CN111656659B - 用于逆变器装置的电容器放电的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于使逆变器(4)的输入或输出电路装置(41，45)的电容器放电以将电流馈送到供电网络(8)中的方法。该方法具有以下步骤：求取在所述输入或输出电路装置(41，45)的连接端的连接端电压(Ue，Ua)；求取所述逆变器(4)的中间回路电容器(43)的中间回路电压(Uz)；根据所测量的连接端电压(Ue，Ua)和所测量的中间回路电压(Uz)来计算所述中间回路电容器(43)的上限电压值(Umax)；如此运行所述逆变器(4)的输入侧的DC/DC转换器(42)或输出侧的电桥装置(44)，使得将能量从所述输入或输出电路装置(41，45)的所述电容器传输到所述中间回路电容器(43)中，其中，对所述中间回路电容器(43)处的电压进行监测；如果超过所述上限电压值(Umax)，则结束所述方法，否则继续将能量从所述输入或输出电路装置(41，45)的所述电容器传输到所述中间回路电容器(43)中，直到所述电容器被放电至或低于下限电压值(Umin)。本发明还涉及一种设置用于执行该方法的逆变器(4)。

Description

用于逆变器装置的电容器放电的方法
技术领域
本发明涉及一种用于使逆变器的输入或输出电路装置的电容器放电以将电流馈送到供电网络中的方法。此外，本发明还涉及具有合适于执行该方法的控制装置的一种逆变器。
背景技术
并网的逆变器用于供电设备——例如光伏设备和风能源设备。在这种逆变器的情况下，在逆变器的输出端上输出的电压或电流遵循供电网络中的相应运行。
在光伏设备(PV设备)的情况下，可以由串联和/或并联连接的多个光伏模块构成的光伏发电机(PV发电机)产生直流电压，该直流电压可以——必要时在通过升压转换器改变电压之后——被输送给具有逆变器的中间回路电容器的中间回路。来自中间回路的直流电压通过逆变器的电桥装置转换为交流电，该交流电就其频率和电压而言适合于馈送到供电网络中。在此，该转换可以在单相或多相(尤其三相)交流电中进行。为了将直流电(DC，英语direct current)转换为交流电(AC，英语alternating current)，逆变器具有带有两个或更多开关电桥的电桥装置，所述开关电桥通常配备有功率半导体开关，所述功率半导体开关以确定的调制模式来操控。结合布置在逆变器的输出端的滤波器，会产生可能正弦形的输出电流。
出于安全原因，期望或规范要求在输入侧和/或输出侧分开的逆变器的连接端处不再存在危险电压。
逆变器的上述输出侧滤波器用于成形可能正弦形的电流曲线并必要时进行EMV滤波(电磁兼容性滤波)，所述滤波器包括线圈和尤其布置在中性导体与相导体之间或在两个相导体之间的电容器。即使当不再运行逆变器时，所述电容器也可以被充电，这可能导致在输出线路上的危险的高电压。
由文献WO 2010/133532A1已知一种逆变器，该逆变器具有整流器，该整流器具有用于向逆变器的电子部件进行供电的连接在下游的直流电压转换器(DC/DC转换器)。根据该文献，通过整流器和连接在下游的DC/DC转换器对逆变器的滤波器的输出侧电容器进行放电。
逆变器通常还在功率路径中具有DC/DC转换器，以便使由PV发电机供应的电压能够匹配电桥装置所需的电压。这种DC/DC转换器也可以用于功率优化，使得通过改变DC/DC转换器的电压传输比来将PV发电机的运行电压尽可能地保持在最佳运行点(MPP-最大功率点，英语Maximum Power Point)。这种通常作为升压转换器工作的DC/DC转换器在其输入电路中也具有电容器，在逆变器与PV发电机分离后，该电容器仍可以被充电并施加在逆变器的输入连接端上。出于安全原因，当PV发电机与逆变器分离时，也期望或要求对此类电容器进行放电。为此例如已知，在确定PV发电机与逆变器的输入连接端分离之后，通过与电容器并联连接或可接入的电阻器使所提及的电容器持久地放电。对PV发电机与逆变器的分离的确定以及电阻器和必要时用于暂时连接电阻器的开关元件会导致逆变器的额外构造开销。如果电阻器与电容器持久地连接，则会出现损耗功率，该损耗功率在一个或多个电阻器中转化为热量。
发明内容
本发明的任务是提供一种用于运行逆变器的方法，在该方法中可以在没有逆变器的附加构造开销的情况下实现逆变器的输入侧或输出侧的电容器的放电，而不会发生损害逆变器的能量效率的能量损失。
该任务通过具有相应独立权利要求的特征的方法或逆变器解决。有利的构型和扩展方案是从属权利要求的主题。
根据本发明的用于使逆变器的输入或输出电路装置的电容器放电以将电流馈送到供电网络中的方法包括以下步骤：求取在输入或输出电路装置的连接端处的连接端电压。然后，求取逆变器的中间回路电容器的中间回路电压，并且根据所测量的连接端电压和所测量的中间回路电压来确定中间回路电容器的上限电压值。如此运行逆变器的输入侧的DC/DC转换器或输出侧的电桥装置，使得将能量从输入或输出电路装置的电容器传输到中间回路电容器中，其中，对中间回路电容器处的电压进行监测。如果超过上限电压值，则结束该方法。否则，通过如下方式继续该方法：继续将能量从输入或输出电路装置的电容器传输到中间回路电容器中，直到电容器被放电直至下限电压值或低于下限电压值。
因此，例如在考虑待放电的电容器和中间回路电容器的(已知)电容的情况下求取，当输入或输出电路装置的电容器的电荷将被传输到中间回路电容器中时，中间回路电容器的电压将假定多大。然后在中间回路电压的电压监测下进行电荷传输。如果在输入或输出电压不降至或不低于下限电压值的情况下达到所求取的最大值，则结束该方法，并且可以声明逆变器尚未与PV发电机或供电网络分离。否则，在方法结束后确定，逆变器实际上已与PV发电机或供电网络分离。在这种情况下，输入或输出电路装置的电容器同时已经放电。
在该方法的一种有利的构型中，上限电压值是经计算的电压，该经计算的电压在输入或输出电路装置的电容器的全部电荷已经无损耗地传输到中间回路电容器的情况下得出。相应地，在达到上限电压值之后，电容器有利地基本上完全放电。
附加地，可以将正偏移电压值添加到所计算的电压中，以便确定上限电压值。该附加的偏移电压值防止该方法的提前的中止，所述提前的中止例如由实际电容量与假定电容量的偏差得出。
在该方法的另一有利的构型中，待放电的电容器是输入侧的DC/DC转换器的能量存储器，其中，将用于使电容器放电的DC/DC转换器作为升压转换器运行。在这种情况下，通过该方法实现输入侧在与PV发电机分离之后是无电压的。
在该方法的另一有利的构型中，待放电的电容器是输出侧的滤波元件，其中，将用于使电容器放电的电桥装置作为升压转换器运行。由此相应地防止在与供电网络分离之后在逆变器的输出端处仍然存在电压。
优选地，将下限电压值选择为不危险的低电压，以便确保可以无危险地触摸逆变器的输入端和输出端。
在该方法的另一有利的构型中，在由于超过上限电压值而结束该方法时输出信号。当必须无成效地结束该方法时，发出该信号。该信号可以用作警告信号或控制信号，以便在等待时间之后重启方法，在该等待时间中已经由中间回路接收的能量减少。
根据本发明的逆变器具有输入侧的DC/DC转换器、具有中间回路电容器的中间回路、输出侧的电桥装置、以及用于操控DC/DC转换器和/或电桥装置的半导体开关元件的控制装置。逆变器的特征在于，控制装置设置用于执行前述方法之一。得出结合该方法提及的优点。
附图说明
以下根据实施例借助附图进一步阐述本发明。附图示出：
图1示出逆变器的示意性方框图；
图2示出用于使逆变器的电容器放电的方法的流程图。
具体实施方式
图1以示意性方框图示出作为供电设备的光伏设备(PV设备)，该光伏设备与供电网络8连接。
该光伏设备具有光伏发电机(PV发电机)1，该光伏发电机通过直流(DC)隔离开关2和输入线路3与逆变器4连接。逆变器4又借助输出线路5通过交流(AC)隔离开关6和(可选的)变压器7与供电网络8连接。
在图1中，PV发电机1仅通过单个光伏电池的电路符号象征性地示出。应当理解，PV发电机1在所示的PV设备的实施方式中可以由多个光伏模块(PV模块)构成，所述光伏模块串联连接和/或并联连接。
在所示的实施例中，逆变器4包括输入侧的DC/DC转换器42，该DC/DC转换器通过具有中间回路电容器43的中间回路与电桥装置44连接。电桥装置44借助两个或更多开关桥构成DC/AC转换器。中间回路电容器43用于使中间回路电压Uz平滑，并且使得能够通过电桥装置44进行脉冲式电流消耗，而不会在中间回路电压Uz中出现电压骤降(Spannungseinbruch)。
连接在中间回路上游的DC/DC转换器42能够实现PV发电机1的电压与期望的中间回路电压Uz的匹配，该中间回路电压在电桥装置44的运行中通过供电网络中的峰电压预给定。通过DC/DC转换器42可以在宽的极限内改变PV发电机1的电压，而不会使中间回路电压Uz偏离期望值。以下将DC/DC转换器42的输入端处的电压称为输入电压Ue。PV发电机1的电压例如可以在优化方法(例如MPP跟踪方法)的范畴内改变，由此可能在最大功率的工作点运行PV发电机1。
通常，DC/DC转换器42构造为升压转换器，该升压转换器将由PV发电机1供应的电压转换为中间回路电压Uz的高于输入电压Ue的电压值。为了升压，使用(至少)电容器和线圈形式的在输入电路装置41中象征性地示出的能量存储器。具有所示电容器的这种典型的输入电路装置41导致如下：当DC隔离开关2断开时，在输入连接端或输入线路3处也可以存在电压。
有输出电路装置45位于电桥装置44的输出端处，该输出电路装置也具有电容器以及必要时电感器，并且该输出电路装置用作滤波器，以便使由电桥装置44脉冲式地发出的电流平滑。这样的输出电路装置45通常也称为正弦滤波器。在输出电路装置45的情况下，即使通过AC隔离开关6将该输出电路装置与供电网络8去耦，也存在相应的输出连接端和输出线路5被施加电压的危险。
在所示的实施例中，与所有布置在下游的部件一样，电桥装置44设计为三相。应当理解，电桥装置44以及相应的跟随的部件也可以具有任意的(尤其较小的)相数。
逆变器4还具有控制装置46，该控制装置尤其操控DC/DC转换器42和电桥装置44。对DC/DC转换器42和电桥装置44的操控尤其应理解为DC/DC转换器42的和/或电桥装置44的半导体开关元件的受时间控制的接通和关断(节拍)。通过半导体开关元件的相应的节拍，可以影响相应的转换器42、44的输入端和输出端之间的电压转换比以及能量流动方向。
在图2中以流程图的形式示出用于使逆变器的输入或输出电路装置的电容器放电的运行方法。例如参照图1中所示的PV设备描述该方法。
可以这样认为：在方法开始时，逆变器处于馈送运行。馈送运行应理解为如下运行：在该运行中，PV发电机1发出直流形式的功率，该功率通过逆变器4转换成交流功率并馈送到供电网络8中。
在该方法的第一步骤S1中，检查逆变器是否被馈送功率。为此目的，将可以由控制装置46读取的电流和/或电压传感器布置在逆变器中、例如布置在电桥装置44内。如果在步骤S1中确定逆变器仍被馈送功率(情况S11)，则该方法分支回去并再次实施步骤S1。如果逆变器不再被馈送功率(情况S12)，则该方法分支至下一步骤S2。
逆变器不再被馈送功率的原因可能在于，例如在发生火灾或出于维护目的时，PV发电机1已与逆变器4去耦。在这些情况下，例如已经断开DC隔离开关2。在已经在步骤S1中确定逆变器不再被馈送功率之后，则必须确保逆变器4的连接输入线路3的输入连接端是无电压的。
借助所示方法的后续步骤求取PV发电机1是否仍与逆变器连接，并且必要时放空输入电路装置41的电容器。
为此目的，在步骤S2中首先测量逆变器4的输入电压Ue和逆变器4的中间回路电容器43处的中间回路电压Uz。
在随后的步骤S3中，由在步骤S2中读取的值来确定上限电压值Umax，更确切地说，作为在如下情况下将会存在于中间回路电容器43上的电压：当输入电路装置41的电容器的全部电荷已经再充电为已经包含在中间回路电容器43中的电荷时，而没有电荷或电流另外地流出或流入。可以在知道输入电路装置41的和中间回路电容器43的电容器的电容并且知道在具有给定电容的电容器的电荷和电压之间的相互关系的情况下进行该计算。在该计算的范畴中，上限电压值Umax可以相对于计算值以正偏差增加——例如至多增加几十伏。这用于在接下来阐述的步骤S7中防止该方法的错误中止的可能性。
在下一步骤S4中，激活DC/DC转换器42，并且准备通过(Durchfanhren)逆变器的输入端处的电压的电压斜坡。电压斜坡具有负斜率——即朝向较低的输入电压延伸，直至目标值“0伏特”。在随后的步骤S5中通过(Durchlaufen)电压斜坡，其中，将DC/DC转换器42作为升压转换器如此运行，使得输入电路装置41的电容器的电荷被传输到中间回路电容器43中。相应地，如果输入电路装置41实际上与PV发电机1去耦，则输入电路装置41的电压将永久降低。
在随后的步骤S6中，再次(与步骤S2类似地)读取输入电压Ue和中间回路电压Uz。
在随后的步骤S7和其随后的步骤S8中，检查在步骤S6中测量的电压，更确切地说，其方式是：首先在步骤S7中检查中间回路电压Uz是否超过在步骤S3中计算的上限电压值Umax。
如果中间回路电压超过(情况S71)所计算的电压Umax，则该方法分支到步骤S9，在该步骤中停用DC/DC转换器42。达到或超过最大电压Umax表明PV发电机1没有与逆变器4去耦，因此将相比于可以由输入电路装置41存储的电荷更多的电荷已经传输到中间回路电容器43中。因此，在PV设备的该运行状态下不能够对输入电路装置41的电容器进行放电，因此在没有对电容器进行放电的情况下中止该方法。
在中止该方法之后，可以在一定的等待时间后再次开始该方法，以便必要时导致成功结束。这例如在如下情况下是所需的：在此期间将逆变器4与PV发电机1去耦。在等待时间期间，中间回路电容器43例如通过将由其存储的能量释放到逆变器4的车载网络中进行放电，该逆变器用于逆变器4的自身供电。所提及的等待时间可以是预给定的，或者也可以通过测量中间回路电压Uz来求取。然后，当中间回路电压Uz下降至或低于预给定的值时，再次开始该方法。
如果在步骤S7中没有发生情况S71——即在情况S72中，则在下一步骤S8中检查输入电压Ue是否已经下降到低于下限电压值Umin。将该下限电压值Umin选择得如此小，使得低于该下限电压值的电压可以被认为无危险。例如，该下限电压值位于小于30V的范围内。
如果尚未在输入连接端处达到该下限电压值Umin(情况S81)，则该方法分支回到步骤S5，即DC/DC转换器42继续将电荷从输入电路装置41的电容器传输到中间回路电容器43中，并且测量并再次比较输入电压Ue和中间回路电压Uz。通过在方法流程中如此形成的环路来(近似)永久地监测到中间回路电容器43中的电荷传输。
如果在步骤S8中确定输入电压Ue已经下降到下限电压值Umin以下(情况S82)，则也以步骤S9结束该方法。在这种情况下，已经通过该方法识别出PV发电机1不再与逆变器4连接，并且同时输入电路装置41的电容器已经被放电。
以类似的方式，图2中所示的方法可以用于使逆变器4的输出端处(即例如在输出线路5上)的电压达到或低于小于下限电压值Umin的非危险值。
这种方法的起始情况例如是，供电网络8中的交流电压消失——例如由于供电网络8中的一个或多个相的崩溃(Zusammenbruch)。逆变器4在识别到这种情况后停止馈送运行。但是，在通过AC隔离开关6将逆变器4与供电网络8分离之前，应确保输出连接端不再具有电压。可能是如下情况：输出电路装置45的电容器仍被充电，使得在逆变器4的输出端处存在可能危险的电压。逆变器4的输出端处的高电压也可能导致用电器的损坏，所述用电器例如在住宅至供电网络8的主保险装置被触发之后仍然与逆变器4连接。
然后，与前述方法中的步骤S2类似，测量输出电压Ua和中间回路电压Uz，并再次在考虑已知电容量的情况下根据步骤S3计算上限电压值Umax，该上限电压值在输出电路装置45的一个或多个电容器的全部电荷传输到中间回路电容器43中的情况下得出。
接下来，与步骤S4和S5类似，如此运行电桥装置44，使得从电桥装置44的输出端到输入端(即朝向中间回路)进行电荷和功率传输。与步骤S6类似，再次读取中间回路电压Uz和待放空的电容器的电压——在此是输出电路装置45的电容器的电压Ua。在随后的步骤中，类似于步骤S7地检查中间回路电容器43的电压是否超过所计算的上限电压值Umax(情况S71)。
如果识别出情况S71，则在下一步骤中类似于步骤S9地设置电桥装置44的运行，以便防止中间回路中的电压例如因为错误地探测到供电网络8中的网络故障而总是升高。以这种方式防止中间回路电容器43承受损害。
如果在步骤S7中未发生情况S71，则如此长时间地继续进行该方法(情况S72)，直到输出电路装置45中的电容器达到小于下限电压值Umin的电压为止(类似于步骤S8，情况S82)，则成功地结束该方法。在这种情况下，可以设置电桥装置44的节拍。接下来可以断开AC隔离开关6并将逆变器4与供电网络8分离。
附图标记
1 PV发电机
2 DC隔离开关
3 输入线路
4 逆变器
41 输入电路装置
42 DC/DC转换器
43 中间回路电容器
44 电桥装置
45 输出电路装置
46 控制装置
5 输出线路
6 AC隔离开关
7 变压器
8 供电网络
Ue 输入端处的连接端电压(输入电压)
Ua 输出端处的连接端电压(输出电压)
Uz 中间回路电压
S1-S9 方法步骤
S11，S12，S71，S72，S81，S82 情况

Claims (7)

1.一种用于使逆变器(4)的输入或输出电路装置(41，45)的电容器放电以将电流馈送到供电网络(8)中的方法，所述方法具有以下步骤：
-求取在所述输入或输出电路装置(41，45)的连接端处的连接端电压(Ue，Ua)；
-求取所述逆变器(4)的中间回路电容器(43)的中间回路电压(Uz)；
-根据所测量的连接端电压(Ue，Ua)和所测量的中间回路电压(Uz)来计算所述中间回路电容器(43)的上限电压值(Umax)，其中，所述上限电压值(Umax)是经计算的电压，所述经计算的电压在所述输入或输出电路装置(41，45)的所述电容器的全部电荷已经无损耗地传输到所述中间回路电容器(43)中的情况下得出；
-如此运行所述逆变器(4)的输入侧的DC/DC转换器(42)或输出侧的电桥装置(44)，使得将能量从所述输入或输出电路装置(41，
45)的所述电容器传输到所述中间回路电容器(43)中，其中，对所述中间回路电容器(43)处的电压进行监测；
-如果超过所述上限电压值(Umax)，则结束所述方法，否则
-继续将能量从所述输入或输出电路装置(41，45)的所述电容器传输到所述中间回路电容器(43)中，直到所述输入或输出电路装置(41，45)的所述电容器被放电直至下限电压值(Umin)或低于所述下限电压值。
2.根据权利要求1所述的方法，在所述方法中，附加地将正偏移电压值添加到所述经计算的电压中，以便确定所述上限电压值(Umax)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述输入或输出电路装置(41，45)的待放电的电容器是所述输入侧的DC/DC转换器(42)的能量存储器，其中，将用于使所述输入或输出电路装置(41，45)的电容器放电的所述DC/DC转换器(42)作为升压转换器运行。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述输入或输出电路装置(41，45)的待放电的电容器是输出侧的滤波元件，其中，将用于使所述输入或输出电路装置(41，45)的电容器放电的所述电桥装置(44)作为升压转换器运行。
5.根据权利要求1或2所述的方法，在所述方法中，所述下限电压值(Umin)相应于不危险的低电压。
6.根据权利要求1或2所述的方法，在所述方法中，当由于超过所述上限电压值(Umax)而结束所述方法时，输出信号。
7.一种逆变器(4)，所述逆变器具有输入侧的DC/DC转换器(42)、中间回路、输出侧的电桥装置(44)以及控制装置(46)，所述中间回路具有中间回路电容器(43)，所述控制装置用于操控所述DC/DC转换器(42)的和/或所述电桥装置(44)的半导体开关元件，其特征在于，所述控制装置(46)设置用于执行根据权利要求1至6中任一项所述的方法。
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