-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schalternetzwerk zur Elektroenergieübertragung unter Verwendung von elektronischen und/oder mechanischen Wechselschaltern (WS) mit 3 Anschlusspunkten (AP1, AP2 und AP3), wobei Anschlusspunkt (AP3) je nach Schalterstellung mit Anschlusspunkt (AP1) oder Anschlusspunkt (AP2) verbunden ist, und Spannungsquellen (Q) mit Verbraucher- oder Erzeugerverhalten.
-
In bisher bekannten Schalternetzwerken werden als Wechselschalter (WS) hochfrequente Halbleiterschalter wie MOSFET’s oder IGBT’s verwendet, die zur Einhaltung der Anforderungen aus z. B. EMV-Normen heraus Filter benötigen, die Kosten, Gewicht und Platzbedarf hervorrufen. Bekannte Schaltungen, die wie das hier vorgeschlagene Schalternetzwerk dazu geeignet sind durch Kaskadierungen mehrerer Spannungsstufen bzw. -quellen (Q) innerhalb eines Kaskadenmoduls (KM) oder ähnlichem eine höhere Spannung am Ausgang des Kaskadenmoduls (KM) bereitzustellen, benötigen wie z. B. in der
DE 101 03 031 A1 , in der
DE 10 2007 014 597 A1 oder in der
DE 10 2010 008 956 offenbart, bei der Verwendung von üblicherweise schnell schaltenden Halbleitern für jede der einzelnen Spannungsstufenumrichtereinheiten einer Kaskade EMV-Filter.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und ein Schalternetzwerk zur Elektroenergieübertragung bereitzustellen, bei dem durch anpassbare Kaskadierung von Spannungsquellen eine stufig veränderbare Ausgangsspannung realisiert, Schaltverluste vermieden und die erforderlichen EMV-Filter reduziert werden können.
-
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Schalternetzwerkes sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Mit der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, schnell schaltende Halbleiterschalter eines Kaskadenmoduls, an dessen Anschlusspunkten z. B. eine leistungselektronische Schaltung angeschlossen sein könnte, teilweise oder vollständig durch langsam schaltende Wechselschalter zu ersetzen.
-
Bei der Verwendung ausschließlich langsam schaltender Wechselschalter und konstanter Spannungsquellen entsteht dabei an den Anschlusspunkten eine stufig einstellbare Spannung, die bei verschiedenen Schaltungen wie z. B. Antrieben mit leistungselektronischen Stellern möglich ist. Die stufig einstellbare Spannung eines Kaskadenmoduls kann dabei auch von Vorteil für den Antrieb sein, da die Anschlussspannung von Maschinen sich oft proportional mit der Maschinendrehzahl ändert und so die zum Antrieb zugehörige leistungselektronische Stellerschaltung mit einer arbeitspunktangepassten Zwischenkreisspannung versorgt werden kann und z. B. zu einer Reduzierung der Verluste in der Stellerschaltung führt.
-
Für Schaltungen mit dynamischen Anforderungen an die Spannung zwischen den Anschlusspunkten eines Kaskadenmoduls wird vorgeschlagen, mindestens eine der Stufenspannungen mit schnell schaltenden Halbleitern auszustatten, sodass auch nur für diese Stufe ein EMV-Filter benötigt wird. Diese Stufe reicht aus, um die nötige Genauigkeit in der Feineinstellung der Ausgangsspannung zu erreichen, um damit z. B. den Strom durch das Kaskadenmodul regeln zu können. Die anderen langsam schaltenden Stufen übernehmen lediglich eine Grobeinstellung der Spannung.
-
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass im Fehlerfall oder Auszustand an den Ausgangsklemmen des Kaskadenmoduls keine Spannungsdifferenz vorhanden ist und innerhalb des Kaskadenmoduls maximal eine Potentialdifferenz von einer Stufenspannung auftritt und nicht wie bei herkömmlichen Schaltungen und wie im Normalbetrieb eine Potentialdifferenz in Höhe der Summe aller Stufenspannungen.
-
Diese Vorteile der Erfindung sind in kaskadierten Schaltungen für Photovoltaikanlagen nutzbar. Wenn die einzelnen Stufenspannungen unterhalb einer für den Menschen gefährlichen Berührungsspannung von etwa 60 V liegen und alle Photovoltaikmodule über diese Spannung hinaus nur mit dem hier vorgeschlagenen Schalternetzwerk seriell zusammengeschaltet werden, kann im Fehlerfall, wie einem auftretenden Feuer, im Vergleich zu herkömmlichen Schaltungen ein gefahrloserer Umgang, z. B. beim Löschen mit Wasser, ermöglicht werden.
-
Photovoltaikmodule haben bei Bestrahlung mit Licht immer eine Spannung an ihren Ausgangsklemmen anliegen. Oft werden viele Photovoltaikmodule zu einem String zusammengeschaltet um Spannungen oberhalb der Netzspannung zu erhalten. Diese Spannung liegt dann auch im Auszustand des Wechselrichters bei entsprechender Bestrahlung mit Licht an und es muss bei Wartungsarbeiten oder im Fehlerzustand mit besonderer Vorsicht seitens des Bedienpersonals vorgegangen werden.
-
Im normalen Auszustand ist über das hier vorgeschlagene Schalternetzwerk ein gefahrloses Arbeiten an den Photovoltaikmodulen möglich, wenn seriell zusammengeschaltete PV-Module ohne ein Schalternetzwerk nur Spannungen unterhalb einer gefährlichen Berührungsspannung ergeben und für Spannungen oberhalb einer gefährlichen Berührungsspannung das hier vorgeschlagene Schalternetzwerk eingesetzt wird.
-
Ein weiterer Anwendungsfall besteht beim Einsatz von elektrochemischen Batteriespeicherzellen, wie z. B. Doppelschichtkondensatoren (Supercaps) oder konventionelle Batterien. Die einzelnen Zellen können, werden sie mittels des vorgeschlagenen Schalternetzwerks zusammengeschaltet, im Fehlerfall oder Auszustand auf eine Spannungspotentialdifferenz von einer Zelle bzw. Stufenspannung (Q) begrenzt werden. Üblicherweise liegt an der Batterie im Auszustand oder Fehlerfall eine nicht abschaltbare Spannung an, die derjenigen im normalen Betriebszustand entspricht. Das kann z. B. bei der Nutzung von Elektrofahrzeugen ein großer Vorteil für das KFZ-Werkstattpersonal oder die Rettungskräfte sein, die nach einem Unfall Personen aus dem Fahrzeug befreien müssen.
-
Ein weiterer Vorzug des vorgeschlagenen Schalternetzwerks für den Einsatz bei Batterien besteht in der Möglichkeit einzelne Zellen gezielt in den Energieaustauschprozess beim Laden oder Entladen je nach Ladezustand mit einzubeziehen oder auszuschließen, da nur die über die Wechselschalter (WS) zugeschalteten Spannungsquellen (Q) am Energieaustausch teilnehmen. Außerdem können die am Energieaustausch beteiligten Spannungsquellen (Q) miteinander ausgetauscht werden, wodurch die Spannungsquellen (Q) am Energieaustausch gleichberechtigt teilnehmen können.
-
Des Weiteren kann mit den langsam schaltenden Schaltern die Spannung der Batterie bei Auswahl der in den Energieaustauschprozess einzubeziehenden Batteriezellen grob an eine an die Klemmen eines Kaskadenmoduls anschließbare variable Spannung angepasst werden. So können unterschiedliche Ladezustände und Alterungszustände der einzelnen Batteriezellen optimal berücksichtigt werden. Einzelne gestresste oder nicht funktionsfähige Batteriezellen können leicht aus dem Energieaustauschprozess gänzlich herausgelassen werden. Nur die Zellen, die auch Energie liefern werden über die Schalterstellung in den Energieaustauschprozess mit einbezogen.
-
Ein weiterer Anwendungsfall ist der Einsatz der Kaskadenmodule mit zugehörigem Schalternetzwerk in vermaschten Netzen. Sowohl bei Reihenschaltungen als auch Parallelschaltungen oder Kombinationen beider kann durch den Einsatz der hier vorgeschlagenen Kaskadenmodule kostengünstig der Strom oder die Energie innerhalb eines Netzes zielgerichtet verteilt werden, in dem an geeigneten Stellen des Netzes bzw. in den Strings zwischen zwei Knotenpunkten des Netzes die hier vorgeschlagenen Kaskadenmodule angeordnet werden. Über die Kaskadenmodule ist es weiterhin möglich an diesen Stellen im Netz dem Netz Energie zu- oder abzuführen.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 – Schaltbild eines Wechselschalters (WS)
-
2 – Schaltbild eines Kaskadenmoduls (KM)
-
3 – Schaltbild eines Kaskadenmoduls (KM) mit einer Impedanz (Z)
-
4 – Schaltbild eines Kaskadenmoduls (KM) mit einer DC/AC-Stellerschaltung
-
5 – eine Parallelschaltung von Kaskadenmodulen (KM)
-
6 – eine Reihenschaltung von Kaskadenmodulen (KM)
-
Die vorliegende Erfindung ist durch die Verwendung langsam schaltender Schalter dazu geeignet, EMV-Filter einzusparen oder diese zu reduzieren. An ein solches Kaskadenmodul (KM) kann parallel ein Antrieb angeschlossen werden, dessen Spannung grob über und je nach Arbeitspunkt mit einer unterschiedlichen Anzahl von Spannungsstufen (Q) mit langsam schaltenden Schaltern und fein über eine schnell schaltende Stufe (Q) eingestellt werden kann.
-
Das erfindungsgemäße Schalternetzwerk zur Elektroenergieübertragung umfasst elektronische Wechselschalter (WS), wie z. B. MOSFETS oder IGBT’s, und/oder mechanische Wechselschalter (WS) mit jeweils 3 Anschlusspunkten (AP1, AP2 und AP3) und je Wechselschalter eine Spannungsquelle (Q) (siehe 1 und 2). Die Wechselschalter (WS) sind so ausgelegt, dass jeweils deren Anschlusspunkt (AP3) entweder mit dem Anschlusspunkt (AP1) oder Anschlusspunkt (AP2) verbunden ist. Die Spannungsquelle (Q) ist mit den Anschlusspunkten (AP1) und (AP2) des Wechselschalters (WS) verbunden und kann Verbraucher- oder Erzeugerverhalten aufweisen und z. B. eine elektrochemische Batterie, einen Kondensator, z. B. ein Superkondensator, ein Photovoltaikmodul oder einen Spannungszwischenkreis einer sich anschließenden leistungselektronischen Schaltung darstellen.
-
Die Wechselschalter (WS) sind zusammen mit den Spannungsquellen (Q) gemäß 2 zu einem Kaskadenmodul (KM) mit den Anschlusspunkten (APM1) und (APM2) verschaltet werden. An das Kaskadenmodul (KM) kann eine Impedanz (Z) gemäß 3 angeschlossen werden. Die Spannung über der Impedanz (Z) wird durch die Spannungsquellen (Q) gebildet, die über die entsprechenden Schalterstellungen der Wechselschalter (WS) seriell kombiniert werden. Durch Variation der Schalterstellungen kann jede Spannungsquelle (Q) am Energieaustauschprozess beteiligt werden, so dass z. B. im Mittel eine gleichmäßige Belastung aller Spannungsquellen (Q) erreicht werden kann. Bei Batterien kann z. B. so auf eine gleichmäßige Be- und Entladung der Zellen oder zu kleineren Baterieeinheiten miteinander verbundenen Zellen, die dann die Spannungsquelle (Q) bilden, geachtet werden oder es kann der jeweilige Lade- oder Alterungszustand der Zellen berücksichtigt werden. Auf mögliche erforderliche Veränderungen der Spannung über der Impedanz (Z) kann z. B. über die Veränderung der durch die Wechselschalter (WS) zuschaltbaren Anzahl der Spannungsquellen (Q) reagiert werden.
-
Alternativ kann an die beiden Anschlusspunkte (APM1) und (APM2) eines Kaskadenmoduls (KM) auch direkt eine DC- oder AC-Stellerschaltung mit variabler Zwischenkreisspannung angeschlossen werden (4). Je nach Höhe der Zwischenkreisspannung werden dann wieder mehr oder weniger Spannungsquellen (Q) über die Schalterstellung der Wechselschalter (WS) gleichzeitig in den Energieaustauschprozess einbezogen.
-
Für dynamische Prozesse ist eine schnelle Anpassung der Spannung des Kaskadenmoduls (KM) zwischen seinen Anschlussstellen (APM1) und (APM2) nötig. Die meisten Wechselschalter (WS) sollen jedoch erfindungsgemäß langsam schaltend sein, um die mit dem Schalten verbundenen möglichen Probleme, wie Schaltverluste und Emittieren hochfrequenter elektromagnetischer Störungen, die einen entsprechenden Filteraufwand hervorrufen, zu begrenzen. Deshalb umfasst das erfindungsgemäße Schalternetzwerk lediglich einen oder wenige Wechselschalter (WS) mit schnell schaltenden Halbleiterschaltern, so dass darüber die Feinabstimmung der Spannung des Kaskadenmoduls (KM) erfolgen kann, vorausgesetzt dass es sich bei den Spannungsquellen (Q) um ungesteuerte oder sich lediglich langsam veränderbare bzw. konstante Spannungen handelt. Die langsam schaltenden Schalter sorgen für eine Grobeinstellung der Spannung des Kaskadenmoduls (KM). Über Stromregelkreise kann dann z. B. ein gewünschter Energieaustausch geregelt werden.
-
Weiterhin liegt es im Bereich der Erfindung, dass mehrere Kaskadenmodule (KM) in einem Netzwerk, z. B. in den Knotenpunkten und/oder Maschen eines Elektroenergieübertragungsnetzes in Reihe oder parallel über Impedanzen zusammengeschaltet werden (5 und 6). Über die jeweiligen Spannungen an den Anschlussstellen (APM1) und (APM2) der Kaskadenmodule (KM) kann der Energieaustausch eines Kaskadenmoduls (KM) mit dem Netzwerk bzw. den anderen Kaskadenmodulen (KM) gesteuert werden oder gegebenenfalls auch der Energiefluss in einem Elektroenergieübertragungsnetz zielgerichtet beeinflusst werden.
-
In einem Fehlerfall oder im Auszustand eines Kaskadenmoduls (KM) sollen sich alle dessen Wechselschalter (WS) in der einen gleichen Schalterstellung befinden, so dass die Anschlussstellen (APM1) und (APM2) des Kaskadenmoduls (KM) miteinander verbunden auf dem gleichen Potential liegen. Für die Wechselschalter in 2 heißt das, dass dann jeweils der Anschlusspunkt (AP3) mit dem Anschlusspunkt (AP2) verbunden ist. Dadurch wird für den Aus- oder Fehlerzustand gewährleistet, dass alle Spannungsquellen (Q) eines Kaskadenmoduls (KM) mit einem ihrer Anschlüsse auf dem gleichen Potential wie die Anschlussstellen (APM1) oder (APM2) des Kaskadenmoduls (KM) liegen. Weiterhin tritt in dem Kaskadenmodul (KM) kein höheres Spannungspotential gegenüber seinen Anschlussstellen (APM1) und (APM2) auf als durch die Spannungsquelle (Q) mit der größten Spannung hervorgerufen wird. Das erhöht die Sicherheit für die Menschen, die im Aus- oder Fehlerzustand von außen mit einem solchen Kaskadenmodul (KM) in Kontakt kommen, z. B. für Rettungskräfte bei Unfällen mit Elektromobilen oder für die Feuerwehr bei Bränden mit der Beteiligung von PV-Anlagen, wenn die Spannungsquellen (Q) jeweils eine Batterie oder ein Photovoltaikmodul darstellen. Das gilt insbesondere dann, wenn die einzelnen Spannungsquellen (Q) jeweils unterhalb einer für Menschen gefährlichen Spannung bleiben.
-
Eine Voraussetzung dafür sind fehlerfrei arbeitende Schalter, die z. B. im stromlosen Zustand sicher auf die bevorzugte Ausstellung/Nullstellung schalten. In 2 wäre das jeweils die Verbindung zwischen Anschlusspunkt (AP3) und Anschlusspunkt (AP2) der Wechselschalter (WS). Bei Halbleiterschaltern wäre die Verwendung sogenannter „normally-on” Schalter zwischen Anschlusspunkt (AP3) und Anschlusspunkt (AP2) nötig.
-
Alternativ könnte diese sichere Schalterstellung evtl. auch über Schalter erreicht werden, die lediglich eine kleine Spannung bzw. Energie dazu benötigen, wenn diese Spannung bzw. Energie von der am jeweiligen Wechselschalter angeschlossenen Spannungsquelle (Q) selbst bereitgestellt wird. Ist die Spannung einer Spannungsquelle (Q) dann für eine sichere Schalterstellung zu klein, liefert diese Spannungsquelle bzw. deren Wechselschalter auch nur einen kleinen Beitrag zur Spannung zwischen den Anschlussstellen (APM1) und (APM2) des Kaskadenmoduls. Diese Variante zur Schalteransteuerung kann bei einer ausreichend geringen Anzahl von Stufen bzw. Wechselschaltern (WS) und Spannungsquellen (Q) eines Kaskadenmoduls (KM) in Betracht gezogen werden.
-
Bei der Verwendung schnell schaltender Halbleiter kann parallel zu ihnen auch an geeigneter Stelle (z. B. zwischen den Anschlusspunkten (AP3) und (AP2) des Wechselschalters (WS)) ein langsam schaltender mechanischer Schalter eingesetzt werden, der im Normalzustand aus ist und lediglich im Aus- oder Fehlerzustand wie die anderen mechanischen Schalter dafür sorgt, dass die Anschlussstellen (APM1) und (APM2) des Kaskadenmoduls (KM) auf dem gleichen Potential liegen, falls der schnell schaltende Halbleiter diese Funktion nicht übernehmen kann.
-
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
-
- DE 10103031 A1 [0002]
- DE 102007014597 A1 [0002]
- DE 102010008956 [0002]
