DC/AC转换器、发电站和用于DC/AC转换器的操作方法与流程

本发明涉及DC/AC转换器、发电站和用于将DC(直流)电压转换为AC(交流)电压以用于送入单相或多相电网的方法。

背景技术：
从可再生资源获得电力能源正日益变得重要。可再生能源的一个来源是太阳光，可通过光伏发电机(PVgenerator)转换为DC电压。为了这个目的，将多个太阳能组件串联连接以形成所谓的串，如果合适，所述串还可以进一步与其他串并联连接。这里，串的长度决定可实现的DC电压。尤其是，在具有现今超过兆瓦功率的发电站的情况下，与大的串长度对应地，期望以高的发电机电压运行，以保持流动的电流低。这通过相对小的线路截面降低了电站内连接上的费用。同时，期望选择发电机电压从而超过线路电压的峰值。由于在发电站内，常常存在在送入所连接的电网之前调整发电机电压的值的要求，尤其是将发电机电压步增到中间电路的电压值，因此电站通常具有以下配置，其中升压转换器、中间电路和转换器桥串联连接。在这样的配置中各个组件的损耗加在一起。

技术实现要素：
因此，本发明的一个目的是提供一种DC/AC转换器，其可以利用相对低数量的开关来有效地执行将发电机提供的电力向与电网相符AC电压的转换。另一个目的是提供一种用于转换的方法以及电站，其显示相同优点。通过提供转换器实现上述目的，所述转换器也可以是发电系统的一部分。还描述了用于转换的方法。在相应的独立权利要求中描述了本发明的有利的实施例。根据本发明的第一方面，一种DC/AC转换器，用于将多个感应地连接的发电机的DC电力转换为与电网相符的AC电力以用于送入所连接的具有多个相的电网，每个相被分配给发电机；所述DC/AC转换器包括具有中间电路电容器以及正中间电路连接和负中间电路连接的中间电路，以及对于所述电网的每个相的桥。每个桥包括：第一开关，在所述正中间电路连接和相端子之间形成可切换的连接路径；第二开关，形成可切换的连接路径，并且连接到分配给所述相的所述发电机的正发电机端子和所述相端子；第三开关，形成可切换的连接路径，并且连接到分配给所述相的所述发电机的负发电机端子和所述相端子；以及第四开关，在所述负中间电路连接和所述相端子之间形成可切换的连接路径。另外，所述桥包括：第一二极管，将所述正中间电路连接连接到分配给所述相的所述发电机的所述正发电机端子；以及第四二极管，将所述负中间电路连接连接到分配给所述相的所述发电机的所述负发电机端子。所述开关配置允许发电机电感器在发电机电流的帮助下被充电，因此以这样的方式实现升压转换器的功能：存储在电感器中的电力可以被用来对中间电路充电或被送入电网中，从而中间电路可以以超过发电机电压的中间电路电压操作。这样仅用四个开关就实现了具有升压转换器功能的逆变器。在所述转换器的有利的实施例中，所述相的数量为一或为三。在所述转换器的另一有利的实施例中，每个桥经由所述正中间电路连接和所述负中间电路连接分别连接到作为公共中间电路的所述中间电路。由于所述公共中间电路，可以补偿单个发电机的电力短缺，这样使得能够实现经由所有相的均匀一致的电力输出。在这种情况下，可以使多相系统中各相之间的电力平衡，尽管每个相与相应的发电机相关联。在所述转换器的另一有利的实施例中，所述感应地连接的发电机中的至少一个包括磁性地互耦的第一和第二电感，所述第一电感连接到所述正发电机端子，所述第二电感连接到所述负发电机端子。这样，能量可以有效地存储在所述电感中。在所述转换器的另一有利的实施例中，所述发电机中的至少一个经由反向电流二极管连接到所述发电机端子中的一个。这样，抑制了发电机之间的过度补偿电流。在所述转换器的另一有利的实施例中，在所述正中间电路连接和所述相端子之间的所述可切换的连接路径包括所述第二开关，并且对所述桥的每个开关分别分配续流二极管(freewheelingdiode)。根据本发明的第二方面，一种DC/AC转换器，用于将多个感应地连接的发电机的DC电力转换为与电网相符的AC电力以用于送入所连接的具有多个相的电网，每个相与所述多个发电机中的发电机相关联；所述DC/AC转换器包括具有中间电路电容器以及正中间电路连接和负中间电路连接的中间电路。对于电网的每个相，设置用于在多个开关配置之间切换的桥。在所述桥的第一开关配置中，所述发电机端子相互连接，并且所述中间电路将电力发送到电网。在所述桥的第二开关配置中，发电机的电力被发送到电网，并通过所述中间电路来平衡由发电机提供的电力和在电网中流动的电力之间的差。同样，实现了升压转换器的功能并且可以补偿发电机的电力缺损，这样使得能够实现经由所有相的均匀的电力输出。根据本发明的第三方面，一种发电站，包括之前描述的DC/AC转换器，多个发电机被感应地连接到所述DC/AC转换器。优选地，所述发电机中的至少一个连接到地，尤其是具有高电阻。进一步优选地，所述发电机经由地电流监视器连接到地。在另外的优选的实施例中，每个发电机连接到地，并且所有的发电机分别在极处直接互连。如所述第一和第二方面，产生相同的优点。根据本发明的第四方面，一种方法，用于利用正中间电路连接和负中间电路连接通过桥将由感应地连接的发电机在正发电机端子和负发电机端子处提供的DC电力转换为AC电力，以用于在相端子处送入电网；所述方法包括在所述桥的至少两个开关配置之间的所述桥的钟控切换。在至少第一开关配置中，所述发电机端子互连，并且所述中间电路将电力发送到电网中。在至少第二开关配置中，所述发电机的电力被发送到电网，由发电机提供的电力和在电网中流动的电力之间的差通过所述中间电路来平衡。如所述第一和第二方面，产生了相同的优点。在一个有利的实施例中，所述方法包括在所述桥的四个开关配置之间的所述桥的钟控切换。在所述第一配置中，所述正发电机端子和所述负发电机端子互连，并连接到所述正中间电路连接以及连接到所述相端子。在所述第二配置中，所述正发电机端子连接到所述相端子以及连接到所述正中间电路连接，但是与所述负发电机端子隔离。在第三配置中，所述负发电机端子连接到所述相端子以及连接到所述负中间电路连接，但是与所述正发电机端子隔离。在第四配置中，所述正发电机端子和所述负发电机端子互连，并连接到所述负中间电路连接以及连接到所述相端子。在所述方法的另外的有利的实施例中，所述电网包括三个相，每个相与桥和发电机相关联，分别使用正弦波增量调制或使用空间矢量调制通过共同控制执行所述桥的钟控切换。这两种调制方案都适于精确地控制开关来提供与电网相符的AC电压。在所述方法的另一有利的实施例中，间隔地执行在所述第一和第二配置之间的钟控切换，所述间隔被选择为使得用处于导通状态的相关联的续流二极管激活的所述桥内的开关的数量最大化。这样，开关损耗被最小化，并实现了所述转换器的最大效率。附图说明下面结合附图说明本发明，所述附图应被解释为解释性的而不是限制性的。在附图中：图1示出了单相发电系统的示意图；图2示出了两个本发明的桥配置的示意图；图3示出了三相发电系统的示意图；图4示出了在不同的开关配置中在相的正半波期间桥内的电流路径的图示说明；图5示出了具有指定顺序的桥的开关配置的桥内的电流的时间廓形的图；图6示出了包括处于本发明第一配置中的桥的三相发电站的示意图；以及图7示出了包括处于本发明第二配置中的桥并具有地发电机的三相发电站的示意图。具体实施方式图1示出了包括发电机120的发电系统的图。发电机的正极经由发电机电感器130和可选的反向电流二极管140连接到桥160的正发电机端子150。发电机120的负极经由第二发电机电感器131直接连接到桥160的负发电机端子155。这两个发电机电感器130、131磁性地互耦。替代地，可以构思仅向发电机120的两极中的一个提供电感器，或者不将所述两个电感器磁性地互耦。发电系统还包括中间电路，在这里其被形成作为分裂的中间电路，包括第一中间电路电容器100和第二中间电路电容器110。所述两个中间电路电容器之间的中点连接到所连接的电网的中性导体N。所述中间电路的两个端点经由整中间电路连接170和负中间电路连接175连接到桥160。所述桥还包括相端子180，经由相端子180通过滤波器连接电网的相L，所述滤波器包括电网电感器190和滤波电容器195。桥160包括多个开关，并起到通过多个开关配置(换言之，包含在桥160中的开关的导通或阻断状态的组合)以时间调节的顺序将不同的连接互连或彼此隔离的目的，以这样的方式进行：由发电机120提供的DC电力在相端子180处可作为与电网相符的AC电力可用。图2A和2B示出了桥160内两种可能的开关布置。在根据图2A的第一布置中，桥160包括第一开关211，其在一端处连接到正中间电路连接170，在另一端处连接到正发电机端子150和第二开关212的一端。第二开关212的另一端连接到相端子180以及第三开关213的一端。第三开关213在另一端处连接到负发电机端子155和第四开关214的一端。第四开关214的另一端连接到负中间电路连接175。第一开关211因此在正中间电路连接170和相端子180之间形成了可切换的连接路径，在这种情况下该连接路径还包括第二开关212。这同样适用于经由第三开关213的在负中间电路连接170和相端子180之间的可切换连接路径。可以通过任何类型的已知的半导体开关来形成各开关，尤其诸如MOSFET、IGBT、JFET、以及晶闸管的功率半导体开关。在这种情况下每个开关可以被分配续流二极管(freewheelingdiode)221、222、223、224。图2B示出了同样包括四个开关的第二开关布置。这里，第一开关231以一端连接到正中间电路连接170，以另一端连接到相端子180。第二开关232用其一端连接到正发电机端子150，并且同样用另一端连接到相端子180。第三开关设置在负发电机端子155和相端子180之间，而第四开关设置在负中间电路连接175和相端子180之间。这里，第二开关232和第三开关233同样包括并联的续流二极管222、223。如图所示，第一续流二极管221设置在正中间电路连接170和正发电机端子150之间，而第四续流二极管224设置在负中间电路连接175和负发电机端子155之间。当然，第一开关231和第四开关234可以还另外包括专用的并联的续流二极管(未示出)。与来自图2A的开关布置相反，在根据图2B的布置中，经由中间电路连接170和175提供的电力可以经由单个开关231、234发送到相端子180，而在根据图2A的布置中，该电力流过两个开关211、212或213、214。因此相应的正向功率损耗的最小化是可能的。图3示出了在如下的情况下扩展到与三相电网一起使用的发电站的图示，其中电网的每个相L1、L2、L3分别分配到桥160，在每种情况下相应的发电机120感应地连接到桥160，就是说，经由发电机电感器130或一对发电机电感器130、131连接到桥160。可以根据图2的开关布置中的一个来设计桥160。所有的三个桥都经由其正中间电路连接170并经由其负中间电路连接175连接到公共中间电路，这里所述公共中间电路被配置作为分开的中间电路，其具有中点连接到中性导体N的两个中间电路电容器100、110。由于该连接，发电机120的多余电力可以在各个桥160之间，并因此在电网的相L1、L2、L3之间按顺序互换，从而补偿单个发电机120的电力缺损，从而使得经由三个相能够输出均匀的电力。作为一个示例，在本发明的一个变形例中，为了这个目的可以按时间顺序利用四个不同的开关配置，以实现在相端子180处的正弦电流廓形。在下面的表1中列出了这四个开关配置。这里，1代表各开关S1、S2、S3、S4的导通状态，0代表阻断状态。开关S1、S2、S3、S4对应于图2A和图2B中的开关211、212、213、214或开关231、232、233、234。在表的最后两列中列出的是在发电机端子150、155中的一个处的发电机电流的变化率的符号，以及在相端子180处的相电流的变化率的符号。表1：借助于来自图2A的开关布置，图4示出了在根据表1的各开关配置的情况下的电流路径，以示出桥电路160的操作模式。在配置1中，其中桥160的上部的三个开关S1、S2、S3处于导通状态，在相端子180处的线路电流经由正中间电路连接170来提供，这由电流路径的部分401示出。同时，发电机端子150、155经由开关S2和S3短路，从而经由发电机120和发电机电感器130、131构建了具有增大的电流值的电路402。在配置2中的变化的情况下，其中仅仅上部的两个开关S1、S2处于导通状态，电路402通过开关S3打开被中断，从而发电机电流412被沿着电流路径412重新定向到相端子中。当前的发电机电流和当前的相电流之间的差经由通过正中间电路连接170的电流411来平衡，根据该差的符号，电流411可以在两个方向流动。经由发电机120的电路通过经由负中间电路连接175和续流二极管224沿着电流路径413的相应的电流闭合。在第三配置中，以镜像的方式对应配置2，桥160的较低的两个开关S3、S4处于导通状态。结果，沿着路径421的发电机电流经由续流二极管221和正中间电路连接170流动到中间电路中，并且，从这里经由负中间电路连接175沿着电流路径422返回到发电机。此外，电流经由电流路径423流动到电网的相L中，从而使得，最后，发电机电感器130、131被部分地放电到中间电路中并部分地到电网中。在第四配置中，其中桥160的较低的三个开关S2、S3、S4处于导通状态，通过两个发电机端子150、155的连接，同样在发电机电路431中建立电流，而来自中间电路的相电流被保持沿着电流路径432。配置1和4，其中发电机电感器借助于发电机电流充电，以这样的方式实现升压转换器的功能：存储在电感器中的电力可以用在配置2和3中来对中间电路充电或送入电网中，从而中间电路可以以超过发电机电压的中间电路电压操作。作为示例，在本发明的转换器的操作期间，在配置的顺序的一个实施例中，可以仅允许配置之间的特定改变。因此可以构思仅仅按照顺序212343212343...来操作桥，在线路半波的周期内根据桥的控制，改变在相应配置中的驻留时间。在配置之间改变时，也可以在桥中简短地采取其他开关配置，例如，这是因为开关的导通和阻断状态之间的变化的时刻可以改变，并且必须确保在切换期间没有不期望的桥的短路发生。为了这个目的，通常在桥中在切换操作期间使用死区时间。然而，也可以构思为了控制桥故意使用另外的开关配置。也可以指出，在桥内的许多切换操作可以没有损耗的进行，因为已经分配给开关的续流二极管在切换时刻携载电流，并因此开关的电压负荷在切换时刻为低。为了使转换器的效率最大化，因此可以构思在开关配置之间改变，或选择后续配置，从而使得将在某一时刻(其中相关联的续流二极管处于导通状态)激活的开关的数量最大化。作为模拟的结果，图5中以图的形式示出了在桥160中不同电流的时间廓形。这里，曲线510示出了与电流的正弦目标值廓形500相比的相电流的廓形，曲线520示出了发电机电流的廓形。在曲线510、520中的上升和下降是由桥160的不同的开关配置导致的，这也被示出作为曲线530的值台阶，并表明桥可以如何通过开关配置之间的适当的变化模拟目标值廓形500，发电机电流在绕固定值(例如，在MPP(最大功率点)处的电流)的窄区域中取廓形520。当发电站被配置为送入多相电网时，在一个有利的实施例中，以这样的方式操作分配给各相的桥，尤其是，每当中间电路电压与电网的峰值电压相比太低时：可以使用正弦波或增量调制或空间矢量调制。从而中性导体N的电位可以具有相对于地电位的DC电压分量，和/或具有三重线路频率(triplelinerequency)的AC电压分量。图6示出了根据图3用于送入三相电网的发电站，桥160通过根据图2B的开关布置形成。作为对比，图7示出了具有根据图2A的桥160中的开关布置的发电站，在这种情况下，中间电路仅通过单个电容器100形成。为了设置相L1、L2、L3的中间相电位，后者经由滤波电容器750分别连接到正中间电路连接和负中间电路连接。发电站进一步包括AC隔离开关720，例如电网保护，通过隔离开关可以将桥160连接到变压器730，变压器730将出向的AC电压转换为所连接的电网740的合适的电压值。变压器730可以例如是中压变压器，从而使得由发电机120产生的电力能够直接被送入中压电网。此外，发电站包括地电流监视器700，例如GFDI(地故障检测中断)，其分别连接到发电站的每个发电机120的极，并监视到地连接710的电流，以及，在超过所允许的电流值时实行适当的措施，例如经由AC隔离开关720将电站与电网隔离。如果目的是将分配给电网的不同相的发电机120互连，例如以产生大地基准(earthreference)，则推荐使用反向电流二极管140以避免发电机120之间过度的补偿电流。不同于图7中所示的，也可以仅为单个发电机120或发电机120的子集提供地基准，并且地基准也可以被设计具有高电阻。本发明不限于所描述的实施例，本发明可以由本领域技术人员用多种方式修改和实现。尤其是，所提到的特征也可以不同于那些给出的组合地设计，并且通过另外的先前已知的过程或组件的模式来补充以实现本发明的思想。附图标记列表100，110中间电路电容器120发电机130发电机电感器140反向电流二极管150正发电机端子155负发电机端子160桥170正中间电路连接175负中间电路连接180相端子190电网电感器195滤波电容器211，231，S1第一开关212，232，S2第二开关213，233，S3第三开关214，234，S4第四开关221，222，223，224续流二极管401，402，411，412，413，421，422，423，431，432电流路径部分500相电流的目标值廓形510相电流的实际值廓形520发电机电流的廓形530桥开关配置的时间顺序700地电流监视器710地连接720AC隔离开关730变压器740电网750滤波电容器N中性导体L，L1，L2，L3相