WO2009098093A2 - Wechselrichteranordnung zum einspeisen von photovoltaisch gewonnener energie in ein öffentliches netz - Google Patents

Wechselrichteranordnung zum einspeisen von photovoltaisch gewonnener energie in ein öffentliches netz Download PDF

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Definitions

  • Inverter arrangement for feeding photovoltaic energy into a public
  • the invention relates to an inverter arrangement for feeding photovoltaic energy obtained in a public network according to the preamble of the main claim.
  • FIG. 1 shows the basic structure of a system for feeding a photovoltaic energy obtained in the public network.
  • An inverter is connected to the public network 6 on its output side, wherein this connection can be made in one or more phases via the phases P 1 to P 3 as well as a neutral conductor N and a protective conductor PE (protective earth, ground potential).
  • the inverter 1 is connected to one or more solar generators 5, whereby Depending on the circuit technology of the inverter 1, certain potentials are set at the connection terminals of the solar generator 5 with respect to the ground potential PE, which are designated by U P i us and U M i nu s.
  • the solar generator 5 consists of a series circuit of many individual cells, so that ultimately every single cell assumes a defined potential compared to ground potential.
  • Certain cell technologies in particular thin-film technologies, react with a decrease in performance or damage to the potential of the cells in relation to the earth. In many cases, high negative voltages are detrimental to earth potential.
  • FIG. 2 shows a system according to FIG. 1, in which a known frequently used inverter topology is explained in more detail. It consists of an actual inverter circuit 2, symbolically represented as a bridge circuit, which can be configured in one or more phases in a multitude of forms. Transformerless topologies which have a very high efficiency and at the same time low weight and low costs are particularly advantageous. Such topologies require a designated U ZK input voltage, which must be greater than the amplitude of the AC line voltage, ie greater than about 350 V in single-phase systems, in three-phase topologies greater than about 700 V.
  • the actual inverter circuit 2 is preceded by a DC-DC converter 3, these groups being combined in practice to form a structural inverter arrangement 1.
  • the DC-DC converter 3 comprises an input buffer capacitor C 0 , a DC / DC converter 4, which converts the input voltage to a higher voltage and in the connection between the input U P i us and an intermediate circuit voltage terminal + U ZK , as well as an output or DC link capacitor C z ⁇ .
  • this can be designed as a single capacitor or as a series connection of several partial capacitors.
  • the illustrated intermediate circuit voltage U z ⁇ is divided symmetrically, wherein the mean potential can be connected inside the device via a line to the neutral of the public network and thus has ground potential. This line is indicated by dashed lines in Fig. 2.
  • the negative terminal U M i nu s of the solar generator 5 is shown in FIG. 2 directly connected to the negative DC link -U 2K .
  • the potential of the positive terminal results from the operating point voltage U SG of the solar generator. If this is less than 350 V, then all cells have a negative potential compared to earth. At a higher voltage, as shown by way of example in FIG. 3, a part of the cells has a low positive potential. It has been shown that the high negative potential of -350 V has a damaging effect on certain solar cells.
  • the invention is therefore based on the object to provide an inverter arrangement for feeding photovoltaic energy obtained in a public grid, are avoided with the high negative potentials of the solar cell to ground potential.
  • the reference potential of the DC-DC converter arrangement is the positive connection line between the positive terminal for a solar generator and the DC link capacitor, and the converter is essentially located in the connection between the negative terminal of a solar generator or a solar generator.
  • the solar cells of the solar generator depending on the solar generator voltage all have a positive potential to earth or a portion of the cells on a low, but tolerable negative potential.
  • the inverter circuit may have a full bridge whose outputs are connected via a respective choke coil to output terminals for a single-phase network, whereby the inverter assembly for solar generators with a MPP voltage (voltage at the maximum solar generator power point) in the range up to about 350 V is particularly suitable ,
  • the inverter circuit has a half-bridge and the DC link capacitor consists of two series-connected capacitors, wherein the connection point between the capacitors with an output terminal and the output of the half-bridge are connected via a choke coil with another output terminal for a single-phase network , whereby the inverter arrangement is particularly suitable for solar generators with an MPP voltage in the range up to 700 V approximately.
  • An advantageous embodiment is that three half-bridges are provided to form a three-phase inverter arrangement, and each output of the half-bridges via a choke coil with Ichanschlüss- sen and the connection point of the capacitors to another output terminal for the neutral conductor a three-phase network are connected, whereby advantageously can be fed symmetrically into the network.
  • Inverter arrangement characterized by a large input - voltage range and no or only small negative voltages to earth potential occur.
  • the inverter arrangement is therefore particularly suitable for solar cells in which degradation occurs at high negative voltages to ground, for example by corrosion of the cell material or by efficiency reductions due to polarization processes within the cells, these effects occurring preferably in thin-film modules, but also in certain crystalline cells.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an inverter assembly for feeding photovoltaic energy obtained according to the prior art
  • Fig. 2 is a more detailed representation of a
  • FIG. 3 shows a characteristic curve of the solar generator voltage in a converter arrangement according to FIG. 2, FIG.
  • FIG. 5 shows a characteristic of the solar generator voltage in an inverter arrangement according to FIG. 4, FIG.
  • FIG. 6 is a block diagram of the inverter arrangement according to the invention.
  • FIG. 7 shows a characteristic of the solar generator voltage or the potentials for an inverter arrangement according to FIG. 6, FIG.
  • Fig. 8 shows a circuit configuration of the
  • FIG. 10 shows a second embodiment of the inverter circuit together with the DC voltage converter arrangement for forming a second exemplary embodiment of the inventive inverter arrangement
  • FIG. 11 shows a third embodiment of the inverter circuit together with the DC voltage converter arrangement for forming a third exemplary embodiment of the inventive inverter arrangement
  • FIG. 6 shows a block diagram of the inventive inverter arrangement 1 which, as in the prior art, comprises a DC-DC converter arrangement 3 and an inverter circuit 2.
  • the DC-DC converter arrangement 3 has the input buffer capacitor C 0 , the intermediate circuit capacitor C z ⁇ and the converter 4, which can also be referred to as a DC voltage boost converter.
  • the inverter circuit 2 is shown in a three-phase manner in principle and thus comprises output connections P1, P2, P3, which also designate the three phases of a public network 6, and the neutral connection. Terminated from N as well as the PE connection, usually earth potential.
  • the positive terminal U P i uss of the solar generator 5 is connected to the positive DC link terminal + U ZK of
  • DC link capacitor C z ⁇ connected and the converter 4 is located in contrast to the prior art in the connection between the negative terminal U minus the solar generator 5 and the intermediate circuit connection -U z ⁇ .
  • FIG. 7 which shows the potentials U P i us and U M ius over time, all cells have a positive potential at a DC link voltage U zK of 700 V and a solar generator voltage U SG of less than 350V towards earth. At higher solar generator voltages U SG tolerable negative potentials occur in a few cells, as indicated in Fig. 7.
  • FIG. 8 shows an embodiment of the actual converter 4. It consists of a storage choke L 0 and a rectifier diode D 0 , which lie in the connection path between the negative solar generator connection U M i nUs and the negative DC link connection -U ZK .
  • the term of the diode D 0 should also include any other form of rectifier, it may also be embodied as a semiconductor switch, for example in the form of a so-called synchronous rectifier.
  • a semiconductor switch S 0 for example, a MOS-FET (metal oxide semiconductor field effect transistor) or IGBT (bipolar transistor with insulated gate electrode), with a clock frequency of eg 16 kHz. is clocked.
  • MOS-FET metal oxide semiconductor field effect transistor
  • IGBT bipolar transistor with insulated gate electrode
  • the diode blocks 0 and D 0 in the storage inductor L 0 flows in time increasingly mender current, connected to an energy storage in the magnetic circuit of the inductor L 0th
  • the inductor current flows through the diode D 0 in the DC link capacitor C z ⁇ and charges it.
  • the intermediate circuit capacitor C z ⁇ is realized here as a series circuit of two capacitors C ZK i and C Z ⁇ 2 .
  • the ratio of the switch-on duration of the switch S 0 to its switch-off duration is set in accordance with a pulse width modulation such that the required intermediate circuit voltage U 2K is reached.
  • DC link in turn feeds the actual inverter 2, which is shown here symbolically as a bridge circuit.
  • FIG. 9 A first preferred single-phase version of the inverter arrangement 1 is shown in FIG. 9, the DC-DC converter arrangement 3 corresponding to that according to FIG. 8. This is followed by a full bridge, which consists of the semiconductor switches Si 0 , S 2O and S 30 , S 40 .
  • the connection point between the switch Si 0 and the switch S 2 o is connected via a first choke coil L 1 to a first output terminal Pl and the connection point between the switch S 30 and the switch S 40 via a second choke coil L 2 with a second output terminal N connected.
  • two antiparallel freewheeling paths XII are connected, which consist of the switches and free-running diodes S 5 and D 5, respectively.
  • FIG. 10 shows a further advantageous embodiment of the inverter arrangement 1 according to the invention.
  • the intermediate circuit capacitor C Z ⁇ is designed as a series connection of the two capacitors C ZK1 and C ZK2 (as in FIG indicated), wherein the center tap between the two capacitors with the output terminal for the neutral conductor N is connected.
  • the single-phase inverter circuit 2 consists of a half-bridge Si 0 , S 20 , described in connection with FIG. 9 freewheeling paths S 5 , D 5 , S s and D 6 and a single feed throttle L x , which lies in the connecting line between the output of the half-bridge and the output terminal Pl.
  • the antiparallel freewheeling paths XII be in embodiments, as described in connection with FIG. 12, be formed.
  • a minimum intermediate circuit voltage U z ⁇ of 700 V is required, whereby the highest conversion efficiency is achieved at this voltage.
  • the inverter is thus particularly suitable for solar generators with an MPP voltage in the range up to 700 V.
  • FIG. 11 A further embodiment of the inventive inverter arrangement, namely a three-phase inverter arrangement 1, is shown in FIG. 11, one phase corresponding to the embodiment according to FIG. 10.
  • There are thus three half-bridge branches Si 0 , S 20 , S 30 , S 40 , S 50 and S 50 are provided at whose outputs in the respective connecting line to the output terminals Pl, P2, P3 each have a choke coil Li, L 2 , L 3 wherein between the respective starting and NeutralIeiter between the connection point between the two capacitors C Z ki, C ZK2 of DC link and the associated output terminal N, the antiparallel freewheeling paths are connected, which are symbolically combined in the blocks Hi, H 2 and H 3 .
  • the embodiments of these freewheel paths H are shown in FIG. 12.
  • the three-phase design of the inverter also requires a DC link voltage U z ⁇ of at least 700 V.
  • U z ⁇ DC link voltage
  • the output power is constant, so that the DC link capacitor C z ⁇ can be chosen considerably smaller in terms of its capacity, since it does not have to store large amounts of energy.
  • FIG. 12 shows possible embodiments of the free-wheeling paths XII be and H, respectively, which are shown in FIGS. 9 to 11 are used.
  • Each of the embodiments b, c, d, e may be chosen in conjunction with the inverter arrangements 1 of these figures.
  • the embodiment according to FIG. 12b is shown by way of example in FIGS. 9 and 10 and already described in connection with these figures.
  • the switches which may be formed, for example, as a MOS-FET or IGBT, and the diodes D 5 and D 6 may be independently selected and optimized.
  • Fig. 12c is a cross-connection between the connection point of the switch S 5 and the diode D 5 of a freewheeling path and the diode D e and the switch S 6 of the other freewheeling path is provided.
  • These cross Connection does not change the basic mode of operation, however, it is thereby possible that so-called CoPacks can be used, in which in each case an IGBT transistor and a diode are connected in anti-parallel with each other. Also, in this arrangement, the inherent in MOS-FETs body diode can be used as a freewheeling diode.
  • FIGS. 12d and 12e respectively show identically acting arrangements in which the order of switch and diode in the respective freewheeling paths has been reversed. This can result in advantages in the control of the switch.
  • the positive connection line is drawn as a continuous line.
  • filter throttles or measuring resistors or the like can lie in practice in this positive line, which can lead to small potential shifts, but do not abolish the basic principle.

Abstract

Es wird eine Wechselrichteranordnung zum Einspeisen von photovoltaisch gewonnener Energie in ein öffentliches Netz mit einer mit dem positiven und dem negativen Anschluss eines Solargenerators verbindbaren Gleichspannungswandleranordnung und einer Wechselrichterschaltung vorgeschlagen. Die Gleichspannungswandleranordnung umfasst einen Eingangspufferkondensator, einen Wandler und mindestens einen Zwischenkreiskondensator. Dabei bildet das Bezugspotenzial der Gleichspannungswandleranordnung die positive Verbindungsleitung zwischen dem positiven Anschluss für den Solargenerator und dem Zwischenkreiskondensator und der Wandler liegt in der Verbindung zwischen dem negativen Anschluss zu dem Solargenerator und dem negativen Anschluss des Zwischenkreiskondensators.

Description

Wechselrichteranordnung zum Einspeisen von photovoltaisch gewonnener Energie in ein öffentliches
Netz
Die Erfindung betrifft eine Wechselrichteranordnung zum Einspeisen von photovoltaisch gewonnener Energie in ein öffentliches Netz nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs .
Derartige Wechselrichteranordnungen sind allgemein bekannt und Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Systems zur Einspeisung einer photovoltaisch gewonnenen Energie in das öffentliche Netz. Ein Wechselrichter ist auf seiner Ausgangsseite mit dem öf- fentlichen Netz 6 verbunden, wobei diese Anbindung ein- oder auch mehrphasig über die Phasen Pl bis P3 sowie einen Neutralleiter N und einen Schutzleiter PE (Protective Earth, Erdpotenzial) erfolgen kann. Auf der Eingangsseite ist der Wechselrichter 1 mit einem oder mehreren Solargeneratoren 5 verbunden, wobei ab- hängig von der Schaltungstechnik des Wechselrichters 1 sich an den Anschlussklemmen des Solargenerators 5 bestimmte Potenziale gegenüber dem Erdpotenzial PE einstellen, die mit UPius und UMinus bezeichnet sind. Der Solargenerator 5 besteht aus einer Reihenschaltung vieler einzelner Zellen, so dass letztlich jede einzelne Zelle ein definiertes Potenzial gegenüber Erdpotenzial annimmt.
Bestimmte Zelltechnologien, insbesondere Dünnschicht- Technologien, reagieren mit einer Leistungsminderung oder auch einer Schädigung auf das Potenzial der Zellen gegenüber Erde. Hierbei wirken sich in vielen Fällen hohe negative Spannungen gegenüber Erdpotenzi- al schädlich aus.
In Fig. 2 ist ein System nach Fig. 1 dargestellt, bei dem eine bekannte häufig eingesetzte Wechselrichter- topologie näher ausgeführt wird. Sie besteht aus ei- ner symbolisch als Brückenschaltung dargestellten eigentlichen Wechselrichterschaltung 2, welche in vielfältiger Form ein- oder mehrphasig ausgebildet sein kann. Besonders vorteilhaft sind dabei transformatorlose Topologien, die einen sehr hohen Wirkungsgrad bei gleichzeitig geringem Gewicht und niedrigen Kosten aufweisen. Derartige Topologien benötigen eine mit UZK bezeichnete EingangsSpannung, die bei einphasigen Systemen größer sein muss als die Amplitude der Netz-Wechselspannung, also größer als ca. 350 V, bei dreiphasigen Topologien größer als ca. 700 V. Zur Erweiterung des Eingangsspannungsbereichs zu kleineren Spannungen hin wird oftmals der eigentlichen Wechselrichterschaltung 2 ein Gleichspannungswandler 3 vorgeschaltet, wobei diese Gruppen in der Praxis zu ei- ner baulichen Wechselrichteranordnung 1 zusammenge- fasst sind. Bei dem in Fig. 2 gezeigten, allgemein bekannten Stand der Technik umfasst der Gleichspannungswandler 3 einen Eingangspufferkondensator C0, einen DC/DC-Wandler 4, der die Eingangsspannung auf eine höhere Spannung wandelt und der in der Verbin- düng zwischen dem Eingang UPius und einem Zwischen- kreisspannungsanschluss +UZK liegt, sowie einen Ausgangs- oder Zwischenkreiskondensator Czκ. Dieser kann je nach Anforderungen der Wechselrichterschaltung 2 als einzelner Kondensator oder als Reihenschaltung mehrerer Teilkondensatoren ausgebildet sein. Im Fall von zwei Zwischenkreiskondensatoren teilt sich die dargestellte ZwischenkreisSpannung Uzκ beispielsweise symmetrisch auf, wobei das mittlere Potenzial geräteintern über eine Leitung mit dem Neutralleiter des öffentlichen Netzes verbunden sein kann und somit Erdpotenzial aufweist. Diese Leitung ist in Fig. 2 gestrichelt angedeutet.
Der negative Anschluss UMinus des Solargenerators 5 ist entsprechend Fig. 2 direkt mit dem negativen Zwischenkreis-Anschluss -U2K verbunden. Bei einer Wechselrichteranordnung mit einer symmetrisch aufgeteilten ZwischenkreisSpannung Uzκ von 700 V liegt also gemäß Fig. 3 der negative Anschluss UMinus auf einer Spannung von -350 V. Das Potential des positiven Anschlusses ergibt sich aus der ArbeitspunktSpannung USG des Solargenerators. Ist diese kleiner als 350 V, so weisen alle Zellen ein negatives Potenzial gegenüber Erde auf. Bei einer höheren Spannung liegt, wie in Fig. 3 beispielhaft dargestellt, ein Teil der Zellen auf einem geringen positiven Potenzial. Es hat sich erwiesen, dass das hohe negative Potential von -350 V sich schädigend auf bestimmte Solarzellen auswirkt .
Eine Verbesserung einer Wechselrichteranordnung, die diesen Sachverhalt berücksichtigt, wird in der DE 10 2004 037 446 B4 vorgeschlagen, wobei eine Ausführung dieser Verbesserung in Fig. 4 dargestellt ist. Gemäß diesem Stand der Technik ist die Gleichspannungswand- leranordnung 3 vollkommen symmetrisch aufgebaut, was durch die Blöcke 4a, 4b angedeutet ist. Damit teilt sich auch die Solargeneratorspannung USG symmetrisch zum Erdpotential auf, was in Fig. 5 dargestellt ist. Dadurch stellen sich abhängig von der Höhe der Solar- generatorSpannung USG weniger hohe negative Potenziale ein. Dieser Ansatz bringt eine Verbesserung gegenüber dem oben dargestellten Stand der Technik, dennoch können negative Spannungen in schädlicher Höhe auftreten, so dass die Funktion der Schaltungsanord- nung bzw. der Solarzellen beeinträchtigt werden kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Wechselrichteranordnung zum Einspeisen von photovol- taisch gewonnener Energie in ein öffentliches Netz zu schaffen, mit der hohe negative Potentiale der Solarzellen gegenüber Erdpotenzial vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.
Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
Dadurch, dass das Bezugspotenzial der Gleichspannungswandleranordnung die positive Verbindungsleitung zwischen positivem Anschluss für einen Solargenerator und dem Zwischenkreiskondensator ist und der Wandler im wesentlichen in der Verbindung zwischen dem negativen Anschluss eines Solargenerators bzw. einer So- largeneratoranordnung und dem negativen Anschluss des Zwischenkreiskondensators liegt, weisen die Solarzellen des Solargenerators abhängig von der Solargeneratorspannung alle ein positives Potenzial gegenüber Erde oder aber ein Teil der Zellen ein geringes, aber tolerables negatives Potenzial auf. Dadurch können auch derartige Module, die sensibel auf negative Potenziale gegenüber Erde reagieren, mit transformatorlosen Wechselrichtern betrieben werden.
Vorteilhafterweise kann die Wechselrichterschaltung eine Vollbrücke aufweisen, deren Ausgänge über jeweils eine Drosselspule an Ausgangsanschlüsse für ein einphasiges Netz angeschlossen sind, wodurch die Wechselrichteranordnung für Solargeneratoren mit einer MPP-Spannung (Spannung im Punkt maximaler Solargeneratorleistung) im Bereich bis ca. 350 V besonders geeignet ist.
Weiter vorteilhaft ist, wenn die Wechselrichterschaltung eine Halbbrücke aufweist und der Zwischenkreis- kondensator aus zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren besteht, wobei der Verbindungspunkt zwischen den Kondensatoren mit einem Ausgangsanschluss und der Ausgang der Halbbrücke über eine Drosselspule mit einem anderen Ausgangsanschluss für ein einphasiges Netz verbunden sind, wodurch die Wechselrichteranordnung insbesondere für Solargeneratoren mit einer MPP- Spannung im Bereich bis ca. 700 V geeignet ist.
Eine vorteilhafte Ausbildung ist, dass zur Bildung einer dreiphasigen Wechselrichteranordnung drei Halbbrücken vorgesehen sind, und jeder Ausgang der Halbbrücken über eine Drosselspule mit Ausgangsanschlüs- sen und der Verbindungspunkt der Kondensatoren an einen weiteren Ausgangsanschluss für den Neutralleiter eines dreiphasigen Netzes verbunden sind, wodurch vorteilhafterweise symmetrisch in das Netz eingespeist werden kann.
Besonders vorteilhaft ist, dass zwei antiparallele Freilaufpfade mit jeweils mindestens einem Schalter und einer Diode zwischen den jeweiligen Ausgängen der Vollbrücke und den Drosselspulen oder dem jeweiligen Ausgang der Halbbrücke und der zugehörigen Drossel- spule liegen. Dadurch werden verlustbehaftete Blindströme innerhalb der Wechselrichterschaltung vermieden, was einen erhöhten Wirkungsgrad gegenüber dem Stand der Technik und ein verbessertes EMV-Verhalten der Wechselrichterschaltung mit sich bringt.
Durch die Kombination dieser sehr effektiven Wechselrichterschaltung mit der Gleichspannungswandleranordnung nach der Erfindung ergibt sich eine Wechselrichteranordnung mit einem hohen Wirkungsgrad, verbunden mit einem großen Eingangsspannungsbereich bei gleichzeitiger Anwendbarkeit für Module, welche empfindlich auf negative Zellpotenziale gegenüber Erdpotenzial reagieren.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass sich die
Wechselrichteranordnung durch einen großen Eingangs - Spannungsbereich auszeichnet und keine oder nur geringe negative Spannungen gegenüber dem Erdpotenzial auftreten. Die Wechselrichteranordnung ist daher be- sonders geeignet für Solarzellen, bei denen bei hohen negativen Ze11Spannungen gegenüber Erde Degradationen auftreten, z.B. durch Korrosion des Zellmaterials o- der durch Wirkungsgradminderungen aufgrund von Polarisationsvorgängen innerhalb der Zellen, wobei diese Effekte bevorzugt bei Dünnschichtmodulen auftreten, aber auch bei bestimmten kristallinen Zellen. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Wechselrichteranordnung zum Einspeisen von photovoltaisch gewonnener Energie entsprechend dem Stand der Technik,
Fig. 2 eine detailliertere Darstellung einer
Ausführungsform einer Wechselrichteranordnung nach dem Stand der Technik,
Fig. 3 eine Kennlinie der Solargeneratorspannung bei einer Wandleranordnung nach Fig. 2,
Fig. 4 eine weitere schaltungsgemäße Ausgestaltung einer Wechselrichteranordnung nach dem Stand der Technik,
Fig. 5 eine Kennlinie der Solargeneratorspannung bei einer Wechselrichteranordnung nach Fig. 4,
Fig. 6 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Wechselrichteranordnung,
Fig. 7 eine Kennlinie der Solargeneratorspannung bzw. der Potenziale für eine Wechselrichteranordnung nach Fig. 6,
Fig. 8 eine schaltungsgemäße Ausgestaltung der
Gleichspannungswandleranordnung in der Wechselrichteranordnung, Fig. 9 eine erste Ausführungsform einer schaltungsgemäßen Ausgestaltung der Wechsel - richterschaltung zusammen mit der Gleichspannungsanordnung nach Fig. 8 als erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Wechselrichteranordnung ,
Fig. 10 eine zweite Ausführungsform der Wechselrichterschaltung zusammen mit der Gleich- spannungswandleranordnung zur Bildung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Wechselrichteranordnung,
Fig. 11 eine dritte Ausführungsform der Wechsel - richterschaltung zusammen mit der Gleichspannungswandleranordnung zur Bildung eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Wechselrichteranordnung, und
Fig. 12 verschiedene Ausführungsformen des bei der erfindungsgemäßen Wechselrichteranordnung verwendeten Freilaufzweiges .
In Fig. 6 ist als Blockschaltbild die erfindungsgemäße Wechselrichteranordnung 1 dargestellt, die wie im Stand der Technik eine Gleichspannungswandleranordnung 3 und eine Wechselrichterschaltung 2 umfasst. Die Gleichspannungswandleranordnung 3 weist den Ein- gangspufferkondensator C0, den Zwischenkreiskondensa- tor Czκ und den Wandler 4 , der auch als Gleichspan- nungshochsetzsteller bezeichnet werden kann, auf. Die Wechselrichterschaltung 2 ist in prinzipieller Weise dreiphasig dargestellt und umfasst somit Ausgangsan- Schlüsse Pl, P2 , P3 , die auch die drei Phasen eines öffentlichen Netzes 6 bezeichnen, und den Neutralan- Schluss aus N sowie den Schutzleiteranschluss PE, üblicherweise Erdpotential.
Der positive Anschluss UPius des Solargenerators 5 ist mit dem positiven Zwischenkreis -Anschluss +UZK des
Zwischenkreiskondensators Czκ verbunden und der Wandler 4 befindet sich im Gegensatz zum Stand der Technik in der Verbindung zwischen dem negativen Anschluss UMinus des Solargenerators 5 und dem Zwischen- kreis-Anschluss -Uzκ.
Durch eine solche Anordnung weisen gemäß Fig. 7, die die Potenziale UPius und UMinus über der Zeit zeigt, bei einer ZwischenkreisSpannung Uzκ von 700 V und einer Solargeneratorspannung USG von weniger als 350 V alle Zellen ein positives Potential gegenüber Erde auf. Bei höheren Solargeneratorspannungen USG treten bei wenigen Zellen tolerable negative Potenziale auf, wie in Fig. 7 angedeutet ist.
In Fig. 8 ist eine Realisierungsmöglichkeit des eigentlichen Wandlers 4 dargestellt. Er besteht aus einer Speicherdrossel L0 sowie einer Gleichrichterdiode D0, die im Verbindungspfad zwischen dem negativen So- largeneratoranschluss UMinUs und dem negativen Zwischenkreis -Anschluss -UZK liegen. Dabei soll unter den Begriff der Diode D0 auch jede andere Form eines Gleichrichters fallen, so kann sie auch als Halbleiterschalter, beispielsweise in Form eines so genann- ten Synchrongleichrichters ausgeführt sein. Zwischen dem Verbindungspunkt der Speicherdrossel L0 und der Diode D0 und dem positiven Zwischenkreisanschluss +UZK liegt ein Halbleiterschalter S0, z.B. ein MOS-FET (Metall -Oxid-Halbleiter- Feldeffekt-Transistor) oder IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode) , der mit einer Taktfrequenz von z.B. 16 kHz ge- taktet wird.
Bei geschlossenem Schalter S0 sperrt die Diode D0 und in der Speicherdrossel L0 fließt ein zeitlich zuneh- mender Strom, verbunden mit einer Energiespeicherung im magnetischen Kreis der Drossel L0. Nach Öffnen des Schalters S0 fließt der Drosselstrom über die Diode D0 in den Zwischenkreiskondensator Czκ und lädt diesen auf. Der Zwischenkreiskondensator Czκ ist hier als Reihenschaltung von zwei Kondensatoren CZKi und CZκ2 realisiert. Durch einen hier nicht dargestellten Regelkreis wird entsprechend einer Pulsweitenmodulation das Verhältnis der Einschaltdauer des Schalters S0 zu dessen Ausschaltdauer so eingestellt, dass die gefor- derte Zwischenkreisspannung U2K erreicht wird. Der
Zwischenkreis speist wiederum den eigentlichen Wechselrichter 2, der hier symbolisch als Brückenschaltung dargestellt ist.
Eine erste bevorzugte einphasige Ausführung der Wech- selrichteranordnung 1 ist in der Fig. 9 dargestellt, wobei die Gleichspannungswandleranordnung 3 derjenigen nach Fig. 8 entspricht. Dieser nachgeschaltet ist eine Vollbrücke, die aus den Halbleiterschaltern Si0, S2O und S30, S40 besteht. Der Verbindungspunkt zwischen dem Schalter Si0 und dem Schalter S2o ist über eine erste Drosselspule L1 mit einem ersten Ausgangsan- schluss Pl verbunden und der Verbindungspunkt zwischen dem Schalter S30 und dem Schalter S40 ist über eine zweite Drosselspule L2 mit einem zweiten Aus- gangsanschluss N verbunden. Zwischen den Ausgangsleitungen der Vollbrücke vor den Speicherdrosseln Li und L2 sind zwei antiparallel geschaltete Freilaufpfade XII b-e geschaltet, die aus den Schaltern und Frei- laufdioden S5 und D5 resp. S6 und D6 gebildet werden. In der positiven Halbwelle der Netzspannung werden die Schalter Si0. und S40 mit variabler Pulsweite entsprechend der Pulsweitenmodulation derart getaktet, dass sich in den Drosselspulen L1, L2 ein idealerwei- se sinusförmiger Strom aufbaut, der dann in das Netz abgegeben wird. Die beiden antiparallelen Freilauf- pfade vermeiden dabei die verlustbehafteten Blindströme innerhalb der Wechselrichterschaltung 2. In der positiven Halbwelle der Netzspannung ist der Schalter S5 permanent geschlossen, wodurch sich für den positiven Ausgangsstrom ein Freilaufpfad über S5 und D5 ergibt. In der negativen Halbwelle der Netzspannung werden entsprechend die Halbleiterschalter S2O und S30 getaktet und der Freilaufpfad S6 und D6 ist geschlossen.
Weitere mögliche Ausführungsformen der Freilaufpfade XII b-e sind in der Fig. 12b-e angegeben.
Bei der beschriebenen Wechselrichteranordnung nach
Fig. 9 ist eine Mindest-ZwischenkreisSpannung Uzκ von 350 V erforderlich, die in dem Zwischenkreiskondensa- tor Czκ gespeichert ist, wobei bei dieser Spannung auch der höchste Umwandlungswirkungsgrad erzielt wird.
Fig. 10 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Wechselrichteranordnung 1. Hierbei ist im Unterschied zu der Gleichspannungs- wandleranordnung nach Fig. 9 der Zwischenkreiskonden- sator CZκ als Reihenschaltung der beiden Kondensatoren CZK1 und CZK2 ausgeführt (wie in Fig. 8 angedeutet) , wobei der Mittelabgriff zwischen den beiden Kondensatoren mit dem Ausgangsanschluss für den Neut- ralleiter N verbunden ist. Die einphasige Wechselrichterschaltung 2 besteht aus einer Halbbrücke Si0, S20, den im Zusammenhang mit der Fig. 9 beschriebenen Freilaufpfaden S5, D5, Ss und D6 sowie einer einzelnen Einspeisedrossel Lx, die in der Verbindungsleitung zwischen dem Ausgang der Halbbrücke und dem Ausgangs- anschluss Pl liegt. Auch hier können die antiparallelen Freilaufpfade XII b-e in Ausführungsformen, wie im Zusammenhang mit Fig. 12 weiter beschrieben wird, ausgebildet sein.
In der positiven Halbwelle der Netzspannung wird durch die nicht dargestellte Regelschaltung nur der Schalter Si0 getaktet, wobei der Drosselstrom in den Schaltpausen über den dann permanent geschlossenen Schalter S5 und die Freilaufdiode D5 weiterfließt. Bei der negativen Halbwelle wird der Schalter S20 getaktet und der Freilaufpfad für den Drosselstrom wird durch den Schalter S6 und die Diode D6 gebildet.
Bei der Wechselrichteranordnung nach Fig. 10 ist eine Mindest-ZwischenkreisSpannung Uzκ von 700 V erforderlich, wobei bei dieser Spannung auch der höchste Umwandlungswirkungsgrad erzielt wird. Der Wechselrichter ist somit insbesondere für Solargeneratoren mit einer MPP-Spannung im Bereich bis ca. 700 V geeignet.
Eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Wechselrichteranordnung, und zwar eine dreiphasige Wechselrichteranordnung 1 ist in der Fig. 11 dargestellt, wobei eine Phase der Ausführungsform nach Fig. 10 entspricht. Es sind somit drei Halbbrückenzweige Si0, S20, S30, S40, S50 und S50 vorgesehen, an deren Ausgängen in der jeweiligen Verbindungsleitung zu den Ausgangsanschlüssen Pl, P2, P3 jeweils eine Drosselspule Li, L2, L3 liegt, wobei zwischen dem jeweiligen Aus- gang und dem NeutralIeiter zwischen dem Verbindungs- punkt zwischen den zwei Kondensatoren CZκi, CZK2 des Zwischenkreises und dem zugehörigen Ausgangsanschluss N die antiparallelen Freilaufpfade geschaltet sind, die symbolisch in den Blöcken Hi, H2 und H3 zusammen- gefasst sind. Die Ausbildungen dieser Freilaufpfade H sind in der Fig. 12 dargestellt.
Die dreiphasige Ausführung des Wechselrichters erfordert ebenfalls eine ZwischenkreisSpannung Uzκ von mindestens 700 V. Bei dieser dreiphasigen Wechsel- richteranordnung 1 wird symmetrisch in das öffentliche Netz 6 eingespeist. Weiterhin ist die abgegebene Leistung konstant, so dass der Zwischenkreiskondensa- tor Czκ von seiner Kapazität her erheblich kleiner gewählt werden kann, da er keine großen Energiemengen Zwischenspeichern muss.
In Fig. 12 sind mögliche Ausgestaltungen der Freilaufpfade XII b-e bzw. H, die in den Fign. 9 bis 11 verwendet werden. Jede der Ausführungsformen b, c, d, e kann in Zusammenhang mit den Wechselrichteranordnungen 1 dieser Figuren gewählt werden. Die Ausführungsform nach Fig. 12b ist beispielhaft in den Fign. 9 und 10 dargestellt und im Zusammenhang mit diesen Figuren schon beschrieben. Die Schalter, die bei- spielsweise als MOS-FET oder IGBT ausgebildet sein können, und die Dioden D5 und D6 können unabhängig voneinander ausgewählt und optimiert werden.
Diese Bauelemente sind in dieser Ausführungsform als vier Einzelhalbleiter mit jeweils eigenem Gehäuse vorgesehen.
In Fig. 12c ist eine Querverbindung zwischen dem Verbindungspunkt des Schalters S5 und der Diode D5 des einen Freilaufpfads und der Diode De und dem Schalter S6 des anderen Freilaufpfades vorgesehen. Diese Quer- Verbindung ändert an der prinzipiellen Funktionsweise nichts, jedoch wird es dadurch möglich, dass so genannte CoPacks verwendet werden können, bei denen in jeweils einem Gehäuse ein IGBT-Transistor und eine Diode antiparallel miteinander verschaltet sind. Auch kann bei dieser Anordnung die bei MOS-FETs inhärent vorhandene Body-Diode als Freilaufdiode genutzt werden.
Die Fign. 12d und 12e zeigen entsprechend gleich wirkende Anordnungen, bei denen die Reihenfolge von Schalter und Diode in den jeweiligen Freilaufpfaden vertauscht wurde. Hierdurch können sich Vorteile bei der Ansteuerung der Schalter ergeben.
In den Zeichnungen, die als Prinzipschaltungen zu verstehen sind, ist die positive Verbindungsleitung als durchgehende Leitung gezeichnet. Selbstverständlich können in der Praxis in dieser positiven Leitung Filterdrosseln oder Messwiderstände oder dergleichen liegen, die zu geringen Potenzialverschiebungen führen können, aber das Grundprinzip nicht aufheben.

Claims

Patentansprüche
1. Wechselrichteranordnung zum Einspeisen von pho- tovoltaisch gewonnener Energie in ein öffentliches Netz mit einer mit dem positiven und dem negativen Anschluss (UPius, UMinus) eines Solarge- nerators (5) verbindbaren Gleichspannungswand- leranordnung (3) und einer Wechselrichterschaltung (2) , wobei die Gleichspannungswandleranordnung einen Eingangspufferkondensator (C0) , einen Wandler (4) und mindestens einen Zwischenkreis- kondensator (Czκ) umfasst, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Bezugspotenzial der Gleichspannungs- wandleranordnung die positive Verbindungsleitung zwischen dem positiven Anschluss für den Solar- generator und dem Zwischenkreiskondensator (CZκ) bildet und der Wandler (4) in der Verbindung zwischen dem negativen Anschluss (UMinus) zu dem Solargenerator (5) und dem negativen Anschluss (-Uzκ) des Zwischenkreiskondensators (Czκ) liegt.
2. Wechselrichteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (4) mindestens eine mit dem negativen Anschluss (UM-.nus) verbundene Speicherdrossel (L0) und eine mit dem negativen Anschluss (-Uzκ) des Zwischenkreiskonden- sators (Czκ) verbundene Gleichrichtervorrichtung
(D0) und einen getakteten Schalter (S0) umfasst, wobei der getaktete Schalter (S0) an dem Verbindungspunkt der Speicherdrossel (L0) und der Gleichrichtervorrichtung (D0) und dem positiven Zwischenkreisanschluss (+UZK) liegt.
3. Wechselrichteranordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichtervorrichtung eine Diode (D0) ist.
4. Wechselrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die
Gleichrichtervorrichtung als Halbleiterschalter, vorzugsweise Synchrongleichrichter ausgebildet ist.
5. Wechselrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der getaktete Schalter (S0) als Halbleiterschalter, wie ein MOS-FET und ein IGBT ausgebildet ist.
6. Wechselrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wech- selrichterschaltung (2) eine Vollbrücke (Si0,
S20/ S30, S40) aufweist, die zwischen dem positiven (+UZκ) und dem negativen Anschluss (-UZκ) des Zwischenkreiskondensators (Czκ) liegt, und die Ausgänge der Vollbrücke über jeweils eine Dros- seispule (Li, L2) an Ausgangsanschlüsse (Pl, N) zur Verbindung mit einem einphasigen Netz (6) angeschlossen sind.
7. Wechselrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wech- selrichterschaltung (2) als Halbbrücke (S10, S20) und der Zwischenkreiskondensator als eine Reihenschaltung aus zwei Kondensatoren (CZKi, CZK2) ausgebildet sind, wobei die Halbbrücke (S10, S20) zwischen dem positiven und negativen Anschluss (+UZK, -Uzκ) der Reihenschaltung liegt und der
Ausgang der Halbbrücke (Si0, S2o) über eine Drosselspule (Li) an einen Ausgangsanschluss (Pl) und der Verbindungspunkt zwischen den zwei Kon- densatoren (CZKi, CZK2) an einen weiteren Aus- gangsanschluss (N) zur Verbindung mit einem einphasigen Netz (6) angeschlossen ist.
8. Wechselrichteranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass drei Halbbrücken (Si0, S20,
S30/ S40, S50, S6o) vorgesehen sind, die zwischen dem positiven und negativen Anschluss (+UZK, -UZκ) der Reihenschaltung liegen und jeder Ausgang der Halbbrücken über eine Drosselspule (Li, L2, L3) an jeweils einen Ausgangsanschluss (Pl,
P2, P3) und der Verbindungspunkt der Kondensatoren (CZKI, C2K2) an den weiteren Anschluss (N) zur Verbindung mit einem dreiphasigen Netz (6) angeschlossen sind.
9. Wechselrichteranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei antiparallele Frei- laufpfade mit jeweils mindestens einem Schalter (S5, S6) und mindestens einer Diode (D5, D6) zwischen den zwei Ausgängen der Vollbrücke vor den Drosselspulen (L1, L2) geschaltet sind.
10. Wechselrichteranordnung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei antiparallele Freilaufpfade mit jeweils mindestens einem Schalter (S5, S6) und mindestens einer Di- ode (D5, D6) zwischen dem Ausgang oder den Ausgängen der Halbbrücke (N) und der Verbindungs- leitung zwischen dem Verbindungspunkt der zwei Kondensatoren (CZKi, C2K2) und dem weiteren Ausgangsanschluss (N) vor den Drosselspulen (Li, L2, L3) liegen.
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