CN116368710A - 功率转换器和用于操作功率转换器的方法 - Google Patents

功率转换器和用于操作功率转换器的方法 Download PDF

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Abstract

一种具有逆变器(20)的功率转换器(10)，该逆变器(20)被配置为在功率转换器(10)的DC侧和功率转换器(10)的AC侧之间转变电力，功率转换器(10)包括布置在AC侧的第一端口(12)和第二端口(14)以及布置在功率转换器(10)的DC侧的第三端口(18)和第四端口(16)。第一端口(12)被配置为可操作地连接到AC电网(22)，第二端口(14)被配置为可操作地连接到AC负载(24)，第三端口(18)被配置为可操作地连接到外部电源，而第四端口(16)被配置为可操作地连接到可再充电的DC功率储存器(26)。功率转换器(10)包括布置在第三端口(18)和逆变器(20)之间的DC/DC转换器(32)，其被配置为将外部电源提供的电力从第三端口(18)传输到逆变器(20)。逆变器(20)被配置为构网型并在第一端口(12)处供电中断的情况下向第二端口(14)提供电力，功率转换器(10)还包括控制单元(30)，该控制单元(30)被配置为监测第三端口(18)并检测经由第三端口(18)提供的电力的参数。

Description

功率转换器和用于操作功率转换器的方法
领域
本公开涉及功率转换器技术领域，例如耦合到DC功率储存器(例如电池)的功率转换器或混合功率转换器，该混合功率转换器可以可选地另外耦合到光伏发电机(PV发电机)。功率转换器提供后备(backup)选项，以从储存在DC功率储存器中的能量和/或可选地从PV发电机提供的能量向负载供电，使得即使在AC电网发生故障的情况下也向负载提供电力。
背景
耦合到DC功率储存器的功率转换器(例如电池)能够提供后备功能。
电池固有地只储存有限量的能量。如果电池系统在并网(on-grid)操作期间被使用(即当其连接到向负载供电的AC电网时)以用于自身消耗增加、峰值负载管理或其他功能，它们将面临电网可能任意发生故障的情况。电池可能在那个时间点仅被部分充电。已知的装置为这种后备情况保留一定量的储存在电池中的能量。如果装置应该频繁地和/或在长时间段内提供后备，则添加小型传统发电机而不是增加电池容量可能是有用的。因此，一些装置提供后备解决方案，其包括(手动或自动)切换到另一个源(如后备发电机(例如，气体或燃料驱动的发电机))、关闭由电池馈电的功率转换器以及由后备发电机独自向负载供电。
当使用包括连接到DC源(例如，电池或组合的电池和PV源)和例如发电机的功率转换器的切换设计时，在后备情况下，功率转换器不向系统提供功率，而发电机仅向连接到它的负载供电。电池可能无法从发电机的功率进行再充电，并且发电机可能无法向AC电网馈送功率。空电池可以从PV进行充电(在使用混合转换器的情况下)，或者在电网恢复时进行充电。此外，发电机通常会产生大量噪音和废气，并且由于它最终会部分地或低负载地操作，因此效率不是很高。
后备解决方案(其中发电机是AC耦合的，即直接连接到AC负载)是相当复杂的，并且提出了附加的挑战。这些涉及功率转换器的关于与发电机并行充电和放电的必要控制方案。负载以及发电机可能也需要特殊的控制方案，这取决于系统(特别是关于并网和离网(off-grid)操作之间的切换)的实际设计。
美国专利申请US 2016/0006254第[0032]-[0038]段公开了一种串联混合微电网，其连接到电网并且包括转换器、引擎驱动的发电机、不可调度的电源和可选的电池，发电机和电源向转换器提供电力，该电力被转换成AC电力并经由转换器被馈入微电网。在电网超出极限的情况下，转换器向微电网提供从发电机、电源和/或电池汲取的电力，其中发电机优选地以最大效率操作，并允许使输出频率和电压在其相应值的至少2％和10％的范围内改变。
概述
公开了一种具有逆变器的功率转换器，该逆变器被配置成在功率转换器的DC侧和功率转换器的AC侧之间转变电力。功率转换器包括布置在功率转换器的AC侧的第一端口和第二端口以及布置在功率转换器的DC侧的第三端口和第四端口，其中第一端口被配置为可操作地连接到AC电网，第二端口被配置为可操作地连接到AC负载，第三端口被配置为可操作地连接到外部电源，并且第四端口被配置为可操作地连接到可再充电的DC功率储存器。功率转换器包括布置在第三端口和逆变器之间的DC/DC转换器，其被配置为将外部电源提供的电力从第三端口传输到逆变器。逆变器被配置为构网型(grid forming)，并且在与第一端口处的电源断开连接的情况下向第二端口提供电力。构网型意味着逆变器在其输出端侧主动形成电网的电压，即逆变器不依赖于任何给定的AC电压，而是自行生成AC电压，特别是在其他地方没有提供AC电压的情况下(例如当AC电网发生故障或与逆变器断开连接时)。功率转换器还包括控制单元，该控制单元被配置成监测第三端口并检测经由第三端口提供的电力的参数。
在实施例中，控制单元被配置为设置DC/DC转换器的参数，以使转换器的操作适合于经由第三端口提供的电力。本公开提供了功率转换器，其具有经由第三端口的针对外部电源的输入端，外部电源可以由控制单元监测。该输入端允许将外部电源(例如燃料驱动的AC发电机或其他电力源)连接到转换器，并且在从逆变器的第一端口无法获得功率的情况下，从发电机向第二端口和连接到第二端口的AC负载提供功率。因此，第三端口的作用类似于到功率转换器的应急功率输入端。例如，与第一端口处的电源的断开连接可能是由于AC电网的断电或功率转换器与AC电网的断开连接。
在一个实施例中，第三端口被配置为与例如插头和电缆一起使用，以将外部电源安全地连接到功率转换器。在一个实施例中，第三端口被配置成与外部电源永久连接。然而，如果外部电源被永久连接，则提供与第三端口相关联并用于启动外部电源(例如发电机)的附加开关触点被证明是有用的。这对于所谓的自启动型(auto-start)发电机是有用的，然后可以经由第三端口的该附加触点启动该自启动型发电机。然而，至少由于常见的电网规定，在一个实施例中，必须确保只要逆变器经由第一端口连接到AC电网就防止外部电源的启动，例如以防止来自外部电源的电力被馈入AC电网。
第三端口可以接受在宽的参数范围内的AC或DC电力。对提供到第三端口的电力的参数的监测和控制可以包括例如监测和/或控制流经第三端口的最大电流和/或监测和/或控制流过第三端口的AC电流的频率。
在实施例中，功率转换器被配置成经由第四端口将由DC功率储存器提供的电力传输到逆变器。在实施例中，控制单元被配置成监测第四端口，并设置提供给第四端口的电力的参数，以适合于对连接到第四端口的DC功率储存器充电。使用来自外部电源的功率和/或来自电池的功率，功率转换器可以在后备操作期间向连接的负载供电和/或可以在并网操作期间和/或在后备操作期间对连接的电池充电。
在一个实施例中，公开了一种解决方案，该解决方案可以以非常简单且直接的方式实现，并且允许集成特别是小型发电机(该小型发电机可能不是专门为并行操作而设计的)作为功率转换器上的后备电源，以供在较长的电网断电期间使用。它允许通过利用功率转换器的功率控制能力来促进后备系统中的各种各样AC和/或DC电源，使得它在没有用于该源的任何附加控制装置的情况下进行。功率转换器充当构网型元件，同时在没有来自AC电网的功率的情况下向负载提供后备功率。
在实施例中，功率转换器可以包括布置在第三端口和DC/DC转换器之间的整流器。第三端口可以允许AC和/或DC输入到功率转换器。来自外部电源的电力可以被整流器整流为DC电力。然后，可以使用DC/DC转换器(例如根据输入电压在降压或升压模式下操作的降压转换器或升压转换器或降压-升压转换器)将来自外部电源的功率传输到功率转换器的DC链路。在该实施例中，电池和逆变器两者也连接到该DC链路。当通过整流器对经由第三端口输入的电力进行整流时，可以使具有不同的、最终可变频率的AC电压或者甚至具有DC输入的外部电源工作。此外，整流器提供固有的反馈保护，因为没有电流会从功率转换器“反向”流到外部电源。关于从外部电源汲取的电力(例如，电流)，DC/DC转换器进一步由控制单元控制，以便不使电源过载，例如，防止超过在外部电源不过载的情况下将经由第三端口汲取的最大电流。也可以实现电池充电控制(在一个实施例中电池充电控制也由控制单元执行)，特别是用于控制电池的充电状态以及防止电池过度充电或充电不足。
在实施例中，功率转换器在DC侧包括第五端口，该第五端口被配置成可操作地连接到DC电源(例如PV发电机)。功率转换器的这种配置也可以称为混合功率转换器。
在实施例中，功率转换器被配置成经由第五端口将由DC电源提供的电力传输到逆变器。此外，在一个实施例中，功率转换器被配置为以适合于对DC功率储存器进行再充电的方式，将由DC电源经由第五端口提供的电力和/或由外部电源经由第三端口提供的电力传输到第四端口。
在实施例中，控制单元被配置成监测第一端口，在第一端口处检测AC电网的供电中断，并且在检测到严重的电网异常(例如断电)后将功率转换器与AC电网断开连接。该断开连接可以通过开关来实现。
在实施例中，控制单元被配置成控制功率转换器的操作，使得只有当功率转换器与AC电网断开连接时电力才从第三端口传输到逆变器，即，使得只要电力从第一端口传输到第二端口就防止电力从外部电源传输到AC电网或负载。例如，通过断开(open)将功率转换器连接到AC电网的开关，可以将功率转换器与AC电网断开连接。然而，该开关可以独立于AC电网上的情况而工作。例如，如果AC电网在断电后恢复，则该开关可能仍然保持断开，例如，如果DC电源、电池、PV等仍然能够为负载供电。
在实施例中，功率转换器包括两个单独的外壳，其中第一外壳包括第三端口、第四端口和可操作地连接到逆变器的AC输出端的第一AC互连端子。在该实施例中，第二外壳包括第一端口、第二端口和第二AC互连端子，并且第一和第二AC互连端子可操作地彼此连接。这允许更好地将功率转换器的DC元件与其AC元件分离，并且在配置后备系统以满足负载要在后备期间被安全供电的实际需求方面增加了更多的灵活性。
在一个实施例中，本公开适用于最初被设计用于电池和/或作为混合电池-PV转换器的功率转换器，它提供了简单且廉价地将外部电源(例如可以是燃料或气体驱动的传统应急发电机)集成到后备系统中的可能性，该后备系统包括用作电池和发电机两者的接口的功率转换器。
所公开的功率转换器为第三端口提供输入保护，例如用于检测和/或减轻过电流(overcurrent)、过载、短路和/或反馈电流的装置。它允许将外部电源(其可能是AC发电机)连接到功率转换器的DC侧。本公开被设计成在(扩展的)应急后备场景中工作，其中只要AC电网连接到功率转换器和/或处于工作模式，即能够提供足够的功率来使负载工作，第三端口就可能被“阻断”。第三端口可以例如通过专用电气开关、机械装置(例如阻断输入的安全“帽”)、通过固件和/或通过其它装置被阻断。本公开还教导提供用于以下的装置：只要外部电源工作，或者即使外部电源仅仅连接到第三端口并且因此可以在任何时间(例如手动地)开始工作，就防止重新连接到AC电网。当AC电网再次可用时，控制单元可以提供信令和/或将外部电源与功率转换器断开连接。
功率转换器的第三端口还可以被配置成接收来自另一功率转换器的电力输入，例如从该另一功率转换器输出的经调节的应急电力。
在功率转换器的实施例中，逆变器的标称功率在1kW至20kW的范围内，例如在5kW与15kW之间。电池的标称尺寸为2小时乘以逆变器的标称功率，即在2kWh至40kWh的范围内，例如在10kWh与30kWh之间。可选的PV发电机的标称功率例如为逆变器的标称功率的两倍，即在2kW至40kW的范围内，例如在10kW与30kW之间。第三端口例如被配置用于1kW至20kW的范围内(例如在5kW与15kW之间)的标称功率；第三端口的典型最大电流额定值为16A AC和240V AC，这使得能够在外部电源和逆变器之间使用标准AC技术(例如标准AC电线、插头、保护装置等)。
根据本公开的另一实施例的功率转换器包括被配置为在功率转换器的AC侧和功率转换器的DC侧之间传输电力的逆变器。功率转换器包括布置在功率转换器的AC侧的第一端口和第二端口以及布置在功率转换器的DC侧的第三端口和第四端口，其中第一端口被配置为可操作地连接到AC电网，第二端口被配置为可操作地连接到AC负载，第三端口被配置为可操作地连接到外部电源，并且第四端口被配置为可操作地连接到可再充电的DC功率储存器。功率转换器包括布置在第三端口和逆变器之间的DC/DC转换器，其被配置为在功率转换器与AC电网断开连接的情况下在第三端口和逆变器之间传输电力。
一种用于操作这种功率转换器的方法包括监测第三端口，检测经由第三端口提供的电力的参数，以及设置DC/DC转换器的参数以适合于经由第三端口提供的电力。
在实施例中，布置在第三端口和逆变器之间的DC/DC转换器被配置为只有当功率转换器与AC电网断开连接时才在第三端口和逆变器之间传输电力。
在实施例中，该方法包括监测第一端口，在第一端口处检测供电中断，以及在第一端口处供电中断的情况下，从第三端口经由逆变器向第二端口提供电力。
在实施例中，该方法包括在第一端口处检测供电恢复，以及在第一端口处供电恢复的情况下，从第一端口向第二端口提供电力。
根据另一实施例的功率转换器包括逆变器，该逆变器被配置为在功率转换器的AC侧和功率转换器的DC侧之间传输电力。功率转换器包括布置在功率转换器的AC侧的第一端口和第二端口以及布置在功率转换器的DC侧的第三端口和第四端口，其中第一端口被配置为可操作地连接到AC电网，第二端口被配置为可操作地连接到AC负载，第三端口被配置为可操作地连接到外部电源，并且第四端口被配置为可操作地连接到可再充电的DC功率储存器。功率转换器包括布置在第一端口和逆变器之间的第一开关和布置在第二端口和逆变器之间的第二开关。一种用于操作这种功率转换器的方法，包括在第一模式下操作功率转换器，在第一模式下，第一开关闭合，第二开关断开，并且电力从第一端口传输到第二端口；以及在第二模式下操作功率转换器，在第二模式下，第一开关断开，第二开关闭合，并且电力从逆变器传输到第二端口。
第一模式可以被称为正常操作模式，其中从AC电网向负载提供电力。第二模式可以被称为后备模式，其中由功率转换器向负载提供电力。
在实施例中，该方法还包括在第三模式下操作功率转换器，在第三模式下，第一开关和第二开关闭合，并且电力从第一端口传输到第二端口，从第一端口传输到逆变器，和/或从逆变器传输到第二端口。该第三模式可以被称为电网并行(grid-parallel)模式。
在实施例中，在第三模式下，电力从第一端口传输到第四端口，由此传输的电力适合于从AC电网对DC功率储存器充电。
在实施例中，功率转换器包括布置在外部电源和逆变器之间的第三开关，该第三开关在第一模式和第三模式下的操作期间断开。第三开关可启用或禁用可以连接到第三端口的外部电源的操作。第三开关可以电气地断开关联到功率转换器的第三端口的外部电源。
在该方法的实施例中，在切换到第二模式之后闭合第三开关，并且在闭合第三开关之后，在第二模式下，电力从第三端口传输到逆变器，其中，在从第二模式下的操作切换到第一模式下的操作或切换到第三模式下的操作之前第三开关断开。这使得能够符合功率转换器(特别是操作PV发电机并连接到AC电网的那些功率转换器)的要求。对于这样的AC电网连接的功率转换器，应该避免让它们将来自外部发电机的功率馈入AC电网中，例如，因为电网规定只允许将可再生能源馈入AC电网。因此，所公开的功率转换器允许符合不同的电网要求。
在实施例中，功率转换器可以包括用于激活包括自启动功能的外部电源(例如所谓的自启动型发电机)的开关。这样的开关例如可以是由控制单元操作的干触点，该操作例如考虑电池充电状态条件。附加地或可替代地，这样的开关可以用于提供用于启动外部电源的信号。外部发电机也可以被手动启动，然而，在这种情况下，在外部发电机启动后，功率转换器必须与AC电网断开连接。
在实施例中，控制单元被配置成在电池的充电状态下降到低于第一可调阈值的情况下自动启动外部电源(例如发电机)。控制单元还可以被配置成当电池的充电状态达到第二可调阈值时或当电池充满电时，停止外部电源(例如发电机)。在一个实施例中，第二阈值高于第一阈值。
功率转换器可以包括通信接口，该通信接口可以包括用于与用户通信的用户接口。用户可以经由该用户接口接收信号，或者经由该用户接口将信息输入到功率转换器中。通信接口还可以包括用于远程通信的通信模块。经由该通信模块，用户可以例如经由移动设备被提供信息并且与系统对接。用户可以例如接收警告消息、断电持续时间/充电状态关系数据、估计的后备容量数据等。经由通信接口，启动信号和/或停止信号可以由功率转换器接收，并直接或经由功率转换器的控制单元被发布给发电机。经由通信接口与功率转换器的通信可以由用户远程地和/或经由用户接口来完成。经由通信接口，功率转换器还可以输出AC电网供电恢复的信号。
因此，根据本公开的功率转换器可以使用提供第三端口以在AC电网断开连接时连接外部电源(例如外部发电机)的解决方案来提供后备电源，其中功率转换器经由其第三端口与包括宽范围的电力参数的外部发电机一起工作，并适应具有在0Hz至200Hz的范围内的频率(例如在40Hz与70Hz之间的AC电力)以及在12V至400V的范围内(例如在40V与300V之间)的电压的多格式输入。
根据本公开的功率逆变器的第三端口允许从传统的、特别是低成本的、可选地燃料或气体驱动的发电机输入电力。此外，另一个功率转换器的SPS(安全电源)插座可以连接到第三端口。如果电力可从位于邻近资产的电源设施(例如PV电站)的功率转换器获得，这证明特别有用。
附图简述
将参照附图更详细地描述本公开，在附图中：
图1示意性地示出了功率转换器的实施例；
图2示意性地示出了功率转换器的实施例；
图3示意性地示出了用于操作功率转换器的方法的实施例；
图4示意性地示出了用于操作功率转换器的方法的实施例；以及
图5示意性地示出了可从可连接到功率转换器的不同元件获得的能量。
详细描述
图1示出了包括逆变器20的功率转换器10。逆变器20被配置为将DC功率转变为AC功率。例如，可以使用几个半导体开关以已知的逆变器桥配置来实现这样的功率转换。逆变器20的DC侧连接到用于DC功率输入或输出的DC链路。逆变器20的AC侧被配置为接收AC功率或输出AC功率。
功率转换器10的第一端口12连接到AC电网22。功率转换器10的第二端口连接到负载24，该负载24将被可靠地供电，例如在AC电网22断电期间使用后备电力供电。第一开关48被布置在第一端口12和逆变器20之间。可以使用该第一开关48将AC电网22与功率转换器10断开连接。第二开关46被布置在第二端口14和逆变器20之间。第二开关46也被布置在逆变器20和第一开关48之间。可以使用第二开关46将逆变器20的AC侧与负载24断开连接。还可以使用第二开关46将逆变器20与其AC侧上的任何连接断开。负载42直接连接到AC电网22。
功率转换器10包括第三端口18，第三端口18可操作地可连接到外部电源G，例如传统的燃料或气体驱动的内燃机。外部电源G可以是构网型，即，它能够直接向负载提供功率，并且不依赖于连接到具有给定电网电压的电网来操作。连接到第三端口18的外部电源G可以经由第三开关44与功率转换器10断开连接。整流器28和DC/DC转换器32被布置在第三开关44和DC链路21之间。整流器28可以对经由第三端口18进入功率转换器10的AC电力进行整流，并将整流后的DC电力提供给DC/DC转换器32。DC/DC转换器32可以使整流器28的输出适应到DC链路21的电压。
DC功率储存器26连接到第四端口16。DC/DC转换器34可以被布置在第四端口和DC链路21之间。DC功率储存器26可以经由第四端口16进行充电或放电。
逆变器20被配置为在功率转换器10的AC侧和DC侧之间传输功率。当从DC功率储存器26经由逆变器20向负载24提供电力时，可以发生DC功率储存器26的放电。当外部电源G提供电力时，可以经由DC链路21发生充电，或者当AC电网22提供电力时，可以经由逆变器20发生充电。在一个实施例中，在AC电网22正确操作的情况下，可以从AC电网22获取电力以对DC功率储存器26充电，或者可以从DC功率储存器26获取电力以(附加地)对负载24供电。另一方面，在AC电网22没有正确操作的情况下，例如在后备操作期间(也称为后备模式M2，参见图4)，逆变器20仅仅向负载24提供电力，即不从AC电网22获取电力。
经由可选的第五端口38，DC电源(特别是PV阵列40)可以通过直接连接或经由DC/DC转换器36连接到DC链路21。PV阵列40可以经由DC链路21对DC功率储存器26充电。例如在功率转换器10的后备模式操作中，PV阵列40还可以经由DC链路21和逆变器20向负载24提供后备功率。此外，例如在AC电网22的正常操作期间，PV阵列40可以提供要馈入AC电网22的功率。
控制单元30可以控制逆变器20的操作。特别地，控制单元30控制在后备操作期间功率转换器10经由第三端口18从外部电源G汲取的功率。开关44、46、48可以由控制单元30控制和/或从功率转换器10外部手动或自动地切换。控制单元30可以实现用于操作功率转换器10的方法，例如，下面描述的方法之一。特别地，如果AC电网22由于任何原因不可用或和/或与逆变器20断开连接，则控制单元30可以以组合经由DC链路21来自外部电源G的电力与来自DC功率储存器26的电力和可选地来自PV阵列40的电力的方式来操作功率转换器10，并且在后备操作期间以构网方式向负载24提供AC功率。此外，控制单元30可以以组合来自外部电源G的电力、可选地经由DC链路21来自PV阵列40的电力与来自AC电网22(如果可用的话)的电力的方式操作功率转换器10，从而对DC功率储存器26充电。
图2示出了功率转换器10的另一个实施例。与结合图1描述的实施例中具有相同或类似功能的该实施例的元件带有与图1中相同的附图标记。在图2的实施例中，功率转换器10包括两个单独的外壳10.1、10.2。第一外壳10.1包括第三端口18、第四端口16和可操作地连接到逆变器20的AC输出端的第一AC互连端子T1。第一外壳10.1还包括逆变器20、控制单元30、整流器28和DC/DC转换器32、34、35。第二外壳10.2包括第一端口12、第二端口14和第二AC互连端子T2，其中第一AC互连端子T1和第二AC互连端子T2可操作地彼此连接。
在图3中，示出了用于操作功率转换器10的方法。在S1，监测第三端口18，并且在S2，检测经由第三端口18提供的电力的参数。在S3，将DC/DC转换器32的参数和可选地整流器28的参数设置为适合经由第三端口18提供的电力。在一个实施例中，该方法由功率转换器10的控制单元30执行。控制单元30被配置为监测AC电网22与功率转换器10的连接或断开连接。该断开连接可能是由于第一开关48断开和/或由于AC电网22上的断电。控制单元30被配置为检测任一种形式的断开连接。控制单元30被配置为控制DC/DC转换器32，使得如果功率转换器10与AC电网22断开连接，则电力经由DC/DC转换器32在第三端口18和逆变器20之间传输。控制单元30被配置为控制DC/DC转换器32，以确保在电力从第三端口18传输到逆变器20之前检测到与AC电网22的断开连接(例如通过断开的第一开关48和/或AC电网22的断电)。
为了进一步描述上面的操作选项，图4示出了一种方法，其中操作功率转换器10的三种模式M1、M2、M3被示出。操作模式M1、M2、M3取决于开关46、48的状态。
在功率转换器10的第一操作模式M1下，第一开关48闭合，而第二开关46断开。在该第一操作模式M1下，电力从第一端口12传输到第二端口14，即仅仅从AC电网22向负载24提供电力。逆变器20可以相对于其AC连接处于待机模式，而DC电源40可选地可以经由DC链路21和可选地DC/DC转换器34、36对DC功率储存器26充电。
在第二操作模式M2下，第一开关48断开，而第二开关46闭合。在该第二操作模式M2(所谓的后备模式)下，电力从逆变器20传输到第二端口14，经由第二端口14向负载24提供电力。电力可以从外部电源G、DC功率储存器26和/或PV阵列40被提供到逆变器20的DC侧。
在第三操作模式M3下，第一开关48闭合，并且第二开关46闭合。在该第三操作模式M3下，功率转换器以所谓的电网并行模式操作。电力在AC电网22与负载24之间、在DC功率储存器26与PV阵列40之间以及可选地在PV阵列40与AC电网22和/或负载24之间进行交换。因此，PV阵列40可以对DC功率储存器26充电和/或向负载24提供电力。
在并网操作期间，例如在开关48闭合的情况下，负载24从AC电网22汲取功率；第二开关46可以闭合或断开，使得转换器分别在电网并行模式M3下操作或在模式M1下自主地操作。在AC电网22断电的情况下，开关48可以断开并且使功率转换器10和负载24与AC电网22断开连接。这是操作模式M2下的后备操作，包括第二开关46闭合并且从功率转换器10向负载24供电。
另一方面，直接从AC电网22并且因此仅当AC电网22可用时向负载42供电；因此，当电网不可用时(例如在后备操作模式M2期间)，负载42可能根本不被供电。
在一个实施例中，可以实现只要经由第三端口18汲取功率就防止从后备模式M2改变到电网并行模式M3的阻断手段。例如，在AC电网22重新可用后，如果外部电源G连接到第三端口18并且如果第三开关44闭合，则防止第一开关48闭合。不是立即闭合开关48，而是在该闭合之前，外部电源G必须与第三端口18断开连接，或者第三开关44必须断开。例如，对各个模式M1、M2、M3之间的特定转变的这样的阻断也可以由控制单元30执行。
可选地，例如由于电网规定，可能有必要的是：只要AC电网22正确地操作并且连接到功率转换器10，就防止从第三端口18向AC电网22或负载24传输功率，或者甚至仅仅将外部电源G连接到第三端口18。控制单元30可以被配置为确保这种防止。
图5示意性地示出了可以由能源G、26和40中的每一个提供的能量E40、E26、EG的量的示例。
查看储存在DC功率储存器26中的能量E26，能量E26的一部分E26.1可以在功率转换器10的并网操作期间被使用，例如以执行负载平衡、用于峰值负载管理、和/或用于自身消耗增加、或用于并网模式期间的其他功能。储存在DC功率储存器26中的能量E26的另一部分E26.2可以被保留以在后备模式下的操作期间向负载24供电。为后备模式操作保留的能量E26.2的量可以被选择为在功率转换器10的标称功率下持续例如0.5小时至2小时。负载24越小，预期的后备时间就越长，并且可用的PV能量E40越多，不需要外部电源G的时间就越长。
由DC电源40提供的能量E40是在一定时间量(例如典型的一天)上的估计。
控制单元30也可以实现停电持续时间预测(blackout duration prognosis)方法。关于此，估计停电可能会持续多长时间，并且这与电池26的充电状态和负载24汲取的功率相关。如果该预测产生比电池26中可用的能量E26和根据估计可以由DC电源40提供的能量E40的总和更高的后备能量需求，则必须经由第三端口18输入一些能量以闭合相应的间隙。
如果估计的后备能量需求超过电池26的充电状态，则可以发出警告消息，使得用户有足够的剩余时间来连接和/或启动外部电源G。
例如，如果估计的停电持续时间超过某个阈值，则可以生成外部电源G(例如发电机)的启动信号以用于启动外部电源G。启动信号可以由控制单元30生成，并且可以经由数据线或通过多用途控制继电器被传送到连接到第三端口18的外部电源G(例如发电机)。
只要外部电源G启动并运行，即只要电力从外部电源G经由逆变器20传输到第一端口12或第二端口14中的任何一个，功率转换器10就不会再次连接到AC电网22。换句话说，外部发电机G可以仅在后备操作期间使用。

Claims (19)

1.一种具有逆变器的功率转换器，所述逆变器被配置成在所述功率转换器的DC侧和所述功率转换器的AC侧之间转变电力，其中，所述功率转换器包括：
布置在所述功率转换器的所述AC侧的第一端口和第二端口；以及
布置在所述功率转换器的所述DC侧的第三端口和第四端口，
其中，所述第一端口被配置为可操作地连接到AC电网，所述第二端口被配置成可操作地连接到AC负载，所述第三端口被配置为可操作地连接到外部电源，以及所述第四端口被配置为可操作地连接到能够再充电的DC功率储存器，以及
其中，所述功率转换器包括布置在所述第三端口和所述逆变器之间的DC/DC转换器，所述DC/DC转换器被配置为将由所述外部电源提供的电力从所述第三端口传输到所述逆变器，并且其中，所述逆变器被配置为构网型，并且在与所述第一端口处的所述AC电网断开连接的情况下向所述第二端口提供电力，
所述功率转换器还包括控制单元，所述控制单元被配置成监测所述第三端口并且检测经由所述第三端口提供的电力的参数。
2.根据权利要求1所述的功率转换器，还包括布置在所述第三端口和所述DC/DC转换器之间的整流器。
3.根据权利要求1所述的功率转换器，所述控制单元被配置成设置所述DC/DC转换器的参数，以使所述功率转换器的操作适合于经由所述第三端口提供的电力。
4.根据权利要求1所述的功率转换器，其被配置成将由所述DC功率储存器提供的电力从所述第四端口传输到所述逆变器。
5.根据权利要求1所述的功率转换器，所述控制单元被配置成监测所述第四端口，并且设置提供给所述第四端口的电力的参数，以适合于对可操作地连接到所述第四端口的所述DC功率储存器的充电。
6.根据权利要求1所述的功率转换器，还包括在所述DC侧的第五端口，所述第五端口被配置成可操作地连接到DC电源。
7.根据权利要求6所述的功率转换器，其被配置成以适合于对所述DC功率储存器进行再充电的方式，将由所述DC电源提供的电力从所述第五端口传输到所述逆变器和/或从所述第三端口传输到所述第四端口。
8.根据权利要求1所述的功率转换器，所述控制单元被配置成监测所述第一端口以检测所述第一端口处的所述AC电网的供电中断，以及在检测到断电后将所述功率转换器与所述AC电网断开连接。
9.根据权利要求8所述的功率转换器，其中，所述控制单元被配置成控制所述功率转换器的操作，使得仅当所述功率转换器与所述AC电网断开连接时，电力才从所述第三端口传输到所述逆变器，并且使得只要电力从所述第一端口传输到所述第二端口，就防止电力从所述外部电源传输到所述AC电网或所述负载。
10.根据权利要求1所述的功率转换器，其中，所述功率转换器包括两个单独的外壳，其中，所述第一外壳包括所述第三端口、所述第四端口和可操作地连接到所述逆变器的AC输出端的第一AC互连端子，其中，所述第二外壳包括所述第一端口、所述第二端口和第二AC互连端子，其中，所述第一AC互连端子和所述第二AC互连端子可操作地彼此连接。
11.一种用于操作具有逆变器的功率转换器的方法，所述逆变器被配置成在所述功率转换器的AC侧和所述功率转换器的DC侧之间传输电力，其中，所述功率转换器包括布置在所述功率转换器的所述AC侧的第一端口和第二端口以及布置在所述功率转换器的所述DC侧的第三端口和第四端口，其中，所述第一端口被配置成可操作地连接到AC电网，所述第二端口被配置成可操作地连接到AC负载，所述第三端口被配置成可操作地连接到外部电源，以及所述第四端口被配置成可操作地连接到能够再充电的DC功率储存器，并且其中，所述功率转换器包括布置在所述第三端口和所述逆变器之间的DC/DC转换器，其中，所述功率转换器被配置成在所述功率转换器与所述AC电网断开连接的情况下经由所述DC/DC转换器在所述第三端口和所述逆变器之间传输电力，所述方法包括：
监测所述第三端口；
检测经由所述第三端口提供的电力的参数；以及
基于检测到的参数，设置所述DC/DC转换器的参数以适合于经由所述第三端口提供的电力。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
监测所述第一端口；
在所述第一端口处检测供电中断；以及
当在所述第一端口处检测到供电中断的情况下，从所述第三端口经由所述逆变器向所述第二端口提供电力。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：
在所述第一端口处检测供电恢复；以及
在所述第一端口处供电恢复的情况下，从所述第一端口向所述第二端口提供电力。
14.一种用于操作具有逆变器的功率转换器的方法，所述逆变器被配置成在所述功率转换器的AC侧和所述功率转换器的DC侧之间传输电力，其中，所述功率转换器包括布置在所述功率转换器的所述AC侧的第一端口和第二端口以及布置在所述功率转换器的所述DC侧的第三端口和第四端口，其中，所述第一端口被配置成可操作地连接到AC电网，所述第二端口被配置成可操作地连接到AC负载，所述第三端口被配置成可操作地连接到外部电源，以及所述第四端口被配置成可操作地连接到能够再充电的DC功率储存器，其中，所述功率转换器包括布置在所述第一端口和所述逆变器之间的第一开关以及布置在所述第二端口和所述逆变器之间的第二开关，所述方法包括：
在第一模式下操作所述功率转换器，在所述第一模式下，所述第一开关闭合，而所述第二开关断开，并且在所述第一模式下，电力从所述第一端口传输到所述第二端口；以及
在第二模式下操作所述功率转换器，在所述第二模式下，所述第一开关断开，而所述第二开关闭合，并且在所述第二模式下，电力从所述逆变器传输到所述第二端口。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括在第三模式下操作所述功率转换器，在所述第三模式下，所述第一开关和所述第二开关闭合，并且在所述第三模式下，电力从所述第一端口传输到所述第二端口，从所述第一端口传输到所述逆变器，和/或从所述逆变器传输到所述第二端口。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，在所述第三模式下，电力从所述第一端口传输到所述第四端口，并且其中，所述电力适合于从所述AC电网对所述DC功率储存器充电。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述功率转换器包括布置在所述第三端口和所述逆变器之间的第三开关，所述第三开关在所述第一模式和所述第三模式下的操作期间断开。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，在切换到所述第二模式之后，所述第三开关闭合，并且在闭合所述第三开关之后，在所述第二模式下，电力从所述第三端口传输到所述逆变器，其中，在从所述第二模式下的操作切换到所述第一模式下的操作或切换到所述第三模式下的操作之前，所述第三开关断开。
19.根据权利要求14所述的方法，其中，所述功率转换器包括布置在所述功率转换器的所述DC侧的第五端口，所述第五端口被配置成可操作地连接到DC电源，其中，在所述第一模式下，由所述DC电源提供的电力以适合于对所述DC功率储存器进行再充电的方式从所述第五端口传输到所述第四端口，并且其中，在所述第二模式下和/或在所述第三模式下，由所述DC电源提供的电力分别以适合于馈入所述AC电网或为所述AC负载供电的方式从所述第五端口传输到所述第一端口和/或所述第二端口。
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