DE102013109714A1 - Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Schaltung sowie elektrische Schaltung - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Schaltung beschrieben, bei der ein modularer Schalter (21) mit vier Leistungshalbleiterbauelementen und einem Kondensator vorhanden sind. Bei dem Verfahren werden entweder das erste und zweite Leistungshalbleiterbauelement (V1, V2) beide leitend geschaltet und das dritte und vierte Leistungshalbleiterbauelement (V3, V4) beide sperrend gesteuert, so dass ein Strom (i) von dem ersten Anschluss (24) über das erste Leistungshalbleiterbauelement, über den Kondensator (C) und über das zweite Leistungshalbleiterbauelement zu dem zweiten Anschluss (25) fließt oder es werden das dritte und vierte Leistungshalbleiterbauelement (V3, V4) beide leitend geschaltet und das erste und zweite Leistungshalbleiterbauelement (V1, V2) beide sperrend gesteuert, so dass der Strom (i) in umgekehrter Richtung von dem zweiten Anschluss (25) über das vierte Leistungshalbleiterbauelement, über den Kondensator (C) und über das dritte Leistungshalbleiterbauelement zu dem ersten Anschluss (24) fließt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Schaltung sowie eine entsprechende elektrische Schaltung.
  • Aus der DE 10 2010 046 142 A1 ist eine elektrische Schaltung bekannt, die aus einer Mehrzahl von modularen Schaltern aufgebaut ist. Durch eine entsprechende Anordnung und Ansteuerung der Leistungshalbleiterbauelemente der modularen Schalter ist es dabei möglich, die elektrische Schaltung als Umrichter auszubilden, also zur Umwandlung einer Gleich- in eine Wechselspannung oder umgekehrt. Die elektrische Schaltung kann dadurch insbesondere zur Energieübertragung mit hohen Gleichspannungen verwendet werden.
  • Bei der DE 10 2010 046 142 A1 kann der Strom nur in eine Richtung über die modularen Schalter fließen. Wird die bekannte elektrische Schaltung daher beispielsweise bei der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) eingesetzt, so hat dies zur Folge, dass eine Umkehr der Richtung der Energieübertragung nur dadurch erreicht werden kann, dass die Gleichspannung umgekehrt wird. Dies ist jedoch beispielsweise bei einem unipolaren Seekabel nur sehr eingeschränkt möglich.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die bekannte elektrische Schaltung zu verbessern.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 und dem Anspruch 4 sowie durch eine elektrische Schaltung nach dem Anspruch 2.
  • Die erfindungsgemäße elektrische Schaltung weist mindestens einen modularen Schalter auf, wobei der modulare Schalter mit einer ersten Serienschaltung bestehend aus einem ersten steuerbaren Leistungshalbleiterbauelement und einer ersten Diode und mit einer zweiten Serienschaltung bestehend aus einer zweiten Diode und einem zweiten steuerbaren Leistungshalbleiterbauelement versehen ist, wobei der Verbindungspunkt des ersten Leistungshalbleiterbauelements und der ersten Diode einen ersten Anschluss und der Verbindungspunkt der zweiten Diode und des zweiten Leistungshalbleiterbauelements einen zweiten Anschluss des modularen Schalters bilden, wobei in der ersten Serienschaltung dem ersten Leistungshalbleiterbauelement eine dritte Diode und der ersten Diode ein drittes steuerbares Leistungshalbleiterbauelement parallel geschaltet sind, wobei in der zweiten Serienschaltung dem zweiten Leistungshalbleiterbauelement eine vierte Diode und der zweiten Diode ein viertes steuerbares Leistungshalbleiterbauelement parallel geschaltet sind, wobei die Durchlassrichtungen der dritten Diode und des dritten Leistungshalbleiterbauelements den Durchlassrichtungen der ersten Diode und des ersten Leistungshalbleiterbauelements entsprechen und die Durchlassrichtungen der vierten Diode und des vierten Leistungshalbleiterbauelements den Durchlassrichtungen der zweiten Diode und des zweiten Leistungshalbleiterbauelements entsprechen, wobei der modulare Schalter mit einem Kondensator versehen ist, und wobei die erste Serienschaltung und die zweite Serienschaltung und der Kondensator des modularen Schalters zueinander parallel geschaltet sind.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden entweder das erste und zweite Leistungshalbleiterbauelement beide leitend geschaltet und das dritte und vierte Leistungshalbleiterbauelement beide sperrend gesteuert, so dass ein Strom von dem ersten Anschluss über das erste Leistungshalbleiterbauelement, über den Kondensator und über das zweite Leistungshalbleiterbauelement zu dem zweiten Anschluss fließt oder es werden das dritte und vierte Leistungshalbleiterbauelement beide leitend geschaltet und das erste und zweite Leistungshalbleiterbauelement beide sperrend gesteuert, so dass der Strom in umgekehrter Richtung von dem zweiten Anschluss über das vierte Leistungshalbleiterbauelement, über den Kondensator und über das dritte Leistungshalbleiterbauelement zu dem ersten Anschluss fließt.
  • Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass der Strom durch die modularen Schalter in beide Richtungen fließen kann. Dies kann durch eine entsprechende Ansteuerung der modularen Schalter erreicht werden. Damit ist es möglich, dass über Stromrichter, die aus den modularen Schaltern aufgebaut sind, elektrische Energie in Form eines Gleichstroms in beide Richtungen transportiert werden kann.
  • Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung ist dabei eine Spannungsumkehr der Gleichspannung nicht erforderlich. Dies bringt unter anderem den Vorteil mit sich, dass unipolare Kabel bei der Gleichstromübertragung verwendet werden können.
  • Wird die Erfindung beispielsweise bei der Energieübertragung von hohen Gleichspannungen innerhalb eines vermaschten Gleichspannungsnetzes verwendet, so ist es möglich, die einzelnen, zur Energieübertragung verwendeten Gleichspannungen frei einzustellen. Auf diese Weise kann auch im Fehlerfall die Gleichspannung einer Übertragungsstrecke begrenzt und damit auf den Fehlerfall reagiert werden.
  • Weiterhin besitzt die Erfindung wesentliche Vorteile im Fehler- oder Kurzschlussfall. Wenn nämlich in einem vermaschten Gleichspannungsnetz möglichst viele oder alle Stromrichter in der Lage sind, die Gleichspannung zu verändern und damit den Gleichstrom zu begrenzen, so kann nach der Erkennung eines Fehlers oder eines Kurzschlusses der Strom in der Fehler- oder Kurzschlussstelle zuerst mit Hilfe der Erfindung begrenzt werden, um den Fehler- oder Kurzschlussstrom danach beispielsweise mit Hilfe von gewöhnlichen, bereits am Markt vorhandenen Leistungsschaltern vollends ganz zu löschen und galvanisch zu trennen.
  • Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den zugehörigen Figuren 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 deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in den Figuren. Es zeigen:
  • 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer elektrischen Schaltung,
  • 2 und 3 Ausschnitte aus der elektrischen Schaltung der 1,
  • 4a ein schematisches Blockschaltbild einer Anwendung der elektrischen Schaltung der 1 und
  • 4b ein schematisches Zeitdiagramm eines Strom- und Spannungsverlaufs aus der 4a.
  • In der 1 ist eine elektrische Schaltung 10 dargestellt, die vorzugsweise im Rahmen einer sogenannten Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) verwendet werden kann. Die Schaltung 10 kann insbesondere zur Verbindung zweier vorhandener elektrischer Energieversorgungsnetze zum Einsatz kommen, um elektrische Energie zwischen den Energieversorgungsnetzen in beide Richtungen zu übertragen. In der nachfolgenden Beschreibung wird die Stromrichtung für Normalbetrieb, d.h. für den Betrieb beschrieben, in dem Strom durch getaktet betriebene Leistungshalbleiterbauelemente und nicht in deren antiparallelen Dioden fließt. Andere Stromflüsse in entgegengesetzten Richtungen sind möglich, werden hier aber nicht weiter erörtert.
  • Die Schaltung 10 weist einen ersten Umrichter 11 und einen zweiten Umrichter 12 auf. Der erste Umrichter 11 ist auf seiner Wechselspannungsseite mit einem ersten Transformator 13 und der zweite Umrichter 12 ist auf seiner Wechselspannungsseite mit einem zweiten Transformator 14 verbunden. Die Umrichter 11, 12, die Transformatoren 13, 14 und deren elektrische Verbindungen sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils dreiphasig ausgebildet.
  • Auf ihrer Gleichspannungsseite sind die beiden Umrichter 11, 12 über zwei elektrische Leitungen 15, 16 miteinander verbunden. Zwischen den Umrichtern 11, 12 und den Leitungen 15, 16 können Induktivitäten 17, 18 vorhanden sein.
  • Die beiden Umrichter 11, 12 sind jeweils dazu vorgesehen, eine Gleichspannung in eine Wechselspannung oder umgekehrt umzuwandeln. Die beiden Transformatoren 13, 14 sind dazu vorgesehen, die Spannung auf der Wechselspannungsseite des jeweils zugehörigen Umrichters 11, 12 an vorhandene Randbedingungen anzupassen.
  • Zwischen den beiden elektrischen Leitungen 15, 16 liegt eine Gleichspannung an. Es handelt sich insbesondere um eine Hochspannung, beispielsweise 320 kV. Die Länge der beiden Leitungen 15, 16 kann mehrere Kilometer betragen, beispielsweise 100 km. Eine der beiden Leitungen 15, 16, beispielsweise die Leitung 16, kann geerdet sein. Vorzugsweise kann über die beiden Leitungen 15, 16 eine Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) realisiert werden.
  • Jeder der Umrichter 11, 12 ist aus einer Mehrzahl von modularen Schaltern 21, 22 aufgebaut. Aufgrund der beispielhaften dreiphasigen Ausgestaltung sind die modularen Schalter 21, 22 in jedem der beiden Umrichter 11, 12 in drei Gruppen angeordnet. In jeder der Gruppen jedes Umrichters 11, 12 sind gleich viele modulare Schalter 21, 22 vorhanden. Wie noch erläutert werden wird, sind für eine dreistufige Ausbildung des jeweiligen Umrichters jeweils zwei modulare Schalter 21, 22 pro Gruppe erforderlich, für eine fünfstufige Ausbildung jeweils vier modulare Schalter 21, 22, und so weiter.
  • Es versteht sich, dass die Phasenzahl der Schaltung 10 auch größer oder kleiner als drei sein kann. Ebenfalls können die Phasenzahlen der beiden Umrichter 11, 12 bzw. der zugehörigen Transformatoren 13, 14 auch unterschiedlich sein. Ebenfalls kann die Anzahl der modularen Schalter 21, 22 pro Gruppe in den beiden Umrichtern 11, 12 unterschiedlich sein. Anstelle eines Transformators kann auch eine Drossel für eine transformatorlose Lösung eingesetzt werden.
  • In der 2a ist der modulare Schalter 21 dargestellt, der in dem Umrichter 11 vorhanden ist.
  • Der modulare Schalter 21 weist eine erste Serienschaltung bestehend aus einem ersten steuerbaren Leistungshalbleiterbauelement V1 und einer ersten Diode D1 sowie eine zweite Serienschaltung bestehend aus einer zweiten Diode D2 und einem zweiten steuerbaren Leistungshalbleiterbauelement V2 auf.
  • Bei der ersten Serienschaltung sind der Kollektor des ersten Leistungshalbleiterbauelements V1 und die Anode der ersten Diode D1 miteinander verbunden. Dieser Verbindungspunkt ist als erster Anschluss 24 bezeichnet. Bei der zweiten Serienschaltung sind der Emitter des zweiten Leistungshalbleiterbauelements V2 und die Kathode der zweiten Diode D2 miteinander verbunden. Dieser Verbindungspunkt ist als zweiter Anschluss 25 bezeichnet.
  • Die beiden Serienschaltungen sind zueinander parallel geschaltet. Damit ist die Kathode der ersten Diode D1 mit dem Kollektor des zweiten Leistungshalbleiterbauelements V2 und der Emitter des ersten Leistungshalbleiterbauelements V1 mit der Anode der zweiten Diode D2 verbunden.
  • In der ersten Serienschaltung ist dem ersten Leistungshalbleiterbauelement V1 eine dritte Diode D3 und der ersten Diode D1 ein drittes Leistungshalbleiterbauelement V3 parallel geschaltet. Die Durchlassrichtungen der dritten Diode D3 und des dritten Leistungshalbleiterbauelements V3 entsprechen den Durchlassrichtungen der ersten Diode D1 und des ersten Leistungshalbleiterbauelements V1. In entsprechender Weise sind dem zweiten Leistungshalbleiterbauelement V2 eine vierte Diode D4 und der zweiten Diode D2 ein viertes Leistungshalbleiterbauelement V4 parallel geschaltet.
  • Zu den beiden parallel geschalteten Serienschaltungen ist ein Kondensator C parallel geschaltet.
  • An dem Kondensator C liegt eine Gleichspannung udc an und zwischen den beiden Anschlüssen 24, 25 ist eine Anschlussspannung ua vorhanden. Die Richtung der vorgenannten Spannungen ist in der 2a angegeben. Weiterhin fließt von dem ersten Anschluss 24 ein Strom i in Richtung zu dem zweiten Anschluss 25.
  • Bei den Leistungshalbleiterbauelementen V1, V2, V3, V4 handelt es sich um steuerbare Schalter, beispielsweise um Transistoren, insbesondere Feldeffekttransistoren, oder um Thyristoren mit gegebenenfalls erforderlicher Hilfsbeschaltung, insbesondere GTO-Thyristoren, oder um IGBTs, oder um vergleichbare elektronische Bauelemente. In Abhängigkeit von der Ausgestaltung der Leistungshalbleiterbauelemente V1, V2, V3, V4 können die Anschlüsse derselben unterschiedliche Bezeichnungen haben. Die vorstehenden Bezeichnungen Kollektor und Emitter beziehen sich auf die beispielhafte Verwendung von IGBTs. Der Kondensator C kann unipolar ausgebildet sein.
  • Der modulare Schalter 21 kann die folgenden Zustände einnehmen:
    • – Wenn die Leistungshalbleiterbauelemente V1, V2, V3, V4 ausgeschaltet (sperrend) sind, dann kann der Strom i entweder von dem ersten Anschluss 24 über die Diode D1, über den Kondensator C und über die Diode D2 zu dem zweiten Anschluss 25 oder in umgekehrter Richtung von dem zweiten Anschluss 25 über die Diode D4, über den Kondensator C und über die Diode D3 zu dem ersten Anschluss 24 fließen. Der Kondensator C wird in beiden Fällen von dem fließenden Strom i bzw. von dem umgekehrt fließenden Strom i geladen, so dass die Gleichspannung udc größer wird. Abgesehen von den Spannungsabfällen an den Dioden D1, D2 bzw. D3, D4 ist die Anschlussspannung ua gleich der negativen Gleichspannung –udc, also ua = –udc bzw. gleich der positiven Gleichspannung udc, also ua = udc.
    • – Wenn die Leistungshalbleiterbauelemente V1, V2 beide eingeschaltet (leitend) und die Leistungshalbleiterbauelemente V3, V4 beide ausgeschaltet (sperrend) sind, dann fließt im Normalbetrieb der Strom i von dem ersten Anschluss 24 über das erste Leistungshalbleiterbauelement V1, über den Kondensator C und über das zweite Leistungshalbleiterbauelement V2 zu dem zweiten Anschluss 25. Der Kondensator C wird von diesem Strom i entladen, so dass die Gleichspannung udc kleiner wird. Abgesehen von den Spannungsabfällen an den Leistungshalbleiterbauelementen V1, V2 ist die Anschlussspannung ua gleich der positiven Gleichspannung udc, also ua = udc.
    • – Wenn die Leistungshalbleiterbauelemente V3, V4 beide eingeschaltet (leitend) und die Leistungshalbleiterbauelemente V1, V2 beide ausgeschaltet (sperrend) sind, dann fließt der Strom i in umgekehrter Richtung von dem zweiten Anschluss 25 über das vierte Leistungshalbleiterbauelement V4, über den Kondensator C und über das dritte Leistungshalbleiterbauelement V3 zu dem ersten Anschluss 24. Der Kondensator C wird von diesem Strom i entladen, so dass die Gleichspannung udc kleiner wird. Abgesehen von den Spannungsabfällen an den Leistungshalbleiterbauelementen V3, V4 ist die Anschlussspannung ua gleich der negativen Gleichspannung –udc, also ua = –udc.
    • – Wenn das erste Leistungshalbleiterbauelement V1 eingeschaltet (leitend) ist und die Leistungshalbleiterbauelemente V2, V3, V4 ausgeschaltet (sperrend) sind, dann fließt der Strom i von dem ersten Anschluss 24 über das erste Leistungshalbleiterbauelement V1 und über die zweite Diode D2 zu dem zweiten Anschluss 25. Die Gleichspannung udc an dem Kondensator C bleibt konstant. Abgesehen von den Spannungsabfällen an dem ersten Leistungshalbleiterbauelement V1 und der zweiten Diode D2 ist die Anschlussspannung ua gleich Null, also ua = 0.
    • – Wenn die Leistungshalbleiterbauelemente V1, V3, V4 ausgeschaltet (sperrend) sind und das zweite Leistungshalbleiterbauelement V2 eingeschaltet (leitend) ist, dann fließt der Strom i von dem ersten Anschluss 24 über die erste Diode D1 und das zweite Leistungshalbleiterbauelement V2 zu dem zweiten Anschluss 25. Die Gleichspannung udc an dem Kondensator C bleibt konstant. Abgesehen von den Spannungsabfällen an der ersten Diode D1 und dem zweiten Leistungshalbleiterbauelement V2 ist die Anschlussspannung ua gleich Null, also ua = 0.
    • – Wenn das dritte Leistungshalbleiterbauelement V3 eingeschaltet (leitend) ist und die Leistungshalbleiterbauelemente V1, V2, V4 ausgeschaltet (sperrend) sind, dann fließt der Strom i in umgekehrter Richtung von dem zweiten Anschluss 25 über die vierte Diode D4 und über das dritte Leistungshalbleiterbauelement V3 zu dem ersten Anschluss 24. Die Gleichspannung udc an dem Kondensator C bleibt konstant. Abgesehen von den Spannungsabfällen an dem dritten Leistungshalbleiterbauelement V3 und der vierten Diode D4 ist die Anschlussspannung ua gleich Null, also ua = 0.
    • – Wenn die Leistungshalbleiterbauelemente V1, V2, V3 ausgeschaltet (sperrend) sind und das vierte Leistungshalbleiterbauelement V4 eingeschaltet (leitend) ist, dann fließt der Strom i in umgekehrter Richtung von dem zweiten Anschluss 25 über das vierte Leistungshalbleiterbauelement V4 und die dritte Diode D3 zu dem ersten Anschluss 24. Die Gleichspannung udc an dem Kondensator C bleibt konstant. Abgesehen von den Spannungsabfällen an der dritten Diode D3 und dem vierten Leistungshalbleiterbauelement V4 ist die Anschlussspannung ua gleich Null, also ua = 0.
  • Der Strom durch den modularen Schalter 21 kann somit in beide Richtungen fließen.
  • In beiden Fällen, also unabhängig davon, in welche Richtung der Strom durch den modularen Schalter 21 fließt, kann die Anschlussspannung ua im Wesentlichen drei Werte annehmen, und zwar ua = –udc oder ua = udc oder ua = 0. Die Gleichspannung udc am Kondensator C kann dabei größer oder kleiner werden.
  • In der 2b ist dargestellt, wie der modulare Schalter 21 der 2a innerhalb einer der Gruppen des Umrichters 11 verschaltet ist. Beispielhaft ist dabei die rechte Gruppe des Umrichters 11 der 1 gezeigt. Die anderen Gruppen des Umrichters 11 sind entsprechend ausgestaltet.
  • In der 2b sind beispielhaft zwei modulare Schalter 21 pro Gruppe vorhanden. Die beiden modularen Schalter 21 sind gemäß der 2b in Serie geschaltet. Der Anschluss 25 des oberen modularen Schalters 21 ist mit einem gleichspannungsseitigen Pluspol des Umrichters 11 und damit mit der Leitung 15 verbunden. Der Anschluss 24 des unteren modularen Schalters ist mit einem gleichspannungsseitigen Minuspol des Umrichters 11 und damit mit der Leitung 16 verbunden. Der Verbindungspunkt der beiden modularen Schalter 21 stellt die zugehörige wechselspannungsseitige Phase des Umrichters 11 dar und ist mit dem Transformator 13 verbunden.
  • Die erläuterte Ausgestaltung des Umrichters 11 ist gleichbedeutend damit, dass der Umrichter 11 dreistufig ausgebildet ist. Die Spannung der zugehörigen wechselspannungsseitigen Phase des Umrichters 11 kann somit im Wesentlichen einen positiven Zustand oder einen negativen Zustand oder einen Null-Zustand einnehmen.
  • In der 3a ist der modulare Schalter 22 dargestellt, der in dem Umrichter 12 vorhanden ist.
  • Der modulare Schalter 22 der 3a entspricht im Hinblick auf seinen Aufbau im Wesentlichen dem modularen Schalter 21 der 2a. Bildlich gesehen ist der modulare Schalter 22 der 3a eine Spiegelung des modularen Schalters 21 der 2a an der Ebene A der 2a. Im Hinblick auf den Aufbau und die Funktionsweise des modularen Schalters 22 der 3a wird deshalb auf die vorstehenden Erläuterungen zu dem modularen Schalter 21 der 2a verwiesen.
  • In der 3b ist dargestellt, wie der modulare Schalter 22 der 3a innerhalb einer der Gruppen des Umrichters 12 verschaltet ist. Beispielhaft ist dabei die rechte Gruppe des Umrichters 12 der 1 gezeigt. Die anderen Gruppen des Umrichters 12 sind entsprechend ausgestaltet.
  • In der 3b sind beispielhaft vier modulare Schalter 22 pro Gruppe vorhanden. Die vier modularen Schalter 22 sind gemäß der 3b in Serie geschaltet. Der Anschluss 25 des obersten modularen Schalters 22 ist mit einem gleichspannungsseitigen Pluspol des Umrichters 12 und damit mit der Leitung 15 verbunden. Der Anschluss 24 des obersten modularen Schalters 22 ist mit dem Anschluss 25 des darunter geschalteten modularen Schalters 22 verbunden. Der Anschluss 24 des untersten modularen Schalters ist mit einem gleichspannungsseitigen Minuspol des Umrichters 12 und damit mit der Leitung 16 verbunden. Der Anschluss 25 des untersten modularen Schalters 22 ist mit dem Anschluss 24 des darüber geschalteten modularen Schalters 22 verbunden. Der Verbindungspunkt der beiden mittleren modularen Schalter 22 stellt die zugehörige wechselspannungsseitige Phase des Umrichters 12 dar und ist mit dem Transformator 14 verbunden.
  • Die erläuterte Ausgestaltung des Umrichters 12 ist gleichbedeutend damit, dass der Umrichter 12 fünfstufig ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass die Spannung jeder wechselspannungsseitigen Phase des Umrichters 12 im Wesentlichen einen hohen positiven Zustand oder einen mittleren positiven Zustand oder einen hohen negativen Zustand oder einen mittleren negativen Zustand oder einen Null-Zustand einnehmen kann.
  • Der elektrischen Schaltung 10 der 1 ist ein nicht-dargestelltes Steuergerät zugeordnet. Dieses Steuergerät kann unmittelbar bei den einzelnen Leistungshalbleiterbauelementen oder an einem zentralen Ort unabhängig von den Leistungshalbleiterbauelementen vorhanden sein. Ebenfalls ist es möglich, dass eine Mehrzahl von Steuergeräten vorgesehen ist, die örtlich verteilt angeordnet und beispielsweise hierarchisch aufgebaut sind.
  • Von diesem/diesen Steuergerät/en werden die Leistungshalbleiterbauelemente der elektrischen Schaltung 10 derart getaktet angesteuert, dass die in den Umrichtern 11, 12 vorhandenen modularen Schalter 21, 22 jeweils einen der erläuterten Zustände einnehmen. Die Auswahl des jeweils anzusteuernden Zustands für den einzelnen modularen Schalter 21, 22 ist dabei abhängig von der Richtung, in der der Strom i durch den jeweiligen modularen Schalter 21, 22 fließen soll, sowie von der Anschlussspannung ua, die an dem jeweiligen modularen Schalter 21, 22 vorhanden sein soll. In Abhängigkeit von einer Änderung der Anschlussspannung ua ändert sich auch der über die modularen Schalter 21, 22 fließende Strom i.
  • Bei der erläuterten elektrischen Schaltung 10 werden in den modularen Schaltern 21, 22 die dortigen Leistungshalbleiterbauelemente V1, V2, V3, V4 immer nur paarweise getaktet angesteuert. Es werden also in Abhängigkeit von der Stromrichtung entweder die Leistungshalbleiterbauelemente V1, V2 getaktet leitend gesteuert und die anderen beiden Leistungshalbleiterbauelemente bleiben ausgeschaltet bzw. gesperrt, oder umgekehrt. Diese paarweise Ansteuerung entweder der beiden Leistungshalbleiterbauelementen V1, V2 oder der beiden Leistungshalbleiterbauelementen V3, V4 entspricht dem zweiten und dritten Zustand, wie dies weiter oben für die Leistungshalbleiterbauelemente beschrieben ist. Bei der Taktung eines Leistungshalbleiterpaares V1–V2 werden die Leistungshalbleiterbauelemente V1 und V2 einzeln Ein und Aus geschaltet. Die Leistungshalbleiterbauelemente V1 und V2 und können gleichzeitig oder ungleichzeitig leitend sein (es sind die Zustände möglich: V1 und V2 Aus, V1 oder V2 Aus sowie V1 und V2 An).
  • Mit der getakteten Ansteuerung der beiden Leistungshalbleiterbauelemente sowie durch die Abschaltung der jeweils anderen beiden Leistungshalbleiterbauelemente kann dann der Gleichstrom in der jeweiligen Stromrichtung auf die erwünschten Werte gesteuert oder geregelt werden.
  • In der 4a ist ein vermaschtes Netz 30 dargestellt, mit dem beispielhaft zwei elektrische Energieversorgungsnetze 31, 32 miteinander verbunden sind, und das beispielhaft aus zwei elektrischen Schaltungen 10 aufgebaut ist. Es versteht sich, dass das vermaschte Netz 30 auch andersartig aufgebaut sein kann, beispielsweise sternförmig. Ebenfalls versteht es sich, dass das vermaschte Netz 30 auch mehr oder weniger Umrichter im Vergleich zur 4a aufweisen kann.
  • Im Hinblick auf die elektrischen Umrichter des vermaschten Netzes 30 der 4a wird auf die vorstehenden Erläuterungen zu den 1 bis 3 verwiesen. Gleichartige Bauteile sind dabei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • In dem vermaschten Netz 30 der 4a sind die beiden elektrischen Leitungen 15, 16 der beiden elektrischen Schaltungen 10 über zwei Querleitungen 34, 35 miteinander verbunden.
  • Weiterhin sind zwei Schaltanlagen 37 vorhanden, in denen paarweise elektrische Leistungsschalter 39, 40, 41, 42, 43, 44 untergebracht sind, mit denen die elektrischen Leitungen 15, 16 der beiden elektrischen Schaltungen 10 sowie die beiden Querleitungen 34, 35 unterbrochen werden können.
  • Die beiden Energieversorgungsnetze 31, 32 sind über weitere elektrische Leistungsschalter 46 mit den Transformatoren 13, 14 der Wechselspannungsseite der Umrichter 11, 12 verbunden.
  • Die in der 4a beispielhaft gezeigten vier Umrichter 11, 12 können jeweils mehrere Kilometer voneinander entfernt sein, beispielsweise 100 km. Die beiden Schaltanlagen 37 können ebenfalls mehrere Kilometer voneinander entfernt sein, beispielsweise 100 km.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass je nach Anwendungsfall gegebenenfalls nicht alle Leistungsschalter 39, 40, 41, 42, 43, 44 erforderlich sind. Beispielsweise ist es möglich, dass die in den beiden Querleitungen 34, 35 enthaltenen Leistungsschalter 41, 42 nicht vorhanden sind.
  • Die vier Umrichter 11, 12 der 4a sind mit den zusätzlichen Bezugsziffern A, B, C, D durchnummeriert. Entsprechend sind in der 4a vier Ströme idcA, idcB, idcC und idcD eingezeichnet. Weiterhin ist noch eine Spannung udcD2 und ein Strom idcD2 vor dem Leistungsschalter eingezeichnet, der den Umrichter D an das DC Netz anschließt.
  • Im Normalbetrieb des vermaschten Netzes 30 sind alle Leistungsschalter geschlossen bzw. leitend geschaltet. Bei dem in der 4a dargestellten Ausführungsbeispiel gilt dann für den Normalbetrieb des vermaschten Netzes 30: idcA + idcC = idcB + idcD. Die vier Umrichter A, B, C, D der 4a werden dabei gemäß den Erläuterungen zu den 1 bis 3 getaktet angesteuert und auf diese Weise auf die erwünschten Werte der vorgenannten Gleichung gesteuert oder geregelt.
  • Tritt nunmehr in den elektrischen Leitungen 15, 16 zu dem Umrichter D des vermaschten Netzes 30 der 4a in einem Zeitpunkt TK ein Fehler, beispielsweise ein Kurzschluss auf, wie dies beispielhaft durch einen Pfeil 48 dargestellt ist, so hat dies einen Strom- und Spannungsverlauf zur Folge, wie dies in der 4b dargestellt ist.
  • In der 4b ist der Verlauf des Stroms idcD2 und der Spannung udcD2 über der Zeit t aufgetragen. Es wird davon ausgegangen, dass der Strom idcD2 und die Spannung udcD2 anfangs jeweils einen im Wesentlichen konstanten Wert aufweisen.
  • Im Zeitpunkt TK findet der erwähnte Kurzschluss statt. Dies hat zur Folge, dass die Spannung udcD2 zu Null wird.
  • Mit Hilfe des dem Kurzschluss zugeordneten Umrichters D und den anderen Umrichtern A, B, C werden die Ströme idcD2 und idcD nunmehr derart gesteuert oder geregelt, dass dieser Strom gegebenenfalls zuerst ansteigt, um dann jedoch auf Null zurückzugehen oder zumindest nahezu zu Null zu werden. Es gilt dann im Wesentlichen: idcD = 0 und idcD2 = 0.
  • Hierfür wird eine übergeordnete Steuerung bzw. Regelung der Umrichter benötigt, die die entsprechenden Sollwerte für die Ströme idcA, idcB, idcC und idcD so einstellt, dass die Ströme idcD2 und idcD etwa auf Null vermindert werden. Die Steuerung bzw. Regelung der einzelnen Umrichter sezt diese übergeordnet vorgegebenen Sollwerte mit Hilfe der erläuterten Module 21, 22 sowie der entsprechend getakteten Ansteuerung der Leistungshalbleiterbauelemente um. Die übergeordnete Steuerung bzw. Regelung der Umrichter kann zentral bspw. in der Schaltanlage oder dezentral in den einzelnen Umrichtern untergebracht sein. In beiden Fällen werden Kommunikationswege mit ausreichender Übertragungsgeschwindigkeit benötigt
  • Nachdem der Strom idcD etwa zu Null geworden ist, werden die dem Kurzschluss 48 bzw. dem Umrichter D zugehörigen Leistungsschalter 44 geöffnet. Der von dem Kurzschluss betroffene Leitungsabschnitt wurde damit selektiv abgeschaltet und von dem vermaschten Netz galvanisch getrennt. Weiterhin kann nun auch der Leistungsschalter 46 geöffnet werden, wenn dies nicht schon früher von der übergeordneten Steuerung bzw. Regelung der Umrichter veranlasst wurde. In dem Zeitdiagramm der 4b ist dies beispielhaft in einem Zeitpunkt TO der Fall. Es gilt dann: idcA + idcC = idcB. Dies ist gleichbedeutend damit, dass der Betrieb des vermaschten Netzes 30 auf der Grundlage der vorgenannten Gleichung fortgesetzt wird. Die drei Umrichter A, B, C werden dabei gemäß den Erläuterungen zu den 1 bis 3 getaktet angesteuert und auf diese Weise auf die erwünschten Werte der vorgenannten Gleichung gesteuert oder geregelt.
  • Nachdem die genannten Leistungsschalter 44 geöffnet worden sind, kann die Spannung udcD2 wieder gemäß der 4b auf den anfänglichen, etwa konstanten Wert ansteigen, sofern dies erwünscht oder erforderlich ist. Alternativ kann die Spannung udcD2 von den Umrichtern A, B, C auch andersartig eingestellt werden.
  • Gemäß dem Zeitdiagramm der 4b hat die zu Null gewordene Spannung udcD2 nur von dem Zeitpunkt TK, also dem Auftreten des Kurzschlusses, bis zu dem Zeitpunkt TO, also dem Öffnen der zugehörigen Leistungsschalter 44, einen Einfluss auf das vermaschte Netz 30. Durch eine entsprechend schnelle Steuerung oder Regelung des Umrichters D kann diese Zeitdauer auf einen kleinen Wert begrenzt werden, beispielsweise kleiner als 100 Millisekunden. Der Kurzschluss 48 hat damit ähnliche Auswirkungen auf die übrigen Umrichter A, B, C und die an diese Umrichter angeschlossenen Energieversorgungsnetze 31, 32, wie dies bei einem Kurzschluss in einem herkömmlichen Drehstromnetz der Fall wäre und kann somit ohne wesentliche Unterbrechung der Energieübertragung beherrscht werden..
  • Der Betrieb des vermaschten Netzes 30 wird also nach dem Kurzschluss 48 im Bereich des Umrichters D von den übrigen Umrichter A, B, C übernommen und fortgesetzt.
  • Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Schaltung beschrieben, bei der ein modularer Schalter 21 mit vier Leistungshalbleiterbauelementen und einem Kondensator vorhanden sind. Bei dem Verfahren werden entweder das erste und zweite Leistungshalbleiterbauelement V1, V2 beide leitend geschaltet und das dritte und vierte Leistungshalbleiterbauelement V3, V4 beide sperrend gesteuert, so dass ein Strom i von dem ersten Anschluss 24 über das erste Leistungshalbleiterbauelement, über den Kondensator C und über das zweite Leistungshalbleiterbauelement zu dem zweiten Anschluss 25 fließt oder es werden das dritte und vierte Leistungshalbleiterbauelement V3, V4 beide leitend geschaltet und das erste und zweite Leistungshalbleiterbauelement V1, V2 beide sperrend gesteuert, so dass der Strom i in umgekehrter Richtung von dem zweiten Anschluss 25 über das vierte Leistungshalbleiterbauelement, über den Kondensator C und über das dritte Leistungshalbleiterbauelement zu dem ersten Anschluss 24 fließt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102010046142 A1 [0002, 0003]

Claims (6)

  1. Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Schaltung, wobei die elektrische Schaltung (10) mindestens einen modularen Schalter (21, 22) aufweist, wobei der modulare Schalter (21, 22) mit einer ersten Serienschaltung bestehend aus einem ersten steuerbaren Leistungshalbleiterbauelement (V1) und einer ersten Diode (D1) und mit einer zweiten Serienschaltung bestehend aus einer zweiten Diode (D2) und einem zweiten steuerbaren Leistungshalbleiterbauelement (V2) versehen ist, wobei der Verbindungspunkt des ersten Leistungshalbleiterbauelements (V1) und der ersten Diode (D1) einen ersten Anschluss (24) und der Verbindungspunkt der zweiten Diode (D2) und des zweiten Leistungshalbleiterbauelements (V2) einen zweiten Anschluss (25) des modularen Schalters (21, 22) bilden, wobei in der ersten Serienschaltung dem ersten Leistungshalbleiterbauelement (V1) eine dritte Diode (D3) und der ersten Diode (D1) ein drittes steuerbares Leistungshalbleiterbauelement (V3) parallel geschaltet sind, wobei in der zweiten Serienschaltung dem zweiten Leistungshalbleiterbauelement (V2) eine vierte Diode (D4) und der zweiten Diode (D2) ein viertes steuerbares Leistungshalbleiterbauelement (V4) parallel geschaltet sind, wobei die Durchlassrichtungen der dritten Diode (D3) und des dritten Leistungshalbleiterbauelements (V3) den Durchlassrichtungen der ersten Diode (D1) und des ersten Leistungshalbleiterbauelements (V1) entsprechen und die Durchlassrichtungen der vierten Diode (D4) und des vierten Leistungshalbleiterbauelements (V4) den Durchlassrichtungen der zweiten Diode (D2) und des zweiten Leistungshalbleiterbauelements (V2) entsprechen, wobei der modulare Schalter (21, 22) mit einem Kondensator (C) versehen ist, und wobei die erste Serienschaltung und die zweite Serienschaltung und der Kondensator (C) des modularen Schalters (21, 22) zueinander parallel geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass entweder das erste und zweite Leistungshalbleiterbauelement (V1, V2) einzeln oder zusammen leitend gesteuert und das dritte und vierte Leistungshalbleiterbauelement (V3, V4) beide sperrend geschaltet werden, so dass ein Strom (i) von dem ersten Anschluss (24) über das erste Leistungshalbleiterbauelement (V1), über den Kondensator (C) und über das zweite Leistungshalbleiterbauelement (V2) zu dem zweiten Anschluss (25) fließt oder das dritte und vierte Leistungshalbleiterbauelement (V3, V4) beide leitend gesteuert und das erste und zweite Leistungshalbleiterbauelement (V1, V2) beide sperrend geschaltet werden, so dass der Strom (i) in umgekehrter Richtung von dem zweiten Anschluss (25) über das vierte Leistungshalbleiterbauelement (V4), über den Kondensator (C) und über das dritte Leistungshalbleiterbauelement (V3) zu dem ersten Anschluss (24) fließt.
  2. Elektrische Schaltung (10) mit mindestens einem modularen Schalter (21, 22), wobei der modulare Schalter (21, 22) mit einer ersten Serienschaltung bestehend aus einem ersten steuerbaren Leistungshalbleiterbauelement (V1) und einer ersten Diode (D1) und mit einer zweiten Serienschaltung bestehend aus einer zweiten Diode (D2) und einem zweiten steuerbaren Leistungshalbleiterbauelement (V2) versehen ist, wobei der Verbindungspunkt des ersten Leistungshalbleiterbauelements (V1) und der ersten Diode (D1) einen ersten Anschluss (24) und der Verbindungspunkt der zweiten Diode (D2) und des zweiten Leistungshalbleiterbauelements (V2) einen zweiten Anschluss (25) des modularen Schalters (21, 22) bilden, wobei in der ersten Serienschaltung dem ersten Leistungshalbleiterbauelement (V1) eine dritte Diode (D3) und der ersten Diode (D1) ein drittes steuerbares Leistungshalbleiterbauelement (V3) parallel geschaltet sind, wobei in der zweiten Serienschaltung dem zweiten Leistungshalbleiterbauelement (V2) eine vierte Diode (D4) und der zweiten Diode (D2) ein viertes steuerbares Leistungshalbleiterbauelement (V4) parallel geschaltet sind, wobei die Durchlassrichtungen der dritten Diode (D3) und des dritten Leistungshalbleiterbauelements (V3) den Durchlassrichtungen der ersten Diode (D1) und des ersten Leistungshalbleiterbauelements (V1) entsprechen und die Durchlassrichtungen der vierten Diode (D4) und des vierten Leistungshalbleiterbauelements (V4) den Durchlassrichtungen der zweiten Diode (D2) und des zweiten Leistungshalbleiterbauelements (V2) entsprechen, wobei der modulare Schalter (21, 22) mit einem Kondensator (C) versehen ist, und wobei die erste Serienschaltung und die zweite Serienschaltung und der Kondensator (C) des modularen Schalters (21, 22) zueinander parallel geschaltet sind.
  3. Elektrische Schaltung (10) nach Anspruch 2, wobei eine Mehrzahl der modularen Schalter (21, 22) mindestens einen Umrichter (11, 12) bilden.
  4. Verfahren zum Betreiben eines vermaschten Netzes (39), wobei das vermaschte Netz (30) mindestens eine elektrische Schaltung (10) nach dem Anspruch 3 aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Fehler der Strom (idc) auf der Gleichspannungsseite des mindestens einen Umrichters mit Hilfe der modularen Schalter (21, 22) im Wesentlichen auf Null gesteuert oder geregelt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei ein Leistungsschalter geöffnet wird, wenn der Strom (idc) im Wesentlichen auf Null ist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 4 oder 5, wobei die Leistungshalbleiterbauelemente (V1, V2, V3, V4) paarweise getaktet angesteuert werden.
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