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WO2020099116A1 - Wechselrichter - Google Patents

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WO2020099116A1
WO2020099116A1 PCT/EP2019/079467 EP2019079467W WO2020099116A1 WO 2020099116 A1 WO2020099116 A1 WO 2020099116A1 EP 2019079467 W EP2019079467 W EP 2019079467W WO 2020099116 A1 WO2020099116 A1 WO 2020099116A1
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WO
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inverter
relay
temperature
control unit
interior temperature
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PCT/EP2019/079467
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English (en)
French (fr)
Inventor
Harald Drangmeister
Christoph Kipphan
Sven Meißinger
Jochen Rothweiler
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Kaco New Energy GmbH
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Kaco New Energy GmbH
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    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H02M1/327—Means for protecting converters other than automatic disconnection against abnormal temperatures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K1/00—Details of thermometers not specially adapted for particular types of thermometer
    • G01K1/14—Supports; Fastening devices; Arrangements for mounting thermometers in particular locations
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Definitions

  • the invention relates to an inverter.
  • the object of the invention is to provide an inverter which enables the inverter to be reliably connected or disconnected from an AC or three-phase network
  • the invention solves this problem by an inverter according to claim 1.
  • the inverter conventionally has at least one (phase) relay, which is arranged in an interior of the inverter formed by a housing.
  • the (phase) relay is intended to connect the inverter to an associated network phase of a three-phase network or to separate the inverter from this network phase.
  • the inverter also has a temperature sensor, for example in the form of a PTC or NTC resistance component.
  • the temperature sensor is intended to measure an interior temperature of the inverter, for example by taking a resistance value that is characteristic of the interior temperature.
  • the inverter also has a control unit, for example in the form of a signal processor, which is intended to control the relay for connecting the inverter to the grid phase or separating the inverter from the grid phase.
  • a control unit for example in the form of a signal processor, which is intended to control the relay for connecting the inverter to the grid phase or separating the inverter from the grid phase.
  • the control unit uses the temperature sensor to determine the interior temperature, for example by evaluating the resistance value of the temperature sensor, and calculates a switching time for the relay as a function of the interior temperature. Depending on the determined interior temperature, the control unit can also control or regulate further functions of the inverter, for example if the interior temperature is too high, reduce a power fed into the three-phase network by means of the inverter, etc.
  • the control unit is designed to calculate the switching time for the relay as a function of the interior temperature in that the Control unit first determines a theoretical switching time.
  • the theoretical switching time is the point in time at which the relay contact would close / open or the relay contact would open if the relay was switched without an ideal delay, for example because the inverter should be connected to the three-phase network at the theoretical switching time or to be separated from the three-phase network.
  • the control unit now determines a temperature-dependent retention time depending on the interior temperature.
  • the control unit determines the actual switching time based on the theoretical switching time early by the lead time, ie controls the relay early by the lead time.
  • the inverter has a non-volatile memory, at least one allocation table being stored in the non-volatile memory, which in each case assigns an associated, temperature-dependent retention time to a plurality of different temperatures.
  • the table covers a temperature range between -40 degrees Celsius and +85 Celsius, for example in steps of 5 K.
  • a number k of assignment tables for k different types of relays are stored in the memory, a respective assignment table assigning the number k of assignment tables to a number n of different temperatures depending on the relay type depending on temperature.
  • the inverter has three relays of the same type, which are controlled in the manner described above with a temperature-dependent lead time.
  • the (phase) relays of the inverter are switched with a temperature-dependent lead time.
  • the actual switching process is initiated by giving the switching command prematurely by the temperature-dependent lead time.
  • the invention is based on the knowledge that the typical switching delay is not constant over the temperature.
  • Typical values of the switching delay of the relay can be determined for certain temperatures (support points) over the intended temperature range. From these, the typical switching delay times can also be determined for other intermediate values of the ambient temperature by means of interpolation. The interpolation parameters obtained from this can be checked in the device software. With knowledge of the current device temperature (interior temperature sensor in the device), the required lead time for switching the (phase) relays can be determined for any ambient temperature.
  • Fig. 1 highly schematically a PV system with an inverter according to the invention
  • Fig. 2 shows a number of stored in a memory of the inverter
  • FIG. 1 shows, highly schematically, a PV system with a number of conventional PV modules 7 and an inverter 1 according to the invention coupled to them.
  • the inverter 1 is conventionally intended to feed electrical energy converted by the PV modules into a three-phase network 9.
  • a single network phase 4 of the three-phase network 9 is shown as an example
  • the inverter 1 has a plurality of (phase) relays 3 arranged in an interior 2 of the inverter 1, only one relay 3 being shown for reasons of simplicity.
  • the relay (s) 3 are used to connect the inverter 1 to an associated grid phase 4 or to separate the inverter 1 from this grid phase 4. Also for the sake of simplicity of illustration, only a single network phase 4 is shown. It is understood that in a conventional three-phase network 9 there are three network phases and associated phase relays.
  • the inverter 1 has a temperature sensor 5, which is designed to measure an interior temperature of the inverter 1.
  • the inverter 1 also has a control unit 6, for example in the form of a digital signal processor, which is designed for the relay or relays 3 to control, to determine the interior temperature by means of the temperature sensor 5 and to calculate a switching time for the relay (s) 3 as a function of the interior temperature.
  • a control unit 6 for example in the form of a digital signal processor, which is designed for the relay or relays 3 to control, to determine the interior temperature by means of the temperature sensor 5 and to calculate a switching time for the relay (s) 3 as a function of the interior temperature.
  • the control unit 6 is designed to calculate the switching time for the relay (s) 3 as a function of the interior temperature in that the control unit 6 first determines a theoretical switching tent point, then determines a holding tent TV as a function of the interior temperature, see FIG. 2, and finally sets the actual switching time based on the theoretical switching time by the lead time TV prematurely and triggers accordingly.
  • the inverter 1 has a memory 8, wherein, with reference to FIG. 2, a number k of assignment tables TB1 to TBk are stored in the memory 8, each corresponding to a number n of different temperatures T1 to Tn for k different types of relays 3 Assign retention time TV1 to TVn.
  • Tables TB1 to TBk each cover a temperature range between -40 degrees Celsius and +85 Celsius in 5 K steps.
  • a first table entry can assign a storage tent TV1 of 25 ms to a temperature T1 of -40 degrees Celsius.
  • the next entry then assigns a lead time TV1 of 23 ms to a temperature T2 of -35 degrees Celsius, etc. This assignment takes place for each type I of relays in the relay type-specific assignment table TBi.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

1, Wechselrichter (1), aufweisend: mindestens ein in einem Innenraum (2) des Wechselrichters (1) angeordnetes Relais (3), das dazu ausgebildet ist, den Wechselrichter (1) mit einer Netzphase (4) zu verbinden oder den Wechselrichter (1) von der Netzphase (4) zu trennen, einen Temperatursensor (5), der dazu ausgebildet ist, eine Innenraumtemperatur des Wechselrichters (1) zu messen, und eine Steuereinheit (6), die dazu ausgebildet ist, das Relais (3) anzusteuern, mittels des Temperatursensors (5) die Innenraumtemperatur zu bestimmen, und einen Schaltzeitpunkt für das Relais (3) in Abhängigkeit von der Innenraumtemperatur zu berechnen.

Description

Wechselrichter
Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wechselrichter zur Verfügung zu stellen, der ein zuverlässiges Verbinden bzw. Trennen des Wechselrichters mit einem Wechselspannungsnetz bzw. Drehstromnetz ermöglicht
Der Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Wechselrichter nach Anspruch 1.
Der Wechselrichter weist herkömmlich mindestens ein (Phasen-) Relais auf, das In einem durch ein Gehäuse gebildeten Innenraum des Wechselrichters angeordnet ist. Das (Phasen-) Relais ist dazu vorgesehen, den Wechselrichter mit einer zugehörigen Netzphase eines Drehstromnetzes zu verbinden oder den Wechselrichter von dieser Netzphase zu trennen. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Der Wechselrichter weist weiter einen Temperatursensor auf, beispielsweise in Form eines PTC- oder NTC-Widerstandsbauelements. Der Temperatursensor ist dazu vorgesehen, eine Innenraumtemperatur des Wechselrichters zu messen, beispielsweise indem er einen Widerstandswert einnimmt, der charakteristisch für die Innenraumtemperatur ist.
Der Wechselrichter weist weiter eine Steuereinheit auf, beispielsweise in Form eines Signalprozessors, die bzw. der dazu vorgesehen ist, das Relais zum Verbinden des Wechselrichters mit der Netzphase bzw. Trennen des Wechselrichters von der Netzphase anzusteuem.
Die Steuereinheit bestimmt mittels des Temperatursensors die Innenraumtemperatur, beispielsweise durch Auswerten des Widerstandswerts des Temperatursensors, und berechnet einen Schaltzeitpunkt für das Relais In Abhängigkeit von der Innenraumtemperatur. Die Steuereinheit kann abhängig von der bestimmten Innenraumtemperatur auch noch weitere Funktionen des Wechselrichters steuern bzw. regeln, beispielsweise bei einer zu hohen Innenraumtemperatur eine mittels des Wechselrichters in das Drehstromnetz eingespeiste Leistung reduzieren, usw.
Gemäß einer Ausführungsförm ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, den Schaltzeitpunkt für das Relais in Abhängigkeit von der Innenraumtemperatur dadurch zu berechnen, dass die Steuereinheit zunächst einen theoretischen Schaltzeitpunkt ermittelt. Der theoretische Schaltzeitpunkt ist derjenige Zeitpunkt, an dem bei einem ideal veizögerungsfreien Schalten des Relais ein Schließen des Relais-Kontakts bzw. ein Offnen des Relais-Kontakts erfolgen würde/sollte, beispielsweise weil der Wechselrichter an dem theoretischen Schaltzeitpunkt mit dem Drehstromnetz verbunden werden soll oder von dem Drehstromnetz getrennt werden soll. Die Steuereinheit bestimmt nun in Abhängigkeit von der Innenraumtemperatur eine temperaturabhängige Vorhaltezeit. Die Steuereinheit bestimmt dann den tatsächlichen Schaltzeitpunkt bezogen auf den theoretischen Schaltzeitpunkt um die Vorhaltezeit verfrüht, d.h. steuert das Relais um die Vorhaltezeit verfrüht an.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Wechselrichter einen nicht-flüchtigen Speicher auf, wobei in dem nicht-flüchtigen Speicher mindestens eine Zuordnungstabelle gespeichert ist, die einer Mehrzahl von unterschiedlichen Temperaturen jeweils eine zugehörige, temperaturabhängige Vorhaltezeit zuordnet.
Gemäß einer Ausführungsform deckt die Tabelle einen Temperaturbereich zwischen -40 Grad Celsius und +85 Celsius ab, beispielsweise in Schritten von 5 K.
Gemäß einer Ausführungsform sind in dem Speicher eine Anzahl k von Zuordnungstabellen für k verschiedene Typen von Relais gespeichert, wobei eine jeweilige Zuordnungstabelle der Anzahl k von Zuordnungstabellen relaistypspezifisch einer Anzahl n von unterschiedlichen Temperaturen temperaturabhängige Vorhaltezeiten zuordnet. Es gilt k - 2, 3, 4. und n = 2,
3, 4,
Gemäß einer Ausführungsform weist der Wechselrichter drei typgleiche Relais auf, die in der oben beschriebenen Art und Weise mit einer temperaturabhängigen Vorhaltezeit angesteuert werden.
Die (Phasen-) Relais des Wechselrichters werden erfindungsgemäß mit einer temperaturabhängigen Vorhaltzeit geschaltet Ausgehend vom theoretisch in Software vorausberechneten und gewünschten Schaltzeitpunkt wird der eigentliche Schaltvorgang durch ein um die temperaturabhängige Vorhaltzeit verfrühtes Geben des Schaltbefehls eingeleitet. Die typische Vorhaltzeit bestimmt sich maßgeblich durch die mechanische Trägheit der Schaltkontakte der Relais (=Schaltverzögerung).
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die typische Schaltverzögerung nicht konstant über der Temperatur ist. Durch Vermessung des Schaltverhaltens des eingesetzten Relaistyps über dem beabsichtigten Temperaturbereich können für bestimmte Temperaturen (Stützstellen) jeweils typische Werte der Schaltverzögerung des Relais bestimmt werden. Aus diesen lassen sich mittels Interpolation auch für weitere Zwischenwerte der Umgebungstemperatur die typischen Schaltverzögerungszeiten bestimmen. Die hieraus gewonnenen Interpolationsparameter lassen sich in der Gerätesoftware abiegen. Hiermit kann bei Kenntnis der aktuellen Gerätetemperatur (Innenraumtemperatursensor im Gerät vorhanden) die nötige Vorhaltzeit zur Schalten der (Phasen-) Relais für eine beliebige Umgebungstemperatur bestimmt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigt:
Fig. 1 hoch schematisch ein PV-System mit einem erfindungsgemäßen Wechselrichter und
Fig. 2 eine Anzahl von in einem Speicher des Wechselrichters gespeicherte
Zuordnungstabellen, die einer Temperatur eine Vorhaltezeit zuordnen.
Fig. 1 zeigt hoch schematisch ein PV-System mit einer Anzahl von herkömmlichen PV-Modulen 7 und einem mit diesen gekoppelten erfindungsgemäßen Wechselrichter 1. Der Wechselrichter 1 ist herkömmlich dazu vorgesehen, von den PV-Modulen gewandelte elektrische Energie in ein Drehstromnetz 9 einzuspeisen. Von dem Drehstromnetz 9 ist exemplarisch eine einzelne Netzphase 4 gezeigt
Der Wechselrichter 1 weist mehrere in einem Innenraum 2 des Wechselrichters 1 angeordnete (Phasen-) Relais 3 auf, wobei aus Gründen der einfacheren Darstellung lediglich ein einzelnes Relais 3 dargestellt ist. Das bzw. die Relais 3 dienen dazu, den Wechselrichter 1 mit einer zugehörigen Netzphase 4 zu verbinden oder den Wechselrichter 1 von dieser Netzphase 4 zu trennen. Ebenfalls aus Gründen der einfacheren Darstellung ist lediglich eine einzelne Netzphase 4 dargestellt. Es versteht sich, dass bei einem herkömmlichen Drehstromnetz 9 drei Netzphasen und zugehörige Phasenrelais vorhanden sind.
Der Wechselrichter 1 weist einen Temperatursensor 5 auf, der dazu ausgebildet ist, eine Innenraumtemperatur des Wechselrichters 1 zu messen.
Der Wechselrichter 1 weist weiter eine Steuereinheit 6 auf, beispielsweise in Form eines digitalen Signalprozessors, die bzw. der dazu ausgebildet ist, das bzw. die Relais 3 anzusteuem, mittels des Temperatursensors 5 die Innenraumtemperatur zu bestimmen, und einen Schaltzeitpunkt für das bzw. die Relais 3 in Abhängigkeit von der Innenraumtemperatur zu berechnen.
Die Steuereinheit 6 ist dazu ausgebildet, den Schaltzeitpunkt für das oder die Relais 3 in Abhängigkeit von der Innenraumtemperatur dadurch zu berechnen, dass die Steuereinheit 6 zunächst einen theoretischen Schaltzeltpunkt ermittelt, dann in Abhängigkeit von der Innenraumtemperatur eine Vorhaltezelt TV bestimmt, siehe Fig. 2, und schließlich den tatsächlichen Schaltzeitpunkt bezogen auf den theoretischen Schaltzeitpunkt um die Vorhaltezeit TV verfrüht festlegt und entsprechend triggert.
Der Wechselrichter 1 weist einen Speicher 8 auf, wobei bezugnehmend auf Fig. 2 in dem Speicher 8 eine Anzahl k von Zuordnungstabellen TB1 bis TBk gespeichert sind, die für k verschiedene Typen von Relais 3 jeweils einer Anzahl n von verschiedenen Temperaturen T1 bis Tn eine entsprechende Vorhaltezeit TV1 bis TVn zuordnen.
Die Tabellen TB1 bis TBk decken jeweils einen Temperaturbereich zwischen -40 Grad Celsius und +85 Celsius in 5 K Schritten ab.
In der Tabelle TB1 kann beispielsweise ein erster Tabelleneintrag einer Temperatur T1 von -40 Grad Celsius eine Vorhaltezelt TV1 von 25 ms zuordnen. Der nächste Eintrag ordnet dann einer Temperatur T2 von -35 Grad Celsius eine Vorhaltezeit TV1 von 23 ms zu, usw. Diese Zuordnung erfolgt für jeden Typ I von Relais in der relaistypspezifischen Zuordnungstabelle TBi.

Claims

Patentansprüche
1. Wechselrichter (1), aufweisend:
mindestens ein in einem Innenraum (2) des Wechselrichters (1) angeordnetes Relais (3), das dazu ausgebildet Ist, den Wechselrichter (1) mit einer Netzphase (4) zu verbinden oder den Wechselrichter (1) von der Netzphase (4) zu trennen,
einen Temperatursensor (5), der dazu ausgebildet ist eine Innenraumtemperatur des Wechselrichters (1) zu messen, und
eine Steuereinheit (6), die dazu ausgebildet ist,
das Relais (3) anzusteuem,
mittels des Temperatursensors (5) die Innenraumtemperatur zu bestimmen, und einen Schaltzeitpunkt für das Relais (3) in Abhängigkeit von der Innenraumtemperatur zu berechnen.
2. Wechselrichter (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinheit (6) dazu ausgebildet Ist, den Schaltzeitpunkt für das Relais (3) In
Abhängigkeit von der Innenraumtemperatur dadurch zu berechnen,
dass die Steuereinheit (6) einen theoretischen Schaltzeltpunkt ermittelt, dass die Steuereinheit (6) In Abhängigkeit von der Innenraumtemperatur eine
Vorhaltezeit (TV) bestimmt, und
dass die Steuereinheit (6) den Schaltzeltpunkt bezogen auf den theoretischen Schaltzeitpunkt um die Vorhaltezeit (TV) verfrüht bestimmt
3. Wechselrichter (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
der Wechselrichter (1) einen Speicher (8) aufweist, wobei in dem Speicher (8) mindestens eine Zuordnungstabelle (TB1 bis TBk) gespeichert Ist die einer Anzahl n von Temperaturen (T1 bis Tn) Vorhaltezeiten (TV1 bis TVn) zuordnet.
4. Wechselrichter (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die mindestens eine Tabelle (TB1 bis TBk) einen Temperaturbereich zwischen -40 Grad Celsius und +85 Celsius abdeckt.
5. Wechselrichter (1 ) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass
in dem Speicher (8) eine Anzahl k von Zuordnungstabellen (TB1 bis TBk) für k verschiedene Typen von Relais (3) gespeichert sind, wobei eine jeweilige Zuordnungstabelle der Anzahl k von Zuordnungstabellen (TB1 bis TBk) relaistypspezifisch einer Anzahl n von Temperaturen (T1 bis Tn) Vorhaltezeiten (TV1 bis TVn) zuordnet.
6. Wechselrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Wechselrichter drei Relais (3) aufweist
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