DE102015008369A1

DE102015008369A1 - Schaltungsanordnung zur bidirektionalen Kopplung eines Gleichspannungssystems mit mehreren Wechselspannungssystemen und Verfahren zur Steuerung einer solchen Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE102015008369A1
Application number: DE102015008369.4A
Authority: DE
Inventors: Andrey Dudin; Uwe Rädel; Jürgen Petzoldt
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2015-07-31
Filing date: 2015-07-31
Publication date: 2017-02-02

Abstract

Schaltungsanordnung mit einer Anzahl M(K + 2)-poliger Gesamtphasenmodule (GPM(1)) bis (GPM(M)), die jeweils (K + 1) elektrisch in Reihe geschaltete Zweigmodule (ZM(11)) bis (ZM(M(K + 1))) aufweisen, wobei die Plusanschlüsse (W1) der Gesamtphasenmodule (GPM(1)) bis (GPM(M)) mit einer positiven Sammelschiene (SP) und die Minusanschlüsse (W2) der Gesamtphasenmodule (GPM(1)) bis (GPM(M)) mit einer negativen Sammelschiene (SN) elektrisch leitend verbunden sind, wobei M und K beliebige voneinander unabhängige Zahlen größer 1 sind, wobei jeder Verbindungspunkt von zwei Zweigmodulen (ZM(11)) bis (ZM(M(K + 1))) eines Gesamtphasenmoduls (GPM) eine von K Verbindungen (L(p1)) bis (L(pK)) mit jeweils einem Wechselspannungsnetz bildet, wobei jedes der Zweigmodule (ZM(11)) bis (ZM(M(K + 1))) ein zweipoliges Submodul (SM) oder eine Reihenschaltung von wenigstens zwei zweipoligen Submodulen (SM) aufweist, wobei der Quotient aus der Anzahl der Submodule in den Zweigmodulen (ZM(p2)) bis (ZM(pK)) und der Anzahl der Submodule in den Zweigmodulen (ZM(p1)) und (ZM(p(K + 1))) ungleich zwei ist, wobei der Index p jede beliebige Zahl von 1 bis M ist, wobei die Submodule (SM) jeweils wenigstens einen Speicherkondensator (9) aufweisen, dem eine Reihenschaltung zweier steuerbarer elektronischer Schalter (1) und (2) jeweils mit einer antiparallel geschalteten Diode (3) und (4) elektrisch parallel geschaltet ist, wobei der Verbindungspunkt der elektronischen Schalter (1) und (2) und ein Anschluss des Speicherkondensators (9) jeweils eine Klemme (X1, X2 bzw. X2, X1) eines zweipoligen Submoduls (SM) bilden, und wobei die Submodule (SM) jeweils die folgenden Eigenschaften aufweisen: – Die Submodule (SM) weisen mindestens einen Schaltzustand (I) auf, in dem ihre Klemmenspannung (U(SM)) unabhängig von der Größe und Polarität des Klemmenstromes positive Werte annimmt, – Die Submodule (SM) weisen mindestens einen Schaltzustand (II) auf, in dem ihre Klemmenspannung (U(SM)) unabhängig von der Größe und Polarität des Klemmenstromes gleich Null ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine modulare mehrstufige Schaltungsanordnung zur bidirektionalen Kopplung eines Gleichspannungssystems mit wenigstens zwei Wechselspannungssystemen sowie ein Verfahren zur Steuerung einer solchen Schaltungsanordnung. Solche Schaltungsanordnungen können zum Beispiel zum Betrieb von Netzfrequenz- und Mittelfrequenztransformatoren sowie von mehrphasigen elektrischen Maschinen verwendet werden.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Stromrichterschaltungen bekannt, die die bidirektionale Übertragung der Energie zwischen elektrischen Netzen mit verschiedenen Strom- und Spannungsformen, -frequenzen und -amplituden ermöglichen. Weit verbreitet sind Schaltungen mit Gleichspannungszwischenkreisen, auch als „U-Umrichter” bzw. voltage source converter (VSC) bezeichnet. Diese werden je nach Anzahl der Spannungsstufen an den wechselspannungsseitigen Klemmen in Zweipunktumrichter und Mehrpunktumrichter unterteilt.
In dem höheren Leistungs- und Spannungsbereich werden modulare Mehrpunktumrichter bevorzugt. Die Stromrichterschaltung in der 4. des Patentdokumentes DE 101 03 031 B4 besteht aus Zweigmodulen mit reihengeschalteten zweipoligen Submodulen. Die Submodule werden aus mindestens zwei leistungselektronischen Schaltern jeweils mit einer antiparallelen Diode sowie einem Speicherkondensator gebildet und weisen mindestens zwei Schaltzustände und dementsprechend mindestens zwei Werte der Klemmenspannung auf. Bekannt sind auch viele andere Submodulschaltungen.
Es gibt zahlreiche alternative Schaltungsanordnungen zur Kopplung von Gleich und Wechselspannungsnetzen. Eine systematische Übersicht über die Mehrpunktumrichtertopologien ist in der Veröffentlichung „Classification, Terminology, and Application of the Modular Multilevel Cascade Converter (MMCC)" von Hirofumi Akagi in IEEE Transactions an Power Electronics, Vol. 26, November 2011 gegeben.
Mit modularen Mehrpunktumrichtern lässt sich auch eine beliebige Anzahl K von mindestens zwei Phasen aufweisenden Wechselspannungsnetzen mit einem Gleichspannungsnetz bidirektional koppeln. Dies erfolgt durch Parallel- bzw. Reihenschaltung mehrerer Mehrpunktumrichter an einem Gleichspannungsanschluss. Dieser Ansatz ist aus der Patentschrift US 7,969,755 B2 beschrieben. Die Reihenschaltung mehrerer Mehrpunktumrichter nach diesem Ansatz ist hinsichtlich der Effizienz vorteilhaft, weil sich mit der Erhöhung der Spannung auf den gleichspannungsseitigen Klemmen der Strom in den Sammelschienen (SP) und (SN) sowie der Gleichanteil der Zweigströme reduzieren. Ein Beispiel mit zwei reihengeschalteten modularen Mehrpunktumrichtern, die jeweils ein zweiphasiges Netz betreiben, ist in 1 gezeigt.
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2013 009 381 A1 ist eine Topologie bekannt, die es ermöglicht, mehrere reihengeschaltete Phasenmodule (PM) zu einer Stromrichtereinheit zusammenzuschalten, die für den Betrieb von unterschiedlichen Wechselspannungsnetzen konfigurierbar ist.
Der Wechselspannungsanschluss eines modularen Mehrpunktumrichters kann mit mindestens einem Mittelfrequenztransformator beschaltet werden (Patentschrift EP 1 497 911 B1 ). Analog dazu lassen sich an die Wechselspannungsanschlüsse (L(11)) bis (L(22)) der Gesamtphasenmodule der Schaltungsanordnung in 1 zwei Mittelfrequenztransformatoren oder zwei Wicklungssysteme eines Transformators elektrisch anschließen. Bei einer Reihenkaskadierung von einer Anzahl K von Mehrpunktumrichtern sind es entsprechend K Wechselspannungsnetze.
Anstelle von K Wicklungen bzw. Wicklungssystemen eines Transformators können auch K Wicklungen bzw. Wicklungssysteme eines Motors angeschlossen sein. In der Patentschrift EP 2 096 732 B1 ist eine Schaltungsanordnung beschrieben, bestehend aus mehreren einzelnen Stromrichtereinheiten, deren Zwisenkreise in Reihe geschaltet sind. Obwohl die Schaltungsanordnung aus der 1 des Patentdokumentes EP 2 096 732 B1 keine modularen Mehrpunktumrichter enthält, ist das in [0005] beschriebene Prinzip der Reihenschaltung von Mehrpunktumrichtern auch auf elektrische Maschinen mit mehreren Wicklungen und Wicklungssystemen anwendbar. Dabei haben modulare Mehrpunktumrichter besonders in dem höheren Leistungsbereich deutliche Vorteile gegenüber den anderen Stromrichtertopologien.
Vorteilhaft bei modularen Mehrpunktumrichtern im Vergleich zu den Zweipunktumrichtern sind:

a) niedriger Oberschwingungsgehalt der Spannung an den Anschlussklemmen,
b) kleinere Sperrspannung der einzusetzenden Leistungshalbleiter,
c) reduzierte Pulsfrequenz der Leistungshalbleiter,
d) die Möglichkeit zum Austauschen jedes einzelnen Submoduls (Modularität),
e) die Möglichkeit zur Erhöhung der Spannungs- und Leistungsklasse durch die Anpassung der Anzahl reihengeschalteter Submodule (Skalierbarkeit).

Die Nachteile der modularen Mehrpunktumrichter im Vergleich zu den Zweipunktschaltungen sind:

a) eine wesentlich größere Anzahl an diskreten Bauelementen,
b) ein größeres Bauvolumen,
c) hoher Ansteueraufwand.

Die Punkte d) und e) aus [0009] und Punkt b) aus [00010] gelten auch entsprechend als Vor- und Nachteile bei einer Gegenüberstellung der modularen und nichtmodularen Mehrpunktumrichter (als diode-clamped und capacitor-clamped converter bekannt).
Bekannte modulare Mehrpunktumrichter für Hochspannungsgleichstromübertragungssysteme erfordern wegen der hohen Anzahl an Submodulen große Flächen und Volumen. Im Niederspannungsbereich ist der Einsatz modularer Mehrpunktumrichter wegen der in [00010] genannten Nachteile nur begrenzt sinnvoll. Soll eine treppenförmige Wechselspannung mit niedrigen Stufenhöhen unter der Bedingung eines begrenzten Bauvolumens erzeugt werden, werden Zweipunkt- oder nichtmodulare Mehrpunktumrichterschaltungen eingesetzt.
Ist in einem modularen Mehrpunktumrichter nach 1 eine minimale Anzahl S = 2·U(AC)/U(C) von Submodulen (SM) in einem Zweigmodul (ZM) notwendig, um eine bestimmte Wechselspannungsamplitude U(AC) zu gewährleisten, dann ergibt sich für die Topologien aus dem Stand der Technik 2·S als Anzahl der Submodule in einem Phasenmodul (PM), wobei U(C) die Spannung eines Submodulkondensators ist. Bei einer Reihenschaltung von einer Anzahl K von Mehrpunktumrichtern zum Betrieb von K Wechselspannungsnetzen nach 1 wird das Gesamtphasenmodul (110) der resultierenden Schaltung aus K Phasenmodulen (PM) der einzelnen Mehrpunktumrichter gebildet. Die Anzahl der Submodule (SM) in dem Gesamtphasenmodul (110) beträgt 2·S·K. Diese hohe Anzahl von Submodulen (SM) führt zu einem hohen Umrichtervolumen.
Somit besteht für die in [0005], [0007] und [0008] beschriebenen modularen Mehrpunkttopologien Bedarf an einer Reduzierung des Bauvolumens, vor allem für den Betrieb von elektrischen Maschinen in dem Mittel- und Niederspannungsbereich (z. B. Windanlagen, Fahrzeugantriebe hoher Leistungen). In den Hochleistungs- und Hochspannungsanwendungen ist eine Bauvolumenreduzierung auch von Vorteil, zum Beispiel bei Umrichtern für den Betrieb der Mittelfrequenztransformatoren.
Das Bauvolumen der reihenkaskadierten Schaltungsanordnung nach 1 kann bis zu einem gewissen Maße durch eine integrierte Ausführung der Zweige reduziert werden. Dabei geht die in [0009] erläuterte Eigenschaft der Modularität komplett oder teilweise verloren. Eine Alternative dazu ist, Schaltungsanordnungen zu verwenden, die eine kleinere Anzahl von Submodulen in einem Gesamtphasenmodul zulassen, wobei die Anzahl der Wechselspannungsanschlüsse K sowie die Wechselspannungsamplituden U(AC) unverändert bleiben. In diesem Falle reduzieren sich neben dem Gesamtbauvolumen auch der Verschienungsaufwand und die Anzahl der Kontaktstellen zwischen den Submodulen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine bidirektionale Kopplung von mindestens zwei Wechselspannungsnetzen gleicher Frequenz und einem Gleichspannungsnetz mit einer niedrigeren Anzahl an Submodulen zu realisieren. Alle in [0009] genannten Vorteile sollen erhalten bleiben.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe schaltungsanordnungsseitig mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bis 3 und verfahrensseitig mit den Merkmalen der Patentansprüche 7 bis 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der erfindungsgemäße Ansatz (2) besteht darin, für die gegenseitige Kopplung von einem Gleichspannungsnetz und einer Anzahl K (mindestens zwei) von Wechselspannungsnetzten mit gleichen Frequenzen und Spannungsamplituden sowie mit definierten Phasenlagen der Wechselspannungen die Gesamtphasenmodule (GPM(1)) bis (GPM(M)) mit einer reduzierten Anzahl von Submodulen (SM) zu verwenden.
Durch den Einsatz von Submodulen gemäß dem Anspruch 2 (5) in den Zweigmodulen (ZM(pz)) kann die Spannung zwischen den Sammelschienen U(D) (7) reduziert bzw. umgepolt werden. Somit kann eine positive bis negative Gleichspannung, eine Wechselspannung oder eine Mischspannung zwischen den Sammelschienen (SP) und (SN) gestellt werden.
Der Vorteil der reduzieren Submodulanzahl im Vergleich zu Mehrpunktumrichtern mit ähnlicher Submodulstruktur bleibt bei allen Submodulschaltungen erhalten.
Somit werden die konstruktiven Nachteile des Mehrpunktumrichters für die Kopplung von mehreren Wechselspannungssystemen gemildert. Vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung (2) gegenüber dem Stand der Technik (1) sind die kleineren Anzahlen von Bauelementen (z. B. Kondensatoren, Zweigdrosseln und elektronische Schalter) sowie von Verschienungselementen und Kontaktübergängen an den Submodulklemmen (X1) und (X2), die für den Betrieb von einer Anzahl K der Wechselspannungsnetze mit Spannungsamplituden U(AC) notwendig sind.
Alle in [0009] beschriebenen Vorteile bleiben erfindungsgemäß unverletzt.
Die momentanen Werte der Spannungen an den Sammelschienen und zwischen den Wechselspannungsklemmen werden gemäß den Ansprüchen 7 bis 9 gestellt.
Die Grundschwingungen von Ersatzspannungsquellen U(11) bis U(MK) in den Phasen der nebeneinander liegenden Wechselspannungsnetze (L(1q)) bis (L(Mq)) und (L1(q + 1)) bis (LM(q + 1)) (7) sind gemäß den Ansprüchen 10 bzw. 11 um ein Sechstel T/(6·f) der Wechselspannungsperiode T = 1/f verschoben und haben gleiche Amplituden. Dieses Steuerverfahren lässt entsprechende Wechselkomponenten der Zweigspannungen so erzeugen, dass der über eine Pulsperiode errechnete Mittelwert der Spannung zwischen den Sammelschienen U(D) konstant und unabhängig von den Wechselspannungswerten bleibt.
Um mit der Schaltungsanordnung nach der 2 an den Wechselspannungsanschlüssen eine Wechselspannungsamplitude U(AC) zu erzeugen, müssen die Zweigmodule (ZM) eine Mindestanzahl S = 2·U(AC)/U(C) an Submodulen aufweisen, falls alle Submodule gemäß der 3 bzw. 4 aufgebaut sind. Beim Einsatz eines Steuerverfahrens nach einem der Ansprüche 10 oder 11 weist ein Gesamtphasenmodul (GPM) die minimale Anzahl von (K + 1) Zweigmodulen auf, statt der in [0013] hergeleiteten Zahl 2·K. Für ein Gesamtphasenmodul (GPM) mit K Wechselspannungsanschlüssen (L) ergeben sich dabei S·(K + 1) Submodule statt 2·S·K.
Die 8 zeigt ein Beispiel der erfindungsgemäßen Schaltung mit zwei Wechselspannungsnetzen und drei Gesamtphasenmodulen sowie Ersatzspannungsquellen U(11) bis U(32) in den Phasen der Wechselspannungsnetze. Die Spannung U(ZM(pz)) über einem Zweigmodul mit dem Index z des Gesamtphasenmoduls mit dem Index p setzt sich zusammen aus einer Gleich- und einer Wechselkomponente: U(ZM(pz)) = U(ZM(pz.DC)) + U(ZM(pz.AC)) (1)
Die Gleichkomponenten der Zweigspannungen U(ZM(pz.DC)) werden ausgehend von der Referenz der Spannung zwischen den Sammelschienen U(D) und der Submodulkonfiguration in verschiedenen Zweigen bestimmt.
Die wechselseitigen Spannungsreferenzen U(11) bis U(33) werden für die Schaltung in der 8 wie folgt vorgegeben:
wobei ω = 2πf die Kreisfrequenz der Wechselspannungsnetze ist, M die Anzahl der Gesamtphasenmodule und die Phasenwinkelverschiebung a entweder gleich –π/3 (Patentanspruch 10) oder π/3 ist. Das entspricht einem Sechstel der Wechselspannungsperiode (Patentansprüche 10 oder 11). Die Wechselanteile der Zweigspannungen U(ZM(pz.AC)) werden durch die Lösung des Gleichungssystems mit Maschengleichungen für die Schaltungsanordnung in der 8 bestimmt unter der zusätzlichen Bedingung, dass die Summe der Wechselanteile aller Zweigspannungen U(ZM(p1.AC)) bis U(ZM(p3.AC)) für jedes Gesamtphasenmodul (GPM(1)) bis (GPM(3)) gleich null ist.
9 zeigt die Zeitverläufe der Grundschwingungen der Wechselanteile der Spannungen über den Ersatzspannungsquellen U(11), U(12) (9b)) und über den Zweigmodulen (ZM(11), ZM(12), ZM(13)) U(ZM(11.AC)), (UZM(12.AC)), U(ZM(13.AC)) (9a)) für die Schaltungsanordnung aus der 8 mit der Wechselspannungsfrequenz f = 50 Hz und der Wechselspannungsamplitude U(AC) = 1 p. u. In der 9b) ist die Spannung U(12) gemäß dem Anspruch 10 um ein Sechstel der Wechselspannungsperiode voreilend zu der Spannung U(11) dargestellt.
Die Spannungen über den Zweigmodulen (ZM(11), ZM(12), ZM(13)) werden so vorgegeben, dass die Summe ihrer Wechselanteile zwischen einem Netzanschluss (L(pq)) und der negativen Sammelschiene (SN) gleich der Spannung über der entsprechenden Ersatzspannungsquelle U(pq) ist
und dass die Summe der Spannungswechselanteile zwischen demselben Netzanschluss (Lpq) und der positiven Sammelschiene (SP) gleich dem negativen Wert der Spannung über der entsprechenden Ersatzspannungsquelle Upq ist
(9b), c) und d)), dabei ist die Summe der Gleichanteile der Spannungen über allen Zweigmodulen (ZM) eines Gesamtphasenmoduls (GPM) gleich der Spannung U(D):
Die Vorgabe der Gleichanteile der Spannungen über die Zweigmodule eines Gesamtphasenmoduls (GPM) ist flexibel und von der Submodulkonfiguration (3 bzw. 4) oder (5) abhängig.
Das in [0028] bis [0030] beschriebene Steuerverfahren begrenzt sich auf den Fall, in dem die Spannungsamplituden und -frequenzen der Wechselspannungssysteme gleich sind. Solche Wechselspannungsnetze können zum Beispiel Wicklungen eines Transformators bzw. mehrere konstruktiv diskret gebaute Transformatoren sein. Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung können Mittelfrequenztransformatorsysteme sowie netzfrequente (50 bzw. 60 Hz) Transformatoren betrieben werden.
Ein anderes Anwendungsbeispiel ist eine elektrische Maschine mit mehreren Wicklungssystemen bzw. mehrere elektrische Maschinen. Neben dem Betrieb von Mittelspannungsmaschinen sind auch auf der Niederspannungsebene Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik zu erwarten. Durch eine reduzierte Bauelementanzahl und entsprechende Bauvolumenreduzierung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind im niedrigeren Leistungs- und Spannungsbereich bessere Realisierungsmöglichkeiten als bei bekannten Mehrpunktumrichtertopologien erzielt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10103031 B4 [0003]
US 7969755 B2 [0005]
DE 102013009381 A1 [0006]
EP 1497911 B1 [0007]
EP 2096732 B1 [0008, 0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Classification, Terminology, and Application of the Modular Multilevel Cascade Converter (MMCC)” von Hirofumi Akagi in IEEE Transactions an Power Electronics, Vol. 26, November 2011 [0004]

Claims

Schaltungsanordnung mit einer Anzahl M(K + 2)-poliger Gesamtphasenmodule (GPM(1)) bis (GPM(M)), die jeweils (K + 1) elektrisch in Reihe geschaltete Zweigmodule (ZM(11)) bis (ZM(M(K + 1))) aufweisen, wobei die Plusanschlüsse (W1) der Gesamtphasenmodule (GPM(1)) bis (GPM(M)) mit einer positiven Sammelschiene (SP) und die Minusanschlüsse (W2) der Gesamtphasenmodule (GPM(1)) bis (GPM(M)) mit einer negativen Sammelschiene (SN) elektrisch leitend verbunden sind, wobei M und K beliebige voneinander unabhängige Zahlen größer 1 sind, wobei jeder Verbindungspunkt von zwei Zweigmodulen (ZM(11)) bis (ZM(M(K + 1))) eines Gesamtphasenmoduls (GPM) eine von K Verbindungen (L(p1)) bis (L(pK)) mit jeweils einem Wechselspannungsnetz bildet, wobei jedes der Zweigmodule (ZM(11)) bis (ZM(M(K + 1))) ein zweipoliges Submodul (SM) oder eine Reihenschaltung von wenigstens zwei zweipoligen Submodulen (SM) aufweist, wobei der Quotient aus der Anzahl der Submodule in den Zweigmodulen (ZM(p2)) bis (ZM(pK)) und der Anzahl der Submodule in den Zweigmodulen (ZM(p1)) und (ZM(p(K + 1))) ungleich zwei ist, wobei der Index p jede beliebige Zahl von 1 bis M ist, wobei die Submodule (SM) jeweils wenigstens einen Speicherkondensator (9) aufweisen, dem eine Reihenschaltung zweier steuerbarer elektronischer Schalter (1) und (2) jeweils mit einer antiparallel geschalteten Diode (3) und (4) elektrisch parallel geschaltet ist, wobei der Verbindungspunkt der elektronischen Schalter (1) und (2) und ein Anschluss des Speicherkondensators (9) jeweils eine Klemme (X1, X2 bzw. X2, X1) eines zweipoligen Submoduls (SM) bilden, und wobei die Submodule (SM) jeweils die folgenden Eigenschaften aufweisen: – Die Submodule (SM) weisen mindestens einen Schaltzustand (I) auf, in dem ihre Klemmenspannung (U(SM)) unabhängig von der Größe und Polarität des Klemmenstromes positive Werte annimmt, – Die Submodule (SM) weisen mindestens einen Schaltzustand (II) auf, in dem ihre Klemmenspannung (U(SM)) unabhängig von der Größe und Polarität des Klemmenstromes gleich Null ist.
Schaltungsanordnung mit einer Anzahl M(K + 2)-poliger Gesamtphasenmodule (GPM(1)) bis (GPM(M)), die jeweils (K + 1) elektrisch in Reihe geschaltete Zweigmodule (ZM(11)) bis (ZM(M(K + 1))) aufweisen, wobei die Plusanschlüsse (W1) der Gesamtphasenmodule (GPM(1)) bis (GPM(M)) mit einer positiven Sammelschiene (SP) und die Minusanschlüsse (W2) der Gesamtphasenmodule (GPM(1)) bis (GPM(M)) mit einer negativen Sammelschiene (SN) elektrisch leitend verbunden sind, wobei M und K beliebige voneinander unabhängige Zahlen größer 1 sind, wobei jeder Verbindungspunkt von zwei Zweigmodulen (ZM(11)) bis (ZM(M(K + 1))) eines Gesamtphasenmoduls (GPM) eine von K Verbindungen (L(p1)) bis (L(pK)) mit jeweils einem Wechselspannungsnetz bildet, wobei der Index p jede beliebige Zahl von 1 bis M ist, wobei jedes Zweigmodul (ZM(11)) bis (ZM(M(K + 1))) eine beliebig wählbare Anzahl elektrisch in Reihe geschalteten Submodule (SM) aufweist, die jeweils wenigstens einen Speicherkondensator (19) aufweisen, dem eine Reihenschaltung zweier steuerbarer elektronischer Schalter (11) und (12) jeweils mit einer antiparallel geschalteten Diode (13) und (14) sowie eine Reihenschaltung zweier steuerbarer elektronischer Schalter (15) und (16) jeweils mit einer antiparallelen antiparallel geschalteten Diode (17) und (18) elektrisch parallel geschaltet ist, wobei der Verbindungspunkt der elektronischen Schalter (11), (12) bzw. (15), (16) jeweils eine Klemme (X1, X2 bzw. X2, X1) eines zweipoligen Submoduls (SM) bilden, wobei der Index z jede beliebige Zahl von 1 bis (K + 1) ist und wobei die auf diese Weise gebildeten Submodule jeweils die folgenden Eigenschaften aufweisen: – Die Submodule (SM) weisen mindestens einen Schaltzustand (I) auf, in dem ihre Klemmenspannung (U(SM)) unabhängig von der Größe und Polarität des Klemmenstromes positive Werte annimmt, – Die Submodule (SM) weisen mindestens einen Schaltzustand (II) auf, in dem ihre Klemmenspannung (U(SM)) unabhängig von der Größe und Polarität des Klemmenstromes gleich Null ist, – Die Submodule (SM) weisen mindestens einen Schaltzustand (III) auf, in dem ihre Klemmenspannung (U(SM)) unabhängig von der Größe und Polarität des Klemmenstromes negative Werte annimmt.
Schaltungsanordnung mit einer Anzahl M(K + 2)-poliger Gesamtphasenmodule (GPM(1)) bis (GPM(M)), die jeweils (K + 1) elektrisch in Reihe geschaltete Zweigmodule (ZM(11)) bis (ZM(M(K + 1))) aufweisen, wobei die Plusanschlüsse (W1) der Gesamtphasenmodule (GPM(1)) bis (GPM(M)) mit einer positiven Sammelschiene (SP) und die Minusanschlüsse (W2) der Gesamtphasenmodule (GPM(1)) bis (GPM(M)) mit einer negativen Sammelschiene (SN) elektrisch leitend verbunden sind, wobei M und K beliebige voneinander unabhängige Zahlen größer 1 sind, wobei jeder Verbindungspunkt von zwei Zweigmodulen (ZM(11)) bis (ZM(M(K + 1))) eines Gesamtphasenmoduls (GPM) eine von K Verbindungen (L(p1)) bis (L(pK)) mit jeweils einem Wechselspannungsnetz bildet, wobei der Index p jede beliebige Zahl von 1 bis M ist, wobei jedes Zweigmodul (ZM(11)) bis (ZM(M(K + 1))) eine beliebig wählbare Anzahl elektrisch in Reihe geschalteten Submodule (SM) aufweist, wobei Submodule nach Anspruch 1 und Anspruch 2 frei wählbar miteinander kombiniert sind.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zweigmodule (ZM(11)) bis (ZM(M(K + 1))) zusätzlich zu den reihengeschalteten Submodulen (SM) jeweils wenigstens eine elektrisch in Reihe geschaltete Glättungsdrossel (GD) aufweisen.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit den Anschlüssen (L(1n)) bis (L(Mn)) elektrisch leitend verbundenen Wechselspannungssysteme jeweils ein M-phasiges Wicklungssystem eines Transformators oder mehrerer Transformatoren bilden, wobei der Index n jede beliebige Zahl von eins bis K ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit den Anschlüssen (L(1n)) bis (L(Mn)) elektrisch leitend verbundenen Wechselspannungssysteme jeweils ein M-phasiges Wicklungssystem einer elektrischen Maschine oder mehrerer elektrischen Maschinen bilden, wobei der Index n jede beliebige Zahl von eins bis K ist.
Verfahren zur Steuerung einer Schaltungsanordnung, die gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung (U(D)) zwischen der positiven Sammelschiene (SP) und der negativen Sammelschiene (SN) stufenweise gestellt wird, indem in jedem der Zweigmodule (ZM(1z)) bis (ZM(Mz)) ein Submodul (SM) aus einem der Schaltzustände (I) bzw. (II) in einen der Schaltzustände (II) bzw. (III) geschaltet wird, und umgekehrt, wobei der Index z jede beliebige Zahl von eins bis (K + 1) ist.
Verfahren zur Steuerung einer Schaltungsanordnung, die gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungen (U(L(efn))) zwischen einer Anzahl d von Wechselspannungsklemmenpaaren (L(en)) und (L(fn)) bis (L(e(n + d))) und (L(f(n + d))) der zwei frei wählbaren Gesamtphasenmodule (GPM(e)) und (GPM(f)) stufenweise gestellt werden indem in einem der zwei Gesamtphasenmodule (GPM(e)) bzw. (GPM(f)) ein Submodul (SM) des Zweigmoduls (ZM(en)) bzw. (ZM(fn)) aus einem der Schaltzustände (I) bzw. (II) in einen der Schaltzustände (II) bzw. (III) geschaltet wird und wobei in demselben Gesamtphasenmodul (GPM(e)) bzw. (GPM(f)) ein Submodul (SM) des Zweigmoduls (ZM(e(n + d))) bzw. (ZM(f(n + d))) aus einem der Schaltzustände (II) bzw. (III) in einen der Schaltzustände (I) bzw. (II) geschaltet wird, und umgekehrt, wobei der Index n jede beliebige Zahl von 1 bis K ist, wobei der Index d jede beliebige Zahl von 1 bis (K – n) ist und wobei der Index e jede beliebige Zahl von 1 bis M ist und wobei der Index f jede beliebige Zahl von 1 bis M außer e ist.
Verfahren zur Steuerung einer Schaltungsanordnung, die gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungen (U(L(efn))) zwischen einer Anzahl d·(M – 1) von Wechselspannungsklemmenpaaren (L(en)) und (L(fn)) bis (L(e(n + d))) und (L(f(n + d))) eines frei wählbaren Gesamtphasenmoduls (GPM(e)) und aller restlichen Gesamtphasenmodule (GPM(f)) sowie die Spannung (U(D)) zwischen der positiven Sammelschiene (SP) und der negativen Sammelschiene (SN) gleichzeitig stufenweise gestellt werden indem in dem Gesamtphasenmodul (GPM(e)) ein Submodul (SM) des Zweigmoduls (ZM(en)) oder (ZM(e(n + d))) aus einem der Schaltzustände (I) bzw. (II) in einen der Schaltzustände (II) bzw. (III) und in den restlichen Gesamtphasenmodulen (GPM(f)) jeweils ein Submodul (SM) der jeweiligen Zweigmodule (ZM(f(n + d))) oder (ZM(en)) aus einem der Schaltzustände (I) bzw. (II) in einen der Schaltzustände (II) bzw. (III) geschaltet wird, und umgekehrt, wobei der Index n jede beliebige Zahl von 1 bis K ist, wobei der Index d jede beliebige Zahl von 1 bis (K – n) ist, wobei der Index e jede beliebige Zahl von 1 bis M ist und wobei der Index f zusammenfassend für alle Zahlen von 1 bis M außer e ist.
Verfahren zur Steuerung einer Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannungsamplituden U(AC(q)) und die Wechselspannungsfrequenzen f(q) der mit den Anschlüssen (L(11)) bis (L(MK)) elektrisch leitend verbundenen Wechselspannungssysteme gleich sind, wobei die Spannungsgrundschwingung der Ersatzspannungsquelle (U(pq)) des mit der Wechselspannungsanschlussklemme (L(pq)) eines Gesamtphasenmoduls (GPM(p)) elektrisch leitend verbundenen Leiters um ein Sechstel T/6 der Wechselspannungsperiode T voreilend zu der Spannungsgrundschwingung der Ersatzspannungsquelle (U(p(q + 1))) des mit der benachbarten Wechselspannungsanschlussklemme (L(p(q + 1))) desselben Gesamtphasenmoduls (GPM(p)) elektrisch leitend verbundenen Leiters ist, wobei der Index p für alle Zahlen von 1 bis M und der Index q für alle Zahlen von 1 bis (K – 1) steht und wobei die Wechselspannungsperiode T gleich dem Kehrwert der Wechselspannungsfrequenz f ist.
Verfahren zur Steuerung einer Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannungsamplituden U(AC(q)) und die Wechselspannungsfrequenzen f(q) der mit den Anschlüssen (L(11)) bis (L(MK)) elektrisch leitend verbundenen Wechselspannungssysteme gleich sind, wobei die Spannungsgrundschwingung der Ersatzspannungsquelle (U(pq)) des mit der Wechselspannungsanschlussklemme (L(pq)) eines Gesamtphasenmoduls (GPM(p)) elektrisch leitend verbundenen Leiters um ein Sechstel T/6 der Wechselspannungsperiode T nacheilend zu der Spannungsgrundschwingung der Ersatzspannungsquelle (U(p(q + 1))) des mit der benachbarten Wechselspannungsanschlussklemme (L(p(q + 1))) desselben Gesamtphasenmoduls (GPM(p)) elektrisch leitend verbundenen Leiters ist, wobei der Index p für alle Zahlen von 1 bis M und der Index q für alle Zahlen von 1 bis (K – 1) steht und wobei die Wechselspannungsperiode T gleich dem Kehrwert der Wechselspannungsfrequenz f ist.