DE102011051783A1

DE102011051783A1 - Batterieinverter mit variablem Mittelpunktsbezug

Info

Publication number: DE102011051783A1
Application number: DE102011051783A
Authority: DE
Inventors: Andreas Falk; Jens-Uwe Müller
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2011-07-12
Publication date: 2013-01-17

Abstract

Zur Definition des elektrischen Potentials eines Mittelpunkts (7) eines geteilten Gleichspannungszwischenkreises (3) zwischen zwei an eine Gleichstromquelle (29) angeschlossenen gleichspannungsseitigen Anschlussleitungen (4, 5) eines Wechselrichters (2), wobei jede der beiden Anschlussleitungen (4, 5) über einen Synchronwandler (10), der eine Drossel (14) und zwei ansteuerbare Schalter (12, 15) aufweist und dessen Bezugspotential der Mittelpunkt (7) des geteilten Gleichspannungszwischenkreises (3) ist, an einen von zwei Anschlüssen (22, 23) einer ungeteilten Batterie (8) angeschlossen ist, um die Batterie (8) wahlweise aus dem Gleichspannungszwischenkreis (3) oder einem seiner beiden Teile zu laden oder in den Gleichspannungszwischenkreis (3) oder einen seiner beiden Teile zu entladen, wird beim Laden und Entladen der Batterie (8) jeweils einer der beiden Schalter (12, 15) des einen Synchronwandlers zeitgleich mit einem der beiden Schalr (10) geschlossen und werden die einander entsprechenden Schalter (12, 15) der beiden Synchronwandler (10) bei asymmetrischer Belastung des Wechselrichters (2) derart unterschiedlich angesteuert, dass ein gewünschtes elektrisches Potential des Mittelpunkts (7) des geteilten Gleichspannungszwischenkreises (3) gegenüber den Anschlussleitungen (4, 5) eingehalten wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Definition des elektrischen Potentials eines Mittelpunkts eines geteilten Gleichspannungszwischenkreises zwischen zwei an eine Gleichstromquelle angeschlossenen gleichspannungsseitigen Anschlussleitungen eines Wechselrichters, wobei die beiden Anschlussleitungen über einen Batterieinverter an eine Batterie angeschlossen sind, um die Batterie wahlweise aus dem Gleichspannungszwischenkreis zu laden oder in den Gleichspannungszwischenkreis zu entladen. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Schaltung mit einem Wechselrichter, mit einer ungeteilten Batterie und mit einem geteilten, einen Mittelpunkt aufweisenden Gleichspannungszwischenkreis zwischen zwei an eine Gleichstromquelle anzuschließenden gleichspannungsseitigen Anschlussleitungen des Wechselrichters, wobei die beiden Anschlussleitungen über einen Batterieinverter mit einer Batterie verbunden sind, um die Batterie wahlweise aus dem Gleichspannungszwischenkreis zu laden oder in den Gleichspannungszwischenkreis zu entladen.
Die Gleichstromquelle kann einen Gleichstromgenerator, insbesondere einen Photovoltaikgenerator aufweisen. Entsprechend kann der Wechselrichter ein spezieller Photovoltaikwechselrichter zum Beispiel mit Einrichtungen für das MPP-Tracking des angeschlossenen Photovoltaikgenerators ein. Wechselspannungsseitig ist der Wechselrichter zum Beispiel an ein Stromnetz, insbesondere ein Inselnetz, angeschlossen, um Verbrauchern über dieses Stromnetz elektrische Leistung zur Verfügung zu stellen und/oder um das Angebot elektrischer Leistung in dem Stromnetz zu stabilisieren.
Insbesondere dann, wenn ein Wechselrichter mit einem geteilten Gleichspannungszwischenkreis das Angebot elektrischer Leistung in einem Inselnetz zumindest im Wesentlichen allein bestimmt, können verschiedene Szenarien auftreten, in deren Folge sich das elektrische Potential des Mittelpunkts des Gleichspannungszwischenkreises gegenüber den beiden Anschlussleitungen des Wechselrichters erheblich aus der Mitte zwischen den Anschlussleitungen verschiebt, weil die Teile des Gleichspannungszwischenkreises auf beiden Seiten seines Mittelpunktes unterschiedlich belastet, d. h. die deren Kondensatoren unterschiedlich stark entladen werden. Zu diesen Szenarien zählen die Versorgung unidirektionaler Lasten, d. h. von Lasten, die elektrische Leistung immer nur während der positiven oder der negativen Halbwellen des Wechselstroms aufnehmen; das Zuschalten von Transformatoren und Schieflasten bei mehrphasigen Wechselrichtern bis hin zu einem Kurzschluss einer von mehreren Phasen.
Durch die Potentialverschiebung des Mittelpunkts des Gleichspannungszwischenkreises teilt sich die Spannung zwischen den Anschlussleitungen des Wechselrichters, d. h. die Zwischenkreisspannung nicht mehr gleichmäßig über die Teile, d. h. die einzelnen Kondensatoren des Gleichspannungszwischenkreises auf. Dies kann zu einer Überlastung des Kondensators führen, über den der größere Teil der Spannung zwischen den Anschlussleitungen abfällt. Derartige Potentialverschiebungen des Mittelpunkts des geteilten Gleichspannungszwischenkreises eines Wechselrichters sind daher unbedingt zu vermeiden.
Bei dreiphasigen Wechselrichtern mit Verbindung eines Nullleiters zu dem Mittelpunkt ihres Gleichspannungszwischenkreises führt auch eine Nullkomponente eines abgegebenen Wechselstroms zu einer Verschiebung des elektrischen Potentials des Mittelpunkts.
STAND DER TECHNIK
Aus der WO 2008/103696 A2 ist eine dreiphasige unterbrechungsfreie Stromversorgung bekannt, bei der neben AC/DC-Wandlern, die elektrische Leistung einspeisen, und DC/AC-Wandlern, die elektrische Leistung entnehmen, auch eine Batterie über einen Batterieinverter an Gleichspannungsbusse angeschlossen ist, um die Batterie wahlweise aus den Gleichspannungsbussen zu laden oder in die Gleichspannungsbusse zu entladen. Der Batterieinverter besteht aus zwei Synchronwandlern. Jeder Synchronwandler weist ein Schalterende mit einem in Reihe geschalteten Halbleiterschalter mit antiparalleler Diode, ein Drosselende mit einer Drossel und einen dazwischen zu einem Bezugspotential führenden weiteren Halbleiterschalter mit antiparalleler Diode auf. Mit ihren Schalterenden sind die Synchronwandler jeweils an einen der Gleichspannungsbusse angeschlossen. Der weitere Schalter führt zu einem weiteren der Gleichspannungsbusse, und die beiden Anschlüsse der Batterie sind mit den beiden Drosselenden der beiden Synchronwandler verbunden. Dabei ist je zwischen den Drosselenden und einem auf Nullpotential liegenden Gleichspannungsbus ein Kondensator vorgesehen. Optional wird die Batterie dieser bekannten unterbrechungsfreien Stromversorgung geteilt, und ihr Mittelpunkt wird ebenfalls mit dem auf Nullpotential liegenden Gleichspannungsbus verbunden. Für diesen Fall wird angegeben, dass die Schalter der beiden Synchronwandler auch unabhängig voneinander angesteuert werden können.
Aus der CA 2 722 263 A1 ist eine unterbrechungsfreie Stromversorgung bekannt, bei der eine ungeteilte Batterie über einen Batterieinverter an einen geteilten Gleichspannungszwischenkreis zwischen einem Gleichrichter und einem Wechselrichter angeschlossen ist. Dabei umfasst der Batterieinverter zwei Synchronwandler und verwirklicht die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 und des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 11. Auch hierbei weisen die Synchronwandler ein Schalterende, ein Drosselende und einen dazwischen zu dem Bezugspotential führenden weiteren Schalter auf, wobei die Schalter Halbleiterschalter mit antiparallelen Dioden sind. Die Schalterenden der Synchronwandler sind an die äußeren Leitungen des Gleichspannungszwischenkreises angeschlossen, dessen Mittelpunkt das Bezugspotential bildet. Zwischen die Schalterenden und das Bezugspotential ist jeweils ein Kondensator geschaltet. Die Drosseln an den Drosselenden der beiden Synchronwandler sind magnetisch miteinander gekoppelt. Zwischen den beiden an die Anschlüsse der ungeteilten Batterie angeschlossenen Drosselenden der beiden Synchronrichter ist ein weiterer geteilter Gleichspannungszwischenkreis ausgebildet, dessen Mittelpunkt an einen Nullleiter angeschlossen ist, der das Bezugspotential für Wechselstromfilter an der Eingangsseite des Gleichrichters und an der Ausgangsseite des Wechselrichters bildet. Die CA 2 722 263 A1 beschreibt, dass es jeweils drei Batterielademodi und drei Batterieentlademodi gibt. In dem Batterielademodus 2, in dem die beiden Anschlüsse der Batterie mit den beiden äußeren Leitungen des Gleichspannungszwischenkreises elektrisch leitend verbunden sind, werden beide Synchronwandler gleichzeitig angesteuert, während in den verbleibenden Batterielade- und -entlademodi nur jeweils eine Schalter einer der beiden Synchronwandler angesteuert und der Stromkreis jeweils über eine antiparallele Diode eines Schalters des anderen der beiden Synchronwandler geschlossen wird. Die beiden Batterielademodi 1 und 3, in denen die beiden Anschlüsse der Batterie mit jeweils einer der äußeren Leitungen des Gleichspannungszwischenkreises und dessen Mittelpunkt elektrisch leitend verbunden sind, werden dabei ebenso wie die entsprechenden beiden Batterieentlademodi 1 und 3 wechselweise ausgeführt.
Ein unterschiedlicher Betrieb der beiden Synchronwandler wird dabei nicht erwähnt. Ebenso wenig findet das elektrische Potential des Mittelpunktes des Gleichspannungszwischenkreises zwischen dem Gleichrichter und dem Wechselrichter irgendeine Erwähnung.
Aus der US 7.804,196 B2 ist eine einen zentralen geteilten Gleichspannungszwischenkreis aufweisende Stromversorgung für ein Brennstoffzellenfahrzeug bekannt. Aus dem Gleichspannungszwischenkreis wird ein Motor des Brennstoffzellenfahrzeugs über einen Wechselrichter gespeist. An den Gleichspannungszwischenkreis sind zwei Inverter angeschlossen, die jeweils je eine Reihenschaltung aus zwei Schaltern zwischen den beiden äußeren Leitern des Gleichspannungszwischenkreises und dessen Mittepunkt, zwei von den Mitten der Reihenschaltungen abgehende Anschlussleitungen, eine Drossel in einer der Anschlussleitungen und eine Pufferkapazität zwischen den Anschlussleitungen aufweisen. Über den einen dieser beiden Inverter ist ein Brennstoffzellengenerator als Stromquelle angeschlossen, um den Gleichspannungszwischenkreis aufzuladen. Über den anderen Inverter ist eine Batterie als Zwischenspeicher für elektrische Energie an den Gleichspannungszwischenkreis angebunden. Die Schalter der Inverter werden so angesteuert, dass sie wahlweise hochsetzen, tiefsetzen oder leiten. Dabei werden in jedem Inverters nur vorübergehend zwei Schalter angesteuert; ansonsten wird der Stromkreis durch einen aktiv angesteuerten Schalter durch eine antiparallele Diode eines anderen Schalters des jeweiligen Inverters geschlossen. Eine grundsätzlich unterschiedliche Ansteuerung der Schalter der beiden Reihenschaltungen jedes Inverters wird nicht erwähnt. Ebenso wenig findet das elektrische Potential des Mittelpunktes des Gleichspannungszwischenkreises zwischen dem Gleichrichter und dem Wechselrichter irgendeine Erwähnung.
Aus der EP 1 298 781 A1 ist eine Stromrichterschaltungsanordnung zwischen einer Gleichstromquelle mit variabler Gleichspannung und einem geteilten Gleichspannungszwischenkreis mit zwei Kondensatoren bekannt. Dabei sind zwei Teilstromrichtersysteme vorgesehen, die gleichspannungsseitig jeweils nur an einem Anschluss der Gleichstromquelle und wechselspannungsseitig jeweils an einem der äußeren Anschlüsse des Gleichspannungszwischenkreises und dessen Mittelpunkt angeschlossen sind. Die beiden Teilstromrichtersysteme werden so betrieben, dass die Spannungen über den beiden Kondensatoren des Gleichspannungszwischenkreises gleich groß sind. Dies soll eine einfache Weiterverwendung der über den Gleichspannungszwischenkreis bereitgestellten elektrischen Leistung ermöglichen. Der Mittelpunkt des Gleichspannungszwischenkreises wird vorzugsweise geerdet, und jedes Teilstromrichtersystem wird aus n parallel geschalteten Zweigpaaren gebildet, wobei n größer gleich 3 ist, wobei jedes Zweigpaar aus zwei in Serie geschalteten Halbleiterschaltern mit antiparallelen Dioden aufgebaut ist und wobei jedes Zweigpaar über eine mit dem Verbindungspunkt der Halbleiterschalter verbundene Glättungsinduktivität mit dem jeweiligen Anschluss der Gleichstromquelle verbunden ist.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Definition des elektrischen Potentials eines Mittelpunkts eines geteilten Gleichspannungszwischenkreises gegenüber zwei Anschlussleitungen eines Wechselrichters und eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Schaltung aufzuzeigen, die trotz hoher Leistungsfähigkeit mit geringem apparativen Aufwand verbunden sind.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und eine Schaltung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 11 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche 2 bis 10 betreffen bevorzugte Ausführungsformen des neuen Verfahrens, die abhängigen Patentansprüche 12 bis 22 bevorzugte Ausführungsformen der neuen Schaltung.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Definition des elektrischen Potentials eines Mittelpunkts eines geteilten Gleichspannungszwischenkreises zwischen zwei an eine Gleichstromquelle angeschlossenen gleichspannungsseitigen Anschlussleitungen eines Wechselrichters, wobei jede der beiden Anschlussleitungen über einen Synchronwandler, der eine Drossel und zwei ansteuerbare Schalter aufweist und dessen Bezugspotential der Mittelpunkt des geteilten Gleichspannungszwischenkreises ist, an einen von zwei Anschlüssen einer ungeteilten Batterie angeschlossen ist, um die Batterie wahlweise aus dem Gleichspannungszwischenkreis oder einem seiner beiden Teile zu laden oder in den Gleichspannungszwischenkreis oder einen seiner beiden Teile zu entladen, wird beim Laden und Entladen der Batterie jeweils einer der beiden Schalter des einen Synchronwandlers zeitgleich mit einem der beiden Schalter des anderen der beiden Synchronwandler geschlossen und werden die einander entsprechenden Schalter der beiden Synchronwandler bei asymmetrischer Belastung des Wechselrichters derart unterschiedlich angesteuert, dass ein gewünschtes elektrisches Potential des Mittelpunkts des geteilten Gleichspannungszwischenkreises gegenüber den Anschlussleitungen eingehalten wird.
Bei einem an sich bekannten Batterieinverter aus zwei im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zu einem Bezugspotential aufgebauten Synchronwandlern ist es durch unterschiedliche Ansteuerung der einander entsprechenden Schalter der beiden Synchronwandler tatsächlich möglich, unterschiedliche Belastungen der beiden Teile eines Gleichspannungszwischenkreises eines Wechselrichters auf den beiden Seiten seines Mittelpunktes zu kompensieren, und zwar so, dass auch bei extremen Schieflasten das Potential des Mittelpunkts des Gleichspannungszwischenkreises nicht auswandert. Eine ausreichende Leistungsfähigkeit der beiden Synchronwandler für diese Aufgabe ist allein dadurch sichergestellt, dass sie den Wechselrichter im Batteriebetrieb mit elektrischer Leistung versorgen können. Trotz der ungeteilten Batterie, die nur über zwei Anschlüsse und beispielsweise über keinen definierten Mittelpunkt zwischen den Hälften ihrer Zellen verfügt, ist die unterschiedliche Ansteuerung der beiden Synchronwandler zum Ausgleich der Ladungen auf den Kondensatoren der beiden Teile des Gleichspannungszwischenkreises und insbesondere zum Ausgleich von relativen Ladungsveränderungen auf diesen beiden Kondensatoren unproblematisch. Anders gesagt bedarf es zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausschließlich einer anderen Ansteuerung eines von seinen Grundzügen bekannten Batterieinverters.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird jeweils ein Schalter des einen Synchronwandlers zeitgleich mit einem Schalter des anderen Synchronwandlers des Batterieinverters angesteuert, d.h. geschlossen. Dadurch fließt der Strom über den Batterieinverter immer durch geschlossene Schalter. Dies ist nicht nur mit geringeren Leitungsverlusten verbunden, als wenn der Stromkreis über antiparallele Dioden von Schaltern geschlossen würde. Vielmehr ist es bei fallender Ausgangsspannung der Batterie nur mit geschlossenen Schaltern möglich, einen gewünschten Strompfad durch den Batterieinverter eindeutig vorzugeben. Insbesondere kann sich bei dem neuen Verfahren die Stromflussrichtung durch die geschlossenen Schalter zwischen dem Gleichspannungszwischenkreis oder einem seiner Teile einerseits und der Batterie andererseits einfach umkehren. So werden Spannungssprünge vermieden, die bei der Beteiligung von antiparallele Dioden an der Stromleitung unvermeidbar sind; und der Batterieinverter wird überhaupt in die Lage versetzt bei kleinen Spannungsunterschieden zwischen dem Gleichspannungszwischenkreis oder einem seiner Teile einerseits und der Batterie andererseits elektrische Leistung zu übertragen oder zumindest Spannungen zu puffern.
Nur durch gleichzeitig Schließen je eines Schalters beider Synchronwandler können zudem die Drosseln der Synchronwandler aufgeladen werden, ohne dass Strom über den Batterieinverter fließt, und dann – je nach Orientierung der Synchronwandler – gezielt in die Batterie oder den Gleichspannungszwischenkreis bzw. einen seiner Teile entladen werden. Wenn die Orientierung der Synchronwandler bei dieser Hochsetzfunktion auf ein Aufladen aus der Batterie und eine Entladung in Richtung des Gleichspannungszwischenkreises abgestimmt ist, kann der Gleichspannungszwischenkreis auch dann noch aus der Batterie aufgeladen und/oder bezüglich des elektrischen Potentials seines Mittelpunkts fortlaufend eingestellt werden, wenn die Batteriespannung schon weit unter die halbe Zwischenkreisspannung abgefallen ist.
Die erfindungsgemäße unterschiedliche Ansteuerung der einander entsprechenden Schalter der beiden Synchronwandler des Batterieinverters bezieht sich insbesondere darauf, dass der eine zu seinem Bezugspotential und damit zu dem Mittelpunkt des Gleichspannungszwischenkreises führende Schalter des einen Synchronwandlers zusammen mit dem anderen Schalter des anderen Synchronwandlers für anders lange Zeiträume, d. h. andere Pulsweiten, geschlossen wird als der andere Schalter des einen Synchronwandlers zusammen mit dem einen zu seinem Bezugspotential und damit ebenfalls zu dem Mittelpunkt des Gleichspannungszwischenkreises führenden Schalter des anderen Synchronwandlers. Dies ist gleichbedeutend damit, dass der eine Teil des Gleichspannungszwischenkreises für andere Zeiträume an die Batterie oder die zuvor aufgeladenen Drosseln angeschlossen wird als der andere Teil. In Extremfällen wird nur ein Teil geladen oder entladen, nur der eine Teil geladen, während dazwischen die Aufladung der Batterie aus dem gesamten Gleichspannungszwischenkreis erfolgt, oder der eine Teil entladen und der andere Teil der ggf. unter Hochsetzen der Ausgangsspannung der Batterie aufgeladen.
Da die beiden Synchronwandler typischerweise mit einer Frequenz angesteuert werden, die um ein Vielfaches höher als eine Frequenz eines von dem Wechselrichter ausgegebenen Wechselstroms ist, kann das neue Verfahren sehr schnell auf unterschiedliche Belastungen der Teile des Gleichspannungszwischenkreises des Wechselrichters reagieren, insbesondere auch auf intermittierende unsymmetrische Belastungen, wie sie beispielsweise durch unidirektionale Lasten auftreten können. Entsprechend wird dann die Ansteuerung der beiden Synchronwandler mit einer Frequenz variiert, die größer oder gleich groß wie die Frequenz des von dem Wechselrichter ausgegebenen Wechselstroms ist, um diese unsymmetrischen Lasten zu kompensieren.
Bei dem neuen Verfahren kann zudem so schnell einerseits zwischen dem Laden und dem Entladen der Batterie und anderseits zwischen den Teilen des Gleichspannungszwischenkreises gewechselt werden, aus dem das Laden bzw. in den das Entladen der Batterie erfolg, wobei aus dem einen Teil des Gleichspannungszwischenkreises mehr Energie beim Laden entnommen werden kann, während ihm weniger Energie beim Entladen der Batterie zugeführt werden kann als dem anderen. Wenn der Batterie ein ausreichend großer Kondensator parallel geschaltet wird, nimmt die Batterie selbst dabei gar keine elektrische Leistung auf oder gibt sie ab, weil die zu ihr mit den Synchronwandlern geförderte elektrische Leistung bzw. die von ihr abgeförderte elektrische Leistung bereits im kurzfristigen Mittel null ist.
Insbesondere kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer Frequenz zwischen dem Laden und dem Entladen der Batterie über die beiden Synchronwandler gewechselt werden, die größer oder gleich groß wie die Frequenz des von dem Wechselrichter ausgegebenen Wechselstroms ist, insbesondere 2n-mal so groß, wobei n die Anzahl der Phasen des Wechselstroms ist und n eine positive ganze Zahl, insbesondere 1, 2 oder 3, ist. Wenn alle Bauteile der elektrischen Schaltung hierauf abgestimmt sind, kann der Wechsel der Laderichtung im Extremfall mit jedem neuen Ansteuerpulssatz für die beiden Synchronwandler durchgeführt werden.
Bei dem neuen Verfahren können die beiden Synchronwandler derart unterschiedlich angesteuert werden, dass das elektrische Potential des Mittelpunkts des geteilten Gleichspannungszwischenkreises beim Mittelwert des elektrischen Potentials der Anschlussleitungen gehalten wird. Es ist aber auch möglich, das elektrische Potential des Mittelpunkts bei einer vorgegebenen, aber nicht notwendigerweise konstanten Spannung gegenüber dem Mittelwert des elektrischen Potential der Anschlussleitungen zu halten. Hierdurch kann beispielsweise eine Nullkomponente eines von dem Wechselrichter ausgegebenen Wechselstroms kompensiert werden, wodurch die Kapazität der Kondensatoren des Gleichspannungszwischenkreises des Wechselrichters reduziert werden kann, da sie zumindest nicht mehr allein passiv in der Lage sein müssen, diese Nullkomponente zu puffern.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Mittelpunkt des geteilten Gleichspannungszwischenkreises geerdet sein. Dann ist sein elektrisches Potential zwar absolut gesehen fest. Dies hat aber keinen Einfluss auf die Lage des elektrischen Potentials des Mittelpunkts zwischen den Anschlussleitungen des Wechselrichters. Allerdings mag man bei einem geerdeten Mittelpunkt des geteilten Gleichspannungszwischenkreises auch davon sprechen, dass das erfindungsgemäße Verfahren die elektrischen Potentiale oder Spannungen der beiden Anschlussleitungen des Wechselrichters gegenüber Erde definiert.
Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren angewendet, wenn die neben dem Batterieinverter an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossene Gleichstromquelle einen Gleichstromgenerator, insbesondere einen Photovoltaikgenerator aufweist. Denkbar sind auch andere Gleichstromquellen, die regenerative elektrische Energie liefern, wie beispielsweise Windkraftanlagen.
Das neue Verfahren ist derart gut in der Lage, unsymmetrische Belastungen eines Gleichspannungszwischenkreises eines Wechselrichters auszugleichen, dass auch die Anforderungen erfüllt werden, wie sie bei einem an ein Inselnetz angeschlossenen Wechselrichter auftreten. Der Wechselrichter, dessen Gleichspannungszwischenkreis erfindungsgemäß stabilisiert wird, kann sogar der einzige Wechselrichter eines solchen Inselnetzes sein und alle Asymmetrien, wie sie in dem Inselnetz auftreten mögen, allein kompensieren.
Bei einer erfindungsgemäßen Schaltung mit einem Wechselrichter, mit einer ungeteilten Batterie und mit einem geteilten, einen Mittelpunkt aufweisenden Gleichspannungszwischenkreis zwischen zwei an eine Gleichstromquelle anzuschließenden gleichspannungsseitigen Anschlussleitungen des Wechselrichters, wobei jede der beiden Anschlussleitungen über einen Synchronwandler, der eine Drossel und zwei ansteuerbare Schalter aufweist und dessen Bezugspotential der Mittelpunkt des geteilten Gleichspannungszwischenkreises ist, an einen von zwei Anschlüssen der Batterie angeschlossen ist, um die Batterie wahlweise aus dem Gleichspannungszwischenkreis oder einem seiner beiden Teile zu laden oder in den Gleichspannungszwischenkreis oder einen seiner beiden Teile zu entladen, schließt eine Steuerung beim Laden und Entladen der Batterie jeweils einen der beiden Schalter des einen Synchronwandlers zeitgleich mit einem der beiden Schalter des anderen der beiden Synchronwandler und steuert die einander entsprechenden Schalter der beiden Synchronwandler bei asymmetrischer Belastung des Wechselrichters derart unterschiedlich an, dass ein gewünschtes elektrisches Potential des Mittelpunkts des geteilten Gleichspannungszwischenkreises gegenüber den Anschlussleitungen eingehalten wird.
Die Synchronwandler weisen jeweils ein Schalterende mit einem in Reihe geschalteten Schalter, ein Drosselende mit der in Reihe geschalteten Drossel und dazwischen eine Verzweigung zu dem weiteren, zu ihrem Bezugspotential führenden Schalter auf. Die Schalter sind typischerweise Halbleiterschalter mit antiparallelen Dioden, auch wenn diese antiparallelen Dioden nicht gezielt zur Stromleitung genutzt werden.
Die Richtung, in der die Synchronwandler bei der erfindungsgemäßen Schaltung orientiert sind, hängt davon ab, ob eine Batteriespannung der Batterie im Normalfall kleiner oder größer als eine Zwischenkreisspannung des Gleichspannungszwischenkreises ist. Wenn die Batteriespannung im Normalfall kleiner als die Zwischenkreisspannung ist, werden die Synchronwandler jeweils mit ihren Schalterenden an die Anschlussleitungen des Wechselrichters angeschlossen. In diesem Fall kann den Synchronwandlern zwischen den Anschlussleitungen und den Anschlüssen der Batterie jeweils ein Kondensator parallel geschaltet sein, um die EMV-Eigenschaften der Schaltung zu verbessern.
Wenn die Batteriespannung im Normalfall hingegen größer als die Zwischenkreisspannung ist, werden die Synchronwandler bei der erfindungsgemäßen Schaltung mit ihren Drosselenden an die Anschlussleitung des Wechselrichters angeschlossen.
Wenn das Drosselende der Synchronwandler an die Anschlussleitung angeschlossen ist, kann zwischen das Drosselende und das Bezugspotential der Synchronwandler ein Kondensator geschaltet sein. Ein solcher Kondensator kann unabhängig von der Orientierung der Synchronwandler jeweils zwischen das Schalterende und das das Bezugspotential geschaltet sein.
Ebenfalls unabhängig davon, welches Ende der Synchronwandler an die Anschlussleitungen angeschlossen ist, können die Drosseln der beiden Synchronwandler magnetisch gekoppelt sein. Hierdurch kann die Baugröße beider Drosseln reduziert werden, und auch die EMV-Eigenschaften können verbessert werden.
Wie bereits angedeutet wurde, kann bei der erfindungsgemäßen Schaltung der Batterie ein Kondensator parallel geschaltet sein. Geteilt ist die Batterie jedoch nicht. Sie weist insbesondere keinen definierten Potentialbezug zum Potential Erde auf.
Ein Anschluss für die jeweilige Gleichstromquelle an den Gleichspannungszwischenkreis weist bei der erfindungsgemäßen Schaltung vorzugsweise einen DC/DC-Wandler auf. Insbesondere ist dieser DC/DC-Wandler ein Hochsetzsteller, um eine variable Gleichspannung beispielsweise eines Photovoltaikgenerators auf ein für den Gleichspannungszwischenkreis des Wechselrichters gewünschtes Niveau anzuheben. Wenn die Gleichstromquelle ein Photovoltaikgenerator ist, kann der Wechselrichter auch ein spezieller Photovoltaikwechselrichter zum Beispiel mit Einrichtungen zum MPP-Tracking sein.
Unabhängig von der Gleichstromquelle ist der Wechselrichter der erfindungsgemäßen Schaltung insbesondere ein dreiphasiger Wechselrichter.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile von allen erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Wirkverbindung mehrerer Bauteile – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei Synchronwandler eines Batterieinverters mit ihren Drosselenden an gleichspannungsseitige Anschlussleitungen eines Wechselrichters angeschlossen sind.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der die Synchronwandler des Batterieinverters mit ihren Schalterenden an die gleichspannungsseitigen Anschlussleitungen des Wechselrichters angeschlossen sind.
3 zeigt einen weiteren Anschluss mit einem Hochsetzsteller für eine Gleichstromquelle an einen Gleichspannungszwischenkreis des Wechselrichters bei einer erfindungsgemäßen Schaltung; und
4 zeigt eine Abwandlung der erfindungsgemäßen Schaltung gemäß 2.
FIGURENBESCHREIBUNG
Die in 1 dargestellte Schaltung 1 umfasst einen Wechselrichter 2, der einen Gleichspannungszwischenkreis 3 aufweist. Der Gleichspannungszwischenkreis 3 zwischen Anschlussleitungen 4 und 5 des Wechselrichters ist geteilt. Jeder Teil weist mindestens einen Kondensator 6 auf. Die Kondensatoren 6 sind zwischen den Anschlussleitungen 4 und 5 in Reihe geschaltet. Normalerweise weist ein Mittelpunkt 7 zwischen den beiden Teilen des geteilten Gleichspannungszwischenkreises 3 ein elektrisches Potential in der Mitte zwischen den elektrischen Potentialen der Anschlussleitungen 4 und 5 auf. Durch eine asymmetrische Last auf der hier nicht näher dargestellten Wechselspannungsseite des Wechselrichters 2 kann es jedoch zu einer Verschiebung des elektrischen Potentials des Mittelpunkts 7 zu einer der beiden Anschlussleitungen 4 und 5 kommen. Dies hat zur Folge, dass der Kondensator zwischen dem Mittelpunkt 7 und der anderen Anschlussleitung 5 bzw. 4 mit einem höheren Anteil einer insgesamt zwischen den Anschlussleitungen 4 und 5 abfallenden Zwischenkreisspannung belastet wird. Im Extremfall hat dies zur Folge, dass die jeweils nur auf die halbe Zwischenkreisspannung ausgelegten Kondensatoren 6 überlastet werden.
Neben einer hier nicht dargestellten, an über die Anschlussleitungen 4 und 5 angebundenen Gleichstromquelle zum kontinuierlichen Nachladen des Gleichspannungszwischenkreises 3 ist eine Batterie 8 über einen Batterieinverter 9 an den Gleichspannungszwischenkreis 3 angeschlossen. Der Batterieinverter 9 umfasst zwei im Wesentlichen spiegelsymmetrisch angeordnete Synchronwandler 10. Der Kernaufbau jedes Synchronwandlers 10 umfasst ein Schalterende 11 mit einem in Reihe geschalteten Schalter 12, ein Drosselende 13 mit einer in Reihe geschalteten Drossel 14 und eine dazwischen zu einem Bezugspotential des Synchronwandlers 10 abgehende Verzweigung mit einem in Reihe geschalteten Schalter 15. Die Schalter 12 und 15 sind jeweils als Halbleiterschalter mit antiparallelen Dioden 16 bzw. 17 ausgebildet. Die Orientierung der Halbleiterschalter 12 und 15 sowie der antiparallelen Dioden 16 und 17 ist bei den beiden Synchronwandlern 10 nicht spiegelsymmetrisch zu dem Bezugspotential, das hier von dem Mittelpunkt 7 des Gleichspannungszwischenkreises 3 gebildet wird. Gemäß 1 sind die Synchronwandler 10 jeweils mit ihren Drosselenden 13 an eine der Anschlussleitungen 4 und 5 angeschlossen. Dabei können, insbesondere wenn die Anschlussleitungen 18 bis 20, wie hier durch Punktierungen angedeutet ist, länger ausfallen, Kondensatoren 21 zwischen die Drosselenden 13 und das Bezugspotential des Mittelpunkts 7 geschaltet sein. Insbesondere wenn die Drosselenden 13 direkt an die Kondensatoren 6 angrenzen, können die Kondensatoren 21 jedoch entfallen. Die Batterie 8 ist hier mit ihren beiden Anschlüssen an die Schalterenden 11 der Synchronwandler 10 angeschlossen. Dabei ist parallel zu der Batterie 8 ein optionaler Kondensator 24 geschaltet. Weitere optionale Kondensatoren 25 sind zwischen die Schalterenden 11 und das Bezugspotential der Synchronwandler 10 geschaltet. Diese dienen dazu, die EMV-Eigenschaften der Schaltung 1 zu verbessern. Die Kapazitäten der Kondensatoren 25 sind dabei ebenso wie die Kapazitäten der Kondensatoren 21, falls vorhanden, deutlich kleiner als diejenigen der Kondensatoren 6 des Gleichspannungszwischenkreises 3. Die in 1 dargestellte Orientierung der Synchronwandler 10 mit ihren Schalterenden 11 und ihren Drosselenden 13 zwischen der Batterie 8 und dem Gleichspannungszwischenkreis 3 ist für den Fall vorgesehen, dass eine Batteriespannung der Batterie 8 im Normalfall größer als eine Zwischenkreisspannung des Gleichspannungszwischenkreises 3 ist, so dass die Synchronwandler beim Laden und Entladen der Batterie einfach die notwendige Spannungsanpassung vornehmen können.
Bei der in 2 gezeigten Schaltung 1 verhält es sich umgekehrt. Das heißt, hier sind die Synchronwandler 10 des Batterieinverters 9 mit ihren Drosselenden 13 an die Anschlüsse 22 und 23 der Batterie 8 angeschlossen, während ihre Schalterenden 11 an die Anschlussleitungen 4 und 5 angeschlossen sind. Kein Unterschied besteht dahingehend, dass das Bezugspotential der Synchronwandler 10 jeweils der Mittelpunkt 7 des Gleichspannungszwischenkreises 3 des Wechselrichters 2 zwischen den Anschlussleitungen 4 und 5 ist. Statt der Kondensatoren 25 zur Verbesserung der EMV-Eigenschaften der Schaltung 1, die in 1 zwischen die Batterie-seitigen Schalterenden der Synchronwandler 10 und das Bezugspotential geschaltet sind, sind in 2 aus demselben Grund Kondensatoren 26 parallel zu den Synchronwandlern 10 zwischen die Anschlussleitungen 4 und 5 und die Anschlüsse 22 und 23 geschaltet.
Bis auf die Richtung zwischen der Batterie 8 und dem Gleichspannungszwischenkreis 3, in der die Spannung hochgesetzt (1) bzw. tiefgesetzt (2) wird, stimmt die grundsätzliche Funktion der Schaltungen 1 gemäß den 1 und 2 dahingehend überein, dass eine Steuerung 27 die einander entsprechenden Schalter 12 und 15 beider Synchronwandler 10 sowohl beim Laden der Batterie 8 aus dem Gleichspannungszwischenkreis 3 als auch beim Laden des Gleichspannungszwischenkreises 3 aus der Batterie 8 derart unterschiedlich ansteuert, dass das elektrische Potential des Mittelpunkts 7 auch dann in der Mitte zwischen den elektrischen Potentialen der Anschlussleitungen 4 und 5 gehalten wird, wenn eine asymmetrische Belastung des Wechselrichters 2 über mehrere seiner Phasen und/oder über Halbwellen unterschiedlichen Vorzeichens einer oder mehrerer seiner Phasen auftritt. Das heißt, der eine der Kondensatoren 6 wird beim Laden der Batterie 8 weniger entladen bzw. beim Entladen der Batterie stärker aufgeladen als der andere. Im Extremfall wird der Batterieinverter 9 in Bezug auf die Batterie 8 abwechselnd im Lade- und im Entladebetrieb betrieben, wobei in der Summe der geforderte Saldo erreicht wird, der auch null betragen kann. Eine solche Betriebsart des Batterieinverters 9 ist jedoch nur dann möglich und sinnvoll, wenn die gespeicherte Energie in den Kondensatoren 6 sehr viel größer ist als die gespeicherte Energie in den Drosseln 14 ist und wenn die Kondensatoren 25 bzw. 26 ebenfalls sehr klein gegenüber den Kondensatoren 6 sind. Weil der Fall, dass einer der Kondensatoren 6 zur Herstellung des Gleichgewichts geladen werden muss, während der andere zu entladen ist, in der Regel bei Schwachlast des Wechselrichters eintritt, kann dieser Fall dadurch beherrscht werden, dass in jedem Takt der Taktung der Synchronwandler 10 die Richtung des Stroms von bzw. zu der Batterie wechselt. Dafür müssen sich die Synchronwandler im Lückbetrieb befinden, der aber gerade bei Schwachlast auftritt. Zudem müssen die Kondensatoren 25 bzw. 26 so klein sein, dass die in Ihnen gespeicherte Energie viel kleiner ist als die in den Drosseln 14 gespeicherte Energie ist.
Konkret können durch Ansteuern der Schalter der Synchronwandleer 10 in dem Batterieinverter 9 gemäß 1 oder 2 folgende Schaltzustände eingestellt werden:

(A) Durch Schließen des Schalters 12 des in der jeweiligen Figur oberen Synchronwandlers 10 und des Schalters 15 des in der jeweiligen Figur unteren Synchronwandlers 10 wird die Batterie 8 mit dem in der jeweiligen Figur oberen Kondensator 6 des Gleichspannungszwischenkreises verbunden. Solange die Ausgangsspannung der Batterie größer als die halbe Zwischenkreisspannung bzw. die Spannung über dem oberen Teil des Gleichspannungszwischenkreises 3 ist, fließt dann elektrische Ladung und damit elektrische Energie aus der Batterie 8 in den oberen Teil des Gleichspannungszwischenkreises 3.
(B) Durch Schließen des Schalters 12 des unteren Synchronwandlers 10 und des Schalters 15 des oberen Synchronwandlers 10 wird die Batterie 8 mit dem unteren Kondensator 6 verbunden und so bei gleichen Spannungsverhältnissen wie unter (A) geschildert der untere Teil des Gleichspannungszwischenkreises 3 geladen. Durch unterschiedlich lange Zeiträume, über die die Schaltzustände (A) und (B) eingestellt werden, können der obere und der untere Teil des Gleichspannungszwischenkreises 3 unterschiedlich stark aus der Batterie 8 geladen werden.
(C) Durch Schließen der Schalter 12 beider Synchronwandler 10 wird die Batterie 8 mit den Anschlussleitungen 4 und 5 des Gleichspannungszwischenkreises 3 verbunden. Solange die Ausgangsspannung der Batterie kleiner als die Zwischenkreisspannung ist, wird dann die Batterie 8 aus dem Gleichspannungszwischenkreis 3 geladen. Der Schaltzustand (C) kann abwechselnd mit einem der Schaltzustände (A) oder (B) eingestellt werden, um – beim Wechsel zwischen den Schaltzuständen (C) und (A) – effektiv nur den unteren Teil oder sogar den unteren Teil zugunsten des oberen Teils des Gleichspannungszwischenkreises zu entladen oder – beim Wechsel zwischen den Schaltzuständen (C) und (B) – effektiv nur den oberen Teil oder sogar den oberen Teil zugunsten des unteren Teils des Gleichspannungszwischenkreises 3 zu entladen.
(D) Durch Schließen der beiden Schalter 15 beider Synchronwandler 10 werden die Drosseln 14 beider Synchronwandler 10 von dem durch sie fließenden Strom magnetisch aufgeladen. Durch wechselweises Ansteuern der Schaltzustände (D) und (C) kann das Spannungsgefälle zwischen der Zwischenkreisspannung des Gleichspannungszwischenkreises 3 und der Ausgangsspannung der Batterie 8 bei dem Batterieinverter 9 gemäß 1 erhöht oder überhaupt erst in dieser Richtung eingestellt werden. Bei dem Batterieinverter 9 gemäß 2 kann durch Zwischenschalten des Schaltzustands (D) zwischen Zeiträume mit dem Schaltzustand (C) die Energieflussrichtung durch Hochsetzen der Ausgangsspannung der Batterie 8 zu dem Gleichspannungszwischenkreis 3 hin umgekehrt werden. Bei dem Batterieinverter 9 gemäß 2 ist aber insbesondere ein Wechseln zwischen den Zuständen (D) und (A) und/oder (B) möglich, wodurch die Ausgangsspannung der Batterie 8 auch dann, wenn die Batterie bereits weitgehend entladen ist, noch so weit hoch gesetzt wird, dass ein Aufladen eines Teils oder beider Teile des Gleichspannungszwischenkreises 3 möglich ist.
(E) Zwischen die Schaltzustände (A) bis (D) kann ein Schaltzustand eingeschoben werden, bei dem alle Schalter 12 und 15 beider Synchronwandler 10 geöffnet sind. Dieser Schaltzustand (E) kann zum Einstellen der gewünschten Übersetzungsverhältnisse des Batterieinverters 9 zwischen die anderen Schaltzustände (A) bis (D) zwischengeschaltet werden.

3 zeigt von dem Batterieinverter 9 gemäß 1 oder 2 nur die zugehörigen Anschlussleitungen 18 bis 20. Dargestellt ist hier, dass ein Anschluss 28 für die Gleichstromquelle 29 in Form eines Photovoltaikgenerators 30 einen Hochsetzsteller 31 aufweist, der eine Drossel 32 und einen Schalter 33 in üblicher Anordnung in der Anschlussleitung 4 bzw. zwischen den Anschlussleitungen 4 und 5 umfasst. Weiterhin ist ein Kondensator 34 zur Ausbildung eines Gleichspannungszwischenkreises 35 des Hochsetzstellers 31 vorgesehen. Der Hochsetzsteller 31 passt die von der Photovoltaikanlage 30 bereitgestellte Gleichspannung an das für den Gleichspannungszwischenkreis 3 gewünschte Spannungsniveau zwischen den Anschlussleitungen 4 und 5 an. Weiterhin ist in 3 dargestellt, dass der Wechselrichter 2 ein dreiphasiger Wechselrichter mit wechselspannungsseitigen Anschlüssen L1, L2, L3 und N ist, wobei zwischen diesen Anschlüssen ein Sinusfilter 36 mit Netzdrosseln 37 und Sinusfilterkondensatoren 38 ausgebildet ist. Der Nullleiter N ist direkt mit dem Mittelpunkt 7 des Gleichspannungszwischenkreises 3 verbunden. Die Anschlüsse L1, L2, L3 und N können insbesondere mit einem Inselnetz verbunden sein, das aus der Photovoltaikanlage 30 mit elektrischer Energie versorgt wird, wobei die hier nicht dargestellte Batterie einen Puffer für elektrische Leistung darstellt und zugleich über den Batterieinverter 9 gemäß 1 oder 2 für ein definiertes elektrisches Potential des Mittelpunkts 7 über den Betrieb des Wechselrichters 2 hinweg gesorgt wird, d. h. unabhängig davon, ob die Batterie geladen oder entladen wird oder überhaupt kein effektiver Ladevorgang erfolgt.
4 skizziert eine Variante der Schaltung 1 gemäß 2, bei der alle optionalen Kondensatoren weggelassen sind. Dies sind noch mehr Kondensatoren als auf den ersten Blick ersichtlich, weil hier zwischen den Anschlussleitungen 4 und 5 neben den Kondensatoren 6 des Gleichspannungszwischenkreises 3 des Wechselrichters 2 auch noch zwei in 2 nicht dargestellte Kondensatoren 39 eines Spannungsteilers 40 dargestellt sind. Ein Mittelpunkt 41 der Kondensatoren 39 des Spannungsteilers 40 befindet sich, da die Kondensatoren 39 nicht unterschiedlich belastet werden, immer auf einem elektrischen Potential in der Mitte zwischen den elektrischen Potentialen der Anschlussleitungen 4 und 5. Hierdurch stellt er ein Vergleichspotential für die Steuerung 27 bereit. Dabei kann die Steuerung 27 das elektrische Potential des Mittelpunkts 7 des Gleichspannungszwischenkreises 3 zwischen den belasteten Kondensatoren 6 an das elektrische Potential des Mittelpunkts 41 angleichen, oder sie kann gezielt eine Spannungsdifferenz ΔU zwischen dem Mittelpunkt 41 und dem Mittelpunkt 7 hervorrufen. Dieses Verschieben des elektrischen Potentials des Mittelpunkts 7 gegenüber dem mittleren Potential der Anschlussleitungen 4 und 5 kann genutzt werden, um die mit einem Stromwandler 42 erfasste Nullkomponente des von dem Wechselrichter 2 abgegebenen dreiphasigen Wechselstroms, d. h. die über den hier mit Potential Erde PE verbundenen Nullleiter N fließende Stromkomponente zu kompensieren. Bei dieser Kompensation tritt eine Frequenz, mit der die Ansteuerung der Synchronwandler 10 variiert wird, auf, die mindestens das Dreifache der Frequenz des dreiphasigen Wechselstroms am Ausgang des Wechselrichters 2 beträgt, weil diese dreifache Frequenz einer Grundwelle der Nullkomponente des dreiphasigen Wechselstroms entspricht. Auf diese Weise kann die maximal nötige Zwischenkreisspannung des Gleichspannungszwischenkreises 3 des dreiphasigen Wechselrichters 2 reduziert werden. Die Kondensatoren 6 können dadurch jedoch nicht für eine kleinere Spannung ausgelegt werden, da die über ihnen abfallenden Teilspannungen mit der AC-Komponente für die Kompensation der Nullkomponente überlagert ist. Weiterhin ist in 4 eine magnetische Kopplung der beiden Drosseln 14 der beiden Synchronwandler 10 dargestellt. Diese magnetische Kopplung erlaubt eine kleinere Ausführung dieser Drosseln 14.
Bezugszeichenliste

1: Schaltung
2: Wechselrichter
3: Gleichspannungszwischenkreis
4: Anschlussleitung
5: Anschlussleitung
6: Kondensator
7: Mittelpunkt
8: Batterie
9: Batterieinverter
10: Synchronwandler
11: Schalterende
12: Schalter
13: Drosselende
14: Drossel
15: Schalter
16: Diode
17: Diode
18: Anschlussleitung
19: Anschlussleitung
20: Anschlussleitung
21: Kondensator
22: Anschluss
23: Anschluss
24: Kondensator
25: Kondensator
26: Kondensator
27: Steuerung
28: Anschluss
29: Gleichstromquelle
30: Photovoltaikanlage
31: Hochsetzsteller
32: Drossel
33: Schalter
34: Kondensator
35: Gleichspannungszwischenkreis
36: Sinusfilter
37: Netzdrossel
38: Sinusfilterkondensator
39: Kondensator
40: Potentialteiler
41: Mittelpunkt
42: Stromwandler
N: Nullleiter
PE: Potential Erde

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2008/103696 A2 [0006]
CA 2722263 A1 [0007]
US 7804196 B2 [0009]
EP 1298781 A1 [0010]

Claims

Verfahren zur Definition des elektrischen Potentials eines Mittelpunkts (7) eines geteilten Gleichspannungszwischenkreises (3) zwischen zwei an eine Gleichstromquelle (29) angeschlossenen gleichspannungsseitigen Anschlussleitungen (4, 5) eines Wechselrichters (2), wobei jede der beiden Anschlussleitungen (4, 5) über einen Synchronwandler (10), der eine Drossel (14) und zwei ansteuerbare Schalter (12, 15) aufweist und dessen Bezugspotential der Mittelpunkt (7) des geteilten Gleichspannungszwischenkreises (3) ist, an einen von zwei Anschlüssen (22, 23) einer ungeteilten Batterie (8) angeschlossen ist, um die Batterie (8) wahlweise aus dem Gleichspannungszwischenkreis (3) oder einem seiner beiden Teile zu laden oder in den Gleichspannungszwischenkreis (3) oder einen seiner beiden Teile zu entladen, dadurch gekennzeichnet, dass beim Laden und Entladen der Batterie (8) jeweils einer der beiden Schalter (12, 15) des einen Synchronwandlers (10) zeitgleich mit einem der beiden Schalter (12, 15) des anderen der beiden Synchronwandler (10) geschlossen wird und die einander entsprechenden Schalter (12, 15) der beiden Synchronwandler (10) bei asymmetrischer Belastung des Wechselrichters (2) derart unterschiedlich angesteuert werden, dass ein gewünschtes elektrisches Potential des Mittelpunkts (7) des geteilten Gleichspannungszwischenkreises (3) gegenüber den Anschlussleitungen (4, 5) eingehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zu dem Mittelpunkt (7) des Gleichspannungszwischenkreises (3) führender Schalter (15) des einen Synchronwandlers (10) zusammen mit einem anderen Schalter (12) des anderen Synchronwandlers (10) für anders lange Zeiträume geschlossen wird als ein anderer Schalter (12) des einen Synchronwandlers (10) zusammen mit einem zu dem Mittelpunkt (7) des Gleichspannungszwischenkreises (3) führenden Schalter (15) des anderen Synchronwandlers (10).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (12, 15) der beiden Synchronwandler (10) mit einer Frequenz angesteuert werden, die größer als oder gleichgroß wie eine Frequenz eines von dem Wechselrichter (2) ausgegebenen Wechselstroms ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Frequenz zwischen dem Laden und dem Entladen der Batterie (8) gewechselt wird, die größer als oder gleichgroß wie die Frequenz des von dem Wechselrichter (2) ausgegebenen Wechselstroms ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (12, 15) der beiden Synchronwandler (10) derart unterschiedlich angesteuert werden, dass das elektrische Potential des Mittelpunkts (7) des geteilten Gleichspannungszwischenkreises (3) beim Mittelwert des elektrischen Potentials der Anschlussleitungen (4, 5) gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (12, 15) der beiden Synchronwandler (10) derart unterschiedlich angesteuert werden, dass das elektrische Potential des Mittelpunkts (7) des geteilten Gleichspannungszwischenkreises (3) bei einer vorgegebenen Spannung gegenüber dem Mittelwert des elektrischen Potentials der Anschlussleitungen (4, 5) gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung durch eine Nullkomponente eines von dem Wechselrichter (2) ausgegebenen Wechselstroms vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Gleichstromquelle (29) ein Gleichstromgenerator, insbesondere ein Photovoltaikgenerator (30), an den Gleichspannungszwischenkreis (3) angeschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichstromquelle (29) über einen DC/DC-Wandler, insbesondere einen Hochsetzsteller (31), an den Gleichspannungszwischenkreis (3) angeschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (2) wechselspannungsseitig an ein Stromnetz, insbesondere ein Inselnetz, angeschlossen wird.
Schaltung (1) mit einem Wechselrichter (2), mit einer ungeteilten Batterie (8) und mit einem geteilten, einen Mittelpunkt (7) aufweisenden Gleichspannungszwischenkreis (3) zwischen zwei an eine Gleichstromquelle (29) anzuschließenden gleichspannungsseitigen Anschlussleitungen (4, 5) des Wechselrichters (2), wobei jede der beiden Anschlussleitungen (4, 5) über einen Synchronwandler (10), der eine Drossel (14) und zwei ansteuerbare Schalter (12, 15) aufweist und dessen Bezugspotential der Mittelpunkt (7) des geteilten Gleichspannungszwischenkreises (3) ist, an einen von zwei Anschlüssen (22, 23) der Batterie (8) angeschlossen ist, um die Batterie (8) wahlweise aus dem Gleichspannungszwischenkreis (3) oder einem seiner beiden Teile zu laden oder in den Gleichspannungszwischenkreis (3) oder einen seiner beiden Teile zu entladen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung (27) beim Laden und Entladen der Batterie (8) jeweils einen der beiden Schalter (12, 15) des einen Synchronwandlers zeitgleich mit einem der beiden Schalter (12, 15) des anderen der beiden Synchronwandler (10) schließt und die einander entsprechenden Schalter (12, 15) der beiden Synchronwandler (10) bei asymmetrischer Belastung des Wechselrichters (2) derart unterschiedlich ansteuert, dass ein gewünschtes elektrisches Potential des Mittelpunkts (7) des geteilten Gleichspannungszwischenkreises (3) gegenüber den Anschlussleitungen (4, 5) eingehalten wird.
Schaltung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronwandler (10) jeweils ein Schalterende (11) mit einem in Reihe geschalteten Schalter (12), ein Drosselende (13) mit der in Reihe geschalteten Drossel (14) und dazwischen eine Verzweigung zu dem weiteren, zu ihrem Bezugspotential führenden Schalter (15) aufweisen.
Schaltung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussleitungen (4, 5) des Wechselrichters (2) jeweils an das Schalterende (11) des zugehörigen Synchronwandlers (10) angeschlossen sind, wenn eine Batteriespannung der Batterie (8) im Normalfall kleiner als eine Zwischenkreisspannung des Gleichspannungszwischenkreises (3) ist.
Schaltung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass den Synchronwandlern (10) zwischen den Anschlussleitungen (4, 5) und den Anschlüssen (22, 23) der Batterie (8) jeweils ein Kondensator (26) parallel geschaltet ist.
Schaltung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussleitungen (4, 5) des Wechselrichters (2) jeweils an das Drosselende (13) des zugehörigen Synchronwandlers (10) angeschlossen sind, wenn eine Batteriespannung der Batterie (8) im Normalfall größer als eine Zwischenkreisspannung des Gleichspannungszwischenkreises (3) ist.
Schaltung (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen das Drosselende (13) und das Bezugspotential der Synchronwandler (10) ein Kondensator (21) geschaltet ist.
Schaltung (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen das Schalterende (11) und das Bezugspotential jedes Synchronwandlers (10) ein Kondensator (25, 21) geschaltet ist.
Schaltung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosseln (14) der beiden Synchronwandler (10) magnetisch gekoppelt sind.
Schaltung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Batterie (8) ein Kondensator (24) parallel geschaltet ist.
Schaltung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungszwischenkreis (3) einen Anschluss (28) mit einem DC/DC-Wandler, insbesondere einem Hochsetzsteller (31), für die Gleichstromquelle (29) aufweist.
Schaltung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (2) ein Photovoltaikwechselrichter mit MPP-Tracking ist.
Schaltung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (2) ein dreiphasiger Wechselrichter (2) ist.