CN110574287A - 光伏系统中的单容错隔离电阻确定 - Google Patents

光伏系统中的单容错隔离电阻确定 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于对光伏系统(1)的隔离电阻进行单容错确定的方法。该光伏系统(1)包括逆变器(2)以及连接到所述逆变器的太阳能发电机(3)。根据在电阻器网络(8)中下降的测试电压来确定该隔离电阻。该电阻器网络(8)经由第一连接点(11)连接到该逆变器(2)的逆变桥(6)的中心点(5)，经由第二连接点(12)连接到该太阳能发电机(3)的第一极(17)，并且通过第三连接点(13)经由隔离继电器(9)连接到该逆变器(2)的接地连接点(15)。电容器(14)被布置在该接地连接点(15)与该太阳能发电机(3)的第一极(17)之间。该方法包括任意顺序的以下步骤：当该隔离继电器(9)闭合时，将该太阳能发电机(3)的第一极(17)连接到该第一连接点(11)(步骤21)；当该隔离继电器(9)闭合时，将该太阳能发电机(3)的第二极(18)连接到该第一连接点(11)(步骤22)；当该隔离继电器(9)闭合时，通过该逆变桥(6)在该第一连接点(11)处产生交流电压(步骤23)；以及当该隔离继电器(9)断开时，通过该逆变桥(6)在该第一连接点(11)处产生该交流电压(步骤24)。通过比较步骤23与24之间的测试电压的幅度来执行对该隔离继电器(9)的功能测试。本发明进一步涉及一种被设计成用于执行该方法的逆变器(2)。

Description

光伏系统中的单容错隔离电阻确定
本发明涉及一种用于对光伏系统的隔离电阻进行单容错确定的方法，并且涉及一种被配置用于执行该方法的逆变器。
在将光伏系统投入运行之前，出于安全原因，有必要判定所连接的太阳能发电机相对于作为参考电势的地电势是否具有足够高的电阻。通常，该测试至少在通过将逆变器连接到所连接的电网而使光伏系统投入运行之前执行。
文献EP 1 857 825 A1和EP 2 230 522 A1各自描述了方法，在这些方法中，为了确定隔离电阻，在每种情况下由直流电源的一个极交替地建立到接地端子的电流路径，并且将每种情况下产生的电流彼此进行比较。
此外，文献DE 10 2012 104 752 B3描述了由逆变器半桥的电桥开关来提供交流路径，并且可以由频率优选地低于电网频率的AC电压来驱动待比较的电流。在此，通过在确定隔离电阻期间闭合接地开关来建立电流路径。
在该方法中，如果接地开关发生故障，特别是如果接地开关未正确闭合，则获得如下测量结果：该测量结果类似于高隔离电阻(可能地，不可确定的高隔离电阻)，并因此表明安全隔离状态，而与存在的真实隔离状态无关。为了防止这种情况，可以经由合适尺寸的比较电阻器将接地端子连接到直流电源的一极，使得在确定隔离电阻大于比较电阻器的电阻值的情况下，可以推断出接地开关发生故障。然而，该过程的缺点在于，这永久性地降低了逆变器的固有隔离特性。
可替代地，在应急发电机系统的情况下(在该情况中，在应急操作期间应将中性导体连接到接地导体)，DE 10 2015 102 468 B3提出：为了测试该连接，经由减流元件将已施加电压的导体连接到接地导体，从而在要测试的连接上产生测量电流。由于上述测试电流而导致的缺点在这里也存在。
因此，本发明的一个目的是提供一种用于确定光伏系统的隔离电阻的方法，在该方法中，可以在不损害光伏系统的逆变器的隔离特性的情况下识别出接地开关发生故障。
该目的是通过根据独立权利要求1所述的方法来实现的。在从属权利要求中描述了根据本发明的方法的有利配置。该方法可以用于逆变器。
一种根据本发明的用于对隔离电阻进行单容错确定的方法可以在光伏系统内执行，该光伏系统包括逆变器以及与该逆变器连接的太阳能发电机，其中，根据电阻器网络中的测试电压降确定该隔离电阻，其中，该电阻器网络通过第一端子连接到可变电压源，通过第二端子连接到该太阳能发电机的第一极，并通过第三端子经由隔离继电器连接到该逆变器的接地端子。电容器被布置在该接地端子与该太阳能发电机的第一极之间。根据本发明的该方法包括任意顺序的以下步骤：
-当该隔离继电器闭合时，通过该可变电压源向该第一端子施加第一DC电压值(步骤A)，
-当该隔离继电器闭合时，通过该可变电压源向该第一端子施加第二DC电压值(步骤B)，
-当该隔离继电器断开时，借助于该可变电压源在该第一端子处生成AC电压(步骤C)，以及
-当该隔离继电器闭合时，借助于该可变电压源在该第一端子处生成该AC电压(步骤D)。
可以通过比较生成AC电压的这两个步骤之间的测试电压的幅度来测试隔离继电器的功能。由于电容器形成了限定的阻抗，因此通过切换隔离继电器可以改变测试电压的幅度，在隔离继电器闭合的情况下，AC电流可以在该限定的阻抗上流动。然而，该电容器不会以不利的方式更改逆变器的DC隔离特性，该电容器还改善了逆变器的EMC性能。
有利地，可以根据将第一和第二DC电压值分别施加到第一端子的步骤之间的测试电压的差值来确定隔离电阻。
在执行根据本发明的方法时，逆变器优选地与电网分离。举例来说，在早晨连接到电网之前确定隔离电阻。仅在可接受的高隔离电阻和隔离继电器起作用的情况下执行连接。
特别有利的是，该可变电压源由该逆变器的逆变桥形成，所述逆变桥被布置在该第一极与该第二极之间，并且所述逆变桥的中点优选地经由电网滤波器连接到该电阻器网络的第一端子。在此，可以通过分别保持闭合逆变桥的开关之一将第一端子分别连接到第一极和第二极来简单地施加第一和第二DC电压值。
在根据本发明的方法的优选实施例变型中，在第一端子处以电网频率生成AC电压。然而，还可以设想使用不同的频率、特别是比电网频率的更高频率。与当隔离继电器断开时的电压幅度相比，这会放大当隔离继电器闭合时电容器对电压幅度的减幅的影响。
优选地，第一端子通过电网滤波器连接到逆变桥的中点。这有效地从所确定的测试电压中消除了在生成AC电压时借助于半桥生成的射频AC电压信号。
为了最小化隔离继电器的切换过程的次数，有利的是连续执行在隔离继电器闭合时所执行的步骤。此外，有利的是连续执行由半桥产生AC电压的那两个步骤。用于执行这些步骤的特别合适的顺序是：首先执行步骤C，然后步骤D，然后步骤A，并且随后步骤B。然而，同样可以设想首先执行步骤A和B，接着是步骤D，并且最后步骤C。然而，这不应排除其他顺序。
在一种变型中，如果对该隔离继电器的功能的测试或对该隔离电阻的确定得到不可接受的结果，则再次执行该方法。举例来说，如果在步骤D中确定的幅度大于在步骤C中确定的幅度，则是这种情况。然而，代替重复整个方法，也可以仅重复各个方法步骤，例如重复步骤C和D。还可以再次执行该方法(或仅执行步骤A和B)，以便在不允许光伏系统进行预期操作的一定隔离电阻的情况下验证结果。在对隔离继电器的功能测试得到负面结果的情况下，可以生成第一故障信号；在隔离电阻被确定为对于光伏系统的可接受操作而言过低的情况下，可以生成第二故障信号。第一故障信号和/或第二故障信号可以在光伏系统内传递或传递到光伏系统外部的接收器。
在一个实施例中，该测试电压可以被确定为连接到该太阳能发电机的第一极的电阻器两端的电压降。特别是在逆变器的测量电子设备的部分使用第一极的电势作为参考电势的情况下，这是有利的。进一步地，电阻器网络可以具有限流电阻器，该限流电阻器被布置在第一端子与第三端子之间，并且特别是在隔离继电器闭合时的隔离电阻极低的情况下限制电流流动。
一种根据本发明的逆变器被配置用于执行该方法并且借助于该逆变器的控制电子设备来控制方法步骤。
下文将借助于附图来更详细地解释本发明，在附图中：
图1示出了用于执行根据本发明的方法的逆变器，
图2示出了用于执行根据本发明的方法的逆变器的优选实施例，
图3示出了根据本发明的方法的流程图，
图4a示出了在隔离继电器有缺陷的情况下测试电压的示例性时间曲线，并且
图4b示出了在隔离继电器完好的情况下测试电压的示例性时间曲线。
图1示出了被配置用于执行根据本发明的方法的逆变器2。太阳能发电机3连接到逆变器2的第一极17和第二极18。DC/AC转换器21在输入侧与这两个极17、18连接，并且用于将太阳能发电机3的DC电力转换为AC电力，该AC电力经由电网滤波器7和电网继电器10在电网端子16处提供在输出侧，以便馈送到所连接的电网4中。为了对太阳能发电机3的隔离电阻进行单容错确定，提供了可变电压源20，该可变电压源连接到电阻器网络8的第一端子，其中，电阻器网络8还具有连接到第一极17的第二端子12、以及经由隔离继电器9连接到接地端子15的第三端子13。借助于测量装置19确定电阻器网络8中的测试电压降。此外，电容器14将接地端子15连接到第一极17。电容器14通常也被称为Y电容器，并且尤其用于改善逆变器2的EMC性能。
可变电压源20可以由DC电压源(例如电容器)形成，该DC电压源经由具有电阻器和开关的串联电路的中点在第一端子处提供电压，该电压可以通过切换的开关状态可变地设置。举例来说，可以通过逆变器2的板上电源将电容器充电到预定电压。所需的电力既可以从太阳能发电机3获取，也可以从电网4获取。可变电压源20具有相对于太阳能发电机的电势的固定电势参考，并且其例如以一极直接连接到第一极17(如图1中的虚线所示)。
通过合适地致动隔离继电器9和可变电压源20，可以在根据依据本发明的方法的步骤适当地切换隔离继电器9的状态的情况下在第一端子11处生成不同的电压曲线，并且可以在各个步骤中确定测试电压或测试电压的幅度。优选地，在逆变器2连接到电网4之前执行该方法的步骤，并且仅在确定隔离电阻已经产生了以下结果两者时闭合电网继电器10：隔离继电器9起作用、以及所连接的太阳能发电机3的隔离电阻足够高。
图2示出了逆变器2的有利实施例，其中，可变电压源由逆变桥6形成，该逆变桥布置在第一极17与第二极18之间，并且该逆变桥的中点5作为电桥输出端经由电网滤波器7连接到电阻器网络8的第一端子11。在根据本发明的方法的范围内，将DC电压施加到第一端子11并在该第一端子处生成AC电压是通过合适地致动逆变桥6的开关来实施的。特别地，可以通过保持闭合一个半桥开关来将第一DC电压值施加到第一端子11，其结果是，第一极(17)连接到第一端子11。相应地，可以通过保持闭合另一个半桥开关来将第二DC电压值施加到第一端子11，其结果是，第二极18连接到第一端子11。通过以已知方式交替地对两个半桥开关进行钟控致动，可以在第一端子11处产生AC电压。
在当前情况下，电阻器网络8由电阻分压器构成，该电阻分压器包括在第一端子11与第二端子12之间串联连接的三个电阻器。在连接到第一端子11的电阻器与中央电阻器之间的中点连接到第三端子13。测量装置19确定测试电压，该测试电压在连接到第二端子12的分压器的电阻器两端下降。
图3示出了根据本发明的方法的过程，该过程例如使用图1或图2中描述的逆变器来执行。在第一步骤21中，当隔离继电器闭合时，通过可变DC电压源将第一DC电压值施加到电阻器网络的第一端子。举例来说，太阳能发电机的第一极连接到电阻器网络的第一端子。该连接可以通过闭合逆变器的半桥的第一开关来实施，该第一开关连接到太阳能发电机的第一极。
在第二步骤22中，通过可变DC电压源将第二DC电压值施加到电阻器网络的第一端子，其中，隔离继电器同样闭合。举例来说，太阳能发电机的第二极连接到第一端子。该连接可以通过闭合逆变器的半桥的第二开关来实施，该第二开关连接到太阳能发电机的第二极。
在第三步骤23中，通过可变DC电压源、特别是通过布置在第一极与第二极之间的逆变桥在第一端子处生成AC电压，同时隔离继电器闭合。在第四步骤24中，断开隔离继电器，同时通过可变DC电压源继续在第一端子处生成AC电压。
在该方法中，步骤21至24可以以任意顺序执行。在每个步骤中分别确定一个测试电压，所述测试电压在电阻器网络的电阻器两端下降。在第五步骤25中，通过比较在第三步骤23与第四步骤24之间的测试电压的幅度来执行对隔离继电器的功能测试。此外，在第六步骤26中，根据在步骤21至24的范围内确定的测试电压来确定隔离电阻。优选地，根据在第一步骤21中与在第二步骤22中确定的测试电压之间的差值来确定隔离电阻。然而，还可以设想，在确定隔离电阻时将第三步骤23和/或第四步骤24中的测试电压的幅度考虑在内。同样可以设想，在第五步骤25之前执行第六步骤26，或者仅在第五步骤25已经得到隔离继电器起作用的结果的条件下执行所述第六步骤。
在图4a中示出了在隔离继电器发生故障的情况下在执行根据本发明的方法时测试电压的可能曲线30，而图4b示出了在隔离继电器完好的情况下测试电压的曲线31。
在所示出的曲线中，首先执行第四步骤24直至时间T0，其结果是，产生幅度为的AC电压作为测试电压。随后，通过闭合隔离继电器执行第三步骤23直至时间T1，同时通过逆变器半桥生成AC电压。在第三步骤23期间，产生幅度为的AC电压作为测试电压。在图3a所示的场景下，隔离继电器是有缺陷的，使得其例如由于继电器触点被腐蚀而无法闭合，或者使得其例如由于继电器触点被焊牢而在两个步骤23、24期间都闭合。由此产生的结果是，幅度与幅度没有区别、或者基本上没有区别。
随后，执行第一步骤21直至时间T2，并且然后执行第二步骤22直至时间T3。在时间T3处，再次断开隔离继电器。可以根据在第一步骤21中与在第二步骤22中确定的测试电压之间的产生差值ΔU来确定隔离电阻的值。然而，如果隔离继电器是有缺陷的，则如此确定的值是不可靠的，例如，因为在隔离继电器无法闭合的情况下，对于操作而言可接受的高隔离电阻值是与当前太阳能发电机的实际隔离电阻无关地确定的。在这种情况下，如果未识别出隔离继电器发生故障，则可能出现光伏系统的不可接受的操作。
如果隔离继电器完好，则根据依据图3b的测试电压的曲线31，在第四步骤24期间同样产生幅度为的AC电压作为测试电压，并且在第三步骤23期间同样产生幅度为的AC电压。由于闭合隔离继电器为所施加的AC电压提供了至少经由接地端子与太阳能发电机的第一极之间的电容器的附加电流路径而与太阳能发电机的可能隔离电阻无关，因此第三步骤23期间的幅度小于第四步骤24期间的幅度这种幅度差异用于诊断隔离继电器是否起作用。举例来说，可以预先确定由于幅度之间的差异或比率而将隔离继电器起作用的情况与隔离继电器不起作用的情况区分开的阈值。
特别是在第一步骤21和第二步骤22期间，由于接地端子与太阳能发电机的第一极之间的电容器，还发生了再充电过程。因此，有利的是，为了确定隔离电阻的测量结果，将第一步骤21和第二步骤22的持续时间设计成使得留有足够的时间以便能够在测量测试电压之前等待相应的再充电过程。可以通过选择电容器的电容值和电阻器网络中的电阻值来合适地选择再充电过程的持续时间。自然地，还可以捕获再充电过程期间的电压曲线，并在确定测试电压时将其考虑在内。评估再充电过程期间的电压曲线(该电压曲线通常具有带有衰减时间的指数曲线)尤其使得可以在已知电容器的电容值的情况下定量地捕获由太阳能发电机的寄生电容引起的附加电容分量，并随后在光伏系统的操作期间考虑所述附加电容分量。还可以通过评估在隔离继电器断开或闭合的步骤23和24期间的测试电压的幅度来实施这种捕获。
附图标记清单
1 光伏系统
2 逆变器
3 太阳能发电机
4 电网
5 中点
6 逆变桥
7 电网滤波器
8 电阻器网络
9 隔离继电器
10 电网继电器
11 端子
12 端子
13 端子
14 电容器
15 接地端子
16 电网连接器
17 极
18 极
19 测量装置
20 可变电压源
21至26 步骤
27 DC/AC转换器
30、31 曲线

Claims (12)

1.一种用于对光伏系统(1)的隔离电阻进行单容错确定的方法，该光伏系统包括逆变器(2)以及与该逆变器连接的太阳能发电机(3)，其中，根据电阻器网络(8)中的测试电压降来确定该隔离电阻，其中，该电阻器网络(8)通过第一端子(11)连接到可变电压源(20)，通过第二端子(12)连接到该太阳能发电机(3)的第一极(17)，并通过第三端子(13)经由隔离继电器(9)连接到该逆变器(2)的接地端子(15)，其中，电容器(14)被布置在该接地端子(15)与该太阳能发电机(3)该第一极(17)之间，其特征在于，该方法包括任意顺序的以下步骤：
-当该隔离继电器(9)闭合时，通过该可变电压源(20)向该第一端子(11)施加第一DC电压值(步骤21)，
-当该隔离继电器(9)闭合时，通过该可变电压源(20)向该第一端子(11)施加第二DC电压值(步骤22)，
-当该隔离继电器(9)闭合时，借助于该可变电压源(20)在该第一端子(11)处生成AC电压(步骤23)，以及
-当该隔离继电器(9)断开时，借助于该可变电压源(20)在该第一端子(11)处生成该AC电压(步骤24)，
其中，通过比较步骤23与24之间的测试电压的幅度来测试该隔离继电器(9)的功能。
2.如权利要求1所述的方法，其中，根据步骤21与22之间的测试电压的差值来确定该隔离电阻。
3.如前述权利要求中任一项所述的方法，该方法在该逆变器(2)与电网(4)分离时执行。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该可变电压源由该逆变器(2)的逆变桥(6)形成，所述逆变桥被布置在该太阳能发电机(3)的第一极(17)与第二极(18)之间，并且所述逆变桥(6)的中点(5)优选地经由电网滤波器(7)连接到该第一端子(11)。
5.如权利要求4所述的方法，其中，通过与该第一极(17)的连接将该第一DC电压值施加到该电阻器网络(8)的第一端子(11)，并且通过与该第二极(18)的连接将该第二DC电压值施加到该电阻器网络(8)的所述第一端子(11)。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在该第一端子(11)处以电网频率生成该AC电压。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该方法按以下顺序执行：步骤24，接着是步骤23，接着是步骤21，接着是步骤22。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，如果对该隔离继电器(9)的功能的测试或对该隔离电阻的确定得到了不可接受的结果，则再次执行该方法。
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在功能测试得到负面结果的情况下或者在隔离电阻已被确定为不可接受地低的情况下，生成故障信号。
10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该测试电压被确定为连接到该太阳能发电机(3)的第一极(17)的电阻器两端的电压降。
11.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该第一端子(11)经由限流电阻器连接到该第三端子(13)。
12.一种逆变器(2)，该逆变器被配置用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。
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