WO2022101425A1 - Ac/dc stromrichter zur kopplung eines geerdeten ac netzes mit einem ungeerdeten dc netz, vorladevorrichtung und isolationsüberwachung - Google Patents

Ac/dc stromrichter zur kopplung eines geerdeten ac netzes mit einem ungeerdeten dc netz, vorladevorrichtung und isolationsüberwachung Download PDF

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WO2022101425A1
WO2022101425A1 PCT/EP2021/081554 EP2021081554W WO2022101425A1 WO 2022101425 A1 WO2022101425 A1 WO 2022101425A1 EP 2021081554 W EP2021081554 W EP 2021081554W WO 2022101425 A1 WO2022101425 A1 WO 2022101425A1
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dcl
converter
network
connections
connection
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PCT/EP2021/081554
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Marcel Kratochvil
Burkard Mueller
Alexander UNRU
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Sma Solar Technology Ag
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
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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. a consumer, as well as 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.
  • 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 unearthed DC network in which the potentials DC+ and DC- of the respective DC lines DCL+ and DCL- have no fixed reference to the earth potential, has the advantage that any first earth 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 detect the occurrence of any fault and, if necessary, to be able to initiate countermeasures in the event of a first ground fault, eg switch off the energy source or disconnect the energy source and/or the fault location from the DC network.
  • 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-.
  • 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 is automatically provided with a fixed reference to earth via the 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 a power converter and a method with easier-to-use or improved protection against ground currents that can flow when a DC network is connected to a grounded AC supply network.
  • the object is achieved by a power converter having the features of independent patent claim 1 .
  • the object is further solved by a method having the features of independent claim 13 .
  • Advantageous embodiments of the method are claimed in the dependent claims.
  • the AC side of the power converter can be connected to a grounded three-phase AC mains and the DC side of the power converter can be connected to an ungrounded DC mains.
  • the power converter has a bridge circuit whose AC connections can be connected to the AC side of the power converter via AC switches and whose DC connections can be connected to the DC side of the power converter via isolating switches.
  • a DC intermediate circuit of the power converter is used to temporarily store energy during the operation of the power converter and can be part of the bridge circuit.
  • the DC intermediate circuit is via a galvanically non-isolating AC pre-charging circuit can be charged from the AC supply network.
  • the power converter has a measuring device that is set up to measure the insulation resistance of the DC side of the power converter when there is a galvanic connection between the AC side and the DC side.
  • the measuring device can be designed as a DI converter, for example.
  • the alternating current provided at the AC terminals is converted into direct current provided at the DC terminals or vice versa, in particular by clocked control of semiconductor switches.
  • the AC pre-charge circuit allows the DC link capacitors to be charged from the AC mains in a condition where the AC side of the converter may be disconnected from the AC mains.
  • the AC pre-charging circuit has no galvanic isolation, for example by providing a transformerless rectifier in the AC pre-charging circuit. This can mean cost advantages.
  • the measuring device is set up in particular to measure the insulation resistance of the DC side when there is a connection between the AC supply network and the DC intermediate circuit.
  • the charging of the DC link capacitors with the AC pre-charging circuit can be part of a protection concept where the charging of the DC link capacitors from the AC supply grid is done before the AC side of the converter is connected to the AC supply grid .
  • the AC connections and the DC connections of the bridge circuit are galvanically coupled and the power transfer path between the AC side and the DC side of the power converter is in particular designed without a transformer. This can mean cost advantages compared to a bridge circuit that is galvanically isolated.
  • An advantage of such a power converter with AC pre-charging circuit, especially if it is designed without a transformer and z. B. is actively driven is that it can be started from the AC side by pre-charging. This is particularly advantageous when starting from the DC side is unfavorable or is not possible because e.g. B. an energy source such as a photovoltaic system or battery is missing on the DC side.
  • the AC side can then be connected to the bridge circuit by closing the AC switch. In the event that an AC supply network is connected to the AC side, this can now supply the converter with electrical power.
  • the measuring device is arranged between the AC side of the power converter and the AC connections of the bridge circuit.
  • the measuring device is designed in particular to measure a fault current, z. B. via a residual current measurement at the AC connections. By measuring the residual current, it can be determined whether the insulation resistance on the DC side is high enough, especially if a DC network is connected to the DC side.
  • an isolating switch with a pre-charging resistor that can be connected in addition for each DC connection.
  • an isolating switch can be designed with a pre-charging resistor that can be connected in addition, in particular by bridging the isolating switch or as a looped-in parallel circuit made up of switch and pre-charging resistor.
  • a DC connection can first be connected via its precharging resistor and the fault current can be measured using the measuring device.
  • the other DC connection can then be connected via its pre-charging resistor and the fault current can be measured using the measuring device.
  • An insulation resistance can be determined from the two measured values.
  • both DC connections can be connected via their respective pre-charging resistors and the residual current can be measured using the measuring device. If the fault current is also low in this case, both DC connections can then be “hard” connected to the DC side without a pre-charging resistor. The fault current can also be measured using the measuring device. After that, the power converter can start "normal operation" and the DC side can be supplied with power from the AC side. The pre-charging resistors can therefore be switched on independently of one another on both DC connections. Some of the intermediate steps mentioned above can be left out. It is also conceivable to add additional intermediate steps, for example to connect a DC connection via a pre-charging resistor and the other connection "hard” to the DC side, i.e. without an intermediate pre-charging resistor, and then to determine the fault current that occurs.
  • the ground reference of the DC grid can change via the grounding of the AC supply grid to the AC -side of the rectifier result.
  • the potential DC+ and DC- can e.g. B. via the connection to the AC side are symmetrically low-impedance to ground.
  • the reference point for grounding in the DC network can advantageously be selected in such a way that, in particular, a potential close to the middle potential is connected to the ground potential.
  • the middle potential is in the middle between DC+ and DC- and can e.g. B. can be achieved in the middle of a half-bridge of the bridge circuit.
  • the voltage of the DC+ and DC- potentials in the DC network to ground can be limited to around half of the total DC voltage, which means that, among other things, the requirements for the insulation coordination are correspondingly simplified compared to grounding at DC+ or DC-. If a DC network e.g. For example, if grounded at DC-, the insulation of the lines must be designed for DC+ potential for the full system voltage to ground and vice versa. In the case of high system voltages, this can lead to considerable costs.
  • the power converter has a control unit that is set up to charge the DC intermediate circuit using the AC pre-charging circuit with the AC switches open and the isolating switches open, then to close the AC side with the AC connections by closing the AC switches connect and set the DC intermediate circuit voltage.
  • the control unit is further set up to connect the DC connections to the DC side by closing the circuit breakers, wherein at least one DC connection is connected to the DC side via a pre-charging resistor, and then to measure a fault current at the AC connections .
  • the pre-charging resistance can be taken into account when measuring the residual current. If the fault current is sufficiently low, the DC intermediate circuit voltage is then adjusted to the DC voltage on the DC side and the DC connections connected to the DC side without the interposition of pre-charging resistors.
  • the control unit is preferably set up to control the switches of the bridge circuit in a clocked manner in order to bring about the power conversion from the AC connections to the DC connections.
  • the control unit is set up to carry out the measurement of the fault current in two steps, with the measurement of the fault current comprising a first step in which a first DC connection is connected to the DC side via a first pre-charging resistor, and a second step in which a second DC connection, which is different from the first DC connection, is connected to the DC side via a second pre-charging resistor, the fault current being determined from measured values recorded in the first step and in the second step.
  • the insulation resistance can be calculated, for example, from a difference in the residual currents with individually connected pre-charging resistors.
  • the staged procedure is used e.g. B. to avoid excessive currents in the event of a fault.
  • control unit is set up to set the DC voltage at the DC connections symmetrically with respect to a middle potential.
  • control unit is set up to set the middle potential indirectly via the AC side to ground potential or to a potential close to ground potential--possibly caused by the operation of the power converter and varying ripple over time.
  • control unit is set up to charge the DC intermediate circuit with a power that is significantly lower than the rated power of the power converter.
  • the power converter is set up to set the voltage on the DC side, while the DC side is connected to the DC connections without the interposition of pre-charging resistors.
  • the converter is set up to supply the DC side with electrical power via isolating switches with bridged pre-charging resistors when the DC voltage is set. This corresponds e.g. B. an operating state “normal operation” of the power converter, in which the DC network is supplied with electrical power from the AC supply network.
  • control unit is set up to deactivate the pre-charging circuit after the connection of the AC supply network to the power converter.
  • the deactivation can e.g. B. done either by disconnecting from the AC supply network or by increasing the DC link voltage above the output voltage of the pre-charging circuit, so that no current flows from the AC pre-charging circuit in the DC link.
  • pre-charging resistor is connected to the DC grid
  • the DC intermediate circuit is preferably pre-charged with low power, i. H. with a power that is significantly lower than the rated power of the converter.
  • a potential reference is established between the DC intermediate circuit and the AC supply network via the AC pre-charging circuit.
  • the precharging resistors are preferably designed with such a high resistance that compensating currents between the DC intermediate circuit and the DC network are reduced when they are connected and, in addition, excessive fault currents are also avoided in the event of a fault.
  • the insulation of the DC network is monitored by means of a residual current measurement at the AC connections.
  • measuring the fault current comprises a first step in which a first DC connection is connected to the DC grid via a first pre-charging resistor, and a second step in which a second DC connection that is different from the first DC connection -connection is connected to the DC network via a second pre-charging resistor, the fault current being determined from measured values recorded in the first step and in the second step.
  • an insulation resistance is determined from the measured values recorded in the first step and in the second step, and the DC intermediate circuit voltage is only adjusted to the voltage of the DC network and the DC connections are connected to the DC network if the insulation resistance is sufficiently high DC network without the interposition of pre-charging resistors.
  • the voltage on the DC side can be measured before the isolating switches are closed and the DC intermediate circuit voltage can be increased so that it approximately corresponds to the voltage on the DC side. This can be done before closing the disconnect switches to avoid reverse currents from the DC side into the converter.
  • the DC side of the power converter is preferably supplied with a DC voltage which is symmetrical to ground potential as the middle potential, which is defined by grounding the AC side.
  • 1 schematically shows an exemplary embodiment of a power converter
  • 2 schematically shows an exemplary embodiment of a method.
  • a power converter 10 with an AC side 16 and a DC side 18 is shown schematically.
  • 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 network 14 has an insulation resistance 50 to ground potential PE.
  • a battery 42 can be connected to the DC grid 14 via DC switches 46 .
  • the battery 42 may have an undesirable parasitic resistance 42.P to ground potential PE.
  • a load 44 can be connected to the DC grid via DC switches 48 .
  • the load 44 may have an undesirable parasitic resistance 44.P to ground potential PE.
  • a load 44 may include one or more consumers, such as e.g. B. a machine, an industrial plant or an electrolyser.
  • 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 .
  • a bridge circuit 20 with semiconductor switches is usually without a transformer, ie the AC terminals ACL1, ACL2, ACL3 and the DC terminals DCL+, DCL- of such a bridge circuit are galvanically coupled.
  • the DC connections DCL +, DCL are thus usually automatically grounded via the bridge circuit 20.
  • the specific position of the potentials of the DC connections relative to the ground reference (DC+/DC- to PE) are specified by the topology of the bridge circuit 20 that is specifically used.
  • the bridge circuit 20 can have a divided DC link on the DC side, the center point of which is connected to the neutral conductor of the AC supply network 12 with a fixed ground reference PE as the middle potential, so that the DC potentials in the DC link are largely symmetrical about the ground potential Set 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.
  • the DC intermediate circuit of the bridge circuit 20 should generally be precharged when the power converter 10 is started up, before the AC side 16 or DC side 18 is connected to the corresponding networks 12, 14. This is aimed at e.g. B. to limit charging currents of capacitors of the DC intermediate circuit at a first-time connection to the DC network 14.
  • An AC pre-charging circuit 40 of the power converter 10 is set up to carry out such a pre-charging from the AC supply network 12 and for this purpose has a rectifier 36 without electrical isolation.
  • the DC intermediate circuit of the bridge circuit 20 can be precharged directly from the AC supply network 12 via the AC precharging circuit 40 . To this end, the AC side of the AC pre-charging circuit 40 is connected to the AC side 16 of the inverter 10 .
  • the AC pre-charging circuit is controlled by the control unit 30 .
  • a semiconductor switch 38 is between the rectifier 36 and the DC connection DCL- switched. It is also controlled by the control unit 30.
  • 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 residual current measurement 32 on the AC side 16, which is based on a differential current measurement of the three AC connections ACL1, ACL2, ACL3.
  • the residual current measurement can take place at a point where only the phase currents to the AC terminals ACL1, ACL2, ACL3 are taken into account, or at a point where the phase currents to the AC pre-charging circuit are also taken into account.
  • the DC connection DCL+ can be connected to the DC side 18 via an isolating switch 26.1.
  • the DC connection DCL- can be connected to the DC side 18 via an isolating switch 26.2.
  • a pre-charging resistor 28.1 that can be connected in addition is provided for the DC connection DCL+.
  • a pre-charging resistor 28.2 that can be connected in addition is provided for the DC connection DCL-.
  • the isolating switches 26.1, 26.2 with a pre-charging resistor 28.1, 28.2 that can be switched on are designed by bridging the isolating switch 26.1, 26.2 or as a looped-in parallel circuit made up of switches 24.1, 24.2 and pre-charging resistors 28.1, 28.2.
  • a method for supplying the ungrounded DC network 14 from the grounded three-phase AC supply network 12 by the transformerless power converter 10 is shown schematically.
  • the DC intermediate circuit is charged from the AC supply network 12 by the AC pre-charging circuit 40 when the AC switches 22 and the isolating switches 26.1, 26.2 are open.
  • the AC terminals ACL1, ACL2, ACL3 are connected to the AC supply network 12 by closing the AC switch 22, and a DC intermediate circuit voltage is set by the power converter 10.
  • step S3 the DC terminals DCL+, DCL+ are connected to the DC grid 14 by closing the isolating switches 26.1, 26.2, with at least one DC terminal DCL+, DCL- being connected to the DC grid 14 via a precharging resistor 28.1, 28.2 is.
  • step S4 a fault current is measured at the AC connections ACL1, ACL2, ACL3 and it is checked whether the fault current is below a predefinable threshold. If this is the case, the fault current is sufficient low, the DC intermediate circuit voltage is adjusted to the voltage of the DC network in step S5 and the DC connections DCL+, DCL- are connected to the DC network 14 without the interposition of precharging resistors 28.1, 28.2. tied together.
  • step S6 If the fault current is not below the definable threshold, i.e. if the fault current is too large, there is a fault and in step S6 the AC switch 22 and the isolating switch 26.1, 26.2 are opened again and the power converter is disconnected from the AC supply network 12 and the DC network 14 separately.
  • step S5 the insulation of the DC network 14 can be monitored by means of the residual current measurement 32 at the AC connections ACL1, ACL2, ACL3.
  • measuring the fault current in step S4 can include a first step and a second step, wherein in the first step of step S4 a first DC connection DCL+, DCL- is connected to the DC network 14 via a first pre-charging resistor 28.1, 28.2 and in the second step of step S4, a second DC connection DCL+, DCL- different from the first DC connection DCL+, DCL- is connected to the DC grid 14 via a second pre-charging resistor 28.1, 28.2.
  • the insulation resistance is determined from measurement values acquired at the first step of S4 and at the second step of S4.
  • the first and the second pre-charging resistor 28.1, 28.2 can protect against currents that are too high in the event of a fault.
  • Step S4 can optionally also include that both DC terminals DCL+, DCL- are connected to the DC grid 14 at the same time and via their respective pre-charging resistors 28.1, 28.2. This simultaneous connection advantageously takes place after the first step of S4 and the second step of S4.
  • an insulation resistance 50 can be determined from the measured values recorded in the first step of S4 and in the second step of S4, and only if the insulation resistance 50 is sufficiently high can the DC intermediate circuit voltage be adjusted to the voltage of the DC network 14 and the DC Connections DCL+, DCL- to the DC network 14 are made without the interposition of precharging resistors 28.1, 28.2.
  • the connection of the DC connections DCL+, DCL- can thus initially take place individually and then together if the insulation resistance 50 of the DC network 14 is sufficiently large.

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Abstract

Die Anmeldung beschreibt einen 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. Der Stromrichter (10) weist eine Brückenschaltung (20) auf, deren AC-Anschlüsse (ACL1, ACL2, ACL3) über AC-Schalter (22) mit der AC-Seite (16) des Stromrichters (10) verbindbar sind und deren DC-Anschlüsse (DCL+, DCL-) über Trennschalter (26.1, 26.2) mit der DC- Seite (18) des Stromrichters (10) verbindbar sind, wobei ein DC-Zwischenkreis des Stromrichters (10) über eine galvanisch nicht trennende AC-Vorladeschaltung (40) aus dem AC-Versorgungsnetz (12) aufladbar ist, wobei der Stromrichter eine Messeinrichtung (32) aufweist, die zur Messung des Isolationswiderstandes (50) der DC-Seite (18) des Stromrichters (10) bei bestehender galvanischer Verbindung zwischen AC-Seite (16) und DC-Seite (18) eingerichtet ist. Die Erfindung beschreibt weiter ein Verfahren zur Versorgung eines ungeerdeten DC-Netzes (14) aus einem geerdeten dreiphasigen AC-Versorgungsnetz (12) durch einen transformatorlosen Stromrichter (10).

Description

AC/DC STROMRICHTER ZUR KOPPLUNG EINES GEERDETEN AC NETZES MIT EINEM UNGEERDETEN DC NETZ, VORLADEVORRICHTUNG UND ISOLATIONSÜBERWACHUNG
Technisches Gebiet der Erfindung
Stand der Technik
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.
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.
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.
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.
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, wird das DC-Netz automatisch über den Stromrichter mit einem festen Erdbezug versehen, d.h. geerdet. 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.
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.
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.
Das Kürzel DC (engl. direct current) steht in dieser Anmeldung für Gleichstrom oder Gleichspannung und AC (engl. alternating current) für Wechselstrom oder Wechselspannung.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stromrichter und ein Verfahren mit einfacher zu handhabendem oder verbessertem Schutz gegen Erdströme aufzuzeigen, die bei Verbindung eines DC-Netzes mit einem geerdeten AC- Versorgungsnetz fließen können.
Lösung
Die Aufgabe wird durch einen Stromrichter mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe wird weiter durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.
Beschreibung der Erfindung
Bei 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 über AC- Schalter mit der AC-Seite des Stromrichters verbindbar sind und deren DC- Anschlüsse über Trennschalter mit der DC-Seite des Stromrichters verbindbar sind. Ein DC-Zwischenkreis des Stromrichters dient der Zwischenspeicherung von Energie während des Betriebs des Stromrichters und kann Teil der Brückenschaltung sein. Der DC-Zwischenkreis ist über eine galvanisch nicht trennende AC-Vorladeschaltung aus dem AC-Versorgungsnetz aufladbar. Der Stromrichter weist eine Messeinrichtung auf, die zur Messung des Isolationswiderstandes der DC-Seite des Stromrichters bei bestehender galvanischer Verbindung zwischen AC-Seite und DC- Seite eingerichtet ist. Die Messeinrichtung kann beispielsweise als Dl-Wandler ausgebildet sein.
In der Brückenschaltung wird insbesondere durch getaktete Ansteuerung von Halbleiterschaltern der an den AC-Anschlüssen bereitgestellte Wechselstrom in an den DC-Anschlüssen bereitgestellten Gleichstrom oder umgekehrt gewandelt.
Die AC-Vorladeschaltung ermöglicht das Aufladen der Kondensatoren des DC- Zwischenkreises aus dem AC-Versorgungsnetz in einem Zustand, in dem die AC- Seite des Stromrichters von dem AC-Versorgungsnetz getrennt sein kann. Die AC- Vorladeschaltung weist keine galvanische Trennung auf, beispielsweise durch das Vorsehen eines transformatorlosen Gleichrichters in der AC-Vorladeschaltung. Dies kann Kostenvorteile bedeuten. Die Messeinrichtung ist insbesondere dazu eingerichtet, den Isolationswiderstand der DC-Seite bei bestehender Verbindung des AC-Versorgungsnetzes mit dem DC-Zwischenkreis zu messen.
Das Aufladen der Kondensatoren des DC-Zwischenkreises mit der AC- Vorladeschaltung kann Teil eines Schutzkonzeptes sein, bei dem das Aufladen der Kondensatoren des DC-Zwischenkreises aus dem AC-Versorgungsnetz erfolgt, bevor die AC-Seite des Stromrichters mit dem AC-Versorgungsnetz verbunden wird.
In einer Ausführungsform sind die AC-Anschlüsse und die DC-Anschlüsse der Brückenschaltung galvanisch gekoppelt und der Leistungstransferpfad zwischen der AC-Seite und der DC-Seite des Stromrichters ist insbesondere transformatorlos ausgebildet. Dies kann Kostenvorteile gegenüber einer galvanisch getrennt ausgeführten Brückenschaltung bedeuten.
Ein Vorteil eines solchen Stromrichters mit AC-Vorladeschaltung, insbesondere auch wenn er transformatorlos ausgebildet ist und z. B. aktiv angesteuert wird, ist, dass er von der AC-Seite aus durch einen Vorladevorgang gestartet werden kann. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn ein Starten von der DC-Seite ungünstig ist oder nicht möglich ist, weil z. B. eine Energiequelle wie Photovoltaikanlage oder Batterie auf der DC-Seite fehlt. In einem zweiten Schritt des Startens kann dann durch Schließen der AC-Schalter die AC-Seite mit der Brückenschaltung verbunden werden. Für den Fall, dass an der AC-Seite ein AC-Versorgungsnetz angeschlossen ist, kann dieses nun den Stromrichter mit elektrischer Leistung versorgen.
In einer Ausführungsform ist die Messeinrichtung zwischen der AC-Seite des Stromrichters und den AC-Anschlüssen der Brückenschaltung angeordnet. Die Messeinrichtung ist insbesondere ausgelegt, einen Fehlerstrom zu messen, z. B. über eine Differenzstrommessung an den AC-Anschlüssen. Über das Messen des Fehlerstroms kann ermittelt werden, ob der Isolationswiderstand der DC-Seite genügend groß ist, insbesondere wenn ein DC-Netz and der DC-Seite angeschlossen ist.
In einer Ausführungsform des Stromrichters ist pro DC-Anschluss zumindest ein Trennschalter mit einem hinzuschaltbaren Vorladewiderstand vorhanden. Hierbei kann ein Trennschalter mit einem hinzuschaltbaren Vorladewiderstand, insbesondere durch Überbrückung des Trennschalters oder als eingeschleifte Parallelschaltung aus Schalter und Vorladewiderstand ausgeführt sein. In weiteren Schritten des Startens kann nach dem Vorladen des DC-Zwischenkreises und dem Zuschalten des AC-Versorgungsnetzes zunächst ein DC-Anschluss über seinen Vorladewiderstand verbunden werden und über die Messeinrichtung der Fehlerstrom gemessen werden. Danach kann der andere DC-Anschluss über seinen Vorladewiderstand verbunden werden und über die Messeinrichtung der Fehlerstrom gemessen werden. Aus den beiden Messwerten kann ein Isolationswiderstand bestimmt werden. Sind die Fehlerströme in beiden Fällen gering, können beide DC-Anschlüsse über ihre jeweiligen Vorladewiderstände verbunden werden und über die Messeinrichtung der Fehlerstrom gemessen werden. Ist der Fehlerstrom auch in diesem Fall gering, so können danach beide DC-Anschlüsse ohne Vorladewiderstand „hart“ mit der DC- Seite verbunden werden. Der Fehlerstrom kann weiter über die Messeinrichtung gemessen werden. Danach kann der Stromrichter den „Normalbetrieb“ aufnehmen und die DC-Seite mit Leistung von der AC-Seite versorgt werden. Das Hinzuschalten der Vorladewiderstände kann also auf beiden DC-Anschlüssen unabhängig voneinander erfolgen. Einzelne der vorstehend genannten Zwischenschritte können ausgelassen werden. Ebenso ist denkbar, zusätzliche Zwischenschritte einzufügen, beispielsweise einen DC-Anschluss über einen Vorladewiderstand und den anderen Anschluss „hart“, also ohne zwischengeschalteten Vorladewiderstand mit der DC- Seite zu verbinden und den dann auftretenden Fehlerstrom zu bestimmen.
Im Betrieb und bei Versorgung von DC-Lasten an einem DC-Netz, das unter anderem beispielsweise aus einem Stromrichter gespeist wird, der ein transformatorloser aktiver Gleichrichter ist, kann sich der Erdbezug des DC-Netzes über die Erdung des AC-Versorgungsnetzes auf der AC-Seite des Gleichrichters ergeben. Die Potential DC+ und DC- können z. B. über die Verbindung zur AC-Seite symmetrisch niederohmig gegen Erde liegen. Die Wahl des Bezugspunktes für die Erdung im DC-Netz kann vorteilhaft so erfolgen, dass insbesondere ein Potential in der Nähe des Mittelpotentials mit dem Erdpotential verbunden wird. Das Mittelpotential liegt in der Mitte zwischen DC+ und DC- und kann z. B. in der Mitte einer Halbbrücke der Brückenschaltung erreicht werden. Dadurch kann die Spannung der DC+ und DC- Potentiale im DC-Netz gegen Erde auf etwa die Hälfte der gesamten DC-Spannung begrenzt werden, wodurch u.a. Anforderungen an die die Isolationskoordination entsprechend vereinfacht sind gegenüber einer Erdung an DC+ oder DC-. Wird ein DC-Netz z. B. an DC- geerdet, so muss die Isolierung der Leitungen auf DC+ Potential für die volle Systemspannung gegen Erde ausgelegt sein und umgekehrt. Das kann bei hohen Systemspannungen zu erheblichen Kosten führen.
In einer Ausführungsform weist der Stromrichter eine Steuereinheit auf, die eingerichtet ist, den DC-Zwischenkreis durch die AC-Vorladeschaltung bei geöffneten AC-Schaltern und geöffneten Trennschaltern aufzuladen, danach die AC-Seite mit den AC-Anschlüssen durch Schließen der AC-Schalter zu verbinden und die DC- Zwischenkreisspannung einzustellen. Die Steuereinheit ist weiter eingerichtet, die DC-Anschlüsse mit der DC-Seite durch Schließen der Trennschalter zu verbinden, wobei mindestens ein DC-Anschluss über einen Vorladewiderstand mit der DC-Seite verbunden ist, und danach einen Fehlerstrom an den AC-Anschlüssen zu messen. Es kann der Vorladewiderstand bei der Messung des Fehlerstroms berücksichtigt werden. Bei genügend geringem Fehlerstrom wird dann die DC- Zwischenkreisspannung an die DC-Spannung auf der DC-Seite angeglichen und die DC-Anschlüsse mit der DC-Seite ohne Zwischenschaltung von Vorladewiderständen verbunden.
Die Steuereinheit ist vorzugsweise eingerichtet, die Schalter der Brückenschaltung getaktet anzusteuern, um die Leistungswandlung von den AC-Anschlüssen zu den DC-Anschlüssen zu bewirken.
In einer Ausführungsform ist die Steuereinheit eingerichtet, das Messen des Fehlerstroms in zwei Schritten durchzuführen, wobei das Messen des Fehlerstroms einen ersten Schritt umfasst, in dem ein erster DC-Anschluss über einen ersten Vorladewiderstand mit der DC-Seite verbunden ist, und einen zweiten Schritt umfasst, in dem ein zweiter, vom ersten DC-Anschluss unterschiedlicher DC- Anschluss über einen zweiten Vorladewiderstand mit der DC-Seite verbunden ist, wobei der Fehlerstrom aus bei dem ersten Schritt und bei dem zweiten Schritt erfassten Messwerten bestimmt wird. Eine Berechnung des Isolationswiderstandes kann beispielsweise aus einer Differenz der Differenzströme bei einzeln hinzugeschalteten Vorladewiderständen erfolgen. Das gestufte Vorgehen dient z. B. dazu, zu hohe Ströme im Fehlerfall zu vermeiden.
In einer Ausführungsform ist die Steuereinheit eingerichtet, die DC-Spannung an den DC-Anschlüssen symmetrisch zu einem Mittelpotential einzustellen.
In einer Ausführungsform ist die Steuereinheit eingerichtet, das Mittelpotential indirekt über die AC-Seite auf Erdpotential beziehungsweise auf ein - gegebenfalls durch den Betrieb des Stromrichters verursachten Ripple zeitlich variierendes - Potential nahe dem Erdpotential einzustellen.
In einer Ausführungsform ist die Steuereinheit eingerichtet, den DC-Zwischenkreis mit einer Leistung aufzuladen, die wesentlich geringer ist als die Nennleistung des Stromrichters.
In einer Ausführungsform ist der Stromrichter eingerichtet, die Spannung der DC- Seite einzustellen, während die DC-Seite ohne Zwischenschaltung von Vorladewiderständen mit den DC-Anschlüssen verbunden ist. Der Stromrichter ist eingerichtet, bei eingestellter DC-Spannung die DC-Seite über Trennschalter mit überbrückten Vorladewiderständen mit elektrischer Leistung zu versorgen. Dies entspricht z. B. einem Betriebszustand „Normalbetrieb“ des Stromrichters, bei dem das DC-Netz aus dem AC-Versorgungsnetz mit elektrischer Leistung versorgt wird.
In einer Ausführungsform ist die Steuereinheit eingerichtet, die Vorladeschaltung nach der Verbindung des AC-Versorgungsnetzes mit dem Stromrichter zu deaktivieren. Die Deaktivierung kann z. B. entweder durch Trennung vom AC- Versorgungsnetz erfolgen oder durch eine Erhöhung der DC-Zwischenkreisspannung über die Ausgangsspannung der Vorladeschaltung, so dass kein Strom von der AC- Vorladeschaltung in den DC-Zwischenkreis fließt.
Ein Verfahren zur Versorgung eines ungeerdeten DC-Netzes aus einem geerdeten dreiphasigen AC-Versorgungsnetz durch einen transformatorlosen Stromrichter mit einer Brückenschaltung, deren DC-Anschlüsse mittels Trennschaltern mit einem auf einer DC-Seite des Stromrichters angeschlossenen DC-Netz verbindbar sind und deren AC-Anschlüsse über AC-Schalter mit dem auf einer AC-Seite des Stromrichters angeschlossenen AC-Versorgungsnetz verbindbar sind, sowie mit einer galvanisch nicht trennenden Vorladeschaltung zum Vorladen des DC- Zwischenkreises aus dem AC-Versorgungsnetz, weist die Schritte auf:
- Vorladen des DC-Zwischenkreises durch die AC-Vorladeschaltung bei geöffneten AC-Schaltern und geöffneten Trennschaltern,
- anschließendes Verbinden der AC-Anschlüsse mit dem AC-Versorgungsnetz durch Schließen der AC-Schalter und Einstellen der DC-Zwischenkreisspannung durch den Stromrichter,
- anschließendes Verbinden der DC-Anschlüsse mit dem DC-Netz durch Schließen der Trennschalter, wobei mindestens ein DC-Anschluss über einen
Vorladewiderstand mit dem DC-Netz verbunden ist,
- anschließendes Messen eines Fehlerstroms an den AC-Anschlüssen,
- bei genügend geringem Fehlerstrom: Angleichen der DC-Zwischenkreisspannung an die Spannung des DC-Netzes und Verbinden der DC-Anschlüsse mit dem DC- Netz ohne Zwischenschaltung von Vorladewiderständen. Bei zu großem Fehlerstrom kann das Hochstarten des Stromrichters aus Sicherheitsgründen gestoppt werden. In diesem Fall kann zusätzlich ein Fehlersignal erzeugt und geeignet übermittelt werden.
Das Vorladen des DC-Zwischenkreises erfolgt bevorzugt mit geringer Leistung, d. h. mit einer Leistung, die wesentlich geringer ist als die Nennleistung des Stromrichters. Über die AC-Vorladeschaltung wird ein Potentialbezug zwischen DC-Zwischenkreis und AC-Versorgungsnetz hergestellt. Die Vorladewiderstände sind bevorzugt derart hochohmig ausgebildet, dass Ausgleichsströme zwischen dem DC-Zwischenkreis und dem DC-Netz beim Verbinden reduziert werden und zusätzlich auch zu hohe Fehlerströme im Fehlerfall vermieden werden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt nach dem Verbinden der DC- Anschlüsse mit dem DC-Netz eine Isolationsüberwachung des DC-Netzes mittels einer Fehlerstrommessung an den AC-Anschlüssen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Messen des Fehlerstroms einen ersten Schritt, in dem ein erster DC-Anschluss über einen ersten Vorladewiderstand mit dem DC-Netz verbunden ist, und einen zweiten Schritt, in dem ein zweiter, vom ersten DC-Anschluss unterschiedlicher DC-Anschluss über einen zweiten Vorladewiderstand mit dem DC-Netz verbunden ist, wobei der Fehlerstrom aus bei dem ersten Schritt und bei dem zweiten Schritt erfassten Messwerten bestimmt wird.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird aus den im ersten Schritt und im zweiten Schritt erfassten Messwerten ein Isolationswiderstand bestimmt, und nur bei genügend hohem Isolationswiderstand erfolgt das Angleichen der DC- Zwischenkreisspannung an die Spannung des DC-Netzes und das Verbinden der DC-Anschlüsse mit dem DC-Netz ohne Zwischenschaltung von Vorladewiderständen.
In einem optionalen weiteren Schritt kann vor dem Schließen der Trennschalter die Spannung auf der DC-Seite gemessen und die DC-Zwischenkreisspannung so weit erhöht werden, dass sie der Spannung auf DC-Seite näherungsweise entspricht. Dies kann vor dem Schließen der Trennschalter erfolgen, um Rückströme von der DC-Seite in den Stromrichter zu vermeiden.
Bevorzugt wird die DC-Seite des Stromrichters im Normalbetrieb mit DC-Spannung versorgt, die symmetrisch zum Erdpotential als Mittelpotential ist, welches über eine Erdung der AC-Seite definiert ist.
Kurzbeschreibunq der Figuren
Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe von Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Stromrichters; Fig. 2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens.
Figurenbeschreibung
In Fig. 1 ist schematisch eine Ausführungsform eines Stromrichters 10 mit einer AC- Seite 16 und einer DC-Seite 18 dargestellt. An der AC-Seite 16 ist ein am Erdpotential PE geerdetes dreiphasiges AC-Versorgungsnetz 12 angeschlossen. An der DC-Seite 18 ist ein DC-Netz 14 angeschlossen. Das DC-Netz 14 weist einen Isolationswiderstand 50 gegen Erdpotential PE auf. Eine Batterie 42 ist über DC- Schalter 46 mit dem DC-Netz 14 verbindbar. Die Batterie 42 kann einen unerwünschten parasitären Widerstand 42. P gegen Erdpotential PE aufweisen. Eine Last 44 ist über DC-Schalter 48 mit dem DC-Netz verbindbar. Die Last 44 kann einen unerwünschten parasitären Widerstand 44. P gegen Erdpotential PE aufweisen. Eine Last 44 kann insbesondere einen oder mehrere Verbraucherumfassen, wie z. B. eine Maschine, eine Industrieanlage oder auch einen Elektrolyseur.
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. Eine Brückenschaltung 20 mit Halbleiterschaltern ist in der Regel transformatorlos, 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 geerdeten Neutralleiter, werden die DC-Anschlüsse DCL+, DCL- damit in der Regel automatisch über die Brückenschaltung 20 geerdet. Die konkrete Lage der Potentiale der DC-Anschlüsse relativ zum Erdbezug (DC+ / DC- gegen PE) werden dabei durch die konkret verwendete Topologie der Brückenschaltung 20 vorgegeben. Beispielsweise kann die Brückenschaltung 20 DC-seitig einen 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 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 können sich somit zwei Betriebszustände für das DC-Netz 14 ergeben, ein ungeerdeter „Stand-alone- Betrieb“ mit Versorgung aus der Batterie 42 und ein geerdeter Betrieb bei Verbindung mit dem geerdeten AC-Versorgungsnetz 12.
Der DC-Zwischenkreis der Brückenschaltung 20 soll in der Regel beim Hochfahren des Stromrichters 10, vor der Verbindung der AC-Seite 16 oder DC-Seite 18 mit den entsprechenden Netzen 12, 14, vorgeladen werden. Dies wird angestrebt, um z. B. Ladeströme von Kondensatoren des DC-Zwischenkreises bei einer erstmaligen Verbindung mit dem DC-Netz 14 zu begrenzen. Eine AC-Vorladeschaltung 40 des Stromrichters 10 ist eingerichtet, eine solche Vorladung aus dem AC- Versorgungsnetz 12 durchzuführen und weist hierfür einen Gleichrichter 36 ohne galvanische Trennung auf. Über die AC-Vorladeschaltung 40 kann der DC- Zwischenkreis der Brückenschaltung 20 direkt aus dem AC-Versorgungsnetz 12 vorgeladen werden. Hierfür ist die Wechselstromseite der AC-Vorladeschaltung 40 mit der AC-Seite 16 des Wechselrichters 10 verbunden. Die AC-Vorladeschaltung wird durch die Steuereinheit 30 angesteuert. Ein Halbleiterschalter 38 ist zwischen den Gleichrichter 36 und den DC-Anschluss DCL- geschaltet. Er wird ebenfalls von der Steuereinheit 30 angesteuert.
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 auf der AC-Seite 16 auf, die auf einer Differenzstrommessung der drei AC-Anschlüsse ACL1 , ACL2, ACL3 basiert. Die Differenzstrommessung kann an einer Stelle erfolgen, an der nur die Phasenströme zu den AC-Anschlüssen ACL1 , ACL2, ACL3 berücksichtigt werden, oder auch an einer Stelle, an der zusätzlich auch die Phasenströme zu der AC-Vorladeschaltung berücksichtigt werden.
Über einen Trennschalter 26.1 kann der DC-Anschluss DCL+ mit der DC-Seite 18 verbunden werden. Über einen Trennschalter 26.2 kann der DC-Anschluss DCL- mit der DC-Seite 18 verbunden werden. Für den DC-Anschluss DCL+ ist ein hinzuschaltbarer Vorladewiderstand 28.1 vorgesehen. Für den DC-Anschluss DCL- ist ein hinzuschaltbarer Vorladewiderstand 28.2 vorgesehen. Die Trennschalter 26.1 , 26.2 mit hinzuschaltbarem Vorladewiderstand 28.1 , 28.2 sind durch Überbrückung des Trennschalters 26.1 , 26.2 oder als eingeschleifte Parallelschaltung aus Schalter 24.1 , 24.2 und Vorladewiderstand 28.1 , 28.2 ausgeführt.
In Fig. 2 ist schematisch ein Verfahren zur Versorgung des ungeerdeten DC-Netzes 14 aus dem geerdeten dreiphasigen AC-Versorgungsnetz 12 durch den transformatorlosen Stromrichter 10 dargestellt. In Schritt S1 wird der DC- Zwischenkreis durch die AC-Vorladeschaltung 40 bei geöffneten AC-Schaltern 22 und geöffneten Trennschaltern 26.1 , 26.2 aus dem AC-Versorgungsnetz 12 geladen. In Schritt S2 werden die AC-Anschlüsse ACL1 , ACL2, ACL3 mit dem AC- Versorgungsnetz 12 durch Schließen der AC-Schalter 22 verbunden und eine DC- Zwischenkreisspannung wird durch den Stromrichter 10 eingestellt. Anschließend werden in Schritt S3 die DC-Anschlüsse DCL+, DCL+ mit dem DC-Netz 14 durch Schließen der Trennschalter 26.1 , 26.2 verbunden, wobei mindestens ein DC- Anschluss DCL+, DCL- über einen Vorladewiderstand 28.1 , 28.2 mit dem DC-Netz 14 verbunden ist. Anschließend wird in Schritt S4 ein Fehlerstrom an den AC- Anschlüssen ACL1 , ACL2, ACL3 gemessen und geprüft, ob der Fehlerstrom unter einer vorgebbaren Schwelle liegt. Ist dies der Fall, ist der Fehlerstrom also genügend gering, wird in Schritt S5 die DC-Zwischenkreisspannung an die Spannung des DC- Netzes angeglichen und die DC-Anschlüsse DCL+, DCL- werden mit dem DC-Netz 14 ohne Zwischenschaltung von Vorladewiderständen 28.1 , 28.2. verbunden.
Liegt der Fehlerstrom nicht unter der vorgebbaren Schwelle, ist der Fehlerstrom also zu groß, so liegt ein Fehlerfall vor und es werden in Schritt S6 die AC-Schalter 22 und die Trennschalter 26.1 , 26.2 wieder geöffnet und der Stromrichter von dem AC- Versorgungsnetz 12 und dem DC-Netz 14 getrennt.
Optional kann nach Schritt S5 eine Isolationsüberwachung des DC-Netzes 14 mittels der Fehlerstrommessung 32 an den AC-Anschlüssen ACL1 , ACL2, ACL3 erfolgen.
Optional kann das Messen des Fehlerstroms in Schritt S4 einen ersten Schritt und einen zweiten Schritt umfassen, wobei im ersten Schritt von Schritt S4 ein erster DC- Anschluss DCL+, DCL- über einen ersten Vorladewiderstand 28.1 , 28.2 mit dem DC- Netz 14 verbunden wird und im zweiten Schritt von Schritt S4 ein zweiter vom ersten DC-Anschluss DCL+, DCL- unterschiedlicher DC-Anschluss DCL+, DCL- über einen zweiten Vorladewiderstand 28.1 , 28.2 mit dem DC-Netz 14 verbunden wird. Der Isolationswiderstand wird aus bei dem ersten Schritt von S4 und bei dem zweiten Schritt von S4 erfassten Messwerten bestimmt. Der erste und der zweite Vorladewiderstand 28.1 , 28.2 kann dabei - im Fehlerfall - vor zu hohen Strömen schützen. Schritt S4 kann optional auch umfassen, dass beide DC-Anschlüsse DCL+, DCL- gleichzeitig und über ihre jeweiligen Vorladewiderstände 28.1 , 28.2 mit dem DC-Netz 14 verbunden werden. Dies gleichzeitige Verbinden erfolgt vorteilhafterweise nach dem ersten Schritt von S4 und dem zweiten Schritt von S4.
Optional kann aus den im ersten Schritt von S4 und im zweiten Schritt von S4 erfassten Messwerten ein Isolationswiderstand 50 bestimmt werden, und nur bei genügend hohem Isolationswiderstand 50 das Angleichen der DC- Zwischenkreisspannung an die Spannung des DC-Netzes 14 und das Verbinden der DC-Anschlüsse DCL+, DCL- mit dem DC-Netz 14 ohne Zwischenschaltung von Vorladewiderständen 28.1 , 28.2 erfolgen. Das Hinzuschalten der DC-Anschlüsse DCL+, DCL- kann somit zunächst einzeln und dann bei genügend großem Isolationswiderstand 50 des DC-Netzes 14 gemeinsam erfolgen.
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Bezuqszeichenliste
10 Stromrichter
12 AC-Versorgungsnetz
14 DC-Netz
16 AC-Seite
18 DC-Seite
20 Brückenschaltung
22 AC-Schalter
24.1 , 24.2 Schalter
26.1 , 26.2 Trennschalter
28.1 , 28.2 Vorladewiderstand
30 Steuereinheit
32 Fehlerstrommessung
36 Gleichrichter
38 Halbleiterschalter
40 AC-Vorladeschaltung
42 Batterie
42. P parasitärer Widerstand
44 Last
44. P parasitärer Widerstand
46 DC-Schalter
48 DC-Schalter
50 Isolationswiderstand
ACL1 , ACL2, ACL3 AC-Anschluss
DCL+, DCL- DC-Anschluss
PE Potential Erde
S1 , S2, S3, S4, S5, S6 Verfahrensschritte

Claims

Patentansprüche 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) über AC-Schalter (22) mit der AC-Seite (16) des Stromrichters (10) verbindbar sind und deren DC-Anschlüsse (DCL+, DCL-) über Trennschalter (26.1 , 26.2) mit der DC-Seite (18) des Stromrichters (10) verbindbar sind, wobei ein DC-Zwischenkreis des Stromrichters (10) über eine galvanisch nicht trennende AC-Vorladeschaltung (40) aus dem AC-Versorgungsnetz (12) aufladbar ist, wobei der Stromrichter eine Messeinrichtung (32) aufweist, die zur Messung des Isolationswiderstandes (50) der DC-Seite (18) des Stromrichters (10) bei bestehender galvanischer Verbindung zwischen AC-Seite (16) und DC-Seite (18) eingerichtet ist. Stromrichter nach Anspruch 1 , wobei die AC-Anschlüsse (ACL1 , ACL2, ACL3) und die DC-Anschlüsse (DCL+, DCL-) der Brückenschaltung (20) galvanisch gekoppelt sind und der Leistungstransferpfad zwischen der AC-Seite (16) und der DC-Seite (18) des Stromrichters (10) insbesondere transformatorlos ausgebildet ist. Stromrichter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Messeinrichtung (32) zwischen der AC-Seite (16) des Stromrichters (10) und den AC-Anschlüssen (ACL1 , ACL2, ACL3) der Brückenschaltung (20) angeordnet ist. Stromrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass pro DC-Anschluss (DCL+, DCL-) zumindest ein Trennschalter (26.1 , 26.2) mit einem hinzuschaltbaren Vorladewiderstand (28.1 , 28.2) vorhanden ist. Stromrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (32) eingerichtet ist, den Isolationswiderstand (50) der DC-Seite (18) des Stromrichters (10) über eine erste Messung und eine zweiteMessung eines Fehlerstromes der AC-Anschlüsse (ACL1 , ACL2, ACL3) zu ermitteln, wobei die erste Messung durchgeführt wird, wenn ein erster DC-Anschluss (DCL+, DCL-) über einen ersten Vorladewiderstand (28.1 , 28.2) mit der DC-Seite (18) verbunden ist, und die zweite Messung durchgeführt wird, wenn ein zweiter, vom ersten DC- Anschluss (DCL+, DCL-) unterschiedlicher DC-Anschluss (DCL+, DCL-) über einen zweiten Vorladewiderstand (28.1 , 28.2) mit der DC-Seite (18) verbunden ist. Stromrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (30), die eingerichtet ist,
- den DC-Zwischenkreis durch die AC-Vorladeschaltung (40) bei geöffneten AC- Schaltern (22) und geöffneten Trennschaltern (26.1 , 26.2) aufzuladen,
- danach die AC-Seite (16) mit den AC-Anschlüssen (ACL1 , ACL2, ACL3) durch Schließen der AC-Schalter (22) zu verbinden und die DC- Zwischenkreisspannung einzustellen,
- danach die DC-Anschlüsse (DCL+, DCL-) mit der DC-Seite (18) durch Schließen der Trennschalter (26.1 , 26.2) zu verbinden, wobei mindestens ein DC-Anschluss (DCL+, DCL-) über einen Vorladewiderstand (28.1 , 28.2) mit der DC-Seite (14) verbunden ist,
- danach einen Fehlerstrom an den AC-Anschlüssen (ACL1 , ACL2, ACL3) zu messen,
- bei genügend geringem Fehlerstrom: die DC-Zwischenkreisspannung an die DC-Spannung auf der DC-Seite (18) anzugleichen und die DC-Anschlüsse (DCL+, DCL-) mit der DC-Seite (18) ohne Zwischenschaltung von Vorladewiderständen (28.1 , 28.2) zu verbinden. Stromrichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) eingerichtet ist, das Messen des Fehlerstroms in zwei Schritten durchzuführen, wobei das Messen des Fehlerstroms einen ersten Schritt umfasst, in dem ein erster DC-Anschluss (DCL+, DCL-) über einen ersten Vorladewiderstand (28.1 , 28.2) mit der DC-Seite (18) verbunden ist, und einen zweiten Schritt umfasst, in dem ein zweiter, vom ersten DC-Anschluss (DCL+, DCL-) unterschiedlicher DC-Anschluss (DCL+, DCL-) über einen zweiten Vorladewiderstand (28.1 , 28.2) mit der DC-Seite (18) verbunden ist, wobei der 18
Fehlerstrom aus bei dem ersten Schritt und bei dem zweiten Schritt erfassten
Messwerten bestimmt wird. Stromrichter nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) eingerichtet ist, die DC-Spannung an den DC-Anschlüssen (DCL+, DCL-) im zeitlichen Mittel symmetrisch zu einem Mittelpotential einzustellen. Stromrichter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) eingerichtet ist, das Mittelpotential indirekt über die AC-Seite (16) auf Erdpotential (PE) einzustellen. Stromrichter nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) eingerichtet ist, den DC-Zwischenkreis mit einer Leistung aufzuladen, die wesentlich geringer ist als die Nennleistung des Stromrichters (10). Stromrichter nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter (10) eingerichtet ist, die Spannung der DC-Seite (18) einzustellen, während die DC-Seite (18) ohne Zwischenschaltung von Vorladewiderständen (28.1 , 28.2) mit den DC-Anschlüssen (DCL+, DCL-) verbunden ist. Stromrichter nach einem der Ansprüche 6 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) eingerichtet ist, die Vorladeschaltung (4) nach der Verbindung des AC-Versorgungsnetzes (12) mit dem Stromrichter (10) zu deaktivieren. Verfahren zur Versorgung eines ungeerdeten DC-Netzes (14) aus einem geerdeten dreiphasigen AC-Versorgungsnetz (12) durch einen transformatorlosen Stromrichter (10) mit einer Brückenschaltung (20), deren DC-Anschlüsse (DCL+, DCL-) mittels Trennschaltern (26.1 , 26.2) mit dem DC-Netz (14) verbindbar sind und deren AC-Anschlüsse (ACL1 , ACL2, ACL3) über AC-Schalter (22) mit dem AC-Versorgungsnetz (12) verbindbar sind, sowie mit einer galvanisch nicht trennenden Vorladeschaltung (40) zum Vorladen des DC-Zwischenkreises aus dem AC-Versorgungsnetz (12), wobei das Verfahren die Schritte umfasst: 19
- Vorladen des DC-Zwischenkreises durch die AC-Vorladeschaltung (40) bei geöffneten AC-Schaltern (22) und geöffneten Trennschaltern (26.1 , 26.2), - anschließendes Verbinden der AC-Anschlüsse (ACL1 , ACL2, ACL3) mit dem AC- Versorgungsnetz (12) durch Schließen der AC-Schalter (22) und Einstellen der DC-Zwischenkreisspannung durch den Stromrichter (10),
- anschließendes Verbinden der DC-Anschlüsse (DCL+, DCL-) mit dem DC- Netz (14) durch Schließen der Trennschalter (26.1 , 26.2), wobei mindestens ein DC-Anschluss (DCL+, DCL-) über einen Vorladewiderstand (28.1 , 28.2) mit dem DC-Netz (14) verbunden ist,
- anschließendes Messen eines Fehlerstroms an den AC-Anschlüssen (ACL1 , ACL2, ACL3), bei genügend geringem Fehlerstrom: Angleichen der DC- Zwischenkreisspannung an die Spannung des DC-Netzes und Verbinden der DC- Anschlüsse (DCL+, DCL-) mit dem DC-Netz (14) ohne Zwischenschaltung von Vorladewiderständen (28.1 , 28.2). Verfahren nach Anspruch 13, wobei nach dem Verbinden der DC-Anschlüsse (DCL+, DCL-) mit dem DC-Netz (14) ohne Zwischenschaltung von Vorladewiderständen (28.1 , 28.2) eine Isolationsüberwachung des DC- Netzes (14) mittels einer Fehlerstrommessung an den AC-Anschlüssen (ACL1 , ACL2, ACL3) erfolgt. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei das Messen des Fehlerstroms einen ersten Schritt umfasst, in dem ein erster DC-Anschluss (DCL+, DCL-) über einen ersten Vorladewiderstand (28.1 , 28.2) mit dem DC-Netz (14) verbunden ist, und einen zweiten Schritt umfasst, in dem ein zweiter, vom ersten DC-Anschluss (DCL+, DCL-) unterschiedlicher DC-Anschluss (DCL+, DCL-) über einen zweiten Vorladewiderstand (28.1 , 28.2) mit dem DC-Netz (14) verbunden ist, wobei der Fehlerstrom aus bei dem ersten Schritt und bei dem zweiten Schritt erfassten Messwerten bestimmt wird. Verfahren nach Anspruch 15, wobei aus den im ersten Schritt und im zweiten Schritt erfassten Messwerten ein Isolationswiderstand (50) bestimmt wird, und nur bei genügend hohem Isolationswiderstand (50) das Angleichen der DC-Zwischenkreisspannung an die Spannung des DC-Netzes (14) und das 20
Verbinden der DC-Anschlüsse (DCL+, DCL-) mit dem DC-Netz (14) ohne Zwischenschaltung von Vorladewiderständen (28.1 , 28.2) erfolgt.
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