CN104730406B - 逆变器和用于检测在供能网络中的断相的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在逆变器(3)的运行期间检测一个供能网络(5，7)中的断相的方法，该逆变器为了馈送电能而通过一个YNd变压器(4)与该供能网络(5，7)相连，其中，测定该逆变器的输出电流(ia，ib，ic)和输出电压(Va，Vb，Vc)的值，并且借助于控制信号切换该逆变器(3)的功率开关器，其中，这些控制信号根据输出电流(ia，ib，ic)和输出电压(Va，Vb，Vc)的值在该供能网络(5)的一个基频下产生。该方法具有以下步骤：‑将这些输出电流(ia，ib，ic)的值转换成用该供能网络(5，7)的基频旋转的坐标系的一个对称的正序电流值(I+)和一个对称的负序电流值(I‑)；‑获得负序电流值(I‑)与正序电流值(I+)的一个比率；并且‑如果负序电流值(I‑)与正序电流值(I+)的比率在比一个预定的时间段(t0)更长的时间中比一个预定的阈值更大，则发送信号表示在一个供能网络(5)中的断相的信号。此外，本发明涉及一种适配为用于实施该方法的逆变器(3)。

Description

逆变器和用于检测在供能网络中的断相的方法
本发明涉及一种用于在逆变器的运行期间检测供能网络中的断相(Phasenausfall)的方法，该逆变器为了馈送电能而通过YNd变压器与该供能网络相连。此外，本发明涉及一种用于实施所适配的逆变器的方法。
逆变器用于将直流电转换成一种适合于存储到一个供能网络中的网络兼容(netzkonformen)的交流电。此类的逆变器例如应用在光伏系统中。如果在该供能网络与该逆变器之间的流电学(galvanische)分离是所希望的，或者由于用于确定的供能网络的指示和法律规定也是所要求的，则该开头所述的变压器安排在该逆变器的一个交流电输出与该供能网络之间。尤其在直接连接到一个中等电压网络的更大的光伏系统的情况下，变压器的使用是不可或缺的。在此，此外通常要求该中等电压网络必须有效地接地，例如根据标准规范“IEEE142-工业和商业电力系统的接地”。一种通过使用所谓的YNd变压器的此类所要求的有效的接地必须在技术上适合并且低成本地实施。在这种命名法中，缩写“YN”描述一种以具有接地的星形点的星形电路(Sternschaltung)形式的高电压侧并且“d”描述一种以三角形电路形式的低电压侧。在一些情况下，该供能网络的操作员也明确地预定使用一种此类的YNd变压器。
根据IEEE 1547-2003对光伏系统的另一个要求是，该供能网络的故障状态必须在该变压器的低电压侧，也就是说，在光伏系统内部检测，并且该光伏系统在识别确定的故障状态后与网络断开。根据规定IEEE1547-2003第4.2.3部分，一个在此方面相关的故障状态尤其也是一个单相的缺相，也就是在该光伏系统与供能网络之间或者在该供能网络内部通常的三个相中的一个相上的中断。
原则上，一个单相的缺相可以通过在该供能网络内的测量装置，也就是在一个YNd变压器的输出侧(高电压侧)上检测到。例如能够在所有的三个相中监测电流并且直接检测到一个相的中断。然而，由于在该高电压侧上的复杂的测量技术，一种此类的解决方案是十分高耗费且高成本的。
文件US 4,600,961描述用于在一个三相的供能网络中检测高阻抗接地故障的一种装置和一种方法。该装置包括用于测量以这三个相流入的电流的电流传感器，其中借助于合适的过滤器从电流测量值获得正序电流和负序电流(Mitsystem-und)，并且形成测得的负序电流与正序电流的一个比率。当该比率超过了一个配属于其的阈值时，显示一个高阻抗的接地。由于在供能网络中高压下进行测量所需的复杂的测量技术，这种装置相应地也是高耗费的。
为了将电能存储到该供能网络中，以一个脉冲宽度调制方法(PWM方法)操控该逆变器的一个输出级(大部分情况是一个输出桥)的功率开关器。为此测得输出电流和输出电压以及其基频。根据输出电流的额定值与实际值之间的差值确定输出电流的设定值。替代性地，在所谓的电压调节逆变器的情况下形成输出电压的额定值与实际值之间的差值并且确定输出电压的设定值。从输出电流或输出电压的设定值中产生逆变器的功率开关器的经脉冲宽度调制的控制信号，并且该功率开关器相应地根据该控制信号进行节拍化(getaktet)。
该供能网络的确定的故障状态，依赖于逆变器与供能网络之间使用的变压器的类型，在光伏系统的逆变器侧的交流电压网络上示出，并且能够在那里检测且在适当时进行考虑。然而，该供能网络的单相缺相在所述的YNd变压器中在变压器另一侧的交流电压侧上(也就是在光伏系统中)恰好没有直接反映出来。在其他的变压器类型中，例如在所谓的YNy变压器中，一个缺相在光伏系统一侧上直接示出，并且能够由该逆变器的已知的运行方法识别和考虑。然而，在该变压器类型中没有给出该开头所述的有效接地的前提条件。
因此，本发明的目的是，给出一种用于检测开头所述类型的逆变器的断相的方法，该逆变器通过一个变压器而流电学分离地与该供能网络相连接，其中，快速且可靠地识别在该供能网络中的一个单相的缺相。另一个目的是给出一个适合于实施该方法的逆变器。
该目的通过带有相应独立权利要求的特征的一种用于检测缺相的方法或一种逆变器实现。有利的设计和改进方案是各从属权利要求的主题。
在一个根据本发明的方法中，测定该逆变器的输出电流和输出电压的值，并且该逆变器的功率开关器借助于控制信号切换，其中这些控制信号依赖于输出电流和输出电压的值在该供能网络的一个基频处产生。该方法具有以下步骤：将输出电流的值转换为用该供能网络的基频旋转的坐标系的一个对称的正序电流值和一个对称的负序电流值。如果负序电流值与正序电流值的比率在比一个预定的时间段更长的时间比一个预定的阈值更大，则确定该负序电流值与正序电流值的一个比率并且检测到在该供能网络中的一个断相。
因此，能够不用接合到该供能网络中并且在该低电压侧上快速且简单地识别在供能网络中的一个断相。因为该测量仅仅基于在该YNd变压器的低电压侧获得的测量值，该方法不通过高耗费的测量技术即可进行实施。本发明利用的是，在该旋转的坐标系中可以给出用于检测该断相的一个能够简单检查的标准，与之相反，在测量的电流值中的断相不能直接识别。该标准必须满足的引入的时间段允许断相例如与网络不稳定性进行可靠地区分，这种网络不稳定性在没有切断的情况下应由逆变器克服(durchfahren)。
在该方法的一种有利的设计中，当已检测到断相时，至少暂时地切断逆变器或减小该逆变器的所存储的电功率。因此，在供能网络的所识别的故障状态中，该光伏系统的一种不被允许的存储被禁止。
在该方法的另一个有利的设计中，该旋转的坐标系是一种dq系统。同样有利的是负序电流值和正序电流值在一个控制方法和/或调节方法的背景下用于确定该逆变器的功率开关器的控制信号。用于确定该逆变器的功率开关器的控制信号的调节方法经常使用在一个旋转的坐标系中(例如在该dq系统中)测量的电流值和电压值的一种图示。由此对于根据本发明的用于检测断相的方法而言所需的这些值在该逆变器内已经存在。然后，根据本发明的方法能够用很小的附加消耗实行。
在该方法的另一个有利的设计中，负序电流值与正序电流值的比率的阈值介于0.1与0.6之间并且尤其介于0.2与0.4之间。另外的有利的是该预定的时间段介于1与2秒之间。这些值构成了用于区别一个可以被克服的错误与一个断相的切实可靠的标准，在该错误的情况下该光伏系统不应与该供能网络断开。
在该方法的另一个有利的设计中，该预定的时间段的长度依赖于负序电流值与正序电流值的比率的大小进行选择，其中，在一个更大的比率的情况下选择一个更短的时间段。该比率的一个更高的值能够可靠地判断出一个断相，因此能够缩短直到检测到该断相和发送信号表示该断相的时间段。在此情况下，该预定的时间段的长度动态地同负序电流值与正序电流值的比率的大小相匹配或者替代性地负序电流值与正序电流值的比率的阈值动态地与正序电流值的大小相匹配。
在该方法的另一个有利的设计中，只有当负序电流值与正序电流值的比率高于该阈值时，这些输出电压相对于正常运行基本上没有改变的情况下，也就是说例如这些输出电压与其标称值的偏差小于10％的情况下，才发出信号表示断相。在接地或短路的情况下，该网络电压，不同于断相的情况，显著地偏离其额定值。因为在一个单相断压的情况下所描述的系统结构的电压基本上保持恒定，所以能够用该额外标准对该断相相对于短路或者接地进行区分。因此，在考虑该网络电压的情况下，通过负序电流值和正序电流值的比率和该超出阈值的持续时间在逻辑上的联系，相对其他网络错误进行错误识别和区分。
替代性地，也能够引入负序电流值与正序电流值的比率的一个上限值，该上限值高于先前引入的阈值并且有利地介于大约0.8与1.2之间。当负序电流值与正序电流值的比率虽然比该阈值更大，但是比该上限阈值更低时，则检测到断相。该比率高于上限阈值的值指示的是接地或短路，而不是断相。
一个根据本发明的逆变器，设置为用于通过一个YNd变压器将电能存储到一个供能网络中，其特征在于，该逆变器具有一个控制装置，该控制装置适配为用于实施前述方法之一。这产生了与该方法相关地所述的优点。
下面将通过一个实施例借助于附图来详细说明本发明。附图示出：
图1示出了连接到一个供能网络处的PV系统的示意性图示；
图2示出了在该供能网络中的一个断相的示意性图示；
图3示出了一个用于控制逆变器的调整电路的示意性图示；并且
图4和5分别示出了图3中所示调整电路的一部分的一个框图。
图1在一个框图中示出了一个PV系统作为分散式供能网络系统1的一个例子。该PV系统1包括一个PV发电机2，该PV发电机通过一个直流电输入端31连接到一个逆变器3上。该逆变器3通过交流电输出端32与一个变压器4的一个低电压侧41相连。该变压器4在所示的例子中是一个中电压变压器，该变压器在其高电压侧42处提供在6至36kV(千伏特)的电压并且相应地与一个作为供能网络5的中电压网络相连。确切的说，该变压器4作为所谓的YNd变压器(“YN”-高电压侧，“d”-低电压侧)实施，该变压器的突出之处在于，该中电压供能网络5的三个相的一个具有接地的星形点的中电压侧星形电路和一个低电压侧的三角电路。
该PV系统1的结构在图1中示例性地并且简化地示出。在一个直接存储到该中电压供能网络5中的PV系统1的情况下，在图1中只通过一个PV电池的开关符号来符号性表示的该PV发电机2通常包括多个PV模块，这些模块中的多个可以分别串联连接成所谓的PV串，这些串进而分别与该逆变器3并联地连接。该逆变器3在此类的系统中通常形成为一个中央逆变器。该逆变器3在所示的例子中实施为三相，就如与中电压供能网络5相关地所常见的一样。在图1中仅仅示出了该PV系统1在本申请框架中的实质性的部分。安排在该逆变器3的直流电或交流电侧的另外的元件，例如分离或开关机构、过滤器或监测装置，出于简洁的原因未示出。
通常远离该PV系统1，在该中电压供能网络5的进一步的延伸中设置一个(高电压)变压器6，通过该变压器该中电压平面与一个高电压供能网络7相连。
通过该变压器4的低电压侧41与该高电压侧42的流电学分离，经常能够由该供能网络7的操作员进行所要求的PV系统1的分开的接地，此处例如通过将该PV发电机2的一个负极与一个接地电势相连。由于该PV系统1与中电压供能网络5的完全的流电学分离，在该逆变器运行时识别在中电压供能网络5中的相之一的中断，例如在图1所示的点划线处，或者高电压供能网络7的中断是困难的。
一种此类的断相在图2中通过一个打开的开关器在中电压供能网络5中的一个相导体中用符号表示。用于检测和发送信号表示断相的根据本发明的方法基于的认识是，当该电流在一种旋转的坐标系中展示时，一种此类的断相虽然没有直接在在该逆变器3的输出端测量的电压和/或电流中展示，然而能够从电流中导出。确切地说，为此观察一个负序电流I-和一个正序电流I+。
对于图1和图2中的正常运行情况而言这些电流示例性地在附图中给出。在正常运行中，该正序电流I+不等于零并且该负序电流I-为零或至少小于正序电流I+。在一个断相的情况下，该逆变器此外将能量存储到该中电压供能网络5中，其中，该逆变器3的三相电流由于该变压器4的低电压侧41上的三角线圈而分配到属于两个完好相的该变压器4的中电压侧的线圈上，使得尽管该相出现中断，但是在变压器4中仍然保持存在磁通平衡。同样，由于该YNd变压器4的较小的零点阻抗和由此导致的较小的星形点偏移，该网络电压保持恒定。然而，该电流不再由一个纯正序电流I+组成，而是具有由于误差图像导致的负序电流I-的一定部分。因此，该负序电流I-同样不等于零。
以下将结合图3至图5描述用于一种逆变器(例如图1和图2中的逆变器3)的一种调节方法，这种调节方法对一种方法进行补充，这种方法能够安全、快速和可靠地识别和发送信号表示一种此类的单相错误。
图3在一个框图中示出了该逆变器3的一个调整电路33。该调整电路33用于操控功率半导体开关器，这些开关器在该逆变器3的一个输出电桥电路中切换在逆变器电流输出端32处流动的电流。
该调整电路33具有一个测量信号准备器34，该测量信号准备器借助于在测量点处或通过电流传感器测量的施加在交流电输出端32处的电势和在那里流动的电流进行供应。预加工的测量信号被供应到一个在供能网络5、7的基频处工作的调整器35。由该调整器35确定的调整值作为调整值供应到一个PWM控制器36。该PWM控制器36产生用于该逆变器3的输出电桥的功率半导体开关器的操控信号。
测量信号准备器34和该调节电路33的调整器35在图4和图5中以更详细的框图示出。
在示出的实施例中使用的调节电路33中将测量的依赖于时间的电流和电压测量信号转换到一个旋转的坐标系中，即所谓的dq坐标系。在示出在一个旋转的坐标系中的测量信号时，可以使用静态的调整器，例如PI(正比/积分)调整器。在该调整电路33处既要考虑一个正序也要考虑一个负序，该负序的相位顺序与正序反相。
在原则上已知的是，测量值在一个dq坐标系中结合逆变器的调整而示出。因此，下面不对基本的转换以及其向模拟和/或数字电路技术转化的细节进行详细解说。
在图4中示出了该调整电路33的测量信号准备器34。测量信号准备器34的输入值是电压测量信号340，这些电压测量信号表示这些在该逆变器3的交流电输出端32处的单独的相a，b，c处的电压Va，Vb，Vc，组合为矢量Vabc。
该电压测量信号340在一个αβ变压单元341中转换为一个垂直的、两相的、固定的坐标系，即所谓的αβ坐标系。所获取的αβ分量当前被供应给一个PLL(锁相环)开关电路342。
该PLL开关电路342与该电压测量信号340的一个基频相匹配。该PLL开关电路342能够以已知的方式例如借助于一个正交信号发生器进行构造。为了确定固有振动分量(Grundschwingungskomponenten)，替代于在此使用的PLL开关电路342也能够使用一个带通滤波器。
然后，将该PLL开关电路342的输出在dq变压单元343，343‘中转换成dq分量。在此情况下，该dq变压单元343产生正序中的dq分量，该dq变压单元343‘产生负序中的dq分量。该正序以同样已知的方式描述一个纯对称的系统，与之相反地，通过相对于正序具有一个逆向的相序的该负序能够考虑不对称性。在本申请的背景下，不带撇号(‘)的参考数字标示正序分量并且带撇号的参考数字识别负序分量。
结果是给出由该PLL开关电路342的测量信号准备器34产生的(合成的)正序和负序的固有振动的相位角344和344’。
图5以框图详细示出该调整电路33的调整器35。该调整器35的输入值是一个电流测量信号350，该电流测量信号类似于电压测量信号340将在该逆变器3的交流电输出端32处的三个相A，B，C表示为电流IA，IB，IC，组合为矢量IABC。该电流测量信号350在一个α/β变压单元351中进而在一个固定的两相的坐标系中再现。该确定的相互垂直的分量α和β被供应给dq变压单元352，352‘，这些单元作为另外的输入值从测量信号准备器34中获得相位角344或344‘。dq变压单元352和352‘的输出作为dq系统中的实际电流信号供应到减法器354或354‘。将电流额定值353和353‘作为电流额定值加载到减法器354或354‘上。电流额定值353分别是矢量的大小，其包括该d分量的一个额定值和该q分量的一个额定值，其中，d分量给出一个有效电流部分并且q分量给出一个无功电流部分。由减法器354或354‘产生的差分信号分别供应到在此形成为PI调整器的一个调整单元355，355‘。该调整输出端在dq逆变压单元356和356‘中分别在正/负序中转换回到α/β分量中，这些分量在该调整器35的输出端处的一个加法器357中加和。该加法器357的输出端能够直接供应到图3的PWM控制器38。
因为在该逆变器3的调节方法的背景下在dq变压单元352和352‘的输出端处已经确定和使用了该正序电流值I+和负序电流值I-，由此已经存在根据本发明的用于检测和发送信号表示断相的方法所需要的值。这些值供应到一个除法器358，该除法器形成正序电流值I+和负序电流值I-的比率。该比率在除法器358的输出端处输出并且供应到一个阈值开关器359，在该阈值开关器中一个计时器进行积分。如果该比率(I-)/(I+)对于至少一个预定的时间段t0超过一个预定的阈值，则在该阈值开关器359的一个信号输出端360处输出一个信号，其发送信号表示一个单相断相的存在。
该比率的预定的阈值有利地介于0.1与0.6之间并且尤其优选地介于0.2与0.4之间。较小的不同于零的负序电流值I-在该逆变器3和供能网络5或7的一个正常并且无故障的运行中至少暂时完全地出现。只有当对于该给出的时间段t0负序电流值I-与正序电流值I+的比率比该阈值更大时，该比率才意味着一个断相。该预定的时间段t0优选地在一至两分钟的范围内。比该时间段t0更短的故障状态通常是应该由光伏系统克服的故障状态，尤其是供能网络5、7的如下故障状态：其中该逆变器3应该与供能网络5、7保持相连，从而在这种故障事件中支持供能网络5、7。
一个使用此类的调节方法的逆变器能够由此以简单的方式进行装备或适当时通过更新控制该逆变器的程序(所谓的固件更新)进行改装，从而使得该逆变器能够实施根据本发明的用于识别断相的方法。
在一个本方法的改进方案中设置的是，该预定的时间段t0的长度依赖于负序电流值I-与正序电流值I+的比率的大小进行选择。电流值I-、I+之间的所确定的比率越大，则选择越短的时间段t0。由此，该预定的时间段t0在该改进方案中动态地随负序电流值I-与正序电流值I+的所确定的比率大小改变。在该设计中考虑到的事实是，一个极不对称的电流分配(在一个高的负序电流值I-和由此相应的也在负序电流值I-与正序电流值I+的一个高的比率中表示)使断相存在的可能性提高，从而在一个更短的停工时间后就能够发送信号表示断相存在。
为了以如下方式调整该逆变器3，使得不再有电流存储到该供能网络5、7中，可以使用在该信号输出端360处的信号。替代性地和/或额外地能够启动一个设置在该PV系统中的AC分离机构，该分离机构将该变压器4从该逆变器3的输出端分离。
在另一个设计中，这些电压Vabc的大小被额外地视为另一个标准。只有在如下情况下检测到断相：当在超过阈值的情况下这些电压Vabc没有或只是不显著地发生改变，例如最大改变±10％。因为在一个单相断压的情况下所描述的系统结构的电压基本上保持恒定，所以能够用该标准对该断相相对于短路或者接地进行区分。
因此，在考虑到该网络电压Vabc和/或该一个负序电流值I-与正序电流值I+的比率的上限阈值的情况下，通过负序电流值I-和正序电流值I+的比率以及该超出阈值的持续时间在逻辑上的联系相对其他网络错误进行错误识别和区分。所述的上限阈值高于先前引入的阈值并且能够有利地介于0.8与1.2之间。在接地或短路的情况下，该网络电压Vabc，不同于在断相情况下，显著地偏离其标称值。替代性地和/或额外地，该负序电流值I-和正序电流值I+的比率的大小可以被用作不同的标准，因为十分高的、超过该上限阈值的比率值指示接地或短路，而不是一个断相。
根据本发明的方法的另一个优点是，可以在不危害网络中的在短路时对动态网络支撑的要求的情况下检测缺相。
参考符号清单
1 PV系统
2 PV发电机
3 逆变器
4 变压器
5 中电压供能网络
6 变压器
7 高电压供能网络
31 直流电输入端
32 交流电输出端
33 调整电路
34 测量信号准备器
35 调整器
36 PWM控制器
41 低电压侧
42 高电压侧
340 电压测量信号
341 αβ变压单元
342 PLL电路
343，343’ dq变压单元(正序，负序)
344，344’ 固有振动的相位角
345，345‘ 正序或负序中的dq分量
350 电流测量信号
351 αβ变压单元
352，352‘ 正序或负序中的dq变压单元
353，353‘ 电流额定值
354，354‘ 减法器
355，355‘ 调整器
356，356‘ dq逆变压单元
357 加法器
358 除法器
359 阈值开关器
360 信号输出端
ia，ib，ic 输出电流
Va，Vb，Vc 输出电压
I+ 正序电流值
I- 负序电流值
t0 时间段

Claims (11)

1.一种用于在逆变器的运行期间检测供能网络中的断相的方法，该逆变器为了馈送电能而通过YNd变压器与该供能网络相连，其中，该逆变器的输出电流和输出电压的值被测定，并且该逆变器的功率开关器使用控制信号被切换，其中，该控制信号依赖于输出电流值和输出电压值在该供能网络的基频下产生，该方法包括：
-使用测量信号调节电路，将该输出电流值转换成在该供能网络的基频下旋转的坐标系的对称的正序电流值和对称的负序电流值；
-使用控制器确定该负序电流值与该正序电流值的比率；以及
-如果在比预定的时间段更长的时间中，所确定的该负序电流值与该正序电流值的比率比预定的阈值更大，则使用该控制器检测到在该供能网络中的断相。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，如果检测到断相，则至少暂时切断该逆变器或减小该逆变器的馈送电功率。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，该旋转的坐标系是dq系。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，该负序电流值与该正序电流值的比率的阈值介于0.1与0.6之间。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，该预定的时间段介于1秒和2秒之间。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，该预定的时间段的长度依赖于所确定的该负序电流值与该正序电流值的比率的大小使用该控制器进行选择，其中，该预定的时间段与所确定的比率成反比关系。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，该负序电流值与该正序电流值的比率的阈值基于该正序电流值的大小使用该控制器来调整。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，只有当在所确定的该负序电流值与该正序电流值的比率高于该阈值的情况下，该输出电压相对于正常运行模式基本上没有改变时，才发出断相的信号。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，当该输出电压偏离其额定值少于10％时，该输出电压基本上没有改变。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，使用该控制器确定该负序电流值和该正序电流值作为用于确定该逆变器的功率开关器的控制信号的控制方法或调节方法的部分。
11.一种逆变器，其适用于通过YNd变压器将电能馈送到供能网络中，该逆变器被包括在控制系统中，该控制系统包括：
控制单元，其被配置为从该逆变器的输出端接收输出测量值，并基于该输出测量值选择性地产生断相检测信号；以及
AC分离机构，其被配置为当该断相检测信号指示与变压器的高电压侧的网络相关联的断相出现时，使该逆变器与该变压器的低电压侧隔离，
其中，该控制单元包括：
测量信号准备器和调整器，其接收三相输出电流值并基于该三相输出电流值产生对称的正序电流值和对称的负序电流值；
除法器，其被配置为基于该对称的正序电流值和该对称的负序电流值生成比率；以及
阈值开关器，其被配置为，如果在超过当前的时间阈值的时间段中从该除法器输出的比率超过预定的阈值，则选择性地输出该断相检测信号。
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