of claims 5 to 7, characterized in that the control device ( 35 ) is set up as part of a control device for the output voltage (U _Σ , U _Σ _* ) or the output current.

9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the circuit breakers ( 19 to 22 ) are controllable so that the partial alternating voltages (U _A1 , U _A2 , U _An ) have a different width so graded that a z. B. gives a sine approximate total voltage (U _Σ ).

10. The device according to claim 9, characterized in that the circuit breakers ( 19 to 22 ) are controllable so that the DC / AC converter the differently wide partial alternating voltages (U _A1 , U _A2 , U _An ) in cyclical alternation .

11. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the series circuit ( 7 ) is followed by an optimization circuit ( 10 ) for further translation and / or processing of the higher alternating voltage (U _Σ ) with regard to its amplitude, curve shape or phase position.

12. Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one DC voltage source ( 1 , 2 , 3 ) is designed as a PV module.

13. Device according to one of the preceding claims, characterized in that capacitors ( 13 , 14 , 15 ) connected in parallel with the DC voltage sources ( 1 , 2 , 3 ) are provided.

14. The apparatus according to claim 12 or 13, characterized in that the DC / AC converter ( 16 , 17 , 18 ) and possibly the capacitors ( 13 , 14 , 15 ) are set up for direct attachment to or in a PV module are.

15. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the DC / AC converter ( 16 , 17 , 18 ) have no inductive components which impair efficiency.

16. Kit for a device according to one of claims 5 to 15, characterized records that it has at least one bridge circuit according to one or more of the Claims 5 to 12 contains.

17. Kit according to claim 16, characterized in that it for immediate Attachment to a PV module is set up.