EP4378065A1 - Verfahren zum betrieb eines wechselrichters und wechselrichter - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines wechselrichters und wechselrichter

Info

Publication number
EP4378065A1
EP4378065A1 EP22747983.9A EP22747983A EP4378065A1 EP 4378065 A1 EP4378065 A1 EP 4378065A1 EP 22747983 A EP22747983 A EP 22747983A EP 4378065 A1 EP4378065 A1 EP 4378065A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
bridge
inverter
l1ac
l2ac
l3ac
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22747983.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Uwe Stickelmann
Alexander UNRU
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SMA Solar Technology AG
Original Assignee
SMA Solar Technology AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SMA Solar Technology AG filed Critical SMA Solar Technology AG
Publication of EP4378065A1 publication Critical patent/EP4378065A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
    • H02M7/53871—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/36—Means for starting or stopping converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0064—Magnetic structures combining different functions, e.g. storage, filtering or transformation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H02M1/0077—Plural converter units whose outputs are connected in series
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H02M1/088—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters for the simultaneous control of series or parallel connected semiconductor devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H02M1/322—Means for rapidly discharging a capacitor of the converter for protecting electrical components or for preventing electrical shock
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/487—Neutral point clamped inverters

Definitions

  • the application relates to a method for operating an inverter with a DC input and an AC output, and an inverter and its use.
  • the inverter can be used to connect photovoltaics or other specific DC voltage sources to an AC grid
  • DC can refer to direct current or direct voltage
  • a DC source can correspondingly refer to a direct current source or a direct voltage source.
  • resistors can be connected to the output side of the DC source for discharging. These resistors convert the remaining energy from the fuel cell or the intermediate circuit into heat. Since the residual energy is usually quite high, the resistors must be able to convert large amounts of energy and are therefore very large and expensive. In particular, these resistors represent additional components that mean increased complexity in the control and operational management of the overall system.
  • a PV inverter usually starts up in the morning as soon as the DC voltage of the PV generator is sufficiently high and the inverter connects to the AC grid. It is problematic if the DC voltage is sufficiently high, but the irradiation is so low that switching on the AC-side grid would cause the DC voltage to drop again immediately and would immediately cause an AC grid disconnection. This permanent switching process is at the expense of the service life of the mains disconnection point, because this is usually only designed for a certain number of switching cycles. At this point, it makes sense to only initiate an AC grid connection if not only sufficient DC voltage but also sufficient DC power is available. The same problem can also occur with wind generators if sufficient power is not yet available.
  • the available power of the DC source can be determined by loading it and thereby charging the intermediate circuit of the two-stage inverter to a specific potential.
  • the power availability of the DC source can be directly deduced from the energy content of the charging process.
  • the DC voltage of the DC source is mainly used as an indicator.
  • this indicator can be unreliable, since in this case there is no information about the rated current.
  • one object of the application is to provide an improved method and an improved inverter for loading a DC source that can be connected to the inverter.
  • An inverter has a direct current input for connection to a DC source and an alternating current output for connection to an AC network via isolating switches, with bridge branches of a bridge circuit being connected to the alternating current output via line reactors.
  • the AC output can be connected to the AC grid via the disconnect switches and can be disconnected from the AC grid via the disconnect switches.
  • the inverter is designed to feed the electrical power provided by the DC source into the AC grid.
  • a method for operating the inverter has the following steps: a) opening the isolating switch, b) driving semiconductor switches of at least two bridge arms of the bridge circuit, which are connected on the AC side after at least one mains choke, in such a way that the DC source that can be connected to the DC input is loaded becomes.
  • a total of currents flowing out of at least one of the at least two bridge branches on the AC side corresponds in their sum to a total of currents flowing into at least one other of the at least two bridge branches on the AC side. This means that the sum of the currents flowing out of the bridge branches on the AC side corresponds to the sum of the currents flowing into the bridge branches on the AC side.
  • the loading can be done without the use of additional resistive components. This enables a simpler and less expensive design of the inverter.
  • the DC source from which the inverter can feed electrical power into the AC grid can be loaded in a targeted manner without power being fed into the AC grid in this situation must.
  • the DC source is loaded by drawing electrical power from the DC source and consuming it within the inverter. The power does not have to be consumed via additional components and/or by feeding it into an AC network and/or by other components that can be connected to the AC output.
  • the switching losses of an inverter are used, which with an efficiency of the bridge circuits of 98%, for example, can be in the order of approx.
  • the discharge power can be 2kW. This value represents a significant advantage over, for example, discharging a DC voltage source using a 2kW resistor.
  • a quick discharge of DC-side charge storage serve as in the form of the application for a hydrogen fuel cell or a PV system in AC power failure or in a controlled shutdown of the hydrogen fuel cell system or the PV system.
  • the AC-side connection of the at least two bridge arms of the bridge circuit behind the at least one mains choke can take place, for example, by closing a relay before step b). It is also possible that the AC-side connection of the at least two bridge arms of the bridge circuit is already present behind the at least one mains choke and no relay has to be provided for this. As a rule, it is necessary for the bridge arms to be connected to carry out the method after disconnection from the grid via switching devices, for example relays.
  • inverters that have two or more parallel bridge arms for each phase, which are operated in interleaving mode, for example are, a connection of the bridge branches behind the at least one mains choke of the parallel bridge branches already exists, so that the method can be carried out using these parallel bridge branches without the use of additional relays. Nevertheless, in this case, alternatively, individual two or more parallel bridge arms per phase can be connected to bridge arms of other phases via relays.
  • a three-phase inverter which has a bridge arm for each phase, for example, two bridge arms can be connected to each other, so that the current flowing out of one bridge arm flows into the other bridge arm.
  • all three bridge branches can be connected to one another so that the current flowing out of one bridge branch is divided and flows into the other two bridge branches, or the total currents flowing out of two bridge branches flow into the third bridge branch.
  • the semiconductor switches for loading the DC source connected to the DC input are controlled in such a way that the inverter is operated in a voltage setting mode with a voltage of zero at the AC output.
  • the semiconductor switches can be activated in the same way as in regular feed operation, with only the regulation of the inverter in voltage-adjusting operation to a target value of the output voltage of zero, must regulate according to the short circuit present through the connection of the bridge arms.
  • phase shift of 180° between the currents must also be set in voltage-regulating operation with an output voltage of zero instead of a phase shift of 120° that occurs in regular operation of a three-phase inverter.
  • the bridge circuit for a three-phase inverter can e.g. B. be a B6 bridge circuit.
  • a single-phase inverter with, for example, an H4 bridge circuit or an H5 bridge circuit that has a total of two bridge branches, these two bridge branches can be connected to one another.
  • the semiconductor switches for loading the DC source connected to the DC input can be activated in such a way that the inverter is operated in voltage-regulating operation with a voltage of zero at the AC output.
  • the semiconductor switches of the bridge branches can each be controlled in such a way that they work as DC/DC converters. A DC voltage difference between the two bridge branches then determines the current flow over the connection between the bridge branches.
  • the extent of the load on the DC source that can be connected to the direct current input can thus be set by driving the semiconductor switches.
  • the degree of loading can also be adjusted by the selection of the bridge arms whose semiconductor switches are used for the method.
  • An adjustable load is z. B. made possible by, for example, when operating two bridge arms each as a DC / DC converter via the voltage difference between the connected bridge arms of the current flowing is set. This can also be used for monitoring a fuel cell, for example, by recording a V(l,t) voltage characteristic.
  • a control of the bridge branches as a DC/DC converter is also possible with three or more connected bridge branches.
  • the topology of the inverter bridge is not limited to the B6, H4 or H5 circuits mentioned, but can include any topology which has at least two bridge branches.
  • the bridge branches can also have, for example, an NPC, also known as INPC, a BSNPC, also known as TNPC, or an ANPC topology.
  • An inverter has a DC input and an AC output and a bridge circuit with controllable semiconductor switches.
  • the DC input can be connected to a DC source and the bridge circuit is connected to the AC output via line reactors.
  • the AC output can be connected to an AC grid via a circuit breaker, with the inverter being designed to feed electrical power provided by the DC source into the AC grid.
  • the inverter also has a control unit that is designed and set up to carry out the method described above.
  • the control unit z. B. formed as a processing unit with memory and processor, with instructions that correspond to the method steps can be executed on the processor.
  • Such an inverter can, for. B. can be used to discharge a DC source connected to the DC input. In this case, the discharge can take place with a discharge power up to the maximum power loss of the semiconductor switches.
  • Such an inverter can, for. B. can also be used to determine the power availability of a DC source connected to the DC input.
  • the DC source can be briefly loaded up to the maximum power loss of the inverter and the load capacity of the DC source can be determined from the determined current and voltage values.
  • 1 schematically shows a method for operating an inverter
  • 2 shows a schematic of an inverter with a DC source and AC network and exemplary embodiments of phase branches
  • FIG. 3 shows exemplary embodiments of bridge branches with semiconductor switches
  • Figs. 4 to 8 show exemplary embodiments of three-phase bridge circuits
  • Fig. 9 shows schematically the operation of two bridge arms of Fig. 8;
  • the inverter 100 can be single-phase or multi-phase, for example two-phase or three-phase, and can be connected accordingly to a single-phase, a two-phase or a three-phase AC grid.
  • the procedure has the following steps: a) Circuit breakers connecting the inverter to an AC grid are opened. b) Semiconductor switches T1, T2, T3, T4, T5, T6 of at least two bridge branches 125 of the bridge circuit 110 are controlled in such a way that a DC source 10 connected to a DC input of the inverter 100 is loaded.
  • the at least two bridge arms 125 are connected on the AC side behind at least one line reactor L1ac, L1ac_a, L1ac_b, L2ac, L2ac_a, L2ac_b, L3ac, L3ac_a, L3ac_b.
  • the semiconductor switches T1, T2, T3, T4, T5, T6 can therefore be controlled in such a way that a total of currents flowing out of at least one of the at least two bridge arms 125 on the AC side total a total of currents flowing into at least one other of the at least two bridge arms 125 on the AC side inflowing currents. This means that the sum of the currents flowing out of the bridge branches 125 on the AC side corresponds to the sum of the currents flowing into the bridge branches 125 on the AC side.
  • FIG. 1 Such an inverter 100, which is set up for the method of FIG. 1, is shown in FIG.
  • the inverter 100 has a direct current input and an AC output, the DC input being connected to a DC source 10 and three phase legs 120, 130 of a bridge circuit 110 being connected to the AC output.
  • the AC output is connected to a three-phase AC grid 20 , with the inverter 100 being designed to feed electrical power made available by the DC source 10 into the AC grid 20 .
  • the inverter 100 has a phase arm 120 , 130 for each phase of the AC network 20 .
  • Each phase arm 120, 130 has bridge arms 125 and passive components such as inductors and capacitors.
  • each phase branch 120, 130 has one or more line reactors L1ac, L1ac_a, L1ac_b and a capacitor C1ac for connection to a center potential M or a negative potential DC- of the DC source 10.
  • the phase branch 120, 130 can be designed as a monolithic phase branch 120 or as a phase branch 130 with a plurality of parallel bridge branches 125, here two parallel bridge branches 125, for example.
  • the parallel bridge branches 125 are preferably operated using the interleaving method, in which the semiconductor switches T1, T2, T3, T4, T5, T6 of the bridge branches 125 are clocked offset to one another.
  • the inverter 100 includes a control unit 150 for controlling the semiconductor switches T1, T2, T3, T4, T5, T6 of the bridge arms 125.
  • FIG. 3 Possible topologies for the bridge branches 125 are shown in FIG. 3 by way of example. Shown are arrangements of the semiconductor switches T1, T2, T3, T4, T5,
  • T6 for a TNPC topology which is alternatively also referred to as BSNPC topology
  • INPC topology which is alternatively also referred to as (standard) NPC topology
  • ANPC topology which is used, for example, in B6, H4 or H5 circuits.
  • 4 shows a three-phase bridge circuit 110 with monolithic phase legs 120 in which relays R connect the phases to one another.
  • Disconnectors GR for separating the inverter 100 from the AC grid 20 are open.
  • Each phase arm 120 has a bridge arm 125 and passive components such as line reactors L1ac, L2ac, L3ac and capacitors C1ac, C2ac, C3ac, the bridge arms 125 being connected to the AC output via line reactors L1ac, L2ac, L3ac.
  • Each phase of the AC output is connectable to the AC grid 20 via disconnect switches GR.
  • a possible energy flow 140 represents a possible path for generating losses to load the DC source 10.
  • the load flow 140 takes place via one of the relays R, in the example shown between phase 1 and phase 2.
  • an AC-side short circuit of two phases of the inverter 100 is used.
  • the two AC phases behind the mains chokes L1ac, L2ac are short-circuited via the relay R and the semiconductor switches T1, T2, T3, T4, T5, T6 are controlled, for example, so that the system is operated in DC/DC converter mode.
  • the semiconductor switches T1, T2, T3, T4, T5, T6 can also be controlled in such a way that two AC signals that are phase-shifted by 180° are generated and the voltage at the AC output is regulated to zero.
  • phase 5 shows a three-phase bridge circuit 110 with phase arms 130 in an interleaving topology.
  • the disconnect switches GR are open to disconnect the inverter 100 from the AC grid 20 .
  • Each phase of the phase branches 130 has parallel sub-phases phase 1a, phase 1b, phase 2a, phase 2b, phase 3a, phase 3b.
  • Each sub-phase has a bridge branch 125 and passive components such as mains chokes L1ac_a, L1ac_b, L2ac_a, L2ac_b, L3ac_a, L3ac_b and capacitors C1ac, C2ac, C3ac, the bridge branches 125 being connected via the mains chokes L1ac_a, L1ac_b, L2ac_a, L2ac_b, L3ac_a, L3ac_b connected to the AC outlet.
  • Each phase of the AC output is connectable to the AC grid 20 via disconnect switches GR.
  • relays R can optionally be used.
  • a realization of the method is here, however, without Relay R possible.
  • a possible energy flow 140 represents a possible path for generating losses to load the DC source 10.
  • the load flow 140 takes place without a relay R.
  • the load flow 140 can, for. B. directly via the connection point of the sub-phase phase 1a and phase 1b.
  • FIG. 6 shows an embodiment with a three-phase bridge circuit 110 with monolithic phase branches 120, in which all three phases are connected via the two relays R.
  • the semiconductor switches T1, T2, T3, T4, T5, T6 in the bridge arms 125 are driven in such a way that the short circuit on the AC side is fed and energy flows 140 are made possible.
  • an AC-side short circuit of three phases of the inverter 100 is used.
  • the three AC phases behind the mains chokes L1ac, L2ac, L3ac are short-circuited via the relay R and the semiconductor switches are controlled in such a way that the system is clocked to a short circuit.
  • the bridge arms can also be operated as DC/DC converters.
  • FIG. 7 shows an embodiment of a three-phase bridge circuit 110 with interleaving phase branches 130, in which all three phases--and thus also the sub-phases--are connected via the two relays R.
  • the semiconductor switches T1, T2, T3, T4, T5, T6 in the bridge arms 125 are driven in such a way that the short circuit on the AC side is fed and energy flows 140 are made possible.
  • the bridge branches can also be operated as DC/DC converters.
  • FIG. 8 An embodiment of a three-phase bridge circuit 110 with interleaving phase branches 130 is shown in FIG. 8 .
  • the three-phase inverter 100 has two sub-phases z. B. in ANPC topology in interleaving.
  • the bridge arms 125 are z. B. formed in ANPC topology and there are no relays R provided between the phases in this embodiment.
  • the Inverter 100 thus has two bridge branches for each of the three phases, which are connected in parallel both on the AC side and on the DC side.
  • the inverter 100 can also have more sub-phases per phase.
  • the AC grid 20 can be disconnected from the inverter 100 via the disconnectors GR.
  • the method of operating the inverter 100 in FIG. B. have the following steps: a) Opening the circuit breaker GR to separate the inverter 100 from the AC grid 20. As a result, sub-phases 1a and 1b and sub-phases 2a and 2b and sub-phases 3a and 3b are connected in parallel to one another. b) Changeover of the operating method on the AC side of the phases from AC current regulated to DC current or voltage regulated.
  • the semiconductor switches T1, T2, T3, T4, T5, T6 of the bridge arms 125 are controlled in such a way that the bridge arms 125 in conjunction with the line reactors L1ac_a, L1ac_b, L2ac_a, L2ac_b, L3ac_a, L3ac_b and the capacitors C1ac, C2ac, C3ac assume the function of DC/DC converters (Fig. 9).
  • a bridge circuit 110 in H4 topology for a single-phase inverter 100 is shown in FIG. 10 .
  • the phase legs 120 of an H4 topology are equal to the phase legs 120 of a three-phase B6 bridge circuit.
  • the bridge arms 125 are designed as half-bridges and are connected via the line reactors L1ac and L2ac to the AC output, which can be connected to the AC grid 30 via the isolating switch GR.
  • the phase branches 120 can be connected via the relay R to carry out the method, in particular to generate self-consumption.
  • the lower part of FIG. 10 shows an example of a load flow 140 for carrying out the method, in particular for generating self-consumption, for a single-phase H4 topology with relay R for connecting the two phases.
  • the isolating switches GR are open and the relay R can be used to generate a load flow 140 between the half-bridges T1/T2 and T3/T4.
  • the actuation of the semiconductor switches T1, T2, T3, T4 of the bridge arms 125 is analogous to the actuation of FIGS as a DC/DC converter or by operating the bridge branches 125 as an inverter bridge, the output voltage of which is regulated to zero in accordance with the short circuit that is present.
  • FIG. 11 shows an example of a load flow 140 for executing the method, in particular for generating self-consumption, for a single-phase H5 topology with relay R for connecting the two phases.
  • the isolating switches GR are open and the relay R can be used to generate a load flow 140 between the half-bridges T1/T2 and T3/T4.
  • the semiconductor switches T1, T2, T3, T4, T5 of the bridge arms 125 are controlled either by operating the bridge arms 125 in conjunction with the line reactors L1ac and L2ac and the capacitors C1ac and C2ac as a DC/DC converter or by operating the bridge arms 125 as an inverter bridge, the output voltage of which is regulated to zero in accordance with the short circuit that is present.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Die Anmeldung beschreibt ein Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters (100) mit einem Gleichstromeingang und einem Wechselstromausgang, bei dem der Gleichstromeingang mit einer DC-Quelle (10) verbindbar ist und Brückenzweige (125) einer Brückenschaltung (110) über Netzdrosseln (L1ac, L1ac_a, L1ac_b, L2ac, L2ac_a, L2ac_b,L3ac, L3ac_a, L3ac_b) mit dem Wechselstromausgang verbunden sind und der Wechselstromausgang über Trennschalter (GR) mit einem AC-Netz (20, 30) verbindbar ist, wobei der Wechselrichter (100) ausgelegt ist, in das AC-Netz (20, 30) elektrische Leistung einzuspeisen. Das Verfahren weist die Schritte auf: - Öffnen der Trennschalter (GR), - Ansteuern von Halbleiterschaltern (T1, T2, T3, T4, T5, T6) von mindestens zwei Brückenzweigen (125) der Brückenschaltung (110), die wechselstromseitig hinter zumindest einer Netzdrossel (L1ac, L1ac_a, L1ac_b, L2ac, L2ac_a, L2ac_b, L3ac, L3ac_a, L3ac_b) verbunden sind, derart, dass eine mit dem Gleichstromeingang verbundene DC-Quelle (10) belastet wird, wobei eine Gesamtheit von aus mindestens einem der mindestens zwei Brückenzweige (125) wechselstromseitig herausfließenden Strömen in ihrer Summe einer Gesamtheit von in mindestens einen anderen der mindestens zwei Brückenzweige (125) wechselstromseitig hineinfließenden Strömen entspricht. Die Anmeldung betrifft weiterhin einen Wechselrichter.

Description

Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters und Wechselrichter
Technisches Gebiet
Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters mit einem Gleichstromeingang und einem Wechselstromausgang sowie einen Wechselrichter und dessen Verwendung. Der Wechselrichter kann zur Anbindung von Photovoltaik oder anderer spezifischer DC-Spannungsquellen an ein AC-Netz verwendet werden
Stand der Technik
In manchen Situationen ist es beim Betrieb eines Wechselrichters erforderlich, eine DC-Quelle, aus der der Wechselrichter elektrische Leistung in ein AC-Netz einspeist, zu belasten. Mit AC-Netz kann z. B. ein Wechselstromnetz oder ein Wechselspannungsnetz bezeichnet werden. Mit DC kann Gleichstrom oder Gleichspannung bezeichnet werden, eine DC-Quelle kann entsprechend eine Gleichstromquelle oder eine Gleichspannungsquelle bezeichnen.
Beispielsweise gibt es die Anforderung, bei Ausfall des Wechselstromnetzes oder auch bei einem kontrollierten Herunterfahren des Systems, die DC-Quelle, beispielsweise eine Wasserstoffbrennstoffzelle oder einen Eingangszwischenkreis in einem PV(Photovoltaik)-System, in einer vorgegebenen Zeit zu entladen. Dazu können zur Entladung Widerstände an die Ausgangsseite der DC-Quelle zugeschaltet werden. Diese Widerstände wandeln die Restenergie der Brennstoffzelle oder des Zwischenkreises in Wärme um. Da die Restenergie meist recht hoch ist, müssen die Widerstände hohe Energiemengen umsetzen können und sind dadurch sehr groß und teuer. Insbesondere stellen diese Widerstände zusätzliche Komponenten dar, die eine erhöhte Komplexität bei der Ansteuerung und Betriebsführung des Gesamtsystems bedeuten.
Ein PV-Wechselrichter startet in der Regel morgens auf, sobald die DC-Spannung des PV-Generators ausreichend hoch ist und der Wechselrichter ans Wechselstromnetz geht. Problematisch ist es, wenn die DC-Spannung zwar ausreichend hoch ist, die Einstrahlung aber so gering, dass eine wechselstromseitige Netzzuschaltung dazu führen würde, dass die DC-Spannung gleich wieder einbricht und sofort eine AC-Netztrennung hervorrufen würde. Dieser dauerhafte Schaltvorgang geht zu Lasten der Lebensdauer der Netztrennstelle, denn diese ist meist nur für eine bestimmte Anzahl an Schaltspielen ausgelegt. An der Stelle ist es sinnvoll, nur dann eine AC-Netzzuschaltung zu veranlassen, wenn nicht nur genügend DC-Spannung, sondern auch ausreichend DC-Leistung zur Verfügung steht. Das gleiche Problem kann auch bei Windgeneratoren auftreten, wenn noch keine ausreichende Leistung zur Verfügung steht.
Bei zweistufigen Wechselrichtertopologien, die einen der Wechselrichterbrücke vorgeschalteten DC/DC-Wandler aufweisen, kann die verfügbare Leistung der DC- Quelle dadurch ermittelt werden, dass man diese belastet und dadurch den Zwischenkreis des zweistufigen Wechselrichters auf ein bestimmtes Potential auflädt. Aus dem Energiegehalt des Ladevorgangs kann direkt auf die Leistungsverfügbarkeit der DC-Quelle rückgeschlossen werden.
Bei einstufigen Topologien wird hauptsächlich die DC-Spannung der DC-Quelle als Indikator genutzt. Dieser Indikator kann jedoch unzuverlässig sein, da die Information über den Nennstrom in diesem Falle fehlt.
Aufgabe
Davon ausgehend ist eine Aufgabe der Anmeldung, ein verbessertes Verfahren und einen verbesserten Wechselrichter zur Belastung einer an den Wechselrichter anschließbaren DC-Quelle zur Verfügung zu stellen.
Lösung
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe wird weiterhin durch einen Wechselrichter mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 12 und durch die Verwendungen des Wechselrichters nach Anspruch 13 und 14 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Beschreibung
Ein Wechselrichter weist einen Gleichstromeingang zur Verbindung mit einer DC- Quelle und einen Wechselstromausgang zur Verbindung mit einem AC-Netz über Trennschalter auf, wobei Brückenzweige einer Brückenschaltung über Netzdrosseln mit dem Wechselstromausgang verbunden sind. Der Wechselstromausgang ist über die Trennschalter mit dem AC-Netz verbindbar und über die Trennschalter von dem AC-Netz trennbar. Der Wechselrichter ist ausgelegt, von der DC-Quelle zur Verfügung gestellte elektrische Leistung in das AC-Netz einzuspeisen. Ein Verfahren zum Betrieb des Wechselrichters weist die Schritte auf: a) Öffnen der Trennschalter, b) Ansteuern von Halbleiterschaltern von mindestens zwei Brückenzweigen der Brückenschaltung, die wechselstromseitig hinter zumindest einer Netzdrossel verbunden sind, derart, dass die an den Gleichstromeingang anschließbare DC- Quelle belastet wird.
Eine Gesamtheit von aus mindestens einem der mindestens zwei Brückenzweige wechselstromseitig herausfließenden Ströme entspricht dabei in ihrer Summe einer Gesamtheit von in mindestens einen anderen der mindestens zwei Brückenzweige wechselstromseitig hineinfließenden Ströme. Dies bedeutet, dass die Summe der wechselstromseitig aus den Brückenzweigen herausfließenden Ströme der Summe der wechselstromseitig in die Brückenzweige hineinfließenden Ströme entspricht.
Es kann also Energie zwischen zwei oder mehr Brückenzweigen des Wechselrichters gewandelt werden, um durch die so entstehenden Wandlungsverluste, die DC-Seite zu entladen. Ein solcher Wechselrichter sowie ein solchermaßen betriebener Wechselrichter ermöglicht die Belastung der DC-Quelle, aus der der Wechselrichter Leistung in ein Wechselstromnetz einspeisen kann.
Dabei kann die Belastung ohne den Einsatz zusätzlicherwiderstandsbehafteter Komponenten erfolgen. Dies ermöglicht eine einfachere und preiswertere Auslegung des Wechselrichters. Außerdem kann die DC-Quelle, aus der der Wechselrichter elektrische Leistung in das AC-Netz einspeisen kann, gezielt belastet werden, ohne dass in dieser Situation eine Leistung in das Wechselstromnetz eingespeist werden muss. Die Belastung der DC-Quelle erfolgt durch Entnahme elektrischer Leistung aus der DC-Quelle und deren Verbrauch innerhalb des Wechselrichters. Der Verbrauch der Leistung muss nicht über zusätzliche Bauteile und/oder durch ein Einspeisen in ein AC-Netz und/oder durch andere an den Wechselstromausgang anschließbare Komponenten erfolgen. Hierfür werden die Schaltverluste eines Wechselrichters benutzt, die bei einem Wirkungsgrad der Brückenschaltungen von beispielsweise 98% in einer Größenordnung von ca. 2% der Nennleistung des Wechselrichters liegen können, um einen Eigenverbrauch zu generieren, ohne dass eine AC-seitige Last oder Senke angeschlossen werden muss. Es ist aber möglich, noch weitere vorhandene Verbraucher im System, wie z.B. Lüfter, zu betreiben. Bei einer Nennleistung des Wechselrichters von 100kWkann die Entladeleistung somit 2kW betragen. Dieser Wert bildet einen signifikanten Vorteil gegenüber beispielsweise einer Entladung einer DC-Spannungsquelles mittels eines 2kW Widerstands.
Dies kann z. B. einer schnellen Entladung von DC-seitigen Ladungsspeichern dienen, wie in Form der Applikation für eine Wasserstoffbrennstoffzelle oder eines PV-Systems bei AC-Netzausfall oder auch bei einem kontrollierten Herunterfahren des Wasserstoffbrennstoffzellensystems oder des PV-Systems.
Die wechselstromseitige Verbindung der mindestens zwei Brückenzweige der Brückenschaltung hinter der zumindest einen Netzdrossel kann beispielsweise durch das Schließen eines Relais vor Schritt b) erfolgen. Es ist ebenfalls möglich, dass die wechselstromseitige Verbindung der mindestens zwei Brückenzweige der Brückenschaltung hinter der zumindest einen Netzdrossel bereits vorhanden ist und kein Relais hierfür vorgesehen werden muss. In der Regel ist es erforderlich, dass die Verbindung der Brückenzweige zur Durchführung des Verfahrens nach einer Trennung vom Netz über Schaltvorrichtungen, beispielsweise Relais, hergestellt wird Bei Wechselrichtern, die für jede Phase zwei oder mehrere parallele Brückenzweige aufweisen, die beispielsweise im Interleaving-Modus betrieben werden, ist eine Verbindung der Brückenzweige hinter der zumindest einen Netzdrossel der parallelen Brückenzweige bereits vorhanden, sodass das Verfahren unter Verwendung dieser parallelen Brückenzweige ohne den Einsatz zusätzlicher Relais durchgeführt werden kann. Dennoch können in dem Fall alternativ auch einzelne der zwei oder mehreren parallelen Brückenzweige je Phase über Relais mit Brückenzweigen anderer Phasen verbunden werden.
In einer Ausführungsform können z. B. bei einem dreiphasigen Wechselrichter, der für jede Phase einen Brückenzweig aufweist, beispielsweise zwei Brückenzweige miteinander verbunden sein, sodass der aus dem einen Brückenzweig herausfließende Strom in den anderen Brückenzweig hineinfließt.
In einer Ausführungsform können z. B. aber auch z. B. bei einem dreiphasigen Wechselrichter alle drei Brückenzweige miteinander verbunden sein, sodass der aus dem einen Brückenzweig herausfließende Strom sich aufteilt und in die beiden anderen Brückenzweige hineinfließt oder die aus zwei Brückenzweigen herausfließenden Ströme in Summe in den dritten Brückenzweig hineinfließen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Halbleiterschalter zur Belastung der mit dem Gleichstromeingang verbundenen DC-Quelle so angesteuert, dass der Wechselrichter in einem spannungsstellenden Betrieb mit einer Spannung von Null am Wechselstromausgang betrieben wird. Bei einer solchen Ausführungsform, insbesondere bei Verbindung von Brückenzweigen aller drei Phasen eines dreiphasigen Systems, kann die Ansteuerung der Halbleiterschalter in gleicherweise erfolgen, wie im regulären ein Speisebetrieb, wobei lediglich die Regelung des Wechselrichters in einem spannungsstellenden Betrieb auf einen Sollwert der Ausgangsspannung von Null, entsprechend dem durch die Verbindung der Brückenzweige vorliegenden Kurzschluss regeln muss. Bei Verbindung von zwei Phasen eines dreiphasigen Wechselrichters ist in einem spannungsstellenden Betrieb mit einer Ausgangsspannung von Null bei dem Verfahren zusätzlich noch eine Phasenverschiebung von 180° zwischen den Strömen anstelle einer im regulären Betrieb eines dreiphasigen Wechselrichters vorliegenden Phasenverschiebung von 120° einzustellen.
Die Brückenschaltung für einen dreiphasigen Wechselrichter kann z. B. eine B6- Brückenschaltung sein.
In einer Ausführungsform mitz. B. einem einphasigen Wechselrichter mit beispielsweise einer H4-Brückenschaltung oder einer H5-Brückenschaltung, die insgesamt zwei Brückenzweige aufweist, können diese beiden Brückenzweige miteinander verbunden sein.
Auch bei einem einphasigen System kann eine Ansteuerung der Halbleiterschalter zur Belastung der mit dem Gleichstromeingang verbundenen DC-Quelle derart erfolgen, dass der Wechselrichter in einem spannungsstellenden Betrieb mit einer Spannung von Null am Wechselstromausgang betrieben wird.
Bei einer Verbindung von nur zwei Brückenzweigen eines dreiphasigen Wechselrichters oder eines einphasigen Wechselrichters oder von parallelen Brückenzweigen einer Phase können die Halbleiterschalter der Brückenzweige jeweils derart angesteuert werden, dass sie als DC/DC-Wandler arbeiten. Eine Gleichspannungsdifferenz zwischen den beiden Brückenzweigen bestimmt dann den Stromfluss über die Verbindung zwischen den Brückenzweigen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist damit das Maß der Belastung der an den Gleichstromeingang anschließbaren DC-Quelle durch die Ansteuerung der Halbleiterschalter einstellbar. Dabei ist insbesondere auch das Maß der Belastung durch die Wahl der Brückenzweige, deren Halbleiterschalter für das Verfahren genutzt werden, einstellbar. Eine einstellbare Belastung wird z. B. ermöglicht, indem beispielsweise beim Betrieb zweier Brückenzweige jeweils als DC/DC-Wandler über die Spannungsdifferenz zwischen den verbundenen Brückenzweigen der fließende Strom eingestellt wird. Dies kann auch für ein Monitoring beispielsweise einer Brennstoffzelle verwendet werden, indem ein V(l,t)-Spannungskennlinie aufgezeichnet wird.
Eine Ansteuerung der Brückenzweige als DC/DC-Wandler ist auch bei drei oder mehr verbundenen Brückenzweigen möglich.
Die Topologie der Wechselrichterbrücke ist für die Anwendung des Verfahrens nicht auf die die genannten B6-, H4- oder H5-Schaltungen beschränkt, sondern kann jede beliebige Topologie umfassen die mindestens zwei Brückenzweige aufweist. Anstelle einer Halbrücke können die Brückenzweige auch beispielsweise eine NPC-, auch bekannt als INPC-, eine BSNPC-, auch bekannt als TNPC-, oder eine ANPC- Topologie aufweisen. Ein Wechselrichter weist einen Gleichstromeingang und einen Wechselstromausgang und eine Brückenschaltung mit ansteuerbaren Halbleiterschaltern auf. Der Gleichstromeingang ist mit einer DC-Quelle verbindbar und die Brückenschaltung ist über Netzdrosseln mit dem Wechselstromausgang verbunden. Der Wechselstromausgang ist über Trennschalter mit einem AC-Netz verbindbar, wobei der Wechselrichter ausgelegt ist, von der DC-Quelle zur Verfügung gestellte elektrische Leistung in das AC-Netz einzuspeisen. Der Wechselrichter weist weiter eine Steuereinheit auf, die ausgelegt und eingerichtet ist, das zuvor beschriebene Verfahren auszuführen. Hierfür ist die Steuereinheit z. B. als Recheneinheit mit Speicher und Prozessor ausgebildet, wobei Anweisungen, die den Verfahrensschritten entsprechen, auf dem Prozessor ausgeführt werden können.
Ein solcher Wechselrichter kann z. B. zur Entladung einer an den Gleichstromeingang angeschlossenen DC-Quelle verwendet werden. Dabei kann die Entladung mit einer Entladeleistung bis zur maximalen Verlustleistung der Halbleiterschalter erfolgen.
Ein solcher Wechselrichter kann z. B. auch zur Ermittlung einer Leistungsverfügbarkeit einer an den Gleichstromeingang angeschlossenen DC- Quelle verwendet werden.
Für die Anwendung zur Ermittlung der DC-seitigen Leistungsverfügbarkeit der DC- Quelle kann beispielsweise eine kurzzeitige Belastung der DC-Quelle bis zur maximalen Verlustleistung des Wechselrichters erfolgen und die Belastbarkeit der DC-Quelle aus ermittelten Strom- und Spannungswerten bestimmt werden.
Kurzbeschreibunq der Fiquren
Im Folgenden wird der Gegenstand der Anmeldung mithilfe von Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters; Fig. 2 zeigt schematisch einen Wechselrichter mit DC-Quelle und AC-Netz sowie Ausführungsbeispiele von Phasenzweigen;
Fig. 3 zeigt Ausführungsbeispiele von Brückenzweigen mit Halbleiterschaltern; Fig. 4 bis 8 zeigen Ausführungsbeispiele von dreiphasigen Brückenschaltungen; Fig. 9 zeigt schematisch den Betrieb zweier Brückenzweige von Fig. 8;
Fig. 10 und 11 zeigen Ausführungsbeispiele von einphasigen Brückenschaltungen.
In den Figuren sind gleiche oder ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Fiqurenbeschreibunq
In Fig. 1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters 100 dargestellt. Der Wechselrichter 100 kann einphasig oder mehrphasig, beispielsweise zweiphasig oder dreiphasig ausgebildet sein und entsprechend mit einem einphasigen, einem zweiphasigen oder einem dreiphasigen AC-Netz verbindbar sein. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: a) Trennschalter, die den Wechselrichter mit einem AC-Netz verbinden, werden geöffnet. b) Flalbleiterschalter T1, T2, T3, T4, T5, T6 von mindestens zwei Brückenzweigen 125 der Brückenschaltung 110 werden so angesteuert, dass eine an einen Gleichstromeingang des Wechselrichters 100 angeschlossene DC-Quelle 10 belastet wird.
Die zumindest zwei Brückenzweige 125 sind dabei wechselstromseitig hinter zumindest einer Netzdrossel L1ac, L1ac_a, L1ac_b, L2ac, L2ac_a, L2ac_b, L3ac, L3ac_a, L3ac_b verbunden. Die Flalbleiterschalter T1 , T2, T3, T4, T5, T6 können daher so angesteuert werden, dass eine Gesamtheit von aus mindestens einem der mindestens zwei Brückenzweige 125 wechselstromseitig herausfließenden Ströme in ihrer Summe einer Gesamtheit von in mindestens einen anderen der mindestens zwei Brückenzweige 125 wechselstromseitig hineinfließenden Strömen entspricht. Dies bedeutet, dass die Summe der wechselstromseitig aus den Brückenzweigen 125 herausfließenden Ströme der Summe der wechselstromseitig in die Brückenzweige 125 hineinfließenden Ströme entspricht.
In Fig. 2 ist ein solcher Wechselrichter 100, der für das Verfahren von Fig. 1 eingerichtet ist, dargestellt. Der Wechselrichter 100 weist einen Gleichstromeingang und einen Wechselstromausgang auf, wobei der Gleichstromeingang mit einer DC- Quelle 10 verbunden ist und drei Phasenzweige 120, 130 einer Brückenschaltung 110 mit dem Wechselstromausgang verbunden sind. Der Wechselstromausgang ist mit einem dreiphasigen AC-Netz 20 verbunden, wobei der Wechselrichter 100 ausgelegt ist, von der DC-Quelle 10 zur Verfügung gestellte elektrische Leistung in das AC-Netz 20 einzuspeisen. Der Wechselrichter 100 weist pro Phase des AC- Netzes 20 einen Phasenzweig 120,130 auf.
Jeder Phasenzweig 120, 130 weist Brückenzweige 125 und passive Bauelemente wie Induktivitäten und Kapazitäten auf. Zum Anschluss an den Wechselstromausgang weist jeder Phasenzweig 120, 130 eine oder mehrere Netzdrosseln L1ac, L1ac_a, L1ac_b sowie zur Verbindung mit einem Mittenpotential M oder einem negativen Potential DC- der DC-Quelle 10 einen Kondensator C1ac auf. Der Phasenzweig 120, 130 kann als monolithischer Phasenzweig 120 oder als Phasenzweig 130 mit mehreren parallelen Brückenzweigen 125, hier beispielsweise zwei parallelen Brückenzweigen 125 ausgebildet sein. Die parallelen Brückenzweige 125 werden dabei bevorzugt im Interleaving-Verfahren betrieben, bei dem die Halbleiterschalter T1 , T2, T3, T4, T5, T6 der Brückenzweige 125 versetzt zueinander getaktet werden.
Weiterhin umfasst der Wechselrichter 100 eine Steuereinheit 150 zur Ansteuerung der Halbleiterschalter T1 , T2, T3, T4, T5, T6 der Brückenzweige 125.
Es ist möglich, im Wechselrichter 100 auf der DC-Seite zusätzliche DC/DC-Wandler zu integrieren. Als Leistungshalbleiter für die Halbleiterschalter T1, T2, T3, T4, T5, T6 können z. B. Si- oder SiC-Bauelemente, ausgeführt als IGBTs oder MOSFETs gewählt werden. Das Verfahren ist z. B. für dreistufige 3L- oder zweistufige 2L- oder mehrstufige (Multi-Level) Topologien verwendbar, jedoch nicht darauf beschränkt.
Beispielhaft sind in Fig. 3 mögliche Topologien für die Brückenzweige 125 dargestellt. Dargestellt sind Anordnungen der Halbleiterschalter T1 , T2, T3, T4, T5,
T6 für eine TNPC-Topologie, die alternativ auch als BSNPC-Topologie bezeichnet wird, für eine INPC-Topologie, die alternativ auch als (Standard-)NPC-Topologie bezeichnet wird, und eine ANPC-Topologie, sowie ferner für eine Halbbrücke HB, welche beispielsweise bei B6-, H4- oder H5-Schaltungen zur Anwendung kommt. In Fig. 4 ist eine dreiphasige Brückenschaltung 110 mit monolithischen Phasenzweigen 120 dargestellt, bei der Relais R die Phasen miteinander verbinden. Trennschalter GR zur Trennung des Wechselrichters 100 vom AC-Netz 20 sind geöffnet. Jeder Phasenzweig 120 weist einen Brückenzweig 125 und passive Bauelemente wie Netzdrosseln L1ac, L2ac, L3ac und Kondensatoren C1ac, C2ac, C3ac auf, wobei die Brückenzweige 125 über die Netzdrosseln L1ac, L2ac, L3ac mit dem Wechselstromausgang verbunden sind. Jede Phase des Wechselstromausgangs ist über Trennschalter GR mit dem AC-Netz 20 verbindbar.
Ein möglicher Energiefluss 140 stellt einen möglichen Pfad zur Verlustgenerierung zur Belastung der DC-Quelle 10 dar. Der Lastfluss 140 erfolgt über eines der Relais R, im dargestellten Beispiel zwischen Phase 1 und Phase 2.
Bei dieser Ausführungsform wird ein AC-seitiger Kurzschluss von zwei Phasen des Wechselrichters 100 verwendet. Dazu werden die zwei AC-Phasen hinter den Netzdrosseln L1ac, L2ac überdas Relais R kurzgeschlossen und die Halbleiterschalter T1 , T2, T3, T4, T5, T6 beispielsweise so angesteuert, dass das System im DC/DC-Wandler-Betrieb betrieben wird. Alternativ können die Halbleiterschalter T1 , T2, T3, T4, T5, T6 auch derart angesteuert werden, dass zwei um 180° phasenverschobene AC-Signale erzeugt werden und die Spannung am Wechselstromausgang auf null geregelt wird.
In Fig. 5 ist eine dreiphasige Brückenschaltung 110 mit Phasenzweigen 130 in Interleaving-Topologie dargestellt. Die Trennschalter GR sind zur Trennung des Wechselrichters 100 vom AC-Netz 20 geöffnet. Jede Phase der Phasenzweige 130 weist parallele Subphasen Phase 1a, Phaselb, Phase 2a, Phase 2b, Phase 3a, Phase 3b auf. Jede Subphase weist jeweils einen Brückenzweig 125 und passive Bauelemente wie Netzdrosseln L1ac_a, L1ac_b, L2ac_a, L2ac_b, L3ac_a, L3ac_b und Kondensatoren C1ac, C2ac, C3ac auf, wobei die Brückenzweige 125 über die Netzdrosseln L1ac_a, L1ac_b, L2ac_a, L2ac_b, L3ac_a, L3ac_b mit dem Wechselstromausgang verbunden sind. Jede Phase des Wechselstromausgangs ist über Trennschalter GR mit dem AC-Netz 20 verbindbar.
Bei der dreiphasigen Brückenschaltung 110 in Fig. 5 können optional Relais R verwendet werden. Eine Realisierung des Verfahrens ist hier jedoch auch ohne Relais R möglich. Ein möglicher Energiefluss 140 stellt einen möglichen Pfad zur Verlustgenerierung zur Belastung der DC-Quelle 10 dar. Im dargestellten Beispiel erfolgt der Lastfluss 140 ohne Relais R. Der Lastfluss 140 kann z. B. direkt über den Verbindungspunkt der Subphase Phase 1a und Phase 1b erfolgen.
Ein möglicher Energiefluss 140 wie in Fig. 4 dargestellt über ein optionales Relais R, z. B. zwischen Phase 1 und Phase 2, wäre alternativ auch in bei der dreiphasigen Brückenschaltung 110 gemäß Fig. 5 möglich.
In Fig. 6 ist eine Ausführungsform mit einer dreiphasigen Brückenschaltung 110 mit monolithischen Phasenzweigen 120 dargestellt, bei der alle drei Phasen über die zwei Relais R verbunden sind. Die Ansteuerung der Halbleiterschalter T1 , T2, T3, T4, T5, T6 in den Brückenzweigen 125 erfolgt so, dass auf den AC-seitigen Kurzschluss gespeist wird und Energieflüsse 140 ermöglicht werden.
Bei dieser Ausführungsform wird ein AC-seitiger Kurzschluss von drei Phasen des Wechselrichters 100 verwendet. Dazu werden die drei AC-Phasen hinter den Netzdrosseln L1ac, L2ac, L3ac über die Relais R kurzgeschlossen und die Halbleiterschalter so angesteuert, dass das System auf einen Kurzschluss getaktet wird. Alternativ können die Brückenzweige auch als DC/DC-Wandler betrieben werden.
In Fig. 7 ist eine Ausführungsform einer dreiphasigen Brückenschaltung 110 mit Interleaving-Phasenzweigen 130 dargestellt, bei der alle drei Phasen - und damit auch die Subphasen - über die zwei Relais R verbunden sind. Die Ansteuerung der Halbleiterschalter T1 , T2, T3, T4, T5, T6 in den Brückenzweigen 125 erfolgt so, dass auf den AC-seitigen Kurzschluss gespeist wird und Energieflüsse 140 ermöglicht werden. Alternativ können auch hier die Brückenzweige als DC/DC-Wandler betrieben werden.
In Fig. 8 ist eine Ausführungsform einer dreiphasigen Brückenschaltung 110 mit Interleaving-Phasenzweigen 130 dargestellt. Der dreiphasige Wechselrichter 100 weist jeweils zwei Subphasen z. B. in ANPC-Topologie im Interleaving auf. Die Brückenzweige 125 sind z. B. in ANPC-Topologie ausgebildet und es sind bei diesem Ausführungsbeispiel keine Relais R zwischen den Phasen vorgesehen. Der Wechselrichter 100 weist damit für jede der drei Phasen zwei Brückenzweige auf, die sowohl auf der AC-Seite, als auch auf der DC-Seite parallelgeschaltet sind. Optional kann der Wechselrichter 100 auch mehr Subphasen pro Phase aufweisen.
Das AC-Netz 20 kann über die Trennschalter GR von dem Wechselrichter 100 getrennt werden.
Das Verfahren zum Betrieb des Wechselrichters 100 in Fig. 8 kann z. B. die folgenden Schritte aufweisen: a) Öffnen der Trennschalter GR zur Trennung des Wechselrichters 100 vom AC- Netz 20. Dadurch sind jeweils Subphasen 1 a und 1 b sowie Subphasen 2a und 2b sowie Subphasen 3a und 3b parallel zueinander geschaltet. b) Umschaltung des Betriebsverfahrens auf der AC-Seite der Phasen von AC- Stromgeregelt auf DC-Strom- oder Spannungsgeregelt. Dabei werden die Halbleiterschalter T1 , T2, T3, T4, T5, T6 der Brückenzweige 125 so angesteuert, dass die Brückenzweige 125 in Verbindung mit den Netzdrosseln L1ac_a, L1ac_b, L2ac_a, L2ac_b, L3ac_a, L3ac_b und den Kondensatoren C1ac, C2ac, C3ac die Funktion von DC/DC-Wandlern annehmen (Fig. 9).
In Fig. 9 ist dies beispielhaft anhand der Phasen 1a und 1b dargestellt. Die Regelung der Verlustleistung und damit auch die Identifikation der gewünschten DC-Leistung für eine sichere und zuverlässige AC-Netzzuschaltung und/oder für eine gewünschte Entladeleistung der DC-Quelle kann über den Strom I erfolgen, der aus der Differenz der Spannungen Vc1 und Vc2 resultiert, die als Sollwerte für die Ausgangsspannungen der beiden DC/DC-Wandler eingestellt sind.
In Fig. 10 ist eine Brückenschaltung 110 in H4-Topologie für einen einphasigen Wechselrichter 100 dargestellt. Die Phasenzweige 120 einer H4-Topologie sind gleich den Phasenzweigen 120 einer dreiphasigen B6-Brückenschaltung. Die Brückenzweige 125 sind als Halbbrücken ausgeführt und über die Netzdrosseln L1ac und L2ac mit dem Wechselstromausgang verbunden, welcher über die Trennschalter GR mit dem AC-Netz 30 verbindbar ist. Die Phasenzweige 120 sind über das Relais R zur Ausführung des Verfahrens, insbesondere zur Eigenverbrauchsgenerierung, verbindbar. Im unteren Teil von Fig. 10 ist beispielhaft ein Lastfluss 140 zur Ausführung des Verfahrens, insbesondere zur Eigenverbrauchsgenerierung, für eine einphasige H4- Topologie mit Relais R zur Verbindung der zwei Phasen dargestellt. Die Trennschalter GR sind geöffnet und es kann über das Relais R ein Lastfluss 140 zwischen den Halbbrücken T1/T2 und T3/T4 erzeugt werden. Die Ansteuerung der Halbleiterschalter T1 , T2, T3, T4 der Brückenzweige 125 erfolgt hierbei analog zur Ansteuerung von Fig.4, Fig. 8/ 9 entweder durch einen Betrieb der Brückenzweige 125 in Verbindung mit den Netzdrosseln L1ac und L2ac sowie den Kondensatoren C1ac und C2ac als DC/DC-Wandler oder durch einen Betrieb der Brückenzweige 125 als Wechselrichterbrücke, deren Ausgangspannung entsprechend dem vorliegenden Kurzschluss auf null geregelt wird.
In Fig. 11 ist beispielhaft ein Lastfluss 140 zur Ausführung des Verfahrens, insbesondere zur Eigenverbrauchsgenerierung, für eine einphasige H5-Topologie mit Relais R zur Verbindung der zwei Phasen dargestellt. Die Trennschalter GR sind geöffnet und es kann über das Relais R ein Lastfluss 140 zwischen den Halbbrücken T1/T2 und T3/T4 erzeugt werden. Die Ansteuerung der Halbleiterschalter T1 , T2, T3, T4, T5 der Brückenzweige 125 erfolgt hierbei analog zur Ansteuerung von Fig. 4, Fig. 8 / 9 entweder durch einen Betrieb der Brückenzweige 125 in Verbindung mit den Netzdrosseln L1ac und L2ac sowie den Kondensatoren C1ac und C2ac als DC/DC- Wandler oder durch einen Betrieb der Brückenzweige 125 als Wechselrichterbrücke, deren Ausgangspannung entsprechend dem vorliegenden Kurzschluss auf null geregelt wird.
Bezuqszeichenliste
10 DC-Quelle
20 AC-Netz, mehrphasig
30 AC-Netz, einphasig
100 Wechselrichter
110 Brückenschaltung
120 Phasenzweig, monolithisch
125 Brückenzweig
130 Phasenzweig, interleaved
140 Energiefluss
150 Steuereinheit
GR Trennschalter
R Relais
C1ac, C2ac, C3ac Kapazität
L1ac, L1ac_a, L1ac_b, L2ac, L2ac_a,
Netzdrosseln L2ac_b, L3ac, L3ac_a, L3ac_b a), b) Verfahrensschritte
DC+ pos. Gleichspannungspotential
DC- neg. Gleichspannungspotential
M Mittenpotential
AC Wechselspannung, Wechselstrom
L1, L2, L3 Leiter AC-Netz
N Neutralleiter AC-Netz
I Strom
Vci, Vc2 Spannung
T1 , T2, T3, T4, T5, T6 Halbleiterschalter

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters (100) mit einem Gleichstromeingang und einem Wechselstromausgang, bei dem der Gleichstromeingang mit einer DC-Quelle (10) verbindbar ist und Brückenzweige (125) einer Brückenschaltung (110) über Netzdrosseln (L1ac, L1ac_a, L1ac_b, L2ac, L2ac_a, L2ac_b,L3ac, L3ac_a, L3ac_b) mit dem Wechselstromausgang verbunden sind und der Wechselstromausgang über Trennschalter (GR) mit einem AC-Netz (20, 30) verbindbar ist, wobei der Wechselrichter (100) ausgelegt ist, in das AC-Netz (20, 30) elektrische Leistung einzuspeisen, mit den Schritten: - Öffnen der Trennschalter (GR),
-Ansteuern von Halbleiterschaltern (T1, T2, T3, T4, T5, T6) von mindestens zwei Brückenzweigen (125) der Brückenschaltung (110), die wechselstromseitig hinter zumindest einer Netzdrossel (L1ac, L1ac_a, L1ac_b, L2ac, L2ac_a, L2ac_b, L3ac, L3ac_a, L3ac_b) verbunden sind, derart, dass eine mit dem Gleichstromeingang verbundene DC-Quelle (10) belastet wird, wobei eine Gesamtheit von aus mindestens einem der mindestens zwei Brückenzweige (125) wechselstromseitig herausfließenden Strömen in ihrer Summe einer Gesamtheit von in mindestens einen anderen der mindestens zwei Brückenzweige (125) wechselstromseitig hineinfließenden Strömen entspricht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Wechselrichter (100) ausgelegt ist, in ein einphasiges oder mehrphasiges AC-Netz (20, 30) elektrische Leistung einzuspeisen, wobei der Wechselrichter (100) für jede Phase zumindest zwei parallele Brückenzweige (125) aufweist, die wechselstromseitig hinter der zumindest einen Netzdrossel (L1ac_a, L1ac_b, L2ac_a, L2ac_b, L3ac_a, L3ac_b) verbunden sind und deren Halbleiterschalter (T1, T2, T3, T4, T5, T6) so angesteuert werden, dass die mit dem Gleichstromeingang verbundene DC- Quelle (10) belastet wird, wobei die Brückenzweige (125) insbesondere für einen Betrieb im Interleaving-Modus ausgelegt sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die wechselstromseitige Verbindung der mindestens zwei Brückenzweige (125) der Brückenschaltung (110) hinter der zumindest einen Netzdrossel (L1ac, L1ac_a, L1ac_b, L2ac, L2ac_a, L2ac_b, L3ac, L3ac_a, L3ac_b) durch das Schließen eines Relais (R) erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Wechselrichter (100) ausgelegt ist, in ein dreiphasiges AC-Netz (20) elektrische Leistung einzuspeisen, wobei der
Wechselrichter (100) für jede Phase zumindest einen Brückenzweig (125) aufweist und ein erster Brückenzweig (125) von einer ersten Phase und ein zweiter Brückenzweig (125) von einer zweiten Phase wechselstromseitig hinter der zumindest einen Netzdrossel (L1ac, L1ac_a, L1ac_b, L2ac, L2ac_a, L2ac_b, L3ac, L3ac_a, L3ac_b) miteinander verbunden sind, und die Halbleiterschalter (T1, T2, T3, T4, T5, T6) so angesteuert werden, dass der aus dem ersten Brückenzweig (125) herausfließende Strom in den zweiten Brückenzweig (125) hineinfließt.
5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Wechselrichter (100) ausgelegt ist, in ein dreiphasiges AC-Netz (20) elektrische Leistung einzuspeisen, wobei der
Wechselrichter (100) für jede Phase zumindest einen Brückenzweig (125) aufweist und die drei Brückenzweige (125) wechselstromseitig hinter der zumindest einen Netzdrossel (L1ac, L1ac_a, L1ac_b, L2ac, L2ac_a, L2ac_b, L3ac, L3ac_a, L3ac_b) miteinander verbunden sind, und die Halbleiterschalter (T1, T2, T3, T4, T5, T6) so angesteuert werden, dass der aus zumindest einem Brückenzweig (125) der einen Phase herausfließende Strom sich aufteilt und in jeweils zumindest einen Brückenzweig (125) der beiden anderen Phasen hineinfließt oder dass die aus jeweils zumindest einem Brückenzweig (125) von zwei Phasen herausfließenden Ströme in Summe in den zumindest einen Brückenzweig (125) der dritten Phase hineinfließen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Wechselrichter (100) ausgelegt ist, in ein einphasiges AC-Netz (30) elektrische Leistung einzuspeisen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Halbleiterschalter (T1, T2, T3, T4, T5, T6) zur Belastung der mit dem Gleichstromeingang verbundenen DC-Quelle (10) so angesteuert werden, dass der Wechselrichter (100) in einem spannungsstellenden Betrieb mit einer Spannung von Null am Wechselstromausgang betrieben wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Maß der Belastung der mit dem Gleichstromeingang verbundenen DC-Quelle (10) durch die Ansteuerung der Halbleiterschalter (T1, T2, T3, T4, T5, T6) einstellbar ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4, 5, 7 oder 8, sofern rückbezogen auf Anspruch 4 oder 5, wobei die Brückenschaltung (110) eine B6-Brückenschaltung ist.
10. Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, sofern rückbezogen auf Anspruch 6, wobei die Brückenschaltung (110) eine H4-Brückenschaltung oder eine H5- Brückenschaltung ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Brückenzweige (125) jeweils eine TNPC-, INPC- oder ANPC-Topologie aufweisen.
12. Wechselrichter (100) mit einem Gleichstromeingang und einem Wechselstromausgang und einer Brückenschaltung (110) mit ansteuerbaren Halbleiterschaltern (T1, T2, T3, T4, T5, T6), bei dem der Gleichstromeingang mit einer DC-Quelle (10) verbindbar ist und die Brückenzweige (125) der Brückenschaltung (110) über Netzdrosseln (L1ac, L1ac_a, L1ac_b, L2ac, L2ac_a, L2ac_b,L3ac, L3ac_a, L3ac_b) mit dem Wechselstromausgang verbunden sind und der Wechselstromausgang über Trennschalter (GR) mit einem AC-Netz (20, 30) verbindbar ist, wobei der Wechselrichter (100) ausgelegt ist, in das AC-Netz (20, 30) elektrische Leistung einzuspeisen und wobei der Wechselrichter (100) eine Steuereinheit (150) aufweist, die ausgelegt und eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen.
13. Verwendung des Wechselrichters (100) nach Anspruch 12 zur Entladung einer mit dem Gleichstromeingang verbundenen DC-Quelle (10).
14. Verwendung des Wechselrichters (100) nach Anspruch 12 zur Ermittlung einer Leistungsverfügbarkeit einer mit dem Gleichstromeingang verbundenen DC- Quelle (10).
EP22747983.9A 2021-07-30 2022-07-06 Verfahren zum betrieb eines wechselrichters und wechselrichter Pending EP4378065A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021119899.2A DE102021119899B4 (de) 2021-07-30 2021-07-30 Verfahren zum betrieb eines wechselrichters und wechselrichter
PCT/EP2022/068782 WO2023006370A1 (de) 2021-07-30 2022-07-06 Verfahren zum betrieb eines wechselrichters und wechselrichter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4378065A1 true EP4378065A1 (de) 2024-06-05

Family

ID=82742956

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP22747983.9A Pending EP4378065A1 (de) 2021-07-30 2022-07-06 Verfahren zum betrieb eines wechselrichters und wechselrichter

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20240162837A1 (de)
EP (1) EP4378065A1 (de)
CN (1) CN117751514A (de)
DE (1) DE102021119899B4 (de)
WO (1) WO2023006370A1 (de)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DK2190110T3 (da) * 2008-11-25 2013-01-28 Sma Solar Technology Ag Bestemmelse af belastbarheden af en jævnspændingskilde, der kan tilsluttes til et strømnet via en vekselretter og en netkontakt
JP6247189B2 (ja) * 2014-10-02 2017-12-13 ファナック株式会社 直流リンク残留エネルギーの放電機能を有するモータ制御装置
US9762143B2 (en) * 2015-04-29 2017-09-12 Toshiba Mitsubishi-Electric Industrial Systems Corporation Devices and methods for controlling current in inverters
EP3664268B1 (de) 2018-12-07 2021-07-28 GE Energy Power Conversion Technology Ltd. Verfahren zum starten eines wechselrichtersystems sowie wechselrichtersystem

Also Published As

Publication number Publication date
WO2023006370A1 (de) 2023-02-02
DE102021119899A1 (de) 2023-02-02
CN117751514A (zh) 2024-03-22
US20240162837A1 (en) 2024-05-16
DE102021119899B4 (de) 2023-05-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3014725B1 (de) Energiespeichereinrichtung mit gleichspannungsversorgungsschaltung und verfahren zum bereitstellen einer gleichspannung aus einer energiespeichereinrichtung
EP2136449B1 (de) Solarkraftwerk
EP3211784B1 (de) Doppel-submodul für einen modularen mehrpunktstromrichter und modularer mehrpunktstromrichter mit diesem
EP3333005A1 (de) Modulare leistungselektronik zum laden eines elektrisch betriebenen fahrzeugs
EP1876696A2 (de) Stromrichterschaltungsanordnung für eine Hochvoltgleichspannungsverbindung
DE102013212682B4 (de) Energiespeichereinrichtung mit Gleichspannungsversorgungsschaltung und Verfahren zum Bereitstellen einer Gleichspannung aus einer Energiespeichereinrichtung
EP2764595B1 (de) Verfahren zum schützen eines zwischenkreiskondensators in einer stromrichterschaltung
DE102008032813A1 (de) Netzanbindung von Solarzellen
DE102019106485B4 (de) Weissach-Gleichrichteranordnung
WO2018206201A1 (de) Batterievorrichtung mit zumindest einem modulstrang, in welchem moduleinheiten in einer reihe hintereinander verschaltet sind, sowie kraftfahrzeug und betriebsverfahren für die batterievorrichtung
EP2408081A1 (de) Modularer Multiniveau Umrichter
DE102011003859A1 (de) System zum Laden eines Energiespeichers und Verfahren zum Betrieb des Ladesystems
EP2523332A1 (de) Frequenzumrichter mit Vorladewiderstand und Verfahren zum Betreiben desselben
WO2012104333A1 (de) Verfahren zur lieferung von blindstrom mit einem umrichter sowie umrichteranordnung und energieversorgungsanlage
WO2009156021A1 (de) Spannungswandlerschaltung und wechselrichter
DE102021119899B4 (de) Verfahren zum betrieb eines wechselrichters und wechselrichter
EP3363091B1 (de) Vorrichtung und verfahren zum steuern eines lastflusses in einem wechselspannungsnetz
EP3531547A1 (de) Betriebsschaltung zur kopplung einer synchronmaschine mit einem spannungsnetz und verfahren zu deren betrieb
EP3331118B1 (de) Anlage zum übertragen elektrischer leistung
EP3741023B1 (de) Vorrichtung und verfahren zum steuern eines lastflusses in einem wechselspannungsnetz
DE102011075658B4 (de) Verfahren zum Erzeugen von Energie mittels einer Photovoltaikanlage und Photovoltaikanlage
EP2608390A1 (de) Modularer mehrstufiger Wechselrichter mit einer Vielzahl seriell geschalteter, von einer zentralen Steuerung elektrisch sicher getrennter Wechselrichtermodule
DE202016104020U1 (de) Spannungsgeführte Stromrichteranordnung mit einem vorgeladenen Widerstandselement
DE102021108280A1 (de) Dc/dc-wandlervorrichtung für eine windkraftanlage, ein elektrisches antriebsystem, oder für ein industrielles dc-versorgungsnetz und betriebsverfahren
CH719226A2 (de) Umrichter.

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20240229

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR