DE102015212931A1

DE102015212931A1 - Submodul eines modularen Mehrstufenumrichters

Info

Publication number: DE102015212931A1
Application number: DE102015212931.4A
Authority: DE
Inventors: Rodrigo Alonso ALVAREZ VALENZUELA; Holger Siegmund Brehm; Mario Fehmel; Martin Pieschel; Ervin Spahic
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2015-07-10
Filing date: 2015-07-10
Publication date: 2017-01-12
Also published as: WO2017009010A1; EP3295551A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Submodul (610) eines modularen Mehrstufenumrichters (3) mit einer Leistungshalbleiterschaltung (710), die mindestens zwei ein- und ausschaltbare Leistungshalbleiterschalter (810) aufweist, und mit einem Energiespeicher (724). Der Energiespeicher (724) weist eine Mehrzahl von Energiespeicherbaugruppen (1210) auf, die gleichartig aufgebaut sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Submodul eines modularen Mehrstufenumrichters mit einer Leistungshalbleiterschaltung, die mindestens zwei ein- und ausschaltbare Leistungshalbleiterschalter aufweist, und mit einem Energiespeicher.
Allgemein sind modulare Mehrstufenumrichter (modulare Multilevelumrichter) bekannt, um Gleichstrom in Wechselstrom oder umgekehrt umzuwandeln oder um Blindleistung bereitzustellen. Ein solcher modularer Mehrstufenumrichter weist eine Vielzahl von zweipoligen Submodulen mit jeweils einem Energiespeicher auf. Die Leistungshalbleiterschaltung dieser Submodule kann so angesteuert werden, dass an zwei Submodulanschlüssen (d.h. an zwei Polen) dieser zweipoligen Submodule entweder eine von dem Energiespeicher bereitgestellte Spannung (gegebenenfalls in beiden möglichen Polaritäten) oder eine Nullspannung (eine Spannung mit dem Wert Null, das heißt keine Spannung) ausgegeben wird. Die Ausgangsspannung des modularen Mehrstufenumrichters wird aus den Spannungsbeträgen der einzelnen Submodule zusammengesetzt. Da solche modulare Mehrstufenumrichter im Allgemeinen sehr viele Submodule aufweisen, können die gewünschten Ausgangsspannungen sehr exakt, das heißt mittels kleiner Spannungsstufen, erzeugt werden.
Modulare Mehrstufenumrichter werden oftmals im Hochspannungsbereich eingesetzt, beispielsweise bei der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung. Je nach Ansteuerung und Anordnung der einzelnen Submodule können dadurch bei einzelnen Submodulen sehr hohe Spannungen gegenüber Erdpotenzial oder gegenüber anderen Submodulen auftreten. Dadurch ergeben sich hohe Anforderungen an die elektrische Isolierung der einzelnen Submodule, was zu hohen Kosten beim Aufbau von modularen Mehrstufenumrichtern führen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Submodul eines modularen Mehrstufenumrichters sowie ein Verfahren zum Betreiben eines modularen Mehrstufenumrichters anzugeben, welche kostengünstig realisiert werden können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Submodul und ein Verfahren nach den unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Submoduls und des Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Offenbart wird ein Submodul eines modularen Mehrstufenumrichters mit einer Leistungshalbleiterschaltung, die mindestens zwei ein- und ausschaltbare (ein- und abschaltbare) Leistungshalbleiterschalter aufweist, und mit einem Energiespeicher, wobei der Energiespeicher eine Mehrzahl von Energiespeicherbaugruppen aufweist, die (elektrisch und mechanisch) gleichartig (z.B. identisch) aufgebaut sind. Hierbei ist besonders vorteilhaft, dass die gleichartig aufgebauten Energiespeicherbaugruppen unter den definierten Bedingungen einer fabrikmäßigen Produktion vorgefertigt und getestet werden können. Dadurch wird der Aufbau eines modularen Mehrstufenumrichters beim Kunden wesentlich erleichtert.
Das Submodul kann so ausgestaltet sein, dass jede Energiespeicherbaugruppe mehrere Energiespeichereinheiten (zum Beispiel Niederspannungsenergiespeicher) sowie eine Steuereinheit aufweist, wobei zwischen der Steuereinheit und den Energiespeichereinheiten baugruppen-interne (energiespeicherbaugruppen-interne) Energieversorgungsschnittstellen für eine Hilfsenergieversorgung der Energiespeichereinheiten und baugruppen-interne Kommunikationsschnittstellen für die Kommunikation mit den Energiespeichereinheiten angeordnet sind. Hierbei ist vorteilhaft, dass die Steuereinheit sowohl die Hilfsenergieversorgung als auch die Kommunikation mit den Energiespeichereinheiten durchführt (ausschließlich die Steuereinheit). Mit anderen Worten gesagt, ist für die Kommunikation mit einer Energiespeichereinheit einer Energiespeicherbaugruppe und für die Hilfsenergieversorgung dieser Energiespeichereinheit ausschließlich die Steuereinheit dieser Energiespeicherbaugruppe zuständig. Vorteilhafterweise ist die Steuereinheit in räumlicher Nähe zu den Energiespeichereinheiten angeordnet, da die Steuereinheit und die Energiespeichereinheiten Bestandteil der Energiespeicherbaugruppe sind. Dadurch wird eine einfache und kostengünstige Kommunikation zwischen Steuereinheit und den Energiespeichereinheiten sowie eine einfache und kostengünstige Versorgung der Energiespeichereinheiten mit (Hilfs-)Energie ermöglicht.
Das Submodul kann so ausgestaltet sein, dass die Steuereinheiten der Energiespeicherbaugruppen mittels baugruppen-externer (energiespeicherbaugruppen-externer) Kommunikationsschnittstellen (kommunikationsflussbezogen) in einer Reihenschaltung geschaltet sind. Dadurch ergibt sich vorteilhafter Weise eine Kommunikation der Steuereinheiten nach Art einer ‚daisy chain‘, das heißt jede Steuereinheit kommuniziert lediglich mit der vor ihr in der Reihenschaltung angeordneten Steuereinheit oder mit der hinter ihr in der Reihenschaltung angeordneten Steuereinheit. Dies hat den Vorteil, dass die baugruppenexternen Kommunikationsschnittstellen einer Energiespeicherbaugruppe lediglich mit den baugruppenexternen Kommunikationsschnittstellen der beiden benachbarten Energiespeicherbaugruppen verbunden zu sein brauchen. Dadurch sind die maximal auftretenden Potenzialdifferenzen zwischen diesen Energiespeicherbaugruppen bekannt und können bei der Ausgestaltung der Kommunikationsschnittstellen berücksichtigt werden. Insbesondere sind diese maximal auftretenden Potenzialdifferenzen klein im Vergleich zu einer anderen denkbaren Lösung, die darin besteht, die Steuereinheiten aller Energiespeicherbaugruppen mittels der baugruppenexternen Kommunikationsschnittstellen mit einer einzigen zentralen übergeordneten Steuereinheit zu verbinden. Dies führt bei der genannten Reihenschaltung der Steuereinheiten zu einem erheblich verminderten Aufwand bezüglich der elektrischen Isolation der einzelnen Energiespeicherbaugruppen.
Das Submodul kann so ausgestaltet sein, dass innerhalb einer Energiespeicherbaugruppe die Steuereinheit mit den Energiespeichereinheiten über die baugruppen-internen Kommunikationsschnittstellen galvanisch gekoppelt ist. Eine solche galvanische Kopplung der Steuereinheit mit den Energiespeichereinheiten der Energiespeicherbaugruppe ist kostengünstig möglich. Eine derartige galvanische Kopplung ist insbesondere deshalb ausreichend, weil zwischen den Energiespeichereinheiten der Energiespeicherbaugruppe nur relativ geringe Potenzialdifferenzen bestehen (verglichen mit den Potenzialdifferenzen, die zwischen verschiedenen Energiespeicherbaugruppen auftreten können).
Das Submodul kann auch so ausgestaltet sein, dass die baugruppen-internen Kommunikationsschnittstellen als elektrisch leitfähige, insbesondere als metallische, Leitungen ausgeführt sind. Derartige Leitungen sind kostengünstig realisierbar.
Das Submodul kann auch so ausgestaltet sein, dass die Steuereinheiten zweier Energiespeicherbaugruppen voneinander (mittels der baugruppen-externen Kommunikationsschnittstellen) galvanisch entkoppelt sind. Eine solche galvanische Entkopplung der Steuereinheiten verschiedener Energiespeicherbaugruppen ermöglicht einen sicheren Betrieb auch dann, wenn zwischen den jeweiligen Energiespeicherbaugruppen größere Potenzialdifferenzen auftreten.
Das Submodul kann auch so ausgestaltet sein, dass die baugruppen-externen Kommunikationsschnittstellen als Lichtwellenleiter ausgeführt sind. Mittels solcher Lichtwellenleiter können problemlos Energiespeicherbaugruppen miteinander verbunden werden, zwischen denen große Potenzialunterschiede bzw. Potenzialdifferenzen auftreten. Allerdings sind derartige Lichtwellenleiter relativ teuer. Daher ist von Vorteil, wenn lediglich die baugruppen-externen Kommunikationsschnittstellen als Lichtwellenleiter ausgeführt werden, wohingegen die baugruppen-internen Kommunikationsschnittstelle als kostengünstigere elektrisch leitfähige, insbesondere metallische, Leitungen ausgeführt sein können.
Das Submodul kann so ausgestaltet sein, dass jede Energiespeicherbaugruppe zusätzlich zu der baugruppen-externen Kommunikationsschnittstelle eine weitere redundante baugruppen-externe Kommunikationsschnittstelle aufweist. Mit anderen Worten gesagt, weist also jede Energiespeicherbaugruppe zwei redundante baugruppen-externe Kommunikationsschnittstellen auf. Dadurch wird vorteilhafter Weise sichergestellt, dass auch bei Ausfall einer Kommunikationsschnittstelle über die zweite Kommunikationsschnittstelle die Kommunikation mit der Energiespeicherbaugruppe aufrecht erhalten werden kann.
Das Submodul kann so ausgestaltet sein, dass jede Energiespeicherbaugruppe eine Hilfsenergieversorgungseinheit für die Hilfsenergieversorgung und zusätzlich eine redundante Hilfsenergieversorgungseinheit für die Hilfsenergieversorgung aufweist. Jede Energiespeicherbaugruppe weist also zwei redundante Hilfsenergieversorgungseinheiten für die Hilfsenergieversorgung auf. Hierdurch ist vorteilhafter Weise sichergestellt, dass auch bei Ausfall einer Hilfsenergieversorgungseinheit mittels der zweiten Hilfsenergieversorgungseinheit die Hilfsenergieversorgung für die Energiespeichereinheiten der Energiespeicherbaugruppe aufrecht erhalten werden kann.
Das Submodul kann so ausgestaltet sein, dass das Submodul einen DC-DC-Wandler aufweist, der die Leistungshalbleiterschaltung (elektrisch) mit dem Energiespeicher verbindet. Ein derartiger DC-DC-Wandler ermöglicht eine verbesserte Anpassung der Ausgangsspannung des Energiespeichers an die Betriebsspannung der Leistungshalbleiter. Insbesondere ermöglicht ein derartiger DC-DC-Wandler eine verbesserte Anpassung der Ausgangsspannung des Energiespeichers an die Betriebsspannung der Leistungshalbleiterschalter der Leistungshalbleiterschaltung.
Das Submodul kann so ausgestaltet sein, dass es einen Gleichspannungszwischenkreis aufweist, der elektrische Energie für die Hilfsenergieversorgung bereitstellt. Hierbei wird der oftmals sowieso in dem Submodul vorhandene Gleichspannungszwischenkreis zusätzlich für die Hilfsenergieversorgung der Energiespeichereinheiten verwendet.
Das Submodul kann so ausgestaltet sein, dass der Gleichspannungszwischenkreis die Leistungshalbleiterschaltung (elektrisch) mit dem DC-DC-Wandler verbindet.
Das Submodul kann so ausgestaltet sein, dass die Energiespeicherbaugruppe zwei, vier oder acht Energiespeichereinheiten aufweist.
Offenbart wird weiterhin ein modularer Mehrstufenumrichter mit einer Mehrzahl von Submodulen, die nach einer der vorstehend beschriebenen Varianten ausgeführt sind.
Offenbart wird weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines modularen Mehrstufenumrichters, der eine Mehrzahl von Submodulen mit jeweils einer Leistungshalbleiterschaltung und jeweils einem Energiespeicher aufweist, wobei der Energiespeicher eine Mehrzahl von Energiespeicherbaugruppen aufweist, und wobei jede Energiespeicherbaugruppe mehrere Energiespeichereinheiten sowie eine Steuereinheit aufweist, wobei bei dem Verfahren

– ein Datenaustausch mit den Energiespeichereinheiten der Energiespeicherbaugruppe (ausschließlich) über die Steuereinheit dieser Energiespeicherbaugruppe durchgeführt wird, welche über baugruppen-interne Kommunikationsschnittstellen mit den Energiespeichereinheiten verbunden ist.

Dieses Verfahren kann so ausgeführt werden, dass die Energiespeichereinheiten von der Steuereinheit über baugruppen-interne Energieversorgungsschnittstellen mit elektrischer Energie (Hilfsenergie) versorgt werden.
Das Verfahren kann auch so ausgestaltet sein, dass die Submodule nach einer der vorstehend ausgeführten Varianten ausgestaltet sind.
Das Verfahren weist ebenfalls die Vorteile auf, die oben im Zusammenhang mit dem Submodul angegeben sind.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dazu ist in
1 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung mit einem modularer Mehrstufenumrichter, in
2 ein Ausführungsbeispiel eines Mehrstufenumrichters mit in Dreiecksschaltung angeordneten Phasenmodulen, in
3 ein Ausführungsbeispiel eines Mehrstufenumrichters mit in Brückenschaltung angeordneten Phasenmodulen, in
4 ein Ausführungsbeispiel eines Mehrstufenumrichters mit in Sternschaltung angeordneten Phasenmodulen, in
5 ein Ausführungsbeispiel einer einphasigen Schaltung eines einzigen Phasenmoduls eines Mehrstufenumrichters, in
6 ein Ausführungsbeispiel eines Aufbaus eines Phasenmoduls, in
7 ein Ausführungsbeispiel eines Submoduls eines modularen Mehrstufenumrichters, in
8 ein Ausführungsbeispiel einer Leistungshalbleiterschaltung, in
9 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Leistungshalbleiterschaltung, in
10 ein Ausführungsbeispiel eines DC-DC-Wandlers, in
11 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines DC-DC-Wandlers, in
12 ein Ausführungsbeispiel eines Energiespeichers, in
13 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Submoduls eines modularen Mehrstufenumrichters, in
14 ein Ausführungsbeispiel einer Energiespeicherbaugruppe im Detail, in
15 ein Ausführungsbeispiel einer Steuereinheit einer Energiespeichereinheit und in
16 ein Ausführungsbeispiel eines Energiespeichers eines Submoduls
dargestellt.
In 1 ist eine Anordnung 1 mit einem modularen Mehrstufenumrichter 3 (modularen Multilevelumrichter 3) dargestellt. Der modulare Mehrstufenumrichter 3 ist über eine Anschlussschiene 5 dreiphasig mit einem Energieversorgungsnetz 7 elektrisch verbunden. Das Energieversorgungsnetz 7 ist im Ausführungsbeispiel ein dreiphasiges Wechselspannungs-Energieversorgungsnetz 7. Mittels eines Stromsensors 10 wird der durch den Umrichter 3 fließende Strom gemessen. Strommesswerte 13 werden zu einer Ansteuereinheit 15 für den modularen Mehrstufenumrichter übertragen. Weiterhin wird mittels eines Spannungssensors 18 (der hier als ein Messwandler 18 ausgeführt ist) die an der Anschlussschiene 5 anliegende Spannung gemessen. Diese Spannung entspricht im Wesentlichen der an dem modularen Mehrstufenumrichter anliegenden Spannung. Spannungsmesswerte 21 werden zu der Ansteuereinheit 15 übertragen. Die Ansteuereinheit 15 vergleicht die Strommesswerte 13 und die Spannungsmesswerte 21 mit vorgegebenen Sollwerten 25. Daraufhin berechnet die Ansteuereinheit Ansteuersignale 28, die zu dem modularen Mehrstufenumrichter 3 übertragen werden. Mittels dieser Ansteuersignale 28 wird der Mehrstufenumrichter 3 derart angesteuert, dass sich an der Anschlussschiene 5 die gewünschten Strom- und Spannungswerte einstellen. Mit anderen Worten gesagt, kontrolliert die Ansteuereinheit 15 den Mehrstufenumrichter 3. In einer derartigen Anordnung kann der modulare Mehrstufenumrichter 3 beispielsweise zur Blindleistungskompensation eingesetzt werden.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Mehrstufenumrichters 3 dargestellt, welcher drei Phasenmodule 210 aufweist. Diese drei Phasenmodule 210 sind in Dreiecksschaltung geschaltet und mit drei Phasen L1, L2 und L3 des Energieversorgungsnetzes 7 verbunden. Der Aufbau der Phasenmodule 210 ist in 6 dargestellt.
In 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Mehrstufenumrichters 3 dargestellt, welcher sechs Phasenmodule 210 aufweist. Diese sechs Phasenmodule 210 sind in einer Brückenschaltung (hier: in einer B6-Brückenschaltung) angeordnet. Dabei sind jeweils ein Anschluss eines ersten Phasenmoduls und ein Anschluss eines zweiten Phasenmoduls miteinander elektrisch verbunden und bilden einen Wechselspannungsanschluss 302, 304 oder 306.
Der andere Anschluss des ersten Phasenmoduls ist mit einem positiven Gleichspannungsanschluss 310 verbunden; der andere Anschluss des zweiten Phasenmoduls ist mit einem negativen Gleichspannungsanschluss 312 verbunden. Die drei Wechselspannungsanschlüsse 302, 304 und 306 sind mit drei Phasen L1, L2 und L3 des Wechselspannungs-Energieversorgungsnetzes 7 verbunden.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines modularen Mehrstufenumrichters 3, bei dem drei Phasenmodule 210 in Sternschaltung geschaltet sind. Dabei sind jeweils ein Anschluss der drei Phasenmodule 210 miteinander elektrisch verbunden und bilden einen Sternpunkt 410. Der Sternpunkt 410 ist mit einem Rückleiter N des Energieversorgungsnetzes 7 verbunden. Die jeweils drei anderen Anschlüsse der Phasenmodule 210 sind jeweils mit einer Phase (L1, L2 oder L3) des Energieversorgungsnetzes 7 verbunden.
In 5 ist ein Ausführungsbeispiel eines einzelnen Phasenmoduls 210 dargestellt, welches einphasig an ein Energieversorgungsnetz angeschlossen werden kann. Dabei kann dieses Phasenmodul 210 zwischen einer Phase L und dem Rückleiter N des Energieversorgungsnetzes angeschlossen werden, wie in 5 dargestellt ist. Darüber hinaus kann ein solches Phasenmodul 210 aber auch zwischen einem positiven Pol und einem negativen Pol eines Gleichspannungsnetzes bzw. eines Gleichspannungskreises angeschlossen sein. Letzteres ist beispielsweise bei der Hochspannungs-Gleichstromübertragung von Vorteil, weil dort bereits ein gemeinsamer Gleichspannungskreis vorhanden ist.
In 6 ist ein Ausführungsbeispiel des Phasenmoduls 210 näher dargestellt. Das Phasenmodul 210 weist einen ersten Anschluss 604 sowie einen zweiten Anschluss 606 auf. Der ersten Anschluss 604 ist über einen Stromsensor 608 mit einem ersten Submodul 610 elektrisch verbunden. Das erste Submodul 610 ist elektrisch in Reihe geschaltet mit weiteren Submodulen 610; insgesamt weist das Phasenmodul 210 n Submodule auf. Das letzte der n Submodule 610 ist über eine Koppelinduktivität 612 elektrisch mit dem zweiten Anschluss 606 verbunden. Mittels des Stromsensors 608 wird der durch das Phasenmodul 210 fließende Strom gemessen. Der erste Anschluss 604 kann beispielsweise mit dem positiven Gleichspannungsanschluss 310 verbunden sein (vergleiche 3); der zweite Anschluss 606 kann beispielsweise mit dem Wechselspannungsanschluss 302 verbunden sein. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann aber auch der erste Anschluss 604 und der zweite Anschluss 606 jeweils mit einer Phase des Wechselspannungs-Energieversorgungsnetzes 7 verbunden sein. Dann stellen sowohl der erste Anschluss 604 als auch der zweite Anschluss 606 Wechselspannungsanschlüsse dar (vergleiche das Ausführungsbeispiel der 2).
In 7 ist ein Ausführungsbeispiel des Submoduls 610 im Detail dargestellt. Das zweipolige Submodul 610 weist einen ersten Submodulanschluss 704 und einen zweiten Submodulanschluss 706 auf. Die beiden Submodulanschlüsse 704 und 706 sind mit einer Leistungshalbleiterschaltung 710 verbunden (genauer gesagt mit einem Wechselspannungsanschluss der Leistungshalbleiterschaltung 710). Ein Gleichspannungsanschluss der Leistungshalbleiterschaltung 710 ist über einen Gleichspannungszwischenkreis 714 mit einem ersten Gleichspannungsanschluss des DC-DC-Wandlers 720 verbunden. Der Gleichspannungszwischenkreis 714 stellt ebenfalls die elektrische Energie für die Hilfsenergieversorgung der Energiespeichereinheiten 1410 (vgl. 14) bereit. Ein zweiter Gleichspannungsanschluss des DC-DC-Wandlers 720 ist mit einem Energiespeicher 724 verbunden.
Die Leistungshalbleiterschaltung 710 kann auch als ein „Powermodul“ bezeichnet werden. Ausführungsbeispiele der Leistungshalbleiterschaltung 710 sind in den 8 und 9 dargestellt; Ausführungsbeispiele des DC-DC-Wandlers 720 sind in den 10 und 11 dargestellt.
In 8 ist ein Ausführungsbeispiel der Leistungshalbleiterschaltung 710 dargestellt. Die Leistungshalbleiterschaltung 710 weist vier Leistungshalbleiterschalter 810 auf. Die Leistungshalbleiterschalter 810 sind ein- und ausschaltbare Leistungshalbleiterschalter. Jeder der Leistungshalbleiterschalter 810 weist ein Leistungshalbleiterbauelement mit einer antiparallel geschalteten Diode auf. Im Ausführungsbeispiel der 8 ist das Leistungshalbleiterbauelement ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). In anderen Ausführungsbeispielen kann das Halbleiterbauelement jedoch auch anders ausgestaltet sein, zum Beispiel als ein IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor), IEGT (Injection-Enhanced Gate Transistor) oder als ein MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor). Die vier Halbleiterschalter 810 bilden im Ausführungsbeispiel der 8 eine Vollbrückenschaltung. Dadurch kann die Polarität der zwischen dem ersten Submodulanschluss 704 und dem zweiten Submodulanschluss 706 anliegenden Spannung umgekehrt werden.
In 9 ist ein weitere Ausführungsbeispiel einer Leistungshalbleiterschaltung 710‘ dargestellt, welche lediglich zwei Leistungshalbleiterschalter 810 aufweist. Die beiden Leistungshalbleiterschalter 810 bilden im Ausführungsbeispiel der 9 eine Halbbrückenschaltung. Dadurch kann zwischen dem ersten Submodulanschluss 704 und dem zweiten Submodulanschluss 706 nur eine Spannung einer Polarität (oder eine Nullspannung) ausgegeben werden.
In 10 ist ein Ausführungsbeispiel des DC-DC-Wandlers 720 dargestellt. Dieser DC-DC-Wandler 720 weist einen Kondensator 1010 auf, der die Spannung im Gleichspannungszwischenkreis 714 (Zwischenkreisspannung) puffert. Weiterhin weist der DC-DC-Wandler 720 vier Leistungshalbleiterschalter 810 auf, welche eine Vollbrückenschaltung bilden. Die Leistungshalbleiterschalter 810 sind mit zwei ausgangsseitig zusammengeschalteten Drosseln 1015 verbunden.
11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines DC-DC-Wandlers 720‘. Dieser DC-DC-Wandler 720‘ weist im Unterschied zum DC-DC-Wandler 720 lediglich zwei Leistungshalbleiterschalter in Form einer Halbbrücke sowie eine Drossel 1015 auf, welche mit dem energiespeicherseitigen Anschluss des DC-DC-Wandlers 720‘ verbunden ist.
12 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Energiespeichers 724. Der Energiespeicher 724 weist eine Vielzahl von Energiespeicherbaugruppen 1210 auf, welche im Ausführungsbeispiel in Reihe geschaltet sind. In einem anderen Ausführungsbeispiel können in dem Energiespeicher 724 auch parallel geschaltete Energiespeicherbaugruppen 1210 angeordnet sein, oder es können in dem Energiespeicher 724 Reihenschaltungen und Parallelschaltungen von Energiespeicherbaugruppen 1210 angeordnet sein.
Die Energiespeicherbaugruppen 1210 sind dabei (insbesondere elektrisch und mechanisch) gleichartig aufgebaut. Die Energiespeicherbaugruppen 1210 sind untereinander austauschbar, das heißt, die untere in 12 dargestellte Energiespeicherbaugruppe 1210 könnte mit der oberen in 12 dargestellten Energiespeicherbaugruppe 1210 ausgetauscht werden. Die Energiespeicherbaugruppen 1210 können auch als Transporteinheiten bezeichnet werden, weil sie einzeln gut transportiert und leicht installiert werden können.
In 13 ist in einer dreidimensionalen Darstellung ein Ausführungsbeispiel des Submoduls 610 dargestellt. In einem Tragegestell 1310 sind vier Energiespeicherbaugruppen 1210, eine Leistungshalbleiterschaltung 710 und ein DC-DC-Wandler 720 montiert. Das Tragegestell 1310 ist mittels Isolierstützern 1314 elektrisch gegenüber dem Untergrund isoliert. Im Vordergrund sind der erste Submodulanschluss 704 und der zweite Submodulanschluss 706 zu erkennen.
In 14 ist ein Ausführungsbeispiel der Energiespeicherbaugruppe 1210 dargestellt. Die Energiespeicherbaugruppe 1210 weist vier Energiespeichereinheiten 1410 sowie eine Steuereinheit 1412 auf. Die Steuereinheit 1412 stellt die Hilfsenergieversorgung für die vier Energiespeichereinheiten 1410 bereit sowie führt die Kommunikation mit den vier Energiespeichereinheiten 1410 durch. Die vier Energiespeichereinheiten 1410 weisen jeweils ein Steuermodul 1420 sowie mehrere Energiespeicher 1422 auf. Die Steuereinheit 1412 ist über jeweils eine baugruppen-interne Energieversorgungsschnittstelle 1430 mit den vier Energiespeichereinheiten 1410 elektrisch verbunden. Die Steuereinheit 1412 versorgt über diese Energieversorgungsschnittstelle 1430 die Energiespeichereinheiten 1410 mit elektrischer Energie (Hilfsenergie). Hilfsenergie ist diejenige elektrische Energie, die nicht für die Aufladung des Energiespeichers 1422 benötigt wird, sondern beispielsweise für das Steuermodul 1420 der Energiespeichereinheit 1410.
Weiterhin ist zwischen der Steuereinheit 1412 und den Energiespeichereinheiten 1410 jeweils eine baugruppen-interne Kommunikationsschnittstelle 1435 angeordnet. Über diese baugruppen-interne Kommunikationsschnittstelle 1435 kommuniziert die Steuereinheit 1412 mit den Energiespeichereinheiten 1410.
Die Energiespeicherbaugruppe 1210 weist außerdem vier baugruppen-externe Kommunikationsschnittstellen 1440 auf. Dies sind Kommunikationsschnittstellen, die eine Kommunikation nach außerhalb der Energiespeicherbaugruppe 1210 ermöglichen.
Mittels zweier Kommunikationsschnittstellen 1440 ist die Energiespeicherbaugruppe 1210 mit der in der Reihenschaltung nachfolgenden Energiespeicherbaugruppe und der in der Reihenschaltung vorausgehenden Energiespeicherbaugruppe verbunden. Genauer gesagt, ist mittels der beiden Kommunikationsschnittstellen 1440 die Steuereinheit 1412 der Energiespeicherbaugruppe 1210 mit der Steuereinheit der in der Reihenschaltung nachfolgenden Energiespeicherbaugruppe und mit der Steuereinheit der in der Reihenschaltung vorausgehenden Energiespeicherbaugruppe verbunden. Von den vier baugruppen-externen Kommunikationsschnittstellen 1440 der Energiespeicherbaugruppe 1210 sind zwei Kommunikationsschnittstellen redundant, das heißt, sie dienen als Reserve-Kommunikationsschnittstellen.
Die Steuereinheit 1412 ist mit den Energiespeichereinheiten 1410 über die baugruppen-internen Kommunikationsschnittstellen 1435 galvanisch gekoppelt. Insbesondere ist diese baugruppen-interne Kommunikationsschnittstelle 1435 in Form von elektrisch leitfähigen Leitungen, insbesondere als metallische Leitungen, ausgeführt. Eine derartige galvanisch koppelnde Kommunikationsschnittstelle lässt sich einfach und kostengünstig herstellen. Im Unterschied dazu ist die Steuereinheit 1412 von der Steuereinheit 1412 einer anderen Energiespeicherbaugruppe mittels der baugruppen-externen Kommunikationsschnittstelle 1440 galvanisch entkoppelt. Dazu ist die baugruppen-externe Kommunikationsschnittstelle 1440 beispielsweise als ein (oder mehrere) Lichtwellenleiter 1440 ausgeführt. Derartige Lichtwellenleiter sind zwar teurer als elektrisch leitfähige Leitungen, aber sie ermöglichen eine Potenzialtrennung zwischen den Steuereinheiten 1412 verschiedener Energiespeicherbaugruppen 1210.
Die baugruppen-externe Kommunikationsschnittstelle 1440 ist also eine galvanisch isolierte Kommunikationsschnittstelle. Die baugruppen-externe Kommunikationsschnittstelle 1440 verbindet die Steuereinheiten benachbarter Energiespeicherbaugruppen zum Zwecke der Kommunikation. Alternativ oder zusätzlich kann mittels der baugruppen-externen Kommunikationsschnittstelle 1440 auch eine Kommunikation zwischen der Steuereinheit der Energiespeicherbaugruppe und der zentralen Ansteuereinheit 15 erfolgen.
Im Ausführungsbeispiel der 14 weist die Energiespeicherbaugruppe 1210 vier Energiespeichereinheiten 1410 auf. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Energiespeicherbaugruppe jedoch auch eine andere Anzahl an Energiespeichereinheiten aufweisen, beispielsweise zwei Energiespeichereinheiten oder acht Energiespeichereinheiten.
Die Energiespeicherbaugruppe 1210 stellt nach außen eine in sich abgeschlossene elektrische, mechanische und/oder logische Einheit dar. Dies wird insbesondere durch die Steuereinheit 1412 erreicht. Die Steuereinheit 1412 übernimmt die Kommunikation mit allen Energiespeichereinheiten 1410 der Energiespeicherbaugruppe 1210 und sammelt so Informationen von allen Energiespeichereinheiten 1410. Diese Informationen können beispielsweise den Ladezustand der Energiespeichereinheiten oder bei den Energiespeichereinheiten auftretende Fehler betreffen. Die Steuereinheit 1412 sendet diese Informationen weiter zu der Steuereinheit der benachbarten Energiespeicherbaugruppe 1210. Alternativ kann die Steuereinheit 1412 diese Informationen auch zur Ansteuereinheit 15 senden. Die Steuereinheit 1412 ist weiterhin ein Energieverteiler für die Hilfsenergieversorgung. Außerdem realisiert die Steuereinheit 1412 eine Schutzlogik, um die einzelnen Energiespeichereinheiten 1410 der Energiespeicherbaugruppe 1210 vor Überlastung und/oder Zerstörung zu schützen.
In 15 ist ein Ausführungsbeispiel der Steuereinheit 1412 dargestellt. Die Steuereinheit 1412 weist einen Logikbaustein 1510, zwei Hilfsenergieversorgungseinheiten 1520 und 1520‘ für die Hilfsenergieversorgung der Energiespeichereinheiten 1410, einen Messeingang 1530, die baugruppen-externe Kommunikationsschnittstellen 1440, die baugruppen-internen Kommunikationsschnittstellen 1435 sowie die Energieversorgungsschnittstellen 1430 (Hilfsversorgungsverteiler 1430) auf. Der Messeingang 1530 dient zur Überwachung der Energiespeichereinheiten 1410.
Der Logikbaustein 1510 kann beispielsweise ein FPGA (Field Programmable Gate Array), ein CPLD (Complex Programmable Logic Device), ein digitaler Signalprozessor DSP oder ein Mikrocontroller sein. Dieser Logikbaustein 30 führt die Signalverwaltung, Signalvorverarbeitung, Redundanzverwaltung, Kodierung und Dekodierung von Eingangssignalen, Schutzfunktionen, Lebensdauerüberwachung und/oder eventuell notwendige Berechnungen aus.
In 16 ist ein Ausführungsbeispiel des Energiespeichers 724 des Submoduls 610 dargestellt. Der Energiespeicher 724 weist mehrere Energiespeicherbaugruppen 1210 auf, von denen in der 16 drei dargestellt sind. Jede Energiespeicherbaugruppe 1210 weist eine Steuereinheit 1412 und vier Energiespeichereinheiten 1410 auf. Die Steuereinheiten 1412 der Energiespeicherbaugruppen 1210 sind mittels der baugruppen-externen Kommunikationsschnittstellen 1440 elektrisch in Reihe geschaltet.
Die beschriebene Energiespeicherbaugruppe 1210 weist vorteilhafter Weise eine hohe Modularität und Flexibilität im Design auf, was eine einfache Anpassbarkeit an zukünftige Anwendungen erlaubt. Die Gesamtkosten für die Kommunikation reduzieren sich bei einer gleichzeitigen Erhöhung der Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit während des Betriebs. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die baugruppen-internen Kommunikationsschnittstellen nicht galvanisch isoliert ausgeführt zu sein brauchen, sondern dass für diese baugruppen-internen Kommunikationsschnittstellen preisgünstige galvanisch leitende Verbindungen verwendet werden können.
Die Energiespeicherbaugruppe 1210 kann mit einer hohen Vorfertigungstiefe fabrikmäßig hergestellt und getestet werden. Dadurch wird der Aufbau eines Mehrstufenumrichters beim Kunden wesentlich erleichtert. Die Energiespeicherbaugruppe ist zudem wartungsfreundlich und ermöglicht eine robuste Messdatenverarbeitung.
Die Energiespeichereinheiten 1410 sind im Ausführungsbeispiel als Niederspannungsenergiespeicher 1410 ausgestaltet. Niederspannungsenergiespeicher sind Energiespeicher, die mit Niederspannung betrieben werden, also insbesondere mit Spannungen kleiner oder gleich 1500 V.
Niederspannungsenergiespeicher sind als solche am Markt erhältlich. Niederspannungsenergiespeicher können mehrere Speicherzellen (zum Beispiel in Form von Kondensatoren wie beispielsweise Ultra-Caps) und eine integrierte Spannungsmessung aufweisen. Der beschriebene Niederspannungsenergiespeicher führt auch Überwachungsfunktionen durch: das Steuermodul 1420 führt Überwachungsfunktionen aus und beinhaltet eine eigene Steuerelektronik, die eine Balancierung der in den einzelnen Zellen des Energiespeichers 1422 enthaltenen Energie vornimmt. Wenn ein Defekt in einem Niederspannungsenergiespeicher auftritt, dann muss das Auftreten eines Störlichtbogens verhindert werden, da es dabei zu Hitze, Bränden, Gasentwicklung und/oder Rauchentwicklung kommen kann, woraufhin Isolationsfehler folgen können. Dadurch kann im Extremfall der modulare Mehrstufenumrichter schnell zerstört werden. Deshalb werden kritische Parameter der Niederspannungsenergiespeicher (z.B. Temperatur, Ströme, Spannungen) fortlaufend überwacht, um den sicheren Betrieb der Niederspannungsenergiespeicher zu gewährleisten. Diese Überwachung übernimmt die Steuereinheit 1412 der Energiespeicherbaugruppe 1210. Dadurch wird vorteilhafter Weise vermieden, dass zwischen jedem Niederspannungsenergiespeicher (das heißt zwischen jeder Energiespeichereinheit) und einer zentralen Überwachungsinstanz eine eigenen Kommunikationsschnittstelle eingerichtet zu werden braucht, welche galvanisch isoliert/galvanisch getrennt ausgeführt werden müsste. Derartige galvanisch getrennte/galvanisch isolierte Kommunikationsschnittstellen (z.B. mittels teurer Lichtwellenleiter-Verbindungen) sind vielmehr nur zwischen der Steuereinheit 1412 und den Steuereinheiten benachbarter Energiespeicherbaugruppen notwendig. Dadurch ergibt sich eine deutliche Kosteneinsparung.
Der Datenaustausch mit den Energiespeichereinheiten wird also erfindungsgemäß ausschließlich über die Steuereinheit 1412 durchgeführt. Dadurch werden neben den baugruppen-internen Kommunikationsschnittstellen lediglich wenige galvanisch isolierte baugruppen-externe Kommunikationsschnittstellen benötigt. Dies reduziert die Kosten erheblich. Weiterhin werden vorteilhafter Weise die Energiespeichereinheiten (ausschließlich) von der Steuereinheit über baugruppen-interne Energieversorgungsschnittstellen mit elektrischer Energie (Hilfsenergie) versorgt. Dadurch kann auch die Hilfsenergieversorgung mittels kostengünstiger galvanisch leitender Verbindungen realisiert werden; auch hierfür wird keine galvanisch getrennte Energieversorgungsschnittstelle benötigt.
Es wurde ein Submodul und ein Verfahren beschrieben, mit denen kostengünstig und sicher ein modularer Mehrstufenumrichter realisiert bzw. betrieben werden kann.

Claims

Submodul (610) eines modularen Mehrstufenumrichters (3) mit einer Leistungshalbleiterschaltung (710), die mindestens zwei ein- und ausschaltbare Leistungshalbleiterschalter (810) aufweist, und mit einem Energiespeicher (724), dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (724) eine Mehrzahl von Energiespeicherbaugruppen (1210) aufweist, die gleichartig aufgebaut sind.
Submodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – jede der Energiespeicherbaugruppen (1210) mehrere Energiespeichereinheiten (1410) sowie eine Steuereinheit (1412) aufweist, wobei zwischen der Steuereinheit (1412) und den Energiespeichereinheiten (1410) baugruppen-interne Energieversorgungsschnittstellen (1430) für eine Hilfsenergieversorgung der Energiespeichereinheiten (1410) und baugruppen-interne Kommunikationsschnittstellen (1435) für die Kommunikation mit den Energiespeichereinheiten (1410) angeordnet sind.
Submodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Steuereinheiten (1412) der Energiespeicherbaugruppen (1210) mittels baugruppen-externer Kommunikationsschnittstellen (1440) in einer Reihenschaltung geschaltet sind.
Submodul nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass – innerhalb einer Energiespeicherbaugruppe (1210) die Steuereinheit (1412) mit den Energiespeichereinheiten (1410) über die baugruppen-internen Kommunikationsschnittstellen (1435) galvanisch gekoppelt sind.
Submodul nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass – die baugruppen-internen Kommunikationsschnittstellen (1435) als elektrisch leitfähige, insbesondere als metallische, Leitungen ausgeführt sind.
Submodul nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass – die Steuereinheiten (1412) der Energiespeicherbaugruppen (1210) untereinander galvanisch entkoppelt sind.
Submodul nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass – die baugruppen-externen Kommunikationsschnittstellen (1440) als Lichtwellenleiter ausgeführt sind.
Submodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – jede Energiespeicherbaugruppe (1210) zusätzlich zu der baugruppen-externen Kommunikationsschnittstelle (1440) eine weitere redundante baugruppen-externe Kommunikationsschnittstelle (1440) aufweist.
Submodul nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass – jede Energiespeicherbaugruppe (1210) eine Hilfsenergieversorgungseinheit (1520) und zusätzlich eine redundante Hilfsenergieversorgungseinheit (1520‘) für die Hilfsenergieversorgung aufweist.
Submodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass – das Submodul (610) einen DC-DC-Wandler (720) aufweist, der die Leistungshalbleiterschaltung (710) mit dem Energiespeicher (724) verbindet.
Submodul nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass – das Submodul (610) einen Gleichspannungszwischenkreis (714) aufweist, der elektrische Energie für die Hilfsenergieversorgung bereitstellt.
Submodul nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass – der Gleichspannungszwischenkreis (714) die Leistungshalbleiterschaltung (710) mit dem DC-DC-Wandler (720) verbindet.
Submodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Energiespeicherbaugruppe (1210) zwei, vier oder acht Energiespeichereinheiten (1410) aufweist.
Modularer Mehrstufenumrichter (3) mit einer Mehrzahl von Submodulen (610) nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
Verfahren zum Betreiben eines modularen Mehrstufenumrichters (3), der eine Mehrzahl von Submodulen (610) mit jeweils einer Leistungshalbleiterschaltung (710) und jeweils einem Energiespeicher (724) aufweist, wobei der Energiespeicher (724) eine Mehrzahl von Energiespeicherbaugruppen (1210) aufweist, und wobei jede Energiespeicherbaugruppe (1210) mehrere Energiespeichereinheiten (1410) sowie eine Steuereinheit (1412) aufweist, wobei bei dem Verfahren – ein Datenaustausch mit den Energiespeichereinheiten (1410) der Energiespeicherbaugruppe (1210) über die Steuereinheit (1412) dieser Energiespeicherbaugruppe (1210) durchgeführt wird, welche über baugruppen-interne Kommunikationsschnittstellen (1435) mit den Energiespeichereinheiten (1410) verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass – die Energiespeichereinheiten (1410) von der Steuereinheit (1412) über baugruppen-interne Energieversorgungsschnittstellen (1430) mit elektrischer Energie versorgt werden.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass – die Submodule (610) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 ausgestaltet sind.