JP2023549105A - Ｄｃ電圧グリッドを動作させる方法及びａｃ電圧グリッドにｄｃ電圧グリッドを接続する電力変換器 - Google Patents

Abstract

本願は、電力変換器（１０）及びＤＣ／ＤＣ変換器（４０）を備える電気システムについて記載しており、電力変換器（１０）は、電力変換器（１０）のＡＣ側（１６）と電力変換器（１０）のＤＣ側（１８）との間で電力を伝送するように構成され、電力変換器（１０）のＡＣ側（１６）は、接地された三相ＡＣ電源グリッド（１２）に接続可能であり、電力変換器（１０）のＤＣ側は、接地されていないＤＣグリッド（１４）に接続可能である。電力変換器（１０）はブリッジ回路（２０）を有し、ブリッジ回路（２０）のＡＣ端子（ＡＣＬ１、ＡＣＬ２、ＡＣＬ３）は、ＡＣリレー（２２）を介して電力変換器（１０）のＡＣ側（１６）に接続可能であり、ブリッジ回路（２０）のＤＣ端子（ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－）は、回路遮断器（２６．１、２６．２）を介して電力変換器（１０）のＤＣ側に接続可能である。ＤＣ／ＤＣ変換器（４０）は、電力変換器（１０）のＤＣ側（１８）に面する出力側（２４）を有し、電気システムは、ＤＣ／ＤＣ変換器（４０）の出力側（２４）に存在するＤＣ電力変換器電圧（ＵＤＣＳ）及びＤＣ／ＤＣ出力電圧（ＵＳｙｍ）を測定するように構成された測定装置（３８）を有し、ＤＣ電力変換器電圧（ＵＤＣＳ）及びＤＣ／ＤＣ出力電圧（ＵＳｙｍ）は回路遮断器（２６．１、２６．２）の両側に存在する。電気システムは、ＤＣ／ＤＣ出力電圧（ＵＳｙｍ）がＤＣ／ＤＣ変換器（４０）の出力側（２４）に設定されるようにＤＣ／ＤＣ変換器（４０）を駆動するように構成された制御ユニット（３０）を有し、ＤＣ／ＤＣ出力電圧（ＵＳｙｍ）の絶対値はＤＣ電力変換器電圧（ＵＤＣＳ）に対応する。本願はまた、電気システムを動作させる方法についても記載している。【選択図】図１

Description

ＤＣエネルギーシステムは、好ましくはＤＣ電流の形態で電力を利用可能にする少なくとも１つのエネルギー源、すなわち、ＤＣ電源、例えば、バッテリ、ＰＶジェネレータ、又は燃料電池と、好ましくはＤＣ電流の形態で電力を消費する少なくとも１つの負荷、すなわち、ＤＣシンク、例えば、コンシューマ及びこれらの電気部品間の接続と、を備える。ＤＣエネルギーシステムは、電気部品が接続されるＤＣグリッド又はＤＣバスを備え得、かつ、電源、ストレージ及び／又はコンシューマを備え得る。いくつかの接続された部品を有するＤＣバス、例えば、１つのみの電源及び１つのみのシンクと、そのような多数の部品を有するＤＣグリッドとの間の移行は流動的である。本願では、ＤＣグリッドの用語はＤＣバスを意味するものとも理解される。

このようなＤＣグリッドは接地されて又は接地されないで動作可能である。特定の動作モードに応じて、地絡の場合には、基準に従って異なる監視及び保護機構が必要とされ得る。

それぞれのＤＣラインＤＣＬ＋及びＤＣＬ－の電位ＤＣ＋及びＤＣ－が接地電位に対する固定基準を有していない非接地型ＤＣグリッドは、ＤＣグリッドで最初の地絡、例えば、ＤＣラインのうちの１つに沿った絶縁不良が依然としていかなる損害にもならないという利点を有する。しかしながら、不良の発生を検出するため、例えば、最初の地絡が発生した場合には必要に応じて対抗措置の開始を可能にするため、例えば、エネルギー源のスイッチをオフにする、又は、ＤＣグリッドからエネルギー源及び／若しくは不良箇所を切断するため、絶縁監視が必要とされる。

接地されたＤＣグリッドにおいて、電位ＤＣ＋及びＤＣ－は、接地電位に対する規定された基準を有する。こうした接地基準は、例えば、接地電位とＤＣ電位ＤＣ＋又はＤＣ－のうちの１つとの間の抵抗接続によって容易に実装され得る。

ＤＣグリッドは、電力変換器を介して、例えば、さらなるＤＣグリッド又はＡＣグリッド、例えばＡＣ電源グリッドに接続されてもよく、かつ、特にＤＣグリッドのＤＣ電源を補助する又はリチャージするため、さらなるエネルギーグリッドと電力を交換してもよい。原則として、ＤＣグリッドにも、恒久的に又は時には完全に、電力変換器を介してさらなるエネルギーグリッドからのエネルギーが供給され得、ＤＣグリッドのエネルギー源は、必要に応じて、電力変動をバッファリングするために使用され得る。

さらなるエネルギーグリッドが、例えば、接地された中性線の形態の接地を有し、かつ、電力変換器が、無変圧器であるように設計される場合、すなわち、ＡＣ側とＤＣ側との間にガルバニック絶縁を有していない場合、ＤＣグリッドは、電力変換器を介して固定接地基準を自動的に備える、すなわち、接地される。接地基準に対するＤＣグリッドの電位の特定の位置は、この場合、電力変換器の具体的に使用されるトポロジによって予め規定されている。例えば、ＤＣ側に、電力変換器は、分割リンク回路を有してもよく、そのセンタータップすなわち中間電位は、固定設置基準を有する中性線に接続され、その結果、リンク回路のＤＣ電位は接地電位に対して大部分が対称である。

この点、接地されていないＤＣグリッド自体は同様に、無変圧器の電力変換器を介して、接地されたエネルギーグリッドへの接続を通じて接地されたグリッドになる。したがって、これは、そうしたＤＣグリッドのための２つの動作状態：接地されていない「スタンドアロン」モードと、接地されたエネルギーグリッドに接続された場合の接地モードと、をもたらし得る。これは、システムを設計する場合に考慮されるべきである。

しかしながら、接地されたＤＣグリッドが、例えば電力変換器を介して、接地されたＡＣグリッドに接続される場合、これは、電力変換器の構成部品又はグリッドの構成部品が損傷を受けるグリッド間のそうした高い制御されていない電流フローをもたらし得る。これは、おそらく接地されていないＤＣグリッドに絶縁不良が存在する場合も同様である。

本願では、略語ＤＣは直流電流又は直流電圧を表し、かつ、略語ＡＣは交流電流又は交流電圧を表す。

本発明の目的は、ＤＣエネルギーシステムの安全な動作を可能にする電気システム及び方法を開示することである。

当該目的は、独立請求項１の特徴を有する電気システムによって解決される。当該目的は、独立請求項１３の特徴を有する方法によって達成される。方法の有利な実施形態は従属請求項で特許請求される。

電気システムは、電力変換器及びＤＣ／ＤＣ変換器を有し、電力変換器は、電力変換器のＡＣ側と電力変換器のＤＣ側との間で電力を伝送するように構成される。電力変換器のＡＣ側は、接地された三相ＡＣ電源グリッドに接続可能であり、電力変換器のＤＣ側は、接地されていないＤＣグリッドに接続可能である。電力変換器はブリッジ回路を有し、ブリッジ回路のＡＣ端子はＡＣリレーを介して電力変換器のＡＣ側に接続可能であり、ブリッジ回路のＤＣ端子は回路遮断器を介して電力変換器のＤＣ側に接続可能であり、ＤＣ／ＤＣ変換器は、電力変換器のＤＣ側に面する出力側を有する。電気システムは、ＤＣ変換器電圧及びＤＣ／ＤＣ変換器の出力側に存在するＤＣ／ＤＣ出力電圧を測定するように構成された測定装置を有し、ＤＣ電力変換器電圧及びＤＣ／ＤＣ出力電圧は回路遮断器の両側に存在する。電気システムは、ＤＣ／ＤＣ出力電圧がＤＣ／ＤＣ変換器の出力側に設定されるようにＤＣ／ＤＣ変換器を駆動するように構成された制御ユニットを有し、その電圧の絶対値はＤＣ電力変換器電圧に対応する。

これにより、回路遮断器が閉じられる前にＤＣ電圧を一致させることを可能にし、及びしたがって、回路遮断器を閉じている間又は閉じた後に過大補償電流が流れることを防止することに役立ち得る。動作上の安全性がさらにサポートされてもよい。

これにより特に、プロセスでＤＣ側の保護概念を変更する必要なく、例えば、無変圧器の電力変換器を介して、接地されたＡＣ電源グリッドに対する、接地されていないＤＣグリッドの可変接続の許可を可能にする。

これには、それ自体が接地基準を有するＤＣグリッドに対して利点を有する。例えば、ＤＣエネルギーシステムがＤＣ－で接地される場合、その後、一方で、電力変換器のブリッジ回路に適したトポロジの選択が制限される必要があり、他方で、ＤＣ＋電位でのラインの絶縁が、接地に対する全システム電圧に対して設計される必要があり、その逆も同様である。これは、システム電圧が高い場合、かなりのコストにつながる可能性がある。さらに、ＤＣエネルギーシステム自体が接地基準を有する場合、無変圧器の電力変換器を介して、接地されたＡＣ電源グリッドへの接続に起因して、第２接地基準が発生する。これにより、特に回路遮断器の閉鎖中又は閉鎖後に高い補償電流が発生する可能性があり、例えば差動電流センサなどの保護装置がトリップされる可能性がある。

ＤＣ／ＤＣ変換器の出力側は、電力変換器のＤＣ側に面する側である。ＤＣ／ＤＣ変換器の入力側には、特に電力変換器のＤＣリンク回路又はＤＣグリッド内の別のＤＣ電源、例えばバッテリに起因する電圧が最初に存在する。ＤＣ／ＤＣ変換器の出力側の電圧がＤＣ／ＤＣ出力電圧である。出力側は、ＤＣ／ＤＣ変換器の入力側の所定の電圧に対して、ＤＣ／ＤＣ変換器によって電圧が設定可能である側である。

例えば、ＤＣ／ＤＣ変換器が電力変換器内に配置され、かつ、ＤＣ／ＤＣ出力電圧が、回路遮断器のブリッジ回路が配置される側のＤＣ／ＤＣ変換器によって設定されるように、電圧の絶対値が一致させられてもよい。例えば、ＤＣ／ＤＣ変換器がＤＣグリッド内に配置され、かつ、ＤＣ／ＤＣ出力電圧が、ブリッジ回路とは反対側の回路遮断器の側のＤＣ／ＤＣ変換器によって設定されるように、電圧の絶対値が一致させられてもよい。

電圧の絶対値は、ＤＣグリッドのＤＣライン間の電圧、又は、回路遮断器の電力変換器側端子間の電圧を意味するものと理解される。これは、ＤＣグリッドの２つのＤＣライン又は回路遮断器の電力変換器側端子の電位差に対応する。ＤＣ／ＤＣ出力電圧は、この電圧の絶対値に設定される。

電気システムの一実施形態では、ＤＣ／ＤＣ変換器の出力側は電力変換器のＤＣ側に接続される。この場合、ＤＣ／ＤＣ変換器は、特に、ブリッジ回路と回路遮断器との間の電力変換器内に配置されてもよい。この実施形態では、ＤＣ／ＤＣ変換器は、電力変換器のリンク回路電圧からの適切なクロッキングを通じてＤＣ／ＤＣ出力電圧を生成する。その後、ＤＣ／ＤＣ変換器の出力側は、回路遮断器を介して電力変換器のＤＣ側に接続されてもよく、回路遮断器は電力変換器の外側に配置される。

ＤＣ／ＤＣ変換器の出力側が電力変換器のＤＣ側に接続される電気システムの代替の一実施形態では、ＤＣ／ＤＣ変換器は、特に、ＤＣグリッド内で電力変換器の外側に配置されてもよい。この実施形態では、ＤＣ／ＤＣ変換器は、ＤＣグリッド内のＤＣエネルギー貯蔵部から、例えばバッテリから例えば適切なクロッキングを通じてＤＣ／ＤＣ出力電圧を生成することができる。その後、ＤＣ／ＤＣ変換器の出力側が電力変換器のＤＣ側に接続され、かつ、回路遮断器がＤＣ／ＤＣ変換器とブリッジ回路との間に配置される。回路遮断器は、ブリッジ回路と電力変換器のＤＣ側との間で電力変換器の内側又は外側のいずれかに配置されてもよい。

ＤＣ／ＤＣ出力電圧は、ＤＣ／ＤＣ変換器の出力側で設定可能であり、かつ、ＤＣ電力変換器電圧はＤＣ／ＤＣ変換器の反対側で回路遮断器の側に存在する。

電気システムの一実施形態では、測定装置は、接地電位に対するそれぞれのＤＣライン又は端子の電圧を測定することによって、ＤＣ電力変換器電圧及びＤＣ／ＤＣ出力電圧を決定するように構成され、それぞれのＤＣラインは、回路遮断器を介してそれぞれのＤＣ端子に接続可能である。これにより、ＤＣラインの各々は、接地電位に関して個別に測定されてもよい。

電気システムの一実施形態では、制御ユニットは、ＤＣ電力変換器電圧及びＤＣ／ＤＣ出力電圧の接地電位に対するそれぞれの電圧が互いに一致させられるように、ＤＣ／ＤＣ変換器を駆動するように構成される。この実施形態では、電圧の絶対値に加えて、電圧の位置も一致させられ、すなわち、絶対値に加えて、相互に及び第三点に関するＤＣライン又はＤＣ端子の電位の位置も、例えば接地電位に対して、一致させられる。

電気システムの一実施形態では、制御ユニットは、ＤＣ／ＤＣ出力電圧がＤＣ電力変換器電圧に対応する場合に回路遮断器を閉じるように構成される。これにより、ＤＣグリッドが接続される前に電圧を一致させることを可能にし、かつ、回路遮断器の閉鎖中及び閉鎖後に過大補償電流を回避することを可能にする。

電気システムの一実施形態では、ＤＣ／ＤＣ出力電圧はＤＣ電力変換器電圧に対応し、回路遮断器が閉じられている場合、これらはともにＤＣグリッドのＤＣバス電圧を形成する。ＤＣグリッド自体は接地されていないが、回路遮断器が閉じられてＡＣリレーも同様に閉じられる場合、電力変換器と、接地されたＡＣ電源グリッドとを介して接地される。この場合、電力変換器は、ＤＣ電圧、及び該当する場合、接地電位に関するそれらの位置に正確に影響を与えてそれを制御することができる。これによって、動作の安全性を向上させ得る。

電気システムの一実施形態では、制御ユニットは、ＤＣバス電圧が平衡化されるようにＤＣ／ＤＣ変換器を駆動するように構成され、平衡化は、特に中間電位としての接地電位に関して実行される。電力変換器がＤＣグリッドに接続されている場合、電力変換器は、ＤＣグリッドの電圧に影響を与えることができる。接地電位に対するＤＣグリッドのＤＣラインのそれぞれの最大電圧が、ＤＣグリッドのＤＣライン間の電圧未満に維持され得るので、接地電位に関して平衡化することで利点が得られ、これにより、設計を簡素化し、かつ、安全性を向上させるのに役立つ。

電気システムの一実施形態では、制御ユニットは、対称のＤＣ／ＤＣ電圧変換器をクロックすることによって、ＤＣ／ＤＣ変換器の出力側にＤＣ／ＤＣ出力電圧を設定するように構成される。この実施形態では、ＤＣ／ＤＣ変換器は対称のＤＣ／ＤＣ電圧変換器として設計される。

電気システムの一実施形態では、制御ユニットは、ブリッジ回路のＡＣ端子を、ＡＣリレーを介して電力変換器のＡＣ側に接続し、及びその後、ＤＣ／ＤＣ出力電圧を設定するように構成される。この実施形態では、電力変換器は、ＤＣ／ＤＣ変換器がそのＤＣ／ＤＣ出力電圧を設定する前に、ＡＣ電源グリッドに接続される。

電気システムの一実施形態では、ブリッジ回路のＡＣ端子及びＤＣ端子はガルバニック結合され、かつ、電力変換器のＡＣ側とＤＣ側との間の電力伝送経路は、特に無変圧器であるように設計される。接地基準を有するＡＣ電源グリッドの場合、例えば、接地されたＴＮ又はＴＴシステムの場合、この点でガルバニック結合されるこのような無変圧器の電力変換器のリンク回路電圧は、ＡＣ電源グリッドに対する接続後、接地電位に関してほぼ対称である。この電力変換器のＤＣ側を非対称のＤＣバスに接続した場合、特にＤＣグリッドの絶縁不良によって非対称が発生した場合、大きな補償電流が生じる。このような補償電流又は故障電流は、接地電位に関してＤＣバス電圧を平衡化することによって、電気システムによって回避又は補償さえされ得る。

ＤＣグリッド内で電力変換器及びＤＣ／ＤＣ変換器を備える電気システムを動作させる方法であって、電力変換器は、電力変換器のＡＣ側と電力変換器のＤＣ側との間で電力を伝送するように構成され、以下の：
ＤＣ電力変換器電圧を測定するステップと、
ＤＣ／ＤＣ変換器の出力側にＤＣ／ＤＣ出力電圧を設定するステップであって、ＤＣ電力変換器電圧及びＤＣ／ＤＣ出力電圧は回路遮断器の両側に存在し、かつ、設定されたＤＣ／ＤＣ出力電圧の絶対値は、測定されたＤＣ電力変換器電圧に対応する、設定するステップと、を含む。

任意選択的に、ＤＣ電力変換器電圧が測定されるステップにおいて、ＤＣ／ＤＣ出力電圧が測定されてもよい。

電圧の絶対値は、ＤＣグリッドのＤＣライン間の電圧、又は、回路遮断器の電力変換器側端子間の電圧を意味するものと理解される。これは、ＤＣグリッドの２つのＤＣライン又は回路遮断器の電力変換器側端子の電位差に対応する。ＤＣ／ＤＣ出力電圧は、この電圧の絶対値に設定される。

方法の一実施形態では、ＤＣ電力変換器電圧及びＤＣ／ＤＣ出力電圧は、接地電位に対するそれぞれのＤＣライン又は端子の電圧を測定することによって決定され、それぞれのＤＣラインは、回路遮断器を介してそれぞれのＤＣ端子に接続可能である。これにより、ＤＣラインの各々は接地電位に関して個別に測定されてもよい。

方法の一実施形態では、ＤＣ電力変換器電圧及びＤＣ／ＤＣ出力電圧の接地電位に対するそれぞれの電圧は互いに一致させられる。この実施形態では、電圧の絶対値に加えて、電圧の位置も一致させられ、すなわち、絶対値に加えて、ＤＣライン又はＤＣ端子の電位の位置も、相互に及び第３点に関して、例えば接地電位に対して、一致させられる。

方法の一実施形態は、ＤＣ／ＤＣ出力電圧が設定された後、回路遮断器を閉じることによってＤＣ／ＤＣ変換器の出力側が電力変換器に接続されるステップを含む。

方法の一実施形態は、ＤＣ／ＤＣ出力電圧が設定される前、ブリッジ回路のＡＣ端子がＡＣリレーを介して電力変換器のＡＣ側に接続されるステップを含む。

方法の一実施形態は、回路遮断器が閉じられた後、ＤＣ／ＤＣ変換器がＤＣバス電圧を平衡化するステップを含み、ＤＣ／ＤＣ出力電圧はＤＣ電力変換器電圧に対応し、かつ、これらはともに、回路遮断器が閉じられる場合のＤＣグリッドのＤＣバス電圧を形成する。ＤＣグリッドは、それ自体接地されていないが、回路遮断器が閉じられてＡＣリレーも同様に閉じられる場合、ＡＣ電源グリッドを介して接地される。平衡化は、特に中間電位としての接地電位に関して実行される。

以下、図面を用いて本発明をより詳細に説明する。

電気システムの例示的な一実施形態を概略的に示している。 電気システムの別の例示的な実施形態を概略的に示している。 方法の例示的な一実施形態を概略的に示している。 電圧の可能性のある推移を概略的に示している。

図１は、電気システムの一実施形態を概略的に示している。電力変換器１０はＡＣ側１６及びＤＣ側１８を有している。接地電位ＰＥで接地された三相ＡＣ電源グリッド１２はＡＣ側１６に接続される。バッテリ４２は、ＤＣスイッチ４６を介してＤＣグリッド１４に接続可能である。負荷４４は、ＤＣスイッチ４８を介してＤＣグリッドに接続可能である。負荷４４は、特に、機械、産業プラント又は電解槽などの１以上のコンシューマを備えてもよい。バッテリ４２及び負荷４４は、ＤＣラインＤＣ＋、ＤＣ－を介して電力変換器１０に接続される。

電力変換器１０は、ＡＣ端子ＡＣＬ１、ＡＣＬ２、ＡＣＬ３のＡＣ電流又はＡＣ電圧を、ＤＣ端子ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－のＤＣ電流又はＤＣ電圧に変換するように設計されたブリッジ回路２０を有している。同様に、ブリッジ回路２０は、ＤＣ端子ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－のＤＣ電流又はＤＣ電圧を、ＡＣ端子ＡＣＬ１、ＡＣＬ２、ＡＣＬ３のＡＣ電流又はＡＣ電圧に変換するように設計される。図示する例示的な実施形態では、変換は、ブリッジ回路２０の半導体スイッチを適切な方法で駆動する制御ユニット３０によって行われる。半導体スイッチを有するブリッジ回路２０は、一般に無変圧器であるように設計され、すなわち、こうしたブリッジ回路のＡＣ端子ＡＣＬ１、ＡＣＬ２、ＡＣＬ３及びＤＣ端子ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－はガルバニック結合される。ＡＣ電源グリッドが、例えば、ＰＥに接地された中性線によって提供される接地基準を有する場合、ＤＣ端子ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－は、電力変換器１０の通常動作中にブリッジ回路２０を介して自動的に接地される。

ＤＣラインＤＣ＋、ＤＣ－はＤＣ端子ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－に接続される。この場合、接地基準に対するＤＣラインの電位の特定の位置（ＰＥに対するＤＣ＋／ＤＣ－）は、ブリッジ回路２０の特に使用されるトポロジによって予め規定される。例として、ブリッジ回路２０は、ＤＣ側の分割ＤＣリンク回路を有してもよく、そのセンタータップは、固定接地基準ＰＥを中間電位としてＡＣ電源グリッド１２の中性線に接続され、その結果、ＤＣリンク回路のＤＣ電位、ひいては、ＤＣ端子ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－は、接地電位ＰＥに関してほぼ対称に設定される。この点で、それ自体が接地されていないＤＣグリッド１４も同様に、無変圧器の電力変換器１０を介して、接地されたＡＣ電源グリッド１２への接続を通じて、接地されたＤＣグリッド１４になる。したがって、ＤＣグリッド１４には２つの動作状態：バッテリ４２からの電源を有する接地されていない「スタンドアロンモード」と、接地されたＡＣ電源グリッド１２に接続された場合の接地モードと、があり得る。

ＡＣ端子ＡＣＬ１、ＡＣＬ２、ＡＣＬ３はＡＣ側１６に接続されてもよく、及びしたがって、ブリッジ回路２０はＡＣリレー２２を介してＡＣグリッド１２に接続されてもよい。電力変換器１０は、３つのＡＣ端子ＡＣＬ１、ＡＣＬ２、ＡＣＬ３の差動電流測定値に基づいている、ＡＣ端子ＡＣＬ１、ＡＣＬ２、ＡＣＬ３における障害電流測定値３２を有している。

電力変換器１０は、ＤＣ／ＤＣ変換器４０を有し、その入力側はブリッジ回路２０のＤＣ端子ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－に接続される。ＤＣ／ＤＣ変換器４０は、ＤＣ端子ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－の電圧に対して、ＤＣ／ＤＣ変換器４０の出力側２４にＤＣ／ＤＣ出力電圧Ｕ_Ｓｙｍを設定するために使用されてもよい。ＤＣ／ＤＣ出力電圧Ｕ_Ｓｙｍは、例えば、制御ユニット３０がＤＣ／ＤＣ変換器４０の半導体スイッチを駆動することによって設定されてもよい。

ＤＣ／ＤＣ変換器４０の出力側２４は、回路遮断器２６．１、２６．２を介してＤＣ側１８に接続されてもよい。ＤＣグリッド１４の正のＤＣラインＤＣ＋は回路遮断器２６．１に接続され、ＤＣグリッド１４の負のＤＣラインＤＣ－は回路遮断器２６．２に接続される。測定装置３８は、ＤＣ／ＤＣ出力電圧Ｕ_Ｓｙｍ及び／又は電力変換器電圧Ｕ_ＤＣＳを測定するように構成される。電力変換器電圧Ｕ_ＤＣＳは、電力変換器１０のＤＣ側１８、すなわち、ＤＣ／ＤＣ変換器４０とは反対側の回路遮断器２６．１、２６．２に存在する。

図２は、電気システムの別の実施形態を概略的に示している。電力変換器１０はＡＣ側１６及びＤＣ側１８を備える。接地電位ＰＥに接地された三相ＡＣ電源グリッド１２はＡＣ側１６に接続される。バッテリ４２はＤＣスイッチ４６を介してＤＣグリッド１４に接続可能である。負荷４４は、ＤＣスイッチ４８を介してＤＣグリッドに接続可能である。負荷４４は、特に、例えば機械、産業プラント又は電解槽などの１以上のコンシューマを備えてもよい。バッテリ４２及び負荷４４は、ＤＣラインＤＣ＋、ＤＣ－を介して電力変換器１０に接続される。

電力変換器１０は、ＡＣ端子ＡＣＬ１、ＡＣＬ２、ＡＣＬ３のＡＣ電流又はＡＣ電圧を、ＤＣ端子ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－のＤＣ電流又はＤＣ電圧に変換するように設計されたブリッジ回路２０を有する。同様に、ブリッジ回路２０は、ＤＣ端子ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－のＤＣ電流又はＤＣ電圧を、ＡＣ端子ＡＣＬ１、ＡＣＬ２、ＡＣＬ３のＡＣ電流又はＡＣ電圧に変換するように設計される。図示する例示的な実施形態では、変換は、ブリッジ回路２０の半導体スイッチを適切な方法で駆動する制御ユニット３０によって行われる。半導体スイッチを有するブリッジ回路２０は、一般に無変圧器であるように設計され、すなわち、こうしたブリッジ回路のＡＣ端子ＡＣＬ１、ＡＣＬ２、ＡＣＬ３及びＤＣ端子ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－はガルバニック結合される。ＡＣ電源グリッドが、例えば、ＰＥに接地された中性線によって提供される接地基準を有する場合、ＤＣ端子ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－は、したがって、電力変換器１０の通常動作中にブリッジ回路２０を介して自動的に接地される。

ＤＣラインＤＣ＋、ＤＣ－はＤＣ端子ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－に接続される。この場合、接地基準に対するＤＣラインの電位の特定の位置（ＰＥに対するＤＣ＋／ＤＣ－）は、ブリッジ回路２０の特に使用されるトポロジによって予め規定される。例として、ブリッジ回路２０は、ＤＣ側に、ＤＣ側の分割されたＤＣリンク回路を有してもよく、そのセンタータップは、中間電位として固定接地基準ＰＥを有するＡＣ電源グリッド１２の中性線に接続され、その結果、ＤＣリンク回路、ひいては、ＤＣ端子ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－におけるＤＣ電位が、接地電位ＰＥに関してほぼ対称に設定される。この点で、それ自体が接地されていないＤＣグリッド１４も同様に、無変圧器の電力変換器１０を介して、接地されたＡＣ電源グリッド１２への接続を通じて、接地されたＤＣグリッド１４になる。したがって、ＤＣグリッド１４には２つの動作状態：バッテリ４２からの電源を有する、接地されていない「スタンドアロンモード」と、接地されたＡＣ電源グリッド１２に接続された場合の接地モードと、があってもよい。

ＡＣ端子ＡＣＬ１、ＡＣＬ２、ＡＣＬ３はＡＣ側１６に接続されてもよく、及びしたがって、ブリッジ回路２０はＡＣリレー２２を介してＡＣグリッド１２に接続されてもよい。電力変換器１０は、３つのＡＣ端子ＡＣＬ１、ＡＣＬ２、ＡＣＬ３の差動電流測定に基づいている、ＡＣ端子ＡＣＬ１、ＡＣＬ２、ＡＣＬ３における障害電流測定値３２を備えている。

ＤＣ／ＤＣ変換器４０は、ＤＣグリッド１４内に配置され、かつこの点で、電力変換器１０の外側に配置される。ＤＣ／ＤＣ変換器４０の入力側はバッテリ４２に接続される。ＤＣ／ＤＣ変換器４０の出力側２４では、ＤＣ／ＤＣ出力電圧Ｕ_Ｓｙｍはバッテリ４２の電圧に対して設定されてもよい。ＤＣ／ＤＣ出力電圧Ｕ_Ｓｙｍは、例えば、ＤＣ／ＤＣ変換器４０の半導体スイッチを駆動する制御ユニット３０によって設定されてもよい。

ブリッジ回路２０のＤＣ端子ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－は回路遮断器２６．１、２６．２を介してＤＣ側１８に接続されてもよい。正のＤＣラインＤＣ＋は回路遮断器２６．１を介してＤＣ側１８に接続されてもよく、負のＤＣラインＤＣ－は回路遮断器２６．２を介してＤＣ側に接続されてもよい。測定装置３８は、ＤＣ／ＤＣ出力電圧Ｕ_Ｓｙｍ及び／又は電力変換器電圧Ｕ_ＤＣＳを測定するように構成される。電力変換器電圧Ｕ_ＤＣＳは、ブリッジ回路２０のＤＣ側１８、すなわち、ＤＣ／ＤＣ変換器４０とは反対側の回路遮断器２６．１、２６．２に存在する。したがって、図示する例示的な実施形態では、電力変換器電圧Ｕ_ＤＣＳは、電力変換器１０のブリッジ回路２０のＤＣ端子ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－に存在する。

図３は、電気システムを動作させる方法の例示的な一実施形態を概略的に示している。

ステップＳ１において、ブリッジ回路２０のＡＣ端子ＡＣＬ１、ＡＣＬ２、ＡＣＬ３は、ＡＣリレー２２を介して電力変換器１０のＡＣ側１６に接続される。

ステップＳ２において、ＤＣ電力変換器電圧Ｕ_Ｓｙｍが測定される。任意選択的に、ステップＳ２において、ＤＣ／ＤＣ出力電圧Ｕ_Ｓｙｍがさらに測定されてもよい。ＤＣ／ＤＣ出力電圧Ｕ_Ｓｙｍは、ＤＣ／ＤＣ変換器４０の出力側２４に設定されてもよく、ＤＣ電力変換器電圧Ｕ_ＤＣＳ及びＤＣ／ＤＣ出力電圧Ｕ_Ｓｙｍは、回路遮断器２６．１、２６．２の両側に存在する。ＤＣ電力変換器電圧Ｕ_ＤＣＳ及び／又はＤＣ／ＤＣ出力電圧Ｕ_Ｓｙｍは、接地電位ＰＥに対するそれぞれのＤＣラインＤＣ＋、ＤＣ－又はＤＣ端子ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－の電圧を測定することによって決定されてもよい。これは、ＤＣラインＤＣ＋、ＤＣ－又はＤＣ端子ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－の各々が、接地電位ＰＥに関して個別に測定され得ることを意味している。

ステップＳ３において、ＤＣ／ＤＣ変換器４０の出力側２４のＤＣ／ＤＣ出力電圧Ｕ_Ｓｙｍは、設定されたＤＣ／ＤＣ出力電圧Ｕ_Ｓｙｍが、測定されたＤＣ電力変換器電圧Ｕ_ＤＣＳに一致させられるように設定される。この場合、ＤＣ電力変換器電圧Ｕ_ＤＣＳ及びＤＣ／ＤＣ出力電圧Ｕ_Ｓｙｍの接地電位ＰＥに対するそれぞれの電圧は互いに一致させられてもよい。この場合、電圧は絶対値と位置とに関して互いに一致させられる。ステップＳ３は、２つの電圧が互いに一致させられるまで繰り返される。

ステップＳ４は、電圧が成功裏に一致させられた場合に実行される。ステップＳ４において、ＤＣ／ＤＣ出力電圧Ｕ_Ｓｙｍの設定後、ＤＣ／ＤＣ変換器４０の出力側２４は、時間ｔ_Ｓに回路遮断器２６．１、２６．２を閉じることによって電力変換器１０のＤＣ側１８に接続される（図４）。

ステップＳ５において、ＤＣ／ＤＣ変換器４０は、回路遮断器２６．１、２６．２を閉じた後、ＤＣバス電圧を平衡化し、平衡化は、特に中間電位としての接地電位に関して実行される。

図４は、一例として、ＤＣ電力変換器電圧Ｕ_ＤＣＳ及びＤＣ／ＤＣ出力電圧Ｕ_Ｓｙｍの特性を概略的に示している。両方の電圧が接地電位ＰＥに関連して示されている。グラフの上の線は、接地電位ＰＥに対する正のＤＣラインＤＣ＋又は正のＤＣ端子ＤＣＬ＋の電位を示しており、下の線は、接地電位ＰＥに対する負のＤＣラインＤＣ－又は負のＤＣ端子ＤＣＬ－の電位を示している。

初期では、ＤＣ電力変換器電圧Ｕ_ＤＣＳ及びＤＣ／ＤＣ出力電圧Ｕ_Ｓｙｍは、互いに独立しており、かつ、異なる値を有している。その後、ＤＣ／ＤＣ出力電圧Ｕ_Ｓｙｍは、接地電位ＰＥに対する絶対値及び位置に関して、ＤＣ電力変換器電圧Ｕ_ＤＣＳに一致させられる。これは、好ましくは、ＡＣリレー２２を閉じた後、ＤＣ／ＤＣ変換器４０の半導体スイッチを駆動することによって実行される。駆動は、好ましくは、制御ユニット３０によって実行される。

時間ｔ_Ｓに、回路遮断器２６．１及び２６．２が閉じられる。回路遮断器２６．１、２６．２が閉じている場合、ＤＣ／ＤＣ出力電圧Ｕ_ＳｙｍはＤＣ電力変換器電圧Ｕ_ＤＣＳに対応し、これらはともにＤＣグリッド１４のＤＣバス電圧を形成する。ＤＣグリッド１４は、それ自体接地されていないが、回路遮断器２６．１、２６．２が閉じられてＡＣリレー２２が同様に閉じられる場合、電力変換器１０及びＡＣ電源グリッド１２を介して接地される。

回路遮断器２６．１、２６．２を閉じた後、ＤＣバス電圧は、制御ユニット３０によって駆動される方法で、ＤＣ／ＤＣ変換器４０によって又は電力変換器１０によって平衡化される。このプロセスにおいて、上限電圧値は所望の正のＤＣバス電圧Ｕ_ｂｕｓ＋にされ、下限電圧値は所望の負のＤＣバス電圧Ｕ_ｂｕｓ－にされる。ここで、所望の正のＤＣバス電圧Ｕ_ｂｕｓ＋及び所望の負のＤＣバス電圧Ｕ_ｂｕｓ－は、好ましくは、接地電位ＰＥに対する絶対値及び位置に関して等しく、及びしたがって、接地電位ＰＥに関して対称である。したがって、ＤＣバス電圧は接地電位ＰＥに対して平衡化される。

１０ 電力変換器
１２ ＡＣ電源グリッド
１４ ＤＣグリッド
１６ ＡＣ側
１８ ＤＣ側
２０ ブリッジ回路
２２ ＡＣリレー
２４ ＤＣ／ＤＣ変換器の出力側
２６．１、２６．２ 回路遮断器
３０ 制御ユニット
３２ 故障電流測定値
３８ 電圧計
４０ ＤＣ／ＤＣ変換器
４２ バッテリ
４４ 負荷
４６ ＤＣスイッチ
４８ ＤＣスイッチ
ＡＣＬ１、ＡＣＬ２、ＡＣＬ３ ＡＣ端子
ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－ ＤＣ端子
ＤＣ＋、ＤＣ－ ＤＣライン
ＰＥ 接地電位
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５ 方法ステップ
ｔ 時間
ｔ_Ｓ 時間：回路遮断器を閉じる
Ｕ_Ｓｙｍ ＤＣ／ＤＣ出力電圧
Ｕ_ＤＣＳ ＤＣ電力変換器電圧
Ｕ_Ｂｕｓ＋ 所望の正のＤＣバス電圧
Ｕ_Ｂｕｓ－ 所望の負のＤＣバス電圧

Claims (18)

1. 電力変換器（１０）及びＤＣ／ＤＣ変換器（４０）を備える電気システムであって、前記電力変換器（１０）は、前記電力変換器（１０）のＡＣ側（１６）と前記電力変換器（１０）のＤＣ側（１８）との間で電力を伝送するように構成され、前記電力変換器（１０）の前記ＡＣ側（１６）は、接地された三相ＡＣ電源グリッド（１２）に接続可能であり、前記電力変換器（１０）の前記ＤＣ側（１８）は、接地されていないＤＣグリッド（１４）に接続可能であり、前記電力変換器（１０）はブリッジ回路（２０）を有し、前記ブリッジ回路（２０）のＡＣ端子（ＡＣＬ１、ＡＣＬ２、ＡＣＬ３）はＡＣリレー（２２）を介して前記電力変換器（１０）の前記ＡＣ側（１６）に接続可能であり、かつ、前記ブリッジ回路（２０）のＤＣ端子（ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－）は、回路遮断器（２６．１、２６．２）を介して前記電力変換器（１０）の前記ＤＣ側（１８）に接続可能であり、
   前記ＤＣ／ＤＣ変換器（４０）は、前記電力変換器（１０）の前記ＤＣ側（１８）に面する出力側（２４）を有し、前記電気システムは、前記ＤＣ／ＤＣ変換器（４０）の前記出力側（２４）に存在するＤＣ電力変換器電圧（Ｕ_ＤＣＳ）及びＤＣ／ＤＣ出力電圧（Ｕ_Ｓｙｍ）を測定するように構成された測定装置（３８）を有し、前記ＤＣ電力変換器電圧（Ｕ_ＤＣＳ）及び前記ＤＣ／ＤＣ出力電圧（Ｕ_Ｓｙｍ）は前記回路遮断器（２６．１、２６．２）の両側に存在し、前記電気システムは、前記ＤＣ／ＤＣ出力電圧（Ｕ_Ｓｙｍ）が前記ＤＣ／ＤＣ変換器（４０）の前記出力側（２４）に設定されるように前記ＤＣ／ＤＣ変換器（４０）を駆動するように構成された制御ユニット（３０）を有し、前記ＤＣ／ＤＣ出力電圧（Ｕ_Ｓｙｍ）の絶対値は前記ＤＣ電力変換器電圧（Ｕ_ＤＣＳ）に対応する、電気システム。
2. 前記ＤＣ／ＤＣ変換器（４０）の前記出力側（２４）が前記電力変換器（１０）の前記ＤＣ側（１８）に接続される、請求項１に記載の電気システム。
3. 前記ＤＣ／ＤＣ変換器（４０）が、前記ブリッジ回路（２０）と前記回路遮断器（２６．１、２６．２）との間に配置される、請求項１又は２に記載の電気システム。
4. 前記回路遮断器（２６．１、２６．２）が、前記ＤＣ／ＤＣ変換器（４０）と前記ブリッジ回路（２０）との間に配置される、請求項１又は２に記載の電気システム。
5. 前記測定装置（３８）は、接地電位（ＰＥ）に対するそれぞれのＤＣライン（ＤＣ＋、ＤＣ－）の電圧を測定することによって前記ＤＣ電力変換器電圧（Ｕ_ＤＣＳ）及び／又は前記ＤＣ／ＤＣ出力電圧（Ｕ_Ｓｙｍ）を決定するように構成され、それぞれのＤＣライン（ＤＣ＋、ＤＣ－）はそれぞれのＤＣ端子（ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－）に接続される、請求項１～４のいずれか１項に記載の電気システム。
6. 前記ＤＣ電力変換器電圧（Ｕ_ＤＣＳ）及び前記ＤＣ／ＤＣ出力電圧（Ｕ_Ｓｙｍ）の接地電位（ＰＥ）に対するそれぞれの電圧が相互に一致させられるように、前記制御ユニット（３０）は前記記ＤＣ／ＤＣ変換器（４０）を駆動するように構成される、請求項１～５のいずれか１項に記載の電気システム。
7. 前記ＤＣ／ＤＣ出力電圧（Ｕ_Ｓｙｍ）が前記ＤＣ電力変換器電圧（Ｕ_ＤＣＳ）に対応する場合、前記制御ユニット（３０）は前記回路遮断器（２６．１、２６．２）を閉じるように構成される、請求項１～６のいずれか１項に記載の電気システム。
8. 前記ＤＣ／ＤＣ出力電圧（Ｕ_Ｓｙｍ）は前記ＤＣ電力変換器電圧（Ｕ_ＤＣＳ）に対応し、前記ＤＣ／ＤＣ出力電圧（Ｕ_Ｓｙｍ）及び前記ＤＣ電力変換器電圧（Ｕ_ＤＣＳ）はともに、前記回路遮断器（２６．１、２６．２）が閉じられる場合、前記ＤＣグリッド（１４）のＤＣバス電圧を形成する、請求項１～７のいずれか１項に記載の電気システム。
9. 前記制御ユニット（３０）は、前記ＤＣバス電圧が平衡化されるように前記ＤＣ／ＤＣ変換器（４０）を駆動するように構成され、前記平衡化は、中間電位として特に接地電位に関して実行される、請求項８に記載の電気システム。
10. 前記制御ユニット（３０）は、対称のＤＣ／ＤＣ電圧変換器をクロックすることによって前記ＤＣ／ＤＣ変換器（４０）の前記出力側（２４）に前記ＤＣ／ＤＣ出力電圧（Ｕ_Ｓｙｍ）を設定するように構成される、請求項１～９のいずれか１項に記載の電気システム。
11. 前記制御ユニット（３０）は、ＡＣリレー（２２）を介して前記電力変換器（１０）の前記ＡＣ側（１６）に前記ブリッジ回路（２０）の前記ＡＣ端子（ＡＣＬ１、ＡＣＬ２、ＡＣＬ３）を接続し、かつ、その後、前記ＤＣ／ＤＣ出力電圧（Ｕ_Ｓｙｍ）を設定するように構成される、請求項１～１０のいずれか１項に記載の電気システム。
12. 前記ブリッジ回路（２０）の前記ＡＣ端子（ＡＣＬ１、ＡＣＬ２、ＡＣＬ３）及び前記ＤＣ端子（ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－）はガルバニック結合され、かつ、前記電力変換器（１０）の前記ＡＣ側（１６）と前記ＤＣ側（１８）との間の前記電力伝達経路は特に無変圧器であるように設計される、請求項１～１１のいずれか１項に記載の電気システム。
13. 請求項１～１２のいずれか１項に記載の電気システムを動作させるための方法であって、
    ＤＣ電力変換器電圧（Ｕ_ＤＣＳ）を測定するステップと、
    前記ＤＣ／ＤＣ変換器（４０）の前記出力側（２４）にＤＣ／ＤＣ出力電圧（Ｕ_Ｓｙｍ）を設定するステップであって、前記ＤＣ電力変換器電圧（Ｕ_ＤＣＳ）及び前記ＤＣ／ＤＣ出力電圧（Ｕ_Ｓｙｍ）は前記回路遮断器（２６．１、２６．２）の両側に存在し、設定された前記ＤＣ／ＤＣ出力電圧（Ｕ_Ｓｙｍ）の絶対値は、測定された前記ＤＣ電力変換器電圧（Ｕ_ＤＣＳ）に対応する、ステップと、を含む方法。
14. 前記ＤＣ電力変換器電圧（Ｕ_ＤＣＳ）及び前記ＤＣ／ＤＣ出力電圧（Ｕ_Ｓｙｍ）は、接地電位（ＰＥ）に対するそれぞれのＤＣライン（ＤＣ＋、ＤＣ－）の電圧を測定することによって決定され、それぞれのＤＣライン（ＤＣ＋、ＤＣ－）はそれぞれのＤＣ端子（ＤＣＬ＋、ＤＣＬ－）に接続される、請求項１３に記載の方法。
15. 前記ＤＣ電力変換器電圧（Ｕ_ＤＣＳ）及び前記ＤＣ／ＤＣ出力電圧（Ｕ_Ｓｙｍ）の接地電位（ＰＥ）に対するそれぞれの電圧は互いに一致させられる、請求項１３又は１４に記載の方法。
16. 前記ＤＣ／ＤＣ出力電圧（Ｕ_Ｓｙｍ）が設定された後、前記ＤＣ／ＤＣ変換器（４０）の前記出力側（２４）が、前記回路遮断器（２６．１、２６．２）を閉じることによって前記電力変換器（１０）に接続されるステップを含む、請求項１３～１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 前記ブリッジ回路（２０）の前記ＡＣ端子（ＡＣＬ１、ＡＣＬ２、ＡＣＬ３）が、前記ＤＣ／ＤＣ出力電圧（Ｕ_Ｓｙｍ）が設定される前にＡＣリレー（２２）を介して前記電力変換器（１０）の前記ＡＣ側（１６）に接続されるステップを含む、請求項１３～１６のいずれか１項に記載の方法。
18. 前記回路遮断器（２６．１、２６．２）が閉じられた後、前記ＤＣ／ＤＣ変換器（４０）が前記ＤＣバス電圧を平衡化するステップを含み、前記平衡化は特に中間電位として前記接地電位に関して実行される、請求項１３～１７のいずれか１項に記載の方法。

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