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.

Figure DE102020127328A1_0000
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.
Figure DE102020127328A1_0000

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-Umwandlers mit Teilspannungsquellen aus 10 zeigt; und
  • 12 eine schematische Darstellung der Ausgangsspannung und der Spannungslevel zeigt.
The invention is explained below in exemplary embodiments with reference to the associated drawings. Show it:
  • 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 with partial 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. 1 zeigt das Schaltbild beispielhafter Ausgestaltungen von Submodulen 13. Ein erster Submodultyp (d) ist gebildet durch zwei parallele Äste, wobei in einem ersten Ast eine Teilspannungsquelle Udn in Reihe mit einem aktiven gesteuerten Schaltelement San angeordnet ist. Die Teilspannungsquelle kann dabei vorteilhaft durch einen Kondensator gebildet sein. Bei dem aktiv gesteuerten Schaltelement San handelt es sich bevorzugt um IGBTs insbesondere durch diskrete IGBTs ohne Antiparalleldiode. Der erste Ast ist parallel zu einem zweiten Ast geschaltet mit einem passiven Schaltelement, beispielsweise einer Diode Dn.A multilevel converter 10 according to the invention comprises a level generation unit 11 and a converter unit 12 . The level generation unit 11 is formed by a plurality of submodules 13 . 1 13 shows the circuit diagram of exemplary configurations of submodules 13. A first submodule type (d) is formed by two parallel branches, with a partial voltage source Udn being arranged in series with an active controlled switching element San in a first branch. The partial voltage source can advantageously be formed by a capacitor. The actively controlled switching element San is preferably an IGBT, in particular using discrete IGBTs without an anti-parallel diode. The first branch is connected in parallel to a second branch with a passive switching element, for example a diode Dn.

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 2 hervor.A schematic representation of circuit diagrams of different level generation units 11 consisting of submodules 13 according to the invention is based on FIG 2 out.

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 2 dargestellt. Dabei ist das weitere (zweite) Submodul 13" identisch zu dem weiteren (zweiten) Submodul 13" von Topologie (a). Das erste Submodul 13' entspricht dem Submodultyp (d) mit einer Diode als passivem Leistungselement im parallelen zweiten Ast der Schaltung. Es ist jedoch ein weiteres aktives Schaltelement Sc in Schaltrichtung Ausgangsanschluss vorgesehen. Eine Schaltvariante ähnlich der Topologie (a) ist in c) gezeigt, wobei die Topologie in c) 5 Spannungslevel bereitstellen kann und somit für einen 11-Level-Multilevel-Umwandler eingesetzt werden kann.In the topology (a) of a first exemplary level generation unit 11, a first submodule 13' is provided, which is essentially of the submodule type (d), although in the parallel second branch instead of the diode, i.e. a passive switching element, there is also one from a control unit controlled active electrical circuit breaker Sc is provided. However, the first branch is identical to a series-connected partial voltage source Ud1, which is formed in particular by a capacitor, and an active switching element Sb. A further (second) submodule 13" of submodule type (e) is connected via a series-connected second partial voltage source Ud2 . This includes the partial voltage sources Ud3 and Ud4. Such a topology of a level generation unit 11 can provide 4 voltage levels. In combination with an H-bridge converter 12, a 9-level multilevel converter is thus formed. A slightly modified variant of the topology (a ) is in the topology (b) the 2 shown. The further (second) submodule 13" is identical to the further (second) submodule 13" of topology (a). The first submodule 13' corresponds to the submodule type (d) with a diode as a passive power element in the parallel second branch of the circuit. However, a further active switching element Sc is provided in the switching direction of the output connection. A switching variant similar to the topology (a) is shown in c), where the topology in c) can provide 5 voltage levels and can therefore be used for an 11-level multilevel converter.

Die Topologien sind durch weitere Submodule 13" einfach erweiterbar (siehe 3), wodurch sich auch die Anzahl der erzeugbaren Spannungslevel erhöht. Dabei können die Multilevel-Umwandler sowohl symmetrisch als auch asymmetrisch erweitert werden. Für einen symmetrischen Aufbau ist das letzte erweiterte Submodul 13''' durch einen Submodultyp mit zwei Teilspannungsquellen Udn, Udn-1 ausgebildet, beispielsweise Submodultyp e) aus 1, so dass die Gesamtanzahl der Teilspannungsquellen gerade ist. Für einen asymmetrischen Aufbau ist das letzte erweiterte Submodul 13"' durch einen Submodultyp mit einer Teilspannungsquelle Udn gebildet, beispielsweise Submodultyp d) aus 1, so dass die Gesamtzahl der Teilspannungsquellen ungerade ist.The topologies can be easily expanded with additional 13" submodules (see 3 ), which also increases the number of voltage levels that can be generated. The multilevel converters can be expanded both symmetrically and asymmetrically. For a symmetrical structure, the last extended submodule 13''' is formed by a submodule type with two partial voltage sources Udn, Udn-1, for example submodule type e). 1 , so that the total number of partial voltage sources is even. For an asymmetrical structure, the last extended submodule 13"' is formed by a submodule type with a partial voltage source Udn, for example submodule type d). 1 , so that the total number of partial voltage sources is odd.

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 4 verwendete symmetrische Topologie (a), c)) aus (n/2)+1=3, wobei n die Anzahl der verwendeten Teilspannungsquellen ist. Dazu kommen noch die vier aktiven Schalter S1, S2, S3 und S4 der Umrichtereinheit 12, so dass der beschriebene Multilevel-Umwandler nur 7 Schalter benötigt. Vorteilhaft erhöht sich die Anzahl der Schalter in der Umrichtereinheit 12 nicht weiter auch wenn mehr Level erzeugt werden. Tabelle 1: Anzahl der benötigten aktiv gesteuerten Leistungsschalter. Levelerzeugungseinheit Letztes Submodul Typ d); asymmetrisch Letztes Submodul Typ e); symmetrisch a) (n+3)/2 (n/2)+1 b) (n+3)/2 (n/2)+1 c) (n/2)+1 (n+3)/2 The number of actively controlled switching elements required is reduced to a minimum compared to conventional multilevel converters and results for the level generation unit from Table 1 for the in 4 used symmetrical topology (a), c)) from (n/2)+1=3, where n is the number of partial voltage sources used. In addition, there are the four active switches S1, S2, S3 and S4 of the converter unit 12, so that the multilevel converter described only requires 7 switches. Advantageously, the number of switches in the converter unit 12 does not continue to increase, even if more levels are generated. Table 1: Number of actively controlled circuit breakers required. level generation unit Last submodule type d); asymmetrical Last submodule type e); symmetrical a) (n+3)/2 (n/2)+1 b) (n+3)/2 (n/2)+1 c) (n/2)+1 (n+3)/2

4 zeigt einen beispielhaften Multilevel-Umwandler der dazu eingerichtet ist, neun Ausgangslevel bereitzustellen. Als Levelerzeugungseinheit 11 ist eine Topologie vom Typ a) aus 2 vorgesehen. Als Gesamtspannung am Eingangsanschluss 14 liegt eine Gleichspannung UDC über die gesamte Levelerzeugungseinheit 11 an. Die Summe der einzelnen Teilspannungen entspricht der Gesamtspannung UDC = Ud1+Ud2+Ud3+Ud4. Die Levelerzeugungseinheit 11 liefert 4 Spannungslevel am Ausgang. Eine H4-Brücken-Umrichterschaltung 12 mit vier aktiven Leistungsschaltern S1, S2, S3 und S4 ist dazu vorgesehen, in beiden Halbzyklen der Ausgangsfrequenz zu schalten. Die Schalter S1 und S4 schalten im positiven Halbzyklus und die Schalter S2 und S3 schalten im negativen Halbzyklus der Wechselspannung des am Ausgang verbundenen Versorgungsnetzes. Das Versorgungsnetz ist dabei über die Knoten A und B an den Multilevel-Umwandler angeschlossen. Es ergibt sich eine Anzahl NLevel der Spannungslevel am Ausgang durch NLevel=2n+1, wobei n die Anzahl der Teilspannungsquellen Udn ist. Tabelle 2: Schaltzustände der aktiven Schalter zur Erzeugung der Ausgangslevel. Ausgangsspannung Sa Sb Sc S1 S2 S3 S4 +4Ud 1 1 0 1 0 0 1 +3Ud 1 0 1 1 0 0 1 +2Ud 0 1 0 1 0 0 1 +1Ud 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 -1Ud 0 0 1 0 1 1 0 -2Ud 0 1 0 0 1 1 0 -3Ud 1 0 1 0 1 1 0 -4Ud 1 1 0 0 1 1 0 4 Figure 12 shows an exemplary multilevel converter configured to provide nine output levels. A topology of type a) is required as the level generation unit 11 2 intended. A direct voltage U DC across the entire level generation unit 11 is present as the total voltage at the input connection 14 . The sum of the individual partial voltages corresponds to the total voltage UDC = U d1 +U d2 +U d3 +U d4 . The level generation unit 11 delivers 4 voltage levels at the output. An H4 bridge converter circuit 12 with four active power switches S1, S2, S3 and S4 is designed to switch on both half cycles of the output frequency. The switches S1 and S4 switch in the positive half-cycle and the switches S2 and S3 switch in the negative half-cycle of the AC voltage of the supply network connected at the output. The supply network is connected to the multilevel converter via nodes A and B. A number N levels of voltage levels at the output results from N level =2n+1, where n is the number of partial voltage sources U dn . Table 2: Switching states of the active switches for generating the output level. output voltage sat Sb sc S1 S2 S3 S4 +4ud 1 1 0 1 0 0 1 +3Ud 1 0 1 1 0 0 1 +2Ud 0 1 0 1 0 0 1 +1ud 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 -1ud 0 0 1 0 1 1 0 -2Ud 0 1 0 0 1 1 0 -3Ud 1 0 1 0 1 1 0 -4Ud 1 1 0 0 1 1 0

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 4 ersichtlich, von einem Gleichspannungsausgang eines DC/DC-Wandlers 16 eines oder mehrerer Erneuerbarer-Energie-Quellen gespeist. Dabei kann es sich beispielsweise um Generatoren einer oder mehrerer Windkraftanlagen handeln oder aber auch andere Arten von elektrischen Energiequellen, wie beispielsweise Solarkraftanlagen.In a preferred embodiment, a renewable energy source is used to supply voltage to the input 14 of the multilevel converter. For example, the connection for supplying electrical energy to be converted, as in 4 as can be seen, fed by a DC voltage output of a DC/DC converter 16 of one or more renewable energy sources. This can be, for example, generators of one or more wind turbines or other types of electrical energy sources, such as solar power plants.

Als Ergebnis von Simulationen der Multilevel- Umwandler Topologie mittels der PSCAD/EMTDC-Software, wurden die 5 bis 7 erhalten. 5 zeigt ein Diagramm bei dem mittels eines Graphen ein Spannungsverlauf am Wechselspannungsanschluss (Ausgang) dargestellt ist. Die Abszisse ist eine Zeitachse, in der die Zeit in Sekunden angegeben ist. Auf der Ordinate ist die Ausgangsspannung in V aufgetragen. Zu erkennen ist, dass eine Wechselspannung mit einer Amplitude von 400 V bei einer Frequenz von 50 Hz dargestellt ist. Deutlich sind auch die verschiedenen, insgesamt neun Spannungslevel zu erkennen. 6 zeigt ein Diagramm bei dem mittels eines Graphen der prozentuale Anteil der harmonischen Abweichung (Total Harmonic Distribution, THD) der Ausgangsspannung dargestellt ist. Die Abszisse ist eine Zeitachse, in der die Zeit in Sekunden angegeben ist. Auf der Ordinate ist die THD in Prozent aufgetragen. Zu erkennen ist, dass die THD sich bei einem Wert von unter 2,1 % stabilisiert, was ein Zeichen für eine hohe Signalqualität ist. 7 zeigt einen Verlauf des eingespeisten Stroms in A und der Netzspannung in V über die Zeit in Sekunden. Es ist deutlich zu erkennen, dass eingespeister Strom und Netzspannung frequenzstabil und gleichphasig verlaufen. Das ist ein Zeichen für einen guten Leistungsfaktor nahe eins.As a result of simulations of the multilevel converter topology using the PSCAD/EMTDC software, the 5 until 7 obtain. 5 shows a diagram in which a voltage curve at the AC voltage connection (output) is shown by means of a graph. The abscissa is a time axis where time is given in seconds. The output voltage in V is plotted on the ordinate. It can be seen that an AC voltage with an amplitude of 400 V at a frequency of 50 Hz is shown. The different, total of nine voltage levels are also clearly visible. 6 shows a diagram in which the percentage of the harmonic deviation (Total Harmonic Distribution, THD) of the output voltage is represented by means of a graph. The abscissa is a time axis, in where the time is given in seconds. The THD is plotted in percent on the ordinate. It can be seen that the THD stabilizes at a value below 2.1%, which is a sign of high signal quality. 7 shows a progression of the current fed in in A and the mains voltage in V over time in seconds. It can be clearly seen that the current and mains voltage fed in have a stable frequency and are in phase. This is a sign of a good power factor close to unity.

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 8 gezeigt. In dieser Konfiguration besteht ein Energieeinspeisungssystem in der Regel aus drei Teilen. Ein erster Teil ist ein DC/DC - Gleichspannungsumwandler 17, der dafür vorgesehen ist, die Gleichspannung der Erneuerbaren Energiequelle, eine PV-Anlage 18, oder eine Windkraftanlage 19, zu extrahieren und zu regulieren. Ein zweiter Teil ist ein DC/AC - Umwandler zum Umwandeln von Gleichspannung / - strom in Wechselspannung / -strom. Ein dritter Teil ist ein LCL-Filter 20 um umgewandelte Spannung und Strom zur Einspeisung in das Versorgungsnetz 16 vorzubereiten. In Systemen in denen ein Multilevel-Umwandler im zweiten Teil als DC/AC-Umwandler eingesetzt wird, nähert sich die Ausgangsspannung durch eine hohe Zahl an generierten Spannungsleveln einem sinusförmigen Verlauf an. Daher kann in einem solchen Fall der LCL-Filter 20 weggelassen oder durch einen einfachen L-Filter ersetzt werden. Eine vorgeschlagene Topologie eines Multilevel-Umwandlers 10 kann, wie bereits aus 4 ersichtlich, im zweiten Teil der Konfiguration von 8 zum Einsatz kommen.A grid-connected renewable energy configuration is exemplified in 8th shown. In this configuration, a power injection system usually consists of three parts. A first part is a DC/DC converter 17 intended to extract and regulate the DC voltage of the renewable energy source, a PV array 18, or a wind turbine 19. A second part is a DC/AC converter for converting DC voltage/current into AC voltage/current. A third part is an LCL filter 20 to prepare converted voltage and current for supply to the utility grid 16 . In systems in which a multilevel converter is used as a DC/AC converter in the second part, the output voltage approaches a sinusoidal curve due to a large number of generated voltage levels. Therefore, in such a case, the LCL filter 20 can be omitted or replaced with a simple L filter. A proposed topology of a multilevel converter 10 can, as already shown in FIG 4 evident, in the second part of the configuration of 8th come into use.

Wie in 9 schematisch dargestellt, ist ein Paneel von PV-Modulen 22 durch eine Anordnung einzelner PV-Zellen 21 gebildet. PV-Zellen 21 nutzen das Sonnenlicht als Energiequelle und generieren Gleichstrom-Elektrizität (DC). Eine Zusammenschaltung mehrerer PV-Modul-Paneele 22 wird auch PV-Strang 23 genannt. Eine PV-Strang 23 Anordnung kann auf zwei unterschiedliche Arten gebildet sein: Als parallele Stranganordnung in 1) oder als Reihenstranganordnung in 2). Angenommen ein PV-Strang 23 liefert Gleichspannung / -strom von 60 V und 6 A, dann liefert die gesamte parallele Anordnung in 1) 60 V und 20 A und die Reihenanordnung in 2) 400 V und 6 A.As in 9 shown schematically, a panel of PV modules 22 is formed by an array of individual PV cells 21 . PV cells 21 use sunlight as an energy source and generate direct current (DC) electricity. An interconnection of several PV module panels 22 is also called a PV string 23 . A PV string 23 arrangement can be formed in two different ways: as a parallel string arrangement in 1) or as a series string arrangement in 2). Assuming a PV string 23 supplies DC voltage/current of 60 V and 6 A, then the entire parallel arrangement supplies 1) 60 V and 20 A and the series arrangement supplies 2) 400 V and 6 A.

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 10 ist ein beispielhafter PV-Strang 23 dargestellt, der eine Ausgangsspannung von 100 V liefert.For an exemplary use of a proposed multilevel converter 10 in a PV power plant with high-voltage generation, the individual PV strings 23 are not connected together to form arrangements in order to provide 400 V, for example, as described above, but rather the individual PV strings 23 of the PV -Kraftwerks are used as individual voltage source inputs for the level generation unit 11. In 10 an exemplary PV string 23 is shown that supplies an output voltage of 100 V.

11 zeigt exemplarisch einen 9-Levelgenerator analog zu 4. In der in 11 gezeigten Verwendung, sind verschiedene (insgesamt vier) individuelle Spannungsquellen entsprechend der 10 als Teilspannungsquellen Cd1, Cd2, Cd3 und Cd4 verwendet. Jede der Teilspannungsquellen liefert 100 V als Teilspannung. Die dadurch erzeugte Ausgangsspannung ist in 13 dargestellt. Schematisch dargestellt ist die Ausgangsspannung in V. Zu erkennen ist, dass eine Wechselspannung mit einer Amplitude von 400 V ausgegeben wird. Ebenfalls sind auch die verschiedenen, insgesamt neun Spannungslevel zu erkennen. 11 shows an example of a 9-level generator analogous to 4 . in the in 11 shown use, are different (four total) individual voltage sources according to the 10 used as partial voltage sources Cd1, Cd2, Cd3 and Cd4. Each of the partial voltage sources supplies 100 V as a partial voltage. The resulting output voltage is in 13 shown. The output voltage is shown schematically in V. It can be seen that an AC voltage with an amplitude of 400 V is output. The different, total of nine voltage levels can also be seen.

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)

Multilevel-Umwandler (10) zum Wandeln von elektrischer Energie, mit einem Anschluss (14) zum Zuführen von zu wandelnder elektrischer Energie (Eingang) und einem anderen Anschluss (15) zum Abgeben der gewandelten elektrischen Energie (Ausgang) umfassend eine Levelerzeugungseinheit (11) und eine Umrichtereinheit (12), die dazu eingerichtet sind, eine bestimmte Anzahl von Spannungsleveln am Ausgang (15) zu erzeugen, wobei die Levelerzeugungseinheit (11) aus mindestens einem Submodul (13) gebildet ist, wobei das mindestens eine Submodul (13) 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.Multilevel converter (10) for converting electrical energy, with a connection (14) for supplying electrical energy to be converted (input) and another connection (15) for delivering the converted electrical energy (output), comprising a level generation unit (11) and a converter unit (12) which is set up to generate a specific number of voltage levels at the output (15), the level generation unit (11) being formed from at least one submodule (13), the at least one submodule (13) being formed by an electrical circuit is formed 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 with the first branch. Multilevel-Umwandler (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamteingangsspannung (UDC) durch eine Gleichstromspannungsquelle bereitgestellt ist und wobei an der mindestens einen Teilspannungsquelle eine Teilspannung anliegt, die durch eine Zerlegung der Gesamteingangsspannung (UDC) gebildet ist.multilevel converter (10) according to claim 1 , characterized in that the total input voltage (U DC ) is provided by a direct current voltage source and wherein a partial voltage is applied to the at least one partial voltage source, which is formed by a decomposition of the total input voltage (U DC ). Multilevel-Umwandler (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umrichtereinheit (12) durch eine H-Brückenschaltung gebildet ist.multilevel converter (10) according to claim 1 , characterized in that the converter unit (12) is formed by an H-bridge circuit. Multilevel-Umwandler (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die H-Brückenschaltung der Umrichtereinheit (12) aus vier aktiven Schaltelementen (S1, S2, S3, S4) gebildet ist.multilevel converter (10) according to claim 3 , characterized in that the H-bridge circuit of the converter unit (12) is formed from four active switching elements (S1, S2, S3, S4). Multilevel-Umwandler (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ast des Submoduls (13) zwei in Serie geschaltete Teilspannungsquellen mit einem dazwischen angeordneten aktiven Schaltelement umfasst.multilevel converter (10) according to claim 1 , characterized in that the first branch of the sub-module (13) comprises two partial voltage sources connected in series with an active switching element arranged between them. Multilevel-Umwandler (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl NLevel der Spannungslevel am Ausgang (15) durch NLevel=2n+1 gegeben ist, wobei n die Anzahl der Teilspannungsquellen ist.multilevel converter (10) according to claim 1 , characterized in that a number N levels of voltage levels at the output (15) is given by N level =2n+1, where n is the number of partial voltage sources. Multilevel-Umwandler (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Levelerzeugungseinheit (11) ein erstes Submodul (13') umfasst 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 (13") mit jeweils zwei Teilspannungsquellen in Reihe geschaltet anschließen, wobei das erste Submodul (13') und die weiteren Submodule (13") über eine in Reihe dazwischengeschaltete zweite Teilspannungsquelle (Ud2) verbunden sind.multilevel converter (10) according to claim 1 , characterized in that the level generating unit (11) comprises a first submodule (13') 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 (13" ) each with two partial voltage sources connected in series, with the first submodule (13') and the further submodules (13") being connected via a second partial voltage source (U d2 ) connected in series between them. Multilevel-Umwandler (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein letztes Submodul (13''') der weiteren Submodule (13") im ersten Ast nur eine Teilspannungsquelle aufweist.multilevel converter (10) according to claim 6 , characterized in that a last sub-module (13''') of the further sub-modules (13'') has only one partial voltage source in the first branch. Multilevel-Umwandler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein aktives Schaltelement durch einen Hochfrequenzschalter gebildet ist.Multilevel converter (10) according to one of the preceding claims, characterized in that an active switching element is formed by a high-frequency switch. Multilevel-Umwandler (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Schaltelemente durch diskrete IGBT Schalter ohne antiparallele Diode gebildet sind.multilevel converter (10) according to claim 8 , characterized in that the active switching elements are formed by discrete IGBT switches without an anti-parallel diode. Multilevel-Umwandler (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur direkten Kopplung einer Erneuerbaren-Energie-Quelle mit einem Wechselspannungsversorgungsnetz (16), wobei der Eingang (14) des Multilevel-Umwandlers (10) mit einem Gleichspannungsanschluss (17) der Erneuerbaren-Energie-Quelle (18) verbunden ist und wobei der Ausgang (15) des Multilevel-Umwandlers (10) mit einem Netzanschluss des Wechselspannungsversorgungsnetzes (16) verbunden ist.Multilevel converter (10) according to one of Claims 1 until 9 for directly coupling a renewable energy source to an AC voltage supply network (16), the input (14) of the multilevel converter (10) being connected to a DC voltage connection (17) of the renewable energy source (18) and the output (15) of the multilevel converter (10) is connected to a mains connection of the AC voltage supply network (16).
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