具有中间电路保护的逆变器的制作方法

本发明涉及一种用于保护逆变器内的逆变器中间电路的方法及装置。

逆变器通常用来将现有的dc电压转换为ac电压。该ac电压例如可以被供应至供电网络。逆变器可以被配置为用于产生单相交流电或三相交流电或旋转电流。亦称独立逆变器的自换向逆变器与外部换向或线换向逆变器之间被加以进一步的区分。

太阳能逆变器形成太阳能系统的一部分。在太阳能逆变器的输入侧，通常有一个或多个的斩波器(dc/dc转换器)，该斩波器(dc/dc转换器)由微处理器根据最大功率点跟踪器的功能控制和/或调节，并为中间电路供电。在太阳能逆变器的输出侧，有可以自动地与供电网络同步的一相至三相ac级。所述中间电路形成电气装置，该电气装置将不同的转换器(dc/dc转换器及dc/ac转换器)去耦作为能量存储设备。在中间电路中，通过中间电路电容器以恒定的电压电压及可变的电流进行去耦。

在这种背景下，若待施加的电压大于单个电容器的容许电压，则电容器串联连接。在中间电路中，通常使用电解质电容器。这些电解质电容器通常在高达约500v的标称电压下可用。通常，在提供具有超过500v的电压的电解质电容器中的电能存储的电路布置中，两个以上的电解质电容器串联连接。在太阳能发电机中，由于在逆变器的输入端可能产生高电压，因而多个电容器串联连接在逆变器的中间电路，用于在输入端进行能量缓冲。

然而，多个电容器的串联连接具有如下缺点：若发生中间电路的电容器之一短路的故障，则中间电路的每个电容器的期望电压的限制将失败。中间电路的电容器处的这种类型的短路致使所施加的输入电压不得不被分配至尚未短路的其余电容器上。这继而可能会导致过电压，并最终导致中间电路内的这些电容器的缺陷。

因此，ep2145368b1提出一种用于监测逆变器中间电路的串联连接的电容器的电压分布的电路布置。在这种背景下，分压器与中间电路的电容器并联设置，并在两个电容器之间进行分压，保护二极管和与每个电容器并联的串联电阻器串联设置，使得保护二极管的阈值电压小于与保护二极管并联设置的电容器的容许电压，保护电路与串联电阻器并联设置。

因此，本发明的目的在于，提供一种用于保护逆变器的中间电路的方法及装置，其中，所述中间电路本身的电路系统不改变，并且用于保护中间电路免受过电压的损害的电路系统的复杂度尽可能低。

根据本发明，该目的通过具有权利要求1所述的特征的逆变器来实现。

相应地，本发明提供一种逆变器，包括：dc/dc转换器，其将从dc电压源接收的直流电转换为中间电路的中间电路电压；dc/ac转换器，其将所述中间电路电压转换为ac电压；并且包括监测单元，其监测所述中间电路的电容器以保护免受过电压的损害，若在所述中间电路的电容器中的至少一个发生过电压，和/或若在所述中间电路的电容器发生电压降的不对称电压分布，则所述过电压单元通过驱动所述dc/dc转换器来减少从所述dc电压源传输至所述中间电路的能量。

因此，作为根据本发明的逆变器的结果，通过驱动已存在于逆变器中的dc/dc转换器来保护逆变器中包括的中间电路免受过电压的损害。因此，无需改变所述逆变器中包括的中间电路的电路系统。

在根据本发明的逆变器的一可能的实施方式中，所述监测单元通过驱动逻辑驱动所述dc/dc转换器的的时钟开关，以保护所述中间电路免受过电压的损害。

在根据本发明的逆变器的一可能的实施方式中，当在所述中间电路的电容器之一检测到过电压或检测到所述中间电路的电容器处的电压降的不对称电压分布时，由所述监测单元通过驱动逻辑驱动所述dc/dc转换器的时钟开关。

在根据本发明的逆变器的一可能的实施方式中，若在所述中间电路的电容器之一发生过电压，或若发生所述中间电路的电容器处的电压降的对称电压分布，则所述监测单元驱动所述dc/dc转换器的时钟开关，使得从所述dc电压源经由所述dc/dc转换器传输至所述中间电路的能量减少。

在根据本发明的逆变器的进一步可能的实施方式中，所述dc/dc转换器具有升压转换器电路，该升压转换器电路将由dc电压源产生的dc电压提升至所述中间电路的预定的中间电路电压。

在根据本发明的逆变器的进一步可能的实施方式中，连接至所述dc/dc转换器的所述dc电压源具有至少一个光伏模块。

在根据本发明的逆变器的进一步可能的实施方式中，若由所述逆变器的监测单元检测到所述中间电路的电容器之一处的过电压和/或所述中间电路的电容器处的所述电压降的不对称电压分布，则所述中间电路的监测单元通过驱动逻辑驱动所述升压转换器电路的时钟升压开关。

在根据本发明的逆变器的进一步可能的实施方式中，所述逆变器的dc/ac转换器在输出端通过至少一个扼流器和至少一个ac继电器连接至供电网络。

在根据本发明的逆变器的进一步可能的实施方式中，所述逆变器的监测单元将所述中间电路的电容器之一处的过电压的发生和/或所述中间电路的电容器处的电压降的不对称电压分布的发生存储在所述监测单元的存储器中，和/或激活保护性操作模式以保护所述中间电路的电容器免受过电压的损害。

在根据本发明的逆变器的进一步可能的实施方式中，若由所述逆变器的监测单元检测到所述中间电路的电容器之一处的过电压和/或所述中间电路的电容器处的电压降的不对称电压分布，则所述监测单元通过接口输出误差信号。

在根据本发明的逆变器的进一步可能的实施方式中，通过所述监测单元的电压传感器测量在所述中间电路内串联连接的所述电容器中的每一个上的电压降。

在根据本发明的逆变器的进一步可能的实施方式中，所述中间电路具有至少两个串联连接的电解质电容器。

在根据本发明的逆变器的进一步可能的实施方式中，所述监测单元和所述驱动逻辑由所述dc电压源供电。

在根据本发明的逆变器的进一步可能的实施方式中，所述监测单元具有连接至供电网络的专用电源单元。

本发明的另一方面提供一种用于保护具有权利要求12中所述的特征的逆变器的中间电路的方法。

相应地，本发明提供一种保护逆变器的中间电路的方法，该中间电路被设置为用于缓冲由dc/dc转换器输出的电压，并且该中间电路具有多个电容器，所述方法包括以下步骤：

检测所述中间电路的电容器上的各自的电压降；

监测是否所述中间电路的电容器之一处的过电压和/或所述中间电路的电容器处的电压降的不对称电压分布正在发生；

以及当检测到过电压和/或不对称电压分布时，通过驱动所述dc/dc转换器来减少传输至所述中间电路的能量。

在根据本发明的方法的一可能的实施方式中，当检测到所述中间电路的电容器之一处的过电压或所述中间电路的电容器处的电压降的不对称电压分布时，驱动所述dc/dc转换器的时钟开关，使得从dc电压源经由所述dc/dc转换器传输至所述中间电路的能量减少。

在根据本发明的方法的一可能的实施方式中，检测所述中间电路的电容器上的电压降之间的电压差。

在根据本发明的方法的另一可能的实施方式中，当所确定的所述中间电路的电容器上的电压降之间的电压差超过阈值时，检测不对称电压分布。

下面参照附图对根据本发明的方法及根据本发明的用于保护逆变器的中间电路的装置的可能的实施方式进行更详细的说明，其中：

图1是根据本发明的逆变器的示例性实施例的框图；

图2是示出根据本发明的逆变器的实施例的电路图；

图3是示出根据本发明的用于保护逆变器中间电路的方法的实施例的流程图；以及

图4a、图4b是示出根据本发明的逆变器的可能的示例性应用的电路图。

图1是根据本发明的逆变器的实施例的框图。逆变器1具有输入端2，该输入端2可以连接至dc电压源3。在一可能的实施方式中，该dc电压源3具有至少一个光伏模块，并且将dc电压输送至逆变器1的输入端2。逆变器1包括dc/dc转换器4，该dc/dc转换器4将从dc电压源3获得的dc电压转换为用于逆变器1的中间电路5的中间电路电压。逆变器1还包括dc/ac转换器6，该dc/ac转换器6将中间电路5的中间电路电压转换为在逆变器1的输出端7输出的ac电压。逆变器1具有监测单元8，该监测单元8连接至中间电路5。监测单元8监测中间电路5的电容器以保护中间电路5免受过电压的损害。若在中间电路5的电容器c中的至少一个发生过电压，则监测单元8通过驱动dc/dc转换器4来减少从dc电压源3传输至中间电路的能量，如图1中示意性地所示。

在一可能的实施方式中，中间电路监测单元8被集成到处理器中。

当监测单元8检测到中间电路5的电容器c之一处的过电压和/或中间电路5的电容器c处的电压降的不对称电压分布时，监测单元8可以通过驱动逻辑10驱动dc/dc转换器4内的时钟开关，使得从dc电压源3传输至中间电路5的能量减少。在一可能的实施方式中，逆变器1的监测单元8可以将中间电路5的电容器c之一处的过电压的发生和/或中间电路5的电容器c处的电压降的不对称电压分布的发生存储在本地存储器中，和/或自动地激活保护性操作模式以保护中间电路5的电容器c免受过电压的损害。在保护性操作模式中，优选地，驱动设置于dc/dc转换器4内的时钟开关，使得从dc电压源3经由dc/dc转换器4传输至中间电路5的能量减少。在这种背景下，优选地，开关被周期性地定时，并且，减少所传输的电能，以将中间电路5从dc电压源3去耦，或在时钟周期内将其断开更长时间。在一可能的实施方式中，若发生中间电路5的电容器c之一处的过电压或发生中间电路5的电容器c处的电压降的不对称电压分布，则中间电路监测单元8自动地生成可以通过逆变器1的接口9输出的误差信号f。该误差信号f可以向电路布置内的其他控制系统指示逆变器1正在以保护性操作模式进行操作。在本发明的一可能的实施方式中，多个电容器c在中间电路5内串联地互连。在这种背景下，感测在中间电路5内串联连接的每个电容器c上的电压降，并将其传达至逆变器1的中间电路监测单元8。在一可能的实施方式中，中间电路5具有至少两个串联连接的电解质电容器。

在根据本发明的逆变器的一可能的实施方式中，中间电路监测单元8可以由dc电压源3从输入侧供应电源电压。在一可选的实施方式中，监测单元8或逆变器1具有由供电网络供电的专用电源单元。

图2是示出根据本发明的逆变器1的实施例的功能的电路图。

在图2所示的实施例中，中间电路5包括串联地互连的两个电容器c1、c2，两个电容器c1、c2上的各自的电压降u1、u2由逆变器1的中间电路监测单元8监测。包括串联连接的两个电容器c1、c2的中间电路5连接于逆变器1的dc/dc转换器4与dc/ac转换器6之间。在图2所示的实施例中，dc/dc转换器4是升压转换器电路。该升压转换器电路将由dc电压源3生成的dc电压提升至中间电路5的预定的中间电路电压。在图2所示的实施例中，连接至dc/dc转换器4的dc电压源具有至少一个光伏模块。在图2所示的实施例中，用作dc/dc转换器级4的升压转换器电路4包括电容器c、线圈l、二极管d以及可驱动升压开关sboost。升压开关例如可以是igbt。在常规操作中，该升压开关sboost由逆变器1的驱动逻辑10驱动。设置于根据本发明的逆变器1中的中间电路监测单元8以如下方式通过控制线11驱动逆变器1的现有的驱动逻辑10：在保护性操作模式中，换言之，若感测到中间电路5的两个电容器c1、c2之一处的过电压发生，和/或若检测到中间电路5的电容器c1、c2处的电压降u1、u2的不对称电压分布，则dc/dc转换器4的时钟升压开关sboost减少由dc电压源3经由dc/dc级4传输至中间电路5的电能以保护中间电路5。在图2所示的实施例中，dc/dc级4或升压转换器电路的电路系统本身不变。在根据本发明的逆变器1中，已存在于dc/dc转换器4中的升压开关sboost用于在逆变器1的保护性操作模式中进一步保护中间电路5免受过电压的损害。例如，若在逆变器1的dc/ac级6发生缺陷，则这可能导致中间电路5的电容器c1、c2处的电压降u1、u2的不对称电压分布，或导致中间电路5的电容器c之一处的局部过电压。在一可能的实施方式中，中间电路监测单元8可以确定中间电路5的电容器c1、c2上的电压降u1与u2之间的电压差δu。在这种背景下，电压差δu的模量便足以。

δu＝│u1-u2│

当所确定的中间电路5的电容器c上的电压降之间的电压差δu超过阈值时，自动地检测不对称电压分布：

δu≥udiffmax

在这种情况下，升压开关sboost的驱动逻辑10的中间电路监测单元8可以显示保护中间电路5的必要，使得驱动逻辑10现在驱动由其驱动的升压开关sboost，使得由dc电压源3传输至中间电路5的电能减少。优选地，这通过由升压开关sboost的驱动逻辑10生成的驱动信号的时钟比率(ton/(ton+toff))的变化进行。这防止电容器c，尤其中间电路5的电解质电容器的负载超过其额定电压。由于光伏模块或光伏电池串的间歇时钟短路，未超过中间电路5内的电解质电容器的电压容量。这是因为，在短路期间没有对电容器进行充电。在一可能的实施方式中，从发生或检测到过电压起，驱动dc/dc级4的升压开关sboost，使得从dc电压源3向中间电路5的能量传输减少。因此，在逆变器1继续以保护性操作模式操作的同时，仍实现dc/dc级4的升压开关或igbt的驱动。在图2所示的实施例中，逆变器1的dc/ac开关6在输出端通过扼流器ld和至少一个ac继电器连接至供电网络n。

在一可能的实施方式中，所述dc/ac级6具有多级电路拓扑。两个电容器c1、c2例如是提供1000v的开路电压的500伏电容器。

图3是示出根据本发明的用于保护逆变器的中间电路的方法的实施例的流程图，该中间电路被设置为用于缓冲依赖于dc/dc转换器的电压，并且具有多个电容器。

在图3所示的实施例中，用于保护逆变器的中间电路的方法基本上具有三个主要步骤。

在第一个步骤s1中，感测中间电路的电容器c上的各自的电压降u。

在进一步的步骤s2中，监测中间电路的电容器c之一处的过电压和/或中间电路的电容器c处的电压降的不对称电压分布是否正在发生。

在进一步的步骤s3中，当在步骤s2中检测到过电压和/或不对称电压分布时，通过驱动dc/dc转换器来减少传输至中间电路的能量。

优选地，这通过驱动dc/dc转换器内的时钟开关进行，使得由dc电压源经由dc/dc转换器传输至中间电路的电能减少。

在根据本发明的方法的一可能的实施方式中，在步骤s2中，确定或计算中间电路的电容器c上的电压降之间的电压差δu。当计算出的所述中间电路的电容器两端的电压降之间的电压差δu超过阈值时，在步骤s2中检测不对称电压分布，并在步骤s3中通过所述dc/dc转换器的驱动来触发所述中间电路从dc电压源的去耦或所传输的能量的减少。

图3所示的方法可以例如由处理器或微处理器执行。优选地，中间电路监测单元8形成这种类型的处理器的一部分。图2所示的中间电路监测单元8可以被集成到驱动逻辑10中。

图4a、图4b示出根据本发明的逆变器1的示例性应用，该逆变器1包括用于保护其中包括的中间电路的集成电路保护。图4a示出作为用于光伏电池串领域的中央逆变器的逆变器的连接。图4b示出根据本发明的逆变器1对相关的光伏串的应用。

在图1、图2所示的实施例中，优选地，中间电路监测单元8位于逆变器1的外壳内。可选地，中间监测单元8也可以被集成到远程控制系统中，该远程控制系统通过控制接口连接至逆变器1。在一可能的实施方式中，通过中央控制系统监测多个不同的逆变器1。在一可能的实施方式中，多种多样的逆变器1可以向该系统的中央控制系统报告切换至保护性操作模式。在图2所示的实施例中，dc/dc级4由升压电路或升压转换器电路形成，所连接的dc电压源3以计时方式间歇地短路，以减少所传输的能量。可选地，降压式变换电路也可以用作dc级。由于已存在于逆变器1内的电路组件被用于保护性操作，为根据本发明的方法及根据本发明的装置提供的电路系统的复杂度被最小化。

当检测到不对称/过电压时，可以进一步关闭ac继电器或额外的电源(例如，电池)。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种逆变器(1)，包括：

-dc/dc转换器(4)，其将从dc电压源(3)接收的直流电(udc)转换为中间电路(5)的中间电路电压(uzk)；

-dc/ac转换器(6)，其将所述中间电路电压(uzk)转换为ac电压(uac)；以及

-监测单元(8)，其监测所述中间电路(5)的电容器(c1、c2)以保护免受过电压的损害，若在所述中间电路(5)的电容器(c1、c2)中的至少一个发生过电压，和/或若在所述中间电路(5)的电容器(c1、c2)发生电压降(u1、u2)的不对称电压分布，则所述过电压单元(8)通过驱动所述dc/dc转换器(4)来减少从所述dc电压源(3)传输至所述中间电路(5)的能量，所述中间电路(5)的电容器(c1、c2)串联连接，

其特征在于，所述中间电路(5)的电容器(c1、c2)上的电压降(v1、v2)之间的电压差由所述监测单元(8)确定。

2.根据权利要求1所述的逆变器，

其中，当在所述中间电路(5)的电容器(c1、c2)之一发生过电压，或在所述中间电路(5)的电容器(c1、c2)发生所述电压降(u1、u2)的不对称电压分布时，所述监测单元(8)经由驱动逻辑(10)驱动所述dc/dc转换器(4)的时钟开关(sboost)，使得从所述dc电压源(3)传输至所述中间电路(5)的能量减少。

3.根据权利要求1或2所述的逆变器，

其中，所述dc/dc转换器(4)具有升压转换器电路，该升压转换器电路将由dc电压源(3)生成的dc电压(udc)提升至所述中间电路(5)的预定的中间电路电压(uzk)。

4.根据前述权利要求1至3中的任一项所述的逆变器，

其中，连接至所述dc/dc转换器(4)的所述dc电压源(3)具有至少一个光伏模块。

5.根据权利要求3或4所述的逆变器，

其中，若由所述逆变器(1)的监测单元(8)检测到所述中间电路(5)的电容器(c1、c2)之一处的过电压和/或所述中间电路(5)的电容器(c1、c2)处的电压降(u1、u2)的不对称电压分布，则所述中间电路(5)的所述监测单元(8)经由所述驱动逻辑(10)驱动所述升压转换器电路的时钟升压开关(sboost)。

6.根据前述权利要求1至5中的任一项所述的逆变器，

其中，所述dc/ac转换器(6)在输出端经由至少一个扼流器(ld)和至少一个ac继电器连接至供电网络(n)。

7.根据前述权利要求1至6中的任一项所述的逆变器，

其中，所述逆变器(1)的监测单元(8)将所述中间电路(5)的电容器(c1、c2)之一处的过电压的发生和/或所述中间电路(5)的电容器(c1、c2)处的电压降(u1、u2)的不对称电压分布的发生存储在所述监测单元(8)的存储器中，和/或激活保护性操作模式以保护所述中间电路(5)的电容器(c1、c2)免受过电压的损害。

8.根据前述权利要求1至7中的任一项所述的逆变器，

其中，若由所述逆变器(1)的监测单元(8)检测到所述中间电路(5)的电容器(c1、c2)之一处的过电压和/或所述中间电路(5)的电容器(c1、c2)处的电压降(u1、u2)的不对称电压分布，则所述监测单元(8)经由接口输出误差信号(f)。

9.根据前述权利要求1至8中的任一项所述的逆变器，

其中，通过所述监测单元(8)的电压传感器测量在所述中间电路(5)内串联连接的所述电容器(c1、c2)中的每一个上的电压降。

10.根据前述权利要求1至9中的任一项所述的逆变器，

其中，所述中间电路(5)具有至少两个串联连接的电解质电容器。

11.根据前述权利要求2至10中的任一项所述的逆变器，

其中，所述监测单元(8)和所述驱动逻辑(10)由所述dc电压源(3)供电，或具有连接至供电网络的专用电源单元。

12.一种保护逆变器的中间电路(5)的方法，该中间电路(5)被设置为用于缓冲由dc/dc转换器(4)输出的电压，并且该中间电路(5)具有多个电容器(c1、c2)，

所述方法包括以下步骤：

(a)检测(s1)所述中间电路(5)的电容器(c1、c2)上的各自的电压降(u1、u2)；

(b)监测(s2)是否所述中间电路(5)的电容器(c1、c2)之一处的过电压和/或所述中间电路(5)的电容器(c1、c2)处的电压降的不对称电压分布正在发生，所述中间电路(5)的电容器(c1、c2)串联连接，并且所述中间电路(5)的电容器(c1、c2)上的电压降(v1、v2)之间的电压差由所述监测单元(8)确定；以及

(c)当检测到过电压和/或不对称电压分布时，通过驱动所述dc/dc转换器(4)来减少(s3)传输至所述中间电路(5)的能量。

13.根据权利要求12所述的方法，

其中，当检测到所述中间电路(5)的电容器(c1、c2)之一处的过电压或所述中间电路(5)的电容器(c1、c2)处的电压降(u1、u2)的不对称电压分布时，驱动所述dc/dc转换器(4)的时钟开关(sboost)，使得从dc电压源(3)经由所述dc/dc转换器(4)传输至所述中间电路(5)的能量减少。

14.根据权利要求13所述的方法，

其中，当所确定的所述中间电路(5)的电容器(c1、c2)上的电压降(u1、u2)之间的电压差超过阈值时，检测不对称电压分布。