-
Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter, insbesondere für Photovoltaik (PV)-Anlagen.
-
Wechselrichter dienen der Umwandlung eines eingangsseitigen Gleichstroms in einen ausgangsseitigen Wechselstrom. Insbesondere bei Wechselrichtern für PV-Anlagen ist der ausgangsseitige Wechselstrom dabei zur Einspeisung in ein lokales und/oder übergeordnetes Energieversorgungsnetz geeignet. Leistungskomponenten eines solchen Wechselrichters, insbesondere aber nicht ausschließlich in einer ausgangsseitig angeordneten Wechselrichterbrücke verwendete Halbleiterleistungsschalter setzen eine Verlustleistung um, die als Verlustwärme abgeführt werden muss.
-
Häufig erfolgt eine Abfuhr der Verlustwärme über einen oder mehrere Kühlkörper und freie oder erzwungene Konvektion. Insbesondere bei der freien Konvektion, aber auch bei einer beispielsweise über einen Ventilator erzwungenen Konvektion, ist die erzielbare Wärmeabfuhr von der Einbaulage des Wechselrichters abhängig. Üblicherweise weist der Wechselrichter dabei eine bevorzugte Einbauausrichtung auf, in der die Kühlleistung maximal ist. Gerade bei kleineren, im Rahmen von Hausinstallationen von PV-Anlagen verwendeten Wechselrichtern kann nicht davon ausgegangen werden, dass eine angegebene bevorzugte Einbauausrichtung auch eingehalten wird. Unter Umständen können darüber hinaus aus Gründen der Flexibilität beim Einbau auch verschiedene Einbaulagen bewusst zugelassen sein. Aus diesen Gründen werden die Wechselrichter nach der Leistung spezifiziert, die auch in der im Hinblick auf die Kühlfunktion ungünstigsten Einbaulage ohne die Gefahr einer Überhitzung des Wechselrichters umgesetzt werden kann. Dadurch werden in der Regel bei einem Wechselrichter größere Kühlkörper eingesetzt, als benötigt würden, wenn der Wechselrichter in der bevorzugten Ausrichtung installiert wäre.
-
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wechselrichter zu schaffen, bei dem auf eine derartige Überdimensionierung des Kühlsystems und insbesondere des Kühlkörpers verzichtet werden kann, ohne dass der Wechselrichter mit einer geringeren Leistung zu klassifizieren ist, und ohne dass es zu Überhitzungen kommt, die durch die Einbauausrichtung bedingt sind.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Wechselrichter mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1.
-
Ein erfindungsgemäßer Wechselrichter zeichnet sich durch einen Neigungssensor zur Bestimmung einer Ausrichtung des Wechselrichters im Raum aus, wobei der Neigungssensor zur Einstellung und/oder Überwachung von thermischen Eigenschaften des Wechselrichters eingerichtet ist. Bei einem anmeldungsgemäßen Verfahren wird eine Ausrichtung des Wechselrichters anhand des im Wechselrichter angeordneten Neigungssensors bestimmt und zur Einstellung und/oder Überwachung von thermischen Eigenschaften des Wechselrichters herangezogen. Durch Berücksichtigung der tatsächlichen, gemessenen Neigung des Wechselrichters ist eine Überdimensionierung des Kühlsystems des Wechselrichters nicht mehr notwendig. In jeder Montageausrichtung des Wechselrichters kann ein der Einbauausrichtung angemessener Betrieb des Wechselrichters erfolgen.
-
Insbesondere kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung des Wechselrichters eine eingangsseitige und/oder ausgangsseitige Leistung abhängig von der ermittelten Ausrichtung begrenzt werden. Die maximale Ausgangsleistung kann dabei durch eine Tabelle, Kennlinie oder in parametrisierter Form vorgegeben sein. So steht auch bei einem nicht überdimensionierten Kühlsystem bei jeder Einbauausrichtung die in dieser Ausrichtung maximal übertragbare Leistung des Wechselrichters zur Verfügung.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des durch den Wechselrichter ausführbaren Verfahrens wird eine Temperatur innerhalb des Wechselrichters gemessen und überwacht. Bei Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwertes für die Temperatur wird ein Fehlersignal ausgegeben, wobei der vorgegebene Grenzwert abhängig von der von dem Neigungssensor ermittelten Ausrichtung des Wechselrichters bestimmt wird. Ein zur Durchführung dieser Ausgestaltung des Verfahrens geeigneter Wechselrichter weist einen Temperatursensor und eine Überwachungseinheit auf.
-
Auf diese Weise kann die Ausrichtung des Wechselrichters, die ebenfalls die zu erwartende Temperatur beeinflusst, bei der Temperaturüberwachung berücksichtigt werden. Bei einer Temperaturüberwachung, die diesen Einfluss unberücksichtigt lässt, müssen die erwarteten Temperaturen für die im Hinblick auf die Kühlung ungünstigste Ausrichtung des Wechselrichters angegeben werden. Wird der Wechselrichter jedoch in der für die Kühlung günstigsten, bevorzugten Ausrichtung betrieben, werden so zu hohe Grenzwerte für die zu erwartenden Temperaturen angenommen. Die anmeldungsgemäße Berücksichtigung der Ausrichtung des Wechselrichters erlaubt eine sensiblere und beim Ausbilden von Fehlern schneller ansprechende Temperaturüberwachung. Gleichzeitig kann auch ein breiterer Ausrichtungsbereich für den Betrieb des Wechselrichters spezifiziert werden.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Wechselrichters ist der Neigungssensor dazu eingerichtet, eine Verkippung des Wechselrichters zumindest gegenüber einer vertikalen Achse, bevorzugt auch zusätzlich gegenüber einer horizontalen Achse, somit also eine Verkippung innerhalb eines ortsfesten Koordinatensystems in mehreren Dimensionen, zu bestimmen. So kann jede mögliche Abweichung von einer im Hinblick auf das Kühlsystem optimalen Einbauausrichtung berücksichtigt werden.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Wechselrichters ist der Neigungssensor ein miniaturisiertes Bauteil aus der Gruppe der Mikro-Elektro-Mechanischen-Systeme (MEMS). Ein derartig ausgebildeter Neigungssensor kann leicht und ohne nennenswerte Platzerfordernisse in den Wechselrichter integriert werden. Insbesondere ist es möglich, den Neigungssensor montagefreundlich auf einer Platine des Wechselrichters anzuordnen.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Wechselrichters sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mithilfe von drei Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:
-
1 eine perspektivische Ansicht eines an einer vertikalen Wand angeordneten Wechselrichters;
-
2 ein Blockschaltbild eines Wechselrichter in einer PV-Anlage, und
-
3 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Wechselrichters.
-
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines an einer senkrechten Wand 5 montierten PV-Wechselrichters 1. Der Wechselrichter 1 weist ein Gehäuse 2 auf, an dessen vertikalen Seiten Kühlkörper 3 mit senkrecht verlaufenden Kühlrippen angeordnet sind. Im Inneren des Wechselrichters 1 stehen in dieser Figur nicht sichtbare elektronische Bauelemente in einer thermischen Verbindung mit dem Kühlkörper 3. Diese Bauelemente, insbesondere Leistungshalbleiterbauelemente einer leistungsübertragenden Stufe des Wechselrichters 1, also beispielsweise eines eingangsseitigen DC(direct current)/DC-Wandlers oder einer ausgangsseitigen Wechselrichterbrücke, können so in Wärme umgesetzte Verlustleistung an den Kühlkörper 3 weitergeben. Beim Betrieb des Wechselrichters 1 streicht ein Luftstrom 4 entlang der Kühlrippen des Kühlkörpers 3 und führt Wärme vom Kühlkörper 3 ab.
-
In der 1 ist ein Wechselrichter dargestellt, dessen Kühlung auf freier, ungezwungener Konvektion des Luftstroms 4 entlang der seitlich angeordneten Kühlkörper 3 beruht. Alternativ sind luftgekühlte Wechselrichter bekannt, bei denen eine freie Konvektion durch einen oder mehrere Ventilatoren unterstützt wird. Bei einem anmeldungsgemäßen Wechselrichter kann sowohl freie als auch erzwungene Konvektionen zur Kühlung realisiert sein. Auch die Anordnung des Kühlkörpers 3 an der Außenseite des Wechselrichters 1 bei 1 ist lediglich beispielhaft. Ebenso wie ein außen angeordneter Kühlkörper kann bei einem anmeldungsgemäßen Wechselrichter ein Kühlkörper mit innenliegenden Kühlrippen und einem durch das Gehäuse geführten Luftstrom 4 vorgesehen sein. Möglich ist auch, dass bei dem anmeldungsgemäßen Wechselrichter der Kühlkörper 3 an einer oder mehreren beliebigen Außenseiten, beispielsweise einer Rückwand und/oder einer Vorderwand des Gehäuses, lokalisiert ist.
-
Der in 1 dargestellte Wechselrichter 1 ist im Hinblick auf die vom Kühlkörper 3 bereitgestellte Kühlleistung bestmöglich ausgerichtet. Bei der dargestellten Ausrichtung steigt sich an den Kühlrippen erwärmende Luft auf und bewegt sich damit in der Richtung, in der sich auch die Kühlrippen erstrecken. Für die aufsteigende Luft ergibt sich folglich ein geringer Luftwiderstand bei der Bewegung entlang den Kühlrippen des Kühlkörpers, weswegen ein hoher Luftstrom 4 und eine entsprechend gute Kühlwirkung erzielt wird. Wird der Wechselrichter 1 dagegen aus dieser bevorzugten Ausrichtung heraus gekippt, beispielsweise nach vorne, hinten oder zu den Seiten, sind die Kühlrippen nicht mehr vertikal ausgerichtet und ein nach oben aufsteigender Luftstrom 4 kann weniger ungehindert an den Kühlrippen vorbei streichen. Ebenso wird bei dem Vorbeistreichen des Luftstromes 4 weniger Wärme seitens der Luft aufgenommen und damit weniger Verlustleistung abgeführt. Der ungünstigste Fall stellt sich dabei ein, wenn einer der Kühlkörper 3 des Wechselrichters 1 der 1 an der Unterseite angeordnet ist, beispielsweise indem das Gehäuse des Wechselrichters um 90 Grad im Uhrzeigersinn um eine senkrecht zur Wand stehende Achse gedreht wird. Bei dem anmeldungsgemäßen Wechselrichter 1 kann es sich sowohl um einen 1 phasigen als auch ein mehrphasigen – beispielsweise einen 3-phasigen – Wechselrichter handeln.
-
2 zeigt eine auf die wesentlichsten Komponenten reduzierte PV-Anlage in einem schematischen Blockschaltbild. Bei dieser PV-Anlage ist ein Wechselrichter 1 eingangsseitig mit einem PV-Generator 6 verbunden und ausgangsseitig mit einem Energieversorgungsnetz 7. Der PV-Generator 6 ist vorliegend durch das Schaltzeichen einer einzelnen PV-Zelle symbolisiert. Es versteht sich, dass der PV-Generator 6 aus einer Vielzahl von PV-Modulen aufgebaut sein kann, die wiederum jeweils aus einer Mehrzahl von PV-Zellen bestehen können. Die PV-Module können zu einem sogenannten String serienverschaltet sein. Mehrere Strings können untereinander parallel geschaltet sein. Weiterhin sind in der 2 nur die im Rahmen der Anmeldung relevanten Komponenten der PV-Anlage und des Wechselrichters 1 dargestellt. Es versteht sich, dass auf der Gleich- und/oder Wechselstromseite des Wechselrichters 1 beispielsweise nicht dargestellte Schaltorgane (zum Beispiel Trennelemente, Schütze), Filter (zum Beispiel ein Sinusfilter), Netzüberwachungseinrichtungen und/oder Transformatoren vorgesehen sein können.
-
Der Wechselrichter 1 weist ein Leistungsteil 10 auf, das zumindest eine Wechselrichterbrücke umfasst und ggf. einen dieser Wechselrichterbrücke vorgelagerten DC/DC-Wandler, beispielsweise einen Hoch- oder einen Tiefsetzsteller. Das Leistungsteil 10 kann dabei einen Ausgangstransformator aufweisen, oder auch transformatorlos ausgebildet sein. Sowohl die Wechselrichterbrücke als auch der ggf. vorhandene DC/DC-Wandler weisen Leistungshalbleiterschalter, beispielsweise MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors) oder IGBTs (Insulated-Gate Bipolar Transistors) oder Halbleiterdioden auf. Diese Halbleiterleistungsschalter setzen bei ihrem Betrieb Verlustleistung in Wärme um, die über den bereits in 1 dargestellten und an der Außenseite des Wechselrichters 1 angeordneten Kühlkörper 3 und dessen Kühlrippen an die Umgebungsluft abgegeben wird. Auch für einen ggf. vorhandenen Transformator oder einen Hochfrequenz (HF)-Übertrager kann ein Kühlbedarf bestehen.
-
Der Wechselrichter 1 umfasst weiterhin eine Steuereinrichtung 11, die der Steuerung des Wechselrichters 1 und insbesondere des Leistungsteils 10 dient. Dazu ist am Wechselstromausgang des Wechselrichters 1 eine Spannungsmesseinrichtung 12 sowie eine Strommesseinrichtung 13 vorgesehen, deren Messwerte an die Steuereinrichtung 11 übermittelt werden. Weitere Spannungsmesseinrichtungen können beispielsweise eingangsseitig vorgesehen sein. Aus den gemessenen Strom- und Spannungswerten bestimmt die Steuereinrichtung 11 geeignete Schaltzeitpunkte für die Leistungshalbleiter der Wechselrichterbrücke und ggf. des DC/DC-Wandlers des Leistungsteils 10.
-
Weiterhin ist anmeldungsgemäß ein Neigungssensor 14 vorgesehen, der innerhalb des Wechselrichters 1 montiert ist. Dieser kann separat von der Steuereinrichtung 11 ausgebildet sein oder aber in die Steuereinrichtung 11 integriert sein. Der Neigungssensor 14 ist in der Lage, eine Verkippung relativ zu einer vertikalen Achse, also in einer Dimension (1D), zu detektieren. Vorteilhafterweise ist der Neigungssensor 14 zusätzlich in der Lage, auch eine Verkippung relativ zu einer horizontalen Achse zu detektieren. In diesem Fall handelt es sich um einen mehrdimensionalen, also einen zwei- oder dreidimensionalen (2D oder 3D) Neigungssensor 14. Das Messprinzip des Neigungssensors 14 kann auf der Detektion der Auslenkung beziehungsweise Verbiegung einer Sensorkomponente – ggf. in Verbindung mit einer daran befestigten Testmasse – basieren, aus der dann auf die jeweilige Verkippung des Neigungssensors 14 und damit des Wechselrichters 1 geschlossen wird. Vorteilhafterweise ist der Neigungssensor ein miniaturisiertes Bauteil, das der Gruppe der Mikro-Elektro-Mechanischen-Systeme (MEMS) zuzuordnen ist. In diesem Fall ist der Neigungssensor 14 aufgrund der Massenproduktion ein besonders kostengünstiges Bauteil und kann im Rahmen der Platinenbestückung für den Wechselrichter 1 beispielsweise auf einer Platine der Steuereinrichtung 11 montiert werden. Die Detektion der Auslenkung oder Verbiegung der Sensorkomponente, beispielsweise eines die Testmasse tragenden Arms, kann kapazitiv, induktiv oder piezoelektrisch erfolgen. Anmeldungsgemäß wird der Neigungssensor 14 im Rahmen des thermischen Managements des Wechselrichters 1 eingesetzt.
-
Wie im Zusammenhang mit 1 erläutert wurde, ist die Leistungsfähigkeit des Kühlkörpers 3 von der Ausrichtung des Wechselrichters 1, insbesondere von einer Verkippung oder Neigung des Wechselrichters 1 gegenüber einer bevorzugten Ausrichtung abhängig. In einer ersten Ausgestaltung des Wechselrichters 1 wird die von dem Neigungssensor 14 ermittelte Ausrichtung des Wechselrichters 1 an die Steuereinrichtung 11 übertragen bzw. von der Steuereinrichtung erfasst und ausgewertet.
-
Die von dem Leistungsteil 10 übertragene Leistung, die sich beispielsweise aus den Messergebnissen der Spannungsmesseinrichtung 12 und der Strommesseinrichtung 13 ergibt, wird nun durch die Steuereinrichtung 11 abhängig von der ermittelten Ausrichtung des Wechselrichters 1 begrenzt. Dazu vergleicht die Steuereinrichtung 11 die vom Neigungssensor 14 übermittelte Ausrichtung des Wechselrichters 1 mit einer vorgegebenen bevorzugten Ausrichtung. Nur wenn diese Ausrichtungen, ggf. innerhalb von vorgegebenen Fehlergrenzen, übereinstimmen, lässt die Steuereinrichtung 11 eine ebenfalls vorgegebene maximale übertragbare Leistung zu. Für eine von der bevorzugten Ausrichtung abweichende ermittelte Ausrichtung werden von der Steuereinrichtung 11 nur geringere maximale Leistungen zugelassen. Somit wird erreicht, dass der Wechselrichter 1 bei Montage in der bevorzugten Ausrichtung auch die in dieser Ausrichtung maximal mögliche Leistung übertragen kann. Eine vorsorgliche Beschränkung auf eine geringere übertragene maximale Leistung, um einer eventuellen Überlastung durch Überhitzung des Wechselrichters vorzubeugen, kann somit vorteilhaft unterbleiben. Des Weiteren ist es nicht mehr notwendig, das Kühlsystem des Wechselrichters 1 für eine ungünstige Einbaulage auszulegen, die der Wechselrichter 1 in den wenigsten Fällen real einnimmt. Vielmehr stellt der erfindungsgemäße Wechselrichter 1 seine Einspeiseleistung und damit auch seine abzuführende Verlustleistung mit Hilfe des vorgesehenen Neigungssensors 14 in Abhängigkeit seiner tatsächlich vorliegenden Ausrichtung ein. Eine kostenintensive Überdimensionierung des Kühlsystems für den Wechselrichters 1, die bei herkömmlichen Wechselrichtern erforderlich ist, um dort den geringen Anteil der ungünstig eingebauten Wechselrichter abzudecken, kann somit entfallen. Die vorgegebenen maximal übertragbaren Leistungen können beispielsweise in Form einer Tabelle abhängig von den ermittelten Ausrichtungen angegeben sein. Auch ist es denkbar, die Bestimmung der maximal zu übertragenden Leistung anhand der ermittelten Ausrichtung durch den Neigungssensor 14 in parametrisierter Form, beispielsweise in Form eines Funktionszusammenhangs, vorzunehmen. Die maximal übertragbare Leistung kann unter Verwendung des Funktionszusammenhangs dann aus der ermittelten Neigung bestimmt werden.
-
Zusätzlich kann vorgesehen sein, eine aufgrund der ermittelten Neigung als ungünstig erkannte Einbaulage zu signalisieren, beispielsweise am Gerät selbst oder über eine Kommunikationsschnittstelle. Auf diese Weise kann unmittelbar nach erfolgter Installation die Einbaulage bei Bedarf nochmals geändert werden. Eine tatsächlich vorhandene evtl. jedoch unbeabsichtigte Neigung des Wechselrichters wird somit durch den Wechselrichter signalisiert. Hierdurch wird einem Installateur bzw. einem Betreiber der Anlage explizit mitgeteilt, dass der Wechselrichter während seines Betriebes ggf. nicht seine maximal mögliche Leistung, die für eine bestimmte Ausrichtung – z.B. für eine neigungsfreie Montage des Wechselrichters – spezifiziert ist, umsetzen kann. Für den Fall, dass die geneigte Montage, beispielsweise aufgrund existierender Randbedingungen, beabsichtigt war, kann vorgesehen sein, diese Warnmeldung zu bestätigen und die gemessene Ausrichtung des Wechselrichters 1 abzuspeichern. Der Wechselrichter 1 kann nun nachfolgende Messungen seiner Ausrichtung im Raum, beispielsweise im laufenden Betrieb des Wechselrichters 1, durchführen. Für den Fall, dass eine nachfolgende Messung eine Ausrichtung des Wechselrichters 1 im Raum ergibt, die von der zuvor gespeicherten Ausrichtung abweicht, kann der Wechselrichter 1 dies signalisieren. Auf diese Weise kann der Betreiber der Anlage über eine Änderung der Ausrichtung des Wechselrichters 1 im Raum und eine damit verbundene Änderung in einer maximal möglichen Leistungsumsetzung des Wechselrichter 1 informiert werden. Der Betreiber der Anlage wird somit zeitnah über Ereignisse, die sich nachteilig auf eine mögliche Einspeiseleistung und auf deren Vergütung auswirken, informiert. Für den Fall dass die geneigte Montage unbeabsichtigt war, kann der Fehler unmittelbar korrigiert werden und ein Betrieb des Wechselrichters bei höherer umgesetzter Leistung ist gewährleistet. Auch hier ist es möglich, die letztendlich beabsichtigte und einmal real vorhandene Ausrichtung des Wechselrichters nach erfolgter Montagekorrektur abzuspeichern.
-
Bei einer zweiten, alternativen oder zusätzlichen Verwendung des Neigungssensors 14 dient dieser der Verbesserung einer Temperaturüberwachung innerhalb des Wechselrichters 1. Zum Schutz von Komponenten des Wechselrichters 1, insbesondere innerhalb des Leistungsteils 10 – beispielsweise der genannten Leistungshalbleiterschalter – können innerhalb des Wechselrichters 1 ein oder mehrere Temperatursensoren 15 vorgesehen sein.
-
Die Temperatursensoren 15 dienen zum einen der Erkennung einer unmittelbar schädigenden Übertemperatur einer der Komponenten.
-
Darüber hinaus werden die Temperatursensoren 15 jedoch auch zur Erkennung von Fehlern oder sich anbahnenden Fehlern eingesetzt, auch wenn die gemessenen Temperaturwerte noch unterhalb von unmittelbar materialschädlichen Werten liegen. Dazu wird eine gemessene Temperatur mit einer bei den jeweiligen Betriebsparametern zu erwartenden Temperatur an der Messstelle verglichen. Übersteigt die tatsächlich gemessene Temperatur die erwartete Temperatur, deutet dieses auf mögliche Fehler hin, beispielsweise auf einen defekten Ventilator des Kühlsystems bei zwangskonvektionsgekühlten Wechselrichtern und/oder auf eine Verstopfung oder zumindest Querschnittsreduzierung eines Kühlkanals oder von Gehäuseöffnungen, durch die ein Luftstrom 4 zur Kühlung geführt wird. Die erwartete Temperatur ist dabei von Betriebsparametern des Wechselrichters 1 abhängig, insbesondere von der übertragenden Leistung, wie sie beispielsweise durch die Spannungsmesseinrichtung 12 und die Strommesseinrichtung 13 bestimmt wird. Ein weiterer im Allgemeinen relevanter Betriebsparameter ist eine Umgebungstemperatur des Wechselrichters 1, die durch einen entsprechenden Umgebungstemperatursensor 16 bestimmt wird.
-
Anmeldungsgemäß wird nun die von dem Neigungssensor 14 gemessene Ausrichtung des Wechselrichters 1 ebenfalls als ein Betriebsparameter berücksichtigt, der die zu erwartende Temperatur beeinflusst. Die zu erwartende Temperatur wird entweder in einer Modellierung oder durch beispielhaft vorgenommene Messungen vorab ermittelt und in der Steuereinrichtung 11 in Form von mehrdimensionalen Tabellen (Matrizen oder Kennlinienfeldern) oder parametrisiert hinterlegt. Parametrisiert bedeutet in diesem Zusammenhang, dass eine Rechenvorschrift hinterlegt ist, durch die die erwarteten Temperaturen anhand der gemessenen Betriebsparameter berechnet werden können. Es ist dann ein Toleranzwert für die maximal tolerierbare Größe der Abweichungen zwischen gemessenen und vorgegebenen Temperaturen definiert. Wird der Toleranzwert überschritten, wird eine Abweichung als ein Fehlerindiz erkannt und beispielsweise signalisiert oder gemeldet.
-
Auf diese Weise kann die Ausrichtung des Wechselrichters, die ebenfalls die zu erwartende Temperatur beeinflusst, bei der Temperaturüberwachung berücksichtigt werden. Bei einer Temperaturüberwachung, die diesen Einfluss unberücksichtigt lässt, müssen die erwarteten Temperaturen für die im Hinblick auf die Kühlung ungünstigste Ausrichtung des Wechselrichters angegeben werden. Wird der Wechselrichter jedoch in der für die Kühlung günstigsten, bevorzugten Ausrichtung betrieben, werden zu hohe Grenzwerte für die zu erwartenden Temperaturen angenommen. Beide Ausrichtungen können jedoch in Realität auftreten. Ohne explizite Berücksichtigung der Ausrichtung des Wechselrichters sind die bei den verschiedenen Ausrichtungen gemessenen Temperaturen nicht zwingend auf ein Fehlerindiz zurückzuführen, sondern können ausschließlich durch die verschiedene Ausrichtung und die damit verbundene Änderung der Kühlung des Wechselrichters bedingt sein. Bei einem vorgegebenen Toleranzwert ist dieses dadurch zu berücksichtigen, dass der Toleranzwert ausreichend groß genug gewählt wird, um die durch die Ausrichtung bedingten Unterschiede in der gemessenen Temperatur auffangen zu können. Das hat jedoch zur Folge, dass real vorhandene Fehlerindizien in den Toleranzbereich fallen und damit nicht erkannt und signalisiert werden.
-
Die anmeldungsgemäße Berücksichtigung der Ausrichtung des Wechselrichters 1 anhand des Neigungssensors 14 ermöglicht es, für die jeweiligen erwarteten Temperaturen, die für den erfindungsgemäßen Wechselrichter nun auch neigungsabhängig sind, einen kleineren Toleranzwert für die Signalisierung vorzusehen. Dadurch wird eine entsprechend sensiblere Erkennung von Fehlern bei der Temperaturüberwachung erzielt.
-
Wird eine Temperatur gemessen, die mehr als der vorgegebene Toleranzwert über der zu erwartenden Temperatur liegt, kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung 11 die vom Wechselrichter 1 übertragene Leistung reduziert. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, die erkannte Abweichung der gemessenen von der erwarteten Temperatur als eine Warnmeldung bzw. als ein Warnsignal am Wechselrichter 1 anzuzeigen. Gleichzeitig kann vorgesehen sein, dass die Warnmeldung an einer Ausgangsschnittstelle, beispielsweise an einer Kommunikationsschnittstelle, des Wechselrichters 1 ausgegeben wird, um diese z.B. an eine zentrale Überwachungseinrichtung zu übertragen.
-
Bei dem dargestellten Wechselrichter 1 wird der Neigungssensor 14 innerhalb der Steuereinrichtung 11 ausgewertet. Dazu ist ein Teil der Steuereinrichtung als eine Überwachungseinheit ausgebildet. Es ist alternativ natürlich möglich, die Überwachungseinheit als eine separate Einheit auszubilden, die mit der Steuereinrichtung 11 über Signalleitungen oder eine Kommunikationsverbindung verbunden ist. In diesem Fall kann die Überwachungseinheit auch nachrüstbar ausgeführt sein.
-
Wie in 2 dargestellt, ist der Neigungssensor 14 in dem Gehäuse 2 des Wechselrichters 1 angeordnet. Prinzipiell wäre es denkbar, dass der Neigungssensor 14 als separate Einheit ausgeführt ist, mit der nur einmalig, beispielsweise bei der Erstmontage des Wechselrichters 1, eine Ausrichtung des Wechselrichters 1 im Raum bestimmt wird. Der Neigungssensor 14 ist somit nur temporär mit dem Wechselrichter 1 verbunden und nicht ständiger integraler Bestandteil des Wechselrichters 1. Da der Wechselrichter 1 in vielen Fällen nur einmalig montiert wird, kann diese einmal bestimmte Ausrichtung als unveränderbar vorausgesetzt und als konstanter Steuerparameter zur Einstellung und/oder Überwachung von thermischen Eigenschaften des Wechselrichters 1 in dessen Steuereinrichtung 11 abgespeichert werden. Mit einem derartigen Wechselrichter wird jedoch keine später erfolgende Änderung der Ausrichtung, z.B. im laufenden Betrieb des Wechselrichters, detektiert und kann daher auch nicht signalisiert werden. Zum Anderen sind derzeit erhältliche Neigungssensoren 14 aufgrund ihrer massenhaften Herstellung als Bauteil der Mikro-Elektro-Mechanischen-Systeme (MEMS) relativ kostengünstig. Auch als integraler Bestandteil des Wechselrichters 1 haben sie daher nur vernachlässigbare, zumindest jedoch tolerierbare Mehrkosten des Wechselrichters 1 zur Folge.
-
3 zeigt in Form eines Flussdiagramms ein anmeldungsgemäßes Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters. Das Verfahren kann beispielsweise von dem in der 2 dargestellten Wechselrichter ausgeführt werden. Im Folgenden benutzte Bezugszeichen beziehen sich beispielhaft auf das Ausführungsbeispiel der 2.
-
In einem ersten Schritt S1 wird der Wechselrichter 1 betrieben, wobei in Schritt S2 mithilfe des Neigungssensors 14 die Ausrichtung (Neigung) des Wechselrichters 1 ermittelt wird. In einem nachfolgenden Schritt S3 wird festgestellt, ob zusätzlich Temperaturmessdaten, aufgenommen beispielsweise durch einen oder mehrere Temperatursensoren 15, vorliegen. Ob Temperaturmessdaten vorliegen oder nicht kann von Ausstattungsmerkmalen des Wechselrichters 1 abhängen.
-
Wenn keine Temperaturmessdaten vorliegen, verzweigt das Verfahren zu einem Schritt S4, in dem eine maximal übertragbare Leistung abhängig von der im Schritt S2 ermittelten Neigung bestimmt und eingestellt wird. Zur Bestimmung der maximal zu übertragenden Leistung werden in einem Schritt S5 bereitgestellte Daten, beispielsweise die im Zusammenhang mit der 2 beschriebene Tabelle oder der Funktionszusammenhang, verwendet.
-
Wird im Schritt S3 festgestellt, dass Temperaturmessdaten vorliegen, verzweigt das Verfahren dagegen zu einem Schritt S6.
-
In diesem Schritt S6 wird auf Basis der im Schritt S5 bereitgestellten Informationen ebenfalls eine neigungsabhängige maximal zu übertragende Leistung ermittelt. Zudem wird abhängig von der Neigung und ggf. abhängig von weiteren Parametern, beispielsweise der ebenfalls zuvor genannten Außentemperatur und der aktuell übertragenden Leistung, überprüft, ob von den Temperatursensoren gemessene Temperaturdaten mit erwarteten Temperaturen, die in einem Schritt S7 bereitgestellt werden, übereinstimmen.
-
Falls eine Diskrepanz festgestellt wird, wird neben dem Grenzwert der maximal zu übertragenden Leistung aufgrund der ermittelten Neigung ein weiterer Grenzwert für die maximal übertragbare Leistung aufgrund der gemessenen Temperaturen festgelegt. Bei dem Wechselrichter 1 wird daraufhin als maximal zu übertragende Leistung der kleinere der beiden ermittelten Grenzwerte (neigungsabhängig bzw. temperaturabhängig) eingestellt.
-
Anschließend wird sowohl ausgehend von dem Schritt S4 als auch von dem Schritt S6 in einem Schritt S8 der neu eingestellte Betriebszustand des Wechselrichters 1 signalisiert, beispielsweise am Wechselrichter 1 selbst oder über eine Kommunikationsschnittstelle. Für den Fall, dass in dem Schritt S6 eine Diskrepanz der gemessenen und der für die jeweiligen Parameter erwarteten Temperaturen detektiert wurde, kann somit auch eine Warnmeldung an beispielsweise einen Betreiber der PV-Anlage gesendet werden. Dieser kann somit motiviert werden, das Kühlsystem des Wechselrichters 1 auf mögliche Defekte bzw. Verschmutzungen hin zu untersuchen und diese zu beseitigen. Es kann somit zeitnah wieder ein ordentlicher Betrieb des Wechselrichters 1 hergestellt werden. Das dargestellte Verfahren wird (quasi-)kontinuierlich durchgeführt, indem die dargestellten Schritte wiederholt, ggf. zyklisch, durchgeführt werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Wechselrichter
- 2
- Gehäuse
- 3
- Kühlkörper mit Kühlrippen
- 4
- Luftstrom
- 5
- Wand
- 6
- Photovoltaikgenerator
- 7
- Energieversorgungsnetz
- 10
- Leistungsteil
- 11
- Steuereinrichtung
- 12
- Spannungsmesseinrichtung
- 13
- Strommesseinrichtung
- 14
- Neigungssensor
- 15
- Temperatursensor
- 16
- Umgebungstemperatursensor
