用于确定供电设备的电容的电容值的方法和逆变器的制造方法

用于确定供电设备的电容的电容值的方法和逆变器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及用于确定具有多相逆变器(9)的光伏发电设备的电容(21、22、61、62)容值的方法，该多相逆变器(9)在交流侧具有输出电流滤波器(6)并通过开关器件(7)与多相供电网(8)连接，并且在直流侧与至少一个中间电路电容(21、22)相关联。该方法具有以下步骤：通过断开开关器件(7)将光伏发电设备与供电网(8)断开连接；运行逆变器(9)以建立独立网络，其中逆变器(9)的逆变桥(3)的至少两个输出端被施加同相的交流电压并且在至少一个中间电路电容(21、22)与输出电流滤波器(6)之间产生电流流动；测量在逆变桥(3)输出端上流动的电流(Ia、Ib、Ic)和至少一个在电容(21、22、61、62)上存在的电压，以及根据确定的电压和测量的电流(Ia、Ib、Ic)确定电容(21、22、61、62)的电容值。此外，本发明还涉及为实施该方法布置的多相逆变器。
【专利说明】用于确定供电设备的电容的电容值的方法和逆变器
[0001] 本发明涉及一种用于确定供电设备(例如光伏发电设备）的电容的电容值的方法， 该供电设备具有多相逆变器，该多相逆变器在交流侧具有输出电流滤波器并通过开关器件 与多相供电网连接，并且在直流侧与至少一个中间电路电容相关联。此外，本发明还涉及具 有控制装置的多相逆变器以实施这样的方法。
[0002] 逆变器在发电设备中，例如光伏发电设备（以下简称PV设备），被置入用于将直流 电转换成交流电，该交流电可以单相或多相地馈入公共或私人供电网。若为光伏发电设备 则由光伏发电机(PV发电机)提供待转换的直流电，该光伏发电机在本申请的范围内包括优 选为多个光伏模块(PV模块)的任何布置。可替代地和/或附加地，可提供来源于蓄电池或燃 料电池或类似化学工作电源的(可能被缓存的)直流电。
[0003] 这种供电设备在直流中间电路中具有(缓冲）电容器布置，使得由直流发电机提供 的直流电压在转换为交流电时平滑。在其中逆变桥的输入侧被直接地施加来自直流发电机 的电压的单级逆变器的情况下，这种电容器布置并联连接到直流发电机。在多级逆变器的 情况中，至少一个直流-直流变换器被连接在逆变桥的上游，该直流-直流变换器将由直流 发电机提供的直流电压逐步增加或逐步降低到适合逆变桥运行的电压水平。在这种系统 中，电容器布置通常布置在直流-直流变换器(也称为DC(直流)/DC变换器)与逆变桥之间。 在本申请的范围内，以下将独立于电容器布置的位置广泛地将其中布置了电容器布置的电 路称为中间电路(按遵循常规术语的方式）。相应地将用于平滑化电压而置入的电容器布置 均称为中间电路电容器布置。
[0004] 逆变器的逆变桥通常配备有功率半导体开关，该功率半导体开关以调制方法定时 地运行。已知和常规的调制方法为脉冲宽度调制法(PWM法），该方法以一定时钟频率，即每 秒一定数量的切换循环，在千赫兹范围内运行。因此，在逆变器输出端提供定时且变换极性 的直流信号，该直流信号由输出电流滤波器来平滑化使得在滤波器的输出端产生尽可能为 正弦形状的电压曲线。因为这个原因，输出电流滤波器常被称为正弦滤波器。
[0005] 在这种情况下，输出电流滤波器还包括多个电感和电容。公知和常用的输出电流 滤波器对于逆变器的每个相位具有至少一个电感(例如线圈）该至少一个电感布置在逆变 桥相应的输出端与供电网的相应的相连接部之间。此外，在滤波器逆变器侧的输入端在逆 变桥的每个输出连接部与系统的零线之间分别布置有电容。在输出侧，即朝向供电网，为每 个相设置了第二电容。该第二电容以星形连接方式进行连接，即接触共同的、浮动的电压节 点。第一和第二电容通常通过相应的第一和第二电容器形成。
[0006] 发电设备的逆变器的正确和安全功能高度依赖于上述电容、中间电路电容和在输 出电流滤波器中的电容。然而，为提供电容使用的电容器会经历老化过程，由于老化过程其 电容值随着时间的推移会减小。在电解电容器的情况下，当温度低于冰点时还会观察到很 强的温度依赖性。当了解到变化的电容值时可以通过调节逆变器的参数，例如调整确定在 逆变桥功率半导体的切换循环操作内的切换时间的参数，来在一定的电容损失之内校正逆 变器的正确工作模式。当电容偏差过大时合理的做法是，终止逆变器的运行，以避免对逆变 器或电容器造成进一步的破坏。不仅对于调节逆变器的运行参数，而且对于断开逆变器或 对于发出预先指出可能会产生预期问题的警告，希望了解发电设备的电容的电容值，特别 是中间电路电容和滤波器电容的电容值。
[0007] 为此，例如文件DE 10 2004 036 211 A1公开了一种方法，在该方法中在装置起动 时通过对电阻充电来对中间电路电容器预充电。从在中间电路电容器上的充电电流和测量 的电压曲线的测量可在预充电期间计算中间电路电容器的电容。特别当设置了预充电中间 电路电容器并且装置具有相应的预充电装置时，该方法特别提供了好机会。
[0008] 以类似的方式，按照文件W0 02/18962 A1通过在发动机控制器闲置时将电阻放电 使发动机控制器中的逆变器的中间电路电容器放电。从放电时测量的电压曲线来确定中间 电路电容器的电容。
[0009] 文件US 2012/0281443 A1公开了一种方法，该方法用于测定由多个电容器的串联 电路组成的中间电路中有故障的电容器。在这种情况下，测量到横跨各个电容器的电压下 降并从电压水平推测出有故障的电容器。文件US 2013/0155729 A1描述了一种用于预测电 机变流器中的中间电路电容器的预期使用寿命的方法。在该方法中测定了在电容器中流动 的交流电分量并从中确定在运行中存储在电容器中的能量。从存储的能量推测出电容器的 老化状态并从而推断出仍旧可被预期的使用寿命。但是借助在两个上述文件中描述的方法 不能计算电容器的电容值。
[0010] 文件US 2009/0072982 A1描述了一种用于进行能量转换的设备，其中测量了在该 设备中的横跨电容器的电压的时间变化并确定在电容器上电压纹波的大小。此外还确定在 出现电压纹波时流动的电流。从电压纹波的大小和流动电流的大小来计算电容器的电容。 文件EP 2 690 452 A2也描述了类似的方法。当在供电设备正常运行期间期望计算电容时， 这些方法可能是有利的。然而处于安全原因通常期望的是，在发电设备与供电网连接之前， 对电容器的正确功能能力进行相应的诊断。例如在以下情况可能会有问题，即当中间电路 电容器的电容受温度影响降低到极小的值时，以高功率运行供电设备。该问题的出现例如 与在极端天气条件下地面安装的PV设备中作为中间电路电容器的电解电容器相关。通常在 中间电路电容器通过为此设置的加热装置加热后才启动这样的PV设备。
[0011] 因此本发明的任务在于提供一种用于确定发电设备中的电容的方法，该方法可以 在发电设备与供电网耦合以及在发电设备处于供电运行之前，尽可能地没有额外的仪器成 本地来实施。另一任务在于提供一种用于实施这样方法的合适的逆变器。
[0012] 该任务通过具有各自独立的权利要求中的特征的方法和逆变器得以解决。有利的 实施形式和改进方案在从属权利要求中进行了说明。
[0013] 前述方式的符合本发明的方法具有以下步骤:通过断开开关器件将光伏发电设备 与供电网断开连接。运行逆变器以建立独立网络，其中逆变器的逆变桥的至少两个输出端 被施加以同相的交流电压并且在至少一个中间电路电容与输出电流滤波器之间产生电流 流动。测量在逆变桥输出端上流动的电流和至少一个在电容上存在的电压。然后根据测定 的电压和测量的电流确定电容的电容值。
[0014] 通过建立在其中通过逆变桥向输出电流滤波器施加交流电压的独立网络，当与供 电网断开连接时也会在至少一个中间电路电容与输出电流滤波器之间产生电流流动。然后 借助电流和电压测量可计算PV设备的电容的电容值。相较于在正常运行的情况下，通过同 相运行至少两个相产生较大的电流流动，并且由于来自中间电路电容的脉动功率消耗产生 测定的电压的较大纹波，在该正常运行时所有相位彼此是有相位移动的。这样就达到较高 的测量精度。
[0015] 在该方法的有利实施形式中测量横跨PV设备的至少一个中间电路电容的电压。从 电压纹波的大小和测量的电流来确定至少一个中间电路电容的电容值。在本实施形式中借 助符合本发明的方法来在逆变器被连接到供电网之前确定中间电路电容器的电容值是可 能的。
[0016] 当进入中间电路或从中间电路输出的电流流动随时间变化时，横跨至少一个中间 电路电容的电压值以一频率变化，该频率与电流的频率有关并且--取决于在逆变桥输出 端上的相位关系-是独立网络内的电流的两倍或三倍频率。横跨至少一个中间电路电容的 电压变化在本申请的范围中也被称为电压纹波。
[0017] 在该方法的另一有利的实施形式中，测定横跨输出电流滤波器的至少一个第一电 容的电压，其中从测定的电压和测量的电流来确定至少一个第一电容的电容值。因此，也有 可能在将逆变器连接到供电网之前确定输出电流滤波器的电容器的电容值。在本实施形式 中所述方法特别适合用于确定电容器的电容值，该电容器布置在逆变桥的输出端与共同的 零线之间。
[0018] 在上述方法中，当逆变器的逆变桥的所有输出端被同相位地施加交流电压时，达 到了特别高的电流。这会导致在确定电容值时有尽可能最大的精确度。
[0019] 在该方法的另一有利的实施形式中，测定横跨输出电流滤波器的至少一个第二电 容的电压，其中至少一个第二电容的电容值根据电压和电流的至少两次测量来确定，其中 至少两次测量在逆变桥输出端的交流电压的相位关系不同时进行。在本实施形式中该方法 也适合确定电容器的电容值，该电容器在输出电流滤波器内布置在逆变桥的不同输出端之 间。在此，当在逆变桥输出端上相位关系不同时实施两次测量，由此可将经过第二电容流动 的电流在计算上与经过电容流至共同零线的这样的电流分开。
[0020] 在三相逆变器中，优选在至少两次测量的每次测量中分别向逆变桥的两个输出端 施加同相的交流电压并向逆变桥的第三输出端施加其相位不同的交流电压。施加在第三输 出端上的交流电压特别优选地具有相对于施加在逆变桥另外两个输出端上的交流电压成 180度的相位角。如此又获得了最大电流流动，该电流流动提高了在确定电容值时的精确 度。更优选的是实施三次测量，其中在每次测量中向逆变桥的另一个输出端施加其相位不 同的交流电压。以这种方式可以基于不同的测量来确定相应的电容值。测量结果具有一定 的冗余，其结果是各个电容值被超定。该超定性允许估计测量结果的质量并以此评估其有 效力。
[0021] 在该方法的另一有利的实施形式中，将计算的电容值与预定的最小电容值进行比 较，其中低于最小电容值的电容值会被通知。进一步有利的是，保存计算的电容值并将其与 先前保存的电容值进行比较。优选从计算的电容值和至少一个保存的电容值来确定电容值 的变化率，其中根据该变化率来估计提供电容的电容器的使用寿命。在该方法的这些实施 形式中有利地使用电容确定来警告设备操作者注意当前或可能即将出现的问题。这样可以 立即或预防性地采取对策。
[0022] 在另一有利的实施形式中，在逆变器的起动过程期间多次实施该方法。这样可以 识别可能只是暂时的问题，该问题在实施该方法期间（或者也通过实施该方法)得以解决， 并且如有必要起动过程可以继续进行。在这种情况下可以在测定的中间电路电容在方法过 程中改变时对将实施的方法进行设置以加热在中间电路中的电容器。可以这样将置入在该 方法中引起的电流流动用于加热电容器，从而使能够缓和地消除由于相对小的电流流动产 生的温度相关的电容的降低。
[0023] 在另一有利的实施形式中，当在逆变桥输出端上的交流电压频率不同时实施该方 法。通过后来依赖于频率获得的测量值可确定输出电流滤波器至少一个电感的电感值。因 此，典型输出电流滤波器的所有元件的容量大小都可以确定。
[0024] 用于连接供电网的符合本发明的多相逆变器具有带评估单元的控制装置。其特征 在于，布置了连同评估单元的控制装置以便实施前述方法。产生了与该方法相关描述的优 点。
[0025] 下面将根据实施示例并参考附图来对本发明进行更加详细的阐述。图中显示： [0026]图1不出了PV设备的不意性方块图；
[0027] 图2a;^出了图1 PV设备的详细视图；
[0028]图2b不出了图2a限于一个相位的简化视图；
[0029] 图3示出了符合本发明方法的流程图；
[0030] 图4示出了用于显示在电容器使用寿命期间电容典型下降的图；
[0031]图5a示出了用于确定中间电路电容的处理步骤流程图；
[0032]图5b、c各自示出了用于确定输出电流滤波器第一或第二电容的处理步骤流程图； [0033]图6a_d按照图4各自示出了在实施方法期间部分PV设备的示意性等效电路图， [0034]图7a、b按照图4a各自示出了在连续实施方法期间中间电路电容器依赖于时间的 电容变化图.
[0035] 图1用方块图通过总体结构示出了PV设备的总平面图。该PV设备包括PV发电机1， 该PV发电机1在图1中通过单个PV单元图解表示。PV发电机1可以用已知的方式包括一个或 多个PV模块。当置入多个PV模块时串联连接这些通常所谓的串。多个这些串可以并联连接， 用于形成PV发电机1。
[0036] PV发电机1经由直流线路与中间电路2连接，该中间电路2在本图示的实施示例中 包括两个串联连接的中间电路电容21、22。这两个中间电路电容21和22之间的中心抽头形 成虚拟零点NP，该零点NP为PV设备的直流侧提供参考电位。
[0037] PV发电机1经由中间电路2与逆变桥3的直流侧输入端连接。该逆变桥3有助于将由 PV发电机1产生的直流电转换成在逆变桥3的输出端上输出的交流电。逆变桥3的交流电输 出端与输出电流滤波器6连接，其中在逆变桥3与输出电流滤波器6之间的连接中布置了电 流测量传感器4。
[0038]逆变桥3是多相的，在此示例性地被构造成三相。下面将使用附加词"a"、"b"和"c" 连同参考标记或标志来区分这三个不同的相。归入各个相a、b、c的组件在其参考标记中通 过附加的"a"或"b"或"c"来标记。如果使用没有这样附加词的参考标记，则要么带有这些参 考标记的组件独立于其附加词，要么带有这些参考标记的其中一个没有进一步详细说明的 组件独立于其附加词。因此根据上下文引用，"电流测量传感器4"要么与所有电流测量传感 器4a、4b和4c有关，要么与电流测量传感器4a、4b或4c其中一个未进一步详细说明的电流测 量传感器有关。
[0039] 电流测量传感器4有助于用来确定在逆变桥3各输出端上流动的电流Ia、Ib和Ic。 电流测量传感器4的输出端被引向控制装置5,该控制装置5包括用于测量和评估电流测量 传感器4的输出的评估单元51。此外，控制装置5还接管对逆变桥3的控制，在此特别接管对 在附图中未进一步显示的逆变桥3的半导体开关的控制。
[0040] 输出电流滤波器6被有助于对逆变桥3的输出信号进行信号整形。在无输出电流滤 波器时，逆变桥3的输出信号基本上为在不同电位间交替脉动的直流电压信号。输出电流滤 波器6从这些产生脉冲的直流电压信号形成大致为交流电压形状的输出电流，该输出电流 可经由交流电压(AC-交流电）开关器件7馈入供电网8。与逆变桥3-样，供电网8以相导体 La、Lb和Lc也被构造成三相。此外还存在零线N，该零线N也经由AC开关器件7和输出电流滤 波器6与PV设备1直流侧的虚拟零点NP连接。输出电流滤波器6通常包括由多个电容和电感 组成的布置。下面将关联图2和3对输出电流滤波器6的典型结构形式进一步描述。
[0041] 在所示实施示例中，逆变桥3、电流测量传感器4、控制装置5和输出电流滤波器6被 集成在逆变器9中。在替代性的实施形式中，例如可另外将中间电路2-并集成到逆变器9 中，或者也可将输出电流滤波器6布置在单独的壳体中。
[0042]注意到的是，在图1中仅显示在本申请范围中的PV设备的基本元件。因此在直流 和/或交流侧上例如可以设置未显示的其它开关器件（例如分离元件，接触器）、保护装置 (例如保险丝），监视装置和/或变压器。
[0043]图2a更详细地示出了图1的细节。在图2a中未显示的是PV发电机1、控制装置5、AC 开关器件7和供电网8。
[0044]在图2a中针对三相a、b、c显示出逆变桥3的结构。对于三相中的各相，逆变桥3具有 电桥臂，该电桥臂在本实施示例中包括两个半导体开关31、32。示例性地显示了 IGBT(绝缘 栅双极晶体管)开关作为半导体开关。显而易见的是，逆变桥3也可以由其它半导体功率开 关，例如M0SFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)构成。半导体开关31、32与未进一步详述 的自振荡二极管关联，该自振荡二极管可以是外部结构元件或者可以集成到半导体开关 31、32中。为了一目了然，布置在半导体开关31、32上游的、有助于对其进行控制的结构元件 在图2a中未显示。最后由控制装置5按照已知的调制法，特别是根据脉冲宽度调制法(P丽） 为半导体开关31、32生成开关信号，并经由相应的控制电路将开关信号传输到半导体开关 31、32 上。
[0045]在图2a中显示了逆变桥3的双点拓扑结构，在该双点拓扑结构中逆变桥3每个交流 电流输出端可选择地与PV发电机1的正极或PV发电机1的负极连接，其中该交流电流输出端 由在串联连接的半导体开关31、32之间的中心抽头形成。显而易见的是，其他拓扑结构也可 以置入，特别是三点拓扑结构，在该三点拓扑结构中另外存在这种可能性，即将逆变桥3的 输出端连接部经由双向作用的其它半导体开关与参考电位连接到虚拟零点NP上，也就是连 接到在中间电路电容21，22之间的中心抽头上。
[0046] 输出电流滤波器6对于每个相a、b、c具有两个电容61、62以及一个电感63。电容61、 62通常由电容器，典型地由金属膜电容器构成。在这种情况下，第一电容61对于每个相a、b、 c均布置在逆变桥3的输出端连接部与零线N之间，该输出端连接部显示为输出电流滤波器6 的输入端。电感63分别布置在输出电流滤波器6的输入端和输出端连接部之间。输出电流滤 波器6的输出端连接部各自与第二电容62连接，其中第二电容62各个其他连接部引至共同 的虚拟星形接点64上。然后用图1所示的方式将输出电流滤波器6的输出端经由AC开关器件 7与供电网8连接。
[0047]为了进一步观察，在图2b中为了一目了然描绘了限制在一个相上的图2a，这里例 如为相a。输出电流滤波器6在等效电路图中显示，该等效电路图适用于一种运行状态，在该 运行状态中三相a、b、c被同相地运行。由于所有相a、b、c的同相性没有电流经过电容62。由 于逆变器9通过断开AC开关器件7从供电网8断开连接，即存在独立网络情况，因此也没有电 流经过电感63。那么对上述逆变器9的运行状态，在输出电流滤波器6的等效电路图中可以 忽略这些组件。
[0048] 借助在下面描述的图3-5对用于确定PV设备电容容值的符合本发明的方法进行阐 述。该方法例如可以在图1和2所示的PV设备中并特别借助在那里使用的逆变器来实施。因 此将示例性地参考附图并使用在那里使用的参考标记来对图3-5进行阐述。
[0049] 图3用流程图示出了符合本申请方法的基本过程。
[0050] 在第一步骤S1中启动PV设备的逆变器9，例如在一定时间段后启动，在该时间段内 PV发电机1没有提供足够的用于运行逆变器和输入进供电网8的电力，例如在一夜之后。在 逆变器9的启动过程中通过断开AC开关器件7使逆变桥3的输出端与供电网8断开连接。一旦 PV发电机为逆变器9的启动准备了足够的电力，就启动逆变器9。
[00511 在第二步骤S2中当开关器件7断开时由逆变器建立上述的独立网络。若为三相网 络，则在逆变器的馈电运行中在各相a、b、c之间分别存在120度的相移。整个系统的相位位 置与供电网中存在的相位位置匹配。由此在步骤S2中，在独立网络中通过至少其中两相彼 此同相(相移为0度)来相互建立了各相a、b、c偏离的相位关系。优选以0度相移来彼此同相 地运行所有三相。下面将以这种所有三相a、b、c同相运行的情况为前提论述。
[0052] 在下一步骤S3中通过电流测量传感器4a、4b或4c来测量在独立网络运行时在逆变 桥3输出端上流动的电流la、lb和I c并对其在评估单元51中进行评估。
[0053]对用于确定PV设备电容容值的方法来说，在首先可选的步骤中根据步骤S3的电流 测量值在步骤S4中实施合理性测试，用于识别有故障的电流传感器4。例如互相偏离很多的 电流测量值Ia、Ib、Ic可能较早推测出故障的电流传感器，而不是推断出在待测定的电容中 的差异。恒定为零的电流值也表明电流传感器有故障。在测定电流值Ia、Ib、Ic是否可以推 测出电流传感器有故障时，也可以考虑使用过去为了记录目的存储的、可比较测量的电流 值。
[0054]如果在步骤S4中看出电流传感器有故障，则通过通知存在故障的电流传感器4的 方法使该方法分支到步骤S5,例如经由信号和/或数据线将相应的通知发送至上级监控设 备。然后结束该方法并且停止运行逆变器。
[0055] 如果在步骤S4中电流值Ia、Ib、Ic至少位于合理出现的范围内，则通过步骤S6继续 进行该方法，在该步骤S6中真正确定电容值。对于相应的电流值的合理性极限值在具有电 感和电容(LC-滤波器)的输出电流滤波器情况下，考虑到以输出电流滤波器的阻抗、在输出 电流滤波器上测量的电流和测量的或预定的电压为基础的组件公差或其他公差可以测定。 [0056] 步骤S6的细节将在图5a，5b和5c以其它流程图进一步阐述。
[0057]从步骤S6中确定的电容结果将在随后的步骤S7中进行评估。在这种情况下，将根 据储存的极限值来观察电容是否位于预定的公差范围内。在这种情况下，可以首先观察电 容的绝对值，特别是观察相对于电容额定值的极限值，其次还可以观察电容的变化率。与此 前描述的结合在步骤S4中检查电流传感器类似，优选将计算的电容也记录在数据存储器 中，使得在先前的测量中可以使用特定的电容值来评估当前测得的电容值。这里描述的用 于确定PV设备内的电容值的方法优选有规律地实施，例如若每次早晨启动-则每天至少实 施一次，使得有可能连续观测电容值。
[0058]如果电容值没有位于适当的公差范围内，则该方法分支到步骤S8,在该步骤S8中 通知相应的电容或电容基于其上的电容器有故障，例如又经由信号和/或数据线将相应的 通知发送至上级监控设备。然后如在步骤S5中一样结束逆变器9的运行。
[0059]如果在步骤S7中看出电容位于公差范围内，则通过步骤S9继续进行该方法，在该 步骤S9中进一步处理测定的电容值。首先在此步骤S9中记录电容值，要么在控制装置5内要 么在上级监控装置内进行。其次可以使用测定的电容值，用于为逆变器9优化控制和/或调 节参数并同时最佳调节馈入电流且阻碍控制中的不稳定性。
[0060] 通过连续观测电容值可以测定电容值的当前变化率，例如电容值的每日百分比变 化或绝对变化。电容值的较大变化表明相应电容器即将发生故障。在图4中描述了电容器的 电容C的典型时间变化曲线71。显示了电容C随时间t的推移从标称额定电容Cnenn的降低。 通常在某一时刻之前，在很长一段时间间隔内电容器首先以极小的变化率非常缓慢地失去 其电容，其中该某一时刻(在此例如为t = t*)用虚线示出，然后变化率迅速增大并且电容迅 速下降。
[0061] 如果根据电容值的变化率，其中一个电容器即将发生故障，则可在同样可选的步 骤S10中发出相应的用于预防性维护或用于更换相应电容器的服务通知。
[0062] 最后可以在步骤S11中继续进行逆变器9的启动过程并将逆变器9连接到供电网8 上并且该逆变器为馈电运行具有在步骤S9中得以优化的参数。
[0063]图5在三个部分图a-c中用流程图示出了在图3的处理步骤S6期间确定电容值的细 节。在图5a的流程图中描述了用于确定中间电路电容器21、22电容的处理步骤。在图5b的流 程图中描述了用于确定输出电流滤波器6的第一电容61电容值的处理步骤。在图5c所示的 方法描绘了用于确定输出电流滤波器6的第二电容62电容值的处理步骤。
[0064]在图5a和5b中所示的方法可以彼此独立地实施。在图5c中所示的方法以事先实施 图5b的方法为前提。在根据图3的方法的优选实施形式中，在步骤S6中依次实施所有部分图 5a-5c中示出的处理步骤，以便有利地获得有关PV设备的全部重要电容，即中间电路电容 21、31、输出电流滤波器6的第一电容61和第二电容62方面的信息。
[0065]在图5a的第一步骤S601中重新实施步骤S3的电流测量，或者接收在步骤S3中测量 的电流值用于进一步评估。因此也和电流测量S3-样在逆变器的运行状态下实施步骤S601 中的电流测量，在该运行状态中向全部三相a、b、c在独立网络运行期间同相彼此无相位移 地通过逆变桥3被施加以电压。由于全部相a、b、c的同相性，当AC开关器件7断开时既没有电 流经过电感63也没有电流流经电容62。如在图2b中的输出电流滤波器6的等效电路图所示， 可以忽略相应用于逆变器9的该运行状态的组件。在此运行状态下只有电容61在电力上是 重要的且需要进行考虑。
[0066]因此，三相的三个第一电容61a、61b、61c在一定程度上并联连接并且它们的电荷 在电流Ia、Ib、Ic的输出电流频率(通常为50Hz或60Hz)被反转。电荷从而通过切换半导体开 关31、32永久地在第一电容61和中间电路电容21、22之间来回传递，其中传递电荷的电流大 小在步骤S601或S3中来进行测量。电荷转移导致中间电路电容21、22的永久充电和放电，这 反映在施加在这些电容21、22上的电压的变化中。在中间电路电容21、22上的电压变化也称 为电压纹波。该电压纹波可能也在非同相运行相a、b、c时观察到，例如当对全部三相各自彼 此相移120度来运行时，然后其强度可能却小得多并且因此更难以测量。这一点特别有价 值，因为在中间电路之间的电压可以是几百伏，而电压纹波在此独立网络情况下出现的转 载电流中位于至多几伏的范围或者甚至不足1伏。同相操作相a、b、c导致对转载电流来说最 大可能观察到的电压纹波并从而对测量精度有利。
[0067] 从测量的电压纹波与测量的电流la、Ib、Ic的大小可计算中间电路电容21、22的电 容值，该电容值基本可以追溯到使用的中间电路电容器。
[0068] 在这种情况下，可以在中间电路电容21或22的电容值C21或C22和在中间电路电容 21或22上的各自电压纹波的测量幅值15 21或1}22以及测量的电流Ia，Ib，Ic总和的幅值i之 间的以下关系为基础：麵丨.心徵磁以及相应地15總I._f _，其中《表不交流电la、 lb、I c的角频率。对仅具有一个中间电路电容的中间电路来说相应地只考虑其中一个关系。 [0069]在图5b中显示的用于确定输出电流滤波器6第一电容61容值的方法可以在图5a中 所示的方法之后实施。但是也有可能实施在图5b中所示的方法，并且在此之前未实施在图 5a中所示的方法。
[0070] 在第一步骤S604中再次测量在逆变桥的同相输出端上流动的电流1&、此、1(3。如果 在图5a中所示的方法在此前已实施，则可接收步骤S601的测量值。此外在此也有可能的是， 使用步骤S3的测量值。
[0071] 在下一个步骤S605中，测定充载在第一电容61上的电压的大小。该电压值要么可 以进行测量要么可以从预给定参数中获悉，因为逆变器在独立运行情况下，通常将在逆变 桥3输出端上的输出交流电压大小调整到预定的电压值，调整的方式是半导体开关31、32适 当地调制施加在中间电路电容21、22上的电压。在接下来的步骤S606中，将根据由电流Ia、 Ib、Ic构成的相应数值对和施加在电容61、62上的电压计算第一电容61的电容值。
[0072] 在图3的流程图中将在步骤S7中的电容检查放置在步骤S6中的确定电容值之后。 显而易见的是，询问计算的电容值是否位于公差范围内，可以在图5a或5b的各部分方法后 面进行。
[0073] 在图6a中又以另一种形式示出了 PV系统的逆变器基于图5a和5b所示方法的运行 情况。在该示意性图中通过电压源10的等效电路图描绘了逆变器。相a，b，c的同相性表现在 仅存在一个电压源10,在该电压源10上并联连接了全部相。
[0074]在确定输出电流滤波器6的第一电容61的电容值后，为了确定输出电流滤波器6的 第二电容62实施在图5c中所示的方法。
[0075]在该方法第一步骤S607中，这样调制逆变桥3的半导体31、32的控制使得在相a、b、 c之间产生变化的相位关系。和以前一样在此保持独立网络。具体而言是在步骤S607的第一 实施形式中为相a、b、c中的两相保持同相，而与此相反通过有关电压180度地相移操作第三 相。
[0076]这种情况在类似于图6a的图6b的等效电路图中进行描述。例如在此通过将相b和c 连接到电压源10上同相运行相b和C。相反，通过相反极性运行的电压源10'向相a施加电压 中180度的相移。该运行状态停止后，在随后的步骤S608中又对电流Ia、Ib、Ic实施电流测 量。
[0077]在步骤S609中该方法分支返回到步骤S607,这时在此步骤中彼此这样改变相a、b、 c、的相位关系，即这时运行与两个同相的相反向的另一相。这种情况将在图6c的等效电路 图中进行描述，其中相a和c一起，即同相，由第一电压源10来运行并且相b通过180度的相移 由电压源10'来运行。又会经过步骤S608,在此步骤中对电流Ia、Ib、Ic进行测量和保存。当 再次经过步骤S609时询问，是否从现在开始通查相位关系的所有可能的排列。如果不是这 种情况，则所述方法又分支返回到步骤S607，以便从现在开始设置最后一个排列，该排列在 图6d的等效电路图中进行描述。在该组合中相a和b在电压源10上同相运行并且相c在电压 源10'上与此相反地运行。又在步骤S608中测量电流1 &、此、1(：，然后在步骤5610中继续该方 法。
[0078]由于各相相对于其它两相有相移，所以在图5a和5b中所作的假设，即没有电流流 经第二电容62,不再适用于图6b-6d显示的运行情况。相反在此由于第一电容61与第二电容 62之间的电荷反转在各种组合中出现位移电流。可以使出现的电流与电容值有关联。得到 方程组，该方程组可根据电容62的电容值来解析，条件是不仅第一电容61而且电流Ia、Ib、 Ic在各种运行情况下都是已知的。然后步骤S610中方程组的答案导致确定第二电容62。 [0079] 如果在显示的方法中在步骤S607和608中设置并测量每三种可能的所有排列，则 会超过为三个第二电容62确定的方程组。该过确定性使得有可能对测量结果的质量进行评 估并从而对其有效力进行评估。原则上可能在步骤S607和S608中测量两个排列就足以可以 确定三个电容62的电容值。
[0080] 当在步骤S610中进行评估时，依然不考虑电感63,因为在电源频率下实施测量时 通常这样测量它们的大小，即它们不会影响测量值或者只对测量值有可以忽略的影响。但 是原则上可能的是，在频率较高时额外实施在图3的步骤S6中实施的测量，其中电感63的影 响不能再忽略。然后将频率较高时的测量结果与电源频率时的测量结果进行比较，还可能 额外确定电感63的大小。接着注意到的是，可以在输出电流滤波器6中设置其它电感，例如 在逆变桥的输出端与第一电感61接口之间。该电感最初也是不显著的，但有如果在不同频 率下实施用于确定第一电容61容值的图5b中显示的方法，可能确定该电感。
[0081] 在该方法的替代实施形式中可以设置，重复进行根据图3的步骤S6的测量，特别是 当特定电容值位于预期的范围之外时。这对于确定根据图5a的中间电路电容21、22的电容 值是有利的。经常置入电解电容器来提供中间电路电容21、22,因为它们相对便宜并在其体 积和重量方面提供了大容量。在冰点以下的极低温度下，电解电容器可能会因电解质凝聚 状态的变化(电解质的"冻结"）而造成容量急剧减少。在这样的状态下几乎不可能运行PV设 备，因为逆变器的控制特性没有适应这么小的电容值，而且此外还有危险，因为强脉冲电流 负载在冷冻状态下可能会破坏电解电容器。
[0082]然而在图5 a的测量过程期间在中间电路电容21、2 2与输出电流滤波器6的电容61 之间进行的连续电荷转移将以热形式损失的容量存储在中间电路电容器21、22中。如果逆 变器9的该运行状态保持较长时间，则由此可缓慢和控制性地加热中间电路电容器21、22并 再次达到其原有的电容值。因此如果图5a所示的方法进行了多次且特别是几乎连续进行， 则可以在步骤S603中观察到电容21、22所测量的电容的变化。
[0083] 这在图7中为两种不同情况显示了两个部分图a、b。在这些图中示出了随时间t推 移的电容值C的每个时间过程曲线72或73。纵轴表示其中一个中间电路电容21、22测得的电 容值C并且横轴表示时间t。
[0084] 在t = 0时刻点，此时根据图5a进行第一次测量，中间电路电容器21、22的电容C明 显小于运行PV设备所要求的最小电容Cmin。测量的电容C随不断增加的时间t连续增大，超 过所要求的最低值Cmin并渐近接近额定的电容值Cnenn。如果在连续执行根据图5a的电容 确定时观察到这样的行为，则可推断出中间电路电容21、22"冻结"，其中在测量步骤期间提 高中间电路2中相应的电容器的温度，即随后PV设备的馈电运行可以进行。
[0085] 在图7b所示实施示例中，第一次实施该测量步骤时在t = 0时刻为中间电路电容21 或22测量到比较小的电容C。在该测量步骤进行较长时间后，电容C未显著变化且依然低于 为运行PV设备所要求的最小电容Cmin。经过预定的持续时间后，该持续时间确定最大测量 时间，在情况b中可以推测出，观察到的中间电路电容21、22的容量极低是由于所使用的电 容器中有一个或几个出现故障所致且不是由于冻结引起的。相应地可能根据图3中的步骤 S8发出故障信号并中断逆变器9的启动过程。
[0086] 参考标记列表
[0087] 1 PV发电机
[0088] 2 中间电路
[0089] 3 逆变桥
[0090] 4 电流测量传感器
[0091] 5 控制装置
[0092] 6 输出电流滤波器
[0093] 7 AC开关器件
[0094] 8 供电网
[0095] 9 逆变器
[0096] 1〇, 1〇， 电压源
[0097] 21，22 中间电路电容
[0098] 31，32 半导体开关
[0099] 51 评估单元
[0100] 61 第一电容
[0101] 62 第二电容
[0102] 63 电感
[0103] 64 星形接点
[0104] 71,72,73 电容变化曲线
[0105] Ia，Ib，Ic 电流
[0106] La，Lb，Lc 相导体
[0107] N 零线
[0108] NP 零点（参考电位）
[0109] 电容值
[0110] Cnenn 额定电容
[0111] Cmin 最小电容
[0112] S1-S11 处理步骤
[0113] S601-S603 处理步骤
[0114] S604-S606 处理步骤
[0115] S607-S610 处理步骤
【主权项】
1. 一种用于确定光伏发电设备的电容（21、22、61、62)的电容值的方法，所述光伏发电 设备具有多相逆变器(9)，所述多相逆变器(9)在交流侧具有输出电流滤波器(6)并通过开 关器件(7)与多相供电网（8)连接，并且在直流侧与至少一个中间电路电容(21、22)相关联， 所述方法具有以下步骤： 通过断开所述开关器件(7)来将所述光伏发电设备与所述供电网(8)断开连接； 运行所述逆变器(9)以建立独立网络，其中所述逆变器(9)的逆变桥(3)的至少两个输 出端被施加同相的交流电压并且在所述至少一个中间电路电容(21、22)与所述输出电流滤 波器(6)之间产生电流流动； 测量在所述逆变桥(3)的所述输出端上流动的电流（I a、I b、I c)和在电容（21、22、61、 62)上存在的至少一个电压，以及 根据确定的电压和所测量的电流(Ia、Ib、Ic)确定所述电容(21、22、61、62)的电容值。2. 如权利要求1所述的方法，其中，测量了横跨所述光伏发电设备的所述至少一个所述 中间电路电容(21、22)的电压，其中根据所述电压的纹波的大小和所述测量的电流(Ia、Ib、 I c)来确定所述至少一个中间电路电容(21、22)的电容值。3. 如权利要求1所述的方法，其中，确定了横跨所述输出电流滤波器(6)的至少一个第 一电容(61)的电压，其中根据所确定的电压和所述测量的电流(Ia、Ib、Ic)来确定所述至少 一个第一电容(61)的电容值。4. 如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，向所述逆变器(9)的所述逆变桥(3)的 所有输出端同相地施加交流电压。5. 如权利要求1所述的方法，其中，确定了横跨所述输出电流滤波器(6)的至少一个第 二电容(62)的电压，其中所述至少一个第二电容(62)的电容值根据电压和电流(Ia、Ib、Ic) 的至少两次测量来确定，其中当在所述逆变桥(3)的所述输出端的所述交流电压的相位关 系不同时进行所述至少两次测量。6. 如权利要求5所述的方法，所述方法在三相逆变器(9)上实施，其中在所述至少两次 测量的每次测量中分别向所述逆变桥(3)的两个输出端施加同相的交流电压并且向所述逆 变桥(3)的第三输出端施加其相位角不同的交流电压。7. 如权利要求6所述的方法，其中，施加到所述第三输出端的所述交流电压具有相对于 施加到所述逆变桥(3)的另外两个输出端的交流电压成180度的相位角。8. 如权利要求5或6所述的方法，其中三次测量被实施，其中在所述测量的每次测量中， 向所述逆变桥(3)的所述输出端中的不同输出端施加其相位角不同的交流电压。9. 如权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，将计算的电容值(C)与预定的最小电容 值(Cmin)进行比较，其中低于所述最小电容值(Cmin)的电容值(C)会被通知。10. 如权利要求1至9中任一项所述的方法，其中将计算的电容值(C)保存并将其与先前 保存的电容值进行比较。11. 如权利要求10所述的方法，其中，由所述计算的电容值(C)和至少一个保存的电容 值来确定所述电容值的变化率，其中根据所述变化率来估计提供所述电容的电容器的使用 寿命。12. 如权利要求1至11中任一项所述的方法，在所述逆变器(9)的启动过程期间多次实 施所述方法。13. 如权利要求12所述的方法，其中，在所确定的中间电路电容(21、22)改变时，实施所 述方法以加热在中间电路(2)中的电容器。14. 如权利要求1至13中任一项所述的方法，当在所述逆变桥(3)的所述输出端上的所 述交流电压的频率不同时实施所述方法，以确定所述输出电流滤波器(6)的至少一个电感 (63)的电感值。15. -种用于与供电网（8)连接的多相逆变器(9)，包括具有评估单元(51)的控制装置 (5)，其特征在于，布置了连同所述评估单元(51)的所述控制装置(5)以便实施根据前述权 利要求中任一项所述的方法。
【文档编号】G01R31/02GK105899963SQ201480062399
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年11月13日
【发明人】亚历山大·昂鲁, 哈拉尔德·德朗梅斯特, T·姆勒, P·科雷亚瓦斯奎茨
【申请人】艾思玛太阳能技术股份公司