CN102201753B - 从时变的直流电压源中产生交流电压的电路系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种从时变的直流电压源中产生交流电压的电路系统和方法，该电路系统具有一个或多个并联的分电路系统，用于给至少一个逆变器电路馈电。分电路系统由带有随时间变化的直流输出电压的未经调节的电压源、倍压电路以及带有调节装置的电压调节电路构成。在配属的方法的范围内，倍压电路使未经调节的电压源的电压翻倍。通过电压调节电路的调节装置来实现对未经调节的电压源的电流特性曲线/电压特性曲线的调节，即最大功率点追踪。

Description

从时变的直流电压源中产生交流电压的电路系统和方法
技术领域
本发明描述的是一种用于从多个带有随时间变化的直流输出电压的未经调节的电压源中产生交流电压的电路系统，以及用于驱动该电路系统的方法。优选作为这种未经调节的电压源的是光伏设备或该光伏设备的部分。在这里，应该将“光伏设备”仅理解成多个光伏模块的布置和电气连接，在这里子设备同样包括在内。将这种光伏模块联接成光伏设备，并且这种光伏模块具有视结构型式而定的并且依赖于日射(Sonneneinstrahlung)的并且因此随时间缓慢变化的直流输出电压。该直流输出电压的这种变化在分钟范围内或在更长的时间单位内具有时间常量(Zeitkonstante)。
为了将这种光伏设备的输出电流馈入到公共的或局部的电网中，必须借助于逆变器电路将直流输出电压转化成频率和电压恒定的交流电压。
背景技术
用于产生这种交流电压的示例性的电路系统在DE 10 2008 034955 A1中有所描述。在这里公开了一种变流器系统，该变流器系统具有光伏设备、电平变换器以及逆变器，该光伏设备带有随时间变化的输出电压。在配属的方法中，不依赖于输入电压地，分别利用理论中间电路电压的一半的值来给电平变换器的第一电容器和第二电容器充电。这种电路系统的缺点在于，在这种情况下，光伏设备负载了在驱动电平变换器的频率范围内瞬态波动的电流。
对于这种电路系统来讲，存在大量依赖于应用情况并且部分地相矛盾的要求。例如，应该尽可能线性地给各个光伏模块加负载，也就是说，其输出电流应该在如下时间间隔内在时间上尽可能恒定，该时间间隔对功率半导体电路来说是典型的，即在小于一秒的时间范围内或者在1Hz以上的频率范围内。同样地，逆变器电路上的输入电压应该尽可能恒定，并且从光伏设备到逆变器电路的传输应该以尽可能高的电压来实现，以便将功率损耗保持得很小。
最后，整个电路系统应该以高有效率来工作。在这种情况下，必要部件的数量很小，并且其规格(Dimensionierung)，特别是线圈和电容器的规格同样尽可能地小。同时，应该以如下方式来运行光伏设备或该光伏设备的光伏模块，即，使该光伏设备或其光伏模块在最高的功率输出(MPP-maximum power point(最大功率点))上工作。为此，需要适当地进行调节，即所谓的“最大功率点追踪(MPP-Tracking)”。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种电路系统和配属的方法，用于从多个各自带有随时间变化的直流输出电压的电压源中产生交流电压，其中，这些电压源的电流负载是稳定的，并且到逆变器电路的传输具有尽可能小的损耗。
按照本发明，该目的通过如下所述的电路系统以及方法得以解决。
按照本发明的电路系统具有一个或多个并联的分电路系统，用于给至少一个逆变器电路馈电，所述逆变器电路能够与至少一个配属的变压器连接。在这种情况下，每个分电路系统由带有随时间变化的直流输出电压的未经调节的电压源、倍压电路以及带有配属的调节装置的电压调节电路构成。
在按照本发明的用于驱动这种电路系统的方法中，借助于倍压电路使输入电压翻倍，方法是：以时间上错开的方式并且分别以各半个开关周期的相同的周期持续时间接通半桥电路的两个功率晶体管。由此，给未经调节的电压源恒定地加负载，也就是说，使未经调节的电压源的输出电流在短时间范围内，即在一秒的范围内或更快地，不具有波动，这特别是对于光伏设备或光伏模块来讲是优选的。
优选地，倍压电路具有正极性支路和负极性支路各一个，其中，在所述正极性支路和所述负极性支路的输入端上分别设置有第一电感和第二电感，所述第一电感和所述第二电感由第一线圈和第二线圈形成或者分别仅由电压源的各引线的电感形成。接着该第一电感和第二电感的是处在正支路与负支路之间的两个功率晶体管的半桥电路。接着，在两个支路中分别设置有二极管，并且接着所述二极管设置有两个第一电容器的串联电路，该串联电路连接这两个支路。
对于电压调节电路的构造方式来讲，原则上特别优选两种方案。第一方案具有两个分开的分电路：升压变换器和降压变换器。对于这两个分电路的布置来讲，同样有两种方案是具有优点的。在第一方案中，各个相应的升压变换器直接接着配属的倍压电路设置，以便将其输出电压提升到相同的电位上。于是，在逆变器电路中设置有相应的降压变换器，以便在那里将传输电压降低到中间电路电压的合适的值上。该方案的优点在于，为光伏设备与逆变器电路之间的功率传输提供特别高的电压，并且由此尽可能将功率损耗保持得很小。由此，由于传输电流值较小，也可以减小传输线缆的规格和与此相关的成本。
带有两个分开的分电路的第二方案具有相应的降压变换器，相应的降压变换器直接接着配属的倍压电路，而在逆变器电路中布置有升压变换器。因此，与第一方案相比，在较低的电压下实现传输。当然，为了使整个设备符合安全准则并且例如尤其不必实现针对较高电压的特别的安全规程，这可以是具有优点的。总的来讲，带有两个分开的变换器电路的电压调节电路提供了高度的灵活性，以便使分电路系统适合因应用而异的情况。
电压调节电路的第二方案基本上与倍压电路相同地构建，并且可以因此具有优点地也借助相同的功率半导体模块来完成。当然，与其任务相应地，不同于倍压电路地驱动该电压调节电路，并且该电压调节电路用于使彼此并联的不同的分电路系统的直流输出电压适配。
除了使倍压电路的输出电压与逆变器电路的中间电路电压进行所描述的适配，同样通过电压调节电路的调节装置来实现在光伏设备中对电流特性曲线/电压特性曲线的必要调节，即最大功率点追踪。
作为逆变器电路，原则上可以设置不同的三相逆变器。特别优选的是，平行地布置两个三相逆变器并且以错开半个开关周期的方式驱动这两个三相逆变器。由此产生与所期望的正弦输出电压充分近似的电压。
附图说明
结合图1至图5的实施例来详细阐述本发明的方案。
图1a-d示出按照本发明的第一电路系统的基本原理，以及该第一电路系统的几个部件；
图2a-b示出按照本发明的电路系统的其他部件；
图3a-b示出按照本发明的电路系统的其他构造方式的基本原理；
图4a-b示出按照本发明的电路系统的其他部件；
图5a-b示出在应用按照本发明的方法时，按照本发明的电路系统的输出电流的仿真。
具体实施方式
图1示意性地示出按照本发明的第一电路系统的基本原理以及该第一电路系统的几个部件。图1a中示出的是未经调节的电压源12，在这里是光伏设备，该光伏设备带有视日射的变化而定的、公知的直流输出电压波动以及输出电流波动。为了具有优点地运行这种光伏设备12，必要的是，以如下方式调节输出电压和输出电流，即，使输出功率最大。这在概念“最大功率点追踪(MPP-Tracking)”中公知。此外，具有优点的是，以如下方式给光伏设备12加负载，即，使输出电流不具有瞬态波动。
因此，按照本发明，在光伏设备12的输出端上接着倍压电路20，该倍压电路产生没有瞬态波动的输出电流。该倍压电路20具有正极性支路和负极性支路各一个，如图1b所示，该倍压电路在每个支路中都具有配属的电感200、202。在这里，这些电感200、202通过光伏设备与倍压电路的其他部件之间的连接线路来形成。如果该引线的电感200、202不够，那么还可以额外地设置与现有技术相比具有小电感的线圈。在形式上，该倍压电路20在这里包括与光伏设备12的连接线路。该连接线路具有数量级为十米的长度尺寸。
接着电感200、202设置有在正支路与负支路之间的半桥电路。该半桥电路在其那方面具有第一功率晶体管210和第二功率晶体管212的串联电路，该串联电路在需要时带有反并联的续流二极管。
该半桥电路借助于每个支路的各一个二极管220、222与第二电容器230、232的串联电路230、232连接。在这种情况下，在第一支路即正极性支路中，二极管的正极与半桥电路连接而负极与电容器电路连接。在第二支路即负极性支路中，负极与半桥电路连接而正极与电容器电路连接。
此外，优选的是，将半桥电路和电容器电路的相应的中间抽头(Mittelanzapfung)彼此连接。为了起到倍压电路20的功能，使两个功率晶体管210、212交替地以优选在500Hz至2kHz之间的适当的开关频率各自接通相同的时间间隔。250Hz以下的开关频率以及高达5kHz的开关频率也都适用，但是一般没有必要。因此，随时要么通过第一功率晶体管210、212要么通过第二功率晶体管210、212来提供电流流(Stromfluss)，并且因此使光伏设备12的电流负载保持恒定。在这里，“恒定”指的是，特别是在功率晶体管210、212的驱动频率的数量级内不出现瞬时波动。
在倍压电路上接着电压调节电路30、40，该电压调节电路可以依赖于使用条件不同地构造。第一方案具有由降压变换器34和升压变换器32构成的组合，它们的顺序原则上是任意的。当然，在这里，重要的是，这两个变换器电路不直接相邻地布置，而是按照图1c/图1d所示，这两个变换器电路的连接线路300跨接光伏设备12与逆变器电路50之间的主要间距。
因此，可以通过将降压变换器34接着倍压电路20布置，将连接线路300中的电压调整到限定的阈以下例如600V以下或1000V以下的值上。这可以明显简化按关于较高电压的国家规定的接触保护的复杂程度。
与此相对地，调换两个变换器电路32、34的类似的构造方式能够在连接线路300中实现尽可能高的电压，该尽可能高的电压因此引起相应较小的电流值，并且由此，在该连接线路300的电气损耗、规格以及还有成本方面，该尽可能高的电压是具有优点的。
作为电压调节电路40，第二方案具有与倍压电路20相同地构造的、但并不像该倍压电路那样被驱动的分电路。为了调节电压，优选将两个开关分别驱动具有合适长度的并且需要时有交叠的相同的时间间隔，从而使波动的输入电压符合所期望的恒定的输出电压。
在这两个方案中都通过电压调节电路30、40而不是通过倍压电路20来控制光伏设备12的最大功率点追踪。因此，倍压电路20无需具有其调节装置250与电压调节电路30、40或逆变器电路50的控制连接。
光伏设备12、倍压电路20以及相应的电压调节电路30、40形成分电路系统，该分电路系统与逆变器电路50连接成按照本发明的电路系统。
图2示出按照本发明的电路系统的部件，在这里是两个与现有技术相应的变换器电路。按照图2a，降压变换器34在其第一支路即那个正极性支路中具有功率晶体管340。其上接着有连接第一支路与第二支路的二极管342和第一支路中的电感344以及连接两个支路的电容器346。在带有接着降压变换器34的连接线路的上述应用中，可以够用的是，通过连接线路300(见图1d)的电感来构成上述电感344或者设置相应小规格的线圈。
升压变换器32，按照图2b，在其第一支路中具有电感320，该电感同样具有优点地通过连接线路300(见图1c)构成，需要时该连接线路带有额外的小电感的线圈。其上接着有连接第一支路和第二支路的功率晶体管322和第一支路中的二极管324以及连接两个支路的电容器362。
图3示出按照本发明的电路系统的另一构造方式的基本原理。在图3a中，在此示出的是分电路10的布置方式，按照针对图1所描述的第一方案，该布置方式以带有由两个变换器电路32、34构成的电压调节电路的方式构造。在这种情况下，分电路在两个变换器电路32、34的连接装置300的区域中彼此连接并且相互并联。于是，各个分电路的输出端分别与合适的逆变器电路50连接。
图3b示出按照上面在图1中提及的第二方案的布置方式，该布置方式带有两个相同地构造但不同地进行驱动的、用于倍压电路20和电压调节电路40的电路。在这种情况下，分电路的输出端彼此连接并且与合适的逆变器电路50连接。
图4示出按照本发明的电路系统的其他部件，在这里是逆变器电路50的两种构成方式。在最简单的情况下，按照现有技术，逆变器电路构成为三相桥电路60，如图4a中所示。
当然，如图4b中所示，具有优点的是，将两个这种三相桥电路60并联，并且使所述两个这种三相桥电路相互错开半个开关周期地定时计时。在这种情况下，这两个三相桥电路60的中点可以处于地电位612上或处于倍压电路20的中间电位212上。可供选择地，可以同样具有优点的是，将三点逆变器(Drei-Punkt-Wechselrichter)设置成逆变器电路50。
图5示出的是，与按照图4a的逆变器电路的输出电流相比，在应用此处所述的按照本发明的方法时，带有按照图4b的逆变器电路50的按照本发明的电路系统的输出电流的仿真。视电压调节电路30、40的使用而定地，按照图4a的逆变器电路具有相应地受到强烈干扰的正弦曲线分布。通过使用按照图4b的逆变器电路50和通过该逆变器电路的两个部分的错开地定时计时，可以明显减小在输出电流的三个相的相应正弦曲线内的纹波(Welligkeit)。
因此，整个电路系统集如下优点于一体：
·恒定的电压源负载
·灵活选择至逆变器电路的传输电压
·倍压电路和电压调节电路中的小规格的线圈
·小纹波的输出电流

Claims (8)

1.电路系统，具有一个或多个并联的分电路系统(10)，用于给至少一个逆变器电路(50)馈电，所述逆变器电路能够与变压器(80)连接，其中，分电路系统(10)由带有随时间变化的直流输出电压的未经调节的电压源(12)、倍压电路(20)以及带有调节装置(328、348)的电压调节电路(30、40)构成，
所述电压调节电路由降压变换器(34)和前联或后联的升压变换器(32)构成，所述降压变换器带有在正支路中的功率晶体管(340)、连接所述降压变换器的正支路和所述降压变换器的负支路的二极管(342)以及第三电感(344)，所述升压变换器带有第四电感(320)，连接所述升压变换器的正支路和所述升压变换器的负支路的功率晶体管(322)以及在所述升压变换器的正支路中的二极管(324)，
其中，所述降压变换器(34)在所述倍压电路(20)的下游与所述倍压电路(20)直接相邻地布置，并且所述倍压电路在所述电压源(12)的下游与所述电压源(12)直接相邻地布置，并且其中，所述升压变换器(32)在所述逆变器电路(50)的上游与所述逆变器电路(50)直接相邻地布置；或者
其中，所述升压变换器(32)在所述倍压电路(20)的下游与所述倍压电路(20)直接相邻地布置，并且所述倍压电路在所述电压源(12)的下游与所述电压源(12)直接相邻地布置，并且其中，所述降压变换器(34)在所述逆变器电路(50)的上游与所述逆变器电路(50)直接相邻地布置。
2.根据权利要求1所述的电路系统，其中，所述倍压电路(20)具有正极性支路和负极性支路各一个，其中，在所述正极性支路和所述负极性支路的输入端上分别设置有第一电感(200)和第二电感(202)，所述第一电感和所述第二电感由第一线圈和第二线圈形成或者由所述电压源(12)的相应的引线的电感形成，处在所述正极性支路与所述负极性支路之间的两个功率晶体管(210、212)的半桥电路接着所述第一电感和所述第二电感，并且在两个支路中还分别设置有二极管(220、222)，并且接着所述二极管设置有两个第一电容器(230、232)的串联电路，该串联电路连接所述两个支路。
3.根据权利要求2所述的电路系统，其中，所述半桥电路(210、212)的中间抽头和所述电容器(230、232)的所述串联电路的中间抽头彼此连接。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的电路系统，其中，所述第三电感(344)是第三线圈，所述第四电感(320)是第四线圈。
5.用于驱动根据上述权利要求中任意一项所述的电路系统的方法，其中，所述倍压电路(20)使所述未经调节的电压源(12)的电压翻倍，并且其中，通过所述电压调节电路的所述调节装置(328、348)来实现对所述未经调节的电压源(12)的电流特征曲线/电压特征曲线的调节，即最大功率点追踪。
6.根据权利要求5所述的方法，用于驱动根据权利要求2-3中任意一项所述的电路系统，其中，所述倍压电路(20)以如下方式使所述未经调节的电压源(12)的电压翻倍，即：以时间上错开的方式并且分别以相同的各半个开关周期的周期持续时间来接通半桥电路的两个功率晶体管(210、212)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，以在250Hz与5kHz之间的频率来驱动所述倍压电路(20)的所述两个功率晶体管(210、212)。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，以在500Hz与2kHz之间的频率来驱动所述倍压电路(20)的所述两个功率晶体管(210、212)。
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