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CN105917569A - 用于操作具有换极器的有无功功率能力的逆变器的方法和具有换极器的有无功功率能力的逆变器 - Google Patents

用于操作具有换极器的有无功功率能力的逆变器的方法和具有换极器的有无功功率能力的逆变器 Download PDF

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CN105917569A CN201480073451.6A CN201480073451A CN105917569A CN 105917569 A CN105917569 A CN 105917569A CN 201480073451 A CN201480073451 A CN 201480073451A CN 105917569 A CN105917569 A CN 105917569A
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Abstract

在操作包括电压中间电路(7)和换极器(17)的有无功功率能力的逆变器时，其中电压中间电路(7)的极(8、9)可借助不同配置的换极器(17)与交流电流输出端(20)的接口(18、19)连接，以改变交流电流输出端(20)相对于电压中间电路(7)的极性，如果交流电流输出端上的交流电流(I)和交流电压(U)之间有相移，则反转流过电压中间电路(7)的电流的方向。反转流过电压中间电路的电流方向包括，将交流电流输出端(20)从电压中间电路(7)分开、提供交流电流输出端(20)接口(18、19)之间的空载路径，而交流电流输出端(20)与电压中间电路(7)分开，并且交流电流输出端(20)在借助换极器(17)改变交流电流输出端(20)相对于电压中间电路(7)的极性时再次连接到电压中间电路(7)。

Description

用于操作具有换极器的有无功功率能力的逆变器的方法和具 有换极器的有无功功率能力的逆变器
技术领域
本发明涉及一种用于操作具有电压中间电路和换极器的有无功功率能力的逆变器的方法以及涉及一种有无功功率能力的逆变器，该逆变器具有双向DC/DC转换器、电压中间电路和换极器，它们具有独立权利要求前序部分的特征。
现有技术
为了构建具有少量高频定时开关的逆变器，但该逆变器仍然能够形成正弦交流电流，已知的是，将DC/DC转换器与换极器组合。在该组合中，DC/DC转换器形成交流电流的半波，并且换极器将具有交变极性的逆变器的两个交流电流接口与DC/DC转换器的输出端或与中间接通的电压中间电路的极连接。极性交替在从外部施加在交流电流接口上的交流电压每次过零点时进行。这通常是交流电流网的交流电压，在该交流电流网中借助逆变器馈入直流电流发生器的电能。
已知各种方法，以使具有DC/DC转换器和换极器的此类逆变器具备无功功率能力。这些方法可以分为两组。
在第一组的方法中，借助DC/DC转换器虽然始终仅在外部交流电压的方向上输出电流，但是在交流电压的每个半波期间其电流时间面积的重心相对于电压时间面积的重心移动。这一点例如在DE 10 2010 035 020 A1中进行了描述。为了实现该方法，单向DC/DC转换器就足够了。但实际上以这种方式仅可以实现输出的交流电流和外部交流电压之间的小移相角。输出的交流电流随着移相角的增大越来越相对于期望的正弦形状发生变形，并因此具有随移相角增加的失真度。较高的失真度表明，信号具有明显的谐波分量，可由此产生电磁干扰。
在方法的第二组中，DC/DC转换器被构造成双向，使得它也可使电流在相反的方向上流至交流电流输出端上的瞬间电压。为此从DE 10 2009 029 387 A1中已知一种逆变器，特别是光伏设备的太阳能电池换流器，在该太阳能电池换流器中半导体桥接电路作为换极器与构造成四象限斩波器的直流斩波器形式的DC/DC转换器组合。特别地，直流斩波器可具有降压变换器和升压变换器的组合或具有带共同电感的升降压变换器。
在操作具有双向DC/DC转换器和换极器的逆变器以提供无功功率时，即在逆变器的交流电流输出端上交流电流与交流电压之间进行相移时，流经DC/DC转换器的电流的方向必须反转，条件是换极器在交流电压的半波之间交替极性。通常，这在相对于瞬间电压的负电流变换成正电流时不会成为问题，因为连接至直流电流输入端的直流电源的输入直流电压为此起驱动力的作用。但当相比于交流电流输出端上瞬间电压的正电流变换至负电流时表现不同。这是由于交流电压过零点时在交流电流输出端上只有非常小的瞬间电压引起的。借助该瞬间电压仅可经过相对长的时间才形成用于通过DC/DC转换器的电感来反转电流方向所需要的电压时间面积。该时间起干扰电流并且相应地起偏移由逆变器输出的交流电流所期望的正弦曲线的作用。结果输出的交流电流有较高的失真度。
该问题在DE 10 2009 029 387 A1中没有提及。
也从CN 103208935 A中已知双向DC/DC转换器与换极器的组合以提供无功功率。
根据CH 700 030 B1，与换极器组合的双向DC/DC转换器细分为降压变换器和升压变换器，它们具有在输入端接口的两个极和电压中间电路之间有电感的对称结构，其中该电感被降压交换器和升压变换器共同使用。在此也没有对提供无功功率时输出交流电流的高失真度进行探讨。
WO 2013/134904 A1描述了具有对称结构的升压变换器和换极器的逆变器。
WO 2012/146414 A2描述了具有独立权利要求1和13前序部分特征的方法和具有附属权利要求15的前序部分特征的逆变器。在这种情况下，升压变换器形式的双向DC/DC转换器与换极器组合成具备无功功率能力的逆变器。为了避开在交流电流和交流电压之间有负移相角时，即在交流电流滞后于交流电压时，改变流经电压中间电路的电流方向时的困难，通过升压变换器的扼流线圈来避免电流理想曲线中的跃变。为此这样修正电流的理想曲线，使其在交流电压过零点时同样过零点。输出电流产生的与期望的正弦形曲线的偏差也在此引起高失真度。
JP 2002 369388 A公开了双向升压变换器与逆变桥的组合，在该组合中，至少在电压过零点时高频定时除升压变换器的两个开关外逆变桥的至少两个开关以形成交流电流。因此逆变桥不是换极器，其桥开关基本上以输出交流电流频率数量级的低频定时。
从WO 2011/042567 A1已知一种具备无功功率能力的逆变器，该逆变器包括两个升压变换器，该升压变换器的扼流线圈分别与交流电流输出端两个接口中的其中一个接口连接。在这种情况下，交替地桥接两个升压变换器用于输出交流电流的半波。具有输出交流电流偏离零的移相角的无功功率通过在交流电压各自的一个或多个周期内分段输出纯有功功率和纯无功功率得以实现。
发明任务
本发明的任务在于，提供用于操作包括电压中间电路和换极器、具备无功功率能力的逆变器的方法，以及提供相应的逆变器，其中输出的交流电流，即使它以大的负移相角滞后于交流电流输出端上的交流电压，仍具有极小的失真度。
解决方案
本发明的任务通过具有独立权利要求1或13所述特征的方法和通过具有附属权利要求15所述特征的逆变器得以实现。本发明所述方法和本发明所述逆变器的有利的实施形式在从属权利要求中进行说明。
发明概述
在用于操作具有电压中间电路和换极器的有无功功率能力的逆变器的本发明所述方法中，其中电压中间电路的极可借助于不同配置的换极器，例如交替地，与交流电流输出端的接口连接，以改变交流电流输出端相对于电压中间电路的极性，在交流电流输出端上的交流电流与交流电压之间移相时，即为了提供无功功率，使流过电压中间电路的电流方向反转，条件是借助换极器在交流电压的半波之间改变交流电流输出端相对于电压中间电路的极性。反转流过电压中间电路的电流方向包括，将交流电流输出端从电压中间电路分开，在交流电流输出端与电压中间电路分开时，提供交流电流输出端的两个接口之间的空载路径，并且交流电流输出端在借助换极器改变交流电流输出端相对于电压中间电路的极性时再次与电压中间电路连接。
具备无功功率能力的逆变器的双向性可通过至少一个双向(部分)转换器或通过至少两个反向并联连接的单向部分转换器提供，该部分转换器形成流过电压中间电路的电流。在这种情况下给出关于电压中间电路的双向性基本上足够，即DC/DC转换器可使电流在两个方向通过电压中间电路流动。因此，例如不必将两个反向并联连接的单向部分转换器在它们面向电压中间电路的一侧互相连接起来。相反，这些部分转换器中的至少一个仅可连接在电能的缓冲存储器上。
流过电压中间电路的电流是指具备无功功率能力的逆变器流过电压中间电路流至换极器的电流。该电流包括流到电压中间电路的中间电路电容内或从中流出来的分量。中间电路电容由一个或多个串联或并联连接的中间电路电容器提供。
通过将交流电流输出端从电压中间电路分开并至少在分开期间提供交流电流输出端的接口之间的空载路径，交流电流输出端上的交流电流可继续流过空载路径，其中该交流电流通过输出侧现有的电流流过的电感得以保持。因此，交流电流不会受到这一措施的影响，该措施特别在交流电流滞后于交流电流输出端上的交流电压时为了反转流过电压中间电路的电流方向必须采取，前提是借助换极器在交流电压的半波之间改变交流电流输出端相对于电压中间电路的极性。为此该措施在交流电流增加的失真度中不起作用。
原则上只要单极分离就足以将交流电流输出端从电压中间电路分开，因为单极分离早已阻碍从电压中间电路至交流电流输出端的电流流动，反之亦然。
当交流电流输出端具有两个以上的接口时，提供在交流电流输出端的接口之间的空载路径这一声明意味着，提供至少在其中两个接口之间的空载路径。
交流电流的空载路径可通过交流电流输出端接口之间的电容提供，即空载路径不必互相电连接交流电流输出端的接口。交流电流输出端接口之间适合空载路径的电容可由已经现有的滤波电容器或在交流电流输出端接口之间的附加电容器提供。
但是空载路径也可通过短接交流电流输出端的接口来提供，即通过直接互相连接该接口的方式来进行。同样，交流电流输出端接口的绝对短接由于在该时刻交流电流输出端上仅有微小电压而并不严重。
将交流电流输出端从电压中间电路分开并为交流电流提供空载路径可以可选地在反转流过电压中间电路的电流方向时在交流电流超前于交流电流输出端上的交流电压时实现。有利的是，它们至少在此时才得以实现，即当交流电流滞后于交流电流输出端上的交流电压时，也就是说在交流电流输出端上的交流电流和交流电压之间有负移相角时才实现。
在本发明所述方法中有利的是，测量交流电流输出端上的电压和/或电流，以确定用于根据本发明将交流电流输出端从电压中间电路分离或用于将交流电流输出端再次与电压中间电路连接的合适的时刻。
在本发明所述方法中可将桥接电路用作换极器，该桥接电路基本上在交流电压的半波之间，即在其过零点期间，改变交流电流输出端相对于电压中间电路的极性。但是这不排除，桥接电路在此期间也还执行其他功能，为此例如也可暂时高频定时该桥接电路的桥开关。
优选地，在本发明所述方法中使用折叠桥作为换极器。在这种情况下，优选通过打开换极器的桥开关将交流电流输出端从电压中间电路分开。同样，交流电流输出端的接口在反转流过电压中间电路的电流方向时优选通过换极器的桥开关来短接。
具体而言，如果交流电流输出端有两个接口且相应地换极器总共有四个桥开关，则为了将交流电流输出端从电压中间电路分开并且为了短接交流电流输出端的接口可将换极器的与电压中间电路的同一极连接的两个桥开关打开，而将换极器的另外两个桥开关关闭。在这种情况下，换极器先前已经打开或关闭的桥开关可保持打开或关闭。为了在借助换极器来改变交流电流输出端相对于电压中间电路的极性时随后再次连接交流电流输出端与电压中间电路，只要关闭先前打开的桥开关并且打开先前关闭的换极器的桥开关就够了。
在具体的实施形式中，本发明所述方法涉及操作具备无功功率能力的逆变器，该逆变器包括具有至少一个储能扼流装置的双向DC/DC转换器、电压中间电路和换极器。在这种情况下，储能扼流装置的接口可通过开关与直流电流输入端的一个极连接。储能扼流装置的另一接口可与电压中间电路的一个极连接；并且储能扼流装置连接在与另一接口一样的储能扼流装置的同一绕组上的一个或另一接口可以通过开关元件与电压中间电路的另一极连接。
储能扼流装置的接口可通过开关与直流电流输入端的极连接这个事实并不一定要求可建立储能扼流装置的接口与直流电流输入端的极的电连接。例如在单端正激变换器(Eintaktdurchflusswandler)中，其在变压器的开关对面侧上具有储能扼流圈，通过关闭开关越过电分离变压器，建立储能扼流圈的接口与直流电流输入端的极所需要的暂时连接。
以同样的方式也要求，储能扼流装置的另一接口与电压中间电路的极连接，不一定是电连接。例如在单端正激变换器中，其在变压器与开关同一侧上具有储能扼流圈，越过电分离变压器给出储能扼流圈的极与电压中间电路的极所需要的暂时连接。
在本发明所述方法的具体实施形式中，具备无功功率能力的逆变器的上述定义适用于许多逆变器，在这些逆变器中双向DC/DC转换器被构造成降压变换器与升压变换器的组合或者被构造成升降电压变换器。在这种情况下，也可实现具有两个储能扼流装置的对称结构。该储能扼流装置可在降压变换器与升压变换器的组合中由两者共同使用。但是，升压变换器和降压变换器也可以具有分开的储能扼流装置。具体而言，可将逆变器的拓扑结构构造成基本上与文件中一样，这些文件在上面的“现有技术”部分被评价为包括双向DC/DC转换器和换极器的有无功功率能力的逆变器的现有技术。逆变器拓扑结构的其他变形是可能的。
在本发明所述方法的具体实施形式中，在交流电流滞后于交流电流输出端上的交流电压时反转流过电压中间电路的电流方向还另外包括以下步骤：
-以流经储能扼流装置的电流对电压中间电路进行充电，和
-通过储能扼流装置或通过另一储能扼流装置使电压中间电路进行放电。
在本发明所述方法的具体实施形式中，如果在反转流过电压中间电路的电流方向时放弃将交流电流输出端与电压中间电路暂时分开和/或提供交流电流输出端接口之间的空载，则输出的交流电流会暂时降低。这种降低可通过合适尺寸的AC滤波器和/或通过自适应可接通的阻尼元件在交流电流输出端中进行平滑。
具体而言，在交流电流滞后于交流电流输出端上的交流电压时反转流过电压中间电路的电流方向可用以下方式进行：首先，将电压中间电路从交流电流输出端分开。然后，打开将储能扼流装置其中一端连接到直流电流输入端的开关。继而当流经储能扼流装置的电流转换至开关元件上时，这可以包括转换至二极管上或关闭开关元件的开关，则流经储能扼流装置的电流对电压中间电路进行充电。通过这样生成了对电流的反电势，直至电流消退。紧接着通过同一储能扼流装置或通过另一储能扼流装置进行电压中间电路的放电，其中放电时流动的电流与电压中间电路充电时具有反转的方向。在电压中间电路通过各自的储能扼流装置放电的那个时刻，电流流经储能扼流装置，该电流不仅如期望的那样具有与初始电流的反转方向，而且还具有同样的电流强度。然而，如果是另一储能扼流装置则后者以此前提，即该储能扼流装置具有如另一储能扼流装置一样大小的电感。此外，仅在不考虑损耗的情况下才在电感大小相同时也实现相同的电流强度，但该损耗通常非常小因而可忽略。
当具有反转方向且电流强度相同或大约相同的电流流经各自的储能扼流装置时，电压中间电路可再次与交流电流输出端连接。很明显，该连接在借助换极器改变交流电流输出端相对于电压中间电路的极性时实现。在电压中间电路与交流电流输出端再次连接之后，可直接操作DC/DC转换器，使得通过储能扼流装置或另一储能扼流装置使电压中间电路放电而生成的电流继续流动，或使其适合输出交流电流随后有效的电流理论值。
在这种情况下，至少以此处所列出的顺序实现交流电流输出端从电压中间电路分开，给电压中间电路充电、给电压中间电路放电以及将交流电流输出端与电压中间电路再次连接的步骤。因此当电压中间电路从交流电流输出端分开后，至少基本上给电压中间电路充电，即使早在分开之前就可以开始充电。同样，至少在通过另一储能扼流装置进行放电时，电压中间电路的放电可以早在充电结束之前就开始或者甚至与充电同时进行。此外，电压中间电路在其与交流电流输出端再次连接时不必完全放电。
在交流电流和交流电压之间有负移相角时非常快地实现根据本发明反转流过电压中间电路的电流方向。具体而言，持续时间为其中L是储能扼流装置的电感以及C是电压中间电路的电容。也就是说，电流方向的反转持续谐振电路的半个谐振周期，该谐振电路由储能扼流装置和电压中间电路构成。在这种情况下，电压中间电路是否通过储能扼流装置或另一储能扼流装置进行充电也不重要了。当另一储能扼流装置具有同样的电感时，甚至出现电流方向反转的持续时间完全相同。在任何情况下，电流方向反转持续的时间比为此必须等到交流电流输出端上交流电压足够的电压时间面积时少得多。
借助本发明所述方法，也可在交流电流相对于交流电压是负移相角时实现输出交流电流非常接近正弦形状理论值曲线的曲线，并且实现相应更小的失真度。
当储能扼流装置的其中一端可经由开关元件与电压中间电路的另一极连接，且该开关元件为另一开关时，将其关闭以便在由储能扼流装置和电压中间电路构成的谐振电路的总共半个谐振周期给电压中间电路充电或放电。但是该开关元件也可以是二极管，电流在没有积极干预时通过储能扼流装置转换至其上，前提是将连接储能扼流装置其中一端与直流电流输入端的一个极的开关打开。然后，设置另一开关，将其关闭以通过储能扼流装置给电压中间电路放电。然后，在由储能扼流装置或其他储能扼流装置和电压中间电路的电容构成的谐振电路的四分之一谐振周期内实施关闭。
储能扼流装置的电感和电压中间电路的电容这样彼此调整，使得在由其构成的谐振电路的谐振振荡期间，逆变器的输入电压中间电路的电压不会被电压中间电路的电压超过。此外，还可能产生流过双向DC/DC转换器，更确定地说是流经DC/DC转换器开关非平行二极管的非期望的电流流动。选择足够大的电容就足够用于此调整了。可选或附加地，对本发明所述方法来说可有针对性地升高输入电压中间电路的电压，以避免其被电压中间电路的最大电压超过。谐振电路中电压中间电路的电压应小于输入中间电路电压，由此导致，不能非常精确地确定关闭开关以便通过储能扼流装置使电压中间电路放电的时刻。通过相应地确定电压中间电路的电容大小保持电压中间电路电压的上限时甚至可有意延迟打开开关。相反，借助其引起谐振电流方向反转的开关可以一直关闭，直到通过电压中间电路的电压达到通过输入电压中间电路的电压为止。然后，谐振振荡的剩余部分可越过经过扩展、包围输入电压中间电路的谐振电路和越过已经提及的非平行二极管来实现。
如已指出的那样，储能扼流装置和其他储能扼流装置的电感(如果存在的话)，优选大小相同，以借助本发明所述步骤反转通过电压中间电路的电流方向，但不显著改变其电流强度。其他储能扼流装置的电感原则上也可略小于另一储能扼流装置的电感，以便在不可避免地出现较小损耗时实现具有反转方向且电流的电流强度大小相同。然而，在交流电流具有负移相角时，滞后于交流电压的电流的电流强度的理论值在电流方向反转时刻下降，使得略小的电流强度在电流反转时是无害的。在任何情况下，储能扼流装置和其他储能扼流装置的电感应至少应大致相等。
具体而言，在本发明所述方法中可以这样操作双向DC/DC转换器，使得电流总是经过储能扼流装置流至电压中间电路，并且电压中间电路的电流总是流过另一储能扼流装置，因此，储能扼流装置总是用于正电流，并且另一储能扼流装置总是用于涉及交流电流输出端上瞬间电压的负电流。为此，储能扼流装置可以是降压变换器的扼流线圈，而另一储能扼流装置是升压变换器的扼流线圈，该升压变换器在反向方向上从电压中间电路接通至直流电流输入端。
在本发明中，储能扼流装置也可包括具有从电压中间电路反转到直流电流输入端方向的反激变换器的储能变压器。然后，另一储能扼流装置可特别包括具有从直流电流输入端反转到电压中间电路方向的另一反激变换器的另一储能变压器。原则上，另一储能扼流装置在这种情况下也可以是从电压中间电路定向至直流电流输入端的升压变换器的扼流线圈。在储能扼流装置具有反激变换器的储能变压器这种情况下，该储能扼流装置具有耦合的绕组，其中一个接口连接在绕组上，开关将该接口与直流电流输入端连接，而另一与电压中间电路其中一个极连接的接口和另一接口通过开关元件与可连接电压中间电路另一极的接口连接在另一绕组上。当另一储能扼流装置具有另一反激变换器的另一储能变压器时，会有相应的表现。
一般情况下，另一储能扼流装置可通过附加的开关连接到直流电流输入端的极上或连接到电能的缓冲存储器的极上。使用缓冲存储器时可避免如下情况，连接到直流电流接口上的直流电源在提供无功功率时借助逆变器快速变换交流电流的频率时进行放电和充电。
当具备无功功率能力的逆变器具有双向DC/DC转换器、电压中间电路、换极器和操作控制器时，其中换极器连接在电压中间电路的极与交流电流输出端的接口之间，操作控制器被构造成这样，使得它根据本发明所述方法操作逆变器。
为了实现本发明，在有许多已知的逆变器拓扑结构时，实际上只要修正操作控制器就够了。这也就是说，本发明用极少的费用就可以实现。因此，本发明所述优点用极少的投资费用就可使用。
其他逆变器拓扑结构可用简单的方法补充至本发明所述逆变器的有利实施形式中。这包括基本上从DE 10 2010 035 020 A1中已知的对称降压变换器，且该变换器具有两个带非平行二极管关于中心线对称布置的开关、两个关于中心线对称布置的扼流线圈以及两个关于中心线对称布置的二极管，其中中心线连接输入电压中间电路的中点、二极管之间的中点以及电压中间电路的中点。很明显，在已知的对称降压变换器中，关于中心线的对称不涉及二极管和开关的导通方向，因而也不涉及其非平行二极管。可对这类对称的降压变换器补充并联连接二极管且没有直接连接到中心线上的开关。一方面可将该开关关闭，以致使流过电压中间电路的电流的谐振电流方向反转，并且另一方面可定时开关，以便为已知的、基本上为非双向对称的降压变换器提供在反方向上的升压变换器功能。在反方向上的升压变换器功能中将附加开关定时为升压变换器开关，并且通常用作降压变换器开关的开关非平行二极管充当升压变换器二极管。在这种情况下，对称构造的降压变换器的优点未应用在升压变换器功能中。这是可以接受的，因为升压变换器功能特别在相角小时仅短期需要。
当对从DE 10 2010 035 020 A1已知的对称降压变换器补充两个分别仅并联连接两个对称布置的二极管中的一个，即并联连接两个降压变换器二极管且分别直接连接到中心线上的开关时，可根据不同的开关模式关闭这两个补充的开关，以激活各个谐振电路。在这种情况下证明有利的是，各二极管并联连接形成分开的电压中间电路的两个半部的中间电路电容器，该二极管具有在电压中间电路的极方面和降压变换器二极管一样的导通方向，并阻止反之于逆变器操作中常见的极性给中间电路电容器充电。
本发明所述双向逆变器的可能实施形式已经在有关本发明所述方法中进行了说明。另外还应指出，虽然DC/DC转换器和换极器可布置在共同的逆变器壳体中，但是并非一定得这样做。例如，一个或多个类似发电机的DC/DC转换器和共同的换极器(例如，在电网馈入点)可能在分开的壳体中。
专利权利要求、说明书和附图描述了本发明的有利实施方式。特征和多个特征的组合在说明书中提到的优点仅仅是示例性的，它们能够替换或叠加地起作用，而且不必非得实现本发明所述实施方式的优点。在所附权利要求的内容未由此改变时，在初始申请文件和专利的公开内容方面以下内容有效：其他特征从附图中-特别从多个组件彼此的相对布置和有效连接中得知。本发明不同实施方式的特征组合或者不同专利权利要求的特征组合同样有可能偏离专利权利要求所选的依赖引用，并由此受到启发。这也涉及单独的附图中所示或在其描述中提及的所述特征。这些特征也可与不同权利要求的特征组合。同样，在权利要求中提及的用于本发明其他实施形式的特征可省略。
专利权利要求和说明书中提到的特征的数量应这样理解，致使恰好存在所述数量或比提到的数量多，无需明确使用副词“至少”。因此，例如提到元件时，应这样来理解它，即恰好存在一个元件、两个元件或多个元件。所述特征可以通过其他特征来补充或者它们就是唯一的特征，相应的结果由它们组成。
专利权利要求中包含的参考标记并不限制受专利权利要求保护的对象的范围。它们仅用于使专利权利要求更容易理解这一目的。
附图简述
接下来将参考附图并借助实施例来进一步阐述和描述本发明。
图1示出了逆变器，该逆变器具有升降电压变换器、电压中间电路和换极器，其中升降电压变换器的开关和换极器的桥开关的开关状态表明在滞后于交流电压的交流电流上交流电压半波即将结束。
图2示出了根据图1的逆变器且该逆变器具有过渡至交流电压下一个半波时所示开关状态。
图3以示出了根据图1和2的逆变器且该逆变器具有交流电压下一个半波开始时所示开关位置。
图4示出了逆变器，在该逆变器中设置了降压变换器和反向定向的升压变换器的组合作为双向DC/DC转换器来代替升降电压变换器，此外该逆变器具有如图1和2所示逆变器的电压中间电路和换极器。
图5示出了逆变器，在该逆变器中双向DC/DC转换器由具有反向反转方向的两个反激变换器构成，此外该逆变器具有如图1至4所示逆变器的电压中间电路和换极器。
图6示出了电压中间电路上中间电路电压和流过电压中间电路电流的时间曲线，该曲线超过借助图1至5所示逆变器中的其中一个输出的交流电流的一个周期。
图7示出了滞后于图1至5所示相应逆变器的交流电流输出端上的交流电压的交流电流，该交流电流由相应逆变器的换极器由图6所示电流形成。
图8示出了逆变器，在该逆变器中双向DC/DC转换器由具有附加开关的对称降压变换器构成。
附图描述
图1中示出的逆变器1在直流电流输入端2和后面的电压中间电路7之间具有升降电压变换器11，该直流电流输入端包括两个极3和4以及包括具有中间电路电容器5的输入电压中间电路6，后面的电压中间电路包括两个极8和9以及中间电路电容器10。升降电压变换器11具有开关12、另一开关13以及在升降电压变换器的常规布置中简单扼流线圈形式的储能扼流装置14。也就是说，可通过开关12将储能扼流装置14的接口15与直流电流输入端2的极4连接。储能扼流装置14的另一接口16如接口15一样连接在同一绕组上，该接口与电压中间电路7的极9连接；并且储能扼流装置14的接口15可通过另一开关13与电压中间电路7的另一极8连接。
通过互相调整定时控制开关12和13可形成经过电压中间电路7流至换极器17的电流。特别可以半波形式形成交流电流，并借助换极器将具有半波形式变替极性的交流电流输出端20的两个接口18和19与极8和9连接。换极器17具有两个半桥21和22且该半桥分别具有两个桥开关23和24或25和26。在施加在交流电流输出端20上的交流电压的半波期间，换极器的桥开关23和26如所示那样关闭，然后在下一个半波期间将交叉布置的桥开关24和25关闭，其中随后打开两个其他的桥开关23和26。当以这种方式在交流电流输出端20上发出的交流电流与交流电压同相时，即交流电流既不超前于也不滞后于交流电压，因此不存在偏离零的移相角时，电流在交流电压每个完整的半波期间在图1中用箭头27标明的方向上流经线圈14以及经过电压中间电路7流至换极器17。然而，当交流电流超前于或滞后于交流电压时，即在交流电流和交流电压之间有相移时，在交流电压的每个半波期间和另外在半波之间过渡处经过电压中间电路7的电流方向会改变一次。后者是必要的，以便电流在换极器17变换极性时保持其在交流电流输出端20上的方向。
流经电压中间电路7的电流IZ的改变，以及在电压中间电路7上电压UZ的所属曲线针对这种情况示在图6中示出，即由逆变器1输出的交流电流I滞后于交流电流输出端20上的交流电压U。交流电流I和交流电压U的曲线在图7中示出。在根据图7的交流电压U过零点期间，换极器17变换接口18和19相对于电压中间电路7的极8和9的极性。为了交流电流I可遵守根据图7的正弦曲线，在电压UZ过零点期间根据图6的电流IZ必须改变其符号，并且随着交流电流I和交流电压U之间移相角的增大，电流强度增加。
在交流电压的每个半波期间反转电流方向不严格独立于交流电流和交流电压之间的移相角的符号，因为当电流强度为零时，即在持续过零点时变换方向。方向的反转在以下情况下也不困难，即当交流电流超前于交流电压时必须将每个半波末端已经为负的电流改变成图1箭头27方向的正电流，因为对此可将施加在直流电流输入端2的极3和4之间的输入直流电压28用作驱动力。另外的情况是，当电流滞后于交流电压时，即在如图6和7中所示移相角为负时，电流在图1中用箭头27标明的正方向必须反转。为此，在交流电压过零点时交流电流输出端20上没有足够的驱动力可供使用。换句话说，在直流电流输出端20上的微量瞬间电压的情况下，用于通过储能扼流装置14反转电流方向所需电压时间面积仅在较长时间后才达到。然而，这个时间可通过以下描述的方法缩短。
图2示出了开关12和13以及桥开关23至26的开关状态用于在较短时间内将通过储能扼流装置14反转正电流的方向变成具有相反反向的负电流，但电流强度相同。为此，通过打开开关23将电压中间电路7从交流电流输出端20分开。相反将开关24关闭，以使交流电流输出端20的两个接口18和19通过桥开关24和26短路。可替代地，也可相对于根据图1的开关位置打开开关26并且关闭开关25，以达到与将电压中间电路7从交流电流输出端20分开以及使接口18和19短路相同的效果。通过短接接口18和19，提供了用于接口18和19之间交流电流的空转路径，接口18和19之间的交流电流可在随后施加少量电压时可继续流过该空转路径。继续打开开关12并关闭开关13。由此通过储能扼流装置14将电流转换到开关13上，并且当电流在旋转箭头29方向流动时，给电压中间电路7，即其中间电路电容器10充电。这样一来经过中间电路电容器10的中间电路电压上升，直至电流回到零并且紧接着电压中间电路7在用旋转箭头30标示的反转方向上通过储能扼流装置14再次放电。当放电结束时，电流如希望的那样以反转方向但电流强度与此前一样流经储能扼流装置14。本文描述的过程持续由储能扼流装置14和电压中间电路7形成的谐振电路的半个谐振周期，即其中L是储能扼流装置14的电感以及C是中间电路电容器10的电容。此外，同时进一步流过接口18和19之间的空载路径的交流电流不受本文描述的过程的影响。
在该时期之后开始操作逆变器，如图3所示。将桥开关25关闭，将换极器17的桥开关26打开，以便将交流电流输出端20在相对于图1反转的极性中连接在电压中间电路7上。在图1中接口18与极8连接并且接口19与极9连接，而根据图3接口18与极9连接并且接口19与极8连接。开关12和13被再次互相调整地高频定时，这次为了在升高电压中间电路7和输入电压中间电路6之间的电压时使根据图2引起的电流在通过箭头32标明的方向上经储能扼流装置14继续流动或使其适应当前有效的电流理论值。
在图1至3所示逆变器1的实施形式中升降电压变换器11形成在直流电流输入端2和电压中间电路7之间的双向DC/DC转换器31，而在图4所示逆变器1的实施形式中，形成由降压变换器33和升压变换器34组合而成的此类双向DC/DC转换器，该降压变换器包括扼流线圈50形式的储能扼流装置14，该升压变换器包括另一扼流线圈51形式的另一储能扼流装置37，其中降压变换器33从直流电流输入端2定向至电压中间电路7，而升压变换器34在反转的方向上从电压中间电路7定向至直流电流输入端2。降压变换器33相当于根据图1至3的升降电压变换器11，除了将二极管45设置为开关元件35，通过该开关元件可将储能扼流装置14的接口15与电压中间电路7的极8连接。因此，在打开开关12时，电流通过扼流线圈50在箭头27方向上转换到二极管45上，而不需要为此操作开关。然而，为了使电压中间电路7的中间电路电容器10在充电之后又再次放电，必须关闭另一开关36。该另一开关36在此这样布置，使得在其关闭时电压中间电路7在箭头32的反方向上流过另一扼流线圈51，该扼流线圈与开关36和另一二极管38一起共同形成升压变换器34。因此，从电压中间电路7流向直流电流输入端2的负电流由升压变换器34引导，而正电流则由降压变换器33引导。在将电能缓存在电压中间电路7的情况下在此使用在交流电压的每个半波终点处并从而在降压变换器33运行结束时在箭头27方向通过扼流线圈50仍相对高的电流，以便在交流电压的下一个半波开始时使升压转换器34的另一扼流线圈51以箭头32所示反转方向上的电流预充电用于升压变换器的运行。
图5示出了逆变器1的实施形式，在该实施形式中直流电流输入端2和电压中间电路7之间的双向DC/DC转换器31由彼此相对的反转方向上两个反激变换器39和40构成。在这种情况下，储能扼流装置14包括具有带两个磁耦合绕组42和43的反激变换器39的储能变压器41。绕组42上连接了储能扼流装置14的接口15，该接口可通过开关12与直流电流输入端2的极4连接。绕组43上连接了储能扼流装置14的接口16，该接口可与电压中间电路7的极9连接。此外，接口44还连接在第二绕组43上，该接口通过开关元件35，在此也以二极管45形式，连接在电压中间电路7的极8上。相应地，另一储能扼流装置37具有另一反激变换器40的储能变压器46并具有两个绕组47和48。在这里，绕组47上连接了另一开关36并且绕组48上连接了另一二极管38。在交流电流输出端20上交流电压的两个半波之间过渡时，通过打开开关12和在箭头27方向经过绕组43的相应电流流动给电压中间电路7充电，该电压中间电路随后通过关闭开关36进行放电用于通过另一储能扼流装置37的绕组47引起在箭头32方向上电流强度相同的电流。这样一来在换极器17改变交流电流输出端20相对于电压中间电路7的极性之后，通过这种方式使另一反激变换器40可立即以通过绕组47的电流并从而在交流电压的下一个半波开始时从电压中间电路7至直流电流输入端2开始操作。然后在半波曲线内当电流过下一个零点时电流流动从反激变换器40回到反激变换器39上。但这是在电流强度为零时进行，因此是没有问题的。
此外，图5还示出了操作控制器49，该装置控制逆变器的操作并从而特别控制开关12和36以及桥开关23至26的打开和关闭。
图8示出了具有附加开关54的对称降压变换器52作为逆变器1的双向DC/DC转换器31的实施例。对称的降压变换器被构造成关于中心线53对称。中心线53连接输入中间电路6的中点和电压中间电路9的中点，该输入中间电路在此具有优选容量相同的两个中间电路电容器5’和5“，该电压中间电路9在此同样具有两个中间电路电容器10’和10”。在这种情况下，两个开关12’和12”、两个扼流线圈50’、50”以及两个二极管45’、45”，除了二极管45’和45”的流通方向以及开关12’和12”以及开关12’和12”的非平行二极管55’和55”的流通方向，关于中心线53对称布置，其中二极管45’和45”之间的中点与中心线53连接。包括所述对称降压变换器和输出侧的换极器17的逆变器1例如从DE 10 2010 035 020 A1已知。但是已知的逆变器跟DE 10 2010 035 020 A1中的陈述相反，仅非常有限地具有无功功率能力。相反，在图8所示逆变器1中，通过附加的开关54实现不受限制的无功功率能力。该开关54可用作升压变换器开关，其中打开的开关12’和12”的非平行二极管55’和55”充当升压变换器二极管。此外，根据本发明可借助开关54通过箭头27’和27”所示扼流线圈50’和50”致使电流方向反转，通过将开关54关闭半个谐振周期这种方式进行。在这种情况下，通过扼流线圈50’和50”和中间电路电容器10’和10”形成唯一的谐振电路。因此，通过补充一个开关54可在基本上已知的逆变器上提供具有极小失真率的无功功率能力。
参考标记列表
1 逆变器
2 直流电流接口
3 极
4 极
5 中间电路电容器
5’ 中间电路电容器
5“ 中间电路电容器
6 输入电压中间电路
7 电压中间电路
8 极
9 极
10 中间电路电容器
10’ 中间电路电容器
10“ 中间电路电容器
11 升降压变换器
12 开关
12’ 开关
12“ 开关
13 开关
14 储能扼流装置
15 接口
16 接口
17 换极器
18 接口
19 接口
20 交流电流输出端
21 半桥
22 半桥
23 桥开关
24 桥开关
25 桥开关
26 桥开关
27 箭头
28 输入直流电压
29 旋转箭头
30 旋转箭头
31 DC/DC转换器
32 箭头
33 降压变换器
34 升压变换器
35 开关元件
36 开关
37 储能扼流装置
38 二极管
39 反激变换器
40 反激变换器
41 储能变压器
42 绕组
43 绕组
44 接口
45 二极管
45’ 二极管
45“ 二极管
46 储能变压器
47 绕组
48 绕组
49 操作控制器
50 扼流线圈
50’ 扼流线圈
50“ 扼流线圈
51 扼流线圈
52 对称降压变换器
53 中心线
54 开关
55’ 非平行二极管
55“ 非平行二极管
L 电感
C 电容
UZ 电压中间电路7上的电压
IZ 通过电压中间电路7的电流
U 交流电流输出端20上的交流电压
I 通过交流电流输出端20的交流电流

Claims (22)

1.一种用于操作具备无功功率能力的逆变器(1)的方法，所述逆变器包括
-电压中间电路(7)和
-换极器(17)，
其中所述电压中间电路(7)的极(8、9)能够借助于不同配置的所述换极器(17)与交流电流输出端(20)的接口(18、19)连接，以改变所述交流电流输出端(20)相对于所述电压中间电路(7)的极性，
其中所述方法包括，在所述交流电流输出端(20)上的交流电流(I)和交流电压之间(U)之间有相移时，反转流过所述电压中间电路(7)的电流的方向，
其特征在于，反转流过所述电压中间电路(7)的电流的方向包括以下步骤：
-将所述交流电流输出端(20)从所述电压中间电路(7)分开，
-在所述交流电流输出端(20)从所述电压中间电路(7)分开时，提供所述交流电流输出端(20)的接口(18、19)之间的空载路径，
-当借助所述换极器(17)改变所述交流电流输出端(20)相对于所述电压中间电路(7)的极性时，再次连接所述交流电流输出端(20)与所述电压中间电路(7)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述交流电流输出端(20)通过打开所述换极器(17)的桥开关(23至26)从所述电压中间电路(7)分开。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，短接所述交流电流输出端(20)的所述接口(18、19)以提供所述空载路径。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述交流电流输出端(20)的所述接口(18、19)通过所述换极器(17)的桥开关(23至26)短接。
5.根据权利要求2和权利要求4所述的方法，其特征在于，所述电压中间电路(7)具有两个极，并且为了将所述交流电流输出端(20)从所述电压中间电路(7)分开和为了短接所述交流电流输出端(20)的所述接口(18、19)，将与所述电压中间电路(7)的同一极(8)连接的所述换极器(17)的桥开关(23、25)打开并将所述换极器(17)的其他桥开关(24、26)关闭。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在相移时，所述交流电流(I)滞后于所述交流电流输出端(20)上的所述交流电压(U)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，通过所述电压中间电路(7)的电流借助双向DC/DC转换器(31)形成。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述双向DC/DC转换器具有至少一个储能扼流装置(14)，其中
-所述储能扼流装置(14)的接口(15)能够通过开关(12)与直流电流输入端(2)的极(4)连接，
-所述储能扼流装置(14)的另一接口(16)与所述电压中间电路(7)的极(9)连接，以及
-所述储能扼流装置(14)连接在所述储能扼流装置(14)如所述另一接口(16)一样的绕组(43)上的所述或另一接口(15、44)能够通过开关元件(35)与所述电压中间电路(7)的另一极(8)连接，
其特征在于，在所述交流电流输出端(20)处的所述交流电流(I)滞后于所述交流电压(U)的情况下反转流过所述电压中间电路(7)的电流的方向还包括以下步骤：
-以流经所述储能扼流装置(14)的电流对所述电压中间电路(7)进行充电，和
-使所述电压中间电路(7)通过所述储能扼流装置(14)或通过另一储能扼流装置(37)进行放电。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，将所述储能扼流装置(14)的接口(15)与所述直流电流输入端(2)连接的所述开关(12)打开，以便用流经所述储能扼流装置(14)并且转换到所述开关元件(35)上的电流对所述电压中间电路(7)进行充电。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，将所述电压中间电路(7)与所述交流电流输出端(20)再次连接之后操作所述DC/DC转换器(31)，使得在所述电压中间电路(7)放电时由所述储能扼流装置(14)或所述另一储能扼流装置(37)引起的电流继续流动。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述开关元件(35)是另一开关(13)，所述另一开关(13)为了在由所述储能扼流装置(14)和所述电压中间电路(7)构成的谐振电路的半个谐振周期给所述电压中间电路(7)充电或放电而被关闭。
12.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述开关元件(35)是二极管(45)，其中设置了另一开关(36)，所述另一开关(36)为了在由所述储能扼流装置(14)或所述另一储能扼流装置(37)和所述电压中间电路(7)构成的谐振电路的四分之一谐振周期内通过所述储能扼流装置(14)或所述另一储能扼流装置(37)使所述电压中间电路(7)放电而被关闭。
13.一种用于操作具备有无功功率能力的逆变器(1)的方法，所述逆变器包括
-双向DC/DC转换器(31)，
-电压中间电路(7)和
-换极器(17)，
其中所述双向DC/DC转换器具有至少一个储能扼流装置(14)，其中
-所述储能扼流装置(14)的接口(15)能够通过开关(12)与直流电流输入端(2)的极(4)连接，
-所述储能扼流装置(14)的另一接口(16)与所述电压中间电路(7)的极(9)连接，以及
-所述储能扼流装置(14)连接在所述储能扼流装置(14)如所述另一接口(16)一样的绕组(43)上的所述或另一接口(15、44)能够通过开关元件(35)与所述电压中间电路(7)的另一极(8)连接，
其中所述电压中间电路(7)的极(8、9)能够借助不同配置的所述换极器(17)与交流电流输出端(20)的接口(18、19)连接，以改变所述交流电流输出端(20)相对于所述电压中间电路(7)的极性，以及
其中所述方法包括，当借助所述换极器(17)在所述交流电流输出端的交流电压的半波之间改变所述交流电流输出端(20)相对于所述电压中间电路(7)的极性时，在所述交流电流输出端(20)上的交流电流(I)和交流电压(U)之间有相移时，反转流过所述电压中间电路(7)的电流的方向，
其特征在于，在所述交流电流输出端(20)处的所述交流电流(I)滞后于所述交流电压(U)的情况下反转流过所述电压中间电路(7)的电流的方向包括以下步骤：
-以流经所述储能扼流装置(14)的电流对所述电压中间电路(7)进行充电，和
-使所述电压中间电路(7)通过所述储能扼流装置(14)或通过另一储能扼流装置(37)进行放电。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在所述交流电流输出端(20)处的所述交流电流(I)滞后于所述交流电压(U)的情况下反转流过所述电压中间电路(7)的电流的方向还包括以下步骤：
-将所述交流电流输出端(20)从所述电压中间电路(7)分开，
-在所述交流电流输出端(20)从所述电压中间电路(7)分开时，提供所述交流电流输出端(20)的接口(18、19)之间的空载路径，
-当借助所述换极器(17)改变所述交流电流输出端(20)相对于所述电压中间电路(7)的极性时，再次连接所述交流电流输出端(20)与所述电压中间电路(7)。
15.一种具备无功功率能力的逆变器(1)，包括：
-双向DC/DC转换器(31)，
-电压中间电路(7)，
-换极器(17)和
-操作控制器(49)，
其中，所述换极器(17)连接在所述电压中间电路(7)的极(8、9)和交流电流输出端(20)的接口(18、19)之间，
其特征在于，所述操作控制器(49)被配置为使得它根据上述权利要求中任一项所述的方法来操作所述逆变器(1)。
16.根据权利要求15所述的逆变器(1)，其特征在于，所述双向DC/DC转换器(31)具有至少一个储能扼流装置(14)，
其中
-所述储能扼流装置(14)的接口(15)能够通过开关(12)与直流电流输入端(2)的极(4)连接，
-所述储能扼流装置(14)的另一接口(16)与所述电压中间电路(7)的极(9)连接，以及
-所述储能扼流装置(14)连接在所述储能扼流装置(14)如所述另一接口(16)一样的绕组上如所述另一接口(16)的所述一个或另一接口(15、44)能够通过开关元件(35)与所述电压中间电路(7)的另一极(8)连接。
17.根据权利要求16所述的逆变器(1)，其特征在于，所述储能扼流装置(14)包括从所述直流电流输入端(2)定向到所述电压中间电路(7)的降压变换器(33)的扼流线圈(50)。
18.根据权利要求17所述的逆变器(1)，其特征在于，另一储能扼流装置(37)包括从所述电压中间电路(7)定向到所述直流电流输入端(2)的升压变换器(34)的另一扼流线圈(51)。
19.根据权利要求16所述的逆变器(1)，其特征在于，所述储能扼流装置(14)包括反激转换器(39)的储能变压器(41)，所述反激转换器(39)具有从所述电压中间电路(7)至所述直流电流输入端(2)的反转方向，并且另一储能扼流装置(37)包括另一反激转换器(40)的另一储能变压器(46)，所述另一反激转换器(40)具有从所述直流电流输入端(2)至所述电压中间电路(7)的反转方向。
20.根据权利要求18或19所述的逆变器(1)，其特征在于，所述储能扼流装置(14)和所述另一储能扼流装置(37)的电感(L)一样大。
21.根据权利要求18至20中任一项所述的逆变器(1)，其特征在于，所述另一储能扼流装置(37)的接口能够通过附加的开关元件连接到所述直流电流输入端(2)的极(3、4)或连接到电能的缓冲存储器的极。
22.根据权利要求17所述的逆变器(1)，其特征在于，所述降压变换器(33)为对称的降压变换器(52)，它具有两个关于中心线(53)对称布置并带有非平行二极管(55’和55“)的开关(12’和12“)、两个关于所述中心线(53)对称布置的扼流线圈(50’、50“)和两个关于所述中心线(53)对称布置的二极管(45’和45“)，其中所述中心线(53)连接输入电压中间电路(6)的中点、所述二极管(45’和45“)之间的中点以及所述电压中间电路(6)的中点，并且其中开关(54)与所述二极管(45’和45“)并联连接且没有直接连接到所述中心线(53)上。
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