DE102020134291A1 - Method for protecting an electrical system against a short circuit and measuring system for carrying out the method - Google Patents
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Abstract
Die Anmeldung beschreibt ein Verfahren zur Absicherung einer Anlage gegen einen Kurzschluss. Die Anlage umfasst einen DC-Kreis (200) mit einer DC-Quelle (201) und eine über Zuleitungen mit der DC-Quelle (201) verbundene DC-Last (210), wobei die Verbindung zwischen der DC-Quelle (201) und der DC-Last (210) eine verbindungsimmanente Impedanz (202) aufweist. Das Verfahren umfasst die Schritte:- Herbeiführen eines Kurzschlusses der DC-Quelle (201) durch Schließen einer Schalteinheit (102), die zwischen der DC-Quelle (201) und der DC-Last (210) in dem DC-Kreis (200) angeordnet ist, so dass die DC-Quelle (201) zumindest über einen Anteil der in dem DC-Kreis (200) real vorhandenen verbindungsimmanenten Impedanz (202) kurzgeschlossen wird,- Detektion eines Zeitverlaufes eines bei dem Kurzschluss entstehenden Kurzschlussstroms Isc,- Begrenzung und/oder Unterbrechung des Kurzschlussstroms Isc durch Öffnen der Schalteinheit (102) bei Erfüllung eines Abbruchkriteriums, so dass eine Beschädigung von Komponenten der elektrischen Anlage, insbesondere des DC-Kreises (200) durch den Kurzschlussstrom Isc sicher verhindert wird, und- Analyse des detektierten Kurzschlussstroms Isc, insbesondere dessen Zeitverlaufes unter Berücksichtigung desjenigen Anteils der verbindungsimmanenten Impedanz (202) zwischen der DC-Quelle (201) und der DC-Last (210), über den der Kurzschluss der DC-Quelle (201) herbeigeführt wurde, und- Überprüfung einer Auslegung einer in der elektrischen Anlage, insbesondere in dem DC-Kreis (200) vorhandenen Sicherung (220) mittels der Analyse, oder Bestimmung einer Auslegung einer in die elektrische Anlage, insbesondere in den DC-Kreis (200) noch einzubauenden Sicherung (220) mittels der Analyse.Die Anmeldung beschreibt weiterhin ein Messystem zur Durchführung des Verfahrens.The application describes a method for protecting a system against a short circuit. The system comprises a DC circuit (200) with a DC source (201) and a DC load (210) connected via supply lines to the DC source (201), the connection between the DC source (201) and the DC load (210) has a connection-inherent impedance (202). The method comprises the steps of: - bringing about a short-circuit of the DC source (201) by closing a switching unit (102) which is connected between the DC source (201) and the DC load (210) in the DC circuit (200) is arranged so that the DC source (201) is short-circuited at least over a portion of the connection-immanent impedance (202) actually present in the DC circuit (200),- detection of a time course of a short-circuit current Isc,- which occurs during the short-circuit,- limitation and /or interrupting the short-circuit current Isc by opening the switching unit (102) when a termination criterion is met, so that damage to components of the electrical system, in particular the DC circuit (200), is reliably prevented by the short-circuit current Isc, and analysis of the detected short-circuit current Isc, in particular its time course, taking into account that portion of the connection-immanent impedance (202) between the DC source (201) and the DC load (210), on the the short circuit of the DC source (201) was brought about, and checking a design of a fuse (220) present in the electrical system, in particular in the DC circuit (200) by means of the analysis, or determining a design of a fuse in the electrical system , in particular in the DC circuit (200) still to be installed fuse (220) by means of the analysis. The application also describes a measuring system for carrying out the method.
Description
Technisches Gebiet der ErfindungTechnical field of the invention
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Absicherung einer elektrischen Anlage gegen einen Kurzschluss. Insbesondere soll das Verfahren eine verbesserte Auslegung von Schmelzsicherungen innerhalb der Anlage erlauben, die die individuellen Gegebenheiten der Anlage und deren Einfluss auf einen eventuell entstehenden Kurzschlussstrom stärker als bisher üblich berücksichtigt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Messsystem zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for protecting an electrical installation against a short circuit. In particular, the method should allow an improved design of safety fuses within the system, which takes into account the individual conditions of the system and their influence on any short-circuit current that may occur to a greater extent than was previously the case. The invention also relates to a measuring system for carrying out the method.
Stand der TechnikState of the art
Zur Stützung und Stabilisierung eines Energieversorgungsnetzes (EVN) werden zunehmend große Speicherkraftwerke auf Basis von wiederaufladbaren Batterien und einem bidirektional betreibbaren Wechselrichter verwendet. Bei einer hohen Frequenz des EVN können die Batterien überschüssige Wirkleistung aus dem EVN entnehmen, diese zwischenspeichern, und dem EVN in einem Zustand bei niedriger Frequenz wieder zuführen. Mittels der Batterie-Speicherkraftwerke ist es auch möglich, über den Austausch von Blindleistung stabilisierend auf eine Amplitude einer Wechselspannung in dem EVN einzuwirken.Large storage power plants based on rechargeable batteries and an inverter that can be operated in both directions are increasingly being used to support and stabilize an energy supply network (EVN). When the EVN is at high frequency, the batteries can take excess active power from the EVN, store it, and return it to the EVN in a low frequency state. Using the battery storage power plants, it is also possible to have a stabilizing effect on an amplitude of an AC voltage in the EVN by exchanging reactive power.
Die Speicherkraftwerke weisen typischerweise einen Energiegehalt zwischen einigen MWh - 100 MWh auf und umfassen als DC-Quellen eine Vielzahl von Batteriemodulen. Diese sind mittels einer Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung elektrisch miteinander verbunden. Üblicherweise werden dabei mehrere Batteriemodule in Form einer Reihenschaltung zu einem sogenannten Batterie-String elektrisch miteinander verbunden. Mehrere Batterie-Strings sind wiederum parallel zueinander mit einer ersten Sammelschiene, einer sogenannten String-Sammelschiene, verbunden und bilden so eine Gruppe aus. Mehrere derartige Gruppen sind mit deren String-Sammelschienen wiederum parallel zueinander mit einer zweiten Sammelschiene, einer sogenannten Gruppen-Sammelschiene verbunden, die ihrerseits elektrisch mit einem Eingang des Wechselrichters verbunden ist.The storage power plants typically have an energy content of between a few MWh and 100 MWh and include a large number of battery modules as DC sources. These are electrically connected to each other using a combination of series and parallel circuits. Usually, several battery modules are electrically connected to one another in the form of a series circuit to form a so-called battery string. Several battery strings are in turn connected parallel to one another with a first busbar, a so-called string busbar, and thus form a group. A plurality of such groups are in turn connected parallel to one another with their string busbars to a second busbar, a so-called group busbar, which in turn is electrically connected to an input of the inverter.
Der immense Energiegehalt derartiger Speicherkraftwerke kann in einem Fehlerfall, z.B. bei einem Kurzschlussfehler einer Komponente in dem angeschlossenen Wechselrichter, schnell zu einem Fehlerstrom von 500 kA bis 1000 kA führen, der, wenn er nicht rechtzeitig unterbrochen wird, großen Schaden an dem Wechselrichter oder weiteren Komponenten des Speicherkraftwerks, ggf. auch an in der Nähe befindlichen Personen führen kann.In the event of a fault, e.g. a short-circuit fault in a component in the connected inverter, the immense energy content of such storage power plants can quickly lead to a fault current of 500 kA to 1000 kA, which, if not interrupted in good time, can cause major damage to the inverter or other components of the storage power plant, possibly also to people in the vicinity.
Um bei einem Fehlerfall den entstehenden Schaden zu minimieren und/oder zu verhindern, wird die Verbindung zwischen den Batterien und dem Wechselrichter über eine Vielzahl von Schmelzsicherungen abgesichert. Konkret ist üblicherweise jeder Batterie-String über eine Schmelzsicherung - eine sogenannte Stringsicherung - mit seiner zugeordneten String-Sammelschiene verbunden. Jede String-Sammelschiene ist nochmals über eine weitere Schmelzsicherung - eine sogenannte Gruppensicherung - mit der ihr zugeordneten Gruppen-Sammelschiene verbunden. Zusätzlich zu den Schmelzsicherungen können noch elektromechanische Schalter vorgesehen sein.In order to minimize and/or prevent the damage that occurs in the event of a fault, the connection between the batteries and the inverter is protected by a large number of fuses. Specifically, each battery string is usually connected to its associated string busbar via a fuse—a so-called string fuse. Each string busbar is connected to the group busbar assigned to it via another fuse - a so-called group fuse. In addition to the safety fuses, electromechanical switches can also be provided.
Die Auslöseverhalten einer Schmelzsicherung wird hauptsächlich über ihren Auslösestrom und ihr sogenanntes Grenzlastintegral, auch Schmelzintegral oder i2t-Wert genannt, charakterisiert. Bei Überschreiten des Auslösestroms wird die Schmelzsicherung über den durch sie hindurchtretenden Stromfluss derart erwärmt, dass sie die durch den Strom auf die Schmelzsicherung übertragene Verlustleistung nicht mehr, zumindest nicht mehr vollständig in Form von Abwärme an die Umgebung abgeben kann. Infolgedessen erwärmt sich die Schmelzsicherung, schmilzt auf und unterbricht den Stromkreis. Der Auslösestrom der Schmelzsicherung wirkt quasi als ein Triggerparameter für den Auslöseprozess, wobei der Auslöseprozess erst bei einem Strom oberhalb des Auslösestroms einsetzt / getriggert wird. Bei einem Strom unterhalb des Auslösestroms erfolgt kein Auslösen der Sicherung. Das Grenzlastintegral der Sicherung ist ein Maß für die Energie, die für das Auslösen der Sicherung erforderlich ist. Es beschreibt daher die Dynamik des Auslösens der Sicherung. So hat eine flink auslösende Sicherung ein vergleichsweise kleines Grenzlastintegral relativ zu einer träge auslösenden Sicherung.The triggering behavior of a safety fuse is mainly characterized by its triggering current and its so-called limit load integral, also known as the melting integral or i 2 t value. If the tripping current is exceeded, the safety fuse is heated by the current flow passing through it in such a way that it can no longer, at least not completely, dissipate the power loss transmitted by the current to the safety fuse to the environment in the form of waste heat. As a result, the fuse will heat up, melt and break the circuit. The tripping current of the safety fuse acts as a kind of trigger parameter for the tripping process, with the tripping process only starting/being triggered at a current above the tripping current. If the current is below the tripping current, the fuse will not trip. The fuse load limit integral is a measure of the energy required to blow the fuse. It therefore describes the dynamics of the triggering of the fuse. A fast-acting fuse has a comparatively small load limit integral relative to a slow-acting fuse.
Bei den in Frage stehenden Batterie-Speicherkraftwerken wird ein Anstiegsverhalten eines Kurzschlussstroms signifikant über die individuell vorliegende elektrische Verbindung zwischen den Batterie-Modulen als DC-Quelle und dem Wechselrichter als DC-Last beeinflusst. Relevant ist hier insbesondere eine der Verbindung innewohnende, im Folgenden auch als verbindungsimmanent bezeichnete, Impedanz. In the battery storage power plants in question, the rise behavior of a short-circuit current is significantly influenced by the individual electrical connection between the battery modules as the DC source and the inverter as the DC load. In particular, an impedance inherent in the connection, also referred to as connection-immanent in the following, is relevant here.
Beispielsweise können lange Zuleitungen und deren verbindungsimmanente Induktivität zu einer Drosselung im Anstieg des Kurzschlussstroms führen. Weist hingegen die Verbindung eine relativ kleine verbindungsimmanente Induktivität auf, so ist der Stromanstieg deutlich steiler. Wird nun beispielsweise eine zu träge reagierende Sicherung eingesetzt, so kann der Strom je nach Anstiegsgeschwindigkeit bis zum Aufschmelzen der Sicherung schon auf Werte angestiegen sein, die Komponenten des Wechselrichters und/oder andere Komponenten des Speicherkraftwerks beschädigen. Eine zu flink reagierende Schmelzsicherung kann zu einem unerwünschten, nicht mit einem realen Fehlerfall verbundenen Auslösen der Schmelzsicherung führen. Hingegen haben flink reagierende Sicherungen üblicherweise auch eine höhere Verlustleistung im normalen Betrieb des Speicherkraftwerks, was ebenfalls unerwünscht ist.For example, long supply lines and their connection-immanent inductance can lead to a throttling of the rise in the short-circuit current. If, on the other hand, the connection has a relatively small inductance inherent in the connection, the rise in current is significantly steeper. If, for example, a fuse that reacts too sluggishly is used, the current, depending on the rate of rise, may already have risen to values before the fuse melts, the components of the damage the inverter and/or other components of the storage power plant. A fuse that reacts too quickly can lead to an undesired triggering of the fuse that is not associated with a real fault. On the other hand, quick-reacting fuses usually also have a higher power loss during normal operation of the storage power plant, which is also undesirable.
Für eine korrekte Auslegung der Schmelzsicherungen zur Absicherung des Speicherkraftwerkes gegen einen Kurzschluss ist es daher wünschenswert, das transiente Verhalten eines in einem Fehlerfall entstehenden Kurzschlussstroms möglichst gut zu kennen. Herkömmlicherweise wird dies derzeit über Berechnungen abgeschätzt, in die beispielsweise die auch real vorhandenen Zuleitungslängen zwischen DC-Quelle und DC-Last eingehen. Die Abschätzung ist jedoch teilweise mit einer hohen Ungenauigkeit verbunden. Alternativ oder kumulativ dazu können Laborversuche zum Kurzschlussverhalten einer geplanten Anlage durchgeführt werden. Der Laboraufbau entspricht jedoch nicht zu 100% dem auch real vorliegenden Aufbau der Anlage, weswegen die in dem Laborversuch erzielten Ergebnisse nicht unmittelbar übertragbar sind auf die zukünftige real vorliegende Anlage.In order to correctly design the fuses to protect the storage power plant against a short circuit, it is therefore desirable to know as well as possible the transient behavior of a short circuit current that occurs in the event of a fault. Conventionally, this is currently estimated using calculations that include, for example, the actual cable lengths between the DC source and the DC load. However, the estimation is partly associated with a high level of inaccuracy. Alternatively or in addition to this, laboratory tests on the short-circuit behavior of a planned system can be carried out. However, the laboratory setup does not correspond 100% to the real setup of the system, which is why the results obtained in the laboratory test cannot be directly transferred to the future real system.
Aus der Druckschrift
Derartige elektronische Sicherungen sind jedoch üblicherweise mit höheren Kosten verbunden, die insbesondere bei einer Vielzahl einzusetzender Sicherungen nachteilig sind. Zudem hängt das schnelle und zuverlässige Auslösen der elektronischen Sicherung von einem ordnungsgemäßen und fehlerfreien Betrieb des Halbleiterschalters ab. Es hat sich gezeigt, dass hier Schmelzsicherungen, sofern sie korrekt ausgewählt sind, prinzipiell fehlerfreier bzw. zuverlässiger operieren.However, electronic fuses of this type are usually associated with higher costs, which are disadvantageous in particular when there are a large number of fuses to be used. In addition, rapid and reliable triggering of the electronic fuse depends on proper and error-free operation of the semiconductor switch. It has been shown that safety fuses, if they are selected correctly, generally operate more error-free and more reliably.
Aufgabe der Erfindungobject of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Absicherung einer Anlage mit einer DC-Quelle und einer DC-Last gegen einen Kurzschluss anzugeben. Konkret soll das Verfahren eine Auslegung von einer oder mehreren Schmelzsicherungen erlauben, die die individuellen Gegebenheiten der Anlage, insbesondere der Verbindung der DC-Quelle mit der DC-Last innewohnende verbindungsimmanente Impedanz und deren Einfluss auf den in einem Fehlerfall entstehenden Fehlerstrom berücksichtigt. Dabei soll das Verfahren möglichst einfach und kostengünstig durchführbar sein. Es ist zudem Aufgabe der Erfindung, eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Messeinrichtung aufzuzeigen.The invention is based on the object of specifying an improved method for protecting a system with a DC source and a DC load against a short circuit. In concrete terms, the method should allow one or more safety fuses to be designed that takes into account the individual conditions of the system, in particular the connection between the DC source and the DC load, the impedance inherent in the connection and its influence on the fault current that occurs in the event of a fault. The method should be able to be carried out as simply and inexpensively as possible. It is also the object of the invention to provide a measuring device suitable for carrying out the method.
Lösungsolution
Die Aufgabe, ein Verfahren zur Absicherung einer Anlage gegen einen Kurzschluss aufzuzeigen, wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe, ein zur Durchführung des Verfahrens geeignetes Messsystem aufzuzeigen, wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 4 wiedergegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung sind in den Ansprüchen 6 bis 11 genannt.The object of demonstrating a method for protecting a system against a short circuit is achieved according to the invention with the features of independent patent claim 1 . The object of demonstrating a measuring system suitable for carrying out the method is achieved according to the invention with the features of independent claim 5 . Advantageous embodiments of the method are set out in claims 2 to 4. Claims 6 to 11 specify advantageous embodiments of the device.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Die Erfindung zielt auf ein Verfahren zur Absicherung einer elektrischen Anlage gegen einen Kurzschluss. Die elektrische Anlage umfasst einen DC-Kreis mit einer DC-Quelle und einer über Zuleitungen mit der DC-Quelle verbundenen DC-Last, wobei die Verbindung zwischen der DC-Quelle und der DC-Last eine verbindungsimmanente Impedanz aufweist. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- - Herbeiführen eines Kurzschlusses der DC-Quelle durch Schließen einer Schalteinheit, die zwischen der DC-Quelle und der DC-Last in dem DC-Kreis angeordnet ist, so dass die DC-Quelle zumindest über einen Anteil der in dem DC-Kreis real vorhandenen verbindungsimmanenten Impedanz kurzgeschlossen wird,
- - Detektion eines bei dem Kurzschluss entstehenden Kurzschlussstroms Isc, insbesondere eines Zeitverlaufes des Kurzschlussstroms Isc,
- - Begrenzung und/oder Unterbrechung des Kurzschlussstroms Isc durch Öffnen der Schalteinheit bei Erfüllung eines Abbruchkriteriums, so dass eine Beschädigung von Komponenten der elektrischen Anlage, insbesondere des DC-Kreises durch den Kurzschlussstrom Isc sicher verhindert wird, und
- - Analyse des detektierten Kurzschlussstroms Isc, insbesondere dessen Zeitverlaufes unter Berücksichtigung zumindest desjenigen Anteils der verbindungsimmanenten Impedanz zwischen der DC-Quelle und der DC-Last, über den der Kurzschluss der DC-Quelle herbeigeführt wurde, und
- - Überprüfung einer Auslegung einer in der elektrischen Anlage, insbesondere in dem DC-Kreis vorhandenen Sicherung mittels der Analyse, oder Bestimmung einer Auslegung einer in die elektrischen Anlage, insbesondere in den DC-Kreis noch einzubauenden Sicherung mittels der Analyse.
- - Causing a short circuit of the DC source by closing a switching unit, which is arranged between the DC source and the DC load in the DC circuit, so that the DC source has at least a portion of the real present in the DC circuit connection-immanent impedance is short-circuited,
- - Detection of a short-circuit current Isc occurring during the short-circuit, in particular a time profile of the short-circuit current Isc,
- - Limiting and/or interrupting the short-circuit current Isc by opening the switching unit when a termination criterion is met, so that damage to components of the electrical system, in particular the DC circuit, is reliably prevented by the short-circuit current Isc, and
- - Analysis of the detected short-circuit current Isc, in particular its time profile, taking into account at least that part of the connection-immanent impedance between the DC source and the DC load, via which the short-circuit of the DC source was brought about, and
- - Checking a design of a fuse present in the electrical system, in particular in the DC circuit, using the analysis, or determining a design of a fuse still to be installed in the electrical system, in particular in the DC circuit, using the analysis.
Die Detektion des Kurzschlussstroms Isc kann über einen oder mehrere in dem DC-Kreis angeordnete Stromsensoren erfolgen. Mit einem Zeitverlauf des Kurzschlussstroms Isc ist jegliche Information gemeint, die eine Aussage über eine zeitliche Änderung des Kurzschlussstroms Isc liefert. Insbesondere kann die Detektion des Zeitverlaufes über die Detektion eines oder mehrerer korrespondierender Wertepaare des zeitabhängigen Kurzschlussstroms Isc(t) und der dazu jeweils korrespondierenden Zeit t erfolgen. Im Rahmen der Erfindung fällt auch die Detektion lediglich eines korrespondierenden Wertepaares von Kurzschlussstrom und der dazu korrespondierenden Zeit unter den Begriff „Detektion des Zeitverlaufes des Kurzschlussstroms ISC“, sofern ein anderes zeitlich benachbartes korrespondierendes Wertepaar von Kurzschlussstrom und Zeit als bekannt vorausgesetzt werden kann. Beispielsweise kann das Wertepaar zum Zeitpunkt des Herbeiführens des Kurzschlusses durch das Schließen der Schalteinheit als bekannt vorausgesetzt werden. Konkret kann es dem gerade im Betrieb der Anlage am Ort des Stromsensors fließenden Strom entsprechen. Insbesondere kann dann, wenn kein Leistungsfluss zwischen DC-Quelle und DC-Last fließt, der Strom beim Schließen der Schalteinheit 0A betragenThe short-circuit current Isc can be detected via one or more current sensors arranged in the DC circuit. A time profile of the short-circuit current Isc means any information that provides information about a change in the short-circuit current Isc over time. In particular, the time profile can be detected by detecting one or more corresponding value pairs of the time-dependent short-circuit current Isc(t) and the time t corresponding thereto. Within the scope of the invention, the detection of only one corresponding pair of values for short-circuit current and the corresponding time also falls under the term "detection of the time profile of the short-circuit current ISC", provided that another pair of values of short-circuit current and time that are adjacent in time can be assumed to be known. For example, the pair of values can be assumed to be known at the time when the short circuit is brought about by the closing of the switching unit. Specifically, it can correspond to the current flowing at the location of the current sensor during operation of the system. In particular, when there is no power flow between the DC source and the DC load, the current when the switching unit is closed can be 0A
Ein erfindungsgemäßes Messsystem ermöglicht eine Absicherung einer elektrischen Anlage gegen einen Kurzschluss. Dabei umfasst die elektrische Anlage einen DC-Kreis mit einer DC-Quelle und eine über Zuleitungen mit der DC-Quelle verbundene DC-Last, wobei die Verbindung zwischen der DC-Quelle und der DC-Last eine verbindungsimmanente Impedanz aufweist. Das Messsystem umfasst:
- - eine Schalteinheit, die im geschlossenen Zustand zur Herbeiführung eines Kurzschlussstroms Isc und im geöffneten Zustand zur Unterbrechung eines Kurzschlussstroms Isc in dem DC-Kreis ausgelegt ist,
- - zumindest einen Stromsensor, der zur Detektion eines in dem geschlossenen Zustand der Schalteinheit entstehenden Kurzschlussstroms Isc, insbesondere dessen Zeitverlaufes, ausgelegt ist
- - eine mit dem zumindest einen Stromsensor verbundene Auswerteeinheit (115), die zur Analyse des detektierten Kurzschlussstroms Isc, insbesondere eines Zeitverlaufes des Kurzschlussstroms Isc, eingerichtet ist, und
- - eine mit der Auswerteeinheit verbundene Steuerungseinheit zur Steuerung des Messsystems, insbesondere der Schalteinheit. Das Messsystem ist in einem in den DC-Kreis eingebauten Zustand zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt und eingerichtet.
- - a switching unit which is designed to bring about a short-circuit current Isc in the closed state and to interrupt a short-circuit current Isc in the DC circuit in the open state,
- - at least one current sensor, which is designed to detect a short-circuit current Isc occurring in the closed state of the switching unit, in particular its time profile
- - an evaluation unit (115) connected to the at least one current sensor, which is set up to analyze the detected short-circuit current Isc, in particular a time profile of the short-circuit current Isc, and
- - A control unit connected to the evaluation unit for controlling the measuring system, in particular the switching unit. When installed in the DC circuit, the measuring system is designed and set up for carrying out the method according to the invention.
Der zumindest eine Stromsensor zur Detektion des Kurzschlussstroms Isc kann lediglich einen, aber auch mehrere Stromsensoren umfassen. Die Auswerteeinheit und die Steuerungseinheit können als jeweils separate und/oder getrennte Einheiten vorliegen. Alternativ dazu ist es jedoch auch möglich, dass die Steuerungseinheit und die Auswerteeinheit in Form einer gemeinsamen Steuerungs- und Auswerteeinheit zusammengefasst vorliegen. Die Auswerteeinheit kann zusätzlich eingerichtet sein, abhängig von der Analyse des detektierten Kurzschlussstroms Isc, insbesondere dessen Zeitverlaufes, eine korrekte oder inkorrekte Auslegung einer in der elektrischen Anlage, insbesondere in dem DC-Kreis der elektrischen Anlage vorhandenen Sicherung zu signalisieren. Hierzu kann sie entsprechende Mittel zur Signalisierung aufweisen. Alternativ oder kumulativ dazu kann sie eingerichtet sein, einen oder mehrere Auslegungsparameter einer in die elektrische Anlage, insbesondere einer in den DC-Kreis der elektrischen Anlage noch einzubauenden Sicherung zu bestimmen und auszugeben. Zur Ausgabe der Auslegungsparameter kann die Auswerteeinheit eine Kommunikationseinheit aufweisen oder mit einer solchen verbunden sein.The at least one current sensor for detecting the short-circuit current Isc can comprise only one current sensor, but also a plurality of current sensors. The evaluation unit and the control unit can each be present as separate and/or separate units. As an alternative to this, however, it is also possible for the control unit and the evaluation unit to be combined in the form of a common control and evaluation unit. The evaluation unit can also be set up to signal a correct or incorrect design of a fuse present in the electrical system, particularly in the DC circuit of the electrical system, depending on the analysis of the detected short-circuit current Isc, in particular its time profile. To this end, it can have appropriate signaling means. Alternatively or in addition to this, it can be set up to determine and output one or more design parameters of a fuse that is still to be installed in the electrical installation, in particular in the DC circuit of the electrical installation. To output the design parameters, the evaluation unit can have a communication unit or be connected to one.
Im Rahmen der Erfindung wird über die Schalteinheit an der real vorliegenden elektrischen Anlage, insbesondere an einer geeigneten Stelle zwischen der DC-Quelle und der DC-Last, gezielt ein Kurzschluss herbeigeführt. Dabei kann die Schalteinheit dort eingebracht werden, wo beispielsweise nach einer Risiko-Analyse ein möglicher Kurzschlussfehler als wahrscheinlich angenommen werden kann. Hierbei kann es sich auch um mehrere Stellen handeln, an denen nacheinander mittels der Schalteinheit jeweils ein Kurzschluss erzeugt wird. Bei dem erzwungenen Kurzschluss treibt die DC-Quelle, oder zumindest ein Teil der DC-Quelle, einen ansteigenden Kurzschlussstrom Isc durch die Schalteinheit und denjenigen Teil der verbindungsimmanenten Impedanz zwischen DC-Quelle und DC-Last, über den die Schalteinheit mit der den Kurzschlussstrom Isc treibenden DC-Quelle elektrisch verbunden ist. Hieraus resultiert zeitlicher Anstieg des Kurzschlussstroms Isc, der über einen oder mehrere Stromsensoren erfasst wird.Within the scope of the invention, a short circuit is brought about in a targeted manner via the switching unit on the actual electrical installation, in particular at a suitable point between the DC source and the DC load. In this case, the switching unit can be installed where, for example after a risk analysis, a possible short-circuit fault can be assumed to be probable. This can also involve a number of points at which a short circuit is generated one after the other by means of the switching unit. In the forced short-circuit, the DC source, or at least a part of the DC source, drives an increasing short-circuit current Isc through the switching unit and that part of the connection-immanent impedance between the DC source and the DC load through which the switching unit with the short-circuit current Isc driving DC source elec is connected. This results in an increase in the short-circuit current Isc over time, which is recorded by one or more current sensors.
Der zeitliche Anstieg des Kurzschlussstroms ist von dem Anteil der verbindungsimmanenten Impedanz zwischen DC-Quelle und DC-Last abhängig, über den der Kurzschluss der DC-Quelle herbeigeführt wurde. Konkret ist das derjenige Anteil der verbindungsimmanenten Impedanz, der sich zwischen der den Kurzschluss treibenden DC-Quelle und der Schalteinheit befindet. Unter der verbindungsimmanenten Impedanz der Verbindung zwischen DC-Quelle und DC-Last sind die Impedanzen aller Komponenten zusammengefasst, die der Verbindung zwischen DC-Quelle und DC-Last der real vorliegenden Anlage inhärent sind.The increase in the short-circuit current over time depends on the proportion of the impedance inherent in the connection between the DC source and the DC load that caused the short-circuit in the DC source. In concrete terms, this is that part of the connection-immanent impedance that is located between the DC source driving the short circuit and the switching unit. The connection-immanent impedance of the connection between DC source and DC load summarizes the impedances of all components that are inherent in the connection between DC source and DC load of the actual system.
Wie auch in Verbindung mit
Dabei sind die Parameter Isc,o und τ für den DC-Kreis, insbesondere den aktuell vorliegenden Kurzschlusspfad des DC-Kreises charakteristisch. Konkret ist der Parameter Isc,o ein theoretischer Maximalstrom, der im Grenzfall großer Zeiten (t → ∞) in dem Kurzschlusspfad fließen würde, falls die in dem Kurzschlusspfad angeordneten Komponenten dieser Strombelastung standhalten würden, ohne zuvor beschädigt oder zerstört zu werden. Der Wert des Parameters Isc,o hängt hauptsächlich von dem Innenwiderstand Ri der DC-Quelle und der resistiven Impedanzkomponente Ra der verbindungsimmanenten Impedanz - geringfügig auch von dem ohmschen Widerstand der den Kurzschluss herbeiführenden Schalteinheit RSE - ab. In vielen Fällen ist jedoch der Innenwiderstand Ri groß gegen die restlichen resistiven Anteile Ra und RSE und daher in Bezug auf den maximalen Kurzschlussstrom Isc,o der DC-Quelle der begrenzende Faktor. Die DC-Zeitkonstante τ beschreibt die Dynamik des Anstiegs und hängt gemäß
In dem kurzgeschlossenen Zustand der DC-Quelle wird fortlaufend zeitlich wiederholend eine Erfüllung eines Abbruchkriteriums überprüft. Erfindungsgemäß wird dabei der Kurzschlussstrom Isc bei Erfüllung des Abbruchkriteriums durch ein Öffnen der Schalteinheit unterbrochen. Die Unterbrechung des Kurzschlussstroms Isc erfolgt üblicherweise deutlich vor dem Erreichen des den Gleichgewichtsfall charakterisierenden theoretischen Maximalstroms ISC,0, also bei deutlich geringeren Werten des Kurzschlussstroms Isc. Über das wiederholte Überprüfen des Abbruchkriteriums ist sichergestellt, dass keine Komponente der elektrischen Anlage bei dem herbeigeführten Kurzschluss beschädigt wird.In the short-circuited state of the DC source, compliance with a termination criterion is continuously and repeatedly checked over time. According to the invention, the short-circuit current Isc is interrupted when the termination criterion is met by opening the switching unit. The short-circuit current Isc is usually interrupted well before the theoretical maximum current I SC,0 characterizing the equilibrium case is reached, ie at significantly lower values of the short-circuit current Isc. The repeated checking of the termination criterion ensures that no component of the electrical system is damaged when the short circuit is caused.
Die während dem herbeigeführten Kurzschluss detektierten Wertepaare von Kurzschlussstrom Isc(t) und dazu korrespondierender Zeit t werden analysiert. Über den Zeitverlauf des Kurzschlussstroms lässt sich beispielsweise die Zeitkonstante τ ermitteln, die die Anstiegsdynamik des Kurzschlussstroms charakterisiert. Erfindungsgemäß ist es nicht notwendig, den Zeitverlauf in dem gesamten Strombereich zu erfassen. Vielmehr ist es ausreichend, lediglich einen relativ kurzen Zeitabschnitt ab Herbeiführung des Kurzschlusses zu detektieren. Der restliche Zeitverlauf ist unter Kenntnis des anfänglichen Zeitverlauf und insbesondere unter Kenntnis des prinzipiellen exponentiellen Zeitverhaltens gemäß Gleichung 1 extrapolierbar. Unter Kenntnis des anfänglichen Zeitverlaufes lässt sich überprüfen, ob eine in dem DC-Kreis, insbesondere eine in dem Kurzschlusspfad eingebaute Sicherung korrekt ausgelegt ist. Gleichfalls lässt sich aus dem Zeitverlauf des Kurzschlussstroms Isc ein Auslegungsparameter für eine Sicherung ermitteln, die in den DC-Kreis, insbesondere in den Kurzschlusspfad eingebaut werden soll. Wenn die Überprüfung ergibt, dass eine in der elektrischen Anlage verbaute Sicherung nicht korrekt ausgelegt ist, kann die in der Anlage verbaute Sicherung gegen eine Sicherung mit einem anderen Auslöseverhalten getauscht werden. Alternativ oder kumulativ dazu kann auch die Verbindung der DC-Quelle mit der DC-Last, und darüber die induktive Impedanzkomponente L der verbindungsimmanenten Impedanz geändert werden. Konkret kann beispielsweise eine Verlegung der Zuleitungen relativ zueinander und/oder deren Länge geändert werden, was eine Änderung der induktiven Impedanzkomponente L bewirkt. In ähnlicher Weise kann vorgegangen werden, wenn der ermittelte Auslegungsparameter der noch einzubauenden Sicherung eine Sicherung indiziert, die in dieser Form nicht verfügbar ist. In diesem Fall kann die induktive Impedanzkomponente L der realen elektrischen Anlage so abgeändert werden, dass eine verfügbare Sicherung verwendet werden kann. Dabei kann die zu überprüfende Sicherung und/oder die noch einzubauende Sicherung insbesondere als eine Schmelzsicherung ausgebildet sein.The value pairs of short-circuit current Isc(t) and the corresponding time t detected during the short-circuit caused are analyzed. For example, the time constant τ, which characterizes the increase dynamics of the short-circuit current, can be determined via the time profile of the short-circuit current. According to the present invention, it is not necessary to detect the lapse of time in the entire current range. Rather, it is sufficient to detect only a relatively short period of time after the short circuit was brought about. The remaining time profile can be extrapolated with knowledge of the initial time profile and in particular with knowledge of the basic exponential time behavior according to Equation 1. Knowing the initial course of time, it is possible to check whether a fuse installed in the DC circuit, in particular a fuse installed in the short-circuit path, is designed correctly. Likewise, a design parameter for a fuse that is in the DC circuit, in particular in the short-circuit path, can be determined from the time profile of the short-circuit current Isc is to be installed. If the check reveals that a fuse installed in the electrical system is not designed correctly, the fuse installed in the system can be exchanged for a fuse with a different tripping behavior. Alternatively or in addition to this, the connection of the DC source to the DC load can also be changed, and via this the inductive impedance component L of the impedance inherent in the connection can be changed. Specifically, for example, the routing of the supply lines relative to one another and/or their length can be changed, which causes the inductive impedance component L to change. A similar procedure can be followed if the determined design parameters of the fuse still to be installed indicate a fuse that is not available in this form. In this case, the inductive impedance component L of the real electrical equipment can be modified so that an available fuse can be used. The fuse to be checked and/or the fuse still to be installed can be designed in particular as a fuse.
Vor dem Herbeiführen des Kurzschlusses über die Schalteinheit können einzelne Komponenten der elektrischen Anlage von dem DC-Kreis abgetrennt werden. Dabei können die Komponenten solange von dem DC-Kreis getrennt bleiben, bis der Kurzschluss über das Öffnen der Schalteinheit wieder beendet wird. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn die entsprechenden Komponenten den Kurzschlussstrom Isc in dem DC-Kreis gar nicht, oder nur unwesentlich beeinflussen. Konkret kann beispielsweise vor und während dem herbeigeführten Kurzschluss die DC-Last von dem DC-Kreis getrennt werden, sofern die Schalteinheit - wie in
Erfindungsgemäß werden bei der Auslegung der geplanten Sicherung und/oder der Überprüfung der vorhandenen Sicherung die in der realen elektrischen Anlage vorliegenden verbindungsimmanenten Impedanzen berücksichtigt. Auf einen gegebenenfalls abweichenden Nachbau einer elektrischen Anlage und daran nachgestellte Versuche unter Laborbedingungen wird bewusst verzichtet. Damit wird einem teilweise stark variierenden Anstiegsverhalten des Kurzschlussstroms Isc bei unterschiedlichen elektrischen Anlagen trotz zumindest weitgehend gleichen DC-Quellen und/oder DC-Lasten Rechnung getragen. Da die real vorliegenden verbindungsimmanenten Impedanzen in die Auslegung / in die Überprüfung der Sicherungen einfließen, sind diese deutlich genauer, als sie mit einem Labornachbau bzw. einer Simulationsberechnung erzielbar sind. Konkret kann die Sicherung sowohl hinsichtlich eines möglichst geringen Durchlasswiderstandes im normalen Betrieb der elektrischen Anlage optimiert sein, und dennoch im Falle eines eventuell auftretenden Kurzschlussstroms ausreichend flink reagieren. So ist insbesondere der Kompromiss der beiden prinzipiell gegenläufigen Parameter „geringer Durchlasswiderstand“ und „hochdynamisches Auslöseverhalten“ einer Schmelzsicherung durch die Berücksichtigung der real vorliegenden verbindungsimmanenten Impedanzen der in Frage stehenden elektrischen Anlage deutlich besser möglich, als unter Nutzung der herkömmlichen Laborversuche oder Simulationsberechnungen.According to the invention, the connection-immanent impedances present in the real electrical installation are taken into account when designing the planned fuse and/or checking the existing fuse. A possibly deviating replica of an electrical system and subsequent tests under laboratory conditions are deliberately avoided. This takes account of the rise behavior of the short-circuit current Isc, which varies greatly in some cases, in different electrical systems despite at least largely the same DC sources and/or DC loads. Since the connection-immanent impedances that are actually present are included in the design/checking of the fuses, they are significantly more precise than can be achieved with a laboratory replica or a simulation calculation. In concrete terms, the fuse can be optimized both with regard to the lowest possible on-state resistance in normal operation of the electrical system and still react sufficiently quickly in the event of a short-circuit current that may occur. In particular, the compromise between the two fundamentally opposing parameters "low on-state resistance" and "highly dynamic triggering behavior" of a fuse is much better possible by taking into account the actual connection-immanent impedances of the electrical system in question than using conventional laboratory tests or simulation calculations.
Das Messsystem ist vergleichsweise kostengünstig herstellbar. Es kann mobil ausgelegt sein, wobei ein bestimmtes Messsystem in eine Vielzahl von elektrischen Anlagen eingebaut, und nach Durchführung des Verfahrens wieder ausgebaut werden kann. Das Verfahren kann automatisiert und in einfacher Art und Weise durchgeführt werden. Dabei ist eine Beschädigung von Komponenten der elektrischen Anlage in hohem Masse ausgeschlossen, da der herbeigeführte Kurzschluss lediglich kurz erfolgt, eine ständige Überwachung des Kurzschlussstroms Isc während des herbeigeführten Kurzschlusses beinhaltet, und insbesondere durch eine rechtzeitige Stromunterbrechung in seinem maximal auftretenden Kurzschlussstrom begrenzt ist. Zusammenfassend kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine kostengünstige und dennoch vergleichsweise genaue Absicherung der elektrischen Anlage gegen Kurzschluss erfolgen, die die individuell vorliegenden verbindungsimmanenten Impedanzen der individuell unterschiedlichen elektrischen Anlagen berücksichtigt.The measuring system can be produced comparatively inexpensively. It can be designed to be mobile, in which case a specific measuring system can be installed in a large number of electrical systems and removed again after the method has been carried out. The method can be automated and carried out in a simple manner. Damage to components of the electrical system is largely ruled out, since the short-circuit caused is only brief, includes constant monitoring of the short-circuit current Isc during the short-circuit caused, and is limited in its maximum occurring short-circuit current by timely power interruption. In summary, the method according to the invention can be used to protect the electrical system against short circuits in a cost-effective and yet comparatively accurate manner, which takes into account the individually present connection-immanent impedances of the individually different electrical systems.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen angegeben, deren Merkmale einzeln und in beliebiger Kombination miteinander angewendet werden können.Advantageous refinements of the invention are specified in the following description and the dependent claims, the features of which can be used individually and in any combination with one another.
In einer vorteilhaften Variante des Verfahrens kann bei der Analyse des detektierten Kurzschlussstroms Isc, insbesondere dessen Zeitverlaufes, die dem DC-Kreis zugeordnete DC-Zeitkonstante τ bestimmt werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine Steigung einer Tangente an den Zeitverlauf, die den Zeitpunkt der Herbeiführung des Kurzschlusses beschreibt, bestimmt wird. Alternativ ist es möglich, eine theoretische Kurve des exponentiellen Zeitverhaltens gemäß Gleichung 1 unter Variation der auftretenden Parameter (hier: die zu ermittelnde DC-Zeitkonstante τ und den theoretischen Maximalstrom ISC,0) so an die detektierten Messwerte anzupassen, dass die Summe der Fehlerquadrate zwischen den Messwerten und der theoretischen Kurve minimal wird. Alternativ oder kumulativ zur Bestimmung der Zeitkonstante kann bei der Analyse auch ein optimaler Wert für einen Parameter bestimmt werden, der eine Auslöseschwelle oder ein Auslöseverhalten einer Sicherung beschreibt. Ein derartiger Parameter kann beispielsweise ein Auslösestrom und/oder ein Grenzlastintegral der Sicherung sein.In an advantageous variant of the method, the DC time constant τ assigned to the DC circuit can be determined during the analysis of the detected short-circuit current Isc, in particular its time profile. This can be done, for example, by determining a slope of a tangent to the time profile that describes the point in time at which the short circuit was brought about. Alternatively, it is possible to adapt a theoretical curve of the exponential time behavior according to Equation 1 by varying the parameters that occur (here: the DC time constant τ to be determined and the theoretical maximum current I SC,0 ) to the detected measured values in such a way that the sum of the squared errors between the measured values and the theoretical curve becomes minimal. As an alternative or in addition to determining the time constant, an optimal value for a parameter can also be determined during the analysis describes a triggering threshold or a triggering behavior of a fuse. Such a parameter can be, for example, a tripping current and/or a limit load integral of the fuse.
In einer Variante des Verfahrens kann das Abbruchkriterium eines oder mehrere der folgenden Ereignisse umfassen:
- - ein Erreichen oder Überschreiten eines Schwellwertes ITH für den Kurzschlussstrom Isc,
- - ein Erreichen oder Überschreiten eines Schwellwertes ΔtTH für eine seit dem Schließen der Schalteinheit vergangene Zeitdauer Δt,
- - ein Erreichen oder Überschreiten eines Schwellwertes für ein dem Kurzschlussstrom Isc zugeordnetes Grenzlastintegral i2tTH.
- - reaching or exceeding a threshold value I TH for the short-circuit current Isc,
- - reaching or exceeding a threshold value Δt TH for a period of time Δt that has elapsed since the switching unit was closed,
- - reaching or exceeding a threshold value for a limit load integral i 2 t TH assigned to the short-circuit current Isc.
Das Verfahren kann bevorzugt in einem Batterie-Speicherkraftwerk, in einem Photovoltaik-Kraftwerk (PV-Kraftwerk), oder in einem Kombi-Kraftwerk (i.e. einer Kombination aus Batterie-Speicherkraftwerk und PV-Kraftwerk - angewendet werden. Konkret kann bei dem Verfahren die DC-Quelle eine Vielzahl von Batterien und/oder eine Vielzahl von PV-Modulen umfassen, die in Serien- und/oder Parallelschaltung zueinander angeordnet sind. Zudem kann das Kombi-Kraftwerk auch Brennstoffzellen als DC-Quellen umfassen. Weiterhin kann die DC-Last einen DC/AC-Wandler und/oder einen DC/DC-Wandler umfassen, die in Bezug auf einen durch sie hindurchtretenden Leistungsfluss unidirektional - im Falle eines PV-Kraftwerks -, alternativ aber auch bidirektional - im Falle eines Batterie-Speicherkraftwerks oder Kombi-Kraftwerk - betreibbar sind.The method can preferably be used in a battery storage power plant, in a photovoltaic power plant (PV power plant), or in a combined power plant (i.e. a combination of battery storage power plant and PV power plant). Specifically, the process can use the DC -Source include a variety of batteries and / or a variety of PV modules, which are arranged in series and / or parallel to each other.In addition, the combined cycle power plant can also include fuel cells as DC sources.Furthermore, the DC load can have a DC/AC converters and/or a DC/DC converter that are unidirectional in relation to a power flow passing through them—in the case of a PV power plant—but alternatively also bidirectionally—in the case of a battery storage power plant or combined cycle power plant - are operable.
Die Schalteinheit weist typischerweise einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss, eine zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss angeordnete Verbindungsleitung und zumindest einen in der Verbindungsleitung angeordneten Schalter auf, beispielsweise einen Halbleiterschalter oder einen elektromechanischen Schalter. In einer Ausführungsform des Messsystems kann die Schalteinheit eine in der Verbindungsleitung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss angeordnete Serienschaltung eines aktiv steuerbaren Halbleiterschalters und eines elektromechanischen Schalters oder eine Serienschaltung eines aktiv steuerbaren Halbleiterschalters und einer Schmelzsicherung umfassen. In einer weiteren Ausführungsform kann die Schalteinheit zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss eine Serienschaltung eines elektromechanischen Schalters und einer Schmelzsicherung aufweisen. Durch die Kombination aus Halbleiterschalter einerseits und elektromechanischem Schalter oder Schmelzsicherung andererseits ist die Schalteinheit in ihrem Betrieb in der Lage, sowohl schnellschaltend zu reagieren (durch den Halbleiterschalter) wie auch eine galvanisch trennende Stromunterbrechung zu gewährleisten (durch den elektromechanischen Schalter oder die Schmelzsicherung).The switching unit typically has a first connection, a second connection, a connecting line arranged between the first and the second connection and at least one switch arranged in the connecting line, for example a semiconductor switch or an electromechanical switch. In one embodiment of the measuring system, the switching unit can include a series connection of an actively controllable semiconductor switch and an electromechanical switch arranged in the connecting line between the first and second connection or a series connection of an actively controllable semiconductor switch and a safety fuse. In a further embodiment, the switching unit can have a series connection of an electromechanical switch and a safety fuse between the first and the second connection. The combination of a semiconductor switch on the one hand and an electromechanical switch or safety fuse on the other hand means that the switching unit is able to react quickly (through the semiconductor switch) and to ensure a galvanically isolating current interruption (through the electromechanical switch or safety fuse).
In einer Ausführungsform des Messsystems kann der zumindest eine Stromsensor eine Vielzahl von Stromsensoren umfassen, die mit der Auswerteeinheit verbunden sind, und die jeweils zur Detektion eines in dem DC-Kreis fließenden Kurzschlussstroms Isc, insbesondere eines Zeitverlaufes des Kurzschlussstroms Isc ausgelegt sind. Alternativ oder kumulativ kann das Messsystem einen oder mehrere mit der Auswerteeinheit verbundene Spannungssensoren umfassen, der/die jeweils zur Detektion einer in dem DC-Kreis herrschenden Spannung Usc, insbesondere eines Zeitverlaufes der Spannung Usc ausgelegt sind. Indem das Messsystem mehrere Stromsensoren und/oder mehrere Spannungssensoren aufweist, können gleichzeitig mehrere Zeitverläufe von Kurzschlussstrom Isc und/oder Kurzschlussspannung Usc bei einem herbeigeführten Kurzschluss, beispielsweise an unterschiedlichen Stellen des DC-Kreises, detektiert werden. Auf diese Weise können die in dem DC-Kreis vorhandenen verbindungsimmanenten Impedanzen effizienter analysiert werden.In one embodiment of the measuring system, the at least one current sensor can include a large number of current sensors which are connected to the evaluation unit and which are each designed to detect a short-circuit current Isc flowing in the DC circuit, in particular a time profile of the short-circuit current Isc. Alternatively or cumulatively, the measuring system can include one or more voltage sensors connected to the evaluation unit, which are each designed to detect a voltage Usc prevailing in the DC circuit, in particular a time profile of the voltage Usc. Since the measuring system has multiple current sensors and/or multiple voltage sensors, multiple time curves of short-circuit current Isc and/or short-circuit voltage Usc can be detected simultaneously when a short-circuit occurs, for example at different points in the DC circuit. In this way, the connection-immanent impedances present in the DC circuit can be analyzed more efficiently.
In einer vorteilhaften Variante des Messsystems kann der Stromsensor beziehungsweise kann einer der Stromsensoren in einer Verbindungsleitung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss der Schalteinheit angeordnet sein. Konkret kann der Stromsensor eingerichtet sein, den zwischen den Anschlüssen der Schalteinheit fließenden Kurzschlussstrom Isc, insbesondere dessen Zeitverlauf zu detektieren. Weiterhin kann der Spannungssensor beziehungsweise kann einer der Spannungssensoren des Messsystems mit dem ersten Anschluss der Schalteinheit einerseits und dem zweiten Anschluss der Schalteinheit andererseits verbunden sein und auf diese Weise eingerichtet sein, eine zwischen den Anschlüssen der Schalteinheit herrschende Spannung Usc, insbesondere deren Zeitverlauf zu detektieren.In an advantageous variant of the measuring system, the current sensor or one of the current sensors can be arranged in a connecting line between the first connection and the second connection of the switching unit. Specifically, the current sensor can be set up to detect the short-circuit current Isc flowing between the terminals of the switching unit, in particular its time profile. Furthermore, the voltage sensor or one of the voltage sensors of the measuring system can be connected to the first connection of the switching unit on the one hand and the second connection of the switching unit on the other hand and be set up in this way to detect a voltage Usc prevailing between the connections of the switching unit, in particular its time profile.
Figurenlistecharacter list
Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe von Figuren dargestellt. Von diesen zeigen
-
1 eine Ausführungsform eines in einem DC-Kreis einer elektrischen Anlage eingebauten Messsystems; -
2a eine erste Ausführungsform einer Schalteinheit des Messsystems aus1 ; -
2b eine zweite Ausführungsform einer Schalteinheit des Messsystems aus1 ; -
2c eine dritte Ausführungsform einer Schalteinheit des Messsystems aus1 ; -
3 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; -
4 eine Analyse der detektierten Messwerte am Beispiel eines Zeitverlaufes des Kurzschlussstroms ISC(t); -
5 Batterie-Speicherkraftwerk als elektrische Anlage mit einem darin verbauten Messsystem;
-
1 an embodiment of a measurement system installed in a DC circuit of an electrical installation; -
2a a first embodiment of a switching unit of the measuring system1 ; -
2 B a second embodiment of a switching unit of the measuring system1 ; -
2c a third embodiment of a switching unit of the measuring system1 ; -
3 a flowchart of an embodiment of the method according to the invention; -
4 an analysis of the measured values detected using the example of a time profile of the short-circuit current I SC (t); -
5 Battery storage power plant as an electrical system with a built-in measuring system;
Figurenbeschreibungcharacter description
In
Mit dem Messsystem 100 soll nun eine korrekte Auslegung der Schmelzsicherung 220 unter Berücksichtigung der verbindungsimmanenten Impedanz 202 überprüft werden. Hierzu umfasst das Messsystem 100 eine Schalteinheit 102 mit einer Serienschaltung aus einem aktiv steuerbaren Halbleiterschalter 103 und einer weiteren Schmelzsicherung 104, sowie eine die Schalteinheit 102 ansteuernde Steuerungseinrichtung 101. Exemplarisch ist die Schalteinheit 102 in dem DC-Kreis 200 so verschaltet, dass die DC-Quelle 201 im geschlossenen Zustand der Schalteinheit 102 über die verbindungsimmanente Impedanz 202 und die zu überprüfende Schmelzsicherung 220 kurzgeschlossen wird. Das Messsystem 100 umfasst weiterhin eine mit der Steuerungseinheit 101 verbundene Auswerteeinheit 115, einen Stromsensor 110 zur Detektion eines in dem DC-Kreis, hier insbesondere in dem Kurzschlusspfad fließenden Kurzschlussstroms Isc. Das Messsystem 100 umfasst zudem einen ersten Spannungssensor 111a und einen zweiten Spannungssensor 111b, jeweils zur Detektion einer in dem DC-Kreis 200 herrschenden Spannung Usc. Exemplarisch ist der erste Spannungssensor 111a eingerichtet, eine zwischen Anschlussklemmen der DC-Quelle 201 herrschende Spannung U111a, insbesondere deren Zeitverlauf zu detektieren. Der zweite Spannungssensor 111b ist hingegen eingerichtet, eine zwischen einem ersten Anschluss 106 und einem zweiten Anschluss 107 der Schalteinheit 102 herrschende Spannung U111b, insbesondere deren Zeitverlauf zu detektieren. Ein Betrieb des Messsystems 100 wird in Zusammenhang mit den
In den
Vorteilhaft kann einer der Spannungssensoren des Messsystems 100 - hier der zweite Spannungssensor 111b - mit den Anschlüssen 106, 107 der Schalteinheit 102 verbunden sein und eingerichtet sein, bei dem herbeigeführten Kurzschluss eine zwischen den Anschlüssen 106, 107 herrschende Spannung U111b zu detektieren. Weiterhin kann einer der Stromsensoren - hier der zweite Stromsensor 110b - in der Verbindungsleitung zwischen dem ersten Anschluss 106 und dem zweiten Anschluss 107 angeordnet sein und eingerichtet sein, während des herbeigeführten Kurzschlusses den in der Verbindungsleitung fließenden Kurzschlussstrom Isc, insbesondere dessen Zeitverlauf Isc zu detektieren. Die gezeigte Verschaltung des Stromsensors 110b und des Spannungssensors 111b ist optional auch bei der zweiten und der dritten Ausführungsform der Schalteinheit 102 möglich.Advantageously, one of the voltage sensors of the
Die zweite Ausführungsform der Schalteinheit 102b gemäß
Die dritte Ausführungsform der Schalteinheit 102c umfasst eine Serienschaltung aus einer weiteren Sicherung 104 und einem elektromechanischen Schalter 105. Der Kurzschluss wird hier durch ein Schließen des elektromechanischen Schalters 105 herbeigeführt, während der Kurzschlussstrom durch die auslösende weitere Sicherung 104 unterbrochen wird. Somit stellt in der dritten Ausführungsform die weitere Sicherung 104 die schnell schaltende Funktion der Schalteinheit 102c bereit. Der elektromechanische Schalter 105 dient hier hauptsächlich einer redundanten Trennungsfunktion für den Kurzschlussstrom Isc, sollte die weitere Sicherung 104 einmal nicht in der Lage sein, den erzwungenen Kurzschlussstrom Isc - beispielsweise aufgrund eines über der ausgelösten weiteren Sicherung 104 brennenden Lichtbogens - zu trennen. Hierzu kann der elektromechanische Schalter 105 eine vergleichsweise hohe Stromtragfähigkeit und geeignete Mittel zur Löschung des Lichtbogens aufweisen (in
In
Solange das Abbruchkriterium nicht erfüllt ist, springt das Verfahren zurück zum Schritt A3. Ist hingegen das Abbruchkriterium erfüllt, wird in dem Schritt A5 die Schalteinheit 102 geöffnet, wodurch der Kurzschlussstrom Isc (t) unterbrochen wird. In dem Schritt A6 erfolgt eine Analyse des detektierten Zeitverlaufes für den Kurzschlussstrom Isc (t), gegebenenfalls auch unter Berücksichtigung der detektierten Zeitverläufe für die Spannungen U111a, U111b. Die Analyse verfolgt das Ziel, einen eine Auslöseschwelle der Sicherung 220 charakterisierenden Parameter zu bestimmen, bei dem die verbindungsimmanenten Impedanzen 202 berücksichtigt sind, wie sie zwischen der DC-Quelle 201 und der DC-Last 210 der elektrischen Anlage real vorliegen. Die mittels des bestimmten Parameters charakterisierte Auslöseschwelle kann mit einer Auslöseschwelle der in dem DC-Kreis 200 bereits verbauten Sicherung 220 verglichen werden. Hierdurch kann eine korrekte Auslegung der Sicherung 220 überprüft und gegebenenfalls angepasst werden. Alternativ oder kumulativ dazu ist es möglich, mit dem bestimmten Parameter eine in den DC-Kreis 200 noch einzubauende Sicherung 220 passend und möglichst optimal auszulegen. Das Verfahren wird in dem Schritt A7 beendet.As long as the termination criterion is not met, the method jumps back to step A3. If, on the other hand, the termination criterion is met, the
Zur Bestimmung der DC-Zeitkonstante τ wird nun eine Tangente 402 an den Kurvenabschnitts 401a bei t=0 - also zum Zeitpunkt der Herbeiführung des Kurzschlusses - angeschmiegt und deren Steigung m ermittelt. Es lässt sich zeigen, dass die Steigung m der Tangente 402 gemäß
In einigen Fällen ist der Innenwiderstand der Batterie Ri der strombegrenzende Faktor und ist groß gegen die resistive Impedanzkomonente Ra und auch den Widerstand der Schalteinheit 102, d.h. es gilt Ri » Ra und Ri » R102. In diesem Fall vereinfacht sich Gleichung 3 zu
In diesen Fällen kann für den maximalen Kurzschlussstrom in dem Kurzschlusspfad in guter Näherung auch der maximale Kurzschlussstrom der DC-Quelle verwendet werden, der ebenfalls aus Datenblättern der DC-Quelle hinreichend genau bekannt ist. Auch damit kann aus der bestimmten Steigung m der Tangente und unter Berücksichtigung von Gleichung (3) die DC-Zeitkonstante τ des Kurzschlusspfades ermittelt werden.In these cases, the maximum short-circuit current of the DC source can also be used as a good approximation for the maximum short-circuit current in the short-circuit path, which is also known with sufficient accuracy from data sheets for the DC source. This can also be used to determine the DC time constant τ of the short-circuit path from the gradient m determined for the tangent and taking into account equation (3).
In
Das Batterie-Speicherkraftwerk 300 umfasst als DC-Quelle eine Vielzahl von Batteriemodulen, die durch eine Kombination aus Serien- und Parallelschaltung miteinander verbunden sind. Dabei bildet eine Serienschaltung von mehreren Batteriemodulen jeweils einen sogenannten Batterie-String 302a.1 - 302a.n, 302b.1 - 302b.n. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in
Hierzu wird über ein Schließen der Schalteinheit 102, die hier parallel zu einem DC-Eingang des DC/AC-Wandlers 320 verschaltet ist, ein temporärer Kurzschluss erzeugt. Die über die Verbindungsleitungen zwischen der ersten Sammelschiene 315a, 315b und der zweiten Sammelschiene 316 fließenden Kurzschlussströme Isc werden mit ihren Zeitverläufen für jede Gruppe 303a, 303b jeweils über einen der Stromsensoren 110a, 110b erfasst, Zusätzlich werden Zeitverläufe von Spannungen an den ersten Sammelschienen 315a, 315b durch entsprechende Spannungssensoren 111a, 111b detektiert. Auch in der Schalteinheit 102 ist ein Stromsensor und ein Spannungssensor angeordnet (in
BezugszeichenlisteReference List
- 100100
- Messsystemmeasuring system
- 101101
- Steuerungseinheitcontrol unit
- 102102
- Schalteinheitswitching unit
- 103103
- Halbleiterschaltersemiconductor switch
- 104104
- Sicherungfuse
- 105105
- elektromechanischer Schalterelectromechanical switch
- 106106
- Anschlussconnection
- 107107
- Anschlussconnection
- 110, 110a, 110b110, 110a, 110b
- Stromsensorcurrent sensor
- 111, 111a, 111b111, 111a, 111b
- Spannungssensorvoltage sensor
- 115115
- Auswerteeinheitevaluation unit
- 200200
- DC-KreisDC circuit
- 201201
- DC-QuelleDC source
- 202202
- verbindungsimmanente Impedanzconnection inherent impedance
- 203203
- Zuleitungsupply line
- 210210
- DC-LastDC load
- 220, 220a, 220b220, 220a, 220b
- Sicherungfuse
- 300300
- Batterie-Speicherkraftwerkbattery storage power station
- 302.a.1 - 302.a.n302.a.1 - 302.a.n
- Batterie Stringbattery string
- 302.b.1 - 302.b.n302.b.1 - 302.b.n
- Batterie-Stringbattery string
- 303a, 303b303a, 303b
- Gruppe group
- 315a, 315b315a, 315b
- String-SammelschieneString busbar
- 316316
- Gruppen-Sammelschienegroup busbar
- 320320
- DC/AC-WandlerDC/AC converter
- 330330
- Energieversorgungsnetzpower grid
- Iscisc
- Kurzschlussstromshort-circuit current
- 401a, 401b401a, 401b
- Kurvenabschnittcurve section
- 402402
- Tangentetangent
- A1 - A7A1 - A7
- Verfahrensschrittprocess step
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- WO 2018185051 A1 [0010]WO 2018185051 A1 [0010]
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Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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