用于风力机、电力驱动系统或工业DC供电系统的DC/DC转换器装置及操作方法与流程

本发明涉及一种dc/dc转换器装置，其用于利用电能操作风力机、电力驱动系统或工业dc供电网络，通过ac/dc转换器、dc能量存储器或能量源的中间电路可耦合到dc/dc转换器装置。本发明还涉及操作这种dc/dc转换器装置的方法。

背景技术：

1、本技术领域涉及风力机的dc供电或备用，其连接至少一个电力驱动器的中间电路或用于dc工业网络的dc供电或备用，在这种情况下优选能量存储器的充放电操作或具有不同的电压电平的dc子网或网段的耦合。在dc系统的网络操作中，例如dc工业网络或电力驱动器的中间电路，特别是在例如风力机的俯仰或偏航驱动器等高安全性应用中，ac/dc转换器和dc/dc转换器(dc转换器)都可用于网络侧ac或dc电源。在电力驱动领域，dc中间电路用于变频器或dc电源，它们可以相互耦合，也可以耦合到dc能量源或能量汇。

2、在这方面，文件ep2515424b1举例示出了一个dc转换器，其用于升高和/或降低电压，通过连接到第一端子的dc电压源和连接到第二端子的dc电压源(例如太阳能发电机的两个太阳能模块或两个电池)为第三个dc端子供电。为此，包括至少一个第一端子、至少一个第二端子和至少一个第三端子，其中一方面可能在第一和第二端子之间产生能量流，另一方面可能第一和第三端子之间产生能量流，并联连接到第一端子且具有串联连接的至少一个第一开关装置和第二开关装置的、可循环操作的第一半桥，以及并联连接到第二端子且具有串联连接的至少一个第三开关装置和至少一个第四个开关装置的、可循环操作的第二半桥，其中两个可循环操作的半桥的中点通过至少一个扼流圈相互连接，其中该至少一个扼流圈(choke)作为飞跨电感操作。不利的是，第一端子的输入电位以及与其平行的第二端子的输入电位经由电位轨电连接到第三端子的输出电位，使得两个输入和输出之间不可能激活。此外，必须提供两个输入dc能量源来提供输出dc能量汇。

3、此外，de102014203157a1涉及用于具有参考电位端子的飞行器或航天器的双极高压网络。该网络将两个dc电压转换器模块插入到转换器电路中，使得它们包括连接输入和输出中间电路轨的两个半桥，并且它们的中心抽头分别通过扼流圈连接到地电位的输出中间电路的参考电位。为此，输出电路采用双极设计，且参考电位接地以进行短路检测。两个dc转换器模块的两个半桥在控制方面是分开的，这意味着必须至少使用两个扼流圈，并且由于每种情况下都有接地连接，因此两个扼流圈不能用作飞跨电感。因此，无法实现准隔离，并且两个半桥在控制方面是独立的，因此无法确保输入和输出电路之间的隔离。因此，无法保证输出端子对地的短路能力。

4、然而，本发明也可用于充电站中用于对电动汽车的能量存储器进行充电和/或放电。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种改进的dc/dc转换器装置，用于操作风力机、电力驱动系统或dc能源网络。

2、该目的通过具有独立权利要求特征的dc/dc转换器装置和具有该特征的方法解决。

3、根据第一方面，提出了一种dc/dc转换器装置，特别是无变压器的dc/dc转换器装置，用于操作风力机、电力驱动器或工业dc供电网络。充电站包括：

4、输入中间电路，在正输入导体和负输入导体之间连接了许多中间电路电容器，以及

5、连接在输入中间电路下游的dc/dc转换器，其具有连接到正输入导体的第一半桥和连接到负输入导体的第二半桥，其中第一半桥的中心抽头和第二半桥的中心抽头通过扼流圈连接。

6、dc/dc转换器装置具有例如外壳，特别是防水外壳，其内部布置有多个电气和/或电子部件以及连接到至少一个部件的连接插座，其用于连接能量存储器的连接插头或充电插头，例如电动汽车。

7、例如，dc/dc转换器装置可用作电动汽车的充电连接装置。转换器装置可以特别设计为壁箱。转换器装置可用于充电或再生电动汽车的能量存储器或风力机的应急能量存储器，其用于电力驱动器的中间电路的耦合或应急能量备份，或用于调整dc工业网络中的电压电平。dc/dc转换器装置在这里充当能量存储器电能的参考源。dc/dc转换器装置也可以被称为能量存储器的智能充电装置。

8、用于dc/dc转换器装置的电气和/或电子部件的示例包括接触器、全电流敏感断路器、直流/过流/故障电流监控装置、继电器、连接端子、电子电路和控制装置，例如包括pcb，其上布置有多个电子元件用于控制和/或测量和/或监测能量状态。

9、用于ac或三相网络连接的dc/dc转换器装置中包含的ac/dc转换器也可以被称为逆变器。ac/dc转换器特别用于将ac电压转换为dc电压和/或将dc电压转换为ac电压。dc/dc转换器装置包括输入中间电路，特别是连接在这种逆变器的下游，有许多连接到输入中间电路中心点的中间电路电容器。

10、多相三相网络i特别具有许多相，例如l1、l2和l3，以及中性导体(也称为n)。

11、必须指出的是，“能量存储器的充电和/或放电”既包括电能的供应，也包括电能的提取。这意味着能量存储器可以充当风力机、电力驱动或工业网络的dc网络中的消费者或生产者。

12、根据一种实施方案，可耦合到多个ac相位l1、l2、l3的ac/dc转换器、特别是3点ac/dc转换器，其可以连接到输入中间电路上游的输入侧输入导体，或dc能量源、特别是太阳能发电机，或dc能量存储器、特别是3点电池，其可以在输入侧输入导体处连接，即连接到源端输入中间电路。因此，在正常操作中，dc能量可以从网络整流器的dc输出端子或双向操作的ac/dc转换器中提取或重新存储，或者从dc能量源(例如燃料电池、有太阳能电池的太阳能发电机、飞轮质量存储器或电池)中提取或重新存储，或者提取回到dc能量存储器，例如电化学电池、电容器或飞轮质量存储。因此，其广泛的用途是在不同的dc电压电平之间可以进行能量提取和重新存储。

13、根据一种实施方案，至少一个俯仰驱动器、或风力机的偏航驱动器、一个或多个电力驱动器的至少一个中间电路、或dc工业网络的至少一个dc网段，可以连接到dc/dc转换器的输出中间电路的下游。当dc/dc整流器单元用于风力机或驱动系统领域或dc工业网络时，这会产生多种优势：

14、使用dc网络，通过使用电子变频器，工厂中的电源可以设计出比网络ac电流更高的能源效率、稳定性和灵活性。如果所有电气系统都使用智能dc网络进行耦合，例如德国的联合项目“dc industrie 2”，这也推动了工业领域的能源革命。在dc工业应用中，借助所提出的dc/dc转换器装置，可以升高或降低dc电源电压，而无需进行转换。还有一个安全的关断选项，且对短路和接地故障的反应时间短。这尤其可以通过dc/dc转换器装置的输入和输出之间的连接来实现，该连接完全由半导体开关的结电容实现，即输入和输出之间不存在电流耦合，并且可以进行准隔离。在这种情况下，dc转换器装置可以在发生接地故障时不受任何限制地继续操作。此外，在链接能量存储器时，还可以选择在不同的应用程序中进行连接和使用，例如在：

15、驱动系统的dc中间电路；发电机运行中电力驱动器的网络故障备份、峰值负载降低、制动能量积累代替制动电阻；

16、驱动系统的两个或多个dc中间电路的双向耦合，特别是在不同的电压电平下；

17、在工业大厅提供多个dc网段，特别是在不同的电压电平处；

18、连接工业大厅内的不同的dc网段，可选择减载、预加载、电压调整；

19、将光伏系统、燃料电池、飞轮质量存储连接到工业大厅的dc网段。

20、此外，输入侧和负载侧之间实现了准隔离，因此可以提高安全性、接地故障电阻和短路电阻。

21、在风力机领域，使用所提出的dc/dc转换器装置是有利的，特别是在俯仰驱动器的dc中间电路网络和风力机的偏航驱动器中。俯仰驱动器确定一个或多个转子叶片相对于风的迎角，而偏航驱动器规定风力机机舱相对于风的水平对准。

22、例如，ep1852605b1提出了在dc中间电路中对俯仰驱动器的应急能量存储器进行电压调整，使得在应急操作中，可以在很大程度上独立于应急能量存储器的电压电平来实现用于正常操作的dc电压电平，并且可以在发电机操作的应急能量存储器中接收能量。因此，所提出的dc/dc转换器装置还可以灵活连接风力机中俯仰和偏航驱动器的应急能量存储器，特别是一系列不同类型的应急能量存储器，例如铅酸或锂离子电池或电容器，特别是supercaps或ultracaps。

23、以前，应急能量存储器中的电压电平与网络电压相比是有上限的，特别是能量存储器的电压电平总是必须低于整流后网络电压的电压电平。严重的网络波动、特别是在风力机或电力驱动器中是有问题的，且可能导致暂时无法满足此条件。因此，在设计应急能量存储器时可能需要更大的限制，使得应急能量存储器电压必须设计得明显低于整流额定网络电压。借助所提出的dc/dc转换器装置，可以通过连续过渡的双向升压降压来消除该上限。这带来了以下优点：

24、dc/dc转换器装置可以满足使用过程中的不同要求，特别是可以提供高或低的应急能量存储器的电压；

25、高应急能量存储器电压允许使用较低的电流，允许使用具有较小电缆横截面和较小接口空间要求的较便宜的电缆，因此安装更容易且更便宜；

26、操作安全可以在输入侧网络电压波动的情况下保持或稳定，这在使用风力机或安全关键型电力驱动器时尤其重要；

27、由于可实现的准隔离，几个dc/dc转换器和几个俯仰驱动器可以连接到应急能量存储器；

28、高度动态的电压利用率接近深度放电点，例如电容器存储器，其允许能量存储器的耦合，提供比dc中间电路明显更高的电压，并且操作这些能量存储器直到几乎完全放电，以便可以充分利用能量存储器的能量内容。

29、特别地，提供了控制单元，其可以控制dc/dc转换器装置的单个或所有元件和单元。此外，dc/dc转换器的扼流圈最好能够作为飞跨电感来操作。带有飞跨电感的dc/dc转换器可以有利地满足准隔离功能。例如，dc/dc转换器具有许多半导体开关元件，例如设计为mosfet。特别是，dc/dc转换器可用作电压逆变器，dc/dc转换器最好以这样的方式进行控制，即mosfet的二极管在不间断操作期间永远不会以不希望的方式导电。在操作期间，电感最好在输入电位和输出电位之间来回移动。这导致功能方面处于准隔离状态。在输出侧发生接地故障的情况下，例如在用于俯仰驱动器(电池)的应急能量存储器中，能量存储器的电位可以相对于dc/dc转换器装置的输入中间电路的电位自由移动且不会中断。在发生接地故障时，最好不影响扼流圈电流的调节。dc/dc转换器的占空比也不必更改。

30、所提出的dc/dc转换器最好在功能方面表现得像带有变压器的dc/dc转换器。在操作过程中，对地输出电位可以在一定范围内自由移动，而不会影响dc/dc转换器的功能。当输入侧和输出侧之间(除了两个半桥的连接外)没有电流耦合时尤其如此。

31、在接地输入网络的情况下，可以通过适当地确定dc/dc转换器的半导体开关元件的尺寸，使得当人触摸dc/dc转换器装置的输出端子时，不会有大量的dc电流通过该人的身体。

32、根据一个实施方案，dc/dc转换器的扼流圈可作为飞跨电感操作。

33、根据进一步的实施方案，dc/dc转换器装置是一种无变压器的dc/dc转换器装置。

34、根据进一步的实施方案，dc/dc转换器被设计为双向dc/dc转换器，其用于升压和/降压。dc/dc转换器也可以称为直流转换器。dc/dc转换器采用对称设计，且可在两个方向上升压和降压。

35、根据进一步的实施方案，相应的半桥包括两个半导体开关元件的串联连接。半桥的中心抽头位于串联的两个半导体开关元件之间。

36、根据进一步的实施方案，相应的半导体开关元件被设计为mosfet，优选为sicmosfet，或igbt或sic级联码。

37、特别地，本拓扑结构作为双向电压变换装置(dc变压器)，其中可由控制单元设置的电压变换，其取决于接通持续时间与半导体开关元件的关断持续时间之间的比率。每种情况下的占空比为50％，电压变换比为1。

38、根据进一步的实施方案，dc/dc转换器装置包括控制单元，该控制单元被配置为控制半导体开关元件，使得两个半桥中的特别是具有相同的接通时滞的两个相应的半导体开关元件每一个同时切换。

39、特别地，两个半桥的两个输入侧(即源端)的半导体开关元件可同时切换以实现准隔离，且两个半桥的两个负载侧(即输出侧)的半导体开关元件也可同时切换。

40、在进一步的实施方案中，dc/dc转换器装置可以具有控制单元，该控制单元被配置为使用相移，特别是具有180°相移来控制两个半桥h1和h2。特别是当耦合线连接在输入侧和输出侧电容器桥的中间电路中心点之间时(如下所述)，与半桥的同相控制相比，半桥的相移、特别是逆相的控制是可能的。这里放弃了准隔离，因为在输入侧和输出侧之间进行了电流耦合。这允许dc/dc转换器装置的效率大大提高，另一方面允许扼流圈设计得更小、更便宜。

41、在这种情况下，术语“输入侧”和“源端”，或“输出侧”和“负载侧”，应仅被理解为dc/dc逆变器装置的两个连接侧的拓扑定义，从而说明正常操作期间的能量流向。然而，能量也可以以本发明意义上的双向操作从输出或负载侧流向输入或源侧。因此，能量可以在应急操作中以用于为俯仰驱动器供电的应用程序的反向操作模式从负载侧应急能量存储器流向源端dc中间电路，或者能量可以从dc工业网络传输到发电机操作中的ac供电网络，而在常规操作中，能量流是反向的。在用于驱动相关系统的耦合中间电路的情况下，如果需要，例如在高能量负载的情况下，可以将能量从第一中间电路传递到第二中间电路，以备份第二中间电路的电压电平。

42、特别是，控制单元在任何时候都不会同时打开半桥的半导体开关元件，以防止输入侧和负载侧之间的直接连接。

43、根据进一步的实施方案，在输入中间电路和dc/dc转换器之间设置了干扰抑制器，该转换器具有两个并联到中间电路电容器的干扰抑制电容器。连接两个干扰抑制电容器的节点连接到地电位。在下文中，地电位也可以被称为质量或接地。

44、根据进一步的实施方案，dc/dc转换器装置包括连接在dc/dc转换器下游的输出中间电路，且具有多个输出电容器，这些输出电容器连接在负输出电位抽头和dc/dc转换器装置的正输出电位抽头之间。

45、有利地，输入中间电路的中间电路电容器可以与输入中间电路中心点形成输入电容桥，以扩展前面的实施方案，而输出中间电路的输出电容器可以形成具有输出中间电路中心点的输出电容桥。两个中间电路中心点，即输入中间电路中心点和输出中间电路中心点，其可以通过耦合线连接。输入和输出的中点电位以电耦合方式相互耦合。这尤其提高了dc/dc逆变器装置的效率和emc性能。根据进一步的实施方案，在dc/dc转换器和输出中间电路之间设置负载侧，即输出侧。负载侧干扰抑制器具有两个干扰抑制电容器，其并联到输出中间电路的多个输出电容器，其中连接两个干扰抑制电容器的节点连接到地电位。此外，还可以使用耦合线通过相移特别是相移180°，即逆相，来控制半桥h1和h2。通过这种类型的控制，一方面可以显著提高dc/dc转换器装置的效率，另一方面可以设计更小、更便宜的扼流圈。

46、根据进一步的实施方案，控制单元被配置为控制半导体开关元件，使得第一半桥的输入侧半导体开关元件和第二半桥的负载侧半导体开关元件具有重叠的接通时间(switch-on times)，和/或第二半桥的输入侧半导体开关元件和第一半桥的负载侧半导体开关元件具有轻微重叠的接通时间。输入侧半导体开关元件的接通时间与负载侧半导体开关元件的接通时间之比在这里优选对应于预先确定的商数。

47、这种具有重叠接通时间的控制会导致干扰抑制电容器中的电荷偏移，这在图中有参考标记651、652，使得输出网络的电位可相对于地电位进行设置。这允许实现相对于接地电位(质量)的输出电位的平衡。当在输入和输出的电容桥之间插入上述耦合线时，例如图4a所示，与控制相移180°重叠可以提高效率。从180°略微发散的相移可以改变输出电位相对于输入中间电路中心点的平衡。

48、控制单元可以通过硬件和/或软件实现。在硬件实现的情况下，控制单元可以设计为装置或装置的一部分，例如作为计算机或微处理器或控制计算机。在软件实现的情况下，控制单元可以被设计为计算机程序产品、作为功能、作为例程、作为程序代码的一部分或作为可执行对象。

49、根据进一步的实施方案，控制单元被配置为比两个半桥的另一个输入侧半导体开关元件更早关断两个半桥的输入侧半导体开关元件中的一个，使得输入侧主电路和负载侧第二回路的耦合成为可能，或通过扼流圈提供。

50、根据进一步的实施方案，控制单元被配置为比两个半桥的另一个负载侧半导体开关元件更早关断两个半桥的负载侧半导体开关元件中的一个，这样，除非提供耦合线并且可以实现准隔离，输入侧初级电路和负载侧次级电路的耦合成为可能，或通过扼流圈提供。

51、根据进一步的实施方案，半导体开关元件是mosfet。此处配置的控制单元用于通过控制信号相移控制半桥mosfet的门，因此，除非提供耦合线并且可实现准隔离，否则输入侧初级电路和负载侧次级电路的耦合成为可能，或者通过扼流圈提供。

52、在本实施方案中，输出电压对地的平衡可以通过第一半桥和第二半桥的控制信号相对于彼此的轻微相移来控制。除非提供耦合线并且可以实现准隔离，否则相移会导致输入电路和输出电路的周期性的短暂耦合。这也适用于dc/dc转换器未传输有功功率的情况。

53、根据进一步的实施方案，控制单元具有负载电流控制器、平衡电流控制器和差分电压控制器。此处配置的负载电流控制器用于设置输入侧半导体开关元件的接通时间与负载侧半导体开关元件的接通时间之比。平衡电流控制器被配置为提供设置信号，其用于相对于地电位平衡负输出电位抽头处的电位和正输出电位抽头处的电位。此外，差分电压控制器配置为根据负载侧次级电路中的至少一个测量电压为设置信号提供设定值。

54、根据进一步的实施方案，差分电压控制器比平衡电流控制器慢。

55、根据进一步的实施方案，第一二极管的阳极耦合到负输出电位抽头，且第一二极管的阴极耦合到输入中间电路中心点。此外，第二二极管的阳极耦合到输入中间电路中心点，且第二二极管的阴极耦合到正输出电位抽头。

56、根据进一步的实施方案，第一二极管的阳极连接到负输出电位抽头，第一二极管的阴极连接到输入中间电路中心点。此外，第二二极管的阳极连接到输入中间电路中心点，第二二极管的阴极连接到正输出电位抽头。

57、根据进一步的实施方案，过压保护元件在输入中间电路中心点和节点之间耦合，第一二极管的阴极连接到该节点，且第二二极管的阳极连接到该节点。过压保护元件特别是压敏电阻或双向抑制二极管，例如双向传递二极管。

58、根据进一步的实施方案，在输入中间电路中心点和负输出电位抽头之间布置了由第一过压保护元件和第一二极管组成的串联。由第二过压保护元件和第二二极管组成的串联进一步布置在输入中间电路中心点和正输出电位抽头之间。

59、根据进一步的实施方案，连接在emc滤波器装置下游的emc滤波器装置和lcl滤波器装置在多相网络三相的三个输入侧连接端子和ac/dc转换器之间耦合。lcl滤波器装置优选包括至少三个扼流圈和三个电容器。

60、根据进一步的实施方案，ac/dc转换器被设计为3点ac/dc转换器。

61、根据进一步的实施方案，极性反转电容器连接到第一半桥的中心抽头，且其并联连接到第一半桥的输入侧半导体开关元件，其中另一个极性反转电容器连接到第一半桥的中心抽头，且其并联连接到第一半桥的负载侧半导体开关元件。此外，与第二半桥的输入侧半导体开关元件并联连接的极性反转电容器连接到第二半桥的中心抽头，而与第二半桥的负载侧半导体开关元件并联连接的极性反转电容器连接到第二半桥的中心抽头。极性反转电容器可实现软开关，从而降低开关损耗。极性反转电容器也可以被称为zvs电容器或缓冲电容器(zvs：零电压开关)。从这个意义上说，极性反转电容器可以有利地被平行地布置在每个半导体开关元件上，以实现损耗降低的关断。

62、根据进一步的实施方案，dc/dc转换器装置包括一个电源开关装置，其用于从输入侧(例如多相ac网络)安全断开输入导体的数量。电源开关装置可以设计为机电元件，例如接触器或四相继电器。电源开关装置可以被单独设计为用于多相ac网络的相应相位和/或开关矩阵的相应输入导体，并且是可控的，以此例如可以通过电源开关装置来中断单独的分配。

63、根据次级方面，提出了一种操作dc/dc转换器装置的方法，其用于操作风力机、电力驱动器或具有电能工业dc供电网络，其中dc/dc转换器装置包括中间电路，该中间电路在正输入导体和负输入导体之间连接着多个中间电路电容器，以及连接在输入中间电路下游的dc/dc转换器，其第一半桥连接到正输入导体，且第二半桥连接到负输入导体。该方法包括操作扼流圈，将dc/dc转换器的第一半桥(h1)的中心抽头和第二半桥的中心抽头连接作为飞跨电感。

64、该方法具有与第一方面规定的dc/dc转换器装置相同的优点。用于描述所提出的dc/dc转换器装置的实施方案相应地适用于所提出的方法。此外，与dc/dc转换器装置相关的定义和解释也相应地适用于所提出的方法。

65、这里的“一个/一”不一定被理解为对一个元素的限制。相反，可以提供几个元素，例如两个、三个或更多。这里使用的所有其他数字也不应被理解为对规定的元素数量有任何限制：除非相反说明，否则数量也可能存在向上和向下的不同。

66、本发明的进一步可能的实现还包括未明确说明的特征或实施方案的组合，这在前面或下面相对于实施例中描述。本领域技术人员还将添加个别方面作为对本发明的各自基本形式的改进或补充。