用来将电功率储存到供能网络中的逆变器，尤其用于光伏系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种逆变器(10)，尤其用于光伏系统，用来将电功率储存到一个供能网络(7)中，该逆变器具有一个中间电路电容器安排(12)和多个半导体功率开关。这些半导体功率开关通过一个控制装置(14)进行控制。该逆变器(10)具有至少一个温度传感器(15)用于确定该中间电路电容器安排(12)的温度(T)，并且该控制装置(14)被适配为，在不将电功率储存到该供能网络(7)中的情况下，取决于该温度(T)来控制这些半导体功率开关，以便用该逆变器(10)的耗散热量来预加热该中间电路电容器安排(12)。
【专利说明】用来将电功率储存到供能网络中的逆变器，尤其用于光伏 系统
[0001] 本实用新型涉及一种逆变器，尤其用于光伏系统，用来将电功率储存到一个供能 网络中，该逆变器具有一个中间电路电容器安排（Zwischenkreis-Kondensatoranordnun g)。
[0002] 在光伏系统（以下简称为PV系统）中，逆变器用于将由光伏发电机（PV发电机） 产生的直流电转换为交流电，该交流电可以单相地或多相地储存在一个公开的或私有的供 电网络中。在本申请的框架中，PV发电机在此应理解为优选多个光伏模块（PV模块）的各 种安排。
[0003] 此类的用于PV系统的逆变器在其直流输入电路中或一个直流电压中间电路中具 有多个（缓冲_)电容器，以便虽然在转换成交流电时进行了脉冲化的电流提取仍然将由 PV发电机输送的直流电压平滑化并且由此提高最大的可提取的峰值电流脉冲。在单级逆 变器的情况下，其中一个逆变器桥直接用PV发电机的电压进行加载，此类的电容器安排是 与PV发电机并联地连接的。在多级逆变器的情况下，该逆变器桥连接在一个直流变压器的 上游，该直流变压器将PV电压升压或降压到一个适合于逆变器桥工作的电压水平。在此类 的系统中，电容器安排通常安排在直流变压器（也称为DC (直流）/DC变压器）与逆变器桥 之间，并且出于这个原因还称为中间电路电容器安排。在本申请的框架中，在下文中，与该 电容器安排的位置无关，概括性地将安排有该电容器安排的电路根据一般术语称为中间电 路。对应地，用于在不连续的电路提取时将电压平滑化的电容器安排被称为中间电路电容 器安排。
[0004] 中间电路电容器安排一般包括一个或多个并联和/或串联连接的电容器。大多数 情况下使用电解质电容器，这些电解质电容器相对于其容量而言具有很小的体积和低廉的 价格。电解质电容器的缺点是，在低温下，尤其在低于〇摄氏度的温度下，由于所使用的电 解质的物理变化，显示出在其容量上的大幅度降低（"冻结"）。尤其在露天系统的情况下， 逆变器的中间电路电容器安排经常暴露于此类较低的温度。在白天的储存工作中，转换成 热的耗散功率在电解质电容器中导致电解质电容器的加热，使得在工作中较低的环境温度 并不成为问题。然而，当在工作暂停（例如在夜间）之后重新开始储存工作时，较低的环境 温度可能是有问题的。当中间电路电容器安排的电解质电容器由于该工作暂停而已经冷却 到一个较低的环境温度上并且其容量已经对应地减少时，在启动PV系统和逆变器执行电 网储存工作时这可能导致在逆变器内部的过电流和/或过电压。原因是，负责控制逆变器 桥中的功率半导体的逆变器内部调节装置没有被设定到改变后的边界条件上，这些边界条 件是通过中间电路电容器安排的电容降低而产生的。
[0005] 为了解决这个问题，已知的是，设置一个额外的用于该中间电路电容器安排的加 热设备，通过该加热设备，这些电解质电容器在启动PV系统之前可以被升温，使得它们具 有充分的电容用于使逆变器的调节装置正确地工作。然而，为该中间电路电容器安排的电 解质电容器设置一个分离的加热器是与额外的耗费和额外的成本相关的。
[0006] 因此，本实用新型的一个目的是提供一种逆变器，其中即使在没有额外的加热装 置的情况下，储存工作也可以在较低的环境温度下进行，而没有出现过电流和/或过电压 的危险。
[0007] 这个目的是通过一种逆变器、尤其用于光伏系统的、用于将电功率储存到一个供 能网络中的逆变器来实现的，该逆变器具有一个中间电路电容器安排和多个半导体功率开 关，这些半导体功率开光通过一个控制装置来进行控制，其特征在于，该逆变器具有至少一 个温度传感器用于确定该中间电路电容器安排的温度；并且该控制装置被适配为，在不将 电功率储存到该供能网络中的情况下，取决于温度来控制这些半导体功率开关，以便用逆 变器的耗散热量来预加热该中间电路电容器安排。
[0008] -种用于启动光伏系统的方法，该光伏系统具有一个带有中间电路电容器安排的 根据本实用新型的逆变器并且被适配为用于将电功率储存到一个供能网络中，具有以下的 步骤：操作该逆变器，同时将其从该供能网络断开。然而用该逆变器的耗散热量预加热该中 间电路电容器安排。一旦该中间电路电容器安排已经达到一个高于预定最小工作温度的温 度，就将该逆变器与供能网络相连接并且将电功率储存到该供能网络中。预定的最小工作 温度在此给出了如下的温度：在该温度以上，逆变器得以正确地工作，尤其是具有正确工作 的调节装置。在此意义上，该温度也可以被看做是最低温度。
[0009] 该逆变器由此用作预加热该中间电路电容器安排的热源，其方式为在与该供能网 络没有处于连接的情况下操作该逆变器。不需要分离的加热装置。通过当该中间电路电容 器安排已经达到该预定的最小工作温度以上的温度时才进行与该供能网络的连接以及储 存工作，确保了在储存工作中的对逆变器的正确调节。
[0010] 在该方法的一个有利的设计中，在预加热之前和/或过程中测量中间电路电容器 安排的温度并且将其与预定的最小工作温度相比较。替代性地，可以执行预加热阶段持续 一个预定的时间长度，其中该时间长度取决于一个环境温度或一个预先测量的中间电路电 容器安排的温度值来选择。于是，直接测定为了达到预定的最小工作温度所需的预加热时 间长度，或者由时间长度对环境温度的已知的依赖性来确定。
[0011] 在该方法的另一个有利的设计中，由于转化过程（Umladevorgangen),在该中间 电路电容器安排自身的至少一个电容器中产生耗散功率。通过该转化过程，例如通过该逆 变器的半导体功率开关的适当的开关（节拍作用（Takten))引起的，进行从内部并因此快 速有效的对电容器的预加热。
[0012] 另外地，根据该方法的另一个有利的设计，由于在该逆变器的半导体功率开关中 的开关过程产生的耗散热量被引导到该中间电路电容器安排，例如借助于一个热桥。
[0013] 一个根据本实用新型的逆变器，尤其用于光伏系统，用来将电功率储存到一个供 能网络中，包括一个中间电路电容器安排和多个半导体功率开关，该安排优选具有至少一 个电解质电容器，这些半导体功率开关通过一个控制装置来控制。其突出之处在于用于确 定该中间电路电容器安排的温度的至少一个温度传感器。此外，该控制装置被适配为，在不 将电功率储存到供能网络的情况下，取决于温度来控制这些半导体功率开关，以便用逆变 器的耗散热量来预加热该中间电路电容器安排。这产生了与该方法相关地叙述的优点。
[0014] 该温度传感器在此可以直接安排在该中间电路电容器安排处。但是还可设想的 是，采用一个安排在该PV系统中一个另外位置处的温度传感器，例如一个环境温度，以便 在较长的工作暂停之后判断该中间电路电容器安排的温度。
[0015] 在该逆变器的一个有利的设计中，设置有一个热桥，该热桥将该中间电路电容器 安排热学地与这些半导体功率开关相连。除了在中间电路电容器安排自身中出现的耗散热 量之外，还可以按此方式使用其他在逆变器中出现的耗散热量。优选该热桥具有导热材料 和/或导热管或包括一个通风机和一个导气通道或一个导气管。以此形式可以将半导体功 率开关的耗散热量在没有大的耗费的情况下传递到该中间电路电容器安排上。具有该通风 机和导气通道或导气管的解决方案还提供了如下优点，即半导体功率开关与中间电路电容 器安排的热联接可以通过接通或断开该通风机或调解该通风机的转速来容易地进行控制。
[0016] 下面将通过一个实施例借助于两个附图来详细说明本实用新型。附图示出：
[0017] 图1是一个PV系统中的连接框图，并且
[0018] 图2是一种用于启动PV系统的方法的流程图。
[0019] 图1以示意性连接框图显示了作为用于向供能网络中进行储存的供能系统的一 个PV系统。该PV系统具有一个PV发电机1，该发电机通过直流导线2与一个逆变器10相 连。逆变器10在输出侧通过一个逆变器电流输出3与一个正弦波过滤器4并且后续地通 过一个开关机构5 (例如一个保护器）与一个变压器6相连。变压器6在输出侧与一个供 能网络7相连，以将由PV发电机1产生的并且在逆变器10中转换的电功率储存到该供能 网络中。
[0020] PV发电机1在图1中是通过一个独立PV电池的开关符号来符号性表示的。应理 解的是，该PV发电机1在所示PV系统的一个实现方式中可以是由多个PV模块构造的，这 些模块是串联和/或并联地连接的。
[0021] 所示的PV系统被设计为用于向一个三相供能网络7中进行储存。三个相的比例 应理解为仅是示例性的。本申请的逆变器10和一个由此构造成的PV系统可以同样适合于 以任意相数量来工作、尤其适合于单相地工作。在所示的实施例中，逆变器10通过用于逆 变器10的输出电流的信号成形的正弦波过滤器4和变压器6而与供能网络7相连。这也 仅是PV系统的一个示例性的设计。根据本申请的方法同样可以用如下的逆变器执行，该逆 变器在没有变压器的中间连接的情况下与该供能网络7相连。对应地，根据本申请的逆变 器可以形成为用于此类无变压器式的工作。出于简明性的原因，PV系统的另外的元件，例 如直流侧（DC-直流电）的开关机构或其他的交流侧（AC-交流电）的开关机构，例如系统 分离器或保险机构，在图1中没有再现。
[0022] 逆变器10在所示的实施例中包括一个输入侧的DC/DC变换器11，该变换器通过一 个中间电路与一个输出侧的DC/AC变换器13相连。在该中间电路中安排有一个中间电路 电容器安排12,该安排具有至少一个电容器121，尤其是一个电解质电容器。通常，在该中 间电路电容器安排12的一个实现方式中，多个电容器并联和/或部分串联连接式地彼此相 连接。应注意的是，一个根据本申请的逆变器还可以被构造为没有输入侧的DC/DC变换器， 其中该中间电路电容器安排12直接与该直流导线2相连。
[0023] 为了控制逆变器10且尤其为了控制在DC/DC变换器11和DC/AC变换器13中使用 的半导体功率开关，逆变器10具有一个控制装置14。通常，开关机构5也是由这个控制装 置14来操纵，从而当逆变器10被PV发电机1提供一个足够用于储存的功率时，进行逆变器 10的输出3与该供能网络7的连接。控制装置14通常还被适配为，通过适当地控制DC/DC 变换器11来设置该PV发电机1的一个工作点，例如以如下方式，执行一个所谓的MPP(最 大功率点）追踪方法，该方法用于在一个最大功率的工作点操作该PV发电机1。
[0024] 在一个根据本申请的逆变器10的设计中，在中间电路电容器安排12处或其中安 排有一个温度传感器15,该温度传感器与电容器121处于热学连接用于测量这些电容器 121的温度T。温度传感器15与控制装置14相连，使得能够读入中间电路电容器安排12 的温度且尤其是在那里使用的电容器121的温度。
[0025] 此外，在DC/AC变换器13与中间电路电容器安排12之间形成有一个热桥16。热 桥16使得能够从DC/AC变换器13到中间电路电容器安排12进行热传递。另外，热桥16 在DC/AC变换器13之内与DC/AC变换器13的转化耗散功率并因此发出热的部件相连。这 些部件尤其是安排在DC/AC变换器13的输出侧的一个或多个逆变器桥的半导体功率开关。 在中间电路电容器安排12处或其中，热桥16以如下方式终止，即从其传递的热导致电容器 121的加热。
[0026] 热桥16可以通过一个导热的元件形成，例如一个实心的铜杆或铝杆或者也可以 通过一个或多个由这些材料组成的具有对应横截面的编织物（Litzen)。在另一个设计中， 热桥16可以替代地或另外地具有一个或多个所谓的导热管（热管），在该导热管中，热通过 气体传输和/或液体传输以及相变过程进行传递。还可设想的是，热桥16通过一个对应的 传导的气流来形成，例如以如下方式，在DC/AC变换器13中产生的废热通过一个通风机和 一个导气通道或导气软管被传递到中间电路电容器安排12。后一种情况提供了如下优点， 即热传递的量是通过通风机的转速而可控的。尤其可以在不操作通风机时中断热传递。
[0027] 逆变器10的控制装置14被适配为，通过该温度传感器15来测定中间电路电容器 安排12的温度T。当尤其在逆变器10的启动过程开始时确定该中间电路电容器安排12的 温度T处于一个预定的最低温度?；以下时，DC/AC变换器13的逆变器桥通过其半导体功率 开关的控制（节拍作用）来操作，然而与供能网络7并未处于连接。与供能网络7的分离 或缺乏连接可以例如通过对应地控制交流侧的开关机构5来实现。
[0028] 即使没有向供能网络7中储存功率，逆变器桥的半导体功率开关的节拍作用也导 致半导体功率开关的加热，因为例如通过与逆变器13的交流输出3相接的正弦波滤波器4 将功率进行转化。在此，半导体功率开关可以如此操作，使得直流电到交流电的转换用一个 已知较差的效率来进行。
[0029] 所产生的热通过热桥16传递到中间电路电容器安排12并且在那里尤其传递到电 容器121上，以对其加热。在这个工作状态中，逆变器10优选被操作，直到由温度传感器15 测量到一个高于预定的最低温度L的温度T。然后才进行逆变器10到该供能网络7的接 通。以此方式确保了，只有当中间电路电容器安排12的电容器121具有一个大于?；的足 够的温度并且能够提供对于DC/AC变换器13的正确的储存工作而言足够的电容时，才进行 逆变器10在储存条件下的工作。
[0030] 除了通过热路径16的加热以外，通过逆变器桥的半导体功率开关的节拍作用引 起的中间电路电容器安排12处的电压波动也导致电荷向电容器121中的流入和流出。在 这种转化过程中，热直接释放到电容器121中。这种热，附加于通过热桥16传输到中间电 路电容器安排12中的热，促进了电容器121的加热。在逆变器10的一个替代地设计中，这 种热可以单独地使用，以使中间电路电容器安排12到达一个适合工作的温度。在逆变器10 的一个此类的设计中，可以取消热桥16。
[0031] 图2示出用于启动具有本实用新型逆变器的PV系统的一个优选方法的流程图。该 方法可以例如由图1的逆变器10的控制系统14实施。因此，在下文中将使用图1的附图 标记示例性地进行描述。
[0032] 该方法的初始情况是如下的PV系统的工作状态，在该工作状态中没有向供能网 络7中进行储存，其中尤其在逆变器10的输出侧设置的逆变器10的开关机构5与供能网 络7分离。
[0033] 在第一步骤S1中，从PV发电机1通过逆变器10的直流导线2提供一个电压，该 电压足以对逆变器10供应一个自身的工作电压并且起动一个在控制装置14中存在的微控 制器。
[0034] 在一个后续的步骤S2中，从控制装置14通过温度传感器15测定中间电路电容器 安排12的一个温度T。所测量的温度T与一个预定的最小必须的工作温度?；(最低温度） 进行比较，在该最低温度之下中间电路电容器安排12的电容是过小的而不能使逆变器10 毫无危险地进行储存工作。当所测量的温度T在最低温度?；之下时，该方法分支到下一个 步骤S3。
[0035] 在这个步骤S3中，在控制装置14控制下该DC/AC变换器13的逆变器桥进行节拍 作用，而不发生向供能网络7中的储存。通过半导体功率开关的节拍作用，在逆变器13中 进行直流向交流电的转换，该电流流入正弦波过滤器4中。通过从中间电路的脉冲式的电 流提取进行在电容器121中的转化过程，该过程将电容器加热。如果额外地在DC/AC变换 器13与中间电路电容器安排12之间存在一个热桥16,那么通过例如在半导体功率开关中 转化的耗散热量向中间电路电容器安排12进行额外的热输入。如果热桥16是可开关的， 那么它对应地在这个步骤S3中启用。例如当废热通过一个可控制的通风机从DC/AC变换 器13引到中间电路电容器安排12时，存在可开关的热桥16。
[0036] 在图2所示的实施例中，逆变器桥的预加热工作在步骤S3中进行一个预定的时间 长度，其中该时间长度被选择为，使得采用足够的加热。该预定的时间长度在此可以取决于 一个所测量的环境温度或取决于在步骤S2中测量的温度T来选择，例如借助于一个储存的 且经验式获得的表格。然后，该方法以步骤S4继续进行，其中逆变器10在一个正常的储存 工作中操作，并且对应地产生对供能网络7的连接，例如通过将之前一直打开的交流侧的 开关机构5闭合。
[0037] 当在步骤S2中确定了中间电路电容器安排12的温度T在该方法开始时已经大于 或等于该最低温度?；，那么该方法在绕过步骤S3的情况下直接分支到步骤S4。
[0038] 在该方法的一个替代地设计中可以提出，在步骤S3结束之后该方法重新分支回 到步骤S2并不自动以步骤S4继续进行。在此情况下，重新测量温度T并将其与最低温度 TQ相比较，并且在适当时重新执行步骤S3持续该预定的时间长度。在这个设计中确保，只 有在中间电路电容器安排12的温度足够高时才进入步骤S4中的正常工作。
[0039] 在该方法的另一个替代地设计中，可以交换步骤S2和S3的顺序。在一个此类的 设计中，在步骤S1之后首先执行在步骤S3中的预加热工作持续一个预定的时间长度，然后 再测量并检验温度T。只有在温度T达到一个足够的值并且大于该最低温度?；或等于该最 低温度?；时，该方法以步骤S4继续进行。否则该方法向回分支并且重新执行步骤S3,其方 式为将DC/AC变换器13的逆变器桥进行节拍作用，而不进行储存工作。在此情况下，预加 热步骤S3的时间长度可以被选择为较短，因为确保了，当中间电路电容器安排12的温度T 仍然不够高时重复执行这个步骤多次。
[0040] 在该方法的另一个替代的设计中还可以替代于温度测量进行对中间电路电容器 安排12的电容的直接测量。于是实施或重复预加热步骤S3,直到中间电路电容器安排12 已经达到了足够的电容。中间电路电容器安排12的其他参数（由这些参数能够判断由温 度导致的电容的降低）也可以用于该方法的控制，例如串联等效电阻。
[0041] 附图标记清单
[0042] 1 PV发电机
[0043] 2直流导线
[0044] 3逆变器电流输出
[0045] 4正弦波过滤器
[0046] 5分离机构
[0047] 6变压器
[0048] 7供能网络
[0049] 10逆变器
[0050] 11 DC/DC 变换器
[0051] 12中间电路电容器安排
[0052] 121电容器
[0053] 13 DC/AC 变换器
[0054] 14控制装置
[0055] 15温度传感器
[0056] 16 热桥
[0057] S1-S4 步骤
[0058] Τ 温度
[〇〇59] L最小工作温度（最低温度）
【权利要求】
1. 逆变器（10)，尤其用于光伏系统，用来将电功率储存到一个供能网络（7)中，该逆变 器具有一个中间电路电容器安排（12)和多个半导体功率开关，这些半导体功率开关通过 一个控制装置（14)来控制，其特征在于， 该逆变器（10)具有至少一个温度传感器（15)用于确定该中间电路电容器安排（12) 的温度⑴；并且 该控制装置（14)被适配为，在不将电功率储存到该供能网络（7)中的情况下，取决于 该温度（T)来控制这些半导体功率开关，以便用该逆变器（10)的耗散热量来预加热该中间 电路电容器安排（12)。
2. 根据权利要求1所述的逆变器（10)，其中该中间电路电容器安排（12)具有至少一 个电解质电容器。
3. 根据权利要求1或2所述的逆变器（10)，其中设置有一个热桥（16)，该热桥将该中 间电路电容器安排（12)热学地与这些半导体功率开关相连。
4. 根据权利要求3所述的逆变器（10)，其中该热桥（16)具有一种导热的材料和/或 一个导热管。
5. 根据权利要求3所述的逆变器（10)，其中该热桥（16)包括一个通风机和一个导气 通道或一个导气管。
6. 根据权利要求1所述的逆变器（10)，该逆变器被适配为，通过在该中间电路电容器 安排（12)自身的至少一个电容器（121)中的转化过程产生耗散热量用于预加热该中间电 路电容器安排（12)。
【文档编号】H02M1/36GK203851018SQ201420199383
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年4月23日 优先权日:2013年4月29日
【发明者】T·姆勒 申请人:艾思玛太阳能技术股份公司