JP2023549104A - Ac側とdc側との間で電力を伝送するための電力変換器及び電力供給方法 - Google Patents
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Abstract
本願は、電力変換器(10)のAC側(16)と電力変換器(10)のDC側(18)との間で電力を伝送するための電力変換器(10)について記載しており、電力変換器(10)のAC側(16)は、接地された三相AC電源グリッド(12)に接続可能であり、かつ、電力変換器(10)のDC側(18)は、接地されていないDCグリッド(14)に接続可能である。電力変換器(10)はブリッジ回路(20)を備え、ブリッジ回路(20)のAC端子(ACL1、ACL2、ACL3)は、ACスイッチ(22)を介して電力変換器(10)のAC側(16)に接続可能であり、ブリッジ回路(20)のDC端子(DCL+、DCL-)は、回路遮断器(26.1、26.2)を介して電力変換器(10)のDC側(18)に接続可能であり、電力変換器(10)のDCリンク回路は、ガルバニック絶縁ACプリチャージ回路(40)を介したAC電源グリッド(12)からチャージ可能であり、電力変換器(10)は、ACプリチャージ回路(40)がDCリンク回路に接続されている場合、電力変換器(10)のDC側(18)の絶縁抵抗(50)を測定するように構成された絶縁モニタ(34)を有する。本願は、無変圧器の電力変換器(10)を使用して、接地された三相AC電源グリッド(12)から、接地されていないDCグリッド(14)に電力を供給する方法も記載する。【選択図】図1
Description
DCエネルギーシステムは、好ましくはDC電流の形態で電力を利用可能にする少なくとも1つのエネルギー源、すなわち、DC電源、例えば、バッテリ、PVジェネレータ、又は燃料電池と、好ましくはDC電流の形態で電力を消費する少なくとも1つの負荷、すなわち、DCシンク、例えば、コンシューマ及びこれらの電気部品間の接続と、を備える。DCエネルギーシステムは、電気部品が接続されるDCグリッド又はDCバスを備え得、かつ、電源、ストレージ及び/又はコンシューマを備え得る。いくつかの接続された部品を有するDCバス、例えば、1つのみの電源及び1つのみのシンクと、そのような多数の部品を有するDCグリッドとの間の移行は流動的である。本願では、DCグリッドの用語はDCバスを意味するものとも理解される。
このようなDCグリッドは接地されて又は接地されないで動作可能である。特定の動作モードに応じて、地絡の場合には、基準に従って異なる監視及び保護機構が必要とされ得る。
それぞれのDCラインDCL+及びDCL-の電位DC+及びDC-が接地電位に対する固定基準を有していない非接地型DCグリッドは、DCグリッドで最初の地絡、例えば、DCラインのうちの1つに沿った絶縁不良が依然としていかなる損害にもならないという利点を有する。しかしながら、不良の発生を検出するため、例えば、最初の地絡が発生した場合には必要に応じて対抗措置の開始を可能にするため、例えば、エネルギー源のスイッチをオフにする、又は、DCグリッドからエネルギー源及び/若しくは不良箇所を切断するため、絶縁監視が必要とされる。
接地されたDCグリッドにおいて、電位DC+及びDC-は、接地電位に対する規定された基準を有する。こうした接地基準は、例えば、接地電位とDC電位DC+又はDC-のうちの1つとの間の抵抗接続によって容易に実装され得る。
DCグリッドは、電力変換器を介して、例えば、さらなるDCグリッド又はACグリッド、例えばAC電源グリッドに接続されてもよく、かつ、特にDCグリッドのDC電源を補助する又はリチャージするため、さらなるエネルギーグリッドと電力を交換してもよい。原則として、DCグリッドにも、恒久的に又は時には完全に、電力変換器を介してさらなるエネルギーグリッドからのエネルギーが供給され得、DCグリッドのエネルギー源は、必要に応じて、電力変動をバッファリングするために使用され得る。
さらなるエネルギーグリッドが、例えば、接地された中性線の形態の接地を有し、かつ、電力変換器が、無変圧器であるように設計される場合、すなわち、AC側とDC側との間にガルバニック絶縁を有していない場合、DCグリッドは、電力変換器を介して固定接地基準を自動的に備える、すなわち、接地され得る。接地基準に対するDCグリッドの電位の特定の位置は、この場合、電力変換器の具体的に使用されるトポロジによって予め規定されている。例えば、DC側に、電力変換器は、分割リンク回路を有してもよく、そのセンタータップすなわち中間電位は、固定設置基準を有する中性線に接続され、その結果、リンク回路のDC電位は接地電位に対して大部分が対称である。
この点、接地されていないDCグリッド自体は同様に、無変圧器の電力変換器を介して、接地されたエネルギーグリッドへの接続を通じて接地されたグリッドになる。したがって、これは、そうしたDCグリッドのための2つの動作状態:接地されていない「スタンドアロン」モードと、接地されたエネルギーグリッドに接続された場合の接地モードと、をもたらし得る。これは、システムを設計する場合に考慮されるべきである。
しかしながら、接地されたDCグリッドが、例えば電力変換器を介して、接地されたACグリッドに接続される場合、これは、電力変換器の構成部品又はグリッドの構成部品が損傷を受けるグリッド間のそうした高い制御されていない電流フローをもたらし得る。これは、おそらく接地されていないDCグリッドに絶縁不良が存在する場合も同様である。
国際公開第2013/178654号は、ハーフブリッジのスイッチング素子間に存在する中間電位を接続する接地抵抗器を使用してDCグリッドの絶縁抵抗、接地スイッチを介した接地電位に対するDCグリッドに接続された電力変換器のブリッジ回路の絶縁抵抗を測定することを可能にするDCグリッドの絶縁監視について記載している。
本願では、略語DCは直流電流又は直流電圧を表し、かつ、略語ACは交流電流又は交流電圧を表す。
本発明の目的は、接地されたAC電源グリッドにDCグリッドが接続された場合に流れ得る接地電流に対して取り扱いが容易で又は保護を改善する電力変換器及び方法を開示することである。
当該目的は、独立請求項1の特徴を有する電力変換器によって達成される。当該目的は、独立請求項11の特徴を有する方法によっても達成される。方法の有利な実施形態は従属請求項で特許請求される。
電力変換器のAC側と電力変換器のDC側との間で電力を転送するための電力変換器において、電力変換器のAC側は、接地された三相AC電源グリッドに接続可能であり、電力変換器のDC側は、接地されていないDCグリッドに接続可能である。電力変換器はブリッジ回路を有し、ブリッジ回路のAC端子はACスイッチを介して電力変換器のAC側に接続可能であり、かつ、ブリッジ回路のDC端子は回路遮断器を介して電力変換器のDC側に接続可能である。電力変換器のDCリンク回路は、電力変換器の動作中にエネルギーをバッファ貯蔵するために使用され、かつ、ブリッジ回路の一部であってもよい。DCリンク回路は、ガルバニック絶縁されたACプリチャージ回路を介してAC電源グリッドからチャージ可能である。電力変換器は、ACプリチャージ回路がDCリンク回路に接続される場合、電力変換器のDC側の絶縁抵抗を測定するように構成された絶縁モニタを有する。
ブリッジ回路では、端子に供給されるAC電流は、特に半導体スイッチのクロック駆動を通じて、DC端子に供給されるDC電流に変換される。
ACプリチャージ回路は、電力変換器のAC側がAC電源グリッドから切断され得る状態で、DCリンク回路のコンデンサがAC電源グリッドからチャージされることを可能にする。ACプリチャージ回路は、例えばACプリチャージ回路に変圧器を、例えばフライバックコンバータの形態で提供することによってガルバニック絶縁を有する。別の利点は、ACプリチャージ回路が、本質的に短絡保護回路として設計されてもよく、それによって、例えばDCリンク回路で短絡が発生した場合に火災の危険性を減少させる。
AC電源グリッドからのDCリンク回路のコンデンサのチャージは、電力変換器のAC側がAC電源グリッドに接続される前に、DCリンク回路のコンデンサがAC電源グリッドからチャージされる保護概念の一部であってもよい。ACプリチャージ回路にガルバニック絶縁を提供することによって、電力変換器のDC側に接続されたDCグリッドは、DCリンク回路のコンデンサがAC電源グリッドからチャージされていても、このような状況でAC電源グリッドからガルバニック絶縁されたままになることができ、ひいては、接地基準なしのままであり得る。
絶縁モニタは、例えば、国際公開第2013/178654号に記載されているように、DCリンク回路の絶縁抵抗の測定を含む。さらに、ACプリチャージ回路は、DCリンク回路がAC電源グリッドからプリチャージされている間、特に、電力変換器のAC側がAC電源グリッドに接続される前に、絶縁抵抗を監視することを可能にする。絶縁抵抗は、電力変換器のAC側がAC電源グリッドから切断され、ACプリチャージ回路が非アクティブであり、かつ、DCグリッドが電力変換器のDC側に接続されている場合に提供される絶縁モニタによって監視されてもよい。
これにより、特にITシステムにおいて、恒久的な絶縁監視を必要とする可能性がある規格への準拠が可能になる。特に、AC電源グリッドがDCグリッドに初めて接続される前に、DCグリッドの絶縁抵抗がチェックされてもよい。
一実施形態では、ブリッジ回路のAC端子及びDC端子はガルバニック結合され、かつ、電力変換器のAC側とDC側との間の電力伝送経路は、特に無変圧器であるように設計される。これにより、ガルバニック絶縁を有するように設計されたブリッジ回路と比較して、コスト上の利点が得られ得る。
ACプリチャージ回路を有するこのような電力変換器の1つの利点は、特に無変圧器であるように設計され、かつ、例えば能動的に駆動される場合であっても、プリチャージプロセスによってAC側から始動可能であることである。これは、例えば太陽光発電システム又はバッテリなどのエネルギー源がDC側にないなどの理由で、DC側からの始動が好ましくない又は不可能である場合に特に利点を有する。開始の第2ステップでは、例えば、DC側の絶縁抵抗を測定することによって、DC側の地絡をチェックすることができる。DC側の十分な絶縁が確立されると、AC側が接続される必要があることがよくある。したがって、本発明は、特にDC電源がない場合に、AC側からの始動を可能にする。
さらに、プリチャージ回路はガルバニック絶縁されるように設計されているので、絶縁抵抗の測定値がプリチャージ回路によって歪められることはない。
一実施形態では、絶縁モニタは、電力変換器のAC側とブリッジ回路のAC端子との間に配置される。絶縁モニタは、接地スイッチを介してブリッジ回路のハーフブリッジのスイッチング素子間にある中間電位を接地電位に接続する接地抵抗器を備えてもよい。
一実施形態では、ACスイッチのうちの少なくとも1つが接地スイッチとして機能する。これにより、コストを削減することが可能である。
一実施形態では、例えばDI変換器による、AC端子での故障電流測定による絶縁監視が提供される。
動作中、及び特に無変圧器アクティブ整流器である電力変換器などから例えば供給されるDCグリッド上のDC負荷に電力を供給する場合、DCグリッドの接地基準は、整流器のAC側のAC電源グリッドの接地に起因する場合がある。電位DC+及びDC-は、例えば対称であり、かつ、AC側への接続を介して接地に対して低抵抗であってもよい。DCグリッドにおける接地のための基準点は、有利には、特に中間電位に近い電位が接地電位に接続されるように選択されてもよい。中間電位は、好ましくは、DC+とDC-との中間にあってもよい。中間電位に近い電位は、例えば、このブリッジ回路の中間でブリッジ回路の半導体を対称的にクロックすることによって達成されてもよい。リンク回路が複数のコンデンサの直列接続から構成される場合、そのような電位は、例えば中性線への接続を通じて、この直列接続のセンタータップにも提供されてもよい。これにより、DCグリッド内のDC+及びDC-電位の接地に対する電圧は、総DC電圧の約半分に制限されてもよく、その結果、とりわけ、絶縁調整の要件は、DC+又はDC-への接地と比較して単純化される。例えば、DCグリッドがDC-に接地される場合、DC+電位でのラインの絶縁は、接地に対するシステム全体の電圧のために設計される必要があり、その逆も同様である。これは、システム電圧が高い場合、かなりのコストにつながり得る。
AC電源グリッドが電力変換器から切断されると、接地基準が失われる。その後、DCバス上のDC電源から電力が供給され続けることなどによって、DCバスが引き続き動作される場合、動作中に地絡が監視される必要がある。これは、絶縁モニタによる絶縁監視を通じて有利に達成され得る。
電力変換器は、例えば、電力変換器の起動のたびに絶縁モニタによってエネルギーシステムがチェックされることも可能にする。さらに、エネルギーシステムの十分な絶縁状態を恒久的に監視するため、AC端子の障害電流測定により、動作中の定期的な絶縁状態測定が可能である。
一実施形態では、追加で接続可能なプリチャージ抵抗器を有する少なくとも1つの回路遮断器がDC端子ごとに存在する。この場合、回路遮断器は、特に回路遮断器をブリッジすることによって、又は、半導体スイッチ及びプリチャージ抵抗器から構成されるループ状の並列接続として接続可能な、追加で接続可能なプリチャージ抵抗器を有するように設計されてもよい。プリチャージ抵抗器を提供することで、DCグリッドが電力変換器に接続されている場合に絶縁モニタを使用して絶縁抵抗を監視することを可能にし、プリチャージ抵抗器は、この場合-障害が発生した場合-過大電流から保護することができる。DC端子は、最初に、プリチャージ抵抗器を設けて又は設けずに個別に又は一緒に追加で接続されてもよく、そして、DCグリッドの絶縁抵抗が十分に高い場合、プリチャージ抵抗器を設けずにともに接続されてもよい。
さらなる実施形態では、一方のDC端子のみが、並列に接続可能なプリチャージ抵抗器を有する回路遮断器を介して電力変換器のDC側に接続される。この場合、他方のDC端子はDC側に直接接続される。したがって、これにより、DCグリッドがDC側に接続されたDC端子の単極絶縁のみが提供されるので、回路遮断器が節約される。ここで、回路遮断器が開いている場合の絶縁抵抗が決定されてもよい。
一実施形態では、電力変換器は、ACスイッチが開いている場合にACプリチャージ回路を通じてDCリンク回路をプリチャージし、回路遮断器を閉じることによってDCグリッドにDC端子を接続し、その後、絶縁モニタを用いてDCグリッドの絶縁抵抗を測定し、絶縁抵抗が十分に高い場合、ACスイッチを閉じて電力変換器を使用してDCグリッドの電圧を設定するように構成された制御ユニットを有する。
一実施形態では、制御ユニットは、電力変換器の定格電力よりも大幅に低い電力でDCリンク回路をチャージするように構成される。
一実施形態では、制御ユニットは、特に絶縁モニタを使用して絶縁抵抗を測定する場合、各DCラインに対して選択的にプリチャージ抵抗器を追加で接続するように構成される。これは、例えば、DCグリッドにDCリンク回路を接続する場合に過大電流が流れることを回避するのに役立つ。
一実施形態では、電力変換器は、DC側がプリチャージ抵抗器を介在させずにDC端子に接続されている間に、DC側の電圧を設定するように構成される。電力変換器は、DC電圧が設定される場合、チャージ抵抗器をブリッジした回路遮断器を介してDC側に電力を供給するように構成される。これは、例えば、DCグリッドがAC電源グリッドから電力を供給される電力変換器の動作状態「通常モード」に対応する。
無変圧器の電力変換器を使用して、接地された三相AC電源グリットから、接地されていないDCグリッドに電力を供給する方法であって、電力変換器は、そのDC端子が回路遮断器によってDCグリッドに接続可能であり、かつ、そのAC端子がACスイッチを介してAC電源グリッドに接続可能であるブリッジ回路を備え、かつ、AC電源グリッドから電力変換器のDCリンク回路をプリチャージするためのガルバニック絶縁ACプリチャージ回路を備え、方法は、以下の:
ACスイッチが開いている場合、ACプリチャージ回路を通じてDCリンク回路をプリチャージするステップと、
回路遮断器を閉じることによってDCグリッドにDC端子を接続するステップと、
その後、絶縁モニタを用いてDCグリッドの絶縁抵抗を測定するステップと、
絶縁抵抗が十分に高い場合:ACスイッチを閉じるステップと、
電力変換器を使用してDCグリッドの電圧を設定するステップと、を含む。
ACスイッチが開いている場合、ACプリチャージ回路を通じてDCリンク回路をプリチャージするステップと、
回路遮断器を閉じることによってDCグリッドにDC端子を接続するステップと、
その後、絶縁モニタを用いてDCグリッドの絶縁抵抗を測定するステップと、
絶縁抵抗が十分に高い場合:ACスイッチを閉じるステップと、
電力変換器を使用してDCグリッドの電圧を設定するステップと、を含む。
絶縁抵抗が低すぎると、安全のために電力変換器の起動が停止されてもよい。
DCリンク回路は、好ましくは低電力で、すなわち、電力変換器の定格電力よりもかなり低い電力でプリチャージされる。ACプリチャージ回路は、例えばACプリチャージ回路にフライバックコンバータを設けることによってガルバニック絶縁するように設計されているので、DCリンク回路とAC電源グリッドとの間に電位基準は作成されない。プリチャージ抵抗器は、故障の場合の過度に高い故障電流を回避するため、高いオーム抵抗を有するように設計されることが好ましい。
一実施形態では、方法は、少なくとも1つのDC端子がプリチャージ抵抗器を介してDCグリッドに接続されるステップをさらに含む。この実施形態では、その後、絶縁モニタを使用して絶縁抵抗を測定する場合にプリチャージ抵抗器が考慮される。
方法の一実施形態では、絶縁抵抗を測定するステップは、第1DC端子が第1プリチャージ抵抗器を介してDCグリッドに接続される第1ステップと、第1DC端子とは異なる第2DC端子が第2プリチャージ抵抗器を介してDCグリッドに接続される第2ステップと、を含み、絶縁抵抗は、第1ステップ及び第2ステップで得られた測定値から決定される。
方法の一実施形態では、DCグリッドがプリチャージ抵抗器を介在させることなくDC端子に接続されている間、DCグリッドの電圧は電力変換器によって設定される。これは、例えば、DCグリッドがAC電源グリッドから電力を供給される電力変換器の動作状態「通常モード」に対応する。
一実施形態では、ACスイッチが閉じている場合、少なくとも1つのDC端子がプリチャージ抵抗器を介してDCグリッドに接続される。したがって、この実施形態では、AC電源グリッドへの接続は、DC端子のうちの少なくとも1つのプリチャージ抵抗器を介して少なくとも行われる。これにより、DCリンク回路にDCグリッドを接続する場合に過大電流が流れることを回避することを可能にする。
一実施形態では、方法は、以下の:
AC電源グリッドの障害発生時:ACスイッチを開き、DCグリッドに接続されたエネルギー源を介してDCグリッドを動作させ続けるステップをさらに含み、
DCグリッドの絶縁抵抗は、連続運転中に絶縁モニタを使用して連続的に又は繰り返し測定される。
AC電源グリッドの障害発生時:ACスイッチを開き、DCグリッドに接続されたエネルギー源を介してDCグリッドを動作させ続けるステップをさらに含み、
DCグリッドの絶縁抵抗は、連続運転中に絶縁モニタを使用して連続的に又は繰り返し測定される。
任意選択的なステップとして、絶縁不良、すなわち、接地電位に対するDCグリッドの絶縁抵抗が過度に低いことを検出すると、回路遮断器を開くことによってDCグリッドを切断することが可能である。絶縁不良が検出された場合、さらに不良信号が生成されて適切な方法で送信される。
方法の一実施形態では、ACスイッチが閉じられた後、すなわち、AC電源グリッドがDCグリッドに接続され、かつ、DCグリッドがAC電源グリッドから電力を供給される場合、DCグリッドの絶縁監視は、AC端子の故障電流測定によって、例えばDIコンバータによって実行されてもよい。これは、例えば電力変換器の「通常モード」に対応する。
方法の一実施形態では、ACスイッチが閉じられる前に回路遮断器が開けられてもよい。その後、ACスイッチが閉じられると、電力変換器はそのDC側のDC電圧をDCグリッドの電圧に一致させ、任意選択的に、接地電位に関してDC電圧を平衡化し、その後、DCグリッドに接続して電力変換器を介してAC電源グリッドからDCグリッドに電力を供給するために回路遮断器を閉じてもよい。これにより、AC電源グリッドにDCグリッドを接続する場合の突入電流を減らすことを可能にする。
電力変換器及び方法は、特に無変圧器の電力変換器を介して、接地されたAC電源グリッドへのDCエネルギーシステムの可変接続を可能にし、同時に、そのような動作のための保護概念を利用可能にする。
以下、図面を用いて本発明をより詳細に説明する。
図1は、AC側16及びDC側18を有する電力変換器10の一実施形態を概略的に示している。接地電位PEで接地された三相AC電源グリッド12がAC側16に接続される。DCグリッド14はDC側18に接続される。DCグリッド14は、接地電位PEに対する絶縁抵抗50を有する。バッテリ42は、DCスイッチ46を介してDCグリッド14に接続可能である。バッテリ42は、接地電位PEに対する望ましくない寄生抵抗42.Pを有し得る。負荷44は、DCスイッチ48を介してDCグリッドに接続可能である。負荷44は、接地電位PEに対する望ましくない寄生抵抗44.Pを有し得る。負荷44は、特に、例えば機械、産業プラント又は電解槽などの1以上のコンシューマを備えてもよい。
電力変換器10は、AC端子ACL1、ACL2、ACL3のAC電流又はAC電圧を、DC端子DCL+、DCL-のDC電流又はDC電圧に変換するように設計されたブリッジ回路20を有する。同様に、ブリッジ回路20は、DC端子DCL+、DCL-のDC電流又はDC電圧を、AC端子ACL1、ACL2、ACL3のAC電流又はAC電圧に変換するように設計される。図示する例示的な実施形態では、変換は、ブリッジ回路20の半導体スイッチを適切な方法で駆動する制御ユニット30によって行われる。半導体スイッチを有するブリッジ回路20は一般に無変圧器であり、すなわち、こうしたブリッジ回路のAC端子ACL1、ACL2、ACL3及びDC端子DCL+、DCL-はガルバニック結合される。AC電源グリッドが、例えば接地された中性線によって提供される接地基準を有する場合、DC端子DCL+、DCL-は、したがって、通常、ブリッジ回路20を介して自動的に接地基準を割り当てられる。この場合、接地基準に対するDC端子の電位の特定の位置(DC+/DC-からPE)は、ブリッジ回路20の特に使用されるトポロジによって予め規定される。例として、ブリッジ回路20は、DC側に、分割DCリンク回路を有してもよく、このDCリンク回路のセンタータップは、中間電位としての固定接地基準PEでAC電源グリッド12の中性線に接続され、その結果、DCリンク回路内のDC電位は接地電位PEに関してほぼ対称に設定される。この点で、それ自体が接地されていないDCグリッド14も同様に、無変圧器の電力変換器10を介して、接地されたAC電源グリッド12への接続を通じて、接地されたDCグリッド14になる。したがって、DCグリッド14には2つの動作状態:バッテリ42からの電源を有する、接地されていない「スタンドアロンモード」と、接地されたAC電源グリッド12に接続された場合の接地モードと、があってもよい。
ブリッジ回路20のDCリンク回路は、一般に、AC側16又はDC側18が対応のグリッド12、14に接続される前に、電力変換器10が起動される場合にプリチャージされるべきである。これは、例えば、DCグリッド14への最初の接続時にDCリンク回路のコンデンサのチャージ電流を制限するために望ましい。電力変換器10のACプリチャージ回路40は、AC電源グリッド12からのそのようなプリチャージを実行するように構成され、かつ、この目的のためにガルバニック絶縁を有する。ブリッジ回路20のDCリンク回路は、ACプリチャージ回路40を介してAC電源グリッド12から直接プリチャージ可能である。この目的のため、ACプリチャージ回路40のAC側はインバータ10のAC側16に接続される。ACプリチャージ回路は制御ユニット30によって駆動される。半導体スイッチ38は、整流器36とDC端子DCL-との間に接続される。また、半導体スイッチ38も制御ユニット30によって駆動される。
電力変換器10はまた、AC端子ACL1、ACL2、ACL3において、3つのAC端子ACL1、ACL2、ACL3の差動電流測定値に基づく障害電流測定値32を有する。
AC接続ACL1、ACL2、ACL3は、ACスイッチ22を介してAC側16に接続可能である。接地スイッチ22.Eを介してブリッジ回路20のハーフブリッジの中間電位に接続され得る絶縁モニタ34が設けられる。絶縁モニタ34は、接地スイッチSEを介して接地電位PEに接続されてもよい。絶縁モニタ34は、接続されている場合、DCグリッドの絶縁抵抗50を監視するように機能する。この目的のため、絶縁モニタ34は接地抵抗REを有し、それを介して中間電位が接地電位に接続される。このような絶縁モニタ34は、例えば国際公開第2013/178654号に記載されている。図2に示す一実施形態では、絶縁モニタはまた、1つの接地スイッチ22.Eのみを有してもよく、これは同時に、AC端子ACL3とAC側16との間の切り替え可能な接続の一部を表している。
DC端子DCL+は、回路遮断器26.1を介してDC側18に接続可能である。DC端子DCL-は、回路遮断器26.2を介してDC側18に接続可能である。追加で接続可能なプリチャージ抵抗器24.1がDC端子DCL+のために設けられる。追加で接続可能なプリチャージ抵抗器24.2がDC端子DCL-のために設けられている。追加で接続可能なプリチャージ抵抗器24.1、24.2を有する回路遮断器26.1、26.2は、回路遮断器26.1、26.2をブリッジすることによって、又は、半導体スイッチ24.1、24.2及びプリチャージ抵抗器28.1、28.2から構成されるループ状の並列接続として、接続可能であるように設計される。
図1に示されて上述した回路遮断器構成の二極の実施形態とは異なり、図2は、回路遮断器構成の単極の実施形態も示している。この場合、DC端子DCL-は、DC側に直接接続され、すなわち、回路遮断器を有していない。
図3は、無変圧器の電力変換器10を使用して、接地された三相AC電源グリッド12から、接地されていないDCグリッド14に電力を供給する方法を概略的に示している。ステップS1において、DCリンク回路は、AC電源グリッド12から、ACスイッチ22が開いている場合にACプリチャージ回路40によってチャージされる。ステップS2において、回路遮断器26.1、26.2を閉じることによって、DC端子DCL+、DCL-がDCグリッド14に接続される。その後、ステップS3において、DCグリッド14の絶縁抵抗50が絶縁モニタ34を使用して測定され、かつ、絶縁抵抗50が十分に高い場合、ステップS4においてACスイッチ22が閉じられ、DCグリッド14の電圧がステップS5で電力変換器10によって設定される。ステップS3において、絶縁抵抗50が十分に高くない、すなわち、DCグリッド14が接地電位PEに対して十分に高い絶縁を有していないと決定された場合、その後、ステップS3が繰り返される。
絶縁抵抗50は、ブリッジ回路20の中間電位に絶縁モニタ34を接続するため、スイッチ22.Eを閉じた状態でステップS3において測定される。
任意選択的に、ステップS2において、少なくとも1つのDC端子DCL+、DCL-がプリチャージ抵抗器28.1、28.2を介してDCグリッド14に接続されてもよい。プリチャージ抵抗器28.1、28.2を設けることにより、DCグリッド14が電力変換器10に接続される場合、ステップS2において絶縁モニタ34を使用して絶縁抵抗50を監視することを可能にし、プリチャージ抵抗器28.1、28.2は、この場合-障害が発生した場合-過大電流から保護することができる。DC端子DCL+、DCL-は、最初は個別に追加で接続されてもよく、かつ、その後、DCグリッド14の絶縁抵抗50が十分に高い場合は一緒に接続されてもよい。
10 電力変換器
12 AC電源グリッド
14 DCグリッド
16 AC側
18 DC側
20 ブリッジ回路
22 ACスイッチ
22.E 接地スイッチ
24.1、24.2 スイッチ
26.1、26.2 回路遮断器
28.1、28.2 プリチャージ抵抗器
30 制御ユニット
32 故障電流測定値
34 絶縁モニタ
36 ACプリチャージ回路の整流器
38 半導体スイッチ
40 ACプリチャージ回路
42 バッテリ
42.P 寄生抵抗
44 負荷
44.P 寄生抵抗
46 DCスイッチ
48 DCスイッチ
50 絶縁抵抗
ACL1、ACL2、ACL3 AC端子
DCL+、DCL- DC端子
PE 接地電位
RE 接地抵抗器
SE 接地スイッチ
S1、S2、S3、S4、S5 方法ステップ
12 AC電源グリッド
14 DCグリッド
16 AC側
18 DC側
20 ブリッジ回路
22 ACスイッチ
22.E 接地スイッチ
24.1、24.2 スイッチ
26.1、26.2 回路遮断器
28.1、28.2 プリチャージ抵抗器
30 制御ユニット
32 故障電流測定値
34 絶縁モニタ
36 ACプリチャージ回路の整流器
38 半導体スイッチ
40 ACプリチャージ回路
42 バッテリ
42.P 寄生抵抗
44 負荷
44.P 寄生抵抗
46 DCスイッチ
48 DCスイッチ
50 絶縁抵抗
ACL1、ACL2、ACL3 AC端子
DCL+、DCL- DC端子
PE 接地電位
RE 接地抵抗器
SE 接地スイッチ
S1、S2、S3、S4、S5 方法ステップ
Claims (18)
- 電力変換器(10)のAC側(16)と前記電力変換器(10)のDC側(18)との間で電力を伝送するための電力変換器(10)であって、前記電力変換器(10)の前記AC側(16)は、接地された三相AC電源グリッド(12)に接続可能であり、かつ、前記電力変換器(10)の前記DC側(18)は、接地されていないDCグリッド(14)に接続可能であり、前記電力変換器(10)はブリッジ回路(20)を備え、前記ブリッジ回路(20)のAC端子(ACL1、ACL2、ACL3)はACスイッチ(22)を介して前記電力変換器(10)の前記AC側(16)に接続可能であり、前記ブリッジ回路(2)のDC端子(DCL+、DCL-)は回路遮断器(26.1、26.2)を介して前記電力変換器(10)の前記DC側(18)に接続可能であり、
前記電力変換器(10)のDCリンク回路は、ガルバニック絶縁ACプリチャージ回路(40)を介して前記AC電源グリッド(12)からチャージ可能であり、前記電力変換器(10)は、前記ACプリチャージ回路(40)が前記DCリンク回路に接続される場合、前記電力変換器(10)の前記DC側(18)の絶縁抵抗(50)を測定するように構成された絶縁モニタ(34)を有する、電力変換器。 - 前記ブリッジ回路(20)の前記AC端子(ACL1、ACL2、ACL3)及び前記DC端子(DCL+、DCL-)はガルバニック結合され、かつ、前記電力変換器(10)の前記AC側(16)及び前記DC側(18)の間の電力伝送経路は特に無変圧器であるように設計される、請求項1に記載の電力変換器。
- 前記絶縁モニタ(34)は、前記電力変換器(10)の前記AC側(16)と前記電力変換器(10)の前記AC端子(ACL1、ACL2、ACL3)との間に配置される、請求項1又は2に記載の電力変換器。
- 前記絶縁モニタ(34)が、接地スイッチ(SE、22.E)を介して接地電位(PE)に、前記ブリッジ回路(20)の、ハーフブリッジのスイッチング素子間にある電位を接続する接地抵抗器(RE)を有することを特徴とする、請求項3に記載の電力変換器。
- 前記ACスイッチ(22)のうちの少なくとも1つが接地スイッチ(22.E)として機能することを特徴とする、請求項4に記載の電力変換器。
- DC端子(DCL+、DCL-)ごとに、追加で接続可能なプリチャージ抵抗器(28.1、28.2)を有する少なくとも1つの回路遮断器(26.1、26.2)が存在することを特徴とする、請求項1~5のいずれか1項に記載の電力変換器。
- 前記DC端子(DCL+、DCL-)のちょうど1つに、追加で接続可能なプリチャージ抵抗器(28.1、28.2)を有する少なくとも1つの回路遮断器(26.1、26.2)が存在することを特徴とする、請求項1~6のいずれか1項に記載の電力変換器。
- 前記AC端子(ACL1、ACL2、ACL3)における故障電流測定値(32)による絶縁監視が提供されることを特徴とする、請求項1~7のいずれか1項に記載の電力変換器。
- 制御ユニット(30)が、
前記ACスイッチ(22)が開いている場合、前記ACプリチャージ回路(40)を通じて前記DCリンク回路をプリチャージし、
前記回路遮断器(26.1、26.2)を閉じることによって前記DCグリッド(14)に前記DC端子(DCL+、DCL-)を接続し、
その後、絶縁モニタ(34)を用いて前記DCグリッド(14)の前記絶縁抵抗(50)を測定し、
前記絶縁抵抗(50)が十分に高い場合:前記ACスイッチ(22)を閉じ、かつ、前記電力変換器(10)を使用して前記DCグリッドの電圧を設定するように構成されることを特徴とする、請求項1~8のいずれか1項に記載の電力変換器。 - 前記制御ユニット(30)は、前記電力変換器(10)の定格電力よりも大幅に低い電力で前記DCリンク回路をチャージするように構成されることを特徴とする、請求項9に記載の電力変換器。
- 前記電力変換器(10)は、前記DC側(18)がプリチャージ抵抗器(28.1、28.2)を介在させずに前記DC端子(DCL+、DCL-)に接続される間、前記DC側(18)の電圧を設定するように構成されることを特徴とする、請求項9又は10に記載の電力変換器。
- ブリッジ回路(20)を備える無変圧器の電力変換器(10)を使用する、接地された三相AC電源グリッド(12)から、接地されていないDCグリッド(14)に電力を供給する方法であって、前記ブリッジ回路(20)の前記DC端子(DCL+、DCL-)は回路遮断器(26.1、26.2)によって前記DCグリッド(14)に接続可能であり、前記ブリッジ回路(20)の前記AC端子(ACL1、ACL2、ACL3)はACスイッチ(22)を介して前記AC電源グリッド(12)に接続可能であり、前記電力変換器(10)は、前記AC電源グリッド(12)から前記電力変換器(10)のDCリンク回路をプリチャージするためのガルバニック絶縁ACプリチャージ回路(40)を備え、前記方法は以下の:
前記ACスイッチ(22)が開いている場合、前記ACプリチャージ回路(40)を通じて前記DCリンク回路をプリチャージするステップと、
前記回路遮断器(26.1、26.2)を閉じることによって前記DCグリッド(14)に前記DC端子(DCL+、DCL-)を接続するステップと、
その後、絶縁モニタ(34)を用いて、前記DCグリッド(14)の前記絶縁抵抗(50)を測定するステップと、
前記絶縁抵抗(50)が十分に高い場合:前記ACスイッチ(22)を閉じ、かつ、前記電力変換器(10)を使用して前記DCグリッド(14)の電圧を設定するステップと、を含む、方法。 - 少なくとも1つのDC端子(DCL+、DCL-)が、プリチャージ抵抗器(28.1、28.2)を介して前記DCグリッド(14)に接続される、請求項12に記載の方法。
- 前記絶縁抵抗(50)を測定するステップは、第1DC端子(DCL+、DCL-)が第1プリチャージ抵抗器(28.1、28.2)を介して前記DCグリッド(14)に接続される第1ステップと、前記第1DC端子とは異なる第2DC端子(DCL+、DCL-)が第2プリチャージ抵抗器(28.1、28.2)を介して前記DCグリッド(14)に接続される第2ステップと、を含み、前記絶縁抵抗(50)は、前記第1ステップ及び前記第2ステップで得られた測定値から決定される、請求項13に記載の方法。
- 前記DCグリッド(14)が前記プリチャージ抵抗器(28.1、28.2)を介在させずに前記DC端子(DCL+、DCL-)に接続される間、前記DCグリッド(14)の電圧が前記電力変換器(10)によって設定される、請求項12~14のいずれか1項に記載の方法。
- 前記ACスイッチ(22)が閉じられる場合、少なくとも1つのDC端子(DCL+、DCL-)が、プリチャージ抵抗器(28.1、28.2)を介して前記DCグリッド(14)に接続される、請求項12~15のいずれか1項に記載の方法。
- 前記AC電源グリッド(12)の故障の場合、前記ACスイッチ(22)を開いて、かつ、前記DCグリッド(14)に接続されたエネルギー源(42)を介して前記DCグリッド(14)の動作を継続するステップをさらに含み、前記DCグリッド(14)の前記絶縁抵抗(50)は、連続動作中に前記絶縁モニタ(34)を使用して連続的に又は繰り返し測定される、請求項12~16のいずれか1項に記載の方法。
- 前記ACスイッチ(22)が閉じられた後、前記DCグリッド(14)の絶縁監視が、前記AC端子(ACL1、ACL2、ACL3)の故障電流測定値(32)によって実行される、請求項12~17のいずれか1項に記載の方法。
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