(57)【要約】【課題】実際の効率と回路技術的な費用との改善された割合をもち太陽光発電設備を構成するための電流変換装置を紹介する。【解決手段】直流電圧入力部の正の入力極が第１スイッチ（３０）と第１ダイオード（４０）のアノードと接続され、直流電圧入力部の負の入力極が第２スイッチ（３２）と第２ダイオード（４２）のカソードと接続され、第１ダイオードのカソードが第１コンデンサ（５０）と接続され、第２ダイオードのアノードが第２コンデンサ（５２）と接続され、両方のスイッチ及び両方のコンデンサが互いに接続され、それらの中央引出部が互いに接続されていて、この構成装置がレベル変換器（２）を形成し、このレベル変換器が後接続されている少なくとも１個のインバータ（６０）と接続されていること。本発明の駆動方法では第１及び第２コンデンサが入力電圧に依存せず規定中間回路電圧の半値で充電される。【選択図】図１
2010035413.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
時間的に変化し最大電圧を有し好ましくは太陽電池装置（１０）から成る直流電圧入力部と、レベル変換器（２）と、電力供給ネットワーク（８０）と接続可能な少なくとも１個のインバータ（６０）とを備えた電流変換装置（１）において、
直流電圧入力部の正の入力極が、第１スイッチ（３０）と、第１ダイオード（４０）のアノードと接続されていて、
直流電圧入力部の負の入力極が、第２スイッチ（３２）と、第２ダイオード（４２）のカソードと接続されていて、
第１ダイオード（４０）のカソードが第１コンデンサ（５０）と接続されていて、第２ダイオード（４２）のアノードが第２コンデンサ（５２）と接続されていて、
各々につき両方のスイッチ（３０、３２）及び両方のコンデンサ（５０、５２）が互いに接続され、それらの中央引出部が互いに接続されていて、
この構成装置がレベル変換器（２）を形成していて、このレベル変換器（２）が、後接続されている少なくとも１個のインバータ（６０）と接続されていること
を特徴とする電流変換装置。
【請求項２】
直流電圧入力部の少なくとも１個の入力極がコイル（２０、２２）と接続可能であることを特徴とする、請求項１に記載の電流変換装置。
【請求項３】
両方のスイッチ（３０、３２）の中央引出部及び両方のコンデンサ（５０、５２）の中央引出部がグランド電位（２００）と接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の電流変換装置。
【請求項４】
第１インバータが第１コンデンサと接続され、第２インバータが第２コンデンサと接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の電流変換装置。
【請求項５】
インバータがレベル変換器と接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の電流変換装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の電流変換装置（１）を駆動するための方法において、
規定中間回路電圧と同じ又はこれよりも高い電圧Ｕinが直流電圧入力部に加わる場合、レベル変換器は駆動されず、規定中間回路電圧よりも低い電圧が直流電圧入力部に加わる場合、１の変調係数が得られてそれにより第１コンデンサ（５０）及び第２コンデンサ（５２）が各々につき規定中間回路電圧の半値（ＶｄｃＳ）をもって充電されるようにレベル変換器が駆動され、この際、
・  規定中間回路電圧の半値（ＶｄｃＳ）よりも入力直流電圧が小さい場合、レベル変換器（２）の第１スイッチ（３０）及び第２スイッチ（３２）のスイッチオン時間が重なり合い、交互に切り替わるようにそれらのスイッチ（３０、３２）が駆動され、
・  規定中間回路電圧の半値（ＶｄｃＳ）と入力直流電圧が同じ場合、レベル変換器（２）の第１スイッチ（３０）及び第２スイッチ（３２）のスイッチオン時間が各々につき半分のスイッチング周期の長さであり、交互に切り替わるようにそれらのスイッチ（３０、３２）が駆動され、
・  規定中間回路電圧の半値（ＶｄｃＳ）よりも入力直流電圧が大きい場合、レベル変換器（２）の第１スイッチ（３０）及び第２スイッチ（３２）のスイッチオン時間が半分のスイッチング周期よりも小さく、交互に切り替わるようにそれらのスイッチ（３０、３２）が駆動されること
を特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電圧入力部及び交流電圧出力部を有する電流変換装置及びそのための駆動方法に関し、前記直流電圧入力部の電圧値は時間的に変化し、好ましくは太陽電池装置から給電される。基本的にこの種の電流変換装置は時間的に一定でない入力直流電圧を用いた様々な適用に適している。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池装置を次のように形成すること、即ち個別パネルが２次元行列内に配置されていて、この際、この行列の個々の行又は列の個別パネルが互いに直列接続されていて、それにより太陽光パネルチェーンを形成するように形成することは周知である。更にこの種の太陽光パネルチェーンを並列接続し、この接続の出力極をインバータ（逆変換器）を用いて電力供給ネットワークと接続し、接続されている電力供給ネットワークに電力供給することは周知である。この種の太陽光発電設備は回路技術的な費用が少なくパワーエレクトロニクス素子が少数であるという長所を有する。
【０００３】
しかしながら基本的に太陽光パネルにおいて、それらの出力電圧もそれらも出力電力も有効照度により強く変化するということは短所である。特に前記の太陽光発電設備において、既に１個の個別パネルが影に入ることで太陽光パネルチェーンの出力電力の強い過比例的な減少をもたらすということは短所である。従ってこの種の太陽光発電設備の実際の効率は、与えられている照度における理論的な最大効率よりも遥かに少ない。
【０００４】
同様に、個々の太陽光パネルチェーンを直接的に付設のインバータと接続し、これらの個々のインバータの交流電圧出力部を給電すべき電力供給ネットワークと接続することが知られている。この際、太陽光発電設備のこの構成のためには回路技術的な費用と特にパワーエレクトロニクス素子の数とが最初に述べた構成よりも遥かに多い。しかしながらこの費用は有利にはより高い実際の効率ももたらしている。
【０００５】
個別パネルごとにインバータを有する太陽光発電設備は費用が最もかかるが最適の効率を達成するであろう。しかしながらこの高い費用によりこの構成は経済的にあまり意味のあるものではない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の基礎を成す課題は、実際の効率と回路技術的な費用との改善された割合をもち太陽光発電設備を構成するために用いられる電流変換装置を紹介することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記の課題は、本発明に従い、請求項１の構成要件を有する電流変換装置並びに請求項６に従う方法により解決される。有利な実施形態は従属請求項に記載されている。
【０００８】
本発明の出発点は、多数の太陽光パネルチェーンであって、各太陽光パネルチェーンが時間的に変化する直流電圧出力を有し、これらの太陽光パネルチェーンが直列接続されていて、それにより時間的に変化する直流電圧合計出力を有するという太陽光パネルチェーンを備えた太陽光発電設備である。定義された最大値を有するその直列電圧合計出力は本発明に従う電流変換装置の直流電圧入力を形成する。
【０００９】
更にこの電流変換装置は少なくとも１個のレベル変換器と、電力供給ネットワークと接続可能な少なくとも１個のインバータ（逆変換器）とを有する。直流電圧入力部の正の入力極は、第１スイッチと、第１ダイオードのアノードと接続されている。更に直流電圧入力部の負の入力極は、第２スイッチと、第２ダイオードのカソードと接続されている。第１ダイオードのカソードは第１コンデンサと接続されていて、第２ダイオードのアノードは第２コンデンサと接続されている。同様に各々につき両方のスイッチ及び両方のコンデンサは互いに接続され、それらの中央引出部は互いに接続され、好ましくはグランド電位とも接続されている。従ってこの構成装置はレベル変換器を形成している。
【００１０】
第１インバータを第１コンデンサと接続し、第２インバータを第２コンデンサと接続することは有利であり、それにより第１インバータの第１入力部がレベル変換器の第１出力部と接続されていて、このインバータの第２入力部がスイッチ並びにコンデンサの中央引出部と接続されている。また第２インバータはその第１入力部をもってスイッチ並びにコンデンサの中央引出部と接続されていて、その第２入力部をもってレベル変換器の第２出力部と接続されている。同様に１個のインバータの各々の入力部をレベル変換器の両方の出力部と接続することは有利であり得る。
【００１１】
更に、直流電圧入力部の少なくとも１個の入力極をコイルと接続することは有利であり得る。選択的には、接続可能な直流電圧導線の寄生インダクタンスが、対応する方法の枠内でその機能を担い得る。
【００１２】
前記の電流変換装置を駆動するための本発明に従う方法は２つの本質的な稼動状態を識別する。規定中間回路電圧と同じ又はこれよりも高い電圧が直流電圧入力部に加わる場合、レベル変換器は駆動されない。規定中間回路電圧よりも低い電圧が直流電圧入力部に加わる場合、１の変調係数が得られてそれにより第１コンデンサ及び第２コンデンサが各々につき規定中間回路電圧の半値（ＶｄｃＳ）をもって充電されるようにレベル変換器が駆動される。変調係数とは、交流電圧の値、より正確には出力部における相電圧の値と、中間回路電圧の値とからの重み付けの成された比率である。これについて３つの部分稼動状態が存在する：
・  規定中間回路電圧の半値よりも入力直流電圧が小さい場合、レベル変換器の第１スイッチ及び第２スイッチのスイッチオン時間が重なり合う、即ち常に少なくとも１個のスイッチがオンされているようにそれらのスイッチが駆動され、この際、スイッチオン相は交互に選択されている。
・  規定中間回路電圧の半値と入力直流電圧が同じ場合、レベル変換器の第１スイッチ及び第２スイッチのスイッチオン時間が各々につき半分のスイッチング周期の長さであるようにそれらのスイッチが駆動され、この際、再びスイッチオン相は交互に選択されている。
・  規定中間回路電圧の半値よりも入力直流電圧が大きい場合、レベル変換器の第１スイッチ及び第２スイッチのスイッチオン時間が半分のスイッチング周期よりも小さい、即ちスイッチがスイッチオンされていない時間があるようにそれらのスイッチが駆動され、この際、同様にスイッチオン相は交互に選択されている。
【００１３】
レベル変換器に後接続されている少なくとも１個のインバータは、２番目の稼動状態では、各稼動時点において常に入力直流電圧には依存せず、ここでは両方のコンデンサ電圧の合計である規定中間回路電圧のほぼ一定の中間回路電圧で作動する。従って変調係数がほぼ１でありインバータが最適効率で作動することが保証されている。
【００１４】
電流変換装置の本発明に従う構成は、本発明に従う方法と関連し、この電流変換装置を用いて製造された太陽光発電設備が実際の効率と回路技術的な費用とからの改善された割合を有するという長所をもつ。
【００１５】
本発明に従う電流変換装置とそれに付属する方法は、追加的に電力供給ネットワークの電圧変動に対して次のように反応すること、即ちこれらの電圧変動が測定され、それにより規定中間回路電圧が適合され、そして狭い境界内でほぼ１の変調係数が達成され得るようにレベル変換器の駆動が変更されるように反応することを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】太陽光発電設備の第１構成内の本発明に従う電流変換装置を示す図である。
【図２】太陽光発電設備の第２構成内の本発明に従う電流変換装置を示す図である。
【図３】本発明に従う方法の適用時の様々な電圧経過状況を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明に従う回路装置の特に有利な構成とその駆動方法が実施例の各々の説明で述べられている。以下、本発明の解決策を図１〜３の実施例に基づき解説する。
【実施例１】
【００１８】
図１は、太陽光発電設備の第１構成内の本発明に従う電流変換装置（１）を示している。この太陽光発電設備は電圧源（１０）として太陽光パネルチェーンの配置構成の太陽電池装置を有し、それらの太陽光パネルチェーンはこの太陽電池装置が０Ｖと１２００Ｖの間又は３００Ｖと１２００Ｖの間の時間的に変化する出力電圧を有するように互いに接続されている。
【００１９】
電流変換装置（１）のレベル変換器（２）は直流電圧入力部を有する。この直流電圧入力部の正の入力極は第１スイッチ（３０）と第１ダイオード（４０）のアノードと接続されている。更にこの直流電圧入力部の負の入力極は第２スイッチ（３２）と第２ダイオード（４２）のカソードと接続されている。第１ダイオード（４０）のカソードは第１コンデンサ（５０）と接続され、第２ダイオード（４２）のアノードは第２コンデンサ（５２）と接続されている。同様に各々につき両方のスイッチ（３０、３２）並びに両方のコンデンサ（５０、５２）は互いに接続され、それらの中央引出部は互いに且つグランド電位（２００）と接続されている。第１スイッチ（３０）と第２スイッチ（３２）は周知のパワー半導体素子であり、例えば各々につき逆並列接続されたフリーホイールダイオードを備えたＩＧＢＴである。
【００２０】
本発明に従う電流変換装置（１）のインバータ（６０：逆変換器）として３相インバータが設けられていて、この３相インバータは１２００Ｖのパワークラスのパワー半導体素子から構成されている。このインバータ（６０）は入力電圧３ｘ４００Ｖの変圧器（７０）への出力部を有し、この変圧器（７０）を介して電力供給ネットワーク（８０）を給電する。インバータ（６０）は、中間回路電圧の変動が６５０Ｖという必要な値の周辺で１００に対し１０よりも大きくない範囲として僅かである場合にのみ、１００に対し９９に至るまでの高効率を有する。
【００２１】
それに対し、電流変換装置（１）の入力電圧は、入力電流もそうであるが、影に入ることに起因しては迅速に、そして一日の経過内の様々な照度に起因してはゆっくりと上記の範囲内で変動する。この電流変換装置（１）を駆動するための本発明に従う方法は、入力電圧が規定中間回路電圧よりも下にあるインバータ（６０）の稼動時間内でコンデンサ（５０、５２）の合計電圧がまさにこの規定中間回路電圧に対応するようにコンデンサ（５０、５２）が充電されるということを顧慮している。
【００２２】
図２は、太陽光発電設備の第２構成内の本発明に従う電流変換装置（１）を示している。ここでは図１について記載された構成に代わり、２個のインバータが太陽電池装置（１０）と直列接続されていて、電力供給ネットワーク（８０）内への給電のために適した変圧器（７２）を共同で給電する。この際、電流変換装置（１）の構成は同じであるが太陽電池装置の出力電圧は２倍の最大電圧値を有し得る。
【００２３】
図３は、規定中間回路電圧よりも小さい電圧が直流電圧入力部に加わるという条件下でレベル変換器を駆動するための本発明に従う方法を適用する際の様々な電圧経過状況を示す図である。第１スイッチ（３０）及び第２スイッチ（３２）を通じる電流Ｉ30及びＩ32の経過状況、即ち第１スイッチ（３０）及び第２スイッチ（３２）のスイッチング状態が各々示されている。数値は６５０Ｖの規定中間回路電圧を有する例に関するものであり、この規定中間回路電圧は、変調係数のための１という目標値と、３ｘ４００Ｖという出力交流電圧とから得られる。
【００２４】
図３ａは２５０Ｖの入力電圧Ｕinに基づいた図である。この際、本発明に従う方法により６５０Ｖの規定中間回路電圧では各々３２５Ｖのコンデンサ電圧の規定値が得られる。このことはスイッチオン時間がスイッチごとに２２０°に達することで達成される。持続的にスイッチオンされているスイッチならば３６０°のスイッチオン時間を有する。更に両方のスイッチは１８０°だけ互いにずらされている、即ち交互にスイッチングされている。両方のスイッチの各々のスイッチオン時間が重なり合っていることが見てとれる。
【００２５】
図３ｂは３２５Ｖの入力電圧Ｕinに基づいた図である。この際、本発明に従う方法により６５０Ｖの規定中間回路電圧では各々３２５Ｖのコンデンサ電圧の規定値が得られる。このことはスイッチオン時間がスイッチごとに１８０°に達することで達成される。更に両方のスイッチは１８０°だけ互いにずらされている、即ち交互にスイッチングされていて、それにより常に両方のスイッチの一方がスイッチオンされている。
【００２６】
図３ｃは５００Ｖの入力電圧Ｕinに基づいた図である。この際、本発明に従う方法により６５０Ｖの規定中間回路電圧では各々３２５Ｖのコンデンサ電圧の規定値が得られる。このことはスイッチオン時間がスイッチごとに８０°に達することで達成される。更に両方のスイッチは１８０°だけ互いにずらされている、即ち交互にスイッチングされていて、それにより両方のスイッチのいずれもスイッチオンされていない相が存在する。
【００２７】
図３ｄは、両方のスイッチの一方のスイッチオン時間と入力電圧Ｕinの間の関係をグラフで示している。本発明に従う方法を用い、２００Ｖと６５０Ｖの間の入力電圧Ｕinの全ての電圧値が規定中間回路電圧に導かれることが見てとれる。６５０Ｖよりも上の入力電圧Ｕinの値では両方のスイッチは持続的にオフであり、それにより中間回路電圧も６５０Ｖ以上に上昇し、１の変調係数を有するインバータの稼動はもはや不可能である。従って太陽電池装置は、そのアイドリング電圧、即ち電流変換装置の最大入力電圧が、外温が低い場合、規定中間回路電圧を１００として１１０の値を有するように構成されるべきである。
【符号の説明】
【００２８】
１      電流変換装置
２      レベル変換器
１０    電圧源／太陽電池装置
３０    第１スイッチ
３２    第２スイッチ
４０    第１ダイオード
４２    第２ダイオード
５０    第１コンデンサ
５２    第２コンデンサ
６０    インバータ
７０    変圧器
７２    変圧器
８０    電力供給ネットワーク
２００  グランド電位
【図１】
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【図２】
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【図３】
2010035413.tif 000005
【外国語明細書】
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