DE102017215133A1 - Inverter und Photovoltaikanlage - Google Patents

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Abstract

Der Inverter ist insbesondere ein Mikro-Photovoltaik-Inverter. Der Inverter weist eingangsseitig einen Gleichspannungswandler mit drei Ausgangsspannungsniveaus sowie einen daran elektrisch angebundenen Wechselrichter mit mindestens drei Eingangsspannungsniveaus auf. Die Photovoltaikanlage weist einen Mikro-Photovoltaik-Inverter mit solch einem Inverter auf.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Inverter und eine Photovoltaikanlage.
  • In Photovoltaikanlagen ist typischerweise ein Mikro-Photovoltaik-Inverter (MPI) an ein Photovoltaik-Modul elektrisch angebunden, welches im Betrieb eine Gleichspannung (DC) von ca. 20 V–50 V zur Verfügung stellt. Der MPI wandelt diese Gleichspannung in eine Wechselspannung um, sodass dieser das Netz mit beispielsweise 230V und 50 Hz speist.
  • Es ist bekannt, Mikro-Photovoltaik-Inverter zweistufig auszubilden. Dazu ist eine erste Stufe eines Mikro-Photovoltaik-Inverters mit einem DC/DC-Wandler gebildet, der in an sich bekannter Weise als transformatorischer Wandler ausgeführt ist. Die Eingangsseite und die Ausgangsseite des transformatorischen Wandlers sind voneinander galvanisch isoliert. Der DC/DC-Wandler erzeugt an seinem Ausgang eine deutlich höhere Gleichspannung als am Eingang. Diese Gleichspannung liegt typischerweise bei über 400 V. Um diese hohe Gleichspannung aus einer kleinen Gleichspannung von ca. 20 V zu erzeugen ist ein Spannungsübersetzungsverhältnis von mehr als 20 erforderlich. Ein solches Spannungsübersetzungsverhältnis lässt sich nur mit einem transformatorischen Wandler, nicht mit einem nichtisolierenden Wandler, sinnvoll realisieren.
  • Als zweite Stufe ist bei dem MPI ein DC/AC-Inverter vorhanden, der häufig als einfache Vollbrücke ausgeführt ist. Diese Stufe erzeugt aus der vom DC/DC-Wandler bereitgestellten hohen Gleichspannung durch eine entsprechende Pulsweitenmodulation (PWM) eine Wechselspannung, die anschließend über einen EMI-Filter ins Netz eingespeist werden kann.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Inverter, insbesondere einen verbesserten Mikro-Photovoltaik-Inverter, bereitzustellen, welcher kostengünstiger, kompakter und effizienter betreibbar ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Photovoltaikanlage bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Inverter mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit einer Photovoltaikanlage mit den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.
  • Der erfindungsgemäße Inverter ist vorzugsweise ein Mikro-Photovoltaik-Inverter. Erfindungsgemäß weist der Inverter eingangsseitig einen Gleichspannungswandler mit drei Ausgangsspannungsniveaus sowie einen daran elektrisch angebundenen Wechselrichter mit mindestens drei Eingangsspannungsniveaus auf.
  • Vorteilhaft lässt sich der Inverter gemäß der Erfindung mit einer transformatorlosen Topologie ausbilden. Bevorzugt ist der erfindungsgemäße Inverter tatsächlich auch transformatorlos ausgebildet. Vorteilhafterweise weisen transformatorlose Gleichspannungswandler einen höheren Wirkungsgrad verglichen mit transformatorischen Gleichspannungswandlern auf. Ferner lässt sich der erfindungsgemäße Inverter auch kostengünstig herstellen, da ein transformatorischer Gleichspannungswandler regelmäßig eine teure Komponente bildet, welche erfindungsgemäß eingespart werden kann. Ferner lässt sich der erfindungsgemäße Inverter auch kompakt ausbilden, da sich ein transformatorloser Gleichspannungswandler regelmäßig mit geringerem Bauraum ausbilden lässt als ein transformatorischer Gleichspannungswandler.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Inverters weist der eingangsseitige Gleichspannungswandler einen invertierenden Gleichspannungswandler und einen nicht-invertierenden Gleichspannungswandler als dessen Komponenten auf.
  • In dieser Weiterbildung der Erfindung können der nicht-invertierende und der invertierende Gleichspannungswandler in einer sogenannten „Versetzten-Taktung“ (Interleaved-Taktung) betrieben werden. Dies verdoppelt die effektive Schaltfrequenz am DC-Eingang des Inverters. Ferner genügt ein kleinerer EMV-Filter am DC-Eingang (jeder MPI benötigt am DC-Eingang einen EMV-Filter (in dieser Anmeldung nicht explizit in den Zeichnungen gezeigt)). Durch die höhere Schaltfrequenz können zudem die benötigten passiven Bauelemente des EMI-Filters kleiner ausfallen, was Kosten und Baugröße spart.
  • Bevorzugt sind bei dem erfindungsgemäßen Inverter der invertierende und der nicht-invertierende Gleichspannungswandler für Ausgangsspannungen dimensioniert, welche sich um höchstens 20 Prozent, vorzugsweise um höchstens 3 Prozent und idealerweise um höchstens 0,5 Prozent voneinander unterscheiden.
  • Zweckmäßig sind bei dem erfindungsgemäßen Inverter die Eingänge des invertierenden und des nicht-invertierenden Gleichspannungswandlers polaritätsverschieden und insbesondere betragsgleich speisbar und zweckmäßig entsprechend kontaktiert.
  • Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Inverters umfasst der nicht-invertierende Gleichspannungswandler einen Boost-Converter und/oder der invertierende Gleichspannungswandler umfasst einen Buck-Boost-Converter.
  • Zweckmäßig weist bei dem erfindungsgemäßen Inverter der Wechselrichter drei Phasenschenkel für dreiphasige Ausgangsspannungen auf, welche jeweils mit drei Eingangsspannungsniveaus speisbar ausgebildet sind. Besonders bevorzugt sind bei dem erfindungsgemäßen Inverter die Phasenschenkel im oder mit dem ANPC-Typ oder NPC-Typ oder 3L-T-Typ ausgebildet.
  • In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist bei dem Inverter der Wechselrichter ein Wechselrichter der Bauart Ext.-ANPC (= engl.: „Extended active neutral point clamped“).
  • Vorzugsweise weist der erfindungsgemäße Inverter zwei Zwischenkreiskondensatoren auf, die zur Trennung der drei Ausgangsspannungsniveaus des eingangsseitigen Gleichrichters voneinander angeordnet und verschaltet sind.
  • Vorteilhaft lässt sich der erfindungsgemäße Inverter mit einem geteilten Zwischenkreis mit separater Versorgung eines ersten, insbesondere oberen, und eines zweiten, insbesondere unteren, Zwischenkreiskondensators herstellen. Der geteilte Zwischenkreis ermöglicht die umstandslose Verwendung eines Drei-Level-Wechselrichters als Komponente des erfindungsgemäßen Inverters.
  • Vorteilhaft können die Zwischenkreiskondensatoren mittels der ggf. eingangsseitig vorhandenen Gleichspannungswandler leicht symmetrisiert werden.
  • Die erfindungsgemäße Photovoltaikanlage weist ein Photovoltaikmodul und einen daran elektrisch angebundenen Mikro-Photovoltaik-Inverter auf, welcher mit einem Inverter oder als Inverter wie er zuvor beschrieben ist, gebildet ist.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Inverters schematisch in einem Blockschaltbild,
  • 2 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Inverters schematisch in einer Schaltungsskizze,
  • 3 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Inverters mit einem dreiphasigen Wechselrichter schematisch in einer Schaltungsskizze,
  • 4 einen Phasenschenkel des dreiphasigen Wechselrichters des Inverters gem. 3,
  • 5 eine zu 4 alternative Ausführungsform eines Phasenschenkels eines dreiphasigen Wechselrichters des Inverters analog zu 3,
  • 6 eine weitere zu 4 alternative Ausführungsform eines Phasenschenkels eines dreiphasigen Wechselrichters analog zu 3, sowie
  • 7 ein erfindungsgemäßes Photovoltaikmodul mit einem erfindungsgemäßen Inverter gem. 2.
  • Der in 1 dargestellte prinzipielle Aufbau eines erfindungsgemäßen Inverters 10 umfasst einen eingangsseitigen Gleichspannungswandler 20, welcher über elektrische Anschlussleitungen L, die mit dem Eingang des Gleichspannungswandlers 20 verbunden sind, mit einer Eingangsspannung UDC gespeist wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Inverter 10 für eine Eingangsspannung UDC von 20 bis 50 Volt dimensioniert.
  • Der Gleichspannungswandler gibt ausgangsseitig 3 Spannungsniveaus an einen Zwischenkreis Z aus. Die 3 Spannungsniveaus unterscheiden sich untereinander um die Hochspannungsdifferenzen UDC,HV/2, wobei der Zwischenkreis Z in der Darstellung gem. 1 mittig ein Nullpotential (mit „0“ gekennzeichnet), oben ein verglichen mit dem Nullpotential negatives Potential (mit „–“ gekennzeichnet) und unten ein verglichen mit dem Nullpotential positives Potential (mit „+“ gekennzeichnet) umfasst, welche mittels Zwischenkreiskondensatoren C1, C2 voneinander getrennt sind. Zwischen positivem Potential und negativem Potential besteht folglich eine Spannung UDC,HV.
  • Der Zwischenkreis Z koppelt den Gleichspannungswandler 20 mit einem Wechselrichter 30. Der Wechselrichter 30 wird mit den drei Spannungsniveaus „–„, „+“, „0“ als Eingangsspannungen des Wechselrichters 30 gespeist und ist als Drei-Level-Konverter (engl.: „Three level converter“) ausgebildet. Der Wechselrichter 30 stellt ausgangsseitig über den EMI-Filter EMI eine Wechselspannung UAC bereit, die im gezeigten Ausführungsbeispiel 230 Volt mit einer Frequenz von 50 Hz beträgt und somit ohne weitere Wandlung direkt ins Netz speisbar ist.
  • Der Gleichspannungswandler 20 ist mittels eines nicht-invertierenden Gleichspannungswandlers 40 und mittels eines invertierenden Gleichspannungswandlers 50 als dessen Komponenten gebildet. Nicht-invertierender Gleichspannungswandler 40 und invertierender Gleichspannungswandler 50 werden dabei gemeinsam von derselben Gleichspannung UDC gespeist. Dabei wird die Gleichspannung UDC an den nicht-invertierenden Gleichspannungswandler 40 direkt, an den invertierenden Gleichspannungswandler 50 invertiert und somit polaritätsverschieden angelegt.
  • Zwischenkreisseitig werden zum einen das Höhere der Ausgangspotentiale des nicht-invertierenden Gleichspannungswandlers 40 und zum anderen das Niedrigere der Ausgangspotentiale des invertierenden Gleichspannungswandlers 50 zusammengeführt und bilden das Nullpotential des Zwischenkreises Z. Die übrigen Potentiale von nicht-invertierendem Gleichspannungswandler 40 und invertierendem Gleichspannungswandler 50 bilden das gegenüber dem Nullpotential negative Potential „–“ und das gegenüber dem Nullpotential positive Potential „+“.
  • Der genauen Aufbau von Gleichspannungswandler 20 und Wechselrichter 30 geht in einem ersten Ausführungsbeispiel aus 2 hervor:
    Der nicht-invertierende Gleichspannungswandler 40 ist als Boost-Konverter ausgebildet, welcher in an sich bekannter Weise mittels einer Induktivität L1, eines MOSFETs (engl.: „Metal-oxide-semiconductor field-effect-transistor“) S1 sowie einer Diode D1 und eines Kondensators C1 gebildet ist.
  • Der invertierende Gleichspannungswandler 50 ist als Buck-Boost-Konverter ausgebildet, welcher in an sich bekannter Weise mittels einer Induktivität L2, eines MOSFETs S2 sowie einer Diode D2 und eines Kondensators C2 gebildet ist.
  • Der Drei-Level-Konverter 30 ist in Ext.-ANPC-Bauweise (engl.: „extended active neutral point clamped“) ausgeführt, welcher in an sich bekannter Weise MOSFETs S3, S4, ... S10 sowie einen EMI-Filter umfasst.
  • Alternativ kann der Drei-Level-Konverter 30 wie in dem weiteren Ausführungsbeispiel eines weiteren erfindungsgemäßen Konverters gem. 3 gezeigt auch als dreiphasiger Drei-Level-Konverter 130 ausgebildet sein.
  • Dabei sind die Phasenschenkel des dreiphasigen Drei-Level-Konverters 130 für jede Phase P in ANPC-Bauweise (ANPC = engl.: „active neutral point clamped“) ausgebildet und umfassen jeweils wie in 4 gezeigt 6 MOSFETS S1, ... S6 (in der Darstellung gem. 3 auch mit SU1, ... SU6 bezeichnet).
  • Alternativ können die Phasenschenkel des dreiphasigen Drei-Level-Konverters 130 auch wie in 5 abgebildet mit Phasenschenkeln für jede Phase P in NPC-Bauweise (NPC = engl.: „neutral point clamped“) ausgebildet sein.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Phasenschenkel des dreiphasigen Drei-Level-Konverters 130 auch wie in 6 dargestellt mit Phasenschenkeln für jede Phase P in 3L-T-Bauweise ausgebildet sein.
  • Die in 7 dargestellte Photovoltaikanlage weist ein Photovoltaikmodul 700 sowie einen Mikro-Photovoltaik-Inverter 10 auf, welcher wie der Inverter 10 im ersten Ausführungsbeispiel wie oben beschrieben aufgebaut ist. In weiteren Ausführungsbeispielen kann der Mikro-Photovoltaik-Inverter aufgebaut sein wie einer der Inverter der übrigen oben beschriebenen Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Inverters.

Claims (10)

  1. Inverter, insbesondere Mikro-Photovoltaik-Inverter, welcher eingangsseitig einen Gleichspannungswandler (20) mit drei Ausgangsspannungsniveaus (–, 0, +) sowie einen daran elektrisch angebundenen Wechselrichter (30) mit mindestens drei Eingangsspannungsniveaus (–, 0, +) aufweist.
  2. Inverter nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welchem der eingangsseitige Gleichspannungswandler (20) einen invertierenden Gleichspannungswandler (50) und einen nicht-invertierenden Gleichspannungswandler (40) aufweist.
  3. Inverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der invertierende (50) und der nicht-invertierende Gleichspannungswandler (40) für Ausgangsspannungen dimensioniert sind, welche sich um höchstens 20 Prozent, vorzugsweise um höchstens 3 Prozent und idealerweise um höchstens 0,5 Prozent voneinander unterscheiden.
  4. Inverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Eingänge des invertierenden (50) und des nicht-invertierenden Gleichspannungswandlers (40) polaritätsverschieden und insbesondere betragsgleich gespeist werden.
  5. Inverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der nicht-invertierende (40) Gleichspannungswandler einen Boost-Konverter umfasst und/oder der invertierende Gleichspannungswandler (50) einen Buck-Boost-Konverter umfasst.
  6. Inverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Wechselrichter (130) drei Phasenschenkel für dreiphasige Ausgangsspannungen aufweist, welche jeweils als mit drei Eingangsspannungsniveaus (–, 0, +) speisbar ausgebildet ist.
  7. Inverter nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welchem die Phasenschenkel im oder mit dem ANPC-Typ oder NPC-Typ oder 3L-T-Typ ausgebildet sind.
  8. Inverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Wechselrichter ein Ext.-ANPC-Typ ist.
  9. Inverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher zwei Zwischenkreiskondensatoren (C1, C2) aufweist, welche die drei Ausgangsspannungsniveaus des Gleichrichters voneinander trennen.
  10. Photovoltaikanlage mit einem Mikro-Photovoltaik-Inverter, welcher mit einem Inverter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche gebildet ist.
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