DE10103031B4

DE10103031B4 - Stromrichterschaltung mit verteilten Energiespeichern und Verfahren zur Steuerung einer derartigen Stromrichterschaltung

Info

Publication number: DE10103031B4
Application number: DE10103031A
Authority: DE
Inventors: Rainer Prof.-Dr.-Ing. Marquardt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-01-24
Filing date: 2001-01-24
Publication date: 2011-12-01
Anticipated expiration: 2021-01-25
Also published as: DE20122923U1; DE10103031A1

Abstract

Stromrichterschaltung mit wenigstens zwei jeweils zwei elektrisch in Reihe geschalteten Zweigen aufweisenden Ersatz-Dreipolen (100), deren Plusanschlüsse (P) mit einer positiven Sammelschiene (P₀) und deren Minusanschlüsse (N) mit einer negativen Sammelschiene (N₀) der Stromrichterschaltung elektrisch leitend verbunden sind, wobei ein Verbindungspunkt der beiden elektrisch in Reihe geschalteten Zweige eines jeden Ersatz-Dreipols (100) einen Lastanschluss (L) bildet, wobei jeder Ersatz-Dreipol (100) k elektrisch in Reihe geschaltete zweipolige Subsysteme (10, 11) aufweist, wobei jedes zweipolige Subsystem (10, 11) einen unipolaren Speicherkondensator (9) aufweist, dem eine Reihenschaltung zweier steuerbarer elektronischer Schalter (1, 3) jeweils mit einer antiparallel geschalteten Diode (2, 4) elektrisch parallelgeschaltet ist, und wobei ein Anschluss des unipolaren Speicherkondensators (9) und ein Verbindungspunkt dieser beiden steuerbaren elektronischen Schalter (1, 3) jeweils eine Klemme (X1, X2 bzw. X2, X1) eines zweipoligen Subsystems bilden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromrichterschaltung mit wenigstens zwei jeweils zwei elektrisch in Reihe geschalteten Zweigen aufweisenden Ersatz-Dreipolen, deren Plus-Anschlüsse mit einer positiven Sammelschiene und deren Minus-Anschlüsse mit einer negativen Sammelschiene der Stromrichterschaltung elektrisch leitend verbunden sind, wobei ein Verbindungspunkt der beiden elektrisch in Reihe geschalteten Zweige eines jeden Ersatz-Dreipols einen Lastanschluss bildet, und auf ein Verfahren zur Steuerung dieser Stromrichterschaltung.
Zum zwecke der verlustarmen Umformung elektrischer Energie ist 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 Störfälle 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” bezeichnet. Ein Ersatzschaltbild eines derartigen Stromrichtertyps ist in 1 näher dargestellt. Gemäß dieser Darstellung dient dieser Stromrichter mit eingeprägter Gleichspannung U_d zum gesteuerten Energieaustausch zwischen zwei Drehstromnetzen L1, L2, L3 und L1b, L2b, L3b.
Folgende Merkmale zeichnen bekanntermaßen diesen Stromrichtertyp 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 einer wechselstromseitigen Last – z. B. einer Phase eines Wechselstromnetzes – zu verbinden ist.
– Die Phasenbausteine 5 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 der steuerbaren elektronischen Schalter 1 und 3 auf das Potential von P oder 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 des Einstellens eines Sollwertes des Potentials am Lastanschluss L wird als ”Spannungsaussteuerung” bezeichnet.
– Eine gleichspannungsseitige Kondensatorbatterie 7 zur Stützung der Gleichspannung U_d ist über ein System induktionsarmer Sammelschienen P₀ und N₀ mit den gleichspannungsseitigen Anschlüssen P und N aller Phasenbausteine 5 direkt verbunden. Die Kondensatorbatterie 7 kann in bekannter Weise aus einer Reihen- und/oder Parallelschaltung mehrerer Kondensatoren bestehen und auch räumlich zwischen den Phasenbausteinen 5 verteilte Kondensatoren enthalten. Die letztgenannte Maßnahme wird oft angewendet, wenn unter an derem wegen großer räumlicher Ausdehnung (lange Strecken, große Isolationsabstände) die Sammelschienen P₀ und N₀ nicht genügend induktionsarm, d. h. mit sehr kleinen Streuinduktivitäten, ausgeführt werden können. Nachteilig bei dieser räumlichen Verteilung von Kondensatoren sind hochfrequente Schwingungen zwischen den Teilkondensatoren und Streuinduktivitäten, die wegen der resultierenden zusätzlichen Strombelastung der Kondensatoren störend sind.

Die Nachteile der U-Umrichter sind bei den genannten Anwendungen:

– Bei Kurzschluss der Gleichspannungsseite zwischen den Sammelschienen P₀ und N₀ fließen extrem hohe Entladeströme aus der gleichspannungsseitigen Kondensatorbatterie 7, die Zerstörungen infolge extrem hoher mechanischer Krafteinwirkungen und/oder Lichtbogeneinwirkungen verursachen können.
– Beim Ausfall von steuerbaren elektronischen Schaltern 1 bzw. 3 oder ihrer fehlerhaften Ansteuerung kann der kurzschlussartige Entladestrom direkt über die steuerbaren elektronischen Schalter 1 und 3 fließen mit der Folge deren Zerstörung bzw. ihrer Kontaktierungen.
– Die für die Halbleiterschalter des U-Umrichters erforderliche sehr kleine Streuinduktivität der Kondensatorbatterie 7 steht mit steigendem Spannungsniveau einer mechanischen kurschlussfesten und isoltationsmäßig sicheren konstruktiven Ausführung immer mehr entgegen.
– Vor Inbetriebnahme des Stromrichters ist 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 7 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 steuerbaren elektronischen Schaltern 1 und 3 erforderlich machen, besonders gravierend. Es sind mehrere Schaltungen bekannt, die durch verschiedenartige Aufteilung des U-Umrichters in Teilstromrichtern oder mittels verschiedener Zusatzschaltungen diese Nachteile zu mindern suchen: Eine dieser Stromrichter-Schaltungen ist aus der Veröffentlichung ”Fundamentals of a New Diode Clamping Multilevel Inverter” von Xiaoming Yuan und Ivo Barbi, abgedruckt in IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, Vol. 15, No. 4, July 2000, bekannt. In der 3 dieser Veröffentlichung ist eine neue Struktur einer Diodenklemmschaltung einer Fünfpunkt-Stromrichterschaltung dargestellt und beschrieben. Kennzeichnend für diese Schaltungsart ist die Aufteilung der gleichspannungsseitigen Kondensatorbatterie des U-Umrichters in eine direkte Serienschaltung von Kondensator-Teilbatterien sowie die Sicherstellung der Spannungsaufteilung reihengeschalteter Leistungshalbleiter durch ein Netzwerk aus Dioden.
Die Vorteile dieser Diodenklemmschaltung einer Fünfpunkt-Stromrichterschaltung 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:

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

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 bzw. Kurzschlussverhalten und Ausfälle von Leistungshalbleitern nicht wesentlich gemildert werden können. Es sind deshalb noch weitere Lösungsansätze entwickelt worden.
Eine weitere Ausführungsform einer Fünfpunkt-Stromrichterschaltung ist aus der Veröffentlichung ”Multilevel Converters – A New Breed of Power Converters” von Jih-Sheng Lai und Fang Zheng Peng, veröffentlicht in IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, Vol. 32, No. 3, May/Dune 1996, insbesondere der 4, bekannt. Diese Schaltungsart benötigt statt des Netzwerks aus Dioden eine Anzahl von Kondensatorbatterien 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) und e) vermieden. Äußerst ungünstig ist ferner die Tatsache, dass die zusätzlichen Kondensatorbatterien stark ungleiche, teilweise sehr hohe Spannungen aufweisen.
Eine dritte Ausführungsform einer Mehrpunkt-Stromrichterschaltung ist aus dieser Veröffentlichung, insbesondere aus der 5, bekannt. Diese vorgestellte Mehrpunkt-Stromrichterschaltung wird als Kaskaden-Stromrichter mit separaten Gleichspannungsquellen bezeichnet. Kennzeichnend ist, dass als Teilstromrichter einphasige Vollbrückenschaltungen (U-Umrichter) wechselstromseitig in Reihe geschaltet sind. Die zwei genannten Nachteile d) und 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 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.
Aus der Veröffentlichung ”Multilevel Converters for Large Electric Drives” von M. Tolbert, Fang Zheng Peng und Thomas G. Habether, veröffentlicht in IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, Vol. 35, Nr. 1, Jan/Feb. 1999, ist eine Anwendung für Wirkleistungsübertragung (Elektroantrieb für ein Kraftfahrzeug) mit fünfzehn 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 der Veröffentlichung ”A New Multilevel Inverter Topology with a Hybrid Approach”, von Bum-Senk Suh, Vo-Han Lee, Dong-Seok Hyun und Thomas A. Lipo, veröffentlicht in European Power Electronics Conference 1999 (Lausanne), bekannt. Gemäß der 3 dieser Veröffentlichung setzt diese Variante 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 Wirkleistungsbilanz beitragen. Eine Erweiterung auf höhere Stufenzahlen ist damit weitestgehend nutzlos oder auf Anwendungen mit überwiegender Blindleistung beschränkt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine auf beliebige Stufenzahlen modular erweiterbare Stromrichterschaltung anzugeben, welche frei von den genannten Nachteilen der bekannten Anordnungen ist. Die vorab genannten Vorteile a) und b) sollen jedoch erhalten bleiben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Der Ansatz der erfindungsgemäßen Vorgehensweise besteht darin, die Phasenbausteine in den bekannten Grundschaltungen der U-Umrichter durch leistungsseitg bezüglich seiner Klemmen anschlusskompatible Ersatz-Dreipole zu ersetzen.
Diese Ersatz-Dreipole weisen erfindungsgemäß jeweils k elektrisch in Reihe geschaltete zweipolige Subsysteme auf, wobei jedes zweipolige Subsystem einen unipolaren Speicherkondensator aufweist, dem eine Reihenschaltung zweier steuerbarer elektronischer Schalter jeweils mit einer antiparallel geschalteten Diode elektrisch parallel geschaltet ist, und wobei ein Anschluss des unipolaren Speicherkondensators und ein Verbindungspunkt dieser beiden steuerbaren elektronischen Schalter jeweils eine Klemme eines zweipoligen Subsystems bilden.
Durch diese anschlusskompatiblen Ersatz-Dreipole kann vollständig auf eine Kondensatorbatterie an den Sammelschienen des U-Umrichters verzichtet werden. Außerdem wird der parallele Betrieb einer beliebigen Anzahl von Ersatz-Dreipolen an den Sammelschienen des U-Umrichters ermöglicht, ohne dass störende Ausgleichsströme zwischen den Ersatz-Dreipolen und resultierende Energieverluste entstehen.
Jedes zweipolige Subsystem eines jeden Ersatz-Dreipols kann in drei unterschiedliche Schaltzustände gesteuert werden. Im Schaltzustand I ist der Wert einer Klemmenspannung eines jeden zweipoligen Subsystems unabhängig von einer Klemmenstromrichtung gleich Null. Im Schaltzustand II ist der Wert einer Klemmenspannung eines jeden zweipoligen Subsystems unabhängig von einer Klemmenstromrichtung gleich dem Wert einer Spannung seines Speicherkondensators. Im Schaltzustand III ist die Klemmenspannung eines jeden zweipoligen Subsystems unabhängig von einer Klemmenstromrichtung so gerichtet, dass das zweipolige Subsystem keine Energie abgibt.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung einer erfindungsgemäßen Stromrichterschaltung mit wenigstens zwei jeweils zwei elektrisch in Reihe geschalteten Zweigen aufweisenden Ersatz-Dreipolen, wobei jeder Ersatz-Dreipol k elektrisch in Reihe geschaltete zweipolige Subsysteme aufweist, werden von den k in Reihe geschalteten zweipoligen Subsystemen eines jeden Ersatz-Dreipols m zweipolige Subsysteme in den Schaltzustand II und k – m zweipolige Subsysteme in den Schaltzustand I gesteuert, wobei m kleiner k ist. Dadurch kann einerseits eine an jedem Ersatz-Dreipol anstehende Gleichspannung und andererseits eine am Lastanschluss eines jeden Ersatz-Dreipols anstehende Wechselspannung eingestellt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen genannt.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der die erfindungsgemäße Stromrichterschaltung schematisch veranschaulicht ist:
1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines dreiphasigen Umrichters mit eingeprägter Gleichspannung, die
2 veranschaulicht eine einfache Schaltungsanordnung für ein zweipoliges Subsystem, wogegen in der
3 eine funktional völlig gleichwertige Variante einer Schaltungsanordnung eines zweipoligen Subsystems veranschaulicht ist, die
4 zeigt eine Schaltungsanordnung eines Ersatz-Dreipols einer Stromrichterschaltung nach der Erfindung, wobei in der
5 der Ersatz-Dreipol nach 4 mit seinen Teilspannungen dargestellt ist, die
6 veranschaulicht einen Ersatz-Dreipol einer Stromrichterschaltung nach der Erfindung mit wechselndem Richtungssinn seiner zweipoligen Subsysteme, und in der
7 ist eine vorteilhafte Ausführungsform zur Vorladung von Speicherkondensatoren der zweipoligen Subsysteme eines Ersatz-Dreipols nach 4 dargestellt.
Eine mögliche einfache Schaltungsanordnung für zweipolige Subsysteme 10 ist in 2 dargestellt. 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 zweipolige Subsytem 10 enthält weiterhin einen unipolaren Speicherkondensator 9 oder eine Kondensatorbatterie aus mehreren solchen Speicherkondensatoren 9 mit der resultierenden Kapazität C₀.
Im Schaltzustand I ist der steuerbare elektronische Schalter 1 eingeschaltet und der steuerbare elektronische Schalter 3 des zweipoligen Subsystems 10 ausgeschaltet. Im Schaltzustand II ist der steuerbare elektronische Schalter 1 ausgeschaltet und der steuerbare elektronische Schalter 3 des zweipoligen Subsystems 10 eingeschaltet. Der Speicherkondensator 9 ermöglicht es, regenerative Energie abzugeben oder aufzunehmen. Die Klemmenspannung, d. h. die Potentialdifferenz zwischen den Klemmen X1 und X2 des zweipoligen Subsystems 10 entspricht in diesem Zustand der Spannung U_C des Speicherkondensators 9. Im Schaltzustand III sind beide steuerbare elektronische Schalter 1 und 3 des zweipoligen Subsystems 10 ausgeschaltet. Es ist in diesem Zustand sicher ausgeschlossen, dass in einem äußeren Fehlerfall – wie z. B. Klemmenkurzschluss – unerwünscht Energie abgegeben wird.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung zeigt die 4 einen erfindungsgemäßen Ersatz-Dreipol 100, der mittels einer inneren Reihenschaltung einer Anzahl von k Subsystemen 10 realisiert ist. Die 5 zeigt die gleiche Anordnung mit zusätzlicher Bezeichnung der Teilspannungen U₁ bis U₈ der Subsysteme 10. Beispielhaft ist in 4 und in 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 einer einheitlichen Spannungshöhe U_C vorgeladen sind. Geeignete Verfahren zur Erzeugung dieses Vorladezustands werden nachfolgend beschrieben. Des Weiteren soll der Ersatz-Dreipol 100 erfindungsgemäß ohne eine gleichspannungsseitige Kondensatorbatterie 7 betrieben werden.
Um den parallelen Betrieb einer Vielzahl von Ersatz-Dreipolen 100 an gemeinsamen Sammelschienen P₀ und N₀ zu gewährleisten, werden die zweipoligen Subsysteme 10 eines jeden Ersatz-Dreipols 100 erfindungsgemäß gesteuert. Gemäß diesem erfindungsgemäßen Steuerverfahren werden im regulären Betrieb des Stromrichters nur die Schaltzustände I und II der Subsysteme 10 angesteuert. Der Schaltzustand III wird nur bei Störungsfällen, wie z. B. Kurzschluss der Sammelschienen P₀ und N₀ für den gezielten Leerlauf Unterbrechung des Stromrichterbetriebs) und für vernachlässigbar kurze Schaltverzögerungszeiten der steuerbaren elektronischen Schalter 1 und 3 bei Schaltzustandswechsel genutzt bzw. auftreten. Bei jedem Ersatz-Dreipol 100 lassen sich nun unabhängig von einander die beiden folgenden Größen vorgeben:

– Die Potentialdifferenz U_PN 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 10 oder 11 in den Schaltzustand I gesteuert werden. Die zwischen den Klemmen P und N des Ersatz-Dreipols 100 wirksame Kapazität beträgt dann C_PN = C₀/m.
– Das Potential der Klemme 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, in dem 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 zweipoliger Subsysteme 10, Ersatz-Dreipole 100 und einer symmetrischen und maximalen Spannungsaussteuerung im Allgemeinen zu bevorzugen ist, besteht im Folgenden:
Der Lastanschluss L wird schaltungstechnisch symmetrisch zwischen den Klemmen P und N eines Ersatz-Dreipols 100 abgegriffen. Damit ergibt sich k als gerade Zahl, wobei allgemein k ≥ 4 und folglich n = k/2 gilt. Zur Vorgabe der Potentialdifferenz U_PN ergibt dann ein Wert von m = k/2 den Vorteil einer maximal möglichen (und symmetrischen) Spannungsaussteuerung des Potentials an dem Lastanschluss L.
Bei steuerungsseitiger Vorgabe eines Wertes x = n/2 nimmt das Potential am Lastanschluss L dann den arithmetischen Mittelwert der Potentiale der Klemmen P und N an. Dieser Wert kann analog zum Dreipunkt-Wechselrichter als Ruhelage oder Mittenpotential bezüglich der Spannungsaussteuerung 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, nämlich 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 10 oder 11 im Schaltzustand II und alle im Zweig zwischen der Klemme L und der Klemme P liegenden Subsysteme 10 oder 11 im Schaltzustand I. Um die maximale negative Spannungsaussteuerung, nämlich 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 10 oder 11 im Schaltzustand I und alle im Zweig zwischen der Klemme L und der Klemme P liegenden Subsysteme 10 oder 11 im Schaltzustand II.
Diese beiden Extremweiten der Spannungsaussteuerung (x = n und x = 0) zeichnen sich dadurch aus, dass keine Freiheitsgrade bezüglich der Schaltzustände der Subsysteme 10 oder 11 der Ersatz-Dreipole 100 bestehen. In allen Zwischenzuständen (0 < x < n), die den Zwischenstufen des Potentials an der Klemme 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) lassen sich diese Freiheitsgrade in zweierlei Hinsicht vorteilhaft nutzen, wie im Vorliegenden erläutert wird. Der erste Punkt betrifft die Vorgabe von variablen Werten von m:
Diesbezüglich besteht ein wesentliches und kennzeichnendes Merkmal der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen darin, dass es mittels der Steuerung, nämlich 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 und N₀ wirksamen Gesamtkapazität und folglich des Energieinhalts vorzunehmen. In Analogie zu einem konventionellen U-Umrichter lässt sich die wirksame Kapazität C_PN als wirksame ”Teilkapazität” an den Sammelschienen P₀ und N₀ betrachten, die ein Ersatz-Dreipol 100 zu der insgesamt an den Sammelschienen P₀ und N₀ vorhandenen Gesamtkapazität beiträgt. Letztere entspricht der Summe der Kapazitäten C_PN aller an den gleichen Sammelschienen P₀ und N₀ angeschlossenen Ersatz-Dreipole 100. Gemäß der genannten 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 der 1) die Spannung an den Sammelschienen P₀ und N₀ konstant zu halten.
Ein zweiter Punkt bezüglich der vorteilhaften Nutzung der oben angegebenen Freiheitsgrade besteht darin, diese zur Symmetrierung der einzelnen Spannungen U_C der Subsysteme 10 oder 11 untereinander zu nutzen. Das Verfahren beruht hier auf der im Grunde trivialen Tatsache, dass innerhalb einer Reihenschaltung von Subsystemen 10 oder 11 im gleichen Schaltungszweig diese untereinander – ohne Einfluss auf die Gesamtspannung des Zweiges – die Rolle tauschen können. Dies kann zur Vergleichmäßigung der einzelnen Spannungen der Subsysteme 10 oder 11 genutzt werden. Ein entsprechendes Verfahren ist z. B. aus dem Beitrag ”Direct Approach for Balancing the Capacitor Voltage of a 5-Level Flying Capacitor Converter” von Miguel F. Escalante G. und Jean-Claude Vannier, European Power Electronic Conference 1999, Lausanne, bekannt.
Das dort angegebene Verfahren zur Symmetrierung der Kondensatorspannungen beruht auf den dort angeführten Voraussetzungen:

– Die Spannung jedes Teilkondensators wird messtechnisch erfasst, um die Abweichung von einem vorgegebenen Sollwert zu bestimmen: Sinngemäß übertragen auf die vorliegende Erfindung entspricht dies der messtechnischen Erfassung der Kondensatorspannung U_C jedes Subsystems 10 oder 11.
– Die Stromrichtung in der Last wird erfasst, um die Richtung der Änderungstendenz von jeder der oben angegebenen 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, nämlich 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 oben angegebener Literaturstelle bekannte Verfahren zur Symmetrierung der Kondensatorspannungen anwendbar. Die erstgenannte Voraussetzung bedeutet – wie vorstehend erläutert –, dass die Spannung U_C jedes Subsystems 10 oder 11 messtechnisch erfasst werden muss. Bezüglich des Aufwandes günstiger ist es dann, auch die Richtung der Änderungstendenz der Kondensatorspannungen U_C 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 sich erübrigt.
Die 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 und X₂ aufweisen. Letzteres ermöglicht beide Polaritäten der Potentialdifferenz U_PN sowie ein Potential an der Klemme L, das positiver als das an der Klemme P oder negativer als das an der 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 9) eine galvanische Verbindung der positiven Pole der beiden Speicherkondensatoren 9 möglich. Analog ist bei Einsatz von Subsystemen 11 nach 3 eine galvanische Verbindung der negativen Pole der beiden Speicherkondensatoren 9 möglich.
Die 7 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform zur Vorladung der Speicherkondensatoren 9 der Subsysteme 10 bzw. 11. 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 22 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 10 bzw. 11 je Ersatz-Dreipol 100 theoretisch nur der einfachen Spannung U_C zur Vorladung eines Subsystems 10 bzw. 11. Auch bei Berücksichtigung der Durchlassspannungen realer Halbleiter (1, 2, 3 und 4) in den Subsystemen 10 oder 11 ist sie nur unwesentlich höher. Um dies zu erreichen, kann jeder Ersatz-Dreipol 100 zwecks Vorladung folgendermaßen gesteuert werden:
Von den k Subsystemen 10 oder 11 eines Ersatz-Dreipols 100 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 10 bzw. 11 in den Schaltzustand II und das vorhergehende zurück in den Schaltzustand I gesteuert. Entsprechend diesem Verfahren sind nach k Umschaltungen alle Subsysteme 10 bzw. 11 vorgeladen. Befinden sich wie gewöhnlich mehrere Ersatz-Dreipole 100 an den Sammelschienen P₀ und 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 Stromspitzen in den Erdkapazitäten und den Leistungshalbleitern, die bei deren Schaltvorgängen aufgrund von den verursachten Potentialsprüngen auftreten. Die erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen bieten hier generell die Möglichkeit, an beliebigen Schaltungspunkten, jeweils in Reihe mit den Klemmen X₁ und X₂ der Subsysteme 10 oder 11 zusätzliche Impedanzen – vorzugsweise relativ klein bemessene Induktivitäten – einzufügen, ohne die Funktion der Schaltung wesentlich zu stören.

Claims

Stromrichterschaltung mit wenigstens zwei jeweils zwei elektrisch in Reihe geschalteten Zweigen aufweisenden Ersatz-Dreipolen (100), deren Plusanschlüsse (P) mit einer positiven Sammelschiene (P₀) und deren Minusanschlüsse (N) mit einer negativen Sammelschiene (N₀) der Stromrichterschaltung elektrisch leitend verbunden sind, wobei ein Verbindungspunkt der beiden elektrisch in Reihe geschalteten Zweige eines jeden Ersatz-Dreipols (100) einen Lastanschluss (L) bildet, wobei jeder Ersatz-Dreipol (100) k elektrisch in Reihe geschaltete zweipolige Subsysteme (10, 11) aufweist, wobei jedes zweipolige Subsystem (10, 11) einen unipolaren Speicherkondensator (9) aufweist, dem eine Reihenschaltung zweier steuerbarer elektronischer Schalter (1, 3) jeweils mit einer antiparallel geschalteten Diode (2, 4) elektrisch parallelgeschaltet ist, und wobei ein Anschluss des unipolaren Speicherkondensators (9) und ein Verbindungspunkt dieser beiden steuerbaren elektronischen Schalter (1, 3) jeweils eine Klemme (X1, X2 bzw. X2, X1) eines zweipoligen Subsystems bilden.
Stromrichterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert einer Klemmenspannung eines jeden zweipoligen Subsystems (10, 11) in einem Schaltzustand I unabhängig von einer Klemmenstromrichtung gleich Null ist.
Stromrichterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert einer Klemmenspannung eines jeden zweipoligen Subsystems (10, 11) in einem Schaltzustand II unabhängig von einer Klemmenstromrichtung gleich dem Wert einer Spannung (U_C) des Speicherkondensators (9) ist.
Stromrichterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmenspannung eines jeden zweipoligen Subsystems (10, 11) in einem Schaltzustand III unabhängig von einer Klemmenstromrichtung so gerichtet ist, dass das System (10, 11) keine Energie abgibt.
Stromrichterschaltung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass k jede beliebige Zahl größer zwei ist.
Stromrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass k eine durch zwei teilbare Zahl ist.
Verfahren zur Steuerung einer Stromrichterschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 6, wobei von den k in Reihe geschalteten zweipoligen Subsystemen (10, 11) eines jeden Ersatz-Dreipols (100) der Stromrichterschaltung m zweipolige Subsysteme (10, 11) in den Schaltzustand 11 und k – m zweipolige Subsysteme (10, 11) in den Schaltzustand I gesteuert werden, wobei m kleiner k ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass m der k zweipoligen Subsysteme (10, 11) eines jeden Ersatz-Dreipols (100) der Stromrichterschaltung periodisch variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass m der k zweipoligen Subsysteme (10, 11) eines jeden Ersatz-Dreipols (100) der Stromrichterschaltung transient variiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Schaltzustand I eines jeden zweipoligen Subsystems (10, 11) der steuerbare elektronische Schalter (1) der beiden elektrisch in Reihe geschalteten steuerbaren elektronischen Schalter (1, 3), der elektrisch parallel zu den Klemmen (X1, X2) eines jeden zweipoligen Subsystems (10, 11) geschaltet ist, eingeschaltet ist, wogegen der zweite steuerbare elektronische Schalter (3) dieser Reihenschaltung ausgeschaltet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Schaltzustand II eines jeden zweipoligen Subsystems (10, 11) der steuerbare elektronische Schalter (1) der beiden elektrisch in Reihe geschalteten steuerbaren elektronischen Schalter (1, 3), der elektrisch parallel zu den Klemmen (X1, X2) eines jeden zweipoligen Subsystems (10, 11) geschaltet ist, ausgeschaltet ist, wogegen der zweite steuerbare elektronische Schalter (3) dieser Reihenschaltung eingeschaltet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Schaltzustand III eines jeden zweipoligen Subsystems (10, 11) die beiden elektrisch in Reihe geschalteten steuerbaren elektronischen Schalter (1, 3) eines jeden zweipoligen Subsystems (10, 11) ausgeschaltet sind.