特表 2023-549104 ＡＣ側とＤＣ側との間で電力を伝送するための電力変換器及び電力供給方法

(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】2023-11-22

(54)【発明の名称】ＡＣ側とＤＣ側との間で電力を伝送するための電力変換器及び電力供給方法

(51)【国際特許分類】

   G01R 31/52 20200101AFI20231115BHJP

   H02M 7/12 20060101ALI20231115BHJP

【ＦＩ】

G01R31/52

H02M7/12 H

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023526551

(86)(22)【出願日】2021-11-12

(85)【翻訳文提出日】2023-05-01

(86)【国際出願番号】 EP2021081549

(87)【国際公開番号】W WO2022101421

(87)【国際公開日】2022-05-19

(31)【優先権主張番号】102020129919.2

(32)【優先日】2020-11-12

(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】クラトシュヴィル，マルセル

(72)【発明者】

【氏名】ミューラー，ブルカルト

(72)【発明者】

【氏名】アンル，アレクサンダー

【テーマコード（参考）】

2G014

5H006

【Ｆターム（参考）】

2G014AA17

2G014AB02

5H006AA04

5H006CB01

5H006CC01

5H006DA04

5H006DB01

5H006DC02

5H006DC05

5H006FA02

(57)【要約】

本願は、電力変換器（１０）のＡＣ側（１６）と電力変換器（１０）のＤＣ側（１８）との間で電力を伝送するための電力変換器（１０）について記載しており、電力変換器（１０）のＡＣ側（１６）は、接地された三相ＡＣ電源グリッド（１２）に接続可能であり、かつ、電力変換器（１０）のＤＣ側（１８）は、接地されていないＤＣグリッド（１４）に接続可能である。電力変換器（１０）はブリッジ回路（２０）を備え、ブリッジ回路（２０）のＡＣ端子（ＡＣＬ１、ＡＣＬ２、ＡＣＬ３）は、ＡＣスイッチ（２２）を介して電力変換器（１０）のＡＣ側（１６）に接続可能であり、ブリッジ回路（２０）のＤＣ端子（ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－）は、回路遮断器（２６．１、２６．２）を介して電力変換器（１０）のＤＣ側（１８）に接続可能であり、電力変換器（１０）のＤＣリンク回路は、ガルバニック絶縁ＡＣプリチャージ回路（４０）を介したＡＣ電源グリッド（１２）からチャージ可能であり、電力変換器（１０）は、ＡＣプリチャージ回路（４０）がＤＣリンク回路に接続されている場合、電力変換器（１０）のＤＣ側（１８）の絶縁抵抗（５０）を測定するように構成された絶縁モニタ（３４）を有する。本願は、無変圧器の電力変換器（１０）を使用して、接地された三相ＡＣ電源グリッド（１２）から、接地されていないＤＣグリッド（１４）に電力を供給する方法も記載する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電力変換器（１０）のＡＣ側（１６）と前記電力変換器（１０）のＤＣ側（１８）との間で電力を伝送するための電力変換器（１０）であって、前記電力変換器（１０）の前記ＡＣ側（１６）は、接地された三相ＡＣ電源グリッド（１２）に接続可能であり、かつ、前記電力変換器（１０）の前記ＤＣ側（１８）は、接地されていないＤＣグリッド（１４）に接続可能であり、前記電力変換器（１０）はブリッジ回路（２０）を備え、前記ブリッジ回路（２０）のＡＣ端子（ＡＣＬ１、ＡＣＬ２、ＡＣＬ３）はＡＣスイッチ（２２）を介して前記電力変換器（１０）の前記ＡＣ側（１６）に接続可能であり、前記ブリッジ回路（２）のＤＣ端子（ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－）は回路遮断器（２６．１、２６．２）を介して前記電力変換器（１０）の前記ＤＣ側（１８）に接続可能であり、
前記電力変換器（１０）のＤＣリンク回路は、ガルバニック絶縁ＡＣプリチャージ回路（４０）を介して前記ＡＣ電源グリッド（１２）からチャージ可能であり、前記電力変換器（１０）は、前記ＡＣプリチャージ回路（４０）が前記ＤＣリンク回路に接続される場合、前記電力変換器（１０）の前記ＤＣ側（１８）の絶縁抵抗（５０）を測定するように構成された絶縁モニタ（３４）を有する、電力変換器。

【請求項2】

前記ブリッジ回路（２０）の前記ＡＣ端子（ＡＣＬ１、ＡＣＬ２、ＡＣＬ３）及び前記ＤＣ端子（ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－）はガルバニック結合され、かつ、前記電力変換器（１０）の前記ＡＣ側（１６）及び前記ＤＣ側（１８）の間の電力伝送経路は特に無変圧器であるように設計される、請求項１に記載の電力変換器。

【請求項3】

前記絶縁モニタ(３４)は、前記電力変換器(１０)の前記ＡＣ側（１６）と前記電力変換器（１０）の前記ＡＣ端子（ＡＣＬ１、ＡＣＬ２、ＡＣＬ３）との間に配置される、請求項１又は２に記載の電力変換器。

【請求項4】

前記絶縁モニタ（３４）が、接地スイッチ（ＳＥ、２２．Ｅ）を介して接地電位（ＰＥ）に、前記ブリッジ回路（２０）の、ハーフブリッジのスイッチング素子間にある電位を接続する接地抵抗器（ＲＥ）を有することを特徴とする、請求項３に記載の電力変換器。

【請求項5】

前記ＡＣスイッチ（２２）のうちの少なくとも１つが接地スイッチ（２２．Ｅ）として機能することを特徴とする、請求項４に記載の電力変換器。

【請求項6】

ＤＣ端子（ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－）ごとに、追加で接続可能なプリチャージ抵抗器（２８．１、２８．２）を有する少なくとも１つの回路遮断器（２６．１、２６．２）が存在することを特徴とする、請求項１～５のいずれか１項に記載の電力変換器。

【請求項7】

前記ＤＣ端子（ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－）のちょうど１つに、追加で接続可能なプリチャージ抵抗器（２８．１、２８．２）を有する少なくとも１つの回路遮断器（２６．１、２６．２）が存在することを特徴とする、請求項１～６のいずれか１項に記載の電力変換器。

【請求項8】

前記ＡＣ端子（ＡＣＬ１、ＡＣＬ２、ＡＣＬ３）における故障電流測定値（３２）による絶縁監視が提供されることを特徴とする、請求項１～７のいずれか１項に記載の電力変換器。

【請求項9】

制御ユニット（３０）が、
前記ＡＣスイッチ（２２）が開いている場合、前記ＡＣプリチャージ回路（４０）を通じて前記ＤＣリンク回路をプリチャージし、
前記回路遮断器（２６．１、２６．２）を閉じることによって前記ＤＣグリッド（１４）に前記ＤＣ端子（ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－）を接続し、
その後、絶縁モニタ（３４）を用いて前記ＤＣグリッド（１４）の前記絶縁抵抗（５０）を測定し、
前記絶縁抵抗（５０）が十分に高い場合：前記ＡＣスイッチ（２２）を閉じ、かつ、前記電力変換器（１０）を使用して前記ＤＣグリッドの電圧を設定するように構成されることを特徴とする、請求項１～８のいずれか１項に記載の電力変換器。

【請求項10】

前記制御ユニット（３０）は、前記電力変換器（１０）の定格電力よりも大幅に低い電力で前記ＤＣリンク回路をチャージするように構成されることを特徴とする、請求項９に記載の電力変換器。

【請求項11】

前記電力変換器（１０）は、前記ＤＣ側（１８）がプリチャージ抵抗器（２８．１、２８．２）を介在させずに前記ＤＣ端子（ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－）に接続される間、前記ＤＣ側（１８）の電圧を設定するように構成されることを特徴とする、請求項９又は１０に記載の電力変換器。

【請求項12】

ブリッジ回路（２０）を備える無変圧器の電力変換器（１０）を使用する、接地された三相ＡＣ電源グリッド（１２）から、接地されていないＤＣグリッド（１４）に電力を供給する方法であって、前記ブリッジ回路（２０）の前記ＤＣ端子（ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－）は回路遮断器（２６．１、２６．２）によって前記ＤＣグリッド（１４）に接続可能であり、前記ブリッジ回路（２０）の前記ＡＣ端子（ＡＣＬ１、ＡＣＬ２、ＡＣＬ３）はＡＣスイッチ（２２）を介して前記ＡＣ電源グリッド（１２）に接続可能であり、前記電力変換器（１０）は、前記ＡＣ電源グリッド（１２）から前記電力変換器（１０）のＤＣリンク回路をプリチャージするためのガルバニック絶縁ＡＣプリチャージ回路（４０）を備え、前記方法は以下の：
前記ＡＣスイッチ（２２）が開いている場合、前記ＡＣプリチャージ回路（４０）を通じて前記ＤＣリンク回路をプリチャージするステップと、
前記回路遮断器（２６．１、２６．２）を閉じることによって前記ＤＣグリッド（１４）に前記ＤＣ端子（ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－）を接続するステップと、
その後、絶縁モニタ（３４）を用いて、前記ＤＣグリッド（１４）の前記絶縁抵抗（５０）を測定するステップと、
前記絶縁抵抗（５０）が十分に高い場合：前記ＡＣスイッチ（２２）を閉じ、かつ、前記電力変換器（１０）を使用して前記ＤＣグリッド（１４）の電圧を設定するステップと、を含む、方法。

【請求項13】

少なくとも１つのＤＣ端子（ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－）が、プリチャージ抵抗器（２８．１、２８．２）を介して前記ＤＣグリッド（１４）に接続される、請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

前記絶縁抵抗（５０）を測定するステップは、第１ＤＣ端子（ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－）が第１プリチャージ抵抗器（２８．１、２８．２）を介して前記ＤＣグリッド（１４）に接続される第１ステップと、前記第１ＤＣ端子とは異なる第２ＤＣ端子（ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－）が第２プリチャージ抵抗器（２８．１、２８．２）を介して前記ＤＣグリッド（１４）に接続される第２ステップと、を含み、前記絶縁抵抗（５０）は、前記第１ステップ及び前記第２ステップで得られた測定値から決定される、請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

前記ＤＣグリッド（１４）が前記プリチャージ抵抗器（２８．１、２８．２）を介在させずに前記ＤＣ端子（ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－）に接続される間、前記ＤＣグリッド（１４）の電圧が前記電力変換器（１０）によって設定される、請求項１２～１４のいずれか１項に記載の方法。

【請求項16】

前記ＡＣスイッチ（２２）が閉じられる場合、少なくとも１つのＤＣ端子（ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－）が、プリチャージ抵抗器（２８．１、２８．２）を介して前記ＤＣグリッド（１４）に接続される、請求項１２～１５のいずれか１項に記載の方法。

【請求項17】

前記ＡＣ電源グリッド（１２）の故障の場合、前記ＡＣスイッチ（２２）を開いて、かつ、前記ＤＣグリッド（１４）に接続されたエネルギー源（４２）を介して前記ＤＣグリッド（１４）の動作を継続するステップをさらに含み、前記ＤＣグリッド（１４）の前記絶縁抵抗（５０）は、連続動作中に前記絶縁モニタ（３４）を使用して連続的に又は繰り返し測定される、請求項１２～１６のいずれか１項に記載の方法。

【請求項18】

前記ＡＣスイッチ（２２）が閉じられた後、前記ＤＣグリッド（１４）の絶縁監視が、前記ＡＣ端子（ＡＣＬ１、ＡＣＬ２、ＡＣＬ３）の故障電流測定値（３２）によって実行される、請求項１２～１７のいずれか１項に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

ＤＣエネルギーシステムは、好ましくはＤＣ電流の形態で電力を利用可能にする少なくとも１つのエネルギー源、すなわち、ＤＣ電源、例えば、バッテリ、ＰＶジェネレータ、又は燃料電池と、好ましくはＤＣ電流の形態で電力を消費する少なくとも１つの負荷、すなわち、ＤＣシンク、例えば、コンシューマ及びこれらの電気部品間の接続と、を備える。ＤＣエネルギーシステムは、電気部品が接続されるＤＣグリッド又はＤＣバスを備え得、かつ、電源、ストレージ及び／又はコンシューマを備え得る。いくつかの接続された部品を有するＤＣバス、例えば、１つのみの電源及び１つのみのシンクと、そのような多数の部品を有するＤＣグリッドとの間の移行は流動的である。本願では、ＤＣグリッドの用語はＤＣバスを意味するものとも理解される。

【0002】

このようなＤＣグリッドは接地されて又は接地されないで動作可能である。特定の動作モードに応じて、地絡の場合には、基準に従って異なる監視及び保護機構が必要とされ得る。

【0003】

それぞれのＤＣラインＤＣＬ＋及びＤＣＬ－の電位ＤＣ＋及びＤＣ－が接地電位に対する固定基準を有していない非接地型ＤＣグリッドは、ＤＣグリッドで最初の地絡、例えば、ＤＣラインのうちの１つに沿った絶縁不良が依然としていかなる損害にもならないという利点を有する。しかしながら、不良の発生を検出するため、例えば、最初の地絡が発生した場合には必要に応じて対抗措置の開始を可能にするため、例えば、エネルギー源のスイッチをオフにする、又は、ＤＣグリッドからエネルギー源及び／若しくは不良箇所を切断するため、絶縁監視が必要とされる。

【0004】

接地されたＤＣグリッドにおいて、電位ＤＣ＋及びＤＣ－は、接地電位に対する規定された基準を有する。こうした接地基準は、例えば、接地電位とＤＣ電位ＤＣ＋又はＤＣ－のうちの１つとの間の抵抗接続によって容易に実装され得る。

【0005】

ＤＣグリッドは、電力変換器を介して、例えば、さらなるＤＣグリッド又はＡＣグリッド、例えばＡＣ電源グリッドに接続されてもよく、かつ、特にＤＣグリッドのＤＣ電源を補助する又はリチャージするため、さらなるエネルギーグリッドと電力を交換してもよい。原則として、ＤＣグリッドにも、恒久的に又は時には完全に、電力変換器を介してさらなるエネルギーグリッドからのエネルギーが供給され得、ＤＣグリッドのエネルギー源は、必要に応じて、電力変動をバッファリングするために使用され得る。

【0006】

さらなるエネルギーグリッドが、例えば、接地された中性線の形態の接地を有し、かつ、電力変換器が、無変圧器であるように設計される場合、すなわち、ＡＣ側とＤＣ側との間にガルバニック絶縁を有していない場合、ＤＣグリッドは、電力変換器を介して固定接地基準を自動的に備える、すなわち、接地され得る。接地基準に対するＤＣグリッドの電位の特定の位置は、この場合、電力変換器の具体的に使用されるトポロジによって予め規定されている。例えば、ＤＣ側に、電力変換器は、分割リンク回路を有してもよく、そのセンタータップすなわち中間電位は、固定設置基準を有する中性線に接続され、その結果、リンク回路のＤＣ電位は接地電位に対して大部分が対称である。

【0007】

この点、接地されていないＤＣグリッド自体は同様に、無変圧器の電力変換器を介して、接地されたエネルギーグリッドへの接続を通じて接地されたグリッドになる。したがって、これは、そうしたＤＣグリッドのための２つの動作状態：接地されていない「スタンドアロン」モードと、接地されたエネルギーグリッドに接続された場合の接地モードと、をもたらし得る。これは、システムを設計する場合に考慮されるべきである。

【0008】

しかしながら、接地されたＤＣグリッドが、例えば電力変換器を介して、接地されたＡＣグリッドに接続される場合、これは、電力変換器の構成部品又はグリッドの構成部品が損傷を受けるグリッド間のそうした高い制御されていない電流フローをもたらし得る。これは、おそらく接地されていないＤＣグリッドに絶縁不良が存在する場合も同様である。

【0009】

国際公開第２０１３／１７８６５４号は、ハーフブリッジのスイッチング素子間に存在する中間電位を接続する接地抵抗器を使用してＤＣグリッドの絶縁抵抗、接地スイッチを介した接地電位に対するＤＣグリッドに接続された電力変換器のブリッジ回路の絶縁抵抗を測定することを可能にするＤＣグリッドの絶縁監視について記載している。

【0010】

本願では、略語ＤＣは直流電流又は直流電圧を表し、かつ、略語ＡＣは交流電流又は交流電圧を表す。

【0011】

本発明の目的は、接地されたＡＣ電源グリッドにＤＣグリッドが接続された場合に流れ得る接地電流に対して取り扱いが容易で又は保護を改善する電力変換器及び方法を開示することである。

【発明の概要】

【0012】

当該目的は、独立請求項１の特徴を有する電力変換器によって達成される。当該目的は、独立請求項１１の特徴を有する方法によっても達成される。方法の有利な実施形態は従属請求項で特許請求される。

【0013】

電力変換器のＡＣ側と電力変換器のＤＣ側との間で電力を転送するための電力変換器において、電力変換器のＡＣ側は、接地された三相ＡＣ電源グリッドに接続可能であり、電力変換器のＤＣ側は、接地されていないＤＣグリッドに接続可能である。電力変換器はブリッジ回路を有し、ブリッジ回路のＡＣ端子はＡＣスイッチを介して電力変換器のＡＣ側に接続可能であり、かつ、ブリッジ回路のＤＣ端子は回路遮断器を介して電力変換器のＤＣ側に接続可能である。電力変換器のＤＣリンク回路は、電力変換器の動作中にエネルギーをバッファ貯蔵するために使用され、かつ、ブリッジ回路の一部であってもよい。ＤＣリンク回路は、ガルバニック絶縁されたＡＣプリチャージ回路を介してＡＣ電源グリッドからチャージ可能である。電力変換器は、ＡＣプリチャージ回路がＤＣリンク回路に接続される場合、電力変換器のＤＣ側の絶縁抵抗を測定するように構成された絶縁モニタを有する。

【0014】

ブリッジ回路では、端子に供給されるＡＣ電流は、特に半導体スイッチのクロック駆動を通じて、ＤＣ端子に供給されるＤＣ電流に変換される。

【0015】

ＡＣプリチャージ回路は、電力変換器のＡＣ側がＡＣ電源グリッドから切断され得る状態で、ＤＣリンク回路のコンデンサがＡＣ電源グリッドからチャージされることを可能にする。ＡＣプリチャージ回路は、例えばＡＣプリチャージ回路に変圧器を、例えばフライバックコンバータの形態で提供することによってガルバニック絶縁を有する。別の利点は、ＡＣプリチャージ回路が、本質的に短絡保護回路として設計されてもよく、それによって、例えばＤＣリンク回路で短絡が発生した場合に火災の危険性を減少させる。

【0016】

ＡＣ電源グリッドからのＤＣリンク回路のコンデンサのチャージは、電力変換器のＡＣ側がＡＣ電源グリッドに接続される前に、ＤＣリンク回路のコンデンサがＡＣ電源グリッドからチャージされる保護概念の一部であってもよい。ＡＣプリチャージ回路にガルバニック絶縁を提供することによって、電力変換器のＤＣ側に接続されたＤＣグリッドは、ＤＣリンク回路のコンデンサがＡＣ電源グリッドからチャージされていても、このような状況でＡＣ電源グリッドからガルバニック絶縁されたままになることができ、ひいては、接地基準なしのままであり得る。

【0017】

絶縁モニタは、例えば、国際公開第２０１３／１７８６５４号に記載されているように、ＤＣリンク回路の絶縁抵抗の測定を含む。さらに、ＡＣプリチャージ回路は、ＤＣリンク回路がＡＣ電源グリッドからプリチャージされている間、特に、電力変換器のＡＣ側がＡＣ電源グリッドに接続される前に、絶縁抵抗を監視することを可能にする。絶縁抵抗は、電力変換器のＡＣ側がＡＣ電源グリッドから切断され、ＡＣプリチャージ回路が非アクティブであり、かつ、ＤＣグリッドが電力変換器のＤＣ側に接続されている場合に提供される絶縁モニタによって監視されてもよい。

【0018】

これにより、特にＩＴシステムにおいて、恒久的な絶縁監視を必要とする可能性がある規格への準拠が可能になる。特に、ＡＣ電源グリッドがＤＣグリッドに初めて接続される前に、ＤＣグリッドの絶縁抵抗がチェックされてもよい。

【0019】

一実施形態では、ブリッジ回路のＡＣ端子及びＤＣ端子はガルバニック結合され、かつ、電力変換器のＡＣ側とＤＣ側との間の電力伝送経路は、特に無変圧器であるように設計される。これにより、ガルバニック絶縁を有するように設計されたブリッジ回路と比較して、コスト上の利点が得られ得る。

【0020】

ＡＣプリチャージ回路を有するこのような電力変換器の１つの利点は、特に無変圧器であるように設計され、かつ、例えば能動的に駆動される場合であっても、プリチャージプロセスによってＡＣ側から始動可能であることである。これは、例えば太陽光発電システム又はバッテリなどのエネルギー源がＤＣ側にないなどの理由で、ＤＣ側からの始動が好ましくない又は不可能である場合に特に利点を有する。開始の第２ステップでは、例えば、ＤＣ側の絶縁抵抗を測定することによって、ＤＣ側の地絡をチェックすることができる。ＤＣ側の十分な絶縁が確立されると、ＡＣ側が接続される必要があることがよくある。したがって、本発明は、特にＤＣ電源がない場合に、ＡＣ側からの始動を可能にする。

【0021】

さらに、プリチャージ回路はガルバニック絶縁されるように設計されているので、絶縁抵抗の測定値がプリチャージ回路によって歪められることはない。

【0022】

一実施形態では、絶縁モニタは、電力変換器のＡＣ側とブリッジ回路のＡＣ端子との間に配置される。絶縁モニタは、接地スイッチを介してブリッジ回路のハーフブリッジのスイッチング素子間にある中間電位を接地電位に接続する接地抵抗器を備えてもよい。

【0023】

一実施形態では、ＡＣスイッチのうちの少なくとも１つが接地スイッチとして機能する。これにより、コストを削減することが可能である。

【0024】

一実施形態では、例えばＤＩ変換器による、ＡＣ端子での故障電流測定による絶縁監視が提供される。

【0025】

動作中、及び特に無変圧器アクティブ整流器である電力変換器などから例えば供給されるＤＣグリッド上のＤＣ負荷に電力を供給する場合、ＤＣグリッドの接地基準は、整流器のＡＣ側のＡＣ電源グリッドの接地に起因する場合がある。電位ＤＣ＋及びＤＣ－は、例えば対称であり、かつ、ＡＣ側への接続を介して接地に対して低抵抗であってもよい。ＤＣグリッドにおける接地のための基準点は、有利には、特に中間電位に近い電位が接地電位に接続されるように選択されてもよい。中間電位は、好ましくは、ＤＣ＋とＤＣ－との中間にあってもよい。中間電位に近い電位は、例えば、このブリッジ回路の中間でブリッジ回路の半導体を対称的にクロックすることによって達成されてもよい。リンク回路が複数のコンデンサの直列接続から構成される場合、そのような電位は、例えば中性線への接続を通じて、この直列接続のセンタータップにも提供されてもよい。これにより、ＤＣグリッド内のＤＣ＋及びＤＣ－電位の接地に対する電圧は、総ＤＣ電圧の約半分に制限されてもよく、その結果、とりわけ、絶縁調整の要件は、ＤＣ＋又はＤＣ－への接地と比較して単純化される。例えば、ＤＣグリッドがＤＣ－に接地される場合、ＤＣ＋電位でのラインの絶縁は、接地に対するシステム全体の電圧のために設計される必要があり、その逆も同様である。これは、システム電圧が高い場合、かなりのコストにつながり得る。

【0026】

ＡＣ電源グリッドが電力変換器から切断されると、接地基準が失われる。その後、ＤＣバス上のＤＣ電源から電力が供給され続けることなどによって、ＤＣバスが引き続き動作される場合、動作中に地絡が監視される必要がある。これは、絶縁モニタによる絶縁監視を通じて有利に達成され得る。

【0027】

電力変換器は、例えば、電力変換器の起動のたびに絶縁モニタによってエネルギーシステムがチェックされることも可能にする。さらに、エネルギーシステムの十分な絶縁状態を恒久的に監視するため、ＡＣ端子の障害電流測定により、動作中の定期的な絶縁状態測定が可能である。

【0028】

一実施形態では、追加で接続可能なプリチャージ抵抗器を有する少なくとも１つの回路遮断器がＤＣ端子ごとに存在する。この場合、回路遮断器は、特に回路遮断器をブリッジすることによって、又は、半導体スイッチ及びプリチャージ抵抗器から構成されるループ状の並列接続として接続可能な、追加で接続可能なプリチャージ抵抗器を有するように設計されてもよい。プリチャージ抵抗器を提供することで、ＤＣグリッドが電力変換器に接続されている場合に絶縁モニタを使用して絶縁抵抗を監視することを可能にし、プリチャージ抵抗器は、この場合－障害が発生した場合－過大電流から保護することができる。ＤＣ端子は、最初に、プリチャージ抵抗器を設けて又は設けずに個別に又は一緒に追加で接続されてもよく、そして、ＤＣグリッドの絶縁抵抗が十分に高い場合、プリチャージ抵抗器を設けずにともに接続されてもよい。

【0029】

さらなる実施形態では、一方のＤＣ端子のみが、並列に接続可能なプリチャージ抵抗器を有する回路遮断器を介して電力変換器のＤＣ側に接続される。この場合、他方のＤＣ端子はＤＣ側に直接接続される。したがって、これにより、ＤＣグリッドがＤＣ側に接続されたＤＣ端子の単極絶縁のみが提供されるので、回路遮断器が節約される。ここで、回路遮断器が開いている場合の絶縁抵抗が決定されてもよい。

【0030】

一実施形態では、電力変換器は、ＡＣスイッチが開いている場合にＡＣプリチャージ回路を通じてＤＣリンク回路をプリチャージし、回路遮断器を閉じることによってＤＣグリッドにＤＣ端子を接続し、その後、絶縁モニタを用いてＤＣグリッドの絶縁抵抗を測定し、絶縁抵抗が十分に高い場合、ＡＣスイッチを閉じて電力変換器を使用してＤＣグリッドの電圧を設定するように構成された制御ユニットを有する。

【0031】

一実施形態では、制御ユニットは、電力変換器の定格電力よりも大幅に低い電力でＤＣリンク回路をチャージするように構成される。

【0032】

一実施形態では、制御ユニットは、特に絶縁モニタを使用して絶縁抵抗を測定する場合、各ＤＣラインに対して選択的にプリチャージ抵抗器を追加で接続するように構成される。これは、例えば、ＤＣグリッドにＤＣリンク回路を接続する場合に過大電流が流れることを回避するのに役立つ。

【0033】

一実施形態では、電力変換器は、ＤＣ側がプリチャージ抵抗器を介在させずにＤＣ端子に接続されている間に、ＤＣ側の電圧を設定するように構成される。電力変換器は、ＤＣ電圧が設定される場合、チャージ抵抗器をブリッジした回路遮断器を介してＤＣ側に電力を供給するように構成される。これは、例えば、ＤＣグリッドがＡＣ電源グリッドから電力を供給される電力変換器の動作状態「通常モード」に対応する。

【0034】

無変圧器の電力変換器を使用して、接地された三相ＡＣ電源グリットから、接地されていないＤＣグリッドに電力を供給する方法であって、電力変換器は、そのＤＣ端子が回路遮断器によってＤＣグリッドに接続可能であり、かつ、そのＡＣ端子がＡＣスイッチを介してＡＣ電源グリッドに接続可能であるブリッジ回路を備え、かつ、ＡＣ電源グリッドから電力変換器のＤＣリンク回路をプリチャージするためのガルバニック絶縁ＡＣプリチャージ回路を備え、方法は、以下の：
ＡＣスイッチが開いている場合、ＡＣプリチャージ回路を通じてＤＣリンク回路をプリチャージするステップと、
回路遮断器を閉じることによってＤＣグリッドにＤＣ端子を接続するステップと、
その後、絶縁モニタを用いてＤＣグリッドの絶縁抵抗を測定するステップと、
絶縁抵抗が十分に高い場合：ＡＣスイッチを閉じるステップと、
電力変換器を使用してＤＣグリッドの電圧を設定するステップと、を含む。

【0035】

絶縁抵抗が低すぎると、安全のために電力変換器の起動が停止されてもよい。

【0036】

ＤＣリンク回路は、好ましくは低電力で、すなわち、電力変換器の定格電力よりもかなり低い電力でプリチャージされる。ＡＣプリチャージ回路は、例えばＡＣプリチャージ回路にフライバックコンバータを設けることによってガルバニック絶縁するように設計されているので、ＤＣリンク回路とＡＣ電源グリッドとの間に電位基準は作成されない。プリチャージ抵抗器は、故障の場合の過度に高い故障電流を回避するため、高いオーム抵抗を有するように設計されることが好ましい。

【0037】

一実施形態では、方法は、少なくとも１つのＤＣ端子がプリチャージ抵抗器を介してＤＣグリッドに接続されるステップをさらに含む。この実施形態では、その後、絶縁モニタを使用して絶縁抵抗を測定する場合にプリチャージ抵抗器が考慮される。

【0038】

方法の一実施形態では、絶縁抵抗を測定するステップは、第１ＤＣ端子が第１プリチャージ抵抗器を介してＤＣグリッドに接続される第１ステップと、第１ＤＣ端子とは異なる第２ＤＣ端子が第２プリチャージ抵抗器を介してＤＣグリッドに接続される第２ステップと、を含み、絶縁抵抗は、第１ステップ及び第２ステップで得られた測定値から決定される。

【0039】

方法の一実施形態では、ＤＣグリッドがプリチャージ抵抗器を介在させることなくＤＣ端子に接続されている間、ＤＣグリッドの電圧は電力変換器によって設定される。これは、例えば、ＤＣグリッドがＡＣ電源グリッドから電力を供給される電力変換器の動作状態「通常モード」に対応する。

【0040】

一実施形態では、ＡＣスイッチが閉じている場合、少なくとも１つのＤＣ端子がプリチャージ抵抗器を介してＤＣグリッドに接続される。したがって、この実施形態では、ＡＣ電源グリッドへの接続は、ＤＣ端子のうちの少なくとも１つのプリチャージ抵抗器を介して少なくとも行われる。これにより、ＤＣリンク回路にＤＣグリッドを接続する場合に過大電流が流れることを回避することを可能にする。

【0041】

一実施形態では、方法は、以下の：
ＡＣ電源グリッドの障害発生時：ＡＣスイッチを開き、ＤＣグリッドに接続されたエネルギー源を介してＤＣグリッドを動作させ続けるステップをさらに含み、
ＤＣグリッドの絶縁抵抗は、連続運転中に絶縁モニタを使用して連続的に又は繰り返し測定される。

【0042】

任意選択的なステップとして、絶縁不良、すなわち、接地電位に対するＤＣグリッドの絶縁抵抗が過度に低いことを検出すると、回路遮断器を開くことによってＤＣグリッドを切断することが可能である。絶縁不良が検出された場合、さらに不良信号が生成されて適切な方法で送信される。

【0043】

方法の一実施形態では、ＡＣスイッチが閉じられた後、すなわち、ＡＣ電源グリッドがＤＣグリッドに接続され、かつ、ＤＣグリッドがＡＣ電源グリッドから電力を供給される場合、ＤＣグリッドの絶縁監視は、ＡＣ端子の故障電流測定によって、例えばＤＩコンバータによって実行されてもよい。これは、例えば電力変換器の「通常モード」に対応する。

【0044】

方法の一実施形態では、ＡＣスイッチが閉じられる前に回路遮断器が開けられてもよい。その後、ＡＣスイッチが閉じられると、電力変換器はそのＤＣ側のＤＣ電圧をＤＣグリッドの電圧に一致させ、任意選択的に、接地電位に関してＤＣ電圧を平衡化し、その後、ＤＣグリッドに接続して電力変換器を介してＡＣ電源グリッドからＤＣグリッドに電力を供給するために回路遮断器を閉じてもよい。これにより、ＡＣ電源グリッドにＤＣグリッドを接続する場合の突入電流を減らすことを可能にする。

【0045】

電力変換器及び方法は、特に無変圧器の電力変換器を介して、接地されたＡＣ電源グリッドへのＤＣエネルギーシステムの可変接続を可能にし、同時に、そのような動作のための保護概念を利用可能にする。

【0046】

以下、図面を用いて本発明をより詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0047】

【図1】電力変換器の例示的な一実施形態を概略的に示している。

【図2】方法の例示的な一実施形態を概略的に示している。

【発明を実施するための形態】

【0048】

図１は、ＡＣ側１６及びＤＣ側１８を有する電力変換器１０の一実施形態を概略的に示している。接地電位ＰＥで接地された三相ＡＣ電源グリッド１２がＡＣ側１６に接続される。ＤＣグリッド１４はＤＣ側１８に接続される。ＤＣグリッド１４は、接地電位ＰＥに対する絶縁抵抗５０を有する。バッテリ４２は、ＤＣスイッチ４６を介してＤＣグリッド１４に接続可能である。バッテリ４２は、接地電位ＰＥに対する望ましくない寄生抵抗４２．Ｐを有し得る。負荷４４は、ＤＣスイッチ４８を介してＤＣグリッドに接続可能である。負荷４４は、接地電位ＰＥに対する望ましくない寄生抵抗４４．Ｐを有し得る。負荷４４は、特に、例えば機械、産業プラント又は電解槽などの１以上のコンシューマを備えてもよい。

【0049】

電力変換器１０は、ＡＣ端子ＡＣＬ１、ＡＣＬ２、ＡＣＬ３のＡＣ電流又はＡＣ電圧を、ＤＣ端子ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－のＤＣ電流又はＤＣ電圧に変換するように設計されたブリッジ回路２０を有する。同様に、ブリッジ回路２０は、ＤＣ端子ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－のＤＣ電流又はＤＣ電圧を、ＡＣ端子ＡＣＬ１、ＡＣＬ２、ＡＣＬ３のＡＣ電流又はＡＣ電圧に変換するように設計される。図示する例示的な実施形態では、変換は、ブリッジ回路２０の半導体スイッチを適切な方法で駆動する制御ユニット３０によって行われる。半導体スイッチを有するブリッジ回路２０は一般に無変圧器であり、すなわち、こうしたブリッジ回路のＡＣ端子ＡＣＬ１、ＡＣＬ２、ＡＣＬ３及びＤＣ端子ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－はガルバニック結合される。ＡＣ電源グリッドが、例えば接地された中性線によって提供される接地基準を有する場合、ＤＣ端子ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－は、したがって、通常、ブリッジ回路２０を介して自動的に接地基準を割り当てられる。この場合、接地基準に対するＤＣ端子の電位の特定の位置（ＤＣ＋／ＤＣ－からＰＥ）は、ブリッジ回路２０の特に使用されるトポロジによって予め規定される。例として、ブリッジ回路２０は、ＤＣ側に、分割ＤＣリンク回路を有してもよく、このＤＣリンク回路のセンタータップは、中間電位としての固定接地基準ＰＥでＡＣ電源グリッド１２の中性線に接続され、その結果、ＤＣリンク回路内のＤＣ電位は接地電位ＰＥに関してほぼ対称に設定される。この点で、それ自体が接地されていないＤＣグリッド１４も同様に、無変圧器の電力変換器１０を介して、接地されたＡＣ電源グリッド１２への接続を通じて、接地されたＤＣグリッド１４になる。したがって、ＤＣグリッド１４には２つの動作状態：バッテリ４２からの電源を有する、接地されていない「スタンドアロンモード」と、接地されたＡＣ電源グリッド１２に接続された場合の接地モードと、があってもよい。

【0050】

ブリッジ回路２０のＤＣリンク回路は、一般に、ＡＣ側１６又はＤＣ側１８が対応のグリッド１２、１４に接続される前に、電力変換器１０が起動される場合にプリチャージされるべきである。これは、例えば、ＤＣグリッド１４への最初の接続時にＤＣリンク回路のコンデンサのチャージ電流を制限するために望ましい。電力変換器１０のＡＣプリチャージ回路４０は、ＡＣ電源グリッド１２からのそのようなプリチャージを実行するように構成され、かつ、この目的のためにガルバニック絶縁を有する。ブリッジ回路２０のＤＣリンク回路は、ＡＣプリチャージ回路４０を介してＡＣ電源グリッド１２から直接プリチャージ可能である。この目的のため、ＡＣプリチャージ回路４０のＡＣ側はインバータ１０のＡＣ側１６に接続される。ＡＣプリチャージ回路は制御ユニット３０によって駆動される。半導体スイッチ３８は、整流器３６とＤＣ端子ＤＣＬ－との間に接続される。また、半導体スイッチ３８も制御ユニット３０によって駆動される。

【0051】

電力変換器１０はまた、ＡＣ端子ＡＣＬ１、ＡＣＬ２、ＡＣＬ３において、３つのＡＣ端子ＡＣＬ１、ＡＣＬ２、ＡＣＬ３の差動電流測定値に基づく障害電流測定値３２を有する。

【0052】

ＡＣ接続ＡＣＬ１、ＡＣＬ２、ＡＣＬ３は、ＡＣスイッチ２２を介してＡＣ側１６に接続可能である。接地スイッチ２２．Ｅを介してブリッジ回路２０のハーフブリッジの中間電位に接続され得る絶縁モニタ３４が設けられる。絶縁モニタ３４は、接地スイッチＳＥを介して接地電位ＰＥに接続されてもよい。絶縁モニタ３４は、接続されている場合、ＤＣグリッドの絶縁抵抗５０を監視するように機能する。この目的のため、絶縁モニタ３４は接地抵抗ＲＥを有し、それを介して中間電位が接地電位に接続される。このような絶縁モニタ３４は、例えば国際公開第２０１３／１７８６５４号に記載されている。図２に示す一実施形態では、絶縁モニタはまた、１つの接地スイッチ２２．Ｅのみを有してもよく、これは同時に、ＡＣ端子ＡＣＬ３とＡＣ側１６との間の切り替え可能な接続の一部を表している。

【0053】

ＤＣ端子ＤＣＬ＋は、回路遮断器２６．１を介してＤＣ側１８に接続可能である。ＤＣ端子ＤＣＬ－は、回路遮断器２６．２を介してＤＣ側１８に接続可能である。追加で接続可能なプリチャージ抵抗器２４．１がＤＣ端子ＤＣＬ＋のために設けられる。追加で接続可能なプリチャージ抵抗器２４．２がＤＣ端子ＤＣＬ－のために設けられている。追加で接続可能なプリチャージ抵抗器２４．１、２４．２を有する回路遮断器２６．１、２６．２は、回路遮断器２６．１、２６．２をブリッジすることによって、又は、半導体スイッチ２４．１、２４．２及びプリチャージ抵抗器２８．１、２８．２から構成されるループ状の並列接続として、接続可能であるように設計される。

【0054】

図１に示されて上述した回路遮断器構成の二極の実施形態とは異なり、図２は、回路遮断器構成の単極の実施形態も示している。この場合、ＤＣ端子ＤＣＬ－は、ＤＣ側に直接接続され、すなわち、回路遮断器を有していない。

【0055】

図３は、無変圧器の電力変換器１０を使用して、接地された三相ＡＣ電源グリッド１２から、接地されていないＤＣグリッド１４に電力を供給する方法を概略的に示している。ステップＳ１において、ＤＣリンク回路は、ＡＣ電源グリッド１２から、ＡＣスイッチ２２が開いている場合にＡＣプリチャージ回路４０によってチャージされる。ステップＳ２において、回路遮断器２６．１、２６．２を閉じることによって、ＤＣ端子ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－がＤＣグリッド１４に接続される。その後、ステップＳ３において、ＤＣグリッド１４の絶縁抵抗５０が絶縁モニタ３４を使用して測定され、かつ、絶縁抵抗５０が十分に高い場合、ステップＳ４においてＡＣスイッチ２２が閉じられ、ＤＣグリッド１４の電圧がステップＳ５で電力変換器１０によって設定される。ステップＳ３において、絶縁抵抗５０が十分に高くない、すなわち、ＤＣグリッド１４が接地電位ＰＥに対して十分に高い絶縁を有していないと決定された場合、その後、ステップＳ３が繰り返される。

【0056】

絶縁抵抗５０は、ブリッジ回路２０の中間電位に絶縁モニタ３４を接続するため、スイッチ２２．Ｅを閉じた状態でステップＳ３において測定される。

【0057】

任意選択的に、ステップＳ２において、少なくとも１つのＤＣ端子ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－がプリチャージ抵抗器２８．１、２８．２を介してＤＣグリッド１４に接続されてもよい。プリチャージ抵抗器２８．１、２８．２を設けることにより、ＤＣグリッド１４が電力変換器１０に接続される場合、ステップＳ２において絶縁モニタ３４を使用して絶縁抵抗５０を監視することを可能にし、プリチャージ抵抗器２８．１、２８．２は、この場合－障害が発生した場合－過大電流から保護することができる。ＤＣ端子ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－は、最初は個別に追加で接続されてもよく、かつ、その後、ＤＣグリッド１４の絶縁抵抗５０が十分に高い場合は一緒に接続されてもよい。

【符号の説明】

【0058】

１０ 電力変換器
１２ ＡＣ電源グリッド
１４ ＤＣグリッド
１６ ＡＣ側
１８ ＤＣ側
２０ ブリッジ回路
２２ ＡＣスイッチ
２２．Ｅ 接地スイッチ
２４．１、２４．２ スイッチ
２６．１、２６．２ 回路遮断器
２８．１、２８．２ プリチャージ抵抗器
３０ 制御ユニット
３２ 故障電流測定値
３４ 絶縁モニタ
３６ ＡＣプリチャージ回路の整流器
３８ 半導体スイッチ
４０ ＡＣプリチャージ回路
４２ バッテリ
４２．Ｐ 寄生抵抗
４４ 負荷
４４．Ｐ 寄生抵抗
４６ ＤＣスイッチ
４８ ＤＣスイッチ
５０ 絶縁抵抗
ＡＣＬ１、ＡＣＬ２、ＡＣＬ３ ＡＣ端子
ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－ ＤＣ端子
ＰＥ 接地電位
ＲＥ 接地抵抗器
ＳＥ 接地スイッチ
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５ 方法ステップ

【図1】

【図2】

【図3】

【国際調査報告】