DE102011004328A1

DE102011004328A1 - Verfahren zum Überbrücken eines Submoduls eines modularen Mehrstufenumrichters

Info

Publication number: DE102011004328A1
Application number: DE102011004328A
Authority: DE
Inventors: Ingo Euler; Herbert Gambach; Frank Schremmer; Marcus Wahle
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2011-02-17
Filing date: 2011-02-17
Publication date: 2012-08-23
Anticipated expiration: 2031-02-18
Also published as: DE102011004328B4

Abstract

Um ein Verfahren zum Überbrücken eines Submoduls (1) eines modularen Mehrstufenumrichters, wobei das Submodul (1) einen unipolaren Energiespeicher (2) und eine parallel zum Energiespeicher (2) angeordnete Leistungshalbleiterreihenschaltung (3) aufweist, in der zwei ein- und abschaltbare Leistungshalbleiterschalter (4, 5) mit gleicher Durchlassrichtung in Reihe geschaltet sind, wobei jedem ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter (4, 5) eine Freilaufdiode (6, 7) gegensinnig parallel geschaltet ist, eine erste Anschlussklemme (8) mit einem Pol des Energiespeichers, eine zweite Anschlussklemme (9) mit einem Potenzialpunkt zwischen den ein- und abschaltbaren Leistungshalbleitern (4, 5) und deren Freilaufdioden (6, 7) verbunden ist und wobei ein Überbrückungsschalter (10) zwischen den Anschlussklemmen zum Überbrücken des Submoduls angeordnet ist, bei dem das Submodul mit Hilfe von Messsensoren auf das Vorliegen wenigstens einer Abschaltbedingung hin überwacht wird und bei Erfüllen der Abschaltbedingung die beiden ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiter (4, 5) in ihre Unterbrechungsstellung überführt werden, bereitzustellen, bei dem eine Zerstörung einer oder mehrerer Freilaufdioden sicher vermieden ist, wird vorgeschlagen, dass ermittelt wird, welche der Freilaufdioden. (6, 7) den über das Submodul (1) fließenden Strom führt, und der Überbrückungsschalter (10) nur dann geschlossen wird, wenn die zwischen den Anschlussklemmen (8, 9) liegende Freilaufdiode (7) den besagten Strom trägt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überbrücken eines Submoduls eines modularen Mehrstufenumrichters, wobei das Submodul einen unipolaren Energiespeicher und eine parallel zum Energiespeicher angeordnete Leistungshalbleiterreihenschaltung aufweist, in der zwei ein- und abschaltbare Leistungshalbleiterschalter mit gleicher Durchlassrichtung in Reihe geschaltet sind, wobei jedem ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter eine Freilaufdiode gegensinnig parallel geschaltet ist, eine erste Anschlussklemme mit einem Pol des Energiespeichers und eine zweite Anschlussklemme mit einem Potenzialpunkt zwischen den ein- und abschaltbaren Leistungshalbleitern und deren Freilaufdioden verbunden ist und wobei ein Überbrückungsschalter zwischen den Anschlussklemmen zum Überbrücken des Submoduls angeordnet ist, bei dem das Submodul mit Hilfe von Messsensoren auf das Vorliegen wenigstens einer Abschaltbedingung hin überwacht wird und bei Erfüllen der Abschaltbedingung die beiden ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiter in ihre Unterbrechungsstellung überführt werden.
Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der DE 10 2005 040 543 A1 bereits bekannt. Dort ist ein so genannter modularer Mehrstufenumrichter offenbart, der eine Anzahl von Phasenmodulen aufweist. Jedes Phasenmodul verfügt über einen mittigen Wechselspannungsanschluss zum Anschluss der Phasen eines Wechselspannungsnetzes. Ferner verfügt das Phasenmodul über zwei endseitige Gleichspannungsanschlüsse. Zwischen dem Wechselspannungsanschluss und jedem der beiden Gleichspannungsanschlüsse erstreckt sich ein Phasenmodulzweig. Jeder Phasenmodulzweig umfasst wiederum eine Reihenschaltung aus zweipoligen Submodulen, von denen jedes einen unipolaren Kondensator als Energiespeicher aufweist. Im Fehlerfall wird die. an dem Kondensator abfallende Spannung zu groß, so dass das Submodul zur Vermeidung größerer Schäden überbrückt werden muss. Hierzu ist eine Überbrückungseinheit vorgesehen, die zwischen den beiden Anschlussklemmen jedes Submoduls angeordnet ist. Bei der Überbrückungseinheit handelt es sich um einen ansteuerbaren Leistungshalbleiter.
Aus der Praxis ist bekannt, dass vor dem Kurzschließen eines Submoduls eines modularen Mehrstufenumrichters die Leistungshalbleiterschalter des fehlerhaften Submoduls blockiert, also mit anderen Worten in ihre Sperrstellung verführt werden. Werden die Leistungshalbleiterschalter in einem solchen Submodul jedoch nicht mehr angesteuert, wird der Energiespeicher über die Freilaufdioden des Submoduls bei passender Stromrichtung weiter aufgeladen. Um noch höhere Spannungen am Energiespeicher des Submoduls zu verhindern, werden die Anschlussklemmen bei einer definierten Spannung daher schnell kurz geschlossen. Diese Kurzschlussverbindung muss den über den Mehrstufenumrichter fließenden Strom einschließlich möglicher Stoßströme bis zum nächsten Wartungsintervall sicher führen können.
Beim Überbrücken des Submoduls kann es vorkommen, dass das schnelle Schließen des Überbrückungsschalters einen hartes Abkommutieren des Stromflusses über eine Freilaufdiode bewirkt, so dass es zur Zerstörung der Freilaufdiode mit nachfolgendem Kurzschluss des Kondensators durch einen Lichtbogen über die Freilaufdiode und den geschlossenen Kurzschließer kommt. Beim Rückschwingen der Energie können darüber hinaus auch noch weitere Freilaufdioden des Submoduls zerstört werden, da der Rückschwingstrom nur wenig gedämpft ist und daher immer noch Amplituden und Energien beinhalten kann, die das zulässige Maß für die Freilaufdioden bei weitem übersteigen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei dem eine Zerstörung einer oder mehrerer Freilaufdioden eines Submoduls sicher vermieden wird.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass ermittelt wird, welche der Freilaufdioden den über das Submodul fließenden Strom führt, und der Überbrückungsschalter nur dann ausgelöst wird, wenn die zwischen den Anschlussklemmen liegende Freilaufdiode den besagten Strom trägt.
Erfindungsgemäß wird vor dem Überbrücken der Anschlussklemmen zunächst ermittelt, welche der beiden Freilaufdioden des Submoduls den Strom führt. Liegt ein den Energiespeicher ladender Ladestrom vor, kommt es zu einem Stromfluss über die Freilaufdiode, die nicht zwischen den beiden Anschlussklemmen angeordnet ist. Nur wenn der Ladestrom über diese Freilaufdiode fließt, kann es zu den ungewünschten Zerstörungen der Freilaufdioden durch das Schließen des Überbrückungsschalters kommen. Aus diesem Grund wird das Schließen des Überbrückungsschalters so lange verzögert, bis es sichergestellt ist, dass ein über das Submodul fließender Strom über die Freilaufdiode fließt, die zwischen den Anschlussklemmen angeordnet ist. Auf diese Art und Weise wird ein hartes Abkommutieren mit der Zerstörung der Freilaufdioden im Gefolge vermieden. Erfindungsgemäß kann somit der Überbrückungsschalter geschlossen werden, ohne dass dabei einer der Leistungshalbleiter im Modul zerstört wird. Demgemäß kommt es auch zu keinem Kurzschluss des Energiespeichers, wodurch hohe Stoßströme und somit hohe Stromkräfte vermieden sind. Darüber hinaus muss der Überbrückungsschalter nicht mehr für entsprechend hohe Stoßströme und der Stromkräfte ausgelegt werden, so dass die Erfindung auch Kostenvorteile mit sich bringt.
Als Überbrückungsschalter können im Rahmen der Erfindung sowohl mechanische Schalter als auch Leistungshalbleiterschalter, wie Thyristoren oder dergleichen, eingesetzt werden.
Zur Ermittlung der stromführenden Freilaufdiode wird bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung eine an den Anschlussklemmen abfallende Submodulklemmspannung erfasst und der Überbrückungsschalter dann ausgelöst, wenn die Submodulklemmspannung über einen vorbestimmten Zeitraum hinweg unter einen vorbekannten Schwellenwert abfällt. Die Spannungsmessung an den Anschlussklemmen ist nur eine von mehreren Möglichkeiten um zu bestimmen, ob ein Stromfluss über die Freilaufdiode erfolgt, die zwischen die Anschlussklemmen geschaltet ist. Fließt ein Strom über die besagte Diode, kann an dieser nur die Durchlassspannung abfallen. Diese ist jedoch im Vergleich zu der Betriebsspannung an den Kondensatorklemmen, die an den Anschlussklemmen der besagten Freilaufdiode bei einem entgegen gesetzten Stromfluss abfällt, der über die andere Freilaufdiode führt, die nicht zwischen den Potenzialpunkten der Anschlussklemmen liegt, wesentlich geringer. Als Schwellenwert wird beispielsweise eine Spannung im Bereich etwas über der Durchlassspannung gewählt.
Gemäß einer diesbezüglichen zweckmäßigen Weiterentwicklung wird die erfasste Submodulklemmspannung auf die an dem Energiespeicher abfallende Energiespeicherspannung normiert. Die Kenntnis der Energiespeicherspannung ist bei der Regelung eines aus solchen Submodulen gebildeten Mehrstufenumrichters zwingend notwendig. Daher wird die Energiespeicherspannung ohnehin mittels zweckmäßiger Spannungsgeber fortwährend erfasst. Mit anderen Worten ist die Energiespeicherspannung bekannt und kann auf einfache Art und Weise zur Normierung der Submodulkennspannung herangezogen werden. Ein so normierter Spannungswert wird dann anschließend wieder mit einem Schwellenwert verglichen, wobei dann wieder auf einen über die Freilaufdiode zwischen den Anschlussklemmen fließenden Strom geschlossen wird, wenn die Submodulklemmspannung kleiner ist als der besagte Schwellenwert. Vorteilhafterweise ist der Schwellenwert ebenfalls auf die Energiespeicherspannung normiert. Die Normierung macht die aus der Messwerterfassung abgeleiteten Schlüsse noch eindeutiger und das Verfahren daher sicherer.
Gemäß einer diesbezüglich abweichenden Ausgestaltung der Erfindung wird die Richtung des Stromflusses in dem Submodul gemessen und aus der gemessenen Richtung des Stromflusses die Freilaufdiode ermittelt, die den Strom trägt. Der Strom über das Submodul kann nur zwei Richtungen aufweisen. Da die ansteuerbaren Leistungshalbleiterschalter in ihre Sperrstellung überführt sind, kann ein den Energiespeicher nicht ladender Strom nur über die zwischen den Anschlussklemmen liegende Freilaufdiode fließen. Jeder Stromrichtung ist die den Strom tragende eine Freilaufdiode eindeutig zuordenbar.
Zweckmäßigerweise wird die Richtung des Stromflusses an wenigstens einer Anschlussklemme ermittelt. Die Richtung des Stromflusses an einer Anschlussklemme kann beispielsweise durch magnetische Sensoren und deren Magnetfelder erfasst werden. Eine Stromrichtungserfassung ist somit besonders kostengünstig erhältlich, da keine aufwändigen Stromwandler erforderlich sind.
Alternativ kann die Stromrichtung auch vom übergeordneten Regelsystem über ein Bit im Kommandotelegramm an die Submodule gemeldet werden, da prinzipbedingt die Stromrichtung für die Regelung dem übergeordneten Regelsystem vorliegen muss.
Weitere Ausführungsbeispiele und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen und wobei die
1 und 2 ein nicht erfindungsgemäßes Verfahren und die
3 und 4 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens verdeutlichen.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Submoduls 1, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Das besagte Submodul 1 verfügt über einen unipolaren Speicherkondensator 2 als Energiespeicher sowie über eine Leistungshalbleiterreihenschaltung 3, die zwei in Reihe zueinander angeordnete ansteuerbare Leistungshalbleiter 4 und 5 mit gleicher Durchlassrichtung aufweist. Bei den ansteuerbaren Leistungshalbleiterschaltern handelt es sich hier um so genannte IGBT-Schalter. Im Rahmen der Erfindung können jedoch andere ein- und abschaltbare Leistungshalbleiterschalter, wie GTO-Schalter oder IGCT-Schalter, eingesetzt werden. Die Leistungshalbleiterschalter 4 und 5 sind mittels eines Steuerungssignals sowohl ein- als auch abschaltbar und für Hochspannungen im Bereich von 1 kV–10 kV ausgelegt. In ihrer eingeschalteten Stellung ist ein Stromfluss über die Leistungshalbleiterschalter nur in ihrer Durchlassrichtung möglich. In ihrer abgeschalteten Stellung sperren sie den Stromfluss in beiden Richtungen. Jedem der besagten Leistungshalbleiterschalter 4 und 5 ist eine Freilaufdiode 6 und 7 gegensinnig parallel geschaltet. Ferner verfügt jedes Submodul 1 über. eine erste Anschlussklemme 8, die hier mit einem Pol des Speicherkondensators 2 verbunden ist. Eine zweite Anschlussklemme 9 ist mit dem Potenzialpunkt zwischen den Leistungshalbleiterschaltern 4 und 5 und somit mit dem Potenzialpunkt zwischen den Freilaufdioden 6 und 7 verbunden.
In 1 ist ferner die Richtung des Stromflusses durch Pfeile verdeutlicht. In dem in 1 gezeigten Zustand fließt der Strom I von der zweiten Anschlussklemme 9 über die Freilaufdiode 6 über den Speicherkondensator 2 und anschließend wieder über die erste Anschlussklemme 8.
Zwischen den Anschlussklemmen 8 und 9 ist ein Überbrückungsschalter 10 angeordnet. Wird der Überbrückungsschalter 10, wie in 1 angedeutet, geschlossen, wenn ein Strom über die Diode 6 fließt, kommt es zu einem harten Abkommutieren des Stromes, so dass die Freilaufdiode 6 durchlegiert und über den dabei gebildeten Lichtbogen leitend bleibt. Aufgrund des geschlossenen Überbrückungsschalters 10 ist somit der Speicherkondensator 2 kurzgeschlossen. Es fließen hohe Entladungsströme über den Überbrückungsschalter 10. Beim Zurückschwingen der Energie wird auch die Freilaufdiode 7 zerstört. Aufgrund der hohen Ströme kommt es zu entsprechend hohen mechanischen Kräften, da sich parallele Ströme je nach Stromrichtung anziehen oder abstoßen.
2 zeigt die Kurzschlussströme nach dem Schließen des Überbrückungsschalters 10.
3 zeigt den Zeitpunkt, in dem erfindungsgemäß der Überbrückungsschalter 10 geschlossen wird. Hierzu wird ermittelt, welche der beiden Freilaufdioden den über das Submodul 1 fließenden Strom führt. In dem gezeigten Beispiel wird die an den Anschlussklemmen 8 und 9 abfallende Submodulklemmspannung U_in erfasst. Diese wird anschließend auf die an dem Speicherkondensator 2 abfallende Kondensatorspannung U_c normiert. Fließt der Strom über das Submodul durch die Freilaufdiode 7, ist die an den Anschlussklemmen 8 und 9 abfallende Submodulklemmspannung U_in etwa gleich der Durchlassspannung der Freilaufdiode 7 und somit sehr klein im Vergleich zu der Spannung, die im Falle eines Ladestromes auftritt, der in 1 gezeigt ist. Hier liegt die Submodulklemmspannung U_in in etwa in der Größenordnung der Kondensatorspannung U_c. Fällt die Submodulklemmspannung U_in daher über einen Zeitraum von beispielsweise 2 bis 3 ms unterhalb eines zuvor definierten Schwellenwertes ab, der beispielsweise bei 10% der Speicherkondensatorspannung liegt, wird der Überbrückungsschalter 10 ausgelöst, wobei es zu keiner Zerstörung der Freilaufdioden 6, 7 oder der ansteuerbaren Leistungshalbleiterschalter 4, 5 kommt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005040543 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Überbrücken eines Submoduls (1) eines modularen Mehrstufenumrichters, wobei das Submodul (1) einen unipolaren Energiespeicher (2) und eine parallel zum Energiespeicher (2) angeordnete Leistungshalbleiterreihenschaltung (3) aufweist, in der zwei ein- und abschaltbare Leistungshalbleiterschalter (4, 5) mit gleicher Durchlassrichtung in Reihe geschaltet sind, wobei jedem ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter (4, 5) eine Freilaufdiode (6, 7) gegensinnig parallel geschaltet ist, eine erste Anschlussklemme (8) mit einem Pol des Energiespeichers, eine zweite Anschlussklemme (9) mit einem Potenzialpunkt zwischen den ein- und abschaltbaren Leistungshalbleitern (4, 5) und deren Freilaufdioden (6, 7) verbunden ist und wobei ein Überbrückungsschalter (10) zwischen den Anschlussklemmen zum Überbrücken des Submoduls angeordnet ist, bei dem – das Submodul mit Hilfe von Messsensoren auf das Vorliegen wenigstens einer Abschaltbedingung hin überwacht wird und – bei Erfüllen der Abschaltbedingung die beiden ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiter (4, 5) in ihre Unterbrechungsstellung überführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass – ermittelt wird, welche der Freilaufdioden (6, 7) den über das Submodul (1) fließenden Strom führt, und – der Überbrückungsschalter (10) nur dann geschlossen wird, wenn die zwischen den Anschlussklemmen (8, 9) liegende Freilaufdiode (7) den besagten Strom trägt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine an den Anschlussklemmen (8, 9) abfallende Submodulklemmspannung U_in erfasst und der Überbrückungsschalter (10) dann geschlossen wird, wenn die Submodulklemmspannung U_in über einen vorbestimmten Zeitraum hinweg unter einen Schwellenwert abfällt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Submodulklemmspannung U_in durch Quotientenbildung auf die an dem Energiespeicher (2) abfallende Energiespeicherspannung U_c normiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung des Stromflusses in dem Submodul (1) gemessen und aus der gemessenen Richtung des Stromflusses die Freilaufdiode (6, 7) ermittelt wird, welche den Strom trägt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung des Stromflusses an wenigstens einer Anschlussklemme (8, 9) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung des Stromflusses von einer übergeordneten Regelung an das betroffene Submodul (1) übermittelt wird.