JP6805252B2 - 系統遮断点および絶縁抵抗測定を有するインバータ、ならびに絶縁抵抗を測定するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、エネルギー発生装置の電力を変換し、かつ変換された電力をエネルギー供給系統に供給するためのインバータであって、系統遮断点と絶縁抵抗測定のための回路装置とを含むインバータと、インバータで使用するための絶縁抵抗を測定するための方法とに関する。

インバータは、エネルギー発生装置の電力を直流から交流に変換し、かつ変換された電力をエネルギー供給系統、例えばＡＣ電圧系統に供給し、および／または電気負荷の動作のために電気負荷に直接供給することができる。この場合に使用されるエネルギー発生装置は、特に再生可能資源から電力を発生する発電機、例えば太陽光発電機または風力発電機であり得る。

インバータをＡＣ電圧系統に接続する場合、規範的な理由で、インバータは、ガルバニック絶縁および単一故障安全装置によってＡＣ電圧系統からエネルギー発生装置を遮断できるようにしておく必要がある。この種の遮断は、例えば、欧州特許出願公開第２２２８８９５Ａ１号明細書で開示されている、直列に接続された２つのリレーを有する系統遮断点によって確保できる。

欧州特許出願公開第１８５７８２５Ａ１号明細書は、通電中の電気装置または正極および負極を含む電源電圧を含む設備の絶縁抵抗を同定するための接地点を含む測定装置を開示している。この場合、２つの開閉器または１つの対応する切換開閉器が設けられ、開閉器は、任意の所望の電位基準により、１つ以上の絶縁不良が発生した場合に結果として生じる合計の絶縁抵抗を同定するために、２つの電極の一方と接地点との間に電流経路をそれぞれ確立する。絶縁抵抗を同定するために２つの連続する測定が行われ、これらの測定の第１のものでは、第１の開閉器が閉じられる一方で第２の開閉器が開けられ、これらの測定の第２のものでは、第１の開閉器が開けられる一方で第２の開閉器が閉じられる。測定中、それぞれ確立された接地点への接続を介して流れる電流が測定される。絶縁抵抗は、測定された２つの電流から計算され、これに関しては引用文献で詳細に説明されている。

国際公開第２０１３／１７８６５４Ａ１号パンフレットは、出力電流を駆動するための２つのアクティブなスイッチング素子を含む少なくとも１つのハーフブリッジを含み、かつ絶縁抵抗を測定するための装置を含むインバータであって、装置は、インバータのリンク回路電圧の２つの接地されていない電極と接地点との接続を連続的に確立し、かつ接続を介して接地点に流れる電流を測定する、インバータを開示している。装置は、接地開閉器を有し、接地開閉器を使用して、スイッチング素子間に配置されたハーフブリッジの中心点を接地点に接続できる。装置は、接地点に流れる電流を測定するための接続を確立するために、ハーフブリッジのスイッチング素子により、接地点に接続された中心点を、ハーフブリッジに印加されるインバータのリンク回路電圧の２つの電極に連続的に接続する。

独国特許出願公開第１０２０１１０１８２２９Ａ１号明細書は、エネルギー発生装置のインバータを系統から電位絶縁するための回路装置であって、２つのスイッチング素子からなる直列回路を含み、中心接点における電位または電位シフトを検出するための測定装置が直列回路の２つのスイッチング素子間に設けられる、回路装置を開示している。

独国特許出願公開第１０２０１３１０４６２９Ａ１号明細書は、変換器と、変換器を系統から電位絶縁するための遮断装置とを含むエネルギー発生装置であって、遮断装置は、２つのスイッチング素子からなる直列回路を含む、エネルギー発生装置を開示している。エネルギー発生装置は、絶縁測定装置によって測定される絶縁抵抗に基づいてスイッチング素子の一方における故障を検出すると同時に、スイッチング素子の他方を作動させて閉じるための絶縁測定装置を含み得る。

独国特許出願公開第１０２０１１１２２３５９Ａ１号明細書は、インバータであって、インバータの出力側相導体は、それぞれ２つのスイッチング接点からなる直列回路を介して案内され、相導体の電圧値は、測定装置によって検出される、インバータと、電気機械的スイッチの機能を確認するための方法とを開示している。

これらの既知の測定装置は、太陽光発電機からの電気エネルギーをＡＣ系統へ供給する太陽光装置の絶縁不良を監視するために特に設けられ得る。これらの既知の測定装置を形成するためにインバータに設けられる構成要素は非常に多く、インバータの全体的なコストをかなり増大させる。

本発明は、絶縁抵抗を測定するための回路装置を含むインバータと、インバータの絶縁抵抗を同定するための方法とを実証するという目的に基づいており、上記インバータおよび方法を使用して、追加的な構成要素の使用数を抑え、したがってコスト効率よく絶縁抵抗を動的に測定できる。

この目的は、請求項１の特徴を有するインバータおよび請求項６の特徴を有する方法によって達成される。好ましい実施形態は従属請求項で定義される。

絶縁抵抗を測定するための回路装置を含む本発明によるインバータは、少なくとも２つのスイッチング素子を含む少なくとも１つのハーフブリッジと、２つの遮断装置からなる直列回路を含む系統遮断点であって、直列回路は、インバータのハーフブリッジの中心点とＡＣ電圧端子との間に配置され、上記ＡＣ電圧端子は、ＡＣ電圧系統の相導体または中性線を接続するために設けられる、系統遮断点とを含む。絶縁抵抗を測定するための回路装置は、抵抗器と電圧測定装置とを含み、抵抗器は、遮断装置の１つと電気的に並列に配置され、および電圧測定装置は、抵抗器の出力側端子と、ハーフブリッジの端点の１つとの間に配置される。

この解決策は、従来技術からわかるように、インバータの絶縁抵抗を同定するために、必ずしもグラウンドまたは保護導体に対して電圧測定または電流測定を行う必要はないという知見に基づいている。むしろ、既存のインバータの構成要素、すなわち系統遮断点の遮断装置を測定抵抗器によって何らかの方法で補い、ＡＣ電圧系統の相導体または中性線に対して電圧測定が行われるように前記構成要素を利用することが有利であることがわかっている。前記測定は、相導体または中性線とグラウンドまたは保護導体との間の電位差がゼロに近いかまたは少なくとも実質的に一定であり、かつインバータのハーフブリッジに印加される入力電圧の範囲内で変動する場合に限り、絶縁抵抗を同定するために使用され得る。特に、系統周波数を大きく下回る周波数およびさらに周波数がゼロに等しいＤＣ電圧では、相導体または中性線とグラウンドまたは保護導体との間の電位差は、通常、上記の条件を満たし、これは、グラウンドまたは保護導体と、絶縁抵抗を同定するために使用されるハーフブリッジの端点との間の電位差の追加的な測定に基づく簡単な手段を使用してさらに検証され得る。

インバータの１つの実施形態では、インバータのＤＣ電圧側に配置されるエネルギー発生装置をＡＣ電圧系統からガルバニック絶縁可能にするために、遮断装置をリレーとして実施できる。この場合、特に系統遮断点を小型に設計できるようにするために、遮断装置は、ハーフブリッジの中心点とＡＣ電圧端子との間に直列回路の形態で配置され得る。抵抗器は、直列回路の第１の遮断装置と並列に配置され得、かつ第２の遮断装置と並列に配置され得る。電圧測定装置は、抵抗器の出力側端子と、ＤＣリンク回路の端子の１つとの間、すなわち、抵抗器の出力側端子と、ＤＣリンク回路の正端子に関連するハーフブリッジの端点またはＤＣリンク回路の負端子に関連するハーフブリッジの端点との間に選択的に配置され得る。

特定の実施形態では、インバータは、インバータのハーフブリッジの端点に接続され得るエネルギー源から、インバータのＡＣ電圧端子に接続され得るＡＣ電圧系統へ電力を供給するように構成される。これは、この目的のために、供給される電力が系統遮断点を介して流れ、系統遮断点の遮断装置を導通状態に切り換えなければならないことを意味する。同時に、絶縁抵抗を測定する目的のために、系統遮断点の遮断装置は、直列に接続された遮断装置の一方が非導通状態であり、かつ他方の遮断装置が導通状態であることによる、従来のインバータでは意味をなさない切り換え状態を有する。

本発明による方法は、少なくとも２つのスイッチング素子を含む少なくとも１つのハーフブリッジと、ハーフブリッジと並列に配置され、かつ第１の電極および第２の電極を含むＤＣリンク回路と、２つの遮断装置からなる直列回路を有する系統遮断点であって、直列回路は、ハーフブリッジの中心点とＡＣ電圧端子との間に配置され、上記ＡＣ電圧端子は、ＡＣ電圧系統の相導体または中性線を接続するために設けられる、系統遮断点と、絶縁抵抗を同定するための回路装置であって、遮断装置の１つと電気的に並列に配置された抵抗器を含む回路装置とを含むインバータに関する。本方法は、第１のステップにおいて、抵抗器が並列に配置されている遮断装置の１つが非導通状態に切り換えられ、かつ遮断装置の他方が導通状態に切り換えられることを特徴とする。この切り換え状態では、抵抗器の出力側端子とＤＣリンク回路の第１の電極との間において降下した電圧の第１の電圧値は、ＤＣリンク回路の第１の電極がＡＣ電圧端子に接続されている間に測定され、および抵抗器の出力側端子とＤＣリンク回路の第１の電極との間において降下した電圧の第２の電圧値は、ＤＣリンク回路の第２の電極がＡＣ電圧端子に接続されている間に測定される。次いで、測定された電圧値に応じて絶縁抵抗が同定される。ここで、第１の電圧値と第２の電圧値とを測定する順番は任意である。

本方法の１つの実施形態では、ＤＣリンク回路の第１の電極および第２の電極は、ハーフブリッジのスイッチング素子の第１および第２のものがそれぞれ導通状態に切り換えられることにより、ＡＣ電圧端子にそれぞれ接続される。ＤＣリンク回路の第１の電極および第２の電極は、ＡＣ電圧端子にＡＣ電圧系統の系統周波数の少なくとも１０分の１未満の周波数で交互にかつ特に繰り返し接続され得、系統周波数成分はまた、第１および第２の電圧値の測定中に電圧測定値からフィルタリングされて除去され得る。

以下の本文は、図示した例示的な実施形態を参照しながら本発明をさらに説明および記載する。

図１は、系統遮断点と絶縁抵抗を同定するための回路装置とを含む、本発明によるインバータの第１の実施形態を示す。 図２は、本発明によるインバータの第２の実施形態を示す。 図３は、本発明によるインバータの第３の実施形態を示す。 図４は、本発明による方法の一実施形態を視覚化するためのブロック図である。

図１は、本発明によるインバータ１を示し、インバータ１は、ＤＣ電圧源、例えば太陽光発電機が接続され得る入力側ＤＣ電圧端子１４を有し、ＤＣ電圧源は、直接または相互接続されたＤＣ電圧変換器を介してインバータ１に接続され得る。ＤＣリンク回路１３は、ＤＣ電圧端子１４を介してインバータ１に供給される電力のバッファ蓄積装置としての役割を果たす。電気的に直列に接続された２つのスイッチング素子４を含むハーフブリッジ３は、ＤＣリンク回路１３と並列に配置され、ハーフブリッジ３の端点１２ａ、１２ｂは、ＤＣリンク回路１３の電極およびＤＣ電圧端子１４にそれぞれ接続される。スイッチング素子４のクロックトスイッチング、特にレシプロカルスイッチングによってＤＣ電圧端子１４に印加されるＤＣ電圧は、ハーフブリッジ３の中心点７において取り出すことができるクロックトＡＣ電圧に変換でき、その結果、出力フィルタ（ここでは図示せず）による平滑化後、正弦交流を発生させ、ＡＣ電圧端子８を介してＡＣ電圧系統（ここでは図示せず）に供給できる。ＡＣ電圧系統からインバータ１を遮断するために遮断点５が設けられ、上記遮断点は、ハーフブリッジ３の中心点７とＡＣ電圧端子８との間に配置される。規範的な理由で、特にいわゆる単一故障安全装置を確保するために、この種の遮断点は、通常、特に無変圧器型インバータにおいて、電気的に直列に接続された少なくとも２つの遮断装置６ａ、６ｂからなる。

インバータ１の絶縁抵抗を同定するために、抵抗器９と電圧測定装置１０とを含む回路装置２が設けられる。抵抗器９は、系統遮断点５のブリッジ側遮断素子６ａと並列に配置される。電圧測定装置１０は、抵抗器９の出力側端子１１とハーフブリッジ４の端点１２ｂとの間に配置される。

図２は、本発明によるインバータ１の代替的な実施形態を示す。図１とは対照的に、図２によれば、抵抗器９は、配置され、出力側遮断装置６ｂと並列に配置される。電圧測定装置１０は、抵抗器９の出力側端子１１とハーフブリッジ４の端点１２ｂとの間にさらに配置される。

図３は、インバータ１のさらなる実施形態を示す。本実施形態では、インバータは、インバータブリッジ３１を含み、インバータブリッジ３１は、この場合、２つのスイッチング素子をそれぞれ含む２つのハーフブリッジを含むＨ４方式ブリッジとして設計され、かつＤＣ電圧端子１４に接続され得る発電機が供給する電力を、交流としてＡＣ電圧端子８、８’を介して出力し、前記端子に接続され得るＡＣ電圧系統に供給できる。ここで、ＡＣ電圧端子８、８’は、ＡＣ電圧系統の相導体および中性線を接続するために設けられ、かつインバータブリッジ３１、したがって発電機から系統遮断点５によって遮断され得、それぞれの場合、直列に接続された２つの遮断装置６ａ、６ｂは、ＡＣ電圧端子８、８’のために設けられる。ＰＥ端子３２は、ＡＣ電圧系統の保護または接地導体（ＰＥ導体）を接続するために設けられ得る。絶縁抵抗を同定するために、インバータ側遮断装置６ａの１つと並列に配置された抵抗器９が設けられ、電圧測定装置１０は、抵抗器９の出力側端子とインバータブリッジ３１の端点との間に配置される（図１を参照されたい）。インバータブリッジ３１の端点と、ＡＣ電圧端子８ａ、ＰＥ導体、またはインバータブリッジ３１の分枝と系統遮断点５との間にある中心点との間の電圧を検出するために、さらなる電圧測定装置３３、３４、３５を設けることができる。

遮断装置６ａ、６ｂの１つの起こり得る故障の場合、換言すると、遮断装置６ａ、６ｂの１つが永続的に導通状態のままである場合であってもガルバニック絶縁が確保されるように、系統遮断点５は、ＤＣ電圧端子１４に接続されたＤＣ電圧源をＡＣ電圧端子８から遮断するように構成される。前記いわゆる単一故障安全装置はまた、図２および図３による構成と異なる方法において、出力側遮断装置６ｂが２つの個別の遮断装置に分割され、前記２つの個別の遮断装置がそれぞれＤＣ端子１４と、ハーフブリッジ３またはインバータブリッジ３１の端点との間のＤＣラインに配置されることによって実現され得る。これはまた、起こり得る故障状態のために残りの遮断装置６ａ、６ｂの１つが開かない場合であっても、ＤＣ電圧源がすべての電極においてＡＣ電圧端子８、８’から遮断されることを確保する。この構成はまた、ＤＣ電圧側に生じる過電圧からハーフブリッジ３またはインバータブリッジ３１を有利に保護できる。それ以外にも、図３と均等であるこの種の系統遮断点５の「分割」設計は、第１のＤＣ側遮断装置と第２の系統側遮断装置との直列回路に依然として関係し、インバータブリッジ回路３１は、第１の遮断装置と第２の遮断装置との間に配置される。これに関して特筆すべきことに、抵抗器９は、適切に選択された場合、特に十分に抵抗値が高い場合、特に保護抵抗器を抵抗器９として使用する場合、ガルバニック絶縁の需要を同様に満たす。

抵抗器９はまた、電圧測定装置１０および３５を適切に構成することによって形成され得る。これらの電圧測定装置１０および３５には内部抵抗があり、これらは、互いに組み合わせることにより、絶縁抵抗の同定に関して、別個に設けた抵抗器９と同じ効果をもたらすことができ、その結果、この場合に専用の抵抗器９を省略できる。

当然のことながら、図３に示すＨ４方式ブリッジの代わりに、インバータブリッジ３１はまた、独国特許出願公開第１０２００４０３０９１２Ａ１号明細書による、いわゆるＨ５方式ブリッジとして実施してもよく、または欧州特許出願公開第１３６９９８５Ａ１号明細書によるフリーホイールを有することもできる。さらに、インバータブリッジ３１は三相方式で実施することもでき、その結果、インバータ１は、三相ＡＣ電圧系統に三相電流を供給できる。インバータ１の個々のハーフブリッジ３は、３レベルまたはマルチレベルハーフブリッジとして実施でき、ＤＣリンク回路１３は、複数のコンデンサと、場合により中心点タップとを有する。

図４は、本発明による方法の一実施形態を視覚化するためのブロック図を示す。ステップＳ１においてインバータ１を開始した後、ステップＳ２において、遮断装置６ａ、６ｂは、抵抗器が並列に配置されている遮断装置６ａ、６ｂの一方が非導通状態となり、かつ遮断装置６ｂ、６ａの他方が導通状態となるように切り換えられる。ステップＳ３において、ハーフブリッジ３またはインバータブリッジ３１のスイッチング素子４は、ＤＣリンク回路１３の第１の電極１２ａまたは１２ｂがＡＣ電圧端子８に接続されるように切り換えられて、ステップＳ４において、抵抗器９の出力側端子１１と、それぞれＤＣリンク回路１３の第１の電極１２ａまたは１２ｂとの間で降下した電圧Ｖの第１の電圧値を測定できるようにする。ステップＳ６において、ハーフブリッジ３またはインバータブリッジ３１のスイッチング素子４は、ＤＣリンク回路１３の第２の、すなわちそれぞれ他方の電極１２ｂまたは１２ａがＡＣ電圧端子８に接続されるように切り換えられて、ステップＳ５において、抵抗器９の出力側端子１１と、それぞれＤＣリンク回路１３のそれぞれ第１の電極１２ａまたは１２ｂとの間で降下した電圧Ｖの第２の電圧値を測定できるようにする。次いで、ステップＳ７において、測定された電圧値から既知の方法でインバータの絶縁抵抗を同定できる。ステップＳ３からＳ６は、任意選択的に、ループの形式で複数回行うこともでき、１回分の時間は、系統周期の少なくとも１０倍長くてもよい。

１ インバータ
２ 回路装置
３ ハーフブリッジ
４ スイッチング素子
５ 系統遮断点
６ａ、６ｂ 遮断装置
７ 中心点
８、８’ ＡＣ電圧端子
９ 抵抗器
１０ 電圧測定装置
１１ 端子
１２ａ、１２ｂ 端点
１３ ＤＣリンク回路
１４ ＤＣ電圧端子
３１ インバータブリッジ
３２ ＰＥ端子
３３、３４、３５ 電圧測定装置

Claims (8)

1. 絶縁抵抗を測定するための回路装置（２）を含むインバータ（１）であって、少なくとも２つのスイッチング素子（４）を含む少なくとも１つのハーフブリッジ（３）と、２つの遮断装置（６ａ、６ｂ）からなる直列回路を含む系統遮断点（５）であって、前記直列回路は、前記インバータ（１）の前記ハーフブリッジ（３）の中心点（７）とＡＣ電圧端子（８）との間に配置され、前記ＡＣ電圧端子は、ＡＣ電圧系統の相導体または中性線を接続するために設けられる、系統遮断点（５）とを有し、前記回路装置は、抵抗器（９）と電圧測定装置（１０）とを含む、インバータ（１）において、前記抵抗器（９）は、前記遮断装置（６ａ、６ｂ）の１つと電気的に並列に配置され、および前記電圧測定装置（１０）は、前記抵抗器（９）の出力側端子（１１）と、前記ハーフブリッジ（３）の端点（１２ａ、１２ｂ）の１つとの間に電気的に配置されることを特徴とするインバータ（１）。
2. 請求項１に記載のインバータ（１）において、前記遮断装置（６ａ、６ｂ）は、リレーとして実施されることを特徴とするインバータ（１）。
3. 請求項１または２に記載のインバータ（１）において、前記抵抗器（９）は、前記ハーフブリッジ（３）の前記中心点（７）と前記ＡＣ電圧端子（８）との間の前記直列回路の第１の遮断装置（６ａ）と並列に配置されるか、または第２の遮断装置（６ｂ）と並列に配置されることを特徴とするインバータ（１）。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載のインバータ（１）において、前記電圧測定装置（１０）は、前記抵抗器（９）の前記出力側端子（１１）と、ＤＣリンク回路（１３）の正端子に関連する前記ハーフブリッジ（３）の前記端点（１２ａ）または前記ＤＣリンク回路（１３）の負端子に関連する前記ハーフブリッジ（３）の前記端点（１２ｂ）との間に配置されることを特徴とするインバータ（１）。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載のインバータ（１）において、前記ハーフブリッジ（３）の前記端点（１２ａ、１２ｂ）に接続され得るエネルギー源から、前記インバータ（１）の前記ＡＣ電圧端子（８）に接続され得るＡＣ電圧系統へ電力を供給するように構成されることを特徴とするインバータ（１）。
6. インバータ（１）の絶縁抵抗を同定するための方法であって、前記インバータ（１）は、
   − 少なくとも２つのスイッチング素子（４）を含む少なくとも１つのハーフブリッジ（３）と、
   − 前記ハーフブリッジ（３）と並列に配置され、かつ第１の電極および第２の電極を含むＤＣリンク回路（１３）と、
   − ２つの遮断装置（６ａ、６ｂ）からなる直列回路を含む系統遮断点（５）であって、前記直列回路は、前記インバータ（１）の前記ハーフブリッジ（３）の中心点（７）とＡＣ電圧端子（８）との間に配置され、前記ＡＣ電圧端子は、ＡＣ電圧系統の相導体または中性線を接続するために設けられる、系統遮断点（５）と、
   − 絶縁抵抗を同定するための回路装置（２）であって、前記遮断装置（６ａ、６ｂ）の１つと電気的に並列に配置された抵抗器（９）を含む回路装置（２）と
   を含む、方法において、
   − 前記抵抗器（９）が並列に配置されている前記遮断装置（６ａ、６ｂ）の１つを非導通状態に切り換え、かつ前記遮断装置（６ｂ、６ａ）の他方を導通状態に切り換えるステップと、
   − 前記抵抗器（９）の出力側端子（１１）と前記ＤＣリンク回路（１３）の前記第１の電極との間において降下した電圧（Ｖ）の第１の電圧値を、前記ＤＣリンク回路（１３）の前記第１の電極が前記ＡＣ電圧端子（８）に接続されている間に測定するステップと、
   − 前記抵抗器（９）の前記出力側端子（１１）と前記ＤＣリンク回路（１３）の前記第１の電極との間において降下した前記電圧（Ｖ）の第２の電圧値を、前記ＤＣリンク回路（１３）の前記第２の電極が前記ＡＣ電圧端子（８）に接続されている間に測定するステップと、
   − 前記測定された電圧値に応じて前記絶縁抵抗を同定するステップと
   を含むことを特徴とする方法。
7. 請求項６に記載の方法において、前記ＤＣリンク回路（１３）の前記第１の電極および前記第２の電極は、前記ハーフブリッジ（３）の前記スイッチング素子（４）の第１および第２のものがそれぞれ導通状態に切り換えられることにより、前記ＡＣ電圧端子（８）にそれぞれ接続されることを特徴とする方法。
8. 請求項６または７に記載の方法において、前記ＤＣリンク回路（１３）の前記第１の電極および前記第２の電極は、前記ＡＣ電圧端子（８）に系統周波数の少なくとも１０分の１未満の周波数で交互に接続されることと、系統周波数成分は、前記第１および前記第２の電圧値の前記測定中にフィルタリングされて除去されることとを特徴とする方法。

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