CN103650320A - 用于运行逆变器的方法和能容忍电网错误的逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行逆变器（1）的方法，该逆变器包括可调制控制的至少一个桥式结构（10）、用于将电功率馈入供电网（3），该方法包括下述步骤：首先通过单极控制所述至少一个桥式结构（10）使逆变器（1）运行，并且监控供电网（3）是否存在电网故障。当检测到电网故障时，至少暂时通过双极控制所述至少一个桥式结构（10）使逆变器（1）运行。本发明还涉及一种构造用于实施该方法的能容忍电网故障的逆变器。

Description

用于运行逆变器的方法和能容忍电网错误的逆变器

技术领域

本发明涉及一种用于运行逆变器的方法，所述逆变器包括可调制控制的至少一个桥式结构、用于向供电网馈入电功率。本发明还涉及一种能容忍电网故障的逆变器。

背景技术

逆变器用于将例如由光伏设备的光伏发电机产生的直流电转换成适合用于馈入供电网的交流电。鉴于可再生能源发电设备、尤其是光伏设备被越来越多地使用，电力公司提高了对馈入的电流的参数要求。在供电网的运营商方面往往存在于所谓的供电网技术规范（GridCode）中说明的要求，即，可再生能源发电设备在电网干扰、例如电压波动时不能像过去常见地那样关闭，而是必须能够越过电网故障（故障穿越-FRT）。通过这种方式一方面可在电网故障结束时尽可能立即重新向供电网馈入功率并且另一方面可在电网故障期间通过馈入无功电流在电压方面支持供电网。电网故障例如表现为：单相电网电压的振幅或有效值低于最小值。在多相电力公司中例如可借助各相的振幅平均值来进行类似的定义。基于在此情况下显著降低的电网电压，为产生所需的无功电流和/或有功电流，只需逆变器的小的有效输出电压。

逆变器通常具有至少一个桥式结构，通过所述桥式结构的半导体功率开关，逆变器的交流电压侧的输出端可交替地切换到至少两个不同的直流电压电位上。为了控制输出电压的高度以及调整出所希望的尽可能正弦波形的输出电压曲线，通常使用脉宽调制法（PWM）。良好的切换效率可借助所谓的多电平逆变器来实现，在其中这样设置半导体功率开关，使得可在交流电压侧的输出端上切换两个以上的不同的电压水平（多电平调制、如三电平调制）。为了控制桥式结构的处于极为不同的直流电压电位上的半导体功率开关，需要也处于极为不同的直流电压电位上的相应的控制信号。为此目的，在控制电路上通常使用所谓的自举电容器，在自举电容器中建立希望的用于控制半导体功率开关的电位。在此尤其是，在桥式结构的处于低电位上的半导体功率开关（低侧开关）的接通时间中对自举电容器充电，所述自举电容器设置用于为处于高的正电位上的半导体功率开关（高侧开关）的控制提供能量。

然而在越过电网干扰时，控制度、即半导体功率开关被控制的时间段长度与其不被控制的时间段长度的比值如此之小，以至于自举电容器不能被充分地再充电。这导致不能再切换到经由自举电容器控制的半导体功率开关。该问题的解决方案可如下实现：使用具有相应较高容量的自举电容器，从而即使在自举电容器暂时只能很少或根本没有再充电时也能在FRT的所需时间段中进行控制。但使用容量较高的自举电容器由于更高的成本和随之而来的更大的空间需求而是不希望的。

发明内容

因此，本发明的任务在于提供一种用于运行逆变器的方法，借助其可解决上述自举电容器充电不足的问题，且不必使用具有较高容量的自举电容器。本发明的另一任务在于提供一种通过该运行方法能容忍电网故障的逆变器。

该任务通过具有独立权利要求相应特征的方法或逆变器来解决。

根据本发明的用于运行开头所提类型的逆变器的方法具有下述步骤：通过单极控制所述至少一个桥式结构使逆变器运行，并且监控供电网是否存在电网故障。然后当检测到电网故障时，至少暂时通过双极控制所述至少一个桥式结构使逆变器运行。

在双极控制中——其例如存在于双电平调制中，在低控制度下通过这样的方式实现桥式结构的小的输出电压，即，交替地接通高侧桥式开关和低侧桥式开关。输出电压的平均高度由两个桥式开关的接通持续时间的时间比值、又称为占空比得出。在仅小的输出电压下占空比仅略微偏离于值1:1。因此对于每个循环周期，低侧桥式开关平均大致接通一半循环周期的持续时间。因此双极控制即使在低的控制度下也可产生平均足够长的时间来为自举电容器充电。可以省去使用较大容量的自举电容器，通过其即使在过短的再充电中也可维持至少一段时间的控制。

在本方法的一种有利的方案中，在检测到存在电网故障的时间段中通过双极控制所述至少一个桥式结构使逆变器运行。在本方法的该方案中，逆变器在检测到电网故障的整个持续时间上借助双极控制运行，由此确保自举电容器的充分充电。

在本方法的另一种有利的方案中，在检测到存在电网故障的时间段中交替地通过单极和双极控制所述至少一个桥式结构使逆变器运行。该方案在自举电容器在双极控制阶段中的可靠再充电和逆变器在单极控制阶段中（例如存在于三电平调制中）的尽可能高效的运行之间提供一种折中。

在本方法的另一种有利的方案中，根据供电网电网电压的有效值的高度检测电网故障的存在。电网电压的有效值直接影响桥式结构的桥式开关的控制度并且因此构成一种适合用于桥式开关的单极和双极控制之间的切换标准。

本方法的其它有利的方案构成从属权利要求的技术方案。

一种用于将电功率馈入供电网的、能容忍电网故障的逆变器包括具有桥式开关的至少一个桥式结构和具有自举电容器的至少一个自举电路，用于为至少一个所述桥式开关的控制提供能量。该逆变器还包括用于选择性地单极或双极控制所述至少一个桥式结构的脉宽调制电路和用于检测电网故障的监控装置。该逆变器的特征在于，其构造用于实施上述方法之一。可实现的优点对应于结合方法所描述的优点。

附图说明

下面借助实施例参照三个附图详细说明本发明。附图如下：

图1为能容忍电网故障的逆变器的一部分的原理电路图；

图2为桥式结构在不同控制模式和控制度下的输出电压的各种以线图显示的例子；

图3为用于运行逆变器的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出用于将电功率馈入供电网3的逆变器1的一部分的原理电路图。该逆变器1例如可以是光伏设备的一部分。在逆变器1和供电网3之间设置滤波器2，该滤波器可具有电感和电容元件的组合。滤波器2生成尽可能正弦波形的电压曲线并且因此又称为正弦滤波器2。如图所示，正弦滤波器2可设计成一个单独的元件或集成在逆变器1中。

应注意，在逆变器1和供电网3之间还可设置其它未在图中示出的元件。这些元件例如可以是开关或保险机构。

逆变器1设计用于向供电网3三相馈电。三相的数量仅仅是示例性的；根据本申请的逆变器和根据本申请的方法也可适合用于以任意数量的相运行，尤其适合用于单相运行。

根据三相的数量，逆变器1具有三个桥式结构。为清楚起见，在图中仅示出一个桥式结构10。未示出的桥式结构原则上与所显示的结构类似，但个别元件（如电容器16等）并非必须设置在所有桥式结构中，而是可被所有桥式结构共同使用。

桥式结构10通过两个输入端17与一个直流电源连接并且被该直流电源加载直流电压U_DC（DC-直流电）。在逆变器1用于光伏设备中时，直流电源为光伏发电机，该光伏发电机直接或在中间连接有直流电压变换器的情况下间接与逆变器连接。

在交流电侧，桥式结构10通过输出端18与正弦滤波器2并因此与供电网3的一个相连接。供电网3的其它两个相如图1示意性所示与逆变器1的另外未示出的桥式结构10连接。在此也设置未在图中示出的正弦滤波器。也可为所有相共用一个适合的多相正弦滤波器。

逆变器1的输出信号是时控的直流电压信号，其时钟频率、即每秒开关循环数可在1千赫兹直至数万赫兹的范围内。并联于逆变器1的输入端17设置有构造为半桥的桥式结构，该桥式结构具有两个串联连接的桥式开关11和12，为这两个桥式开关分别配置一个续流二极管15。两个桥式开关11和12之间的中间抽头构成输出端18。借助桥式开关11和12，输出端18可被加载输入端17上的负电位或正电位。例如将IGBT（绝缘栅双极晶体管）用作桥式开关11和12。但也可使用其它功率半导体开关、如双极晶体管或MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）。根据所用的晶体管类型，反并联于晶体管开关路径的续流二极管15可被设计成单独的部件或集成到晶体管中。同样并联于输入端17设置有两个串联连接的电容器16。各电容器16之间的中间抽头通过由另外两个桥式开关13和14构成的双向开关与输出端18连接。在此也并联连接续流二极管15。电容器16一方面用于在通过逆变器脉冲式引取电流时平整输入电压U_DC。另一方面在各电容器的中间抽头上提供虚零电位，该虚零电位位于输入端17上的各电位之间，并且输出端18可通过所述另外的桥式开关13和14或相配的续流二极管15与该虚零电位连接。

由于可根据桥式开关11-14的开关状态在输出端18上调整出三个不同的电平，所述桥式结构又称为三电平拓扑结构，更确切地说称为“三电平中性点箝位式变换器”（3L-NPC）。

为了控制桥式开关11-14，为每个桥式结构10设置一个控制电路19，所述控制电路主要包括所谓的自举电路20，该自举电路具有自举电容器21、23和自举二极管22、24。作为逆变器的内部参考电位GND通常选择输入端17上的负电位。为了控制桥式开关11-14，在桥式开关的开关输入端（栅极）上的电位需要比桥式开关的负端子（发射极）上的电位高几伏。这在桥式开关11中不是问题，该桥式开关的负端子处于GND电位并且因此也被称为低侧桥式开关。但在桥式开关12-14中负端子处于比GND电位高U_DC/2的电位上，因此桥式开关12-14也被称为高侧桥式开关。通过自举电路20在低侧桥式开关11接通的时间段内在自举电容器21、23中建立开关所需的电位，其方式如下：自举电容器交替地通过参考电位、自举二极管22、24和低侧桥式开关11充电并且随后接入高侧桥式开关12-14的负端子的电位上。

另外设置脉宽调制电路30，其在用于桥式开关11-14的控制输出端31上生成控制信号，以便模拟参考电压的预定曲线，所述参考电压由供电网3的电网电压的曲线形成。因此在逆变器1输出端18上输出的并且通过正弦滤波器3平整的电压曲线跟随电网电压的电压曲线；逆变器1与电网同步。

图2a示例性示出桥式结构10输出端18、即正弦滤波器2输入端上的输出电压U的曲线。所示曲线通过相应的用于四个开关11-14的控制模式由脉宽调制电路30在控制输出端31上生成。示出输出电压U随用于电网频率的一个周期的持续时间T的时间t的变化。该曲线由桥式开关11-14的开关状态产生，即取决于桥式开关11、桥式开关12或桥式开关13和14之一是否接通。

图2a示出如存在于在全电网电压下的馈电运行中的具有高控制度的三电平调制的控制。由于在电网电压的每个半波内、即在0<t<=T/2和T/2<t<=T的时间段内，仅桥式开关11或桥式开关12分别与桥式开关13或14互补地接通，所以该控制又称为单极控制。低侧桥式开关11的接通时间平均足以在自举电容器21、23中建立足够的充电量，从而可在接下来的半波中控制高侧桥式开关12-14。

图2b以与图2a相同的方式示出桥式结构10的输出电压U，在此在具有低控制度的三电平调制中进行控制。这种情况根据现有技术出现于电网电压较低时，例如在电网故障期间电网电压波动时。低侧桥式开关11的接通时间在此不足以在自举电容器中建立足够的充电量，因而不能在接下来的半波中可靠地控制高侧桥式开关。

在根据本发明的用于逆变器的运行方法中规定，在这种故障情况下从单极控制切换为二电平调制的双极控制。基于双极控制模式的输出电压U的相应曲线以与图2a和2b相同的方式在2c中示出。在双极控制中，桥式开关13、14不接通，而桥式开关11、12交替接通。输出电压的平均高度由两个桥式开关11、12的接通持续时间的时间比值、又称为占空比产生。在仅小的输出电压的情况下，占空比仅略微偏离值1:1。因此，对于每个时钟周期，低侧桥式开关11平均接通大致一半的时钟周期的持续时间。因此，双极控制即使在低控制度下也产生平均足够长的时间来为自举电容器21、23充电。

图3示意性示出逆变器运行方法的一种方案的流程图，该方案例如可由图1中所示的逆变器1实施。在下文中示例性地参考图1说明该方法。所用附图标记对应于图1。

在该方法的第一步骤S1中，首先设定桥式结构10的桥式开关11-14的单极控制。逆变器1借助单极控制运行（时控）。然后在第二步骤S2中在单极控制期间确定供电网3的例如与相应桥式结构10连接的相的有效电压Ueff。

在下一步骤S3中，将所测量的有效电压Ueff与第一预定的阈值电压Usu、又称为下阈值电压进行比较。如果在步骤S3中确定有效电压Ueff大于第一阈值电压Usu，则该方法返回步骤S1。逆变器1因此继续以单极控制运行。但如果在步骤S3中确定有效电压Ueff小于或等于所述第一阈值电压Usu，则该方法以步骤S4继续。

在步骤S4中设定桥式结构10的桥式开关11-14的双极控制，并且逆变器1因此以桥式开关11-14的双极控制运行（时控）。然后在接下来的步骤S5中确定在双极控制期间供电网3的有效电压Ueff，并且在下一步骤然S6中与第二预定的阈值电压Uso、又称为上阈值电压进行比较。

如果在步骤S6中确定有效电压Ueff小于或等于第二阈值电压Uso，则该方法返回步骤S4，在该步骤中逆变器1继续以双极控制运行。但如果在步骤S6中确定有效电压Ueff大于第二阈值电压Uso，则该方法返回步骤S1，由此又被切换到单极控制。

因此，阈值电压Usu、Uso定义用于供电网3的相的有效电压的极限值，所述极限值用于识别电网故障。在识别出如此定义的电网故障期间，切换到桥式开关的双极控制。第二阈值电压Uso在此优选（略）高于第一阈值电压Usu，由此实现切换滞后。这防止当有效电压Ueff的高度恰好处于阈值范围中时在单极和双极控制之间不受控制的切换。应指出，按本申请意义存在的电网故障以及阈值电压Usu、Uso的高度鉴于自举电容器21、23的充分充电被定义。虽然如此，在何种情况下存在根据本申请方法的意义中的电网故障的定义可与例如供电网技术规范中的其它用于电网故障的定义一致。

因此在图3所示的本方法的方案中规定，在电网故障的整个持续时间中从单极控制切换到双极控制。作为替换方案也可规定，在电网故障的持续时间中持续在单极和双极控制之间进行切换。在此其中一种或另一种控制存在的间隔与PWM方法本身的一个周期持续时间一样短，或可选择得任意更长，在此基于现有技术中的上述问题限制用于单极控制的间隔长度的上极限。可规定，在单极控制时在逆变器1的有效输出电压为零的间隔中，插入占空比正好为1:1的双极时控，由此确保自举电容器的充电。作为替换方案可通过偏离于值1:1的占空比实现在双极控制的间隔中不等于零的有效输出电压。

为了实施所述方法之一，在图1所示的逆变器1中设置电网监控装置40，该电网监控装置通过参考信号输入端41与供电网3连接，并且这可借助中间连接的传输网络来实现。电网监控装置40至少监控供电网3的电压的时间曲线并且借助预定的、可能是标准化的标准来检测电网故障。电网故障通过故障信号输出端42上的故障信号来表示。电网监控装置40可被集成到逆变器1中或者也可以是一个单独的、可能是中枢的装置。

故障信号输出端42与脉宽调制电路30连接，所述脉宽调制电路构造用于根据故障信号将桥式结构的单极控制切换到双极控制。这种切换可根据本方法的上述不同方案在电网故障的持续期间持久地进行或在电网故障的持续期间交替地进行。

作为图1中所示结构的替换方案，也可设置两个分开的脉宽调制电路，一个用于单极控制，一个用于双极控制，并且切换单元根据故障信号向自举电路发出一个或另一个脉宽调制电路的控制信号。

附图标记列表

1            逆变器

2            正弦滤波器

3            供电网

10           桥式结构

11－14       桥式开关

15           续流二极管

16           电容器

17           直流输入端

18           交流输出端的一个相

19           控制电路

20           自举电路

21、23       自举电容器

22、24       自举二极管

30           脉宽调制电路

31           控制输出端

40           监控装置

41           参考输入端

42           故障信号输出端

Claims (9)

1.一种用于运行逆变器（1）的方法，该逆变器包括能调制控制的至少一个桥式结构（10）、用于将电功率馈入供电网（3），该方法包括下述步骤：

－通过单极控制所述至少一个桥式结构（10）使逆变器（1）运行，

－监控供电网（3）是否存在电网故障，并且

－当检测到电网故障时，至少暂时通过双极控制所述至少一个桥式结构（10）使逆变器（1）运行。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在检测到存在电网故障的时间段中通过双极控制所述至少一个桥式结构（10）使逆变器（1）运行。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，在检测到存在电网故障的时间段中交替地通过单极和双极控制所述至少一个桥式结构（10）使逆变器（1）运行。

4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其中，所述双极控制至少暂时以1:1的占空比进行。

5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其中，所述单极控制由三电平调制产生。

6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其中，根据供电网（3）的电网电压的有效值（Ueff）的高度检测电网故障的存在。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，如果所述有效值（Ueff）低于第一阈值电压（Usu），则检测到电网故障。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，如果所述有效值（Ueff）低于第二阈值电压（Uso），则检测到电网故障，其中，所述第二阈值电压（Uso）高于所述第一阈值电压（Usu）。

9.一种能容忍电网故障的逆变器（1），用于将电功率馈入供电网（3），该逆变器包括：

－具有桥式开关（11-14）的至少一个桥式结构（10）；

－具有自举电容器（21、23）的至少一个自举电路（20），用于为所述桥式开关（11-14）中的至少一个桥式开关的控制提供能量；

－用于选择性地单极或双极控制所述至少一个桥式结构（10）的脉宽调制电路（30）；以及

－用于检测电网故障的监控装置（40），

其中，该逆变器（1）构造用于实施根据权利要求1至8之一所述的方法。

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