-
Gebiet der Erfindung
-
Die Erfindung betrifft einen Umrichter mit mehreren in Reihe geschalteten Umrichterzellen, der eine erhöhte Systemeffizienz und eine redundante Systemausführung mit optimierter Betriebsstrategie ermöglicht, sowie ein System mit mindestens einem solchen Umricher und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Systems.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Umrichter mit mehreren in Reihe geschalteten Umrichterzellen (eine sogenannte Casecaded-Cell-Topologie) sind bekannt. Ein Ausfall einer Umrichterzelle würde hier wegen der Reihenschaltung zum Ausfall des gesamten Umrichters führen.
-
Die Druckschrift
US 5986909 beschreibt einen Umrichter mit mehreren Umrichterzellen, wobei jede Umrichterzelle einen Bypass besitzt. Wenn eine Umrichterzelle defekt ist, kann somit die defekte Umrichterzelle mit dem Bypass überbrückt werden, so dass der Umrichter mit den noch funktionsfähigen Umrichterzellen weiter betrieben werden kann. Der Bypass dient der Verbesserung der Ausfallsicherheit des Umrichters gegen einen Totalausfall. Durch den Wegfall der defekten Umrichterzelle kann der Umrichter allerdings nur bei reduzierter Spannung weiter betrieben werden.
-
Die Umrichterzellen des offenbarten Umrichters umfassen vier Schalter Q1–Q4 in einer Brückenanordnung, die außerdem jeweils so angesteuert werden, dass entweder die positive, die negative oder eine Spannung von 0 V am Ausgang der jeweiligen Umrichterzelle zur Verfügung steht. Der Zustand „0 V“ wird dabei erzeugt, indem entweder Schalter Q1 und Schalter Q3 oder Schalter Q2 und Schalter Q4 eingeschaltet sind. Speist in diesem Fall der Umrichter bei einer Spannung von 0 V am Ausgang einer Umrichterzelle einen Strom in ein an den Umrichter angeschlossenes Netz ein, so erzeugt dieser Zustand vergleichsweise hohe Durchlassverluste ohne dass die Umrichterzelle Energie zur Verfügung stellt. Es ist daher wünschenswert, eine Umrichtertopologie und eine System mit einer Steuerung des Umrichters zur Verfügung zu haben, bei dem der Umrichter und das System mit erhöhter Effizienz betrieben werden kann. Es ist weiterhin wünschenswert, dass der Umrichter und das System redundant betrieben werden könnten.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Umrichter mit überbrückbaren Umrichterzellen bereitzustellen, dessen Topologie es ermöglicht, den Umrichter zumindest mit erhöhter Effizienz zu betreiben.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Umrichter mit einer maximalen Umrichterausgangsspannung mit mehreren in einer Reihenschaltung angeordneten Umrichterzellen, wobei jede Umrichterzelle eine Energiequelle, vorzugsweise mindestens eine Batterie, zur Energieversorgung der Umrichterzelle und eine geeignete Anzahl an Halbleiterschaltern zur Erzeugung einer positiven oder negativen Betriebsspannung am Ausgang der Umrichterzelle umfasst und am Ausgang jeder Umrichterzelle ein Bypass-Schalter angeordnet ist, der zumindest dazu vorgesehen ist, im Falle einer defekten Umrichterzelle diese Umrichterzelle kurzzuschließen und im Falle einer gewünschten Betriebsspannung von 0V dieser Umrichterzelle diese Betriebsspannung von 0V am Ausgang der Umrichterzelle unabhängig von den Halbleiterschaltern einzustellen.
-
Die Umrichterzellen sind im erfindungsgemäßen Umrichter in Reihe geschaltet und werden jeweils von einer eigenen Energiequelle mit Energie versorgt. Die Energiequellen können dabei beispielsweise eine oder mehrere Batterien, Redox-Flow-Zellsysteme, Brennstoffzellen oder Brennstoffzellen mit Elektrolytsystemen sein. Diese Umrichtertopologie wird auch als „Cascaded-Cell-Umrichtertopologie“ bezeichnet. Damit das komplette Umrichtersystem auch bei Ausfall einer einzelnen Umrichterzelle/Energiequelle (beispielsweise eine oder mehrere Batterien) weiterhin betrieben werden kann, wird am Ausgang jeder Umrichterzelle ein Bypass-Schalter hinzugefügt, über den eine während des Betriebs defekte gewordene Umrichterzelle kurzgeschlossen werden kann, so dass der Betrieb des Umrichters mit den verbleibenden nicht-defekten Umrichterzellen ungestört fortgeführt werden kann. Der Begriff „Kurzschließen“ bezeichnet einen Schaltzustand des Bypass-Schalters, bei dem der Bypass-Schalter in der gerade anliegenden Stromrichtung auf Durchgang zur Überbrückung der betreffenden Umrichterzelle geschaltet ist.
-
Die Halbleiterschalter (beispielsweise Leistungshalbleiter) jeder Umrichterzelle können angesteuert werden, so dass entweder die positive oder negative Betriebsspannung am Ausgang zur Verfügung steht. In einer Ausführungsform umfasst die Umrichterzelle dabei vier Halbleiterschalter, die in einer Brückenanordnung mit der Energiequelle der Umrichterzelle verbunden sind. Der Zustand „0 V“ wird im Stand der Technik bisher dadurch erzeugt, indem entweder die Halbleiterschalter 1 und 3 oder 2 und 4 eingeschaltet sind. Speist in diesem Fall der Gesamtumrichter einen Strom in das angeschlossene Netz ein, erzeugt dieser Zustand vergleichsweise hohe Durchlassverluste ohne dass die Umrichterzelle Energie zur Verfügung stellt. Im Gegensatz dazu kann im erfindungsgemäßen Umrichter über den Bypass-Schalter eine Betriebsspannung von 0 V am Ausgang der Umrichterzelle generiert werden, indem der Bypass-Schalter hier ebenfalls auf Durchgang geschaltet wird. Aufgrund der geringeren Durchlassverluste (Leitverluste) des Bypass-Schalters im Gegensatz zu den Halbleiterschaltern der Umrichterzellen wird die Systemeffizienz der Umrichterzelle und damit des Umrichters als Ganzes erhöht. Mit dieser Erfindung wird der entscheidende Nachteil der „Cascaded Cell“-Umrichtertopologie gemäß dem Stand der Technik, nämlich die hohen Durchlassverluste, reduziert. Der erfindungsgemäße Umrichter stellt somit eine Erweiterung der ”Cascaded Cell”-Umrichtertopologie mit erhöhter Systemeffizienz dar. Die Umrichterausgangsspannung setzt sich dabei aus den Spannungen der einzelnen Umrichterzellen zusammen.
-
Die maximale Umrichterausgangsspannung bezeichnet hier den maximal gewünschten Sollwert am Ausgang des Umrichters. Beispielsweise könnte ein erfindungsgemäßer Umrichter mit einer spezifizierten Umrichterausgangsspannung von 4·Vp vier Umrichterzellen mit jeweils einer Betriebsspannung am Ausgang der Umrichterzellen von Vp umfassen. Hier würden alle Umrichterzellen zur Erzeugung der Umrichterausgangsspannung von 4·Vp beitragen. Der Umrichter kann in diesem Fall trotz einer defekten Umrichterzelle weiterbetrieben werden, allerdings bei reduzierter maximaler Umrichterausgangsspannung. Die Anzahl von vier Umrichterzellen beziehungsweise einer maximalen Umrichterausgangsspannung von 4·Vp ist nur beispielhaft angegeben und könnte für andere Anwendungen auch andere Anzahlen beziehungsweise Werte besitzen. Der erfindungsgemäße Umrichter basierend auf der „Cascaded Cell“-Topologie kann beliebig viele Umrichterzellen umfassen. Die Kapazität der Energiequelle der Umrichterzelle, beispielsweise die Anzahl der Batterien pro Umrichterzelle, kann je nach Anwendung unterschiedlich sein. Zur Bereitstellung von Energie muss mindestens eine Energiequelle pro Umrichterzelle vorhanden sein. Im Falle von Batterien als Energiequellen können eine, zwei, drei, vier oder mehr Batterien pro Umrichterzelle angeordnet sein. Die Batterien können dabei in Reihe und/oder parallel geschaltet sein. Somit können die positiven und negativen Betriebsspannungen am Ausgang einer Umrichterzelle über eine geeignete Wahl der Batterie und deren Anzahl je nach Anwendung stark variieren. Der Fachmann kann den Typ der Energiequelle und deren Kapazität für die jeweilige Anwendung im Rahmen der vorliegenden Erfindung geeignet wählen. Die ”Cascaded Cell”-Umrichtertopologie ermöglicht bespielsweise den modularen Aufbau von Batteriespeichersystemen.
-
In einer Ausführungsform umfasst der Umrichter eine Anzahl an Umrichterzellen, die höher als die Anzahl an Umrichterzellen ist, die für die Erzeugung der maximalen Umrichterausgangsspannung benötigt wird. Hiermit müssen zur Erzeugung dieser maximalen Umrichterausgangsspannung nicht notwendigerweise alle Umrichterzellen eine Betriebsspannung liefern. Beispielsweise besitzt ein erfindungsgemäßer Umrichter fünf gleiche Umrichterzellen, wovon jede Umrichterzelle eine positive Betriebsspannung Vp liefern könnte und die maximale Umrichterausgangsspannung als 4·Vp spezifiziert ist. Somit wäre die maximale Umrichterausgangsspannung von 4·Vp durch den Betrieb von vier Umrichterzellen, die jeweils Vp liefern, erzeugbar. Die fünfte Umrichterzelle würde in diesem Beispiel zur Erzeugung der maximale Umrichterausgangsspannung von 4·Vp nicht benötigt und könnte daher eine Reservekomponente darstellen. In dieser Ausführungsform besitzt der erfindungsgemäße Umrichter eine Redundanz gegenüber defekten Umrichterzellen, da selbst bei Ausfall einer Umrichterzelle weiterhin der Umrichter auch bei seiner spezifizierten maximalen Umrichterausgangsspannung betrieben werden kann. In dieser Ausführungsform besitzt der Umrichter eine Ausfallsicherheit, die durch die Umrichter gemäß dem Stand der Technik nicht bereitgestellt werden. Bei einem Umrichter mit zwei oder mehreren Umrichterzellen, die für die Erzeugung einer spezifizierten maximalen Umrichterausgangsspannung nicht unbedingt benötigt werden, würde der erfindungsgemäße Umrichter eine entsprechend höhere Redundanz (Fehlerredundanz, Ausfallsicherheit) gegen einen Ausfall von Umrichterzellen besitzen. Hierbei können eine oder mehrere nicht benötigte Umrichterzellen so lange über die Bypass-Schalter kurzgeschlossen werden, bis ein Defekt in einer der anderen Zellen vorliegt. Fällt nun eine der in Betrieb befindlichen Umrichterzellen aus (Defekt der Leistungselektronik, der Energiequelle oder sonstigem), wird diese über den Bypass-Schalter kurzgeschlossen. Die Umrichterzelle, die bis vor dem Auftreten des Fehlers kurzgeschlossen ist, wird dann in Betrieb genommen und ist somit nicht mehr über den Bypass-Schalter kurzgeschlossen. Die bereitgestellte maximale Umrichterausgangsspannung wird dadurch nicht berührt.
-
In einer Ausführungsform umfasst der Bypass-Schalter zwei antiparallel angeordnete schaltbare Leistungshalbleiter. Leistungshalbleiterschalter sind mechanischen Schaltern überlegen, da mechanische Bypass-Schalter für viele Anwendungen eine zu große Trägheit aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Leistungshalbleiter beispielsweise Thyristoren oder abschaltbare Leistungshalbleiter.
-
Die Erfindung betrifft außerdem ein System zum Steuern mindestens eines erfindungsgemäßen Umrichters mit mehreren in Reihe geschalteten Umrichterzellen mit einer Energiequelle, vorzugsweise mindestens einer Batterie, mit einer geeigneten Anzahl an Halbleiterschaltern und mit jeweils einem Bypass-Schalter am Ausgang der jeweiligen Umrichterzellen, wobei jede der Umrichterzelle mit einer Steuerung verbunden ist, die zumindest dazu vorgesehen ist, die Umrichterzellen über die jeweiligen Bypass-Schalter kurzzuschließen, die defekt sind, oder bei den nicht-defekten Umrichterzellen am Ausgang der Umrichterzellen eine positive oder negative Betriebsspannung über die Halbleiterschaltern der Umrichterzelle und eine 0V-Betriebsspannung über den Bypass-Schalter unabhängig von den Halbleiterschaltern einzustellen. Die Steuerung ist dabei eine geeignete Komponente, mit der die Halbleiterschalter und Bypass-Schalter geschaltet (gesteuert) werden können. Die Steuerung ist beispielsweise ein Mikroprozessor, der mit den Schaltern in geeigneter Weise elektrisch verbunden ist. Der Fachmann kann dabei die Hardware der Steuerung und das Layout der elektrischen Verbindungen zwischen Schaltern (Halbleiterschaltern und Bypass-Schaltern) und Steuerung im Rahmen der vorliegenden Erfindung geeignet wählen.
-
In einer Ausführungsform des Systems umfasst der Umrichter eine Anzahl an Umrichterzellen, die höher als die Anzahl an Umrichterzellen ist, die für die Erzeugung einer maximalen Umrichterausgangsspannung benötigt wird und die Steuerung ist dazu ausgestaltet, die für die Erzeugung der maximalen Umrichterausgangsspannung nicht benötigten Umrichterzellen über die jeweiligen Bypass-Schalter kurzzuschließen. Die erfindungsgemäßen Umrichter können beispielsweise in Batteriespeichersystemen Anwendung finden. Diese sind insbesondere im Hinblick auf den weiteren Ausbau der regenerativen Energien für eine stabile, sichere und zuverlässige Energieversorgung erforderlich. In besonderen kritischen Anwendungen (Inselnetze, Industrieanwendungen, ...) erhöht eine redundante Ausführung des Umrichters die Zuverlässigkeit des Systems.
-
In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerung dazu ausgestaltet, bei insgesamt konstanter Anzahl an kurzgeschlossenen Umrichterzellen abwechselnd verschiedene Umrichterzellen kurzzuschließen, so dass während des Betriebs des Umrichters jede der Umrichterzellen abwechselnd für eine festlegbare Zeitdauer kurzgeschlossen ist. Die Zeitdauer kann dabei nach unterschiedlichen Kriterien, beispielsweise zugunsten einer gleichmäßigen Belastung der Umrichterzellen oder nach Ladezustand der Energiequellen, festgelegt werden. Ohne ein abwechselndes Kurzschließen würde die redundante kurzgeschlossene Umrichterzelle im Normalbetrieb überhaupt nicht beansprucht. Das abwechselnde Kurzschließen der Umrichterzellen und damit die Nichtnutzung der jeweiligen Energiequellen vermeidet oder zumindest vermindert eine ungleichmäßige Beanspruchung. Gerade bei der Verwendung von Batterien als Energiequellen kann über eine gleichmäßige Beanspruchung die Lebensdauer der Batterien erhöht werden.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuerung dazu ausgestaltet, dass abwechselndes Kurzschließen verschiedener Umrichterzellen nach einem in der Steuerung hinterlegten Rotationsalgorithmus durchzuführen, der geeignet ist, die Lebensdauer der Energiequellen, vorzugsweise Batterien, der Umrichterzellen zu erhöhen. Der Rotationsalgorithmus ermöglicht eine gleichmäßige Beanspruchung der Energiequellen, beispielsweise ein gleichmäßiges Entladung aller Batterien als die Energiequellen. Der Rotationsalgorithmus kann dabei derart ausgestaltet sein, dass er Alterungseffekte der Energiequellen (beispielsweise Batterien) berücksichtigt, damit eine längere Systemlebensdauer erreicht werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform verwendet der Rotationsalgorithmus ein oder mehrere Parameter aus der Gruppe, Temperatur der Umrichterzelle, Anzahl an Belastungszyklen oder Alterungszustand der Energiequellen, vorzugsweise Batterien, Lade- oder Betriebszustand der Energiequellen, vorzugsweise Batterien, Temperatur des Umrichters und/oder Temperatur der Umgebung des Umrichters.
-
In einem Beispiel wird zu bestimmten Zeitpunkten, die durch den Rotationsalgorithmus vorgegeben werden, eine andere Umrichterzelle im Rotationsverfahren, das durch den Rotationsalgorithmus in Verbindung mit der Steuerung durchgeführt wird, kurzgeschlossen und für eine gewisse Zeit aus dem aktiven Betrieb herausgenommen. Ein Vorteil dieses Verfahrens ist, dass bei der Nutzung von Batterien als Energiequelle die gesamte Speicherkapazität jeder einzelnen Batterie im gesamten Umrichter als Energiequelle der Umrichterzelle genutzt werden kann. Durch die Aufteilung der Verluste auf eine höhere Anzahl von Umrichterzellen sinken sowohl die spezifischen Energiequellenverluste (beispielsweise Batterieverluste) als auch die leistungselektronischen und sonstigen elektrischen Verluste pro Umrichterzelle und angeschlossener Energiequelle und damit die Temperatur der jeweiligen Umrichterzellen und zugehörigen Energiequellen. Das Rotationsverfahren kann auch so optimiert werden, dass die Lebensdauer des gesamten Batteriespeichersystems als Energiequelle im Umrichter erhöht wird.
-
In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerung dazu vorgesehen, den Umrichter mit einem geeigneten Pulsweitenmodulationsverfahren zu betreiben. Eine weitere Ursache für eine ungleiche Belastung der Umrichterzellen ist die ungleiche Einschaltdauer der Umrichterzellen während der Modulierung einer halben Periode der Netzspannung. Die gleichmäßige Beanspruchung der im Betrieb befindlichen Umrichterzellen und Energiequellen (beispielsweise Batterien) kann durch die Wahl eines geeigneten Pulsweitenmodulationsverfahrens gewährleistet werden.
-
In einer Ausführungsform umfasst das System mehrere Umrichter, die zusammen ein mehrphasiges Umrichtersystem bilden. In einer bevorzugten Ausführungsform bilden drei Umrichter ein dreiphasiges Umrichtersystem für dreiphasige Netzanwendungen.
-
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Systems umfassend mindestens einen erfindungsgemäßen Umrichter und mindestens eine mit den Umrichterzellen verbundene Steuerung zum Steuern der Umrichterzellen, umfassend die Schritte
- – Einstellen einer positiven oder negativen Betriebsspannung am Ausgang der Umrichterzelle über die Halbleiterschalter der Umrichterzelle durch die Steuerung, sofern eine positiven oder negativen Betriebsspannung der Umrichterzelle benötigt wird, und
- – Einstellen einer 0 V-Betriebsspannung am Ausgang der Umrichterzelle über den Bypass-Schalter der Umrichterzelle unabhängig von den Halbleiterschaltern durch die Steuerung, sofern eine 0 V-Betriebsspannung der Umrichterzelle benötigt wird, und
- – Kurzschließen der Umrichterzelle über den Bypass-Schalter, falls diese Umrichterzelle defekt ist.
-
Das Kurzschließen der Umrichterzelle im Fall einer defekten Umrichterzelle stellt ein dauerhaftes Kurzschließen in beide Richtungen (beide Leistungshalbleiter im Bypass-Schalter) dar. Das Einstellen einer 0 V-Betriebsspannung ist dagegen zeitlich begrenzt und kann eine freigegebene Durchlassrichtung in nur eine Stromrichtung im Bypass-Schalter bedeuten. In diesen Fall würde nur einer der Leistungsschalter im Bypass-Schalter in Durchlassrichtung geschaltet werden, während der andere anti-parallel angeordnete Leistungshalbleiter weiter gesperrt bleiben könnte.
-
In einer Ausführungsform des Verfahrens, wobei der Umrichter eine Anzahl an Umrichterzellen umfasst, die höher als die Anzahl an Umrichterzellen ist, die für die Erzeugung mit einer maximalen Umrichterausgangsspannung benötigt wird, umfasst das Verfahren den weiteren Schritt des Kurzschließens der für die Erzeugung der maximalen Umrichterausgangsspannung nicht benötigten Umrichterzellen über die jeweiligen Bypass-Schalter.
-
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren den weiteren Schritt, dass die Steuerung bei insgesamt konstanter Anzahl an kurzgeschlossenen Umrichterzellen verschiedene Umrichterzellen abwechselnd kurzschließt, so dass während des Betriebs des Umrichters jede der Umrichterzellen abwechselnd für eine festgelegte Zeitdauer kurzgeschlossen ist. Vorzugsweise erfolgt das abwechselnde Kurzschließen nach einem Rotationsalgorithmus in der Steuerung, der geeignet ist, die Lebensdauer der Energiequellen, vorzugsweise Batterien, der Umrichterzellen zu erhöhen.
-
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren den weiteren Schritt des Verwendens eines Pulsweitenmodulationsverfahrens der Steuerung für das Betreiben des Umrichters.
-
Kurze Beschreibung der Abbildungen
-
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden im Detail in den Abbildungen wie folgt gezeigt:
-
1: eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umrichters mit fünf Umrichterzellen.
-
2: eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems mit Umrichter und Steuerung.
-
3: eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems mit dreiphasigem Umrichtersystem.
-
4: eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des erfindungsgemäßen Systems bei Defekt einer Umrichterzelle.
-
5: eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des erfindungsgemäßen Systems mit einem Umrichter, der eine nicht benötigte Umrichterzelle umfasst.
-
6: eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des erfindungsgemäßen Systems mit einem Umrichter, der eine nicht benötigte Umrichterzelle umfasst.
-
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
-
1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umrichters 1 mit fünf Umrichterzellen 11, 12, 13, 14, 15. Diese Ausführungsform ist nur ein Beispiel. Andere erfindungsgemäße Umrichter 1 können mehr oder weniger Umrichterzellen umfassen oder einen anderen internen Aufbau der Umrichterzellen, beispielsweise ein Multi-Level-Aufbau, besitzen. Der hier gezeigte Umrichter 1 kann eine Umrichterausgangsspannung VA bis zu einer maximalen Umrichterausgangsspannung VA-max liefern, indem die fünf Umrichterzellen 11, 12, 13, 14, 15 in einer Reihenschaltung angeordneten sind, wobei jede Umrichterzelle 11, 12, 13, 14, 15 eine positive oder negative Betriebsspannung Vp, Vn oder eine 0 V-Betriebspannung an ihren jeweiligen Ausgang 112, 122, 132, 142, 152 liefern kann. Die von den einzelnen Umrichterzellen gelieferten Betriebsspannungen Vn, Vp oder 0 V addieren sich infolge der Reihenschaltung zu der Umrichterausgangsspannung VA auf. Die maximale durch den Umrichter lieferbare Spannung wird geliefert, wenn alle Umrichterzellen entweder alle eine Betriebsspannung Vn oder alle eine Betriebsspannung Vp liefern. Zur Lieferung der Betriebsspannungen Vp, Vn, 0 V umfasst jede Umrichterzelle 11, 12, 13, 14, 15 eine Energiequelle 111, 121, 131, 141, 151, die in diesem Ausführungsbeispiel aus einer Mehrzahl an in Reihe angeordneten Batterien 111, 121, 131, 141, 151 besteht. Die Umrichterzellen umfassen ferner eine geeignete Anzahl an Halbleiterschaltern zur Erzeugung einer positiven oder negativen Betriebsspannung Vp, Vn am Ausgang 112, 122, 132, 142, 152 der Umrichterzelle 11, 12, 13, 14, 15, in dieser Ausführungsform vier Halbleiterschalter S1, S2, S3, S4, die in einer Brückenanordnung mit den Batterien 111, 121, 131, 141, 151 der Umrichterzelle 11, 12, 13, 14, 15 verbunden sind. Ferner ist in dieser Ausführungsform in jeder Umrichterzelle 11, 12, 13, 14, 15 ein Kondensator parallel zu den Batterien 111, 121, 131, 141, 151 angeordnet. Am Ausgang 112, 122, 132, 142, 152 jeder Umrichterzelle 11, 12, 13, 14, 15 ist außerdem ein Bypass-Schalter 113, 123, 133, 143, 153 angeordnet, der zumindest dazu vorgesehen ist, im Falle einer defekten Umrichterzelle 11, 12, 13, 14, 15 diese Umrichterzelle 11, 12, 13, 14, 15 kurzzuschließen und im Falle einer gewünschten Betriebsspannung von 0 V dieser Umrichterzelle 11, 12, 13, 14, 15 diese Betriebsspannung von 0 V am Ausgang 112, 122, 132, 142, 152 der Umrichterzelle 11, 12, 13, 14, 15 unabhängig von den Halbleiterschaltern S1, S2, S3, S4 einzustellen. Der Bypass-Schalter 113, 123, 133, 143, 153 umfasst in dieser Ausführungsform zwei antiparallel angeordnete schaltbare Leistungshalbleiter BS1, BS2, beispielsweise Thyristoren. Die Energiequellen können in anderen Ausführungsformen auch andere Energiequellen als Batterien sein. Im Falle von Batterien können diese in Anzahl und Kapazität bei verschiedenen Umrichtern variieren, gegebenenfalls auch zwischen den einzelnen Umrichterzellen eines Umrichters.
-
2 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems 10 mit Umrichter 1 und Steuerung 2, wobei jede der Umrichterzellen des Umrichters 1 mit der Steuerung 2 verbunden ist. Die erforderlichen Verbindungen, beispielsweise elektrische oder optische Verbindungen, sind hier nicht im Detail gezeigt und können vom Fachmann geeignet ausgestaltet werden. Die Steuerung 2 ist dazu vorgesehen ist, die Umrichterzellen 11, 12, 13, 14, 15 (siehe 1) über die jeweiligen Bypass-Schalter 113, 123, 133, 143, 153 kurzzuschließen K1, die defekt sind, oder bei den nicht-defekten Umrichterzellen 11, 12, 13, 14, 15 am Ausgang 112, 122, 132, 142, 152 der Umrichterzellen 11, 12, 13, 14, 15 eine positive oder negative Betriebsspannung Vp, Vn über die Halbleiterschalter S1, S2, S3, S4 der Umrichterzelle 11, 12, 13, 14, 15 und eine 0 V-Betriebsspannung V0 über den Bypass-Schalter 113, 123, 133, 143, 153 unabhängig von den Halbleiterschaltern S1, S2, S3, S4 einzustellen E1, E2, E3. Die Steuerung 2 ist dabei eine geeignete Komponente, mit der die Halbleiterschalter und Bypass-Schalter geschaltet (gesteuert) werden können. Die Steuerung 2 ist beispielsweise ein Mikroprozessor, der mit den Schaltern in geeigneter Weise elektrisch verbunden ist. Der Fachmann kann dabei die Hardware der Steuerung 2 und das Layout der erforderlichen Verbindungen zwischen Schaltern (Halbleiterschaltern und Bypass-Schaltern) und Steuerung 2 im Rahmen der vorliegenden Erfindung geeignet wählen.
-
3 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems 10 mit einem dreiphasigen Umrichtersystem U-3, das für jede Phase VA, VA´, VA´´ einen erfindungsgemäßen Umrichter 1, 1´, 1´´ umfasst. In der hier gezeigten Ausführungsform ist eine einzelne Steuerung 2 für die Steuerung der Halbleiterschalten und Bypass-Schalter in allen Umrichterzellen aller drei Umrichter 1, 1´, 1´´ vorgesehen. In anderen Ausführungsformen kann jeder Umrichter 1, 1´, 1´´ auch eine separate Steuerung 2 umfassen.
-
4 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des erfindungsgemäßen Systems 10 bei funktionsbereiten Umrichterzellen 11, 12, 13, 14 und einer defekten Umrichterzelle 15. Das Verfahren umfasst hier die Schritte des Einstellens E1, E2, E3 einer positiven oder negativen Betriebsspannung Vp, Vn oder einer 0 V-Betriebsspannung, das am Beispiel der Umrichterzelle 11 detailierter gezeigt ist. Die Steuerung 2 stellt am Ausgang 112 der Umrichterzelle 11 über die Halbleiterschalter S1, S2, S3, S4 (bezeichnet als S1–S4) der Umrichterzelle 11 eine positive oder negative Betriebsspannung Vp, Vn ein, sofern diese Betriebsspannung im Umrichter für die Umrichterausgangsspannung VA benötigt wird. Wird dagegen eine 0 V-Betriebsspannung V0 am Ausgang 112 der Umrichterzelle 11 benötigt, so stellt die Steuerung 2 diese über den Bypass-Schalter 113 der Umrichterzelle 11 unabhängig von den Halbleiterschaltern S1, S2, S3, S4 ein. Aufgrund der geringeren Durchlassverluste (Leitverluste) des Bypass-Schalters 113 wird im Gegensatz zu den Halbleiterschaltern S1–S4 der Umrichterzelle 11 die Systemeffizienz der Umrichterzelle 11 und damit des Umrichters 1 als Ganzes für eine gewünschte 0 V-Betriebsspannung erhöht. Ist dagegen eine Umrichterzelle defekt (hier als Beispiel die Umrichterzelle 15), so schließt die Steuerung 2 die Umrichterzelle 15 über den Bypass-Schalter 153 (hier nicht im Detail gezeigt) kurz K1. Damit kann der Umrichter 1 trotz einer defekten Umrichterzelle 15 und einer Reihenanordnung der Umrichterzellen 11, 12, 13, 14, 15 weiter betrieben werden. Das hier gezeigte Verfahren ist entsprechend auch auf mehrphasige Umrichtersysteme mit mehreren Umrichtern wie in 3 gezeigt anwendbar.
-
5 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des erfindungsgemäßen Systems 10 mit einem Umrichter 1, der eine nicht benötigte Umrichterzelle 15 (als Beispiel) als Redundanz umfasst. Der Umrichter 1 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel fünf Umrichterzellen 11, 12, 13, 14, 15, von denen nur vier Umrichterzellen für die Erzeugung der spezifizierten Umrichterausgangsspannung VA-max benötigt werden. Die höhere Anzahl an Umrichterzellen 11, 12, 13, 14, 15 als die benötigte Anzahl ermöglicht eine redundante Ausführung des erfindungsgemäßen Umrichters 1. Da nur vier Umrichterzellen 11, 12, 13, 14 für die Erzeugung mit einer maximalen Umrichterausgangsspannung VA-max benötigt werden, kann die Steuerung 2 die Umrichterzelle 15 über den Bypass-Schalter 153 kurzschließen K2. Damit stellt diese Umrichterzelle 15 eine Reserve-Umrichterzelle für den Fall einer im laufenden Betrieb des Umrichters defekt gewordenen Umrichterzelle dar. Die defekte Umrichterzelle kann von der Schaltung 2 nach dem Auftreten des Defekts dauerhaft kurzgeschlossen K1 werden, während die vorher kurzgeschlossene K2 Umrichterzelle 15 durch die Steuerung 2 in den normalen Betrieb zur Einstellung E1, E2, E3 der Betriebsspannung für den Umrichter 1 aufgenommen wird. Dieses Ausführungsbeispiel soll nur das Prinzip der Redundanz darstellen. Die erfindungsgemäßen Umrichter 1 können in anderen Anwendungen auch mehr als eine1 redundante Umrichterzelle umfassen. Der Begriff „redundant“ bezeichnet hier die Umrichterzellen, die für die Erzeugung der spezifizierten maximalen Umrichterausgangsspannung nicht zwingend benötigt werden.
-
6 zeigt eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des erfindungsgemäßen Systems 10 mit einem Umrichter 1, der eine nicht benötigte Umrichterzelle umfasst, wobei im Gegensatz zu 5 alle Umrichterzellen 11, 12, 13, 14, 15 zur Bereitstellung der Umrichterausgangsspannung VA verwendet werden. Die Steuerung 2 schließt bei insgesamt pro Zeiteinheit konstanter Anzahl an kurzgeschlossenen Umrichterzellen 11, 12, 13, 14, 15 verschiedene Umrichterzellen 11, 12, 13, 14, 15 abwechselnd kurz K2, so dass während des Betriebs des Umrichters 1 jede der Umrichterzellen 11, 12, 13, 14, 15 abwechselnd für eine nach unterschiedlichen Kriterien festlegbare Zeitdauer kurzgeschlossen K2 ist. Dabei erfolgt das abwechselnde Kurzschließen K2 nach einem Rotationsalgorithmus, der in der Steuerung abgelegt ist und der geeignet ist, die Lebensdauer der Energiequellen 111, 112, 113, 114, 115, vorzugsweise Batterien, der Umrichterzellen 11, 12, 13, 14, 15 zu erhöhen. Dabei ist der Rotationsalgorithmus so gestaltet, dass er beispielsweise die Temperatur der Umrichterzellen 11, 12, 13, 14, 15, die Anzahl an Belastungszyklen oder den Alterungszustand der Energiequellen 111, 112, 113, 114, 115, vorzugsweise Batterien, den Lade- oder Betriebszustand der Energiequellen 111, 112, 113, 114, 115, vorzugsweise Batterien, die Temperatur des Umrichters 1 und/oder die Temperatur der Umgebung des Umrichters 1 für das abwechselnde Kurzschließen berücksichtigen kann. Ein Vorteil dieses Verfahrens ist, dass die gesamte Speicherkapazität beispielsweise jeder einzelnen Batterie im gesamten Umrichter als Energiequelle der Umrichterzelle genutzt werden kann. Durch die Aufteilung der Verluste auf eine höhere Anzahl von Umrichterzellen sinken sowohl die spezifischen Energiequellenverluste (beispielsweise Batterieverluste) also auch die leistungselektronischen und sonstigen elektrischen Verluste pro Umrichterzelle und angeschlossener Energiequelle und damit die Temperatur der jeweiligen Umrichterzellen und zugehörigen Energiequellen. Das Rotationsverfahren ausgeführt nach dem Rotationsalgorithmus kann auch so optimiert werden, dass die Lebensdauer des gesamten Batteriespeichersystems, in dem der Umrichter verwendet wird, erhöht wird. Diese Betriebsstrategie verlängert auch die Gesamtlebensdauer des Systems 10, da die redundante Umrichterzelle 11, 12, 13, 14, 15 auch im Normalbetrieb genutzt wird. Alle Batterien/Umrichterzellen werden gleich stark beansprucht und altern somit gleich stark. Bei der beschleunigten Alterung einer Batterie kann diese auch durch die Steuerung 2 seltener genutzt werden, um die Alterung zu verzögern. Ohne diese Strategie wäre es denkbar, dass die redundante Batterie/Umrichterzelle, die nicht genutzt wird, nicht wesentlich gealtert ist und die anderen Komponenten des Systems bereits das Ende der Lebensdauer erreicht haben. Somit erhöht die vorgestellte Betriebsstrategie nicht nur die Lebensdauer des Umrichters 1, sondern reduziert auch die Betriebskosten.
-
In einer weitern Ausführungsform kann die in den 2–6 gezeigte Steuerung 2 dazu vorgesehen sein, den Umrichter 1 mit einem geeigneten Pulsweitenmodulationsverfahren zu betrieben. Dadurch kann eine weitere Ursache für eine ungleiche Belastung der Umrichterzellen 11, 12, 13, 14, 15 durch die ungleiche Einschaltdauer der Umrichterzellen 11, 12, 13, 14, 15 während der Modulierung einer halben Periode der Netzspannung vermieden oder verringert werden.
-
Die hier gezeigten Ausführungsformen stellen nur Beispiele für die vorliegende Erfindung dar und dürfen daher nicht einschränkend verstanden werden. Alternative durch den Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind gleichermaßen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- erfindungsgemäßer Umrichter
- 1´, 1´´
- weitere erfindungsgemäße Umrichter
- 11–15
- Umrichterzelle
- 111–151
- Energiequelle (z.B. Batterie) der jeweiligen Umrichterzelle
- 112–152
- Ausgang der jeweiligen Umrichterzellen
- 113–153
- Bypass-Schalter der jeweiligen Umrichterzellen
- 2
- Steuerung für Umrichter und/oder Umrichterzellen
- BS1, BS2
- schaltbare Leistungshalbleiter des Bypass-Schalters
- E1
- Einstellen einer positiven Betriebsspannung am Ausgang der Umrichterzelle
- E2
- Einstellen einer negativen Betriebsspannung am Ausgang der Umrichterzelle
- E3
- Einstellen einer 0V-Betriebsspannung am Ausgang der Umrichterzelle
- K1
- Kurzschließen einer defekten Umrichterzelle
- K2
- Kurzschließen einer Umrichterzelle als redundante Umrichterzelle
- S1–S4
- Halbleiterschalter in den Umrichterzellen 11–15
- U-3
- mehrphasiges (z.B. dreiphasiges) Umrichtersystem
- VA
- Ausgangsspannung Umrichter
- VA´, VA´´
- Ausgangsspannungen weiterer Umrichter
- VA-max
- maximale Ausgangsspannung Umrichter
- Vp, n
- positive/negative Betriebsspannung am Ausgang der Umrichterzelle
- V0
- 0V-Betriebsspannung am Ausgang der Umrichterzelle
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
