DE102022116671A1

DE102022116671A1 - Leistungswandler, verfahren zum betrieb eines leistungswandlers und system mit einer dc-energiequelle, einem dc-netz und einem leistungswandler

Info

Publication number: DE102022116671A1
Application number: DE102022116671.6A
Authority: DE
Inventors: Marcel Kratochvil; Alexander Unru
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2022-07-04
Filing date: 2022-07-04
Publication date: 2024-01-04
Also published as: WO2024008696A1

Abstract

Die Anmeldung betrifft einen Leistungswandler (10) zum Übertragen elektrischer Leistung mit einer ersten Seite zum Anschluss an eine DC-Energiequelleversorgung (20) und mit einer zweiten Seite zum Anschluss an ein DC-Netz (22), wobei der Leistungswandler (10) einen DC/DC-Steller (12) und eine erste Schaltvorrichtung (14) aufweist. Der DC/DC-Steller (12) ist eingerichtet, elektrische Leistung zwischen der ersten und der zweiten Seite auszutauschen, und die erste Schaltvorrichtung (14) ist eingerichtet, die erste Seite schaltbar über den DC/DC-Steller (12) mit der zweiten Seite zu verbinden. Der Leistungswandler (10) ist ausgebildet, die Verbindung über die erste Schaltvorrichtung (14) zu trennen, wenn das DC-Netz (22) zum Austausch elektrischer Leistung mit einem AC-Versorgungsnetz (30) vorgesehen ist, und die Verbindung über die erste Schaltvorrichtung (14) herzustellen, wenn für das DC-Netz (22) kein Austausch elektrischer Leistung mit dem AC-Versorgungsnetz (30) vorgesehen ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Anmeldung betrifft einen Leistungswandler, ein Verfahren zum Betrieb eines Leistungswandlers sowie ein System mit einer DC-Energiequelle (DC, engl. Direct Current: Gleichstrom/Gleichspannung), einem DC-Netz und einem Leistungswandler.
STAND DER TECHNIK
Eine DC-Energiequelle, z. B. eine Photovoltaik-Anlage (PV-Anlage), ein elektrischer Speicher, eine Brennstoffzelle oder ein Generator, kann mit einem DC-Netz verbunden sein und Leistung in das DC-Netz einspeisen. Die DC-Energiequelle kann dabei insbesondere über einen Leistungswandler mit DC/DC-Steller an das lokale DC-Netz gekoppelt werden. Eine PV-Anlage kann über einen solchen Leistungswandler z. B. PV-Leistung aus dem PV-Generator in das lokale DC-Netz einspeisen. Eine PV-Anlage kann dabei einen oder mehrere PV-Generatoren aufweisen, welche in Serie oder in Reihe geschaltet sein können. Ein solches System aus einem DC-Netz und einer DC-Energiequelle, insbesondere einer PV-Installation wie einem PV-Generator, gilt grundsätzlich als Energieerzeugungsanlage.
Ein DC-Netz umfasst regelmäßig eine Anzahl elektrischer Verbrauchern. Zur Versorgung des DC-Netzes und damit der Verbraucher mit elektrischer Leistung kann ein DC-Netz mit einem AC-Versorgungsnetz verbunden sein. An einen AC/DC-Wandler, z B. einen aktiven Gleichrichter, der zwischen dem AC-Versorgungsnetz (AC, engl. Alternating Current: Wechselstrom/Wechselspannung) und dem DC-Netz angeordnet ist und das DC-Netz mit elektrischer Leistung aus dem AC-Versorgungsnetz versorgt, besteht dann, wenn das DC-Netz aufgrund einer damit verbundenen DC-Energiequelle als Energieerzeugungsanlage zu behandeln ist, die Anforderung, in Richtung des AC-Versorgungsnetzes netzdienlich zu arbeiten, insbesondere wenn nicht ausgeschlossen werden kann, dass über den.AC/DC-Wandler elektrische (Überschuss-)Leistung aus dem DC-Netz in das AC-Versorgungsnetz fließt Insbesondere an ein öffentliches AC-Versorgungsnetz darf eine Energieerzeugungsanlage aus normativen Gründen nur dann angeschlossen werden, wenn die Energieerzeugungsanlage die in den jeweils einschlägigen Normen definierten Anforderungen erfüllt, beispielsweise indem definierte Änderungen der Leistung der Energieerzeugungsanlage in Reaktion auf Unregelmäßigkeiten im AC-Versorgungsnetz vorgenommen werden, um den Unregelmäßigkeiten entgegenzuwirken. Dazu muss insbesondere der AC/DC-Wandler alle Vorgaben und Zulassungsbedingungen des jeweiligen Netzbetreibers an eine netzgekoppelte Energieerzeugungsanlage erfüllen.
Mögliche Anforderungen des Netzbetreibers zur Netzdienlichkeit können z. B. eine Netzstützung durch Wirkleistungsanpassung (z. B. bei Frequenzschwankungen) und/oder eine Bereitstellung von Blindleistung (z. B. bei Spannungsschwankungen) umfassen. Außerdem können spezielle Anforderungen an die Kuppelstelle zum Netz des Versorgers (NAP), z. B. (sichere) Kommunikation, Einfehlersicherheit u. ä. bestehen.
Durch die geforderte Netzdienlichkeit können Zielkonflikte zwischen dem vom AC-Netzbetreiber geforderten Verhalten am AC-Netzanschlusspunkt (NAP) und den Anforderungen des DC-Netzes an die darin verfügbare Leistung auftreten. Wenn der AC/DC-Wandler als Schnittstelle zwischen DC-Netz und AC-Versorgungsnetz in Richtung des AC-Versorgungsnetzes netzdienlich wirkt, z. B. indem er bei einer Spannungsabweichung im AC-Versorgungsnetz Blindleistung für das AC-Versorgungsnetz zur Verfügung stellen muss, kann der AC/DC-Wandler seine Scheinleistungsgrenze erreichen, so dass ggf. die dem AC-Versorgungsnetz entnommene Wirkleistung für das DC-Netz zugunsten der Blindleistung für das AC-Versorgungsnetz reduziert werden müsste, so dass die Leistung im DC-Netz nicht mehr zur Versorgung aller Verbraucher im DC-Netz ausreichen würde. Dies kann insbesondere für ein industrielles DC-Netz unerwünscht sein, beispielsweise indem eine Unterversorgung des DC-Netzes und einem anschließend möglichen Zusammenbruch der DC-Netzspannung im DC-Netz auftreten kann. Außerdem werden durch das geforderte netzdienliche Verhalten des AC/DC-Wandlers erhöhte Anforderungen an den AC/DC-Wandler gestellt, die seine Auslegung verteuern.
AUFGABE
Der Anmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Leistungswandler mit DC/DC-Steller und ein System mit einem DC-Netz, einer DC-Energiequelle und einem Leistungswandler mit DC/DC-Steller zu verbessern bzw. einen verbesserten Betrieb eines Leistungswandlers mit DC/DC-Steller und eines Systems mit einem DC-Netz, einer DC-Energiequelle und einem Leistungswandler mit DC/DC-Steller zur Verfügung zu stellen.
LÖSUNG
Die Aufgabe wird durch einen Leistungswandler mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein System gemäß Anspruch 9 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 10 gelöst. Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
BESCHREIBUNG
Ein Leistungswandler zum Übertragen elektrischer Leistung weist eine erste Seite zum Anschluss an eine DC-Energiequelle und eine zweite Seite zum Anschluss an ein DC-Netz auf. Der Leistungswandler weist einen DC/DC-Steller und eine erste Schaltvorrichtung auf. Der DC/DC-Steller ist eingerichtet, elektrische Leistung zwischen der ersten und der zweiten Seite auszutauschen. Die erste Schaltvorrichtung ist eingerichtet, die erste Seite über den DC/DC-Steller mit der zweiten Seite zu verbinden. Der Leistungswandler ist ausgebildet, die Verbindung über die erste Schaltvorrichtung zu trennen, wenn das DC-Netz zum Austausch elektrischer Leistung mit einem AC-Versorgungsnetz vorgesehen ist, und die Verbindung über die erste Schaltvorrichtung herzustellen, wenn für das DC-Netz kein Austausch elektrischer Leistung mit dem AC-Versorgungsnetz vorgesehen ist.
Die DC-Energiequelle kann zum Beispiel als ein PV-Generator einer PV-Anlage ausgebildet sein. Die DC-Energiequelle kann auch als ein DC-Speicher, eine Brennstoffzelle, ein DC-Generator oder ähnliches ausgebildet sein. Durch den beschriebenen Leistungswandler wird ermöglicht, die DC-Energieversorgung schaltbar mit dem DC-Netz zu verbinden. Dies kann insbesondere für industrielle DC-Netze von Vorteil sein, um eine Versorgung mit elektrischer Energie zu gewährleisten, wenn eine andere Versorgung des DC-Netzes mit elektrischer Leistung nicht verfügbar ist. Insbesondere bei einer Versorgung des DC-Netzes aus einem AC-Versorgungsnetz ist es möglich, die DC-Energiequelle im Regelbetrieb, d. h. wenn das DC-Netz aus dem AC-Versorgungsnetz versorgt wird, von dem DC-Netz getrennt zu halten. Hierdurch kann ermöglicht werden, dass das System mit dem DC-Netz aus regulatorischer oder normativer Sicht nicht als Energieerzeugungsanlage eingestuft wird. Ein AC/DC-Wandler, der das AC-Versorgungsnetz mit dem DC-Netz verbindet, muss dann im Netzbetrieb lediglich elektrische Lasten versorgen. Das DC-Netz gilt damit aus Sicht des übergeordneten Netzes als reine elektrische Last, an die weniger regulatorische oder normative Anforderungen gestellt werden. Zum Beispiel kann auf die netzdienliche Reaktion auf Netzereignisse verzichtet werden, so dass insbesondere Zielkonflikte zwischen den Anforderungen des DC-Netzes und etwaigen Anforderungen des AC-Versorgungsnetzes vermieden werden. Bei einem Ausfall des AC-Versorgungsnetzes und einer Trennung des DC-Netzes von dem AC-Versorgungsnetz kann das DC-Netz durch Herstellen der Verbindung über die erste Schaltvorrichtung ersatzweise aus der DC-Energiequelle mit elektrischer Energie versorgt werden.
Das DC-Netz, z. B. ein industrielles DC-Netz, kann im Netzbetrieb über den AC/DC-Wandler, der als aktiver Gleichrichter ausgebildet sein kann, aus dem AC-Versorgungsnetz versorgt werden, d.h. der AC/DC-Wandler kann das DC-Netz aufbauen und elektrische Leistung zum Betrieb der Lasten im DC-Netz bereitstellen. Der AC/DC-Wandler ist dafür zuständig, das DC-Netz aus dem AC-Versorgungsnetz zu versorgen und kann so ausgebildet werden, dass kein umgekehrter Leistungsfluss vorgesehen ist. Das DC-Netz stellt daher keine Energieerzeugungsanlage dar, sondern kann als reiner Verbraucher betrieben werden, was die Anbindung des DC-Netzes an das AC-Versorgungsnetz beim AC-Netzbetreiber und ggf. deren Zulassung erheblich vereinfacht. Ein solcher AC/DC-Wandler ist z. B. als aktiver Gleichrichter ausgestaltet. Bei einem aktiven Gleichrichter werden angesteuerte Bauelemente verwendet, die insbesondere als Halbleiterschalter ausgebildet sein können.
In einer Weiterbildung weist der Leistungswandler eine dritte Seite zum Verbinden mit dem AC-Versorgungsnetz auf. Der Leistungswandler weist weiter einen DC/AC-Wandler und eine zweite Schaltvorrichtung auf. Der DC/DC-Steller kann dabei in den DC/AC-Wandler integriert sein oder umgekehrt oder als separate Einheit des Leistungswandlers ausgebildet sein. Der DC/AC-Wandler und die zweite Schaltverrichtung sind dabei zwischen dem DC/DC-Wandler und der dritten Seite des Leistungswandlers angeordnet. Der DC/DC-Steller und der DC/AC-Wandler sind vorgesehen, elektrische Leistung zwischen der ersten Seite und der dritten Seite auszutauschen, indem elektrische DC-Leistung von der DC-Energiequelle zunächst mittels des DC/DC-Wandlers in eine DC-Leistung mit einer ggf. von der DC-Spannung der DC-Quelle abweichenden DC-Spannung und dann mittels des DC/AC-Wandlers in eine AC-Leistung umgewandelt wird, die über die zweite Schaltvorrichtung in das AC-Versorgungsnetz einspeisbar ist. Die zweite Schaltvorrichtung ist eingerichtet, die dritte Seite zum Austausch elektrischer Leistung über den DC/AC-Wandler und den DC/DC-Steller mit der ersten Seite zu verbinden. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass über die dritte Seite elektrische Leistung aus der DC-Energiequelle in das AC-Versorgungsnetz eingespeist werden kann. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die DC-Energiequelle als PV-Generator ausgebildet ist, indem die regenerativ erzeugte Leistung des PV-Generators in jedem Fall durch Einspeisung in das AC-Versorgungsnetz sinnvoll genutzt werden kann, selbst wenn der Leistungswandler aufgrund getrennter Schaltvorrichtung nicht in das DC-Netz einspeisen kann. Der in dem Leistungswandler vorgesehene DC/AC-Wandler ist dabei auf die Netzeinspeisung ausgelegt, d. h. er kann netzdienlich agieren und insbesondere durch eine Änderung der eingespeisten Leistung in Abhängigkeit von Parametern des AC-Versorgungsnetz und in Reaktion auf etwaige Netzereignisse reagieren. Der Leistungswandler und die DC-Energiequelle bilden eine an das AC-Versorgungsnetz angeschlossene DC-Energieversorgung, die alle Vorgaben und/oder Richtlinien des Netzbetreibers des AC-Versorgungsnetzes an eine Energieerzeugungsanlage erfüllt. Sie ist nach gängigen Standards an das AC-Versorgungsnetz angeschlossen und kann bei vorhandenem AC-Versorgungsnetz netzdienlich bzw. netzstützend für das AC-Versorgungsnetz betrieben werden.
Über die im oder am Leistungswandler vorgesehene erste und zweite Schaltvorrichtung ist es dabei möglich, die DC-Energiequelle bedarfsweise mit dem AC-Versorgungsnetz oder mit dem DC-Netz zu verbinden. Zugleich kann über geeignetes Ansteuern der ersten Schaltvorrichtung sichergestellt werden, dass das DC-Netz nicht mit dem AC-Versorgungsnetz verbunden ist, wenn und solange die DC-Energiequelle über den DC/DC-Steller und eine geschlossene erste Schaltvorrichtung elektrische Leistung in das DC-Netz einspeisen kann.
Bei Bedarf ist es auch möglich, elektrische Leistung, die durch einen PV-Generator als DC-Energiequelle erzeugt wird, in das AC-Versorgungsnetz einzuspeisen. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn das DC-Netz aus dem AC-Versorgungsnetz mit elektrischer Leistung versorgt wird, d. h. mit diesem verbunden ist. In diesem Fall kann das System so ausgelegt werden, dass die DC-Energiequelle durch eine geöffnete erste Schaltvorrichtung von dem DC-Netz getrennt ist und durch eine geschlossene zweite Schaltvorrichtung mit dem AC-Versorgungsnetz verbunden ist und in dieses entsprechend elektrische Leistung einspeisen und diese ggf. netzdienlich variieren kann.
In einer Ausführungsform ist der Leistungswandler ausgebildet, die Verbindung über die erste Schaltvorrichtung zu trennen, bevor die Verbindung über die zweite Schaltvorrichtung hergestellt wird. Einer weiteren Ausführungsform ist der Leistungswandler ausgebildet, die Verbindung über die zweite Schaltvorrichtung zu trennen, bevor die Verbindung über die erste Schaltvorrichtung hergestellt wird. Durch diese Ausführungsformen kann das bedarfsweise Verbinden und Trennen der DC-Energieversorgung mit dem DC-Netz oder alternativ mit dem AC-Versorgungsnetz sicher und zuverlässig sichergestellt werden.
In einer Ausführungsform ist der DC/AC-Wandler zwischen der zweiten Schaltvorrichtung und dem DC/DC-Steller angeordnet. Dies bietet den Vorteil, dass der DC/AC-Wandler des Leistungswandlers durch die zweite Schaltvorrichtung von dem AC-Versorgungsnetz getrennt werden kann. Dies kann Vorteile bezüglich der Wartung und oder der Betriebssicherheit bieten.
In einer Ausführungsform ist der Leistungswandler ausgebildet, ein Signal mit einer Information darüber zu empfangen, ob das DC-Netz für einen Austausch elektrischer Leistung mit dem AC-Versorgungsnetz vorgesehen ist. Eine Steuerung kann dann in Reaktion auf dieses empfangene Signal die erste Schaltvorrichtung entsprechend direkt oder indirekt ansteuern. Die Steuerung, die die erste und/oder zweite Schaltvorrichtung ansteuert kann dabei eine Steuerung des Leistungswandlers oder eine übergeordnete Steuerung des Systems oder eine übergeordnete Steuerung an einem entfernten Ort sein. Das System kann dabei beispielsweise die DC-Energiequelle, dass DC-Netz und den Leistungswandler umfassen. Optional kann das System weiter den AC/DC-Wandler und/oder den DC/AC-Wandler umfassen, über die Leistung aus dem AC-Versorgungsnetz in das DC-Netz bzw. aus der DC-Energiequelle in das AC-Versorgungsnetz übertragen wird. Die Ansteuerung der ersten und oder zweiten Schaltvorrichtung des Leistungswandlers kann beispielsweise durch eine Steuerung des Leistungswandlers erfolgen, die auch Halbleiterschalter des DC/DC-Stellers und des optionalen DC/AC-Wandlers des Leistungswandlers ansteuert.
Das Signal kann beispielsweise von einer übergeordneten Steuerung empfangen werden. Eine übergeordnete Steuerung des Systems kann im System angeordnet sein und/oder sie kann an einem entfernten Ort angeordnet sein und ein Kommunikationsmedium empfangen werden.
In einer Ausführungsform weist die erste Schaltvorrichtung einen Thyristor auf, über den der DC/DC-Steller mit der zweiten Seite des Leistungswandlers verbunden ist. Die Ausbildung der ersten Schaltvorrichtung als Thyristor ermöglicht dabei, die erste Schaltvorrichtung durch Verändern der Ausgangsspannung des DC/DC-Stellers anzusteuern. Insbesondere kann durch ein Erhöhen der DC-Ausgangsspannung des DC/DC-Stellers auf einen Wert oberhalb der Spannung des DC-Netzes der Thyristor leitend geschaltet werden. Der Thyristor kann dabei insbesondere selbstausschaltend gestaltet werden, d. h., dass er sich zum Beispiel bei einem Nulldurchgang des Stromes, insbesondere bei Gleichheit der Spannung des DC-Netzes und der DC-Ausgangsspannung des DC/DC-Stellers, ausschaltet. Dieses Selbst-Ausschalten des Thyristors bei einem Abfall der einspeisen Spannung der DC-Energieversorgung kann zur Betriebssicherheit des Systems beitragen.
Alternativ oder zusätzlich kann die erste Schaltvorrichtung Halbleiterschalter und/oder elektromechanische Schalter zum Herstellen und/oder Trennen der Verbindung aufweisen. Die zweite Schaltvorrichtung kann Halbleiterschalter und/oder elektromechanische Schalter, insbesondere Relais zum Herstellen und/oder Trennen der Verbindung aufweisen. Die oben beschriebene Steuerung und/oder übergeordnete Steuerung kann ausgebildet sein die Halbleiterschalter und/oder elektromechanischen Schalter anzusteuern.
Bei einem Verfahren zum Betrieb des Leistungswandlers wird die Verbindung über die erste Schaltvorrichtung getrennt, wenn das DC-Netz zum Austausch elektrischer Leistung mit dem AC-Versorgungsnetz vorgesehen ist, d.h. elektrisch mit dem AC-Versorgungsnetz verbunden ist. Weiter wird die Verbindung über die erste Schaltvorrichtung hergestellt, wenn für das DC-Netz kein Austausch elektrischer Leistung mit dem AC-Versorgungsnetz vorgesehen ist, d.h. wenn das DC-Netz vom AC-Versorgungsnetz getrennt ist. Hierbei ist von Vorteil, dass ein AC/DC-Wandler, der bedarfsweise elektrische Leistung zwischen dem AC-Versorgungsnetz und dem DC-Netz überträgt, nicht für den Anschluss einer Energiequelle an das AC-Versorgungsnetz ausgelegt sein muss, d.h. aus regulatorischer und normativer Sicht keine Energieerzeugungsanlage darstellt. Dies bedeutet, dass das System, das das DC-Netz umfasst, einfacher und preisgünstiger in Planung, Aufbau und/oder Zulassung gestaltet werden kann. Auch ist es möglich, über die DC-Energiequelleeine Versorgung des DC-Netzes bei Ausfall des AC-Versorgungsnetzes anzubieten.
In einer Ausführungsform des Verfahrens, bei der der Leistungswandler einen DC/AC-Wandler und eine dritte Seite zum Verbinden mit dem AC-Versorgungsnetz aufweist, und die dritte Seite des Leistungswandlers über eine zweite Schaltvorrichtung mit dem AC-Versorgungsnetz verbindbar ist, wird durch Schließen der zweiten Schaltvorrichtung eine Verbindung zwischen der ersten Seite und dem AC-Versorgungsnetz über den DC/AC-Wandler und den DC/DC-Steller hergestellt.
In einer Ausführungsform wird elektrische Leistung aus der DC-Energiequelle in das AC-Versorgungsnetz über den Leistungswandler eingespeist. Dies ist insbesondere bei der Ausbildung der DC-Energiequelle als PV-Generator von Vorteil.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, die Verbindung zwischen dem AC-Versorgungsnetz und dem DC-Netz zu trennen. Dies kann zum Beispiel der Fall sein, wenn die Versorgung des DC-Netzes aus dem AC-Versorgungsnetz nicht mehr gewährleistet werden kann, beispielsweise wenn das AC-Versorgungsnetz ausfällt. Dann kann in einem weiteren Schritt die Verbindung zwischen dem Leistungswandler und dem AC-Versorgungsnetz getrennt werden. Dieses Trennen des Leistungswandlers von dem AC-Versorgungsnetz kann bevorzugt über ein Öffnen der zweiten Schaltvorrichtung erfolgen. In einem weiteren Schritt kann dann bevorzugt die Verbindung über die erste Schaltvorrichtung hergestellt und die DC-Energiequelle über den Leistungswandler mit dem DC-Netz verbunden werden, wenn das DC-Netz vom AC-Versorgungsnetz getrennt ist.
In einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Herstellen der Verbindung über die erste Schaltvorrichtung durch Erhöhen der DC-Spannung an der dem DC/DC-Steller zugewandten Seite der ersten Schaltvorrichtung durch den DC/DC-Steller. Ist die DC-Spannung an der ersten Schaltvorrichtung auf der dem DC/DC-Steller zugewandten Seite dann höher als die DC-Spannung des DC-Netzes, welche an der anderen Seite der ersten Schaltvorrichtung anliegt, so wird die als Thyristor ausgeführte erste Schaltvorrichtung gezündet. Zünden des Thyristors bedeutet dabei, dass der Thyristor leitend wird und die Verbindung über die erste Schaltvorrichtung hergestellt wird.
In einer Ausführungsform erfolgt das Trennen der Verbindung über die erste Schaltvorrichtung durch ein Absenken der DC-Spannung an der dem DC/DC-Steller zugewandten Seite der ersten Schaltvorrichtung durch den DC/DC-Steller. Dadurch wird die als Thyristor ausgeführte Schaltvorrichtung gelöscht, sobald die DC-Spannung an der ersten Schaltvorrichtung auf der dem DC/DC-Steller zugewandten Seite gleich oder kleiner als die DC-Spannung des DC-Netzes ist. Das Löschen des Thyristor bedeutet dabei, dass der Thyristor gesperrt und die erste Schaltvorrichtung geöffnet wird, d. h. die Verbindung über die erste Schaltvorrichtung wird getrennt.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die anmeldungsgemäße Lehre anhand in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.

1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines System mit DC-Energiequelle, DC/DC-Leistungswandler und DC-Netz,
2 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Systems mit DC-Energiequelle, DC/DC- und DC/AC-Leistungswandler sowie DC-Netz,
3 zeigt schematisch ein Verfahren zum Betrieb eines Leistungswandlers.

In den Figuren sind gleiche oder ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
FIGURENBESCHREIBUNG
1 zeigt ein System 50 mit einem DC-Netz 22, einem Leistungswandler 10 und einer DC-Energiequelle 20. Die DC-Energiequelle 20 ist über den Leistungswandler 10 an das DC-Netz 22 angeschlossen. Das DC-Netz 22 ist zum Beispiel ein industrielles DC-Netz, das DC-Netzteilnehmer 24 mit Gleichspannung versorgt. Die DC-Netzteilnehmer sind DC-Lasten, auch Verbraucher genannt. In einem industriellen DC-Netz 22 können die DC-Netzteilnehmer zum Beispiel Motorenteststände, Roboter, Produktionsmaschinen oder andere Anlagenverbraucher sein. Im dargestellten Beispiel sind die DC-Netzteilnehmer 24 über Sicherungsschalter an das DC-Netz 22 angeschlossen. Das DC-Netz 22 mit seinen DC-Netzteilnehmer 24 kann über einen AC/DC-Wandler 26 aus einem AC-Versorgungsnetz 30 mit elektrischer Leistung versorgt werden. Die DC-Seite des AC/DC-Wandlers 26 ist über einen Sicherungsschalter an das DC-Netz 22 angeschlossen. Die AC-Seite des AC/DC-Wandlers 26 ist über einen Transformator T an das AC-Versorgungsnetz 30 angeschlossen. Das AC-Versorgungsnetz 30 weist zum Beispiel eine Wechselspannung von 20 kV auf. Über den Transformator T wird die Wechselspannung des AC-Versorgungsnetzes 30 auf eine Wechselspannung von ca. 400 bis ca. 1500 V umgesetzt, welche an der AC-Seite des AC/DC-Wandlers 26 anliegt und von diesem in eine DC-Netzspannung im Bereich von 400 bis 1500 V Gleichspannung umgesetzt wird. Auch die DC-Energiequelle 20 kann an ihrem Ausgang eine DC-Nennspannung im Bereich 400 bis 1500 V Gleichspannung aufweisen, insbesondere wenn es sich um eine PV-Anlage handelt.
Der Leistungswandler 10 weist eine erste Seite auf, an die die DC-Energiequelle 20 angeschlossen ist. Auf einer zweiten Seite des Leistungswandlers ist das DC-Netz 22 angeschlossen. Der Leistungswandler 10 weist einen DC/DC-Steller 12 auf, über den eine DC-Spannung, welche von der DC-Energiequelle 20 ausgegeben wird, in die DC-Netzspannung umgesetzt werden kann. Der DC/DC-Steller ist auch dazu vorgesehen, Leistung aus der DC-Energieversorgung 20 an das DC-Netz 22 zu übertragen. In dem Leistungswandler 10 ist eine erste Schaltvorrichtung 14 vorgesehen, über die der DC/DC-Steller mit dem DC-Netz 22 verbunden und von diesem getrennt werden kann. Im dargestellten Beispiel ist die erste Schaltvorrichtung 14 als Thyristor ausgestaltet. Dies erlaubt ein Schalten der ersten Schaltvorrichtung 14 durch ein Erhöhen der Ausgangsspannung des DC/DC-Stellers 12 auf seiner der ersten Schaltvorrichtung 14 zugewandten Seite. Erreicht diese Spannung das Niveau der DC-Spannung auf dem DC-Netz 22, so kann der Thyristor leitend geschaltet werden, indem er „gezündet“ wird, und die Verbindung zwischen dem DC/DC-Steller 12 und dem DC-Netz 22 wird hergestellt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der DC-Energiequelle 20 zum Beispiel um eine Brennstoffzelle, einen DC-Speicher, einen DC-Generator oder um eine PV-Anlage mit oder ohne DC-Speicher.
Damit das System 50 aus Sicht des AC-Versorgungsnetzes 30 als reiner Verbraucher gelten kann und nicht als Energieerzeugungsanlage eingestuft werden muss, ist der Leistungswandler 10 so ausgebildet, dass die Verbindung zwischen dem DC/DC-Steller 12 und dem DC-Netz 22, also die Verbindung zwischen der DC-Energieversorgung 20 und dem DC-Netz 22, nur hergestellt wird, wenn nicht vorgesehen oder bevorzugt ausgeschlossen ist, dass das DC-Netz 22 mit dem AC-Versorgungsnetz 30 verbunden ist. Insbesondere kann das System so ausgebildet sein, dass die Verbindung über die erste Schaltvorrichtung 14 nur hergestellt wird, wenn der AC/DC-Wandler 26 von dem DC-Netz 22 getrennt ist.
Durch bedarfsweises Schalten der ersten Schaltvorrichtung 14 kann so erreicht werden, dass das DC-Netz 22 bei Bedarf, zum Beispiel bei Ausfall des AC-Versorgungsnetzes 30, aus der DC-Energiequelle 20 mit elektrischer Energie versorgt wird. Zugleich kann erreicht werden, dass das DC-Netz 22 mit seinen DC-Netzteilnehmern 24 gegenüber dem AC-Versorgungsnetz als reiner Verbraucher auftritt.
Das DC-Netz 22 kann somit inselnetzfähig sein. Die DC-Netzteilnehmer 24 können im DC-Netz 22 ohne AC-Versorgungsnetz 30 mit der elektrischen Leistung aus der DC-Energieversorgung 20 betrieben werden. Der DC/DC-Steller 12 kann insofern netzbildend betrieben werden. Das System 50 kann zusätzlich schwarzstartfähig sein und das DC-Netz 22 aufstarten. Schwarzstartfähig bedeutet hier, dass das DC-Netz 22 aus einem ausgeschalteten Zustand gestartet werden kann. Dies kann ohne Anschluss an das AC-Versorgungsnetz 30 aus der DC-Energiequelle 20 über den Leistungswandler 10 erfolgen.
Ist die DC-Energiequelle 20, zum Beispiel ein Batteriespeicher oder eine Brennstoffzelle, dann kann diese DC-Energiequelle netzbildend betrieben werden und ein an einen (zusätzlich vorhandenen) PV Generator 20 angeschlossener DC/DC-Steller 12 kann netzfolgend betrieben werden. Dabei kann die DC-Spannung des mit dem PV-Generator 20 verbundenen DC/DC-Stellers 12 so an die DC-Spannung des DC-Netzes 22 angepasst werden, dass über den DC/DC-Steller 12 ein Strom in das DC-Netz 22 eingespeist wird. Dieser Strom kann anhand eines Sollwertes eingestellt werden. Dabei kann eine Regelung den Sollwert insbesondere so einstellen, dass der PV Generator 20 im optimalen Bereich betrieben wird, also die maximal mögliche Leistung abgibt. Dies wird auch als Punkt maximaler Leistung bezeichnet und kann mit MPP abgekürzt werden.
Der DC/DC-Steller 12 zwischen DC-Energiequelle 20 und DC-Netz 22 kann zum Beispiel als Hochsetzsteller ausgeführt sein. In diesem Fall ist dann die DC-Ausgangsspannung der DC-Energiequelle 20 im Normalbetrieb kleiner als die DC-Netzspannung des DC-Netzes 22. Der DC/DC-Steller 12 kann auch als Tiefsetzsteller ausgebildet sein. Dann ist die DC-Ausgangsspannung der DC-Energieversorgung 20 im Normalbetrieb größer als die DC-Netzspannung des DC-Netzes 22. Der DC/DC-Steller kann ebenfalls als Hochtiefsetzsteller ausgebildet sein. Ein Hochtiefsetzsteller wird auch als Buck-Boost-Converter bezeichnet. Er hat den Vorteil, dass das Spannungsverhältnis zwischen DC-Ausgangsspannung der DC-Energieversorgung 20 und DC-Netzspannung des DC-Netzes 22 frei gewählt werden kann. Allerdings ist ein Hochtiefsetzsteller vergleichsweise aufwendig auszuführen.
Der Arbeitsbereich der DC-Netzspannung des DC-Netzes 22, kann bei Versorgung aus dem AC-Versorgungsnetz 30 von dem AC/DC-Wandler 26 gestellt werden. Im DC-Inselnetzbetrieb mit Versorgung aus der DC-Energiequelle 20 kann die DC-Netzspannung des DC-Netzes 22 von dem DC/DC-Steller 12 gestellt werden.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Systems 50 dargestellt. In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Leistungswandler 10 zusätzlich einen DC/AC-Wandler 16 auf. Der DC/AC-Wandler 16 ist über eine zweite Schaltvorrichtung 18 mit einer dritten Seite des Leistungswandlers verbunden. Im dargestellten Beispiel ist an die dritte Seite des Leistungswandlers das AC-Versorgungsnetz 30 angeschlossen. In diesem Ausführungsbeispiel kann die DC- Energiequelle 20 beispielsweise als PV Anlage mit einem oder mehreren PV Generatoren ausgebildet sein.
Wird in dem Ausführungsbeispiel von 2 das DC-Netz 22 über den AC/DC-Wandler 26 aus dem AC-Versorgungsnetz 30 mit elektrischer Energie versorgt, so ist die erste Schaltvorrichtung 14 geöffnet, d.h. die DC-Energiequelle 20 ist vom DC-Netz 22 getrennt und kann über den DC/DC-Steller 12 und den DC/AC-Wandler 16 und die geschlossene zweite Schaltvorrichtung 18 elektrische Leistung in das AC-Versorgungsnetz 30 einspeisen.
Wird die DC-Energiequelle 20 von dem AC-Versorgungsnetz 30 getrennt, z. B. durch Öffnen der zweiten Schaltvorrichtung 18, so kann über die erste Schaltvorrichtung 14 die DC-Energiequelle 20 über den DC/DC-Steller 12 mit dem DC-Netz 22 verbunden werden. Hierdurch speist dann die DC-Energiequelle 20 keine Energie mehr in das AC-Versorgungsnetz 30 ein, sondern versorgt das DC-Netz 22 mit elektrischer Energie über den DC/DC-Steller 12 und die geschlossene erste Schaltvorrichtung 14.
Die DC-Energiequelle 20, die im dargestellten Beispiel als PV-Anlage ausgestaltet ist, weist also über den Leistungswandler 10 neben dem Anschluss an das AC-Versorgungsnetz einen DC-Anschluss auf, über den sie mit dem DC-Netz 22 verbindbar ist. Das DC-Netz 22 kann bei einer solchen Verbindung aus der DC-Energiequelle 20 mit elektrischer Leistung gespeist werden. Der Anschluss über die erste Schaltvorrichtung 14 ist dabei nur im Falle einer Trennung des DC-Netzes 22 von dem AC-Versorgungsnetz 30, zum Beispiel bei einem Netzausfall des AC-Versorgungsnetzes 30, leitend, d. h. nur in diesem Fall wird die Verbindung zwischen der DC-Energiequelle 20 und dem DC-Netz 22 aktiviert. Ansonsten besteht durch eine geöffnete erste Schaltvorrichtung 14 keine elektrisch leitende DC Verbindung zwischen der DC-Energiequelle 20 und im DC-Netz 22.
Alternativ oder zusätzlich zu der PV-Anlage kann in der DC-Energiequelle 20 ein DC-Energiespeicher angeordnet sein. Dieser kann zum Beispiel mit der PV-Anlage DC gekoppelt sein, zum Beispiel über eine Verbindung mit einem DC-Zwischenkreis des DC/AC-Wandlers 16. Im Falle eines Ausfalls des AC-Versorgungsnetzes 30 kann ein solcher DC-Energiespeicher dann ebenfalls als Back-Up Quelle genutzt werden und die eventuell vorhandene PV Anlage bei der Versorgung der DC-Netzteilnehmer 24 unterstützen oder diese sogar ersetzen, zum Beispiel nachts.
In 3 ist schematisch ein Verfahren zum Betrieb des Leistungswandlers 10 dargestellt. Ein solches Verfahren kann zum Beispiel auf einer übergeordneten Steuerung des Systems 50 ausgeführt werden. Es ist ebenfalls möglich, das Verfahren auf einer Steuerung des Leistungswandlers 10 auszuführen, welche z. B. zugleich Halbleiterschalter des DC/DC-Stellers 12 und/oder des DC/AC-Wandlers 16 ansteuert.
In Schritt 100 wird das Verfahren gestartet. In Schritt 102 wird geprüft, ob das DC-Netz 22 mit dem AC-Versorgungsnetz 30 verbunden ist. Wird dies bejaht, so wird das System 50 im AC-Netzbetrieb in Schritt 104 betrieben. Wird in Schritt 102 die Verbindung mit dem AC-Versorgungsnetz 30 verneint, so wird in Schritt 106 geprüft, ob die Ausgangsspannung am DC/DC-Steller 12 größer ist als die DC-Netzspannung im DC-Netz 22. Wird dies verneint, so wird die DC-Spannung am Ausgang des DC/DC-Stellers in Schritt 108 so lange erhöht, bis die Spannung auf der der ersten Schaltvorrichtung 14 zugewandten Seite des DC/DC-Stellers 12 höher ist als auf der Seite der ersten Schaltvorrichtung 14, die dem DC-Netz 22 zugewandt ist. Wenn dies der Fall ist, wird in Schritt 110 der Thyristor gezündet, d.h. er wird leitend.
Ist in Schritt 106 die Spannung auf der der ersten Schaltvorrichtung 14 zugewandten Seite des DC/DC-Stellers 12 noch nicht hoch genug, Zweig „nein“, so wird sie in Schritt 108 so lange erhöht, bis der Thyristor in Schritt 110 gezündet, also leitend geschaltet werden kann. In Schritt 112 wird das DC-Netz 22 dann aus der DC-Energiequelle 20 mit elektrischer Leistung versorgt. In Schritt 114 wird überprüft, ob eine Verbindung mit dem AC-Versorgungsnetz 30 wiederhergestellt wurde. Ist dies nicht der Fall, Zweig „nein“, so verbleibt das System 50 im Insel-Betrieb mit der Versorgung aus der DC-Energiequelle 20. Ist die Verbindung mit dem AC-Versorgungsnetz 30 wiederhergestellt, Zweig „ja“ von Schritt 114, so wird in Schritt 116 die Spannung am DC/DC-Steller gesenkt, bis sich der Thyristor ausschaltet. Ein Ausschalten des Thyristors erfolgt dadurch, dass der DC/DC-Steller 12 seine Ausgangsspannung so weit abgesenkt hat, dass sie auf beiden Seiten der ersten Schaltvorrichtung 14 gleich ist. Dann schaltet sich der Thyristor aus.
In Schritt 102 erfolgt die Überprüfung, ob das AC-Versorgungsnetz 30 vorhanden ist. Ist dies der Fall, so erfolgt der Betrieb des Systems 50 in Schritt 104 im AC-Netzbetrieb mit einer Verbindung mit dem AC-Versorgungsnetz 30.
Optional kann in Schritt 112 im DC-Netzbetrieb eine Überprüfung durchgeführt werden, ob die Spannung auf der Seite des DC/DC-Stellers 12 an der ersten Schaltvorrichtung 14 noch hoch genug ist, um den Thyristor leitend zu halten. So kann ein ungewolltes Absinken der Spannung verhindert werden und eine ungewollte Trennung der DC-Energiequelle 20 von dem DC-Netz 22 verhindert werden.
BEZUGSZEICHENLISTE

10: Leistungswandler
12: DC/DC-Steller
14: erste Schaltvorrichtung
16: DC/AC-Wandler
18: zweite Schaltvorrichtung
20: DC-Energiequelle
22: DC-Netz
24: DC-Netzteilnehmer
26: AC/DC-Wandler
30: AC-Versorgungsnetz
50: System
T: Transformator
100-116: Verfahrensschritte

Claims

Leistungswandler (10) zum Übertragen elektrischer Leistung mit einer ersten Seite zum Anschluss an eine DC-Energiequelle (20) und mit einer zweiten Seite zum Anschluss an ein DC-Netz (22), wobei der Leistungswandler (10) einen DC/DC-Steller (12) und eine erste Schaltvorrichtung (14) aufweist, wobei der DC/DC-Steller (12) eingerichtet ist, elektrische Leistung zwischen der ersten und der zweiten Seite auszutauschen, und die erste Schaltvorrichtung (14) eingerichtet ist, die erste Seite schaltbar über den DC/DC-Steller (12) mit der zweiten Seite zu verbinden, wobei der Leistungswandler (10) ausgebildet ist, die Verbindung über die erste Schaltvorrichtung (14) zu trennen, wenn das DC-Netz (22) zum Austausch elektrischer Leistung mit einem AC-Versorgungsnetz (30) vorgesehen ist, und die Verbindung über die erste Schaltvorrichtung (14) herzustellen, wenn für das DC-Netz (22) kein Austausch elektrischer Leistung mit dem AC-Versorgungsnetz (30) vorgesehen ist.
Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei der Leistungswandler (10) eine dritte Seite zum Verbinden mit dem AC-Versorgungsnetz, einen DC/AC-Wandler (16) und eine zweite Schaltvorrichtung (18) aufweist, wobei der DC/AC-Wandler (16) in Verbindung mit dem DC/DC-Steller (12) vorgesehen ist, elektrische Leistung zwischen der ersten Seite und der dritten Seite auszutauschen und die zweite Schaltvorrichtung (18) eingerichtet ist, die dritte Seite schaltbar über den DC/AC-Wandler (16) und den DC/DC-Steller (12) mit der ersten Seite zu verbinden.
Leistungswandler nach Anspruch 2, wobei der Leistungswandler (10) ausgebildet ist, die Verbindung über die erste Schaltvorrichtung (14) zu trennen, bevor die Verbindung über die zweite Schaltvorrichtung (18) hergestellt wird, und/oder die Verbindung über die zweite Schaltvorrichtung (18) zu trennen, bevor die Verbindung über die erste Schaltvorrichtung (14) hergestellt wird.
Leistungswandler nach Anspruch 2 oder 3, wobei der DC/AC-Wandler zwischen der zweiten Schaltvorrichtung (18) und dem DC/DC-Steller (12) angeordnet ist.
Leistungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leistungswandler (10) ausgebildet ist, ein Signal mit einer Information darüber zu empfangen, ob das DC-Netz (22) für einen Austausch elektrischer Leistung mit dem AC-Versorgungsnetz (30) vorgesehen ist.
Leistungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Schaltvorrichtung (14) einen Thyristor aufweist, über den die Verbindung zwischen dem DC/DC-Steller (12) und der zweiten Seite schaltbar ist.
Leistungswandler nach Anspruch 6, wobei der Leistungswandler (10) ausgebildet ist, den Thyristor über eine Ausgangsspannung des DC/DC-Stellers (12) anzusteuern.
Leistungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die DC-Energiequelle (20) als PV-Generator, als Batterie oder als Brennstoffzelle ausgebildet ist.
Leistungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltvorrichtung (14) und die zweite Seite zum Anschluss an das DC-Netz (22) in einem separaten Gehäuse angeordnet sind.
System (50) mit einer DC-Energiequelle (20), einem DC-Netz (22) und einem Leistungswandler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Betrieb eines Leistungswandlers (10) mit einer ersten Seite zum Anschluss an eine DC-Energiequelle (20) und mit einer zweiten Seite zum Anschluss an ein DC-Netz (22), wobei der Leistungswandler (10) einen DC/DC-Steller (12) und eine erste Schaltvorrichtung (14) aufweist, wobei der DC/DC-Steller (12) eingerichtet ist, elektrische Leistung zwischen der ersten und der zweiten Seite auszutauschen, und die erste Schaltvorrichtung (14) eingerichtet ist, die erste Seite schaltbar über den DC/DC-Steller (12) mit der zweiten Seite zu verbinden, aufweisend: Trennen der Verbindung über die erste Schaltvorrichtung (14), wenn das DC-Netz (22) zum Austausch elektrischer Leistung mit einem AC-Versorgungsnetz (30) vorgesehen ist, und Herstellen der Verbindung über die erste Schaltvorrichtung (14), wenn für das DC-Netz (22) kein Austausch elektrischer Leistung mit dem AC-Versorgungsnetz (30) vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Leistungswandler (10) einen DC/AC-Wandler (16) und eine dritte Seite zum Verbinden mit dem AC-Versorgungsnetz aufweist, wobei die dritte Seite des Leistungswandlers (10) über eine zweite Schaltvorrichtung (18) mit dem AC-Versorgungsnetz verbindbar ist, mit den weiteren Schritten: - Herstellen einer Verbindung zwischen der ersten Seite und dem AC-Versorgungsnetz (30) über den DC/AC-Wandler (16) und den DC/DC-Steller, - Einspeisen elektrischer Leistung aus der DC-Energieversorgung (20) in das AC-Versorgungsnetz (30) über den Leistungswandler (10), - Transferieren von elektrischer Leistung aus dem AC-Versorgungsnetz (30) in das DC-Netz (22), bevorzugt über einen AC/DC-Wandler (26), - Trennen der Verbindung zwischen dem AC-Versorgungsnetz (30) und dem DC-Netz (22), - Trennen der Verbindung zwischen dem Leistungswandler (10) und dem AC-Versorgungsnetz (30), wenn das DC-Netz (22) vom AC-Versorgungsnetz (30) getrennt ist, - Herstellen der Verbindung über die erste Schaltvorrichtung (14), wenn das DC-Netz (22) vom AC-Versorgungsnetz (30) getrennt ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Herstellen der Verbindung über die erste Schaltvorrichtung (14) durch die folgenden Schritte erfolgt: - Erhöhen der DC-Spannung an der dem DC/DC-Steller (12) zugewandten Seite der ersten Schaltvorrichtung (14) durch den DC/DC-Steller (12), so dass die an der dem DC/DC-Steller (12) zugewandten Seite der ersten Schaltvorrichtung (14) anliegende Spannung höher ist als die DC-Spannung des DC-Netzes, - Zünden der als Thyristor ausgeführten ersten Schaltvorrichtung (14), wenn die DC-Spannung an der dem DC/DC-Steller zugewandten Seite der ersten Schaltvorrichtung (14) höher ist als die DC-Spannung des DC-Netzes, und wobei das Trennen der Verbindung über die erste Schaltvorrichtung (14) durch den folgenden Schritt erfolgt: - Absenken der DC-Spannung an der dem DC/DC-Steller (12) zugewandten Seite der ersten Schaltvorrichtung (14) durch den DC/DC-Steller (12), um die als Thyristor ausgeführte erste Schaltvorrichtung (14) zu löschen.