CN1528042B - 反用换流器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种反用换流器(2)，特别用于光电太阳能设备，至少由一个直流-直流转换器(3)、一个中间回路(4)和一个直流-交流转换器(5)组成，在反用换流器上可连接能量源(6)或能量发生器，特别是太阳能模块(7)，和/或电池，并且可与交流电网(8)和/或一个或多个负载(9)相连接。直流-直流转换器(3)的变压器(12)在初级侧具有多个用于不同输入电压范围的初级绕组(17，18)。初级绕组(17，18)对应于所施加的输入电压值，通过至少一个开关装置(11)以可选择的方式串联连接，从而将变压器(12)调节为不同的变压比。

Description

反用换流器
本发明涉及一种反用换流器，以及一种用于调节反用换流器的方法。
由US4415964A已知了一种用于电气负载的电源，它根据所施加的输入电压的值和类型实现了自动转换，以达到相同的输出电压。其中电源具有一个变压器，变压器在初级侧具有两个初级绕组，用于115V或230V的不同的可能输入交流电压，其中初级绕组根据所施加的输入交流电压值，通过一个开关装置以可选的方式串联连接。如果电源连接到直流电压，则激活一个直流/交流转换器，它将直流电压转换为用于变压器的相应的交流电压。
在这种类型的电源中，只能施加确定的电压，如115V或230V的交流电压或者12V或24V的直流电压，以相应地自动转换为所连接的输入电压。其中对于所施加的直流电压，电源通过直流/交流转换器将其转换为115V或230V的交流电压，从而可以将其引入变压器。
此外，由DE19937410A1已知了一种用于电网驱动或以小岛效应驱动的三相太阳能反用换流器，它通过提升并反相变换太阳能电池提供的直流电压来实现与公共电网的电压水平的匹配。其中这种反用换流器具有一个直流/直流转换器，在其上连接有太阳能模块，还具有一个变压器和一个直流/交流转换器。
在根据DE19937410A1的太阳能反用换流器中存在这样的问题：太阳能模块随着太阳光照射产生了不同的直流电压，这些不同的输入电压必须通过直流-直流转换器的脉宽调制来进行调节，因此太阳能反用换流器不能始终以最佳的状态工作。
反用换流器是已知的，其中在直流-直流转换器上连接有一个能量源，尤其是太阳能模块。直流-直流转换器与由一个或多个电容器所组成的中间环路相连接。在中间环路上连接有一个直流-交流转换器，其中直流-交流转换器的输出端与一个用于馈送能量的交流电网相连，或者至少与一个用户相连。直流-直流转换器用于传送直流电，而直流-交流转换器用于传送交流电。
此外，由桥式电路、变压器和整流器组成的直流-直流转换器是已知的。这里，桥式电路由调节器或控制装置以脉宽调制的方式控制，以在直流-直流转换器的输出端提供近似恒定的输出电压。
在反用换流器或直流-直流转换器中，设置了具有一定变压比的变压器，其中这一变压比是为能量源的最小输入电压而选择的。然而如果输入电压在反用换流器或直流-直流转换器处发生改变，特别是输入电压升高的话，变压器在预先给出的固定变压比情况下就不能很好地工作了。因此用于预先接入的桥式电路的脉宽调制占空比变得更小，这会使得变压器的利用率不高，从而导致了很差的效率。另一方面，反用换流器处的峰值输出电压变得很高，这对元件的负载能力提出了更高的要求，从而使得超大尺寸的元件、尤其是后接的整流二极管的价格非常高。
本发明的目的在于，提供一种反用换流器，以及一种用于调节反用换流器的方法，其中直流-直流转换器和变压器与所施加的电压相匹配，尤其是与输入电压相匹配。
本发明的任务这样来解决：直流-直流转换器的变压器在初级侧具有多个用于不同输入电压范围的初级绕组，根据所施加的输入电压值，初级绕组可通过至少一个开关装置串联连接，由此可调整到不同的变压比.
其中具有优点的是，反用换流器或直流-直流转换器可以覆盖很宽的输入电压范围，而没有很大的缺点，因为变压器的变压比能够与所施加的输入电压相匹配。这样还确保了在变压器前面接入的桥式电路始终以最佳的方式工作。另外一个非常重要的优点在于，后接的元件在尺寸上可以大大减小，因为可以始终通过匹配的变压比与施加的输入电压无关地从直流-直流转换器、特别是从变压器的输出端提供相同的电压，因此元件不必再根据变压器预定的固定变压比而期望得到的最大电压值来确定尺寸。
下面通过实施例更详细地说明本发明。如图所示：
图1：用于太阳能设备的反用换流器框图，带有基本元件，特别是直流-直流转换器，用简化的示意图来表示；
图2：用于太阳能设备的反用换流器框图的另一种实施例，带有基本元件，特别是直流-直流转换器，用简化的示意图来表示。
首先说明一下，在所描述的不同实施方式中，相同的部件用相同的附图标记或相同的元件标记来表示，其中通过用相同的附图标记或相同的元件标记来表示相同的部件可以使整个说明书中所包含的公开内容能够很好地表达出来。在说明书中所选用的位置用语，例如上部、下部、侧面等，是相对于所描述的附图而言的，在位置改变时可以有意义地转换为新的位置。此外，从所示出的和所说明的不同实施例中得到的各自的特征或特征组合也可以表示出独立的、具有创造性的解决方案。
在图1和图2中表示出了一种带有反用换流器2(用点划线围起来的部分)的反用换流器系统1的常见结构，特别是以框图的形式表示。因为反用换流器系统1的单个元件或元件组、以及功能都是已知的，对这些方面不再进行详细说明。
反用换流器2例如具有一个直流-直流转换器3(用短划虚线围起来的部分)、一个中间回路4和一个直流-交流转换器5。在直流-直流转换器3上连接有一个能量源6或能量发生器，它例如可以由一个或多个并联和/或串联连接的太阳能模块7(这些太阳能模块被描述为太阳能发生器)或者电池(没有表示出来)构成。直流-交流转换器5的输出端例如与一个交流电网8和/或一个或多个负载9相连接，负载例如为冰箱、无线电装置等。
最好直流-直流转换器3至少由桥式电路10(特别是由整桥或半桥构成的桥式电路)、开关装置11、变压器12和整流器13构成。中间回路4由一个或多个电容器组成。为了可以为交流电网8或负载9产生所希望的交流电压，直流-交流转换器5由相应的反相器构成，这个反相器将直流电转换为交流电。其他的元件或元件组，例如滤波器、滤波电容等，在所示实施例中没有表示出来。
另外，反用换流器2具有一个调节器或控制装置14，它例如可以由微处理器、微控制器或计算机构成。通过控制装置14，可以对各个元件组，特别是设置在其中的开关元件，进行相应的控制。为此在控制装置14中，各个调节或控制过程通过相应的软件程序和/或数据或者特征曲线来进行存储。此外，控制装置14还设置有一个或多个测量系统15，用于获取反用换流器系统1的不同测量点处的电流和电压。
在根据本发明的解决方案中采用了一种特殊的直流-直流转换器3，其中变压器12在初级侧具有多个用于不同输入电压范围的初级绕组17、18，并且初级绕组17、18可根据引入的输入电压值通过至少一个开关装置11串联连接，由此可以调整为不同的变压比.这里变压器12具有至少两个初级绕组17、18，或者带有至少一个(没有表示出来的)中间抽头的初级绕组17，其中在变压器12的次级侧19上可以只设置一个单个的次级绕组20，或者也可以设置多个次级绕组20.
很显然，可以提供任意数目的初级绕组17、18，其中只需要保证通过前面接入的开关装置11，每个分别设置的初级绕组17、18可以激活到另一个初级绕组17、18、21上。例如在图2中表示了一个带有三个初级绕组17、18、21的实施例，其中在前面接入的开关装置11可以这样来改变：使得每个单个的初级绕组17、18、21可以被重复激活，并且这些初级绕组可以串联连接。
变压器的初级绕组18、18以及21被这样连接在一起：初级绕组17的一个接头(例如绕组末端)与第二个初级绕组18的一个接头(例如绕组的起始处)相连接，也可以使第二个初级绕组18的另一个接头(例如绕组末端)与另一个初级绕组21的一个接头(例如绕组的起始处)相连接。为了通过控制装置14有选择性地激活各个初级绕组17、18、21，开关装置11这样连接到初级绕组17、18、21：使得在由各个开关单元22组成的开关装置11切换或激活时，初级绕组17、18、21可形成串联电路，并由此改变变压器12的变压比。
也可以不是像上面所述的那样使各个初级绕组17、18、21通过硬件方式连接，而是使初级绕组17、18、21只通过开关装置11以电子技术的方式连接在一起。
在图1中所示的实施例中，开关单元22设置在第二个初级绕组18的接头之间。这样可以在通常的输入电压情况下，例如为200V直流电压的情况下，为了产生一个输出电压，例如为380V直流电压，只激活一个初级绕组17，这正如通过开关单元22以短划虚线所表示的情况，也就是说，电流流动只通过初级绕组17来实现，因为第二个初级绕组18的其他接头与前面接入的桥式电路10之间没有电气连接。
如果输入电压升高，超出了一个限定值，例如升高到400V直流电压，这种情况由控制装置14通过测量系统15来识别，这时可以使变压器12的变压比与新的输入电压相匹配。为此，控制装置14激活开关装置11，特别是开关单元22，使得开关单元从虚线表示的位置切换至用实线表示的位置。由此，现在第二个初级绕组18的另一个接头被激活，此时电流流过串联连接的两个初级绕组17和18，也就是说，借助于开关装置11的开关单元22，在初级绕组18的左侧接头和初级绕组17、18的中间抽头或连接端之间实现了切换，并由此实现了变压比的改变。
如果不实现这种变压比匹配的话，如在现有技术中的情况，在对其余的元件进行相同的控制时，通过预定的固定变压比，输出电压将为双倍的输入电压，例如为2×380V直流电压，即760V直流电压。这样在现有技术中不能进行匹配，不能由控制装置14改变对元件的控制，从而使输出电压再次仅达到380V直流电压，会使得前面接入的桥式电路10的脉宽变小，这样对于可能的其他匹配不能进行有意义的调节。
在本发明所述的解决方案中，可以通过对变压比进行匹配，即通过串联连接的多个初级绕组17、18、21，以简单的方式避免了脉宽的减小，由此可以对反用换流器1或直流-直流转换器3实现更好的调节或控制，因为脉宽的整个频谱都可以供使用.如果出现了上述所述的这种情况：通过另一个初级绕组18的接入而改变了变压比，使得例如当输入电压翻倍时，即从200V上升到400V直流电压，输出电压例如保持为380V直流电压不变，也就是说在这种情况下，通过将另外的绕组，尤其是初级绕组18，接入到初级绕组17上，减小了从初级侧16到次级侧19的变压比，这样实现了始终相同的输出电压.由此可以覆盖很宽的输入电压范围，而不会有很大的缺点.特别地，脉宽调制的占空比可以始终保持在最佳值附近.
初级绕组17、18、21的串联电路的原理很明显可以通过多个绕组，如图2中的另一个实施例所示，以及开关装置11中的多个开关单元22形成。
考虑图2中的实施例时可以看到，在多个初级绕组17、18、21的情况下，通过开关装置11的相应匹配，即通过引入另外的开关单元22，可以将每个单个的附加初级绕组18、21再次接至初级绕组17。这样可以采用任意数目的初级绕组17、18、21。这种带有多于两个的初级绕组17、18、21的解决方案的优点在于，可以对输入电压进行更好的匹配，也就是说，实现了输入电压范围的精细分级，并且直流-直流转换器3或反用换流器1的效率得到了显著改善。
在图2所示的实施例中，变压器12的输入接线柱，特别是在开关装置11之前，预接一个适当的电路，这个电路被相应地调节，使得直流-直流转换器3的输出电压近似地保持为常量，也就是说，直流-直流转换器3的变压器12的前面最好接入一个桥式电路10，尤其是整桥式电路或半桥式电路，这个桥式电路以脉宽调制的方式受到调节器或控制装置14的控制。在变压器12的输出端处，即在次级侧19处，通常设置有一个全波整流器。
按照顺序，下面指出为了更好地表示出反用换流器系统1或直流-直流转换器3的结构关系，这些组件在某些部分没有按照比例关系绘出，而是通过放大和/或缩小来表示。
独特的、具有创造性的解决方案所涉及的任务可以从说明书中得出。
首先，在图1和图2中分别表示的实施例构成了独特的、具有创造性的解决方案的主题。与之相关的、本发明所述的任务和解决方案可以从对附图的详细说明中得出。
附图标记列表
1.反用换流器系统
2.反用换流器
3.直流-直流转换器
4.中间回路
5.直流-交流换流器
6.能量源
7.太阳能模块
8.交流电网
9.负载
10.桥式电路
11.开关装置
12.变压器
13.整流器
14.控制装置
15.测量系统
16.初级侧
17.初级绕组
18.初级绕组
19.次级侧
20.次级绕组
21.初级绕组
22.开关单元

Claims (8)

1.用于光电太阳能设备的反用换流器(2)，至少由一个可通过脉宽调制来控制的直流-直流转换器(3)、一个中间回路(4)和一个直流-交流转换器(5)构成，在反用换流器上可连接能量源(6)或能量发生器，和/或电池，并且所述直流-交流转换器(5)可与交流电网(8)和/或一个或多个负载(9)相连接，直流-直流转换器(3)具有一个桥式电路(10)、一个变压器(12)和一个整流器(13)，其特征在于，直流-直流转换器(3)的变压器(12)在初级侧(16)具有多个用于不同输入电压范围的初级绕组(17，18，21)，并且初级绕组(17，18，21)根据所施加的输入电压值，通过至少一个开关装置(11)以可选择的方式串联连接，由此可将变压器(12)调节为不同的变压比。
2.如权利要求1所述的反用换流器(2)，其特征在于，所述能量源或能量发生器是太阳能模块。
3.如权利要求1或2所述的反用换流器(2)，其特征在于，变压器(12)具有至少两个初级绕组(17，18，21)或者一个带有至少一个中间抽头的初级绕组(17，18，21)。
4.如权利要求3所述的反用换流器(2)，其特征在于，初级绕组(17，18，21)的一个接头、即绕组末端与第二个初级绕组(17，18，21)的一个接头、即绕组起始处相连接，也可以使第二个初级绕组(17，18，21)的另一个接头、即绕组末端与另一个初级绕组(17，18，21)的一个接头、即绕组起始处相连接。
5.如权利要求1所述的反用换流器(2)，其特征在于，开关装置(11)这样连接到初级绕组(17，18，21)：使得当开关装置(11)切换或激活时，初级绕组(17，18，21)形成串联电路，并由此改变变压器的变压比。
6.如权利要求1所述的反用换流器(2)，其特征在于，所述桥式电路(10)连接在直流-直流转换器(3)的变压器(12)前面，这个桥式电路以脉宽调制的方式受到控制。
7.如权利要求6所述的反用换流器(2)，其特征在于，所述桥式电路(10)是全桥或半桥电路。
8.调节用于光电太阳能设备的反用换流器的方法，其中通过能量源产生和/或传送电能，并且所述电能由至少一个通过脉宽调制来驱动的直流-直流转换器传输到一个中间回路中，并由中间回路通过直流-交流转换器馈入到交流电网中，和/或施加到负载上，其特征在于，这样来调节直流-直流转换器：根据输入电压值，由控制装置控制至少一个用于变压器初级侧的开关装置，并由此实现变压器的多个初级绕组之间的切换，从而调节不同的变压比。
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