DE102014219788A1 - Modular multilevel direct converter with single-phase variable frequency output - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Mehrpegelenergiewandler (22, 24) zum Wandeln von elektrischer Energie, mit einem Anschluss (34, 36) zum Zuführen von zu wandelnder elektrischer Energie und einem anderen Anschluss (34, 36) zum Abgeben der gewandelten elektrischen Energie, wobei der Mehrpegelenergiewandler (22, 24) eine erste Wandlerschaltung (38) aufweist, die an einem ersten der beiden der Anschlüsse (36) des Mehrpegelenergiewandlers (22, 24) angeschlossen ist und die mehrere in Reihe geschaltete Wandlereinheiten (26) mit einem Wandlereinheitskondensator (48) umfasst und die einen mit dem zweiten der Anschlüsse (34) gekoppelten Mittelanschluss bereitstellt, wobei die Wandlerschaltung (38) zum Steuern an eine Steuereinheit angeschlossen ist, um die elektrische Energie zu wandeln. Erfindungsgemäß steuert die Steuereinheit die Wandlereinheiten (26) zum Betreiben sowohl des ersten als auch des zweiten Anschlusses (34, 36) im Wechselspannungsbetrieb.The invention relates to a multi-level energy converter (22, 24) for converting electrical energy, having a terminal (34, 36) for supplying electrical energy to be converted and another terminal (34, 36) for outputting the converted electrical energy, wherein the multi-level energy converter (22, 24) comprises a first converter circuit (38) connected to a first of the two of the terminals (36) of the multi-level energy converter (22, 24) and comprising a plurality of series connected converter units (26) with a converter unit capacitor (48) and providing a center port coupled to the second of the ports (34), the converter circuit (38) being connected to a controller for controlling to convert the electrical energy. According to the invention, the control unit controls the converter units (26) for operating both the first and second terminals (34, 36) in AC operation.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mehrpegelenergiewandler zum Wandeln von elektrischer Energie, mit einem Anschluss zum Zuführen von zu wandelnder elektrischer Energie und einem anderen Anschluss zum Abgeben der gewandelten elektrischen Energie, wobei der Mehrpegelenergiewandler eine erste Wandlerschaltung aufweist, die an einem ersten der beiden der Anschlüsse des Mehrpegelenergiewandlers angeschlossen ist und die mehrere in Reihe geschaltete Wandlereinheiten mit einem Wandlereinheitskondensator umfasst und die einen mit dem zweiten der Anschlüsse gekoppelten Mittelanschluss bereitstellt, wobei die Wandlerschaltung zum Steuern an eine Steuereinheit angeschlossen ist, um die elektrische Energie zu wandeln. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Energiekoppeleinrichtung zum galvanisch getrennten Koppeln eines ersten Energieversorgungsnetzes mit einem zweiten Energieversorgungsnetz, mit einem Trenntransformator mit zwei magnetisch gekoppelten und galvanisch getrennten Wicklungen, wobei eine erste der Wicklungen des Trenntransformators mit einem ersten Energieversorgungsnetz elektrisch gekoppelt ist und die zweite der Wicklungen des Trenntransformators mit dem zweiten Energieversorgungsnetz elektrisch gekoppelt ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Wandeln von elektrischer Energie mittels eines Mehrpegelenergiewandlers, bei dem die an einem Anschluss zugeführte elektrische Energie gewandelt und an einem anderen Anschluss abgegeben wird, wobei die elektrische Energie mittels wenigstens einer ersten an einem ersten der beiden Anschlüsse des Mehrpegelenergiewandlers angeschlossenen Wandlerschaltung gewandelt wird, zu welchem Zweck die Wandlerschaltung mehrere in Reihe geschaltete Wandlereinheiten mit einem Wandlereinheitskondensator umfasst und einen mit dem zweiten der Anschluss gekoppelten Mittelanschluss bereitstellt, wobei die Wandlerschaltung mittels einer Steuereinheit gesteuert wird, um die elektrische Energie zu wandeln. The present invention relates to a multi-level energy converter for converting electrical energy, having a terminal for supplying electrical energy to be converted and another terminal for outputting the converted electrical energy, the multi-level energy converter having a first converter circuit connected to a first of the two of the terminals of Multi-level energy converter is connected and which comprises a plurality of series-connected converter units with a converter unit capacitor and which provides a center terminal coupled to the second of the terminals, wherein the converter circuit is connected to a control unit for controlling to convert the electrical energy. Furthermore, the invention relates to a power coupling device for electrically isolated coupling of a first power supply network with a second power grid, with an isolating transformer with two magnetically coupled and galvanically isolated windings, wherein a first of the windings of the isolation transformer is electrically coupled to a first power supply network and the second of the windings of Isolation transformer is electrically coupled to the second power supply network. Moreover, the invention also relates to a method for converting electrical energy by means of a multi-level energy converter in which the electrical energy supplied to one terminal is converted and delivered to another terminal, the electrical energy being supplied to at least one of the first and second terminals For which purpose the converter circuit comprises a plurality of series-connected converter units with a converter unit capacitor and provides a center terminal coupled to the second terminal, the converter circuit being controlled by a control unit to convert the electrical energy.
Mehrpegelenergiewandler sowie Energiekoppeleinrichtungen der gattungsgemäßen Art sind dem Grunde nach bekannt, sodass es eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises hierfür nicht bedarf. Mehrpegelenergiewandler dienen dazu, elektrische Energie zwischen einem Gleichspannungsanschluss und einem Wechselspannungsanschluss zu wandeln. Energiekoppeleinrichtungen dienen dazu, einen Energieaustausch zwischen galvanisch voneinander getrennten elektrischen Energieversorgungsnetzen zu ermöglichen. In der Regel handelt es sich bei den Energieversorgungsnetzen um dreiphasige Energieversorgungsnetze, die als öffentliches Energieversorgungsnetz bei 50 Hz oder auch bei 60 Hz mit Wechselspannung betrieben werden. Im diesem Bereich wird häufig eine Effektivspannung zwischen zwei Phasen von 400 V genutzt. Aus unterschiedlichen Gründen, beispielsweise aus Gründen der Versorgungssicherheit oder dergleichen, ist es zweckmäßig, zwischen unterschiedlichen Energieversorgungsnetzen einen Energieaustausch zu ermöglichen. Dabei ist es jedoch sinnvoll zugleich eine galvanische Trennung vorzusehen, aufgrund derer unerwünschte Wechselwirkungen der gekoppelten elektrischen Energieversorgungsnetze untereinander vermieden oder zumindest reduziert werden können. Im einfachsten Fall wird diesbezüglich ein dreiphasiger Trenntransformator genutzt, der für jedes der angeschlossenen Energieversorgungsnetze einen entsprechenden dreiphasigen Anschluss bereitstellt und eine unmittelbare Kopplung ermöglicht. Solche Transformatoren sind für die Netzfrequenz der zu koppelnden Energieversorgungsnetze ausgebildet, das heißt, für einen Betrieb bei 50 Hz oder bei 60 Hz. Multi-level energy converters and energy coupling devices of the generic type are basically known, so that it does not require a separate documentary evidence for this. Multi-level energy converters serve to convert electrical energy between a DC voltage port and an AC voltage port. Energy coupling devices serve to enable an energy exchange between galvanically separated electrical power supply networks. In general, the power supply networks are three-phase power grids that are operated as a public power grid at 50 Hz or 60 Hz with AC voltage. In this area, an effective voltage between two phases of 400 V is often used. For various reasons, for example for reasons of security of supply or the like, it is expedient to allow an energy exchange between different energy supply networks. However, it makes sense at the same time to provide a galvanic separation, due to which undesired interactions of the coupled electrical power supply networks can be avoided or at least reduced with each other. In the simplest case, a three-phase isolation transformer is used in this regard, which provides a corresponding three-phase connection for each of the connected power supply networks and allows direct coupling. Such transformers are designed for the line frequency of the power supply networks to be coupled, that is, for operation at 50 Hz or at 60 Hz.
Obwohl sich solche Trenntransformatoren im praktischen Betrieb bewährt haben, zeigen sich dennoch Nachteile. Zwar lässt sich eine galvanische Trennung mit solchen Trenntransformatoren erreichen und zugleich auch eine Spannungsanpassung – falls erforderlich – vornehmen, jedoch kann einerseits der Energiefluss nicht gesteuert werden und andererseits erfordert die Nutzung des Trenntransformators, dass die beiden zu koppelnden Energieversorgungsnetze synchron mit der gleichen Frequenz betrieben werden. Hieraus können sich im praktischen Betrieb Probleme ergeben. Although such isolation transformers have proven themselves in practical operation, there are still disadvantages. Although it is possible to achieve a galvanic isolation with such isolating transformers and at the same time make a voltage adjustment, on the one hand the energy flow can not be controlled and on the other hand the use of the isolating transformer requires that the two power supply networks to be coupled be operated synchronously with the same frequency , This may result in practical operation problems.
Um hier eine Verbesserung bewirken zu können, ist es darüber hinaus bekannt, mittels über gemeinsame Gleichspannungszwischenkreise gekoppelte Wechselrichter und einem einphasigen Hochfrequenztrenntransformator die zu koppelnden Energieversorgungsnetze zu koppeln. Zu diesem Zweck ist jedes der zu koppelnden Energieversorgungsnetze an einen bidirektionalen dreiphasigen Wechselrichter angeschlossen, an dessen Zwischenkreis jeweils ein ebenfalls bidirektionaler Wechselrichter für einphasigen Hochfrequenzbetrieb angeschlossen ist. Ausgangsseitig, das heißt, wechselspannungsseitig, sind die einphasigen Wechselrichter an ihnen zugeordnete galvanisch getrennte Wicklungen des Hochfrequenztrenntransformators angeschlossen. Mit einer solchen Energiekoppeleinrichtung ist es möglich, unabhängig von elektrischen Parametern der energietechnisch zu koppelnden Energieversorgungsnetze einen Energiefluss in eine gewünschte vorgebbare Richtung zu ermöglichen. In order to be able to bring about an improvement here, it is also known to couple the power supply networks to be coupled by means of inverters coupled via common DC voltage intermediate circuits and a single-phase high-frequency isolation transformer. For this purpose, each of the energy supply networks to be coupled is connected to a bidirectional three-phase inverter, to whose intermediate circuit in each case a likewise bidirectional inverter for single-phase high-frequency operation is connected. On the output side, that is to say on the alternating voltage side, the single-phase inverters are connected to galvanically separated windings of the high-frequency isolation transformer assigned to them. With such an energy coupling device, it is possible, independently of electrical parameters of the energy supply networks to be coupled to enable energy flow in a desired predeterminable direction.
Zwar kann mit einer solchen Energiekoppeleinrichtung ein gegenüber einem herkömmlichen Trenntransformator geringere Baugröße in Bezug auf die Netzfrequenzen der Energieversorgungsnetze erreicht werden, jedoch erweist sich der Gesamtwirkungsgrad einer solchen Energiekoppeleinrichtung gegenüber dem vorgenannten Trenntransformator als nachteilig. Aus diesem Grund werden derartige Energiekoppeleinrichtungen nur bei besonderen Anforderungen eingesetzt. Der Wirkungsgrad wird insbesondere durch Schaltelemente der Wechselrichter beeinträchtigt. Although it is possible with such a power coupling device compared to a conventional isolating transformer smaller size in relation to the mains frequencies of the power grids can be achieved, however, the overall efficiency of such an energy coupling device turns out over the aforementioned isolation transformer as disadvantageous. For this reason, such energy coupling devices are used only for special requirements. The efficiency is particularly affected by switching elements of the inverter.
Bekannt ist es darüber hinaus, einen Mehrpegelenergiewandler als Wechselrichter zu nutzen. Hierdurch kann zwar der Wirkungsgrad verbessert werden, jedoch erweist sich der Schaltungsaufwand insgesamt durch die erforderlichen vier Wechselrichter für zwei zu koppelnde Energieversorgungsnetze nach wie vor als hoch. Gattungsgemäße Mehrpegelenergiewandler werden in der englischsprachigen Literatur auch Modular Multi Level Converter oder MMC oder auch M2C genannt. It is also known to use a multi-level energy converter as an inverter. Although this can be improved efficiency, however, the total circuit complexity proves to be high by the required four inverters for two to be coupled power grids still high. Generic multi-level energy converters are called in the English literature also Modular Multi Level Converter or MMC or M2C.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Mehrpegelenergiewandler ein Vrefahren zu dessen Betrieb sowie eine Energiekoppeleinrichtung anzugeben, die einen verbesserten Wirkungsgrad und zugleich einen geringen Aufwand erfordern. The invention is therefore an object of the invention to provide a multi-level energy converter a Vrefahren to its operation and an energy coupling device, which require improved efficiency and at the same time a little effort.
Als Lösung wird mit der Erfindung ein Mehrpegelenergiewandler sowie eine Energiekoppeleinrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen 1 und 8 vorgeschlagen. Darüber hinaus wird als Lösung auch ein Verfahren gemäß dem weiteren unabhängigen Anspruch 9 vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich anhand von Merkmalen der abhängigen Ansprüche. As a solution, the invention proposes a multi-level energy converter and an energy coupling device according to the
Bezüglich des Mehrpegelenergiewandlers wird insbesondere vorgeschlagen, dass die Steuereinheit die Wandlereinheiten zum Betreiben sowohl des ersten als auch des zweiten Anschlusses im Wechselspannungsbetrieb steuert. With regard to the multi-level energy converter, it is in particular proposed that the control unit controls the converter units for operating both the first and the second connection in AC operation.
Bezüglich der Energiekoppeleinrichtung wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass die Energiekoppeleinrichtung zwei Mehrpegelenergiewandler gemäß der Erfindung aufweist, wobei die Mehrpegelenergiewandler jeweils einen ersten Wechselspannungsanschluss zum Anschließen an die jeweilige Wicklung des Trenntransformators und einen zweiten Wechselspannungsanschluss zum Anschließen an das jeweilige Energieversorgungsnetz aufweisen, wobei ein erster der Mehrpegelenergiewandler die erste Wicklung mit dem ersten Energieversorgungsnetz elektrisch koppelt und der zweite der Mehrpegelenergiewandler die zweite Wicklung mit dem zweiten Energieversorgungsnetz elektrisch koppelt. With respect to the energy coupling device, the invention particularly proposes that the energy coupling device has two multi-level energy converters according to the invention, the multi-level energy converters each having a first AC voltage connection for connection to the respective winding of the isolation transformer and a second AC voltage connection for connection to the respective power supply network, wherein a first the multi-level energy converter electrically couples the first winding to the first power grid and the second of the multi-level power converters electrically couples the second winding to the second power grid.
Verfahrensseitig wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass die Steuereinheit die Wandlereinheiten derart steuert, dass sowohl der erste als auch der zweite Anschluss im Wechselspannungsbetrieb betrieben werden. In terms of the method, the invention particularly proposes that the control unit controls the converter units in such a way that both the first and the second connection are operated in AC operation.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass der Mehrpegelenergiewandler nicht nur an einem Gleichspannungszwischenkreis als Wechselrichter betrieben werden kann, sondern den Gleichspannungszwischenkreis dem Grunde nach nicht benötigt. Anders als Wechselrichter kann der Mehrpegelenergiewandler also gleichspannungszwischenkreislos betrieben werden. Dies erlaubt es, gegenüber der Energiekoppeleinrichtung des Stands der Technik, die auf der Nutzung von vier Wechselrichtern bei der Kopplung zweier Energieversorgungsnetze basiert, Aufwand einzusparen. Um den Trenntransformator beziehungsweise seine beiden Wicklungen mit den jeweiligen Energieversorgungsnetzen zu koppeln, ist somit für jedes Energieversorgungsnetz lediglich eine einzige Wandlereinrichtung in Form des Mehrpegelenergiewandlers erforderlich. Dadurch kann der Aufwand bezüglich des Wandelns erheblich reduziert werden, wodurch sich nicht nur der Wirkungsgrad erhöht, sondern auch Kosten und Bauraum reduziert werden können. The invention is based on the recognition that the multi-level energy converter can not only be operated as an inverter on a DC voltage intermediate circuit, but basically does not require the DC voltage intermediate circuit. Unlike inverters, the multi-level energy converter can therefore be operated with direct current DC voltage. This makes it possible to save effort compared to the energy coupling device of the prior art, which is based on the use of four inverters in the coupling of two power supply networks. In order to couple the isolating transformer or its two windings to the respective power supply networks, only one single converter device in the form of the multi-level energy converter is thus required for each energy supply network. As a result, the effort in terms of conversion can be significantly reduced, which not only increases the efficiency, but also costs and space can be reduced.
Mehrpegelenergiewandler sowie Verfahren zu deren Betrieb werden häufig im Bereich einer Hochspannungsgleichspannungsübertragung (HGÜ) eingesetzt, wobei Gleichspannungen im Bereich von mehreren 100 kV sowie Leistungen im Bereich von 1 GW vorgesehen sind. Vorzugsweise werden solche Mehrpegelenergiewandler bidirektional eingesetzt, wobei die elektrische Energie jeweils in eine gewünschte, vorzugsweise vorgebbare Richtung gewandelt werden kann. Vorzugsweise erfolgt die Wandlung der elektrischen Energie ohne wesentliche Änderung von Spannungspegeln, das heißt, dass ein Spannungspegel einer maximalen Amplitude der Wechselspannung des Energieversorgungsnetzes im Wesentlichen einem Spannungspegel der transformatorseitigen Wechselspannung entspricht. Multi-level energy converters and methods for their operation are often used in the field of high-voltage direct current (HVDC) transmission, with DC voltages in the range of several 100 kV and powers in the range of 1 GW are provided. Preferably, such multi-level energy converters are used bidirectionally, wherein the electrical energy can each be converted into a desired, preferably predeterminable direction. The conversion of the electrical energy preferably takes place without a significant change in voltage levels, that is to say that a voltage level of a maximum amplitude of the AC voltage of the energy supply network essentially corresponds to a voltage level of the transformer-side AC voltage.
Jede der Wandlereinheiten weist vorzugsweise zwei parallelgeschaltete Reihenschaltungen mit jeweils zwei Schaltelementen auf. Zu den Reihenschaltungen aus den Schaltelementen ist ferner der Wandlereinheitskondensator parallelgeschaltet. Dies erlaubt es, die Schaltungsstruktur einer Vollbrücke bezüglich jeder Wandlereinheit auszubilden. Mittelanschlüsse der jeweiligen Reihenschaltungen aus den Schaltelementen stellen die Wandlereinheitsanschlüsse bereit, mittels denen die Anschlüsse zu benachbarten Wandlereinheiten hergestellt werden können. Dadurch kann eine hohe Flexibilität bezüglich der Steuerung des Mehrpegelenergiewandlers erreicht werden. Each of the converter units preferably has two parallel-connected series circuits each having two switching elements. To the series circuits of the switching elements of the converter unit capacitor is further connected in parallel. This makes it possible to form the circuit structure of a full bridge with respect to each converter unit. Central terminals of the respective series circuits of the switching elements provide the converter unit terminals by means of which the connections to adjacent converter units can be made. As a result, a high degree of flexibility with regard to the control of the multi-level energy converter can be achieved.
Die Schaltelemente sind an die Steuereinheit angeschlossen, welche die Schaltelemente in geeigneter Weise steuert, um den gewünschten Wandlungsvorgang zu realisieren. Grundlegende Steuerungsverfahren bezüglich des Wandelns von Energie mittels eines Mehrpegelenergiewandlers zwischen einer Gleichspannung und einer WEchselspannung sind dem Fachmann dem Grunde nach bekannt, sodass auf eine detaillierte Darstellung des allgemeinen Wandlungsprinzips vorliegend verzichtet wird. Im Übrigen wird diesbezüglich auf eine Veröffentlichung von
Der Wandlereinheitskondensator kann durch einen Folienkondensator, einen Keramikkondensator, aber auch durch einen für Frequenzanwendungen geeigneten Elektrolytkondensator oder dergleichen gebildet sein. Der Wandlereinheitskondensator kann natürlich auch durch eine Kombination von mehreren Einzelkondensatoren, insbesondere unterschiedlicher Art, wie zuvor genannt, gebildet sein. The converter unit capacitor may be formed by a film capacitor, a ceramic capacitor, but also by an electrolytic capacitor suitable for frequency applications or the like. Of course, the converter unit capacitor can also be formed by a combination of a plurality of individual capacitors, in particular of different types, as mentioned above.
Ein Schaltelement im Sinne dieser Offenbarung ist vorzugsweise ein steuerbares elektronisches Schaltelement, beispielsweise ein steuerbarer elektronischer Halbleiterschalter, beispielsweise ein Transistor, ein Thyristor, Kombinationsschaltungen hiervon, vorzugsweise mit parallelgeschalteten Freilaufdioden, ein Gate-turn-of Thyristor (GTO) ein Isolated-Gate-Bipolar-Transistor (IGBT), Kombinationen hiervon oder dergleichen. Dem Grunde nach kann der Halbleiterschalter auch durch einen Metaloxide-Semiconductor-Feldeffekttransistor (MOSFET) gebildet sein. Vorzugsweise ist das Schaltelement durch die Steuereinheit steuerbar. For the purposes of this disclosure, a switching element is preferably a controllable electronic switching element, for example a controllable electronic semiconductor switch, for example a transistor, a thyristor, combination circuits thereof, preferably with freewheeling diodes connected in parallel, a gate turn-of-thyristor (GTO) an isolated-gate bipolar Transistor (IGBT), combinations thereof or the like. Basically, the semiconductor switch may also be formed by a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET). Preferably, the switching element is controllable by the control unit.
Besonderes vorteilhaft kann die Erfindung im Bereich der Mittelspannung Einsatz finden. Die Erfindung natürlich sowohl im Bereich der Niederspannung als auch im Bereich der Mittel- oder Hochspannung eingesetzt werden. Als Niederspannung im Sinne der Erfindung ist insbesondere eine Definition gemäß der
Der Mehrpegelenergiewandler der Erfindung weist den ersten Wechselspannungsanschluss zum Anschließen an die jeweilige Wicklung des Trenntransformators auf, an die auch die mehreren, in Reihe geschalteten Wandlereinheiten zum Wandeln von elektrischer Energie mit jeweils einem Wandlereinheitskondensator als Wandlerschaltung angeschlossen sind. Gegenüber dem Mehrpegelenergiewandler des Stands der Technik liegt also bei der Erfindung auch am dem Anschluss, der im Stand der Technik ein Gleichspannungsanschluss ist, Wechselspannung an. The multi-level energy converter of the invention has the first AC voltage terminal for connection to the respective winding of the isolation transformer, to which the plurality of series connected converter units for converting electrical energy are connected, each with a converter unit capacitor as a converter circuit. Compared to the multi-level energy converter of the prior art, the invention thus also applies AC voltage to the terminal, which is a DC voltage terminal in the prior art.
Insgesamt nutzt die Erfindung eine Eigenschaft des Mehrpegelenergiewandlers, nämlich einerseits im Wesentlichen zwischenkreislos betrieben werden zu können und andererseits unmittelbar eine Wechselspannung in eine andere Wechselspannung wandeln zu können, ohne dass die Erzeugung einer Gleichspannung zwischengeschaltet werden müsste. Overall, the invention uses a property of the multi-level energy converter, namely on the one hand to be able to be operated substantially without DC link and on the other hand to be able to directly convert an AC voltage to another AC voltage without the generation of a DC voltage must be interposed.
Die Erfindung benötigt für die Realisierung einer Energiekoppeleinrichtung also neben einem einphasigen Trenntransformator lediglich noch zwei Mehrpegelenergiewandler gemäß der Erfindung, mittels denen eine Energiewandlung zwischen zwei Wechselspannungen, von denen eine auch mehrphasig sein kann, unmittelbar realisiert werden kann. Ein Gleichspannungszwischenkreis kann vollständig eingespart werden. Dieser kann als Hochfrequenztransformator, als Mittelfrequenztransformator oder auch als Niederfrequenztransformator ausgebildet sein, je nach Anwendungsfall. Entsprechend sind die Mehrpegelenergiewandler und deren Betrieb angepasst ausgebildet. Dadurch können der Wirkungsgrad deutlich erhöht und/oder das Bauvolumen deutlich reduziert werden. The invention thus requires for the realization of an energy coupling device in addition to a single-phase isolation transformer only two more energy level converter according to the invention, by means of which an energy conversion between two AC voltages, one of which may be multiphase, can be realized immediately. A DC voltage intermediate circuit can be completely saved. This can be designed as a high-frequency transformer, as a medium-frequency transformer or as a low-frequency transformer, depending on the application. Accordingly, the multi-level energy converters and their operation are designed adapted. As a result, the efficiency can be significantly increased and / or the volume of construction can be significantly reduced.
Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass der Mehrpegelenergiewandler einen am ersten Anschluss angeschlossenen Zirkulationskondensator aufweist, und die Steuereinheit eingerichtet ist, einen Zirkulationsstrom durch die in Reihe geschalteten Wandlereinheiten des Mehrpegelenergiewandlers und gegebenenfalls den Zirkulationskondensator strömen zu lassen. Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, die Wandlereinheitskondensatoren in vorgebbarer Weise mit elektrischer Ladung zu versehen, so dass sie während des bestimmungsgemäßen Betriebs weniger beansprucht werden. Dies erlaubt es, die Wandlereinheitskondensatoren hinsichtlich ihres Kapazitätswertes kleiner zu wählen. Darüber hinaus kann bei einem dreiphasigen Betrieb an einem dreiphasigen Energieversorgungsnetz erreicht werden, dass Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Phasen während des Wandelns mittels des Mehrpegelenergiewandlers reduziert werden können. Insgesamt können dadurch der Aufwand für den Mehrpegelenergiewandler und auch seine Baugröße reduziert werden. Dies erweist sich als vorteilhaft, weil insbesondere im Bereich der Mittelspannung und der Hochspannung geeignete Kondensatoren nur schwierig zu beschaffen sind. According to a development, it is proposed that the multi-level energy converter has a circulation capacitor connected to the first connection, and the control unit is set up to flow a circulation current through the series-connected converter units of the multi-level energy converter and optionally the circulation capacitor. With this configuration, it is possible to provide the converter unit capacitors in a predeterminable manner with electrical charge, so that they are less stressed during normal operation. This allows the converter unit capacitors to be smaller in their capacitance value. In addition, in a three-phase operation on a three-phase power supply network can be achieved that interactions between the individual phases can be reduced during the conversion by means of the multi-level energy converter. Overall, the effort for the multi-level energy converter and its size can be reduced. This proves to be advantageous because in particular in the range of medium voltage and high voltage suitable capacitors are difficult to obtain.
Der optionale Zirkulationskondensator wird vorzugsweise so gewählt, dass der Zirkulationsstrom in bestimmungsgemäßer Weise strömen kann. Er ist nicht mit einem Zwischenkreiskondensator vergleichbar, zumal der Anschluss, an dem der Zirkulationskondensator angeschlossen ist, mit einer Wechselspannung beaufschlagt werden soll. Ein Zwischenkreiskondensator würde an dieser Stelle eine Funktionsstörung zur Folge haben. Infolgedessen ist ein Kapazitätswert des Zirkulationskondensators natürlich erheblich kleiner als der eines geeigneten Gleichspannungszwischenkreiskondensators. Sein Kapazitätswert ist vorzugsweise derart gewählt, dass sein Einfluss auf die Wechselspannung am ersten Anschluss gering, besonders bevorzugt vernachlässigbar, ist. The optional circulation condenser is preferably selected so that the circulation flow can flow in the intended manner. He is not with a DC link capacitor comparable, especially since the connection to which the circulation capacitor is connected, to be acted upon by an AC voltage. An intermediate circuit capacitor would result in a malfunction at this point. As a result, a capacitance value of the circulating capacitor is, of course, considerably smaller than that of a suitable DC intermediate capacitor. Its capacitance value is preferably chosen such that its influence on the AC voltage at the first terminal is low, particularly preferably negligible.
Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn der zweite Wechselspannungsanschluss des Mehrpegelenergiewandlers als Drei-Phasen-Wechselspannungsanschluss ausgebildet ist. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass für jede Phase des zweiten Wechselspannungsanschlusses jeweils in Reihe geschaltete Wandlereinheiten wie zuvor beschrieben vorgesehen sind, die jeweils zueinander parallelgeschaltet sind. Die Wandlereinheiten werden von der Steuereinheit unter Berücksichtigung einer Phasenverschiebung zwischen den drei Wechselspannungen am zweiten Wechselspannungsanschluss gesteuert. Auf diese Weise kann einfach eine Anschlussmöglichkeit für ein dreiphasiges Energieversorgungsnetz bereitgestellt werden. It proves to be particularly advantageous if the second AC voltage connection of the multilevel energy converter is designed as a three-phase AC voltage connection. This can be achieved, for example, by providing, for each phase of the second AC voltage connection, in each case series-connected converter units as described above, which are each connected in parallel to one another. The converter units are controlled by the control unit taking into account a phase shift between the three AC voltages at the second AC terminal. In this way, it is easy to provide a connection possibility for a three-phase power supply network.
Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass der Mehrpegelenergiewandler für jede Phase eine eigene Wandlerschaltung nach Art einer Reihenschaltung aus in Reihe geschalteten Wandlereinheiten aufweist. Diese Wandlerschaltungen beziehungsweise Reihenschaltungen sind vorzugsweise parallelgeschaltet und stellen jeweilige Phasenanschlüsse für die Wechselspannungen des dreiphasigen Energieversorgungsnetzes bereit. According to a development, it is proposed that the multi-level energy converter has, for each phase, its own converter circuit in the manner of a series connection of series-connected converter units. These converter circuits or series circuits are preferably connected in parallel and provide respective phase connections for the alternating voltages of the three-phase power supply network.
Die in Reihe geschalteten Wandlereinheiten einer jeweiligen Reihenschaltung sind vorzugsweise am ersten Wechselspannungsanschluss des Mehrpegelenergiewandlers angeschlossen. Damit kann eine unmittelbare Wandlung von Energie von einer Wechselspannungsseite zur anderen Wechselspannungsseite erreicht werden. Ein Gleichspannungszwischenkreis, wie er bei Einsatz von Wechselrichtern erforderlich ist, kann gänzlich eingespart werden. Durch die unmittelbare Wandlung können darüber hinaus der Aufwand für die Energiekoppeleinrichtung insgesamt und somit auf das Bauvolumen weiter reduziert werden. The series-connected converter units of a respective series circuit are preferably connected to the first AC voltage terminal of the multi-level energy converter. Thus, an immediate conversion of energy from one AC side to the other AC side can be achieved. A DC intermediate circuit, as required when using inverters, can be completely eliminated. Due to the immediate conversion beyond the effort for the power coupling device and thus on the overall volume can be further reduced.
Vorzugsweise ist ein Mittelanschluss der in Reihe geschalteten Wandlereinheiten einer jeweiligen Reihenschaltung mit dem zweiten Wechselspannungsanschluss gekoppelt. Diese Ausgestaltung sieht insbesondere vor, dass eine gerade Anzahl von Wandlereinheiten jeweils in Reihe geschaltet ist und der Mittelanschluss an zwei unmittelbar miteinander verbundenen Wandlereinheiten angeschlossen ist. Vorzugsweise ist der Mittelanschluss nach der Hälfte der Anzahl der Wandlereinheiten in der Reihenschaltung vorgesehen. Preferably, a center terminal of the series-connected converter units of a respective series circuit is coupled to the second AC voltage terminal. This embodiment provides in particular that an even number of converter units are each connected in series and the center connection is connected to two directly connected converter units. Preferably, the center port is provided after half of the number of converter units in the series circuit.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die in Reihe geschalteten Wandlereinheiten im Bereich des Koppelns des zweiten Wechselspannungsanschlusses durch eine Reihenschaltung aus zwei Reihenschaltungsinduktivitäten ergänzt sind, deren Verbindung an den zweiten Wechselspannungsanschluss angeschlossen ist. Die Reihenschaltungsinduktivitäten sind bei dieser Ausgestaltung also vorzugsweise zwischen die Wandlereinheiten und den zweiten Wechselspannungsanschluss zwischengeschaltet, wobei sie einerseits den zweiten Anschluss an ihrem gemeinsamen Verbindungspunkt bereitstellen und andererseits zu den weiteren Wandlereinheiten der Reihenschaltung ergänzend in Reihe geschaltet sind. Vorzugsweise ist die Zwischenschaltung der Reihenschaltungsinduktivitäten ebenfalls im Bereich des Mittelanschlusses der Reihenschaltung der Wandlereinheiten vorgesehen. According to a further embodiment, it is proposed that the series-connected converter units in the region of the coupling of the second AC voltage connection are supplemented by a series connection of two series circuit inductances whose connection is connected to the second AC voltage connection. The series circuit inductances are thus preferably interposed between the converter units and the second AC voltage terminal in this embodiment, on the one hand provide the second terminal at its common connection point and on the other hand are connected in series to the other converter units of the series connection. Preferably, the interposition of the series circuit inductances is likewise provided in the region of the middle terminal of the series connection of the converter units.
Darüber hinaus wird verfahrensseitig vorgeschlagen, dass parallel zu der ersten Wandlerschaltung die elektrische Energie mittels einer zweiten und einer dritten Wandlerschaltung gewandelt wird, wobei die Reihenschaltungen der Wandlerschaltungen identisch zur ersten Wandlerschaltung ausgebildet sind und jeweils einen dritten und einen vierten Anschluss bereitstellen, wobei die Wandlereinheiten der Wandlerschaltung im Wechselspannungsbetrieb mittels der Steuereinheit derart gesteuert werden, dass mit den zweiten, dritten und vierten Anschlüssen ein dreiphasiger Wechselspannungsbetrieb erreicht wird. Dadurch ist es möglich, den Mehrpegelenergiewandler mit geringem Aufwand für einen dreiphasigen Betrieb aufzurüsten. Hierbei zeigt sich der besondere Vorteil der Erfindung, dass nämlich für den dreiphasigen Betrieb ein aufwendiger Gleichspannungszwischenkreis dem Grunde nach vollständig eingespart werden kann. Moreover, the method proposes that the electrical energy is converted by means of a second and a third converter circuit parallel to the first converter circuit, wherein the series circuits of the converter circuits are identical to the first converter circuit and each provide a third and a fourth terminal, wherein the converter units of Converter circuit in AC operation by means of the control unit are controlled such that with the second, third and fourth terminals, a three-phase AC operation is achieved. This makes it possible to upgrade the multi-level energy converter with little effort for a three-phase operation. This shows the particular advantage of the invention that namely for the three-phase operation a complex DC voltage intermediate circuit can be completely saved basically.
Vorzugsweise steuert die Steuereinheit die Wandlereinheiten der Wandlerschaltung derart, dass ein Zirkulationsstrom durch die Wandlereinheiten erzeugt wird. Dadurch ist es möglich, einen Energieausgleich bei den einzelnen Wandlereinheiten, und hier insbesondere bei den Wandlereinheitskondensatoren zu ermöglichen, so dass deren Kapazität und damit das Bauvolumen insgesamt reduziert werden kann. Bei gegebenen Kapazitäten kann demnach auch eine höhere Leistung gewandelt werden. Preferably, the control unit controls the converter units of the converter circuit such that a circulation current is generated by the converter units. This makes it possible to enable an energy balance in the individual converter units, and in particular in the converter unit capacitors, so that their capacity and thus the overall volume can be reduced. For given capacities, therefore, a higher power can be converted.
Insbesondere bei wenigstens zwei Wandlerschaltungen für einen Mehrpegelenergiewandler kann der Zirkulationsstrom durch entsprechendes Steuern der Schaltelemente der Wandlereinheiten der beiden Wandlerschaltungen realisiert werden. Dies ist natürlich auch bei mehr als zwei Wandlerschaltungen möglich. In particular, in at least two converter circuits for a multi-level energy converter, the circulation current can be controlled by appropriately controlling the switching elements of the converter units the two converter circuits can be realized. Of course, this is also possible with more than two converter circuits.
Darüber hinaus kann ergänzend der Zirkulationskondensator vorgesehen sein, insbesondere wenn lediglich eine einzige Wandlerschaltung vorgesehen ist. Mittels des Zirkulationskondensators kann dann der Zirkulationsstrom realisiert werden. Natürlich kann der Zirkulationskondensator auch bei mehreren Wandlerschaltungen vorgesehen sein, um die Flexibilität der Realisierung des Zirkulationsstromes zu verbessern. Er wird hinsichtlich der Kapazität derart gewählt, dass sein Einfluss auf die am ersten Anschluss anliegende Wechselspannung im Wesentlichen vernachlässigt werden kann. In addition, the circulation capacitor may additionally be provided, in particular if only a single converter circuit is provided. By means of the circulation condenser, the circulation flow can then be realized. Of course, the circulation capacitor may also be provided in a plurality of converter circuits to improve the flexibility of the realization of the circulation current. It is chosen in terms of capacity such that its influence on the voltage applied to the first terminal AC voltage can be substantially neglected.
Weitere Vorteile und Merkmale sind der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren zu entnehmen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile und Funktionen. Further advantages and features can be taken from the following description of exemplary embodiments with reference to the figures. In the figures, like reference numerals designate like components and functions.
Es zeigen: Show it:
Die Energieversorgungsnetze
Der Mehrpegelenergiewandler
Die Steuereinheit steuert die Wandlereinheiten
Die Mehrpegelenergiewandler
Vorliegend ist vorgesehen, dass die Wandlerschaltungen
Die in Reihe geschalteten Wandlereinheiten
Aus
Am ersten Anschluss
Die zweiten Anschlüsse
In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Induktivität
Die vorgenannten Werte sind lediglich für das erläuternde Ausführungsbeispiel angegeben und können je nach Erfordernis beziehungsweise Anwendung in gewünschter Weise angepasst werden. Dem Grunde nach kann natürlich die Frequenz am ersten Anschluss
Das untere Diagramm der
Im unteren Diagramm der
In der mittleren Darstellung der
In der unteren Darstellung gemäß
In der
In den
Die Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend. Natürlich können Funktionen insbesondere auch Ausgestaltungen in Bezug auf die Mehrpegelenergiewandler sowie die Wandlereinheiten beliebig gestaltet sein, ohne den Gedanken der Erfindung zu verlassen. The embodiments are only illustrative of the invention and are not limiting for these. Of course, functions in particular embodiments in relation to the multi-level energy converter and the converter units can be designed arbitrarily, without departing from the spirit of the invention.
Schließlich ist anzumerken, dass die für die erfindungsgemäße Einrichtung beschriebenen Vorteile und Merkmale sowie Ausführungsformen gleichermaßen für das entsprechende Verfahren gelten und umgekehrt. Folglich können für Vorrichtungsmerkmale entsprechende Verfahrensmerkmale und umgekehrt vorgesehen sein. Finally, it should be noted that the advantages and features and embodiments described for the device according to the invention apply equally to the corresponding method and vice versa. Consequently, corresponding device features and vice versa can be provided for device features.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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- Richtlinie 2006/95/EG [0018] Directive 2006/95 / EC [0018]
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