DE102008018497B4 - Wechselrichter, insbesondere Solarwechselrichter, mit einem aktven Netzfilter - Google Patents

Wechselrichter, insbesondere Solarwechselrichter, mit einem aktven Netzfilter Download PDF

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Abstract

Wechselrichter, insbesondere Solarwechselrichter, zur Einspeisung eines mehrphasigen Netzstromes (iL1–iL3) in einen Verknüpfungspunkt (SK) eines Stromversorgungsnetzes (N), wobei der Wechselrichter einen eingangsseitigen DC/DC-Wandler (3), einen netzgeführten, gesteuerten F3E-Stromrichter (4) mit einem nachfolgenden Kommutierungsfilter (5) und ein nachgeschaltetes Netzfilter (7) zur Reduzierung von stromrichterseitig erzeugten Oberschwingungsströmen (iv) aufweist, wobei jeweils ein abschaltbarer Leistungshalbleiterschalter (42) mit antiparallel geschalteter Diode (41) als Stromrichterventil einer jeden Phase (R, S, T) des Stromrichters (4) vorgesehen ist und wobei der Wechselrichter eine Steuereinrichtung (6) zum Ansteuern der Leistungshalbleiterschalter (42) mittels Ansteuersignale (T1–T6) und zum Erfassen der anstehenden Phasenspannungen (uR, uS, uT) des Stromversorgungsnetzes (N) aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
– dass das Netzfilter (7) ein parallel zum Ausgang des Wechselrichters geschaltetes aktives Netzfilter (7') ist,
– dass das aktive Netzfilter (7') einen Pulswechselrichter (74) mit einer im Vergleich zur Netzfrequenz (fN) vielfach höheren Schaltfrequenz (fT) zur weitgehenden Kompensation der stromrichterseitig erzeugten Oberschwingungsströme (iv)...

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter, insbesondere einen Solarwechselrichter, zur Einspeisung eines mehrphasigen Netzstromes in einen Verknüpfungspunkt eines Stromversorgungsnetzes, wobei der Wechselrichter einen eingangsseitigen DC/DC-Wandler, einen netzgeführten, gesteuerten F3E-Stromrichter mit einem nachfolgenden Kommutierungsfilter und ein nachgeschaltetes Netzfilter zur Reduzierung von stromrichterseitig erzeugten Oberschwingungsströmen aufweist. Es ist jeweils ein abschaltbarer Leistungshalbleiterschalter mit antiparallel geschalteter Diode als Stromrichterventil einer jeden Phase des Stromrichters vorgesehen. Der Wechselrichter weist eine Steuereinrichtung zum Ansteuern der Leistungshalbleiterschalter mittels Ansteuersignale und zum Erfassen der anstehenden Phasenspannungen des Stromversorgungsnetzes auf.
  • Aus der den Oberbegriff bildenden, deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2006 016 502 A1 ist ein Wechselrichter, insbesondere ein Solar-Wechselrichter, bekannt. Er weist einen Hochsetzsteller, einen netzgeführten, gesteuerten Stromrichter und ein Filter auf, wobei das Filter mit wechselspannungsseitigen Anschlüssen und der Hochsetzsteller ausgangsseitig mit gleichspannungsseitigen Anschlüssen des netzgeführten, gesteuerten Stromrichters verknüpft sind. Es ist jeweils ein abschaltbarer Leistungshalbleiterschalter mit antiparallel geschalteter Diode als Stromrichterventil einer jeden Phase des netzgeführten, gesteuerten Stromrichters vorgesehen. Diese abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter sind steuerungsseitig mit einer Steuereinrichtung verknüpft, an deren Eingängen ermittelte Phasenspannungen eines Netzes anstehen.
  • Aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 685 919 A1 ist ein elektrischer Strom-Oberschwingungskompensator für ein Stromversorgungsnetz bekannt, der einen Kondensator, einen selbstgeführten Stromrichter und eine Drosselspule aufweist, wobei ein in der Drosselspule eingeprägter Strom einer invertierten Summe der Stromoberschwingungen einer Oberschwingungen erzeugenden Einrichtung entspricht. Zum Erzeugen des eingeprägten Stroms sind Mittel zum Bilden eines Sollstroms vorgesehen, die eine mit dem Versorgungsnetz verbundene, erste Bandpasseinrichtung zum Erzeugen einer oberschwingungsfreien Wechselspannung aufweisen. Es sind weiterhin Mittel zum Erzeugen eines Sollwertes für die invertierte Summe der Stromoberschwingungen vorgesehen, die eine auf die Netzfrequenz abgestimmte, zweite Bandpasseinrichtung mit nachgeschalteter Invertiereinrichtung aufweisen.
  • Aus dem Fachaufsatz „Aktive Netzfilter zur Verbesserung der Netzqualität” von Gustav H. Vaupel, Fachhochschule Hamburg, Fachbereich Elektrotechnik und Informatik, Seite 22 bis 27, ist der Aufbau und die Funktionsweise eines dreiphasigen aktiven Netzfilters auf Basis eines Pulswechselrichters offenbart.
  • Die eingangsseitige Gleichspannungsquelle kann z. B. ein Solarmodul oder ein Solarfeld mit einer Vielzahl derartiger Solarmodule sein. Sie kann eine Brennstoffzelle oder auch ein Generator einer Windkraftanlage oder einer Biogasanlage sein.
  • Der Wechselrichter ist vorzugsweise ein dreiphasiger Wechselrichter, insbesondere zur Einspeisung in ein 3-phasiges 50 Hz/400 V-Stromversorgungsnetz oder in ein 60 Hz/460 V-Stromversorgungsnetz, wie z. B. eines Energieversorgungsunternehmens.
  • Die z. B. von einem Solarfeld erzeugte Feld- oder Ausgangsgleichspannung ist von der aktuellen Sonneneinstrahlung sowie insbesondere von dessen elektrischer Belastung abhängig. Üblicherweise steuert die Steuereinrichtung des Wechselrichters den Leistungshalbleiterschalter im DC/DC-Wandler derart getaktet an, dass die Einspeiseleistung in das elektrische Netz maximal ist. Dieser Leistungspunkt wird auch als MPP (für Maximum Power Point) bezeichnet.
  • Vorzugsweise ist der DC/DC-Wandler ein Hochsetzsteller zum Hochsetzen der eingangsseitig anliegenden Eingangsspannung auf Höhe der netzseitigen Spannungswerte, das heißt auf eine Spannung von ca. 560 V bei dem 50 Hz/400 V-Stromversorgungsnetz. Alternativ kann der DC/DC-Wandler ein Tiefsetzsteller sein, um die von einem Solarfeld erzeugte Feld- oder Ausgangsgleichspannung herabzusetzen, falls diese Spannungswerte von mehr als 560 V aufweisen sollte.
  • Bei dem in der eingangs genannten Druckschrift offenbarten Wechselrichter, der in der Fachwelt auch als F3E-Wechselrichter bezeichnet wird (F3E für Fundamental Frequency Front End), werden die antiparallel zu den Gleichrichterdioden verschalteten Leistungshalbleiterschalter in Abhängigkeit von der Netzspannung geschaltet. Auf der oberen Brückenhälfte ist immer der jeweilige Leistungshalbleiterschalter eingeschaltet, dessen Emitter-Potential höher ist als das der anderen beiden Phasen. Auf der unteren Brückenhälfte ist dies sinngemäß mit dem niedrigsten Kollektor-Potential ebenso. Es handelt sich also um einen netzgeführten Betrieb mit Weiterschalten von einer Phase zur nächsten. Ein Schaltbetrieb zwischen oberem und unterem Leistungshalbleiterschalter einer Phase tritt nicht auf. Daher können als Dioden Gleichrichterdioden mit minimierter Durchlassspannung eingesetzt werden, die sich gegenüber Freilaufdioden mit optimierten Schalteigenschaften durch erheblich geringere Durchlassverluste auszeichnen. Die Schaltverluste sind daher wegen des Betriebs mit Netzfrequenz nahezu vernachlässigbar. Zur Sicherstellung der Stromkommutierung in den jeweiligen Phasen ist einem solchen F3E-Stromrichter zwingend ein Kommutierungsfilter nachgeschaltet. Ein derartiger Wechselrichter weist im Vergleich zu herkömmlichen Wechselrichtern mit einem hoch taktenden Pulswechselrichter und mit einem Wirkungsgrad von typischerweise etwa 96% einen höheren Wirkungsgrad von 98% und besser auf.
  • Die Umschaltvorgänge im F3E-Wechselrichter führen zu Netzoberschwingungen im Netzstrom, insbesondere bei den ungeraden Ordnungszahlen, wie 5., 7., 11., 13. Ordnung und so weiter. Die jeweiligen wechselrichterseitig erzeugten Oberschwingungsströme nehmen typischerweise mit zunehmender Ordnungszahl ab. Um nationale oder auch internationale Anforderungen zur Netzeinspeisung von Energieerzeugungsanlagen in ein öffentliches Stromversorgungsnetz zu erfüllen, sind entsprechende Netzfilter erforderlich. So sind die maximal zulässigen Oberschwingungsströme beispielsweise zumindest für das Gebiet der Europäischen Union in der europäischen Norm EN 61000-3-2 oder EN 61000-3-12 geregelt. Die von der jeweiligen Ordnungszahl maximal zulässigen Oberschwingungsströme sind dabei abhängig von der maximalen Kurzschlussleistung des elektrischen Netzes am jeweiligen Verknüpfungspunkt des öffentlichen Stromversorgungsnetzes.
  • Nachteilig bei dem eingangs genannten Wechselrichter ist, dass das Netzfilter zur wirksamen Filterung der vergleichsweise niederfrequenten Oberschwingungsanteile äußerst voluminös ist. Derartige Netzfilter weisen üblicherweise Kapazitäten, Induktivitäten und/oder Dämpfungswiderstände auf. Letztere verschlechtern zudem den Wirkungsgrad eines solchen Netzfilters.
  • Ein weiterer Nachteil sind die Komplexität und mögliche Schwingungsneigungen des Netzfilters bei Verwendung einer höheren Filterordnung, um gezielt dominante Oberschwingungsanteile, wie z. B. der 5. oder 7. Ordnung, zu bedämpfen.
  • Ausgehend von dem eingangs genannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Wechselrichter anzuge ben, bei welchem die zuvor genannten Nachteile vermieden werden.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 8 genannt.
  • Erfindungsgemäß ist das Netzfilter ein parallel zum Ausgang des Wechselrichters geschaltetes aktives Netzfilter. Das aktive Netzfilter weist einen Pulswechselrichter mit einer im Vergleich zur Netzfrequenz vielfach höheren Schaltfrequenz zur weitgehenden Kompensation der stromrichterseitig erzeugten Oberschwingungsströme auf. Der Wechselrichter weist zumindest eine Strommesseinheit und eine Spannungsmesseinheit zur Erfassung eines Eingangsgleichstromes und einer Eingangsgleichspannung am Eingang des DC/DC-Wandlers auf. Die Steuereinrichtung weist Abbildungsmittel zur Abbildung einer dazu korrespondierenden aktuellen elektrischen Leistung in ein dazu zu erwartendes, stromabhängiges Oberschwingungsspektrum auf. Die Steuereinrichtung weist Ansteuermittel zur geregelten Ansteuerung des Pulswechselrichters mittels PWR-Ansteuersignale derart auf, dass die frequenzabhängigen Oberschwingungsströme im Verknüpfungspunkt des Stromversorgungsnetzes weitgehend kompensiert sind.
  • Der besondere Vorteil ist, dass ein derartiges Netzfilter nur für einen Bruchteil, wie z. B. 10%, der elektrischen Gesamtleistung ausgelegt zu werden braucht, um die stromrichterseitig erzeugten Oberschwingungsströme weitgehend zu kompensieren. Ein solches aktives Netzfilter kann entsprechend kompakt realisiert werden. Das aktive Netzfilter ist dazu ausgelegt, einen zum Oberschwingungsstrom der jeweiligen Ordnung entgegengesetzten, das heißt gegenphasigen, Kompensationsstrom in den gemeinsamen Ausgang des Wechselrichters einzuspeisen. Dadurch weist der erfindungsgemäße Wechselrichter im netzseitigen Verknüpfungspunkt auch ein vorherbestimmtes, vorgegebenes Oberschwingungsspektrum auf.
  • Vorzugsweise weist das aktive Netzfilter im dreiphasigen Fall zwei Strommesseinheiten zur Erfassung des jeweiligen Phasenstromes auf. Der verbleibende Phasenstrom lässt sich direkt aus den beiden gemessenen Phasenströmen ermitteln.
  • Aus der ermittelten aktuellen elektrischen Leistung können mittels der Steuereinrichtung die jeweiligen netzseitigen Phasenströme und deren stromabhängiger Oberschwingungsanteil ermittelt werden. Der besondere Vorteil ist, dass die beiden Messeinheiten sowieso erforderlich sind, um den maximalen Leistungspunkt für die Einspeisung in das elektrische Netz fortlaufend zu ermitteln.
  • Das Abbildungsmittel kann z. B. eine elektronisch hinterlegte Tabelle sein, welche abhängig von der aktuellen elektrischen Leistung bzw. abhängig vom jeweiligen ermittelten Phasenstrom die zu erwartenden Oberschwingungsströme der jeweiligen Ordnung beinhalten. Darauf basierend kann ein Ansteuermittel den Pulswechselrichter derart ansteuern, dass die frequenzabhängigen Oberschwingungsströme im Verknüpfungspunkt des Netzes wiederum weitgehend kompensiert sind.
  • Vorzugsweise sind die vorangegangenen Mittel Softwareroutinen und Speichertabellen, welche vorzugsweise die prozessorgestützte Steuereinrichtung ausführt bzw. ausliest.
  • Alternativ können zur Ermittlung der aktuellen elektrischen Leistung auch die jeweiligen Phasenströme messtechnisch erfasst werden.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform weist der vorzugsweise als Hochsetzsteller ausgebildete DC/DC-Wandler einen abschaltbaren weiteren Leistungshalbleiterschalter, eine Entkopplungsdiode, eine Speicherdrossel und einen Filterkondensator auf. Die Steuereinrichtung weist Mittel zur getakteten Ansteuerung des weiteren Leistungshalbleiterschalters über ein Steuersignal auf, sodass der Wechsel richter am maximalen Leistungspunkt betreibbar ist. Dadurch wird der Ertrag der Gleichspannungsquelle maximiert.
  • Einer weiteren Ausführungsform zufolge kann dem aktiven Netzfilter noch ein passives Kleinnetzfilter zur Bedämpfung der Oberschwingungsströme insbesondere ab der 25. Ordnung nachgeschaltet sein. Ein derartiges Filter kann gegebenenfalls noch vorhandene hochfrequente Oberschwingungsanteile herausfiltern, sofern die nationalen oder internationalen Normen dies erfordern. Im einfachsten Fall ist dieses Filter ein kompaktes Tiefpassfilter mit einer Eckfrequenz von ca. 1 kHz.
  • Insbesondere ist der betrachtete erfindungsgemäße Wechselrichter für eine Einspeiseleistung von mindestens 25 kW ausgelegt.
  • Vorzugsweise ist der Wechselrichter ein Solarwechselrichter zum eingangsseitigen Anschließen an ein Solarmodul oder an ein Solarfeld.
  • Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungen der Erfindung werden im Weiteren anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen
  • 1 den Aufbau eines F3E-Wechselrichters nach dem Stand der Technik,
  • 2 den Aufbau eines beispielhaften,
  • 3 ein beispielhaftes Oberwellenspektrum eines F3E-Wechselrichters mit eingetragenen Grenzwerten für die Einspeisung in ein Stromversorgungsnetz und
  • 4 eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters.
  • 1 zeigt den Aufbau eines F3E-Wechselrichters 1 nach dem Stand der Technik. Bei dem gezeigten Wechselrichter 1 handelt es sich um einen Solarwechselrichter zur Einspeisung eines dreiphasigen Netzstromes iL1–1L3 in einen Verknüpfungspunkt SK eines Stromversorgungsnetzes N. Typischerweise ist er für Einspeiseleistung von mindestens 25 kW ausgelegt. Mit dem Bezugszeichen 2 ist eine Gleichspannungsquelle stellvertretend für eine einspeisende Quelle, wie z. B. ein Solarmodul, ein Solarfeld, eine Brennstoffzelle, ein Windkraftgenerator oder dergleichen, bezeichnet. Die Gleichspannungsquelle 2 ist mit der Eingangsseite eines DC/DC-Wandlers 3 verbunden. Vorzugsweise ist dieser, wie in 1 gezeigt, ein Hochsetzsteller 3 bzw. ein „Boost-Converter” entsprechend dem fachenglischen Sprachgebrauch. Der an sich bekannte Hochsetzsteller 3 weist einen abschaltbaren weiteren Leistungshalbleiterschalter 32, eine Entkopplungsdiode 33, eine Speicherdrossel 31 und einen Filterkondensator 34 auf. Der weitere Leistungshalbleiterschalter 32 wird dabei über eine prozessorgestützte Steuereinrichtung 6 des Solarwechselrichters 1 über ein Steuersignal S angesteuert, um den Solarwechselrichter 1 zumindest nahezu in seinem maximalen Leistungspunkt (MPP) betreiben zu können.
  • Am Ausgang des Hochsetzstellers 3 liegt eine Stromrichtereingangsspannung uZ an. Mit iZ ist der korrespondierende Eingangsstrom für einen nachfolgenden netzgeführten, gesteuerten Stromrichter 4 bezeichnet. Letzterer trägt in der Fachwelt die gängigere Bezeichnung F3E-Stromrichter bzw. F3E-Converter. Mit R, S, T sind die drei Phasen des Stromrichters 4 bezeichnet. Er weist die gemäß der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2006 016 502 A1 bekannten Bauelemente wie Gleichrichterdiode 33, Leistungshalbleiterschalter 32, insbesondere IGBT, Speicherdrossel 31 und gegebenenfalls einen Filterkondensator 34 auf. Die Ansteuerung der Steuerelektrode, insbesondere des Gates, der jeweiligen IGBTs erfolgt mittels Ansteuersignale T1–T6, welche die Steuereinrichtung 6 aus den erfassten Phasenspannungen uR, uS, uT des Stromversorgungsnetzes N bildet. Mit fN sind die daraus abgeleite te Netzfrequenz, wie z. B. 50 Hz, mit iL1'–iL3' die ausgangsseitigen, oberschwingungsbehafteten Stromrichterströme bezeichnet.
  • Zur Sicherstellung der Stromkommutierung in Phasen R, S, T ist dem F3E-Stromrichter 4 ein passives Kommutierungsfilter 5 nachgeschaltet. Es weist beispielhaft eine Sternschaltung von drei Reihenschaltungen aus jeweils einem Filterwiderstand 51 und einem Filterkondensator 52 auf.
  • Im linken Teil der 1 ist eine Strommesseinheit 8 zur Erfassung eines Eingangsgleichstromes iDC vorhanden. Mit iDC ist der dazu korrespondierende Messstromwert bezeichnet. Er dient unter anderem zur Einstellung des maximalen Leistungspunktes durch die Steuereinrichtung 6.
  • 2 zeigt den Aufbau eines beispielhaften Wechselrichters 1. Im Vergleich zur Ausführung gemäß 1 weist der gezeigte Wechselrichter 1 nun anstelle eines passiven Netzfilters 7 ein parallel zum Ausgang des Wechselrich ters 1 geschaltetes aktives Netzfilter 7' auf. Mit „aktiv” ist eine elektronisch gesteuerte mögliche Veränderung der Filtercharakteristik des Netzfilters 7' gemeint. Weiterhin weist das aktive Netzfilter 7' Frequenzanalysemittel 71 sowie Ansteuermittel 72 auf. Die Frequenzanalysemittel 71 dienen zur Ermittlung der Oberschwingungsströme iv, die den Stromrichterströmen iL1'–iL3' überlagert sind. Die Ansteuermittel 72 sind dazu ausgebildet, einen zu den jeweiligen, ordnungszahlabhängigen Oberschwingungsströmen iv gleichgroßen gegenphasigen Kompensationsstrom iC1–iC3 einzustellen, sodass die frequenzabhängigen Oberschwingungsströme iv im Verknüpfungspunkt SK des Stromversorgungsnetzes N weitgehend kompensiert werden können. Hierzu steuert das Ansteuermittel 72 einen in der 2 nicht weiter gezeigten Pulswechselrichter im aktiven Netzfilter 7' an. Dabei weist der Pulswechselrichter im Vergleich zum netzgeführten, gesteuerten Stromrichter 4 eine vielfach höhere Schaltfrequenz fT von z. B. 8 kHz auf.
  • Die Steuereinheit 6 gibt dem aktiven Netzfilter 7' in Abhängigkeit vom aktuellen Arbeitspunkt, wie z. B. Teillast oder Volllast, des F3E-Wechselrichters vor, wie stark die einzelnen Oberschwingungsanteile bedämpft werden müssen. Einen entsprechenden Sollwert SP generiert der Controller 6 z. B. aus einer Tabelle.
  • Im Beispiel der 2 ist dem aktiven Netzfilter 7' ein optionales passives Kleinnetzfilter 7'' zur Bedämpfung der Oberschwingungsströme iv insbesondere ab der 25. Ordnung nachgeschaltet. Ein solches Kleinnetzfilter 7'' kann für höhere Frequenzen erforderlich sein, wenn die maßgebliche Norm für den Einspeisebetrieb dies erfordert.
  • 3 zeigt ein beispielhaftes Oberwellenspektrum Sv eines F3E-Wechselrichters 1 mit eingetragenen Grenzwerten G1.5, G4.5, G9 für die Einspeisung in ein Stromversorgungsnetz N. Es sind die stromrichterausgangsseitigen Oberschwingungsströme iv über den maßgeblichen ungeraden Ordnungszahlen zur Netzfrequenz von 50 Hz sowie über der entsprechenden Frequenz f aufgetragen. Weiterhin sind Oberschwingungsströme iv in Abhängigkeit von beispielhaft sechs Einspeiseleitungswerten P1–P6 aufgetragen. Die beispielhaften Leistungswerte P1–P6 für den Wechselrichter 1 sind 35 kW, 30 kW, 20 kW, 10 kW, 5 kW und 1 kW. Mit G1.5, G4.5 und G9 sind die Grenzwerte der Stromoberschwingungen für einen Wechselrichter mit 30 kW Nennleistung in einem Verknüpfungspunkt SK mit einer Netzkurzschlussleistung von 1,5 MVA, 4,5 MVA und 9 MVA bezeichnet.
  • Wie das vorliegende Diagramm zeigt, nehmen einerseits die Oberschwingungsströme iv mit zunehmender Ordnungszahl und zugleich mit abnehmender Einspeiseleistung P1–P6 ab. Das Diagramm zeigt auch, dass die eingetragenen und vom Typ des Verknüpfungspunktes SK abhängigen Grenzwerte G1.5, G4.5, G9 nicht in jedem Fall eingehalten werden.
  • Weiterhin zeigt das Oberwellenspektrum Sv des netzgeführten, gesteuerten Stromrichters 4 bedingt durch die im Vergleich zum herkömmlichen Pulswechselrichter netzsynchrone Phasenumschaltungen ausgeprägte und somit auch vorbestimmte harmonische Oberschwingungsanteile.
  • 4 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters 1. Die Darstellung zeigt den Aufbau des aktiven Netzfilters 7' im Detail. Es weist einen Pulswechselrichter 74 in Drehstrombrückenschaltung mit IGBTs auf. Die gemeinsamen Anschlüsse der jeweiligen phasenbezogenen Brücken sind jeweils über eine Längsdrossel 73 parallel zum Ausgang des Stromrichters 4 geschaltet. Mit dem Bezugszeichen 75 ist ein Zwischenkreiskondensator bezeichnet, über den eine Zwischenkreisspannung uK anliegt. Durch gezielte getaktete Ansteuerung der nicht weiter bezeichneten IGBTs des Pulswechselrichters 74 ist somit ein nahezu verlustfreies Einprägen von Kompensationsströmen iC1–iC3, das heißt von Blindströmen, möglich, sodass die Summenströme iL1–iL3 der jeweiligen Stromrichterströme iL1'–iL3' und der jeweiligen Kompensationsströmen iC1–iC3 nahezu oberschwingungsfrei sind.
  • Weiterhin sind im Beispiel der 4 für die Regelung zwei Strommesseinheiten 9 zur Erfassung der Phasenströme iL1–iL3 vorgesehen. Die aktuelle Leistung des DC/DC-Wandlers 3 wird einem Abbildungsmittel 61 der Steuereinrichtung 6 zugeführt, um auf Basis dieser Leistung das zu erwartende, stromabhängige Oberschwingungsspektrum Sv zu ermitteln. Die aktuelle elektrische Leistung wird aus einem aktuell erfassten Eingangsgleichstromwert iDC und einem aktuellen Eingangsspannungswert uE rechnerisch ermittelt. Vorzugsweise ist jedem Leistungswert eine Reihe von zu erwartenden, ordnungszahlabhängigen Oberschwingungsstromwerten zugeordnet, die vom aktiven Netzfilter 7'' zu kompensieren sind. Die korrespondierenden Daten sind vorzugsweise elektronisch in einem Speicher der Steuereinrichtung 6 hinterlegt. Diese Daten werden dann ausgelesen und nachfolgenden Ansteuermitteln 62 zugeführt, welche in Echtzeit geeignete PWR-Ansteuersignale K1–K6 zur getakteten Ansteuerung des Pulswechselrichters 74 erzeugen, sodass die frequenzabhängigen Oberschwingungsströme iv im Verknüpfungspunkt SK des Stromversorgungsnetzes N weitgehend kompensiert werden.
  • Alternativ können die Abbildungsmittel 61 ein mathematisches Modell beschreiben, welches abhängig von der aktuellen Leistung des DC/DC-Wandlers 3 die zu erwartenden, ordnungszahlabhängigen Oberschwingungsstromwerte nachbildet.

Claims (8)

  1. Wechselrichter, insbesondere Solarwechselrichter, zur Einspeisung eines mehrphasigen Netzstromes (iL1–iL3) in einen Verknüpfungspunkt (SK) eines Stromversorgungsnetzes (N), wobei der Wechselrichter einen eingangsseitigen DC/DC-Wandler (3), einen netzgeführten, gesteuerten F3E-Stromrichter (4) mit einem nachfolgenden Kommutierungsfilter (5) und ein nachgeschaltetes Netzfilter (7) zur Reduzierung von stromrichterseitig erzeugten Oberschwingungsströmen (iv) aufweist, wobei jeweils ein abschaltbarer Leistungshalbleiterschalter (42) mit antiparallel geschalteter Diode (41) als Stromrichterventil einer jeden Phase (R, S, T) des Stromrichters (4) vorgesehen ist und wobei der Wechselrichter eine Steuereinrichtung (6) zum Ansteuern der Leistungshalbleiterschalter (42) mittels Ansteuersignale (T1–T6) und zum Erfassen der anstehenden Phasenspannungen (uR, uS, uT) des Stromversorgungsnetzes (N) aufweist, dadurch gekennzeichnet, – dass das Netzfilter (7) ein parallel zum Ausgang des Wechselrichters geschaltetes aktives Netzfilter (7') ist, – dass das aktive Netzfilter (7') einen Pulswechselrichter (74) mit einer im Vergleich zur Netzfrequenz (fN) vielfach höheren Schaltfrequenz (fT) zur weitgehenden Kompensation der stromrichterseitig erzeugten Oberschwingungsströme (iv) aufweist, – dass der Wechselrichter zumindest eine Strommesseinheit (8) und eine Spannungsmesseinheit zur Erfassung eines Eingangsgleichstromes (iDC) und einer Eingangsgleichspannung (uE) am Eingang des DC/DC-Wandlers (3) aufweist, – dass die Steuereinrichtung (6) Abbildungsmittel (61) zur Abbildung einer dazu korrespondierenden aktuellen elektrischen Leistung in ein dazu zu erwartendes, stromabhängiges Oberschwingungsspektrum (Sv) aufweist und – dass die Steuereinrichtung (6) Ansteuermittel (62) zur geregelten Ansteuerung des Pulswechselrichters (74) mittels PWR-Ansteuersignale (K1–K6) derart aufweist, dass die frequenzabhängigen Oberschwingungsströme (iv) in einem Ver knüpfungspunkt (SK) des Stromversorgungsnetzes (N) weitgehend kompensiert sind.
  2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbildungsmittel (61) eine elektronisch hinterlegte Tabelle ist, welche abhängig von der aktuellen elektrischen Leistung die zu erwartenden Oberschwingungsströme (iv) der jeweiligen Ordnung beinhalten.
  3. Wechselrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorangegangenen Mittel (61, 62) Softwareroutinen und Speichertabellen sind, welche auf der prozessorgestützten Steuereinrichtung ausführbar bzw. auslesbar sind.
  4. Wechselrichter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulswechselrichter (74) für eine Schaltfrequenz (fT) mit dem zumindest 100-fachen der Netzfrequenz (fT) ausgelegt ist.
  5. Wechselrichter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler (3) ein Hochsetzsteller oder ein Tiefsetzsteller ist.
  6. Wechselrichter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochsetzsteller (3) einen abschaltbaren weiteren Leistungshalbleiterschalter (32), eine Entkopplungsdiode (33), eine Speicherdrossel (31) und einen Filterkondensator (34) aufweist und dass die Steuereinrichtung (6) Mittel zur getakteten Ansteuerung des weiteren Leistungshalbleiterschalters (32) über ein Steuersignal (S) aufweist, sodass der Wechselrichter zumindest nahezu in seinem maximalen Leistungspunkt (MPP) betreibbar ist.
  7. Wechselrichter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem aktiven Netzfilter (7) ein passives Kleinnetzfilter (7'') zur Bedämpfung der Ober schwingungsströme (iv) insbesondere ab der 25. Ordnung nachgeschaltet ist.
  8. Wechselrichter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter für eine Einspeiseleistung von mindestens 25 kW ausgelegt ist.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109075696A (zh) * 2016-04-20 2018-12-21 西门子股份公司 用于运行逆变器***的方法和根据该方法工作的逆变器***

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8629579B2 (en) * 2010-03-24 2014-01-14 Hamilton Sundstrand Corporation Active switching ripple filter
US8937822B2 (en) 2011-05-08 2015-01-20 Paul Wilkinson Dent Solar energy conversion and utilization system
US11460488B2 (en) 2017-08-14 2022-10-04 Koolbridge Solar, Inc. AC electrical power measurements
US11901810B2 (en) 2011-05-08 2024-02-13 Koolbridge Solar, Inc. Adaptive electrical power distribution panel
DE102012100477C5 (de) * 2012-01-20 2017-11-02 Sma Solar Technology Ag Shuntstrommessung für Multistringgeräte und Interleavingwandler
US9337657B2 (en) * 2012-11-28 2016-05-10 General Electric Company Power unit control system
DE102017101359A1 (de) * 2017-01-25 2018-07-26 Wobben Properties Gmbh Verfahren zum Einspeisen eines elektrischen Wechselstromes
DE102017003375A1 (de) * 2017-04-06 2018-10-11 Senvion Gmbh Windenergienanlage
CN109995068B (zh) * 2017-12-29 2020-10-09 北京金风科创风电设备有限公司 故障穿越控制装置和方法
CN108321815A (zh) * 2018-03-08 2018-07-24 西安爱科赛博电气股份有限公司 一种低压配电网电能质量控制***及方法
CN108521144A (zh) * 2018-04-24 2018-09-11 北京铂阳顶荣光伏科技有限公司 光伏发电***及谐波抑制方法及设备
EP4369593A1 (de) * 2022-11-10 2024-05-15 Siemens Aktiengesellschaft Kompensationsvorrichtung zur reduzierung von einer oder mehreren oberschwingungen in einer elektrischen maschine

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0685919A1 (de) * 1994-05-31 1995-12-06 Fachhochschule Konstanz Elektronischer Strom-Oberschwingungskompensator
DE19819869A1 (de) * 1998-04-27 1999-10-28 Ruediger Bredtmann Verfahren zur Kompensation von Stromoberschwingungen in elektrischen Energienetzen mit Verträglichkeitspegelregelung
DE102006016502A1 (de) * 2006-04-07 2007-10-18 Siemens Ag Wechselrichter

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0685919A1 (de) * 1994-05-31 1995-12-06 Fachhochschule Konstanz Elektronischer Strom-Oberschwingungskompensator
DE19819869A1 (de) * 1998-04-27 1999-10-28 Ruediger Bredtmann Verfahren zur Kompensation von Stromoberschwingungen in elektrischen Energienetzen mit Verträglichkeitspegelregelung
DE102006016502A1 (de) * 2006-04-07 2007-10-18 Siemens Ag Wechselrichter

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Aktive Netzfilter zur Verbesserung der Netzqualität, Gustav H. Vaupel, Fachaufsatz der Fachhochschule Hamburg Fachbereich Elektrotechnik und Informatik, Dez. 1999 Aus "Technische Berichte Nr.32" *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109075696A (zh) * 2016-04-20 2018-12-21 西门子股份公司 用于运行逆变器***的方法和根据该方法工作的逆变器***
CN109075696B (zh) * 2016-04-20 2021-03-05 西门子股份公司 用于运行逆变器***的方法和根据该方法工作的逆变器***

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