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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft eine DC/DC-Wandlervorrichtung für eine Windkraftanlage, ein elektrisches Antriebsystem, oder für ein industrielles DC-Versorgungsnetz mit elektrischer Energie mittels eines mit der DC/DC-Wandlervorrichtung koppelbaren Zwischenkreises eines AC/DC-Wandlers, eines DC-Energiespeichers oder einer Energiequelle. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen DC/DC-Wandlervorrichtung.
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STAND DER TECHNIK
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Das vorliegende technische Gebiet betrifft eine DC-Energieversorgung oder Stützung einer Windkraftanlage, eine Verschaltung eines Zwischenkreises zumindest eines elektrischen Antriebes oder für die DC-Energieversorgung oder Stützung eines DC-Industrienetzes, vorzugsweise dort einen Lade- und Entladebetrieb eines Energiespeichers oder die Kopplung von DC-Subnetzen bzw. Netzsegmenten mit verschiedenen Spannungsniveaus. In einem Netzbetrieb eines DC-Systems wie z.B. einem DC-Industrienetz oder eines Zwischenkreises eines Elektroantriebes, insbesondere in Hochsicherheitsanwendungen wie einem Pitch- oder Yaw-Antrieb einer Windkraftanlage können bei einer netzseitigen AC- oder DC-Versorgung sowohl ein AC/DC-Wandler als auch ein DC/DC-Wandler (Gleichspannungswandler) zum Einsatz kommen. Im Bereich elektrischer Antriebe werden DC-Zwischenkreise in Frequenzumrichtern oder für eine Gleichstromversorgung eingesetzt, die miteinander oder mit DC-Energiequellen oder Energiesenken koppelbar sind.
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Hierzu zeigt das Dokument
EP 2 515 424 B1 beispielsweise einen Gleichspannungswandler zum Hoch- und/oder Tiefsetzen von Spannungen für eine Versorgung eines dritten DC-Anschlusses durch an einem ersten Anschluss angeschlossenen DC-Spannungsquelle und einem an einem zweiten Anschluss angeschlossenen DC-Spannungsquelle, beispielsweise zwei Solarmodule eines Solargenerators oder zwei Batterien. Hierzu ist wenigstens ein erster Anschluss und wenigstens ein zweiter Anschluss sowie wenigstens ein dritter Anschluss umfasst, wobei ein Energiefluss zwischen den ersten und zweiten Anschlüssen einerseits und dem dritten Anschluss andererseits möglich ist, einer getaktet betreibbaren ersten Halbbrücke, welche parallel zu dem ersten Anschluss geschaltet ist und eine Reihenschaltung von wenigstens einer ersten Schaltvorrichtung und einer zweiten Schaltvorrichtung aufweist, und einer getaktet betreibbaren zweiten Halbbrücke, welche parallel zu dem zweiten Anschluss geschaltet ist und eine Reihenschaltung von wenigstens einer dritten Schaltvorrichtung und wenigstens einer vierten Schaltvorrichtung aufweist, wobei die Mittelpunkte der beiden getaktet betreibbaren Halbbrücken über wenigstens eine Drossel miteinander verbunden sind, wobei diese wenigstens eine Drossel als fliegende Induktivität betrieben wird. Nachteilig sind ein Eingangspotential des ersten Anschlusses und parallel dazu ein Eingangspotential des zweiten Anschlusses mit einem Ausgangspotential des dritten Anschlusses über Potentialschienen galvanisch verbunden, so dass keine Freischaltung zwischen den beiden Eingängen und dem Ausgang erfolgen kann. Des Weiteren sind zwei Eingangs-DC-Energiequellen zur Versorgung einer Ausgangs-DC-Energiesenke vorzusehen.
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Gleichwohl kann die vorliegende Erfindung auch in einer Ladestation zum Laden und/oder Entladen eines Energiespeichers eines Elektrofahrzeuges eingesetzt werden.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte DC/DC-Wandlervorrichtung zum Betrieb einer Windkraftanlage, eines elektrischen Antriebssystems oder eines DC-Energienetzes zu schaffen.
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Die gestellte Aufgabe wird durch eine DC/DC-Wandlervorrichtung mit und durch ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird eine DC/DC-Wandlervorrichtung, insbesondere eine transformatorlose DC/DC-Wandlervorrichtung, für den Betrieb einer Windkraftanlage, eines elektrischen Antriebs oder eines industriellen DC-Versorgungsnetzes vorgeschlagen. Die Ladestation umfasst:
- einen Eingangszwischenkreis, welcher eine Anzahl von zwischen einem positiven Eingangsleiter und einem negativen Eingangsleiter geschaltete Zwischenkreiskondensatoren aufweist, und
- einen dem Eingangszwischenkreis nachgeschalteten DC/DC-Wandler, welcher eine mit dem positiven Eingangsleiter verbundene erste Halbbrücke und eine mit dem negativem Eingangsleiter verbundene zweite Halbbrücke aufweist, wobei der Mittelabgriff der ersten Halbbrücke und der Mittelabgriff der zweiten Halbbrücke über eine Drossel verbunden sind.
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Die DC/DC-Wandlervorrichtung weist beispielsweise ein Gehäuse, insbesondere ein wasserdichtes Gehäuse, mit einem Innenraum auf, in dem eine Mehrzahl von elektrischen und/oder elektronischen Komponenten und eine mit zumindest einer der Komponenten verbundene Anschlussbuchse zum Verbinden eines Verbindungs- oder Ladesteckers für einen Energiespeicher, beispielsweise eines Elektrofahrzeuges angeordnet sind.
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Die DC/DC-Wandlervorrichtung kann beispielsweise als Ladeanschlussvorrichtung für ein Elektrofahrzeug eingesetzt werden. Die Wandlervorrichtung kann insbesondere als Wallbox ausgebildet. Die Wandlervorrichtung kann zum Aufladen bzw. Regenerieren eines Energiespeichers eines Elektrofahrzeuges, eines Notenergiespeichers einer Windkraftanlage, die Verkopplung oder Notenergiestützung von Zwischenkreisen elektrischer Antriebe, oder für eine Anpassung von Spannungsniveaus in DC-Industrienetzen eingesetzt werden. Die DC/DC-Wandlervorrichtung agiert dabei als Bezugsquelle für elektrische Energie für den Energiespeicher. Die DC/DC-Wandlervorrichtung kann auch als intelligentes Ladegerät für einen Energiespeicher bezeichnet werden.
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Beispiele für die elektrischen und/oder elektronischen Komponenten der DC/DC-Wandlervorrichtung umfassen Schütz, Allstromsensitiver-Schutzschalter, Gleich-, Über- und Fehlerstrom-Überwachungsvorrichtung, Relais, Anschlussklemme, elektronische Schaltkreise und eine Steuervorrichtung, beispielsweise umfassend eine Leiterplatte, auf welcher eine Mehrzahl von elektronischen Bauelementen zum Steuern und/oder Messen und/oder Überwachen der Energiezustände angeordnet sind.
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Ein in der DC/DC-Wandlervorrichtung umfasster AC/DC-Wandler für eine Wechsel- oder Drehstromnetzanbindung kann auch als Umrichter bezeichnet werden. Der AC/DC-Wandler ist insbesondere zum Wandeln einer Wechselspannung in eine Gleichspannung und/oder zum Wandeln einer Gleichspannung in eine Wechselspannung eingerichtet. Die DC/DC-Wandlervorrichtung umfasst einen insbesondere einen derartigen Umrichter nachgeschalteten Eingangszwischenkreis mit einer Anzahl von Zwischenkreiskondensatoren, die mit einem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt verbunden sind.
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Das mehrphasige Drehstromnetz i hat insbesondere eine Anzahl von Phasen, beispielsweise L1, L2 und L3, sowie einen Neutralleiter (auch bezeichnet mit N).
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Es sei angemerkt, dass das „Laden und/oder Entladen eines Energiespeichers“ sowohl ein Zuführen von elektrischer Energie als auch ein Entnehmen von elektrischer Energie umfasst. Das heißt, dass der Energiespeicher als Verbraucher oder als Erzeuger in dem DC-Netz der Windkraftanlage, eines elektrischen Antriebs oder dem Industrienetz wirken kann.
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Gemäß einer Ausführungsform kann ein mit einer Anzahl von AC-Phasen L1, L2, L3 koppelbarer AC/DC-Wandler, insbesondere ein 3-Punkt-AC/DC-Wandler am Eingangszwischenkreis an den eingangsseitigen Eingangsleitern vorgeschaltet sein, oder eine DC-Energiequelle, insbesondere ein Solargenerator, oder ein DC-Energiespeicher, insbesondere ein 3-Punkt-Akkumulator, an den eingangsseitigen Eingangsleitern, d.h. am quellenseitigen Eingangszwischenkreis angeschlossen sein. Somit kann im Normalbetrieb DC-Energie aus den DC-Ausgangsklemmen eines Netzgleichrichters oder bidirektional arbeitenden AC/DC-Wandler entnommen bzw. rückgespeichert werden, oder aus einem DC-Energiequelle, beispielsweise einer Brennstoffzelle, einem Solargenerator mit Solarzellen, einem Schwungmassenspeicher oder einer Batterie entnommen werden, oder einem DC-Energiespeicher, beispielsweise einem elektrochemischen Akkumulator, Kondensator oder Schwungmassenspeicher entnommen oder rückgeführt werden. Somit sind vielartige Einsatzmöglichkeiten für die Energieentnahme und Rückspeicherung zwischen verschiedenen DC-Spannungsniveaus möglich.
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Gemäß einer Ausführungsform kann zumindest ein Pitch-Antrieb, oder ein Yaw-Antrieb einer Windkraftanlage, zumindest ein Zwischenkreis eines oder mehrerer elektrischer Antriebe, oder zumindest ein DC-Netzsegment eines DC-Industrienetzes an einem Ausgangszwischenkreis des DC/DC-Wandlers nachgeschaltet sein. So ergeben sich vielfältige Vorteile bei Anwendung der DC/DC-Gleichrichtereinheit im Bereich einer Windkraftanlage, eines Antriebssystems oder in einem DC-Industrienetz:
- Mit Gleichstromnetzen lässt sich unter Anwendung von elektronischen Frequenzumrichtern die elektrische Versorgung in Fabriken energieeffizienter, stabiler und flexibler gestalten als mit netzseitigem Wechselstrom. Werden alle elektrischen Anlagen über ein intelligentes DC-Netz gekoppelt, wie beispielsweise im Verbundprojekt „DC-Industrie 2“, treibt dies zudem die Energiewende im industriellen Bereich voran In einer DC-Industrieanwendung ist mithilfe der vorgeschlagenen DC/DC-Wandlervorrichtung ein Hoch- und Herabsetzen einer DC-Versorgungsspannung bidirektional übergangslos möglich. Hinzu kommen eine sichere Abschaltmöglichkeit und eine geringe Reaktionszeit auf Kurz- und Erdschlüsse. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Verbindung zwischen Ein- und Ausgang der DC/DC-Wandlervorrichtung ausschließlich durch Sperrschichtkapazitäten von Halbleiterschaltern erfolgt, d.h. keine galvanische Verbindung zwischen Ein- und Ausgang existiert und eine Quasi-Potentialtrennung möglich ist. In diesem Fall kann die DC-Wandlervorrichtung bei einem Erdschluss uneingeschränkt weiter betrieben werden. Daneben ergeben sich die Möglichkeiten der Anbindung und Verwendung in verschiedenen Applikationen bei Anbindung von Energiespeichern an, so z.B. bei:
- • DC-Zwischenkreisen von Antriebssystemen; Netzausfallstützung, Spitzenlastreduktion, Bremsenergieaufnahme statt Bremswiderstand von Elektroantrieben im generatorischen Betrieb;
- • Bidirektionale Kopplung zweier oder mehrerer DC-Zwischenkreise von Antriebssystemen. Insbesondere auf unterschiedlichen Spannungsniveaus;
- • Ausbildung mehrerer DC-Netzsegmente, insbesondere auf verschiedenen Spannungsniveaus, in einer Industriehalle;
- • Verbindung verschiedener DC-Netzsegmente in einer Industriehalle mit der Möglichkeit zum Lastabwurf. Vorladung, Spannungsanpassung;
- • Anbindung von Photovoltaik, Brennstoffzelle, Schwungmassenspeicher an ein DC-Netzsegment in einer Industriehalle.
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Weiterhin wird eine Quasipotentialtrennung zwischen Eingangs- und Lastseite ermöglicht, wodurch eine erhöhte Sicherheit, Erdschluss- und Kurzschlussfestigkeit erreichbar ist.
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Im Bereich einer Windkraftanlage ist der Einsatz der vorgeschlagenen DC/DC-Wandlervorrichtung insbesondere im DC-Zwischenkreisnetz eines Pitch- und Yaw-Antriebs einer Windkraftanlage vorteilhaft. Ein Pitchantrieb bestimmt den Anstellwinkel eines oder mehrerer Rotorblätter gegenüber dem Wind, ein Yaw-Antrieb definiert die horizontale Ausrichtung der Gondel der Windkraftanlage gegenüber dem Wind.
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Beispielsweise schlägt die
EP 1 852 605 B1 eine Spannungsanpassung eines Notenergiespeichers für einen Pitchantrieb an einen DC-Zwischenkreis vor, so dass weitgehend unabhängig vom Spannungsniveau des Notenergiespeichers im Notbetrieb ein DC-Spannungsniveau wie im Normalbetrieb erreicht werden kann, und im generatorischen Betrieb Energie im Notenergiespeicher aufgenommen werden kann. Somit hinaus ermöglicht die vorgeschlagene DC/DC-Wandlervorrichtung die flexible Anbindung des Notenergiespeichers bei Pitch- und Yaw-Antrieben in Windkraftanlagen, insbesondere für eine Vielzahl verschiedener Typen von Notenergiespeichern wie Blei-, Li-lonen-Akkumulatoren oder Kondensatoren, insbesondere SuperCaps oder UltraCaps.
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Bisher gab es in Notenergie-Energiespeichern eine obere Schranke für Notenergiespeicher-Spannungsniveaus im Vergleich zur Netzspannung, insbesondere musste das Spannungsniveau des Energiespeichers zu jeder Zeit kleiner als das der gleichgerichteten Netzspannung sein. Starke Netzschwankungen, speziell in einer Windkraftanlage oder bei elektrischen Antrieben sind hierbei problematisch und können dazu führen, dass diese Bedingung temporär nicht erfüllt werden können. Dadurch kann eine noch stärkere Einschränkung bei der Auslegung der Notenergiespeicher notwendig werden, so dass die Notenergiespeicher-Spannung deutlich geringer als die gleichgerichtete Soll-Netzspannung ausgelegt werden muss. Mit Hilfe der vorgeschlagenen DC/DC-Wandlervorrichtung ist ein Wegfall dieser oberen Schranke durch ein bidirektionales Hoch-und-Tiefsetzen mit kontinuierlichem Übergang ermöglicht. Hierdurch ergeben sich folgende Vorteile:
- • Durch einen DC/DC-Wandlervorrichtung können unterschiedliche Nutzungsanforderungen befriedigt werden, insbesondere hohe oder niedrige Notenergiespeicher-Spannungen zur Verfügung gestellt werden;
- • Bei hoher Notenergiespeicher-Spannung können niedrigere Ströme eingesetzt werden, dies ermöglicht den Einsatz kostengünstigere Leitungen mit geringerem Leitungsquerschnitt und einem geringeren Platzbedarf für die Schnittstellen, somit eine leichtere und kostengünstigere Installation;
- • Die Betriebssicherheit bei schwankender eingangsseitiger Netzspannung kann aufrechterhalten bzw. stabilisiert werden, was insbesondere bei einem Windkraftanlageneinsatz oder für sicherheitskritische elektrische Antriebe wesentlich ist;
- • Mehrere DC-DC-Wandler und damit mehre Pitchantriebe können an einen Notenergiespeicher aufgrund der erreichbaren Quasipotentialtrennung angeschlossen werden;
- • Ein hochdynamische Spannungsausschöpfung bis nahe zur Tiefentladung beispielsweise von Kondensatorspeichern ermöglicht sowohl eine Ankopplung von Energiespeichern, die deutlich höhere Spannungen als ein DC-Zwischenkreis zur Verfügung stellen, als auch deren Betrieb bis zur nahezu vollständigen Entladung, so dass der Energiegehalt des Energiespeichers vollständig ausgeschöpft werden kann.
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Insbesondere ist eine Steuereinheit vorgesehen, welche einzelne oder alle Elemente und Einheiten der DC/DC-Wandlervorrichtung steuern kann. Ferner ist die Drossel des DC/DC-Wandlers vorzugsweise als fliegende Induktivität betreibbar. Hierbei kann der DC/DC-Wandler mit der fliegenden Induktivität vorteilhafterweise funktional wie eine Quasi-Potentialtrennung wirken. Beispielsweise weist der DC/DC-Wandler eine Anzahl von Halbleiterschaltelementen auf, welche beispielsweise als MOSFET ausgebildet sind. Insbesondere arbeitet der DC/DC-Wandler als Spannungsinverter, wobei der DC/DC-Wandler vorzugsweise derart angesteuert wird, dass die Dioden der MOSFETs im ungestörten Betrieb niemals in unerwünschter Weise leitend werden. Die Induktivität fliegt im Betrieb vorzugsweise zwischen dem Eingangspotential und dem Ausgangspotential hin und her. Hierdurch ergibt sich funktional die Quasi-Potentialtrennung. Bei einem Erdschluss in der Ausgangsseite, beispielsweise an einem Notenergiespeicher eines Pitch-Antriebes (Akkumulator, Akku) kann sich das Potential des Energiespeichers relativ zum Potential des Eingangszwischenkreises der DC/DC-Wandlervorrichtung ungestört frei verlagern. Dabei wird die Regelung des Drosselstroms der Drossel im Erdschlussfall vorzugsweise nicht tangiert. Auch der Tastgrad des DC/DC-Wandlers muss nicht geändert werden.
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Der vorgeschlagene DC/DC-Wandler verhält sich vorzugsweise funktional wie ein DC/DC-Wandler mit Transformator. Das Ausgangspotential gegen Erde kann im Betrieb innerhalb gewisser Grenzen frei verlagert werden, ohne dass die Funktion des DC/DC-Wandlers davon tangiert wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn außerhalb einer Verbindung durch die beiden Halbbrücken keine galvanische Verbindung zwischen der Eingangsseite und Ausgangsseite vorhanden ist.
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Im Falle eines geerdeten Eingangsnetzes ist es bei entsprechender Dimensionierung der Halbleiterschaltelemente des DC/DC-Wandlers möglich, dass eine Person einen Pol des Ausgangs der DC/DC-Wandlervorrichtung berührt, ohne dass ein wesentlicher Gleichstrom durch den Körper der Person fließen würde.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Drossel des DC/DC-Wandlers als fliegende Induktivität betreibbar.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die DC/DC-Wandlervorrichtung eine transformatorlose DC/DC-Wandlervorrichtung.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der DC/DC-Wandler als ein bidirektionaler DC/DC-Wandler zum Hochsetzen und/oder Tiefsetzen von Spannungen ausgebildet. Der DC/DC-Wandler kann auch als Gleichspannungswandler bezeichnet werden. Der DC/DC-Wandler ist insbesondere symmetrisch aufgebaut und kann in beide Richtungen tief- und hochsetzen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die jeweilige Halbbrücke eine Reihenschaltung von zwei Halbleiterschaltelementen. Der Mittelabgriff der Halbbrücke ist zwischen den beiden in Reihe geschalteten Halbleiterschaltelementen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das jeweilige Halbleiterschaltelement als ein MOSFET, bevorzugt als ein SiC-MOSFET, oder als ein IGBT oder als eine SiC-Kaskode ausgebildet.
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Insbesondere wirkt die vorliegende Topologie als bidirektionale Spannungsübersetzung-Vorrichtung (DC-Transformator), wobei die Spannungsübersetzung, welche von der Steuereinheit einstellbar ist, vom Verhältnis zwischen Einschaltdauer und Ausschaltdauer der Halbleiterschaltelemente abhängt. Bei einem Tastgrad von jeweils 50 % beträgt das Spannungsübersetzungsverhältnis 1.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die DC/DC-Wandlervorrichtung eine Steuereinheit, welche dazu eingerichtet ist, die Halbleiterschaltelemente derart anzusteuern, dass jeweils zwei korrespondierende Halbleiterschaltelemente der beiden Halbbrücken gleichzeitig schalten, insbesondere mit einer identischen Einschaltverzögerung schalten.
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Dabei sind zur Erreichung einer Quasi-Potentialtrennung insbesondere die zwei eingangsseitigen, d.h. quellenseitigen Halbleiterschaltelemente der beiden Halbbrücken gleichzeitig schaltbar, wie auch die beiden lastseitigen, d.h. ausgangsseitigen Halbleiterschaltelemente der beiden Halbbrücken gleichzeitig schaltbar sind.
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In einer weiteren Ausführungsform kann die DC/DC-Wandlervorrichtung eine Steuereinheit aufweisen, welche dazu eingerichtet ist, die beiden Halbbrücken H1 und H2 phasenverschoben anzusteuern, insbesondere mit 180° Phasenverschiebung anzusteuern. Insbesondere wenn eine Koppelleitung zwischen den Zwischenkreismittelpunkten einer eingangs- und ausgangsseitigen Kondensatorbrücke geschaltet ist, wie weiter unten beschrieben, kann im Gegensatz zu einem phasengleichen Ansteuern der Halbbrücken ein phasenverschobenes, insbesondere gegenphasiges Ansteuern der Halbbrücken erfolgen. Dabei wird die Quasi-Potentialtrennung aufgegeben, da eine galvanische Verbindung zwischen der Ein- und Ausgangsseite hergestellt wird. Hierdurch kann erheblich der Wirkungsgrad der DC/DC-Wandlervorrichtung gesteigert werden, und andererseits die Drossel kleiner und kostengünstiger ausgeführt werden.
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In diesem Zusammenhang sollen die Begriffe „eingangsseitig“, bzw. „quellenseitig“ und die Begriffe „ausgangsseitig“ bzw. „lastseitig“ lediglich als topologische Definitionen der beiden Anschlussseiten der DC/DC-Wechselrichtervorrichtung verstanden werden, und hierbei eine Energieflussrichtung in einem Normalbetrieb veranschaulichen. Gleichwohl kann in einem bidirektionalen Betrieb im Sinne der Erfindung der Energiefluss auch von der Ausgangs- bzw. Lastseite zur Eingangs- bzw. Quellenseite erfolgen. So kann in einer inversen Betriebsart einer Anwendung zur Versorgung eines Pitchantriebes im Notbetrieb Energie vom lastseitigen Notenergiespeicher zum quellenseitigen DC-Zwischenkreis fließen, oder in einem generatorischen Betrieb Energie aus einem DC-Industrienetz in ein AC-Versorgungsnetz übertragen werden, während im Regelbetrieb der Energiefluß umgekehrt erfolgt. Bei verkoppelten Zwischenkreisen antriebstechnischer Systeme kann beispielsweise bei Bedarf Energie von einem ersten in einen zweiten Zwischenkreis bei hoher Energiebelastung zur Stützung des Spannungsniveaus des zweiten Zwischenkreises geführt werden.
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Insbesondere schaltet die Steuereinheit zu keinem Zeitpunkt die Halbleiterschaltelemente einer Halbbrücke gleichzeitig ein, um eine direkte Verbindung zwischen Eingangs- und Lastseite zu verhindern.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Entstörschaltung zwischen dem Eingangszwischenkreis und dem DC/DC-Wandler angeordnet, welche zwei zu den Zwischenkreiskondensatoren parallel geschaltete Entstörkondensatoren aufweist. Dabei ist der die beiden Entstörkondensatoren verbindende Knoten mit Erdpotential verbunden. Das Erdpotential kann im Folgenden auch als Masse oder Erde bezeichnet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die DC/DC-Wandlervorrichtung einen dem DC/DC-Wandler nachgeschalteten Ausgangszwischenkreis mit einer Anzahl von Ausgangskondensatoren, welche zwischen einem negativen Ausgangspotentialabgriff und einem positiven Ausgangspotentialabgriff der DC/DC-Wandlervorrichtung geschaltet sind.
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Vorteilhaft kann zur Erweiterung der vorhergehenden Ausführungsform die Zwischenkreiskondensatoren des Eingangs-Zwischenkreises eine Eingangskondensatorbrücke mit einem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt ausbilden, und die Ausgangskondensatoren des Ausgangszwischenkreises eine Ausgangskondensatorbrücke mit einem Ausgangs-Zwischenkreismittelpunkt ausbilden. Die beiden Zwischenkreismittelpunkte, d.h. der Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt kann mit dem Ausgangs-Zwischenkreismittelpunkt über eine Koppelleitung verbunden sein. Somit wird das Mittenpotential des Eingangs und des Ausgangs miteinander galvanisch gekoppelt. Dies verbessert insbesondere den Wirkungsgrad und die EMV-Robustheit der DC/DC-Wechselrichtervorrichtung. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine lastseitige, d.h. ausgangsseitige Entstörschaltung zwischen dem DC/DC-Wandler und dem Ausgangszwischenkreis angeordnet. Die lastseitige Entstörschaltung weist zwei zu der Anzahl von Ausgangskondensatoren des Ausgangszwischenkreises parallel geschaltete Entstörkondensatoren auf, wobei der die beiden Entstörkondensatoren verbindende Knoten mit Erdpotential verbunden ist. Durch die Koppelleitung ist es darüber hinaus möglich, die Halbbrücken H1 und H2 phasenverschoben, insbesondere um 180° phasenverschoben, d.h. gegenphasig anzusteuern. Mit dieser Ansteuerung lässt sich einerseits ein erheblich gesteigerter Wirkungsgrad der DC/DC-Wandlervorrichtung erreichen und andererseits kann die Drossel kleiner und kostengünstiger ausgeführt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die Halbleiterschaltelemente derart anzusteuern, dass das eingangsseitige Halbleiterschaltelement der ersten Halbbrücke und das lastseitige Halbleiterschaltelement der zweiten Halbbrücke überlappende Einschaltzeiten (Einschaltdauern) haben und/oder dass das eingangsseitige Halbleiterschaltelement der zweiten Halbbrücke und das lastseitige Halbleiterschaltelement der ersten Halbbrücke geringfügig überlappende Einschaltzeiten haben. Dabei entspricht das Verhältnis der Einschaltzeiten der eingangsseitigen Halbleiterschaltelemente zu den Einschaltzeiten der lastseitigen Halbleiterschaltelemente vorzugsweise einem vorbestimmten Quotienten.
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Diese Ansteuerung mit den überlappenden Einschaltzeiten bedingt eine Ladungsverschiebung bei den Entstörkondensatoren, die in den Figuren die Bezugszeichen 651, 652 tragen, derart, dass das Potential des Ausgangsnetzes gegenüber Erdpotential einstellbar ist. Hierdurch kann eine Symmetrierung des Ausgangspotentials gegenüber Erdpotential (Masse) bewerkstelligt werden. Bei Einfügen einer vorgenannten Koppelleitung zwischen Kondensatorbrücken des Ein- und Ausgangs, beispielsweise dargestellt gemäß 4a, kann eine Überlappung mit einer um 180° phasenverschobenen Ansteuerung den Wirkungsgrad verbessern. Eine geringfügig von 180° abweichende Phasenverschiebung kann die Symmetrie des Ausgangspotentials gegenüber dem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt verändern.
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Die Steuereinheit kann hardwaretechnisch und/oder auch softwaretechnisch implementiert sein. Bei einer hardwaretechnischen Implementierung kann die Steuereinheit als Vorrichtung oder als Teil einer Vorrichtung, zum Beispiel als Computer oder als Mikroprozessor oder als Steuerrechner ausgebildet sein. Bei einer softwaretechnischen Implementierung kann die Steuereinheit als Computerprogrammprodukt, als eine Funktion, als eine Routine, als Teil eines Programmcodes oder als ausführbares Objekt ausgebildet sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, einen der eingangsseitigen Halbleiterschaltelemente der beiden Halbbrücken früher auszuschalten als das andere eingangsseitige Halbleiterschaltelement der beiden Halbbrücken, so dass eine Verkopplung eines eingangsseitigen Primär-Stromkreises und eines lastseitigen Sekundär-Stromkreises über die Drossel ermöglicht wird bzw. bereitgestellt ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, einen der lastseitigen Halbleiterschaltelemente der beiden Halbbrücken früher auszuschalten als das andere lastseitige Halbleiterschaltelement der beiden Halbbrücken, so dass - sofern keine Koppelleitung vorgesehen ist, und eine Quasi-Potentialtrennung erreichbar ist - eine Verkopplung eines eingangsseitigen Primär-Stromkreises und eines lastseitigen Sekundär-Stromkreises über die Drossel ermöglicht wird bzw. bereitgestellt ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Halbleiterschaltelemente MOS-FETs. Dabei ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die Gates der MOS-FETs der Halbbrücken mit derart phasenverschobenen Ansteuersignalen anzusteuern, dass - sofern keine Koppelleitung vorgesehen ist, und eine Quasi-Potentialtrennung erreichbar ist - eine Verkopplung eines eingangsseitigen Primär-Stromkreises und eines lastseitigen Sekundär-Stromkreises über die Drossel ermöglicht wird bzw. bereitgestellt ist.
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Bei dieser Ausführungsform kann die Symmetrie der Ausgangsspannung gegen Erde durch eine geringfügige Phasenverschiebung der Ansteuersignale der ersten Halbbrücke und der zweiten Halbbrücke gegeneinander geregelt werden. - Sofern keine Koppelleitung vorgesehen ist, und eine Quasi-Potentialtrennung erreichbar ist, ergibt sich durch die Phasenverschiebung periodisch eine kurzzeitige Verkopplung des Eingangsstromkreises und des Ausgangsstromkreises. Dies auch dann, wenn keine Wirkleistung durch die DC/DC-Wandlervorrichtung übertragen wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Steuereinheit einen Laststrom-Regler, einen Symmetrierstrom-Regler und einen Differenzspannungs-Regler auf. Dabei ist der Laststrom-Regler dazu eingerichtet, das Verhältnis der Einschaltzeiten der eingangsseitigen Halbleiterschaltelemente zu den Einschaltzeiten der lastseitigen Halbleiterschaltelemente einzustellen. Der Symmetrierstrom-Regler ist dazu eingerichtet, ein Einstellsignal zur Symmetrierung des Potentials an dem negativen Ausgangspotentialabgriff und des Potentials an dem positiven Ausgangspotentialabgriff gegenüber Erdpotential zu stellen. Ferner ist der Differenzspannungs-Regler dazu eingerichtet, einen Soll-Wert für das Einstellsignal in Abhängigkeit zumindest einer gemessenen Spannung in dem lastseitigen Sekundär-Stromkreis bereitzustellen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Differenzspannungs-Regler langsamer als der Symmetrierstrom-Regler.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Anode einer ersten Diode mit dem negativen Ausgangspotentialabgriff gekoppelt und die Kathode der ersten Diode ist mit dem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt gekoppelt. Ferner ist die Anode einer zweiten Diode mit dem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt gekoppelt und die Kathode der zweiten Diode ist mit dem positiven Ausgangspotentialabgriff gekoppelt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Anode der ersten Diode mit dem negativen Ausgangspotentialabgriff verbunden und die Kathode der ersten Diode ist mit dem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt verbunden. Des Weiteren ist die Anode der zweiten Diode mit dem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt verbunden und die Kathode der zweiten Diode ist mit dem positiven Ausgangspotentialabgriff verbunden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Überspannungsschutzelement zwischen dem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt und einem Knoten gekoppelt, an welchem die Kathode der ersten Diode verbunden ist und an welchem die Anode der zweiten Diode verbunden ist. Das Überspannungsschutzelement ist insbesondere ein Varistor oder eine bidirektionale Suppressordiode, wie beispielsweise eine bidirektionale Transildiode.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zwischen dem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt und dem negativen Ausgangspotentialabgriff eine Reihenschaltung aus einem ersten Überspannungsschutzelement und der ersten Diode angeordnet. Weiter ist zwischen dem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt und dem positiven Ausgangspotentialabgriff eine Reihenschaltung aus einem zweiten Überspannungsschutzelement und der zweiten Diode angeordnet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind eine EMV-Filtereinrichtung und eine der EMV-Filtereinrichtung nachgeschaltete LCL-Filtereinrichtung zwischen drei eingangsseitigen Anschlussklemmen für die drei Phasen des mehrphasigen Netzes und dem AC/DC-Wandler gekoppelt. Die LCL-Filtereinrichtung umfasst vorzugsweise zumindest drei Drosseln und drei Kondensatoren.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der AC/DC-Wandler als ein 3-Punkt-AC/DC-Wandler ausgebildet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist an dem Mittelabgriff der ersten Halbbrücke ein Umschwingkondensator angeschlossen, der parallel zu dem eingangsseitigen Halbleiterschaltelement der ersten Halbbrücke geschaltet ist, wobei an dem Mittelabgriff der ersten Halbbrücke ein weiterer Umschwingkondensator angeschlossen, der parallel zu dem lastseitigen Halbleiterschaltelement der ersten Halbbrücke geschaltet ist. Ferner ist an dem Mittelabgriff der zweiten Halbbrücke ein Umschwingkondensator angeschlossen, der parallel zu dem eingangsseitigen Halbleiterschaltelement der zweiten Halbbrücke geschaltet ist, wobei an dem Mittelabgriff der zweiten Halbbrücke ein Umschwingkondensator angeschlossen, welcher parallel zu dem lastseitigen Halbleiterschaltelement der zweiten Halbbrücke geschaltet ist. Die Umschwingkondensatoren bewirken ein weiches Schalten und damit eine Verminderung der Schaltverluste. Die Umschwingkondensatoren können auch als ZVS-Kondensatoren der Snubberkondensatoren bezeichnet werden (ZVS; Zero-Voltage-Switching). Insoweit kann vorteilhaft parallel zu jedem Halbleiterschaltelement ein Umschwingkondensator zur Realisierung eines verlustreduzierten Ausschaltens angeordnet sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die DC/DC-Wandlervorrichtung eine Leistungsschaltvorrichtung zum sicheren Trennen der Anzahl von Eingangsleitern von der Eingangsseite, beispielsweise einem mehrphasigen AC-Netz. Die Leistungsschaltvorrichtung kann als ein elektromechanisches Element, wie beispielsweise ein Schütz oder ein Vierphasen-Relais, ausgebildet sein. Die Leistungsschaltvorrichtung kann individuell für eine jeweilige Phase des mehrphasigen AC-Netzes und/oder für einen jeweiligen Eingangsleiter der Schaltmatrix ausgebildet und ansteuerbar sein, so dass sich beispielsweise einzelne Zuordnungen mittels der Leistungsschaltvorrichtung unterbrechen lassen.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben einer DC/DC-Wandlervorrichtung für den Betrieb einer Windkraftanlage, eines elektrischen Antriebs oder eines industriellen DC-Versorgungsnetzes mit elektrischer Energie vorgeschlagen, wobei die DC/DC-Wandlervorrichtung einen Zwischenkreis, welcher eine Anzahl von zwischen einem positiven Eingangsleiter und einem negativen Eingangsleiter geschalteten Zwischenkreiskondensatoren aufweist, und einen dem Eingangszwischenkreis nachgeschalteten DC/DC-Wandler umfasst, welcher eine mit dem positiven Eingangsleiter verbundene erste Halbbrücke und eine mit dem negativem Eingangsleiter verbundene zweite Halbbrücke aufweist. Das Verfahren umfasst ein Betreiben einer den Mittelabgriff der ersten Halbbrücke (H1) und den Mittelabgriff der zweiten Halbbrücke verbindenden Drossel des DC/DC-Wandlers als fliegende Induktivität.
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Dieses Verfahren weist die gleichen Vorteile auf, die zu der DC/DC-Wandlervorrichtung gemäß dem ersten Aspekt erläutert sind. Die für die vorgeschlagene DC/DC-Wandlervorrichtung beschriebenen Ausführungsformen gelten für das vorgeschlagene Verfahren entsprechend. Weiterhin gelten die Definitionen und Erläuterungen zu der DC/DC-Wandlervorrichtung auch für das vorgeschlagene Verfahren entsprechend.
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„Ein“ ist vorliegend nicht zwingend als beschränkend auf genau ein Element zu verstehen. Vielmehr können auch mehrere Elemente, wie beispielsweise zwei, drei oder mehr, vorgesehen sein. Auch jedes andere hier verwendete Zählwort ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Beschränkung auf genau die genannte Anzahl von Elementen gegeben ist. Vielmehr sind zahlenmäßige Abweichungen nach oben und nach unten möglich, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Aspekte der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Im Weiteren wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.
- 1a, 1b zeigt schematisch zwei Anordnungen einer ersten Ausführungsform einer DC/DC-Wandlervorrichtung zum Betrieb eines DC-Industrienetzes und einer Windkraftanlage;
- 2 zeigt ein schematisches Schaltbild einer zweiten Ausführungsform einer DC/DC-Wandlervorrichtung zum Laden und/oder Entladen eines Energiespeichers;
- 3 zeigt ein schematisches Schaltbild einer weiteren Ausführungsform einer DC/DC-Wandlervorrichtung;
- 4a, 4b zeigen schematische Schaltbilder einer dritten und vierten Ausführungsform einer DC/DC-Wandlervorrichtung;
- 5a, 5b zeigen schematische Schaltbilder einer fünften und einer weiteren Ausführungsform einer DC/DC-Wandlervorrichtung;
- 6 zeigt ein schematisches Schaltbild einer sechsten Ausführungsform einer DC/DC-Wandlervorrichtung zur Versorgung eines ausgangsseitigen DC-Netzes aus einem DC-Eingangskreis;
- 7 zeigt das schematische Schaltbild der 6 mit eingezeichnetem eingangsseitigen Primär-Stromkreis und eingezeichnetem lastseitigen Sekundär-Stromkreis;
- 8 zeigt das schematische Schaltbild der 6 mit eingezeichnetem Stromkreis des Symmetrierstroms;
- 9 zeigt Diagramme zur Illustrierung des Drosselstroms und verschiedener Signale des DC/DC-Wandlers gemäß der 7 und 8;
- 10 zeigt das schematische Schaltbild der 6 mit eingezeichneter Symmetrierregelung; und
- 11 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer DC/DC-Wandlervorrichtung.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen worden, sofern nichts anderes angegeben ist.
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1a und 1b zeigen schematisch Anordnungen mit einer ersten Ausführungsform einer DC/DC-Wandlervorrichtung 1 zum Betrieb eines DC-Industrienetzes (1a) bzw. eines Notenergiespeichers 2 eines Pitchantriebes 3 einer Windkraftanlage 3 (1b).
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In der ersten Ausführungsform der 1a ist ein mehrphasiges AC-Netz 4 mittels eines Netzanschlusspunktes 6 an ein mehrphasiges Energieversorgungsnetz 7 angeschlossen. Das mehrphasige AC-Netz 4 hat insbesondere eine Anzahl von Phasen, beispielsweise L1, L2 und L3. Es handelt sich in diesem Beispiel ohne Beschränkung der Allgemeinheit jeweils um dreiphasige Stromnetze. Ein DC-Industrienetz 3 mit zumindest einem oder mehreren DC-Netzsegmenten 2, vorzugsweise mit unterschiedlichen Spannungsniveaus und/oder galvanisch getrennt, sind über die mit der DC/DC-Wandlervorrichtung 1, der einen AC/DC-Wandler umfasst, an das AC-Netz 4 gekoppelt. Weitere Inselnetze 2 mit gleichen oder unterschiedlichen Spannungsniveaus sind über parallel schaltbare DC/DC-Wandlervorrichtungen 1 denkbar. Über die DC/DC-Wandlervorrichtung kann das Industrienetz 3 mit Gleichstromenergie versorgt werden, wobei die Höhe der Energie weitgehend unabhängig von dem Spannungsniveau des AC-Netzes 4 einstellbar ist. Es ist denkbar, dass ein Energiespeicher, beispielsweise ein hochkapazitiver Akkumulator und/oder ein Solargenerator mit einer Vielzahl von parallel geschalteten Solarzellen über weitere in der DC/DC-Wandlervorrichtung 1 umfasste DC/DC-Wandler umschaltbar Energie zumindest für einen Inselbetrieb bereitstellen können. Ein schneller Lastabwurf im Fehlerfall ist ebenso wie die Anbindung verschiedenartiger DC-Energiequellen mit unterschiedlichen oder schwankenden Spannungsniveau denkbar, die durch die Quasi-Potentialtrennung gefahrlos möglich ist.
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Nach dem Beispiel der 1b ist in einer Windkraftanlage 3, die mehrere Rotorblätter umfasst, die mittels Pitchantriebe 3 verstellbar sind, eine DC/DC-Wandlervorrichtung 1 umfasst. Die DC/DC-Wandlervorrichtung 1 koppelt einen DC-Energiespeicher 8 an einen Zwischenkreis eines Pitch-Motorumrichters, der die Pitchmotoren 2 steuerbar betreibt. Es kann pro Pitchmotor 2 jeweils eine DC/DC-Wandlervorrichtung 1 vorgesehen sein, die jeweils einen Energiespeicher 8 ankoppelt, aber auch aufgrund der Quasipotentialtrennung einen gemeinsamen Energiespeicher 8 an die drei Pitchmotor-Zwischenkreise ankoppelt. Die DC/DC-Wandlervorrichtung erlaubt stufenlos und bei stark schwankendem Spannungsniveau des Zwischenkreises die Bereitstellung eines gewünschten DC-Spannungsniveaus, unabhängig von der Nennspannung oder der Ladekapazität des DC-Energiespeichers 8. Es können aufgrund des Wegfalls einer oberen Schranke der Notenergiespeicher-Spannung im Vergleich zur Netzspannung sowohl Energiespeicher 8 eingesetzt werden, deren Nennspannung deutlich höher als die DC-Zwischenkreisspannung des Pitchumrichters liegen, als auch des Energiespeichers 8, die ein weit niedrigeres Spannungsniveau bereitstellen. Bei hohen Spannungsniveaus können aufgrund reduzierter Ströme Leitungen mit geringeren Querschnitten eingesetzt werden.
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Die DC/DC-Wandlervorrichtung 1 kann eine Anzahl elektrischer und/oder elektronischer Komponenten aufweisen (nicht dargestellt in 1a, 1b, siehe zum Beispiel in 2) und ist zur DC-Spannungswandlung zwischen Ein- und Ausgangsseite insbesondere für den Betrieb eines DC-Industrienetzes, bzw. mehrerer Netzsegmente davon, zur Verkopplung von Zwischenkreis eines oder mehrerer, insbesondere frequenzgewandelter, Antriebssysteme, oder zur Stützung der Notversorgung eines Pitch- oder Yaw-Antriebes einer Windkraftanlage mittels eines an einem antriebstechnischen Zwischenkreis ankoppelbaren Notenergiespeicher vorgesehen..
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2 zeigt ein schematisches Schaltbild einer zweiten Ausführungsform einer DC/DC-Wandlervorrichtung 1 zur DC-Versorgung eines Industrienetzes 3 aus einem mehrphasigen Netz 4, der einen vorgeschalteten AC/DC-Wandler 400 umfasst. Die zweite Ausführungsform der 2 zeigt vertiefte Merkmale der ersten Ausführungsform nach 1a.
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Die DC/DC-Wandlervorrichtung 1 der 2 hat drei Anschlussklemme 101, 102, 103 für die drei Phasen L1, L2, L3 des mehrphasigen Netzes 4. Die DC/DC-Wandlervorrichtung 1 kann auch eine weitere Anschlussklemme (nicht gezeigt) für den Neutralleiter aufweisen.
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Gemäß der 2 ist eine EMV-Filtervorrichtung 200 den Anschlussklemmen 101, 102, 103 nachgeschaltet. Des Weiteren umfasst die DC/DC-Wandlervorrichtung 1 der 2 eine der EMV-Filtervorrichtung 200 nachgeschaltete LCL-Filtervorrichtung 300, einen AC/DC-Wandler 400, einen Eingangszwischenkreis 500, einen DC/DC-Wandler 600 sowie einen Ausgangszwischenkreis 700, an dem ein negativer Ausgangspotenzialabgriff 701 und ein positiver Ausgangspotenzialabgriff 702 angeschlossen sind.
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Insbesondere kann eine EMV-Filtereinrichtung (nicht gezeigt) zwischen dem negativen Ausgangspotenzialabgriff 701 und dem positiven Ausgangspotenzialabgriff 702 angeschlossen sein.
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In der 3 ist eine DC/DC-Wandler 600 mit integrierten Eingangs-Zwischenkreiskondensator 501 und Ausgangskondensator 703 einer Ausführungsform einer DC/DC-Wandlervorrichtung 1 dargestellt, der das Grundprinzip der DC/DC-Wandlung erläutert. Dieser umfasst zwei Halbbrücken H1, H2, mit jeweils zwei Halbleiterschaltelementen 601, 602 bzw. 603, 604, die zwischen positivem Eingangsleiter 401 und negativen Ausgangspotentialabgriff 701 bzw. zwischen negativem Eingangsleiter 402 und positiven Ausgangspotentialabgriff 702 geschaltet sind. Zwischen den Mittelabgriffen M1, M2 der beiden Halbbrücken H1, H2 ist eine Drossel 605 als fliegende Induktivität geschaltet. Im Eingangszwischenkreis 500 ist ein Zwischenkreiskondensator 501 geschaltet und am Ausgangszwischenkreis 700 ist ein Ausgangskondensator 703 geschaltet. Die Ansteuerung der Halbleiterschaltelemente 601 bis 604 erfolgt durch eine Steuereinheit 600. Je nach Ansteuerung der Halbleiterschaltelemente 601 bis 604 der beiden Halbbrücken H1, H2 durch die Steuereinheit 600 kann bidirektional im Zusammenspiel von Drossel 605 und Kondensatoren 501 bzw. 703 sowohl eine Hochsetz- als auch eine Tiefsetzstellertopologie bidirektional sowohl von der Eingangsleitern 401, 402 hin zu den Ausgangsleitern 701,702 als auch umgekehrt bereitgestellt werden. Hierdurch kann bidirektional DC-Energie von der Eingangsseite 500 zur Ausgangsseite 700 als auch umgekehrt transportiert und die jeweiligen Ausgangsspannungen unabhängig von den jeweiligen Eingangsspannungen stufenlos verändert werden.
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4a zeigt ein schematisches Schaltbild einer dritten Ausführungsform einer DC/DC-Wandlervorrichtung 1, die es ermöglicht, eine bzgl. eines GND-Potentials symmetrischen +/- Eingangsspannung der Eingangspotentialleiter 401, 402 in eine, bzgl. eines GND-Potentials symmetrischen oder in gewissen Grenzen verschiebbare, DC-Spannung am Ausgangspotentialabgriffen 701, 702 zu wandeln. Ein symmetrisches GND-Mittenpotential kann eingangsseitig eingespeist werden, insbesondere wenn ein 3-Punkt AC/DC-Wandler eingesetzt wird, darauf kann allerdings auch verzichtet werden Die dritte Ausführungsform der 4a umfasst alle Merkmale der zweiten Ausführungsform nach 3, wobei die 4a Details der DC/DC-Wandlervorrichtung 1 illustriert.
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Gemäß der 4a hat der Eingangszwischenkreis 500 zwei Zwischenkreiskondensatoren 501, 502, welche zwischen einem positiven Eingangsleiter 401 und einem negativen Eingangsleiter 402 und einem symmetrischen Mittelpotential GND de Zwischenkreismittelpunktes 503 geschaltet sind.
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Der dem Eingangszwischenkreis 500 nachgeschaltete DC/DC-Wandler 600 weist eine erste Halbbrücke H1 und eine zweite Halbbrücke H2 auf. Die erste Halbbrücke H1 ist mit dem positiven Eingangsleiter 401 verbunden und umfasst eine Reihenschaltung von zwei Halbleiterschaltelementen 601, 602. Ferner ist die erste Halbbrücke H1 mit dem negativen Ausgangspotentialabgriff 701 verbunden.
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Die zweite Halbbrücke H2 ist mit dem negativen Eingangsleiter 402 verbunden und umfasst eine Reihenschaltung von zwei Halbleiterschaltelementen 603, 604. Das jeweilige Halbleiterschaltelement 601, 602, 603, 604 ist beispielsweise als MOSFET ausgebildet. Außerdem ist die zweite Halbbrücke H2 mit dem positiven Ausgangspotentialabgriff 701 verbunden.
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Der Mittelabgriff M1 der ersten Halbbrücke H1 und der Mittelabgriff M2 der zweiten Halbbrücke H2 sind über eine Drossel 605 verbunden.
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Die Induktivität der Drossel 605 liegt vorzugsweise zwischen 10 µH und 100 µH. Dabei wird der Wert der Induktivität der Drossel 605 insbesondere je nach Leistung der DC/DC-Wandlervorrichtung 1 und gewählter Schaltfrequenz aus dem Bereich zwischen 10 µH und 100 µH gewählt.
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Die Drossel 605 des DC/DC-Wandlers 600 ist insbesondere als fliegende Induktivität betreibbar.
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Ferner hat die DC/DC-Wandlervorrichtung 1 der 4a eine Steuereinheit 610. Die Steuereinheit 610 ist dazu eingerichtet, die Halbleiterschaltelemente 601, 602, 603, 604 zu steuern und insbesondere derart anzusteuern, dass jeweils zwei korrespondierende Halbleiterschaltelemente 601, 603 und 602, 604 der beiden Halbbrücken H1, H2 gleich- oder gegenphasig, auch phasenversetzt, schalten, insbesondere mit einer identischen Einschaltverzögerung schalten.
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Dabei sind insbesondere die zwei eingangsseitigen, d.h. quellenseitigen Halbleiterschaltelemente 601, 603 der beiden Halbbrücken H1, H2 gleichzeitig schaltbar, wie auch die beiden lastseitigen, d.h. ausgangsseitigen Halbleiterschaltelemente 602, 604 der beiden Halbbrücken H1, H2 gleichzeitig schaltbar sind, insbesondere gleichphasig oder gegenphasig. Somit werden die Halbbrücken H1 und H2 gleichphasig betrieben. Alternativ können die Halbbrücken H1 und H2 auch mit 180° Phasenverschiebung, d.h. gegenphasig betrieben werden.
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Dem DC/DC-Wandler 600 nachgeschaltet ist ein Ausgangszwischenkreis 700, welcher eine Anzahl von Ausgangskondensatoren 703, 704 aufweist. In dem Beispiel der 4a hat der Ausgangszwischenkreis 700 - ohne Einschränkung der Allgemeinheit - eine Ausgangskondensatorbrücke mit zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren 703, 704 welcher zwischen dem negativen Ausgangspotentialabgriff 701 und dem positiven Ausgangspotenzialabgriff 702 der DC/DC-Wandlervorrichtung 1 geschaltet ist, zwischen denen ein Ausgangszwischenkreis-Mittelpunkt 705 definiert ist. Der Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt 503 und der Ausgangs-Zwischenkreismittelpunkt 705 sind über eine Koppelleitung 750 miteinander verbunden. Die Koppelleitung 750 gleicht die Mittelpotentiale der Zwischenkreismittelpunkte 503, 705 an, so dass diesbezüglich keine Potentialdifferenzen auftreten und Eingangs- und Ausgangspotential somit ein gemeinsames Mittenpotential erhalten. Dies ist insbesondere im Hinblick auf den Wirkungsgrad und die EMV-Beständigkeit der DC/DC-Wandlervorrichtung besonders vorteilhaft.
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In 4b ist ein schematisches Schaltbild einer vierten Ausführungsform einer DC/DC-Wandlervorrichtung 1, die zum Laden- und Entladen eines DC-Energiespeichers 8 mittels eines AC-Netzes 4 ausgelegt ist. Die vierte Ausführungsform der 4b umfasst wesentliche Merkmale der dritten Ausführungsform nach 4a, und weicht allerdings in einigen Punkten davon ab:
- Dem Eingangszwischenkreis 500 ist ein 3-Punkt-AC/DC-Wandler 400 vorgeschaltet., der aus netzseitigen Dreileiterphasen eines Teilnehmernetzes 4, die durch eine LCL-Filtervorrichtung 400 geglättet sind, ein um einen GND-Mittelabgriff symmetrisches Eingangspotential bereitstellt.
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Der Ausgangszwischenkreis 700 umfasst einen einzelnen Ausgangskondensator 703 und die Koppelleitung 750 entfällt. Hierdurch ist das Mittenpotential zwischen den Ausgangspotentialabgriffen 701, 702 unabhängig vom Mittenpotential am Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt 503 frei verschiebbar und wird im Betrieb in der Regel auf Erdpotential gehalten. Im Falle eines Erdschlusses kann eine der Ausgangspotentialabgriffen 701 oder 702 ohne Beeinträchtigung des Betriebes auf Erdpotential gebracht werden, was einen Berührschutz ermöglicht.
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Darüber hinaus hat die DC/DC-Wandlervorrichtung 1 der 4b eine zwischen dem Eingangszwischenkreis 500 und dem DC/DC-Wandler 600 angeordnete Entstörschaltung 550. Die Entstörschaltung 550 umfasst zwei zu den Zwischenkreiskondensatoren 501, 502 parallel geschaltete Entstörkondensatoren 551, 552. Der die beiden Entstörkondensatoren 551, 552 verbindende Knoten 553 ist mit Erdpotential (Masse) verbunden. Des Weiteren hat die DC/DC-Wandlervorrichtung 1 der 4b eine zwischen dem DC/DC-Wandler 600 und dem Ausgangszwischenkreis 700 angeordnete lastseitige Entstörschaltung 650. Die lastseitige, d.h. ausgangsseitige Entstörschaltung 650 hat zwei zu dem Ausgangskondensator 703 des Ausgangszwischenkreises 700 parallel geschaltete Entstörkondensatoren 651, 652. Der die beiden Entstörkondensatoren 651, 652 verbindende Knoten 653 ist mit Erdpotential (Masse) verbunden.
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5a zeigt ein schematisches Schaltbild einer fünften Ausführungsform einer DC/DC-Wandlervorrichtung 1 zum Laden und/oder Entladen eines Energiespeichers 8 aus einem AC-Netz 4. Der Energiespeicher 8 kann auch durch ein DC-Industrienetz 3 oder ein Notenergiespeicher eines Zwischenkreises eines Pitch-Antriebes 2 ersetzt werden, wobei dann eingangsseitig kein AC-Netz 4 sondern ein Zwischenkreis der Ansteuerschaltung des Pitch-Antriebes 2 angeschlossen ist.
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Die fünfte Ausführungsform der 5a umfasst alle Merkmale der vierten Ausführungsform nach 4b, wobei allerdings die eingangsseitige Entstörschaltung 550 und die ausgangsseitige Entstörschaltung .650 entfallen.
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Die DC/DC-Wandlervorrichtung 1 der 5a hat ferner eine erste Diode 801 sowie eine zweite Diode 802. Dabei ist die Anode der ersten Diode 801 mit dem negativen Ausgangspotentialabgriff 701 verbunden, und die Kathode der ersten Diode 801 ist mit dem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt 503 verbunden. Die Anode der zweiten Diode 802 ist mit dem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt 503 verbunden, und die Kathode der zweiten Diode 802 ist mit dem positiven Ausgangspotentialabgriff 702 verbunden.
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Gemäß 5a ist an dem Mittelabgriff M1 der ersten Halbbrücke H1 ein Umschwingkondensator 606 angeschlossen, der parallel zu dem Halbleiterschaltelement 601 geschaltet ist. Ferner ist an dem Mittelabgriff M1 der ersten Halbbrücke H1 ein Umschwingkondensator 607 angeschlossen, der parallel zu dem Halbleiterschaltelement 602 geschaltet ist.
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Analog ist an dem Mittelabgriff M2 der zweiten Halbbrücke H2 ein Umschwingkondensator 608 angeschlossen, der parallel zu dem Halbleiterschaltelement 603 geschaltet ist. Entsprechend ist an dem Mittelabgriff M2 der zweiten Halbbrücke H2 ein Umschwingkondensator 609 angeschlossen, welcher parallel zu dem Halbleiterschaltelement 604 geschaltet ist.
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Die Umschwingkondensatoren 606, 607, 608, 609 bewirken eine Begrenzung der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit und damit eine Verminderung der Ausschaltverluste und eine Verbesserung des EMV-Verhaltens in Bezug auf Störaussendung. Die Umschwingkondensatoren können auch als ZVS-Kondensatoren oder Snubberkondensatoren bezeichnet werden (ZVS; Zero-Voltage-Switching).
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In 5b ist die in 5a dargestellte fünfte Ausführungsform für eine generelle DC/DC-Wandlung als weitere Ausführungsform dargestellt und genießt die bzgl. der fünften Ausführungsform dargestellten Vorteile, insbesondere bzgl. des Wirkungsgrades, der EMV und des ZVS-Schaltverhaltens. Eingangsseitig kann einen DC-Quelle, beispielsweise ein antriebstechnischer Zwischenkreis, eine DC-Energiequelle wie ein Solargenerator oder eine DC-Energiespeicher angeschlossen werden. Ausgangsseitig kann beispielsweise ein DC-Industrienetzsegment 2 eines DC-Industrienetzes 4 oder ein Notenergiespeicher eines Pitch-Antriebs 2 angeschlossen sein.
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Vorteilhaft werden eingangsseitig an den positiven und negativen Eingangsleitern 401, 402 eine DC-Spannung, sowie am GND-Eingang eine hierzu symmetrische Mittenspannung bereitgestellt. Abweichend zur fünften Ausführungsform der 5a ist ausgangsseitig ein Ausgangszwischenkreis mit einer AusgangsKondensatorbrücke 703, 704 angeordnet. Der Ausgangs-Zwischenkreismittelpunkt 705 ist - wie in der 4a - über eine Koppelleitung 750 mit dem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt 503 verbunden, so dass hierzu das zur Ausführungsform der 4a gesagte gilt.
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Der GND-Anschluss muss nicht zwingend verwendet werden. Dabei ist die Steuereinheit 610 vorzugsweise dazu eingerichtet, die Halbleiterschaltelemente 601, 602, 603, 604 derart anzusteuern, dass die erste Halbbrücke H1 und die zweite Halbbrücke H2 gleichphasig oder bevorzugt gegenphasig mit 180° Phasenverschiebung angesteuert werden. Dabei ist das Verhältnis der Einschaltzeiten der eingangsseitigen Halbleiterschaltelemente 601, 603 zu den Einschaltzeiten der lastseitigen Halbleiterschaltelemente 602, 604 insbesondere einstellbar oder konstant, das heißt weist einen vorbestimmten Quotienten auf. Durch eine geringfügig von der Gleichphasigkeit oder von 180° abweichende, Phasenverschiebung kann die Symmetrie der mittleren Ausgangsspannung an den Ausgangspotentialabgriff en 701 und 702 gegenüber GND erreicht werden. Außerdem ist die Steuereinheit 610 vorzugsweise dazu eingerichtet, einen der Halbleiterschalter 601, 602, 603 und 604 etwas früher auszuschalten, um die Symmetrie der mittleren Ausgangsspannung an den Ausgangspotentialabgriff en 701 und 702 gegenüber GND zu erreichen.
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In 6 ist ein schematisches Schaltbild einer sechsten Ausführungsform einer DC/DC-Wandlervorrichtung 1 zur ausgangsseitigen Bereitstellung eines variabel einstellbaren DC-Ausgangspotentials dargestellt. Die sechste Ausführungsform der 6 umfasst alle Merkmale der fünften Ausführungsform nach 5a.
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Des Weiteren hat die DC/DC-Wandlervorrichtung 1 nach 6 ein Überspannungsschutzelement 803, welches zwischen dem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt 503 und einem Knoten 804 gekoppelt ist, an welchem die Kathode der ersten Diode 801 verbunden ist und an welchem die Anode der zweiten Diode 802 verbunden ist.
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Das Überspannungsschutzelement 803 ist beispielsweise ein Varistor oder eine bidirektionale Suppressordiode, wie zum Beispiel eine bidirektionale Transildiode.
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Die Funktionalität der Dioden 801, 802 und des Überspannungsschutzelementes 803 ist der Schutz der Halbleiterschaltelemente 601, 602, 603, 604 vor Überspannung. Diese Überspannung kann entstehen, wenn sich das mittlere Potential der Ausgangspotentialabgriffe 701 und 702 gegenüber dem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt 503 stark verschieben sollte. Dies erreichen die Dioden 801, 802 sowie das Überspannungsschutzelement 803 insbesondere dadurch, indem das Potential des Ausgangspotentialabgriffs 702 nicht negativer werden kann als das Potential des Eingangs-Zwischenkreismittelpunktes 503 und das Potential an dem Ausgangspotentialabgriff 701 nicht positiver werden kann als das Potential des Eingangs-Zwischenkreismittelpunktes 503.
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Alternativ und nicht gezeigt kann zwischen dem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt 503 und dem negativen Ausgangspotenzialabgriff 701 eine Reihenschaltung aus einem ersten Überspannungsschutzelement und der ersten Diode 801 angeordnet sein und zwischen dem Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt 503 und dem positiven Ausgangspotenzialabgriff 702 kann eine Reihenschaltung aus einem zweiten Überspannungsschutzelement und der zweiten Diode 802 angeordnet sein.
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Dabei ist für die in 6 dargestellte Ausführungsform die Steuereinheit 610 vorzugsweise dazu eingerichtet, die Halbleiterschaltelemente 601, 602, 603, 604 derart anzusteuern, dass das eingangsseitige Halbleiterschaltelement 601 der ersten Halbbrücke H1 und das lastseitige Halbleiterschaltelement 604 der zweiten Halbbrücke H2 geringfügig überlappende Einschaltzeiten haben und/oder dass das eingangsseitige Halbleiterschaltelement 603 der zweiten Halbbrücke H2 und das lastseitige Halbleiterschaltelemente 602 der ersten Halbbrücke H1 geringfügig überlappende Einschaltzeiten haben. Dabei ist das Verhältnis der Einschaltzeiten der eingangsseitigen Halbleiterschaltelemente 601, 603 zu den Einschaltzeiten der lastseitigen Halbleiterschaltelemente 602, 604 insbesondere einstellbar oder konstant, das heißt weist einen vorbestimmten Quotienten auf.
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Außerdem ist die Steuereinheit 610 vorzugsweise dazu eingerichtet, einen der eingangsseitigen Halbleiterschaltelemente 601, 603 der beiden Halbbrücken H1, H2 früher auszuschalten als das andere eingangsseitige Halbleiterschaltelement 603, 601 der beiden Halbbrücken H1, H2, so dass eine Verkopplung eines eingangsseitigen Primär-Stromkreises K1 (siehe 7) und eines lastseitigen Sekundär-Stromkreises K2 (siehe 7) über die Drossel 605 bereitgestellt ist. Eine solche Verkopplung für den Stromkreis K3 eines Symmetrierstroms ist in 8 dargestellt. Details hierzu werden im Weiteren erläutert.
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Wie die 6 zeigt, können die Halbleiterschaltelemente 601, 602, 603, 604 als MOSFETs ausgebildet sein. Dabei kann die Steuereinheit 610 vorzugsweise dazu eingerichtet sein, die Gates der MOSFETs 601, 602, 603, 604 der Halbbrücken H1, H2 mit derart phasenverschobenen Ansteuersignalen G1, G2, G3, G4 anzusteuern, so dass eine Verkopplung des eingangsseitigen Primär-Stromkreises K1 (siehe 7) und des lastseitigen Sekundär-Stromkreises K2 (siehe 7) über die Drossel 605 bereitgestellt ist.
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Das Obige, insbesondere die Funktionsweise der als fliegenden Induktivität betreibbaren Drossel 605 und die Ausgangspotentialregelung, wird im Folgenden anhand der Diagramme der 9 näher erläutert. Hierzu zeigt die 9a den Strom in der Drossel 605 und die 9b zeigt die Ausgangsspannung bezeichnet als U1, Plus gegen Erde bezeichnet als U2, Minus gegen Erde bezeichnet als U3 und die mittlere Ausgangsspannung bezeichnet als U4. Ferner zeigt die 9c die Sperrspannungen der MOSFETs 601, 602, 603 und 604, wobei V1 die Sperrspannung am MOSFET 601 ist, V2 die Sperrspannung am MOSFET 602 ist, V3 die Sperrspannung am MOSFET 603 ist und V4 die Sperrspannung am MOSFET 604 ist. Des Weiteren zeigt die 9d die Gate-Signale der MOSFETs 601, 602, 603 und 604. Hierbei ist das Gate-Signal G1 dem MOSFET 601 zugeordnet, das Gate-Signal G2 ist dem MOSFET 602 zugeordnet, das Gate-Signal G3 ist dem MOSFET 603 zugeordnet und das Gate-Signal 604 ist dem MOSFET 604 zugeordnet.
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Wie die 9a zeigt, ist der Mittelwert des durch die Drossel 605 fließenden Stroms 60 A. Dies ist die Summe aus dem mittleren Eingangsstrom des Primär-Stromkreis K1 (siehe 7) und dem mittleren Ausgangsstrom des Sekundär-Stromkreises K2 (siehe 7). Mit Bezug zur 9d sind in die Gate-Signale G1, G2, G3, G4 der MOSFETs 601, 602, 603, 604 Zeiten A für die Umladung der Umschwingkondensatoren 606, 607, 608 und 609 vorgesehen. Die Umladung ist an der Flanke B der MOSFET-Sperrspannungen gemäß 9c zu sehen. Der Maximalstrom von + 150 A gemäß 9a in der Drossel 605 bewirkt eine schnelle Umladung, der Minimalstrom von -30 A gemäß 9a in der Drossel 605 bewirkt demgegenüber eine langsame Umladung und somit eine flache Flanke B der MOSFET-Sperrspannungen in 9c. Das Einschalten der MOSFETs, siehe A in 9d, findet stets dann statt, wenn die Sperrspannung des MOSFETs Null ist, um Einschaltverluste zu verringern beziehungsweise zu vermeiden. Wenn die MOSFETs ausschalten (siehe A in 9d), so steigt die MOSFET-Sperrspannung während der Umladung über ihnen so langsam an, dass die Sperrspannung während des Ausschaltens klein bleibt, das heißt es ergibt sich ein dU/dt-begrenztes Ausschalten. Im Vergleich zu einem harten Ausschalten ergeben sich dadurch sehr viel weniger Ausschaltverluste.
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Das ZVS-Schalten der MOSFETs 601, 602, 603 und 604 ist charakterisiert durch ein verlustfreies Einschalten bei einer Sperrspannung von Null und ein verlustreduziertes Ausschalten mit von den Umschwingkondensatoren 606, 607, 608 und 609 begrenzter Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeit. Das ZVS-Schalten setzt voraus, dass der Drosselstrom gemäß 9a zwischen zwei Schaltvorgängen der MOSFETs 601, 602, 603 und 604 zumindest einen Nulldurchgang aufweist.
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Zum Zeitpunkt C in 9d wird der MOSFET 603 früher ausgeschaltet als der MOSFET 601. Dadurch ergibt sich die oben angesprochene Verkopplung (siehe Stromkreis K3 in 8) der Stromkreise. Die Symmetrie der Ausgangsspannung gegen Erde verschiebt sich dabei mit jedem Schaltvorgang (vgl. 9b zum Zeitpunkt C). So kann eine Symmetrieregelung stattfinden.
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Wie oben bereits ausgeführt, gibt es zwei Möglichkeiten zur Symmetrieregelung: erstens ein geringfügig früheres Ausschalten von einzelnen oder mehreren MOS-FETs und zweitens eine geringfügige Phasenverschiebung der Gate-Signale G1, G2, G3, G4 der beiden Halbbrücken H1, H2 gegeneinander.
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Wie die 6, 7,8 und 10 zeigen, kann die Steuereinheit 610 zwei Stromregler aufweisen, die insbesondere unabhängig voneinander sind. So umfasst die Steuereinheit 610 insbesondere einen Laststrom-Regler 611 und einen Symmetrierstrom-Regler 612. Außerdem umfasst die Steuereinheit 610 einen Differenzspannungs-Regler 613.
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Der Laststrom-Regler 611 ist insbesondere dazu eingerichtet, das Verhältnis der Einschaltzeiten der eingangsseitigen MOSFETs 601, 603 zu den Einschaltzeiten der lastseitigen MOSFETs 602, 604 einzustellen. Der Symmetrierstrom-Regler 612 stellt einen Symmetrierstrom (siehe Stromkreis K3 der 8 sowie SY in 10) zur Symmetrierung des Potentials an dem negativen Ausgangspotenzialabgriff 701 und des Potentials an dem positiven Ausgangspotentialabgriff 702 gegenüber Erdpotential zu stellen.
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Der Differenzspannungs-Regler 613 ist insbesondere dazu eingerichtet, einen Soll-Wert SWS (siehe 10) für ein Einstellsignal SY in Abhängigkeit zumindest einer gemessenen Spannung U2, U3 (siehe 10) in dem lastseitigen Sekundär-Stromkreis K2 bereitzustellen. Dabei ist der Differenzspannungs-Regler 613 langsamer als der Symmetrierstrom-Regler 612.
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Wie oben ausgeführt, beeinflusst der schnelle Laststrom-Regler 611 das Verhältnis der Einschaltzeiten (Einschaltdauern) der eingangsseitigen MOSFETs 601, 603 zu den Einschaltzeiten der lastseitigen MOSFETs 602, 604. Bei einem Verhältnis kleiner 1 wird die Eingangsspannung heruntergesetzt, bei einem Verhältnis größer 1 wird sie hochgesetzt, bei einem Verhältnis von 1 wird die Eingangsspannung lediglich invertiert.
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Der Differenzstrom-Regler beeinflusst den Ausschaltzeitpunkt einzelner MOS-FETs 601, 602, 603, 604 oder die Phasenverschiebung. Wie oben ausgeführt, kann der Symmetrierstrom-Regler 612 einen Symmetrierstrom gemäß 8 und 10 stellen. Der Differenzspannungs-Regler 613 liefert den Soll-Wert SWS für das Einstellsignal SY. Beispielsweise kann dieser dafür sorgen, dass ein durch ungleiche Verschmutzungen der Ausgangspotentialabgriffe 701 und 702 gegen Erde verursachter Erd-Fehlstrom vom Symmetrierstrom-Regler 612 ausgeglichen wird und somit die Ausgangsspannung erdsymmetrisch bleibt. Er ist außerdem vorzugsweise dazu geeignet, dass die durch Timing-Toleranzen in den Gate-Signalen G1, G2, G3, G4 verursachte Tendenz zur Asymmetrie ausgeglichen wird. Details hierzu werden mit Bezug zu 10 erläutert.
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Hierbei zeigt die 10 das schematisches Schaltbild der 6 mit eingezeichneter Symmetrierregelung, wobei einige der in 6 gezeichneten Bezugszeichen aus Gründen der Übersichtlichkeit in 10 weggelassen sind.
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Die in 10 gezeigte Steuereinheit 610 kann auch als Regelungseinheit oder Regelungseinrichtung bezeichnet werden und ist zur Symmetrierregelung eingerichtet. Die Regelungseinheit 610 der 10 umfasst einen Laststrom-Regler 611, einen Symmetrierstrom-Regler 612 sowie einen Differenzspannungs-Regler 613. Des Weiteren umfasst die DC/DC-Wandlervorrichtung 1 nach 10 eine erste Strommesseinrichtung 614, eine zweite Strommesseinrichtung 615, eine erste Spannungsmesseinrichtung 616, eine zweite Spannungsmesseinrichtung 617, eine erste Subtrahiereinheit 618, eine Summiereinheit 619, eine zweite Subtrahiereinheit 620, eine Halbierungseinheit 621 sowie einen PWM-Generator 622 (PWM; Pulsweiten-Modulation).
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Die erste Strommesseinrichtung 614 ist dazu eingerichtet, den von der ersten Halbbrücke H1 zum negativen Ausgangspotentialabgriff 701 fließenden Strom 13 zu messen. Entsprechend ist die zweite Strommesseinrichtung 615 dazu eingerichtet, den von der zweiten Halbbrücke H2 zum positiven Ausgangspotentialabgriff 702 fließenden Strom 12 zu messen.
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Die erste Subtrahiereinheit 618 ist dazu geeignet, ein erstes Differenzsignal DS1 aus einer Differenz zwischen dem Strom 12 und dem Strom 13 ausgangsseitig bereitzustellen. Die Summiereinheit 619 hingegen summiert die Ströme 12 und 13 und stellt in Abhängigkeit davon ausgangsseitig einen Summensignal SS1 bereit.
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Die Halbierungseinheit 621 halbiert das erste Summensignal SS1, bereitgestellt von der Summiereinheit 619, und stellt ausgangsseitig ein zweites Summensignal SS2 bereit (SS2 = 0,5 * SS1).
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Die erste Spannungsmesseinrichtung 616 ist dazu eingerichtet, eine zwischen dem negativen Ausgangspotentialabgriff 701 und Erde abfallende Spannung zu messen und in Abhängigkeit von dieser Messung ausgangsseitig einen ersten Spannungswert U3 (Minus gegen Erde) bereitzustellen.
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Ferner ist die zweite Spannungsmesseinrichtung 617 dazu eingerichtet, eine zwischen dem positiven Ausgangspotentialabgriff 702 und Erde abfallende Spannung zu messen und in Abhängigkeit der Messung ausgangsseitig ein zweites Spannungssignal U2 (Plus gegen Erde) bereitzustellen. Die zweite Subtrahiereinheit 620 bildet aus der Differenz zwischen U2 und U3 ein zweites Differenzsignal DS2 und stellt dieses ausgangsseitig bereit.
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Der Differenzspannungs-Regler 613 empfängt eingangsseitig das zweite Differenzsignal DS2 von der zweiten Subtrahiereinheit 620 sowie einen Differenzspannungssollwert DSS und stellt in Abhängigkeit davon ausgangsseitig den Symmetrierstromsollwert SWS bereit und führt diesen dem Symmetrierstrom-Regler 612 zu. Der Symmetrierstrom-Regler 612 empfängt eingangsseitig den Symmetrierstromsollwert SWS und das erste Differenzsignal DS1 von der ersten Subtrahiereinheit 618. In Abhängigkeit von diesen empfangenen Signalen DS1, SWS stellt der Symmetrierstrom-Regler 612 ausgangsseitig das Einstellsignal SY bereit und führt dieses dem PWM-Generator 622 zu.
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Der Laststrom-Regler 611 empfängt eingangsseitig das halbierte Summensignal SS2 und einen Laststromsollwert LSS und stellt in Abhängigkeit davon ausgangsseitig ein Einstellsignal zum Einstellen der Einschaltzeiten der MOSFETs 601, 602, 603, 604 bereit.
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Der PWM-Generator generiert die Gatesignale G1, G2, G3, G4 für die MOS-FETs 601, 602, 603, 604 in Abhängigkeit des empfangenen Einstellsignals ES und des empfangenen Einstellsignals SY.
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Der Differenzspannungs-Regler 613 ist insbesondere so langsam, dass er im Falle eines plötzlich auftretenden Fehlerstroms den Symmetrierstrom zunächst nicht verändern kann. Die Umladung der Kondensatoren 651 und 652 wird dabei vorzugsweise nicht gestört. Dadurch verhält sich das System wie ein galvanisch vom Netz 4 getrenntes System. Bevor der Differenzspannungs-Regler 613 Symmetrierstrom-Regler 612 in einem solchen Fall reagieren kann, wird der DC/DC-Wandler 600 vorzugsweise abgeschaltet. Falls gewünscht, könnte das System bei Bedarf auch mit Erdschluss weiterbetrieben werden, ohne einen Strom in den Erdschluss zu treiben.
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In den in den 3, 4b, 5a, 6, 7 8, 10 dargestellten Ausführungsformen kann bei einem Verzicht auf Leitung 750, d.h. bei einer Quasi-Potentialtrennung und Verzicht auf einer galvanischen Verbindung zwischen der Eingangsseite und Ausgangsseite außerhalb der Halbleiterbrücken H1, H2 die DC-Wandlervorrichtung 1 bei einem Erdschluss uneingeschränkt weiter betrieben werden. Dieser Umstand ist insbesondere hinsichtlich Personenschutz und Betriebssicherheit ein wesentlicher Aspekt.
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Ferner zeigt die 11 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer DC/DC-Wandlervorrichtung 1 für den Betrieb einer Windkraftanlage oder eines industriellen DC-Versorgungsnetzes 3. Die DC/DC-Wandlervorrichtung 1 ist beispielsweise wie in den vorstehenden Figuren erläutert ausgebildet.
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In Schritt S1 wird die DC/DC-Wandlervorrichtung 1 mit einer DC-Energiequelle wie z.B. einem AC/DC-Wandler 400 eines mehrphasigen Netzes 4, einem antriebstechnischen Zwischenkreises, einem Solargenerator, einem DC-Energiespeicher oder ähnlichem und mit einer DC-Energiesenke, beispielsweise einem DC.Energiespeicher 8, beispielhaft eines Elektrofahrzeuges, einem Netzsegment 2 eines DC-Industrienetzes 3, einen Notenergiespeicher etc. gekoppelt. Es ist auch denkbar, die DC/DC-Wandlervorrichtung zwischen einem Notenergiespeicher und dem Zwischenkreis eines oder mehrerer Pitch- oder Yaw-Antriebe 2 einer Windkraftanlage 3, zwischen Zwischenkreisen von elektrischen Antrieben zur Zwischenkreisverkopplung oder Stützung mittels eines Energiespeichers bzw. einer Energiequelle, zwischen verschiedenen Netzsegmenten 2 eines DC-Industrienetzes 3 oder ähnliches einzusetzen, in denen, vorzugsweise bidirektional elektrische Energie auf gleichen oder verschiedenen, vorzugsweise variablen Spannungsniveaus geleitet werden kann.
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In Schritt S2 wird die den Mittelabgriff M1 der ersten Halbbrücke H1 und den Mittelabgriff M2 der zweiten Halbbrücke H2 verbindende Drossel 605 des DC/DC-Wandlers 600 als fliegende Induktivität betrieben.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsformen beschrieben wurde, ist sie vielfältig modifizierbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- DC/DC-Wandlervorrichtung
- 2
- Pitch-Antrieb oder DC-Industrienetzsegment
- 3
- Windkraftanlage oder DC-Industrienetz
- 4
- AC-Netz
- 5
- Ladekabel
- 6
- Netzanschlusspunkt
- 7
- mehrphasiges Energieversorgungsnetz
- 8
- DC-Energiespeicher
- 101
- Anschlussklemme
- 102
- Anschlussklemme
- 103
- Anschlussklemme
- 200
- EMV-Filtervorrichtung
- 300
- LCL-Filtervorrichtung
- 400
- AC/DC-Wandler
- 401
- positiver Eingangsleiter
- 402
- negativer Eingangsleiter
- 500
- Eingangszwischenkreis
- 501
- Zwischenkreiskondensator
- 502
- Zwischenkreiskondensator
- 503
- Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt
- 550
- Entstörschaltung
- 551
- Entstörkondensator
- 552
- Entstörkondensator
- 553
- Knoten
- 600
- DC/DC-Wandler
- 601
- Halbleiterschaltelement
- 602
- Halbleiterschaltelement
- 603
- Halbleiterschaltelement
- 604
- Halbleiterschaltelement
- 605
- Drossel
- 606
- Umschwingkondensator
- 607
- Umschwingkondensator
- 608
- Umschwingkondensator
- 609
- Umschwingkondensator
- 610
- Steuereinheit
- 611
- Laststrom-Regler
- 612
- Symmetrierstrom-Regler
- 613
- Differenzspannungs-Regler
- 614
- erste Strommesseinrichtung
- 615
- zweite Strommesseinrichtung
- 616
- erste Spannungsmesseinrichtung
- 617
- zweite Spannungsmesseinrichtung
- 618
- erste Subtrahiereinheit
- 619
- Summiereinheit
- 620
- zweite Subtrahiereinheit
- 621
- Halbierungseinheit
- 622
- PWM-Generator
- 650
- Entstörschaltung
- 651
- Entstörkondensator
- 652
- Entstörkondensator
- 653
- Knoten
- 700
- Ausgangszwischenkreis
- 701
- Ausgangspotentialabgriff
- 702
- Ausgangspotentialabgriff
- 703
- Ausgangskondensator
- 704
- Ausgangskondensator
- 705
- Ausgangs-Zwischenkreismittelpunkt
- 750
- Koppelleitung
- 801
- Diode
- 802
- Diode
- 803
- Überspannungsschutzelement
- 804
- Knoten
- A, B, C
- Zeiten
- E
- Einstellsignal
- G1
- Gate-Signal für Halbleiterschaltelement 601
- G2
- Gate-Signal für Halbleiterschaltelement 602
- G3
- Gate-Signal für Halbleiterschaltelement 603
- G4
- Gate-Signal für Halbleiterschaltelement 604
- H1
- erste Halbbrücke
- H2
- zweite Halbbrücke
- I
- Strom
- I2
- Strom
- I3
- Strom
- K1
- Stromkreis
- K2
- Stromkreis
- K3
- Stromkreis
- L1
- Phase
- L2
- Phase
- L3
- Phase
- M1
- Mittelabgriff der ersten Halbbrücke
- M2
- Mittelabgriff der zweiten Halbbrücke
- s
- Zeit in Sekunden
- S1, S2
- Verfahrensschritte
- SY
- Einstellsignal
- U1
- Ausgangsspannung
- U2
- Plus gegen Erde
- U3
- Minus gegen Erde
- U4
- Mittlere Ausgangsspannung
- V1
- Spannung am Halbleiterschaltelement 601
- V2
- Spannung am Halbleiterschaltelement 602
- V3
- Spannung am Halbleiterschaltelement 603
- V4
- Spannung am Halbleiterschaltelement 604
- GND
- Mittenpotential am Eingangs-Zwischenkreismittelpunkt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2515424 B1 [0003]
- EP 1852605 B1 [0018]
