從時變的直流電壓源中產生交流電壓的電路系統和方法

2023-07-29 09:57:51

專利名稱：從時變的直流電壓源中產生交流電壓的電路系統和方法
技術領域：
本發明描述的是一種用於從多個帶有隨時間變化的直流輸出電壓的未經調節的電壓源中產生交流電壓的電路系統，以及用於驅動該電路系統的方法。優選作為這種未經調節的電壓源的是光伏設備或該光伏設備的部分。在這裡，應該將「光伏設備」僅理解成多個光伏模塊的布置和電氣連接，在這裡子設備同樣包括在內。將這種光伏模塊聯接成光伏設備，並且這種光伏模塊具有視結構型式而定的並且依賴於日射(Sormeneinstrahlimg) 的並且因此隨時間緩慢變化的直流輸出電壓。該直流輸出電壓的這種變化在分鐘範圍內或在更長的時間單位內具有時間常量(Zeitkonstante)。為了將這種光伏設備的輸出電流饋入到公共的或局部的電網中，必須藉助於逆變器電路將直流輸出電壓轉化成頻率和電壓恆定的交流電壓。
背景技術：
用於產生這種交流電壓的示例性的電路系統在DE 10 2008 034955 Al中有所描述。在這裡公開了一種變流器系統，該變流器系統具有光伏設備、電平變換器以及逆變器， 該光伏設備帶有隨時間變化的輸出電壓。在配屬的方法中，不依賴於輸入電壓地，分別利用理論中間電路電壓的一半的值來給電平變換器的第一電容器和第二電容器充電。這種電路系統的缺點在於，在這種情況下，光伏設備負載了在驅動電平變換器的頻率範圍內瞬態波動的電流。對於這種電路系統來講，存在大量依賴於應用情況並且部分地相矛盾的要求。例如，應該儘可能線性地給各個光伏模塊加負載，也就是說，其輸出電流應該在如下時間間隔內在時間上儘可能恆定，該時間間隔對功率半導體電路來說是典型的，即在小於一秒的時間範圍內或者在IHz以上的頻率範圍內。同樣地，逆變器電路上的輸入電壓應該儘可能恆定，並且從光伏設備到逆變器電路的傳輸應該以儘可能高的電壓來實現，以便將功率損耗保持得很小。最後，整個電路系統應該以高有效率來工作。在這種情況下，必要部件的數量很小，並且其規格(Dimensionierung)，特別是線圈和電容器的規格同樣儘可能地小。同時，應該以如下方式來運行光伏設備或該光伏設備的光伏模塊，即，使該光伏設備或其光伏模塊在最高的功率輸出(MPP-maximum power point (最大功率點))上工作。為此，需要適當地進行調節，即所謂的「最大功率點追蹤(MPP-Tracking) 」。

發明內容
本發明的目的在於，提供一種電路系統和配屬的方法，用於從多個各自帶有隨時間變化的直流輸出電壓的電壓源中產生交流電壓，其中，這些電壓源的電流負載是穩定的， 並且到逆變器電路的傳輸具有儘可能小的損耗。按照本發明，該目的通過帶有權利要求1特徵的電路系統以及通過按照權利要求 8所述的方法得以解決。優選的實施方式在相應的從屬權利要求中有所描述。
按照本發明的電路系統具有一個或多個並聯的分電路系統，用於給至少一個逆變器電路饋電，所述逆變器電路能夠與至少一個配屬的變壓器連接。在這種情況下，每個分電路系統由帶有隨時間變化的直流輸出電壓的未經調節的電壓源、倍壓電路以及帶有配屬的調節裝置的電壓調節電路構成。在按照本發明的用於驅動這種電路系統的方法中，藉助於倍壓電路使輸入電壓翻倍，方法是以時間上錯開的方式並且分別以各半個開關周期的相同的周期持續時間接通半橋電路的兩個功率電晶體。由此，給未經調節的電壓源恆定地加負載，也就是說，使未經調節的電壓源的輸出電流在短時間範圍內，即在一秒的範圍內或更快地，不具有波動，這特別是對於光伏設備或光伏模塊來講是優選的。優選地，倍壓電路具有正極性支路和負極性支路各一個，其中，在所述正極性支路和所述負極性支路的輸入端上分別設置有第一電感和第二電感，所述第一電感和所述第二電感由第一線圈和第二線圈形成或者分別僅由電壓源的各引線的電感形成。接著該第一電感和第二電感的是處在正支路與負支路之間的兩個功率電晶體的半橋電路。接著，在兩個支路中分別設置有二極體，並且接著所述二極體設置有兩個第一電容器的串聯電路，該串聯電路連接這兩個支路。對於電壓調節電路的構造方式來講，原則上特別優選兩種方案。第一方案具有兩個分開的分電路升壓變換器和降壓變換器。對於這兩個分電路的布置來講，同樣有兩種方案是具有優點的。在第一方案中，各個相應的升壓變換器直接接著配屬的倍壓電路設置， 以便將其輸出電壓提升到相同的電位上。於是，在逆變器電路中設置有相應的降壓變換器， 以便在那裡將傳輸電壓降低到中間電路電壓的合適的值上。該方案的優點在於，為光伏設備與逆變器電路之間的功率傳輸提供特別高的電壓，並且由此儘可能將功率損耗保持得很小。由此，由於傳輸電流值較小，也可以減小傳輸線纜的規格和與此相關的成本。帶有兩個分開的分電路的第二方案具有相應的降壓變換器，相應的降壓變換器直接接著配屬的倍壓電路，而在逆變器電路中布置有升壓變換器。因此，與第一方案相比，在較低的電壓下實現傳輸。當然，為了使整個設備符合安全準則並且例如尤其不必實現針對較高電壓的特別的安全規程，這可以是具有優點的。總的來講，帶有兩個分開的變換器電路的電壓調節電路提供了高度的靈活性，以便使分電路系統適合因應用而異的情況。電壓調節電路的第二方案基本上與倍壓電路相同地構建，並且可以因此具有優點地也藉助相同的功率半導體模塊來完成。當然，與其任務相應地，不同於倍壓電路地驅動該電壓調節電路，並且該電壓調節電路用於使彼此並聯的不同的分電路系統的直流輸出電壓適配。除了使倍壓電路的輸出電壓與逆變器電路的中間電路電壓進行所描述的適配，同樣通過電壓調節電路的調節裝置來實現在光伏設備中對電流特性曲線/電壓特性曲線的必要調節，即最大功率點追蹤。作為逆變器電路，原則上可以設置不同的三相逆變器。特別優選的是，平行地布置兩個三相逆變器並且以錯開半個開關周期的方式驅動這兩個三相逆變器。由此產生與所期望的正弦輸出電壓充分近似的電壓。


結合圖1至圖5的實施例來詳細闡述本發明的方案。圖la-d示出按照本發明的第一電路系統的基本原理，以及該第一電路系統的幾個部件；圖加-b示出按照本發明的電路系統的其他部件；圖3a_b示出按照本發明的電路系統的其他構造方式的基本原理；圖如-b示出按照本發明的電路系統的其他部件；圖如-b示出在應用按照本發明的方法時，按照本發明的電路系統的輸出電流的仿真。
具體實施例方式圖1示意性地示出按照本發明的第一電路系統的基本原理以及該第一電路系統的幾個部件。圖Ia中示出的是未經調節的電壓源12，在這裡是光伏設備，該光伏設備帶有視日射的變化而定的、公知的直流輸出電壓波動以及輸出電流波動。為了具有優點地運行這種光伏設備12，必要的是，以如下方式調節輸出電壓和輸出電流，S卩，使輸出功率最大。這在概念「最大功率點追蹤(MPP-Tracking)」中公知。此外，具有優點的是，以如下方式給光伏設備12加負載，S卩，使輸出電流不具有瞬態波動。因此，按照本發明，在光伏設備12的輸出端上接著倍壓電路20，該倍壓電路產生沒有瞬態波動的輸出電流。該倍壓電路20具有正極性支路和負極性支路各一個，如圖Ib 所示，該倍壓電路在每個支路中都具有配屬的電感200、202。在這裡，這些電感200、202通過光伏設備與倍壓電路的其他部件之間的連接線路來形成。如果該引線的電感200、202不夠，那麼還可以額外地設置與現有技術相比具有小電感的線圈。在形式上，該倍壓電路20 在這裡包括與光伏設備12的連接線路。該連接線路具有數量級為十米的長度尺寸。接著電感200、202設置有在正支路與負支路之間的半橋電路。該半橋電路在其那方面具有第一功率電晶體210和第二功率電晶體212的串聯電路，該串聯電路在需要時帶有反並聯的續流二極體。該半橋電路藉助於每個支路的各一個二極體220、222與第二電容器230、232的串聯電路230、232連接。在這種情況下，在第一支路即正極性支路中，二極體的正極與半橋電路連接而負極與電容器電路連接。在第二支路即負極性支路中，負極與半橋電路連接而正極與電容器電路連接。此外，優選的是，將半橋電路和電容器電路的相應的中間抽頭(Mittelanzapfung) 彼此連接。為了起到倍壓電路20的功能，使兩個功率電晶體210、212交替地以優選在500Hz 至2kHz之間的適當的開關頻率各自接通相同的時間間隔。250Hz以下的開關頻率以及高達5kHz的開關頻率也都適用，但是一般沒有必要。因此，隨時要麼通過第一功率電晶體 210,212要麼通過第二功率電晶體210、212來提供電流流(Stromfluss)，並且因此使光伏設備12的電流負載保持恆定。在這裡，「恆定」指的是，特別是在功率電晶體210、212的驅動頻率的數量級內不出現瞬時波動。在倍壓電路上接著電壓調節電路30、40，該電壓調節電路可以依賴於使用條件不同地構造。第一方案具有由降壓變換器34和升壓變換器32構成的組合，它們的順序原則上是任意的。當然，在這裡，重要的是，這兩個變換器電路不直接相鄰地布置，而是按照圖Ic/圖Id所示，這兩個變換器電路的連接線路300跨接光伏設備12與逆變器電路50之間的主
要間距。因此，可以通過將降壓變換器34接著倍壓電路20布置，將連接線路300中的電壓調整到限定的閾以下例如600V以下或1000V以下的值上。這可以明顯簡化按關於較高電壓的國家規定的接觸保護的複雜程度。與此相對地，調換兩個變換器電路32、34的類似的構造方式能夠在連接線路300 中實現儘可能高的電壓，該儘可能高的電壓因此引起相應較小的電流值，並且由此，在該連接線路300的電氣損耗、規格以及還有成本方面，該儘可能高的電壓是具有優點的。作為電壓調節電路40，第二方案具有與倍壓電路20相同地構造的、但並不像該倍壓電路那樣被驅動的分電路。為了調節電壓，優選將兩個開關分別驅動具有合適長度的並且需要時有交疊的相同的時間間隔，從而使波動的輸入電壓符合所期望的恆定的輸出電壓。在這兩個方案中都通過電壓調節電路30、40而不是通過倍壓電路20來控制光伏設備12的最大功率點追蹤。因此，倍壓電路20無需具有其調節裝置250與電壓調節電路 30、40或逆變器電路50的控制連接。光伏設備12、倍壓電路20以及相應的電壓調節電路30、40形成分電路系統，該分電路系統與逆變器電路50連接成按照本發明的電路系統。圖2示出按照本發明的電路系統的部件，在這裡是兩個與現有技術相應的變換器電路。按照圖2a，降壓變換器34在其第一支路即那個正極性支路中具有功率電晶體340。 其上接著有連接第一支路與第二支路的二極體342和第一支路中的電感344以及連接兩個支路的電容器346。在帶有接著降壓變換器34的連接線路的上述應用中，可以夠用的是，通過連接線路300(見圖Id)的電感來構成上述電感344或者設置相應小規格的線圈。升壓變換器32，按照圖2b，在其第一支路中具有電感320，該電感同樣具有優點地通過連接線路300(見圖Ic)構成，需要時該連接線路帶有額外的小電感的線圈。其上接著有連接第一支路和第二支路的功率電晶體322和第一支路中的二極體3M以及連接兩個支路的電容器362。圖3示出按照本發明的電路系統的另一構造方式的基本原理。在圖3a中，在此示出的是分電路10的布置方式，按照針對圖1所描述的第一方案，該布置方式以帶有由兩個變換器電路32、34構成的電壓調節電路的方式構造。在這種情況下，分電路在兩個變換器電路32、34的連接裝置300的區域中彼此連接並且相互並聯。於是，各個分電路的輸出端分別與合適的逆變器電路50連接。圖北示出按照上面在圖1中提及的第二方案的布置方式，該布置方式帶有兩個相同地構造但不同地進行驅動的、用於倍壓電路20和電壓調節電路40的電路。在這種情況下，分電路的輸出端彼此連接並且與合適的逆變器電路50連接。圖4示出按照本發明的電路系統的其他部件，在這裡是逆變器電路50的兩種構成方式。在最簡單的情況下，按照現有技術，逆變器電路構成為三相橋電路60，如圖如中所當然，如圖4b中所示，具有優點的是，將兩個這種三相橋電路60並聯，並且使所述兩個這種三相橋電路相互錯開半個開關周期地定時計時。在這種情況下，這兩個三相橋電路60的中點可以處於地電位612上或處於倍壓電路20的中間電位212上。可供選擇地， 可以同樣具有優點的是，將三點逆變器(Drei-Punkt-Wechselrichter)設置成逆變器電路 50。圖5示出的是，與按照圖如的逆變器電路的輸出電流相比，在應用此處所述的按照本發明的方法時，帶有按照圖4b的逆變器電路50的按照本發明的電路系統的輸出電流的仿真。視電壓調節電路30、40的使用而定地，按照圖如的逆變器電路具有相應地受到強烈幹擾的正弦曲線分布。通過使用按照圖4b的逆變器電路50和通過該逆變器電路的兩個部分的錯開地定時計時，可以明顯減小在輸出電流的三個相的相應正弦曲線內的紋波 (Welligkeit)。因此，整個電路系統集如下優點於一體 恆定的電壓源負載·靈活選擇至逆變器電路的傳輸電壓·倍壓電路和電壓調節電路中的小規格的線圈 小紋波的輸出電流。
權利要求
1.電路系統，具有一個或多個並聯的分電路系統(10)，用於給至少一個逆變器電路 (50)饋電，所述逆變器電路能夠與變壓器(80)連接，其中，分電路系統(10)由帶有隨時間變化的直流輸出電壓的未經調節的電壓源(12)、倍壓電路00)以及帶有調節裝置(328、 348)的電壓調節電路(30、40)構成。
2.根據權利要求1所述的電路系統，其中，所述倍壓電路00)具有正極性支路和負極性支路各一個，其中，在所述正極性支路和所述負極性支路的輸入端上分別設置有第一電感(200)和第二電感002)，所述第一電感和所述第二電感由第一線圈和第二線圈形成或者由所述電壓源(1 的相應的引線的電感形成，處在所述正支路與所述負支路之間的兩個功率電晶體Ο10、212)的半橋電路接著所述第一電感和所述第二電感，並且在兩個支路中還分別設置有二極體020、222)，並且接著所述二極體設置有兩個第一電容器(230、 232)的串聯電路，該串聯電路連接所述兩個支路。
3.根據權利要求2所述的電路系統，其中，所述半橋電路(210、21幻的中間抽頭和所述電容器O30、232)的所述串聯電路的中間抽頭彼此連接。
4.根據權利要求1所述的電路系統，其中，所述電壓調節電路由降壓變換器(34)和前聯或後聯的升壓變換器(3 構成，所述降壓變換器帶有在正支路中的功率電晶體(340)、 連接所述正支路和負支路的二極體(342)以及第三電感(344)，優選是第三線圈，所述升壓變換器帶有第四電感(320)，優選是第四線圈，連接所述正支路和所述負支路的功率電晶體 (322)以及在所述正支路中的二極體(3M)。
5.根據權利要求4所述的電路系統，其中，所述降壓變換器(34)與所述倍壓電路00) 直接相鄰地布置，並且所述倍壓電路與所述電壓源(1 直接相鄰地布置，並且其中，所述升壓變換器(3 與所述逆變器電路(50)直接相鄰地布置。
6.根據權利要求4所述的電路系統，其中，所述升壓變換器(3 與所述倍壓電路00) 直接相鄰地布置，並且所述倍壓電路與所述電壓源(1 直接相鄰地布置，並且其中，所述降壓變換器(34)與所述逆變器電路(50)直接相鄰地布置。
7.根據權利要求1所述的電路系統，其中，所述電壓調節電路GO)與所述倍壓電路 (20)類似地構成。
8.用於驅動根據上述權利要求中任意一項所述的電路系統的方法，其中，所述倍壓電路O0)使所述未經調節的電壓源(1 的電壓翻倍，並且其中，通過所述電壓調節電路(30) 的所述調節裝置(328、348)來實現對所述未經調節的電壓源(1 的電流特徵曲線/電壓特徵曲線的調節，即最大功率點追蹤。
9.根據權利要求8所述的方法，其中，所述倍壓電路O0)以如下方式使所述未經調節的電壓源(12)的電壓翻倍，即以時間上錯開的方式並且分別以相同的各半個開關周期的周期持續時間來接通半橋電路的兩個功率電晶體(210、212)。
10.根據權利要求9所述的方法，其中，以在250Hz與5kHz之間，優選在500Hz與2kHz 之間，的頻率來驅動所述倍壓電路O0)的所述兩個功率電晶體010、212)。
全文摘要
本發明涉及一種從時變的直流電壓源中產生交流電壓的電路系統和方法，該電路系統具有一個或多個並聯的分電路系統，用於給至少一個逆變器電路饋電。分電路系統由帶有隨時間變化的直流輸出電壓的未經調節的電壓源、倍壓電路以及帶有調節裝置的電壓調節電路構成。在配屬的方法的範圍內，倍壓電路使未經調節的電壓源的電壓翻倍。通過電壓調節電路的調節裝置來實現對未經調節的電壓源的電流特性曲線/電壓特性曲線的調節，即最大功率點追蹤。
文檔編號H02M3/158GK102201753SQ201110079999
公開日2011年9月28日 申請日期2011年3月25日 優先權日2010年3月27日
發明者德揚·施賴伯 申請人:賽米控電子股份有限公司