CN102428635A - 用于对逆变器装置的输出端的滤波电容器进行放电的方法和逆变器装置 - Google Patents

用于对逆变器装置的输出端的滤波电容器进行放电的方法和逆变器装置 Download PDF

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Abstract

为了对逆变器(1)的输出端的滤波电容(7，8)进行放电，所述逆变器(1)用于将电功率从发电单元经由具有发电单元侧和电网侧的电网连接开关(11)和所述电网连接开关(11)的所述电网侧上的AC电网端子(L1，L2，L3)馈入电网，所述滤波电容(7，8)连接至至少一个所述AC电网端子。独立于施加于所述滤波电容(7，8)两端的任何电压的极性对所述任何电压进行整流，以提供固定极性的整流电压，以及利用此整流电压对用于操作所述逆变器(1)的电路的电源单元(14)的DC电压链路(13)进行充电。

Description

用于对逆变器装置的输出端的滤波电容器进行放电的方法和逆变器装置
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年5月18日提交的名称为“Verfahren zum Entladeneiner
Figure BDA0000108590230000011
am Ausgang einer Wechselrichter-einrichtung undWechselrichtereinrichtung”的共同待决的欧洲专利申请No.09160516.2的优先权。
技术领域
本发明涉及对设置在用于将电功率从发电单元馈入电网(grid)的逆变器的输出端的电容进行放电的方法，并涉及用于将电功率从发电单元馈入电网的逆变器，该逆变器具有连接至其至少一个输出端子的至少一个电容器。特别是，分别地，设置于逆变器的输出端的电容是EMC滤波电容，并且逆变器具有至少一个EMC滤波电容器。
背景技术
用于将电功率从发电单元馈入AC电网的任何逆变器，特别是设计为三相逆变器的那些逆变器，应当包括在输出端的用于干扰抑制的EMC滤波器，并且该EMC滤波器遵守关于电磁兼容性(EMC)的所有指令(directive)。EMC滤波器的设计典型地基于提供EMC滤波电容的X和Y电容器的组合，滤波电容分别连接于逆变器的单独的输出端子之间以及输出端子与地之间。因为必须给每个单独的相提供X电容器，所以三相逆变器中的总的X电容是单相逆变器中的三倍大。指令也要求，在逆变器与从AC电网分离(detach)的任何时候，存储在EMC滤波器电容中的电荷必须在指定时段内下降至对人不安全的水平以下。为了满足此要求，逆变器的输出端的X电容器通常与放电电阻器并联连接，放电电阻器用于在逆变器从AC电网分离的任何时候在必要时间中对X和Y电容器进行放电。存储在EMC滤波电容中的电能于是转换为热。当逆变器运行时，只要电压施加于X电容器，也发生到热的此转换。因此，甚至在逆变器不将电能馈入AC电网时，也将导致功率损耗。此外，归因于为了在必要时间(requisite time)内对所有EMC滤波电容器进行充分放电而需要流过放电电阻器的电流量，此功率损耗随逆变器的输出端的EMC滤波电容的和增大。
对于将电能从不是永久可用的发电单元(例如光伏系统)供应至AC电网的逆变器，已知逆变器的控制和/或通信系统的至少一部分从AC电网而不是发电单元供应电功率。从AC电网供应电功率也可以视为对从发电单元供应电功率的替代。为了从AC电网供应电功率，一个已知的逆变器包括电源单元，通过AC电网将施加于逆变器的输出端的电压供应至电源单元。此电压也存在于在逆变器的输出端的EMC滤波电容处，放电电阻器与该EMC滤波电容并联连接。
国际专利申请公开WO2009/014552A1公开了功率系统，其将具有DC输出的电源与来自AC电网的AC供应组合，以提供AC给消费者负载并提供DC给各DC辅助负载。DC电源的DC输出以稳态连接至转换器/双向逆变器的DC输入端，以在那里将其转换为连接至消费者负载和任何AC辅助负载的AC。在DC电源启动期间，断开的隔离开关将DC电源从双向逆变器断开。启动电源选择性地连接于AC功率电网与双向逆变器和/或DC控制器之间，以在逆变器DC输入端提供整流DC功率的供应和将其提供给某些DC辅助负载。在启动和稳态状态期间，DC功率从逆变器DC输入端基本连续地供应至辅助负载。此功率系统也包括双向逆变器的输出端与电网连接开关之间的正弦或LCL滤波器。
仍然存在对对EMC滤波电容进行放电的方法和对具有至少一个EMC滤波电容器的逆变器的需求，其中，即使以足够快的速率对EMC滤波电容进行放电，也防止了放电电阻器将电功率连续地转换为热。
发明内容
在一方面，本发明提供了一种对设置在逆变器的输出端的电容进行放电的方法，所述逆变器用于将电功率从发电单元经由具有发电单元侧和电网侧的电网连接开关和所述电网连接开关的所述电网侧上的AC电网端子馈入电网，所述电容连接至至少一个所述AC电网端子。此方法包括以下步骤：独立于所述电容两端施加的任何电压的极性对所述任何电压进行整流，以提供固定极性的整流电压；以及利用所述整流电压对所述逆变器的电源单元的DC电压链路进行充电。
在另一方面，本发明提供了一种逆变器，用于将电功率从发电单元馈入电网，所述逆变器包括：具有发电单元侧和电网侧的电网连接开关；在所述电网连接开关的所述电网侧上的AC电网端子；连接至至少一个所述AC电网端子的至少一个电容器；用于操作所述逆变器的电路的电源单元，所述电源包括DC电压链路；以及整流器，配置为将所述电容器连接至所述DC电压链路，并适于独立于所述电容两端施加的任何电压的极性，对所述任何电压进行整流，以提供固定极性的整流电压，并利用所述整流电压对所述DC电压链路进行充电。
在研究以下附图和详细描述后，本发明的其它特征和优点对本领域技术人员将是显而易见的。预期所有该附加特征和优点包括于此，在由权利要求限定的本发明的范围内。
附图说明
参照以下附图将更好地理解本发明。附图中的部件不必是按比例的，替代地，重点在于清楚地示例本发明的原理。在附图中，类似的参考数字标明遍及数个视图中的对应部件。
图1描绘新的逆变器的第一三相变体；
图2描绘新的逆变器的第二三相变体；以及
图3描绘新的逆变器的第三三相变体。
具体实施方式
在用于对用于将电功率从发电单元馈入电网的逆变器的输出端的电容进行放电的新的方法中，该电容特别是EMC滤波电容，对施加于(EMC滤波)电容两端的任何电压进行整流以对电源单元的DC电压链路进行充电，电源单元从而实际上设计为由AC电网供电。在新的方法中，电功率在(EMC滤波器)电容的放电方向上连续流动，这确保在逆变器从AC电网分离的任何时候在短的时间内对(EMC滤波器)电容进行放电。然而，电功率的此流动不转换为热。替代地，其用于给逆变器的电源单元通电。各(EMC滤波)电容被充电的方向取决于电网的当前相位位置，并且在逆变器从AC电网分离时被转换。虽然新方法使用的电源单元包括DC电压链路，但是归因于在(EMC滤波)电容两端的电压供应至DC电压链路之前对该电压的整流，当前由AC电网用以对(EMC滤波)电容进行充电的方向是不重要的。假定电源单元从DC电压链路给其自己供电，则DC电压链路中的电压往往被减小。如果逆变器从AC电网分离，则DC电压链路仍然由(EMC滤波)电容两端的电压重新充电，然而，这导致(EMC滤波)电容在必要的时间内被放电。
为了对(EMC滤波)电容两端的电压进行整流以将其供应至DC电压链路，(EMC滤波)电容每侧可以经由两个整流二极管的对连接至DC电压链路的两个极。当(EMC滤波)电容从AC电网分离时，来自(EMC滤波)电容的一侧的实际电荷经由这些整流二极管之一流至DC电压链路的两根DC线之一，而来自(EMC滤波)电容的对应的另一侧的实际电荷经由这些整流二极管中的另一个流至DC电压链路的两根DC线中相应的另一根。通过充电方向或(EMC滤波)电容两端的电压的极化(polarization)确定相应的二极管。
为了对设置在至多相AC电网的输出端的逆变器的所有(EMC滤波)电容进行放电，经由两个整流二极管的对将每一相和中线连接至DC电压链路的两个极是有利的。此布线方案的优点是，与两个二极管中的哪一个连接至哪一相或中线完全不相关，且电路布局对于所有相和中线相同。当每一相和中线连接至DC电压链路时，于是所有X电容的两侧连接至DC电压链路。所有Y电容也能够经由这些连接放电到DC电压链路中。
为了提供两对整流二极管，集成整流器全桥可以用作便宜的替代物。
根据新方法的优选变体，使用电源单元，甚至在电源单元的DC电压链路中的电压降低至非常低的水平时，电源单元也保持其功能性，以容许对(EMC滤波)电容最大可能地放电。依赖于时钟控制开关(clocked switch)来对DC辅助电路进行放电的电源单元特别适合于此目的。此类型的电源单元也已知为开关电源单元。
额外的缓冲电容能够增加至DC电压链路。DC电压链路也可以包括残余放电电阻器，然而与直接与(EMC滤波)电容并联连接的合适的放电电阻器相比，仅小的电流流过该残余放电电阻器。在正常操作期间和在逆变器从AC电网分离后，这都适用。
缓冲电容和残余放电电阻器可以被对称地划分并在他们的中心点彼此连接。此外，这些连接的中心点可以接地。关于DC电压链路，电气工程领域的技术人员通常已知的其它布线方案也是可得到的并且这些方案也可以用于这里。然而，需要注意，所有新的逆变器将在至AC电网的输出端具有至少一个X电容，其未与欧姆放电电阻器并联连接。优选地，如果逆变器从AC电网分离并且电网连接器开关断开，则至AC电网的输出端的所有(EMC滤波)电容仅经由电源单元放电。
现在更详细地参照附图，图1中描绘的逆变器1用于将电功率从发电单元馈入三相AC电网。在图1中，发电单元仅由在输入线2和3处的PV+和PV-端子指示，PV+和PV-端子意在连接至例如光伏面板。施加于输入线2和3之间的输入DC电压由DC/AC转换器4转换为三相输出AC电压。三相输出AC电压经由电网连接开关11馈至AC电网端子L1、L2和L3。电网端子L1、L2和L3均对应于AC电网的一个相线。逆变器1的另一端子N设置用于AC电网的中线。为了在将电功率馈入AC电网中时，满足电磁兼容性的要求，逆变器1包括在电网连接开关11的电网侧上的EMC滤波器5，EMC滤波器5包括EMC滤波电容7和8。此外，在电网连接开关11的发电机单元侧上设置正弦滤波器，该正弦滤波器包括设置在朝向端子L1至L3引导的线中的每一根线中的感应器6。EMC滤波电容7作为X电容器9连接于相线端子L1至L3与中线端子N之间。需要注意，X电容器9也在端子L1至L3之间提供电容。EMC滤波电容8作为Y电容器10设置于端子N与电气地之间。连接于正弦滤波器感应器6与EMC滤波电容7和8之间的电网开关11是将DC/AC转换器4连接至AC电网的功率开关11。然而，电网电压施加于EMC滤波电容7的两端，甚至在此连接形成之前就这样，并且只要逆变器1经由电网端子L1至L3和N连接至AC电网，该连接就保持。施加于AC电网端子L1至L3与N之间的电网电压馈至电源单元14的DC电压链路13，用于经由两个整流全桥12操作逆变器1的电路，电网电压通常为AC电压。一般地讲，电源单元14用作DC/DC转换器15，DC/DC转换器15将存在于电压链路13的线16和17之间并受到波动的电压转换为其输出端A+和A-之间的恒定输出DC电压。逆变器1的整个操作电路可以经由输出端A+和A-供应电功率，这意指其可以独立于输入线2和3之间的输入DC电压操作。每个整流全桥12包括四个整流二极管18，该整流二极管用于经由一对整流二极管18将一个EMC滤波电容7的两侧连接至DC电压链路13的两根输入线16和17。因为所有EMC滤波电容7在连接至中线端子N的一侧上，所以仅单对整流二极管18需要将所有三个EMC滤波电容7的中线侧连接至DC电压链路13，使得两个整流全桥12中，总共8个整流二极管18就足够。为了对DC电压链路13进行充电，仅对存在于EMC滤波电容7之一两端的电压进行整流是足够的，即使那意指电源单元14将仅以相应的相的花费被供应电功率，这依次导致不平衡的负载。在当前逆变器1中，对存在于所有三个EMC滤波电容7两端的电压的整流不仅确保了对DC电压链路13进行充电，并且无论何时逆变器1从AC电网分离时，这些EMC滤波电容7都被放电。在此上下文中，术语“分离”不意指断开功率开关11，而是指将AC电网从AC电网端子L1至L3和N分开。如果这发生，则就确保EMC滤波电容7和EMC滤波电容8在必要的时间中被放电以便EMC滤波电容7和EMC滤波电容8上剩余的任何残余电荷不构成正在发生的危险源来说，所有可应用的标准必须得到满足。图1中描绘的逆变器1的电路用于对所有EMC滤波电容7进行放电，并且整流全桥12处的中线的端子N用于也将EMC滤波电容8放电到DC电压链路13中，而电源单元14从DC电路供应电功率。给定电源单元14的足够的功耗，用于对逆变器的输出端的EMC滤波电容7和8进行放电的通常方针能够容易地得到满足，为此目的，无需将放电电阻器并联连接至EMC滤波电容7。在当前逆变器1中，不发生与永久地并联连接至EMC滤波电容7的该放电电阻器关联的功率损耗。需要注意，即使在当前逆变器1中，功率永久地在EMC滤波电容的放电方向上提取，即不仅在EMC滤波电容7和8假定为放电时。然而，在当前逆变器1中，此功率用作电源单元14供应给逆变器1的操作电路的功率。
图2描绘逆变器的变体，除图1中所示的实施例外，该逆变器在DC电压链路13中具有划分的(divided)缓冲电容19和划分的残余放电电阻器20。缓冲电容19的两个部分电容23之间和残余放电电阻器20的两个部分电阻器24之间的中心点21和22彼此连接并且可以接地(于此未描绘)。电气工程领域的技术人员已知的DC电压链路13的其它实施例也可以用于此。流过残余放电电阻器20的电流保持相对小，并且与并联连接至X电容器9的单独的放电电阻器通常发生的该功率损耗水平不相关联。
图3示出了作为开关电源单元31设计的电源单元14的变体，其具有开关25和变压器26，该变压器26的输出电路27包括整流二极管28和缓冲电容29。逆变器1的操作电路由电阻器30指示，该操作电路由开关电源单元31供电。此外，未划分的缓冲电容19于此设置于DC电压链路13中。设计电源单元14作为开关电源单元31意指DC电压链路13可以以EMC滤波电容7和8两端降低的电压被连续放电，而不影响由电源单元14供应的功率。结果，随EMC滤波电容7和8上剩余的电荷经由整流全桥12或通过整流二极管18连续地耗散到DC电压链路13中，EMC滤波电容7两端的电压连续地降低。
可以基本不脱离本发明的精神和原理对本发明的优选实施例进行许多改变和修改。所有该修改和改变意在包括于此，在由以下权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种对设置在逆变器的输出端的电容进行放电的方法，所述逆变器用于将电功率从发电单元经由具有发电单元侧和电网侧的电网连接开关并且经由所述电网连接开关的所述电网侧上的AC电网端子馈入电网，所述电容连接至至少一个所述AC电网端子，所述方法包括：
-独立于所述电容两端施加的任何电压的极性对所述任何电压进行整流，以提供固定极性的整流电压；以及
-利用所述整流电压对所述逆变器的电源单元的DC电压链路进行充电。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述电容是EMC滤波电容。
3.如任一前述权利要求所述的方法，其中，所述电容的每一侧经由两个整流二极管的对连接至所述DC电压链路的两根DC线。
4.如任一前述权利要求所述的方法，其中，包括中线端子的所有AC电网端子均经由两个整流二极管的对连接至所述DC电压链路的两根DC线。
5.如权利要求3或4所述的方法，其中，组合整流二极管的对中的至少两对以形成一个整流全桥。
6.如任一前述权利要求所述的方法，其中，经由时钟控制开关对所述DC电压链路进行放电。
7.一种逆变器，用于将电功率从发电单元馈入电网，所述逆变器包括：
-具有发电单元侧和电网侧的电网连接开关；
-在所述电网连接开关的所述电网侧上的AC电网端子；
-连接至至少一个所述AC电网端子的至少一个电容器；
-用于操作所述逆变器的电路的电源单元，所述电源包括DC电压链路；以及
-整流器，配置为将所述电容器连接至所述DC电压链路，并适于独立于所述电容两端施加的任何电压的极性，对所述任何电压进行整流，以提供固定极性的整流电压，并利用所述整流电压对所述DC电压链路进行充电。
8.如权利要求7所述的逆变器，其中，所述电容器是EMC滤波电容器。
9.如前述权利要求7和8中的任一项所述的逆变器，其中，所述整流器经由两个整流二极管的对将所述电容器的每一侧连接至所述DC电压链路的两根DC线。
10.如前述权利要求7至9中的任一项所述的逆变器，其中，所述整流器将包括中线端子的所有AC电网端子均经由两个整流二极管的对连接至所述DC电压链路的两根DC线。
11.如前述权利要求7至10中的任一项所述的逆变器，其中，所述整流器具有组合为一个整流全桥的至少两对整流二极管。
12.如前述权利要求7至11中的任一项所述的逆变器，其中，所述电网是三相电网，其中，对应的EMC滤波电容器连接于用于所述电网的每一相的所述AC电网端子与用于中线的所述AC电网端子之间。
13.如权利要求12所述的逆变器，其中，第一整流全桥连接至用于两个电网相的所述AC电网端子，并且第二整流全桥连接至用于对应的第三相和所述中线的所述AC电网端子。
14.如前述权利要求7至13中的任一项所述的逆变器，其中，所述电源单元为开关电源单元。
15.如权利要求14所述的逆变器，其中，所述开关电源单元包括对所述DC电压链路进行放电的时钟控制开关。
16.如前述权利要求7至15中的任一项所述的逆变器，其中，缓冲电容器连接于所述电源单元的所述DC电压链路的所述DC线之间。
17.如前述权利要求7至16中的任一项所述的逆变器，其中，放电电阻器连接于所述电源单元的所述DC电压链路的DC线之间。
18.如权利要求16所述的逆变器，其中，所述缓冲电容器是分裂缓冲电容器，并且其中，分裂放电电阻器连接于所述电源的所述DC端子之间，所述分裂缓冲电容器和所述分裂放电电阻器在所述电容器的中点和所述电阻器的中点互连。
19.如前述权利要求7至18中的任一项所述的逆变器，其中，在所述电网连接开关断开并且所述电网与所述AC电网端子分离时，所述至少一个滤波电容器仅可由所述电源放电。
20.如前述权利要求7至19中的任一项所述的逆变器，其中，没有放电电阻器与连接至所述AC电网端子的任何电容器并联连接。
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