CN1579045A

CN1579045A - 电压转换器

Info

Publication number: CN1579045A
Application number: CNA028215214A
Authority: CN
Inventors: 罗兰德·伯格; 维赫尔姆·阿佩尔; 彼德·克里莫; 伊恩斯特·普洛兹
Original assignee: Siemens AG Oesterreich
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-11-05
Filing date: 2002-11-05
Publication date: 2005-02-09
Anticipated expiration: 2022-11-05
Also published as: WO2003041248A3; CN100338863C; WO2003041248A2; EP1442512A2; US20040245968A1; US7120039B2

Abstract

一种用于把输入直流电压(U_E)转换为电网频率范围内的三相交流电压(U_R，U_S，U_T)的电压转换器，其具有至少一个电感(L1，L2)以及多个由一个控制电路(AST)控制的开关(S1，…，S9)，其中设置了一个用于产生正的输出电压分量的第一转换器单元(S1，D1，L1，S2)，以及一个用于产生负的输出电压分量第二转换器单元(S3，L2)，并且第一转换器单元的输出端分别通过第一相位纵向开关(S4，S5，S6)的每一个，而第二转换器单元的输出端分别通过第二相位纵向开关(S7，S8，S9)中的每一个，与三相电流输出端(R，S，T)相连接。

Description

电压转换器

本发明涉及一种用于将输入直流电压转换为电网频率范围内的三相交流电压的电压转换器，具有至少一个电感以及多个由控制电路控制的开关。

当人们希望将由本地直流发电机，如光伏打发电机(Fotovoltaik-Generatoren)、燃料电池等产生的电能馈入到供电企业的交流输电网络中时，必须借助于换流器将直流电压转换为与电网相适应的交流电压。其中私人用户所需的功率大约在1至5kVA之间。

通常对于所说的功率范围，仅仅实现向电网中的单相馈送，但在小馈电器出现大穿透的情况下，特别是在该区域内，可能会导致不希望和不想要的交流电网的不对称。此外，在单相馈送的情况下，对于换流器需要进行电能的中间存储，因为直流发电机，例如光伏打发电机，尽管传输的是恒定的电能，但在交流电的相位过零时可能会没有功率馈入到电网中。例如在德国必须按照VDEW原则“利用低压电网的平行驱动(Parallelbetrieb mit dem Niederspannungsnetz)”将4.6kVA以上的功率通常以三相方式馈送到供电企业的电网中。单相馈电是不允许的。

因此人们试图，并且在较小功率中也已经实现了，采用三相馈电。为此采用了开始时所述类型的电压转换器，其中耦合了三个彼此分开的单相换流器，或者将一个直流电压/直流电压调节器和一个活动桥式触点相连接，作为一个两级的方案。一级的实施方式总是有这样的缺点：即只能满足一个很小的输入电压范围，但例如考虑到光伏打模块的不同的组合电路变化，这是所需要的。

一种由微处理器控制的单相换流器例如由DE19642522C1已知，其中使用了五个受控开关和一个电感。如果人们将这种换流器改为三相的实施方式，则尤其是开关的数目将显著增加，即增加到15个，并且还需要三个电感。

US5053938A提出了一种用于为交流电机供电的电压转换器，它具有一个单个的转换器单元，用于产生正电压。借助于一个带有六个开关的桥式电路为三相输出端产生正的和负的电压。

本发明的任务在于提出一种换流器，它将例如由太阳能设备、燃料电池、蓄电池、直流电动机等输送的直流电压转换为用于馈送到三相交流电网中的三相交流电压。其中使用很少的受控开关和电感，但能满足很大的输入电压范围的需要，其中输入电压不仅可比输出交流电压小，而且可能比输出交流电压大。

根据本发明，从如开始时所述类型的电压转换器出发，这一任务这样来解决：设置了一个用于产生正输出电压分量的第一转换器单元，以及一个用于产生负输出电压分量的第二转换器单元，第一转换器单元的输出端通过第一相位纵向开关中的每一个，并且第二转换器的输出端通过第二相位纵向开关中的每一个，与交流输出端相连接。

根据本发明所提出的电压转换器不仅令人满意地解决了所提出的一项或多项任务，并且还提供了这样的可能性：即可以在输入直流电压的负极(或正极)与交流电网的零线之间形成连通的接地连接，由此从直流电压源，例如光伏打发电机，不会产生相对于地的电容性漏导电流，也不会产生电网频率(50Hz)场。

本发明的一种具有优点的改进实施方案的特征在于，直流电压的一个极与交流输出端的零线电流连接，一个第一横向开关和一个横向电感组成的串联电路位于直流电压的一个极与地之间，这个串联电路的连接点通过第二相位纵向开关中的每一个与交流输出端相连接，直流电压的这个极进一步通过一个纵向开关，并与该纵向开关串联连接，一个纵向电感通过第一相位纵向开关中的每一个送至交流输出端，并通过一个第二横向开关相对于地引导，纵向开关与纵向电感组成的串联电路的连接点通过一个涉及输入电压的位于截止方向的二极管连接到地，其中纵向电感与该纵向开关、第二横向开关、第一纵向开关中的一个、以及所述二极管一起作为升压/降压转换器构成第一转换器，横向电感与第一横向开关、第二纵向开关中的一个一起作为反相转换器构成第二转换器。在这种方案中实现了贯通的零线，并且受控开关的数目仅仅为9个。

在一个基于微处理器的简单可实现的变型中，具有下列控制电路：

■ 输入监控电路，被设置用于至少监控输入电压和/或输入电流，

■ 电网监控电路，被设置用于监控三相交流电的电压和/或电流

和/或相位，

■ 分等级的工作实施电路(Betriebsführung)，向其中引入输

入监控电路和电网监控电路的输出信号，并且被设置用于获

得关于要产生的电压值的预定值，

■ 转换器控制电路，向其中引入用于在工作实施电路一侧产生

正的和负的输出电压分量的预定值，以便控制第一和第二转

换器的开关，以及

■ 相位控制电路，向其中从工作实施电路一侧引入用于切换第

一和第二相位纵向开关的预定值，以便控制这些纵向开关。

下面这样做也是符合目的的：即将第一转换器单元的输出通过在导通方向上的一个第一纵向二极管引向第一相位纵向开关，和/或将第二电压转换器单元的输出通过在截止方向上的一个第二纵向二极管引向第二相位纵向开关。该实施例的优点在于，在这种情况下对分等级的工作实施电路的要求简单一些。

本发明以及其他优点在随后提供的在附图中说明的实施例中进一步解释。在这些附图中

■ 图1示出了根据本发明的电压转换器的电路图，其中省略了控

制电路以及与本发明无关的、为本领域技术人员熟知的细节，

■ 图2示出了根据图1的转换器的控制电路，

■ 图3示出了用于馈入交流电网的三相交流电压随时间变化的

情况，

■ 图4示出了在其他时间和幅度比例中正电压分量的产生，并且

用粗体标出了升压/降压转换器输出电压的额定值，以及

■ 图5示出了输出电压从相位R向相位S转换时特定受控开关

的接通和断开。

根据图1，为根据本发明的电压转换器施加了一个输入直流电压U_E，该电压来自于未示出的光伏打发电机或其他直流电压源。该电压正极接在转换器的一个输入极p上，而负极接在一个地输入极m上。一个输入电容器C_E对开关尖峰进行平滑并用于抗干扰，其中也可以在输入和输出端处采用其他已知的但未在这里示出的抗干扰措施，例如抗干扰扼流圈。

由第一个受控横向开关S3与一个横向电感L2组成的串联电路位于极p和地m之间，其中该串联电路的连接点v_g被引向三个第二相位纵向开关S7，S8，S9，并且能够分别通过这些开关中的一个开关连接到三相电流系统的输出端R，S，T。在给定情况下，可以将一个用虚线标出的第二个纵向二极管D_2L接入到从连接点v_g至纵向开关S7，S8，S9的线路中，这样做是为了避免当所使用的半导体开关由技术上的条件所限定的开关时间引起S3以及开关S7，S8，S9中的一个接通时，来自正极p的电流直接流向相位R，S或T中的一个。可以取消如下的监控过程并使分等级的工作实施电路变得更简单：当开关S4，S5或S6中的一个闭合时不允许开关S2闭合，或者不允许开关S3与开关S7，S8或S9中的一个同时闭合。但是，通过接入二极管D_1L和D_2L产生了附带的元件开销以及换流器效率的损失。

输入直流电压U_E的极p-在本实施例中是正极-进一步通过一个纵向开关S1和与之串联连接的一个纵向电感L1，经由第一相位纵向开关S4，S5，S6中的每一个送至交流输出端R，S，T，其中这里也可以在相位开关S4，S5，S6共同的输入端前面接入一个第一纵向二极管D_1L，以避免当由技术条件限定的开关时间或所使用的半导体开关引起S2以及开关S4，S5，S6中的一个接通时，来自相位R，S或T的一个相的电流能够流向输入端的负极m。

纵向开关S1和纵向电感L1的连接点v_e通过一个相对于输入电压U_E处于截止方向的二极管D1与地m相连。

输入地极m被一直接到三相电流输出端的输出零线N，并且在输出端R，S，T以及零线间接入平滑和抗干扰电容器C_T，C_S，C_R。

实际上转换器根据其功能由两个转换器构成。

第一转换器具有一个由纵向开关S1、纵向电感L1、二极管D1和第二横向开关S2组成的第一转换器单元，该转换器单元与第一纵向开关S4，S5，S6或者与二极管D_1L一起形成完整的第一转换器，该转换器用来作为升压/降压转换器产生正的输出电压分量。

第二转换器由一个第二转换器单元构成，即由横向开关S3和横向电感L2，以及第二纵向开关S7，S8，S9或二极管D_2L组成。该第二转换器用来作为反相转换器产生负的输出电压分量。

用于九个受控开关S1...S9的控制电路AST的原理性构造由图2表示。一个分等级的工作实施电路HBF由一个输入监控电路EUW和一个电网监控电路NUW获得，必要时引入准备好的输入和输出数据。输入监控电路EUW特别确定前面接入的发电机当前产生的功率以及能产生多大功率，电压多高等。输出监控电路确定例如耦合电压多高，当前相位等。

从输入监控电路EUW和电网监控电路NUW的输出信号中，分等级的工作实施电路HBF为转换器控制电路WAS并为相位控制电路PAS确定预定值v_A和v_B。

转换器控制电路WAS的任务是，根据预定值v_H控制开关S1，S2和S3产生正的和负的输出电压分量。这里根据脉宽调制原理计算并产生正弦分量块，其中相应的开关以比电网频率高的频率，例如50kHz被接通和断开(见图5说明)。

在考虑工作实施电路HBF一侧获得的预定值v_B的情况下，相位控制电路PAS计算用于正负电压切换的值，这里正的和负的电压首先在两个转换器单元中产生。其中第一个和第二个相位纵向开关S4，S5，S6和S7，S8，S9又以比电网频率高的开关频率被接通。分别根据当前相位情况使开关保持接通。例如如果在一个确定的时间段内只需要提供一个相位，那么只需要接通开关S4到S6以及S7到S9中的相应的开关。如果需要提供两个相位，那么根据脉宽调制以高的开关频率在两个相应的开关之间切换，并且相应地分配首先在转换器单元产生的电压。

图4示出了作为例子的正电压分量在相位R，S，T上的分配。其中额定电压U_soll用粗体标出。在时间段t₁内在纵向电感L1的输出端是一个正电压。该电压通过开关S4直接接到相位R上。如果没有接入二极管D_1L，就必须注意当S2断开时开关S4只能是接通的。如果采用了纵向二极管D_1L，则S4在整个时间段t₁内都可以接通。在随后的时间段t₃中，横向电感L1的输出端处的正电压按照前面提到的方式完全接在S上。有意义的是这也同样适用于负电压分量的分配。

图5以图4中的时间段t₂中从相位R到相位S的转换过程为例示出了开关S2，S4，S5和S6在以下假设的情况下的“表现”，即假设输入电压U_E低于输出电压U_R，U_S，U_T，并且因此横向开关S1持续接通。

这里第一个转换器单元S1，D1，L1，S2的横向开关S2以一个随意选择的1∶2的占空比以高的开关频率断开和接通。与相位R相关的开关S4(参见图1)的占空比在所考虑的时间段的开始时还是1∶1左右，然后随着缺少的正弦线减小到零，与此相反，与相位S相关的开关S5的占空比首先为零，然后随着上升的正弦线变为例如2∶1左右。

与相位T相关的开关S6在所考虑的过渡时间段内始终断开。

由于三个耦合的交流电压U_R，U_S，U_T的正的和负的电压分量都是根据相同的方法生成的，所以前面只考虑了正电压。因此根据本发明的转换器(升压/降压转换器或反相转换器)始终向输出端的一个或两个相位施加电压，其中，在两个相位上的电压之和在电压高度上对应于在单个相位上的电压随时间的变化情况。因此所要控制的转换器的输出电压U_soll表现为每50Hz相位有六个正弦分量块(从60°到120°)相互串接排列。因此用于控制转换器的输出电压的额定值在±8％的狭窄范围内浮动。如果只有一个相位施加了电压，则分别根据输入电压是应该设置高还是设置为低来操作相应的开关，例如对于开关S1和S2呈推挽式的用于相位R的S4。设置为高的例子根据图5来解释。因为也能看到，在提供两个相位的情况下，通过三个相位纵向开关S4，S5，S6中与所述相位相关的两个开关，接通时间与额定电压成比例地分配。

正如已经提到的那样，两个转换器单元既能产生比其输入端高的电压，也能产生比其输入端低的电压，这样就能满足更宽的输入电压范围。如果需要的话(“直流释放”)，通过纵向开关S1和横向开关S3，转换器能够完全从直流输入，例如光伏打发电机中分离出来。此外，如果规定或标准要求的话，那么六个相位纵向开关S4...S9能够与这里未标出的电网断路继电器共同使用，用来把换流器从电网中多级地分离出来。

Claims

1.用于把输入直流电压(U_E)转换为电网频率范围内的三相交流电压(U_R，U_S，U_T)的电压转换器，具有至少一个电感(L1，L2)以及多个由控制电路(AST)控制的开关(S1，...，S9)，其特征在于，

设置了一个用于产生正的输出电压分量的第一转换器单元(S1，D1，L1，S2)，以及一个用于产生负的输出电压分量的第二转换器单元(S3，L2)，并且

第一转换器单元的输出端分别通过第一相位纵向开关(S4，S5，S6)中的每一个，而第二转换器单元的输出端分别通过第二相位纵向开关(S7，S8，S9)中的每一个，与三相交流输出端(R，S，T)相连接。

2.根据权利要求1所述的电压转换器，其特征在于，直流电压(U_E)的一极(m)与三相电流输出端的零线(N)电流连接，

由第一横向开关(S3)与一个纵向电感(L2)组成的串联电路位于直流电压的一极(p)与地(m)之间，

所述串联电路(S3，L2)的连接点分别通过第二相位纵向开关(S7，S8，S9)中的每一个与三相电流输出端(R，S，T)相连接，

直流电压的一极(p)进一步通过一个纵向开关(S1)和与之串联连接的一个纵向电感(L1)，分别经由第一相位纵向开关(S4，S5，S6)中的每一个送至交流输出端(R，S，T)，并且通过一个第二横向开关(S2)引向地，并且这个纵向开关(S1)与纵向电感(L1)组成的串联电路的连接点通过一个相对于输入电压处于截止方向的二极管(D1)与地(m)相连接，

其中纵向电感(L1)与纵向开关(S1)，第二横向开关(S2)，第一纵向开关(S4，S5，S6)中的一个以及二极管(D1)一起作为升压/降压转换器构成了第一转换器(S1，D1，L1，S2)，而横向电感(L2)与第一横向开关(S3)以及第二纵向开关(S7，S8，S9)中的一个一起作为反相转换器构成了第二个转换器(S3，L2)。

3.根据权利要求1或2所述的电压转换器，其特征在于，控制电路(AST)包括：

输入监控电路(EUW)，被设置用于至少监控输入电压(U_E)和/或输入电流，

电网监控电路(NUW)，被设置用于监控三相交流电的电压和/或电流和/或相位，

分等级的工作实施电路(HBF)，向其中引入输入监控电路和电网监控电路的输出信号，被设置用于确定关于要产生的电压值的预定值(v_a，v_b)，

转换器控制电路(WAS)，向其中引入用于在工作实施电路(HBF)一侧产生正的和负的输出电压分量的预定值(v_a)，以便控制第一和第二转换器单元的开关(S1，S2，S3)，以及

相位控制电路(PAS)，向其中从工作实施电路(HBF)一侧引入用于切换第一和第二相位纵向开关(S4，...，S9)的预定值(v_b)，以便控制这些纵向开关。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电压转换器，其特征在于，第一转换器单元(S1，D1，L1，S2)的输出通过一个在导通方向上的第一纵向二极管(D_1L)引向第一相位纵向开关(S4，S5，S6)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电压转换器，其特征在于，第二电压转换器单元(S7，S8，S9)的输出通过一个在截止方向上的第二纵向二极管(D_2L)引向第二相位纵向开关(S7，S8，S9)。