DE102012202187B4 - Verteilungsnetz für elektrische Energie - Google Patents
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Abstract
Verteilungsnetz für elektrische Energie mit einer Stromübertragungsstrecke (6),
an die über eine modulare Multi-Level-Umrichter-Anordnung (9) mindestens ein elektrischer Energieverbraucher und/oder elektrischer Energieerzeuger in der Weise angeschlossen ist, dass an den Kondensator (20) mindestens eines Submoduls (10 bis 15) der modularen Multi-Level-Umrichter-Anordnung (9) über jeweils einen Wechselrichter (27) mit nachgeordnetem Transformator (29) der mindestens eine elektrische Verbraucher oder elektrische Energieerzeuger angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass
• die Stromübertragungsstrecke eine Wechselstromübertragungsstrecke (64) ist und
• an die Phasenleiter (63, 78, 81) der Wechselstromübertragungsstrecke (64) über Phasenzweige (52) einer modularen Multi-Level-Umrichter-Einrichtung die elektrischen Energieverbraucher und/oder die elektrischen Energieerzeuger in der Weise angeschlossen sind, dass an den Kondensator (53) jedes Submoduls (50, 51) der Phasenzweige (52) der modularen Multi-Level-Umrichter-Einrichtung über jeweils einen Wechselrichter (54) mit nachgeordnetem Transformator (56) jeweils ein elektrischer Energieverbraucher oder ein elektrischer Energieerzeuger angeschlossen ist.
an die über eine modulare Multi-Level-Umrichter-Anordnung (9) mindestens ein elektrischer Energieverbraucher und/oder elektrischer Energieerzeuger in der Weise angeschlossen ist, dass an den Kondensator (20) mindestens eines Submoduls (10 bis 15) der modularen Multi-Level-Umrichter-Anordnung (9) über jeweils einen Wechselrichter (27) mit nachgeordnetem Transformator (29) der mindestens eine elektrische Verbraucher oder elektrische Energieerzeuger angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass
• die Stromübertragungsstrecke eine Wechselstromübertragungsstrecke (64) ist und
• an die Phasenleiter (63, 78, 81) der Wechselstromübertragungsstrecke (64) über Phasenzweige (52) einer modularen Multi-Level-Umrichter-Einrichtung die elektrischen Energieverbraucher und/oder die elektrischen Energieerzeuger in der Weise angeschlossen sind, dass an den Kondensator (53) jedes Submoduls (50, 51) der Phasenzweige (52) der modularen Multi-Level-Umrichter-Einrichtung über jeweils einen Wechselrichter (54) mit nachgeordnetem Transformator (56) jeweils ein elektrischer Energieverbraucher oder ein elektrischer Energieerzeuger angeschlossen ist.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verteilungsnetz für elektrische Energie mit einer Stromübertragungsstrecke an die Stromübertragungsstrecke über eine modulare Multi-Level-Umrichter-Anordnung mindestens ein elektrischer Energieverbraucher und/oder elektrischer Energieerzeuger in der Weise angeschlossen, dass an den Kondensator mindestens eines Submoduls der modularen Multi-Level-Umrichter-Anordnung über jeweils einen Wechselrichter mit nachgeordnetem Transformator der mindestens eine elektrische Verbraucher oder elektrische Energieerzeuger angeschlossen ist.
- Ein derartiges Verteilungsnetz ist beispielsweise aus der
WO 2008/002 226 A1 - Die
US 6 487 096 B1 offenbart den Anschluss eines Energiespeichers an den Gleichspannungszwischenkreis eines Umrichtersystems. DieEP 0 482 504 A1 offenbart ein Verfahren zum Schutz von abschaltbaren Leistungshalbleitern eines Wechselrichters. Aus derDE 4 439 932 A1 ist eine weitere Wechselrichtervorrichtung bekannt. - Klassische Energieverteilungen beruhen überwiegend auf Wechselstrom-Verteilungsnetzen. Derartige Netze haben den Nachteil von relativ hohen Leitungsverlusten, die sich aus den Wirkwiderständen der Leitungen oder Kabel und induktiven und kapazitiven Widerständen ergeben.
- Deshalb liegt an sich der Gedanke nahe, Verteilungsnetze für elektrische Energie als Gleichstrom-Verteilungsnetze aufzubauen. Solche Netze scheitern jedoch an den Leistungsschaltern, weil diese – wenn sie überhaupt gefertigt werden können – sehr groß bauen.
- In den letzten Jahren sind insbesondere in Form von Windparks Verteilungsnetze für elektrische Energie mit einer Gleichstromübertragungsstrecke und räumlich beabstandet voneinander angeordneten elektrischen Anlagen in Gestalt von Windturbinen entwickelt und aufgebaut worden.
- Es ist zwar an sich beispielsweise aus dem Aufsatz von R. Marquardt, A. Lesnicar „New Concept for High Voltage-Modular Multilevel Converter PESC” 2004 Conference in Aachen, Germany eine modulare Multi-Level-Umrichter-Anordnung mit mehreren in Reihe angeordneten Submodulen mit jeweils einem Kondensator bekannt, jedoch sind bei dieser bekannten Anordnung die Kondensatoren der Submodule der modularen Multi-Level-Umrichter-Anordnung jeweils ohne Anschluss nach außen.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verteilungsnetz für elektrische Energie vorzuschlagen, das kostengünstig auch eine weiträumige Verteilung der elektrischen Energie zulässt.
- Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei dem eingangs genannten Verteilungsnetz erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Stromübertragungsstrecke eine Wechselstromübertragungsstrecke ist, und an die Phasenleiter der Wechselstromübertragungsstrecke sind über Phasenmodule der modularen Multi-Level-Umrichter-Anordnung die elektrischen Energieverbraucher und/oder die elektrischen Energieerzeuger in der Weise angeschlossen, dass an den Kondensator jedes Submoduls der Phasenmodule der modularen Multi-Level-Umrichter-Anordnung über jeweils einen Wechselrichter mit nachgeordnetem Transformator ein elektrischer Energieverbraucher oder ein elektrischer Energieerzeuger angeschlossen ist.
- Dabei ist es je nach Bedarf möglich, über nur ein Submodul einen einzigen Verbraucher oder Energieerzeuger anzuschließen oder einzelne oder alle Kondensatoren mit elektrischen Energieverbrauchern oder Energieerzeugern zu beschalten. Im Einzelfall können Kondensatoren von einzelnen Submodulen bewusst unbeschaltet bleiben, um eine benötigte Gleichspannung zu erreichen. Vorteilhaft ist diese Ausführungsform vor allem deshalb, weil sie bei Vorhandensein einer Wechselstromübertragungsstrecke ohne eine Umformung der Gleichspannung in eine Wechselspannung auskommt, also beispielweise eines ungesteuerten Diodenumrichters oder eines modularen Multi-Level-Umrichters nicht bedarf.
- Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verteilungsnetzes besteht darin, dass es einen Energiefluss in beiden Richtungen ermöglicht, das heißt, es können elektrische Anlagen sowohl in Form von elektrischen Energieverbrauchern als auch in Form von elektrischen Energieerzeugern zum Einsatz kommen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei modularen Multi-Level-Umrichtern eingeführte und serienmäßig gefertigte Submodule Anwendung finden können.
- Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verteilungsnetzes ist an den Kondensator des mindestens einen Submoduls zusätzlich über einen Gleichstromsteller ein elektrischer Energiespeicher angeschlossen, so dass bei dem erfindungsgemäßen Verteilungsnetz gegebenenfalls eine Mehrzahl von Energiespeichern gleichzeitig auf relativ einfache Weise aufgeladen werden können; auch eine Beschaltung aller Submodule mit Energiespeichern ist möglich. An sich ist es für sich aus der internationalen Patentanmeldung
WO 2011/060823 A1 - Es kann auch vorteilhaft sein, wenn an den Kondensator mindestens eines weiteren Submoduls über einen Gleichstromsteller lediglich ein elektrischer Energiespeicher angeschlossen ist.
- Besonders vorteilhaft ist der Einsatz des erfindungsgemäßen Verteilungsnetzes bei räumlich weit verteilten elektrischen Verbrauchern. Bei den Verbrauchern kann es sich beispielsweise um Schiffe in einem Hafen handeln, die jeweils über Landanschlüsse mit elektrischer Energie versorgt werden. Diese Landanschlüsse sind je nach Größe des jeweiligen Hafens über ein relativ großes Gebiet räumlich verstreut angeordnet und benachbart zu diesen Landanschlüssen ist dann jeweils ein Submodul der modularen Multi-Level-Umrichter-Anordnung platziert. Auch ein Einsatz bei beispielsweise von Hochhäusern gebildeten Verbrauchern bietet sich mit Vorteil an.
- Die Submodule können bei der räumlich verteilten modularen Multi-Level-Umrichter-Anordnung in vorteilhafter Weise als so genannte Vollbrücken-Submodule ausgeführt sein. Zwar sind derartige Submodule relativ aufwendig, weil sie relativ viele gesteuerte Gleichrichter benötigen und verbrauchen relativ viel elektrische Leistung, jedoch lässt sich mit ihnen eine bessere Dynamik erreichen; außerdem erlauben sie mindestens teilweise einen Anschluss von Energieerzeugern auch in den Fällen, in denen das erfindungsgemäße Verteilungsnetz über einen ungesteuerten Diodenumrichter gespeist wird (vgl. unten).
- Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn bei dem erfindungsgemäßen Verteilungsnetz die Submodule der modularen Multi-Level-Umrichter-Anordnung aus Halbbrücken-Submodulen bestehen, wie sie beispielsweise in
4 des oben genannten Aufsatzes dargestellt sind. Hinsichtlich des Leistungsverbrauchs und Schaltungsaufwands sind solche Submodule günstig. - In besonders vorteilhafter Weise weisen bei dem erfindungsgemäßen Verteilungsnetz die Submodule einen von einer Fehlererfassungseinrichtung betätigbaren Kurzschließer auf. Dieser Kurzschließer schaltet nicht betriebsmäßig, sondern nur nach einem Fehlerfall und dann auch nur Ein und nicht Aus; das Löschen eines Lichtbogens beim Ausschalten ist nicht erforderlich, so dass der Kurzschließer relativ kostengünstig ausführbar ist.
- Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verteilungsnetzes ist an den Kondensator jedes Submoduls eine Spannungsmesseinrichtung angeschlossen, der eine Steuereinrichtung für das Submodul nachgeordnet ist, die hochfrequent jeweils bei niedriger Spannung am Kondensator eine Aufladung des Kondensators und jeweils bei hoher Spannung am Kondensator eine Vorbeileitung des Gleichstroms am Kondensator bewirkt. Durch eine solche Ausgestaltung ist in einfacher Weise dafür gesorgt, dass die Spannungen an den Kondensatoren der Submodule der modularen Multi-Level-Umrichter-Anordnung nur in geringem Maße schwanken, also weitgehend konstant gehalten sind.
- Bei dem erfindungsgemäßen Verteilungsnetz können unterschiedliche Stromübertragungsstrecken zum Einsatz kommen. So wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Stromübertragungstrecke eine Gleichstromübertragungsstrecke ist und an die Gleichstromübertragungsstrecke ein Wechselspannungsnetz über einen ungesteuerten Diodenumrichter angeschlossen ist. In diesem Falle ist der Aufwand für den Gleichrichter selbst relativ gering, weil sich ein ungesteuerter Diodenumrichter vergleichsweise kostengünstig herstellen lässt.
- Vorteilhaft kann es aber auch sein und bei einem Energiefluss in beiden Richtungen sogar notwendig, wenn an die Gleichstromübertragungsstrecke ein Wechselspannungsnetz über einen modularen Multi-Level-Umrichter angeschlossen ist. Der Einsatz eines modularen Multi-Level-Umrichters ist zwar vergleichsweise aufwendig, jedoch hat der mit ihm erzeugte Gleichstrom eine höhere Güte.
- Zur weiteren Erläuterung der Erfindung ist in
-
1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verteilungsnetzes mit Anschluss an ein Wechselspannungsnetz über einen ungesteuerten Diodenumrichter, in -
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit Anschluss an ein Wechselspannungsnetz über einen Multi-Level-Umrichter und in -
3 ein Ausführungsbeispiel mit Anschluss von elektrischen Energieverbrauchern und Energieerzeugern über eine einzige modulare Multi-Level-Umrichter-Einrichtung an ein Wechselspannungsnetz dargestellt. - Gemäß
1 ist bei dem dort dargestellten Ausführungsbeispiel an ein dreiphasiges Wechselstromnetz1 über eine Transformatoranordnung2 ein aus mehreren ungesteuerten Dioden bestehender Diodenumrichter3 angeschlossen. An die Ausgänge4 und5 des Diodenumrichters3 ist eine Gleichstromübertragungsstrecke in Form einer Gleichstromübertragungsleitung6 mit ihren Leitungen7 und8 angeschlossen. - Die Gleichstromübertragungsleitung
6 führt zu einer modularen Multi-Level-Umrichter-Anordnung9 , die aus einzelnen Submodulen10 ,11 und12 sowie13 ,14 und15 besteht. Diese Submodule10 bis15 sind jeweils in bekannter Weise als Halb-Brücken-Submodule übereinstimmend ausgebildet, indem sie jeweils einen elektronischen Leistungsschalter16 in Parallelschaltung zu einer Diode17 sowie einem weiteren elektronischen Leistungsschalter18 in Parallelschaltung zu einer weiteren Diode19 aufweisen. Ausgangsseitig weist jedes der Submodule10 bis15 einen Kondensator20 auf. - An den Kondensator
20 jedes der Submodule10 bis15 ist unter Bildung jeweils eines erweiterten Submoduls21 ,22 ,23 ,24 ,25 und26 jeweils ein Wechselrichter27 angeschlossen. Diese Wechselrichter27 können in einfachster Weise als 2-Level-Umrichter ausgeführt sein; sie sind an ihren Ausgängen jeweils an ein dreiphasiges Wechselspannungsnetz28 angeschlossen. Mit dem jeweiligen Wechselspannungsnetz28 verbundene Transformatoren29 dienen zur Spannungsanpassung und galvanischen Trennung und sind über jeweils einen Wechselspannungsschalter30 mit beispielsweise jeweils einem Landungsanschluss31 einer nicht weiter dargestellten Hafenanlage verbunden. Die erweiterten Submodule21 bis26 können beispielsweise auch an Anschlüsse von Häusern in einer Wohnsiedlung angeschlossen werden. - Wie die
1 ferner zeigt, ist jedem Submodul10 bis15 ein Kurzschließer32 zugeordnet, der in nicht dargestellter Weise betätigt wird, wenn eine Fehlererfassungs-Einrichtung einen Fehler in den Submodulen oder dem jeweils nachgeordneten Verbraucher signalisiert. - Die einzelnen Submodule
10 bis15 sind schaltungstechnisch so angeordnet, wie es bei dem bekannten modularen Multi-Level-Umrichter der Fall ist. Sie sind jedoch im vorliegenden Falle räumlich getrennt so angeordnet, dass sie jeweils dem Verbraucher bzw. den hier dargestellten Landanschlüssen31 benachbart liegen. Bei dem dargestellten Verteilungsnetz sind also die Submodule10 bis15 konstruktiv und räumlich ganz anders angeordnet, wie dies bei dem bekannten modularen Multi-Level-Umrichter der Fall ist, bei dem die einzelnen Submodule sich in einem engen räumlichen Zusammenhang miteinander befinden, beispielsweise in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind. - Das Ausführungsbeispiel nach
2 ist hinsichtlich der modularen Multi-Level-Umrichter-Anordnung identisch mit dem in1 dargstellten Ausführungsbeispiel, so dass hier auf die Beschreibung dieses Teils des dargestellten Verteilungsnetzes verzichtet werden kann. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel nach1 ist bei dem Ausführungsbeispiel nach2 hier ein dreiphasiges Wechselspannungsnetz40 über eine Transformatoranordnung41 mit einem modularen Multi-Level-Umrichter42 verbunden, der in bekannter Weise über Induktivitäten43 ,44 und45 hinsichtlich seines positivseitigen Konverterteils sowie weitere Induktivitäten46 ,47 und48 hinsichtlich seines negativen Konverterteils an die Transformatoranordnung41 angeschlossen ist. Eine weitere Beschreibung des modularen Multi-Level-Umrichters42 erübrigt sich, weil er einer bekannten Umrichter-Ausführung mit Halbbrücken-Submodulen entspricht. - Bei dem Ausführungsbeispiel nach
3 bilden Submodule50 und51 neben weiteren, nicht dargestellten Submodulen einen Phasenzweig52 einer modularen Multi-Level-Umrichter-Einrichtung, wie sie an sich aus dem oben erwähnten Stand der Technik bekannt ist. Jedes Submodul50 bzw.51 ist so ausgeführt, wie es bei der Beschreibung zur1 oben bereits dargelegt worden ist. An den Kondensator53 des Submoduls50 ist ein Wechselrichter54 angeschlossen, dem ein Transformator55 nachgeordnet ist, wie es im Zusammenhang mit der1 oben ausführlich beschrieben worden ist. Über einen Schalter56 ist ein nicht dargestellter Energieverbraucher oder -erzeuger anschließbar. An den Kondensator53 ist auch ein Gleichspannungssteller57 angeschlossen, dem ein Energiespeicher58 nachgeordnet ist. Dieser kann beispielsweise von einem Akkumulator gebildet sein. Die Schaltung aus dem Submodul50 , dem Wechselrichter54 , dem Transformator55 , dem Gleichspannungssteller57 und dem Energiespeicher58 bildet eine Schaltungseinheit59 . - Entsprechend sind das Submodul
51 und weitere nicht dargestellte Submodule dieses Phasenzweiges52 Bestandteil jeweils einer weiteren Schaltungseinheit60 , so dass auf diese Weise ein Schaltungseinheitenzweig61 gebildet ist; dieser ist über eine Drossel62 mit einem Phasenleiter63 einer Wechselstromübertragungstrecke64 mit einem Transformator65 verbunden. In entsprechender Weise sind mit Submodulen66 und67 und weiteren, nicht gezeigten Submodulen ergänzende Schaltungseinheiten68 und69 gebildet, die insgesamt einen weiteren Schaltungseinheitenzweig70 darstellen. Dieser ist über eine weitere Drossel71 ebenfalls mit dem Phasenleiter63 verbunden. - Wie die
3 ferner zeigt, enthält das dargestellte Verteilernetz weitere Paare von Schaltungseinheitenzweigen72 und73 , die aus den Schaltungseinheiten59 und60 bzw.68 und69 entsprechenden Schaltungseinheiten74 und75 bzw.76 und77 bestehen; diese Schaltungseinheitenzweige72 und73 sind an einen weiteren Phasenleiter78 der Wechselstromübertragungstrecke64 über weitere Drosseln79 und80 angeschlossen. - Entsprechend ist der dritte Phasenleiter
81 der Wechselstromübertragungsstrecke64 beschaltet, indem mit ihm über ergänzende Drosseln82 und83 den Schaltungseinheitenzweigen61 bzw.72 sowie70 bzw.73 entsprechende Schaltungseinheitenzweige84 und85 verbunden sind. - Die
3 zeigt auch, dass die in der Figur unteren Schaltungseinheitenzweige70 ,73 und85 auf einem einheitlichen Minuspotential liegen. Der auf Pluspotential liegende Anschluss86 des Schaltungseinheitenzweiges61 , die ebenfalls auf Pluspotential liegenden Anschlüsse87 und88 des Schaltungseinheitenzweiges72 und die entsprechenden Anschlüsse89 und90 des Schaltungseinheitenzweiges84 sind hier offen dargestellt. Bei Bedarf lassen sich an sie weitere Schaltungseinheiten entsprechend beispielsweise der Schaltungseinheit59 anschließen.
Claims (9)
- Verteilungsnetz für elektrische Energie mit einer Stromübertragungsstrecke (
6 ), an die über eine modulare Multi-Level-Umrichter-Anordnung (9 ) mindestens ein elektrischer Energieverbraucher und/oder elektrischer Energieerzeuger in der Weise angeschlossen ist, dass an den Kondensator (20 ) mindestens eines Submoduls (10 bis15 ) der modularen Multi-Level-Umrichter-Anordnung (9 ) über jeweils einen Wechselrichter (27 ) mit nachgeordnetem Transformator (29 ) der mindestens eine elektrische Verbraucher oder elektrische Energieerzeuger angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass • die Stromübertragungsstrecke eine Wechselstromübertragungsstrecke (64 ) ist und • an die Phasenleiter (63 ,78 ,81 ) der Wechselstromübertragungsstrecke (64 ) über Phasenzweige (52 ) einer modularen Multi-Level-Umrichter-Einrichtung die elektrischen Energieverbraucher und/oder die elektrischen Energieerzeuger in der Weise angeschlossen sind, dass an den Kondensator (53 ) jedes Submoduls (50 ,51 ) der Phasenzweige (52 ) der modularen Multi-Level-Umrichter-Einrichtung über jeweils einen Wechselrichter (54 ) mit nachgeordnetem Transformator (56 ) jeweils ein elektrischer Energieverbraucher oder ein elektrischer Energieerzeuger angeschlossen ist. - Verteilungsnetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass • an den Kondensator (
53 ) des mindestens einen Submoduls (50 ) zusätzlich über einen Gleichstromsteller (57 ) ein elektrischer Energiespeicher (58 ) angeschlossen ist. - Verteilungsnetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass • an den Kondensator mindestens eines weiteren Submoduls über einen Gleichstromsteller lediglich ein elektrischer Energiespeicher angeschlossen ist.
- Verteilungsnetz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass • die Submodule Vollbrücken-Submodule sind.
- Verteilungsnetz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass • die Submodule (
10 bis15 ) Halbbrücken-Submodule sind. - Verteilungsnetz nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass • die Submodule (
10 bis15 ) mit einem von einer Fehlererfassungseinrichtung betätigbaren Kurzschließer (32 ) versehen sind. - Verteilungsnetz nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass • an den Kondensator jedes Submoduls eine Spannungsmesseinrichtung angeschlossen ist, der eine Steuereinrichtung für das Submodul nachgeordnet ist, welche Steuereinrichtung hochfrequent jeweils bei niedriger Spannung am Kondensator eine Aufladung des Kondensators und jeweils bei hoher Spannung am Kondensator eine Vorbeileitung des Gleichstroms am Kondensator bewirkt.
- Verteilungsnetz nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass • die Stromübertragungstrecke eine Gleichstromübertragungsstrecke (
6 ) ist und • an die Gleichstromübertragungsstrecke (6 ) ein Wechselspannungsnetz (1 ) über einen aus mehreren ungesteuerten Dioden bestehenden Diodenumrichter (3 ) angeschlossen ist. - Verteilungsnetz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass • die Stromübertragungstrecke eine Gleichstromübertragungsstrecke ist und • an die Gleichstromübertragungsstrecke ein Wechselspannungsnetz (
40 ) über einen modularen Multi-Level-Umrichter (42 ) angeschlossen ist.
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