CH700030B1 - Schaltungsanordnung mit Wechselrichter- und Gleichstromstellerfunktion. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung mit Wechselrichter- und Gleichstromstellerfunktion zur Kopplung einer Gleichspannungsseite (1) mit einer Wechselspannungsseite (3), wobei die Schaltungsanordnung einen bidirektionalen Gleichstromsteller (6a, 6b) aufweist, der eingangsseitig an die Gleichspannungsseite und ausgangsseitig an einen Zwischenkreis (7) angeschlossen ist und eine Umrichterschaltung (8), die eingangsseitig an den Zwischenkreis (7) und ausgangsseitig an die Wechselspannungsseite (3) angeschlossen ist. Erfindungsgemäss beinhaltet die Schaltungsanordnung eine getaktete Tiefsetzstellerschaltung (6a) und eine getaktete Hochsetzstellerschaltung (6b), die ein- und ausgangsseitig an die Gleichspannungsseite bzw. den Zwischenkreis angeschlossen ist, so dass ein bidirektionaler Energiefluss zwischen der Gleichspannungsseite und dem Zwischenkreis ermöglicht wird. Verwendung z.B. zur Netzankopplung von Photovoltaikgeneratoren und Brennstoffzellensystemen.

Description

  [0001]    Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung mit Wechselrichterfunktion und Gleichstromstellerfunktion nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

  

[0002]    Derartige Schaltungsanordnungen werden beispielsweise in transformatorlosen Wechselrichtersystemen zur Netzankopplung von Fotovoltaikanlagen und Brennstoffzellensystemen verwendet und sind Wechselrichtern mit potentialtrennenden Transformatoren im Allgemeinen hinsichtlich hohem Wirkungsgrad sowie niedrigem Gewicht und Bauvolumen überlegen.

  

[0003]    In der Veröffentlichung B. Burger, Der BWR-500 - trafoloser-Wechselrichter mit höchstem Wirkungsgrad, Symp. PV Solarenergie, OTTI, Staffelstein, März 1994, Seite 556 wird ein transformatorloser Wechselrichter zur Ankopplung einer Fotovoltaikanlage an ein Wechselspannungsnetz vorgestellt, der aus nur drei leistungsführenden Komponenten aufgebaut ist, und zwar einem gleichstromseitigen Glättungskondensator, einer wechselstromseitigen Induktivität und einer zwischenliegenden Wechselrichterbrücke, die aus einer Kombination von vier Taktschaltern, speziell Leistungshalbleiterschaltern in Form von MOSFETs und IGBTs besteht und die Gleichspannung des Solargenerators in eine pulsweitenmodulierte Wechselspannung wandelt. Weitere Wechselrichter-Schaltungsanordnungen zur Netzankopplung von Fotovoltaikanlagen sind in der Veröffentlichung B. Gruss et al., 12. Symp.

   PV Solarenergie, OTTI, Staffelstein, 26-28.02.1997, Seite 324 für einphasige und dreiphasige Ausführungen beschrieben.

  

[0004]    In der Patentschrift DE 19 732 218 C1 wird eine transformatorlose Wechselrichter-Schaltungsanordnung vorgeschlagen, die eine potentialfeste Leiterverbindung zwischen einem ersten, z.B. eingangsseitigen, Gleichspannungsanschluss und einem ersten, z.B. ausgangsseitigen, Wechselspannungsanschluss aufweist, um EMV-Probleme zu minimieren.

  

[0005]    In der Offenlegungsschrift DE 10 221 592 A1 ist ein Wechselrichter mit zwei eingangsseitigen Gleichspannungsanschlüssen offenbart, denen ein Energiezwischenspeicher und eine Brückenschaltung parallel geschaltet sind, die wenigstens zwei Paralleläste mit jeweils zwei in Reihe geschalteten, getaktet ansteuerbaren Schaltern aufweist. Letzteren ist je eine Gleichrichterdiode parallel geschaltet. Zwei Wechselspannungsanschlüsse sind über je eine Verbindungsleitung mit jeweiliger Speicherdrossel mit je einem der Paralleläste der Brückenschaltung jeweils zwischen zwei der Schalter verbunden. Zwischen den beiden Verbindungsleitungen befindet sich ein ansteuerbarer Schaltkreis, der die beiden Verbindungsleitungen in einem ersten Zustand elektrisch miteinander verbindet und in einem zweiten Zustand elektrisch gegeneinander isoliert.

   Dabei wird der Schaltkreis so gesteuert, dass er mit Beginn und während einer Halbwelle der Wechselspannung den ersten Zustand annimmt, wenn die vier Schalter sämtlich geöffnet sind, und den zweiten Zustand einnimmt, wenn wenigstens einer der Schalter geschlossen ist, und gegen Ende einer jeweiligen Halbwelle bis zum Beginn der nächsten Halbwelle im zweiten Zustand bleibt.

  

[0006]    In der Patentschrift DE 19 700 100 C2 ist eine Tiefsetzstellerschaltung mit einem positiven und einem negativen Ausgang zur Erzeugung einer gegen Masse bezogenen Spannung ohne Gleichtakt-Welligkeit an den Ausgängen beschrieben, der einen positiven und einen negativen Zweig, jeweils eine Speicherdrossel und einen Halbleiterschalter in dem positiven und in dem negativen Zweig sowie einen oder zwei Eingangskondensatoren und eine oder zwei Freilaufdioden zwischen dem positiven und dem negativen Zweig aufweist. Die Halbleiterschalter werden periodisch und im Gleichtakt zueinander geöffnet und geschlossen.

   In der Ausführungsvariante mit zwei Eingangskondensatoren und zwei Freilaufdioden ist eine feste Leiterverbindung zwischen einem Mittelabgriff der beiden Eingangskondensatoren und einem Mittelabgriff der beiden Freilaufdioden vorgesehen, die sich zudem zu einem Mittelabgriff zweier Ausgangskondensatoren erstreckt, die in Reihe zueinander zwischen den positiven und den negativen Ausgang angeordnet sind.

  

[0007]    In der Veröffentlichung Y. Nishida, A New Simple Topology for Three-Phase Buck-Mode PFC Rectifier, APEC 96, 11th Annual Conf. Proceedings IEEE 1996, Band 2, Seite 531 wird eine spezielle Gleichrichterschaltung beschrieben, die mit einem eingangsseitigen Dreiphasen-IFT-Wandler an eine Drehstromquelle angekoppelt ist und ausgangsseitig eine Gleichstromstellerschaltung beinhaltet, die über eine Dreiphasen-Diodenbrücke mit dem IFT-Wandler gekoppelt ist und zusätzlich zu zwei Hauptzweigen, in denen sich je ein getaktet ansteuerbarer Schalter befindet, einen Mittelzweig aufweist, der einen Zwischenknoten einer eingangsseitigen Kondensatorreihenschaltung zwischen den Hauptzweigen mit einem Zwischenknoten einer ausgangsseitigen Diodenreihenschaltung zwischen den Hauptzweigen verbindet.

   Zusätzlich ist der Mittelzweig an einen Sternpunkt des eingangsseitigen IFT-Wandlers rückgekoppelt. Die beiden Schalter der Gleichstromstellerschaltung können in unterschiedlichen Taktungsmodi angesteuert werden.

  

[0008]    In der Offenlegungsschrift DE 3 832 442 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Stromversorgung elektrischer Verbraucher eines Reisezugwagens aus einer Zugsammelschiene offenbart, wozu ein eingangsseitiger Gleichrichter an die Zugsammelschiene angekoppelt ist und sich an den Eingangsgleichrichter ein Tiefsetzsteller und zwei seriell geschaltete und kapazitiv gekoppelte Thyristoren anschliessen. Aus einer dadurch bereitgestellten Zwischenkreisspannung erzeugen zwei parallele Drehstromwechselrichter eine sinusförmige Spannung, die über Transformatoren potentialgetrennt an Verbraucher weitergeleitet wird.

   Der Tiefsetzsteller beinhaltet zwischen zwei Hauptzweigen einen Mittelzweig, der einen Zwischenknoten einer eingangsseitigen Kondensatorreihenschaltung zwischen den Hauptzweigen mit einem Zwischenknoten einer ausgangsseitigen Diodenreihenschaltung zwischen den Hauptzweigen verbindet. Zusätzlich ist bei diesem Tiefsetzsteller der Mittelzweig mit einem Zwischenknoten einer Kondensatorreihenschaltung verbunden, welche zwischen die Ausgangsklemmen des Tiefsetzstellers angeordnet ist.

  

[0009]    In der Offenlegungsschrift DE 19 725 629 A1 ist ein Wechselrichter mit Gleichspannungszwischenkreis für die Einspeisung sinusförmiger Ströme in ein Wechselstromversorgungsnetz offenbart, der aus zwei Schaltungseinheiten zum Erzeugen des positiven bzw. negativen Teils des Netzstroms aufgebaut ist, wobei jede Schaltungseinheit einen Schalter und eine damit in Reihe geschaltete Diode mit zwischenliegendem Stromabgriff aufweist und beide Schaltungseinheiten zueinander parallel geschaltet sind, wobei sie mittels wenigstens einer Induktivität gegeneinander entkoppelt sind und mittels einer weiteren, gemeinsamen Induktivität verkoppelt sein können. Dabei taktet während jeder Stromhalbwelle jeweils nur einer der beiden Schalter, und ein gleichzeitiges Schalten derselben wird vermieden.

  

[0010]    In der Offenlegungsschrift DE 10 2005 047 373 des Anmelders ist eine Tiefsetzstellerschaltung offenbart, bei welcher ein Mittelzweig, der einen Zwischenknoten einer eingangsseitigen Kondensatorreihenschaltung mit einem Zwischenknoten einer eingangsseitigen Diodenreihenschaltung verbindet, floatend gehalten wird, d.h. ohne weitere Anbindung an einen anderen potentialführenden Schaltungsteil. Des Weiteren ist dort eine transformatorlose Wechselrichter-Schaltungsanordnung mit einer solchen Tiefsetzstellerschaltung sowie einer daran angekoppelten Polwender- oder Wechselrichterbrückenschaltung beschrieben. Da die vorliegende Erfindung auch Kenntnisse aus dieser vorigen Erfindung des Anmelders nutzt, wird zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen der Inhalt dieser Offenlegungsschrift des Anmelders hiermit durch Verweis in vollem Umfang in die vorliegende Anmeldung aufgenommen.

  

[0011]    Darauf aufbauend sind im Patent CH 698 917 des Anmelders verschiedene Realisierungen eines Gleichstromstellerteils einer transformatorlosen Wechselrichter-Schaltungsanordnung offenbart, die auf unidirektionale Energieübertragung von einer Gleichspannungsseite zu einer Zwischenkreisseite ausgelegt sind, speziell als betragssinusförmig modulierende Tiefsetzsteller, an die sich zwischen dem Zwischenkreis und einer Wechselspannungsseite der Schaltungsanordnung eine Polwenderschaltung als Umrichterschaltung anschliesst. Da die vorliegende Erfindung auch Kenntnisse aus dieser vorigen Erfindung des Anmelders nutzt, wird zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen der Inhalt dieser älteren Patentanmeldung des Anmelders hiermit durch Verweis in vollem Umfang in die vorliegende Anmeldung aufgenommen.

  

[0012]    Bei den meisten herkömmlichen potentialverbindenden Tiefsetzstellern und damit ausgerüsteten Wechselrichtern, wie sie gerade auch zur Netzankopplung von Fotovoltaikanlagen benutzt werden, werden für die getaktet ansteuerbaren Schalter und die Freilaufdioden Leistungshalbleiter mit relativ hoher Spannungsfestigkeit von z.B. bis 1200 V eingesetzt, insbesondere Leistungshalbleiterschalter vom IGBT-Typ, damit diese die an ihnen wenigstens in bestimmten Schaltzuständen anliegende Spannung in der Höhe der Eingangsspannung aushalten. Mit höherer Spannungsfestigkeit nehmen jedoch die Schaltverluste und die Durchlassverluste deutlich zu.

   Ausserdem ist bei diesen herkömmlichen Anordnungen die jeweilige Speicherdrossel auf einen entsprechend hohen Spannungshub und folglich mit relativ grossem Bauvolumen auszulegen, wenn mit hohen Eingangsspannungen von z.B. etwa 330 V bis etwa 1000 V gearbeitet werden soll.

  

[0013]    In bestimmten Anwendungsfällen ist ein bidirektionaler Energietransport zwischen Gleichspannungsseite und Wechselspannungsseite erwünscht, um nicht nur Energie von einer Gleichspannungsquelle, wie einer Photovoltaikanlage oder einem Brennstoffzellensystem, auf die Wechselspannungsseite übertragen zu können, z.B. zur Einspeisung in ein Wechselstromnetz, sondern bei Bedarf auch umgekehrt Energie von der Wechselspannungsseite, z.B. einem öffentlichen Stromnetz, zur Gleichspannungsseite, um dort beispielsweise einen elektrischen Energiespeicher, wie eine Batterie, zu laden und dadurch temporäre Ausfälle des öffentlichen Stromnetzes auch in Zeiträumen überbrücken zu können, in denen die Gleichspannungsquelle nicht genug Energie liefert. Eine weitere Anwendung ist die Bereitstellung von Blindleistung für die Wechselspannungsseite.

  

[0014]    Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zugrunde, mit der sich elektrische Energie in schaltungstechnisch und funktionell vorteilhafter Weise bidirektional zwischen einer Gleichspannungsseite und einer Wechselspannungsseite übertragen lässt und die im Übrigen die geforderten Strom-/Spannungsumsetzungsfunktionen erfüllt.

  

[0015]    Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung einer Schaltungsanordnung mit Wechselrichter- und Gleichstromstellerfunktion mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

  

[0016]    Die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung beinhaltet sowohl eine getaktete Tiefsetzstellerschaltung, die eingangsseitig an eine Gleichspannungsseite und ausgangsseitig an einen Zwischenkreis angeschlossen und für eine Energieübertragung von der Gleichspannungsseite zum Zwischenkreis ausgelegt ist, als auch eine getaktete Hochsetzstellerschaltung, die eingangsseitig an den Zwischenkreis und ausgangsseitig an die Gleichspannungsseite angeschlossen und für eine Energieübertragung vom Zwischenkreis zur Gleichspannungsseite ausgelegt ist. Dabei kann die Hochsetzstellerschaltung elektrisch parallel zur Tiefsetzstellerschaltung geschaltet sein.

   In Wechselrichterfunktion weist die Schaltungsanordnung eine getaktete Umrichterschaltung zwischen dem Zwischenkreis und der Wechselspannungsseite auf, so dass elektrische Energie bidirektional zwischen der Gleichspannungsseite und der Wechselspannungsseite übertragen werden kann.

  

[0017]    In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung beinhaltet die getaktete Tiefsetzstellerschaltung gemäss Anspruch 2 zwei ansteuerbare Schalter, von denen der eine in einen ersten Hauptzweig zwischen einer ersten Eingangsklemme und einer ersten Ausgangsklemme und der andere in einen zweiten Hauptzweig zwischen einer zweiten Eingangsklemme und einer zweiten Ausgangsklemme der Tiefsetzstellerschaltung angeordnet sind, wobei zwischen die beiden Eingangsklemmen ein Kondensator und zwischen die Ausgangsseiten der beiden Schalter eine Diode angeordnet sind. Es zeigt sich, dass dies eine vorteilhaft einfache Schaltungsrealisierung darstellt, mit der z.B. einer anschliessenden Umrichterschaltung über den Zwischenkreis ein geeigneter Zwischenkreisstrom bereitgestellt werden kann, wozu die beiden Schalter vorzugsweise gleichphasig getaktet werden.

  

[0018]    In einer alternativen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung beinhaltet die getaktete Tiefsetzstellerschaltung gemäss Anspruch 3 zwei ansteuerbare Schalter, von denen der eine zwischen einer ersten Eingangsklemme und einer ersten Ausgangsklemme in einem ersten Hauptzweig und der andere zwischen einer zweiten Eingangsklemme und einer zweiten Ausgangsklemme in einem zweiten Hauptzweig der Tiefsetzstellerschaltung angeordnet sind, sowie eine eingangsseitige Kondensatorreihenschaltung zwischen den Eingangsklemmen, eine ausgangsseitige Diodenreihenschaltung zwischen den Ausgangsklemmen und einen Mittelzweig, der einen Zwischenknoten der Kondensatorreihenschaltung mit einem Zwischenknoten der Diodenreihenschaltung verbindet.

   Es zeigt sich auch hier, dass mit dieser Schaltungsrealisierung mit relativ geringem Schaltungsaufwand ein Ausgangsstrom guter Qualität bereitgestellt werden kann, z.B. als Zwischenkreisstrom für eine anschliessende Umrichterschaltung, wobei durch den floatend gehaltenen Mittelzweig die Spannungsbelastung für die Schalter vergleichsweise gering gehalten werden kann.

  

[0019]    In weiterer Ausgestaltung der genannten Tiefsetzstellerschaltungsrealisierungen ist gemäss Anspruch 4 in jedem von deren beiden Hauptzweigen ausgangsseitig je eine Induktivität vorgesehen, die optional miteinander magnetisch gekoppelt sind und dabei in einem einzigen Bauteil integriert sein können. Auch dies trägt zur Verbesserung der Güte der ausgangsseitig bereitgestellten Gleichspannung bzw. Zwischenkreisspannung und zu verringertem Schaltungsaufwand bei.

  

[0020]    In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 5 umfasst die Hochsetzstellerschaltung je eine Reihenschaltung einer Diode und einer Induktivität zwischen einer ersten Eingangsklemme und einer ersten Ausgangsklemme sowie zwischen einer zweiten Eingangsklemme und einer zweiten Ausgangsklemme der Hochsetzstellerschaltung und wenigstens einen getaktet ansteuerbaren Schalter in einem Verbindungszweig von Zwischenknoten der beiden Reihenschaltungen. Dies ermöglicht in schaltungstechnisch vorteilhaft einfacher Weise die gewünschte Hochsetzstellerfunktion.

  

[0021]    In einer weiteren Ausgestaltung dieses Hochsetzstellerschaltungsaufbaus ist gemäss Anspruch 6 in dem Verbindungszweig eine Reihenschaltung zweier getaktet ansteuerbarer Schalter vorgesehen, und der Mittelzweig der Tiefsetzstellerschaltung ist mit einem Zwischenknoten dieser Reihenschaltung verbunden. Dies verknüpft die Vorteile einer solchen Tiefsetzstellervariante mit Mittelzweig mit der zusätzlichen Hochsetzstellerfunktion.

  

[0022]    In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 7 weist der Zwischenkreis zwei Induktivitäten in je einem Hauptzweig und einen Kondensator zwischen den zwei Hauptzweigen auf. Auch dies trägt zu einem insgesamt einfach gehaltenen Schaltungsaufbau bei guter Qualität der Wechselrichterfunktionalität der Schaltungsanordnung bei.

  

[0023]    Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:
<tb>Fig. 1<sep>ein Blockschaltbild einer Wechselrichter-Schaltungsanordnung zur Ankopplung einer Gleichspannungsseite an eine Wechselspannungsseite mit bidirektionalem Gleichstromsteller,


  <tb>Fig. 2<sep>ein Blockschaltbild der Wechselrichter-Schaltungsanordnung von Fig. 1 mit speziell aus Tiefsetzsteller und dazu parallel geschaltetem Hochsetzsteller aufgebautem bidirektionalem Gleichstromsteller,


  <tb>Fig. 3<sep>ein Schaltbild einer ersten schaltungstechnischen Realisierung der Wechselrichter-Schaltungsanordnung von Fig. 2,


  <tb>Fig. 4<sep>ein Schaltbild einer weiteren schaltungstechnischen Realisierung der Wechselrichter-Schaltungsanordnung von Fig. 2

  

[0024]    Die in Fig. 1 schematisch gezeigte Wechselrichter-Schaltungsanordnung koppelt eine Gleichspannungsseite 1, auf der sich eine Energiespeicher- und/oder Energiequelleneinheit 2 befindet, mit einer Wechselspannungsseite 3, die im hier gezeigten Beispiel eine Impedanz 4 und eine Wechselspannungsquelle 5, z.B. ein öffentliches Stromnetz, beinhaltet, wobei je nach Anwendungsfall auch nur eine dieser beiden Komponenten vorhanden sein kann. Die Wechselrichter-Schaltungsanordnung umfasst eine Gleichstromstellerschaltung 6 zwischen der Gleichspannungsseite 1 und einem Zwischenkreis 7 sowie eine Umrichterschaltung 8 zwischen dem Zwischenkreis 7 und der Wechselspannungsseite 3.

  

[0025]    Die Gleichstromstellerschaltung 6 und die Umrichterschaltung 8 sind beide für bidirektionale Energieübertragung ausgelegt, wie mit einem entsprechenden Energiefluss-Doppelpfeil EF symbolisiert. Dadurch kann je nach eingestellter Betriebsart der Wechselrichter-Schaltungsanordnung Energie von der Gleichspannungsseite 1 zur Wechselspannungsseite 3 oder umgekehrt von der Wechselspannungsseite 3 zur Gleichspannungsseite 1 übertragen werden. Je nach Regelungsverfahren arbeitet der dargestellte Zwischenkreis 7 funktionell als Strom- oder Spannungszwischenkreis.

  

[0026]    In Fig. 2 ist die Wechselrichter-Schaltungsanordnung von Fig. 1mit einer speziellen Realisierung der Gleichstromstellerschaltung 6 mit bidirektionaler Energieübertragungsfähigkeit dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Gleichstromstellerschaltung 6 aus einer Tiefsetzstellerschaltung 6a und einer dazu parallel geschalteten Hochsetzstellerschaltung 6b aufgebaut. Speziell sind die Tiefsetzstellerschaltung 6a mit je einer Eingangsklemme TE1, TE2 und die Hochsetzstellerschaltung 6b mit je einer Ausgangsklemme HA1, HA2 an die Gleichspannungsseite 1 angekoppelt, während die Tiefsetzstellerschaltung 6a mit je einer Ausgangsklemme TA1, TA2 und die Hochsetzstellerschaltung 6b mit je einer Eingangsklemme HE1, HE2 an den Zwischenkreis angekoppelt sind.

   Die Tiefsetzstellerschaltung 6a ist auf unidirektionale Energieübertragung von der Gleichspannungsseite 1 zum Zwischenkreis 7 ausgelegt, wie durch einen entsprechenden Energieflusspfeil ET symbolisiert, und die Hochsetzstellerschaltung 6b ist für unidirektionale Energieübertragung vom Zwischenkreis 7 zur Gleichspannungsseite 1 ausgelegt, wie durch einen entsprechenden Energieflusspfeil EH symbolisiert.

  

[0027]    Gemäss diesem Schaltungsaufbau des Gleichstromstellers 6 kann je nach Bedarf und Betriebszustand der Wechselrichter-Schaltungsanordnung elektrische Energie von der Energiespeicher-/Energiequelleneinheit 2 über den Tiefsetzsteller 6a zum Zwischenkreis 7 und von dort über den Umrichter 8 zur Wechselspannungsseite 3 übertragen werden oder umgekehrt von der Wechselspannungsseite 3 über den Umrichter 8 zum Zwischenkreis und von dort über den Hochsetzsteller 6b zur Gleichspannungsseite 1, um dort die Energie z.B. in einer Batterie zu speichern. Ist der Zwischenkreis 7 ein Gleichspannungs-Zwischenkreis, so stellt der Schaltungsaufbau aus dem Tiefsetzsteller 6a und dem dazu parallelen Hochsetzsteller 6b eine Schaltungsanordnung mit bidirektionaler Gleichstromstellerfunktion zur Kopplung zweier Gleichspannungsseiten dar.

   Es versteht sich, dass der so aufgebaute bidirektionale Gleichstromsteller 6 als eigenständige Einheit auch in anderen elektrischen Schaltungsanordnungen einsetzbar ist. Gleiches gilt für den Fall, dass der Zwischenkreis 7 funktionell als Strom-Zwischenkreis arbeitet.

  

[0028]    Eine erste vorteilhafte schaltungstechnische Realisierung der Wechselrichter-Schaltungsanordnung von Fig. 2 ist in Fig. 3dargestellt. Die Umrichterschaltung 8 ist dabei als eine Polwenderschaltung mit eingangsseitigem Speicherkondensator C aufgebaut. Über je eine Induktivität L1, L2, die optional magnetisch gekoppelt sein können, ist die Polwenderschaltung an Anschlussklemmen A1, A2 der Wechselspannungsseite 3 angekoppelt. Die Polwenderschaltung ist aus vier getaktet ansteuerbaren Schaltern S1, S2, S3, S4 aufgebaut, die mit einer Grundschwingung der Wechselspannung auf der Wechselspannungsseite 3 getaktet, d.h. geschaltet werden, beispielsweise mit einer Netzspannungsfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz.

   Die zusätzlich zum gezeigten Polwenderaufbau hierzu benötigten Polwendersteuerungsmittel sind dem Fachmann an sich bekannt und daher hier nicht näher gezeigt und beschrieben. Es kann hierzu auch auf die oben erwähnten früheren Patentanmeldungen des Anmelders verwiesen werden.

  

[0029]    Die Tiefsetzstellerschaltung 6a weist in der Realisierung von Fig. 3 einen ersten ansteuerbaren Schalter S5 in einem ersten Hauptzweig H1 zwischen der ersten Eingangsklemme TE1 und der ersten Ausgangsklemme TA1 sowie einen zweiten ansteuerbaren Schalter S6 in einem zweiten Hauptzweig H2 zwischen der zweiten Eingangsklemme TE2 und der zweiten Ausgangsklemme TA2 auf. Zwischen die beiden Eingangsklemmen TE1, TE2 ist ein Kondensator Cs angeordnet. Vor den beiden Ausgangsklemmen TA1, TA2 ist je eine Induktivität L3, L4 vorgeschaltet, die optional magnetisch miteinander gekoppelt und z.B. in ein gemeinsames Bauteil integriert sein können. Vor den beiden Induktivitäten L3, L4 ist in einem Zwischenknoten-Verbindungszweig VTz eine Diode D1 zwischen die beiden Hauptzweige H1, H2 angeordnet.

  

[0030]    Die Hochsetzstellerschaltung 6b weist in einem zum ersten Hauptzweig H1 des Tiefsetzstellers 6a parallelen ersten Hauptzweig H3 eine Reihenschaltung aus einer Induktivität LH1 und einer Diode DH1 zwischen ihrer zwischenkreisseitigen ersten Eingangsklemme HE1 und ihrer gleichspannungsseitigen ersten Ausgangsklemme HA1 auf. In gleicher Weise beinhaltet sie in ihrem zum zweiten Hauptzweig H2 des Tiefsetzstellers 6a parallelen zweiten Hauptzweig H4 eine Reihenschaltung aus einer Induktivität LH2 und einer entsprechend gepolten Diode DH2 zwischen ihrer zwischenkreisseitigen zweiten Eingangsklemme HE2 und ihrer gleichspannungsseitigen zweiten Ausgangsklemme HA2.

   Des Weiteren weist der Hochsetzsteller 6b einen ansteuerbaren Schalter SH, wie einen Halbleiterschalter, in einem Zwischenknoten-Verbindungszweig VHz auf, der die beiden Hauptzweige H3, H4 an Zwischenknoten zwischen der jeweiligen Induktivität LH1, LH2 und der jeweiligen Diode DH1, DH2 verbindet.

  

[0031]    Fig. 4 zeigt eine weitere vorteilhafte Schaltungsrealisierung für die Wechselrichter-Schaltungsanordnung von Fig. 2, wobei für identische oder funktionell äquivalente Elemente der Übersichtlichkeit halber und zum leichteren Verständnis gleiche Bezugszeichen wie im Ausführungsbeispiel von Fig. 3 verwendet sind und insoweit auf die obigen Erläuterungen zu Fig. 3 verwiesen werden kann. Im Unterschied zur Schaltung von Fig. 3 ist beim Tiefsetzsteller 6a von Fig. 4 gleichspannungsseitig eine Reihenschaltung aus mehreren Kondensatoren zwischen die Eingangsklemmen TE1, TE2 vorgesehen, wobei exemplarisch ein Beispiel mit zwei Kondensatoren C1, C2 gezeigt ist.

   Zudem ist an der Ausgangsseite der getaktet ansteuerbaren Schalter S5, S6 eine Diodenreihenschaltung aus mehreren Dioden zwischen die beiden Hauptzweige HA1, HA2 angeordnet, im gezeigten Beispiel exemplarisch eine Reihenschaltung mit zwei Dioden D2, D3. Ein Mittelzweig M verbindet einen Zwischenknoten der Kondensatorreihenschaltung mit einem Zwischenknoten der Diodenreihenschaltung. Durch den floatend gehaltenen Mittelzweig M braucht die Spannungsfestigkeit der Schalter S5, S6 theoretisch nur halb so gross zu sein wie die maximal an den Eingangsklemmen TE1, TE2 anstehende Spannung.

  

[0032]    Passend dazu ist im Verbindungszweig VHz des Hochsetzstellers 6b eine Reihenschaltung aus zwei ansteuerbaren Schaltern SH1, SH2 vorgesehen, deren Zwischenknoten unter Bildung eines gemeinsamen Mittelzweiges mit dem Mittelzweig M des Tiefsetzstellers 6a verbunden ist.

  

[0033]    Die Betriebsweise der Schaltungsanordnungen der Fig. 3 und 4versteht sich für den Fachmann anhand des detailliert gezeigten Schaltungsaufbaus. Insbesondere können die Schalter sämtlich oder zum Teil als Halbleiterschalter ausgeführt sein, und es können beliebige geeignete Ansteuerverfahren für die Schalter S1 bis S4 des Polwenders, die Tiefsetzstellerschalter S5, S6 und den oder die Hochsetzstellerschalter SH, SH1, SH2 genutzt werden, wie sie dem Fachmann für derartige Schaltungen an sich bekannt sind.

  

[0034]    Insbesondere kann z.B. eine gleichphasige, d.h. gleichzeitige Taktung der beiden Tiefsetzstellerschalter S5, S6 vorgesehen sein, um betragsinusförmig modulierte Gleichströme im Zwischenkreis 7 zu generieren. Der Gesamtstrom in diesem dynamischen Stromzwischenkreis wird dann von der Umrichterschaltung in einen sinusförmigen Wechselstrom zur phasenrichtigen Einspeisung in die Wechselspannungsseite 3 gewandelt. Für weitere Details bezüglich der Steuerung des Tiefsetzstellers 6a sei auch auf die entsprechenden Ausführungen in den oben erwähnten früheren Patentanmeldungen des Anmelders verwiesen.

  

[0035]    Durch aktiven Betrieb des getakteten Hochsetzstellers 6b lässt sich in umgekehrt analoger Funktionsweise zum Tiefsetzsteller 6a elektrische Energie vom Zwischenkreis 7 zur Gleichspannungsseite 1 übertragen, wobei die Zwischenkreisspannung auf eine höhere Gleichspannung hochgesetzt wird.

  

[0036]    Wie die obige Beschreibung vorteilhafter Ausführungsbeispiele deutlich macht, stellt die Erfindung eine funktionell und unter dem Gesichtspunkt des Schaltungsaufwands sehr vorteilhafte Schaltungsanordnung mit Wechselrichterfunktion und Gleichstromstellerfunktion zur Verfügung, die einen bidirektionalen Energietransport zwischen einer Gleichspannungsseite und einer Wechselspannungsseite ermöglicht. Dies erlaubt einen vollständigen 4-Quadranten-Betrieb mit entsprechend breitem Anwendungsbereich der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung.

  

[0037]    So ist die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung z.B. als blindstromfähiger Photovoltaik-Wechselrichter einsetzbar, der neben Wirkleistung bei Bedarf auch Blindleistung zu Kompensationszwecken bereitstellen kann. Des Weiteren lässt sich die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung als Batteriestromrichter für dezentrale Netzregelfunktionen wie Spannungs- und/oder Frequenzregelung einsetzen, wobei insbesondere von der Möglichkeit des bidirektionalen Energieflusses in Verbindung mit einem gleichspannungsseitigen Energiespeicher Gebrauch gemacht werden kann. Beispielsweise kann mit einer solchen Schaltungsanordnung schon mit relativ kleinen gleichspannungsseitigen Energiespeichern dezentral ein Wechselstromnetz stabil gehalten werden, indem die Wechselstromfrequenz mit der Wirkleistung und die Spannung mit der Blindleistung am zugehörigen Verknüpfungspunkt gekoppelt werden.

  

[0038]    Die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung ist auch als Wechselrichter mit unterbrechungsfreier Stromversorgungsfunktion verwendbar, speziell als Photovoltaik-Wechselrichter in Verbindung mit einer Batterie oder einem anderen elektrischen Energiespeicher. Bei Ausfall des öffentlichen Wechselstromnetzes kann ein solcher Wechselrichter die Energieversorgung im Inselbetrieb im Rahmen seiner Leistungsgrenzen aufrechterhalten.

  

[0039]    Durch Realisierung eines 4-Quadranten-Betriebs lässt sich mit der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung unabhängig von der verwendeten gleichspannungsseitigen Energiequelle, z.B. ein Photovoltaikgenerator oder eine Batterie, eine aktive Kompensation von Oberschwingungen durchführen und dadurch die Netzspannungsqualität steigern. Es sei angemerkt, dass diese Funktion auch ausschliesslich mit einem z.B. kapazitiven elektrischen Energiespeicher auf der Gleichspannungsseite möglich ist, ohne dass eine aktiv elektrische Energie erzeugende Einheit, wie ein Photovoltaikgenerator oder ein Brennstoffzellensystem, zwingend erforderlich ist.

Claims (7)

1. Schaltungsanordnung mit Wechselrichter- und Gleichstromstellerfunktion zur Kopplung einer Gleichspannungsseite (1) mit einer Wechselspannungsseite (3), mit

- einem Gleichstromsteller (6), der eingangsseitig an eine Gleichspannungsseite (1) und ausgangsseitig an einen Zwischenkreis (7) angeschlossen ist und für eine bidirektionale Energieübertragung zwischen Gleichspannungsseite und Zwischenkreis ausgelegt ist, und

- einer Umrichterschaltung (8), die den Zwischenkreis (7) mit der Wechselspannungsseite (3) koppelt,

gekennzeichnet durch

- eine getaktete Tiefsetzstellerschaltung (6a), die eingangsseitig an die Gleichspannungsseite (1) und ausgangsseitig an den Zwischenkreis (7) angeschlossen ist, und eine getaktete Hochsetzstellerschaltung (6b), die eingangsseitig an den Zwischenkreis (7) und ausgangsseitig an die Gleichspannungsseite (1) angeschlossen ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die getaktete Tiefsetzstellerschaltung zwei ansteuerbare Schalter (S5, S6) beinhaltet, von denen der eine in einen ersten Hauptzweig (H1) zwischen einer ersten Eingangsklemme (TE1) und einer ersten Ausgangsklemme (TA1) und der andere in einen zweiten Hauptzweig (H2) zwischen einer zweiten Eingangsklemme (TE2) und einer zweiten Ausgangsklemme (TA2) der Tiefsetzstellerschaltung angeordnet ist, wobei zwischen die erste und die zweite Eingangsklemme ein Kondensator (Cs) angeordnet ist und die Ausgangsseiten der beiden Schalter über eine Diode (D1) verbunden sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die getaktete Tiefsetzstellerschaltung zwei ansteuerbare Schalter (S5, S6) beinhaltet, von denen der eine zwischen einer ersten Eingangsklemme (TE1) und einer ersten Ausgangsklemme (TA1) in einem ersten Hauptzweig (H1) und der andere zwischen einer zweiten Eingangsklemme (TE2) und einer zweiten Ausgangsklemme (TA2) in einem zweiten Hauptzweig (H2) der Tiefsetzstellerschaltung angeordnet ist, wobei eingangsseitig wenigstens zwei seriell zwischen die beiden Hauptzweige geschaltete Kondensatoren (C1, C2) vorgesehen sind, und ausgangsseitig den Schaltern eine Diodenreihenschaltung zugeordnet ist, die wenigstens zwei seriell zwischen die beiden Hauptzweige angeordnete Dioden (D2, D3) umfasst, und ein Mittelzweig (M) vorgesehen ist,

der einen Zwischenknoten der Kondensatorreihenschaltung mit einem Zwischenknoten der Diodenreihenschaltung verbindet.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor den Ausgangsklemmen (TA1, TA2) der Tiefsetzstellerschaltung je eine Induktivität (L3, L4) vorgesehen ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochsetzstellerschaltung (6b) je eine Reihenschaltung einer Diode (DH1, DH2) und einer Induktivität (LH1, LH2) zwischen einer ersten Eingangsklemme (HE1) und einer ersten Ausgangsklemme (HA1) sowie zwischen einer zweiten Eingangsklemme (HE2) und einer zweiten Ausgangsklemme (HA2) der Hochsetzstellerschaltung aufweist und wenigstens einen getaktet ansteuerbaren Schalter (SH, SH1, SH2) in einem Verbindungszweig (VHz) von Zwischenknoten der beiden Reihenschaltungen aufweist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verbindungszweig (VHz) der Hochsetzstellerschaltung (6b) eine Reihenschaltung wenigstens zweier getaktet ansteuerbarer Schalter (SH1, SH2) vorgesehen ist und der Mittelzweig (M) der Tiefsetzstellerschaltung (6a) mit einem Zwischenknoten dieser Reihenschaltung verbunden ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Ausgangsklemmen der Tiefsetzstellerschaltung (TA1 bzw. TA2) und die jeweiligen Eingangsklemmen der Hochsetzstellerschaltung (TE1 bzw. TE2) über jeweils eine Induktivität (L5 bzw. L6) mit dem Zwischenkreis (7) verbunden ist, der über einen Kondensator C gestützt wird.