JP2010213565A - 三相グリッドへ電力を供給するための電力発生システム及びインバータ - Google Patents

三相グリッドへ電力を供給するための電力発生システム及びインバータ Download PDF

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Abstract

【課題】低コストで小型化が可能な三相グリッドと連繋するリレー装置を有する電力発生システムを提供する。
【解決手段】手段発生装置から三相グリッドへ3つのAC端子を介して電力を供給するための電力発生システムを開示する。このシステムは、少なくとも3つのリレーを有し、グリッドからシステムを切断するためのリレー装置を備えている。3つのリレーの各々は、制御コイル及び対応する制御コイルにより作動される2つの開閉接点を備えている。各AC端子は、第1の開閉接点及び第2の開閉接点を介してグリッドへ接続され、第1の開閉接点及び第2の開閉接点は、リレーのうちの異なる1つに割り当てられる。さらに、リレー装置及び当該リレー装置を有するインバータを開示する。
【選択図】図2

Description

関連出願への相互参照
[0001]本願は、2009年3月9日に出願された欧州特許出願EP09003353.1の優先権を主張しており、この欧州特許出願の開示内容を、その全体を参照することにより、本明細書に援用する。
[0002]本発明は、電力発生システムに関するものであり、当該システムを三相グリッドから切断するためのリレー装置を有する電力発生システムに関するものである。また、本発明は、電力を三相グリッドへ与えるためのインバータ及び対応するリレー装置に関するものである。
[0003]電力発生システムは、電力をグリッドへ与えるのに使用される。これら電力発生システムの重要性は、大電力プラントを運転するための天然資源が制限され、より高価なものとなるにつれて、増してくる。このようなシステムの1つの例は、インバータであり、直流を交流へと変換するのに使用され、典型的には、DC−ACコンバータとして機能する半導体ブリッジ回路を備える。
[0004]直流電流は、例えば、電池のような任意のDC源から生じ得る。DC源は、エネルギーをグリッドへと供給するのに使用される光起電発生器であることもある。
[0005]比較的に小さな表面上への設置を目的とした光起電インバータは、設置中における工具の必要性を最少とするため、できるだけコンパクトで、取扱いが容易で且つ軽量であるべきである。このようなインバータの重量及び寸法は、1人か2人の人が主として自力でそれら搬送し、設置することができるようなものでなければならない。
[0006]必要な電子構成部品、半導体、フィルタチョーク、キャパシタ及び同様の素子は、ハウジング内に収容される。装置の許容出力電力を増大すると、それら個々の構成部品分の寸法が増大してしまう結果となる。従って、装置又はそのハウジングは、コンパクトとすべき場合には、できるだけ密集させて実装しなければならない。
[0007]グリッド並列給電のための承認を受けるためには、その適用し得る標準及び規則(例えば、DIN V VDE V0126−1−1)によって、電力発生システムは、自動スイッチング回路を介してグリッドに接続されることが必要となる。この装置の主たる目的は、しばしば単独運転防止と称されるようなサブグリッド又は独立グリッドへの意図しない給電を防止し、従って、保護機能を果たすことである。
[0008]付加的なハウジング又は付加的な設置補助器具の必要性を排除するために、スイッチング回路は、既存のインバータハウジングへと一体化され得る。しかしながら、そうすると、ハウジングのサイズが増大してしまう。
[0009]前述した標準によれば、このスイッチング回路は、2つの直列に接続され且つ個々に作動されるスイッチを介して各活性導体に対する進行中の給電を中断させることができるものであることも必要とされている。このような切断は、単一のエラーの場合においても安全機能を保証するような方法でされねばならない。
[0010]このような仕様を満足するための通常の実施は、10kW以上までの中間電力範囲に対して十分なスイッチング容量を有する単極リレーを使用することである。このリレーは、通常、独立のコントローラ及び対応する監視装置を備える。
[0011]三極リレー又は接触器は、より高い電力範囲に対してしか使用できず、PCBリレーより相当に大きな設置スペースを必要とする。その上、これらの組立は、労力を必要とするものであり、エラーを生じ易いものであり、又、大バッチ生産には適したものではない。従って、標準準拠の解決法では、6つの単極リレーを使用することが必要となり、これでは、コストが掛かるばかりでなく、設置スペースも必要となってしまう。
[0012]発生装置から三相グリッドへ3つのAC端子を介して電力を供給するための電力発生システムを提供する。このシステムは、グリッドからインバータを切断するためのリレー装置を備えており、当該リレー装置は、少なくとも3つのリレーを備え、当該3つのリレーの各々には、制御コイル及び当該制御コイルにより作動される2つの開閉接点が設けられている。当該システムの各AC端子は、第1の開閉接点及び第2の開閉接点を介してグリッドへ接続される。第1の開閉接点及び第2の開閉接点は、リレーのうちの異なる1つに割り当てられる。
[0013]本システムは、光起電インバータ、特に、トランスレス型の光起電インバータのようなインバータであってもよい。リレー装置は、システムのハウジングへ一体化されていてもよく、システムの回路板上に配置され、従って、コンパクトシステム設計とすることができる。
[0014]本発明の別の態様では、DC電力を3つのAC端子を介して三相グリッドへ与えられるAC電力へと変換するためのインバータを提供する。このインバータは、当該インバータをグリッドから切断するためのリレー装置を備えており、当該リレー装置は、少なくとも3つのリレーを備える。3つのリレーの各々は、制御コイル及び対応する制御コイルによって作動される2つの開閉接点を備える。各AC端子は、第1の開閉接点及び第2の開閉接点を介してグリッドへ接続される。第1の開閉接点及び第2の開閉接点は、リレーのうちの異なる1つに割り当てられている。
[0015]更に別の態様では、3つの活性導体を有する三相グリッドからインバータを切断するためのリレー装置を提供する。このリレー装置は、少なくとも3つのリレーを備え、3つのリレーの各々は、制御コイル及び対応する制御コイルによって作動される2つの開閉接点を備える。各開閉接点は、リレーのうちの異なる1つに割り当てられた別の開閉接点に接続される。
[0016]添付の図面は、本発明のより詳細な説明を与えるものであり、特定の実施形態を例示しようとするものである。これらは、本発明の範囲を限定しようとしているものではない。
電力発生システムの概略図である。 インバータをグリッドから切断するためのリレー装置を有するインバータを示す図である。 三相グリッドリレー装置のための安全概念を示す図である。
詳細な説明
[0020]図1は、電力発生システムを概略的に示示している。この電力発生システムは、発生装置10を備えており、この発生装置10は、電気エネルギーを発生して、そのエネルギーを変換装置11へと与える。発生装置10は、光起電発生器、燃料電池、風力発電機又は当業分野において知られた任意の他の発電システムであってもよい。変換装置11は、エネルギーを発生装置10から受け取り、当該エネルギーを、グリッド14へ供給することのできるような形態へと変換する。グリッド14が図示したような三相ACグリッドである場合には、変換装置は、3つのAC端子12a、12b、12cを備える。電力発生システムに適用し得るある標準によれば、システムは、グリッド又は当該システムが故障する場合には、例えば、単独運転状態においては、グリッドから自動的に切断されることが必要とされるので、リレー装置13を使用して、AC端子12a、12b、12cをグリッド14へ接続する。このリレー装置の更なる詳細については、変換装置11を構成するインバータに関して図2及び図3に例示する。リレー装置13は、自動接続及び切断の観点から前述した機能を提供し、公衆グリッドへ電力を供給するための標準を満足する。以下の説明では、リレー装置を介してグリッドへ接続されるインバータを、電力発生システムの構成要素の例として使用する。しかしながら、以下に説明する詳細は、一般的には電力発生システムにおいて、それに従って使用することができる。
[0021]図2は、インバータ1を示しており、当該インバータ1は、発生器端子PV+、PV−の間に与えられるDC電圧、例えば、光起電発生器によって与えられるDC電圧をグリッド周波数を有する三相AC電圧へと変換するための変換回路を有する電力発生システムの一部を構成し得る。このインバータ1は、6つの半導体スイッチ及び並列の環流ダイオードを有するフルブリッジ回路2を備えており、これら半導体スイッチ及び環流ダイオードは、DC/ACコンバータを構成する。発生器端子PV+及びPV−とフルブリッジ回路2との間には、緩衝キャパシタC1及びオプションの昇圧コンバータ3が存在しており、当該昇圧コンバータ3は、チョークLH、スイッチTH及びダイオードDHを備えている。この場合には、2つのDCリンクキャパシタC2、C3が、昇圧コンバータ3とフルブリッジ回路2との間に直列に設けられている。キャパシタC2及びC3は、同一の容量であってもよい。キャパシタC2及びC3の接続点は、電圧VR1、VR2、VR3のための電圧タップを構成する。これら電圧VR1、VR2、VR3は、フルブリッジ回路2と活性導体L1、L2、L3により表されたグリッドNEとの間に配置されるリレー装置4の機能を監視するために測定される。この場合には、この接続点を使用して、基準電圧点を画定する。リレー装置4とフルブリッジ回路2との間には、3つのフィルタチョークLNを備えるフィルタが存在し得る。リレー装置4は、所定の条件の下で、グリッドNEの活性導体L1、L2、L3から光起電インバータ1を切断するよう機能する。グリッドNEには、中性導体Nが設けられており、活性導体L1、L2、L3の導体電圧VL1、VL2、VL3が、リレー装置4の機能監視の付加的手段として、中性導体Nに対して測定される。
[0022]図2から分かるように、各活性導体L1、L2、L3は、1対の開閉接点を介してAC端子の1つへと配線(ルーティング)される(例えば、L1は、K1a及びK3bを通して配線され)、各対の接点は、2つの異なるリレーR1、R2、R3に割り当てられている。
[0023]活性導体L1、L2、L3の交互配線スキームをもつ特定のリレー装置を、図3に示す。この実施形態におけるリレー装置4は、3つの二極リレーR1、R2、R3を備えている。各リレーR1、R2、R3は、対応する制御コイルSp1、Sp2、Sp3を有しており、開閉接点のうちの2つ、K1a、K1b;K2a、K2b;K3a、K3bは、それぞれ、各制御コイルSp1、Sp2、Sp3及びリレーR1、R2、R3に割り当てられる。リレーR1、R2、R3は、常時開のNO開閉接点を備えことが好ましい。
[0024]リレーR1、R2、R3は、インバータのハウジング(図示せず)へ一体化することができる。この場合、これらリレーは、インバータの回路板上に、例えば、PCBリレーとして配置することができ、こうすることにより、安価で軽量で且つコンパクトなインバータ設計とすることができ、例えば、6つの単極リレーを使用するのに比べて、スペースを節約することができるようになる。これらリレーは、インバータの寸法の最小限の変更でもって、又はインバータの寸法を全く変更せずに、ハウジングへ一体化することさえできる。その場合に限らないのであるが、特に、無変換器型インバータの場合においては、インバータハウジングを、非常にコンパクトな寸法とすることができ、従って、建物内へのインバータの一体化を、融通性をもって行うことが可能となる。
[0025]対応するリレーの1つの接点は、他の2つのリレーのうちの1つのリレー接点に直列に接続される。例えば、図3に示すように、リレーR1の開閉接点K1aは、リレーR2の開閉接点K2bに接続され、活性導体L1が、2つの別々のリレーR1、R2の2つの開閉接点K1a及びK2bを介して光起電インバータ1の端子L1_WRに接続されるようになっている。図示するように、他のインバータ端子もまた、異なるリレーの2つの開閉接点を通して配線され、リレーの巡回置換により、対応する2つの開閉接点が作動させられることになる。その結果、2つの独立して作動される開閉接点が、各活性導体L1、L2及びL3に対して常に存在することになる。
[0026]全てのリレーコイルSP1−SP3が作動されており、例えば、第1のリレーR1の第1の接点K1aが密着させられている場合には、依然としてガルバニック絶縁が存在する。何故ならば、接点K2bがその直列接続の結果として絶縁を生じさせるからである。接点K1aが接点K1aの密着接続のために開かれないとしても、開いた接点K2bにより、必要な絶縁が可能となる。
[0027]光起電インバータ1の対応する端子L1_WR、L2_WR、L3_WRに活性導体L1、L2、L3を配線する他の方法も可能である。しかしながら、同じリレーの2つの開閉接点を通しての配線は好ましくない。何故ならば、このような構成では、標準に従えないからである。結果として、各インバータ端子は、リレーR1、R2、R3のうちのどの単一リレーが故障するとしても、対応する活性導体から切断され得る。リレーR1、R2、R3のうちの任意の2つのものが故障するというまれにしか起こらない場合においてでも、その対応する活性導体に接続されたままのインバータ端子は1つのみであり、他の2つの端子は切断されている。
[0028]図3に示すように、リレーコイルSp1−Sp3は、リレードライバRTを介して対応するANDゲートG1、G2、G3の出力に接続されている。ANDゲートG1、G2、G3の入力のうちの1つは、セット信号S1、S2、S3を搬送するケーブルを介してリレーR1、R2、R3のための制御装置BFSに接続されている。ANDゲートG1、G2、G3の他方の入力は、監視構成(ウオッチドッグコンフィギュレーション)Wからの安全信号SBを介して作動される。監視構成Wは、ケーブル5を介して制御装置BFSへ接続されており、このケーブル5は、両装置の間にテスト信号を送ることができるものである。リレードライバは、ケーブル6を介して制御装置BFSにも接続されており、ケーブル6は、リレーテスト信号RTSを送ることができるものである。
[0029]リレードライバRTにおいて、制御コイルSP1、SP2、SP3に対するリレー制御信号は、如何なる接点の分離も阻止するため、短時間の間のみRTSテスト信号により中断される。この時間中に、このテスト信号RTSに対する制御コイルSP1、SP2、SP3の応答が、制御装置BFSによって評価される。これにより、インバータ及びフルブリッジ回路2をグリッドNEから切断する必要なしに、リレードライバRT及び制御コイルSP1、SP2、SP3をチェックすることが可能とされる。
[0030]電圧VR1−VR3及びVL1−VL3の測定値は、リレー装置4の機能を付加的にチェックするのに使用される。
[0031]リレー装置4のための可能な監視スキームとしては、次のようなテストがある。制御装置BFSが故障する場合には、監視構成WがリレーR1−R3が閉じるのを抑制する。もし、監視構成Wが故障する場合には、制御装置BFSがリレーR1−R3が閉じるのを抑制する。ANDゲートG1、G2、G3のうちの1つが故障する場合には、制御装置BFSがリレーR1、R2、R3のリレーテスト信号RTSを介してこの故障を検出する。これは、1つ以上のリレードライバRTが故障するときにもあてはまる。
[0032]このような選択される配線のため、単一エラーの場合でも、全てのグリッド相が、信頼性をもって、インバータから切断される。
[0033]本発明は、本明細書に説明した例に限定されるものではない。例えば、フルブリッジの代わりに、ハーフブリッジを使用することができ、また、異なるキャパシタ−フィルタ装置C1−C3、LNを選択することができる。また、インバータは、昇圧コンバータを全く備えなくてもよい。
[0034]或いは、リレー装置4は、インバータハウジングに一体化される代わりに、別個のハウジングに一体化されてもよい。一群のインバータを共通グリッドから切断するため単一インバータ装置を使用することも考えられる。この場合において、それらインバータは、単一電力発生システムに備えられてもよいし、又は、複数の電力発生システムの一部としてもよい。この場合において、単独運転防止機能は、接続リレー装置を用いて、その一群のインバータ又は電力発生システムに対して与えることができる。
[0035]本明細書に使用した用語「リレー」は、制御信号に応答して電気接続をなしたり切断したりすることのできる任意の装置を指しており、前述の説明で使用されているようなコイルからの磁気力により作動される機械的リレーに限定されることを意味するものではない。
1…光起電インバータ、2…フルブリッジ回路、3…昇圧コンバータ、4…リレー装置、5…ケーブル、6…ケーブル、10…発生装置、11…変換装置、12a…AC端子、12b…AC端子、12c…AC端子、13…リレー装置、14…グリッド。

Claims (34)

  1. 3つのAC端子を介して三相グリッドへ発生装置から電力を供給するための電力発生システムにであって、前記グリッドから前記システムを切断するためのリレー装置を備え、
    前記リレー装置は、少なくとも3つのリレーを備え、前記3つのリレーの各々は、制御コイルと、対応する制御コイルにより作動される2つの開閉接点と、を備え、各AC端子は、第1の開閉接点及び第2の開閉接点を介して前記グリッドへ接続され、前記第1の開閉接点及び第2の開閉接点は、前記リレーのうちの異なる1つに割り当てられる、
    電力発生システム。
  2. インバータを備える、請求項1に記載のシステム。
  3. 光起電インバータを備える、請求項1に記載のシステム。
  4. 前記発生装置が光起電発生器を備える、請求項3に記載のシステム。
  5. 前記システムが無変換器型インバータを備える、請求項1に記載のシステム。
  6. 前記リレーの各々がリレードライバにより個別に作動される、請求項1に記載のシステム。
  7. 各リレードライバが、制御装置のセット信号及び監視装置の中断信号の存在時にのみ対応するリレーを作動させるように構成される、請求項6に記載のシステム。
  8. 前記制御装置が、前記監視装置により常時監視される、請求項7に記載のシステム。
  9. 各リレードライバが、前記制御装置のテスト信号により監視されるように構成される、請求項7に記載のシステム。
  10. 前記制御信号は、前記テスト信号の存在時に中断され、前記中断の持続時間は、スイッチの開くのを阻止するに十分に短く選択されており、前記テスト信号に対する前記制御コイルの応答は、前記制御装置により評価される、請求項9に記載のシステム。
  11. 前記リレー装置が、前記グリッドへの前記システムの意図しない接続を阻止するための自己作動スイッチを備える、請求項1に記載のシステム。
  12. 前記リレー装置が、前記システムのハウジングへ一体化される、請求項1に記載のシステム。
  13. 前記リレーが、回路板上に配置される、請求項1に記載のシステム。
  14. DC電力を3つのAC端子を介して三相グリッドへ与えられるAC電力へと変換するためのインバータであって、該インバータを前記グリッドから切断するためのリレー装置を備え、
    前記リレー装置は、少なくとも3つのリレーを備え、前記3つのリレーの各々は、制御コイル及び対応する制御コイルによって作動される2つの開閉接点を備え、各AC端子は、第1の開閉接点及び第2の開閉接点を介して前記グリッドへ接続され、前記第1の開閉接点及び第2の開閉接点は、前記リレーのうちの異なる1つに割り当てられる、
    インバータ。
  15. 光起電インバータである、請求項14に記載のインバータ。
  16. 前記リレー装置が、前記インバータのハウジングへ一体化される、請求項14に記載のインバータ。
  17. 3つの活性導体を有する三相グリッドからインバータを切断するためのリレー装置であって、少なくとも3つのリレーを備え、
    前記3つのリレーの各々は、制御コイル及び対応する制御コイルによって作動される2つの開閉接点を備え、各開閉接点は、前記リレーのうちの異なる1つに割り当てられた別の開閉接点に接続される、
    リレー装置。
  18. 前記リレー装置が、前記グリッドへの前記システムの意図しない接続を阻止するための自己作動スイッチを備える、請求項17に記載のリレー装置。
  19. 前記リレーの各々が、リレードライバにより個別に作動される、請求項17に記載のリレー装置。
  20. 各リレードライバが、制御装置へのセット信号及び監視装置の中断信号の存在時にのみ前記対応するリレーを作動するように構成される、請求項19に記載のリレー装置。
  21. 前記制御装置が、前記監視装置により常時監視される、請求項20に記載のリレー装置。
  22. 各リレードライバが、前記制御装置のテスト信号により監視されるように構成される、請求項20に記載のリレー装置。
  23. 前記制御信号が、前記テスト信号の存在時に中断され、前記中断の持続時間は、前記スイッチの開くのを阻止するに十分に短く選択され、前記テスト信号に対する前記制御コイルの応答は、前記制御装置により評価される、請求項22に記載のリレー装置。
  24. DC電圧を三相ネットワーク周波数のAC電圧へ変換するためのインバータ回路であって、DC/AC変換器と電力供給ネットワーク(NE)との間に配置され且つ活性導体(L1、L2、L3)に対する電気切断のためのスイッチポイント(4)として実施されるリレー回路を有するインバータ回路において、
    前記リレー回路は、3つの二極リレー(R1、R2、R3)を備え、各リレー(R1、R2、R3)は、1つの制御コイル(Sp1、Sp2、Sp3)及び各々が1つの制御コイル(Sp1、Sp2、Sp3)に関連付けられた2つの開閉接点(K1a、K1b;K2a、K2b;K3a、K3b)を備え、
    各場合において、1つのリレー(R1)の1つの開閉接点(K1a)のみが他の2つのリレーの1つ(R2)の1つの開閉接点(K2b)に直列に接続され、独立して作動される2つの開閉接点(K1a、K2b)が、活性導体(L1、L2、L3)に対して常時与えられる、
    ことを特徴とするインバータ回路。
  25. 前記リレー回路が、部分的又は別のネットワークへの意図しない給電を阻止するための自動スイッチポイント(4)として実施されることを特徴とする、請求項24に記載のインバータ回路。
  26. 前記リレー回路が、インバータハウジングへ一体化されていることを特徴とする、請求項24又は25に記載のインバータ回路。
  27. 各リレー(R1、R2、R3)は、回路板上のコンバーチブル型のリレーとして実施されていることを特徴とする、請求項24〜26のいずれか1項に記載のインバータ回路。
  28. トランスレス型であることを特徴とする、請求項24〜27のいずれか1項に記載のインバータ回路。
  29. 各リレーコイル(Sp1、Sp2、Sp3)が、制御装置(BFS)により作動/制御回路(RT)を通して個別に作動されることを特徴とする、請求項24〜28のいずれか1項に記載のインバータ回路。
  30. 各リレーコイル(Sp1、Sp2、Sp3)のための前記作動回路(RT)が、ANDゲートを備え、該ANDゲートにおいて、1つのゲート入力が前記作動回路(RT)に接続され、別のゲート入力が監視モジュール(W)に接続されており、前記制御装置(BFS)のセット信号(SET K1、SET K2、SET K3)及び前記監視モジュールの中断信号(SAFE BREAK)の双方が同時に与えられる場合にのみ、各リレーコイル(Sp1、Sp2、Sp3)が作動されることを特徴とする、請求項29に記載のインバータ回路。
  31. 前記制御装置(BFS)が、前記監視モジュール(W)により常時監視されることを特徴とする、請求項30に記載のインバータ回路。
  32. 各作動回路(RT)が、前記制御装置(BFS)のテスト信号(RTS)により作動されることを特徴とする、請求項30又は31に記載のインバータ回路。
  33. 前記作動回路(RT)に与えられるリレー制御信号が、接点の切断が起こらないような短い時間の間、前記テスト信号(RTS)により中断され、前記制御コイル(Sp1、Sp2、Sp3)での前記テスト信号(RTS)に対する反応が前記制御装置(BFS)により分析されることを特徴とする、請求項32に記載のインバータ回路。
  34. 光起電インバータ(1)として実施される、請求項24〜33のいずれか1項に記載のインバータ回路。
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