DE102013108670A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Stromrichters - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines N-stufigen K-phasigen elektrischen Stromrichters (200), wobei N größer gleich drei ist, wobei K größer gleich eins ist, wobei N viele, jeweils einem vorgebbaren Potential entsprechende, Anschlusspunkte (A1, ..., A3) vorgesehen sind, wobei ein erster Anschlusspunkt (A1) einem ersten Potential entspricht, wobei ein zweiter Anschlusspunkt (A2) einem zweiten Potential entspricht, und wobei mindestens ein weiterer Anschlusspunkt (A3) einem weiteren Potential entspricht, das vorzugsweise kleiner als das erste und größer als das zweite Potential ist, wobei K viele Ausgangsanschlüsse (U, V, W) vorgesehen sind, die jeweils über mindestens eine Schalteinrichtung (SU, SV, SW) wahlweise mit jeweils einem der Anschlusspunkte (A1, A2, A3) verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein in den mindestens einen weiteren Anschlusspunkt (A3) fließender Strom beeinflusst (310), insbesondere gesteuert oder geregelt, wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Stromrichters gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ferner gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.
• Dreistufige und vierstufige Stromrichter sind aus der DE 10 2009 039 A1 bekannt.
• Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die bekannten Betriebsverfahren und Vorrichtungen zum Betrieb von Stromrichtern zu verbessern, damit ein präziserer Betrieb ermöglicht und insbesondere Unsymmetrien in einem Gleichspannungszwischenkreis reduziert bzw. vermieden werden.
• Diese Aufgabe wird beim dem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens ein in den mindestens einen weiteren Anschlusspunkt fließender Strom beeinflusst, insbesondere gesteuert oder geregelt, wird. Erfindungsgemäß ist erkannt, dass bei Stromrichtern insbesondere mit Kondensatoren aufweisenden Gleichspannungszwischenkreisen Unsymmetrien der Spannungen der Kondensatoren auftreten können, welche üblicherweise die vorgebbaren Potentiale an den N vielen Anschlusspunkten bereitstellen. Dies ist unerwünscht, weil sich solche Unsymmetrien negativ auf Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit des Stromrichters auswirken. Die erfindungsgemäße Beeinflussung des mindestens einen Stroms, der in den mindestens einen Anschlusspunkt fließt, ermöglicht vorteilhaft eine Reduktion bzw. Kompensation der vorstehend genannten Unsymmetrien, so dass ein zuverlässigerer Betrieb des Stromrichters ermöglicht ist. Der "in den mindestens einen weiteren Anschlusspunkt fließende Strom" kann positiv oder negativ sein. Die erfindungsgemäße Beeinflussung des betreffenden Stroms kann im Rahmen einer Steuerung und/oder einer Regelung vorgenommen werden.
• Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Stromrichter ein dreistufiger (N = 3), dreiphasiger (K = 3) Stromrichter. Die Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips ist jedoch nicht auf dreistufige, dreiphasige Stromrichter begrenzt. Vielmehr kann das erfindungsgemäße Prinzip bei N-stufigen Stromrichtern N >= 3 eingesetzt werden. Das erfindungsgemäße Prinzip ist ferner auch bei Stromrichtern einsetzbar, welche eine andere Zahl als drei Phasen (K = 3) aufweisen.
• Unabhängig von der Anzahl der Stufen und Phasen des Stromrichters ermöglicht die Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips eine präzise Einhaltung bspw. von Kondensatorspannungen eines die vorgebbaren Potentiale bereitstellenden Gleichspannungszwischenkreises des Stromrichters, so dass insbesondere Überspannungen im Gleichspannungszwischenkreis vermieden werden. Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit des Stromrichters werden so verbessert.
• Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Beeinflussen in Abhängigkeit mindestens eines Strangstroms einer Phase und/oder mindestens eines Modulationsgrads einer Phase. Da die Strangströme und/oder Modulationsgrade bei konventionellen Verfahren bzw. Vorrichtungen üblicherweise in einer den Betrieb des Stromrichters steuernden bzw. regelnden Vorrichtung vorliegen, ist dadurch eine besonders effiziente Beeinflussung im Sinne der vorliegenden Erfindung ermöglicht. Ggf. können die Strangströme des Stromrichters auch in an sich bekannter Weise ermittelt werden, bspw. im Wege einer messtechnischen Erfassung, welche die entsprechenden Werte der betreffenden Strangströme mit einer vorgebbaren Abtastrate erfasst. Ebenso ist der Modulationsgrad einer Phase des Stromrichters in einer den Betrieb des Stromrichters steuernden Steuereinrichtung üblicherweise bekannt bzw. wird durch eine übergeordnete Regelung vorgegeben.
• Beispielsweise kann ein Modulationsgrad a_U für eine bestimmte Phase „U“ wie folgt definiert sein:

  

  wobei für positive Soll-Spannungen (v_UMref > 0) gilt

  

  wobei t_+1U eine Zeitspanne darstellt, innerhalb der eine entsprechende Schalteinrichtung der Phase „U“ mit einem ersten Potential verbunden ist, und wobei t_0U eine Zeitspanne darstellt, innerhalb der die Schalteinrichtung der Phase „U“ mit einem zweiten Potential verbunden ist.
• Für negative Soll-Spannungen (v_UMref < 0) gilt die untere Zeile von Gleichung 1 entsprechend. Die Summe aus t_+1U und t_0U bzw. aus t_-1U und t_0U entspricht hierbei einer Schaltperiode TS des Stromrichters: TS = t_+1U + t_0U. Analoge Definitionen können für Modulationsgerade der weiteren Phasen V, W des Stromrichters getroffen werden.
• Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Beeinflussen ein Modifizieren eines soll-Modulationsgrads für mindestens eine Phase aufweist, wobei das Modifizieren vorzugsweise durch das Addieren eines Kompensations-Modulationsgrads zu dem soll-Modulationsgrad für die mindestens eine Phase erfolgt. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass die Vorsehung des Kompensations-Modulationsgrads eine besonders effiziente Beeinflussung des in den mindestens einen weiteren Anschlusspunkt fließenden Stroms ermöglicht, weil bereits in der Vorrichtung verarbeitete Größen (Modulationsgrade) nur in Abhängigkeit von dem Kompensations-Modulationsgrad geändert werden müssen, um die erfindungsgemäße Beeinflussung eines in den mindestens einen weiteren Anschlusspunkt fließenden Stroms vornehmen zu können und mithin eine Symmetrierung zu erzielen bzw. beizubehalten. Besonders vorteilhaft kann somit die Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips mit weiteren Steuerstrategien bzw. Regelungsstrategien für den Stromrichter verbunden werden, welche ebenfalls über eine Änderung des Modulationsgrads darstellbar sind.
• Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
• – Ermitteln von möglichen Werten für einen zur Modifikation eines soll-Modulationsgrads für mindestens eine Phase verwendbaren Kompensations-Modulationsgrad für unterschiedliche Betriebszustände des Stromrichters,
• – Bestimmen eines aktuellen Betriebszustands, vorzugsweise in Abhängigkeit mindestens eines soll-Modulationsgrads und/oder des Kompensations-Modulationsgrads,
• – Auswählen des zu verwendenden Werts für den Kompensations-Modulationsgrad.
• Hierdurch ist eine besonders präzise Beeinflussung des in den mindestens einen weiteren Anschlusspunkt fließenden Stroms ermöglicht, welche eine zuverlässige Kompensation von Zwischenkreisspannungsunsymmetrien, also z.B. Unsymmetrien der einzelnen Kondensatorspannungen eines Gleichspannungszwischenkreises des Stromrichters, ermöglicht.
• In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass nach dem Schritt des Ermittelns eine Begrenzung der möglichen Werte des Kompensationsmodulationsgrads erfolgt, wodurch sichergestellt ist, dass nur solche Kompensations-Modulationsgrade zur Anwendung kommen können, welche mit einem maximal zur Verfügung stehenden Modulationsgrad für den Stromrichter korrespondieren.
• Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der aktuelle Betriebszustand mit einem vorangehenden Betriebszustand verglichen wird, und wobei dann, wenn der aktuelle Betriebszustand von dem vorangehenden Betriebszustand verschieden ist, der Kompensations-Modulationsgrad für den aktuellen Betriebszustand in Abhängigkeit des Kompensations-Modulationsgrads für den vorangehenden Betriebszustand verändert wird. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, unnötig häufige bzw. schnelle Änderungen zwischen Betriebszuständen des Stromrichters zu vermeiden.
• Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Schritt des Ermittelns von möglichen Werten für den Kompensations-Modulationsgrad in Abhängigkeit der folgenden Gleichung erfolgt:

  

  wobei a₀ der Kompensations-Modulationsgrad ist, wobei a_U ein soll-Modulationsgrad für eine erste Phase „U“ ist, wobei a_V ein soll-Modulationsgrad für eine zweite Phase „V“ ist und wobei a_w ein soll-Modulationsgrad für eine dritte Phase „W“. Weiter ist i_U ein Strangstrom der ersten Phase, i_V ein Strangstrom der zweiten Phase und i_W ein Strangstrom einer dritten Phase „W“. Schließlich ist i_NPref ein Sollwert für den in den mindestens einen weiteren Anschlusspunkt fließenden Strom, wobei a₃ eine optionale Modulationsgradkomponente ist. Sx entspricht einem x-ten Betriebszustand, x = 1, ..., 6.
• Die optionale Modulationsgradkomponente a₃ kann bei einer Ausführungsform vorteilhaft dazu verwendet werden, die Spannungsausnutzung des Stromrichters zu optimieren. Dies kann gleichzeitig mit der erfindungsgemäßen Beeinflussung des in den mindestens einen weiteren Anschlusspunkt fließenden Stroms erfolgen. Ein entsprechender Wert für a₃ wird in diesem Fall den Termen der vorstehenden Gleichung 2 zugeschlagen.
• Bei einer einfachen Ausführungsform entfällt die optionale Modulationsgradkomponente a₃, also a₃ = 0, wodurch sich die Gleichung 2 entsprechend vereinfacht zu:

  
• D.h., je nach Betriebszustand S1, S2, S3, S4, S5, S6 des Stromrichters kommen die der Gleichung 2 bzw. 2a entsprechenden Werte für a₀ zur Beeinflussung des Modulationsgrads im Sinne der Erfindung in Betracht.
• Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Schritt des Bestimmens des aktuellen Betriebszustands in Abhängigkeit der folgenden Ungleichungen erfolgt: S1: a_U + a₀₃ > 0,a_V + a₀₃ < 0,a_W + a₀₃ < 0, S2: a_U + a₀₃ > 0,a_V + a₀₃ > 0,a_W + a₀₃ < 0, S3: a_U + a₀₃ < 0,a_V + a₀₃ > 0,a_W + a₀₃ < 0, S4: a_U + a₀₃ < 0,a_V + a₀₃ > 0,a_W + a₀₃ > 0, S5: a_U + a₀₃ < 0,a_V + a₀₃ < 0,a_W + a₀₃ > 0, S6: a_U + a₀₃ > 0,a_V + a₀₃ < 0,a_W + a₀₃ > 0, (Gleichung 3) wobei a₀₃ = a₀ + a₃.
• Sofern jedoch einer besonders bevorzugten Ausführungsform zufolge die optionale Modulationsgradkomponente a₃ entfällt, also a₃ = 0, vereinfacht sich auch Gleichung 3 entsprechend zu: S1: a_U + a₀ > 0,a_V + a₀ < 0,a_W + a₀ < 0, S2: a_U + a₀ > 0,a_V + a₀ > 0,a_W + a₀ < 0, S3: a_U + a₀ < 0,a_V + a₀ > 0,a_W + a₀ < 0, S4: a_U + a₀ < 0,a_V + a₀ > 0,a_W + a₀ > 0, S5: a_U + a₀ < 0,a_V + a₀ < 0,a_W + a₀ > 0, S6: a_U + a₀ > 0,a_V + a₀ < 0,a_W + a₀ > 0, (Gleichung 3a)
• D.h., sofern die Ungleichungen a_U + a₀ > 0,a_V + a₀ < 0, a_W + a₀ < 0 aus Zeile Eins der Gleichung 3 bzw. 3a zutreffen, kann darauf geschlossen werden, dass der Stromrichter sich in dem Betriebszustand „S1“ befindet, usw.
• Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Gleichspannungszwischenkreis vorgesehen ist, der zwischen dem ersten Anschlusspunkt und dem zweiten Anschlusspunkt eine Serienschaltung aus (N – 1) vielen Kondensatoren aufweist, wobei der weitere Anschlusspunkt ein Knotenpunkt ist, an dem ein j-ter Kondensator der Serienschaltung mit einem (j + 1)-ten Kondensator der Serienschaltung verbunden ist, wobei 1 <= j <= N – 2.
• Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Betreiben eines Stromrichters gemäß Patentanspruch 10 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeit und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder der Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. der Zeichnung.
• In der Zeichnung zeigt:
• 1 schematisch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromrichters,
• 2 schematisch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromrichters,
• 3 Details einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromrichters,
• 4a vereinfacht ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
• 4b ein vereinfachtes Flussdiagramm einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
• 5a, 5b, 5c, 5d jeweils ein unterschiedliche Betriebszustände eines Stromrichters veranschaulichendes Diagramm.
• 1 zeigt einen Stromrichter 200 gemäß einer ersten Ausführungsform. Der Stromrichter 200 ist als N-stufiger Stromrichter ausgebildet, wobei N >= 3 ist. Dementsprechend sind N viele Anschlusspunkte A1, A2, A3,..., von denen in 1 nur die ersten drei Anschlusspunkte explizit dargestellt und gezeichnet sind, vorgesehen. An den Anschlusspunkten A1, A2, A3,... wird in an sich bekannter Weise jeweils ein vorgebbares Potential bereitgestellt. Eine Schalteinrichtung 220 des Stromrichters 200 ist eingangsseitig mit den Anschlusspunkten A1, A2, A3,... verbunden und kann K viele Ausgangsanschlüsse (vorliegend K = 3) U, V, W wahlweise mit jeweils einem der Anschlusspunkte A1, A2, A3, ... verbinden. Auf diese Weise kann durch entsprechende Steuerung der Schalteinrichtung 220 eine vorgebbare Spannungsform an den Ausgangsanschlüssen U, V, W bereitgestellt werden, welche sich aus den einzelnen Werten der vorgebbaren Potentiale der Anschlusspunkte A1, A2, A3,... ergibt.
• Beispielhaft ist in 1 gestrichelt ein Verbraucher 400 eingezeichnet, der durch den Stromrichter 200 mit elektrischer Energie vorgebbarer Strom- und Spannungsform versorgt wird. Bei dem Verbraucher 400 kann es sich bspw. um einen Drehstrommotor oder dergleichen handeln.
• Ein erster Anschlusspunkt A1 des Stromrichters 200 entspricht einem ersten Potential, bspw. einer positiven Versorgungsspannung +V_DC. Ein zweiter Anschlusspunkt A2 entspricht demgegenüber einem zweiten vorgebbaren Potential, bspw. einer negativen Versorgungsspannung –V_DC. Der mindestens eine weitere Anschlusspunkt A3 entspricht einem weiteren Potential, welches vorzugsweise kleiner als das erste Potential des ersten Anschlusspunkts A1 und größer als das zweite Potential des zweiten Anschlusspunkts A2 ist. Bspw. kann das dem dritten Anschlusspunkt A3 zugeordnete Potential einem Nullpotential entsprechen. Insbesondere kann bei einer Ausführungsform bspw. das erste Potential +V_DC des Anschlusspunkts A1 etwa 200 V betragen, wobei das zweite Potential –V_DC des zweiten Anschlusspunkts A2 etwa –200 V und das dritte Potential des dritten Anschlusspunkts A3 0 V betragen kann.
• Weitere, in 1 nicht abgebildete Anschlusspunkte können dementsprechend anderen Potentialen zugeordnet sein.
• Es ist vorgesehen, dass mindestens ein in den mindestens einen weiteren Anschlusspunkt A3 fließender Strom (bzw. ein aus diesem Anschlusspunkt A3 herausfließender Strom) beeinflusst wird, um während des Betriebs des Stromrichters 200 ggf. auftretende Unsymmetrien in den Gleichspannungsquellen des Gleichspannungszwischenkreises 210 zu beseitigen oder abzuschwächen. Besonders dann, wenn der Gleichspannungszwischenkreis 210 eine Serienschaltung von Kondensatoren zur Bereitstellung der verschiedenen, den Anschlusspunkten A1, A2, A3,... zugeordneten Potentiale, aufweist, ist eine derartige Beeinflussung des in den Anschlusspunkt A3 fließenden Stroms Untersuchungen der Anmelderin zufolge vorteilhaft, weil Unsymmetrien in dem Gleichspannungszwischenkreis 210 vermindert bzw. vollständig kompensiert werden können. Dadurch wird auch eine präzise Bereitstellung von elektrischer Energie und insbesondere eine Ansteuerung des Verbrauchers 400 mit vorgebbaren Spannungswerten bzw. einem zeitlichen Verlauf der Spannung erleichtert.
• 2 zeigt eine erweiterte Ausführungsform 200a des erfindungsgemäßen Stromrichters, der vorliegend als vierstufiger (N = 4) Stromrichter ausgebildet ist und dementsprechend vier Anschlusspunkte A1, A2, A3, A4 mit unterschiedlichen Potentialen aufweist. Die betreffenden Potentiale werden durch den Gleichspannungszwischenkreis 210a bereitgestellt, der in einer Ausführungsform wiederum eine Serienschaltung von Kondensatoren (nicht gezeigt) aufweisen kann. Eine Schalteinrichtung 220a verbindet wahlweise die verschiedenen Ausgangsanschlüsse U, V, W des Stromrichters 200a mit den entsprechenden Anschlusspunkten A1...A4.
• Bei der vorliegenden Ausführungsform 200a gemäß 2 kann das erfindungsgemäße Prinzip sowohl auf einen Strom angewandt werden, der durch den Anschlusspunkt A3 fließt, bzw. einen Strom der durch den Anschlusspunkt A4 fließt. Eine Berücksichtigung bzw. erfindungsgemäße Beeinflussung beider Ströme in die beiden Anschlusspunkte A3, A4 ist ebenfalls möglich.
• 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Abgebildet ist eine vereinfachte Ersatzschaltung eines dreistufigen (N = 3) dreiphasigen (K = 3) Stromrichters, der über einen Gleichspannungszwischenkreis 210 und eine Schalteinrichtung 220 verfügt. Der Gleichspannungszwischenkreis 210 weist einen ersten Kondensator C1 sowie einen hierzu in Reihe geschalteten zweiten Kondensator C2 auf. Ein erster Anschlusspunkt A1 ist mit dem in 3 oberen Anschluss des ersten Kondensators verbunden, ein zweiter Anschlusspunkt A2 mit dem in 3 unteren Anschluss des zweiten Kondensators C2 verbunden, und ein dritter Anschlusspunkt A3 ist mit dem Schaltungsknotenpunkt verbunden, welcher den in 3 unteren Anschluss des ersten Kondensators C1 mit dem in 3 oberen Anschluss des zweiten Kondensators C2 verbindet.
• Die Schalteinrichtung 220 verfügt über insgesamt drei Schalter S_U, S_V, S_W, welche in an sich bekannter Weise bspw. als Halbleiterschalter ausgebildet sein können. Jeder der drei Schalter S_U, S_V, S_W verfügt über drei Schaltstellungen, die vorliegend in 3 durch die Bezeichnung „1“, „–1“, „0“ veranschaulicht sind. Bei dem in 3 abgebildeten Betriebszustand ist bspw. der erste Schalter S_U in der Schalterstellung „0“, die den ersten Ausgangsanschluss U des Stromrichters mit dem dritten Anschlusspunkt A3 des Gleichspannungszwischenkreises 210 verbindet. Der zweite Schalter S_V weist einen Schaltzustand „1“ auf, welcher den zweiten Ausgangsanschluss V mit dem Anschlusspunkt A1 des Gleichspannungszwischenkreises 210 verbindet. Der dritte Schalter S_W weist vorliegend den Schaltzustand „–1“ auf, sodass der Ausgangsanschluss W des Stromrichters gemäß 3 mit dem zweiten Anschluss A2 des Gleichspannungszwischenkreises 210 verbunden ist.
• Die Schalter S_U, S_V, S_W bzw. ihre Schaltzustände können in an sich bekannter Weise durch die Vorrichtung 1000 zum Steuern des Stromrichters gesteuert werden. Die Vorrichtung 1000 kann hierzu über eine Recheneinheit wie z.B. einen Mikrocontroller und/oder einen digitalen Signalprozessor (DSP) verfügen, oder auch zumindest teilweise unter Verwendung von programmierbaren Logikbausteinen (FPGA, field programmable gate array) oder auch als ASIC (application specific integrated circuit) implementiert sein.
• Für den Betrieb des in 3 abgebildeten Stromrichters wird der Gleichspannungszwischenkreis 210 in an sich bekannter Weise von einer externen Quelle (nicht gezeigt) an den Anschlusspunkten A1, A2 mit einer Versorgungsspannung (Gleichspannung), vgl. auch den Versorgungsstrom i_DC, versorgt, sodass sich entsprechende Teilspannungen ν_DCP, ν_DCN über den Kondensatoren C1, C2 einstellen. Bei gleichen Kapazitätswerten für die Kondensatoren C1, C2 sind die Teilspannungen ν_DCP, ν_DCN dementsprechend zunächst gleich groß.
• Während des Betriebs des Stromrichters gemäß 3 kann sich ein nichtverschwindender Mittelpunktstrom i_NP in den dritten Anschlusspunkt A3 ergeben, insbesondere dann, wenn mindestens einer der Schalter S_U, S_V, S_W den Schaltzustand „0“ aufweist. Durch diesen Mittelpunktstrom i_NP ändert sich die Spannungsverteilung der Kondensatoren C1, C2 derart, dass die Teilspannungen ν_DCP, ν_DCN nicht mehr gleich groß sind. Dieser auch als Zwischenkreisspannungsunsymmetrie bezeichnete Effekt zur Überschreitung der zulässigen Zwischenkreisspannung führen und ist deswegen unerwünscht. Auch kann sich hierdurch der Spannungsnullpunkt (vorliegend das Potential des Schaltungsknotenpunkts A3) mit dem Ergebnis verschieben, dass sich die ausgangsseitig an den Ausgangsanschlüssen U, V, W zur Erzeugung einer Wechselspannung bereitgestellten Spannungswerte erheblich von den gewünschten Referenzspannungswerten unterscheiden.
• Dementsprechend ist erfindungsgemäß vorgesehen, den in den dritten Anschlusspunkt A3 fließenden Strom, vorliegend auch als Mittelpunktstrom i_NP, bezeichnet, zu beeinflussen, wodurch die vorstehend beschriebenen Zwischenkreisspannungsunsymmetrie verringert bzw. kompensiert werden kann.
• Mit anderen Worten wird unter Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips der Stromrichter 200 derart betrieben, dass der Mittelpunktstrom i_NP beeinflusst werden kann, insbesondere mit dem Ziel, den Mittelpunktstrom vollständig zu kompensieren, d.h. i_NP = 0. Alternativ kann der Mittelpunktstrom unter Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips auch auf vorgebbare nichtverschwindende Werte eingestellt bzw. geregelt werden, d.h. i_NP <> 0.
• Bei Stromrichtervarianten mit mehr als einem „inneren“ Anschlusspunkt A3, A4, .. (2) kann der vorstehend beschriebene Effekt ebenfalls auftreten und durch entsprechende Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ebenfalls verringert werden. Die nachfolgende Beschreibung nimmt der Übersichtlichkeit halber jedoch Bezug auf die Ausführungsform gemäß 3.
• 4a zeigt ein vereinfachtes Flussdiagramm einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt 300 werden Betriebsgrößen des Stromrichters 200 (1) erfasst, und in einem nachfolgenden Schritt 310 wird mindestens ein in mindestens einen weiteren Anschlusspunkt A3 (3) fließender Strom i_NP beeinflusst, insbesondere mittels einer Steuerung und/oder Regelung.
• 4b zeigt ein Flussdiagramm einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bevor näher auf die Schritte 400 bis 430 des Flussdiagramms eingegangen wird, werden nachfolgend zunächst einige erfindungsgemäß betrachtete Betriebsgrößen des Stromrichters gemäß 3 sowie weitere bevorzugte Ausführungsformen beschrieben.
• Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass beide Teilzwischenkreise des Gleichspannungszwischenkreises 210 mit einem gemeinsamen Gleichstrom i_DC gespeist werden. Aus 3 ist ersichtlich, dass wenn in einer der drei Schalteinrichtungen S_U, S_V, S_W ein Nullzustand (Schaltstellung „0“) aktiviert wird, der zugehörige Laststrom bzw. Strangstrom i_U, i_V, I_W in den durch den Schaltungsknoten A3 gebildeten Stromrichtermittelpunkt herein- oder aus ihm herausfließt. Dies ruft eine nichtverschwindende Spannungsdifferenz ν_DCP – ν_DCN bzw. eine Unsymmetrie der Kondensatorspannungen ν_DCP, ν_DCN hervor. Der augenblickliche Mittelpunktstrom i_NP beträgt i_NP = –i_NPU – i_NPV – i_NPW, (Gleichung 4.1), wobei

  

  wobei „S_U = 0“ bedeutet, dass die Schalteinrichtung SU in der Schaltstellung „0“ ist, usw.
• Gemäß einer Ausführungsform werden die Schaltzustände „0“, „–1“, „1“ beispielsweise im Sinne einer Pulsweitenmodulation gewechselt, d.h. je nach gewünschter Ausgangsspannung werden entsprechende Schaltzustände „0“, „–1“, „1“ für jeweils eine vorgebbare Zeit eingestellt bzw. beibehalten. Die gewünschte Ausgangsspannung des Stromrichters 200 für die Phase U ergibt sich beispielsweise durch

  

  und die Spannungen ν_VM, ν_WM ergeben sich analog. Die gewünschten Ausgangsspannungen ν_UM, ν_VM, ν_WM werden z.B. als zeitliche Mittelwerte über eine Schaltperiode TS realisiert. Positive Ausgangsspannungen zwischen den Werten ν_DCP und null können einer Ausführungsform zufolge mit

  

  mit TS = t_+1U + t_0U gestellt werden, negative Werte der Ausgangsspannung zwischen null und ν_DCN werden durch

  

  mit TS = t_-1U + t_0U gestellt, wobei t_+1U die Zeitdauer innerhalb einer Schaltperiode TS angibt, während der die Schalteinrichtung S_U den Schaltzustand „1“ annimmt, wobei t_-1U die Zeitdauer innerhalb einer Schaltperiode TS angibt, während der die Schalteinrichtung S_U den Schaltzustand „–11“ annimmt, und wobei t_0U die Zeitdauer innerhalb einer Schaltperiode TS angibt, während der die Schalteinrichtung S_U den Schaltzustand „0“ annimmt. Analoges gilt für die weiteren Schalteinrichtungen S_V, S_W. Gemäß einer Ausführungsform wird als Modulationsgrad a’_U für die Phase U definiert

  

  wobei v_UMref eine Soll-Ausgangsspannung für die Phase U ist. Der Schaltzustand S_U = 0 ist in beiden Fällen während der Zeit t_0U aktiv.
• Die Modulationsgrade a´_V, a´_W der übrigen Phasen V, W ergeben sich analog:

  

  wobei v_VMref eine Soll-Ausgangsspannung für die Phase V ist, und wobei v_WMref eine Soll-Ausgangsspannung für die Phase W ist. Es ergibt sich

  

  wobei sgn(x) die Signumsfunktion (Vorzeichenfunktion) von x ist, und wobei |x| der Betrag von x ist. Analog gilt t_0V/TS = 1 – |a´_V| (Gleichung 7.2) sowie t_0W/TS = 1 – |a´_W| (Gleichung 7.3).
• Gemäß einer Ausführungsform kann der über eine Schaltperiode TS gemittelte Mittelpunktstrom i_NP mit a´_U = a_U + a₀ + a₃, (Gleichung 8.1) a´_V = a_V + a₀ + a₃, (Gleichung 8.2) a´_W = a_W + a₀ + a₃ (Gleichung 8.3) durch i_{NP mean} = –(1 – |a_U + a₀ + a₃|)i_U – (1 – |a_V + a₀ + a₃|)i_V – (1 – |a_W + a₀ + a₃|)i_W (Gleichung 9) beschrieben werden, wobei a_U, a_V, a_W die Strangmodulationsgrade der Phasen U, V, W sind, und wobei a₀ den erfindungsgemäßen Kompensations-Modulationsgrad darstellt, der einer für die Regelung der Zwischenkreisunsymmetrie erforderlichen Nullkomponente entspricht. D.h., durch Beeinflussung z.B. mittels Addition des Kompensations-Modulationsgrads a₀ zu dem Modulationsgrad a’_U kann (gleiches gilt für die weiteren Größen a’_V, a’_W) der gemittelte Mittelpunktstrom i_NP,mean beeinflusst werden.
• Der Ausdruck „a₃“ in den vorstehenden Gleichungen ist eine Gleichtaktkomponente der dritten Harmonischen, die für eine erhöhte Spannungsausnutzung des Stromrichters verwendet werden kann. Hierzu ist der Wert von a₃ entsprechend zu wählen. Die Verwendung von a₃ ist allerdings rein optional. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Beeinflussung des in den bzw. aus dem Anschlusspunkt A3 (3) fließenden Stroms i_NP auch ohne die Berücksichtigung des Terms a₃ vorgenommen werden, nämlich unter Verwendung des Kompensations-Modulationsgrads a₀. In diesem Fall kann a₃ = 0 gewählt werden, so dass sich Gleichung 9 wie folgt vereinfacht: i_{NP mean} = –(1 – |a_U + a₀|)i_U – (1 – |a_V + a₀|)i_V – (1 – |a_W + a₀|)i_W, (Gleichung 9.1). Für die nachfolgende Beschreibung wird der optional verwendbare Ausdruck a₃ – ohne Beschränkung der Allgemeinheit – jedoch überwiegend in den weiteren Gleichungen aufgeführt. Sofern keine erhöhte Spannungsausnutzung des Stromrichters gewünscht ist, sondern vielmehr nur die erfindungsgemäße Beeinflussung des in den bzw. aus dem Anschlusspunkt A3 (3) fließenden Stroms unter Verwendung des Kompensations-Modulationsgrads a₀, kann in den betreffenden Gleichungen der Term a₃ einfach zu Null gesetzt werden.
• Aus den vorstehenden Gleichungen lässt sich ein dynamisches Modell der Teilzwischenkreisspannungen V_DCP, V_DCN durch

  

  beschreiben, wobei C1 = 2C_DC, C2 = 2C_DC, d.h. die Kapazitätswerte der Kondensatoren C1, C2 aus 3 entsprechen jeweils der doppelten Referenzkapazität C_DC gemäß Gleichung 10.
• Mit der Knotenregel folgt für den Anschlusspunkt A3 i_DCP + i_DCN + i_NP = 0 (Gleichung 11) sowie mit i_DCP = a´_Ui_U + a´_Vi_V + a´_Wi_W (Gleichung 12) und einer bei nicht angeschlossenem Sternpunkt der Last 400 (1) geltenden Annahme 0 = i_U + i_V + i_W (Gleichung 13) für die Differenz der Zwischenkreisspannungen ∆u_DC d / dt∆u_DC = d / dt(u_DCP – u_DCN) = i_DCP + i_DCN = –i_NP = (|a_U + a₀ + a₃|)i_U + (|a_V + a₀ + a₃|)i_V + (|a_W + a₀ + a₃|)i_W (Gleichung 14.1).
• Für den Fall der erfindungsgemäßen Kompensation ohne gleichzeitige erhöhte Spannungsausnutzung ergibt sich entsprechend mit a₃ = 0: d / dt∆u_DC = d / dt(u_DCP – u_DCN) = i_DCP + i_DCN = –i_NP = (|a_U + a₀|)i_U + (|a_V + a₀|)i_V + (|a_W + a₀|)i_W (Gleichung 14.2).
• Gemäß einer Ausführungsform wird ein Algorithmus zur Beeinflussung, insbesondere Steuerung, des Mittelpunktstroms i_NP (3) aus Gleichung (9) bzw. (9.1) abgeleitet. Da der Mittelpunktstrom i_NP von den Beträgen |a_U + a₀ + a₃|, |a_V + a₀ + a₃|, |a_W + a₀ + a₃| der Strangmodulationsgrade abhängt, wird bevorzugt für die Beschreibung der erforderlichen Gleichtaktkomponente als Funktion des Mittelpunktstroms zwischen sieben Fällen unterschieden. Abhängig vom Vorzeichen der Strangmodulationsgrade beträgt der Mittelpunktstrom

  

  mit a₀₃ = a₀ + a₃. Das Mittelpunktspannungsregelgesetz kann durch Auflösen der Gleichung (15) nach a₀ gefunden werden: Werden die Sektoren S1: a_U + a₀₃ > 0,a_V + a₀₃ < 0,a_W + a₀₃ < 0, S2: a_U + a₀₃ > 0,a_V + a₀₃ > 0,a_W + a₀₃ < 0, S3: a_U + a₀₃ < 0,a_V + a₀₃ > 0,a_W + a₀₃ < 0, S4: a_U + a₀₃ < 0,a_V + a₀₃ > 0,a_W + a₀₃ > 0, S5: a_U + a₀₃ < 0,a_V + a₀₃ < 0,a_W + a₀₃ > 0, S6: a_U + a₀₃ > 0,a_V + a₀₃ < 0,a_W + a₀₃ > 0, (Gleichung 16) definiert, berechnet sich der erfindungsgemäße Kompensations-Modulationsgrad a₀, der einer Gleichtaktkomponente für die Zwischenkreisspannungssymmetrierung entspricht, zu

  

  wobei I_NPref einen gewünschten Wert für den Mittelpunktstrom i_NP repräsentiert.
• Eine Aufteilung von unterschiedlichen Betriebszuständen S1, S2, S3, S4, S5, S6 des Stromrichters 200 (1) gemäß einer Ausführungsform ist in 5a, 5b dargestellt.
• Die sechs den unterschiedlichen Betriebszuständen S1, .., S6 entsprechenden Sektoren, in denen eine erfindungsgemäße Beeinflussung der Mittelpunktspannung bzw. des Stroms i_NP bevorzugt möglich ist, sind mittig zu den Koordinatenachsen eines den Phasen U, V, W entsprechenden UVW-Koordinatensystems angeordnet. Abhängig vom Gleichtaktsignal verschieben sich die Sektorgrenzen entlang der UVW-Achsen. Hierbei ist zu beachten, dass (i_U + i_V + i_W = 0 vorausgesetzt) zwei Fälle verbleiben (a_U + a₀₃ > 0, a_V + a₀₃ > 0, a_W + a₀₃ > 0, 5a, sowie a_U +a₀₃ > 0, a_V + a₀₃ > 0, a_W + a₀₃ > 0, 5b), in denen der Mittelpunktstrom i_NP nur von den Strangmodulationsgraden und -strömen abhängt und nicht durch Gleichtaktsignale beeinflusst werden kann.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird ausgenutzt, dass durch die Variable i_NPref in Gleichung 17 ein Freiheitsgrad für eine Beeinflussung, insbesondere Regelung, der Zwischenkreisspannungsdifferenz verfügbar ist. Mit anderen Worten kann der gewünschte Mittelpunktstrom i_NPref vorgegeben werden, z.B. i_NPref = 0, und mit Gleichung 17 kann sodann der erfindungsgemäße Kompensations-Modulationsgrad a₀ ermittelt werden, der für die Steuerung bzw. Regelung des Stromrichters 200 zu verwenden ist, um den gewünschten Mittelpunktstrom i_Npref einzustellen. Dadurch können vorteilhaft aufgrund von ungenau bekannten Mittelpunktströmen, z.B. hervorgerufen durch unsymmetrische Last oder den Mittelpunktstrom des Netzstromrichters, auftretende Ungenauigkeiten bei dem Betrieb des Stromrichters vermindert bzw. sogar kompensiert werden. Unter Verwendung des erfindungsgemäßen Kompensations-Modulationsgrads a₀ kann demnach u.a. verhindert werden, dass die Kondensatorspannungen ν_DCP, ν_DCN (3) voneinander abweichende Werte annehmen.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann der Sollwert i_NPref für den Mittelpunktstrom als Ausgangsgröße eines PI-Reglers, der einen verhältnismäßig langsam veränderlichen Teil der Zwischenkreisspannungsdifferenz zu null regelt, gewonnen werden: i_NPref = –K_P∆u_DC – K_I∫∆u_DCdτ (Gleichung 18), wobei ∆u_DC = ν_DCP – ν_DCN, und wobei K_P, K_I an sich bekannte Konstanten des PI-Reglers darstellen, und wobei dτ ein Zeitdifferential darstellt.
• 4b zeigt ein Flussdiagramm einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt 400 erfolgt ein Ermitteln von möglichen Werten für einen zur Modifikation eines soll-Modulationsgrads a_U, a_V, a_W für mindestens eine Phase verwendbaren Kompensations-Modulationsgrad a₀ für unterschiedliche Betriebszustände S1, S2, S3, S4, S5, S6 des Stromrichters 200.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird in Schritt 400 für alle möglichen Betriebszustände S1, S2, S3, S4, S5, S6 des Stromrichters 200 ein entsprechender Kompensations-Modulationsgrad a₀ ermittelt, der zur Einstellung eines gewünschten Mittelpunktstroms i_NPref dient. Dies erfolgt bei einer bevorzugten Ausführungsform – zumindest für einige der möglichen Betriebszustände S1, S2, S3, S4, S5, S6 – gemäß Gleichung 17.
• Sofern der optionale Parameter a₃ für die erhöhte Spannungsausnutzung nicht verwendet wird, vereinfacht sich Gleichung 17 zu:

  
• Sofern einer Ausführungsform zufolge der gewünschte Mittelpunktstrom i_NPref den Wert Null annehmen soll, also i_NPref = 0, vereinfacht sich Gleichung 17.1 weiter zu:

  
• D.h., für den möglichen Betriebszustand S1 des Stromrichters 200 ergibt Gleichung 17.2 zur Einstellung eines gewünschten Mittelpunktstroms von Null und ohne Verwendung des Parameters a₃ zur erhöhten Spannungsausnutzung einen KompensationsModulationsgrad

  

  für den möglichen Betriebszustand S2 einen Kompensations-Modulationsgrad

  

  und so fort. Die gemäß Gleichung 17.2 ermittelten Werte der Kompensations-Modulationsgrade werden einer Ausführungsform zufolge auch als „Nullsequenzkandidaten“ bezeichnet.
• Nach Ausführung des Schritts 400 stehen somit die verschiedenen Werte („Nullsequenzkandidaten“) für den Kompensations-Modulationsgrad in den möglichen Betriebszuständen S1, S2, S3, S4, S5, S6 zur Verfügung.
• Anschließend kann der optionale Schritt 410 ausgeführt werden, der eine Begrenzung der möglichen Werte des Kompensations-Modulationsgrads a₀ zum Gegenstand hat. Insbesondere kann die Begrenzung vorsehen, dass die verschiedenen Werte („Nullsequenzkandidaten“) für den Kompensations-Modulationsgrad in den möglichen Betriebszuständen S1, S2, S3, S4, S5, S6 daraufhin überprüft werden, ob sie einen maximal zur Verfügung stehenden Modulationsgrad überschreiten. In diesem Fall kann der entsprechende Kompensations-Modulationsgrad nämlich gar nicht durch den Stromrichter gestellt werden und steht somit nicht für die Steuerung des Stromrichters zur Verfügung.
• Bei einer Ausführungsform kann die Begrenzung gemäß dem optionalen Schritt 410 unter Verwendung der nachfolgenden Ungleichung erfolgen: –a_max – min(a_U + a₃, a_V + a₃, a_W + a₃) < a₀(S1...S6) < a_max – max(a_U + a₃, a_V + a₃, a_W + a₃), (Ungleichung 18) wobei a₀(S1...S6) die Nullsequenzkandidaten gemäß Gleichung 17.2 darstellen. Mit a₃ = 0 vereinfacht sich die Ungleichung 18 zu: –a_max – min(a_U, a_V, a_W) < a₀(S1...S6) < a_max – max(a_U, a_V, a_W), (Ungleichung 18.1) wobei a₀(S1...S6) die Nullsequenzkandidaten gemäß Gleichung 17.2 darstellen und a_max der maximal zulässige Aussteuerungsbetrag ist. D.h., um der Begrenzung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des optionalen Schritts 410 zu genügen, muss ein Nullsequenzkandidat kleiner als die verfügbare Aussteuerungsreserve sein, deren Grenzen durch die obigen Ungleichungen angegeben sind.
• Mit anderen Worten stehen nach Ausführung des optionalen Schritts 410 diejenigen verschiedenen Werte („Nullsequenzkandidaten“) für den Kompensations-Modulationsgrad in den möglichen Betriebszuständen S1, S2, S3, S4, S5, S6 zur Verfügung, die dem vorstehend beispielhaft beschriebenen Begrenzungskriterium genügen. Es ist beispielsweise denkbar, dass die Kompensations-Modulationsgrade a₀ für die Betriebszustände S1, S2, S3 dem Begrenzungskriterium nach Schritt 410 genügen und für den weiteren Verfahrensablauf zur Verfügung stehen, während die Kompensations-Modulationsgrade a₀ für die Betriebszustände S4, S5, S6 kleiner als das vorgebbare Minimum oder größer als das vorgebbare Maximum der Begrenzung sind und demnach nicht mehr für den weiteren Verfahrensablauf zur Verfügung stehen.
• Alternativ zu einer Begrenzung gemäß Schritt 410 kann auch direkt von Schritt 400 zu Schritt 420 übergegangen werden. Hierbei ist ein evtl. Stellfehler in Kauf zu nehmen, der daraus resultiert, dass ein zukünftig möglicherweise zur Steuerung des Stromrichters ausgewählter Kompensations-Modulationsgrad gar nicht durch den Stromrichter gestellt werden kann.
• In Schritt 420 erfolgt ein Bestimmen eines aktuellen Betriebszustands des Stromrichters 200, vorzugsweise in Abhängigkeit mindestens eines soll-Modulationsgrads a_U, a_V, a_W und/oder des Kompensations-Modulationsgrads a₀. Die Bestimmung des aktuellen Betriebszustands kann beispielsweise durch Auswertung von Gleichung 16 erfolgen.
• Sofern einer besonders bevorzugten Ausführungsform zufolge die optionale Modulationsgradkomponente a₃ entfällt, also a₃ = 0, vereinfacht sich Gleichung 16 entsprechend zu: S1: a_U + a₀ > 0, a_V + a₀ < 0, a_W + a₀ < 0, S2: a_U + a₀ > 0, a_V + a₀ > 0, a_W + a₀ < 0, S3: a_U + a₀ < 0, a_V + a₀ > 0, a_W + a₀ < 0, S4: a_U + a₀ < 0, a_V + a₀ > 0, a_W + a₀ > 0, S5: a_U + a₀ < 0, a_V + a₀ < 0, a_W + a₀ > 0, S6: a_U + a₀ > 0, a_V + a₀ < 0, a_W + a₀ > 0, (Gleichung 16.1)
• D.h., sofern z.B. die Ungleichungen a_U + a₀ > 0,a_V + a₀ < 0, a_W + a₀ < 0 aus Zeile eins der Gleichung 16.1 zutreffen, kann darauf geschlossen werden, dass der Stromrichter sich aktuell in dem Betriebszustand „S1“ befindet, usw.
• Beispielhaft kann die Auswertung der Gleichung 16.1 in Schritt 420 (4b) ergeben, dass sich der Stromrichter 200 aktuell in Betriebszustand S2 befindet, weil in Abhängigkeit der aktuellen Werte für die Modulationsgrade die Ungleichung a_U + a₀ > 0,a_V + a₀ > 0,a_W + a₀ < 0 erfüllt ist.
• Anschließend erfolgt in Schritt 430 eine Auswahl des zu verwendenden Werts für den Kompensations-Modulationsgrad a₀, wobei bevorzugt aus den in Schritt 400 ermittelten Nullsequenzkandidaten ausgewählt wird. Sofern die optionale Begrenzung nach Schritt 410 erfolgt, wird in Schritt 430 aus der am Ende von Schritt 410 verbleibenden Menge von Nullsequenzkandidaten ausgewählt.
• Dem vorstehend genannten Beispiel entsprechend ist eine Begrenzung in Schritt 410 derart erfolgt, dass die Nullsequenzkandidaten für die Betriebszustände S1, S2, S3 dem Begrenzungskriterium nach Schritt 410 genügen und für den weiteren Verfahrensablauf, mithin die Auswahl aus Schritt 430, zur Verfügung stehen. Somit kann in Schritt 430 unter den Werten für den Kompensations-Modulationsgrad für die Betriebszustände S1, S2, S3 gewählt werden.
• Da Schritt 420 ergeben hat, dass sich der Stromrichter 200 aktuell in dem Betriebszustand S2 befindet, wird für eine nachfolgende Ansteuerung des Stromrichters 200, die insbesondere die Schalter S_U, S_V, S_W (Stellung, Zeitdauern der entsprechenden Schalterstellung) steuert, bevorzugt der dem aktuellen Betriebszustand S2 entsprechende Kompensations-Modulationsgrad verwendet, wodurch besonders vorteilhaft Schaltzustandsänderungen der Schalteinrichtung 220 gespart werden können.
• Sofern für die Auswahl in Schritt 430 (nach ggf. erfolgter Begrenzung gemäß Schritt 410) kein dem aktuellen Betriebszustand des Stromrichters entsprechender Kompensations-Modulationsgrad verfügbar ist (z.B. Aufgrund der Begrenzung), kann für eine nachfolgende Ansteuerung des Stromrichters 200 z.B. ein solcher Kompensations-Modulationsgrad ausgewählt werden, der einem Betriebszustand entspricht, welcher möglichst geringe Änderungen der Schaltzustände der Schalteinrichtung 220 erfordert.
• Nachfolgend ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform beschrieben. In einigen Betriebszuständen des Stromrichters ist die Definition der Betriebszustände gemäß Gleichung 16, die auch als „Sektordefinition“ bezeichnet wird, nicht eindeutig, siehe 5c. Die vorstehend beschriebene Verfahrensweise könnte ggf. mehrere schnelle Änderungen zwischen zwei oder mehreren Sektoren, also schnelle Übergänge zwischen mehreren verschiedenen Betriebszuständen S1, S2, S3, S4, S5, S6 hervorrufen, woraus verzerrte Strangmodulationsgrade und unnötige Schaltvorgänge in den z.B. als Leistungshalbleiter ausgebildeten Schaltern der Einheit 220 auftreten können.
• Um diese Vorgänge zu vermeiden, wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform geprüft, ob der in einem vorigen Abtastschritt (k – 1) (Indexvariable „k“) bestimmte Sektor bzw. Betriebszustand im derzeitigen Abtastschritt (k) noch gültig ist. Ist keiner der Sektoren bzw. Betriebszustände gültig, sollte die Aussteuerung auf ihrem vorigen Wert gehalten werden oder langsam abklingen, um unnötige Schalthandlungen zu vermeiden.
• In 5d ist als Beispiel eine Situation dargestellt, in der der Leistungsfaktor etwa 0.7 beträgt. Die strichpunktierte Linie zeigt den Winkel, bei dem der Strangstrom i_U der Phase U null wird. Da in Sektor 1 (Betriebszustand „S1“) die Gleichtaktkomponente von i_U reziprok abhängt, weist der Kompensations-Modulationsgrad a₀ hier eine Polstelle auf. Obwohl die Gleichtaktkomponente auf die maximale bzw. minimale verfügbare Aussteuerung begrenzt werden kann, ändert sich beim Passieren der Polstelle das Vorzeichen der Nullsequenz, wenn |a₀ + a₃| > |a_U|, |a_V|, |a_W|, wodurch zusätzliche Schalthandlungen hervorgerufen werden würden. Die Schaltfrequenz ist dadurch z.B. um die Grundfrequenz der Ausgangsspannung erhöht.
• Die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Prinzips ist anhand eines als zwölfpolige Asynchronmaschine mit einer Nennfrequenz von 5,6 Hz und einer Nennleistung von 3.7 MW ausgebildeten Verbrauchers 400 (1) simulativ überprüft und mit der einer konventionellen P-Regelung verglichen worden. Gegenüber Antrieben mit einer Nennfrequenz von 50 Hz ist die Amplitude der Zwischenkreisspannungsoszillationen bei der vorliegend gewählten Asynchronmaschine deutlich erhöht. Die Untersuchungen der Anmelderin haben ergeben, dass mit dem erfindungsgemäßen Prinzip in den meisten Arbeitspunkten des Stromrichters 200 (1) die Amplitude der Zwischenkreisspannungsoszillationen deutlich geringer ist als mit einer konventionellen P-Regelung.
• Das erfindungsgemäße Prinzip kann zur Kompensation von Mittelpunktstromaugenblickswerten verwendet werden, insbesondere um Unsymmetrien der Kondensatorspannungen eines Kondensatoren C1, C2 aufweisenden Gleichspannungszwischenkreises 210 zu verringern bzw. vermeiden. Besonders vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Prinzip in der Vorrichtung 1000 in Form von Hardware und/oder Software bzw. Firmware implementiert sein.
• Bei einer weiteren Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Prinzip ergänzt werden um die Berücksichtigung einer optionale Modulationsgradkomponente a₃. Diese kann dazu verwendet werden, eine Spannungsausnutzung des Stromrichters 200 zu optimieren. Dies kann gleichzeitig mit der erfindungsgemäßen Beeinflussung des in den mindestens einen weiteren Anschlusspunkt A3 fließenden Stroms erfolgen. Ein entsprechender (nichtverschwindender) Wert für a₃ wird in diesem Fall den Termen der entsprechenden vorstehenden Gleichungen zugeschlagen. In Gleichung 17 wird zusätzlich zu dem Wert für den gewünschten Mittelpunktstrom i_NPref auch ein Wert für die optionale Modulationsgradkomponente a₃ angegeben, und sodann wird der erfindungsgemäße Kompensations-Modulationsgrad a₀ nach Gleichung 17 ermittelt. Ein solchermaßen ermittelter Kompensations-Modulationsgrad ermöglicht demnach neben der Einstellung eines gewünschten Mittelpunktstroms i_NPref auch noch eine optimierte Spannungsausnutzung. Der Wert für die optionale Modulationsgradkomponente a₃ kann mittels an sich bekannter Verfahren ermittelt werden.
• 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
• DE 102009039 A1 [0002]

Claims (12)

1. Verfahren zum Betreiben eines N-stufigen K-phasigen elektrischen Stromrichters (200), wobei N größer gleich drei ist, wobei K größer gleich eins ist, wobei N viele, jeweils einem vorgebbaren Potential entsprechende, Anschlusspunkte (A1, ..., A3) vorgesehen sind, wobei ein erster Anschlusspunkt (A1) einem ersten Potential entspricht, wobei ein zweiter Anschlusspunkt (A2) einem zweiten Potential entspricht, und wobei mindestens ein weiterer Anschlusspunkt (A3) einem weiteren Potential entspricht, das vorzugsweise kleiner als das erste und größer als das zweite Potential ist, wobei K viele Ausgangsanschlüsse (U, V, W) vorgesehen sind, die jeweils über mindestens eine Schalteinrichtung (S_U, S_V, S_W) wahlweise mit jeweils einem der Anschlusspunkte (A1, A2, A3) verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein in den mindestens einen weiteren Anschlusspunkt (A3) fließender Strom (i_NP) beeinflusst (310), insbesondere gesteuert oder geregelt, wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Stromrichter (200) ein dreistufiger, N = 3, dreiphasiger, K = 3, Stromrichter (200) ist, und wobei das Beeinflussen (310) in Abhängigkeit mindestens eines Strangstroms (i_U, i_V, i_W) einer Phase und/oder mindestens eines Modulationsgrads einer Phase erfolgt.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Beeinflussen (310) ein Modifizieren eines soll-Modulationsgrads (a_U, a_V, a_W) für mindestens eine Phase aufweist, wobei das Modifizieren vorzugsweise durch das Addieren eines Kompensations-Modulationsgrads (a₀) zu dem soll-Modulationsgrad (a_U, a_V, a_W) für die mindestens eine Phase erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: – Ermitteln (400) von möglichen Werten für einen zur Modifikation eines soll-Modulationsgrads (a_U, a_V, a_W) für mindestens eine Phase verwendbaren Kompensations-Modulationsgrad (a₀) für unterschiedliche Betriebszustände (S1, S2, S3, S4, S5, S6) des Stromrichters (200), – Bestimmen (420) eines aktuellen Betriebszustands, vorzugsweise in Abhängigkeit mindestens eines soll-Modulationsgrads (a_U, a_V, a_W) und/oder des Kompensations-Modulationsgrads (a₀), – Auswählen (430) des zu verwendenden Werts für den Kompensations-Modulationsgrad (a₀).
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei nach dem Schritt (400) des Ermittelns eine Begrenzung (410) der möglichen Werte des Kompensations-Modulationsgrads (a₀) erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 5, wobei der aktuelle Betriebszustand mit einem vorangehenden Betriebszustand verglichen wird, und wobei dann, wenn der aktuelle Betriebszustand von dem vorangehenden Betriebszustand verschieden ist, der Kompensations-Modulationsgrad (a₀) für den aktuellen Betriebszustand in Abhängigkeit des Kompensations-Modulationsgrads für den vorangehenden Betriebszustand verändert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der Schritt des Ermittelns (400) von möglichen Werten für den Kompensations-Modulationsgrad (a₀) in Abhängigkeit der folgenden Gleichung erfolgt:

   

   wobei a₀ der Kompensations-Modulationsgrad ist, wobei a_U ein soll-Modulationsgrad für eine erste Phase ist, wobei a_V ein soll-Modulationsgrad für eine zweite Phase ist, wobei a_W ein soll-Modulationsgrad für eine dritte Phase ist, wobei i_U ein Strangstrom einer ersten Phase ist, wobei wobei i_V ein Strangstrom einer zweiten Phase ist, wobei i_W ein Strangstrom einer dritten Phase ist, wobei i_NPref ein Sollwert für den in den mindestens einen weiteren Anschlusspunkt (A3) fließenden Strom ist, wobei a₃ eine optionale Modulationsgradkomponente ist, wobei Sx einem x-ten Betriebszustand, x = 1, .., 6, entspricht. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei der Schritt des Bestimmens (420) des aktuellen Betriebszustands, in Abhängigkeit der folgenden Ungleichungen erfolgt: S1: a_U + a₀₃ > 0,a_V + a₀₃ < 0,a_W + a₀₃ < 0, S2: a_U + a₀₃ > 0,a_V + a₀₃ > 0,a_W + a₀₃ < 0, S3: a_U + a₀₃ < 0,a_V + a₀₃ > 0,a_W + a₀₃ < 0, S4: a_U + a₀₃ < 0,a_V + a₀₃ > 0,a_W + a₀₃ > 0, S5: a_U + a₀₃ < 0,a_V + a₀₃ < 0,a_W + a₀₃ > 0, S6: a_U + a₀₃ > 0,a_V + a₀₃ < 0,a_W + a₀₃ > 0, wobei a₀₃ = a₀ + a₃.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Gleichspannungszwischenkreis (210) vorgesehen ist, der zwischen dem ersten Anschlusspunkt (A1) und dem zweiten Anschlusspunkt (A2) eine Serienschaltung aus (N – 1) vielen Kondensatoren (C1, C2) aufweist, wobei der weitere Anschlusspunkt (A3) ein Knotenpunkt ist, an dem ein j-ter Kondensator (C1) der Serienschaltung mit einem (j + 1)-ten Kondensator (C2) der Serienschaltung verbunden ist, wobei 1 <= j <= N – 2.
9. Vorrichtung (1000) zum Betreiben eines N-stufigen K-phasigen elektrischen Stromrichters (200), wobei N größer gleich drei ist, wobei K größer gleich eins ist, wobei N viele, jeweils einem vorgebbaren Potential entsprechende, Anschlusspunkte (A1, ..., A3) vorgesehen sind, wobei ein erster Anschlusspunkt (A1) einem ersten Potential entspricht, wobei ein zweiter Anschlusspunkt (A2) einem zweiten Potential entspricht, und wobei mindestens ein weiterer Anschlusspunkt (A3) einem weiteren Potential entspricht, das vorzugsweise kleiner als das erste und größer als das zweite Potential ist, wobei K viele Ausgangsanschlüsse (U, V, W) vorgesehen sind, die jeweils über mindestens eine Schalteinrichtung (S_U, S_V, S_W) wahlweise mit jeweils einem der Anschlusspunkte (A1, A2, A3) verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1000) dazu ausgebildet ist, mindestens einen in den mindestens einen weiteren Anschlusspunkt (A3) fließenden Strom (i_NP) zu beeinflussen (310), insbesondere zu steuern oder zu regeln.
10. Vorrichtung (1000) nach Anspruch 10, wobei die Vorrichtung (1000) zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.
11. Vorrichtung (1000) nach einem der Ansprüche 10 bis 11, wobei der Stromrichter (200) ein dreistufiger, N = 3, dreiphasiger, K = 3, Stromrichter (200) ist.
12. Vorrichtung (1000) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei ein Gleichspannungszwischenkreis (210) vorgesehen ist, der zwischen dem ersten Anschlusspunkt (A1) und dem zweiten Anschlusspunkt (A2) eine Serienschaltung aus (N – 1) vielen Kondensatoren (C1, C2) aufweist, wobei der weitere Anschlusspunkt (A3) ein Knotenpunkt ist, an dem ein j-ter Kondensator (C1) der Serienschaltung mit einem (j + 1)-ten Kondensator (C2) der Serienschaltung verbunden ist, wobei 1 <= j <= N – 2.

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