DE102020112723A1

DE102020112723A1 - Wechselrichter mit drei Brückenzweigen und Verfahren zum Betreiben eines derartigen Wechselrichters

Info

Publication number: DE102020112723A1
Application number: DE102020112723.5A
Authority: DE
Inventors: Burkard Mueller; Alexander Unru
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2020-05-11
Filing date: 2020-05-11
Publication date: 2021-11-11
Anticipated expiration: 2040-05-12
Also published as: WO2021228769A1; DE102020112723B4; US20230070123A1; EP4150753A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter (10), umfassend
- einen ersten Brückenzweig (11) mit einem ersten Phasenausgang (114),
- einen zweiten Brückenzweig (12) mit einem zweiten Phasenausgang (124),
- einen dritten Brückenzweig (13) mit einem dritten Phasenausgang (134), wobei die Phasenausgänge (114, 124, 134) der Brückenzweige (11, 12, 13) mit jeweils einem Phasenleiter (L1, L2, L3) eines dreiphasigen Energieverteilungsnetzes (3) verbindbar sind.
Der Wechselrichter (10) ist dazu eingerichtet,
- in einem Normalbetrieb des dreiphasigen Energieverteilungsnetzes (3) die Phasenausgänge (114, 124, 134) mit dem jeweiligen Phasenleiter (L1, L2, L3) zu verbinden, und
- bei einer Störung in dem dreiphasigen Energieverteilungsnetz (3) den ersten Phasenausgang (114) mittels einer Umschalteinheit (15) von dem ersten Phasenleiter (L1) zu trennen und mit einem Neutralleiter (N) des dreiphasigen Energieverteilungsnetzes (3) zu verbinden, und über den ersten Brückenzweig (11) ein Neutralpotenzial für den Neutralleiter (N) einzustellen.
Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Wechselrichters (10).

Description

Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter mit drei Brückenzweigen mit jeweils einem Phasenausgang, wobei die drei Phasenausgänge mit jeweils einem Phasenleiter eines dreiphasigen Netzes verbindbar sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Wechselrichters.
Solche Wechselrichter werden häufig eingesetzt, um Gleichspannung, z.B. aus einer Photovoltaik (PV-) Anlage, in einen netzkonformen Wechselstrom zum Einspeisen in ein dreiphasiges Wechselstromnetz umzuformen. Energieversorgungsnetze sind in der Regel auf allen Spannungsebenen dreiphasig ausgelegt, wobei der Spannungsverlauf auf den verschiedenen Phasen jeweils um 120° gegenüber einem Spannungsverlauf auf einer der anderen Phasen verschoben ist.
Aus der Druckschrift DE 10 2014 104 216 B3 ist ein dreiphasiger Wechselrichter bekannt, der bei einem Ausfall des Energieversorgungsnetzes in einem einphasigen Notbetrieb betreibbar ist. In diesem Notbetrieb werden zwei der drei Brückenzweige so betrieben, dass zwischen diesen beiden Brückenzweigen ein einphasiger Brückenstrom zur Notstromversorgung beispielsweise eines Wohnhauses auf zumindest einem Phasenleiter erfolgen kann. Der dritte Brückenzweig bleibt ungenutzt.
Bei einer Umwandlung von Gleichstrom wird im Normalbetrieb eines dreiphasigen Wechselrichters aufgrund der symmetrischen Phasenverschiebung von je 120° der Phasen zueinander aus der Gleichstromquelle sehr gleichmäßig Energie entnommen. Ein Gleichstromzwischenkreis, der den Brückenzweigen vorgeschaltet ist, kann daher in einem dreiphasigen Wechselrichter bezogen auf die vom Wechselrichter übertragene Leistung eine relativ kleine Kapazität seiner Zwischenkreiskondensatoren aufweisen. Wird über zwei der Brückenzweige ein nur einphasiger Wechselstrom bereitgestellt, belastet dieser die Zwischenkreiskondensatoren deutlich stärker, was zu ausgeprägten periodischen Spannungsschwankungen bei der doppelten Netzfrequenz, auch als „Niederfrequenzrippel“ bezeichnet, führt. Diese belasten die Zwischenkreiskondensatoren stark und führen zu einer schnelleren Alterung der Kondensatoren.
Gemäß der Druckschrift DE 10 2017 131 042 A1 werden zwei von drei Brückenzweigen eines Wechselrichters zur Umsetzung eines Gleichstroms ein einen einphasigen Wechselstrom eingesetzt und der dritte Brückenzweig wird genutzt, um Leistung zwischen der Gleichstromquelle und einem Energiespeicher, beispielsweise einem Batteriespeicher, auszutauschen. Durch geeignete Ansteuerung des dritten Brückenzweiges kann durch einen periodisch erfolgenden Energieaustausch zwischen dem Gleichstromzwischenkreis und dem Energiespeicher die wechselnde Belastung des Gleichstromzwischenkreises kompensiert werden, was zu einer Spannungsglättung im Zwischenkreis führt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen im Normalbetrieb dreiphasigen Wechselrichter so zu gestalten, dass in einem Notstrombetrieb eine Notstromversorgung von zumindest Teilen des dreiphasigen Netzes mit möglichst geringen Spannungsschwankungen im Zwischenkreis ermöglicht ist, ohne einen zusätzlichen Energiespeicher zum Ausgleich der Belastung des Zwischenkreises einzusetzen.
Diese Aufgabe wird durch einen Wechselrichter und ein Betriebsverfahren für einen solchen Wechselrichter mit den Merkmalen des jeweiligen unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein erfindungsgemäßer Wechselrichter der eingangs genannten Art ist dazu eingerichtet, in einem Normalbetrieb des dreiphasigen Energieverteilungsnetzes die Phasenausgänge mit dem jeweiligen Phasenleiter zu verbinden und bei einer Störung in dem dreiphasigen Energieverteilungsnetz den ersten Phasenausgang mittels einer Umschalteinheit von dem ersten Phasenleiter zu trennen und mit einem Neutralleiter des dreiphasigen Energieverteilungsnetzes zu verbinden und über den ersten Brückenzweig ein Neutralpotenzial für den Neutralleiter einzustellen. Die Brückenzweige können beispielsweise eine 2-Level-B6- oder eine Mehrlevel- (z.B. 3-Level-) NPC (Neutral Point Clamped)-, BSNPC (Bipolar Switch NPC)-, ANPC (Active NPC)- oder FLC (Flying Capacitor)-Topologie aufweisen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines derartigen Wechselrichters zeichnet sich dadurch aus, dass in einem Normalbetrieb des dreiphasigen Energieverteilungsnetzes die Phasenausgänge mit dem jeweiligen Phasenleiter verbunden werden, und bei einer Störung in dem dreiphasigen Energieverteilungsnetz der erste Phasenausgang von dem ersten Phasenleiter getrennt wird und mit einem Neutralleiter des dreiphasigen Netzes Energieverteilungsnetzes verbunden wird, und dass über den ersten Brückenzweig ein Neutralpotenzial für den Neutralleiter eingestellt wird.
Durch die Bereitstellung von zwei Phasenleitern gegenüber einem Neutralleiter kann ein Inselnetz mit einer Leistung von bis zu 2/3 der Nennleistung des Wechselrichters weiter versorgt werden. Einphasige Verbraucher innerhalb einer Netz-installation sind in der Regel auf die verschiedenen Phasenleiter verteilt angeschlossen. Dadurch, dass zwei von drei Phasenleitern im lokalen Inselbetrieb (Notbetrieb) bedient werden, bleiben mehr der Verbraucher im Inselnetz betriebsbereit als z. B. bei der Lösung gemäß der Druckschrift DE 10 2017 131 042 A1 , bei der nur ein einphasiges Inselnetz aufgebaut wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Wechselrichters bzw. des Verfahrens wird der erste Brückenzweig so angesteuert, dass sich an dem ersten Phasenausgang ein Mittenpotential einer Spannung eines Gleichspannungszwischenkreises einstellt. Dieses stellt eine einfach umzusetzende Möglichkeit dar, das Neutralpotenzial für den Neutralleiter zu bilden. Dieses gilt insbesondere bei einem Einsatz einer 3-Level Brückentopologie, bei der dann lediglich die inneren Schalter des ersten Brückenzweigs eingeschaltet werden müssen, um den ersten Phasenausgang mit dem Mittenpotenzial zu beaufschlagen. Die Einstellung eines (zeitlich zumindest über eine Netzperiode konstanten) Mittenpotentials setzt jedoch eine Zwischenkreisspannung voraus, die größer als die doppelte Amplitude der vom Wechselrichter bereitgestellten Spannungen auf den beiden Phasenleitern ist. Wenn das nicht gegeben ist, kann alternativ nach der Trennung von dem ersten Phasenleiter der erste Brückenzweig so angesteuert werden, dass an dem ersten Phasenausgang ein periodisch modulierter Spannungsverlauf als Neutralpotenzial einstellt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Wechselrichters bzw. des Verfahrens ist vorgesehen, bei einer Störung des dreiphasigen Energieverteilungsnetz mittels einer Netztrenneinrichtung das dreiphasige Energieverteilungsnetz allpolig von einem übergeordneten Energieversorgungsnetz zu trennen. Die in der Regel extern vom Wechselrichter angeordnete Netztrenneinrichtung wird dabei vom Wechselrichter entsprechend angesteuert. Weiter ist der Wechselrichter dazu eingerichtet, nach der Netztrennung den zweiten und dritten Brückenzweig so anzusteuern, dass eine Phasenverschiebung von Spannungen zwischen dem zweiten und dritten Phasenausgang und jeweils dem Neutralleiter zueinander von 120° abweicht.
Bei einer Phasenlage von 120° wird der Gleichspannungszwischenkreis über den Verlauf einer Netzperiode betrachtet ungleichmäßig belastet. Dieses führt zu großen Spannungsrippeln bei der doppelten Netzfrequenz im Gleichspannungszwischenkreis und belastet Kondensatoren des Gleichspannungszwischenkreises. Diese Belastung wird vorteilhaft dadurch verringert, dass die Phasenverschiebung zwischen den Phasenleitern und jeweils dem Neutralleiter von 120° auf einen Wert verändert wird, bei dem der Gleichspannungszwischenkreis über die Netzperiode gleichmäßiger belastet wird.
Dabei ist bevorzugt ein Übergangsbetrieb vorgesehen, in dem der zweiten und dritten Brückenzweig so angesteuert werden, dass nach der Netztrennung an dem zweiten und dritten Phasenausgang zunächst eine Spannung mit einer Phasenverschiebung von 120° ausgegeben wird und anschließend die Phasenverschiebung zwischen dem zweiten und dritten Phasenausgang auf den von 120° abweichenden Wert verändert wird. Bevorzugt dauert der Übergangsbetrieb nur wenige Netzperioden an, insbesondere weniger als 5 Netzperioden, um die Belastung der Zwischenkreiskondensatoren so klein wie möglich zu halten.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des Verfahrens wird eine Phasenverschiebung zwischen den jeweils zwischen dem Neutralleiter und dem zweiten und dritten Phasenausgang bereitgestellten Spannungen abhängig von der Topologie der Brückenzweige eingestellt.
Bei einem Wechselrichter mit einer 3-Level Topologie der Brückenzweige beträgt die Phasenverschiebung, die nach der Netztrennung eingestellt wird, vorteilhaft etwa 180°. Bevorzugt kann dabei der genaue Wert der Phasenverschiebung über einen Regelkreis eingeregelt werden, derart, dass eine Größe von Spannungsrippeln bei der doppelten Netzfrequenz in einem Gleichspannungszwischenkreis des Wechselrichters minimiert wird.
Bei einem Wechselrichter mit einer 2-Level Topologie der Brückenzweige wird nach der Netztrennung eine Phasenverschiebung von mindestens 90° und weniger als 120°eingestellt. Bevorzugt beträgt die Phasenverschiebung 90°, da in dem Fall minimale Spannungsrippel beobachtet werden. Jedoch steigt der Strom am ersten Phasenausgang an, wenn die Phasenverschiebung von 120° in Richtung 90° verringert wird. In einer möglichen Weiterbildung wird ein Maximalstrom an dem ersten Phasenausgang gemessen und die Phasenverschiebung auf 90° hin verkleinert, wenn der Maximalstrom unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt und in Richtung 120° vergrößert, wenn der Maximalstrom über oder bei dem vorgegebenen Schwellenwert liegt. So wird ein im Hinblick auf die Belastung des Zwischenkreises bestmöglicher Wert der Phasenverschiebung dynamisch abhängig von der aktuellen Lastsituation im Inselnetz gewählt, der noch mit einer vertretbaren Strombelastung für den ersten Phasenausgang einhergeht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines anmeldungsgemäßen Wechselrichters, angeschlossen an ein lokales Energieverteilungsnetz;
2 ein Flussdiagramm eines Betriebsverfahrens für einen Wechselrichter; und
3 ein schematisches Ausführungsbeispiel eines Wechselrichters in einem zweiten Ausführungsbeispiel, angeschlossen an ein lokales Energieversorgungsnetz.

In 1 ist ein einem schematischen Schaltbild eine Anordnung mit einem Wechselrichter 10 in einem Ausführungsbeispiel wiedergegeben. Der Wechselrichter ist auf noch näher zu erläuternder Weise mit einem lokalen Energieverteilungsnetz 3, nachfolgend auch als Netz 3 bezeichnet, gekoppelt, das über eine Netztrenneinrichtung 2 mit einem übergeordneten Energieversorgungsnetz 1 verbindbar ist. An das lokale Netz 3 sind beispielhaft als Widerstände dargestellte Verbraucher 4 angeschlossen.
Das lokale Netz 3 ist ebenso wie das übergeordnete Energieversorgungsnetz 1 ein dreiphasiges Netz, das Phasenleiter L1, L2 und L3 sowie einen Neutralleiter N umfasst. Eine Phasenverschiebung zwischen den einzelnen Phasenleitern L1, L2 bzw. L3 beträgt 120°. In einem Normalbetrieb ist das lokale Netz 3 mit dem übergeordneten Energieversorgungsnetz 1 gekoppelt.
Der Wechselrichter 10 umfasst eine Wechselrichterbrücke mit drei Brückenzweigen 11, 12, 13, die grundsätzlich gleichartig ausgebildet sind und lediglich der Unterscheidbarkeit halber als erster, zweiter und dritter Brückenzweig 11, 12, 13 bezeichnet werden. Jeder der Brückenzweige 11, 12, 13 umfasst eine Reihenschaltung von zwei Halbleiterschaltorganen 111, 112 bzw. 121, 122 bzw. 131, 132. Diese Reihenschaltungen sind mit ihren äußeren Anschlüssen an einen Gleichspannungszwischenkreis 14 angeschlossen, der beim Ausführungsbeispiel der 1 durch einen Zwischenkreiskondensator 141 dargestellt ist. Es versteht sich, dass der Zwischenkreiskondensator 141 in einer Realisierung der dargestellten Schaltung aus einer Mehrzahl von parallel und/oder in Serie geschalteten einzelnen Kondensator bestehen kann.
Die Anschlüsse des Gleichspannungszwischenkreises 14 bilden im dargestellten Beispiel auch die Eingangsanschlüsse des Wechselrichters 10, an denen hier eine Gleichspannungsquelle 5 angeschlossen ist.
Die Gleichspannungsquelle 5 ist beispielhaft durch das Schaltzeichen einer Batterie dargestellt. In einer Umsetzung der in 1 gezeigten Anlage kann es sich um eine Zusammenschaltung einer oder mehrerer wiederaufladbarer Batterien und/oder einen Photovoltaik- (PV-) Generator handeln, der seinerseits eine Vielzahl von PV-Zellen, angeordnet in einer Mehrzahl von PV-Modulen umfassen kann. Auch dabei können die PV-Module in einer Reihen- und/oder Parallelschaltung verschaltet sein, um den PV-Generator zu bilden. Ebenfalls beispielhaft ist bei dem Wechselrichter 10 die Gleichstromquelle 5 unmittelbar an den Gleichspannungszwischenkreis 14 angeschlossen. Es ist auch denkbar, einen Gleichspannungswandler zwischenzuschalten, um den Gleichspannungszwischenkreis 14 und die Gleichstromquelle 5 auf verschiedenen Spannungsniveaus zu halten.
Im Betrieb des Wechselrichters 10 werden die einzelnen Halbleiterschaltorgane 111, 112, 121, 122, 131 und 132 von einer hier nicht dargestellten Steuereinheit angesteuert, bevorzugt in einem Pulsweiten-Modulationsverfahren (PWM-Verfahren), um den zugeführten Gleichstrom zu wandeln. Im gezeigten Beispiel sind als Halbleiterschaltorgane 111, 112, 121, 122, 131 und 132 IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) eingesetzt. In alternativen Ausgestaltungen können auch Bipolartransistoren oder MOSFETs (Metal Oxide Semi-Conductor Field Effect Transistors) verwendet werden.
Zur korrekten Festlegung der Schaltzeitpunkten beim PWM-Verfahren werden geeignete Strom- und/oder Spannungsmesswerte an den Brückenzweigen 11, 12, 13 benötigt. Strommessungen können zum Beispiel mit Hilfe von Shunts erfolgen oder auch durch Hall-Sensoren, die einen Strom anhand eines gemessenen Magnetfelds ermitteln. Spannungsmessungen können mit Hilfe von Spannungsteilern durchgeführt werden. Die gemessenen Strom- und/oder Spannungswerte werden in der Steuereinheit ausgewertet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist bei der 1 darauf verzichtet worden, entsprechende Strom- und/oder Spannungsmessmittel einzuzeichnen.
Die Mittelabgriffe der Brückenzweige 11, 12, 13 sind über jeweils einen Ausgangsfilter 113, 123, 133 als Ausgänge aus dem Wechselrichter 10 herausgeführt. Diese Ausgänge stellen Phasenausgänge 114, 124 und 134 des Wechselrichters 10 dar. Die Ausgangsfilter 113, 123, 133 dienen einer Glättung der Ausgangsspannung bzw. des Ausgangsstroms, so dass diese möglichst sinusförmigen Zeitverlauf haben.
Prinzipiell können auch andere Topologien in dem Wechselrichter 10 umgesetzt sein als die gezeigte sogenannte 2-Level-B6-Topologie mit je drei Brückenzweigen mit je zwei Halbleiterschaltorganen und Mittelabgriff. So kann ein Wechselrichter auch in einer Drei- oder Mehrlevel-Topologie wie „Neutral Point Clamped“ (NPC), „Bipolar Switch Neutral Point Clamped“ (BSNPC), „Active Neutral Point Clamped“ (ANPC) oder „Flying Capacitor‟ (FLC) aufgebaut sein. Diese Topologien benötigen in der Regel mehr Halbleiterschaltorange pro Brückenzweig als die B6-Topologie, können aber Vorteile bezüglich ihrer Effizienz bieten. Ein Ausführungsbeispiel eines Wechselrichters 10 mit einer 3-Level-NPC-Topologie ist in dem Ausführungsbeispiel der 3 wiedergegeben.
Zwischen den Phasenausgängen 114, 124 und 134 sind Schaltorgane 115, 125 und 135 angeordnet, über die die Phasenausgänge 114, 124, 134 mit den entsprechenden Leitern L1, L2 bzw. L3 des Netzes 3 verbunden werden können. Als Besonderheit ist dabei die Verbindung zwischen dem ersten Phasenausgang 114 und dem Phasenleiter L1 zusätzlich über einen Umschalter 15 geführt, dessen Funktion nachfolgend noch detaillierter erläutert wird.
Eine Verbindung der drei Phasenausgänge 114, 124, 134 mit den drei Phasenleitern L1, L2, L3 stellt einen Normalbetrieb für den Wechselrichter 10 dar, bei dem von der Gleichstromquelle 5 bereitgestellte Leistung in das lokale Netz 3 dreiphasig eingespeist wird und der Versorgung der Verbraucher 4 bzw. zu einer Einspeisung in das Energieversorgungsnetz 1 dient.
Im Zusammenhang mit 2 wird anhand eines Flussdiagramms ein anmeldungsgemäßes Betriebsverfahren beschrieben, das beispielsweise mit dem in 1 gezeigten Wechselrichter 10 in der dargestellten Verbindung mit dem Netz 3 ausgeführt werden kann. Das Verfahren wird nachfolgend beispielhaft mit Bezug auf 1 erläutert.
Das Verfahren startet in einem Schritt S1, in dem der Wechselrichter 10 in dem genannten Normalbetrieb strom- oder spannungsgeregelt in das dreiphasige Netz 3 einspeist. Die Netztrenneinrichtung 2 ist dabei geschlossen und eine Verbindung zum Energieversorgungsnetz 1 ist hergestellt. Das Umschaltorgan 15 befindet sich in einer Schaltstellung, in der der erste Phasenausgang 114 mit dem Phasenleiter L1 verbunden ist.
In einem nächsten Schritt S2 wird eine Störung des lokalen Netzes 3 bzw. des Energieversorgungsnetzes 1 detektiert, beispielsweise von einer in 1 nicht gezeigten Netzüberwachungseinrichtung. Als Reaktion auf die Netzstörung wird das lokale Netz 3 vom Energieversorgungsnetz 1 durch Öffnen der Netztrenneinrichtung 2 getrennt.
Um im Falle der Netztrennung möglichst viele der Verbraucher 4 weiter mit Energie versorgen zu können, wird der Wechselrichter 10 als Inselwechselrichter für das Netz 3 eingesetzt. Dazu wird von der Steuereinrichtung des Wechselrichters 10 oder einer übergeordneten Steuereinrichtung das Umschaltorgan 15 so geschaltet, dass der erste Phasenausgang 114 mit dem Neutralleiter N des Netzes 3 verbunden ist. Der erste Brückenzweig 11 wird dabei so angesteuert, dass das Potenzial auf dem Neutralleiter N für die Verbraucher 4, die an den Phasenleitern L2 und L3 angeschlossen sind, ein Neutralpotenzial darstellt, wodurch diese Verbraucher 4 weiter betrieben werden können. Ein Neutralpotenzial stellt beispielsweise ein Mittenpotenzial im Gleichspannungszwischenkreis 14 dar, wobei die Nutzung des Mittenpotenzials als Neutralpotenzial eine ausreichend hohe Zwischenkreisspannung voraussetzt. Konkret ist dazu eine Spannung im Zwischenkreis 14 erforderlich, die der doppelten Amplitude der bereitzustellenden Phasenspannung entspricht. Falls eine derartig hohe Zwischenkreisspannung im Normalbetrieb nicht vorliegt, kann vorgesehen sein, sie nach der Netztrennung entsprechend hochzusetzen, was möglich ist, wenn ein Gleichspannungswandler zwischen der Gleichstromquelle 5 und dem Gleichspannungszwischenkreis 14 angeordnet ist. Alternativ kann vorgesehen sein, eine Hilfsspannung mit einem ihrerseits modulierten Verlauf, d.h. einem zeitlich nicht konstanten Wert, an dem ersten Phasenausgang 114 als Neutralpotenzial bereitzustellen.
Durch die Bereitstellung von zwei Phasenleitern gegenüber einem Neutralleiter wird das Netz 3 als Inselnetz mit einer Leistung von bis zu 2/3 der Nennleistung des Wechselrichters 10 weiter versorgt. Um das Inselnetz bedienen zu können, wird der Wechselrichter 10 dabei nicht mehr strom- oder spannungsgeregelt betrieben, sondern spannungsstellend, so dass er als Netzbildner fungiert.
Die Phasenlage der weiterbetriebenen Phasenleiter L2 und L3 wird bei dem Umschalten in den Inselbetrieb zunächst übernommen bzw. beibehalten, sie weist also eine Phasendifferenz von 120° auf. Diese Phasenlage führt jedoch zu großen Spannungsrippeln bei der doppelten Netzfrequenz im Gleichspannungszwischenkreis 14 und stellt eine über eine Periode der Wechselspannung stark schwankende Belastung für den Gleichspannungszwischenkreis 14 dar.
Um diese Belastung zu verringern, wird in einem nächsten Schritt S3 die Phasenverschiebung zwischen den Phasenleitern L2 und L3 gegenüber dem Neutralleiter N von 120° auf einen Wert verändert, bei dem der Gleichspannungszwischenkreis 14 über die Netzperiode gleichmäßiger belastet wird. Bei einem Wechselrichter mit Brückenzweigen in einer 2-Level Topologie (vgl. 1) wird eine möglichst gleichmäßige Belastung bei einer Phasenverschiebung von 90° erzielt. Bei einem Wechselrichter mit Brückenzweigen in 3-Level Topologies (vgl. 3) und insbesondere bei gleicher Belastung der Phasenleiter L2 und L3 ist dieses in der Regel eine Phasenverschiebung von 180°. Damit werden die im Inselnetz weiterversorgten Phasenleiter L2 und L3 bezüglich des Neutralleiters in Art eines sogenannten Einphasen-Dreileiter-Netzes, auch „Split Phase“- Netz genannt, betrieben.
Falls die beiden Phasenleiter L2 und L3 nicht gleichmäßig belastet sind - was in der Praxis üblicherweise der Fall ist - liegt die optimale Phasenverschiebung nicht bei genau 180°, sondern weicht zu kleineren oder größeren Werten davon ab. In einer Weiterbildung des Verfahrens kann vorgesehen sein, die Größe der Spannungsrippel bei der doppelten Netzfrequenz im Gleichspannungszwischenkreis 14 zu bestimmen und den Winkel der Phasenverschiebung in einem Regelkreis so einzuregeln, dass die Größe der Spannungsrippel minimiert wird.
Um die Auswirkungen, z.B. eine Alterung des Zwischenkreiskondensators 141, der Belastung des Gleichspannungszwischenkreises 14 bei der ursprünglichen Phasenbeziehung von 120° möglichst gering zu halten, erfolgt die Umstellung in den „Split Phase“- Betrieb möglichst schnell nach der Detektion der Netzstörung, beispielsweise innerhalb von einigen Netzperioden.
Der „Split Phase“- Modus wird beibehalten, bis in einem nächsten Schritt S4 erkannt wird, dass die Netzstörung des Energieversorgungsnetzes 1 behoben ist.
In einem nächsten Schritt S5 werden durch entsprechende Ansteuerung des zweiten und dritten Brückenzweiges 12, 13 die Phasenleiter L2 und L3 im Hinblick auf ihre Phasenlage mit den entsprechenden Phasenlagen im Energieversorgungsnetz 1 synchronisiert.
In einem nächsten Schritt S6 wird das Netz 3 durch Wiedereinschalten der Netztrenneinrichtung 2 wieder mit dem Energieversorgungsnetz 1 verbunden.
Weiter wird durch Öffnen des Schaltorgans 115 der erste Phasenausgang 114 vom Neutralleiter N getrennt.
In einem sich anschließenden Schritt S7 wird der erste Phasenausgang 114 dann auf die Phasenlage des Phasenleiters L1 des Energieversorgungsnetzes 1 synchronisiert.
In einem abschließenden Schritt S8 wird das Umschaltorgan 15 dann wieder so umgeschaltet, dass der erste Phasenausgang 114 nach einem anschließend erfolgenden Wiedereinschalten des Schaltorgans 115 mit dem Phasenleiter L1 verbunden ist. Die Anordnung befindet sich damit wieder in dem Normalbetrieb, der auch im Schritt S1 vorlag.
3 zeigt in vergleichbarer Weise wie 1 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anordnung aus einem Wechselrichter 10, der an ein lokales Netz 3 angeschlossen ist, das über eine Netztrenneinrichtung 2 mit einem Energieversorgungsnetz 1 gekoppelt ist. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen in dieser Figur gleiche oder gleichwirkende Elemente wie in 1. Die Anordnung der 3 unterscheidet sich nur in der Topologie des Wechselrichters 10 von der Anordnung gemäß 1, auf deren Beschreibung hiermit explizit verwiesen wird.
Bei dem Wechselrichter 10 gemäß 3 sind die drei Brückenzweige 11, 12, 13 als 3-Level NPC- (Neutral Point Clamped-) Brückenzweige aufgebaut. An Stelle einer Serienschaltung der beiden Halbleiterschaltorgane 111, 112 (bzw. 121, 122 und 131, 132) sind vorliegend jeweils zwei Halbleiterschaltorgane 111 (bzw. 121, 131) und zwei Halbleiterschaltorgane 112 (bzw. 122, 132) in Reihe verschaltet, wobei ein Mittelabgriff zwischen diesen beiden Halbleiterschaltorganen jeweils über einen weiteres Halbleiterschaltorgan 111', 112' (bzw. 121', 122' und 131', 132') auf ein Neutralpotenzial geklemmt wird. Diese weiteren Halbleiterschaltorgane 111', 112' (bzw. 121', 122' und 131', 132') sind im gezeigten Beispiel durch Dioden gebildet.
Als weiterer Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel der 1 ist der Gleichspannungszwischenkreis 14 als geteilter Zwischenkreis mit zwei in Reihe geschalteten Zwischenkreiskondensatoren 141, 142 aufgebaut. Ein Mittelabgriff zwischen den beiden Zwischenkreiskondensatoren 141, 142 bildet das Neutralpotenzial.
Auch bei dieser Anordnung kann vorteilhaft das im Zusammenhang mit 2 beschriebene Betriebsverfahren ausgeführt werden, bei dem nach Eintreten einer Netzstörung die beiden Phasenleiter L2 und L3 durch den Wechselrichter 10 gegenüber dem Neutralleiter N mit Spannung beaufschlagt werden, wobei der Neutralleiter N durch den ersten Brückenzweig 11 auf einem Neutralpotenzial gehalten wird. Vorteilhaft bei einem 3-Level Wechselrichter ist, dass ein Mittenpotential als Neutralpotential einfach durch Einschalten der inneren der Schaltorgane 111 und 112 des ersten Brückenzweigs 11 auf dem Neutralleiter N generiert werden kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel führt das anschließende Einstellen einer Phasenlage von etwa 180° zu geringeren Spannungsrippeln bei der doppelten Netzfrequenz und damit zu einer geringeren Belastung der Zwischenkreiskondensator 141, 142. Durch die geteilte Ausführung des Zwischenkreises 14 weist der Wechselrichter dynamisches und stabiles Regelverhalten auf.
Bezugszeichenliste

1: übergeordnetes Energieversorgungsnetz
2: Netztrenneinrichtung
3: (lokales) Netz
4: Verbraucher
5: Gleichstromquelle
10: Wechselrichter
11: erster Brückenzweig
111, 112: Halbleiterschaltorgan
111', 112': weiteres Halbleiterschaltorgan
113: Filteranordnung
114: erster Phasenausgang
115: Schaltorgan
12: zweiter Brückenzweig
121, 122: Halbleiterschaltorgan
121', 122': weiteres Halbleiterschaltorgan
123: Filteranordnung
124: zweiter Phasenausgang
125: Schaltorgan
13: dritter Brückenzweig
131, 132: Halbleiterschaltorgan
131', 132': weiteres Halbleiterschaltorgan
133: Filteranordnung
134: dritter Phasenausgang
135: Schaltorgan
14: Gleichspannungszwischenkreis
141, 142: Zwischenkreiskondensator
15: Umschaltorgan
L1, L2, L3: Phasenleiter
N: Neutralleiter

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 102014104216 B3 [0003]
DE 102017131042 A1 [0005, 0010]

Claims

Wechselrichter (10), umfassend - einen ersten Brückenzweig (11) mit einem ersten Phasenausgang (114), - einen zweiten Brückenzweig (12) mit einem zweiten Phasenausgang (124), - einen dritten Brückenzweig (13) mit einem dritten Phasenausgang (134), wobei die Phasenausgänge (114, 124, 134) der Brückenzweige (11, 12, 13) mit jeweils einem Phasenleiter (L1, L2, L3) eines dreiphasigen Energieverteilungsnetzes (3) verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (10) dazu eingerichtet ist, - in einem Normalbetrieb des dreiphasigen Energieverteilungsnetzes (3) die Phasenausgänge (114, 124, 134) mit dem jeweiligen Phasenleiter (L1, L2, L3) zu verbinden, und - bei einer Störung in dem dreiphasigen Energieverteilungsnetz (3) den ersten Phasenausgang (114) mittels einer Umschalteinheit (15) von dem ersten Phasenleiter (L1) zu trennen und mit einem Neutralleiter (N) des dreiphasigen Energieverteilungsnetzes (3) zu verbinden, und über den ersten Brückenzweig (11) ein Neutralpotenzial für den Neutralleiter (N) einzustellen.
Wechselrichter (10) nach Anspruch 1, der weiter dazu eingerichtet ist, den ersten Brückenzweig (11) derart anzusteuern, dass sich an dem ersten Phasenausgang (114) ein Mittenpotential einer Spannung eines Gleichspannungszwischenkreises (14) einstellt.
Wechselrichter (10) nach Anspruch 1 oder 2, der weiter dazu eingerichtet ist, bei der Störung des dreiphasigen Energieverteilungsnetz (3) mittels einer Netztrenneinrichtung (2) das dreiphasige Energieverteilungsnetz (3) allpolig von einem übergeordneten Energieversorgungsnetz (1) zu trennen.
Wechselrichter (10) nach Anspruch 3, der weiter dazu eingerichtet ist, nach der Netztrennung den zweiten und dritten Brückenzweig (12, 13) so anzusteuern, dass eine Phasenverschiebung von Spannungen zwischen dem zweiten und dritten Phasenausgang (124, 134) und jeweils dem Neutralleiter (N) zueinander von 120° abweicht.
Wechselrichter (10) nach Anspruch 4, der weiter dazu eingerichtet ist, in einem Übergangsbetrieb den zweiten und dritten Brückenzweig (12, 13) so anzusteuern, dass nach der Netztrennung an dem zweiten und dritten Phasenausgang (124, 134) zunächst eine Spannung mit einer Phasenverschiebung von 120° ausgegeben wird und anschließend die Phasenverschiebung zwischen dem zweiten und dritten Phasenausgang (124, 134) auf den von 120° abweichenden Wert verändert wird.
Wechselrichter (10) nach Anspruch 5, wobei der Übergangsbetrieb nur wenige Netzperioden andauert, insbesondere weniger als 5 Netzperioden.
Wechselrichter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Brückenzweige (11, 12, 13) eine 2-Level-B6- oder eine 3-Level- NPC-, BSNPC-, ANPC- oder FLC-Topologie aufweisen.
Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters (10) mit drei Brückenzweigen (11, 12, 13) und drei Phasenausgängen (114, 124, 134), die mit jeweils einem Phasenleiter (L1, L2, L3) eines dreiphasigen Energieverteilungsnetzes (3) verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass - in einem Normalbetrieb des dreiphasigen Energieverteilungsnetzes (3) die Phasenausgänge (114, 124, 134) mit dem jeweiligen Phasenleiter (L1, L2, L3) zu verbinden, und - bei einer Störung in dem dreiphasigen Energieverteilungsnetz (3) den ersten Phasenausgang (114) von dem ersten Phasenleiter (L1) zu trennen und mit einem Neutralleiter (N) des dreiphasigen Netzes Energieverteilungsnetzes (3) zu verbinden, und über den ersten Brückenzweig (11) ein Neutralpotenzial für den Neutralleiter (N) einzustellen.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der erste Brückenzweig (11) nach der Trennung von dem ersten Phasenleiter (L1) so angesteuert wird, dass sich an dem ersten Phasenausgang (114) ein Mittenpotential einer Spannung eines Gleichspannungszwischenkreises (14) als Neutralpotenzial einstellt.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der erste Brückenzweig (11) nach der Trennung von dem ersten Phasenleiter (L1) so angesteuert wird, dass an dem ersten Phasenausgang (114) ein periodisch modulierter Spannungsverlauf als Neutralpotenzial einstellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem nach einem Erkennen der Störung des dreiphasigen Energieverteilungsnetz (3) dieses allpolig von einem übergeordneten Energieversorgungsnetz (1) getrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem bei einem Wechselrichter mit einer 3-Level Topologie der Brückenzweige (11, 12, 13) nach der Netztrennung der zweite und der dritte Brückenzweig (12, 13) so angesteuert werden, dass zwischen jeweils dem Neutralleiter (N) und dem zweiten und dritten Phasenausgang (124, 134) Spannungen bereitgestellt werden, die zueinander um etwa 180° phasenverschoben sind.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Wert der Phasenverschiebung über einen Regelkreis eingeregelt wird, derart, dass eine Größe von Spannungsrippeln bei der doppelten Netzfrequenz in einem Gleichspannungszwischenkreis (14) des Wechselrichters (10) minimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem bei einem Wechselrichter mit einer 2-Level Topologie der Brückenzweige (11, 12, 13) nach der Netztrennung der zweite und der dritte Brückenzweig (12, 13) so angesteuert werden, dass zwischen jeweils dem Neutralleiter (N) und dem zweiten und dritten Phasenausgang (124, 134) Spannungen bereitgestellt werden, die mindestens 90° und weniger als 120° phasenverschoben sind.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Phasenverschiebung 90° beträgt.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei ein Maximalstrom an dem ersten Phasenausgang (114) gemessen wird und die Phasenverschiebung auf 90° hin verkleinert wird, wenn der Maximalstrom unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt und in Richtung 120° vergrößert wird, wenn der Maximalstrom über oder bei dem vorgegebenen Schwellenwert liegt.