CN112534696A - 光伏逆变器以及用于操作光伏逆变器的方法 - Google Patents

光伏逆变器以及用于操作光伏逆变器的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光伏逆变器(2)和操作这种光伏逆变器(2)的方法，该光伏逆变器具有用于连接至DC源(4)的DC输入端(3)、DC‑DC转换器(9)、中间电路(10)、DC‑AC转换器(11)、AC断开器(8)、控制装置(13)、用于连接至供电网络(6)和可能的用电设备(7)的AC连接器(5)、电池级(16)以及用于连接至缓冲电池(15)的电池连接器(14)。根据本发明，设置有开关模式电源(18)，该开关模式电源(18)在输入侧连接至AC连接器(5)，在输出侧连接至电池级(16)，使得：如果DC源(4)被停用，则中间电路(10)能够通过开关模式电源(18)和电池级(16)被充电到阈值，由此能够启动AC断开器(8)，并能够将光伏逆变器(2)连接至供电网络(6)。

Description

光伏逆变器以及用于操作光伏逆变器的方法
技术领域
本发明涉及一种光伏逆变器，其具有用于连接至DC源的DC输入端、DC-DC转换器、中间电路、DC-AC转换器、AC断开器、用于连接至供电网络和用电设备(如果有的话)的AC连接器、电池级、以及用于连接至缓冲电池的电池连接器。
本发明还涉及一种用于操作光伏逆变器的方法，其中，所述光伏逆变器具有用于连接至DC源的DC输入端、DC-DC转换器、中间电路、DC-AC转换器、AC断开器、用于连接至供电网络和用电设备(如果有的话)的AC连接器、电池级、以及用于连接至缓冲电池的电池连接器。
背景技术
例如，WO2008/138020A1或US2011/0133552A1描述了这样一种混合逆变器及其控制方法，所述混合逆变器既可以连接至供电网络，也可以作为独立逆变器运行，以向用电设备提供电能。
US2018/0037121A1描述了一种混合逆变器，专门设计用于为电动车辆的电池充电。
在US2005/0006958A1中，公开了一种可以通过“附加备份电源模块”进行扩展的逆变器。该文献描述了与储能相关的能源流动，用于将能源供应给用电设备。
为了将逆变器连接至供电网络，必须在闭合AC断开器之前将中间电路电压提高到峰值线路电压。这是通过对DC源(太阳能板或缓冲电池)的电压进行相应转换来实现的。但是，如果太阳能板或缓冲电池没有正在提供电压，则通常无法增加中间电路电压。
一种选择是将滤波电容器以特定方式相互连接，使得它们可以用作串联电容器，通过DC-AC转换器为中间电路充电。然而，这种变型的缺点是会导致经由太阳能板的附加泄漏电流。另外，增加了布线工作量。
另一个选择是使用单独的电路从供电网络上载中间电路电压，无需DC源。然而，该解决方案也需要在逆变器的印刷电路板上提供空间，并且导致额外的成本。
由于上述原因，在一些没有DC源或缓冲电池的光伏逆变器中，也省略了从供电网络上载的过程，但是这会降低光伏逆变器的能量管理性能。
发明内容
本发明的目的是创建一种如上所述的光伏逆变器，以及一种用于操作该光伏逆变器的方法，使得该光伏逆变器可以在任何时间，例如黄昏或夜间，无论是否存在来自DC源的电压，都能够开始。布线工作和由此产生的额外制造成本应尽可能低。
根据本发明实现上述目的的解决方案是由上述逆变器提供的，其中，设置有开关模式电源，该开关模式电源在输入侧连接至AC连接器并且在输出侧连接至电池连接器，使得当DC源停用时，中间电路可以借助开关模式电源和电池级充电至阈值，于是可启动AC断开器。因此，根据本发明规定：如果DC源被停用或者无效，即，当太阳能板在黄昏或者夜间或者由于下雪而不能供给能量时，或者如果DC源与光伏逆变器断开了，那么，中间电路通过开关模式电源和电池级充电，直到在中间电路上达到了将光伏逆变器连接至供电网络所需的电压。接着，通过AC断开器的启动或闭合，即通过闭合AC断开器，将光伏逆变器切换到供电网络。之后，或者可以通过供电网络对缓冲电池进行充电，或者可以将能量从缓冲电池馈送到供电网络中。同样，无功功率可以由光伏逆变器补偿。电路复杂度低了，这是因为现有的电池级也可以用于这种功能并且无需单独的上载电路，所述上载电路在光伏逆变器的印刷电路板上需要相应的空间。因此对于中间电路的电压控制充电无需电流测量。为了测量缓冲电池的较高充电/放电电流而可能另外提供的电流传感器对于这些目的而言过于不精确。控制装置控制光伏逆变器的所有部件，启用或停用它们。
有益的是，将二极管布置在开关模式电源的输出侧上。这个二极管位于开关模式电源和电池级之间，防止电流从电池级流向开关模式电源。
有利的是，设置用于连接和断开缓冲电池的电池开关。这种电池开关允许仅在需要时、在从电池提取能量为用电设备供电或在需要对电池充电时才连接缓冲电池。
优选的是，电池级由双向DC-DC转换器形成，特别是由具有两个半导体开关的能进行同步整流的升压转换器形成。这样的双向DC-DC转换器或升压转换器可以在两个方向上操作，即，用于通过将中间电路电压变高到期望的电池充电电压来对缓冲电池充电，并用于将缓冲电池提供的电压变高到期望的中间电路电压以给用电设备提供电能，或将能量从缓冲电池馈入到供电网络或独立网络。
有利的是，电池级连接至控制装置，该控制装置被设计为通过允许以特定的占空比控制升压转换器的半导体开关，以来自开关模式电源的基本恒定的功耗给中间电路充电。为了在中间电路电压充电期间不使开关模式电源过载，以适当的占空比启用作为升压转换器的电池级的半导体开关，这样确保了开关模式电源的功耗基本上是恒定的。
为了能够防止开关模式电源过载，将控制装置连接至可编程存储器，相应地在该可编程存储器中存储有用于启用电池级的半导体开关的相应规则。实现电池级的半导体开关启用占空比的对应公式或者对应表，可以存储在可编程存储器中。
根据本发明的目的还通过一种如上所述的用于操作光伏逆变器的方法来实现，其中，开关模式电源从AC连接器得到供电，并且当DC源被停用时，用于借助于电池级对中间电路进行充电而提高到某一阈值，此时AC断开器被启动，光伏逆变器被连接至供电网络。这样就可以即使是在光伏系统的DC源被停用时，也能在通过启动或闭合AC断开器可以将光伏逆变器连接至供电网络之前，通过借助于开关模式电源和电池级为中间电路充电，获得最优的能量管理。在连接了光伏逆变器后，可以借助于供电网络对缓冲电池进行充电，或者可以将能量从缓冲电池馈入供电网络中。同样，无功功率可以由光伏逆变器补偿。对于由此产生的其他进一步优点的细节，参考上面对光伏逆变器的描述。
优选的是，缓冲电池借助于电池开关进行连接和断开。
根据本发明的另一特征，中间电路由电池级以恒定功率借助于开关模式电源进行充电，电池级由双向DC-DC转换器形成，特别是具有两个半导体开关的能进行同步整流的升压转换器，这些半导体开关按适当的占空比启用。以恒定功率进行充电，考虑了开关模式电源只能提供有限的功率或电压这一事实。因此，防止了开关模式电源的过载。
有益的是，在借助于开关模式电源对中间电路充电之前，测量中间电路上的电压并将其用作起始电压，并且作为起始电压的函数确定用于启用电池级的半导体开关的占空比。这样可以确保开关模式电源不会过载，但无需进行电流测量。
有益的是，当中间电路电压的阈值至少等于供电网络的峰值线路电压时，通过闭合AC断开器来连接光伏逆变器。对于三相逆变器，这对应于相间峰值电压。
附图说明
将参考附图进一步详细解释本发明。所显示的是：
图1是普通光伏系统的电路框图；
图2是根据本发明光伏逆变器的一个实施例的电路框图；和
图3是根据本发明光伏逆变器的电池级一个实施例的框图。
具体实施方式
图1示出了普通光伏系统1的示意性电路框图。光伏系统1包括光伏逆变器2，其优选由RF逆变器形成。DC电压源或DC源4连接至光伏逆变器2的DC电压输入端或DC输入端3，并且优选地由并联和/或串联连接的一个或多个太阳能板形成。光伏逆变器2的AC电压输出端或AC输出端5连接至供电网络6，并且也连接至用电设备7(如果存在的话)。例如，用电设备7由电动机、冰箱、收音机等形成。同样，用电设备7也可以是家用电源。AC断开器8位于光伏逆变器2中的AC输出端5之前，以便能够将光伏逆变器2与供电网络6和可能存在的任何用电设备7断开连接，或者只有当DC源4提供的能量足够时才将光伏逆变器2连接至供电网络6和用电设备7。光伏逆变器2具有输入侧的DC-DC转换器9、中间电路10和输出侧的DC-AC转换器11。光伏逆变器2的各个部件通常借助于数据总线12连接至控制装置13。控制装置13例如由微处理器、微控制器或计算机形成。控制装置13可用于对各个部件进行适当的控制，诸如DC-DC转换器9或DC-AC转换器11，特别是布置在其中的开关元件，以及AC断开器8。为实现这个目的，借助于适当的软件程序和/或数据或特性曲线，将各个开环或闭环控制序列存储在控制装置13中。
对这种所谓的网络耦合型光伏逆变器2的能量管理进行优化，以提供最大的能耗或根据电价馈入。此外，能量管理还可以覆盖电流峰值(调峰)。当然，多个光伏逆变器2也可以并联连接，使得更多的能量可以使用，并且可以提供更多的功率来操作用电设备7，或者馈入供电网络6。
图2示出了根据本发明的光伏逆变器2的电路框图，其中，为了即使在DC源4没有在提供任何能量的情况下，例如在黄昏、晚上，当太阳能板上有雪时，或者如果太阳能板已与光伏逆变器2断开连接(例如，由于维护工作、被野生动物损坏或被盗窃)，也能够至少向选定的用电设备7供应电能，可以借助于电池连接器14连接缓冲电池15。缓冲电池15借助于电池级16连接至中间电路10，中间电路10具有相应的中间电路电容器CZK。可以在电池连接器14与缓冲电池15之间布置电池开关17，电池开关例如由继电器形成。电池开关17可以布置在光伏逆变器2中、在缓冲电池15中或者在缓冲电池15和光伏逆变器2之间。如果电池开关17被集成在光伏逆变器2中，则开关模式电源18在输出侧连接至电池级16，而不是电池连接器14。这种光伏逆变器2也被称为“混合逆变器”。如果将电池开关17布置在光伏逆变器2的内部，则电池连接器14位于电池开关17的前面，即位于电池级16和电池开关17之间。电池开关17还用于确保缓冲电池15的部件不会将负载加给开关模式电源18。
根据本发明，提供了开关模式电源18，其在输入侧连接至光伏逆变器2的AC输出端5或AC-DC转换器11的输出端。在输出侧，开关模式电源18借助于二极管19连接至电池连接器14或电池级16的输出端，这样防止了电流沿开关模式电源18的方向流动。如果DC源4被停用，则中间电路10借助于开关模式电源18、通过电池级16充电到阈值，这对于能够通过闭合AC断开器8使光伏逆变器2连接至供电网络6以及连接至存在的任何用电设备7是必需的。
各个部件相应地连接至控制装置13(未示出)，因此可以相应地被启动或停用以及/或者被控制或调节。所述控制装置13还包括内部和/或外部能量管理系统。同样，光伏逆变器2和控制装置13的诸部件可以连接至开关模式电源18，并且可以因此被供应电能。在这种情况下，可以省略用于给光伏逆变器2的诸部件供电的专用开关模式电源。
DC源4也可以直接连接至中间电路10，而无需DC-DC转换器9。在有太阳辐射的情况下，DC源4提供相应的能量，因此将光伏逆变器2的中间电路10充电到例如600V的电压。这使得能够通过相应地启用DC-AC转换器11并闭合例如由继电器形成的AC断开器8，将电能馈入供电网络6。
还有可一个要求可能是，也必须给缓冲电池15充电。这意味着电池级16也被启用，电池开关17被闭合，缓冲电池15借助于中间电路10被充电。当缓冲电池15被充电或DC源4不再供应能量时，例如在黄昏，则相应的部件也可能被再次停用。这样的光伏系统1还可以用于在夜间从缓冲电池15提取能量，该能量借助于AC输出端5被提供给用电设备7。
如果缓冲电池15没有电了，则必须借助于供电网络6为用电设备7供应电能。出于各种原因(例如低电价、暴风雨的风险、恶劣的天气预报等)，即使在DC源4被停用的情况下，也要借助于供电网络6给缓冲电池15充电，可能是有必要的。
为了实现这个目的，必须相应地启动DC-AC转换器11，并且必须启动或闭合AC断开器8，这需要将中间电路10的电压UZK充电至相应的阈值。所以，在DC源4被停用的这种情况下，为使光伏逆变器2通过闭合AC断开器8连接至供电网络6，必须首先给中间电路10充电。根据本发明，这个方案是借助于电池级16执行的，电池级16借助于开关模式电源18从光伏逆变器2的AC输出端5得到供电。
一旦缓冲电池15放电，则电池开关17打开，即，缓冲电池15与光伏逆变器2断开连接。
在开关模式电源18只能提供有限的功率/电压后，这将由电池级16相应地充电，所述电池级优选被设计为双向DC-DC转换器，特别是被设计为升压型转换器或增压器。通过这样做，确保了开关模式电源18不会过载并且电池开关17打开。为了避免开关模式电源18过载，在给中间电路电压UZK充电时，相应地启用电池级16。为实现这个目的，将电池级16连接至光伏逆变器2的控制装置13。对应的控制规则可以存储在连接于控制装置13的可编程存储器20中。
例如根据图3，电池级16被设计为能同步整流的升压转换器。半导体开关、低侧开关21和高侧开关22按照占空比D(t)进行启用。低侧开关21按照占空比D(t)进行启用，而高侧开关22按照反相占空比1-D(t)进行启用。为了确保由开关模式电源18提供的流经电感L1的电流I平均保持恒定，相应地控制占空比D(t)。
按照以下方式选择占空比D(t)，即：从开关模式电源18提取基本恒定并且可接受的功率/能量(就开关模式电源18的过载而言)-例如数个瓦特(3W)。为了确保这样的选择，中间电路10中的能量或电压UZK必须根据预定的函数从中间电路电压UZK的现有初始值(即起始值)增加到期望的最终值，例如峰值线路电压。例如，占空比按照D(t)＝1-(USNT/UZK,soll(t))进行计算，其中，USNT表示开关模式电源18的输出电压，或者上载过程开始时中间电路10上的电压，UZK,soll(t)是中间电路电压随时间变化的目标值。中间电路电压UZK(t)作为时间t的函数按照根函数增加，据此，电压增加在开始时比较陡峭，而随着时间的增加，增加速率趋于平坦。所以，中间电路10的充电时间越长，流入中间电路10的电流减少得越多。
在第一步中，为了确定占空比D(t)，测量中间电路电压UZK的实际值，并将其定义为起始值。这意味着中间电路10的初始能量是已知的。开关模式电源18的输出电压USNT是恒定的，例如是130V。
在只是从开关模式电源18提取恒定功率之后，中间电路10的能量/电压根据初始能量加上所提供的能量而增加。例如，采样率为1ms(1kHz)，使得每毫秒周期性地提供相应量的能量。这导致中间电路电压UZK根据所提供的这个能量增加。由于所提供的能量是恒定的，因此可以确定中间电路电压UZK，而不必持续不断地测量它。根据上面的公式可以连续地确定占空比D(t)，例如每毫秒，并且相应地启用电池级16的半导体开关21和22。因此，较短时间例如数分钟(如2分钟)之后，能够达到期望的中间电路电压UZK(t)，该期望的中间电路电压UZK(t)至少等于峰值线路电压或峰值相间电压，并且取决于光伏逆变器2的拓扑结构。然后，可以闭合AC断开器8，并且启动DC-AC转换器11，从而借助于中间电路10从供电网络6给缓冲电池15充电。
即使DC源4没有在提供任何能量，本发明的光伏逆变器2及其操作方法也允许连接至供电网络6或用电设备7，使得缓冲电池15可以借助于供电网络6得到充电，或者能量可以从缓冲电池15被馈入供电网络6。同样，无功功率可以通过光伏逆变器2进行补偿。由于使用光伏逆变器2的现有部件，所以这种能量管理改进功能的成本特别低。

Claims (12)

1.一种光伏逆变器(2)，其具有用于连接至DC源(4)的DC输入端(3)、DC-DC转换器(9)、中间电路(10)、DC-AC转换器(11)、AC断开器(8)、控制装置(13)、用于连接至供电网络(6)和可能存在的用电设备(7)的AC连接器(5)、电池级(16)、以及用于连接至缓冲电池(15)的电池连接器(14)，其特征在于，设置有开关模式电源(18)，该开关模式电源(18)在输入侧连接至AC连接器(5)，并且在输出侧连接至电池级(16)，使得：如果DC源(4)被停用，则中间电路(10)能够借助于开关模式电源(18)和电池级(16)被充电至阈值，由此能够启动AC断开器(8)，并且能够将光伏逆变器(2)连接至供电网络(6)。
2.根据权利要求1所述的光伏逆变器(2)，其特征在于，将二极管(19)布置在开关模式电源(18)的输出侧。
3.根据权利要求1或2所述的光伏逆变器(2)，其特征在于，设置有用于连接和断开缓冲电池(15)的电池开关(17)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光伏逆变器(2)，其特征在于，电池级(16)由双向DC-DC转换器形成。
5.根据权利要求4所述的光伏逆变器(2)，其特征在于，电池级(16)由具有两个半导体开关(21，22)的能同步整流的升压转换器形成。
6.根据权利要求5所述的光伏逆变器(2)，其特征在于，电池级(16)连接至控制装置(13)，所述控制装置设计成：通过允许升压转换器的半导体开关(21，22)按照预定占空比(D(t))进行启用，以来自开关模式电源(18)的基本上恒定的功耗对中间电路(10)进行充电。
7.根据权利要求6所述的光伏逆变器(2)，其特征在于，所述控制装置(13)连接至可编程存储器(20)。
8.一种用于操作光伏逆变器(2)的方法，其中，所述光伏逆变器(2)具有用于连接至DC源(4)的DC输入端(3)、DC-DC转换器(9)、中间电路(10)、DC-AC转换器(11)、AC断开器(8)、控制装置(13)、用于连接至供电网络(6)和可能存在的用电设备(7)的AC连接器(5)、电池级(16)、以及用于连接至缓冲电池(15)的电池连接器(14)，其特征在于，开关模式电源(18)通过AC连接器(5)得到供电，并且在DC源(4)被停用时，用于借助电池级(16)给中间电路(10)充电到阈值，由此启动AC断开器(8)，并将光伏逆变器(2)连接至供应网络(6)。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述缓冲电池(15)借助于电池开关(17)连接和断开。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述中间电路(10)通过电池级(16)借助于开关模式电源(18)以恒定功率充电，所述电池级(16)由双向DC-DC转换器形成，特别是由具有两个半导体开关(21，22)的能同步整流的升压转换器形成，半导体开关(21，22)通过相应的占空比(D(t))被启用。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在借助于开关模式电源(18)给中间电路(10)充电之前，测量中间电路(10)上的电压(UZK)，并将其用作起始电压，然后作为起始电压的函数确定占空比(D(t))。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其特征在于，当中间电路(10)的电压(UZK)的阈值至少等于供电网络(6)的峰值线路电压时，启动AC断开器(8)。
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