断开或接通直流电路的装置和自动接通直流电路的方法与流程

1.本发明涉及一种用于断开或接通直流电路的装置和一种用于自动接通直流电路的方法。


背景技术：

2.直流配电系统被认为在节约能源和其有效利用方面很有前途。特别是在由可再生能源组成的源或馈电器的情况下，将其纳入直流配电系统可能比纳入交流系统更容易。例如，在光伏系统的情况下，直流-交流-直流转换器可以用简单的直流-直流转换器代替。电池或电容器组同样可以作为能量储存器直接与这种系统连接，而不需要附加的转换器。
3.在将主动前端(active front end，afe)技术用于交流源的馈电的情况下，或者对于从电动机中回收的制动能量，可能导致能量的返回：而在主动前端(afe)装置的情况下，网络的交流侧是稳定的，因此网络质量通过无功能量供应得到整体补偿，电动机的制动能量可以馈送给配电系统。
4.然而，直流网络在保护短路或其他故障源方面也有挑战。在对应于图1中图示的示例性直流网络中，该直流网络具有馈电器1010；1011；1012；1013和耗电器1050；1051；1052；1053；1054以及布置在它们之间的配电网络2000，该配电网络2000具有传统的机械保护装置(例如塑壳断路器，moulded case circuit breaker，mccb)，由于转换器中的电力电子器件的快速自我保护功能，直流网络失去了其选择性。在图1的图示中，馈电器1010；1011例如可以是交流源，该交流源通过主动前端(afe)1020；1021馈入系统。
5.通过交流侧的转换器和保险丝的自我保护不能充分保护续流二极管，因为在故障路径中出现lrc振荡的情况下，由于可能的电压反转，电流可能会引起严重损坏。特别是在主动前端(afe)没有以防短路的方式与母线连接的情况下，会观察到这种情况。同样地，在igbt断开之后，二极管可以作为不受控的整流器起作用。在此，故障电流从交流侧供应，并且可能不会被保险丝迅速断开，因此可能会损坏二极管。
6.在严重的故障情景期间，电容器组或直流中间电路(dc-link)的放电会产生极高的电流峰值，其在ms(毫秒)的时间段内流动。传统的机械开关不能足够快地断开这种故障电流。在这种具有多个馈电器的系统中，最小的耗电器路径于是具有最大短路电流与标称电流的最高比率。
7.直流配电系统的主要问题在于，续流二极管由于电压反转的可能的损坏、电容性放电和关于主动前端(afe)的选择性。
8.在使用sscb(solid state circuit breaker，固态断路器，半导体开关)作为保护装置的保护设计中，固态断路器用于在10μs(微秒)内断开故障区域。纯粹使用半导体开关的问题在于，它们具有非常高的功率损耗，并且附加地比传统的开关更昂贵。由于转换器的半导体部件的自我保护功能的电流很小，并且其响应极快，要实现半导体开关的选择性是非常具有挑战性的。


技术实现要素：

9.因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种新的用于断开或接通直流电路的装置和一种用于自动接通直流电路的方法，其克服了提到的缺点。
10.根据本发明，上述技术问题通过根据权利要求1的用于断开或接通直流电路的装置来解决。根据本发明的装置的有利的实施方案在从属权利要求2至11中给出。上述技术问题同样通过根据权利要求12的电气网络来解决。上述技术问题同样通过根据本发明的根据权利要求13的用于自动接通直流电路的方法来解决。根据本发明的方法的有利的实施方案在从属权利要求14和15中给出。
11.根据权利要求1的用于断开或接通具有至少一个母线的直流电路的装置包括：
[0012]-用于断开或接通直流电路的电气开关，
[0013]-故障电流检测器，
[0014]-触发单元，
[0015]-预充电装置，
[0016]
其中，在故障电流检测器检测到故障电流的情况下，电气开关借助触发单元断开直流电路，并且预充电装置在电气开关接通之前恢复母线上的电压，其中该装置包括用于在预充电之后自动接通电气开关的控制单元。
[0017]
根据本发明的装置的优点在于，在发生故障的情况下可以防止直流电路中的电容器放电。峰值电流被显著降低。根据本发明的装置允许在ms(毫秒)内而不是在μs(微秒)范围内通过传统的电气开关进行故障隔离。同样地，可以将根据本发明的装置的使用限制到大容量的馈电器。根据本发明的装置自动接通的可能性允许，在将故障隔离之后，馈电器能够再次自动加入到直流网络中。在故障被排除之后，仅保护装置保持断开和打开，这些保护装置布置在故障位置附近。因此，保护装置与功率转换器之间的选择性得以实现。
[0018]
在一种实施方案中，电气开关是半导体开关。
[0019]
在另外的实施方案中，根据本发明的装置包括用于通信的单元。
[0020]
在另外的实施方案中，该装置包括针对接通瞬态的控制单元。该控制单元可以抑制接通瞬态。
[0021]
在另外的实施方案中，该装置还包括用于测量电流值和/或电压值的测量单元。
[0022]
在另外的实施方案中，预充电装置在第一等待时间之后恢复母线上的电压。替换地，预充电装置在接收到命令之后恢复母线上的电压。预充电装置可以通过用于通信的单元接收该命令。
[0023]
在另外的实施方案中，用于自动接通电气开关的控制单元在第二等待时间之后自动接通该电气开关。替换地，用于自动接通电气开关的控制单元在将母线上的电压恢复到阈值以上之后接通该电气开关。
[0024]
如果母线上的电压在预定义的时间之后没有上升，这表明故障仍然存在，则预充电装置获得停用命令并且中断预充电过程。预充电装置等待下一个激活命令。
[0025]
上述技术问题还通过根据权利要求12的电气网络来解决，其中该电气网络配备有馈电器、耗电器和带有母线的配电网络，其中馈电器通过配电网络与耗电器连接，并且该配电网络包括根据本发明的装置。
[0026]
根据权利要求13的、用于借助根据本发明的装置自动接通直流电路的方法包括以
下步骤：
[0027]-将计数器设置为零，
[0028]-借助故障电流检测器确定是否存在故障情况，并且如果不存在故障情况，则继续确定是否存在故障情况，否则：
[0029]-在故障电流超过电流阈值的情况下，计数器增加一，否则经过延时触发特性并将计数器设置为二；
[0030]-断开电气开关；
[0031]-如果计数器大于或等于二，则跳转到将计数器设置为零，否则：
[0032]
○
等待激活预充电装置；
[0033]
○
激活预充电装置；
[0034]
○
如果母线上的电压没有上升：停用预充电装置并跳转到确定是否存在故障情况的步骤；否则：
[0035]
○
等待接通电气开关；
[0036]
○
接通电气开关；
[0037]
○
激活针对接通瞬态的控制单元；以及
[0038]
○
跳转到确定是否存在故障情况的步骤。
[0039]
在一种实施方案中，等待激活预充电装置包括预定义的时间段，或者由来自用于通信的单元的命令结束。
[0040]
在根据本发明的方法的另外的实施方案中，等待接通电气开关包括固定的时间段，或者在达到母线上的预定义的电压时结束。
附图说明
[0041]
结合下面对结合附图详细阐述的实施例的描述更清楚且明晰地理解上面描述的本发明的特点、特征和优点以及其实现方式。
[0042]
附图中：
[0043]
图1示出了传统的直流网络；
[0044]
图2示出了根据本发明的电气网络；
[0045]
图3示出了根据本发明的用于断开或接通直流电路的装置；
[0046]
图4示出了根据本发明的用于自动接通直流电路的方法。
具体实施方式
[0047]
图1中示出了传统的直流网络。该网络包括馈电器1010；1011；1012；1013、耗电器1050；1051；1052；1053；1054和具有母线200的配电网络2000。馈电器1010；1011例如可以是交流源，其借助主动前端(afe)1020；1021双向耦合到配电网络2000。馈电器1012例如可以是光伏设备，馈电器1013可以是具有功率转换器的另外的源。耗电器1050例如可以是欧姆耗电器，电流在欧姆耗电器上仅能单向流动。耗电器1051例如可以是具有制动能量反馈的电动机，这可以实现双向的电流流动。如果耗电器1053是作为能量储存器的电容器组，耗电器1054是电池，则同样的情况也适用于耗电器1053和耗电器1054。耗电器1052例如可以是没有能量反馈的电动机，这将再次可以实现单相的电流流动。
[0048]
图2中示出了根据本发明的网络1000，其再次包括可能具有主动前端(afe)1020；1021的馈电器1010；1011；1012；1013、耗电器1050；1051；1052；1053；1054；1055和布置在它们之间并且具有母线200的配电网络2000。在这个根据本发明的网络1000中，根据本发明的装置2010；2011；2012；2013布置在馈电器和耗电器1052；1054；1055处，其可以实现双向的电流流动。
[0049]
图3中示出了根据本发明的、用于断开或接通具有至少一个母线200的直流电路的装置100。该装置100为此包括用于断开或接通直流电路的电气开关110、故障电流检测器120、触发单元130和预充电装置140，其中，在故障电流检测器120检测到故障电流的情况下，电气开关110借助触发单元130断开直流电路，并且其中预充电装置140在电气开关110接通之前恢复母线200上的电压。此外，为了自动接通，在根据本发明的装置100中还设有能够在预充电之后自动接通电气开关110的控制单元150。
[0050]
根据本发明的装置100的电气开关110例如可以是半导体开关。在此例如，它可以是基于硅(si)、碳化硅(sic)或氮化镓(gan)的半导体开关。
[0051]
如图3中所示，根据本发明的装置100还可以包括用于通信的单元180。该用于通信的单元180可以接收来自上级控制单元的命令，和/或可以协调布置在配电网络2000中的装置100。
[0052]
根据本发明的装置100还可以包括针对接通瞬态的控制单元160。控制单元160例如可以抑制接通瞬态。
[0053]
根据本发明的装置100还可以包括测量单元170，其用于测量电流值和/或电压值。
[0054]
预充电装置140可以在第一等待时间之后恢复母线200上的电压。替换地，预充电装置140在接收到命令之后恢复母线200上的电压。激活和停用的命令可以通过用于通信的单元180传递给预充电装置140。
[0055]
在根据本发明的装置100中，如果母线200上的电压没有上升，这表明故障仍然存在，则预充电装置140可以通过用于通信的单元180接收停用命令。
[0056]
用于自动接通电气开关110的控制单元150可以在第二等待时间之后自动接通该电气开关。用于自动接通电气开关110的控制单元150同样可以在母线200上的电压恢复到超过阈值之后接通该电气开关。为此，用于自动接通电气开关110的控制单元150可以从测量单元170接收母线200上的电压值。
[0057]
根据本发明的装置100的不同部件通过电源190提供电能。电源190可以外部或内部地设计。
[0058]
图4示出了根据本发明的、用于借助装置100；2010；2011；2012；2013；2014；2015；2016自动接通直流电路的方法500。为此，根据本发明的方法500包括以下步骤：
[0059]-将计数器设置501为零，
[0060]-借助故障电流检测器确定502是否存在故障情况，并且如果不存在故障情况，则继续确定502是否存在故障情况，否则：
[0061]-在故障电流超过电流阈值的情况下，计数器增加504一，否则经过520延时触发特性并将计数器设置521为二；
[0062]-断开505电气开关110；
[0063]-如果计数器大于或等于二，则跳转到将计数器设置501为零，否则：
[0064]
○
等待507激活508预充电装置140；
[0065]
○
激活508预充电装置140；
[0066]
○
如果母线200上的电压没有上升：停用550预充电装置140并跳转到确定502是否存在故障情况的步骤；否则：
[0067]
○
等待509接通510电气开关；
[0068]
○
接通501电气开关110；
[0069]
○
激活511针对接通瞬态的控制单元160；以及
[0070]
○
跳转到确定502是否存在故障情况的步骤。
[0071]
在步骤550中检查，母线200上的电压是否上升。如果不是这种情况，将预充电装置140停用，并且根据本发明的方法500跳转到确定502是否存在故障的步骤。否则，即在母线200上的电压上升的情况下，方法500继续等待509接通510电气开关。
[0072]
在等待507激活508预充电装置140的步骤中，根据本发明的方法500可以等待预定义的时间段，或者等待507可以由来自用于通信的单元180的命令结束。
[0073]
此外，在根据本发明的方法500中，等待509接通510电气开关可以等待固定的时间段，或者在达到母线200上的预定义的电压的情况下，等待509可以结束。
[0074]
故障电流检测器120应该能够在几μs(微秒)内非常迅速地检测到故障电流。因此，可以通过触发单元130对故障情况作出非常快速的反应，并且如果电流超过定义的阈值，则电气开关110可以在几μs(微秒)内断开。自动接通电气开关110的可能性可以通过固定定义的等待时间和/或通过来自用于通信的单元180的命令来控制。预充电装置140恢复母线200上的电压。单元160可以抑制接通瞬态。