CN108475928A - 具有电网分离位置和绝缘电阻测量的逆变器以及用于测量绝缘电阻的方法 - Google Patents

具有电网分离位置和绝缘电阻测量的逆变器以及用于测量绝缘电阻的方法 Download PDF

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Abstract

描述一种逆变器(1)，其具有用于测量绝缘电阻的电路装置(2)，其中，所述逆变器(1)具有至少一个半桥(3)和电网分离位置(5)，所述至少一个半桥具有至少两个开关元件(4)，所述电网分离位置具有由两个分离装置(6a，6b)构成的串联电路。所述电网分离位置(5)的所述串联电路布置在所述半桥(3)的中点(7)与所述逆变器(1)的交流电压连接端(8)之间，所述交流电压连接端设置用于连接交流电压电网的相导体或中性导体。所述电路装置具有电阻(9)和电压测量设备(10)，其特征在于，所述电阻(9)与所述电网分离位置(5)的所述分离装置(6a，6b)中的一个电地并联布置，并且所述电压测量设备(10)电地布置在所述电阻(9)的输出侧连接端(11)与所述半桥(4)的端点(12a，12b)中的一个之间。此外，公开一种用于求取所述逆变器(1)的绝缘电阻的所属方法。

Description

具有电网分离位置和绝缘电阻测量的逆变器以及用于测量绝 缘电阻的方法
技术领域
本发明涉及一种逆变器，其用于转换能量产生单元的电功率并且将所转换的电功率馈送到能量供给电网中，其中，该逆变器包括电网分离位置以及用于绝缘电阻测量的电路装置，本发明还涉及一种用于测量用于在逆变器中使用的绝缘电阻的方法。
背景技术
逆变器可以将能量产生单元的电功率从直流电转换成交流电并且馈送到能量供给电网、例如交流电压电网中，和/或将该电功率直接提供给用电器用于其运行。在此，作为能量产生单元尤其可以使用从可再生源产生电功率的发电机、例如光伏发电机或风力发电机。
对于逆变器到交流电压电网上的连接，出于规范性原因，需要能够将能量产生单元与交流电压电网故障安全地电分离。例如可以通过EP 2 228 895 A1中公开的电网分离位置来确保这种分离，该电网分离位置具有串联连接的两个继电器。
由EP 1 857 825 A1已知一种具有接地点的测量装置，该接地点用于求取带电的电设备的绝缘电阻或具有带有正极和负极的供电电压的设备的绝缘电阻。在此，设置两个开关或一个相应的切换开关，这些开关分别在所述两个极中的一个与接地点之间建立电流路径，以便在发生一个或多个绝缘故障时，借助任意的电位基准求取所产生的总绝缘电阻。为了求取绝缘电阻，执行两个彼此相继的测量，其中，在这些测量中的第一个的情况下，将第一开关闭合，而将第二开关断开，其中，在这些测量中的第二个的情况下，将第一开关断开，而将第二开关闭合。在所述测量的情况下，测量通过分别建立的连接流动至接地点的电流。由这两个所测量的电流计算绝缘电阻，对此，所提及的文献提供了详细说明。
WO 2013/178654 A1公开一种逆变器，其具有用于驱动输出电流的具有两个有源开关的至少一个半桥，并且还具有用于测量绝缘电阻的设备，其中，该设备依次建立逆变器的中间回路电压的两个未接地的极与接地点之间的连接，并且测量通过所述连接流动至接地点的电流。该设备具有接地开关，借助该接地开关，半桥的处于开关元件之间的中点能够与接地点连接。该设备借助半桥的开关元件将与接地点连接的中点依次与逆变器的施加在半桥上的中间回路电压的两个极连接，以便建立用于测量流动至接地点的电流的连接。
DE 10 2011 018 229 A1公开一种电路装置，其用于将能量产生设备的逆变器与电网电位分离，该电路装置包括由两个开关元件构成的串联电路，其中，设置测量装置，其用于检测该串联电路的两个开关元件之间的中心触点上的电位或电位偏移。
DE 10 2013 104 629 A1公开一种能量产生装置，其具有整流器和分离装置，该分离装置用于将整流器与电网电位分离，其中，该分离装置包括由两个开关元件构成的串联电路。能量产生装置可以包括绝缘测量装置，以便根据由绝缘测量装置所确定的绝缘电阻来确定开关元件中的一个的损坏，而开关元件中的另一个在此期间被操控至闭合。
DE 10 2011 122 359 A1公开一种逆变器以及一种用于对机电开关进行功能检查的方法，该逆变器输出侧的相导体分别引导通过由两个开关接通部构成的串联电路，其中，借助测量装置可以检测相导体上的电压的值。
具体地，已知的测量装置可以设置用于在绝缘故障方面监控光伏设备，该光伏设备将电能从光伏发电机馈送到交流电流电网中。为了构造已知的测量装置，需要设置在逆变器上的构件很多，并且显著提高了逆变器的总成本。
发明内容
本发明基于的任务在于，说明一种具有用于测量绝缘电阻的电路装置的逆变器，并且说明一种用于求取逆变器的绝缘电阻的方法，借助所述逆变器和所述方法能够借助较少数量的附加构件、并且因此能够成本节约地实现绝缘电阻的有效测量。
所述任务通过具有权利要求1的特征的逆变器以及通过具有权利要求6的特征的方法来解决。优选实施方式在从属权利要求中限定。
根据本发明的具有用于测量绝缘电阻的电路装置的逆变器具有至少一个半桥以及电网分离位置，所述至少一个半桥具有至少两个开关元件，所述电网分离位置具有由两个分离装置构成的串联电路，其中，该串联电路布置在半桥的中点与逆变器的交流电压连接端之间，该交流电压连接端设置用于连接交流电压电网的相导体或中性导体。用于测量绝缘电阻的电路装置具有电阻和电压测量设备，其中，所述电阻与分离装置中的一个电地并联布置，并且电压测量设备布置在电阻的输出侧连接端与半桥的端点中的一个之间。
该解决方案基于以下认知：为了求取逆变器的绝缘电阻，不一定需要如从现有技术中所已知的那样，执行基于地-或保护导体的电压测量或电流测量。更确切地说，被证明是有利的是：给逆变器的总归存在的构件、即电网分离位置的分离装置补充一个测量电阻并且如此使用，使得执行基于交流电压电网的相导体或中性导体的电压测量。如果并且只要相导体或中性导体与地-或保护导体之间的电位差接近于零、或至少在很大程度上恒定、并且在施加在逆变器的半桥上的输入电压的范畴内变动，则所述测量能够用于绝缘电阻的求取。尤其对于显著低于电网频率的频率而言，并且特别对于频率为零的直流电压而言，相导体或中性导体与地-或保护导体之间的电位差通常满足所述条件，此外，可以借助如下简单措施来校验所述条件：所述措施基于对地-或保护导体与半桥的用于求取绝缘电阻的端点之间的电位差的附加测量。
在逆变器的一种实施方式中，分离装置可以实施为继电器，以便能够实现将布置在逆变器的直流电压侧的能量产生单元与交流电压电网电分离。在此，串联电路形式的分离装置可以布置在半桥的中点与交流电压连接端之间，以便尤其能够实现电网分离位置的紧凑结构型式。该电阻可以与串联电路的第一分离装置并联且与串联电路的第二分离装置并联布置。电压测量设备可以布置在该电阻的输出侧连接端与直流电压中间回路的连接端中的可选的一个之间、即布置在电阻的输出侧连接端与半桥的配属于直流电压中间回路的正连接端的端点或配属于直流电压中间回路的负连接端的端点之间。
在一种具体实施方式中，逆变器设置用于将电功率从能够连接到半桥的端点上的能量源馈送到能够连接到逆变器的交流电压连接端上的交流电压电网中。这意味着，待馈送的电功率流动通过电网分离位置，为此，所述电网分离位置的分离装置必须切换到导通状态中。同时，为了测量绝缘电阻，电网分离位置的分离装置具有如下开关状态：该开关状态在传统逆变器的情况下是没有意义的，其方式是：串联连接的分离装置中的一个处于非导通状态中，并且另一分离装置处于导通状态中。
根据本发明的方法涉及一种逆变器，其具有至少一个半桥、与该半桥并联布置的直流电压中间回路、电网分离位置以及用于求取绝缘电阻的电路装置，所述半桥具有至少两个开关元件，所述直流电压中间回路具有第一极和第二极，所述电网分离位置具有由两个分离装置构成的串联电路，其中，该串联电路布置在半桥的中点与交流电压连接端之间，该交流电压连接端用于连接交流电压电网的相导电体或中性导体，所述电路装置包括与分离装置中的一个电地并联布置的电阻。所述方法的特征在于，在第一步骤中，将与所述电阻并联布置的分离装置切换到非导通状态中，并且将另一分离装置切换到导通状态中。在所述开关状态中，在直流电压中间回路的第一极与交流电压连接端连接期间，测量在电阻的输出侧连接端与直流电压中间回路的第一极之间下降的电压的第一电压值，在直流电压中间回路的第二极与交流电压连接端连接期间，测量在电阻的输出侧连接端与直流电压中间回路的第一极之间下降的电压的第二电压值。然后根据所测量的电压值求取绝缘电阻。在此，确定第一电压值和第二电压值的顺序是任意的。
在该方法的一种实施方式中，分别将直流电压中间回路的第一极和第二极与交流电压连接端连接，其方式是：将半桥的开关元件中的第一个或第二个切换到导通状态中。直流电压中间回路的第一极或第二极与交流电压连接端的连接可以交替地并且尤其以一频率重复进行，该频率以至少为10的因子低于交流电压电网的电网频率，其中，附加地可以在测量第一电压值和第二电压值时将电网频率分量从电压测量值中滤除。
附图说明
以下根据在附图中示出的实施例进一步阐述和描述本发明。
图1示出根据本发明的逆变器的第一实施方式，该逆变器具有电网分离位置以及用于求取绝缘电阻的电路装置；
图2示出根据本发明的逆变器的第二实施方式；
图3示出根据本发明的逆变器的第三实施方式；
图4示出用于说明根据本发明的方法的一种实施方式的方框图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的逆变器1，该逆变器具有输入侧的直流电压连接端14，可以将直流电压源、例如光伏发电机连接到该直流电压连接端上，其中，可以将直流电压源直接或通过连接在中间的直流电压转换器与逆变器1连接。直流电压中间回路13用于中间存储通过直流电压连接端14馈送到逆变器1中的电功率。具有两个串联连接的开关元件4的半桥3与直流电压中间回路13并联布置，其中，半桥3的端点12a、12b分别与直流电压中间回路13的极以及直流电压连接端14连接。通过时钟控制地、尤其交替地切换开关元件4，可以将施加在电压连接端14上的直流电压转换成时钟控制的交流电压，该交流电压可以在半桥3的中点7处被分接，使得在通过在此未示出的输出滤波器的平滑之后，可以产生正弦形的交流电流，并且可以通过交流电压连接端8馈送到在此未示出的交流电压电网中。为了将逆变器1与交流电压电网分离，设置分离位置5，该分离位置布置在半桥3的中点7与交流电压连接端8之间。出于规范性原因，尤其为了确保所提及的故障安全性，尤其在无变压器的逆变器的情况下，这种分离位置通常由至少两个串联连接的分离装置6a、6b构成。
为了求取逆变器1的绝缘电阻，设置电路装置2，该电路装置具有电阻9和电压测量设备10。电阻9与电网分离位置5的桥侧分离元件6a并联布置。电压测量设备10布置在电阻9的输出侧连接端11与半桥4的端点12b之间。
图2示出根据本发明的逆变器1的一种替代实施方式。与图1不同的是，根据图2，电阻9与输出侧的分离装置6b并联布置。此外，电压测量设备10布置在电阻9的输出侧连接端11与半桥4的端点12b之间。
图3示出逆变器1的另一实施方式。在该实施方式中，逆变器包括逆变器桥31，该逆变器桥在此构造成具有两个半桥的H4桥，所述两个半桥分别具有两个开关元件，并且该逆变器桥可以将由能够连接到直流电压连接端14上的发电机提供的电功率作为交流电流通过交流电压连接端8、8′输出，并且馈送到能够与该交流电压连接端连接的交流电压电网中。在此，交流电压连接端8、8′设置用于连接交流电压电网的相导体和中性导体，并且可以通过电网分离位置5与逆变器桥31、并且因此与发电机分离，其中，给交流电压连接端8、8′分别设置两个串联连接的分离装置6a、6b。为了连接交流电压电网的保护-或地导体(PE导体)，可以设置PE连接端32。为了求取绝缘电阻，设置与逆变器侧的分离装置6a并联布置的电阻9，其中，电压测量装置10布置在电阻9的输出侧连接端与逆变器桥31的端点之间(参见图1)。可以设置其他电压测量装置33、34、35，以便检测逆变器桥31的端点与交流电压连接端8a之间的电压、与PE导体之间的电压或逆变器桥31的支路之间的中点与电网分离位置5之间的电压。
电网分离位置5设置用于，将连接到直流电压连接端14上的直流电压源如此与交流电压连接端8分离，使得即使在分离装置6a、6b中的一个可能发生故障的情况下，也就是说在分离装置6a、6b中的一个永久保持在导通状态中的情况下，也确保电分离。这种所谓的故障安全性也可以通过如下方式实现：与根据图2和图3的配置不同，输出侧的分离装置6b被分成两个单个的分离装置，所述单个的分离装置分别布置在直流连接端14与半桥3或逆变器桥31的端点之间的直流线路中。由此，即使当剩下的分离装置6a、6b中的一个由于可能的故障状态而不再能够被断开时，也可以确保直流电压源的所有极都与交流电压连接端8、8′分离。附加地，该装置可以以有利的方式保护半桥3或逆变器桥31免受直流电压侧产生的过压影响。此外，电网分离位置5的这种与图3等效的“分布式”结构始终涉及由第一直流侧的分离装置与第二电网侧的分离装置构成的串联电路，其中，在第一分离装置与第二分离装置之间布置有逆变器桥电路31。在这方面应该提到，在适当选择电阻9、尤其在电阻值足够高的情况下，尤其当使用保护电阻作为电阻9时，该电阻同样满足电分离的要求。
也可以通过电压测量设备10和35的适当配置来构造电阻9。电压测量设备10和35具有如下内阻：所述内阻相互组合可以在求取绝缘电阻方面产生与分离器电阻9相同的效果，使得在这种情况下可以省去专用电阻9。
可以这样理解，替代图3中示出的H4桥，逆变器桥31也可以实施为根据DE 10 2004030 912 A1的所谓的H5桥，或者可以具有根据EP 1 369 985 A1的续流二极管。此外，逆变器桥31可以实施为三相的，使得逆变器1可以将三相电流馈送到三相交流电压电网中。逆变器1的各个半桥3可以实施为三级半桥或多级半桥，其中，直流电压中间回路13可以具有多个电容并且必要时具有中心抽头。
图4示出用于说明根据本发明的方法的一种实施方式的方框图。在步骤S1中启动逆变器1之后，在步骤S2中如此接通分离装置6a、6b，使得分离装置6a、6b中的与电阻并联布置的分离装置处于非导通状态中，并且分离装置6b、6a中的另一个处于导通状态中。在步骤S3中，如此接通半桥3或逆变器桥31的开关元件4，使得直流电压中间回路13的第一极12a或12b与交流电压连接端8连接，使得在步骤S4中，可以测量在电阻9的输出侧连接端11与直流电压中间回路13的第一极12a或12b之间下降的电压V的第一电压值。在步骤S6中，如此接通半桥3或逆变器桥31的开关元件4，使得直流电压中间回路13的第二、即另一极12b或12a与交流电压连接端8连接，使得在步骤S5中，可以测量在电阻9的输出侧连接端11与直流电压中间回路13的第一极12a或12b之间下降的电压V的第二电压值。然后可以在步骤S7中，以已知的方式和方法由所测量的电压值求取逆变器的绝缘电阻。可选地，可以以循环的形式多次执行步骤S3至S6，其中，一个完整运行的持续时间可以以至少为10的因子长于电网周期。
附图标记列表
1 逆变器
2 电路装置
3 半桥
4 开关元件
5 电网分离位置
6a、6b 分离装置
7 中点
8、8′ 交流电压连接端
9 电阻
10 电压测量设备
11 连接端
12a、12b 端点
13 直流电压中间回路
14 直流电压连接端
31 逆变器桥
32 PE连接端
33、34、35 电压测量设备

Claims (8)

1.一种逆变器(1)，其具有用于测量绝缘电阻的电路装置(2)，其中，所述逆变器(1)具有至少一个半桥(3)和电网分离位置(5)，所述至少一个半桥具有至少两个开关元件(4)，所述电网分离位置具有由两个分离装置(6a，6b)构成的串联电路，其中，所述串联电路布置在所述半桥(3)的中点(7)与所述逆变器(1)的交流电压连接端(8)之间，所述交流电压连接端设置用于连接交流电压电网的相导体或中性导体，其中，所述电路装置具有电阻(9)和电压测量设备(10)，其特征在于，所述电阻(9)与所述分离装置(6a，6b)中的一个电地并联布置，并且所述电压测量设备(10)电地布置在所述电阻(9)的输出侧连接端(11)与所述半桥(4)的端点(12a，12b)中的一个之间。
2.根据权利要求1所述的逆变器(1)，其特征在于，所述分离装置(6a，6b)实施为继电器。
3.根据权利要求1或2所述的逆变器(1)，其特征在于，所述电阻(9)与所述串联电路的第一分离装置(6a)并联或与所述串联电路的第二分离装置(6b)并联地布置在所述半桥(3)的中点(7)与所述交流电压连接端(8)之间。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的逆变器(1)，其特征在于，所述电压测量设备(10)布置在所述电阻(9)的输出侧连接端(11)与所述半桥(3)的配属于直流电压中间回路(13)的正连接端的端点(12a)或所述半桥的配属于所述直流电压回路(13)的负连接端的端点(12b)之间。
5.根据上述权利要求中任一项所述的逆变器(1)，其特征在于，所述逆变器(1)设置用于将电功率从能够连接到所述半桥(3)的端点(12a，12b)上的能量源馈送到能够连接到所述逆变器(1)的所述交流电压连接端(8)上的交流电压电网中。
6.一种用于求取逆变器(1)的绝缘电阻的方法，所述逆变器具有：
至少一个半桥(3)，其具有至少两个开关元件(4)，
与所述半桥(3)并联布置的直流电压中间回路(13)，所述直流电压中间回路具有第一极和第二极，
电网分离位置(5)，其具有由两个分离装置(6a，6b)构成的串联电路，其中，所述串联电路布置在所述半桥(3)的中点(7)与所述逆变器(1)的交流电压连接端(8)之间，所述交流电压连接端设置用于连接交流电压电网的相导体或中性导体，
用于求取绝缘电阻的电路装置(2)，所述电路装置包括与所述分离装置(6a，6b)中的一个电地并联布置的电阻(9)，其特征在于，所述方法具有以下步骤：
将所述分离装置(6a，6b)中的与所述电阻(9)并联布置的分离装置切换到非导通状态中，并且将所述分离装置(6b，6a)中的另一个切换到导通状态中，
在所述直流电压中间回路(13)的所述第一极与所述交流电压连接端(8)连接期间，测量在所述电阻(9)的输出侧连接端(11)与所述直流电压中间回路(13)的第一极之间下降的电压(V)的第一电压值，
在所述直流电压中间回路(13)的所述第二极与所述交流电压连接端(8)连接期间，测量在所述电阻(9)的输出侧连接端(11)与所述直流电压中间回路(13)的第一极之间下降的所述电压(V)的第二电压值，
根据所测量的电压值求取所述绝缘电阻。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于，将所述直流电压中间回路(13)的所述第一极和所述第二极分别与所述交流电压连接端(8)连接，其方式是：将所述半桥(3)的所述开关元件(4)中的第一个或第二个切换到导通状态中。
8.根据权利要求6至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述直流电压中间回路(13)的所述第一极或所述第二极与所述交流电压连接端(8)的连接以一频率交替进行，所述频率以至少为10的因子低于所述电网频率，并且在测量所述第一电压值和所述第二电压值时将电网频率分量滤除。
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