用于具有多点拓扑的逆变器中的绝缘电阻测量的方法以及具有多点拓扑的逆变器

技术领域

本发明涉及一种用于逆变器中的绝缘电阻测量的方法，并且涉及一种用于执行这种方法的逆变器。特别地，本发明涉及一种具有独立权利要求1的前序部分的特征的方法，并且涉及一种具有独立权利要求9的前序部分的特征的逆变器。

逆变器中的绝缘电阻测量不仅涉及逆变器本身的绝缘电阻，而且涉及连接至输入侧的直流电压中间电路的发电机(尤其是光伏发电机)的绝缘电阻。

背景技术

从WO 2013/178654 A1中已知一种用于测量绝缘电阻的方法和一种具有用于测量绝缘电阻的设备的逆变器，该方法和该设备具有权利要求1的前序部分和权利要求8的前序部分的特征。在已知的方法和已知的逆变器中，通过闭合接地开关，将位于逆变器的半桥的开关元件之间的电桥中点与接地点连接。与接地点连接的电桥中点借助半桥的开关元件依次与施加在半桥处的、逆变器的中间电路电压的两个不接地的极连接，并且测量通过该连接流至接地点的电流。以这种方式，中间电路电压的极相对于接地的电压用作用于测量绝缘电阻的测试电压并且通过半桥的开关元件接通。

一种具有权利要求1的前序部分的特征的方法和一种具有独立权利要求9的前序部分的特征的设备也从US 2012/0026631 A1中已知。在此，通过该连接流至接地点的电流借助电流传感器进行测量。附加地，测量中间电路电压的未接地的极的电势。

在从WO 2013/178654 A1中已知的逆变器的正常运行中仅以中间电路电压的一半加载开关元件，而在执行从WO 2013/178654 A1中已知的用于测量绝缘电阻的方法的情况下，该负载可以增加到中间电路电压，即使中间电路电压的两个极中的任意一个都未接地。因此，在中间电路电压大于电桥电路的开关元件的额定耐电压强度(Spannungsfestigkeit)、尤其是测量电路的硬件部件的额定耐电压强度的情况下，存在以下危险：在测量绝缘电阻时，超过该电压极限值。

对于具有较高功率的逆变器、尤其是在直流电压中间电路中具有较高中间电路电压的逆变器，已知具有多点拓扑的电桥电路，例如在所谓的三电平逆变器(3-Level-Inverter)中。通过具有多点拓扑的电桥电路，可以例如在施加在开关元件上的高电压的情况下降低开关损耗。在三电平逆变器中，电桥电路不仅将其电桥中点与直流电压中间电路的两个端点(中间电路电压施加在这两个端点之间)交替地连接，而且与直流电压中间电路(借助分布式中间电路提供该直流电压中间电路)的电压中点连接。

实际上，三电平逆变器例如用于光伏设备中，该光伏设备的光伏发电机将逆变器的直流电压中间电路充电至高达1500V，其中，在电桥电路中使用具有例如1000V的额定耐电压强度的开关元件。

发明内容

本发明基于以下任务：提供一种具有独立权利要求1的前序部分的特征的方法以及一种具有独立权利要求9的前序部分的特征的对应的逆变器，即使直流电压中间电路充电至中间电路电压，该方法和该逆变器也能够实现可靠的绝缘电阻测量，该中间电路电压明显超过其电桥电路的开关元件的额定耐电压强度和尤其测量电路的硬件部件的额定耐电压强度，从而未接地的直流电压中间电路的端点之一相对于接地的电压也可以超过该电压极限值。

本发明的任务通过具有独立权利要求1的特征的用于绝缘电阻测量的方法以及通过具有独立权利要求9的特征的逆变器来解决。根据本发明的方法和根据本发明的逆变器的优选实施方式在从属权利要求中进行定义。

在一种用于逆变器中的绝缘电阻测量的方法中，该逆变器具有直流电压中间电路和连接至直流电压中间电路的电桥电路，该电桥电路用于驱动交流电流通过电桥中点，该方法包括将电桥中点与接地点连接、借助电桥电路将与接地点连接的电桥中点依次与未接地的直流电压中间电路的两个电压不同的点连接以及测量从两个电压不同的点流至接地点的电流的步骤，从如下点的组中如此选择未接地的直流电压中间电路的两个电压不同的点，使得在两个电压不同的点与接地之间施加的电压不超过预给定的电压极限值：除了直流电压中间电路的两个端点之外，所述点还包括直流电压中间电路的至少一个中间电压点。

直流电压中间电路的两个端点的电势对应于直流电压中间电路的两个极之间的电势，在这两个极之间将直流电压中间电路充电至中间电路电压。中间电压点具有在直流电压中间电路的两个极的电势之间的电势并且因此也具有相对于接地的如下电压：该电压位于直流电压中间电路的两个端点的电压之间。

通过从附加地包括直流电压中间电路的中间电压点的点组中选择两个电压不同的点用于绝缘电阻测量，如果中间电路电压超过预给定的电压极限值并且因此存在以下危险：直流电压中间电路的两个端点之一相对于接地具有同样超过电压极限值的电压，则提出以下可能性：避免在测量绝缘电阻时以高于电压极限值的电压加载电桥电路的开关元件并且尤其是测量电路的硬件部件。如此，可以将测量电路的硬件部件设计用于比逆变器相对于接地的最大系统电压将引起的电压负载和功率负载更小的电压负载和功率负载。因此，例如可以在测量电路的硬件部件中实现成本节省、稳健性优点、更低的损耗功率和降低的空间需求。

因此，根据本发明的方法可以在以下任何逆变器中执行：该逆变器的电桥电路除了直流电压中间电路的两个端点以外还可以将电桥中点与直流电压中间电路的至少一个中间电压点连接。在具有多点拓扑的逆变器、尤其是所谓的三电平逆变器中是这种情况，如这些逆变器本来就经常用于高的中间电路电压中的那样。用于检测来自可能电压不同的点的组的所有电压不同的点相对于接地的电压的测量设备也存在于许多逆变器中或者能够以低开销进行改装。

在从也包括直流电压中间电路的至少一个中间电压点的点的组中选择未接地的直流电压中间电路的两个电压不同的点时，可以检查在直流电压中间电路的两个端点与接地之间施加的两个电压之一是否超过预给定的电压极限值。如果不是这种情况，则选择直流电压中间电路的两个端点用于绝缘电阻测量。然而，如果两个端点之一以其相对于接地的电压超过电压极限值，则选择直流电压中间电路的另一端点(在该端点中，相对于接地的电压不超过预给定的电压极限值)和直流电压中间电路的中间电压点作为两个电压不同的点。

具体地，未接地的直流电压中间电路的两个电压不同的点的选择可以如此实现，使得在第一测试中检查在直流电压中间电路的两个端点中的第一端点与接地之间施加的电压是否超过预给定的电压极限值，并且在第二测试中检查在直流电压中间电路的两个端点中的第二端点与接地之间施加的电压是否超过预给定的电压极限。然后，可以基于第一测试的第一结果和第二测试的第二结果借助真值表来确定，从点的组中选择未接地的直流电压中间电路的哪两个电压不同的点。该真值表可以如下所示：

在上面的真值表中，第一行中的条目(Eintrag)(即，如果第一端点和第二端点相对于接地的两个电压均不超过预给定的电压极限值，则选择第一端点和第二端点作为两个电压不同的点)导致驱动流至接地点的电流的两个电压之间的最大差异，这对于绝缘电阻的准确测量是有利的。但是，也允许的是，选择两个端点之一和中间电压点作为未接地的直流电压中间电路的两个电压不同的点。

替代地，未接地的直流电压中间电路的两个电压不同的点的选择可以如此实现，使得在第一子步骤中检查，在直流电压中间电路的两个端点之间施加的中间电路电压是否实际上超过预给定的电压极限值。如果不是这种情况，则通常可以假定直流电压中间电路的两个端点与接地之间的两个电压也不超过极限值，因为在直流电压中间电路未接地的情况下，直流电压中间电路的两个端点与接地之间的这两个电压虽然不必是相同大小的并且也将不会是相同大小的，但是通常不具有相同的符号。相应地，可以选择直流电压中间电路的两个端点作为两个电压不同的点。

在选择两个电压不同的点的第二子步骤——仅当中间电路电压超过预给定的电压极限值时才执行该第二子步骤——中，然后可以检查在直流电压中间电路的两个端点中的第一端点、即在直流电压中间电路的两个极中的第一极与接地之间施加的电压是否超过存在的极限值。如果是这种情况，则选择直流电压中间电路的两个端点中的第二端点和中间电压点作为未接地的直流电压中间电路的两个电压不同的点，因为只要中间电压点是直流电压中间电路的电压中点，只要中间电路电压在小于电压极限值的两倍的允许范畴内运动并且只要直流电压中间电路的两个端点与接地之间的两个电压不具有相同符号的规则适用，就可以假定这两个电压不同的点相对于接地的这两个电压不超过电压极限值。

在选择两个电压不同的点的第三子步骤——仅当在直流电压中间电路的两个端点中的第一端点与接地之间施加的电压不超过预给定的电压极限值时才执行该第三子步骤——中可以检查，在直流电压中间电路的两个端点中的第二端点与接地之间施加的电压是否超过电压极限值。如果不是这种情况，则可以选择直流电压中间电路的两个端点作为未接地的直流电压中间电路的两个电压不同的点，尽管在这两个端点之间施加的中间电路电压超过电压极限值。否则，选择直流电压中间电路的两个端点中的第一端点和中间电压点，因为没有任何超过电压极限值的相对于接地的电压施加在这些点处。至少如果中间电压点是直流电压中间电路的电压中点并且中间电路电压保持在小于电压极限值的两倍的允许范畴内，则这适用。由于逆变器的拓扑结构，无论如何，直流电压中间电路的可用中间电压点在各种情况下都将是直流电压中间电路的电压中点。

可以理解，对于先前提及的关于电压是否超过预给定的电压极限值的测试中的每个，不必直接测量相应的电压，而是也可以从其他测量值中推导出——例如从其他测量电压中推导出——这些其他测量电压通过电压循环(Spannungsumlauf)与分别感兴趣的电压相关联(verknüpfen)。如此，可以由一方面直流电压中间电路的两个端点中的第一端点与接地之间的电压并且另一方面中间电路电压通过差形成(Differenzbildung)来确定直流电压中间电路的两个端点中的第二端点与接地之间的电压。

具体地，预给定的电压极限值可以位于800至1500V之间或位于900至1200V之间，即位于1000V。

除了其在此在选择未接地的直流电压中间电路的电压不同的点的方面关于所有细节所描述的特性之外，还可以如从WO 2013/178654 A1中已知的方法来实施根据本发明的方法。

特别地，在测量流至接地点的电流时，将电桥中点定期地与在逆变器的正常运行中(即在驱动交流电流通过电桥中点时)连接的交流电流网络断开。

分别流至接地点的电流可以通过连接在电桥中点与接地点之间的测量电阻处的电压下降来测量。特别地，测量电阻上的电压下降可以借助逆变器的测量装置来测量，该测量装置在逆变器的正常运行中通过更低阻抗的测量电阻测量电压下降，以便测量交流电流。

电桥电路的开关元件可以依次闭合，以便允许两个直流电流依次从直流电压中间电路的两个电压不同的点流至接地点。由两个直流电流的电流强度和电压不同的点相对于接地的相关电压可以以已知的方式计算出绝缘电阻。

替代地，可以操控电桥电路的开关元件，以便允许低频交流电流从两个电压不同的点通过逆变器的网络扼流圈流至接地点。然后，与在逆变器的正常运行中流动的交流电流相比，该低频交流电流具有至少2倍、优选至少5倍、更优选至少10倍、甚至更优选至少50倍以及最优选至少100倍的周期持续时间。

还可以操控电桥电路的开关元件，以便在连接在电桥中点后面的滤波器的滤波器输出端处设置至少一个驱动电压用于通过逆变器的网络扼流圈流至接地点的电流，该电压位于直流电压中间电路的两个电压不同的点相对于接地的电压之间。

驱动相应的电流流至接地点的电压可以借助测量装置来进行测量，在选择未接地的直流电压中间电路的两个电压不同的点时借助这些测量装置来测量在这两个电压不同的点与接地之间施加的电压。此外，为了测量分别流至接地点的电流，可以确定在位于保护电阻与接地点之间的点与未接地的直流电压中间电路的电压不同的点中的一个之间施加的电压。具体地，可以测量该点相对于直流电压中间电路的电压中点的电压。

在根据本发明的逆变器中(该逆变器具有直流电压中间电路、具有连接至直流电压中间电路的电桥电路和用于测量绝缘电阻的设备，其中，该电桥电路用于驱动交流电流通过电桥中点，该设备具有接地开关，借助该接地开关能够将电桥中点与接地点连接，并且该设备构造用于借助电桥电路将与接地点连接的电桥中点依次与未接地的直流电压中间电路的两个不同的点连接并且测量从两个电压不同的点流至接地点的电流)，电桥电路是多点电路，该多点电路构造用于在驱动交流电流时，除了直流电压中间电路的两个端点(中间电路电压施加在这两个端点之间)以外还将电桥中点与直流电压中间电路的至少一个中间电压点连接，并且用于测量绝缘电阻的设备构造用于执行根据本发明的方法。

因此，根据本发明的逆变器是具有多点拓扑的逆变器。特别地，可以涉及三电平逆变器。然后，电桥电路是三点电路，该三点电路构造用于，在驱动交流电流时，除了两个端点以外，还将电桥中点与作为直流电压中间电路的至少一个中间电压点的电压中点连接。

在根据本发明的逆变器中，电桥电路的开关元件的额定耐电压强度和/或设备的专门设置用于测量绝缘电阻的组成部分的额定耐电压强度可以等于预给定的电压极限值。相反，最大中间电路电压(将直流电压中间电路在逆变器的运行中充电至该最大中间电路电压)可以明显超过电压极限值，例如超过50％。

在根据本发明的逆变器中情况也是如此，使得该逆变器在其详细构型方面可以具有如在WO 2013/178654 A1中公开的所有特征和特征组合。如此，该设备可以专门构造用于打开逆变器的网络开关，以便将电桥中点与在逆变器的正常运行中连接的交流电流网络断开，以用于测量流至接地点的电流。

此外，该设备可以具有布置在电桥中点与接地点之间的测量电阻，并且可以构造用于测量流至接地点的电流作为该测量电阻上的电压下降。测量电阻可以与接地开关和保护电阻串联连接，以避免电桥中点与接地点之间的高的接地电流。

电桥中点至接地点的连接可以从交流电流在逆变器的正常运行中流经的电流路径中分支出来，其中，逆变器的测量装置(该测量装置在逆变器的正常运行中测量另一测量电阻的电压下降，该另一电阻与用于流至接地点的电流的测量电阻相比是更低阻抗的)可以越过测量电阻和该另一测量电阻地连接，从而这些测量装置可以用于测量交流电流以及至接地点的电流。

该设备还可以构造为将接地点与连接在电桥中点后面的滤波器的滤波器输出端连接。

该设备可以具有附加的测量装置，以便测量驱动相应的电流流至接地点的电压。这些测量装置可以同时用于根据本发明的方法选择直流电压中间电路的两个电压不同的点。

用于测量流至接地点的电流的测量电阻可以并联连接有滤波电容器。

用于测量分别流至接地点的电流的测量装置可以构造用于测量施加在位于保护电阻与接地点之间的点与未接地的直流电压中间电压的电压不同的点中的一个点之间的电压。相应的点可以位于保护电阻与接地开关之间，其中，保护电阻可以位于接地开关与接地点之间。未接地的直流电压中间电路的电压不同的点中的一个(相对于该电压不同的点中的一个测量直流电压)可以是直流电压中间电路的电压中点。

此外，在逆变器的网络扼流圈与保护电阻之间的滤波器输出端处，可以在至接地点的连接与未接地的直流电压中间电路的电压不同的点中的一个之间连接滤波电容器。该电压不同的点也可以是未接地的直流电压中间电路的电压中点。

本发明的有利扩展方案从权利要求书、说明书和附图中得出。在说明书中所提及的特征的优点和多个特征的组合的优点仅是示例性的，并且可以替代地或累加地起作用，而不必强制性地从根据本发明的实施方式来获得。在不由此改变所附权利要求的主题的情况下，关于原始申请文件和专利的公开内容适用以下：其他特征可以从附图、尤其是构件的相对布置和有效连接(Wirkverbindung)中得出。本发明的不同实施方式的特征或权利要求的不同特征的组合同样可以偏离所选择的权利要求的引用关系，并且借此得到启发。这也涉及在分开的附图中所示出的或在其描述中所提及的特征。这些特征也可以与不同权利要求的特征进行组合。也可以针对本发明的其他实施方式省略在权利要求中列出的特征。

在权利要求书和说明书中所提及的特征在其数量发明应如此理解，即存在恰好该数量或比所提及的数量更大的数量，而无需明确使用副词“至少”。因此，例如，当提到开关元件时，这应如此理解，即恰好一个开关元件、两个开关元件或更多开关元件存在。在权利要求中列出的(angeführt)特征可以通过其他特征得到补充或者是相应方法或产品具有的唯一明确的特征。

在权利要求中所包含的附图标记不表示对由权利要求保护的主题的范围的限制，这些附图标记仅用于使权利要求易于理解的目的。

附图说明

在下文中基于在附图中所示出的优选实施例进一步阐述和描述本发明。

图1示出根据本发明的逆变器的基本电路图，该逆变器具有连接至其输入侧的直流电压中间电路的光伏发电机；

图2示出用于选择根据图1的逆变器的未接地的直流电压中间电路的两个电压不同的点以测量逆变器中的绝缘电阻的流程图。

具体实施方式

在图1中示出逆变器1，在该逆变器的输入侧的直流电压中间电路2处连接有光伏发电机3。逆变器1具有连接至直流电压中间电路2的电桥电路4，该电桥电路构造为多点电路、具体地构造为三点电路。电桥中点5不仅能够借助两个开关元件6和7与直流电压中间电路2的端点8和9连接，而且能够借助附加的开关元件10与中间电压点11(具体地，直流电压中间电路2的两个相同大小的中间电路部分电容13与14之间的电压中点12)连接。由光伏发电机3将直流电压中间电路2充电为中间电路电压。在光伏发电机3的中点既不直接接地也不间接接地的情况下，可以在电压中点12与接地15之间构建显著的电压，并且该电压可以越过逆变器1的运行发生强烈地变化。如此，直流电压中间电路2的端点8和9与接地15之间的电压可以达到明显大于中间电路电压的一半的值。

至少在光伏发电机3和逆变器1开始运行之前，必须检查光伏发电机3和所连接的逆变器1相对于接地15的绝缘电阻16。从光伏发电机3流向接地15的电流也由寄生电容17确定。为了测量欧姆绝缘电阻16，逆变器1具有设备18。设备18包括接地开关19，以便越过测量电阻20将电桥中点5与接地点21连接。如果然后借助开关元件6、7或10中的一个将电桥中点5与直流电压中间电路2的端点8和9中的一个或直流电压中间电路2的电压中点12连接，则电流通过测量电阻20流向接地15，因为直流电压中间电路2仅通过光伏发电机3的绝缘电阻16与接地15电连接，所以该电流在其直流电流分量方面由该绝缘电阻16确定。为了完整地测量绝缘电阻16，必须借助开关元件6、7、10将至少两个相对于接地15尽可能不同的电压施加在电桥中点5处，这些电压通过测量电阻20以不同的强度和/或方向驱动电流流向接地15。绝缘电阻16对流向接地15的电流的影响取决于绝缘电阻16在光伏发电机3上如何分布，即在光伏发电机3中相对于接地15的怎样的电压下绝缘电阻16具有其最低值。驱动电流通过测量电阻20流至接地点21的不同电压也可以以交流电压的形式来进行设置，然后该交流电压应为低频，以便所得的通过测量电阻20的交流电流不由寄生电容17和18主导。

为了测量驱动电流通过测量电阻20的电压，设置测量装置22至24。测量装置22测量在直流电压中间电路2上施加的中间电路电压。测量装置23测量直流电压中间电路2的端点8相对于接地15的电压。由此，结合借助测量装置22测量的电压，也可以确定直流电压中间电路2的第二端点9相对于接地15的电压。测量装置24确定在点25与电压中点12之间的电压。点25位于测量电阻20与接地开关19之间。在接地开关19闭合且开关元件10闭合的情况下，测量装置24测量在测量电阻20上下降的电压。在接地开关19闭合且开关元件10断开的情况下，测量装置24测量电压中点12与接地15之间的电压。借助网格规则(Maschenregel)，可以从借助测量装置22至24测量的电压中确定所有其他感兴趣的电压，这些电压相对于接地15施加在确定的点处或在测量电阻20上下降。

扼流圈26是逆变器1的输出中的滤波器的一部分，通过该扼流圈在电桥电路4的正常运行中输出交流电流。然后，该输出将在扼流圈26与测量电阻20之间分支，这在图1中未示出。

为了使得驱动电流通过测量电阻20流向接地15的电压不超过预给定的电压极限值(针对该电压极限值设计逆变器1的组成部分)，根据在图2中所示出的方法选择直流电压中间电路2的两个电压不同的点，由设备18将这两个电压不同的点彼此相继地与电桥中点5连接，以便测量绝缘电阻16。在选择的开始27之后，将借助直流电压中间电路2的端点8与9之间的测量装置22测量的中间电路电压Uzwk与预给定的电压极限值(在此为1000V)进行比较28。如果中间电路电压Uzwk不大于1000V，则选择31直流电压中间电路2的两个极Udc+和Udc-用于驱动电流通过测量电阻20流向接地15，即设备18借助开关元件6和7将直流电压中间电路2的相应端点8和9彼此相继地与电桥中点5连接。如果中间电路电压Uzwk超过预给定的电压极限值1000V，则在进一步的比较29中检查，由测量装置23测量的电压DC+相对于PE、即在直流电压中间电路2的端点8与接地15之间是否大于或等于预给定的1000V的电压极限值。如果是这种情况，则除了存在于直流电压中间电路2的第二端点9处的、直流电压中间电路2的另一极Udc-的电势以外，还选择32电压中点12处的电势M用于测量绝缘电阻16。如果借助测量装置23测量的电压小于1000V，则在比较30中检查电压PE相对于DC-、即在接地15与直流电压中间电路2的第二端点9之间的电压是否大于或等于1000V的电压极限值。该电压通过从借助测量装置22测量的中间电路电压中减去由测量装置23测量的电压而得出。如果比较30的结果为否，则尽管中间电路电压Uzwk超过电压极限值，但是作为结果仍然选择31直流电压中间电路2的两个极Udc+和Udc-用于驱动电流通过测量电阻20以用于测量绝缘电阻16。然而，如果比较30的结果为是，则除了直流电压中间电路2的正极Udc+的电势以外，还选择33电压中点12相对于接地的电势M以用于测量绝缘电阻16，因为至少这两个电压中的任何一个都没有超过1000V的电压极限值。在总体上，通过根据图2选择直流电压中间电路2的电压不同的点以用于测量绝缘电阻来实现以下：两个所选择的电压不同的点在其相对于接地15的电压方面尽可能大地不同，并且通常也具有该电压的不同符号，然而，这些电压中的任何一个都不超过电压极限值。

附图标记列表

1 逆变器

2 直流电压中间电路

3 光伏发电机

4 电桥电路

5 电桥中点

6 开关元件

7 开关元件

8 直流电压中间电路2的(第一)端点

9 直流电压中间电路2的(第二)端点

10 开关元件

11 中间电压点

12 电压中点

13、14 中间电路部分电容

15 接地

16 绝缘电阻

17 寄生电容

18 设备

19 接地开关

20 测量电阻

21 接地点

22-24 测量装置

25 点

26 扼流圈

27 开始

28-30 比较

31-33 选择