DE102011075576A1

DE102011075576A1 - Umrichteranordnung

Info

Publication number: DE102011075576A1
Application number: DE201110075576
Authority: DE
Inventors: Holger Leu
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-05-10
Filing date: 2011-05-10
Publication date: 2012-11-15
Also published as: US20140203645A1; CA2835558A1; EP2692048A2; CN103718448A; WO2012152619A3; WO2012152619A2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich u. a. auf eine Umrichteranordnung (10) mit zumindest einem Wechselspannungsanschluss (W10), an dem ein Wechselstrom eingespeist oder entnommen werden kann, und zumindest einem Gleichspannungsanschluss (G10a, G10b), an dem ein Gleichstrom eingespeist oder entnommen werden kann, wobei die Umrichteranordnung zumindest zwei parallel geschaltete Reihenschaltungen (R1, R2, R3) umfasst, deren äußere Anschlüsse (R11, R21, R31, R12, R22, R32) Gleichspannungsanschlüsse (G10a, G10b) der Umrichteranordnung bilden, und wobei jede der parallel geschalteten Reihenschaltungen jeweils mindestens zwei in Reihe geschaltete Teilmodule (T) umfasst, die jeweils mindestens zwei Schalter (S) und einen Kondensator (C) umfassen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest eines der Teilmodule einen Anschluss (A1, A2, A3) aufweist, an dem elektrische Energie aus dem Teilmodul (T) entnommen oder elektrische Energie in das Teilmodul eingespeist werden kann.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Umrichteranordnung mit zumindest einem Wechselspannungsanschluss, an dem ein Wechselstrom eingespeist oder entnommen werden kann, und zumindest einem Gleichspannungsanschluss, an dem ein Gleichstrom eingespeist oder entnommen werden kann.
Eine derartige Umrichteranordnung ist aus der Druckschrift "An Innovative Modular Multilevel Converter Topology Suitable for Wide Power Range" (A. Lesnicar und R. Marquardt, 2003 IEEE Bologna Power Tech Conference, 23.–26. Juni 2003, Bologna, Italien) bekannt. Bei dieser vorbekannten Umrichteranordnung handelt es sich um eine sogenannte Marquardt-Umrichteranordnung, die zumindest zwei parallel geschaltete Reihenschaltungen umfasst, deren äußere Anschlüsse Gleichspannungsanschlüsse der Umrichteranordnung bilden. Jede der parallel geschalteten Reihenschaltungen umfasst jeweils mindestens zwei in Reihe geschaltete Teilmodule, die jeweils mindestens zwei Schalter und einen Kondensator umfassen. Durch eine geeignete Ansteuerung der Schalter lässt sich das Spannungsniveau an den Gleichspannungsanschlüssen einstellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Umrichteranordnung anzugeben, die besonders universell einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Umrichteranordnung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Umrichteranordnung sind in Unteransprüchen angegeben.
Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest eines der Teilmodule einen Anschluss aufweist, an dem elektrische Energie aus dem Teilmodul entnommen oder elektrische Energie in das Teilmodul eingespeist wird oder werden kann.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Umrichteranordnung besteht darin, dass diese – im Unterschied zu vorbekannten Umrichteranordnungen – zusätzliche Anschlüsse aufweist, an denen Energie entnommen oder Energie eingespeist werden kann. Dies ermöglicht es, die Umrichteranordnung in technischen Anlagen besonders vielseitig einzusetzen. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Umrichteranordnung zum Verteilen elektrischer Energie, also als eine Art Energieverteilanlage oder als ein Bestandteil einer komplexen Energieverteilanlage, eingesetzt werden. Die Teilmodule der erfindungsgemäßen Umrichteranordnung können räumlich verteilt werden, beispielsweise über ein ganzes Stadtgebiet, und lokale Entnahme- und/oder Einspeisestellen der Energieverteilanlage zur Entnahme und/oder zur Einspeisung elektrischer Energie bilden.
Hinsichtlich der Wechselspannungsanschlüsse der Umrichteranordnung wird es als vorteilhaft angesehen, wenn jede der parallel geschalteten Reihenschaltungen jeweils einen Zwischenanschluss aufweist, der potentialmäßig zwischen zwei Teilmodulen der jeweiligen Reihenschaltung liegt, und jeder Zwischenanschluss jeweils einen der Wechselspannungsanschlüsse bildet.
Zur Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung und umgekehrt ist das zumindest eine Teilmodul vorzugsweise mit einem teilmodulindividuellen Umrichter ausgestattet, der mit seinem Gleichspannungsanschluss an den Kondensator des Teilmoduls angeschlossen ist.
Um eine weitere Spannungsumsetzung bei der Entnahme und/oder der Einspeisung elektrischer Energie in dem Teilmodul zu ermöglichen, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn dieses einen teilmodulindividuellen Transformator aufweist, der an die Wechselspannungsseite des teilmodulindividuellen Umrichters des Teilmoduls angeschlossen ist.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Umrichteranordnung ist vorgesehen, dass ein Anschluss des teilmodulindividuellen Transformators den Anschluss oder einen der Anschlüsse des Teilmoduls bildet, an dem elektrische Energie, und zwar in Form von Wechselstrom, aus dem Teilmodul entnommen oder in das Teilmodul eingespeist werden kann.
Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung der Umrichteranordnung ist vorgesehen, dass ein Wechselspannungsanschluss des teilmodulindividuellen Umrichters den Anschluss oder einen der Anschlüsse des Teilmoduls bildet, an dem elektrische Energie, und zwar in Form von Wechselstrom, aus dem Teilmodul entnommen oder in das Teilmodul eingespeist werden kann.
Gemäß einer dritten bevorzugten Ausgestaltung der Umrichteranordnung ist vorgesehen, dass ein Anschluss des teilmodulindividuellen Kondensators den Anschluss oder einen der Anschlüsse des Teilmoduls bildet, an dem elektrische Energie, und zwar in Form von Gleichstrom, aus dem Teilmodul entnommen oder in das Teilmodul eingespeist werden kann.
Vorzugsweise arbeitet die Umrichteranordnung mehrphasig, z. B. dreiphasig, und umfasst pro Phase mindestens eine Reihenschaltung mit jeweils mindestens zwei in Reihe geschalteten Teilmodulen.
Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf eine Energieverteilanlage zur Versorgung eines Versorgungsgebietes mit elektrischer Energie, wobei die Energieverteilanlage zumindest einen Anschluss zum Einspeisen elektrischer Energie und eine Vielzahl an Anschlüssen zur Entnahme der eingespeisten elektrischen Energie aufweist.
Bezüglich einer solchen Energieverteilanlage wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Energieverteilanlage eine Umrichteranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche aufweist, wobei der zumindest eine Anschluss der Energieverteilanlage zum Einspeisen der elektrischen Energie durch einen Anschluss der Umrichteranordnung und zumindest eine Teilmenge der Anschlüsse der Energieverteilanlage zur Entnahme der eingespeisten elektrischen Energie durch Anschlüsse der Teilmodule der Umrichteranordnung gebildet wird.
Bezüglich der Vorteile der erfindungsgemäßen Energieverteilanlage sei auf die oben erläuterten Vorteile der erfindungsgemäßen Umrichteranordnung verwiesen, da die Vorteile der erfindungsgemäßen Umrichteranordnung denen der erfindungsgemäßen Energieverteilanlage im Wesentlichen entsprechen.
Als vorteilhaft wird es als angesehen, wenn die Teilmodule über das von der Energieverteilanlage mit elektrischer Energie zu versorgende Versorgungsgebiet lokal verteilt sind. Dies ermöglicht es, relativ große Versorgungsgebiete, beispielsweise ganze Stadtgebiete, mit Hilfe der Teilmodule mit elektrischer Energie zu versorgen.
Als Erfindung wird auch ein Windpark mit einer Vielzahl an Windgeneratoren und einer Umrichteranordnung – wie sie oben beschrieben ist – angesehen. Die Windgeneratoren sind vorzugsweise jeweils an ein Teilmodul der Umrichteranordnung angeschlossen.
Als Erfindung wird auch ein Verfahren zum Betreiben einer Umrichteranordnung, wie sie oben beschrieben ist, angesehen. Erfindungsgemäß wird an einem Anschluss zumindest eines der Teilmodule elektrische Energie aus dem Teilmodul entnommen oder elektrische Energie in das Teilmodul eingespeist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft:
1 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Umrichteranordnung und
2 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Energieverteilanlage, die mit einer erfindungsgemäßen Umrichteranordnung ausgestattet ist.
In den Figuren werden der Übersicht halber für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet.
In der 1 ist ein Ausführungsbeispiel für eine dreiphasige Umrichteranordnung 10 gezeigt. Diese umfasst Wechselspannungsanschlüsse W10 zum Einspeisen von Wechselstrom. Darüber hinaus ist sie mit einer Gleichspannungseite G10 ausgestattet, die zwei Gleichspannunsanschlüsse G10a und G10b umfasst.
Die Umrichteranordnung 10 weist drei parallel geschaltete Reihenschaltungen R1, R2 und R3 auf, deren äußere Anschlüsse R11, R21 und R31 mit dem Gleichspannungsanschluss G10a in Verbindung stehen. Die äußeren Anschlüsse R12, R22 und R32 stehen mit dem Gleichspannungsanschluss G10b der Gleichspannungsseite G10 in Verbindung. Mit anderen Worten bilden also die äußeren Anschlüsse der drei Reihenschaltungen R1, R2 und R3 die Gleichspannungsseite G10 der Umrichteranordnung 10.
Jede der drei Reihenschaltungen R1, R2 und R3 ist jeweils mit sechs in Reihe geschalteten Teilmodulen T sowie zwei Induktivitäten D ausgestattet. Jeweils zwischen den zwei Induktivitäten D befindet sich ein Zwischenanschluss Z, der potentialmäßig zwischen den in der 1 oberen drei Teilmodulen und den in 1 unteren drei Teilmodulen liegt und einen der drei Wechselspannungsanschlüsse W10 der Umrichteranordnung 10 bildet.
In der 1 lässt sich darüber hinaus beispielhaft der Aufbau der Teilmodule T erkennen. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 weist jedes der Teilmodule T jeweils zwei Schalter S1 und S2, einen Kondensator C einen Umrichter U sowie einen Transformator TR auf. Die Oberspannungsseite des Transformators TR ist an die Wechselspannungsseite des Umrichters U angeschlossen.
Die Anschlusskontakte des Kondensators C des Teilmoduls T bilden einen ersten Anschluss A1 des Teilmoduls, an dem elektrische Energie aus dem Teilmodul T entnommen oder in das Teilmodul T eingespeist werden kann. An dem ersten Anschluss A1 kann Gleichstrom eingespeist oder entnommen werden.
Die Wechselspannungsanschlüsse bzw. die Wechselspannungsseite des Umrichters U bilden einen zweiten Anschluss A2, an dem elektrische Energie aus dem Teilmodul T entnommen oder in das Teilmodul T eingespeist werden kann. An dem zweiten Anschluss A2 kann Wechselstrom eingespeist oder entnommen werden.
Ein dritter Anschluss A3 zum Einspeisen und/oder zur Entnahme von elektrischer Energie wird durch den Transformatoranschluss auf der Unterspannungsseite des Transformators TR gebildet. An dem dritten Anschluss A3 kann Wechselstrom eingespeist oder entnommen werden.
Zusammengefasst ermöglicht es die Umrichteranordnung 10 aufgrund der Ausgestaltung der Teilmodule T, an jedem der Anschlüsse A1, A2 und/oder A3 eines jeden Teilmoduls T elektrische Energie zu entnehmen oder elektrische Energie einzuspeisen. Die Umrichteranordnung 10 kann somit als Energieverteilanlage eingesetzt werden.
In der 2 ist beispielhaft ein Ausführungsbeispiel für eine Energieverteilanlage 100 dargestellt, die durch eine Umrichteranordnung 10, wie sie im Zusammenhang mit der 1 erläutert wurde, gebildet ist.
Die Energieverteilanlage 100 weist einen Anschluss W10 zum Einspeisen elektrischer Energie auf. Dieser Anschluss W10 wird bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 2 durch die drei Wechselspannungsanschlüsse W10 der Umrichteranordnung 10 gebildet.
Die Energieverteilanlage 100 weist darüber hinaus eine Vielzahl von Anschlüssen A101 bis A118 auf, die zur Entnahme und/oder zum Einspeisen elektrischer Energie geeignet sind. Diese Anschlüsse A101 bis A118 sind räumlich über ein großes lokales Versorgungsgebiet VG, wie beispielsweise einem Stadtgebiet, verteilt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 gehört der Anschluss A101 zu einem Haus 200, das in dem Versorgungsgebiet VG befindlich ist. Die Anschlüsse A107, A108 und A109 sind in einem kleinen Gebäudekomplex 210 innerhalb des Versorgungsgebiets VG angeordnet. Die Anschlüsse A110, A111 und A112 gehören zu einem Kraftwerk 220, das das lokale Versorgungsgebiet VG mit elektrischer Energie versorgt. Die Anschlüsse A113 bis A118 sind einem großen Gebäudekomplex 230 zugewiesen, der sich ebenfalls innerhalb des Versorgungsgebiets VG befindet.
Jeder der genannten Anschlüsse A101 bis A118 der Energieverteilanlage 100 wird durch einen oder mehrere der Anschlüsse A1, A2 und/oder A3 eines der Teilmodule T (vgl. 1) gebildet, wie dies im Zusammenhang mit der 1 im Detail erläutert worden ist. Mit anderen Worten ist es also möglich, an jedem der Anschlüsse A101 bis A118 elektrische Energie zu entnehmen oder elektrische Energie einzuspeisen, indem an einen oder mehrere der Anschlüsse A1, A2 und/oder A3 eines jeden Teilmoduls T Energie entnommen oder eingespeist wird.
Die Ansteuerung der Schalter S1 und S2 der Teilmodule T erfolgt vorzugsweise durch eine zentrale Leitstelle, die der Übersicht halber in den 1 und 2 nicht gezeigt ist.
Zusammengefasst ermöglichen die Umrichteranordnung 10 gemäß 1 sowie die Energieverteilanlage 100 gemäß 2 beispielsweise:

– eine Anbindung von dezentralen Einspeiseeinheiten und Kleinstnetzen,
– eine Bildung einer leistungsstarken Mittel- oder Hochspannungsankopplung (Gleichspannung und Wechselspannung sind möglich),
– eine übergeordnete Regelung, wodurch ein hochdynamisches Verhalten des Gesamtsystems ermöglicht wird, und
– erweiterte Redundanzfähigkeiten.

Beispielsweise ist es mit der Umrichteranordnung 10 gemäß 1 sowie der Energieverteilanlage 100 möglich, viele dezentrale kleine Einheiten zu versorgen, die sich über eine große Fläche verteilen. So können beispielsweise einzelne Häuser in einem engeren oder weiteren Stadtbereich über die Teilmodule an die Mittel- oder Hochspannung angekoppelt und mit Niederspannung versorgt werden.
Darüber hinaus ist auch eine Verkopplung mehrerer Umrichteranordnungen bzw. mehrerer Energieverteilanlagen möglich. So können beispielsweise verschiedene Energieverteilanlagen 100, wie sie in der 2 gezeigt sind, über ihre Wechselspannungsanschlüsse W10 miteinander verbunden werden. Der Vorteil dabei ist, dass es nicht zu einer nennenswerten Erhöhung der Kurzschlussleistung kommt. Alternativ können die Umrichteranordnungen bzw. die dadurch gebildeten Energieverteilanlagen auch über die Gleichspannungsanschlüsse miteinander verkoppelt werden.
Im Falle einer Verkopplung mehrerer Umrichteranordnungen bzw. mehrerer Energieverteilanlagen wird vorzugsweise im Netz eine zentrale Schaltanlage installiert, die die Gesamtanordnung steuern kann.
Die Umrichteinrichtung 10 gemäß 1 sowie die Energieverteilanlage 100 gemäß 2 können auch dazu eingesetzt werden, Windkraftturbinen von Windparks miteinander zu koppeln. Beispielsweise kann an ein jedes Teilmodul der Umrichteranordnung 10 bzw. der Energieverteilanlage 100 gemäß den 1 und 2 jeweils eine Windkraftturbine angeschlossen werden. Ein solcher Anschluss kann über den turbineneigenen AC/DC-Umrichter erfolgen, der an den Kondensator C des jeweiligen Teilmoduls T angeschlossen wird. Der Filteraufwand bei der Einspeisung der von den Windkraftturbinen erzeugten elektrischen Energie kann dabei sehr klein gehalten werden, so dass als turbineneigene AC/DC-Umrichter Umrichter mit sehr einfacher Topologie und sehr einfachen Ventilen (z. B. in Form von Thyristorumrichtern) einsetzbar sind. Im einfachsten Fall kann beispielsweise ein Diodengleichrichter verwendet werden. Auch ist es denkbar, auf einen Transformator zwischen dem turbineneigenen AC/DC-Umrichter und dem jeweiligen Windkraftgenerator zu verzichten. Auch muss beim Einspeisen in das Teilmodul T keine feste Einspeisefrequenz vorgegeben oder eingehalten werden, denn jede Windkraftturbine kann mit ihrer eigenen Frequenz betrieben werden. Auch ist es in sehr einfacher Weise möglich, einzelne Windkraftturbinen im Fehlerfall abzuwerfen, da die Teilmodule unabhängig von den Betriebspunkten der einzelnen Generatoren arbeiten können.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

"An Innovative Modular Multilevel Converter Topology Suitable for Wide Power Range" (A. Lesnicar und R. Marquardt, 2003 IEEE Bologna Power Tech Conference, 23.–26. Juni 2003, Bologna, Italien) [0002]

Claims

Umrichteranordnung (10) mit zumindest einem Wechselspannungsanschluss (W10), an dem ein Wechselstrom eingespeist oder entnommen werden kann, und zumindest einem Gleichspannungsanschluss (G10a, G10b), an dem ein Gleichstrom eingespeist oder entnommen werden kann, – wobei die Umrichteranordnung zumindest zwei parallel geschaltete Reihenschaltungen (R1, R2, R3) umfasst, deren äußere Anschlüsse (R11, R21, R31, R12, R22, R32) Gleichspannungsanschlüsse (G10a, G10b) der Umrichteranordnung bilden, und – wobei jede der parallel geschalteten Reihenschaltungen jeweils mindestens zwei in Reihe geschaltete Teilmodule (T) umfasst, die jeweils mindestens zwei Schalter (S) und einen Kondensator (C) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Teilmodule einen Anschluss (A1, A2, A3) aufweist, an dem elektrische Energie aus dem Teilmodul (T) entnommen oder elektrische Energie in das Teilmodul eingespeist werden kann.
Umrichteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – jede der parallel geschalteten Reihenschaltungen jeweils einen Zwischenanschluss (Z) aufweist, der potentialmäßig zwischen zwei Teilmodulen der jeweiligen Reihenschaltung liegt, und – jeder Zwischenanschluss jeweils einen der Wechselspannungsanschlüsse (W10) bildet.
Umrichteranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Teilmodule (T) einen teilmodulindividuellen Umrichter (U) aufweist, der mit seiner Gleichspannungsseite an den Kondensator (C) des Teilmoduls angeschlossen ist.
Umrichteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Teilmodul (T) einen teilmodulindividuellen Transformator (TR) aufweist, der an den teilmodulindividuellen Umrichter (U) des Teilmoduls angeschlossen ist.
Umrichteranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschluss des teilmodulindividuellen Transformators (TR) einen Anschluss (A3) bildet, an dem elektrische Energie, und zwar in Form von Wechselstrom, aus dem Teilmodul (T) entnommen oder in das Teilmodul eingespeist werden kann.
Umrichteranordnung nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschluss des teilmodulindividuellen Umrichters einen Anschluss (A2) bildet, an dem elektrische Energie aus dem Teilmodul entnommen oder in das Teilmodul (T) eingespeist werden kann.
Umrichteranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschluss des teilmodulindividuellen Kondensators (C) einen Anschluss (A1) bildet, an dem elektrische Energie, und zwar in Form von Gleichstrom, aus dem Teilmodul (T) entnommen oder in das Teilmodul eingespeist werden kann.
Umrichteranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umrichteranordnung mehrphasig arbeitet und pro Phase mindestens eine Reihenschaltung mit jeweils mindestens zwei in Reihe geschalteten Teilmodulen (T) umfasst.
Energieverteilanlage (100) zur Versorgung eines Versorgungsgebietes mit elektrischer Energie, wobei die Energieverteilanlage zumindest einen Anschluss (E100) zum Einspeisen elektrischer Energie und eine Vielzahl an Anschlüssen zur Entnahme der eingespeisten elektrischen Energie aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Energieverteilanlage eine Umrichteranordnung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche aufweist, wobei – der zumindest eine Anschluss der Energieverteilanlage zum Einspeisen der elektrischen Energie durch einen Anschluss der Umrichteranordnung (W10) und zumindest eine Teilmenge der Anschlüsse der Energieverteilanlage zur Entnahme der eingespeisten elektrischen Energie durch Anschlüsse (A1, A2, A3) der Teilmodule (T) der Umrichteranordnung (10) gebildet wird.
Energieverteilanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilmodule (T) über das von der Energieverteilanlage (100) mit elektrischer Energie zu versorgende Versorgungsgebiet (VG) lokal verteilt sind.
Anordnung mit einer Umrichteranordnung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche 1–8 und einer Vielzahl an Windgeneratoren, die jeweils an eines der Teilmodule (T) der Umrichteranordnung (10) angeschlossen sind.
Verfahren zum Betreiben einer Umrichteranordnung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Anschluss (A1, A2, A3) zumindest eines der Teilmodule elektrische Energie aus dem Teilmodul (T) entnommen oder elektrische Energie in das Teilmodul eingespeist wird.