EP4706141A1

EP4706141A1 - Umrichter und verfahren zum betreiben eines gleichstromversorgungsnetzes

Info

Publication number: EP4706141A1
Application number: EP24725755.3A
Authority: EP
Inventors: Marcel Kratochvil; Alexander UNRU; Michael Schreck; Josef HÖFLSAUR
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2023-05-05
Filing date: 2024-05-03
Publication date: 2026-03-11
Also published as: DE102023111797A1; WO2024231236A1; DE102023111797B4; US20260031620A1; AU2024267250A1; CN120883470A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Gleichstromversorgungsnetzes (50), das über einen aktiven Wechselstrom/Gleichstrom-Umrichter (20) und einem sternpunktgeerdeten Transformator (12) an ein Wechselstrom- versorgungsnetz (10) angeschlossen ist, wobei zwischen dem Wechselstromversorgungsnetz (10) und dem Transformator (12) mindestens ein Trennorgan (11) angeordnet ist und wobei in dem Gleichstromversorgungsnetz mindestens eine Vorrichtung zur Lieferung von Gleichstrom unabhängig von dem Wechselstromversorgungsnetz (10) vorhanden ist. Das Verfahren zeichnet durch die folgenden Schritte aus: - Stoppen der Umwandlung von Wechselstrom zu Gleichstrom durch den Umrichter (20); - Trennen des Transformators (12) von dem Wechselstromversorgungsnetz (10); - Versorgen des Gleichstromversorgungsnetzes (50) durch die mindestens eine mindestens eine Vorrichtung zur Lieferung von Gleichstrom; - Betreiben des Umrichters (20) zur Umwandlung von Gleichstrom zu Wechselstrom und Beaufschlagen mindestens zweier Sekundärwicklungen des Transformators (12) mit Wechselspannung. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Umrichter (20) zur Umwandlung von Wechselstrom zu Gleichstrom.

Description

Umrichter und Verfahren zum Betreiben eines Gleichstromversorgungsnetzes

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Gleichstromversorgungsnetzes, das über einen aktiven Wechselstrom/Gleichstrom-Umrichter und einem sternpunktgeerdeten Transformator an ein Wechselstromversorgungs- netz angeschlossen ist, wobei zwischen dem Wechselstromversorgungsnetz und dem Transformator mindestens ein Trennorgan angeordnet ist und wobei in dem Gleichstromversorgungsnetz mindestens eine Vorrichtung zur Lieferung von Gleichstrom unabhängig von dem Wechselstromversorgungsnetz vorhanden ist. Die Erfindung betrifft weiterhin einen aktiven Wechselstrom/Gleich- strom-Umrichter, der zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist.

In Industrieanlagen werden zunehmend Gleichstromversorgungsnetze zur Energieversorgung von Komponenten der Industrieanlage eingesetzt. Gleichstromversorgungsnetze bieten den Vorteil, dass Energiespeicher, die Spitzenlasten im Netz puffern leichter zu integrieren sind, ebenso wie Erzeugungsanlagen von regenerativer Energie, beispielsweise von Photovoltaikanlagen. Zudem können in den einzelnen Komponenten Gleichstromwandler, mit denen die meist höhere Spannung des Gleichstromversorgungsnetzes auf eine Betriebsspannung der Komponente gesenkt wird, mit weniger Aufwand und Bauvolumen umgesetzt werden als Wechselstrom/Gleichstrom Wandler („Netzteile“), die in jeder Komponente bzw. mehrfach in jedem Schaltschrank angeordnet sind. Auch ist der Wirkungsgrad von Gleichstromwandlern verglichen mit Netzteilen größer.

Zur Leistungseinspeisung in das Gleichstromversorgungsnetz ist i. d. R. ein sternpunktgeerdeter Transformator vorgesehen, der primärseitig an ein Niederoder Mittelspannungsnetz angeschlossen ist. TN-Netze werden in Europa üblicherweise durch die Erdung des Transformatorsternpunktes realisiert.

Bei Speisung des Gleichstromversorgungsnetzes über den Umrichter wird durch die Taktung der Schaltorgane des Umrichters das Erdpotential auf die Gleichspannungsseite übertragen. Das Gleichspannungsnetz weist dann auf seinen beiden Stromversorgungsleitungen Potentiale auf, die symmetrisch gegenüber dem Erdpotential sind. Das bietet gegenüber einem Gleichstromversorgungsnetz, bei dem eine der beiden Versorgungsleitungen auf Erdpotential gelegt ist, den Vorteil, dass die maximal zwischen dem Erdpotential und einer Leitung des Gleichstromversorgungsnetzes liegende Spannung geringer ist, konkret halb so groß ist. Entsprechend reduzieren sich die Anforderungen im Hinblick auf die Isolationsfestigkeit bei Gleichstromversorgungsnetzen.

Wenn das Wechselstromversorgungsnetz ausfällt, stehen in dem Gleichstromversorgungsnetz der eingangs genannten Art alternative Stromversorgungsquellen bereit, um zumindest kurzzeitig den Netzausfall überbrücken zu können und sicherstellen zu können, dass die Komponenten der Industrieanlage in einen gesicherten Zustand heruntergefahren werden können, bevor sie nicht mehr mit Strom versorgt werden. Derartige alternative Stromversorgungsquellen sind beispielsweise regenerative Stromerzeugungsanlagen, Generatoren und/oder Energiespeicher.

Dabei stellt sich jedoch das Problem, dass der Bezug zum Erdpotential im Gleichstromversorgungsnetz nicht mehr gegeben ist, da der Umrichter nicht mehr betrieben wird, der diesen Erdbezug hergestellt hat. Das Gleichstromversorgungsnetz wird damit zu einem isolierten Netz, das keinen gesicherten Erdbezug mehr hat. Für diese entstehende isolierte Netzform ist das bestehende Schutzkonzept nicht mehr ausreichend, wodurch Schutzkonzepte erforderlich werden. Beispielsweise können Isolationswächter an verschiedenen Stellen im Gleichstromversorgungsnetz nötig werden.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Gleichstromversorgungsnetzes der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei dem auch bei einem Ausfall des Wechselstromversorgungsnetzes und einer Trennung von diesem Wechselstromversorgungsnetz ein gesicherter Betrieb ohne zusätzliche Schutzkonzepte möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie einen Umrichter mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Gleichstromversorgungsnetzes zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:

Die Umwandlung von Wechselstrom zu Gleichstrom durch den Umrichter wird gestoppt und der Transformator wird von dem Wechselstromversorgungsnetz getrennt, insbesondere nach einer Detektion eines Fehlers im Wechselstromversorgungsnetz, z.B. einem Ausfall mindestens einer Phase des Wechselstromversorgungsnetzes.

Das Gleichstromversorgungsnetz wird dann durch die mindestens eine Vorrichtung zur Lieferung von Gleichstrom versorgt und der Umrichter wird zur Umwandlung von Gleichstrom zu Wechselstrom betrieben und beaufschlagt mindestens zwei Sekundärwicklungen des Transformators mit Wechselspannung. Bevorzugt werden alle Sekundärwicklungen des Transformators mit Wechselspannung beaufschlagt.

Durch das vom Gleichstromversorgungsnetz gespeiste Beaufschlagen der mindestens zwei Sekundärwicklungen des Transformators mit Wechselspannung durch den Umrichter werden das Gleichstromversorgungsnetz und der Transformator wieder gekoppelt, wodurch auch ein Erdbezug des Gleichstromversorgungsnetzes über den Sternpunkt des Transformators wieder etabliert wird. Aus dem kurzzeitig isoliert betriebenen Gleichstromversorgungsnetz wird wieder ein TN-Netz mit Erdbezug. Bevorzugt wird das Mittenpotential zwischen Leitungen des Gleichstromversorgungsnetz auf Erdpotential gebiracht, wodurch die Potentiale der Gleichstrom leitungen symmetrisch um den Sternpunkt des Transformators und mithin symmetrisch um das Erdpotential liegen. Auf diese Weise wird erreicht, dass auch in dieser Betriebsweise eine maximale Potentialdifferenz zwischen den Gleichstromleitungen und dem Erdpotential nur halb so groß ist wie die Höhe der Spannung zwischen den DC-Leitun- gen, also die Höhe der Spannung im Gleichstromversorgungsnetz. Die Anforderungen an die Isolation im Gleichstromversorgungsnetz erhöhen sich so nicht.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird der Umrichter zum Beaufschlagen der mindestens zwei Sekundärwicklungen des Transformators mit Wechselspannung spannungsstellend betrieben, wobei ein Phasenversatz zwischen den an den Sekundärwicklungen angelegten Wechselspannungen geeignet gewählt ist, um eine möglichst konstante Lage der Potentiale der Gleichstromleitungen gegenüber dem durch den Sternpunkts definierten Erdbezug zu gewährleisten. Bei zwei mit Wechselspannung beaufschlagten Sekundärwicklungen kann ein Phasenversatz von 180°, bei drei mit Wechselspannung beaufschlagten Sekundärwicklungen kann ein Phasenversatz von 120° gewählt werden. Bevorzugt werden die mindestens zwei Sekundärwicklungen des Transformators vom Umrichter mit einer Spannung beaufschlagt, deren Amplitude kleiner ist als eine minimal zulässige Sekundärspannung in einem Normalbetrieb des Wechselstromversorgungsnetzes und besonders bevorzugt kleiner als etwa 50 Volt (V) ist. Es hat sich gezeigt, dass Spannungen im Bereich von 10 V bis zu einigen 10 V sekundärseitig am Transformator ausreichend sind, um den Erdbezug im Gleichspannungsnetz herzustellen. Es werden so Ummagnetisierungsverluste im Transformator möglichst niedrig gehalten.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird von dem Umrichter ein Statussignal ausgegeben, das den Betrieb zum Beaufschlagen der mindestens einen Sekundärwicklung des Transformators mit Wechselspannung anzeigt. Verbraucher im Gleichstromversorgungsnetzes können auf dieses Signal reagieren und ihre Betriebsart abhängig von dem Statussignal einstellen, z.B. auf eine Betriebsweise umstellen, die weniger Leistung benötigt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird ein wechselstromseitig angeordneter Fehlerstromdetektor betrieben, der bei einem Erkennen eines wechselstromseitigen Fehlerstroms ein Signal ausgibt, durch das das Gleichstromversorgungsnetz außer Betrieb genommen wird. Durch die Kopplung der Netze über den Umrichter kann vorteilhaft ein ggf. wechselstromseitig bereits vorhandener Fehlerstromdetektor genutzt werden, um Isolationsprobleme im Gleichspannungsnetzt zu detektieren. Zur Außerbetriebnahme des Gleichstromversorgungsnetzes kann als Reaktion auf einen detektierten Fehlerstrom beispielsweise der Betrieb der mindestens einen Vorrichtung zur Lieferung von Gleichstrom gestoppt werden. Zusätzlich kann eine Entladevorrichtung aktiviert werden, um eine Spannung im Gleichstromversorgungsnetz zu senken, was die Betriebssicherheit weiter erhöht. Es kann vorgesehen sein, dabei am Fehlerstromdetektor Fehlerstromgrenzen einzustellen, die sich von den Fehlerstromgrenzen unterscheiden, die bei dem Fehlerstromdetektor in einem Normalbetrieb eingestellt sind, um ihn optimal für die Detektion von Isolationsfehlern im Gleichstromversorgungsnetzt nutzen zu können.

Ein erfindungsgemäßer Umrichter zur Umwandlung von Wechselstrom zu Gleichstrom weist eine Einrichtung zur Überwachung einer Verbindung zu einem Wechselstromversorgungsnetz über einen Transformator auf. Er zeichnet sich dadurch aus, dass er dazu eingerichtet ist, Gleichstrom zu Wechselstrom umzuwandeln und in einen spannungsstellenden Betrieb zu wechseln, wenn die Einrichtung eine Trennung vom Wechselstromversorgungsnetz detektiert. Mit einem solchen Umrichter kann das zuvor angegebene Verfahren mit seinen Vorteilen ausgeführt werden. Bevorzugt ist der Umrichter dazu eingerichtet, eine Wechselspannung zu erzeugen, deren Amplitude kleiner ist als eine minimal zulässige Sekundärspannung in einem Normalbetrieb des Wechselstromversorgungsnetz und insbesondere kleiner ist als etwa 50 V. Weiter bevorzugt weist der Umrichter einen wechselstromseitigen Fehlerstromdetektor auf, der dazu eingerichtet ist, bei einem Erkennen eines wechselstromseitigen Fehlerstroms ein Signal ausgibt, das externen Komponenten zur Verfügung gestellt wird. Es ergeben sich jeweils die um Zusammenhang mit dem Verfahren bereits erwähnten Vorteile.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mithilfe von Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Gleichstromversorgungsnetzes, angeschlossen an ein Wechselstromversorgungsnetz; und

Fig. 2 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Gleichstromversorgungsnetzes.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Gleichstromversorgungsnetzes 50, das mit einem Wechselstrom Versorgungsnetz 10 gekoppelt ist. Das Gleichstromversorgungsnetz 50 wird nachfolgend abgekürzt auch als DC (Direct Current)-Netz 50 bezeichnet. Das Wechselstromversorgungsnetz 10 wird entsprechend auch als AC (Alternating Current)-Netz 10 bezeichnet.

Zur Kopplung des DC-Netzes 50 an das AC-Netz 10 ist ein Transformator 12 vorgesehen, der über ein Trennorgan 11 mit dem AC-Netz 10 verbunden ist. Je nach Leistung, die im DC-Netz 50 zur Verfügung gestellt werden soll, und je nach Verfügbarkeit kann das AC-Netz 10 ein Mittelspannungsnetz sein und entsprechend der Transformator 12 ein Mittelspannungstransformator und das Trennorgan 11 ein Mittelspannungsschalt- bzw. -trennorgan sein. Alternativ kann das AC-Netz 10 auch ein Niederspannungsnetz sein.

In der Regel wird bei den benötigten Leistungen das AC-Netz 10 ein Dreiphasennetz sein und der Transformator 12 entsprechend ein Dreiphasentransformator, der mindestens drei sekundärseitige Wicklungen aufweist, die in einem Knoten miteinander verbunden sind, der auch „Sternpunkt“ des Transformators 12 genannt wird. Der Sternpunkt des Transformators 12 ist bei dem in Fig. 1 gezeigten System mit einem Erdungspunkt verbunden, so dass der Sternpunkt des Transformators 12 auf Erdpotential liegt. Damit ist das in weiten Teilen Europas übliche TN-Netz geschaffen, also eine Netzform, bei der das Wechselspannungs-Niederspannungsnetz im Bereich der Gebäudeinstallation geerdet ist. Es ist aber auch denkbar, dass der Transformator 12 nur zwei sekundärseitige Wicklungen aufweist, die in einem Knoten miteinander verbunden und dort geerdet sind. In diesem Fall entsteht ein sogenanntes Split-Phase- Netz. Auch in einer solchen Konfiguration ist das Verfahren anwendbar.

Der Transformator 12 ist über mindestens ein Schalt- und/oder Sicherungsorgan 13 und einen Fehlerstromdetektor 14 mit einem aktiven Wechsel- strom/Gleichstrom-Umrichter 20, nachfolgend auch als AC/DC-Wandler 20 abgekürzt, verbunden.

Dieser AC/DC-Wandler 20 fungiert in einem Normalbetrieb, in dem das DC- Netz 50 maßgeblich aus dem AC-Netz 10 versorgt wird, als aktiver Gleichrichter. Er weist entsprechend aktiv geschaltete Schaltorgane innerhalb von Umrichterbrückenzweigen auf. Gegenüber passiven Gleichrichtern können auf diese Weise Verluste minimiert und die erzeugte Gleichspannung geregelt werden, wobei die Ausgangspotentiale auf Gleichspannungsausgangsleitungen (DC-Leitungen) des DC-Netzes 50 so eingestellt werden können, dass ihre Potentiale symmetrisch um den Sternpunkt des Transformators 12 und mithin symmetrisch um das Erdpotential liegen. Auf diese Weise wird erreicht, dass eine maximale Potentialdifferenz zwischen den DC-Leitungen und dem Erdpotential nur halb so groß wie die Höhe der Spannung zwischen den DC-Leitungen, also die Höhe der Spannung im DC-Netz 50. Als Folge verringern sich zum Beispiel die Anforderungen an die Isolation im DC-Netz 50.

Mit diesem DC-Netz 50 ist der AC/DC-Wandler 20 über mindestens ein Schalt- und/oder Sicherungsorgan 22 verbunden. Zudem weist der AC/DC-Wandler 20 einen Not-Aus Eingang 21 auf, der mit dem Fehlerstromdetektor 14 gekoppelt ist, um beim Auftreten von Fehlerströmen im AC-Netz 10 in einen sicheren Betriebszustand zu gehen und das DC-Netz 50 vom AC-Netz 10 zu trennen.

Als weitere in das DC-Netz 50 einspeisende Energiequelle ist ein Gleichstromwandler 30, nachfolgend auch DC/DC-Wandler 30 genannt, vorgesehen, der eingangsseitig mit einem Photovoltaikgenerator (PV-Generator) 32 verbunden ist. Der PV-Generator 32 ist symbolhaft durch eine Mehrzahl von einzelnen PV- Zellen dargestellt. In einer Implementierung der gezeigten Anordnung kann der PV-Generator 32 aus einer Mehrzahl von in Serie und/oder parallel geschalteten PV-Modulen bestehen. Es versteht sich, dass weitere vergleichbare DC/DC-Wandler, die mit PV-Generatoren gekoppelt sind, mit dem DC-Netz 50 gekoppelt sein können. Zur Verbindung zwischen dem dargestellten DC/DC- Wandler 30 und dem DC-Netz 50 ist wiederum mindestens ein Schalt- und/oder Sicherungsorgan 33 vorgesehen. Vergleichbar mit dem AC/DC- Wandler 20 weist auch der DC/DC-Wandler 30 einen Not-Aus Eingang 31 auf, der mit dem Fehlerstromdetektor 14 gekoppelt ist, um ihn im Fall eines Auftretens von Fehlerströmen in einen sicheren Betriebszustand bringen zu können.

Als eine weitere Energiequelle, insbesondere zur Notstromversorgung, ist ein weiterer Gleichstromwandler 40, nachfolgend auch DC/DC-Wandler 40 genannt, vorhanden, der über mindestens ein Schalt- und/oder Sicherungsorgan 42 mit einem Energiespeicher 43, insbesondere einer Speicherbatterie, verbunden ist. Auch dieser weitere DC/DC-Wandler 40 verfügt über einen Not-Aus Eingang 41 , der wie die Wandler 20, 30 mit dem Fehlerstromdetektor 14 gekoppelt ist und von diesem angesteuert wird, um im Fehlerfall einen sicheren Betriebszustand anzunehmen.

Es sind beispielhaft zwei Verbraucheranordnungen 60a, b dargestellt, die jeweils eine Mehrzahl von Komponenten, die mit Gleichstrom betrieben werden, aufweisen. Sie sind mit dem DC-Netz 50 über Unterverteilungen 53 angebunden, wobei jeder Komponente oder Komponentengruppe jeweils separate Si- cherungs- und/oder Schaltorgane 61 a, b vorgeschaltet sein können. Die Unterverteilungen 53 sind über Abzweige 51 des DC-Netzes 50 und zugeordnete weitere Sicherungs- und/oder Schaltorgane 52 mit Gleichstrom versorgt.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Gleichstromversorgungsnetzes, beispielsweise des in Figur 1 dargestellten Gleichstromversorgungsnetzes 50, wird nachfolgend anhand Figur 2 näher erläutert. Figur 2 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens, das beispielhaft mit Bezug auf die Anordnung gemäß Figur 1 erläutert wird.

Das Verfahren startet in einem Schritt S1 , in dem die Anordnung in einen Normalbetriebszustand betrieben wird. Normalbetrieb bedeutet in diesem Zusammenhang, dass alle Phasen des AC-Netzes 10 vorhanden sind und das AC- Netz 10 über den Transformator 12 und die zwischengeschalteten Trenn- bzw. Schalt- und Sicherungsorgane 11 , 13 den AC/DC-Wandler 20 mit Wechselstrom versorgen. Dieser wandelt den Wechselstrom zu Gleichstrom und speist diesen in das DC-Netz 50 ein, von dem aus die Verbraucheranordnungen 60a, b versorgt werden. Weitere Stromquellen, wie der Photovoltaikgenerator 32 mit dem DC/DC-Wandler 30, können unterstützend in das DC-Netz 50 einspeisen. Sofern die Stromquellen mehr Leistung in das DC-Netz 50 einspeisen, als die Verbraucheranordnungen 60a, b benötigen, kann der AC/DC-Wandler 20 auch bidirektional betrieben werden und die überschüssige Leistung in das AC-Netz 10 zurückspeisen. Die überschüssige Energie kann aber auch dem Energiespeicher 43 zugeführt werden, oder die Stromquellen werden soweit abgeregelt, dass keine überschüssige Energie produziert wird.

In einem nächsten Schritt S2 tritt ein Fehler im AC-Netz 10 auf, der von eingangsseitig im AC/DC-Wandler 20 angeordneten oder diesen vorgeschalteten Spannungswächtern erkannt wird. Der Fehler kann eine oder mehrere Phasen des AC-Netz 10 betreffen. Nach Erkennen des Fehlers nimmt der AC/DC- Wandler 20 einen Fehlerbetriebszustand ein, in dem er die Taktung seiner Schaltorgane stoppt und damit die Versorgung des DC-Netzes 50 beendet.

Das DC-Netz 50 wird dann durch den DC-Wandler 30 der PV-Anlage und/oder den weiteren DC-Wandler 40, der mit dem DC-Energiespeicher 43 gekoppelt ist, weiter versorgt.

In Reaktion auf den erkannten Fehler im AC-Netz 10 öffnet in einem nächsten Schritt S3 das Trennorgan 11 , das üblicherweise von einer vom AC/DC-Wandler 20 unabhängigen Fehlererkennungsschaltung angesteuert wird.

In einem folgenden Schritt S4 wird vom AC/DC-Wandler 20 abgefragt, ob das Trennorgan 11 geöffnet ist. Falls das nicht der Fall ist, verbleibt der AC/DC- Wandler 20 in dem Fehlerbetriebszustand. Es kann vorgesehen sein, die Abfrage im Schritt S4 wiederholt durchzuführen, bis festgestellt wird, dass das Trennorgan 11 geöffnet ist. Das Verfahren wird dann in einem Schritt S5 fortgeführt.

In diesem Schritt S5 wird der AC/DC-Wandler 20 spannungsstellend betrieben, indem Gleichspannung des DC-Netzes 50 in Wechselspannung umgewandelt wird, die dann sekundärseitig am Transformator 12 anliegt. Damit ist eine Po- tential-Kopplung des DC-Netzes 50 und des Transformators 12 wiederhergestellt, wodurch auch ein Erdbezug des DC-Netzes 50 über den Sternpunkt des Transformators 12 wieder etabliert ist. Aus dem kurzzeitig isoliert betriebenen DC-Netz 50 wird wieder ein TN-Netz mit Erdbezug, bei dem das Mittenpotential zwischen den DC-Leitungen des DC-Netzes 50 auf Erdpotential liegt.

Der AC/DC-Wandler 20 wird dabei spannungsstellend betrieben, beaufschlagt also die sekundärseitigen Wicklungen des Transformators 12 mit einer vorgegebene Spannungsamplitude. Bevorzugt ist in diesem spannungsstellenden Betrieb die Spannungsamplitude kleiner als die im Normalbetrieb minimal zulässige sekundärseitige Betriebsspannung des Transformators 12. Auf diese Weise werden Ummagnetisierungsverluste im Transformator 12 vermindert.

Vorteilhaft wird ein Wert eingestellt, der weniger als 50 % der minimal zulässigen sekundärseitige Betriebsspannung des Transformators 12 im Normalbetrieb beträgt und insbesondere wird ein Wert gewählt, der kleiner ist als etwa 50 V.

In einem folgenden Schritt S6 wird der Fehlerstromdetektor 14 zur Überwachung eines durch den spannungsstellenden Betrieb des Umrichters 20 verursachten Fehlerstroms verwendet. Der Fehlerstromdetektor 14 ist hierbei in der Lage, DC-seitige Fehlerströmen zu detektieren. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass Fehlerstromgrenzwerte für den spannungsstellenden Betrieb des AC/DC-Wandlers 20 gewählt werden, die sich von denen des Normalbetriebs unterscheiden. Auch kann vorgesehen sein, sowohl Wechselspannungsanteile des Fehlerstroms als auch Gleichstromanteile des Fehlerstroms im spannungsstellenden Betrieb des AC/DC-Wandlers 20 zu berücksichtigen. Der Fehlerstromdetektor 14 ist bevorzugt auf der Wechselstromseite des Umrichters 20 angeschlossen, kann aber auch gleichstromseitig angeschlossen sein.

Im Folgenden verbleibt der AC/DC-Wandler 20 in dem spannungsstellenden Betrieb, solange das AC-Netz 10 weiter nicht verfügbar ist. Dieses wird in einem Schritt S7 überwacht. Falls das AC-Netz 10 wieder verfügbar ist, wird wieder auf Normalbetrieb zurückgestellt und das Verfahren verzweigt zurück zum Schritt S1 .

Dazu wird der AC/DC-Wandler 20 gestoppt und das Trennorgan 11 wird wieder eingeschaltet. Dann kann der AC/DC-Wandler 20 seinen Normalbetrieb wieder aufnehmen.

Neben der Überprüfung im Schritt S7, ob das AC-Netz 10 wieder verfügbar ist, wird in einem weiteren Schritt S8 überprüft, ob der Fehlerstromdetektor 14 einen Isolationsfehler im DC-Netz 50 detektiert. Falls nicht, verbleibt der AC/DC- Wandler 20 im spannungsstellenden Betrieb, wodurch das DC-Netz 50 weiter als TN-Netz betrieben werden kann, solange die PV-Generatoren 32 bzw. der Energiespeicher 43 die Verbraucheranordnungen 60a, b versorgen können.

Wenn in dem Schritt S8 festgestellt wird, dass der Fehlerstromdetektor 14 ausgelöst hat, wird in einem folgenden Schritt S9 ein Not-Aus Signal an die angeschlossenen Geräte, im vorliegenden Fall an den AC/DC-Wandler 20 und die DC/DC-Wandler 30 und 40 ausgegeben, die daraufhin ihren Betrieb stoppen. Dabei kann vorgesehen sein, dass zuvor ein Signal zum Herunterfahren der Verbraucheranordnungen 60a, b ausgegeben wird, um ihren Komponenten zuvor zu ermöglichen, ihren Betrieb gesichert zu beenden.

Es kann vorgesehen sein, dass das Not-Signal nur im spannungsstellenden Betrieb, im Normalbetrieb nicht oder nur nach einer vorgegebenen Verzögerungszeit ausgegeben wird. Dies kann den Vorteil haben, dass im Normalbetrieb im Fehlerstromfall der auftretende Fehlerstrom zum Auslösen einer Sicherung und damit zur Lokalisation des Fehlerortes genutzt werden kann. Gegebenenfalls kann dadurch das DC-Netz 50 weiter betrieben werden, da der Isolationsfehler durch das Auslösen der Sicherung entfernt wurde.

Als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme kann in diesem Fall auch eine Entladevorrichtung, die im DC-Netz 50 vorhanden sein kann, aktiviert werden, um die Spannung im Netz möglichst schnell auf einen ungefährlichen Wert, z.B. kleiner als 50 V zu bringen.

Bezugszeichenliste

Wechselstromversorgungsnetz (AC-Netz)

Trennorgan

Transformator

Schalt- und/oder Sicherungsorgan

Fehlerstromdetektor

Umrichter (AC/DC-Wandler)

Not-Aus Eingang

Schalt- und/oder Sicherungsorgan

Gleichstromwandler (DC/DC-Wandler)

Not-Aus Eingang

Photovoltaikgenerator (PV-Generator)

Schalt- und/oder Sicherungsorgan weiterer Gleichstromwandler (DC/DC-Wandler)

Not-Aus Eingang

Schalt- und/oder Sicherungsorgan

Energiespeicher

Gleichstromversorgungsnetz (DC-Netz)

Abzweig

Schalt- und/oder Sicherungsorgan Unterverteilung a, b Verbraucheranordnungen a, b Schalt- und/oder Sicherungsorgan

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zum Betreiben eines Gleichstromversorgungsnetzes (50), das über einen aktiven Wechselstrom/Gleichstrom-Umrichter (20) und einem sternpunktgeerdeten Transformator (12) an ein Wechselstromversor- gungsnetz (10) angeschlossen ist, wobei zwischen dem Wechselstromversorgungsnetz (10) und dem Transformator (12) mindestens ein Trennorgan (11 ) angeordnet ist und wobei in dem Gleichstromversorgungsnetz mindestens eine Vorrichtung zur Lieferung von Gleichstrom unabhängig von dem Wechselstromversorgungsnetz (10) vorhanden ist, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Stoppen der Umwandlung von Wechselstrom zu Gleichstrom durch den Umrichter (20);

- Öffnen des Trennorgans (11 ) zum Trennen des Transformators (12) von dem Wechselstromversorgungsnetz (10);

- Versorgen des Gleichstromversorgungsnetzes (50) durch die mindestens eine Vorrichtung zur Lieferung von Gleichstrom;

- Betreiben des Umrichters (20) in einem spannungsstellenden Betrieb und Beaufschlagen mindestens zweier Sekundärwicklungen des Transformators (12) mit Wechselspannung.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die mindestens zwei Sekundärwicklungen des Transformators (12) vom Umrichter (20) mit einer Spannung beaufschlagt wird, deren Amplitude kleiner ist als eine minimal zulässige Sekundärspannung in einem Normalbetrieb des Wechselstromversorgungsnetz (10).

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Amplitude kleiner als etwa 50 Volt ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, durchgeführt nach einem Ausfall mindestens einer Phase des Wechselstromversorgungsnetzes (10).

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei von dem Umrichter (20) ein Statussignal ausgegeben wird, das den Betrieb zum Beaufschlagen der mindestens einen Sekundärwicklung des Transformators (12) mit Wechselspannung anzeigt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei Verbraucher im Gleichstromversorgungsnetzes (50) ihre Betriebsart abhängig von dem Statussignal einstellen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei im spannungsstellenden Betrieb ein Fehlerstromdetektor (14) den Umrichter (20) hinsichtlich eines auftretenden Fehlerstroms überwacht und bei einem Erkennen eines Fehlerstroms ein Signal ausgibt, durch das das Gleichstromversorgungsnetz (50) außer Betrieb genommen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Fehlerstromdetektor einen Fehlerstrom auf der Wechselspannungsseite des Umrichters (20) überwacht.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei zur Außerbetriebnahme des Gleichstromversorgungsnetzes (50) der Betrieb der mindestens einen Vorrichtung zur Lieferung von Gleichstrom gestoppt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei zusätzlich eine Entladevorrichtung aktiviert wird, um eine Spannung im Gleichstromversorgungsnetz (50) zu senken.

11 . Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei am Fehlerstromdetektor (14) im spannungsstellenden Betrieb Fehlerstromgrenzen eingestellt werden, die sich von den Fehlerstromgrenzen unterscheiden, die bei dem Fehlerstromdetektor (14) in einem Normalbetrieb eingestellt sind.

12. Umrichter (20) zur Umwandlung von Wechselstrom zu Gleichstrom, aufweisend eine Einrichtung zur Überwachung einer Verbindung zu einem Wechselstromversorgungsnetz (10) über einen Transformator (12), dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (20) dazu eingerichtet ist, Gleichstrom zu Wechselstrom umzuwandeln und in einen spannungsstellenden Betrieb zu wechseln, wenn die Einrichtung eine Trennung vom Wechselstromversorgungsnetz (10) detektiert.

13. Umrichter (20) nach Anspruch 12, der dazu eingerichtet ist, eine Wechselspannung zu erzeugen, deren Amplitude kleiner ist als eine minimal zulässige Sekundärspannung in einem Normalbetrieb des Wechselstromversorgungsnetz (10) und insbesondere kleiner ist als etwa 50 Volt.

14. Umrichter (20) nach Anspruch 12 oder 13, aufweisend einen wechselstromseitigen Fehlerstromdetektor (14), der dazu eingerichtet ist, bei einem Erkennen eines wechselstromseitigen Fehlerstroms ein Signal ausgibt, das externen Komponenten zur Verfügung gestellt wird.