DE10103031A1 - Stromrichterschaltungen mit verteilten Energiespeichern - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft Stromrichterschaltungen mit verteilten Energiespeichern, insbesondere für höhere Spannungen und Leistungen, die eine Reihenschaltung von Leistungshalbleitern erfordern, sowie zugehörige Steuerverfahren. Vorteilhaft gegenüber bekannten Anordnungen sind die Möglichkeit, den wirksamen Energieinhalt der Stromrichterschaltungen gezielt zu steuern, die Beherrschung von Störungsfällen, die Redundanz und die modulare Erweiterbarkeit auf beliebige Reihenschaltzahlen.

Description

Zum Zwecke der verlustarmen Umformung elektrischer Energie sind eine Vielzahl von Stromrichterschaltungen bekannt. In einem bedeutenden Teil der Anwendungen im höheren Leistungsbereich werden diese zur Steuerung des Energieflusses zwischen elektrischen Maschinen und Energieversorgungsnetzen (Drehzahlvariable Antriebe) oder zwischen verschiedenen Energieversorgungsnetzen (Netzkupplungen) eingesetzt. Zu letzteren Anwendungen gehören sinngemäß auch die Blindleistungskompensation und die Spannungsstabilisierung in Energieversorgungsnetzen mit Hilfe von Stromrichtern. Für diese und andere Anwendungen im höheren Leistungsbereich gewinnt insbesondere die Beherrschung hoher Spannungen und möglicher Störungsfälle ohne schwerwiegende Folgeschäden sowie die Problematik der Reihenschaltung von Leistungshalbleitern an Bedeutung.

Als bekannte Schaltungen im höheren Leistungsbereich und Spannungsbereich werden vorwiegend Stromrichter mit eingeprägter Gleichspannung verwendet. Dieser Stromrichtertyp wird auch als "U-Umrichter" - englisch: "Voltage source inverter" - bezeichnet. Die Nachteile der U-Umrichter sind bei den genannten Anwendungen insbesondere:

• - Bei Kurzschluß der Gleichspannungsseite zwischen P₀ und N₀ (siehe Fig. 1) fließen extrem hohe Entladeströme aus der gleichspannungsseitigen Kondensatorbatterie (7), die Zerstörungen in Folge extrem hoher mechanischer Kraftwirkungen und/oder Lichtbogenwirkung verursachen können.
• - Beim Ausfall von Leistungshalbleitern oder fehlerhafter Ansteuerung kann der kurzschlußartige Entladestrom direkt über die Halbleiter fließen mit der Folge von Zerstörungen der Halbleiter und ihrer Kontaktierungen.
• - Die für die Halbleiterschalter des U-Umrichters erforderliche, sehr kleine Streuinduktivität der Kondensatorbatterie (7), steht mit steigendem Spannungsniveau einer mechanisch kurzschlußfesten und isolationsmäßig sicheren konstruktiven Ausführung immer mehr entgegen.
• - Vor Inbetriebnahme des Stromrichters ist i. a. eine strombegrenzte Vorladung der Kondensatorbatterie (7) auf eine Spannung notwendig, die gleich oder höher als die betriebsmäßige Spannung ist, da andernfalls eine unkontrollierte, kurzschlußartige Aufladung der Kondensatorbatterie aus der Wechselstrom- bzw. Drehstromseite erfolgen kann. Die Hilfsschaltungen für diese Vorladung sind aufwändig, da sie für die hohe (betriebsmäßige) Spannung ausgelegt werden müssen.
• - Hoher Oberschwingungsgehalt der Ausgangsspannungen.

Diese Nachteile sind bei hohen Spannungen, die eine Reihenschaltung von Leistungshalbleitern erforderlich machen, besonders gravierend. Es sind mehrere Schaltungen bekannt, die durch verschiedenartige Aufteilung des U-Umrichters in Teilstromrichter oder mittels verschiedener Zusatzschaltungen diese Nachteile zu mindern suchen:
Eine dieser Arten ist aus IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, Vol. 15, No. 4, July 2000, "Fundamentals of a New Diode Clamping Multilevel Inverter", Verfasser: Xiaoming Yuan und Ivo Barbi, bekannt (siehe dort: Fig. 3). Sie stellt eine verbesserte, verallgemeinerte Form der Dreipunktschaltung dar. Kennzeichnend für diese Schaltungsart ist die Aufteilung der gleichspannungsseitigen Kondensatorbatterie des U-Umrichters in eine direkte Serienschaltung von Kondensatorteilbatterien sowie die Sicherstellung der Spannungsaufteilung der reihengeschalteten Leistungshalbleiter durch ein Netzwerk aus Dioden (Englisch: "Clamping Diodes").

Die Vorteile dieser Schaltungsart sind:

• a) Treppenförmige Ausgangsspannung mit geringem Oberschwingungsgehalt.
• b) Leistungshalbleiter und Kondensatorbatterien müssen nur für eine (gegenüber der gesamten Gleichspannung eines U-Umrichters) kleinere, gleichmäßig aufgeteilte Spannung ausgelegt werden.

Nachteilig sind hingegen die folgenden Punkte:

• a) Hohe Anforderungen bzgl. minimaler Streuinduktivitäten des Stromrichteraufbaus und der gleichspannungsseitigen Kondensatorbatterien.
• b) Komplexer werdender Schaltungsaufbau mit steigender Stufenzahl, d. h.: keine Möglichkeit der streng modularen Erweiterbarkeit für beliebige Stufenzahlen mit identischen Teilstromrichtern.
• c) Kritische Folgeschäden (Fehlerfortpflanzung) bei Ausfall oder Fehlansteuerung von Leistungshalbleitern, d. h.: auch bei hoher Stufenzahl keine sichere Möglichkeit der Nutzung von Redundanz.

Alle drei Punkte sind für den Einsatz bei hohen Spannungen und Stufenzahlen sehr nachteilig. Punkt c) in Verbindung mit Punkt e) bedeutet zudem, daß die eingangs erwähnten Nachteile bzgl. Kurzschlußverhalten und Ausfällen von Leitungshalbleitern nicht wesentlich gemildert werden können. Es sind deshalb noch weitere Lösungsansätze entwickelt worden.

Eine weitere, mögliche Schaltungsart ist aus IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, Vol. 32, No. 3, May/June 1996, "Multilevel Converters - A New Breed of Power Converters", Verfasser: Jih-Sheng Lai und Fang Zheng Peng, bekannt (siehe dort: Fig. 4). Diese Schaltungsart benötigt statt des Netzwerkes aus Dioden eine Anzahl von Kondensatorteilbatterien zusätzlich zur gleichspannungsseitigen Kondensatorbatterie des U-Umrichters. Letztere kann selbstverständlich analog zur vorab genannten Version ebenfalls aufgeteilt sein. Es wird jedoch mit dieser Schaltungsart keiner der vorstehend genannten Nachteile c), d), e) vermieden. Äußerst ungünstig ist ferner die Tatsache, daß die zusätzlichen Kondensatorteilbatterien stark ungleiche, teilweise sehr hohe Spannungen aufweisen.

Eine dritte, mögliche Schaltungsart ist ebenfalls aus IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, Vol. 32, No. 3, May/June 1996, "Multilevel Converters - A New Breed of Power Converters", Verfasser: Jih-Sheng Lai und Fang Zheng Peng, bekannt (siehe dort: Fig. 5). Sie wird dort als "Cascaded Inverters with separate DC sources" bezeichnet. Kennzeichnend ist, daß als Teilstromrichter einphasige Vollbrückenschaltungen (U-Umrichter) wechselstromseitig in Reihe geschaltet sind. Die zwei genannten Nachteile d), e) lassen sich damit vermeiden. Punkt c) bezieht sich jetzt nur noch auf jeden einzelnen Teilstromrichter und ist leichter erfüllbar. Es entsteht jedoch prinzipbedingt ein neuer, schwerwiegender Nachteil: Die Gleichspannungsseiten der einzelnen Vollbrückenschaltungen müssen an galvanisch getrennte Gleichspannungsquellen (Englisch: "separate DC sources") angeschlossen werden. Nur bei verschwindender Wirkleistung - z. B. reiner Blindleistungsabgabe - ist ein Abschluß der Gleichspannungsseite mit nur je einer separaten Kondensatorbatterie möglich. Dieser Fall tritt praktisch nur in Spezialanwendungen - wie Blindstromkompensationsanlagen - auf und ist in letztgenannter Literaturstelle im dortigen Abschnitt V erwähnt.

Aus IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, Vol. 35, No. 1, January/February 1999, "Multilevel Converters for Large Electric Drives", Verfasser: Leon M. Tolbert, Fang Zheng Peng und Thomas G. Habetler, ist eine Anwendung für Wirkleistungsübertragung (Elektroantrieb für ein Kraftfahrzeug) mit 15 separaten, von einander galvanisch getrennten Batterien bekannt. Eine solche Aufteilung ist für Batterien prinzipiell möglich, jedoch bezüglich Verkabelung, Ladezustandsüberwachung und Fremdaufladung sehr ungünstig. Zusätzlich tritt eine unerwünschte hohe Wechselstrombelastung der Batterien auf, die in einem konzentrierten Gleichspannungskreis eines dreiphasigen, konventionellen U-Umrichters durch Stromausgleich zwischen den drei Phasen weitgehend vermieden wird.

Eine Variante, die diesen Nachteil geringfügig mildert, ist aus European Power Electronics Conference 1999 (Lausanne): "A New Multilevel Inverter Topology with a Hybrid Approach", Verfasser: Bum-Seok Suh, Yo-Han Lee, Dong-Seok Hyun und Thomas A. Lipo, bekannt. Diese Variante setzt einen konventionellen, dreiphasigen U-Umrichter als erste Spannungsstufe ein. Weitere Spannungsstufen der Reihenschaltung werden jedoch weiterhin mit einphasigen Vollbrückenschaltungen, die wechselstromseitig in Reihe geschaltet sind, erzeugt. Diese können - wenn sie nicht wiederum von einzelnen, separaten Gleichspannungsquellen gespeist werden - jedoch nicht zur Wirkungsleistungsbilanz beitragen. Eine Erweiterung auf höhere Stufenzahlen ist damit weitestgehend nutzlos oder auf Anwendungen mit überwiegender Blindleistung beschränkt.

Zur weiteren Erläuterung zeigt im folgenden:

Fig. 1: Einen Stromrichter mit eingeprägter Gleichspannung (U_d) - auch "U-Umrichter" oder engl.: "Voltage source inverter" genannt - am Beispiel einer Anordnung, die zum gesteuerten Energieaustausch zwischen zwei Drehstromnetzen (L1, L2, L3) bzw. (L1b, L2b, L3b) dient. Folgende Merkmale zeichnen bekanntermaßen den Stromrichtertyp U-Umrichter im Hinblick auf die Realisierung aus:

• - Die Stromrichterschaltung läßt sich in einzelne, prinzipiell gleichartige Phasenbausteine (5) zerlegen, die leistungsseitig jeweils drei Anschlüsse aufweisen. Diese sind bezeichnet mit:
  P: Plusanschluß, welcher mit der positiven Sammelschiene (P₀) der eingeprägten Gleichspannung (U_d) zu verbinden ist.
  N: Minusanschluß, welcher mit der negativen Sammelschiene (N₀) der eingeprägten Gleichspannung (U_d) zu verbinden ist.
  L: Lastanschluß, welcher mit der wechselstromseitigen Last - z. B. einer Phase eines Wechselstromnetzes - zu verbinden ist.
• - Die Phasenbausteine (5) - im englischen Sprachgebrauch auch "half bridge" genannt - sind in bekannter Schaltungsanordnung aus steuerbaren elektronischen Schaltern (1) und (3) sowie antiparallelen Dioden (2) und (4) aufgebaut.
• - Das Potential am Lastanschluß (L) läßt sich durch entsprechendes Schalten von (1) und (3) auf das Potential von P oder das Potential von N steuern. Durch fortgesetztes Umschalten zwischen diesen beiden Schaltzuständen (Pulsweitenmodulation) läßt sich in bekannter Weise auch ein beliebiger Mittelwert des Potentials zwischen diesen Grenzen einstellen. Dieser Vorgang der Einstellung eines Sollwerts des Potentials an (L) wird als "Spannungsaussteuerung" bezeichnet.
• - Eine gleichspannungsseitige Kondensatorbatterie (7) zur Stützung der Gleichspannung (U_d) ist über ein System induktionsarmer Sammelschienen (P₀, N₀) mit den gleichspannungsseitigen Anschlüssen (P, N) aller Phasenbausteine direkt verbunden. Die Kondensatorbatterie (7) kann in bekannter Weise aus einer Reihen- und/oder Parallelschaltung mehrerer Kondensatoren bestehen und auch räumlich zwischen den Phasenbausteinen verteilte Kondensatoren enthalten. Die letztgenannte Maßnahme wird oft angewendet, wenn u. a. wegen großer räumlicher Ausdehnung (lange Strecken, große Isolationsabstände) die Sammelschienen (P₀, N₀) nicht genügend induktionsarm, d. h.: mit sehr kleinen Streuinduktivitäten, ausgeführt werden können. Nachteilig bei o. a. räumlicher Verteilung von Kondensatoren sind hochfrequente Schwingungen zwischen den Teilkondensatoren und Streuinduktivitäten, die u. a. wegen der resultierenden zusätzlichen Strombelastung der Kondensatoren störend sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf beliebige Stufenzahlen modular erweiterbare Schaltungsanordnungen anzugeben, welche frei von den genannten Nachteilen der bekannten Anordnungen ist. Die vorab genannten Vorteile a) und b) der verbesserten Dreipunktschaltung nach IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, Vol. 15, No. 4, July 2000, "Fundamentals of a New Diode Clamping Multilevel Inverter", Verfasser: Xiaoming Yuan und Ivo Barbi, sollen jedoch erhalten bleiben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Der Ansatz der erfindungsgemäßen Vorgehensweise besteht darin, die Phasenbausteine (5) in den bekannten Grundschaltungen der U-Umrichter durch leistungsseitig bezüglich der Klemmen (P, N, L) anschlußkompatible Ersatz-Dreipole (100) zu ersetzen. Diese müssen, um vorteilhaft eingesetzt werden zu können, gemäß der Erfindung folgende Merkmale aufweisen:

• 1. Sie enthalten zu- und abschaltbare interne Energiespeicher in Form unipolarer Speicherkondensatoren (9).
• 2. Die möglichen Schaltzustände für das Zu- und Abschalten dieser Energiespeicher - d. h.: der Speicherkondensatoren (9) - sind so gestaltet, daß bei Überspannungen zwischen (P₀) und (N₀) eine Energieaufnahme erfolgt; eine unkontrollierte Energieabgabe - insbesondere bei Kurzschlüssen zwischen (P₀) und (N₀) - hingegen verhindert werden kann.
• 3. Sie weisen eine definierte Kapazität zwischen ihren Klemmen (P) und (N) unabhängig von der Spannungsaussteuerung auf, deren Wert steuerungsseitig vorgegeben werden kann.
• 4. Sie weisen - als Folge von o. a. Punkt 3) - einen näherungsweise konstanten Energieinhalt unabhängig von der Spannungsaussteuerung auf, dessen Wert näherungsweise steuerungsseitig vorgegeben werden kann.
• 5. Die erfindungsgemäße Struktur des Ersatz-Dreipols ermöglicht seine Realisierung mittels einer inneren Reihenschaltung einer beliebigen Anzahl identischer zweipoliger Subsysteme (10) oder (11).

Merkmal 1) in Verbindung mit Merkmal 2) ermöglicht es vollständig auf die Kondensatorbatterie (7) an den Sammelsschienen (P₀, N₀) des U-Umrichters zu verzichten sowie bei Kurzschlüssen zwischen P₀ und N₀ stoßartige Entladungen von Energiespeichern zu vermeiden.

Merkmal 3) in Verbindung mit Merkmal 4) ermöglicht den parallelen Betrieb einer beliebigen Anzahl von Ersatz-Dreipolen (100) an den Sammelschienen (P₀, N₀) ohne daß störende Ausgleichsströme zwischen den Ersatz-Dreipolen (100) und resultierende Energieverluste entstehen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung ist es zweckmäßig zuerst auf die Subsysteme entsprechend Merkmal 5) einzugehen. Die Klemmen des Subsystems sind im folgenden mit X1 und X2 bezeichnet - Die Potentialdifferenz zwischen diesen Klemmen ist als Klemmenspannung bezeichnet. Die Subsysteme müssen gemäß der Erfindung folgende Eigenschaften aufweisen:

• A) Einen oder mehrere Schaltzustände in denen die Klemmenspannung des Subsystems unabhängig von der Klemmenstromrichtung den Wert Null annimmt (bis auf den Durchlaßspannungsabfall realer Leistungshalbleiter).
• B) Einen oder mehrere Schaltzustände in denen die Klemmenspannung des Subsystems unabhängig von der Klemmenstromrichtung von Null verschiedene Werte annimmt und das Subsystem - je nach Klemmenstromrichtung - regenerativ Energie aus dem Speicherkondensator (9) aufnehmen oder abgeben kann.
• C) Einen oder mehrere Schaltzustände in denen die Klemmenspannung des Subsystems abhängig von der Klemmenstromrichtung so gerichtet ist, daß das Subsystem keine Energie abgibt.

Eine mögliche einfache Schaltungsanordnung für das Subsystem, die diese Eigenschaften realisiert, ist in Fig. 2 dargestellt. Fig. 3 stellt eine funktional völlig gleichwertige Variante dar. Die steuerbaren elektronischen Schalter (1) und (3) werden durch Halbleiter wie IGBT oder MOS-Feldeffekttransistoren realisiert. Die antiparallelen Dioden (2) und (4) können diskrete Bauelemente oder - wie bei MOS-Feldeffekttransistoren - in der Halbleiterstruktur der steuerbaren elektronischen Schalter (1) und (3) integriert sein. Das Subsystem enthält weiterhin einen unipolaren Speicherkondensator (9) oder eine Kondensatorbatterie aus mehreren solcher Speicherkondensatoren mit der resultierenden Kapazität (Co).

In einem Schaltzustand nach Punkt I ist der steuerbare elektronische Schalter (1) eingeschaltet und der steuerbare elektronische Schalter (3) ausgeschaltet.

In einem Schaltzustand nach Punkt II ist der steuerbare elektronische Schalter (1) ausgeschaltet und der steuerbare elektronische Schalter (3) eingeschaltet. Der Speicherkondensator (9) ermöglicht es regenerativ Energie abzugeben oder aufzunehmen. Die Klemmenspannung, d. h.: die Potentialdifferenz zwischen X1 und X2 entspricht in diesem Zustand der Spannung (U_c) des Speicherkondensators (9). (Bis auf den Durchlaßspannungsabfall realer Leistungshalbleiter).

In einem Schaltzustand nach Punkt III sind beide steuerbaren elektronischen Schalter (1) und (3) ausgeschaltet. Es ist in diesem Zustand sicher ausgeschlossen, daß in einem äußeren Fehlerfall - wie z. B. Klemmenkurzschluß - unerwünscht Energie abgegeben wird.

Zur weiteren Erläuterung zeigt Fig. 4 einen erfindungsgemäßen Ersatz-Dreipol (100), der mittels einer inneren Reihenschaltung einer Anzahl von k Subsystemen (10) realisiert ist. Fig. 5 zeigt die gleiche Anordnung mit zusätzlicher Bezeichnung der Teilspannungen U₁ bis U₈ der Subsysteme. (Nur zur Erläuterung). Beispielhaft ist in Fig. 4 und Fig. 5 der Fall k = 8 dargestellt. Grundsätzlich kann jede beliebige Zahl k ≧ 2 gewählt werden. Im allgemeinen wird man aus Symmetriegründen eine gerade Zahl sowie meist eine größere Reihenschaltzahl k ≧ 4 wählen, was jedoch nicht zwingend ist.

Zur Vereinfachung der Erläuterung wird zuerst von der Voraussetzung ausgegangen, daß alle Speicherkondensatoren (9) aller Subsysteme (10) auf eine einheitliche Spannungshöhe (U_c) vorgeladen sind. Geeignete Verfahren zur Erzeugung dieses Vorladezustandes werden nachfolgend beschrieben. Des weiteren soll der Ersatz-Dreipol (100) erfindungsgemäß ohne eine gleichspannungsseitige Kondensatorbatterie (7) betrieben werden.

Die vorstehend genannten Merkmale 4) und 5) sollen nun durch ein geeignetes Steuerverfahren realisiert werden um den parallelen Betrieb einer Vielzahl von Ersatz- Dreipolen (100) an gemeinsamen Sammelschienen (P₀, N₀) zu gewährleisten. Gemäß der Erfindung besteht ein geeignetes Steuerverfahren in folgendem Vorgehen:
Es werden im regulären Betrieb des Stromrichters nur die Schaltzustände I und II der Subsysteme angesteuert. Der Schaltzustand III wird nur bei Störungsfällen (wie z. B. Kurzschluß der Sammelschienen (P₀, N₀), für den gezielten Leerlauf (Unterbrechung des Stromrichterbetriebs) und für vernachlässigbar kurze Schaltverzögerungszeiten der steuerbaren elektronischen Schalter (1) und (3) bei Schaltzustandswechseln genutzt bzw. auftreten. Für jeden Ersatz-Dreipol (100) lassen sich nun unabhängig voneinander die beiden folgenden Größen vorgeben:

• - Die Potentialdifferenz UPN zwischen den Klemmen P und N zu: U_PN = m.U_c mit m (ganzzahlig) und 0 ≦ m ≦ k, indem eine Anzahl von m Subsystemen (10) oder (11) des Ersatz-Dreipols (100) in den Schaltzustand II und die verbleibenden (k - m) Subsysteme in den Schaltzustand I gesteuert werden. Die zwischen den Klemmen P und N des Ersatz-Dreipols wirksame Kapazität beträgt dann C_PN = C₀/m.
• - Das Potential an L ("Spannungsaussteuerung"), hier definiert als Potentialdifferenz der Klemme L gegen den gewählten Bezugspunkt N, zu: U_LN = x.U_C, mit x (ganzzahlig) und 0 ≦ x ≦ n indem eine Anzahl x der im Zweig zwischen der Klemme L und der Klemme N liegenden n Subsysteme (10) oder (11) in den Schaltzustand II und die verbleibenden in diesem Zweig in den Schaltzustand I gesteuert werden.

Eine vorteilhafte Bemessung, die im Sinne einheitlicher Subsysteme, Ersatz-Dreipole und einer symmetrischen und maximalen Spannungsaussteuerung im allgemeinen zu bevorzugen ist, besteht in folgendem: Der Lastanschluß L wird schaltungstechnisch symmetrisch zwischen P und N abgegriffen. Damit ergibt sich k als gerade Zahl, i. a.: k ≧ 4 und folglich n = k/2. Zur Vorgabe der Potentialdifferenz UPN ergibt dann ein Wert von m = k/2 den Vorteil einer maximalen möglichen (und symmetrischen) Spannungsaussteuerung des Potentials an L.

Bei steuerungsseitiger Vorgabe eines Wertes x = n/2 nimmt das Potential an L dann den artithmetischen Mittelwert der Potentiale von P und N an. Dieser Wert kann analog zum Dreipunkt-Wechselrichter als Ruhelage oder Mittenpotential bezüglich der Spannungs­ aussteuerung betrachtet werden. In diesem Zustand sind die Hälfte (n/2) aller Subsysteme (10) oder (11) des Ersatz-Dreipols (100) im Zweig zwischen der Klemme L und der Klemme N im Schaltzustand II und die verbleibenden in diesem Zweig im Schaltzustand I. Gleiches gilt für den Zweig zwischen der Klemme L und der Klemme P.

Um die maximale positive Spannungsaussteuerung, d. h.: U_LN = U_PN zu erzielen, ist x = n vorzugeben. In diesem Zustand sind alle im Zweig zwischen der Klemme L und der Klemme N liegenden Subsysteme im Schaltzustand II und alle im Zweig zwischen der Klemme L und der Klemme P liegenden Subsysteme im Schaltzustand I. Um die maximale negative Spannungsaussteuerung, d. h.: U_LN = 0 zu erzielen, ist x = 0 vorzugeben. In diesem Zustand sind alle im Zweig zwischen der Klemme L und der Klemme N liegenden Subsysteme im Schaltzustand I und alle im Zweig zwischen der Klemme L und der Klemme P liegenden Subsysteme im Schaltzustand II.

Diese beiden Extremweite der Spannungsaussteuerung (x = n/2 und x = 0) zeichnen sich dadurch aus, daß keine Freiheitsgrade bzgl. der Schaltzustände der Subsysteme der Ersatz- Dreipole bestehen. In allen Zwischenzuständen (0 < x < n/2), die den Zwischenstufen des Potentials an L entsprechen, ist dies jedoch der Fall - wie sich mit elementaren Grundlagen der mathematischen Kombinatorik zeigen läßt. Bei Beschränkung der Spannungsaussteuerung auf diesen Bereich (0 < x < n/2) lassen sich diese Freiheitsgrade in zweierlei Hinsicht vorteilhaft nutzen, wie im folgenden erläutert wird. Der erste Punkt betrifft die Vorgabe von variablen Werten von m:
Diesbezüglich besteht ein wesentliches und kennzeichnendes Merkmal der erfindungs­ gemäßen Schaltungsanordnungen darin, daß es mittels der Steuerung, - d. h.: durch die Wahl (Anzahl m) entsprechender Schaltzustände der Subsysteme (10) oder (11) innerhalb jedes Ersatz-Dreipols (100) - möglich ist, einen gewünschten Sollwert der an den Sammelschienen (P₀, N₀) wirksamen Gesamtkapazität und folglich des Energieinhalts vorzugeben. In Analogie zu einem konventionellen U-Umrichter, läßt sich die Kapazität C_PN als wirksame "Teilkapazität" an den Sammelschienen (P₀, N₀) betrachten, die ein Ersatz-Dreipol (100) zu der insgesamt an den Sammelschienen (P₀, N₀) vorhandenen Gesamtkapazität beiträgt. Letztere entspricht der Summe der Kapazitäten C_PN aller an den gleichen Sammelschienen (P₀, N₀) angeschlossenen Ersatz-Dreipole (100). In o. a. Analogie entspricht diese Summe der Kapazität der Kondensatorbatterie (7) eines konventionellen U-Umrichters, die jedoch nicht steuerbar ist. Die Steuerbarkeit läßt sich in äußerst vorteilhafter Weise nutzen, um bei transienten oder periodischen Schwankungen des Leistungsflusses (z. B. des Leistungsflusses zwischen den beiden Drehstromnetzen in Fig. 1) die Spannung an den Sammelschienen konstant zu halten.

Ein zweiter Punkt bezüglich der vorteilhaften Nutzung der o. a. Freiheitsgrade besteht darin, diese zur Symmetrierung der einzelnen Spannungen (U_c) der Subsysteme untereinander zu nutzen. Das Verfahren beruht hier auf der im Grunde trivialen Tatsache, daß innerhalb einer Reihenschaltung von Subsystemen im gleichen Schaltungszweig diese untereinander - ohne Einfluß auf die Gesamtspannung des Zweiges - die Rollen tauschen können. Dies kann zur Vergleichmäßigung der einzelnen Spannungen der Subsysteme genutzt werden. Ein entsprechendes Verfahren ist z. B. aus dem Beitrag "Direct Approach for Balancing the Capacitor Voltages of a 5-Level Flying Capacitor Converter" der. Verfasser Miguel F., Escalante G. und Jean-Claude Vannier der European Power Electronics Conference 1999, Lausanne, bekannt.

Das dort angegebene Verfahren zur Symmetrierung ("Balancing" genannt) der Kondensatorspannungen beruht auf den - dort angeführten - Voraussetzungen:

• - Die Spannung jedes Teilkondensators wird meßtechnisch erfaßt, um die Abweichungen von einem vorgegebenen Sollwert zu bestimmen: Sinngemäß übertragen auf die vorliegende Erfindung entspricht dies der meßtechnischen Erfassung der Kondensator­ spannung (U_c) jedes Subsystems (10) oder (11).
• - Die Stromrichtung in der Last wird erfaßt ("Sense of current"), um die Richtung der Änderungstendenz von jeder der o. a. Kondensatorspannungen zu bestimmen: Sinngemäß übertragen auf die vorliegende Erfindung entspricht dies der meßtechnischen Erfassung der Stromrichtung in der Klemme (N) bzw. (P) des Ersatz-Dreipols (100).
• - Die Stromrichterschaltung bietet Freiheitsgrade - d. h.: alternative Schaltzustände - die jeweils zur gleichen Ausgangsspannung führen.

Da diese Voraussetzungen bei den erfindungsgemäßen Ersatz-Dreipolen (100) erfüllbar bzw. letztgenannter Punkt gegeben ist, ist das aus o. a. Literaturstelle bekannte Verfahren zur Symmetrierung der Kondensatorspannungen anwendbar. Die erstgenannte Voraussetzung bedeutet - wie vorstehend erläutert - daß die Spannung (U_C) jedes Subsystems meßtechnisch erfaßt werden muß. Bezüglich des Aufwandes günstiger ist es dann, auch die Richtung der Änderungstendenz der Kondensatorspannungen direkt aus diesen Spannungsmeßwerten zu bestimmen. Dies kann z. B. in bekannter Weise durch Differenzieren dieser Werte oder besser durch Differenzbildung zwischen zeitlich aufeinander folgenden Abtastwerten erfolgen, so daß die Messung der Stromrichtung ("sense of current") erübrigt wird.

Fig. 6 zeigt eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Ersatz-Dreipols (100), bei dem die Reihenschaltung der Subsysteme (10) oder (11) so ausgeführt ist, daß nicht alle den gleichen Richtungssinn (Polarität) bezüglich ihrer Klemmen (X₁, X₂) aufweisen. Letzteres ermöglicht beide Polaritäten der Potentialdifferenz (U_PN) sowie ein Potential an (L), daß positiver als das an Klemme (P) oder negativer als das an Klemme (N) vorgegeben werden kann. Beides stellt - verglichen mit einem konventionellen U-Umrichter - eine Erweiterung der Steuerungsmöglichkeiten dar. In einer solchen Anordnung kann es des weiteren vorteilhaft sein, jeweils zwei benachbarte Subsysteme (10) mit - bezüglich des Richtungssinns der Reihenschaltung - gegensätzlicher Polarität zu einem Paar zusammenzufassen. Innerhalb eines solchen Paares ist dann (zwecks besserer Ausnutzung der Kondensatoren) eine galvanische Verbindung der positiven Pole der beiden Speicherkondensatoren (9) möglich. Analog ist bei Einsatz von Subsystemen (11) nach Fig. 3 eine galvanische Verbindung der negativen Pole der beiden Speicherkondensatoren (9) möglich.

Fig. 7 zeigt eine vorteilhafte Ausführung zur Vorladung der Speicherkondensatoren (9) der Subsysteme. Sie enthält eine Energiequelle (30), die z. B. durch ein Netzgerät mit Strombegrenzung, eine Batterie mit Vorwiderstand oder einen Transformator mit sekundär angeordnetem Gleichrichter realisiert werden kann. Der Vorladekreis kann erforderlichenfalls durch einen Schalter (20) und/oder eine Gleichrichterdiode erweitert werden. Sehr vorteilhaft ist - verglichen mit einem konventionellen U-Umrichter - daß die Energiequelle (30) nur eine sehr kleine Spannung aufweisen muß. Diese erforderliche Spannung entspricht für einen Stromrichter mit einer beliebigen Anzahl k von reihengeschalteten Subsystemen je Ersatz- Dreipol theoretisch nur der einfachen Spannung (U_C) zur Vorladung eines Subsystems. Auch bei Berücksichtigung der Durchlaßspannungen realer Halbleiter (1, 2, 3, 4) in den Subsystemen (10) oder (11) ist sie nur unwesentlich höher. Um dies zu erreichen, kann jeder Ersatz-Dreipol zwecks Vorladung folgendermaßen gesteuert werden: Von den k Subsystemen des Ersatz- Dreipols werden (k - 1) in den Schaltzustand I und das jeweils verbleibende in den Schaltzustand II oder III gesteuert. Zyklisch nacheinander wird jeweils ein nächstes Subsystem in den Schaltzustand II und das vorhergehende zurück in den Schaltzustand I gesteuert. Entsprechend diesem Verfahren sind nach k Umschaltungen alle Subsysteme vorgeladen. Befinden sich, wie gewöhnlich, mehrere Ersatz-Dreipole an einem Sammelschienensystem (P₀, N₀) können alle diese synchron nach diesem Verfahren vorgeladen werden.

Bei räumlich sehr ausgedehnten Stromrichtern hoher Spannung treten oftmals Probleme auf, die durch die nicht mehr vernachlässigbaren parasitären Erdkapazitäten verschiedenster Schaltungspunkte zur Umgebung verursacht sind. Störende Effekte sind z. B. hohe Strom­ spitzen in den Erdkapazitäten und den Leistungshalbleitern, die bei deren Schaltvorgängen auf Grund von den verursachten Potentialsprüngen auftreten. Die erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen bieten hier generell die Möglichkeit an beliebigen Schaltungs­ punkten, jeweils in Reihe mit den Klemmen der Subsysteme (10) oder (11), zusätzliche Impedanzen - vorzugsweise relativ klein bemessene Induktivitäten - einzufügen, ohne die Funktion der Schaltungen wesentlich zu stören.

Claims (6)

1. Stromrichterschaltungen in Form von einphasigen und/oder mehrphasigen U-Umrichtern, die eine beliebige Anzahl von an einer Gleichspannungssammelsschiene (P₀, N₀) angeschlossenen Phasenbausteinen (5) und Kondensatorbatterien (7) aufweisen sowie zugehörige Steuerverfahren, dadurch gekennzeichnet daß die Phasenbausteine (5) durch leistungsseitig bezüglich der Klemmen (P, L, N) anschlußkompatible Ersatz-Dreipole (100) mit den folgenden Merkmalen ersetzt sind: Die Ersatz-Dreipole (100) enthalten zu- und abschaltbare interne Energiespeicher in Form unipolarer Speicherkondensatoren (9) wobei die möglichen Schaltzustände für das Zu- und Abschalten dieser Speicherkondensatoren (9) so gestaltet sind, daß bei Überspannungen zwischen den Sammelschienen (P₀) und N₀) eine Energieaufnahme erfolgt, wohingegen eine unkontrollierte Energieabgabe - insbesondere bei Kurzschlüssen zwischen (P₀) und (N₀) - verhindert und eine vorgegebene Kapazität zwischen den Klemmen (P) und (N) und ein vorgegebener Energieinhalt des Ersatz- Dreipols (100) eingestellt werden kann.

2. Stromrichterschaltungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ersatz- Dreipole (100) eine interne Reihenschaltung einer beliebigen Anzahl k von zweipoligen Subsystemen (10) oder (11) zwischen ihren Klemmen (P) und (N) aufweisen, wobei die Subsysteme (10) oder (11) mindestens je einen Schaltzustand I in dem die Klemmenspannung des Subsystems unabhängig von der Klemmenstromrichtung den Wert Null annimmt, einen Schaltzustand II in dem die Klemmenspannung des Subsystems unabhängig von der Klemmenstromrichtung von Null verschiedene Werte annimmt, wobei das Subsystem - je nach Klemmenstromrichtung - regenerativ Energie aufnimmt oder abgibt, und einen Schaltzustand III, in dem die Klemmenspannung des Subsystems (10) oder (11) abhängig von der Klemmenstromrichtung so gerichtet, daß das Subsystem keine Energie abgibt, aufweisen und des weiteren der Lastanschluß, d. h.: die Klemme (L) des Ersatz-Dreipols (100), an einer beliebigen Anzapfung der Reihenschaltung der Subsysteme (10) oder (11) - vorzugsweise symmetrisch bezüglich (P) und (N) in der Mitte der Reihenschaltung - abgegriffen wird.

3. Steuerverfahren für Stromrichterschaltungen nach Anspruch 1 und 2 dadurch . gekennzeichnet, daß in allen an gemeinsamen Sammelschienen (P₀, N₀) betriebenen Dreipolen (100) unabhängig von der jeweiligen Spannungsaussteuerung eine gleiche Anzahl m der k reihengeschalteten Subsysteme (10) oder (11) in den Schaltzustand II und die verbleibenden in den Schaltzustand I gesteuert werden.

4. Steuerverfahren für Stromrichterschaltungen nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl m der k reihengeschalteten Subsysteme (10) oder (11), die in den Schaltzustand II gesteuert werden, periodisch oder transient variiert wird um den Energieinhalt der Stromrichterschaltung gezielt zu verändern.

5. Stromrichterschaltungen nach Anspruch 1, 2, 3, 4 dadurch gekennzeichnet, daß auf die gleichspannungsseitigen Kondensatorbatterien (7) an den Sammelschienen (P₀, N₀) verzichtet wird.

6. Vorladeverfahren für Stromrichterschaltungen nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 dadurch gekennzeichnet, daß eine Energiequelle niedriger Spannung (30) während der Vorladung an die Sammelschienen (P₀, N₀) geschaltet wird und zeitlich seriell eines oder mehrere der k Subsysteme (10) oder (11) jedes Ersatz-Dreipols (100) in den Schaltzustand II oder III und die verbleibenden in den Schaltzustand I gesteuert werden.