Vorrichtung zum Öffnen oder Schließen eines Gleichstromkrei ses und Verfahren zum automatischen Schließen eines Gleich stromkreises

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Öffnen oder Schließen eines Gleichstromkreises und ein Verfahren zum au tomatischen Schließen eines Gleichstromkreises.

Gleichstromverteilsysteme werden als vielversprechend angese hen bezüglich der Einsparung von Energie und deren effizien ten Nutzung. Speziell bei Quellen oder Einspeisungen aus er neuerbarer Energie kann es einfacher sein, diese in ein

Gleichstromverteilsystem zu integrieren als in ein Wechsel stromsystem. Beispielsweise bei einem Photovoltaiksystem kann der Gleichstrom-Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler ersetzt wer den mit einem einfachen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler .

Ebenso können Batterien oder Kondensatorbänke als Energie speicher direkt verbunden werden mit solch einem System ohne zusätzliche Wandler.

Bei Benutzung der Active Front End (AFE) - Technologie zur Einspeisung an Wechselstromquellen oder bei zurückgewonnener Bremsenergie von Motoren kann es zur Zurückführung von Ener gie kommen: während bei Active Front End (AFE) - Vorrichtun gen die Wechselstromseite des Netzwerks stabilisiert wird und somit insgesamt die Netzwerkqualität mit einer reaktiven Energieversorgung kompensierten wird, kann die Bremsenergie von Motoren dem Verteilsystem zugeführt werden.

Gleichstromnetzwerke haben aber auch Herausforderungen bezüg lich des Schutzes gegenüber Kurzschlüssen oder anderen Feh lerquellen. In einem beispielhaften Gleichstromnetz entspre chend der Darstellung in Figur 1 mit Einspeisungen 1010;

1011; 1012; 1013 und Verbrauchern 1050; 1051; 1052; 1053;

1054 und einem dazwischen gelagerten Verteilnetzwerk 2000 mit klassischen mechanischen Schutzvorrichtungen (beispielsweise moulded case Circuit breaker, MCCB) verlieren diese ihre Se lektivität aufgrund der schnellen Selbstschutzfunktionen der Leistungselektronik in den Wandlern. In der Darstellung der Figur 1 können beispielsweise die Einspeisungen 1010; 1011 Wechselstromquelle sein, die über Active Front Ends (AFE)

1020; 1021 in das System eingespeist werden.

Freilaufdioden können nicht ausreichend geschützt werden durch den Selbstschutz der Wandler und Sicherungen auf der Wechselstromseite, da schwere Schäden druch elektrischen Strom aufgrund einer möglichen Spannungsumkehr bei LRC- Schwingungen im Fehlerpfad _V orkommen können. Dies wird vor allem beobachten, wenn das Active Front End (AFE) nicht kurz schlussfest verbunden ist mit der Stromschiene. Ebenso können nach einem Ausschalten der IGBTs die Dioden als unkontrol lierte Gleichrichter wirken. Der Fehlerstrom wird dabei von der Wechselstromseite versorgt und kann möglicherweise nicht schnell genug abgeschaltet werden durch die Sicherungen und somit die Dioden zerstören.

Die Entladung einer Kondensatorbank oder von Gleichstrom- Zwischenkreisen (DC-Links) während eines schwerwiegenden Feh lerszenarios erzeugt extrem hohe Strom-Spitzen, welche im Zeitraum von ms (Milli Sekunden) fließen. Klassische mechani sche Schalter sind nicht schnell genug zum Abschalten eines solchen Fehlerstroms. Der kleinste Verbraucherpfad in solch einem System mit mehreren Einspeisungen hat dann das höchste Verhältnis von maximalem Kurzschlussstrom zum nominalen

Strom.

Hauptprobleme eines Gleichstromverteilsystems sind die mögli che Zerstörung von Freilaufdioden aufgrund einer Spannungsum kehr, die kapazitive Entladung und die Selektivität zu den Active Front Ends (AFE) . In einem Schutzkonzept, welches SSCBs (Solid State Circuit Breaker, Halbleiterschalter) als Schutzeinrichtungen verwen det, können diese dem Abschalten von Fehlerregionen innerhalb von 10 ps (Mikro Sekunden) dienen. Problematisch ist bei der reinen Verwendung von Halbleiterschaltern, dass diese einen deutlich höheren Leistungsverlust haben und zusätzlich kos tenintensiver sind als herkömmliche Schalter. Aufgrund der geringen Ströme der Selbstschutzfunktionen der Halbleiterkom ponenten der Umrichter und deren extrem schnellen Reaktion ist es sehr herausfordernd, eine Selektivität zu den Halb leiterschaltern zu realisieren.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine neue Vorrichtung zum Öffnen oder Schließen eines Gleichstromkreises und ein Ver fahren zum automatischen Schließen eines Gleichstromkreises zur Verfügung zu stellen, welches die genannten Nachteile überwindet .

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Vorrichtung zum Öffnen oder Schließen eines Gleichstromkreises gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 2 bis 11 angegeben. Die Aufgabe wird ebenfalls durch das elektrische Netzwerk ge mäß Anspruch 12 gelöst. Ebenso wird die Aufgabe durch das er findungsgemäße Verfahren zum automatischen Schließen eines Gleichstromkreises gemäß Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 14 und 15 angegeben.

Die Vorrichtung zum Öffnen oder Schließen eines Gleichstrom kreises mit mindestens einer Sammelschiene gemäß Anspruch 1 umfasst :

- einen elektrischen Schalter zum Öffnen oder Schließen des Gleichstromkreises,

- eine Fehlerstromerkennung,

- eine Auslöseeinheit ,

- eine Vor-Ladevorrichtung, wobei bei Detektion eines Fehlerstroms durch die Fehlerstro merkennung der elektrische Schalter mittels der Auslöseein- heit den Gleichstromkreis öffnet und die Vor-Ladevorrichtung vor dem Schließen des elektrischen Schalters die Spannung auf der Sammelschiene wiederherstellt, wobei die Vorrichtung eine Steuereinheit zum automatischen Schließen des elektrischen Schalters nach der Vor-Ladung umfasst.

Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass im Fehlerfall ein Entladen der Kondensatoren in einem Gleich stromkreis verhindert wird. Spitzenströme werden signifikant reduziert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt die Iso lation von Fehlern durch herkömmliche elektrische Schalter innerhalb von ms (Milli Sekunden) anstatt im Bereich von ps (Mikro Sekunden) vorzunehmen. Ebenso kann die Verwendung von der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschränkt werden auf Ein speisungen mit großen Kapazitäten. Die Möglichkeit, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung automatisch schließt, erlaubt, dass Einspeisungen wieder automatisch ins DC-Netz nach der Isolierung des Fehlers aufgenommen werden können. Nachdem der Fehler behoben ist, bleiben nur noch die Schutzeinrichtungen ausgeschaltet und offen, die nahe an der Stelle des Fehlers angeordnet sind. Somit wird eine Selektivität zwischen den Schutzeinrichtungen und den Leistungswandlern realisiert.

In einer Ausgestaltung ist der elektrische Schalter ein Halb leiterschalter.

In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Einheit zur Kommunikation.

In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung eine Steuereinheit für eine Einschalttransiente. Diese Steuerein heit kann die Einschalttransiente unterdrücken. In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung des Weiteren eine Messeinheit zur Messung von Strom- und/oder Spannungswerten .

In einer weiteren Ausgestaltung stellt die Vor- Ladevorrichtung die Spannung auf der Sammelschiene wieder her nach einer ersten Wartezeit. Alternativ stellt die Vor- Ladevorrichtung die Spannung auf der Sammelschiene nach Er halt eines Befehls wieder her. Diesen Befehl kann die Vor- Ladevorrichtung über die Einheit zur Kommunikation erhalten.

In einer weiteren Ausgestaltung schließt die Steuereinheit zum automatischen Schließen des elektrischen Schalters diesen automatisch nach einer zweiten Wartezeit. Alternativ schließt die Steuereinheit zum automatischen Schließen des elektri schen Schalters diesen nach Wiederherstellung einer Spannung auf der Sammelschiene oberhalb eines Schwellwerts.

Falls die Spannung auf der Sammelschiene nach einer vordefi nierten Zeit nicht ansteigt, was auf einem weiter bestehenden Fehler hinweist, erhält die Vor-Ladevorrichtung einen Befehl zur Deaktivierung und der Vor-Ladevorgang wird unterbrochen. Die Vor-Ladevorrichtung wartet auf den nächsten Aktivierungs befehl .

Die Aufgabe wird ebenfalls durch das elektrische Netzwerk ge mäß Anspruch 12 gelöst, wobei das elektrische Netzwerk mit Einspeisungen, Verbrauchern und einem Verteilnetzwerk mit ei ner Sammelschiene versehen ist, wobei die Einspeisungen mit den Verbrauchern über das Verteilnetzwerk verbunden sind und dieses die erfindungsgemäßen Vorrichtungen umfasst.

Das Verfahren zum automatischen Schließen eines Gleichstrom kreises mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß An spruch 13 umfasst die Schritte:

- Setzen eines Zählers auf Null; - Ermitteln, ob ein Fehlerfall vorliegt mittels der Feh lerstromerkennung und falls kein Fehlerfall vorliegt weiteres Ermitteln, ob ein Fehlerfall vorliegt, ansons ten :

- bei Überschreiten des Fehlerstroms einer Stromschwelle Erhöhen des Zählers um Eins, ansonsten Durchfahren einer zeitverzögernden Auslösecharakteristik und Setzen des Zählers auf Zwei;

- Öffnen des elektrischen Schalters;

- falls der Zähler größer gleich Zwei ist, Springen zum Setzen des Zählers auf Null, ansonsten:

o Abwarten zur Aktivierung der Vor-Ladevorrichtung; o Aktivieren der Vor-Ladevorrichtung;

o falls die Spannung auf der Sammelschiene nicht an steigt: Deaktivieren der Vor-Ladevorrichtung und Springen zum Schritt Ermitteln, ob ein Fehlerfall vorliegt; ansonsten:

Abwarten zum Schließen des elektrischen Schalters; o Schließen des elektrischen Schalters;

o Aktivieren der Steuereinheit der Einschalttransien te;

o Springen zum Schritt Ermitteln, ob ein Fehlerfall vorliegt .

In einer Ausgestaltung umfasst das Abwarten zur Aktivierung der Vor-Ladevorrichtung eine vordefinierte Zeitspanne oder wird von einem Befehl der Einheit zur Kommunikation beendet.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah rens umfasst das Abwarten zum Schließen des elektrischen Schalters eine feste Zeitspanne oder wird bei Erreichen einer vordefinierten Spannung auf der Sammelschiene beendet.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung, sowie die Art und Weise, wie sie erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam- menhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen, die im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden.

Dabei zeigen :

Figur 1: herkömmliches DC-Netzwerk;

Figur 2: erfindungsgemäßes elektrisches Netzwerk;

Figur 3: erfindungsgemäße Vorrichtung zum Öffnen oder

Schließen eines Gleichstromkreises; und

Figur 4: erfindungsgemäßes Verfahren zum automatischen

Schließen eines Gleichstromkreises.

In Figur 1 ist ein herkömmliches elektrisches Gleichstrom netzwerk dargestellt. Dieses Netzwerk umfasst Einspeisungen 1010; 1011; 1012; 1013, Verbraucher 1050; 1051; 1052; 1053; 1054 und ein Verteilnetzwerk 2000 mit einer Sammelschiene 200. Die Einspeisungen 1010; 1011 können beispielsweise Wech selstromquellen sein, die mittels Active Front Ends (AFE)

1020; 1021 bidirektional an das Verteilnetzwerk 2000 angekop pelt sind. Einspeisung 1012 kann beispielsweise eine Photo voltaikanlage sein und Einspeisung 1013 eine andere Quelle mit einem Leistungswandler. Der Verbraucher 1050 kann bei spielsweise ein ohmscher Verbraucher sein, an dem nur unidi- rektional Strom fließen kann. Verbraucher 1051 kann bei spielsweise ein Motor mit Rückeinspeisung der Bremsenergie sein, was einen bidirektionalen Stromfluss ermöglicht. Glei ches gilt für beispielsweise Verbraucher 1053, wenn dies eine Kondensatorbank als Energiespeicher darstellt oder Verbrau cher 1054, wenn dies eine Batterie ist. Verbraucher 1052 kann beispielsweise ein Motor ohne Energierückspeisung sein, dies würde wiederum einen unidirektionalen Stromfluss ermöglichen.

In Figur 2 ist das erfindungsgemäße elektrische Netzwerk 1000 dargestellt, welches wiederum Einspeisungen 1010; 1011; 1012; 1013 mit gegebenenfalls Active Front Ends (AFE) 1020; 1021, Verbrauchern 1050; 1051; 1052; 1053; 1054; 1055 und einem da zwischen angeordnetem Verteilnetzwerk 2000 mit einer Sammel schiene 200 umfasst. Bei diesem erfindungsgemäßen elektri schen Netzwerk 1000 sind die erfindungsgemäßen Vorrichtungen 2010; 2011; 2012; 2013 an den Einspeisungen angeordnet, sowie an den Verbrauchern 1052; 1054; 1055, die einen bidirektiona len Stromfluss ermöglichen können.

In Figur 3 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 zum Öff nen oder Schließen eines Gleichstromkreises mit mindestens einer Sammelschiene 200 dargestellt. Die Vorrichtung 100 um fasst dazu einen elektrischen Schalter 110 zum Öffnen oder Schließen des Gleichstromkreises, eine Fehlerstromerkennung 120, eine Auslöseeinheit 130 und eine Vor-Ladevorrichtung 140, wobei bei Detektion eines Fehlerstroms durch die Fehler stromerkennung 120 der elektrische Schalter 110 mittels der Auslöseeinheit 130 den Gleichstromkreis öffnet und wobei die Vor-Ladevorrichtung 140 vor dem Schließen des elektrischen Schalters 110 die Spannung auf der Sammelschiene 200 wieder herstellt. Zum automatischen Schließen ist des Weiteren bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 eine Steuereinheit 150 vorgesehen, die den elektrischen Schalter 110 nach der Vorla dung automatisch schließen kann.

Der elektrische Schalter 110 der erfindungsgemäßen Vorrich tung 100 kann beispielsweise ein Halbleiterschalter sein. Beispielsweise kann es sich dabei um einen Halbleiterschalter auf Silicium (Si) -Basis, Siliciumcarbid (SiC) - Basis oder auf Galliumnitrid (GaN) - Basis handeln.

Wie in Figur 3 dargestellt, kann die erfindungsgemäße Vor richtung 100 des Weiteren eine Einheit 180 zur Kommunikation umfassen. Diese Einheit 180 zur Kommunikation kann Befehle von einer übergeordneten Steuereinheit erhalten und/oder in einem Verteilnetzwerk 2000 angeordnete Vorrichtungen 100 ko ordinieren . Des Weiteren kann die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 eine Steuereinheit 160 für eine Einschalttransiente umfassen. Bei spielsweise kann die Steuereinheit 160 die Einschalttransien te unterdrücken.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 kann des Weiteren eine Messeinheit 170 zur Messung von Strom- und/oder Spannungswer ten umfassen.

Die Vor-Ladevorrichtung 140 kann die Spannung auf der Sammel schiene 200 nach einer ersten Wartezeit wiederherstellen. Al ternativ stellt die Vor-Ladevorrichtung 140 die Spannung auf der Sammelschiene 200 nach Erhalt eines Befehls wieder her. Die Befehle zur Aktivierung und zur Deaktivierung können über die Einheit 180 zur Kommunikation an die Vor-Ladevorrichtung 140 gegeben werden.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 kann die Vor- Ladevorrichtung 140 einen Befehl zur Deaktivierung über die Einheit 180 zur Kommunikation erhalten, wenn die Spannung auf der Sammelschiene 200 nicht ansteigt, was auf einen weiter bestehenden Fehler hinweist.

Die Steuereinheit 150 zum automatischen Schließen des

elektrischen Schalters 110 kann diesen automatisch nach einer zweiten Wartezeit schließen. Ebenso kann die Steuereinheit 150 zum automatischen Schließen des elektrischen Schalters 110 diesen nach Wiederherstellung einer Spannung auf der Sam melschiene 200 oberhalb eines Schwellwerts schließen. Dazu kann die Steuereinheit 150 zum automatischen Schließen eines elektrischen Schalters 110 von der Messeinheit 170 die Span nungswerte auf der Sammelschiene 200 erhalten.

Die unterschiedlichen Komponenten der erfindungsgemäßen Vor richtung 100 werden über die Stromversorgung 190 mit elektri- scher Energie versorgt. Die Stromversorgung 190 kann extern oder intern ausgebildet sein.

Figur 4 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren 500 zum automa tischen Schließen eines Gleichstromkreises mittels einer Vor richtung 100; 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016. Das erfindungsgemäße Verfahren 500 umfasst dazu die folgenden Schritte :

- Setzen 501 eines Zählers auf Null;

- Ermitteln 502, ob ein Fehlerfall vorliegt mittels der Fehlerstromerkennung 120 und falls kein Fehlerfall vor liegt, weiteres Ermitteln 502, ob ein Fehlerfall vor liegt, ansonsten:

- bei Überschreiten des Fehlerstroms einer Stromschwelle Erhöhen 504 des Zählers auf Eins, ansonsten Durchfahren 520 einer zeitverzögernden Auslösecharakteristik und Setzen 521 des Zählers auf Zwei;

- Öffnen 505 des elektrischen Schalters 110;

- falls der Zähler größer gleich Zwei ist, Springen zum Setzen 501 des Zählers auf Null, ansonsten:

o Abwarten 507 zur Aktivierung 508 der Vor- Ladevorrichtung 140;

o Aktivieren 508 der Vor-Ladevorrichtung 140; o falls die Spannung auf der Sammelschiene 200 nicht ansteigt: Deaktivieren 550 der Vor-Ladevorrichtung 140 und Springen zum Schritt Ermitteln 502, ob ein Fehlerfall vorliegt; ansonsten:

o Abwarten 509 zum Schließen 510 des elektrischen Schalters ;

o Schließen 510 des elektrischen Schalters 110;

o Aktivieren 511 der Steuereinheit 160 der Einschalt transiente; und

o Springen zum Schritt Ermitteln 502, ob ein Fehler fall vorliegt.

Im Schritt 550 wird überprüft, ob die Spannung auf der Sam melschiene 200 ansteigt oder nicht. Ist dies nicht der Fall, wird die Vor-Ladevorrichtung 140 deaktiviert und das erfin dungsgemäße Verfahren 500 springt zum Schritt Ermitteln 502, ob ein Fehlerfall vorliegt. Ansonsten, also im Fall, dass die Spannung auf der Sammelschiene 200 ansteigt, fährt das Ver fahren 500 fort mit dem Abwarten 509 zum Schließen 510 des elektrischen Schalters.

Das erfindungsgemäße Verfahren 500 kann beim Schritt Abwarten 507 zur Aktivierung 508 der Vor-Ladevorrichtung 140 eine vor definierte Zeitspanne abwarten oder das Abwarten 507 kann von einem Befehl der Einheit 180 zur Kommunikation beendet wer den .

Des Weiteren kann beim erfindungsgemäßen Verfahren 500 das Abwarten 509 zum Schließen 510 des elektrischen Schalters ei ne feste Zeitspanne gewartet werden oder bei Erreichen einer vordefinierten Spannung auf der Sammelschiene 200 das Abwar ten 509 beendet werden.

Die Fehlerstromerkennung 120 sollte sehr schnell einen Feh lerstrom detektieren können innerhalb weniger ps (Mikro Se kunden) . Damit kann über die Auslöseeinheit 130 sehr schnell auf einen Fehlerfall reagiert werden und der elektrische Schalter 110 innerhalb mehrerer ps (Mikro Sekunden) geöffnet werden, wenn der Strom oberhalb einer definierten Schwelle liegt. Die Möglichkeit zum automatischen Schließen des elektrischen Schalters 110 kann über eine fest definierte Wartezeit und/oder über den Befehl der Einheit 180 zur Kommu nikation gesteuert werden. Die Vor-Ladevorrichtung 140 stellt die Spannung auf der Sammelschiene 200 wieder her. Die Ein heit 160 kann die Einschalttransiente unterdrücken.