具有減小的最小中間電路電壓的三相逆變器的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種三相無變壓器逆變器（100），其具有用于連接至直流電壓源（10）的直流電壓輸入（101）。該逆變器包括三相橋電路（110）和分割中間電路，并被構(gòu)造為饋送至通過交流輸出（160）連接的三相電網(wǎng)（150）。中間電路的中心點（104）與電網(wǎng)（150）的中性導(dǎo)線分離，并且逆變器（100）僅通過三相交流輸出（160）連接至電網(wǎng)（150）。這種構(gòu)造允許即使在直流電壓源（10）的電壓低于導(dǎo)線-中性導(dǎo)線電壓幅值的兩倍的情況下也能夠饋送至電網(wǎng)（150）。從而能夠提高逆變器的效率。
【專利說明】具有減小的最小中間電路電壓的三相逆變器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及三相逆變器，其具有用于至少一個直流電壓源的直流電壓輸入以及用于饋送到三相電網(wǎng)的三相交流電壓輸出。
[0002]以前的用于通過具有電壓中間電路的無變壓器逆變器來將電能饋送到三相電網(wǎng)中的技術(shù)方案使用四導(dǎo)線連接，其中全部三相以及中性導(dǎo)線均與逆變器連接。通過這種互連，中間電路電壓對應(yīng)于中性導(dǎo)線-導(dǎo)線電壓幅值的至少兩倍，從而加入了控制裕量(reserve)。逆變器中半導(dǎo)體元件以及濾波扼流器的電壓負(fù)荷的增大會導(dǎo)致效率降低。
【背景技術(shù)】
[0003]已知通過使用將轉(zhuǎn)換后的電力在數(shù)個半導(dǎo)體開關(guān)上分布的多級拓?fù)淇梢蕴嵘孀兤鞯男?。此外，利用這些拓?fù)?，由于逆變器橋的端AC電壓中的基波分量增大了該開關(guān)方案中所使用的數(shù)個電壓級別，因此在兩級拓?fù)渖想娋W(wǎng)側(cè)的電感式平滑濾波器的負(fù)荷及整體尺寸得到減小。為了饋送至電網(wǎng)中，三級拓?fù)錁?gòu)成了常用且經(jīng)濟的方法。
實用新型內(nèi)容
[0004]本實用新型的目的是提供一種實現(xiàn)高效率的三相逆變器。所述逆變器包括具有三個橋分支的電路布置，每一個橋分支具有串聯(lián)連接的開關(guān)和針對每個橋分支的有源恢復(fù)路徑，該有源恢復(fù)路徑用于對橋分支提供額外的電壓電平，該逆變器通過三導(dǎo)線端子連接到低電壓干線(mains )，其中中間電路的中心點與所連接電網(wǎng)的中性導(dǎo)線分離。
[0005]本實用新型的其他優(yōu)選實現(xiàn)方式在從屬權(quán)利要求中引述。
[0006]該逆變器能夠利用中間電路將對應(yīng)于導(dǎo)線-導(dǎo)線幅值的電壓饋送至電網(wǎng)，而不包括控制裕量，從而實現(xiàn)了高效率。這種電路拓?fù)鋵?yīng)于具有有源開關(guān)恢復(fù)分支的多級電路?；謴?fù)分支可以包括雙向半導(dǎo)體開關(guān)器件?？商鎿Q地，橋分支也可以被構(gòu)造為標(biāo)準(zhǔn)NPC(中點鉗位)橋。
[0007]本實用新型的基本思想是將中間電路的中心(central)點與干線的中性導(dǎo)線去耦，并利用三導(dǎo)線端子代替四導(dǎo)線端子。通過本實用新型的電路，在上述無變壓器干線饋送操作中僅需要最低的中間電路電壓。這種逆變器中的損耗低于四導(dǎo)線系統(tǒng)。
[0008]DC電源處的高頻電勢會跳變，因此，原則上可以避免發(fā)電機處的寄生電容電流。另夕卜，可以避免功率半導(dǎo)體以及濾波扼流器的高電壓負(fù)荷降低效率。
[0009]電網(wǎng)濾波器可以連接在逆變器的交流輸出端與電網(wǎng)之間，所述電網(wǎng)濾波器針對每個橋分支包括兩個串聯(lián)的濾波扼流器以及連接至這兩個濾波扼流器之間的中點的濾波電容器。所有分支的濾波電容器可以一起連接至中間電路的中心點，同時干線的中性導(dǎo)線仍保持與中間電路的中心點分離。
[0010]通過使用在其中點處連接至濾波電容器的兩個串聯(lián)電容器所構(gòu)成的中間電路，可以連接單個發(fā)電機。該發(fā)電機電壓在各個電容器上分壓(優(yōu)選為均分)以提供三個電壓級另Ij，并可以使用三級拓?fù)?。[0011]優(yōu)選地，所述雙向半導(dǎo)體電路布置包括具有相反極性的兩個串聯(lián)的開關(guān)，每一個具有反并聯(lián)二極管。通過這些有源恢復(fù)路徑，可以實現(xiàn)高效率。也可以使用其他的雙向半導(dǎo)體開關(guān)布置。
[0012]不包括控制裕量的中間電路電壓可以對應(yīng)于三相干線的導(dǎo)線-導(dǎo)線電壓的幅值?？刂圃Ａ靠梢允抢鐚?dǎo)線-導(dǎo)線電壓的大約O到15%，具體可以是10%。在一個簡單的示例中，導(dǎo)線-導(dǎo)線電壓的有效值為300V，中間電路電壓是444V，S卩(300V*Srqt (2))加上作為控制裕量的20V。
[0013]該多級電路還可以具有多于三個電壓級別。不過，對于三級拓?fù)鋪碚f，僅需要兩個緩沖電容器以及一或兩個發(fā)電機。不需要導(dǎo)致額外損耗的另外的升壓變換器。
[0014]原則上，諸如燃料電池、干電池或直流發(fā)電機的直流電源可以連接至逆變器。不過，優(yōu)選將光伏發(fā)電機連接至逆變器的直流電壓輸入?？梢员苊馄渌?fù)渲幸阎挠捎陂_關(guān)脈沖而導(dǎo)致的光伏發(fā)電機處的高頻電勢跳變。于是，可以使用脈寬調(diào)制法。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]下面將參照附圖對本實用新型進行更詳細(xì)的說明。
[0016]圖1示出了本實用新型的逆變器的優(yōu)選實施例的電路圖，以及
[0017]圖2a和圖2b示出了包括半導(dǎo)體開關(guān)的雙向開關(guān)布置的兩種不同的實現(xiàn)方式。
【具體實施方式】
[0018]圖1所示的逆變器100包括多級電路布置，其具有用于至少一個直流電壓源(特別是用于光伏發(fā)電機10)的直流電壓輸入端101。不過也可以串聯(lián)和/或并聯(lián)幾個光伏發(fā)電機。
[0019]分割中間電路由兩個緩沖電容器102、103形成。針對每相具有兩個串聯(lián)的開關(guān)元件VI1、V14、V21、V24、V31、V34以及對應(yīng)的有源恢復(fù)分支121、122、123 (各自形成具有雙向開關(guān)布置的恢復(fù)路徑120)的橋分支111、112、113連接在中間電路的端子之間。逆變器100具有針對每相的相輸出130，用于通過AC輸出160饋送到電網(wǎng)150。每個開關(guān)V11、V14、V21、V24、V31、V34 具有反并聯(lián)恢復(fù)二極管 Dll、D14、D21、D24、D31、D34。逆變器 100 被配置為無變壓器。
[0020]發(fā)電機10提供中間電路電壓U_IC，其近似分割成在每個緩沖電容器102、103上具有一半。因此，可以在電容器端子處提供三個電壓級別，如0V、150V和300V。該電路布置被構(gòu)造為二級電路。
[0021]根據(jù)本實用新型，逆變器100在作為三導(dǎo)線端子的交流輸出160處連接至電網(wǎng)150，如圖1所示，中間電路的中心點104與三相電網(wǎng)的中性導(dǎo)線151 (如果存在的話)分離。三條導(dǎo)線對應(yīng)于三相L1、L2和L3。
[0022]圖1還示出了在相輸出130和三相電網(wǎng)150的對應(yīng)交流輸出160之間設(shè)置了干線濾波器140。干線濾波器140包括一共六個扼流器和三個電容器，即針對橋分支111、112、113中的每一個包括兩個串聯(lián)的扼流器141、142和連接至扼流器141、142之間的中點145的一個電容器143。每個電容器143連接至中間電路的中心點104。于是，干線的中性導(dǎo)線151 (如果存在的話)與中間電路的中心點104相分離。因此，濾波電容器143在其一端連接至扼流器141、142的中點145，并在其另一端連接至中間電路的中心點104.干線濾波器140用作電網(wǎng)頻率的正弦濾波器。也可以使用單個扼流器來代替兩個扼流器141、142。
[0023]同時還應(yīng)注意，可以使用橋分支111、112、113的標(biāo)準(zhǔn)NPC拓?fù)鋪泶鍮SNPC(雙極開關(guān)NPC)。在這種情況下，每個橋分支包括兩個上部和兩個下部的串聯(lián)開關(guān)對，其中各個二極管將每個上部和下部開關(guān)對的中點連接至中間電路的中心點104.[0024]如圖2a所詳細(xì)例示的，有源開關(guān)恢復(fù)分支121可以被構(gòu)造為雙向開關(guān)布置，其包括以相反極性串聯(lián)的兩個開關(guān)124、125，每個開關(guān)具有反并聯(lián)的二極管126、127。開關(guān)124、125被主動控制以避免高頻電壓。由此也降低了開關(guān)損耗以及扼流器141、142的磁極翻轉(zhuǎn)損耗和波紋電流。
[0025]有源開關(guān)恢復(fù)分支121還可以被構(gòu)造為這樣的雙向開關(guān)布置，其包括連接至二極管129的整流器布置的中點上的單個開關(guān)128，如圖2b所示。也可以使用其他已知的包括二極管和半導(dǎo)體開關(guān)的雙向布置。
[0026]干線的頻率可以為50或60Hz。中間電路電壓U_IC略高于導(dǎo)線-導(dǎo)線電壓的最大值，例如444V(對應(yīng)于300V的有效電網(wǎng)電壓)。優(yōu)選地，不包括控制裕量的中間電路電壓U_IC基本對應(yīng)于三相電網(wǎng)150的導(dǎo)線-導(dǎo)線電壓?？刂圃Ａ靠梢詾?0V，以避免高次諧波或者在發(fā)電機電壓波動或其他干擾的情況下與電網(wǎng)分離。利用上文公開的拓?fù)?，可以降低光伏發(fā)電機10的寄生電容接地泄露電流。
[0027]圖示的電路布置允許在不使用變壓器的情況下，在基本等于電網(wǎng)150的導(dǎo)線-導(dǎo)線電壓幅值的最小中間電路電壓U_IC下饋送至電網(wǎng)151。與將中性導(dǎo)線連接至中間電路的中心點104的四導(dǎo)線系統(tǒng)相比，可以按照0.866的系數(shù)降低最小中間電路電壓。
[0028]通過使用適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方法，例如空間矢量調(diào)制或具有疊加的三次諧波的調(diào)制或其他調(diào)制方法，可以減少開關(guān)動作的次數(shù)，并由此提高效率。
[0029]中間電路的中心點104與電網(wǎng)的中性導(dǎo)線的分離可以避免電流傳輸至干線，這使得可以通過零序系統(tǒng)(zero phase sequence system)來激勵。所得的用于干線電流的驅(qū)動電壓不再包括零序系統(tǒng)，并具有以1.155(=1/0.866)的系數(shù)大于中間電路電壓的最大幅值。
[0030]為了避免來自直流發(fā)電機的不期望的高頻泄露電流，圖示的電路布置不產(chǎn)生任何高頻電勢跳變，而是僅有可忽略的低頻電勢變化，其變化頻率為干線頻率的三倍，并且其幅值對應(yīng)于干線電壓幅值的最大13.4%。
[0031]本實用新型不限于上面確切描述的實施例。例如，可以連接升壓變換器或其他DC-DC級以提供其他的電壓級別或電壓變換。
[0032]標(biāo)號列表
[0033]10光伏發(fā)電機
[0034]100逆變器
[0035]101直流電壓輸入
[0036]102、103緩沖電容器
[0037]104中間電路的中心點
[0038]110橋電路
[0039]111、112、113 橋分支[0040]120恢復(fù)路徑
[0041]121、122、123 恢復(fù)分支
[0042]124、125半導(dǎo)體開關(guān)
[0043]126、127 二極管
[0044]128半導(dǎo)體開關(guān)
[0045]129 二極管
[0046]130相輸出
[0047]140干線濾波器
[0048]141、142 扼流器
[0049]143濾波電容器
[0050]145扼流器之間的中點
[0051]150 電網(wǎng)
[0052]151中性導(dǎo)線
[0053]160交流輸出
【權(quán)利要求】
1.一種三相無變壓器逆變器(100)，包括用于連接至至少一個直流電壓源(10)的直流電壓輸入(101)、用于饋送至三相電網(wǎng)(150)的三相交流輸出(160)、三相橋電路(110)、和分割中間電路， 所述逆變器(100)的特征在于， 所述中間電路的中心點(104)與電網(wǎng)(150)的中性導(dǎo)線分離，并且所述逆變器(100)僅通過三相交流輸出(160)連接至電網(wǎng)(150)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三相無變壓器逆變器，其特征是，所述三相交流輸出(160)通過干線濾波器連接至橋電路(110)的對應(yīng)相輸出(130)，所述干線濾波器包括濾波扼流器(141)和濾波電容器(143)，所有三相濾波電容器(143)—起連接在所述中間電路的中心點(104)的一端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三相無變壓器逆變器，其特征是所述分割中間電路由兩個串聯(lián)的電容器(102、103)構(gòu)成，所述兩個串聯(lián)的電容器(102、103)在其鏈接點(145)處與濾波電容器(143)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三相無變壓器逆變器，其特征是所述橋電路被構(gòu)造為多級電路布置。
5.根據(jù)權(quán) 利要求4所述的三相無變壓器逆變器，其特征是所述多級電路布置被構(gòu)造為三級電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的三相無變壓器逆變器，其特征是所述三級電路布置包括三個橋分支(111、112、113)，每個分支包括串聯(lián)的開關(guān)(￥11、￥14、￥21、￥24、￥31、￥34)和具有雙向半導(dǎo)體開關(guān)布置的有源恢復(fù)分支(121、122、123)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三相無變壓器逆變器，其特征是所述雙向半導(dǎo)體開關(guān)布置包括以相反極性串聯(lián)的兩個開關(guān)(124、125)，每個開關(guān)包括反并聯(lián)的二極管(126、127)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三相無變壓器逆變器，其特征是所述雙向半導(dǎo)體開關(guān)布置包括單個開關(guān)(128)，所述開關(guān)(128)連接在二極管(129)的整流器布置的中點之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三相無變壓器逆變器，其特征是所述逆變器被構(gòu)造為以低于電網(wǎng)(150)的導(dǎo)線-中性導(dǎo)線電壓幅值的二倍的最小中間電路電壓饋送至電網(wǎng)(150)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三相無變壓器逆變器，其特征在于包括連接至直流電壓輸Λ(ιο?)的光伏發(fā)電機。
【文檔編號】H02M7/48GK203574561SQ201320172041
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年4月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月8日
【發(fā)明者】不公告發(fā)明人 申請人:艾思瑪太陽能技術(shù)股份公司