1.本发明涉及一种电网。
背景技术：2.直流电网(也被称为dc(direct current)电网)由馈电器和耗电器组成。这种直流电网正变得越来越流行，因为转换损耗被最小化。通过以下方式提高能效：针对所有电机仅需要一次直流电/交流电转换，而不是针对每个电机进行一次转换。此外，直流电网中的损耗非常低，因为频率为零(0hz)，并且不存在阻抗损耗，而仅存在欧姆损耗。直流电网的另一个优点是，由于零频率(0hz)不存在集肤效应，因此在较低成本的情况下例如可以使用具有较小横截面的电缆。
3.在典型的直流电网上，可以使用任何类型的馈电器。例如可以使用可再生能源、如光伏或风力涡轮机作为馈电器，或者可以使用电池或飞轮或具有交流-直流转换器的交流电网(也被称为ac(alternating current)电网)作为备用资源。每个馈电器都使用转换器，可以是交流-直流转换器，在不同的直流电压下也可以是直流-直流转换器。为了在没有波动的情况下获得几乎恒定的直流电流(恒定的直流电压)，典型地直接在直流侧的转换器之后使用直流中间电路电容器。因此，每个转换器典型地与直流中间电路电容器连接，这样的系统被称为直流中间电路(dc-link)。
4.直流电网中的交流-直流转换器可以是单向的(整流器)或双向的(例如在主动前端技术中)。典型地，单向模式下的不受控的整流器由二极管或主动前端(afe，active front end)组成，该主动前端由igbt和二极管组成。当主动前端(afe)关断时，电流不能从直流侧流向交流侧，这被续流二极管阻止。当直流侧具有比交流侧更低的电压时，通过二极管装置不阻止电流从交流侧流向直流侧。因此，主动前端(afe)在关断状态下对应于三相的不受控的整流器。
5.典型地，馈电器连接到母线上。通过共同的母线从馈电器向耗电器提供电力。
6.作为耗电器，通常考虑需要交流电源的电动机，因此在耗电器侧针对每个电动机需要额外的直流-交流转换器。每个转换器又连接到直流中间电路电容器上，以保持恒定的电压。因此，另外的电容器位于直流-交流转换器(逆变器)之前。
7.用于功率转换的电力电子转换器典型地以高的开关频率工作。这导致它们产生噪声，其也称为总谐波失真(thd，total harmonie distortion)。该噪声使馈电器侧的电流和/或电压的质量变差。为了解决这个问题，使用所谓的emc滤波器(electromagnetic compatibility，电磁兼容性)，其使用差模式电容器来改善thd值。共模电容器提供用于共模电流的低阻抗路径，该共模电流否则会流向变压器星形连接点并且感应出故障电流，而不存在故障情况。在这种情况下，故障电流不能与损耗电流或接地故障区分开。
8.因此，共模电容器典型地与功率转换器一起用于提高电流质量并且用于通过如下方式限制漏电流：电流必须流过共模电容器，而不是否则流向变压器星形连接点，由此会产生故障电流。如果不使用emc滤波器，则功率转换会在其他设备上产生电磁失真，从而可能
干扰正常运行。由于这些原因，应避免不使用emc滤波器。
9.在正常运行中流动的共模电流已知为漏电流。这些漏电流的主要原因是存在于整个系统中的寄生电容器。因此，所有非接地系统通过寄生电容器接地。功率转换器通常采用脉宽调制(pwm)技术进行工作，并且具有较高的开关速度。这产生陡峭的电压边沿。由于线与地之间的永久的电压波动，电流通过寄生电容器流向地，基于等式i＝cδv/δt。
10.直流电缆与地之间的电压可以永久地变化，这也是由于以开关频率对线路滤波器线圈进行充电和放电。有许多技术可以通过诸如emc滤波器中的共模线圈来减少漏电流，或者通过使用电机电缆的屏蔽来减少漏电流，从而产生用于漏电流的低阻抗路径。
11.在直流电网中，多个功率转换器连接到母线上。要么在馈电器侧，要么在耗电器侧。例如，如果两个主动前端(afe)在馈电器侧连接到母线，则只有一个接地，而另一个不接地，因为如果两个主动前端分别接地，则两个主动前端都连续地改变相对于地的系统电压，更确切地说以其开关频率的节拍。开关频率会在两个接地点之间产生接地故障，并且因此触发故障电流保护开关(residual current device，rcd)，而不会出现故障情况。
12.所描述的问题例如可以利用三相三绕组变压器来解决，由此不存在针对电流的接地故障。当光伏系统被添加到直流电网中时，这个问题可能变得至关重要，因为光伏系统通常具有单独的接地。典型地，铝框架接地以避免接触电压。虽然光伏模块是浮置的，但在模块与铝框架之间存在寄生电容器。这产生接地路径电流，该接地路径电流可以触发故障电流保护开关。
13.当在馈电器侧增加频率转换器的数量时，由于在耗电器侧引入漏电容器，漏电流也显著增加。对于光伏设备的纳入，所描述的问题可以通过使用单向sst技术(solid state transformer，固态变压器)或dc/dc变压器来解决，其将光伏系统电绝缘。同样的设计也可以用于功率转换器，以便借助针对每个转换器的双向dc/dc-sst来减小共模电流。这样的解决方案将降低共模电流并消除接地电流路径，但非常不切实际并且是高成本的。
技术实现要素：14.因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种电网，该电网在故障情况下避开所述问题。
15.根据本发明，上述技术问题通过根据权利要求1的电网来解决，根据本发明的电网的有利的设计方案在从属权利要求中给出。
16.根据权利要求1的电网配备有馈电器、耗电器和布置在它们之间的配电网络，该配电网络由至少一个动态隔离器和母线组成，其中馈电器和耗电器与相关联的母线一起成组地布置，这些组可以借助至少一个动态隔离器彼此电连接或分离，其中，至少一个动态隔离器关于其相邻母线上的电压监测电压差，其中在没有电压差的正常状态下，至少一个动态隔离器将这些组彼此电分离，并且其中在其相邻母线存在电压差的情况下，至少一个动态隔离器将这些组彼此电连接。
17.在此有利的是，在正常状态下动态隔离器将这些组彼此电分离，因此不存在功率损失。因此，共模电流不能在这些组之间流动。各个组彼此电绝缘。因此不存在接地路径，并且因此也不存在不同接地点之间的电流。这允许所有功率转换器进行单独的接地连接。另外的优点在于，在短路故障的情况下提高了系统稳定性，因为整个系统不必一起关闭。同样
地，防止了其他组的电容器放电。在功率转换器的维护情况下，可以利用动态隔离器来控制耗电器的功率流，因为在动态隔离器中集成了受控的整流器。同样地，在接地故障的情况下存在附加的保护，因为其他组不会对接地故障做出贡献，因为它们在正常状态下彼此被分隔。此外，不同的漏电流路径通过动态的电隔离被阻断，这能够实现故障电流识别的集成，并且同样能够实现每个子网的功率转换器的单独接地，如果这是期望的话。
18.在根据本发明的电网的设计方案中，如果电压差大于预先给定的电压差阈值，则至少一个动态隔离器将这些组彼此电连接。
19.在另外的设计方案中，如果在相邻组中的一个组中存在故障，则至少一个动态隔离器在连接之后又在其相邻母线出现电压差的情况下将这些组分开。
20.在一个设计方案中，以时间间隔(δt)重复地确定：在相邻组中的一个组中是否存在故障。
21.在根据本发明的电网的设计方案中，如果相邻母线的电压差的变化超过电压变化阈值，则假定在相邻组中的一个组中发生故障。替换地，如果通过至少一个动态隔离器的电流变化超过电流变化阈值，则假定在相邻组中的一个组中发生故障。
22.在根据本发明电网的设计方案中，只要在动态隔离器上不出现电压差，动态隔离器就将这些组分离，该电压差与通过动态隔离器的功率流和在组中的馈电器与耗电器之间的不平衡相关联。
23.在电网的另外的设计方案中，在至少一个动态隔离器的情况下监测电流过载，并且在过载的情况下对至少一个动态隔离器进行保护。
24.在另外的设计方案中，电网以直流电或交流电运行。
25.在根据本发明的电网的设计方案中，至少一个动态隔离器包括两个反并联的、固体绝缘的变压器(“solid-state transformer(固态变压器)”，sst)或主动前端(afe)。
26.在根据本发明的电网的另外的设计方案中，设置有至少一个机电开关，用于在故障情况下分离馈电器或耗电器。
附图说明
27.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。
28.在此附图中：
29.图1示出了具有馈电器和耗电器以及动态隔离器的直流电网；
30.图2a和图2b示出了用于直流运行的动态隔离器；
31.图3示出了具有馈电器和耗电器以及动态隔离器的交流电网；和
32.图4a和图4b示出了用于交流运行的动态隔离器。
具体实施方式
33.在图1中示出了根据本发明的电网1000。该电网1000包括馈电器1010；1011；1012；1013、耗电器1050；1051；1052；1053和布置在其之间的配电网络2000。该配电网络2000包括至少一个动态隔离器2010；2011和母线200，200
′
，200
″
。馈电器1010；1011；1012；1013和耗电器1050；1051；1052；1053与相关联的母线200，200
′
，200
″
一起成组地布置，其中，这些组
借助动态隔离器2010；2011可以彼此电连接或分离。
34.根据图1，母线200上的馈电器1010和耗电器1050构成第一组，馈电器1011和1012以及耗电器1051和1052与母线200
′
一起构成第二组，并且馈电器1013和耗电器1053与母线200
″
一起构成第三组。
35.第一组的母线200借助第一动态隔离器2010与第二组的母线200
′
连接，使得第一动态隔离器2010可以将母线200，200
′
彼此电连接或分离。这同样适用于第二动态隔离器2011，该第二动态隔离器布置在第二组的母线200
′
与第三组的母线200
″
之间并且能够将它们彼此电连接或分离。
36.至少一个动态隔离器2011；2012监测其相邻母线上的电压是否存在电压差。相应地，第一动态隔离器2010监测从第一组的母线200到第二组的母线200
′
的电压差，第二动态隔离器2011监测从第二组的母线200
′
到第三组的母线200
″
的电压差。
37.在正常状态下，即动态隔离器2010；2011在监测中确定没有电压差，至少一个动态隔离器2010；2011将这些组彼此电分离。例如，第一动态隔离器2010在监测到母线200和200
′
没有电压差的情况下将第一组与第二组电分离。母线200和200
′
上的电压例如可以分别为650v，使得电压差为0v。
38.如果至少一个动态隔离器2010；2011；2012确定了相邻母线200，200
′
，200
″
的电压差，则将这些组彼此电连接。在母线200，200
′
，200
″
上的电压下降时，至少一个动态隔离器2010；2011；2012在配电网2000中负责将相邻的组彼此电连接，从而可以补偿电压下降。
39.母线200和200
′
上的电压例如可以为650v和645v，从而电压差为5v并且将这两个组彼此连接。在母线200和200
′
上的电压被平衡到例如650v和649v时，又将这两个组彼此分离。
40.可以规定，如果电压差大于预先给定的电压差阈值，则至少一个动态隔离器2010；2011；2012将这些组彼此电连接。例如，该电压差阈值可以为5v。
41.此外可以规定，在至少一个动态隔离器的相邻母线200，200
′
，200
″
存在电压差的情况下，如果在相邻组的一个组中存在故障，则至少一个动态隔离器2010；2011；2012在连接之后再次将这些组彼此电分离。在此可以规定，以时间间隔δt重复地确定：在相邻组中的一个组中是否存在故障。
42.如果相邻母线200，200
′
，200
″
的电压差的变化超过电压变化阈值，则可以假定在相邻组中的一个组中存在故障。同样地，如果通过至少一个动态隔离器2010；2011；2012的电流变化超过电流变化阈值，则可以假定在相邻组中的一个组中存在故障。
43.只要在动态隔离器2010；2011；2012上没有出现电压差，动态隔离器2010；2011；2012就可以将这些组分离，该电压差与通过动态隔离器2010；2011；2012的功率流和在组中的馈电器1010；1011；1012；1013与耗电器1050；1051；1052；1053之间的不平衡相关联。
44.附加地可以规定，在至少一个动态隔离器2010；2011；2012中监测电流过载，并且在过载时对至少一个动态隔离器2010；2011；2012进行保护。
45.根据本发明的电网1000可以利用直流电或交流电运行。图1中的实施例是以直流电运行的电网1000的典型示例。在图3中示出了以交流电运行的电网1000。
46.根据图3，电网1000包括馈电器1010；1011；1012和耗电器1050；1051；1052。动态隔离器2010；2011；2012可以将母线200细分成三个组，第一组由馈电器1010和耗电器1050组
成，第二组由馈电器1011和耗电器1051组成，以及第三组由馈电器1012和耗电器1052组成。
47.在此，动态隔离器2010；2011；2012还监测相邻母线200上的电压的电压差。在没有电压差的正常状态下，动态隔离器2010；2011；2012将三个组彼此电分离。在三个动态隔离器2010；2011；2012的相邻母线200出现电压差的情况下，相应的动态隔离器2010；2011；2012将这些组彼此电连接。
48.在根据图1的用于以直流电运行根据本发明的电网1000的第一实施例中，此外，设置有机电开关2020；2021；2022；2023；2024；2025；2026；2027，用于在故障情况下分离馈电器1010；1011；1012；1013或耗电器1050；1051；1052；1053。
49.在第一组中设置机电开关2020，以便在故障情况下将馈电器2010与母线200分离。此外，机电开关2021设置用于在故障情况下将耗电器1050与母线200分离。在图3的拓扑结构中同样设置机电开关2020；2021；2022，其可以将馈电器1010；1011；1012或耗电器1050；1051；1052与母线电分离。
50.在图2a和图2b中说明了直流电网中的动态隔离器2010的设计方案。在图2a中使用两个反并联的固态变压器(sst)。它们串联地包括直流-交流转换器20、高频变压器30和交流-直流转换器21，以及对于并联的返回路径包括直流-交流转换器23、变压器31和交流-直流转换器22。
51.在图2b中示出了动态隔离器2010，其包括第一主动前端(afe)24、变压器32和另外的主动前端(afe)25。
52.在图4a和图4b中示出了电网1000的动态隔离器2010的实施例，该电网以交流电运行。因此，在图4a中串联地示出了针对电网频率的交流-直流变流器40、高频逆变器41、变压器50、交流-直流变流器42和针对电网频率的直流-交流变流器43。对于并联的返回路径相应地设置交流-直流变流器47、高频逆变器46、变压器51、交流-直流变流器45和直流-交流变流器44。
53.在图4b的实施例中，动态隔离器2010包括由第一双向交流-交流循环转换器48、变压器52和第二双向交流-交流循环转换器49组成的串联电路。
技术特征：1.一种电网(1000)，具有馈电器(1010；1011；1012；1013)、耗电器(1050；1051；1052；1053)和布置在所述馈电器与所述耗电器之间的配电网络(2000)，所述配电网络由至少一个动态隔离器(2010；2011；2012)和母线(200，200
′
，200
″
)组成，其中所述馈电器(1010；1011；1012；1013)和所述耗电器(1050；1051；1052；1053)与相关联的母线(200，200
′
，200
″
)一起成组地布置，所述组能够借助所述至少一个动态隔离器(2010；2011；2012)彼此电连接或电分离，其特征在于，所述至少一个动态隔离器(2010；2011；2012)关于其相邻母线(200，200
′
，200
″
)上的电压监测电压差，其中，在没有电压差的正常状态下，所述至少一个动态隔离器(2010；2011；2012)将所述组彼此电分离，并且其中，在所述至少一个动态隔离器的相邻母线(200，200
′
，200
″
)存在电压差的情况下，所述至少一个动态隔离器(2010；2011；2012)将所述组彼此电连接。2.根据权利要求1所述的电网(1000)，其中，如果所述电压差大于预先给定的电压差阈值，则所述至少一个动态隔离器(2010；2011；2012)将所述组彼此电连接。3.根据权利要求1或2所述的电网(1000)，其中，在所述至少一个动态隔离器的相邻母线(200，200
′
，200
″
)存在电压差的情况下，如果在相邻组中的一个组中存在故障，则所述至少一个动态隔离器(2010；2011；2012)在连接之后再次将所述组彼此电分离。4.根据权利要求3所述的电网(1000)，其中，以时间间隔(δt)重复地确定在相邻组中的一个组中是否存在故障。5.根据权利要求3或4所述的电网(1000)，其中，如果相邻母线(200，200
′
，200
″
)的电压差的变化超过电压变化阈值，则假定在相邻组中的一个组中发生故障。6.根据权利要求3或4所述的电网(1000)，其中，如果通过所述至少一个动态隔离器(2010；2011；2012)的电流变化超过电流变化阈值，则假定在相邻组中的一个组中发生故障。7.根据前述权利要求中任一项所述的电网(1000)，其中，只要在所述动态隔离器(2010；2011；2012)上不出现电压差，所述动态隔离器(2010；2011；2012)就将所述组分离，所述电压差与通过所述动态隔离器(2010；2011；2012)的功率流以及在组中的馈电器(1010；1011；1012；1013)和耗电器(1050；1051；1052；1053)之间的不平衡相关联。8.根据前述权利要求中任一项所述的电网(1000)，其中，在所述至少一个动态隔离器(2010；2011；2012)中监测电流过载，并且在过载时对所述至少一个动态隔离器(2010；2011；2012)进行保护。9.根据前述权利要求中任一项所述的电网(1000)，其中，所述电网(1000)以直流电或交流电运行。10.根据前述权利要求中任一项所述的电网(1000)，其中，所述至少一个动态隔离器(2010；2011；2012)包括两个反并联的、固体绝缘的变压器(“solid-state transformer”，sst)或主动前端(afe)。11.根据前述权利要求中任一项所述的电网(1000)，其中，设置至少一个机电开关(2020；2021；2022；2023；2024；2025；2026；2027)，用于在故障情况下将馈电器(1010；1011；1012；1013)或耗电器(1050；1051；1052；1053)分离。
技术总结本发明涉及一种电网，其具有馈电器、耗电器和布置在它们之间的配电网络，该配电网络由至少一个动态隔离器和母线组成，其中馈电器和耗电器与相关联的母线一起成组地布置，这些组可以借助至少一个动态隔离器彼此电连接或分离，其中，至少一个动态隔离器关于其相邻母线上的电压监测电压差，其中在没有电压差的正常状态下，至少一个动态隔离器将这些组彼此电分离，并且其中在其相邻母线存在电压差的情况下，至少一个动态隔离器将这些组彼此电连接。至少一个动态隔离器将这些组彼此电连接。至少一个动态隔离器将这些组彼此电连接。
技术研发人员：S.巴特拉 T.贝克特
受保护的技术使用者：西门子股份公司
技术研发日：2020.09.09
技术公布日：2022/11/1
