DE102009057288A1

DE102009057288A1 - Umrichter für hohe Spannungen

Info

Publication number: DE102009057288A1
Application number: DE102009057288A
Authority: DE
Inventors: Rainer Prof. Marquardt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2009-12-01
Filing date: 2009-12-01
Publication date: 2011-06-09
Anticipated expiration: 2029-12-02
Also published as: KR101453631B1; RU2563034C2; CN102640375A; EP2507884A1; US20120243282A1; DE102009057288B4; US9130477B2; CN102640375B; EP2507884B1; KR20120089359A; RU2012127254A; WO2011067120A1

Abstract

Um ein Submodul (7) zum Ausbilden eines Umrichters (1) für den Hochspannungsbereich mit einer ersten Untereinheit (5), die einen ersten Energiespeicher (18), eine dem ersten Energiespeicher (18) parallel geschaltete erste Reihenschaltung (11) zweier Leistungshalbleiterschalteinheiten (12, 13), die jeweils einen an und abschaltbaren Leistungshalbleiter (14, 15) mit gleicher Durchlassrichtung aufweisen und jeweils entgegen der besagten Durchlassrichtung leitfähig sind, und eine erste Anschlussklemme (x2) aufweist, die mit dem Potenzialpunkt zwischen den Leistungshalbleiterschalteinheiten (12, 13) der ersten Reihenschaltung (11) verbunden ist, und einer zweiten Untereinheit, die einen zweiten Energiespeicher (26), eine dem zweiten Energiespeicher (26) parallel geschaltete zweite Reihenschaltung (19) zweier Leistungshalbleiterschalteinheiten (20, 21, die jeweils einen an und abschaltbaren Leistungshalbleiter (22, 23) mit gleicher Durchlassrichtung aufweisen und jeweils entgegen der besagten Durchlassrichtung leitfähig sind, und eine zweite Anschlussklemme (x1) aufweist, die mit dem Potenzialpunkt zwischen den Leistungshalbleiterschalteinheiten (20, 21) der zweiten Reihenschaltung (19) verbunden ist, bereitzustellen, das im Fehlerfall auftretende Kurzschlussströme schnell, zuverlässig und wirksam begrenzt, wird vorgeschlagen, dass die erste Untereinheit und die zweite Untereinheit (10) über Verbindungsmittel (27) miteinander verbunden sind, die so ausgestaltet sind, dass in einem ausgewählten Schaltzustand aller Leistungshalbleiterschalteinheiten (12, 13, 20, 21) ein Stromfluss zwischen der ersten Anschlussklemme (x2) und der zweiten Anschlussklemme (x1) in beiden Richtungen nur über den ersten Energiespeicher (18) und/oder den zweiten Energiespeicher (26) erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Submodul zum Ausbilden eines Umrichters mit einer ersten Untereinheit, die einen ersten Energiespeicher, eine dem ersten Energiespeicher parallel geschaltete erste Reihenschaltung zweier Leistungshalbleiterschalteinheiten, die jeweils über einen an- und abschaltbaren Leistungshalbleiter mit gleicher Durchlassrichtung verfügen und jeweils entgegen der besagten Durchlassrichtung leitfähig sind, und eine erste Anschlussklemme aufweist, die mit dem Potenzialpunkt zwischen den Leistungshalbleiterschalteinheiten der ersten Reihenschaltung verbunden ist, und einer zweiten Untereinheit, die einen zweiten Energiespeicher, eine dem zweiten Energiespeicher parallel geschaltete zweite Reihenschaltung zweier Leistungshalbleiterschalteinheiten, die jeweils über einen an- und abschaltbaren Leistungshalbleiter mit gleicher Durchlassrichtung verfügen und jeweils entgegen der besagten Durchlassrichtung leitfähig sind, und eine zweite Anschlussklemme aufweist, die mit dem Potenzialpunkt zwischen den Leistungshalbleiterschalteinheiten der zweiten Reihenschaltung verbunden ist.
Die Erfindung betrifft ferner einen Umrichter beispielsweise für Hochspannungsanwendungen mit Leistungshalbleiterventilen, die sich jeweils zwischen einem Wechselspannungsanschluss und einem Gleichspannungsanschluss erstrecken und eine Brückenschaltung ausbilden, wobei jedes Leistungshalbleiterventil eine Reihenschaltung zweipoliger Submodule aufweist und jedes Submodul über wenigstens einen Energiespeicher und wenigstens eine Leistungshalbleiterschaltung verfügt.
Ein solches Submodul und ein solcher Umrichter sind aus der DE 101 03 031 A1 bereits bekannt. Der dort beschriebene Umrichter weist Leistungshalbleiterventile auf, die in einer Brückenschaltung miteinander verbunden sind. Jedes dieser Leistungshalbleiterventile hat einen Wechselspannungsanschluss zum Anschluss einer Phase eines Wechselspannungsnetzes und einen Gleichspannungsanschluss, der mit einem Pol eines Gleichspannungszwischenkreises verbunden werden kann. Dabei besteht jedes Leistungshalbleiterventil aus einer Reihenschaltung zweipoliger Submodule, die jeweils einen unipolaren Speicherkondensator sowie eine Leistungshalbleiterschaltung in Parallelschaltung zu dem Speicherkondensator aufweisen. Die Leistungshalbleiterschaltung besteht aus einer Reihenschaltung gleichsinnig orientierter an- und abschaltbarer Leistungshalbleiterschalter, wie beispielsweise IGBTs oder GTOs, denen jeweils eine Freilaufdiode gegensinnig parallel geschaltet ist. Eine von zwei Anschlussklemmen eines jeden Submoduls ist mit dem Speicherkondensator und die andere Anschlussklemme mit dem Potenzialpunkt zwischen den beiden an- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern verbunden. Je nach Schaltzustand der beiden ansteuerbaren Leistungshalbleiter kann entweder die an dem Speicherkondensator abfallende Kondensatorspannung oder aber eine Nullspannung an die beiden Ausgangsklemmen des Submoduls gelegt werden. Aufgrund der Reihenschaltung der Submodule innerhalb des Leistungshalbleiterventils ist ein so genannter Gleichspannung einprägender Mehrstufenumrichter bereitgestellt, wobei die Höhe der Spannungsstufen durch die Höhe der jeweiligen Kondensatorspannung festgelegt ist. Mehrstufen- oder Mehrpunktumrichter weisen gegenüber den zwei- oder dreistufigen Umrichtern mit zentralen Kondensatorbatterien den Vorteil auf, dass hohe Entladungsströme bei einem Kurzschluss auf Gleichspannungsseite des Umrichters vermieden sind. Darüber hinaus ist bei mehrstufigen Umrichtern der Aufwand bei der Filterung von Oberschwingungen gegenüber Zwei- oder Dreipunktumrichtern verringert.
Mehrpunktumrichter eigenen sich auch bevorzugt zum Aufbau räumlich ausgedehnter verzweigter Gleichspannungsnetze, die insbesondere bei so genannten Off-Shore-Windparks und im Zusammenhang mit Solarkraftnetzwerken in Wüstengebieten erforderlich sind.
Eine wichtige Voraussetzung für eine Anwendung der Umrichter in diesen Bereichen ist jedoch eine sichere Beherrschung von Kurzschlüssen im Gleichspannungsnetz. Günstige mechanische Schalter für extrem hohe Gleichspannungen, die hohe Fehlerströme unter Last schalten können, stehen wegen grundlegender physikalischer Probleme nicht zur Verfügung. Auch die technisch erreichbaren Abschaltzeiten und die Schaltüberspannung mechanischer Schalter sind störend.
Die EP 0 867 998 B1 beschreibt den Einsatz elektronischer Leistungshalbleiterschalter im Gleichspannungszwischenkreis eines Hochspannungsgleichstromübertragungssystems. Dem Einsatz von Leistungshalbleiterschaltern bei Gleichspannungen von einigen hundert Kilovolt haftet jedoch der Nachteil an, dass die hohe Spannung eine hohe Anzahl in Reihe geschalteter Leistungshalbleiter erforderlich macht. Damit stellt sich aber auch ein hoher Durchlassverlust an diesen Komponenten ein. Darüber hinaus müssen Überspannungsbegrenzer in Parallelschaltung zu den Leistungshalbleitern bereitgestellt werden, wodurch der Aufwand zusätzlich erhöht wird. Die Überspannungsbegrenzer weisen in der Regel keine idealen Begrenzerkennlinien auf, so dass die Anzahl der in Reihe geschalteten Leistungshalbleiter noch höher ausgelegt werden muss, als dies die Nennspannung eigentlich erfordern würde. Durch diese Überdimensionierung steigen die Durchlassverluste noch weiter an.
Die WO 2008/067786 A1 beschreibt einen Mehrstufenumrichter mit Reihenschaltungen von Submodulen, wobei jedes Submodul neben einem Kondensator in Parallelschaltung zu einer Leistungshalbleiterschaltung einen Thyristor aufweist. Der Thyristor ist einer Freilaufdiode der Leistungshalbleiterschaltung parallel geschaltet, die im Fehlerfall den gesamten Kurzschlussstrom führt. Bei einem Kurzschluss wird der parallele Thyristor gezündet, so dass die Freilaufdiode entlastet wird.
Neben den oben erwähnten Anwendungen im Bereich der Elektroenergieübertragung und -verteilung eignen sich Gleichspannung einprägende Mehrpunktumrichter selbstverständlich auch hervorragend für einen Einsatz im Bereich der Antriebstechnik.
Die eingangs genannten Mehrpunkt- oder Mehrstufenumrichter weisen den Nachteil auf, dass ein Kurzschlussstrom über den Umrichter sich nicht ohne zusätzliche Maßnahmen in beiden Richtungen begrenzen lässt, so dass die Halbleiter des Umrichters und externe Komponenten im Kurzschlusskreis gefährdet oder zerstört werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Submodul und einen Umrichter der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit denen im Fehlerfall auftretende Kurzschlussströme wirksam begrenzt und Anlageschäden sicher vermieden werden können. Darüber hinaus sollen fehlerbehaftete Abschnitte eines Gleichspannungsnetzes möglichst schnell stromlos gemacht und auf diese Art und Weise vom restlichen Gleichspannungsnetz getrennt werden können.
Schließlich sollen bei einem Kurzschluss auf der Gleichspannungsseite des Umrichters die Ströme auf dessen Wechselspannungsseite möglichst wenig beeinflusst und eine Auslösung der wechselstromseitigen mechanischen Schalter vermieden werden.
Ausgehend von dem eingangs genannten Submodul löst die Erfindung diese Aufgabe dadurch, dass die erste Untereinheit und die zweite Untereinheit über Verbindungsmittel miteinander verbunden sind, die so ausgestaltet sind, dass in wenigstens einem ausgewählten Schaltzustand aller Leistungshalbleiterschalteinheiten ein Stromfluss zwischen der ersten Anschlussklemme und der zweiten Anschlussklemme in beiden Richtungen nur über den ersten Energiespeicher und/oder den zweiten Energiespeicher erfolgt.
Ausgehend von dem eingangs genannten Umrichter löst die Erfindung diese Aufgabe dadurch, dass das Submodul ein erfindungsgemäßes Submodul ist.
Erfindungsgemäß sind zwei Untereinheiten, die jeweils einen Energiespeicher, beispielsweise ein Kondensator, und eine Reihenschaltung zweier Leistungshalbleiterschalteinheiten aufweisen, über Verbindungsmittel miteinander verbunden. Die Verbindungsmittel sind abweichend vom Stand der Technik so ausgebildet, dass bei geeigneter Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalteinheiten ein Stromfluss zwischen den beiden Anschlussklemmen des erfindungsgemäßen Submoduls immer über wenigstens einen Energiespeicher erfolgen muss. Der jeweils betroffene Energiespeicher baut unabhängig von der Polarisierung des Klemmstromes immer eine Gegenspannung auf, die den Stromfluss schnell abklingen lässt. Der ausgewählte Schaltzustand ist erfindungsgemäß von der Topologie der Verbindungsmittel und deren Komponenten abhängig.
Erfindungsgemäß kann ein hoher Kurzschlussstrom ohne externe zusätzliche Schalter beherrscht werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist im Rahmen der Erfindung sichergestellt, dass hohe Kurzschlussstrome durch den Umrichter selbst in beiden Richtungen schnell, zuverlässig und wirksam vermieden werden können. Zusätzliche Schalter, beispielsweise im Gleichspannungskreis, der mit dem Umrichter verbunden ist, oder aber parallel zu einem Leistungshalbleiter des Submoduls geschaltete Halbleiterschalter, sind im Rahmen der Erfindung überflüssig geworden. Im Fehlerfall nehmen nahezu ausschließlich die erfindungsgemäßen Submodule die frei gewordene Energie auf, so dass diese vollständig absorbiert wird. Die Energieaufnahme hat eine Gegenspannung im Gefolge und kann in definierter und gewünschter Weise dimensioniert werden, so dass ungünstig hohe Spannungen vermieden werden. Darüber hinaus müssen erfindungsgemäß zum Wiederanfahren des Umrichters keine Energiespeicher kontrolliert aufgeladen werden. Vielmehr kann der erfindungsgemäße Umrichter seinen Normalbetrieb jederzeit wieder aufnehmen.
Zweckmäßigerweise weisen die Verbindungsmittel eine Schalteinheit auf. Diese Schalteinheit ist im besagten ausgewählten Zustand beispielsweise in ihrer Unterbrechungsstellung. Abweichend hiervon ist es jedoch erfindungsgemäß auch möglich, dass die Schalteinheit im ausgewählten Schaltzustand in ihrer Durchgangsstellung ist. Die Auslegung der Schalteinheit ist im Rahmen dieser Weiterentwicklung der Erfindung grundsätzlich beliebig. So kann es sich beispielsweise um eine mechanische Schalteinheit, einen geeigneten Halbleiterschalter, oder aber um eine Leistungshalbleiterschalteinheit handeln, die den übrigen Leistungshalbleitereinheiten des Umrichters gleicht. Auf die Ausgestaltung der Leistungshalbleiterschalteinheiten wird später noch genauer eingegangen werden.
Zweckmäßigerweise weisen die Verbindungsmittel wenigstens eine Potenzialtrennungsdiode auf, die zum Aufrechterhalten einer Spannungsdifferenz zwischen der ersten Untereinheit und der zweiten Untereinheit eingerichtet ist. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung ist es möglich, die Anzahl der erreichbaren Spannungsstufen zu erhöhen. So ist es beispielsweise möglich, die Summe der an dem ersten Energiespeicher und die an dem zweiten Energiespeicher abfallende Spannungen an den Anschlussklemmen des Submoduls zu erzeugen. Darüber hinaus besteht bei dieser Ausgestaltung der Erfindung die Möglichkeit je nach Schaltzustand der Leistungshalbleiterschalteinheiten nur eine, also entweder die an dem ersten Energiespeicher oder die an dem zweiten Energiespeicher abfallende Spannung an Anschlussklemmen zu erzeugen. Auf diese Art und Weise können die erste und die zweite Untereinheit regelungstechnisch wie zwei Submodule gemäß dem Stand der Technik behandelt werden. Bislang etablierte Regelungsverfahren können somit auch bei dem erfindungsgemäßen Submodul zur Anwendung gebracht werden.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, dass die Verbindungsmittel wenigstens einen Dämpfungswiderstand aufweisen. Der oder die Dämpfungswiderstände unterstützen die Energiespeicher dabei, im Fehlerfall Energie aufzunehmen. Hierzu sind die Dämpfungswiderstände so mit den restlichen Komponenten der Verbindungsmittel verschaltet, dass in dem besagten ausgewählten Schaltzustand ein Stromfluss unabhängig von der Polarität des Klemmstromes zumindest teilweise auch über die Dämpfungswiderstände führt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die Erfindungsmittel einen Emitter-Verbindungszweig, der einen Emitter einer ersten Leistungshalbleiterschalteinheit der ersten Reihenschaltung mit dem Emitter einer ersten Leistungshalbleiterschaltereinheit der zweiten Reihenschaltung verbindet und in dem eine Potenzialtrennungsdiode angeordnet ist, ein Kollektorverbindungszweig, der einen Kollektor der zweiten Leistungshalbleiterschalteinheit der ersten Reihenschaltung mit einem Kollektor der zweiten Leistungshalbleiterschalteinheit der zweiten Reihenschaltung verbindet und in dem eine Potenzialtrennungsdiode angeordnet ist, und einen Schaltzweig auf, in dem eine Schalteinheit angeordnet ist und der die Katode der Potenzialtrennungsdiode des Emitter-Verbindungszweiges mit der Anode der Potenzialtrennungsdiode des Kollektor-Verbindungszweiges verbindet. Der Emitter einer Leistungshalbleiterschalteinheit wird auch als Source oder Kathode bezeichnet.
Gemäß einer diesbezüglichen zweckmäßigen Weiterentwicklung ist in dem Emitter-Verbindungszweig und in dem Kollektor-Verbindungszweig jeweils ein Dämpfungswiderstand angeordnet. Wie bereits ausgeführt wurde, ist die Schalteinheit des Schaltzweiges grundsätzlich beliebig auswählbar. Wesentlich ist, dass die Schalteinheit zwischen einer Unterbrecherstellung, in der sie einen Stromfluss unterbricht, und einer Durchlassstellung, in der sie leitend ist, hin- und tiergeschaltet werden kann. So ist es beispielsweise möglich, als Schalteinheit einen mechanischen Leistungsschalter, einen kostengünstigen Halbleiterschalter oder aber eine Leistungshalbleiterschalteinheit einzusetzen, die den die übrigen Leistungshalbleiterschalteinheiten des Submoduls gleicht. Auch andere ansteuerbare Leistungshalbleiter sind als Schalteinheit im Rahmen der Erfindung verwendbar.
Wie bereits ausgeführt wurde, ist der ausgewählte Schaltzustand gemäß dieser zweckmäßigen Weiterentwicklung erreicht, wenn sich alle Leistungshalbleiterschalteinheiten und die Schalteinheit in ihrer Unterbrecherstellung befinden. Der Klemmstrom wird nun in jedem Fall über wenigstens einen Energiespeicher oder einen Dämpfungswiderstand geführt.
Die Schalteinheit ist in jedem Falle so zu wählen, dass die an ihr bei Normalbetrieb des Submoduls entstehende Verlustleistung möglichst gering ist.
Sind alle Leistungshalbleiterschalteinheiten des Submoduls identisch ausgelegt, mit anderen Worten sind alle Halbleiterschalter identisch, weisen diese eine einheitliche Sperrspannung und Struktur auf. Dies ist bei hohen Spannungen vorteilhaft, weil für extrem hohe Spannungen und Leistungen nur wenige Halbleiterschalter geeignet sind. Eine einheitliche Bestückung der Submodule ermöglicht es, die jeweils bestgeeignetsten und leistungsfähigsten Halbleiter einzusetzen.
Zweckmäßigerweise weist jede Leistungshalbleiterschalteinheit einen an- und abschaltbaren Leistungshalbleiter auf, dem eine Freilaufdiode gegensinnig parallel geschaltet ist. Solche abschaltbaren Leistungshalbleiter sind beispielsweise Markt verfügbare IGBTs oder GTOs und dergleichen. Diese Leistungshalbleiter werden üblicherweise mit gegensinnig parallel geschalteten Freilaufdiode eingesetzt. Allerdings sind erfindungsgemäß auch rückwärts leitende Leistungshalbleiter einsetzbar. Separate Freilaufdioden sind dann entbehrlich.
Zweckmäßigerweise ist jeder Energiespeicher als Kondensator und insbesondere als unipolarer Speicherkondensator ausgestaltet.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf beigeschlossenen Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen und wobei
1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Umrichters schematisch verdeutlicht und
2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Submodule genauer dargestellt.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Umrichters 1 in einer schematischen Darstellung. Es ist erkennbar, dass der Umrichter 1 Leistungshalbleiterventile 2 aufweist, die in einer Brückenschaltung miteinander verbunden sind. Jedes der Leistungshalbleiterventile 2 erstreckt sich zwischen einem Wechselspannungsanschluss L₁, L₂, L₃ und einem Gleichspannungsanschluss 31, 32, 33 beziehungsweise 41, 42, 43. Die Gleichspannungsanschlüsse 31, 32, 33 sind über einen positiven Polanschluss 5 mit einem positiven Pol und über einen negativen Polanschluss 6 mit einem negativen Pol eines figürlich nicht dargestellten Gleichspannungsnetzes verbindbar.
Die Wechselspannungsanschlüsse L₁, L₂ und L₃ sind jeweils mit einer Sekundärwicklung eines Transformators verbunden, dessen Primärwicklung an ein ebenfalls figürlich nicht dargestelltes Wechselspannungsnetz angeschlossen ist. Für jede Phase des Wechselspannungsnetzes ist ein Wechselspannungsanschluss L₁, L₂, L₃ vorgesehen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Wechselspannungsnetz dreiphasig. Somit weist auch der Umrichter 1 drei Wechselspannungsanschlüsse L₁, L₂ und L₃ auf. Zwischen dem Wechselspannungsanschluss L₁, L₂, L₃ und dem Transformator sind zweckmäßigerweise mechanische Leistungsschalter vorgesehen, um im Fehlerfall das Wechselspannungsnetz vom Umrichter 1 zu trennen. Die Leistungsschalter sind in 1 ebenfalls nicht dargestellt.
Der Umrichter 1 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel Teil einer Hochspannungsgleichstromübertragungsanlage und dient zur Verbindung von Wechselspannungsnetzen, um zwischen diesen hohe elektrische Leistungen zu übertragen. An dieser Stelle sei jedoch erwähnt, dass der Umrichter auch Teil einer so genannten FACTS-Anlage sein kann, die zur Netzstabilisierung oder Sicherung einer gewünschten Spannungsqualität dient. Darüber hinaus ist auch eine Verwendung des Umrichters gemäß 1 und 2 in der Antriebstechnik möglich.
In 1 ist ferner erkennbar, dass jedes Leistungshalbleiterventil 2 eine Reihenschaltung aus Submodulen 7 sowie eine Drossel 8 aufweist. Dabei verfügt jedes Submodul 7 über zwei Anschlussklemmen x1 beziehungsweise x2.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Submoduls 7 genauer. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass alle in 1 schematisch dargestellten Submodule 7 identisch aufgebaut sind. 2 zeigt daher den Aufbau aller Submodule 7 des Umrichters 1 stellvertretend anhand eines Submoduls 7.
Das Submodul 7 gemäß 2 weist eine erste Untereinheit 9 sowie eine zweite Untereinheit 10 auf, die von einer gestrichelte Linie umrahmt und identisch aufgebaut sind. So umfasst die erste Untereinheit 9 eine erste Reihenschaltung 11 aus Leistungshalbleiterschalteinheiten 12 und 13, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils einen IGBT 14 beziehungsweise 15 als an- und abschaltbaren Leistungshalbleiter und jeweils eine Freilaufdiode 16 und 17 aufweisen, die dem jeweils zugeordneten IGBT 14, 15 gegensinnig parallel geschaltet ist. Die IGBTs 14, 15 weisen die gleiche Durchlassrichtung auf, sind also gleichsinnig orientiert. Der Potenzialpunkt zwischen den Leistungshalbleiterschalteinheiten 12 und 13 ist mit einer ersten Anschlussklemme x2 verbunden. Die Reihenschaltung 11 ist parallel zu einem ersten Kondensator 18 als ersten Energiespeicher geschaltet, an dem die Spannung U_C1 abfällt.
Die zweite Untereinheit 10 umfasst eine zweite Reihenschaltung 19 aus einer ersten Leistungshalbleiterschalteinheit 20 sowie einer zweiten Leistungshalbleiterschalteinheit 21, die jeweils einen IGBT 22 beziehungsweise 23 als an- und abschaltbaren Leistungshalbleiter aufweisen. Die IGBTs 22, 23 weisen in der Reihenschaltung 19 die gleiche Durchlassrichtung auf, so dass die Leistungshalbleiterschalteinheiten 20 und 21 gleichsinnig orientiert sind. Jedem IGBT 22 beziehungsweise 23 der zweiten Reihenschaltung 19 ist eine Freilaufdiode 24 beziehungsweise 25 gegensinnig parallel geschaltet. Die zweite Reihenschaltung 19 ist einem zweiten Kondensator 26 parallel geschaltet, an dem die Spannung U_C2 abfällt. Der Potenzialpunkt zwischen den Leistungshalbleiterschalteinheiten 20 und 21 ist mit der zweiten Anschlussklemme x1 verbunden.
Die Untereinheiten 9 und 10 sind über Verbindungsmittel 27 miteinander verknüpft. Die Verbindungsmittel 2 weisen einen Emitter-Verbindungszweig 28 sowie einen Kollektor-Verbindungszweig 29 auf. Der Emitter-Verbindungszweig 28 verbindet den Emitter des IGBTs 15 der ersten Reihenschaltung 11 mit dem Emitter des IGBTs 23 der zweiten Reihenschaltung 19. Der Kollektor-Verbindungszweig 29 hingegen verbindet den Kollektor des IGBTs 14 der ersten Reihenschaltung 11 mit dem Kollektor des IGBTs 22 der zweiten Reihenschaltung 19. In dem Emitter-Verbindungszweig 28 sind eine Potenzialtrennungsdiode 30 sowie ein Begrenzungswiderstand 31 angeordnet. Der Kollektor-Verbindungszweig 29 verfügt ebenfalls über eine Potenzialtrennungsdiode 32 sowie über einen Begrenzungswiderstand 33. Der Emitter-Verbindungszweig 28 ist mit dem Kollektor-Verbindungszweig 29 über einen Schaltzweig 34 verbunden, in dem eine Schalteinheit 35 angeordnet ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Schalteinheit als Leistungshalbleiterschalteinheit 35 realisiert und umfasst einen IGBT 36 sowie eine gegensinnig parallel dazu geschaltete Freilaufdiode 37. Dabei verbindet der Schaltzweig 34 die Katodenseite der Potenzialtrennungsdiode 30 mit der Anodenseite der Potenzialtrennungsdiode 32, wobei der zwischen der besagten Anode und dem Schaltzweig 34 angeordnete Begrenzungswiderstand 33 vernachlässigt wurde.
Die Wirkungsweise der Schaltung der Submodule 7 wird im Folgenden erläutert. Zunächst sei darauf hingewiesen, dass die erforderliche Sperrspannung sämtlicher Leistungshalbleiter, also sowohl der Freilaufdioden 16, 17, 24 und 25 als auch der an- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter 14, 15, 23 und 23, sich nach der maximalen Spannung der beiden unipolaren Speicherkondensatoren 18 und 26 richtet, die in dem gewählten Ausführungsbeispiel gleich ist. Auf diese Weise wird eine nachteilige Überdimensionierung der Sperrspannungen der genannten Leistungshalbleiter vermieden.
Es kann insgesamt zwischen mehreren Schaltzuständen, die sich hinsichtlich der sich Klemmspannungen U_x voneinander unterscheiden, differenziert werden.
In einem beispielhaft herausgegriffenen Schaltzustand 1 ist die an den Anschlussklemmen x2 und x1 abfallende Klemmspannung U_x unabhängig von der Richtung des Klemmstromes gleich Null. In diesem Schaltzustand befinden sich die IGBTs 15, 22 und 36 in ihrer Durchlassstellung, in der ein Stromfluss in Durchlassrichtung über den jeweiligen IGBT ermöglicht ist. Die restlichen IGBTs, also die IGBTs 14 und 23, befinden sich hingegen in ihrer Sperrstellung, so dass ein Stromfluss über diese IGBTs unterbrochen ist. Bei positiver Stromrichtung i_x (i_x positiv), die in 2 an der ersten Anschlussklemme x2 durch den Pfeil angedeutet ist, sind die Leistungshalbleiter 15, 37 und 22 stromführend. Bei negativer Stromrichtung (i_x negativ) sind die Leistungshalbleiter 24, 36 und 17 stromführend.

In der nachfolgenden Tabelle sind die bevorzugt genutzten Schaltzustände zusammengefasst.

Schaltzustand	i_x	IGBT 15	IGBT 14	IGBT 23	IGBT 22	IGBT 36	U_x	W_CI	W_C2
1	negativ	1	0	0	1	1	0	0	0
	positiv	1	0	0	1	1	0	0	0
2	negativ	0	1	0	1	1	+U_C1	–1	0
	positiv	0	1	0	1	1	+U_C1	+1	0
3	negativ	0	1	1	0	1	+(U_C1 + U_C2)	–1	–1
	positiv	0	1	1	0	1	+(U_C1 + U_C2)	+1	+1
4	negativ	1	0	1	0	1	+U_C2	0	–1
	positiv	1	0	1	0	1	+U_C2	0	+1
5	negativ	0	0	0	0	0	–(U_C1 + U_C2)/2	+1	+1
	positiv	0	0	0	0	0	+(U_C1 + U_C2)	+1	+1

Die Spalten W_C1 und W_C2 sollen verdeutlichen, ob die Speicherkondensatoren 18 und 26 Energie aufnehmen oder abgeben, wobei +1 für die Aufnahme und –1 für die Abgabe von Energie steht.
Der Tabelle ist entnehmbar, dass in den Schaltzuständen 2, 3 und 4 an den Anschlussklemmen x2 und x1 immer eine positive Spannung erzeugt ist. Dies gilt unabhängig von der Richtung des Klemmstromes. So kann beispielsweise die Kondensatorspannung U_C1 oder die Kondensatorspannung U_C2 oder aber die Summe der Kondensatorspannung U_C1 + U_C2 an den Anschlussklemmen abfallen.
Im Schaltzustand 5 sind alle ansteuerbaren Leistungshalbleiter, also die IGBTs 14, 15, 22, 23 und 36, in ihrer Unterbrecherstellung, so dass ein Stromfluss über die IGBTs unterbrochen ist. In diesem Schaltzustand bildet die Klemmspannung U_x unabhängig von der Polarität des Klemmstromes i_x immer eine Gegenspannung aus, so dass das Submodul 7 immer Energie aufnimmt. Bei negativer Stromrichtung, i_x negativ, wird eine negative Gegenspannung durch die Parallelschaltung der Speicherkondensatoren 26 und 18 sowie durch den Spannungsabfall an den Dämpfungswiderständen 30 und 32 erzeugt. Falls die Kondensatorspannungen U_C1 und U_C2 nicht genau übereinstimmen, werden diese selbsttätig symmetriert. Im Schaltzustand 5 gilt in guter Näherung
wobei U_R dem Spannungsabfall an den Dämpfungswiderständen 32 und 30 entspricht.
Bei einer positiven Stromrichtung wird eine positive Gegenspannung U_x = +(U_C1 + U_C2) erzeugt. Auch hier kann ein Stromfluss nur unter Aufladung der Speicherkondensatoren 18 beziehungsweise 25 erfolgen. Dabei ist es vorteilhaft, dass der auftretende Strom über beide Kondensatoren geführt wird, da an diesen dann eine geringere Überspannung auftritt, als wenn nur ein Kondensator die Energie aufnehmen müsste.
Der oben aufgeführten Tabelle ist ferner entnehmbar, dass mit dem Submodul 7 und seinen beiden Untereinheiten 9 und 10 die gleichen Ausgangsspannungen an den Ausgangsklemmen erzeugt werden können, wie bei zwei in Reihe geschalteten Submodulen gemäß dem Stand der Technik ( DE 101 03 031 A1 ). Die Untereinheiten 9, 10 entsprechen quasi jeweils einem Submodul gemäß dem Stand der Technik. Mit anderen Worten kann das erfindungsgemäße Submodul gemäß 2 in der gleichen Art und Weise angesteuert werden, wie zwei Submodule gemäß dem Stand der Technik. Alle bekannten Regelverfahren sind daher weiterhin anwendbar. Im engeren Sinn existiert jedoch die Nebenbedingung, dass die Anzahl der in Reihe geschalteten Submodule gemäß dem Stand der Technik immer eine gerade Zahl ergeben muss. Bei Hochspannungsanwendungen ist die Anzahl der in Reihe geschalteten Submodule jedoch so groß, dass diese Nebenbedingung unerheblich ist.
Der Schaltzustand 5 ist im Fehlerfall zum vollständigen Stromabbau einsetzbar. Werden alle Submodule 7 in diesen Schaltzustand überführt, werden die Zweigströme des Umrichters 1 und resultierend auch die wechselspannungs- und gleichspannungsseitigen Ströme in Folge der Summe der Gegenspannungen aller reihengeschalteter Submodule 7 sehr schnell auf Null abgebaut. Die Geschwindigkeit dieses Stromabbaus ergibt sich aus der oben genannten Gegenspannung und den in den Stromkreisen summarisch vorhandenen Induktivitäten. Sie liegt bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel typischerweise in der Größenordnung weniger Millisekunden.
Die Totzeit bis zum Beginn des Stromabbaus ist im Wesentlichen von der Ansprechzeit der Schalteinheit 35 abhängig. Wird für die Schalteinheit 35 eine Leistungshalbleiterschalteinheit gemäß 2 eingesetzt, ist diese Totzeit vernachlässigbar. Die Totzeit ist dann im Wesentlichen der Trägheit der verschiedenen Messsensoren und Stromwandler geschuldet, mit deren Hilfe ein Störfall erkannt wird. Diese Trägheit dieser Messwerteerfassung liegt derzeit typischerweise im Bereich einiger 10 Mikrosekunden.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Submoduls und des erfindungsgemäßen Umrichters 1 können wie folgt zusammengefasst werden: Zum Einen ist die Zeitspanne bis zum völligen Abbau eines im Fehlerfall auftretenden Kurzschlussstromes sehr kurz. Somit müssen wechselspannungsseitig des Umrichters 1 vorgesehene Schalter gar nicht erst ausgelöst werden. Sowohl der wechselspannungsseitige als auch der gleichspannungsseitige Strom überschreiten den Nennstrom nur unwesentlich. Die Leistungshalbleiter der Submodule müssen nicht wie beim Stand der Technik mit Thyristoren oder sonstigen überbrückenden Elementen geschützt werden. Die Zuverlässigkeit der Stromabschaltung ist sehr hoch, weil durch die große Anzahl der in Reihe geschalteten Submodule in den Leistungshalbleiterventilen des Umrichters 1 eine Redundanz gewährleistet ist. Im Zusammenhang mit der Zuverlässigkeit sei noch ausgeführt, dass der Umrichter 1 sich mit all seinen Komponenten ständig im Betrieb befindet und messtechnisch laufend überwacht wird. Eine solche Funktionssicherheit ist bei vergleichbaren Vorrichtungen zum Stromabbau in Fehlerfällen, die nur in einem solchen Fehlerfall aktiviert werden, nicht gegeben.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, dass jederzeit ein „Zurückschalten” in den Normalbetrieb möglich ist, so dass auch bei fehlerhafter unnötiger Auslösung oder Detektion, die negativen Auswirkungen auf den Anlagenbetrieb minimierbar sind.
Mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Umrichters 1 ist es weiterhin möglich, auch in einem verzweigten Gleichspannungsnetz die Gleichspannungsströme schnell auf Null zu bringen. Auf diese Weise ist im Gleichspannungskreis ein stromloses Trennen, beispielsweise mit Vakuumschaltröhren oder antiparallelen Thyristoren, möglich. Bei verzweigten Gleichspannungsnetzen müssen selbstverständlich auch die übrigen Umrichter, die mit dem Gleichspannungsnetz verbunden sind, den Strom abbauen, also schnell in den Schaltzustand 5 der Submodule 7 übergehen. Ein fehlerbehafteter Netzabschnitt des Gleichspannungsnetzes kann somit einfach und kostengünstig durch bekannte mechanische Schalter stromlos vom restlichen Gleichspannungsnetz getrennt werden. Der fehlerhafte Netzabschnitt kann nun zwecks Dionisation oder Fehlerlokalisation „pausieren” und später von seinem zugeordneten Umrichter hoch gefahren werden. In sehr kurzer Zeit können die verbleibenden Umrichter das gesamte Gleichspannungsnetz wieder in Betrieb nehmen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10103031 A1 [0003, 0045]
EP 0867998 B1 [0006]
WO 2008/067786 A1 [0007]

Claims

Submodul (7) zum Ausbilden eines Umrichters (1) mit einer ersten Untereinheit (5), die – einen ersten Energiespeicher (18), – eine dem ersten Energiespeicher (18) parallel geschaltete erste Reihenschaltung (11) zweier Leistungshalbleiterschalteinheiten (12, 13), die jeweils einen an und abschaltbaren Leistungshalbleiter (14, 15) mit gleicher Durchlassrichtung aufweisen und jeweils entgegen der besagten Durchlassrichtung leitfähig sind, und – eine erste Anschlussklemme (x2) aufweist, die mit dem Potenzialpunkt zwischen den Leistungshalbleiterschalteinheiten (12, 13) der ersten Reihenschaltung (11) verbunden ist, und einer zweiten Untereinheit, die – einen zweiten Energiespeicher (26), – eine dem zweiten Energiespeicher (26) parallel geschaltete zweite Reihenschaltung (19) zweier Leistungshalbleiterschalteinheiten (20, 21), die jeweils einen an und abschaltbaren Leistungshalbleiter (22, 23) mit gleicher Durchlassrichtung aufweisen und jeweils entgegen der besagten Durchlassrichtung leitfähig sind, und – eine zweite Anschlussklemme (x1) aufweist, die mit dem Potenzialpunkt zwischen den Leistungshalbleiterschalteinheiten (20, 21) der zweiten Reihenschaltung (19) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Untereinheit (9) und die zweite Untereinheit (10) über Verbindungsmittel (27) miteinander verbunden sind, die so ausgestaltet sind, dass in wenigstens einem ausgewählten Schaltzustand aller Leistungshalbleiterschalteinheiten (12, 13, 20, 21) ein Stromfluss zwischen der ersten Anschlussklemme (x2) und der zweiten Anschlussklemme (x1) in beiden Richtungen nur über den ersten Energiespeicher (18) und/oder den zweiten Energiespeicher (26) erfolgt.
Submodul (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmittel (27) eine Schalteinheit (35) aufweisen.
Submodul (7) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (35) eine mechanische Schalteinheit, ein Halbleiterschalter oder eine Leistungshalbleiterschalteinheit ist.
Submodul (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmittel (27) wenigstens eine Potentialtrennungsdiode (30, 32) aufweisen, die zum Aufrechterhalten einer Spannungsdifferenz zwischen der ersten Untereinheit (9) und der zweiten Untereinheit (10) eingerichtet ist.
Submodul (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmittel (27) wenigstens einen Dämpfungswiderstand (31, 33) aufweisen.
Submodul (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmittel (27) einen Emitterverbindungszweig (28), der einen Emitter einer ersten Leistungshalbleiterschalteinheit (13) der ersten Reihenschaltung (11) mit einem Emitter einer ersten Leistungshalbleiterschalteinheit (21) der zweiten Reihenschaltung (19) verbindet und in dem eine Potenzialtrennungsdiode (30) angeordnet ist, einen Kollektorverbindungszweig (29), der einen Kollektor der zweiten Leistungshalbleiterschalteinheit (12) der ersten Reihenschaltung (11) mit einem Kollektor der zweiten Leistungshalbleiterschalteinheit (20) der zweiten Reihenschaltung (19) verbindet und in dem eine Potenzialtrennungsdiode (32) angeordnet ist, und einen Schaltzweig (34) aufweisen, in dem eine Schalteinheit (35) angeordnet ist und der die Kathode der Potenzialtrennungsdiode (30) des Emitterverbindungszweiges (28) mit der Anode der Potenzialtrennungsdiode (32) des Kollektorverbindungszweiges (29) verbindet.
Submodul (7) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Emitterverbindungszweig (28) und im Kollektorverbindungszweig (29) Dämpfungswiderstände (31, 33) angeordnet sind.
Submodul (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ausgewählten Schaltzustand alle Leistungshalbleiterschalteinheiten (12, 13, 20, 21, 35) in ihrer Unterbrecherstellung sind.
Submodul (7) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmittel (27) wenigstens eine Schalteinheit (35) aufweisen, die in dem ausgewählten Schaltzustand in ihrer Unterbrecherstellung ist.
Submodul (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungshalbleiterschalteinheiten (12, 13, 20, 21, 35) rückwärts leitende an- und abschaltbare Leistungshalbleiterschalter sind.
Submodul (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jede Leistungshalbleiterschalteinheit (12, 13, 20, 21, 35) jeweils einen an- und abschaltbaren Leistungshalbleiter (14, 15, 22, 23, 26) aufweist, dem eine Freilaufdiode (16, 17, 24, 25, 37) gegensinnig parallel geschaltet ist.
Submodul (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Energiespeicher ein unipolarer Speicherkondensator (18, 26) ist.
Umrichter (1) insbesondere für Hochspannungsanwendungen mit Leistungshalbleiterventilen (2), die sich jeweils zwischen einem Wechselspannungsanschluss (L₁, L₂, L₃) und einem Gleichspannungsanschluss (31, 32, 33, 41, 42, 43) erstrecken und eine Brückenschaltung ausbilden, wobei jedes Leistungshalbleiterventil (2) eine Reihenschaltung zweipoliger Submodule (7) aufweist und jedes Submodul (7) über wenigstens einen Energiespeicher (18, 26) und wenigstens eine Leistungshalbleiterschaltung (11, 19) verfügt, dadurch gekennzeichnet, dass das Submodul ein Submodul (7) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ist.