CH706337A2 - Konverterschaltung und Verfahren zum Ansteuern einer Konverterschaltung. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Konverterschaltung zur Übertragung elektrischer Energie, welche eine Transformatoranordnung mit magnetisch gekoppelten Primärwicklungen (8, 10, 12) und Sekundärwicklungen (9, 11, 13) aufweist. Es liegen Schaltnetzwerke (1, 2, 3) vor, welche jeweils zwischen die Primärwicklungen (8, 10, 12) und Phasenanschlüsse (20, 29; 33, 31; 42, 32) eines Mehrphasen-Wechselspannungssystems angeschlossen sind und die Phasenspannungen hochfrequent getaktet auf die Primärwicklungsanschlüsse (23, 26; 36, 39; 45, 48) schalten. Die Transformatoranordnung ist so ausgebildet, dass die magnetischen Flüsse der Primärwicklungen (8, 10, 12) sich in den Sekundärwicklungen (9, 11, 13) summieren und/oder, falls zwei oder mehr Sekundärwicklungen (9, 11, 13) vorliegen, diese Sekundärwicklungen (9, 11, 13) in Serie geschaltet sind, und sich die transformierten Spannungen der Primärwicklungen summieren. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ansteuern der Konverterschaltung, bei welchem die Schaltnetzwerke (1, 2, 3) so angesteuert werden, dass die Spannungs-Zeitfläche der Summe der Spannungen an den Primärwicklungen (8, 10, 12) innerhalb einer halben Taktperiode zumindest annähernd ein konstantes Verhältnis zu einem vorgegebenen Wert aufweist.

Description

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elektronischen Schaltungstechnik und insbesondere auf eine Konverterschaltung und ein Verfahren zum Ansteuern einer Konverterschaltung, zur Realisierung eines bidirektionalen, galvanisch getrennten Multi-Port Konverters für AC- und DC-Spannungen.

[0002] Zur bidirektionalen, galvanisch getrennten Kopplung von AC- und DC-Netzen respektive von AC-Erzeugern sowie AC-Verbrauchern und DC-Erzeugern sowie DC-Verbrauchern existieren leistungselektronische Systeme, welche Wirk- und Blindleistungsflüsse mit hoher Dynamik regeln können. Diese Systeme finden beispielsweise bei der Einbindung von erneuerbaren Energien wie Wasserkraft, Windenergie oder Sonnenenergie in bestehende elektrische Übertragungs- und Verteilnetze Anwendung. Hochfrequent getaktete leistungselektronische Konvertersysteme ersetzen dabei voluminöse und schwere netzfrequente nicht regelbare Transformatoren.

[0003] Mittels bidirektionalen, galvanisch getrennten Multi-Port Konvertern lassen sich eine beliebige Anzahl von Leistungsquellen und -senken über einen magnetischen Kreis unter Verwendung einer geringen Anzahl aktiver Schaltelemente koppeln. Unter einem Multi-Port Konverter (Mehrportkonverter) wird in der Literatur die Kopplung von mehreren DC-Ports (DC-Anschlüssen) verstanden. Einzelne Ausführungen erlauben zudem einen AC-Port (AC-Anschluss) mit mehreren DC-Ports zu koppeln.

[0004] Multi-Port Konverter lassen eine einstufige Leistungskonversion zwischen den verschiedenen Ports zu.

[0005] Die in der Literatur beschriebenen Multi-Port Konverter weisen in der Regel drei DC-Ports auf, welche über einen Dreiwicklungs-Transformator gekoppelt sind [1–2]. Um hohe Ströme und damit hohe Verluste in den Wicklungen des Transformators zu vermeiden, werden die an den Wicklungen über eine halbe Taktperiode angelegten Spannungszeitflächen (welche den Spitzenwerten der magnetischen Flussverkettungen entsprechen) möglichst gleich gehalten. Durch die Verwendung von Vollbrücken als Schaltnetzwerk zur Erzeugung der hochfrequenten, mittelwertfreien Spannungen am Transformator können Spannungsvariationen an den DC-Ports kompensiert werden [1]. Dies ist jedoch nur für einen beschränkten Spannungsbereich möglich.

[0006] In der Literatur beschriebene Ansätze zur Kopplung von AC-Leistungsquellen sowie -senken und DC-Leistungsquellen sowie -senken basieren auf dreistufigen leistungselektronischen Konvertersystemen, im Allgemeinen sind dies drei Zwei-Port Konverter, welche zwei mehrphasige AC-Ports mit einem oder mehreren DC-Ports koppeln. Unter einem mehrphasigen AC-Port sind AC-Systeme mit zwei oder mehr Phasen ähnlicher Spannungsamplitude zu verstehen. Diese Konvertersysteme umfassen einen AC-DC Konverter zur Gleichrichtung mit nachfolgendem galvanisch getrenntem DC-DC Konverter zur Isolation und Spannungsanpassung sowie einen DC-AC Konverter zur Wechselrichtung [3]. Die zur Anwendung kommenden Topologien für Gleichrichter und Wechselrichter sind unter anderem dreiphasige (Active-)Diode-Clamped oder Flying-Capacitor Multilevel Konverter [3–5] sowie Multilevel Konverter basierend auf kaskadierten H-Brücken [6] oder Modulare Multilevel Konverter [7]. Der galvanisch getrennte DC-DC Konverter wird meist durch eine Parallel- oder Serienschaltung von Dual-Active-(Full-)Bridge [3–5] oder Dual-Half-Bridge [8] Modulen realisiert.

[0007] Nebst dreistufigen Lösungen sind in der Literatur auch einstufige galvanisch getrennte AC-AC Konvertersysteme (Zwei-Port Konverter mit zwei einphasigen AC-Ports) beschrieben [9-10]. Diese Konvertersysteme basieren auf Parallel- und/oder Serienschaltung von Dual-Active-(Full-)Bridge Modulen mit bidirektionalen Schaltern und weisen eine direkte Kopplung einer einphasigen AC-Leistungsquelle mit einer einphasigen AC-Leistungssenke ohne DC-Port auf. Aufgrund des fehlenden DC-Ports erlaubt die direkte Kopplung aber keine Blindleistungskompensation. Weiterhin können sinnvollerweise nur AC-Ports gleicher Frequenz und gleicher Phasenlage gekoppelt werden, um hohe Differenzen in den am Transformator über eine halbe Taktperiode angelegten Spannungszeitflächen und damit hohe Ströme in den Wicklungen des Transformators zu vermeiden.

[0008] Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Konverterschaltung und ein Verfahren zum Ansteuern einer Konverterschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die oben genannten Nachteile beheben und insbesondere hohe Ströme in den Transformatoren vermeidet und gleichwohl einen hohen Wirkungsgrad aufweist.

[0009] Diese Aufgabe lösen eine Konverterschaltung und ein Verfahren zum Ansteuern einer Konverterschaltung mit den Merkmalen der entsprechenden unabhängigen Patentansprüche.

[0010] Die Konverterschaltung zur Übertragung elektrischer Energie von einem Mehrphasen-Wechselspannungssystem von oder zu mindestens einem weiteren Spannungssystem weist also eine erste Transformatoranordnung mit mindestens zwei Primärwicklungen und mindestens einer Sekundärwicklung auf, wobei die mindestens eine Sekundärwicklung mit einer oder mehreren der Primärwicklungen magnetisch gekoppelt ist. Dabei liegt ein erster Satz von Schaltnetzwerken vor, von welchen jeweils ein Schaltnetzwerk einer der Primärwicklungen zugeordnet ist, wobei für jede der mindestens zwei Primärwicklungen gilt, dass die Primärwicklung mit zwei Primärwicklungsanschlüssen an das zugeordnete Schaltnetzwerk und dieses wiederum mit Phasenanschlüssen (Anschluss der zugeordneten Phase sowie Anschluss des Neutralleiters) an das Mehrphasen-Wechselspannungssystem angeschlossen ist, wobei das Schaltnetzwerk dazu eingerichtet ist, jeden der Primärwicklungsanschlüsse wahlweise mindestens mit einem der Phasenanschlüsse zu verbinden. Es ist die erste Transformatoranordnung so ausgebildet, dass die magnetischen Flüsse der Primärwicklungen sich in der mindestens einen Sekundärwicklung summieren und/oder, falls zwei oder mehr Sekundärwicklungen vorliegen, diese Sekundärwicklungen in Serie geschaltet sind, und sich die transformierten Spannungen der Primärwicklungen summieren.

[0011] Diese Verschaltung erlaubt insbesondere, eine Spannungs-Zeitfläche der Summe der an den Primärwicklungen angelegten Spannungen zu realisieren, wobei der Wert dieser Spannungs-Zeitfläche, jeweils über eine halbe Taktperiode bestimmt, über die Zeit, also über mehrere Taktperioden einen zumindest annähernd konstanten Wert aufweist. Dieser konstante Wert kann entsprechend einer Vorgabe eingestellt werden.

[0012] Dies erlaubt gegenüber bekannten Topologien für Multi-Port Konverter eine direkte einstufige Kopplung zweier mehrphasiger AC-Ports mit einem oder mehreren DC-Ports, über welche Blindleistungskompensation für beide AC-Ports unabhängig voneinander möglich ist. Wird zudem ein Speichersystem oder DC-Netz angebunden, so können ebenfalls die Wirkleistungsflüsse beider AC-Ports gesteuert werden. Weiterhin weist die Erfindung im Gegensatz zu bekannten Ansätzen einen deutlich reduzierten Aufwand an aktiven Schaltelementen und damit auch eine geringere Anzahl von Gate-Ansteuerungen auf. Im Vergleich zu einem dreistufigen Ansatz mit dreiphasigem Gleich- und Wechselrichter erlaubt die Erfindung einen modularen Aufbau und kann somit auf verschiedensten Spannungsebenen zum Einsatz kommen, beispielsweise indem die Anschlüsse mehrerer Konverterschaltungen seriell verschaltet werden, um das Gesamtsystem auf unterschiedlichen Spannungsniveaus zu betreiben.

[0013] Ein Schaltnetzwerk kann jeweils mindestens die positive oder negative Phasenspannung der angeschlossenen Phase an die Primärwicklung anlegen. Es ist dabei, je nach Ausgestaltung des Schaltnetzwerkes, möglich, dass auch die Spannung Null oder eine Zwischenspannung des Schaltnetzwerkes an die Primärwicklung angelegt werden kann.

[0014] Eine Transformatoranordnung kann aus mehreren einzelnen Teiltransformatoren je Phase bestehen, welche nicht einen gemeinsamen Kern aufweisen und somit nur geringfügig miteinander magnetisch gekoppelt sind. Alternativ kann eine Transformatoranordnung mehrere Primärwicklungen und eine Sekundärwicklung an einem gemeinsamen Kern aufweisen, wobei sich beispielsweise die magnetischen Flüsse der Primärwicklungen in der Sekundärwicklung summieren.

[0015] In einer Ausführungsform der Konverterschaltung ist das weitere Spannungssystem ein Gleichspannungs-System und ist die Sekundärwicklung oder die Serienschaltung von zwei oder mehr Sekundärwicklungen mit zwei Sekundärwicklungsanschlüssen an ein sekundärseitiges Schaltnetzwerk angeschlossen, und dieses wiederum mit Gleichspannungsanschlüssen an das Gleichspannungs-System angeschlossen. Dabei ist das sekundärseitige Schaltnetzwerk dazu eingerichtet, jeden der Sekundärwicklungsanschlüsse wahlweise mindestens mit einem der Gleichspannungsanschlüsse zu verbinden. Damit wird also ein DC-Port zum Austausch von elektrischer Energie mit einem DC-Netz gebildet.

[0016] In einer Ausführungsform der Konverterschaltung liegt ein zweites Mehrphasen-Wechselspannungssystem vor, und ist dieses über eine zweite Transformatoranordnung und einen zweiten Satz von Schaltnetzwerken, welche in gleicher Weise wie die erste Transformatoranordnung und der erste Satz von Schaltnetzwerken strukturiert und mit dem weiteren Spannungssystem verbunden. Damit wird also ein weiterer oder zweiter AC-Port zum Austausch von elektrischer Energie mit einem weiteren AC-Netz gebildet.

[0017] Die Formulierung «in gleicher Weise» bedeutet nicht zwingend, dass die Topologie gleich sein muss, sondern lediglich, dass die im Patentanspruch 1 vorliegende Beschreibung der Verschaltung der ersten Transformatoranordnung und des ersten Satzes von Schaltnetzwerken auch auf die Verschaltung der zweiten Transformatoranordnung und des zweiten Satzes von Schaltnetzwerken zutrifft.

[0018] In einer Ausführungsform der Konverterschaltung bilden die mindestens zwei Primärwicklungen einen ersten Satz von Primärwicklungen, und liegt ein zweites Mehrphasen-Wechselspannungssystem vor, dessen Phasen über einen zweiten Satz von Schaltnetzwerken an einen zweiten Satz von Primärwicklungen angeschlossen sind, wobei in der ersten Transformatoranordnung die Primärwicklungen des ersten und die Primärwicklungen des zweiten Satzes von Primärwicklungen magnetisch miteinander und mit einer Sekundärwicklung gekoppelt sind.

[0019] Insbesondere können in der ersten Transformatoranordnung jeweils eine Primärwicklung des ersten und eine Primärwicklung des zweiten Satzes von Primärwicklungen und eine von mehreren, in Serie geschalteten, Sekundärwicklungen in einem Teiltransformator miteinander gekoppelt sein. Alternativ können alle Primärwicklungen beider Sätze und eine Sekundärwicklung an einem gemeinsamen Kern magnetisch miteinander gekoppelt sein. Beispielsweise summieren sich dabei die magnetischen Flüsse aller Primärwicklungen in der Sekundärwicklung.

[0020] Eine Ausführungsform der Konverterschaltung weist eine Ansteuerschaltung auf, welche dazu ausgebildet ist, die Schaltnetzwerke eines der Sätze von Schaltnetzwerken mit einer Taktfrequenz anzusteuern, welche mindestens das 5-fache oder das 50-fache oder das 100-fache einer Grundfrequenz des an diesem Satz von Schaltnetzwerken anliegenden Wechselspannungssystems beträgt. Die Grundfrequenz wird als niederfrequent betrachtet, die Taktfrequenz als hochfrequent. Die Taktfrequenz fsentspricht einer Taktperiode Ts=1/fs, in welcher sich die Schaltzustände des Schaltnetzwerkes ohne Beachtung der Reihenfolge wiederholen. Der Grundfrequenz fg entspricht eine Grundperiode Tg=1/fg. Beispielsweise ist fg=50 Hz oder 162/3 Hz. Mögliche Taktperioden (oder Taktfrequenzen) liegen dabei beispielsweise zwischen 1 kHz und 200 kHz, insbesondere um 20 kHz.

[0021] Das Verfahren basiert darauf, dass durch die Versehaltung der Schaltnetzwerke des AC-Ports mit einer entsprechenden Transformatoranordnung eine über die Zeit zumindest annähernd konstante Summe der an die Primärwicklungen angelegten Spannungszeitflächen innerhalb einer halben Taktperiode zur Steuerung zur Verfügung steht.

[0022] In dem Verfahren zum Ansteuern der Konverterschaltung werden die Schaltnetzwerke eines Satzes von Schaltnetzwerken so angesteuert, dass die Spannungs-Zeitfläche der Summe der Spannungen an den zugeordneten Primärwicklungen innerhalb einer halben Taktperiode zumindest annähernd ein konstantes Verhältnis zu einem vorgegebenen Wert aufweist.

[0023] Damit wird es möglich, die Spannungs-Zeitfläche der Summe der an den Primärwicklungen angelegten Spannungen an Spannungs-Zeitflächen an anderen Wicklungen des Transformators anzupassen, wodurch der Wirkungsgrad der Konverterschaltung hoch gehalten wird.

[0024] Eine physikalisch anders formulierte, aber zum selben Ergebnis führende Beschreibung des Verfahrens besagt, dass die Amplitude der taktfrequenten Grundwelle der Summe der Spannungen an den Primärwicklungen zu einem AC-Port zumindest annähernd ein konstantes Verhältnis zu einem vorgegebenen Wert aufweist.

[0025] In einer Ausführungsvariante des Verfahrens ist der vorgegebene Wert, falls eine einzige Sekundärwicklung vorliegt, gleich einer Spannungs-Zeitfläche einer in derselben halben Taktperiode an die Sekundärwicklung geschalteten Spannung; oder falls mehrere elektrisch in Serie geschaltete Sekundärwicklungen vorliegen, gleich einer Spannungs-Zeitfläche einer in derselben halben Taktperiode an eine Serienschaltung der Sekundärwicklungen geschalteten Spannung; oder falls mehrere magnetisch parallel geschaltete Sekundärwicklungen vorliegen, gleich der Spannungs-Zeitfläche der Summe der in derselben halben Taktperiode an die Sekundärwicklungen geschalteten Spannungen;und ist dabei in allen Fällen skaliert entsprechend dem jeweiligen Übersetzungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärwicklungen.

[0026] Bei der Definition des Verfahrens über die taktfrequente Grundwelle ist der vorgegebene Wert beispielsweise gleich der Amplitude der taktfrequenten Grundwelle einer der im vorangehenden Absatz beschriebenen Spannungen oder Summenspannungen.

[0027] In einer Ausführungsvariante des Verfahrens wird das Verhältnis der Spannungs-Zeitfläche der Summe der den Primärwicklungen zugeordneten Spannungen zum vorgegebenen Wert nach Massgabe des Leistungsflusses von oder zum AC-Port bestimmt. Beispielsweise geschieht dies, indem der Spannungsabfall über der Streuinduktivität des Transformators – vektoriell als Spannungszeiger der taktfrequenten Grundwelle gesehen – in an sich bekannter Weise so eingestellt wird, dass sich ein Strom ergibt, welcher zu dem gewünschten Leistungsfluss führt.

[0028] In einer Ausführungsvariante des Verfahrens wird an jede der Primärwicklungen mit der Taktperiode eine Rechteckspannung mit oder ohne Nullintervall gelegt. Dabei wird eine relative Phasenlage der einzelnen Rechteckspannungen für eine bestimmte Primärwicklung nach Massgabe der Phasenlage der Phasenspannung, welche an diese Primärwicklung geschaltet wird und nach Massgabe eines der entsprechenden Phase zu entnehmenden respektive einzuspeisenden Stromes, bestimmt; und eine Länge des Nullintervalls der Rechteckspannung für die Primärwicklung nach Massgabe der Phasenlage der Phasenspannung, welche an diese Primärwicklung geschaltet wird und nach Massgabe eines der entsprechenden Phase zu entnehmenden respektive einzuspeisenden Stromes bestimmt. Optional können dabei zusätzliche Randbedingungen berücksichtigt werden, beispielsweise um ein bestimmtes Schaltverhalten (weiches Schalten respektive Soft-Switching) zu erreichen.

[0029] Falls keine Nullintervalle geschaltet werden, wird nur die Phasenlage der Rechteckspannungen als Steuergrösse verwendet. Falls Nullintervalle geschaltet werden, und dadurch weitere Steuergrössen bilden, müssen – falls die Ströme in den Phasen gleich bleiben sollen – die Phasenlagen der einzelnen Rechteckspannungen angepasst werden. Die Einstellung der Nullintervalle ist also an die Phasenlage gekoppelt. Durch Verstellung der Nullintervalle ist es aber zusätzlich möglich, weitere Randbedingungen wie beispielsweise Bedingungen an den taktfrequenten Stromverlauf zum verlustarmen Schalten (weiches Schalten respektive Soft-Switching) zu erfüllen. Dabei wird bei Änderung des Nullintervalles einer der Rechteckspannungen die entsprechende Phasenlage so angepasst, dass den Phasen weiterhin ein vorgegebener Strom entnommen respektive eingespeist wird und die mit dem Nullintervall verbundene Randbedingung erfüllt wird. Die Länge des Nullintervalls stellt einen zusätzlichen Freiheitsgrad dar und führt auf eine zusätzliche Gleichung zur Erfüllung der Randbedingung. Durch Lösen des Gleichungssystems, welches für jede Phase des AC-Ports über die vorgegebene zu entnehmende oder einzuspeisende Scheinleistung sowie für die zusätzlich zu erfüllenden Randbedingungen die entsprechenden Gleichungen bereitstellt, lassen sich die Phasenlagen sowie die Nullintervalle zu jedem Zeitpunkt der Grundperiode berechnen.

[0030] In einer Ausführungsvariante des Verfahrens wird eine gemeinsame Phasenlage der Rechteckspannungen bezüglich einer Rechteckspannung eines Schaltnetzwerkes für einen DC-Port zu einem DC-Netz respektive bezüglich einer Gruppe von Rechteckspannungen von Schaltnetzwerken für einen AC-Port zu einem AC-Netz nach Massgabe eines gewünschten Leistungsflusses zu oder von diesem DC-Port respektive AC-Port bestimmt. Entsprechend der gegenseitigen Phasenlage der Rechteckspannungen an den verschiedenen Ports stellt sich der Leistungsfluss zwischen den Ports ein. Liegen nur je ein AC-Port und ein DC-Port vor, so ist die Phasenlage der Rechteckspannungen für Schaltnetzwerke an den Primärwicklungen am AC-Port bezüglich der Rechteckspannung eines Schaltnetzwerkes für den DC-Port so zu wählen, so dass sich ein gewünschter Leistungsfluss zu oder von diesem DC-Port einstellt. Liegen zwei AC-Ports und ein DC-Port vor, so können die Rechteckspannungen für die beiden AC-Ports unabhängig voneinander mit Bezug auf den DC-Port und ausgehend von vorgegebenen Leistungsflüssen zum/vom DC-Port bestimmt werden. Der entsprechende Leistungsfluss zwischen den AC-Ports stellt sich dann automatisch ein.

[0031] Die Erzeugung der Phasenlagen der Rechteckspannungen kann geschehen, indem für jede von beispielsweise drei Rechteckspannungen aus einem Dreiphasensystem eine Steuerfunktion für die Phasenlage erzeugt wird. Dabei folgt der Wert der Steuerfunktion respektive der Phasenlage für eine bestimmte Primärwicklung einem zumindest annähernd sinusförmigen Verlauf, und weist die Phasenlage dieses Verlaufs eine feste Phasenverschiebung bezüglich des Verlaufes der Phasenspannung, welche an diese Primärwicklung geschaltet wird, auf. Die relative Phasenlage der beispielsweise drei Steuerfunktionen ergibt sich aus der geforderten Spannungs-Zeitfläche innerhalb einer halben Taktperiode der Summe der an den Primärwicklungen angelegten Spannungen.

[0032] Für alle Varianten des Verfahrens gilt, dass aufgrund der hochfrequenten Taktung (bezogen auf die Grundfrequenz(en) der angeschlossenen Netze) der Schaltnetzwerke die Phasenspannungen über eine Taktperiode als im Wesentlichen konstant betrachtet werden können. Im Verlauf einer Grundperiode variieren die Phasenspannungen in bekannter Weise, und es wird die vorgegebene Spannungs-Zeitfläche, oder die vorgegebene Amplitude der Grundwelle der Summenspannung, aus diesen einzelnen Phasenspannungen zusammengesetzt. Die Amplitude der Grundwelle dieser Zusammensetzung weist ein annähernd konstantes Verhältnis zum vorgegebenen Wert auf, um den Wirkungsgrad hoch zu halten.

[0033] Weitere Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor. Dabei sind Merkmale der Verfahrensansprüche sinngemäss mit den Vorrichtungsansprüchen kombinierbar und umgekehrt.

[0034] Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch: <tb>Fig. 1<sep>eine Konverterschaltung mit zwei AC-Ports und einem DC-Port; <tb>Fig. 2<sep>den zeitlichen Verlauf einer Rechteckspannung; <tb>Fig. 3 bis 5<sep>Schaltnetzwerke für AC-Ports; <tb>Fig. 6 bis 8<sep>Schaltnetzwerke für DC-Ports; <tb>Fig. 9<sep>Signalverläufe während zweier Taktperioden; <tb>Fig. 10<sep>eine Transformatoranordnung mit einzelnen Zweiwicklungs-Transformatoren; <tb>Fig. 11<sep>eine Transformatoranordnung mit einem Vierwicklungs-Transformator; <tb>Fig. 12<sep>eine Konverterschaltung mit zusammengefassten Sekundärwicklungen; <tb>Fig. 13<sep>Steuerfunktionen für die Phasenverschiebungen von Rechteckspannungen eines AC-Ports; <tb>Fig. 14<sep>eine Konverterschaltung mit einzelnen Dreiwicklungs-Transformatoren; <tb>Fig. 15<sep>eine Konverterschaltung mit einem Siebenwicklungs-Transformator; <tb>Fig. 16<sep>einen Siebenwicklungs-Transformator; <tb>Fig. 17<sep>eine Konverterschaltung mit einem AC-Port und einem DC-Port und einzelnen Zweiwicklungs-Transformatoren; und <tb>Fig. 18<sep>eine Konverterschaltung mit einem AC-Port und einem DC-Port und einem Vierwicklungs-Transformator.

[0035] Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

[0036] Für Multi-Port Konverter führen grosse Differenzen in den an den Wicklungen des Transformators über eine halbe Taktperiode angelegten Spannungszeitflächen (was den Spitzenwerten der magnetischen Flussverkettungen entspricht) zu hohen Strömen in den Wicklungen was mit hohen Leitverlusten und einer damit beschränkten Effizienz des Konverters verbunden ist. Dies tritt gerade im Fall von stark unterschiedlichen niederfrequenten AC-Spannungen an den Ports eines Multi-Port Konverters auf, da die zu einem bestimmten Zeitpunkt maximal zur Steuerung zur Verfügung stehende Spannung, welche an die Wicklungen angelegt werden kann, starken Schwankungen unterworfen ist.

[0037] Weist nun aber die Summe der an die Wicklungen von mehreren AC-Ports maximal möglich anzulegenden Spannungen über eine halbe Taktperiode einen über die Zeit mindestens annähernd konstanten Wert auf, kann ein mehrphasiger AC-Port direkt mit einem DC-Port über einen magnetischen Kreis gekoppelt werden, ohne dass übermässig hohe Ströme in den Wicklungen auftreten. Über die Zeit steht dann zumindest annähernd eine konstante Summe der an die Primärwicklungen angelegten Spannungszeitflächen innerhalb einer halben Taktperiode zur Steuerung zur Verfügung. Die Amplitude der Grundwelle der Summe der Windungsflüsse der AC-Ports weist ein mindestens annähernd konstantes Verhältnis zur Amplitude der Grundwelle des Windungsflusses des DC-Ports auf. Die Addition der Windungsflüsse der AC-Ports kann über einen wie in Fig. 10beispielhaft dargestellten magnetischen Kreis realisiert werden, indem die Sekundärwicklungen der Zweiwicklungs-Transformatoren pro AC-Port in Serie geschaltet werden. Dies führt auf eine erste Ausführungsform eines einstufigen direkten Multi-Port Konverters mit zwei mehrphasigen AC-Ports und einem DC-Port, wie in Fig. 1dargestellt.

1. Multi-Port Konverter mit zwei mehrphasigen AC-Ports und einem DC-Port mittels sechs Zweiwicklungs- oder zwei Vierwicklungs-Transformatoren

Beschreibung

[0038] In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform der Topologie eines bidirektionalen, galvanisch getrennten Multi-Port Konverters mit zwei mehrphasigen AC-Ports 201, 202 und einem DC-Port 203 dargestellt, welche ein erstes 1, ein zweites 2, ein drittes 3, ein viertes 4, ein fünftes 5, ein sechstes 6 und ein siebtes 7 Schaltnetzwerk, eine Primärwicklung 8 sowie eine Sekundärwicklung 9 eines ersten, eine Primärwicklung 10 sowie eine Sekundärwicklung 11 eines zweiten, eine Primärwicklung 12 sowie eine Sekundärwicklung 13 eines dritten, eine Sekundärwicklung 14 sowie eine Primärwicklung 15 eines vierten, eine Sekundärwicklung 16 sowie eine Primärwicklung 17 eines fünften und eine Sekundärwicklung 18 sowie eine Primärwicklung 19 eines sechsten Transformators aufweist.

[0039] Das erste Schaltnetzwerk 1 ist an einem ersten Anschluss 20 über eine erste Leitung 21 an einem ersten Anschlusspunkt 22 eines ersten AC-Netzes, an einem zweiten Anschluss 23 über eine zweite Leitung 24 an einem ersten Anschluss 25 der Primärwicklung 8 des ersten Transformators, an einem dritten Anschluss 26 über eine dritte Leitung 27 an einem zweiten Anschluss 28 der Primärwicklung 8 des ersten Transformators und an einem vierten Anschluss 29 über eine vierte Leitung 30 mit einem ersten Anschluss 31 des zweiten Schaltnetzwerks 2 und einem ersten Anschluss 32 des dritten Schaltnetzwerks 3 verbunden.

[0040] Das zweite Schaltnetzwerk 2 ist an einem zweiten Anschluss 33 über eine fünfte Leitung 34 mit einem zweiten Anschlusspunkt 35 des ersten AC-Netzes, an einem dritten Anschluss 36 über eine sechste Leitung 37 mit einem ersten Anschluss 38 der Primärwicklung 10 des zweiten Transformators und an einem vierten Anschluss 39 über eine siebte Leitung 40 mit einem zweiten Anschluss 41 der Primärwicklung 10 des zweiten Transformators verbunden.

[0041] Das dritte Schaltnetzwerk 3 ist an einem zweiten Anschluss 42 über eine achte Leitung 43 mit einem dritten Anschlusspunkt 44 des ersten AC-Netzes, an einem dritten Anschluss 45 über eine neunte Leitung 46 mit einem ersten Anschluss 47 der Primärwicklung 12 des dritten Transformators und an einem vierten Anschluss 48 über eine zehnte Leitung 49 mit einem zweiten Anschluss 50 der Primärwicklung 12 des dritten Transformators verbunden.

[0042] Die Sekundärwicklung 9 des ersten Transformators ist an einem ersten Anschluss 51 über eine elfte Leitung 52 mit einem ersten Anschluss 53 der Sekundärwicklung 14 des vierten Transformators und einem ersten Anschluss 54 des siebten Schaltnetzwerks 7 verbunden sowie an einem zweiten Anschluss 55 über eine zwölfte Leitung 56 mit einem ersten Anschluss 57 der Sekundärwicklung 11 des zweiten Transformators verbunden.

[0043] Die Sekundärwicklung 11 des zweiten Transformators ist an einem zweiten Anschluss 58 über eine dreizehnte Leitung 59 mit einem ersten Anschluss 60 der Sekundärwicklung 13 des dritten Transformators verbunden.

[0044] Die Sekundärwicklung 13 des dritten Transformators ist an einem zweiten Anschluss 61 über eine vierzehnte Leitung 62 mit einem zweiten Anschluss 63 des siebten Schaltnetzwerks 7 und einem ersten Anschluss 64 der Sekundärwicklung 18 des sechsten Transformators verbunden.

[0045] Die Sekundärwicklung 14 des vierten Transformators ist an einem zweiten Anschluss 65 über eine fünfzehnte Leitung 66 mit einem ersten Anschluss 67 der Sekundärwicklung 16 des fünften Transformators verbunden.

[0046] Die Sekundärwicklung 16 des fünften Transformators ist an einem zweiten Anschluss 68 über eine sechzehnte Leitung 69 mit einem zweiten Anschluss 70 der Sekundärwicklung 18 des sechsten Transformators verbunden.

[0047] Das vierte Schaltnetzwerk 4 ist an einem ersten Anschluss 71 über eine siebzehnte Leitung 72 mit einem ersten Anschluss 73 der Primärwicklung 15 des vierten Transformators, an einem zweiten Anschluss 74 über eine achtzehnte Leitung 75 mit einem zweiten Anschluss 76 der Primärwicklung 15 des vierten Transformators, an einem dritten Anschluss 77 über eine neunzehnte Leitung 78 mit einem ersten Anschlusspunkt 79 eines zweiten AC-Netzes und an einem vierten Anschluss 80 über eine zwanzigste Leitung 81 mit einem ersten Anschluss 82 des fünften Schaltnetzwerks 5 und einem ersten Anschluss 83 des sechsten Schaltnetzwerks 6 verbunden. Das fünfte Schaltnetzwerk 5 ist an einem zweiten Anschluss 84 über eine einundzwanzigste Leitung 85 mit einem ersten Anschluss 86 der Primärwicklung 17 des fünften Transformators, an einem dritten Anschluss 87 über eine zweiundzwanzigste Leitung 88 mit einem zweiten Anschluss 89 der Primärwicklung 17 des fünften Transformators und an einem vierten Anschluss 90 über eine dreiundzwanzigste Leitung 91 mit einem zweiten Anschlusspunkt 92 des zweiten AC-Netzes verbunden. Das sechste Schaltnetzwerk 6 ist an einem zweiten Anschluss 93 über eine vierundzwanzigste Leitung 94 mit einem ersten Anschluss 95 der Primärwicklung 19 des sechsten Transformators, an einem dritten Anschluss 96 über eine fünfundzwanzigste Leitung 97 mit einem zweiten Anschluss 98 der Primärwicklung 19 des sechsten Transformators und an einem vierten Anschluss 99 über eine sechsundzwanzigste Leitung 100 mit einem dritten Anschlusspunkt 101 des zweiten AC-Netzes verbunden.

[0048] Das siebte Schaltnetzwerk 7 ist an einem dritten Anschluss 102 über eine siebenundzwanzigste Leitung 103 mit einem ersten Anschlusspunkt 104 eines DC-Ports 203 zu einem DC-Netz und an einem vierten Anschluss 105 über eine achtundzwanzigste Leitung 106 mit einem zweiten Anschlusspunkt 107 des DC-Ports 203 verbunden.

[0049] Es sind in den Figuren die Anschlüsse 23, 26, 36, 39, 45, 48, 71, 74, 84, 87, 93, 96, 54, 63 der Schaltnetzwerke, welche an die Transformatorwicklungen geschaltet sind, als hochfrequente oder HF-Anschlüsse bezeichnet, und es sind die Anschlüsse 20, 29, 31, 33, 32, 42, 77, 80, 82, 90, 83, 99, 102, 105 der Schaltnetzwerke, welche an das jeweilige AC-Netz oder DC-Netz geschaltet sind, als niederfrequente oder NF-Anschlüsse bezeichnet. Die NF-Anschlüsse bilden also die AC-Ports 201, 202 oder DC-Ports 203. Bei den AC-Ports 201, 202 sind die NF-Anschlüsse beispielhaft in einer Sternschaltung miteinander verbunden. Der Sternpunkt kann beispielsweise offen gelassen werden oder direkt oder über eine Impedanz mit dem Neutralleiter des AC-Netzes verbunden werden.

[0050] Die Schaltnetzwerke weisen hochfrequent getaktete Schaltelemente mit einer Taktperiode TS auf und erzeugen vorteilhaft Rechteckspannungen mit oder ohne Nullintervall mit einer Länge T0 (wie in Fig. 2gezeigt), welche an die Wicklungen der Transformatoren angelegt werden. Im Folgenden wird unter dem Begriff «Rechteckspannung» ein Spannungssignal gemäss Fig. 2 mit einem positiven und einem negativen Spannungsblock, und mit oder ohne einem dazwischen liegendem Nullintervall verstanden. Die erzeugten Spannungssignale unterschiedlicher Schaltnetzwerke weisen dabei eine im Prinzip beliebige, vorgebbare Phasenlage zueinander auf. Im Folgenden sind verschiedene Ausführungsformen der Schaltnetzwerke beschrieben.

[0051] Eine erste mögliche Ausführung des ersten 1, zweiten 2, dritten 3, vierten 4, fünften 5 und sechsten 6 Schaltnetzwerks zeigt Fig. 3. Das Schaltnetzwerk weist einen ersten 108 und einen zweiten 109 Kondensator auf sowie ein erstes 110, ein zweites 111, ein drittes 112 und ein viertes 113 unidirektional oder bidirektional leitendes Schaltelement. Weiterhin hat das erste Schaltelement eine erste 114, das zweite Schaltelement eine zweite 115, das dritte Schaltelement eine dritte 116 und das vierte Schaltelement eine vierte 117 Diode parallel angeordnet. Zudem weist das erste Schaltelement eine erste 118, das zweite Schaltelement eine zweite 119, das dritte Schaltelement eine dritte 120 und das vierte Schaltelement eine vierte 121 parasitäre Kapazität auf, welche jeweils die beiden geschalteten Kontakte überbrückt. Bei der Verwendung von bidirektional leitenden und sperrenden Schaltelementen sind die Dioden nicht vorhanden. Eine parasitäre Kapazität zwischen den Anschlusspunkten ist vorhanden. Die parasitäre Kapazität ermöglicht ein Ausschalten bei reduzierter Spannung über dem Schaltelement (weiches Schalten respektive Soft-Switching). Hier wie auch in der nachfolgenden Beschreibung bilden ein Schaltelement, die parasitäre Kapazität und optional eine Diode, gegebenenfalls in Kombination mit weiteren Elementen, eine Schalteinheit 204.

[0052] Der erste Kondensator 108 ist an einem ersten Anschluss 122 über eine erste Leitung 123 mit einem ersten niederfrequenten Anschlusspunkt 124 und einem ersten Anschluss 125 des ersten Schaltelements 110 verbunden. Der erste Kondensator 108 ist an einem zweiten Anschluss 126 über eine zweite Leitung 127 mit einem ersten hochfrequenten Anschlusspunkt 128 und einem ersten Anschluss 129 des zweiten Kondensators 109 verbunden. Der zweite Kondensator 109 ist an einem zweiten Anschluss 130 über eine dritte Leitung 131 mit einem zweiten niederfrequenten Anschlusspunkt 132 und einem ersten Anschluss 133 des vierten Schaltelements 113 verbunden. Das erste Schaltelement 110 ist an einem zweiten Anschluss 134 über eine vierte Leitung 135 mit einem ersten Anschluss 136 des zweiten Schaltelements 111 verbunden. Das zweite Schaltelement 111 ist an einem zweiten Anschluss 137 über eine fünfte Leitung 138 mit einem zweiten hochfrequenten Anschlusspunkt 139 und einem ersten Anschluss 140 des dritten Schaltelements 112 verbunden. Das dritte Schaltelement 112 ist an einem zweiten Anschluss 141 über eine sechste Leitung 142 mit einem zweiten Anschluss 143 des vierten Schaltelements 113 verbunden.

[0053] Die Kathode der ersten Diode 114 ist mit dem ersten Anschluss 125 des ersten Schaltelements 110 verbunden. Die Kathode der zweiten Diode 115 ist mit dem zweiten Anschluss 137 des zweiten Schaltelements 111 verbunden. Die Kathode der dritten Diode 116 ist mit dem ersten Anschluss 140 des dritten Schaltelements 112 verbunden. Die Kathode der vierten Diode 117 ist mit dem ersten Anschluss 133 des vierten Schaltelements 113 verbunden. Zwei in Serie geschaltete Schaltelemente liegen antiseriell zueinander, sodass die Serienschaltung für positive und negative Spannungen zwischen dem ersten 124 und dem zweiten 132 niederfrequenten Anschlusspunkt Sperrspannung aufnehmen und somit Strom sperren kann. Die antiserielle Verschaltung zweier unidirektional sperrender Schaltelemente kann alternativ mittels eines bidirektionalen Schaltelements realisiert werden. Ein Schaltelement ist ein steuerbares Halbleiterventil wie zum Beispiel ein MOSFET oder ein IGBT.

[0054] Der erste Anschluss 20 des ersten Schaltnetzwerks 1 entspricht dem ersten niederfrequenten Anschlusspunkt 124. Der vierte Anschluss 29 des ersten Schaltnetzwerks 1 entspricht dem zweiten niederfrequenten Anschlusspunkt 132. Der zweite Anschluss 23 des ersten Schaltnetzwerks 1 entspricht dem zweiten hochfrequenten Anschlusspunkt 139. Der dritte Anschluss 26 des ersten Schaltnetzwerks 1 entspricht dem ersten hochfrequenten Anschlusspunkt 128.

[0055] Der zweite Anschluss 33 des zweiten Schaltnetzwerks 2 entspricht dem ersten niederfrequenten Anschlusspunkt 124. Der erste Anschluss 31 des zweiten Schaltnetzwerks 2 entspricht dem zweiten niederfrequenten Anschlusspunkt 132. Der dritte Anschluss 36 des zweiten Schaltnetzwerks 2 entspricht dem zweiten hochfrequenten Anschlusspunkt 139. Der vierte Anschluss 39 des zweiten Schaltnetzwerks 2 entspricht dem ersten hochfrequenten Anschlusspunkt 128.

[0056] Der zweite Anschluss 42 des dritten Schaltnetzwerks 3 entspricht dem ersten niederfrequenten Anschlusspunkt 124. Der erste Anschluss 32 des dritten Schaltnetzwerks 3 entspricht dem zweiten niederfrequenten Anschlusspunkt 132. Der dritte Anschluss 45 des dritten Schaltnetzwerks 3 entspricht dem zweiten hochfrequenten Anschlusspunkt 139. Der vierte Anschluss 48 des dritten Schaltnetzwerks 3 entspricht dem ersten hochfrequenten Anschlusspunkt 128.

[0057] Der dritte Anschluss 77 des vierten Schaltnetzwerks 4 entspricht dem ersten niederfrequenten Anschlusspunkt 124. Der vierte Anschluss 80 des vierten Schaltnetzwerks 4 entspricht dem zweiten niederfrequenten Anschlusspunkt 132. Der erste Anschluss 71 des vierten Schaltnetzwerks 4 entspricht dem zweiten hochfrequenten Anschlusspunkt 139. Der zweite Anschluss 74 des vierten Schaltnetzwerks 4 entspricht dem ersten hochfrequenten Anschlusspunkt 128.

[0058] Der vierte Anschluss 90 des fünften Schaltnetzwerks 5 entspricht dem ersten niederfrequenten Anschlusspunkt 124. Der erste Anschluss 82 des fünften Schaltnetzwerks 5 entspricht dem zweiten niederfrequenten Anschlusspunkt 132. Der zweite Anschluss 84 des fünften Schaltnetzwerks 5 entspricht dem zweiten hochfrequenten Anschlusspunkt 139. Der dritte Anschluss 87 des fünften Schaltnetzwerks 5 entspricht dem ersten hochfrequenten Anschlusspunkt 128.

[0059] Der vierte Anschluss 99 des sechsten Schaltnetzwerks 6 entspricht dem ersten niederfrequenten Anschlusspunkt 124. Der erste Anschluss 83 des sechsten Schaltnetzwerks 6 entspricht dem zweiten niederfrequenten Anschlusspunkt 132. Der zweite Anschluss 93 des sechsten Schaltnetzwerks 6 entspricht dem zweiten hochfrequenten Anschlusspunkt 139. Der dritte Anschluss 96 des sechsten Schaltnetzwerks 6 entspricht dem ersten hochfrequenten Anschlusspunkt 128.

[0060] Der dritte Anschluss 102 des siebten Schaltnetzwerks 7 entspricht dem ersten niederfrequenten Anschlusspunkt 124. Der vierte Anschluss 105 des siebten Schaltnetzwerks 7 entspricht dem zweiten niederfrequenten Anschlusspunkt 132. Der erste Anschluss 54 des siebten Schaltnetzwerks 7 entspricht dem zweiten hochfrequenten Anschlusspunkt 139. Der zweite Anschluss 63 des siebten Schaltnetzwerks 7 entspricht dem ersten hochfrequenten Anschlusspunkt 128.

[0061] Eine zweite mögliche Ausführung des ersten 1, zweiten 2, dritten 3, vierten 4, fünften 5 und sechsten Schaltnetzwerks 6 zeigt Fig. 4. Diese Ausführungsform ist in der Literatur unter H-Brücken- respektive Vollbrücken-Schaltung bekannt.

[0062] Eine dritte mögliche Ausführung des ersten 1, zweiten 2, dritten 3, vierten 4, fünften 5 und sechsten Schaltnetzwerks 6 zeigt Fig. 5. Diese Ausführungsform ist in der Literatur unter T-Type-Schaltung bekannt.

[0063] Eine erste mögliche Ausführung des siebten Schaltnetzwerks 7 zeigt Fig. 6. Diese Ausführungsform ist in der Literatur unter Halbbrücken-Schaltung bekannt.

[0064] Eine zweite mögliche Ausführung des siebten Schaltnetzwerks 7 zeigt Fig. 7. Diese Ausführungsform ist in der Literatur unter H-Brücken- respektive Vollbrücken-Schaltung bekannt.

[0065] Eine dritte mögliche Ausführung des siebten Schaltnetzwerks 7 zeigt Fig. 8. Diese Ausführungsform ist in der Literatur unter T-Type-Schaltung bekannt.

Funktionsweise

[0066] Über die Serienschaltung der Sekundärwicklungen 9, 11, 13 des ersten, zweiten und dritten Transformators werden die an den Primärwicklungen 8, 10, 12 eingeprägten Rechteckspannungen, deren Amplituden mit der Netzfrequenz des ersten AC-Netzes variieren, nach ihrer Transformation summiert.

[0067] Eine von dem ersten Schaltnetzwerk erzeugte Spannung u1liegt zwischen dem zweiten Anschluss 23 und dem dritten Anschluss 26. Eine von dem zweiten Schaltnetzwerk erzeugte Spannung u2 liegt zwischen dem dritten Anschluss 36 und dem vierten Anschluss 39. Eine von dem dritten Schaltnetzwerk erzeugte Spannung u3 liegt zwischen dem dritten Anschluss 45 und dem vierten Anschluss 48.

[0068] Die von dem ersten, zweiten und dritten Schaltnetzwerk erzeugten Rechteckspannungen (u1, u2, u3) werden in ihrer Phasenlage vorteilhaft so zueinander verschoben, dass die Amplitude der taktfrequenten Grundwelle der Summation uΣ123 bezogen auf die DC-Seite zumindest annähernd ein über die Zeit konstantes Verhältnis zur Amplitude der taktfrequenten Grundwelle einer vom siebten Schaltnetzwerk erzeugten Rechteckspannung u7aufweist, wie in Fig. 9dargestellt. Die Spannung u7 des siebten Schaltnetzwerks tritt dabei zwischen dem ersten Anschluss 54 und dem zweiten Anschluss 63 auf. Über die Phasenverschiebung zwischen dem summierten Spannungssignal uΣ123und dem erzeugten Spannungssignal u7des siebten Schaltnetzwerks sowie deren Verhältnis der Amplituden der taktfrequenten Grundwelle wird der Leistungsfluss zum respektive vom DC-Port 203 über eine Taktperiode Tseingestellt. Dies erfolgt in Analogie zur bekannten Steuerung von Dual-Active-(Full-)Bridge oder Dual-Half-Bridge DC-DC Konvertern [11]. Die Streuung der Transformatoren wird hier ebenfalls als Energietransfer- und Entkopplungselement zwischen den angelegten Rechteckspannungen genutzt. Der sich einstellende Strom in den Sekundärwicklungen 9, 11, 13 des ersten, zweiten und dritten Transformators itist in Fig. 9 gezeigt.

[0069] Die Summation der elektrischen Rechteckspannungen des ersten, zweiten und dritten Schaltnetzwerks (u1, u2, u3) entspricht magnetisch einer Addition der Windungsflüsse Φ1P, Φ2P, Φ3P durch die Serienschaltung der Sekundärwicklungen wie in Fig. 10dargestellt. Über das siebte Schaltnetzwerk 7 am DC-Port 203 wird durch das Einprägen einer Rechteckspannung die Summe der Windungsflüsse Φ1s, Φ2s, Φ3s vorgegeben. In Analogie zur elektrischen Beschreibung kann das Verfahren auch so beschrieben werden: es werden die Windungsflüsse der Primärwicklungen des ersten, zweiten und dritten Transformators (Φ1p, Φ2p, Φ3p) vorteilhaft so eingestellt, dass die Amplitude der taktfrequenten Grundwelle der summierten Windungsflüsse zumindest annähernd ein über die Zeit konstantes Verhältnis zur Amplitude der taktfrequenten Grundwelle des vom siebten Schaltnetzwerk eingeprägten Summenflusses Φ1s+Φ2s+Φ3saufweist. Durch diese Anpassung der Windungsflüsse werden die Streuflüsse der Transformatoren Φ1σ, Φ2σ, Φ3σ limitiert, um hohe Ströme in den Wicklungen der Transformatoren zu vermeiden. Die eben beschriebene Flussanpassung entspricht einer Anpassung der Spannungszeitfläche der Summenspannung uΣ123= U1+U2+U3an die Spannungszeitfläche der vom siebten Schaltnetzwerk 7 erzeugten Spannung u7 über eine halbe Taktperiode. Die beiden Spannungszeitflächen in einer halben Taktperiode sind in der Fig. 9schraffiert. Für die Anpassung der Spannungszeitflächen muss die Summe der Absolutwerte der Phasenspannungen des mehrphasigen AC-Ports 201, 202 über eine Netzperiode möglichst konstant sein. Im Fall eines dreiphasigen symmetrischen AC-Netzes weist diese Summe einen sechspulsigen Verlauf auf.

[0070] Für die bekannten DC-DC Konverterstrukturen wie Dual-Active-(Full-)Bridge oder Dual-Half-Bridge stellt das Ungleichgewicht der Amplituden der Grundwelle der primär- und sekundärseitig am Transformator angelegten Rechteckspannungen resp. der über eine halbe Taktperiode gerechneten primär- und sekundärseitigen Spannungszeitflächen, was magnetisch einem Ungleichgewicht der eingeprägten Windungsflüsse entspricht, eine wesentliche Limitierung des Spannungsübersetzungsverhältnisses hinsichtlich der Vermeidung hoher Wicklungsströme dar. Aus diesem Grund kann beispielsweise für einen einphasigen, galvanisch getrennten AC-DC Konverter die sekundärseitig am Transformator eingeprägte Rechteckspannung zusätzlich zur Phasenverschiebung gegenüber dem primärseitigen Spannungssignal in der Amplitude der Grundwelle moduliert werden.

[0071] Die Addition der Windungsflüsse der drei Transformatoren aus Fig. 10 kann durch verschiedene magnetische Anordnungen erreicht werden. Eine entsprechende weitere Ausführungsform mit einem Vierschenkelkern und vier Wicklungen zeigt Fig. 11.

[0072] Das elektrische Ersatzschaltbild des Multi-Port Konverters mit der Transformatorgeometrie aus Fig. 11lässt sich gemäss Fig. 12 mit vier Wicklungen pro Transformator darstellen, indem in einem ersten Transformator die drei Sekundärwicklungen zu einer Sekundärwicklung zusammengefasst werden, und allgemein gesprochen jeweils in Serie geschaltete und dem DC-Port zugeordnete Wicklungen zu einer einzigen Wicklung zusammengefasst werden.

[0073] Das erste Schaltnetzwerk 1 ist an einer ersten Wicklung 8 des ersten Transformators, das zweite Schaltnetzwerk 2 an einer zweiten Wicklung 10 des ersten Transformators und das dritte Schaltnetzwerk 3 an einer dritten Wicklung 12 des ersten Transformators angeschlossen. Das vierte Schaltnetzwerk 4 ist an einer ersten Wicklung 15 des zweiten Transformators, das fünfte Schaltnetzwerk 5 an einer zweiten Wicklung 17 des zweiten Transformators und das sechste Schaltnetzwerk 6 an einer dritten Wicklung 19 des zweiten Transformators angeschlossen. Das siebte Schaltnetzwerk 7 ist an einer vierten Wicklung 144 des ersten Transformators sowie an einer vierten Wicklung 145 des zweiten Transformators angeschlossen.

[0074] Die Funktionsweise des vierten, fünften und sechsten Schaltnetzwerks ist analog zu derjenigen des ersten, zweiten und dritten. Die taktfrequenten Spannungs- und Stromverläufe entsprechen Fig. 9. Über die elfte Leitung 52 und die vierzehnte Leitung 62 werden die Ströme der Sekundärwicklungen respektive der in Serie geschalteten Sekundärwicklungen addiert.

[0075] Die Phasenverschiebungen zwischen den von den Schaltnetzwerken erzeugten Rechteckspannungen können in an sich bekannter Weise so eingestellt werden, dass dem ersten und dem zweiten AC-Netz eine definierte, vorgegebene Scheinleistung entnommen respektive zugeführt wird. Die zeitabhängigen Phasenverschiebungen der Rechteckspannungen stellen dabei Steuergrössen dar, welche erlauben, einen sinusförmigen Phasenstrom entsprechender Phasenlage zur Netzspannung jeder Phase beider AC-Netze einzustellen. Durch die vorgebbare Scheinleistung beider AC-Netze ist die Leistungsaufnahme respektive -abgabe des DC-Ports 203 implizit bestimmt.

[0076] Einen möglichen zeitlichen Verlauf von Steuerfunktionen für die Phasenverschiebungen α1, α2, α3der Rechteckspannungen des ersten, zweiten und dritten Schaltnetzwerks bezüglich der Rechteckspannung des siebten Schaltnetzwerks für den DC-Port 203 über eine Periode oder Grundperiode Tg des ersten AC-Netzes ist in Fig. 13 gezeigt (beispielhaft für den Fall von Rechteckspannungen ohne Nullintervall). Die Phasenlage α1, α2, α3von Steuerfunktionen relativ zu den Phasenspannungen ua, ub, uc des ersten AC-Netzes definiert eine Phasenverschiebung δ der Phasenströme ia, ib, ic gegenüber den Phasenspannungen ua, ub, uc, und damit das Argument der komplexen Scheinleistung. Über den Mittelwert der Steuerfunktionen, gerechnet über die Periode Tgdes ersten AC-Netzes sowie über die Amplitude der Steuerfunktionen, werden die Amplitude sowie der Mittelwert über die Periode Tg der Phasenströme eingestellt, wodurch unter Einbezug des Arguments der komplexen Scheinleistung der Betrag der komplexen Scheinleistung und damit die Scheinleistung definiert ist. Diese mögliche Form der Steuerfunktionen ist in analoger Weise ebenfalls für das vierte, fünfte und sechste Schaltnetzwerk des zweiten AC-Ports 202 respektive AC-Netzes anwendbar. Die Grundfrequenz des zweiten AC-Netzes kann von der Grundfrequenz des ersten AC-Netzes abweichen. Beispielsweise kann das erste AC-Netz eine Grundfrequenz von 50 Hz und das zweite AC-Netz eine Grundfrequenz von 60 Hz aufweisen.

[0077] Die Nullintervalle der Rechteckspannungen stellen weitere Freiheitsgrade und damit Steuergrössen dar, welche neben der vorgegebenen Scheinleistung zum oder vom ersten respektive zweiten AC-Netz zur Erfüllung von zusätzlichen Randbedingungen hinzugezogen werden können. Beispielsweise können Bedingungen an den taktfrequenten Stromverlauf zum verlustarmen Schalten (weiches Schalten respektive Soft-Switching) erfüllt werden. Durch den Einbezug der Nullintervalle mit den entsprechenden zusätzlich zu erfüllenden Randbedingungen werden die Steuerfunktionen für die Phasenverschiebungen der Rechteckspannungen beeinflusst. Die Einstellung der Nullintervalle ist also an die Phasenlage gekoppelt.

[0078] Im Allgemeinen lassen sich die Phasenverschiebungen sowie die Nullintervalle zu jedem Zeitpunkt der Grundperiode durch Lösen eines Gleichungssystems, welches für jede Phase des ersten respektive zweiten AC-Netzes über die vorgegebene zu entnehmende oder einzuspeisende Scheinleistung sowie für die zusätzlich zu erfüllenden Randbedingungen die entsprechenden Gleichungen bereitstellt, berechnen.

[0079] Die zur Steuerung verfügbaren Freiheitsgrade bei der Anwendung von Schaltnetzwerken zur Erzeugung von Rechteckspannungen ohne Nullintervall sind die Phasenwinkel der Rechteckspannungen bezogen auf eine frei wählbare Referenz. Im Fall des in Fig. 1 dargestellten Multi-Port Konverters sind dies sieben Phasenwinkel. Die zur Steuerung verfügbaren Freiheitsgrade bei der Anwendung von Schaltnetzwerken zur Erzeugung von Rechteckspannungen mit Nullintervall sind die Phasenwinkel der Rechteckspannungen bezogen auf eine frei wählbare Referenz sowie die Längen der Nullintervalle. Im Fall des in Fig. 1dargestellten Multi-Port Konverters sind dies sieben Phasenwinkel sowie sieben Längen von Nullintervallen.

[0080] Die Erfindung beschränkt sich nicht auf dreiphasige AC-Netze, sondern lässt sich im Allgemeinen für ein erstes m-phasiges und ein zweites n-phasiges AC-Netz, deren Summe der Absolutwerte der Phasenspannungen über eine Netzperiode möglichst konstant ist, beschreiben, wobei m und n grösser als eins sind. Beide Netze sind über einen magnetischen Kreis mit einem DC-Port verbunden, um die Scheinleistungen der AC-Netze unabhängig voneinander einstellen zu können. Allgemein gesehen stehen dabei für jedes Schaltnetzwerk, respektive für jede AC-Phase und für jeden DC-Port, ein Phasenwinkel und eine Länge des Nullintervalls als Steuergrössen zur Verfügung.

2. Multi-Port Konverter mit zwei mehrphasigen AC-Ports und einem DC-Port mittels drei Dreiwicklungs-Transformatoren

[0081] Alternativ zum Multi-Port Konverter in Fig. 1 können die sechs einphasigen Transformatoren auf drei Dreiwicklungs-Transformatoren reduziert werden, wie Fig. 14 zeigt.

[0082] Das erste Schaltnetzwerk 1 ist an der Primärwicklung 8 des ersten Transformators, das zweite Schaltnetzwerk 2 an der Primärwicklung 10 des zweiten Transformators und das dritte Schaltnetzwerk 3 an der Primärwicklung 12 des dritten Transformators angeschlossen. Das vierte Schaltnetzwerk 4 ist an der Sekundärwicklung 15 des ersten Transformators, das fünfte Schaltnetzwerk 5 an der Sekundärwicklung 17 des zweiten Transformators und das sechste Schaltnetzwerk 6 an der Sekundärwicklung 19 des dritten Transformators angeschlossen. Das siebte Schaltnetzwerk 7 ist an einer Serienschaltung von Wicklungen 9, 11, 13 auf dem dritten Schenkel, insbesondere dem Mittelschenkel des ersten, zweiten und dritten Transformators angeschlossen.

[0083] Die einzelnen Phasen beider AC-Netze sind dadurch magnetisch gekoppelt, sodass die taktfrequenten Ströme unter Vernachlässigung des Magnetisierungsstroms in allen Wicklungen identisch sind. Im Vergleich zum Multi-Port Konverter in Fig. 1 werden die magnetischen Windungsflüsse von den Schaltnetzwerken beider AC-Netze durch die Serienschaltung der Wicklungen am DC-Port summiert. Dies entspricht elektrisch der Addition der von den sechs Schaltnetzwerken erzeugten Rechteckspannungen. Diese werden in ihrer gegenseitigen Phasenlage so eingestellt, dass die Leistung über eine Taktperiode Ts der erforderlichen Momentanleistung der Phase entspricht.

3. Multi-Port Konverter mit zwei mehrphasigen AC-Ports und einem DC-Port mittels eines Siebenwicklungs-Transformators

[0084] Der in Fig. 14 dargestellte Multi-Port Konverter mit drei Dreiwicklungs-Transformatoren kann mit einem Siebenwicklungs-Transformator realisiert werden wie Fig. 15zeigt. Dabei werden die drei am DC-Port angeschlossenen Wicklungen zu einer gemeinsamen Wicklung zusammengefasst.

[0085] Das erste Schaltnetzwerk 1 ist an einer ersten Wicklung 8 des Transformators, das zweite Schaltnetzwerk 2 an einer zweiten Wicklung 10 des Transformators und das dritte Schaltnetzwerk 3 an einer dritten Wicklung 12 des Transformators angeschlossen. Das vierte Schaltnetzwerk 4 ist an einer vierten Wicklung 15 des Transformators, das fünfte Schaltnetzwerk 5 an einer fünften Wicklung 17 des Transformators und das sechste Schaltnetzwerk 6 an einer sechsten Wicklung 19 des dritten Transformators angeschlossen. Das siebte Schaltnetzwerk 7 ist an einer siebten Wicklung 144 des Transformators angeschlossen.

[0086] Die Funktionsweise entspricht derjenigen des Multi-Port Konverters in Fig. 14.

[0087] In Fig. 16 ist eine mögliche Ausführungsform des Siebenwicklungs-Transformators gezeigt.

4. Multi-Port Konverter mit einem mehrphasigen AC-Port und einem DC-Port mittels drei Zweiwicklungs-Transformatoren oder eines Vierwicklungs-Transformators

[0088] Basierend auf dem Multi-Port Konverter in Fig. 1 kann ein n-phasiger (mit n grösser eins) AC-DC Konverter realisiert werden, welcher beispielhaft in Fig. 17 und Fig. 18 für drei Phasen dargestellt ist. Mögliche Transformatorgeometrien zeigen Fig. 10 und Fig. 11.

[0089] In Fig. 17 ist das erste Schaltnetzwerk 1 an der Primärwicklung 8 des ersten Transformators, das zweite Schaltnetzwerk 2 an der Primärwicklung 10 des zweiten Transformators und das dritte Schaltnetzwerk 3 an der Primärwicklung 12 des dritten Transformators angeschlossen. Das siebte Schaltnetzwerk 7 ist an der Serienschaltung der Sekundärwicklungen 9, 11, 13 des ersten, zweiten und dritten Transformators angeschlossen.

[0090] In Fig. 18 ist das erste Schaltnetzwerk 1 an einer ersten Wicklung 8 des Transformators, das zweite Schaltnetzwerk 2 an einer zweiten Wicklung 10 des Transformators und das dritte Schaltnetzwerk 3 an einer dritten Wicklung 12 des Transformators angeschlossen. Das siebte Schaltnetzwerk 7 ist an einer vierten Wicklung 144 des Transformators angeschlossen.

[0091] Die Funktionsweise des AC-DC Konverters entspricht jener des Multi-Port Konverters in Fig. 1unter Betrachtung nur eines AC-Netzes.

5. Modularer Aufbau

[0092] Die genannten Ausführungen der Multi-Port Konverter lassen sich als Modul in einem modularen Aufbau für höhere Spannungsebenen einsetzen. Für die mehrphasigen AC-Ports und den DC-Port ist jeweils eine Serie- sowie Parallelschaltung der Ports der Module möglich.

Literatur

[0093] [1] Tao, FL; Kotsopoulos, A.; Duarte, J. L. & Hendrix, M. A. M., Transformer-Coupled Multiport ZVS Bidirectional DC-DC Converter With Wide Input Range, IEEE Transactions on Power Electronics, 2008 [2] Zhao, C; Round, S. D. & Kolar, J. W., An Isolated Three-Port Bidirectional DC-DC Converter With Decoupled Power Flow Management, IEEE Transactions on Power Electronics, 2008 [3] Aggeler D.; Biela J. & Kolar J. W., Solid-State Transformer based on SiC JFETs for Future Energy Distribution Systems [4] Falcones, S.; Mao, X. & Ayyanar, R., Topology comparison for Solid State Transformer implementation, Proc. IEEE Power and Energy Society General Meeting, 2010 [5] Qin, H. & Kimball, J. W., A comparative efficiency study of silicon-based solid State transformers, Proc. IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2010 [6] Iman-Eini, FL; Farhangi, S.; Schanen, J.-L. & Aime, J., Design of Power Electronic Transformer based on Cascaded H-bridge Multilevel Converter, Proc. IEEE Int. Symp. Industrial Electronics ISIE, 2007 [7] Lesnicar, A. & Marquardt, R., An Innovative Modular Multilevel Converter Topology Suitable for a Wide Power Range, Proc. IEEE Power Tech Conference, 2003 [8] Fan, H. & Li, FL, High Frequency High Efficiency Bidirectional DC-DC Converter Module Design for 10 kVA Solid State Transformer, Proc. 25th Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2010 [9] Qin, H. & Kimball, J. W., Ac-ac dual active bridge Converter for solid State transformer, Proc. IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2009 [10] Kang, M.; Enjeti, P. N. & Pitel, I. J., Analysis and design of electronic transformers for electric power distribution system, IEEE Transactions on Power Electronics, 1999 [11] Kheraluwala, M. N.; Gascoigne, R. W.; Divan, D. M. & Baumann, E. D., Performance characterization of a high-power dual active bridge DC-to-DC Converter, IEEE Transactions on Industry Applications, 1992

Claims (11)

1. Konverterschaltung zur Übertragung elektrischer Energie von einem Mehrphasen-Wechselspannungssystem von oder zu mindestens einem weiteren Spannungssystem, wobei die Konverterschaltung eine erste Transformatoranordnung mit mindestens zwei Primärwicklungen (8, 10, 12) und mindestens einer Sekundärwicklung (9, 11, 13; 144) aufweist, wobei die mindestens eine Sekundärwicklung (9, 11, 13; 144) mit einer oder mehreren der Primärwicklungen (8, 10,12) magnetisch gekoppelt ist, wobei ein erster Satz von Schaltnetzwerken (1, 2, 3) vorliegt, von welchen jeweils ein Schaltnetzwerk (1, 2, 3) einer der Primärwicklungen (8, 10, 12) zugeordnet ist, wobei für jede der mindestens zwei Primärwicklungen (8, 10, 12) gilt, dass die Primärwicklung mit zwei Primärwicklungsanschlüssen (23, 26; 36, 39; 45, 48) an das zugeordnete Schaltnetzwerk (1, 2, 3) und dieses wiederum mit Phasenanschlüssen (20, 29; 33, 31; 42, 32) an das Mehrphasen-Wechselspannungssystem angeschlossen ist, wobei das Schaltnetzwerk (1, 2, 3) dazu eingerichtet ist, jeden der Primärwicklungsanschlüsse (23, 26; 36, 39; 45, 48) wahlweise mindestens mit einem der Phasenanschlüsse (20, 29; 33, 31; 42, 32) zu verbinden, und wobei die erste Transformatoranordnung so ausgebildet ist, dass die magnetischen Flüsse der Primärwicklungen (8, 10, 12) sich in der mindestens einen Sekundärwicklung (9, 11, 13; 144) summieren und/oder, falls zwei oder mehr Sekundärwicklungen (9, 11, 13) vorliegen, diese Sekundärwicklungen (9, 11, 13) in Serie geschaltet sind, und sich die transformierten Spannungen der Primärwicklungen summieren.

2. Konverterschaltung gemäss Patentanspruch 1, wobei das weitere Spannungssystem ein Gleichspannungs-System ist und die Sekundärwicklung (144) oder die Serienschaltung von zwei oder mehr Sekundärwicklungen (9, 11, 13) mit zwei Sekundärwicklungsanschlüssen (54, 63) an ein sekundärseitiges Schaltnetzwerk (7) und dieses wiederum mit Gleichspannungsanschlüssen (102, 105) an das Gleichspannungs-System angeschlossen ist, wobei das sekundärseitige Schaltnetzwerk (7) dazu eingerichtet ist, jeden der Sekundärwicklungsanschlüsse (54, 63) wahlweise mindestens mit einem der Gleichspannungsanschlüsse (102, 105) zu verbinden.

3. Konverterschaltung gemäss Patentanspruch 1 oder 2, wobei ein zweites Mehrphasen-Wechselspannungssystem vorliegt, und dieses über eine zweite Transformatoranordnung und einen zweiten Satz von Schaltnetzwerken (4, 5, 6), welche in gleicher Weise wie die erste Transformatoranordnung und der erste Satz von Schaltnetzwerken (1, 2, 3) strukturiert sind, mit dem weiteren Spannungssystem verbunden ist.

4. Konverterschaltung gemäss einem der vorangehenden Patentansprüche, wobei die mindestens zwei Primärwicklungen (8, 10, 12) einen ersten Satz von Primärwicklungen bilden, und ein zweites Mehrphasen-Wechselspannungssystem vorliegt, dessen Phasen über einen zweiten Satz von Schaltnetzwerken (4, 5, 6) an einen zweiten Satz von Primärwicklungen (15, 17, 19) angeschlossen sind, wobei in der ersten Transformatoranordnung die Primärwicklungen (8, 10, 12) des ersten und die Primärwicklungen (15, 17, 19) des zweiten Satzes von Primärwicklungen magnetisch miteinander und mit einer Sekundärwicklung gekoppelt sind.

5. Konverterschaltung gemäss einem der vorangehenden Patentansprüche, aufweisend eine Ansteuerschaltung, welche dazu ausgebildet ist, die Schaltnetzwerke eines der Sätze von Schaltnetzwerken mit einer Taktfrequenz anzusteuern, welche mindestens das 5-fache einer Grundfrequenz des an diesem Satz von Schaltnetzwerken anliegenden Wechselspannungssystems beträgt.

6. Verfahren zum Ansteuern einer Konverterschaltung gemäss einem der vorangehenden Patentansprüche, in welchem die Schaltnetzwerke eines Satzes von Schaltnetzwerken (1, 2, 3; 4, 5, 6) so angesteuert werden, dass die Spannungs-Zeitfläche der Summe der Spannungen an den zugeordneten Primärwicklungen (8, 10, 12; 15, 17, 19) innerhalb einer halben Taktperiode zumindest annähernd ein konstantes Verhältnis zu einem vorgegebenen Wert aufweist.

7. Verfahren gemäss Anspruch 6, wobei der vorgegebene Wert, – falls eine einzige Sekundärwicklung (144, 145) vorliegt, gleich einer Spannungs-Zeitfläche einer in derselben halben Taktperiode an die Sekundärwicklung (144, 145) geschalteten Spannung ist; oder – falls mehrere elektrisch in Serie geschaltete Sekundärwicklungen vorliegen, gleich einer Spannungs-Zeitfläche einer in derselben halben Taktperiode an eine Serieschaltung der Sekundärwicklungen (9, 11, 13; 14, 16, 18) geschalteten Spannung ist; oder – falls mehrere magnetisch parallel geschaltete Sekundärwicklungen vorliegen, gleich der Spannungs-Zeitfläche der Summe der in derselben halben Taktperiode an die Sekundärwicklungen (9, 11, 13; 14, 16, 18) geschalteten Spannungen ist; in allen Fällen skaliert entsprechend dem jeweiligen Übersetzungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärwicklungen.

8. Verfahren gemäss Anspruch 6, wobei das Verhältnis der Spannungs-Zeitfläche der Summe der den Primärwicklungen (8, 10, 12; 15, 17, 19) zugeordneten Spannungen zum vorgegebenen Wert nach Massgabe des Leistungsflusses von oder zu einem AC-Port (201; 202) bestimmt wird.

9. Verfahren gemäss Anspruch 7 oder 8, wobei an jede der Primärwicklungen (8, 10, 12; 15, 17, 19) mit der Taktperiode eine Rechteckspannung mit oder ohne Nullintervall gelegt wird, und – eine relative Phasenlage der einzelnen Rechteckspannungen für eine bestimmte Primärwicklung (8, 10, 12; 15,17, 19) nach Massgabe der Phasenlage der Phasenspannung, welche an diese Primärwicklung (8, 10, 12; 15, 17, 19) geschaltet wird und nach Massgabe eines der entsprechenden Phase zu entnehmenden respektive einzuspeisenden Stromes, bestimmt wird; und – eine Länge des Nullintervalls der Rechteckspannung für die Primärwicklung (8, 10, 12; 15, 17,19) nach Massgabe der Phasenlage der Phasenspannung, welche an diese Primärwicklung geschaltet wird und nach Massgabe eines der entsprechenden Phase zu entnehmenden respektive einzuspeisenden Stromes bestimmt wird.

10. Verfahren gemäss Anspruch 9, wobei eine gemeinsame Phasenlage der Rechteckspannungen bezüglich einer Rechteckspannung eines Schaltnetzwerkes (7) für einen DC-Port (203) zu einem DC-Netz respektive bezüglich einer Gruppe von Rechteckspannungen von Schaltnetzwerken (4, 5, 6) für einen AC-Port (202) zu einem AC-Netz nach Massgabe eines gewünschten Leistungsflusses zu oder von diesem DC-Port (203) respektive AC-Port (202) bestimmt wird.

11. Verfahren gemäss Anspruch 9 oder 10, wobei der Wert der Phasenlage der Rechteckspannung für eine bestimmte Primärwicklung (8, 10, 12; 15, 17, 19) einem zumindest annähernd sinusförmigen Verlauf folgt, und die Phasenlage dieses Verlaufs eine feste Phasenverschiebung bezüglich des Verlaufes der Phasenspannung, welche an diese Primärwicklung (8, 10, 12; 15, 17, 19) geschaltet wird, aufweist.