CN114175436A - 电气网络和用于运行电气网络的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电气网络(1000)，其具有馈电器(1010…1013)、耗电器(1050…1055)和布置在它们之间的配电网络(2000)，该配电网络具有至少一个母线(200)并且具有至少一个用于断开或接通直流电路的装置(2010…2016)，其中该装置包括：‑用于断开或接通直流电路的电气开关(110)，‑故障电流检测器(120)，‑触发单元(130)，‑预充电装置(140)，和‑控制单元(150)，其用于在预充电之后自动接通电气开关，其中，在故障电流检测器检测到故障电流的情况下，电气开关借助触发单元断开直流电路，并且预充电装置在电气开关接通之前恢复母线上的电压，其中馈电器分别借助用于断开或接通直流电路的装置中的一个被单独地电气分离。

Description

电气网络和用于运行电气网络的方法
技术领域
本发明涉及一种电气网络和一种用于运行电气网络的方法。
背景技术
特别是在可再生能源与其他网络馈电器并联进行供电的情况下，直流配电网络相对于交流配电网络，在降低成本和提高能源效率方面具有优势。在使用可再生能源、例如光伏模块的情况下，可以用简单的直流-直流转换器代替直流-交流-直流转换器。电池作为储能器能够更容易地连接到系统，而电容器组能够在没有另外的转换器的情况下直接连接到系统。
为了连接并从交流(alternating current)网络中进行供电，可以使用调节和非调节的整流器。优选地，主动前端(Active Front End，AFE)技术用于从交流源供应能量或者用于在从电动机回收制动能量的情况下返回能量：而在主动前端(AFE)设备的情况下，电气网络的交流侧是稳定的，因此电气网络质量通过无功能量供应得到整体补偿，电动机的制动能量可以馈送给配电系统。
然而，直流网络在保护短路或其他故障源方面也有挑战。在对应于图1中图示的示例性直流网络中，该直流网络具有馈电器1010；1011；1012；1013和耗电器1050；1051；1052；1053；1054以及布置在它们之间的配电网络2000，该配电网络2000具有传统的机电保护装置(例如塑壳断路器，moulded case circuit breaker，MCCB)，由于交流-直流转换器中的电力电子器件的快速自我保护功能，直流网络失去了其选择性。在图1的图示中，馈电器1010；1011例如可以是交流源，该交流源通过主动前端(AFE)1020；1021馈入系统。
通过交流侧的转换器和保险丝的自我保护不能充分保护续流二极管，因为在故障路径中出现LRC振荡的情况下，由于可能的电压反转，电流可能会引起严重损坏。特别是在主动前端(AFE)没有以防短路的方式与母线连接的情况下，会观察到这种情况。同样地，在IGBT断开之后，二极管可以作为不受控的整流器起作用。在此，故障电流从交流侧供应，并且可能不会被保险丝足够快速地断开，因此可能会损坏二极管。
在严重的故障情景期间，电容器组或直流中间电路(DC-Link)的放电会产生极高的电流峰值，其在ms(毫秒)的时间段内流动。传统的机电开关不能足够快地断开这种故障电流。在这种具有多个馈电器的系统中，具有最低额定电流的最弱馈电器路径或耗电器路径于是具有最大短路电流与标称电流的最高比率。
直流配电系统的主要问题在于，续流二极管由于电压反转的可能的损坏、电容性放电和关于主动前端(AFE)的选择性。
附加地，对于馈电器和耗电器，电容器在每个转换器(交流-直流或直流-直流转换器)或逆变器(直流-交流)中位于直流侧。
图2中示出了配电网络中的故障1500；1501；1502；1503；1504；1505；1506；1507；1508的可能的位置。即使对于没有回馈的电动机，耗电器侧的故障也可能从两个方向馈送：电流能够从馈电器并且从耗电器的其他分支流过，并且通过通常在直流-交流逆变器中使用的DC链接(直流中间电路电容器)放电。因此，在规划网络时必须考虑将功率转换器、例如主动前端(AFE)，以防止短路的方式连接到直流母线200。否则就需要两个保护装置，如这在图3B中所示的。
直流电气网络的主要问题在于，系统中的电容器数量多并且电容大。在故障电阻较低的情况下，这意味着，这些电容器会在2至3ms(毫秒)内放电，同时出现极高的电流峰值。由于电压反转，在相同的时间段内，通过续流二极管产生高电流。为了防止电缆和续流二极管的损坏，必须极其迅速地将故障电流中断。在应当产生关于功率转换器的选择性时，这也是必要的。由于机电开关的性质，其断开的开关时间为至少几ms(毫秒)。电容器的放电以及配电网络2000上的与之相连的电压跌落已经发生了。因此，仅基于机电开关的解决方案无法实现对这种直流电气网络的保护。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种克服上述缺点的替换的电气网络。
上述技术问题通过根据权利要求1的电气网络来解决。有利的实施方案在从属权利要求2至12中给出。根据本发明的技术问题同样通过根据权利要求13的用于运行电气网络的方法来解决。在从属权利要求14中给出了有利的实施方案。
根据权利要求1的电气网络配备有馈电器、耗电器和布置在它们之间的配电网络，该配电网络具有至少一个母线并且具有至少一个用于断开或接通直流电路的装置，其中该装置包括：
-用于断开或接通直流电路的电气开关，
-故障电流检测器，
-触发单元，
-预充电装置，和
-控制单元，其用于在预充电之后自动接通电气开关，其中，在故障电流检测器检测到故障电流的情况下，电气开关借助触发单元断开直流电路，并且预充电装置在电气开关接通之前恢复母线上的电压，其中馈电器分别借助用于断开或接通直流电路的装置中的一个被单独地电气分离。
在此有利的是，能够在网络中使用数量减少的半导体开关，从而使成本和功率损失最小化，因为半导体开关仅用于馈电器、能量存储器和具有功率回馈的大型电动机负载。在发生故障的情况下，故障电流能够借助断路器在几μs，通常是10μs(微秒)的时间内极其迅速地中断，然后能够以相对较慢的速度将故障隔离。这使得在其余系统中使用机电电气开关成为可能。由于在发生故障的情况下，所有的馈电器都直接与电气网络分离，负责的机电电气开关仅需中断明显减小的故障电流，在特定的应用中，它们甚至可以无电流地进行开关。这可以实现，机电开关的设计尺寸与传统电气网络中的机电开关相比要小得多。
在一种实施方案中，各个耗电器分别可以借助用于断开或接通直流电路的装置中的一个被单独地电气分离，并且布置在馈电器和耗电器之间的配电网络包括机电开关，以隔离故障。
在另外的实施方案中，至少一个装置中的电气开关是半导体开关。
在一种实施方案中，至少一个装置还包括用于通信的单元。
在另外的实施方案中，至少一个装置还包括用于限制接通瞬态的控制单元。该控制单元可以使接通时的高瞬态电流保持在该装置的断开阈值以下。
在另外的实施方案中，预充电装置在第一等待时间之后恢复母线上的电压。替换地，预充电装置在接收到命令之后恢复母线上的电压。预充电装置可以通过用于通信的单元接收该命令。
在另外的实施方案中，用于自动接通电气开关的控制单元在第二等待时间之后自动接通该电气开关。
替换地，用于自动接通电气开关的控制单元在母线上的电压恢复到超过阈值之后接通该电气开关。
在另外的实施方案中，电气网络是直流电路。
在另外的实施方案中，用于断开或接通直流电路的装置依据直流中间电路(DC-Link)的大小布置在大容量的功率转换器、作为能量存储器的电容器组、光伏设备、电池或具有回馈的耗电器上，并且机电开关布置在其余位置。
根据权利要求13的用于运行电气网络的方法包括以下步骤：
-在发生故障的情况下，在μ在(微秒)内迅速断开所有(靠近馈电器的)用于断开或接通直流电路的装置，以分离所有的馈电器(包括所有的能源和所有的具有回馈能力的设备)；
-断开该装置之后，在ms(毫秒)内仅断开靠近故障位置的机电开关，以隔离故障；并且然后
-自动接通用于断开或接通直流电路的装置。
在另外的实施方案中，根据本发明的方法包括另外的步骤：
-如果自动接通用于断开或接通直流电路的装置之后仍然检测到故障，则最终断开馈电器处的用于断开或接通直流电路的装置。
附图说明
结合下面对结合附图详细阐述的对实施方式的描述更清楚且明晰地理解上面描述的本发明的特点、特征和优点以及其实现方式。
附图中：
图1示出了具有馈电器、耗电器和配电网络的电气网络；
图2示出了具有馈电器和耗电器以及可能的故障的电气网络；
图3A和图3B示出了具有馈电器和耗电器并且在配电网络中具有保护装置的电气网络；
图4示出了根据本发明的具有馈电器、耗电器和配电网络的电气网络；以及
图5示出了用于断开或接通直流电路的装置。
具体实施方式
图1中示出了示例性的直流电气网络，该电气网络具有标称条件下的电流流动。馈电器1010；1011；1012；1013通过具有母线200的配电网络2000与耗电器1050；1051；1052；1053；1054连接。馈电器1010；1011例如可以是交流源，其通过主动前端(AFE)1020；1021与配电网络2000连接。在此，电流可以双向地流入或流出配电网络2000。馈电器1012例如可以是光伏设备，而馈电器1013可以是具有功率转换器的另外的类型。在这些馈电器1012；1013中，仅在配电网络2000的方向上的单向电流流动是可能的。
类似的情况也适用于耗电器：一些耗电器允许单向电流流动，而另外的耗电器允许与网络2000的双向电流流动。例如，耗电器1050可以是欧姆负载，其仅允许在其方向上的单向电流流动。这同样适用于没有功率回馈的电动机，例如耗电器1052。耗电器1051；1053；1054例如可以是具有功率回馈的电动机、作为能量存储器的电容器组或电池，其中，在这些耗电器的情况下，流入和流出配电网络的双向电流流动是可能的。
图2中示出了图1中的电气网络，该电气网络具有馈电器1010；1011；1012；1013、耗电器1050；1051；1052；1053；1054和布置在它们之间的配电网络2000，其中标记出了故障1500；1501；1502；1503；1504；1505；1506；1507；1508的可能的故障位置。例如，耗电器1050与母线200之间的故障可能发生在故障1504的故障位置。
图3A和图3B中再次示出了图1和图2的电气网络，其中配电网络2000包括保护装置2050；2051；2052；2053；2054；2055；2056；2057；2058；2059；2060；2061；2062；2063；2064；2065；2066。根据相应地要拦截哪个故障1500；1501；1502；1503；1504；1505；1506；1507；1508，保护装置可以布置在配电网络2000中。
图4示出了根据本发明的电气网络1000，该电气网络具有馈电器1010；1011；1012；1013、耗电器1050；1051；1052；1053；1054；1055和布置在它们之间的配电网络2000，该配电网络具有至少一个母线200并且具有至少一个用于断开或接通直流电路的装置2010；2011；2012；2013；2014；2015；2016。
馈电器1010；1011；1012；1013分别可以借助用于断开或接通直流电路的装置2010；2011；2012；2013中的一个被单独地电气分离。用于断开或接通直流电路的装置2010；2011；2012；2013分别布置在馈电器与母线200之间。
此外，各个耗电器1052；1054；1055也可以借助用于断开或接通直流电路的装置2014；2015；2016中的一个被单独地电气分离或从母线200分离。为了隔离故障，布置在它们之间的配电网络2000还包括传统的机电开关2020；2021；2022；2023；2024；2025；2026；2027；2028；2029；2030。具有耗电器1053的各个分支可以在母线200上利用机电开关进行保护并且在耗电器附近利用二极管进行保护，该耗电器1053包含例如中间电路电容器但不具有回馈能力。
用于断开或接通直流电路的装置依据直流中间电路(DC-Link)的大小布置在大容量的功率转换器、作为能量存储器的电容器组、光伏设备、电池或具有回馈的耗电器上。
根据本发明的电气网络1000可以利用以下方法运行：
-在发生故障的情况下，在μ在(微秒)内迅速断开所有用于断开或接通直流电路的装置2010；2011；2012；2013；2014；2015；2016，以分离所有的馈电器1010；1011；1012；1013；
-在断开该装置2010；2011；2012；2013；2014；2015；2016之后，在ms(毫秒)内仅断开靠近故障位置的机电开关(2020；2021；2022；2023；2024；2025；2026；2027；2028；2029；2030中的一个或多个)，以隔离故障；并且然后
-自动接通用于断开或接通直流电路的装置2010；2011；2012；2013；2014；2015；2016。
根据本发明的方法可以进一步包括以下步骤：
-如果自动接通用于断开或接通直流电路的装置2010；2011；2012；2013；2014；2015；2016之后仍检测到故障，则最终断开用于断开或接通直流电路的装置2010；2011；2012；2013；2014；2015；2016。
因此，在发生故障的情况下会发生以下情况：
用于断开或接通直流电路的装置2010；2011；2012；2013；2014；2015；2016和故障附近的机电开关同时检测到故障。所有用于断开或接通直流电路的装置2010；2011；2012；2013；2014；2015；2016立即断开，以防止馈电器进一步馈送故障。同时，最近的机电开关也断开，以隔离故障。为此，具有在几ms(毫秒)范围内的快速的开关特性的机电开关是优选的。主动前端(AFE)仍然处于运行。馈电器上的用于断开或接通直流电流的装置等待固定定义的时间或直到它们接收到再次接通的命令。母线200上的电压通过用于断开或接通直流电路的装置2010；2011；2012；2013；2014；2015；2016被重新加载。馈电器上的用于断开或接通的装置被接通，并且可能经历接通瞬态。一旦母线200上的电压恢复，耗电器和光伏设备、电池或电容器组上的用于断开或接通直流电路的装置就会接通。如果馈电器上的用于断开或接通直流电的装置仍然检测到故障，它们会再次断开并保持断开状态。
图5中示出了根据本发明的用于断开或接通直流电路的装置2010；2011；2012；2013；2014；2015；2016，其具有至少一个母线200。为此，装置2010；2011；2012；2013；2014；2015；2016包括用于断开或接通直流电路的电气开关110、故障电流检测器120、触发单元门驱动器130和预充电装置140，其中，在故障电流检测器120检测到故障电流的情况下，电气开关110借助触发单元130断开直流电路，并且其中预充电装置140在电气开关110接通之前恢复母线200上的电压。此外，为了自动接通，在根据本发明的装置2010；2011；2012；2013；2014；2015；2016中还设置了控制单元150，该控制单元能够在预充电之后自动接通电气开关110。
根据本发明的装置2010；2011；2012；2013；2014；2015；2016的电气开关110例如可以是半导体开关。例如，电气开关在此可以是基于硅(Si)、基于碳化硅(SiC)或基于氮化镓(GaN)的半导体开关。
如图5中所示，根据本发明的装置2010；2011；2012；2013；2014；2015；2016还可以包括用于通信的单元180。该用于通信的单元180可以接收来自上级控制单元的命令和/或可以协调布置在配电网络2000中的装置2010；2011；2012；2013；2014；2015；2016。
根据本发明的装置2010；2011；2012；2013；2014；2015；2016还可以包括用于限制接通瞬态的控制单元160。例如，控制单元160可以使在接通时的高瞬态电流保持在装置2010；2011；2012；2013；2014；2015；2016的断开阈值以下。
根据本发明的装置2010；2011；2012；2013；2014；2015；2016还可以包括用于测量电流值和/或电压值的测量单元170。
预充电设备140可以在第一等待时间之后恢复母线200上的电压。替换地，预充电装置140在接收到命令之后恢复母线200上的电压。该命令可以通过用于通信的单元180传递给预充电装置140。
用于自动接通电气开关110的控制单元150可以在第二等待时间之后自动接通该电气开关。用于自动接通电气开关110的控制单元150同样可以在将母线200上的电压恢复到高于阈值之后接通该电气开关。为此，用于自动接通电气开关110的控制单元150可以从测量单元170获得母线200上的电压值。

Claims (14)

1.一种电气网络(1000)，具有馈电器(1010；1011；1012；1013)、耗电器(1050；1051；1052；1053；1054；1055)和布置在所述馈电器和所述耗电器之间的配电网络(2000)，所述配电网络具有至少一个母线(200)并且具有至少一个用于断开或接通直流电路的装置(2010；2011；2012；2013；2014；2015；2016)，其中所述装置(2010；2011；2012；2013；2014；2015；2016)包括：
-电气开关(110)，所述电气开关用于断开或接通直流电路，
-故障电流检测器(120)，
-触发单元(130)，
-预充电装置(140)，和
-控制单元(150)，所述控制单元用于在预充电之后自动接通所述电气开关(110)，
其中，在所述故障电流检测器(120)检测到故障电流的情况下，所述电气开关(110)借助所述触发单元(130)断开直流电路，并且所述预充电装置(140)在所述电气开关接通之前恢复所述母线(200)上的电压，
其特征在于，所述馈电器(1010；1011；1012；1013)分别借助用于断开或接通直流电路的装置(2010；2011；2012；2013)中的一个被单独地电气分离。
2.根据权利要求1所述的电气网络(1000)，其中，各个耗电器(1052；1054；1055)分别能够借助用于断开或接通直流电路的装置(2014；2015；2016)中的一个被单独地电气分离，并且布置在馈电器和耗电器之间的配电网络(2000)包括机电开关(2020；2021；2022；2023；2024；2025；2026；2027；2028；2029；2030)以隔离故障。
3.根据权利要求1或2所述的电气网络(1000)，其中，至少一个装置(2010；2011；2012；2013；2014；2015；2016)的电气开关(110)是半导体开关。
4.根据权利要求1、2或3所述的电气网络(1000)，其中，至少一个装置(2010；2011；2012；2013；2014；2015；2016)还包括用于通信的单元(180)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的电气网络(1000)，其中，至少一个装置(2010；2011；2012；2013；2014；2015；2016)还包括用于限制接通瞬态的控制单元(160)。
6.根据上述权利要求中任一项所述的电气网络(1000)，其中，所述预充电装置(140)在第一等待时间之后恢复所述母线(200)上的电压。
7.根据上述权利要求1至6中任一项所述的电气网络(1000)，其中，所述预充电装置(140)在接收到命令之后恢复所述母线(200)上的电压。
8.根据权利要求7所述的电气网络(1000)，其中，所述预充电装置(140)通过用于通信的单元(180)接收所述命令。
9.根据上述权利要求中任一项所述的电气网络(1000)，其中，用于自动接通所述电气开关(110)的控制单元(150)在第二等待时间之后自动接通所述电气开关。
10.根据上述权利要求1至9中任一项所述的电气网络(1000)，其中，用于自动接通所述电气开关(110)的控制单元(150)在将所述母线(200)上的电压恢复到超过阈值之后接通所述电气开关。
11.根据上述权利要求中任一项所述的电气网络(1000)，其中，所述电气网络(1000)是直流电路。
12.根据上述权利要求中任一项所述的电气网络(1000)，其中，用于断开或接通直流电路的装置(2010；2011；2012；2013；2014；2015；2016)依据直流中间电路(DC-Link)的大小布置在大容量的功率转换器、作为能量存储器的电容器组、光伏设备、电池或具有回馈的耗电器上，并且所述机电开关(2020；2021；2022；2023；2024；2025；2026；2027；2028；2029；2030)布置在其余位置。
13.一种用于运行根据上述权利要求中任一项所述的电气网络(1000)的方法，
-在发生故障的情况下，在μs(微秒)内迅速断开所有用于断开或接通直流电路的装置(2010；2011；2012；2013；2014；2015；2016)，以分离所有的馈电器(1010；1011；1012；1013)，
-在断开所述装置(2010；2011；2012；2013；2014；2015；2016)之后，在ms(毫秒)内仅断开靠近故障位置的机电开关(2020；2021；2022；2023；2024；2025；2026；2027；2028；2029；2030中的一个或多个)，以隔离故障；并且然后
-自动接通所述用于断开或接通直流电路的装置(2010；2011；2012；2013；2014；2015；2016)。
14.根据权利要求13所述的用于运行电气网络(1000)的方法，具有另外的步骤：
-如果在自动接通所述用于断开或接通直流电路的装置(2010；2011；2012；2013；2014；2015；2016)之后仍然在馈电器(1010；1011；1012；1013)上检测到故障，则最终断开所述用于断开或接通直流电路的装置(2010；2011；2012；2013；2014；2015；2016)。
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