用于测试光伏逆变器的分离点的方法以及这种类型的光伏逆变器与流程

本发明涉及一种用于测试光伏逆变器的分离点的方法，该光伏逆变器具有中间电路，其中，所述分离点具有至少两条线路，每条线路中具有串联的两个开关触头，对这些开关触头进行相应地控制以测试功能性。

本发明还涉及一种光伏逆变器，用于将直流电压转换为交流电压，以将交流电压馈入供电电网，并且/或者用于给用电设备供电，该光伏逆变器具有输入侧dc-dc转换器、中间电路、输出侧dc-ac转换器和至少具有两条线路的分离点，每条线路中具有两个串联的开关触头。

背景技术：

通常，为了实现与供电电网或用电设备之间的安全断开，每条线路布置一对继电器用作光伏逆变器与供电电网或用电设备之间的分离点。遵守相关标准和规定是准许使用不带电隔离的逆变器进行并网馈电的前提。例如，规定了一种分离点由两个独立的电网监视装置组成，电网监视装置具有串联的分配开关。必须检查开关点的功能完整性，以确保在闭合继电器之前和开始馈电操作之前，获得完好无损的两组开关触头，并且如果一个开关触头粘连，仍然可以断开所有载流导体。

文献ep2837012b1和at513866b1描述了用于测试光伏逆变器的分离点的方法以及本发明所述类型的光伏逆变器，其中，开关触头按照特定的开关模式逐步切换，并且测量分离点之前和之后的电压，并使用这些电压得出开关触头的功能。

本发明适用于具有三条相线和一条中性线的三相网络、具有一条相线和一条中性线的单相网络，还可应用于不具有中性线的三相网络或不具有中性线的单相网络，诸如美国的分相电网或单相三线电网。

技术实现要素：

本发明的目的在于创建一种上面提到的用于测试光伏逆变器的分离点的方法以及这种类型的光伏逆变器，本发明的目的可以简单且成效比高地实现，并且具有最小的可能硬件支出。对分离点功能的检查应该尽可能快速，且测量工作量少。应避免或至少减少已知方法的缺点。

与方法相关地，根据本发明的目的通过以下方式实现：在测试模式中，将在各种情形下光伏逆变器产生的辅助电压施加在分离点的每条线路的输入端与中间电路电位之间，并且按照某一开关模式以交替方式，闭合第一开关触头并断开第二开关触头，随后闭合第二开关触头并断开第一开关触头，并针对开关触头的每种开关模式，测量分离点的每条线路的输出端与中间电路电位之间的电压，并根据针对开关触头的每种开关模式测得的电压，推导出每个开关触头的功能。根据本发明，对分离点的测试是在测试模式中使用由光伏逆变器(特别是其输出侧dc-ac转换器)产生的辅助电压进行的，于是，与现有技术不同，这种方法与是否存在特定的线路电压无关。这意味着，根据本发明的测试方法还可以用于独立逆变器，也可以用于隔离的网络和电路，包括应急电路，在这些网络和电路中在接通光伏逆变器之前不存在电压。辅助电压由光伏逆变器的现有硬件产生，这个情况意味着硬件支出特别低，意味着这种方法实施起来非常简单且成效比高。基本上，测试模式的执行要求一定的顺序，这种顺序可以用光伏逆变器的现有控制装置中或专用控制装置(例如微处理器)中的软件比较容易地实现。可以根据相对于中间电路电位测得的各种电压，计算出每个开关触头两端的电压降，然后可以利用所计算出的电压确定开关触头的功能，并因此确定分离点的正确功能。在以前的测试程序中，使用电网电压来测试开关触头。这样做的缺点是，在开关触头正常工作的情况下，与所提供的电网电压并联布置的时钟滤波电容器会将线路电压连接到中间电路，因此在光伏模块上叠加了50hz的电压。这意味着高到无法接受的电流可能会流经中间电路进入太阳能模块的寄生电容，并触发故障电流开关。但是，本发明测试方法基本上不会产生可能触发故障电流开关的泄漏电流。由于针对不同控制系统在光伏逆变器的分离点之前和之后测量了不同的电压，因此这些装置也可以用于执行分离点的测试模式。重要的是，通过提供的辅助电压来形成电路，该电路允许对施加到每个开关触头上的电压做出说明，以便能够确定开关触头是否错误闭合或者粘连。辅助电压优选由特低电压提供，特低电压通常表示低于25v(ac)的电压。

有利的是，按照交替方式，同时闭合分离点的所有第一开关触头并断开所有第二开关触头，然后同时闭合所有第二开关触头并断开所有第一开关触头。通过同时闭合和断开分离点的所有线路(相线，如果合适的话还有中性线)的第一和第二开关触头，可以通过仅一次开关操作特别快速、轻松地执行测试方法。

在用于具有三条相线和一中性线的三相供电网络的光伏逆变器中，将由光伏逆变器产生的三个辅助电压施加在分离点的每条相线的输入端与中间电路电位之间，并将至少一个辅助电压通过耦合电容器施加在分离点的中性线的输入端与中间电路电位之间，并且测量分离点的各相线输出端与中性线输出端之间的电压、分离点的中性线输出端和中间电路电位之间的电压以及分离点的相线输入端和中性线输入端之间的至少一个电压，并根据针对开关触头的每种开关模式所测得的电压，推导出每个开关触头的功能。这种方案代表了一种用于执行带中性线三相网络测试方法的优选方法。在最简单的情况下，将三个辅助电压施加到分离点的输入端，至少一个辅助电压通过耦合电容器耦合到中性线中，用以测试中性线的两个开关触头。在这种情况下，在测试模式期间，分离点的中性线输入端没有连接到中间电路电位。通过测量分离点输出端、分离点的相应电压，以及分离点输入端的至少一个电压，可以推导出或计算出分离点的所有开关触头处的电压，并且能够确定分离点的开关触头的功能。

在用于具有一条相线和一中性线的单相供电网络的光伏逆变器中，将由光伏逆变器产生的两个辅助电压施加在分离点的相线的输入端与中间电路电位之间以及分离点的中性线的输入端与中间电路电位之间，并且测量分离点的相线输出端与分离点的中性线输出端之间的电压以及分离点的中性线输出端与中间电路电位之间的电压，并根据针对开关触头的每种开关模式所测得的电压，推导出每个开关触头的功能。对于具有中性线的单相网络，这代表了一种优选设计变型，其中，施加了两个辅助电压，并且在分离点之后的适当点处和分离点仅测量了两个电压，这意味着分离点的所有四个开关触头的功能都得到确定。

在用于具有两条相线而没有中性线的单相供电网络(所谓分相电网)的光伏逆变器中，将由光伏逆变器产生的两个辅助电压施加在分离点的各相线输入端和中间电路电位之间，并测量分离点的各相线输出端之间的电压以及分离点的一条相线输出端与中间电路电位之间的电压，并根据针对开关触头每种开关模式所测得的电压，推导出每个开关触头的功能。此方法类似上面针对带中性线的单相网络描述的测试程序。

如果在测试模式下同时测量各种电压，则可以非常快速、简单地执行该方法。当然，在这种情况下，需要几个装置来测量电压，而无论如何，这些装置通常都存在于光伏逆变器中。也可以用更少的用于测量导线(相线，如果合适的话还有中性线)之间电压的装置，来依次测量用于推导出开关触头的功能所需的电压。

在测试模式下测得的电压可以是在多个周期内测量得到的，优选为2至20个周期，并将测量值取平均。对多次测量取平均可以提高信噪比。取平均可以以不同的方式进行，例如，通过形成均方根(rms)。

在分离点的开关触头发生故障的事件中，可以输出错误消息。可以通过声学方式、光学方式或者经由用户界面远程发送错误消息，以便能够以合适的方式将分离点的故障快速报告给光伏逆变器的用户。

根据本发明的另一特征，在测试模式下测量每条线路中的电流，如果超过规定的极限值，则启动限流器。通过启动无论如何在许多光伏逆变器中都存在的限流器，可以防止以下情况：如果一条相线或中性线的两个串联开关触头同时都被意外闭合，则会流过过大的电流，过大电流可能会导致电路部件的损坏。

可以在分离点的前面布置线路滤波器。这种线路滤波器可以防止不允许的高频传输到供电网络或用电设备。

根据本发明的目的还借助于如上所述的光伏逆变器来实现，其中，输出侧dc-ac转换器被设计为，在用于测试分离点的开关触头的测试模式中，产生辅助电压，其中，辅助电压可被施加在分离点的各线路输入端和中间电路电位之间，控制装置被设计成：按照某一开关模式以交替方式，闭合分离点的第一开关触头并断开第二开关触头，然后闭合第二开关触头并断开所有第一开关触头，并且设置有用于测量分离点的每条线路输出端与中间电路电位之间电压的装置，并且设置有评估装置，用于根据针对开关触头每种开关模式测得的电压，推导出每个开关触头的功能。如上所述，根据本发明的光伏逆变器的特征在于特别低的硬件成本。对于由此产生的其他进一步优点的细节，参考上面对测试方法的描述。

对于具有三条相线和一中性线的三相供电网络，光伏逆变器的输出侧dc-ac转换器被设计为生成三个辅助电压，其中，辅助电压被施加在分离点的每条相线输入端和中间电路电位之间，至少一个辅助电压可以通过耦合电容器施加在分离点的中性线输入端与中间电路电位之间，并且设置有用于测量分离点的每个相线的输出端与中性线的输出端之间电压的装置，设置有用于测量分离点中性线输出端与中间电路电位之间电压的一个装置以及至少一个用于测量分离点相线输入端与中性线输入端之间电压的装置，评估装置被设计为根据针对开关触头每种开关模式测得的电压，推导出每个开关触头的功能。

如果至少一个耦合电容器由线路滤波器的电容器形成，则可以将现有的硬件用于测试装置。布置在分离点前面的线路滤波器可以防止高频信号的传输，并且可以遵守emc(电磁兼容性)规定。

对于具有一条相线和一中性线的单相供电网络，输出侧dc-ac转换器被设计为产生两个辅助电压，其中，辅助电压可被施加在分离点的相线输入端与中间电路电位之间以及在分离点的中性线输入端与中间电路电位之间，并且设置有用于测量分离点的相线输出端与中性线输出端之间电压的装置，设置有用于测量分离点的中性线输出端与中间电路电位之间电压的装置，评估装置被设计为根据针对开关触头每种开关模式测得的电压，推导出每个开关触头的功能。

对于具有两条相线而没有中性线的单相供电网络，输出侧dc-ac转换器被设计为生成两个辅助电压，其中，辅助电压可被施加在分离点的诸相线输入端与中间电路电位之间，并且设置有用于测量分离点的各相线的输出端之间电压的装置，以及用于测量分离点的一相线的输出端与中间电路电位之间电压的装置，并且评估装置被设计为：根据针对开关触头每种开关模式测得的电压，推导出每个开关触头的功能。

如果设置有一种装置，用于对分离点之前和之后在几个周期(优选2到20个周期)上测得的电压进行缓存和平均，则可以提高信噪比。

如果设置有一种报警装置，用于在分离点开关触头中检测到故障时输出错误消息，则可以将分离点故障迅速而容易地通知给光伏逆变器的操作者。

优选的是，设置有用于在测试模式下限制流经每个相线的电流的装置。如上面结合测试方法已经描述的那样，在无意中同时闭合两个串联布置的开关触头的事件中，可以实现对电流的限制。

所有线路的第一开关触头可以由至少一个多极继电器形成，所有线路的第二开关触头可以由至少一个另外的多极继电器形成。因此，开关触头可以由双继电器或多极继电器形成。在最简单的情况下，所有第一开关触头由一多极继电器形成，所有第二开关触头由另一多极继电器形成，这意味着只需要两个继电器即可实现分离点。

附图说明

下面参考附图进一步详细解释本发明。所显示的附图有：

图1是光伏逆变器的示意性电路框图；

图2是光伏逆变器与三相网络中供电网络或用电设备之间的分离点的结构；

图3是光伏逆变器与具有中性线的三相供电网络之间的分离点的示意性结构，应用了根据本发明的用于测试分离点的方法；

图4是光伏逆变器与具有中性线的单相供电网络之间的分离点的示意性结构，应用了根据本发明的用于测试分离点的方法；和

图5是光伏逆变器与不带中性线的单相供电网络之间的分离点的示意性结构，应用了根据本发明的用于测试分离点的方法。

具体实施方式

图1示出的是一种光伏逆变器1的结构，具体来说是rf逆变器的结构。光伏逆变器1具有至少一个输入侧dc-dc转换器2、中间电路3和输出侧dc-ac转换器4。能源5连接至输入侧dc-dc转换器2，其优选由一个或多个并联和/或串联的太阳能模块6形成。光伏逆变器1和太阳能模块6也被称为光伏系统或pv系统。光伏逆变器1的输出端或输出侧dc-ac转换器4可以连接到供电网络7，诸如公共或私人ac电源网络或多相网络，并且/或者连接到至少一个代表负载的用电设备8。例如，用电设备8由马达、冰箱、收音机等形成。同样，用电设备8也可以是家庭供电设备。

这种类型的光伏逆变器1优选用作所谓的并网光伏逆变器1，这种光伏逆变器的能量管理被优化为将尽可能多的能量馈入供电网络7。作为一种替代方式，光伏逆变器1也可以专门用于为用电设备8供电。在这种情况下，使用的术语是所谓的独立逆变器。

光伏逆变器1的各个部件，诸如输入侧dc-dc转换器2，可以经由数据总线9连接至控制装置10。光伏逆变器1的控制装置10例如由微处理器、微控制器或计算机形成。控制装置10可以用于对光伏逆变器1的各个部件(诸如输入侧dc-dc转换器2或输出侧dc-ac转换器4，尤其是布置在其中的开关元件)进行适当的控制。为实现这个目的，将各个开环或闭环控制序列借助于适当的软件程序和/或数据或特性曲线存储在控制装置10中。

此外，经由数据总线9，操作元件11可以连接至控制装置10，借助于操作元件，用户可以例如配置光伏逆变器1和/或显示器，并设置操作状态或参数(例如，借助于led)。这些操作元件11例如经由数据总线9或直接连接至控制装置10。这样的一些操作元件11布置在例如光伏逆变器1的前部，使得可以进行外部操作。操作元件11也可以直接布置在光伏逆变器1内的组合件和/或模块上。

特别是，当使用光伏逆变器1馈入供电网络7时，诸多标准要求在光伏逆变器1和供电网络7之间连接分离点12。在将光伏逆变器1接入供电网络7或连接至用电设备8之前，必须检查该分离点12的功能是否正常。为此目的，在测试模式下，将辅助电压经由控制装置施加到分离点12的线路上，该控制装置可以由光伏逆变器1的现有控制装置10形成，按照开关模式启动分离点12的开关触头，并且各种电压被施加给分离点12的输出端，这些电压在分离点12处并且理想地在分离点12的输入端处进行测量，据此，可以针对每一种开关模式计算出分离点12的各个开关触头处的各个电压，并因此可以确定所有开关触头是否正确工作。这些电压是相对于中间电路3的中间电路电位m测量的。为了测量电压，优选使用已有电压测量装置。在连接至控制装置10的评估装置17中，确定各个开关触头上的电压并推导出开关触头的功能。装置18用于对几个周期上所测得的电压进行缓存，并且可能的话对所测得的电压取平均。警报装置19可以用于以各种方式，例如声学方式、光学方式等，向光伏系统的用户或操作者发出警报。

可以在输出侧dc-ac转换器4和分离点12之间布置线路滤波器21，线路滤波器21防止不允许的高频通过输出端交流电压uac传输到供电网络7或用电设备8。

图2示出的是用于四条线路lx的分离点12的结构，优选用于具有三条相线l1、l2、l3和一中性线n的三相网络。在每条线路lx中两个开关触头sw_lx,1和sw_lx,2串联布置。分离点12的所有线路lx都有输入端e_lx以及输出端a_lx，输入端e_lx在所示示例中为相线li的输入端e_li和中性线n的输入端e_n，输出端a_lx在这里具体是指相线li的输出端a_li和中性线n的输出端a_n。在用于测试开关触头sw_lx,j的功能的测试模式中，将辅助电压u_lx施加到分离点12的输入端e_lx，然后按照一开关模式以交替方式，在各情况下闭合分离点12的第一开关触头sw_lx,1并断开第二开关触头sw_lx,2，然后在各情况下闭合第二开关触头sw_lx,2并断开第一开关触头sw_lx,1。对于开关触头sw_lx,j的每种开关模式，测量分离点12的每条线路lx的输出端a_lx与光伏逆变器1的中间电路电位m之间的电压。应用这些针对开关触头sw_lx,j的每种开关模式所测得的电压，推导出每个开关触头sw_lx,j的功能。

图3示出的是光伏逆变器1与三相网络中的供电网络7或用电设备8之间的分离点12的结构，其中使用了根据本发明的用于测试分离点12的方法，该三相网络具有三条相线l1、l2、l3和一条中性线n。根据本发明，辅助电压u_li由相应的装置13产生，并且在用于测试开关触头sw_li,j和sw_n,j的测试模式中被施加在分离点12各相线l1、l2、l3的输入端e_l1、e_l2、e_l3与中间电路电位m之间。为了测试中性线n中的开关触头sw_n,1和sw_n,2，辅助电压u_l1通过耦合电容器c加入分离点12的中性线n的输入端e_n与中间电路电位m之间。装置15用于测量分离点12各相线l1、l2、l3的输出端a_l1、a_l2、a_l3和分离点12中性线n的输出端a_n之间的电压u_l1,gd、u_l2,gd、u_l3,gd。经由装置16，检测分离点12的中性线n的输出端a_n和中间电路电位m之间的电压u_mn。最后，在分离点12的输入端处设置有至少一个装置14，用于测量分离点12的相线l1的输入端e_l1和中性线n的输入端e_n之间的电压u_l1,lt。在评估单元17(参见图1)中，根据在开关触头sw_li,j和sw_n,j的每一种开关模式中所测得的电压，计算在所有开关触头sw_li,j和sw_n,j处的电压，以推导出各开关触头sw_li,j和sw_n,j的功能。关键的是，要有足够的测量信息可用来确定开关触头两端的电压降，以便能够确定开关触头的功能。假设所有第一开关触头sw_li,1和sw_n,1同时切换，然后所有第二开关触头sw_li,2和sw_n,2同时切换，那么，在测试模式期间可以通过仅一次切换操作来执行对分离点12的测试。如果开关触头处的电压差实际上为零，则这种情况表明开关触头发生了粘连，即工作不正常。如果开关触头处的电压差基本上等于施加的辅助电压u_li、u_n，则相应的开关触头sw_li,j或sw_n,j正常工作。

下表显示了根据图3用于测试分离点12的开关触头sw_li,j、sw_n,j的开关模式。总共八个开关触头按照包含两种开关状态1和2的开关模式进行启动，并且针对每种开关状态1或2测量相应的电压，从而可以计算出所有开关触头sw_lx,j的差分电压，并因此可以确定开关触头sw_lx,j的粘连。

例如，各开关触头sw_li,j和sw_n,j处的电压计算如下：

测量相线li的开关触头sw_li,j处电压，不需要电压u_li,lt。

1.)计算相线l1的中继电压：

u_l1-sw_l1,1-sw_l1,2-u_l1,gd+u_mn＝0，或者

sw_l1,1+sw_l1,2＝u_l1-u_l1,gd+u_mn

2.)计算相线l2的中继电压：

u_l2-sw_l2,1-sw_l2,2-u_l2,gd+u_mn＝0，或者

sw_l2,l+sw_l2,2＝u_l2-u_l2,gd+u_mn

3.)计算相线l3的中继电压：

u_l3-sw_l3,1-sw_l3,2-u_l3,gd+u_mn＝0，或者

sw_l3,1+sw_l3,2＝u_l3-u_l3,gd+u_mn

4.)计算中性线n的中继电压(3种可能)：

测量中性线n的开关触头sw_n,j处的电压，不需要分离点12后面的电压u_li,gd。

u_l1-u_l1,lt-sw_n,1-sw_n,2+u_mn＝0，或者

sw_n,1+sw_n,2＝u_l1-u_l1,lt+u_mn

u_l2-u_l2,lt-sw_n,1-sw_n,2+u_mn＝0，或者

sw_n,1+sw_n,2＝u_l2-u_l2,lt+u_mn

u_l3-u_l3,lt-sw_n,1-sw_n,2+u_mn＝0，或者

sw_n,1+sw_n,2＝u_l3-u_l3,lt+u_mn

图4示出的是光伏逆变器1与单相网络中的供电网络7或用电设备8之间的分离点12的结构，其中使用了根据本发明的用于测试分离点12的方法，该单相网络具有一条相线l1和一中性线n。在这种情况中，两个辅助电压u_l1和u_n由光伏逆变器1产生，特别是由输出侧dc-ac转换器4产生，并被施加在分离点12的相线l1的输入端e_l1与中间电路电位m之间以及在分离点12的中性线n的输入端e_n与中间电路电位m之间。使用装置15，在分离点12的相线l1的输出端a_l1和中性线n的输出端a_n之间测量电压u_l1n,gd。使用装置16，检测分离点12的中性线n的输出端a_n与中间电路电位m之间的电压u_mn。经由评估单元17，计算开关触头sw_l1,j和sw_n,j处的差动电压，据此，可以推导出开关触头的功能。在这种情况中，开关模式优选如下：

1.)计算相线l1上的中继电压：

u_l1-sw_l1,1-sw_l1,2+u_l1n,gd-u_mn＝0，或者

sw_l1,1+sw_l1,2＝u_l1+u_l1n,gd-u_mn

2.)计算中性线n上的中继电压：

计算该电压，不需要u_l1n,gd。

u_n-sw_n,1-sw_n,2-u_mn＝0，或者

sw_n,1+sw_n,2＝u_n-u_mn

图5示出的是光伏逆变器1与单相网络中的供电网络7或用电设备8之间的分离点12的结构，其中使用了根据本发明的用于测试分离点12的方法，该单相网络具有两条相线l1和l2但没有中性线n。在这种情况下，两个辅助电压u_l1和u_l2由光伏逆变器1产生，特别是由输出侧dc-ac转换器4产生，并被施加在分离点12的相线l1和l2的输入端e_l1和e_l2与中间电路电位m之间。使用装置15，在分离点12的相线l1的输出端a_l1和相线l2的输出端a_l2之间测量电压u_l1l2,gd。使用装置16，检测在分离点12的相线l2的输出端a_l2与中间电路电位m之间的电压u_mn。经由评估单元17，计算在开关触头sw_l1,j和sw_l2,j处的差动电压，据此，可以推导出开关触头的功能。在这种情况中，开关模式优选如下：

1.)计算相线l1上的中继电压：

u_l1-sw_l1,1-sw_l1,2+u_l1l2,gd-u_mn＝0，或者

sw_l1,1+sw_l1,2＝u_l1+u_l1l2,gd-u_mn

2.)计算相线l2上的中继电压：

计算该电压，不需要u_l1l2,gd。

u_l2-sw_l2,1-sw_l2,2-u_mn＝0，或者

sw_l2,1+sw_l2,2＝u_l2-u_mn

当然，还可以设想电压测量装置的其他布置，其中，必须确保始终测量相应数量的电压，使得可以唯一地计算出分离点12的各个开关触头处的电压。