CN103368437A - 逆变器组件和包括该逆变器组件的太阳能发电站 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及逆变器组件和包括该逆变器组件的太阳能发电站。根据本发明的逆变器组件包括DC电路、逆变器部件和用于控制逆变器部件的控制部件（CTRL），逆变器部件是包括第一半桥（HB1）和第二半桥（HB2）的多级逆变器部件，控制部件（CTRL）适于提供其中控制部件（CTRL）将逆变器部件操作为全桥逆变器的第一操作状态。控制部件（CTRL）进一步适于提供其中控制部件（CTRL）将逆变器部件操作为半桥逆变器的至少一个另外的操作状态，控制部件（CTRL）适于基于预定条件选择操作状态。

Description

逆变器组件和包括该逆变器组件的太阳能发电站
技术领域
本发明涉及一种包括直流（DC）电路、多级逆变器部件和用于控制多级逆变器部件的控制部件的逆变器组件。
全桥逆变器在本领域中是已知的。再者，全桥中性点箝位（NPC）逆变器在本领域中是已知的。
与已知的全桥逆变器相关联的缺点之一是其具有相对高的开关损耗。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种逆变器组件以便缓解以上缺点。该目的通过具有如下特征的逆变器组件来实现：控制部件适于提供其中控制部件将逆变器组件的多级逆变器部件操作为半桥逆变器的操作状态。
本发明的另一目的在于提供一种具有减少的开关损耗的太阳能发电站。该目的通过包括至少一个光伏电池单元和上述逆变器组件的太阳能发电站来实现。
本发明基于在预定环境中将全桥逆变器操作为半桥逆变器的的思想。本发明的逆变器组件的优点在于减少损耗。
附图说明
在下文中将参照附图借助于优选实施例更详细地描述本发明，在附图中
图1示出了根据本发明的一个实施例的逆变器组件；
图2示出了另一操作状态中的图1的逆变器组件；以及
图3示出了根据本发明的另一实施例的逆变器组件。
具体实施方式
图1示出了包括DC电路、逆变器部件和用于控制逆变器部件的控制部件CTRL的逆变器组件。
DC电路包括正汇流条BB+、负汇流条BB-和输入电容器部件。在使用期间在正汇流条BB+和负汇流条BB-之间存在输入直流电压Udc。这里汇流条表示适于形成DC电路的一部分的任何导电元件。输入电容器部件包括串联连接在正汇流条BB+和负汇流条BB-之间的第一储能电容器Cdc1和第二储能电容器Cdc2。在第一储能电容器Cdc1和第二储能电容器Cdc2之间存在中点MC。
逆变器部件适于将通过正汇流条BB+和负汇流条BB-供给逆变器部件的直流电流转换成交流电流，并且适于通过逆变器部件的输出端子将交流电流馈送到具有作为交流电压的电网电压的电网GRD。逆变器部件是包括第一半桥HB1和第二半桥HB2的多级逆变器部件。
第一半桥HB1包括串联连接在正汇流条BB+和负汇流条BB-之间的可控开关S1、S2、S3和S4。第一半桥HB1进一步包括第一二极管支路，其包括串联连接的二极管D3和D2。第一二极管支路的第一末端连接到可控开关S3和S4之间的点。第一二极管支路的第二末端连接到可控开关S1和S2之间的点。二极管D2的阳极和二极管D3的阴极连接到输入电容器部件的中点MC。
第二半桥HB2包括串联连接在正汇流条BB+和负汇流条BB-之间的可控开关S5、S6、S7和S8。第二半桥HB2进一步包括第二二极管支路，其包括串联连接的二极管D7和D6。第二二极管支路的第一末端连接到可控开关S7和S8之间的点。第二二极管支路的第二末端连接到可控开关S5和S6之间的点。二极管D6的阳极和二极管D7的阴极连接到输入电容器部件的中点MC。
逆变器组件进一步包括中性参考点PN和输入电容器部件的中点MC之间的开关元件K1。中性参考点PN是可控开关S6和S7之间的点。在其接通位置，开关元件K1电连接中性参考点PN和中点MC。在其断开位置，开关元件K1电隔离中性参考点PN和中点MC。
中性参考点PN通过包括串联连接的逆变器侧电感器Linv和电网侧电感器LGRD的中性支路连接到电网GRD的中性端子。逆变器组件还包括相支路，其第一末端连接到可控开关S2和S3之间的第一半桥HB1，并且其第二末端连接到电网GRD的相端子。相支路包括串联连接的逆变器侧电感器Linv和电网侧电感器LGRD。
输出电容器Cout连接在相支路和中性支路之间。输出电容器Cout的一个端子连接到逆变器侧电感器Linv和电网侧电感器LGRD之间的相支路，而输出电容器Cout的另一个端子连接到逆变器侧电感器Linv和电网侧电感器LGRD之间的中性支路。
控制部件CTRL适于提供其中控制部件CTRL将逆变器部件操作为全桥逆变器的第一操作状态。开关表格1示出了在第一操作状态期间的可控开关S1至S8的位置，以及相应的输出电压Uout的值。开关表格1还示出了开关元件K1在第一操作状态期间总是处于其断开位置。图1示出了第一操作状态下的逆变器组件。
开关表格1，第一操作状态
开关
S1 1 0 0 0
S2 1 0 1 0
S3 0 1 0 1
S4 0 1 0 0
S5 0 1 0 0
S6 0 1 0 l
S7 1 0 1 0
S8 1 0 0 0
K1 0 0 0 0
Uout +Udc -Udc 0a 0b
控制部件CTRL进一步适于提供第二操作状态和第三操作状态。在第二操作状态和第三操作状态两者中，控制部件CTRL将逆变器部件操作为半桥逆变器，使得第二半桥HB2从正汇流条BB+和负汇流条BB一断开连接，而中性参考点PN连接到输入电容器部件的中点MC。控制部件CTRL适于基于预定条件选择操作状态。
开关表格2示出了在第二操作状态期间的可控开关S1至S8的位置，以及相应的输出电压Uout的值。可控开关S5和S8总是断开，从而使第二半桥HB2从正汇流条BB+和负汇流条BB-断开连接。根据开关表格2，中性参考点PN通过第二半桥HB2的可控开关的子集，即通过可控开关S6和S7连接到输入电容器部件的中点MC。在整个第二操作状态中开关元件K1处于其断开位置。因此图1也示出了第二操作状态下的逆变器组件。
开关表格2，第二操作状态
开关
S1 l 0 0 0
S2 1 0 l 0
S3 0 l 0 l
S4 0 1 0 0
S5 0 0 0 0
S6 0 1 0 l
S7 l 0 l 0
S8 0 0 0 0
K1 0 0 0 0
Uout +Udc／2 -Udc／2 0a 0b
较之第一操作状态，由于消除了可控开关S5和S8的开关损耗和导通状态损耗，因此第二操作状态诱发较少的损耗。
开关表格3示出了在第三操作状态期间的可控开关S1至S8的位置，以及相应的输出电压Uout的值。可控开关S5和S8总是断开，从而使第二半桥HB2从正汇流条BB+和负汇流条BB-断开连接。中性参考点PN通过在整个第三操作状态中处于其接通位置的开关元件K1连接到输入电容器部件的中点MC。图2示出了第三操作状态下的逆变器组件。
开关表格3，第三操作状态
开关
S1 1 0 0 0
S2 1 0 1 0
S3 0 1 0 0
S4 0 1 0 0
S5 0 0 0 0
S6 0 0 1 1
S7 0 0 1 1
S8 0 0 0 0
KI 1 1 1 1
Uout +Udc/2 -Udc/2 0a 0b
较之第一操作状态，由于消除了可控开关S5和S8的开关损耗和导通状态损耗，并且消除了可控开关S6和S7以及二极管D6和D7的导通状态损耗，因此第三操作状态诱发较少的损耗。
在替选实施例中，开关S6和S7在整个第三操作状态中保持断开。该过程消除了第三操作状态期间的开关S6和S7的开关损耗。
当从第三操作状态转移到第二操作状态时，控制部件CTRL在断开开关元件K1之前首先根据电网电压开始控制可控开关S6和S7。
在图1和2中所示的实施例中，开关元件K1是继电器。继电器的导通状态损耗显著低于逆变器的典型可控开关的导通状态损耗。在替选实施例中，开关元件可以是其他类型的开关。例如，开关元件可以是具有低导通状态损耗的半导体开关。
控制部件CTRL适于基于输入直流电压Udc和电网电压来选择操作状态。当输入直流电压Udc小于电网电压的瞬时值的绝对值的两倍时，控制部件CTRL选择第一操作状态。第一操作状态的条件可以由下式表示：
u dc < 2 | u ac | .
当输入直流电压Udc大于电网电压的瞬时值的绝对值的两倍时，控制部件CTRL选择第二操作状态。第二操作状态的条件可以由下式表示：
u dc > 2 | u ac | .
当输入直流电压Udc大于电网电压的峰值的两倍时，控制部件CTRL选择第三操作状态。第三操作状态的条件可以由下式表示：
u dc > 2 u ^ ac .
以上限定表明，当输入直流电压Udc大于电网电压的峰值的两倍时，第二操作状态和第三操作状态彼此交替。在替选实施例中，当输入直流电压Udc大于电网电压的峰值的两倍时，使用第二操作状态。在该替选实施例中，不需要开关元件。
根据一个实施例，控制部件可以适于在输入直流电压小于电网电压的峰值时停止调制。
图1的逆变器组件是NPC逆变器组件，其在结构上能够生成五级输出电压。在替选实施例中，逆变器组件可以包括能够生成更高级输出电压，诸如七级输出电压的逆变器。
应当理解，如果忽略开关元件K1，图1示出了已知的单相NPC逆变器组件。再者，开关表格1中所示的开关位置在已知的NPC逆变器组件的背景下是已知的。
图3示出了根据本发明的另一实施例的逆变器组件。图3的逆变器组件在这里被称为NPC2逆变器组件。
NPC2逆变器组件包括DC电路、逆变器部件和用于控制逆变器部件的控制部件CTRL’。DC电路包括正汇流条BB’+、负汇流条BB’-和输入电容器部件。输入电容器部件包括串联连接在正汇流条BB’+和负汇流条BB’-之间的第一储能电容器C’dc1和第二储能电容器C’dc2。在第一储能电容器C’dc1和第二储能电容器C’dc2之间存在中点MC’。
逆变器部件适于将通过正汇流条BB’+和负汇流条BB’-供给逆变器部件的直流电流转换成交流电流，并且适于通过逆变器部件的输出端子将交流电流馈送到具有电网电压的电网GRD’。逆变器部件是包括第一半桥HB1’和第二半桥HB2’的多级逆变器部件。
第一半桥HB1’包括串联连接在正汇流条BB’+和负汇流条BB’-之间的可控开关S1’和S4’。第一半桥HB1’进一步包括第一开关支路，其包括串联连接使得它们的正向方向彼此相对的可控开关S2’和S3’。第一开关支路的第一末端连接到可控开关S1’和S4’之间的点。第一开关支路的第二末端连接到中点MC’。
第二半桥HB2’包括串联连接在正汇流条BB’+和负汇流条BB’-之间的可控开关S5’和S8’。在可控开关S5’和S8’之间存在中性参考点PN’。在中性参考点PN’和中点MC’之间存在第二开关支路，其包括串联连接使得它们的正向方向彼此相对的可控开关S6’和S7’。在中性参考点PN’和中点MC’之间还存在开关元件K1’。在其接通位置，开关元件K1’电连接中性参考点PN’和中点MC’。在其断开位置，开关元件K1’电隔离中性参考点PN’和中点MC’。
NPC2逆变器组件进一步包括两个逆变器侧电感器L’inv、两个电网侧电感器L’GRD和输出电容器C’out，它们以与图1的NPC逆变器组件中的逆变器侧电感器Linv、电网侧电感器LGRD和输出电容器Cout相同的方式进行连接。
控制部件CTRL’适于提供其中控制部件CTRL’将逆变器部件操作为全桥逆变器的第一操作状态。控制部件CTRL’进一步适于提供其中控制部件CTRL’将逆变器部件操作为半桥逆变器的第二操作状态和第三操作状态。
当开关S1至S8被重新命名为开关S1’至S8’，并且开关元件K1被重新命名为开关元件K1’时，开关表格1、2和3适用于NPC2逆变器组件。此外，控制部件CTRL’适于选择操作状态所基于的预定条件可以与结合图1的逆变器组件解释的预定条件相同。
图1的逆变器组件中的可控开关S1至S8中的每个以及图3的逆变器组件中的可控开关S1’至S8’中的每个包括与实际开关元件反并联连接的二极管元件。可控开关可以是例如IGBT或MOS-FET。
在图1和3中所示的实施例中，第一半桥包括的可控开关的数目与第二半桥相同。在替选实施例中，第一半桥包括的可控开关的数目与第二半桥不同。
图1和3的逆变器组件适于用在太阳能发电站中，因为其DC电路中的共模电压是直流电压并且因此不会在光伏电池和地之间生成共模电流。这是期望的特征，特别是在与薄膜光伏电池结合时。
除了逆变器组件，图1至3均示出了连接到逆变器组件的多个光伏电池单元，其被表示为PV或PV’。因此，图1至3均示出了包括电源部件的太阳能发电站，电源部件包括多个光伏电池单元和供电端子，多个光伏电池单元中的每个适于将太阳能转换成直流电流并且经由供电端子将直流电流馈送出电源部件，电源部件的供电端子连接到逆变器组件的DC电路的正汇流条和负汇流条。
对于本领域技术人员明显的是，本发明的概念可以通过各种方式实现。本发明及其实施例不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (9)

1.一种逆变器组件，其包括直流DC电路、逆变器部件和用于控制所述逆变器部件的控制部件（CTRL），
所述DC电路包括正汇流条（BB+）、负汇流条（BB-）和输入电容器部件，在使用期间在所述正汇流条（BB+）和所述负汇流条（BB-）之间存在输入直流电压（Udc），所述输入电容器部件具有中点（MC）并且连接在所述正汇流条（BB+）和所述负汇流条（BB-）之间，
所述逆变器部件适于将通过所述正汇流条（BB+）和所述负汇流条（BB-）供给的直流电流转换成交流电流，并且通过所述逆变器部件的输出端子将交流电流馈送到具有电网电压的电网（GRD），所述逆变器部件是包括第一半桥（HB1）和第二半桥（HB2）的多级逆变器部件，所述第一半桥（HB1）和所述第二半桥（HB2）两者包括可控开关（S1至S8），
所述控制部件（CTRL）适于提供其中所述控制部件（CTRL）将所述逆变器部件操作为全桥逆变器的第一操作状态，其特征在于，
所述控制部件（CTRL）进一步适于提供其中所述控制部件（CTRL）将所述逆变器部件操作为半桥逆变器的至少一个另外的操作状态，其中一个半桥（HB2）从所述正汇流条（BB+）和所述负汇流条（BB-）断开连接，同时所述一个半桥（HB2）的中性参考点（PN）连接到所述输入电容器部件的中点（MC），所述控制部件（CTRL）适于基于预定条件选择操作状态。
2.根据权利要求1所述的逆变器组件，其特征在于，所述至少一个另外的操作状态包括第二操作状态，其中所述中性参考点（PN）通过所述一个半桥（HB2）的可控开关的子集连接到所述输入电容器部件的中点（MC）。
3.根据权利要求1或2所述的逆变器组件，其特征在于，所述逆变器组件进一步包括所述中性参考点（PN）和所述输入电容器部件的中点（MC）之间的开关元件（K1），并且所述至少一个另外的操作状态包括第三操作状态，其中所述中性参考点（PN）通过所述开关元件（K1）连接到所述输入电容器部件的中点（MC）。
4.根据权利要求3所述的逆变器组件，其特征在于，所述开关元件（K1）是继电器。
5.根据权利要求1所述的逆变器组件，其特征在于，所述控制部件（CTRL）适于在所述输入直流电压（Udc）小于所述电网电压的瞬时值的绝对值的两倍时选择所述第一操作状态。
6.根据权利要求2所述的逆变器组件，其特征在于，所述控制部件（CTRL）适于在所述输入直流电压（Udc）大于所述电网电压的瞬时值的绝对值的两倍时选择所述第二操作状态。
7.根据权利要求3所述的逆变器组件，其特征在于，所述控制部件（CTRL）适于在所述输入直流电压（Udc）大于所述电网电压的峰值的两倍时选择所述第三操作状态。
8.根据权利要求4所述的逆变器组件，其特征在于，所述控制部件（CTRL）适于在所述输入直流电压（Udc）大于所述电网电压的峰值的两倍时选择所述第三操作状态。
9.一种太阳能发电站，其包括电源部件，所述电源部件包括至少一个光伏电池单元（PV）和供电端子，所述至少一个光伏电池单元（PV）中的每个适于将太阳能转换成直流电流并且经由所述供电端子将直流电流馈送出所述电源部件，其特征在于，所述太阳能发电站进一步包括根据权利要求1所述的逆变器组件，所述电源部件的供电端子连接到所述正汇流条（BB+）和所述负汇流条（BB-）。
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