CN1989469A - 3－相太阳能变换器电路和方法 - Google Patents

Abstract

用于把太阳能转换成交流3－相主干线(M)的变换电路，包括：用于把太阳电池(sc)的能量转换成在变换器的第一和第二变换器输出端之间的单极变换器输出电压的变换器(conv)，该变换器具备恒定的功率输出调节。变换电路还包括逆变器(Inv)，用于循环的把3个3－相输出端的一个切换到第一变换器输出端，把一个切换到第二变换器输出端，以及把一个间歇的切换到第一和第二变换器输出端。借助该变换电路和方法，变换电路中可以避免用高容量储能元件(例如大电容量的电容器)。

Description

3-相太阳能变换器电路和方法

本发明涉及用于把太阳电池电能转换成交流3-相线电能，包括：

变换器，用于把太阳电池提供的电能转换成在变换器的第一和第二变换器输出端上的单极变换器输出电压，和

逆变器，用于把变换器输出电压转换成3-相线电能，逆变器包括3个切换组件，每一个用于把3个3-相输出端的一个切换到第一或第二变换器输出端，切换组件由切换控制装置控制。而且本发明涉及太阳能发电机，包括用于把太阳辐射能转换成电能的太阳电池，以及这样的变换电路。此外，本发明还涉及一个用于为对称3-相公用网络(如3-相线主干电网)提供电力的电源系统，包括直流电源和这样的转换电路。更进一步，本发明涉及用于把太阳电池电能转换成交流3-相线电能，包括：

把太阳电池的电能转换成在变换器的第一和第二变换器输出端上的单极变换器输出电压，和

把变换器输出电压转换成3个3-相输出端上的3-相线电能，通过把3个3-相输出端的每一个切换到第一或第二变换器输出端，切换组件由切换控制装置控制。

DE195-19-369描述了为负载提供电能的电路。逆变器驱动3-相负载(3-相感应电动机)，其中两个输出端被或者连接到中间电压或者接地。剩余的输出设置为中间电压，其利用高频切换的脉宽调制。输出以循环方式切换。因为在每一个瞬间(moment in time)3个输出只有一个在高频下切换，与其相关的切换损失相对较低。

与现状技术的电路有关的问题在于，逆变器生成3-相输出信号基频的谐波。抑制这些谐波将需要大滤波线圈，此线圈又增加成本和逆变器尺寸。

本发明的目的在于提供改进的变换电路。

为实现该目的以及其它目的，本发明的变换电路特征在于：

变换器包括恒定功率输出调节，用于在变换器输出电压范围内提供恒定的变换器输出功率，以及还在于

切换控制装置设置为用于把3-相输出端其中之一切换到第一变换器输出端，一个切换到第二变换器输出端，以及一个间歇的切换到第一和第二变换器输出端，并且循环的切换3-相输出端以实现每一个3-相输出端处于干线周期中，即连续的切换到第一变换器输出端，间歇的切换到第一和第二变换器输出端，切换到第二变换器输出端，再次间歇的切换到第一和第二输出端。变换电路包括变换器和逆变器。与现有技术不同，其中变换器生成恒定直流输出电压，根据本发明变换器产生恒定的功率输出。这样，当变换器上负载电流增加时，变换器输出电压增加。相反，当变换器的负载电压降低时，变换器输出电压增加。因此，从变换器得到的变换器输出电压和变换器输出电流的乘积在变换器输出电压范围内保持恒定，此范围优选对应最小和最大变换器输出功率之间的工作电压范围。当与本发明的逆变器组合时，这样的变换器产生显示脉动的单极输出电压，该脉动与负载电流中的脉动成反比，因此对于由逆变器从变换器得到的电流，因为恒定的功率输出调节，由逆变器从变换器得到的负载电流增加造成变换器输出电压下降。发明人认识到，如果这样的变换器与本发明的逆变器组合，那么可产生非常有利的变换电路。首先，用本发明的变换电路不会产生很高的谐波。由于恒定的功率输出调节，产生变换器输出电压的脉动，其对应要产生的3-相正弦信号峰值波形。借助本发明的逆变器，可以有利的利用这些波形，通过适当的把每一个输出信号循环切换到第一变换器输出端(处在其峰值附近的正弦信号区域中)、第二变换器输出信号(处于负峰值附近的正弦信号区域中)，以及在第一变换器输出端和第二变换器输出端之间间歇切换，以有效产生随时间的电压变动从而可生成正峰和负峰之间时间间隔的正弦信号。

本发明变换电路的另一个优点在于在本发明的变换电路中不需要大储能元件(例如电容器或者电感器)。这样，在本发明变换电路中应用的变换器提供恒定功率输出的事实不仅提供有利波形，该波形与本发明的逆变器联合使用以生成完全没有不想要的较高谐波，其还具备一个优点，即排除了在变换器中包括一个或多个大电容器的必要。而且，本发明的变换电路中包括的逆变器不要求大能储(无论是电容器形式还是电感器形式)。因为这样的大储能元件不需要，变换电路的可靠性和寿命将增加，从而排除了由于例如电解电容造成的问题。而且，因为不需要这样的大尺寸储能元件，变换电路的尺寸可减小，并且成本也降低。另一个优点是变换电路现在可以以高度自动化的方式生产，因为需要的变换电路电子元件现在可以为成为更大部分以“表面安装”的形式选择，或者至少这些元件可以自动安装，从而简化变换电路的生产。

还有另外一个优点，变换电路的效率增加，因为间歇切换在每一个瞬间只对一个终端进行，因此与这样的切换相关的功率损失减小，而这样的损失在与其它两个终端相关的切换中不会出现。

在有利的实施例中，控制装置安排为基本上在零电流通过相应的切换组件执行间歇切换。以这种方式，功率损失进一步减小，因为间歇切换基本上在零电流通过各切换组件执行。这一点由在几乎整个切换阶段上的充足电压储备来支持，因为切换在过零附近进行，其又是仅在过零附近切换的好处。

有利的，变换器包括用于测量供给变换器的变换器输入功率的输入功率测量电路，和用于使变换器输出功率等于变换器输入功率的控制电路。因此，变换电路适合于太阳电池提供的太阳电能量，因为该电路使变换器输出功率等于太阳电池提供的变换器输入功率。因此，在变换器中不储存能量，这样就排除了变换器中的高容量能量储存元件(例如大电容器)。

有利的，输入功率测量电路还适合于太阳电池的最大功率跟踪，用于把变换器输入电压和变换器输入电流调整到太阳电池的最大功率点。当前的太阳电池显示最大功率点，即在给定功率下效率最大的太阳电池电压和电流值。随着输入功率测量电路适合于在此点操作太阳电池，效率被最大化。

有利的，控制装置安排为在至少是3-相线循环频率的十倍(更优选的至少50倍)下执行间歇切换，从而较易滤波以抑制3-相线输出中切换频率元件。

在有利的实施例中，变换电路包括多个变换器，其输出端并联连接。由于每个变换器的独立功率控制而容易并联连接输出端。由于优选的自动把输出功率调整到太阳辐射功率输入，该多个变换器将自动的并反映太阳能分布的分配期间的输入电流。不需要变换器之间的另外通信，在逆变器和变换器之间也不需要。本发明的太阳能发电机包括用于把太阳辐射能转换为电能的太阳电池，以及本发明的用于把电能转换成交流3-相线功率的变换电路。太阳能发电机处在有利的由至少一个室外装置和一个室内装置组成的实施例中。该至少一个室外装置包括太阳电池和变换器而室内装置包括逆变器。室外装置通常放在室外，例如在建筑物的顶上。为获得最优功率效率，变换器包括在室外装置中以把太阳电池产生的电能转换成变换器输出电压。变换器输出电压有利的选择以使其具备一个值，该值使电能能够输送到室内装置而没有大损失。室内装置把变换器输出电压转换进3-相线并因此可通常(但不一定)置于主干线网连接附近的室内。如上所述，包括在本发明变换电路中的变换器不需要大储能元件，例如大电容器。实际中，这些元件(例如高电容的电容器)趋向于是重要的限制室外设备寿命和可靠性的限制因素。特别的，如果部分变换电路置于室外例如建筑物顶上，则可靠性和寿命有重大改进，因为对储能元件可靠性和寿命的不利影响被去除，发生这些不利影响是因为这些地方通常有高温(例如在高太阳能环境)和大温度波动。因为使用包括在本发明的变换电路中的变换器可以避免这样的储能元件，消除了这些对室外设备寿命的不利影响，从而其可靠性和寿命显著提高。这特别有利，因为室外设备通常安装在难于到达的位置，例如建筑物顶的上方。本发明变换电路提高的可靠性和寿命可以用本发明的变换电路或者至少其变换器来集成长寿命太阳电池，而可能不牺牲模块寿命。此外，将降低安装成本并能够充分利用上面讨论的可量测性。

本发明的变换电路可以用太阳电池或者任何其它直流电源例如电池、蓄电池、燃料电池等等来提供。

本发明的方法特征在于把太阳电池提供的电能转换成单极变换器输出电压的步骤包括：在变换器输出电压范围内提供恒定变换器输出功率，特征还在于把变换器输出电压转换成3-相线电功率包括：

把3-相输出端的一个切换到第一变换器输出端，把一个切换到第二变换器输出端，以及把一个间歇的切换到第一和第二变换器输出端，

循环的切换3-相输出端以实现每一个3-相输出端处于干线周期中，即连续的切换到第一变换器输出端，间歇的切换到第一和第二变换器输出端，切换到第二变换器输出端，再次间歇的切换到第一和第二变换器输出端。使用本发明的方法，可获得与使用本发明的变换电路相似或相同的优势。而且，参照本发明的变换电路描述的相似或相同的优选实施例也适用于本发明的方法。

现在本发明将基于附图来描述，附图表示本发明的非限制实施例，其中：

图1表示本发明变换电路的非常简要的电路图；

图2表示图1变换电路的变换器输出电压的曲线图；

图3表示图1变换电路的逆变器中电流的曲线图。

图1表示变换电路，包括：太阳电池SC、变换器Conv、逆变器Inv、象征性的以M表示的3-相线。太阳电池SC可包括光电管、硒电池、或者任何其它把光能转换成电能的电池。太阳电池SC还可包括多个这样的光电管、硒电池、或者其它电池。太阳电池生成的电能提供给变换器Conv，特别给其变换器输入端Ci。变换器输入把太阳生成电能转换成在变换器输出端Co的变换器输出电压，太阳生成电能通常包括较低电压或者取决于太阳电池SC上照射量的波动电压，变换器输出端Co具备第一变换器输出端Tc1和第二变换器输出端Tc2，变换器输出电压具备适合于逆变器Inv逆变的值，变换器输入还通过合适的切换操作转换成3-相线M的3-相线电压。典型的，尽管不一定，在变换器输出端Co的变换器输出电压将远高于变换器输入电压Ci，因为太阳电池提供的电压低于3-相线M的线电压。然而，如果太阳电池包括例如大量串联的光电池并这样提供高输出电压，那么变换器输出电压可以不远高于(例如处于量值的相同数量级或者更低)变换器输入电压。因为太阳照射相对恒定，其至少不包括干线频率上的大量元件，因此在变换器输入端Ci提供的电压一般(但不一定)相对恒定，即不包括干线频率的元件，例如60Hz的50Hz。当然，太阳电池SC提供电能的确切形状取决于所用太阳电池的具体类型，其可以是电流源(光电流)、电压源(光致电压)等等。无论如何，变换器Conv把提供到变换器输入的电能转换成变换器输出端Co的变换器输出电压，变换器输出电压适合于由逆变器Inv通过适当的切换操作逆变成3-相线信号。变换器输出电压包括单极电压，这样的电压不显示信号随时间的变化，变换器输出电压的极性保持相同。逆变器包括多个开关组件，其每一个包括用于把逆变器Inv输出端T切换到变换器输出端Co的开关。切换组件可以在切换控制装置SCU的控制下把每一个端子T连到第一Tc1或第二Tc2变换器输出端。图1所示变换电路的操作现在参照图2和图3描述。

图2描述了以时间为横轴以变换器输出电压V_Co为纵轴的曲线图。变换器包括恒定功率输出调节(在图1中没有详细表示)，用于提供在变换器输出电压范围内的恒定变换器输出功率。由于受到切换控制装置SCU控制的逆变器Inv切换，逆变器Inv输入电流表现出周期性脉动，由于变换器Conv的恒定输出功率，该脉动造成变换器输出电压V_Co的脉动。发明人设计出该脉动波形对应3-相主干线信号正弦波的峰值区域，更具体的该波形对应3-相信号的3个3-相元件的包络。当特定端的主干线信号在峰值(正或负)区域附近时，逆变器Inv通过把第一Tc1或第二Tc2变换器输出端切换到相应端T来利用该波形。在波形的这些区域之间，特定端根据切换的占空因子间歇的切换到第一Tc1或第二Tc2变换器输出端，形成对端T上输出电压和电流的调制。间歇切换以有利的远大于主干线信号循环频率的频率进行。调整切换的占空因子使得生成峰值区域之间的正弦波零交叉曲线。要强调的是，出现图2中所描述的变换器输出的波形不仅因为下面事实：本发明的变换器包括变换器的恒定输出功率调节，而且因为用在本发明逆变器Inv的本发明特定切换，其中切换控制装置安排为把其中一个输出端切换到第一变换器输出端，把一个切换到第二变换器输出端，以及把一个间歇的切换到第一和第二变换器输出端，以及端子的循环切换，即每一个端子处在干线的周期中：连续的切换到第一变换器输出端，间歇的切换到第一和第二变换器输出端，切换到第二变换器输出端，再次间歇的切换到第一和第二输出端。或许用语言表示的理解发明人所用理念的简单方法是：通过切换，逆变器输入阻抗发生变化，其与变换器的恒定输出功率调节组合而生成图2所示的波形。

在输出端T中得到的电流示例表示在图3中，图3表示以时间为横轴以3个端子每一个的电流为纵轴的曲线。如图3所示，输出电流3个波形的每一个表示正峰值区域和负峰值区域以及其中输出电流具备低值和过零的区域。在输出电流过零的区域，各自的输出端间歇的切换到第一和第二变换器输出端。切换的占空因子决定输出量的有效值。在50％的占空因子(即50％的变换器输出电压和50％的反极性变换器输出电压)产生零有效输出量。间歇切换的频率有利的远大于主干线的循环频率(在该示例中为100Hz)。每一瞬间的间歇循环在主干线周期的每一部分仅仅对一个输出端发生，这可从图3的波形得到。不在特定瞬间间歇切换的其它端子在该瞬间或者连接到第一变换器输出端或者连接到第二变换器输出端。在许多实际实施中，输出端T可不直接连到3相主干线，因为主干线的低阻抗将产生大波动电流。因此，间歇切换产生的剩余脉动可以用串联连接到输出端T的小电感器过滤(电感器没有表示在图1中)，造成间歇切换生成主干线信号中脉动的平滑。进一步的平滑可以用现有技术所已知的另一过滤级实现，其包括电容器和电感器。因为间歇切换仅对一个端子进行，与切换相关的损失较低并且可通过在零电流切换而进一步降低，如图3中由ZC所示。

变换器Conv有利的实施例包括用于测量由太阳电池SC提供给其的变换器输入功率的输入功率测量电路，和用于把变换器输出功率调整为等于变换器输入功率的控制电路(未表示)。作为其结果，可获得变换器输出功率的更优调节以及因此在变换器输出电压获得波形的更优调节，即波形以及因此变换器输出电压中的脉动适合于提供用于在端子T由逆变器Inv生成3-相主干线信号的最优波形，其具备很少或者没有更高的谐波。因此，变换电路进行的最优转换可在提供给太阳电池SC的太阳输入功率的宽范围内获得。

本发明的太阳能发生器包括太阳电池SC和本发明的变换电路，变换电路由变换器Conv和逆变器Inv组成。在实际实施中，有利的是变换器Conv与太阳电池SC一起包括在室外装置中例如放在建筑物顶部上，而逆变器放在室内也就是放在3-相电主干线室内装置中。如上所述，由于变换器和本发明变换电路的逆变器不需要大容量储能元件(例如大电容)的事实，排除了其关于变换器和逆变器的寿命和可靠性的不利影响，而该不利影响在现有技术的变换电路中发生。上面描述了本发明变换电路更有利的效果。

应当注意，上面所述的设置与任何其它直流电源如燃料电池、蓄电池或者电池一样以相同的有利方式运行。因此本发明的应用不限于太阳电池而是可用于各种配置(能源系统)，其中直流电能量源必须供给(例如对称的)3-相主干线电压。

因此，因为提供给太阳电池的太阳能基本上恒定(也即在主干线频率下不是周期的)以及因为逆变器的3-相输出端上输出功率的总和也基本上恒定(也即在主干线的线频率下不表现出周期性)，所以在变换电路中不需要大储能元件(例如电容器)，基于上面的判断，发明人能够设计出变换电路和本发明的方法，其具备变换器和逆变器，变换器具备恒定输出功率，逆变器把其中一个输出端切换到第一变换器输出端，把其中一个输出端切换到第二变换器输出端，并且把第三个输出端间歇的切换到第一和第二变换器输出端。

Claims (10)

1.一种用于把太阳电池提供的电能转换成交流3-相主干线电能的变换电路，包括：

变换器，用于把太阳电池提供的电能转换成在变换器的第一和第二变换器输出端上的单极变换器输出电压，和

逆变器，用于把变换器输出电压转换成3-相主干线电能，逆变器包括3个切换组件，每一个用于把3个3-相输出端的一个切换到第一或第二变换器输出端，切换组件是由切换控制装置控制的，

特征在于

变换器包括恒定功率输出调节，用于在变换器输出电压范围内提供恒定的变换器输出功率，

切换控制装置设置为用于把3-相输出端其中之一切换到第一变换器输出端，一个切换到第二变换器输出端，以及一个间歇的切换到第一和第二变换器输出端，并且循环的切换3-相输出端以实现每一个3-相输出端处于主干线周期中，即连续的切换到第一变换器输出端，间歇的切换到第一和第二变换器输出端，切换到第二变换器输出端，再次间歇的切换到第一和第二输出端。

2.根据权利要求1的变换电路，其中控制装置安排为基本上在零电流通过各切换组件执行间歇切换。

3.根据权利要求1或2的变换电路，其中变换器包括用于测量提供给变换器的变换器输入功率的输入功率测量电路，和用于调整变换器输出功率等于变换器输入功率的控制电路。

4.根据前述权利要求任一个的变换电路，其中输入功率测量电路还适合于太阳电池的最大功率跟踪，用于把变换器输入电压和变换器输入电流调整到太阳电池的最大功率点。

5.根据前述权利要求任一个的变换电路，其中控制装置安排为在至少是3-相主干线循环频率的十倍下执行间歇切换。

6.根据前述权利要求任一个的变换电路，包括多个变换器，其输出端并联连接。

7.一种太阳能发电机，包括用于把太阳辐射能转换成电能的太阳电池，以及根据前述权利要求任一个用于把电能转换成交流3相主干线能量的变换电路。

8.根据权利要求7的太阳能发电机，包括具备太阳电池和变换器的室外装置和具备逆变器的室内装置。

9.一种能源系统，用于为对称3-相公用网路提供能量，包括直流能源和根据权利要求1-6的变换电路。

10.一种用于把太阳电池提供的电能转换成交流3-相主干线能的方法，包括：

把太阳电池提供的电能转换成在变换器的第一和第二变换器输出端上的单极变换器输出电压，和

通过把3个3-相输出端的每一个切换到第一或第二变换器输出端，把变换器输出电压转换成在3个3-相输出端上提供的3-相主干线电能，其中切换组件是由切换控制装置控制的，

特征在于

把太阳电池提供的电能转换成单极变换器输出电压的步骤包括：

在变换器输出电压范围内提供恒定变换器输出功率，并且还在于把变换器输出电压转换成3-相主干线电能的步骤包括：

把3-相输出端其中之一切换到第一变换器输出端，一个切换到第二变换器输出端，以及一个间歇的切换到第一和第二变换器输出端，

循环的切换3-相输出端以实现每一个3-相输出端处于主干线周期中，即连续的切换到第一变换器输出端，间歇的切换到第一和第二变换器输出端，切换到第二变换器输出端和间歇的切换到第一和第二输出端。

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