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Die Erfindung betrifft einen Umrichter zwischen Gleichspannung und Wechselspannung zur Anwendung in der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung, aufweisend wenigstens zwei gleich ausgebildete, zwischen einem zentralen Ankopplungspunkt für die Wechselspannung und einen Pol der Gleichspannung geschaltete Umrichterarme mit jeweils einer gleichen Mehrzahl von in Reihe geschalteten Umrichtersubmodulen, wobei jedes Umrichtersubmodul eine Schalteinrichtung und eine kapazitive Energiespeichereinrichtung aufweist, und eine Steuereinrichtung, die zur Ansteuerung der Schalteinrichtungen zur Erzeugung von Pulsen einer vordefinierten Pulsform ausgebildet ist. Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Spannungsumrichtung bei der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung mit einem solchen Umrichter.
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Die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ, im Englischen HVDC – High Voltage Direct Current) ist eine Möglichkeit zur Übertragung elektrischer Energie, bei der eine hohe Gleichspannung verwendet wird, wobei unter Hochspannung eine Spannung von mindestens 70 kV, insbesondere mindestens 120 kV, bis in den MV-Bereich zu verstehen ist. Während es traditionell bekannt war, aufgrund der Wechselstromerzeugung im Kraftwerk auch die Übertragung als Wechselspannung vorzunehmen, wurde festgestellt, dass die Verluste bei einer Fernübertragung mit Gleichstrom deutlich geringer sind. Eine HGÜ-Übertragungsstrecke weist dabei üblicherweise zu Beginn und zum Ende der Strecke einen Umrichter auf, der die insbesondere dreiphasige Wechselspannung in eine Gleichspannung wandelt und umgekehrt.
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Zur Realisierung solcher Umrichter wurde vorgeschlagen, eine Topologie eines modularen Mehrstufenkonverters (MMC) zu verwenden. Ein gattungsgemäßer Umrichter ist beispielsweise aus einem Artikel von J. Dorn, H. Huang und D. Retzmann, „A new Multilevel Voltage-Sourced Converter Topology for HVDC Applications", Cigré, 2008, B4-304, bekannt. Demgemäß weist ein Umrichter wenigstens zwei Umrichterarme, insbesondere für jede Phase zwei Umrichterarme, auf, wobei jeder dieser Umrichterarme als eine steuerbare Spannungsquelle mit einer großen Zahl möglicher diskreter Spannungsstufen wirkt, so dass gewünschte Sinuspulse genauer nachmodelliert werden können.
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Die Umrichterarme weisen hierzu eine Mehrzahl von individuell ansteuerbaren Umrichtersubmodulen auf, wobei jedes Umrichtersubmodul zwei Anschlüsse aufweist und neben Hilfskomponenten und Elektronikkomponenten aus einer Schalteinrichtung und einer kapazitiven Energiespeichereinrichtung besteht. Konkret kann jedes Submodul beispielsweise eine IGBT-Halbbrücke und eine Kondensatoreinheit aufweisen, so dass das Umrichtersubmodul zwischen einem Zustand mit voller Modulspannung und einem Zustand mit einer Modulspannung von Null in beiden Stromrichtungen umgeschaltet werden kann.
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Nachdem über eine Steuereinrichtung jedes der individuellen Umrichtersubmodule getrennt steuerbar ist, bildet jeder der Umrichterarme, wie beschrieben wurde, eine steuerbare Spannungsquelle. Die Gesamtspannung beider Umrichterarme einer Phase entspricht der Gleichspannung, und durch Anpassung der Zahl der beitragenden Umrichtersubmodule in einem Phasenmodul kann der gewünschte sinusartige Spannungs-/Stromverlauf an den Wechselspannungsanschlüssen erhalten werden.
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Ein Grund für die Aufteilung der Gleichspannung auf eine Mehrzahl von Umrichtersubmodulen ist die Verfügbarkeit passender Hochspannungskomponenten, insbesondere bezüglich der Schalteinrichtungen, die Festkörperhalbleiterschalter umfassen können. Mithin kann die Zahl der Umrichtersubmodule beispielsweise so gewählt werden, dass für die entsprechenden Spannungsniveaus Halbleiterschalter, beispielsweise IGBTs, zur Verfügung stehen, beispielsweise also für Spannungsniveaus von typisch 2–4 kV pro Stufe. Während der Umrichtung wird die Leistung, die von Wechselspannung nach Gleichspannung oder umgekehrt gewandelt werden soll, entweder in der Energiespeichereinrichtung gespeichert oder aus ihr abgezogen. Diese Energiespeichereinrichtung wird, wie bereits angedeutet wurde, üblicherweise durch einen Hochspannungs-Leistungskondensator gebildet, dessen Auslegung für Gleichspannungen erfolgt, die größer als die Nenn-Gleichspannung der HGÜ sind. Während der Umwandlung von Gleichspannung auf Wechselspannung liefert die geladene Energiespeichereinrichtung gezielt Energie bzw. wird gezielt aufgeladen, um die Wechselspannungs-Wellenform in Form kleinerer, kurzer Inkremente nachzubilden. Übliche Betriebsfrequenzen des Umrichters liegen im Bereich von mehreren 100 Hz bis in den niedrigen Kilohertz-Bereich, so dass Pulse mit einer Dauer im Millisekundenbereich erzeugt werden müssen. Um die Strompulse, die erforderlich sind, mit einer hinreichenden Wiederholrate, mit einer hinreichenden Signalqualität, umfassend eine hohe Anstiegsrate, und hinreichend hohen Strömen im Bereich von Kiloampere erzeugen zu können, wird eine Kapazität der Energiespeichereinrichtung im Bereich mehrerer Millifarad verwendet, was zu gespeicherten Energien im Bereich von mehreren 10 Kilojoule pro Umrichtersubmodul führt.
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Um die hohen Anstiegsraten der Spannungspulse bzw. Strompulse erhalten zu können, um die Schaltverluste in den Halbleiterschaltern bei Strömen im Kiloamperebereich zu minimieren, muss die Verschaltung in den Umrichtersubmodulen eine sehr niedrige Induktivität aufweisen, beispielsweise nur wenige Nanohenry für die Verbindungen zwischen der Schalteinrichtung und den Anschlüssen der Energiespeichereinrichtung. Auch für die Energiespeichereinrichtung selbst gilt jedoch, dass diese eine sehr niedrige interne Induktivität aufweisen sollte, um die Amplituden und die schnellen Anstiegsraten für die Pulse gleichzeitig zu erlauben. Hieraus folgt, dass bei den im Stand der Technik bekannten Mehrstufen-Umrichtern ein Schaltkreis mit einer äußerst niedrigen Induktivität und einer äußerst hohen Energie in einem äußerst kleinen Volumen realisiert wird. Um weitere Anforderungen hinsichtlich einer kompakten Bauweise und der Herstellbarkeit zu erfüllen, wird die Energiespeichereinrichtung häufig als ein einziger Gleichstromkondensator mit hoher Energiedichte und niedriger Induktivität hergestellt.
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Im Fall eines Fehlers, beispielsweise eines Kurzschlussfehlers eines Halbleiterschalters oder eines Funkensprungs in seiner Nachbarschaft, entlädt sich die gespeicherte Energie durch den Kurzschluss mit einem Strom und einer Anstiegsrate, die durch die Induktivität des Schaltkreises und die aktuelle Ladespannung des Kondensators bzw. der Energiespeichereinrichtung bestimmt ist. Bei Nennbedingungen bedeutet dies, dass der Kurzschlussstrom in einer solchen Konfiguration ein Megaampere deutlich überschreiten kann, so dass die gesamte geladene Energie in dem Fehler schlagartig entladen wird, was bei den äußerst nah beieinander angeordneten Umrichtersubmodulen, die beispielsweise ungefähr 10 cm voneinander beabstandet sein können, zu mehreren Problemen führt.
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Zum einen führt die schnelle Entladung der gespeicherten Energie in den kurzgeschlossenen Schaltkreis zur Bildung eines Lichtbogens, wobei hohe Temperaturen und sehr hohe lokale Drücke und Drucksprünge auftreten, zum anderen hat die schnelle Entladung der Energiespeichereinrichtung, insbesondere des Kondensators, auf Megaampere-Niveau zur Folge, dass äußerst starke magnetische Felder in der Umgebung auftreten, die auch benachbarte Umrichtersubmodule betreffen können. Dies wiederum führt nicht nur zu unmittelbarem mechanischen Schaden an den Komponenten und dem Gehäuse des betroffenen Umrichtersubmoduls aufgrund der starken Stöße und starken Druckwellen, sondern kann auch benachbarte Umrichtersubmodule in Mitleidenschaft ziehen, wenn heiße Gase ausgestoßen werden, die die Hochspannungs-Isolationsfähigkeit der HGÜ-Umrichteranordnung beeinträchtigen können. Zudem können die äußerst starken, schnell wechselnden magnetischen Felder induzierte Spannungen in den Steuerelektronikkomponenten benachbarter Umrichtersubmodule erzeugen, die die korrekte Funktion der Steuereinheit des Umrichtersubmoduls beeinflussen können, was wiederum zu einer Fehlfunktion wie einem weiteren Kurzschluss im entsprechenden Umrichtersubmodul führen kann.
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Zwar wurde vorgeschlagen, für Fehlerfälle Kurzschlussschalter zwischen den Anschlüssen der Umrichtersubmodule vorzusehen, diese weisen jedoch aufgrund der niedrigen Induktivität innerhalb der Umrichtersubmodule deutlich zu lange Schaltzeiten auf, um die genannten Effekte wirksam zu vermeiden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Ausgestaltung von Umrichtersubmodulen anzugeben, bei denen die Folgen eines Kurzschlusses insbesondere im Hinblick auf benachbarte Umrichtersubmodule deutlich abgeschwächt sind.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Umrichter der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Energiespeichereinrichtung eine an die Anschlüsse der Energiespeichereinrichtung anschließende, eine Kapazität aufweisende Pulsflankenformeinheit und eine eine wenigstens fünfmal größere Induktivität als die Pulsflankenformeinheit aufweisende Energiespeichereinheit aufweist.
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Besonders zweckmäßig ist es zudem, wenn die Kapazität der Energiespeichereinheit wenigstens fünfmal so groß ist wie die Kapazität der Pulsflankenformeinheit. Ferner kann vorgesehen sein, dass die Induktivität der Energiespeichereinheit maximal 20 mal so groß wie die Induktivität der Pulsflankenformeinheit ist und die Kapazität der Energiespeichereinheit maximal 20 mal so groß ist wie die Kapazität der Pulsflankenformeinheit. Als ein geeigneter Bereich hat sich mithin sowohl für die Kapazität als auch für die Induktivität ein Faktor von Fünf bis Zehn erwiesen.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Idee ist es mithin, die unterschiedlichen Aufgaben, die die Energiespeichereinrichtung, konkret wenigstens ein Kondensator, erfüllen muss, zu trennen und somit gleichzeitig die Möglichkeit zu bieten, diese Aufgaben zu optimieren. Mithin wird vorgeschlagen, die Energiespeichereinrichtung durch zwei Funktionseinheiten zu realisieren, nämlich eine unmittelbar an die Anschlüsse der Energiespeichereinrichtung anschließende Pulsflankenformeinheit und eine eine deutlich größere Induktivität und idealerweise auch Kapazität als die Pulsflankenformeinheit aufweisende Energiespeichereinheit. Der bislang verwendete einfache Kondensator wird also durch eine optimierte Konstruktion ersetzt, in der die Pulsflankenformeinheit als Ausgabeabschnitt mit einer niedrigen Induktivität die schnell ansteigenden Teile der Pulse erzeugt, während die Energiespeichereinheit mit der höheren Induktivität (und mithin Impedanz) die Energie für den langen Puls zur Verfügung stellt. Mithin kann die Energiespeichereinrichtung insgesamt auch als ein Pulsformkreis verstanden werden, der funktional getrennte Einheiten aufweist. Diese veränderte Ausgestaltung der Energiespeichereinrichtung ermöglicht es jedoch auch, den Spitzenstrom im Fall eines Kurzschlusses gegenüber dem Stand der Technik deutlich zu reduzieren, insbesondere also die Erzeugung von Megaampere-Stromamplituden zu vermeiden.
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Dabei liegt der Erfindung mithin die Erkenntnis zugrunde, dass die Erzeugung der steil ansteigenden Pulsflanke der durch die Umrichtersubmodule zu erzeugenden Strompulse nur eine äußerst geringe Menge gespeicherter Energie erfordert, jedoch eine niedrige Induktivität. Mithin reichen kleindimensionierte Kondensatoren bzw. eine kleinere Unteranordnung eines großen Kondensators aus, um die bis zur gewünschten Maximalspannung bzw. zum gewünschten Maximalstrom ansteigende Pulsflanke zu erhalten. Entlädt sich der Inhalt der Pulsflankenformeinheit durch einen Kurzschluss, entsteht nur ein äußerst kurzer Puls mit geringer Energie und reduzierter Amplitude, so dass der mechanische Schaden genau wie auftretende magnetische Felder verringert werden.
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Die Erzeugung langer Rechteckpulse, mithin das Halten des erreichten Plateaus, wobei für einen solchen Strompuls Maximalströme im Kiloampere-Bereich auftreten können, fordert eine größere Menge an gespeicherter Energie insbesondere aus Kondensatoren. Für die Energiespeichereinheit kann die Amplitude eines Kurzschlussstromes begrenzt werden, da diese eine höhere Induktivität und mithin eine wohldefinierte Impedanz aufweist. Der Kurzschlussstrom im Fall eines Fehlers wird dann limitiert, beispielsweise auf Ströme, die kleiner als 200 kA sind, bevorzugt kleiner als 50 kA.
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Zusammenfassend kann somit sowohl der mechanische Schaden, der durch Druckwellen auftritt, und der elektronische Schaden, der durch starke magnetische Felder auftritt, vermieden werden.
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Um dies zu erreichen, kann mit anderen Worten vorgesehen sein, dass die Induktivität der Energiespeichereinheit derart gewählt ist, dass ein entstehender Kurzschlussstrom kleiner als ein vorbestimmter Grenzstrom ist, und/oder die Induktivität der Pulsflankenformeinheit so gewählt ist, dass eine vorbestimmte Anstiegsrate einer Pulsflanke erreichbar ist. Verallgemeinert ausgedrückt und auch die Kapazitäten mit beachtend können die entsprechenden benötigten Kennwerte für die Induktivitäten und die Kapazitäten der Pulsflankenformeinheit und der Energiespeichereinheit in einem Optimierungsverfahren bestimmt werden, welches auf möglichst niedrige Kurzschlussströme und/oder möglichst geringe Entladungsenergien pro Zeiteinheit bei einem Kurzschluss abzielt. Randbedingungen bilden eine minimal erforderliche Anstiegsrate der Pulsflanke und/oder weitere Anforderungen an die Pulsform, insbesondere einen Rechteckpuls. In jedem Fall ist darauf zu achten, dass das Plateau eines zu erzeugenden Rechteckpulses auch gehalten werden kann; hierzu muss hinreichend viel Energie in der Pulsflankenformeinheit verfügbar sein, bis die langsamer reagierende Energiespeichereinheit ihren Beitrag liefern kann. Zusammenfassend kann also vorgesehen sein, dass die Induktivitäten und die Kapazitäten der Pulsflankenformeinheit und der Energiespeichereinheit im Rahmen eines auf die Minimierung des Kurzschlussstromes und/oder der bei einem Kurzschluss pro Zeiteinheit entladenen Energie gerichtetes Optimierungsverfahren mit durch die gewünschte Pulsform beschreibende Parameter verarbeitenden Randbedingungen bestimmt sind. So werden die Induktivitäten und die Kapazitäten individuell optimiert, so dass ein insbesondere rechteckiger Strompuls geeigneter Pulsdauer und mit einem flachen Plateau sowie hinreichend steilen Pulsflanken erzeugt werden kann, wobei gleichzeitig der maximale Kurzschlussstrom minimiert wird.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es somit möglich, die mechanischen Kräfte, die auf Stromleitungen während einer Kurzschlussentladung wirken, um einen Faktor beispielsweise der Größenordnung 25 zu reduzieren, und die dabei auftretenden störenden Magnetfelder um einen Faktor von beispielsweise 5. Gleichzeitig wird die Dauer des Kurzschlusspulses entsprechend verlängert, was weiterhin Anstiegsraten des Stromes und somit des Magnetfeldes reduziert, wobei auch eine Erniedrigung der zeitlichen Ableitung des Magnetfeldes erreicht wird. Die zeitliche Ableitung des Magnetfeldes ist verantwortlich für die Induktion von Wirbelströmen in elektronischen Systemen, insbesondere Teilen der Steuereinrichtung, so dass durch deren Reduzierung auch das Risiko der Erzeugung von Fehlfunktionen in benachbarten elektronischen Steuersystemen um mehr als eine Größenordnung reduziert ist, was essentiell ist, wenn der Umrichter auch bei Ausfall eines einzelnen Umrichtersubmoduls weiter funktionsfähig bleiben soll. Dabei sei an dieser Stelle noch darauf hingewiesen, dass Umrichter gemäß der vorliegenden Erfindung selbstverständlich so gestaltet sein können, dass eine Redundanz bezüglich der verwendeten Umrichtersubmodule gegeben ist, mithin die Umrichterfunktion auch bei Ausfall von einzelnen oder einigen wenigen Umrichtersubmodulen weiter gewährleistet werden kann.
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Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass wenigstens ein von den Bauelementen der Pulsflankenformeinheit unterschiedliches, die Induktivität erhöhendes Bauelement in der Energiespeichereinheit vorgesehen ist. Mithin kann die deutlich höhere Induktivität der Energiespeichereinheit gegenüber der Pulsflankenformeinheit durch eine Hinzufügung und/oder Modifizierung von Bauelementen erreicht werden, je nachdem, wie die Energiespeichereinrichtung insgesamt realisiert werden soll, wozu im Rahmen der vorliegenden Erfindung zwei Ansätze denkbar sind. Zum einen kann ein leiterartiges L-C-Pulsformnetzwerk aus diskreten Komponenten, mithin Kondensatoren und Induktivitäten (Spulen), geschaffen werden. Bevorzugt ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch, die Energiespeichereinrichtung als einen monolithischen Kondensator zu schaffen, wobei die nötige Induktivität innerhalb der einzelnen Kondensator-Subelemente, insbesondere durch die Leitungsführung, realisiert ist. Ein monolithisches Bauteil erlaubt eine einfachere Steuerung und eine einfachere mechanische Konstruktion. In dieser zweiten Lösung wird der Kondensator nicht so hergestellt, dass er eine niedrige Induktivität für alle seine Subelemente aufweist, wie es heute der Fall ist, stattdessen wird lediglich ein kleiner Teil des Kondensators nahe seiner Anschlüsse niederinduktiv ausgeführt, während der verbleibende Teil so konstruiert ist, dass eine deutlich höhere Induktivität gegeben ist.
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Für beide grundsätzlichen Möglichkeiten gilt, dass die Gesamtkapazität, also die Summe aller Teilkapazitäten, so gewählt wird, dass die gewünschte Funktion des Umrichtersubmoduls, mithin die gewünschte Pulsform, realisiert werden kann. Mithin wird der Aufbau sowohl bei dem aus diskreten Komponenten aufgebauten Netzwerk als auch bei einem monolithischen Kondensator so gewählt, dass die interne Impedanz des Netzwerks bzw. des Kondensators niedrig genug ist, um geeignete Pulsformen zu erhalten, aber auch hoch genug, um den Kurzschlussstrom hinreichend zu begrenzen.
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Wenigstens eines des wenigstens einen Bauelements kann eine Spule und/oder eine Leiterschleife sein. Spulen lassen sich insbesondere bei einem Aufbau eines Netzwerks aus diskreten Komponenten zweckmäßig einsetzen, während Leiterschleifen auch innerhalb einer monolithischen Energiespeichereinrichtung realisiert werden können, insbesondere durch geeignete Führung von Kontaktierungsleitungen bzw. Kontaktierungsflächen.
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In diesem Zusammenhang sieht eine zweckmäßige Ausgestaltung vor, dass bei einer als monolithisches Bauteil vorgesehenen Energiespeichereinrichtung das Bauelement eines speziell geführten inneren Leitungsabschnitt umfasst. Das bedeutet also, es wird von der üblichen, bekannten, niederinduktiven Konstruktion abgegangen, um durch gezielte Veränderung der Leitungsführung die gewollten Induktivitäten in der Energiespeichereinheit zu erreichen, während die Induktivität in der Pulsflankenformeinheit gering bleibt. Insbesondere kann der als Energiespeichereinheit genutzte Kondensator intern dergestalt aufgebaut sein, dass er als elektrischer Bandleiter mit definierter Impedanz ausgeführt ist, wobei die Kapazität und die interne Induktivität entlang des Kondensatorwickels verteilt sind.
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Wie sich aus den dargestellten Ausführungen bereits ergibt, kann vorgesehen sein, dass die Energiespeichereinrichtung wenigstens zwei auf die Pulsflankenformeinheit und die Energiespeichereinheit verteilte Kondensatoren und/oder Kondensatorsubelemente aufweist. Auf diese Weise kann die Energiespeichereinrichtung mit ihren dargestellten Untereinheiten kapazitiv einfach realisiert werden.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Pulsflankenformeinheit einen in Serie zu dem kapazitiven Bauelement geschalteten Widerstand zur Bedämpfung von Schwingungen umfasst. Das bedeutet, innerhalb der Pulsflankenformeinheit kann (im Gegensatz zur Energiespeichereinheit) dem kapazitiven energiespeichernden Bauelement, insbesondere also dem Kondensator und/oder dem Kondensatorsubelement, noch ein geringer Widerstand vorgeschaltet werden, um Schwingungen zu bedämpfen. Es hat sich gezeigt, dass sich ein eventuell auftretendes Schwingverhalten durch Bedämpfen vorwiegend in der Pulsflankenformeinheit realisieren lässt, wobei beispielsweise ein Widerstand im Bereich von 50 mΩ bis 300 mΩ eingesetzt werden kann. Somit werden Schwingungsverluste reduziert.
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Neben dem Umrichter betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Spannungsumrichtung bei der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) mit einem erfindungsgemäßen Umrichter, welches sich dadurch auszeichnet, dass zur Erzeugung eines Strompulses eines Umrichtersubmoduls zunächst eine Entladung oder Aufladung der Pulsflankenformeinheit zur Erzeugung der Pulsflanke erfolgt, wonach eine Plateauspannung durch Entladung oder Aufladung der Energiespeichereinheit erzeugt wird. Auf diese Weise wird nochmals deutlicher, wie die vorliegende Erfindung die baulich entkoppelte schnelle und langsame Subeinheit der Energiespeichereinrichtung einsetzt. Zu Beginn der Erzeugung des Strompulses ist eine hohe Anstiegsrate an der Pulsflanke durch die Pulsflankenformeinheit möglich, welche hinreichend viel Energie kapazitiv einspeichert, um das Plateau eines zu erzeugenden Rechteckpulses lange genug zu halten, bis die langsamere Subeinheit, nämlich die Energiespeichereinheit, die Energie liefert, um eine lange Pulsdauer zu erreichen. Sämtliche Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Umrichters lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Verfahren übertragen.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Umrichters,
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2 die Struktur eines Umrichtersubmoduls des Umrichters der 1,
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3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Energiespeichereinrichtung, und
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4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Energiespeichereinrichtung.
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1 zeigt die Struktur eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Umrichters 1. Der Umrichter 1 weist Gleichspannungsanschlüsse 2, für jeden Pol einen, und Wechselspannungsanschlüsse 3, für jede Phase einen, auf. Er dient mithin dazu, beispielsweise von einem Kraftwerk erzeugte Wechselspannung in eine zur Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) geeignete Gleichspannung umzuwandeln bzw. die übertragene Gleichspannung wieder in eine Wechselspannung für die Netzeinspeisung oder dergleichen umzurichten.
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Vorliegend sind jeder der Phasen jeweils zwei Umrichterarme 4 zugeordnet, so dass insgesamt sechs Umrichterarme vorhanden sind. Dabei erstreckt sich jeweils ein Umrichterarm 4 von einem zentralen Ankopplungspunkt 5 zu einer dem jeweiligen Pol zugeordneten Leitung 6.
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Die Umrichterarme 4 werden durch eine Mehrzahl von Umrichtersubmodulen 7 gebildet, wobei jeder Umrichter 4 die gleiche Anzahl der gleichartigen Umrichtersubmodule 7 aufweist. Die Zahl der Umrichtersubmodule 7 wird entsprechend der Gleichspannung so gewählt, dass auf jedes Umrichtersubmodul 7 eine Teilspannung entfällt, beispielsweise von 2 kV, für die die später noch zu diskutierenden IGBTs ausgelegt sind.
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Eine Skizze eines Umrichtersubmoduls zeigt die 2. Demnach weist jedes Umrichtersubmodul zwei Anschlüsse 8 auf, die beispielsweise in einem Gehäuse 9 vorgesehen werden können. Innerhalb des Gehäuses 9 enthält das Umrichtersubmodul 7 eine Schalteinrichtung 10 und eine kapazitive Energiespeichereinrichtung 11. Die Schalteinrichtung 10 umfasst vorliegend als Halbleiterschalter zwei IGBTs 12 mit jeweils zugeordneten Dioden 13, so dass eine Halbbrücke realisiert ist. Die Energiespeichereinrichtung 11 weist zwei Subeinheiten auf, nämlich eine Pulsflankenformeinheit 14 und eine Energiespeichereinheit 15, über die eine bauliche Trennung der Pulsformfunktionen der Energiespeichereinrichtung 11 ermöglicht wird, wie noch genauer dargestellt werden soll.
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Die Schalteinrichtungen 10 der Umrichtersubmodule 7 sind individuell durch eine Steuereinrichtung 16, die in 1 nur schematisch dargestellt ist, ansteuerbar, so dass sich in jedem der Umrichterarme 4 gestuft Spannungen je nach Schaltzustand der Schalteinrichtungen 10 erzeugen lassen. Bei der Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung lässt sich mithin der sinusartige Verlauf gestuft nachmodellieren, wobei Filtereinrichtungen 17 in den Umrichterarmen 4 die gestufte Form glätten, so dass ein möglichst perfekter Sinus erreicht werden kann.
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Nachdem in dem Umrichter 1 sehr schnelle Schaltfrequenzen gegeben sind, beispielsweise von 250 kHz, können die Wellenformen nur dann genau realisiert werden, wenn schnelle Anstiegsraten, mithin steile Pulsflanken, der von den einzelnen Umrichtersubmodulen 7 abgegebenen Pulse erreicht werden können und gleichzeitig eine lange Pulsdauer durch hinreichende Kapazität der Energiespeichereinrichtungen 11 möglich ist.
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Die Pulsflankenformeinheit 14 und die Energiespeichereinheit 15 ermöglichen die bauliche Trennung der Realisierung dieser Anforderungen, nachdem die Pulsflankenformeinheit 14 eine um wenigstens den Faktor Fünf niedrigere Induktivität als die Energiespeichereinheit 15 sowie eine um wenigstens den Faktor Fünf geringere Kapazität als die Energiespeichereinheit 15 aufweist, wobei bevorzugte Ausführungsbeispiele für beide Größen einen Faktor im Bereich von Fünf bis Zehn vorsehen. Das bedeutet also, dass in der Pulsflankenformeinheit 14 eine geringere Energiemenge einspeicherbar ist, aber durch die niedrige Induktivität schnelle Anstiegsraten realisiert werden können, so dass eine steile Flanke eines Pulses erzeugt werden kann und der Puls, üblicherweise ein Rechteckpuls, so lange auf dem Plateauwert gehalten werden kann, bis die aufgrund der höheren Induktivität langsamer reagierende Energiespeichereinheit 15 die in ihr gespeicherte Energie abgibt und den Puls lange aufrechterhalten kann. Ersichtlich ist die Pulsflankenformeinheit 14 zweckmäßigerweise nah an den Anschlüssen der Energiespeichereinrichtung 11 angeordnet.
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Durch diese Ausgestaltung wird erreicht, dass nur ein geringer Anteil der in der Energiespeichereinrichtung 11 gespeicherten Energie bei einem Kurzschluss im Kreis 18 äußerst schnell entladen wird, denn der Großteil der eingespeicherten elektrischen Energie ist in der Energiespeichereinheit 15 enthalten, bei der aufgrund der höheren Induktivität eine höhere Impedanz vorliegt und somit der Kurzschlussstrom begrenzt ist, was negative Auswirkungen eines solchen Kurzschlusses, insbesondere auf benachbarte Umrichtersubmodule 7, deutlich reduziert.
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Konkret können Werte für die Kapazitäten und die Induktivitäten der Subeinheiten 14, 15 in einem Optimierungsverfahren gewonnen werden, das den Kurzschlussstrom (und/oder gegebenenfalls andere Kenngrößen im Falle eines Kurzschlusses) minimiert und dabei als Randbedingungen die Anforderungen an die Pulse, insbesondere die Anstiegsrate, die Pulsdauer und ein ebenes Plateau, einhält.
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Allgemein kann gesagt werden, dass die erhöhte Induktivität in der Energiespeichereinheit 15 der Energiespeichereinrichtung 11 durch ein die Induktivität erhöhendes Bauelement erreicht wird, welches in der Pulsflankenformeinheit 14 so nicht existiert. Konkrete Möglichkeiten zur Realisierung der Energiespeichereinrichtung 11 werden durch die 3 und 4 beschrieben.
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3 zeigt eine erste konkrete Realisierungsmöglichkeit einer Energiespeichereinrichtung 11a. Hierbei wird ein aus diskreten Bauteilen aufgebautes Pulsformnetzwerk mit vorliegend drei parallel geschalteten Kondensatoren 19, 20 verwendet, wobei die Kondensatoren 19 eine gleiche, höhere Kapazität aufweisen als der Kondensator 20. Beispielsweise kann der Kondensator eine Kapazität von 0,5 mF aufweisen, während die Kondensatoren 19 bei einer Kapazität von 1,5 mF aufweisen können. Als diskrete Bauteile sind in die Leitungen der Kondensatoren 19 Spulen 21 zusätzlich geschaltet, die in der Leitung des Kondensators 20 nicht vorhanden sind. Die Spulen 21 weisen dabei eine Induktivität von 1,2 µH auf.
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Auch die Kondensatoren 19, 20 weisen eine gewisse Induktivität auf, vorliegend die Kondensatoren 19 eine Induktivität von 300 nH, der Kondensator 20 eine Induktivität von 150 nH.
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Somit bildet vorliegend der Kondensator 20 die Pulsflankenformeinheit 14; die Kondensatoren 19 mit den Spulen 21 die Energiespeichereinheit 15, die mithin eine deutlich größere Induktivität und eine deutlich größere Kapazität als die durch den Kondensator 20 gebildete Pulsflankenformeinheit 14 aufweist.
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Dem Kondensator 20 in Reihe geschaltet ist ferner noch ein Widerstand 22 vorgesehen, der rein real ist und zur Bedämpfung von Schwingungen eingesetzt wird.
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4 zeigt schließlich in Form eines schematischen Ersatzschaltbilds eine als monolithisches Bauteil hergestellte Energiespeichereinrichtung 11b, hier einen Kondensator in einem Gehäuse 23. Der Kondensator umfasst vorliegend vier Kondensatorsubelemente 24, 25, wobei das Kondensatorsubelement 25 eine niedrigere Induktivität und Kapazität als jedes der Kondensatorsubelemente 24 aufweist. Zudem wurde die interne Leitungsführung zu den Kondensatorsubelementen 24 hochinduktiv gewählt, so dass beispielsweise Leiterschleifen 26 gebildet sein können, die nur die Kondensatorsubelemente 24 betreffen.
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Mithin bildet hier das Kondensatorsubelement 25, welches unmittelbar den Anschlüssen nachgeschaltet ist, die Pulsflankenformeinheit 14, während die Kondensatorsubelemente 24 gemeinsam mit den Leiterschleifen 26 (und gegebenenfalls sonstigen durch die Leitungsführung realisierten Induktivitäten) die Energiespeichereinheit 15 bilden, die auch hier wiederum eine deutlich höhere Kapazität und Induktivität als das Kondensatorelement 25 aufweist.
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Es sei schließlich noch angemerkt, dass auch bei einer monolithischen Konstruktion wie gemäß 4 ein kleiner Widerstand wie der Widerstand 22 zur Schwingungsdämpfung realisiert werden kann. Der Widerstand des Widerstands 22 kann beispielsweise bei 100 mΩ liegen.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- J. Dorn, H. Huang und D. Retzmann, „A new Multilevel Voltage-Sourced Converter Topology for HVDC Applications“, Cigré, 2008, B4-304 [0003]
