DE102008036809A1

DE102008036809A1 - Redundanzsteuerverfahren eines mehrphasigen Stromrichters mit verteilten Energiespeichern

Info

Publication number: DE102008036809A1
Application number: DE102008036809A
Authority: DE
Inventors: Marc Hiller; Dietmar Krug
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-08-07
Filing date: 2008-08-07
Publication date: 2010-02-18
Also published as: WO2010015432A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung eines Stromrichters (102) mit verteilten Energiespeichern (9). Erfindungsgemäß werden gestörte Subsysteme (10) in wenigstens einem Ventilzweig (T1, ..., T6) wenigstens eines Phasenmoduls (100) des Stromrichters (102) ermittelt, wird ein ungestörter Ventilzweig (T1, ..., T6) eines gestörten Phasenmoduls (100) ermittelt, werden die ermittelten Subsysteme (10) und eine entsprechende Anzahl von Subsystemen (10) in dem ungestörten Ventilzweig (T1, ..., T6) derart angesteuert, dass deren Klemmenspannungen (UX21) Null sind, werden Phasenwinkel in Abhängigkeit der Anzahl ermittelter gestörter Subsysteme (10) ausgewählt und werden Steuersignale (Snu) für die ungestörten Subsysteme (10) der Ventilzweige T1, ..., T6) in Abhängigkeit gemessener Ausgangsspannungen (UL10, UL20, UL30) einer Sollspannung $I1 und der ausgewählten Phasenwinkelgeneriert. Somit erhält man trotz Ausfall wenigstens eines Subsystems (10) eines Stromrichterrs (102) mit verteilten Energiespeichern (9) ein symmetrisches Spannungssystem mit einer möglichst großen Amplitude.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung eines Stromrichters mit verteilten Energiespeichern.
Aus der DE 101 03 031 A1 ist ein Stromrichter mit verteilten Energiespeichern bekannt. Ein Ersatzschaltbild eines derartigen Stromrichters ist in der 1 näher dargestellt. Gemäß diesem Ersatzschaltbild weist dieser bekannte Stromrichter, der mit 102 bezeichnet ist, drei Phasenmodule auf, die jeweils mit 100 bezeichnet sind. Diese Phasenmodule 100 sind gleichspannungsseitig jeweils mit einer positiven und einer negativen Gleichspannungs-Sammelschiene P₀ und N₀ elektrisch leitend verbunden. Zwischen diesen beiden Gleichspannungs-Sammelschienen P₀ und N₀ wäre bei einem Spannungszwischenkreis-Umrichter eine Reihenschaltung zweier Kondensatoren C1 und C2 geschaltet, an denen eine Gleichspannung U_d abfällt. Ein Verbindungspunkt dieser beiden elektrisch in Reihe geschalteten Kondensatoren C1 und C2 bilden einen virtuellen Mittelpunkt 0. Jedes Phasenmodul 100, das einen Brückenzweig des mehrphasigen Stromrichters bildet, weist einen oberen und einen unteren Teilbrückenzweig auf, die, da die Teilbrückenzweige jeweils ein Stromrichterventil des mehrphasigen Stromrichters mit verteilten Energiespeichern darstellen, im Folgenden als Ventilzweig T1 bzw. T3 bzw. T5 und T2 bzw. T4 bzw. T6 bezeichnet werden. Jeder dieser Ventilzweige T1 bis T6 weist eine Anzahl von elektrisch in Reihe geschalteten zweipoligen Subsystemen 10 auf. In diesem Ersatzschaltbild des Stromrichters 102 weist jeder Ventilzweig T1, ..., T6 vier zweipolige Submodule 10 auf. Die Anzahl der Subsysteme 10 pro Ventilzweig T1, ..., T6 ist jedoch nicht auf diese dargestellte Anzahl beschränkt. Jeder Verknüpfungspunkt zweier Ventilzweige T1 und T2 bzw. T3 und T4 bzw. T5 und T6 eines Phasenmoduls 100 bildet einen wechselspannungsseitigen Anschluss L1 bzw. L2 bzw. L3 eines Phasenmoduls 100. Da in dieser Darstellung der Stromrichter 102 drei Phasenmodule 100 aufweist, kann an deren wechselspannungsseitigen Anschlüssen L1, L2 und L3, die auch als Lastanschlüsse bezeichnet werden, eine dreiphasige Last, beispielsweise ein Drehstrommotor, angeschlossen werden.
In der 2 ist ein Ersatzschaltbild einer bekannten Ausführungsform eines zweipoligen Subsystems 10 näher dargestellt. Die Schaltungsanordnung nach 3 stellt eine funktional völlig gleichwertige Variante dar. Beide Ausführungsformen eines zweipoligen Subsystems 10 sind aus der DE 101 03 031 A1 bekannt. Diese bekannten zweipoligen Subsysteme 10 weisen jeweils zwei abschaltbare Halbleiterschalter 1 und 3, jeweils zwei Dioden 2 und 4 und jeweils einen unipolaren Speicherkondensator 9 auf. Die beiden abschaltbaren Halbleiterschalter 1 und 3 sind elektrisch in Reihe geschaltet, wobei diese Reihenschaltung elektrisch parallel zum Speicherkondensator 9 geschaltet ist. Jedem abschaltbaren Halbleiterschalter 1 und 3 ist eine der beiden Dioden 2 und 4 derart elektrisch parallel geschaltet, dass diese zum korrespondierenden abschaltbaren Halbleiterschalter 1 oder 3 antiparallel geschaltet ist. Der unipolare Speicherkondensator 9 des Subsystems 10 besteht entweder aus einem Kondensator oder einer Kondensatorbatterie, die mehrere solcher Kondensatoren aufweist. Der Verbindungspunkt von Emitter des abschaltbaren Halbleiterschalters 1 und Anode der Diode 2 bildet eine Anschlussklemme X1 des Subsystems 10. Der Verbindungspunkt der beiden abschaltbaren Halbleiterschalter 1 und 3 und der beiden Dioden 2 und 4 bilden eine zweite Anschlussklemme X2 des Subsystems 10.
In der Ausführungsform des zweipoligen Subsystems 10 gemäß 3 bildet dieser Verbindungspunkt die erste Anschlussklemme X1. Der Verbindungspunkt von Kollektor des abschaltbaren Halbleiterschalters 1 und Kathode der Diode 2 bilden die zweite Anschlussklemme X2 des Subsystems 10.
In beiden Ausführungsformen des zweipoligen Subsystems 10 gemäß der 2 und 3 werden als abschaltbare Halbleiterschalter 1 und 3 Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBT) verwendet. Ebenfalls können MOS-FeldEffektTransistoren, auch als MOSFET bezeichnet, verwendet werden. Außerdem können Gate Turn Off-Thyristoren, auch als GTO-Thyristoren bezeichnet, oder Integrated Gate Commutated Thyristoren (IGCT) verwendet werden.
Gemäß der DE 101 03 031 A1 können die zweipoligen Subsysteme 10 eines jeden Phasenmoduls 100 des Stromrichters 102 nach der 1 in einen Schaltzustand I, II und III gesteuert werden. Im Schaltzustand I ist der abschaltbare Halbleiterschalter 1 eingeschaltet und der abschaltbare Halbleiterschalter 3 ausgeschaltet. Dadurch ist eine an den Anschlussklemmen X1 und X2 anstehende Klemmenspannung U_X21 des zweipoligen Subsystems 10 gleich Null. Im Schaltzustand II sind der abschaltbare Halbleiterschalter 1 ausgeschaltet und der abschaltbare Halbleiterschalter 3 eingeschaltet. In diesem Schaltzustand II ist die anstehende Klemmenspannung U_X21 gleich der am Speicherkondensator 9 anstehenden Kondensatorspannung U_C. Im Schaltzustand III sind beide abschaltbare Halbleiterschalter 1 und 3 ausgeschaltet und die am Speicherkondensator 9 anstehende Kondensatorspannung U_C ist konstant.
Damit dieser Stromrichter 102 mit verteilten Energiespeichern 9 gemäß 1 redundant arbeiten kann, muss sichergestellt werden, dass ein fehlerhaftes Subsystem 10 an seinen Klemmen X1 und X2 dauerhaft kurzgeschlossen ist. Das heißt, dass die Klemmenspannung U_X21 des gestörten Subsystems 10 unabhängig von der Stromrichtung durch die Klemmen X1 und X2 Null ist.
Durch Ausfall eines der im Subsystem 10 vorhandenen abschaltbaren Halbleiterschalter 1 und 3 oder einer zugehörigen Ansteuerschaltung ist dieses Subsystem 10 in seiner ordnungsgemäßen Funktion gestört. Weitere mögliche Ursachen für Funktionsstörungen sind u. a. Fehler in der zugeordneten Ansteuerschaltung der Halbleiterschalter, deren Stromversorgung, Kom munikation und Messwerterfassung. Das heißt, das zweipolige Subsystem 10 kann nicht mehr wunschgemäß in einem der möglichen Schaltzustände I, II oder III gesteuert werden. Durch das Kurzschließen des Subsystems 10 an seinen Anschlüssen X1 und X2 wird diesem Subsystem 10 keine Energie mehr zugeführt. Dadurch werden Folgeschäden wie Überhitzung und Brand bei weiterem Betrieb des Stromrichters 102 sicher ausgeschlossen.
Eine derartige kurzschlussartige leitende Verbindung zwischen den Anschlussklemmen X1 und X2 eines gestörten zweipoligen Subsystems 10 muss zumindest den Betriebsstrom eines Ventilzweigs T1, ..., T6 des Phasenmoduls 100, in dem das gestörte zweipolige Subsystem 10 verschaltet ist, sicher und ohne Überhitzung führen. In der DE 10 2005 040 543 A1 ist angegeben, wie ein gestörtes Subsystem 10 sicher kurzgeschlossen werden kann, damit dieser bekannte Stromrichter 102 mit verteilten Energiespeichern 9 redundant weiterbetrieben werden kann.
Für die folgende Erläuterung sei angenommen, dass die Speicherkondensatoren 9 aller zweipoligen Subsysteme 10 jeweils die gleiche Spannung U_C aufweisen. Verfahren zur anfänglichen Herstellung dieses Zustands und dessen Beibehaltung im Betrieb sind ebenfalls aus der DE 101 03 031 A1 bekannt. In der 4 ist in einem Diagramm über der Zeit t ein Verlauf der Potentialdifferenz U_PL der Klemme P eines Phasenmoduls 100 gegen einen Lastanschluss L dargestellt. In der 5 ist in einem Diagramm über der Zeit t ein Verlauf der Potentialdifferenz U_LN des Lastanschlusses L gegen das Potential der Klemme N veranschaulicht. Gemäß diesen Potentialverläufen U_PL und U_LN werden zu den Zeitpunkten t1, ..., t8 von den acht zweipoligen Subsystemen 10 der Ventilzweige T1 und T2 jeweils ein Subsystem 10 zu- oder abgeschaltet. Ein Einschalten entspricht hierbei einem Übergang vom Schaltzustand I in den Schaltzustand II. Ein Abschalten entspricht einem Übergang vom Schaltzustand II in den Schaltzustand I. In diesen beiden Diagrammen ist jeweils eine Periode T_P einer Grundschwingung des Potentialverlaufs u_L0 (6) des Lastanschlusses L ge genüber einem virtuellen Mittelpunkt 0 eines Phasenmoduls 100 des Stromrichters 102 mit verteilten Energiespeichern 9 der Potentialverläufe U_PL und U_LN dargestellt.
In der 6 ist ein Verlauf einer Differenz der Potentialverläufe U_LN und U_PL gemäß den 4 und 5 in einem Diagramm über der Zeit t dargestellt. Dieser sich ergebende Potentialverlauf U_L0 liegt zwischen einem wechselspannungsseitigen Anschluss L1 bzw. L2 bzw. L3 eines Phasenmoduls 100 des Stromrichters 102 mit verteilten Energiespeichern 9 nach 1 und eines virtuellen Mittelpunktes 0, der bei einem Spannungszwischenkreis mit zwei Kondensatoren C1 und C2 vom Verbindungspunkt dieser beiden Kondensatoren C1 und C2 gebildet wird. Entsprechende Anteile von Oberschwingungen oder Gleichspannungskomponenten jeweils in den Ausgangsspannungen U_LX0 der Phasenmodule 100 des mehrphasigen Stromrichters 102 mit verteilten Energiespeichern 9 nach 1 löschen sich für den Fall eines symmetrischen Drehspannungssystems in den Differenzspannungen jeweils zweier phasenverschobener Ausgangsspannungen U_L10, U_L20 oder U_L30 aus. Diesen beiden Potentialverläufen U_PL und U_LN ist ebenfalls zu entnehmen, dass die Summe der Potentiale zu jedem Zeitpunkt 4·U_C ist. Das heißt, der Wert der Gleichspannung U_d zwischen den Gleichspannungs-Sammelschienen P₀ und N₀ entspricht immer einer konstanten Anzahl von Subsystemen 10 im Schaltzustand II multipliziert mit dem Wert der am Kondensator 9 anstehenden Kondensatorspannung U_C. In dem beispielhaft dargestellten Fall entspricht diese Zahl der in den Ventilzweigen T1, ..., T6 vorhandenen Anzahl von zweipoligen Subsystemen 10 des Stromrichters 102 nach 1.
In der 7 sind die Ausgangsspannungen U_L10, U_L20 und U_L30 des Stromrichters 102 mit verteilten Energiespeichern 9 und zugehörigen verketteten Spannungen U_L12, U_L23 und U_L32 zusammen dargestellt. In diesem ungestörten Fall bilden die Ausgangsspannungen U_L10, U_L20 und U_L30 und deren verketteten Spannungen U_L12, U_L23 und U_L32 ein symmtrisches Drehspannungssystem. Das heißt, die Phasenverschiebung der Ausgangsspannungen U_L10, U_L20 und U_L30 und deren verketteten Spannungen U_L12, U_L23 und U_L32 der drei Phasenmodule 100 des Stromrichters 102 mit verteilten Energiespeichern 9 sind zueinander 120°el..
Aus der DE 10 2005 045 091 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung eines Stromrichters mit verteilten Energiespeichern gemäß 1 bekannt, mit dem bei einem Störungsfall wenigstens eines Subsystems eines Phasenmoduls dieses Stromrichters die Symmetriebedingungen eingehalten werden. Gemäß diesem bekannten Verfahren wird zunächst ein Ventilzweig einer der drei Phasen ermittelt, indem ein oder mehrere zweipolige Subsysteme gestört sind. Jedes gestörte Subsystem wird derart angesteuert, dass die Amplitude der Klemmenspannung jeweils Null ist. In einem weiteren Ventilzweig des gestörten Phasenmoduls wird entsprechend der Anzahl der ermittelten zweipoligen Subsysteme eine dementsprechende Anzahl von Subsystemen derart angesteuert, dass die Amplitude der Klemmenspannung jeweils gleich einer Kondensatorspannung ist. Diese Steuerung von Subsystemen im gestörten Phasenmodul wird ebenfalls bei Subsystemen der Ventilzweige der ungestörten Phasenmodule ausgeführt.
In der 8 ist in einem Diagramm über der Zeit t ein Verlauf einer Potentialdifferenz U_PL1 der Klemme P eines Phasenmoduls 100 gegen einen Lastanschluss L1 dargestellt, wobei im unteren Ventilzweig T2 eines Phasenmoduls 100 ein zweipoliges Subsystem 10 gestört ist.
In der 9 ist in einem Diagramm über der Zeit t ein Verlauf einer Potentialdifferenz U_L1N der Klemme L1 gegen das Potential der Klemme N dargestellt. Dem Verlauf der Potentialdifferenz U_PL1 gemäß 8 ist zu entnehmen, dass ein Subsystem 10 des oberen Ventilzweigs T1 des Phasenmoduls 100 derart angesteuert wird, dass dessen Klemmenspannung U_X21 immer gleich der am Speicherkondensator 9 anstehenden Kondensatorspannung U_C ist. Dadurch bleiben von den beispielhaft dargestellten vier Subsystemen 10 des oberen Ventilzweigs T1 nur drei Subsysteme 10 übrig, die zu- bzw. abgeschaltet werden können. Dem zeitlichen Verlauf der Potentialdifferenz U_L1N des unteren Ventilzweigs T2 des Phasenmoduls 100 ist zu entnehmen, dass ein von den beispielhaft dargestellten vier Subsystemen 10 derart angesteuert ist, dass dessen Klemmenspannungen U_X21 immer gleich Null ist. Gemäß der 1 weist von diesen unteren Ventilzweigen T2, T4 und T6 der drei Phasenmodule 100 der Ventilzweig T2 ein gestörtes zweipoliges Subsystem 10, gekennzeichnet durch eine Schraffur, auf. Dadurch kann der Wert der Amplitude der Spannung U_L1N des Ventilzweigs T2 nur noch maximal 3·U_C sein. Durch dieses bekannte Verfahren ist die Anzahl der verwendeten Subsysteme 10 im gestörten Fall gleich der Anzahl der verwendeten Subsysteme 10 im ungestörten Fall. Der Verlauf der Amplitude der Summe der Potentialdifferenzen U_PL1 und U_L1N ist in dem Diagramm der 9 mittels einer unterbrochenen Linie veranschaulicht. Gegenüber einem ungestörten Fall weisen die Spannungen U_L10, U_L20 und U_L30 im gestörten Fall jeweils eine geringere maximale Amplitude auf. Im dargestellten Beispiel weisen diese Spannungen U_L10, U_L20 und U_L30 im ungestörten Fall eine maximale Spannungsamplitude von jeweils 1/2·U_d auf, wogegen im gestörten Fall eine maximale Amplitude nur noch 3/8·U_d ist. Das heißt, mittels dieses bekannten Verfahrens erhält man im gestörten Fall ein symmetrisches dreiphasiges Spannungssystem mit einer geringeren maximalen Amplitude.
In der 10 ist über der Zeit t ein Verlauf der Differenz der Potentialdifferenzen U_PL1 und U_L1N gemäß den 8 und 9 dargestellt. Diesem zeitlichen Verlauf des Potentials U_L10 des Lastanschlusses L1 gegenüber einem virtuellen Mittelpunkt 0 ist zu entnehmen, dass dieser nicht mehr symmetrisch um eine Nulllage pendelt. Diese Nulllage ist um 1/8·U_d verschoben. Das heißt, dieser Potentialverlauf weist einen Gleichspannungsanteil auf.
Aus der US 5,986,909 A ist ein Stromrichter mit einer Vielzahl von Zellenumrichtern pro Phase bekannt, deren Phasen in Stern geschaltet sind. Außerdem weist dieser Stromrichter einen Stromrichtertransformator auf, der entsprechend der An zahl der vorhandenen Zellenumrichter Sekundärwicklungen aufweist. Jeder Zellenumrichter besteht aus einem netzseitigen Diodengleichrichter und einem lastseitigen vierpulsigen Wechselrichter, deren Stromrichterventile steuerungsseitig mit einer Steuereinrichtung verknüpft sind. Gleichspannungsseitig sind der Diodengleichrichter und der vierpulsige Wechselrichter mittels eines Spannungszwischenkreises miteinander elektrisch leitend verbunden. Dieser Spannungszwischenkreis weist zwei Elektrolytkondensatoren auf, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Elektrisch parallel zu den beiden wechselspannungsseitigen Ausgangsklemmen eines jeden Zellenumrichters ist eine Bypassschaltung geschaltet. Die Zellenumrichter einer Phase des Stromrichters sind mittels der Ausgangsklemmen elektrisch in Reihe geschaltet. Fällt wenigstens ein Zellenumrichter einer Phase dieses Stromrichters aus, so wird dieser gestörte Zellenumrichter mittels seiner Bypassschaltung kurzgeschlossen. Durch den Ausfall wenigstens eines Zellenumrichters einer Phase des Stromrichters verringert sich die Ausgangsspannung des Stromrichters um den Wert der Ausgangsspannung eines Zellenumrichters. Um ein symmetrisches dreiphasiges Spannungssystem an den Ausgängen des Umrichters zu generieren, werden die Sollspannungen eines symmetrischen dreiphasigen Spannungssystems mit Verstärkungsfaktoren multipliziert, deren Werte in Abhängigkeit ausgefallener Zellenumrichter unterschiedlich sind. Mit diesem Mastermodulator erhält man ein symmetrisches dreiphasiges Spannungssystem mit einer maximalen Spannungsamplitude.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung eines dreiphasigen Stromrichters mit verteilten Energiespeichern anzugeben, mit dem bei Ausfall wenigstens eines Energiespeichers ein symmetrisches dreiphasiges Spannungssystem mit maximal möglicher Amplitude an den Ausgangsklemmen des Stromrichters generiert werden kann.
Gemäß diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst die Anzahl der gestörten Subsysteme und damit die gestörten Ventilzweige der Phasenmodule des Stromrichters ermittelt. An schließend werden die gestörten Subsysteme und die Subsysteme ungestörter Ventilzweige gestörter Phasenmodule derart angesteuert, dass deren Klemmenspannungen gleich Null sind. Dadurch sind alle gestörten Subsysteme und Subsysteme in den ungestörten Ventilzweigen gestörter Phasenmodule entsprechend der Anzahl der gestörten Subsysteme kurzgeschlossen. Dadurch weist die Ausgangsspannung eines gestörten Phasenmoduls eine verringerte Amplitude auf, die symmetrisch zu einer Nullage verläuft. Das heißt, dass diese Ausgangsspannung gleichspannungsfrei ist. Durch Ausfall wenigstens eines Subsystems in einem Ventilzweig eines Phasenmoduls wird aus einem an den Ausgangsklemmen des Stromrichters mit verteilten Energiespeichern anstehenden symmetrischen dreiphasigen Spannungssystem ein unsymmetrisches Spannungssystem.
Um dieses unsymmetrische dreiphasige Spannungssystem zu symmetrieren, wobei eine möglichst maximal erreichbare Spannungsamplitude erreicht werden soll, werden einem symmetrischen dreiphasigen Sollspannungssystem veränderte Phasenwinkel zugeordnet, die aus einer Sammlung vorbestimmter Phasenwinkel in Abhängigkeit der ermittelten Anzahl gestörter Subsysteme entnommen werden. Da bei einem Stromrichter mit verteilten Energiespeichern die Anzahl zweipoliger Subsysteme pro Phasenmodul bekannt ist, können Phasenwinkel eines dreiphasigen Spannungssystems in Abhängigkeit ausgefallener Subsysteme offline berechnet werden. Diese können dann abgerufen werden, sobald die Anzahl gestörter Subsysteme ermittelt worden ist. Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren erhält man bei Auswahl wenigstens eines Subsystems eine möglichst maximale verkettete Spannung eines symmetrischen dreiphasigen Spannungssystems.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines dreiphasigen Stromrichters mit verteilten Energiespeichern schematisch veranschaulicht ist.
1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines bekannten Stromrichters mit verteilten Energiespeichern, in der
2 ist ein Ersatzschaltbild einer ersten Ausführungsform eines bekannten zweipoligen Subsystems des Stromrichters nach 1 dargestellt, die
3 zeigt ein Ersatzschaltbild einer zweiten Ausführungsform eines bekannten zweipoligen Subsystems des Stromrichters nach 1, in den
4 bis 6 sind Potentialverläufe eines Phasenmoduls eines Stromrichters nach 1 im ungestörten Fall jeweils in einem Diagramm über der Zeit t dargestellt, in der
7 ist ein Zeigerdiagramm eines symmetrischen dreiphasigen Spannungssystems des Stromrichters gemäß 1 im ungestörten Fall dargestellt, in den
8 bis 10 sind Potentialverläufe eines Phasenmoduls eines Stromrichters nach 1 im gestörten Fall jeweils in einem Diagramm über der Zeit t dargestellt, die
11 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Steuerung eines Stromrichters nach 1, in den
12 bis 14 sind Potentialverläufe eines Phasenmoduls eines Stromrichters nach der 1 im gestörten Fall jeweils in einem Diagramm über der Zeit t veranschaulicht, die mittels einem Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens generiert sind, in der
15 ist ein Zeigerdiagramm eines unsymmetrischen dreiphasigen Spannungssystems des Stromrichters gemäß 1 im gestörten Fall dargestellt, und in den
16 bis 20 sind jeweils Zeigerdiagramme symmetrischer dreiphasiger Spannungssysteme des Stromrich ters nach 1 jeweils mit einer maximalen Spannung bei unterschiedlichen Störfällen veranschaulicht.
Die 11 zeigt ein Blockschaltbild einer Steuerung eines Stromrichters 102 mit verteilten Energiespeichern 9 gemäß 1. In diesem Blockschaltbild sind mit 104 eine Einrichtung zur Erzeugung von Steuersignalen, mit 106 eine Einrichtung zur Ermittlung gestörter zweipoliger Subsysteme 10 und mit 108 eine Speichervorrichtung bezeichnet. Die Einrichtung 104 ist ausgangsseitig mit Steueranschlüssen der Halbleiterschalter 1 und 3 der zweipoligen Subsysteme 10 der Ventilzweige T1, ..., T6 des Stromrichters 102 elektrisch leitend verbunden. Die an den wechselspannungsseitigen Anschlüssen L1, L2 und L3, auch als Ausgangsklemmen des Stromrichters 102 bezeichnet, anstehenden Ausgangsspannungen U_L10, U_L20 und U_L30 sind der Einrichtung 106 zur Ermittlung gestörter zweipoliger Subsysteme 10 zugeführt. Ausgangsseitig ist diese Einrichtung 106 einerseits mit einem Eingang der Einrichtung 104 und andererseits mit einem Eingang der Speichervorrichtung 108 verknüpft. Ausgangsseitig ist die Speichervorrichtung 108 mit einem weiteren Eingang der Einrichtung 104 verbunden. Dieser Einrichtung 104 zur Erzeugung von Steuersignalen S_ν sind die ermittelten Ausgangsspannungen U_L10, U_L20 und U_L30 und eine Sollspannung U*L zugeführt.
Es besteht eine weitere Möglichkeit, gestörte Subsysteme 10 in den Ventilzweigen T1, T2 bzw. T3, T4 bzw. T5, T6 eines jeden Phasenmoduls 100 des Stromrichters 102 mit verteilten Energiespeichern 9 zu ermitteln. Dazu wird eine Einrichtung 110 verwendet, die eingangsseitig mit jedem zweipoligen Subsystem 10 des Stromrichters 102 verknüpft ist. Jedes Subsystem 10 sendet an diese Einrichtung 110 ein Rückmeldesignal S_R, das anzeigt, ob das zugehörige Subsystem 10 ordnungsgemäß seinen Schaltzustand gewechselt hat oder nicht. Aus diesen μ = 6 m Rückmeldesignalen S_R wird ein Fehlersignal S_F generiert, das der Einrichtung 104 zugeführt wird. Da es sich dabei um eine weitere Möglichkeit zur Ermittlung gestörter zweipoliger Subsysteme 10 handelt, ist diese in der Steuerung gemäß 11 mittels einer unterbrochenen Linie dargestellt.
Wie bereits erwähnt, verringert sich eine Ausgangsspannung U_L10 bzw. U_L20 bzw. U_L30 des Stromrichters 102 mit verteilten Energiespeichern 9 gemäß 1, sobald ein zweipoliges Subsystem 10 in einem Ventilzweig T1, ..., T6 einer der drei Phasenmodule 100 des Stromrichters 102 ausfällt. Der Wert der Verringerung entspricht dabei dem Wert einer an einem Speicherkondensator 9 anstehenden Kondensatorspannung U_C.
Es sei nun angenommen, dass ein zweipoliges Subsystem 10 des Ventilzweigs T2 des Phasenmoduls 100 des Stromrichters 102 mit verteilten Energiespeichern 9 gemäß 1 wegen irgendeiner Störung sicher kurzgeschlossen ist. Dieses gestörte Subsystem 10 ist im Ersatzschaltbild gemäß 1 mittels einer Schraffur kenntlich gemacht.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst dieses gestörte zweipolige Subsystem 10 ermittelt. Danach wird dieses Subsystem 10 derart angesteuert, dass dessen Klemmenspannung U_X21 Null ist. Mit der Ermittlung eines gestörten Subsystems 10 ist ebenfalls ein gestörter Ventilzweig T1, T3, T5 bzw. T2, T4, T6 bekannt. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein zweipoliges Subsystem 10 eines ungestörten Ventilzweigs T2, T4, T6 bzw. T1, T3, T5 eines gestörten Phasenmoduls 100 derart angesteuert, dass dessen Klemmenspannung U_X21 ebenfalls Null ist. Sind mehrere Subsysteme 10 eines Ventilzweigs T1, ..., T6 oder mehrerer Ventilzweige T1, ... T6 gestört, so werden entsprechend der Anzahl gestörter Subsysteme 10 in den zu den gestörten Ventilzweigen T1, ... T6 korrespondierenden Ventilzweigen T1, ..., T6 gestörter Phasenmodule 100 derart angesteuert, dass auch die Klemmenspannung U_X21 dieser Subsysteme 10 Null sind. Das heißt, dass 2n Subsysteme 10, mit n = Anzahl gestörter Subsysteme 10, kurzgeschlossen werden.
Für den angenommenen Fall eines gestörten Subsystems 10 sind in einem Diagramm über der Zeit t der 12 der zeitliche Verlauf der Potentialdifferenz U_PL1 der Klemme P gegen den Lastanschluss L1 und in einem Diagramm über der Zeit t der 13 der zeitliche Verlauf der Potentialdifferenz U_L1N des Lastanschlusses L1 gegen das Potential der Klemme N dargestellt. Beiden Potentialverläufen U_PL1 und U_L1N ist zu entnehmen, dass von den vier zweipoligen Subsystemen 10 der Ventilzweige T1 und T2 nur drei Subsysteme 10 zur Steuerung zur Verfügung stehen. Die Summe dieser beiden Potentialverläufe U_PL1 und U_L1N ergibt wieder eine Gleichspannung U_d, die zwischen den beiden Gleichspannungs-Sammelschienen P₀ und N₀ dieses Stromrichters mit verteilten Energiespeichern 9 gemäß 1 ansteht. Das heißt, die Gleichspannung U_d im ungestörten und gestörten Fall ist gleich. In der 14 ist im Diagramm über der Zeit t die Differenz der beiden Potentialverläufe U_PL und U_L1N dargestellt. Dieser Potentialverlauf ist der Potentialverlauf an der Ausgangsklemme L1 des Stromrichters 102 nach 1 und ist eine Ausgangsspannung U_L10. Diese Ausgangsspannung U_L10 ist wegen des Auftretens eines gestörten Subsystems 10 gegenüber der Ausgangsspannung U_L20 bzw. U_L30 nur noch halb so groß. Das heißt, die Amplitude entspricht nur noch 1/4·U_d.
In der 15 ist ein Zeigerdiagramm eines dreiphasigen Spannungssystems des Stromrichters 102 nach 1 beim Auftreten eines gestörten Subsystems 10 dargestellt. Diesem Spannungssystem ist zu entnehmen, dass die Ausgangsspannungen U_L10 und U_L30 amplitudenmäßig sich gegenüber dem Spannungssystem gemäß 7 nicht verändert haben. Auch die Phasenverschiebung der Ausgangsspannungen U_L10, U_L20 und U_L30 der drei Phasenmodule 100 des Stromrichters 102 nach 1 beträgt weiterhin 120°el.. Aufgrund dieser Daten sind die verketteten Spannungen U_L12, U_L23 und U_L31 nicht mehr amplitudenmäßig identisch. Die beiden verketteten Spannungen U_L12 und U_L31 sind amplitudenmäßig gleich, aber gegenüber der verketteten Spannung U_L23 kleiner.
Um dieses unsymmetrische Spannungssystem der verketteten Spannung U_L12, U_L23 und U_L31 zu symmetrieren, werden erfindungsgemäß in Abhängigkeit der Anzahl ausgefallener Subsysteme 10 Phasenwinkel aus der Speichervorrichtung 108 ausgewählt. In dem Fall, dass ein Subsystem 10, beispielsweise im Ventilzweig T2, ausfällt, weisen die Phasenwinkel zwischen den Ausgangsspannungen U_L10 und U_L20 bzw. U_L10 und U_L30 jeweils einen Winkelwert von 135°el. auf. Der Phasenwinkel zwischen den Ausgangsspannungen U_L20 und U_L30 weisen einen Wert von 90°el. auf. Mit diesen Winkeln und einer Sollspannungsamplitude U*L generiert die Einrichtung 104 Steuersignale S_ν, wodurch das unsymmetrische Spannungssystem der verketteten Spannungen U_L12 und U_L23 und U_L31 der 15 symmetrisch werden. Das symmetrierte Spannungssystem der verketteten Spannungen U_L1, U_L23 und U_L31 beim Ausfall eines Subsystems 10 ist in der 16 näher dargestellt. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird beim Ausfall eines Subsystems 10 beispielsweise 81% der maximalen verketteten Spannung U_L12, U_L23 bzw. U_L31 im ungestörten Fall erreicht.
In der 17 sind in einem Zeigerdiagramm die Ausgangsspannungen U_L10, U_L20 und U_L30, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren generiert sind, und deren verketteten Spannungen U_L12, U_L23 und U_L31 für den Fall gemeinsam dargestellt, dass ein zweipoliges Subsystem 10 ausgefallen ist. Gegenüber dem Zeigerdiagramm gemäß 16 weisen die Ventilzweige T1, ..., T6 anstelle von vier Subsystemen 10 acht Subsysteme 10 auf. Durch eine Verdoppelung der Anzahl der Subsysteme 10 pro Ventilzweig T1, ... T6, wobei in diesem Beispiel auch nur ein Subsystem 10 ausgefallen ist, erreicht man beispielsweise 91% der maximalen verketteten Spannung im ungestörten Fall. Durch die höhere Anzahl von zweipoligen Subsystemen 10 pro Ventilzweig T1, ... T6 des Stromrichters 102 gemäß 1 verringert sich die Amplitude einer Ausgangsspannung U_L10 bzw. U_L20 bzw. U_L30 eines gestörten Phasenmoduls 100 des Stromrichters 102 nach 1 bei Ausfall eines Subsystems 10 weniger. Die Ausgangsspannung U_L10 des gestörten Phasenmoduls 100 gemäß dem Zeigerdiagramm der 17 ist gegenüber der Ausgangsspan nung U_L1 des Zeigerdiagramms gemäß 16 amplitudenmäßig größer. Dadurch verändern sich die Phasenwinkeln gegenüber den Phasenwinkeln 120°el. geringfügiger, wie im Zeigerdiagramm der 17 zu entnehmen sind. Im Beispiel mit einem gestörten Subsystem 10 bei acht Subsystemen pro Ventilzweig T1, ..., T6 erhält man mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine verkettete Spannung U_L12, U_L23, U_L31 mit einer Amplitude von 91% einer maximalen Amplitude im ungestörten Fall.
Im Zeigerdiagramm gemäß 18 sind die Ausgangsspannungen U_L10, U_L20 und U_L30 und deren verketteten Spannungen U_L12, U_L23 und U_L31 für den Fall dargestellt, dass bei einem Stromrichter 102 gemäß 1, dessen Ventilzweige T1, ..., T6 jeweils acht Subsysteme 10 aufweisen, jeweils ein Subsystem 10 in zwei von drei Phasenmodulen 100 ausgefallen sind. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden verkettete Spannungen U_L12, U_L23 und U_L31 jeweils von 82% einer maximalen verketteten Spannung im ungestörten Fakll erreicht. Das heißt, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhält man im Störungsfall ein symmetrisches Spannungssystem mit einer möglichst hohen Spannungsamplitude.
Im Zeigerdiagramm gemäß 19 sind die Ausgangsspannungen U_L10, U_L20 und U_L30 und deren verketteten Spannungen U_L12, U_L23 und U_L31 für den Fall dargestellt, dass bei einem Stromrichter 102 gemäß 1, dessen Ventilzweige T1, ..., T6 jeweils acht Subsysteme 10 aufweisen, in einem Ventilzweig T1, ..., T6 dieses Stromrichters zwei Subsysteme 10 ausgefallen sind. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auch bei diesem Störungsfall ein symmetrisches Spannungssystem generiert mit einer Spannungsamplitude von 80,9% einer maximalen verketteten Spannung im ungestörten Fall.
Im Zeigerdiagramm gemäß 20 sind ebenfalls die Ausgangsspannungen U_L10, U_L20 und U_L30 und deren verketteten Spannungen U_L12, U_L23 und U_L31 für den Fall dargestellt, dass bei einem Stromrichter 102 gemäß 1, dessen Ventilzweige T1, ..., T6 jeweils acht Subsysteme 10 aufweisen, in zwei Ventilzweigen, beispielsweise T1 und T3, unterschiedlicher Phasenmodule 100 jeweils zwei Subsysteme 10 ausgefallen sind. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren sind acht Subsysteme 10 von insgesamt achtundvierzig Subsystemen 10 kurzgeschlossen. Um dennoch ein symmetrisches Spannungssystem an den wechselspannungsseitigen Anschlüssen L1, L2 und L3 des Stromrichters 102 erzeugen zu können, werden gemäß diesem Störfall aus der Speichervorrichtung 108 die in dem Zeigerdiagramm eingetragenen Phasenwinkeln zwischen den Ausgangsspannungen U_L1, U_L2 und U_L3 abgerufen. Bei diesem Störfall wird nur noch eine maximale Spannungsamplitude der verketteten Spannungen U_L12, U_L23 und U_L31 jeweils von 50% einer maximalen verketteten Spannung im ungestörten Fall erreicht.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird trotz Ausfall von wenigstens einem zweipoligen Subsystem 10 eines Stromrichters 102 mit verteilten Energiespeichern 9 erreicht, dass ein an den Anschlüssen L1, L2 und L3 des Stromrichters 102 anstehendes Spannungssystem verketteter Spannungen U_L12, U_L23 und U_L31 symmetrisch ist und eine möglichst maximale Spannungsamplitude aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10103031 A1 [0002, 0003, 0006, 0010]
- DE 102005040543 A1 [0009]
- DE 102005045091 A1 [0013]
- US 5986909 A [0017]

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Stromrichters (102) mit verteilten Energiespeichern (9) mit wenigstens zwei Phasenmodulen (100), die jeweils einen oberen und einen unteren Ventilzweig (T1, T3, T5; T2, T4, T6) aufweisen, die jeweils mit wenigstens drei elektrisch in Reihe geschalteten zweipoligen Subsystemen (10) versehen sind, bei Ausfall wenigstens eines Subsystems (10) mit folgenden Verfahrensschritten: a) Ermittlung der Anzahl ausgefallener Subsysteme (10), b) Ermittlung von Ventilzweigen (T1, ..., T6), in denen wenigstens ein Subsystem (10) ausgefallen ist, c) Ansteuerung eines jeden ausgefallenen Subsystems (10) derart, dass deren Klemmenspannungen (U_X21) Null sind, d) Ermittlung von zu gestörten Ventilzweigen (T1, ..., T6) korrespondierenden ungestörten Ventilzweigen (T1, ..., T6) eines jeden gestörten Phasenmoduls (100), e) Ansteuerung von Subsystemen (10) in jeweils einem ungestörten Ventilzweig (T1, ..., T6) eines jeden gestörten Phasenmoduls (100) derart, dass deren Klemmenspannungen (U_X21) Null sind, f) Auswahl von vorbestimmten Phasenwinkeln entsprechend der Anzahl ausgefallener Subsysteme (10) eines Sollspannungssystems und g) Generierung von Steuersignalen (S_ν) für die ungestörten Subsysteme (10) der Ventilzweige (T1, ..., T6) der Phasenmodule (100) in Abhängigkeit gemessener Stromrichter-Ausgangsspannungen (U_L10, U_L20, U_L30) und eines Sollwertes (U*L ) und der ausgewählten Phasenwinkel.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vorbestimmte Phasenwinkel eines Sollspannungssystems in Abhängigkeit der Anzahl ausgefallener Subsysteme (10) offline berechnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmten Phasenwinkel in Tabellen abgelegt sind.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tabellen mit vorbestimmten Phasenwinkeln eines Sollspannungssystems abgespeichert sind.