CN103314518A - 用于运行逆变器的方法和控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于调节逆变器（10）的方法，所述逆变器具有电桥（40）和位于上游的升压变换器（20），在该方法中，获取代表桥温度的第一测量变量以及代表所述逆变器（10）的馈送的转换功率的第二测量变量。在调节时将在电网（100）中馈送的转换功率减小到一个减小的功率值，其中，附加地获取代表在所述逆变器（10）的发电机连接端（60）上的发电机电压的第三测量变量或者代表在所述逆变器（10）的电网输出端（110）上的电网电压的第四测量变量，并且根据第三和第四测量变量中的至少一个以及第一测量变量和第二测量变量来确定所述减小的功率值。设立一个控制装置用于获取所述测量变量并且用于根据用于所述转换功率的由所述测量变量确定的限制值进行调节，并且该控制装置可以是逆变器（10）的部件。

Description

用于运行逆变器的方法和控制装置

技术领域

本发明涉及一种用于运行逆变器的方法，该逆变器特别是作为能量产生设备的部件，并且本发明涉及一种用于实施该方法的控制装置，该控制装置特别是作为逆变器的部件。 

背景技术

逆变器用于将通过发电机（例如通过光电发电机）作为直流电压生成的功率转换为符合电网的交流电压功率。在此由于逆变器内的损耗而导致逆变器的加热、特别是导致作为开关元件的功率半导体的加热，该功率半导体由于过热而可以被损坏。因此需要监控这些开关元件的温度并且在超过开关温度的极限值时如果必要减小逆变器的转换功率。基于该目的，在逆变器内的包含功率半导体的模块具有用于监控温度的监控元件，例如热二极管或NTC（负温度系数）电阻。负载限制器作为逆变器的部件监控由此测量的温度，并且假如在以当前的转换功率继续运行逆变器时预期超过受监控的开关的温度，则该负载限制器启动对转换功率的减小。通过这种方式可以确保，特别是在导致开关元件的寿命缩短或破坏的加热之前，保护所述模块免于过度的加热。 

在现有技术中不利的是，不可以通过上述方式监控不具有自身的用于监控温度的监控元件的开关元件。取而代之的是，需要利用逆变器的热建模间接地通过获取的测量变量（例如逆变器的电桥的开关的温度）以及当前的转换功率计算逆变器的温度并将其转换为限制值，从该限制值出发需要转换功率的减小。这样的间接受监控的开关元件例如可以是升压变换器的部件，该升压变换器将由相连接的发电机供应的直流电压转换为在逆变器的中间电路上的更高的电压值。在此导致的情况就是，对逆变器进行调节，亦即将当前的转换功率减小到等 于或低于计算出的限制值的一个值，尽管在以未减小的转换功率继续运行逆变器时还没有达到临界温度。为此的原因在于，由当前转换功率和桥温度的测量变量不可以可靠地推断升压变换器的开关元件的温度，这是因为没有考虑显著地一起影响升压变换器的开关元件的负载。在这种情况下经常借助于所谓的最差情况，其中对于未获取的测量变量采用对应于最不利的运行情况的值。因此，如果真实的运行状态不对应于最不利的运行状态，那么在这种情况下过早地减小转换功率。 

如果借助于温度传感器直接热监控的开关和间接监控的开关相互间以大的间距设置在逆变器中并且因此具有不可靠的温度相关性，则特别是出现该不利效果。因而，用于最坏情况的安全余量特别大，并且经常不必要地对逆变器进行调节。这种情况例如明显地出现在高频转换器中，这是因为在作为输入级的升压变换器和作为输出级的电桥之间的电隔离通常也带来空间上的隔离。如果为了监控开关而需要电隔离区域中的电信号，同样产生结构上的多种耗费。 

即使带有功率半导体的模块具有温度传感器，由此确定的测量变量依然仅仅提供对于各个开关的负载来说不准确的度量，特别是在模块的各个开关被不同地加载的情况下，并且在按照现有技术中的已知方法确定用于调节逆变器的负载阈值时被要求采用足够大的安全余量。 

发明内容

因此本发明的任务在于提供一种方法，借助于该方法可以可靠地尽可能长地以未减小的、特别是以最大可能的转换功率来运行逆变器，而不会热过度地加载逆变器的开关元件。同样，本发明的任务在于提供一种用于逆变器的控制装置，其确保在开关元件不被过载的情况下的这样的运行。 

按照本发明，该任务通过具有独立权利要求1的特征的方法解决。在从属权利要求2至5中描述按照本发明的方法的有利的实施形式。在权利要求6中描述一种按照本发明的控制装置，其中在从属权利要 求7至8中阐明有利的实施形式。 

按照本发明的方法包括如下步骤，即，获取代表当前的桥温度、例如集成在电桥的模块中的温度传感器的温度的第一测量变量和代表逆变器的当前的转换功率的第二测量变量。由这两个测量变量可以基本上确定用于转换功率的限制值，其排除了电桥的过载。此外，该方法包括：获取代表在发电机连接端上的当前的发电机电压的附加的第三测量变量，或者备选地或组合地获取代表在逆变器的电网输出端上的当前的电网电压的第四测量变量。相比于可以通过第一和第二变量单独获得的负载程度，所述第三和第四变量允许明显更可靠地获得逆变器的升压变换器的负载程度。特别是其确定升压变换器必须以何种程度将在发电机连接端上的输入电压提高到在升压变换器的输出端上的中间电路的电压。所述第三和第四测量变量中的至少一个与第一和第二测量变量组合地使用，以便预先给定减小的功率值，通过调节逆变器将转换功率降低到所述减小的功率值。 

在当前的逆变器拓扑结构中应用的升压变换器具有两个并联运行的开关。在此经常将所谓的MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）与IGBT（绝缘栅双极晶体管）一同使用。MOSFET由于其比IGBT更短的转换阶段而具有更小的开关损耗，而IGBT具有比MOSFET更小的内阻。因此已经证实为有利的是，在升压变换器的负载较低时仅仅通过MOSFET开关对其进行运行，而在升压变换器的负载较高时两个开关并联运行是有利的。相应地在该方法的一个有利的变型中，根据第三和第四测量变量中的至少一个以及第一测量变量和第二测量变量来确定，是否在第一运行模式下通过同时对第一开关和第二开关时控来运行所述升压变换器，或者是否在第二运行模式下仅仅通过对第一开关时控来运行所述升压变换器。通过这种方式可能的是，在足够小的转换功率下最小化升压变换器的开关损耗，并且同时最佳地利用升压变换器的并联连接的两个开关的功率储备。为了在没有在运行模式之间进行不必要地频繁切换的情况下确保稳定地运行逆变器，可以实现具有滞后特征的运行模式之间的切换。从第二运行模式（仅仅 一个时控的开关）至第一运行模式（并联的时控的开关）的切换在用于发电机电流或用于转换功率的第一阈值或用于升压变换器的负载的类似变量中实现，但是向第二运行模式的返回在小于第一阈值的第二阈值中实现。 

不仅减小的转换功率的确定而且在第一和第二运行模式之间的选择可以备选地通过预先给定最大电流值、特别是最大发电机电流值实现。该预先给定可以通过由相应的测量变量的计算实现，但是也可以通过在参考值的表格中进行查阅利用在相邻的参考值之间的可选择的可能的内插法来实现。这些参考值可以预先通过在一个真实的逆变器上的试验来确定或者是热建模的结果，例如通过逆变器内的热传递的模拟，或者通过这两个确定方法的组合。 

在一个有利的变型中可以进一步通过如下方式优化升压变换器的整体效率，即在并联运行升压变换器的两个开关时，不是同时而是时间错开地实现两个开关的断开过程；特别是与MOSFET相比，可以在一个更早的时间点断开IBGT。备选地或组合地，与MOSFET相比，同样可以更晚地接通IBGT。由此可以进一步减小开关损耗，这是因为IBGT的较长的转换阶段与一个时间段重叠，在该时间段中MOSFET处于导通的状态，由此通过IBGT仅仅下降小的电压。 

用于优化升压变换器的效率的可选择的附加步骤是：改变升压变换器的一个或多个开关的时控频率。因此可以想到，例如在转换功率较小时以减小的例如16kHz的时控频率运行升压变换器，而在转换功率较高时按照例如48kHz的时控频率进行切换。在时控频率之间的切换在此也可以与两个并联开关的正在被时控的交换组合地实现。 

本发明的有利的改进由各权利要求、说明书及附图给出。多个特征和多个特征的组合的在说明书中所述的优点仅仅是示例性的并且可以备选地或累积地产生作用，而无需强制地实现按照本发明的实施形式的优点。另外的优点从附图获得。本发明的不同的实施形式的特征的组合或不同的权利要求的特征的组合同样可以不同于所选择引用的权利要求并且由其产生。这还涉及在单独的附图中示出或者在其描述 中提到的特征。这些特征也可以与不同的权利要求的特征组合。 

附图说明

在下文中根据优选的实施例参照所附附图对本发明进行详细阐明和描述。 

图1示出逆变器的示意图，并且 

图2例式用于按照本发明的控制装置的结构。 

具体实施方式

图1示出逆变器10的结构，该逆变器将发电机65的在发电机连接端60上提供的直流电压功率转换为符合电网的交流电压并且在电网100中通过电网输出端110馈送。为此首先将在输入电容61上的发电机电压通过升压变换器20提高到第一中间电路50的第一中间电路电压。该中间电路电压从第一中间电路处经由高频桥30转换为高频交流电压，该高频交流电压被施加到高频变压器35的初级线圈上。高频变压器35的次级线圈与整流器80连接，该整流器将变换后的高频交流电压又转换为直流电压并且施加到第二中间电路51上。该直流电压从第二中间电路处借助于在输出侧具有电网滤波器90的电桥40通过电网输出端110作为符合电网的交流电压馈送到相连接的电网100中。 

升压变换器20包括第一开关70，其与第二开关71并联地设置。通过这种方式，如果两个开关被共同时控，那么电流被该第一和第二开关分开，由此每个单独的开关70、71被较小地加载，并且升压变换器可以总体上被相应较高地加载。在一个优选的实施形式中，这两个开关是不同的类型，特别是第一开关70在此可以是MOSFET，第二开关71可以是IGBT。 

高频桥30在图1中构成为H形桥，但是也可以实现为半桥。在这种情况下，中间电路50优选构成为具有两个中间电路电容的分开的中间电路。为了减小对高频桥30的开关的开关负载，如下建议：高频桥30与整流器80之间的耦合构成为谐振耦合，其中谐振电容31与高 频变压器35的线圈的（未示出的）漏电感一同确定谐振频率。谐振电容31和漏电感可以相对于高频变压器35在此可选择地设置在初级侧或次级侧。 

此外，电桥40在图1中示出为H形桥，但本领域内技术人员知道多种其他的将第二中间电路51的直流电压转换为用于馈送到电网100中的交流电压的拓扑结构同样是适合的。同样对于本领域内技术人员容易地可推导出的但是未示出的是，也可以使用用于馈送到三相或多相电网中的电桥来代替用于单相馈送的电桥40。 

在此还应该注意的是，对于其他在图1中示出的功能区域，即升压变换器20、整流器80和电网滤波器90，所示出的电路仅仅是示例性的，而其他的对于本领域内技术人员来说熟悉的实施方案可以被采用。 

图2示出用于控制逆变器10的控制装置。该控制装置包括负载限制器210，其在该例子中分为多个模块211、212、213。为每个模块211、212、213配设一个自身的获取单元200，通过这些获取单元获取并且量化用于进一步处理的逆变器10的测量变量，并且随后将其传输到相应的负载限制器模块。包含或代表关于电桥40的温度的信息的第一测量变量通过第一信号线250供应给第一模块211的获取单元200。同样，具有关于当前转换功率的信息的第二测量变量通过第二信号线240到达第一模块211的获取单元200。负载限制器210的第一模块211由此生成第一限制值，其通过信号线310传输给控制电路220。第一限制值在此可以对应于转换功率的极限值，在超过该极限值时进行调节。 

通过配设于第二模块212的获取单元200借助于第三信号线260和第四信号线270获取并且量化具有关于在发电机连接端60上的当前的发动机电压的信息的第三测量变量以及包含关于在电网输出端110的当前的电网电压的信息的第四测量变量。由此第二模块212求出第二限制值，其通过信号线290传输给控制电路220。第一测量变量还通过第一信号线250的支路传输给配设于第二模块212的获取单元 200并且在确定第二限制值时对其加以考虑。第二限制值可以例如对应于用于发电机电流的极限值，在超过该极限值时必须减小转换功率。 

此外，将第三限制值通过信号线300传送给第三模块213，第三模块构成为用于升压变换器20的运行模式的选择模块。第三限制值在此预先给定一个阈值，通过第五信号线280传输给配设于第三模块213的获取单元200的第五测量变量与该阈值进行比较。例如第五测量变量对应于当前的发电机电流，并且如果发电机电流超过由阈值限定的极限，那么实现在运行模式之间的切换。该超过可以沿两个方向实现并且相应地导致从第一到第二运行模式的交换或从第二到第一运行模式的交换。要使用的运行模式作为信号通过信号线320传给控制电路220。第三模块213和选择运行模式的功能在此是可选的。 

控制电路220在控制线230a上生成开关信号，通过这些开关信号控制电桥40的开关，使得在逆变器运行时保持相应的限制值。假如需要，那么减小转换功率以便保持限制值。同样在控制线230b上将开关信号传送到升压变换器20的开关70、71，这些开关信号一方面对应于由选择模块213确定的运行模式，另一方面同样如前述确保保持限制值。当然，控制电路220可以在关注限制值的情况下生成用于逆变器10的其他开关的其他开关信号，例如用于高频桥30的开关（如果存在的话）。 

通过负载限制器的模块式结构可以实现对用于逆变器的各个功能区域（如用于升压变换器20和电桥40）的热过载情况的独立监控。为此可以想到，通过其他方式将获取的测量变量配设给各模块，也或共同地由多个模块对这些测量变量进行利用，以便进一步提高监控的可靠性，或者以便只有当实现功能区域的最大负载程度、特别是开关的最大温度时才导入对转换功率的减小。 

在控制装置的一般化中可以以非模块的方式构造该控制装置，并且具有仅一个获取单元200（通过其获取和量化所有的测量变量）以及一个负载限制器210，获取单元200与该负载限制器连接以便传输测量变量。相应地，逆变器10的调节在这种情况下通过负载限制器 210结合控制电路实现。 

附图标记列表： 

10                       逆变器 

20                       升压变换器 

30                       高频桥 

31                       谐振电容 

35                       高频变压器 

40                       电桥 

50、51                   中间电路 

60                       发电机连接端 

61                       输入电容 

65                       发电机 

70                       第一开关 

71                       第二开关 

80                       整流器 

90                       电网滤波器 

100                      电网 

110                      电网输出端 

200                      获取单元 

210                      负载限制器 

211、212                 负载限制器的模块 

213                      用于运行模式的选择模块 

220                      控制电路 

230a、230b               控制线 

240、250、260、270、280  用于测量变量的信号线 

280、290、300、310       用于限制值的信号线 。

Claims (10)

1.一种用于调节逆变器（10）的方法，所述逆变器具有电桥（40）和位于上游的升压变换器（20），所述方法包括：

-获取代表桥温度的第一测量变量以及代表逆变器（10）的馈送的转换功率的第二测量变量，并且

-将馈送到电网（100）中的转换功率减小到一个减小的功率值，

其特征在于，附加地获取代表在逆变器（10）的发电机连接端（60）上的发电机电压的第三测量变量或者代表在逆变器（10）的电网输出端（110）上的电网电压的第四测量变量，其中根据第三和第四测量变量中的至少一个以及第一测量变量和第二测量变量来确定所述减小的功率值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据第三和第四测量变量中的至少一个以及第一测量变量和第二测量变量来确定，是否在第一运行模式下通过同时对第一开关（70）和与所述第一开关并联的第二开关（71）时控来运行所述升压变换器（20），或者是否在第二运行模式下仅仅通过对所述第一开关（70）时控来运行所述升压变换器。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过预先给定最大的电流值、特别是最大的发电机电流值来确定所述减小的功率值。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，在第一运行模式下这样进行时控，即在断开第二开关（71）之后断开第一开关（70）。

5.根据权利要求2至4之一所述的方法，其特征在于，所述第一开关（70）是MOSFET，所述第二开关（71）是IGBT。

6.一种用于逆变器（10）的控制装置，包括：

-获取单元（200），用于获取代表桥温度的第一测量变量以及代表逆变器（10）的转换功率的第二测量变量，

-负载限制器（210），用于确定用于调节逆变器（10）的限制值，其中负载限制器（210）与所述获取单元（200）连接以便传输第一测量变量和第二测量变量，以及

-控制电路（220），该控制电路与负载限制器（210）连接以接收至少一个限制值，并且为了控制逆变器（10）的开关，该控制电路设置为使得在逆变器（10）运行时保持所述至少一个限制值，

其特征在于，所述负载限制器（210）还与用于获取代表在逆变器（10）的发电机连接端（60）上的发电机电压的第三测量变量或代表在逆变器的电网输出端（110）上的电网电压的第四测量变量的获取单元（200）连接，并且所述负载限制器根据第三和第四测量变量中的至少一个以及第一测量变量和第二测量变量来确定所述至少一个限制值。

7.根据权利要求6所述的控制装置，其特征在于，负载限制器（210）与逆变器（10）的升压变换器（20）连接，使得根据第三和第四测量变量中的至少一个以及第一测量变量和第二测量变量来确定，是否在第一运行模式下通过同时对第一开关（70）和与所述第一开关（70）并联的第二开关（71）时控来运行所述升压变换器（20），或者是否在第二运行模式下仅仅通过对第一开关（70）时控来运行所述升压变换器。

8.根据权利要求7所述的控制装置，其特征在于，所述第一开关（70）是MOSFET，所述第二开关（71）是IGBT。

9.一种逆变器（10），具有根据权利要求6至8之一所述的控制装置。

10.根据权利要求9所述的逆变器（10），该逆变器构成为高频转换器。

Images