CN105765819A - 运行逆变器的方法以及在直流电压中间回路的中点与交流电网的零线的连接端之间具有开关的逆变器 - Google Patents

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Abstract

为了运行无变压器的逆变器(1)，所述逆变器在输入侧连接到发电机上并且在输出侧连接到多相交流电网(3)上以及具有多相的逆变桥(5)，所述逆变器在输入侧的直流电压中间回路(4)的中点(12)与多相交流电网(3)的零线(33)的连接端(32)之间具有开关(35，36)，当存在第一运行条件时，在所述开关(35，36)闭合的情况下借助所述逆变桥(5)将电功率从所述直流电压中间回路(4)馈入到所述交流电网(3)中。在由所述第一运行条件向不同于所述第一运行条件的第二运行条件过渡时，断开所述开关(35，36)；在由所述第二运行条件向所述第一运行条件过渡时，闭合所述开关(35，36)。当存在所述第二运行条件时，在所述开关(35，36)断开的情况下借助所述逆变桥(5)将电功率从所述直流电压中间回路(4)馈入到所述交流电网(3)中。

Description

运行逆变器的方法以及在直流电压中间回路的中点与交流电网的零线的连接端之间具有开关的逆变器
技术领域
本发明涉及一种用于运行在输入侧连接到发电机上并且在输出侧连接到多相交流电网上的逆变器的方法，所述逆变器在直流电压中间回路的中点与交流电网的零线的连接端之间具有开关，本发明涉及一种相应的逆变器。
交流电网的零线也称为中性线。
背景技术
由EP2608375A2已知在输入侧连接到发电机上并且在输出侧连接到多相交流电网上的逆变器，所述逆变器在直流电压中间回路的中点与交流电网的零线的连接端之间具有开关。每当借助该已知的逆变器将来自连接到直流电压中间回路上的光伏发电机的电能馈入到交流电网中时，该开关闭合。所述开关涉及机电开关，其与另一机电开关串联地连接。这种两个机电开关的串联电路也设置在逆变器的逆变桥与交流电网的相线的连接端之间。为了对直流电压中间回路的中点与零线的连接端之间的机电开关在其分离功能方面进行检查，可以将这些机电开关单个闭合和断开。在EP2608375A2中对于机电开关的检验未描述逆变器的以下状态：在该状态中逆变桥与交流电网的相线的连接端之间的所有机电开关闭合，而直流电压中间回路的中点与零线的连接端之间的一个或两个机电开关断开。
由EP2107672A1已知在输入侧连接到发电机上并且在输出侧连接到多相交流电网上的三相逆变器，所述三相逆变器在交流电网的零线与直流电压中间回路的中点之间无连接。这种逆变器具有高效率，并且在直流电压中间回路中的中间回路电压低的情况下仍具工作能力。然而，事实证明：在该逆变器中由连接到直流电压中间回路上的发电机流出的漏电流(Ableitstrom)相对较大。此外，不能将电能非对称地馈入到交流电网的各相中。
在由EP2107672A1已知的三相逆变器中，直流电压中间回路的中点通过滤波器电容器与一些线路连接，这些线路从逆变器的逆变桥的半桥的中点引导至电网的相线，并且在这些线路中布置有滤波器电感。这些半桥被实施为多电平电路，尤其是三电平电路。在此，逆变桥的中点分别通过双向开关与直流电压中间回路的中点相连接，所述双向开关由以彼此相反的截止方向串联连接的两个半导体开关组成。
由EP2375552A1已知用于运行在输入侧连接到发电机上并且在输出侧连接到多相交流电网上的逆变器的方法，如其在EP2107672A2中所描述的那样。在该已知的方法中，通过提高逆变器输入侧的直流电压中间回路的中间回路电压来降低在逆变器运行中出现的漏电流。这可以在低的中间回路电压的范围中实现，在直流电压中间回路的中点与在输出侧连接的交流电网的零线之间无连接的逆变器能够实现所述范围。在交流电网的相线到相线电压的峰值与交流电网的相线到零线电压的双倍峰值之间的该电压范围中如此控制逆变器的逆变桥的开关，使得馈入到相线中的交流电流通过所谓的过调制形成。所述过调制引起漏电流，该漏电流在中间回路电压下降的情况下随着过调制程度的增大而升高。相应地可以通过提高中间回路电压来降低所述漏电流，该漏电流还与连接到直流电压中间回路上的发电机的漏电容相关。
由EP2367272A2已知在输入侧连接到发电机上的具有三相桥式电路的逆变器，该逆变器输出侧的相线可与三相交流电网连接。该逆变器不具有与交流电网的中性线的连接。与这些相线分别连接有一个电容器，这些电容器具有一个共同的结点。逆变器的输入侧的中间回路与由对称电容器构成的串联装置相连接，该串联装置通过阻尼电阻与所述结点连接。
由US2013/0229837A1已知无变压器的变流器，所述变流器作为有源滤波器运行，用于改善交流电网的电网质量。该变流器具有三相变流桥，其在AC侧连接到交流电网上并且在DC侧连接到直流电压中间回路上。在直流电压中间回路的中点与多相交流电网的零线的连接端之间设有可控的开关。所述开关与零线的两个支路中的两个单独的扼流圈模块一起在一侧连接到真正的直流电压中间回路的中点以及在另一侧连接到辅助电容器模块的中点。借助该开关可以配置变流器，具体地，或者以断开的开关配置成3p3w配置或者以闭合的开关配置成3p4w配置。在此辅助电容器模块属于3p4w结构，该辅助电容器模块提高了直流电压中间回路的电容，以抑制纹波电流。
发明内容
本发明的任务是：提出一种用于运行在输入侧连接到发电机上并且在输出侧连接到多相交流电网上的逆变器的方法和一种相应的逆变器，借助它们在输入侧连接的发电机具有较大漏电容的情况下能够最佳地覆盖更大数量的运行条件。
本发明的任务通过具有独立权利要求1的特征的方法以及通过具有独立权利要求5的特征的无变压器的逆变器来解决。该方法和逆变器的优选实施方式在从属权利要求中定义。
在根据本发明的用于运行在输入侧连接到发电机上并且在输出侧连接到多相交流电网上以及具有多相逆变桥的无变压器的逆变器的方法中，所述逆变器在输入侧的直流电压中间回路的中点与多相交流电网的零线的连接端之间具有开关，当存在第一运行条件时，在开关闭合的情况下借助逆变桥将电功率从直流电压中间回路馈入到交流电网中；而当存在与第一运行条件不同的第二运行条件时，在开关断开的情况下借助逆变桥将电功率从直流电压中间回路馈入到交流电网中。因此，在根据本发明的方法中，分别根据当前主导的运行条件来中断或建立输入侧的直流电压中间回路的中点与多相交流电网的零线的连接端之间的连接。因此在当前主导的运行条件中可以使逆变器的效率最佳化，使上升的漏电流最小化，实现对交流电网的相线的非对称馈电和/或最佳地利用直流电压中间回路中的更低的或更高的中间回路电压。
应当理解，根据本发明的方法的实施合适的前提在于：在开关断开的情况下该逆变器具有用于逆变器的合适的有效电路，而没有其输入侧的直流电压中间回路的中点与交流电网的零线的连接，其中直流电压中间回路的中点例如通过电容器与交流电网的相线连接。这种通过电容器的连接可以附加地存在于交流电网的相线与交流电网的零线之间。然而只要开关断开，则输入侧的直流电压中间回路的中点与零线之间就一直电流分离。在开关闭合的情况下则得到适合于逆变器的有效电路，在该逆变器中输入侧的直流电压中间回路的中点与输出侧连接的交流电网的零线相连接。
第二运行条件——其中在开关断开的情况下借助逆变桥使电功率从直流电压中间回路馈入到交流电网中——的特征可以是：在开关断开的情况下在逆变器上测量的差动电流或漏电流遵守第一电流极限值。换句话说，差动电流或漏电流的大小不是使开关闭合的原因。在此，所述差动电流指不是由故障引起的而是在逆变器无故障运行中也出现的差动电流，该差动电流的主要组成部分是来自连接到直流电压中间回路上的发电机的容性的漏电流。
相反地，在开关闭合的情况下在逆变器上测量的、遵守第二电流极限值的差动电流或漏电流可以是使闭合的开关断开的信号。在此，考虑到在开关断开的情况下原则上由运行引起的更高的差动电流以及为避免该开关的频繁的开关过程，第二电流极限值可以明显地低于第一电流极限值。
原则上，当对于连接到直流电压中间回路上的发电机求取的漏电容遵守一个电容极限值时，可以使用与电流极限值的情况相同的标准。所述漏电容的大小确定在逆变器的预定运行中出现的漏电流以及由此也确定差动电流。只要漏电容遵守所述电容极限值，则存在在开关断开或闭合的情况下遵守第一或第二电流极限值的可能性。例如由WO2011/121056A1已知用于检测发电机的漏电容的方法。
此外对于存在第二运行条件的充分标准是：直流电压中间回路的中间回路电压未达到交流电网的相线至零线电压的峰值的两倍。
而对于存在第二运行条件的必要标准是：想要在交流电网的所有相线中对称地馈电。
对于第一运行条件来说情况正相反。对于存在第一运行条件的充分标准是：想要在交流电网的相线中非对称地馈电。此外，如果在逆变器上测量的差动电流或漏电流在开关断开的情况下超过第一电流极限值或在开关闭合的情况下超过第二电流极限值，则也存在第一运行条件。这里涉及漏电容的类似标准为：对于连接到直流电压中间回路上的发电机确定的漏电容超过所述电容极限值。
如果在根据本发明的方法中确定出由第二运行条件向第一运行条件过渡，则闭合开关并且必要时相应地匹配逆变器的逆变桥的控制。在由第一运行条件向第二运行条件过渡时情况相反，其中必要时使逆变器的逆变桥的控制重新匹配于开关断开的运行。
在开关断开的情况下，可以使在逆变器上测量的差动电流或漏电流下降或保持相对较小，其方式是，将直流电压中间回路的中间回路电压从高于相线至相线电压的峰值提高直至超过交流电网的相线至零线电压的峰值的两倍。在开关闭合前可以首先使用以上方式来限制差动电流，因为所述闭合是与逆变器效率方面的缺点相关联的。交流电网的相线至相线电压的峰值定义了中间回路电压的最小值。低于该最小值时，即使在开关断开的情况下也不再能够输出不失真的交流电流。当在交流电网的相线至相线电压的峰值以上时，在开关断开的情况下通过过调制可以输出不失真的交流电流。直到交流电网的相线至零线电压的峰值的两倍都需要所述过调制，当连接到直流电压中间回路上的发电机的漏电容保持不变时所述过调整导致漏电流的升高，该漏电流的升高随着中间回路电压的上升而下降。例如由EP2375552A1获知如何在过调制时控制逆变器的逆变桥。
根据本发明的无变压器的逆变器具有输入侧的直流电压中间回路、多相的逆变桥、用于多相交流电网的连接端以及在输入侧的直流电压中间回路的中点与多相交流电网的零线的连接端之间的开关，所述逆变器具有控制装置，该控制装置按照根据本发明的方法来控制所述逆变桥和开关。
为了识别第一和第二运行条件，包括差动电流传感器的用于测量逆变器上的差动电流或在输入侧连接到逆变器上的发电机的漏电流的测量装置可以连接到所述控制装置上。
逆变桥可以包括多电平电路。尤其是可以涉及NPC(NeutralPointClamped，中点箝位)型的三电平电路。更尤其是可以涉及在直流电压中间回路的中点与其半桥的中点之间具有双向开关的BSNPC(BidirectionalSwitchNeutralPointClamped，双向开关中点箝位)电路。该双向开关可以构造为彼此具有相反的截止方向的、串联或并联连接的半导体开关对。
直流电压中间回路的中点与零线的连接端之间的开关可以在从直流电压中间回路的中点引导至零线的连接端的线路中布置在位于以该线路连接的第一与第二电容器之间的一点处。在此，第一和第二电容器以其另外的连接端与从逆变桥引导至交流电网的相线的连接端的线路相连接。第一和第二电容器可以是逆变器的第一和第二滤波器的一部分，其分别包括至交流电网的相线的连接端的线路中的附加电感。
在直流电压中间回路的中点与交流电网的零线之间的开关可以是用于将逆变器接通到交流电网的继电器的一部分。该继电器具有在从逆变桥引导至交流电网的相线的连接端的线路中的其他开关。与在各个线路中具有同步切换的各个开关的常规继电器不同，在至交流电网的零线的线路中的开关必须是能够单独切换的。所述继电器也可以如其他情况中通常那样在每个线路中具有两个串联连接的机电开关。
本发明的有利的扩展方案可由权利要求书、说明书和附图中得到。在说明书中提到的特征的优点以及多个特征的组合的优点仅是示例性的并且可以替代地或累积地起作用，而这些优点不一定必须由根据本发明的实施方式来实现。在不改变所附权利要求的主题的情况下，关于原始申请文本和专利的公开内容适用以下方面：由附图、尤其由多个构件的相对布置和有效连接获知其他特征。本发明的不同实施方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与所选择的权利要求的引用不同地实现并且借此获得启示。这也涉及在单独的附图中表示或在其描述中提及的特征。这些特征也可以由不同的权利要求的特征相组合。同样地，在权利要求中所列举的特征也可能对于本发明的其他实施方式省略。
在权利要求书和说明书中提到的特征在其数量方面应如下理解：正好存在所述数量或存在比所述数量更大的数量，而无需明确地使用副词“至少”。也就是例如当提到“一个元件”时，则应理解为：正好存在一个元件、存在两个元件或更多个元件。这些特征可以通过其他特征加补充或者是一些单独的特征，由它们可组成相应的结果。
在权利要求中包括的附图标记不表示对由权利要求所保护的主题的范围的限制。这些附图标记仅用于使权利要求更容易理解的目的。
附图说明
以下借助实施例参照附图来详细地解释和描述本发明。
图1示出根据本发明的逆变器的原理性结构。
具体实施方式
图1示出根据本发明的逆变器1，光伏发电机2在输入侧连接到所述逆变器上并且三相交流电网3在输出侧连接到所述逆变器上。光伏发电机2作为具有明显的对地漏电容的发电机的示例给逆变器1的经分压的输入侧的直流电压中间回路4充电，三相的逆变桥5连接到所述直流电压中间回路上。所述逆变桥5的三个半桥6至8分别实施为BSNPC型的三电平电路。此外，所述三个半桥除了分别连接在中点10与直流电压中间回路4的两个外电极中的一个之间的开关9外还具有在中点10与直流电压中间回路4的中点12之间的双向开关11。这些双向开关11在此分别由一对具有相反的截止方向的半导体开关13和反向并联的二极管14构成。所述开关9也构造为半导体开关并且具有通常定向的截止方向和反向并联的二极管15。从每一个半桥6至8的中点10起，线路16至18引导至用于交流电网3的三个相线22至24之一的三个连接端19至21中的一个。在此，在这些线路16至18中布置有电流传感器25、电感26、继电器29的两个串联连接的机电开关27和28以及另外的电感30和31。用于交流电网3的零线33的附加连接端32通过线路34与直流电压中间回路4的中点12连接。在此，在该线路34中，从中点12起看，布置有所述继电器29的两个串联连接的机电开关35和36以及与电感30和31耦合的电感37和38。开关35和36虽然属于继电器29，但是能够独立于开关27和28进行开关。从中点12起，线路34在开关35和36前面通过电容器39与线路16至18连接。另外的电容器40在开关35和36的后面并在电感37与38之间分别与线路34以及与线路16至18之一连接。在所有线路16至18和34与地42之间都设有附加电容器41。电感26和滤波电容器39构成逆变器1的第一滤波器46，所述第一滤波器可以设计为正弦滤波器。电感30、31、37和38与电容器40和41构成逆变器1的第二滤波器47，所述第二滤波器可以设计为另外的正弦滤波器和/或逆变器1的电网滤波器。在第一滤波器46与第二滤波器47之间，在线路34中设有开关35和36。
逆变器1在第一运行模式中以断开的开关35和36运行，即在中点12与零线33之间无电流连接。但是当借助差动电流传感器43检测的、逆变器1上的差动电流或光伏发电机2的漏电流变得过大时或者当要在电流传感器25的监控下非对称地向各个相线22至24中馈电时，由逆变器1的控制装置44将开关35和36闭合。这里，差动电流传感器43布置在逆变器1的AC侧。但是该差动电流传感器也可以布置在逆变器的DC侧。所述控制装置44通过测量装置45也检测线路16至18与线路34之间的电压，即各个相线22至24与零线33之间的电压。因此，所述控制装置44也间接地检测各个相线22至24之间的电压。原则上，仅当从逆变器1向半桥6至8的中点10输出的电压与由测量装置45测量的交流电网3的电压同步时，所述控制装置才闭合继电器29，即这里至少闭合开关27和28。根据开关35和36的位置，所述控制装置44也通过图1中未示出的控制线路来控制逆变桥5的开关9和11。在开关35和36的断开状态中，这例如根据由EP2375552A1已知的方法来实现。在开关35和36的闭合状态中，可以如此选择控制，使得实现向交流电网3的相线22至24对称的或者非对称的馈电；而在断开状态中，只有对称的馈电才是有意义的。
附图标记列表
1.逆变器
2.光伏发电机
3.交流电网
4.直流电压中间回路
5.逆变桥
6.半桥
7.半桥
8.半桥
9.开关
10.中点
11.双向开关
12.中点
13.半导体开关
14.反向并联的二极管
15.反向并联的二极管
16.线路
17.线路
18.线路
19.连接端
20.连接端
21.连接端
22.相线
23.相线
24.相线
25.电流传感器
26.滤波器电感
27.机电开关
28.机电开关
29.继电器
30.电感
31.电感
32.连接端
33.零线
34.线路
35.机电开关
36.机电开关
37.电感
38.电感
39.电容器
40.电容器
41.电容器
42.地
43.差动电流传感器
44.控制装置
45.测量装置
46.滤波器
47.滤波器

Claims (9)

1.一种用于运行无变压器的逆变器(1)的方法，所述逆变器在输入侧连接到发电机上并且在输出侧连接到多相的交流电网(3)上以及具有多相的逆变桥(5)，所述逆变器在输入侧的直流电压中间回路(4)的中点(12)与多相的交流电网(3)的零线(33)的连接端(32)之间具有开关(35，36)，其中，当存在第一运行条件时，在所述开关(35，36)闭合的情况下借助所述逆变桥(5)将电功率从所述直流电压中间回路(4)馈入到所述交流电网(3)中，其特征在于，在由所述第一运行条件向不同于所述第一运行条件的第二运行条件过渡时，断开所述开关(35，36)；在由所述第二运行条件向所述第一运行条件过渡时，闭合所述开关(35，36)；当存在所述第二运行条件时，在所述开关(35，36)断开的情况下借助所述逆变桥(5)将电功率从所述直流电压中间回路(4)馈入到所述交流电网(3)中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二运行条件包括以下运行条件中的至少一个：
在所述开关(35，36)断开的情况下，在所述逆变器(1)上测量的差动电流或漏电流遵守第一电流极限值，
在所述开关(35，36)闭合的情况下，在所述逆变器(1)上测量的差动电流或漏电流遵守第二电流极限值，
对于连接到所述直流电压中间回路(4)上的发电机(2)求取的漏电容遵守一个电容极限值，
所述直流电压中间回路(4)的中间回路电压未达到所述交流电网(3)的相线至零线电压的峰值的两倍，
想要在所述交流电网(3)的所有相线(22至24)中对称地馈电。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一运行条件包括以下运行条件中的至少一个：
在所述开关(35，36)断开的情况下，在所述逆变器(1)上测量的差动电流或漏电流超过所述第一电流极限值，
在所述开关(35，36)闭合的情况下，在所述逆变器(1)上测量的差动电流或漏电流超过所述第二电流极限值，
对于连接到所述直流电压中间回路(4)上的发电机(3)求取的漏电容超过所述电容极限值，
想要在所述交流电网(3)的相线(22至24)中非对称地馈电。
4.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述开关(35，36)断开的情况下，使在所述逆变器(1)上测量的差动电流或漏电流下降，其方式是，将所述直流电压中间回路(4)的中间回路电压从高于相线至相线电压的峰值提高直至超过所述交流电网(3)的相线至零线电压的峰值的两倍。
5.一种无变压器的逆变器(1)，所述逆变器(1)具有输入侧的直流电压中间回路(4)、多相的逆变桥(5)、用于发电机(4)的输入侧的连接端、用于多相的交流电网(3)的输出侧的连接端(19至21，32)、输入侧的直流电压中间回路(4)的中点(12)与多相的交流电网(3)的零线(33)的连接端(32)之间的开关(35，36)以及具有控制装置(44)，所述控制装置根据以上权利要求中任一项所述的方法控制所述逆变桥(5)和所述开关(35，36)。
6.根据权利要求5所述的逆变器(1)，其特征在于，包括差动电流传感器(43)的用于测量所述逆变器(1)上的差动电流或在输入侧连接到所述逆变器(1)上的发电机(3)的漏电流的测量装置连接到所述控制装置(44)上。
7.根据权利要求5或6所述的逆变器(1)，其特征在于，所述逆变桥(5)包括多电平电路，所述多电平电路具有在所述直流电压中间回路的中点(12)与其半桥(6至8)的中点(10)之间的双向开关(11)。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的逆变器(1)，其特征在于，所述开关(35，36)在从所述直流电压中间回路(4)的中点(12)引导至零线(33)的连接端(32)的线路(34)中布置在位于所述逆变器(1)的第一电容器(39)与第二电容器(40)之间的一个点处，所述第一电容器(39)与所述线路(34)和从所述逆变桥(5)引导至所述交流电网(3)的相线(22至24)的连接端(19至21)的线路(16至18)连接，所述第二电容器(40)与所述线路(34)和至所述相线(22至24)的连接端(19至21)的线路(16至18)连接。
9.根据权利要求8所述的逆变器(1)，其特征在于，在每一个线路(16至18)中设有另外的开关(27，28)，所述线路从所述逆变桥(5)引导至所述交流电网(3)的相线(22至24)的连接端(19至21)。
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