CN110971136A - 采用光伏能量输送元件的逆变器装置 - Google Patents

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Abstract

一种采用光伏能量输送元件的逆变器装置(10A)包括：包括开关元件的至少两个串，串连接至至少两个AC端子(AC1，AC2，AC3)，其中，串中至少之一是子模块串(S1A，S2A，S3A，S4A，S5A，S6A；S1B，S2B，S3B，S4B，S5B，S6B；S1C，S2C，S3C，S4C，S5C，S6C)，每个子模块包括至少两个开关元件和能量存储元件，具有DC端子并且被配置成对在AC端子上形成AC电压做出电压贡献；以及多个输入级(IS1，IS2，IS3，IS4，IS5，IS6)，每个输入级包括至少一个能量输送元件，其中，能量输送元件中的至少一些是光伏元件，每个输入级连接至对应子模块的DC端子，以当对应子模块有助于在AC端子上形成AC电压时向至少一个AC端子(AC1，AC2，AC3)输送电力或从至少一个AC端子(AC1，AC2，AC3)输送电力。

Description

采用光伏能量输送元件的逆变器装置
技术领域
本发明涉及基于光伏元件的逆变器装置。
背景技术
光伏系统是众所周知的并且在全球范围内用于发电。
这种系统的主要目标是收获光伏模块或元件以直流(DC)产生的最大能量，并且将该最大能量存储在能量存储元件例如电池中，进行本地消耗或者将该最大能量转换为交流(AC)以将其传输至电网。当涉及到并网系统时，关键元件是DC-AC转换器，也称为逆变器。
当今市场上有许多不同的解决方案可用例如：中央逆变器、串式逆变器、微型逆变器以及最近的以改善串式逆变器和中央逆变器的性能的DC优化器。每种方法都呈现出其优点和缺点。对于低功率住宅用途，解决方案主要是串式逆变器和微型逆变器。
近年来引起人们关注的另一类型的逆变器基于级联的H桥转换器或子模块，级联的H桥转换器或子模块以产生阶梯波形(非常接近电网正弦波)的这种方式被操作，从而大大减少了AC滤波级。WO 2013/030236给出了级联的H桥转换器的这种使用的示例。每个H桥均连接至一个光伏元件，并且该系统受益于高效转换和高能量收集产量。
然而，仍然存在改进的空间。
鉴于上述现有技术，仍然存在对与基于光伏元件的逆变器装置中的发电有关的改进的需要。
发明内容
本发明的旨在提供一种基于光伏元件的逆变器装置的改进。
这是通过一种基于光伏元件的逆变器装置实现的，该逆变器装置包括：包括开关元件的至少两个串，其中，串连接至至少两个交流AC端子，其中，串中至少之一是子模块串，并且其中，每个子模块包括至少两个开关元件和能量存储元件，具有至少两个直流DC端子并且被配置成能够对在AC端子上形成AC电压做出电压贡献；以及多个输入级，每个输入级包括至少一个能量输送元件，其中，能量输送元件中的至少一些是光伏元件，并且其中，每个输入级连接至对应子模块的两个DC端子，以使得当对应子模块有助于在AC端子上形成AC电压时能够向至少一个AC端子输送电力或从至少一个AC端子输送电力。
在一种变型中，串是所有具有子模块的串，每个子模块有助于在AC端子上形成相电压。在这种情况下，串可以被配置成还使经由AC端子提供的电流平衡。
根据第一类型的逆变器装置可以包括三角形连接的三个串，在这种情况下，AC端子可以设置在串之间的结点处。在这种情况下，可以使用零序电流来进行平衡。
根据第二类型的逆变器装置可以包括彼此并联连接的至少两个串并且有利地为三个串，在这种情况下，AC端子可以设置在串的中点处。在这种情况下，可以通过在相电压中引入二阶谐波来进行平衡。
根据第三类型的逆变器装置可以另外地包括三个并联串，其中，一个串是具有子模块的串而另外两个串是具有为H桥结构的开关元件的串，其中，H桥结构的串的中点形成单相电压的第一AC端子和第二AC端子。
在根据第二类型的逆变器装置和第三类型的逆变器装置中，此外，至少一个能量存储元件可以与串并联连接。
能量输送元件可以另外地包括能量存储元件。
当能量输送元件包括光伏元件和能量存储元件两者时，串的至少一个子模块的DC端子可以连接至能量存储元件或光伏元件。另外地，串的至少一个子模块可以经由其DC端子连接至能量存储元件和光伏元件两者。
此外，至少一个输入级的一个能量输送元件可以经由DC/DC转换器连接至子模块的DC端子，其中，该能量输送元件可以是光伏元件或能量存储元件。
当经由DC/DC转换器连接至子模块的DC端子的能量输送元件是光伏元件时，还可以将能量存储元件连接至在DC/DC转换器与子模块的DC端子之间的DC链路。
子模块可以包括具有单极性电压贡献能力的子模块例如半桥子模块。另外地或替代地，子模块可以包括具有双极性电压贡献能力的子模块。在子模块可以包括具有双极性电压贡献能力的子模块的情况下，子模块可以为全桥子模块。可替选地或替代地，具有双极性电压贡献能力的子模块可以包括能量存储元件的分支和用于使该分支中的能量存储元件中的一个做出电压贡献的开关装置。具有双极性电压贡献能力的子模块类型的子模块有时称为中性点钳位子模块。
逆变器装置还可以包括控制子模块的操作的控制单元，该控制单元可以涉及控制子模块以有助于形成AC电压，控制子模块的插入时间以输送电力以及控制子模块以在串中引入循环电流。
此外，控制单元可以被配置成单独地控制每个子模块以向对应的所连接的输入级输送电力和/或从对应的所连接的输入级接收电力。该控制可以基于连接至子模块的输入级的单独的电力输送和接收能力。该控制可以更具体地涉及基于输入级的单独的电力输送和接收能力来单独地对向子模块输送的电力和/或由子模块输送的电力进行优化。
子模块经由通信信道与控制单元通信。可以这样进行以接收控制信号并且递送状态报告。
可以例如使用光纤将通信信道实现为独立的通信信道。可替选地，通信信道可以采用逆变器装置的电力传输基础设施，其中电力传输基础设施包括将子模块彼此连接以及将子模块与AC端子连接的导体和线路即将子模块与AC端子互连的导体和线路。
可以通过将诸如控制信号和状态报告的信号调制到组成电力传输基础设施的导体和线路上来实现通信信道。
本发明具有许多优点。它使得部件的数目和/或尺寸能够减少。它是模块化的并且因此还容易地适应对变化的尺寸要求。模块化还使得在输送能量或存储能量方面能够对每个单元进行单独控制。由此，每个单元的电力输送可以根据连接至每个单元的输入级的电力输送和/或电力接收能力进行优化。该系统还是能量自给自足的。无需从辅助电力供应设备接收任何电力。
附图说明
下面将参照附图对本发明进行描述，在附图中：
图1示意性地示出了包括具有连接至能量输送元件的子模块的多个串的逆变器装置的第一实现方式，
图2示意性地示出了逆变器装置的第二实现方式，
图3示意性地示出了仅包括光伏元件形式的第一类型的能量输送元件的第一类型的输入级，
图4示意性地示出了仅包括能量存储元件形式的第二类型的能量输送元件的第二类型的输入级，
图5示出了可以在逆变器装置实现方式中的任意一个中使用的第一类型的子模块，
图6示出了可以在逆变器装置实现方式中的任意一个中使用的第二类型的子模块，
图7示出了可以在逆变器装置实现方式中的任意一个中使用的第三类型的子模块，
图8示意性地示出了逆变器装置的第三实现方式，
图9示出了包括连接至DC/DC转换器的第一类型的能量输送元件的第三类型的输入级，
图10示出了包括连接至DC/DC转换器的第二类型的能量输送元件的第四类型的输入级，
图11示出了包括第一类型的能量输送元件和第二类型的能量输送元件以及DC/DC转换器的第五类型的输入级，以及
图12示出了能量存储元件在第二类型的逆变器结构中的替选布置。
具体实施方式
在下文中，将给出本发明的优选实施方式的详细描述。
本发明涉及基于光伏元件或光伏模块的逆变器装置。在逆变器装置中，存在包括开关元件的多个串。更具体地，存在包括开关元件的至少两个串，其中，串连接至至少两个交流(AC)端子并且串中至少之一是子模块串。每个子模块包括至少两个开关元件，具有至少两个直流(DC)端子并且被配置成能够对在AC端子上形成至少一个AC电压做出至少一个电压贡献。
在逆变器装置中，还存在多个输入级，每个输入级包括至少一个能量输送元件，其中能量输送元件中的至少一些是光伏元件。每个输入级均连接至对应子模块的两个DC端子，以当对应子模块有助于在AC端子上形成AC电压时向至少一个AC端子输送电力或从至少一个AC端子输送电力。
每个子模块均具有两个AC端子和至少两个DC端子，其中AC端子用于串中子模块的互连并且DC端子用于与输入级的连接。
图1示出了基于光伏元件的一个第一类型的逆变器装置。串在这种类型的逆变器装置中是所有包括子模块的串。
在图1给出的示例中，存在三个子模块串，其中作为示例，每个串包括六个子模块。因此，存在：第一串A，其具有使用子模块AC端子彼此串联或级联的第一子模块S1A、第二子模块S2A、第三子模块S3A、第四子模块S4A、第五子模块S5A和第六子模块S6A；第二串B，其具有使用子模块AC端子彼此串联或级联的第一子模块S1B、第二子模块S2B、第三子模块S3B、第四子模块S4B、第五子模块S5B和第六子模块S6B；以及第三串C，其具有使用子模块AC端子彼此串联或级联的第一子模块S1C、第二子模块S2C、第三子模块S3C、第四子模块S4C、第五子模块S5C和第六子模块S6C。应当认识到，所示的子模块的数目仅仅是示例。
通常，在一个串中可能存在n个子模块，其中数目n是形成期望AC电压所需的数目。
在第一类型的逆变器装置10A中，形成逆变器的三个串三角形连接。由此，逆变器装置10A的第一AC端子AC1设置在第一串A与第三串C之间的结点处，逆变器装置10A的第二AC端子AC2设置在第一串A与第二串B之间的结点处，以及逆变器装置10A的第三AC端子AC3设置在第二串B与第三串C之间的结点处。
每个串均有助于在AC端子上形成相电压。在图1的逆变器装置中，第一串和第三串一起有助于在第一AC端子AC1上形成第一相电压，第一和第二串一起有助于在第二AC端子AC2上形成第二相电压，以及第二串和第三串一起有助于在第三AC端子AC3上形成第三相电压。
此外，可以看出，多个输入级连接至第三分支的子模块。这些输入级连接至子模块DC端子。在图1给出的示例中，在输入级与子模块之间存在一对一的对应关系。每个输入级因此连接至对应子模块。如图所示，因此，存在连接至第一子模块S1C的第一输入级IS1、连接至第二子模块S2C的第二输入级IS2、连接至第三子模块S3C的第三输入级IS3、连接至第四子模块S4C的第四输入级IS4、连接至第五子模块S5C的第五输入级IS5以及连接至第六子模块S6C的第六输入级IS6。
在此，应当认识到，其他串的子模块也以相同的方式连接至输入级。此外，每个输入级均连接至子模块。然而，如稍后将会变得明显的，两个输入级可以连接至同一子模块。这也意味着每个子模块均连接至至少一个输入级，其中子模块可以连接至两个输入级。
还存在被配置成控制子模块的控制单元12。稍后将更详细地描述该控制。
每个子模块以及还可能的一个或更多个输入级均经由通信信道连接至控制单元12，通过通信信道将控制信号传输至子模块并且通过通信信道将状态报告发送至控制单元，状态报告可以包括电的量的测量值例如子模块和输入级的电压、电流和功率。因此，子模块经由通信信道与控制单元通信。可以使用光纤或专用数据通信电缆来实现该通信信道。然而，根据一些有利的方面，通信信道可以采用逆变器装置的电力传输基础设施，其中电力传输基础设施包括将子模块彼此连接并且将子模块与逆变器AC端子连接的导体和线路即将子模块和逆变器AC端子互连的导体和线路。
通信信道可以更具体地通过将信号例如控制信号和状态报告调制到构成电力传输基础设施的导体和线路上来实现。作为示例，可以使用电力线通信(PLC)来调制信号。当以这种方式实现通信信道时，可以完全独立于任何单独的通信基础设施来实现逆变器装置。
图2示出了第二类型的逆变器装置10B。在该逆变器装置10B中，也存在三个子模块串。然而，在这种情况下，串彼此并联连接。此外，逆变器装置10B的AC端子AC1、AC2和AC3设置在子模块串的中点处。由此，第一AC端子AC1设置在第一串A的中点，第二AC端子AC2设置在第二串B的中点，并且第三AC端子AC3设置在第三串C的中点。在这种情况下，串还可以表示为相脚(phase leg)。在此，应当认识到，在这种情况下，还可以使用较少的串例如仅两个以及可以使用较多的串例如四个。
每个串均有助于在AC端子上形成相电压。在图2的逆变器装置中，第一串有助于在第一AC端子AC1上形成第一相电压或用于在第一AC端子AC1上形成第一相电压，第二串有助于在第二AC端子AC2上形成第二相电压或用于在第二AC端子AC2上形成第二相电压，并且第三串有助于在第三AC端子AC3上形成第三相电压或用于在第三AC端子AC3上形成第三相电压。
如上所述，输入级的能量输送元件中的至少一些包括光伏元件。另外地，至少一些输入级可以包括能量存储元件。
此外，在这种情况下，存在采用可以以与第一实施方式的通信信道相同的方式实现的通信信道的控制单元(未示出)。
图3示意性地示出了仅包括第一类型的能量输送元件的第一类型的输入级IST1，该能量输送元件是光伏元件PV。图4示出了仅包括第二类型的能量输送元件的第二类型的输入级IST2，该第二类型的能量输送元件是第一能量存储元件ES1，在此为电池形式。作为替选，能量存储元件可以是电容器。
子模块串可以仅连接至第一类型的输入级。作为替选，子模块串可以连接至第一类型的输入级和第二类型的输入级的组合。
图5示出了用于逆变器装置类型中的任意一个的第一类型的子模块STA。子模块STA是半桥子模块并且包括与开关元件的第一分支并联连接的第一电容器C1A形式的能量存储元件，其中每个开关元件可以以可控半导体的形式实现，可控半导体可以为晶体管，该晶体管有利地可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。因此，在图5中，存在彼此串联连接的第一开关元件T1A和第二开关元件T2A。子模块STA具有第一AC连接端子TAC1A和第二AC连接端子TAC2A，每个AC连接端子提供用于子模块与对应串的连接。在这种第一类型的子模块STA中，第一AC连接端子TAC1A更具体地设置在开关元件的第一分支的中点，在这种情况下，该开关元件的第一分支的中点在第一开关元件T1A与第二开关元件T2A之间的结点处，而第二AC连接端子TAC2A设置在开关元件的第一分支的端点处，在这种情况下，该开关元件的第一分支的端点在第二开关元件T2A与电容器C1A之间的结点处。第一DC端子TDC1A设置在能量存储元件C1A与第一开关元件T1A之间的结点处，而第二DC端子TDC2A设置在第二开关元件T2A与电容器C1A之间的结点处。
这种子模块类型具有单极性电压贡献能力。因此，在操作中，控制第一类型的子模块STA以提供对串的单极性电压贡献；例如，该电压贡献是跨电容器C1A两端的电压或零电压。由此通过将电容器C1A连接在两个AC端子TAC1A与TAC2A之间来实现电压插入。由此，连接至两个DC端子的输入级也将连接在可以用于在能量输送元件与逆变器之间供应电力的AC端子之间。
在第一类型的子模块的变型中，第二AC连接端子替代地设置在第一开关元件与电容器之间的结点处。
图6示意性地示出了具有双极性电压贡献能力并且包括相同类型的部件即在开关元件的第一分支中的与电容器C1B并联设置的第一开关元件T1B和第二开关元件T2B的第二类型的子模块STB。然而，在此，还存在通过在开关元件的第二分支中的第三晶体管和第四晶体管设置的也与电容器C1B并联连接的第三串联连接的开关元件T3B和第四串联连接的开关元件T4B。如前所述，第一AC端子TAC1B设置在开关元件的第一分支的中点处。然而，在这种情况下，第二AC端子TAC2B设置在开关元件的第二串的中点处即在第三开关元件T3B与第四开关元件T4B之间。正如在第一类型的子模块中一样，第一DC端子TDC1B设置在能量存储元件C1B与第一开关元件T1B之间的结点处，而第二DC端子TDC2B设置在第二开关元件T2B与电容器C1B之间的结点处。还可以看出，第一DC端子TDC1B连接至能量存储元件C1B与第三开关元件T3B之间的结点处，并且第二DC端子TDC2B连接至第四开关元件T4B与电容器C1B之间的结点处。在操作中，第二类型的子模块被控制成提供双极性电压贡献。该双极性电压贡献向串提供零电压或者能量存储元件C1B的正电压或负电压。由此，输入级也连接至逆变器。
从图3、图4、图5和图6可以理解，串的至少一个子模块的DC端子可以连接至能量存储元件或连接至光伏元件。
图7示出了是具有双极性电压贡献能力的另一类型的子模块的第三类型的子模块STC。该子模块STC包括开关元件的第一分支，该开关元件的第一分支包括四个串联连接的开关元件T1C、T2C、T3C和T4C。该开关元件的第一分支与能量存储元件的第一分支并联连接，能量存储元件包括与第二电容器C2C串联连接的第一电容器C1C。此外，存在第一二极管D1，第一二极管D1具有连接至电容器分支的中点即连接至第一电容器C1C与第二电容器C2C之间的结点的阳极。第一二极管D1还具有连接至第一开关元件T1C与第二开关元件T2C之间的结点的阴极。还存在第二二极管D2，第二二极管D2具有连接至第三开关元件T3C与第四开关元件T4C之间的结点的阳极并且还具有连接至电容器分支的中点的阴极。在此，第一AC端子TAC1C设置在电容器分支的中点处即在第一电容器C1C与第二电容器C2C之间的结点处，而第二AC端子TAC2C设置在开关元件的第一分支的中点处即在第二开关元件T2C与第三开关元件T3C之间的结点处。第一DC端子TDC1C设置在第一能量存储元件C1C与第一开关元件T1C之间的结点处，而第二DC端子TDC2C设置在第一能量存储元件C1C与第二能量存储元件C2C之间的结点处。还存在设置在能量存储元件C1C与C2C之间的相同结点处的第三DC端子TDC3C以及布置在第四开关元件T4C与第二电容器C2C之间的结点处的第四DC端子TDC4C。正如第二类型的子模块一样，该第三类型的子模块(也可以称为中性点钳位(NPC)子模块)提供了三个电压水平：零电压水平、与跨第一电容器C1C两端的电压对应的电压水平以及与跨第二电容器C2C两端的电压对应的电压水平。具有开关元件的分支和两个二极管在此可以被视为形成用于使分支中的能量存储元件中的一个对串做出电压贡献的开关装置。
在此，还可以提及，第二DC端子TDC2C和第三DC端子TDC3C可以连接至一个公共的中心DC端子中。
从图3、图4和图7可以看出，串的至少一个子模块还可以经由其DC端子连接至能量存储元件和光伏元件两者。自然地，它也可以连接至两个光伏元件或两个能量存储元件。
在第一类型的逆变器装置和第二类型的逆变器装置的操作中，控制单元12控制子模块以通过控制子模块做出有助于形成这种相电压的电压贡献来在AC端子上形成三相AC电压。这种控制也可以称为子模块在串中的插入，这是因为该控制涉及插入子模块的电压贡献以形成相电压。由此，在三个AC端子中的每一个上形成阶梯状的电压形状，该形状可以相对于彼此相位偏移例如120度。此外，AC端子可以连接至AC电网，以使逆变器装置向电网输送电力或从电网接收电力。
此外，当插入子模块时，然后还插入与其连接的输入级，其中插入的子模块的光伏元件或电池然后可以向AC电网输送电力。这意味着光伏元件或电池可以经由逆变器装置的AC端子向AC电网供应电力。
向输入级供应电力和/或从输入级供应电力可以更具体地涉及单独地控制子模块以执行这种电力供应。因此，控制单元12可以被配置成单独地控制每个子模块以向对应的所连接的输入级输送电力和/或从对应的所连接的输入级接收电力。该控制可以基于连接至子模块的输入级的单独的电力输送和接收能力。该控制可以更具体地涉及例如基于输入级的单独的电力输送和接收能力例如使用最大点功率跟踪(MPPT)来单独地对向子模块输送的电力和/或从子模块输送的电力进行优化。输入级的各个元件可以具有在控制中可以考虑的不同的电力输送和/或接收能力。
例如，一个光伏元件可能被遮蔽而另一光伏元件接收直接的阳光，并且因此这些光伏元件的最大可输送电力可以不同。一个能量存储元件可以具有比另一能量存储元件较高的能量水平，这意味着该能量存储元件能够输送较多的能量但是能够存储比另一能量存储元件较少的能量。因此，当存在单独的控制时，可以考虑这些单独的差异。根据本发明的各方面，使用多个串(其中至少一个是子模块串)使得对基于光伏元件的逆变器装置能够产生许多改进，这些改进涉及减少逆变器装置中部件的数目和/或尺寸。
这种改进之一为模块化，这使得转换器能够容易地适应环境所需的尺寸。这还允许对每个子模块就所连接的输入级的电力输送和接收能力进行单独的控制。
另一优点是不需要任何辅助电力供应设备。
使用第一类型的输入级的一个优点是它是高效的单个转换级。
另一改进是输送对称的三相电力。
由输入级输送的电力通常受到对应子模块的插入时间长度控制。
光伏元件可能无法输送相同量的能量。例如，一个光伏元件可能被遮蔽而另一光伏元件直接被阳光照射。因此，它们可能无法提供相同量的电力。这可能会导致两串光伏元件输送不同量的电力。通过使用三相系统，可以抵消电力输送中的这种差异，特别是因为可以使各相之间的电力平衡。然后可以使用循环电流即使用在串之间循环的电流来使两个串之间的任何电力偏差平衡。因此可以使相电流平衡。
通过在子模块串之间形成循环电流来实现相电流的平衡。这是通过引入在各串之间循环的零序电流来实现的第一类型的逆变器。因此，在第一类型的逆变器装置中使用三角形连接的串可以使得零序循环电流能够使各相之间的电力平衡并且因此能够向电网输送对称电力。由此，独立于每个串中的可用能量，实现了平衡的电网运行。电流的平衡还具有放宽逆变器AC侧上的滤波要求的优点。例如，这种三相配置可以能够减小尺寸和复杂性，或者完全消除用于改善总谐波失真(THD)并应对电网瞬变的额外的有源滤波级。
MMC配置提供了额外的功能例如增强能力。
在第二类型的逆变器中，循环电流通过控制单元引入，从而将谐波添加至生成的AC电压例如二阶谐波，这些谐波使循环电流彼此抵消。因此，添加的循环电流之和应为零。因此，通过在相电压中引入二阶谐波来实现平衡。
如果输入级包括能量存储元件例如电池，则还可以使光伏元件在电池产生过剩的电力时为电池充电，并且使电池在由光伏元件输送的电力不足时向所连接的AC电网供应额外的电力。因此，使用电池能够实现较稳定的电力输送，这也可以降低电流平衡要求。
图8示意性地示出了第三类型的逆变器装置10C，该第三类型的逆变器装置10C是其中存在三个并联串的单相逆变器装置。在该逆变器装置10C中，存在具有子模块的一个串，该串连接至包括四个开关元件SW1、SW2、SW3和SW4的H桥开关结构。在此，H桥开关结构包括：第一开关元件的串，其包括第一串联连接的开关元件SW1和第二串联连接的开关元件SW2；以及第二开关元件的串，其包括第三串联连接的开关元件SW3和第四串联连接的开关元件SW4。因此，两个串是具有为H桥结构的开关元件的串。对于单相电压，第一开关元件的串的中点形成第一AC端子AC1以及第二开关元件的串的中点形成第二AC端子AC2。第一开关元件的串和第二开关元件的串还与子模块的串并联连接。
第三类型的逆变器装置可以与第一类型的逆变器装置和第二类型的逆变器装置稍微不同地操作。该装置是单相装置并且子模块具有第一类型的优点。
此外，在这种情况下，存在采用可以以与第一实施方式的通信信道相同的方式实现的通信信道的控制单元(未示出)。
在这种类型的装置中，控制子模块以形成波形的正半周期并且控制开关装置以改变波形的极性从而获得AC电压，其中当第一开关元件SW1和第四开关元件SW4接通时，子模块串以第一极性连接在AC端子AC1与AC2之间，并且当第二开关元件SW2和第三开关元件SW3接通时，子模块串以第二相反极性连接在AC端子AC1与AC2之间。
此外，在此可以单独地控制每个子模块，以向对应的所连接的输入级输送电力和/或从对应的所连接的输入级接收电力。在这种情况下，控制还可以基于连接至子模块的输入级的单独的电力输送和接收能力，并且同样可以涉及基于输入级的单独的电力输送和接收能力例如使用MPPT来单独地对向子模块输送的电力和/或从子模块输送的电力进行优化。
在上面给出的示例中，通过仅包括第一类型的能量输送元件或第二类型的能量输送元件实现了输入级。
此外，还可以将DC/DC转换器添加至输入级。因此，至少一个输入级的一个能量输送元件可以经由DC/DC转换器连接至子模块的DC端子。
在图9中示意性地示出了包括第一类型的能量输送元件和DC/DC转换器14的第三类型的输入级IST3。可以看出，光伏元件PV连接至DC/DC转换器14的第一侧，该DC/DC转换器14的第二侧将连接至对应子模块的DC端子。在这种情况下，输入级的经由DC/DC转换器连接至子模块的DC端子的能量输送元件因此是光伏元件PV。
在图10中示意性地示出了包括第二类型的能量输送元件和DC/DC转换器14的第四类型的输入级IST4。可以看出，电池形式的第一能量存储元件ES1连接至DC/DC转换器14的第一侧，该DC/DC转换器14的第二侧将连接至对应子模块的DC端子。
在图11中示意性地示出了包括第一类型的能量输送元件和第二类型的能量输送元件以及DC/DC转换器14的第五类型的输入级IST5。可以看出，光伏元件PV连接至DC/DC转换器14的第一侧，该DC/DC转换器14的第二侧连接至通向对应子模块的两个DC端子的DC链路。电池形式的第一能量存储元件ES1连接至在DC/DC转换器14与子模块的DC端子之间的该DC链路。因此，电池连接在DC/DC转换器14的第二侧与子模块的DC端子之间。
DC/DC转换器和光伏元件的组合有利的是可以调节子模块的输入电压。由此，子模块将不需要任何额外的控制努力来保持电压平衡，但是却是坚固的(stiff)。如果转换器输出连接至电容器，则可能会是所感兴趣的。
当使用电池作为能量存储元件时，添加DC-DC级可能是感兴趣的，以使得能够较好地利用电池，而无需对控制单元做出努力来保持子模块之间的电压平衡。连接至电池的单元还可以承担有源滤波器功能，从而消除了在逆变器装置中额外的转换器的必要性。
上面提供了能量存储元件作为输入级的一部分。
应当认识到，可以以另一种方式来实现能量存储元件。
图12示出了能量存储元件在第二类型的逆变器装置中的替选布置。当子模块的三个串A、B和C彼此并联连接时，其中串中点形成AC连接端子AC1、AC2和AC3，则串的端部形成DC连接点。因此，三个并联串的第一端可以形成第一DC连接点DCCP1，而并联串的第二相对端形成第二DC连接点DCCP2。因此，第一DC连接点DCCP1由子模块串的互连的第一端形成，而第二DC连接点DCCP2由子模块串的互连的第二端形成。在这种情况下，例如电池形式的第二能量存储元件ES2可以连接在这两个DC连接点DCCP1与DCCP2之间。由此，至少一个能量存储元件ES2与包括开关元件的串并联连接。
还应当认识到，还可以将第二能量存储元件也添加至第三类型的逆变器装置中。还应当认识到，在输入级中，第二能量存储元件ES2的使用可以与第一能量存储元件ES1的使用结合。
此外，应当认识到，在逆变器装置中可以存在输入级类型的混合。因此，串可以具有任意类型的输入级组合。也可以在串中混合子模块的类型。串同样可以具有任意类型的子模块组合。然而，如果在不同的子模块串中使用相同的输入级混合和/或相同的子模块混合，则可能是有利的。
第三类型的子模块的使用还可以使得成本能够进一步降低，从而使得每2个能量输送元件使用1个转换器单元。这可以产生较成本有效的逆变器装置和较简单的安装。使用第一类型的子模块有利的是，与其他类型相比，功率半导体的数目减少了一半，以及栅极驱动器的数目也减少了一半。
MOSFET仅仅是可以使用的一个类型的开关元件。作为示例，开关元件可以替代地是结型场效应晶体管(JFET)或双极性晶体管例如绝缘栅双极性晶体管(IGBT)，可能还带有反并联二极管。还应当认识到，可以使用宽带隙开关元件例如氮化镓(GaN)或碳化硅(SiC)开关元件。因此，上述示例仅是可以使用的多种不同的可能的开关元件实现方式中的几个。
控制单元12可以通过具有相关联的程序存储器或专用电路例如现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)的计算机或处理器来实现。
因此，控制单元可以以分立部件例如FPGA或ASIC的形式来实现。然而，它还可以以具有包括当在处理器上运行时执行期望的控制功能的计算机程序代码的附带的程序存储器的处理器的形式来实现。可以将带有该代码的计算机程序产品作为数据载体例如带有计算机程序代码的存储器来提供，该数据载体当被加载到电压源转换器的控制单元中时执行上述控制功能。
根据前面的讨论可以明显看出，本发明可以以多种方式变化。因此应当认识到，本发明仅由所附权利要求书限制。

Claims (13)

1.一种基于光伏元件(PV)的逆变器装置(10A；10B；10C)，所述逆变器装置(10A；10B；10C)包括：
包括开关元件(T1A，T2A；T1B，T2B，T3B，T4B；T1C，T2C，T3C，T4C；SW1，SW2，SW3，SW4)的至少两个串，所述串连接至至少两个交流AC端子(AC1，AC2，AC3)，其中，所述串中至少之一是子模块串(S1A，S2A，S3A，S4A，S5A，S6A；S1B，S2B，S3B，S4B，S5B，S6B；S1C，S2C，S3C，S4C，S5C，S6C)，每个子模块(STA；STB；STC)包括至少两个开关元件(T1A，T2A；T1B，T2B，T3B，T4B；T1C，T2C，T3C，T4C)和能量存储元件(C1A；C1B；C1C，C2C)，具有至少两个直流DC端子(TDC1A，TDC2A；TDC1B，TDC2B；TDC1C，TDC2C，TDC3C，TDC4C)并且被配置成对在所述AC端子上形成AC电压做出电压贡献；以及
多个输入级(IS1，IS2，IS3，IS4，IS5，IS6)，每个输入级包括至少一个能量输送元件(PV；ES1)，其中，所述能量输送元件中的至少一些是光伏元件(PV)，每个输入级连接至对应子模块(STA；STB；STC)的两个DC端子(TDC1A，TDC2A；TDC1B，TDC2B；TDC1C，TDC2C，TDC3C，TDC4C)，以使得当对应子模块有助于在所述AC端子上形成AC电压时能够向至少一个AC端子(AC1，AC2，AC3)输送电力或从所述至少一个AC端子(AC1，AC2，AC3)输送电力，
其中，所述串是所有具有子模块的串，每个子模块有助于在所述AC端子上形成相电压，并且其中，所述串被配置成使经由所述AC端子供应的电流平衡。
2.根据权利要求1所述的逆变器装置(10A)，其中，所述串是三角形连接的三个串并且使用零序电流来进行所述平衡。
3.根据权利要求1所述的逆变器装置(10B)，其中，所述串彼此并联连接并且通过在所述相电压中引入二阶谐波来进行所述平衡。
4.根据权利要求3所述的逆变器装置(10B；10C)，还包括与所述串并联连接的至少一个能量存储元件(ES2)。
5.根据权利要求1、2或3所述的逆变器装置(10A；10B；10C)，其中，所述能量输送元件包括能量存储元件(ES1)。
6.根据权利要求1、2或3所述的逆变器装置(10A；10B；10C)，其中，至少一个输入级(IST3；IST4；IST5)的一个能量输送元件经由DC/DC转换器(14)连接至子模块的所述DC端子。
7.根据权利要求6所述的逆变器装置(10A；10B；10C)，其中，所述能量输送元件是光伏元件(PV)。
8.根据权利要求7所述的逆变器装置(10A；10B；10C)，其中，能量存储元件(ES1)连接至在所述DC/DC转换器(14)与所述子模块的所述DC端子之间的DC链路。
9.根据权利要求1、2或3所述的逆变器装置(10A；10B；10C)，其中，所述子模块包括具有双极性电压贡献能力的子模块(STB；STC)，并且具有双极性电压贡献能力的至少一个子模块(STC)包括能量存储元件(C1C，C2C)的分支和用于使所述分支中的所述能量存储元件中的一个做出电压贡献的开关装置(T1C，T2C，T3C，T4C，D1，D2)。
10.根据权利要求1、2或3所述的逆变器装置(10A；10B；10C)，还包括控制所述子模块的操作的控制单元(12)。
11.根据权利要求10所述的逆变器装置，其中，所述控制单元(12)被配置成单独地控制每个子模块以向对应的所连接的输入级输送电力和/或从对应的所连接的输入级接收电力。
12.根据权利要求10所述的逆变器装置，其中，所述子模块经由通信信道与所述控制单元(12)通信，所述通信信道采用所述逆变器装置的电力传输基础设施。
13.根据权利要求11所述的逆变器装置，其中，所述子模块经由通信信道与所述控制单元(12)通信，所述通信信道采用所述逆变器装置的电力传输基础设施。
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