DE102020127328A1 - Multilevel converter for converting electrical energy - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zustandsrücksetzen von Komponenten (10) eines Fahrzeugs auf eine Grundeinstellung.
Multilevel-Umwandler zum Wandeln von elektrischer Energie, mit einem Anschluss zum Zuführen von zu wandelnder elektrischer Energie (Eingang) und einem anderen Anschluss zum Abgeben der gewandelten elektrischen Energie (Ausgang) umfassend eine Levelerzeugungseinheit und eine Umrichtereinheit, die dazu eingerichtet sind, eine bestimmte Anzahl von Spannungsleveln am Ausgang zu erzeugen, wobei die Levelerzeugungseinheit aus mindestens einem Submodul gebildet ist, wobei das mindestens eine Submodul durch eine elektrische Schaltung gebildet ist umfassend einen ersten Ast mit einem aktiven Schaltelement in Serie geschaltet mit mindestens einer Teilspannungsquelle und einen zweiten Ast mit einem Schaltelement parallel geschaltet zu dem ersten Ast.
The invention relates to a method for resetting the status of components (10) of a vehicle to a basic setting.
Multilevel converter for converting electrical energy, with one connection for supplying electrical energy to be converted (input) and another connection for delivering the converted electrical energy (output), comprising a level generation unit and a converter unit that are set up to a specific number of voltage levels at the output, wherein the level generation unit is formed from at least one submodule, wherein the at least one submodule is formed by an electrical circuit comprising a first branch with an active switching element connected in series with at least one partial voltage source and a second branch with a switching element connected in parallel to the first branch.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Multilevel-Umwandler zum Wandeln von elektrischer Energie, mit einem Anschluss zum Zuführen von zu wandelnder elektrischer Energie und einem anderen Anschluss zum Abgeben der gewandelten elektrischen Energie. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines derartigen erfindungsgemäßen Umwandlers.The present invention relates to a multilevel converter for converting electrical energy, with one connection for supplying electrical energy to be converted and another connection for outputting the converted electrical energy. The invention also relates to the use of such a converter according to the invention.
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen betreffen im Allgemeinen das Gebiet der Umwandlung von Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC), beziehungsweise Gleichspannung in Wechselspannung, und anders herum, genauer Umwandler (Umrichter und Gleichrichter) mit mehreren Pegeln (multilevel).The embodiments described herein relate generally to the field of direct current (DC) to alternating current (AC) conversion, or direct voltage to alternating current voltage, and vice versa, more specifically multilevel converters (inverters and rectifiers).
Durch die zunehmende Verwendung von Technologien mit Gate-gesteuerten elektronischen Instrumenten ist eine Vielzahl von Leistungsumwandlern entstanden. Verschiedene Arten von Leistungskonvertern und -umrichtern werden beispielsweise in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen genutzt. Insbesondere Multilevel-Umrichter bieten dabei eine hohe Leistungsqualität, eine hohe Effizienz, eine reduzierte Harmonische Abweichung (THD) der Ausgangsspannung, eine verbesserte elektromagnetische Kompatibilität und hochqualitative Spannungssignalformen nahe an einer sinusförmigen Form.With the increasing use of gate-controlled electronic instrumentation technologies, a variety of power converters have emerged. For example, various types of power converters and converters are used in a variety of industrial applications. In particular, multilevel converters offer high power quality, high efficiency, reduced harmonic deviation (THD) of the output voltage, improved electromagnetic compatibility and high-quality voltage waveforms close to a sinusoidal shape.
Eine derartige Leistungsumwandlung ist im Speziellen nützlich zur direkten Verknüpfung von erneuerbaren Energiesystemen wie Windkraftanlagen oder Solaranlagen mit einem Versorgungsnetz. Im Allgemeinen umfasst eine Windkraftanlage einen Rotor mit einer Mehrzahl an Rotorblättern, der Windenergie in ein mechanisches Drehmoment umwandelt, das einen oder mehrere elektrische Generatoren antreibt. Durch die wachsende Anzahl von erneuerbaren Energieanlagen, die ohne Zwischenspeicher direkt mit einem Versorgungsnetz verbunden sind, zeigt die inkonstante Einspeisung in das Versorgungsnetz einen großen Einfluss auf die Netzspannung und Netzfrequenz. Es ist daher erforderlich, den Spannungsverlauf und die Frequenz am Ausgang der Generatoranlage zu steuern. Es werden daher ein oder mehrere Spannungsumwandler an den Generator gekoppelt um für eine angemessene Spannung und Frequenz des Versorgungsnetzes zu sorgen.Such power conversion is particularly useful for directly linking renewable energy systems such as wind turbines or solar systems to a utility grid. In general, a wind turbine includes a rotor having a plurality of rotor blades that converts wind energy into mechanical torque that drives one or more electrical generators. Due to the growing number of renewable energy systems that are connected directly to a supply grid without intermediate storage, the inconstant feeding into the supply grid has a major impact on the grid voltage and grid frequency. It is therefore necessary to control the voltage profile and the frequency at the output of the generator set. Therefore, one or more voltage converters are coupled to the generator to ensure an appropriate voltage and frequency of the supply network.
Umwandler mit einer geringen Anzahl von Ausgangs-Spannungslevels, beispielsweise zwei Level, zeigen Nachteile in puncto Qualität der Ausgangs-Wechselspannung und des Ausgangsstroms, eine geringe Effizienz, hohen Spannungsabfall und einen reduzierten Leistungsfaktor. Diese Nachteile können mit Multilevel-Umrichtern ausgeglichen werden, indem diese in der Lage sind höhere Ausgangslevel bereitzustellen. Jedoch erhöht sich die Anzahl der verwendeten Leistungselektronikkomponenten bei einer Erhöhung der Ausgangslevel beträchtlich.Converters with a small number of output voltage levels, for example two levels, have disadvantages in terms of output AC voltage and current quality, low efficiency, high voltage drop and reduced power factor. These disadvantages can be compensated for with multilevel converters by being able to provide higher output levels. However, the number of power electronics components used increases significantly as the output levels increase.
Herkömmliche Multilevel-Umrichter lassen sich in drei Hauptgruppen klassifizieren. In kaskadierende H-Brücken-Umrichter (CHB), in so genannte Flying Capacitor Converter (FC) und sogenannte Neutral Point Clamped Converter (NPC). Diese Multilevel-Umrichter sind gebildet durch eine bestimmte Anordnung von Leistungskomponenten und Kapazitäten als Spannungsquellen. Die am Ausgang generierte Spannung hat eine stufenförmige Signalform aufgrund von unterschiedlichen Schaltzeiten einzelner Leistungsschalter. Abhängig von der Anzahl der Leistungsschalter erhöht oder erniedrigt sich die Ausgangsspannung durch Addition einzelner zugeschalteter Spannungen der in den Schaltungen enthaltenen Kapazitäten. Es besteht dabei der Bedarf für eine große Anzahl an Leistungsschaltern, Gleichstromquellen und Gate-Steuerungsschaltkreisen, um die benötigte Anzahl von Spannungsleveln bereitzustellen. Das erhöht nachteilig den Leistungsverlust, die Größe und das Gewicht der Vorrichtung und verringert die Effizienz. Nicht zuletzt sind durch den Mehrbedarf an Leistungselektronikkomponenten die Herstellungs- und Betriebskosten eines herkömmlichen Multilevel-Umwandlers erhöht.Conventional multilevel converters can be classified into three main groups. In cascading H-bridge converters (CHB), in so-called Flying Capacitor Converters (FC) and so-called Neutral Point Clamped Converters (NPC). These multilevel converters are formed by a specific arrangement of power components and capacitances as voltage sources. The voltage generated at the output has a stepped signal form due to the different switching times of individual circuit breakers. Depending on the number of circuit breakers, the output voltage increases or decreases through the addition of individual connected voltages from the capacitances contained in the circuits. There is a need for a large number of power switches, DC power sources and gate control circuitry to provide the required number of voltage levels. This disadvantageously increases power dissipation, size and weight of the device and decreases efficiency. Last but not least, the manufacturing and operating costs of a conventional multilevel converter are increased due to the additional requirement for power electronics components.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, und eine Topografie für einen Multilevel-Umwandler bereitzustellen, die eine verbesserte Energieumwandlung bei einer Minimierung der verwendeten Leistungselektronikkomponenten ermöglicht.The object of the invention is now to overcome the disadvantages of the prior art and to provide a topography for a multilevel converter which enables improved energy conversion while minimizing the power electronic components used.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der Erfindung ergeben sich aus den in den jeweiligen rückbezogenen Unteransprüchen genannten Merkmalen, den Zeichnungen und der zugehörigen Beschreibung.The object is solved by the subject matter of the independent patent claim. Preferred refinements and further developments of the invention result from the features mentioned in the respective dependent subclaims, the drawings and the associated description.
Dementsprechend können die vorgeschlagenen Topologien für verschiedene industrielle Anwendungen angepasst werden. Einige vorteilhafte Anwendungen sind beispielsweise die Verbindung erneuerbarer Energiequellen, vorzugsweise Windkraft oder Solarkraft, mit einem Spannungsversorgungsnetz. insbesondere eine verbesserte Gleichstrom/Wechselstrom Umwandlung von erneuerbaren Energiequellen mittels Multilevel-Umwandler für Mittel- und Hochspannungsanwendungen. Weiter lassen sich die vorgeschlagenen Topologien vorteilhaft für Fahrzeug-elektrische Anwendungen verwenden, insbesondere zur Steuerung von Wechselspannungsmotoren durch die Umwandlung von Batteriegleichspannung / -strom in hochqualitative Wechselspannung / -strom. Weiter können die vorgeschlagenen Topologien vorteilhaft zur Verringerung der Harmonischen der Ausgangsspannung in Anwendungen verwendet werden, in denen eine geringe Harmonische Abweichung (THD - Total Harmonic Distortion) erforderlich ist. Weiter können die vorgeschlagenen Topologien vorteilhaft zur aktiven Filterung und zur reaktiven Leistungskompensation verwendet werden.Accordingly, the proposed topologies can be adapted for different industrial applications. Some advantageous applications are, for example, the connection of renewable energy sources, preferably wind power or solar power, to a power grid. in particular improved DC/AC conversion of renewable energy sources using multilevel converters for medium and high voltage applications. Furthermore, the proposed topologies can be used advantageously for vehicle electrical applications, in particular for controlling AC motors by converting battery DC voltage/current into high-quality AC voltage/current. Furthermore, the proposed topologies can be advantageously used to reduce the harmonics of the output voltage in applications where a low total harmonic distortion (THD) is required. Furthermore, the proposed topologies can be used advantageously for active filtering and for reactive power compensation.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Multilevel-Umwandler zum Wandeln von elektrischer Energie, mit einem Anschluss zum Zuführen von zu wandelnder elektrischer Energie (Eingang) und einem anderen Anschluss zum Abgeben der gewandelten elektrischen Energie (Ausgang) umfassend eine Levelerzeugungseinheit und eine Umrichtereinheit, die dazu eingerichtet sind, eine bestimmte Anzahl von Spannungsleveln am Ausgang zu erzeugen, wobei die Levelerzeugungseinheit aus einem ersten Submodul und mindestens einem in Reihe zum ersten Submodul geschalteten weiteren Submodul gebildet ist, wobei ein Submodul durch eine elektrische Schaltung gebildet ist umfassend einen ersten Ast mit einem aktiven Schaltelement in Serie geschaltet mit mindestens einer Teilspannungsquelle und einen zweiten Ast mit einem Schaltelement parallel geschaltet zu dem ersten Ast.A first aspect of the present invention relates to a multilevel converter for converting electrical energy, with a connection for supplying electrical energy to be converted (input) and another connection for delivering the converted electrical energy (output), comprising a level generation unit and a converter unit, which are set up to generate a specific number of voltage levels at the output, the level generation unit being formed from a first submodule and at least one further submodule connected in series with the first submodule, a submodule being formed by an electrical circuit comprising a first branch with an active switching element connected in series with at least one partial voltage source and a second branch with a switching element connected in parallel to the first branch.
Bevorzugt können die Spannungslevel am Ausgang erhöht werden, indem der Multilevel-Umwandler mit weiteren erfindungsgemäßen Submodulen ergänzt wird. Der erfindungsgemäße Multilevel-Umwandler ist einphasig ausgebildet, kann bevorzugt aber auch als einzelne Phase eines mehrphasigen Umwandlers gebildet sein. Grundsätzlich ermöglicht es der erfindungsgemäße Umwandler, den Aufwand des Wandelns erheblich zu reduzieren, da eine direkte Energiekopplung auf der Ausgangsseite zu einem Energieversorgungsnetz bereitgestellt werden kann, ohne dass weitere Einkopplungseinrichtungen vorgesehen sein müssen, wie beispielsweise bekannte Energiekopplungseinrichtungen, die auf der Nutzung von mehreren Wechselrichtern und Trenntransformatoren beruhen. Weiter ist bei der vorgeschlagenen Schalttopografie die Anzahl der zu steuernden aktiven Schaltelemente vorteilhaft verringert und der serielle modulare Aufbau bietet die Möglichkeit, in einfacher Weise die Spannungslevel zu erhöhen, durch die Kombination verschiedener erfindungsgemäßer Submodultypen,bei gleichzeitig minimiertem Bedarf an zu steuernden Schaltelementen. Dadurch wird nicht nur der Aufwand bezüglich des Wandelns erheblich reduziert, wodurch sich der Wirkungsgrad und die Ausgangsqualität erhöht, sondern auch und vor allem werden Kosten, Bauraum und Steuerungskomplexität reduziert.The voltage level at the output can preferably be increased by the multilevel converter being supplemented with further submodules according to the invention. The multilevel converter according to the invention has a single-phase design, but can preferably also be formed as a single phase of a multi-phase converter. In principle, the converter according to the invention makes it possible to significantly reduce the effort involved in converting, since direct energy coupling can be provided on the output side to a power supply network without the need for additional coupling devices, such as known energy coupling devices that are based on the use of multiple inverters and Isolation transformers are based. Furthermore, with the proposed switching topography, the number of active switching elements to be controlled is advantageously reduced and the serial modular design offers the possibility of simply increasing the voltage level by combining different submodule types according to the invention, while at the same time minimizing the need for switching elements to be controlled. This not only significantly reduces the effort involved in converting, which increases efficiency and output quality, but also, and above all, costs, installation space and control complexity are reduced.
Bevorzugt ist der Ausgang an ein Energieversorgungsnetz angeschlossen. In der Regel handelt es sich dabei um Energieversorgungsnetze, die bei 50 Hz oder auch bei 60 Hz mit Wechselspannung betrieben werden. Ferner wird häufig eine Effektivspannung zwischen zwei Phasen des Energieversorgungsnetzes von 400 Volt genutzt. Daher ist es bevorzugt in einem solchen Fall am Ausgang des Umwandlers ebenfalls eine maximale Spannung von 400 Volt bereitzustellen.The output is preferably connected to an energy supply network. As a rule, these are energy supply networks that are operated at 50 Hz or 60 Hz with AC voltage. Furthermore, an effective voltage between two phases of the power supply network of 400 volts is often used. In such a case, it is therefore preferable to also provide a maximum voltage of 400 volts at the output of the converter.
Weiter bevorzugt kann der Multilevel-Umwandler im Bereich eines Mittelspannungsnetzes, also mit einer Betriebsspannung größer als 1 kV oder im Bereich der Hochspannungsübertragung, also mit einer Betriebsspannung größer 100 kV, eingesetzt werden, entsprechend schaltfeste und anforderungsgerechte Komponenten vorausgesetzt.More preferably, the multilevel converter can be used in a medium-voltage network, i.e. with an operating voltage greater than 1 kV, or in the field of high-voltage transmission, i.e. with an operating voltage greater than 100 kV, provided that the components are switch-resistant and meet the requirements.
Jedes der Submodule umfasst vorzugsweise einen ersten Ast mit einem aktiven Schaltelement in Serie geschaltet mit mindestens einer Teilspannungsquelle und einen zweiten Ast mit einem Schaltelement parallel geschaltet zu dem ersten Ast. Insbesondere ist es bevorzugt, dass das Schaltelement des zweiten Astes durch ein passives Schaltelement gebildet ist, insbesondere durch eine Diode. Die Diode ist dabei bevorzugt in Durchlassrichtung angeordnet, so dass der zweite Ast des Submoduls einen passiven Bypass für den ersten Ast bildet und bei einem Sperren des aktiven Schaltelements im ersten Ast, die an der Teilspannungsquelle anliegende Teilspannung nicht zu den Spannungsleveln am Ausgang beitragen kann.Each of the submodules preferably comprises a first branch with an active switching element connected in series with at least one partial voltage source and a second branch with a switching element connected in parallel with the first branch. In particular, it is preferred that the switching element of the second branch is formed by a passive switching element, in particular by a diode. The diode is preferably arranged in the forward direction, so that the second branch of the submodule forms a passive bypass for the first branch and when the active switching element in the first branch is blocked, the partial voltage present at the partial voltage source cannot contribute to the voltage levels at the output.
Das Schaltelement des zweiten Astes eines Submoduls kann alternativ auch durch ein aktives Schaltelement gebildet sein. Bevorzugt ist in dem ersten Submodul das Schaltelement durch ein aktives Schaltelement gebildet. Dadurch wird gewährleistet, dass es keinen Pfad in der Schaltung gibt, der nicht mindestens ein aktiv gesteuertes Schaltelement aufweist. So ist vorteilhaft die Schaltqualität für alle möglichen Ausgangsspannungslevel gewährleistet.Alternatively, the switching element of the second branch of a submodule can also be formed by an active switching element. The switching element in the first submodule is preferably formed by an active switching element. This ensures that there is no path in the circuit that does not have at least one actively controlled switching element. This advantageously ensures the switching quality for all possible output voltage levels.
Die aktiv geschalteten Schaltelemente sind an eine Steuereinheit angeschlossen, welche die Schaltelemente in geeigneter Weise steuert, um den gewünschten Wandlungsvorgang mit den zugehörigen Spannungsleveln zu realisieren. Grundlegende Steuerungsverfahren bezüglich des Wandelns von Energie mittels eines Multilevel-Umwandlers zwischen einer Gleichspannung und einer Wechselspannung sind dem Fachmann dem Grunde nach bekannt.The actively switched switching elements are connected to a control unit, which controls the switching elements in a suitable manner in order to implement the desired conversion process with the associated voltage levels. Basic control methods with regard to the conversion of energy by means of a multilevel converter between a DC voltage and an AC voltage are basically known to the person skilled in the art.
Ein aktives Schaltelement im Sinne der Offenbarung ist vorzugsweise ein steuerbares elektronisches Schaltelement, insbesondere ein steuerbarer elektronischer Halbleiterschalter, beispielsweise ein Transistor, ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), ein Thyristor, Kombinationsschaltungen hiervon, ein Gate-turn-of Thyristor (GTO), ein Isolated-Gate-Bipolar-Transistor (IGBT), insbesondere ein IGBT mit antiparallel geschalteter Sperrdiode oder dergleichen. Besonders bevorzugt ist ein aktives Schaltelement durch einen diskreten IGBT ohne antiparallel geschalteter Sperrdiode gebildet. Vorzugsweise sind die Schaltelemente durch eine Steuereinheit steuerbar und weiter bevorzugt als Hochfrequenzschalter ausgebildet.An active switching element within the meaning of the disclosure is preferably a controllable electronic switching element, in particular a controllable electronic semiconductor switch, for example a transistor, a metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET), a thyristor, combination circuits thereof, a gate-turn-of thyristor (GTO) , an isolated gate bipolar transistor (IGBT), in particular an IGBT with a blocking diode connected in antiparallel, or the like. An active switching element is particularly preferably formed by a discrete IGBT without a blocking diode connected antiparallel. The switching elements can preferably be controlled by a control unit and are more preferably designed as high-frequency switches.
Weiter ist es bevorzugt, dass die Gesamteingangsspannung durch eine Gleichstromspannungsquelle bereitgestellt wird und wobei an der mindestens einen Teilspannungsquelle eine Teilspannung anliegt, die durch eine Zerlegung der Gesamteingangsspannung gebildet ist. Der Umwandler wird also bevorzugt als Wechselrichter zwischen einem Gleichspannungskreis am Eingang und einem Wechselspannungskreis am Ausgang betrieben und gesteuert.It is also preferred that the total input voltage is provided by a DC voltage source and a partial voltage that is formed by dividing the total input voltage is present at the at least one partial voltage source. The converter is therefore preferably operated and controlled as an inverter between a DC voltage circuit at the input and an AC voltage circuit at the output.
Eine Teilspannungsquelle ist bevorzugt durch einen Kondensator gebildet, Dabei kann der Kondensator durch einen Folienkondensator, einen Keramikkondensator, aber auch durch einen für Frequenzanwendungen geeigneten Elektrolytkondensator oder dergleichen gebildet sein. Der Kondensator der Teilspannungsquelle kann bevorzugt auch durch eine Kombination von mehreren Einzelkondensatoren gebildet sein. Bevorzugt liegt an den verschiedenen Teilspannungsquellen die gleiche Teilspannung an, wobei die Summe der verschiedenen Teilspannungen der am Eingang anliegenden Gesamtspannung entspricht. Damit ist gewährleistet, dass die Abstände zwischen zwei benachbarten Spannungsleveln am Ausgang identisch sind.A partial voltage source is preferably formed by a capacitor. The capacitor can be formed by a film capacitor, a ceramic capacitor, but also by an electrolytic capacitor or the like suitable for frequency applications. The capacitor of the partial voltage source can preferably also be formed by a combination of several individual capacitors. The same partial voltage is preferably present at the different partial voltage sources, the sum of the different partial voltages corresponding to the total voltage present at the input. This ensures that the distances between two adjacent voltage levels at the output are identical.
Bevorzugt ist die Umrichtereinheit durch eine H-Brückenschaltung gebildet. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die H-Brückenschaltung der Umrichtereinheit aus vier aktiven Schaltelementen gebildet. Eine derartige Umrichtereinheit ist demzufolge dazu eingerichtet die Polarität der bestimmten Anzahl (NLevel) durch die Levelerzeugungseinheit erzeugten Spannungslevel in einem zweiten Halbzyklus des Spannungsverlaufs zu ändern. Zusätzlich zur Polaritätsänderung liefert die Umrichtereinheit die Null-Level sowohl für den positiven als auch für den negativen Halbzyklus. Beispielhaft liefert ein erfindungsgemäßer Multilevel-Umwandler mit einer Levelerzeugungseinheit, die vier Spannungslevel erzeugt, am Ausgang insgesamt neun separate Betriebszustände mit vier positiven Spannungsleveln, vier negativen Spannungsleveln und einem Null-Level. Die aktiven Schaltelemente der H-Brückenschaltung können dabei ebenfalls durch die beschriebenen steuerbaren elektrischen Halbleiterschalter gebildet sein. Jedoch sind aufgrund der Funktionsweise der H-Brückenschaltung Transistoren ohne parallele Sperrdioden, wie beispielsweise ein diskreter IGBT ohne Antiparalleldiode, ausgeschlossen.The converter unit is preferably formed by an H-bridge circuit. In a particularly preferred embodiment, the H-bridge circuit of the converter unit is formed from four active switching elements. Such a converter unit is consequently set up to change the polarity of the specific number (N levels ) of voltage levels generated by the level generation unit in a second half-cycle of the voltage curve. In addition to the polarity change, the converter unit provides the zero levels for both the positive and negative half cycles. By way of example, a multilevel converter according to the invention with a level generation unit that generates four voltage levels supplies a total of nine separate operating states with four positive voltage levels, four negative voltage levels and one zero level at the output. The active switching elements of the H-bridge circuit can likewise be formed by the controllable electrical semiconductor switches described. However, due to the way the H-bridge circuit works, transistors without parallel blocking diodes, such as a discrete IGBT without an anti-parallel diode, are ruled out.
Eine bevorzugte Ausgestaltung eines Submodultyps umfasst im ersten Ast des Submoduls zwei in Serie geschaltete Teilspannungsquellen mit einem dazwischen angeordneten aktiven Schaltelement. Dieser Submodultyp wird bevorzugt für die weiteren Submodule verwendet, die sich an das erste Submodul anschließen. Bei einem alternativen bevorzugten Submodultyp ist das aktive Schaltelement nicht in Reihe zwischen den zwei Teilspannungsquellen angeordnet, sondern in Reihe vor oder hinter den zwei Spannungsquellen. Ein derartiges Submodul verhält sich wie ein Submodul mit einer Teilspannungsquelle mit einer anliegenden zweifachen Teilspannung.A preferred embodiment of a submodule type comprises in the first branch of the submodule two partial voltage sources connected in series with an active switching element arranged between them. This submodule type is preferably used for the other submodules that connect to the first submodule. In an alternative preferred type of submodule, the active switching element is not arranged in series between the two partial voltage sources, but rather in series before or after the two voltage sources. Such a submodule behaves like a submodule with a partial voltage source with an applied double partial voltage.
Besonders bevorzugt ist ein derartiger Multilevel-Umwandler dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl NLevel der Spannungslevel am Ausgang durch NLevel=2n+1 gegeben ist, wobei n die Anzahl der Teilspannungsquellen ist.A multilevel converter of this type is particularly preferably characterized in that a number N levels of voltage levels at the output is given by N levels =2n+1, where n is the number of partial voltage sources.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Levelerzeugungseinheit ein erstes Submodul mit einer ersten Teilspannungsquelle in Reihe geschaltet mit einem aktiven Schaltelement im ersten Ast und einem weiteren aktiven Schaltelement im parallel geschalteten zweiten Ast, wobei sich weitere Submodule mit jeweils zwei Teilspannungsquellen in Reihe geschaltet anschließen, wobei das erste Submodul und die weiteren Submodule über eine in Reihe dazwischengeschaltete zweite Teilspannungsquelle verbunden sind. Durch diesen Aufbau ist bevorzugt ein symmetrischer Multilevel-Umwandler mit einer geraden Anzahl von Teilspannungsquellen gebildet. Die in Reihe zwischengeschaltete zweite Teilspannungsquelle sorgt dafür, dass am Ausgang der Levelerzeugungseinheit kein Null-Level anliegt, sondern ein erstes Spannungslevel, selbst wenn die Schalter der Submodule den Stromfluss sperren und nur der zweite Bypass-Ast aktiv ist.In a particularly preferred embodiment, the level generation unit comprises a first submodule with a first partial voltage source connected in series with an active switching element in the first branch and a further active switching element in the second branch connected in parallel, with further submodules each having two partial voltage sources connected in series, with the first submodule and the further submodules are connected via a second partial voltage source connected in series between them. This structure preferably forms a symmetrical multilevel converter with an even number of partial voltage sources. The second partial voltage source connected in series ensures that there is no zero level at the output of the level generation unit, but a first voltage level, even if the switches of the submodules block the current flow and only the second bypass branch is active.
Ein asymmetrischer Multilevel-Umwandler mit einer ungeraden Anzahl von Teilspannungsquellen ist bevorzugt dadurch gebildet, dass ein letztes Submodul der weiteren Submodule im ersten Ast nur eine Teilspannungsquelle aufweist.An asymmetrical multilevel converter with an odd number of partial voltage sources is preferably formed in that a last submodule of the further submodules in the first branch has only one partial voltage source.
In einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung wird der Multilevel-Umwandler zur direkten Kopplung einer Erneuerbaren-Energie-Quelle mit einem Wechselspannungsversorgungsnetz eingesetzt, wobei der Eingang des Multilevel-Umwandlers mit einem Gleichspannungsanschluss der Erneuerbaren-Energie-Quelle verbunden ist und wobei der Ausgang des Multilevel-Umwandlers mit einem Netzanschluss des Wechselspannungsversorgungsnetzes verbunden ist. Insbesondere kann der Eingang mit einer Gleichstromausgangsleitung eines DC/DC-Wandlers eines elektrischen Generators einer Windkraftanlage oder direkt mit Photovoltaischen Anlagen verbunden sein.In a further preferred aspect of the invention, the multilevel converter is used for directly coupling a renewable energy source to an AC voltage supply network, the input of the multilevel converter being connected to a DC voltage connection of the renewable energy source and the output of the multilevel -Converter is connected to a mains connection of the AC voltage supply network. In particular, the input can be connected to a direct current output line of a DC/DC converter of an electrical generator of a wind turbine or directly to photovoltaic systems.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in den Figurenbeschreibungen genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder abweichen.The features and combinations of features mentioned above in the description, as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and/or shown alone in the figures, can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations, without going beyond the scope of the invention leaving. The invention is therefore also to be considered to include and disclose embodiments that are not explicitly shown and explained in the figures, but that result from the explained embodiments and can be generated by separate combinations of features. Versions and combinations of features are also to be regarded as disclosed which therefore do not have all the features of an originally formulated independent claim. Furthermore, embodiments and combinations of features, in particular through the embodiments presented above, are to be regarded as disclosed which go beyond or deviate from the combinations of features presented in the back references of the claims.
Die verwendeten Ausdrücke wie „erste“, „zweite“ „weitere“ und „letzte“ sind nicht dahingehend zu verstehen, dass mit Ihnen eine bestimmte Anordnung, Menge oder Wichtigkeit verbunden ist, sondern werden lediglich dazu verwendet, um einzelne Elemente voneinander zu unterscheiden.The terms used, such as "first", "second", "other" and "last" are not to be construed as being associated with any particular arrangement, quantity or importance, but are only used to distinguish individual elements from one another.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung von Schaltdiagrammen verschiedener Grundtypen von erfindungsgemäßen Submodulen; -
2 eine schematische Darstellung von Schaltdiagrammen verschiedener Levelerzeugungseinheiten bestehend aus erfindungsgemäßen Submodulen; -
3 eine schematische Darstellung eines Schaltdiagramms für erweiterte Levelerzeugungseinheiten; -
4 eine schematische Darstellung eines Schaltdiagramms eines erfindungsgemäßen 9-Level Multilevel-Umwandlers. -
5 ein Diagramm das einen Zeitausschnitt einer Spannung am Ausgang des Multilevel-Umwandlers darstellt; -
6 ein Diagramm das einen Zeitausschnitt der totalen harmonischen Distorsion (THD) einer Ausgangsspannung darstellt; -
7 ein Diagramm das einen Zeitausschnitt von eingeleitetem Strom und Versorgungsnetzspannung darstellt; -
8 eine schematische Darstellung einer Energieeinspeisekonfiguration von Erneuerbaren Energiequellen in ein Versorgungsnetz zeigt; -
9 eine schematische Darstellung von PV-Modulen und PV-Strängen zeigt; -
10 eine schematische Darstellung eines PV-Strangs als Teilspannungsquelle zeigt; -
11 eine schematische Darstellung eines Multilevel-Umwandlersmit Teilspannungsquellen aus 10 zeigt; und -
12 eine schematische Darstellung der Ausgangsspannung und der Spannungslevel zeigt.
-
1 a schematic representation of circuit diagrams of different basic types of submodules according to the invention; -
2 a schematic representation of circuit diagrams of different level generation units consisting of submodules according to the invention; -
3 a schematic representation of a circuit diagram for extended level generation units; -
4 a schematic representation of a circuit diagram of an inventive 9-level multilevel converter. -
5 a diagram representing a time section of a voltage at the output of the multilevel converter; -
6 a diagram showing a time segment of the total harmonic distortion (THD) of an output voltage; -
7 a diagram representing a time segment of the current introduced and the mains voltage; -
8th shows a schematic representation of an energy feed configuration of renewable energy sources in a supply network; -
9 shows a schematic representation of PV modules and PV strings; -
10 shows a schematic representation of a PV string as a partial voltage source; -
11 a schematic representation of a multilevel converter withpartial voltage sources 10 indicates; and -
12 shows a schematic representation of the output voltage and the voltage levels.
Ein erfindungsgemäßer Multilevel-Umwandler 10 umfasst eine Levelerzeugungseinheit 11 und eine Umrichtereinheit 12. Die Levelerzeugungseinheit 11 ist durch eine Mehrzahl an Submodulen 13 gebildet.
In den Figuren sind die Teilspannungen, bzw. Teilspannungsquellen austauschbar mit mit C, U oder V gekennzeichnet.The partial voltages or partial voltage sources are marked with C, U or V interchangeably in the figures.
Ein weiterer Submodultyp (e) ist gebildet durch zwei parallele Äste, wobei in dem ersten Ast zwei in Reihe geschaltete Teilspannungsquellen Udn und Udn-1 mit einem dazwischen angeordneten aktiven Schaltelement San angeordnet sind.A further submodule type (e) is formed by two parallel branches, with two series-connected partial voltage sources Udn and Udn-1 being arranged in the first branch with an active switching element San arranged between them.
Der Submodultyp (f) weist im ersten Ast ebenfalls zwei Teilspannungsquellen auf, wobei zwei direkt in Reihe geschaltete Teilspannungsquellen als eine Teilspannungsquelle mit dem Wert 2Udn angesehen werden können.The submodule type (f) also has two partial voltage sources in the first branch, whereby two partial voltage sources connected directly in series can be regarded as one partial voltage source with the value 2Udn.
Eine schematische Darstellung von Schaltdiagrammen verschiedener Levelerzeugungseinheiten 11 bestehend aus erfindungsgemäßen Submodulen 13, geht aus der
Dabei ist in der Topologie (a) einer ersten beispielhaften Levelerzeugungseinheit 11 ein erstes Submodul 13' vorgesehen, das im Wesentlichen vom Submodultyp (d) ist, wobei jedoch im parallelen zweiten Ast anstatt der Diode, also eines passiven Schaltelements, ebenfalls ein von einer Steuereinheit gesteuerter aktiver elektrischer Leistungsschalter Sc vorgesehen ist. Der erste Ast ist jedoch identisch mit einer in Reihe geschalteten Teilspannungsquelle Ud1, die insbesondere durch einen Kondensator gebildet ist, und aktivem Schaltelement Sb. Über eine in Reihe geschaltete zweite Teilspannungsquelle Ud2 ist ein weiteres (zweites) Submodul 13" vom Submodultyp (e) angeschlossen. Dieses umfasst die Teilspannungsquellen Ud3 und Ud4. Eine derartige Topologie einer Levelerzeugungseinheit 11 kann 4 Spannungslevel bereitstellen. Im Zusammenspiel mit einem H-Brücken-Umrichter 12 ist somit ein 9-Level-Multilevel-Umwandler gebildet. Eine leicht abgewandelte Variante der Topologie (a) ist in der Topologie (b) der
Die Topologien sind durch weitere Submodule 13" einfach erweiterbar (siehe
Die Anzahl der benötigten aktiv gesteuerten Schaltelemente ist im Vergleich zu herkömmlichen Multilevel-Umwandlern auf ein Minimum reduziert und ergibt sich für die Levelerzeugungseinheit aus Tabelle 1 für die in
Aus der Tabelle 2 wird ersichtlich, wie die sieben Schaltelemente gesteuert werden müssen, um neun Spannungslevel am Ausgang zu erzeugen.Table 2 shows how the seven switching elements must be controlled in order to generate nine voltage levels at the output.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine erneuerbare Energiequelle zur Spannungsversorgung am Eingang 14 des Multilevel-Umwandlers genutzt. Beispielsweise wird der Anschluss zum Zuführen von zu wandelnder elektrischer Energie, wie in
Als Ergebnis von Simulationen der Multilevel- Umwandler Topologie mittels der PSCAD/EMTDC-Software, wurden die
Eine der vorgeschlagenen Topologien ist im Folgenden ausgewählt, um die Anwendung zur Verbindung einer erneuerbaren Energiequelle (Solarkraft / Windkraft) mit einem Versorgungsnetz zu veranschaulichen. Dabei wird im Detail die Netzeinbettung einer beispielhaften Photovoltaikanlage (PV) als Energiequelle beschrieben.One of the proposed topologies is selected below to illustrate the application of connecting a renewable energy source (solar power / wind power) to a utility grid. The network embedding of an exemplary photovoltaic system (PV) as an energy source is described in detail.
Eine Netz-verbundene erneuerbare Energie Konfiguration ist beispielhaft in
Wie in
Für eine beispielhafte Verwendung eines vorgeschlagenen Multilevel-Umwandlers 10 in einem PV-Kraftwerk mit einer Hochspannungserzeugung, werden die einzelnen PV-Stränge 23 nicht zu Anordnungen zusammengeschaltet, um wie eingangs beschrieben beispielsweise 400 V bereitzustellen, sondern, die einzelnen PV-Stränge 23 des PV-Kraftwerks werden als individuelle Spannungsquelleneingänge für die Levelerzeugungseinheit 11 genutzt. In
Es versteht sich, dass die spezifischen Merkmale der im Detail beschriebenen Ausführungsformen nicht beschränkend zu verstehen sind, sondern auch Ausführungsformen mit nicht allen Merkmalen, zusätzlichen Merkmalen, Kombinationen und Äquivalente vom Umfang der Erfindung erfasst sind.It is understood that the specific features of the embodiments described in detail are not to be understood as limiting, but also embodiments with not all features, additional features, combinations and equivalents are included within the scope of the invention.
Bezugszeichenlistereference list
- 1010
- Multilevel-Umwandlermultilevel converter
- 1111
- Levelerzeugungseinheitlevel generation unit
- 1212
- Umrichtereinheitconverter unit
- 1313
- Submodulsubmodule
- 13'13'
- erstes Submodulfirst submodule
- 13''13''
- weiteres Submodulanother submodule
- 13'''13'''
- letztes Submodullast submodule
- 1414
- Anschluss (Eingang)connection (input)
- 1515
- Anschluss (Ausgang)connection (output)
- 1616
- Versorgungsnetzsupply network
- 1717
- GleichstromwandlerDC converter
- 1818
- Generator der zu wandelnden elektrischen Energie (PV)Generator of the electrical energy to be converted (PV)
- 1919
- Windkraftanlage / -generatorWind Turbine / Generator
- 2020
- LCL-FilterLCL filter
- 2121
- PV-ZellenPV cells
- 2222
- PV-ModulPV module
- 2323
- PV-StrangPV string
Claims (11)
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---|---|---|---|
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DE102020127328.2A DE102020127328A1 (en) | 2020-10-16 | 2020-10-16 | Multilevel converter for converting electrical energy |
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---|---|
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ID=80929356
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DE102020127328.2A Pending DE102020127328A1 (en) | 2020-10-16 | 2020-10-16 | Multilevel converter for converting electrical energy |
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DE (1) | DE102020127328A1 (en) |
Cited By (1)
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DE102022104429A1 (en) | 2022-02-24 | 2023-08-24 | Universität Rostock, Körperschaft des öffentlichen Rechts | Multilevel converter arrangement for converting electrical energy, use of a multilevel converter arrangement, method and computer program product |
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DE102014201711A1 (en) | 2014-01-31 | 2015-08-06 | Robert Bosch Gmbh | Energy storage device, system with energy storage device and method for driving an energy storage device |
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-
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Zahra Bayat;Ebrahim Babaei;Carlo Cecati;Concettina Buccella;Vida Ranjbarizad:A New Topology of Cascaded Multilevel Inverter with Reduced Number of Driver Circuits and IGBTs.2019 7th International Electrical Engineering Congress (iEECON)Year: 2019 | Conference Paper | Publisher: IEEE |
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