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Die Erfindung betrifft ein Stromrichtersystem zur Verbindung eines ersten elektrischen Mehrleitungsnetzes mit einem zweiten elektrischen Mehrleitungsnetz, wobei das Stromrichtersystem einen ersten Stromrichter aufweist, der als modularer Multilevelkonverter ausgebildet ist und mit dem ersten elektrischen Mehrleitungsnetz verbunden ist. Für den modularen Multilevelkonverter finden sich in der Literatur z.B. die Abkürzungen MMC, MMLC oder M2LC, die hier alle mit dem Begriff „modularer Multilevelkonverter“ erfasst seien. Die Erfindung betrifft außerdem Verfahren zum Betrieb eines solchen Stromrichtersystems.
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Allgemein betrifft die Erfindung die Gebiete der elektrischen Energieversorgungstechnik, z.B. für die Hochspannungsgleichstromübertragung, der elektrischen Antriebstechnik und der Prüfstandstechnik. Hierfür wurde der sogenannte modulare Multilevelkonverter vorgeschlagen. Dies ist ein Stromrichter, der mehrere Stromrichterzweige aufweist, in denen jeweils Reihenschaltungen aus einzelnen Modulen (Stufen) vorhanden sind. Die Module sind z.B. als Brückenmodule ausgebildet. In diesem Fall weisen sie intern eine Halbbrücke oder eine Vollbrücke aus Halbleiterschaltern auf, insbesondere aus IGBTs. Ferner weist jedes Modul wenigstens einen Speicherkondensator auf, der über die Halbleiterschalter innerhalb eines Stromrichterzweigs hinzu- oder abgeschaltet werden kann. Durch den Aufbau der Stromrichterzweige mit der Reihenschaltung aus vielen Einzelmodulen können relativ feine Spannungsstufen erzeugt werden. Hierdurch ergeben sich beispielsweise relativ geringe negative Rückwirkungen auf das umgebende elektrische Netz.
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So kommen z.B. in der Hochspannungsgleichstromübertragung, die für Energietransfers über lange Strecken eingesetzt wird, zunehmend modulare Multilevelkonverter zum Einsatz. Diese weisen viele Vorteile auf, beispielsweise Redundanz, hervorragende Spannungsqualität und niedrige Verluste. Aufwendig ist jedoch der relativ große Speicherkondensator, der in jedem einzelnen Modul vorhanden sein muss und aufgrund der Schaltungstopologie einphasig belastet wird. Dies führt dazu, dass er eine große Energieschwankung erfährt. Dies ist insbesondere bei niedrigen Frequenzen auf der Wechselspannungsseite der Fall.
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Für sehr niedrige Frequenzen existieren besondere Ansteuerverfahren, die den betriebsnotwendigen Strömen und Spannungen im Stromrichtersystem zusätzliche Größen überlagern, um die Energieschwankung zu begrenzen. Dies geht jedoch mit einer zum Teil erheblichen Überdimensionierung der Halbleiterschalter und/oder der Modulanzahl in einem Stromrichterzweig einher.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein hinsichtlich der genannten Nachteile verbessertes Stromrichtersystem mit wenigstens einem modularen Multilevelkonverter sowie Verfahren zum Betrieb eines solchen Stromrichtersystems anzugeben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Stromrichtersystem zur Verbindung eines ersten elektrischen Mehrleitungsnetzes mit einem zweiten elektrischen Mehrleitungsnetz, wobei das Stromrichtersystem einen ersten Stromrichter aufweist, der als modularer Multilevelkonverter ausgebildet ist und der mit einer Außenanschlussseite mit dem ersten elektrischen Mehrleitungsnetz verbunden ist, wobei das Stromrichtersystem einen zweiten Stromrichter aufweist, der nicht als modularer Multilevel-konverter ausgebildet ist, wobei der zweite Stromrichter mit einer Außenanschlussseite mit dem zweiten elektrischen Mehrleitungsnetz verbunden ist, wobei der erste und der zweite Stromrichter mit einer jeweiligen Innenanschlussseite unmittelbar miteinander oder mittelbar über ein wenigstens ein weiteres elektrisches Bauteil des Stromrichtersystems miteinander verbunden sind.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch das Hinzufügen des zweiten Stromrichters der modulare Multilevelkonverter einfacher und kostengünstiger realisiert werden kann, insbesondere mit kleineren Speicherkondensatoren in den einzelnen Modulen der Stromrichterzweige sowie mit kleiner dimensionierten Halbleiterschaltern. Auch die Modulanzahl je Stromrichterzweig kann reduziert werden. Dem steht zwar ein zusätzlicher Schaltungsaufwand für den zweiten Stromrichter gegenüber. Dieser zweite Stromrichter kann aber vorteilhaft sehr einfach aufgebaut sein und dementsprechend kostengünstig realisiert werden. Insgesamt ergeben sich hierdurch eine deutliche Kosteneinsparung sowie verbesserte Betriebsmöglichkeiten des modularen Multilevelkonverters.
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Über die miteinander verbundenen Innenanschlussseiten des ersten und des zweiten Stromrichters wird ein Zwischenkreis gebildet, der von den außenanschlussseitigen ersten und zweiten elektrischen Mehrleitungsnetzen separat betrieben werden kann, insbesondere mit anderen Frequenzen und/oder Spannungspegeln.
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Als zweiter Stromrichter kann z.B. ein relativ wenig aufwendiger Zweipunkt-Wechselrichter oder ein Dreipunkt-Wechselrichter verwendet werden. Durch einen solchen vorgeschalteten Zweipunkt- oder Dreipunkt-Wechselrichter wird im Stromrichtersystem ein Zwischenkreis gebildet, in dem eine außenanschlussseitige Gleichspannung in eine rechteckförmige Wechselspannung umgewandelt ist, also sozusagen eine „zerhackte“ Gleichspannung vorliegt. Hieraus kann der modulare Multilevelkonverter eine sinusförmige Wechselspannung formen, die an seiner Außenanschlussseite dann im ersten elektrischen Mehrleitungsnetz zur Verfügung steht. Hierdurch werden die Speicherkondensatoren in den Modulen des modularen Multilevelkonverters gleichmäßiger belastet. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird im Zwischenkreis eine hohe Frequenz der rechteckförmigen Wechselspannung erzeugt, z.B. mehr als 5 oder mehr als 10 kHz. Dies hat den Vorteil, dass hierdurch verhindert wird, dass in den Speicherkondensatoren der Module des modularen Multilevelkonverters große Energieschwankungen auftreten.
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So ist z.B. eine Verkleinerung der Speicherkondensatoren in den Modulen des modularen Multilevelkonverters auf etwa ein Viertel bis ein Zehntel der bisherigen Größe möglich. Die Erfindung erlaubt die Realisierung sehr niedriger Ausgangsfrequenzen des modularen Multilevelkonverters ohne den sonst damit verbundenen Aufwand, wie z.B. sehr große Speicherkondensatoren. Auch der Bedarf an Leistungshalbleitern ist geringer als bei entsprechend überdimensionierten Systemen aus dem Stand der Technik.
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Mit dem erfindungsgemäßen Stromrichtersystem kann elektrische Energie z.B. zwischen einem Gleichstrom- und einem Wechselstromnetz in beiden Richtungen transferiert werden. Das Gleichstromnetz kann hierbei eine von der Wechselspannung unabhängige Spannung aufweisen.
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Das Stromrichtersystem kann auch einen oder mehrere weitere modulare Multilevelkonverter aufweisen, die innenanschlussseitig mit dem Zwischenkreis, d.h. dem zweiten Stromrichter, verbunden sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der erste Stromrichter mehrere Stromrichterzweige auf, wobei jeweils wenigstens ein Stromrichterzweig außenanschlussseitig mit jeweils einer Leitung des ersten elektrischen Mehrleitungsnetzes verbunden ist, und wobei ein Stromrichterzweig jeweils eine Reihenschaltung mehrerer Brückenmodule aufweist, wobei die einzelnen Brückenmodule jeweils Halbleiterschalter und wenigstens einen Energiespeicher aufweisen. Der Energiespeicher kann als Kondensator oder Anordnung mehrerer Kondensatoren ausgebildet sein. Zusätzlich kann ein Brückenmodul als Energiespeicher einen oder mehrere aufladbare Akkumulatoren aufweisen, sodass die Realisierung einer unterbrechungsfreien Stromversorgung möglich ist. Die Brückenmodule eines Stromrichterzweigs können identisch oder unterschiedlich ausgebildet sein, insgesamt muss der Stromrichterzweig dazu in der Lage sein, negative und positive Spannungen zu erzeugen. Ein Stromrichterzweig weist z.B. wenigstens 5 oder wenigstens 10 Brückenmodule auf.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der zweite Stromrichter als gesteuerter Stromrichter mit schaltbaren Halbleiterbauteilen ausgebildet, insbesondere mit Halbleiterschaltern. Als Halbleiterschalter können z.B. IGBTs verwendet werden. Der zweite Stromrichter kann als Halbleiterbauteil auch nicht-abschaltbare elektronische Halbleiterbauteile aufweisen. So kann der zweite Stromrichter insbesondere mit Thyristoren realisiert werden. Dies erlaubt eine noch kostengünstigere Realisierung des zweiten Stromrichters. Dies ist möglich, da der Strom im Zwischenkreis durch den modularen Multilevelkonverter regelbar ist.
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Der erste Stromrichter kann mit dem zweiten Stromrichter des Stromrichtersystems auch potentialgetrennt verbunden sein, z.B. über wenigstens einen Transformator. Der Transformator kann für den Mittelfrequenzbereich dimensioniert sein und damit relativ klein ausgebildet sein. Hierdurch ist eine im Stromrichtersystem integrierte Potentialtrennung zwischen den Mehrleitungsnetzen möglich. Die Frequenz im Zwischenkreis lässt sich dabei frei wählen. So kann die Frequenz während des Betriebs verändert werden, um den Betrieb des Stromrichtersystems derart anzupassen, dass störende Wechselwirkungen mit an dem ersten elektrischen Mehrleitungsnetz oder dem zweiten elektrischen Mehrleitungsnetz angeschlossenen elektrischen Komponenten unterbleiben oder Verluste minimiert werden.
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Das zweite elektrische Mehrleitungsnetz kann insbesondere ein Gleichspannungsnetz mit zwei Leitungen sein. Das erste elektrische Mehrleitungsnetz kann insbesondere ein Dreileitungsnetz sein, insbesondere ein Drehstromnetz.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der erste Stromrichter mit dem zweiten Stromrichter über ein innenanschlussseitiges Mehrleitungssystem aus zwei, drei oder fünf Leitungen verbunden. Auf diese Weise lassen sich weitere Topologien des erfindungsgemäßen Stromrichtersystems realisieren. So kann z.B. der zweite Stromrichter als dreiphasiger Stromrichter ausgebildet sein, z.B. als dreiphasiger Zweipunkt-oder Dreipunkt-Stromrichter. In diesem Fall kann der erste Stromrichter als modularer Matrix-Stromrichter ausgebildet sein. Der Matrix-Stromrichter ist gekennzeichnet durch neun Stromrichterzweige, die in einer 3×3-Anordnung matrixartig mit der Innen- und der Außenanschlussseite verbunden sind.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zum Betrieb eines Stromrichtersystems der zuvor beschriebenen Art gelöst, bei dem der zweite Stromrichter in Blocktaktung betrieben wird. Dies führt zu vergleichsweise geringen Schaltverlusten.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zum Betrieb eines Stromrichtersystems der zuvor beschriebenen Art gelöst, bei dem der erste Stromrichter die Kommutierung des zweiten Stromrichters steuert oder regelt. Hierdurch lassen sich die Schaltverluste in den Halbleitern des zweiten Stromrichters weiter stark reduzieren.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden die Ströme in denjenigen Stromrichterzweigen des ersten Stromrichters, die aufgrund der Kommutierung des zweiten Stromrichters eine schnelle Spannungsänderung erfahren, während dieser Spannungsänderung auf andere, gerade nicht an einem Kommutierungsvorgang beteiligte Stromrichterzweige des zweiten Stromrichters kommutiert. Hierdurch lassen sich die Schaltverluste in den Halbleitern des zweiten Stromrichters weiter reduzieren.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen
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1 bis 3 verschiedene Ausführungsformen von Brückenmodulen und
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4 einen Stromrichter in Form eines modularen Multilevelkonverters gemäß dem Stand der Technik und
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5 ein erfindungsgemäßes Stromrichtersystem und
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6 weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Stromrichtersystems in stark schematisierter Darstellung.
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In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.
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Die 1 zeigt ein Brückenmodul 1, das als Einrichtung zur Einbindung wenigstens einer Batterie in ein Energieversorgungsnetz geeignet ist. Das Brückenmodul 1 weist als externe Anschlüsse einen ersten Anschluss 2 und einen zweiten Anschluss 3 auf. Die Anschlüsse 2, 3 sind die Außenverbindungen des Brückenmoduls mit einem Energieversorgungsnetz, weiteren Brückenmodulen eines Stromrichterzweigs oder sonstigen Bauelementen. Das Brückenmodul 1 weist eine Vollbrückenschaltung 4 mit vier elektronischen Halbleiterschaltern 5, 6, 7, 8 auf. Zwischen zwei gegenüberliegenden Anschlusspunkten 116, 117 der Vollbrückenschaltung 4 ist ein Kondensator 9 angeschlossen. Die übrigen zwei gegenüberliegenden Anschlusspunkte 118, 119 der Vollbrückenschaltung 4 sind mit den Außenanschlüssen 2, 3 verbunden. Die Anschlusspunkte 116, 117 sind mit einem steuerbaren, bidirektionalen Gleichspannungswandler 10 verbunden, der als kombinierter Aufwärts-/Abwärtswandler ausgebildet ist. Der Gleichspannungswandler ist parallel zum Kondensator 9 geschaltet. Auf der gegenüberliegenden Anschlussseite des Gleichspannungswandlers 10 ist eine mit dem Gleichspannungswandler 10 verbundene Batterie 11 vorgesehen. Das Brückenmodul 1 weist außerdem eine lokale Steuereinheit 12 auf, z.B. in Form eines Mikroprozessors oder einer Logikschaltung. Die lokale Steuereinheit 12 ist mit Steueranschlüssen der Halbleiterschalter 5, 6, 7, 8 sowie mit einem Steuereingang des Gleichspannungswandlers 10 verbunden. Die lokale Steuereinheit 12 führt ein Steuerprogramm aus, mit dem die Funktion des Gleichspannungswandlers 10 sowie die Schaltzustände der Halbleiterschalter 5, 6, 7, 8 gesteuert werden.
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Die Halbleiterschalter 5, 6, 7, 8 der Vollbrücke 4 sind jeweils z.B. als IGBT ausgebildet. Ferner weist der Gleichspannungswandler 10 zwei weitere elektronische Halbleiterschalter 13, 14 auf, die z.B. als IGBT ausgebildet sind. Die Gateanschlüsse der Halbleiterschalter 13, 14 sind, ebenso wie die Gateanschlüsse der Halbleiterschalter 5, 6, 7, 8, mit der lokalen Steuereinheit 12 verbunden. Die lokale Steuereinheit 12 führt hierüber eine Steuerung des Gleichspannungswandlers 10 durch entsprechende Ansteuerung der Halbleiterschalter 13, 14 durch. Die Halbleiterschalter 13, 14 sind in Halbbrückenschaltung angeordnet. Hierbei ist der Kollektoranschluss des Halbleiterschalters 13 mit dem Anschlusspunkt 116 der Vollbrückenschaltung 4 verbunden. Der Emitteranschluss des Halbleiterschalters 14 ist mit dem Anschlusspunkt 117 der Vollbrückenschaltung 4 verbunden. Der Emitteranschluss des Halbleiterschalters 13 ist mit dem Kollektoranschluss des Halbleiterschalters 14 sowie mit einer Drossel 15 verbunden. Die Drossel 15 ist mit einem Anschluss der Batterie 11 verbunden, z.B. mit dem Pluspol. Ein zweiter Anschluss, z.B. der Minuspol, der Batterie 11 ist mit dem Emitteranschluss des Halbleiterschalters 14 und damit mit dem Anschlusspunkt 117 der Vollbrückenschaltung 4 verbunden.
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Die Verwendung der Halbleiterschalter 13, 14 sowie der Drossel 15 erlaubt einen einfachen und kostengünstigen Aufbau eines bidirektionalen, steuerbaren Gleichspannungswandlers, der damit als Aufwärtswandler ausgebildet ist. Zudem kann ein dreiphasiges IGBT-Modul verwendet werden, das bereits sechs IGBTs aufweist, die jeweils paarweise in Halbbrückenschaltung geschaltet sind. Hierbei kann eine erste Halbbrücke des IGBT-Moduls für die Anordnung der Halbleiterschalter 5, 6 verwendet werden, eine zweite Halbbrücke für die Halbleiterschalter 7, 8 und die dritte Halbbrücke für die Halbleiterschalter 13, 14.
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Die lokale Steuereinheit 12 ist über eine Leitung 16 mit einer zentralen elektronischen Steuerungseinrichtung verbunden, deren Aufbau und Funktion später noch erläutert wird. Die Leitung 16 kann z.B. ein Datenbus sein, z.B. ein serieller Datenbus. Über die Leitung 16 erhält die lokale Steuereinheit 12 Sollwerte, anhand derer sie die Vollbrückenschaltung 4 und den Gleichspannungswandler 10 steuert. Über die Leitung 16 übermittelt die lokale Steuereinheit 12 zudem Kennwerte an die zentrale elektronische Steuerungseinrichtung, z.B. den Ladungszustand des Kondensators 9 und/oder der Batterie 11.
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Die 2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Brückenmoduls 1. Das Brückenmodul 1 gemäß 2 ist vergleichbar aufgebaut wie das Brückenmodul 1 gemäß 1, jedoch ohne den Gleichspannungswandler 10 und die Batterie 11. Hierdurch kann ein einfacheres kostengünstigeres Brückenmoduls bereitgestellt werden, wenn eine kurzzeitige Energiespeicherung über den Kondensator 9 ausreichend ist.
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Die 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Brückenmoduls 1. Das Brückenmodul 1 gemäß 3 ist vergleichbar aufgebaut wie das Brückenmodul 1 gemäß 2, jedoch ohne die Halbleiterschalter 7, 8. Hierdurch kann ein noch einfacheres kostengünstigeres Brückenmoduls bereitgestellt werden, wenn keine bipolaren Vollbrückenmodule, wie anhand der 1 und 2 beschrieben, erforderlich sind.
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Die nachfolgend beschriebenen Stromrichterzweige des als modularer Multilevelkonverter ausgebildeten Stromrichters 20 können z.B. wahlweise mit Brückenmodulen der 1 oder 2 bestückt sein.
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Der in 4 dargestellte Stromrichter 20 weist sechs Stromrichterzweige 21, 22, 23, 24, 25, 26 auf. Die Stromrichterzweige sind als modulare Multilevel-Zweige ausgebildet und weisen jeweils eine Reihenschaltung mehrerer Brückenmodule 1 auf. In Reihe zu der Reihenschaltung ist noch eine jeweilige Drossel 19 geschaltet. Die Brückenmodule 1 sind derart in Reihe geschaltet, dass jeweils ein Anschluss 3 eines vorhergehenden Brückenmoduls mit einem Anschluss 2 eines nachfolgenden Brückenmoduls gekoppelt ist. In der 4 sind beispielhaft zwei in Reihe geschaltete Brückenmodule 1 pro Stromrichterzweig dargestellt. Die Zahl der Brückenmodule pro Stromrichterzweig kann je nach Anwendungsfall unterschiedlich gewählt werden.
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Der in 4 dargestellte Stromrichter 20 weist eine Zweileitungs-Anschlussseite 40 mit Anschlüssen 41, 42 sowie eine Dreileitungs-Anschlussseite 30 mit Anschlüssen 31, 32, 33 auf. In der nachfolgenden Beschreibung wird die Zweileitungs-Anschlussseite 40 auch als Innenanschlussseite und die Dreileitungs-Anschlussseite 30 auch als Außenanschlussseite bezeichnet.
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Das erste elektrische Mehrleitungsnetz ist in diesem Fall ein dreiphasiges Drehstromnetz, das mit der Außenanschlussseite 30 verbunden ist. Das zweite elektrische Mehrleitungsnetz 40 ist in diesem Fall ein Zweileitungsnetz, z.B. ein Gleichstromnetz, das mit der Innenanschlussseite 40 verbunden ist. Das zweite elektrische Mehrleitungsnetz kann z.B. der Zwischenkreis bei der Hochspannungsgleichstromübertragung oder in einer Motorsteuerungsanlage sein.
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Der Stromrichter 20 gemäß 4 kann zur Umformung von einer Gleichspannung verwendet werden, die in eine dreiphasige Wechselspannung gewandelt wird. Die Umwandlung kann auch umgekehrt erfolgen, d.h. von der dreiphasigen Wechselspannung in die Gleichspannung. Hierfür synthetisieren jeweils zwei Stromrichterzweige, beispielsweise die Stromrichterzweige 21 und 24, eine um 180 Grad versetzte Wechselspannung, die als Ausgangsspannung dient. In den Brückenmodulen 1 des jeweiligen Stromrichterzweigs führt die Spannung zusammen mit dem Ausgangsstromanteil, der durch den jeweiligen Stromrichterzweig fließt, im Mittel zu einer Leistung. Diese Leistung wird dadurch ausgeglichen, dass der Wechselspannung je Stromrichterzweig eine Gleichspannung überlagert wird, die zusammen mit dem Gleichstrom im zweiten elektrischen Mehrleitungsnetz eine entgegengesetzte Leistung erzeugt. Die Gleichspannungsanteile der einzelnen Zweige werden in der Regel gleich groß gewählt. In diesem Fall können unipolare Halbbrückenmodule als Brückenmodule 1 eingesetzt werden, z.B. in der Ausführungsform gemäß 3.
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Beim modularen Multilevelkonverter 20 der 4 sind während des Betriebs die Stromrichterzweige 21 bis 26 einphasig belastet, d.h. die Kondensatoren 9 der Brückenmodule 1 weisen eine Energieschwankung in doppelter Frequenz des ersten elektrischen Mehrleitungsnetzes auf, mit dem die Außenanschlussseite 30 verbunden ist. Dies führt dazu, dass die Kondensatoren 9 sehr groß ausgeführt werden müssen. Diese Nachteile werden durch das anhand der 5 bis erläuterte Stromrichtersystem überwunden.
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Die 5 zeigt den anhand der 4 beschriebenen modularen Multilevelkonverter 20, in diesem Fall mit Brückenmodulen 1 gemäß 2, der mit seiner Innenanschlussseite 40 mit einer Innenanschlussseite 70 eines Zweipunkt-Wechselrichters 60 verbunden ist. Dementsprechend ist ein Anschluss 71 des Wechselrichters 60 über eine Koppelinduktivität 51 mit dem Anschluss 41 des modularen Multilevelkonverters 20 verbunden, und ein Anschluss 72 des Wechselrichters 60 ist mit dem Anschluss 42 des modularen Multilevelkonverters 20 verbunden. Hierdurch wird ein Zwischenkreis 50 gebildet.
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Der Zweipunkt-Wechselrichter 60 weist intern eine Vollbrückenschaltung aus vier Halbleiterschaltern 61, 62, 63, 64 auf. An seiner Außenanschlussseite 80 weist der Wechselrichter 60 Anschlüsse 81, 82 zur Verbindung mit dem zweiten elektrischen Mehrleitungsnetz auf. Außenanschlussseitig ist ferner ein Kondensator oder eine Reihenschaltung von Kondensatoren 83 mit den Anschlüssen 81, 82 verbunden.
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In den verschiedenen Ansichten der 6 ist jeweils die Außenanschlussseite 80 des zweiten Stromrichters 60 mit einem zweiten elektrischen Mehrleitungsnetz 200 verbunden, die Außenanschlussseite 30 des ersten Stromrichters 20 mit einem ersten elektrischen Mehrleitungsnetz 100.
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Die 5 zeigt im Detail eine Schaltungstopologie, bei der der Zwischenkreis 50 als Zweileitungsnetz ausgebildet ist. Der Zwischenkreis 50 kann auch als Dreileitungsnetz ausgebildet sein. Dies ist in der 6 schematisch dargestellt. Die Ansicht A zeigt die Schaltungstopologie gemäß 5 in schematisierter Weise, die Ansicht B eine Veränderung des Zwischenkreises 50 von zwei auf drei Leitungen. In diesem Fall ist der Wechselrichter 60 als dreiphasiger Zweipunkt- oder Dreipunkt-Wechselrichter auszuführen. Der erste Stromrichter 20 ist dann als modularer Multilevel-Matrixkonverter auszuführen.
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Die 6 zeigt in den Ansichten C und D, dass die Kopplung des ersten und des zweiten Stromrichters 20, 60 über den Zwischenkreis 50 auch potentialfrei erfolgen kann, indem zusätzlich ein Transformator 52 zwischengeschaltet ist. Hierdurch kann die in vielen Fällen aus Sicherheits- und Funktionalitätsgründen notwendige Potentialtrennung zwischen dem ersten elektrischen Mehrleitungsnetz 100 und dem zweiten elektrischen Mehrleitungsnetz 200 realisiert werden. Der Transformator 52 muss nicht für eine Frequenz dimensioniert werden, die der Frequenz des ersten elektrischen Mehrleitungsnetzes 100 entspricht. Dies wäre nötig, wenn der Transformator ausgangsseitig an den Klemmen 30 die Verbindung zum ersten Mehrleitungsnetz herstellte. Für den Anwendungsfall als Motor- oder Generatorstromrichter ist eine Potentialtrennung in diesem Fall nicht möglich, da die im Anlauf auftretenden relativ niedrigen Frequenzen zu einer Sättigung des Transformators führen und einen Betrieb dann verhindern. Das erfindungsgemäße Stromrichtersystem erlaubt es dagegen, den Transformator 52 mit einer von der Frequenz des ersten elektrischen Mehrleitungsnetzes 100 unabhängigen Frequenz zu betreiben, insbesondere mit einer höheren Frequenz, sodass der Transformator 52 kleiner dimensioniert werden kann.
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Außerdem muss der zweite Stromrichter 60 nicht mehr selbstgeführt arbeiten, sondern kann vom ersten Stromrichter 20 gesteuert kommutieren, was die Schaltverluste in diesem Stromrichter nahezu auf Null reduziert und den Einsatz nicht-abschaltbarer Halbleiter wie z.B. Thyristoren, ggf. mit antiparallel geschalteten Dioden zwecks Änderung der Energieflussrichtung, ermöglicht. Da im Zwischenkreis 50 auf beiden Seiten des Transformators 52 die gleiche hohe Grundfrequenz vorhanden ist, lassen sich die Energieschwankungen in den Modulen 1 des ersten Stromrichters 20 wesentlich reduzieren, indem er mit einem entsprechenden Verfahren zur Reduktion der Energieschwankungen bei niedrigen Ausgangsfrequenzen am ersten elektrischen Mehrleitungsnetz 100 betrieben wird. Ein derartiges Betriebsverfahren lässt sich gegebenenfalls auch auf den Bemessungsbetrieb anwenden, sodass über den gesamten Betrieb nur sehr niedrige Energieschwankungen in den Modulen 1 auftreten und die Kondensatoren 9 der Module 1 sehr klein dimensioniert werden können.
