Elektrisches Netzwerk

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Netzwerk.

Gleichstromverteilnetzwerke bieten Vorteile gegenüber Wech selstromverteilnetzwerken, speziell wenn erneuerbare Energie quellen parallel zu anderen Einspeisungen vorhanden sind. Zum einen können Gleichstromverteilnetzwerke kostengünstiger auf gebaut werden und haben eine höhere energetische Effizienz. Bei der Erzeugung erneuerbarer Energie, beispielsweise durch Photovoltaik, können Gleichstrom-Wechselstrom- und Wechsel- strom-Gleichstrom-Umrichter durch einfache Gleichstrom- Gleichstrom-Umrichter ersetzt werden. Bei Einspeisungen aus Batterien oder Kondensatorbänken als Energiepuffer können diese direkt an das System angekoppelt werden ohne zusätzli che Umrichter.

Bei Verwendung von Active Front End (AFE) - Umrichtern kann Energie in das Stromnetz zurückübertragen werden, dies bei spielsweise bei erneuerbaren Energiequellen oder bei der Bremsenergie von Motoren. Active Front End (AFE) - Umrichter können also das Netz stabilisieren und auch die Qualität von Wechselstromnetzen erhöhen durch eine reaktive Leistungskom pensation .

Gleichstromverteilnetzwerke bringen aber auch Probleme bezüg lich des elektrischen Schutzes mit sich. Im Fehlerfall können Ladungen von Kondensatorbänken oder Gleichstrom-Zwischen- kreis-Kondensatoren (DC-Links) extrem hohe Strom-Spitzen er zeugen, dies innerhalb sehr kurzer Zeit von einigen hundert ps (Mikro Sekunden) bis zu einigen ms (Milli Sekunden) .

In Figur 1 ist ein typisches Gleichstromverteilnetzwerk 100 dargestellt mit Einspeisungen 1010; 1011; 1012; 1013; 1014; 1015 und Verbrauchern 1050; 1051; 1051; 1053. Zwischen den Einspeisungen 1010; 1011; 1012; 1013; 1014; 1015 und Verbrau chern 1050; 1051; 1051; 1053 ist ein Verteilnetzwerk 2000 an geordnet. Dieses umfasst eine Sammelschiene 200 mit dem die Einspeisungen 1010; 1011; 1012; 1013; 1014; 1015 und Verbrau cher 1050; 1051; 1051; 1053 elektrisch verbunden sind. Bei spielsweise können die Einspeisungen 1010; 1011 Wechselstrom quellen sein, die über Active Front End (AFE) -Umrichter 1020; 1021 an das Verteilnetzwerk 2000 angebunden sind. Das Gleich stromverteilnetzwerk 100 kann beispielsweise weitere Einspei sungen wie Einspeisung 1012 aus einem Photovoltaikmodul , Ein speisung 1013 als Batterie, Einspeisung 1014 als Kondensa torbank zur Energiespeicherung oder Einspeisung 1015 als wei teren Typ von Einspeisungen mit Leistungswandlern umfassen.

Im Verteilnetzwerk 2000 sind Schutzeinrichtungen 2050; 2051; 2052; 2053; 2054; 2055; 2056; 2057; 2058; 2059; 2060; 2061 angeordnet, die im Fehlerfall Einspeisungen 1010; 1011; 1012; 1013; 1014; 1015 oder Verbraucher 1050; 1051; 1051; 1053 von der Sammelschiene 200 elektrisch trennen können.

In solch einem System mit mehreren Einspeisungen 1010; 1011;

1012; 1013; 1014; 1015 ist der Zweig mit dem kleinsten Ver braucher problematisch. Um Selektivität der unterschiedlichen Schutzeinrichtungen und der schnellen Selbstschutzfunktionen der Leistungselektronik in den Umrichtern zu erreichen ist das Design des Gleichstromnetzes sehr herausfordernd.

Ein klassischer mechanischer elektrischer Schalter (Moulded Case Circuit Breaker, MCCB) ist nicht schnell genug, die Ent ladung der Kondensatoren im Fehlerfall zu unterbrechen, son dern sie werden erst nach dem Entlademaximum aktiv. Daraus droht als Konsequenz, dass Kabel zerstört werden, dass die IGBTs in den Active Front Ends (AFE) ausgeschaltet werden durch die Selbstschutzfunktionen, dass die Active Front Ends (AFE) als unkontrollierte Gleichrichter funktionieren. Frei laufdioden können durchbrennen, wenn die Sicherungen der Wechselstromseite nicht schnell genug sind. Des Weiteren ist problematisch, dass an der Sammelschiene 200 die Spannung einbricht und alle Kondensatoren entladen werden. Eine lange Zeit zum Wiederaufladen verzögert den Wieder-Start des gesam ten Systems nachdem ein Fehler behoben wurde.

Bei der Verwendung von Festkörperschaltern (Solid State Cir cuit Breaker, SSCB) als Schutzeinrichtungen ist problema tisch, dass diese hohe Leistungsverluste aufweisen und hohe Kosten für diese der Verwendung alleinig dieser Schutzein richtungen entgegen spricht.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein alternatives elektri sches Netzwerk zur Verfügung zu stellen, welches die be schriebenen Nachteile überwindet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das elektrische Netzwerk gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltun gen des erfindungsgemäßen elektrischen Netzwerks sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das elektrische Netzwerk gemäß Anspruch 1 weist Einspeisun gen, Verbraucher und ein dazwischen angeordnetes Verteilnetz werk mit mindestens einer Sammelschiene sowie mit mindestens einer Vorrichtung zum Öffnen oder Schließen eines Gleich stromkreises auf, wobei die Vorrichtung umfasst:

- einen elektrischen Schalter zum Öffnen oder Schließen des Gleichstromkreises,

- eine Fehlerstromerkennung,

- eine Auslösereinheit,

- eine Vor-Ladevorrichtung, und

- eine Steuereinheit zum automatischen Schließen des

elektrischen Schalters nach der Vor-Ladung,

wobei bei Detektion eines Fehlerstroms durch die Fehlerstro merkennung der elektrische Schalter mittels der Auslöseein- heit den Gleichstromkreis öffnet und die Vor-Ladevorrichtung vor dem Schließen des elektrischen Schalters die Spannung auf der Sammelschiene wiederherstellt, wobei mehrere Verbraucher jeweils mittels eines elektromechanischen Schalters einzeln elektrisch abgetrennt werden können und mehrere Verbraucher als Gruppe mittels der mindestens einen Vorrichtung

elektrisch abgetrennt werden können.

Vorteilhaft beim erfindungsgemäßen elektrischen Netzwerk ist, dass die Anzahl elektrischer Schalter, beispielsweise von Festkörperschaltern, reduziert werden kann und somit Kosten reduziert werden und Leistungsverluste ebenso. Der Fehler strom kann schnell innerhalb von 10 ps (Mikro Sekunden) un terbrochen werden, wobei der Fehler selbst langsamer mit her kömmlichen elektromechanischen Schaltern isoliert werden kann. Nachdem im Fehlerfall sehr schnell die Verbraucher von den Einspeisungen getrennt werden, erfolgt die eigentliche Isolierung des Fehlers über die elektromechanischen Schalter bei einem reduzierten Fehlerstrom oder bei gewissen Anwendun gen sogar stromlos. Dadurch können die vorgeschlagenen elekt romechanischen Schalter viel geringer dimensioniert werden im Vergleich zu Schaltern in konventionellen Netzwerken. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Spannung auf der Sammelschiene 200 gehalten wird und das restliche, nicht vom Fehlerfall be troffene System weiter operabel bleibt. Das Wiederladen der Gruppe geschieht viel schneller als ein Wiederladen des ge samten Systems.

In einer Ausgestaltung ist der elektrische Schalter der min destens einen Vorrichtung ein Halbleiterschalter.

In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die mindestens eine Vorrichtung des Weiteren eine Einheit zur Kommunikation.

Die mindestens eine Vorrichtung kann des Weiteren eine Steu ereinheit für eine Einschalttransiente umfassen. Diese Ein heit kann die Einschalttransient unterdrücken.

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

In einer Ausgestaltung unterbricht die Vor-Ladevorrichtung den Vor-Ladevorgang, wenn die Spannung auf der Sammelschiene nicht ansteigt, was auf einem weiterhin bestehenden Fehler hinweist .

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.

In einer weiteren Ausgestaltung ist das elektrische Netzwerk ein Gleichstromkreislauf.

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: Gleichstromnetzwerk mit mehreren Einspeisungen und

Verbrauchern;

Figur 2: erfindungsgemäßes elektrisches Netzwerk mit mehre ren Einspeisungen und Verbrauchern; und

Figur 3 : Vorrichtung zum Öffnen oder Schließen einen Gleich stromkreises . Figur 2 zeigt ein erfindungsgemäßes elektrisches Netzwerk 1000. Dieses Netzwerk 1000 ist mit Einspeisungen 1010; 1011; 1012; 1013; 1014; 1015 und Verbrauchern 1050; 1051; 1052; 1053; 1054; 1055; 1056; 1057 und einem dazwischen angeordne ten Verteilnetzwerk 2000 versehen. Das Verteilnetzwerk 2000 umfasst Sammelschienen 200, 200', 200'', an die die Einspei sungen 1010; 1011; 1012; 1013; 1014; 1015 und Verbraucher 1050; 1051; 1052; 1053; 1054; 1055; 1056; 1057 elektrisch an geschlossen sind.

Das Verteilnetzwerk 2000 umfasst zum einen Vorrichtungen 2010; 2011 zum Öffnen oder Schließen eines Gleichstromkreises und des Weiteren elektromechanische Schalter 2020; 2021;

2022; 2023; 2024; 2025. Des Weiteren sind im Verteilnetzwerk 2000 Schutzeinrichtungen 2050; 2051; 2052; 2053; 2054; 2055; 2056; 2057; 2058; 2059 enthalten.

Mehrere Verbraucher 1050; 1051; 1052; 1053; 1054; 1055; 1056; 1057 des erfindungsgemäßen elektrischen Netzwerks 1000 bilden jeweils eine Gruppe. Beispielsweise bilden die Verbraucher 1050; 1051; 1052 eine erste Gruppe. Eine zweite Gruppe wird von den Verbrauchern 1053; 1054; 1055 gebildet.

Jeder dieser Verbraucher 1050; 1051; 1052, 1053; 1054; 1055 ist mit einem elektromechanischen Schalter 2020; 2021; 2022, 2023; 2024; 2025 im Fehlerfall abtrennbar vom Verteilnetzwerk 2000. Verbraucher 1050 ist der elektromechanische Schalter 2020 zugeordnet, Verbraucher 1051 der elektromechanische Schalter 2021 und Verbraucher 1052 der elektromechanische Schalter 2022. Die elektromechanischen Schalter 2020; 2021; 2022 sind elektrisch mit einer ersten Sammelschiene 200' ver bunden, die wiederum mit einer Vorrichtung 2010 zum Öffnen oder Schließen eines Gleichstromkreises mit der Sammelschiene 200 des Verteilnetzwerks 2000 elektrisch verbunden ist.

Analoges gilt für die zweite Gruppe an Verbrauchern 1053; 1054; 1055. Verbraucher 1053 ist über den elektromechanischen Schalter 2023 mit der zweiten Sammelschiene 200'' verbunden. Verbraucher 1054 mittels des elektromechanischen Schalters 2024 mit der zweiten Sammelschiene 200'' und Verbraucher 1055 mittels des elektromechanischen Schalters 2025 ebenfalls mit der zweiten Sammelschiene 200''. Diese zweite Sammelschiene 200'' wiederum ist mit einer Vorrichtung 2011 zum Öffnen oder Schließen eines Gleichstromkreises mit der Sammelschiene 200 des Verteilnetzwerks 2000 elektrisch verbunden.

Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen elektrischen Netz werks 1000 wird anhand eines beispielhaften Fehlers in der Verbindung zwischen dem Verbraucher 1050 und dem elektrome chanischen Schalters 2020 diskutiert. Dieser Fehler wird von der Vorrichtung 2010 zum Öffnen oder Schließen eines Gleich stromkreises und ebenso vom elektromechanischen Schalter 2020 detektiert. Aufgrund des schnelleren Auslöseverhaltens der Vorrichtung 2010 zum Öffnen oder Schließen eines Gleichstrom kreises wird die Vorrichtung 2010 unmittelbar geöffnet und verhindert somit einen weiteren Stromfluss Richtung des Feh lers von den anderen Einspeisungen.

In der Zwischenzeit löst der elektromechanische Schalter 2020 ebenfalls aus, um den Fehler zu isolieren. Ein schnell schal tender elektromechanischer Schalter 2020 wird hierfür bevor zugt, dessen Schaltzeit im Bereich mehrerer ms (Milli Sekun den) ist. Die Vorrichtung 2010 zum Öffnen oder Schließen ei nes Gleichstromkreises kann nun entweder eine fest definierte Zeitspanne oder aufgrund eines Befehls, welcher angibt, dass der Fehler behoben ist, wieder eingeschaltet werden.

Die Vorrichtung 2010 zum Öffnen oder Schließen eines Gleich stromkreises kann mittels der Vor-Ladevorrichtung 140 die erste Sammelschiene 200' wiederladen, und danach wieder ein geschaltet werden. Falls die Vorrichtung 2010 zum Öffnen oder Schließen eines Gleichstromkreises weiterhin einen Fehler strom erkennt, kann diese Vorrichtung 2010 wiederum öffnen und geöffnet bleiben. Vorteilhaft ist bei diesem Verfahren, dass die Einspeisungen und Verbraucher im restlichen Teil des elektrischen Netzwerks 1000, die nicht vom Fehler betroffen sind, weiterhin betrie ben werden können und keinen Ausfall zeigen. Die Verbraucher in der Gruppe mit dem Fehler haben einen kurzzeitigen Aus fall, abhängig von der Ausschaltgeschwindigkeit des zugeord neten elektromechanischen Schalters und der Zeit, die das Wiederanschalten der Vorrichtung zum Öffnen oder Schließen eines Gleichstromkreises benötigt. Die Ausfallzeit sollte be grenzt sein auf einige 10 ms (Milli Sekunden) . Für sehr emp findliche Verbraucher, deren Strom nicht unterbrochen werden sollte, können unterbrechungsfreie Stromversorgungen (unin- terruptible power supply, UPS) vorgesehen sein. Andere Ver braucher sollten diese kurzen Ausfallzeiten überstehen kön nen, da diese Ausfallzeiten auch bisher schon Standard sind.

In Figur 3 ist die Vorrichtung 2010; 2011 zum Öffnen oder Schließen eines Gleichstromkreises mit mindestens einer Sam melschiene 200; 200'; 200'' dargestellt. Die Vorrichtung 2010; 2011 umfasst dazu einen elektrischen Schalter 110 zum Öffnen oder Schließen des Gleichstromkreises, eine Fehler stromerkennung 120, eine Auslöseeinheit 130 und eine Vor- Ladevorrichtung 140, wobei bei Detektion eines Fehlerstroms durch die Fehlerstromerkennung 120 der elektrische Schalter 110 mittels der Auslöseeinheit 130 den Gleichstromkreis öff net und wobei die Vor-Ladevorrichtung 140 vor dem Schließen des elektrischen Schalters 110 die Spannung auf der Sammel schiene 200; 200'; 200'' wieder herstellt. Zum automatischen Schließen ist des Weiteren bei der Vorrichtung 2010; 2011 ei ne Steuereinheit 150 vorgesehen, die den elektrischen Schal ter 110 nach der Vorladung automatisch schließen kann.

Der elektrische Schalter 110 der Vorrichtung 2010; 2011 kann beispielsweise ein Festkörperschalter oder ein Halbleiter schalter 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 Vorrichtung 2010; 2011 des Weiteren eine Einheit 180 zur Kommunikation umfassen. Diese Einheit 180 zur Kommunikation kann Befehle von einer übergeordneten Steuereinheit erhalten und/oder in einem Ver teilnetzwerk 2000 angeordnete Vorrichtungen 2010; 2011 koor dinieren .

Des Weiteren kann die Vorrichtung 2010; 2011 eine Steuerein heit 160 für eine Einschalttransiente umfassen. Beispielswei se kann die Steuereinheit 160 die Einschalttransiente unter drücken .

Die Vorrichtung 2010; 2011 kann des Weiteren eine Messeinheit 170 zur Messung von Strom- und/oder Spannungswerten umfassen.

Die Vor-Ladevorrichtung 140 kann die Spannung auf der Sammel schiene 200; 200'; 200'' nach einer ersten Wartezeit wieder herstellen. Alternativ stellt die Vor-Ladevorrichtung 140 die Spannung auf der Sammelschiene 200; 200'; 200'' nach Erhalt eines Befehls wieder her. Der Befehl kann über die Einheit 180 zur Kommunikation an die Vor-Ladevorrichtung 140 gegeben werden .

Die Steuereinheit 150 zum automatischen Schließen des

elektrischen Schalters 110 kann diesen automatisch nach einer zweiten Wartezeit schließen. Ebenso kann die Steuereinheit 150 zum automatischen Schließen des elektrischen Schalters 110 diesen nach Wiederherstellung einer Spannung auf der Sam melschiene 200; 200'; 200'' oberhalb eines Schwellwerts schließen. Dazu kann die Steuereinheit 150 zum automatischen Schließen eines elektrischen Schalters 110 von der Messein heit 170 die Spannungswerte auf der Sammelschiene 200; 200'; 200'' erhalten. Falls bei dem Vor-Ladevorgang die Spannung auf der Sammelschiene 200; 200'; 200'' nicht ansteigt, weist dies darauf hin, dass der Fehler noch nicht beseitigt ist.

Der Vor-Ladevorgang muss in diesem Fall unterbrochen werden.

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.