CN102640409A - Dc-ac逆变器装置、尤其是太阳能电池逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种DC-AC逆变器装置，尤其是光伏设备的太阳能电池逆变器，其具有半导体桥式电路，其特征在于，设置有用于产生输出侧的交变电压的半波的直流调节器，并且该桥式电路连接在直流调节器之后并且用作针对半波的换极器。

Description

DC-AC逆变器装置、尤其是太阳能电池逆变器
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1以及权利要求10的前序部分所述的逆变器装置。
背景技术
这种逆变器装置在交流电机和三相电机的控制以及能源工程学中等其他领域早已公知。在能源工程学领域中，逆变器装置已作为用于将通过光伏设备或燃料电池产生的直流电转换成交流电以馈送至电力供给网络的直流-交流(AC-DC)转换器而广泛应用。同样在利用其它再生能源时，诸如在风力发电设备、斯特灵机器(Stirlingmaschinen)、热泵或基于主电池或辅助电池的新式的能量存储系统中使用该类或类似的类型的转换器。
在DE 10 2004 030 912B3中公开一种这类的DC-AC逆变器装置。
进一步开发这类转换器的主要目的在于实现更高的效率，并且其它的目的能够来自供给网络的运营者的要求或相应的标准。
发明内容
提出了一种具有权利要求1所述特征的DC-AC逆变器装置。此外，提出了一种具有这种逆变器装置的光伏设备，并且最后提出了一种具有权利要求10所述特征的AC-DC逆变器装置。从属权利要求的内容是本发明构思的有目的的改进。在传统的逆变器电路中，使用B4桥式电路，以便由直流电压产生交流电压。该桥式电路以高开关频率工作并因此产生由部件的选择确定的开关损耗以及导通损耗。
本发明描述了如下可能性：其中输出侧的交流电压的半波并不通过桥而是由连接在前的直流调节器产生。该桥仅作为换极器。由此，在该桥中的半导体器件能够针对低损耗而设计，因为当在输出侧的电压具有桥平衡点并因此U也(C_TSS或C_HTSS)＝0时，桥仅以双倍的电网频率(在50Hz的情况下为100次)开关。此时出现可忽略的开关损耗。
尤其由此可能的是，在桥式电路中将具有低Rds，on的晶体管应用于桥中的开关S1。这对降低损耗功率有显著贡献，因为这些部件只须针对输出电压的峰值来设计并且因此即使在变流器的输入电压范围很大的情况下，能够具有非常低的Rds，on。附加地，这些晶体管在反向线路中也能够通过二极管接通，使得即使在此种运行状态下在部件上仅产生极小的电压降。
由于直流调节器相对于桥式电路仅拥有两个而非四个半导体部件，所以在电路的其它电气特性类似的情况下，仅出现通常情况下一半的开关损耗。
在本发明的一个实施形式中，直流调节器包括降压变换器。在其它实施形式中，直流调节器包括降压变换器与升压变换器的组合或具有共同的电感线圈的升降压变换器。
在另一实施形式中，直流调节器被构造为四象限调节器并且因此被实施为具有反馈能力，并且逆变器装置由此实施为具有无功能力。该实施形式能够通过反馈能力为电网提供无功功率，将来这可能被E工厂所要求。此外，反馈能力也适于各种不同的应用。这样，转换器在反馈能力方面也能够由交流电产生经调节的直流电，因此该拓扑结构例如适用于充电设备。
为了尽可能进一步地实现其它上面所提及的降低损耗功率的目标，在另一实施形式中，在对开关损耗次要地予以考虑的情况下，选择半导体桥式电路的部件，以最小化功率损耗。尤其是在此设计：桥式电路的开关装置包括具有低Rds，on值的MOSFET或IGBT。
以适合于传统的供给电网配置的方式将半导体桥式电路实施为用于单相输出的H桥。
附图说明
此外，从以下参照附图对实施例的描述中得到本发明的优点和有效性。
其中：
图1示出了本发明的第一实施形式的电路图，
图2示出了本发明的第二实施形式的电路图，
图3示出了本发明的第三实施形式的电路图，
图4示出了本发明的第四实施形式的电路图，以及
图5示出了在根据图4的实施形式的情况下整个装置的输出电压以及通过直流调节器产生的电压的时间变化曲线的图示。
具体实施方式
在对实施例的描述中采用了如下专业术语：
TSS：降压变换器，用于电压转换的功率电子基本电路，其中U1＞U2。
HSS：升压变换器，用于电压转换的功率电子基本电路，其中U2＞U1。
HTSS：升降压变换器，具有共同的电感线圈的降压变换器和升压变换器所构成的组合，其中U1和U2能够彼此无关(U1＞＝＜U2)。
U1(在图中标作u_1)是电路的输入电压，
U2(在图中标作u_2)是电路的输出电压。
uTSS(在图1和图2中标作U_TSS)是降压转换器的输出端上的电压，以及uHTSS(在图3和图4中标作U_HTSS)是升降压转换器的输出端上的电压。
图1至图4中的电路图基本上是不解自明的，从而以下并未给出电路结构的直接的书面描述，而是优先描述各个装置的主要功能方面。
图1示出了DC-AC逆变器装置10，其中，为了将输入侧的直流电压u_1转换成输出侧的交流电压u_2而设置有降压变换器11和连接在其后的B4桥12。如在所有这里所示的实施形式中，桥电路包括四个开关装置S1至S4，其具体地能够被构造为具有低Rds，on的MOSFET或IGBT。直流调节器部件11在所有实施形式中具有输入侧的电容器C_ZK和输出电容器，其在图1以及图2中用C_TSS表示，以及电路电感线圈(其在图1和图2中用L_TSS表示)。
首先，输入电压Ui在缓冲电容器C_K中缓冲。接着，该电压通过降压变换器11降低到可调节的电压UTSS，其中U1＞UTSS＞0。
电压UTSS的时间变化曲线被预先确定为输出电压u2(t)的绝对值函数。
uTSS(t):＝|u2(t)|
连接在降压变换器的输出端上的H桥作为换极器来工作，使得u2(t)＝uTSS(t)*cH-桥其中，
Figure BPA00001547413300041
图1中的电路能够通过将降压变换器实施为具有反馈能力而扩展。于是借助所描述的拓扑结构也能够从所连接的网络(电压U2)获取功率并且存储在中间回路中。在图2中示出了这种修改过的具有降压变换器21和B4桥22的逆变器装置20。其通过设置降压变换器的第二开关装置S2TSS而具有无功能力并且还具有更高的调整潜力，为了能够在小电网电流的情况下将降压变换器的滤波电容器C2放电，该调整潜力是必要的。
附加地，能够扩展该拓扑结构，在扩展的拓扑结构中，可用的输入电压范围增大了。在根据图1和图2的实施形式中， U 1 > = U TSS = > U 1 > U ^ 2 .
在第一实施形式和第二实施形式中使用的降压变换器能够如图3中所示地与升压变换器组合。相应地，图3示出了具有升降压转换器31和B4桥32的逆变器装置30，其中降压变换器部件S1_TSS和D2_TSS在输出侧通过共同使用电感线圈L_HTSS与升压变换器部件S2_HSS和D1_HSS相连接。输出电容器在此用C_HTSS表示。
升压变换器使得调节输出电压成为可能，其瞬时值也能够大于中间回路上的电压。
由此
Figure BPA00001547413300051
即能够自由调节。两个直流部件共同使用电感线圈L_HTSS提高了电路的效率并同时节省了部件。
图4示出了作为图3的电路装置的具有无功能力的变型的包括具有反馈能力的升降压变换器41和B4桥42的逆变器装置40。相对于根据图3的实施形式，不仅在降压变换器区段而且在升压变换器区段中，通过开关装置S2_TSS或S1_HSS代替各自的二极管。
图5借助在升降压变换器上的输出电压u_HTSS(t)以及逆变器装置的输出电压u_2(t)的电压曲线的图示，示出了各自的电路的直流部件提供输入侧的直流电压的正弦波形式，而连接在后的H桥或B4桥仍然仅用作换极器。

Claims (10)

1.一种DC-AC逆变器装置，尤其是光伏设备的太阳能电池逆变器，其具有半导体桥式电路，其特征在于，设置有用于产生输出侧的交流电压的半波的直流调节器，并且所述桥式电路连接在所述直流调节器之后并且所述桥式电路用作针对所述半波的换极器。
2.根据权利要求1所述的DC-AC逆变器装置，其中所述直流调节器包括降压变换器。
3.根据权利要求2所述的DC-AC逆变器装置，其中直流调节器包括降压变换器与升压变换器的组合或具有共同的电感线圈的升降压变换器。
4.根据上述权利要求之一所述的DC-AC逆变器装置，其中所述直流调节器被构造为四象限调节器并因此被实施为具有反馈能力，并且所述逆变器装置由此被实施为具有无功能力。
5.根据上述权利要求之一所述的DC-AC逆变器装置，其中在对开关损耗予以次要考虑的情况下，选择所述半导体桥式电路的部件，以减小功率损耗。
6.根据权利要求5所述的DC-AC逆变器装置，其中所述桥式电路的开关装置包括具有低Rds，on值的MOSFET或IGBT。
7.根据上述权利要求之一所述的DC-AC逆变器装置，其中设置有在反向功率驱动时也能驱动所述半导体桥式电路的开关装置至接通状态的装置，尤其是半导体二极管。
8.根据上述权利要求之一所述的DC-AC逆变器装置，其中所述半导体桥式电路实施为用于单相输出的H桥。
9.一种光伏设备，其具有多个太阳能电池模块、用于将通过所述太阳能电池模块产生的电能馈送至交流电网或三相电网中的连接端和根据上述权利要求之一所述的DC-AC逆变器装置。
10.一种具有反馈能力的AC-DC逆变器装置，其具有半导体桥式电路，其特征在于，所述半导体桥式电路从输入侧的交流电压产生相同极性的半波并且在所述半导体桥式电路之后连接有用于由所述相同极性的半波产生平滑的直流电压的直流调节器，所述直流调节器尤其被构造为降压变换器或降压变换器和升压变换器的组合或升降压变换器。
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