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Title:
METHOD FOR DETECTING A SHORT CIRCUIT OF A DC LOAD AND RECTIFIER WITH SUCH A METHOD
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/052949
Kind Code:
A2
Abstract:
The application relates to a method for detecting a short circuit (33) of a DC load (30), which can be connected to an AC network (20) via a rectifier (1) comprising an AC/DC converter (10). The method comprises the following steps: - setting a source voltage at an output capacity (4) of the rectifier (1) via a rectified power flow taken from the AC network (20), - connecting the output capacity (4) of the rectifier (1), previously set to the source voltage, to the input (32) of the DC load (30), a further power flow from the AC network (20) to the rectifier (1) and a recharging of the output capacity (4) associated therewith being suppressed, - detecting a voltage U present across an input (32) of the DC load (30) and/or a current I flowing via the input (32) of the DC load (30), - signalling a short circuit (33) if the voltage U detected, a time development of the voltage U detected, the current I detected, a time development of the current I detected, a combination of the voltage U detected and the current I detected and/or a combination of the time curves of the voltage U detected and the current I detected meet at least one predefined criterion. The application also relates to a rectifier (1) designed to carry out the method.

Inventors:
KRATOCHVIL MARCEL (DE)
UNRU ALEXANDER (DE)
Application Number:
PCT/EP2020/075748
Publication Date:
March 25, 2021
Filing Date:
September 15, 2020
Export Citation:
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Assignee:
SMA SOLAR TECHNOLOGY AG (DE)
International Classes:
H02H7/12; G01R31/52; H02H7/125; H02H11/00
Foreign References:
US6339526B12002-01-15
Download PDF:
Claims:
_ WO 2021/052949 _ ' u ~ _ PCT/EP2020/075748 _

Patentansprüche

1. Verfahren zum Detektieren eines Kurzschlusses (33) einer DC-Last (30), die über einen einen AC/DC-Wandler (10) umfassenden Gleichrichter (1) mit einem AC- Netz (20) verbindbar ist, mit den Schritten:

- Einstellen einer Quellspannung an einer Ausgangskapazität (4) des Gleichrichters (1) über einen dem AC-Netz (20) entnommenen gleichgerichteten Leistungsfluss,

- Verbinden der zuvor auf die Quellspannung eingestellten Ausgangskapazität (4) des Gleichrichters (1) mit dem Eingang (32) der DC-Last (30), wobei ein weiterer Leistungsfluss aus dem AC-Netz (20) in den Gleichrichter (1) und ein damit verbundenes Wiederaufladen der Ausgangskapazität (4) unterdrückt wird,

- Detektion einer an einem Eingang (32) der DC-Last (30) anliegenden Spannung U und/oder eines über den Eingang (32) der DC-Last (30) fließenden Stromes I,

- Signalisieren eines Kurzschlusses (33) der DC-Last, wenn die detektierte Spannung U, ein Zeitverlauf der detektierten Spannung U, der detektierte Strom I, ein Zeitverlauf des detektierten Stroms I, eine Kombination der detektierten Spannung U und des detektierten Stroms I und/oder eine Kombination der Zeitverläufe der detektierten Spannung U und des detektierten Stroms I zumindest ein vorgegebenes Kriterium erfüllen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das zumindest eine vorgegebene Kriterium zumindest eines der folgenden Kriterien umfasst:

- ein Betrag einer zeitlichen Änderung der an dem Eingang (32) der DC-Last (30) anliegenden Spannung dU/dt übersteigt einen der Quellspannung zugeordneten ersten Schwellwert (dü/dt)™, und/oder

- der über den Eingang (32) der DC-Last fließende Strom I übersteigt einen zweiten Schwellwert ITH, und/oder

- ein Quotient der an dem Eingang (32) der DC-Last (30) anliegenden Spannung U und des über den Eingang (32) der DC-Last (30) fließenden Stroms I unterschreitet einen dritten Schwellwert RTH.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Wert der Quellspannung so gewählt ist, dass bei Übertragung einer der Quellspannung zugeordneten Energiemenge auf die DC-Last (30), insbesondere im Falle eines vorliegenden Kurzschlusses (33) der DC-Last (30), eine Beschädigung von Komponenten der DC-Last (30) und/oder des Gleichrichters (1) ausgeschlossen ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Gleichrichter (1) als einstufiger Gleichrichter ausgelegt ist und der weitere Leistungsfluss aus dem AC- Netz (20) in die Ausgangskapazität (4) dadurch unterdrückt wird, dass bei dem Verbinden der Ausgangskapazität (4) mit der DC-Last (30) die Ausgangskapazität (4) über eine geöffnete AC-Trenneinheit (5) galvanisch von dem AC-Netz (20) getrennt ist.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 4, wobei die Ausgangskapazität (4) des einstufig ausgelegten Gleichrichters (1) über Freilaufdioden oder Dioden des AC/DC-Wandlers (10) bis auf eine Quellspannung aufgeladen wird, die der Amplitude der Wechselspannung des AC-Netzes (20) entspricht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Gleichrichter (1) als mehrstufiger Gleichrichter mit einem dem AC/DC-Wandler (10) nachgeschalteten DC/DC-Wandler (12) und einer dazwischen angeordneten Zwischenkreiskapazität

(11) ausgelegt ist, und wobei bei dem Verbinden der Ausgangskapazität (4) mit der DC-Last (30) der weitere Leistungsfluss von dem AC-Netz (20) in den Gleichrichter (1) über einen geöffneten Halbleiterschalter des DC/DC-Wandlers

(12) unterdrückt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Ausgangskapazität (4) des mehrstufig ausgelegten Gleichrichters (1) über einen der Ausgangskapazität (4) vorgeschalteten DC/DC-Wandler (12) auf eine Quellspannung eingestellt wird, deren Wert unterhalb der Amplitude der Wechselspannung des AC-Netzes (20) liegt.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Leistungsfluss zum Einstellen der Quellspannung an der Ausgangskapazität (4) dem AC-Netz (20) über einen Vorladewiderstand (7) entnommen wird.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Gleichrichter (1 ) einstufig ausgeführt ist und das Einstellen der Ausgangskapazität (4) auf die Quellspannung beinhaltet, dass eine anfänglich oberhalb der Quellspannung liegende Spannung der Ausgangskapazität (4) durch Dissipation der in der Ausgangskapazität (4) gespeicherten Energie auf den Wert der Quellspannung verringert wird, und wobei die Ausgangskapazität (4) während der Dissipation von dem AC-Netz (20) getrennt ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Dissipation der in der Ausgangskapazität (4) gespeicherten Energie durch ein Takten von Halbleiterschaltern des AC/DC- Wandlers (10) oder durch einen Betrieb von zumindest einem an die Ausgangskapazität (4) angeschlossenen Kleinverbraucher, z.B. einem Lüfter herbeigeführt wird.

11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die DC-Last (30) einen Elektrolyseur (31) umfasst.

12. Gleichrichter (1) zur Wandlung einer Wechselspannung in eine Gleichspannung, mit einem AC-Eingang (2) zur Verbindung des Gleichrichters (1) mit einem AC- Netz (20) und einem DC-Ausgang (3) zur Verbindung des Gleichrichters (1) mit einer DC-Last (30), umfassend einen AC/DC-Wandler (10), eine mit dem DC-Ausgang (3) des Gleichrichters (1) verbundene Ausgangskapazität (4), eine mit dem AC-Eingang (2) verbundene AC-Trenneinheit (5) und einen mit dem DC-Ausgang (3) verbundenen DC-Trennschalter (14), und eine Steuerungseinheit (15) zur Ansteuerung des Gleichrichters (1), die zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgelegt und eingerichtet ist.

13. Gleichrichter (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die AC- Trenneinheit (5) einen Vorladewiderstand (7) umfasst und ausgelegt ist, eine Verbindung des dem Gleichrichter (1) zugeordneten AC/DC-Wandlers (10) mit dem AC-Netz (20) einerseits über den Vorladewiderstand (7) und andererseits in direkter Art und ohne Zwischenschaltung des Vorladewiderstandes (7) bereitzustellen.

14. Gleichrichter (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (1), insbesondere der AC/DC-Wandler (10) in Bezug auf einen Leistungsfluss für einen bidirektionalen Betrieb ausgelegt und eingerichtet ist.

15. Gleichrichter (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (1) mehrstufig ausgelegt ist und einen zwischen dem AC/DC-Wandler (10) und der Ausgangskapazität (4) angeordneten DC/DC- Wandler (12) umfasst.

16. Gleichrichter (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (15) des Gleichrichters (1) ausgelegt und eingerichtet ist, in Reaktion auf einen detektierten Kurzschluss (33) der DC-Last (30), einen dauerhaften Leistungsfluss aus dem AC-Netz (20) über den Gleichrichter (1 ) in die DC-Last (30) zu unterbinden, indem ein Schließen der AC-Trenneinheit (5) und/oder gegebenenfalls ein Takten von Halbleiterschaltern des DC/DC-Wandlers (12) verhindert wird.

Description:
VERFAHREN ZUM DETEKTIEREN EINES KURZSCHLUSSES EINER DC-LAST UND GLEICHRICHTER MIT EINEM DERARTIGEN VERFAHREN

Technisches Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren eines Kurzschlusses einer DC- Last, die über einen Gleichrichter an ein Wechselspannungs (AC) - Netz angeschlossen wird. Die Erfindung betrifft zusätzlich einen Gleichrichter, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt und eingerichtet ist. Bei der DC-Last kann es sich beispielsweise um einen Elektrolyseur oder eine aufladbare Batterie handeln.

Stand der Technik

Bei dem sogenannten Power-to-Gas Verfahren wird elektrische Energie in einen gasförmigen Energieträger, beispielsweise Wasserstoff, umgewandelt. Hierzu wird ein Elektrolyseur über einen Gleichrichter an ein Wechselspannungs (AC) - Netz angeschlossen. In dem als DC-Last operierenden Elektrolyseur erfolgt eine übereinen Leistungsfluss aus dem AC-Netz getriebene Elektrolyse von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Dabei wird eine Reaktionsgeschwindigkeit der Elektrolyse über den Leistungsfluss durch den Gleichrichter gesteuert. Der Wasserstoff kann in einen anderen gasförmigen Energieträger (beispielsweise Methan) weiterverarbeitet oder auch direkt gespeichert werden. Der gespeicherte Wasserstoff kann zur Energieerzeugung, beispielsweise in einer Brennstoffzelle, oder auch als Ausgangsprodukt in der chemischen Industrie Verwendung finden.

Bei derzeit üblichen Elektrolyseuren werden Leistungen von einigen MW bis ca. 10 MW umgesetzt. Dabei liegt ihr Arbeitsbereich im Strom-Spannungs-Diagramm zwischen 0,1 kA und 4 kA bzw. zwischen 0,3 und 1,5 kV. Aus Sicherheitsgründen ist vor Betriebsstart des Elektrolyseurs ein Kurzschlusstest an dessen Eingang erforderlich. Dabei erfolgt der Kurzschlusstest herkömmlicherweise über Vorladewiderstände, die sowohl an einem AC-Eingang, als auch an einem DC Ausgang des Gleichrichters vorgesehen sind. Die Vorladewiderstände haben die Aufgabe, einen Leistungsfluss aus dem AC-Netz, insbesondere im Falle eines lastseitigen Kurzschlusses zu begrenzen und so eine Beschädigung von Komponenten des als DC-Last operierenden Elektrolyseurs und/oder des Gleichrichters zu verhindern. Die Vorladewiderstände müssen zumindest kurzzeitig einen relativ hohen Leistungsfluss tolerieren können. Auch aus diesem Grund sind derartige Vorladewiderstände relativ teuer. In einem normalen Betrieb des Elektrolyseurs sind sie hingegen nicht erforderlich, sondern werden vielmehr niederimpedant überbrückt. Es ist daher wünschenswert, soweit möglich auf derartige Vorladewiderstände zu verzichten.

Die Schrift US 6339526 B1 offenbart ein Batterie-Backup-System, das über eine Niederspannungs-Trennschaltung mit einer Last verbunden ist. Die Niederspannungs- Trennschaltung umfasst einen zwischen einem Eingang und einem Ausgang der Niederspannungs-Trennschaltung geschalteten Niederspannungswächter, sowie einen von dem Niederspannungswächter gesteuerten Trennschalter, der ausgelegt ist, den Eingang mit dem Ausgang zu verbinden. Die Niederspannungs-Trennschaltung umfasst weiterhin einen Kurzschlussschutzschaltung, die ausgelegt ist, einen Kurzschluss der Last zu bestimmen und in Abhängigkeit eines bestimmten Kurzschlusses zusammen mit dem Niederspannungswächter das Schließen des Trennschalters zu verhindern.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Detektieren eines Kurzschlusses an einem Eingang einer DC-Last anzugeben, die über einen Gleichrichter, insbesondere einen aktiv steuerbaren Gleichrichter mit einem AC-Netz verbindbar ist. Dabei soll eine Beschädigung von Komponenten der DC-Last und/oder des Gleichrichters, insbesondere im Fall eines tatsächlich vorliegenden Kurzschlusses der DC-Last, möglichst ausgeschlossen sein. Das Verfahren soll möglichst kostengünstig durchführbar sein. Es ist zudem Aufgabe der Erfindung, einen für das Verfahren geeigneten Gleichrichter aufzuzeigen. Konkret soll auch der für das Verfahren notwendige Gleichrichter möglichst kostengünstig sein, und insbesondere mit möglichst wenig vorzuhaltenden Vorladewiderständen ausgelegt sein.

Lösung

Die Aufgabe, ein Verfahren zum Detektieren eines Kurzschlusses am Eingang einer über einen Gleichrichter mit einem AC-Netz verbindbaren DC Last aufzuzeigen, wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 11 wiedergegeben. Die Aufgabe, einen zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Gleichrichter aufzuzeigen, wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Gleichrichters sind in den Ansprüchen 13 bis 16 wiedergegeben.

Beschreibung der Erfindung

Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient dem Detektieren eines Kurzschlusses einer DC-Last, die über einen Gleichrichter mit einem AC-Netz verbindbar ist. Der Gleichrichter umfasst dabei mindestens einen AC/DC-Wandler und eine Ausgangskapazität als Energiespeicher. Das Verfahren umfasst die Schritte:

Einstellen einer Quellspannung an der Ausgangskapazität des Gleichrichters über einen dem AC-Netz entnommenen gleichgerichteten Leistungsfluss,

Verbinden der zuvor auf die Quellspannung eingestellten Ausgangskapazität des Gleichrichters mit dem Eingang der DC-Last, wobei ein weiterer Leistungsfluss aus dem AC-Netz in den Gleichrichter und ein damit verbundenes Wiederaufladen der Ausgangskapazität unterdrückt wird,

Detektion einer an einem Eingang der DC-Last anliegenden Spannung U und/oder eines über den Eingang der DC-Last fließenden Stromes I, und

Signalisieren eines Kurzschlusses der DC-Last, wenn die detektierte Spannung U, ein Zeitverlauf der detektierten Spannung U, der detektierte Strom I, ein Zeitverlauf des detektierten Stroms I, eine Kombination der detektierten Spannung U und des detektierten Stroms I, und/oder eine Kombination der Zeitverläufe der detektierten Spannung U und des detektierten Stroms I zumindest ein vorgegebenes Kriterium erfüllen.

Bei der Ausgangskapazität handelt es sich um eine Kapazität des Gleichrichters, die so mit einem DC-Ausgang des Gleichrichters verbunden, oder über einen Schalter schaltbar verbunden ist, dass - gegebenenfalls bei durchgeschaltetem Schalter - eine über der Ausgangskapazität abfallende Spannung auch an dem DC-Ausgang des Gleichrichters anliegt. Je nach einer Nominalleistung des Gleichrichters kann der zumindest eine AC/DC-Wandler auch mehrere AC/DC-Wandler umfassen, die parallel zueinander mit dem DC-Ausgang des Gleichrichters verbunden sind. Das Verfahren nutzt den Effekt, dass beim und während des Verbindens der Ausgangskapazität mit dem Eingang der DC-Last ein direkter (im Sinne von durchgängig erfolgender) _ WO 2021/052949 _ l _ PCT/EP2020/075748 _

Leistungsfluss aus dem AC-Netz über den Gleichrichter in die DC-Last unterdrückt wird. Vielmehr erfolgt die Entnahme eines Leistungsflusses aus dem AC-Netz in den Gleichrichter einerseits und die Abgabe eines Leistungsflusses von dem Gleichrichter in die DC-Last andererseits nicht zeitgleich, sondern zeitversetzt zueinander. Konkret wird bei dem Einstellen der Quellspannung an der Ausgangskapazität der Gleichrichter über eine AC-Trenneinheit mit dem AC-Netz verbunden. Durch die Verbindung erfolgt ein Leistungsfluss aus dem AC-Netz in den Gleichrichter, wobei jedoch eine gleichzeitig erfolgende Abgabe eines Leistungsflusses von dem Gleichrichter in die DC-Last unterdrückt wird. Stattdessen wird die aus dem AC-Netz entnommene Energie zunächst in dem Gleichrichter zwischengespeichert und erst zeitversetzt, insbesondere später an die DC-Last weitergeleitet.

Bei einem einstufigen Gleichrichter kann die Abgabe des Leistungsflusses an die DC- Last durch einen geöffneten DC-Trennschalter unterdrückt werden. Ein derartiger DC- Trennschalter, über den die Ausgangskapazität des Gleichrichters mit der DC-Last verbunden bzw. getrennt werden kann, ist üblicherweise ohnehin am DC-Ausgang entsprechender Gleichrichter angeordnet und stellt damit keine zusätzlich erforderliche Komponente dar. Bei einem zweistufigen Gleichrichter kann die Abgabe eines Leistungsflusses an die DC-Last auch über eine Deaktivierung eines DC/DC-Wandlers unterdrückt werden, der zwischen dem AC/DC-Wandler und dem DC-Ausgang des zweistufigen Gleichrichters angeordnet ist. Erst nachdem der Leistungsfluss aus dem AC-Netz entnommen wurde und dessen Energie in dem Gleichrichter, beispielsweise in dessen Ausgangskapazität und/oder einer Zwischenkreiskapazität des Gleichrichters zwischengespeichert wurde, erfolgt eine Abgabe von Leistung seitens des Gleichrichters an die DC-Last. Hierzu wird die Ausgangskapazität des Gleichrichters, die zumindest einen Teil der zuvor aus dem AC-Netz entnommenen Energie enthält, beispielsweise über ein Schließen des DC-Trennschalters elektrisch mit der DC-Last verbunden. Dabei wird jedoch ein weiterer Leistungsfluss aus dem AC-Netz in den Gleichrichter, insbesondere in die mit der DC-Last verbundene Ausgangskapazität des Gleichrichters unterdrückt. Die Unterdrückung kann dadurch erfolgen, dass die zuvor geschlossene AC-Trenneinheit wieder geöffnet wird und der AC/DC-Wandler des Gleichrichters galvanisch von dem AC-Netz getrennt wird. Alternativ oder kumulativ dazu kann bei einem zweistufigen Gleichrichter der Leistungsfluss aus dem AC-Netz in die Ausgangskapazität des Gleichrichters jedoch auch über einen deaktivierten DC/DC-Wandler des Gleichrichters unterdrückt werden.

Das Einstellen der Quellspannung an der Ausgangskapazität des Gleichrichters über den dem AC-Netz entnommenen Leistungsfluss kann, muss aber nicht zwingend zeitgleich zu der Entnahme des Leistungsflusses aus dem AC-Netz erfolgen. Alternativ dazu ist es auch möglich, dass das Einstellen der Quellspannung an der Ausgangskapazität und ein damit verbundenes Aufladen der Ausgangskapazität zeitversetzt zu der Entnahme des Leistungsflusses aus dem AC-Netz erfolgt. Konkret kann beispielsweise bei einem zweistufig ausgelegten Gleichrichter ein Leistungsfluss aus dem AC-Netz entnommen werden, der zunächst in einer der Ausgangskapazität vorgelagerten Zwischenkreiskapazität gespeichert wird. Die Einstellung der Ausgangskapazität auf die Quellspannung kann dann zu einem späteren Zeitpunkt über einen Ladungstransport von der Zwischenkreiskapazität an die Ausgangskapazität erfolgen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein eventuell vorhandener Kurzschluss der DC-Last nur mittels einer begrenzten Energiemenge detektiert, die zuvor dem AC- Netz entnommen und in dem Gleichrichter zwischengespeichert wurde. Über eine geeignete Wahl der begrenzten Energiemenge kann eine Beschädigung von Komponenten des Gleichrichters und/oder der DC-Last ausgeschlossen werden. Dabei kann ein Wert der Quellspannung an der Ausgangskapazität des Gleichrichters so gewählt sein, dass eine Beschädigung von Komponenten der DC-Last und/oder des Gleichrichters bei Übertragung einer der Quellspannung zugeordneten Energiemenge auf die DC-Last, insbesondere im Falle eines an der DC-Last vorliegenden Kurzschlusses, ausgeschlossen ist.

Die Detektion der an dem Eingang der DC-Last anliegenden Spannung U und des über den Eingang der DC-Last fließenden Stroms I kann auch eine Detektion eines Zeitverlaufs der jeweiligen Größen umfassen. Dabei kann die Detektion über eine separate Messeinheit direkt an der DC-Last vorgenommen werden. Alternativ kann die Detektion jedoch auch über eine ohnehin an dem DC-Ausgang des Gleichrichters angeordnete Messeinheit des Gleichrichters erfolgen. Eine Auswertung der detektierten Spannung U und/oder des detektierten Stroms I kann ebenfalls durch eine ohnehin vorhandene Steuerungseinheit des Gleichrichters erfolgen. Auf diese Weise kann das Verfahren möglichst kostengünstig durchgeführt werden, da keine zusätzlichen Komponenten des Gleichrichters zur Durchführung des Verfahrens erforderlich sind. Da eine Leistungsentnahme aus dem AC-Netz in den Gleichrichter und eine Leistungsabgabe von dem Gleichrichter in die DC-Last zeitversetzt zueinander erfolgen, kann auf ein Vorhalten von Vorladewiderständen an dem DC- Ausgang des Gleichrichters verzichtet werden. Diese sind vielmehr lediglich noch an dem AC-Eingang des Gleichrichters erforderlich. Obwohl das Verfahren nicht auf einen besonderen Typ einer DC-Last beschränkt ist, kann die DC-Last jedoch insbesondere einen Elektrolyseur umfassen.

In einer vorteilhaften Variante des Verfahrens kann zur Signalisierung eines Kurzschlusses der DC-Last zumindest eines der folgenden Kriterien überprüft werden: ein Betrag einer zeitlichen Änderung der an dem Eingang der DC-Last anliegenden Spannung dU/dt übersteigt einen der Quellspannung zugeordneten ersten Schwellwert (dü/dt)™, und/oder der über den DC-Eingang der DC-Last fließende Strom I übersteigt einen zweiten Schwellwert ITH, und/oder ein Quotient der an dem Eingang der DC-Last anliegenden Spannung und des über den Eingang der DC-Last fließenden Stroms I unterschreitet einen dritten Schwellwert RTH. Das Verfahren kann einen Kurzschluss der DC-Last signalisieren, wenn bei der Überprüfung zumindest eines der Kriterien erfüllt wird. Zusätzlich ist es möglich, einen Kurzschluss dann zu signalisieren, wenn mehrere der Kriterien gleichzeitig erfüllt werden. Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Werte von Spannung U und Strom I mit Zeitstempeln versehen sein können, die den Zeitpunkt ihrer Detektion kennzeichnen. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn Zeitverläufe der Spannung U bzw. des Stroms I detektiert und ausgewertet werden. In diesem Fall können zeitgleich oder zumindest zeitnah detektierte Werte von Spannung U und Strom I einander zugeordnet werden. Für eine Signalisierung eines Kurzschlusses der DC-Last ist es ausreichend, wenn das zumindest eine Kriterium lediglich während einer begrenzten Zeitspanne innerhalb des detektierten Zeitverlaufs, und nicht in dem gesamten detektierten Zeitverlauf erfüllt ist.

Üblicherweise kann der AC/DC-Wandler als aktiv steuerbarer AC/DC-Wandler ausgelegt sein und aktiv steuerbare Halbleiterschalter, beispielsweise Transistoren aufweisen. Jedem der aktiv steuerbaren Halbleiterschalter kann eine Freilaufdiode antiparallel geschaltet sein. Alternativ dazu ist es im Rahmen der Erfindung jedoch auch möglich, dass der AC/DC-Wandler frei von aktiv steuerbaren Halbleiterschaltern ist und zur Gleichrichtung der AC-Spannung lediglich Dioden beinhaltet. Im Falle eines Kurzschlusses der DC-Last sind sowohl die Freilaufdioden eines aktiv steuerbaren AC/DC-Wandlers, als auch die Dioden eines nicht aktiv steuerbaren AC/DC-Wandlers nicht in der Lage, einen Leistungsfluss aus dem AC-Netz zu unterdrücken, sofern an einem AC-Eingang des AC/DC-Wandler weiterhin eine AC-Spannung anliegt. In einer Ausführungsform des Verfahrens ist der Gleichrichter als einstufiger Gleichrichter ausgelegt. Dabei kann die Ausgangskapazität des einstufig ausgelegten Gleichrichters über die Freilaufdioden oder die Dioden des AC/DC-Wandlers bis auf eine Quellspannung aufgeladen werden, die der Amplitude der Wechselspannung des AC- Netzes entspricht. Die Aufladung der Ausgangskapazität erfolgt bei geschlossener AC- Trenneinheit. Bei dem Verbinden der Ausgangskapazität mit der DC-Last hingegen kann die Ausgangskapazität über eine geöffnete AC-Trenneinheit des Gleichrichters galvanisch von dem AC-Netz getrennt sein, wodurch ein weiterer Leistungsfluss aus dem AC-Netz in die Ausgangskapazität des einstufigen Gleichrichters effektiv unterdrückt werden kann. In einigen Fällen kann es erforderlich sein, dass die Ausgangskapazität des einstufigen Gleichrichters auf eine Quellspannung eingestellt werden soll, deren Wert unterhalb einer Amplitude der Wechselspannung des AC- Netzes liegt. Hierbei kann das Einstellen der Ausgangskapazität auf die Quellspannung beinhalten, dass eine anfänglich oberhalb der Quellspannung liegende Spannung der Ausgangskapazität durch eine Dissipation der in der Ausgangskapazität gespeicherten Energie auf den gewünschten Wert der Quellspannung verringert wird. Dabei kann die Dissipation der in der Ausgangskapazität gespeicherten Energie durch ein Takten von Halbleiterschaltern des AC/DC-Wandlers erfolgen. Alternativ oder kumulativ kann die Dissipation jedoch auch durch einen Betrieb von zumindest einem an die Ausgangskapazität angeschlossenen Kleinverbraucher, z.B. einem Lüfter des Gleichrichters herbeigeführt werden. Damit bei der Dissipation der Energie ein weiterer Leistungsfluss aus dem AC-Netz in die Ausgangskapazität hinein und damit ein erneutes Aufladen der Ausgangskapazität unterdrückt wird, kann die Ausgangskapazität während der Dissipation der in ihr gespeicherten Energie von dem AC-Netz getrennt sein. In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens kann der Gleichrichter als mehrstufiger Gleichrichter ausgelegt sein und einen dem AC/DC-Wandler nachgeschalteten DC/DC-Wandler und eine dazwischen angeordnete Zwischenkreiskapazität umfassen. Hierbei kann ein Leistungsfluss von dem AC-Netz in die Ausgangskapazität über eine zumindest temporäre Deaktivierung des DC/DC- Wandlers, beispielsweise über einen geöffneten Halbleiterschalter des DC/DC- Wandlers, unterdrückt werden. Bei dem mehrstufig ausgelegten Gleichrichter kann die Ausgangskapazität über den der Ausgangskapazität vorgeschalteten DC/DC-Wandler auf eine Quellspannung eingestellt werden, deren Wert unterhalb der Amplitude der Wechselspannung des AC-Netzes liegt. Zu diesem Zweck kann eine begrenzte Ladungsmenge durch den DC/DC-Wandler der vorgeschalteten Zwischenkreiskapazität entnommen und der Ausgangskapazität zugeführt werden. Die begrenzte Ladungsmenge kann die gesamte oder auch nur einen Teil der in der Zwischenkreiskapazität vorhandenen Ladungsmenge umfassen. Bei der Verbindung der Ausgangskapazität mit der DC-Last kann der weitere Leistungsfluss von dem AC- Netz in den Gleichrichter, insbesondere in dessen Ausgangskapazität über eine Deaktivierung des DC/DC-Wandlers, z.B. über einen geöffneten Halbleiterschalter des DC/DC-Wandlers unterdrückt werden. Alternativ oder kumulativ ist es natürlich auch möglich, bei der Verbindung der Ausgangskapazität mit der DC-Last den weiteren Leistungsfluss von dem AC-Netz in den Gleichrichter durch ein Öffnen der AC- Trennschalter 6, 8 der AC-Trenneinheit zu verhindern.

Unabhängig davon, ob es sich um einen einstufigen oder mehrstufigen Gleichrichter handelt, kann der Leistungsfluss zum Einstellen der Quellspannung an der Ausgangskapazität über einen an dem AC-Eingang des Gleichrichters angeordneten Vorladewiderstand aus dem AC-Netz entnommen werden. Über den Vorladewiderstand kann ein Strom in die anfänglich ungeladene Ausgangskapazität bzw. Zwischenkreiskapazität des Gleichrichters effektiv begrenzt werden.

Ein erfindungsgemäßer Gleichrichter ist zur Wandlung einer Wechselspannung in eine Gleichspannung ausgelegt. Hierzu beinhaltet der Gleichrichter einen AC-Eingang zur Verbindung des Gleichrichters mit einem AC-Netz und einen DC-Ausgang zur Verbindung des Gleichrichters mit einer DC-Last. Der Gleichrichter umfasst weiterhin einen AC/DC-Wandler, eine mit dem DC-Ausgang des Gleichrichters verbundene Ausgangskapazität, _ WO 2021/052949 _ z l _ PCT/EP2020/075748 _ eine mit dem AC-Eingang verbundene AC-Trenneinheit und einen mit dem DC- Ausgang verbundenen DC-Trennschalter. Zusätzlich umfasst der Gleichrichter eine Steuerungseinheit zur Ansteuerung des Gleichrichters, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und dessen Ausführungsformen ausgelegt und eingerichtet ist. Es ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren erläuterten Vorteile.

In einer Ausführungsform des Gleichrichters umfasst die AC-Trenneinheit einen Vorladewiderstand. Insbesondere ist die AC-Trenneinheit ausgelegt, eine Verbindung des AC/DC-Wandlers des Gleichrichters mit dem AC-Netz einerseits über den Vorladewiderstand und andererseits in direkter Art und Weise, also ohne Zwischenschaltung des Vorladewiderstandes bereitzustellen. Bei der Verbindung des dem Gleichrichter zugeordneten AC/DC-Wandlers mit dem AC-Netz wird eine Zwischenschaltung des Vorladewiderstandes insbesondere dann benötigt, wenn ein zuvor ungeladener Energiespeicher des Gleichrichters mit einem Leistungsfluss aus dem AC-Netz aufgeladen wird. Hierbei wird der Leistungsfluss in den ungeladenen Energiespeicher auf einen Wert begrenzt, bei dem eine Beschädigung von

Komponenten des Gleichrichters verhindert wird. Bei dem Energiespeicher kann es sich beispielsweise um die Ausgangskapazität eines einstufig ausgelegten Gleichrichters handeln. In einer weiteren Ausführungsform kann der Gleichrichter mehrstufig ausgelegt sein und einen zwischen dem AC/DC-Wandler und der

Ausgangskapazität angeordneten DC/DC-Wandler umfassen. In diesem Fall kann der Vorladewiderstand auch den Leistungsfluss in eine zuvor ungeladene

Zwischenkreiskapazität als Energiespeicher des mehrstufig ausgelegten Gleichrichters begrenzen.

Unabhängig davon, ob der Gleichrichter als einstufiger oder mehrstufiger, insbesondere zweistufiger Gleichrichter ausgelegt ist, kann der Gleichrichter, insbesondere dessen AC/DC-Wandler, gegebenenfalls auch dessen DC/DC-Wandler, in Bezug auf eine Richtung des Leistungsflusses für einen bidirektionalen Betrieb ausgelegt und eingerichtet sein. Dabei ist ein bidirektional operierender Gleichrichter in einem ersten Betriebsmodus ausgelegt, eine Wechselspannung in eine Gleichspannung zu wandeln. Demgegenüber ist er in einem zweiten Betriebsmodus ausgelegt, als Wechselrichter zu operieren und eine Gleichspannung in eine Wechselspannung zu wandeln. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der _ WO 2021/052949 _ 10 _ PCT/EP2020/075748 _

Gleichrichter an seinem DC-Ausgang einerseits mit einer DC-Last, als auch andererseits mit einer DC-Energieerzeugungsanlage, beispielsweise einer Photovoltaik (PV) - Anlage oder einer Brennstoffzelle, verbunden werden kann. Ein bidirektional operierender Gleichrichter ist auch dann sinnvoll, wenn der Gleichrichter DC-seitig mit einer Batterie verbunden wird.

Prinzipiell ist es möglich, dass zur Detektion der an dem Eingang der DC-Last anliegenden Spannung U, wie auch des über den Eingang der DC-Last fließenden Stroms I eine separate Messeinheit verwendet wird. Dabei kann die separate Messeinheit steuerungstechnisch so mit dem Gleichrichter verbunden sein, dass eine Weiterleitung der gemessenen Werte von Spannung U und/oder Strom I an die Steuerungseinheit des Gleichrichters gewährleistet ist. In diesem Fall erfolgt die Detektion außerhalb des Gleichrichters, die Auswertung der detektierten Werte von Spannung U und/oder Strom I jedoch innerhalb des Gleichrichters, nämlich insbesondere durch die Steuerungseinheit des Gleichrichters. In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Gleichrichter selbst jedoch eine Messeinheit zur Detektion einer an der DC-Last anliegenden Spannung und/oder eines über den Eingang der DC-Last fließenden Stroms. Bei der Messeinheit kann es sich um eine ohnehin in dem Gleichrichter vorhandene Messeinheit handeln, die ausgelegt ist, einen über den DC-Ausgang des Gleichrichters fließenden Stroms I und/oder einer an dem DC-Ausgang des Gleichrichters anliegende Spannung U zu detektieren. Wie auch in Verbindung mit den Figuren 1 und 2 beschrieben, entspricht bei üblicher Verschaltung des Gleichrichters mit der DC-Last die an dem Eingang der DC-Last anliegende Spannung U der an dem DC-Ausgang des Gleichrichters anliegenden Spannung U. Gleichfalls entspricht in diesem Fall (der üblichen Verschaltung des Gleichrichters mit der DC-Last) der über den Eingang der DC-Last fließende Strom I auch dem über den DC-Ausgang des Gleichrichters fließenden Strom. Eine gleiche Entsprechung gilt bei üblicher Verschaltung von Gleichrichter und DC-Last auch für die an der Ausgangskapazität anliegende Spannung wie auch für den von der Ausgangskapazität in Richtung des DC-Ausgangs fließenden Stroms.

Prinzipiell ist es möglich, dass die Steuerungseinheit des Gleichrichters ausgelegt ist einen zukünftigen Betrieb des Gleichrichters abhängig davon zu steuern, ob ein oder ob kein Kurzschluss an der DC-Last detektiert wurde. Konkret kann dann, wenn über das Verfahren kein Kurzschluss an der DC-Last detektiert wurde, die Steuerungseinheit einen normalen Betrieb des Gleichrichters zur Versorgung der DC- Last aus dem AC-Netz ermöglichen. Hierzu kann die Steuerungseinheit ausgelegt und eingerichtet sein, über ein Schließen der AC-Trenneinheit eine niederimpedante Verbindung des Gleichrichters mit dem AC-Netz einerseits und über ein Schließen des DC-Trennschalters zusätzlich eine niederimpedante Verbindung des Gleichrichters mit der DC-Last herzustellen. Hingegen kann die Steuerungseinheit dann, wenn über das Verfahren ein Kurzschluss der DC-Last detektiert wird, den Gleichrichter in Reaktion auf den detektierten Kurzschluss der DC-Last so steuern, dass ein dauerhafter Leistungsfluss aus dem AC-Netz über den Gleichrichter in die DC-Last und somit ein normaler Betrieb des Gleichrichters zur Versorgung der DC-Last verhindert wird. Zu diesem Zweck kann die Steuerungseinheit ausgelegt und eingerichtet sein, in Reaktion auf einen detektierten Kurzschluss der DC-Last ein Schließen der AC-Trenneinheit zu verhindern, sofern diese noch geöffnet ist. Sollte es sich um einen zweistufigen Gleichrichter handeln, kann die Steuerungseinheit optional auch ein Takten von Halbleiterschaltern des DC/DC-Wandlers verhindern und somit den DC/DC-Wandler deaktivieren. Sollte die AC-Trenneinheit bereits geschlossen sein, beispielsweise weil bei einem zweistufigen Gleichrichter ein Leistungsfluss durch den Gleichrichter über einen deaktivierten DC/DC-Wandler verhindert wird, kann die Steuerungseinheit ein Öffnen der AC-Trenneinheit und damit eine Trennung des Gleichrichters von dem AC- Netz herbeiführen. Sollte der Gleichrichter über einen geschlossenen DC- Trennschalter bereits niederimpedant mit der DC-Last verbunden sein, kann die Steuerungseinheit in Reaktion auf einen detektierten Kurzschluss der DC-Last ein Öffnen des DC-Trennschalters herbeiführen, um den Gleichrichter dauerhaft von der DC-Last galvanisch zu trennen.

Kurzbeschreibunq der Figuren

Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe von Figuren dargestellt. Von diesen zeigen

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Gleichrichter zur Verbindung eines AC-Netzes und einer DC-Last in einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Gleichrichter zur Verbindung eines AC-Netzes und einer DC-Last in einer zweiten Ausführungsform; Fig. 3 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer ersten Variante;

Fig. 4 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer zweiten Variante.

Fiqurenbeschreibunq

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Gleichrichter 1 in einer ersten Ausführungsform dargestellt. Der Gleichrichter 1 ist zur Wandlung einer Wechselspannung in eine Gleichspannung ausgelegt und hierzu an seinem AC-Eingang 2 mit einem Wechselspannungs (AC) - Netz 20 und an seinem DC-Ausgang 3 mit einem Eingang 32 einer DC-Last 30 verbunden. Exemplarisch ist das AC-Netz 20 als dreiphasiges AC-Netz und der Gleichrichter 1 als dreiphasiger Gleichrichter mit drei Phasenanschlüssen an seinem AC-Eingang 2 illustriert. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, dass das AC-Netz 20 eine andere Anzahl von Phasenleitern, beispielsweise zwei Phasenleiter oder lediglich einen Phasenleiter aufweisen kann. Entsprechend kann auch der Gleichrichter 1 an seinem AC-Ausgang 2 eine andere Anzahl von Phasenanschlüssen aufweisen. Die DC-Last 30 ist in Fig. 1 exemplarisch als Elektrolyseur 31 dargestellt. Im Rahmen der Erfindung kann die DC-Last 30 jedoch auch als eine von einem Elektrolyseur verschiedene DC-Last ausgeführt sein. Die DC- Last 30 muss nicht zwingend ausschließlich auf einen Leistungsverbrauch ausgelegt sein, sondern kann, insbesondere im Fall eines bidirektionalen Gleichrichters 1 , zusätzlich zu dem leistungsverbrauchenden Betriebsmodus auch einen leistungserzeugenden Betriebsmodus aufweisen. Dies ist beispielsweise bei einer als Batterie ausgeführten DC-Last 30 der Fall.

In Fig. 1 ist der Gleichrichter 1 als einstufiger Gleichrichter ausgeführt und beinhaltet (aus einer Blickrichtung von dem AC-Netz 20) eine AC-Trenneinheit 5, einen Sinus- Filter 9, einen AC/DC-Wandler 10, eine zwischen dem AC/DC-Wandler 10 und dem DC-Ausgang 3 des Gleichrichters 1 angeordnete Ausgangskapazität 4, einen DC- Trennschalter 14 und eine Steuerungseinheit 15 zur Steuerung der Komponenten des Gleichrichters 1. Die Verbindungen zur Steuerung und/oder Kommunikation sind in Fig. 1 durch gestrichelt dargestellte Pfeile symbolisiert. Die AC-Trenneinheit 5 beinhaltet einen Vorladewiderstand 7 einen ersten AC-Trennschalter 6 und einen zweiten AC-Trennschalter 8. Der erste AC-Trennschalter 6 ist in Reihe zu dem _ WO 2021/052949 _ 13 _ PCT/EP2020/075748 _

Vorladewiderstand 7 verschaltet. Der zweite AC-Trennschalter 8 ist parallel zu der Reihenschaltung aus Vorladewiderstand 7 und erstem AC-Trennschalter 6 angeschlossen. Auf diese Weise ist die AC-Trenneinheit 5 ausgelegt, den AC/DC- Wandler 10 und die an diesen angeschlossene Ausgangskapazität 4 in einem ersten Betriebsmodus über den Vorladewiderstand 7 und in einem zweiten Betriebsmodus direkt bzw. niederimpedant und ohne Zwischenschaltung des Vorladewiderstandes 7 mit dem AC-Netz 20 zu verbinden. Der Sinus-Filter 9 ist ausgelegt, hochfrequente Störsignale, die aufgrund einer Taktung von Halbleiterschaltern des AC/DC-Wandlers 10 erzeugt werden, in ihrer Ausbreitung in Richtung des AC-Netzes 20 zu dämpfen. Gleichfalls ist der Sinus-Filter 9 ausgelegt, im AC-Netz 20 bereits vorhandener Störsignale in ihrer Ausbreitung in Richtung des DC-Ausgangs 3 des Gleichrichters 1 zu dämpfen. Der DC-Trennschalter 14 kann sowohl einpolig als auch mehrpolig ausgeführt sein. Er kann für ein Trennen der DC-Last 30 während eines Stromflusses ausgelegt sein und daher Mittel zur Lichtbogenlöschung und/oder Lichtbogenunterdrückung aufweisen. Der DC-Trennschalter 14 ist ausgelegt, die Ausgangskapazität 4 im geschlossenen Zustand niederimpedant mit der DC-Last 30 zu verbinden und im geöffneten Zustand von der DC-Last 30 zu trennen. Im Gegensatz zu der AC-Trenneinheit 5 ist der DC-Trennschalter 14 insbesondere frei von einem Vorladewiderstand.

Der Gleichrichter 1 weist weiterhin eine Messeinheit 13 auf, die zur Messung einer an der Ausgangskapazität 4 anliegenden Spannung U und/oder eines von der Ausgangskapazität 4 in Richtung auf den DC-Ausgang 3 fließenden Stroms I, insbesondere von deren Zeitverläufen ausgelegt und eingerichtet ist. Die Messeinheit 13 ist ausgelegt die gemessenen Werte von Spannung U und Strom I zur Auswertung an die Steuerungseinheit 15 zu übergeben. Die Steuerungseinheit 15 ist gleichzeitig in der Lage, die detektierten Werte von Spannung U und/oder Strom I entsprechend des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Detektion eines Kurzschlusses 33 der DC- Last 30 auszuwerten. Weiterhin kann die Steuerungseinheit 15 dazu ausgelegt und eingerichtet sein, den Gleichrichter 1 in Abhängigkeit eines Ergebnisses der Auswertung zu steuern. Insbesondere kann die Steuerungseinheit 15 eingerichtet sein, bei einem detektierten Kurzschluss 33 an dem Eingang 32 der DC-Last 30 sowohl den DC-Trennschalter 14, als auch die AC-Trennschalter 6, 8 der AC-Trenneinheit 5 zu öffnen, sofern die jeweiligen Trennschalter 6, 8, 14 nicht schon geöffnet sind. Auf _ WO 2021/052949 _ 14 _ PCT/EP2020/075748 _ diese Weise kann sowohl ein Leistungsfluss aus dem AC-Netz 20 in den Gleichrichter 1 als auch ein Leistungsfluss von dem Gleichrichter 1 in die DC-Last 30 sicher unterdrückt werden.

In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gleichrichters 1 zur Versorgung einer DC-Last 30 aus einem AC-Netz 20 dargestellt. Der Gleichrichter 1 entspricht in vielen Merkmalen den bereits in Fig. 1 beschriebenen Gleichrichter 1, weswegen hinsichtlich der übereinstimmenden Merkmale auf die Beschreibung unter Fig. 1 verwiesen wird. Im Folgenden werden daher lediglich die Unterschiede zur Fig. 1 näher erläutert.

Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist der Gleichrichter 1 in Fig. 2 als mehrstufiger Gleichrichter 1 ausgeführt. Hierzu beinhaltet er zusätzlich einen DC/DC-Wandler 12 der eingangsseitig über eine Zwischenkreiskapazität 11 an den AC/DC-Wandler 10 und ausgangsseitig über die Ausgangskapazität 4 mit dem DC- Ausgang 3 des Gleichrichters 1 verbunden ist. Über den DC/DC-Wandler 12 wird die Zwischenkreiskapazität 11 von der Ausgangskapazität 4 entkoppelt, so dass eine Einstellung unterschiedlicher Spannungswerte an der Zwischenkreiskapazität 11 und der Ausgangskapazität 4 möglich ist. Durch den DC/DC-Wandler 12 kann der Gleichrichter 1 zudem ausgelegt sein, einen Leistungsfluss aus dem AC-Netz 20 in die Ausgangskapazität 4 - wie auch über den DC-Ausgangs 3 - auch bei geschlossener AC-Trenneinheit 5 zu verhindern. Hierzu können Halbleiterschalter des DC/DC- Wandlers 12 geöffnet sein. Der DC/DC-Wandler 12 kann zudem ausgelegt sein, einen Ladungstransport von der Zwischenkreiskapazität 11 in die Ausgangskapazität 4 durchzuführen, so dass die Ausgangskapazität 4 durch den Ladungstransport auf den gewünschten Wert der Quellspannung eingestellt wird.

Prinzipiell kann der DC/DC-Wandler 12 als Hochsetzsteller, Tiefsetzsteller oder als kombinierter Hoch-/Tiefsetzsteller ausgelegt sein. Bei dem DC/DC-Wandler 12 kann es sich, je nach Art des Gleichrichters 1, um einen unidirektional als auch um einen bidirektional betreibbaren DC/DC-Wandler 12 handeln.

In Fig. 3 ist ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer ersten Variante dargestellt, wie es dem in Fig. 1 dargestellten Gleichrichter 1 durchgeführt _ WO 2021/052949 _ 15 _ PCT/EP2020/075748 _ werden kann. Im Hinblick auf eine bessere Nachvollziehbarkeit werden in der folgenden Beschreibung die auch in Fig. 1 aufgeführten Bezugszeichen verwendet.

Das Verfahren zur Detektion eines Kurzschlusses 33 beginnt in einem Zustand, bei dem der Gleichrichter 1 sowohl aufgrund einer geöffneten AC-Trenneinheit 5 von dem AC-Netz 20, als auch aufgrund eines geöffneten DC-Trennschalters 14 von der DC- Last 30 getrennt ist. In einem ersten Schritt S1 wird der erste AC-Trennschalter 6 geschlossen, so dass die Ausgangskapazität 4 über den Vorladewiderstand 7 mit dem AC-Netz 20 verbunden ist. Der DC-Trennschalter 14 bleibt zunächst geöffnet. Dabei wird in einem zweiten Schritt S2 die Ausgangskapazität 4 durch einen dem AC-Netz 20 entnommenen Leistungsfluss und über den Halbleiterschaltern des AC/DC- Wandlers 10 zugeordnete Freilaufdioden aufgeladen. Der dem AC-Netz 20 entnommene und in die zunächst ungeladene Ausgangskapazität 4 fließende Leistungsfluss ist dabei durch den Vorladewiderstand 7 derart begrenzt, dass eine Beschädigung von Komponenten des Gleichrichters 1 ausgeschlossen ist. Während der Aufladung der Ausgangskapazität 4 kann ein Zeitverlauf der Spannung U über der Ausgangskapazität 4 durch die Messeinheit 13 verfolgt werden. Während der Schritte S1 und S2 ist der DC-Trennschalter 14 geöffnet, sodass ein Leistungsfluss von dem Gleichrichter 1 in die DC-Last 30 verhindert wird. In einem dritten Schritt S3 wird die AC-Trenneinheit 5, insbesondere deren erster AC-Trennschalter 6 durch die Steuerungseinheit 15 geöffnet, wodurch eine weitere Aufladung der Ausgangskapazität 4 aus dem AC-Netz 20 verhindert wird. Das Öffnen des ersten AC- Trennschalters 6 kann bei Erreichen eines Wertes der Quellspannung erfolgen, der der Amplitude der Wechselspannung in dem AC-Netz 20 entspricht und bei dem eine weitere Aufladung auch bei geschlossener AC-Trenneinheit 5 ohnehin nicht mehr erfolgen würde. Die AC-Trenneinheit 5 kann jedoch auch schon vorher geöffnet werden und die Aufladung der Ausgangskapazität 4 aktiv stoppen, sollte ein kleinerer Wert der Quellspannung gewünscht sein. Sollte die Spannung der Ausgangskapazität 4 beim Öffnen der AC-Trenneinheit 5 oberhalb eines gewünschten Wertes der Quellspannung liegen, kann sich ein optionaler vierter Schritt S4 anschließen, bei dem der höhere Spannungswert an der Ausgangskapazität 4 durch Dissipation auf den gewünschten Wert der Quellspannung verringert wird. Die Dissipation kann durch eine Aktivierung von an die Ausgangskapazität 4 angeschlossenen Kleinverbrauchern, z.B. einem Lüfter des Gleichrichters 1 (in Fig. 1 nicht dargestellt), oder durch einen _ WO 2021/052949 _ ' 16 ' _ PCT/EP2020/075748 _ geeigneten Betrieb von Halbleiterschaltern des AC/DC-Wandlers 10 herbeigeführt werden. Der lediglich optional durchzuführende vierte Schritt S4 ist in Fig. 3 gestrichelt dargestellt. In einem fünften Schritt S5 wird die auf die Quellspannung eingestellte Ausgangskapazität 4 durch Schließen des DC-Trennschalters 14 mit der DC-Last 30 verbunden. Während die Ausgangskapazität 4 mit der DC-Last 30 über den geschlossenen DC-Trennschalter 14 verbunden ist, wird die AC-Trenneinheit 5 in einem geöffneten Zustand betrieben. Hierdurch wird lediglich eine begrenzte Energiemenge auf die DC-Last 30 übertragen. Die von der Quellspannung abhängende in der Ausgangskapazität 4 gespeicherte Energiemenge ist dabei so bemessen, dass selbst im Fall eines Kurzschlusses 33 der DC-Last 30 eine Beschädigung der DC-Last 30 und/oder von Komponenten des Gleichrichters 1 ausgeschlossen ist. Durch das niederimpedante Verbinden der Ausgangskapazität 4 mit der DC-Last 30 erfolgt ein Ladungstransport von der Ausgangskapazität 4 zur DC- Last. Dabei werden in einem sechsten Schritt S6 Zeitverläufe der an der Ausgangskapazität 4 abfallenden Spannung U und der von der Ausgangskapazität 4 in Richtung des DC-Ausgangs 3 fließenden Stroms I durch die Messeinheit 13 detektiert. Wie aus Fig. 1 (und auch Fig. 2) ersichtlich, entspricht die Spannung U über der Ausgangskapazität 4 bei geschlossenem DC-Trennschalter 14 sowohl einer an dem DC-Ausgang 3 des Gleichrichters 1 anliegenden Spannung als auch einer an der DC-Last 30 anliegenden Spannung U. Gleichfalls entspricht der von der Ausgangskapazität 4 in Richtung des DC-Ausgangs 3 fließende Strom I einem über den DC-Ausgang 3 fließenden Strom I einerseits, als auch einem über den Eingang 32 der DC-Last 30 fließenden Strom I andererseits. In einem siebten Schritt S7 erfolgt eine Auswertung der detektierten Werte von Spannung U und/oder Strom I bzw. deren Zeitverläufen durch die Steuerungseinheit 15. Hierbei wird überprüft, ob die detektierte Spannung U, der detektierte Strom I, und/oder eine Kombination der detektierten Spannung U und des detektierten Stroms I zumindest ein vorgegebenes Kriterium erfüllen. Exemplarisch werden in Fig. 3 als Kriterien überprüft, ob eine zeitliche Änderung der Spannung dU/dt einen ersten Schwellwert (dü/dt)™ übersteigt, ob der der detektierte Strom I einen zweiten Schwellwert ITH übersteigt und/oder ob der Quotient aus Spannung und Strom U/l einen dritten Schwellwert RTH unterschreitet. Wenn die detektierten Werte von Spannung U und/oder Strom I bei der Überprüfung keines der Kriterien erfüllen, so schließt die Steuerungseinheit, dass die DC-Last 30 keinen Kurzschluss 33 aufweist. Entsprechend wird in einem achten Schritt S8 die AC- _ WO 2021/052949 _ 17 _ PCT/EP2020/075748 _

Trenneinheit 5, insbesondere deren zweiter AC-Trennschalter 8, durch die Steuerungseinheit 15 gesteuert geschlossen. Hierdurch wird der AC/DC-Wandler 10 niederimpedant mit dem AC-Netz 20 verbunden wird. Der DC-Trennschalter 14 ist bereits geschlossen und der Gleichrichter 1 nimmt gesteuert durch die Steuerungseinheit 15 seinen normalen Betrieb zur Versorgung der DC-Last 30 auf. Erfüllen hingegen die detektierten Werte von Spannung U und/oder Strom I zumindest eines der genannten Kriterien, so schließt die Steuerungseinheit 15 bei der Überprüfung der detektierten Werte von Spannung U und Strom I auf einen an der DC- Last 30 vorliegenden Kurzschluss 33. Ein niederimpedantes Verbinden des AC/DC- Wandlers 10 mit dem AC-Netz 20 hätte in diesem Fall einen Leistungsfluss mit schädigender Wirkung auf Komponenten der DC-Last 30 und/oder des Gleichrichters 1 zur Folge. Konsequenterweise verzweigt das Verfahren in einen zehnten Schritt S10, bei dem die Steuerungseinheit 15 einen an der DC-Last 30 vorliegenden Kurzschluss 33 signalisiert und in einem elften Schritt S11 ein Öffnen aller AC -Trennschalter 6, 8 der AC-Trenneinheit 5 wie auch des DC-Trennschalters 14, sofern die entsprechenden Trennschalter nicht schon geöffnet sind, herbeiführt. Der Gleichrichter 1 ist somit galvanisch sowohl von dem AC-Netz 20, als auch von der DC-Last 30 getrennt. Jeglicher Leistungsfluss durch den Gleichrichters 1 , sowohl aus dem AC-Netz 20 in den Gleichrichter, wie auch von dem Gleichrichter 1 in die DC-Last 30, wird somit sicher unterdrückt. Der Kurzschluss an der DC-Last 30 kann gefahrlos beseitigt werden.

In Fig. 4 ist ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer zweiten Variante dargestellt. Die zweite Variante des Verfahrens kann mit dem in Fig. 2 dargestellten Gleichrichter 1 durchgeführt werden. Das Verfahren ähnelt in vielen Schritten dem in Fig. 3 dargestellten Verfahren. Im Folgenden werden daher lediglich die Unterschiede zu dem in Fig. 3 dargestellten Verfahrensvariante beschrieben.

Auch in diesem Fall startet das Verfahren in einem Zustand bei dem alle AC- Trennschalter 6, 8 der AC-Trenneinheit 5 und der DC-Trennschalter 14 geöffnet sind. In einem Schritt S20 wird der erste AC-Trennschalter 6 der AC-Trenneinheit geschlossen. Wie auch in Fig. 3 beschrieben wird hierdurch der AC/DC-Wandler 10 über den Vorladewiderstand 7 mit dem AC-Netz 20 verbunden. Über den sich einstellenden Leistungsfluss aus dem AC-Netz 20 wird in einem Schritt S21 zunächst _ WO 2021/052949 _ 18 _ PCT/EP2020/075748 _ die Zwischenkreiskapazität 11 auf eine Spannung aufgeladen, die der Amplitude der Wechselspannung in dem AC-Netz 20 entspricht. In einem Schritt S22 wird eine Quellspannung an der Ausgangskapazität 4 eingestellt. Hierzu wird durch einen geeigneten Betrieb des DC/DC-Wandlers 12 solange eine Ladungsmenge von der Zwischenkreiskapazität 11 in die Ausgangskapazität 4 transportiert, bis der gewünschter Wert der Quellspannung an der Ausgangskapazität 4 erreicht ist. Dabei kann die aktuell an der Ausgangskapazität 4 anliegende Spannung U über die Messeinheit 13 beobachtet werden. Nach Erreichen des gewünschten Wertes der Quellspannung an der Ausgangskapazität 4 wird der DC/DC-Wandler 12 in einem Schritt S23 deaktiviert, so dass ein weiterer Ladungstransport aus der Zwischenkreiskapazität 11 in die Ausgangskapazität 4 verhindert wird. In einem optional durchführbaren Schritt S24 kann ein Öffnen der AC-Trenneinheit 5, insbesondere des ersten AC-Trennschalters 6 der AC-Trenneinheit 5 erfolgen. Der Schritt S24 ist jedoch nur optional und nicht zwingend notwendig, da ein Leistungsfluss aus dem AC-Netz 20 in die Ausgangskapazität 4 schon durch den deaktivierten DC/DC-Wandler 12 verhindert wird. In Fig. 4 ist daher der optionale Schritt S24 gestrichelt dargestellt. In einem folgenden Schritt S25 wird schließlich die zuvor auf die Quellspannung aufgeladene Ausgangskapazität 4 durch Schließen des DC- Trennschalters 14 niederimpedant mit der DC-Last 30 verbunden.

Die Schritte S25 bis S31 entsprechen den Schritten S6 bis S11 der bereits in Fig. 3 dargestellten Verfahrensvariante. Konkret gelten dabei die folgenden Entsprechungen: S5 = S25, S6 = S26, S7 = S27, ... S11 = S31. Zur Vermeidung redundanter Information wird daher auf die Beschreibung der Verfahrensvariante gemäß Fig. 3 verwiesen.

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Bezuqszeichenliste

1 Gleichrichter

2 AC-Eingang

3 DC-Ausgang

4 Ausgangskapazität

5 AC-Trenneinheit

6 AC-Trennschalter

7 Vorladewiderstand

8 AC-Trennschalter

9 Sinus-Filter

10 AC/DC-Wandler 11 DC-Zwischenkreis 12 DC/DC-Wandler

13 Messeinheit

14 DC-Trennschalter

15 Steuerungseinheit 20 AC-Netz

30 DC-Last

31 Elektrolyseur

32 Eingang

33 Kurzschluss

U Spannung

I Strom

(dU/dt) TH Schwellwert

ITH Schwellwert

RTH Schwellwert

S1-S11 Verfahrensschritt

S20-S31 Verfahrensschritt