網(wǎng)絡(luò)反饋裝置、能量反饋系統(tǒng)以及操作網(wǎng)絡(luò)反饋裝置的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及網(wǎng)絡(luò)反饋裝置(10)，該網(wǎng)絡(luò)反饋裝置(10)用于將電能從直流能源(12)反饋至三相交流供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)(32)，其中直流中間電路(24)的直流電壓通過至少一個逆變器單元(14)被轉(zhuǎn)換為三相電壓并通過變壓器裝置(16)被反饋至交流供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)(24)，該變壓器裝置(16)包括三個網(wǎng)絡(luò)變壓器繞組(38)。本發(fā)明的特征在于，網(wǎng)絡(luò)變壓器繞組(38)的第一繞組端子被連接至第一逆變器轉(zhuǎn)置(14a)的半橋(30)，并且變壓器裝置(16)的網(wǎng)絡(luò)變壓器繞組(38)的第二繞組端子被連接至第二逆變器裝置(14b)的半橋。在輔助方面，本發(fā)明涉及能量反饋系統(tǒng)，該能量反饋系統(tǒng)用于將光伏源、燃料電池源、蓄電池源或者可機械操作的直流發(fā)電機連接至交流供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)或者交流用電設(shè)備，特別是連接至三相馬達，并且還涉及用于高效能的電壓反饋的操作方法。
【專利說明】網(wǎng)絡(luò)反饋裝置、能量反饋系統(tǒng)以及操作網(wǎng)絡(luò)反饋裝置的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于將來自直流能源的電能反饋至交流或者三相供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置，其中直流中間電路的直流電壓通過至少一個逆變器單元被轉(zhuǎn)換為交流或者三相電壓并且通過變壓器裝置被反饋至交流供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明的次要方面涉及用于將來自光伏源、燃料電池、蓄電池源或者后接整流器的交流發(fā)電機的直流電壓反饋至交流供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的能量反饋系統(tǒng)，涉及用于操作此類網(wǎng)絡(luò)反饋裝置的操作方法，以及涉及用于操作交流用電設(shè)備網(wǎng)絡(luò)反饋裝置的應(yīng)用，特別是交流馬達的應(yīng)用。原則上，根據(jù)本發(fā)明的裝置也能夠用于翻轉(zhuǎn)能量流的方向，從而為直流用電設(shè)備提供可調(diào)整的中間電路電壓。

【背景技術(shù)】
[0002]從在先技術(shù)中可知，伴隨著網(wǎng)絡(luò)反饋裝置，來自諸如蓄電池、光伏電池、燃料電池或者類似的直流電源的直流電源的電能可被轉(zhuǎn)換為交流或者三相能量并被反饋至供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。通常地，具有最大的受到由直流電源提供的直流電壓所限的三相輸出電壓的單一的逆變器單元被用于此目的。例如，光伏反饋系統(tǒng)中直流電壓由太陽能電池布置的最大功率點(MPP)的電壓所決定，即太陽能電池的電流/電壓圖表中能夠得到最大功率的點，即該點上電流和電壓的結(jié)果取最大值，以及直流電壓取決于太陽能電池的操作模式和類型。通過利用在最大功率點MPP的電壓以及相應(yīng)的電流，使用光伏電池能夠達到最佳效率，另一方面，網(wǎng)絡(luò)反饋裝置的直流中間電路中渴望電壓配置具有高度靈活性。由于用于反饋至供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的最大可能交流電壓導(dǎo)致電流幅度的減小并且由于效率、所包含的部件的物理大小以及花費方面的原因而令人滿意，從而為了達到同樣的功率所需的電流通過高的直流中間電路電壓而相應(yīng)地減少，進而允許部件能夠持續(xù)更長時間，更加經(jīng)濟并且尺寸更小，根據(jù)直流中間電路電壓的幅度，盡可能使得可傳送的交流電壓最大化。
[0003]在從現(xiàn)有技術(shù)中已知的三相逆變器的情形下，變壓器由三相逆變器所提供，其中，下述關(guān)系通常被應(yīng)用到光伏領(lǐng)域中三相電壓的最大化:UAe <UMPPmin/V2.0.9，其中，
U_in為太陽能電池的最大功率點MPP上的最小電壓，其中，為了容許誤差的管理和補償，提供了 10%的保留，以及三次諧波零序分量被引入到調(diào)制中。典型地，在光伏領(lǐng)域的應(yīng)用中，最小直流中間電路電壓為450V，從而線性三相電壓的最大輸出電壓大約為290V。此類三相電壓不足以反饋典型的400V三相網(wǎng)絡(luò)，從而必須使用網(wǎng)絡(luò)側(cè)變壓器，升壓轉(zhuǎn)換器或者用于調(diào)整電壓的其它裝置。結(jié)果，在例如是10kW系統(tǒng)的情形下，在交流電壓側(cè)的所有部件，換言之，在用電設(shè)備網(wǎng)絡(luò)側(cè)的所有部件，即變壓器、濾波器、扼流圈以及輸出架，可形成用于網(wǎng)絡(luò)電流高達200A所需的尺寸，即相對高的電流負載，其使得反饋電路相對昂貴、復(fù)雜以及低效。此外，光伏電池的高的開路電壓通常意味著下一個更高電壓等級的半導(dǎo)體部件需在逆變器中采用，否則，不可能在高的中間電路電壓下調(diào)節(jié)逆變器至那樣的結(jié)果。
[0004]迄今為止已知的用于通過網(wǎng)絡(luò)變壓器的網(wǎng)絡(luò)反饋的逆變器布局的切換行為會在輸出電壓中引起作用于網(wǎng)絡(luò)變壓器初級繞組上的諧波，導(dǎo)致了變壓器中的高損耗以及反饋至網(wǎng)絡(luò)的電壓具有較高的諧波分量。損耗引起了有害的變熱并且降低了網(wǎng)絡(luò)反饋電路的效率。電路的服務(wù)壽命也由于高功耗而減少。為此，逆變器的輸出端常采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)或者正弦波濾波器，這些相對昂貴，物理尺寸大，并且增加了故障敏感性以及網(wǎng)絡(luò)反饋電路的花費。
[0005]從上述現(xiàn)有技術(shù)出發(fā)，本發(fā)明旨在克服已知方法的不足。
[0006]上述不足通過根據(jù)獨立權(quán)利要求的裝置、方法和網(wǎng)絡(luò)反饋裝置的應(yīng)用而克服。本發(fā)明的有利改進在于從屬權(quán)利要求的主題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]在第一創(chuàng)造性方面，提供了一種用于將來自至少一個直流能源的電能反饋至交流或者三相供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置，其中，直流中間電路的直流電壓通過至少一個逆變器單元被轉(zhuǎn)換為交流或者三相電壓并且通過包括三個網(wǎng)絡(luò)變壓器繞組的變壓器裝置被反饋至交流供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。為此，根據(jù)本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)變壓器繞組的第一繞組端子與第一逆變器單元的半電橋相連，變壓器裝置的網(wǎng)絡(luò)變壓器繞組的第二繞組端子與第二逆變器單元的半電橋相連。通過操作兩個逆變器單元的半電橋之間的網(wǎng)絡(luò)變壓器繞組，為了將直流電壓轉(zhuǎn)換為三相電壓，直流中間電路電壓的全部范圍均被利用。通過操作兩個逆變器裝置中的初級側(cè)變壓器繞組，后者可在切換周期中平均值為輸出電壓的幅度下被操作，即從DC+至DC-而被操作。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，如果該繞組可選擇地與逆變器單元一起操作，則在星形電路(Y型電路)的情形下，對每個繞組而言，可用的切換周期中平均幅度僅為(DC+-DC-)/#,以及在三角形電路的情形下，逆變器單元供應(yīng)的電流為變壓器裝置繞組所接受的電流的力倍。這些增加的電流或者減少的電壓可在根據(jù)本發(fā)明的裝置中被避免，從而交流輸出電壓能夠增加#倍。
[0008]根據(jù)本發(fā)明，具有初級繞組端子的變壓器單獨生產(chǎn)，從而在變壓器裝置中，特別是一個獨立電壓，以及優(yōu)選地三個電壓的變壓器裝置中，可通過具有六個端子的開式變壓器繞組而從外部接入。變壓器裝置的初級繞組的每個第一端子與第一逆變器相連，相應(yīng)的初級繞組的第二端子與第二變頻器相連。例如，通過兩個逆變器單元的協(xié)調(diào)操作，為了利用最大發(fā)電機功率，可靈活利用太陽能電池布置的最大功率點MPP的電壓范圍。這優(yōu)化了直流能量反饋源的網(wǎng)絡(luò)反饋功率。和根據(jù)本發(fā)明的裝置一起，還提供了最大交流輸出電壓，從而相應(yīng)的功率半導(dǎo)體組件可被形成用于較低電流負載所需的尺寸，即具有更小的尺寸以及制造更加經(jīng)濟。逆變器單元中較低的電流導(dǎo)致了傳輸和切換損耗的降低，同時改進了反饋裝置的效率。隨著根據(jù)本發(fā)明的雙逆變器的布局，第一逆變器單元的輸出相LIU、LlV和LlW的電壓電位以及第二逆變器單元的輸出相L2U、L2V和L2W的電壓電位在更細的級中彼此獨立地被切換，由此更小的電壓變化結(jié)果以及諧波分量與相應(yīng)的損耗一起被降低。輸出電壓近似正弦曲線。
[0009]在本發(fā)明的有利的改進中，第一逆變器單元可與網(wǎng)絡(luò)同步操作以確定輸出的供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)電壓的極性，特別在50Hz或者60Hz頻率，以及第二逆變器單元可在更高PWM(脈沖寬度調(diào)制)周期頻率操作以便調(diào)制，特別的，以大于500Hz的頻率，并且優(yōu)選地，至少為4kHz。切換頻率為8kHz，16kHz或者更大是可能的并且有利的。第一逆變器確定輸出的供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)電壓的極性，即陽極或者陰極半波，在此過程中以所需的供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)頻率與網(wǎng)絡(luò)同步地被操作，所需的供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)頻率通常為50Hz或者60Hz，或者，當(dāng)驅(qū)動馬達時，為所需的馬達轉(zhuǎn)速。第二逆變器單元時鐘頻率更高，例如是10-100倍，并且發(fā)射PWM信號，用于形成供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)電壓所需的信號形式，特別是正弦信號形式。這些用來將發(fā)射電壓調(diào)制或者匹配至網(wǎng)絡(luò)電壓或者所需的電壓形式。在第一逆變器單元中僅產(chǎn)生低的切換損耗，從而冷卻系統(tǒng)和半導(dǎo)體可設(shè)計為采用較偏移的元件。可選地，兩個逆變器單元均可在較高的PWM時鐘頻率被操作，以便調(diào)制輸出的供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)電壓，特別是大于500Hz的頻率，優(yōu)選為4kHz的頻率。在此情形下，傳輸?shù)妮敵鲭妷旱馁|(zhì)量可進一步改進，特別是當(dāng)兩個逆變器單元的時鐘偏移為半個時鐘周期時。由于第二逆變器單元的高頻切換操作，相關(guān)相L1U-L2U，L1V-L2V以及L1W-L2W之間的輸出相電壓可大體上更接近正弦電壓曲線，由此，諧波進一步降低，變壓器和切換損耗降低以及服務(wù)壽命延長。提供的網(wǎng)絡(luò)反饋電壓非常接近理想正弦波。這允許省去復(fù)雜的正弦濾波器，節(jié)省開支和空間，降低了失敗的敏感性。相反地，在逆變器單元的輸出相至變壓器裝置的初級繞組中可使用經(jīng)濟的LC濾波和平滑單元，或者濾波裝置可被整體省略。由于雙逆變器相對于單一逆變器結(jié)構(gòu)具有更高的電壓和更小的電流，濾波和平滑單元可被設(shè)計為具有更低的電流幅度。
[0010]在本發(fā)明的有利改進中，變壓器單元可以是三相變壓器，該三相變壓器具有可分離的并且從外部接入的初級繞組端子，其中，每個初級繞組的兩個連接端子可從外部連接，并且每個初級繞組之前是濾波電容和濾波電感。在此改進中，初級繞組的通常出現(xiàn)的星形節(jié)點(中立性節(jié)點)可被打開，從而每個初級繞組可以以從外部接入的方式被連接。這使得每個第一連接端子與第一逆變器單元相連，每個初級繞組的第二端子與第二逆變器單元相連。每個初級繞組之前為平滑單元，該平滑單元通常包括濾波電容和濾波電感，為了將由逆變器單元發(fā)射的通常的二進制切換信號轉(zhuǎn)換為諧波正弦振動，其中電容和電感的存儲的磁能和電能被用于平滑PWM信號。在此方式下，通過打開從現(xiàn)有技術(shù)已知的變壓器裝置的星形節(jié)點，其可制成適于根據(jù)本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置的連接。根據(jù)變壓器的設(shè)計，濾波器裝置可被省略，或者在一些情形下也可在第二側(cè)連接濾波器裝置。
[0011]優(yōu)選地，在至少一個直流能源和兩個逆變器單元之間連接中間電路電容，該中間電路電容能夠平滑和穩(wěn)定直流中間電路中的中間電路直流電壓。這樣改進了中間電路直流電壓的穩(wěn)定性，減少了諧波和干擾損耗。
[0012]在單個逆變器操作中，以及在在單一直流能源下具有兩個逆變器單元的雙逆變器單元操作中，在逆變器單元的輸出相之間的操作中會出現(xiàn)諧波和有害的回路電流，增加了電流負載和損耗。較高的電流負載和諧波分量降低了電路布置的服務(wù)壽命，另一方面，損耗需要對于功率元件和變壓器裝置的冷卻性能的提升，在其它方面，損耗需要電纜和觸體具有更大的截面，進而降低了電路布置的整體效率?？偠灾@樣需要功率更大的切換元件，引起了安裝空間的增大以及費用上升。最后，網(wǎng)絡(luò)反饋電壓并不對應(yīng)于理想正弦曲線，因此，導(dǎo)致了在電流網(wǎng)絡(luò)中的干擾。
[0013]根據(jù)一個優(yōu)選實施例，優(yōu)選地，包括至少一個濾波電容和至少一個濾波電感的濾波和平滑單元可在逆變器單元和變壓器裝置之間合并，特別地，在每個初級繞組之前。濾波和平滑單元被用以顯著降低諧波分量和抑制回路電流，從而提升了電路布置的服務(wù)壽命和效率，并使得輸出電壓接近理想正弦曲線。優(yōu)選地，濾波和平滑單元可被插入到變壓器裝置的變壓器繞組的供電線，特別地，被設(shè)計用于抑制共模電流以及衰減高頻振動。通過利用簡單的LC網(wǎng)絡(luò)作為濾波器電路，可以省略復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)或者具有大量諸如X和Y電容的無源元件的正弦濾波器。
[0014]根據(jù)一個優(yōu)選實施例，濾波和平滑單元的濾波電感可被安置為與每個初級繞組串聯(lián)。由于電感提供增大的更高頻率阻抗，濾波電感可與第一或者第二逆變器單元的輸出相相連，并被用于抑制諧波。
[0015]在此基礎(chǔ)上，濾波電感可進一步包括兩個扼流圈，兩個扼流圈被插入到初級繞組的前向和反向相L1U-L2U，L1V-L2V，L1W-L2W中。因此，上述濾波電感可劃分為兩個扼流圈并被整合到兩個逆變器單元的兩個交互的相應(yīng)的驅(qū)動相中，由此，逆變器單元的簡單并行連接常被用來增大或者按比例增加功率。
[0016]相反地，前向和反向相L1U-L2U，L1V-L2V，L1W-L2W的濾波電感的扼流圈采用電流補償設(shè)計。例如，這可以通過如下方式實現(xiàn):前向和反向線的線圈以相反相位纏繞在公共線圈支架上，盡管共模元件導(dǎo)致高磁場以及高阻抗，由于低效回路電流大大衰減，逆變器單元的低損耗并行連接可實現(xiàn)。
[0017]在所提出的濾波和平滑單元中，濾波電感通常配置到變壓器裝置的每個初級繞組。優(yōu)選地，至少三個濾波電感在多腿線圈支架上被纏繞在一起，特別地，在三腿線圈支架上，由此電流的磁性電路一方面被有利地連接在一起，另一方面，單個的節(jié)省空間的電感部件可被提供，其具有小的物理尺寸并可被集成到雙逆變器裝置的裝配中。
[0018]根據(jù)濾波和平滑單元的前述實施例，特別有利地，為每個相(phase)L2U，L2V，L2W或者分開的相配置單相扼流圈(single-phase choke)，以及優(yōu)選地為前向和反相相L1U-L2U，L1V-L2V，L1W-L2W配置電流補償扼流圈。優(yōu)選地，電流補償扼流圈包括用于電流補償在逆變器單元之間的回路電流的衰減的多腿濾波器扼流圈。電流補償扼流圈具有多個相同的線圈，通過相同的繞組電流的方向相反，從而前向和反向線形成的磁場互相補償，以便消除干擾電流。在單一直流能源下兩個逆變器單元的并行操作中，回路電流所導(dǎo)致的共模電流會在電流補償扼流圈中產(chǎn)生高電感，該電流補償扼流圈具有衰減作用，即關(guān)于回路電流形成有高阻抗。為此目的，電流補償扼流圈產(chǎn)生高雜散電感是值得的，其可有利地通過三腿結(jié)構(gòu)的負載磁場的線圈本體而實現(xiàn)，負載磁場的線圈本體在多數(shù)情形下包括層壓金屬板，其中兩個逆變器單元的三相的前向和反向線L1U-L2U，LlV, -L2V, L1W-L2W的每個的一條腿成對通過。由于逆變器單元的切換作用和干擾的回路電流的衰減，雜散電感降低了諧波作用。
[0019]根據(jù)一優(yōu)選實施例，兩個以上的逆變器單元并行連接并被同步操作以形成逆變器單元，其中同步輸出相LllU & L12U,L11V & L12V,Lllff & L12ff,L21U & L22U,L21V & L22V以及L21W & L22W通過扼流圈彼此耦合，優(yōu)選地，通過用于抑制諧波以及降低回路電流的多腿扼流圈。上述單相扼流圈因而可在前向和反相線之間被劃分，即一個扼流圈被整合到將第一逆變器單元連接到變壓器裝置的L1U，LlV以及LlW分支每一個中，相應(yīng)的扼流圈被整合到將第二逆變器單元連接到變壓器裝置的L2U，L2V以及L2W分支中。這使得可以兩個以上的逆變器單元并行連接以形成逆變器單元，為了并行操作它們，不需要采取額外的電路措施以保護逆變器單元。對于增加反饋功率的經(jīng)濟的串聯(lián)，這樣也是可行的，其中，如上所述，具有顯著的雜散電感的三腿結(jié)構(gòu)扼流圈允許緊湊的結(jié)構(gòu)。LC網(wǎng)絡(luò)所需的電感可在兩個扼流圈之間被劃分，兩個扼流圈的每一個可被有利地安置在三腿線圈的軛的一條腿上。最終，其在針對每個待同步逆變器單元的并行連接逆變器單元的PWM時鐘的并行操作的情形下是有利并有益的，不論通過在逆變器單元中采用的半導(dǎo)體切換單元的切換線的并行線圈方式，還是通過與兩個并行連接的逆變器單元相關(guān)的PWM控制單元(脈沖寬度調(diào)制控制單元)的同步時鐘的方式。
[0020]根據(jù)一逆變器單元并行操作的優(yōu)選實施例，至少雙逆變器裝置的逆變器單元和相應(yīng)的輸出側(cè)濾波和平滑單元，即LC階段的濾波器導(dǎo)體和電容，可在兩個逆變器裝置的公共裝配中組合在一起。這使得兩個以上的此類雙逆變器裝置并行連接成為可能，其中包含在雙逆變器裝置中的兩個逆變器單元各自的輸出相L1U，LlV, Llff以及L2U，L2V，L2W彼此連接。此處，濾波電感大體上允許并行操作并抑制回路電流。在雙逆變器裝置中的逆變器單元的結(jié)構(gòu)一體化允許實現(xiàn)緊湊以及經(jīng)濟的可擴充性。必要時，合適的電路裝置可被用于并行連接雙逆變器，其中高的故障冗余度也可實現(xiàn)，并且輸出功率可被增大。
[0021]根據(jù)一優(yōu)選實施例，至少第二逆變器單元可以是具有中央節(jié)點的具有3個以上級別的逆變器單元。此類具有3個以上級別的逆變器單元允許在兩個逆變器單元之間的每個極性方向上至少三種不同電壓幅度的輸出，即零電壓、中間電壓和接近在陽極和陰極方向上直流中間電路的電壓幅度的最大電壓，從而可以輸送至少五種不同電壓幅度，因此，PWM信號的更好的控制以及待輸送的交流電壓的質(zhì)量改進可被實現(xiàn)。此類三級逆變器單元提升了效率。通常，此處的兩個逆變器單元共享中間電路電容。為了確定零電壓，三級逆變器單元包括中央節(jié)點，例如，可以是NPC類型(中點箝位式三級逆變器)的三級逆變器單元，其使得定義的零電壓有效。利用多級逆變器單元有著可以想象的和進一步的優(yōu)點，但是其相對較貴并且需要與昂貴的技術(shù)控制裝備一起操作。
[0022]作為具有標(biāo)準(zhǔn)有源導(dǎo)體(絕緣柵門極晶體管切換晶體管)的三個以上級別逆變器單元的替換物，高的PWM時鐘頻率可通過兩點、三點或者更高級別的具有切換元件逆變器單元而實現(xiàn)，該切換元件具有顯著低的導(dǎo)電性和/或切換損耗，例如，基于碳化硅(SiC)半導(dǎo)體元件或者砷化鎵(GaAs)半導(dǎo)體元件的兩點或者三點逆變器單元。當(dāng)在比與網(wǎng)絡(luò)同步操作的逆變器單元更高的頻率上操作時，特別地，此類有源半導(dǎo)體元件具有非常低切換損耗和低的傳導(dǎo)電阻，這些同樣可以實現(xiàn)本發(fā)明所需的優(yōu)點。
[0023]基于上述的典型實施例，根據(jù)連接的有利改進，在至少一個直流能源和兩個逆變器單元之間的直流中間電路中，在陽極和陰極中間電路電勢與中間電路的中央節(jié)點各自之間的中間電路電容成為可能。因此，為了提供改進的中間直流電勢平滑以及從具有穩(wěn)定電壓的三級逆變器單元的電壓輸送，建議兩個分開的中間電路電容連接在陽極中間電路電勢和中央節(jié)點之間以及連接在陰極中間電路電勢和中央節(jié)點之間。兩個逆變器單元均與同一直流中間電路相連。相對于兩個分開的直流中間電路的總和，公共中間電路電容的尺寸可減少，從而節(jié)省了開銷。
[0024]在一優(yōu)選實施例中，用于從逆變器單元和/或繞組端子的星形和/或三角形連接中去耦切換裝置可提供在網(wǎng)絡(luò)變壓器繞組的第一和/或第二繞組端子。例如，在逆變器單元故障或者逆變器單元的直流供應(yīng)電壓崩潰的情形下，去耦合切換裝置將繞組端子從相應(yīng)的逆變器單元分開。為了繼續(xù)操作變壓器裝置，繞組端子通過星形切換裝置在星形電路中或者通過三角切換裝置在三角電路中彼此連接。通過此方式，可實現(xiàn)冗余，增加了網(wǎng)絡(luò)反饋裝置抵抗失敗的安全性。在星形電路中，連接至逆變器單元之一的繞組端子被短路。此處，相應(yīng)的逆變器從繞組端子斷開電連接，或者必須確保相應(yīng)的逆變器單元在短路期間以及短路前瞬間不會被調(diào)整。因此，變壓器裝置改變到星形電路。在高中間電路電壓時這樣是有利的，由于MPP跟蹤，其偶然發(fā)生于光伏發(fā)電機中。通過切換到星形電路，短路的逆變器單元的損耗可避免，因而，網(wǎng)絡(luò)反饋裝置的整體效率可進一步增加。由于該措施允許系統(tǒng)繼續(xù)操作，在相應(yīng)的逆變器由于故障而失敗的情形下，短路同樣有利。連接至逆變器單元的初級繞組末端的短路可通過接觸器、繼電器或者電子開關(guān)的實現(xiàn)。在三角電路中，繞組串聯(lián)，特別地，通過接觸器、繼電器或者電子開關(guān)串聯(lián)。在此情形下，一些時間中，兩個逆變器單元中的僅一個處于操作中，其裝有能夠承受更高電壓的半導(dǎo)體。在此操作模式下，網(wǎng)絡(luò)反饋裝置可隨著中間電路電壓一起操作，該中間電路電壓可能不適合第二逆變器單元。這樣解決了光伏發(fā)電機的高的開路電壓的問題。
[0025]在一有利改進中，第一逆變器單元能夠與第一直流能源相連，并且第二逆變器單元與第二直流能源相連。這使得使用為了反饋更高功率的低功耗的逆變器單元成為可能。如果兩個直流能源中的一個失敗，第二個可繼續(xù)為網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)降低了的功率。從而達到了抵抗失敗的冗余和安全性增加。因而，兩個逆變器單元按照如下配置連接:每個逆變器單元分配一個單獨的直流能源或者直流用電設(shè)備以及單獨的中間電路單元。兩個逆變器單元在直流側(cè)通過最大連接彼此相連。在此配置下，諸如光伏發(fā)電機、蓄電池或者燃料電池的兩個直流能源可彼此獨立的操作，并且它們的操作點經(jīng)過調(diào)整。特別地，兩個光伏發(fā)電機可關(guān)于它們的MPP點獨立的優(yōu)化。
[0026]在一個次要方面，能量反饋系統(tǒng)可包括直流能源，例如光伏能源、燃料電池能源、蓄電池能源、具有根據(jù)前述典型實施例之一的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置所裝配的具有整流器的可機械操作的發(fā)電機。直流能源可以是光伏源、燃料電池源、蓄電池源或者發(fā)電機，優(yōu)選地，具有附著整流器的同步發(fā)電機。特別地，作為光伏能源操作期間，通過在其中可實現(xiàn)光伏電池的最大功率的MPP電壓下進行操作，使得效率增加成為可能。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的進一步輔助方面，提供了一種用于操作網(wǎng)絡(luò)反饋裝置的方法，其中第一和第二逆變器單元以協(xié)作的方式運行:作用于變壓器裝置的每個初級繞組上的電壓可被調(diào)整為幅度在OV至中間電路電壓DC+/DC-之間。因此，在第一和第二逆變器單元之間可提供電壓，該電壓在一個切換周期中的平均幅度可在零和直流中間電路電壓之間調(diào)整。中間電路的總的電壓變化對于各自半波的調(diào)制各不相同。此處，用于待輸送的交流電壓的調(diào)制的第二逆變器單元的高頻操作尤為有利。
[0028]基于上述的方法，特別有利地，如果第一逆變器單元被操作用于確定使用網(wǎng)絡(luò)頻率同步傳遞的供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)電壓的極性，特別地，在50Hz或者60Hz周期下，或者在對應(yīng)于發(fā)電機的轉(zhuǎn)動速率的周期下，以及對于待輸送的供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)電壓的調(diào)制，第二逆變器單元在更高頻率下操作，特別是對于PWM時鐘的范圍通常在頻率上至少10倍，特別地，大于500Hz，優(yōu)選4kHz。因此，第一逆變器單元確定待輸送的交流電壓的極性為陽極或者陰極半波，同時，第二逆變器單元，通過PWM調(diào)制，執(zhí)行待輸送正弦交流電壓曲線的調(diào)制。為此目的，為了產(chǎn)生盡可能少的諧波分量并提供交流電壓的諧波曲線，第二逆變器單元優(yōu)選在高頻下切換，特別的在4kHz，8kHz，16kHz的時鐘頻率下。
[0029]上述方法的進一步有利地執(zhí)行中，至少第二逆變器單元可在用于供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)電壓的PWM調(diào)制的至少三個電壓級別下切換。為了達到在待傳遞的交流電壓上最精確和最準(zhǔn)確的可能影響，第二逆變器單元作為具有三個以上級別的逆變器單元而被執(zhí)行。結(jié)果，待傳遞的交互電壓的構(gòu)成因子改進為對應(yīng)理想正弦曲線振動，諧波降低，并且結(jié)合更低的電流負載和更低的切換損耗，整體效率因此增加，從而更小、更經(jīng)濟、持續(xù)時間更久的半導(dǎo)體元件，變壓器部件，電纜，濾波器和散熱器可被采用。
[0030]在另一方面，本發(fā)明涉及用于將光伏源、燃料電池源、蓄電池源或者具有整流器的機械可操作發(fā)電機，優(yōu)選為同步發(fā)電機，耦合至交流供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置的應(yīng)用，或者用于操作交流用電設(shè)備，特別是交流馬達，網(wǎng)絡(luò)反饋裝置的應(yīng)用，其中，優(yōu)選地，以對應(yīng)于交流馬達的旋轉(zhuǎn)速率的可變頻率，執(zhí)行逆變器單元的操作。此處，提供了用于同步或者異步操作三相馬達的上述網(wǎng)絡(luò)反饋裝置的應(yīng)用，其中第一和第二逆變器單元根據(jù)交流馬達的功率和轉(zhuǎn)速以相應(yīng)的頻率可變的方式被操作。在最優(yōu)選實施例中，第一逆變器單元此處以對應(yīng)于馬達提供的旋轉(zhuǎn)速率被操作，并且對于待傳遞的交流電壓的調(diào)制，第二逆變器單元的時鐘的頻率更高，例如，以第一逆變器單元10-100倍的頻率。由此獲得了效率的改進，切換損耗的降低以及直流中間電路的電壓的有效利用。
[0031]當(dāng)使用上述網(wǎng)絡(luò)反饋裝置時，直接能量以l_30kV在第二側(cè)反饋到中間電壓網(wǎng)絡(luò)將會特別有利。通常，低電壓網(wǎng)絡(luò)中不采用變壓器，能量被直接反饋。通常，反饋不會被從直流能源直接執(zhí)行至高壓網(wǎng)絡(luò)，為了收集充足的高能量容量，該高壓網(wǎng)絡(luò)首先連接至中間電壓網(wǎng)絡(luò)。由此，本發(fā)明優(yōu)選的應(yīng)用領(lǐng)域為反饋至中間電壓網(wǎng)絡(luò)，其中變壓器具有適當(dāng)?shù)男詡}泛。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]進一步的優(yōu)點體現(xiàn)在以下對附圖的描述中。本發(fā)明的示例性實施例在附圖中表示。附圖、說明書和權(quán)利要求書包含許多特征的組合。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還可以方便地考慮單個的特征以及將它們集合成進一步的有用的組合。
[0033]在附圖中:
[0034]圖1為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置的電路圖；
[0035]圖2為用于三相網(wǎng)絡(luò)的本發(fā)明的第一示例性實施例的電路圖；
[0036]圖3為三相供電網(wǎng)絡(luò)的進一步的示例性實施例；
[0037]圖4為用于本發(fā)明的示例性實施例的輸出電壓和切換信號的信號曲線；
[0038]圖5為對失敗具有高安全性的根據(jù)本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置的進一步示例性實施例；
[0039]圖6為用于連接兩個直流能源的根據(jù)本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置的進一步示例性實施例；
[0040]圖7為具有濾波和平滑單元的根據(jù)本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置的進一步示例性實施例；
[0041]圖8為用于圖7的示例性實施例的濾波和平滑單元的三腿電感的示例性實施例的示意圖；
[0042]圖9為具有作為雙逆變器裝置的結(jié)合成一個物理組件的濾波和平滑單元的根據(jù)本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置的進一步示例性實施例；
[0043]圖10為具有并聯(lián)連接的雙逆變器裝置的根據(jù)本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置的進一步示例性實施例；
[0044]圖11為具有并聯(lián)連接的逆變器單元和濾波和平滑單元的根據(jù)本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置的進一步示例性實施例；
[0045]圖12為根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的濾波和平滑單元的扼流圈的實施例。

【具體實施方式】
[0046]附圖中相同或相似的組件使用相同的附圖標(biāo)記。
[0047]圖1顯示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置50的電路圖。直流能源12，例如光伏布置，將直流中間電路電壓，例如太陽能電池特有的在MPP 450V，反饋到直流中間電路24，中間電路24包括正電壓電勢24+和負電壓電勢24-。中間電路電容26被插入到用于緩沖和用于電壓穩(wěn)定直流中間電路24中。逆變器單元14被插入在兩個中間電路電勢24+和24-之間，所述逆變器包括三個半橋30，各半橋30包括功率切換部件20，特別地功率晶體管、IGBT或者類似上部或下部的部分分支，具有并聯(lián)連接的單向轉(zhuǎn)動二極管22，其中單向轉(zhuǎn)動二極管22保護功率切換部件20免受在切換時電壓峰值的影響或損害。通過更高水平的控制單元，未示出，將切換信號施加到六個功率切換部件20的切換輸入，以便從兩個直流電勢24+,24-產(chǎn)生線到線三相電壓(交流電壓)，三相電壓經(jīng)過變壓器饋線44被反饋到變壓器裝置16，所述變壓器供應(yīng)線44將半橋30的三個輸出連接到變壓器38，在這種情況下，變壓器38具有星形連接。變壓器38也可以為三角形連接。變壓器裝置16將產(chǎn)生的交流電壓的電壓水平調(diào)節(jié)到供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)32的水平，并且將能量供應(yīng)到反饋網(wǎng)絡(luò)32。為此目的，變壓器38的二次繞組為三角形連接。網(wǎng)絡(luò)變壓器裝置16包括三個網(wǎng)絡(luò)變壓器繞組38，網(wǎng)絡(luò)變壓器繞組38在網(wǎng)絡(luò)反饋裝置10和供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)32之間提供斷開電連接，調(diào)節(jié)電壓水平和平滑諧波。為了提高被輸送的逆變器單元14的PWM調(diào)制的電壓信號的質(zhì)量，各網(wǎng)絡(luò)變壓器繞組38預(yù)先經(jīng)平滑單元18處理，平滑單元18包括濾波電感36和濾波電容34?？梢源尜A在電感36和電容34中的磁能和電容能用作平滑被輸送的逆變器單元14的PWM信號，從而提供交流電壓，所述交流電壓為具有低諧波分量的盡可能的諧波，并可以通過網(wǎng)絡(luò)變壓器繞組38被傳輸?shù)饺喙?yīng)網(wǎng)絡(luò)32。
[0048]從此種網(wǎng)絡(luò)反饋裝置50的交流電側(cè)上的最大輸出功率受到最大電流和逆變器單元的交流輸出電壓的限制。在直流中間電路24中出現(xiàn)的最低的MPP電壓限制了可能的交流輸出電壓?？紤]到效率和物理尺寸，以及因此涉及功率切換組件20、22、34、36和38所需的成本，表明最大可能的三相交流電壓是期望的，因為作為更高電壓的結(jié)果對相同功率的損耗經(jīng)歷平方級地降低，因為損耗首先是電流的結(jié)果?，F(xiàn)有技術(shù)已知的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置包括一個逆變器單元14，在逆變器單元14中各半橋30與一個具有普通的星節(jié)點或具有三角形連接的網(wǎng)絡(luò)變壓器繞組38相關(guān)，僅能夠提供有效的線到線三相電壓UAC<UMPPmi?/Vi.0.9，
其中0.9提供用于調(diào)節(jié)公差的10%保留，并且至少三分之一諧波零序分量被注入到調(diào)制中。如果該網(wǎng)絡(luò)反饋裝置50被用于典型的例如具有最小450V的MPP電壓的光伏系統(tǒng)中，然后僅大約290V的輸出電壓可以在三相側(cè)上被輸送,這表不具有相應(yīng)的變換損耗的向上變換是必需的，例如，從而反饋例如400V三相供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。在示例性的10kW系統(tǒng)中，為了提供所需的電能，在三相側(cè)的所有組件，即，逆變器單元14，網(wǎng)絡(luò)變壓器裝置16，平滑單元18，必須被設(shè)計為最高至200A的電流負載。這使得相應(yīng)的組件相對昂貴并且造成高的轉(zhuǎn)化損耗。
[0049]圖2顯示本發(fā)明的第一示例性實施例，其中，在輸出側(cè)變壓器裝置16包括三個網(wǎng)絡(luò)變壓器繞組38，網(wǎng)絡(luò)變壓器繞組38的初級繞組端子被單獨地引出。網(wǎng)絡(luò)反饋裝置10包括兩個逆變器單元14a、14b，兩個逆變器單元14a、14b具有相似的構(gòu)造并且并聯(lián)連接到直流能源的普通直流中間電路24。直流中間電路24+/-通過中間電路電容26被穩(wěn)定。一個初級側(cè)網(wǎng)絡(luò)變壓器繞組38分別通過變壓器供應(yīng)線44a、44b被連接在兩個逆變器單元14a、14b中的每一個的各半橋30之間。在二級側(cè)，變壓器38為三角形連接。各網(wǎng)絡(luò)變壓器繞組38預(yù)先經(jīng)通過半橋30提供的用于平滑交流電壓的平滑單元18處理。為了運行各網(wǎng)絡(luò)變壓器繞組38，第一逆變器單元14a和第二逆變器單元14b的半橋30經(jīng)過協(xié)調(diào)控制，其中兩個半橋可以在相同的時鐘頻率被切換。然而異步操作也是可考慮的，其中，例如，第一逆變器單元14a決定待輸送的交流電壓的極性并與供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)32同步被切換，其中，為了提供待輸送的交流電壓的PWM調(diào)制從而提高待輸送的交流電壓的質(zhì)量，第二逆變器單元14b的半橋30在更高的頻率運行，例如，在4kHz。對于所顯示的方案，例如在使用光伏應(yīng)用的過程中，能夠最優(yōu)地開發(fā)MPP電壓的范圍，其中，與圖1所示的電路相比，所提供的交流輸出電壓可以增加#倍。這個能夠?qū)崿F(xiàn)是因為網(wǎng)絡(luò)變壓器裝置16的星節(jié)點是開放的，因而各網(wǎng)絡(luò)變壓器繞組38可以單獨地被連接到具有單獨的電勢的獨立的繞組，從而變壓器裝置16可以被連接到六個末端。開放的星節(jié)點被連接到各第二逆變器單元14b。各網(wǎng)絡(luò)變壓器繞組38的其他末端被連接第二逆變器單元14b。兩個逆變器單元可因此以這樣的方式彼此配合同步計時:最大直流中間電路電壓可以相互連接以輸送提高的交流電壓范圍。按照這種方式實現(xiàn)了提高的效率和降低的電流負載，因此可以最終使用具有更長壽命的更經(jīng)濟的組件。
[0050]圖3顯示用于饋入直流能量的能量反饋系統(tǒng)的進一步的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置10的示例性實施例，例如，光伏能源12。兩個直流電壓電勢24+、24_被并聯(lián)連接到兩個逆變器單元14a、14b。第一逆變器單元14a為包括三個半橋30的常規(guī)2-級逆變器。第二逆變器單元14b被設(shè)計為3-級逆變器單元并包括人工星節(jié)點28 (中央節(jié)點)，從而從具有正電壓電勢24+、負電壓電勢24-或者星節(jié)點28的電勢量級的各半橋30輸送輸出電勢。逆變器單元14a可以輸送在各半橋30中具有正電壓電勢24+或者負電壓電勢24-量級的輸出電勢。依據(jù)切換設(shè)置，在兩個逆變器單元14a和14b的輸出之間的得到的輸出電壓Ul可因此采用值直流+、直流+/2、0、直流-/2或者直流_。此處直流是指在中間電路24中的直流電壓。因此可以輸送不同量級的五個電壓電勢的總和。第二逆變器單元14b的星節(jié)點28通過兩個中間電路電容26a、26b被分別連接到兩個直流中間電路電壓電勢24+、24-。中間電路電容26a、26b被用于穩(wěn)定中間電路電壓。兩個逆變器單元14a、14b的半橋30經(jīng)過變壓器供應(yīng)線44a、44b被連接到變壓器裝置16的網(wǎng)絡(luò)變壓器繞組38的各連接末端。作為3電平逆變器執(zhí)行的逆變器單元14b從效率方面考慮是特別有利的，因為降低了切換損耗并且可以實現(xiàn)待輸送的交流電壓的優(yōu)化的正弦曲線。在該示例性實施例的二級側(cè)，變壓器繞組為星連接，產(chǎn)生的星節(jié)點被引入到供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)32。
[0051]圖4是指圖3的示例性實施例并顯示在輸入到網(wǎng)絡(luò)變壓器繞組38的輸出電壓曲線U2，和在圖4的平滑單元18之前的輸入電壓信號U1，可以接入到變壓器裝置16中。還示出了在第一逆變器單元14a的功率切換部件S5的切換信號，以及在第二逆變器單元14b的功率切換部件20的切換信號S1、S2。第一逆變器單元14a的切換信號S5決定待輸送的交流電壓半波的極性(正或負)。功率切換部件S1、S2的PWM調(diào)制，在大約4kHz被切換，可以在電壓曲線Ul看到，作為兩個逆變器單元14a、14b的半橋電壓的差出現(xiàn)。第二逆變器單元14b的高頻PWM調(diào)制用于待輸送至網(wǎng)絡(luò)變壓器繞組38的正弦波U2的調(diào)制。因此，在平滑單元18之后，從電壓Ul提供實際上理想的正弦電壓U2，即，高質(zhì)量和低諧波含量的交流輸出電壓。圖4示出的在變壓器繞組38的電壓U2、在平滑單元18之前的輸出電壓U1、和第一逆變器單元14a的IGBT S5以及第二逆變器單元14b的IGBT SI和S2的切換狀態(tài)的信號曲線，說明了在交流輸出電壓的一個相期間的切換狀態(tài)。提供死時間，將S3互補地切換到SI，以及考慮到死時間，將S4互補地切換到S2?？紤]到死時間將S6互補地切換到S5。對于4kHz的第二逆變器單元14b的切換頻率，因此在各相和在各變壓器繞組38提供450V的中間電路電壓、大約290V的有效輸出電壓。按照圖示的發(fā)明可以在各相提供該電壓。在現(xiàn)有技術(shù)中，僅提供該290V輸出電壓作為兩個相之間的線到線量級，這在星連接的變壓器的各變壓器繞組38產(chǎn)生165V的電壓(參見圖1)。這種關(guān)系產(chǎn)生的交流輸出電壓增益提高#倍。
[0052]由此可見，第一逆變器單元14a通過具有網(wǎng)絡(luò)變壓器繞組38的繞組末端的變壓器供應(yīng)線44a在輸出電壓的正半波期間被連接到負中間電路電勢24-以及在負半波期間被連接到正中間電路電勢24+。逆變器單元14a，與網(wǎng)絡(luò)同步，以50Hz的時鐘速率被切換，出現(xiàn)可以忽略不計的切換損耗。第二逆變器單元14b在通常4kHz的更高時鐘頻率執(zhí)行正弦電壓Ul的調(diào)制。由于變壓器裝置16的三個繞組末端沒有經(jīng)過星節(jié)點被連接到其他繞組，而是依據(jù)半波被連接到24-或被連接到24+，在用于對各單獨的相的電壓調(diào)制的各半波中，逆變器單元14b提供直流中間電路24的全電壓擺幅。給出的最大的可得到的有效輸出電壓為’忑/必.0.9 ,并因此比根據(jù)圖1中所示的現(xiàn)有技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置50的輸出電壓大#倍。例如，具有最小的450V的光伏電池的MPP電壓的輸出電壓現(xiàn)在為大約500 Vac線到線。在10kW系統(tǒng)中的輸出電流因此降低到約115A，從而可以實現(xiàn)變換損耗的顯著降低和較低的電流負載并且可以使用更經(jīng)濟的組件。
[0053]圖5的示例性實施例大體上對應(yīng)于圖2的示例性實施例,雖然此處可以使用具有3級或更多級的逆變器作為第一或第二逆變器單元14a、14b。作為擴展，添加了去耦/切換裝置56a/b，使初級繞組38的一個接觸側(cè)可以從各逆變器單元14a/b釋放，并且，當(dāng)相應(yīng)的逆變器單元14a/b被釋放或者不活動,使初級繞組通過相應(yīng)的星節(jié)點切換裝置52a/b被切換為短路的星配置或者通過三角形切換裝置54被切換為三角形配置。只要逆變器單元14不能產(chǎn)生短路，以及只要初級繞組38的星或者三角形配置使逆變器單元14未負載，去耦/切換裝置56a/b可以被省略。相應(yīng)的切換裝置可被機電地執(zhí)行為接觸器，或者功率電子組件。如果開路電壓高，在可能切換為雙逆變器操作模式之前，當(dāng)在啟動網(wǎng)絡(luò)反饋裝置首先開始星配置并隨后考慮三角形配置是可能的。在一個逆變器14失敗的情況下，剩余的單元14，在切換為星或者三角形配置以后，可以至少在降低的功率下持續(xù)運行。電路變得顯著地堅固，尤其對于需要高堅固耐用的應(yīng)用。
[0054]圖6更進一步提出通過根據(jù)本發(fā)明的能量供應(yīng)裝置10的兩個直流能源12a/b的運行，兩個直流能源12a/b優(yōu)選是相同類型，然而也可以是兩個不同類型的能源，例如，光伏電池或燃料電池。第一直流能源12a直接連接到第一逆變器單元14a的直流中間電路24a，而第二直流能源12b直接連接到第二逆變器單元14b的直流中間電路24b。該示例性實施例有利地與根據(jù)圖5的切換裝置組合使用，從而在失敗時或者在兩個能源14a/b的不同功率容量情況下，能夠切換到單一逆變器運行模式或者關(guān)閉一個逆變器單元14。兩個能源24a/b中的至少一個直流接觸側(cè)彼此連接以保證在兩個能源12a/b之間的電流的流動。兩個中間電路24被中間電路電容26a/b支撐。直流能源12和逆變器單元14可以經(jīng)濟地制定尺寸用于較低的功率，然后也能向能源供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)32輸送提高的功率。
[0055]圖7顯示基于圖2或圖3的實施例的具有濾波和平滑單元的根據(jù)本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置的進一步示例性實施例。各逆變器14a、14b可被制造為兩級或三級。也可考慮兩個逆變器單元中的14a與網(wǎng)絡(luò)同步運行，而第二個逆變器14b單元在更高的頻率運行。在此一種可能性是設(shè)計第一逆變器14a為兩級，而意欲使待輸送的電壓接近正弦形式以及平滑諧波的第二逆變器單元14b，為三級或更高級，或者具有較低的切換損耗。濾波和平滑單元18被集成到一各組件中，該組件被插入到逆變器單元14a、14b的三相輸出LU、LV、LW。濾波電感36被插入到第二逆變器單元14b的輸出相L2U、L2V和L2W，并且如圖8所示，被連帶地繞到扼流圈60的三腿線圈本體62上。這對濾波電感36實現(xiàn)了緊密的物理形式和高的雜散電感。濾波電容34被插入到相應(yīng)的輸出相L1U-L2U、L1V-L2V和L1W-L2W之間，這些與三腿濾波器扼流圈60的組合提供了諧波的LC濾波和回路電流的抑制。三腿扼流圈60包括具有三個承載線圈的腿64的大體上三腿線圈載體62，然而還能包括僅一個普通的腿，可以將所有的扼流圈線圈繞到該普通的腿上。逆變器單元14b的半橋的的一個輸出相穿過各扼流圈線圈，其中線圈載體62提供高的雜散電感，從而對出現(xiàn)的諧波形成高的感抗以及與具有網(wǎng)絡(luò)頻率的電流相比提供低的功率損耗。
[0056]圖9表示也是基于圖2或圖3的實施例的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置10，并進一步開發(fā)了根據(jù)圖7的實施例。逆變器單元14a、14b可以被設(shè)計為兩級或三級。濾波和平滑單元18被集成到一個組件中，該組件被插入到逆變器單元14a、14b的三相輸出LU、LV、LW。在通過濾波和平滑單元18穿過逆變器單元的輸出相之后，逆變器輸出LlU & L2U、L1V & L2V和LlW
&L2W的相應(yīng)的相被連接到變壓器裝置16的初級側(cè)線圈38。對于各相輸出L1U、L1V、L2W、L2U、L2V和L2W，濾波和平滑單元18包括作為濾波電感36的電流補償?shù)亩罅魅?8以及對應(yīng)于變壓器裝置16的初級線圈38的被連接在逆變器單元14a、14b的相之間的濾波電容34。作為電流補償?shù)亩罅魅?8的兩個濾波電感36和濾波電容34分別形成LC網(wǎng)絡(luò)，所述LC網(wǎng)絡(luò)一方面抑制作為低通濾波器的諧波，另一方面通過扼流圈58的電流補償效果減少在不同初級線圈38的半橋之間的回路電流。
[0057]圖10顯示具有并聯(lián)連接的雙逆變器裝置66的根據(jù)本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置的進一步示例性實施例。各雙逆變器裝置66擁有兩個逆變器單元14a和14b并且具有根據(jù)圖9的示例性實施例的濾波和平滑單元。第一雙逆變器裝置66-1的第一逆變器單元14a的輸出相L1U、L1V和LlW被連接到第二雙逆變器裝置66-2的第一逆變器單元14a的輸出相L1U、L1V和L1W，按照同樣的方式，第一雙逆變器裝置66-1的第二逆變器單元14b的輸出相L2U、L2V和L2W被連接到第二雙逆變器裝置66-2的第二逆變器單元14b的輸出相L2U、L2V和L2W。按照這種方式可以提供雙反饋功率，其中在兩個雙逆變器裝置66-1、66-2之間的可選擇的切換部件，未示出，允許在兩個雙逆變器裝置66-1、66-2之間切換或者使兩個中的一個切換，從而提供冗余和可量測性，并且還允許在一個雙逆變器裝置66失敗時的緊急操作。雙逆變器單元66可被集成到一個組件中，并整體地集成到網(wǎng)絡(luò)反饋裝置，并且具有兩個直流電壓輸入以及用于連接到變壓器裝置16的初級繞組38的兩個3-相輸出。通過濾波和平滑單元18，特別地通過插入到各輸出相的濾波電感36，可以使雙逆變器裝置66-1、66-2的并聯(lián)連接。不言而喻，可以毫無困難地并聯(lián)連接進一步的雙逆變器裝置66，從而進一步提高輸送功率，例如，通過擴展措施提高通過直流電壓電源輸送的功率。
[0058]根據(jù)圖11的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置的實施例是基于圖9和圖10的電路的概念，并且以不是基于組件的可選擇的和詳細的電路圖表示圖10的概念，其中在這種情況下，兩個逆變器單元14-la和14-2a并聯(lián)連接以形成一個逆變器單元14a以及兩個逆變器單元14_lb和14-2b并聯(lián)連接以形成一個逆變器單元14b，并且彼此之間可以同步運行。濾波和平滑單元18相應(yīng)地包括用于逆變器單元14-la的各輸出相LI 1U、LIIV、LllW的濾波電感36，以及用于逆變器單元14a的第二逆變器單元14-2a的各輸出相L12U、L12V和L12W的濾波電感。這相應(yīng)地適用第二逆變器單元14b的逆變器單元14-lb和14-2b。否則濾波和平滑單元18被構(gòu)造為根據(jù)圖7的電路。兩個逆變器單元14-la、14-2a和14_lb、14_2b并聯(lián)連接并且可以通過同步線48彼此連接。兩個逆變器單元14-la、14-2a和14_lb、14_2b的半橋切換部件可以通過同步線48同時被驅(qū)動，或者所述線可以用于同步逆變器單元14-1、14-2的PWM控制裝置(未示出)的PWM切換信號的產(chǎn)生。然而，還能夠以異步的方式運行兩個并聯(lián)連接的逆變器單元14-la、14-2a和14_lb、14_2b，通過近似的同步操作仍能夠?qū)崿F(xiàn)有益效果，并且可以減少布線量。
[0059]經(jīng)過電流補償?shù)亩罅魅?8通過耦合將并聯(lián)運行的兩個逆變器單元的半橋輸出連接在一起，其中，減少了諧波以及可以抑制不需要的回路電流和共模組分。通過兩個或更多個逆變器單元的并聯(lián)操作，通過使用有限功率的經(jīng)濟的逆變器可以增加饋入功率，產(chǎn)生冗余并且降低對故障的易感性。并聯(lián)連接逆變器還可以根據(jù)需要接入或斷開，因此使切換損耗最小化從而得到對應(yīng)于需要饋入的能量的質(zhì)量的基于需求的逆變器的可用容量。通過使用并聯(lián)運行的低功率的、經(jīng)濟的逆變器，產(chǎn)生了級聯(lián)，可以按比例增加或者隨后擴大現(xiàn)有系統(tǒng)的饋入功率，其中可以繼續(xù)使用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)反饋電路的部件。
[0060]圖12首先在圖12a中顯示作為濾波電感36的電流補償扼流圈58的等效電路圖，濾波電感36包括用于雙逆變器操作模式中在兩個逆變器單元14a、14b的相應(yīng)半橋之間的饋線和返回線L1U/V/W、L2U/V/W的雙極輸入和輸出，和變壓器裝置16的相關(guān)初級線圈36。共模扼流圈36具有兩個線圈,通過該兩個線圈,初級線圈36的線圈電流以相反的方向流動，由于扼流圈58的高電感，因此消除了在扼流圈58的核心的磁場并且極大地減少了共模干擾電流。對于在兩個逆變器單元之間的回路電流，扼流圈36具有很高的電感，因為在扼流圈的軛它們的磁場沒有補償而是彼此加強。
[0061]圖12b和12c顯示電流補償?shù)娜喽罅魅?8的三腿線圈載體62的示意性可能結(jié)構(gòu)形式，通過每個扼流圈，變壓器裝置16的初級線圈38的饋線和返回線的電流可以通過。對應(yīng)的逆變器單元14a、14b的半橋的相輸出各自圍繞三腿線圈載體62的單腿64以相反的方向纏繞，因此可以抑制共?；芈冯娏鳌８魍?4承載用于網(wǎng)絡(luò)變壓器裝置16的初級繞組38的饋線的線圈。線圈載體62包括一系列層疊金屬層從而抑制渦流并且能夠提供高的雜散電磁感應(yīng)。圖12c顯示了作為三腿扼流圈60的濾波電感36，其可以被并入到根據(jù)圖8的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置10的濾波和平滑單元18中。三腿扼流圈60承載各腿64上的四個線圈，其中，在各種情況下，兩個線圈與第一逆變器單元14a的并聯(lián)連接的逆變器單元14-la、14_2a的半橋關(guān)聯(lián)，而以相反方向纏繞的兩個線圈與第二逆變器單元14b的并聯(lián)連接的逆變器單元14-lb、14-2b的半橋關(guān)聯(lián)。由此提出了濾波和平滑單元18的電流補償?shù)娜ヱ疃罅魅?6的緊密的物理形式，通過此兩個或更多個并聯(lián)運行的逆變器單元彼此連接從而形成一個逆變器單元，因此提供并聯(lián)操作可以經(jīng)濟地增加饋入功率。
[0062]使用圖2、3、6、7、9、10或11所示的一個示例性實施例或者使用任何所需的它們的組合，通過附加切換裝置52、54、56用于提高對失敗的安全性的圖5和圖6中所示的電路變體以及在一個網(wǎng)絡(luò)反饋裝置10中的兩個直流能源的運行可以以任何所需的方式集成。
[0063]圖示的具有雙逆變器布置的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置導(dǎo)致了效率的顯著提高，因為在變壓器裝置16和在平滑電感36中的歐姆損耗對電流I具有平方關(guān)系。可以顯著降低第二逆變器單元14b的逆變器損耗。然而，當(dāng)?shù)谝荒孀兤鲉卧?4a在對應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)頻率的50Hz的低頻率下計時時，由于使用一對逆變器單元14a、14b，增加了進一步的逆變器損耗，但是相應(yīng)地較低，如導(dǎo)通損耗一樣。在其余的組件中以及在總的系統(tǒng)中損耗的降低顯著地過補償這些額外的損耗。典型地在0.3和1%結(jié)果之間的總的效率的提高。第二逆變器單元14b通?？杀辉O(shè)計為標(biāo)準(zhǔn)的2級逆變器單元。3級逆變器單元的變體取得了可以顯著降低切換損耗的優(yōu)點，因此整個系統(tǒng)取得甚至跟高的效率。
【權(quán)利要求】
1.一種網(wǎng)絡(luò)反饋裝置(10)，其用于將電能從至少一個直流能源(12)反饋至三相交流供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)(32)，其中，直流中間電路(24)的直流電壓通過至少一個逆變器單元(14)被轉(zhuǎn)換為三相電壓并且通過變壓器裝置(16)被反饋至交流供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)(24)，所述變壓器裝置(16)包括三個網(wǎng)絡(luò)變壓器繞組(38)，其特征在于:網(wǎng)絡(luò)變壓器繞組(38)的第一繞組端子被連接至第一逆變器單元(14a)的半橋(30)，以及變壓器裝置(16)的網(wǎng)絡(luò)變壓器繞組(38)的第二繞組端子被連接至第二逆變器單元(14b)的半橋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置(10)，其特征在于:第一逆變器單元(14a)與網(wǎng)絡(luò)同步操作，特別在50Hz或者60Hz下，以便確定輸送的供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)電壓的極性，以及第二逆變器單元(14b)以更高的PWM周期頻率操作，特別在高于500Hz的頻率，優(yōu)選地至少為4kHz,以便輸送的供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)電壓的調(diào)制和平滑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置(10)，其特征在于:變壓器單元(16)為具有可從外部接入的可分離初級繞組端子的三相變壓器(38)，其中每個初級繞組(38)的兩個連接端子從外部是可連接的。
4.根據(jù)在先權(quán)利要求之一所述的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置(10)，其特征在于:濾波和平滑單元(18)被引入在逆變器單元(14a，14b)與變壓器裝置(16)之間，特別在變壓器裝置(16)的每個初級繞組(38)之前，該濾波和平滑單元(18)包括至少一個濾波電容(38)和至少一個濾波電感(36)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置(10)，其特征在于:過濾和平滑單元(18)的濾波電感(36)被布置為與每個初級繞組(38)串聯(lián)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置(10)，其特征在于:濾波電感(36)包括兩個扼流圈，兩個扼流圈被插入到初級繞組(38)的前向和反向相L1U-L2U，L1V-L2V，L1W-L2W中。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置(10)，其特征在于:前向和反向相L1U-L2U，L1V-L2V，L1W-L2W的濾波電感(36)的扼流圈(58)具有電流補償設(shè)計。
8.根據(jù)權(quán)利要求5-7之一所述的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置(10)，其特征在于:濾波電感(36，58，60)被纏繞在多腿線圈支架上，特別是三腿線圈支架(62)。
9.根據(jù)權(quán)利要求4-8之一所述的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置(10)，其特征在于:兩個以上逆變器單元(14-la & 14-2a，14-lb & 14_2b)并行連接并且同步操作，以便形成逆變器單元(14a，14b)，其中輸出相 LllU & L12U, LllV & L12V, Lllff & L12W, L21U & L22U, L21V & L22V 以及L21W & L22W通過扼流圈(36，58)彼此耦合，優(yōu)選地通過三腿扼流圈(60)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置(10)，其特征在于:至少兩個逆變器單元(14a，14b)的逆變器單元(14-la & 14-lb, 14-2a & 14_2b)以及相關(guān)的輸出側(cè)濾波和平滑單元(18)在雙逆變器裝置￠6)的公共裝配中一起實現(xiàn)，以及兩個以上的雙逆變器裝置(66-1，66-2)并行連接，其中包含在雙逆變器裝置￠6)中的兩個逆變器單元的逆變器單元(14-la & 14-2a, 14-lb & 14_2b)的輸出相彼此相連。
11.根據(jù)在先權(quán)利要求之一所述的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置(10)，其特征在于:至少第二逆變器單元(14b)為具有星形節(jié)點(28)的具有三個以上級的逆變器單元。
12.根據(jù)在先權(quán)利要求之一所述的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置(10)，其特征在于:在直流能源(12)和兩個逆變器單元(14a，14b)之間的直流中間電路(24)中，中間電路電容(26a，26b)分別被連接在正和負中間電路電勢(24+,24-)以及星形節(jié)點(28)之間。
13.根據(jù)在先權(quán)利要求之一所述的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置(10)，其特征在于:在網(wǎng)絡(luò)變壓器繞組(38)的第一和/或第二繞組端子中提供切換裝置(52，54，56)，所述切換裝置(52，54，56)用于從逆變器單元(14)和/或繞組端子的Y型(星形)和/或△型(三角形)連接去耦合。
14.根據(jù)在先權(quán)利要求之一所述的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置(10)，其特征在于:第一逆變器單元(14a)被連接至第一直流能源(12a)，第二逆變器單元(14b)被連接至第二直流能源(12b)。
15.一種能量反饋系統(tǒng)，包括直流能源(12)以及根據(jù)在先權(quán)利要求之一所述的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置(10)，其特征在于:直流能源(12)為光伏源，燃料電池源，蓄電池源或者具有整流器的可機械操作的發(fā)電機。
16.一種用于操作根據(jù)在先權(quán)利要求1-14之一所述的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置(10)的方法，其特征在于:第一和第二逆變器單元(14a，14b)以協(xié)作方式運行:作用在變壓器裝置(16)的每個初級繞組(38)上的電壓幅度可在OV至中間電路電勢DC+/DC-之間調(diào)整。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于:第一逆變器單元(14a)以網(wǎng)絡(luò)頻率被操作用以確定同步輸送的供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)電壓的極性，特別的以50Hz或者60Hz周期，以及第二逆變器單元(14b)在更高的PWM頻率被操作，特別地以高于500Hz的頻率，優(yōu)選地，以4kHz的頻率，以便輸送的供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)電壓的調(diào)制和平滑。
18.根據(jù)權(quán)利要求16或者17所述的方法，其特征在于:至少第二逆變器單元(14b)在用于供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)電壓的PWM調(diào)制平滑的至少三個電壓級中切換。
19.根據(jù)權(quán)利要求16至18之一所述的方法，其特征在于:并行連接的逆變器單元(14)彼此連接，通過濾波和平滑單元(18)以及同步操作以便增大輸出側(cè)的功率。
20.一種根據(jù)在先權(quán)利要求1-14之一所述的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置(10)的應(yīng)用，所述網(wǎng)絡(luò)反饋裝置(10)用于將光伏源、燃料電池源、蓄電池源或者可機械操作的發(fā)電機耦合至交流供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，或者用于交流用電設(shè)備的操作，特別是交流馬達，其中，優(yōu)選地，逆變器單元(14a、14b)的操作以對應(yīng)于交流馬達的轉(zhuǎn)速的可變頻率被執(zhí)行。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的網(wǎng)絡(luò)反饋裝置(10)的應(yīng)用，將直接能量在第二側(cè)反饋至l-30kV的中間電壓網(wǎng)絡(luò)。
【文檔編號】H02M7/487GK104185948SQ201380009498
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2013年2月8日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月14日
【發(fā)明者】?？啤づ煽藴乜藸? 安德烈亞斯·繽特 申請人:路斯特綠能電氣技術(shù)有限公司