-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern von Schaltelementen eines modularen Multilevelstromrichters, ein Modul eines modularen Multilevelstromrichters und einen modularen Multilevelstromrichter.
-
Modulare Multilevelstromrichter werden beispielsweise bei elektrischen Energieübertragungsnetzen zur verlustarmen und kontrollierten Übertragung von Wirkleistung oder zur effektiven Stabilisierung von Dreiphasenwechselstromnetzen eingesetzt. Es werden modulare Multilevelstromrichter mit immer größeren elektrischen Leistungen benötigt. Dies lässt sich insbesondere durch eine Anhebung der Nennspannung erreichen, was eine Vergrößerung der Anzahl von in Reihe geschalteten Modulen (Reihenschaltzahl) zur Folge hat. Durch die dabei notwendig werdenden größeren Isolationsabstände steigt auch der Platzbedarf für die Stromrichter. Häufig ist der benötigte Platz nicht vorhanden oder die Flächenkosten sind erheblich. Bauseitig ist es oftmals nur mit sehr hohen Kosten möglich, durch eine mehrstöckige Gebäudelösung den Platzbedarf zu verringern.
-
Bei den Schalteinheiten der Module treten während des Betriebs elektrische Verluste auf. Diese elektrischen Verluste (Betriebsverluste) müssen in Form von Wärme abgeführt werden. Hierzu können insbesondere Kühlanlagen oder Klimageräte benötigt werden, die selbst wiederum mit elektrischer Leistung gespeist werden müssen und kostspielig sind.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Modul eines modularen Multilevelstromrichters anzugeben, mit denen die beim Betrieb auftretenden elektrischen Verluste begrenzt werden können.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren und ein Modul eines modularen Multilevelstromrichters nach den unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens und des Moduls sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
-
Offenbart wird ein Verfahren zum Ansteuern von Schaltelementen eines modularen Multilevelstromrichters, wobei der modulare Multilevelstromrichter eine Vielzahl von Modulen aufweist, welche jeweils mindestens zwei Schalteinheiten und einen elektrischen Energiespeicher aufweisen, und wobei die Schalteinheiten jeweils mindestens zwei parallel geschaltete elektronische Schaltelemente aufweisen, wobei bei dem Verfahren - die parallel geschalteten elektronischen Schaltelemente einer Schalteinheit jeweils unabhängig voneinander angesteuert werden (so dass sie insbesondere unabhängig voneinander eingeschaltet und ausgeschaltet werden können). Dies ermöglicht es vorteilhafterweise, (insbesondere in Abhängigkeit von dem Arbeitspunkt des Stromrichters) zeitweise nur einige der parallel geschalteten elektronischen Schaltelemente für den Betrieb des Multilevelstromrichters zu benutzen. Dadurch können insbesondere die elektrischen Verluste der Schalteinheiten reduziert werden, da die zeitweise nicht benutzten elektronischen Schaltelemente nicht zu diesen Verlusten beitragen. Dies trifft insbesondere auf die Schaltverluste zu.
-
Die parallel geschalteten elektronischen Schaltelemente werden also gerade nicht (was auch denkbar wäre) so angesteuert, dass sie nach außen hin ausschließlich wie ein einziges Schaltelement größerer Leistung wirken und insbesondere nur einen gemeinsamen Ansteuereingang aufweisen. Vielmehr lassen sich die einzelnen elektronischen Schaltelemente der Parallelschaltung einzeln ansteuern, so dass sie bei Bedarf wie einzelne elektronische Schaltelemente angesteuert werden können. Durch zeitsynchrone Ansteuerung der einzelnen elektronischen Schaltelemente lassen sich diese aber natürlich auch wie ein einziges Schaltelement größerer Leistung einsetzen.
-
Das Verfahren kann so ablaufen, dass - die parallel geschalteten elektronischen Schaltelemente einer Schalteinheit derart angesteuert werden, dass in Abhängigkeit von der Größe des durch diese Schalteinheit fließenden (elektrischen) Stroms zumindest zeitweise jeweils eine unterschiedliche Anzahl der parallel geschalteten elektronischen Schaltelemente gleichzeitig eingeschaltet ist. „Gleichzeitig“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass eine Zeitspanne auftritt, während der die jeweilige Anzahl der elektronischen Schaltelemente elektrisch leitend ist. Die jeweils unterschiedliche Anzahl stellt insbesondere eine Auswahl aus den parallel geschalteten elektronischen Schaltelementen dar. Die jeweils unterschiedliche Anzahl kann auch nur eines der parallel geschalteten elektronischen Schaltelemente oder alle parallel geschalteten elektronischen Schaltelemente umfassen. Dabei wird insbesondere vorteilhafterweise die Anzahl der gleichzeitig eingeschalteten parallel geschalteten elektronischen Schaltelemente mit größer werdendem durch die Schalteinheit fließenden Strom vergrößert und mit kleiner werdendem durch die Schalteinheit fließenden Strom verkleinert. Dadurch wird vorteilhafterweise jeweils nur die zum jeweiligen Zeitpunkt notwendige Anzahl von elektronischen Schaltelementen elektrisch in Betrieb genommen.
-
Das Verfahren kann so ablaufen, dass
- - die parallel geschalteten elektronischen Schaltelemente einer Schalteinheit derart angesteuert werden, dass
- - zumindest zeitweise sämtliche parallel geschalteten elektronischen Schaltelemente gleichzeitig eingeschaltet sind, wenn der durch diese Schalteinheit fließende Strom oberhalb eines ersten Schwellenwertes liegt.
-
Das Verfahren kann so ablaufen, dass
- - die parallel geschalteten elektronischen Schaltelemente einer Schalteinheit derart angesteuert werden, dass
- - zumindest zeitweise jeweils nur eines der parallel geschalteten elektronischen Schaltelemente der Schalteinheit eingeschaltet ist und die übrigen parallel geschalteten elektronischen Schaltelemente der Schalteinheit (gleichzeitig) ausgeschaltet sind, wenn der durch diese Schalteinheit fließende Strom unterhalb eines zweiten Schwellenwertes liegt.
-
Die zwei vorstehend beschriebenen Varianten beschreiben insbesondere die beiden Extremfälle: wenn der durch die Schalteinheit fließende Strom oberhalb des ersten Schwellenwertes liegt, dann wird die maximale Zahl der parallel geschalteten elektronischen Schaltelemente gleichzeitig eingeschaltet. Damit verteilt sich der elektrische Strom auf die maximal mögliche Anzahl von elektronischen Schaltelementen; es kann der maximale Strom geführt werden. Wenn jedoch der durch die Schalteinheit fließende Strom unterhalb des zweiten Schwellenwertes liegt, dann wird die minimale Zahl an elektronischen Schaltelementen eingeschaltet, nämlich nur ein elektronisches Schaltelement der parallel geschalteten elektronischen Schaltelemente. Dann treten auch nur in diesem einen eingeschalteten elektronischen Schaltelement elektrische Verluste (insbesondere Schaltverluste) auf, so dass die elektrischen Verluste der Schalteinheit reduziert sind.
-
Bei nur zwei parallel geschalteten elektronischen Schaltelementen pro Schalteinheit sind der erste Schwellenwert und der zweite Schwellenwert gleich groß.
-
Das Verfahren kann so ablaufen, dass
- - die parallel geschalteten elektronischen Schaltelemente einer Schalteinheit derart angesteuert werden, dass mindestens zwei Schaltelemente der Schalteinheit, auf die sich der durch diese Schalteinheit fließende Strom aufteilen soll, (d.h., die zumindest zeitweise diesen Strom gleichzeitig leiten sollen) zeitversetzt zueinander eingeschaltet werden.
-
Dabei ist vorteilhaft, dass nur in dem zuerst eingeschalteten Schaltelement elektrische Einschaltverluste auftreten. Bei dem nachfolgend eingeschalteten Schaltelement oder den nachfolgend eingeschalteten Schaltelementen treten im Wesentlichen keine Einschaltverluste auf, weil bei diesen nachfolgenden Einschaltvorgängen die an diesen Schaltelementen auftretende Spannung (aufgrund des zuerst eingeschalteten Schaltelements) bereits nahezu Null beträgt oder zumindest sehr klein ist.
-
Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass
- - die parallel geschalteten elektronischen Schaltelemente einer Schalteinheit derart angesteuert werden, dass abwechselnd verschiedene Schaltelemente der zueinander zeitversetzt einzuschaltenden Schaltelemente zuerst eingeschaltet werden.
-
Dabei ist vorteilhaft, dass die Einschaltverluste abwechselnd in den verschiedenen Schaltelementen der parallel geschalteten Schaltelemente auftreten. Dadurch kann erreicht werden, dass sich die parallel geschalteten elektronischen Schaltelemente gleichmäßig erwärmen. Einer Überhitzung eines einzelnen Schaltelements der parallelgeschalteten Schaltelemente wird dadurch entgegengewirkt. „Abwechselnd“ bedeutet dabei nicht notwendigerweise im strengen Wechsel, sondern es bedeutet insbesondere, dass jedes der mindestens zwei Schaltelemente manchmal als zeitlich erstes Schaltelement eingeschaltet wird und manchmal als zeitlich nachfolgendes Schaltelement eingeschaltet wird.
-
Das Verfahren kann so ablaufen, dass
- - die mindestens zwei Schaltelemente der Schalteinheit mit einem Zeitversatz zueinander eingeschaltet werden, wobei der Zeitversatz zwischen 5 µs und 40 µs beträgt. Der Zeitversatz (zwischen den mindestens zwei zueinander zeitversetzt einzuschaltenden Schaltelementen der Schalteinheit) beträgt also zwischen 5 und 40 µs. Nach diesem Zeitversatz bzw. Zeitdauer ist vorteilhafterweise der Einschaltvorgang des zuerst eingeschalteten Schaltelements im Wesentlichen abgeschlossen. Dadurch können nach Ablauf dieses Zeitversatzes die übrigen parallelgeschalteten Schaltelemente eingeschaltet werden, ohne dass in diesen nennenswerte Einschaltverluste (Einschaltverlustleistungen) auftreten.
-
Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass
- - die parallel geschalteten elektronischen Schaltelemente einer Schalteinheit derart angesteuert werden, dass mindestens zwei Schaltelemente der Schalteinheit, auf die sich der durch diese Schalteinheit fließende Strom aufteilen soll, im Wesentlichen gleichzeitig ausgeschaltet werden. Dadurch verteilen sich die Ausschaltverluste auf sämtliche eingeschalteten parallelgeschalteten Schaltelemente, was die Ausschaltverluste reduziert.
-
Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass
- - die elektronischen Schaltelemente Halbleiter-Schaltelemente aufweisen, insbesondere ein- und ausschaltbare Halbleiter-Schaltelemente. Beispiele für derartige elektronische Halbleiter-Schaltelemente sind IGBTs, IGCTs, IEGTs oder MOSFETs.
-
Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass
- - die Module jeweils zwei Modulanschlüsse aufweisen und die Schalteinheiten so angeordnet sind, dass die Spannung des elektrischen Energiespeichers nur mit einer Polarität an den zwei Modulanschlüssen auftreten kann, oder
- - die Module jeweils zwei Modulanschlüsse aufweisen und die Schalteinheiten so angeordnet sind, dass die Spannung des elektrischen Energiespeichers wahlweise in der einen Polarität oder in der entgegengesetzten Polarität an den zwei Modulanschlüssen auftreten kann. Bei der ersten Alternative sind die Module unipolare Module, beispielsweise sogenannte Halbbrücken-Module. Bei der zweiten Alternative sind die Module bipolare Module, beispielsweise sogenannte Vollbrücken-Module.
-
Insbesondere kann das Verfahren so ablaufen, dass
- - die Module jeweils zwei Modulanschlüsse aufweisen und die Schalteinheiten so angeordnet sind, dass in Abhängigkeit von der Ansteuerung der Schalteinheiten an den zwei Modulanschlüssen entweder die Spannung des elektrischen Energiespeichers mit nur einer Polarität oder eine Nullspannung auftreten kann, oder
- - die Module jeweils zwei Modulanschlüsse aufweisen und die Schalteinheiten so angeordnet sind, dass in Abhängigkeit von der Ansteuerung der Schalteinheiten an den zwei Modulanschlüssen entweder die Spannung des elektrischen Energiespeichers wahlweise in der einen Polarität oder in der entgegengesetzten Polarität oder eine Nullspannung auftreten kann.
-
Offenbart wird weiterhin ein Modul eines modularen Multilevelstromrichters, das mindestens zwei Schalteinheiten und einen elektrischen Energiespeicher aufweist, wobei die Schalteinheiten jeweils mindestens zwei parallel geschaltete elektronische Schaltelemente aufweisen, und die parallel geschalteten elektronischen Schaltelemente der Schalteinheiten jeweils unabhängig voneinander ansteuerbar sind (so dass sie unabhängig voneinander einschaltbar und ausschaltbar sind).
-
Dieses Modul kann so ausgestaltet sein, dass
- - die parallel geschalteten elektronischen Schaltelemente elektrisch voneinander getrennte Ansteuereingänge aufweisen. Jedes elektronische Schaltelement weist dann also einen eigenen Ansteuereingang auf. Die Ansteuereingänge der parallel geschalteten elektronischen Schaltelemente sind elektrisch voneinander getrennt (elektrisch nichtverbundene Ansteuereingänge).
-
Dieses Modul kann auch so ausgestaltet sein, dass
- - die Ansteuereingänge jeweils elektrisch mit elektrisch voneinander getrennten Ausgängen einer Ansteuereinheit verbunden sind. Mittels dieser Ansteuereinheit können über die elektrisch voneinander getrennten Ansteuereingänge die parallel geschalteten Schaltelemente unabhängig voneinander angesteuert werden.
-
Dieses Modul kann auch ausgestaltet bzw. eingerichtet sein zum Durchführen der vorstehend beschriebenen Varianten des Verfahrens.
-
Offenbart wird weiterhin ein modularer Multilevelstromrichter mit einem Modul nach einer der vorstehend beschriebenen Varianten.
-
Das Verfahren, das Modul und der modulare Multilevelstromrichter weisen gleiche beziehungsweise gleichartige Vorteile auf. Insbesondere können alle im Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebenen Varianten auch durch das Modul realisiert sein, beispielsweise durch eine modulinterne Steuereinheit. Die Steuereinheit kann aber in Allgemeinen auch als eine modulexterne Steuereinheit ausgestaltet sein.
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen verweisen dabei auf gleiche oder gleichwirkende Elemente. Dabei ist in
- 1 ein Ausführungsbeispiel eines an ein Energieversorgungsnetz angeschlossenen modularen Multilevelstromrichters, in
- 2 ein Ausführungsbeispiel eines Multilevelstromrichters in Dreieckschaltung, in
- 3 ein Ausführungsbeispiel eines Multilevelstromrichters in Sternschaltung, in
- 4 ein Ausführungsbeispiel eines Multilevelstromrichters in Brückenschaltung, in
- 5 ein Ausführungsbeispiel eines einphasigen Multilevelstromrichters, in
- 6 ein Ausführungsbeispiel eines Stromrichterzweigs eines Multilevelstromrichters, in
- 7 ein Ausführungsbeispiel eines Moduls eines Multilevelstromrichters mit einem Powermodul und einem Kondensatormodul, in
- 8 ein Ausführungsbeispiel des Powermoduls, in
- 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Powermoduls, in
- 10 ein Ausführungsbeispiel des Kondensatormoduls, in
- 11 eine weitere beispielhafte Darstellung eines Moduls eines Multilevelstromrichters, in
- 12 eine weitere beispielhafte Darstellung eines Moduls eines Multilevelstromrichters, in
- 13 ein Ausführungsbeispiel einer Schalteinheit, in
- 14 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schalteinheit, in
- 15 ein beispielhafter Verfahrensablauf zum Ansteuern von parallel geschalteten Schaltelementen, und in
- 16 eine weiterer beispielhafter Verfahrensablauf zum Ansteuern von parallel geschalteten Schaltelementen
dargestellt.
-
In 1 ist ein modularer Multilevelstromrichter 1 dargestellt, der über einen Transformator 3 an ein dreiphasiges elektrisches Wechselspannungsnetz 5 (Energieversorgungsnetz 5) angeschlossen ist. Eine dreiphasige elektrische Verbindung zwischen dem modularen Multilevelstromrichter 1 und dem Transformator 3 ist mittels einer Anschlussschiene 8 hergestellt. Ein Stromsensor 11 dient zum Messen des zu dem modularen Multilevelstromrichter 1 fließenden Stroms. Ein Spannungssensor 13 misst die an der Anschlussschiene 8 anliegende Spannung; diese Spannung entspricht der an dem modularen Multilevelstromrichter 1 anliegenden Spannung. Strommesswerte 15 des Stromsensors 11 und Spannungsmesswerte 18 des Spannungssensors 13 werden zu einer Ansteuereinheit 21 übertragen. Anhand dieser Messwerte 15, 18 und anhand von Sollwerten 24 erzeugt die Ansteuereinheit 21 Ansteuersignale 27 und steuert damit den Multilevelstromrichter 1 an. Dazu verarbeitet die Ansteuereinheit 21 die Strommesswerte 15 und die Spannungsmesswerte 18. Der modulare Multilevelstromrichter 1 ist im Ausführungsbeispiel der 1 ein Blindleistungskompensator, welcher die in der Anschlussschiene 8 und damit auch die in dem Wechselspannungs-Energieversorgungsnetz 5 auftretende Blindleistung gezielt beeinflussen kann.
-
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel des modularen Multilevelstromrichters 1 dargestellt, welcher drei Stromrichterzweige 35 aufweist. Die drei Stromrichterzweige 35 sind in einer Dreieckschaltung geschaltet und über drei Stromrichteranschlüsse L1, L2 und L3 mit den drei Phasen des dreiphasigen Wechselspannungsnetzes 5 verbindbar.
-
In 3 ist ein Ausführungsbeispiel des modularen Multilevelstromrichters 1 dargestellt, welcher drei Stromrichterzweige 35 aufweist, die in einer Sternschaltung geschaltet sind. Der Sternpunkt der Sternschaltung ist über einen Rückleiteranschluss N mit einem Rückleiter des dreiphasigen Wechselspannungsnetzes verbindbar; die drei Phasen des Wechselspannungsnetzes sind mit den drei Stromrichteranschlüssen L1, L2 und L3 verbindbar.
-
In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des modularen Multilevelstromrichters 1 dargestellt. Dieser modulare Multilevelstromrichter weist sechs Stromrichterzweige 35 auf, welche in einer Brückenschaltung angeordnet sind. Dabei sind jeweils zwei Stromrichterzweige 35 in Reihe geschaltet und bilden ein Phasenmodul des modularen Multilevelstromrichters. An den Verbindungspunkt zwischen den beiden in Reihe geschalteten Stromrichterzweigen ist jeweils ein Stromrichteranschluss L1, L2 bzw. L3 angeschlossen.
-
In 5 ist ein Ausführungsbeispiel eines modularen Multilevelstromrichters 1 dargestellt, welcher lediglich einen einzigen Stromrichterzweig 35 aufweist. Dieser Stromrichterzweig 35 weist einen einzigen Stromrichteranschluss L für eine Phase eines einphasigen Wechselspannungsnetzes sowie einen Rückleiteranschluss N für einen Rückleiter des Wechselspannungsnetzes auf.
-
In 6 ist ein Ausführungsbeispiel des Stromrichterzweigs 35 dargestellt. Dieser Stromrichterzweig 35 weist einen ersten Zweiganschluss AC1 und einen zweiten Zweiganschluss AC2 auf. Zwischen den beiden Zweiganschlüssen AC1 und AC2 erstreckt sich eine elektrische Reihenschaltung von Modulen M1 bis Mn. Über der Reihenschaltung der Module tritt die Spannung u auf. Diese Reihenschaltung weist weiterhin optional einen Stromsensor 38 zur Messung des durch den Stromrichterzweig 35 fließenden Stroms i sowie eine Koppelinduktivität 41 auf.
-
Im Ausführungsbeispiel weist der Stromrichterzweig 64 Module auf (n=64). In anderen Ausführungsbeispielen kann der Stromrichterzweig natürlich auch eine andere Anzahl an Modulen aufweisen, beispielsweise 32 Module oder 128 Module (n=32 oder n=128). Der Stromrichterzweig 35 kann auch als ein Stromrichtermodul 35 bezeichnet werden.
-
In 7 ist ein Ausführungsbeispiel eines Moduls M (beispielsweise des Moduls M1 oder eines der anderen in 6 dargestellten Module) dargestellt. Das Modul M weist zwei Modulanschlüsse 63 und 64 auf, welche mit einem sogenannten Powermodul 67 verbunden sind. Das Powermodul 67 weist zwei Gleichspannungsanschlüsse DC1 und DC2 auf, welche mit zwei Gleichspannungsanschlüssen DC3 und DC4 eines Kondensatormoduls 69 elektrisch verbunden sind. Die Gleichspannungsanschlüsse DC1 und DC2 bilden einen Gleichspannungszwischenkreis des Moduls M.
-
In 8 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des Powermoduls 67 dargestellt. Das Powermodul 67 weist vier elektronische Schalteinheiten S1 - S4 (insbesondere Halbleiterschalteinheiten S1 - S4) auf, welche in einer Vollbrückenschaltung angeordnet sind. Die elektronischen Schalteinheiten können beispielsweise IGBTs, IGCTs, IEGTs oder MOSFETs aufweisen. In 8 ist zu erkennen, dass an den Anschlüssen DC1 und DC 2 die Zwischenkreisspannung UZK auftritt.
-
In 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für das Powermodul 67' dargestellt. Dieses Powermodul 67' weist lediglich zwei elektronische Schalteinheiten S1 und S2 auf, welche in einer Halbbrückenschaltung angeordnet sind. Derart aufgebaute Powermodule 67' können insbesondere in dem modularen Multilevelstromrichter gemäß 4 eingesetzt werden. Powermodule 67 entsprechend 8 können in allen der in den Ausführungsbeispielen dargestellten modularen Multilevelstromrichter eingesetzt werden.
-
In 10 ist ein Ausführungsbeispiel des Kondensatormoduls 69 dargestellt. Das Kondensatormodul 69 weist als Energiespeicher einen Kondensator C (der elektrische Energie zwischenspeichert und insbesondere die Zwischenkreisspannung UZK puffert) und optional eine dem Kondensator C parallel geschaltete Spannungsmesseinrichtung 72 auf.
-
In 11 ist noch einmal in einer anderen Darstellungsform ein Schaltbild eines Moduls 80 in Halbbrückentechnik dargestellt (Halbbrücken-Modul 80).
-
Das Modul 80 weist eine erste (abschaltbare) elektronische Schalteinheit S1, eine zweite (abschaltbare) elektronische Schalteinheit S2 sowie einen elektrischen Energiespeicher in Form eines Kondensators C auf. Die erste elektronische Schalteinheit S1 ist elektrisch in Reihe geschaltet mit der zweiten elektronischen Schalteinheit S2. Am Verbindungspunkt zwischen den beiden elektronischen Schalteinheiten S1 und S2 ist ein erster galvanischer Modulanschluss 63 angeordnet. An dem Anschluss der zweiten elektronischen Schalteinheit S2, welcher dem Verbindungspunkt gegenüberliegt, ist ein zweiter galvanischer Modulanschluss 64 angeordnet. Der zweite Modulanschluss 64 ist weiterhin mit einem ersten Anschluss des Energiespeichers C elektrisch verbunden; ein zweiter Anschluss des Energiespeichers C ist elektrisch verbunden mit dem Anschluss der ersten elektronischen Schalteinheit S1, die dem Verbindungspunkt gegenüberliegt.
-
Der Energiespeicher C ist also elektrisch parallel geschaltet zu der Reihenschaltung aus der ersten elektronischen Schalteinheit S1 und der zweiten elektronischen Schalteinheit S2. Durch entsprechende Ansteuerung der ersten elektronischen Schalteinheit S1 und der zweiten elektronischen Schalteinheit S2 (zum Beispiel durch eine modulinterne Ansteuereinheit) kann erreicht werden, dass zwischen dem ersten Modulanschluss 63 und dem zweiten Modulanschluss 64 entweder die Spannung des Energiespeichers C ausgegeben wird oder keine Spannung ausgegeben wird (d.h. eine Nullspannung ausgegeben wird). Durch Zusammenwirken der Module der einzelnen Stromrichterzweige kann so eine jeweils gewünschte Spannung an den Stromrichterzweigen erzeugt werden.
-
In 12 ist noch einmal in einer anderen Darstellung ein Schaltbild eines Moduls 90 in Vollbrückentechnik dargestellt (Vollbrücken-Modul 90).
-
Neben den bereits aus 11 bekannten ersten elektronischen Schalteinheit S1, zweiten elektronischen Schalteinheit S2 und Energiespeicher C weist das in 12 dargestellte Modul 90 eine dritte elektronische Schalteinheit S3 sowie eine vierte elektronische Schalteinheit S4 auf. Im Unterschied zur Schaltung der 11 ist der zweite Modulanschluss 64' nicht mit der zweiten elektronischen Schalteinheit S2 elektrisch verbunden, sondern mit einem Mittelpunkt einer elektrischen Reihenschaltung aus der dritten elektronischen Schalteinheit S3 und der vierten elektronischen Schalteinheit S4.
-
Dieses Vollbrücken-Modul 90 zeichnet sich dadurch aus, dass bei entsprechender Ansteuerung der vier elektronischen Schalteinheiten zwischen dem ersten (galvanischen) Modulanschluss 63 und dem zweiten (galvanischen) Modulanschluss 64' wahlweise entweder die positive Spannung des Energiespeichers C, die negative Spannung des Energiespeichers C oder eine Spannung des Wertes Null (Nullspannung) ausgegeben werden kann. Somit kann also mittels des Vollbrückenmoduls 90 die Polarität der Ausgangsspannung umgekehrt werden. Die Stromrichterzweige des Multilevelstromrichters können entweder nur Halbbrücken-Module 80, nur Vollbrücken-Module 90 oder auch Halbbrücken-Module 80 und Vollbrücken-Module 90 aufweisen.
-
In 13 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Schalteinheit S1 dargestellt. Die anderen Schalteinheiten S2 bis S4 können gleichartig aufgebaut sein.
-
Die Schalteinheit S1 weist ein erstes Schaltelement 103 und ein zweites Schaltelement 106 auf. Das erste Schaltelement 103 und das zweite Schaltelement 106 sind elektrisch parallelgeschaltet. Jedes der Schaltelemente 103,106 weist ein Halbleiter-Schaltelement SA bzw. SB auf, das mit einer antiparallel geschalteten Diode DA bzw. DB versehen ist. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den Halbleiter-Schaltelementen SA und SB um IGBTs (insulated-gate bipolar transistor). In einem anderen Ausführungsbeispiel können jedoch auch andere Halbleiter-Schaltelemente verwendet werden, beispielsweise IGCTs (integrated gate-commutated thyristor), IEGTs (injection enhanced insulated gate transistor) oder MOSFETs (metal-oxide-semiconductor fieldeffect transistor).
-
Die durch die elektrische Parallelschaltung verbundenen Anschlüsse der Schaltelemente 103 und 106 sind jeweils als ein erster Schalteinheitenanschluss C bzw. als ein zweiter Schalteinheitenanschluss E aus der Schalteinheit S1 herausgeführt. Das erste Schaltelement 103 weist einen ersten Ansteuereingang 115 auf; das zweite Schaltelement 106 weist einen zweiten Ansteuereingang 118 auf. Der erste Ansteuereingang 115 und der zweite Ansteuereingang 118 sind elektrisch voneinander getrennte Ansteuereingänge. Der erste Ansteuereingang 115 und der zweite Ansteuereingang 118 sind aus der ersten Schalteinheit S1 herausgeführt. Der erste Ansteuereingang 115 und der zweite Ansteuereingang 118 können insbesondere jeweils elektrisch verbunden sein mit elektrisch voneinander getrennten Ausgängen 120, 121 einer Ansteuereinheit 122. Die Ansteuereinheit 122 kann insbesondere eine modulinterne Ansteuereinheit 122 sein.
-
In 14 ist ein zweites Ausführungsbeispiel S1' einer Schalteinheit dargestellt. Diese Schalteinheit S1' unterscheidet sich von der in 13 dargestellten Schalteinheit S1 dadurch, dass die Parallelschaltung neben dem ersten Schaltelement 103 und dem zweiten Schaltelement 106 noch ein drittes Schaltelement 125 aufweist. Das dritte Schaltelement 125 weist ein drittes Halbleiter-Schaltelement SC mit einer dritten antiparallel geschalteten Diode DC auf. Das dritte Schaltelement 125 weist einen dritten Ansteuereingang 128 auf. Im Allgemeinen kann die Schalteinheit auch noch mehr parallelgeschaltete Schaltelemente aufweisen, beispielsweise 4 oder mehr Schaltelemente.
-
In 15 ist ein beispielhafter zeitlicher Verfahrensablauf zum Ansteuern des ersten Schaltelements 103 und des zweiten Schaltelements 106 der Schalteinheit S1 dargestellt. Im oberen Teil der diagrammartigen Darstellung ist der zeitliche Verlauf eines durch die Schalteinheit S1 fließenden elektrischen Stroms I dargestellt. Bei dem Strom I handelt es sich im Ausführungsbeispiel um den Effektivwert des durch die Schalteinheit S1 fließenden Stroms (RMS-Strom). Es kann der Soll-Strom oder der Ist-Strom verwendet werden. Darunter ist ein Ansteuersignal (Ansteuerbefehl) für die Schalteinheit S1 dargestellt. Darunter sind ein Ansteuersignal (Ansteuerbefehl) für das erste Schaltelement 103 und ein Ansteuersignal für das zweite Schaltelement 106 dargestellt.
-
Der Strom I ist für Zeitpunkte t<=t1 größer als ein erster Schwellenwert I0 (I>=10). Dann entsprechen das Ansteuersignal für das erste Schaltelement 103 und das Ansteuersignal für das zweite Schaltelement 106 im Wesentlichen dem Ansteuersignal für die Schalteinheit S1. Das Ansteuersignal für die Schalteinheit S1, das Ansteuersignal für das erste Schaltelement 103 und das Ansteuersignal für das zweite Schaltelement 106 haben also einen gleichartigen Verlauf. Das erste Schaltelement 103 und das zweite Schaltelement 106 werden so angesteuert, dass das erste Schaltelement 103 und das zweite Schaltelement 106 gleichzeitig einschalten und ausschalten (synchrones Einschalten und Ausschalten der parallelgeschalteten Schaltelemente 103 und 106).
-
Wenn der Strom I für Zeitpunkte t>t1 den ersten Schwellenwert I0 unterschreitet, dann ändert sich die Ansteuerung des ersten Schaltelements 103 und des zweiten Schaltelements 106. Wenn dann das Ansteuersignal für die Schalteinheit S1 von Null auf Eins geht (d. h., wenn der Schaltbefehl für das Einschalten der Schalteinheit S1 gegeben wird), dann wird entweder nur das erste Schaltelement 103 eingeschaltet oder nur das zweite Schaltelement 106 eingeschaltet. Weiterhin ist zu erkennen, dass das erste Schaltelement 103 und das zweite Schaltelement 106 abwechselnd eingeschaltet werden. Dadurch wird die beim Einschalten entstehende Verlustleistung (Einschaltverluste) gleichmäßig auf beide Schaltelemente 103 und 106 aufteilt, so dass sich beide Schaltelemente 103 und 106 gleichmäßig erwärmen. Bei dem Strom I<10 (also einem relativ geringen Strom) liegt ein Teillastbereich für die Schalteinheit S1 und/oder für den Stromrichter vor. Bei solchen geringen Strömen werden nicht sämtliche verfügbaren Schaltelemente 103, 106 der Parallelschaltung gleichzeitig eingeschaltet, sondern es wird im Allgemeinen jeweils nur eine Anzahl bzw. Auswahl aus den vorhandenen parallelgeschalteten Schaltelementen 103, 106 eingeschaltet. Im Ausführungsbeispiel besteht diese Auswahl jeweils nur aus einem Schaltelement. Bei dem jeweils nicht eingeschalteten Schaltelement treten naturgemäß auch keine Schaltverluste auf, so dass die insgesamt in der Schalteinheit S1 auftretende Verlustleistung reduziert wird. Der Schwellenwert I0 ist so gewählt, dass für einen Strom I<10 jeweils ein Schaltelement zum Schalten des Stroms ausreicht. Es werden also nur so viele Schaltelemente gleichzeitig eingeschaltet, wie zum Schalten des aktuell auftretenden Stroms I notwendig sind.
-
Mit anderen Worten gesagt, sind in 15 für Zeitpunkte t>t1 beispielhaft die Ansteuer-Verläufe für ein abwechselndes Schalten des ersten Schaltelements 103 und des zweiten Schaltelements 106 dargestellt. Das erste Schaltelement 103 und das zweite Schaltelement 106 werden abwechselnd angesteuert, wenn der vom Stromrichter bzw. von der Schalteinheit bereitzustellende Strom I den ersten Schwellenwert I0 unterschreitet. Dann kann eine Verlustreduktion durch das Einschalten von nur einem Schaltelement anstelle von beiden Schaltelementen erreicht werden.
-
Bei drei parallel geschalteten elektronischen Schaltelementen (wie sie beispielsweise in 14 dargestellt sind) würde das Ausführungsbeispiel der 15 erweitert werden auf zwei verschiedene Schwellenwerte für den Strom:
- Für Ströme I größer als der erste Schwellenwert I0 (I>=10) werden (wie in 15 dargestellt) alle drei parallelgeschalteten Schaltelemente gleichzeitig eingeschaltet und gleichzeitig ausgeschaltet.
-
Für Ströme I kleiner als der erste Schwellenwert I0 aber größer oder gleich einem zweiten Schwellenwert I1 (I1<=I<I0) werden jeweils nur zwei der drei parallelgeschalteten Schaltelemente gleichzeitig eingeschaltet. Dann bleibt wechselweise jeweils eines der drei parallelgeschalteten Schaltelemente ausgeschaltet. Die Verluste treten dann nur in den beiden jeweils eingeschalteten Schaltelementen auf; bei dem dritten ausgeschalteten Schaltelement treten keine Verluste auf. Der zweite Schwellenwert I1 ist (betragsmäßig) kleiner ist als der erste Schwellenwert 10.
-
Wenn der Strom den zweiten Schwellenwert I1 unterschreitet (I<I1), dann wird jeweils nur eines der drei parallelgeschalteten Schaltelemente eingeschaltet. Dieses eine Schaltelement reicht aus, um diesen (relativ kleinen) Strom zu schalten. Vorzugsweise wird dann reihum jeweils eines der drei parallelgeschalteten Schaltelemente eingeschaltet, analog zu dem rechten Teil der Darstellung der 15. Dann verteilt sich die Verlustleistung gleichmäßig auf die drei parallelgeschalteten Schaltelemente.
-
In 16 ist ein weiterer beispielhafter zeitlicher Verlauf des Ansteuerns des ersten Schaltelements 103 und des zweiten Schaltelements 106 der Schalteinheit S1 dargestellt. Der linke Teil des Diagramms (für Zeiten t<=t1) entspricht im Wesentlichen dem in 15 links dargestellten Diagrammteil.
-
Wenn der durch die Schalteinheit S1 fließende elektrische Strom I für Zeitpunkte t>t1 den ersten Schwellenwert I1 unterschreitet, dann ändert sich die Ansteuerung des ersten Schaltelements 103 und des zweiten Schaltelements 106. Es werden zwar auch für Zeiten t>t1 sowohl das erste Schaltelement 103 als auch das zweite Schaltelement 106 so angesteuert, dass durch beide Schaltelemente 103 und 106 zur gleichen Zeit ein elektrischer Strom fließt. Allerdings ist zu erkennen, dass zuerst das erste Schaltelement 103 eingeschaltet wird. Danach wird mit einer zeitlichen Verzögerung (Δt) das zweite Schaltelement 106 eingeschaltet. Die beiden Schaltelemente 103 und 106 werden also zueinander zeitversetzt eingeschaltet. Die zeitliche Verzögerung Δt (Zeitversatz Δt, Zeitverzug Δt) kann beispielsweise zwischen 5 µs und 40 µs betragen. Dadurch treten die Einschaltverluste nur beim ersten Schaltelement 103 auf. Wenn das zweite Schaltelement 106 zeitverzögert eingeschaltet wird, dann ist der Einschaltvorgang des ersten Schaltelements 103 bereits im Wesentlichen abgeschlossen. Dadurch überbrückt das erste Schaltelement 103 bereits elektrisch das zweite Schaltelement 106. Daher tritt an dem zweiten Schaltelement 106 im Wesentlichen keine Spannung auf, so dass auch keine Einschaltverluste in diesem zweiten Schaltelement 106 auftreten. Das erste Schaltelement 103 und das zweite Schaltelement 106 werden insbesondere gleichzeitig ausgeschaltet, so dass in beiden Schaltelementen 103 und 106 Ausschaltverluste auftreten.
-
Zeitlich danach ist in 16 ein weiterer Ansteuervorgang dargestellt, bei dem zuerst das zweite Schaltelement 106 und danach zeitverzögert das erste Schaltelement 103 eingeschaltet wird. Auch in diesem Fall werden das erste Schaltelement 103 und das zweite Schaltelement 106 gleichzeitig wieder ausgeschaltet.
-
Durch das abwechselnd zeitverzögerte Einschalten eines der beiden Schaltelemente 103, 106 werden die auftretenden Einschaltverluste gleichmäßig auf beide Schaltelemente 103, 106 verteilt.
-
In 16 sind also beispielhaft die Verläufe für ein abwechselndes verzögertes Einschalten der Schaltelemente 103 und 106 dargestellt. Dieses verzögerte Einschalten wird durchgeführt, wenn der vom Stromrichter bereitzustellende Strom I den ersten Schwellenwert I1 unterschreitet. Durch die zeitversetzt zugeschalteten Schaltelemente wird eine Verlustleistungsreduktion in der Schalteinheit erreicht.
-
Das Ausführungsbeispiel der 16 kann natürlich auch auf drei parallel geschaltete elektronische Schaltelemente (wie sie beispielsweise in 14 dargestellt sind) erweitert werden. Dann wird immer eines dieser drei parallel geschalteten elektronischen Schaltelemente zuerst eingeschaltet und die jeweils anderen beiden elektronischen Schaltelemente werden verzögert eingeschaltet.
-
Es wurde ein Verfahren und ein Modul eines modularen Multilevelstromrichters beschrieben, mit denen die beim Betrieb auftretenden elektrischen Verluste begrenzt werden können.
-
Dabei ist vorteilhaft, dass bei einem großen fließenden Strom mehrere der parallel geschalteten elektronischen Schaltelemente gleichzeitig eingeschaltet betrieben werden können, wodurch die Durchlassverluste gesenkt werden können. Bei einem kleinen fließenden Strom können vorteilhafterweise nur wenige oder nur eines der parallel geschalteten elektronischen Schaltelemente gleichzeitig eingeschaltet betrieben werden, wodurch die Schaltverluste gesenkt werden können. Optional können bei den gleichzeitig eingeschalteten elektronischen Schaltelementen die Einschaltzeitpunkte gegeneinander verzögert werden, wodurch die Einschaltverluste gesenkt werden können.
-
Da die Durchlassverluste von elektronischen Schaltelementen quadratisch vom Strom abhängen, ist es vorteilhaft, eine Parallelschaltung von elektronischen Schaltelementen einzusetzen. Die parallelgeschalteten Schaltelemente werden abhängig vom Stromrichterstrom einzeln geschaltet (und nicht immer alle gleichzeitig).
-
Die parallelgeschalteten elektronischen Schaltelemente (die insbesondere als Leistungshalbleiter ausgestaltet sein können) der Schalteinheiten werden einzeln angesteuert. Bei kleinen Stromrichterströmen wird nur eines der Schaltelemente geschaltet, so dass die Schalt- und Durchlassverluste der anderen parallelgeschalteten Schaltelemente eingespart werden. Dafür steigen die Durchlassverluste des einen eingeschalteten Schaltelements an. Durch eine Lastverteilung wird dafür gesorgt, dass sich die Schaltelemente gleichmäßig erwärmen. Dadurch werden die Verluste geringgehalten.
-
In einer besonderen Ausführungsform wird bei kleinen Stromrichterströmen der oder die anderen parallelgeschalteten Schaltelemente kurz (ca. 5 bis 40 µs) nach dem ersten Schaltelement zugeschaltet, so dass das erste Schaltelement die Einschaltverluste tragen muss, aber sich die Durchlassverluste auf die parallelgeschalteten Schaltelemente gleichmäßig verteilen. Alle parallelgeschalteten Schaltelemente erzeugen dann die Abschaltverluste.
-
In einer weiteren besonderen Ausführungsform wird bei mehr als zwei parallelgeschalteten Schaltelementen abhängig von dem auftretenden Strom die Zahl der einzuschaltenden Schaltelemente gewählt.
-
Damit können Module eines modularen Multilevelstromrichters realisiert werden, die eine hohe Stromtragfähigkeit und niedrige Betriebsverluste aufweisen.
-
Mit dem beschriebenen Verfahren und Modul kann die Verlustleistung insbesondere im Teillastbereich (also bei relativ kleinen Strömen) verringert werden. Das ist besonders vorteilhaft, weil an elektrische Energieübertragungsnetze angeschlossene modulare Multilevelstromrichter oftmals nicht mit ihrer vollen Bauleistung arbeiten, sondern im Teillastbereich. Die Betriebsverluste von Multilevelstromrichtern, die an elektrische Netze angeschlossen sind und eine Parallelschaltung von elektronischen Schaltelementen aufweisen, können also insbesondere im Teillastbereich gesenkt werden. Dadurch kann der modulare Multilevelstromrichter wesentlich kostengünstiger betrieben werden.
-
Insbesondere können folgende Vorteile auftreten:
- - Verringerung der Schaltverluste, wenn der Stromrichter mit wenig Strom betrieben wird (z.B. weniger als 50% des Nennstroms)
- - Einsatz von kostengünstigen Leistungshalbleitern mit relativ niedriger Stromtragfähigkeit als Schaltelemente.
