ZÜLCH ROLAND (DE)
US20140003103A1 | 2014-01-02 |
BOTTRELL NATHANIEL ET AL: "Comparison of Current-Limiting Strategies During Fault Ride-Through of Inverters to Prevent Latch-Up and Wind-Up", IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS, USA, vol. 29, no. 7, 1 July 2014 (2014-07-01), pages 3786 - 3797, XP011540339, ISSN: 0885-8993, [retrieved on 20140217], DOI: 10.1109/TPEL.2013.2279162
Patentansprüche: 1 . Verfahren zur Strombegrenzung bei transienten Spannungsänderungen an einem Wechselstromausgang (17,18,19) eines Multilevel-Wechselrichters (1 ), der eine Brückenschaltung (2, 31 ) mit einem ersten Gleichspannungseingang (3), einem zweiten Gleichspannungseingang (4), einem Neutralanschluss (5) und einem Brückenausgang (6, 7, 8) sowie ein Netzfilter (16) mit einer zwischen dem Brückenausgang (6, 7, 8) und dem Wechselstromausgang (17, 18, 19) angeschlossenen Drossel (13, 14, 15) und einem zwischen dem Wechselstromausgang (17, 18, 19) und dem Neutralanschluss (5) angeschlossenen Kondensator (25, 26, 27) aufweist und dazu eingerichtet ist, selektiv ein an dem ersten Gleichspannungseingang (3) vorliegendes elektrisches Potential (DC+) oder ein an dem zweiten Gleichspannungseingang (4) vorliegendes elektrisches Potential (DC-) oder ein an dem Neutralanschluss (5) vorliegendes elektrisches Potential (N) an den Brückenausgang (6, 7, 8) anzulegen, wobei in dem Fall, dass bei einem Betrieb des Wechselrichters (1 ) in einem regulären Betriebsmodus der Betrag der Spannung (Vci_ac) an dem Kondensator (25, 26, 27) über einem Spannungsschwellwert (V FRT) liegt, bei Überschreiten eines ersten Stromschwellwerts (l_FRT_1 ) durch den Betrag des durch die Drossel (13, 14, 15) fließenden Stroms (lu_ac) der reguläre Betriebsmodus unterbrochen wird und das elektrische Potential (N) an dem Neutralanschluss (5) so lange an den Brückenausgang (6, 7, 8) angelegt wird, bis der Betrag des durch die Drossel (13, 14, 15) fließenden Stroms (lu ac) einen zweiten Stromschwellwert (l_FRT_2), der kleiner oder gleich dem ersten Stromschwellwert (l_FRT_1 ) ist, unterschreitet, und in dem Fall, dass bei einem Betrieb des Wechselrichters (1 ) in einem regulären Betriebsmodus der Betrag der Spannung (VCi ac) an dem Kondensator (25, 26, 27) unter oder auf dem Spannungsschwellwert (V FRT) liegt, bei Überschreiten des ersten Stromschwellwerts (l_FRT_1 ) durch den Betrag des durch die Drossel (13, 14, 15) fließenden Stroms (lu ac) der reguläre Betriebsmodus unterbrochen wird und das elektrische Potential (DC+, DC-) an dem jeweils anderen Gleichspannungseingang (3, 4) als dem Gleichspannungseingang (3, 4), dessen daran anliegendes elektrisches Potential zuletzt vor dem Überschreiten des ersten Stromschwellwerts (l_FRT_1 ) an den Brückenausgang (6, 7, 8) angelegt wurde, so lange an den Brückenausgang (6, 7, 8) angelegt wird, bis der Betrag des durch die Drossel (13, 14, 15) fließenden Stroms ( lu_ac) den zweiten Stromschwellwert (I FRT 2), der kleiner oder gleich dem ersten Stromschwellwert (l_FRT_1 ) ist, unterschreitet. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der reguläre Betriebsmodus fortgesetzt wird, nachdem der zweite Stromschwellwert (l_FRT_2), der kleiner oder gleich dem ersten Stromschwellwert (l_FRT_1 ) ist, durch den Betrag des durch die Drossel (13, 14, 15) fließenden Stroms (lu_ac) unterschritten wurde. 3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei in dem Fall, dass bei einem Betrieb des Wechselrichters (1 ) in einem regulären Betriebsmodus der Betrag der Spannung (Vci_ac) an dem Kondensator (25, 26, 27) unter oder auf dem Spannungsschwellwert (V FRT) liegt, bei Überschreiten des ersten Stromschwellwerts (l_FRT_1 ) durch den Betrag des durch die Drossel (13, 14, 15) fließenden Stroms (lu ac) der reguläre Betriebsmodus unterbrochen wird und - zunächst das elektrische Potential (N) an dem Neutralanschluss (5) an den Brückenausgang (6, 7, 8) angelegt wird, - dann das elektrische Potential (DC+, DC-) an dem jeweils anderen Gleichspannungseingang (3, 4) als dem Gleichspannungseingang (3, 4), dessen daran anliegendes elektrisches Potential zuletzt vor dem Überschreiten des ersten Stromschwellwerts (l_FRT_1 ) an den Brückenausgang (6, 7, 8) angelegt wurde, so lange an den Brückenausgang (6, 7, 8) angelegt wird, bis der Betrag des durch die Drossel (13, 14, 15) fließenden Stroms (lu_ac) den zweiten Stromschwellwert (l_FRT_2), der kleiner oder gleich dem ersten Stromschwellwert (l_FRT_1 ) ist, unterschreitet, - dann zunächst wieder das elektrische Potential (N) an dem Neutralanschluss (5) an den Brückenausgang (6, 7, 8) angelegt wird, bevor der reguläre Betriebsmodus fortgesetzt wird. 4. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei in dem Fall, dass bei einem Betrieb des Wechselrichters (1 ) in einem regulären Betriebsmodus der Betrag der Spannung (Vci ac) an dem Kondensator (25, 26, 27) unter oder auf dem Spannungsschwellwert (V FRT) liegt, bei einem ersten Überschreiten des ersten Stromschwellwerts (I FRT 1 ) durch den Betrag des durch die Drossel (13, 14, 15) fließenden Stroms (lu ac) der reguläre Betriebsmodus unterbrochen wird und - zunächst das elektrische Potential (N) an dem Neutralanschluss (5) an den Brückenausgang (6, 7, 8) angelegt wird, dann wiederholt - das elektrische Potential (DC+, DC-) an dem jeweils anderen Gleichspannungseingang (3, 4) als dem Gleichspannungseingang (3, 4), dessen daran anliegendes elektrisches Potential zuletzt vor dem ersten Überschreiten des ersten Stromschwellwerts (I _ FRT_1 ) an den Brückenausgang (6, 7, 8) angelegt wurde, so lange an den Brückenausgang (6, 7, 8) angelegt wird, bis der Betrag des durch die Drossel (13, 14, 15) fließenden Stroms (lu_ac) den zweiten Stromschwellwert (l_FRT_2), der kleiner oder gleich dem ersten Stromschwellwert (l_FRT_1 ) ist, unterschreitet, und anschließend das elektrische Potential (N) an dem Neutralanschluss (5) an den Brückenausgang (6, 7, 8) angelegt wird, bis der Betrag des durch die Drossel fließenden Stroms (lu_ac) den ersten Stromschwellwert (l_FRT_1 ) erneut überschreitet. 5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der reguläre Betriebsmodus fortgesetzt wird, wenn der Betrag der Spannung (VC1_ac) an dem Kondensator (25, 26, 27) über dem Spannungsschwellwert (V FRT) liegt. 6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der reguläre Betriebsmodus fortgesetzt wird, wenn seit dem Unterbrechen des regulären Betriebsmodus eine vorgebbare Zeit vergangen ist. 7. Multilevel-Wechselrichter (1 ), aufweisend eine Brückenschaltung (2, 31 ) mit einem ersten Gleichspannungseingang (3), einem zweiten Gleichspannungseingang (4), einem Neutralanschluss (5) und einem Brückenausgang (6, 7, 8) sowie ein Netzfilter (16) mit einer zwischen dem Brückenausgang (6, 7, 8) und dem Wechselstromausgang (17, 18, 19) angeschlossenen Drossel (13, 14, 15) und einem zwischen dem Wechselstromausgang (17, 18, 19) und dem Neutralanschluss (5) angeschlossenen Kondensator (25, 26, 27) sowie eine Steuereinrichtung (29), wobei die Steuereinrichtung (29) zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 eingerichtet ist. 8. Multilevel-Wechselrichter (1 ) nach Anspruch 7, wobei die Brückenschaltung (31 ) eine diodengeklemmte NPC-Brückenschaltung ist. 9. Multilevel-Wechselrichter (1 ) nach Anspruch 7, wobei die Brückenschaltung (31 ) eine BSNPC-Brückenschaltung ist. 10. Multilevel-Wechselrichter (1 ) nach Anspruch 7, wobei die Brückenschaltung (31 ) eine ANPC-Brückenschaltung ist. 1 1. Multilevel-Wechselrichter (1 ) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei der Wechselrichter (1 ) als einphasiger Wechselrichter ausgeführt ist, der mindestens eine Brückenschaltung (31 ) umfasst. 12. Multilevel-Wechselrichter (1 ) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei der Wechselrichter (1 ) als dreiphasiger Wechselrichter ausgeführt ist, der mindestens drei Brückenschaltungen (31 ) umfasst. |
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strombegrenzung bei transienten
Spannungsänderungen an einem Wechselstromausgang eines Multilevel-Wechselrichters. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Multilevel-Wechselrichter mit einer Steuereinheit, die zur Ausführung eines solchen Verfahrens eingerichtet ist.
Aufgrund normativer Anforderungen dürfen sich Wechselrichter in dezentralen
Energieerzeugungsanlagen bei Auftreten bestimmter Netzfehler nicht vom Netz trennen, sondern müssen in der Lage sein, einen solchen Netzfehler zu durchfahren oder sogar durch Einspeisung von Blindleistung zur dynamischen Netzstützung beizutragen (FRT - Fault Ride Through). Ein möglicher zu durchfahrender Netzfehler ist ein plötzlicher transienter
Spannungseinbruch der Netzspannung auf bis zu null Prozent innerhalb von wenigen hundert Mikrosekunden bis zu ein oder zwei Millisekunden oder auch eine plötzliche transiente Veränderung einer Last am Ausgang des Wechselrichters.
An einem Brückenausgang einer Brückenschaltung des Wechselrichters liegt im Fall eines am Wechselstromausgang des Wechselrichters auftretenden plötzlichen transienten
Spannungseinbruchs weiterhin ein elektrisches Potential wie in einem regulären Betrieb des Wechselrichters vor. Eine zwischen dem Brückenausgang und dem Wechselstromausgang angeordnete Drossel eines Netzfilters wird dadurch mit einer hohen Spannungsdifferenz aufmagnetisiert, was zu einer hohen Stromsteilheit führt. Ein Regler eines Wechselrichters kann derart schnellen Änderungen am Wechselstromausgang des Wechselrichters nicht unmittelbar folgen, so dass eine zusätzliche Strombegrenzung erforderlich ist, um eine Zerstörung von Bauteilen des Wechselrichters zu verhindern.
Zur Strombegrenzung bei transienten Spannungsänderungen an einem
Wechselstromausgang eines Wechselrichters ist es bekannt und nach dem Stand der Technik üblich, bei Überschreiten eines ersten Stromschwellwerts, der unterhalb einer absoluten Stromgrenze liegt, bei deren Erreichen der Wechselrichter abgeschaltet und vom Netz oder einer Last getrennt wird, die Ansteuersignale aller Leistungshalbleiterschalter einer Brückenschaltung des Wechselrichters unmittelbar und gleichzeitigt zu sperren, ohne den Wechselrichter vom Netz oder von der Last zu trennen, und dann mit dem nächsten regulären Ansteuertakt oder nach einem Unterschreiten des ersten Stromschwellwerts oder eines zweiten Stromschwellwerts, der kleiner als der erste Stromschwellwert ist, den regulären Betrieb des Wechselrichters fortzusetzen. Bei erneutem Überschreiten des ersten Stromschwellwerts erfolgt dann ein erneutes Abschalten aller Leistungshalbleiterschalter der Brückenschaltung über eine Sperre der Ansteuersignale, so dass eine Strombegrenzung nach dem Prinzip einer Zweipunktregelung erreicht wird.
Bei Multilevel-Wechselrichtern, insbesondere bei Multilevel-Wechselrichtern mit sogenannter NPC-Topologie (Neutral-Point-Clamped-Topologie), werden prinzipbedingt mit
verschiedenen Potentialen an Eingangsanschlüssen der Brückenschaltung verknüpfte Spannungspegel an Ausgangsanschlüsse der Brückenschaltung angelegt. Dadurch kann es bei gleichzeitiger Ansteuerung aller Leistungshalbleiterschalter der Brückenschaltung zur Überführung in einen ausgeschalteten Zustand passieren, dass aufgrund einer
unterschiedlich schnellen Überführung verschiedener Leistungshalbleiterschalter in einen ausgeschalteten Zustand, in Verbindung mit dann auftretenden Strömen durch in der Brückenschaltung zusätzlich vorhandene Freilaufdioden, an einzelnen
Leistungshalbleiterschaltern der Brückenschaltung kurzzeitig höhere Spannungen anliegen als während des regulären Betriebs des Wechselrichters. Diese höheren Spannungen können gegebenenfalls zur Zerstörung der einzelnen Leistungshalbleiterschalter der Brückenschaltung führen.
Weiterhin werden bei einem einfachen gleichzeitigen Ausschalten aller
Leistungshalbleiterschalter der Brückenschaltung von den mehreren Spannungspegeln des Multilevel-Wechselrichters faktisch nur zwei verschiedene Spannungspegel genutzt, so dass vorhandene Möglichkeiten für eine optimierte Strombegrenzung ungenutzt bleiben.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Strombegrenzung bei transienten Spannungsänderungen an einem Wechselstromausgang eines Multilevel- Wechselrichters bzw. einen entsprechenden Wechselrichter bereitzustellen, bei denen eine optimierte Strombegrenzung im Hinblick auf eine Belastung von Leistungshalbleiterschaltern einer Brückenschaltung des Wechselrichters durch möglichst geringe Ströme und möglichst geringe Taktfrequenzen ermöglicht wird und bei denen das Auftreten höherer Spannungen an den Leistungshalbleiterschaltern als im regulären Betrieb der Brückenschaltung verhindert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 und durch einen Multilevel-Wechselrichter gemäß dem unabhängigen Anspruch 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Strombegrenzung bei transienten
Spannungsänderungen an einem Wechselstromausgang eines Multilevel-Wechselrichters, wobei der Multilevel-Wechselrichter eine Brückenschaltung mit einem ersten Gleichspannungseingang, einem zweiten Gleichspannungseingang, einem Neutralanschluss und einem Brückenausgang sowie ein Netzfilter mit einer zwischen dem Brückenausgang und dem Wechselstromausgang angeschlossenen Drossel und einem zwischen dem Wechselstromausgang und dem Neutralanschluss angeschlossenen Kondensator aufweist und dazu eingerichtet ist, selektiv ein an dem ersten Gleichspannungseingang vorliegendes elektrisches Potential oder ein an dem zweiten Gleichspannungseingang vorliegendes elektrisches Potential oder ein an dem Neutralanschluss vorliegendes elektrisches Potential an den Brückenausgang anzulegen, werden zwei Fälle unterschieden.
In dem Fall, dass bei einem Betrieb des Wechselrichters in einem regulären Betriebsmodus der Betrag der Spannung an dem Kondensator über einem Spannungsschwellwert liegt, wird bei Überschreiten eines ersten Stromschwellwerts durch den Betrag des durch die Drossel fließenden Stroms der reguläre Betriebsmodus unterbrochen und das elektrische Potential, das an dem Neutralanschluss anliegt, so lange an den Brückenausgang angelegt, bis der Betrag des durch die Drossel fließenden Stroms einen zweiten Stromschwellwert, der kleiner oder gleich dem ersten Stromschwellwert ist, unterschreitet.
In dem Fall, dass bei einem Betrieb des Wechselrichters in einem regulären Betriebsmodus der Betrag der Spannung an dem Kondensator unter oder auf dem Spannungsschwellwert liegt, wird bei Überschreiten des ersten Stromschwellwerts durch den Betrag des durch die Drossel fließenden Stroms der reguläre Betriebsmodus ebenfalls unterbrochen und das elektrische Potential an dem jeweils anderen Gleichspannungseingang als dem
Gleichspannungseingang, dessen daran anliegendes elektrisches Potential zuletzt vor dem Überschreiten des ersten Stromschwellwerts an den Brückenausgang angelegt wurde, so lange an den Brückenausgang angelegt, bis der Betrag des durch die Drossel fließenden Stroms den zweiten Stromschwellwert, der kleiner oder gleich dem ersten Stromschwellwert ist, unterschreitet. Das heißt, wenn vor dem Überschreiten des ersten Stromschwellwerts das Potential, das am ersten Gleichspannungseingang anliegt, an den Brückenausgang angelegt war, wird nach dem Überschreiten des ersten Stromschwellwerts das Potential, das am zweiten Gleichspannungseingang anliegt, an den Brückenausgang angelegt.
Entsprechend wird nach dem Überschreiten des ersten Stromschwellwerts das Potential, das am ersten Gleichspannungseingang anliegt, an den Brückenausgang angelegt, wenn vor dem Überschreiten des ersten Stromschwellwerts das Potential, das am zweiten
Gleichspannungseingang anliegt, an den Brückenausgang angelegt war.
Das Anlegen unterschiedlicher Potentiale an den Brückenausgang in Abhängigkeit von einem Wert der Spannung an dem Kondensator zum Zeitpunkt des Überschreitens des ersten Stromschwellwerts gewährleistet eine optimierte Einstellung der sich bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Strombegrenzung einstellenden Stromsteilheiten für den Abfall des Betrags des Stroms. Der Fall, dass der Betrag der Spannung an dem
Kondensator über einem Spannungsschwellwert liegt, korrespondiert mit einem moderaten transienten Spannungseinbruch am Wechselstromausgang und somit auch mit einer moderaten Stromsteilheit für einen daraus resultierenden Anstieg des Betrags des Stroms. Entsprechend wird dann nach Überschreiten des ersten Stromschwellwerts durch den Betrag des durch die Drossel fließenden Stroms durch Anlegen des am Neutralanschluss anliegenden Potentials eine moderate Stromsteilheit für den resultierenden Abfall des Betrags des Stroms bewirkt, wohingegen bei Anlegen des elektrischen Potentials an dem jeweils anderen Gleichspannungseingang als vor dem Überschreiten des ersten
Stromschwellwerts bzw. bei Abschalten aller Leistungshalbleiterschalter nach den Verfahren gemäß dem Stand der Technik eine deutlich höhere Stromsteilheit für den abfallenden Betrag des Stroms resultieren würde. Das Einstellen einer möglichst geringen Stromsteilheit für den abfallenden Betrag des Stroms gewährleistet eine möglichst geringe Taktfrequenz, mit der die verschiedenen Potentiale während des Verfahrens zur Strombegrenzung an den Brückenausgang angelegt werden.
Der Fall, dass der Betrag der Spannung an dem Kondensator unter oder auf dem
Spannungsschwellwert liegt, korrespondiert mit einem stärkeren transienten
Spannungseinbruch und einer daraus resultierenden größeren Stromsteilheit für den Anstieg des Betrags des Stroms. In dem Fall würde bei Anlegen des am Neutralanschluss anliegenden Potentials nach Überschreiten des ersten Stromschwellwerts der Betrag des Stroms durch die Drossel weiter steigen, was dann durch Anlegen des elektrischen
Potentials an dem jeweils anderen Gleichspannungseingang als dem
Gleichspannungseingang, dessen daran anliegendes elektrisches Potential zuletzt vor dem Überschreiten des ersten Stromschwellwerts an den Brückenausgang angelegt wurde, verhindert wird.
Entsprechend ergibt sich hieraus für den Fachmann eine Anleitung zur Dimensionierung des Spannungsschwellwerts bei einem erfindungsgemäßen Verfahren derart, dass bei einem transienten Spannungseinbruch für Spannungen an dem Kondensator oberhalb des
Spannungsschwellwerts bei Anlegen des am Neutralanschluss anliegenden Potentials an den Brückenausgang nach Überschreiten des ersten Stromschwellwerts der Betrag des Stroms durch die Drossel nicht ansteigt.
Das Anlegen des elektrischen Potentials an dem jeweils anderen Gleichspannungseingang als vor dem Überschreiten des ersten Stromschwellwerts erfolgt bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt dadurch, dass alle Leistungshalbleiterschalter zwischen dem entsprechenden Gleichspannungseingang und dem Brückenausgang durch entsprechende Ansteuerung in einen eingeschalteten Zustand versetzt werden. Bei den in Multilevel-Wechselrichtern zur Anwendung kommenden Brückenschaltungen sind dies je nach Topologie gegebenenfalls mehrere Leistungshalbleiterschalter.
Die Dimensionierung des ersten Stromschwellwerts erfolgt derart, dass er oberhalb des Maximums eines im regulären Betriebsmodus des Wechselrichters auftretenden
Stromrippels liegt und unterhalb einer absoluten Stromgrenze, bei deren Erreichen der Wechselrichter abgeschaltet und vom Netz oder von einer Last getrennt wird.
Der zweite Stromschwellwert ist so festzulegen, dass ein guter Kompromiss zwischen der Taktfrequenz, mit der die verschiedenen Potentiale während des Verfahrens zur
Strombegrenzung an den Brückenausgang angelegt werden, und der Höhe des
resultierenden Stromrippels während der Strombegrenzung erreicht wird. Bei Wahl eines zweiten Stromschwellwerts, der gleich dem ersten Stromschwellwert ist, ist faktisch nur ein Stromschwellwert vorhanden. Insbesondere in diesem Fall ist es vorteilhaft, zusätzliche Mittel zur Glättung eines Messwerts des Stroms durch die Drossel vorzusehen, um zu hohe Taktfrequenzen zu vermeiden.
Der reguläre Betriebsmodus des Wechselrichters bezeichnet hier den Betriebsmodus zur Einspeisung in das Netz bzw. in die Last während keine zu durchfahrenden Fehler vorliegen. In diesem Betriebsmodus werden während einer ersten Halbwelle eines einzuspeisenden Wechselstroms pulsweitenmodulierte Pulse mit dem an dem ersten
Gleichspannungseingang anliegenden Potential im Wechsel mit dem am Neutralanschluss anliegenden Potential an den Wechselstromausgang angelegt und während einer zweiten Halbwelle des einzuspeisenden Wechselstroms werden pulsweitenmodulierte Pulse mit dem an dem zweiten Gleichspannungseingang anliegenden Potential im Wechsel mit dem am Neutralanschluss anliegenden Potential an den Wechselstromausgang angelegt.
In einer Ausführungsführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird dann, nachdem der zweite Stromschwellwert durch den Betrag des durch die Drossel fließenden Stroms unterschritten wurde, der reguläre Betriebsmodus fortgesetzt.
Bei einer Fortsetzung des regulären Betriebsmodus werden das elektrische Potential, das dann an den Brückenausgang angelegt wird, und die Pulsbreite so eingestellt, wie sie zu diesem Zeitpunkt ohne Unterbrechung des regulären Betriebsmodus vorliegen würden, was auch bedeutet, dass bei einem inzwischen erfolgten Wechsel von der ersten Halbwelle des einzuspeisenden Wechselstroms zur zweiten Halbwelle und umgekehrt das elektrische Potential an dem jeweils anderen Gleichspannungseingang als vor dem Überschreiten des ersten Stromschwellwerts an den Brückenausgang angelegt wird. Sofern der transiente Spannungseinbruch noch nicht beendet ist, wird nach der Fortsetzung des regulären Betriebsmodus erneut der erste Stromschwellwert überschritten und das Verfahren zur Strombegrenzung wiederholt ausgeführt, so dass eine weitergehende
Strombegrenzung nach dem Prinzip einer Zweipunktregelung erreicht wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird in dem Fall, dass bei einem Betrieb des Wechselrichters in einem regulären Betriebsmodus der Betrag der Spannung an dem Kondensator unter oder auf dem Spannungsschwellwert liegt, bei Überschreiten des ersten Stromschwellwerts durch den Betrag des durch die Drossel fließenden Stroms der reguläre Betriebsmodus unterbrochen und zunächst das elektrische Potential, das an dem Neutralanschluss anliegt, an den Brückenausgang angelegt. Dann wird das elektrische Potential an dem jeweils anderen Gleichspannungseingang als dem Gleichspannungseingang, dessen daran anliegendes elektrisches Potential zuletzt vor dem Überschreiten des ersten Stromschwellwerts an den Brückenausgang angelegt wurde, so lange an den Brückenausgang angelegt, bis der Betrag des durch die Drossel fließenden Stroms den zweiten Stromschwellwert, der kleiner oder gleich dem ersten Stromschwellwert ist, unterschreitet, und dann zunächst wieder das elektrische Potential, das an dem
Neutralanschluss anliegt, an den Brückenausgang angelegt, bevor der reguläre
Betriebsmodus fortgesetzt wird.
Dadurch, dass bei dieser Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zwischen dem Anlegen des am ersten Gleichspannungseingang vorliegenden Potentials an den Brückenausgang und dem Anlegen des am zweiten Gleichspannungseingang vorliegenden Potentials an den Brückenausgang sowie zwischen dem Anlegen des am zweiten
Gleichspannungseingang vorliegenden Potentials an den Brückenausgang und dem Anlegen des am ersten Gleichspannungseingang vorliegenden Potentials an den Brückenausgang jeweils das an dem Neutralanschluss anliegende Potential an den Brückenausgang angelegt wird, wird vermieden, dass infolge unterschiedlich schnell schaltender
Leistungshalbleiterschalter kurzzeitig höhere Spannungen an den
Leistungshalbleiterschaltern als im regulären Betrieb der Brückenschaltung auftreten können. Weiterhin wird durch das zwischenzeitliche Anlegen des elektrischen Potentials an dem Neutralanschluss an den Brückenausgang die Frequenz, mit der zwischen dem
Anlegen des am ersten Gleichspannungseingang vorliegenden Potentials und des am zweiten Gleichspannungseingang vorliegenden Potentials an den Brückenausgang gewechselt wird, reduziert und in Folge somit auch die Taktfrequenz aller
Leistungshalbleiterschalter, was in weiterer Folge die Belastung der
Leistungshalbleiterschalter verringert. Bei einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird in dem Fall, dass bei einem Betrieb des Wechselrichters in einem regulären Betriebsmodus der Betrag der Spannung an dem Kondensator unter oder auf dem Spannungsschwellwert liegt, bei einem ersten Überschreiten des ersten Stromschwellwerts durch den Betrag des durch die Drossel fließenden Stroms der reguläre Betriebsmodus unterbrochen und zunächst wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform das elektrische Potential an dem
Neutralanschluss an den Brückenausgang angelegt. Dann wird das elektrische Potential an dem jeweils anderen Gleichspannungseingang als dem Gleichspannungseingang, dessen daran anliegendes elektrisches Potential zuletzt vor dem ersten Überschreiten des ersten Stromschwellwerts an den Brückenausgang angelegt wurde, so lange an den
Brückenausgang angelegt, bis der Betrag des durch die Drossel fließenden Stroms den zweiten Stromschwellwert unterschreitet, und anschließend das elektrische Potential an dem Neutralanschluss an den Brückenausgang angelegt, bis der Betrag des durch die Drossel fließenden Stroms den ersten Stromschwellwert erneut überschreitet. Infolgedessen wird wieder das elektrische Potential an dem jeweils anderen Gleichspannungseingang als vor dem ersten Überschreiten des ersten Stromschwellwerts angelegt.
Der Wechsel zwischen dem Anlegen des Potentials an dem jeweils anderen
Gleichspannungseingang als vor dem ersten Überschreiten des ersten Stromschwellwerts und dem am Neutralanschluss anliegenden Potential an den Brückenausgang in
Abhängigkeit vom Über- und Unterschreiten des ersten und zweiten Stromschwellwerts wird dann so lange wiederholt, bis der Betrag der Spannung an dem Kondensator wieder über dem Spannungsschwellwert liegt. Erst dann wird der reguläre Betriebsmodus fortgesetzt.
Bei dieser Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich die Möglichkeit einer noch weiter reduzierten Taktfrequenz und somit einer noch geringeren Belastung der Leistungshalbleiterschalter. Weiterhin vermeidet diese Ausführungsform auch die unnötige Wiederaufnahme des regulären Betriebsmodus solange der Betrag der Spannung an dem Kondensator unter oder auf dem Spannungsschwellwert liegt, das heißt, solange der transiente Spannungseinbruch immer noch vorliegt.
Alternativ kann bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens der reguläre Betriebsmodus auch fortgesetzt werden, wenn seit dem
Unterbrechen des regulären Betriebsmodus eine vorgebbare Zeit vergangen ist.
Das Anlegen der Potentiale an den Brückenausgang erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in Abhängigkeit des Über- oder Unterschreitens von Schwellwerten durch den Strom durch die Drossel und durch die Spannung am Kondensator. Hierzu werden dieser Strom und diese Spannung vorzugsweise direkt an der Drossel bzw. dem Kondensator gemessen. Es ist aber auch möglich diesen Strom und diese Spannung aus anderen gemessenen und/oder bekannten Größen innerhalb des Wechselrichters zu ermitteln bzw. bei Anwendung des Verfahrens direkt äquivalente Messgrößen zu verwenden.
Beispielsweise kann die Spannung am Kondensator aus der gemessenen Phasenspannung des Netzes bestimmt werden. Insbesondere kann auch ein Strom aus einer
Spannungsmessung und eine Spannung aus einer Strommessung ermittelt werden.
Sofern bei einer Au sfüh rungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens die Dauer des Anlegens eines Potentials an den Brückenausgang nicht durch das Über- oder
Unterschreiten eines Schwellwerts festgelegt ist, ist es vorteilhaft, das Potential zumindest so lange an den Brückenausgang anzulegen, bis transiente Vorgänge bei den Strömen und Potentialen innerhalb der Brückenschaltung abgeschlossen sind. Dies gilt insbesondere für das Anlegen des an dem Neutralanschluss anliegenden Potentials an den Brückenausgang zur Vermeidung kurzzeitig höherer Spannungen an den Leistungshalbleiterschaltern als im regulären Betrieb der Brückenschaltung infolge unterschiedlich schnell schaltender
Leistungshalbleiterschalter.
Ein erfindungsgemäßer Multilevel-Wechselrichter weist eine Brückenschaltung mit einem ersten Gleichspannungseingang, einem zweiten Gleichspannungseingang, einem
Neutralanschluss und einem Brückenausgang sowie ein Netzfilter mit einer zwischen dem Brückenausgang und dem Wechselstromausgang angeschlossenen Drossel und einem zwischen dem Wechselstromausgang und dem Neutralanschluss angeschlossenen
Kondensator auf. Weiterhin weist ein erfindungsgemäßer Multilevel-Wechselrichter eine Steuereinrichtung auf, die zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.
Die Brückenschaltung eines erfindungsgemäßen Multilevel-Wechselrichters kann eine diodengeklemmte NPC-Brückenschaltung (Neutral-Point-Clamped-Brückenschaltung) sein. Eine solche Brückenschaltung ist auch unter den alternativen Bezeichnungen Standard- NPC, NPC Typ I oder INPC bekannt.
In einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Multilevel-Wechselrichters kann die Brückenschaltung eine BSNPC-Brückenschaltung (Bidirectional Switch Neutral- Point-Clamped-Brückenschaltung) sein. Eine solche Brückenschaltung ist auch unter den alternativen Bezeichnungen NPC Typ II oder TNPC bekannt. In einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Multilevel-Wechselrichters kann die Brückenschaltung eine ANPC-Brückenschaltung (Active Neutral-Point-Clamped- Brückenschaltung) sein.
Die Leistungshalbleiterschalter der Brückenschaltung eines erfindungsgemäßen Multilevel- Wechselrichters können als Feldeffekttransistoren, beispielsweise als SiC-MOSFETs oder als Bipolartransistoren, beispielsweise als IGBTs in Si-Technologie, ausgeführt sein.
Insbesondere können lediglich einzelne Leistungshalbleiterschalter der Brückenschaltung als Feldeffekttransistoren ausgeführt sein und die jeweils anderen Leistungshalbleiterschalter der Brückenschaltung als Bipolartransistoren. Dies ermöglich eine optimierte Auswahl der Leistungshalbleiterschalter im Hinblick auf Schaltzeiten sowie Schalt- und Leitverluste.
Ein erfindungsgemäßer Multilevel-Wechselrichter kann ein einphasiger Wechselrichter sein, bei dem beispielsweise auch zwei Brückenschaltungen versetzt getaktet werden können, es kann aber beispielsweise auch ein dreiphasiger Wechselrichter sein, bei dem eine dreiphasige Brückenschaltung mindestens drei versetzt getaktete Brückenschaltungen aufweist.
Bei einem erfindungsgemäßen Multilevel-Wechselrichter, der mehr als eine
Brückenschaltung aufweist, kann eine Strombegrenzung nach einem erfindungsgemäßen Verfahren für jede Brückenschaltung einzeln und unabhängig von den anderen
Brückenschaltungen erfolgen. Alternativ kann eine gleiche Strombegrenzung in allen Brückenschaltungen in Abhängigkeit des jeweils größten Stroms durch die jeweilige Drossel und die jeweils geringste Spannung an dem jeweiligen Kondensator aller zwischen dem jeweiligen Brückenausgang und dem jeweiligen Wechselstromausgang angeordneter Netzfilter erfolgen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Die Figuren dienen hierbei der Veranschaulichung von Ausführungsformen der Erfindung, beschränken die Erfindung aber nicht auf die gezeigten Merkmale.
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Wechselrichter,
Fig. 2 zeigt einen Phasenzweig eines erfindungsgemäßen Wechselrichters,
Fig. 3 zeigt einen zeitlichen Ablauf bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einem ersten Fall,
Fig. 4 zeigt einen zeitlichen Ablauf bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einem zweiten Fall, Fig. 5 zeigt einen zeitlichen Ablauf bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einem dritten Fall,
Fig. 6 zeigt einen zeitlichen Ablauf bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einem vierten Fall,
Fig. 7 zeigt einen zeitlichen Ablauf bei einer weiteren Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 8 zeigt eine Brückenschaltung eines erfindungsgemäßen Wechselrichters in einer Ausführungsform als diodengeklemmte NPC-Brückenschaltung,
Fig. 9 zeigt eine Brückenschaltung eines erfindungsgemäßen Wechselrichters in einer Ausführungsform als BSNPC-Brückenschaltung, und
Fig. 10 zeigt eine Brückenschaltung eines erfindungsgemäßen Wechselrichters in einer Ausführungsform als ANPC-Brückenschaltung.
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Wechselrichter 1 in einer Ausführungsform als dreiphasiger Wechselrichter dargestellt. Der Wechselrichter weist eine dreiphasige
Brückenschaltung 2 mit einem ersten Gleichspannungseingang 3, einem zweiten
Gleichspannungseingang 4, einem Neutralanschluss 5 und drei Brückenausgängen 6, 7, 8 auf. Zwischen dem ersten Gleichspannungseingang 3 und dem zweiten
Gleichspannungseingang 4 ist ein geteilter Gleichspannungszwischenkreis 9 angeschlossen, dessen Mittelpunkt 10 mit dem Neutralanschluss 5 verbunden ist. Der erste
Gleichspannungseingang 3 ist ferner mit einem ersten Gleichspannungsanschluss 1 1 des Wechselrichters 1 verbunden und der zweiten Gleichspannungseingang 4 mit einem zweiten Gleichspannungsanschluss 12 des Wechselrichters 1.
Die Brückenausgänge 6, 7, 8 sind jeweils über Drosseln 13, 14, 15 eines Netzfilters 16 mit Wechselstromausgängen 17, 18, 19 des Wechselrichters 1 verbunden. An die
Wechselstromausgänge 17, 18, 19 ist jeweils einer von drei Phasenleitern 20, 21 , 22 eines Netzes 23 angeschlossen. Mit den Wechselstromausgängen 17, 18, 19 ist ferner jeweils ein Kondensator 25, 26, 27 des Netzfilters 16 verbunden, wobei die anderen Enden der
Kondensatoren 25, 26, 27 an einen gemeinsamen Neutralpunkt 28 angeschlossen sind, der wiederum mit dem Neutralanschluss 5 der Brückenschaltung 2 verbunden ist. In einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wechselrichters kann ein Sternpunkt 24 des Netzes 23 ebenfalls mit dem Neutralpunkt 28 und somit auch mit dem
Neutralanschluss 5 der Brückenschaltung 2 verbunden sein. Ein erfindungsgemäßer Wechselrichter 1 umfasst ferner eine Steuereinrichtung 29, die dazu eingerichtet ist, die Brückenschaltung 2 derart anzusteuern, dass selektiv ein an dem ersten Gleichspannungseingang 3 vorliegendes elektrisches Potential, hier beispielsweise ein positives Potential DC+, oder ein an dem zweiten Gleichspannungseingang 4 vorliegendes elektrisches Potential, hier beispielsweise ein negatives Potential DC-, oder ein an dem Neutralanschluss 5 vorliegendes elektrisches Potential, hier beispielsweise ein
Neutralpotential N, an die Brückenausgänge 6, 7, 8 angelegt wird, indem die
Steuereinrichtung 29 in der Brückenschaltung 2 enthaltene Leistungshalbleiterschalter zur Überführung in einen eingeschalteten oder ausgeschalteten Zustand über Ansteuersignale ansteuert. Insbesondere ist die Steuereinrichtung 29 zur Ausführung eines
erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet, um eine Strombegrenzung bei transienten Spannungsänderungen an den Wechselstromausgängen 17, 18, 19 zu bewirken.
Fig. 2 zeigt einen Phasenzweig 30 eines erfindungsgemäßen Wechselrichters mit einer einphasigen Brückenschaltung 31 . Bei einem dreiphasigen Wechselrichter 1 gemäß Fig. 1 sind innerhalb der dreiphasigen Brückenschaltung 2 mindestens drei solcher einphasigen Brückenschaltungen 31 angeordnet, wobei die ersten Gleichspannungseingänge 3 aller einphasigen Brückenschaltungen 31 , die zweiten Gleichspannungseingänge 4 aller einphasigen Brückenschaltungen 31 und die Neutralanschlüsse 5 aller einphasigen
Brückenschaltungen 31 miteinander verbunden sind. Ein einphasiger Wechselrichter umfasst mindestens einen Phasenzweig 30 mit einer einphasigen Brückenschaltung 31 .
Die Steuereinrichtung 29 erfasst den Strom l L i_ac durch die Drossel 13 und die Spannung Vci_ ac an dem Kondensator 26, um abhängig von diesen Größen eine Strombegrenzung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zu bewirken.
Ein Beispiel für einen zeitlichen Ablauf bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in dem Fall, dass ein transienter Spannungseinbruch des Netzes vorliegt und der Betrag der Spannung Vci ac über einem Spannungsschwellwert V FRT liegt, ist in Fig. 3 dargestellt. In einem Schritt S1 wird der Wechselrichter in einem regulären Betriebsmodus betrieben, wobei an dem Brückenausgang ein Potential DC+ anliegt. Der vorliegende transiente
Spannungseinbruch des Netzes verursacht einen Anstieg des Betrags des Stroms l L i_ac- Zu einem Zeitpunkt t1 überschreitet der Betrag des Stroms l L i_ac einen ersten Stromschwellwert I FRT 1 , der unterhalb einer absoluten Stromgrenze I HW liegt, bei deren Erreichen der Wechselrichter abgeschaltet und vom Netz oder von einer Last getrennt wird. Infolge des Überschreitens des ersten Stromschwellwerts l_FRT_1 durch den Betrag des Stroms lu ac zum Zeitpunkt t1 wird der reguläre Betriebsmodus unterbrochen und in einem Schritt S2 das Potential N an den Brückenausgang angelegt, wodurch der Betrag des Stroms lu ac wieder sinkt. Das Potential N wird so lange an den Brückenausgang angelegt, bis der Betrag des Stroms lu ac zu einem Zeitpunkt t2 einen zweiten Stromschwellwert I FRT 2 unterschreitet. Dann wird in einem Schritt S3 der reguläre Betriebsmodus fortgesetzt, wobei das Potential an den Brückenausgang angelegt wird, das auch ohne Unterbrechung des regulären
Betriebsmodus zum Zeitpunkt t2 Vorgelegen hätte, im vorliegenden Fall das Potential DC+.
Aufgrund des nach wie vor vorliegenden transienten Spannungseinbruchs steigt der Betrag des Stroms lu ac dann erneut an und überschreitet zum Zeitpunkt t3 wieder den ersten Stromschwellwert l_FRT_1 , woraufhin in einem Schritt S4 erneut das Potential N so lange an den Brückenausgang angelegt wird, bis der Betrag des Stroms wieder unter dem zweiten Stromschwellwert I FRT 2 liegt. Auf diese Weise wird nach dem Prinzip einer
Zweipunktregelung eine Strombegrenzung durch ein erfindungsgemäßes Verfahren bewirkt, solange der transiente Spannungseinbruch besteht und der Betrag des Stroms lu ac dadurch nach einem Fortsetzen des regulären Betriebsmodus immer wieder erneut ansteigt.
In Fig. 4 ist ein Beispiel für einen zeitlichen Ablauf bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in dem Fall, dass ein transienter Spannungseinbruch des Netzes vorliegt und der Betrag der Spannung Vci ac unter oder auf dem Spannungsschwellwert V FRT liegt, dargestellt. In einem Schritt S5 wird der Wechselrichter in einem regulären Betriebsmodus betrieben, wobei an dem Brückenausgang ein Potential DC+ anliegt. Der transiente Spannungseinbruch des Netzes verursacht einen Anstieg des Betrags des Stroms lu ac- Zu einem Zeitpunkt t4 überschreitet der Betrag des Stroms lu _ ac den ersten Stromschwellwert l_FRT_1 . Daraufhin wird der reguläre Betriebsmodus unterbrochen und zunächst in einem Schritt S6 das
Potential N an den Brückenausgang angelegt, woraufhin der Betrag des Stroms lu ac immer noch weiter ansteigt. Zu einem Zeitpunkt t5 wird in einem Schritt S7 das Potential DC- an den Brückenausgang angelegt, wodurch der Betrag des Stroms lu ac wieder sinkt. Das Potential DC- wird so lange an den Brückenausgang angelegt, bis der Betrag des Stroms lu ac zu einem Zeitpunkt t6 den zweiten Stromschwellwert I FRT 2 unterschreitet. Dann wird in einem Schritt S8 zunächst wieder das Potential N an den Brückenausgang angelegt und zu einem Zeitpunkt t7 in einem Schritt S9 der reguläre Betriebsmodus fortgesetzt, wobei das Potential an den Brückenausgang angelegt wird, das auch ohne Unterbrechung des regulären Betriebsmodus zum Zeitpunkt t7 Vorgelegen hätte, im vorliegenden Fall das Potential DC+.
Aufgrund des nach wie vor vorliegenden transienten Spannungseinbruchs steigt der Betrag des Stroms lu ac dann erneut an, so dass durch Wiederholen der in Fig. 4 dargestellten Schritte durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Strombegrenzung nach dem Prinzip einer Zweipunktregelung bewirkt wird, solange der transiente Spannungseinbruch besteht. Fig. 5 zeigt ein weiteres Beispiel für einen zeitlichen Ablauf bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in dem Fall, dass ein transienter Spannungseinbruch des Netzes vorliegt und der Betrag der Spannung Vci_ ac über dem Spannungsschwellwert V FRT liegt. Im Gegensatz zu Fig. 3 liegt hier eine negative Spannung Vci_ ac vor, deren Betrag über dem
Spannungsschwellwert V FRT liegt. In einem Schritt S10 wird der Wechselrichter in einem regulären Betriebsmodus betrieben, wobei gegenüber Fig. 3 an dem Brückenausgang ein negatives Potential DC- anliegt. Der Strom l L i_ac ist ebenfalls negativ. Der Ablauf des
Verfahrens unterscheidet sich bei Betrachtung der Beträge des Stroms lu_ ac prinzipiell nicht von demjenigen in Fig. 3. Bei Überschreiten des ersten Stromschwellwerts l_FRT_1 durch den Betrag des Stroms l L i_ac zum Zeitpunkt t8 wird der reguläre Betriebsmodus unterbrochen und in einem Schritt S1 1 das Potential N an den Brückenausgang angelegt, wodurch der Betrag des Stroms l L i_ac wieder sinkt. Das Potential N wird so lange an den Brückenausgang angelegt, bis der Betrag des Stroms lu_ ac zu einem Zeitpunkt t9 den zweiten
Stromschwellwert I FRT 2 unterschreitet. Dann wird in einem Schritt S12 der reguläre Betriebsmodus fortgesetzt, und bei erneutem Überschreiten des ersten Stromschwellwerts I FRT 1 durch den Betrag des Stroms lu ac zum Zeitpunkt t10 in einem Schritt S13 wieder das Potential N an den Brückenausgang angelegt. Durch wiederholtes Ausführen dieser Schritte wird so nach dem Prinzip der Zweipunktregelung eine Strombegrenzung bewirkt, solange der transiente Spannungseinbruch besteht.
Das Beispiel für einen zeitlichen Ablauf bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in Fig. 6 betrifft wieder den Fall, dass ein transienter Spannungseinbruch des Netzes vorliegt und der Betrag der Spannung Vci_ ac unter oder auf dem Spannungsschwellwert V FRT liegt. Im Gegensatz zu dem Beispiel aus Fig. 4 wird hier in einem Schritt S14 der Wechselrichter in einem regulären Betriebsmodus mit einem gegenüber Fig. 4 negativen Potential DC- an dem Brückenausgang betrieben. Weiterhin ist der Strom lu_ ac hier negativ. Bei Betrachtung der Beträge des Stroms lu ac unterscheidet sich der Ablauf des Verfahrens prinzipiell nicht von demjenigen in Fig. 4. Zu einem Zeitpunkt t1 1 überschreitet der Betrag des Stroms l Li-ac den ersten Stromschwellwert l_FRT_1. Daraufhin wird der reguläre Betriebsmodus unterbrochen wobei zunächst in einem Schritt S15 das Potential N an den Brückenausgang angelegt wird und dann zu einem Zeitpunkt t12 in einem Schritt S16 das Potential DC+ so lange an den Brückenausgang angelegt wird, bis der Betrag des Stroms lu ac zu einem Zeitpunkt t13 den zweiten Stromschwellwert I FRT 2 unterschreitet. In einem Schritt S17 wird zunächst wieder das Potential N an den Brückenausgang angelegt und zu einem Zeitpunkt t14 in einem Schritt S18 der reguläre Betriebsmodus fortgesetzt. Durch Wiederholen der in Fig. 6 dargestellten Schritte durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine Strombegrenzung nach dem Prinzip einer Zweipunktregelung bewirkt, solange der transiente
Spannungseinbruch besteht. In Fig. 7 ist ein Beispiel für einen zeitlichen Ablauf bei einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, das wieder den Fall betrifft, dass ein transienter Spannungseinbruch des Netzes vorliegt und der Betrag der Spannung Vci_ ac unter oder auf dem Spannungsschwellwert V FRT liegt. Der Ablauf mit den Schritten S19, S20 und S21 zu den Zeitpunkten t15 und t16 ist der gleiche wie der Ablauf mit den Schritten S5, S6 und S7 zu den Zeitpunkten t4 und t5 bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel. Beim Unterschreiten des zweiten Stromschwellwerts I FRT 2 durch den Betrag des Stroms lu ac zu einem Zeitpunkt t17 wird dann in einem Schritt S22 das Potential N an den
Brückenausgang angelegt, und zwar so lange, bis der Betrag des Stroms l L i_ac zu einem Zeitpunkt t18 den ersten Stromschwellwert I FRT 1 erneut überschreitet. In einem nächsten Schritt S23 wird dann analog zu Schritt S21 das Potential DC- an den Brückenausgang angelegt, woraufhin der Betrag des Stroms l L i_ac wieder sinkt.
Durch wiederholtes wechselweises Anlegen der Potentiale DC- und N, so lange bis jeweils der Stromschwellwert I FRT 2 unterschritten bzw. der erste Stromschwellwert I FRT 1 überschritten wird, wird bei dieser Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens eine Strombegrenzung nach dem Prinzip einer Zweipunktregelung bewirkt. Erst wenn der Betrag der Spannung Vci_ ac wieder über dem Spannungsschwellwert V FRT liegt, wird der reguläre Betriebsmodus fortgesetzt und dann entweder beispielsweise der Strom weiter nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wie in dem Beispiel in Fig. 4 dargestellt begrenzt, falls nach wie vor ein transienter Spannungseinbruch besteht, oder die Strombegrenzung beendet.
Das Ausführungsbeispiel in Fig. 7 behandelt den Fall, dass vor dem ersten Überschreiten des ersten Stromschwellwerts l_FRT_1 das Potential DC+ am Brückenausgang anliegt und ein positiver Strom l L i_ac vorliegt. Im Fall, dass vor dem ersten Überschreiten des ersten Stromschwellwerts I FRT 1 das Potential DC- am Brückenausgang anliegt und ein negativer Strom l L i_ac vorliegt, ergibt sich bei Betrachtung der Beträge des Stroms lu ac ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit prinzipiell gleichem Ablauf.
In Fig. 8 ist eine Ausführungsform einer Brückenschaltung 31 eines erfindungsgemäßen Wechselrichters als diodengeklemmte NPC-Brückenschaltung dargestellt. Bei dieser Brückenschaltung 31 ist der erste Gleichspannungseingang 3 über eine Reihenschaltung eines ersten Leistungshalbleiterschalters T1 , eines zweiten Leistungshalbleiterschalters T2, eines dritten Leistungshalbleiterschalters T3 und eines vierten Leistungshalbleiterschalters T4 mit dem zweiten Gleichspannungseingang 4 der Brückenschaltung 31 verbunden. Zu jedem der Leistungshalbleiterschalter T 1 bis T4 ist jeweils eine antiparallele Diode D1 bis D4 angeordnet, die jeweils einen Stromfluss entgegen der Stromflussrichtung ermöglicht, die bei dem jeweiligen Leistungshalbleiterschalter T1 bis T4 im eingeschalteten Zustand möglich ist.
Der Neutralanschluss 5 ist über eine fünfte Diode D5 mit einem Verknüpfungspunkt zwischen dem ersten Leistungshalbleiterschalter T1 und dem zweiten
Leistungshalbleiterschalter T2 verbunden. Ein Verknüpfungspunkt zwischen dem dritten Leistungshalbleiterschalter T3 und dem vierten Leistungshalbleiterschalters T4 ist über eine Diode D6 mit dem Neutralanschluss 5 verbunden. Ein Verknüpfungspunkt zwischen dem zweiten Leistungshalbleiterschalter T2 und dem dritten Leistungshalbleiterschalter T3 bildet den Brückenausgang 6.
Die Leistungshalbleiterschalter T 1 bis T4 können über Ansteuersignale G1 bis G4 zur Überführung in einen eingeschalteten oder ausgeschalteten Zustand angesteuert werden. Durch eine geeignete Ansteuerung kann dann selektiv das an dem ersten
Gleichspannungseingang 3 vorliegende elektrische Potential DC+ oder das an dem zweiten Gleichspannungseingang 4 vorliegende elektrische Potential DC- oder das an dem
Neutralanschluss 5 vorliegende elektrische Potential N an den Brückenausgang 6 angelegt werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Brückenschaltung 31 in Fig. 8 sind beispielsweise die Leistungshalbleiterschalter T1 und T4 als Feldeffekttransistoren, beispielsweise als SiC- MOSFETs, und die Leistungshalbleiterschalter T2 und T3 als Bipolartransistoren, beispielsweise als IGBTs in Si-Technologie, ausgeführt. Andere Kombinationen von
Leistungshalbleitertechnologien sind ebenfalls möglich.
Die Fig.9 zeigt eine Ausführungsform einer Brückenschaltung 31 eines erfindungsgemäßen Wechselrichters als BSNPC-Brückenschaltung. Hierbei ist der erste
Gleichspannungseingang 3 über eine Reihenschaltung eines ersten
Leistungshalbleiterschalters T1 und eines vierten Leistungshalbleiterschalters T4 mit dem zweiten Gleichspannungseingang 4 der Brückenschaltung 1 verbunden, wobei ein
Verknüpfungspunkt zwischen dem ersten Leistungshalbleiterschalter T1 und dem vierten Leistungshalbleiterschalter T4 den Brückenausgang 6 bildet. Zu jedem der
Leistungshalbleiterschalter T1 und T4 ist jeweils eine antiparallele Diode D1 oder D4 angeordnet, die jeweils einen Stromfluss entgegen der Stromflussrichtung ermöglicht, die bei dem jeweiligen Leistungshalbleiterschalter T1 bzw. T4 im eingeschalteten Zustand möglich ist. Zwischen dem Verknüpfungspunkt zwischen dem ersten Leistungshalbleiterschalter T1 und dem vierten Leistungshalbleiterschalter T4 und dem Neutralanschluss 5 ist eine
Reihenschaltung zweier Leistungshalbleiterschalter T2 und T3 mit entgegengesetzter Stromflussrichtung und jeweils einer zu den Leistungshalbleiterschaltern antiparallel geschalteten Diode D2 bzw. D3 angeordnet. Die Anordnung aus den
Leistungshalbleiterschaltern T2 und T3 in Verbildung mit den Dioden D2 und D3 bildet einen bidirektionalen Schalter.
Die Leistungshalbleiterschalter T 1 bis T4 können über Ansteuersignale G1 bis G4 zur Überführung in einen eingeschalteten oder ausgeschalteten Zustand angesteuert werden. Durch eine geeignete Ansteuerung kann dann selektiv das an dem ersten
Gleichspannungseingang 3 vorliegende elektrische Potential DC+ oder das an dem zweiten Gleichspannungseingang 4 vorliegende elektrische Potential DC- oder das an dem
Neutralanschluss 5 vorliegende elektrische Potential N an den Brückenausgang 6 angelegt werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Brückenschaltung 31 in Fig. 9 sind beispielsweise alle Leistungshalbleiterschalter als Bipolartransistoren, beispielsweise als IGBTs in Si- Technologie, ausgeführt. Andere Leistungshalbleitertechnologien bzw. Kombinationen unterschiedlicher Leistungshalbleitertechnologien sind ebenfalls möglich.
In Fig. 10 ist noch eine weitere Ausführungsform einer Brückenschaltung 31 eines erfindungsgemäßen Wechselrichters als ANPC-Brückenschaltung gezeigt. Gegenüber der NPC-Brückenschaltung aus Fig. 8 sind hier zusätzliche ein fünfter und ein sechster Leistungshalbleiterschalter T5 und T6 jeweils antiparallel zu der fünften und sechsten Diode D5 und D6 geschaltet.
Die Leistungshalbleiterschalter T 1 bis T6 können über Ansteuersignale G1 bis G6 zur Überführung in einen eingeschalteten oder ausgeschalteten Zustand angesteuert werden. Durch eine geeignete Ansteuerung kann dann selektiv das an dem ersten
Gleichspannungseingang 3 vorliegende elektrische Potential DC+ oder das an dem zweiten Gleichspannungseingang 4 vorliegende elektrische Potential DC- oder das an dem
Neutralanschluss 5 vorliegende elektrische Potential N an den Brückenausgang 6 angelegt werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Brückenschaltung 31 in Fig. 10 sind beispielsweise die Leistungshalbleiterschalter T2 und T3 als Feldeffekttransistoren, beispielsweise als SiC- MOSFETs, und die Leistungshalbleiterschalter T1 , T4, T5 und T6 als Bipolartransistoren, beispielsweise als IGBTs in Si-Technologie, ausgeführt. Andere Kombinationen von Leistungshalbleitertechnologien sind ebenfalls möglich.
Die Erfindung ist nicht auf die explizit gezeigten Ausführungsformen beschränkt, sondern kann in vielfacher Art und Weise abgewandelt, insbesondere mit anderen gezeigten oder dem Fachmann bekannten Ausführungsformen kombiniert werden.
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Bezugszeichenliste
1 Wechselrichter
2 Brückenschaltung
3 Gleichspannungseingang
4 Gleichspannungseingang
5 Neutral anschluss
6 Brückenausgang
7 Brückenausgang
8 Brückenausgang
9 Gleichspannungszwischenkreis
10 Mittelpunkt
1 1 Gleichspannungsanschluss 12 Gleichspannungsanschluss
13 Drossel
14 Drossel
15 Drossel
16 Netzfilter
17 Wechselstromausgang
18 Wechselstromausgang
19 Wechselstromausgang
20 Phasenleiter
21 Phasenleiter
22 Phasenleiter
23 Netz
24 Stern punkt
25 Kondensator
26 Kondensator
27 Kondensator
28 Neutralpunkt
29 Steuereinrichtung
30 Phasenzweig
31 Brückenschaltung
DC+ Potential
DC- Potential
N Potential Vci_ac Spannung l|_1 ac Strom
V FRT Spannungsschwellwert I FRT 1 Stromschwellwert
I FRT 2 Stromschwellwert
I HW absolute Stromgrenze
S1 , S2, .... S23 Schritt
t1 , t2, t18 Zeitpunkt
T1 Leistungshalbleiterschalter
T2 Leistungshalbleiterschalter
T3 Leistungshalbleiterschalter
T4 Leistungshalbleiterschalter
T5 Leistungshalbleiterschalter
T6 Leistungshalbleiterschalter
D1 Diode
D2 Diode
D3 Diode
D4 Diode
D5 Diode
D6 Diode
G1 Ansteuersignal
G2 Ansteuersignal
G3 Ansteuersignal
G4 Ansteuersignal
G5 Ansteuersignal
G6 Ansteuersignal
Next Patent: TRANSMISSION OF A VALUE BY MEANS OF A PULSE-WIDTH-MODULATED SIGNAL