DE102019006476A1

DE102019006476A1 - Kaskadierter Hybridbrückenkonverter

Info

Publication number: DE102019006476A1
Application number: DE102019006476.3A
Authority: DE
Inventors: Jingyang Fang; Stefan Goetz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-09-14
Filing date: 2019-09-14
Publication date: 2021-03-18

Abstract

Ein elektrisches Umrichtersystem mit in Reihe geschalteten Modulen, die mindestens zwei Module aufweisen können, wird offenbart. Umfassend mehrere Arten von Modulen, kann das Umrichtersystem mehr als zwei Spanungsniveaus erzeugen und spart gegenüber bekannten Mehrpunktumrichter bis zur Hälfte der Halbleiter ein. Ebenso wird ein Verfahren zur Steuerung eines solchen elektrischen Umrichtersystems offenbart.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Umrichtersystem, auch Wandlersystem genannt, das aus Halbbrücken- und H-Brückenmodulen besteht.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Elektrische AC-Motoren, wie sie beispielsweise in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, benötigen in der Regel einen Stromrichter, der die von einer Batterie gelieferte Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandelt oder umgekehrt. Darüber hinaus sind dezentrale Energieressourcen wie Photovoltaik und Wind in der Regel über DC-AC- oder AC-DC-Stromrichter an das Netz angebunden. Bei ausschließlicher Verwendung zur Blindleistungs- und Spannungskompensation können solche Umrichter als statische Kompensatoren (STATCOMs) dienen. Typischerweise verwenden Umrichter in diesen Anwendungen so genannte Brückenschaltungen, die abwechselnd Ausgangsklemmen mit einem Plus- und einem Minuspol der Gleichspannungsquelle verbinden. In jedem Schaltzustand wählen die Umrichter die Verweildauer so, dass die geforderte Wechselspannung im Durchschnitt über die Zeit entsteht. Eine so erzeugte Wechselspannung hat jedoch eine geringe Qualität und erhebliche Verzerrung. Darüber hinaus entstehen durch die Schaltvorgänge hohe Energieverluste. Weitere Nachteile ergeben sich in Bezug auf die elektromagnetische Verträglichkeit, da die durch das Schalten entstehenden hochfrequenten Schaltflanken dazu führen, dass hohe Energien elektromagnetisch emittiert werden. Darüber hinaus sind die Schaltungen mit teuren Komponenten verbunden, da diese jeweils für die Spitzenspannung ausgelegt werden müssen.
Die genannten Probleme können mit Hilfe von mehrstufigen Umrichtern, auch Konverter oder Wandler oder Wandlersysteme genannt, gelöst werden. Multilevelwandler ermöglichen es, die Ausgangsspannung für eine Last, wie beispielsweise einen elektrischen Wechselstrommotor, in kleinen Stufen zu erzeugen, was zu weniger Spannungsoberschwingungen und elektromagnetischen Störungen führt. Durch die richtige Ansteuerung von Schaltelementen können die mit Schaltvorgängen verbundenen Energieverluste minimiert werden. Da mehrere Schalter in Reihe geschaltet sind, ist es möglich, dass Schalter mit kleinen Nennspannungen hohe Spannungen führen. Unter den mehrstufigen Umrichtern zeichnen sich vier Typen aus. Erstens sind Dioden-geklemmte Wandler (engl. diode-clamped converter oder inverter) unter anderem bekannt aus „A. Nabae, I. Takahashi und H. Akagi (1981). A new neutralpoint-clamped PWM inverter, IEEE Transactions on Industrial Application, 17(5):518-523“, der hierin unter Bezugnahme aufgenommen wird. Der zweite Typ bezieht sich auf Flugkondensator-Wandler, die in „T. A. Meynard und H. Foch (1992). Multi-level conversion: high voltage choppers and voltage-source inverters, IEEE Power Electronics Specialist Conference, 397-403“ beschrieben sind. Drittens werden modulare Multilevelwandler von „R. Marquardt und A. Lesnicar (2003). A new modular voltage source inverter topology, IEEE European Conference on Power Electronics and Applications, 1-10“ vorgestellt. Der vierte Typ ist bekannt als kaskadierter H-Brücken-(CHB)-Wandler aus den USA 3867643A. Weitere verwandte modulare Multilevelstrukturen sind in „Perez, M. A., Bernet, S., Rodriguez, J., Kouro, S., & Lizana, R. (2014). Circuit topologies, modeling, control schemes, and applications of modular multilevel converters. IEEE Transactions on Power Electronics, 30(1), 4-17“ und „Goetz, S. M., Peterchev, A. V., & Weyh, T. (2014). Modular multilevel converter with series and parallel module connectivity: Topology and control. IEEE Transactions on Power Electronics, 30(1), 203-215“ beschrieben.
Im Vergleich zu Dioden-Klemmkonvertern und Flying-Capacitor-Konvertern benötigen kaskadierte H-Brücken-Konverter die geringste Anzahl von Komponenten, wie Klemmdioden und Spannungsausgleichskondensatoren, um die gleichen Spannungspegel zu erreichen. Im Vergleich zu modularen Multilevelwandlern können kaskadierte H-Brückenwandler auf einen S externen DC-Bus verzichten und eine stark vereinfachte Schaltungsstrukturaufweisen. Wie der Name schon sagt, besteht der kaskadierte H-Brückenkonverter aus mehreren H-Brückenmodulen. Einzelmodule mit einem Energiespeicherelement und vier aktiven Schaltelementen, die elektrisch mit benachbarten Modulen verbunden sind, wobei die elektrische Verbindung während des Betriebs dynamisch veränderbar ist, so dass die Wechselstrom-Ausgangsspannung durch dynamisches Ändern der Verbindung von elektrischen Energiespeicherelementen synthetisiert wird. Nachfolgend ist unter dem Begriff „elektrisches Energiespeicherelement“ auch elektrische Energiequellen und Energiesenken zu verstehen, die sich von elektrischen Energiespeicherelementen nur dadurch unterscheiden, dass sie vorzugsweise einen Betriebsbereich ermöglichen, entweder eine Energieaufnahme oder eine Energieabgabe. Darüber hinaus müssen die hier genannten elektrischen Energiespeicherelemente nicht unbedingt ideal und damit verlustfrei sein, so dass die entnehmbare Energie geringer sein kann als die zuvor eingespeiste.
Kaskadierte H-Brücken-Wandler nach dem Stand der Technik erfordern jedoch eine hohe Anzahl von Halbleiterschaltern. Insbesondere benötigt jedes H-Brückenmodul vier Schalter. Um einen bestimmten Spannungspegel zu erzeugen, gibt es eine große Anzahl von redundanten Schaltzuständen. Viele dieser Staaten werden in der Tat in der Praxis nicht verwendet. Dies bedeutet, dass die Anzahl der redundanten Schaltzustände und Halbleiterschalter reduziert werden kann, während die Ausgangsspannungspegel unverändert bleiben. Auf diese Weise können die Kosten und die Komplexität des Konverters erheblich reduziert werden.
Halbbrückenmodule können als Alternative zu H-Brückenmodulen dienen. Da Halbbrückenmodule typischerweise nur zwei Schalter verwenden, werden zwei Schaltelemente im Vergleich zu H-Brückenmodulen eingespart. Mit zunehmender Modulanzahl kann fast die Hälfte der Schalter und der damit verbundenen Steuerkreise, wie z. B. Gate-Treiber, entfallen. Das bedeutet, dass der potenzielle Vorteil der Verwendung von Halbbrückenmodulen enorm ist.
Die Erfindung legt zwei Arten von Halbbrückenmodulen offen. Die erste bezieht sich auf das Halbbrückenmodul mit einem Mittelpunktabgriff, der als negatives Ende seines AC-Ausgangs dient. Diese Struktur ermöglicht es dem Halbbrückenmodul, entweder eine positive Spannung oder eine negative Spannung auszugeben. Wie beim zweiten Typ dient der negative DC-Anschluss als negatives Ende des AC-Ausgangs. Auf diese Weise kann das Halbbrückenmodul eine positive Spannung oder eine Nullspannung ausgeben. Diese Erfindung offenbart insbesondere die erste Art von Halbbrückenmodulen als Ersatz für H-Brückenmodule, um Halbleiter und zugehörige Steuerschaltungen zu sparen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel, das mit der vorliegenden Erfindung erreicht werden soll, besteht unter anderem in der Implementierung eines Multilevelwandlers, der im Vergleich zu herkömmlichen kaskadierten H-Brücken-Wandlern fast die Hälfte der Halbleiterschalter einspart und gleichzeitig die gleichen Ausgangsspannungspegel gewährleistet.
Das Ziel wird durch einen elektrischen Umrichter, nämlich den kaskadierten Hybrid-Brückenumrichter, erreicht, der aus einer Vielzahl von Halbbrückenmodulen und einem H-Brückenmodul besteht, wobei alle Modulausgänge in Reihe geschaltet sind und den AC-Ausgang bilden. Jedes Modul umfasst eine Vielzahl von Schaltelementen zum dynamischen Umschalten zwischen einer Vielzahl von Schaltungszuständen und mindestens einem Energiespeicherelement, wie beispielsweise einem Kondensator oder einer Batterie, in seiner DC-Seite. Bei Halbbrückenmodulen nach der offenbarten Erfindung kann jedes Modul entweder einen positiven Spannungspegel oder einen negativen Spannungspegel ausgeben, die als +1 bzw. -1 bezeichnet werden. Im Gegensatz dazu erlaubt das H-Brückenmodul drei verschiedene Ausgangsspannungspegel, d. h. einen positiven Spannungspegel (+1), einen negativen Spannungspegel (-1) und einen Nullspannungspegel (0). Die gesamte AC-Leistung ist die Summe aller Halbbrückenmodulausgänge und des H-Brückenmodulausgangs. Durch die Ansteuerung einzelner Module kann die AC-Ausgangsspannung entsprechend geregelt werden. Weitere Konfigurationen können den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung entnommen werden.
Bei herkömmlichen kaskadierten H-Brücken-Wandlern sind alle Module H-Brücken-Module. Jedes H-Brückenmodul verfügt über drei Ausgangsspannungsebenen. Im Gegensatz dazu besteht der erfundene kaskadierte Hybrid-Brückenkonverter nicht nur aus einem H-Brückenmodul, sondern auch aus Halbbrückenmodulen. Im Vergleich zum H-Brückenmodul spart das Halbbrückenmodul zwei Halbleiterschalter. Bei eingeschaltetem oberen Schalter und ausgeschaltetem unteren Schalter gibt das Halbbrückenmodul eine positive Spannung (+1) aus. Alternativ dazu gibt das Halbbrückenmodul bei ausgeschaltetem oberen und eingeschaltetem unteren Schalter eine negative Spannung (-1) ab. Im Gegensatz zum H-Brückenmodul ist das Halbbrückenmodul jedoch nicht in der Lage, den Nullspannungspegel (0) auszugeben. Mit anderen Worten, das Halbbrückenmodul spart Halbleiter auf Kosten der Schaltzustände.
Nach der vorliegenden Erfindung kann der kaskadierte Hybrid-Brückenkonverter die gleichen Spannungspegel ausgeben wie herkömmliche H-Brückenkonverter. Um diese Aussage zu belegen, werden ausgehend von einem H-Brückenmodul Halbbrückenmodule dem kaskadierten Hybrid-Brückenkonverter weiter hinzugefügt. Wie bereits erwähnt, hat das H-Brückenmodul drei verschiedene Ausgangsspannungspegel, nämlich +1, -1 und 0, und jedes Halbbrückenmodul trägt zwei Spannungspegel bei, nämlich +1 und -1.
Der kaskadierte Hybrid-Brückenkonverter mit zwei Halbbrückenmodulen und einem H-Brückenmodul verfügt über sieben Ausgangsspannungsebenen. Insbesondere, wenn alle Module +1 ausgeben, kann die höchste Ausgangsspannung +3 erreicht werden. Als nächstes gibt das H-Brückenmodul 0 und die Ausgänge des Halbbrückenmoduls bleiben unverändert, die Ausgangsspannung wird in +2 geändert. Es gibt drei Möglichkeiten, eine Ausgangsspannung von +1 zu erreichen. Lassen Sie zunächst zwei Halbbrückenmodule +1 und das H-Brückenmodul -1 ausgeben, und es wird eine Ausgangsspannung von +1 erwartet. Zweitens kann dies erreicht werden, indem das erste Halbbrückenmodul und das H-Brückenmodul +1 ausgeben lassen, während das zweite Halbbrückenmodul -1 ausgibt. Drittens werden das erste Halbbrückenmodul und das zweite Halbbrückenmodul vertauscht, und der Ausgangsspannungspegel beträgt ebenfalls +1. Um eine Ausgangsspannung von 0 zu erhalten, gibt es zwei Möglichkeiten. In beiden Fällen sollte das H-Brückenmodul den Ausgang 0 ausgeben, außerdem ist es erforderlich, dass die beiden Halbbrückenmodule entgegengesetzte Spannungspegel ausgeben, d. h. +1 und -1 oder -1 und +1. Wenn der Ausgangsspannungspegel negativ wird, sollten die zuvor genannten Schaltzustände durch ihre Alternativen ersetzt werden. Wenn beispielsweise alle Module -1 ausgeben, wird die minimale Ausgangsspannung -3 erreicht. Bisher ist nachgewiesen, dass der kaskadierte Hybrid-Brückenkonverter mit zwei Halbbrückenmodulen und einem H-Brückenmodul sieben Spannungsebenen ausgeben kann, darunter 0, ±1, ±2, ±3.
Um zu verallgemeinern, nehmen wir an, dass es bereits 2(n-1) (n bezeichnet eine positive ganze Zahl) Halbbrückenmodule und ein H-Brückenmodul gibt, und die (4n-1) Ausgangsspannungspegel sind 0, ±1, ±2, ...., ±(2n-1). Wenn zwei weitere Halbbrückenmodule hinzugefügt werden, wird nachgewiesen, dass die Gesamtzahl der Ausgangsspannungspegel (4n+3) beträgt. Zuerst werden die vorherigen (4n-1) Spannungspegel erreicht, indem die beiden zusätzlichen Halbbrückenmodule Gegenspannungspegel ausgeben und die restlichen wie bisher funktionieren. Zweitens, lassen Sie alle Module positive Spannungen (+1) ausgeben, und der maximale Ausgangsspannungspegel (2n+1) wird erreicht. Alternativ ergeben alle negativen Modulspannungen den minimalen Ausgangspegel (-2n-1). Drittens, wenn das H-Brückenmodul 0 ausgibt, während die restlichen Module +1 ergeben, wird der Ausgangsspannungspegel 2n erreicht. Ebenso wird der Pegel -2n als Ausgang 0 des H-Brückenmoduls abgeleitet, während die übrigen Module -1 beitragen. In dieser Phase werden alle (4n+3) Ausgangsspannungspegel erreicht.
Im oben genannten Fall werden zur Erzeugung von (4n+3) Ausgangsspannungspegeln 2n Halbbrückenmodule und ein H-Brückenmodul eingesetzt. Da jedes Halbbrückenmodul zwei Halbleiterschalter verwendet und vier Schalter im H-Brückenmodul benötigt werden, wird die Gesamtschalterzahl auf (4n+4) berechnet. Für den kaskadierten H-Brückenwandler mit gleichen (4n+3) Ausgangsspannungspegeln benötigt er (2n+1) H-Brückenmodule. Da jedes H-Brückenmodul vier Schalter benötigt, wird die Gesamtschalterzahl als (8n+4) ermittelt. Mit zunehmendem n wird deutlich, dass beim kaskadierten Hybrid-Brückenkonverter fast die Hälfte der Halbleiterschalter eingespart wird. Der kaskadierte Hybrid-Brückenkonverter und der kaskadierte H-Brückenkonverter benötigen beide (2n+1) Module. Dabei ersetzt der kaskadierte Hybrid-Brückenkonverter einfach 2n H-Brückenmodule im kaskadierten H-Brückenkonverter durch Halbbrückenmodule.
Im Gegensatz zum H-Brückenmodul, das nur ein DC-Energiespeicherelement, wie beispielsweise eine Batterie oder einen Kondensator, verwendet, benötigt das offenbarte Halbbrückenmodul zumindest zwei separate DC-Energiespeicherelemente, die typischerweise elektrisch in Reihe geschaltet sind. Diese beiden DC-Energiespeicherelemente können identisch oder unterschiedlich sein. Darüber hinaus können sie je nach Anwendung unterschiedliche Nennspannungen aufweisen. Dadurch wird die Anzahl der DC-Energiespeicherelemente im kaskadierten Hybrid-Brückenwandler nahezu verdoppelt. Daher kann der kaskadierte Hybrid-Brückenkonverter bei der Anwendung in Anwendungen der erneuerbaren Energien mehr verteilte Energiequellen verbinden. Die Anzahl der Schaltelemente, z. B. Halbleiterschalter, wie z. B. Insulate-Gate Bipolartransistoren (IGBT) oder Feldeffekttransistoren (FET), ist jedoch gering. Der Einsatz einer größeren Anzahl von Energiespeicherelementen mit geringerer Spannung pro Element kann für viele Anwendungen von Vorteil sein. Für Batterien ist es beispielsweise von Vorteil, wenn nur wenige oder nur eine Zelle(n) in Reihe geschaltet sind. Nur wenige Zellen oder eine Zelle in Serie zu haben, die eines der mindestens zwei Energiespeicherelemente in einem Halbbrückenmodul repräsentiert, ermöglicht eine genauere Abstimmung jeder Zelle, als ob in einem herkömmlichen Modul mit nur einem Energiespeicherelement mehr Zellen in Serie geschaltet wären. Mit einer geringeren Anzahl von Batteriezellen in Serie ist die Wahrscheinlichkeit einer großen Streuung von Eigenschaften, wie z. B. der Zellkapazität, unter ihnen geringer. Nach diesem Aspekt der Erfindung erlaubt jedoch die geringere Anzahl von Zellen in Reihe noch den Einsatz von Transistoren mit höherer Spannung, die derzeit höhere Leistungsdichten und niedrigere Kosten ermöglichen. Dieser Aspekt der Erfindung ermöglicht beispielsweise eine Ausführungsform mit mindestens zwei Energiespeicherelementen pro Modul, wobei jedes Energiespeicherelement eine 4-V-Lithiumzelle ist, die Schaltelemente aber 12-V-FETs sind und ebenfalls mindestens 8 V ausnutzen. Alternativ könnte jedes Energiespeicherelement zwei in Reihe geschaltete 4-V-Batteriezellen und jedes Schaltelement mindestens 20-V-FETs sein.
In einer weiteren Ausführungsform des Umrichters im Sinne der Erfindung können allein die Halbbrückenmodule eine Topologie bilden, die sich von der Topologie des kaskadierten Hybrid-Brückenumrichters unterscheidet. In diesem Fall sind alle Module identische Halbbrückenmodule, und der Umrichter wird zu einem kaskadierten Halbbrückenumrichter und nicht zu einem kaskadierten Hybrid-Brückenumrichter. In diesem Fall sind ein modularer Aufbau und eine dezentrale Steuerung des Umrichters möglich.
Weitere Vorteile und Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den dazugehörigen Zeichnungen.
Selbstverständlich können die oben genannten und die im weiteren beschriebenen Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder allein verwendet werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Figurenliste
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird mit Bezug auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben.

1a stellt eine einphasige kaskadierte H-Brücken-Umrichterschaltung aus dem Stand der Technik dar.
1b zeigt eine dreiphasige kaskadierte H-Brücken-Wandlerschaltung aus dem Stand der Technik.
1c zeigt eine H-Brücken-Modul-Topologie mit einem Batteriespeicherelement.
1d zeigt eine H-Brücken-Modul-Topologie mit einem Kondensatorspeicherelement.
1e zeigt einen exemplarischen positiven Ausgangsschaltzustand eines H-Brückenmoduls.
1f zeigt einen exemplarischen negativen Ausgangsschaltzustand eines H-Brückenmoduls.
1g zeigt einen exemplarischen Nullausgangsschaltzustand eines H-Brückenmoduls.
1h zeigt einen exemplarischen Nullausgangsschaltzustand eines H-Brückenmoduls.
2a stellt eine einphasige Ausführungsform der kaskadierten Hybrid-Brückenwandlerschaltung gemäß den Aspekten der Erfindung dar.
2b stellt eine dreiphasige Ausführungsform der kaskadierten Hybrid-Brückenwandlerschaltung gemäß den Aspekten der Erfindung dar.
2c zeigt eine Halbbrückenmodul-Topologie mit Batteriespeicherelementen .
2d zeigt eine Halbbrückenmodul-Topologie mit Kondensatorspeicherelementen.
2e zeigt einen exemplarischen positiven Ausgangsschaltzustand eines Halbbrückenmoduls.
2f zeigt einen exemplarischen negativen Ausgangsschaltzustand eines Halbbrückenmoduls.
3a zeigt einen siebenstufigen kaskadierten H-Brücken-Wandler mit Batteriespeicherelementen aus dem Stand der Technik.
3b zeigt einen siebenstufigen kaskadierten H-Brückenkonverter mit Kondensatorspeicherelementen aus dem Stand der Technik.
3c zeigt eine siebenstufige Ausführungsform des kaskadierten Hybrid-Brückenwandlers mit Batteriespeicherelementen nach Aspekten der Erfindung.
3d zeigt eine siebenstufige Ausführungsform des kaskadierten Hybrid-Brückenkonverters mit Kondensatorspeicherelementen nach Aspekten der Erfindung.
4a zeigt TABELLE I, die die Spannungspegelkombinationen von siebenstufigen kaskadierten H-Brücken-Wandlern nach Aspekten der Erfindung auflistet.
4b zeigt TABELLE II, welche die Spannungspegelkombinationen von siebenstufigen kaskadierten Hybrid-Brückenumrichtern nach Aspekten der Erfindung auflistet.
4c zeigt TABELLE III, welche zwischen dem kaskadierten H-Brückenkonverter und dem kaskadierten Hybrid-Brückenkonverter nach Aspekten der Erfindung vergleicht.
4d zeigt TABELLE IV, welche die für Simulationen und Experimente verwendeten Systemparameter nach Aspekten der Erfindung auflistet.
5a zeigt simulierte Wellenformen eines einphasigen siebenstufigen kaskadierten Hybrid-Brückenkonverters mit als STATCOM nach Aspekten der Erfindung.
5b zeigt die experimentellen Wellenformen eines einphasigen siebenstufigen kaskadierten Hybrid-Brückenkonverters mit Kondensatorspeicherelementen als STATCOM nach Aspekten der Erfindung.
6a zeigt die theoretische AC-Ausgangsspannung eines siebenstufigen kaskadierten Hybrid-Brückenwandlers mit dem Modulationsschema der selektiven Oberschwingungsunterdrückung nach Aspekten der Erfindung.
6b zeigt eine simulierte Ausgangsspannung eines siebenstufigen kaskadierten Hybrid-Brückenwandlers mit dem Modulationsschema der selektiven Oberschwingungsunterdrückung nach Aspekten der Erfindung.
7a zeigt simulierte Wellenformen dreiphasigen, siebenstufigen, kaskadierten Hybrid-Brückenwandlers mit Batteriespeicherelementen nach Aspekten der Erfindung.
7b zeigt experimentelle Wellenformen dreiphasigen, siebenstufigen, kaskadierten Hybrid-Brückenwandlers mit Batteriespeicherelementen nach Aspekten der Erfindung.
8a zeigt eine weitere Ausführungsform des einphasigen kaskadierten Halbbrückenumrichters nach Aspekten der Erfindung.
8b zeigt eine weitere Ausführungsform des dreiphasigen kaskadierten Halbbrückenumrichters nach Aspekten der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Das elektrische Umrichtersystem gemäß den Aspekten der Erfindung verwendet eine Vielzahl von Halbbrückenmodulen und ein H-Brückenmodul zum Erzeugen variabler mehrstufiger Ausgangsspannungen und/oder zum Übertragen von Energie zwischen den elektrischen Energiespeicherelementen in Modulen. Das Umrichtersystem nach Aspekten der Erfindung bezieht sich auch auf den sogenannten kaskadierten Hybrid-Brückenumrichter. Der kaskadierte Hybrid-Brückenumrichter kann entweder in einer einphasigen, einer dreiphasigen oder allgemein einer N-phasigen Ausführungsform und mit Batteriespeicherelementen, Kondensatorspeicherelementen oder einer Mischung aus diesen realisiert werden. Die optionale Kombination von mindestens einer Batterie mit mindestens einem Kondensator in einem Modul ermöglicht es beispielsweise, teure Batteriezellen in einem System zu sparen und dennoch Spannungen zu erzeugen, die deutlich höher sind als die Summe der Spannungen aller Batterien.
Der kaskadierte Hybrid-Brückenkonverter kann als eine Variante des kaskadierten H-Brückenkonverters angesehen werden, bei dem einige der H-Brückenmodule durch Halbbrückenmodule ersetzt werden. Die genannten Umrichterschaltungen sind modular aufgebaut. Das heißt, sie bestehen aus einer Vielzahl von miteinander verbundenen Modulen, wobei die Module mindestens ein elektrisches Energiespeicherelement und mindestens zwei elektronische Schaltelemente umfassen. Durch geeignete Aktivierung der Schaltelemente einzelner Module können die Energiespeicherelemente entweder in Reihe mit anderen Modulen, in der Regel den Nachbarn, elektrisch verbunden oder von anderen Modulen galvanisch getrennt werden. Je nach Ausführungsform der Module können diese elektrischen Verbindungen individuell für die jeweiligen Energiespeicherelemente ausgeführt werden.
1a zeigt eine einphasige kaskadierte H-Brücken-Wandlerschaltung aus dem Stand der Technik, deren Grundprinzip auf der Zusammenschaltung ähnlicher Module 101, so genannter H-Brückenmodule, die einen modularen Wandler bilden, basiert. Die in 1a dargestellte Schaltung umfasst eine Vielzahl von Klemmen 102, mit denen weitere Schaltungskomponenten oder Module verbunden werden können. Eine Reihenschaltung von mindestens zwei Modulen 101 wird als Modulstring 103 oder Phasenmodul bezeichnet. Eine Obergrenze wird hier nicht vorgegeben, sondern ergibt sich der Regel aus den Anforderungen der Schaltung. Die elektrischen Anschlüsse 104 und 105 sind zwei AC-Ausgangsklemmen. Durch die richtige Ansteuerung einzelner H-Brücken-Module ist eine mehrstufige Ausgangsspannung an den AC-Ausgangsklemmen 104 und 105 zu erwarten.
1b zeigt eine dreiphasige kaskadierte H-Brücken-Wandlerschaltung aus dem Stand der Technik, bei der drei ähnliche Modulstränge 103 verwendet werden. Drei Stränge sind an einem Ende über den elektrischen Anschluss 104 verbunden, der eine gemeinsame Masse bildet. Die anderen Klemmen 105, 106 und 107 bilden die dreiphasige AC-Ausgangsklemme für z. B. mindestens eine elektrische Last, mindestens ein elektrisches Netz oder mindestens eine elektrische Maschine.
Die 1c und 1d zeigen sogenannte H-Brücken-Module. Das H-Brückenmodul umfasst ein elektrisches Energiespeicherelement 135 oder 141 und vier Schaltelemente 131, 132, 133, 134, die jeweils einen Transistor und eine Diode sowie die Anschlüsse 137, 138 umfassen. Die dargestellten H-Brücken-Module veranschaulichen zwei Varianten. Im Falle von 1c ist das elektrische Energiespeicherelement eine Batterie. Im Gegensatz dazu zeigt 1d den Fall, dass ein Kondensator als elektrisches Energiespeicherelement dient. Durch die geeignete Ansteuerung von Schaltelementen 131-134 kann das elektrische Energiespeicherelement in einem H-Brückenmodul entweder in Reihe mit entsprechenden elektrischen Energiespeicherelementen eines benachbarten Moduls geschaltet oder aus der Schaltung entfernt werden. Das H-Brückenmodul ermöglicht eine sogenannte Vierquadrantenschaltung, bei der an den Klemmen 137, 138 zwischen zwei Polaritäten umgeschaltet werden kann.
Die 1e, 1f, 1g und 1h zeigen die Schaltzustände eines H-Brückenmoduls. Es wird festgestellt, dass es drei verschiedene Schaltzustände gibt. Zunächst wird, wie in 1e dargestellt, der positive Ausgangsschaltzustand durch Einschalten der Schaltelemente 131, 134 und Ausschalten der Schaltelemente 132, 133 erreicht. In diesem Fall ist die Spannung an den Klemmen 137, 138 positiv. Alternativ wird der zweite Schaltzustand, nämlich der negative Ausgangsschaltzustand, erhalten, wenn die Schaltelemente 131, 134 ausgeschaltet sind und gleichzeitig die Schaltelemente 132, 133 eingeschaltet sind. Die 1g und 1h zeigen zwei weitere exemplarische Bedingungen, bei denen die Ausgangsspannung Null ist. Beim gleichzeitigen Einschalten der Schaltelemente 131, 133 oder 132, 134 entsteht keine Spannungsdifferenz an den Klemmen 137, 138. Das heißt, die elektrischen Energiespeicherelemente werden unter diesen Bedingungen umgangen. Zur Vereinfachung werden die Ausgangsspannungen der drei Schaltzustände mit +1, -1 und 0 bezeichnet.
2a stellt eine einphasige Ausführungsform der kaskadierten Hybrid-Brückenwandlerschaltung nach Aspekten der Erfindungdar. Im Allgemeinen enthält der kaskadierte Hybrid-Brückenkonverter mindestens zwei Module, von denen mindestens eines ein Halbbrückenmodul ist. In 2a ist das einzige H-Brückenmodul 201 das gleiche wie in den 1a-1d dargestellt. Neben dem H-Brückenmodul werden im kaskadierten Hybrid-Brückenkonverter eine Vielzahl von Halbbrückenmodulen 208 eingesetzt. Alle Halbbrückenmodule und das H-Brückenmodul sind über die elektrischen Anschlüsse 202 über ihre jeweiligen Modulklemmen in Reihe geschaltet. Auch hier erscheint die AC-Ausgangsspannung an den Klemmen 204, 205. Das nach Erfindungsaspekten kaskadierte Hybrid-Brücken-Wandlersystem bietet Vorteile, die zu weniger Halbleitern in den Modulen 208 und zu niedrigeren Halbleiterkosten im Gesamtsystem führen.
2b zeigt eine dreiphasige Ausführungsform der kaskadierten Hybrid-Brücken-Wandlerschaltung gemäß Aspekten der Erfindung, wobei drei Modulstränge 203 über den elektrischen Anschluss 204 miteinander verbunden sind und beispielsweise einen Sternpunkt oder auch eine Erdungsklemme bilden. Die dreiphasigen Wechselstromanschlüsse 205, 206 und 207 bilden zusammen mit der Erdungsklemme 204 die Ausgangsklemmen für z. B. mindestens eine elektrische Last, mindestens ein elektrisches Netz oder mindestens eine elektrische Maschine.
Die 2c und 2d zeigen eine Umsetzung der Erfindung mit zwei exemplarischen Halbbrückenmodulen. Die jeweiligen Module umfassen jeweils mindestens zwei Batteriespeicherelemente 235 oder mindestens zwei Kondensatorspeicherelemente 241 und jeweils mindestens zwei Schaltelemente 231, 232, die jeweils beispielsweise mit einem Transistor und einer Diode realisiert sind. Die mindestens zwei Schaltelemente 231, 232 sind elektrisch in Reihe geschaltet, und ihre Verbindung bildet eine erste Modulklemme 237, auch Modulanschluss genannt. Die mindestens zwei Energiespeicherelemente 235, 241 sind elektrisch in Reihe geschaltet, und ihre Verbindung bildet eine zweite Modulklemme 238. Durch entsprechende Aktivierung der Schaltelemente 231, 232 kann das elektrische Energiespeicherelement in einem Halbbrückenmodul entweder positiv oder negativ in Reihe mit entsprechenden elektrischen Energiespeicherelementen eines benachbarten H-Brückenmoduls oder eines Halbbrückenmoduls geschaltet werden. Beachten Sie, dass die beiden Energiespeicherelemente in jedem Halbbrückenmodul Batterie-Energiespeicherelemente, Kondensator-Energiespeicherelemente oder beides umfassen können, und wobei die Nennspannung eines Energiespeicherelements weniger als drei Viertel der Nennspannung des anderen Energiespeicherelements beträgt. Die Halbbrückenmodule, wie in den obigen FIGS. dargestellt, können für ein elektrisches Umrichtersystem nach Aspekten der Erfindung verwendet werden.
Die 2e und 2f zeigen die Schaltzustände eines Halbbrückenmoduls. Das Halbbrückenmodul verfügt über mindestens zwei verschiedene Schaltzustände. 2e zeigt die Umsetzung des positiven Ausgangsschaltzustandes, wobei ein High-Side-Schaltelement 231, das zwischen einem positiven Anschluss eines der mindestens zwei Energiespeicherelemente und einer Modulklemme 237 geschaltet ist, eingeschaltet wird, während ein Low-Side-Schaltelement 232, das zwischen einem negativen Anschluss eines der mindestens zwei Energiespeicherelemente und der Modulklemme 237, mit der auch der High-Side-Schalter 231 verbunden ist, geschaltet ist. In diesem Fall erscheint eine positive AC-Ausgangsspannung an den Klemmen 237, 238. Alternativ veranschaulicht 2f den negativen Ausgangsschaltzustand, bei dem die Schaltzustände im Vergleich zu denen in 2e vertauscht werden. Im Gegensatz zum H-Brückenmodul hat das Halbbrückenmodul nicht den Spannungszustand Null. Dabei spart das Halbbrückenmodul zwei Schaltelemente auf Kosten der Schaltzustände ein. Zur Vereinfachung werden die Ausgangsspannungen der beiden Schaltzustände als +1 bzw. -1 dargestellt.
Die 3a und 3b veranschaulichen jeweils zwei Implementierungen von siebenstufigen kaskadierten H-Brücken-Wandlern. Die Topologien bestehen jeweils aus drei Energiespeicherelementen 345 oder 351 und zwölf Schaltelementen. Die 3a und 3b zeigen, wie einzelne Module über mindestens zwei Modulklemmen elektrisch in Reihe geschaltet werden können. Die Ausgangsspannungen der einzelnen Module werden addiert und bilden die AC-Ausgangsspannung über die Klemmen 304, 305. Die dargestellten Topologien entsprechen dem Stand der Technik und können nach Aspekten der Erfindung mit dem siebenstufigen kaskadierten Hybrid-Brückenkonverter verglichen werden. Eine Erhöhung oder Verringerung der Anzahl der Ebenen kann durch Hinzufügen oder Entfernen von Modulen erreicht werden.
Die 3c und 3d zeigen zwei siebenstufige Ausführungsformen der Erfindung mit kaskadierten Hybrid-Brückenumrichtern mit Batteriespeicherelementen bzw. Kondensatorspeicherelementen nach Aspekten der Erfindung. Kaskadierte Hybrid-Brückenumrichter mit Mischbatterie- und Kondensatorspeicherelementen sind ebenfalls möglich. Darüber hinaus können Energiespeicherelemente unterschiedliche Spannungswerte aufweisen. Wie in den 3c und 3d dargestellt, besteht der siebenstufige kaskadierte Hybrid-Brückenwandler aus fünf Energiespeicherelementen 335, 345 oder 341, 351 und acht Schaltelementen. Im Vergleich zum siebenstufigen kaskadierten H-Brückenkonverter ermöglicht der siebenstufige kaskadierte Hybrid-Brückenkonverter die Einsparung von vier Schaltern und zugehörigen Treiberschaltungen und damit eine deutliche Reduzierung der Systemkosten. Es sollten jedoch zwei zusätzliche Energiespeicherelemente hinzugefügt werden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass zwei H-Brückenmodule im siebenstufigen kaskadierten H-Brückenumrichter durch zwei Halbbrückenmodule im siebenstufigen kaskadierten Hybrid-Brückenumrichter ersetzt werden, während das verbleibende H-Brückenmodul unverändert bleibt. Ähnlich wie der kaskadierte H-Brückenkonverter verfügt auch der kaskadierte Hybrid-Brückenkonverter über eine gesamte AC-Ausgangsspannung an den Klemmen 304, 305, die sich aus der Summe der Ausgangsspannungen aller Einzelmodule ergibt.
4a zeigt TABELLE I, welche die Spannungspegelkombinationen von siebenstufigen kaskadierten H-Brücken-Wandlern auflistet, wobei die Spannungen als ihre pro Einheit dargestellten Notationen dargestellt werden, d. h. +1 bezieht sich auf +Vdc. Um eine siebenstufige Ausgangsspannung zu ermöglichen, sind mindestens drei H-Brückenmodule erforderlich. Daraus ergibt sich eine Gesamtzahl von Schaltzuständen von 3×3×3 3=27, von denen viele Schaltzustände unnötig sind, insbesondere in den Fällen, in denen der Ausgangsspannungspegel +1, -1 oder 0 beträgt. Wenn beispielsweise nur einige effektive Schaltzustände erhalten bleiben und stattfinden sollen, während andere redundante Schaltzustände entfernt werden, sind wesentlich einfachere Schaltungen mit weniger Halbleiterschaltelementen ausreichend.
4b zeigt TABELLE II, welche die Spannungspegelkombinationen von siebenstufigen kaskadierten Hybrid-Brückenumrichtern auflistet, bei denen alle erforderlichen Ausgangsspannungspegel durch eine geeignete Ansteuerung der Module erreicht werden. Wie bereits erwähnt, besteht der kaskadierte Hybrid-Brückenkonverter aus zwei Halbbrückenmodulen und einem H-Brückenmodul. Dementsprechend ist die Gesamtzahl der Schaltzustände 2×2 2×3 3=12. Im Gegensatz dazu wird mehr als die Hälfte der redundanten Schaltzustände entfernt.
4c zeigt TABELLE III, welche die Anzahl der Spannungspegel, Schaltelemente, Energiespeicherelementen, Halbbrückenmodule und H-Brückenmodule zwischen dem kaskadierten H-Brückenumrichter und dem kaskadierten Hybrid-Brückenumrichter vergleicht. Für einen fairen Vergleich werden die Spannungspegel von zwei Wandlern identisch gewählt, d. h. (4n+3) wobei n eine positive ganze Zahl bezeichnet. Um (4n+3) Spannungspegel zu erzeugen, benötigt der kaskadierte H-Brückenwandler (2n+1) H-Brückenmodule. Dementsprechend ergibt sich eine Anzahl von Schaltelementen und Gleichstrom-Energiespeicherelementen von 4×(2n+1) = (8n+4) bzw. (2n+1). Im Gegensatz dazu benötigt der kaskadierte Hybrid-Brückenkonverter 2n Halbbrückenmodule und ein H-Brückenmodul. Die Gesamtschalterzahl wird berechnet als (2x2n+4) = (4n+4). Das bedeutet, dass fast die Hälfte der Halbleiterschalter durch den kaskadierten Hybrid-Brückenkonverter eingespart wird. Zusätzlich wächst die Anzahl der DC-Energiespeicherelemente auf (4n+1). Mit anderen Worten, durch den kaskadierten Hybrid-Brückenkonverter können mehr erneuerbare Energiequellen angebunden werden.
4d zeigt TABELLE IV, welche die Systemparameter auflistet, die für Simulationen und Experimente verwendet werden. Wie bereits erwähnt, sind die Gleichspannungen der einzelnen Module so gewählt, dass sie im Wesentlichen identisch sind z. B Vdc = 200 V. Es kann vorteilhaft sein, Module mit unterschiedlichen Gleichspannungen zur Erzeugung weiterer Ausgangsspannungspegel zu verwenden, die durch weitere Ausführungsformen realisiert werden können. In TABELLE IV beziehen sich die Phasenwinkel 1-3 auf die Phasenwinkel, bei denen die Spannungspegeländerung bei Verwendung des Modulationsschemas der selektiven Oberwelleneliminierung auftritt, wie in 6a dargestellt.
5a veranschaulicht simulierte Wellenformen des einphasigen siebenstufigen kaskadierten Hybrid-Brückenkonverters mit Kondensatorspeicherelementen als STATCOM nach Aspekten der Erfindung. Die Hauptziele von STATCOMs liegen in der Kompensation von Blindleistung und Spannungsregelung. Um diese Ziele zu erreichen, gibt der kaskadierte Hybrid-Brückenkonverter einen einstellbaren Wechselstrom i_ca aus, der die Netzspannung v_ca um einen Winkel von etwa 90 Grad führt. Zusätzlich werden die Gleichstromkondensatorspannungen von Halbbrückenmodulen, die als v_dc1-v_dc4 bezeichnet werden, sowie die Gleichstromkondensatorspannung des H-Brückenmoduls, das durch v_dch repräsentiert wird, durch die entsprechenden Gleichspannungsregler auf ihre Sollwerte, d. h. v_dc = 200 V, sehr exakt geregelt.
5b veranschaulicht experimentelle Wellenformen des einphasigen siebenstufigen kaskadierten Hybrid-Brückenkonverters mit Kondensatorspeicherelementen als STATCOM nach Aspekten der Erfindung, wobei die Wellenformen gut mit denen in 5a übereinstimmen.
6a zeigt die theoretische AC-Ausgangsspannung (v_ac1+v_ac2+v_ac3) des siebenstufigen kaskadierten Hybrid-Brückenwandlers mit dem Modulationsschema der selektiven Oberschwingungsunterdrückung nach Aspekten der Erfindung. Die Steuerung und Modulation von kaskadierten Hybrid-Brückenumrichtern kann sehr flexibel sein, solange die AC-Ausgangsspannungen mehrere Spannungspegel und geringe Verzerrungen aufweisen. In 6a wird das Modulationsschema der selektiven Oberschwingungsunterdrückung verwendet, wobei die phasenverschobenen Winkel a₁, a₂ und a₃ bewusst berechnet werden, um die 5., 7. und 11. Harmonischen zu eliminieren. Da dreiwertige Oberwellen nicht durch dreiphasige Lasten fließen, werden durch dieses Modulationsschema dominante niederwertige Oberwellen eliminiert.
6b zeigt die simulierte AC-Ausgangsspannung des siebenstufigen kaskadierten Hybrid-Brückenwandlers mit dem Modulationsschema der selektiven Oberschwingungsunterdrückung nach Aspekten der Erfindung, wobei die Gleichspannungen der einzelnen auf 200 V ausgewählt sind. Es sind deutlich sieben verschiedene Ausgangsspannungspegel zu erkennen.
und zeigen simulierte und experimentelle dreiphasige Lastspannungen und -ströme des siebenstufigen kaskadierten Hybrid-Brückenwandlers mit Batteriespeicherelementen gemäß den Aspekten der Erfindung. In der dargestellten Ausführungsform werden die dominanten Oberwellen niedriger Ordnung durch das Modulationsschema der selektiven Oberwellen-Eliminierung entfernt. Folglich ist die gesamte harmonische Verzerrung (THD) des Laststroms bis zu 3,93% gering.
8a zeigt eine weitere Ausführungsform des einphasigen kaskadierten Halbbrückenumrichters nach Aspekten der Erfindung des Umrichtersystems nach Aspekten der Erfindung. Die Anzahl der Komponenten ist nicht auf die angezeigten Zahlen beschränkt. In diesem Fall können alle Module identische oder unterschiedliche Halbbrückenmodule 808 sein, die in den 2c und 2d (230, 240) detailliert beschrieben sind. Zudem können die Energiespeicherelemente in einzelnen Modulen mit identischen oder unterschiedlichen Spannungsebenen ausgeführt werden. Einzelne Module sind über mindestens zwei Verbindungen 808 mit ihren Nachbarn verbunden, oder die AC-Klemmen 804, 805. Diese Ausführungsform stellt ein modulares System dar, bei dem die gleiche Steuerung einzelner Halbbrückenmodule möglich ist.
8b zeigt eine weitere Ausführungsform des dreiphasigen kaskadierten Halbbrückenumrichters nach Aspekten der Erfindung des Umrichtersystems nach Aspekten der Erfindung, wobei mindestens drei Modulstränge 803 über den elektrischen Anschluss 804 verbunden sind. Eine dreiphasige Klemme 805, 806, 807 dient zusammen mit der Erdungsklemme 804 als AC-Ausgang.
Die in 2, 3 und 8 dargestellten Module und Modulstrings dienen der Implementierung der Topologien nach Aspekten der Erfindung.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung umfasst mindestens zwei Module (101, 130, 140, 208, 230, 240, 808), von denen mindestens eines ein Halbbrückenmodul (208, 230, 240) ist, das mindestens zwei Energiespeicherelemente (235, 241) und mindestens zwei Schaltelemente (231, 232) umfasst. Die mindestens zwei Schaltelemente (231, 232) sind vorzugsweise elektrisch in Reihe geschaltet und bilden mindestens eine erste Modulklemme (237), auch Modulanschluss genannt. Außerdem sind die mindestens zwei Energiespeicherelemente (235, 241) vorzugsweise elektrisch in Reihe geschaltet und bilden mindestens eine zweite Modulklemme (238), auch Modulanschluss genannt. Die mindestens zwei Module (101, 130, 140, 208, 230 240, 808) sind vorzugsweise in Reihe geschaltet, wobei das mindestens eine Halbbrückenmodul (208, 230, 240) vorzugsweise über mindestens eine erste Modulklemme (237), auch Modulanschluss genannt, oder mindestens eine zweite Modulklemme (238), auch Modulanschluss genannt, mit seinem benachbarten Modul verbunden ist.
Die Schaltelemente (231, 232) können Halbleiterschalter sein. Diese Halbleiterschalter können beispielsweise Dioden oder Transistoren sein, wie beispielsweise Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT) oder Feldeffekttransistoren (FET).
Die mindestens zwei Energiespeicherelemente (235, 241) umfassen mindestens ein erstes Energiespeicherelement, das ein Kondensator ist, und ein zweites Energiespeicherelement, das eine Batterie ist. Die mindestens zwei Energiespeicherelemente (235, 241) umfassen mindestens ein erstes Energiespeicherelement und ein zweites Energiespeicherelement und wobei die Nennspannung des ersten Energiespeicherelements weniger als drei Viertel der Nennspannung des zweiten Energiespeicherelements beträgt.

Claims

Elektrisches modulares Multilevelwandlersystem mit mindestens zwei Modulen (101, 130, 140, 208, 230, 240), von denen mindestens eines ein Halbbrückenmodul ist, das mindestens zwei Energiespeicherelemente (235, 241), mindestens zwei Schaltelemente (231, 232) und mindestens zwei Modulanschlüsse (102, 137, 138, 202, 237, 238) umfasst, wobei die mindestens zwei Schaltelemente (231, 232) elektrisch in Reihe geschaltet sind und mindestens eine der Verbindungen der mindestens zwei in Reihe geschalteten Schaltelemente (231, 232) einen ersten Modulanschluss (237) bildet und die mindestens zwei Energiespeicherelemente (235, 241) elektrisch in Reihe geschaltet sind und mindestens eine der Verbindungen der mindestens zwei in Reihe geschalteten Energiespeicherelemente (235, 241) einen zweiten Modulanschluss (238) bildet.
Elektrisches modulares Multilevelwandlersystem nach Anspruch 1, wobei die mindestens zwei Module (101, 130, 140, 208, 230, 240) über mindestens zwei Modulanschlüsse (102, 137, 138, 202, 237, 238) elektrisch in Reihe geschaltet sind.
Elektrisches modulares Multilevelwandlersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die mindestens zwei Schaltelemente (231, 232) Halbleiterschalter sind.
Elektrisches modulares Multilevelwandlersystem nach Anspruch 3, wobei die mindestens zwei Schaltelemente (231, 232) Dioden sind.
Elektrisches modulares Multilevelwandlersystem nach Anspruch 3, wobei die mindestens zwei Schaltelemente (231, 232) Transistoren sind.
Elektrisches modulares Multilevelwandlersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die mindestens zwei Energiespeicherelemente (235, 241) Kondensatoren sind.
Elektrisches modulares Multilevelwandlersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die mindestens zwei Energiespeicherelemente (235, 241) Batterien sind.
Elektrisches modulares Multilevelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die mindestens zwei Energiespeicherelemente (235, 241) mindestens ein erstes Energiespeicherelement, das ein Kondensator ist, und ein zweites Energiespeicherelement, das eine Batterie ist, umfassen.
Elektrisches modulares Multilevelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens zwei Energiespeicherelemente (235, 241) mindestens ein erstes Energiespeicherelement und ein zweites Energiespeicherelement umfassen und wobei die Nennspannung des ersten Energiespeicherelements weniger als drei Viertel der Nennspannung des zweiten Energiespeicherelements beträgt.
Elektrisches modulares Multilevelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das mindestens zwei Halbbrückenmodule (230, 240) und mindestens ein Vollbrückenmodul (130, 140) umfasst, bei dem mindestens zwei Modulanschlüsse (102, 137, 138, 202, 237, 238) je eine Konverteranschlussklemme (804, 805, 806, 807) ausbilden und das durch Wahl unterschiedlicher Schalterstellungen der mindestens zwei Schaltelemente (231, 232) zumindest sieben unterschiedliche Spannungen zwischen den Konverteranschlussklemmen (804, 805, 806, 807) erzeugen kann.