用于確定供電設備的電容的電容值的方法和逆變器的制造方法

用于確定供電設備的電容的電容值的方法和逆變器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及用于確定具有多相逆變器(9)的光伏發電設備的電容(21、22、61、62)容值的方法，該多相逆變器(9)在交流側具有輸出電流濾波器(6)并通過開關器件(7)與多相供電網(8)連接，并且在直流側與至少一個中間電路電容(21、22)相關聯。該方法具有以下步驟：通過斷開開關器件(7)將光伏發電設備與供電網(8)斷開連接；運行逆變器(9)以建立獨立網絡，其中逆變器(9)的逆變橋(3)的至少兩個輸出端被施加同相的交流電壓并且在至少一個中間電路電容(21、22)與輸出電流濾波器(6)之間產生電流流動；測量在逆變橋(3)輸出端上流動的電流(Ia、Ib、Ic)和至少一個在電容(21、22、61、62)上存在的電壓，以及根據確定的電壓和測量的電流(Ia、Ib、Ic)確定電容(21、22、61、62)的電容值。此外，本發明還涉及為實施該方法布置的多相逆變器。
【專利說明】用于確定供電設備的電容的電容值的方法和逆變器
[0001] 本發明涉及一種用于確定供電設備(例如光伏發電設備）的電容的電容值的方法， 該供電設備具有多相逆變器，該多相逆變器在交流側具有輸出電流濾波器并通過開關器件 與多相供電網連接，并且在直流側與至少一個中間電路電容相關聯。此外，本發明還涉及具 有控制裝置的多相逆變器以實施這樣的方法。
[0002] 逆變器在發電設備中，例如光伏發電設備（以下簡稱PV設備），被置入用于將直流 電轉換成交流電，該交流電可以單相或多相地饋入公共或私人供電網。若為光伏發電設備 則由光伏發電機(PV發電機)提供待轉換的直流電，該光伏發電機在本申請的范圍內包括優 選為多個光伏模塊(PV模塊)的任何布置。可替代地和/或附加地，可提供來源于蓄電池或燃 料電池或類似化學工作電源的(可能被緩存的)直流電。
[0003] 這種供電設備在直流中間電路中具有(緩沖）電容器布置，使得由直流發電機提供 的直流電壓在轉換為交流電時平滑。在其中逆變橋的輸入側被直接地施加來自直流發電機 的電壓的單級逆變器的情況下，這種電容器布置并聯連接到直流發電機。在多級逆變器的 情況中，至少一個直流-直流變換器被連接在逆變橋的上游，該直流-直流變換器將由直流 發電機提供的直流電壓逐步增加或逐步降低到適合逆變橋運行的電壓水平。在這種系統 中，電容器布置通常布置在直流-直流變換器(也稱為DC(直流)/DC變換器)與逆變橋之間。 在本申請的范圍內，以下將獨立于電容器布置的位置廣泛地將其中布置了電容器布置的電 路稱為中間電路(按遵循常規術語的方式）。相應地將用于平滑化電壓而置入的電容器布置 均稱為中間電路電容器布置。
[0004] 逆變器的逆變橋通常配備有功率半導體開關，該功率半導體開關以調制方法定時 地運行。已知和常規的調制方法為脈沖寬度調制法(PWM法），該方法以一定時鐘頻率，即每 秒一定數量的切換循環，在千赫茲范圍內運行。因此，在逆變器輸出端提供定時且變換極性 的直流信號，該直流信號由輸出電流濾波器來平滑化使得在濾波器的輸出端產生盡可能為 正弦形狀的電壓曲線。因為這個原因，輸出電流濾波器常被稱為正弦濾波器。
[0005] 在這種情況下，輸出電流濾波器還包括多個電感和電容。公知和常用的輸出電流 濾波器對于逆變器的每個相位具有至少一個電感(例如線圈）該至少一個電感布置在逆變 橋相應的輸出端與供電網的相應的相連接部之間。此外，在濾波器逆變器側的輸入端在逆 變橋的每個輸出連接部與系統的零線之間分別布置有電容。在輸出側，即朝向供電網，為每 個相設置了第二電容。該第二電容以星形連接方式進行連接，即接觸共同的、浮動的電壓節 點。第一和第二電容通常通過相應的第一和第二電容器形成。
[0006] 發電設備的逆變器的正確和安全功能高度依賴于上述電容、中間電路電容和在輸 出電流濾波器中的電容。然而，為提供電容使用的電容器會經歷老化過程，由于老化過程其 電容值隨著時間的推移會減小。在電解電容器的情況下，當溫度低于冰點時還會觀察到很 強的溫度依賴性。當了解到變化的電容值時可以通過調節逆變器的參數，例如調整確定在 逆變橋功率半導體的切換循環操作內的切換時間的參數，來在一定的電容損失之內校正逆 變器的正確工作模式。當電容偏差過大時合理的做法是，終止逆變器的運行，以避免對逆變 器或電容器造成進一步的破壞。不僅對于調節逆變器的運行參數，而且對于斷開逆變器或 對于發出預先指出可能會產生預期問題的警告，希望了解發電設備的電容的電容值，特別 是中間電路電容和濾波器電容的電容值。
[0007] 為此，例如文件DE 10 2004 036 211 A1公開了一種方法，在該方法中在裝置起動 時通過對電阻充電來對中間電路電容器預充電。從在中間電路電容器上的充電電流和測量 的電壓曲線的測量可在預充電期間計算中間電路電容器的電容。特別當設置了預充電中間 電路電容器并且裝置具有相應的預充電裝置時，該方法特別提供了好機會。
[0008] 以類似的方式，按照文件W0 02/18962 A1通過在發動機控制器閑置時將電阻放電 使發動機控制器中的逆變器的中間電路電容器放電。從放電時測量的電壓曲線來確定中間 電路電容器的電容。
[0009] 文件US 2012/0281443 A1公開了一種方法，該方法用于測定由多個電容器的串聯 電路組成的中間電路中有故障的電容器。在這種情況下，測量到橫跨各個電容器的電壓下 降并從電壓水平推測出有故障的電容器。文件US 2013/0155729 A1描述了一種用于預測電 機變流器中的中間電路電容器的預期使用壽命的方法。在該方法中測定了在電容器中流動 的交流電分量并從中確定在運行中存儲在電容器中的能量。從存儲的能量推測出電容器的 老化狀態并從而推斷出仍舊可被預期的使用壽命。但是借助在兩個上述文件中描述的方法 不能計算電容器的電容值。
[0010] 文件US 2009/0072982 A1描述了一種用于進行能量轉換的設備，其中測量了在該 設備中的橫跨電容器的電壓的時間變化并確定在電容器上電壓紋波的大小。此外還確定在 出現電壓紋波時流動的電流。從電壓紋波的大小和流動電流的大小來計算電容器的電容。 文件EP 2 690 452 A2也描述了類似的方法。當在供電設備正常運行期間期望計算電容時， 這些方法可能是有利的。然而處于安全原因通常期望的是，在發電設備與供電網連接之前， 對電容器的正確功能能力進行相應的診斷。例如在以下情況可能會有問題，即當中間電路 電容器的電容受溫度影響降低到極小的值時，以高功率運行供電設備。該問題的出現例如 與在極端天氣條件下地面安裝的PV設備中作為中間電路電容器的電解電容器相關。通常在 中間電路電容器通過為此設置的加熱裝置加熱后才啟動這樣的PV設備。
[0011] 因此本發明的任務在于提供一種用于確定發電設備中的電容的方法，該方法可以 在發電設備與供電網耦合以及在發電設備處于供電運行之前，盡可能地沒有額外的儀器成 本地來實施。另一任務在于提供一種用于實施這樣方法的合適的逆變器。
[0012] 該任務通過具有各自獨立的權利要求中的特征的方法和逆變器得以解決。有利的 實施形式和改進方案在從屬權利要求中進行了說明。
[0013] 前述方式的符合本發明的方法具有以下步驟:通過斷開開關器件將光伏發電設備 與供電網斷開連接。運行逆變器以建立獨立網絡，其中逆變器的逆變橋的至少兩個輸出端 被施加以同相的交流電壓并且在至少一個中間電路電容與輸出電流濾波器之間產生電流 流動。測量在逆變橋輸出端上流動的電流和至少一個在電容上存在的電壓。然后根據測定 的電壓和測量的電流確定電容的電容值。
[0014] 通過建立在其中通過逆變橋向輸出電流濾波器施加交流電壓的獨立網絡，當與供 電網斷開連接時也會在至少一個中間電路電容與輸出電流濾波器之間產生電流流動。然后 借助電流和電壓測量可計算PV設備的電容的電容值。相較于在正常運行的情況下，通過同 相運行至少兩個相產生較大的電流流動，并且由于來自中間電路電容的脈動功率消耗產生 測定的電壓的較大紋波，在該正常運行時所有相位彼此是有相位移動的。這樣就達到較高 的測量精度。
[0015] 在該方法的有利實施形式中測量橫跨PV設備的至少一個中間電路電容的電壓。從 電壓紋波的大小和測量的電流來確定至少一個中間電路電容的電容值。在本實施形式中借 助符合本發明的方法來在逆變器被連接到供電網之前確定中間電路電容器的電容值是可 能的。
[0016] 當進入中間電路或從中間電路輸出的電流流動隨時間變化時，橫跨至少一個中間 電路電容的電壓值以一頻率變化，該頻率與電流的頻率有關并且--取決于在逆變橋輸出 端上的相位關系-是獨立網絡內的電流的兩倍或三倍頻率。橫跨至少一個中間電路電容的 電壓變化在本申請的范圍中也被稱為電壓紋波。
[0017] 在該方法的另一有利的實施形式中，測定橫跨輸出電流濾波器的至少一個第一電 容的電壓，其中從測定的電壓和測量的電流來確定至少一個第一電容的電容值。因此，也有 可能在將逆變器連接到供電網之前確定輸出電流濾波器的電容器的電容值。在本實施形式 中所述方法特別適合用于確定電容器的電容值，該電容器布置在逆變橋的輸出端與共同的 零線之間。
[0018] 在上述方法中，當逆變器的逆變橋的所有輸出端被同相位地施加交流電壓時，達 到了特別高的電流。這會導致在確定電容值時有盡可能最大的精確度。
[0019] 在該方法的另一有利的實施形式中，測定橫跨輸出電流濾波器的至少一個第二電 容的電壓，其中至少一個第二電容的電容值根據電壓和電流的至少兩次測量來確定，其中 至少兩次測量在逆變橋輸出端的交流電壓的相位關系不同時進行。在本實施形式中該方法 也適合確定電容器的電容值，該電容器在輸出電流濾波器內布置在逆變橋的不同輸出端之 間。在此，當在逆變橋輸出端上相位關系不同時實施兩次測量，由此可將經過第二電容流動 的電流在計算上與經過電容流至共同零線的這樣的電流分開。
[0020] 在三相逆變器中，優選在至少兩次測量的每次測量中分別向逆變橋的兩個輸出端 施加同相的交流電壓并向逆變橋的第三輸出端施加其相位不同的交流電壓。施加在第三輸 出端上的交流電壓特別優選地具有相對于施加在逆變橋另外兩個輸出端上的交流電壓成 180度的相位角。如此又獲得了最大電流流動，該電流流動提高了在確定電容值時的精確 度。更優選的是實施三次測量，其中在每次測量中向逆變橋的另一個輸出端施加其相位不 同的交流電壓。以這種方式可以基于不同的測量來確定相應的電容值。測量結果具有一定 的冗余，其結果是各個電容值被超定。該超定性允許估計測量結果的質量并以此評估其有 效力。
[0021] 在該方法的另一有利的實施形式中，將計算的電容值與預定的最小電容值進行比 較，其中低于最小電容值的電容值會被通知。進一步有利的是，保存計算的電容值并將其與 先前保存的電容值進行比較。優選從計算的電容值和至少一個保存的電容值來確定電容值 的變化率，其中根據該變化率來估計提供電容的電容器的使用壽命。在該方法的這些實施 形式中有利地使用電容確定來警告設備操作者注意當前或可能即將出現的問題。這樣可以 立即或預防性地采取對策。
[0022] 在另一有利的實施形式中，在逆變器的起動過程期間多次實施該方法。這樣可以 識別可能只是暫時的問題，該問題在實施該方法期間（或者也通過實施該方法)得以解決， 并且如有必要起動過程可以繼續進行。在這種情況下可以在測定的中間電路電容在方法過 程中改變時對將實施的方法進行設置以加熱在中間電路中的電容器。可以這樣將置入在該 方法中引起的電流流動用于加熱電容器，從而使能夠緩和地消除由于相對小的電流流動產 生的溫度相關的電容的降低。
[0023] 在另一有利的實施形式中，當在逆變橋輸出端上的交流電壓頻率不同時實施該方 法。通過后來依賴于頻率獲得的測量值可確定輸出電流濾波器至少一個電感的電感值。因 此，典型輸出電流濾波器的所有元件的容量大小都可以確定。
[0024] 用于連接供電網的符合本發明的多相逆變器具有帶評估單元的控制裝置。其特征 在于，布置了連同評估單元的控制裝置以便實施前述方法。產生了與該方法相關描述的優 點。
[0025] 下面將根據實施示例并參考附圖來對本發明進行更加詳細的闡述。圖中顯示： [0026]圖1不出了PV設備的不意性方塊圖；
[0027] 圖2a;^出了圖1 PV設備的詳細視圖；
[0028]圖2b不出了圖2a限于一個相位的簡化視圖；
[0029] 圖3示出了符合本發明方法的流程圖；
[0030] 圖4示出了用于顯示在電容器使用壽命期間電容典型下降的圖；
[0031]圖5a示出了用于確定中間電路電容的處理步驟流程圖；
[0032]圖5b、c各自示出了用于確定輸出電流濾波器第一或第二電容的處理步驟流程圖； [0033]圖6a_d按照圖4各自示出了在實施方法期間部分PV設備的示意性等效電路圖， [0034]圖7a、b按照圖4a各自示出了在連續實施方法期間中間電路電容器依賴于時間的 電容變化圖.
[0035] 圖1用方塊圖通過總體結構示出了PV設備的總平面圖。該PV設備包括PV發電機1， 該PV發電機1在圖1中通過單個PV單元圖解表示。PV發電機1可以用已知的方式包括一個或 多個PV模塊。當置入多個PV模塊時串聯連接這些通常所謂的串。多個這些串可以并聯連接， 用于形成PV發電機1。
[0036] PV發電機1經由直流線路與中間電路2連接，該中間電路2在本圖示的實施示例中 包括兩個串聯連接的中間電路電容21、22。這兩個中間電路電容21和22之間的中心抽頭形 成虛擬零點NP，該零點NP為PV設備的直流側提供參考電位。
[0037] PV發電機1經由中間電路2與逆變橋3的直流側輸入端連接。該逆變橋3有助于將由 PV發電機1產生的直流電轉換成在逆變橋3的輸出端上輸出的交流電。逆變橋3的交流電輸 出端與輸出電流濾波器6連接，其中在逆變橋3與輸出電流濾波器6之間的連接中布置了電 流測量傳感器4。
[0038]逆變橋3是多相的，在此示例性地被構造成三相。下面將使用附加詞"a"、"b"和"c" 連同參考標記或標志來區分這三個不同的相。歸入各個相a、b、c的組件在其參考標記中通 過附加的"a"或"b"或"c"來標記。如果使用沒有這樣附加詞的參考標記，則要么帶有這些參 考標記的組件獨立于其附加詞，要么帶有這些參考標記的其中一個沒有進一步詳細說明的 組件獨立于其附加詞。因此根據上下文引用，"電流測量傳感器4"要么與所有電流測量傳感 器4a、4b和4c有關，要么與電流測量傳感器4a、4b或4c其中一個未進一步詳細說明的電流測 量傳感器有關。
[0039] 電流測量傳感器4有助于用來確定在逆變橋3各輸出端上流動的電流Ia、Ib和Ic。 電流測量傳感器4的輸出端被引向控制裝置5,該控制裝置5包括用于測量和評估電流測量 傳感器4的輸出的評估單元51。此外，控制裝置5還接管對逆變橋3的控制，在此特別接管對 在附圖中未進一步顯示的逆變橋3的半導體開關的控制。
[0040] 輸出電流濾波器6被有助于對逆變橋3的輸出信號進行信號整形。在無輸出電流濾 波器時，逆變橋3的輸出信號基本上為在不同電位間交替脈動的直流電壓信號。輸出電流濾 波器6從這些產生脈沖的直流電壓信號形成大致為交流電壓形狀的輸出電流，該輸出電流 可經由交流電壓(AC-交流電）開關器件7饋入供電網8。與逆變橋3-樣，供電網8以相導體 La、Lb和Lc也被構造成三相。此外還存在零線N，該零線N也經由AC開關器件7和輸出電流濾 波器6與PV設備1直流側的虛擬零點NP連接。輸出電流濾波器6通常包括由多個電容和電感 組成的布置。下面將關聯圖2和3對輸出電流濾波器6的典型結構形式進一步描述。
[0041] 在所示實施示例中，逆變橋3、電流測量傳感器4、控制裝置5和輸出電流濾波器6被 集成在逆變器9中。在替代性的實施形式中，例如可另外將中間電路2-并集成到逆變器9 中，或者也可將輸出電流濾波器6布置在單獨的殼體中。
[0042]注意到的是，在圖1中僅顯示在本申請范圍中的PV設備的基本元件。因此在直流 和/或交流側上例如可以設置未顯示的其它開關器件（例如分離元件，接觸器）、保護裝置 (例如保險絲），監視裝置和/或變壓器。
[0043]圖2a更詳細地示出了圖1的細節。在圖2a中未顯示的是PV發電機1、控制裝置5、AC 開關器件7和供電網8。
[0044]在圖2a中針對三相a、b、c顯示出逆變橋3的結構。對于三相中的各相，逆變橋3具有 電橋臂，該電橋臂在本實施示例中包括兩個半導體開關31、32。示例性地顯示了 IGBT(絕緣 柵雙極晶體管)開關作為半導體開關。顯而易見的是，逆變橋3也可以由其它半導體功率開 關，例如M0SFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)構成。半導體開關31、32與未進一步詳述 的自振蕩二極管關聯，該自振蕩二極管可以是外部結構元件或者可以集成到半導體開關 31、32中。為了一目了然，布置在半導體開關31、32上游的、有助于對其進行控制的結構元件 在圖2a中未顯示。最后由控制裝置5按照已知的調制法，特別是根據脈沖寬度調制法(P麗） 為半導體開關31、32生成開關信號，并經由相應的控制電路將開關信號傳輸到半導體開關 31、32 上。
[0045]在圖2a中顯示了逆變橋3的雙點拓撲結構，在該雙點拓撲結構中逆變橋3每個交流 電流輸出端可選擇地與PV發電機1的正極或PV發電機1的負極連接，其中該交流電流輸出端 由在串聯連接的半導體開關31、32之間的中心抽頭形成。顯而易見的是，其他拓撲結構也可 以置入，特別是三點拓撲結構，在該三點拓撲結構中另外存在這種可能性，即將逆變橋3的 輸出端連接部經由雙向作用的其它半導體開關與參考電位連接到虛擬零點NP上，也就是連 接到在中間電路電容21，22之間的中心抽頭上。
[0046] 輸出電流濾波器6對于每個相a、b、c具有兩個電容61、62以及一個電感63。電容61、 62通常由電容器，典型地由金屬膜電容器構成。在這種情況下，第一電容61對于每個相a、b、 c均布置在逆變橋3的輸出端連接部與零線N之間，該輸出端連接部顯示為輸出電流濾波器6 的輸入端。電感63分別布置在輸出電流濾波器6的輸入端和輸出端連接部之間。輸出電流濾 波器6的輸出端連接部各自與第二電容62連接，其中第二電容62各個其他連接部引至共同 的虛擬星形接點64上。然后用圖1所示的方式將輸出電流濾波器6的輸出端經由AC開關器件 7與供電網8連接。
[0047]為了進一步觀察，在圖2b中為了一目了然描繪了限制在一個相上的圖2a，這里例 如為相a。輸出電流濾波器6在等效電路圖中顯示，該等效電路圖適用于一種運行狀態，在該 運行狀態中三相a、b、c被同相地運行。由于所有相a、b、c的同相性沒有電流經過電容62。由 于逆變器9通過斷開AC開關器件7從供電網8斷開連接，即存在獨立網絡情況，因此也沒有電 流經過電感63。那么對上述逆變器9的運行狀態，在輸出電流濾波器6的等效電路圖中可以 忽略這些組件。
[0048] 借助在下面描述的圖3-5對用于確定PV設備電容容值的符合本發明的方法進行闡 述。該方法例如可以在圖1和2所示的PV設備中并特別借助在那里使用的逆變器來實施。因 此將示例性地參考附圖并使用在那里使用的參考標記來對圖3-5進行闡述。
[0049] 圖3用流程圖示出了符合本申請方法的基本過程。
[0050] 在第一步驟S1中啟動PV設備的逆變器9，例如在一定時間段后啟動，在該時間段內 PV發電機1沒有提供足夠的用于運行逆變器和輸入進供電網8的電力，例如在一夜之后。在 逆變器9的啟動過程中通過斷開AC開關器件7使逆變橋3的輸出端與供電網8斷開連接。一旦 PV發電機為逆變器9的啟動準備了足夠的電力，就啟動逆變器9。
[00511 在第二步驟S2中當開關器件7斷開時由逆變器建立上述的獨立網絡。若為三相網 絡，則在逆變器的饋電運行中在各相a、b、c之間分別存在120度的相移。整個系統的相位位 置與供電網中存在的相位位置匹配。由此在步驟S2中，在獨立網絡中通過至少其中兩相彼 此同相(相移為0度)來相互建立了各相a、b、c偏離的相位關系。優選以0度相移來彼此同相 地運行所有三相。下面將以這種所有三相a、b、c同相運行的情況為前提論述。
[0052] 在下一步驟S3中通過電流測量傳感器4a、4b或4c來測量在獨立網絡運行時在逆變 橋3輸出端上流動的電流la、lb和I c并對其在評估單元51中進行評估。
[0053]對用于確定PV設備電容容值的方法來說，在首先可選的步驟中根據步驟S3的電流 測量值在步驟S4中實施合理性測試，用于識別有故障的電流傳感器4。例如互相偏離很多的 電流測量值Ia、Ib、Ic可能較早推測出故障的電流傳感器，而不是推斷出在待測定的電容中 的差異。恒定為零的電流值也表明電流傳感器有故障。在測定電流值Ia、Ib、Ic是否可以推 測出電流傳感器有故障時，也可以考慮使用過去為了記錄目的存儲的、可比較測量的電流 值。
[0054]如果在步驟S4中看出電流傳感器有故障，則通過通知存在故障的電流傳感器4的 方法使該方法分支到步驟S5,例如經由信號和/或數據線將相應的通知發送至上級監控設 備。然后結束該方法并且停止運行逆變器。
[0055] 如果在步驟S4中電流值Ia、Ib、Ic至少位于合理出現的范圍內，則通過步驟S6繼續 進行該方法，在該步驟S6中真正確定電容值。對于相應的電流值的合理性極限值在具有電 感和電容(LC-濾波器)的輸出電流濾波器情況下，考慮到以輸出電流濾波器的阻抗、在輸出 電流濾波器上測量的電流和測量的或預定的電壓為基礎的組件公差或其他公差可以測定。 [0056] 步驟S6的細節將在圖5a，5b和5c以其它流程圖進一步闡述。
[0057]從步驟S6中確定的電容結果將在隨后的步驟S7中進行評估。在這種情況下，將根 據儲存的極限值來觀察電容是否位于預定的公差范圍內。在這種情況下，可以首先觀察電 容的絕對值，特別是觀察相對于電容額定值的極限值，其次還可以觀察電容的變化率。與此 前描述的結合在步驟S4中檢查電流傳感器類似，優選將計算的電容也記錄在數據存儲器 中，使得在先前的測量中可以使用特定的電容值來評估當前測得的電容值。這里描述的用 于確定PV設備內的電容值的方法優選有規律地實施，例如若每次早晨啟動-則每天至少實 施一次，使得有可能連續觀測電容值。
[0058]如果電容值沒有位于適當的公差范圍內，則該方法分支到步驟S8,在該步驟S8中 通知相應的電容或電容基于其上的電容器有故障，例如又經由信號和/或數據線將相應的 通知發送至上級監控設備。然后如在步驟S5中一樣結束逆變器9的運行。
[0059]如果在步驟S7中看出電容位于公差范圍內，則通過步驟S9繼續進行該方法，在該 步驟S9中進一步處理測定的電容值。首先在此步驟S9中記錄電容值，要么在控制裝置5內要 么在上級監控裝置內進行。其次可以使用測定的電容值，用于為逆變器9優化控制和/或調 節參數并同時最佳調節饋入電流且阻礙控制中的不穩定性。
[0060] 通過連續觀測電容值可以測定電容值的當前變化率，例如電容值的每日百分比變 化或絕對變化。電容值的較大變化表明相應電容器即將發生故障。在圖4中描述了電容器的 電容C的典型時間變化曲線71。顯示了電容C隨時間t的推移從標稱額定電容Cnenn的降低。 通常在某一時刻之前，在很長一段時間間隔內電容器首先以極小的變化率非常緩慢地失去 其電容，其中該某一時刻(在此例如為t = t*)用虛線示出，然后變化率迅速增大并且電容迅 速下降。
[0061] 如果根據電容值的變化率，其中一個電容器即將發生故障，則可在同樣可選的步 驟S10中發出相應的用于預防性維護或用于更換相應電容器的服務通知。
[0062] 最后可以在步驟S11中繼續進行逆變器9的啟動過程并將逆變器9連接到供電網8 上并且該逆變器為饋電運行具有在步驟S9中得以優化的參數。
[0063]圖5在三個部分圖a-c中用流程圖示出了在圖3的處理步驟S6期間確定電容值的細 節。在圖5a的流程圖中描述了用于確定中間電路電容器21、22電容的處理步驟。在圖5b的流 程圖中描述了用于確定輸出電流濾波器6的第一電容61電容值的處理步驟。在圖5c所示的 方法描繪了用于確定輸出電流濾波器6的第二電容62電容值的處理步驟。
[0064]在圖5a和5b中所示的方法可以彼此獨立地實施。在圖5c中所示的方法以事先實施 圖5b的方法為前提。在根據圖3的方法的優選實施形式中，在步驟S6中依次實施所有部分圖 5a-5c中示出的處理步驟，以便有利地獲得有關PV設備的全部重要電容，即中間電路電容 21、31、輸出電流濾波器6的第一電容61和第二電容62方面的信息。
[0065]在圖5a的第一步驟S601中重新實施步驟S3的電流測量，或者接收在步驟S3中測量 的電流值用于進一步評估。因此也和電流測量S3-樣在逆變器的運行狀態下實施步驟S601 中的電流測量，在該運行狀態中向全部三相a、b、c在獨立網絡運行期間同相彼此無相位移 地通過逆變橋3被施加以電壓。由于全部相a、b、c的同相性，當AC開關器件7斷開時既沒有電 流經過電感63也沒有電流流經電容62。如在圖2b中的輸出電流濾波器6的等效電路圖所示， 可以忽略相應用于逆變器9的該運行狀態的組件。在此運行狀態下只有電容61在電力上是 重要的且需要進行考慮。
[0066]因此，三相的三個第一電容61a、61b、61c在一定程度上并聯連接并且它們的電荷 在電流Ia、Ib、Ic的輸出電流頻率(通常為50Hz或60Hz)被反轉。電荷從而通過切換半導體開 關31、32永久地在第一電容61和中間電路電容21、22之間來回傳遞，其中傳遞電荷的電流大 小在步驟S601或S3中來進行測量。電荷轉移導致中間電路電容21、22的永久充電和放電，這 反映在施加在這些電容21、22上的電壓的變化中。在中間電路電容21、22上的電壓變化也稱 為電壓紋波。該電壓紋波可能也在非同相運行相a、b、c時觀察到，例如當對全部三相各自彼 此相移120度來運行時，然后其強度可能卻小得多并且因此更難以測量。這一點特別有價 值，因為在中間電路之間的電壓可以是幾百伏，而電壓紋波在此獨立網絡情況下出現的轉 載電流中位于至多幾伏的范圍或者甚至不足1伏。同相操作相a、b、c導致對轉載電流來說最 大可能觀察到的電壓紋波并從而對測量精度有利。
[0067] 從測量的電壓紋波與測量的電流la、Ib、Ic的大小可計算中間電路電容21、22的電 容值，該電容值基本可以追溯到使用的中間電路電容器。
[0068] 在這種情況下，可以在中間電路電容21或22的電容值C21或C22和在中間電路電容 21或22上的各自電壓紋波的測量幅值15 21或1}22以及測量的電流Ia，Ib，Ic總和的幅值i之 間的以下關系為基礎：麵丨.心徵磁以及相應地15總I._f _，其中《表不交流電la、 lb、I c的角頻率。對僅具有一個中間電路電容的中間電路來說相應地只考慮其中一個關系。 [0069]在圖5b中顯示的用于確定輸出電流濾波器6第一電容61容值的方法可以在圖5a中 所示的方法之后實施。但是也有可能實施在圖5b中所示的方法，并且在此之前未實施在圖 5a中所示的方法。
[0070] 在第一步驟S604中再次測量在逆變橋的同相輸出端上流動的電流1&、此、1(3。如果 在圖5a中所示的方法在此前已實施，則可接收步驟S601的測量值。此外在此也有可能的是， 使用步驟S3的測量值。
[0071] 在下一個步驟S605中，測定充載在第一電容61上的電壓的大小。該電壓值要么可 以進行測量要么可以從預給定參數中獲悉，因為逆變器在獨立運行情況下，通常將在逆變 橋3輸出端上的輸出交流電壓大小調整到預定的電壓值，調整的方式是半導體開關31、32適 當地調制施加在中間電路電容21、22上的電壓。在接下來的步驟S606中，將根據由電流Ia、 Ib、Ic構成的相應數值對和施加在電容61、62上的電壓計算第一電容61的電容值。
[0072] 在圖3的流程圖中將在步驟S7中的電容檢查放置在步驟S6中的確定電容值之后。 顯而易見的是，詢問計算的電容值是否位于公差范圍內，可以在圖5a或5b的各部分方法后 面進行。
[0073] 在圖6a中又以另一種形式示出了 PV系統的逆變器基于圖5a和5b所示方法的運行 情況。在該示意性圖中通過電壓源10的等效電路圖描繪了逆變器。相a，b，c的同相性表現在 僅存在一個電壓源10,在該電壓源10上并聯連接了全部相。
[0074]在確定輸出電流濾波器6的第一電容61的電容值后，為了確定輸出電流濾波器6的 第二電容62實施在圖5c中所示的方法。
[0075]在該方法第一步驟S607中，這樣調制逆變橋3的半導體31、32的控制使得在相a、b、 c之間產生變化的相位關系。和以前一樣在此保持獨立網絡。具體而言是在步驟S607的第一 實施形式中為相a、b、c中的兩相保持同相，而與此相反通過有關電壓180度地相移操作第三 相。
[0076]這種情況在類似于圖6a的圖6b的等效電路圖中進行描述。例如在此通過將相b和c 連接到電壓源10上同相運行相b和C。相反，通過相反極性運行的電壓源10'向相a施加電壓 中180度的相移。該運行狀態停止后，在隨后的步驟S608中又對電流Ia、Ib、Ic實施電流測 量。
[0077]在步驟S609中該方法分支返回到步驟S607,這時在此步驟中彼此這樣改變相a、b、 c、的相位關系，即這時運行與兩個同相的相反向的另一相。這種情況將在圖6c的等效電路 圖中進行描述，其中相a和c一起，即同相，由第一電壓源10來運行并且相b通過180度的相移 由電壓源10'來運行。又會經過步驟S608,在此步驟中對電流Ia、Ib、Ic進行測量和保存。當 再次經過步驟S609時詢問，是否從現在開始通查相位關系的所有可能的排列。如果不是這 種情況，則所述方法又分支返回到步驟S607，以便從現在開始設置最后一個排列，該排列在 圖6d的等效電路圖中進行描述。在該組合中相a和b在電壓源10上同相運行并且相c在電壓 源10'上與此相反地運行。又在步驟S608中測量電流1 &、此、1(：，然后在步驟5610中繼續該方 法。
[0078]由于各相相對于其它兩相有相移，所以在圖5a和5b中所作的假設，即沒有電流流 經第二電容62,不再適用于圖6b-6d顯示的運行情況。相反在此由于第一電容61與第二電容 62之間的電荷反轉在各種組合中出現位移電流。可以使出現的電流與電容值有關聯。得到 方程組，該方程組可根據電容62的電容值來解析，條件是不僅第一電容61而且電流Ia、Ib、 Ic在各種運行情況下都是已知的。然后步驟S610中方程組的答案導致確定第二電容62。 [0079] 如果在顯示的方法中在步驟S607和608中設置并測量每三種可能的所有排列，則 會超過為三個第二電容62確定的方程組。該過確定性使得有可能對測量結果的質量進行評 估并從而對其有效力進行評估。原則上可能在步驟S607和S608中測量兩個排列就足以可以 確定三個電容62的電容值。
[0080] 當在步驟S610中進行評估時，依然不考慮電感63,因為在電源頻率下實施測量時 通常這樣測量它們的大小，即它們不會影響測量值或者只對測量值有可以忽略的影響。但 是原則上可能的是，在頻率較高時額外實施在圖3的步驟S6中實施的測量，其中電感63的影 響不能再忽略。然后將頻率較高時的測量結果與電源頻率時的測量結果進行比較，還可能 額外確定電感63的大小。接著注意到的是，可以在輸出電流濾波器6中設置其它電感，例如 在逆變橋的輸出端與第一電感61接口之間。該電感最初也是不顯著的，但有如果在不同頻 率下實施用于確定第一電容61容值的圖5b中顯示的方法，可能確定該電感。
[0081] 在該方法的替代實施形式中可以設置，重復進行根據圖3的步驟S6的測量，特別是 當特定電容值位于預期的范圍之外時。這對于確定根據圖5a的中間電路電容21、22的電容 值是有利的。經常置入電解電容器來提供中間電路電容21、22,因為它們相對便宜并在其體 積和重量方面提供了大容量。在冰點以下的極低溫度下，電解電容器可能會因電解質凝聚 狀態的變化(電解質的"凍結"）而造成容量急劇減少。在這樣的狀態下幾乎不可能運行PV設 備，因為逆變器的控制特性沒有適應這么小的電容值，而且此外還有危險，因為強脈沖電流 負載在冷凍狀態下可能會破壞電解電容器。
[0082]然而在圖5 a的測量過程期間在中間電路電容21、2 2與輸出電流濾波器6的電容61 之間進行的連續電荷轉移將以熱形式損失的容量存儲在中間電路電容器21、22中。如果逆 變器9的該運行狀態保持較長時間，則由此可緩慢和控制性地加熱中間電路電容器21、22并 再次達到其原有的電容值。因此如果圖5a所示的方法進行了多次且特別是幾乎連續進行， 則可以在步驟S603中觀察到電容21、22所測量的電容的變化。
[0083] 這在圖7中為兩種不同情況顯示了兩個部分圖a、b。在這些圖中示出了隨時間t推 移的電容值C的每個時間過程曲線72或73。縱軸表示其中一個中間電路電容21、22測得的電 容值C并且橫軸表示時間t。
[0084] 在t = 0時刻點，此時根據圖5a進行第一次測量，中間電路電容器21、22的電容C明 顯小于運行PV設備所要求的最小電容Cmin。測量的電容C隨不斷增加的時間t連續增大，超 過所要求的最低值Cmin并漸近接近額定的電容值Cnenn。如果在連續執行根據圖5a的電容 確定時觀察到這樣的行為，則可推斷出中間電路電容21、22"凍結"，其中在測量步驟期間提 高中間電路2中相應的電容器的溫度，即隨后PV設備的饋電運行可以進行。
[0085] 在圖7b所示實施示例中，第一次實施該測量步驟時在t = 0時刻為中間電路電容21 或22測量到比較小的電容C。在該測量步驟進行較長時間后，電容C未顯著變化且依然低于 為運行PV設備所要求的最小電容Cmin。經過預定的持續時間后，該持續時間確定最大測量 時間，在情況b中可以推測出，觀察到的中間電路電容21、22的容量極低是由于所使用的電 容器中有一個或幾個出現故障所致且不是由于凍結引起的。相應地可能根據圖3中的步驟 S8發出故障信號并中斷逆變器9的啟動過程。
[0086] 參考標記列表
[0087] 1 PV發電機
[0088] 2 中間電路
[0089] 3 逆變橋
[0090] 4 電流測量傳感器
[0091] 5 控制裝置
[0092] 6 輸出電流濾波器
[0093] 7 AC開關器件
[0094] 8 供電網
[0095] 9 逆變器
[0096] 1〇, 1〇， 電壓源
[0097] 21，22 中間電路電容
[0098] 31，32 半導體開關
[0099] 51 評估單元
[0100] 61 第一電容
[0101] 62 第二電容
[0102] 63 電感
[0103] 64 星形接點
[0104] 71,72,73 電容變化曲線
[0105] Ia，Ib，Ic 電流
[0106] La，Lb，Lc 相導體
[0107] N 零線
[0108] NP 零點（參考電位）
[0109] 電容值
[0110] Cnenn 額定電容
[0111] Cmin 最小電容
[0112] S1-S11 處理步驟
[0113] S601-S603 處理步驟
[0114] S604-S606 處理步驟
[0115] S607-S610 處理步驟
【主權項】
1. 一種用于確定光伏發電設備的電容（21、22、61、62)的電容值的方法，所述光伏發電 設備具有多相逆變器(9)，所述多相逆變器(9)在交流側具有輸出電流濾波器(6)并通過開 關器件(7)與多相供電網（8)連接，并且在直流側與至少一個中間電路電容(21、22)相關聯， 所述方法具有以下步驟： 通過斷開所述開關器件(7)來將所述光伏發電設備與所述供電網(8)斷開連接； 運行所述逆變器(9)以建立獨立網絡，其中所述逆變器(9)的逆變橋(3)的至少兩個輸 出端被施加同相的交流電壓并且在所述至少一個中間電路電容(21、22)與所述輸出電流濾 波器(6)之間產生電流流動； 測量在所述逆變橋(3)的所述輸出端上流動的電流（I a、I b、I c)和在電容（21、22、61、 62)上存在的至少一個電壓，以及 根據確定的電壓和所測量的電流(Ia、Ib、Ic)確定所述電容(21、22、61、62)的電容值。2. 如權利要求1所述的方法，其中，測量了橫跨所述光伏發電設備的所述至少一個所述 中間電路電容(21、22)的電壓，其中根據所述電壓的紋波的大小和所述測量的電流(Ia、Ib、 I c)來確定所述至少一個中間電路電容(21、22)的電容值。3. 如權利要求1所述的方法，其中，確定了橫跨所述輸出電流濾波器(6)的至少一個第 一電容(61)的電壓，其中根據所確定的電壓和所述測量的電流(Ia、Ib、Ic)來確定所述至少 一個第一電容(61)的電容值。4. 如權利要求1至3中任一項所述的方法，其中，向所述逆變器(9)的所述逆變橋(3)的 所有輸出端同相地施加交流電壓。5. 如權利要求1所述的方法，其中，確定了橫跨所述輸出電流濾波器(6)的至少一個第 二電容(62)的電壓，其中所述至少一個第二電容(62)的電容值根據電壓和電流(Ia、Ib、Ic) 的至少兩次測量來確定，其中當在所述逆變橋(3)的所述輸出端的所述交流電壓的相位關 系不同時進行所述至少兩次測量。6. 如權利要求5所述的方法，所述方法在三相逆變器(9)上實施，其中在所述至少兩次 測量的每次測量中分別向所述逆變橋(3)的兩個輸出端施加同相的交流電壓并且向所述逆 變橋(3)的第三輸出端施加其相位角不同的交流電壓。7. 如權利要求6所述的方法，其中，施加到所述第三輸出端的所述交流電壓具有相對于 施加到所述逆變橋(3)的另外兩個輸出端的交流電壓成180度的相位角。8. 如權利要求5或6所述的方法，其中三次測量被實施，其中在所述測量的每次測量中， 向所述逆變橋(3)的所述輸出端中的不同輸出端施加其相位角不同的交流電壓。9. 如權利要求1至8中任一項所述的方法，其中，將計算的電容值(C)與預定的最小電容 值(Cmin)進行比較，其中低于所述最小電容值(Cmin)的電容值(C)會被通知。10. 如權利要求1至9中任一項所述的方法，其中將計算的電容值(C)保存并將其與先前 保存的電容值進行比較。11. 如權利要求10所述的方法，其中，由所述計算的電容值(C)和至少一個保存的電容 值來確定所述電容值的變化率，其中根據所述變化率來估計提供所述電容的電容器的使用 壽命。12. 如權利要求1至11中任一項所述的方法，在所述逆變器(9)的啟動過程期間多次實 施所述方法。13. 如權利要求12所述的方法，其中，在所確定的中間電路電容(21、22)改變時，實施所 述方法以加熱在中間電路(2)中的電容器。14. 如權利要求1至13中任一項所述的方法，當在所述逆變橋(3)的所述輸出端上的所 述交流電壓的頻率不同時實施所述方法，以確定所述輸出電流濾波器(6)的至少一個電感 (63)的電感值。15. -種用于與供電網（8)連接的多相逆變器(9)，包括具有評估單元(51)的控制裝置 (5)，其特征在于，布置了連同所述評估單元(51)的所述控制裝置(5)以便實施根據前述權 利要求中任一項所述的方法。
【文檔編號】G01R31/02GK105899963SQ201480062399
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2014年11月13日
【發明人】亞歷山大·昂魯, 哈拉爾德·德朗梅斯特, T·姆勒, P·科雷亞瓦斯奎茨
【申請人】艾思瑪太陽能技術股份公司