CN102171906A - 为逆变器特别是太阳能逆变器的中间电路提供过电压保护的保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种为一逆变器(1)的一中间电路(2)提供过电压保护的输入端保护电路(5)。所述保护电路(5)具有一用于对所述中间电路(2)进行限压的上游元件(RV)，所述上游元件连接在所述中间电路(2)的上游且可用一可控机械开关构件(7)跨接在所述上游元件两端。可对所述机械开关构件(7)进行控制，以使得当所述逆变器(1)处于供电模式时，如果一中间电路电压(uZK)大于一规定电压极限值(UG)，所述机械开关构件就断开。根据本发明，所述保护电路(5)具有一连接在所述上游元件(RV)的下游且与所述中间电路(2)并联的电子限压器(6)。

Description

为逆变器特别是太阳能逆变器的中间电路提供过电压保护的保护电路
技术领域
本发明涉及一种为逆变器的中间电路提供过电压保护的输入端保护电路，其中，所述保护电路具有用于对所述中间电路进行限压的上游元件，所述上游元件连接在所述中间电路的上游且可用可控机械开关构件跨接在所述上游元件两端。可以某种方式对所述机械开关构件进行控制，使得当所述逆变器处于供电模式时，如果中间电路电压大于规定的电压极限值，所述机械开关构件就断开。
本发明此外还涉及一种逆变器，包括用于连接到再生直流电压源的输入端中间电路、用于为电网供电的输出端功率元件以及上述类型的可控输入端保护电路。
背景技术
再生直流电压源可以是太阳能模块或具有多个这类太阳能模块的太阳能场，也可以是燃料电池或者是风力发电站或沼气发电厂的发电机。
例如，再生直流电压源可以为电力企业的50Hz/230V的单相供电网络或60Hz/120V供电网络供电，优选地为50Hz/400V的三相供电网络供电。此外，也可将例如通过光伏途径产生的电流输入到多个逆变器，这些逆变器随后将输入的直流电压转换成电网电压。
太阳能场所产生的直流电压与当前日照以及特别与太阳能场的电力负荷有关。太阳能场的这种场电压或输出电压在空载时达到最高。这种电压因而也被称作空载电压。有负载时，即通过逆变器为电网供电时，上述电压会下降。逆变器优选具有一个控制单元，该控制单元对逆变器功率元件中的电子半导体元件进行控制，以使得输入电网的功率达到最大。为此，控制单元通常会执行一个所谓的跟踪程序，以便不断“搜寻”同样处于变化中的最大功率点(MPP，即Maximal Power Point)。
用作直流电压源的太阳能模块或太阳能场在有负载时具有某种更接近于电流源的电性特征。亦即，在假定同等日照条件下，所产生的电流基本不受太阳能模块或太阳能场的场电压或输出电压影响，其中，太阳能模块或太阳能场上的空载电压在负载相对较小时会迅速下降(参见图2)。但是在日照较强的情况下，空载电压可能会超过太阳能逆变器允许的最大工作电压。
为了防止中间电路的输入端上出现不允许的高电压，JP 11312022 A的日本专利文摘揭示了一种输入端保护电路。该保护电路包含一个串联电路，该串联电路由两个用作分压器的电阻器和三个可控机械开关构件构成。如果输入端上的场电压低于规定的电压极限值，就对这些机械开关构件进行控制来将该场电压直接施加在中间电路上。这些机械开关构件可以是继电器或接触器。一旦中间电路电压超过规定的电压极限值，就对开关构件进行控制，使得场电压加在所述串联电路上，且中间抽头上的经分压处理而有所降低电压值施加在中间电路上。
但是一旦逆变器发生故障，它就会阻断用于对逆变器功率元件中的半导体开关进行控制的控制脉冲，这就无法再对所存在的场电压实施任何调整。由于停止供电以及由此导致再生直流电压源不具有负荷，场电压会骤然上升至空载电压，为此通常需要100ms至200ms的开关时间，直至机械开关构件最终使被跨接的电阻器起到限压的作用。但是，如果场电压在这段时间内上升到超过电压极限值的不允许的高电压值，就会在极短的时间内毁坏逆变器特别是其对过电压敏感的半导体开关。这种情况在日照强度较大的正在供电的太阳能场尤为突出。
发明内容
从上述现有技术出发，本发明的目的是提供一种用于逆变器的改进型保护电路。
本发明的另一目的是提供一种相应具有上述类型的保护电路的逆变器。
权利要求1所述的特征是本发明用以达成上述目的的解决方案。有利实施方式由从属权利要求2至7给出。权利要求8涉及的是一种相应的逆变器。权利要求9是该逆变器的一种有利实施方式。
根据本发明，所述保护电路具有一个连接在所述上游元件的下游且与所述中间电路并联的电子限压器。
相对于机械开关元件而言，本发明以几乎无延迟的方式将中间电路上的电压限制在“半导体开关能承受的”电压水平上。这就为逆变器中对过电压敏感的半导体开关(例如IGBT或MOSFET，IGBT代表Insulated Gate BipolarTransistor，即绝缘栅双极晶体管；MOSFET代表Metal Oxide SemiconductorField-Effect Transistor，即金属氧化物半导体场效应晶体管)提供了有效保护。
根据所述保护电路的一种特别有利的实施方式，所述电子限压器采用热设计(thermally designed)，基本上仅用于吸收所述机械开关构件断开之前在所述限压器上释放的输入功率。由此可使所述电子限压器具有极其紧凑的结构。在此需要考虑以下情况，在所述机械开关构件的开关时间内在所述限压器上释放的电功率比在所述串联电路的电阻器上释放的功率高出多个数量级。其中，上述用于限压的电阻器通常采用可以无时限工作的热设计方案。
根据另一实施方式，所述电子限压器具有用于检测所述中间电路电压的电压检测单元、用于将当前检测到的电压测量值与对应于所述电压极限值的基准电压值进行比较的比较器、连接在所述比较器下游的可控电子开关元件以及与所述中间电路并联的串联电路，所述串联电路包括所述电子开关元件的负载侧部件和限制电阻器。通过上述实施方式可使得本发明保护电路在不受所述逆变器的控制的情况下工作。
根据一种优选实施方式，所述比较器设计为可对所述电子开关元件进行可调整的时钟定时控制的斩波器。其优点主要在于，只有相对少量的损耗功率释放在所述开关元件上，而绝大部分电功率都释放在所述用于限压的上游元件上。这个上游元件优选是电阻器，例如功率电阻器。所述电子开关元件通常是晶体管。
此外，所述斩波器还可具有一个以恒定的开关频率对所述电子开关元件进行可调整的时钟定时控制的脉宽调制器。这样可以使所述电子限压器具有一个从电路技术角度看特别简单的结构。
根据另一实施方式，可对所述机械开关构件进行控制，以使得所述机械开关构件在所述逆变器处于断开状态时断开。通过这种方式，即使所述逆变器断开也能在输入端进行限压。
此外，本发明用来达成上述目的的解决方案是一种具有本发明保护电路的逆变器。用于所述保护电路的所有组件优选均整合在用于所述逆变器的控制系统的电路载体上。
本发明的逆变器优选是一种输入端可与太阳能模块或太阳能场连接的太阳能逆变器。作为替代方案，所述逆变器也可连接在燃料电池上。
附图说明
下面借助附图对本发明及其有利实施方案进行进一步说明，其中：
图1为一示范性逆变器的示意图，在其输入端上具有一个为该逆变器的中间电路提供过电压保护的现有技术的保护电路；
图2为一个作为再生直流电压源示例的太阳能模块的示范性电流/电压特性曲线；
图3为一示范性逆变器的示意图，其具有一个采用本发明第一实施方式的保护电路；以及
图4为另一示范性逆变器的示意图，其具有一个采用本发明第二实施方式的保护电路。
具体实施方式
图1展示的是一示范性逆变器1，在其输入端上具有一个为逆变器1的中间电路2提供过电压保护的现有技术的保护电路5′。在图1所示的示例中，参考符号1表示一个已知逆变器。该逆变器在输入端上具有一个电压中间电路2，这个电压中间电路由中间电路电容器8和与之并联的中间电路电阻器RS构成。该中间电路电阻器例如可以是分立组件。中间电路电阻器RS也可以是提供直接接触保护的放电电阻器。此外，中间电路2可连接到再生直流电压源3，例如太阳能场。中间电路2输出端一侧的下游连接有一个用于为电网N供电的功率元件4。功率元件4将中间电路直流电压uZK转换成输出端交流电压。在图1所示的示例中，所示逆变器1在三个输出端子11上提供三相电网电压。
中间电路2的上游连接有一个提供过电压保护的输入端保护电路5′。这个保护电路例如具有一个可控机械开关构件7，该开关构件可跨接在一个用于给中间电路2限压的电阻器的两端，该电阻器实施为上游元件RV。以如下方式对机械开关构件7进行控制，即，使得当逆变器1处于供电模式时，该开关构件在中间电路电压uZK大于规定电压极限值的情况下断开。这个机械开关构件7优选是电控继电器或接触器。虚线15表示开关构件7的可控性，这种可控性例如通过逆变器1的电子控制单元或者通过过电压继电器或欠压继电器而实现。
图1展示的是处于断开状态的逆变器1。在这种无功状态下，机械开关构件7或准确而言所示继电器的动合触点处于断开状态。uF代表太阳能场3存在于逆变器1的输入端子10上的场电压或输出电压。i代表流经所示上游电阻器RV并在该上游电阻器上形成电压降uR的电流。这个电压uR就是中间电路电压uZK与场电压uF之差。上游电阻器RV的电阻值的大小以在再生直流电压源达到最大输出电压时能够实现足够大的电压降为准。此外，可以如下方式对机械开关构件7进行控制，即，使得当逆变器1处于供电模式或能量回收模式时，该开关构件在中间电路电压uZK小于可规定的电压极限值的情况下闭合。这种情况指的是：中间电路2的负荷使得中间电路电压uZK下降到功率元件4能够稳定工作而半导体开关不存在损毁危险的程度。例如，如果直流电压源3(例如太阳能场3)的预期最大输出电压约为1000V，就可将上述可规定的电压极限值设定为500V。
图2展示的是一个作为再生直流电压源示例的太阳能模块的示范性电流/电压特性曲线20。如图2所示，该太阳能模块所产生的电流i在较大的场电压uF范围内基本恒定。根据该太阳能模块具体的可调负载因数，所述逆变器的功率元件原则上可以通过特性曲线20上的每个点。太阳能模块空载时，最大场电压UL存在于太阳能模块上，而当太阳能模块出现短路时，就会产生短路电流IK。MPP表示特性曲线20的最大功率点，在这个点上能实现最大程度的能量回收。UP表示相应的场电压。从图2中还可看出，当太阳能模块有负载时，场电压uF下降速度相对较快。因此，相对较小的负荷就足以将场电压uF从最大的空载电压UL降低到可规定的极限电压UG，低于这个极限电压就能让半导体开关稳定工作。
图3展示的是一示范性逆变器1，其具有一个采用本发明第一实施方式的保护电路5。如图3所示，这个保护电路5优选已整合在逆变器1中。根据本发明。保护电路5具有一个电子限压器6，该电子限压器6连接在实施为电阻器的上游元件RV的下游并与中间电路2并联。所述电子限压器6所采用的热设计仅用于吸收机械开关构件7断开之前(即在通常约为100ms至200ms的时间内)在该限压器6上释放的输入功率。根据机械开关构件7具体所采用的实施方案，例如实施为隔离接触器或DC接触器，热跨接时间可对应于用于断开机械开关构件7的开关时间，或者可能短于此时间，例如约50ms，或长于此时间，例如500ms。
在图3所示的示例中，电子限压器6具有用于检测中间电路电压uZK的电压检测单元61和用于将当前检测到的电压测量值UM与对应于电压极限值UG的基准电压值UV进行比较的比较器62。此外，限压器6还具有一个连接在比较器62下游的可控电子开关元件64和一个与中间电路2并联的串联电路，该串联电路包括实施为晶体管的电子开关元件64的负载侧部件和一个限制电阻器RB。参考符号63代表一个用于提供与基准电压值UV相对应的电压的基准电压源。
举例而言，此时如果逆变器1的功率元件4出现故障，该逆变器就会阻断用于控制未进一步图示的半导体开关的控制脉冲。这会使中间电路电压uZK在数毫秒内骤然上升至空载电压UL，其原因在于：停止供电后，无法再在逆变器1的输入端上给再生直流电压源3施加电力负荷。与现有技术中的保护电路不同，本发明独立工作的电子限压器6此时会立即将电压上升限制在规定的最大允许电压极限值UG上。本发明的开关时间比现有技术的长很多，机械开关构件7在这段开关时间结束后最终断开，以便将用于对中间电路2进行限压的上游元件或上游电阻器RV上的跨接解除。
图4展示的是另一示范性逆变器1，其具有一个采用本发明第二实施方式的保护电路5。
该逆变器1与图3所示逆变器1的区别之处在于，中间电路2具有一个由两个中间电路电容器8构成的串联电路。各有一个中间电路电阻器RS与这两个中间电路电容器8并联。工业变换器上经常采用中间电路2的这种结构。这两个电阻器RS的电阻值通常相等，例如为5kΩ至10kΩ范围内的某个欧姆值。两个在输入端上串联的上游电阻器RV优选具有与上述两个中间电路电阻器RS大致相等的电阻值。
所示保护电路5例如具有作为可控机械开关元件7的DC接触器71和隔离接触器72。参考符号73均代表激励线圈。此外，参考符号74、75分别代表属于DC接触器71和隔离接触器72的开关触点。优选由逆变器1的一个未进一步展示的控制单元控制这两个接触器71、72。
如果需要将逆变器1从再生电压源3上断开，就对两个接触器71、72都实施断开控制。供电模式下则对DC接触器71实施闭合控制，对隔离接触器72实施断开控制。此时，场电压uF直接加在于中间电路2上。如果中间电路电压uZK超过规定的最大允许电压极限值，就对DC接触器71实施断开控制并对隔离接触器72实施闭合控制，以便在输入端上限制电压。
在本实施例中，前述比较器设计为可对电子开关元件64进行可调整的时钟定时控制的斩波器65。电子开关元件64优选是一个设计用于开关操作的开关晶体管，例如IGBT。在此情况下，需要在短时间内吸收的功率就几乎只在技术上专门为这种情况设置的限制电阻器RB形式的组件上得以释放。其中，与上游电阻器RV和中间电路电阻器RS相比，这个限制电阻器RB的电阻值降低了二至四个数量级。在本实施例中，该限制电阻器的电阻值处于10Ω至100Ω范围内。但是这也意味着，与上游电阻器RV和中间电路电阻器RS相比，在该限制电阻器上释放的功率高出了二至四个数量级。但由于上述功率存在的时间远短于一秒钟，因此，与不断吸收这部分功率的限制电阻器相比，限制电阻器RB的尺寸可以小很多。
此外，斩波器65还具有一个以恒定的开关频率f对电子开关元件64进行可调整的时钟定时控制的脉宽调制器PWM。通过脉宽调制控制可大大简化电子限压器6的电路结构。开关频率f通常在10kHz范围内。通过这个开关频率可以迅速地以控制动作将中间电路2上的中间电路电压uZK限制在半导体开关能承受的电压值上。
上文通过实施例对本发明进行了详细展示和说明，然而本发明不限于这些已揭示的实施例，本领域技术人员从中推导出来的其他方案也在本发明的保护范围之内。
综上所述，本发明提出一种为逆变器1的中间电路2提供过电压保护的输入端保护电路5。保护电路5具有用于对中间电路2进行限压的上游元件RV，所述上游元件连接在中间电路2的上游且可控机械开关构件7跨接在该上游元件两端。可以如下方式对机械开关构件7进行控制，即，使得当逆变器1处于供电模式时，如果中间电路电压uZK大于规定的电压极限值UG，所述机械开关构件就断开。根据本发明，保护电路5具有一个连接在上游元件RV的下游且与中间电路2并联的电子限压器6。

Claims (9)

1.一种为一逆变器(1)的一中间电路(2)提供过电压保护的输入端保护电路，其中，所述保护电路具有一用于对所述中间电路(2)进行限压的上游元件(RV)，所述上游元件连接在所述中间电路(2)的上游且可用一可控机械开关构件(7)跨接在所述上游元件两端，以及对所述机械开关构件(7)进行控制以使得当所述逆变器(1)处于供电模式时，如果一中间电路电压(uZK)大于一规定电压极限值(UG)，所述机械开关构件(7)就断开，其特征在于，
所述保护电路具有一连接在所述上游元件(RV)的下游且与所述中间电路(2)并联的电子限压器(6)。
2.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，
所述电子限压器(6)采用热设计，基本上仅用于吸收所述机械开关构件(7)断开之前在所述限压器(6)上释放的输入电功率。
3.根据权利要求1或2所述的保护电路，其特征在于，
所述电子限压器(6)具有一用于检测所述中间电路电压(uZK)的电压检测单元(61)、一用于将当前检测到的一电压测量值(UM)与对应于所述电压极限值(UG)的一基准电压值(UV)进行比较的比较器(62)、一连接在所述比较器(62)下游的可控电子开关元件(64)及一与所述中间电路(2)并联的串联电路，所述串联电路包括所述电子开关元件(64)的负载侧部件和一限制电阻器(RB)。
4.根据权利要求3所述的保护电路，其特征在于，
所述比较器设计为可对所述电子开关元件(64)进行可调整的时钟定时控制的斩波器(65)。
5.根据权利要求4所述的保护电路，其特征在于，
所述斩波器(65)具有一以一恒定的开关频率(f)对所述电子开关元件(64)进行可调整的时钟定时控制的脉宽调制器(PWM)。
6.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的保护电路，其特征在于，
所述上游元件(RV)是一电阻器，所述电子开关元件(64)是一开关晶体管。
7.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的保护电路，其特征在于，
对所述机械开关构件(7)进行控制，以使得所述机械开关构件在所述逆变器(1)处于断开状态时断开。
8.一种逆变器，包括一用于连接到一再生直流电压源(3)的输入端中间电路(2)和一用于为一电网(N)供电的输出端功率元件(4)，其中，所述逆变器具有一可为所述中间电路(2)提供过电压保护的输入端保护电路(5)，所述保护电路(5)具有一用于对所述中间电路(2)进行限压的上游元件(RV)，所述上游元件连接在所述中间电路(2)的上游且可用一可控机械开关构件(7)跨接在所述上游元件两端，通过所述逆变器可对所述机械开关构件(7)进行控制，以使得当所述逆变器处于供电模式时，如果一中间电路电压(uZK)大于一规定电压极限值(UG)，所述机械开关构件就断开，其特征在于，
所述逆变器具有一根据上述权利要求中任一项权利要求所述的保护电路(5)。
9.根据权利要求8所述的逆变器，其特征在于，
所述逆变器是一输入端可与一太阳能模块(3)、一太阳能场(3)或一燃料电池连接的太阳能逆变器。
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