用于运行直流电网的方法和直流电网与流程

本发明涉及一种用于运行直流电网的方法。此外，本发明还涉及一种直流电网。

背景技术：

例如借助直流(dc)电流在工业设施内实施的能量分配由于设备之间的能量交换简单和/或与(再生)能源的连接简单而是有利的。此外，直流电网的简单和高度的模块化也被证明在当今不断改进的工业中是特别有利的。

通常，直流电网(以下也称为dc电网)具有多个电网段，其例如是能量源、能量存储器和用电器。电网段通常通过开关和保护元件可电分离地彼此连接。为了断开电网段，开关和保护装置通常具有电子和/或电流的开关。

通常，dc电网还具有到三相交流电网的连接，该三相交流电网提供dc电网的供电。三相交流电流在此通常借助于整流器进行整流并通过馈电单元馈送到dc电网。

在dc电网的期望的和/或不期望的关闭以及例如dc电网与三相交流电网断开的情况下，dc电网的能量存储器由于其不同大小的电荷而通常具有不同的电压。在能量存储器已充电状态中，电网段的彼此互连和/或电网段至三相交流电网的互连由于这种互连导致电荷转移电流的流动不受控制而是不希望的，并且这种互连因为电荷转移电流经常导致dc电网内的不可逆的损坏而要尽可能避免。

为了受控地限制电荷转移电流，可以通过跨接电路实现电荷转移电流的受控的排导。为此，跨接电路根据其作用布置在每个电网段的开关组件和保护元件内，以便将开关跨接。因此，开关和保护装置具有相对于开关平行延伸的另外的电流路径(即跨接电路)。跨接电路通常包括限流组件，其例如是电阻和跨接开关，跨接开关例如是电流开关。由于优选通过电阻实现限流，该变体方案也被称为电阻式限流器。

在开关和保护装置断开的情况下，跨接开关的闭合导致电荷转移电流流过跨接电路。电荷转移电流的值被限流组件限制。

然而，借助于跨接电路的电流限制方案一方面由于电阻产生损耗，另一方面导致大的工作量和材料耗费，因为每个电网段必须具有与相应的电网段的规格匹配的自有的跨接电路。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供一种用于运行直流电网的方法，利用该方法对出现的电荷转移电流以损耗少和成本低的方式进行限制。

该目的通过一种具有权利要求1的特征的用于运行直流电网(dc电网)的方法来实现。有利的设计方案、改进方案和变体方案是从属权利要求的内容。

dc电网具有馈电单元和经由开关组件能彼此断开地连接的多个电网段。在此，馈电单元与电网段同样通过至少一个开关组件可断开地连接。开关组件一方面具有电子开关、例如用于切换dc电网功率的晶体管，另一方面具有用于电势隔离的电流开关。电流开关设计为断路器，并且用于例如在紧急情况下或例如在维护期间保护工人时将与其连接的电网段与馈电单元断开。

此外，借助于能控制的限流器单元，限制在将馈电单元与电网段断开之后并且在馈电单元与电网段(重新)互连之前出现的电荷转移电流。在此，“能控制”在当前的语境中被理解为用于电荷转移电流的电平的显著变化和/或可变性。

借助纯电阻，电荷转移电流的电平的可变性对于电流限制具有优势，因为在这种情况下最大流动电流由欧姆定律限定。因此，能控制的限流器单元能单独适用于任何dc电网。

此外，电网段的电荷转移电流优选地通过能控制的限流器单元来限制。该实施方案基于以下构思，即由于能控制的限流器单元，这些对电荷转移电流的可能变化的适应以简单的方式发生并且被实现。电荷转移电流的变化例如被理解为通过使dc电网扩展另外的电网段而导致的、电荷转移电流的增加。

电荷转移电流通常在能量存储器互连时流动，这些能量存储器具有不同的充电状态并因此具有不同的电压电平。电荷转移电流通常是不受控制的和不受欢迎的，并且经常导致dc电网的部件的损坏和/或破坏。

通过对电荷转移电流的能控制的限制，为dc电网的组件确保了在先前的断开之后的、各个电网段与馈电单元的安全互连。

有利地，dc电网经由馈电线路与馈电单元连接，使得馈电单元通过馈电线路给dc电网馈送馈电电压。类似地和附加地，限流器单元具有分配线路，限流器单元通过该分配线路与电网段连接。因此，限流器单元以如下的方式连接到dc电网的电网段，即限流器单元限制经由分配线路连接到dc电网的所有电网段的可能的电荷转移电流。

由此，与在每个电网段单独实现的电阻式限流相比，限流元件形成中央限流。此外，这由此实现电路技术方面的小的开销。

根据一个有利实施方案，限流器单元在第一变体方案中设计为无电势隔离的能控制的电压供应器，例如设计为可控电压源。此外，分配线路具有充电线路，通过该充电线路，电网段在与馈电单元分离之后并且与该馈电单元互连之前进行预充电。

为了预充电，能控制的电压供应器经由充电线路将预充电电压馈送到电网段中，从而使能量存储器的不同电压补偿达到预充电电压。因此，通常与不同的电压电平无关地限制电荷转移电流。

然而，补偿在此不一定表示预充电之后的电网段的电压精确地对应于预充电电压。相反，当电网段的电压和预充电电压之间的电压差优选在馈电电压的10％至20％的范围内时，也实现补偿。根据一个特别优选的实施方案，电网段在补偿之后具有与取决于组件的波动完全相同的电压。

还优选补充地提出：在预充电期间增加预充电电压，以便更快地补偿电网段的不同电压。例如，预充电电压的增加线性地进行。可选地，增加以阶梯的方式进行。

预充电电压的增加基于尽快排出电荷转移电流的构思。为此，电网段在预充电开始时通过能控制的电压供应器互连。因此可以排走不希望的电荷转移电流。由电压供应器经由充电线路馈入的预充电电压限制了电荷转移电流的电平，使得排走电荷转移电流不会损坏和/或破坏电网段的组件。

与例如通过电阻限流来限制电荷转移电流所需的时间相比，增加预充电电压缩短了排走电荷转移电流所需的时间并且补偿电网段的不同电压电平。例如，与借助于跨接电路进行电阻式限流的变体方案相比，通过预充电电压的增加优选地使电荷转移电流的放电量减小了50％(在两种变体方案中，受限的电流具有用于确定时间差的相等的值)。

优选地，能控制的电压供应器设计为直流电压转换器、特别是降压转换器。降压转换器具有输入侧和输出侧。

电压供应器设计为降压转换器的设计方案具有以下优点，即实现简单且无损耗的控制，尤其实现预充电电压的增加。无损耗的控制基于降压转换器的无电阻的构造。在当前情况下，与一般语境不同，无电阻被理解为降压转换器的一种构造方式，该构造方式尤其在功率路径中没有电阻。在这种情况下，功率路径被理解为电气部件的一个电流路径和/或多个电流路径，其传递部件的功率和/或通过部件进行传递。

直流电压转换器、特别是降压转换器通常在输入侧具有到其电源的输入电压。输入电压是直流电压转换器在输出侧能设置(设定)的最大电压。

可选地，能控制的电压供应器设计为电势隔离的调节器。例如，除了普通降压转换器的部件之外和/或代替降压转换器的部件，电势隔离的调节器还具有电势隔离的部件、例如变压器。

能控制的电压供应器特别是降压转换器有利地由馈电单元供电。换句话说，降压转换器通过供电线路连接到馈电单元。

在电路技术方面的简单的构造的优点是节省了材料和其他成本。

可选地，能控制的电压供应器由外部的电压源(例如电池)供电。在这种情况下，“外部”表示供应电压供应器的电压源不是dc电网的一部分。同样，也可以考虑通过内部的电压源(例如信号处装置的供电系统)供应电压供应器。应当注意，在没有电势隔离的能控制的电压供应器的实施方案中，电压供应器的替代电源的电压源能够提供具有一定值的电压，该值优选在馈电电压值的10％至20％的范围内的容差之外至少对应于馈电单元的馈电电压。

根据电压供应器设计为电势隔离的调节器的替代实施方案，例如利用变压器，借助于适当选择绕组的匝数并因此选择变压器的转换比，可以在上述容差之外补偿电压差。

为了尽可能地减小排走的电荷转移电流，在预充电的时间进程中，预充电电压优选地增加到馈电单元的馈电电压的值。因此，电网段的不同电压电平被补偿到馈电电压的电压电平。

由此，在预充电之后确保预充电的电网段和馈电单元之间小的电压差，使得流动的电荷转移电流不再具有破坏作用或使得电荷转移电流不再流动。

利用馈电单元的馈电电压对电网段进行预充电尤其通过由馈电单元馈电的降压转换器实现。为此，首先由馈电单元为降压转换器提供馈电电压。随后，降压转换器利用预充电电压对电网段进行预充电，预充电电压在预充电的时间进程中增加到馈电电压的值。在预充电之后，因此产生最佳切换条件。随后，降压转换器关闭，电网段与馈电单元互连。在此，最佳切换被理解为dc电网的状态，在该状态下能够实现电网段与馈电单元的无故障互连。

根据一个有利的实施方案，预充电电压特别地馈送到每个电网段的开关组件。因此，充电线路优选布置在开关组件处，使得其连接在电子开关与电流开关之间。通过充电线路的这种布置，一方面实现了电网段与限流器单元的分离以及与预充电的分离，另一方面实现了与馈电单元断开的电网段的预充电。

根据第二变体方案，在馈电单元与电网段断开之后，电荷转移电流通过电网段的充电的能量存储器的、受控和/或可控的放电来限制。

电网段的放电类似于根据第一变体方案的预充电。一个区别在于，根据第二变体方案的电网段的不同电压经由用电器下降，并且因此受控地排走电荷转移电流，并且电网段的能量存储器的能量在用电器内部被转换为例如热量。

为了实现可控性，例如在最简单的实施方案中，用电器使电阻通过开关、优选地通过电子开关连接到电网段。借助于开关，电荷转移电流的排导受到限制，使得电荷转移电流可以通过用电器流走而不会损坏dc电网的组件。

电荷转移电流的受控的排导允许最佳地匹配dc电网，即使将dc电网扩展另外的电网段的情况下也是如此。

此外，通过放电，电网段的不同电压电平补偿到限定的电压电平、例如零电位。

对此补充的是，可选地还提出在放电之后对电网段进行预充电，以便实现电网段与馈电单元重新互连。

在一个有利的实施方案中，分配线路在该变体方案中具有放电线路。此外，通过中央的放电单元实现电网段的放电。该放电单元优选地具有用电器和/或开关。放电线路连接到所有电网段并且与馈电线路并联设置。此外，放电单元和放电线路彼此电连接。

有利的是，借助于放电线路，dc电网的所有电网段都通过中央的放电单元放电。在此，“中央”被理解为dc电网仅具有的一个放电单元，该放电单元设计用于对dc电网的所有电网段进行放电。这允许较不复杂地实现电网段的放电。

根据一个优选的改进方案，放电单元设计为能控制的放电调节器。放电调节器具有电子开关(优选为晶体管)和用电器(优选为电阻)。

在将电网段与馈电单元断开之后，电荷转移电流因此在其数值方面受限地流过能控制的放电调节器，并且电网段的不同电压电平被补偿。

该实施方案的优点在于简单的运行方式，其用于实现电网段的均衡电压电平并因此实现用于(重新)互连电网段与馈电单元的最佳切换条件。类似于之前阐述的第一变体方案，均衡电压并非必须理解为电网段的不同电压有完全相同的值，而是理解为电网段的各个电压的电压值的近似相同。

优选地，第一和/或第二变体方案中的限流通过遥控器控制，例如通过远程连接。优点在于，例如能够从控制中心控制多个dc电网。

优选地，dc电网具有借助于预充电来限制电荷转移电流的第一变体方案，还具有借助于电网段的放电来限制电荷转移电流的第二变体。为此目的，分配线路优选地设计为具有充电线路和放电线路的组合线路。

根据本发明，该目的还通过具有权利要求13的特征的直流电网(dc电网)来实现。

dc电网具有带有馈电线路的馈电单元和多个电网段。这些电网段经由开关组件与馈电单元可断开地连接。开关组件优选地具有功率开关(例如晶体管)、以及用于将电网段与馈电单元进行电势隔离的电流开关。

为了限制由于电网段内的电压差产生的电荷转移电流，供电网络具有能控制的限流器单元。在此，“能控制”被理解为，限流器单元设计用于通过限流器单元改变和/或能改变对电荷转移电流的值的限制。也就是说，通过限流器单元调节和/或能调节流动的电荷转移电流的最大允许值。

由此确保对dc电网的限流器单元的适配，使得即使dc电网内的变化(例如通过使dc电网扩展另外的电网段)仅实现限流器单元在电荷转移电流的最大允许值方面的调整。

限流器单元具有附加的分配线路并且通过分配线路与电网段连接。

为了利用限流单元限制在供电网络的电网段中出现的电荷转移电流，分配线路优选地与馈电线路并联连接。

根据第一变体方案，电荷转移电流的限制优选地通过电网段的预充电实现，以便补偿电网段的不同电压。为此，限流器单元具有能控制的电压供应器，并且配电线具有用于利用预充电电压对电网段进行预充电的充电线路。预充电在能控制的电压供应器的运行期间发生。

能控制的电压供应器被设计成，使得预充电电压在预充电期间在其值方面具有增加的走向，直到其被补偿到馈电单元的馈电电压的值、特别是具有与馈电电压相同的值为止。在这种情况下，馈电电压被理解为由供电网络馈送的电压。

优选地，能控制的电压供应器设计为降压转换器。这种设计方案具有以下优点，即通过降压转换器实现电网段的低损耗的预充电，因为降压转换器具有无电阻的构造。与一般语境不同，无电阻在此被理解为降压转换器尤其在电源路径中不具有电阻。通过改变降压转换器的占空比，可以具有另外的优点，即简单地实现预充电电压的增加。

经由降压转换器的占空比实现输出电压(在此是预充电电压)的调整，其对应于降压转换器的输入电压的一定的系数。在此，输入电压的系数具有在0和1之间的范围内的值、或者相对地在0％和100％之间的范围内的值。例如，设置占空比为0.5的降压转换器具有一定的输出电压，其值具有输入电压值的一半。

此外，电压传送器优选地具有馈电单元的输入电压作为输入电压。通过馈电单元的馈电电压对降压转换器的供电基于以下构思，即降压转换器因此被设计成，使得预充电之后的电网段的电压补偿到馈电单元的馈电电压并且因此具有用于将电网段与馈电单元互连的最佳切换条件。

可选地，降压转换器具有通过电压源的供电系统、例如信号处理装置的电压电源系统。

根据第二变体方案，限流器单元具有放电单元，并且分配线路具有用于与馈电单元分离的电网段的限流放电的放电线路。通过放电，可以容易地考虑电网段的不同电压的补偿。此外，该实施方案基于以下构思，即为了对所有电网段的能量存储器进行放电，dc电网仅具有一个放电单元。由此，还确保了在供电网络的配置成本和运行成本方面的优点。

特别地，放电单元设计为能控制的放电调节器。该改进方案的优点在于，借助于能控制的放电调节器，实现了简单且受控和/或可调节的限流。为了调节和/或可控制性，能控制的放电调节器优选地具有开关、特别是晶体管。

根据一个可选的实施方案，多个限流器单元例如在一个控制柜中连接到具有级联结构的直流电源。为此目的，相应在下游的电网段的限流器单元优选地具有来自相应上游的电网段的电源。此外，每个限流器单元优选与多个电网段连接。

充电线路和/或放电线路优选地具有去耦二极管。有利地，去耦二极管布置在充电线路和/或放电线路的与相应开关组件的连接部处。根据其作用，去耦二极管的布置具有以下优点，即各个电网段彼此去耦。在这种情况下，去耦在此应理解为，电网段在预充电期间不会通过电荷转移电流相互影响。

关于该方法列出的优点和优选的实施方案将类似地用于dc电网，并且反之亦然。

附图说明

下面参考附图更详细地阐述本发明的实施例。以高度简化的图部分地示出：

图1示出了直流电网(dc电网)的电路图，

图2示出了具有连接的充电线路的开关组件，

图3示出了能控制的电压供应器，

图4示出了能控制的放电调节器，以及

图5示出了具有连接的充电和放电线路的开关组件。

具体实施方式

在附图中，作用相同的部件用相同的附图标记表示。

图1示出了直流电网2(dc电网)，其尤其用于具有直流电网2(dc电网)的工业设施。

直流电网2还具有至电网、例如三相交流电网的接口的连接单元4。馈电单元6连接至连接单元4，在该馈电单元中通常将三相交流电流整流成直流电流，然后馈入dc电网2。dc电网2具有与馈电单元6连接的多个电网段8，并且在示例性的实施方案中还具有子电网10。子电网10又具有多个电网段8。电网段8例如是用电器v、能量存储器e或光伏设备pv。电网段8通过馈电线路12与馈电单元6连接。通过馈电线路12，直流电流流入各个电网段8。然后，直流电流通过地线14流回至馈电单元6。

为了保护dc电网2或电网段8免受过电压和/或过电流的影响，每个电网段8具有开关组件16a。类似地，主开关组件16b连接在馈电单元6和馈电线路12之间。主开关组件16b和开关组件16a在技术上具有相同的结构。主开关组件16b使得整个dc电网2能够与连接单元4断开，例如在紧急关闭或用于维护目的的情况下。

dc电网2具有限流器单元18，其经由分配线路20连接到dc电网2的所有电网段8和子电网10。在本实施方案中，分配线路20与馈电线路12并联并且与地线14并联。

在例如经由主开关组件16b将电网段8与馈电单元6断开之后，一旦电网段8再次与馈电单元6互连，由于不同电压导致dc电网2内的电荷转移电流。不受控制和/或在其值方面不受限制的电荷转移电流可能会损坏和/或破坏dc电网2的组件。为了允许电荷转移电流受控地流走，根据第一变体方案，电网段8在与供应单元6重新互连之前首先通过限流器单元18有利地互连。由此，对电荷转移电流进行限流。

限流器单元18设计成，使得电网段8经由分配线路20利用预充电电压进行预充电，该分配线路根据第一变体方案具有充电线路21a。在预充电期间，预充电电压的值增加，直到其被补偿到馈电单元6的馈电电压的值位置。在这种情况下，馈电电压被理解为表示由馈电单元6馈送到dc电网2中的电压。在补偿电网段的电压之后，进行电网段8与馈电单元6的无干扰互连。

为了调节和/或控制预充电电压，限流器单元18具有直流电压转换器，其在该实施方案中特别是降压转换器22，或者限流器单元可选地具有电势隔离的调节器。降压转换器22在该实施方案中具有通过馈电单元6的供电装置24。

在该实施例中，用于相应电网段的预充电电压被馈送到相关联的开关组件16中。该实施方案的优点是不应进行预充电的电网段8被分离，因为其例如不再连接至馈送单元6。

这种开关组件16a，b的电路图在图2中示出。

开关组件16a，b具有电子开关26(例如晶体管)和电势隔离开关28。电子开关26和电势隔离开关28具有电力电子方面的差别。电子开关26优选地设计用于切换电功率，因为其具有高功率密度和带有在几纳秒的范围内的值的切换时间。然而，在电势隔离方面，它们的绝缘效果不足。因此，开关组件16a，b还具有电势隔离开关28。

在该实施例中，预充电电压经由充电线路21a馈送到开关组件16a，b中。优选地，充电线路21a连接在电子开关26和电势隔离开关28之间的开关组件16a，b中。充电线路21a的这种布置在还通过电势隔离开关28与馈电单元6分开的电网段8的情况下允许电网段8的预充电。在预充电并且因此电网段8的电压电平与馈电电压的电压电平平衡之后，电网段8通过电势隔离开关28与馈电单元6互连。充电线路21a还包括去耦二极管29，其用于使各个电网段8彼此去耦。

在图3中示出了降压转换器22的电路图。

降压转换器22具有用于输入电压ue的输入侧30(在该实施方案中是馈电单元6的馈电电压)和用于输出电压ua的输出侧32(在该实施方案中是预充电电压)。

此外，降压转换器22具有开关34以及线圈36和电容器38，该开关优选为半导体开关、特别是晶体管。

降压转换器22的运行方式如下：当开关34闭合时，施加到输入侧3的输入电压ue利用输出电压ua馈送到输出侧32的负载。在该实施例中，连接到降压转换器22的电网段8对应于负载。通过在实施例中未提及并且未详细地说明的控制装置，开关34的控制交替地闭合和断开。当开关34断开时，能量存储线圈36和电容器38都通过定向二极管39给负载供电。因此，施加到输出侧32的输出电压ua根据占空比α被调节和/或能被调节。占空比限定脉冲持续时间和周期持续时间之间的比率。也就是说，在该实施例中，占空比指示开关34的周期的哪个部分闭合。因此，占空比具有在0到1的范围内的值，或者相对而言具有在0％到100％的范围内的值。如果占空比具有例如0.5的值，则开关34在周期持续时间的一半时间闭合。

换句话说，施加到输出侧32的输出电压ua在0v(对应于为0的占空比；也就是开关34在该时段上具有断开的位置)和输入电压的值(对应于1的占空比；即开关34在此期间具有闭合的位置)之间变化。

根据第一变体方案，电网段8以预充电电压进行预充电。在电路技术方面，预充电以如下的方式实现，即降压转换器22在运行期间具有变化的、特别是值方面增加的占空比α，使得在预充电开始时，对应于预充电电压的输出电压被施加0v的值，其在预充电期间通过增加的占空比α上升到降压转换器22的输入电压(对应于馈电电压的)的值。

为了在电压出错的情况下保护降压转换器22、特别是开关34，降压转换器22具有保护二极管40。

在图4中，根据第二变体方案示出了放电调节器42的电路图。

类似于电网段8的预充电的第一变体方案，根据第二变体方案，通过与馈电单元6断开的电网段8的放电来实现电网段8的不同电压的补偿。

电网段8的放电通过图3b中示出的放电调节器42实现。放电调节器42还具有一个开关34(优选是半导体开关、特别是晶体管)以及线圈36和电阻器44(优选是电阻)。

放电调节器42的运行方式如下：在电网段8与馈电单元6断开之后，它们具有不同的电压并因此具有不同储量的能量。为了电网段的放电，放电调节器42的开关34被闭合。将能量存储器中的功率“传递”到电阻器44中的电荷转移电流受到开关34的能控制的限制，使得电荷转移电流以受控的方式流走。在开关34断开之后，仍然存在于放电调节器42中的电荷转移电流通过定向二极管39再次流过电阻器44，并且能量在那里通常以热量的形式输出。

图5示出了具有连接的充电线路21a和放电线路21b的开关组件16a，b的电路图。可以看出放电线路21b的运行模式类似于充电线路21a。通过放电线路21b，电网段8连接至放电调节器42，使得放电调节器设计为中央放电单元，其用于对dc电网2的所有电网段8进行放电。

在根据图5的实施例中，开关组件16a，b具有电子开关26和电势隔离开关28。类似于图2的开关组件16a，b，充电线路21a和放电线路21b连接在电子开关28与电势隔离开关28之间。根据本发明，该连接实现了利用分开的馈电单元6对电网段8进行预充电或放电。充电线路21a和放电线路21b具有沿相反方向导通的去耦二极管29。去耦二极管29类似于图2的开关组件地布置，以用于将各个电网段8彼此去耦。

有利地，充电线路21a和放电线路21b共同布置在一个电缆中。在电网段8预充电和放电的组合实施方案中，例如在电网段8放电之后，在电网段与馈送单元6再次互连之前实现电网段8的预充电。