特表 2023-534476 双安定スイッチングユニットを有するインバータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-08-09

(54)【発明の名称】双安定スイッチングユニットを有するインバータ

(51)【国際特許分類】

   H02J 3/38 20060101AFI20230802BHJP

   H02J 9/06 20060101ALI20230802BHJP

   H02J 7/35 20060101ALI20230802BHJP

   H02J 7/34 20060101ALI20230802BHJP

【ＦＩ】

H02J3/38 110

H02J3/38 130

H02J3/38 180

H02J9/06 120

H02J7/35 K

H02J7/34 G

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023502923

(86)(22)【出願日】2021-07-13

(85)【翻訳文提出日】2023-01-16

(86)【国際出願番号】 EP2021069397

(87)【国際公開番号】W WO2022017860

(87)【国際公開日】2022-01-27

(31)【優先権主張番号】102020119481.1

(32)【優先日】2020-07-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】515078095

【氏名又は名称】エスエムエイ ソーラー テクノロジー アクティエンゲゼルシャフト

【氏名又は名称原語表記】ＳＭＡ Ｓｏｌａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＡＧ

(74)【代理人】

【識別番号】110001302

【氏名又は名称】弁理士法人北青山インターナショナル

(72)【発明者】

【氏名】アラート，クラウス

【テーマコード（参考）】

5G015

5G066

5G503

【Ｆターム（参考）】

5G015FA16

5G015JA05

5G015JA21

5G015JA52

5G066HA10

5G066HA11

5G066HB06

5G066HB09

5G066JA02

5G066JA04

5G066JA05

5G066JB03

5G503AA01

5G503AA06

5G503BA01

5G503BB01

5G503GB06

(57)【要約】

本発明は、蓄電ユニット（３）を接続するためのバッテリー端子（２）と、少なくとも１つの電気エネルギー負荷（５）を接続するための負荷端子（４）と、上位の配電網（７）に接続するためのグリッド端子（６）と、バッテリー端子（２）に接続された双方向インバータブリッジ（８）と、第１のスイッチングユニット（９）と、第２のスイッチングユニット（１０）とを備えた、インバータ（１）に関する。第１のスイッチングユニット（９）は、双方向インバータブリッジ（８）と第２のスイッチングユニット（１０）との間に配置され、第２のスイッチングユニット（１０）は、第１のスイッチングユニット（９）とグリッド端子（６）との間に配置される。第１のスイッチングユニット（９）は、保持電流が提供されない場合に第１の状態になり、保持電流が提供される場合に第２の状態に切り替わるように設計され、第２のスイッチングユニット（１０）は、信号によって切り替えられるように設計される。本発明はまた、電気エネルギーを負荷に供給する方法に関する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

蓄電ユニット（３）を接続するためのバッテリー端子（２）と、
少なくとも１つの電気エネルギー消費器（５）を接続するための負荷端子（４）と、
上位の配電網（７）に接続するためのグリッド端子（６）と、
前記バッテリー端子（２）に接続された双方向インバータブリッジ（８）と、
第１のスイッチングユニット（９）と、
第２のスイッチングユニット（１０）とを含み、
前記第１のスイッチングユニット（９）は、前記双方向インバータブリッジ（８）と前記第２のスイッチングユニット（１０）との間に配置され、前記第２のスイッチングユニット（１０）は、前記第１のスイッチングユニット（９）と前記グリッド端子（６）との間に配置される、インバータ（１）において、
前記第１のスイッチングユニット（９）は、保持電流なしで第１の状態になり、保持電流ありで第２の状態に切り替わるように構成され、
前記第２のスイッチングユニット（１０）は、信号によって切り替えられるように構成されることを特徴とする、インバータ（１）。

【請求項2】

前記第１のスイッチングユニット（９）は、前記第１の状態で開いており、前記第２の状態で閉じており、前記第２のスイッチングユニット（１０）は、信号なしで以前の状態に留まる双安定スイッチングユニットとして設計されている、請求項１に記載のインバータ（１）。

【請求項3】

前記第２のスイッチングユニット（１０）を切り替えるための前記信号を生成するように構成されたコントローラ（１３）をさらに備える、請求項１または２に記載のインバータ（１）。

【請求項4】

前記負荷端子（４）は、前記第１のスイッチングユニット（９）と前記第２のスイッチングユニット（１０）との間に配置された接続点（１１、１２）に接続される、請求項１～３のいずれか一項に記載のインバータ（１）。

【請求項5】

グリッド監視ユニットまたはグリッド監視ユニットを接続するためのインターフェースをさらに備え、前記コントローラ（１３）は、前記グリッド監視ユニットに通信可能に接続され、前記グリッド監視ユニットからの前記上位の配電網（７）のグリッドパラメータを受信するように構成される、請求項３または４に記載のインバータ（１）。

【請求項6】

前記コントローラ（１３）は、前記グリッド監視ユニットから受信した前記グリッドパラメータによって前記上位の配電網（７）の故障が検出された場合に前記第２のスイッチングユニット（１０）を開状態に切り替えるための前記信号を生成するように構成される、請求項５に記載のインバータ（１）。

【請求項7】

前記コントローラ（１３）は、サインオブライフ信号を提供し、前記サインオブライフ信号を前記第２のスイッチングユニット（１０）に送信するように構成される、請求項３～６のいずれか一項に記載のインバータ（１）。

【請求項8】

前記第２のスイッチングユニット（１０）は、前記サインオブライフ信号を受信すると、閉状態に切り替わるように構成され、特に、前記第２のスイッチングユニット（１０）は、前記サインオブライフ信号を受信した場合にのみ、閉状態に切り替わるように構成される、請求項７に記載のインバータ（１）。

【請求項9】

前記第２のスイッチングユニット（１０）は、構成信号を受信するように構成された制御回路を備える、請求項１～８のいずれか一項に記載のインバータ（１）。

【請求項10】

前記コントローラ（１３）は、前記構成信号を前記制御回路に送信するように構成され、前記構成信号は、以下の状態：
・前記第２のスイッチングユニット（１０）が閉状態のままである状態、
・前記第２のスイッチングユニット（１０）が開状態のままである状態、
・サインオブライフ信号を受信しない場合、前記第２のスイッチングユニット（１０）が開状態に切り替わる状態をトリガーする、請求項９に記載のインバータ（１）。

【請求項11】

電気エネルギーを生成するための発電機を接続するための発電機端子をさらに備える、請求項１～１０のいずれか一項に記載のインバータ。

【請求項12】

請求項１～１１のいずれか一項に記載のインバータ（１）の負荷端子（４）に接続された少なくとも１つの消費器（５）に電気エネルギーを供給するための方法であって、
グリッド監視ユニットは、前記グリッド端子（６）に接続された前記上位の配電網（７）の状態を検出し、前記インバータ（１）の前記コントローラ（１３）に故障を報告し、
前記上位の配電網（７）が故障した場合に、
前記コントローラ（１３）は、前記第２のスイッチングユニット（１０）を開状態に切り替えるための信号を生成し、
前記第２のスイッチングユニット（１０）が開放される、方法。

【請求項13】

前記上位の配電網（７）が故障した場合、
前記双方向インバータブリッジ（８）は、ローカルアイランドグリッドを確立し、
前記負荷端子（４）に接続された前記少なくとも１つの消費器（５）には、電気エネルギーが供給される、請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

前記消費器（５）には、前記バッテリー端子（２）に接続された蓄電ユニット（３）および／または前記発電機端子に接続された発電機から電気エネルギーが供給される、請求項１３に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、蓄電ユニット、少なくとも１つの消費器、および上位の配電網への端子を有し、双方向インバータブリッジおよび２つのスイッチングユニットの直列接続を備えるインバータに関する。

【背景技術】

【0002】

インバータは、直流と交流との間で変換するように構成されたパワーエレクトロニクスデバイスである。特に、ＤＣ電源（例えば、太陽光発電機）からＡＣ電圧グリッドに電力を供給できるか、またはＤＣ蓄電デバイス（例えば、バッテリー）とＡＣ電圧グリッドとの間で双方向に電力を交換できるインバータが知られている。

【0003】

また、停電時に接続された消費器を保護する、いわゆる非常用電源、バックアップ電源、またはバックアップシステムも知られている。これを行うには、一連のスイッチング動作（例えば、グリッドからの切断、グリッドフォーマーの起動、および消費器への供給ラインへのグリッドフォーマーの接続）を実行する必要がある。さらに、グリッドの状態を監視して、存在する可能性のあるローカル発電機の同期を開始し、例えばグリッドが復帰したときに、システムをグリッドに再接続できるようにする必要がある。これらおよび他の多くの要件を満たす必要があり、それらの要件を満たすことは、様々な国で様々な指令、規範、および規格によって規制されている。

【0004】

特に、本発明は、少数の負荷に電力を供給することだけを目的とした比較的小型のバックアップ電源システムに関する。この種のバックアップ電源システムは、特に高いレベルの安定性を有する上位の配電網で使用され、高いレベルの安定性とは、これらの上位の配電網が、９０％を超える時間、中断することなく負荷への電力供給を保証することを意味する。逆に言えば、このようにして提供されたバックアップ電源システムは、永続的に動作可能な状態に保たれるが、ごくまれにしか使用されないことを意味する。バックアップ電源システム、通常はそこに含まれるインバータは、通常、グリッドの状態を監視し、グリッド動作からバックアップ電源動作に切り替えるためのスイッチを制御するコントローラを備えている。

【0005】

安全上の理由から、通常はアイドル状態で開いているスイッチが使用され、これはいわゆる常開スイッチであり、しばしばインバータにも組み込まれている。しかしながら、このソリューションには、安定したグリッドでは、これらのスイッチを９８％以上の時間能動的に閉じたままにしておく必要があり、かなりのエネルギー需要が発生するという欠点がある。これは、例えば、グリッド故障が発生した場合に保護する必要がある消費器が１つだけであり、グリッド故障がさらに特定の状況では非常にまれにしか発生しない、小規模なシステムではなおさら重要である。

【0006】

グリッドとインバータとの間に双安定リレーを有する回路装置は、本出願人によるＥＰ２１４１７８１Ｂ１号から知られており、安全に関連するリレーのスイッチオフのためのエネルギーは、事前充電されたコンデンサによって保証される。

【0007】

文献ＤＥ１０２０１００００５０２Ａ１は、ＴＴグリッドトポロジーを使用して供給グリッドに接続するためのバックアップ電源システムを開示している。バックアップ電源システムは、制御装置、切り替え装置、ＰＶインバータ、消費器、消費器の上流に接続された漏電遮断器、バッテリーインバータ、および発電機を備えている。この場合、切り替え装置は、電気抵抗Ｒ_Ｎ－ＰＥを有し、故障の場合に流れる故障電流によって消費器が漏電遮断器によって正しく遮断されるように、局所ＰＥ電位とＮ電位との間の電気接続を確立する。

【0008】

文献ＤＥ１０２０１８１３０４５３Ａ１は、インバータにＡＣ電圧を電気的に供給する方法を開示している。インバータは、ＡＣグリッドを接続するためのＡＣ出力、ＤＣ電源を接続するためのＤＣ入力、ＤＣ／ＡＣコンバータ、およびＤＣ／ＡＣコンバータを制御するための制御ユニットを含む。制御ユニットは、スイッチングユニットに接続され、それによって、制御ユニットは、第１のスイッチング状態ではＡＣグリッドを介して、第２のスイッチング状態ではＡＣ電圧を提供する補助エネルギー源を介して給電される。インバータはまた、ＡＣグリッド内に存在するＡＣ電圧を検出するためのグリッド監視ユニットを有する。この方法では、グリッド監視ユニットによって検出された、ＡＣグリッド内に広がるＡＣ電圧の特性が、所定の基準を満たさない場合、スイッチングユニットは第２のスイッチング状態で動作する。次に再び、グリッド監視ユニットによって検出された、ＡＣグリッド内に広がるＡＣ電圧の特性が、所定の基準を満たす場合、スイッチングユニットは第１のスイッチング状態で動作する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

特に安定したグリッドで使用するための、小型で安価に設計でき、待機モードでのコストも低く抑えられるバックアップ電源システムが必要である。

【課題を解決するための手段】

【0010】

この目的は、特許請求項１の構成を有するインバータと、特許請求項１２の構成を有する方法とによって達成される。好ましい実施形態は、従属特許請求項に明記されている。

【0011】

本発明に係るインバータは、少なくとも１つの蓄電ユニット（例えば、バッテリー）を接続するためのバッテリー端子と、負荷（例えば、少なくとも１つの電気エネルギー消費器）を接続するための負荷端子と、以下では配電網とも呼ばれる、上位のＡＣ配電網に接続するためのグリッド端子とを備える。インバータは、そのＤＣ側のバッテリー端子に接続された双方向インバータブリッジも備える。さらに、本発明に係るインバータは、第１のスイッチングユニットおよび第２のスイッチングユニットを備え、第１のスイッチングユニットは、双方向インバータブリッジのＡＣ側と第２のスイッチングユニットとの間に配置され、第２のスイッチングユニットは、第１のスイッチングユニットとグリッド端子との間に配置される。第１のスイッチングユニットは、保持電流なしで第１の状態になり、保持電流ありで第２の状態に切り替わるように構成される。第２のスイッチングユニットは、信号によって切り替えられるように構成される。

【0012】

インバータブリッジと配電網との間のスイッチング機能は、２つの直列接続されたスイッチを使用して冗長的に実行される。これにより、一方のスイッチが故障した場合でも、他方のスイッチによってグリッドの切断を確実に実施できる。ここで、スイッチの１つは、信号によって切り替えられるように構成されたスイッチングユニットによって実装され、これは、スイッチングユニットが複数の安定した状態を有することができ、一方の状態から他方の状態への移行が、信号によってトリガーされることを意味する。対照的に、安定状態のうちの１つに達した場合、第２のスイッチングユニットは、信号がない状態で自発的にそれぞれ存在する安定状態にとどまる。このような信号は、例えば、インバータのコントローラによって提供することができる。第１のスイッチングユニットの場合、第２の状態は、保持電流によって能動的に維持され、したがってエネルギー損失が生じる。それから再び、それは自発的に第１の状態となり、その過程でエネルギー損失を引き起こすことなく第１の状態を維持する．したがって、第１のスイッチングユニットの動作は、単安定スイッチングユニットの動作に対応する。対照的に、第２のスイッチングユニットの場合、安定状態のそれぞれは、第２のスイッチングユニットがエネルギー損失を生じさせることなく、自発的に維持することができる。第２のスイッチングユニットの場合、信号およびそれに関連するエネルギーの損失は、２つの異なる安定状態間の変化にのみ必要とされる。第２のスイッチングユニットの動作は、多安定スイッチングユニット（例えば、双安定スイッチングユニット）の動作に対応する。

【0013】

好ましい一実施形態では、インバータの第１のスイッチングユニットは、第１の状態で開き、第２の状態で閉じる。これは、「常開」スイッチングユニットとも呼ばれる。したがって、第１のスイッチングユニットは、常開スイッチとして設計することができ、第２のスイッチングユニットは、信号なしで前の状態に留まる双安定スイッチングユニットとして設計することができる。このようにして、第２のスイッチングユニットは、信号の印加によって開状態と閉状態との間で切り替えることができる。この信号の持続時間はごく短くすることができ、これは、切り替えに必要なエネルギーはほとんどないことを意味する。したがって、インバータは、双方向インバータブリッジと、単安定スイッチングユニットおよび双安定スイッチングユニットからなる直列回路とを備える。インバータは、好ましくは、第２のスイッチングユニットを切り替えるための信号を生成するように構成されたコントローラを有する。

【0014】

多安定スイッチングユニット（特に、双安定スイッチングユニット）は通常、単安定スイッチングユニットよりも調達に費用がかかるが、スイッチングユニットの動作中のエネルギー損失が少なくなる。問題のインバータの場合、第１のスイッチングユニットを単安定スイッチングユニットとして設計し、第２のスイッチングユニットを多安定スイッチングユニット（特に双安定スイッチングユニット）として設計すると、動作中のエネルギーの節約と製造コストの削減との間の最適な妥協点が生じることが分かった。多安定または双安定となるように設計された第２のスイッチングユニットを使用すると、スイッチングユニットに関連するエネルギー損失を生じさせることなく、またはスイッチングユニットに関連する無視できるほどのエネルギー損失のみを生じさせて、負荷端子に接続された消費器を配電網に比較的長期間接続することができる。これはほとんどの場合に当てはまり、特に小規模な停電しかない強力な配電網の場合に当てはまる。

【0015】

本発明に係るスイッチングユニットの設計、具体的には第１のスイッチングユニットを単安定スイッチングユニットとして設計し、第２のスイッチングユニットを多安定スイッチングユニット（特に、双安定スイッチングユニット）として設計することにより、ＤＣ／ＡＣコンバータを配電網から間欠的に切り離し、さらにエネルギーを節約するためにスリープモードに切り替えることもできる。これは、例えば、接続されたバッテリーが現在空または完全に充電されている場合、またはＤＣ側のインバータに接続されているＰＶ発電機が現在電力を生成していない場合に発生する可能性がある。インバータにスリープモードをもたらすことにより、第１のスイッチングユニットは、自発的にその第１の状態、すなわち開状態になる。この場合、負荷端末に接続された消費器は、第２のスイッチングユニットが閉じているときに配電網から給電され続けることができ、第２のスイッチングユニットは、プロセス中に閉状態を維持する範囲内でエネルギー損失を発生させることはない。

【0016】

本発明のさらなる展開では、「単一故障安全」として知られているものを実装することができる。「単一故障安全」は、単一の故障が安全機能の損失につながることがあってはならないという要件に対応している。この目的のために、第２のスイッチングユニットの正しい機能が、インバータのコントローラによって監視される。この場合、監視は、例えば、第１のスイッチングユニットと第２のスイッチングユニットとの間の電圧を測定することによって行うことができる。第２のスイッチングユニットが故障した場合、インバータのコントローラは、第１のスイッチングユニットを制御することによってグリッド切断を実施することができる。コントローラが故障した場合、第１のスイッチングユニットは通開スイッチとして設計されているので、第１のスイッチングユニットは自動的に開かれる。これは、故障が発生した場合に安全なグリッド切断を実施できることを意味する。

【0017】

一実施形態では、インバータは、グリッド監視ユニットまたはグリッド監視ユニットを接続するためのインターフェースも有する。グリッド監視ユニットは、上位の配電網のグリッドパラメータを測定し、コントローラに通信可能に接続されるように構成される。コントローラは、グリッド監視ユニットに通信可能に接続され、グリッド監視ユニットから上位の配電網のグリッドパラメータを受信するように構成される。グリッド監視ユニットは、インバータに内蔵することも、別のユニットとして設計することもできる。それは、グリッド端子で、またはグリッド端子の近くで、グリッドパラメータを測定するように構成される。グリッド端子の近くでの測定は、インバータの外部で行うことが好ましい。

【0018】

一実施形態では、コントローラは、グリッド監視ユニットから受信したグリッドパラメータによって上位の配電網の故障が検出された場合に、第２のスイッチングユニットを開状態に切り替えるための信号を生成するように構成される。これにより、インバータが上位の配電網から切断される。切り替えるための信号を受信する前に第２のスイッチングユニットが既に開いていた場合、第２のスイッチングユニットは、開いた状態のままである。

【0019】

インバータの負荷端子は、第１のスイッチングユニットと第２のスイッチングユニットとの間に配置された接続点に接続される。電気エネルギーの１つまたは複数の消費器を負荷端子に接続できる。停電が発生した場合、これらの消費器は、接続された蓄電ユニット（例えば、充電式バッテリー）からインバータを介してエネルギーが供給される必要がある。代替として、または追加して、消費器は、停電の場合に発電機（例えば、太陽光発電機）からエネルギーが供給される必要がある。この場合、発電機はバッテリー端子または接続点に接続できる。１つまたは複数の消費器は、発電機からインバータを介して、または直接、または別の電圧コンバータを介して給電することができる。

【0020】

接続点は第１のスイッチングユニットと第２のスイッチングユニットとの間に配置されるので、第２のスイッチングユニットによって、負荷端末に接続された消費器と配電網との間に接続を確立することができる。上位の配電網が正常に機能している場合、第２のスイッチングユニットがまだ閉じていない場合は、例えば短いスイッチングパルスを使用して、第２のスイッチングユニットを閉じることができ、消費器に配電網から給電することができる。したがって、本発明に係るインバータは、特に非常に安定した配電網においてエネルギーを節約する。

【0021】

インバータは、停電時に接続された消費器に給電するように構成されており、つまり、ローカルアイランドグリッドを確立するように設計されている。これは、特に上位の配電網が故障した場合に重要である。ローカルアイランドグリッドは、小さな空間領域に給電し、通常は局所的に動作される、局所的に区切られた電力供給グリッドであり、つまり、他の電力供給グリッドへの直接的な電気接続はない。

【0022】

一実施形態では、コントローラは、サインオブライフ信号を提供し、サインオブライフ信号を第２のスイッチングユニットに送信するように構成される。これにより、コントローラが正常で正しく機能していることを第２のスイッチングユニットに通知することによって、安全機能の実装が可能になる。サインオブライフ信号は、例えば、「高」電位またはパルス信号とすることができる。

【0023】

一実施形態では、第２のスイッチングユニットは、サインオブライフ信号を受信したときに閉状態に切り替わるように構成され、特に、第２のスイッチングユニットは、サインオブライフ信号を受信したときにのみ閉状態に切り替わるように構成される。これにより、インバータコントローラが正常であれば、インバータの負荷は上位の配電網に接続され、これをサインオブライフ信号によって伝達されるため、安全性を高めることができる。

【0024】

特に、例えば「単一故障安全」の実装が可能になる。インバータは、グリッド監視ユニットを使用して配電網を監視し、負荷（例えば、消費器）を上位の配電網に切り替える。グリッドの品質が監視され、その結果、例えば配電網の故障を特定できる。第２のスイッチングユニットは、グリッドの品質が低いなどの理由でコントローラによって能動的に開状態に切り替えられた場合、またはコントローラが正常に動作しているかどうかが不明な場合、つまり、例えば、サインオブライフ信号が欠落している場合、配電網から負荷を切断する。第２のスイッチングユニットへの上記の２つの信号は、２つの別個の信号であってもよいし、両方の情報を組み合わせた同じ信号であってもよい。

【0025】

一実施形態では、第２のスイッチングユニットは構成可能であり、第２のスイッチングユニットは、構成信号を受信し、構成信号を使用して第２のスイッチングユニットを構成するように構成された制御回路を備える。例として、第２のスイッチングユニットの特定の状態は、構成信号を使用してターゲットを絞った方法でトリガーすることができる。

【0026】

制御回路は、好ましくは、コントローラから構成信号を受信するように構成され、コントローラは、その一部に対して、構成信号を制御回路に送信するように構成される。実施形態では、構成信号は、任意選択で特定のイベントに応答して、第２のスイッチングユニットの以下の状態のうちの１つまたは複数を構成することができる。
・第２のスイッチングユニットが閉状態のままである状態。
・第２のスイッチングユニットが開状態のままである状態。
・サインオブライフ信号を受信しない場合、前記第２のスイッチングユニットが開状態に切り替わる状態。

【0027】

サインオブライフ信号を受信しない場合に開状態に切り替わる第２のスイッチングユニットは、例えば、ＥＰ２１４１７８１Ｂ１の段落［００１６］に記載されるように実装することができる。

【0028】

別の考えられる構成可能な状態は、サインオブライフ信号が失われた場合でも、第２のスイッチングユニットが閉状態のままであることである。これは、バッテリーが空であるなどの理由でインバータがオフになっている場合に便利である可能性があり、したがって、負荷は上位の配電網に接続されたままにする必要がある。

【0029】

さらに考えられる構成可能な状態は、グリッド状態および／またはサインオブライフ信号とは無関係に、第２のスイッチングユニットはまた、開状態のままであるということである。したがって、負荷は上位の配電網から分離されたままにすることができる。

【0030】

したがって、本発明は、第１および第２のスイッチングユニットの異なるスイッチ位置を介して、インバータの異なる動作状態を簡単かつ省エネルギーで実現することを可能にする。

【0031】

一実施形態では、インバータは、電気エネルギーを生成するための発電機を接続するための発電機端子を備える。発電機端子は、直接またはＤＣ－ＤＣコンバータを介してインバータブリッジのＤＣ側に接続することができる。したがって、発電機端子は、例えば、バッテリー端子に対応することができる。発電機端子は、ＡＣ側にも結合でき、例えば接続点に連結できる。上位の配電網が故障した場合、発電機を介して負荷に電気エネルギーを供給することができる。

【0032】

インバータの負荷端子に接続された少なくとも１つの消費器に電気エネルギーを供給する方法は、
グリッド監視ユニットは、グリッド端子に接続された上位の配電網の状態を検出し、インバータのコントローラに故障を報告するステップと、
上位の配電網が故障した場合、コントローラは、第２のスイッチングユニットを開状態に切り替えるための信号を生成するステップと、
その後、次のステップで第２のスイッチングユニットが開かれるステップとを含む。

【0033】

次いで、第１のスイッチングユニットは、任意選択で閉じられるか、または閉じられたままである。第１のスイッチングユニットが既に閉じている場合は、それは閉じたままである。第１のスイッチングユニットが開いている場合、それは閉じられる。

【0034】

これに関連して、配電網の故障は、１つまたは複数の消費器への信頼できる給電がもはや保証されないほどの広範囲にわたるグリッドパラメータの障害を意味する。

【0035】

この方法の一実施形態では、上位の配電網が故障した場合、双方向インバータブリッジがローカルアイランドグリッドを確立し、負荷端末に接続された少なくとも１つの消費器にインバータを介して電気エネルギーが供給される。この場合、電気エネルギーは、インバータに接続された電気エネルギー貯蔵器から、および／またはインバータに接続された発電機から得ることができる。

【0036】

この方法により、必要に応じてインバータを上位の配電網から切り離し、インバータによって確立されたアイランドグリッドを介して負荷に電気エネルギーを供給することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0037】

以下の文章は、図に示される例示的な実施形態を参照して、本発明をさらに説明し、記載する。

【0038】

【図1】インバータの一実施形態を概略的に示す。

【図2】少なくとも１つの消費器に電気エネルギーを供給する方法を概略的に示す。

【発明を実施するための形態】

【0039】

図１は、バッテリー端子２と、これに接続された蓄電ユニット３（例えば、充電式バッテリー）とを備えるインバータ１を示す。消費器５は、負荷端子４に接続される。複数の消費器５を負荷端末に接続することもできる。図１はまた、インバータ１がグリッド端子６を介して上位の配電網７に接続されていることを示している。インバータ１はさらに、そのＤＣ側でバッテリー端子２に接続されたインバータブリッジ８を備える。インバータブリッジ８のＡＣ側とグリッド端子６との間には、第１のスイッチングユニット９と第２のスイッチングユニット１０が配置されている。第１のスイッチングユニット９は、常開形単安定スイッチとして具現化される。これは、作動されることなしに開状態になることを意味する。それが制御信号（例えば、保持電流）によって制御される場合、それは、制御信号（すなわち、例えば、保持電流）が印加されている限り閉じる。第２のスイッチングユニット１０は、開状態と閉状態の両方が安定している双安定スイッチとして具現化されており、すなわち、それは作動しなくてもこの状態のままである。第２のスイッチングユニット１０は、信号により状態を変化させることができる。

【0040】

負荷端子４のための接続点１１、１２は、第１のスイッチングユニット９と第２のスイッチングユニット１０との間に配置される。この場合、２つのＡＣラインのそれぞれに１つの接続点１１、１２が設けられる。ここで、第１のスイッチングユニット９は、インバータブリッジ８と接続点１１、１２との間に配置され、第２のスイッチングユニット１０は、接続点１１、１２とグリッド端子６との間に配置される。インバータ１は、インバータブリッジ８の電子パワースイッチを制御することができるコントローラ１３をさらに備える。コントローラ１３はまた、第２のスイッチングユニット１０を切り替えるための１つまたは複数の制御信号を生成し、それらを第２のスイッチングユニット１０に送信するように設計されている。一実施形態では、コントローラ１３は、第２のスイッチングユニット１０の制御回路（図示せず）用の構成信号を生成し、これらを前記制御回路に送信することもできる。

【0041】

一実施形態では、インバータは、電気エネルギーを生成する発電機を接続するための発電機端子をさらに備える。発電機端子（図示せず）は、直接またはＤＣ－ＤＣコンバータを介して接続でき、例えば、インバータブリッジ８のＤＣ側に接続することができるか、またはＡＣ側結合の場合には、例えば、点１１、１２に連結することができる。

【0042】

一実施形態では、インバータ１は、グリッド監視ユニット（図示せず）を備えることができる。グリッド監視ユニットは、例えば、グリッド端子６で、またはグリッド端子６の近くのインバータの外側で、上位の配電網７のグリッドパラメータを測定する。停電（すなわち、上位の配電網７の故障）は、例えば、コントローラ１３を用いて、グリッドパラメータを介して決定することができる。一実施形態では、インバータ１は、グリッド監視ユニット用の端子を備える。この実施形態では、グリッド監視ユニットは、インバータ１の外部に配置することができる。

【0043】

第１のスイッチングユニット９および第２のスイッチングユニット１０が開いている場合、配電網７はインバータ１から切断される。したがって、接続された負荷への供給はない。インバータ１は、電圧フリーである。これは、例えば、保守作業にとって望ましい状態である可能性がある。

【0044】

第１のスイッチングユニット９が開いており、第２のスイッチングユニット１０が閉じている場合、インバータブリッジ８は配電網７から分離されるが、消費器５は配電網７から給電される。この状態では、インバータ１は、例えば省エネルギーモードにある。例として、エネルギー貯蔵器３は満杯である可能性があり、消費器５にエネルギー貯蔵器３から給電する必要はない。あるいはまた、エネルギー貯蔵器３は、例えば空であり、それ以上放電されるべきではない。発電機（例えば、接続点１１、１２でインバータブリッジ８のＡＣ側に接続される太陽光発電機（ＰＶ発電機））の場合、ＰＶ発電機と接続点１１、１２の間には、さらに太陽光発電インバータを接続することができ、この太陽光発電インバータは、例えば自家消費のために消費器５に給電するか、または余剰エネルギーを配電網７に送り込む。例えば省エネルギーモードとして、第１のスイッチングユニット９を開いて第２のスイッチングユニット１０を閉じたこのモードは、エネルギー効率を高め、動作時間の短縮の結果として耐用年数も延ばすこともできる。この動作のために、インバータ１が省エネルギーモードに入る前に、第１のスイッチングユニット９が実際に開いていることを確認する必要があり、それによって第２のスイッチングユニット１０の制御性が失われ、第２のスイッチングユニット１０は双安定であるので、閉じた状態のままである。インバータ１が省エネルギーモードにあるとは、例えば、インバータブリッジ８およびコントローラ１３が省エネルギーモードにあることを意味し得る。次いで、消費器５は、少なくとも配電網が給電できる限り、配電網７から給電される。このように、ユーザの観点からは、インバータ１と消費器５から構成されるシステムは、蓄電／バックアップ機能のないシステムのように振る舞うことができる。インバータ１が省エネルギーモードから再びウェイクアップすると、コントローラ１３は、第１のスイッチングユニットおよび第２のスイッチングユニット１０を制御するようになる。次いで、コントローラ１３は、必要な接続条件を監視し、第１のスイッチングユニット９を閉じて、１つまたは複数の消費器５に電気エネルギーを供給することができる。配電網７がインバータ１の省エネルギーモードで故障した場合、例えば、外部のグリッド監視ユニット（図示せず）によって、インバータ１をウェイクアップさせることもできる。次いで、インバータのコントローラは、第１および第２のスイッチングユニット９、１０に対する制御を与えられる。次いで、コントローラ１３は、最初に第２のスイッチングユニット１０を開き、バッテリーおよび／または発電機を介して消費器５に給電するために、第１のスイッチングユニット９を閉じることができる。

【0045】

第１のスイッチングユニット９と第２のスイッチングユニット１０の両方が閉じている場合、これは、比較的長い期間にわたって想定され、インバータブリッジ８と消費器５が配電網７に接続されている動作状態である。蓄電ユニット３は充電または放電され、消費器は、配電網７、蓄電ユニット３、および／または場合によっては発電機による現地生産から給電され得る。発電機による過剰生産は、配電網７に送り込まれるか、エネルギー貯蔵器３を充電するのに役立つ。発電機による発電が十分でない場合、エネルギー貯蔵器３および／または配電網７からのエネルギーを使用して、消費器５が必要とするエネルギーとの差を補償する。この状態は、電気バックアップシステムに求められる状態である。グリッド監視は、インバータ１またはインバータ１に接続されたグリッド監視ユニットにより行われ、グリッドの故障時にはバックアップ動作に切り替わる。この動作状態からバックアップ動作に切り替えるには、第２のスイッチングユニット１０が開かれ、それにより、消費器５とインバータブリッジ８が配電網７から切り離される。

【0046】

第１のスイッチングユニット９が閉じ、第２のスイッチングユニット１０が開いている場合、インバータ１は、今説明したバックアップ動作にある。ここで、消費器５は、インバータブリッジ８を介して給電され、配電網７への接続は、開かれている第２のスイッチングユニット１０によってこの目的のために開かれる。ここで、対応する閉成条件が存在する場合にのみスイッチ１０が閉じられ、その結果、インバータ１は、例えば機能しているコントローラ１３を介した制御可能性を確保したことを保証する必要がある。グリッドの復帰が検出された場合、インバータ１は、接続条件を考慮して、第２のスイッチングユニット１０を再び閉じることができる。インバータ１は、コントローラ１３を介して第２のスイッチングユニット１０を制御する。

【0047】

第２のスイッチングユニット１０は、長時間かかる可能性のある動作状態では閉じられる。ここで本装置は、第２のスイッチングユニットを双安定スイッチとして実施することにより、エネルギーをほとんどまたは全く消費せずに第２のスイッチングユニットを閉じたままにすることを可能にするが、それにもかかわらず、故障の場合に第２のスイッチングユニット１０が確実に開くようにする。

【0048】

図２は、少なくとも消費器５に電気エネルギーを供給する方法を概略的に示している。消費器５は、上記インバータ１の負荷端子４に接続される。

【0049】

ステップＳ１において、グリッド監視ユニットは、グリッド端子６に接続された上位の配電網７の状態を検出し、ステップＳ２においてインバータ１のコントローラ１３に故障を報告する（「はい」分岐）。故障が検出されない場合、監視は継続される（「いいえ」分岐）。これに関連して、故障とは、消費器５への信頼できる給電がもはや保証されないほどの広範囲にわたるグリッドパラメータの障害を意味する。

【0050】

上位の配電網７が故障した場合、コントローラ１３は、ステップＳ３で第２のスイッチングユニット１０を開状態に切り替えるための信号を生成する。次いで、ステップＳ４において、第２のスイッチングユニット１０が開かれる。

【0051】

双方向インバータブリッジ８は、その後、ローカルアイランドグリッドを確立し、負荷端末４に接続された少なくとも１つの消費器５に電気エネルギーが供給される。

【符号の説明】

【0052】

１ インバータ
２ バッテリー端子
３ 蓄電ユニット
４ 負荷端子
５ 消費器
６ グリッド端子
７ 配電網
８ インバータブリッジ
９ 第１のスイッチングユニット
１０ 第２のスイッチングユニット
１１、１２ 接続点
１３ コントローラ

【図1】

【図2】

【国際調査報告】