運行逆變器的方法和逆變器的製作方法
2023-11-10 04:39:17
專利名稱：運行逆變器的方法和逆變器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於運行逆變器的方法和一種對此適合的逆變器。這樣的逆變器 用於將當前的直流電壓轉換成交流電壓，例如用於將該電壓輸入交流電網中。尤其是在光 電領域中應用時要求儘可能高的效率。
背景技術：
DE 102006010694A1說明的是一種根據現有技術的太陽能逆變器。在這裡，將兩個 直流電源或太陽能發電機串聯起來，連接點形成第一電壓水平或者中心電壓。太陽能發電 機的這兩個外部的接線分別形成一個正的或負的電壓水平。從這兩個水平起，藉助於各一 個升壓變流器提高發電機電壓超過最大的正的或負的電網電壓，如果發電機電壓低於最大 電網電壓的話。也就是說電路利用五種不同的、固定的電壓水平進行工作。電網相位則通 過降壓變流器由分別按照數值來說更高一級的電壓水平供給，其中空程運行通過按照數值 來說更低一級的電壓水平來進行。除了相對較高的電路消耗之外不利之處在於，在這裡升 壓變流器或降壓變流器產生不必要的開關損耗，這是因為在確定的運行狀態下使發電機電 壓提高到一個值，從這個值起藉助於降壓變流器必須產生真正所需要的電壓水平。此外為 了運行該逆變器需要兩個太陽能發電機，它們必須提供儘可能相等的功率。這一點並非隨 時都得以確保，例如當在一個模塊上有遮蔽時。
在DE 102007026393B4中描述了一種太陽能逆變器，其中一個升壓變流器雖然使 發電機電壓總是在一個更高的水平上，但功率在一種擴展的運行模式中從這個水平僅僅被 調用，如果發電機電壓如此地低，以至於存儲電抗器不能再如所希望的那樣磁化的話。此 外，升壓變流器利用固定的電壓水平進行工作，從該電壓水平起降壓變流器又必須產生當 前所需要的電壓水平。發明內容
因此本發明的目的是提出一種用於運行逆變器的方法，該方法可以實現更好的 效率；以及提出一種逆變器，利用該逆變器可以實施此方法。
該目的通過一種用於運行逆變器的方法和一種逆變器來實現，該逆變器具有升壓 變流器電路、中間電路和降壓變流器電路，用於將太陽能發電機的直流電壓轉換成交流電 壓以便輸入電網中。如果直流電壓小於電網電壓的當前的值的話，則升壓變流器電路提高 直流電壓。降壓變流器電路將中間電路電壓在需要時降低到在電網中正好需要的更低的電 壓。此外，升壓變流器電路動態地將直流電壓提高到當前在電網中所需要的值，並且因此暫 時提供用於中間電路電壓的近似正弦形的電壓變化曲線。如果在下面因此涉及到動態的中 間電路或者動態的中間電路電壓，則從而就是指中間電路電壓至少暫時匹配於在電網中正 好需要的電壓，與常規的中間電路的界線在類似的應用中，其中中間電路保持在固定的電 壓上。
這裡所述的逆變器具有一個動態的中間電路，該中間電路由發電機供給直流電壓，如果所需的電網電壓高於發電機電壓的話，則該直流電壓通過兩個連接於動態的中間 電路之前的、對稱的升壓變流器來提高。從動態的中間電路將能量輸出給電網，其中如果動 態的中間電路電壓超過當前需要的值的話，輸出的電壓通過兩個連接於動態的中間電路之 後的、對稱的降壓變流器來降低。
逆變器只需要一個太陽能發電機作為直流電源。直流電壓對稱於平均電壓水平。 如果由太陽能發電機輸出的直流電壓低於當前需要的電網電壓，那麼升壓變流器就提高發 電機電壓，並因此將動態的中間電路電壓正好升高到所需要的電網電壓。由此避免了，即必 須同時運行降壓變流器。這個降壓變流器只是在發電機電壓超過正好所需要的電網電壓時 才工作。
此外利用三個電壓水平來控制電路，饋電優選地通過正的或負的電壓水平進行， 返送則通過位於這中間的、可以接地的平均電壓水平進行。
利用至今說明的方式可以從太陽能發電機給電網的相位饋電。為了給例如三相的 電網饋電，可以應用該電路三次。但這些相位優選地都是由一個唯一的動態的中間電路供 電。那麼適用於對應於一個各自的發電機的兩個升壓變流器，即它們必須使發電機電壓提 高到所有當前所需要的相位電壓中的最高的相位電壓。各個相位則通過單獨的降壓變流器 供電，這些降壓變流器必須將動態的中間電路電壓降低到各自需要的相位電壓。
本發明的其它的優點以及細節由以下根據附圖對於不同的實施形式所作的說明 得出。圖中示出
圖1是用於給電網相位饋電的太陽能逆變器電路；
圖2是在電網相位周期中逆變器的不同工作區域；
圖3是用於多個電源和三個電網相位的太陽能逆變器電路。
具體實施方式
在圖1中示意性地示出了太陽能發電機G。該太陽能發電機提供直流電壓，該直流 電壓主要取決於當前的光照強度，但也取決於其它的參數，如運行溫度或模塊M的壽命。借 助於兩個串聯的並且並聯於發電機G的電容器Cl和C2，提供平均電壓水平，該平均電壓水 平在這裡用OV表示。該水平可接地，但也可以放棄接地。如果在Cl和C2的連接位置上不 接地，那麼在發電機G上就出現更小的電壓波動(Sparmungsrippel)，因此可以更好地將工 作點保持在所謂的最大功率點上，在該最大功率點上太陽能發電機G具有最高的效率，或 者對於相同的MPP效率可以更小地選擇動態的中間電路的電容。
發電機G的正電壓水平+U_ZL通過第一個二極體Dl與動態的中間電路Z相連接。 此外，+U_ZL也通過電感Ll和半導體開關元件Tl與平均的電壓水平相連。只要發電機電 壓足夠用於給動態的中間電路Z至少充電到當前在電網N的需要饋電的相位中所需要的電 壓，那麼Tl就閉鎖，並且發電機電壓通過Dl施加在動態的中間電路上。
然而如果發電機電壓為此太低的話，那就在Tl處開始一種脈動運行。因此電流分 別瞬間地流過Li，該電流在Tl斷開時使Ll上的電壓升高。根據這種已知原理工作的、將直 流電壓轉換成更高的直流電壓的電路被稱為升壓變流器或者iitep-Up-ConverteH升壓變流器)。在Ll和Tl之間將升高的電壓分接通過第二個二極體D2，並輸送給動態的中間電 路Z。因為其在圖中標為+U_ZH的電位現在比+U_ZL高，因此閉鎖Dl並使發電機G與動態 的中間電路Z分開。
在需要時下部的升壓變流器也利用用於負的發電機電壓_U_ZL的電感L2和半導 體開關元件T5，完全類似地構造並且以其作用原理相同地工作。如果下部的升壓變流器不 工作，則二極體D6將發電機G直接與動態的中間電路Z連接，而二極體D7將通過下部的升 壓變流器而升高的負的發電機電壓傳導至動態的中間電路Z上。用於正的和負的發電機電 壓的兩個升壓變流器對稱於平均電壓水平布置，並構成了圖1所示的升壓變流器電路H。對 於該電路接下來還會提及，而對其不再詳細說明。
動態的中間電路Z利用兩個串聯的電容器C3和C4來濾波，它們的共同的接線又 確定了平均電壓水平。這些共同的接線優選地與升壓變流器電路H的平均電壓水平相連 接。這種連接並不是強制必需的並且因此在圖1中通過一個以虛線示出的連接來表示。可 以在這個位置上接地，但由於上面所述的原因在所示的實施例中將其取消了。
現在，跟隨在動態的中間電路Z之後的是降壓變流器電路T，其包含兩個又是本身 已知的降壓變流器，用於使正的或負的動態的中間電路電壓+U_ZH或通過半導體開 關元件T2或T6的脈動的運行在需要時調整到在電網N中正好需要的更低的電壓U_Netz。 該電壓在電網N的正半波中由動態的中間電路Z的正電位+U_ZH得到，而在電網N的負半波 中由動態的中間電路Z的負電位-U_ZH得到。此外，空程運行分別通過相應連接的半導體 開關元件T3和T4進行至動態的中間電路的平均電壓水平，或由該電壓水平進行。為此空 程二極體D3或D4串聯於開關元件T3和T4。在電網電壓的正半波期間T3導通，T4閉鎖。 在負半波期間T3閉鎖、T4導通。
用於正的和負的電網電壓的兩個降壓變流器對稱於平均電壓水平布置，並構成圖 1所示的降壓變流器電路H。
真正輸入電網N的饋電最終通過電網電抗器L3進行。
圖2表示了用於以下情況的太陽能逆變器電路的不同運行狀態，即正的或負的發 電機電壓+U_ZL或-U_ZL按照數值來說小於電網N中的最大的正的或負的電壓。換而言之， 在這裡發電機電壓小於電網電壓的峰對峰最大值。
在以A示出的區域中在電網電壓U_Netz的正半波期間，所需要的饋電電壓位於由 發電機提供的電壓之下。動態的中間電路Z在這段時間中通過Dl由發電機G來充電，正的 中間電路電位+U_ZH也就等於正的發電機電壓+U_ZL。此時降壓變流器電路T的上部的降 壓變流器工作，升壓變流器電路H不運行。
在區域B中在電網電壓U_Netz的正半波期間，所需要的饋電電壓位於由發電機提 供的電壓之上。現在，升壓變流器電路H的上部的升壓變流器運行，並使正的發電機電壓 +U_ZL提高到通過D2施加在動態的中間電路上的值+U_ZH，而Dl使發電機G與動態的中間 電路Z分開。升壓變流器因此正好這樣地運行，即相應於當前所需要的饋電電壓。在 圖2中可看出，在區域B中動態的中間電路電壓+U_ZH正好跟隨電網電壓U_Netz的正弦曲 線。因此不需要使降壓變流器電路T運行，避免了不必要的、由於同時運行升壓變流器電路 H和降壓變流器電路T而引起的開關損耗。
為了控制升壓變流器或降壓變流器，以已知的方式使用調節電路，這些調節電路根據額定電壓和實際電壓激勵適合的、用於不同的半導體開關元件的控制模型。
對於電網電壓的負半波來說以類似於區域C的方式重複逆變器電路的運行，在該 區域中只是降壓變流器電路T的下部的降壓變流器運行，並且以類似於區域D的方式重複 逆變器電路的運行，在該區域中只是升壓變流器電路T的下部的升壓變流器運行，以用於 將負的發電機電壓_U_ZL按照數值來說正好提高到所需要的饋電電壓。又可以通過提供正 弦形的電壓_U_ZH在區域D中避免同時運行降壓變流器電路T。
在圖1中所示的電路適合於將太陽能發電機的或者所謂的列(String)的直流電 壓、也就是包括多個太陽能模塊的串聯電路的直流電壓轉換成用於饋電輸入至電網相位中 的交流電壓。這對於具有很少千瓦功率的更小的設備來說可能完全足夠了。但是對於更 高功率的光電設備來說要求饋電至供電電網的全部三個相位中。附加的是，串聯電路不可 能在一個列中有過多的太陽能模塊，這是因為不允許超過在太陽能模塊中最大的系統電壓 1000V(開路)。工作電壓因此限於大約750V。因此在更高功率的設備中使多個列並聯地 運行。同時值得期望的是，使每個與其它的列分開的列能夠在最大功率點(Maximum Power Point)中運行，也就是說可分開地選擇用於每個列的電流和電壓。
這些要求可利用在圖1中所示的電路通過簡單的擴展來滿足。
根據圖3，對於每個列G(示出了 4個列G，但此數量可以更多或更少)已經提供了 一種根據圖1的升壓變流器電路H。因此可以使每個列G在各自的最大功率點上運行。
所有的升壓變流器電路H給共同的動態的中間電路Z饋電，該電路的結構對應於 圖1所示。可以這樣說，升壓變流器電路相互並聯。
接著動態的中間電路Z之後對於電網N的每個相位U，V，W來說各有一個降壓變流 器電路T，由該電路給各自的電網相位饋電。如果如通常那樣需要給三相電網饋電，那麼就 需要三個這樣的降壓變流器電路T。這些電路又相互並聯。在內部如圖1所示那樣既構造 有升壓變流器電路H又有降壓變流器電路T，因此在圖3中只是還表示出各自的接線和它們 相互之間的連接。
這種將用於給共同的動態的中間電路Z饋電的多個升壓變流器電路H並聯的類型 現在限制了在單獨的升壓變流器電路H運行時的改變。首先，當前提供了最高輸出電壓的 列G是所謂的主列(Masterstring)。這種主列、更準確地說其對應的升壓變流器電路H，如 同圖1所示那樣運行，然而如果這個主列的電壓下降到三個正好需要的饋電電壓中的最高 饋電電壓之下，那麼升壓變流器電路H總是激活的。升壓變流器電路H現在也就必須調整 為所有電網相位的當前最高的電壓。如果列電壓如在圖2中那樣在電網中的峰值電壓下面 的話，那麼顯著更經常地並且也許持續地使用升壓變流器電路H，其中但此外適合的是，即 各自的升壓變流器H跟隨當前最高的電網電壓的正弦波形，從而在這種運行狀態下至少對 於該相位來說不必激活降壓變流器T。為了給其餘的相位饋電但也可能需要升壓變流器H 和降壓變流器T同時運行，然而降低到最需要的值。
適合於其餘的列G和它們的升壓變流器電路H的是以下情況，即它們必須如主列 那樣，隨時給動態的中間電路Z提供相等的電壓。為此使各個升壓變流器H持久地運行。因 此這些升壓變流器或者產生恆定的電壓水平(正好是主列的電壓水平)，或者它們同樣(如 同主列的升壓變流器H那樣)跟隨當前需要的最高的饋電電壓的正弦波形。
在圖1或圖3中所示電路的優點在於，降壓變流器電路的半導體開關元件T2，T3，T4和Τ6也可以這樣進行控制，即通過平均電壓水平進行饋電。例如可以在平均電壓水平的 負的電網電壓中饋電輸入正的電流，則通過實現空程運行。由此可以改變饋電電流 的相位角並進而將無功功率輸出給電網。這是電網運營者的要求，他們由於饋電輸入的太 陽能或風能的越來越大的數值而可以更靈活地對各自在無功功率方面的需求作出反應。
權利要求
1.一種用於運行逆變器的方法，所述逆變器具有升壓變流器電路(H)、中間電路(Z)和 降壓變流器電路(T)，用於將太陽能發電機(G)的直流電壓(+U_ZL，-U_ZL)轉換成交流電 壓(U_Netz)以便輸入電網(N)中，其中如果所述直流電壓小於電網電壓(U_Netz)的峰對 峰最大值的話，則所述升壓變流器電路(H)提高所述直流電壓(+U_ZL，-U_ZL)，並且所述降 壓變流器電路⑴將中間電路電壓(+U_ZH，-U_ZH)在需要時降低到在所述電網(N)中正好 需要的更低的電壓(U_Netz)，其特徵在於，所述升壓變流器電路(H)動態地將所述直流電 壓(+U_ZL，-U_ZL)提高到當前在所述電網(N)中所需要的值，並且因此暫時提供用於所述 中間電路電壓(+U_ZH, -U_ZH)的近似正弦形的電壓變化曲線。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，如果正的或負的電壓水平(+U_ZL，-U_ ZL)相對於平均電壓水平(OV)按照數值來說小於當前在所述電網(N)中所需要的電壓(U_ Netz)，所述升壓變流器電路(H)將所述太陽能發電機(G)的所述正的或負的電壓水平(+U_ ZL, -U_ZL)相對於所述平均電壓水平(OV)按照數值來說提高到當前在所述電網(N)中所 需要的值(U_Netz)並因此將動態的所述中間電路電壓(+U_ZH，-U_ZH)提高到所述值。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，由動態的所述中間電路(Z)給多個、 尤其是三個電網相位(U，V，W)饋電，其中對於每個相位(U，V，W)來說，由動態的所述中間 電路(Z)給自身的所述降壓變流器電路⑴饋電。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，如果所述直流電壓(+U_ZL，-U_ZL)低於 最高饋電電壓，所述升壓變流器(H)動態地調節至在所述電網相位(U，V，W)中當前需要的 饋電電壓中的所述最高饋電電壓。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的方法，其特徵在於，多個太陽能發電機(G)通過 一個分別對應的所述升壓變流器電路(H)給動態的所述中間電路(Z)饋電。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，提供當前最高直流電壓的所述太陽能發 電機(G)是主列；而 且對應於其餘的所述太陽能發電機(G)的所述升壓變流器電路(H)提 供了這樣一個電壓，所述電壓等於由所述主列、或者所述主列的對應的所述升壓變流器(H) 在動態的所述中間電路(Z)上所輸出的電壓。
7.一種逆變器，具有升壓變流器電路(H)、中間電路(Z)和降壓變流器電路(T)，所述 逆變器用於將太陽能發電機(G)的直流電壓(+U_ZL，-U_ZL)轉換成交流電壓(U_Netz)以 便輸入電網(N)中，其中如果所述直流電壓小於電網電壓(U_Netz)的峰對峰最大值的話， 則所述升壓變流器電路(H)提高所述直流電壓(+U_ZL，_U_ZL)，並且所述降壓變流器電路 ⑴將中間電路電壓(+U_ZH，-U_ZH)在需要時降低到在所述電網(N)中正好需要的更低的 電壓(U_Netz)，其特徵在於，所述升壓變流器電路(H)將所述直流電壓(+U_ZL，-U_ZL)動態 地提高到當前在所述電網(N)中需要的值，並且因此暫時提供用於所述中間電路電壓(+U_ ZH, -U_ZH)的近似正弦形的電壓變化曲線。
8.根據權利要求7所述的逆變器，其特徵在於，分別對應一個升壓變流器電路(H)的多 個太陽能發電機(G)給動態的所述中間電路(Z)饋電。
9.根據權利要求7或8所述的逆變器，其特徵在於，由動態的所述中間電路(Z)通過分 別對應於電網相位(u，v，w)的所述降壓變流器電路⑴給多個電網相位(u，v，w)饋電。
全文摘要
本發明涉及一種用於運行逆變器的方法和一種逆變器，該逆變器具有升壓變流器電路(H)、動態的中間電路(Z)和降壓變流器電路(T)，用於將直流發電機或列(G)的直流電壓(+U_ZL，-U_ZL)轉換成交流電壓(U_Netz)以便輸入電網(N)中，其中如果這個直流電壓小於電網電壓(U_Netz)的峰對峰最大值的話，則升壓變流器電路(H)提高直流電壓(+U_ZL，-U_ZL)，並且降壓變流器電路(T)將動態的中間電路電壓(+U_ZH，-U_ZH)在需要時降低到在電網(N)中正好需要的更低的電壓(U_Netz)。此外，升壓變流器電路(H)動態地將直流電壓(+U_ZL，-U_ZL)提高到當前在電網(N)中所需的值，並且因此暫時提供用於中間電路電壓(+U_ZH，-U_ZH)的近似正弦形的電壓變化曲線。
文檔編號H02M7/5387GK102035418SQ201010274738
公開日2011年4月27日 申請日期2010年9月6日 優先權日2009年10月1日
發明者諾貝特·胡貝爾, 馬庫斯·舍恩林納 申請人:約翰尼斯海登海恩博士股份有限公司