逆变器和用于操作逆变器的方法与流程

本发明涉及一种逆变器，该逆变器用于将直流电压源的直流电压转换成交流电压，以馈送到单相三导体网络(或单相三线制网络)和给负载供电，该逆变器包括用于连接至所述直流电压源的dc输入端、具有中间电路中心点的中间电路、dc/ac转换器、控制装置、以及ac输出端，该ac输出端具有用于连接至所述单相三导体网络和所述负载的两个或更多个相导体和中性导体，其中所述dc/ac转换器具有至少两个半桥，在正常操作中，所述至少两个半桥在所述输出端侧并联连接并且连接至所述ac输出端的相导体中的一个相导体，并且其中所述中间电路中心点连接至所述ac输出端的其它相导体中的一个相导体。

本发明进一步涉及一种用于操作逆变器的方法，该逆变器用于将直流电压源的直流电压转换成交流电压，以馈送到单相三导体网络和给负载供电，该逆变器包括用于连接至所述直流电压源的dc输入端、具有中间电路中心点的中间电路、dc/ac转换器、控制装置、以及ac输出端，该ac输出端具有用于连接至所述单相三导体网络和所述负载的两个或更多个相导体和中性导体，其中所述dc/ac转换器具有至少两个半桥，在正常操作中，所述至少两个半桥将在所述输出端侧并联连接并且将连接至所述ac输出端的相导体中的一个相导体，并且其中所述中间电路中心点将连接至所述ac输出端的其它相导体中的一个相导体。

背景技术：

使用逆变器将能量源例如光伏模块的直流电压转换成正弦交流电压，该正弦交流电压能够被馈送到公用电网或供电网络或者还能够直接用来给负载供应能量。为了能够以尽可能低的电流馈送尽可能高的功率，通常将逆变器连接至公用电网的相导体或各个相。具体而言，在单相三导体网络或分相三线系统(在北美还将其称为分相系统，并且包括三个导体，即两个相导体和中性导体)中，在电网或网络发生故障的情况下，关于负载的能量供应出现问题，由于连接至相导体的逆变器，这些负载必须使用在次级侧具有中央抽头的变压器或至少自耦变压器，这是因为大多数负载都连接在其中一个相导体与中性导体之间。这种变压器相对昂贵，这就是为什么针对不需要使用这种变压器的可能性进行研究的原因。

本发明特别地旨在用于采取单相三导体网络形式的公用电网，并且还能够应用于具有三相扩展的单相三导体网络中，这种具有三相扩展的单相三导体网络在北美被称为三角四线系统、高腿三角系统或红腿三角系统。

不用任何变压器的一种可能方案是分别给公用电网的一个相导体并联使用两个或更多个逆变器。这种方案由于高支出和高成本而通常不可行。

从根据de102014104216b3的现有技术，已知一种逆变器，该逆变器确保在紧急电力操作情况下向所选负载供应能量。然而，在这方面，在该紧急电力操作过程中，只有布置在一个相导体和中性导体之间的单相负载能够被供应能量，但是布置网络或电网的两个相导体之间的那些负载就无法供应能量。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种如上所述的逆变器和操作这种逆变器的方法，通过所述逆变器和所述方法，在公用电网(单相三导体网络)发生故障的情况下，无需使用变压器就能够确保至少一些负载的能量供应。避免或至少减少了使用变压器的这些已知装置和方法的缺点。

根据本发明，所述目的通过如上提到的逆变器来实现，其中控制装置被设计成在紧急电力操作中将所述dc/ac转换器的一个半桥连接至所述ac输出端的相导体，将所述dc/ac转换器的另一个半桥连接至所述ac输出端的另一个相导体，并且将所述中间电路中心点连接至所述ac输出端的所述中性导体，将所述半桥的输出信号的幅度减半，并且使一个半桥的输出信号相移180°，从而使得在紧急电力操作中也能够给连接在所述中性导体和相导体之间的至少一些负载供应能量。因而，在正常操作中，本发明的逆变器(该逆变器包括所述dc/ac转换器的特别互连的半桥)通过在所述输出端侧并联连接的两个半桥确保向所述单相三导体网络的相导体内馈入能量，而在紧急电力操作中，所述半桥被相应地切换，并且将所述半桥的输出信号的幅度减半，以便在所述单相三导体网络发生故障的情况下也至少保证向连接在所述中性导体和所述相导体之间的至少一些负载供应能量。因此，在所述紧急电力操作中，所述dc/ac转换器的两个半桥均在一个相导体和中性导体之间分别馈入，并且与正常操作过程中输出信号的幅度相比，所述半桥的输出信号的幅度减半，因此，即使在紧急电力操作中，连接在所述逆变器的ac输出端的中性导体和相导体之间的至少那些负载也能够被供应能量。与现有技术相反，不需要在次级侧具有中央抽头的任何附加变压器，而是仅仅需要用于切换所述半桥的对应开关以及用于将所述半桥的输出信号减半的装置。这种电路的特征是花费特别小，因此成本较低。为了将输出电压减半并且将电流分布给两个半桥，在紧急电力操作中，能够向相应负载供应正常操作的最大功率的至多一半。结果，可在正常操作和紧急操作之间进行切换。通过对应的微控制器能够相对廉价地理想地实现所述半桥从正常操作到紧急电力操作的切换或反之以及将输出信号减半的控制。通过将所述第二半桥的输出信号相移180°，不仅连接在所述中性导体和所述相导体之间的负载在所述紧急电力操作过程中仍然能够被供应能量，而且连接在相导体和相导体之间的负载也可获得所需的供应电压。这意味着，通过将半桥的输出信号相移180°，使得所述两个半桥的差电压等于所述相导体和中性导体之间的电压的两倍，在单相三导体网络中，这相当于相导体和相导体之间的电压，因而能够用来向连接在相导体和相导体之间的负载供应能量。所述逆变器的这种设计允许在紧急电力操作中也能够给在紧急电力操作中至少连接至所述逆变器的ac输出端的所有负载供应能量。

当所述控制装置被设计成在紧急电力操作中将所述ac输出端的所述相导体中的至少两个相导体彼此相连时，获得所述逆变器的另一个有利实施方式。这允许给连接在所述中性导体和所述相导体之间的负载供电，并且同时使输出电流均匀地分布在所述两个半桥之间。通过所述相导体的连接能够解决所述负载与不同相导体的大多数非均匀分配，这可以从正常操作预设。同时，所述相导体的连接实现了所述半桥的并联连接，从而在不同相导体上馈送，由此能够实现均匀电流分布。所述相导体的连接例如可以通过位于所述逆变器的内部或外部的继电器实现。由于电流均匀分布至所述半桥，所述逆变器能够被加载至所有半桥的最大电流，这允许在紧急电力操作中给更多负载或者具有更高功率需求的负载供应能量。

优选地，设置ac断路器，该ac断路器布置在所选负载和其余负载之间，并且所述控制装置被设计成驱动所述ac断路器，使得在紧急电力操作中将所述ac输出端连接至所述所选负载，同时将与所述其余负载和与所述单相三导体网络的连接断开。通过这种ac断路器(该ac断路器可以集成在所述逆变器中，或者也可以布置在所述逆变器的外部)，在所述紧急电力操作的情况下，所述单相三导体网络将被从所述逆变器的所述ac输出端断开，并且将在所述负载之间进行选择，即将所述负载分成在紧急电力操作中也将提供电能的所选负载和在紧急电力操作中不必供应电能的其余负载。例如，可以将电冰箱或警报系统选择为在所述单相三导体网络发生故障的情况下在紧急电力操作中也要供应能量的负载，而将不是特别经常使用的各种照明器具或电气器具看做是仅在正常操作中才需要供应电能而在紧急电力操作过程中省去其功能的其余负载。

在最简单的实施方式中，可以设置用于在正常操作和紧急电力操作之间手动切换的开关。在这种情况下，如果识别并检测到了所述单相三导体网络的故障，则用户必须变得主动，并且必须通过机械开关将所述逆变器手动切换到紧急电力操作，从而在紧急电力操作中能够给至少一些负载特别是所选负载供应能量。还可以想到使用外部控制信号来代替手动开关，并且能够在某些网络配置中将所述外部控制信号自身区分开。

此外，可以设置用于检测所述单相三导体网络的网络参数的测量装置，该测量装置连接至所述控制装置，从而可在显示器上显示所述单相三导体网络的网络参数与预设值的偏离。通过这样检测所述公用电网或供电网络的至少一个网络参数，能够使用户相应地注意到公共电网的故障。待检测的一个或多个网络参数例如可以是电压、频率、或者还是孤岛效应(islandeffect)的检测。所述显示器可以例如通过对应的振动以光学、声学或机械的方式发生。用户因而能够决定他是否将所述逆变器切换到紧急电力操作。

在这种情况下，所述控制装置可以被设计成在所述公用电网的至少一个网络参数从预设值偏离的情况下自动地切换至所述紧急电力操作。例如，如果当前电网或网络频率将离开预设频率带，则这会导致自动切换至紧急电力操作。在其它网络参数如电压发生偏离或者当检测到孤岛效应时也可以发起所述切换。在这方面，还可以考虑到国家指南和规范，这些国家指南和规范允许只有在一定时间段之后才能将所述逆变器从公用电网断开。因而，即使没有任何用户介入，也能够确保在所述单相三导体网络发生故障的情况下切换到紧急电力操作并向至少一些负载供应能量。

为了使所述半桥在正常操作和紧急电力操作之间切换，可以设置继电器，所述继电器连接至所述控制装置。这代表了一种简单且廉价的实现可能。所述继电器的触点将设置在所述逆变器的dc/ac转换器的半桥和所述ac输出端之间的对应点处，并且将通过所述控制装置控制所述继电器的致动。通过适当地选择或互连所述继电器，这些继电器也可以用来实现所述dc/ac转换器从所述ac输出端的完全断开。

所述逆变器的dc/ac转换器的半桥优选包括半导体开关，特别是igbt(绝缘栅双极型晶体管)。这种类型的晶体管优选使用在电力电子器件中，并且具有良好的传输或传导性能、高闭塞电压、抵抗短路的良好的健壮性和并且能以相对较低成本获得。

所述逆变器的直流电压源可以由电池和/或光伏模块构成。除了直流电压源的这些选择(这些选择也可以进行组合)之外，当然还可以讨论其它源，例如发电机，如风力发电机，对该风力发电机的ac电压进行整流。

类似地，根据本发明的目的通过以上描述的用于操作逆变器的方法实现，其中在所述方法中，在紧急电力操作中，通过所述控制装置，将所述dc/ac转换器的一个半桥连接至所述ac输出端的相导体，将所述dc/ac转换器的另一个半桥连接至所述ac输出端的另一个相导体，并且将所述中间电路中心点连接至所述ac输出端的所述中性导体，所述半桥的输出信号的幅度将被减半，并且将使一个半桥的输出信号相移180°，从而使得在紧急电力操作中也能够给至少一些负载供应能量。对于由此能够实现的优点，参照所述逆变器的上述描述。

在该方法的另一个实施方式中，在紧急电力操作中，可以通过所述控制装置将所述ac输出端的所述相导体中的至少两个相导体彼此相连。因此，即使在紧急电力操作中也能够使电流均匀地分布至两个半桥。

根据本发明的一个特征，将ac断路器布置在所选负载和其余负载之间，通过所述控制装置驱动所述ac断路器，使得在紧急电力操作中将所述ac输出端连接至所述所选负载，同时将与所述其余负载和与所述单相三导体网络的连接断开。这样，在紧急电力操作中，可以将不必供应能量的单相三导体网络和其余负载从所述逆变器输出端断开。所述dc/ac转换器的半桥以及可能的所述ac断路器能够通过开关手动地切换到所述紧急电力操作。

有利地，检测所述单相三导体网络的网络参数，并且显示所述单相三导体网络的网络参数与预设值的偏离。

当检测所述单相三导体网络的网络参数时，如果所述单相三导体网络的至少一个网络参数从所述预设值偏离则可以使所述控制装置自动地切换至所述紧急电力操作。

可以通过连接至所述控制装置的继电器使所述半桥的输出端和所述中间电路中心点在正常操作和紧急电力操作之间切换，从而根据当前操作状态即正常操作或紧急电力操作将所述逆变器的ac输出端连接至所述半桥的输出端和所述中间电路中心点。

如上已经提到的，所述直流电压源可以由电池和/或光伏模块构成。

附图说明

现在将通过附图更详细地说明本发明，其中：

图1示出了逆变器的总体示意图；

图2a示出了根据本发明的处于正常操作中的逆变器的实施方式；

图2b示出了在正常操作中逆变器的dc/ac转换器的半桥的输出电压的时间曲线；

图3a示出了在紧急电力操作的第一变型中的本发明的根据图2a的逆变器；

图3b示出了在紧急电力操作的第一变型中的逆变器的dc/ac转换器的半桥的输出电压的时间曲线；

图4a示出了在紧急电力操作的第二变型中的本发明的根据图2a的逆变器；以及

图4b示出了在紧急电力操作的第二变型中的逆变器的dc/ac转换器的半桥的输出电压的时间曲线。

具体实施方式

图1示出了逆变器的总体示意图。在其dc输入端5处，逆变器1连接至对应的直流电压源2，例如电池23或光伏模块24。在未详细说明的dc/dc转换器18之后，布置具有中间电路中心点7的中间电路6，并且该中间电路6连接至dc/ac转换器8。逆变器1的部件通过控制装置9进行相应的控制。dc/ac转换器8的输出端连接至逆变器1的ac输出端10，该ac输出端10又连接至单相三导体网络(或单相三线制网络)3或负载4。本发明自身的特别不同之处在于，与单相三导体网络或还与具有三相扩展的单相三导体网络相配合。某些控制元件和接口(未示出)可以连接至逆变器1的控制装置9，该控制装置9优选由微处理器、微控制器或计算机形成，通过所述控制元件和接口，能够使逆变器1进行操作或者对控制装置9执行软件更新。

在图2a中，示出了根据本发明的处于正常操作nom中的逆变器1的实施方式。在该图示中，示出了逆变器1，直流电压源2例如电池23或光伏模块24连接至该逆变器1的dc输入端5。逆变器1的dc/ac转换器8包括与对应半导体开关22一起的两个半桥12、13。在逆变器1的ac输出端10，在紧急电力操作bom中不必供应能量的单相三导体网络3和其余负载4”经由ac断路器11连接。其余负载4”的连接通常通过主连接面板21实现。通过所谓的紧急电力连接面板20，将连接在紧急电力操作bom中也要供应电能的所选负载4”。在该图示中，用于切换ac/dc转换器的半桥12、13的继电器17的触头被示出为处于正常操作nom。因而，两个半桥12、13在输出端处并联连接，其中半桥12、13的输出端连接至相导体l1，并且中间电路中心点7连接至单相三导体网络3的相导体l2。因而，在单相三导体网络3的相导体l1和l2之间执行馈电。

图2b示出了在正常操作nom中逆变器1的dc/ac转换器8的半桥12、13的输出电压u1nom、u2nom的时间曲线。在这些图中，相对于中间电路中心点7示出了dc/ac转换器8的第一半桥12的输出电压曲线u1nom，也就是说，半桥12将连接至单相三导体网络3的相导体l1。u2nom示出了第二半桥13的输出电压，该第二半桥12也连接至单相三导体网络3的相导体l1。由于中间电路中心点连接至相导体l2，因此在相导体l1和l2之间均馈送两个电压信号。因而，这两个电压曲线具有相同的相位特征和相同的幅度a。由于馈入功率通常受到半导体开关22的载流能力的限制，因此在正常操作nom中，与在相导体l1或l2和中性导体n之间馈送相比，由逆变器通过相导体l1和l2之间的馈入能够输送更高的功率。

在图3a中，示出了在紧急电力操作bom的第一变型中根据图2a的逆变器1。与根据图2a的正常操作nom相比，现在ac断路器11已经被相应地驱动，从而将单相三导体网络3和主连接面板21从逆变器1断开，并且只有所选负载4’经由紧急电力连接面板20连接至逆变器1的ac输出端10。根据本发明，在紧急电力操作bom中，dc/ac转换器8的一个半桥12将连接至ac输出端10的一个相导体l1，dc/ac转换器的第二个半桥13将连接至ac输出端10的另一个相导体l2，并且该逆变器的中间电路中心点7将连接至ac输出端10的中性导体n。与正常操作nom相比发生改变的半桥12、13与ac输出端10的这种连接通过致动继电器17来实现，继电器17代表一种简单且廉价的实现可能。与正常操作nom相比，半桥12、13的输出信号u1bom、u2bom在幅度上减半。另外，第二半桥13的输出信号u2bom相位偏移180°，由此在紧急电力操作bom中，单相三导体网络的所选负载4’(它们联接在相导体l1、l2和中性导体n之间，也连接在相导体l1和相导体l2之间)将被供应能量。

图3b示出了在紧急电力操作bom的第一变型中，逆变器1的dc/ac转换器8的半桥12、13的输出电压u1bom、u2bom的时间曲线。上图示出了第一半桥12依赖于时间t的输出电压u1bom，该输出电压在相导体l1和连接至中间电路中心点7的中性导体n之间馈入。第二半桥13的输出信号u2bom相对于第一半桥12的输出信号u1bom相移180°，并且在相导体l2和中性导体n之间馈入。与正常操作bom中的输出信号u1nom、u2nom的幅度a相比，输出信号u1bom、u2bom的幅度a/2减半。因而，在紧急电力操作bom中，不可能向所选负载4’输送全部功率，但是能够输送在正常操作中馈送的最大功率的至多一半。

在图4a中，在紧急电力操作bom的第二变型中示出了根据图2a的逆变器1。与根据图2a的正常操作nom相比，以与紧急电力操作bom的第一变型相同的方式驱动ac断路器11和继电器17。因此，单相三导体网络3和主连接面板21从逆变器1断开，并且所选负载4’通过紧急电力连接面板20连接至逆变器1的ac输出端10。与紧急电力操作bom的第一变型相反，在这里对于第二半桥13的输出信号u2bom没有执行任何相移。然而，在根据图4a的该变型中也执行了输出信号u1bom、u2bom的幅度的分半。然而，与根据图3a的第一变型相反，设置了开关，该开关被实现为继电器19并且在紧急电力操作bom中将两个相导体l1、l2彼此相连。根据图4a，所述继电器19布置在逆变器1内，但是在逆变器1外部通过开关(没有详细示出)连接相导体l1、l2也是可行的。相导体l1、l2的连接实现了馈入到相导体l1、l2的半桥l2、l3的并联连接，由此实现均匀的电流分布。到半桥12、13的这种均匀电流分布允许将逆变器1加载到所有半桥12、13的最大电流。因而，在紧急电力操作bom中也可以给更多数量的负载4’或者功率需求增加的负载4’供应能量。

即使排除根据图3a和图4a的逆变器1的同时操作，在一个逆变器中也能够实现紧急电力操作bom的两种变型。根据所连接的负载，则可以选择用于紧急电力操作bom的更多有利变型。也可以例如基于功率需求由用户手动地实现以及自动地实现。

图4b示出了在根据图4a的紧急电力操作bom的第二变型中，逆变器1的dc/ac转换器8的半桥12、13的输出电压u1bom、u2bom的时间曲线。上图示出了第一半桥12根据时间t的输出电压u1bom，该输出电压u1bom在相导体l1或连接至其的相导体l2与连接至中间电路中心点7的中性导体n之间馈入。输出信号u2bom也是在相导体l1和连接至其的相导体l2与中性导体n之间馈入，因此与u1bom相同。与正常操作nom中的输出信号u1nom、u2nom的幅度a相比，输出信号u1bom、u2bom的幅度a/2减半。因而，在紧急电力操作bom中，不可能向所选负载4’输送全部功率，而是仅仅输送在正常操作中馈入的最大功率的一半。

如从图2a、图3a和图4a变得明显的是，设置了用于在正常操作nom和紧急电力操作bom之间手动切换的开关14。这种简单的设计变型允许用户在检测到单相三导体网络3发生故障时通过机械开关14将逆变器1手动切换到紧急电力操作bom。因而，所选负载4’在紧急电力操作bom中也会被供应能量。除了机械开关14之外或与机械开关14并联，还可以通过外部信号实现到紧急电力操作bom的切换。因而，例如，evu可以实现逆变器1与单相三导体网络3的断开，以便维持网络或电网的稳定性。

设置测量装置15以检测单相三导体网络3的网络参数np，该测量装置连接至控制装置9。在单相三导体网络3的网络参数np偏移预设值nps的情况下，则将在显示器16上显示该偏移。在这方面，显示器16通过对应的振动或者光学地、声学地或机械地发生。因而，使用户注意到单相三导体网络3的故障，由此用户可以将逆变器1切换到紧急电力操作bom。

如果单相三导体网络3的至少一个网络参数np偏移预设值nps，则通过测量装置15检测的网络参数np，控制装置9也能够自动地切换到紧急电力操作bom。在这方面，还可以考虑到国家指南和规范，该国家指南和规范只有在特定时间段之后才允许逆变器1从单相三导体网络3断开。因而，在单相三导体网络3发生故障的情况下，也可以实现切换到紧急电力操作bom而无需用户任何介入，并且确保向至少一些所选负载4’供应能量。