用于将直流电转换成交流电的电路的制作方法

文档序号:7328099阅读:928来源:国知局
专利名称:用于将直流电转换成交流电的电路的制作方法
技术领域
本发明涉及用于将直流电转换成交流电的电路。本发明在产业中主要应用领域目的在于设计电子装置,以及更具体地目的在于在用于转换光伏太阳能的电力系统的领域内已获得的装置。本发明还可在其他领域内应用,比如通过电化学电池或者其他提供直流电的装置的发电。本发明提供用于转换DC/AC(直流电/交流电)的结构,其尤其设计成用于不使用变压器而与电网连接的光伏系统,其允许将光伏发电设备的输入端子中的一个与大地连接,因而实现以宽泛的输入电压运行并且具有高性能。
背景技术
带有电网连接的光伏系统通过一组光伏面板(也称为光伏阵列或者发电设备)以及转换级(也称为逆变器)来形成。转换级调节由面板产生的能量并且将其注入电网。这些一般是专用的设施,其对电力公司而言寻求从所产生的能量的销售获得的经济利益最大化。因此,正在寻找便宜的、可靠的以及高效率的逆变器。传统地,在这样的设施中,变压器已被包含在逆变器与电网之间,其提供设施与电网之间的流电隔离。然而,变压器以低频率(50/60HZ)运行的事实增加了转换级的尺寸、重量以及价格,同时减少了其性能。消除低频率变压器同时维护设施的流电隔离的一个选项是使用在转换器内的带有高频变压器的DC/DC转换级。高频变压器的使用允许减少转换级的尺寸与重量;然而它增加了其复杂性,同时减少了其性能与可靠性。变压器(高以及低频率)的去除允许获得较容易的、较便宜的以及较轻的转换级, 同时提高其性能。因此,在最近几年,无变压器的转换结构的使用变得非常流行。某些光伏设施要求光伏阵列的其中一个端子的接地连接(接地)。在某些例子中, 该要求是技术特性。这是其中某些带有薄层的光伏面板被使用的设施的例子,其中通过将负极接地,避免了面板的过早的降级,或者这是某些设施的例子,其中期望通过光伏阵列的寄生容量的接地电流的流动完全地被消除以提高转换级的电磁行为。在其他例子中,接地的需要由电流法规决定,比如美国的NEC(国家电气规范)。典型地,带有电网连接的光伏系统与T-N类型(其中电网的中性点接地连接) 的电网连接。在该类型的电网中,带有流电隔离(带低或者高频率变压器)的转换级的使用允许将光伏阵列的其中一个端子接地,且不引发转换级的运行中的任何问题。然而, 基于传统转换结构(比如H桥或者在专利文件DE10221592A1、DE102004030912B3以及 W02008015298A1中示出的那些)将无变压器的转换级中光伏阵列接地是不可能的。为了解决当将无变压器转换级中的光伏阵列接地时引起的这些问题,新的拓扑 (比如在DE19642522C1中提出的)已被开发。然而,通过该拓扑被注入电网的电流是脉冲的,其要求大输出滤波器以吸收电流谐波。在DE 19732218C1中解决了该问题。该结构基于两个DC/DC转换器的连接Jeta与Cuk。半导体的控制以这样的方式执行以在电网电压的正半循环期间,该转换器如同 kta运转以及在负半循环期间如Cuk运转。然而,在该拓扑中(如在DE19642522C1中), 通过缺少升压DC/DC级,单相系统的电力起伏特性以等于两倍电网频率的频率引起在光伏阵列中的电压的波动,其通过围绕最大电力点振荡电压而导致在光伏阵列中获得的能量的减少。US 20040164557A1描述了简单的拓扑,其允许将光伏阵列的负极与大地连接。该拓扑的运行是基于获得双级DC电压(关于光伏阵列负极的正极与负极),即,以中点与大地连接的DC总线。从该总线,半桥的使用允许获得正弦输出电压。使用光伏阵列的电压作为DC总线上的正电压的事实使得该结构不能与比电网最大电压低的光伏阵列的电压一起使用。DE 102006012164A1描述允许将输入端子中的仅一个与大地连接的拓扑,因而在其输出实现双极DC电压。然而,所有被使用的半导体必须经受最大总线电压(其必须至少是电网的最大电压的两倍),这增加了开关损失并且减少了转换级的性能。US 2008(^66919描述了允许获得双极DC电压的另一拓扑。在该例子中,使用了两种cuk类型的DC/DC转换器。然而,第一 DC/DC转换器必须处理系统的所有电力。另外,所使用的半导体必须经受总线电压(其必须至少是电网的最大电压的两倍),这增加了拓扑的损失,减少其性能。另一允许获得双极DC电压的拓扑在W02008151587A1中提出。该拓扑使用由相同控制信号控制的两个晶体管、三个二极管以及两个磁耦合的绕组以用于获得双极输出电压。提出的运行模式使得从光伏阵列看,由DC/DC级汲取的电流始终是脉冲电流,以及因此,在线圈Wl中的电流在电流持续流至DC/DC级的情况下将大于循环的电流,且在半导体以及线圈中损失的随之增加。在US 20040164557A1、DE 102006012164A1、US 20080266919,以及 WO 2008151587A1中提出的拓扑是基于获得双极DC电压(以中点与大地连接的总线)。为了从该双极电压DC/AC拓扑获得AC电压,如半桥或者NPC半桥,能使用1.半桥这是简单的转换拓扑,其仅包括两个(具有反并联的二极管的晶体管类型的)开关元件。然而,其运行的模式仅允许获得两个水平的输出电压Vbus/2以及-Vbus/2,其需要使用大的电感以滤波产生的电流谐波。在另一方面,因为所使用的半导体必须能够支持所有的总线电压,该拓扑具有大的开关损失。2. NPC半桥。为了提高半桥的行为,DC/AC NPC半桥能被用作转换结构。它是通过 6个开关元件G个是具有反并联二极管的晶体管类型以及2个是二极管类型)形成的结构。该拓扑允许获得三个水平的输出电压Vbus/2、0以及-Vbus/2。这相比在半桥中的电流,将减少电流波动,但是通过使用6个开关元件增加了其复杂性。单相系统的电力起伏特性引起总线电压中的波动。为了减少该变化,大的容量 (capacity)被使用。使用半桥或者NPC半桥要求总线电压是至少两倍于电网电压(如H-桥在DC/AC结构中使用的两倍),这相比在H桥上使用的将增加所要求的容量的尺寸。容量中的该增加增加了成本并且相当地增加了转换级的体积
发明内容
为实现目标并且解决以上说明的问题,本发明提出单相逆变器类型的电路,其调节并且转换在交流电能中的直流电能,以及其被配置以包括-两个直流电连接,其与直流电源连接;-第一临时蓄能器,其在直流电连接之间连接;-第一支路,其在直流电连接之间连接,并且其包括第一开关元件,第一电感以及第二开关元件;-第二支路,其包括第三开关元件,其在第二开关元件与第一电感的接合点处连接;-第三支路,其包括第四开关元件,其在第二开关元件与直流电连接的接合点处连接;-第二临时蓄能器,其在第三与第四开关元件之间连接;-第四支路,其包括第五开关元件与第六开关元件,且第五开关元件在第二临时蓄能器与第三开关元件的接合点处连接,以及第六开关元件在第二临时蓄能器与第四开关元件的接合点处连接;-第五支路,其包括第七开关元件,其在第一开关元件与第一电感的接合点以及第二临时蓄能器与第四开关元件以及第六开关元件的接合点之间连接;-两个交流电连接,其与从电网以及与准备以交流电工作的负载选择的元件连接;-第六支路,其包括第二电感,其在第五开关元件和第六开关元件的接合点与交流电连接之间连接。在本发明的优选实施例中,第一开关元件是MOSFET、IGBT、J-FET晶体管或者其他适合该配置的装置的类型,第二、第三、第四、第五以及第六开关元件是MOSFET、IGBT、J-FET 晶体管或者其他适合该配置的装置的类型,其每一个反并联于二极管连接;并且第七开关元件是二极管类型。 在另一优选实施例中,包括与第三开关元件以及第二开关元件并联连接的第八开关元件。在该例子中,第一与第二开关元件是MOSFET、IGBT、J-FET晶体管或者其他适合该配置的装置,第四、第五、第六、以及第八开关元件是MOSFET、IGBT、J-FET晶体管或者其他配合该配置的装置,其与相应二极管反并联连接,并且第三与第七开关元件是二极管类型。临时蓄能器可包含电容性的、超电容性的元件、电池或者这些元件的组合。另一优选的实施例包括在输入电路(直流电连接)中、在电路的输出中(交流电连接)放置EMC(电磁兼容性)滤波器或者在所述电路中分配EMC滤波器。该电路还能与控制单元连接,控制单元适合通过一系列在其输出产生的并且引向第一、第二、第三、第四、第五、以及第六开关元件的接通信号来控制开关。另一备选项是该电路与控制单元连接,控制单元适合通过一系列在其输出产生的并且引向第一、第二、第四、第五、第六以及第八开关元件的接通信号来控制开关,这些都取决于在以上所述的实施例的每一个中的开关元件的本性。所述控制单元可包含至少计算模块,其包含至少一个可编程的电子装置,其可以是通用处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路 (ASIC)或者可编程卡(FPGA)。在优选的实施例中,开关元件的接通信号通过脉宽调制的手段来执行。
本发明能应用于各个领域,通过示例指示直流电连接能与光伏单元、电化学电池单元、以及其他直流电源连接。输入端子到输出端子的直接连接当与输入端子连接的电网端子对应中性端子时允许将直流电源接地。于是,为了利于更好地理解该说明书并且成为其组成部分,附上某些附图,其中本发明的目的以例证且未限制的方式来代表,以及某些电路属于本领域技术发展水平。


图1根据本发明示出用于将直流电转换成交流电的电路的第一个实施例的电路图。图2示出带有光伏阵列的第一实施例的使用,其中光伏阵列的负极通过将所述端子与电网的中性点接合而与大地连接。图3示出带有光伏阵列的第一实施例的使用,其中光伏阵列的正极通过将所述端子与电网的中性点接合而与大地连接。图4根据本发明示出用于将直流电转换成交流电的电路的第二个实施例的电路图。
具体实施例方式图1示出本发明的电路的第一个实施例。该第一个实施例包括-两个直流电连接(1、2),其与直流电源连接;-第一临时蓄能器(Cl),其在直流电连接(1、2)之间连接;-第一支路,其在直流电连接(1、幻之间连接,并且其包括第一开关元件(E1),第一电感(Li)以及第二开关元件(E2);-第二支路,其包括第三开关元件(E3),其在第二开关元件(E》与第一电感(Li) 的接合点处连接;-第三支路,其包括第四开关元件(E4),其在第二开关元件(E》与直流电连接(2) 的接合点处连接;-第二临时蓄能器(C2),其在第三与第四开关元件(E3、E4)之间连接;-第四支路,其包括第五开关元件(E5)与第六开关元件(E6),且第五开关元件 (E5)在第二临时蓄能器(以)与第三开关元件(Ε; )的接合点处连接,以及第六开关元件 (E6)在第二临时蓄能器(C2)与第四开关元件(E4)的接合点处连接;-第五支路,其包括第七开关元件(E7),其在第一开关元件(El)与第一电感(Li) 的接合点和第二临时蓄能器((^)和第四开关元件(Ε4)以及第六开关元件(Ε6)的接合点之间连接;-两个交流电连接(3与4),其与从电网以及与准备以交流电工作的负载选择的元件连接;-第六支路,其包括第二电感(L2),其在第五开关元件(EQ和第六开关元件(Ε6) 的接合点与交流电连接C3)之间连接。在所述的实施例中,第一开关元件El是晶体管类型(M0SFET、IGBT、J-FET或者其他适合对应电路配置的类型),E7是二极管类型以及E2、E3、E4、E5、E6是与相应二极管反并联连接的晶体管。而且,蓄能器Cl与C2能是电容性的、超电容性元件、电池或者其组合。提出的拓扑允许获得在C2中的浮动电压,随后被用作DC/AC级的开关元件E2、E3、 E4、E5以及E6使用,以用于获得交流输出电压。C2的浮动电压通过用作具有升降本性的 DC/DC级的开关元件El、E2、E3、E4以及E7的协调动作的手段来实现。因此它是通过DC/ DC级以及其他DC/AC形成的、通过开关元件E2、E3以及E4共享的转换结构。为了提出的转换结构的合适运行,C2的电压必须至少是电网的最大电压。因为形成提出的拓扑的一部分的DC/DC与DC/AC级共享元件E2、E3以及E4,该结构的运行模式取决于将运行的电网电压的半循环,比如稍后解释的。输入端子O)与输出端子的直接连接当与(4)连接的电网端子对应中性端子时允许将直流电源接地。图2示出作为直流电源光伏发电设备的第一个实施例的使用,其中发电设备的负极通过将所述端子与电网的中性点接合而与大地连接。在该例子中,该结构的运行如下在正半循环期间-El与E4保持接通。-DC/DC级的控制通过E2的开关来实施。当E2接通时,流通过El与E2的线圈Ll 的电流增加。当E2关断时,流过E1、E3与E4的Ll的电流减少。-DC/AC级的控制通过元件E5与E6的开关来实施。当E5接通时,^2 = Vc2并且流过E4与E5的线圈L2的电流增加。当E6接通时,V52 = 0并且流过E4与E6的线圈L2的电流减少。其中V52是在点5与2之间的电位,以及Vc2是临时蓄能器C2的电位。在负半循环期间-E2与E3保持接通。-DC/DC级的控制通过El的开关来实施。当El接通时,流过El与E2的线圈Ll的电流增加。当El关断时,流过E3与E7的线圈Ll的电流减少。-DC/AC级的控制通过以互补的方式动作的元件E5与E6的开关来实施。当E6接通时,V52 = -Vc2并且流过E2、E3与E6的线圈L2的电流增加。当E5接通时,V52 = 0并且流过E2、E3与E5的线圈L2的电流减少。以该方式,实施在每个线圈中的电流的独立控制。用于所使用的开关元件的控制信号由控制单元确定,控制单元具有至少一个计算与一个逻辑单元以实现控制策略。计算模块包括至少一个可编程的电子装置,其可以是通用微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、可编程卡(FPGGA)或者以上的任何组合,其负责设置电源的工作点的更新值。图3示出带光伏阵列的第一实施例的使用,其中光伏阵列的正极通过将正极端子与电网的中性点接合而与大地连接。在该例子中,该结构的运行如下在正半循环期间-E2与E3保持接通。-DC/DC级的控制通过El的开关来实施。当El接通时,流过El与E2的线圈Ll的电流增加。当El关断时,流过E3与E7的线圈Ll的电流减少。
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-DC/AC级的控制通过以互补的方式动作的元件E5与E6的开关来实施。当E6接通时,V52 = Vc2并且流过E2、E3与E6的线圈L2的电流增加。当E5接通时,V52 = 0并且流过E2、E3与E5的线圈L2的电流减少。在负半循环期间-El与E4保持接通。-DC/DC级的控制通过E2的开关来实施。当E2接通时,流过El与E2的线圈Ll的电流增加。当E2关断时,流过E1、E3与E4的线圈Ll的电流减少。-DC/AC级的控制通过元件E5与E6的开关来实施。当E5接通时,V52 = -Vc2并且流过E4与E5的线圈L2的电流减少。当E6接通时,V52 = 0并且流过E4与E6的线圈L2 的电流增加。图4示出本发明的第二个实施例。在该例子中,新的开关元件E8与开关元件E2 与E3并联放置(比如图4中所示)。开关元件E8的使用允许减少在E2中的电流。在该第二个实施例中,开关元件El与E2是晶体管类型(M0SFET、IGBT、J-FET或者其他适合对应电路配置的类型),E3与E7是二极管类型以及E4、E5、E6以及E8与相应二极管反并联连接的晶体管。转换器的运行类似在第一实施例中所示的那样,考虑了 E8将在其中E2与E3同时接通的状态中保持接通(E8互补E4)。以该方式,在正半循环期间的运行将是类似的,并且在负半循环中将如下-E2与E8保持接通。-DC/DC级的控制通过El的开关来实施。当El接通时,流过El与E2的线圈Ll的电流增加。当El关断时,流过E2、E8与E7的线圈Ll的电流减少。-DC/AC级的控制通过元件E5与E6的开关来实施。当E6接通时,V52 = -Vc2并且流过E6与E8的线圈L2的电流减少。当E5接通时,V52 = 0并且流过E5与E8的线圈L2 的电流减少。提出的拓扑呈现了关于本技术领域发展水平的结构的一系列进步。-线圈L2与交流电连接(3)的端子中的一个的直接连接保证注入电网的电流不经历中断(其不是脉冲的)。-由于所使用的DC/DC级的升降本性,这能以比最大电网电压低的输入电压来工作,从而导致输入电压的宽泛的范围。-DC/DC级的使用允许将出现在光伏阵列的电容器C2中的波动去耦合,从而避免由围绕光伏阵列的最大电力点的电压起伏引起的损失,其出现在具有与光伏阵列直接连接的单个DC/AC级的系统中。-该电路能以跨电容器C2的等于最大电网电压、对于基于双极直流电压的结构所需要的电压的一半的电压运行。以该方式,所要求的电容器的尺寸将较小。-另一方面,使用的DC/AC级提供三个水平的电压V52:Vc2,0以及_VC2。因此获得具有类似NPC-半桥中获得的行为的结构,且使用少于两个元件,其关于本技术领域的发展水平的结构减少了半导体的数量(对相同的行为而言)。-由DC/DC与DC/AC级对E3与E4的共享使用,能减少这些元件的传导损耗,因为 Ll与L2的电流以相反的方向流过那里。以该方式,获得具有比在单极调制H桥或者NCP (中点箝位型)半桥中获得的要低的损失的DC/AC转换结构,其提高该转换结构的整体性能。
-在正半循环期间,通过El —直接通,电流持续从直流电源流出。这使在线圈Ll 中的电流的值最小,从而相比比如DE19642522C1, DE19732218C1, DE102006012164A1以及 W02008151587A1 (其中该电流总是脉冲的并且因此对于相同电力传送,Ll中的电流值应该更高),减少在DC/DC级的元件中的损失。
权利要求
1.用于将直流电转换成交流电的电路,其是调节并且转换直流电成交流电的单相逆变器电路,所述电路包括-两个直流电连接(1、2),其与直流电源连接; -第一临时蓄能器(Cl),其在所述直流电连接(1、幻之间连接; -第一支路,其在所述直流电连接(1、幻之间连接,并且其包括第一开关元件(E1),第一电感(Li)以及第二开关元件(E2);-第二支路,其包括第三开关元件(E3),所述第三开关元件(Ε; )在所述第二开关元件 (E2)与所述第一电感(Li)的接合点处连接;-第三支路,其包括第四开关元件(E4),所述第四开关元件(E4)在所述第二开关元件 (E2)与直流电连接O)的接合点处连接;-第二临时蓄能器(C2),其在所述第三与第四开关元件(E3、E4)之间连接; -第四支路,其包括第五开关元件(EO和第六开关元件(E6);且所述第五开关元件 (E5)连接至所述第二临时蓄能器(以)与所述第三开关元件(Ε; )的接合点,以及所述第六开关元件(E6)连接至所述第二临时蓄能器(以)与所述第四开关元件(E4)的接合点;-第五支路,其包括第七开关元件(E7),所述第七开关元件(E7)在所述第一开关元件(El)与所述第一电感(Li)的接合点和所述第二临时蓄能器(以)与所述第四开关元件 (E4)和所述第六开关元件(E6)的接合点之间连接;-两个交流电连接(3与4),其与从电网和准备以交流电工作的负载中选择的元件连接;-第六支路,其包括第二电感(L2),所述第二电感(U)在所述第五开关元件(EQ和所述第六开关元件(E6)的接合点与交流电连接( 之间连接。
2.如权利要求1所述的电路,其中-所述第一开关元件(El)从MOSFET、IGBT以及J-FET晶体管中选择; -所述第二、第三、第四、第五以及第六开关元件(E2、E3、E4、E5以及E6)从M0SFET、 IGBT以及J-FET晶体管中选择,其与相应二极管反并联连接;所述第七开关元件(E7)是二极管类型。
3.如权利要求1所述的电路,其中包括与所述第三开关元件(E3)和所述第二开关元件 (E2)并联连接的第八开关元件(E8)。
4.如权利要求3所述的电路,其中-所述第一与第二开关元件(El、E2)从MOSFET、IGBT以及J-FET晶体管中选择; -所述第四、第五、第六、以及第八开关元件(E4、E5、E6以及E8)从MOSFET、IGBT以及 J-FET晶体管中选择,其与相应二极管反并联连接,所述第三与第七开关元件(E3与E7)是二极管类型。
5.如权利要求1所述的电路,其中所述第一与第二临时蓄能器(C1、C2)从电容性的、 超电容的元件、电池以及其组合中选择。
6.如权利要求1所述的电路,包括电磁兼容性滤波器,其在所述直流电连接(1、2)、交流电连接(3、4)之间选择的以及在电路中分配的位置处。
7.如权利要求2所述的电路,其中所述电路与控制单元连接,所述控制单元适合通过一系列在其输出产生的并且引向所述第一、第二、第三、第四、第五、以及第六开关元件(E1、E2、E3、E4、E5以及E6)的接通信号来控制开关。
8.如权利要求4所述的电路,其中所述电路与控制单元连接,所述控制单元适合通过一系列在其输出产生的并且引向所述第一、第二、第四、第五、第六以及第八开关元件(E1、 E2、E4、E5、E6以及E8)的接通信号来控制开关。
9.如权利要求7所述的电路,其中在所述开关元件上的接通信号由脉宽调制的手段来执行。
10.如权利要求7或者8所述的电路,其中所述控制单元包含至少一个计算模块,其包括至少一个可编程的电子装置,其从通用处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)以及可编程卡(FPGA)中选择。
11.如权利要求1所述的电路,其中所述直流电源从光伏单元、电化学电池单元以及直流电源中选择。
12.如权利要求1所述的电路,其中与所述直流电连接( 直接连接的所述交流电连接 (4)是中性端子。
全文摘要
用于将直流电转换成交流电的电路,其尤其设计成用于无需变压器而与电网连接的光伏系统,并且实现光伏发电设备的输入端子(2)中的一个接地,从而以输入电压的宽泛范围工作并且具有高效率。
文档编号H02M7/5387GK102405589SQ201080014034
公开日2012年4月4日 申请日期2010年2月19日 优先权日2009年3月23日
发明者吉梅内斯 F·J·安辛, 卡拉霍拉 J·科洛马, 塞诺赛因 R·冈萨莱斯 申请人:英格蒂姆能源公司
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