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 independent claims 1 and 8. In addition, as a solution and a method according to the further independent claim 9 is proposed. Further advantageous embodiments will become apparent from the features of the dependent claims.

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 Lesnicar, A. und Marquardt, R. verwiesen, mit dem Titel „An innovative modular multi-level converter topology for wide power range“ veröffentlicht durch IEEE Power Tech Conference, Bologna, Italien, Juni 2003 . The switching elements are connected to the control unit, which controls the switching elements in a suitable manner to realize the desired conversion process. Basic control methods relating to the conversion of energy by means of a multi-level energy converter between a DC voltage and a changeover voltage are known to the person skilled in the art, so that a detailed description of the general conversion principle is omitted here. For the rest, a publication of Lesnicar, A. and Marquardt, R., entitled "An innovative modular multi-level converter topology for wide power range" published by the IEEE Power Tech Conference, Bologna, Italy, June 2003 ,

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 Richtlinie 2006/95/EG des europäischen Parlaments und des Rats vom 12.12.2006 zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedsstaaten elektrischer Betriebsmittel zur Verwendung innerhalb bestimmter Spannungsgrenzen zu verstehen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Spannungsbereich begrenzt, sondern kann besonders vorteilhaft benso im Bereich der Mittelspannung eingesetzt werden, der vorzugsweise einen Spannungsbereich größer als 1 kV bis einschließlich 52 kV umfassen kann. Particularly advantageous, the invention can be used in the field of medium voltage. Of course, the invention can be used both in the field of low voltage and in the range of medium or high voltage. As a low voltage according to the invention is in particular a definition according to the Directive 2006/95 / EC of the European Parliament and of the Council of 12.12.2006 on the approximation of the laws of the member states of electrical equipment for use within certain voltage limits. However, the invention is not limited to this voltage range, but can be used particularly advantageously benso in the range of medium voltage, which may preferably include a voltage range greater than 1 kV up to and including 52 kV.

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:

1 ein schematisches Blockschaltbild für eine Energiekoppeleinrichtung des Stands der Technik, 1 a schematic block diagram for a power coupling device of the prior art,

2 ein schematisches Blockschaltbild für eine Energiekoppeleinrichtung gemäß der Erfindung, 2 a schematic block diagram for a power coupling device according to the invention,

3 ein schematisches Blockschaltbild für eine Energiekoppeleinrichtung gemäß 2 mit einem Mehrpegelenergiewandler, 3 a schematic block diagram of an energy coupling device according to 2 with a multi-level energy converter,

4 eine schematische Schaltbilddarstellung für eine Wandlereinheit für den Mehrpegelenergiewandler gemäß 3, 4 a schematic diagram representation of a transducer unit for the multi-level energy converter according to 3 .

5 in schematischer Darstellung zwei Diagramme, von denen das obere Diagramm einen Zeitausschnitt eines Stromes am zweiten Anschluss des Mehrpegelenergiewandlers und das untere Diagramm eine schematische Darstellung einer Fouriertransformierten des im oberen Diagramm dargestellten Signals darstellt, 5 2 shows diagrammatically two diagrams, of which the upper diagram represents a time section of a current at the second connection of the multilevel energy converter and the lower diagram shows a schematic representation of a Fourier transform of the signal represented in the upper diagram,

6 schematisch zwei übereinander angeordnete Diagramme wie in 5, jedoch für den ersten Wechselspannungsanschluss des Mehrpegelenergiewandlers gemäß 3, 6 schematically two superimposed diagrams as in 5 However, for the first AC voltage terminal of the multi-level energy converter according to 3 .

7 drei übereinander angeordnete Diagramme in schematischer Darstellung, wobei das oberste Diagramm drei Phasen am zweiten Anschluss des Mehrpegelenergiewandlers gemäß 3, das mittlere Diagramm gemäß einem ersten Graphen die entsprechende Wechselspannung einer einzelnen Phase aus dem oberen Diagramm und überlagert hierzu gemäß einem zweiten Graphen den entsprechenden zugehörigen Strom, und das untere Diagramm Spannungen an den jeweiligen Wandlereinheitskondensatoren darstellt, 7 three superimposed diagrams in a schematic representation, wherein the uppermost diagram of three phases at the second terminal of the multi-level energy converter according to 3 , the middle diagram according to a first graph, the corresponding AC voltage of a single phase from the upper diagram and superimposed thereto according to a second graph, the corresponding associated current, and the lower diagram represents voltages to the respective converter unit capacitors,

8 in schematischer Darstellung ein Diagramm von am zweiten Anschluss des Mehrpegelenergiewandlers gemäß 3 erzeugten Wechselspannungen für ein dreiphasiges Energieversorgungsnetz, 8th a schematic diagram of the second terminal of the multi-level energy converter according to 3 generated AC voltages for a three-phase power grid,

9 zeitlich zugeordnet ein Diagramm in schematischer Darstellung, bei dem entsprechende Phasenströme dargestellt sind, die den erzeugten Wechselspannungen gemäß 8 gegenüber gestellt sind, 9 temporally assigned a diagram in a schematic representation, in which corresponding phase currents are shown, the generated AC voltages according to 8th are opposite,

10 in schematischer Darstellung ein Diagramm mit einem Spannungsverlauf am ersten Anschluss zugeführten elektrischen Spannung vom Trenntransformator, 10 a schematic diagram of a voltage waveform at the first terminal supplied electrical voltage from the isolation transformer,

11 in schematischer Darstellung eine überlagerte Darstellung entsprechend 10, bei der der zugeführten Wechselspannung am ersten Anschluss des Mehrpegelenergiewandlers ein entsprechender Strom überlagert dargestellt ist, 11 in a schematic representation of a superimposed representation accordingly 10 in which the supplied alternating voltage is shown superimposed on the first connection of the multilevel energy converter with a corresponding current,

12 schematisch eine Gesamtdarstellung einer Energiekoppeleinrichtung gemäß der Erfindung für einen Simulationsaufbau, 12 1 is a schematic representation of an overall representation of an energy coupling device according to the invention for a simulation setup;

13 in schematischer Darstellung ein Diagramm für einen Spannungs- und einen Stromverlauf einer Phase an einem von drei Phasenanschlüssen des zweiten Anschlusses des Mehrpegelenergiewandlers gemäß 12, wobei für alle drei Phasen ein gleicher Leistungsfaktor vorliegt, 13 a schematic diagram of a voltage and a current waveform of a phase at one of three phase terminals of the second terminal of the multi-level energy converter according to 12 , where there is an equal power factor for all three phases,

14 in schematischer Darstellung zwei übereinander angeordnete und zeitlich zueinander zugeordnete Diagramme, in denen Wandlereinheitskondensatorspannungen eines ersten und eines zweiten Mehrpegelenergiewandlers gemäß 12 dargestellt sind, 14 in a schematic representation of two superimposed and temporally associated diagrams in which converter unit capacitor voltages of a first and a second multi-level energy converter according to 12 are shown

15 und 16 in schematischer Darstellung energieversorgungsnetzseitige dreiphasige Spannungsverläufe der beiden in 12 dargestellten Mehrpegelenergiewandler, und 15 and 16 schematic representation of energy supply network side three-phase voltage waveforms of the two in 12 illustrated multi-level energy converters, and

17 in schematischer Darstellung ein Spannungsverlauf der transformatorseitigen Wechselspannung der Mehrpegelenergiewandler gemäß 12. 17 in a schematic representation of a voltage curve of the transformer-side AC voltage of the multi-level energy converter according to 12 ,

1 zeigt eine Energiekoppeleinrichtung 10 gemäß dem Stand der Technik, die zwei Energieversorgungsnetze 12, 14 miteinander koppelt. Die Energieversorgungsnetze 12, 14 sind mittels der Energiekoppeleinrichtung 10 galvanisch getrennt gekoppelt. Die Energiekoppeleinrichtung 10 erlaubt einen bidirektionalen Energiefluss. 1 shows an energy coupling device 10 according to the prior art, the two power grids 12 . 14 coupled with each other. The energy supply networks 12 . 14 are by means of Energy coupling apparatus 10 coupled galvanically isolated. The energy coupling device 10 allows a bidirectional flow of energy.

Die Energieversorgungsnetze 12, 14 sind jeweils dreiphasig mit einer Phasenspannung, das heißt, einer Effektivspannung von 400 V bei 50 Hz ausgelegt. An die Energieversorgungsnetze 12, 14 ist jeweils ein Wechselrichter 40 angeschlossen, der an einem Gleichspannungszwischenkreis 44 angeschlossen ist. An die jeweiligen Gleichspannungskreise 44 sind einphasige Mittelfrequenzwechselrichter 42 angeschlossen, die wechselspannungsseitig jeweils an Wicklungen 18, 20 eines Mittelfrequenztrenntransformators 16 angeschlossen sind. Diese Energiekoppeleinrichtung 10 des Stands der Technik erfordert vier Wechselrichter 40, 42, um die energietechnische Kopplung der Energiekopplungseinrichtung 10 in bestimmungsgemäßer Weise darstellen zu können. Dabei zeigt es sich, dass neben dem hohen Aufwand auch der Wirkungsgrad gegenüber einer energietechnischen Kopplung mittels eines gewöhnlichen Trenntransformators bei Netzfrequenz erheblich reduziert ist. The energy supply networks 12 . 14 are each designed in three-phase with a phase voltage, that is, an effective voltage of 400 V at 50 Hz. To the power grids 12 . 14 is each an inverter 40 connected to a DC voltage intermediate circuit 44 connected. To the respective DC voltage circuits 44 are single-phase medium frequency inverters 42 connected, the AC voltage side in each case to windings 18 . 20 a medium-frequency isolation transformer 16 are connected. This energy coupling device 10 The prior art requires four inverters 40 . 42 to the energy technology coupling of the energy coupling device 10 to be able to represent in the intended manner. It turns out that in addition to the high cost and the efficiency compared to a power engineering coupling using a standard isolation transformer is significantly reduced at mains frequency.

2 zeigt eine Energiekoppeleinrichtung 10 gemäß der Erfindung, bei der anstelle der vier Wechselrichter 40, 42 zwei Mehrpegelenergiewandler 22, 24 zum Einsatz kommen. Gegenüber Wechselrichtern 40, 42 haben Mehrpegelenergiewandler 22, 24 einen höheren Wirkungsgrad. Die Erfindung erlaubt es darüber hinaus, dadurch, dass die Mehrpegelenergiewandler 22, 24 an ihren beiden Anschlüssen im Wechselspannungsbetrieb betrieben werden, dass ein Gleichspannungszwischenkreis, wie der Gleichspannungszwischenkreis 44 gemäß 1, eingespart werden kann. Der Trenntransformator 16 gemäß 2 entspricht vorliegend dem Trenntransformator 16 gemäß 1. 2 shows an energy coupling device 10 according to the invention, in place of the four inverters 40 . 42 two multi-level energy converters 22 . 24 be used. Opposite inverters 40 . 42 have multi-level energy converters 22 . 24 a higher efficiency. The invention also makes it possible, in that the multi-level energy converter 22 . 24 be operated at their two terminals in AC operation that a DC voltage intermediate circuit, such as the DC intermediate circuit 44 according to 1 , can be saved. The isolation transformer 16 according to 2 corresponds in this case to the isolating transformer 16 according to 1 ,

3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild für die Mehrpegelenergiewandler 22, 24 gemäß 2. Vorliegend ist vorgesehen, dass die Mehrpegelenergiewandler 22, 24 identisch ausgebildet sind, jedoch kann in alternativen Ausgestaltungen vorgesehen sein, dass es sich um unterschiedliche Mehrpegelenergiewandler handelt, beispielsweise wenn mittels des Trenntransformators 16 zugleich eine Spannungswandlung bereitgestellt wird. 3 shows a schematic block diagram for the multi-level energy converter 22 . 24 according to 2 , In the present case it is provided that the multi-level energy converters 22 . 24 are formed identically, but may be provided in alternative embodiments that it is different multi-level energy converters, for example when using the isolation transformer 16 at the same time a voltage transformation is provided.

Der Mehrpegelenergiewandler 22, 24 gemäß 3 weist Anschlüsse 34, 36 auf, an denen elektrische Energie zugeführt beziehungsweise abgeführt werden kann. Die elektrische Energie wird mittels drei an dem ersten der beiden Anschlüsse 36 des Mehrpegelenergiewandlers 22, 24 angeschlossenen Wandlerschaltungen 38 gewandelt. Zu diesem Zweck weisen die Wandlerschaltungen 38 mehrere in Reihe geschaltete Wandlereinheiten 26 mit einem Wandlereinheitskondensator 48 auf (4). Die Wandlerschaltungen 38 stellen Mittelanschlüsse bereit, die mit dem zweiten der Anschlüsse 34 gekoppelt sind. Die Wandlerschaltungen 38 werden mittels einer Steuereinheit 62, 64 (12) derart gesteuert, dass elektrische Energie gewandelt wird. Vorliegend ist vorgesehen, dass mittels der drei Wandlerschaltungen 38 am zweiten Anschluss 34 ein dreiphasiges Wechselspannungsnetz bereitgestellt wird. The multi-level energy converter 22 . 24 according to 3 has connections 34 . 36 on, where electrical energy can be supplied or removed. The electrical energy is transmitted by means of three at the first of the two connections 36 of the multi-level energy converter 22 . 24 connected converter circuits 38 changed. For this purpose, the converter circuits 38 several series-connected converter units 26 with a converter unit capacitor 48 on ( 4 ). The converter circuits 38 Provide center connections with the second of the ports 34 are coupled. The converter circuits 38 be by means of a control unit 62 . 64 ( 12 ) is controlled so that electrical energy is converted. In the present case, it is provided that by means of the three converter circuits 38 at the second connection 34 a three-phase alternating voltage network is provided.

Die Steuereinheit steuert die Wandlereinheiten 26 ferner derart, dass sowohl der erste als auch der zweite Anschluss 34, 36 im Wechselspannungsbetrieb betrieben werden. The control unit controls the converter units 26 further such that both the first and second terminals 34 . 36 be operated in AC operation.

Die Mehrpegelenergiewandler 22, 24 weisen jeweils einen ersten Wechselspannungsanschluss 36 zum Anschließen an die jeweilige Wicklung 18, 20 des Trenntransformators 16 und einen zweiten Wechselspannungsanschluss 34 zum Anschließen an das jeweilige Energieversorgungsnetz 12, 14 auf. Ein erster der Mehrpegelenergiewandler 22 koppelt elektrisch die erste Wicklung 18 mit dem ersten Energieversorgungsnetz 12. Der zweite der Mehrpegelenergiewandler 24 koppelt elektrisch die zweite Wicklung 20 mit dem zweiten Energieversorgungsnetz 14. Der zweite Wechselspannungsanschluss 34 des Mehrpegelenergiewandlers 22, 24 ist jeweils als Drei-Phasen-Wechselspannungsanschluss ausgebildet. Zu diesem Zweck werden drei entsprechende nicht bezeichnete Anschlüsse bereitgestellt (4). The multi-level energy converters 22 . 24 each have a first AC voltage connection 36 for connection to the respective winding 18 . 20 of the isolation transformer 16 and a second AC voltage terminal 34 for connection to the respective power supply network 12 . 14 on. A first of the multi-level energy converters 22 electrically couples the first winding 18 with the first power supply network 12 , The second of the multi-level energy converters 24 electrically couples the second winding 20 with the second power grid 14 , The second AC voltage connection 34 of the multi-level energy converter 22 . 24 is designed in each case as a three-phase AC voltage connection. For this purpose, three corresponding unsigned ports are provided ( 4 ).

Vorliegend ist vorgesehen, dass die Wandlerschaltungen 38 jeweils sechs Wandlereinheiten 26 aufweisen, die jeweils in einer Reihenschaltung geschaltet sind. Die Reihenschaltungen der Wandlerschaltungen 38 sind parallelgeschaltet und an den ersten Anschluss 36 der Mehrpegelenergiewandler 22, 24 angeschlossen. In the present case it is provided that the converter circuits 38 six converter units each 26 have, each connected in a series circuit. The series circuits of the converter circuits 38 are connected in parallel and to the first connection 36 the multi-level energy converter 22 . 24 connected.

Die in Reihe geschalteten Wandlereinheiten 26 der Wandlerschaltungen 38 sind jeweils im Bereich des Koppelns des zweiten Wechselspannungsanschlusses 34 durch eine Reihenschaltung aus zwei Reihenschaltungsinduktivitäten 28 ergänzt. Die Verbindung zwischen den beiden Reihenschaltungsinduktivitäten 28 ist an den zweiten Wechselspannungsanschluss 34 beziehungsweise an die entsprechenden Phasenanschlüsse angeschlossen. Vorliegend ist vorgesehen, dass die jeweiligen Phasenanschlüsse über eine Anschlussinduktivität 30 an die jeweiligen Verbindungen der Reihenschaltungsinduktivitäten 28 angeschlossen sind. The series connected converter units 26 the converter circuits 38 are each in the range of coupling the second AC terminal 34 by a series connection of two series circuit inductances 28 added. The connection between the two series connection inductances 28 is to the second AC voltage connection 34 or connected to the corresponding phase connections. In the present case it is provided that the respective phase connections via a connection inductance 30 to the respective connections of the series connection inductances 28 are connected.

4 zeigt eine schematische Schaltbilddarstellung einer der Wandlereinheiten 26. Vorliegend sind die Wandlereinheiten 26 identisch zueinander ausgebildet. Die Wandlereinheit 26 gemäß 4 umfasst zwei parallelgeschaltete Reihenschaltungen aus IGBTs 50, zu denen parallel der Wandlereinheitskondensator 48 angeschlossen ist. Mittelpunkte der Reihenschaltungen der IGBTs 50 bilden Anschlüsse 52, 54 der Wandlereinheit 26. Mittels der Anschlüsse 52, 54 können die Wandlereinheiten 26 in Reihenschaltung verschaltet werden. Vorliegend ist vorgesehen, dass die Wandlereinheiten 26 sämtlich identisch sind. In alternativen Ausführungsbeispielen können jedoch auch abweichende Wandlereinheiten vorgesehen sein, beispielsweise hinsichtlich des Wandlereinheitskondensators und/oder dergleichen. 4 shows a schematic diagram representation of one of the converter units 26 , In the present case are the converter units 26 formed identical to each other. The converter unit 26 according to 4 comprises two parallel series circuits of IGBTs 50 , parallel to which Conversion unit capacitor 48 connected. Centers of the series connections of the IGBTs 50 form connections 52 . 54 the transducer unit 26 , By means of the connections 52 . 54 can the converter units 26 be connected in series connection. In the present case it is provided that the converter units 26 are all identical. In alternative embodiments, however, deviating converter units may also be provided, for example with regard to the converter unit capacitor and / or the like.

Aus 3 ist ferner ersichtlich, dass der erste Anschluss 36 eine Anschlussinduktivität 32 aufweist. Diese dient zur besseren Anpassung des ersten Anschlusses 36 an den Trenntransformator 16. Out 3 It can also be seen that the first connection 36 a connection inductance 32 having. This serves for better adaptation of the first connection 36 to the isolation transformer 16 ,

12 zeigt schematisch einen Simulationsaufbau für eine Energiekoppeleinrichtung 10 gemäß der Erfindung. Die Energiekoppeleinrichtung 10 umfasst danach die zwei Mehrpegelenergiewandler 22, 24, deren erste Anschlüsse 26 an den Transformator 16 angeschlossen sind. Darüber hinaus sind die Mehrpegelenergiewandler 22, 24 über eine Anschlussleitung 66 an ein gemeinsames Taktsignal angeschlossen. Schließlich ist für jeden der Mehrpegelenergiewandler 22, 24 eine ihm zugeordnete Steuereinheit 62, 64 vorgesehen, die ebenfalls über die Anschlussleitung 66 an den jeweiligen Mehrpegelenergiewandler 22, 24 angeschlossen ist. 12 schematically shows a simulation structure for a power coupling device 10 according to the invention. The energy coupling device 10 then includes the two multi-level energy converters 22 . 24 whose first connections 26 to the transformer 16 are connected. In addition, the multi-level energy converters 22 . 24 via a connecting cable 66 connected to a common clock signal. Finally, for each of the multi-level energy converters 22 . 24 a control unit associated with it 62 . 64 provided, which likewise over the connection line 66 to the respective multi-level energy converter 22 . 24 connected.

Am ersten Anschluss 36 des Mehrpegelenergiewandlers 22 ist ferner eine Messeinrichtung 68 angeschlossen, mittels der eine elektrische Spannung des ersten Anschlusses 36 erfasst werden kann. At the first connection 36 of the multi-level energy converter 22 is also a measuring device 68 connected, by means of an electrical voltage of the first terminal 36 can be detected.

Die zweiten Anschlüsse 34 der Mehrpegelenergiewandler 22, 24 sind über Entkoppelnetzwerke 76, 78 sowie Messblöcke 70, 72 parallelgeschaltet und über einen weiteren Messblock 60 an eine dreiphasige Energiequelle 74 angeschlossen. The second connections 34 the multi-level energy converter 22 . 24 are via decoupling networks 76 . 78 as well as measuring blocks 70 . 72 connected in parallel and via another measuring block 60 to a three-phase source of energy 74 connected.

In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Induktivität 32 einen Wert von 4,5 mH aufweist. Die Anschlussinduktivität 30 weist vorliegend eine Induktivität von 10 µH auf. Die Kapazität der Wandlereinheitskondensatoren 48 beträgt vorliegend 1,5 mF. Die Reihenschaltungsinduktivitäten 28 weisen vorliegend eine Induktivität von 0,8 µH auf. Für jede der drei Phasen ist eine Spannung im Spitze-Spitze-Wert von etwa 700 V vorgesehen. Die Frequenzen der Wechselspannung am zweiten Anschluss 34 betragen 50 Hz. Die Spitze-Spitze-Spannung der Wechselspannung am ersten Wechselspannungsanschluss 36 der Mehrpegelenergiewandler 22, 24 beträgt vorliegend etwa 400 V. Die Frequenz der Wechselspannung am ersten Wechselspannungsanschluss 36 beträgt etwa 1000 Hz. In the present embodiment, it is provided that the inductance 32 has a value of 4.5 mH. The connection inductance 30 in the present case has an inductance of 10 μH. The capacity of the converter unit capacitors 48 in the present case is 1.5 mF. The series circuit inductances 28 in the present case have an inductance of 0.8 μH. For each of the three phases, a voltage in the peak-to-peak value of about 700V is provided. The frequencies of the AC voltage at the second terminal 34 is 50 Hz. The peak-to-peak voltage of the AC voltage at the first AC terminal 36 the multi-level energy converter 22 . 24 in the present case is about 400 V. The frequency of the AC voltage at the first AC voltage terminal 36 is about 1000 Hz.

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 36 des Mehrpegelenergiewandlers 22, 24 auch niedriger als die Frequenz der Wechselspannung am zweiten Anschluss 34 sein. The above values are given only for the illustrative embodiment and can be adjusted as desired according to the need or application. Basically, of course, the frequency at the first port 36 of the multi-level energy converter 22 . 24 also lower than the frequency of the AC voltage at the second terminal 34 be.

5 zeigt schematisch zwei übereinander angeordnete Diagramme, wobei in dem oberen Diagramm mittels eines Graphen ein Stromverlauf einer der Phasen am zweiten Wechselspannungsanschluss 34 dargestellt ist. Die Abszisse ist eine Zeitachse, in der die Zeit in s angegeben ist. Auf der Ordinate ist der Strom in A aufgetragen. Zu erkennen ist, dass mit dem im oberen Diagramm dargestellten Graphen ein Wechselstrom mit einer Amplitude von etwa 40 A bei einer Frequenz von 50 Hz dargestellt ist. 5 schematically shows two superimposed diagrams, wherein in the upper diagram by means of a graph, a current waveform of one of the phases at the second AC voltage terminal 34 is shown. The abscissa is a time axis in which the time is indicated in s. On the ordinate the current in A is plotted. It can be seen that the graph shown in the upper diagram shows an alternating current with an amplitude of about 40 A at a frequency of 50 Hz.

Das untere Diagramm der 5 stellt eine entsprechende Fouriertransformierte des im oberen Diagramm dargestellten Signalausschnitts dar. Entsprechend ist die Abszisse der Frequenz in Hz zugeordnet. Zu erkennen ist, dass bei 50 Hz ein großer Wert dargestellt ist, wohingegen Oberwellen sowie Subharmonische sehr klein ausfallen. Der im oberen Diagramm dargestellte Verlauf des Stromes ist somit in hoher Qualität sinusförmig. The lower diagram of the 5 represents a corresponding Fourier transform of the signal detail shown in the upper diagram. Accordingly, the abscissa is assigned to the frequency in Hz. It can be seen that at 50 Hz a large value is shown, whereas harmonics and subharmonics are very small. The course of the current shown in the upper diagram is thus sinusoidal in high quality.

6 zeigt zwei Diagramme, die übereinander geordnet wie bei 5. Im oberen Diagramm ist mittels eines Graphen der Stromfluss am ersten Anschluss 36 des Mehrpegelenergiewandlers 22, 24 dargestellt. Entsprechend ist die Ordinate dem Strom gemessen in A zugeordnet, wohingegen die Abszisse eine Zeitachse ist, auf der die Zeit in s angegeben ist. Aus dem oberen Diagramm ergibt sich, dass der dort dargestellte Stromverlauf eine Amplitude von etwa 100 A bei einer Frequenz von 1 kHz aufweist. 6 shows two diagrams arranged one above the other as in 5 , In the upper diagram, a graph shows the current flow at the first connection 36 of the multi-level energy converter 22 . 24 shown. Accordingly, the ordinate is assigned to the current measured in A, whereas the abscissa is a time axis on which the time is indicated in s. It can be seen from the upper diagram that the current profile shown there has an amplitude of approximately 100 A at a frequency of 1 kHz.

Im unteren Diagramm der 6 ist wieder die Fouriertransformierte des Signalausschnitts des oberen Diagramms dargestellt. Entsprechend ist die Abszisse der Frequenz in Hz zugeordnet. Zu erkennen ist aus der unteren Darstellung der 6, dass die Fouriertransformierte bei der Betriebsfrequenz von 1 kHz ein sehr großer Ausschlag erfolgt. Ein diesbezüglich vernachlässigbarer Ausschlag ist lediglich noch bei 3000 Hz und noch geringer bei 500 Hz erkennbar. Dadurch ergibt sich, dass mittels des Mehrpegelenergiewandlers 22, 24 eine Wechselspannung mit hoher Qualität erzeugt werden kann, mit der der Trenntransformator 16 beaufschlagt wird. Die hohe Qualität der Wechselspannung erlaubt es, Verluste im Trenntransformator 16 möglichst gering zu halten. In the lower diagram of the 6 again the Fourier transform of the signal section of the upper diagram is shown. Accordingly, the abscissa is assigned to the frequency in Hz. To recognize is from the lower representation of the 6 in that the Fourier transform takes place at the operating frequency of 1 kHz, a very large deflection. A negligible rash is recognizable only at 3000 Hz and even lower at 500 Hz. This results in that by means of the multi-level energy converter 22 . 24 an AC voltage can be generated with high quality, with which the isolation transformer 16 is charged. The high quality of the AC voltage allows losses in the isolation transformer 16 keep as low as possible.

7 zeigt drei übereinander dargestellte Diagramme, die den zweiten Anschluss 34 des Mehrpegelenergiewandlers 22 gemäß 12 betreffen. Bei 12 ist vorliegend vorgesehen, dass elektrische Energie vom Mehrpegelenergiewandler 22 über den Trenntransformator 16 zum Mehrpegelenergiewandler 24 gefördert wird. Die obere Darstellung der 7 zeigt die elektrischen Spannungen der drei Phasen der am zweiten Wechselspannungsanschluss 34 des Mehrpegelenergiewandlers 22 zugeführten elektrischen Energie. Die Ordinate ist demzufolge der elektrischen Spannung in V zugeordnet, wohingegen die Abszisse eine Zeitachse ist, auf der die Zeit in s dargestellt ist. Zu erkennen ist, dass es sich um eine dreiphasige Wechselspannung handelt, bei der jede Phase eine Spannungsamplitude von etwa 230 V bei einer Frequenz von 50 Hz aufweist. Die drei Wechselspannungen sind jeweils um 120° verschoben. 7 shows three superimposed diagrams showing the second port 34 of the multi-level energy converter 22 according to 12 affect. at 12 is provided in the present case that electrical energy from the multi-level energy converter 22 over the isolating transformer 16 to the multi-level energy converter 24 is encouraged. The upper illustration of the 7 shows the electrical voltages of the three phases of the second AC terminal 34 of the multi-level energy converter 22 supplied electrical energy. The ordinate is therefore assigned to the electrical voltage in V, whereas the abscissa is a time axis on which the time is shown in s. It can be seen that it is a three-phase AC voltage, in which each phase has a voltage amplitude of about 230 V at a frequency of 50 Hz. The three AC voltages are each shifted by 120 °.

In der mittleren Darstellung der 7 ist mittels eines Graphen 80 die elektrische Spannung einer einzelnen Phase des obigen Diagramms separiert mit einem zugehörigen Phasenstrom gemäß einem Graphen 82 dargestellt. Zu erkennen ist, dass die Amplitude des Phasenstroms etwa 40 A beträgt. Die Wechselspannung und der Wechselstrom sind in der Phase gleich. Die Zeitachse entspricht der Zeitachse der oberen Darstellung. In the middle illustration of the 7 is by means of a graph 80 the electrical voltage of a single phase of the above diagram is separated with an associated phase current according to a graph 82 shown. It can be seen that the amplitude of the phase current is about 40 A. The alternating voltage and the alternating current are equal in phase. The time axis corresponds to the time axis of the upper representation.

In der unteren Darstellung gemäß 7 ist ein weiteres Diagramm mit einer ebensolchen Zeitachse wie die beiden oberen Diagramme dargestellt. In diesem Diagramm ist der Spannungsverlauf an einem der Wandlereinheitskondensatoren 26 dargestellt. Entsprechend ist die Ordinate der elektrischen Spannung in V zugeordnet. Vorliegend ist für jede der Phasen jeweils einer der Wandlereinheitskondensatoren 48 hinsichtlich seiner Spannung exemplarisch dargestellt. Zu erkennen ist, dass die Spannung an den Wandlereinheitskondensatoren 48 im Rhythmus der Wechselspannung an den Phasenanschlüssen des zweiten Wechselspannungsanschlusses 34 schwankt. Zugleich ist ein Rippel überlagert, der vorliegend durch die Wechselspannung am ersten Wechselspannungsanschluss 36 aufgrund der Einwirkung des entsprechenden Wechselstromes überlagert ist. Entsprechend weist der Rippel eine Frequenz von 1 kHz auf. In the lower illustration according to 7 is another diagram with a same time axis as the two upper diagrams shown. In this diagram, the voltage waveform on one of the converter unit capacitors 26 shown. Accordingly, the ordinate of the electrical voltage in V is assigned. In the present case, one of the converter unit capacitors is in each case for each of the phases 48 in terms of its voltage exemplified. It can be seen that the voltage across the converter unit capacitors 48 in the rhythm of the AC voltage at the phase terminals of the second AC voltage terminal 34 fluctuates. At the same time a ripple is superimposed, in the present case by the AC voltage at the first AC voltage connection 36 is superimposed due to the action of the corresponding alternating current. Accordingly, the ripple has a frequency of 1 kHz.

8 zeigt schematisch ein Diagramm mit der am zweiten Wechselspannungsanschluss 34 des Mehrpegelenergiewandlers 24 bereitgestellten elektrischen Wechselspannung, die hier ebenfalls dreiphasig ist. In dem Diagramm der 8 ist deshalb die Abszisse eine Zeitachse, bei der die Zeit in s dargestellt ist und die Ordinate eine Spannungsachse, bei der die elektrische Spannung in V angegeben ist. Zu erkennen ist, dass die bereitgestellte Wechselspannung eine mittlere Spannungsamplitude von etwa 500 V bei einer Frequenz von 50 Hz aufweist. Auch hier werden drei Phasen erzeugt, die gegeneinander um etwa 120° verschoben sind. Aus der Darstellung gemäß 8 ist ferner ersichtlich, dass jede der Spannungen an den Phasenanschlüssen durch einen hochfrequenten Rippel überlagert ist. Dieser Rippel weist die Frequenz von 1 kHz auf, die sich aufgrund der Energieübertragung vom Mehrpegelenergiewandler 22 über den Trenntransformator 16 zum Mehrpegelenergiewandler 24 ergibt. Falls erforderlich, können ergänzend Filtermaßnahmen vorgesehen sein, um den Rippel zu dämpfen. 8th schematically shows a diagram with the second AC voltage terminal 34 of the multi-level energy converter 24 provided electrical AC voltage, which is also three-phase here. In the diagram of 8th Therefore, the abscissa is a time axis in which the time is shown in s and the ordinate a voltage axis in which the voltage is indicated in V. It can be seen that the AC voltage provided has a mean voltage amplitude of about 500 V at a frequency of 50 Hz. Again, three phases are generated, which are shifted from each other by about 120 °. From the illustration according to 8th It can also be seen that each of the voltages at the phase terminals is superimposed by a high frequency ripple. This ripple has the frequency of 1 kHz due to the energy transfer from the multi-level energy converter 22 over the isolating transformer 16 to the multi-level energy converter 24 results. If necessary, additional filtering measures can be provided to dampen the ripples.

9 zeigt in zeitlich entsprechender Darstellung zur 8 Stromverläufe der jeweiligen in 8 dargestellten elektrischen Phasenspannungen. Das Diagramm gemäß 9 weist deshalb als Abszisse die Zeitachse wie 8 auf, wohingegen die Ordinate dem elektrischen Strom der jeweiligen Phase in A zugeordnet ist. Zu erkennen ist, dass der Stromverlauf jeder der drei Phasen der Sinusform im Wesentlichen entspricht und zwischen den Wechselspannungen an den Phasenanschlüssen und den zugeordneten Wechselströmen im Wesentlichen keine Phasenverschiebung vorliegt. 9 shows in timely representation to 8th Current curves of the respective in 8th illustrated electrical phase voltages. The diagram according to 9 Therefore, the abscissa indicates the time axis as 8th whereas the ordinate is assigned to the electric current of the respective phase in A. It can be seen that the current profile of each of the three phases substantially corresponds to the sinusoidal shape and there is substantially no phase shift between the alternating voltages at the phase terminals and the associated alternating currents.

In der 10 ist ein Spannungsverlauf des ersten Anschlusses 36 des Mehrpegelenergiewandlers 24 dargestellt, wobei die Abszisse wieder eine Zeitachse mit der Zeit in s und die Ordinate eine Spannungsachse mit einer elektrischen Spannung in V zugeordnet ist. Zu erkennen ist, dass eine Wechselspannung von etwa 450 V in der Amplitude und 1 kHz in der Frequenz vorliegt. In the 10 is a voltage curve of the first connection 36 of the multi-level energy converter 24 wherein the abscissa is again assigned a time axis with time in s and the ordinate a voltage axis with an electrical voltage in V. It can be seen that there is an AC voltage of about 450 V in amplitude and 1 kHz in frequency.

11 zeigt ein weiteres Diagramm wie 10, bei dem jedoch einem Graphen 84 bezüglich der elektrischen Spannung, wie sie in 10 dargestellt ist, ein entsprechender zugehöriger elektrischer Strom überlagert mit einem zweiten Graphen 86 dargestellt ist. Zu erkennen ist, dass der elektrische Strom gegenphasig zur elektrischen Spannung ist und eine Amplitude von etwa 80 A aufweist. 11 shows another diagram like 10 in which, however, a graph 84 in terms of electrical voltage, as in 10 a corresponding associated electrical current is superimposed with a second graph 86 is shown. It can be seen that the electrical current is in opposite phase to the electrical voltage and has an amplitude of about 80 A.

13 zeigt in einer oberen Darstellung mittels eines Graphen 88 eine Phasenspannung und mittels eines Graphen 90 einen Phasenstrom einer der Phasen am zweiten elektrischen Anschluss 34 des Mehrpegelenergiewandlers 22, 24 bei Wechsel der Energieflussrichtung und bei einheitlichem Leistungsfaktor. Eine entsprechend zugeordnete Darstellung der Spannungen an den Wandlereinheitskondensatoren 48 findet sich in 14. In 14 sind zwei Diagramme übereinander angeordnet, die identische Zeitachsen als Abszisse und Spannungsachsen als Ordinate aufweisen. Die Zeit ist in s und die Spannung in V angegeben. Die obere der beiden Darstellungen ist den Wandlereinheitskondensatoren 48 des Mehrpegelenergiewandlers 22 und die untere der beiden Darstellungen den Wandlereinheitskondensatoren 48 des Mehrpegelenergiewandlers 24 zugeordnet. Zu erkennen ist, dass bei etwa 0,27 s ein Richtungswechsel des Energieflusses erfolgt. Im Bereich von 0,2 s bis 0,27 s erfolgt der Energiefluss vom Mehrpegelenergiewandler 22 zum Mehrpegelenergiewandler 27. Danach, das heißt, ab etwa 0,27 s, kehrt sich die Energieflussrichtung um. 13 shows in an upper representation by means of a graph 88 a phase voltage and by means of a graph 90 a phase current of one of the phases at the second electrical connection 34 of the multi-level energy converter 22 . 24 when changing the direction of energy flow and at a uniform power factor. A correspondingly assigned representation of the voltages on the converter unit capacitors 48 can be found in 14 , In 14 Two diagrams are arranged one above the other with identical time axes as abscissa and stress axes as ordinate. The time is given in s and the voltage in V. The upper of the two representations is the converter unit capacitors 48 of the multi-level energy converter 22 and the lower of the two representations of the converter unit capacitors 48 of the multi-level energy converter 24 assigned. It can be seen that at about 0.27 s a change of direction of the energy flow takes place. In the range of 0.2 s to 0.27 s, the Energy flow from the multi-level energy converter 22 to the multi-level energy converter 27 , After that, that is, from about 0.27 s, the direction of energy flow reverses.

In den 15 und 16 sind die Spannungsverläufe der drei Phasen des zweiten Wechselspannungsanschlusses 34 der beiden Mehrpegelenergiewandler 24, 26 jeweils in einem Diagramm dargestellt. In den 15 und 16 ist jeweils die Abszisse eine Zeitachse, in der die Zeit in s angegeben ist. Die Ordinate ist in den beiden Figuren jeweils der Spannung zugeordnet, die dort in V angegeben ist. 15 ist dabei dem Mehrpegelenergiewandler 22 zugeordnet, wohingegen 16 den Mehrpegelenergiewandler 24 zugeordnet ist. Die Zeitachsen sind ferner den Zeitachsen der 13 und 14 zugeordnet. Zu erkennen ist, dass im Bereich von 0,27 s ein Energieflusswechsel erfolgt. In the 15 and 16 are the voltage curves of the three phases of the second AC voltage connection 34 the two multi-level energy converters 24 . 26 each shown in a diagram. In the 15 and 16 in each case the abscissa is a time axis in which the time is indicated in s. The ordinate is assigned in the two figures in each case to the voltage which is indicated there in V. 15 is the multi-level energy converter 22 assigned, whereas 16 the multi-level energy converter 24 assigned. The time axes are also the time axes of 13 and 14 assigned. It can be seen that an energy flow change takes place in the range of 0.27 s.

17 zeigt einen Spannungsverlauf am ersten Wechselspannungsanschluss 36, wie er sowohl beim Mehrpegelenergiewandler 22 als auch beim Mehrpegelenergiewandler 24 auftritt. Die Abszisse ist wieder eine Zeitachse, auf der die Zeit in s dargestellt ist, wohingegen die Ordinate eine Spannungsachse ist, auf der die Spannung in V dargestellt ist. Zu erkennen ist, dass die Wechselspannung eine Frequenz von 1 kHz aufweist und eine Amplitude von etwa 600 V. 17 shows a voltage curve at the first AC voltage connection 36 as he does in both the multi-level energy converter 22 as well as the multi-level energy converter 24 occurs. The abscissa is again a time axis on which the time is shown in s, whereas the ordinate is a voltage axis on which the voltage in V is shown. It can be seen that the alternating voltage has a frequency of 1 kHz and an amplitude of about 600 V.

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

  • Lesnicar, A. und Marquardt, R. verwiesen, mit dem Titel „An innovative modular multi-level converter topology for wide power range“ veröffentlicht durch IEEE Power Tech Conference, Bologna, Italien, Juni 2003 [0015] Lesnicar, A. and Marquardt, R., entitled "An Innovative Modular Multi-level Converter Topology for Wide Power Range" published by the IEEE Power Tech Conference, Bologna, Italy, June 2003 [0015]
  • Richtlinie 2006/95/EG [0018] Directive 2006/95 / EC [0018]

Claims (11)

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, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit die Wandlereinheiten (26) zum Betreiben sowohl des ersten als auch des zweiten Anschlusses (34, 36) im Wechselspannungsbetrieb steuert. Multi-level energy converters ( 22 . 24 ) for converting electrical energy, with a connection ( 34 . 36 ) for supplying electrical energy to be converted and another connection ( 34 . 36 ) for delivering the converted electrical energy, wherein the multi-level energy converter ( 22 . 24 ) a first converter circuit ( 38 ) at a first of the two of the terminals ( 36 ) of the multi-level energy converter ( 22 . 24 ) and the several series-connected converter units ( 26 ) with a converter unit capacitor ( 48 ) and the one with the second of the terminals ( 34 ) provides a coupled center connection, wherein the converter circuit ( 38 ) is connected for control to a control unit in order to convert the electrical energy, characterized in that the control unit converts the converter units ( 26 ) for operating both the first and second terminals ( 34 . 36 ) in AC operation. Mehrpegelenergiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrpegelenergiewandler (22, 24) einen am ersten Wechselspannungsanschluss (36) angeschlossenen Zirkulationskondensator aufweist, und die Steuereinheit eingerichtet ist, einen Zirkulationsstrom durch die in Reihe geschalteten Wandlereinheiten (26) des Mehrpegelenergiewandlers (22, 24) und den Zirkulationskondensator strömen zu lassen. Multi-level energy converter according to claim 1, characterized in that the multi-level energy converter ( 22 . 24 ) one at the first AC voltage terminal ( 36 ) and the control unit is set up, a circulation current through the series-connected converter units ( 26 ) of the multi-level energy converter ( 22 . 24 ) and to circulate the circulation condenser. Mehrpegelenergiewandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Anschluss (34) des Mehrpegelenergiewandlers (22, 24) als Drei-Phasen-Wechselspannungsanschluss ausgebildet ist. Multi-level energy converter according to claim 1 or 2, characterized in that the second connection ( 34 ) of the multi-level energy converter ( 22 . 24 ) is designed as a three-phase AC voltage connection. Mehrpegelenergiewandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrpegelenergiewandler (22, 24) für jede Phase eine eigene Wandlerschaltung mit jeweils einer Reihenschaltung aus in Reihe geschalteten Wandlereinheiten (26) aufweist. Multi-level energy converter according to claim 3, characterized in that the multi-level energy converter ( 22 . 24 ) for each phase its own converter circuit, each having a series connection of series-connected converter units ( 26 ) having. Mehrpegelenergiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in Reihe geschalteten Wandlereinheiten (26) am ersten Anschluss (36) des Mehrpegelenergiewandlers (22, 24) angeschlossen sind. Multi-level energy converter according to one of claims 1 to 4, characterized in that the series-connected converter units ( 26 ) at the first connection ( 36 ) of the multi-level energy converter ( 22 . 24 ) are connected. Mehrpegelenergiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittelanschluss der in Reihe geschalteten Wandlereinheiten (26) mit dem zweiten Anschluss (34) gekoppelt ist. Multi-level energy converter according to one of claims 1 to 5, characterized in that a middle terminal of the series-connected converter units ( 26 ) with the second connection ( 34 ) is coupled. Mehrpegelenergiewandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die in Reihe geschalteten Wandlereinheiten (26) im Bereich des Koppelns des zweiten Anschlusses (34) durch eine Reihenschaltung aus zwei Reihenschaltungsinduktivitäten (28) ergänzt ist, deren Verbindung an den zweiten Anschluss (34) angeschlossen ist. Multi-level energy converter according to claim 6, characterized in that the series-connected converter units ( 26 ) in the region of the coupling of the second terminal ( 34 ) by a series connection of two series circuit inductances ( 28 ), whose connection to the second port ( 34 ) connected. Energiekoppeleinrichtung (10) zum galvanisch getrennten Koppeln eines ersten Energieversorgungsnetzes (12) mit einem zweiten Energieversorgungsnetz (14), mit einem Trenntransformator (16) mit zwei magnetisch gekoppelten und galvanisch getrennten Wicklungen (18, 20), wobei eine erste der Wicklungen (18) des Trenntransformators (16) mit dem ersten Energieversorgungsnetz (12) elektrisch gekoppelt ist und die zweite der Wicklungen (20) des Trenntransformators (16) mit dem zweiten Energieversorgungsnetz (14) elektrisch gekoppelt ist, gekennzeichnet durch zwei Mehrpegelenergiewandler (22, 24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mehrpegelenergiewandler (22, 24) jeweils einen ersten Wechselspannungsanschluss (36) zum Anschließen an die jeweilige Wicklung (18, 20) des Trenntransformators (16) und einen zweiten Wechselspannungsanschluss (34) zum Anschließen an das jeweilige Energieversorgungsnetz (12, 14) aufweisen, wobei ein erster der Mehrpegelenergiewandler (22) die erste Wicklung (18) mit dem ersten Energieversorgungsnetz (12) elektrisch koppelt und der zweite der Mehrpegelenergiewandler (24) die zweite Wicklung (20) mit dem zweiten Energieversorgungsnetz (14) elektrisch koppelt. Energy coupling device ( 10 ) for the galvanically isolated coupling of a first power supply network ( 12 ) with a second energy supply network ( 14 ), with an isolating transformer ( 16 ) with two magnetically coupled and galvanically isolated windings ( 18 . 20 ), wherein a first of the windings ( 18 ) of the isolation transformer ( 16 ) with the first power grid ( 12 ) is electrically coupled and the second of the windings ( 20 ) of the isolation transformer ( 16 ) to the second power grid ( 14 ) is electrically coupled, characterized by two multi-level energy converters ( 22 . 24 ) according to one of the preceding claims, wherein the multi-level energy converters ( 22 . 24 ) each have a first AC voltage connection ( 36 ) for connection to the respective winding ( 18 . 20 ) of the isolation transformer ( 16 ) and a second AC voltage terminal ( 34 ) for connection to the respective energy supply network ( 12 . 14 ), wherein a first of the multi-level energy converters ( 22 ) the first winding ( 18 ) with the first power grid ( 12 ) and the second of the multi-level energy converters ( 24 ) the second winding ( 20 ) to the second power grid ( 14 ) is electrically coupled. Verfahren zum Wandeln von elektrischer Energie mittels eines Mehrpegelenergiewandlers (22, 24), bei dem die an einem Anschluss (34, 36) zugeführte elektrische Energie gewandelt und an einem anderen Anschluss (34, 36) abgegeben wird, wobei die elektrische Energie mittels wenigstens einer ersten an einem ersten der beiden der Anschlüsse (36) des Mehrpegelenergiewandlers (22, 24) angeschlossenen Wandlerschaltung (38) gewandelt wird, zu welchem Zweck die Wandlerschaltung (38) mehrere in Reihe geschaltete Wandlereinheiten (26) mit einem Wandlereinheitskondensator (48) umfasst und einen mit dem zweiten der Anschlüsse (34) gekoppelten Mittelanschluss bereitstellt, wobei die Wandlerschaltung (38) mittels einer Steuereinheit gesteuert wird, um die elektrischen Energie zu wandeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit die Wandlereinheiten (26) derart steuert, dass sowohl der erste als auch der zweite Anschluss (34, 36) im Wechselspannungsbetrieb betrieben werden. Method for converting electrical energy by means of a multi-level energy converter ( 22 . 24 ), in which the at a connection ( 34 . 36 ) converted electrical energy and at another terminal ( 34 . 36 ) is discharged, wherein the electrical energy by means of at least a first at a first of the two of the terminals ( 36 ) of the multi-level energy converter ( 22 . 24 ) connected converter circuit ( 38 ), for what purpose the converter circuit ( 38 ) a plurality of series converter units ( 26 ) with a converter unit capacitor ( 48 ) and one with the second of the terminals ( 34 ) provides a coupled center connection, wherein the converter circuit ( 38 ) is controlled by means of a control unit in order to convert the electrical energy, characterized in that the control unit converts the converter units ( 26 ) such that both the first and second terminals ( 34 . 36 ) are operated in AC operation. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu der ersten Wandlerschaltung (38) die elektrische Energie mittels einer zweiten und einer dritten Wandlerschaltung (38) gewandelt wird, wobei Reihenschaltungen der Wandlerschaltungen (38) identisch zur ersten Wandlerschaltung (38) ausgebildet sind und jeweils einen dritten und einen vierten Anschluss bereitstellen, wobei die Wandlereinheiten (26) der Wandlerschaltungen (38) im Wechselspannungsbetrieb mittels der Steuereinheit derart gesteuert werden, dass mit den zweiten, dritten und vierten Anschlüssen ein dreiphasiger Wechselspannungsbetrieb erreicht wird. Method according to Claim 9, characterized in that parallel to the first converter circuit ( 38 ) the electrical energy by means of a second and a third converter circuit ( 38 ), wherein series circuits of the converter circuits ( 38 ) identical to the first converter circuit ( 38 ) are formed and one each provide third and fourth ports, with the transducer units ( 26 ) of the converter circuits ( 38 ) are controlled in AC operation by means of the control unit such that a three-phase AC operation is achieved with the second, third and fourth terminals. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit die Wandlereinheiten (26) der Wandlerschaltung (38) derart steuert, dass ein Zirkulationsstrom durch die Wandlereinheiten (26) erzeugt wird. Method according to claim 9 or 10, characterized in that the control unit converts the converter units ( 26 ) of the converter circuit ( 38 ) controls such that a circulation current through the converter units ( 26 ) is produced.
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