CN116057823A - 用于自测试具有lc滤波器的三电平anpc逆变器的相的方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于测试具有电桥的逆变器的方法，所述电桥包括：第一开关(T1)，所述第一开关布置在带有中点(M)的分开的中间电路的正连接端(DC+)和正的内部连接端(PI)之间；第二开关(T2)，所述第二开关布置在所述正的内部连接端(PI)和电桥输出端(BR)之间；第三开关(T3)，所述第三开关布置在所述电桥输出端(BR)和负的内部连接端(NI)之间；第四开关(T4)，所述第四开关布置在所述负的内部连接端(NI)和所述分开的中间电路的负连接端(DC‑)之间；第五开关(T5)，所述第五开关布置在所述中点(M)和所述正的内部连接端(PI)之间；以及第六开关(T6)，所述第六开关布置在所述中点(M)和所述负的内部连接端(NI)之间。带有滤波扼流圈(LF)和滤波电容器(CF)的网络滤波器连接在所述电桥输出端(BR)上。所述方法包括：将中间电路电压施加到所述分开的中间电路上，而所述电桥输出端(BR)与连接的网络滤波器由所述连接的网络分离；使所述滤波电容器(CF)完全放电；将所述第一开关(T1)和所述第六开关(T6)闭合，而所述第四开关(T4)和所述第五开关(T5)是断开的；随后以多个短脉冲对所述第二开关(T2)进行时钟控制，其中，将所述短脉冲的占空比预给定在1％与5％之间；在所述时钟控制之后，确定所述滤波电容器(CF)上下降的电压；如果下降的电压位于带有窗口上限和窗口下限的电压窗口之外，则确定所述电桥的故障状态。此外公开了一种逆变器，所述逆变器具有控制装置，所述控制装置设计和设置用于，实施根据前述权利要求中任一项所述的方法并且仅当未确定出故障状态时才将所述逆变器与连接的网络连接。

Description

用于自测试具有LC滤波器的三电平ANPC逆变器的相的方法

技术领域

本发明涉及一种用于测试逆变器的方法。此外，本申请涉及一种逆变器，该逆变器设置用于实施该测试方法。

背景技术

此外，逆变器用于将由太阳能发电机产生的直流电流功率转换为交流电流功率，以便将其馈入交流电流网络中。为此，一个逆变器具有一个或多个电桥，所述电桥就其而言包括多个半导体开关。通过对开关进行时钟控制(Taktung)，施加在直流电连接端上的电位被交替地施加在电桥输出端上。电桥输出端通过网络滤波器连接至交流电压网络的一相。对于电桥而言存在不同的拓扑结构，其中，区分单电平拓扑结构(Einlevel-Topologien)和多电平拓扑结构(Mehrlevel-Topologien)，所述单电平拓扑结构仅交替地将正电位或负电位施加在电桥输出端上，所述多电平拓扑结构将通常由分开的(geteilte)中间电路产生的其他中间电位施加在电桥输出端上。这种多电平拓扑结构的一个实施方式被称为ANPC(Active Neutral Point Clamped，有源中性点箝制)拓扑结构，并且包括六个开关，利用所述六个开关可以根据开关配置将正电位、负电位和分开的中间电路的中点电位施加在电桥输出端上。在此，ANPC拓扑结构是一种特别有效率的电桥拓扑结构。

出于效率和成本原因，在这种拓扑结构中使用了半导体开关，其最高的允许的阻断电压小于施加在直流电流连接端上的输入电压。因此，该拓扑结构仅以如下开关配置运行：在所述开关配置中，全部的输入电压不会在所述开关中的任何一个开关上下降。一个已知的缺点是，在电桥的开关之一发生故障的情况下，尤其是在电桥开关之一持久导通的情况下，实际上存在如下的允许的开关配置：在所述开关配置中，由于一个开关发生故障，全部的输入电压仍然施加在一个仍然功能正常的开关上。由此产生电桥内的间接损害

所述间接损害导致逆变器的其他电桥开关和其他部件的破坏。

因此，本发明的任务是提供一种方法，以所述方法可以在逆变器投入运行之前检查是否存在电桥开关的故障，而不危及其他电桥开关或其他逆变器部件。

发明内容

该任务由具有权利要求1的特征的方法以及由具有权利要求11的特征的逆变器来解决。本发明的优选实施方式在从属权利要求中描述。

根据本发明的方法基于一种逆变器，在所述逆变器中，电桥具有：第一开关，所述第一开关布置在具有中点的分开的中间电路的正连接端和正的内部连接端之间；第二开关，所述第二开关布置在所述正的内部连接端和电桥输出端之间；第三开关，所述第三开关布置在所述电桥输出端和负的内部连接端之间；第四开关，所述第四开关布置在所述负的内部连接端和所述分开的中间电路的负连接端之间。此外，所述电桥具有第五开关，所述第五开关布置在所述中点和所述正的内部连接端之间，以及具有第六开关，所述第六开关布置在所述中点和所述负的内部连接端之间，其中，带有滤波扼流圈和滤波电容器的网络滤波器连接在所述电桥输出端上。所述滤波电容器可以以一个连接端与所述中间电路的中点连接。为了测试具有这种电桥的逆变器，根据本发明的方法包括以下步骤：

-将中间电路电压施加到所述分开的中间电路上，而所述电桥输出端与连接的网络滤波器从所述连接的网络分离；

-使所述滤波电容器完全放电；

-将所述第一开关和所述第六开关闭合，而所述第四开关和所述第五开关是断开的；

-随后以多个短脉冲对所述第二开关进行时钟控制，其中，将所述短脉冲的占空比预给定在1％与5％之间；

-在所述时钟控制之后，确定在所述滤波电容器上下降的电压；

-如果下降的电压位于具有窗口上限和窗口下限的电压窗口之外，则确定所述电桥的故障状态。在完全功能的电桥开关中，通过多个短脉冲将滤波电容器充电到如下电压：该电压为中间电路电压的由短脉冲的占空比确定的一小部分。同时，通过这种类型的时钟控制确保：即使在开关有故障的情况下，全部的中间电路电压也不会至少在这样长的持续时间内施加在其余开关中的任何一个开关上，使得这导致相关的开关的破坏。由此，所述测试可以在不对电桥造成间接损害的情况下执行。即使在第六开关由于故障被持久地阻断、由此在第二开关断开时整个中间电路电压下降在第二开关上的情况下，该持续时间也由于占空比低而如此短，使得第二开关仍然受到保护。如果电桥开关中的一个电桥开关是有故障的，使得滤波电容器的充电由于该故障而不发生或以改变的形式发生，则这可以随后基于在滤波电容上达到的电压求取出。在这种情况下，识别出故障状态，并且逆变器相应地对此作出反应，例如其方式是，阻止投入运行或选择电桥开关的如下类型的操控：尽管已确定故障，该类型的操控仍然是允许的并且不会危及其他部件。逆变器通常已经具有用于确定滤波电容器上的电压的装置作为其调节的一部分。

优选地，通过以下步骤来对所述方法进行补充：

-将所述滤波电容器完全放电；

-将所述第四开关和所述第五开关闭合，而所述第一开关和所述第六开关是断开的；

-以多个短脉冲对所述第三开关进行时钟控制，其中，所述短脉冲的占空比在1％与5％之间；

-在所述时钟控制之后，确定在所述滤波电容器上下降的另一电压；

-如果所述下降的另一电压位于所述电压窗口之外，则确定所述电桥的故障状态。

这些补充性的步骤相应于通过时钟控制地施加负的中间电路电压代替正的中间电路电压来重复前述方法步骤。通过这些步骤，识别出潜在的其他开关故障。

在一个有利的变型方案中，第二开关的时钟控制以第三开关的互补时钟控制执行，或者第三开关的时钟控制以第二开关的互补时钟控制执行。但是，替代于此地，第三开关也可以在第二开关的时钟控制期间保持断开，或者第二开关可以在第三开关的时钟控制期间保持断开。在这种情况下，第二开关或第三开关的时钟控制可以分别以预给定的数量的短脉冲执行。

在根据本发明的测试方法的一个优选变型方案中，在对第二开关进行时钟控制之前，检查负的内部连接端上的电位和中点上的电位是否一致，或者，在对第三开关进行时钟控制之前，检查正的内部连接端上的电位和中点上的电位是否一致，其中，在不一致的情况下分别确定电桥的故障状态。

如果逆变器具有多个桥，则优选在所述电桥中的每个电桥上彼此相继地实施根据本发明的方法，以便排除故障状态。仅当所有的电桥及其开关无故障地起作用时，逆变器的按照规定的运行才会被启用(freigegeben)。

通过同时闭合第五开关和第二开关或通过闭合第六开关和第三开关，可以实现如下滤波电容器的放电：该滤波电容器以一个连接端连接到中间电路的中点。替代地，也可以通过同时闭合第五开关和第六开关对如下滤波电容器进行放电：该滤波电容器以一连接端连接到中间电路的中点。

在另一方面中，本发明涉及一种具有电桥的逆变器，所述电桥包括：第一开关，所述第一开关布置在带有中点的分开的中间电路的正连接端和正的内部连接端之间；第二开关，所述第二开关布置在所述正的内部连接端和电桥输出端之间；第三开关，所述第三开关布置在所述电桥输出端和负的内部连接端之间；第四开关，所述第四开关布置在所述负的内部连接端和所述分开的中间电路的负连接端之间；第五开关，所述第五开关布置在所述中点和所述正的内部连接端之间；以及第六开关，所述第六开关布置在所述中点和所述负的内部连接端之间，其中，带有滤波扼流圈和滤波电容器的网络滤波器连接在所述电桥输出端上。所述逆变器具有控制装置，所述控制装置设计和设置用于实施前述方法，并且仅当确定没有故障状态时才将所述逆变器与连接的网络连接。

在此，所述逆变器可以具有多个电桥。在这种情况下，所述控制装置设计并设置用于，针对所述多个电桥中的每个电桥彼此相继地实施所述方法，并且仅当确定没有故障状态时才将所述逆变器与所述网络连接。

附图说明

下面借助于附图来示出本发明。在此示出：

图1用于对滤波电容器进行放电的电桥的第一开关配置，

图2用于对滤波电容器进行互补时钟控制地充电的电桥的第二开关配置，

图3用于对滤波电容器进行互补时钟控制地充电的时钟控制方案的示图，

图4用于对滤波电容器进行简单时钟控制地充电的电桥的第三开关配置，

图5用于对滤波电容器进行互补时钟控制地充电的电桥的第四开关配置，以及

图6根据本发明的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出ANPC电桥的一种开关配置，如其用于在电桥的输出端上对滤波电容器CF进行放电的那样。ANPC电桥在输入端侧与分开的中间电路连接，该中间电路具有与正连接端DC+连接的第一中间电路电容器C1和与负连接端DC-连接的第二中间电路电容器C2，所述第一中间电路电容器和所述第二中间电路电容器通过中点M相互串联连接。在正连接端DC+和负连接端DC-之间布置有由带有反向并联的续流二极管D1的第一开关T1、带有反向并联的续流二极管D2的第二开关T2、带有反向并联的续流二极管D3的第三开关T3和带有反向并联的续流二极管D4的第四开关T4组成的串联电路。第一开关T1和第四开关T4实施为IGBT晶体管，而第二开关T2和第三开关T3实施为MOSFET晶体管。中点M通过第五开关T5与第一开关T1和第二开关T2之间的正的内部连接端PI连接。此外，中点M通过第六开关T6与第三开关T3和第四开关T4之间的负的内部连接端NI连接。第五开关T5和第六开关T6同样实施为IGBT晶体管。带有滤波扼流圈LF和滤波电容器CF的输出滤波器连接至布置在第二开关T2和第三开关T3之间的电桥输出端BR，以在交流电压输出端AC处提供经滤波的输出电压。

为了对滤波电容器CF进行放电，将第三晶体管T3和第六晶体管T6切换为导通，而将电桥的所有其余晶体管切换为阻断。由此，通过滤波扼流圈LF将滤波电容器CF短路。作为第三开关T3和第六开关T6的替代，滤波电容器CF也可以通过第二开关T2和第五开关T5、或通过第五开关T5和第六开关T6来放电。完全放电、即放电到电压为零在此也包括放电到可能仍然存在的可忽略不计的剩余电压。

图2示出电桥的第二开关配置，其用于将滤波电容器CF互补时钟控制地充电到检查电压。在此，第一开关T1和第六开关T6被切换为导通，而第五开关T5和第四开关T4被切换为阻断。第二开关T2现在高频率地以短脉冲进行时钟控制，其占空比处在1％与5％之间。第三开关T3以与第二开关T2互补的方式进行时钟控制。以这种方式，在第二开关T2的导通阶段期间，滤波电容器CF通过第一中间电路电容器C1和滤波扼流圈LF充电，并在第三开关T3的导通阶段期间再次部分放电。作为这个时钟控制的结果，在时间平均中，在滤波电容器CF上施加有直流电压，该直流电压相当于第一中间电路电容器C1上的电压与占空比的乘积。在第二开关T2和第三开关T3的时钟控制结束后，检查滤波电容器CF的电压是否位于由上述关系确定的电压窗口中。如果不是这种情况，则可以断定电桥的开关之一是有故障的并确定电桥的故障状态。

在图3中更详细地说明了所述电桥的互补时钟控制的时钟控制方案。在此，在最上面的子图中，第一开关T1的开关状态、在其下方第二开关T2的开关状态、在其下方第三开关T3的开关状态以及在其下方第六开关T6的开关状态示出为作为横坐标的时间t的函数。对于阻断的开关状态，纵坐标的数值为0，并且对于导通的开关状态，纵坐标的数值为1。

在图3的最下方的子图中绘制了滤波电容器CF上的电压U的时间变化过程。在放电阶段EP结束后，其中滤波电容器CF上的电压为零，接着进行充电阶段LP，其具有以短脉冲进行时钟控制的第二开关T2和以互补方式进行时钟控制的第三开关T3。在这个阶段中，电压U渐进地接近最终值，在接下来的检查阶段PP中，将所述最终值与具有窗口上限和窗口下限的允许电压窗口进行比较，以便验证开关的无故障功能。

在图4中所示的替代的开关配置与在图2中所示的用于对滤波电容器CF进行充电的开关配置的不同之处在于，现在第三开关T3不是以互补时钟控制的方式切换，而是以阻断的方式切换。由此防止了滤波电容器CF在第二开关T2的短脉冲之间放电，使得通过滤波扼流圈LF的电流在该时间内仅通过由第三开关T3、第六开关T6和滤波电容器CF形成的续流路径(Freilaufpfad)被消耗。由此，滤波电容器上的电压在每个短脉冲中逐步地形成，使得在电桥开关以该开关配置的测试方法中，在确定滤波电容器CF的电压用以测试电桥开关状态之前，在短脉冲的预给定的数量之后或在预给定的充电时间之后结束用于滤波电容器CF的充电阶段。

在图5中所示的替代的开关配置与在图2中所示的用于对滤波电容器CF进行充电的开关配置的不同之处在于，在此，滤波电容器CF通过第二中间电路电容器C2以相反的极性进行充电。这种开关配置可以作为在图2中所示的开关配置的替代或优选作为其补充在测试方法的框架内使用，因为在此电桥的其他开关可以在其功能性方面进行检查。在此，第四开关T4和第五开关T5被切换为导通，而第六开关T6和第一开关T1被切换为阻断。第三开关T3现在高频率地以短脉冲进行时钟控制，其占空比在1％与5％之间。第二开关T2以与第三开关T3互补的方式进行时钟控制。当然，在此也可设想，如上所述通过以下方式修改开关配置：第二开关T2不是以互补的方式进行时钟控制，而是以阻断的方式进行切换。

最后，在图6中示出根据本发明的用于测试具有电桥的逆变器的方法的流程图。在第一步骤S1中，例如通过将DC源与逆变器的直流电压连接端DC+、DC-连接的方式，将中间电路电压施加到逆变器的分开的中间电路上。在此，带有连接的网络滤波器的电桥输出端仍然与交流电压网络分离。在第二步骤S2中，将网络滤波器的滤波电容器完全放电。放电是通过在如下开关配置中运行电桥实现的：在该开关配置中，形成从分开的中间电路的中点到电桥输出端BR的导通路径。第一步骤S1和第二步骤S2的执行的顺序是任意的。

在随后的第三步骤S3中，将第一开关T1和第六开关T6闭合，而第四开关T4和第五开关T5是断开的。由此将正的中间电路电位施加在电桥的正的内部连接端PI上，并且将中点电位施加在负的内部连接端NI上。在第四步骤S4中，随后以多个短脉冲对第二开关T2进行时钟控制，其中，将短脉冲的占空比预给定在1％与5％之间。

在最后的第五步骤S5中，在时钟控制之后，确定在滤波电容器上下降的电压，其中，如果下降的电压位于具有窗口上限和窗口下限的电压窗口之外，则确定电桥的故障状态。

如果逆变器具有多个电桥，例如针对连接的交流电压网络的每相具有一个电桥，或者也具有多个电桥，所述电桥通过单独的网络滤波器或也通过共同的网络滤波器连接至交流电压网络的一相，则可以针对所述电桥中的每个电桥彼此相继地执行该方法。该方法可以由针对逆变器的电桥或其他部件的其他故障型样(Fehlerbilder)的其他测试例程来补充。该方法也可以多次实施，以便验证所确定的故障状态。

如果通过该方法确定电桥中的故障状态，则可以以不同的方式对此作出反应。例如，可以阻止逆变器与交流电压网络的连接，可以在相关的电桥停用的情况下运行逆变器，或者可以针对相关的电桥选择如下操控：在所述操控中，该电桥可以有限制地运行。故障状态还可以被传达给上级控制机构。

附图标记列表

DC+、DC-  连接端

C1、C2    中间电路电容器

M        中点

T1-T6    开关

D1-D6    二极管

BR       电桥输出端

PI、NI    内部连接端

LF       滤波扼流圈

CF       滤波电容器

AC       交流电压输出端

S1-S5    步骤

LP       充电阶段

EP       放电阶段

PP       检查阶段

Claims (12)

1.一种用于测试具有电桥的逆变器的方法，所述电桥包括：

-第一开关(T1)，所述第一开关布置在分开的中间电路的正连接端(DC+)和正的内部连接端(PI)之间，所述分开的中间电路具有中点(M)；

-第二开关(T2)，所述第二开关布置在所述正的内部连接端(PI)和电桥输出端(BR)之间；

-第三开关(T3)，所述第三开关布置在所述电桥输出端(BR)和负的内部连接端(NI)之间；

-第四开关(T4)，所述第四开关布置在所述负的内部连接端(NI)和所述分开的中间电路的负连接端(DC-)之间；

-第五开关(T5)，所述第五开关布置在所述中点(M)和所述正的内部连接端(PI)之间；以及

-第六开关(T6)，所述第六开关布置在所述中点(M)和所述负的内部连接端(NI)之间；

其中，在所述电桥输出端(BR)上连接有网络滤波器，所述网络滤波器具有滤波扼流圈(LF)和滤波电容器(CF)，

其中，所述方法包括以下步骤：

-将中间电路电压施加到所述分开的中间电路上，而所述电桥输出端(BR)与连接的网络滤波器从所连接的网络分离；

-使所述滤波电容器(CF)完全放电；

-将所述第一开关(T1)和所述第六开关(T6)闭合，而所述第四开关(T4)和所述第五开关(T5)是断开的；

-接下来以多个短脉冲对所述第二开关(T2)进行时钟控制，其中，将所述短脉冲的占空比预给定在1％与5％之间；

-在所述时钟控制之后，确定在所述滤波电容器(CF)上下降的电压；

-如果所述下降的电压位于具有窗口上限和窗口下限的电压窗口之外，则确定所述电桥的故障状态。

2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括以下步骤：

-将所述滤波电容器(CF)完全放电；

-将所述第四开关(T4)和所述第五开关(T5)闭合，而所述第一开关(T1)和所述第六开关(T6)是断开的；

-以多个短脉冲对所述第三开关(T3)进行时钟控制，其中，所述短脉冲的占空比处在1％与5％之间；

-在所述时钟控制之后，确定在所述滤波电容器(CF)上下降的另一电压；

-如果所述下降的另一电压位于所述电压窗口之外，则确定所述电桥的故障状态。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述第二开关(T2)的时钟控制期间，所述第三开关(T3)保持断开，其中，以预给定的数量的短脉冲来执行所述第二开关(T2)的时钟控制。

4.根据权利要求2或3的方法，其中，在所述第三开关(T3)的时钟控制期间，所述第二开关(T2)保持断开，其中，以预给定的数量的短脉冲来执行所述第三开关(T3)的时钟控制。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在对所述第二开关(T2)进行时钟控制之前，检查所述负的内部连接端(NI)上的电位和所述中点(M)上的电位是否一致，其中，在不一致的情况下确定所述电桥的故障状态。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的方法，其中，在对所述第三开关(T3)进行时钟控制之前，检查所述正的内部连接端(PI)上的电位和所述中点(M)上的电位是否一致，其中，在不一致的情况下确定所述电桥的故障状态。

7.根据权利要求1、2、4至6中任一项所述的方法，其中，以所述第三开关(T3)的互补的时钟控制执行所述第二开关(T2)的时钟控制。

8.根据权利要求2、3、5至7中任一项所述的方法，其中，以所述第二开关(T2)的互补的时钟控制执行所述第三开关(T3)的时钟控制。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述逆变器具有多个电桥，其中，在所述电桥中的每个电桥上彼此相继地实施所述方法。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过同时闭合所述第五开关(T5)和所述第二开关(T2)，或通过闭合所述第六开关(T6)和所述第三开关(T3)，或通过闭合所述第五开关(T5)和所述第六开关(T6)实现所述滤波电容器(CF)的放电。

11.一种具有电桥的逆变器，所述电桥包括：

-第一开关(T1)，所述第一开关布置在分开的中间电路的正连接端(DC+)和正的内部连接端(PI)之间，所述分开的中间电路具有中点(M)；

-第二开关(T2)，所述第二开关布置在所述正的内部连接端(PI)和电桥输出端(BR)之间；

-第三开关(T3)，所述第三开关布置在所述电桥输出端(BR)和负的内部连接端(NI)之间；

-第四开关(T4)，所述第四开关布置在所述负的内部连接端(NI)和所述分开的中间电路的负连接端(DC-)之间；

-第五开关(T5)，所述第五开关布置在所述中点(M)和所述正的内部连接端(PI)之间；以及

-第六开关(T6)，所述第六开关布置在所述中点(M)和所述负的内部连接端(NI)之间；

其中，在所述电桥输出端(BR)上连接有网络滤波器，所述网络滤波器具有滤波扼流圈(LF)和滤波电容器(CF)，

其特征在于，

所述逆变器具有控制装置，所述控制装置设计和设置用于，实施根据前述权利要求中任一项所述的方法，并且仅当确定没有故障状态时才将所述逆变器与连接的网络连接。

12.根据权利要求11所述的逆变器，其中，所述逆变器具有多个电桥，其中，所述控制装置设计并设置用于，针对所述多个电桥中的每个电桥彼此相继地实施所述方法，并且仅当确定没有故障状态时才将所述逆变器与所述网络连接。

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