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WO2024115745A1 - Wechselrichter mit zwischenkreismittelpunkt und verfahren zur isolationswiderstandsmessung mittles kontrollierter unsymmetrie - Google Patents

Wechselrichter mit zwischenkreismittelpunkt und verfahren zur isolationswiderstandsmessung mittles kontrollierter unsymmetrie Download PDF

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Publication number
WO2024115745A1
WO2024115745A1 PCT/EP2023/083939 EP2023083939W WO2024115745A1 WO 2024115745 A1 WO2024115745 A1 WO 2024115745A1 EP 2023083939 W EP2023083939 W EP 2023083939W WO 2024115745 A1 WO2024115745 A1 WO 2024115745A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
intermediate circuit
inverter
potential
asymmetry
zero
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/083939
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Burkard Müller
Original Assignee
Sma Solar Technology Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sma Solar Technology Ag filed Critical Sma Solar Technology Ag
Priority to CN202380082344.9A priority Critical patent/CN120303867A/zh
Priority to AU2023401189A priority patent/AU2023401189A1/en
Publication of WO2024115745A1 publication Critical patent/WO2024115745A1/de

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/025—Measuring very high resistances, e.g. isolation resistances, i.e. megohm-meters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/42—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal
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    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/487—Neutral point clamped inverters
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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    • H02M7/537—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
    • H02M7/53871—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current

Definitions

  • the application relates to a method for operating an inverter which is designed to exchange electrical power between a DC side (DC: direct current) and an AC side (AC: alternating current).
  • DC direct current
  • AC AC side
  • the application further relates to a use of the method for measuring insulation resistance and an inverter
  • An inverter is a power electronic device that can convert electrical power from direct current to alternating current or vice versa from alternating current to direct current. In the case of a conversion from alternating current to direct current, the inverter acts as a rectifier.
  • a measurement of the insulation resistance of the DC source may be desirable and/or necessary for safety reasons, especially if the inverter can be connected to an AC voltage network on the AC side.
  • a DC source generally refers to an electrical device that can be operated with direct voltage and that can output and/or absorb electrical power in the form of direct current, i.e. can act as a source and/or as a load.
  • a DC source can be, for example, a PV generator, a battery, in particular a vehicle battery, a DC bus, an electrolyzer, a fuel cell, etc.
  • a core feature of such methods for measuring insulation resistance is to specifically shift the potential position of the DC source with respect to the ground potential and to record the resulting ground currents at different shift values of the potential position.
  • the ground currents can be recorded using current sensors directly on the DC lines on the DC side between the inverter and the DC source or on the AC side output of the connected inverter or indirectly using voltage sensors on suitably arranged resistors.
  • the DC source can be connected to an AC network via the inverter and can supply electrical power to the AC network or take power from the AC network.
  • the inverter has a galvanic separation between its DC side and its AC side, for example via a transformer, the shift in potential on the DC side is basically possible independently of the AC side.
  • the inverter has no galvanic separation between its DC side and its AC side, i.e. in particular if it is designed as a transformerless inverter, the potentials on the DC side and on the AC side are usually galvanically connected to one another, so that a shift in potential on the DC side is not easily possible without galvanically isolating the inverter from the AC network on the AC side.
  • this method cannot be used for a multi-level inverter with a split intermediate circuit, in particular if a center tap of the intermediate circuit is temporarily connected to the switching node of the half-bridges, since impressing a zero system would then place an uneven load on the partial capacitances of the split intermediate circuit.
  • the method is also not applicable to inverters in which the center tap of the split intermediate circuit is connected to the neutral conductor, since naturally no zero system can be impressed on this.
  • DE102020103839A1 describes a circuit arrangement for balancing a split DC voltage intermediate circuit arranged between two DC connections.
  • the application is based on the task of providing a method for operating a multi-level inverter and a multi-level inverter with a split intermediate circuit which enable measurement of the DC-side insulation resistance by means of DC-side potential shift.
  • An inverter is designed to exchange electrical power between a DC side and an AC side.
  • the inverter has a bridge circuit and a split intermediate circuit with at least two partial capacitances arranged between the DC side and the bridge circuit.
  • the bridge circuit has semiconductor switches and can convert electrical DC power into AC power and/or vice versa.
  • a method for operating the inverter comprises:
  • the asymmetry created leads to a shift in the potentials of the DC connections of the inverter with respect to earth and thus, among other things, to a modification of earth currents, which can be used to measure an insulation resistance of the DC source with respect to earth.
  • a quasi-stationary state is set in order to ensure correct measurement in view of the capacitances involved. It is advantageous to keep the voltages of the partial capacitances higher than the grid peak voltage of an AC grid that may be connected to the AC side of the inverter, so that the inverter can continue to generate the AC voltage and exchange electrical power with the AC grid in the desired form and quality.
  • the first setpoint By modulating the first setpoint at a low frequency, sufficient time is provided for measuring values characteristic of the insulation resistance of the inverter and/or a system in which the inverter is located. In particular, earth currents and thus insulation resistances to earth can be measured.
  • An intermediate circuit with two partial capacitances has a center point which can be connected to earth potential, in particular by being led out of the device as the neutral conductor of the inverter and connected to the AC network.
  • One partial capacitance is arranged between the center point and a DC connection on the DC side.
  • the other partial capacitance is arranged between the center point and the other DC connection on the DC side.
  • the total capacitance of the intermediate circuit between the two DC connections is divided accordingly between the partial capacitances.
  • An intermediate circuit with more than two partial capacitances can have more intermediate taps between its two DC connections and a center point which can be connected to earth potential.
  • the DC connections of the intermediate circuit can be connected to the DC connections on the DC side of the inverter and thus to a DC source connected to the inverter on the DC side.
  • One or both connections on the DC side of the inverter can be connected directly or via a DC/DC converter to the respective DC connections of the intermediate circuit, so that there is a fixed potential reference between the connections of the DC input and the connections of the intermediate circuit. If a split intermediate circuit has a midpoint between its DC connections and this midpoint is connected to earth potential, the two DC connections in a symmetrical intermediate circuit are at respective potentials that are symmetrical to one another in relation to the earth potential, one with a positive and one with a negative sign.
  • the method described makes it possible to shift the potential position of the DC connections of the intermediate circuit by means of an asymmetry between the partial capacitances of the intermediate circuit. If the two partial capacitances of the intermediate circuit are asymmetrically charged and the potential position of the center point is kept at earth potential, the total potential of the intermediate circuit shifts relative to earth potential and the potentials of its two DC connections are also shifted relative to an intermediate circuit with symmetrically charged partial capacitances. The same applies if there are more than two partial capacitances. Here too, the total potential of the intermediate circuit and thus the potentials of its DC connections relative to earth potential due to the asymmetry of the intermediate circuit.
  • the split intermediate circuit is shifted to a first potential level by setting a first asymmetry of the intermediate circuit.
  • This first potential level is set to a first setpoint by varying the asymmetry and is either kept constant by holding the first setpoint for the first period of time or modulated with a frequency.
  • the frequency is small, at least 100 times smaller than the AC frequency on the AC side of the inverter.
  • the method further comprises:
  • the second asymmetry of the intermediate circuit can have an opposite sign compared to the first asymmetry, and the second potential level can be set to a second setpoint for a second period of time.
  • a symmetry of the intermediate circuit can be set for a second period of time by setting an asymmetry setpoint to zero.
  • the modulated first setpoint value for the potential position is set by modulating the asymmetry with a changing sign.
  • the asymmetry can have different half-waves with different signs.
  • Various forms of modulation of the first setpoint value are conceivable, for example a sinusoidal shape.
  • the method thus makes it possible to create a potential shift of the DC side of the inverter and thus of the DC source that can be used to determine the insulation resistance, exclusively or among other things, via a quasi-stationary asymmetry of the divided intermediate circuit of the inverter.
  • the divided intermediate circuit is deliberately pulled skewed into an asymmetrical state, and a potential position set in this way is maintained quasi-stationary, ie kept constant for at least one second or several seconds or at very low frequency, i.e. with frequencies significantly below the mains frequency, in particular with less than 1 Hertz, so that the time course of the potential position has sufficiently long time periods with quasi-stationary values, in particular at the extreme points of the modulation function used.
  • the setpoint value for the potential position is preferably modulated sinusoidally.
  • the setpoint value for the potential position can be modulated one after the other with sine functions of different frequencies in order to be able to determine not only the real and imaginary parts of the insulation resistance at a certain frequency, but also to be able to determine the underlying component values of the resistors, capacitors and inductors.
  • sine functions of different frequencies can also be superimposed when modulating the setpoint value and thus the potential position.
  • the method can be implemented by means of a symmetry control for the partial capacitances of the intermediate circuit by setting the setpoint for the symmetry control to a desired first or second setpoint, a so-called asymmetry setpoint of e.g. 50 volts, in deviation from the usual value of zero (symmetrical intermediate circuit).
  • first and/or second asymmetry by directly redistributing charge within the divided intermediate circuit and to vary it to set the first and/or second potential level to the target value.
  • This can be done, for example, using a balancing circuit, in particular using a DC/DC converter connected to the intermediate circuit.
  • the balancing circuit transfers charge between the partial capacitances of the intermediate circuit.
  • the potential position of the intermediate circuit connections is determined exclusively by the asymmetry of the intermediate circuit.
  • the asymmetry can also be regulated directly to an equivalent setpoint, i.e. a setpoint for the asymmetry can be specified and modulated over time so that the potential position is regulated accordingly.
  • a balancing circuit suitable for direct redistribution is already present in the inverter.
  • balancing the intermediate circuit it can also be used to deliberately create an asymmetry in the intermediate circuit.
  • the asymmetry is achieved by specifying a first or second target value for the balancing circuit that deviates from zero.
  • the first or second setpoint can also be modulated. The modulation allows the setpoint to take on different values over time.
  • Such a method can be implemented, for example, by an inverter with an intermediate circuit balancing circuit by setting the setpoint for the balancing circuit to something other than zero.
  • the center of the intermediate circuit can be connected to the N conductor and thus kept at ground potential, so that the potentials of the DC connections of the intermediate circuit and thus of the DC source are shifted compared to a situation with a symmetrically charged intermediate circuit, depending on the set asymmetry.
  • the balancing circuit draws a current from one intermediate circuit half and supplies a different current to the other intermediate circuit half.
  • the asymmetry of the intermediate circuit and the first and/or second potential position of the DC potentials can be generated or maintained by interaction with the AC side of the inverter.
  • the first and/or the second asymmetry is initially created by the bridge circuit in that the bridge circuit generates an initializing zero-system voltage, wherein the initializing zero-system voltage has a profile determined by means of a control and generates an initial asymmetry of the intermediate circuit.
  • the desired potential position is then set by means of a stabilizing zero-system voltage, which, in conjunction with the initial asymmetry caused by the initializing zero-system voltage, results in the desired potential position and also has a profile determined by means of a control.
  • a controller can be used for this purpose, which regulates the setpoint for the potential position by changing the zero-system voltage as a manipulated variable.
  • the setting of the first and/or second potential position to the first or second setpoint is then carried out directly on this controller.
  • the initializing and the stabilizing zero-system voltage have different signs.
  • the inverter bridge can thereby initialize and/or stabilize the zero-system voltage. generate a stabilizing zero system by generating a constant voltage offset on all phase conductors and, if applicable, on the N conductor compared to earth potential.
  • this symmetry controller can be superimposed with the zero system according to the application by giving the setpoint for the symmetry controller a finite value instead of the usual setpoint of zero. Since the zero system itself represents a disturbance for such a superimposed control, it must be regulated; it is not enough to just regulate the asymmetry.
  • the initial asymmetry can also be created by initially loading the intermediate circuit asymmetrically, i.e. by exchanging different electrical powers with the partial capacitances.
  • An initial asymmetry of the intermediate circuit created either by the initializing zero system or by the asymmetrical load would, however, be amplified by the inverter itself, particularly in the case of electrical power being supplied from the DC source to the intermediate circuit and/or when electrical power is taken from the intermediate circuit to feed into an AC network, and is therefore stabilized by the stabilizing zero system in order to either keep the desired asymmetry constant for the initial period of time or to modulate it with a low frequency.
  • the method using the zero-sequence voltage is preferably used for inverters in which the center of the intermediate circuit has no connection to the N conductor of the AC network that can be connected on the AC side and therefore there is no fixed earth reference of the center of the intermediate circuit.
  • the zero-sequence system voltages for setting the first potential position to a modulated setpoint each have a modulation with a frequency that is at least a factor of 100 lower than the frequency of the AC exchange power.
  • the zero-sequence voltages can also be used to set the first and/or second constant potential position temporarily and in particular be largely constant for the first and/or the second time period, in particular as soon as a regulated equilibrium state of power asymmetrically flowing into the intermediate circuit and asymmetrically withdrawn from the intermediate circuit is reached.
  • largely constant means that the values are constant apart from fluctuations to regulate the first or second potential position.
  • Largely constant can also be understood to mean that the zero-system voltages are at least without a change of sign during the first and/or second time period. This facilitates the respective partial measurements at a certain quasi-stationary potential position.
  • Such an embodiment of the method can also be implemented, for example, by an inverter without an intermediate circuit balancing circuit, in that an initial asymmetry is stabilized by generating a stabilizing zero system, so that the first or second potential position specified by the setpoint is established.
  • a separate half-bridge can be provided for each output connection L1, L2, L3 or N of the inverter.
  • the asymmetry can also be "initialized” by generating the initializing zero system, whereby the stabilizing zero system for stabilizing the potential position - at least in inverter operation - has an opposite sign to the initializing zero system for initializing the asymmetry.
  • the first and/or the second time period comprises at least 1 second, in particular several seconds.
  • the setting of the first and/or second potential position is repeated periodically, in particular repeated at a low frequency.
  • Low frequency in this case means that the frequency is at least 100 times lower than an AC frequency of the exchange power of the inverter.
  • the first potential level of the intermediate circuit is first set and a first earth current is set within the first time period or at a point in time in the first half-wave.
  • the second potential level is then set and a second earth current is recorded within the second time period, or a second earth current is recorded at a point in time in the second half-wave of the modulated first potential level.
  • the insulation resistance of the DC side of the inverter is then determined from the set potential levels and the measured earth currents using known calculation operations.
  • the DC terminals of the intermediate circuit which correspond to the DC terminals of the DC side of the inverter, are set to their respective first or second
  • the DC connections can be connected to the DC source.
  • the potential position of the DC connections then corresponds to the potential position of the DC connections of the DC source if this is connected to the inverter on the DC side.
  • the method thus enables continuous determination of the insulation resistance of a DC source, e.g. a direct current energy source, in particular a PV generator on the DC side of the inverter, while the inverter exchanges electrical power between its AC side and its DC side, e.g. to feed electrical power from a connected PV generator into a connected AC network. This can increase the safety of a PV system during operation.
  • An inverter is designed to exchange electrical power between a DC side and an AC side.
  • the inverter has a bridge circuit and a divided intermediate circuit with at least two partial capacitances arranged between the DC side and the bridge circuit.
  • the inverter is designed to generate a first potential level of DC potentials of the partial capacitances of the intermediate circuit with respect to ground potential.
  • the first potential level is created by creating a first asymmetry of the partial capacitances with respect to one another.
  • the inverter is also designed to set the first potential level to a first setpoint value.
  • the first setpoint value is kept constant for a first period of time or modulated at a low frequency.
  • Low frequency means a frequency that is at least 100 times lower than an AC frequency of the AC-side exchange power of the inverter.
  • the inverter can also be set up to generate a second potential level of DC potentials of the partial capacitances of the intermediate circuit with respect to ground potential by creating a second asymmetry with the opposite sign to the first asymmetry or a symmetry of the partial capacitances with respect to one another.
  • the inverter can also be set up to set the second potential level to a second setpoint value for a second period of time or to set the symmetry of the intermediate circuit to an asymmetry setpoint value of zero for a second period of time.
  • the inverter is configured to adjust the potential level to a modulated first setpoint value by modulating the asymmetry with changing signs in different half-waves.
  • the inverter has a device for redistributing charge within the divided intermediate circuit.
  • the device for redistributing charge can, for example, be designed as a balancing circuit and arranged between the partial capacitances of the intermediate circuit.
  • the balancing circuit is designed as a DC/DC converter for transferring charges between the partial capacitances of the intermediate circuit.
  • the asymmetry can be created using means on the DC side of the inverter and the potential position of the DC potentials of the partial capacitances of the intermediate circuit relative to earth potential can be set according to the setpoint by exchanging charge between the intermediate circuit halves, in particular by means of the balancing circuit.
  • the center point of the intermediate circuit prefferably has a fixed reference to earth potential, for example through a direct or indirect connection to the neutral conductor of an AC network connected on the AC side. If such a fixed potential reference exists between the center point of the intermediate circuit and the N conductor of the AC network, in particular with a direct connection of this kind, the use of an intermediate circuit balancing circuit to create the asymmetry of the intermediate circuit and to set the required potential positions is particularly advantageous.
  • N conductor neutral conductor of an AC network that can be connected on the AC side via the inverter bridge circuit to a center point of the intermediate circuit between a first partial capacitance and a second partial capacitance of the intermediate circuit.
  • the inverter bridge circuit is designed to generate an initializing zero-system voltage, which shifts the potential position of the center of the intermediate circuit between the first and second partial capacitance of the intermediate circuit relative to the ground potential and loads the intermediate circuit asymmetrically.
  • An initializing zero-system voltage of this type can produce an initial asymmetry of the intermediate circuit, which would, however, continue to increase, particularly if the sign of the initializing zero-system remained the same.
  • the bridge circuit is therefore preferably designed to generate a stabilizing zero-system voltage, which also shifts the potential position of the center of the intermediate circuit relative to the ground potential and loads the intermediate circuit asymmetrically, but with a sign opposite to the initializing zero-system.
  • the stabilizing zero-system voltage can influence the first and/or second asymmetry of the intermediate circuit and in particular the potential position can be set to the required target value and stabilized.
  • the initializing and stabilizing zero-system voltages have different signs, which stabilizes the asymmetry of the intermediate circuit when the inverter is in inverter mode.
  • the procedure can be implemented accordingly, either by using an existing balancing circuit to generate the asymmetry and to adjust the potential position on more than two partial capacitances of an intermediate circuit, or by generating the zero system.
  • the method and inverter described offer the advantage that at least the embodiments with charge transfer between the partial capacitances can also be used for inverters in which the center of the intermediate circuit is connected to the N conductor of an AC network. It enables continuous determination and thus permanent monitoring of the insulation resistance of a DC source connected to the inverter. In particular, monitoring can be carried out in a simple, cost-effective and reliable manner in the case of a transformerless inverter.
  • the embodiments without charge transfer between the partial capacitances of the intermediate circuit have the further advantage of not requiring a special balancing circuit.
  • Fig. 1 shows a method for operating an inverter
  • Fig. 2 shows a schematic of an embodiment of an inverter with a connected DC source and a connected AC network
  • Fig. 3 shows schematically another embodiment of the inverter with connected DC source and connected AC grid
  • Fig. 4 shows a schematic equivalent circuit diagram of an embodiment of a split intermediate circuit with current source, and.
  • Fig. 5 shows exemplary time courses of voltages on the DC side of an inverter and of zero-sequence voltages when applying a method according to the application.
  • Fig. 1 shows schematically a method for operating an inverter 10 (see Figs. 2 and 3), as it can be used in a method for measuring insulation resistance.
  • the inverter 10 is designed to exchange electrical power between a DC side and an AC side.
  • the inverter 10 has a bridge circuit 12 and a divided intermediate circuit 14 with at least two partial capacitances arranged between the DC side and the bridge circuit 12.
  • a first potential position of DC potentials of the partial capacitances of the intermediate circuit 14 relative to ground potential is generated by creating a first asymmetry of the partial capacitances to one another. This can be done, for example, by charge transfer between the partial capacitances or by setting a zero system voltage on the AC side of the inverter 10 (see Figs. 2, 3).
  • a split intermediate circuit has a center point M, and a respective partial capacitance is arranged between the center point M and a respective DC connection of the intermediate circuit.
  • the DC connection of the intermediate circuit can correspond to the DC connection of the DC side of the inverter 10.
  • each DC potential of the split intermediate circuit corresponds to a potential at a DC connection on the DC side of the inverter 10 and thus to the DC source 18. If the center point M is now kept at ground potential, an asymmetry of the intermediate circuit 14, i.e. an unequal charge and thus unequal voltage of the partial capacitances of the split intermediate circuit 14, leads to a shift in the DC potentials of the DC connections of the intermediate circuit 14 with respect to the ground potential.
  • the first potential level is set to a first setpoint.
  • the first setpoint is kept constant for a first period of time or modulated with a frequency that is at least 100 times lower than an AC frequency of the exchange power of the inverter 10.
  • the voltage distribution between the center point M and the DC connections of the intermediate circuit 14 is asymmetrical. This means that the center point M is no longer in the middle of the two DC potentials of the DC connections of the intermediate circuit. Hence the term asymmetry of the intermediate circuit 14.
  • a first earth current is detected in S3 within the first time period within which the first setpoint is maintained or at a point in time in the first half-wave at a modulated first setpoint.
  • a second potential position of DC potentials of the partial capacitances of the intermediate circuit 14 with respect to ground potential is generated by creating a second asymmetry of the intermediate circuit, ie by creating an asymmetry of the partial capacitances with respect to one another.
  • a symmetry of the intermediate circuit is created in S4. Both can be achieved, for example, by charge transfer between the intermediate circuit parts or by setting a zero-sequence voltage on the AC side of the inverter 10 (see Figs. 2, 3).
  • the second potential level is set to a second setpoint with the opposite sign to the first setpoint for a second period of time, or the symmetry of the intermediate circuit is set to a second setpoint of zero for a second period of time.
  • the earth current is again recorded in S6 within the second time period.
  • the second earth current is then recorded at a point in time in the second half-wave of the modulated first setpoint.
  • a separate setting of the second potential level in steps S4 and S5 can therefore be omitted and S6 can be carried out directly after S3.
  • the insulation resistance is then calculated in S7 from the set potential levels and the measured earth currents.
  • Fig. 2 shows a schematic of an inverter 10 with a DC source 18 connected on the DC side and an AC network 16 connected on the AC side.
  • the AC network 16 is designed as a three-phase AC voltage network with a zero or neutral conductor N and has the three AC voltage phases L1, L2 and L3.
  • the inverter 10 has a bridge circuit 12 which converts direct current to alternating current and/or vice versa.
  • the bridge circuit preferably has clocked semiconductor switches.
  • the bridge circuit is shown as an equivalent circuit diagram and has phase-related equivalent current sources, QN, Q.1, Q.2 and Q.3.
  • the equivalent circuit diagram simulates the electrical behavior of the appropriately clocked bridge circuit.
  • each phase L1, L2, L3, N is assigned an equivalent current source.
  • the neutral conductor N is assigned the equivalent current source, QN.
  • the phase conductor L1 is assigned to the replacement power source Q.1, the phase conductor L2 is assigned to the replacement power source Q.2, and the phase conductor L3 is assigned to the replacement power source Q.3.
  • each of the replacement power sources QN, Q.1, Q.2 and Q.3 can have a bridge circuit, in particular a half-bridge with at least two clocked semiconductor switches.
  • the inverter 10 also has a split intermediate circuit 14.
  • the split intermediate circuit 14 has two partial capacitances and a center point M.
  • the center point M can optionally be connected on the AC side to the neutral conductor N of the AC network 16 (dashed line in Fig. 2). This allows the center point M to be kept at earth potential.
  • a DC/DC converter 20 is arranged between the two partial capacitances of the intermediate circuit 14. This is designed to transfer charge between the two partial capacitances.
  • the DC/DC converter 20 can therefore act as a symmetrizer between the two partial capacitances, i.e. set the partial capacitances to be as identical as possible in charge, if this is desired.
  • the DC/DC converter 20 can also be used to shift charge between the partial capacitances in order to create an asymmetry in the intermediate circuit.
  • An asymmetry means that the halves of the intermediate circuit 14 each have a different electrical charge. The voltages of the partial capacitances are therefore different in an asymmetrical intermediate circuit.
  • the DC/DC converter 20 can therefore act both as a balancing circuit and as an asymmetry circuit and, through charge transfer between the partial capacitances of the intermediate circuit, create an asymmetry in the intermediate circuit and set a required potential level.
  • the DC/DC converter 20 can set the potential level to the first and/or second setpoint.
  • the first setpoint can also be modulated by appropriately controlling the DC/DC converter.
  • the first or second setpoint for the balancing circuit can be set to a desired asymmetry setpoint value, e.g. to 50 volts for a given total voltage of the intermediate circuit of e.g. 1000 V, other than the value of zero for a symmetrical intermediate circuit.
  • the insulation resistance of the connected DC source 18 can be determined by measuring the earth current at the first potential level, at the second potential level, and/or when the intermediate circuit is symmetrical.
  • Fig. 3 shows a further embodiment of the inverter 10.
  • the intermediate circuit 14 of the inverter 10 does not have a balancing circuit.
  • the center point of the divided intermediate circuit 14 in the example shown in Fig. 3 is not connected to the neutral conductor N of the AC network 16 and therefore has no fixed earth reference.
  • the inverter 10 is also connected on the DC side to the DC source 18 and on the AC side to the AC network 16.
  • the DC source 18 is designed as a photovoltaic generator, for example.
  • the AC network 16 is, for example, a three-phase AC network with neutral conductor N.
  • the first phase of the AC network is designated L1
  • the second phase of the AC network is designated L2
  • the third phase of the AC network is designated L3.
  • the bridge circuit 12 is shown as an electrical equivalent circuit with sources Q.1, Q.2, Q.3 and Q.N and is designed to form a zero system 30 in addition to the usual phase or external conductor voltages.
  • the zero system is shown in the electrical equivalent circuit as a voltage source 30.
  • the intermediate circuit 14 can be loaded asymmetrically and thus brought into an asymmetric state. If the inverter 10 is operated in inverter mode, i.e.
  • an asymmetry generated, for example, by the zero system 30 would reinforce itself during operation, in particular due to an uneven distribution of the DC power flowing from the DC source into the intermediate circuit to the partial capacitances.
  • a stabilizing zero-system voltage is generated in a second step, which has the opposite sign to the initializing zero-system voltage. This asymmetrically loads the intermediate circuit in the opposite direction to the asymmetrically flowing power on the DC side and stabilizes the asymmetry of the intermediate circuit so that the potential level is set to the first target value.
  • the second potential level can then be set accordingly.
  • the first asymmetry of the intermediate circuit 14 and thus the potential level can be modulated at a low frequency over time, in particular by appropriate modulation of the zero-system.
  • the asymmetry generated by the initializing zero system 30 can thus be stabilized by generating the stabilizing zero system 30 on the AC side and the potential position can be adjusted as a result.
  • the asymmetry in the intermediate circuit 14 leads to an uneven distribution of the incoming DC power to the partial capacitances.
  • the stabilizing zero system 30 is therefore generated and regulated in such a way that the uneven power inflow into the partial capacitances (when using a DC source 18, e.g. PV generator (PV photovoltaics)) is compensated in mirror image as uneven power extraction from the intermediate circuit halves, so that the asymmetry and thus the potential position remains constant.
  • asymmetry controller e.g. PV generator
  • Fig. 4 shows two equivalent circuit diagrams of the intermediate circuit 14 with a connected 3-level half-bridge.
  • switches here IGBTs
  • a behavior of the bridge circuit can be generated which on the output side corresponds to the behavior of a voltage source Q, Q.1, Q.2, Q.3, Q.N on the conductors of the AC network.
  • the voltage value of the voltage source is the voltage of one intermediate circuit half multiplied by the duty cycle of the associated switch.
  • the loads on the intermediate circuit halves can be represented by current sources whose value is the choke current multiplied by the duty cycle of the switch assigned to the intermediate circuit half.
  • the zero-system voltage 30 can also be generated by appropriate control of the bridge circuit 12.
  • the representations in the right and left halves are equivalent and each represent an electrical equivalent circuit of the behavior of a bridge branch of the bridge circuit 12.
  • the generation of the zero system 30 leads to an inherently undesirable shift in the potential of the center point M compared to the ground potential, which counteracts the asymmetry-induced potential shift. Therefore, the resulting DC-side potential shift tends to be smaller than the potential shift caused by the asymmetry of the intermediate circuit alone.
  • the initial asymmetry caused by the initializing zero system feed 30 should therefore be larger than the potential shift of the center point M induced by the stabilizing zero system feed 30 necessary to stabilize the asymmetry.
  • phasors Electrical three-phase systems can be described by so-called phasors.
  • the phasors are divided into a symmetrical positive system, whose pointers move with the rotating field, a negative system with an opposing rotating field and a zero system.
  • the phasors of the different phases In the zero system, the phasors of the different phases have the same direction and the same length. Zero systems occur in asymmetrical three-phase systems.
  • Fig. 3, 4 can be used, for example, for inverters 10 in which the effort for a balancing circuit 20 is disproportionately large and in which all output connections, phase conductors L1, L2, L3 and neutral conductor N, are each placed via their own half-bridge of the bridge circuit 12, so that the desired zero system can be fed into the conductors of the AC network.
  • Fig. 5 shows, by way of example, the time profiles of the potential positions of the DC potentials of the partial capacitances of an intermediate circuit against ground potential when carrying out a method according to the application for measuring insulation resistance using a zero-sequence system voltage.
  • the profile of the negative DC potential of the intermediate circuit is designated by the reference numeral 51 and the profile of the positive DC potential is designated by the reference numeral 52.
  • the reference numeral 50 designates the profile of a virtual center potential of the intermediate circuit, ie the profile of the arithmetic mean between the DC potentials 51, 52.
  • Fig. 5 shows the profile of the zero-sequence system voltage with the reference numeral 53 and the profile of the resulting asymmetry of the partial capacitances of the intermediate circuit with the reference numeral 54.
  • the method starts at time t1 with step S1 (see Fig. 1), in which a first potential level of the DC potentials 51, 52 of the partial capacitances of the intermediate circuit with respect to ground potential is generated by creating a first asymmetry of the partial capacitances with respect to one another.
  • a first potential level of the DC potentials 51, 52 of the partial capacitances of the intermediate circuit with respect to ground potential is generated by creating a first asymmetry of the partial capacitances with respect to one another.
  • an initializing zero system is generated in the period between t1 and t2 by the zero system voltage 53 assuming a positive value.
  • the potential level of the intermediate circuit as a whole is initially raised so that the DC potentials 51, 52 and the virtual center potential 50 initially rise proportionally to the zero system voltage 53.
  • the intermediate circuit For a given power exchange from the intermediate circuit to the AC side of the inverter, the intermediate circuit is loaded asymmetrically due to this increase in the potential level and an asymmetry, i.e. a difference between the amounts of the DC potentials 51, 52, arises so that the asymmetry 54 increases; This can also be seen from the fact that the virtual center potential 50 exceeds the zero-sequence voltage 53 by the amount of the asymmetry 54.
  • the asymmetry 54 has reached a target value and the zero-sequence system voltage 53 returns to the value zero, since no further asymmetrical loading by an initializing zero-sequence system is required.
  • a first asymmetry is therefore present, and the DC potentials 51, 52 are shifted from the initial state by the amount of the asymmetry 54 at time t2.
  • step S2 in Fig. 1 the potential position is set to a first setpoint. If no zero system is generated after time t2, the intermediate circuit would be overloaded due to the existing asymmetry by the inflow of electrical power. from the DC source and the asymmetry 54 would escalate. Therefore, a stabilizing zero system is generated by setting the zero system voltage 53 to a value with the opposite sign compared to the initializing zero system between t1 and t2. As a result, the asymmetrical inflow of electrical power into the intermediate circuit is compensated in a mirror image by an asymmetrical withdrawal of electrical power from the intermediate circuit, so that the asymmetry 54 remains constant.
  • the stabilizing zero system in turn causes a shift in the potential position of the intermediate circuit as a whole, which is opposite to the shift caused by the asymmetry, a resulting potential position of the DC potentials 51, 52 results, which is shifted compared to the symmetrical initial position by the sum of the asymmetry 54 and the zero system voltage 53, clearly visible in the position of the virtual center potential 50.
  • a first measurement of a ground current is carried out according to step S3 of Fig. 1 and assigned to the concrete values of the DC potentials 51, 52 at the stabilized first potential position.
  • a second potential level of the DC potentials 51, 52 is generated by setting the asymmetry 54 to a value with the opposite sign. For this purpose, an initializing zero system is again generated, with the zero system voltage 53 assuming a negative value, so that the potential level of the intermediate circuit is lowered overall and the DC potentials 51, 52 and the virtual center potential 50 initially drop proportionally to the zero system voltage 53. Due to this reduction in the potential level, the intermediate circuit is loaded asymmetrically and the asymmetry 54 decreases.
  • the asymmetry 54 has reached a target value and the zero-sequence system voltage 53 initially returns to the value zero, so that at time t4 a second asymmetry is present and the DC potentials 51, 52 are shifted compared to the initial state by the amount of the asymmetry 54 at time t4. Then, according to step S5 of Fig. 1, the potential position is set to a second target value by generating a stabilizing zero-sequence system, ie by setting the zero-sequence system voltage 53 to a value that has an opposite sign compared to the initializing zero-sequence system between t3 and t4.
  • the stabilizing zero-sequence system is controlled using the zero-sequence system voltage 53 so that the asymmetry 54 remains constant. This results in a second potential position of the DC potentials 51, 52, which is shifted relative to the symmetrical initial position by the sum of asymmetry 54 and zero-sequence voltage 53, wherein the shift of the second potential position has an opposite sign compared to the shift of the first potential position.
  • a second measurement of the earth current is carried out according to step S6 of Fig. 1 and assigned to the concrete values of the DC potentials 51, 52 at the stabilized second potential level.
  • the insulation resistance of the DC side of the inverter can then be determined according to step S7 in Fig. 1.
  • the intermediate circuit can be brought into a symmetrical state and the potential position of the intermediate circuit can be returned to the initial state, which is reached at time t6.
  • the method can be repeated by returning to step S1 according to Fig. 1 at time t5 or t6.

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Abstract

Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters (10), welcher zum Austausch elektrischer Leistung zwischen einer DC-Seite und einer AC-Seite eingerichtet ist. Der Wechselrichter (10) weist eine Brückenschaltung (12) und einen zwischen der DC-Seite und der Brückenschaltung (12) angeordneten geteilten Zwischenkreis (14) mit mindestens zwei Teilkapazitäten auf. Das Verfahren umfasst: - Herstellen einer ersten Asymmetrie der Teilkapazitäten zueinander zur Erzeugung einer ersten Potentiallage von DC-Potentialen der Teilkapazitäten des Zwischenkreises (14) gegenüber Erdpotential, - Einstellen der ersten Potentiallage der DC-Potentiale der Teilkapazitäten des Zwischenkreises (14) auf einen ersten Sollwert durch Variation der Asymmetrie, wobei der erste Sollwert für eine erste Zeitdauer konstant oder mit einer Frequenz moduliert ist, die mindestens 100-mal kleiner als eine AC-Frequenz der Austauschleistung ist. Die Anmeldung betrifft weiter eine Verwendung des Verfahrens sowie einen Wechselrichter.

Description

WECHSELRICHTER MIT ZWISCHENKREISMITTELPUNKT UND VERFAHREN ZUR ISOLATIONSWIDERSTANDSMESSUNG MITTLES KONTROLLIERTER UNSYMMETRIE
TECHNISCHES GEBIET
Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters, welcher zum Austausch elektrischer Leistung zwischen einer DC-Seite (DC: engl. direct current, Gleichstrom / Gleichspannung) und einer AC-Seite (AC: engl. alternating current, Wechselstrom / Wechselspannung) eingerichtet ist. Die Anmeldung betrifft weiter eine Verwendung des Verfahrens zur Isolationswiderstandsmessung und einen Wechselrichter
STAND DER TECHNIK
Ein Wechselrichter ist ein leistungselektronisches Gerät, das elektrische Leistung von Gleichstrom in Wechselstrom oder umgekehrt von Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln kann. Im Falle einer Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom wirkt der Wechselrichter als Gleichrichter. Beim Betrieb einer DC-seitig an einen Wechselrichter angeschlossenen DC- Quelle kann eine Messung des Isolationswiderstandes der DC-Quelle erwünscht und/oder aus Sicherheitsgründen erforderlich sein, insbesondere wenn der Wechselrichter AC-seitig an ein Wechselspannungsnetz anschließbar ist.
Zur Messung des Isolationswiderstandes einer DC-seitig an einen Wechselrichter angeschlossenen DC-Quelle gegenüber einem Erdpotential sind verschiedene Vorrichtungen und Verfahren bekannt. Mit DC-Quelle wird vorliegend allgemein eine mit Gleichspannung betreibbare elektrische Vorrichtung bezeichnet, die elektrische Leistung in Form von Gleichstrom abgeben und/oder aufnehmen, d.h. als Quelle und/oder als Last wirken kann. Eine DC- Quelle kann z. B. ein PV-Generator, eine Batterie, insbesondere eine Fahrzeugbatterie, ein DC-Bus, ein Elektrolyseur, eine Brennstoffzelle etc. sein. Ein Kernmerkmal solcher Verfahren zur Isolationswiderstandsmessung ist es, die Potentiallage der DC-Quelle gegenüber dem Erdpotential gezielt zu verschieben und die resultierenden Erdströme bei verschiedenen Verschiebungswerten der Potentiallage zu erfassen. Die Erfassung der Erdströme kann mittels Stromsensoren direkt an den DC-Leitungen auf der DC-Seite zwischen Wechselrichter und DC-Quelle oder am AC-seitigen Ausgang des angeschlossenen Wechselrichters oder mittels Spannungssensoren indirekt an geeignet angeordneten Widerständen erfolgen.
Die DC-Quelle kann über den Wechselrichter mit einem Wechselspannungsnetz verbunden sein und elektrische Leistung in das Wechselspannungsnetz abgeben oder aus dem Wechselspannungsnetz aufnehmen. Wenn der Wechselrichter eine galvanische Trennung zwischen seiner DC-Seite und seiner AC-Seite aufweist, beispielsweise über einen Transformator, ist die Verschiebung des Potentials auf der DC-Seite grundsätzlich unabhängig von der AC-Seite möglich. Wenn der Wechselrichter jedoch keine galvanische Trennung zwischen seiner DC- Seite und seiner AC-Seite aufweist, also insbesondere als transformatorloser Wechselrichter ausgebildet ist, sind üblicherweise auch die Potentiale auf der DC-Seite und auf der AC-Seite galvanisch miteinander verbunden, so dass eine Verschiebung des Potentials auf der DC- Seite nicht ohne weiteres möglich ist, ohne den Wechselrichter AC-seitig galvanisch vom AC- Netz zu trennen.
Zur guten messtechnischen Unterscheidung zwischen ohmschen Erdströmen und kapazitiven Ableitströmen ist es vorteilhaft, die Potentialverschiebung der DC-Seite möglichst niederfrequent bzw. sogar quasistationär zu gestalten, d.h. z.B. das Potential der DC-Seite gegenüber Erde anzuheben und einige Sekunden lang zu halten und danach gegenüber Erde abzusenken und einige Sekunden lang zu halten, wobei die Änderung der Potentiallage der DC-Quelle jeweils z. B. einige V bis einige 10 V bei DC-Spannungen der DC-Quelle von z. B. einigen hundert Volt beträgt.
In der WO 2014 079 775 A1 wird vorgeschlagen, ein Nullsystem auf die durch Halbbrücken eines Wechselrichters gestellten AC-Ausgangsspannungen auf den Phasen des AC-Netzes aufzuprägen. Für sogenannte 2-Level-Topologien, bei welchen ein DC-seitig vorhandener Zwischenkreis des Wechselrichters zweipolig ausgeführt ist, also nur zwei Spannungsniveaus und insbesondere keinen Mittelabgriff mit Verbindung zur Wechselrichterbrücke aufweist, entspricht der Wert dieses Nullsystems direkt der Potentialverschiebung der DC-seitig an den Wechselrichter angeschlossenen DC-Quelle gegenüber Erde. Allerdings ist dieses Verfahren nicht für einen Mehrlevel-Wechselrichter mit geteiltem Zwischenkreis anwendbar, insbesondere wenn ein Mittelabgriff des Zwischenkreises zeitweilig auf den Schaltknoten der Halbbrücken durchgeschaltet wird, da das Aufprägen eines Nullsystems dann die Teilkapazitäten des geteilten Zwischenkreises ungleichmäßig belasteten würde. Das Verfahren ist außerdem nicht für Wechselrichter anwendbar, bei denen der Mittelabgriff des geteilten Zwischenkreises mit dem Nullleiter verbunden ist, da auf diesen naturgemäß kein Nullsystem aufgeprägt werden könnte.
In DE102020103839A1 wird eine Schaltungsanordnung zur Symmetrierung eines zwischen zwei DC-Anschlüssen angeordneten geteilten Gleichspannungszwischenkreises beschrieben.
AUFGABE
Der Anmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Mehrlevel- Wechselrichters und einen Mehrlevel-Wechselrichter mit geteiltem Zwischenkreis aufzuzeigen, bei denen eine Messung des DC-seitigen Isolationswiderstands mittels DC- seitiger Potentialverschiebung ermöglicht wird.
LÖSUNG
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , eine Verwendung des Verfahrens gemäß Anspruch 11 sowie einen Wechselrichter mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
BESCHREIBUNG
Ein Wechselrichter ist zum Austausch elektrischer Leistung zwischen einer DC-Seite und einer AC-Seite eingerichtet. Der Wechselrichter weist eine Brückenschaltung und einen zwischen der DC-Seite und der Brückenschaltung angeordneten geteilten Zwischenkreis mit mindestens zwei Teilkapazitäten auf. Die Brückenschaltung weist Halbleiterschalter auf und kann elektrische DC-Leistung in AC-Leistung und/oder umgekehrt umwandeln. Ein Verfahren zum Betreiben des Wechselrichters umfasst:
- Herstellen einer ersten Asymmetrie der Teilkapazitäten zueinander zur Erzeugung einer ersten Potentiallage von DC-Potentialen der Teilkapazitäten des Zwischenkreises gegenüber Erdpotential, und
- Einstellen der ersten Potentiallage der DC-Potentiale der Teilkapazitäten des Zwischenkreises auf einen ersten Sollwert durch Variation der Asymmetrie, wobei der erste Sollwert für eine erste Zeitdauer konstant ist oder mit einer Frequenz moduliert ist, die mindestens 100-mal kleiner als eine AC-Frequenz der Austauschleistung ist.
Die erzeugte Asymmetrie führt zu einer Verschiebung der Potentiale der DC-Anschlüsse des Wechselrichters gegenüber Erde und damit unter anderem zu einer Modifikation von Erdströmen, die zur Messung eines Isolationswiderstandes der DC-Quelle gegenüber Erde genutzt werden können. Durch das Einstellen der ersten Potentiallage auf den ersten Sollwert wird ein quasi-stationärer Zustand eingestellt, um angesichts der beteiligten Kapazitäten eine korrekte Messung zu gewährleisten. Es ist dabei vorteilhaft, die Spannungen der Teilkapazitäten weiterhin jeweils größer als die Netzkuppenspannung eines an der AC-Seite des Wechselrichters ggf. angeschlossenen AC-Netzes zu halten, damit die Generierung der AC- Spannung und ein Austausch elektrischer Leistung mit dem AC-Netz durch den Wechselrichter in der gewünschten Form und Qualität weiterhin möglich ist.
Durch die Modulation des ersten Sollwertes mit geringer Frequenz wird eine ausreichende Zeit zur Messung von für den Isolationswiderstand charakteristischen Werten des Wechselrichters und/oder eines Systems, in dem sich der Wechselrichter befindet, zur Verfügung gestellt. Insbesondere sind Erdströme und damit Isolationswiderstände gegenüber Erde messbar.
Ein Zwischenkreis mit zwei Teilkapazitäten weist einen Mittelpunkt auf, welcher mit Erdpotential verbunden sein kann, insbesondere indem er als Nullleiter des Wechselrichters aus dem Gerät geführt und mit dem AC-Netz verbunden wird. Eine Teilkapazität ist zwischen dem Mittelpunkt und einem DC-Anschluss der DC-Seite angeordnet. Die andere Teilkapazität ist zwischen dem Mittelpunkt und dem anderen DC-Anschluss der DC-Seite angeordnet. Bei einem Zwischenkreis mit mehr als zwei Teilkapazitäten in Reihenschaltung ist die gesamte Kapazität des Zwischenkreises zwischen den beiden DC-Anschlüssen entsprechend auf die Teilkapazitäten aufgeteilt. Ein Zwischenkreis mit mehr als zwei Teilkapazitäten kann mehr Zwischenabgriffe zwischen seinen beiden DC-Anschlüssen und einen Mittelpunkt aufweisen, welcher mit Erdpotential verbunden sein kann. Bei einem Zwischenkreis mit einem mit Erdpotential verbundenen Mittelpunkt liegt die eine Hälfte der Teilkapazitäten in Serie zwischen dem Mittelpunkt und einem der DC-Anschlüsse und die andere Hälfte der Teilkapazitäten liegt in Serien zwischen dem Mittelpunkt und dem anderen der DC- Anschlüsse. Entsprechend weisen solche Zwischenkreise, sofern sie symmetrisch sind, einen DC-Anschluss mit positiver Spannung und einen DC-Anschluss mit entsprechenden gleich großer negativer Spannung gegenüber dem Erdpotential auf.
Die DC-Anschlüsse des Zwischenkreises können mit den DC-Anschlüssen der DC-Seite des Wechselrichters und damit mit einer an den Wechselrichter DC-seitig angeschlossenen DC- Quelle verbunden sein. Dabei kann einer der oder können beide Anschlüsse der DC-Seite des Wechselrichters direkt oder über einen DC/DC-Wandler mit den jeweiligen DC-Anschlüssen des Zwischenkreises verbunden sein, so dass ein fester Potentialbezug zwischen den Anschlüssen des DC-Eingangs und den Anschlüssen des Zwischenkreises besteht. Weist ein geteilter Zwischenkreis einen Mittelpunkt zwischen seinen DC-Anschlüssen auf und ist dieser Mittelpunkt mit Erdpotential verbunden, so liegen die beiden DC-Anschlüsse bei einem symmetrischen Zwischenkreis auf jeweiligen Potentialen, die symmetrisch zueinander in Bezug auf das Erdpotential sind, eines mit positivem und eines mit negativem Vorzeichen.
Durch das beschriebene Verfahren ist es möglich, eine Verschiebung der Potentiallage der DC-Anschlüsse des Zwischenkreises mittels einer Asymmetrie zwischen den Teilkapazitäten des Zwischenkreises herzustellen. Sind die zwei Teilkapazitäten des Zwischenkreises asymmetrisch geladen, und wird die Potentiallage des Mittelpunktes auf Erdpotential gehalten, so verschiebt sich das Gesamtpotential des Zwischenkreises gegenüber dem Erdpotential, und die Potentiale seiner beiden DC-Anschlüsse sind gegenüber einem Zwischenkreis mit symmetrisch geladenen Teilkapazitäten ebenfalls verschoben. Bei mehr als zwei Teilkapazitäten gilt entsprechendes. Auch hier verschieben sich das Gesamtpotential des Zwischenkreises und damit die Potentiale seiner DC-Anschlüsse gegenüber Erdpotential durch die Asymmetrie des Zwischenkreises.
Der geteilte Zwischenkreis wird auf eine erste Potentiallage verschoben, indem eine erste Asymmetrie des Zwischenkreises eingestellt wird. Diese erste Potentiallage wird durch Variation der Asymmetrie auf einen ersten Sollwert eingestellt und entweder durch Halten des ersten Sollwertes für die erste Zeitdauer konstant gehalten oder mit einer Frequenz moduliert. Dabei ist die Frequenz klein, zumindest 100-mal kleiner als die AC-Frequenz auf der AC-Seite des Wechselrichters.
In einer Ausführungsform weist das Verfahren weiter auf:
- Herstellen einer zweiten Asymmetrie oder einer Symmetrie der Teilkapazitäten zueinander zur Erzeugung einer zweiten Potentiallage von DC-Potentialen der Teilkapazitäten des Zwischenkreises gegenüber Erdpotential.
Die zweite Asymmetrie des Zwischenkreises kann dabei ein umgedrehtes Vorzeichen gegenüber der ersten Asymmetrie aufweisen, und die zweite Potentiallage kann für eine zweite Zeitdauer auf einen zweiten Sollwert eingestellt werden. Alternativ zur zweiten Asymmetrie kann eine Symmetrie des Zwischenkreises für eine zweite Zeitdauer eingestellt werden, indem ein Asymmetrie-Sollwert auf null eingestellt wird.
Durch ein solches gezieltes Erzeugen von erster und/oder zweiter Potentiallage des geteilten Zwischenkreises ist es möglich, gezielt Messungen, insbesondere Strom- und/oder Spannungsmessungen an dem Wechselrichter vorzunehmen, die zur Bestimmung eines Isolationswiderstandes durch eine an sich bekannte Verrechnung der eingestellten Spannungen und der gemessenen Ströme geeignet sind.
In einer Ausführungsform des Verfahrens mit Modulation der ersten Potentiallage wird der modulierte erste Sollwert für die Potentiallage durch eine Modulation der Asymmetrie mit wechselndem Vorzeichen eingestellt. Beispielsweise kann die Asymmetrie unterschiedliche Halbwellen mit unterschiedlichen Vorzeichen aufweisen. Dabei sind verschiedene Formen der Modulation des ersten Sollwertes denkbar, zum Beispiel eine Sinusform.
Das Verfahren ermöglicht damit, eine zur Ermittlung des Isolationswiderstandes nutzbare Potentialverschiebung der DC-Seite des Wechselrichters und damit der DC-Quelle ausschließlich oder unter anderem über eine quasistationäre Asymmetrie des geteilten Zwischenkreises des Wechselrichters herzustellen. Dazu wird der geteilte Zwischenkreis bewusst in einen asymmetrischen Zustand schiefgezogen, und eine dadurch eingestellte Potentiallage wird quasistationär aufrechterhalten, d.h. über mind, etwa eine Sekunde oder mehrere Sekunden konstant gehalten oder sehr niederfrequent, also mit Frequenzen deutlich unterhalb der Netzfrequenz, insbesondere mit weniger als 1 Hertz, moduliert, so dass der Zeitverlauf der Potentiallage ausreichend lange Zeitabschnitte mit quasistationären Werten aufweist, insbesondere an den Extremstellen der verwendeten Modulationsfunktion.
Zur besseren Erfassung eines komplexen Isolationswiderstands, d.h. eines Isolationswiderstands, der aus einem Netzwerk von Widerständen, Kapazitäten und Induktivitäten besteht und deshalb für verschiedene Frequenzen unterschiedliche Real- und Imaginärteile aufweist, wird der Sollwert für die Potentiallage bevorzugt sinusförmig moduliert. Besonders bevorzugt kann der Sollwert für die Potentiallage nacheinander mit Sinusfunktionen verschiedener Frequenzen moduliert werden, um nicht nur Real- und Imaginärteil des Isolationswiderstands bei einer bestimmten Frequenz bestimmen zu können, sondern die zugrundeliegenden Bauteilwerte der Widerstände, Kapazitäten und Induktivitäten bestimmen zu können. Alternativ können bei der Modulation des Sollwerts und damit der Potentiallage auch Sinusfunktionen verschiedener Frequenzen überlagert werden.
Das Verfahren kann mittels einer Symmetrieregelung für die Teilkapazitäten des Zwischenkreises umgesetzt werden, indem der Sollwert für die Symmetrieregelung abweichend zum üblichen Wert von Null ^symmetrischer Zwischenkreis) auf einen gewünschten ersten oder zweiten Sollwert, einen sogenannten Asymmetrie-Sollwert von z. B. 50 Volt eingestellt wird.
Es ist beispielsweise möglich, die erste und/oder die zweite Asymmetrie durch direkte Umverteilung von Ladung innerhalb des geteilten Zwischenkreises herzustellen und zum Einstellen der ersten und/oder der zweiten Potentiallage auf den Sollwert zu variieren. Dies kann zum Beispiel mittels einer Symmetrierschaltung, insbesondere mittels eines am Zwischenkreis angeschlossenen DC/DC-Wandlers erfolgen. Die Symmetrierschaltung transferiert dabei Ladung zwischen den Teilkapazitäten des Zwischenkreises.
Bei der Herstellung der Asymmetrie durch eine direkte Umverteilung der Ladung wird die Potentiallage der Zwischenkreisanschlüsse ausschließlich über die Asymmetrie des Zwischenkreises bestimmt. Statt einer Regelung der Potentiallage auf einen Sollwert kann in diesem Fall auch direkt eine Regelung der Asymmetrie auf einen äquivalenten Sollwert vorgenommen werden, d.h. ein Sollwert für die Asymmetrie vorgegeben und zeitlich moduliert werden, so dass die Potentiallage entsprechend geregelt ist.
Oft liegt eine zur direkten Umverteilung geeignete Symmetrierschaltung in dem Wechselrichter bereits vor. Zusätzlich zu ihrer eigentlichen Funktion, der Symmetrierung des Zwischenkreises, kann sie anmeldungsgemäß auch zur gezielten Herstellung einer Asymmetrie des Zwischenkreises genutzt werden. Insbesondere wird dabei die Asymmetrie durch die Vorgabe eines von Null abweichenden ersten oder zweiten Sollwertes für die Symmetrierschaltung eingestellt. Der erste oder der zweite Sollwert kann insbesondere auch moduliert sein. Durch die Modulation kann der Sollwert in seinem Zeitverlauf verschiedene Werte annehmen.
Ein solches Verfahren kann z. B. durch einen Wechselrichter mit Zwischenkreis-Symmetrier- schaltung umgesetzt werden, indem der Sollwert für die Symmetrierschaltung ungleich null eingestellt wird. Dabei kann der Mittelpunkt des Zwischenkreises mit dem N-Leiter verbunden sein und insofern auf Erdpotential gehalten werden, so dass die Potentiale der DC-Anschlüsse des Zwischenkreises und damit der DC-Quelle je nach eingestellter Asymmetrie gegenüber einer Situation mit symmetrisch geladenem Zwischenkreis verschoben sind. Die Symmetrierschaltung entnimmt dabei einer Zwischenkreishälfte einen Strom und führt der anderen Zwischenkreishälfte einen anderen Strom zu. Diese beiden Ströme überlagern sich mit den Strömen, die vom Zwischenkreis ausgehend über die DC-Seite und/oder die Wechselrichterbrücke ausgetauscht werden, zu Gesamtströmen, die jeweils im zeitlichen Integral und durch die Zwischenkreis-Kapazität geteilt die Spannung der jeweiligen Zwischenkreishälfte ergeben. Durch Variation der Ströme der Symmetrierschaltung können die Gesamtströme beeinflusst und damit die Asymmetrie der Zwischenkreishälften gehalten oder geändert werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Asymmetrie des Zwischenkreises und die erste und/oder zweite Potentiallage der DC-Potentiale mittels Interaktion mit der AC-Seite des Wechselrichters erzeugt bzw. gehalten werden.
Bei einem Mehrlevel-Wechselrichter, bei dem ein Mittelpunkt des Zwischenkreises zeitweise direkt mit einem Schaltknoten der Halbbrücken verbunden wird, führt das Aufprägen eines Nullsystems zu einer ungleichmäßigen Belastung der Zwischenkreishälften und damit zeitlich aufintegriert zu einer Asymmetrie des Zwischenkreises.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die erste und/oder die zweite Asymmetrie durch die Brückenschaltung initial hergestellt, indem die Brückenschaltung eine initialisierende Nullsystem-Spannung erzeugt, wobei die initialisierende Nullsystem-Spannung einen anhand einer Regelung ermittelten Verlauf aufweist und eine initiale Asymmetrie des Zwischenkreises erzeugt. Die gewünschte Potentiallage wird dann mittels einer stabilisierenden Nullsystem- Spannung eingestellt, die in Zusammenspiel mit der durch die initialisierende Nullsystem- Spannung hervorgerufene initiale Asymmetrie die gewünschte Potentiallage ergibt und ebenfalls einen anhand einer Regelung ermittelten Verlauf aufweist. Konkret kann dazu ein Regler benutzt werden, der den Sollwert für die Potentiallage einregelt, indem er als Stellgröße die Nullsystem-Spannung verändert. Das Einstellen der ersten und/oder zweiten Potentiallage auf den ersten bzw. den zweiten Sollwert erfolgt dann direkt an diesem Regler. Die initialisierende und die stabilisierende Nullsystem-Spannung weisen dabei unterschiedliche Vorzeichen auf. Die Wechselrichterbrücke kann dabei das initialisierende und/oder das stabilisierende Nullsystem erzeugen, indem sie einen konstanten Spannungsoffset auf allen Phasenleitern und ggf. auf dem N-Leiter gegenüber Erdpotential erzeugt. Sofern ein konkreter Wechselrichter mit geteiltem Zwischenkreis bereits einen Symmetrieregler aufweist, der mit Hilfe eines Nullsystems, das durch von den Brückenzweigen gestellte Einzelspannungen aufprägt wird, eine geeignete unsymmetrische Belastung der Zwischenkreishälften zur Reduzierung von Asymmetrien herstellen kann, kann dieser Symmetrieregler mit dem anmeldungsgemäßen Nullsystem überlagert werden, indem der Sollwert für den Symmetrieregler anstelle des üblichen Sollwerts von Null einen endlichen Wert erhält. Da das Nullsystem selbst eine Störgröße für eine solche überlagerte Regelung darstellt, muss es ausgeregelt werden, es genügt nicht, nur die Asymmetrie zu regeln.
Alternativ oder zusätzlich kann die initiale Asymmetrie auch hergestellt werden, indem der Zwischenkreis zunächst asymmetrisch belastet wird, d.h. indem unterschiedliche elektrische Leistungen mit den Teilkapazitäten ausgetauscht werden. Eine entweder durch das initialisierende Nullsystem oder durch die asymmetrische Belastung hergestellte initiale Asymmetrie des Zwischenkreises würde sich jedoch insbesondere im Falle einer Zufuhr elektrischer Leistung aus der DC-Quelle in den Zwischenkreis und/oder bei Entnahme elektrischer Leistung aus dem Zwischenkreis zur Einspeisung in ein AC-Netz durch den Wechselrichter selbst verstärken und wird daher durch das stabilisierende Nullsystem stabilisiert, um die gewünschte Asymmetrie entweder für die erste Zeitdauer konstant zu halten oder mit einer niedrigen Frequenz zu modulieren.
Im Gleichrichterbetrieb, also bei einem Transfer elektrischer Leistung von der AC-Seite zur DC-Seite des Wechselrichters würde sich eine initial hergestellte Asymmetrie des Zwischenkreises von selbst im Betrieb abbauen. Daher muss die gewünschte Asymmetrie auch im Gleichrichterbetrieb stabilisiert werden
Das Verfahren unter Verwendung der Nullsystem-Spannung wird bevorzugt bei Wechselrichtern angewendet, bei denen der Mittelpunkt des Zwischenkreises keine Verbindung mit dem N-Leiter des AC-seitig anschließbaren AC-Netzes aufweist und insofern kein fester Erdbezug des Mittelpunktes des Zwischenkreises besteht.
In einer Ausführungsform des Verfahrens weisen die Nullsystem-Spannungen zur Einstellung der ersten Potentiallage auf einen modulierten Sollwert jeweils eine Modulation mit einer Frequenz auf, die um mindestens den Faktor 100 kleiner ist als die Frequenz der AC- Austauschleistung.
In einer alternativen Ausführungsform können die Nullsystem-Spannungen auch zur Einstellung der ersten und/oder zweiten konstanten Potentiallage zeitweise und insbesondere für die erste und/oder die zweite Zeitdauer weitgehend konstant sein, insbesondere sobald ein eingeregelter Gleichgewichtszustand aus asymmetrisch dem Zwischenkreis zufließender und asymmetrisch dem Zwischenkreis entnommener Leistung erreicht ist. Unter weitgehend konstant wird vorliegend verstanden, dass die Werte abgesehen von Schwankungen zum Ausregeln der ersten bzw. zweiten Potentiallage konstant sind. Unter weitgehend konstant kann ebenfalls verstanden werden, dass die Nullsystem-Spannungen zumindest ohne Vorzeichenwechsel während der ersten und/oder zweiten Zeitdauer sind. Dies erleichtert die jeweiligen Teilmessungen bei einer bestimmten quasistationären Potentiallage.
Eine solche Ausführungsform des Verfahrens kann z. B. auch durch einen Wechselrichter ohne Zwischenkreis-Symmetrierschaltung umgesetzt werden, indem eine initiale Asymmetrie mittels Erzeugung eines stabilisierenden Nullsystems stabilisiert wird, so dass sich die durch den Sollwert vorgegebene erste bzw. zweite Potentiallage einstellt. Dabei kann für jeden Ausgangsanschluss L1 , L2, L3 bzw. N des Wechselrichters eine separate Halbbrücke vorgesehen sein. Die Asymmetrie kann zudem mittels Erzeugung des initialisierenden Nullsystems „initialisiert“ werden, wobei das stabilisierende Nullsystem zur Stabilisierung der Potentiallage - zumindest im Wechselrichterbetrieb - ein entgegengesetztes Vorzeichen als das initialisierende Nullsystem zur Initialisierung der Asymmetrie aufweist.
In einer Ausführungsform umfasst, die erste und/oder die zweite Zeitdauer zumindest 1 Sekunde, insbesondere mehrere Sekunden.
In einer Ausführungsform wird die Einstellung der ersten und/oder zweiten Potentiallage periodisch wiederholt, insbesondere niederfrequent wiederholt. Niederfrequent bedeutet vorliegend das die Frequenz mindestens 100-mal kleiner ist als eine AC-Frequenz der Austauschleistung des Wechselrichters.
Es ist möglich, das Verfahren zur Isolationswiderstandsmessung einer DC-seitig an den Wechselrichter angeschlossenen DC-Quelle zu verwenden. Hierfür wird zunächst die erste Potentiallage des Zwischenkreises eingestellt und ein erster Erdstrom innerhalb der ersten Zeitdauer oder zu einem Zeitpunkt in der ersten Halbwelle eingestellt. Dann wird die zweite Potentiallage eingestellt und ein zweiter Erdstrom innerhalb der zweiten Zeitdauer erfasst, oder ein zweiter Erdstrom zu einem Zeitpunkt in der zweiten Halbwelle der modulierten ersten Potentiallage erfasst. Aus den eingestellten Potentiallagen und den gemessenen Erdströmen wird dann der Isolationswiderstand der DC-Seite des Wechselrichters mittels an sich bekannter Rechenoperationen ermittelt.
Die DC-Anschlüsse des Zwischenkreises, die den DC-Anschlüssen der DC-Seite des Wechselrichters entsprechen, werden durch das Verfahren auf ihre jeweilige erste oder zweite Potentiallage gebracht. Die DC-Anschlüsse sind mit der DC-Quelle verbindbar. Die Potentiallage der DC-Anschlüsse entspricht dann der Potentiallage der DC-Anschlüsse der DC-Quelle, falls diese DC-seitig mit dem Wechselrichter verbunden ist. Das Verfahren ermöglicht damit eine fortlaufende Ermittlung eines Isolationswiderstandes einer DC-Quelle, z. B. einer Gleichstrom-Energiequelle, insbesondere eines PV-Generators auf der DC-Seite des Wechselrichters, während der Wechselrichter elektrische Leistung zwischen seiner AC- Seite und seiner DC-Seite austauscht, z.B. um elektrische Leistung eines angeschlossenen PV-Generators in ein angeschlossenes AC-Netz einzuspeisen. Hierdurch kann die Sicherheit einer PV-Anlage im Betrieb erhöht werden.
Ein Wechselrichter ist zum Austausch elektrischer Leistung zwischen einer DC-Seite und einer AC-Seite eingerichtet. Der Wechselrichter weist eine Brückenschaltung und einen zwischen der DC-Seite und der Brückenschaltung angeordneten geteilten Zwischenkreis mit mindestens zwei Teilkapazitäten auf. Der Wechselrichter ist eingerichtet, eine erste Potentiallage von DC- Potentialen der Teilkapazitäten des Zwischenkreises gegenüber Erdpotential zu erzeugen. Die erste Potentiallage wird durch Herstellen einer ersten Asymmetrie der Teilkapazitäten zueinander erzeugt. Der Wechselrichter ist weiter eingerichtet, die erste Potentiallage auf einen ersten Sollwert einzustellen. Der erste Sollwert wird für eine erste Zeitdauer konstant gehalten oder niederfrequent moduliert. Niederfrequent bedeutet eine Frequenz, die mindestens 100- mal kleiner ist als eine AC-Frequenz der AC-seitigen Austauschleistung des Wechselrichters.
Der Wechselrichter kann weiter eingerichtet sein, eine zweite Potentiallage von DC- Potentialen der Teilkapazitäten des Zwischenkreises gegenüber Erdpotential durch Herstellen einer zweiten Asymmetrie mit umgekehrtem Vorzeichen gegenüber der ersten Asymmetrie oder einer Symmetrie der Teilkapazitäten zueinander zu erzeugen. Der Wechselrichter kann weiter eingerichtet sein, die zweite Potentiallage für eine zweite Zeitdauer auf einen zweiten Sollwert einzustellen oder die Symmetrie des Zwischenkreises für eine zweite Zeitdauer auf einen Asymmetrie-Sollwert von null einzustellen.
In einer Ausführungsform ist der Wechselrichter eingerichtet, die Potentiallage durch eine Modulation der Asymmetrie mit wechselndem Vorzeichen in unterschiedlichen Halbwellen auf einen modulierten ersten Sollwert einzustellen.
In einer Ausführungsform weist der Wechselrichter eine Vorrichtung zur Umverteilung von Ladung innerhalb des geteilten Zwischenkreises auf. Die Vorrichtung zur Umverteilung von Ladung kann zum Beispiel als Symmetrierschaltung ausgebildet und zwischen den Teilkapazitäten des Zwischenkreises angeordnet sein. Beispielsweise ist die Symmetrierschaltung als DC/DC-Wandler zum Transfer von Ladungen zwischen den Teilkapazitäten des Zwischenkreises ausgebildet. So kann die Asymmetrie mit Mitteln auf der DC-Seite des Wechselrichters erzeugt und die Potentiallage der DC-Potentiale der Teilkapazitäten des Zwischenkreises gegenüber Erdpotential entsprechend des Sollwerts eingestellt werden, indem Ladung zwischen den Zwischenkreishälften ausgetauscht wird, insbesondere mittels der Symmetrierschaltung. Es ist möglich, dass der Mittelpunkt des Zwischenkreises dabei einen festen Bezug zum Erdpotential aufweist, beispielsweise durch direkte oder mittelbare Verbindung mit dem Neutralleiter eines AC-seitig angeschlossenen AC-Netzes. Bei Vorliegen eines solchen festen Potentialbezugs zwischen Mittelpunkt des Zwischenkreises und N-Leiter des AC-Netzes, insbesondere bei einer direkten solchen Verbindung, ist die Verwendung einer Zwischenkreis- Symmetrierschaltung zur Herstellung der Asymmetrie des Zwischenkreises und zum Einstellen der geforderten Potentiallagen besonders vorteilhaft.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, einen Null- oder Neutralleiter (N-Leiter) eines auf der AC-Seite anschließbaren AC-Netzes über die Wechselrichter-Brückenschaltung mit einem Mittelpunkt des Zwischenkreises zwischen einer ersten Teilkapazität und einer zweiten Teilkapazität des Zwischenkreises zu verbinden.
In einer Ausführungsform ist die Wechselrichter-Brückenschaltung eingerichtet, eine initialisierende Nullsystem-Spannung zu erzeugen, welche die Potentiallage des Mittelpunktes des Zwischenkreises zwischen der ersten und der zweiten Teilkapazität des Zwischenkreises gegenüber dem Erdpotential verschiebt und den Zwischenkreis asymmetrisch belastet. Durch eine solche initialisierende Nullsystem-Spannung kann eine initiale Asymmetrie des Zwischenkreises hergestellt werden, die jedoch insbesondere bei gleichbleibendem Vorzeichen des initialisierenden Nullsystems immer weiter ansteigen würde.
Vorzugsweise ist die Brückenschaltung daher eingerichtet, eine stabilisierende Nullsystem- Spannung zu erzeugen, welche die Potentiallage des Mittelpunktes des Zwischenkreises gegenüber dem Erdpotential ebenfalls verschiebt und den Zwischenkreis asymmetrisch belastet, jedoch mit einem gegenüber dem initialisierenden Nullsystem umgekehrten Vorzeichen. Durch die stabilisierende Nullsystem-Spannung kann die erste und/oder die zweite Asymmetrie des Zwischenkreises beeinflusst und insbesondere die Potentiallage auf den geforderten Sollwert eingestellt und stabilisiert werden. Die initialisierende und die stabilisierende Nullsystem-Spannung weisen dabei unterschiedliche Vorzeichen auf, was im Wechselrichter-Betrieb des Wechselrichters eine Stabilisierung der Asymmetrie des Zwischenkreises bewirkt.
Bei einem Wechselrichter mit mehr als zwei Teilkapazitäten in einer Reihenschaltung, also mehr als drei DC-Potentialen im Zwischenkreis, beispielsweise einem 5-Level-Wechselrichter mit einem viergeteilten Zwischenkreis mit fünf Spannungsabgriffen, kann das Verfahren entsprechend umgesetzt werden, entweder indem eine vorhandene Symmetrierschaltung zur Erzeugung der Asymmetrie und zur Einstellung der Potentiallage auf mehr als zwei Teilkapazitäten eines Zwischenkreises wirkt, oder durch Erzeugung des Nullsystems.
Das beschriebene Verfahren und der beschriebene Wechselrichter bieten den Vorteil, dass zumindest die Ausführungsformen mit Ladungstransfer zwischen den Teilkapazitäten auch für Wechselrichter anwendbar sind, bei denen der Mittelpunkt des Zwischenkreises mit dem N- Leiter eines AC-Netzes verbunden ist. Es ermöglicht eine fortlaufende Ermittlung und damit permanente Überwachung des Isolationswiderstandes einer an den Wechselrichter angeschlossenen DC-Quelle. Insbesondere kann die Überwachung bei einem transformatorlosen Wechselrichter in einfacher, kostengünstiger und zuverlässiger Form erfolgen. Die Ausführungsformen ohne Ladungstransfer zwischen den Teilkapazitäten des Zwischenkreises weisen den weiteren Vorteil auf, ohne spezielle Symmetrierschaltung auszukommen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Anmeldung anhand in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
Fig. 1 zeigt ein Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters,
Fig. 2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Wechselrichters mit angeschlossener DC-Quelle und angeschlossenem AC-Netz,
Fig. 3 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel des Wechselrichters mit angeschlossener DC-Quelle und angeschlossenem AC-Netz,
Fig. 4 zeigt schematisch ein Ersatzschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines geteilten Zwischenkreises mit Stromquelle, und.
Fig. 5 zeigt beispielhafte Zeitverläufe von Spannungen auf der DC-Seite eines Wechselrichters und von Nullsystemspannungen bei Anwendung eines anmeldungsgemäßen Verfahrens.
In den Figuren sind gleiche oder ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Darstellungen in den Figuren können nicht maßstäblich sein.
FIGURENBESCHREIBUNG
Fig. 1 zeigt schematisch ein Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters 10 (vergleiche Figs. 2 und 3), wie es bei einem Verfahren zur Isolationswiderstandsmessung Anwendung finden kann. Der Wechselrichter 10 ist zum Austausch elektrischer Leistung zwischen einer DC-Seite und einer AC-Seite eingerichtet. Der Wechselrichter 10 weist eine Brückenschaltung 12 und einen zwischen der DC-Seite und der Brückenschaltung 12 angeordneten geteilten Zwischenkreis 14 mit mindestens zwei Teilkapazitäten auf.
In S1 wird eine erste Potentiallage von DC-Potentialen der Teilkapazitäten des Zwischenkreises 14 gegenüber Erdpotential durch Herstellen einer ersten Asymmetrie der Teilkapazitäten zueinander erzeugt. Dies kann z. B. durch Ladungstransfer zwischen den Teilkapazitäten oder durch Einstellung einer Nullsystemspannung auf der AC-Seite des Wechselrichters 10 geschehen (vgl. Fign. 2,3).
Ein geteilter Zwischenkreis weist einen Mittelpunkt M auf, und eine jeweilige Teilkapazität ist zwischen der Mittelpunkt M und einem jeweiligen DC-Anschluss des Zwischenkreises angeordnet. Der DC-Anschluss des Zwischenkreises kann dabei dem DC-Anschluss der DC- Seite des Wechselrichters 10 entsprechen. Bei einer DC-seitig angeschlossenen DC-Quelle 18, z. B. einem Photovoltaik-Generator, entspricht dabei jedes DC-Potential des geteilten Zwischenkreises einem Potential an einem DC-Anschluss der DC-Seite des Wechselrichters 10 und damit der DC-Quelle 18. Wird nun der Mittelpunkt M auf Erdpotential gehalten, so führt eine Asymmetrie des Zwischenkreises 14, d. h. eine ungleiche Ladung und damit ungleiche Spannung der Teilkapazitäten des geteilten Zwischenkreises 14 zu einer Verschiebung der DC-Potentiale der DC-Anschlüsse des Zwischenkreises 14 gegenüber dem Erdpotential.
In S2 wird die erste Potentiallage auf einen ersten Sollwert eingestellt. Der erste Sollwert wird dabei für eine erste Zeitdauer konstant gehalten oder mit einer Frequenz moduliert, die mindestens 100-mal kleiner ist als eine AC-Frequenz der Austauschleistung des Wechselrichters 10.
Bei einem asymmetrisch geladenem geteilten Zwischenkreis 14, bei dem der Mittelpunkt M mit Erdpotential verbunden ist oder auf Erdpotential gehalten wird, ist die Spannungsverteilung zwischen dem Mittelpunkt M und den DC-Anschlüssen des Zwischenkreises 14 unsymmetrisch. Dies bedeutet, dass der Mittelpunkt M nicht mehr in der Mitte der beiden DC- Potentiale der DC-Anschlüsse des Zwischenkreises liegt. Daher der Begriff Asymmetrie des Zwischenkreises 14.
Nach der Einstellung der ersten Potentiallage in S2 wird in S3 ein erster Erdstrom innerhalb der ersten Zeitdauer, innerhalb derer der erste Sollwert gehalten wird, oder zu einem Zeitpunkt in der ersten Halbwelle bei einem modulierten ersten Sollwert erfasst.
In S4 wird eine zweite Potentiallage von DC-Potentialen der Teilkapazitäten des Zwischenkreises 14 gegenüber Erdpotential durch Herstellen einer zweiten Asymmetrie des Zwischenkreises, d. h. durch Herstellen einer Asymmetrie der Teilkapazitäten zueinander erzeugt. Alternativ wird in S4 eine Symmetrie des Zwischenkreises hergestellt. Beides kann z. B. durch Ladungstransfer zwischen den Zwischenkreisteilen oder durch Einstellung einer Nullsystemspannung auf der AC-Seite des Wechselrichters 10 geschehen (vgl. Fign 2,3).
In S5 wird die zweite Potentiallage für eine zweite Zeitdauer auf einen zweiten Sollwert mit umgekehrtem Vorzeichen gegenüber dem ersten Sollwert eingestellt oder es wird die Symmetrie des Zwischenkreises für eine zweite Zeitdauer auf einen zweiten Sollwert von null eingestellt.
Nach dem Einstellen der zweiten Potentiallage in S5 wird in S6 wieder der Erdstrom innerhalb der zweiten Zeitdauer erfasst. Alternativ wird nach Erfassung des ersten Erdstromes zu einem Zeitpunkt in der ersten Halbwelle des modulierten ersten Sollwertes (in S3) in S6 dann der zweite Erdstrom zu einem Zeitpunkt in der zweiten Halbwelle des modulierten ersten Sollwertes erfasst. Für einen modulierten ersten Sollwert der Asymmetrie des Zwischenkreises 14 kann also eine getrennte Einstellung der zweiten Potentiallage in den Schritten S4 und S5 entfallen und nach S3 direkt S6 ausgeführt werden.
Nach S6 wird dann in S7 der Isolationswiderstand aus den eingestellten Potentiallagen und den erfassten Erdströmen berechnet.
In Ausführungsformen ist es möglich, das Verfahren zur Isolationswiderstandsmessung während des normalen Betriebs des Wechselrichters 10 wiederholt auszuführen. Dies ist durch den gestrichelten Pfeil zwischen S7 und S1 in Fig. 1 dargestellt.
In Fig. 2 ist ein Wechselrichter 10 mit DC-seitig angeschlossener DC-Quelle 18 und AC-seitig angeschlossenem AC-Netz 16 schematisch dargestellt. Das AC-Netz 16 ist als dreiphasiges Wechselspannungsnetz mit Null- oder Neutralleiter N ausgebildet und weist die drei Wechselspannungs-Phasen L1 , L2 und L3 auf. Der Wechselrichter 10 weist eine Brückenschaltung 12 auf, welche die Umwandlung von Gleichstrom zu Wechselstrom und/oder umgekehrt bewirkt. Die Brückenschaltung weist hierfür bevorzugt getaktete Halbleiterschalter auf. In Fig. 2 ist die Brückenschaltung als Ersatzschaltbild dargestellt und weist phasenbezogene Ersatz-Stromquellen, Q.N, Q.1, Q.2 und Q.3, auf. Durch das Ersatzschaltbild ist das elektrische Verhalten der geeignet getakteten Brückenschaltung nachgebildet. Im dargestellten Beispiel ist jeder Phase L1 , L2, L3, N eine Ersatzstromquelle zugeordnet. Dem Nullleiter N ist die Ersatzstromquelle, Q.N, zugeordnet. Dem Phasenleiter L1 ist die Ersatzstromquelle Q.1 zugeordnet, dem Phasenleiter, L2 ist Ersatzstromquelle Q.2, zugeordnet, und dem Phasenleiter L3 ist Ersatzstromquelle Q.3, zugeordnet. In einer Ausführungsform kannjede der Ersatzstromquellen Q.N, Q.1 , Q.2 und Q.3 eine Brückenschaltung aufweisen, insbesondere eine Halbbrücke mit mindestens zwei getakteten Halbleiterschaltern. Der Wechselrichter 10 weist weiter einen geteilten Zwischenkreis 14 auf. Der geteilte Zwischenkreis 14 weist zwei Teilkapazitäten und einen Mittelpunkt M auf. Der Mittelpunkt M kann optional AC-seitig mit dem Nullleiter N des AC-Netzes 16 verbunden sein (gestrichelte Linie in Fig. 2). Hierdurch kann der Mittelpunkt M auf Erdpotential gehalten werden.
Zwischen den beiden Teilkapazitäten des Zwischenkreises 14 ist ein DC/DC- Wandler 20 angeordnet. Dieser ist eingerichtet, Ladung zwischen den beiden Teilkapazitäten zu transferieren. Der DC/DC-Wandler 20 kann daher als Symmetrierer zwischen den beiden Teilkapazitäten wirken, d.h. eine möglichst identische Ladung der Teilkapazitäten einstellen, sofern dies gewünscht ist.
Über den DC/DC-Wandler 20 kann auch Ladung zwischen den Teilkapazitäten verschoben werden, um eine Asymmetrie des Zwischenkreises herzustellen. Eine Asymmetrie bedeutet, dass die Hälften des Zwischenkreises 14 jeweils unterschiedliche elektrische Ladung haben. Die Spannungen der Teilkapazitäten sind bei einem asymmetrischen Zwischenkreis daher unterschiedlich. Der DC/DC-Wandler 20 kann daher sowohl als Symmetrierschaltung als auch als Asymmetrierschaltung wirken und durch Ladungstransfer zwischen den Teilkapazitäten des Zwischenkreises eine Asymmetrie des Zwischenkreises herstellen sowie eine geforderte Potentiallage einstellen. Insbesondere kann der DC/DC-Wandler 20 die Potentiallage auf den ersten und/oder den zweiten Sollwert einstellen. Durch geeignete Ansteuerung des DC/DC- Wandlers kann der erste Sollwert auch moduliert werden.
Eine einmal erzeugte Asymmetrie würde sich - je nach Betriebsmodus des Wechselrichters 10 - selbsttätig verstärken (Wechselrichterbetrieb, Leistungstransfer von DC nach AC) bzw. abbauen (Gleichrichterbetrieb, Leistungstransfer von AC nach DC) und sollte daher von der Symmetrierschaltung (Asymmetrierschaltung) so festgehalten werden, dass die Potentiallage auf dem gewünschten Wert gehalten wird. Hierzu kann der erste oder der zweite Sollwert für die Symmetrierschaltung abweichend zum Wert von Null für einen symmetrischen Zwischenkreis auf einen gewünschten Asymmetrie-Sollwert eingestellt wird, z.B. auf 50 Volt bei einer gegebenen Gesamtspannung des Zwischenkreises von z.B. 1000 V.
Durch jeweilige Erfassung des Erdstromes bei der ersten Potentiallage, bei der zweiten Potentiallage, und/oder bei Symmetrie des Zwischenkreises kann der Isolationswiderstand der angeschlossenen DC-Quelle 18 ermittelt werden.
In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Wechselrichters 10 dargestellt. Im dargestellten Beispiel weist der Zwischenkreis 14 des Wechselrichters 10 keine Symmetrierschaltung auf. Der Mittelpunkt des geteilten Zwischenkreises 14 im dargestellten Beispiel gemäß Fig. 3 ist nicht mit dem Nullleiter N des AC-Netzes 16 verbunden und weist insofern keinen festen Erdbezug auf. Auch in Fig. 3 ist der Wechselrichter 10 DC-seitig mit der DC- Quelle 18 und AC-seitig mit dem AC-Netz 16 verbunden. Die DC-Quelle 18 ist beispielsweise als Photovoltaikgenerator ausgebildet. Das AC-Netz 16 ist beispielsweise ein dreiphasiges Wechselspannungsnetz mit Nullleiter N. Die erste Phase des Wechselspannungsnetzes ist mit L1 bezeichnet, die zweite Phase des Wechselspannungsnetzes ist mit L2 bezeichnet, und die dritte Phase des Wechselspannungsnetzes ist mit L3 bezeichnet.
Die Brückenschaltung 12 ist als elektrisches Ersatzschaltbild mit Quellen Q.1, Q.2, Q.3 und Q.N dargestellt und dazu eingerichtet, zusätzlich zu den üblichen Phasen- bzw. Außenleiterspannungen ein Nullsystem 30 auszubilden. Im in Fig. 3 dargestellten Beispiel ist das Nullsystem im elektrischen Ersatzschaltbild als Spannungsquelle 30 dargestellt. Durch Einstellen einer initialisierenden Nullsystemspannung kann der Zwischenkreis 14 asymmetrisch belastet und dadurch in einen asymmetrischen Zustand gebracht werden. Wrd der Wechselrichter 10 im Wechselrichter-Betrieb betrieben, d. h. wird er in einem Betriebsmodus betrieben, in dem elektrische Leistung von der DC Seite, zum Beispiel der DC-Quelle 18, zur AC-Seite, zum Beispiel dem AC-Netz 16, transferiert wird, so würde eine beispielsweise durch das Nullsystem 30 erzeugte Asymmetrie sich im Betrieb selbst verstärken, insbesondere durch eine ungleichmäßige Aufteilung der aus der DC-Quelle in den Zwischenkreis fließenden DC-Leistung auf die Teilkapazitäten. Nach Einstellen der initialisierenden Nullsystem-Spannung wird also in einem zweiten Schritt eine stabilisierende Nullsystem Spannung erzeugt, welche das entgegengesetzte Vorzeichen zur initialisierenden Nullsystemspannung hat. Hierdurch wird der Zwischenkreis gegenläufig zur DC-seitig asymmetrisch zufließenden Leistung asymmetrisch belastet und die Asymmetrie des Zwischenkreises stabilisiert, so dass die Potentiallage auf den ersten Sollwert eingestellt wird. Durch Einstellen von weiteren initialisierenden und danach stabilisierenden Nullsystem Spannungen kann dann entsprechend die zweite Potentiallage eingestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die erste Asymmetrie des Zwischenkreises 14 und damit die Potentiallage zeitlich niederfrequent moduliert werden, insbesondere durch entsprechende Modulation des Nullsystems.
Die jeweils durch das initialisierende Nullsystem 30 erzeugte Asymmetrie kann somit durch die AC-seitige Erzeugung des stabilisierenden Nullsystems 30 stabilisiert und die Potentiallage dadurch eingestellt werden. Die Asymmetrie im Zwischenkreis 14 führt zu einer ungleichmäßigen Aufteilung der zufließenden DC-Leistung auf die Teilkapazitäten. Es wird daher das stabilisierende Nullsystem 30 erzeugt und so geregelt, dass der ungleichmäßige Leistungszufluss in die Teilkapazitäten (bei Verwendung einer DC-Quelle 18, z.B. PV-Generator (PV Photovoltaik) spiegelbildlich als ungleichmäßige Leistungsentnahme aus den Zwischenkreishälften kompensiert wird, so dass die Asymmetrie und damit die Potentiallage konstant bleibt. Dies kann auch als Asymmetrieregler bezeichnet werden. Zu beachten ist, dass die Erzeugung des Nullsystems 30 nur möglich ist, wenn der Mittelpunkt M nicht direkt mit dem N-Leiter N verbunden ist.
In Fig. 4 sind zwei Ersatzschaltbilder des Zwischenkreises 14 mit einer angeschlossenen 3- Level-Halbbrücke dargestellt. Links sind beispielhaft mögliche Schalter (hier IGBTs) gezeigt, mit denen der Schaltknoten links der Drossel mit den drei Abgriffen des Zwischenkreises verbunden werden kann. Mittels geeigneter Ansteuerung der Halbleiterschalter der Brückenschaltung kann ein Verhalten der Brückenschaltung erzeugt werden, welches ausgangsseitig dem Verhalten einer Spannungsquelle Q, Q.1 , Q.2, Q.3, Q.N auf den Leitern des AC-Netzes entspricht. Der Spannungswert der Spannungsquelle ergibt sich dabei aus der Spannung einer Zwischenkreishälfte multipliziert mit dem Tastgrad des zugeordneten Schalters. Die Belastungen der Zwischenkreishälften können durch Stromquellen dargestellt werden, deren Wert sich aus dem Drosselstrom multipliziert mit dem Tastgrad des der Zwischenkreishälfte zugeordneten Schalters ergibt. Durch eine entsprechende Ansteuerung der Brückenschaltung 12 kann auch die Nullsystemspannung 30 erzeugt werden. In Fig. 4 sind die Darstellungen in der rechten und der linken Hälfte äquivalent und stellen jeweils ein elektrisches Ersatzschaltbild des Verhaltens eines Brückenzweiges der Brückenschaltung 12 dar.
Die Erzeugung des Nullsystems 30 führt zu einer an sich unerwünschten Verschiebung des Potentials des Mittelpunktes M gegenüber dem Erdpotential, die der Asymmetrie-induzierten Potentialverschiebung entgegenwirkt. Daher ist die resultierende DC-seitige Potential- verschiebung tendenziell kleiner als die Potentialverschiebung, die durch die Asymmetrie des Zwischenkreises alleine hervorgerufen wird. Die initiale Asymmetrie durch die initialisierende Nullsystem-Einspeisung 30 sollte also größer sein als die Potentialverschiebung des Mittelpunktes M, die durch die zur Stabilisierung der Asymmetrie notwendige stabilisierende Nullsystem-Einspeisung 30 induziert wird.
Elektrische Dreiphasensystemen können durch sogenannte Phasoren beschrieben werden. Die Aufteilung der Phasoren erfolgt dabei in ein symmetrisches Mitsystem, dessen Zeiger sich mit dem Drehfeld bewegen, in ein Gegensystem mit gegenläufigem Drehfeld und in ein Nullsystem. Im Nullsystem haben die Phasoren der verschiedenen Phasen gleiche Richtung und gleiche Länge. Nullsysteme treten in asymmetrischen Dreiphasensystemen auf.
Die in Bezug auf Fig. 3, 4 beschriebene Ausführungsform kann z. B. für Wechselrichter 10 eingesetzt werden, bei denen der Aufwand für eine Symmetrierschaltung 20 unverhältnismäßig groß ist und bei denen alle Ausgangsanschlüsse, Phasenleiter L1 , L2, L3 und Neutralleiter N, über jeweils eine eigene Halbbrücke der Brückenschaltung 12 gestellt werden, so dass das gewünschte Nullsystem auf die Leiter des AC-Netzes eingespeist werden kann. Fig. 5 zeigt beispielhaft die Zeitverläufe der Potentiallagen der DC-Potentiale der Teilkapazitäten eines Zwischenkreises gegen Erdpotential bei der Durchführung eines anmeldungsgemäßen Verfahrens zur Isolationswiderstandsmessung mit Hilfe einer Nullsystemspannung. Dabei ist der Verlauf des negativen DC-Potential des Zwischenkreises mit dem Bezugszeichen 51 und der Verlauf des positiven DC-Potentials mit dem Bezugszeichen 52 bezeichnet. Zusätzlich ist mit dem Bezugszeichen 50 der Verlauf eines virtuellen Mittenpotentials des Zwischenkreises bezeichnet, d.h. der Verlauf des arithmetischen Mittels zwischen den DC-Potentialen 51 , 52. Weiterhin sind in Fig. 5 der Verlauf der Nullsystemspannung mit dem Bezugszeichen 53 und der Verlauf der resultierenden Asymmetrie der Teilkapazitäten des Zwischenkreises mit dem Bezugszeichen 54 dargestellt.
In einer Ausgangssituation zum Zeitpunkt t=0 befindet sich der Zwischenkreis in einem symmetrischen Zustand, d.h. die DC-Potentiale 51 , 52 haben den gleichen Betrag mit unterschiedlichen Vorzeichen, und das virtuelle Mittenpotential 50 entspricht dem Bezugspotential des Systems, insbesondere dem Erdpotential, und hat definitionsgemäß den Wert null.
Das Verfahren startet zum Zeitpunkt t1 mit dem Schritt S1 (vergleiche Fig. 1), in dem eine erste Potentiallage der DC-Potentiale 51 , 52 der Teilkapazitäten des Zwischenkreises gegenüber Erdpotential durch Herstellen einer ersten Asymmetrie der Teilkapazitäten zueinander erzeugt wird. Dazu wird im Zeitraum zwischen t1 und t2 ein initialisierendes Nullsystem erzeugt, indem die Nullsystemspannung 53 einen positiven Wert annimmt. Dadurch wird zunächst die Potentiallage des Zwischenkreises insgesamt angehoben, so dass die DC- Potentiale 51 , 52 und das virtuelle Mittenpotential 50 zunächst proportional zur Nullsystemspannung 53 ansteigen. Bei einem gegebenen Leistungsaustausch vom Zwischenkreis auf die AC-Seite des Wechselrichters wird der Zwischenkreis aufgrund dieser Anhebung der Potentiallage asymmetrisch belastet und eine Asymmetrie, d.h. eine Differenz zwischen den Beträgen der DC-Potentiale 51 , 52 entsteht, so dass die Asymmetrie 54 ansteigt; dies ist auch daran erkennbar, dass das virtuelle Mittenpotential 50 die Nullsystemspannung 53 um den Betrag der Asymmetrie 54 übersteigt.
Zum Zeitpunkt t2 hat die Asymmetrie 54 einen Zielwert erreicht und die Nullsystemspannung 53 geht auf den Wert null zurück, da keine weitere asymmetrische Belastung durch ein initialisierenden Nullsystem mehr nötig ist. Zum Zeitpunkt t2 liegt somit eine erste Asymmetrie vor, und die DC-Potentiale 51 , 52 sind gegenüber dem Ausgangszustand um den Betrag der Asymmetrie 54 zum Zeitpunkt t2 verschoben.
Anschließend wird gemäß Schritt S2 in Fig. 1 die Potentiallage auf einen ersten Sollwert eingestellt. Wenn nach dem Zeitpunkt t2 kein Nullsystem erzeugt werden würde, würde der Zwischenkreis aufgrund der vorliegenden Asymmetrie durch den Zufluss elektrischer Leistung aus der DC-Quelle asymmetrisch geladen und die Asymmetrie 54 würde eskalieren. Daher wird ein stabilisierendes Nullsystem erzeugt, indem die Nullsystemspannung 53 auf einen Wert mit umgekehrtem Vorzeichen im Vergleich zum initialisierenden Nullsystem zwischen t1 und t2 eingestellt wird. Dadurch wird der asymmetrische Zufluss an elektrischer Leistung in den Zwischenkreis spiegelbildlich durch eine asymmetrische Entnahme elektrischer Leistung aus dem Zwischenkreis ausgeglichen, so dass die Asymmetrie 54 konstant bleibt. Da das stabilisierende Nullsystem wiederum eine Verschiebung der Potentiallage des Zwischenkreises insgesamt hervorruft, die der Verschiebung durch die Asymmetrie entgegengesetzt ist, ergibt sich eine resultierende Potentiallage der DC-Potentiale 51 , 52, die gegenüber der symmetrischen Ausgangslage um die Summe aus Asymmetrie 54 und Nullsystemspannung 53 verschoben ist, gut erkennbar an der Lage des virtuellen Mittenpotentials 50.
Im Zeitraum zwischen t2 und t3 wird gemäß Schritt S3 aus Fig. 1 eine erste Messung eines Erdstroms durchgeführt und den konkreten Werten der DC-Potentiale 51 , 52 bei der stabilisierten ersten Potentiallage zugeordnet.
Zum Zeitpunkt t3 wird gemäß Schritt S4 aus Fig. 1 eine zweite Potentiallage der DC-Potentiale 51 , 52 erzeugt, indem die Asymmetrie 54 auf einen Wert mit umgekehrten Vorzeichen eingestellt wird. Dazu wird wiederum eine initialisierendes Nullsystem erzeugt, wobei die Nullsystemspannung 53 einen negativen Wert annimmt, so dass die Potentiallage des Zwischenkreises insgesamt abgesenkt wird und die DC-Potentiale 51 , 52 sowie das virtuelle Mittenpotential 50 zunächst proportional zur Nullsystemspannung 53 abfallen. Der Zwischenkreis wird aufgrund dieser Absenkung der Potentiallage asymmetrisch belastet und die Asymmetrie 54 sinkt.
Zum Zeitpunkt t4 hat die Asymmetrie 54 einen Zielwert erreicht und die Nullsystemspannung 53 geht zunächst auf den Wert null zurück, so dass zum Zeitpunkt t4 eine zweite Asymmetrie vorliegt und die DC-Potentiale 51 , 52 gegenüber dem Ausgangszustand um den Betrag der Asymmetrie 54 zum Zeitpunkt t4 verschoben sind. Anschließend wird gemäß Schritt S5 aus Fig. 1 die Potentiallage auf einen zweiten Sollwert eingestellt, indem ein stabilisierendes Nullsystem erzeugt wird, d.h. indem die Nullsystemspannung 53 auf einen Wert eingestellt wird, der ein umgekehrtes Vorzeichen im Vergleich zum initialisierenden Nullsystem zwischen t3 und t4 aufweist. Das stabilisierende Nullsystem wird anhand der Nullsystemspannung 53 so geregelt, dass die Asymmetrie 54 konstant bleibt. Es resultiert eine zweite Potentiallage der DC-Potentiale 51 , 52, die gegenüber der symmetrischen Ausgangslage um die Summe aus Asymmetrie 54 und Nullsystemspannung 53 verschoben ist, wobei die Verschiebung der zweiten Potentiallage ein umgekehrtes Vorzeichen im Vergleich mit der Verschiebung der ersten Potentiallage aufweist. Im Zeitraum zwischen t4 und t5 wird gemäß Schritt S6 aus Fig. 1 eine zweite Messung des Erdstroms durchgeführt und den konkreten Werten der DC-Potentiale 51 , 52 bei der stabilisierten zweiten Potentiallage zugeordnet.
Anhand der bei der ersten und bei der zweiten Potentiallage gemessenen Erdströme kann dann gemäß Schritt S7 aus Fig, 1 der Isolationswiderstand der DC-Seite des Wechselrichters ermittelt werden.
Nachdem der Messablauf zum Zeitpunkt t5 abgeschlossen ist, kann der Zwischenkreis in einen symmetrischen Zustand gebracht und die Potentiallage des Zwischenkreises auf den Ausgangszustand zurückgeführt werden, der zum Zeitpunkt t6 erreicht wird. Alternativ kann das Verfahren wiederholt werden, indem zum Zeitpunkt t5 oder t6 zum Schritt S1 gemäß Fig. 1 zurückgekehrt wird.
BEZUGSZEICHENLISTE
10 Wechselrichter
12 Brückenschaltung
14 Zwischenkreis
16 AC-Netz
18 DC-Quelle
20 DC/DC- Wandler
30 Ersatzspannungsquelle Nullsystem
L1 , L2, L3 AC-Phasen
M Mittelpunkt Zwischenkreis
N Nullleiter
Q.1 , Q.2, Q.3, Q.N, Q Ersatzspannungsquelle Netzphase
S1 , .... S7 Verfahrensschritte

Claims

PATENTANSPRÜCHE Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters (10), welcher zum Austausch elektrischer Leistung zwischen einer DC-Seite und einer AC-Seite eingerichtet ist, wobei der Wechselrichter (10) eine Brückenschaltung (12) und einen zwischen der DC-Seite und der Brückenschaltung (12) angeordneten geteilten Zwischenkreis (14) mit mindestens zwei Teilkapazitäten aufweist, wobei das Verfahren umfasst:
- Herstellen einer ersten Asymmetrie der Teilkapazitäten zueinander zur Erzeugung einer ersten Potentiallage von DC-Potentialen der Teilkapazitäten des Zwischenkreises (14) gegenüber Erdpotential,
- Einstellen der ersten Potentiallage der DC-Potentiale der Teilkapazitäten des Zwischenkreises (14) auf einen ersten Sollwert durch Variation der Asymmetrie, wobei der erste Sollwert für eine erste Zeitdauer konstant oder mit einer Frequenz moduliert ist, die mindestens 100-mal kleiner als eine AC-Frequenz der Austauschleistung ist. Verfahren nach Anspruch 1 , weiter aufweisend:
- Herstellen einer zweiten Asymmetrie oder einer Symmetrie der Teilkapazitäten zueinander zur Erzeugung einer zweiten Potentiallage der DC-Potentiale der Teilkapazitäten des Zwischenkreises (14) gegenüber Erdpotential,
- wobei die zweite Asymmetrie ein umgedrehtes Vorzeichen gegenüber der ersten Asymmetrie aufweist und die zweite Potentiallage für eine zweite Zeitdauer auf einen zweiten Sollwert eingestellt wird oder die Symmetrie des Zwischenkreises (14) für eine zweite Zeitdauer auf einen Asymmetrie-Sollwert von null eingestellt wird. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der modulierte erste Sollwert im Zeitverlauf in unterschiedlichen Halbwellen durch eine Modulation der Asymmetrie mit wechselndem Vorzeichen eingestellt wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, wobei der Zeitverlauf des modulierten ersten Sollwertes nacheinander oder überlagert mehrere verschiedene Frequenzen aufweist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, aufweisend:
- Herstellen und Variieren der ersten und/oder der zweiten Asymmetrie durch Umverteilung von Ladung innerhalb des geteilten Zwischenkreises (14), insbesondere mittels einer Symmetrierschaltung, insbesondere mittels eines DC/DC-Wandlers (20), die bzw. der Ladung zwischen den Teilkapazitäten transferiert. Verfahren nach Anspruch 5, aufweisend:
- Einstellen der ersten Potentiallage durch Vorgabe eines von Null abweichenden und optional modulierten Asymmetrie-Sollwertes für die Symmetrierschaltung. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, aufweisend:
- Herstellen der ersten und/oder der zweiten Asymmetrie des Zwischenkreises (14) durch Erzeugung einer initialisierenden Nullsystem-Spannung (30) durch die Brückenschaltung (12)
- Einstellen der ersten und/oder zweiten Potentiallage auf den ersten bzw. den zweiten Sollwert durch Erzeugung einer stabilisierenden Nullsystem-Spannung (30) durch die Brückenschaltung (12)
- wobei die initialisierende und die stabilisierende Nullsystem-Spannung unterschiedliche Vorzeichen aufweisen. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Nullsystem-Spannungen (30) jeweils eine Modulation mit einer Frequenz aufweisen, die um mindestens den Faktor 100 kleiner als die Frequenz der AC-Austauschleistung ist, wobei die Nullsystem-Spannungen insbesondere sinusförmig moduliert oder zeitweise und insbesondere für die erste und/oder die zweite Zeitdauer weitgehend konstant sind. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und/oder die zweite Zeitdauer zumindest eine Sekunde, insbesondere mehrere Sekunden umfasst. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einstellung der ersten und/oder zweiten Potentiallage periodisch wiederholt wird, insbesondere niederfrequent wiederholt wird. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Isolationswiderstandsmessung, aufweisend
- Einstellung der ersten Potentiallage und Erfassung eines ersten Erdstromes innerhalb der ersten Zeitdauer oder zu einem Zeitpunkt in der ersten Halbwelle,
- Einstellung der zweiten Potentiallage und Erfassung eines zweiten Erdstromes innerhalb der zweiten Zeitdauer oder
- in der ersten Potentiallage mit moduliertem ersten Sollwert: Erfassung des zweiten Erdstromes zu einem Zeitpunkt in der zweiten Halbwelle,
- Berechnung des Isolationswiderstands aus den eingestellten Potentiallagen und den gemessenen Erdströmen. Wechselrichter, welcher zum Austausch elektrischer Leistung zwischen einer DC-Seite und einer AC-Seite eingerichtet ist, wobei der Wechselrichter (10) eine Brückenschaltung (12) und einen zwischen der DC-Seite und der Brückenschaltung (12) angeordneten geteilten Zwischenkreis (14) mit mindestens zwei Teilkapazitäten aufweist, wobei der Wechselrichter (10) eingerichtet ist, - eine erste Potentiallage von DC-Potentialen der Teilkapazitäten des Zwischenkreises (14) gegenüber Erdpotential durch Herstellen einer ersten Asymmetrie der Teilkapazitäten zueinander zu erzeugen, und
- die erste Potentiallage auf einen ersten Sollwert einzustellen, wobei der erste Sollwert für eine erste Zeitdauer konstant oder mit einer Frequenz moduliert ist, die mindestens 100- mal kleiner als eine AC-Frequenz der Austauschleistung ist. Wechselrichter nach Anspruch 12, wobei der Wechselrichter (10) weiter eingerichtet ist, eine zweite Potentiallage der (14) gegenüber Erdpotential durch Herstellen einer zweiten Asymmetrie oder einer Symmetrie der Teilkapazitäten zueinander zu erzeugen, und die zweite Potentiallage für eine zweite Zeitdauer auf einen zweiten Sollwert einzustellen oder die Symmetrie des Zwischenkreises (14) für eine zweite Zeitdauer auf einen Asymmetrie-Sollwert von null einzustellen. Wechselrichter nach Anspruch 12, wobei der Wechselrichter (10) weiter eingerichtet ist, die erste Potentiallage durch eine Modulation der Asymmetrie mit wechselndem Vorzeichen in unterschiedlichen Halbwellen auf einen modulierten ersten Sollwert einzustellen. Wechselrichter nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Wechselrichter (10) eine Vorrichtung zur Umverteilung von Ladung innerhalb des geteilten Zwischenkreises (14) aufweist, wobei die Vorrichtung zur Umverteilung von Ladung insbesondere als Symmetrierschaltung zwischen den Teilkapazitäten des Zwischenkreises (14) ausgebildet ist. Wechselrichter nach Anspruch 15, wobei die Symmetrierschaltung als DC/DC-Wandler (20) zum Transfer von Ladungen zwischen den Teilkapazitäten ausgebildet ist. Wechselrichter nach Anspruch 15 oder 16, wobei vorgesehen ist, einen Nullleiter (N) eines auf der AC-Seite anschließbaren AC-Netzes (16) über die Brückenschaltung (12) mit einem Mittelpunkt (M) des Zwischenkreises (14) zwischen einer ersten Teilkapazität und einer zweiten Teilkapazität des Zwischenkreises (14) zu verbinden. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Brückenschaltung (12) eingerichtet ist, eine initialisierende Nullsystem-Spannung (30) zu erzeugen, welche die Potentiallage des Mittelpunktes (M) des Zwischenkreises (14) zwischen der ersten und der zweiten Teilkapazität des Zwischenkreises (14) gegenüber dem Erdpotential verschiebt. Wechselrichter nach Anspruch 18, wobei die Brückenschaltung (12) eingerichtet ist, eine stabilisierende Nullsystem-Spannung (30) zu erzeugen, welche die Potentiallage des Mittelpunktes (M) des Zwischenkreises (14) gegenüber dem Erdpotential verschiebt, wobei die initialisierende und die stabilisierende Nullsystem-Spannung (30) unterschiedliche Vorzeichen aufweisen. Wechselrichter nach Anspruch 18 oder 19, wobei die Brückenschaltung (12) eingerichtet ist, die Potentiallage mittels der stabilisierenden Nullsystem-Spannung (30) auf den zeitweise konstanten oder den modulierten ersten oder zweiten Sollwert für die Potentiallage einzustellen.
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