專(zhuān)利名稱(chēng)：用于運(yùn)行具有前置升壓器的逆變器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于運(yùn)行具有經(jīng)過(guò)中間電路前置的升壓器(Hochsetzer)的逆變器的方法，該升壓器可以連接到具有可變的引 出電流預(yù)定值的直流電源，其中逆變器和升壓器分別具有一個(gè)特有的 效率最佳的工作范圍。此外本發(fā)明還涉及一種用于實(shí)施該方法的裝 置。
背景技術(shù)：
在將較低的直流電壓轉(zhuǎn)換為較高的交流電壓的情況下使用具有逆 變器和前置升壓器的方法。在此升壓器調(diào)節(jié)直流電源的輸出電流并且 提供一個(gè)直流電壓作為中間電路電壓，由逆變器把該直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?交流電壓并且輸出給負(fù)載或交流網(wǎng)絡(luò)。在此通過(guò)逆變器調(diào)節(jié)中間電路 電壓。這種方法例如用于把光電電池、燃料電池和類(lèi)似的、具有可變引 出電流預(yù)定值的直流電源連接到負(fù)載或交流網(wǎng)絡(luò)。在此引出電流預(yù)定 值理解為這樣的引出電流，其例如由直流電源的內(nèi)部調(diào)節(jié)器預(yù)先確 定，以便輸出由直流電源提供的能量。這樣的直流電源通常具有依賴 電流的電壓特征曲線。通過(guò)外部的影響、例如在光電電池的情況下改 變光照條件，可以改變引出電流。逆變器和升壓器的調(diào)節(jié)必須考慮這 樣的動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)。按照現(xiàn)有技術(shù)存在不同類(lèi)型；例如在US 2004/0207366或US 2004/0165408中的類(lèi)型。對(duì)此中間電路電壓保持 在幾乎恒定的值。對(duì)于該值的確定直流電源的最大允許輸出電壓起決 定作用，因?yàn)樵诎ㄔ撝抵安辉试S達(dá)到升壓器的最大占空因數(shù)。否 則升壓器的電流調(diào)節(jié)不再能夠調(diào)節(jié)引出電流或造成由電壓引起的電流 降低。從恒定中間電路電壓的預(yù)先給定中得出包括升壓器和逆變器的單 元的總效率的缺點(diǎn)。如果升壓器運(yùn)行于最大占空因數(shù)，則升壓器具有 最高的效率?？墒窃谥绷麟娫吹姆€(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下占空因數(shù)明顯低于最
大占空因數(shù)，因?yàn)闉榱藙?dòng)態(tài)的引出電流升高還要設(shè)置足夠的余地。 發(fā)明內(nèi)容因此本發(fā)明的任務(wù)是給出一種與現(xiàn)有技術(shù)相比改善的、用于運(yùn)行 具有前置升壓器的逆變器的方法。根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)具有在權(quán)利要求1中提到的特征的方法解決該 任務(wù)。因此得到這樣的優(yōu)點(diǎn)，即在直流電源的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下不僅逆 變器而且升壓器都在各自特有的效率最佳的工作范圍內(nèi)運(yùn)行。如果預(yù)先規(guī)定升壓器的輸入電壓乘以升壓器的變壓比減去等于逆變器的平均輸入電壓范圍值的大約30%的可靠值作為最佳的中間電路 電壓，如果逆變器(W)的最高輸入電壓范圍值預(yù)先確定為中間電路電 壓(U爾)的上限值并且逆變器(W)的最低輸入電壓范圍值預(yù)先確定 為中間電路電壓(U則)的下限制，則特別有益地形成本發(fā)明。此外如果中間電路電壓的當(dāng)前值高于這樣的閾值一其為逆變器的 效率最佳工作區(qū)域的電壓上限值的90%，直流電源的引出電流預(yù)定值高 于當(dāng)前引出電流的125%并且當(dāng)前的引出電流接近確定為直流電源內(nèi)部 電流限制的最大引出電流，則中間電路電壓下降到當(dāng)前值的大約90% 是有益的。由此實(shí)現(xiàn)，盡管引出電流顯著升高升壓器仍然保持其調(diào)節(jié) 動(dòng)態(tài)性并且不會(huì)進(jìn)入最大占空因數(shù)的狀態(tài)。如果通過(guò)升壓器的再調(diào)節(jié)使得當(dāng)前的引出電流重新與直流電源的 引出電流預(yù)定值一致，則逐步地接近最佳的中間電路電壓，在該電壓 下升壓器工作在效率最佳的范圍內(nèi)。在此在每個(gè)近似步驟之后檢查是 否已經(jīng)達(dá)到最佳的中間電路電壓，以及是否不再因?yàn)檫€是動(dòng)態(tài)的引出 電流預(yù)定值而存在重新降低中間電路電壓的上述條件。為了實(shí)施用于調(diào)節(jié)中間電路電壓的方法設(shè)置一個(gè)裝置，在該裝置 中逆變器的輸出端可以連接到負(fù)載或交流電壓網(wǎng)絡(luò)，并且其輸入端經(jīng) 過(guò)一個(gè)升壓器連接到直流電源。該裝置的一個(gè)有益結(jié)構(gòu)是實(shí)施為電位分離的升壓器，該升壓器例 如具有一個(gè)平面變壓器。該升壓器非常有益地適合于在輸入電壓和輸 出電壓之間的高變壓比。該方法特別適合于將燃料電池、光電電池、電池組、蓄電池、直 流發(fā)電機(jī)或類(lèi)似電源連接到一個(gè)負(fù)載或交流電網(wǎng)。在該直流電源中引
出電流可能變化很大并且在引出電流和電壓之間存在明顯的依賴關(guān) 系。通過(guò)中間電路電壓的根據(jù)本發(fā)明的調(diào)節(jié)，盡管在直流電源中存在 這種動(dòng)態(tài)變化過(guò)程仍然實(shí)現(xiàn)升壓器-逆變器單元的較高效率。此外推薦在該裝置中集成一個(gè)控制單元，其用于調(diào)節(jié)逆變器和升壓器，其中該控制單元具有一個(gè)微處理。對(duì)此例如使用一個(gè)DSP (Digital Signal Prozessor，數(shù)字信號(hào)處理器)，其從當(dāng)前的電流 和電壓值中計(jì)算出用于調(diào)節(jié)升壓器和逆變器的額定值。


根據(jù)附圖和實(shí)施例詳細(xì)闡述本發(fā)明。附圖例如示出 圖1:所述裝置的示意2:關(guān)于直流電源G的電壓的最佳中間電路電壓曲線圖3:關(guān)于直流電源G的電壓的最大額定電流值Is。h—^的曲線圖4:燃料電池仿真器的特性曲線具體實(shí)施方式
在圖1中示出了包括升壓器H、具有控制單元S的逆變器W的本發(fā) 明裝置和連接的直流電源G。直流電源G例如是燃料電池，在其輸出端 上存在直流電壓Udch。升壓器H優(yōu)選以電位分離的結(jié)構(gòu)存在并且在輸出 端上提供中間電路電壓U固，該中間電路電壓由直流電源的電壓U固乘 以在升壓器H中作用的平面變壓器的變壓比N (例如恥14)得出。在啟動(dòng)時(shí)對(duì)逆變器W預(yù)先給定，應(yīng)當(dāng)由該逆變器W把中間電路電 壓U曙保持在逆變器W的效率最佳工作區(qū)域的上限值。在圖2中該值例 如在480V的情況下作為平行于橫坐標(biāo)的直線繪出。在此圖2是關(guān)于燃 料電池的電壓U,的最佳中間電路電壓Um s。h的示范預(yù)定值。直到大 約25V的燃料電池電壓U則為止，中間電路電壓都恒定保持在下限值 U則s。u』"-240V。然后線性升高到上限制U,s。h』a產(chǎn)480V。在此極限值 U。cu。,,』"和ILku。h，限定逆變器W運(yùn)行效率最佳的范圍并且通過(guò)這種 結(jié)構(gòu)形式和逆變器W的元件確定。升壓器H工作在電流調(diào)節(jié)的區(qū)域。在升壓器H升高電流的情況下 直流電源G的電壓U剛同時(shí)降低。由此升壓器H的占空系數(shù)T增大。從 確定的引出電壓U^起升壓器H部分達(dá)到完全封鎖運(yùn)行，并且電流調(diào)節(jié)不再得到保證。在圖2中示出例如該值為42V。為了能讓升壓器H的電流調(diào)節(jié)器進(jìn)一步調(diào)節(jié)電流，降低逆變器W 的中間電路電壓U則。然后從以下公式中得出中間電路電壓的額定值UdCW — So， i :Udcw —s。i i=Udch*N_Su ( 1 )其中N是升壓器H的變壓比并且Su是一個(gè)安全值，其例如處在逆 變器W的平均輸入電壓范圍的大約30%的數(shù)量級(jí)。在圖2中該輸入電壓 范圍值相當(dāng)于中間電路電壓的最佳額定值U固s。n并且例如處在極限值 U固—s。u』i"240V和lWSoll，=480V之間。由此平均輸入電壓范圍值在 360V，從而可以采用大約100V的安全值Su。由于逆變器W的電壓調(diào)節(jié)器的啞時(shí)和調(diào)節(jié)備用而減去該安全值 Su，因?yàn)橛捎贏C側(cè)的功率波動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)非常緩慢。在啟動(dòng)之后為中間電路電壓的額定值IWu。h確定一個(gè)閾值 該閾值低于上限值U DCW — SoH —max 大約10% (例如430V)。在如 下條件下降低中間電路電壓的額定值Ud化s。h:-中間電路電壓的當(dāng)前額定值IWu。"高于閾值U DCW-Schwe， ， e 9-由直流電源G (例如由燃料電池調(diào)節(jié)裝置)預(yù)先確定的引出電流預(yù)定值Iv。rga"升高大于加上安全值S"的當(dāng)前引出電流IS。H的25%。其中當(dāng)前引出電流Is。，'是這樣的值，其當(dāng)前在升壓器H的電流調(diào)節(jié)中預(yù) 先規(guī)定為額定值并且隨著確定的動(dòng)態(tài)變化(例如直到2200W功率范圍 為止的10A/s和高于2200W功率范圍時(shí)的3. 3A/s )跟蹤引出電流預(yù)定 值Iv。rgabe。已測(cè)量的當(dāng)前引出電流值是I,，其與調(diào)節(jié)器中的額定值Is。h 一致。安全值Sn考慮具有較低電流值的運(yùn)行狀態(tài)，在該運(yùn)行狀態(tài)下百分比差值的比較引起調(diào)節(jié)的過(guò)晚響應(yīng)。安全值Sn的數(shù)量級(jí)為直流電源G的最大可能引出電流的1. 2% (在圖4中示出的、仿真燃料電池的特 性曲線中直流電源G的最大可能引出電流為大約100A，安全值Sn為大 約1. 2A)-當(dāng)前引出電流Is出比最大引出電流Is。H』"小一個(gè)安全值S"。其 中最大引出電流Is。H,依賴于直流電源G的當(dāng)前電壓U腦并且確定為 直流電源G的內(nèi)部電流限制。在圖3中示出了燃料電池的最大引出電流Is。H-,的示范曲線。Is。H』a,直到大約26V的燃料電池電壓U,為止都等于零，然后直到大約29V的燃料電池電壓U則為止陡峭地升高到大
約81A，然后直到大約63V的燃料電池電壓U則為止再度幾乎連續(xù)地下 降到零。安全值S12引起在達(dá)到直流電源G的內(nèi)部電流限制之前降低中 間電路電壓的額定值U目s。h。安全值可以采用最高額定電流值 Iscm，的2. 5%，在該實(shí)例情況中大約為2. 1A。 因此按照下面的條件實(shí)施電壓降低Udcw > Udcw —Schwelle 并且Ivorgabe>l. 25*Is"i+Sii并且Isoll〈Iso11 —max-Sl2 (2)按照下面的公式降低電壓U固—Soll=(UDCH*N-Su) *0. 9 (3) 如果引出電流值Is。n達(dá)到引出電流預(yù)定值Iv。w"，則接下來(lái)才再度 實(shí)施電壓升高。例如按照下面的步驟實(shí)現(xiàn)升高 對(duì)于至少1. 5秒適用U曙< (UdcN-Su) *0. 9+25V (4) 然后中間電路電壓額定值IWu。n提高到94%:IWSom= ( U則本N-Su) *0. 94 (5) 對(duì)于至少1. 5秒適用U羅< (IWN - Su) * 0. 94+2 5 V (6) 然后中間電路電壓額定值U雨s。"提高到98%:lWSou=(UDCH*N-SO *0. 98 (7) 對(duì)于至少1. 5秒適用U,< (Udc一N-Su) *0. 98+25V (8) 然后中間電路電壓額定值U則s。u提高到100%,并且再度適用公式 (1)。如果在步驟(4)至(8)內(nèi)滿足條件(2)，則跳回到步驟(3)。
權(quán)利要求
1.一種用于運(yùn)行一個(gè)具有經(jīng)過(guò)中間電路前置的升壓器(H)的逆變器(W)的方法，該升壓器可以連接到一個(gè)具有可變引出電流預(yù)定值(IVorgabe)的直流電源(G)，其中逆變器(W)和升壓器(H)分別具有一個(gè)特有的、效率最佳的工作區(qū)域，其特征在于，在引出電流預(yù)定值(IVorgabe)升高并且升壓器(H)接近占空因數(shù)(T)的最大值的情況下降低中間電路電壓(UDCW)，并且在引出電流預(yù)定值(IVorgabe)穩(wěn)定的情況下再度升高中間電路電壓(UDCW)。
2. 按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，將所述升壓器(H)的 輸入電壓(IWh)乘以升壓器的變壓比減去等于逆變器(W)的平均輸 入電壓范圍值的大約30%的安全值預(yù)先規(guī)定為最佳的中間電路電壓，將逆變器(W)的最高輸出電壓范圍值預(yù)先規(guī)定為中間電路電壓(Udcw)的上限值，并且將逆變器(W)的最低輸入電壓范圍值預(yù)先規(guī)定為中間 電路電壓(U隨)的下限值。
3. 按照權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于，如果滿足下面的條 件，則中間電路電壓(U,)降低到當(dāng)前值的大約90%:-中間電路電壓(IWw)的當(dāng)前值高于一個(gè)這樣的閾值，其為逆變 器(W)的效率最佳的工作范圍的電壓上限值的大約90%，以及-直流電源的引出電流預(yù)定值(Iv。""a)高于當(dāng)前引出電流(Is。u) 的125%，以及-當(dāng)前引出電流(Is。h)接近確定為直流電源(G)的內(nèi)部電流限制 的最大引出電流， 并且如果-中間電路電壓(UdcO的當(dāng)前值低于最佳的中間電路電壓，-當(dāng)前引出電流(Is。u)等于引出電流預(yù)定值(Iv。^be)，-如果不能滿足上面給出的、降低中間電路電壓(U^)的條件， 則再度逐步地升高中間電路電壓(UmO 。
4. 一種用于實(shí)施按照權(quán)利要求1至3之一的方法的裝置，其特征 在于，設(shè)置一個(gè)逆變器(W)，其輸出端連接到負(fù)載或交流網(wǎng)絡(luò)，并且 輸入端經(jīng)過(guò)一個(gè)升壓器(H)連接到直流電源(G)。
5. 按照權(quán)利要求4的裝置，其特征在于，以電位分離的結(jié)構(gòu)形成 所述升壓器(H)。
6. 按照權(quán)利要求4或5的裝置，其特征在于，所述直流電源(G) 是燃料電池、光電電池、電池組、蓄電池、直流發(fā)電機(jī)或類(lèi)似電源。
7. 按照權(quán)利要求4至6之一的裝置，其特征在于，該裝置包含一 個(gè)用于調(diào)節(jié)逆變器(W)和升壓器(H)的控制單元(S)。
8. 按照權(quán)利要求7的裝置，其特征在于，所述控制單元(S)具 有一個(gè)微處理器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于運(yùn)行具有經(jīng)過(guò)中間電路前置的升壓器(H)的逆變器(W)的方法，該升壓器可以連接到一個(gè)具有可變引出電流預(yù)定值(I_Vorgabe)的直流電源(G)，其中逆變器(W)和升壓器(H)分別具有一個(gè)特有的、效率最佳的工作區(qū)域。在引出電流預(yù)定值(I_Vorgabe)升高并且升壓器(H)接近占空因數(shù)(T)的最大值的情況下降低中間電路電壓(U_DCW)，并且在引出電流預(yù)定值(I_Vorgabe)穩(wěn)定的情況下再度升高中間電路電壓(U_DCW)。由此得到這樣的優(yōu)點(diǎn)，即在直流電源(G)的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下不僅逆變器(W)而且升壓器(H)都工作在各自特有的、效率最佳的工作范圍。
文檔編號(hào)H02M7/537GK101164223SQ200680013042
公開(kāi)日2008年4月16日 申請(qǐng)日期2006年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月21日
發(fā)明者H·柯恩斯托克, L·塞斯納克, M·科加德 申請(qǐng)人:奧地利西門(mén)子公司