CN101635527A - 太阳能发电设备的转换器装置和该转换器装置的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种优选来自太阳能电池装置的转换器装置，所述转换器装置带有具有最大电压的时变直流电压输入端、电平变换器以及至少一个可与电网相连接的逆变器。在此，直流电压输入端的正的输入极与第一开关和第一二极管的正极相连接。直流电压输入端的负的输入极与第二开关和第二二极管的负极相连接。第一二极管的负极与第一电容器相连接，第二二极管的正极与第二电容器相连接。此外，两个开关与两个电容器分别相互连接，并且它们的中间分接头相互连接。这个装置构成所述电平变换器，所述电平变换器与至少一个接在后面的逆变器相连接。依照本发明的控制方法不依赖于输入电压地分别以额定中间电路电压的半值给第一电容器和第二电容器充电。

Description

太阳能发电设备的转换器装置和该转换器装置的控制方法
技术领域
本发明涉及一种控制方法和一种转换器装置(Stromrichteranordnung)，该装置带有直流电压输入端以及交流电压输出端，所述直流电压输入端的电压值是时变性的，该装置优选由太阳能电池装置馈电。此类转换器装置基本上适用于具有在时间上不恒定的输入端直流电压的所有应用。
背景技术
公知的太阳能电池装置被以如下方式构造：使得单板被以二维矩阵的方式来布置，并且在此该矩阵的单列或单行的单板相互串联并因此形成太阳能电池板链。此外，已知的是，将此类太阳能电池板链并联起来，并且在此借助逆变器将该连接的输出极与电网相连，以将电流馈入所连接的电网中。此类的太阳能发电设备具有如下优点，即，在电路技术上的花费很少以及功能电子元件的数目很少。
但是，对于太阳能电池板主要不利在于，太阳能电池板的输出电压及其输出功率随着有效的光照强度而强烈变化。在所提及的太阳能发电设备中特别不利的是，单板的遮暗已导致太阳能电池板链输出功率强烈超比例地减少。因此在给定光照强度的情况下，此类太阳能发电设备的真实效率远小于理论上最大的效率。
同样已知的是，单个的太阳能电池板链被直接与所配属的逆变器连接，并且这些单个的逆变器的交流电压输出端与待馈电的电网连接。在此，针对太阳能发电设备的该构造方案，电路技术上的花费、特别是功率电子元件的数目明显高于所提及的第一构造方案。但是，该花费也有利地实现了较高的真实效率。
为每个单板配一个逆变器的太阳能发电设备在花费最高的同时将会实现最佳效率。但由于花费很高，该方案在经济角度看来意义不大。
发明内容
本发明的任务在于介绍一种转换器装置，所述转换器装置用于在真实效率与电路技术上的花费之间的比例得到改善的同时，对太阳能发电设备进行改进。
该任务依照本发明通过具有权利要求1的特征的主题以及通过如权利要求6所述的方法来解决。优选的实施方式在从属权利要求中加以描述。
优选具有多个太阳能电池板链的太阳能发电设备构成本发明的出发点，每个太阳能电池板链具有时变直流电压输出端，将所述直流电压输出端串联并因此具有时变直流电压总输出端。这个具有已定义的最大值的直流电压总输出端形成根据本发明的转换器装置的直流电压输入端。
此外，该转换器装置具有至少一个电平变换器和至少一个可与电网连接的逆变器。直流电压输入端的正的输入极与第一开关和第一二极管的正极相连接。此外，直流电压输入端的负的输入极与第二开关和第二二极管的负极相连接。第一二极管的负极与第一电容器相连接，第二二极管的正极与第二电容器相连接。同样地，两个开关与两个电容器分别相互连接，并且它们的中间分接头(Mittelzapfungen)相互连接并优选同样与地电势相连接。因而这个装置构成电平变换器。
优选地，第一逆变器可以与第一电容器相连接，第二逆变器可以与第二电容器相连接，由此第一逆变器的第一输入端与电平变换器的第一输出端相连接，而所述逆变器的第二输入端与开关的及电容器的中间分接头相连接。因而第二逆变器以其第一输入端与开关的及电容器的中间分接头相连接，并以其第二输入端与电平变换器的第二输出端相连接。同样地，逆变器的输入端优选可以与电平变换器的所述两个输出端相连接。
此外，直流电压输入端的至少一个输入极优选可以与线圈相连接。可替代地，可连接的直流电压输入线路的寄生电感可以在所配属的方法的范围内承担其功能。
依照本发明的、用于控制所提及的转换器装置的方法认知两种主要的工作状态。只要在直流电压输入端存在大于等于额定中间电路电压的电压，电平变换器就不被控制。如果在直流电压输入端存在小于额定中间电路电压的电压，则电平变换器被以如下方式来控制，即获得为1的调制系数并由此分别以额定中间电路电压(VdcS)的半值给第一电容器和第二电容器充电。调制系数是交流电压值(更确切地说在输出端的相电压)与中间电路电压的加权比。对此，还给出三种子工作状态：
·当输入端直流电压小于额定中间电路电压的半值时，电平变换器的第一开关和第二开关被以如下方式控制，即两个开关的接通时间重叠，亦即总有至少一个开关是接通的，其中，交替地选择接通相位。
·当输入端直流电压等于额定中间电路电压的半值时，电平变换器的第一开关和第二开关被以如下方式控制，即两个开关的接通时间分别为开关周期的一半长，其中，交替地选择接通相位。
·当输入端直流电压大于额定中间电路电压的半值时，电平变换器的第一开关和第二开关被以如下方式控制，即两个开关的接通时间小于开关周期的一半，亦即存在没有开关被接通的时间，其中，同样交替地选择接通相位。
在第二工作状态中，至少一个接在电平变换器之后的逆变器总是不依赖于输入端直流电压在每个工作时刻以几乎恒定为额定中间电路电压的中间电路电压(所述中间电路电压在这里是两个电容器电压之和)工作。由此保证，调制系数几乎是1，并且逆变器以最佳效率工作。
与根据本发明方法相联系地，转换器装置的依照本发明的构造方案具有以下优点，即利用该转换器装置制造的太阳能发电设备具有真实效率与电路技术上花费之间改善的比例。
根据本发明的转换器装置以及所配属的方法附加地允许对电网电压波动起反应，使得该电网电压波动得以测量，由此额定中间电路电压得以匹配，并且由此对电平变换器的控制以如下方式变化，即，可以在很窄的界限内达到几乎为1的调制系数。
附图说明
该电路装置的特别优选的改进方案以及对该装置的控制方法在对实施例的相应描述中有所提及。此外，本发明的解决方案根据图1至图3的实施例进一步被阐明。
图1以太阳能发电设备的第一构造方案示出依照本发明的转换器装置。
图2以太阳能发电设备的第二构造方案示出依照本发明的转换器装置。
图3示出在应用本发明方法时不同的电压变化走向。
具体实施方式
图1示出了在太阳能发电设备的第一构造方案中的依照本发明的转换器装置1。该太阳能发电设备具有太阳能电池装置以作为电压源10，太阳能电池装置以太阳能电池板链装置的形式来构造，所述太阳能电池板链以如下方式相互连接，即，该太阳能电池装置具有时变的、在0V与1200V之间或在300V与1200V之间的输出电压。
转换器装置1的电平变换器2具有直流电压输入端。该直流电压输入端的正的输入极与第一开关30和第一二极管40的正极相连接。此外，直流电压输入端的负的输入极与第二开关32和第二二极管42的负极相连接。第一二极管40的阴极与第一电容器50连接，第二二极管42的正极与第二电容器52连接。同样地，两个开关30、32与两个电容器50、52分别相互连接，并且它们的中间分接头相互连接并与地电势200相连接。第一和第二开关30、32是公知的功率半导体器件，例如为分别带有反并联接入的续流二极管的绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
作为依照本发明的转换器装置1的逆变器60设置有由电压等级为1200V的功率半导体器件所构建的三相逆变器。该逆变器60具有连至输入电压为3×400V的变压器70的输出端，并且电网80经由该变压器70馈电。如果中间电路电压仅仅轻微地波动(不多于必需值650V的10％)，则逆变器60就具有直至99％的高效率。
与之相对地，转换器装置1的输入电压还有输入电流可能由于遮暗而快速地在上面提及的范围内波动，并由于在每日过程中不同的光照强度而缓慢地在上面提及的范围内波动。依照本发明的、用于控制该转换器装置1的方法做以下考虑，即，为了使逆变器60的电容器50、52的和电压在输入电压低于额定中间电路电压的那个工作时间段内恰好相应于该额定中间电路电压，而给电容器50、52充电。
图2示出了在太阳能发电设备的第二构造方案中的依照本发明的转换器装置1。在此，替代图1中描述的构造方案，两个逆变器2与太阳能电池装置10串联，并且共同给合适的变压器72馈电，以馈电到电网80中。在此，在转换器装置1的构造方案相同的情况下，太阳能电池装置的输出电压可以具有双倍的最大电压值。
图3示出了在直流电压输入端上存在小于额定中间电路电压的电压的条件下，在应用依照本发明的用于控制电平变换器的方法时的不同的电压变化走向。分别示出了流过第一和第二开关30、32的电流I30和I32的变化走向，亦即在第一开关和第二开关处的开关状态。数值是关于前面提及的额定中间电路电压为650V的示例，所述数值由目标值为1的调制系数和3×400V的输出交流电压而得出。
在图3a中，图示基于250V的输入电压Uin。按照依据本发明方法，在额定中间电路电压为650V的情况下得到各为325V的电容器电压的额定值。这通过以下方式来实现，即接通持续时长对于每个开关共计220°。持久接通的开关可具有360°的接通持续时长。此外，两个开关相对错开180°，也即交替地进行开关。可以看出，两个开关的各接通持续时长重叠。
在图3b中，图示基于325V的输入电压Uin。按照依据本发明方法，在额定中间电路电压为650V的情况下得到各为325V的电容器电压的额定值。这通过以下方式来实现，即接通持续时长对于每个开关共计180°。此外，两个开关相对错开180°，也即交替地进行开关，由此两个开关中总有一个是被接通的。
在图3c中，图示基于500V的输入电压Uin。按照依据本发明方法，在额定中间电路电压为650V的情况下得到各为325V的电容器电压的额定值。这通过以下方式来实现，即接通持续时长对于每个开关共计80°。此外，两个开关相对错开180°，也即交替地进行开关，由此存在如下的相位，在所述相位中两个开关中没有一个是接通的。
图3d在图中示出了两个开关之一的接通时间与输入电压Uin之间的联系。可以看出，借助于依据本发明方法，在200V与650V之间的输入电压Uin的所有电压值都导致额定中间电路电压。当输入电压Uin的值高于650V时，两个开关持久地断开，由此中间电路电压也高于650V，并且调制因数为1的逆变器的运行不再是可能的。因此，太阳能电池装置应被这样设定尺寸，使得其空载电压、也即转换器装置的最大输入电压在低外部温度下具有为额定中间电路电压的110％的值。

Claims (6)

1.转换器装置(1)，优选来自太阳能电池装置(10)的转换器装置(1)，所述转换器装置(1)带有具有最大电压的时变直流电压输入端，所述转换器装置(1)带有电平变换器(2)并且带有至少一个能与电网(80)相连接的逆变器(60)，
其中，所述直流电压输入端的正的输入极与第一开关(30)和第一二极管(40)的正极相连接，
所述直流电压输入端的负的输入极与第二开关(32)和第二二极管(42)的负极相连接，
所述第一二极管(40)的所述负极与第一电容器(50)相连接，所述第二二极管(42)的正极与第二电容器(52)相连接，并且所述两个开关(30、32)与所述两个电容器(50、52)分别相互连接且它们的中间分接头相互连接，而且这个装置构成所述电平变换器(2)，所述电平变换器(2)与至少一个接在后面的所述逆变器(60)相连接。
2.如权利要求1所述的转换器装置，
其中，所述直流电压输入端的至少一个输入极能够与线圈(20、22)相连接。
3.如权利要求1所述的转换器装置，
其中，所述两个开关(30、32)的和所述两个电容器的所述中间分接头与地电势(200)相连接。
4.如权利要求1所述的转换器装置，
其中，所述第一逆变器与所述第一电容器相连接，而所述第二逆变器与所述第二电容器相连接。
5.如权利要求1所述的转换器装置，
其中，逆变器与所述电平变换器相连接。
6.用于控制如权利要求1至5之一所述的转换器装置(1)的方法，其中，只要在直流电压输入端处存在等于或大于额定中间电路电压的电压Uin，就不对电平变换器进行控制，而如果在所述直流电压输入端处存在小于所述额定中间电路电压的电压，则对所述电平变换器进行这样地控制，即得到为1的调制系数，由此分别以所述额定中间电路电压(VdcS)的半值给所述第一电容器(50)和所述第二电容器(52)充电，而且对此
·当输入端直流电压小于所述额定中间电路电压(VdcS)的半值时，对所述电平变换器(2)的所述第一开关(30)和所述第二开关(32)进行这样地控制，即，所述两个开关(30、32)的接通时间重叠并且是交替的；
·当输入端直流电压等于所述额定中间电路电压(VdcS)的半值时，对所述电平变换器(2)的所述第一开关(30)和所述第二开关(32)进行这样地控制，即，所述两个开关(30、32)的接通时间分别为开关周期的一半长并且是交替的；
·当输入端直流电压大于所述额定中间电路电压(VdcS)的半值时，对所述电平变换器(2)的所述第一开关(30)和所述第二开关(32)进行这样地控制，即，所述两个开关(30、32)的接通时间小于开关周期的一半并且是交替的。
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