DE102018219277A1

DE102018219277A1 - Verfahren zum Betreiben eines PV-Wechselrichters und PV-Wechselrichter

Info

Publication number: DE102018219277A1
Application number: DE102018219277.4A
Authority: DE
Inventors: Harald Drangmeister; Sven Meißinger; Christoph Kipphan
Original assignee: Kaco New Energy GmbH
Current assignee: Kaco New Energy GmbH
Priority date: 2018-11-12
Filing date: 2018-11-12
Publication date: 2020-05-14

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines PV-Wechselrichters (1), wobei der PV-Wechselrichter (1) eine Mehrzahl von parallel geschalteten Wechselrichter-Endstufen (2) aufweist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
- Betreiben der Mehrzahl von Wechselrichter-Endstufen (2) phasenverschoben zueinander, wobei eine Phasenverschiebung der Wechselrichter-Endstufen (2) zueinander derart eingestellt wird, dass ein durch den Betrieb des PV-Wechselrichters (1) verursachtes Störspektrum bei vorgegebenen Frequenzen zugehörige Maximalwerte (MW1, MW2) nicht überschreitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Photovoltaik(PV)-Wechselrichters und einen PV-Wechselrichter.
Die EP 2 945 267 A2 zeigt einen mehrphasigen Wechselrichter mit einer Mehrzahl von Wechselrichter-Endstufen, die phasenverschoben zueinander betrieben werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines PV-Wechselrichters und einen PV-Wechselrichter zur Verfügung zu stellen, die ein verbessertes EMV-Verhalten aufweisen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben eines PV-Wechselrichters nach Anspruch 1 und einen PV-Wechselrichter nach Anspruch 6.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betreiben eines PV-Wechselrichters, der eine Mehrzahl von parallel geschalteten, insbesondere dreiphasigen, Wechselrichter-Endstufen aufweist. Die Wechselrichterendstufen können beispielsweise jeweils pro Phase eine herkömmliche H-Brücke aufweisen. Die Wechselrichterendstufen können auch auf einer so genannten Active Neutral-Point-Clamped-Topologie basieren, beispielsweise beschrieben in der Veröffentlichung Qing-Xin Guan et al. „An Extremely High Efficient Three-Level Active Neutral-Point-Clamped Converter Comprising SiC and Si Hybrid Power Stages" in IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 33, NO. 10, OCTOBER 2018, Seiten 8341-8352.
Das Verfahren weist folgende Schritte auf.
Die Mehrzahl von Wechselrichter-Endstufen werden phasenverschoben zueinander betrieben. Ein phasenverschobenes (interleaved) Betreiben mehrerer Wechselrichter-Endstufen ist prinzipiell bekannt, so dass insoweit auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen sei.
Erfindungsgemäß wird eine Phasenverschiebung der Wechselrichter-Endstufen zueinander derart eingestellt, dass ein durch den Betrieb des PV-Wechselrichters verursachtes Störspektrum bei vorgegebenen Frequenzen zugehörige Maximalwerte nicht überschreitet. Die jeweiligen Maximalwerte können beispielsweise normativ vorgegeben sein.
Gemäß einer Ausführungsform entsprechen die vorgegebenen Frequenzen einer Anzahl von Oberwellen-Frequenzen einer Taktfrequenz der Wechselrichter-Endstufen. Die Taktfrequenz der Wechselrichter-Endstufen kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 8 kHz bis 100 kHz liegen, insbesondere 50 kHz betragen.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Phasenverschiebung der Wechselrichter-Endstufen fortlaufend zwischen einer vorgegebenen oberen Grenze und einer vorgegebenen unteren Grenze (hin und her) verändert.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Phasenverschiebung der Wechselrichter-Endstufen fortlaufend sinusförmig zwischen der vorgegebenen oberen Grenze und der vorgegebenen unteren Grenze verändert.
Gemäß einer Ausführungsform weist der PV-Wechselrichter genau zwei parallel geschaltete Wechselrichter-Endstufen auf.
Der erfindungsgemäße PV-Wechselrichter weist eine Mehrzahl von parallel geschalteten Wechselrichter-Endstufen und eine Steuereinheit auf, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, die Wechselrichter-Endstufen derart anzusteuern, dass ein oben beschriebenes Verfahren ausgeführt wird.
Die Verwendung einer Mehrzahl von parallel geschalteten Wechselrichter-Endstufen, die phasenverschoben bzw. interleaved betrieben werden, hat folgende Vorteile im Vergleich zu der Verwendung nur einer einzelnen Wechselrichter-Endstufe. Wenn beispielsweise zwei Wechselrichter-Endstufen parallel geschaltet werden, halbieren sich die Ströme in jeder Drossel. Da das Drosselvolumen proportional zum Energiegehalt ist und dieser quadratisch zum Strom, kann das Drosselvolumen deutlich reduziert werden. Die ohmschen Verluste reduzieren sich auch (P=R*I²). Da sich beide Ströme in einem Knotenpunkt vereinen, ergibt sich dort die Summe der Ströme. Je nach Tastgrad und Phase der Ströme ergeben sich unterschiedliche Störspektren.
Ein Messintervall einer leitungsgebundenen EMV Prüfung beginnt bei 150 kHz und endet bei 30 MHz. Bei modernen Wechselrichtern, die mit einer Taktfrequenz von ca. 40 kHz bis 100 kHz arbeiten, liegen die Oberwellen in diesem Messintervall. Bei Überschreitungen der normativ vorgegebenen Grenzwerte sind hochpreisige Filterelemente (Induktivitäten + Kondensatoren) notwendig, um den normativen Vorgaben zu entsprechen. Bei Wechselrichtern, die mit einer Taktfrequenz von 50 kHz arbeiten, liegt die 3, 5, ... Oberwelle innerhalb des Messbereichs.
Die Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, dass ein Oberwellenanteil des vom Wechselrichter gelieferten (Summen-) Stroms auch abhängig von einer Phasenverschiebung der von den einzelnen Wechselrichter-Endstufen gelieferten Teilströme ist. Die Phasenverschiebung der Teilströme kann praktisch beliebig variiert werden. Somit kann die Höhe der einzelnen Oberwellen des (Summen-) Stromes durch Veränderung der Phasenverschiebung beeinflusst werden.
In einfachsten Fall kann eine feste Phasenverschiebung eingestellt werden. Somit werden ganz gezielt bestimmte Oberwellen verstärkt und abgeschwächt.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Phasenverschiebung der Teilströme bzw. Interleaved Ströme ständig zu variieren. Somit werden Oberwellen erzeugt und abgeschwächt. Da bei einer EMV Messung ein Mittelwert über ein Zeitintervall gebildet wird, kann somit der gemessene Störpegel stark reduziert werden. Das bedeutet, dass durch diesen Phase-Jitter ein Frequency-Jitter erzeugt wird, jedoch ohne die Taktfrequenz zu ändern.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigt:

1 ein PV-System mit einem erfindungsgemäßen Photovoltaik(PV)-Wechselrichter,
2 ein von dem PV-Wechselrichter verursachtes Störspektrum und
3 eine zeitlichen Verlauf einer Phasenverschiebung zwischen zwei Wechselrichter-Endstufen.

1 zeigt schematisch ein PV-System mit einem PV-Modul 4 und einem mit diesem gekoppelten erfindungsgemäßen PV-Wechselrichter 1. Der Wechselrichter 1 ist dazu vorgesehen, von dem PV-Modul 4 gewandelte elektrische Energie in ein Drehstromnetz 5 einzuspeisen. Insoweit sei auch auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen.
Der PV-Wechselrichter 1 weist eine Mehrzahl von parallel geschalteten Wechselrichter-Endstufen 2 auf, die auf einer ANPC-Topologie basieren und über AC-Drosseln 6 gekoppelt auf denselben Ausgang arbeiten. Bevorzugt weist der PV-Wechselrichter 1 genau zwei parallel geschaltete Wechselrichter-Endstufen 2 auf. Im Folgenden wird angenommen, dass der PV-Wechselrichter 1 genau zwei parallel geschaltete Wechselrichter-Endstufen 2 aufweist.
1 zeigt schematisch die Struktur für eine einzelne Phase eines Drehstromnetzes 5. Es versteht sich, dass weitere Phasen des Drehstromnetzes entsprechend angebunden und angesteuert sind.
Die Wechselrichter-Endstufen 2 werden von einer Steuereinheit 3 angesteuert.
Die beiden Wechselrichter-Endstufen 2 werden von der Steuereinheit 3 derart mit einer Phasenverschiebung PV, siehe 3, phasenverschoben zueinander angesteuert, dass ein durch den Betrieb des PV-Wechselrichters verursachtes Störspektrum SS, siehe 2, bei vorgegebenen Frequenzen 2*f1, 3*f1, etc. zugehörige Maximalwerte MW1 bzw. MW2 nicht überschreitet. Hinsichtlich der Grundlagen des phasenverschobenen Betriebs von parallel geschalteten Wechselrichter-Endstufen sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Die vorgegebenen Frequenzen 2*f1, 3*f1, ... sind Oberwellen-Frequenzen einer Taktfrequenz f1 der Wechselrichter-Endstufen 2. In 2 sind lediglich zwei Oberwellenfrequenzen gezeigt. Es versteht sich, dass mehr als zwei Oberwellenfrequenzen berücksichtigt werden können
Bezugnehmend auf 3 wird die Phasenverschiebung PV der beiden Wechselrichter-Endstufen 2 fortlaufend sinusförmig zwischen einer vorgegebenen oberen Grenze OG und einer vorgegebenen unteren Grenze UG verändert.
Falls mehr als zwei Wechselrichter-Endstufen 2 parallel geschaltet sind, ist die Phasenverschiebung entsprechend anzupassen.
Die Erfindung setzt auf der so genannten Interleaved AC-Technologie auf, bei der zwei Wechselrichter-Brücken phasenversetzt betrieben werden. Erfindungsgemäß wird der Phasenversatz derart dynamisch variiert, dass sich ein gewünschtes Störspektrum einstellt, welches normativen Anforderungen genügt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2945267 A2 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Qing-Xin Guan et al. „An Extremely High Efficient Three-Level Active Neutral-Point-Clamped Converter Comprising SiC and Si Hybrid Power Stages“ in IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 33, NO. 10, OCTOBER 2018, Seiten 8341-8352 [0005]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines PV-Wechselrichters (1), wobei der PV-Wechselrichter (1) aufweist: - eine Mehrzahl von parallel geschalteten Wechselrichter-Endstufen (2), wobei das Verfahren die Schritte aufweist: - Betreiben der Mehrzahl von Wechselrichter-Endstufen (2) phasenverschoben zueinander, wobei eine Phasenverschiebung (PV) der Wechselrichter-Endstufen (2) zueinander derart eingestellt wird, dass ein durch den Betrieb des PV-Wechselrichters (1) verursachtes Störspektrum (SS) bei vorgegebenen Frequenzen (2*f1, 3*f1) zugehörige Maximalwerte (MW1, MW2) nicht überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - die vorgegebenen Frequenzen (2*f1, 3*f1) Oberwellen-Frequenzen einer Taktfrequenz (f1) der Wechselrichter-Endstufen (2) entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass - die Phasenverschiebung (PV) der Wechselrichter-Endstufen (2) fortlaufend zwischen einer vorgegebenen oberen Grenze (OG) und einer vorgegebenen unteren Grenze (UG) verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass - die Phasenverschiebung (PV) der Wechselrichter-Endstufen (2) fortlaufend sinusförmig zwischen der vorgegebenen oberen Grenze (OG) und der vorgegebenen unteren Grenze (UG) verändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der PV-Wechselrichter (1) zwei parallel geschaltete Wechselrichter-Endstufen (2) aufweist.
PV-Wechselrichter (1), aufweisend: - eine Mehrzahl von parallel geschalteten Wechselrichter-Endstufen (2) und - eine Steuereinheit (3), dadurch gekennzeichnet, dass - die Steuereinheit (3) dazu ausgebildet ist, die Wechselrichter-Endstufen (2) derart anzusteuern, dass ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgeführt wird.