DE102020129917A1 - Verfahren zum Betrieb eines Gleichspannungsnetzes und Stromrichter zur Verbindung eines Gleichspannungsnetzes mit einem Wechselspannungsnetz - Google Patents

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Abstract

Die Anmeldung beschreibt ein elektrisches System mit einem Stromrichter (10) und einem DC/DC-Steller (40), wobei der Stromrichter (10) zum Leistungstransfer zwischen einer AC-Seite (16) des Stromrichters (10) und einer DC-Seite (18) des Stromrichters (10) eingerichtet ist, wobei die AC-Seite (16) des Stromrichters (10) an ein geerdetes dreiphasiges AC-Versorgungsnetz (12) anschließbar ist und die DC-Seite des Stromrichters (10) an ein ungeerdetes DC-Netz (14) anschließbar ist. Der Stromrichter (10) weist eine Brückenschaltung (20) auf, deren AC-Anschlüsse (ACL1, ACL2, ACL3) über AC-Relais (22) mit der AC-Seite (16) des Stromrichters (10) verbindbar sind und deren DC-Anschlüsse (DCL+, DCL-) über Trennschalter (26.1, 26.2) mit der DC-Seite des Stromrichters (10) verbindbar sind. Der DC/DC-Steller (40) weist eine Ausgangsseite (24) auf, die der DC-Seite (18) des Stromrichters (10) zugewandt ist, und das elektrische System weist eine Messeinrichtung (38) auf, die eingerichtet ist, eine DC-Stromrichterspannung (UDCS) und eine auf der Ausgangsseite (24) des DC/DC-Stellers (40) anliegende DC/DC-Ausgangsspannung (USym) zu messen, wobei die DC-Stromrichterspannung (UDCS) und die DC/DC-Ausgangsspannung (USym) auf gegenüberliegenden Seiten der Trennschalter (26.1, 26.2) anliegen. Das elektrische System weist eine Steuereinheit (30) auf, die eingerichtet ist, den DC/DC-Steller (40) so anzusteuern, dass auf der Ausgangsseite (24) des DC/DC-Stellers (40) eine DC/DC-Ausgangsspannung (USym) eingestellt wird, die dem Betrag nach der DC-Stromrichterspannung (UDCS) entspricht. Die Anmeldung beschreibt außerdem ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Systems.

Description

  • Ein DC-Energiesystem umfasst mindestens eine Energiequelle, die elektrische Leistung bevorzugt als Gleichstrom zur Verfügung stellt, also eine DC-Quelle, z.B. eine Batterie, einen PV-Generator oder eine Brennstoffzelle, und mindestens eine Last, die elektrische Leistung bevorzugt als Gleichstrom verbraucht, also eine DC-Senke, z. B. einen Verbraucher, sowie Verbindungen zwischen diesen elektrischen Komponenten. Das DC-Energiesystem kann ein DC-Netz oder einen DC-Bus umfassen, wo die elektrischen Komponenten angeschlossen sind, und weitere Quellen, Speicher und/oder Verbraucher umfassen. Der Übergang zwischen einem DC-Bus mit wenigen angeschlossenen Komponenten, beispielsweise lediglich einer Quelle und einer Senke, und einem DC-Netz mit einer Vielzahl an derartigen Komponenten ist fließend. In dieser Anmeldung wird unter dem Begriff DC-Netz auch ein DC-Bus verstanden.
  • Ein solches DC-Netz kann geerdet oder ungeerdet betrieben werden. Abhängig von der konkreten Betriebsart können unterschiedliche Überwachungs- und Schutzmechanismen für den Fall eines Erdschlusses normativ gefordert sein.
  • Ein ungeerdetes DC-Netz, in dem die Potentiale DC+ und DC- der jeweiligen DC-Leitungen DCL+ und DCL- keinen festen Bezug zum Erdpotential aufweisen, hat den Vorteil, dass ein etwaiger erster Erdschluss im DC-Netz, beispielsweise ein Isolationsfehler entlang einer der DC-Leitungen, noch zu keinem Schaden führt. Es wird jedoch eine Isolationsüberwachung benötigt, um das Auftreten jedweden Fehlers zu detektieren und ggf. schon bei einem ersten Erdschluss Gegenmaßnahmen einleiten zu können, z.B. die Energiequelle abzuschalten bzw. die Energiequelle und/oder die Fehlerstelle vom DC-Netz zu trennen.
  • In einem geerdeten DC-Netz weisen die Potentiale DC+ und DC- einen definierten Bezug zum Erdpotential auf. Ein derartiger Erdbezug kann beispielsweise mittels einer resistiven Verbindung zwischen dem Erdpotential und einem der DC-Potentiale DC+ oder DC- einfach realisiert werden.
  • Ein DC-Netz kann über einen Stromrichter mit einem weiteren Energienetz, z. B. einem weiteren DC-Netz oder einem AC-Netz, beispielsweise einem AC-Versorgungsnetz, verbunden werden und mit dem weiteren Energienetz elektrische Leistung austauschen, insbesondere zur Unterstützung oder Wiederaufladung der DC-Quelle im DC-Netz. Grundsätzlich kann das DC-Netz auch dauerhaft oder zeitweise vollständig über den Stromrichter mit Energie aus dem weiteren Energienetz versorgt werden, wobei die Energiequelle des DC-Netzes ggf. zur Pufferung von Leistungsschwankungen verwendet werden kann.
  • Wenn das weitere Energienetz eine Erdung, z. B. in Form eines geerdeten Neutralleiters aufweist und der Stromrichter transformatorlos aufgebaut ist, d.h. keine galvanische Trennung zwischen AC- und DC-Seite aufweist, wird das DC-Netz automatisch über den Stromrichter mit einem festen Erdbezug versehen, d.h. geerdet. Die konkrete Lage der Potentiale des DC-Netzes relativ zum Erdbezug wird dabei durch die konkret verwendete Topologie des Stromrichters vorgegeben. Beispielsweise kann der Stromrichter gleichstromseitig einen geteilten Zwischenkreis aufweisen, dessen Mittelpunkt, also Mittelpotential, mit einem Neutralleiter mit festem Erdbezug verbunden ist, so dass sich die DC-Potentiale am Zwischenkreis weitgehend symmetrisch um das Erdpotential einstellen.
  • Insofern wird ein an sich ungeerdetes DC-Netz durch eine Verbindung mit einem geerdeten Energienetz über einen transformatorlosen Stromrichter ebenfalls zu einem geerdeten Netz. Es können sich somit zwei Betriebszustände für ein solches DC-Netz ergeben, ein ungeerdeter „Stand-alone“-Betrieb und ein geerdeter Betrieb bei Verbindung mit dem geerdeten Energienetz. Dies ist bei der Systemauslegung zu beachten.
  • Verbindet man allerdings ein geerdetes DC-Netz mit einem geerdeten AC-Netz, beispielsweise über einen Stromrichter, kann es zu derart hohen, unkontrollierten Stromflüssen zwischen den Netzen kommen, dass Komponenten des Stromrichters oder Komponenten der Netze beschädigt werden. Dies gilt auch, wenn in einem vermeintlich ungeerdeten DC-Netz ein Isolationsfehler vorhanden ist.
  • Das Kürzel DC (engl. direct current) steht in dieser Anmeldung für Gleichstrom oder Gleichspannung und AC (engl. alternating current) für Wechselstrom oder Wechselspannung.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches System und ein Verfahren aufzuzeigen, die einen sicheren Betrieb eines DC-Energiesystems ermöglichen.
  • Lösung
  • Die Aufgabe wird durch ein elektrisches System mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Ein elektrisches System weist einen Stromrichter und einem DC/DC-Steller auf, wobei der Stromrichter zum Leistungstransfer zwischen einer AC-Seite des Stromrichters und einer DC-Seite des Stromrichters eingerichtet ist. Die AC-Seite des Stromrichters ist an ein geerdetes dreiphasiges AC-Versorgungsnetz anschließbar und die DC-Seite des Stromrichters ist an ein ungeerdetes DC-Netz anschließbar. Der Stromrichter weist eine Brückenschaltung auf, deren AC-Anschlüsse über AC-Relais mit der AC-Seite des Stromrichters verbindbar sind und deren DC-Anschlüsse über Trennschalter mit der DC-Seite des Stromrichters verbindbar sind, wobei der DC/DC-Steller eine Ausgangsseite aufweist, die der DC-Seite des Stromrichters zugewandt ist. Das elektrische System weist eine Messeinrichtung auf, die eingerichtet ist, eine DC-Stromrichterspannung und eine auf der Ausgangsseite des DC/DC-Stellers anliegende DC/DC-Ausgangsspannung zu messen, wobei die DC-Stromrichterspannung und die DC/DC-Ausgangsspannung auf gegenüberliegenden Seiten der Trennschalter anliegen. Das elektrische System weist eine Steuereinheit auf, die eingerichtet ist, den DC/DC-Steller so anzusteuern, dass auf der Ausgangsseite des DC/DC-Stellers eine DC/DC-Ausgangsspannung eingestellt wird, die dem Betrag nach der DC-Stromrichterspannung entspricht.
  • Dies ermöglicht ein Angleichen der DC-Spannungen, bevor die Trennschalter geschlossen werden, und kann damit verhindern helfen, dass beim oder nach dem Schließen der Trennschalter zu große Ausgleichsströme fließen. Außerdem kann die Betriebssicherheit unterstützt werden.
  • Insbesondere wird so ermöglicht, eine variable Verbindung eines ungeerdeten DC-Netzes mit einem geerdeten AC-Versorgungsnetz, z. B. über einen transformatorlosen Stromrichter zulassen, ohne dass dabei das DC-seitige Schutzkonzept geändert werden muss.
  • Dies kann Vorteile gegenüber DC-Netzen haben, die selbst einen Erdbezug aufweisen. Würde z. B. ein DC-Energiesystem an DC-geerdet, so müsste wäre zum einen die Auswahl der geeigneter Topologien für die Brückenschaltung des Stromrichters eingeschränkt, und zum anderen müsste die Isolierung der Leitungen auf DC+ Potential für die volle Systemspannung gegen Erde ausgelegt sein und umgekehrt. Das kann bei hohen Systemspannungen zu erheblichen Kosten führen. Außerdem entstünde, sofern ein DC-Energiesystem selbst einen Erdbezug aufwiese, durch die Verbindung mit dem geerdeten AC-Versorgungsnetz über einen transformatorlosen Stromrichter ein zweiter Erdbezug. Dadurch könnten insbesondere beim oder nach dem Schließen der Trennschalter hohe Ausgleichsströmen entstehen, und Schutzvorrichtungen, wie z.B. Differenzstromsensoren könnten auslösen.
  • Die Ausgangsseite des DC/DC-Stellers ist diejenige Seite, die der DC-Seite des Stromrichters zugewandt ist. Eine Spannung auf einer Eingangsseite des DC/DC-Stellers ist zunächst gegeben, insbesondere durch einen DC-Zwischenkreis des Stromrichters oder eine sonstige DC-Quelle im DC-Netz, beispielsweise eine Batterie. Die Spannung auf der Ausgangsseite des DC/DC-Stellers ist die DC/DC-Ausgangsspannung. Die Ausgangsseite ist diejenige, auf der die Spannung durch den DC/DC-Steller relativ zur gegebenen Spannung auf der Eingangsseite des DC/DC-Stellers einstellbar ist.
  • Die Angleichung des Betrags der Spannungen kann beispielsweise so erfolgen, dass der DC/DC-Steller innerhalb des Stromrichters angeordnet ist und die DC/DC-Ausgangsspannung durch den DC/DC-Steller auf der Seite der Trennschalter eingestellt wird, auf der sich auch die Brückenschaltung befindet. Die Angleichung des Betrags der Spannungen kann beispielsweise auch so erfolgen, dass der DC/DC-Steller im DC-Netz angeordnet ist und die DC/DC-Ausgangsspannung durch den DC/DC-Steller auf der Seite der Trennschalter eingestellt wird, die der Brückenschaltung gegenüberliegt.
  • Mit Betrag der Spannungen ist die Spannung zwischen den DC-Leitungen des DC-Netzes bzw. die Spannung zwischen den stromrichterseitigen Anschlüssen des Trennschalters gemeint. Dies entspricht einer Differenz der Potentiale der beiden DC-Leitungen des DC-Netzes bzw. der stromrichterseitigen Anschlüsse des Trennschalters. Die DC/DC-Ausgangsspannung wird auf diesen Betrag der Spannung eingestellt.
  • In einer Ausführungsform des elektrischen Systems ist die Ausgangsseite des DC/DC-Stellers mit der DC-Seite des Stromrichters verbunden. Dabei kann der DC/DC-Steller insbesondere innerhalb des Stromrichters zwischen der Brückenschaltung und den Trennschaltern angeordnet sein. Der DC/DC-Steller erzeugt in dieser Ausführungsform die DC/DC-Ausgangsspannung durch geeignete Taktung aus einer Zwischenkreisspannung des Stromrichters. Die Ausgangsseite des DC/DC-Stellers kann dann über die Trennschalter mit der DC-Seite des Stromrichters verbunden sein, wobei die Trennschalter außerhalb des Stromrichters angeordnet sein.
  • In einer alternativen Ausführungsform des elektrischen Systems, bei der die Ausgangsseite des DC/DC-Stellers mit der DC-Seite des Stromrichters verbunden ist, kann der DC/DC-Steller insbesondere auch außerhalb des Stromrichters im DC-Netz angeordnet sein. Der DC/DC-Steller kann in dieser Ausführungsform die DC/DC-Ausgangsspannung z. B. durch geeignete Taktung aus einem DC-Energiespeicher im DC-Netz erzeugen, z. B. aus einer Batterie. Die Ausgangsseite des DC/DC-Stellers ist dann mit der DC-Seite des Stromrichters verbunden und die Trennschalter sind zwischen dem DC/DC-Steller und der Brückenschaltung angeordnet. Die Trennschalter können wahlweise innerhalb oder außerhalb des Stromrichters zwischen Brückenschaltung und DC-Seite des Stromrichters angeordnet sein.
  • Die DC/DC-Ausgangsspannung ist auf der Ausgangsseite des DC/DC-Stellers einstellbar, und die DC-Stromrichterspannung liegt auf der dem DC/DC-Steller gegenüberliegenden Seite der Trennschalter an.
  • In einer Ausführungsform des elektrischen Systems ist die Messeinrichtung eingerichtet, die DC-Stromrichterspannung und die DC/DC-Ausgangsspannung durch Messung der Spannungen an den jeweiligen DC-Leitungen bzw. Anschlüssen gegen Erdpotential zu ermitteln, wobei jeweils eine DC-Leitung über die Trennschalter mit jeweils einem DC-Anschluss verbindbar ist. Damit kann jede der DC-Leitungen einzeln gegen Erdpotential gemessen werden.
  • In einer Ausführungsform des elektrischen Systems ist die Steuereinheit eingerichtet, den DC/DC-Steller so anzusteuern, dass die jeweiligen Spannungen gegen Erdpotenzial der DC-Stromrichterspannung und der DC/DC-Ausgangsspannung aneinander angeglichen werden. Neben dem Betrag der Spannung wird in dieser Ausführungsform zusätzlich die Lage der Spannungen angeglichen, d. h. zusätzlich zum Betrag auch noch die Lage der Potentiale der DC-Leitungen bzw. der DC-Anschlüsse zueinander und im Verhältnis zu einem dritten Punkt, z. B. zum Erdpotential.
  • In einer Ausführungsform des elektrischen Systems ist die Steuereinheit eingerichtet, die Trennschalter zu schließen, wenn die DC/DC-Ausgangsspannung der DC-Stromrichterspannung entspricht. Dies ermöglicht ein Angleichen der Spannungen bevor das DC-Netz verbunden wird und kann zu große Ausgleichsströme beim und nach dem Schließen der Trennschalter vermeiden.
  • In einer Ausführungsform des elektrischen Systems entspricht die DC/DC-Ausgangsspannung der DC-Stromrichterspannung, und diese zusammen bilden eine DC-Busspannung des DC-Netzes, wenn die Trennschalter geschlossen sind. Das DC-Netz ist an sich ungeerdet, wird jedoch bei geschlossenen Trennschaltern und ebenfalls geschlossenen AC-Relais über den Stromrichter und das geerdete AC-Versorgungsnetz geerdet. Der Stromrichter ist dabei in der Lage, auf die DC-Spannungen und ggf. deren Lage gegenüber dem Erdpotential präzise Einfluss zu nehmen und diese zu kontrollieren. Dies kann die Sicherheit des Betriebes verbessern.
  • In einer Ausführungsform des elektrischen Systems ist die Steuereinheit eingerichtet, den DC/DC-Steller so anzusteuern, dass die DC-Busspannung symmetriert wird, wobei die Symmetrierung insbesondere um das Erdpotential als Mittenpotential durchgeführt wird. Ist der Stromrichter mit dem DC-Netz verbunden, kann er Einfluss auf die Spannung im DC-Netz nehmen. Eine Symmetrierung um Erdpotential bietet dabei Vorteile, da die jeweils größte Spannung der DC-Leitungen im DC-Netz gegen Erdpotential geringer als die Spannung zwischen den DC-Leitungen im DC gehalten werden kann und dies die Auslegung vereinfacht und die Sicherheit verbessern hilft.
  • In einer Ausführungsform des elektrischen Systems ist die Steuereinheit eingerichtet, die DC/DC-Ausgangsspannung auf der Ausgangsseite des DC/DC-Stellers durch Taktung eines symmetrischen Gleichspannungswandlers einzustellen. In dieser Ausführungsform ist der DC/DC-Steller als symmetrischer Gleichspannungswandler ausgebildet.
  • In einer Ausführungsform des elektrischen Systems ist die Steuereinheit eingerichtet, die AC-Anschlüsse der Brückenschaltung über AC-Relais mit der AC-Seite des Stromrichters zu verbinden und danach die DC/DC-Ausgangsspannung einzustellen. In dieser Ausführungsform wir der Stromrichter mit dem AC-Versorgungsnetz verbunden, bevor der DC/DC-Steller die Einstellung seiner DC/DC-Ausgangsspannung vornimmt.
  • In einer Ausführungsform des elektrischen Systems sind die AC-Anschlüsse und die DC-Anschlüsse der Brückenschaltung galvanisch gekoppelt und der Leistungstransferpfad zwischen der AC-Seite und der DC-Seite des Stromrichters ist insbesondere transformatorlos ausgebildet. Bei einem AC-Versorgungsnetz mit Erdbezug, z. B. einem geerdeten TN- oder TT-Netz, ist eine Zwischenkreisspannung eines solchen transformatorlosen und insofern galvanisch koppelden Stromrichters - nach Verbindung mit dem AC-Versorgungsnetz - annähernd symmetrisch um Erdpotential. Bei einer DC-seitigen Verbindung dieses Stromrichters mit einem asymmetrischen DC-Bus würden hohe Ausgleichsströme entstehen, insbesondere falls die Asymmetrie durch Isolationsfehler im DC-Netz verursacht ist. Derartige Ausgleichs- oder Fehlerströme können durch das elektrische System vermieden oder auch kompensiert werden, indem die DC-Busspannung um Erdpotential symmetriert wird.
  • Ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Systems mit einem Stromrichter und einem DC/DC-Steller in einem DC-Netz, wobei der Stromrichter zum Leistungstransfer zwischen einer AC-Seite des Stromrichters und einer DC-Seite des Stromrichters eingerichtet ist, weist die Schritte auf:
    • • Messen einer DC-Stromrichterspannung,
    • • Einstellen einer DC/DC-Ausgangsspannung auf einer Ausgangsseite des DC/DC-Stellers, wobei die DC-Stromrichterspannung und die DC/DC-Ausgangsspannung auf gegenüberliegenden Seiten der Trennschalter anliegen und wobei die eingestellte DC/DC-Ausgangsspannung dem Betrag nach der gemessenen DC-Stromrichterspannung entspricht.
  • Optional kann in dem Schritt, in dem die DC-Stromrichterspannung gemessen wird, auch die DC/DC-Ausgangsspannung gemessen werden.
  • Mit Betrag der Spannungen ist die Spannung zwischen den DC-Leitungen des DC-Netzes bzw. die Spannung zwischen den stromrichterseitigen Anschlüssen des Trennschalters gemeint. Dies entspricht einer Differenz der Potentiale der beiden DC-Leitungen des DC-Netzes bzw. der stromrichterseitigen Anschlüsse des Trennschalters. Die DC/DC-Ausgangsspannung wird auf diesen Betrag der Spannung eingestellt.
  • In einer Ausführungsform des Verfahrens werden die DC-Stromrichterspannung und die DC/DC-Ausgangsspannung durch Messung der Spannungen an jeweiligen DC-Leitungen bzw. Anschlüssen gegen Erdpotential ermittelt, wobei jeweils eine DC-Leitung über die Trennschalter mit jeweils einem DC-Anschluss verbindbar ist. Damit kann jede der DC-Leitungen einzeln gegen Erdpotential gemessen werden.
  • In einer Ausführungsform des Verfahrens werden die jeweiligen Spannungen gegen Erdpotenzial der DC-Stromrichterspannung und der DC/DC-Ausgangsspannung aneinander angeglichen. Neben dem Betrag der Spannung wird in dieser Ausführungsform zusätzlich die Lage der Spannungen angeglichen, d. h. zusätzlich zum Betrag auch noch die Lage der Potentiale der DC-Leitungen bzw. der DC-Anschlüsse zueinander und im Verhältnis zu einem dritten Punkt, z. B. zum Erdpotential.
  • Eine Ausführungsform des Verfahrens weist den Schritt auf, dass nach dem Einstellen der DC/DC-Ausgangsspannung die Ausgangsseite des DC/DC-Stellers durch Schließen der Trennschalter mit dem Stromrichter verbunden wird.
  • Eine Ausführungsform des Verfahrens weist den Schritt auf, dass die AC-Anschlüsse der Brückenschaltung über AC-Relais mit der AC-Seite des Stromrichters verbunden werden, bevor die DC/DC-Ausgangsspannung eingestellt wird.
  • Eine Ausführungsform des Verfahrens weist den Schritt auf, dass nach dem Schließen der Trennschalter, der DC/DC-Steller eine Symmetrierung der DC-Busspannung durchführt, wobei die DC/DC-Ausgangsspannung der DC-Stromrichterspannung entspricht und diese zusammen eine DC-Busspannung des DC-Netzes bilden, wenn die Trennschalter geschlossen sind. Das DC-Netz ist an sich ungeerdet, wird jedoch bei geschlossenen Trennschaltern und ebenfalls geschlossenen AC-Relais über das AC-Versorgungsnetz geerdet. Die Symmetrierung wird insbesondere um das Erdpotential als Mittenpotential durchgeführt.
  • Figurenliste
  • Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe von Figuren näher erläutert.
    • 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines elektrischen Systems;
    • 2 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elektrischen Systems;
    • 3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens;
    • 4 zeigt schematisch mögliche Verläufe von Spannungen.
  • Figurenbeschreibung
  • In 1 ist schematisch eine Ausführungsform eines elektrischen Systems dargestellt. Ein Stromrichter 10 weist eine AC-Seite 16 und eine DC-Seite 18 auf. An der AC-Seite 16 ist ein am Erdpotential PE geerdetes dreiphasiges AC-Versorgungsnetz 12 angeschlossen. Eine Batterie 42 ist über DC-Schalter 46 mit dem DC-Netz 14 verbindbar. Eine Last 44 ist über DC-Schalter 48 mit dem DC-Netz verbindbar. Die Last 44 kann insbesondere einen oder mehrere Verbraucher umfassen, wie z. B. eine Maschine, eine Industrieanlage, oder auch einen Elektrolyseur. Die Batterie 42 und die Last 44 sind über DC-Leitungen DC+, DC- mit dem Stromrichter 10 verbunden.
  • Der Stromrichter 10 weist eine Brückenschaltung 20 auf, die ausgebildet ist, Wechselstrom oder Wechselspannung an AC-Anschlüssen ACL1, ACL2, ACL3 in Gleichstrom oder Gleichspannung an DC-Anschlüssen DCL+, DCL+ umzuwandeln. Die Brückenschaltung 20 ist ebenfalls ausgebildet, Gleichstrom oder Gleichspannung an den DC-Anschlüssen DCL+, DCL+ in Wechselstrom oder Wechselspannung an den AC-Anschlüssen ACL1, ACL2, ACL3 umzuwandeln. Im dargestellten Ausführungsbeispiel geschieht die Umwandlung dadurch, dass eine Steuereinheit 30 Halbleiterschalter der Brückenschaltung 20 geeignet ansteuert. Die Brückenschaltung 20 mit Halbleiterschaltern ist in der Regel transformatorlos ausgebildet, d. h. die AC-Anschlüsse ACL1, ACL2, ACL3 und die DC-Anschlüsse DCL+, DCL- einer solchen Brückenschaltung sind galvanisch gekoppelt. Wenn das AC-Versorgungsnetz einen Erdbezug aufweist, z. B. durch einen an PE geerdeten Neutralleiter, werden die DC-Anschlüsse DCL+, DCL- damit im regulären Betrieb des Stromrichters 10 automatisch über die Brückenschaltung 20 geerdet.
  • Die DC-Leitungen DC+, DC- sind mit den DC-Anschlüssen DCL+, DCL- verbunden. Die konkrete Lage der Potentiale der DC-Leitungen relativ zum Erdbezug (DC+ / DCgegen PE) werden dabei durch die konkret verwendete Topologie der Brückenschaltung 20 vorgegeben. Beispielsweise kann die Brückenschaltung 20 einen DC-seitigen, geteilten DC-Zwischenkreis aufweisen, dessen Mittelpunkt mit dem Neutralleiter des AC-Versorgungsnetzes 12 mit festem Erdbezug PE als Mittelpotential verbunden ist, so dass sich die DC-Potentiale am DC-Zwischenkreis und damit an den DC-Anschlüssen DCL+, DCL- weitgehend symmetrisch um das Erdpotential PE einstellen. Insofern wird ein an sich ungeerdetes DC-Netz 14 durch eine Verbindung mit dem geerdeten AC-Versorgungsnetz 12 über den transformatorlosen Stromrichter 10 ebenfalls zu einem geerdeten DC-Netz 14. Es können sich somit zwei Betriebszustände für das DC-Netz 14 ergeben, ein ungeerdeter „Stand-alone-Betrieb“ mit Versorgung aus der Batterie 42 und ein geerdeter Betrieb bei Verbindung mit dem geerdeten AC-Versorgungsnetz 12.
  • Über AC-Relais 22 können die AC-Anschlüsse ACL1, ACL2, ACL3 mit der AC-Seite 16 und damit die Brückenschaltung 20 mit dem AC-Netz 12 verbunden werden. Der Stromrichter 10 weist weiter eine Fehlerstrommessung 32 an den AC-Anschlüssen ACL1, ACL2, ACL3 auf, die auf einer Differenzstrommessung der drei AC-Anschlüsse ACL1, ACL2, ACL3 basiert.
  • Der Stromrichter 10 weist einen DC/DC-Steller 40 auf, dessen Eingangsseite mit den DC-Anschlüssen DCL+, DCL- der Brückenschaltung 20 verbunden ist.Mit dem DC/DC-Steller 40 kann eine DC/DC-Ausgangsspannung Usym an einer Ausgangsseite 24 des DC/DC-Stellers 40 relativ zur Spannung an den DC-Anschlüssen DCL+, DCL- eingestellt werden. Das Einstellen der DC/DC-Ausgangsspannung Usym kann beispielsweise durch das Ansteuern von Halbleiterschaltern des DC/DC-Stellers 40 durch die Steuereinheit 30 erfolgen..
  • Über Trennschalter 26.1, 26.2 kann die Ausgangsseite 24 des DC/DC-Stellers 40 mit der DC-Seite 18 verbunden werden. Eine Plus-DC-Leitung DC+ des DC-Netzes 14 ist mit Trennschalter 26.1 verbunden und eine Minus-DC-Leitung DC- des DC-Netzes 14 ist mit Trennschalter 26.2. verbunden. Eine Messeinrichtung 38 ist eingerichtet, die DC/DC-Ausgangsspannung Usym und/oder eine Stromrichterspannung UDCS zu messen. Die Stromrichterspannung UDCS liegt an der DC-Seite 18 des Stromrichters 10 an, d.h. an den Trennschaltern 26.1, 26.2 auf der gegenüber dem DC/DC-Steller 40 liegenden Seite an.
  • In 2 ist schematisch eine weitere Ausführungsform des elektrischen Systems dargestellt. Der Stromrichter 10 weist die AC-Seite 16 und die DC-Seite 18 auf. An der AC-Seite 16 ist das am Erdpotential PE geerdete dreiphasige AC-Versorgungsnetz 12 angeschlossen. Die Batterie 42 ist über DC-Schalter 46 mit dem DC-Netz 14 verbindbar. Die Last 44 ist über DC-Schalter 48 mit dem DC-Netz verbindbar. Die Last 44 kann insbesondere einen oder mehrere Verbraucher umfassen, wie z. B. eine Maschine, eine Industrieanlage, oder auch einen Elektrolyseur. Die Batterie 42 und die Last 44 sind über die DC-Leitungen DC+, DCmit dem Stromrichter 10 verbunden.
  • Der Stromrichter 10 weist die Brückenschaltung 20 auf, die ausgebildet ist, Wechselstrom oder Wechselspannung an AC-Anschlüssen ACL1, ACL2, ACL3 in Gleichstrom oder Gleichspannung an DC-Anschlüssen DCL+, DCL+ umzuwandeln. Die Brückenschaltung 20 ist ebenfalls ausgebildet, Gleichstrom oder Gleichspannung an den DC-Anschlüssen DCL+, DCL+ in Wechselstrom oder Wechselspannung an den AC-Anschlüssen ACL1, ACL2, ACL3 umzuwandeln. Im dargestellten Ausführungsbeispiel geschieht die Umwandlung dadurch, dass die Steuereinheit 30 Halbleiterschalter der Brückenschaltung 20 geeignet ansteuert. Die Brückenschaltung 20 mit Halbleiterschaltern ist in der Regel transformatorlos ausgebildet, d. h. die AC-Anschlüsse ACL1, ACL2, ACL3 und die DC-Anschlüsse DCL+, DCL- einer solchen Brückenschaltung sind galvanisch gekoppelt. Wenn das AC-Versorgungsnetz einen Erdbezug aufweist, z. B. durch einen an PE geerdeten Neutralleiter, werden die DC-Anschlüsse DCL+, DCL- damit im regulären Betrieb des Stromrichters 10 automatisch über die Brückenschaltung 20 geerdet.
  • Die DC-Leitungen DC+, DC- sind mit den DC-Anschlüssen DCL+, DCL- verbunden. Die konkrete Lage der Potentiale der DC-Leitungen relativ zum Erdbezug (DC+ / DCgegen PE) werden dabei durch die konkret verwendete Topologie der Brückenschaltung 20 vorgegeben. Beispielsweise kann die Brückenschaltung 20 DCseitig einen DC-seitigen, geteilten DC-Zwischenkreis aufweisen, dessen Mittelpunkt mit dem Neutralleiter des AC-Versorgungsnetzes 12 mit festem Erdbezug PE als Mittelpotential verbunden ist, so dass sich die DC-Potentiale am DC-Zwischenkreis und damit an den DC-Anschlüssen DCL+, DCL-weitgehend symmetrisch um das Erdpotential PE einstellen. Insofern wird ein an sich ungeerdetes DC-Netz 14 durch eine Verbindung mit dem geerdeten AC-Versorgungsnetz 12 über den transformatorlosen Stromrichter 10 ebenfalls zu einem geerdeten DC-Netz 14. Es können sich somit zwei Betriebszustände für das DC-Netz 14 ergeben, ein ungeerdeter „Stand-alone-Betrieb“ mit Versorgung aus der Batterie 42 und ein geerdeter Betrieb bei Verbindung mit dem geerdeten AC-Versorgungsnetz 12.
  • Über AC-Relais 22 können die AC-Anschlüsse ACL1, ACL2, ACL3 mit der AC-Seite 16 und damit die Brückenschaltung 20 mit dem AC-Netz 12 verbunden werden. Der Stromrichter 10 weist weiter die Fehlerstrommessung 32 an den AC-Anschlüssen ACL1, ACL2, ACL3 auf, die auf einer Differenzstrommessung der drei AC-Anschlüsse ACL1, ACL2, ACL3 basiert.
  • Der DC/DC-Steller 40 ist im DC-Netz 14 und insofern außerhalb des Stromrichters 10 angeordnet. Die Eingangsseite des DC/DC-Stellers 40 ist mit der Batterie 42 verbunden. Auf der Ausgangsseite 24 des DC/DC-Stellers 40 kann die DC/DC-Ausgangsspannung Usym relativ zur Spannung der Batterie 42 eingestellt werden. Das Einstellen der DC/DC-Ausgangsspannung Usym kann beispielsweise durch das Ansteuern von Halbleiterschaltern des DC/DC-Stellers 40 durch die Steuereinheit 30 erfolgen.
  • Über Trennschalter 26.1, 26.2 können die DC-Anschlüsse DCL+, DCL- der Brückenschaltung 20 mit der DC-Seite 18 verbunden werden. Eine Plus-DC-Leitung DC+ kann über den Trennschalter 26.1 mit der DC-Seite 18 verbunden werden und eine Minus-DC-Leitung DC- kann über den Trennschalter 26.2. mit der DC-Seite verbunden werden. Eine Messeinrichtung 38 ist eingerichtet, die DC/DC-Ausgangsspannung Usym und/oder eine Stromrichterspannung UDCS zu messen. Die Stromrichterspannung UDCS liegt auf der DC-Seite 18 der Brückenschaltung 20 an, d.h. an den Trennschaltern 26.1, 26.2 auf der gegenüber dem DC/DC-Steller 40 liegenden Seite an. Im dargestellten Ausführungsbeispiel liegt die Stromrichterspannung UDCS somit an den DC-Anschlüssen DCL+, DCL- der Brückenschaltung 20 des Stromrichters 10 an.
  • In 3 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Betrieb des elektrischen Systems dargestellt.
  • In einem Schritt S1 werden die AC-Anschlüsse ACL1, ACL2, ACL3 der Brückenschaltung 20 über die AC-Relais 22 mit der AC-Seite 16 des Stromrichters 10 verbunden.
  • In einem Schritt S2 wird die DC-Stromrichterspannung Usym gemessen. Optional kann in Schritt S2 auch zusätzlich die DC/DC-Ausgangsspannung Usym gemessen werden. Die DC/DC-Ausgangsspannung Usym kann auf der Ausgangsseite 24 des DC/DC-Stellers 40 eingestellt werden, wobei die DC-Stromrichterspannung UDCS und die DC/DC-Ausgangsspannung Usym auf gegenüberliegenden Seiten der Trennschalter 26.1, 26.2 anliegen. Die DC-Stromrichterspannung UDCS und/oder die DC/DC-Ausgangsspannung Usym können durch Messung der Spannungen an den jeweiligen DC-Leitungen DC+, DC- bzw. DC-Anschlüssen DCL+, DCL+ gegen Erdpotential PE ermittelt werden. Damit kann jede der DC-Leitungen DC+, DC- bzw. der DC-Anschlüsse DCL+, DCL+ einzeln gegen Erdpotential PE gemessen werden.
  • In einem Schritt S3 wird die DC/DC-Ausgangsspannung Usym auf der Ausgangsseite 24 des DC/DC-Stellers 40 so eingestellt, dass die eingestellte DC/DC-Ausgangsspannung Usym an die gemessene DC-Stromrichterspannung UDCS angeglichen wird. Dabei können die jeweiligen Spannungen gegen Erdpotenzial PE der DC-Stromrichterspannung UDCS und der DC/DC-Ausgangsspannung Usym aneinander angeglichen werden. Die Spannungen werden dabei in Betrag und Lage aneinander angeglichen. Schritt S3 wird solange wiederholt, bis die beiden Spannungen aneinander angeglichen sind.
  • Schritt S4 wird ausgeführt, wenn das Angleichen der Spannungen geglückt ist. In Schritt S4 wird nach dem Einstellen der DC/DC-Ausgangsspannung Usym die Ausgangsseite 24 des DC/DC-Stellers 40 durch Schließen der Trennschalter 26.1, 26.2 zu einem Zeitpunkt ts (4) mit der DC-Seite 18 des Stromrichters 10 verbunden.
  • In einem Schritt S5 führt der DC/DC-Steller 40 nach dem Schließen der Trennschalter 26.1, 26.2 eine Symmetrierung der DC-Busspannung durch, wobei die Symmetrierung insbesondere um das Erdpotential als Mittenpotential durchgeführt wird.
  • In 4 ist schematisch beispielhaft der Verlauf der DC-Stromrichterspannung UDCS und der DC/DC-Ausgangsspannung Usym dargestellt. Dargestellt sind beide Spannungen im Verhältnis zum Erdpotential PE. In den Graphen dargestellt sind jeweils als obere Linie das Potential der Plus-DC-Leitung DC+ bzw. des Plus-DC-Anschlusses DCL+ gegenüber Erdpotential PE und als untere Linie das Potential der Minus-DC-Leitung DC- bzw. des Minus-DC-Anschlusses DCL- gegenüber Erdpotential PE.
  • Zunächst sind DC-Stromrichterspannung UDCS und DC/DC-Ausgangsspannung Usym unabhängig voneinander und liegen bei unterschiedlichen Werten. Dann wird die DC/DC-Ausgangsspannung Usym in Betrag und Lage gegenüber Erdpotential PE an die DC-Stromrichterspannung UDCS angeglichen. Dies geschieht bevorzugt nach Schließen der AC-Relais 22 und durch Ansteuern von Halbleiterschaltern des DC/DC-Stellers 40. Die Ansteuerung erfolgt bevorzugt durch die Steuereinheit 30.
  • Zum Zeitpunkt ts werden die Trennschalter 26.1 und 26.2 geschlossen. Wenn die Trennschalter 26.1, 26.2 geschlossen sind entspricht die DC/DC-Ausgangsspannung USym der DC-Stromrichterspannung UDCS, und diese bilden zusammen eine DC-Busspannung des DC-Netzes 14. Das DC-Netz 14 ist an sich ungeerdet, bei geschlossenen Trennschaltern 26.1, 26.2 und ebenfalls geschlossenen AC-Relais 22 jedoch über den Stromrichter 10 und das AC-Versorgungsnetz 12 geerdet.
  • Nach dem Schließen der Trennschalter 26.1, 26.2 wird die DC-Busspannung durch den DC/DC-Steller 40 bzw. durch den Stromrichter 10 unter Ansteuerung durch die Steuereinheit 30 symmetriert. Dabei wird der obere Spannungswert an eine angestrebte positive DC-Busspannung UBus+ herangeführt und der untere Spannungswert an eine angestrebte negative DC-Busspannung UBus- herangeführt. Die angestrebte positive DC-Busspannung UBus+ und die angestrebte negative DC-Busspannung UBus- sind dabei bevorzugt in Betrag und Lage zu Erdpotential PE gleich und somit symmetrisch zum Erdpotential PE. Die DC-Busspannung wird somit zum Erdpotential PE symmetriert.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Stromrichter
    12
    AC-Versorgungsnetz
    14
    DC-Netz
    16
    AC-Seite
    18
    DC-Seite
    20
    Brückenschaltung
    22
    AC-Relais
    24
    Ausgangsseite des DC/DC-Stellers
    26.1, 26.2
    Trennschalter
    30
    Steuereinheit
    32
    Fehlerstrommessung
    38
    Spannungsmesser
    40
    DC/DC-Steller
    42
    Batterie
    44
    Last
    46
    DC-Schalter
    48
    DC-Schalter
    ACL1, ACL2, ACL3
    AC-Anschluss
    DCL+, DCL-
    DC-Anschluss
    DC+, DC-
    DC-Leitung
    PE
    Erdpotential
    S1, S2, S3, S4, S5
    Verfahrensschritte
    t
    Zeit
    tS
    Zeitpunkt: Schließen der Trennschalter
    USym
    DC/DC-Ausgangsspannung
    UDCS
    DC-Stromrichterspannung
    UBus+
    Angestrebte positive DC-Busspannung
    UBus-
    Angestrebte negative DC-Busspannung

Claims (18)

  1. Elektrisches System mit einem Stromrichter (10) und einem DC/DC-Steller (40), wobei der Stromrichter (10) zum Leistungstransfer zwischen einer AC-Seite (16) des Stromrichters (10) und einer DC-Seite (18) des Stromrichters (10) eingerichtet ist, wobei die AC-Seite (16) des Stromrichters (10) an ein geerdetes dreiphasiges AC-Versorgungsnetz (12) anschließbar ist und die DC-Seite (18) des Stromrichters (10) an ein ungeerdetes DC-Netz (14) anschließbar ist, wobei der Stromrichter (10) eine Brückenschaltung (20) aufweist, deren AC-Anschlüsse (ACL1, ACL2, ACL3) über AC-Relais (22) mit der AC-Seite (16) des Stromrichters (10) verbindbar sind und deren DC-Anschlüsse (DCL+, DCL-) über Trennschalter (26.1, 26.2) mit der DC-Seite (18) des Stromrichters (10) verbindbar sind, wobei der DC/DC-Steller (40) eine Ausgangsseite (24) aufweist, die der DC-Seite (18) des Stromrichters (10) zugewandt ist, und wobei das elektrische System eine Messeinrichtung (38) aufweist, die eingerichtet ist, eine DC-Stromrichterspannung (UDCS) und eine auf der Ausgangsseite (24) des DC/DC-Stellers (40) anliegende DC/DC-Ausgangsspannung (USym) zu messen, wobei die DC-Stromrichterspannung (UDCS) und die DC/DC-Ausgangsspannung (USym) auf gegenüberliegenden Seiten der Trennschalter (26.1, 26.2) anliegen, wobei das elektrische System eine Steuereinheit (30) aufweist, die eingerichtet ist, den DC/DC-Steller (40) so anzusteuern, dass auf der Ausgangsseite (24) des DC/DC-Stellers (40) eine DC/DC-Ausgangsspannung (USym) eingestellt wird, die dem Betrag nach der DC-Stromrichterspannung (UDCS) entspricht.
  2. Elektrisches System nach Anspruch 1, wobei die Ausgangsseite (24) des DC/DC-Stellers (40) mit der DC-Seite (18) des Stromrichters (10) verbunden ist.
  3. Elektrisches System nach Anspruch 1 oder 2, wobei der DC/DC-Steller (40) zwischen der Brückenschaltung (20) und den Trennschaltern (26.1, 26.2) angeordnet ist.
  4. Elektrisches System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Trennschalter (26.1, 26.2) zwischen dem DC/DC-Steller (40) und der Brückenschaltung (20) angeordnet sind.
  5. Elektrisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messeinrichtung (38) eingerichtet ist, die DC-Stromrichterspannung (UDCS) und/oder die DC/DC-Ausgangsspannung (USym) durch Messung der Spannungen an jeweiligen DC-Leitungen (DC+, DC-) gegen Erdpotential (PE) zu ermitteln, wobei jeweils eine DC-Leitung (DC+, DC-) mit jeweils einem DC-Anschluss (DCL+, DCL-) verbunden ist.
  6. Elektrisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (30) eingerichtet ist, den DC/DC-Steller (40) so anzusteuern, dass die jeweiligen Spannungen gegen Erdpotenzial (PE) der DC-Stromrichterspannung (UDCS) und der DC/DC-Ausgangsspannung (USym) aneinander angeglichen werden.
  7. Elektrisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (30) eingerichtet ist, die Trennschalter (26.1, 26.2) zu schließen, wenn die DC/DC-Ausgangsspannung (USym) der DC-Stromrichterspannung (UDCS) entspricht.
  8. Elektrisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die DC/DC-Ausgangsspannung (USym) der DC-Stromrichterspannung (UDCS) entspricht und diese zusammen eine DC-Busspannung des DC-Netzes (14) bilden, wenn die Trennschalter (26.1, 26.2) geschlossen sind.
  9. Elektrisches System nach Anspruch 8, wobei die Steuereinheit (30) eingerichtet ist, den DC/DC-Steller (40) so anzusteuern, dass die DC-Busspannung symmetriert wird, wobei die Symmetrierung insbesondere um das Erdpotential als Mittenpotential durchgeführt wird.
  10. Elektrisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (30) eingerichtet ist, die DC/DC-Ausgangsspannung (USym) auf der Ausgangsseite (24) des DC/DC-Stellers (40) durch Taktung eines symmetrischen Gleichspannungswandlers einzustellen.
  11. Elektrisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (30) eingerichtet ist, die AC-Anschlüsse (ACL1, ACL2, ACL3) der Brückenschaltung (20) über AC-Relais (22) mit der AC-Seite (16) des Stromrichters (10) zu verbinden und danach die DC/DC-Ausgangsspannung (USym) einzustellen.
  12. Elektrisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die AC-Anschlüsse (ACL1, ACL2, ACL3) und die DC-Anschlüsse (DCL+, DCL-) der Brückenschaltung (20) galvanisch gekoppelt sind und der Leistungstransferpfad zwischen der AC-Seite (16) und der DC-Seite (18) des Stromrichters (10) insbesondere transformatorlos ausgebildet ist.
  13. Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Systems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten: • Messen einer DC-Stromrichterspannung (UDCS), • Einstellen einer DC/DC-Ausgangsspannung (USym) auf der Ausgangsseite (24) des DC/DC-Stellers (40), wobei die DC-Stromrichterspannung (UDCS) und die DC/DC-Ausgangsspannung (USym) auf gegenüberliegenden Seiten der Trennschalter (26.1, 26.2) anliegen und wobei die eingestellte DC/DC-Ausgangsspannung (USym) dem Betrag nach der gemessenen DC-Stromrichterspannung (UDCS) entspricht.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die DC-Stromrichterspannung (UDCS) und die DC/DC-Ausgangsspannung (USym) durch Messung der Spannungen an jeweiligen DC-Leitungen (DC+, DC-) gegen Erdpotential (PE) ermittelt werden, wobei jeweils eine DC-Leitung (DC+, DC-) mit jeweils einem DC-Anschluss (DCL+, DCL-) verbunden ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei die jeweiligen Spannungen gegen Erdpotenzial (PE) der DC-Stromrichterspannung (UDCS) und der DC/DC-Ausgangsspannung (USym) aneinander angeglichen werden.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, mit dem Schritt, dass nach dem Einstellen der DC/DC-Ausgangsspannung (Usym), durch Schließen der Trennschalter (26.1, 26.2) die Ausgangsseite (24) des DC/DC-Stellers (40) mit dem Stromrichter (10) verbunden wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, mit dem Schritt, dass die AC-Anschlüsse (ACL1, ACL2, ACL3) der Brückenschaltung (20) über AC-Relais (22) mit der AC-Seite (16) des Stromrichters (10) verbunden werden, bevor die DC/DC-Ausgangsspannung (USym) eingestellt wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, mit dem Schritt, dass nach dem Schließen der Trennschalter (26.1, 26.2), der DC/DC-Steller (40) eine Symmetrierung der DC-Busspannung durchführt, wobei die Symmetrierung insbesondere um das Erdpotential als Mittenpotential durchgeführt wird.
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