WO2020200495A1 - Elektrisches netzwerk und verfahren zum betreiben eines elektrischen netzwerks - Google Patents

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Shivansh BATRA
Thomas Beckert
feng DU
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Definitions

  • the invention relates to an electrical network and a method for operating an electrical network.
  • Direct current distribution networks offer advantages over alternating current distribution networks, especially when feeding in renewable energy sources in parallel to other network feeds, through lower costs and higher energy efficiency.
  • a direct current / alternating current / direct current converter can be replaced by a simple direct current / direct current converter. Batteries as energy storage devices can be connected more easily and capacitor banks directly to the system without additional converters.
  • Regulated and unregulated rectifiers can be used for connecting and feeding in from an AC network (alternating current).
  • Active Front End (AFE) technology is preferred for feeding energy from AC sources or for recirculating energy when braking energy is recovered from motors: while with Active Front End (AFE) devices, the AC side of the network is stabilized and thus the network as a whole factory quality is compensated with a reactive energy supply, the braking energy from the motors can be fed to the distribution system.
  • Freewheeling diodes can not be sufficiently protected by the self-protection of the transducers and fuses on the AC side, as severe damage may or speak by electric current due to a possible voltage reversal at LRC oscillations in the fault path V. This is particularly noticeable when the Active Front End (AFE) is not connected to the power rail in a short-circuit-proof manner.
  • AFE Active Front End
  • the diodes can act as uncontrolled rectifiers. The fault current is supplied from the alternating current side and may not be able to be switched off quickly enough by the fuses and thus destroy the diodes.
  • AC-DC AC-DC or DC-DC
  • DC-AC inverter
  • the object is achieved by the electrical network according to claim 1.
  • Advantageous embodiments are given in claims 2 to 12 under.
  • the object according to the invention is also achieved by a method for operating an electrical network according to claim 13.
  • An advantageous embodiment is specified in dependent claim 14.
  • the electrical network according to claim 1 is equipped with feeders, consumers and a distribution network arranged therebetween with at least one busbar as well as with at least one device for opening or closing a direct current circuit, the device comprising
  • Closing a direct current circuit can be separated electrically individually.
  • the advantage here is that a reduced number of semiconductor switches can be used in the network, so that Costs are minimized as well as power losses, since these are only used for feeds, energy storage and large motor loads with power feedback.
  • the fault current can be interrupted very quickly by means of the circuit breaker within a few, typically 10 ps (microseconds), and the fault can then be isolated at a relatively slow speed.
  • electro-mechanical electrical switches to be used in the rest of the system. Since, in the event of a fault, all feeds are immediately disconnected from the grid, the responsible electro-mechanical electrical switches only have to interrupt a significantly reduced fault current, and in certain applications they can even switch off. This enables the electro-mechanical switches to be dimensioned much smaller compared to electro-mechanical switches in conventional networks.
  • individual loads can each be electrically isolated individually by means of one of the devices for opening or closing a direct current circuit, and the distribution network arranged between them includes electro-mechanical switches for isolating faults.
  • the electrical switch is a semiconductor switch in at least one device.
  • the at least one device further comprises a unit for communication.
  • the at least one device further comprises a control unit for limiting a switch-on transient.
  • This control unit can keep the high transient current at power-up below the shutdown thresholds of the device.
  • the pre-charging device restores the voltage on the busbar after a first wait.
  • the pre-charger restores voltage to the bus bar upon receiving a command.
  • the pre-charging device can receive the command via the communication unit.
  • control unit automatically closes the electrical switch for automatic closing after a second waiting time.
  • control unit closes automatically
  • the electrical network is a direct current circuit.
  • the devices for opening or closing a DC circuit are arranged on power converters with high capacity, capacitor banks as energy storage, photovoltaic systems, batteries or consumers with feedback depending on the size of the DC link (DC link) and on the rest Positions the electro-mechanical switches.
  • the method for operating an electrical network according to claim 13 comprises the steps
  • the method according to the invention comprises the further step:
  • Figure 1 electrical network with feeds, consumers and distribution network
  • Figure 2 electrical network with feeds and ver
  • FIGS 3A and 3B electrical network with feeds
  • Figure 4 inventive electrical network with a
  • Figure 5 Device for opening or closing a direct current circuit.
  • an exemplary direct current network is Darge presents with the current flows under nominal conditions.
  • a feed 1010; 1011; 1012; 1013 are over a distribution network 2000 with a busbar 200 with loads 1050; 1051; 1052; 1053; 1054 connected.
  • Feeds 1010; 1011 can be, for example, AC power sources that have an Active Front End (AFE) 1020; 1021 are connected to the distribution network 2000.
  • a feed 1012 can be a photovoltaic system, for example, feed 1013 a different type with power converters. With these feeds 1012; 1013, only a unidirectional current flow in the direction of the distribution network 2000 is possible.
  • consumer 1050 can be an ohmic load that only allows a unidirectional current flow in its direction.
  • motors without power feedback for example consumer 1052.
  • the consumer 1051; 1053; 1054 can be, for example, motors with power feedback, a capacitor bank as an energy store or a battery, with these consumers allowing a bidirectional flow of current to and from the distribution network.
  • the electrical network of Figure 1 is Darge presents with feeds 1010; 1011; 1012; 1013, consumers 1050; 1051; 1052; 1053; 1054 and a distribution network 2000 arranged between them, the possible error locations of errors 1500; 1501; 1502; 1503; 1504; 1505; 1506; 1507; 1508 are drawn.
  • a fault can occur between consumer 1050 and busbar 200 at the fault location of fault 1504.
  • the distribution network 200 protection devices 2050; 2051; 2052; 2053; 2054; 2055; 2056; 2057; 2058; 2059; 2060; 2061; 2062; 2063; 2064; 2065; 2066 include.
  • the protective devices can be arranged in the distribution network 2000.
  • FIG. 4 shows the electrical network 1000 according to the invention with feeds 1010; 1011; 1012; 1013, consumers 1050; 1051; 1052; 1053; 1054; 1055 and a distribution network 2000 arranged therebetween with at least one busbar 200 and with at least one device 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 to open or close a
  • the feeds 1010; 1011; 1012; 1013 can each with means of one of the devices 2010; 2011; 2012; 2013 for opening or closing a DC circuit individually
  • the device 2010; 2011; 2012; 2013 for opening or closing a DC circuit are each arranged between the feed and the busbar 200.
  • the distribution network 2000 arranged in between also includes conventional electro-mechanical switches 2020 for isolating faults; 2021; 2022; 2023; 2024; 2025; 2026; 2027; 2028; 2029; 2030.
  • Individual outgoing feeders with consumers 1053 which contain intermediate circuit capacitances but cannot be fed back, can be protected on busbar 200 with an electro-mechanical switch and close to the consumer with a diode.
  • the devices for opening or closing a direct current circuit are dependent on power converters with high capacity, capacitor banks as energy storage, photovoltaic systems, batteries or consumers with feedback of the size of the DC link (DC link) is arranged.
  • the electrical network 1000 according to the invention can be operated using the following method:
  • the method according to the invention can furthermore comprise the step:
  • Closing a DC circuit continues to detect a fault, finally opening the devices 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 to open or
  • the Active Front Ends are still in operation.
  • the devices for opening or closing a direct current at the infeeds wait a fixed time or until they receive a command to close again.
  • the voltage on busbar 200 is recharged through devices 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 for opening or closing a DC circuit.
  • the devices for opening or closing the feeds are closed and, if necessary, a switch-on transient is run through.
  • the devices for opening or closing a direct current circuit on the loads and on the photovoltaics, battery or capacitor bank will close as soon as the voltage on the busbar 200 is restored. If the devices for opening or closing a direct current on the feeders still detect a fault, they are switched off again and remain off.
  • the inventive device 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 shown for opening or closing a DC circuit with at least one busbar 200.
  • the device 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 includes an electrical switch 110 for opening or closing the DC circuit, a fault current detection 120, a triggering unit gate driver 130 and a pre-charging device 140, with the electrical switch 110 using the tripping unit 130 when a fault current is detected by the fault current detection 120 the DC circuit opens and the pre-charging device 140 restores the voltage on the busbar 200 before the electrical switch 110 is closed.
  • the device according to the invention is also used for automatic closing 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 a control unit 150 is provided which can automatically close the electrical switch 110 after the pre-charge.
  • the electrical switch 110 of the inventive device 2010 Vorrich; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 can be a semiconductor switch, for example.
  • it can be a semiconductor switch based on silicon (Si), based on silicon carbide (SiC) or based on gallium nitride (GaN).
  • the inventive device before 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 further comprise a unit 180 for communication.
  • This unit 180 for communication can receive commands from a superordinate control unit and / or devices 2010 arranged in a distribution network 2000; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; Coordinate 2016.
  • 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 include a control unit 160 for limiting the switch-on transient.
  • the controller 160 can control the high transient current at power-on below the power-off thresholds from the device 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 hold.
  • 2014; 2015; 2016 can furthermore comprise a measuring unit 170 for measuring current and / or voltage values.
  • the pre-charger 140 can restore the voltage on the busbar 200 after a first waiting period. Alternatively, the pre-charger 140 restores voltage to the busbar 200 upon receiving a command. The command can be given to the precharge device 140 via the unit 180 for communication.
  • the control unit 150 for automatically closing the electrical switch 110 can automatically close it after a second waiting time. Likewise, the control unit 150 can automatically close the electrical switch
  • control unit 150 can receive the voltage values on the busbar 200 from the measuring unit 170 in order to automatically close an electrical switch 110.

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Abstract

Es wird ein elektrisches Netzwerk (1000) offenbart mit Einspeisungen (1010...1013), Verbrauchern (1050...1055) und einem dazwischen angeordneten Verteilnetzwerk (2000) mit mindestens einer Sammelschiene (200) sowie mit mindestens einer Vorrichtung (2010...2016) zum Öffnen oder Schließen eines Gleichstromkreises, wobei die Vorrichtung umfasst - einen elektrischen Schalter (110) zum Öffnen oder Schließen des Gleichstromkreises, - eine Fehlerstromerkennung (120), - eine Auslöseeinheit (130), - eine Vor-Ladevorrichtung (140), und - einer Steuereinheit (150) zum automatischen Schließen des elektrischen Schalters nach der Vor-Ladung, wobei bei Detektion eines Fehlerstroms durch die Fehlerstromerkennung der elektrische Schalter mittels der Auslöseeinheit den Gleichstromkreis öffnet und die Vor- Ladevorrichtung vor dem Schließen des elektrischen Schalters die Spannung auf der Sammelschiene wiederherstellt, wobei die Einspeisungen jeweils mittels einer der Vorrichtungen zum Öffnen oder Schließen eines Gleichstromkreises einzeln elektrisch abgetrennt werden können.

Description

Beschreibung
Elektrisches Netzwerk und Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Netzwerks
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Netzwerk und ein Ver fahren zum Betreiben eines elektrischen Netzwerks.
Gleichstromverteilnetzwerke bieten vor allem bei Einspeisun gen von erneuerbaren Energiequellen parallel zu weiteren Netzeinspeisungen Vorteile gegenüber Wechselstromverteilnet zen durch geringere Kosten und durch eine höhere energetische Effizienz. Bei der Verwendung erneuerbarer Energiequellen, beispielsweise durch ein Photovoltaikmodul , kann ein Gleich- strom-Wechselstrom-Gleichstrom Wandler ersetzt werden durch einen einfachen Gleichstrom-Gleichstrom Wandler. Batterien als Energiespeicher können leichter und Kondensatorbänke ohne weitere Wandler direkt an das System angebunden werden.
Für die Verbindung und Einspeisung aus einem AC-Netz (alter- nating current, Wechselstrom) können geregelte und ungeregel te Gleichrichter verwendet werden. Bevorzugt wird die Active Front End (AFE) - Technologie zur Einspeisung der Energie aus Wechselstromquellen oder zur Rückführung von Energie bei zu rückgewonnener Bremsenergie von Motoren: während bei Active Front End (AFE) - Vorrichtungen die Wechselstromseite des Netzwerks stabilisiert wird und somit insgesamt die Netz werkqualität mit einer reaktiven Energieversorgung kompen sierten wird, kann die Bremsenergie von Motoren dem Verteil system zugeführt werden.
Gleichstromnetzwerke haben aber auch Herausforderungen bezüg lich des Schutzes gegenüber Kurzschlüssen oder anderen Feh lerquellen. In einem beispielhaften Gleichstromnetz entspre chend der Darstellung in Figur 1 mit Einspeisungen 1010;
1011; 1012; 1013 und Verbrauchern 1050; 1051; 1052; 1053;
1054 und einem dazwischen gelagerten Verteilnetzwerk 2000 mit klassischen elektro-mechanischen Schutzvorrichtungen (bei spielsweise moulded case Circuit breaker, MCCB) verlieren diese ihre Selektivität aufgrund der schnellen Selbstschutz funktionen der Leistungselektronik in den AC/DC-Wandlern. In der Darstellung der Figur 1 können beispielsweise die Ein speisungen 1010; 1011 Wechselstromquelle sein, die über Acti ve Front Ends (AFE) 1020; 1021 in das System eingespeist wer den .
Freilaufdioden können nicht ausreichend geschützt werden durch den Selbstschutz der Wandler und Sicherungen auf der Wechselstromseite, da schwere Schäden durch elektrischen Strom aufgrund einer möglichen Spannungsumkehr bei LRC- Schwingungen im Fehlerpfad Vorkommen können. Dies wird vor allem beobachten, wenn das Active Front End (AFE) nicht kurz schlussfest verbunden ist mit der Stromschiene. Ebenso können nach einem Ausschalten der IGBTs die Dioden als unkontrol lierte Gleichrichter wirken. Der Fehlerstrom wird dabei von der Wechselstromseite versorgt und kann durch die Sicherungen möglicherweise nicht schnell genug abgeschaltet werden und somit die Dioden zerstören.
Die Entladung einer Kondensatorbank oder von Gleichstrom- Zwischenkreisen (DC-Links) während eines schwerwiegenden Feh lerszenarios erzeugt extrem hohe Strom-Spitzen, welche inner halb von Zeiträumen von ms (Milli Sekunden) fließen. Klassi sche elektro-mechanische Schalter sind nicht schnell genug zum Abschalten eines solchen Fehlerstroms. Der schwächste Einspeise- oder Verbraucherpfad, mit dem geringsten Nenn strom, in solch einem System mit mehreren Einspeisungen hat dann das höchste Verhältnis von maximalem Kurzschlussstrom zum nominalen Strom.
Hauptprobleme eines Gleichstromverteilsystems sind die mögli che Zerstörung von Freilaufdioden aufgrund einer Spannungsum kehr, die kapazitive Entladung und die Selektivität der Schutzeinrichtungen zu den Active Front Ends (AFE) . Zusätzlich befinden sich Kondensatoren in jedem Wandler
(Wechselstrom-Gleichstrom oder Gleichstrom-Gleichstrom) oder Wechselrichter (Gleichstrom-Wechselstrom) auf der Gleich stromseite, dies bei Einspeisungen und Verbrauchern.
In Figur 2 sind mögliche Positionen von Fehlern 1500; 1501; 1502; 1503; 1504; 1505; 1506; 1507; 1508 in einem Verteil netzwerk dargestellt. Sogar ein Fehler auf der Verbraucher seite bei einem Motor ohne Rückeinspeisung kann von beiden Richtungen gespeist werden: Strom kann fließen von den Ein speisungen und von anderen Zweigen der Verbraucher und durch die Entladung von DC-Links (Gleichstrom-Zwischenkreis- Kondensatoren) , die typischerweise in Gleichstrom-Wechsel strom Wechselrichtern verwendet werden. Daher muss bei der Planung eines Netzwerks berücksichtigt werden, dass Leis tungswandler wie beispielsweise Active Front Ends (AFE) an eine Gleichstromsammelschiene 200 kurzschlusssicher angebun den werden. Ansonsten werden zwei Schutzeinrichtungen notwen dig wie dies in der Figur 3B dargestellt ist.
Hauptsächlich problematisch bei elektrischen Gleichstromnetz werken ist die erhöhte Anzahl und Kapazität der Kondensatoren im System. Bei geringen Fehlerwiderständen bedeutet dies, dass diese Kondensatoren innerhalb von 2 bis 3 ms (Milli Se kunden) entladen, zusammen mit extrem hohen Strom-Spitzen. Aufgrund einer Spannungsumkehr wird innerhalb derselben Zeit spanne ein hoher Strom durch die Freilaufdioden erzeugt. Um eine Beschädigung der Kabel und der Freilaufdioden zu verhin dern, muss der Fehlerstrom sehr schnell unterbrochen werden. Das ist ebenso notwendig, wenn Selektivität zu den Leistungs wandlern erzeugt werden soll. Aufgrund der Natur der elektro mechanischen Schalter beträgt deren Schaltzeit zum Öffnen we nigstens mehrere ms (Milli Sekunden) . Die Entladung der Kon densatoren und die damit verbundene Spannungseinbruch auf der Verteilung 2000 hat dann schon stattgefunden. Daher kann eine Lösung nur basierend auf elektro-mechanischen Schaltern nicht zu einem Schutz eines solchen Gleichstromnetzwerk führen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein alternatives elektri sches Netzwerk zur Verfügung zu stellen, welches die be schriebenen Nachteile überwindet.
Die Aufgabe wird gelöst durch das elektrische Netzwerk gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteran sprüchen 2 bis 12 angegeben. Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenso erfüllt durch ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Netzwerks gemäß Anspruch 13. Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist in Unteranspruch 14 angegeben.
Das elektrische Netzwerk gemäß Anspruch 1 ist ausgestattet mit Einspeisungen, Verbrauchern und einem dazwischen angeord neten Verteilnetzwerk mit mindestens einer Sammelschiene so wie mit mindestens einer Vorrichtung zum Öffnen oder Schlie ßen eines Gleichstromkreises, wobei die Vorrichtung umfasst
- einen elektrischen Schalter zum Öffnen oder Schließen des Gleichstromkreises,
- eine Fehlerstromerkennung,
- eine Auslöseeinheit ,
- eine Vor-Ladevorrichtung, und
- einer Steuereinheit zum automatischen Schließen des
elektrischen Schalters nach der Vor-Ladung,
wobei bei Detektion eines Fehlerstroms durch die Fehlerstro merkennung der elektrische Schalter mittels der Auslöseein heit den Gleichstromkreis öffnet und die Vor-Ladevorrichtung vor dem Schließen des elektrischen Schalters die Spannung auf der Sammelschiene wiederherstellt, wobei die Einspeisungen jeweils mittels einer der Vorrichtungen zum Öffnen oder
Schließen einen Gleichstromkreises einzeln elektrisch abge trennt werden können.
Vorteilhaft hierbei ist, dass eine reduzierte Anzahl an Halb leiterschaltern im Netzwerk verwendet werden kann, sodass Kosten minimiert werden und ebenso auch Leistungsverluste, da diese nur für Einspeisungen, Energiespeicher und großen Mo torlasten mit Leistungsrückführung verwendet werden. Im Feh lerfall kann der Fehlerstrom sehr schnell mittels der Leis tungsschalter innerhalb von wenigen, typischerweise 10 ps (Mikro Sekunden) unterbrochen werden, der Fehler kann danach mit relativ langsamer Geschwindigkeit isoliert werden. Dies erlaubt die Benutzung von elektro-mechanischen elektrischen Schaltern im restlichen System. Da im Fehlerfalle alle Ein speisungen unmittelbar vom Netz getrennt werden, haben die zuständigen elektro-mechanischen elektrischen Schalter nur einen signifikant reduzierten Fehlerstrom zu unterbrechen, in bestimmten Anwendungen können sie sogar stromlos schalten. Dies ermöglicht es, dass die elektro-mechanischen Schalter viel geringer dimensioniert werden können im Vergleich zu elektro-mechanischen Schaltern in konventionellen Netzwerken.
In einer Ausgestaltung können einzelne Verbraucher jeweils mittels einer der Vorrichtungen zum Öffnen oder Schließen ei nes Gleichstromkreises einzeln elektrisch abgetrennt werden sowie das dazwischen angeordnete Verteilnetzwerk elektro mechanische Schalter umfasst zur Isolation von Fehlern.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der elektrische Schalter in mindesten einer Vorrichtung ein Halbleiterschalter.
In einer Ausgestaltung umfasst die mindestens eine Vorrich tung des Weiteren eine Einheit zur Kommunikation.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die mindestens eine Vorrichtung des Weiteren eine Steuereinheit zum Begrenzen ei ner Einschalttransiente. Diese Steuereinheit kann den hohen transienten Strom beim Einschalten unterhalb dem Abschalten- Schwellenwerte der Vorrichtung halten.
In einer weiteren Ausgestaltung stellt die Vor-Ladevorrich- tung die Spannung auf der Sammelschiene wieder her nach einer ersten Wartezeit. Alternativ stellt die Vor-Ladevorrichtung die Spannung auf der Sammelschiene nach Erhalt eines Befehls wieder her. Den Befehl kann die Vor-Ladevorrichtung über die Einheit zur Kommunikation erhalten.
In einer weiteren Ausgestaltung schließt die Steuereinheit zum automatischen Schließen des elektrischen Schalters diesen automatisch nach einer zweiten Wartezeit.
Alternativ schließt die Steuereinheit zum automatischen
Schließen des elektrischen Schalters diesen nach Wiederher stellung einer Spannung auf der Sammelschiene oberhalb eines Schwellwerts .
In einer weiteren Ausgestaltung ist das elektrische Netzwerk ein Gleichstromkreis.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Vorrichtungen zum Öffnen oder Schließen eines Gleichstromkreises an Leistungs wandlern mit hoher Kapazität, Kondensatorbänken als Energie speicher, Photovoltaikanlagen, Batterien oder Verbrauchern mit Rückspeisungen abhängig von der Größe des Gleichstrom- Zwischenkreises (DC-Link) angeordnet und an den restlichen Positionen die elektro-mechanischen Schalter.
Das Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Netzwerks ge mäß Anspruch 13 umfasst die Schritte
- im Fehlerfall schnelles Öffnen innerhalb von ps (Mikro sekunden) aller (an den Einspeisungen nahen) Vorrichtun gen zum Öffnen oder Schließen eines Gleichstromkreises zur Abtrennung aller Einspeisungen (inklusive aller Energiequellen sowie aller rückspeisungsfähige Anlagen) ;
- nach dem Öffnen der Vorrichtungen Öffnen nur fehlerort naher elektro-mechanischer Schalter innerhalb von ms (Milli Sekunden) zur Isolation des Fehlers; und danach
- automatisches Schließen der Vorrichtungen zum Öffnen
oder Schließen eines Gleichstromkreises. In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren den weiteren Schritt:
- wenn nach dem automatischen Schließen der Vorrichtungen zum Öffnen oder Schließen eines Gleichstromkreises wei terhin ein Fehler erfasst wird, endgültiges Öffnen der Vorrichtungen zum Öffnen oder Schließen eines Gleich stromkreisen an den Einspeisungen.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie sie erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam menhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen, die im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
Figur 1: elektrisches Netzwerk mit Einspeisungen, Verbrau chern und Verteilnetzwerk;
Figur 2: elektrisches Netzwerk mit Einspeisungen und Ver
brauchern und möglichen Fehlern;
Figur 3A und 3B: elektrisches Netzwerk mit Einspeisungen und
Verbrauchern im Verteilnetzwerk und Schutzeinrich tungen;
Figur 4: erfindungsgemäßes elektrisches Netzwerk mit Ein
speisungen, Verbrauchern und Verteilnetzwerk; und
Figur 5: Vorrichtung zum Öffnen oder Schließen eines Gleich stromkreises .
In Figur 1 ist ein beispielhaftes Gleichstromnetzwerk darge stellt mit den Stromflüssen unter nominalen Bedingungen. Ein speisungen 1010; 1011; 1012; 1013 sind über ein Verteilnetz werk 2000 mit einer Sammelschiene 200 mit Verbrauchern 1050; 1051; 1052; 1053; 1054 verbunden. Einspeisungen 1010; 1011 können beispielsweise Wechselstromquellen sein, die über ein Active Front End (AFE) 1020; 1021 mit dem Verteilnetzwerk 2000 verbunden sind. Hier können die Ströme bidirektional ins Verteilnetzwerk 2000 hinein oder aus ihm herausfließen. Ein speisung 1012 kann beispielsweise eine Photovoltaikanlage sein, Einspeisung 1013 ein anderer Typ mit Leistungswandlern. Bei diesen Einspeisungen 1012; 1013 ist nur ein unidirektio- naler Stromfluss in Richtung des Verteilnetzwerks 2000 mög lich.
Ähnliches gilt auch für die Verbraucher, manche Verbraucher ermöglichen einen unidirektionalen und andere einen bidirek tionalen Stromfluss zum Netzwerk 2000. Beispielsweise kann Verbraucher 1050 eine ohmsche Last sein, die nur einen unidi- rektionalen Stromfluss in ihre Richtung erlaubt. Gleiches gilt für Motoren ohne Leistungsrückführung, beispielsweise Verbraucher 1052. Die Verbraucher 1051; 1053; 1054 können beispielsweise Motoren mit Leistungsrückführung, eine Konden satorbank als Energiespeicher oder eine Batterie sein, wobei bei diesen Verbrauchern ein bidirektionaler Stromfluss zum und vom Verteilnetzwerk möglich ist.
In Figur 2 ist das elektrische Netzwerk der Figur 1 darge stellt mit Einspeisungen 1010; 1011; 1012; 1013, Verbrauchern 1050; 1051; 1052; 1053; 1054 und einem dazwischen angeordne tem Verteilnetzwerk 2000, wobei die möglichen Fehlerorte von Fehlern 1500; 1501; 1502; 1503; 1504; 1505; 1506; 1507; 1508 eingezeichnet sind. Beispielsweise kann es zu einem Fehler zwischen Verbraucher 1050 und der Sammelschiene 200 kommen, an dem Fehlerort des Fehlers 1504.
In den Figuren 3A und 3B ist wiederum das elektrische Netz werk der Figuren 1 und 2 dargestellt, wobei das Verteilnetz werk 200 Schutzeinrichtungen 2050; 2051; 2052; 2053; 2054; 2055; 2056; 2057; 2058; 2059; 2060; 2061; 2062; 2063; 2064; 2065; 2066 umfassen. Je nachdem welche Fehler 1500; 1501; 1502; 1503; 1504; 1505; 1506; 1507; 1508 entsprechend abge fangen werden sollen, können die Schutzeinrichtungen im Ver teilnetzwerk 2000 angeordnet sein.
Figur 4 zeigt das erfindungsgemäße elektrische Netzwerk 1000 mit Einspeisungen 1010; 1011; 1012; 1013, Verbrauchern 1050; 1051; 1052; 1053; 1054; 1055 und einem dazwischen angeordne tem Verteilnetzwerk 2000 mit mindestens einer Sammelschiene 200 sowie mit mindestens einer Vorrichtung 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 zum Öffnen oder Schließen eines
Gleichstromkreises .
Die Einspeisungen 1010; 1011; 1012; 1013 können jeweils mit tels einer der Vorrichtungen 2010; 2011; 2012; 2013 zum Öff nen oder Schließen eines Gleichstromkreises einzeln
elektrisch abgetrennt werden. Die Vorrichtung 2010; 2011; 2012; 2013 zum Öffnen oder Schließen einen Gleichstromkreisen sind jeweils zwischen der Einspeisung und der Sammelschiene 200 angeordnet.
Des Weiteren können auch einzelne Verbraucher 1052; 1054;
1055 mittels einer der Vorrichtungen 2014; 2015; 2016 zum Öffnen oder Schließen eines Gleichstromkreises einzeln elektrisch abgetrennt werden oder von der Sammelschiene 200 abgetrennt werden. Das dazwischen angeordnete Verteilnetzwerk 2000 umfasst zur Isolation von Fehlern des Weiteren konventi onelle elektro-mechanische Schalter 2020; 2021; 2022; 2023; 2024; 2025; 2026; 2027; 2028; 2029; 2030. Einzelne Abgänge mit Verbrauchern 1053, die etwa Zwischenkreis-Kapazitäten enthalten, aber nicht rückspeisefähig sind, können an der Sammelschiene 200 mit einem elektro-mechanischen Schalter und verbrauchernah mit einer Diode geschützt werden.
Die Vorrichtungen zum Öffnen oder Schließen eines Gleich stromkreises sind an Leistungswandlern mit hoher Kapazität, Kondensatorbänken als Energiespeicher, Photovoltaikanlagen, Batterien oder an Verbrauchern mit Rückspeisungen abhängig von der Größe des Gleichstrom-Zwischenkreises (DC-Link) ange ordnet .
Das erfindungsgemäße elektrische Netzwerk 1000 kann mit dem folgenden Verfahren betrieben werden:
- im Fehlerfall schnelles Öffnen innerhalb von ps (Mikro Sekunden) aller Vorrichtungen 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 zum Öffnen oder Schließen eines Gleich stromkreises zur Abtrennung aller Einspeisungen 1010; 1011; 1012; 1013;
- nach dem Öffnen der Vorrichtungen 2010; 2011; 2012;
2013; 2014; 2015; 2016 Öffnen nur fehlerortnaher elekt- ro-mechanischer Schalter (einer oder mehrere von 2020; 2021; 2022; 2023; 2024; 2025; 2026; 2027; 2028; 2029;
2030) innerhalb von ms (Milli Sekunden) zur Isolation des Fehlers; und danach
- automatisches Schließen der Vorrichtungen 2010; 2011;
2012; 2013; 2014; 2015; 2016 zum Öffnen oder Schließen eines Gleichstromkreises.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann des Weiteren den Schritt umfassen :
- wenn nach dem automatischen Schließen der Vorrichtungen
2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 zum Öffnen oder
Schließen eines Gleichstromkreises weiterhin ein Fehler erfasst wird, endgültiges Öffnen der Vorrichtungen 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 zum Öffnen oder
Schließen eines Gleichstromkreises.
Im Fehlerfall geschieht somit folgendes:
Die Vorrichtungen 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 zum Öffnen oder Schließen eines Gleichstromkreises und der elektro-mechanische Schalter in der Nähe des Fehlers detek- tieren den Fehler gleichzeitig. Alle Vorrichtungen 2010;
2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 zum Öffnen oder Schließen eines Gleichstromkreises schalten unmittelbar aus, um eine weitere Speisung des Fehlers durch die Einspeisungen zu ver hindern. In der Zwischenzeit schaltet der nächstgelegene elektro-mechanische Schalter aus, um den Fehler zu isolieren. Dazu ist ein elektro-mechanischer Schalter mit schnellen Schalteigenschaften im Bereich von wenigen ms (Milli Sekun den) bevorzugt. Die Active Front Ends (AFE) sind immer noch in Betrieb. Die Vorrichtungen zum Öffnen oder Schließen eines Gleichstroms an den Einspeisungen warten eine fest definierte Zeit oder bis sie einen Befehl zum Wiederschließen erhalten. Die Spannung auf der Sammelschiene 200 wird wiedergeladen durch die Vorrichtungen 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 zum Öffnen oder Schließen eines Gleichstromkreises. Die Vorrichtungen zum Öffnen oder Schließen an den Einspeisungen werden geschlossen und gegebenenfalls eine Einschalttransien te durchlaufen. Die Vorrichtungen zum Öffnen oder Schließen eines Gleichstromkreises an den Verbrauchern und an der Pho- tovoltaik, Batterie oder Kondensatorbank werden, sobald die Spannung auf der Sammelschiene 200 wiederhergestellt ist, schließen. Falls die Vorrichtungen zum Öffnen oder Schließen eines Gleichstroms an den Einspeisungen immer noch einen Feh ler detektieren, werden sie wieder ausgeschaltet und bleiben aus .
In Figur 5 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 zum Öffnen oder Schließen eines Gleichstromkreises mit mindestens einer Sammelschiene 200 dargestellt. Die Vorrichtung 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 umfasst dazu einen elektrischen Schalter 110 zum Öffnen oder Schließen des Gleichstromkreises, eine Fehler stromerkennung 120, eine Auslöseeinheit Gate-Treiber 130 und eine Vor-Ladevorrichtung 140, wobei bei Detektion eines Feh lerstroms durch die Fehlerstromerkennung 120 der elektrische Schalter 110 mittels der Auslöseeinheit 130 den Gleichstrom kreis öffnet und wobei die Vor-Ladevorrichtung 140 vor dem Schließen des elektrischen Schalters 110 die Spannung auf der Sammelschiene 200 wieder herstellt. Zum automatischen Schlie ßen ist des Weiteren bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 eine Steuereinheit 150 vorgesehen, die den elektrischen Schalter 110 nach der Vorladung automatisch schließen kann.
Der elektrische Schalter 110 der erfindungsgemäßen Vorrich tung 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 kann beispiels weise ein Halbleiterschalter sein. Beispielsweise kann es sich dabei um einen Halbleiterschalter auf Silicium (Si) - Basis, auf Siliciumcarbid (SiC) - Basis oder auf Gallium nitrid (GaN) - Basis handeln.
Wie in Figur 5 dargestellt, kann die erfindungsgemäße Vor richtung 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 des Weite ren eine Einheit 180 zur Kommunikation umfassen. Diese Ein heit 180 zur Kommunikation kann Befehle von einer übergeord neten Steuereinheit erhalten und/oder in einem Verteilnetz werk 2000 angeordnete Vorrichtungen 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 koordinieren.
Des Weiteren kann die erfindungsgemäße Vorrichtung 2010;
2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 eine Steuereinheit 160 für die Begrenzung der Einschalttransiente umfassen. Beispiels weise kann die Steuereinheit 160 den hohen transienten Strom beim Einschalten unterhalb der Abschalten-Schwellenwerte von der Vorrichtung 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 hal ten .
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 2010; 2011; 2012; 2013;
2014; 2015; 2016 kann des Weiteren eine Messeinheit 170 zur Messung von Strom- und/oder Spannungswerten umfassen.
Die Vor-Ladevorrichtung 140 kann die Spannung auf der Sammel schiene 200 nach einer ersten Wartezeit wiederherstellen. Al ternativ stellt die Vor-Ladevorrichtung 140 die Spannung auf der Sammelschiene 200 nach Erhalt eines Befehls wieder her. Der Befehl kann über die Einheit 180 zur Kommunikation an die Vor-Ladevorrichtung 140 gegeben werden. Die Steuereinheit 150 zum automatischen Schließen des elektrischen Schalters 110 kann diesen automatisch nach einer zweiten Wartezeit schließen. Ebenso kann die Steuereinheit 150 zum automatischen Schließen des elektrischen Schalters
110 diesen nach Wiederherstellung einer Spannung auf der Sam melschiene 200 oberhalb eines Schwellwerts schließen. Dazu kann die Steuereinheit 150 zum automatischen Schließen eines elektrischen Schalters 110 von der Messeinheit 170 die Span- nungswerte auf der Sammelschiene 200 erhalten.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrisches Netzwerk (1000) mit Einspeisungen (1010;
1011; 1012; 1013), Verbrauchern (1050; 1051; 1052; 1053; 1054; 1055) und einem dazwischen angeordneten Verteil netzwerk (2000) mit mindestens einer Sammelschiene (200) sowie mit mindestens einer Vorrichtung (2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016) zum Öffnen oder Schließen eines Gleichstromkreises, wobei die Vorrichtung (2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016) umfasst
- einen elektrischen Schalter (110) zum Öffnen oder Schließen des Gleichstromkreises,
- eine Fehlerstromerkennung (120),
- eine Auslöseeinheit (130),
- eine Vor-Ladevorrichtung (140), und
- einer Steuereinheit (150) zum automatischen
Schließen des elektrischen Schalters (110) nach der Vor- Ladung,
wobei bei Detektion eines Fehlerstroms durch die Fehlerstromerkennung (120) der elektrische Schalter (110) mittels der Auslöseeinheit (130) den Gleichstromkreis öffnet und die Vor-Ladevorrichtung (140) vor dem Schlie ßen des elektrischen Schalters (110) die Spannung auf der Sammelschiene (200) wiederherstellt,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Einspeisungen (1010; 1011; 1012; 1013) jeweils mit tels einer der Vorrichtungen (2010; 2011; 2012; 2013) zum Öffnen oder Schließen eines Gleichstromkreises einzeln elektrisch abgetrennt werden können.
2. Elektrisches Netzwerk (1000) gemäß Anspruch 1, wobei ein zelne Verbraucher (1052; 1054; 1055) jeweils mittels ei ner der Vorrichtungen (2014; 2015; 2016) zum Öffnen oder Schließen eines Gleichstromkreises einzeln elektrisch ab getrennt werden können sowie das dazwischen angeordnete Verteilnetzwerk (2000) elektro-mechanische Schalter
(2020; 2021; 2022; 2023; 2024; 2025; 2026; 2027; 2028; 2029; 2030) umfasst zur Isolation von Fehlern.
3. Elektrisches Netzwerk (1000) gemäß Anspruch 1 oder 2, wo bei der elektrische Schalter (110) der mindestens einen Vorrichtung (2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016) ein Halbleiterschalter ist.
4. Elektrisches Netzwerk (1000) gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die mindestens eine Vorrichtung (2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016) des Weiteren eine Einheit (180) zur Kommunikation umfasst.
5. Elektrisches Netzwerk (1000) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mindestens eine Vorrichtung (2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016) des Weiteren eine Steuereinheit (160) zum Begrenzen einer Einschalttran siente umfasst.
6. Elektrisches Netzwerk (1000) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vor-Ladevorrichtung (140) die Span nung auf der Sammelschiene (200) wiederherstellt nach ei ner ersten Wartezeit.
7. Elektrisches Netzwerk (1000) gemäß einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 6, wobei die Vor-Ladevorrichtung (140) die Spannung auf der Sammelschiene (200) wiederherstellt nach Erhalt eines Befehls.
8. Elektrisches Netzwerk (1000) gemäß Anspruch 7, wobei die Vor-Ladevorrichtung (140) den Befehl über die Einheit (180) zur Kommunikation erhält.
9. Elektrisches Netzwerk (1000) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Steuereinheit (150) zum automati schen Schließen des elektrischen Schalters (110) diesen automatisch nach einer zweiten Wartezeit schließt.
10. Elektrisches Netzwerk (1000) gemäß einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 9, wobei die Steuereinheit (150) zum au tomatischen Schließen des elektrischen Schalters (110) diesen nach Wiederherstellung einer Spannung auf der Sam melschiene (200) oberhalb eines Schwellwerts schließt.
11. Elektrisches Netzwerk (1000) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das elektrische Netzwerk (1000) ein Gleichstromkreis ist.
12. Elektrisches Netzwerk (1000) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vorrichtungen (2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016) zum Öffnen oder Schließen eines Gleichstromkreises an Leistungswandlern mit hoher Kapazi tät, Kondensatorbänken als Energiespeicher, Photovoltaik anlagen, Batterien oder Verbrauchern mit Rückspeisungen abhängig von der Größe des Gleichstrom-Zwischenkreises (DC-Link) angeordnet sind und an den restlichen Positio nen die elektro-mechanischen Schalter (2020; 2021; 2022; 2023; 2024; 2025; 2026; 2027; 2028; 2029; 2030) .
13. Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Netzwerks
(1000) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
- im Fehlerfall schnelles Öffnen innerhalb von ps
(Mikro Sekunden) aller Vorrichtungen (2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016) zum Öffnen oder Schließen eines
Gleichstromkreises zur Abtrennung aller Einspeisungen (1010; 1011; 1012; 1013);
- nach dem Öffnen der Vorrichtungen (2010; 2011;
2012; 2013; 2014; 2015; 2016) Öffnen nur fehlerortnaher elektro-mechanischer Schalter (einer oder mehrere von 2020; 2021; 2022; 2023; 2024; 2025; 2026; 2027; 2028;
2029; 2030) innerhalb von ms (Milli Sekunden) zur Isola tion des Fehlers; und danach
- automatisches Schließen der Vorrichtungen (2010;
2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016) zum Öffnen oder Schließen eines Gleichstromkreises.
14. Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Netzwerks
(1000) gemäß Anspruch 13 mit dem weiteren Schritt:
- wenn nach dem automatischen Schließen der Vor richtungen (2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016) zum Öffnen oder Schließen eines Gleichstromkreises weiterhin ein Fehler an den Einspeisungen (1010; 1011; 1012; 1013) erfasst wird, endgültiges Öffnen der Vorrichtungen (2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016) zum Öffnen oder
Schließen eines Gleichstromkreises.
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