CN205004960U - 直流dc到交流ac的变换器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于将大量DC电源(10A,10B)的直流变换成三相电网(20)的三相交流的DC到AC变换器(100)。DC到AC变换器包括具有第一子变换器(130)和第二子变换器(140)的变换单元(120)，其中第一子变换器(130)和第二子变换器(140)中的各个构造成经由变换单元(120)的主侧(119)提供DC电流。第一子变换器(130)构造成将第一AC电流提供至三相电网(20)的第一AC输出相(122A)。第二子变换器(140)构造成将第二AC电流提供至三相电网(20)的第二AC输出相(122B)。转换单元(120)构造成使得第一AC电流的大小和第二AC电流的大小大致相等并且对于彼此转移120°。第一子变换器(130)和第二子变换器(140)连接成使得第三AC电流提供至三相电网的第三AC输出相(122C)作为第一AC电流和第二AC电流的负总和。

Description

直流DC到交流AC的变换器
技术领域
本实用新型涉及功率转换领域。具体而言，本实用新型涉及用于将大量DC电源的直流变换成三相电网的三相交流的三相DC到AC变换器。更具体而言，本实用新型涉及一种用于将可再生能量发生器互连于三相电网的三相无变压器DC到AC变换器。
背景技术
功率变换器用于将第一功率网络互连于第二功率网络，并且用于将第一功率网络的电压和/或电流值变换成第二功率网络的期望值。此外，电流的频率可变换或转换。例如，由光伏电源提供的DC功率转换用于将功率给送到功率电网，具体是三相AC功率电网中。
用于该目的的可用解决方案可主要归类成模块化或非模块化的变换器***。模块化途径为使用多于一个的完整的功率转换级(即，模块)，以使整个高功率***公式化(formulate)。模块中的各个具有功率转换的能力，并且能够独立地工作。
具有模块化途径的***的优点为较高灵活性和冗余。例如，操作下的模块的数量可基于负载情况优化或减小，以便实现最大的效率。如果模块中的一个失效，则***仍以减小的功率工作。具有模块化途径的***的关键缺点可为较高成本。其由于一定数量的构件如控制器、半导体、磁性元件、电容器、继电器、金属外壳、用于互连的线缆等而为可共用或可减少的。
非模块化途径使用一个或一组功率转换器/变换器来使整个***公式化。不存在用以增大功率额定值和形成整个***的平行连接的等同模块。功率级拓扑发展为提高性能的关键主题，包括效率和功能性，以及用于该途径的成本减少。
六开关电压源变换器(VSI)由于电路拓扑和对应控制方法为简单、在效率和成本上合理地良好、低技术风险且稳健的事实而为非常常规的拓扑和广泛使用的技术。其由于半导体的进步和可用性而大体上对于低压(低于1kV)应用而言为非常适合且流行的。这些拓扑的缺点可为相对大的电感器尺寸，并且因此***的重量为相对重的。此类开关的实例在US7,710,752B2中描述。
WO2012/123559A2描述了一种具有两个单相***和线频率变压器的三相变换器。
2002年1月/2月的38期1号的IEEETrans.OnIndustryApplications的J.Hahn,P.Enjeti和I.Pitel的"Anewthree-phasepower-factorcorrection(PFC)schemeusingtwosingle-phasePFCmodules"描述了一种用于将三相AC转变成两相DC的变压器。
功率变换器和相关途径的另外的技术在以下中描述：
US4,135,235；
A.Nabae,I.Takahashi和H.Akagi，"ANewNeutral-Point-ClampedPWMInverter"，IEEETrans.IndustryElectron，1981年9月/10月，17期，5号，第518-523页；
CN101197547B；
M.schweizer和J.W.Kolar，"DesignandImplementationofaHighEfficientThree-LevelT-typeConverterforLowVoltageApplications"，IEEETrans.PowerElectron，2013年3月，28期，2号，第899-907页；
CN102882411A；
J.Rodriguez、J.S.Lai和F.Z.Peng，"MultilevelInverters:ASurveyofTopologies,ControlsandApplications"，IEEETrans.IndustrialElectron，2002年8月，49期，4号，第724-738页；
Photon，PHOTONPublishingGmbH,JülicherStr.376,52070Aachen,Germany，2011年12月，第141和145页；2012年10月，第176-181页；
CN102769401A；
CN102118035A；以及
US8,218,344B2。
功率平衡单元用于平衡由多个DC电源提供的间歇DC功率输出。
EP1047179A1描述了一种经由开关布置操作并联的光伏变换器的***及方法。在描述的***中，并联的变换器的数量取决于由光伏发电机生成的实际功率。如果生成的功率低，则将减少活动变换器的数量。
US6,800964B2、US8,334617B2、US2010/253151Al和WO01/69769A2中描述了另外的功率平衡途径。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种可连接电网的DC到AC变换器，其具有带减小尺寸和较低重量的滤波器电感器。
该目的通过独立权利要求的主题来实现。另外的示例性实施例从从属权利要求和以下描述为明显的。
根据第一方面，提供了一种用于将大量DC电源的直流变换成三相电网的三相交流的直流(DC)到交流(AC)变换器。DC到AC的变换器包括具有第一子变换器和第二子变换器的变换单元。第一子变换器和第二子变换器中的各个构造成经由变换单元的主侧提供DC电流。第一子变换器构造成将第一AC电流提供至三相电网的第一AC输出相，而第二子变换器构造成将第二AC电流提供至三相电网的第二AC输出相。变换单元构造成使得第一AC电流的大小和第二AC电流的大小大致相等并且对于彼此转移120°。第一子变换器和第二子变换器连接成使得第三AC电流提供至三相电网的第三AC输出相作为第一AC电流和第二AC电流的负总和。
具体而言，第一子变换器构造成提供第一AC电流至第一AC输出相，并且将第一AC电流的负值提供至第三AC输出相。第二子变换器构造成提供第二AC电流至第二AC输出相，并且将第二AC电流的负值提供至第三AC输出相。因此，第三AC电流由负的第一AC电流和第二AC电流产生，并且为这些电流的负总和。
如上文和下文中所述的变换器使用两个高性能子变换器来使三相变换器公式化，该三相变换器实现小输出滤波器电感器尺寸、小电网侧电流涟波、低高频接地高频泄漏、完全有效和反应功率输送能力、低切换频率，以及因此低切换损失。其为用于电网连接应用的成本有效且高性能的dc/ac变换器电路，如但不限于太阳能或光伏DC电源和不间断电源(UPS)单元。
三阶输出滤波器结构可在不添加附加电网侧电感器的情况下获得。因此，高输出电流质量可以以减少数量的电感器实现。同时，如上文和下文中所述的变换器还可抑制高频率普通模式(CM)电流，其可为特别是太阳能变换器拓扑设计中的关键问题。
大磁性构件如变换器电路的滤波器电感器可将高重量强加于连接于电网的功率电子变换器。可合乎需要的是在不降低性能如效率、电流质量、动态响应等的情况下缩小滤波器电感器的尺寸和重量。这通过由两个高性能变换器构成的变换器获得，其使用了三相电流的总和对于具有三相连接的变换器等于零的构想。基本构思在于经由电容元件和切换元件主动地构造输出滤波器结构，以最大化滤波器衰减能力，其导致低差动模式(DM)和普通模式(CM)电流涟波，并且因此可实现滤波器电感器尺寸减小的目标。此外，切换损失可减小，因为变换器使用单极切换方案，并且由于强滤波衰减而允许相对低的切换频率。
根据本实用新型的实施例，变换单元的主侧构造成设有第一电源的第一DC功率和第二电源的第二DC功率。
因此，变换器实现变换多于一个的DC电源的DC电流，并且将所述大量DC电源的电流给送至三相电网。
根据本实用新型的又一个实施例，变换器还包括功率平衡单元，其适于将第一电源和第二电源的功率均匀地分配至第一子变换器和第二子变换器。
因此，给送到三相电网中的功率平衡。当大量独立DC电源提供间歇功率输出时，功率平衡可特别为必要的，如，例如，多个光伏发电机或其它可再生能量DC发电机。
根据本实用新型的又一个实施例，功率平衡单元包括第一级功率分配单元和第二级功率分配单元。
因此，在第一级中，完成粗功率分配，并且在第二级中，执行精平衡。在两级中执行功率分配可特别地提高功率平衡的准确性，并且因此提高用于将DC到AC转换功率给送到三相电网中的变换器的效率。
根据本实用新型的又一个实施例，第一级功率分配单元为开关布置，其容许将大量DC电源的DC源功率线配给至变换器单元的主侧的连接线。
在该实施例中，第一级功率分配单元可包括多个输入DC总线连接和多个输出DC总线连接。第一级功率分配单元可包括机械开关，其构造成实现任意输入到输出连接，使得任何数量的输入DC总线可连接于某一输出DC总线。第一级功率分配单元可包括用以提供机械开关的零电流操作的器件，如，在开关操作期间将电流转移离机械开关的装置。第一级功率分配单元可包括保护器件，使得功率不可在输入DC总线之间传递。例如，该器件可为串联二极管。
根据本实用新型的又一个实施例，第二级功率分配单元为双向DC到DC变换器，其连接于变换器单元的主侧，使得实现第一子变换器与第二子变换器之间的功率分配。
双向DC到DC转换器可具体为双有源电桥，并且可在一个实施例中隔离。DC到DC转化器可额定为功率等于DC电源功率的一半。典型地，为光伏电源的DC电源额定为5kW，因此DC到DC转换器可额定为2.5kW。
光伏功率***的固有性质为生成能量的间歇性质。如从基本光伏电池性质(还直接适用于大型光伏设备)已知的，光伏发电机的功率输出由环境条件较强影响，主要是周围温度和来自太阳的入射。在升高温度下，光伏电池的半导体接合的性质引起生成的电压以硅(Si)电池的-2.3mV/℃/电池的速率降低。因此，通常由大约54个电池构成的200W的商用光伏模块的端子电压将对于各个升高温度级梯级下降1.24V。相应地，光伏电池的电流输出几乎是入射的线性函数。这意味着功率输出例如由于经过的云或由于由相邻物体投射的阴影而高度变化。
由于该间歇性，如果设备的部分被严重遮挡，则包括多个主功率转化器的实际的光伏设备可在不需要的功率水平下频繁地操作。为了克服此，期望改变连接于各个主功率转换器的光伏发电机的构造。因此，需要考虑的主要问题在于如何可靠地实现此类改变的功能性，而没有过多的成本，并且也不显著地增加***的能量损失。此外，将满足所有前述要求并且还将能够准确地平衡给送到主功率转换器中的功率的解决方案将高度有价值。
具有此类功率平衡单元的变换器对于将可再生能量源的能量给送至三相电网而言特别有用。典型的可再生能量功率***现在由多个独立的电源(发电机)构成，其提供取决于环境条件的输出功率，如，风速、由太阳的照明或环境温度。在具有将生成的功率输送至负载的仅一个主功率转换器的***中，所有发电机连接于该转换器，其接着提供必要的功能来实现功率输送和控制发电机。
然而，如果***包括两个或更多个主功率转化器，则通常发电机分成不同的主功率转换器来例如提供相对于故障的冗余，以分配发电机的控制，或通过使用大量主功率转换器来简单地满足***的功率要求。在该类型的布置中，由发电机提供的功率不可预测地变化的问题可频繁地出现。因此，在没有适当动作的情况下，在由主功率转换器处理的功率水平中可存在严重不平衡。例如，这可导致过多的***功率损失，因为主功率转换器并未在它们的最佳效率点操作，并且在三相电网连接应用的情况中，电网电流可变为严重不平衡的。
上文和下文中所述的变换器可通过提出功率平衡单元来改进性能，该功率平衡单元由机械开关、低功率辅助转换器和对应的操作序列构成，以实现主功率转化器之间的准确功率平衡。就此而言，解决方案提供了可再生能量功率***的改进的功能性，并且使得新的技术解决方案能够利用。
此类功率平衡单元的益处可归纳如下：实现了多个主功率转换器的准确功率平衡、不干扰主功率转换器的操作、需要准确输入功率平衡的主功率转换器的使用。
根据本实用新型的又一个实施例，第一子变换器包括串联的第一切换元件和第一电容元件，用于将第一AC输出相连接于第一DC电源。
第一切换元件和第一电容元件构造成用作活动的高阶滤波器结构。因此，实现了变换器电感器的电感的减小，并且降低了变换器的重量和成本。
根据本实用新型的又一个实施例，第二子变换器包括串联的第二切换元件和第二电容元件，用于将第二AC输出相连接于第二DC电源。
根据本实用新型的又一个实施例，第三AC输出相经由第三切换元件和电容元件连接于第一DC电源，并且经由开关和电容元件连接于第二DC电源。
因此，在一个实施例中，输出相中的各个经由切换元件和电容器连接于第一或第二DC电源。
根据本实用新型的又一个实施例，第一AC输出相和第三AC输出相经由公共回流线连接于第一DC电源。
因此，连接线的数量可减少。
类似地，第二AC输出相和第三AC输出相可经由第二公共回流线连接于第二DC电源。
根据本实用新型的又一个实施例，回流线连接于第一DC输入线、第二DC输入线，或第一DC电源的中间或中性点中的任一个。
根据本实用新型的又一个实施例，变换器还包括控制单元，其适于控制变换单元，其中控制单元包括第一控制子单元，其构造成基于第一AC输出相和第三AC输出相的电压值来控制第一切换元件和第三切换元件的状态。
作为备选，第一控制子单元可构造成基于第一AC输出相和第三AC输出相的电流值或功率值来控制第一切换元件和第三切换元件的状态。
根据本实用新型的又一个实施例，第一控制子单元构造成控制第一切换元件和第三切换元件的状态，使得这些切换元件的切换形式周期性地重复。
因此，变换器产生周期性AC电流。
根据本实用新型的又一个实施例，第一控制子单元构造成控制第一切换元件和第三切换元件的状态，使得在任何给定时间t，这些切换元件中的一个处于闭合状态，而另一个切换元件处于断开状态。
换言之，在任何给定时间t，第一切换元件或第三切换元件闭合，而另一个在相同时间t断开。
第二控制子单元类似于第一控制子单元构造，使得参照第一控制子单元设置的细节类似地应用于第二控制子单元。
总之，连接电网的变换器的关键焦点为低成本和高效率。此外，例如，对于太阳能变换器而言，轻重量被高度推荐。如上文和下文中所述的DC到AC转换器实现减小的输出滤波器电感器尺寸并且降低切换损失，避免低频率(即，电网频率及其谐波)，并且抑制高频率(即，切换频率及其谐波)泄漏电流，并且可由于滤波器电感器的缩小而引起变换器的较低成本和较轻重量。
DC到AC变换器可具有最大功率点轨迹(MPPT)特征，其为控制***中的功能块，该功能块输出变换器的输入电压控制环路的基准值。换言之，MPPT块通过相应地引导变换器而实现DC电源或DC发电机的最大功率产出。MPPT块可以以具有不同算法的一定数量的不同方式实现，并且几乎每种算法都基于DC功率(即，电压和电流)的测量。这些测量典型地以给定间隔进行，以使可比较连续时间情况下的DC发电机的实际输出功率。这允许监测DC功率的变化，根据其可调整DC电压。在一个实施例中，控制***基本上包括两个不同的控制回路：输入电压回路和电网电流控制回路。MPPT块自身可看作是控制回路，但其通常设计成非常慢地作用，并且因此其基本上提供了相对于输入电压控制回路的恒定电压基准。控制回路设计成实现遍及DC电源特征操作曲线的稳定操作，并且实现稳定的功率注入而不管电网侧电参数的变化。负责电流控制的内部控制回路可设计有高带宽，而调节输入电压的外部控制回路可设计有低带宽。MPPT块产生输入电压的参考值，并且输入电压控制器Gv输出电网电流的峰值。由于该峰值基本上为dc值，故其乘以感测的电网电压uac来获得正弦电流基准。该相乘实际上同时提供了与电网的同步，并且因此，如果反应功率需要输送，则相变必须在相乘点处引入。所得的正弦基准电流与感测的电网电流iac相比较，此后，电流控制器Gi输出对应的控制信号，其用于生成用于变换器开关的PWM门信号。
优选地，功能模块如具有其控制子单元和/或构造机构的控制单元分别实施为编程的软件模块或程序；然而，本领域的技术人员将理解，这些功能模块和/或构造机构可以以硬件完全或部分地实施。
本实用新型的这些及其它方面将从下文中描述的实施例显而易见并且参照其阐明。
附图说明
将在下文中参照在附图中示出的示例性实施例来更详细阐释本实用新型的主题。
图1示意性地示出了根据本实用新型的示例性实施例的变换器。
图2示意性地示出了根据本实用新型的又一个示例性实施例的变换器。
图3示意性地示出了根据本实用新型的又一个示例性实施例的变换器。
图4示意性地示出了根据本实用新型的又一个示例性实施例的变换器。
图5示意性地示出了根据本实用新型的又一个示例性实施例的变换器的切换方案。
图6示意性地示出了根据本实用新型的又一个示例性实施例的变换器的控制单元。
图7示意性地示出了根据本实用新型的又一个示例性实施例的变换器。
图8示意性地示出了根据本实用新型的又一个示例性实施例的变换器。
附图中使用的附图标记及它们的意义在附图标记列表中以合计形式列出。原则上，相同或相似的元件在附图中设有相同的附图标记。
部件列表
10A/10BDC电源
12A/12B第一/第二DC功率输入线
13DC电源的中点
20三相电网
100DC到AC变换器
109功率平衡单元的主侧
110功率平衡单元
114第一级功率分配单元
116A/116B第一/第二级功率分配单元
119变换单元的主侧
120变换单元
121变换单元的副侧
122A/122B/122C副侧相输出
125滤波器构件
127回流线
130第一子变换器
140第二子变换器
200控制单元
210A/210B/210C第一/第二/第三控制子单元。
具体实施方式
图1示出了包括功率平衡单元110和变换单元120的DC到AC变换器100。
功率平衡单元分别经由第一DC功率输入线12A和第二DC功率输入线12B连接于第一DC电源10A和第二DC电源10B。
可选地，DC电源10A,10B例如出于安全原因接地。
功率平衡单元110连接于变换单元120的主侧119，使得DC功率可提供至变换单元120。
变换单元120包括第一子变换器130和第二子变换器140，其中各个包括用于将相应的AC输出相连接于DC电源的滤波器构件。
变换单元120经由第一AC输出相122A(Va)、第二AC输出相122B(Vb)和第三AC输出相122C(Vc)将AC电流给送至三相电网。三相电网连接于变换单元120的副侧121。
第一子变换器130构造成将第一AC电流提供至第一AC输出相122A，并且将第一AC电流的负值提供至第三AC输出相122C。第一AC输出相和第三AC输出相两者经由开关(Sa1,Sa2)和电容器(C1)连接于回流线127，回流线127连接于第一DC电源10A的DC输入线12B(DC-)。
第二子变换器140构造成将第二AC电流提供至第二AC输出相122B，并且将第二AC电流的负值提供至第三AC输出相122C。第二AC输出相和第三AC输出相两者经由开关(Sa3,Sa4)和电容器(C3)连接于回流线，该回流线连接于第二DC电源10B的DC输入线(DC-)。
三相变换器100的一个方面使用具有两个子变换器130,140的变换单元120，即，第一子变换器130和第二子变换器140，以及主动高阶滤波器结构。各个子变换器由用于第一子变换器130的四个高频主开关S1到S4和用于第二子变换器140的S5到S8，以及四个低频双向阻挡切换元件—用于第一子变换器130的Sa1和Sa2，以及用于第二子变换器140的Sa3和Sa4—构成。电容器(用于第一子变换器的C1和用于第二子变换器的C2)连接于各组双向阻挡开关以产生活动高阶滤波功能。
图5中示出了各个切换元件的切换方案的一个实例。
源功率共用电路，即，功率平衡单元110，连接在两个子变换器130,140和DC电源10A,10B之间。其用于确保用以输入两个子变换器的功率均匀，而不管源的功率的量。由于源功率可不同，例如，由于太阳能应用中的面板的局部共用。由于功率共用电路的协助，故至两个子变换器的功率相等。最后，相c电流的线频率分量等于它们的负总和。因此，如果相a122A和相b122B电流在大小上相等并且适当转移，即关于彼此120°，则具有相同大小并且相对于相a和b理论上转移120°的电流将自然地在相c上引起。同理，如果相a和b电流上存在相移α度，则相c电流将相应地转移。因此，相c电流可表达如下：
ic=-(ia∠α+ib∠(α+120°))。
提出的变换器由两个子变换器形成，并且各个子变换器使电流成形为一个线-线电压。因此，提出的DC到AC的变换器具有完全反应的功率输送的能力和三相电流的关系。
在DC电源10A和10B不可提供平衡功率的情况下，相c中的电流将转移。例如，来自DC1的功率大于DC2，并且因此，相a上的电流以及功率高于相b，因为相c电流为相a和b的负总和。因此，相c电流将转移，并且反应功率将在非期望的情形下生成。该问题可通过功率平衡单元110解决。功率平衡单元使从DC电源10A至第二子变换器的功率的路径重新定向，直到输入两个子变换器的功率相同。一旦至子变换器的输入功率平衡，则相a和b上的电流将相等。因此，引起的相c电流将移回正确的相角(-120°)和大小(等于相a和b)。
DC到AC变换器将使滤波器衰减能力最大化，因此所需的电感和因此尺寸和成本可减小。
图2示出了DC到AC变换器100，其中第一子变换器的AC的输出相Va和Vc经由切换开关Sa1,Sa2和电容器C1，经由回流线127连接于DC电源10A的DC输入线12A(DC+)。相似的结构应用于第二子变换器和AC输出相Vb和Vc，它们还连接于第二DC电源10B的DC+。
图3示出了DC到AC变换器100的备选实施例，其中AC输出相的回流线127连接于DC电源的中性点或中点13。
图4示出了AC输出相中的各个可经由独立的电容器连接于回流线127。在第一子变换器中，第一AC输出相Va经由切换元件Sa1和电容器C1连接于回流线，而第三AC输出相Vc经由切换元件Sa2和电容器C2连接于回流线。在第二子变换器中，第二AC输出相Vb经由切换元件Sa3和电容器C3连接于回流线，而第三AC输出相Vc经由切换元件Sa4和电容器C4连接于回流线。
使用的元件的参数可在一个示例性实施例中为如下：L1=L2=L3=L4=850μH,C1=C2=C3=C4=4μF。
图5示出了变换器的各个切换元件的示例性切换方案。第一子变换器的辅助开关Sa1,Sa2和第二子变换器的Sa3,Sa4中的仅两个在任何时间以高频切换，并且因此，切换损失相比于其中所有开关以高频切换的典型变换器减小。当考虑仅一个子变换器的辅助开关(第一子变换器的开关Sa1,Sa2或第二子变换器的开关Sa3,Sa4)时，相应的辅助开关中的仅一个在任何给定时间t处于闭合状态，而另一个处于断开状态。
第一子变换器的开关Sa1,Sa2和第二子变换器的Sa3,Sa4的切换方案可相同，但关于AC电流信号的预定角移位或转移。
黑色矩形代表具有脉宽调制(PWM)的门信号，而阴影矩形代表恒定高门信号。开关S1到S8代表变换器的主开关的示例性切换方案。
图5的顶部窗口示出了第一子变换器的输出电压Vac和第二子变换器的输出电压Vbc。必须注意的是，两个变换器的输出电压与输出电流之间的相关系不同。这引起两个变换器的切换模式转移并且不完全相同。第一子变换器负责形状和控制相a122A，而第二子变换器负责形状和控制相b122B电流。第一子变换器的正半线循环对应于图5中所示的区I到III。如果S1和S4闭合，则这对应于能量传递模式，输出电感器电流iL1和iL2增大。如果S1仍闭合并且S4断开，则这对应于续流模式。输出电感器电流减小。iL1因此可通过在区I到III期间使用这两个操作模式来相应地控制。其余区以及第二子变换器的操作类似。
图6示出了包括第一控制子单元210A、第二控制子单元210B和第三控制子单元210C的控制单元200。
第一控制子单元210A构造用于基于控制信号c控制变换单元120的主开关S1到S8的切换状态。第二控制子单元210B构造用于基于第一AC输出相和第三AC输出相的电压值来控制第一子变换器的辅助开关Sa1,Sa2的切换状态。第三控制子单元210C构造用于基于第二AC输出相和第三AC输出相的电压值来控制第二子变换器的辅助开关Sa3,Sa4的切换状态。
图7示出了连接于大量DC电源10的DC到AC变换器100。具有第一级功率分配单元114和两个第二级功率分配单元116A,116B的功率平衡单元110适于将DC功率从DC电源10提供至由子变换器130,140构成的变换单元120。
如图7和8中所示，变换单元120可包括两个或多于两个的子变换器。
图7示出了DC电源10，例如，光伏电源，其经由输入DC总线连接于第一级功率分配单元114。第一级功率分配单元114具有多个输入DC总线连接和多个输出DC总线连接，并且包含实现任意输入/输出连接的布置中的机械开关。即，任何给定数量的输入DC总线可连接于某一输出DC总线。第一级功率分配单元114可包含用以提供机械开关的零电流操作的器件，如，在开关操作期间将电流转移离机械开关的装置。第一级功率分配单元114可包含保护性方法，使得功率不可在输入DC总线之间传递。该方法可为串联二极管或任何其它适合的解决方案。
第二级功率分配单元116A,116B为双向DC到DC转换器，如，双有源电桥，并且可隔离。单元116A,116B可功率额定为等于光伏电源功率10的一半。典型地，光伏串额定为5kW，因此第一级功率分配单元114额定为最多2.5kW。
具有子变换器130,140的变换单元120将输入功率传递到负载总线或电网中。这些单元可取决于总线类型为DC到DC转换器或DC到AC转换器。可提供控制单元，其考虑第一级功率分配单元114的操作，即，操作中没有干扰。该控制单元可集成到各个子变换器130,140中或者集成于外部主控制单元(未示出)。
图8中所示的变换器的操作以以下实例阐释，论述了在两个节段A(第一DC电源)和B(第二DC电源)下收集的10个独立光伏(PV)串的***、第一级功率分配单元、两个子变换器(130和140)，以及功率平衡单元110。
在遮挡物体出现并且首先遮挡节段B的情况下，由于遮挡来自两个节段的总可用功率而经历暂时下降，其最终被除去。
如果由节段B中的串生成的功率下降，则子变换器140的输入功率下降。当子变换器的输入功率的差异达到预先限定的值(这里设置为5kW，一个串的标称功率)时，第一级功率分配单元执行功率的再布置。在该再布置中，输送功率至子变换器130的来自节段A的一个串断开，并且再连接来供应子变换器B。类似的再布置每当功率差异超过阈值时执行。
在第一级功率分配单元执行再布置之前，如果输入功率中存在预定量的差异，则第二级功率分配单元操作并且平衡子变换器的功率。可断定，该类功率平衡可以以相对高的效率执行，因为粗功率平衡通过在第一级功率分配单元中操作的机械开关完成，并且PV***功率的仅小部分由第二级功率分配单元处理。此外，如果子变换器的输入功率中存在足够高的失配，则仅需要平衡。这典型地由于经过云等而仅暂时地发生，并且因此能量产量的总损失保持低。
尽管附图和之前的描述中详细示出和描述了本实用新型，但此类图示和描述将认作是示范性或示例性的，而非限制性的；本实用新型不限于公开的实施例。公开实施例的其它变型可由本领域技术人员理解并且实现，并且通过研究附图、公开和所附权利要求来实践要求权利的本实用新型。在权利要求中，词语"包括"并未排除其它元件或步骤，并且不定冠词"一"或"一个"并未排除多个。单个处理器或控制器或其它单元可满足权利要求中引用的若干物品的功能。某些措施在相互不同的从属权利要求中叙述的事实并未指示这些措施的组合不可有利地使用。权利要求中的任何附图标记将不看作是限制范围。

Claims (16)

1.一种用于将大量DC电源(10A,10B)的直流变换成三相电网(20)的三相交流的直流DC到交流AC的变换器(100)，包括：
具有第一子变换器(130)和第二子变换器(140)的变换单元(120)；
其中所述第一子变换器(130)和所述第二子变换器(140)中的各个构造成经由所述变换单元(120)的主侧(119)提供DC电流；
其中所述第一子变换器(130)构造成将第一AC电流提供至所述三相电网(20)的第一AC输出相(122A)；
其中所述第二子变换器(140)构造成将第二AC电流提供至所述三相电网(20)的第二AC输出相(122B)；
其中所述变换单元(120)构造成使得所述第一AC电流的大小和所述第二AC电流的大小大致相等并且对于彼此转移120°；并且
其中所述第一子变换器(130)和所述第二子变换器(140)连接成使得第三AC电流提供至所述三相电网的第三AC输出相(122C)作为所述第一AC电流和所述第二AC电流的负总和。
2.根据权利要求1所述的变换器(100)，其特征在于，所述变换单元的主侧(119)构造成被提供第一电源(10A)的第一DC功率和第二电源(10B)的第二DC功率。
3.根据权利要求2所述的变换器(100)，其特征在于，所述变换器(100)还包括功率平衡单元(110)，其适于将所述第一电源(10A)和所述第二电源(10B)的功率均匀地分配至所述第一子变换器(130)和所述第二子变换器(140)。
4.根据权利要求3所述的变换器(100)，其特征在于，所述功率平衡单元(110)包括第一级功率分配单元(114)和第二级功率分配单元(116A,116B)。
5.根据权利要求4所述的变换器(100)，其特征在于，所述第一级功率分配单元(114)为开关布置，其允许所述大量DC电源(10A,10B)的DC电源线配给至所述变换器单元(120)的主侧(119)的连接线。
6.根据权利要求4所述的变换器(100)，其特征在于，所述第二级功率分配单元(116A,116B)为双向的DC到DC的转换器，其连接于所述变换器单元(120)的主侧，使得实现所述第一子变换器(130)与所述第二子变换器(140)之间的功率分配。
7.根据权利要求5所述的变换器(100)，其特征在于，所述第二级功率分配单元(116A,116B)为双向的DC到DC的转换器，其连接于所述变换器单元(120)的主侧，使得实现所述第一子变换器(130)与所述第二子变换器(140)之间的功率分配。
8.根据权利要求2至权利要求7中的一项所述的变换器(100)，其特征在于，所述第一子变换器(130)包括串联的第一切换元件(Sa1)和第一电容元件(C1)，用于将所述第一AC输出相(122A)连接于所述第一DC电源(10A)。
9.根据权利要求8所述的变换器(100)，其特征在于，所述第二子变换器(140)包括串联的第二切换元件(Sa3)和第二电容元件(C2)，用于将所述第二AC输出相(122B)连接于所述第二DC电源(10B)。
10.根据权利要求9中的一项所述的变换器(100)，其特征在于，所述第三AC输出相(122C)经由第三切换元件(Sa2)和电容元件(C1,C2)连接于所述第一DC电源(10A)，并且经由开关(Sa4)和电容元件(C3,C4)连接于所述第二DC电源(10B)。
11.根据权利要求10所述的变换器(100)，其特征在于，所述第一AC输出相(122A)和所述第三AC输出相(122C)经由共同回流线(127)连接于所述第一DC电源(10A)。
12.根据权利要求11所述的变换器(100)，其特征在于，所述回流线(127)连接于第一DC输入线(12A)、第二DC输入线(12B)或所述第一DC电源(10A)的中点(13)中的任一个。
13.根据权利要求10所述的变换器(100)，其特征在于，所述变换器还包括适用于控制所述变换单元(120)的控制单元(200)，
其中所述控制单元(200)包括第一控制子单元(210B)，其构造成基于所述第一AC输出相(122A)和所述第三AC输出相(122C)的电压值来控制所述第一切换元件(Sa1)和所述第三切换元件(Sa2)的状态。
14.根据权利要求13所述的变换器(100)，其特征在于，所述第一控制子单元(210B)构造成控制所述第一切换元件(Sa1)和所述第三切换元件(Sa2)的状态，使得这些切换元件的切换模式周期性地重复。
15.根据权利要求13所述的变换器(100)，其特征在于，所述第一控制子单元(210B)构造成控制所述第一切换元件(Sa1)和所述第三切换元件(Sa2)的状态，使得在任何给定时间t，这些切换元件中的一个处于闭合状态，并且另一个切换元件处于断开状态。
16.根据权利要求14所述的变换器(100)，其特征在于，所述第一控制子单元(210B)构造成控制所述第一切换元件(Sa1)和所述第三切换元件(Sa2)的状态，使得在任何给定时间t，这些切换元件中的一个处于闭合状态，并且另一个切换元件处于断开状态。
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