CN107925365A - 操作逆变器的方法和逆变器 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于操作逆变器(1)的方法，其中逆变器(1)具有带有四个导体端子(3‑6)的连接装置(2)，以使逆变器(1)与交流电网(7)的三个外导体(L1，L2，L3)和中性导体(N)连接。逆变器(1)的桥接电路(8)的开关元件在测试步骤期间被控制以用于生成零序系统，其中对逆变器(1)的输出电流(IL1，IL2，IL3，IN)进行测量并关于零序电流对该输出电流进行评估。当在测试步骤期间检测到超过预定阈值的零序电流时，确定存在中性导体(N)与被设置用于与中性导体(N)连接的导体端子(6)的连接。否则确定中性导体(N)没有与被设置用于与中性导体(N)连接的导体端子(6)连接。同样也描述了用于实施该方法而设置的逆变器(1)。

Description

操作逆变器的方法和逆变器
发明的技术领域
本发明涉及用于对转换发电单元的电功率并将转换的电功率馈入供电电网中的逆变器进行操作的方法以及使用根据本发明的方法的逆变器。
现有技术
逆变器可以将发电单元的电功率从直流电转换成交流电并馈入供电电网(例如，交流电网)中，和/或直接向用电器提供电功率以用于用电器的操作。在此，特别地，由可再生能源生成电功率的发电机(例如，光伏发电机或风力发电机)可以用作发电单元。
可以以各种方式将逆变器连接到交流电网上。特别地，在功率超过几千瓦时可以使用逆变器，该逆变器通过三相输出端馈入三相交流电网。这种交流电网具有三个所谓的外导体或相，它们通常用L1、L2和L3表示。此外，还可以有中性导体(缩写成N导体或简称N)，并且必要时可以有保护导体(缩写成PE导体或简称PE)，其中N和PE也可以被设计为组合的PEN导体。特别地，这种四导体电网被称为TN系统，并且特别地，用于例如配电网的低电压范围内。
与TN系统不同，所谓的IT系统不具有中性导体，因此是三导体电网。特别地，这种IT系统可以用于具有多个逆变器的发电系统中，这些逆变器通过公共的电网连接点连接到上级配电网或输电网上。鉴于建设成本，对于具有多个逆变器以及在逆变器和电网连接点之间具有相应的大量和长度的线路的大型发电系统的运营商而言，建立3导体电网(例如，IT电网)是有利的。
逆变器的操作取决于逆变器所连接的交流电网的具体设计。例如，对外导体和参考电位之间的输出电压进行对调节逆变器的输出电流所需的测量，其中当存在中性导体且该中性导体连接到逆变器上时，该参考电位可以由中性导体构成；否则可以选择其它的电位(例如，接地电位)。此外，也可以根据电流流动是否可以通过中性导体来对诸如故障电流检测的保护措施进行不同的设计。另外，输出电流调节的参数化以及具有特殊性质的输出电流(例如，用于稳定交流电网的不对称的输出电流)的生成取决于中性导体的存在和中性导体到逆变器的连接。
实质上，已知两种不同类型的逆变器的操作管理，其取决于包含逆变器的发电系统的特定结构，特别是取决于发电系统内的特定布线或逆变器到交流电网的特定连接。应该可以普遍使用的逆变器基本上可以包括输出端子，该输出端子也被设置用于与N导体连接，其中该连接不一定是必须存在的，特别是在逆变器在没有中性导体的情况下应馈入3导体电网中时不再使用。
从EP 2251702 A1中已知用于测试逆变器的布线的布线测试装置，其中该逆变器被设计用于连接到具有电网侧相对于中性导体的相电压(Leiterspannung)的低压三相电网，其中存在用于测量相电压的测量电路。由于在逆变器的输出侧的相和中性导体之间所接通的附加的组件，特别是电容器，当缺少中性导体连接时出现可以通过测量相电压来确定的电压不平衡。因此，在缺少中性导体连接时，则可以发出错误消息。附加的组件通过对同样布置在逆变器的输出侧的输出滤波器的特性产生负面影响而产生附加成本并使逆变器的电磁兼容性变差。
从US 2009/0296289 A1中已知用于识别马达控制机构的转换器中的故障的方法，其中转换器在输入侧上连接到交流电网上并且在输出侧上具有用于用电器的三相端子。输入侧和/或输出侧上出现的接地故障可以通过逆变器基于其控制机构试图将零序电流馈入到交流电网来进行检测。当检测到连接到逆变器的相导体中的零序电流时，发出故障信号。转换器与交流电网的任何中性导体的连接未公开。
发明任务
本发明的任务在于，提供用于对转换发电单元的电功率并将转换的电功率馈入供电电网中的逆变器进行操作的方法，其中该逆变器具有用于连接三相以及交流电网的中性导体的输出端子。该方法应该能够在没有附加组件的情况下自动识别出被设置用于与中性导体连接的端子实际上是否与中性导体连接。
解决方案
该任务将通过用于对具有专利权利要求1的特征的逆变器进行操作的方法以及通过具有专利权利要求13的特征的逆变器得以解决。优选的实施方式在从属权利要求中进行定义。
发明描述
用于对具有带有四个导体端子的连接装置以使逆变器与交流电网的三个外导体和中性导体连接的逆变器进行操作的方法，包括用于确定逆变器与交流电网的连接配置的测试步骤。在测试步骤期间，控制逆变器的桥接电路的开关元件以生成零序系统。对逆变器的输出电流进行测量并关于零序电流对该输出电流进行评估。当在测试步骤期间在输出电流中检测到超过预定阈值的零序电流时，则确定存在中性导体(N)与被设置用于与中性导体(N)连接的导体端子(6)的连接。否则，也就是说，当在测试步骤期间没有检测到零序电流或检测到过低的零序电流时，则确定中性导体(N)没有与被设置用于与中性导体(N)连接的导体端子(6)连接。
本发明是基于这种认识，即只有当中性导体连接到逆变器上时，才能有针对性地馈入零序电流，使得闭合电路经由逆变器由外导体和中性导体组成。尽管在没有连接的中性导体的情况下也可以将不对称的电流馈入外导体中，但该不对称的电流可以通过任何泄漏电容到达直流输入端，并从而也可以沿着闭合电路流动。这样的泄露电流具有与流经中性导体的零序电流类似的特性，但在给定激励的情况下具有明显较低的幅度，使得可以根据检测的零序电流与预定的阈值的比较来将流经中性导体的零序电流与泄露电流区分开来。
测试步骤的结果用于对逆变器进一步进行操作，以便选择适合于实际存在的连接配置的逆变器的操作管理。当在测试步骤期间确定存在中性导体与被设置用于与中性导体连接的导体端子的连接并且中性导体连接到逆变器上，则针对逆变器的进一步操作选择适用于四导体操作的第一操作管理；否则，选择适用于三导体操作的第二操作管理。通过自动选择适用于相应的实际的连接配置的操作管理，一方面，可以通过使逆变器既可以在三导体电网上又可以在四导体电网上进行最佳操作来将逆变器设计为可通用使用。另一方面，通过可靠地确定实际的连接配置并使逆变器的操作管理与其适配，排除可能的故障，使得在操作管理期间不执行不适用于实际的连接配置的功能。因此，例如逆变器输出端上的电测量值的捕获可能会受到实际的连接配置的影响，并且只有当中性导体连接到逆变器上时，操作管理期间的某些功能，例如非对称地馈入交流电网的外导体，才可以执行。
原则上，操作者可以将逆变器设置用于安装在具有特定的连接配置的特定的PV系统中。为此，可以根据存储在逆变器中的预定值来指定逆变器在馈入操作中是该基于第一操作管理还是该基于第二操作管理来进行操作。在由预定值指定的操作管理和待根据测试步骤来选择的操作管理之间存在矛盾的情况下，则可以生成警告消息，该警告消息可以存储在逆变器中和/或传达给逆变器的操作者。
接下来，逆变器可以根据测试步骤选择的操作管理来进行操作。在这种情况下，可以规定，在由预定值指定的操作管理和根据测试步骤选择的操作管理之间存在矛盾的情况下，逆变器不将电能馈入交流电网中。由此，可以自动避免，在存在与逆变器被设置用于的连接配置有偏差的实际的连接配置的情况下逆变器转入馈入操作，以及必要时可以自动避免PV系统的操作者执行不期望的功能。对这种矛盾的测试可以在激活操作管理之前进行，特别是在测试步骤后紧接着进行，或者在其激活之后作为操作管理期间的第一步骤中的一个步骤来进行，特别是在逆变器将电功率馈入交流电网之前进行。
在该方法的实施方式中可以设置，逆变器将电功率馈入交流电网中，其中特别地，第一操作管理可以包含将输出电流非对称地馈入到交流电网中。原则上，电功率的馈入可以独立于由预定值指定的操作管理和根据测试步骤选择的操作管理之间的任何矛盾通过以下方式来进行，即该方法确保了根据测试步骤对操作管理进行的选择对应于对实际存在的连接配置进行的可靠的检测，因此，根据基于测试步骤所选则的操作管理可以至少暂时可靠地以实际存在的连接配置来操作逆变器。当存在矛盾时，生成上述警告消息并且在必要时传达给逆变器的操作者就够了。
可以在逆变器的初始运行期间执行测试步骤。由此可以确保，在逆变器的初始运行之前建立的连接配置在逆变器的操作管理期间被考虑，并且与预定的操作管理的任何矛盾都会被发现并进行处理。
在该方法的实施方式中，可以在测试步骤期间对逆变器的桥接电路的开关元件进行控制，以用于生成具有频率高于电网频率的零序系统。特别地，零序系统的频率为电网频率的非整数倍。由此保证了，该方法独立于所连接的交流电网的特性的任何影响而实施，特别是通过以下方式来实现，即在评估与测试步骤相关的零序电流时，不考虑泄露电流的电网频率分量或者与由逆变器生成的零序系统相反取向的、来自交流电网的零序电流以及其相应的谐波。
在该方法的另一实施方式中，可以使用调节结构以用于在测试步骤期间对逆变器的桥接电路的开关元件进行控制，在该调节结构中零序电流的理论值(Sollwert)与零序电流的实际值进行比较。通过使用这样的调节结构可以通过以下方式特别稳固地实施该方法，即逆变器设法馈入零序电流，该零序电流位于阈值之上并逐步增加为此所必需的调整参数，特别是逆变器的输出电压。对于达到阈值可替代地或另外地，零序电流的理论值和可通过合理的调整参数达到的实际值之间的偏差是用于确定中性导体存在的合适的标准，其方式是小的偏差表明成功的激励且从而表明连接的中性导体，而大的偏差大则意味着，不可能达到理论值，并且由于没有中性导体连接到逆变器上故不可能产生零序电流。
用于将直流电的电功率转换成交流电并将所转换的电功率馈入交流电网的逆变器具有带有四个导体端子以使逆变器与交流电网的三个外导体和中性导体连接的连接装置。根据本发明的逆变器包括控制单元，该控制单元被设置用于以本说明书的前述部分中所描述的方法来对逆变器进行操作。
在此，被设置用于连接中性导体的导体端子可以与直流侧的电压中间电路的中点连接。可替代地，被设置用于连接中性导体的导体端子可以与两个半导体开关元件之间的连接相连，其中这些半导体开关元件构成平行于直流侧的电压中间电路所布置的串联电路。在这些情况下，可以在被设置用于连接中性导体的导体端子和直流侧的电压中间电路的中点或平行于直流侧的电压中间电路所布置的串联电路的半导体开关元件间的连接之间设置另一开关元件。
附图简述
以下将根据附图中所描述的实施例对本发明进行进一步阐述和说明。
图1示意性地示出了经由四导体系统与交流电网连接的逆变器，以及
图2示出了根据本发明的用于对逆变器进行操作的方法的框图。
附图描述
图1示出了逆变器1，该逆变器具有带有四个导体端子3-6的连接装置2。交流电网7的三个外导体L1、L2和L3连接到导体端子3、4和5上。根据图1，交流电网7的中性导体N连接到导体端子6上，其中中性导体N到导体端子6的连接原则上是可选择的，并且特别是在交流电网7或包含逆变器1的大型的PV系统内的连接设备根本不具有中性导体时会省略该连接。
逆变器1具有桥接电路8，该桥接电路具有多个布置在多个桥接支路中的开关元件。桥接电路8可以具有不同的拓扑结构，并且例如可以实现为B6桥、NPC-桥(中性点钳位)或图1中示出的所谓的BS-NPC-桥(双向开关NPC)，其中例如MOSFET或IGBT的半导体开关通常用作桥接电路的开关元件。
逆变器1在输入侧具有直流电压中间电路9，该直流电压中间电路在根据图1的实施方式中由两个电容的串联电路组成并且具有中点M。该中点M经由另一开关10(例如，继电器)与导体端子6连接。在作为所谓的“三相四桥臂逆变器”的可替代实施方式中，可以设置另一平行于直流电压中间电路9所布置的、具有两个半导体开关元件的串联电路的桥接支路，其中导体端子6可以与该串联电路的半导体开关元件之间的连接相连。当对于与导体端子3、4和5连接的桥接支路同样也没有设置与中点M的连接时，例如在B6桥时就是这种情况，那么直流电压中间电路9可以被整体式地构造。
逆变器1在输出侧具有用于平滑输出电流IL1、IL2、IL3的滤波器11，其中输出电流IL1、IL2、IL3通过由半导体开关定时的桥接电路8的输出电压生成。输出电流IL1、IL2、IL3通过电流传感器来测量并作为实际值输入到逆变器的调节装置中。通过可切换的电网分离点12，桥接电路8或直流电压中间电路9可以与导体端子3-6连接，以便能够将输出电流IL1、IL2、IL3馈入到交流电网7中，并且在需要时，特别是在发生故障的情况下，将逆变器1的电子器件再次与交流电网7分开。
以下将阐述可以如何操作根据图1的逆变器1，使得可以自动检测出中性导体的存在及其到逆变器的连接。
图2以框图的形式示出了根据本发明的方法的实施方式。在步骤S1中，例如，首先在包含逆变器1的PV系统的初始运行期间或者早晨在有充足的阳光照射在连接到逆变器1上的光伏发电机上时，启动逆变器1。在步骤S2中，闭合电网分离点12，即建立从桥接电路8经由导体端子3、4和5到外导体L1、L2、L3以及从直流电压中间电路9的中点M经由导体端子6到必要时存在的中性导体N的连接。
在步骤S3中，逆变器1的桥接电路8的开关元件被控制使得零序系统在逆变器1的连接装置2处被激励。为此，例如可以单独地控制桥接支路的开关元件或者同相地控制多个桥接支路，使得设法获得包含零序电流或者甚至仅由零序电流组成的输出电流。可替代地或另外，可以例如在逆变器1的调节装置中预先设置零序电流的理论值，该理论值与根据测量的输出电流IL1、IL2、IL3所确定的、实际上被激励的零序电流的实际值进行比较。在这种情况下，可通过适当的变换根据测量的输出电流IL1、IL2、IL3推导出零序电流的实际值，特别是通过变换从使用所谓的dq0分量(Park变换)或α-β-0分量(Clarke变换)的坐标系的时域中推导出来。然后，可以在调节期间借助调节回路设法通过适当地控制桥接电路8的开关元件使实际值接近理论值。
在步骤S4中，有针对性地关于零序电流对所测量的输出电流IL1、IL2、IL3进行评估。这可以基于在步骤S3期间所执行的、将输出电流IL1、IL2、IL3变换到对称的坐标系中来进行，或者也可以单独通过另外合适的评估来进行。
步骤S4的结果代表在步骤S3中通过激励生成的零序电流的幅度。在步骤S5中，对该结果进行如下评估，零序电流是否被成功地激励。该评估例如可以包含激励的零序电流的幅度与阈值的比较。可替代地，可以将调节装置中所使用的零序电流的理论值和实际值进行比较，其中零序电流的理论值和实际值之间极小的调节偏差表明零序电流被成功地激励。
如果在步骤S6中确定零序电流可以被成功地激励，则确定中性导体N经由导体端子6连接到逆变器1上。在这种情况下，根据步骤S6a，在四导体操作中对逆变器1进行操作。
如果在步骤S6中确定零序电流不可以被激励，则确定中性导体N未经由导体端子6连接到逆变器1上，或者在逆变器1的连接设备中或在交流电网7中不存在中性导体N。在这种情况下，根据步骤S6b，在三导体操作中对逆变器1进行操作。
原则上，逆变器1也可以通过开关10自己建立中点M和中性导体N(如果该中性导体存在的话)之间的连接或者将该连接分开，并从而从三导体操作切换到四导体操作或者反之亦然。这同样适用于上面描述的可能存在的中性导体N和“三相四桥臂逆变器”的另一桥接支路的、平行于直流电压中间电路9所布置的串联电路之间的连接。特别地，操作方式的这种切换可能在以下情况下有用，即尽管中性导体N存在且连接，但逆变器1应尽可能长时间地在三导体操作中工作(例如，出于效率的原因)，并且只有在必要时，即例如当为了电网支持应生成不对称的输出电流IL1、IL2、IL3时，才应通过激活开关10在四导体操作中工作。
本发明的有利的改进方式从专利权利要求、说明书以及附图中得知。说明书中提到的特征和多个特征组合的优点仅是示例性的并且可以可替代地或补充性地发挥作用，而不必强制性地由根据本发明的实施方式来实现这些优点。在不改变所附专利权利要求的主题的情况下，在原始申请文件和专利的公开内容方面适用以下内容：其它特征是从附图-特别是从所描述的多个组件的几何形状和彼此间的相对尺寸以及其它们的相对布置和有效连接-中获悉的。本发明的不同实施方式的特征的组合或不同专利权利要求的特征的组合同样也有可能与专利权利要求的所选关系有所不同，并特此提出。这还涉及在单独的附图中进行了展示或在其说明中提及的那些特征。这些特征也可以与不同的专利权利要求的特征组合起来。同样，专利权利要求中所提及的用于本发明其它实施方式的特征也可以省略。
专利权利要求和说明书中所提到的特征在其数量方面应这样理解，使得存在恰好该数量或比提到的数量多的数量，而无需明确使用副词“至少”。因此，当例如提到元件时，应这样来理解该元件，即存在恰好一个元件、两个元件或更多个元件。这些元件可以通过其它特征来补充，或者这些元件可以是相应的方法或相应的装置所涉及的独特的元件。
专利权利要求中所包含的参考标记并不意味着对由专利权利要求所要求保护的对象的范围的限制。这些参考标记仅用于使专利权利要求更容易理解这一目的。
参考标记列表
1 逆变器
2 连接装置
3-6 导体端子
7 交流电网
8 桥接电路
9 直流电压中间电路
10 开关元件
11 滤波器
12 电网分离点
L1，L2，L3 外导体
IL1，IL2，IL3 输出电流
M 中点
S1-S5，S6a，S6b 方法步骤

Claims (16)

1.一种用于对逆变器(1)进行操作的方法，所述逆变器具有带有四个导体端子(3-6)以用于使所述逆变器(1)与交流电网(7)的三个外导体(L1，L2，L3)和中性导体(N)连接的连接装置(2)，其中，所述方法包括用于确定所述逆变器(1)与所述交流电网(7)的连接配置的测试步骤，
其中，所述逆变器(1)的桥接电路(8)的开关元件在测试步骤期间被控制以用于生成零序系统，
其特征在于，
在所述测试步骤期间，对所述逆变器(1)的输出电流(IL1，IL2，IL3，IN)进行测量并关于零序电流对所述输出电流进行评估，并且当在所述测试步骤期间检测到超过预定阈值的零序电流时，则确定存在所述中性导体(N)与被设置用于与所述中性导体(N)连接的所述导体端子(6)的连接，否则，则确定所述中性导体(N)没有与被设置用于与所述中性导体(N)连接的所述导体端子(6)连接。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当在测试步骤期间确定存在所述中性导体(N)与被设置用于与所述中性导体(N)连接的所述导体端子(6)的连接时，针对所述逆变器(1)的进一步操作选择适用于具有连接的中性导体(N)的四导体操作的第一操作管理，否则，选择适用于没有连接的中性导体(N)的三导体操作的、不同于所述第一操作管理的第二操作管理。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据存储在所述逆变器(1)中的预定值来指定，所述逆变器(1)在馈入操作中是应基于所述第一操作管理进行操作还是应基于所述第二操作管理进行操作。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在由所述预定值指定的操作管理和待根据所述测试步骤选择的操作管理之间存在矛盾的情况下，生成警告消息，所述警告消息被存储在所述逆变器(1)中和/或被传达给所述逆变器(1)的操作者。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于，根据基于所述测试步骤所选择的操作管理来对所述逆变器(1)进行操作。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，其特征在于，在由所述预定值指定的操作管理和待根据所述测试步骤选择的操作管理之间存在矛盾时，所述逆变器(1)不将电功率馈入到所述交流电网(7)中。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述逆变器(1)将电功率馈入到所述交流电网(8)中。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一操作管理包括将所述输出电流(IL1，IL2，IL3)非对称地馈入到所述交流电网(7)中。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述逆变器(1)的初始运行期间和/或在所述逆变器(1)的启动过程中执行所述测试步骤。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述逆变器(1)的桥接电路(8)的开关元件在所述测试步骤期间被控制，以用于生成具有高于电网频率的频率的零序系统。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述零序系统的频率为所述电网频率的非整数倍。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用调节结构以用于在测试步骤期间对所述逆变器(1)的桥接电路(8)的开关元件进行控制，在所述调节结构中所述零序电流的理论值和所述零序电流的实际值进行比较。
13.一种用于将直流电的电功率转换成交流电并将所转换的电功率馈入到交流电网(8)的逆变器(1)，其中，所述逆变器(1)具有带有四个导体端子(3-6)以用于使所述逆变器(1)与交流电网(7)的三个外导体(L1，L2，L3)和中性导体(N)连接的连接装置(2)，
其特征在于，所述逆变器(1)包括控制单元，所述控制单元被设置用于以根据前述权利要求中任一项所述的方法来对所述逆变器(1)进行操作。
14.根据权利要求13所述的逆变器(1)，其特征在于，被设置用于连接所述中性导体(N)的所述导体端子(6)与直流电压中间电路(9)的中点(M)连接。
15.根据权利要求13或14中任一项所述的逆变器(1)，其特征在于，被设置用于连接所述中性导体(N)的所述导体端子(6)与两个半导体开关元件之间的连接相连，其中，所述半导体开关元件构成平行于直流电压中间电路(9)布置的串联电路。
16.根据权利要求14或15中任一项所述的逆变器(1)，其特征在于，被设置用于连接所述中性导体(N)的所述导体端子(6)经由开关元件(10)与直流侧的直流电压中间电路(9)的所述中点(M)连接，或与平行于所述直流电压中间电路(9)布置的串联电路的半导体开关元件之间的所述连接相连。
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