用于借助短路开关进行断路器放电的光伏逆变器的电路布置和该电路布置的应用

技术领域

本发明涉及一种具有独立权利要求1前序部分所述特征的光伏逆变器 的电路布置。此外，本发明还涉及此类电路布置的应用。

若多个DC/AC变换器在输入侧分别经由隔离开关连接到共同的总线 上，则一旦这些DC/AC变换器中的一个出现严重的故障，该故障会导致 在其连接线之间发生短路，则由所有连接到总线的光伏发电机产生的短路 电流会流过设置在母线与有故障的DC/AC变换器之间的隔离开关。为了 能够用隔离开关安全地断开短路电流，必须为短路电流设置隔离开关的临 界断开容量，尽管该短路电流是在正常运行时流过隔离开关并且用隔离开 关切断的直流电流的多倍。

光伏发电机可经由保险装置连接在总线上，所述保险装置通常不会对 上述情况下流过的短路电流作出响应，原因在于该短路电流只比相应的光 伏发电机的额定电流稍大一点。

背景技术

从DE102010017746A1中已知一种光伏系统，其具有连接在光伏逆 变器上的光伏发电机。该光伏逆变器具有DC隔离装置，其可通过控制装 置进行控制。此外，光伏逆变器具有短路装置，通过该短路装置可使光伏 发电机在DC隔离装置之前短路并且也可通过控制装置进行控制。DC隔 离装置可具有继电器，该继电器将光伏发电机所有极点与光伏逆变器的 DC/AC变换器分开。所述短路装置可具有半导体开关。

从DE102009019831A1中公开一种电路布置，其用于电耦合直流电 源(例如光伏发电机)与直流用电器(例如逆变器)。所述电路布置包括： 用于接收由直流电源产生的直流电的第一和第二电流输入节点；用于将产 生的直流电输出到直流用电器的第一和第二电流输出节点；用于中断在相 应节点之间电连接的、在第一电流输入节点与第一电流输出节点和/或第二 电流输入节点与第二电流输出节点之间连接的分离装置；以及，用于短路 第一和第二电流输入节点的、在第一电流输入节点与第二电流输入节点之 间连接的辅助开关装置。若将用于短路的辅助开关装置关闭，则会使直流 电源短路。因此可实现的是，供给至用电器的电流会减少到零。虽然直流 电源继续产生直流电流，但该电流因短路不再流动或至少只有极少量流至 用电器。现在分离装置可打开，以中断在相应节点之间的电连接。因此， 对分离装置来说不会出现该已知的问题，即中断特别大的直流电。相反， 可在无电流状态下开关。相应地，可使用低成本的分离装置，该分离装置 不必适合于用来在有负载的情况下进行开关。DE102009019831A1不涉 及通过辅助开关装置安全切断短路电流这一问题。

从WO2011/023732A2中已知一种用于太阳能电池模块的旁路和保护 电路和一种用于控制太阳能电池模块的方法。所述旁路和保护电路具有： 输入端，其用于连接太阳能电池模块；输出端；旁路元件，其并联连接到 输出端；分离元件，其连接在输入端与输出端之间；以及，保护元件，其 按照与输入端并联连接的二极管的形式。在这种情况下，配置分离元件， 以便控制在输入端与输出端之间的连接，此种控制视与旁路和保护电路相 关联的太阳能电池模块是否被完全或部分遮蔽或是否应打开或关闭而定。 分离元件具有开关，并且旁路元件具有二极管且该二极管具有并联连接的 开关。从太阳能电池模块出发，旁路元件布置在分离元件后面。继电器可 作为开关使用。优选半导体器件。当连接的太阳能电池模块被遮蔽时，将 分离元件的开关打开并将旁路元件的开关关闭。

从WO2004/082091A1中已知一种电子隔离开关，其用于连接供电网 和用于连接负载的输出端。隔离开关在输入端和输出端之间包括有保险装 置、半导体开关和继电器的串联电路。控制装置控制半导体开关，使得继 电器基本上被无电压地开关。

从DE102010007452A1中已知一种应用在电动车领域的隔离开关 的开关放电，其中隔离开关必须在电池与中间回路之间进行电流隔离。开 关放电具有至少一个半导体开关。为了断开电连接，将待切断的电流引导 通过半导体开关。然后，在电压积聚减少时将隔离开关关闭。

从EP2148417A1中已知一种具有多个在输入端串联连接的DC/AC 变换器的光伏发电机的逆变器电路布置。光伏发电机连接在DC/AC变换 器的输入侧的串联电路上。为每个DC/AC变换器设置桥接开关 所述桥接开关位于直流电压中间电路中，并在 关闭状态下桥接相应的DC/AC变换器。电阻斩波器与每个桥接开关并联 连接。每个电阻斩波器由可控制的半导体开关、与之串联连接的电阻以及 与该电阻并联连接的二极管组成，二极管的正向与半导体开关的正向相反， 从而使其实现了续流二极管(Freilaufdiode)的功能。当桥接开关打开时将 电阻斩波器定时，以便将DC/AC变换器的输入侧的直流电压中间电路的 电容器放电。

发明目的

本发明的任务在于，提供一种光伏逆变器的电路布置，其中在每个 DC/AC变换器与总线之间具有明显小于所有连接的光伏发电机的最大短 路电流的临界断开容量，并且其中当最大短路电流流经单一的DC/AC变 换器时，隔离开关可将该最大短路电流安全地切断。此外，还提出了此种 电路布置的有利应用。

解决方案

本发明的任务通过具有专利独立权利要求1所述特征的电路布置得以 实现。从属权利要求2至13针对根据本发明所述电路布置的有利实施形 式。专利权利要求14至18涉及根据本发明所述电路装置的优选应用。

发明内容

本发明基于一种光伏逆变器的电路布置，其具有：两条总线；输入接 头，其用于将至少一个光伏发电机连接到总线；至少一个DC/AC变换器， 其连接到总线；各隔离开关，其在每个DC/AC变换器与总线之间；以及， 至少一个短路路径，其用于通过短路开关使得在总线之间施加的电压短路。 当多个DC/AC变换器并联连接到总线时，本发明具有特别的优点。

根据本发明，至少一个短路路径在所有隔离开关前面的总线之间延伸。 还存在至少一个其它的短路路径，其用于使得在总线之间施加的电压短路。 在所述至少一个短路路径中，短路开关与保险装置串联连接。

短路开关中的至少一个可以是用于触发关闭的晶闸管。晶闸管可安全 地开关大的短路电流。因此，可用很小的栅电流来触发它，也就是将其导 电连接并使其保持导电，直到流经其的保持电流较低为止。优选地，在所 有短路路径中存在的短路开关为晶闸管。

优选地，在所有隔离开关前面的总线之间的至少一个短路路径中的短 路开关还与用于限制电流的组件串联。限制电流的组件在这里被理解成这 样一种组件，其在短路开关关闭时限制电流，同时短路开关导电。特别地， 限制电流的组件涉及扼流圈，例如阻尼扼流圈，其只具有可忽略的欧姆电 阻。但是限制电流的组件在原则上也可以是欧姆电阻。若保险装置和短路 开关在至少一个短路路径中承受高浪涌电流，则可省去限制电流的组件。

在所有隔离开关前面的总线之间的至少一个短路路径中与短路开关 串联的保险装置，其在这里未被看作限制电流的组件。在这里，用保险装 置来表示这样一种组件，其通过将过载电流切断的方式来防止免受过载电 流的影响。保险装置特别涉及熔断保险装置，该熔断保险装置适合自动切 断所有连接的光伏发电机的短路电流。也可以涉及可触发的保险装置，例 如装备了引爆装置(Sprengsatz)的保险装置，所述引爆装置在点火后中断 电流。

在根据本发明所述电路布置中，当通过隔离开关中的一个的电流超过 其临界断开容量时，可将短路路径中的短路开关关闭，从而使得其导电并 且使得在总线之间施加的电压短接。在这种情况下，可将至少一个短路路 径中的短路开关最后关闭，所述短路路径在所有隔离开关前面的总线之间 延伸并且其中保险装置与短路开关串联连接，其目的是使保险装置不会立 即承受全部的短路电流。首先优选只有一部分短路电流流经根据本发明所 述电路布置的至少一个短路路径，所述短路路径在所有隔离开关前面的总 线之间延伸。一旦全部短路开关关闭，并且在总线之间的电压随后下降到 零时，可安全地打开隔离开关，这是因为通过隔离开关的开关触点(短路 电流首先会流经这些开关触点)，即使在打开时电压也不会再下降。此后， 短路电流集中在至少一个短路路径上，该短路路径在隔离开关前面的总线 之间延伸。这会导致布置在该短路路径中的保险装置触发并且断开短路电 流，以便使短路电流不会无必要地长时间流动。由于短路电流先前也流经 其它路径，因此不会出现发生提前触发保险装置的情况。此外，熔断保险 装置在触发时还具有典型的时间延迟，这种延迟在这里可用来先打开隔离 开关，然后再将通过至少一个短路路径的电流切断，所述短路路径具有保 险装置并在隔离开关前面的总线之间延伸。

根据本发明所述电路布置的至少一个其它的短路路径在原则上也可 以在隔离开关前面的总线之间延伸。但优选的是，该短路路径和所有其它 短路路径分别在隔离开关中的一个后面并且在所属的DC/AC变换器的连 接线之间延伸。这样一来，尽管短路开关关闭但通过打开隔离开关可使其 它短路路径去激活，而且全部短路电流在隔离开关打开时流经在隔离开关 前面的至少一个短路路径，在其中设置了保险装置，从而使得保险装置在 隔离开关打开后触发。

优选地，另一个短路路径在至少两个隔离开关后面分别在所属的 DC/AC变换器的连接线之间延伸。另一个短路路径也可以在每个隔离开关 后面分别在所属的DC/AC变换器的连接线之间延伸。但是优选地，短路 路径的总数量和短路开关的相应总数量在根据本发明所述电路布置中保 持小于或等于并联连接的DC/AC变换器的总数量。

在其它短路路径的每一个中，优选将限制电流的组件与相应的短路开 关串联连接。这时有利的是，限制电流的组件在至少一个其它的短路路径 中为放电电阻。在将所属的短路开关关闭时，所有DC/AC变换器的所有 输入侧中间回路电容器通过放电电阻分别根据其大小至少基本上被放电。 因此，在原则上可将根据本发明所述电路布置的短路开关设计得更小，这 是因为存储在中间回路电容器中的电能并未在短路开关中，而是在放电电 阻中转化成热。

特别优选的是，限制电流的组件在其它短路路径中的至少一个中为扼 流圈。其虽然限制了与之串联的短路开关承受的最大电流，但与放电电阻 不同的是，其还会使在总线之间通过短路路径短接的电压减少到零或减少 到几乎为零，这是因为其欧姆电阻可以忽略不计。

在根据本发明所述电路布置中，这些短路路径中的至少一个其它的短 路路径可平行于在隔离开关前面的短路路径中的至少一个直接在总线之 间延伸，其中短路开关也在这些短路路径中的至少一个其它短路路径中与 限制电流的组件以及保险装置串联连接。然后，将与保险装置串联连接的 短路开关构造成例如按照所谓门极可关断晶闸管(GTO)形式的可关断晶 闸管时，其在隔离开关打开后可被重新关断，但要在与其串联的保险装置 落下之前进行。多个与可关断晶闸管并联连接的短路路径在以下情况是有 用的，这是因为没有任意大小的GTO可供使用，此外保险装置的设计在 这种情况下会更简单。

在根据本发明所述电路布置的另一种具体的实施形式中，多个短路路 径在隔离开关前面的总线之间延伸，其中短路开关分别与限制电流的组件 和可触发的保险装置串联连接。为了使总线之间的电压短路，分别将短路 开关中的一个关闭。一旦隔离开关打开并且能够关闭，则与其串联连接的 保险装置被触发。当隔离开关的触点之间的空气或保护气被充分去电离时， 隔离开关是能够关闭的。为此，保险装置必须通过足够的延迟才可触发。 在保险装置触发之后，虽然也可使用相应的短路路径，但至少有一个其它 的短路路径可供用于重复所描述的步骤顺序，然后必须通过更换被触发的 保险装置或至少对被触发的保险装置进行重新设定来对电路布置进行维 护。

优选地，在根据本发明所述的电路布置中，隔离开关将DC/AC变换 器的所有极点与总线分开。但是也可进行单极点的分开。此外，DC/AC变 换器在输出侧优选可经由共同的AC接触器或单独的AC接触器与电源连 接。优选将所有AC接触器打开，然后才将根据本发明所述电路布置的短 路开关关闭。

根据本发明所述电路布置的本发明所述应用的主要特征是，隔离开关 在短路开关导电时打开。但是，并非每次打开隔离开关都需要事先关闭短 路开关。相反，可将为了打开隔离开关而关闭短路开关限制在这样的情况 下，即其中从总线流向连接的DC/AC转换器中的至少一个的DC电流超 过隔离开关中的至少一个的临界断开电流。从总线流至连接的DC/AC转 换器的电流在光伏逆变器中无论如何都得定期监测。

在关闭短路开关时优选的是，将至少一个短路路径中的短路开关(其 中所述短路路径在所有隔离开关前面的总线之间延伸并且其中保险装置 与所述短路开关串联，并且每个与所述短路路径直接并联连接的其它短路 路径也具有与短路开关串联连接的保险装置)最后关闭，也就是说仅在所 有其它的短路路径中的所有短路开关被关闭之后才关闭，所述所有其它的 短路路径在DC/AC转换器的隔离开关后面延伸。此外还优选的是，将每 个在短路路径中与放电电阻串联连接的短路开关首先关闭，即在所有其它 短路开关关闭之前关闭。

从专利权利要求、说明书和附图中获悉本发明有利的改进形式。说明 书中提到的特征和多个特征组合的优点仅仅是示例性的并且能够可替代 地或可补充地实施，所述优点非强制性地从根据本发明所述的实施形式中 获得。这样一来，不改变附加的专利权利要求的主题，在原始申请材料和 专利申请的公开内容方面有以下内容有效：从附图–特别是从示出的相 关布置和多个组件的有效连接中–获悉其它特征。本发明不同实施形式 的特征的组合或不同专利权利要求的特征的组合也可能与专利权利要求 所选择的反向关系有偏差并特此提出。这还涉及在单独的附图中示出的或 在其说明中提到的特征。这些特征也可与不同专利权利要求的特征组合。 本发明其它的实施形式在专利权利要求中列出的特征也可以省略。

专利权利要求和说明书中提到的特征，就其数量而言应这样理解，即 所述数量正好与提到的数量一致或大于提到的数量，且不需要明确使用副 词“至少”。例如提到一元件时，应这样来理解，即正好存在一个元件， 存在两个元件或存在两个以上元件。如果在这里仍然使用副词“至少”， 则表明并非不可能存在多个元件。这些元件可通过其它特征来补充或可为 相应的产品具有的唯一的特征。

专利权利要求中所包含的参考符号并不限制受专利权利要求保护的 对象范围。其仅用于以下目的，即使得专利权利要求更容易理解。

附图简述

下面将借助附图中示出的优选实施例来对本发明进行进一步说明和 描述。

图1示意性地示出了光伏逆变器的根据本发明所述电路布置的第一实 施形式，其包括三个不同结构的、分别具有短路开关的短路路径。

图2示出了根据本发明所述电路布置的第二实施形式，其同样包括三 个分别具有短路开关的短路路径，其中在这里具有相同结构的两个短路路 径在总线之间直接并联连接。

图3示出了包括四个短路路径的根据本发明所述电路布置的另一种实 施形式，其中三个短路路径具有相同的结构且分别布置在光伏逆变器的三 个DC/AC变换器中的一个DC/AC变换器的连接线之间并且在该DC/AC 变换器的隔离开关后面；

图4还示出了根据本发明所述电路布置的另一种实施形式，其包括三 个在总线之间直接并联连接的、除了短路开关外还分别具有可触发保险装 置的短路路径。

附图说明

图1示意性地示出了光伏逆变器1的电路布置的本发明的主要部分。 光伏逆变器1还具有额外的组件，所述组件在这里虽没有详细示出，但是 本领域技术人员根据其专业知识可进行补全。所述组件例如包括位于光伏 逆变器1的输出端2的正弦滤波器，在光伏逆变器1的输出端处可通过输 出接头3连接到交流电源4。

光伏逆变器1在其输入端5具有输入接头6，其用于连接光伏发电机 7。在逆变器1的一个实施形式中，输入接头6被设置用于单一的光伏发 电机7。这里还用虚线示出了另一个光伏发电机7的其它的输入接头6。 所连接的光伏逆变器7的数量也可大于2。输入接头6彼此平行地通向在 光伏逆变器1中的两个总线8和9。在所述总线8和9上分别通过一对连 接线13和14彼此并联连接多个DC/AC变换器10。在图1和后续附图中 示出了三个DC/AC变换器10。但是DC/AC变换器10的数量也可为仅1 个或2个或是3个以上。为DC/AC变换器10中的每一个设置有所有极点 都分开的隔离开关11，这些DC/AC变换器10可借助该隔离开关11与总 线8和9分开。此外，还为每个DC/AC变换器10设置了在输入侧的中间 回路电容器12，其从总线8和9来看在相应的隔离开关11后面连接在 DC/AC变换器的连接线13和14之间。

如果DC/AC变换器10中的一个出现导致连接线13和14短路的严重 的故障，则首先通过打开输出侧的AC接触器15将光伏逆变器1与交流电 源4分开并将DC/AC变换器10切断。由于该严重的故障，所有经由输入 接头6连接到总线8和9的光伏发电机7的全部短路电流最迟在这之后经 由所属的隔离开关11流到有故障的DC/AC变换器并倒流回来。因此，隔 离开关11的临界断开容量在原则上不仅被设计用于在正常操作中产生的 电流，而且也可将明显比这更高的短路电流切断。然而，在根据图1所述 的光伏逆变器1中设置了短路路径16至18，在这些短路路径中布置了可 触发晶闸管形式的短路开关19，借助其可在隔离开关11的临界断开容量 明显更小时，例如在额定电流数量级中有可能，在所述故障情况下安全地 切断短路电流。

短路路径16至18中的一个，具体而言是短路路径18，直接连接在总 线8和9之间，并且在所述短路路径中将按照熔断保险装置25形式的保 险装置20和扼流圈21与短路开关19串联连接。两个其它的短路路径16 和17在这里从总线8和9开始来看分别在隔离开关11后面在所属的 DC/AC变换器10的连接线13和14之间延伸。其中在短路路径16中，扼 流圈21与短路开关19串联连接，同时在短路路径17中放电电阻22与在 此处的短路开关19串联连接。

为了在DC/AC变换器中出现严重故障时，在将AC接触器15打开并 在切断DC/AC变换器10之后将短路电流切断，首先将短路路径17中的 短路开关19关闭。然后，经由放电电阻22将所有DC/AC变换器10的中 间回路电容器12放电。在这种情况下，存储在中间回路电容器12中的能 量在放电电阻22中转化成热。接着，另外首先将短路路径16中的短路开 关19关闭，并随后也将短路路径18中的短路开关19关闭。这样一来， 在总线8和9之间施加的电压进一步减小，因为这通过短路路径17的放 电电阻22是可能的。对于所述方法，保险装置20尚未经受连接到总线8 和9的光伏发电机7的全部短路电流，这是因为该短路电流仍然分布在全 部短路路径16至18上，特别是分布在短路路径16和18(即分布在没有 放电电阻22的短路路径)上。当各个短路开关19关闭时，放电电阻22 或扼流圈21会阻止最初超高的电流流经相应的短路路径16、17或18。

一旦在总线8和9之间的电压借助短路路径16至18降低到零，则随 后也能够将隔离开关11安全地打开，条件是其临界断开容量只相当于相应 的DC/AC变换器10的额定电流或者甚至更小。具体来说，隔离开关11 不必是负载隔离开关。一旦这时其后布置了短路路径16或17或者其通向 有故障的DC/AC变换器10的所有隔离开关11打开，则连接在总线8和9 上的光伏发电机7的总短路电流流经短路路径18并从而流经熔断保护装 置25。熔断保护装置25被设计成，使得其在全部短路电流中会落下并将 短路路径18分开。这样一来，短路电流最终被切断。熔断保护装置25就 其相对全部短路电流的响应行为而言被设计成，使得其仅根据时间延迟落 下，所有隔离开关11在其分离段的区域中去电离，直至这些隔离开关11 在其开关触点之间由于施加了光伏发电机7的断路电压而不再导电为止。

根据图2的光伏逆变器1的本发明所述电路布置与根据图1的电流布 置在短路路径17和18方面有所不同。因此，在这里省略了根据图1所述 的短路路径16。另一方面，相同构造的另一个短路路径18与短路路径18 直接在总线8和9之间并联连接。这两个短路路径18的短路开关19被构 造成所谓的GTO23形式的可关断晶闸管。为此有可能的是，在隔离开关 11打开后，在保险装置20没有落下时将短路电流切断，方式是将GTO23 关断。并联连接的短路路径18在这种情况下出于以下原因是有意义的， 即没有任意大的GTO23可供使用，并且在隔离开关11打开后在两个短路 路径18上流过的短路电流的分布简化了保险装置20的设计。为此有可能 更容易的是，省去根据图1所示的、在这里略去的短路路径16，借助所述 短路路径16在短路路径18关闭之前，总线8和9之间的电压在事先关闭 短路路径17之后还会继续下降，并且其在隔离开关11打开之前承受比短 路路径17更大部分的短路电流。此外，根据图2所述的隔离开关11将 DC/AC变换器10仅单极地与总线8和9(具体而言是与总线9)分开。

相较于根据图1所述的实施形式，在根据图3所述的光伏逆变器1的 电路布置的实施形式中省略了具有放电电阻22的短路路径17。为此，在 所有隔离开关11后面以及在所属的DC/AC变换器10前面，短路路径16 连接在连接线13和14之间，其中扼流圈21分别与短路开关19串联连接。 在这些短路路径16上分布有短路电流和存储在中间回路电容器12中的能 量，条件是首先将短路路径16中的短路开关19关闭。继而当在短路路径 18中的短路开关19关闭时，串联连接的保险装置20不会马上承载全部短 路电流，而是仅在隔离开关11打开之后才承载全部短路电流。在这一时刻 期望的是保险装置20落下，一旦隔离开关11的分离段充分去电离，则其 不再能导电以便切断短路电流。

在根据图4所述光伏逆变器1的电路布置的实施形式中，不同于图1 所述实施例的是，在隔离开关11中的一个后面并且在所属的DC/AC变换 器10前面既没有设置短路路径16也没有设置短路路径17。这里仅有多个 (在本实施例中具体是3个)短路路径18直接连接在总线8和9之间。 在每个短路路径18中，将可触发保险装置24作为保险装置20与扼流圈 21和短路开关19串联连接。如果总线8和9通过DC/AC变换器10中的 一个并经由所属的隔离开关11短接而出现严重的故障时，在将AC接触器 15打开并且将所有DC/AC变换器10切断后，短路路径18中的一个的短 路开关19关闭。一旦随后因为经由具有较小电阻的短路路径18使总线8 和9短路而导致在总线8和9之间的电压下降，则隔离开关11会打开。一 旦隔离开关11被打开后经过足够长的时间，在其开关触点之间的段不再能 够导电时，将现在引导整个短路电流的短路路径18的保险装置20触发， 以便切断短路电流。之后需要使用所述短路路径，直到代替其保险装置20 为止。但是并联的短路路径18可供重新安全地切断短路电流来使用。

参考标记列表

1光伏逆变器

2输出端

3输出接头

4交流电源

5输入端

6输入接头

7光伏发电机

8总线

9总线

10DC/AC变换器

11隔离开关

12中间回路电容器

13连接线

14连接线

15AC接触器

16短路路径

17短路路径

18短路路径

19短路开关

20保险装置

21扼流圈

22放电电阻

23GTO

24可触发保险装置

25熔断保险装置