WO2022101423A1 - Apparatus and method for grounding a dc voltage network - Google Patents

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WO2022101423A1
WO2022101423A1 PCT/EP2021/081552 EP2021081552W WO2022101423A1 WO 2022101423 A1 WO2022101423 A1 WO 2022101423A1 EP 2021081552 W EP2021081552 W EP 2021081552W WO 2022101423 A1 WO2022101423 A1 WO 2022101423A1
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network
converter
ground
earth
grounding
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PCT/EP2021/081552
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Marcel Kratochvil
Alexander UNRU
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Sma Solar Technology Ag
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    • H02M7/797—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only

Definitions

  • a DC energy system comprises at least one energy source that preferably makes electrical power available as direct current, i.e. a DC source, e.g. a battery, a PV generator or a fuel cell, and at least one load that preferably consumes electrical power as direct current. i.e. a DC sink, e.g. B. a consumer, and connections between these electrical components.
  • the DC power system may include a DC grid or bus where the electrical components are connected and may include other sources, storage, and/or loads. The transition between a DC bus with a few connected components, for example only one source and one sink, and a DC network with a large number of such components is fluid.
  • the term DC network is also understood to mean a DC bus.
  • Such a DC network can be grounded or ungrounded.
  • different monitoring and protection mechanisms may be required by standards in the event of a ground fault.
  • An ungrounded DC network in which the potentials DC+ and DC- of the respective DC lines DCL+ and DCL- have no fixed reference to the ground potential, has the advantage that any first ground fault in the DC network, for example an insulation fault along one of the DC lines, still no harm.
  • insulation monitoring is required in order to be able to detect the occurrence of any fault and, if necessary, to be able to initiate countermeasures as early as the first ground fault, eg switch off the energy source or . disconnect the energy source and/or the point of failure from the DC grid.
  • the potentials DC+ and DC- have a defined reference to the ground potential. Such a ground reference can be easily implemented, for example, by means of a resistive connection between the ground potential and one of the DC potentials DC+ or DC-.
  • a DC network can be connected to another energy network, e.g. B. another DC network or an AC network, for example an AC supply network, and exchange electrical power with the other energy network, in particular to support or recharge the DC source in the DC network.
  • the DC network can also be supplied permanently or at times completely with energy from the other energy network via the converter, with the energy source of the DC network being able to be used to buffer power fluctuations if necessary.
  • the DC network can automatically be provided with a fixed earth reference via the power converter, i.e. grounded.
  • the concrete position of the potentials of the DC network relative to the ground reference is specified by the concrete topology of the power converter used.
  • the converter can have a divided intermediate circuit whose midpoint, ie, middle potential, is connected to a neutral conductor with a fixed ground reference, so that the DC potentials on the intermediate circuit are largely symmetrical about ground potential.
  • a DC network that is not grounded per se also becomes a grounded network through a connection to a grounded energy network via a transformerless converter.
  • There can therefore be two operating states for such a DC network unearthed "stand-alone" operation and grounded operation when connected to the grounded energy network. This must be taken into account when designing the system.
  • DC direct current or direct current
  • AC alternating current
  • the invention is based on the object of demonstrating an electrical system and a method that enable safe operation of a DC energy system.
  • the object is solved by an electrical system having the features of independent patent claim 1 .
  • the object is solved by a method having the features of independent claim 8 .
  • Advantageous embodiments of the method are claimed in the dependent claims.
  • the AC side of the power converter is connectable to a grounded three-phase AC utility grid and the DC side of the power converter is connected to an ungrounded DC -Mains connectable.
  • the power converter has a bridge circuit whose AC connections can be connected to the AC side of the power converter and whose DC connections can be connected to the DC side of the power converter, the power converter being designed in such a way that a ground reference is provided by a connected AC supply network leads to an earth reference on its DC side.
  • the electrical system has a grounding circuit connected to the DC grid and a control unit, the control unit being set up to detect a disconnection of the power converter from the AC supply grid and to establish a ground reference for the DC grid via the grounding circuit.
  • the direct ground reference of the DC network can therefore be switched on or off, depending on whether an indirect ground reference is established via the AC supply network via the converter or not. On the one hand, this can ensure that the DC network always has a ground reference, in particular a low-impedance ground reference, and that the potentials of the DC lines are always defined.
  • the constant ground reference can be established either - indirectly - via the converter from the AC supply network or - directly - via the grounding circuit.
  • the constant reference to earth can be desirable for safety reasons.
  • a double ground reference can be avoided, which could lead to unwanted equalizing currents.
  • the earth reference of the DC system can be defined via the converter, in particular by It is a transformerless power converter whose AC and DC connections are galvanically coupled, at least during operation.
  • the DC network can be supplied with electrical power from the AC supply network via the converter.
  • a DC source, e.g. B. Battery, in the DC grid can be used as a support and / or charged from the AC supply grid.
  • the electrical system according to the invention advantageously allows safe continued operation.
  • B. a battery present in the DC network
  • the DC network can continue to be operated by being supplied with electrical power from the energy store.
  • the ground reference of the DC grid is possibly no longer defined via the converter due to the separation of the converter from the AC supply grid and an isolated DC grid could form. This is undesirable because the DC voltages against ground potential in the DC network are no longer clearly defined.
  • establishing a direct ground reference via the grounding circuit can therefore be allow flexible further operation of the DC network in an advantageous and standard-compliant form, since it can create an alternative ground reference for the DC network in a defined manner when the converter is separated from the AC supply network. This is also advantageous compared to solutions in which z. B.
  • a high-impedance earthing is established and a passive balancing of the DC network is effected by, particularly in the case of extensive DC networks with low parasitic conductor-earth resistances and/or a large number Comparatively fewer leakage currents occur at balancing resistors, less corrosion takes place and tolerances or aging of the balancing resistors are irrelevant.
  • the control unit of the electrical system is set up to establish the ground reference of the DC network by driving a ground switch, via which the ground circuit is connected to a ground potential.
  • the control unit is in communication with the grounding circuit and in particular with the grounding switch.
  • the communication link can e.g. B. be wired or wireless.
  • the grounding circuit has a DC/DC converter with a reference potential, it being possible to connect the reference potential to the ground potential by closing the grounding switch.
  • the DC/DC controller is set up to establish the earth reference of the DC network via the connection of the reference potential to the earth potential via the earth switch.
  • a midpoint of a half-bridge of the DC/DC converter can form the reference potential and can be connected to the ground potential via the ground switch. This allows the potentials of the DC conductors to be set symmetrically around the ground potential or to be kept there after the power converter has set these potentials symmetrically as long as it was connected to the grounded AC supply network.
  • the DC/DC converter is connected to an electrical storage unit, e.g. B. DC source, connectable and set up to transfer electrical power between the storage unit and the DC grid.
  • the control unit is set up to control the DC/DC controller in such a way that when the bridge circuit is detected as being disconnected from the AC supply network, the DC network can be operated via the DC/DC controller from the storage unit by using the Network required electrical power alternatively taken from the storage unit and the necessary ground reference of the DC network is alternatively established via the grounding circuit.
  • the DC/DC converter is set up to supply the DC grid with DC power, with the control unit being set up to generate a DC voltage in the DC grid, e.g. B. via a measuring device, and to control the DC / DC controller so that the DC voltage is balanced by the DC potentials of the DC voltage are set symmetrically around the reference potential of the DC / DC controller.
  • the reference potential of the DC/DC converter preferably has a connection to ground potential via the grounding circuit. This then leads to a balancing of the DC voltage around the ground potential.
  • control unit can be set up, another DC / DC controller, z. B. can be located in the converter so that the DC voltage is balanced via the other DC / DC controller.
  • the control unit is set up to detect a fault current by means of a fault current measurement and to disconnect the ground reference of the DC network when a fault current is detected.
  • the residual current measurement is preferably carried out by means of a residual current measurement at the AC connections of the bridge circuit.
  • the fault current measurement can be active in particular when the AC switches are open or closed, i.e. when the AC supply network is disconnected from or connected to the bridge circuit.
  • the fault current measurement can also be carried out by monitoring the insulation of the DC network.
  • the DC network can also be grounded in the event of a fault via a fuse, e.g. B. GFDI (ground fault detection interruption) can be provided. This serves to avoid impermissibly high leakage currents, eg in the event of insulation faults in the DC network.
  • GFDI ground fault detection interruption
  • a method of operating the electrical system includes the steps:
  • the DC network itself remains ungrounded and in this respect retains its ground reference indirectly via the ground reference of the AC supply network via the converter.
  • the method thus enables flexible and safe operation of a DC network.
  • the ground reference can be established flexibly via the converter and the grounded AC supply network or - if there is no connection to the grounded AC supply network - using the grounding circuit.
  • the ground reference of the DC network is established by closing the ground switch. This enables a particularly simple establishment of the ground reference.
  • the control unit preferably controls the earth switch in order to cause it to close.
  • the closing of the grounding switch creates a connection between a reference potential of a DC/DC converter, the grounding circuit and a ground potential, the DC/DC converter being designed in such a way that the reference potential is connected via the grounding switch to the ground potential establishes the ground reference of the DC network.
  • the DC network is supplied with an electrical DC power via the DC/DC controller, the DC/DC controller preferably setting the DC voltage of the DC network symmetrically about the reference potential, in particular when the bridge circuit is disconnected from the AC supply network.
  • the DC grid is supplied with electrical power from an electrical energy store connected to the DC/DC controller, e.g. B. in the form of a DC source.
  • the DC/DC controller is connected to the electrical energy store on one of its two sides and is able to set a DC/DC output voltage on the other side. If the DC network is supplied with electrical power via the DC/DC controller and the bridge circuit is disconnected from the AC supply network, the DC/DC output voltage corresponds to the DC voltage of the DC network.
  • 1 schematically shows an embodiment of an electrical system
  • 2 schematically shows an exemplary embodiment of a method.
  • FIG. 1 an embodiment of an electrical system is shown schematically.
  • a power converter 10 has an AC side 16 and a DC side 18 .
  • a three-phase AC supply network 12 grounded at ground potential PE is connected to the AC side 16 .
  • a DC network 14 is connected to the DC side 18 .
  • the DC grid 14 has a battery 42 , a load 44 and a DC/DC converter 40 .
  • the load 44 can be connected to the DC grid via a DC switch 48 .
  • the load 44 can in particular include one or more consumers such.
  • the battery 42 and the load 44 are connected to the power converter 10 via DC lines DC+, DC-.
  • the power converter 10 has a bridge circuit 20 which is designed to convert alternating current or alternating voltage at AC terminals ACL1, ACL2, ACL3 into direct current or direct voltage at DC terminals DCL+, DCL+.
  • the bridge circuit 20 is also designed to convert direct current or direct voltage at the DC terminals DCL+, DCL+ into alternating current or alternating voltage at the AC terminals ACL1, ACL2, ACL3.
  • the conversion takes place in that a control unit 30 suitably controls the semiconductor switch of the bridge circuit 20 .
  • the bridge circuit 20 with semiconductor switches is usually designed without a transformer, i. H. the AC connections ACL1, ACL2, ACL3 and the DC connections DCL+, DCL- of such a bridge circuit are galvanically coupled. If the AC supply network has an earth reference, e.g. B. by a grounded to PE neutral conductor, the DC connections DCL +, DCL- are thus automatically grounded via the bridge circuit 20 in regular operation of the power converter 10 .
  • the DC lines DC+, DC- are connected to the DC terminals DCL+, DCL-.
  • the concrete position of the potentials of the DC lines relative to the ground reference (DC+/DC- to PE) are specified by the topology of the bridge circuit 20 that is actually used.
  • the bridge circuit 20 can have a DC-side, divided DC intermediate circuit, the center point of which is connected to the neutral conductor of the AC supply network 12 with a fixed earth reference PE as the center potential, so that the DC potentials in the DC intermediate circuit and thus to the DC connections DCL+, DCL- mostly symmetrical around the Set earth potential PE.
  • a DC network 14 that is not grounded per se also becomes a grounded DC network 14 through a connection to the grounded AC supply network 12 via the transformerless converter 10. It can thus be a grounded operation of the DC network 14 when connected to the grounded AC utility grid 12.
  • the AC connections ACL1, ACL2, ACL3 can be connected to the AC side 16 via the AC switch 22.
  • the power converter 10 also has a fault current measurement 32 at the AC connections ACL1, ACL2, ACL3, which is based on a residual current measurement of the three AC connections ACL1, ACL2, ACL3. About the fault current measurement 32 z. B. a malfunction in the DC network can be detected.
  • the DC/DC converter 40 is arranged between the battery 42 and DC switches 46 .
  • the DC/DC converter 40 can be connected to the DC network 14 via the DC switch 46 and is set up to set a DC/DC output voltage on an output side of the DC/DC converter 40 .
  • the DC/DC output voltage can be set, for example, by the control unit 30 driving semiconductor switches of the DC/DC controller 40 .
  • An input side of the DC/DC converter 40 is connected to the battery 42 terminals. From the battery 42, the DC network 14, z. B. be supplied with electrical power when the power converter 10 is separated from the AC supply network 12 by the DC / DC controller 40 of the battery 42 removes a corresponding electrical power and feeds it into the DC network 42 with a suitable DC / DC output voltage .
  • the DC/DC converter 40 is part of a grounding circuit.
  • the grounding circuit also includes a grounding switch 24 .
  • a reference potential of the DC/DC converter 40 can be connected to ground potential PE via the ground switch 24 .
  • the ground switch 24 can be controlled by the control unit 30 and can be opened and closed by a control signal from the control unit 30 .
  • the DC connections DCL+, DCL- of the bridge circuit 20 can be connected to the DC side 18 via isolating switches 26.1, 26.2.
  • the DC network 14 has DC lines DC+ and DC-.
  • a measuring device 38 is set up to measure the DC voltage UDC between the two DC lines DC+, DC- of the DC network 14 .
  • the DC voltage UDC can be specified by the power converter 10 and, in particular, can correspond to the DC output voltage of the bridge circuit 20.
  • the DC voltage UDC can be set by the DC/DC controller 40 and in particular correspond to the DC/DC output voltage of the DC/DC controller 40.
  • the DC voltage UDC can be determined on the respective DC lines DC+, DC- against earth potential PE. This means that each of the DC lines DC+, DC- can be measured individually against ground potential PE.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a method for operating the electrical system.
  • step S1 it is checked whether the AC switches 22 are open - branch "yes" - or not - branch "no". If the AC switches are closed, the AC connections ACL1, ACL2, ACL3 of the bridge circuit 20 are connected to the AC side 16 of the converter 10 and the DC network 14 is grounded via the converter 10. If the AC switches are open, the AC connections ACL1, ACL2, ACL3 of the bridge circuit 20 are separated from the AC side 16 of the converter 10 and the DC network 14 does not receive a ground reference via the converter 10. In step S1, if necessary be checked whether the ground reference of the DC network 14 has been omitted via the AC side 16 for other reasons.
  • the ground switch 24 is closed in a step S2 and the DC network 14 is thus grounded.
  • the DC voltage UDC is balanced by the DC/DC converter 40 around the ground potential PE as the reference potential.
  • the DC/DC output voltage can be adjusted on the output side of the DC/DC converter 40 and corresponds to with closed DC switches 46 and a separation of the bridge circuit 20 from the AC supply network 12 of the DC voltage UDC.
  • the method can include the steps of detecting a reconnection of the bridge circuit 20 to the AC supply network 12 and removing the ground reference of the DC network 14 via the grounding circuit by opening the grounding switch 24 when a reconnection is detected. In this detected state, the ground reference of the DC network 14 is again given via the AC side 16, ie the AC supply network 12.

Abstract

The invention relates to an electrical system comprising a power converter (10) for transferring power between an AC end (16) of the power converter (10) and a DC end (18) of the power converter (10), the AC end (16) of the power converter (10) being connectable to a grounded three-phase AC power supply system (12) and the DC end (18) of the power converter (10) being connectable to an ungrounded DC supply system (14). The power converter (10) has a bridge circuit (20), the AC terminals (ACL1, ACL2, ACL3) of which can be connected to the AC end (16) of the power converter (10) and the DC ends (DCL+, DCL-) of which can be connected to the DC end (18) of the power converter (10), the power converter (10) being designed in such a way that a grounding through a connected AC power supply system (12) results in a grounding on the DC end (18) of the power converter. The electrical system comprises a grounding circuit connected to the DC supply system (14) and a control unit (30), the control unit (30) being designed to detect a disconnection of the power converter (10) from the AC power supply system (12) and to establish a grounding of the DC supply system (14) by means of the grounding circuit. The invention also relates to a method for operating an electrical system.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Erdung eines Gleichspannungsnetzes Device and method for grounding a DC voltage network
Technisches Gebiet der Erfindung Technical field of the invention
Stand der Technik State of the art
Ein DC-Energiesystem umfasst mindestens eine Energiequelle, die elektrische Leistung bevorzugt als Gleichstrom zur Verfügung stellt, also eine DC-Quelle, z.B. eine Batterie, einen PV-Generator oder eine Brennstoffzelle, und mindestens eine Last, die elektrische Leistung bevorzugt als Gleichstrom verbraucht, also eine DC- Senke, z. B. einen Verbraucher, sowie Verbindungen zwischen diesen elektrischen Komponenten. Das DC-Energiesystem kann ein DC-Netz oder einen DC-Bus umfassen, wo die elektrischen Komponenten angeschlossen sind, und weitere Quellen, Speicher und/oder Verbraucher umfassen. Der Übergang zwischen einem DC-Bus mit wenigen angeschlossenen Komponenten, beispielsweise lediglich einer Quelle und einer Senke, und einem DC-Netz mit einer Vielzahl an derartigen Komponenten ist fließend. In dieser Anmeldung wird unter dem Begriff DC-Netz auch ein DC-Bus verstanden. A DC energy system comprises at least one energy source that preferably makes electrical power available as direct current, i.e. a DC source, e.g. a battery, a PV generator or a fuel cell, and at least one load that preferably consumes electrical power as direct current. i.e. a DC sink, e.g. B. a consumer, and connections between these electrical components. The DC power system may include a DC grid or bus where the electrical components are connected and may include other sources, storage, and/or loads. The transition between a DC bus with a few connected components, for example only one source and one sink, and a DC network with a large number of such components is fluid. In this application, the term DC network is also understood to mean a DC bus.
Ein solches DC-Netz kann geerdet oder ungeerdet betrieben werden. Abhängig von der konkreten Betriebsart können unterschiedliche Überwachungs- und Schutzmechanismen für den Fall eines Erdschlusses normativ gefordert sein. Such a DC network can be grounded or ungrounded. Depending on the specific operating mode, different monitoring and protection mechanisms may be required by standards in the event of a ground fault.
Ein ungeerdetes DC-Netz, in dem die Potentiale DC+ und DC- der jeweiligen DC- Leitungen DCL+ und DCL- keinen festen Bezug zum Erdpotential aufweisen, hat den Vorteil, dass ein etwaiger erster Erdschluss im DC-Netz, beispielsweise ein Isolationsfehler entlang einer der DC-Leitungen, noch zu keinem Schaden führt. Es wird jedoch eine Isolationsüberwachung benötigt, um das Auftreten jedweden Fehlers zu detektieren und ggf. schon bei einem ersten Erdschluss Gegenmaßnahmen einleiten zu können, z.B. die Energiequelle abzuschalten bzw. . die Energiequelle und/oder die Fehlerstelle vom DC-Netz zu trennen. In einem geerdeten DC-Netz weisen die Potentiale DC+ und DC- einen definierten Bezug zum Erdpotential auf. Ein derartiger Erdbezug kann beispielsweise mittels einer resistiven Verbindung zwischen dem Erdpotential und einem der DC-Potentiale DC+ oder DC- einfach realisiert werden. An ungrounded DC network, in which the potentials DC+ and DC- of the respective DC lines DCL+ and DCL- have no fixed reference to the ground potential, has the advantage that any first ground fault in the DC network, for example an insulation fault along one of the DC lines, still no harm. However, insulation monitoring is required in order to be able to detect the occurrence of any fault and, if necessary, to be able to initiate countermeasures as early as the first ground fault, eg switch off the energy source or . disconnect the energy source and/or the point of failure from the DC grid. In a grounded DC network, the potentials DC+ and DC- have a defined reference to the ground potential. Such a ground reference can be easily implemented, for example, by means of a resistive connection between the ground potential and one of the DC potentials DC+ or DC-.
Ein DC-Netz kann über einen Stromrichter mit einem weiteren Energienetz, z. B. einem weiteren DC-Netz oder einem AC-Netz, beispielsweise einem AC- Versorgungsnetz, verbunden werden und mit dem weiteren Energienetz elektrische Leistung austauschen, insbesondere zur Unterstützung oder Wiederaufladung der DC-Quelle im DC-Netz. Grundsätzlich kann das DC-Netz auch dauerhaft oder zeitweise vollständig über den Stromrichter mit Energie aus dem weiteren Energienetz versorgt werden, wobei die Energiequelle des DC-Netzes ggf. zur Pufferung von Leistungsschwankungen verwendet werden kann. A DC network can be connected to another energy network, e.g. B. another DC network or an AC network, for example an AC supply network, and exchange electrical power with the other energy network, in particular to support or recharge the DC source in the DC network. In principle, the DC network can also be supplied permanently or at times completely with energy from the other energy network via the converter, with the energy source of the DC network being able to be used to buffer power fluctuations if necessary.
Wenn das weitere Energienetz eine Erdung, z. B. in Form eines geerdeten Neutralleiters aufweist und der Stromrichter transformatorlos aufgebaut ist, d.h. keine galvanische Trennung zwischen AC- und DC-Seite aufweist, kann das DC-Netz automatisch über den Stromrichter mit einem festen Erdbezug versehen, d.h. geerdet, werden. Die konkrete Lage der Potentiale des DC-Netzes relativ zum Erdbezug wird dabei durch die konkret verwendete Topologie des Stromrichters vorgegeben. Beispielsweise kann der Stromrichter gleichstromseitig einen geteilten Zwischenkreis aufweisen, dessen Mittelpunkt, also Mittelpotential, mit einem Neutralleiter mit festem Erdbezug verbunden ist, so dass sich die DC-Potentiale am Zwischenkreis weitgehend symmetrisch um das Erdpotential einstellen. If the further energy network is grounded, e.g. in the form of a grounded neutral conductor and the power converter is designed without a transformer, i.e. has no galvanic isolation between the AC and DC side, the DC network can automatically be provided with a fixed earth reference via the power converter, i.e. grounded. The concrete position of the potentials of the DC network relative to the ground reference is specified by the concrete topology of the power converter used. For example, on the DC side, the converter can have a divided intermediate circuit whose midpoint, ie, middle potential, is connected to a neutral conductor with a fixed ground reference, so that the DC potentials on the intermediate circuit are largely symmetrical about ground potential.
Insofern wird ein an sich ungeerdetes DC-Netz durch eine Verbindung mit einem geerdeten Energienetz über einen transformatorlosen Stromrichter ebenfalls zu einem geerdeten Netz. Es können sich somit zwei Betriebszustände für ein solches DC-Netz ergeben, ein ungeerdeter „Stand-alone“-Betrieb und ein geerdeter Betrieb bei Verbindung mit dem geerdeten Energienetz. Dies ist bei der Systemauslegung zu beachten. In this respect, a DC network that is not grounded per se also becomes a grounded network through a connection to a grounded energy network via a transformerless converter. There can therefore be two operating states for such a DC network, unearthed "stand-alone" operation and grounded operation when connected to the grounded energy network. This must be taken into account when designing the system.
Verbindet man allerdings ein geerdetes DC-Netz mit einem geerdeten AC-Netz, beispielsweise über einen Stromrichter, kann es zu derart hohen, unkontrollierten Stromflüssen zwischen den Netzen kommen, dass Komponenten des Stromrichters oder Komponenten der Netze beschädigt werden. Dies gilt auch, wenn in einem vermeintlich ungeerdeten DC-Netz ein Isolationsfehler vorhanden ist. However, if you connect a grounded DC network to a grounded AC network, for example via a power converter, such high, uncontrolled voltages can occur current flows between the networks, components of the power converter or components of the networks are damaged. This also applies if there is an insulation fault in a supposedly unearthed DC network.
Das Kürzel DC (engl. direct current) steht in dieser Anmeldung für Gleichstrom oder Gleichspannung und AC (engl. alternating current) für Wechselstrom oder Wechselspannung. In this application, the abbreviation DC stands for direct current or direct current and AC (alternating current) for alternating current or alternating voltage.
Aufgabe der Erfindung object of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches System und ein Verfahren aufzuzeigen, die einen sicheren Betrieb eines DC-Energiesystems ermöglichen. The invention is based on the object of demonstrating an electrical system and a method that enable safe operation of a DC energy system.
Lösung solution
Die Aufgabe wird durch ein elektrisches System mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen beansprucht. The object is solved by an electrical system having the features of independent patent claim 1 . The object is solved by a method having the features of independent claim 8 . Advantageous embodiments of the method are claimed in the dependent claims.
Beschreibung der Erfindung Description of the invention
Bei einem elektrischen System mit einem Stromrichter zum Leistungstransfer zwischen einer AC-Seite des Stromrichters und einer DC-Seite des Stromrichters ist die AC-Seite des Stromrichters an ein geerdetes dreiphasiges AC-Versorgungsnetz anschließbar und die DC-Seite des Stromrichters ist an ein ungeerdetes DC-Netz anschließbar. Der Stromrichter weist eine Brückenschaltung auf, deren AC- Anschlüsse mit der AC-Seite des Stromrichters verbindbar sind und deren DC- Anschlüsse mit der DC-Seite des Stromrichters verbindbar sind, wobei der Stromrichter so ausgeführt ist, dass ein Erdbezug durch ein angeschlossenes AC- Versorgungsnetz zu einem Erdbezug auf seiner DC-Seite führt. Das elektrische System weist eine mit dem DC-Netz verbundene Erdungsschaltung und eine Steuereinheit auf, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, eine Trennung des Stromrichters vom AC-Versorgungsnetz zu erfassen und über die Erdungsschaltung einen Erdbezug des DC-Netzes herzustellen. Der direkte Erdbezug des DC-Netzes kann also ein- oder ausgeschaltet werden, in Abhängigkeit davon, ob über den Stromrichter ein insofern indirekter Erdbezug über das AC-Versorgungsnetz hergestellt wird oder nicht. Hierdurch kann einerseits sichergestellt werden, dass das DC-Netz stets einen Erdbezug, insbesondere einen niederohmigen Erdbezug aufweist und die Potentiale der DC-Leitungen stets definiert sind. Der stete Erdbezug kann entweder - indirekt - über den Stromrichter aus dem AC-Versorgungsnetz oder - direkt - über die Erdungsschaltung hergestellt werden. Der stete Erdbezug kann aus Sicherheitsgründen wünschenswert sein. Andererseits kann ein doppelter Erdbezug vermieden werden, der zu unerwünschten Ausgleichsströmen führen könnte. In an electrical system having a power converter for transferring power between an AC side of the power converter and a DC side of the power converter, the AC side of the power converter is connectable to a grounded three-phase AC utility grid and the DC side of the power converter is connected to an ungrounded DC -Mains connectable. The power converter has a bridge circuit whose AC connections can be connected to the AC side of the power converter and whose DC connections can be connected to the DC side of the power converter, the power converter being designed in such a way that a ground reference is provided by a connected AC supply network leads to an earth reference on its DC side. The electrical system has a grounding circuit connected to the DC grid and a control unit, the control unit being set up to detect a disconnection of the power converter from the AC supply grid and to establish a ground reference for the DC grid via the grounding circuit. The direct ground reference of the DC network can therefore be switched on or off, depending on whether an indirect ground reference is established via the AC supply network via the converter or not. On the one hand, this can ensure that the DC network always has a ground reference, in particular a low-impedance ground reference, and that the potentials of the DC lines are always defined. The constant ground reference can be established either - indirectly - via the converter from the AC supply network or - directly - via the grounding circuit. The constant reference to earth can be desirable for safety reasons. On the other hand, a double ground reference can be avoided, which could lead to unwanted equalizing currents.
Hierdurch wird der flexible Betrieb eines DC-Netzes unter Erfüllung normativer Anforderungen ermöglicht. Wird ein DC-Netz über den Stromrichter an dem geerdeten AC-Versorgungsnetz betrieben, z.B. an einem TN-Netz oder einem TT- Netz als AC-Versorgungsnetz, so kann der Erdbezug des DC-Netzes über den Stromrichter definiert werden, insbesondere indem es sich um einen transformatorlosen Stromrichter handelt, dessen AC- und DC-Anschlüsse zumindest im Betrieb galvanisch gekoppelt sind. In diesem Betriebszustand kann das DC-Netz aus dem AC-Versorgungsnetz über den Stromrichter mit elektrischer Leistung versorgt werden. Eine DC-Quelle, z. B. Batterie, im DC-Netz kann unterstützend eingesetzt werden und/oder aus dem AC-Versorgungsnetz aufgeladen werden. This enables the flexible operation of a DC network while fulfilling normative requirements. If a DC system is operated via the converter on the grounded AC supply system, e.g. on a TN system or a TT system as an AC supply system, the earth reference of the DC system can be defined via the converter, in particular by It is a transformerless power converter whose AC and DC connections are galvanically coupled, at least during operation. In this operating state, the DC network can be supplied with electrical power from the AC supply network via the converter. A DC source, e.g. B. Battery, in the DC grid can be used as a support and / or charged from the AC supply grid.
Für den Fall, dass der Stromrichter vom AC-Versorgungsnetz getrennt wird, z. B. durch einen AC-Netzfehler, aus Geräteschutzgründen oder ähnlichem, ermöglicht das erfindungsgemäße elektrische System vorteilhaft den sicheren Weiterbetrieb. Ist z. B. ein Energiespeicher in Form einer DC-Quelle, wie z. B. einer Batterie, im DC- Netz vorhanden, so kann das DC-Netz weiter betrieben werden, indem es aus dem Energiespeicher mit elektrischer Leistung versorgt wird. Der Erdbezug des DC- Netzes ist jedoch möglicherweise aufgrund der Trennung des Stromrichters vom AC- Versorgungsnetz nicht mehr über den Stromrichter definiert und es könnte sich ein isoliertes DC-Netz bilden. Dies ist unerwünscht, denn dabei sind die DC-Spannungen gegen Erdpotential im DC-Netz nicht mehr eindeutig festgelegt. Das bedarfsweise Herstellen eines direkten Erdbezugs über die Erdungsschaltung kann daher in vorteilhafter und normgerechter Form einen flexiblen Weiterbetrieb des DC-Netzes ermöglichen, da es bei Trennung des Stromrichters vom AC-Versorgungsnetz definiert einen alternativen Erdbezug des DC-Netzes herstellen kann. Dies ist auch vorteilhaft gegenüber Lösungen, bei denen z. B. über einen Spannungsteiler mit hochohmigen Widerständen zwischen den DC-Leitungen und Erdpotential eine hochohmige Erdung hergestellt und eine passive Symmetrierung des DC-Netzes bewirkt wird, indem insbesondere bei ausgedehnten DC-Netzen mit geringen parasitären Leiter-Erde-Widerständen und/oder einer Vielzahl an Symmetrier- Widerständen vergleichsweise weniger Ableitströme auftreten, weniger Korrosion stattfindet und Toleranzen oder Alterung der Symmetrier-Widerstände bedeutungslos sind. In the event that the power converter is disconnected from the AC supply network, e.g. B. by an AC network error, for reasons of device protection or the like, the electrical system according to the invention advantageously allows safe continued operation. is e.g. B. an energy store in the form of a DC source such. B. a battery, present in the DC network, the DC network can continue to be operated by being supplied with electrical power from the energy store. However, the ground reference of the DC grid is possibly no longer defined via the converter due to the separation of the converter from the AC supply grid and an isolated DC grid could form. This is undesirable because the DC voltages against ground potential in the DC network are no longer clearly defined. If necessary, establishing a direct ground reference via the grounding circuit can therefore be allow flexible further operation of the DC network in an advantageous and standard-compliant form, since it can create an alternative ground reference for the DC network in a defined manner when the converter is separated from the AC supply network. This is also advantageous compared to solutions in which z. B. via a voltage divider with high-impedance resistors between the DC lines and ground potential, a high-impedance earthing is established and a passive balancing of the DC network is effected by, particularly in the case of extensive DC networks with low parasitic conductor-earth resistances and/or a large number Comparatively fewer leakage currents occur at balancing resistors, less corrosion takes place and tolerances or aging of the balancing resistors are irrelevant.
In einer Ausführungsform des elektrischen Systems ist die Steuereinheit des elektrischen Systems eingerichtet, den Erdbezug des DC-Netzes dadurch herzustellen, dass ein Erdschalter angesteuert wird, über den die Erdungsschaltung mit einem Erdpotential verbunden wird. Hierfür steht die Steuereinheit in Kommunikationsverbindung mit der Erdungsschaltung und insbesondere mit dem Erdschalter. Die Kommunikationsverbindung kann z. B. drahtgebunden oder drahtlos ausgebildet sein. In one embodiment of the electrical system, the control unit of the electrical system is set up to establish the ground reference of the DC network by driving a ground switch, via which the ground circuit is connected to a ground potential. For this purpose, the control unit is in communication with the grounding circuit and in particular with the grounding switch. The communication link can e.g. B. be wired or wireless.
In einer Ausführungsform des elektrischen Systems weist die Erdungsschaltung einen DC/DC-Steller mit einem Bezugspotential auf, wobei das Bezugspotential durch Schließen des Erdschalters mit dem Erdpotential verbindbar ist. Der DC/DC- Steller ist dazu eingerichtet, über die Verbindung des Bezugspotentials mit dem Erdpotential über den Erdschalter den Erdbezug des DC-Netzes herzustellen. Insbesondere kann ein Mittelpunkt einer Halbbrücke des DC/DC-Stellers das Bezugspotential bilden und über den Erdschalter mit dem Erdpotential verbindbar sein. Damit können die Potentiale der DC-Leiter symmetrisch um das Erdpotential eingestellt werden bzw. dort gehalten werden, nachdem der Stromrichter diese Potentiale symmetrisch eingestellt hat, solange er mit dem geerdeten AC- Versorgungsnetz verbunden war. Eine ansonsten drohende Asymmetrie der DC- Spannungen gegenüber Erdpotential nach Wegfall des indirekten Erdbezugs über den Stromrichter kann nachteilige Effekte verursachen und beispielsweise dazu führen, dass die Grenzen für Luft- und Kriechstrecken in den Erzeugern und Verbrauchern im DC-Netz überschritten werden und diese beschädigt werden. Das elektrische System ist insbesondere vorteilhaft gegenüber z. B. einer „harten“ Erdung an einem der DC-Leiter des DC-Netzes, da bei einer „harte“ Erdung an einem der DC-Leiter etwa doppelt so hohe Spannungen gegen Erde an den DC-Leitern auftreten, die eine entsprechend aufwändigere Isolationskoordination erfordern und/oder die Verwendung von existierenden Geräten und Anlagen verhindern. In one embodiment of the electrical system, the grounding circuit has a DC/DC converter with a reference potential, it being possible to connect the reference potential to the ground potential by closing the grounding switch. The DC/DC controller is set up to establish the earth reference of the DC network via the connection of the reference potential to the earth potential via the earth switch. In particular, a midpoint of a half-bridge of the DC/DC converter can form the reference potential and can be connected to the ground potential via the ground switch. This allows the potentials of the DC conductors to be set symmetrically around the ground potential or to be kept there after the power converter has set these potentials symmetrically as long as it was connected to the grounded AC supply network. An otherwise impending asymmetry of the DC voltages with respect to ground potential after the indirect ground reference via the converter has ceased can cause adverse effects and, for example, lead to the limits for clearances and creepage distances in the generators and consumers in the DC network are exceeded and these are damaged. The electrical system is particularly advantageous compared to z. B. a "hard" grounding on one of the DC conductors of the DC grid, because with a "hard" grounding on one of the DC conductors, voltages to ground on the DC conductors are about twice as high, which means that the insulation coordination is correspondingly more complex require and/or prevent the use of existing equipment and facilities.
In einer Ausführungsform des elektrischen Systems ist der DC/DC-Steller mit einer elektrischen Speichereinheit, z. B. DC-Quelle, verbindbar und zum Transfer elektrischer Leistung zwischen der Speichereinheit und dem DC-Netz eingerichtet. Die Steuereinheit ist eingerichtet, den DC/DC-Steller so anzusteuern, dass bei erfasster Trennung der Brückenschaltung von dem AC-Versorgungsnetz das DC- Netz über den DC/DC-Steller aus der Speichereinheit betreibbar ist, indem die für den Betrieb des DC-Netzes notwendige elektrische Leistung ersatzweise aus der Speichereinheit entnommen und der notwendige Erdbezug des DC-Netzes ersatzweise über die Erdungsschaltung hergestellt wird. In one embodiment of the electrical system, the DC/DC converter is connected to an electrical storage unit, e.g. B. DC source, connectable and set up to transfer electrical power between the storage unit and the DC grid. The control unit is set up to control the DC/DC controller in such a way that when the bridge circuit is detected as being disconnected from the AC supply network, the DC network can be operated via the DC/DC controller from the storage unit by using the Network required electrical power alternatively taken from the storage unit and the necessary ground reference of the DC network is alternatively established via the grounding circuit.
In einer Ausführungsform des elektrischen Systems ist der DC/DC-Steller eingerichtet, das DC-Netz mit einer DC-Leistung zu versorgen, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, eine DC-Spannung im DC-Netz, z. B. über eine Messeinrichtung, zu erfassen und den DC/DC-Steller so anzusteuern, dass die DC- Spannung symmetriert wird, indem die DC-Potentiale der DC-Spannung symmetrisch um das Bezugspotential des DC/DC-Stellers eingestellt werden. Vorzugsweise weist das Bezugspotential des DC/DC-Stellers dabei über die Erdungsschaltung eine Verbindung zum Erdpotential auf. Dies führt dann zu einer Symmetrierung der DC- Spannung um das Erdpotential. In one embodiment of the electrical system, the DC/DC converter is set up to supply the DC grid with DC power, with the control unit being set up to generate a DC voltage in the DC grid, e.g. B. via a measuring device, and to control the DC / DC controller so that the DC voltage is balanced by the DC potentials of the DC voltage are set symmetrically around the reference potential of the DC / DC controller. The reference potential of the DC/DC converter preferably has a connection to ground potential via the grounding circuit. This then leads to a balancing of the DC voltage around the ground potential.
Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit eingerichtet sein, einen weiteren DC/DC-Steller, der sich z. B. im Stromrichter befinden kann, so anzusteuern, dass über den weiteren DC/DC-Steller die DC-Spannung symmetriert wird. Alternatively or additionally, the control unit can be set up, another DC / DC controller, z. B. can be located in the converter so that the DC voltage is balanced via the other DC / DC controller.
In einer Ausführungsform des elektrischen Systems ist die Steuereinheit eingerichtet, einen Fehlerstrom mittels einer Fehlerstrommessung zu erkennen und bei erkanntem Fehlerstrom den Erdbezug des DC-Netzes zu trennen. Die Fehlerstrommessung erfolgt bevorzugt mittels einer Differenzstrommessung an den AC-Anschlüssen der Brückenschaltung. Die Fehlerstrommessung kann insbesondere bei geöffneten oder geschlossenen AC-Schaltern aktiv sein, also wenn das AC-Versorgungsnetz von der Brückenschaltung getrennt oder mit ihr verbunden ist. Die Fehlerstrommessung kann auch mittels einer Isolationsüberwachung des DC-Netzes erfolgen. Z. B. kann in einer Ausführungsform zusätzlich eine Erdung des DC-Netzes im Fehlerfall über eine Sicherung, z. B. GFDI (ground fault detection interruption), vorgesehen sein. Dies dient zur Vermeidung unzulässig hoher Ableitströme, z.B. bei Isolationsfehlem im DC-Netz. In one embodiment of the electrical system, the control unit is set up to detect a fault current by means of a fault current measurement and to disconnect the ground reference of the DC network when a fault current is detected. The residual current measurement is preferably carried out by means of a residual current measurement at the AC connections of the bridge circuit. The fault current measurement can be active in particular when the AC switches are open or closed, i.e. when the AC supply network is disconnected from or connected to the bridge circuit. The fault current measurement can also be carried out by monitoring the insulation of the DC network. For example, in one embodiment, the DC network can also be grounded in the event of a fault via a fuse, e.g. B. GFDI (ground fault detection interruption) can be provided. This serves to avoid impermissibly high leakage currents, eg in the event of insulation faults in the DC network.
Ein Verfahren zum Betrieb des elektrischen Systems weist die Schritte auf: A method of operating the electrical system includes the steps:
• Erfassen einer Trennung der Brückenschaltung vom AC-Versorgungsnetz und• detecting a disconnection of the bridge circuit from the AC utility grid and
• bei erkannter Trennung: Herstellen eines Erdbezuges des DC-Netzes über die Erdungsschaltung. • If disconnection is detected: establishment of a ground reference for the DC network via the grounding circuit.
Bei erkannter fortbestehender Verbindung der Brückenschaltung mit dem AC- Versorgungsnetz bleibt das DC-Netz selbst ungeerdet und behält seinen Erdbezug insofern indirekt über den Erdbezug des AC-Versorgungsnetzes über den Stromrichter. If it is recognized that the bridge circuit is still connected to the AC supply network, the DC network itself remains ungrounded and in this respect retains its ground reference indirectly via the ground reference of the AC supply network via the converter.
Das Verfahren ermöglicht somit einen flexiblen und sicheren Betrieb eines DC- Netzes. Der Erdbezug kann flexibel über den Stromrichter und das geerdete AC- Versorgungsnetz oder - wenn keine Verbindung zum geerdeten AC- Versorgungsnetz besteht -mittels der Erdungsschaltung hergestellt werden. The method thus enables flexible and safe operation of a DC network. The ground reference can be established flexibly via the converter and the grounded AC supply network or - if there is no connection to the grounded AC supply network - using the grounding circuit.
In einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Herstellen des Erdbezugs des DC-Netzes durch ein Schließen des Erdschalters. Dies ermöglicht ein besonders einfaches Herstellen der Erdbezugs. Bevorzugt steuert die Steuereinheit den Erdschalter an, um sein Schließen zu bewirken. In one embodiment of the method, the ground reference of the DC network is established by closing the ground switch. This enables a particularly simple establishment of the ground reference. The control unit preferably controls the earth switch in order to cause it to close.
In einer Ausführungsform des Verfahrens stellt das Schließen des Erdschalters eine Verbindung zwischen einem Bezugspotential eines DC/DC-Stellers, der Erdungsschaltung und einem Erdpotential her, wobei der DC/DC-Steller so ausgeführt ist, dass eine Verbindung des Bezugspotentials über den Erdschalter mit dem Erdpotential den Erdbezug des DC-Netzes herstellt. In einer Ausführungsform des Verfahrens wird das DC-Netz über den DC/DC-Steller mit einer elektrischen DC-Leistung versorgt, wobei der DC/DC-Steller die DC- Spannung des DC-Netzes bevorzugt symmetrisch um das Bezugspotential einstellt, insbesondere wenn die Brückenschaltung vom AC-Versorgungsnetz getrennt ist. In einer Ausführungsform erfolgt die Versorgung des DC-Netzes mit elektrischer Leistung aus einem mit dem DC/DC-Steller verbundenen elektrischen Energiespeicher, z. B. in Form einer DC-Quelle. Der DC/DC-Steller ist dabei auf einer seiner beiden Seiten mit dem elektrischen Energiespeicher verbunden und in der Lage, auf der anderen Seite eine DC/DC-Ausgangsspannung einzustellen. Wird das DC-Netz über den DC/DC-Steller mit elektrischer Leistung versorgt und ist die Verbindung der Brückenschaltung mit dem AC-Versorgungsnetz getrennt, so entspricht die DC/DC-Ausgangsspannung der DC-Spannung des DC-Netzes. In one embodiment of the method, the closing of the grounding switch creates a connection between a reference potential of a DC/DC converter, the grounding circuit and a ground potential, the DC/DC converter being designed in such a way that the reference potential is connected via the grounding switch to the ground potential establishes the ground reference of the DC network. In one embodiment of the method, the DC network is supplied with an electrical DC power via the DC/DC controller, the DC/DC controller preferably setting the DC voltage of the DC network symmetrically about the reference potential, in particular when the bridge circuit is disconnected from the AC supply network. In one embodiment, the DC grid is supplied with electrical power from an electrical energy store connected to the DC/DC controller, e.g. B. in the form of a DC source. The DC/DC controller is connected to the electrical energy store on one of its two sides and is able to set a DC/DC output voltage on the other side. If the DC network is supplied with electrical power via the DC/DC controller and the bridge circuit is disconnected from the AC supply network, the DC/DC output voltage corresponds to the DC voltage of the DC network.
Eine Ausführungsform des Verfahrens weist die Schritte auf: An embodiment of the method has the steps:
• Erfassen eines Wiederverbindens der Brückenschaltung mit dem AC- Versorgungsnetz und • detecting a reconnection of the bridge circuit to the AC utility grid and
• bei Wiederverbinden: Aufhebung des Erdbezugs des DC-Netzes über die Erdungsschaltung durch Öffnen des Erdschalters. Der Erdbezug des DC- Netzes ist wieder über die AC-Seite, d. h. das AC-Versorgungsnetz, gegeben. Bevorzugt steuert die Steuereinheit den Erdschalter an, um sein Schließen zu bewirken. • When reconnecting: Cancellation of the ground reference of the DC network via the ground circuit by opening the ground switch. The ground reference of the DC grid is again via the AC side, i. H. the AC supply network. The control unit preferably controls the earth switch in order to cause it to close.
Bei erkannter fortbestehender Trennung der Brückenschaltung von dem AC- Versorgungsnetz bleibt das DC-Netz selbst über die Erdungsschaltung geerdet. If it is recognized that the bridge circuit is still disconnected from the AC supply network, the DC network itself remains grounded via the grounding circuit.
Kurzbeschreibunq der Figuren Brief description of the characters
Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe von Figuren näher erläutert. The invention is explained in more detail below with the aid of figures.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines elektrischen Systems; Fig. 2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens. 1 schematically shows an embodiment of an electrical system; 2 schematically shows an exemplary embodiment of a method.
Fiqurenbeschreibunq In Fig. 1 ist schematisch eine Ausführungsform eines elektrischen Systems dargestellt. Ein Stromrichter 10 weist eine AC-Seite 16 und eine DC-Seite 18 auf. An der AC-Seite 16 ist ein am Erdpotential PE geerdetes dreiphasiges AC- Versorgungsnetz 12 angeschlossen. An der DC-Seite ist 18 ein DC-Netz 14 angeschlossen. Das DC-Netz 14 weist eine Batterie 42, eine Last 44 und einen DC/DC-Steller 40 auf. Die Last 44 ist über DC-Schalter 48 mit dem DC-Netz verbindbar. Die Last 44 kann insbesondere einen oder mehrere Verbraucher umfassen, wie z. B. eine Maschine, eine Industrieanlage, oder auch einen Elektrolyseur. Die Batterie 42 und die Last 44 sind über DC-Leitungen DC+, DC- mit dem Stromrichter 10 verbunden. fiqure description In Fig. 1 an embodiment of an electrical system is shown schematically. A power converter 10 has an AC side 16 and a DC side 18 . A three-phase AC supply network 12 grounded at ground potential PE is connected to the AC side 16 . A DC network 14 is connected to the DC side 18 . The DC grid 14 has a battery 42 , a load 44 and a DC/DC converter 40 . The load 44 can be connected to the DC grid via a DC switch 48 . The load 44 can in particular include one or more consumers such. B. a machine, an industrial plant, or an electrolyser. The battery 42 and the load 44 are connected to the power converter 10 via DC lines DC+, DC-.
Der Stromrichter 10 weist eine Brückenschaltung 20 auf, die ausgebildet ist, Wechselstrom oder Wechselspannung an AC-Anschlüssen ACL1 , ACL2, ACL3 in Gleichstrom oder Gleichspannung an DC-Anschlüssen DCL+, DCL+ umzuwandeln. Die Brückenschaltung 20 ist ebenfalls ausgebildet, Gleichstrom oder Gleichspannung an den DC-Anschlüssen DCL+, DCL+ in Wechselstrom oder Wechselspannung an den AC-Anschlüssen ACL1 , ACL2, ACL3 umzuwandeln. Im dargestellten Ausführungsbeispiel geschieht die Umwandlung dadurch, dass eine Steuereinheit 30 Halbleiterschalter der Brückenschaltung 20 geeignet ansteuert. Die Brückenschaltung 20 mit Halbleiterschaltern ist in der Regel transformatorlos ausgebildet, d. h. die AC-Anschlüsse ACL1 , ACL2, ACL3 und die DC-Anschlüsse DCL+, DCL- einer solchen Brückenschaltung sind galvanisch gekoppelt. Wenn das AC-Versorgungsnetz einen Erdbezug aufweist, z. B. durch einen an PE geerdeten Neutralleiter, werden die DC-Anschlüsse DCL+, DCL- damit im regulären Betrieb des Stromrichters 10 automatisch über die Brückenschaltung 20 geerdet. The power converter 10 has a bridge circuit 20 which is designed to convert alternating current or alternating voltage at AC terminals ACL1, ACL2, ACL3 into direct current or direct voltage at DC terminals DCL+, DCL+. The bridge circuit 20 is also designed to convert direct current or direct voltage at the DC terminals DCL+, DCL+ into alternating current or alternating voltage at the AC terminals ACL1, ACL2, ACL3. In the exemplary embodiment shown, the conversion takes place in that a control unit 30 suitably controls the semiconductor switch of the bridge circuit 20 . The bridge circuit 20 with semiconductor switches is usually designed without a transformer, i. H. the AC connections ACL1, ACL2, ACL3 and the DC connections DCL+, DCL- of such a bridge circuit are galvanically coupled. If the AC supply network has an earth reference, e.g. B. by a grounded to PE neutral conductor, the DC connections DCL +, DCL- are thus automatically grounded via the bridge circuit 20 in regular operation of the power converter 10 .
Die DC-Leitungen DC+, DC- sind mit den DC-Anschlüssen DCL+, DCL- verbunden. Die konkrete Lage der Potentiale der DC-Leitungen relativ zum Erdbezug (DC+ / DC- gegen PE) werden dabei durch die konkret verwendete Topologie der Brückenschaltung 20 vorgegeben. Beispielsweise kann die Brückenschaltung 20 einen DC-seitigen, geteilten DC-Zwischenkreis aufweisen, dessen Mittelpunkt mit dem Neutralleiter des AC-Versorgungsnetzes 12 mit festem Erdbezug PE als Mittelpotential verbunden ist, so dass sich die DC-Potentiale am DC-Zwischenkreis und damit an den DC-Anschlüssen DCL+, DCL- weitgehend symmetrisch um das Erdpotential PE einstellen. Insofern wird ein an sich ungeerdetes DC-Netz 14 durch eine Verbindung mit dem geerdeten AC-Versorgungsnetz 12 über den transformatorlosen Stromrichter 10 ebenfalls zu einem geerdeten DC-Netz 14. Es kann sich somit ein geerdeter Betrieb des DC-Netzes 14 bei Verbindung mit dem geerdeten AC-Versorgungsnetz 12 einstellen. The DC lines DC+, DC- are connected to the DC terminals DCL+, DCL-. The concrete position of the potentials of the DC lines relative to the ground reference (DC+/DC- to PE) are specified by the topology of the bridge circuit 20 that is actually used. For example, the bridge circuit 20 can have a DC-side, divided DC intermediate circuit, the center point of which is connected to the neutral conductor of the AC supply network 12 with a fixed earth reference PE as the center potential, so that the DC potentials in the DC intermediate circuit and thus to the DC connections DCL+, DCL- mostly symmetrical around the Set earth potential PE. In this respect, a DC network 14 that is not grounded per se also becomes a grounded DC network 14 through a connection to the grounded AC supply network 12 via the transformerless converter 10. It can thus be a grounded operation of the DC network 14 when connected to the grounded AC utility grid 12.
Über AC-Schalter 22 können die AC-Anschlüsse ACL1 , ACL2, ACL3 mit der AC- Seite 16 verbunden werden. Der Stromrichter 10 weist weiter eine Fehlerstrommessung 32 an den AC-Anschlüssen ACL1 , ACL2, ACL3 auf, die auf einer Differenzstrommessung der drei AC-Anschlüsse ACL1 , ACL2, ACL3 basiert. Über die Fehlerstrommessung 32 kann z. B. eine Fehlfunktion im DC-Netz erkannt werden. The AC connections ACL1, ACL2, ACL3 can be connected to the AC side 16 via the AC switch 22. The power converter 10 also has a fault current measurement 32 at the AC connections ACL1, ACL2, ACL3, which is based on a residual current measurement of the three AC connections ACL1, ACL2, ACL3. About the fault current measurement 32 z. B. a malfunction in the DC network can be detected.
Der DC/DC-Steller 40 ist zwischen der Batterie 42 und DC-Schaltern 46 angeordnet. Der DC/DC-Steller 40 ist über die DC-Schalter 46 mit dem DC-Netz 14 verbindbar und dazu eingerichtet, auf einer Ausgangsseite des DC/DC-Stellers 40 eine DC/DC- Ausgangsspannung einzustellen. Das Einstellen der DC/DC-Ausgangsspannung kann beispielsweise durch das Ansteuern von Halbleiterschaltern des DC/DC- Stellers 40 durch die Steuereinheit 30 erfolgen. Eine Eingangsseite des DC/DC- Stellers 40 ist mit den Anschlüssen der Batterie 42 verbunden. Aus der Batterie 42 kann das DC-Netz 14, z. B. bei Trennung des Stromrichters 10 vom AC- Versorgungsnetz 12 mit elektrischer Leistung versorgt werden, indem der DC/DC- Steller 40 der Batterie 42 eine entsprechende elektrische Leistung entnimmt und mit einer geeigneten DC/DC-Ausgangsspannung in das DC-Netz 42 einspeist. The DC/DC converter 40 is arranged between the battery 42 and DC switches 46 . The DC/DC converter 40 can be connected to the DC network 14 via the DC switch 46 and is set up to set a DC/DC output voltage on an output side of the DC/DC converter 40 . The DC/DC output voltage can be set, for example, by the control unit 30 driving semiconductor switches of the DC/DC controller 40 . An input side of the DC/DC converter 40 is connected to the battery 42 terminals. From the battery 42, the DC network 14, z. B. be supplied with electrical power when the power converter 10 is separated from the AC supply network 12 by the DC / DC controller 40 of the battery 42 removes a corresponding electrical power and feeds it into the DC network 42 with a suitable DC / DC output voltage .
Der DC/DC-Steller 40 ist Teil einer Erdungsschaltung. Die Erdungsschaltung weist außerdem einen Erdschalter 24 auf. Über den Erdschalter 24 ist ein Bezugspotential des DC/DC-Stellers 40 mit Erdpotential PE verbindbar. Bei geschlossenem Erdschalter 24 kann ein Erdbezug des DC-Netzes 14 über die Erdungsschaltung hergestellt werden. Der Erdschalter 24 ist durch die Steuereinheit 30 ansteuerbar und kann durch ein Steuersignal der Steuereinheit 30 geöffnet und geschlossen werden. Über Trennschalter 26.1 , 26.2 können die DC-Anschlüsse DCL+, DCL- der Brückenschaltung 20 mit der DC-Seite 18 verbunden werden. Das DC-Netz 14 weist DC-Leitungen DC+ und DC- auf. Eine Messeinrichtung 38 ist eingerichtet, die DC- Spannung UDC zwischen den beiden DC-Leitungen DC+, DC- des DC-Netzes 14 zu messen. Bei geschlossenen Trennschaltern 26.1 , 26.2 kann die DC-Spannung UDC vom Stromrichter 10 vorgegeben werden und insbesondere der DC- Ausgangsspannung der Brückenschaltung 20 entsprechen. Bei geschlossenen DC- Schaltern 46 und einer Trennung der Brückenschaltung 20 vom AC-Versorgungsnetz 12 kann die DC-Spannung UDC durch den DC/DC-Steller40 eingestellt werden und insbesondere der DC/DC-Ausgangsspannung des DC/DC-Stellers 40 entsprechen. Die DC-Spannung UDC kann an den jeweiligen DC-Leitungen DC+, DC- gegen Erdpotential PE ermittelt werden. Damit kann jede der DC-Leitungen DC+, DC- einzeln gegen Erdpotential PE gemessen werden. The DC/DC converter 40 is part of a grounding circuit. The grounding circuit also includes a grounding switch 24 . A reference potential of the DC/DC converter 40 can be connected to ground potential PE via the ground switch 24 . When the grounding switch 24 is closed, the DC network 14 can be grounded via the grounding circuit. The ground switch 24 can be controlled by the control unit 30 and can be opened and closed by a control signal from the control unit 30 . The DC connections DCL+, DCL- of the bridge circuit 20 can be connected to the DC side 18 via isolating switches 26.1, 26.2. The DC network 14 has DC lines DC+ and DC-. A measuring device 38 is set up to measure the DC voltage UDC between the two DC lines DC+, DC- of the DC network 14 . When the isolating switches 26.1, 26.2 are closed, the DC voltage UDC can be specified by the power converter 10 and, in particular, can correspond to the DC output voltage of the bridge circuit 20. When the DC switches 46 are closed and the bridge circuit 20 is disconnected from the AC supply network 12, the DC voltage UDC can be set by the DC/DC controller 40 and in particular correspond to the DC/DC output voltage of the DC/DC controller 40. The DC voltage UDC can be determined on the respective DC lines DC+, DC- against earth potential PE. This means that each of the DC lines DC+, DC- can be measured individually against ground potential PE.
In Fig. 2 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Betrieb des elektrischen Systems dargestellt. 2 shows an exemplary embodiment of a method for operating the electrical system.
In einem Schritt S1 wird überprüft, ob die AC-Schalter 22 geöffnet sind - Zweig „ja“ - oder nicht - Zweig „nein“. Sind die AC-Schalter geschlossen, so sind die AC- Anschlüsse ACL1 , ACL2, ACL3 der Brückenschaltung 20 mit der AC-Seite 16 des Stromrichters 10 verbunden und das DC-Netz 14 ist über den Stromrichter 10 geerdet. Sind die AC-Schalter geöffnet, so sind die AC-Anschlüsse ACL1 , ACL2, ACL3 der Brückenschaltung 20 von der AC-Seite 16 des Stromrichters 10 getrennt und das DC-Netz 14 erhält keinen Erdbezug über den Stromrichter 10. In Schritt S1 kann gegebenenfalls überprüft werden, ob der Erdbezug des DC-Netzes 14 über die AC-Seite 16 aus anderen Gründen weggefallen ist. In a step S1 it is checked whether the AC switches 22 are open - branch "yes" - or not - branch "no". If the AC switches are closed, the AC connections ACL1, ACL2, ACL3 of the bridge circuit 20 are connected to the AC side 16 of the converter 10 and the DC network 14 is grounded via the converter 10. If the AC switches are open, the AC connections ACL1, ACL2, ACL3 of the bridge circuit 20 are separated from the AC side 16 of the converter 10 and the DC network 14 does not receive a ground reference via the converter 10. In step S1, if necessary be checked whether the ground reference of the DC network 14 has been omitted via the AC side 16 for other reasons.
Fehlt der Erdbezug des DC-Netzes 14 überden Stromrichter 10, so wird in einem Schritt S2 der Erdschalter 24 geschlossen und damit ein Erdbezug des DC-Netzes 14 hergestellt. If the DC network 14 is not grounded via the converter 10, the ground switch 24 is closed in a step S2 and the DC network 14 is thus grounded.
In einem Schritt S3 wird die DC-Spannung UDC durch den DC/DC-Steller 40 um das Erdpotential PE als Bezugspotential symmetriert. Die DC/DC-Ausgangsspannung kann auf der Ausgangsseite des DC/DC-Stellers 40 eingestellt werden und entspricht bei geschlossenen DC-Schaltern 46 und einer Trennung der Brückenschaltung 20 vom AC-Versorgungsnetz 12 der DC-Spannung UDC. In a step S3, the DC voltage UDC is balanced by the DC/DC converter 40 around the ground potential PE as the reference potential. The DC/DC output voltage can be adjusted on the output side of the DC/DC converter 40 and corresponds to with closed DC switches 46 and a separation of the bridge circuit 20 from the AC supply network 12 of the DC voltage UDC.
Optional kann das Verfahren die Schritte aufweisen, dass ein Wiederverbinden der Brückenschaltung 20 mit dem AC-Versorgungsnetz 12 erfasst wird und bei einem erkannten Wiederverbinden der Erdbezug des DC-Netzes 14 über die Erdungsschaltung durch Öffnen des Erdschalters 24 aufgehoben wird. Der Erdbezug des DC-Netzes 14 ist in diesem erkannten Zustand wieder über die AC-Seite 16, d. h. das AC-Versorgungsnetz 12, gegeben. Optionally, the method can include the steps of detecting a reconnection of the bridge circuit 20 to the AC supply network 12 and removing the ground reference of the DC network 14 via the grounding circuit by opening the grounding switch 24 when a reconnection is detected. In this detected state, the ground reference of the DC network 14 is again given via the AC side 16, ie the AC supply network 12.
Bezuqszeichenliste Reference character list
10 Stromrichter 12 AC-Versorgungsnetz 10 power converter 12 AC power grid
14 DC-Netz 14 DC grid
16 AC-Seite 16 AC side
18 DC-Seite 18 DC side
20 Brückenschaltung 20 bridge circuit
22 AC-Schalter 22 AC switch
24 Erdschalter 24 earth switch
26.1 , 26.2 Trennschalter 26.1, 26.2 circuit breakers
30 Steuereinheit 30 control unit
32 Fehlerstrommessung 32 residual current measurement
38 Spannungsmesser 38 tension meter
40 DC/DC-Steller 40 DC/DC converters
42 Batterie 42 battery
44 Last 44 load
46 DC-Schalter 46 DC switch
48 DC-Schalter 48 DC switch
ACL1 , ACL2, ACL3 AC-Anschluss DCL+, DCL- DC-Anschluss DC+, DODC-Leitung PE Erdpotential ACL1 , ACL2, ACL3 AC connection DCL+, DCL- DC connection DC+, DODC line PE Earth potential
S1 , S2, S3 Verfahrensschritte S1, S2, S3 method steps
UDC DC-Spannung UDC DC voltage

Claims

Patentansprüche Elektrisches System mit einem Stromrichter (10) zum Leistungstransfer zwischen einer AC-Seite (16) des Stromrichters (10) und einer DC-Seite (18) des Stromrichters (10), wobei die AC-Seite (16) des Stromrichters (10) an ein geerdetes dreiphasiges AC-Versorgungsnetz (12) anschließbar ist und die DC- Seite (18) des Stromrichters (10) an ein ungeerdetes DC-Netz (14) anschließbar ist, wobei der Stromrichter (10) eine Brückenschaltung (20) aufweist, deren AC- Anschlüsse (ACL1 , ACL2, ACL3) mit der AC-Seite (16) des Stromrichters (10) verbindbar sind und deren DC-Anschlüsse (DCL+, DCL-) mit der DC-Seite (18) des Stromrichters (10) verbindbar sind, wobei der Stromrichter (10) so ausgeführt ist, dass ein Erdbezug durch ein angeschlossenes AC-Versorgungsnetz (12) zu einem Erdbezug auf seiner DC- Seite (18) führt, wobei das elektrische System eine mit dem DC-Netz (14) verbundene Erdungsschaltung und eine Steuereinheit (30) aufweist, wobei die Steuereinheit (30) eingerichtet ist, eine Trennung des Stromrichters (10) vom AC- Versorgungsnetz (12) zu erfassen und über die Erdungsschaltung einen Erdbezug des DC-Netzes (14) herzustellen. Elektrisches System nach Anspruch 1 , wobei die Steuereinheit (30) eingerichtet ist, den Erdbezug des DC-Netzes (14) dadurch herzustellen, dass ein Erdschalter (24) angesteuert wird, über den die Erdungsschaltung mit einem Erdpotential (PE) verbunden wird. Elektrisches System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Erdungsschaltung einen DC/DC-Steller (40) mit einem Bezugspotential umfasst, wobei das Bezugspotential durch Schließen des Erdschalters (24) mit dem Erdpotential (PE) verbindbar ist, wobei der DC/DC-Steller (40) dazu eingerichtet ist, bei bestehender Verbindung des Bezugspotentials über den Erdschalter (24) mit dem Erdpotential (PE) den Erdbezug des DC-Netzes (14) herzustellen. Elektrisches System nach Anspruch 3, wobei ein Mittelpunkt einer Halbbrücke des DC/DC-Stellers (40) das Bezugspotential bildet und über den Erdschalter (24) mit dem Erdpotential (PE) verbindbar ist. Elektrisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der DC/DC-Steller (40) mit einer Speichereinheit (42) verbindbar ist und zum Leistungstransfer zwischen der Speichereinheit (42) und dem DC-Netz (14) eingerichtet ist, wobei die Steuereinheit (30) eingerichtet ist, den DC/DC- Steller (40) so anzusteuern, dass bei erfasster Trennung der Brückenschaltung (20) von dem AC-Versorgungsnetz (12) das an der DC-Seite (18) angeschlossene DC-Netz (14) aus der Speichereinheit (42) betreibbar ist. Elektrisches System nach Anspruch 5, wobei der DC/DC-Steller (40) eingerichtet ist, das DC-Netz (14) mit einer DC-Leistung zu versorgen, wobei die Steuereinheit (30) eingerichtet ist, eine DC-Spannung (UDC) im DC-Netz (14) zu erfassen und den DC/DC-Steller (40) so anzusteuern, dass die DC-Spannung (UDC) symmetriert wird, indem die DC-Potentiale der DC-Spannung (UDC) symmetrisch um das Bezugspotential des DC/DC-Stellers (40) eingestellt werden. Elektrisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (30) eingerichtet ist, einen Fehlerstrom mittels einer Fehlerstrommessung (32) zu erkennen und bei erkannten Fehlerstrom den Erdbezug des DC-Netzes (14) zu trennen. Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Systems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten: Patent claims Electrical system with a power converter (10) for power transfer between an AC side (16) of the power converter (10) and a DC side (18) of the power converter (10), the AC side (16) of the power converter (10 ) can be connected to a grounded three-phase AC supply network (12) and the DC side (18) of the converter (10) can be connected to an ungrounded DC network (14), the converter (10) having a bridge circuit (20). , whose AC connections (ACL1, ACL2, ACL3) can be connected to the AC side (16) of the converter (10) and whose DC connections (DCL+, DCL-) can be connected to the DC side (18) of the converter (10 ) can be connected, the power converter (10) being designed in such a way that an earth reference through a connected AC supply network (12) leads to an earth reference on its DC side (18), the electrical system being connected to the DC network ( 14) connected grounding circuit and a control unit (30), wherein the control unit (30) is arranged, detecting a disconnection of the power converter (10) from the AC supply network (12) and establishing a ground reference for the DC network (14) via the grounding circuit. Electrical system according to claim 1, wherein the control unit (30) is set up to establish the earth reference of the DC network (14) in that an earth switch (24) is activated, via which the earth circuit is connected to an earth potential (PE). Electrical system according to Claim 1 or 2, in which the grounding circuit comprises a DC/DC converter (40) with a reference potential, the reference potential being connectable to the ground potential (PE) by closing the grounding switch (24), the DC/DC Controller (40) is set up to establish the ground reference of the DC network (14) when there is a connection between the reference potential via the ground switch (24) and the ground potential (PE). Electrical system according to Claim 3, in which a center point of a half-bridge of the DC/DC converter (40) forms the reference potential and can be connected to the ground potential (PE) via the grounding switch (24). Electrical system according to one of the preceding claims, in which the DC/DC converter (40) can be connected to a storage unit (42) and is set up for power transfer between the storage unit (42) and the DC network (14), the control unit ( 30) is set up to control the DC/DC controller (40) in such a way that when the bridge circuit (20) is separated from the AC supply network (12), the DC network (14) connected to the DC side (18) can be operated from the memory unit (42). Electrical system according to Claim 5, in which the DC/DC converter (40) is set up to supply the DC network (14) with DC power, the control unit (30) being set up to generate a DC voltage (UDC) in the DC network (14) and to control the DC/DC controller (40) in such a way that the DC voltage (UDC) is balanced by the DC potentials of the DC voltage (UDC) being symmetrical about the reference potential of the DC/DC controller (40) can be set. Electrical system according to one of the preceding claims, wherein the control unit (30) is set up to detect a fault current by means of a fault current measurement (32) and to separate the ground reference of the DC network (14) when a fault current is detected. Method for operating an electrical system according to one of the preceding claims, with the steps:
• Erfassen einer Trennung der Brückenschaltung (20) vom AC-• Detection of a separation of the bridge circuit (20) from the AC
Versorgungsnetz (12) und Supply network (12) and
• bei erkannter Trennung: Herstellen eines Erdbezuges des DC-Netzes (14) über die Erdungsschaltung. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Herstellen des Erdbezugs des DC-Netzes (14) durch ein Schließen eines Erdschalters (24) erfolgt. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Schließen des Erdschalters (24) eine Verbindung zwischen einem Bezugspotential eines DC/DC-Stellers (40), der Erdungsschaltung und einem Erdpotential (PE) herstellt, wobei der DC/DC- 16 • If disconnection is detected: establishment of a ground reference for the DC network (14) via the grounding circuit. Method according to Claim 8, in which the establishment of the earth reference of the DC network (14) takes place by closing an earth switch (24). Method according to claim 9, wherein the closing of the grounding switch (24) establishes a connection between a reference potential of a DC/DC converter (40), the grounding circuit and a ground potential (PE), the DC/DC 16
Steller (40) so ausgeführt ist, dass eine Verbindung des Bezugspotentials über den Erdschalter (24) mit dem Erdpotential (PE) den Erdbezug des DC-Netzes (14) herstellt. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das DC-Netz (14) über den DC/DC-Steller (40) mit einer elektrischen DC-Leistung versorgt wird, wobei der DC/DC-Steller (40) die DC-Spannung (UDC) des DC-Netzes (14) symmetrisch um das Bezugspotential einstellt. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , mit den Schritten, Controller (40) is designed in such a way that a connection of the reference potential via the ground switch (24) to the ground potential (PE) produces the ground reference of the DC network (14). Method according to Claim 10, in which the DC network (14) is supplied with electrical DC power via the DC/DC converter (40), the DC/DC converter (40) converting the DC voltage (UDC) of the DC network (14) adjusts symmetrically to the reference potential. Method according to one of claims 8 to 11, with the steps
• Erfassen eines Wiederverbindens der Brückenschaltung (20) mit dem AC- Versorgungsnetz (12) und • detecting a reconnection of the bridge circuit (20) to the AC supply network (12) and
• bei Wiederverbinden: Aufhebung des Erdbezugs des DC-Netzes (14) über die Erdungsschaltung durch Öffnen des Erdschalters (24). • When reconnecting: cancellation of the earth reference of the DC network (14) via the earth circuit by opening the earth switch (24).
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