EP4244967A1 - Galvanisch getrennte vorladung und isolationsüberwachug eines stromrichters zum koppeln eines geerdeten ac netzes mit einem ungeerdeten dc netz - Google Patents

Galvanisch getrennte vorladung und isolationsüberwachug eines stromrichters zum koppeln eines geerdeten ac netzes mit einem ungeerdeten dc netz

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EP4244967A1
EP4244967A1 EP21811304.1A EP21811304A EP4244967A1 EP 4244967 A1 EP4244967 A1 EP 4244967A1 EP 21811304 A EP21811304 A EP 21811304A EP 4244967 A1 EP4244967 A1 EP 4244967A1
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EP
European Patent Office
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network
dcl
converter
power converter
circuit
Prior art date
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Pending
Application number
EP21811304.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Marcel Kratochvil
Burkard Mueller
Alexander UNRU
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SMA Solar Technology AG
Original Assignee
SMA Solar Technology AG
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Filing date
Publication date
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    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/025—Measuring very high resistances, e.g. isolation resistances, i.e. megohm-meters
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    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/26—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured
    • H02H7/268—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured for DC systems

Definitions

  • a DC energy system comprises at least one energy source that preferably makes electrical power available as direct current, i.e. a DC source, e.g. a battery, a PV generator or a fuel cell, and at least one load that preferably consumes electrical power as direct current. i.e. a DC sink, e.g. B. a consumer, and connections between these electrical components.
  • the DC power system may include a DC grid or bus where the electrical components are connected and may include other sources, storage, and/or loads. The transition between a DC bus with a few connected components, for example only one source and one sink, and a DC network with a large number of such components is fluid.
  • the term DC network is also understood to mean a DC bus.
  • Such a DC network can be grounded or ungrounded.
  • different monitoring and protection mechanisms may be required by standards in the event of a ground fault.
  • An unearthed DC network in which the potentials DC+ and DC- of the respective DC lines DCL+ and DCL- have no fixed reference to the earth potential, has the advantage that any first earth fault in the DC network, for example an insulation fault along one of the DC lines, still no harm.
  • insulation monitoring is required in order to detect the occurrence of any fault and, if necessary, to be able to initiate countermeasures in the event of a first ground fault, eg switch off the energy source or disconnect the energy source and/or the fault location from the DC network.
  • a grounded DC network the potentials DC+ and DC- have a defined reference to the ground potential. Such a ground reference can be easily implemented, for example, by means of a resistive connection between the ground potential and one of the DC potentials DC+ or DC-.
  • a DC network can be connected to another energy network, e.g. B. another DC network or an AC network, for example an AC supply network, and exchange electrical power with the other energy network, in particular to support or recharge the DC source in the DC network.
  • the DC network can also be supplied permanently or at times completely with energy from the other energy network via the converter, with the energy source of the DC network being able to be used if necessary to buffer power fluctuations.
  • the DC network is automatically provided with a fixed earth reference via the power converter, i.e. grounded.
  • the concrete position of the potentials of the DC network relative to the ground reference is specified by the concrete topology of the power converter used.
  • the converter can have a divided intermediate circuit whose midpoint, ie, middle potential, is connected to a neutral conductor with a fixed ground reference, so that the DC potentials on the intermediate circuit are largely symmetrical about ground potential.
  • a DC network that is not grounded per se also becomes a grounded network through a connection to a grounded energy network via a transformerless converter.
  • There can therefore be two operating states for such a DC network unearthed "stand-alone" operation and grounded operation when connected to the grounded energy network. This must be taken into account when designing the system.
  • insulation monitoring for a DC network which makes it possible to measure an insulation resistance of a DC network via a grounding resistance which lies between switching elements of a half-bridge middle potential of a bridge circuit of a converter connected to the DC network connects an earth switch to earth potential.
  • DC direct current or direct current
  • AC alternating current
  • the invention is based on the object of demonstrating a power converter and a method with easier-to-use or improved protection against ground currents that can flow when a DC network is connected to a grounded AC supply network.
  • the object is achieved by a power converter having the features of independent patent claim 1 .
  • the object is further solved by a method having the features of independent claim 11 .
  • Advantageous embodiments of the method are claimed in the dependent claims.
  • the AC side of the power converter can be connected to a grounded three-phase AC mains and the DC side of the power converter can be connected to an ungrounded DC mains.
  • the power converter has a bridge circuit whose AC connections can be connected to the AC side of the power converter via AC switches and whose DC connections can be connected to the DC side of the power converter via isolating switches.
  • a DC intermediate circuit of the power converter is used to temporarily store energy during the operation of the power converter and can be part of the bridge circuit.
  • the DC intermediate circuit can be charged from the AC supply network via a galvanically isolating AC pre-charging circuit.
  • the power converter has an insulation monitor that is set up to measure the insulation resistance of the DC side of the power converter when the AC precharging circuit is connected to the DC intermediate circuit.
  • the alternating current provided at the connections is converted into direct current provided at the DC connections, in particular by clocked control of semiconductor switches.
  • the AC pre-charge circuit allows the DC link capacitors to be charged from the AC mains, in a condition where the AC side of the converter may be disconnected from the AC mains.
  • the AC pre-charging circuit has a galvanic isolation, for example by providing a transformer in the AC pre-charging circuit, for example in the form of a flyback converter.
  • Another advantage is that the AC pre-charging circuit can be designed as an inherently short-circuit-proof circuit, thereby reducing the risk of fire, e.g. B. in the event of a short circuit in the DC intermediate circuit.
  • the charging of the DC link capacitors from the AC supply grid can be part of a protection scheme where the charging of the DC link capacitors from the AC supply grid is done before the AC side of the converter is connected to the AC supply grid .
  • a DC network connected to the DC side of the power converter can remain galvanically isolated from the AC supply network in such a situation and thus remain without ground reference, although capacitors of the DC intermediate circuit from the AC - Supply network to be charged.
  • the insulation monitor has, for example, a measurement of the insulation resistance of the DC intermediate circuit, as is described in WO2013/178654 A1.
  • the AC pre-charging circuit also allows monitoring of the insulation resistance while the DC intermediate circuit is being pre-charged from the AC mains, and in particular before the AC side of the converter is connected to the AC mains.
  • the insulation resistance can also be monitored by the insulation monitor provided if the AC side of the converter is disconnected from the AC supply network, the AC pre-charging circuit is inactive and the DC network is connected to the DC side of the converter.
  • the AC connections and the DC connections of the bridge circuit are galvanically coupled and the power transfer path between the AC side and the DC side of the power converter is in particular designed without a transformer. This can mean cost advantages compared to a bridge circuit that is galvanically isolated.
  • An advantage of such a power converter with AC pre-charging circuit, especially if it is designed without a transformer and z. B. is actively driven is that it can be started from the AC side by pre-charging. This is particularly advantageous when starting from the DC side is unfavorable or not possible, e.g. B. an energy source such as a photovoltaic system or battery is missing on the DC side.
  • a check for ground faults on the DC side e.g. B. by measuring the insulation resistance of the DC side. It is often required that the AC side is only switched on once sufficient DC-side insulation has been determined.
  • the invention thus enables starting from the AC side, in particular in the absence of a DC source.
  • the measurement of the insulation resistance is not falsified by the pre-charging circuit, as this is designed to be galvanically isolating.
  • the insulation monitor is arranged between the AC side of the power converter and the AC connections of the bridge circuit. It can have a grounding resistor which connects a middle potential of the bridge circuit lying between switching elements of a half-bridge to ground potential via a grounding switch.
  • At least one of the AC switches serves as a ground switch. This allows costs to be reduced.
  • insulation monitoring by means of fault current measurement of the AC connections e.g. B. provided by means of a DI converter.
  • the ground reference of the DC network can change via the grounding of the AC supply network to the AC -side of the rectifier result.
  • the potentials DC+ and DC- can e.g. B. via the connection to the AC side are symmetrically low-impedance to ground.
  • the reference point for grounding in the DC network can advantageously be selected in such a way that, in particular, a potential close to the middle potential is connected to the ground potential.
  • the middle potential can preferably be in the middle between DC+ and DC-.
  • a potential close to the middle potential can e.g.
  • the intermediate circuit consists of a series connection of several capacitances, such a potential can also be provided at a center tap of this series connection, for example by connecting it to the neutral conductor.
  • the voltage of the DC+ and DC- potentials in the DC network to ground can be limited to around half of the total DC voltage, which means that, among other things, the requirements for the insulation coordination are correspondingly simplified compared to grounding at DC+ or DC-.
  • a DC network e.g. B. grounded to DC-, the insulation of the Lines on DC+ potential must be designed for the full system voltage to ground and vice versa. In the case of high system voltages, this can lead to considerable costs.
  • the earth connection is lost. If the DC bus then continues to be operated, for example by continuing to be supplied from a DC source on the DC bus, ground fault monitoring is now required during operation. This can advantageously be done by monitoring the insulation using the insulation monitor.
  • the power converter also enables the energy system to be checked regularly, e.g. every time the power converter is started using the insulation monitor.
  • periodic measurements of the insulation state during operation are possible by means of residual current measurement of the AC connections, in order to permanently monitor an adequate insulation state of the energy system.
  • an isolating switch with a pre-charging resistor that can be connected in addition for each DC connection.
  • an isolating switch can be designed with a pre-charging resistor that can be connected in addition, in particular by bridging the isolating switch or as a looped-in parallel circuit consisting of a semiconductor switch and a pre-charging resistor.
  • the insulation resistance can be monitored by the insulation monitor when the DC network is connected to the converter, with the pre-charging resistor being able to protect against currents that are too high—in the event of a fault.
  • the DC connections can initially be switched on individually or together, with or without the provision of the pre-charging resistor, and then, if the insulation resistance of the DC network is sufficiently high, together and without the provision of the pre-charging resistor.
  • only one DC connection is connected to the DC side of the power converter via an isolating switch with a precharging resistor that can be connected in parallel.
  • the other DC connector is directly connected to the DC side. So you save on a circuit breaker by only having a single-pole disconnection of the DC connections with the one connected to the DC side DC network provides.
  • the insulation resistance can be determined with the isolating switch open.
  • the power converter has a control unit that is set up to precharge the DC intermediate circuit through the AC pre-charging circuit when the AC switches are open, to connect the DC connections to the DC grid by closing the isolating switch, then to increase the insulation resistance of the Measure the DC network with an insulation monitor, close the AC switch if the insulation resistance is high enough, and set a voltage of the DC network using the converter.
  • control unit is set up to charge the DC intermediate circuit with a power that is significantly lower than the rated power of the power converter.
  • control unit is set up to switch on the pre-charging resistors selectively for each DC line, in particular when the insulation resistance is measured by the insulation monitor. This serves e.g. B. to avoid excessive currents when connecting the DC intermediate circuit to the DC grid.
  • the power converter is set up to set the voltage on the DC side, while the DC side is connected to the DC connections without the interposition of pre-charging resistors.
  • the power converter is set up to supply the DC side with electrical power via isolating switches with bridged precharging resistors. This corresponds e.g. B. an operating state “normal operation” of the power converter, in which the DC network is supplied with electrical power from the AC supply network.
  • supply network can be connected, as well as with a galvanically isolating AC
  • Pre-charging circuit for pre-charging a DC intermediate circuit of the power converter from the AC supply network has the steps:
  • the AC switch closes and the converter adjusts a voltage of the DC network.
  • the DC intermediate circuit is preferably pre-charged with low power, i. H. with a power that is significantly lower than the rated power of the converter.
  • the pre-charging resistors are preferably of high-resistance design in order to avoid fault currents that are too high in the event of a fault.
  • the method also has the step of connecting at least one DC connection to the DC grid via a pre-charging resistor.
  • the pre-charging resistances are then taken into account when the insulation resistance is measured by the insulation monitor.
  • measuring the insulation resistance comprises a first step in which a first DC connection is connected to the DC grid via a first pre-charging resistor, and a second step in which a second DC connection, which is different from the first DC connection, is measured - the connection is connected to the DC grid via a second pre-charging resistor, wherein the insulation resistance is determined from measured values recorded in the first step and in the second step.
  • the voltage of the DC network is set by the power converter, while the DC network is connected to the DC connections without the interposition of precharging resistors.
  • At least one DC connection is connected to the DC grid via a precharging resistor.
  • the connection to the AC supply grid is therefore at least via a pre-charging resistor of at least one of the DC connections. In this way, excessive current can be avoided when connecting the DC network to the DC intermediate circuit.
  • the method also includes the steps of:
  • an error signal can be generated and suitably transmitted in the event of an insulation fault.
  • insulation monitoring of the DC network can be carried out using a fault current measurement at the AC connections, e.g. B. by means of a DI converter. This corresponds, for example, to "normal operation" of the power converter.
  • the disconnect switches can be opened before the AC switches are closed. If the AC switches are then closed, the power converter can adjust the DC voltage on its DC side to a voltage of the DC grid, optionally also symmetrical about ground potential, and then close the isolating switch to connect the DC grid and via the To supply power converters from the AC supply network with electrical power. In this way, inrush currents can be reduced when connecting the DC grid to the AC supply grid.
  • the power converter and the method enable a variable connection of a DC energy system to a grounded AC supply network, in particular via a transformerless power converter, and at the same time provide a protection concept for such operation.
  • 1 schematically shows an exemplary embodiment of a power converter
  • 2 schematically shows an exemplary embodiment of a method.
  • a power converter 10 with an AC side 16 and a DC side 18 is shown schematically.
  • a three-phase AC supply network 12 grounded at ground potential PE is connected to the AC side 16 .
  • a DC network 14 is connected to the DC side 18 .
  • the DC network 14 has an insulation resistance 50 to ground potential PE.
  • a battery 42 can be connected to the DC grid 14 via DC switches 46 .
  • the battery 42 may have an undesirable parasitic resistance 42.P to ground potential PE.
  • a load 44 can be connected to the DC grid via DC switches 48 .
  • the load 44 may have an undesirable parasitic resistance 44.P to ground potential PE.
  • a load 44 may include one or more consumers, such as e.g. B. a machine, an industrial plant, or an electrolyser.
  • the power converter 10 has a bridge circuit 20 which is designed to convert alternating current or alternating voltage at AC terminals ACL1, ACL2, ACL3 into direct current or direct voltage at DC terminals DCL+, DCL+.
  • the bridge circuit 20 is also designed to convert direct current or direct voltage at the DC terminals DCL+, DCL+ into alternating current or alternating voltage at the AC terminals ACL1, ACL2, ACL3.
  • the conversion takes place in that a control unit 30 suitably controls the semiconductor switch of the bridge circuit 20 .
  • a bridge circuit 20 with semiconductor switches is usually without a transformer, ie the AC terminals ACL1, ACL2, ACL3 and the DC terminals DCL+, DCL- of such a bridge circuit are galvanically coupled.
  • the DC connections DCL +, DCL- is thus usually assigned automatically via the bridge circuit 20 a ground reference.
  • the specific position of the potentials of the DC connections relative to the ground reference (DC+/DC- to PE) is specified by the topology of the bridge circuit 20 that is specifically used.
  • the bridge circuit 20 can have a divided DC intermediate circuit on the DC side, the center point of which is connected to the neutral conductor of the AC supply network 12 with a fixed earth reference PE as the middle potential, so that the DC potentials in the DC intermediate circuit are largely symmetrical about the earth potential Set PE.
  • a DC network 14 that is not grounded per se also becomes a grounded DC network 14 through a connection to the grounded AC supply network 12 via the transformerless converter 10.
  • the DC intermediate circuit of the bridge circuit 20 should generally be precharged when the power converter 10 is started up, before the AC side 16 or DC side 18 is connected to the corresponding networks 12, 14. This is aimed at e.g. B. to limit charging currents of capacitors of the DC intermediate circuit at a first-time connection to the DC network 14.
  • An AC pre-charging circuit 40 of the power converter 10 is set up such a pre-charging from the AC Carry out supply network 12 and has a galvanic isolation for this purpose.
  • the DC intermediate circuit of the bridge circuit 20 can be precharged directly from the AC supply network 12 via the AC precharging circuit 40 .
  • the AC side of the AC pre-charging circuit 40 is connected to the AC side 16 of the inverter 10 .
  • the AC pre-charging circuit is controlled by the control unit 30 .
  • a solid state switch 38 is connected between the rectifier 36 and the DC terminal DCL-. It is also controlled by the control unit 30.
  • the power converter 10 also has a fault current measurement 32 at the AC connections ACL1, ACL2, ACL3, which is based on a residual current measurement of the three AC connections ACL1, ACL2, ACL3.
  • the AC connections ACL1, ACL2, ACL3 can be connected to the AC side 16 via the AC switch 22.
  • An insulation monitor 34 is provided, which can be connected to the middle potential of a half-bridge of the bridge circuit 20 via an earth switch 22.E.
  • the insulation monitor 34 can also be connected to ground potential PE via a ground switch SE.
  • the insulation monitor 34 is used to monitor the insulation resistance 50 of the DC network - if this is connected.
  • the insulation monitor 34 has a grounding resistor RE, via which the middle potential is connected to the ground potential.
  • Such an insulation monitor 34 is described in WO2013/178654 A1, for example.
  • the insulation monitor can also have only one earth switch 22.E, which at the same time represents part of the switchable connection of the AC connections ACL3 to the AC side 16.
  • the DC connection DCL+ can be connected to the DC side 18 via an isolating switch 26.1.
  • the DC connection DCL- can be connected to the DC side 18 via an isolating switch 26.2.
  • a pre-charging resistor 24.1 that can be connected in addition is provided for the DC connection DCL+.
  • a pre-charging resistor 24.2 that can be connected in addition is provided for the DC connection DCL-.
  • the isolating switches 26.1, 26.2 with a pre-charging resistor 24.1, 24.2 that can be switched on are designed by bridging the isolating switch 26.1, 26.2 or as a looped-in parallel circuit made up of a semiconductor switch 24.1, 24.2 and a pre-charging resistor 28.1, 28.2.
  • FIG. 2 Deviating from the two-pole version of a disconnector arrangement shown in FIG. 1 and described above, FIG. 2 also shows a single-pole version of a disconnector arrangement.
  • the DC connection DCL- is directly connected to the DC side, i.e. without a disconnector.
  • step S1 the DC intermediate circuit is charged by the AC pre-charging circuit 40 from the AC supply network 12 when the AC switches 22 are open.
  • step S2 the DC connections DCL+, DCL- are connected to the DC network 14 by closing the isolating switches 26.1, 26.2.
  • step S3 the insulation resistance 50 of the DC network 14 is measured with an insulation monitor 34 and if the insulation resistance 50 is sufficiently high, the AC switches 22 are closed in step S4 and a voltage of the DC network 14 is set by the converter 10 in step S5 . If it is determined in step S3 that the insulation resistance 50 is not large enough, that is to say the DC network 14 does not have a sufficiently large insulation against ground potential PE, then step S3 is repeated.
  • the insulation resistance 50 is measured in step S3 with the switch 22.E closed in order to connect the insulation monitor 34 to the middle potential of the bridge circuit 20.
  • At least one DC connection DCL+, DCL- can be connected to the DC network 14 via a pre-charging resistor 28.1, 28.2 in step S2.
  • the insulation resistance 50 can be monitored by the insulation monitor 34 when the DC network 14 is connected to the converter 10 in step S2, with the pre-charging resistor 28.1, 28.2 being able to protect against excessive currents in the event of a fault.
  • the DC terminals DCL+, DCL- can initially be switched on individually and then together if the insulation resistance 50 of the DC network 14 is large enough.

Landscapes

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  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Rectifiers (AREA)
  • Direct Current Feeding And Distribution (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
  • Testing Of Short-Circuits, Discontinuities, Leakage, Or Incorrect Line Connections (AREA)

Abstract

Die Anmeldung beschreibt einen Stromrichter (10) zum Leistungstransfer zwischen einer AC-Seite (16) des Stromrichters (10) und einer DC-Seite (18) des Stromrichters (10), wobei die AC-Seite (16) des Stromrichters (10) an ein geerdetes dreiphasiges AC-Versorgungsnetz (12) anschließbar ist und die DC-Seite (18) des Stromrichters (10) an ein ungeerdetes DC-Netz (14) anschließbar ist. Der Stromrichter weist (10) eine Brückenschaltung (20) auf, deren AC-Anschlüsse (ACL1, ACL2, ACL3) über AC-Schalter (22) mit der AC-Seite (16) des Stromrichters (10) verbindbar sind und deren DC-Anschlüsse (DCL+, DCL-) über Trennschalter (26.1, 26.2) mit der DC- Seite (18) des Stromrichters (10) verbindbar sind, wobei ein DC-Zwischenkreis des Stromrichters (10) über eine galvanisch trennende AC-Vorladeschaltung (40) aus dem AC-Versorgungsnetz (12) aufladbar ist, wobei der Stromrichter (10) einen Isolationswächter (34) aufweist, der zur Messung des Isolationswiderstandes (50) der DC-Seite (18) des Stromrichters (10) bei bestehender Verbindung der AC-Vorladeschaltung (40) mit dem DC-Zwischenkreis eingerichtet ist. Die Anmeldung beschreibt weiter ein Verfahren zur Versorgung eines ungeerdeten DC-Netzes (14) aus einem geerdeten dreiphasigen AC-Versorgungsnetz (12) durch einen transformatorlosen Stromrichter (10).

Description

GALVANISCH GETRENNTE VORLADUNG UND ISOLATIONSÜBERWACHUG EINES STROMRICHTERS ZUM KOPPELN EINES GEERDETEN AC NETZES MIT EINEM UNGEERDETEN DC NETZ
Technisches Gebiet der Erfindung
Stand der Technik
Ein DC-Energiesystem umfasst mindestens eine Energiequelle, die elektrische Leistung bevorzugt als Gleichstrom zur Verfügung stellt, also eine DC-Quelle, z.B. eine Batterie, einen PV-Generator oder eine Brennstoffzelle, und mindestens eine Last, die elektrische Leistung bevorzugt als Gleichstrom verbraucht, also eine DC- Senke, z. B. einen Verbraucher, sowie Verbindungen zwischen diesen elektrischen Komponenten. Das DC-Energiesystem kann ein DC-Netz oder einen DC-Bus umfassen, wo die elektrischen Komponenten angeschlossen sind, und weitere Quellen, Speicher und/oder Verbraucher umfassen. Der Übergang zwischen einem DC-Bus mit wenigen angeschlossenen Komponenten, beispielsweise lediglich einer Quelle und einer Senke, und einem DC-Netz mit einer Vielzahl an derartigen Komponenten ist fließend. In dieser Anmeldung wird unter dem Begriff DC-Netz auch ein DC-Bus verstanden.
Ein solches DC-Netz kann geerdet oder ungeerdet betrieben werden. Abhängig von der konkreten Betriebsart können unterschiedliche Überwachungs- und Schutzmechanismen für den Fall eines Erdschlusses normativ gefordert sein.
Ein ungeerdetes DC-Netz, in dem die Potentiale DC+ und DC- der jeweiligen DC- Leitungen DCL+ und DCL- keinen festen Bezug zum Erdpotential aufweisen, hat den Vorteil, dass ein etwaiger erster Erdschluss im DC-Netz, beispielsweise ein Isolationsfehler entlang einer der DC-Leitungen, noch zu keinem Schaden führt. Es wird jedoch eine Isolationsüberwachung benötigt, um das Auftreten jedweden Fehlers zu detektieren und ggf. schon bei einem ersten Erdschluss Gegenmaßnahmen einleiten zu können, z.B. die Energiequelle abzuschalten bzw. die Energiequelle und/oder die Fehlerstelle vom DC-Netz zu trennen. In einem geerdeten DC-Netz weisen die Potentiale DC+ und DC- einen definierten Bezug zum Erdpotential auf. Ein derartiger Erdbezug kann beispielsweise mittels einer resistiven Verbindung zwischen dem Erdpotential und einem der DC-Potentiale DC+ oder DC- einfach realisiert werden.
Ein DC-Netz kann über einen Stromrichter mit einem weiteren Energienetz, z. B. einem weiteren DC-Netz oder einem AC-Netz, beispielsweise einem AC- Versorgungsnetz, verbunden werden und mit dem weiteren Energienetz elektrische Leistung austauschen, insbesondere zur Unterstützung oder Wiederaufladung der DC-Quelle im DC-Netz. Grundsätzlich kann das DC-Netz auch dauerhaft oder zeitweise vollständig über den Stromrichter mit Energie aus dem weiteren Energienetz versorgt werden, wobei die Energiequelle des DC-Netzes ggf. zur Pufferung von Leistungsschwankungen verwendet werden kann.
Wenn das weitere Energienetz eine Erdung, z. B. in Form eines geerdeten Neutralleiters, aufweist und der Stromrichter transformatorlos aufgebaut ist, d.h. keine galvanische Trennung zwischen AC- und DC-Seite aufweist, wird das DC-Netz automatisch über den Stromrichter mit einem festen Erdbezug versehen, d.h. geerdet. Die konkrete Lage der Potentiale des DC-Netzes relativ zum Erdbezug wird dabei durch die konkret verwendete Topologie des Stromrichters vorgegeben.
Beispielsweise kann der Stromrichter gleichstromseitig einen geteilten Zwischenkreis aufweisen, dessen Mittelpunkt, also Mittelpotential, mit einem Neutralleiter mit festem Erdbezug verbunden ist, so dass sich die DC-Potentiale am Zwischenkreis weitgehend symmetrisch um das Erdpotential einstellen.
Insofern wird ein an sich ungeerdetes DC-Netz durch eine Verbindung mit einem geerdeten Energienetz über einen transformatorlosen Stromrichter ebenfalls zu einem geerdeten Netz. Es können sich somit zwei Betriebszustände für ein solches DC-Netz ergeben, ein ungeerdeter „Stand-alone“-Betrieb und ein geerdeter Betrieb bei Verbindung mit dem geerdeten Energienetz. Dies ist bei der Systemauslegung zu beachten.
Verbindet man allerdings ein geerdetes DC-Netz mit einem geerdeten AC-Netz, beispielsweise über einen Stromrichter, kann es zu derart hohen, unkontrollierten Stromflüssen zwischen den Netzen kommen, dass Komponenten des Stromrichters oder Komponenten der Netze beschädigt werden. Dies gilt auch, wenn in einem vermeintlich ungeerdeten DC-Netz ein Isolationsfehler vorhanden ist.
In WO2013/178654 A1 wird eine Isolationsüberwachung für ein DC-Netz beschrieben, das es ermöglicht, einen Isolationswiderstand eines DC-Netzes über einen Erdungswiderstand zu messen, der ein zwischen Schaltelementen einer Halbbrücke liegendes Mittelpotential einer Brückenschaltung eines mit dem DC-Netz verbundenen Stromrichters über einen Erdschalter mit Erdpotential verbindet.
Das Kürzel DC (engl. direct current) steht in dieser Anmeldung für Gleichstrom oder Gleichspannung und AC (engl. alternating current) für Wechselstrom oder Wechselspannung.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stromrichter und ein Verfahren mit einfacher zu handhabendem oder verbessertem Schutz gegen Erdströme aufzuzeigen, die bei Verbindung eines DC-Netzes mit einem geerdeten AC- Versorgungsnetz fließen können.
Lösung
Die Aufgabe wird durch einen Stromrichter mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe wird weiter durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.
Beschreibung der Erfindung
Bei einem Stromrichter zum Leistungstransfer zwischen einer AC-Seite des Stromrichters und einer DC-Seite des Stromrichters ist die AC-Seite des Stromrichters an ein geerdetes dreiphasiges AC-Versorgungsnetz anschließbar und die DC-Seite des Stromrichters ist an ein ungeerdetes DC-Netz anschließbar. Der Stromrichter weist eine Brückenschaltung auf, deren AC-Anschlüsse über AC- Schalter mit der AC-Seite des Stromrichters verbindbar sind und deren DC- Anschlüsse über Trennschalter mit der DC-Seite des Stromrichters verbindbar sind. Ein DC-Zwischenkreis des Stromrichters dient der Zwischenspeicherung von Energie während des Betriebs des Stromrichters und kann Teil der Brückenschaltung sein. Der DC-Zwischenkreis ist über eine galvanisch trennende AC-Vorladeschaltung aus dem AC-Versorgungsnetz aufladbar. Der Stromrichter weist einen Isolationswächter auf, der zur Messung des Isolationswiderstandes der DC-Seite des Stromrichters bei bestehender Verbindung der AC-Vorladeschaltung mit dem DC-Zwischenkreis eingerichtet ist.
In der Brückenschaltung wird insbesondere durch getaktete Ansteuerung von Halbleiterschaltern der an den Anschlüssen bereitgestellte Wechselstrom in an den DC-Anschlüssen bereitgestellten Gleichstrom gewandelt.
Die AC-Vorladeschaltung ermöglicht das Aufladen der Kondensatoren des DC- Zwischenkreises aus dem AC-Versorgungsnetz, in einem Zustand, in dem die AC- Seite des Stromrichters von dem AC-Versorgungsnetz getrennt sein kann. Die AC- Vorladeschaltung weist eine galvanische Trennung auf, beispielsweise durch das Vorsehen eines Transformators in der AC-Vorladeschaltung, beispielsweise in Form eines Sperrwandlers. Ein weiterer Vorteil ist, dass die AC-Vorladeschaltung hierdurch als inhärent kurzschlusssichere Schaltung ausgeführt und dadurch die Brandgefahr verringert werden kann, z. B. bei einem etwaigen Kurzschluss des DC- Zwischenkreises.
Das Aufladen der Kondensatoren des DC-Zwischenkreises aus dem AC- Versorgungsnetz kann Teil eines Schutzkonzeptes sein, bei dem das Aufladen der Kondensatoren des DC-Zwischenkreises aus dem AC-Versorgungsnetz erfolgt, bevor die AC-Seite des Stromrichters mit dem AC-Versorgungsnetz verbunden wird. Durch das Vorsehen der galvanischen Trennung in der AC-Vorladeschaltung kann ein an der DC-Seite des Stromrichters angeschlossenes DC-Netz in einer solchen Situation galvanisch vom AC-Versorgungsnetz getrennt bleiben und somit ohne Erdbezug bleiben, obwohl Kondensatoren des DC-Zwischenkreises aus dem AC- Versorgungsnetz aufgeladen werden. Der Isolationswächter weist beispielsweise eine Messung des Isolationswiderstandes des DC-Zwischenkreises auf, wie sie in WO2013/178654 A1 beschrieben ist. Durch die AC-Vorladeschaltung kann zudem die Überwachung des Isolationswiderstandes durchgeführt werden, während der DC-Zwischenkreis aus dem AC-Versorgungsnetz vorgeladen wird, und insbesondere bevor die AC-Seite des Stromrichters mit dem AC-Versorgungsnetz verbunden wird. Die Überwachung des Isolationswiderstandes ist durch den vorgesehenen Isolationswächter auch möglich, wenn die AC-Seite des Stromrichters vom AC-Versorgungsnetz getrennt ist, die AC-Vorladeschaltung inaktiv ist und das DC-Netz mit der DC-Seite des Stromrichters verbunden ist.
Dies ermöglicht die Erfüllung von Normen, die ggf. insbesondere in IT-Netzen eine permanente Isolationsüberwachung fordern. Insbesondere kann vor dem erstmaligem Zuschalten des AC-Versorgungsnetzes an das DC-Netz eine Überprüfung des Isolationswiderstandes des DC-Netzes durchgeführt werden.
In einer Ausführungsform sind die AC-Anschlüsse und die DC-Anschlüsse der Brückenschaltung galvanisch gekoppelt und der Leistungstransferpfad zwischen der AC-Seite und der DC-Seite des Stromrichters ist insbesondere transformatorlos ausgebildet. Dies kann Kostenvorteile gegenüber einer galvanisch getrennt ausgeführten Brückenschaltung bedeuten.
Ein Vorteil eines solchen Stromrichters mit AC-Vorladeschaltung, insbesondere auch wenn er transformatorlos ausgebildet ist und z. B. aktiv angesteuert wird, ist, dass er von der AC-Seite aus durch einen Vorladevorgang gestartet werden kann. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn ein Starten von der DC-Seite aus ungünstig ist oder nicht möglich ist, weil z. B. eine Energiequelle wie Photovoltaikanlage oder Batterie auf der DC-Seite fehlt. In einem zweiten Schritt des Startens kann dann eine Überprüfung auf Erdfehler auf der DC-Seite, z. B. durch eine Messung des Isolationswiderstandes der DC-Seite, erfolgen. Es ist oft gefordert, dass erst nach Feststellen einer ausreichenden DC-seitigen Isolation, dann die AC-Seite zugeschaltet wird. Die Erfindung ermöglicht also ein Aufstarten von der AC-Seite, insbesondere bei Abwesenheit einer DC-Quelle. Die Messung des Isolationswiderstandes wird außerdem nicht durch die Vorladeschaltung verfälscht, da diese galvanisch trennend ausgeführt ist.
In einer Ausführungsform ist der Isolationswächter zwischen der AC-Seite des Stromrichters und den AC-Anschlüssen der Brückenschaltung angeordnet. Er kann einen Erdungswiderstand aufweisen, der ein zwischen Schaltelementen einer Halbbrücke liegendes Mittelpotential der Brückenschaltung über einen Erdschalter mit Erdpotential verbindet.
In einer Ausführungsform dient zumindest einer der AC-Schalter als Erdschalter. Hierdurch können Kosten reduziert werden.
In einer Ausführungsform ist eine Isolationsüberwachung mittels Fehlerstrommessung der AC-Anschlüsse, z. B. mittels eines Dl-Wandlers vorgesehen.
Im Betrieb und bei Versorgung von DC-Lasten an einem DC-Netz, das u. a. z. B. aus einem Stromrichter gespeist wird, der ein transformatorloser aktiver Gleichrichter ist, kann sich der Erdbezug des DC-Netzes über die Erdung des AC-Versorgungsnetzes auf der AC-Seite des Gleichrichters ergeben. Die Potentiale DC+ und DC- können z. B. über die Verbindung zur AC-Seite symmetrisch niederohmig gegen Erde liegen. Die Wahl des Bezugspunktes für die Erdung im DC-Netz kann vorteilhaft so erfolgen, dass insbesondere ein Potential in der Nähe des Mittelpotentials mit dem Erdpotential verbunden wird. Das Mittelpotential kann bevorzugt in der Mitte zwischen DC+ und DC- liegen. Ein Potential in der Nähe des Mittelpotentials kann z. B. durch symmetrisches Takten der Halbleiter einer Brückenschaltung in der Mitte dieser Brückenschaltung erreicht werden. Wenn der Zwischenkreis aus einer Reihenschaltung mehrerer Kapazitäten besteht, kann ein solches Potential auch an einem Mittelabgriff dieser Reihenschaltung bereitgestellt werden, beispielsweise durch Verbinden mit dem Neutralleiter. Dadurch kann die Spannung der DC+ und DC- Potentiale im DC-Netz gegen Erde auf etwa die Hälfte der gesamten DC- Spannung begrenzt werden, wodurch u.a. Anforderungen an die die Isolationskoordination entsprechend vereinfacht sind gegenüber einer Erdung an DC+ oder DC-. Wird ein DC-Netz z. B. an DC- geerdet, so muss die Isolierung der Leitungen auf DC+ Potential für die volle Systemspannung gegen Erde ausgelegt sein und umgekehrt. Das kann bei hohen Systemspannungen zu erheblichen Kosten führen.
Wenn sich das AC-Versorgungsnetz vom Stromrichter trennt, so fällt der Erdbezug weg. Wird der DC-Bus dann weiter betrieben, beispielsweise indem er von einer DC- Quelle am DC-Bus weiterhin versorgt wird, ist im laufenden Betrieb nun eine Überwachung auf Erdfehler erforderlich. Dies kann vorteilhaft durch eine Isolationsüberwachung mittels des Isolationswächters erfolgen.
Der Stromrichter ermöglicht außerdem, das Energiesystem regelmäßig zu prüfen, z.B. bei jedem Start des Stromrichters mittels des Isolationswächters. Darüber hinaus sind periodische Isolationszustandsmessungen im laufenden Betrieb mittels Fehlerstrommessung der AC-Anschlüsse, möglich, um dauerhaft einen ausreichenden Isolationszustand des Energiesystems zu überwachen.
In einer Ausführungsform ist pro DC-Anschluss zumindest ein Trennschalter mit einem hinzuschaltbaren Vorladewiderstand vorhanden. Hierbei kann ein Trennschalter mit einem hinzuschaltbaren Vorladewiderstand, insbesondere durch Überbrückung des Trennschalters oder als eingeschleifte Parallelschaltung aus Halbleiterschalter und Vorladewiderstand ausgeführt sein. Durch Vorsehen der Vorladewiderstände kann beim Verbinden des DC-Netzes mit dem Stromrichter der Isolationswiderstand durch den Isolationswächter überwacht werden, wobei der Vorladewiderstand dabei - im Fehlerfall - vor zu hohen Strömen schützen kann. Das Hinzuschalten der DC-Anschlüsse kann zunächst einzeln oder gemeinsam, mit oder ohne Vorsehen des Vorladewiderstands, und dann bei genügend großem Isolationswiderstand des DC-Netzes gemeinsam und ohne Vorsehen des Vorladewiderstands erfolgen.
In einer weiteren Ausführungsform ist nur ein DC-Anschluss über einen Trennschalter mit parallel schaltbarem Vorladewiderstand mit der DC-Seite des Stromrichters verbunden. In diesem Fall ist der andere DC-Anschluss direkt mit der DC-Seite verbunden. Man spart also einen Trennschalter ein, indem nur eine einpolige Trennung der DC-Anschlüsse mit dem an der DC-Seite angeschlossenen DC-Netz vorsieht. Hier kann eine Isolationswiderstandsbestimmung bei geöffnetem Trennschalter erfolgen.
In einer Ausführungsform weist der Stromrichter eine Steuereinheit auf, die eingerichtet ist, den DC-Zwischenkreis durch die AC-Vorladeschaltung bei geöffneten AC-Schaltern vorzuladen, die DC-Anschlüsse mit dem DC-Netz durch Schließen der Trennschalter zu verbinden, anschließend den Isolationswiderstand des DC-Netzes mit einem Isolationswächter zu messen, bei genügend großem Isolationswiderstand die AC-Schalter zu schließen, und durch den Stromrichter eine Spannung des DC- Netzes einzustellen.
In einer Ausführungsform ist die Steuereinheit eingerichtet, den DC-Zwischenkreis mit einer Leistung aufzuladen, die wesentlich geringer ist als die Nennleistung des Stromrichters.
In einer Ausführungsform ist die Steuereinheit eingerichtet, die Vorladewiderstände selektiv pro DC-Leitung insbesondere bei der Messung des Isolationswiderstandes durch den Isolationswächter hinzuzuschalten. Dies dient z. B. dazu, zu hohe Ströme beim Verbinden des DC-Zwischenkreises mit dem DC-Netz zu vermeiden.
In einer Ausführungsform ist der Stromrichter eingerichtet, die Spannung der DC- Seite einzustellen, während die DC-Seite ohne Zwischenschaltung von Vorladewiderständen mit den DC-Anschlüssen verbunden ist. Der Stromrichter ist eingerichtet, bei eingestellter DC-Spannung die DC-Seite über Trennschalter mit überbrückten Vorladewiderständen mit elektrischer Leistung zu versorgen. Dies entspricht z. B. einem Betriebszustand „Normalbetrieb“ des Stromrichters, bei dem das DC-Netz aus dem AC-Versorgungsnetz mit elektrischer Leistung versorgt wird.
Ein Verfahren zur Versorgung eines ungeerdeten DC-Netzes aus einem geerdeten dreiphasigen AC-Versorgungsnetz durch einen transformatorlosen Stromrichter mit einer Brückenschaltung, deren DC-Anschlüsse mittels Trennschaltern mit dem DC- Netz verbindbar sind und deren AC-Anschlüsse über AC-Schalter mit dem AC- Versorgungsnetz verbindbar sind, sowie mit einer galvanisch trennenden AC- Vorladeschaltung zum Vorladen eines DC-Zwischenkreises des Stromrichters aus dem AC-Versorgungsnetz, weist die Schritte auf:
- Vorladen des DC-Zwischenkreises durch die AC-Vorladeschaltung bei geöffneten AC-Schaltern,
- Verbinden der DC-Anschlüsse mit dem DC-Netz durch Schließen der Trennschalter,
- anschließendes Messen des Isolationswiderstandes des DC-Netzes mit einem Isolationswächter,
- bei genügend großem Isolationswiderstand: Schließen der AC-Schalter und Einstellen einer Spannung des DC-Netzes durch den Stromrichter.
Bei zu geringem Isolationswiderstand kann das Hochstarten des Stromrichters aus Sicherheitsgründen gestoppt werden.
Das Vorladen des DC-Zwischenkreises erfolgt bevorzugt mit geringer Leistung, d. h. mit einer Leistung, die wesentlich geringer ist als die Nennleistung des Stromrichters. Es wird kein Potentialbezug zwischen dem DC-Zwischenkreis und dem AC- Versorgungsnetz hergestellt, da die AC-Vorladeschaltung galvanisch trennend ausgebildet ist, z. B. durch das Vorsehen eines Sperrwandlers in der AC- Vorladeschaltung. Die Vorladewiderstände sind bevorzugt hochohmig ausgebildet, um im Fehlerfall zu hohe Fehlerströme zu vermeiden.
In einer Ausführungsform weist das Verfahren außerdem den Schritt auf, dass das Verbinden zumindest eines DC-Anschlusses mit dem DC-Netz über einen Vorladewiderstand erfolgt. In dieser Ausführungsform werden die Vorladewiderstände dann bei der Messung des Isolationswiderstandes durch den Isolationswächter berücksichtigt.
In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Messen des Isolationswiderstandes einen ersten Schritt, in dem ein erster DC-Anschluss über einen ersten Vorladewiderstand mit dem DC-Netz verbunden ist, und einen zweiten Schritt, in dem ein zweiter, vom ersten DC-Anschluss unterschiedlicher DC- Anschluss über einen zweiten Vorladewiderstand mit dem DC-Netz verbunden ist, wobei der Isolationswiderstand aus bei dem ersten Schritt und bei dem zweiten Schritt erfassten Messwerten bestimmt wird.
In einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Einstellen der Spannung des DC-Netzes durch den Stromrichter, während das DC-Netz ohne Zwischenschaltung von Vorladewiderständen mit den DC-Anschlüssen verbunden ist. Dies entspricht z. B. einem Betriebszustand „Normalbetrieb“ des Stromrichters, bei dem das DC-Netz aus dem AC-Versorgungsnetz mit elektrischer Leistung versorgt wird.
In einer Ausführungsform ist beim Schließen der AC-Schalter zumindest ein DC- Anschluss über einen Vorladewiderstand mit dem DC-Netz verbunden. In dieser Ausführungsform erfolgt das Verbinden mit dem AC-Versorgungsnetz also zumindest über einen Vorladewiderstand von zumindest einem der DC-Anschlüsse. Hierdurch kann ein zu großer Strom beim Zuschalten des DC-Netzes auf den DC- Zwischenkreis vermieden werden.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren außerdem die Schritte:
• bei Ausfall des AC-Versorgungsnetzes: ein Öffnen der AC-Schalter und Weiterbetrieb des DC-Netzes über eine an dem DC-Netz angeschlossene Energiequelle,
• wobei während des Weiterbetriebs der Isolationswiderstand des DC-Netzes mit dem Isolationswächter kontinuierlich oder wiederholt gemessen wird.
Es ist dann als optionaler Schritt möglich, bei erkanntem Isolationsfehler, d. h. z. B. einem zu kleinen Isolationswiderstand des DC-Netzes gegen Erdpotential, das DC- Netz durch Öffnen der Trennschalter zu trennen. Bei Erkennen eines
Isolationsfehlers kann zusätzlich ein Fehlersignal erzeugt und geeignet übermittelt werden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens kann nach dem Schließen der AC-Schalter, also bei einer bestehenden Verbindung des AC-Versorgungsnetzes mit dem DC- Netz und einer Versorgung des DC-Netzes mit elektrischer Leistung aus dem AC- Versorgungsnetz eine Isolationsüberwachung des DC-Netzes mittels einer Fehlerstrommessung an den AC-Anschlüssen, z. B. mittels eines Dl-Wandlers, erfolgen. Dies entspricht beispielsweise einem „Normalbetrieb“ des Stromrichters. In einer Ausführungsform des Verfahrens können vor dem Schließen der AC- Schalter die Trennschalter geöffnet werden. Sind die AC-Schalter dann geschlossen kann der Stromrichter die DC-Spannung an seiner DC-Seite auf eine Spannung des DC-Netzes angleichen, optional auch um Erdpotential symmetrieren, und danach die Trennschalter schließen, um das DC-Netz zu verbinden und über den Stromrichter aus dem AC-Versorgungsnetz mit elektrischer Leistung zu versorgen. Auf diese Weise können Einschaltströme beim Verbinden des DC-Netzes mit dem AC- Versorgungsnetz reduziert werden.
Der Stromrichter und das Verfahren ermöglichen eine variable Verbindung eines DC- Energiesystems mit einem geerdeten AC-Versorgungsnetz, insbesondere über einen transformatorlosen Stromrichter und stellen zugleich ein Schutzkonzept für einen solchen Betrieb zur Verfügung.
Kurzbeschreibunq der Figuren
Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe von Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Stromrichters; Fig. 2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens.
Figurenbeschreibung
In Fig. 1 ist schematisch eine Ausführungsform eines Stromrichters 10 mit einer AC- Seite 16 und einer DC-Seite 18 dargestellt. An der AC-Seite 16 ist ein am Erdpotential PE geerdetes dreiphasiges AC-Versorgungsnetz 12 angeschlossen. An der DC-Seite 18 ist ein DC-Netz 14 angeschlossen. Das DC-Netz 14 weist einen Isolationswiderstand 50 gegen Erdpotential PE auf. Eine Batterie 42 ist über DC- Schalter 46 mit dem DC-Netz 14 verbindbar. Die Batterie 42 kann einen unerwünschten parasitären Widerstand 42. P gegen Erdpotential PE aufweisen. Eine Last 44 ist über DC-Schalter 48 mit dem DC-Netz verbindbar. Die Last 44 kann einen unerwünschten parasitären Widerstand 44. P gegen Erdpotential PE aufweisen. Eine Last 44 kann insbesondere einen oder mehrere Verbraucherumfassen, wie z. B. eine Maschine, eine Industrieanlage, oder auch einen Elektrolyseur. Der Stromrichter 10 weist eine Brückenschaltung 20 auf, die ausgebildet ist, Wechselstrom oder Wechselspannung an AC-Anschlüssen ACL1 , ACL2, ACL3 in Gleichstrom oder Gleichspannung an DC-Anschlüssen DCL+, DCL+ umzuwandeln. Die Brückenschaltung 20 ist ebenfalls ausgebildet, Gleichstrom oder Gleichspannung an den DC-Anschlüssen DCL+, DCL+ in Wechselstrom oder Wechselspannung an den AC-Anschlüssen ACL1 , ACL2, ACL3 umzuwandeln. Im dargestellten Ausführungsbeispiel geschieht die Umwandlung dadurch, dass eine Steuereinheit 30 Halbleiterschalter der Brückenschaltung 20 geeignet ansteuert. Eine Brückenschaltung 20 mit Halbleiterschaltern ist in der Regel transformatorlos, d. h. die AC-Anschlüsse ACL1 , ACL2, ACL3 und die DC-Anschlüsse DCL+, DCL- einer solchen Brückenschaltung sind galvanisch gekoppelt. Wenn das AC- Versorgungsnetz einen Erdbezug aufweist, z. B. durch einen geerdeten Neutralleiter, wird den DC-Anschlüsse DCL+, DCL- damit in der Regel automatisch über die Brückenschaltung 20 ein Erdbezug zugewiesen. Die konkrete Lage der Potentiale der DC-Anschlüsse relativ zum Erdbezug (DC+ / DC- gegen PE) werden dabei durch die konkret verwendete Topologie der Brückenschaltung 20 vorgegeben. Beispielsweise kann die Brückenschaltung 20 DC-seitig einen geteilten DC- Zwischenkreis aufweisen, dessen Mittelpunkt mit dem Neutralleiter des AC- Versorgungsnetzes 12 mit festem Erdbezug PE als Mittelpotential verbunden ist, so dass sich die DC-Potentiale am DC-Zwischenkreis weitgehend symmetrisch um das Erdpotential PE einstellen. Insofern wird ein an sich ungeerdetes DC-Netz 14 durch eine Verbindung mit dem geerdeten AC-Versorgungsnetz 12 über den transformatorlosen Stromrichter 10 ebenfalls zu einem geerdeten DC-Netz 14. Es können sich somit zwei Betriebszustände für das DC-Netz 14 ergeben, ein ungeerdeter „Stand-alone-Betrieb“ mit Versorgung aus der Batterie 42 und ein geerdeter Betrieb bei Verbindung mit dem geerdeten AC-Versorgungsnetz 12.
Der DC-Zwischenkreis der Brückenschaltung 20 soll in der Regel beim Hochfahren des Stromrichters 10, vor der Verbindung der AC-Seite 16 oder DC-Seite 18 mit den entsprechenden Netzen 12, 14, vorgeladen werden. Dies wird angestrebt, um z. B. Ladeströme von Kondensatoren des DC-Zwischenkreises bei einer erstmaligen Verbindung mit dem DC-Netz 14 zu begrenzen. Eine AC-Vorladeschaltung 40 des Stromrichters 10 ist eingerichtet, eine solche Vorladung aus dem AC- Versorgungsnetz 12 durchzuführen und weist hierfür eine galvanische Trennung auf. Über die AC-Vorladeschaltung 40 kann der DC-Zwischenkreis der Brückenschaltung 20 direkt aus dem AC-Versorgungsnetz 12 vorgeladen werden. Hierfür ist die Wechselstromseite der AC-Vorladeschaltung 40 mit der AC-Seite 16 des Wechselrichters 10 verbunden. Die AC-Vorladeschaltung wird durch die Steuereinheit 30 angesteuert. Ein Halbleiterschalter 38 ist zwischen den Gleichrichter 36 und den DC-Anschluss DCL- geschaltet. Er wird ebenfalls von der Steuereinheit 30 angesteuert.
Der Stromrichter 10 weist weiter eine Fehlerstrommessung 32 an den AC-Anschlüssen ACL1 , ACL2, ACL3 auf, die auf einer Differenzstrommessung der drei AC-Anschlüsse ACL1 , ACL2, ACL3 basiert.
Über AC-Schalter 22 können die AC-Anschlüsse ACL1 , ACL2, ACL3 mit der AC-Seite 16 verbunden werden. Es ist ein Isolationswächter 34 vorgesehen, der über einen Erdschalter 22. E mit dem Mittelpotential einer Halbbrücke der Brückenschaltung 20 verbunden werden kann. Der Isolationswächter 34 kann außerdem über einen Erdschalter SE mit Erdpotential PE verbunden werden. Der Isolationswächter 34 dient zur Überwachung des Isolationswiderstandes 50 des DC-Netzes - sofern dieses angeschlossen ist. Der Isolationswächter 34 weist hierzu einen Erdungswiderstand RE auf, über den die Verbindung des Mittelpotentials mit dem Erdpotential erfolgt. Ein solcher Isolationswächter 34 ist beispielsweise in WO2013/178654 A1 beschrieben. In einer in Fig. 2 gezeigten Ausführung kann der Isolationswächter auch nur einen Erdschalter 22. E aufweisen, der gleichzeitig einen Teil der schaltbaren Verbindung der AC-Anschlüsse ACL3 mit der AC-Seite 16 darstellt.
Über einen Trennschalter 26.1 kann der DC-Anschluss DCL+ mit der DC-Seite 18 verbunden werden. Über einen Trennschalter 26.2 kann der DC-Anschluss DCL- mit der DC-Seite 18 verbunden werden. Für den DC-Anschluss DCL+ ist ein hinzuschaltbarer Vorladewiderstand 24.1 vorgesehen. Für den DC-Anschluss DCL- ist ein hinzuschaltbarer Vorladewiderstand 24.2 vorgesehen. Die Trennschalter 26.1 , 26.2 mit hinzuschaltbarem Vorladewiderstand 24.1 , 24.2 sind durch Überbrückung des Trennschalters 26.1 , 26.2 oder als eingeschleifte Parallelschaltung aus Halbleiterschalter 24.1 , 24.2 und Vorladewiderstand 28.1 , 28.2 ausgeführt. Abweichend von der in Fig. 1 gezeigten und vorstehend beschriebenen zweipoligen Ausführung einer Trennschalteranordnung ist in Fig. 2 weiterhin eine einpolige Ausführung einer Trennschalteranordnung gezeigt. Der DC-Anschluss DCL- ist hierbei direkt, also ohne einen Trennschalter, mit der DC-Seite verbunden.
In Fig. 3 ist schematisch ein Verfahren zur Versorgung des ungeerdeten DC-Netzes 14 aus dem geerdeten dreiphasigen AC-Versorgungsnetz 12 durch den transformatorlosen Stromrichter 10 dargestellt. In Schritt S1 wird der DC- Zwischenkreis durch die AC-Vorladeschaltung 40 bei geöffneten AC-Schaltern 22 aus dem AC-Versorgungsnetz 12 geladen. In Schritt S2 werden die DC-Anschlüsse DCL+, DCL- mit dem DC-Netz 14 durch Schließen der Trennschalter 26.1 , 26.2 verbunden. Anschließend wird in Schritt S3 der Isolationswiderstand 50 des DC- Netzes 14 mit einem Isolationswächter 34 gemessen und bei genügend großem Isolationswiderstand 50 werden in Schritt S4 die AC-Schalter 22 geschlossen und in Schritt S5 eine Spannung des DC-Netzes 14 durch den Stromrichter 10 eingestellt. Wird in Schritt S3 ermittelt, dass der Isolationswiderstand 50 nicht groß genug ist, also das DC-Netz 14 keine genügend große Isolation gegen Erdpotential PE aufweist, so wird der Schritt S3 wiederholt.
Die Messung des Isolationswiderstandes 50 in Schritt S3 erfolgt mit geschlossenem Schalter 22. E, um den Isolationswächter 34 mit dem Mittelpotential der Brückenschaltung 20 zu verbinden.
Optional kann in Schritt S2 das Verbinden zumindest eines DC-Anschlusses DCL+, DCL- mit dem DC-Netz 14 über einen Vorladewiderstand 28.1 , 28.2 erfolgen. Durch Vorsehen der Vorladewiderstände 28.1 , 28.2 kann beim Verbinden des DC-Netzes 14 mit dem Stromrichter 10 in Schritt S2 der Isolationswiderstand 50 durch den Isolationswächter 34 überwacht werden, wobei der Vorladewiderstand 28.1 , 28.2 dabei - im Fehlerfall - vor zu hohen Strömen schützen kann. Das Hinzuschalten der DC-Anschlüsse DCL+, DCL- kann zunächst einzeln und dann bei genügend großem Isolationswiderstand 50 des DC-Netzes 14 gemeinsam erfolgen. Bezuqszeichenliste
10 Stromrichter
12 AC-Versorgungsnetz
14 DC-Netz
16 AC-Seite
18 DC-Seite
20 Brückenschaltung
22 AC-Schalter
22. E Erdschalter
24.1 , 24.2 Schalter
26.1 , 26.2 Trennschalter
28.1 , 28.2 Vorladewiderstand
30 Steuereinheit
32 Fehlerstrommessung
34 Isolationswächter
36 Gleichrichter der AC-Vorladeschaltung
38 Halbleiterschalter
40 AC-Vorladeschaltung
42 Batterie
42. P parasitärer Widerstand
44 Last
44. P parasitärer Widerstand
46 DC-Schalter
48 DC-Schalter
50 Isolationswiderstand
ACL1 , ACL2, ACL3 AC-Anschluss
DCL+, DCL- DC-Anschluss
PE Potential Erde
RE Erdungswiderstand
SE Erdschalter
S1 , S2, S3, S4, S5 Verfahrensschritte

Claims

Patentansprüche Stromrichter (10) zum Leistungstransfer zwischen einer AC-Seite (16) des Stromrichters (10) und einer DC-Seite (18) des Stromrichters (10), wobei die AC- Seite (16) des Stromrichters (10) an ein geerdetes dreiphasiges AC- Versorgungsnetz (12) anschließbar ist und die DC-Seite (18) des Stromrichters (10) an ein ungeerdetes DC-Netz (14) anschließbar ist, wobei der Stromrichter (10) eine Brückenschaltung (20) aufweist, deren AC-Anschlüsse (ACL1 , ACL2, ACL3) über AC-Schalter (22) mit der AC-Seite (16) des Stromrichters (10) verbindbar sind und deren DC-Anschlüsse (DCL+, DCL-) über Trennschalter (26.1 , 26.2) mit der DC-Seite (18) des Stromrichters (10) verbindbar sind, wobei ein DC-Zwischenkreis des Stromrichters (10) über eine galvanisch trennende AC-Vorladeschaltung (40) aus dem AC-Versorgungsnetz (12) aufladbar ist, wobei der Stromrichter (10) einen Isolationswächter (34) aufweist, der zur Messung des Isolationswiderstandes (50) der DC-Seite (18) des Stromrichters (10) bei bestehender Verbindung der AC-Vorladeschaltung (40) mit dem DC- Zwischenkreis eingerichtet ist. Stromrichter nach Anspruch 1 , wobei die AC-Anschlüsse (ACL1 , ACL2, ACL3) und die DC-Anschlüsse (DCL+, DCL-) der Brückenschaltung (20) galvanisch gekoppelt sind und der Leistungstransferpfad zwischen der AC-Seite (16) und der DC-Seite (18) des Stromrichters (10) insbesondere transformatorlos ausgebildet ist. Stromrichter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Isolationswächter (34) zwischen der AC-Seite (16) des Stromrichters (10) und den AC-Anschlüssen (ACL1 , ACL2, ACL3) der Brückenschaltung (20) angeordnet ist. Stromrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationswächter (34) einen Erdungswiderstand (RE) aufweist, der ein zwischen Schaltelementen einer Halbbrücke liegendes Potential der Brückenschaltung (20) über einen Erdschalter (SE, 22. E) mit Erdpotential (PE) verbindet. Stromrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der AC-Schalter (22) als Erdschalter (22. E) dient. Stromrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass pro DC-Anschluss (DCL+, DCL-) zumindest ein Trennschalter (26.1 , 26.2) mit einem hinzuschaltbaren Vorladewiderstand (28.1 , 28.2) vorhanden ist. Stromrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für genau einen der DC-Anschlüsse (DCL+, DCL-) zumindest ein Trennschalter (26.1 , 26.2) mit einem hinzuschaltbaren Vorladewiderstand (28.1 , 28.2) vorhanden ist. Stromrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Isolationsüberwachung mittels Fehlerstrommessung (32) der AC-Anschlüsse (ACL1 , ACL2, ACL3) vorgesehen ist. Stromrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (30), die eingerichtet ist,
- den DC-Zwischenkreis durch die AC-Vorladeschaltung (40) bei geöffneten AC- Schaltern (22) vorzuladen,
- die DC-Anschlüsse (DCL+, DCL-) mit dem DC-Netz (14) durch Schließen der Trennschalter (26.1 , 26.2) zu verbinden,
- anschließend den Isolationswiderstand (50) des DC-Netzes (14) mit dem Isolationswächter (34) zu messen,
- bei genügend großem Isolationswiderstand (50): die AC-Schalter (22) zu schließen, und durch den Stromrichter (10) eine Spannung des DC-Netzes einzustellen. Stromrichter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) eingerichtet ist, den DC-Zwischenkreis mit einer Leistung aufzuladen, die wesentlich geringer ist als die Nennleistung des Stromrichters (10). Stromrichter nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter (10) eingerichtet ist, die Spannung der DC-Seite (18) einzustellen, während die DC-Seite (18) ohne Zwischenschaltung von Vorladewiderständen (28.1 , 28.2) mit den DC-Anschlüssen (DCL+, DCL-) verbunden ist. - 18 - Verfahren zur Versorgung eines ungeerdeten DC-Netzes (14) aus einem geerdeten dreiphasigen AC-Versorgungsnetz (12) durch einen transformatorlosen Stromrichter (10) mit einer Brückenschaltung (20), deren DC-Anschlüsse (DCL+, DCL-) mittels Trennschaltern (26.1 , 26.2) mit dem DC-Netz (14) verbindbar sind und deren AC-Anschlüsse (ACL1 , ACL2, ACL3) über AC-Schalter (22) mit dem AC-Versorgungsnetz (12) verbindbar sind, sowie mit einer galvanisch trennenden AC-Vorladeschaltung (40) zum Vorladen eines DC-Zwischenkreises des Stromrichters (10) aus dem AC-Versorgungsnetz (12), wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
- Vorladen des DC-Zwischenkreises durch die AC-Vorladeschaltung (40) bei geöffneten AC-Schaltern (22),
- Verbinden der DC-Anschlüsse (DCL+, DCL-) mit dem DC-Netz (14) durch Schließen der Trennschalter (26.1 , 26.2),
- anschließendes Messen des Isolationswiderstandes (50) des DC-Netzes (14) mit einem Isolationswächter (34),
- bei genügend großem Isolationswiderstand (50): Schließen der AC-Schalter (22) und
Einstellen einer Spannung des DC-Netzes (14) durch den Stromrichter (10). Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Verbinden zumindest eines DC- Anschlusses (DCL+, DCL-) mit dem DC-Netz (14) über einen Vorladewiderstand (28.1 , 28.2) erfolgt. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Messen des Isolationswiderstandes (50) einen ersten Schritt umfasst, in dem ein erster DC-Anschluss (DCL+, DCL-) über einen ersten Vorladewiderstand (28.1 , 28.2) mit dem DC-Netz (14) verbunden ist, und einen zweiten Schritt umfasst, in dem ein zweiter, vom ersten DC-Anschluss unterschiedlicher DC-Anschluss (DCL+, DCL-) über einen zweiten Vorladewiderstand (28.1 , 28.2) mit dem DC-Netz (14) verbunden ist, wobei der Isolationswiderstand (50) aus bei dem ersten Schritt und bei dem zweiten Schritt erfassten Messwerten bestimmt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das Einstellen der
Spannung des DC-Netzes (14) durch den Stromrichter (10) erfolgt, während das - 19 -
DC-Netz (14) ohne Zwischenschaltung von Vorladewiderständen (28.1 , 28.2) mit den DC-Anschlüssen (DCL+, DCL-) verbunden ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei beim Schließen der AC- Schalter (22) zumindest ein DC-Anschluss (DCL+, DCL-) über einen Vorladewiderstand (28.1 , 28.2) mit dem DC-Netz (14) verbunden ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, weiterhin umfassend die Schritte: bei Ausfall des AC-Versorgungsnetzes (12) ein Öffnen der AC-Schalter (22) und Weiterbetrieb des DC-Netzes (14) über eine an dem DC-Netz (14) angeschlossene Energiequelle (42), wobei während des Weiterbetriebs der Isolationswiderstand (50) des DC-Netzes (14) mit dem Isolationswächter (34) kontinuierlich oder wiederholt gemessen wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei nach dem Schließen der AC-Schalter (22) eine Isolationsüberwachung des DC-Netzes (14) mittels einer Fehlerstrommessung (32) an den AC-Anschlüssen (ACL1 , ACL2, ACL3) erfolgt.
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