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CN102035418A - 运行逆变器的方法和逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行逆变器的方法和一种逆变器，该逆变器具有升压变流器电路(H)、动态的中间电路(Z)和降压变流器电路(T)，用于将直流发电机或列(G)的直流电压(+U_ZL，-U_ZL)转换成交流电压(U_Netz)以便输入电网(N)中，其中如果这个直流电压小于电网电压(U_Netz)的峰对峰最大值的话，则升压变流器电路(H)提高直流电压(+U_ZL，-U_ZL)，并且降压变流器电路(T)将动态的中间电路电压(+U_ZH，-U_ZH)在需要时降低到在电网(N)中正好需要的更低的电压(U_Netz)。此外，升压变流器电路(H)动态地将直流电压(+U_ZL，-U_ZL)提高到当前在电网(N)中所需的值，并且因此暂时提供用于中间电路电压(+U_ZH，-U_ZH)的近似正弦形的电压变化曲线。

Description

运行逆变器的方法和逆变器
技术领域
本发明涉及一种用于运行逆变器的方法和一种对此适合的逆变器。这样的逆变器用于将当前的直流电压转换成交流电压，例如用于将该电压输入交流电网中。尤其是在光电领域中应用时要求尽可能高的效率。
背景技术
DE 102006010694A1说明的是一种根据现有技术的太阳能逆变器。在这里，将两个直流电源或太阳能发电机串联起来，连接点形成第一电压水平或者中心电压。太阳能发电机的这两个外部的接线分别形成一个正的或负的电压水平。从这两个水平起，借助于各一个升压变流器提高发电机电压超过最大的正的或负的电网电压，如果发电机电压低于最大电网电压的话。也就是说电路利用五种不同的、固定的电压水平进行工作。电网相位则通过降压变流器由分别按照数值来说更高一级的电压水平供给，其中空程运行通过按照数值来说更低一级的电压水平来进行。除了相对较高的电路消耗之外不利之处在于，在这里升压变流器或降压变流器产生不必要的开关损耗，这是因为在确定的运行状态下使发电机电压提高到一个值，从这个值起借助于降压变流器必须产生真正所需要的电压水平。此外为了运行该逆变器需要两个太阳能发电机，它们必须提供尽可能相等的功率。这一点并非随时都得以确保，例如当在一个模块上有遮蔽时。
在DE 102007026393B4中描述了一种太阳能逆变器，其中一个升压变流器虽然使发电机电压总是在一个更高的水平上，但功率在一种扩展的运行模式中从这个水平仅仅被调用，如果发电机电压如此地低，以至于存储电抗器不能再如所希望的那样磁化的话。此外，升压变流器利用固定的电压水平进行工作，从该电压水平起降压变流器又必须产生当前所需要的电压水平。
发明内容
因此本发明的目的是：提出一种用于运行逆变器的方法，该方法可以实现更好的效率；以及提出一种逆变器，利用该逆变器可以实施此方法。
该目的通过一种用于运行逆变器的方法和一种逆变器来实现，该逆变器具有升压变流器电路、中间电路和降压变流器电路，用于将太阳能发电机的直流电压转换成交流电压以便输入电网中。如果直流电压小于电网电压的当前的值的话，则升压变流器电路提高直流电压。降压变流器电路将中间电路电压在需要时降低到在电网中正好需要的更低的电压。此外，升压变流器电路动态地将直流电压提高到当前在电网中所需要的值，并且因此暂时提供用于中间电路电压的近似正弦形的电压变化曲线。如果在下面因此涉及到动态的中间电路或者动态的中间电路电压，则从而就是指中间电路电压至少暂时匹配于在电网中正好需要的电压，与常规的中间电路的界线在类似的应用中，其中中间电路保持在固定的电压上。
这里所述的逆变器具有一个动态的中间电路，该中间电路由发电机供给直流电压，如果所需的电网电压高于发电机电压的话，则该直流电压通过两个连接于动态的中间电路之前的、对称的升压变流器来提高。从动态的中间电路将能量输出给电网，其中如果动态的中间电路电压超过当前需要的值的话，输出的电压通过两个连接于动态的中间电路之后的、对称的降压变流器来降低。
逆变器只需要一个太阳能发电机作为直流电源。直流电压对称于平均电压水平。如果由太阳能发电机输出的直流电压低于当前需要的电网电压，那么升压变流器就提高发电机电压，并因此将动态的中间电路电压正好升高到所需要的电网电压。由此避免了，即必须同时运行降压变流器。这个降压变流器只是在发电机电压超过正好所需要的电网电压时才工作。
此外利用三个电压水平来控制电路，馈电优选地通过正的或负的电压水平进行，返送则通过位于这中间的、可以接地的平均电压水平进行。
利用至今说明的方式可以从太阳能发电机给电网的相位馈电。为了给例如三相的电网馈电，可以应用该电路三次。但这些相位优选地都是由一个唯一的动态的中间电路供电。那么适用于对应于一个各自的发电机的两个升压变流器，即它们必须使发电机电压提高到所有当前所需要的相位电压中的最高的相位电压。各个相位则通过单独的降压变流器供电，这些降压变流器必须将动态的中间电路电压降低到各自需要的相位电压。
附图说明
本发明的其它的优点以及细节由以下根据附图对于不同的实施形式所作的说明得出。图中示出：
图1是用于给电网相位馈电的太阳能逆变器电路；
图2是在电网相位周期中逆变器的不同工作区域；
图3是用于多个电源和三个电网相位的太阳能逆变器电路。
具体实施方式
在图1中示意性地示出了太阳能发电机G。该太阳能发电机提供直流电压，该直流电压主要取决于当前的光照强度，但也取决于其它的参数，如运行温度或模块M的寿命。借助于两个串联的并且并联于发电机G的电容器C1和C2，提供平均电压水平，该平均电压水平在这里用0V表示。该水平可接地，但也可以放弃接地。如果在C1和C2的连接位置上不接地，那么在发电机G上就出现更小的电压波动(Spannungsrippel)，因此可以更好地将工作点保持在所谓的最大功率点上，在该最大功率点上太阳能发电机G具有最高的效率，或者对于相同的MPP效率可以更小地选择动态的中间电路的电容。
发电机G的正电压水平+U_ZL通过第一个二极管D1与动态的中间电路Z相连接。此外，+U_ZL也通过电感L1和半导体开关元件T1与平均的电压水平相连。只要发电机电压足够用于给动态的中间电路Z至少充电到当前在电网N的需要馈电的相位中所需要的电压，那么T1就闭锁，并且发电机电压通过D1施加在动态的中间电路上。
然而如果发电机电压为此太低的话，那就在T1处开始一种脉动运行。因此电流分别瞬间地流过L1，该电流在T1断开时使L1上的电压升高。根据这种已知原理工作的、将直流电压转换成更高的直流电压的电路被称为升压变流器或者Step-Up-Converter(升压变流器)。在L1和T1之间将升高的电压分接通过第二个二极管D2，并输送给动态的中间电路Z。因为其在图中标为+U_ZH的电位现在比+U_ZL高，因此闭锁D1并使发电机G与动态的中间电路Z分开。
在需要时下部的升压变流器也利用用于负的发电机电压-U_ZL的电感L2和半导体开关元件T5，完全类似地构造并且以其作用原理相同地工作。如果下部的升压变流器不工作，则二极管D6将发电机G直接与动态的中间电路Z连接，而二极管D7将通过下部的升压变流器而升高的负的发电机电压传导至动态的中间电路Z上。用于正的和负的发电机电压的两个升压变流器对称于平均电压水平布置，并构成了图1所示的升压变流器电路H。对于该电路接下来还会提及，而对其不再详细说明。
动态的中间电路Z利用两个串联的电容器C3和C4来滤波，它们的共同的接线又确定了平均电压水平。这些共同的接线优选地与升压变流器电路H的平均电压水平相连接。这种连接并不是强制必需的并且因此在图1中通过一个以虚线示出的连接来表示。可以在这个位置上接地，但由于上面所述的原因在所示的实施例中将其取消了。
现在，跟随在动态的中间电路Z之后的是降压变流器电路T，其包含两个又是本身已知的降压变流器，用于使正的或负的动态的中间电路电压+U_ZH或-U_ZH通过半导体开关元件T2或T6的脉动的运行在需要时调整到在电网N中正好需要的更低的电压U_Netz。该电压在电网N的正半波中由动态的中间电路Z的正电位+U_ZH得到，而在电网N的负半波中由动态的中间电路Z的负电位-U_ZH得到。此外，空程运行分别通过相应连接的半导体开关元件T3和T4进行至动态的中间电路的平均电压水平，或由该电压水平进行。为此空程二极管D3或D4串联于开关元件T3和T4。在电网电压的正半波期间T3导通，T4闭锁。在负半波期间T3闭锁、T4导通。
用于正的和负的电网电压的两个降压变流器对称于平均电压水平布置，并构成图1所示的降压变流器电路H。
真正输入电网N的馈电最终通过电网电抗器L3进行。
图2表示了用于以下情况的太阳能逆变器电路的不同运行状态，即正的或负的发电机电压+U_ZL或-U_ZL按照数值来说小于电网N中的最大的正的或负的电压。换而言之，在这里发电机电压小于电网电压的峰对峰最大值。
在以A示出的区域中在电网电压U_Netz的正半波期间，所需要的馈电电压位于由发电机提供的电压之下。动态的中间电路Z在这段时间中通过D1由发电机G来充电，正的中间电路电位+U_ZH也就等于正的发电机电压+U_ZL。此时降压变流器电路T的上部的降压变流器工作，升压变流器电路H不运行。
在区域B中在电网电压U_Netz的正半波期间，所需要的馈电电压位于由发电机提供的电压之上。现在，升压变流器电路H的上部的升压变流器运行，并使正的发电机电压+U_ZL提高到通过D2施加在动态的中间电路上的值+U_ZH，而D1使发电机G与动态的中间电路Z分开。升压变流器因此正好这样地运行，即+U_ZH相应于当前所需要的馈电电压。在图2中可看出，在区域B中动态的中间电路电压+U_ZH正好跟随电网电压U_Netz的正弦曲线。因此不需要使降压变流器电路T运行，避免了不必要的、由于同时运行升压变流器电路H和降压变流器电路T而引起的开关损耗。
为了控制升压变流器或降压变流器，以已知的方式使用调节电路，这些调节电路根据额定电压和实际电压激励适合的、用于不同的半导体开关元件的控制模型。
对于电网电压的负半波来说以类似于区域C的方式重复逆变器电路的运行，在该区域中只是降压变流器电路T的下部的降压变流器运行，并且以类似于区域D的方式重复逆变器电路的运行，在该区域中只是升压变流器电路T的下部的升压变流器运行，以用于将负的发电机电压-U_ZL按照数值来说正好提高到所需要的馈电电压。又可以通过提供正弦形的电压-U_ZH在区域D中避免同时运行降压变流器电路T。
在图1中所示的电路适合于将太阳能发电机的或者所谓的列(String)的直流电压、也就是包括多个太阳能模块的串联电路的直流电压转换成用于馈电输入至电网相位中的交流电压。这对于具有很少千瓦功率的更小的设备来说可能完全足够了。但是对于更高功率的光电设备来说要求馈电至供电电网的全部三个相位中。附加的是，串联电路不可能在一个列中有过多的太阳能模块，这是因为不允许超过在太阳能模块中最大的系统电压1000V(开路)。工作电压因此限于大约750V。因此在更高功率的设备中使多个列并联地运行。同时值得期望的是，使每个与其它的列分开的列能够在最大功率点(Maximum Power Point)中运行，也就是说可分开地选择用于每个列的电流和电压。
这些要求可利用在图1中所示的电路通过简单的扩展来满足。
根据图3，对于每个列G(示出了4个列G，但此数量可以更多或更少)已经提供了一种根据图1的升压变流器电路H。因此可以使每个列G在各自的最大功率点上运行。
所有的升压变流器电路H给共同的动态的中间电路Z馈电，该电路的结构对应于图1所示。可以这样说，升压变流器电路相互并联。
接着动态的中间电路Z之后对于电网N的每个相位U，V，W来说各有一个降压变流器电路T，由该电路给各自的电网相位馈电。如果如通常那样需要给三相电网馈电，那么就需要三个这样的降压变流器电路T。这些电路又相互并联。在内部如图1所示那样既构造有升压变流器电路H又有降压变流器电路T，因此在图3中只是还表示出各自的接线和它们相互之间的连接。
这种将用于给共同的动态的中间电路Z馈电的多个升压变流器电路H并联的类型现在限制了在单独的升压变流器电路H运行时的改变。首先，当前提供了最高输出电压的列G是所谓的主列(Masterstring)。这种主列、更准确地说其对应的升压变流器电路H，如同图1所示那样运行，然而如果这个主列的电压下降到三个正好需要的馈电电压中的最高馈电电压之下，那么升压变流器电路H总是激活的。升压变流器电路H现在也就必须调整为所有电网相位的当前最高的电压。如果列电压如在图2中那样在电网中的峰值电压下面的话，那么显著更经常地并且也许持续地使用升压变流器电路H，其中但此外适合的是，即各自的升压变流器H跟随当前最高的电网电压的正弦波形，从而在这种运行状态下至少对于该相位来说不必激活降压变流器T。为了给其余的相位馈电但也可能需要升压变流器H和降压变流器T同时运行，然而降低到最需要的值。
适合于其余的列G和它们的升压变流器电路H的是以下情况，即它们必须如主列那样，随时给动态的中间电路Z提供相等的电压。为此使各个升压变流器H持久地运行。因此这些升压变流器或者产生恒定的电压水平(正好是主列的电压水平)，或者它们同样(如同主列的升压变流器H那样)跟随当前需要的最高的馈电电压的正弦波形。
在图1或图3中所示电路的优点在于，降压变流器电路的半导体开关元件T2，T3，T4和T6也可以这样进行控制，即通过平均电压水平进行馈电。例如可以在平均电压水平的负的电网电压中馈电输入正的电流，则通过-U_ZH实现空程运行。由此可以改变馈电电流的相位角并进而将无功功率输出给电网。这是电网运营者的要求，他们由于馈电输入的太阳能或风能的越来越大的数值而可以更灵活地对各自在无功功率方面的需求作出反应。

Claims (9)

1.一种用于运行逆变器的方法，所述逆变器具有升压变流器电路(H)、中间电路(Z)和降压变流器电路(T)，用于将太阳能发电机(G)的直流电压(+U_ZL，-U_ZL)转换成交流电压(U_Netz)以便输入电网(N)中，其中如果所述直流电压小于电网电压(U_Netz)的峰对峰最大值的话，则所述升压变流器电路(H)提高所述直流电压(+U_ZL，-U_ZL)，并且所述降压变流器电路(T)将中间电路电压(+U_ZH，-U_ZH)在需要时降低到在所述电网(N)中正好需要的更低的电压(U_Netz)，其特征在于，所述升压变流器电路(H)动态地将所述直流电压(+U_ZL，-U_ZL)提高到当前在所述电网(N)中所需要的值，并且因此暂时提供用于所述中间电路电压(+U_ZH，-U_ZH)的近似正弦形的电压变化曲线。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果正的或负的电压水平(+U_ZL，-U_ZL)相对于平均电压水平(0V)按照数值来说小于当前在所述电网(N)中所需要的电压(U_Netz)，所述升压变流器电路(H)将所述太阳能发电机(G)的所述正的或负的电压水平(+U_ZL，-U_ZL)相对于所述平均电压水平(0V)按照数值来说提高到当前在所述电网(N)中所需要的值(U_Netz)并因此将动态的所述中间电路电压(+U_ZH，-U_ZH)提高到所述值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，由动态的所述中间电路(Z)给多个、尤其是三个电网相位(U，V，W)馈电，其中对于每个相位(U，V，W)来说，由动态的所述中间电路(Z)给自身的所述降压变流器电路(T)馈电。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，如果所述直流电压(+U_ZL，-U_ZL)低于最高馈电电压，所述升压变流器(H)动态地调节至在所述电网相位(U，V，W)中当前需要的馈电电压中的所述最高馈电电压。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，多个太阳能发电机(G)通过一个分别对应的所述升压变流器电路(H)给动态的所述中间电路(Z)馈电。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，提供当前最高直流电压的所述太阳能发电机(G)是主列；而且对应于其余的所述太阳能发电机(G)的所述升压变流器电路(H)提供了这样一个电压，所述电压等于由所述主列、或者所述主列的对应的所述升压变流器(H)在动态的所述中间电路(Z)上所输出的电压。
7.一种逆变器，具有升压变流器电路(H)、中间电路(Z)和降压变流器电路(T)，所述逆变器用于将太阳能发电机(G)的直流电压(+U_ZL，-U_ZL)转换成交流电压(U_Netz)以便输入电网(N)中，其中如果所述直流电压小于电网电压(U_Netz)的峰对峰最大值的话，则所述升压变流器电路(H)提高所述直流电压(+U_ZL，-U_ZL)，并且所述降压变流器电路(T)将中间电路电压(+U_ZH，-U_ZH)在需要时降低到在所述电网(N)中正好需要的更低的电压(U_Netz)，其特征在于，所述升压变流器电路(H)将所述直流电压(+U_ZL，-U_ZL)动态地提高到当前在所述电网(N)中需要的值，并且因此暂时提供用于所述中间电路电压(+U_ZH，-U_ZH)的近似正弦形的电压变化曲线。
8.根据权利要求7所述的逆变器，其特征在于，分别对应一个升压变流器电路(H)的多个太阳能发电机(G)给动态的所述中间电路(Z)馈电。
9.根据权利要求7或8所述的逆变器，其特征在于，由动态的所述中间电路(Z)通过分别对应于电网相位(U，V，W)的所述降压变流器电路(T)给多个电网相位(U，V，W)馈电。
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