CN203839969U - 具有集成的短时蓄能器的逆变器 - Google Patents

Abstract

一种具有集成的短时蓄能器的逆变器，其具有：一输入侧的直流电压中间回路(8)；一输入端口(2)，用于将一外部的直流电源(4)连接到所述直流电压中间回路(8)上；一能无转换器地接入所述直流电压中间回路(8)的蓄能器(10)；一输出端口(5)，用于将所述逆变器(1)连接到一外部的交流电网(7)上；一充电电路(11)，用于由一施加在所述输出端口(5)上的交流电压来充电所述蓄能器(10)，在该逆变器中，所述蓄能器(10)是一电容式蓄能器(10)，所述充电电路(22)使所述电容式蓄能器(10)充电到一电压(U_C1)，该电压比所述施加在所述输出端口(5)上的交流电压的峰压高出至少20％。

Description

具有集成的短时蓄能器的逆变器

技术领域

本实用新型涉及一种具有集成的蓄能器的逆变器，所述蓄能器具有独立权利要求1的前序部分所述的特征。

背景技术

所述逆变器尤其是涉及一种光伏逆变器，也就是说一种逆变器，电能可利用所述逆变器而由以光伏发电机形式的直流电源馈入一交流电网中，并且，所述逆变器与这种用途适配地例如具有一用于跟踪或者用于追踪该光伏发电机的MPP(Maximum Power Point＝最大功率工作点)的装置。

此外，所述逆变器尤其是被设置用于把电能馈入一孤岛电网、即一受限界的交流电网中，在该孤岛电网中，供电尽可能绝大部分是由所述逆变器来承担，以便尤其是借助再生能源。被连接到该孤岛电网上的通常不仅有各种不同的负荷，而且还有其他的交流电源、尤其是以柴油发电机形式的交流电源，所述其它的交流电源承担能量供给，如果通过所述逆变器不能足够地馈入电能到该孤岛电网中，例如在夜间或者是在阴天时。

为了能尽可能很大程度地通过来自再生能源且利用一个或多个逆变器所馈入的电能来覆盖一孤岛电网内的能量需求，那么，当从柴油发电机当前不需要电能时，切断与逆变器并联地连接所述孤岛电网的所述柴油发动机。但如果由于通过逆变器馈入的再生能源的功率下降或者由于该孤岛电网内的附加负荷，能量需求超过该孤岛电网内的能量供应，那么，在确定未被满足的能量需求一直到借助重新启动且再次接入所述孤岛电网的柴油发电机满足了该电能需求之间的这段时间就被证明为容易出现问题。为了阻止所述孤岛电网崩溃，在该时间段内，就暂时由另一个电源来提供该孤岛电网内所需的电能。

已知的是：一个电池通过双向的电池逆变器连接到一孤岛电网上，以便平衡该孤岛电网内的电能供应的波动。也就是说，如果存在所述孤岛电网内的电能供电过剩，所述电池就存蓄电能；并且，所述电池通过反馈此前所存蓄的电能来补偿所述孤岛电网内的电能供电不足。但这种具有电池逆变器的电池必须相对大地尺寸设定，以便能够补偿在上述情况下孤岛电网内所缺少的电功率。相应地，这种具有电池逆变器的电池的成本也相当高昂。

也已知的是：将电池连接到所述逆变器的输入侧的直流电压中间回路上，电能主要利用所述直流电压中间回路从再生能源被馈入到所述孤岛电网中。所述电池到所述直流电压中间回路上的连接通过一用于电压适配以及用于确定功率流向的DC/DC转换器来进行。如果来自再生能源的电能供给崩溃或者一附加的负荷接入所述孤岛电网，这个DC/DC转换器就必须将所述电池的整个功率传递到所述直流电压中间回路中。因此，所述DC/DC转换器必须足够大地尺寸设定并且相应地成本高昂。

由DE 10 2001 019 267 B4已知，将一电池直接接入所述逆变器的输入侧的直流电压中间回路并且使用所述逆变器的一电压调节装置，用于功率流向的控制。也就是说，如果需要来自所述电池的电能，就终止所述逆变器的MPP追踪，并且使得所述输入侧的直流电压中间回路的中间回路电压这样设定地与所述电池的输出电压相协调，使得来自所述电池的电能流入所述直流电压中间回路。当由在这里用作为主要直流电源的光伏发电机重新提供了足够的电能时，所述电池的再次充电也可通过设定中间回路电压来控制。例如当夜间不再能提供光伏发电机时，为了电池的辅助式充电而设置一个与逆变器的交流电压输出端连接的充电电路。为了满足孤岛电网内短时间的高功率需求，由DE 10 2010 019 267 B4已知的逆变器的电池必须非常大地尺寸设定并且相应地成本高昂，这是因为所述电池的内电阻必须相对小(因此，所述电池必须具有许多并联的电池单元)，因此当取出大的功率时，该电池的钳位电压(Klemmspannung)就不会过于突然来临(einbricht)。所述电池也不可设计有相应的电压储备量和较大的内电阻，因为于是电池电压在正常运行中会过大，该电池电压必须与光伏发电机的电压相平衡。

为了在短时间内提供大的电功率而已知所谓的超级电容、即大电容的电容器。这些电容器的电容是基于双层原理和/或化学性质的假电容，其中，双层原理确保了对应的电容器内所存储的电能的特别快速的可支配性。存储在电容器内的电能会随着将该电容器充电到的电压的平方而递增。

实用新型内容

本实用新型的任务在于提供一种具有独立权利要求1的前序部分的特征的逆变器，一蓄能器以特别有效且成本低廉的方式被结合到其中，其中，所述蓄能器极少使用，但应当能够短时间地满足非常高的功率需求，如其例如能够在几秒钟后才由一柴油发电机所承担的那样，该柴油发电机如所述逆变器那样被连接到相同的孤岛电网上。

本实用新型的该任务通过一种具有独立权利要求1的特征的逆变器来解决。从属权利要求2至9限定了根据本实用新型的逆变器的优选实施方式。

根据本实用新型的逆变器具有：一输入侧的直流电压中间回路；一输入端口，用于将一外部的直流电源连接到所述直流电压中间回路上；一能无转换器地接入所述直流电压中间回路的蓄能器；一输出端口，用于将所述逆变器连接到一外部的交流电网上；一充电电路，用于由一施加在所述输出端口上的交流电压来充电所述蓄能器。所述蓄能器是一电容式蓄能器，所述充电电路使所述电容式蓄能器充电到一电压，该电压比所述施加在所述输出端口上的交流电压的峰压高出至少20％并优选40％。

因此，在根据本实用新型的逆变器中，所述蓄能器是一电容式蓄能器，所述电容式蓄能器被充电至一比较高的电压。所述施加在所述输出端口上的交流电压的在此被看作比较标准的峰压也限定了最小的中间回路电压，电能可从该最小的中间回路电压起，利用所述逆变器，由输入侧的直流电压中间回路被馈入所述外部的交流电网中。通常，所述中间回路电压必须至少大致超出交流电压的峰值(调节储备量)，因此，电流进而功率能够不中断地流到所述外部的交流电网中。因此，如果所述电容式蓄能器例如被充电到一所述交流电压峰压的1.4倍的电压上并且其通过接入所述直流电压中间回路而提供电能用于馈入所述交流电网中，直到其放电降至所述峰压，那么，其已将其整个地随着电压而平方式提高的能量含量的大致一半馈入所述直流电压中间回路中。在一电容式蓄能器中，在几秒钟内就能够实现所述馈入。与之相反，在化学电池中无法想象以该方式在短时间内释放出所存储的能量的一半。

将根据本实用新型的逆变器的电容式蓄能器远地充电超过施加在所述逆变器的输出端口上的交流电压的峰压的充电电路能够非常简单地被实施。所述充电电路可基本上包括一使施加在所述输出端口上的交流电压升压的变压器和一用于该高压交流电压的整流器。流经该充电电路的功率不必是大的，因为通常有充足的时间来给所述电容式蓄能器充电。

尽管在所述充电电路使所述电容式蓄能器充电到的电压与常用的中间回路电压之间存在明显的电压差，但所述蓄能器根据本实用新型无转换器，也就是说没有通过DC/DC转换器的电压适配地并且就此硬性接入所述直流电压中间回路。但是可以是有意义的是：限界在该接入情况下流动的平衡电流。为该目的，可在所述直流电压中间回路与所述蓄能器之间连接一阻尼式限流器和/或一阻尼电阻。即便当一这样的阻尼式限流器和/或一这样的阻尼电阻与一用于将所述蓄能器接入所述直流电压中间回路的开关串联时，其涉及的是被动的(passive)阻尼元件并且它们也未与所述开关一起构成转换器，因为这个开关并不被计时(getaktet)。附加地，所述蓄能器可首先通过一预充电电阻来接入所述直流电压中间回路。所述直流电压中间回路可由所述蓄能器也通过多个具有不同电阻值的预充电电阻分步地被预充电，直到电容式蓄能器上的电压和中间回路电压充分地相互平衡。接下来，所述电容式蓄能器可直接地或者经由一阻尼元件连接到所述直流电压中间回路上。但在任何情况下没有中间连接任何用于电压适配的转换器。

所述电容式蓄能器尤其是涉及这样一种蓄能器，其由超级电容构成，以便提供特别高的电容进而提供特别高的蓄能能力。超级电容又可尤其是涉及主要基于双层电容进行蓄能的双层电容器。

在根据本实用新型的逆变器的所述直流电压中间回路和所述输入端口之间可设置一去耦二极管，所述去耦二极管防止电能由借助所述电容式蓄能器而补充充电的直流电压中间回路流到一连接到所述输入端口上的直流电源中。如果所述直流电源是一光伏发电机的话，一这样的去耦二极管通常是非必需的，因为从直流电压中间回路到所述光伏发电机中的能量流要求超过所述光伏发电机的即便是在阴天情况下的比较高的空载电压(Leerlaufspannung)。但是，如果应当能够也例如在夜间使用所述电容式蓄能器的话，也在光伏发电机作为直流电源的情况下设置一去耦二极管。

在使用根据本实用新型的逆变器时测量施加在所述输出端口上的交流电压的电网频率。所测量的电网频率和电压可说明在一受限界的交流电网、例如一孤岛电网内的功率平衡。因为在一孤岛电网内有比较少的发生器和用电器，所述发生器和用电器的能量产生以及消耗能够在时间均值上平衡，所以大负荷的接入以及去掉多个发生器能够较强烈地产生影响。结果，电网频率随着孤岛电网内电能供应的减少而降低。因此，降到一预先给定的边界值以下的电网频率就意味着，在该孤岛电网内存在过少的电能，从而使得应当将一附加的交流电源连接到该孤岛电网上。如果该附加的交流电源是一柴油发电机，那么其需要一定的启动阶段，从而使得直到电能由所述附加的交流电源馈入所述孤岛电网中的中间时间应当借助于根据本实用新型的逆变器的电容式蓄能器而被度过。因此，当电网频率低于预先给定的边界值时，于是所述蓄能器被接入所述直流电压中间回路。替换于电网频率本身，也可以评价电网频率就所述被限界的交流电网内的功率平衡而言的时间上的改变。该接入可首先通过一预充电电阻，并然后通过一阻尼式限流器和/或一阻尼电阻来进行，所述阻尼电阻的电阻值最高为所述预充电电阻的电阻值的一半、通常最高五分之一或十分之一并且可以还要更小。

当电网频率低于所述预先给定的边界值时，并联地可给所述孤岛电网接入至少一个柴油发电机，所述柴油发电机在几秒钟、通常大致10至20秒钟之后提供所缺少的电能。借助所述电容式蓄能器来度过所述几秒钟的时间段。

如果所述蓄能器被接入所述直流电压中间回路，连接到所述输入端口上的直流电源、尤其是光伏发电机的可能的MPP追踪适宜地利用所述逆变器的因此相连的输出电流调节装置被终止。取而代之的是，所述逆变器这样地运行，使得流动足够大的输出电流，以便支持电网频率。在所述逆变器的这样的输出电压调节装置的情况下，流经直流电压中间回路的电流根据孤岛电网内的能量需求进行设定。

如果所述蓄能器被接入所述直流电压中间回路，那么，所述充电电路可被去激活，以便不在回路内引导电能。但在所述充电电路功率非常小的情况下也可放弃采用这种措施。

如果所述蓄能器放电到施加在所述输出端口上的交流电压的所述峰压上，也就是说，所述蓄能器不再能够将会由所述逆变器馈入所述孤岛电网中的电能馈入所述直流电压中间回路中，那么所述蓄能器适宜地与所述直流电压中间回路分开。在其重新充电之后，所述蓄能器才可适宜地被使用。

本实用新型的有利的改进方案由权利要求书、说明书以及附图中得出。所述这些特征和多个特征组合的在说明书中提到的优点仅是示例性的并且可替换地或累积地产生作用，而不必强制性地通过根据本实用新型的实施方式来获得这些优点。在所附的权利要求的主题不由此而发生改变的情况下，对于原始的申请文件以及实用新型的公开内容方面，适用以下原则，即：可从附图中，尤其是从多个构件的示出的相对布置和作用连接中得出其它特征。同样地，本实用新型不同实施方式的特征的组合或者不同权利要求的特征的组合可偏离权利要求的所选择的引用关系并由此获得启发。这也涉及到那些在单个附图中所示的或者在其描述中所提到的那些特征。这些特征也可与不同权利要求的特征组合。在权利要求中列举的特征同样可以对于本实用新型的其它实施方式被取消。

在其数目方面这样来理解在权利要求以及说明书中所提到的特征，即：正好该数目或者是比所提到的数目更大的数目，而不需要明确使用副词“至少”。因此，例如当说到一个元件，这要这样来进行理解，即，存在正好一个元件、两个元件或者多个元件。这些特征可通过其他特征进行补充或者是这样的唯一的那些特征，由这些特征组成各自的结果。

权利要求中所包含的附图标记并不是由权利要求所保护的主题的范围的限制。这些附图标记列表仅用于使得权利要求更加易于理解的目的。

附图说明

下面借助附图中所示的实施例来进一步阐述以及说明本实用新型。

图1示出了根据本实用新型的逆变器的原理图，一光伏发电机被输入侧地连接到其上并且该逆变器在输出侧通过一变压器被连接到交流电网上。

具体实施方式

在图1中示意性示出的逆变器1具有一输入端口2，在此，光伏发电机3作为直流电源4被连接到该输入端口上。逆变器1以一输出端口5经由可选电网变压器6被连接到交流电网7上。在此情况下可以涉及一孤岛电网。输入端口2引向逆变器1的输入侧的直流电压中间回路8，所述直流电压中间回路由一中间回路电容器C2来形成。这个中间回路电容器C2可实际上由多个串联连接和/或并联连接的单个电容器构成。所述电容器可尤其是包括两个串联连接的电容器，其中，这些电容器的中间点可与电网7的星形汇接点(N)连接。在所述中间回路电容器C2上降低的中间回路电压U_C2由逆变器1的一DC/AC转换器9转换为输出交流电压，以便使得电能由直流电压中间回路8出来通过电网变压器6被馈入交流电网7中。如果交流电网7例如涉及一孤岛电网，那么，当有一负荷被接入该交流电网7或者当由光伏发电机3所提供的电能例如由于升起的云层而减少，交流电网7内所提供的电能可能快速地落后于需求量。那么，为了满足能量需求而需要的是向交流电网7接入附加的交流电源。然而，这种接入例如在柴油发电机的情况下需要几秒的时间，一直到所述附加的交流电源能够在实际上满足交流电网7内的能量需求。为了度过这段时间段，也就是说，为了暂时提供额外的电功率，逆变器1在这里具有以双层电容器C1形式的电容式蓄能器10。所述双层电容器C1也可在实际上由多个并联连接和/或串联连接的单个双层电容器构成。为了给双层电容器C1充电而设置有一充电电路11，所述充电电路在这里表示为电气隔离的AC/DC转换器12。基本上地，所述充电电路11涉及一使得施加在输出端口5上的交流电压升压的变压器和一接在该变压器后面的整流器。所述充电电路11将双层电容器C1充电至这样一个电压，该电压为施加在所述输出端口5上的交流电压的峰压的至少120％、优选140％。其也可将双层电容器C1充电到1.6倍那么高的电压或者还要更高的电压。重要的是，充电电路11将薄膜电容器C1充电到一比直流电压中间回路8的最小所需的电压U_C2明显更高的电压U_C1，以便将电能由该直流电压中间回路8出来地利用DC/AC转换器9馈入所述交流电网7中。在此，流经充电电路11的功率可小地保留，因为通常有比较多的时间用于双层电容器C1或者说电池的充电。

如果交流电网7内可用的电能并不能满足能量需求，那么，通过电网频率的、也就是由外部施加在输出端口5上的交流电压的下降能注意到这一点。如果电网频率小于边界值，那么，逆变器1就由此识别到，其必须借助其电容式蓄能器10来提供额外的电能。为此，光伏发电机3的MPP运行被中断并且被调整到DC/AC转换器9的电压调节上。为了使电容式蓄能器10放电到所述直流电压中间回路8中，在永久地通过一保险装置F4将双层电容器C1的一侧与中间回路电容器C2的一侧连接的开关S4闭合的情况下，首先通过闭合开关S1经由一较大的预充电电阻R1和一保险装置F1使所述双层电容器C1的另一侧与中间回路电容器C2的另一侧连接。在此，较大的预充电电阻R1阻止了电容器C1与C2之间的非常大的电流流动。当进行了一定的电压适配时，开关S2被闭合，该开关使两个电容器C1和C2的所述另一端部经由一较小的预充电电阻R2和一保险装置F2而相互连接。如果要进一步继续所述中间回路电容器C2的预充电，就闭合开关S3，该开关使所述双层电容器C1仅还通过一阻尼式限流器L1和一阻尼电阻R3以及一保险装置F3，即硬性地接入给所述中间回路电容器C2。因此，在限界了流动的电流的情况下，将电能由电容式蓄能器10转送入直流电压中间回路8中。电能从那里利用DC/AC转换器9被馈入交流电网7中。在此，充电电路11可被切断。但在充电电路11的功率仅很小的情况下，这并不是强制需要的。此外，开关S1和S2可在闭合开关S2或者S3之后重新被打开。但这也不是重要的，因为只要开关S3被闭合，就仅有小的功率流经与预充电电阻R1和R2串联连接的开关S1和S2。去耦二极管D1防止：电功率由所述电容式蓄能器C1经由直流电压中间回路8流入被连接到输入端口2上的直流电源4中，如果该直流电源的电压下降到中间回路电压U_C2以下。

可一直由电容式蓄能器10提取电能，直到在闭合开关S3之后相等的电压U_C1和电压U_C2下降至一最小电压，该最小电压必须经由直流电压中间回路8来施加，以便利用DC/AC转换器9将电能馈入交流电网7中。如已经实施的那样，该电压处在施加在输出端口5上的交流电压的峰压附近。因此，如果双层电容器C1被充电到一比该峰压高约40％的电压U_C1上，那么，所述双层电容器内所储存的全部电能的大约一半能够短时地经由逆变器1被馈入交流电网7中，直到低于用于电能馈入交流电网7中的、通过直流电压中间回路8的所述最小电压。如果这个最小电压实际地为500伏并且进行了双层电容器C1直至充电到800伏上，根据在电容器的情况下所存储的电能与所述电压之间的平方关系，在短时间内甚至就可能大致要用到多于60％的被存储在双层电容器C1内的能量。这就远远高出由化学电池内所存储的能量在短时间内所提供的份额。

开关S1至S3优选被实施为机械式开关、即闸门。然而也可是半导体开关。从在图1中所示的逆变器1的电路中可以去掉电网变压器6、去耦二极管D1、保险装置F1至F4、开关S1、S2和S4、预充电电阻R1和R2以及阻尼元件R3和L2，如果在双层电容器C1与中间回路电容器C2之间通过剩下的开关S3也容许有大的电流，不存在能量由直流电压中间回路8流入输入侧所连接的直流电源4中的风险并且在输出端口5与交流电网7之间不需要电压适配的话。

附图标记列表

1     逆变器

2     输入端口

3     光伏发电机

4     直流电源

5     输出端口

6     电网变压器

7     交流电网

8     直流电压中间回路

9     DC/AC转换器

10    蓄能器

11    充电电路

12    AC/DC转换器

D1    去耦二极管

F1    保险装置

F2    保险装置

F3    保险装置

F4    保险装置

R1    预充电电阻

R2    预充电电阻

S1    开关

S2    开关

S3    开关

S4    开关

L1    阻尼式限流器

R3    阻尼电阻

C1    双层电容器

C2    中间回路电容器

U_C1   C1上的电压

U_C2   C2上的电压。

Claims (9)

1.逆变器(1)，其具有：

-一输入侧的直流电压中间回路(8)；

-一输入端口(2)，用于使一外部的直流电源(4)连接到所述直流电压中间回路(8)上；

-一能无转换器地接入所述直流电压中间回路(8)的蓄能器(10)；

-一输出端口(5)，用于使所述逆变器(1)连接到一外部的交流电网(7)上；以及

-一充电电路(11)，用于由一施加在所述输出端口(5)上的交流电压充电所述蓄能器(10)，

其特征在于，

-所述蓄能器(10)是一电容式蓄能器(10)；以及

-这样来构造所述充电电路(11)，使得所述充电电路将所述电容式蓄能器(10)充电到一电压(U_C1)，该电压比所述施加在所述输出端口(5)上的交流电压的峰压高出至少20％。

2.根据权利要求1所述的逆变器(1)，其特征在于，所述充电电路(11)具有使所述施加在所述输出端口(5)上的交流电压升压的一变压器。

3.根据权利要求1或2所述的逆变器(1)，其特征在于，这样来构造所述充电电路(11)，使得所述充电电路将所述电容式蓄能器(10)充电到一电压(U_C1)，该电压比所述施加在所述输出端口(5)上的交流电压的峰压高出至少40％。

4.根据权利要求1或2所述的逆变器(1)，其特征在于，所述蓄能器(10)能够通过一阻尼式限流器(L1)和/或一阻尼电阻(R3)接入所述直流电压中间回路(8)。

5.根据权利要求1或2所述的逆变器(1)，其特征在于，所述蓄能器(10)能够首先通过一预充电电阻(R1、R2)接入所述直流电压中间回路(8)。

6.根据权利要求5所述的逆变器(1)，其特征在于，所述预充电电阻(R1、R2)能设定到不同的电阻值上，以便所述电阻值能够随着所述直流电压中间回路(8)通过所述预充电电阻(R1、R2)的预充电的进展而下降。

7.根据权利要求1或2所述的逆变器(1)，其特征在于，所述蓄能器(10)具有至少一个超级电容。

8.根据权利要求1或2所述的逆变器(1)，其特征在于，所述蓄能器(10)具有至少一个双层电容器(C1)。

9.根据权利要求1或2所述的逆变器(1)，其特征在于，在所述直流电压中间回路(8)与所述输入端口(2)之间连接有至少一个去耦二极管(D1)。