AC/DC转换器到DC电网的接入

发明技术领域

DC能源系统包括至少一个能量源和至少一个负载以及这些电气部件之间的连接，该至少一个能量源提供优选作为直流电的电功率(即，DC源，例如电池、PV发电机或燃料电池)，该至少一个负载消耗优选作为直流电的电功率(即，DC吸收端(Senke)，例如用电器)。DC能源系统可以包括DC电网或DC总线(在此处连接有电气部件)并且可以包括其他源、储存器和/或用电器。具有少量连接的部件(例如，只有一个源和一个吸收端)的DC总线与具有大量此类部件的DC电网之间的过渡是流畅的。在本申请中，术语DC电网也被理解为DC总线。

这样的DC电网可以在接地或不接地的情况下运行。根据具体的运行模式，在发生接地故障的情况下，根据标准可能需要不同的监控和保护机制。

不接地的DC电网(其中相应的DC线路DCL+和DCL-的电位DC+和DC-不具有对地电位的固定参考)的优点在于，DC电网中可能出现的第一次接地故障(例如，沿着其中一条DC线路的绝缘故障)还不会造成任何损坏。然而，需要进行绝缘监控以探测任何故障的出现，并在必要时能够在第一次接地故障时就启动应对措施，例如切断能量源或使能量源和/或故障点与DC电网断开。

在接地的DC电网中，电位DC+和DC-具有对地电位的定义参考。这种接地参考例如可以借助于地电位与DC电位中的一个(DC+或DC-)之间的电阻性连接简单地实现。

DC电网可以经由变流器与另外的能源网(例如，另外的DC电网或AC电网，例如AC供电网)连接，并且与该另外的能源网交换电功率，特别地以对DC电网中的DC源加以支持或对其进行再充电。原则上，DC电网也可以通过变流器从另外的能源网永久地或偶尔完全地供应能量，其中，DC电网的能量源可以在必要时用于缓冲功率波动。

如果另外的能源网有一个接地(例如，以接地的中性线的形式接地)且变流器被构造成没有变压器(即，AC侧与DC侧之间没有电隔离)，则DC电网经由变流器自动提供有固定的接地参考，即接地。在此，DC电网的电位相对于接地参考的具体水平由具体使用的变流器拓扑结构决定。例如，变流器在直流侧可以具有分开的中间电路，该中间电路的中点(即，中间电位)与具有固定的接地参考的中性线连接，因此中间电路上的DC电位设定为基本上关于地电位对称。

就这一点而言，本身不接地的DC电网也通过无变压器的变流器与接地的能源网连接，成为接地的电网。因此，对于这样的DC电网可以产生两种运行状态：不接地的“独立”运行和与接地的能源网连接的接地运行。在系统设计中要注意这一点。

然而，如果接地的DC电网与接地的AC电网例如经由变流器连接，那么在这些电网之间可能会出现如此高的、不受控制的电流流量，以至于会损坏变流器的部件或电网的部件。这也适用于假设不接地的DC电网中存在绝缘故障的情况。

在本申请中，缩写DC(英语：direct current)代表直流电流或直流电压，而AC(英语：alternating current)代表交流电流或交流电压。

发明任务

本发明基于以下任务，即给出能够实现DC能源系统安全运行的电气系统和方法。

解决方案

该任务通过具有独立权利要求1的特征的电气系统得以实现。该任务通过具有独立权利要求13的特征的方法得以实现。在从属权利要求中要求保护该方法的有利实施方式。

发明描述

电气系统具有变流器和DC/DC调节器，其中，变流器被配置用于在变流器的AC侧与变流器的DC侧之间进行功率传输。变流器的AC侧可以连接到接地的三相AC供电网，并且变流器的DC侧可以连接到不接地的DC电网。变流器具有桥式电路，该桥式电路的AC端子可以经由AC继电器与变流器的AC侧连接，并且该桥式电路的DC端子可以经由断路开关与变流器的DC侧连接，其中，DC/DC调节器具有输出侧，该输出侧面向变流器的DC侧。电气系统具有测量装置，该测量装置被配置成测量DC变流器电压和施加在DC/DC调节器的输出侧上的DC/DC输出电压，其中，DC变流器电压和DC/DC输出电压施加在断路开关的相对两侧上。电气系统具有控制单元，该控制单元被配置成驱动DC/DC调节器，使得DC/DC输出电压在DC/DC调节器的输出侧上进行设定，DC/DC输出电压的量值对应于DC变流器电压。

这使得DC电压能够在断路开关闭合之前相适配(angleichen)，并且因此有助于防止在断路开关闭合时或之后流动过大的补偿电流。此外，还可以支持运行安全性。

特别地，这使得不接地的DC电网例如经由无变压器的变流器能够与接地的AC供电网进行可变连接，而无需改变DC侧的保护方案。

这相比于自身具有接地参考的DC电网可以具有优势。例如，如果DC能源系统是DC接地的，则一方面为变流器的桥式电路选择合适的拓扑结构将受到限制，另一方面对DC+电位上的线路绝缘必须针对相对于接地的整个系统电压进行设计，反之亦然。在系统电压高的情况下，这可能导致相当大的成本。此外，如果DC能源系统自身具有接地参考，经由无变压器的变流器与接地的AC供电网的连接会产生第二接地参考。由此，可能会产生高的补偿电流，特别是在闭合断路开关时或之后，并且保护装置(例如，差动电流传感器)可能会跳闸。

DC/DC调节器的输出侧是面向变流器的DC侧的一侧。DC/DC调节器的输入侧上的电压最初特别是由变流器的DC中间电路或DC电网中的其他DC源(例如，电池)提供的。DC/DC调节器的输出侧上的电压是DC/DC输出电压。输出侧是可以由DC/DC调节器相对于DC/DC调节器的输入侧上的给定电压来设定电压的一侧。

例如，电压量值的适配可以通过以下方式进行，即将DC/DC调节器布置在变流器内，并且DC/DC输出电压由DC/DC调节器设定，该DC/DC调节器在断路开关的、桥式电路也位于的一侧。电压量值的适配例如也可以通过以下方式进行，即将DC/DC调节器布置在DC电网中，并且DC/DC输出电压由DC/DC调节器设定，该DC/DC调节器位于断路开关的、与桥式电路相对的一侧。

电压的量值是DC电网的DC线路之间的电压或断路开关的变流器侧的端子之间的电压。这对应于DC电网的两条DC线路或断路开关的变流器侧的端子的电位差。DC/DC输出电压被设定为电压的这个量值。

在电气系统的实施方式中，DC/DC调节器的输出侧与变流器的DC侧连接。在此，DC/DC调节器可以特别地在变流器内布置在桥式电路与断路开关之间。在该实施方式中，DC/DC调节器通过适当的时钟控制从变流器的中间电路电压产生DC/DC输出电压。于是，DC/DC调节器的输出侧可以经由断路开关与变流器的DC侧连接，其中断路开关布置在变流器以外。

在DC/DC调节器的输出侧与变流器的DC侧连接的电气系统的可替代的实施方式中，DC/DC调节器特别地还可以在变流器以外布置在DC电网中。在该实施方式中，DC/DC调节器可以例如通过适当的时钟控制从DC电网中的DC能量储存器中(例如，从电池中)产生DC/DC输出电压。于是，DC/DC调节器的输出侧与变流器的DC侧连接，并且断路开关布置在DC/DC调节器与桥式电路之间。断路开关可以选择性地在变流器以内或以外布置在桥式电路与变流器的DC侧之间。

DC/DC输出电压可以是可在DC/DC调节器的输出侧上设定的，并且DC变流器电压施加在断路开关的、与DC/DC调节器相对的一侧。

在电气系统的实施方式中，测量装置被配置成通过测量相应的DC线路或端子上相对于地电位的电压来测定出DC变流器电压和DC/DC输出电压，其中，相应的DC线路可以经由断路开关与相应的DC端子连接。因此，可以对相对于地电位的每条DC线路进行单独测量。

在电气系统的实施方式中，控制单元被配置成驱动DC/DC调节器，使得DC变流器电压和DC/DC输出电压各自相对于地电位的电压相互适配。在该实施方式中，除了电压的量值之外，还使电压的水平(Lage)相适配，即，除了量值之外还使DC线路或DC端子彼此间的电位水平以及相对于第三点(例如，相对于地电位)的水平相适配。

在电气系统的实施方式中，控制单元被配置成当DC/DC输出电压对应于DC变流器电压时闭合断路开关。这使得电压能够在连接DC电网之前相适配，并且可以避免在闭合断路开关时和之后的补偿电流过大。

在电气系统的实施方式中，DC/DC输出电压对应于DC变流器电压，并且当断路开关闭合时DC/DC输出电压与DC变流器电压一起形成DC电网的DC总线电压。DC电网本身是不接地的，但在断路开关闭合且AC继电器也闭合时，经由变流器和接地的AC供电网接地。在此，变流器能够精确地影响和控制DC电压以及必要时其相对于地电位的水平。这可以提高运行安全性。

在电气系统的实施方式中，控制单元被配置成驱动DC/DC调节器，使得DC总线电压对称，其中特别地，对称是关于作为中间电位的地电位执行的。如果变流器与DC电网连接，则变流器可以影响DC电网中的电压。在此，关于地电位进行对称提供了优势，因为DC电网中DC线路相对于地电位的相应最大电压可以保持低于DC中DC线路之间的电压，并且这一点简化了设计并有助于提高安全性。

在电气系统的实施方式中，控制单元被配置成通过对对称的直流电压变换器进行时钟控制来在DC/DC调节器的输出侧上设定DC/DC输出电压。在该实施方式中，DC/DC调节器被设计成对称的直流电压变换器。

在电气系统的实施方式中，控制单元被配置成经由AC继电器将桥式电路的AC端子与变流器的AC侧连接，并随后设定DC/DC输出电压。在该实施方式中，变流器在DC/DC调节器设定其DC/DC输出电压之前与AC供电网连接。

在电气系统的实施方式中，桥式电路的AC端子和DC端子电耦合，并且变流器的AC侧与DC侧之间的功率传输路径特别地被设计成无变压器的。在具有接地参考的AC供电网(例如，接地的TN电网或TT电网)中，这种无变压器的并在这方面电耦合的变流器的中间电路电压在与AC供电网连接之后近似地关于地电位对称。在将这个变流器的DC侧与不对称的DC总线连接时，会产生高的补偿电流，特别是如果不对称性是由DC电网中的绝缘故障引起的。电气系统可以通过使DC总线电压关于地电位对称来避免或甚至还补偿这种补偿电流或故障电流。

在DC电网中操作具有变流器和DC/DC调节器的电气系统的方法，其中，变流器被配置用于在变流器的AC侧与变流器的DC侧之间进行功率传输，该方法具有以下步骤：

测量DC变流器电压，

在DC/DC调节器的输出侧上设定DC/DC输出电压，其中，DC变流器电压和DC/DC输出电压施加在断路开关的相对两侧上，并且其中，设定的DC/DC输出电压的量值对应于所测量的DC变流器电压。

可选地，在测量DC变流器电压的步骤中，还可以测量DC/DC输出电压。

电压的量值是DC电网的DC线路之间的电压或断路开关的变流器侧的端子之间的电压。这对应于DC电网的两条DC线路或断路开关的变流器侧的端子的电位差。将DC/DC输出电压设定为电压的这个量值。

在该方法的实施方式中，通过测量相应的DC线路或端子上相对于地电位的电压来测定出DC变流器电压和DC/DC输出电压，其中，相应的DC线路可以经由断路开关与相应的DC端子连接。因此，可以对相对于地电位的每条DC线路进行单独测量。

在该方法的实施方式中，使DC变流器电压和DC/DC输出电压各自相对于地电位的电压相互适配。在该实施方式中，除了电压的量值之外，还使电压的水平相适配，即，除了量值之外还使DC线路或DC端子彼此间的电位水平以及相对于第三点(例如，相对于地电位)的水平相适配。

该方法的实施方式包括以下步骤：在设定DC/DC输出电压之后，通过闭合断路开关将DC/DC调节器的输出侧与变流器连接。

该方法的实施方式包括以下步骤：在设定DC/DC输出电压之前，通过AC继电器将桥式电路的AC端子与变流器的AC侧连接。

该方法的实施方式包括以下步骤：在闭合断路开关之后，DC/DC调节器执行DC总线电压的对称，其中，DC/DC输出电压对应于DC变流器电压，并且在断路开关闭合时，DC/DC输出电压与DC变流器电压一起形成DC电网的DC总线电压。DC电网本身是不接地的，但在断路开关闭合且AC继电器也闭合时，经由AC供电网接地。特别地，关于作为中间电位的地电位执行对称。

附图简述

下面将借助于附图对本发明进行详细阐述。

图1示意性地示出了电气系统的实施例；

图2示意性地示出了电气系统的另一实施例；

图3示意性地示出了方法的实施例；

图4示意性地示出了可能的电压曲线。

附图描述

在图1中，示意性地示出了电气系统的实施方式。变流器10具有AC侧16和DC侧18。在地电位PE接地的三相AC供电网12连接到AC侧16。电池42可以经由DC开关46与DC电网14连接。负载44可以经由DC开关48与DC电网连接。负载44特别地可以包括一个或更多个用电器，例如机器、工业设备或电解装置。电池42和负载44经由DC线路DC+、DC-与变流器10连接。

变流器10具有桥式电路20，该桥式电路20被设计成将AC端子ACL1、ACL2、ACL3上的交流电流或交流电压转换成DC端子DCL+、DCL+上的直流电流或直流电压。桥式电路20还被设计成将DC端子DCL+、DCL+上的直流电流或直流电压转换成AC端子ACL1、ACL2、ACL3上的交流电流或交流电压。在所示的实施例中，通过控制单元30适当地驱动桥式电路20的半导体开关来完成转换。具有半导体开关的桥式电路20通常被设计成无变压器的，即这种桥式电路的AC端子ACL1、ACL2、ACL3和DC端子DCL+、DCL-电耦合。如果AC供电网具有接地参考(例如，通过在PE接地的中性线)，则DC端子DCL+、DCL-因此在变流器10的常规运行中经由桥式电路20自动接地。

DC线路DC+、DC-与DC端子DCL+、DCL-连接。在此，DC线路的电位相对于接地参考的具体水平(相对于PE的DC+/DC-)由具体使用的桥式电路20的拓扑结构决定。例如，桥式电路20可以在DC侧具有分开的DC中间电路，该DC中间电路的中点与以固定的接地参考PE作为中间电位的AC供电网12的中性线连接，使得DC中间电路上并因此DC端子DCL+、DCL-上的DC电位设定为关于地电位PE基本上对称。在这方面，本身不接地的DC电网14也通过经由无变压器的变流器10与接地的AC供电网12连接而变成接地的DC电网14。因此，可以得出DC电网14的两种运行状态：由电池42供电的不接地的“独立运行”，以及与接地的AC供电网12连接时的接地运行。

经由AC继电器22，AC端子ACL1、ACL2、ACL3可以与AC侧16连接，并且因此桥式电路20可以与AC电网12连接。变流器10在AC端子ACL1、ACL2、ACL3处还具有故障电流测量32，该故障电流测量32基于三个AC端子ACL1、ACL2、ACL3的电流差测量。

变流器10具有DC/DC调节器40，该DC/DC调节器40的输入侧与桥式电路20的DC端子DCL+、DCL-连接。借助于DC/DC调节器40可以相对于DC端子DCL+、DCL-上的电压在DC/DC调节器40的输出侧24上设定DC/DC输出电压U

DC/DC调节器40的输出侧24可以经由断路开关26.1、26.2与DC侧18连接。DC电网14的正DC线路DC+与断路开关26.1连接，并且DC电网14的负DC线路DC-与断路开关26.2连接。测量装置38被配置成测量DC/DC输出电压U

在图2中，示意性地示出了电气系统的另一实施方式。变流器10具有AC侧16和DC侧18。在地电位PE接地的三相AC供电网12连接到AC侧16。电池42可以经由DC开关46与DC电网14连接。负载44可以经由DC开关48与DC电网连接。负载44特别地可以包括一个或更多个用电器，例如机器、工业设备或电解装置。电池42和负载44经由DC线路DC+、DC-与变流器10连接。

变流器10具有桥式电路20，该桥式电路20被设计成将AC端子ACL1、ACL2、ACL3上的交流电流或交流电压转换成DC端子DCL+、DCL+上的直流电流或直流电压。桥式电路20还被设计成将DC端子DCL+、DCL+上的直流电流或直流电压转换成AC端子ACL1、ACL2、ACL3上的交流电流或交流电压。在所示的实施例中，通过控制单元30适当地驱动桥式电路20的半导体开关来完成转换。具有半导体开关的桥式电路20通常被设计成无变压器的，即这种桥式电路的AC端子ACL1、ACL2、ACL3和DC端子DCL+、DCL-电耦合。如果AC供电网具有接地参考(例如，通过在PE接地的中性线)，则DC端子DCL+、DCL-因此在变流器10的常规运行中经由桥式电路20自动接地。

DC线路DC+、DC-与DC端子DCL+、DCL-连接。在此，DC线路的电位相对于接地参考的具体水平(相对于PE的DC+/DC-)由具体使用的桥式电路20的拓扑结构决定。例如，桥式电路20可以在DC侧具有在DC侧分开的DC中间电路，该DC中间电路的中点与以固定的接地参考PE作为中间电位的AC供电网12的中性线连接，使得DC中间电路上并因此DC端子DCL+、DCL-上的DC电位设定为关于地电位PE基本上对称。在这方面，本身不接地的DC电网14也通过经由无变压器的变流器10与接地的AC供电网12连接而变成接地的DC电网14。因此，可以得出DC电网14的两种运行状态：由电池42供电的不接地的“独立运行”，以及与接地的AC供电网12连接时的接地运行。

经由AC继电器22，AC端子ACL1、ACL2、ACL3可以与AC侧16连接，并且因此桥式电路20可以与AC电网12连接。变流器10在AC端子ACL1、ACL2、ACL3处还具有故障电流测量32，该故障电流测量32基于三个AC端子ACL1、ACL2、ACL3的电流差测量。

DC/DC调节器40布置在DC电网14中，并且就该方面而言布置在变流器10之外。DC/DC调节器40的输入侧与电池42连接。在DC/DC调节器40的输出侧24上，DC/DC输出电压U

桥式电路20的DC端子DCL+、DCL-可以经由断路开关26.1、26.2与DC侧18连接。正DC线路DC+可以经由断路开关26.1与DC侧18连接，并且负DC线路DC-可以经由断路开关26.2与DC侧连接。测量装置38被配置成测量DC/DC输出电压U

在图3中示意性地示出了用于操作电气系统的方法的实施例。

在步骤S1中，经由AC继电器22将桥式电路20的AC端子ACL1、ACL2、ACL3与变流器10的AC侧16连接。

在步骤S2中，测量DC变流器电压U

在步骤S3中，在DC/DC调节器40的输出侧24上设定DC/DC输出电压U

当电压适配成功时，执行步骤S4。在步骤S4中，在设定DC/DC输出电压U

在步骤S5中，在闭合断路开关26.1、26.2之后，DC/DC调节器40执行DC总线电压的对称，其中特别地关于作为中间电位的地电位执行对称。

在图4中，示意性地示出了DC变流器电压U

首先，DC变流器电压U

在时间点t

在闭合断路开关26.1、26.2之后，DC总线电压通过DC/DC调节器40或通过变流器10在控制单元30的驱动下进行对称。在此，将上电压值引向目标正DC总线电压U

参考标记列表

10变流器

12AC供电网

14DC电网

16AC侧

18DC侧

20桥式电路

22AC继电器

24DC/DC调节器的输出侧

26.1、26.2 断路开关

30控制单元

32故障电流测量

38电压测量仪

40DC/DC调节器

42电池

44负载

46DC开关

48DC开关

ACL1、ACL2、ACL3AC端子

DCL+、DCL- DC端子

DC+、DC- DC线路

PE地电位

S1、S2、S3、S4、S5方法步骤

t 时间

t

U

U

U

U