DE102022109241B3

DE102022109241B3 - Multilevelkonverter mit Drei-Schalter-Submodulen mit symmetrischer Halbbrückenschaltung und paralleler Konnektivität

Info

Publication number: DE102022109241B3
Application number: DE102022109241.0A
Authority: DE
Inventors: Stefan Götz; Jingyang Fang
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2022-04-14
Filing date: 2022-04-14
Publication date: 2022-11-17
Anticipated expiration: 2042-04-15

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Multilevelkonverter (520), welcher eine Vielzahl neuartiger Drei-Schalter-Submodule (320) und eine Steuerung aufweist. Ein erfindungsgemäßes Drei-Schalter-Submodul umfasst zwei aktive Schaltelemente, zwei Energiespeicher, die in einer symmetrischen Halbbrückenschaltung verschaltet sind, sowie ein steuerbares bidirektionales Schaltelement, das mit einem Verbindungspunkt der anderen beiden Schaltelemente verbunden ist, und erlaubt eine serielle und parallele Verschaltung bei einer gegenüber dem Stand der Technik vereinfachten Struktur. Die erfindungsgemäße Steuerung setzt einen Parallelbetrieb mit einer besonders einfachen Logik um. Mittels paralleler Verschaltung führt der erfindungsgemäße Multilevelkonverter einen Ausgleich aller Kondensatorspannungen der Drei-Schalter-Submodule herbei, ohne dabei Messsensoren zu benötigen. Dies bedeutet, dass die Steuerung fast ohne Spannungssensoren auskommt und daher sehr simpel gestaltet werden kann. Zwei Ausführungsformen unter Verwendung der Drei-Schalter-Submodule werden erörtert. Schließlich wird der Multilevelkonverter durch Simulationsergebnisse verifiziert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Multilevelkonverter mit einer Vielzahl von Drei-Schalter-Submodulen mit symmetrischer Halbbrückenschaltung.
Elektrische Wechselstrommaschinen, wie sie bspw. in Elektroautos zur Traktion eingesetzt werden, benötigen gemeinhin einen Leistungswandler, welcher eine von einer Batterie bereitgestellte Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandelt, oder auch umgekehrt, bspw. bei einer Rekuperation während einem Bremsvorgang. Gleichfalls sind verteilte Energiequellen, wie bspw. Photovoltaik oder Windenergie, über Leistungswandler mit einem Stromnetz verbunden. Ausschließlich für eine Blindleistung oder zur Spannungskompensation eingesetzt, dienen Leistungswandler als statische Kompensatoren, sogenannte STATCOMs. Gewöhnlicherweise greifen Wandler in solchen Anwendungen auf sogenannte Brückenschaltungen zurück, welche abwechselnd ihre Ausgangsanschlüsse an einen positiven und einen negativen Pol der Gleichspannungsquelle schalten. Zu jedem Schaltzustand wählen die Wandler eine jeweilige Zustandsdauer, so dass im zeitlichen Mittel ein gewünschter Wechselspannungsverlauf entsteht. Jedoch ist eine auf diese Art und Weise erzeugte Wechselspannung nur von schlechter Qualität und zeigt beträchtliche Verzerrungen. Zusätzlich treten bei derart durchgeführten Schaltvorgängen hohe Energieverluste auf. Weitere Nachteile zeigen sich zur elektromagnetischen Verträglichkeit, da, bedingt durch in hoher Frequenz beim Schaltvorgang jeweilig gebildete Schaltflanken, große Energiemengen elektromagnetisch emittiert werden. Darüber hinaus müssen die verwendeten Schaltungselemente auf eine jeweilige maximal auftretende Spannung hin ausgelegt sein, was sie aufwendig und teuer macht.
All diesen voranstehend angesprochenen Problemen kann mit einer Verwendung von Multilevelkonvertern begegnet werden. Multilevelkonverter können ihre Ausgangsspannung für eine jeweilige Last, bspw. einen Wechselstrommotor, in kleinen Stufen erzeugen, wodurch harmonische Oberschwingungen und elektromagnetisches Rauschen gering gehalten werden. Durch eine für eine jeweilig zu erzeugende Ausgangsspannung geeignete Auswahl der Schalter des Multilevelkonverters können die Schaltverluste minimiert werden. Da es möglich ist, mehrere Schalter in Reihe zu schalten, kann durch mehrfache Zuschaltung jeweiliger Niederspannungswerte im Ergebnis eine hohe Spannung erzeugt werden.
Aus einem ganzen Strauß von verschiedenen Multilevelkonverter-Typen ragen insbesondere ein Mehrpunkt-Wechselrichter, im Englischen neutral-pointclamped inverter oder auch diode-clamped-inverter genannt, ein flying-capacitor-Wechselrichter, und ein kaskadierte-Brücken-Wechselrichter, im Englischen cascaded-bridge converter genannt, heraus. Zusätzlich sind modulare Multilevelkonverter, im Englischen modular multilevel converter genannt und vom Fachmann mit MMC oder M2C abgekürzt, zu nennen, die bspw. aus herkömmlichen Zwei-Punkt Wechselrichtern durch Austausch der aktiven Schaltelemente mit kaskadierte-Brücken-Wechselrichtern erhalten werden können und damit deren Vorteile übernehmen.
Die Druckschrift WO 2012/024984 A1 offenbart einen MMC mit einer Vielzahl von in einer kaskadierten Brückenschaltung verschalteten Halbbrücken-Submodulen, wobei jedes Halbbrücken-Submodul zwei Halbleiterschaltelemente und ein erstes Energiespeicherelement umfasst, die in einer asymmetrischen Halbbrückenschaltung verschaltet sind. Weiter wird von jedem Halbbrücken-Submodul ein zweites Energiespeicherelement umfasst, das über ein drittes Halbleiterschaltelement parallel zu der asymmetrischen Halbbrückenschaltung schaltbar ist.
In der US-amerikanischen Druckschrift US 2019/0267898 A1 wird ein modularer DC-DC-Wandler mit einer Vielzahl von in einer kaskadierten Brückenschaltung verschalteten Halbbrücken-Submodulen beschrieben. Jedes Halbbrücken-Submodul umfasst zwei Halbleiterschaltelemente und ein Energiespeicherelement, die in einer asymmetrischen Halbbrückenschaltung verschaltet sind.
Die Druckschrift US 2021/0057911 A1 erörtert einen MMC mit einer Vielzahl von in einer kaskadierten Brückenschaltung verschalteten Halbbrücken-Submodulen. Jedes Halbbrücken-Submodul umfasst eine Vielzahl von Halbleiterschaltelementen und ein Energiespeicherelement.
Die Druckschrift „M. VIJEH et al.: „A General Review of Multilevel Inverters Based on Main Submodules: Structural Point of View,” IEEE Transactions on Power Electronics, 2019, Vol. 34, Issue: 10, Journal Article, Publisher: IEEE” beschreibt fünf Submodule zur Verwendung als jeweiliges Basismodul in einem Multilevel-Inverter. Bisherige Topologien von Multilevel-Invertern werden auf die fünf Submodule zurückgeführt sowie darauf basierende zukünftige Entwicklungsmöglichkeiten aufgezeigt.
In der Druckschrift „J. FANG; F. BLAABJERG; S LIU; S.M. Goetz: „A Review of Multilevel Converters With Parallel Connectivity,“ IEEE Transactions on Power Electronics 2021, Vol. 36, Issue: 11, Journal Article, Publisher: IEEE” werden Multilevelkonverter mit paralleler Konnektivität besprochen. Bei Redundanz von Schaltzuständen können einzelne Schalter eines Submoduls eingespart werden.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Multilevelkonverter mit Submodulen zur Verfügung zu stellen, wobei ein jeweiliges Submodul seriell und parallel verschaltbar sein soll und bei möglichst einfacher Struktur einen Ladungsaustausch zwischen Energiespeichern einzelner Submodule ermöglichen soll.
Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Multilevelkonverter vorgeschlagen, wobei der Multilevelkonverter eine Steuerung und eine Mehrzahl an Drei-Schalter-Submodulen mit symmetrischer Halbbrückenschaltung umfasst, wobei das jeweilige Drei-Schalter-Submodul mindestens zwei aktive Schaltelemente, mindestens zwei Energiespeicherelemente und mindestens ein bidirektionales Schaltelement aufweist. Die mindestens zwei aktiven Schaltelemente und die mindestens zwei Energiespeicherelemente sind in einer jeweiligen symmetrischen Halbbrückenschaltung verschaltet. Das mindestens eine bidirektionale Schaltelement ist mit einem Verbindungspunkt der jeweiligen aktiven Schaltelemente in der jeweiligen symmetrischen Halbbrückenschaltung verbunden.
Das erfindungsgemäße Drei-Schalter-Submodul weist eine Mehrzahl an Modulzuständen auf, welche durch ein Zusammenwirken jeweiliger Schaltzustände der Schaltelemente des Drei-Schalter-Submoduls gebildet werden. Unter allen möglichen Modulzuständen ist zumindest ein paralleler Modulzustand umfasst, welcher eine parallele Verschaltungsmöglichkeit der mindestens zwei Energiespeicher mit Energiespeichern benachbarter Submodule aufweist. Weiter ist ein serieller Modulzustand umfasst, welcher eine serielle Verschaltungsmöglichkeit der mindestens zwei Energiespeicher mit Energiespeichern benachbarter Submodule aufweist.
Der parallele Modulzustand ermöglicht vorteilhaft einen Ladungsaustausch zwischen den mindestens zwei Energiespeichern eines Drei-Schalter-Submoduls und den beiden Energiespeichern eines mit dem Drei-Schalter-Submodul parallel verschalteten benachbarten Drei-Schalter-Submoduls. Auch ist damit ein Ladevorgang der Energiespeicher ermöglicht. Dies geschieht vorteilhaft ohne zusätzliche Anordnung von Sensoren, wie bspw. Spannungssensoren.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters, umfasst der Multilevelkonverter mindestens einen Strang mit mindestens zwei seriell verbundenen jeweiligen Drei-Schalter-Submodulen, wobei mindestens zwei Anschlüsse gebildet sind,
Der erfindungsgemäße Multilevelkonverters kann entweder mit einzelner Phase (siehe 4a, 4b und 4c), mit drei Phasen (siehe 4d), oder in einer sog. Matryoshka-Anordnung (siehe 4e und 4f) ausgestaltet sein. Weitere Topologien sind denkbar.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters umfasst ein erstes Drei-Schalter-Submodul zwei Energiespeicherelemente, drei aktive Schaltelemente, eine Diodenbrücke mit vier Dioden, und vier Anschlüsse. Ein erstes aktives Schaltelement und ein zweites aktives Schaltelement sind über einen ersten Verbindungspunkt seriell verschaltet und bilden eine Halbbrücke. Der erste Verbindungspunkt ist einerseits mit einem ersten Anschluss und andererseits mit einem Mittenpunkt eines ersten Armes der Diodenbrücke verbunden. Ein Mittenpunkt eines zweiten Armes der Diodenbrücke ist mit einem zweiten Anschluss verbunden. Die zwei Energiespeicherelemente sind über einen zweiten Verbindungspunkt seriell verschaltet. Der zweite Verbindungspunkt ist mit einem dritten Anschluss und mit einem vierten Anschluss verbunden.
In einer fortgesetzt weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters sind im ersten Drei-Schalter-Submodul die Halbbrücke und eine serielle Verschaltung der beiden Energiespeicherelemente über eine positive Schiene und eine negative Schiene parallel miteinander verschaltet.
In einer fortgesetzt noch weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters ist im ersten Drei-Schalter-Submodul ein drittes aktives Schaltelement mit einer Anode und einer Kathode der Diodenbrücke mit vier Dioden verschaltet. Dadurch ist ein bidirektionaler Schalter gebildet.
In einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters umfasst ein zweites Drei-Schalter-Submodul zwei Energiespeicherelemente, vier aktive Schaltelemente, und vier Anschlüsse. Ein erstes aktives Schaltelement und ein zweites aktives Schaltelement sind über einen ersten Verbindungspunkt seriell verschaltet und bilden eine Halbbrücke. Der erste Verbindungspunkt ist einerseits mit einem ersten Anschluss und andererseits mit einer ersten Seite eines dritten aktiven Schaltelementes und eines vierten aktiven Schaltelementes, welche beide entgegengesetzt in Reihe geschaltet sind, verbunden. Deren zweite Seite ist mit einem Ausgang verbunden. Die zwei Energiespeicherelemente sind über einen zweiten Verbindungspunkt seriell verschaltet. Der zweite Verbindungspunkt ist mit einem dritten Anschluss und einem vierten Anschluss verbunden.
In einer fortgesetzt anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters sind im zweiten Drei-Schalter-Submodul die Halbbrücke und eine serielle Verschaltung der beiden Energiespeicherelemente über eine positive Schiene und eine negative Schiene parallel miteinander verschaltet. Die beiden entgegengesetzt in Reihe geschalteten Schaltelemente bilden ein bidirektionales Schaltelement.
In einer noch weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters sind mindestens zwei Drei-Schalter-Submodule durch paarweise verbundene Anschlüsse miteinander verschaltet. Dadurch ist ein Multilevelkonverter-System gebildet.
In einer fortgesetzten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters ist das aktive Schaltelement durch ein elektronisches Bauelement aus folgender Liste gebildet: Halbleiterschalter, Feldeffekttransistor, MOSFET, Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, Diode, Thyristor.
In einer weiter fortgesetzten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters sind die mindestens zwei Energiespeicherelemente des jeweiligen Drei-Schalter-Submoduls aus folgender Liste gewählt: Kondensatoren, Batterien, Kondensatoren und Batterien gemischt.
In einer noch weiter fortgesetzten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters ist ein erstes Energiespeicherelement der mindestens zwei Energiespeicherelemente als ein Kondensator gewählt und ein zweites Energiespeicherelement der mindestens zwei Energiespeicherelemente ist als eine Batterie gewählt.
Die voranstehend beschriebene Möglichkeit, eine Batterie mit einem Kondensator zu kombinieren, hilft vorteilhaft, eine komplette Anordnung mit kostenintensiveren Batterien zu vermeiden, und trotzdem eine Ausgangsspannung bereitzustellen, die bemerkenswert höher als eine Summe aller Batteriespannungen ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters beträgt ein Spannungswert des ersten Energiespeicherelementes der mindestens zwei Energiespeicherelemente weniger als drei Viertel des Spannungswertes des zweiten Energiespeicherelementes der mindestens zwei Energiespeicherelemente.
Der erfindungsgemäße Multilevelkonverter (engl. Modular Multilevel Converter, MMC) kann auch als modularer Multilevel-Wandler oder Multilevelwechselrichter bezeichnet werden. Er stellt insbesondere eine Variante eines konventionellen Kaskadierte-Halbbrücken-Wechselrichters, mit einer Vielzahl von in kaskadierten Brücken verschalteten symmetrischen Halbbrücken-Submodulen, dar. Denkbar ist auch, dass nur manche der konventionellen Submodule gegen erfindungsgemäße Submodule ausgetauscht sind.
Der erfindungsgemäße Multilevelkonverter ist durch eine modulare Verschaltung geprägt, d. h. seine Submodule sind miteinander über zumindest zwei Stromleitungen verbunden, wobei die Submodule erfindungsgemäß zumindest zwei Energiespeichereinheiten und mindestens drei elektronische Schaltelemente aufweisen. Durch geeignete Steuerung der Schaltelemente können die jeweiligen Energiespeichereinheiten seriell oder parallel mit jeweiligen Energiespeichereinheiten anderer, im Allgemeinen benachbarter Submodule verschaltet werden. Es ist auch möglich, die jeweiligen Energiespeichereinheiten eines Submoduls zu umgehen, was als Bypass bezeichnet wird. Je nach Ausgestaltung eines jeweiligen Submoduls können diese Verschaltungsmöglichkeiten durch das jeweilige Submodul alleine ausgeführt werden oder im Zusammenspiel mit benachbarten Submodulen.
Im Vergleich mit einem aus dem Stand der Technik bekannten symmetrischen Halbbrücken-Submodul, weist das erfindungsgemäße Drei-Schalter-Submodul zusätzlich ein bidirektionales Schaltelement auf. Über die zum jeweiligen Nachbarmodul liegenden zwei Anschlüsse des Drei-Schalter-Submoduls und den entsprechenden beiden Stromleitungen wird die jeweilige serielle oder parallele Verschaltung ausgeführt, wobei es insbesondere auf Grund der parallelen Verschaltung möglich ist, einen Ladungsaustausch zwischen den Energiespeicherelementen herbeizuführen. Damit gelingt vorteilhaft eine komplette Steuerung eines jeweiligen Submoduls, da durch die Möglichkeit zum Ladungsaustausch zwischen den Energiespeichern aller Submodule ein gleicher Spannungswert erhalten werden kann und sich dadurch die Steuerung vorteilhaft vereinfacht. Ein oberes Hauptschaltelement und ein unteres Hauptschaltelement, welche bereits in einem konventionellen symmetrischen Halbbrücken-Submodul vorhanden sind, zeigen auch im erfindungsgemäßen Drei-Schalter-Submodul das gleiche Verhalten wie im konventionellen symmetrischen Halbbrücken-Submodul. Hingegen ist das bidirektionale dritte Schaltelement in seinem Schaltverhalten abhängig von den beiden Hauptschaltelementen des sich benachbart anschließenden Submoduls (siehe hierzu die 6a, 6b, 6c und 6d). Hierbei gibt es zwei Möglichkeiten:

• Erstens, falls das obere Hauptschaltelement des benachbarten Submoduls sich einschaltet, während das untere Hauptschaltelement des Drei-Schalter-Submoduls sich einschaltet, muss sich auch das zusätzliche bidirektionale Schaltelement einschalten, um Ladungsaustausch zu ermöglichen (siehe die 6a und 6b). Daraus folgend sind das obere Energiespeicherelement eines Submodules (i+1) und das untere Energiespeicherelement eines Submodules i miteinander parallel verschaltet.
• Zweitens, falls das untere Hauptschaltelement des benachbarten Submoduls sich einschaltet, während das obere Hauptschaltelement des Drei-Schalter-Submoduls sich einschaltet, muss sich auch das zusätzliche bidirektionale Schaltelement einschalten, um Ladungsaustausch zu ermöglichen (siehe die 6c und 6d). Daraus folgend sind das untere Energiespeicherelement des Submodules (i+1) und das obere Energiespeicherelement des Submodules i miteinander parallel verschaltet.

Für einen wie in 5a dargestellten kaskadierte-Brücken-Wechselrichter mit den erfindungsgemäßen Drei-Schalter-Submodulen ist es vorteilhaft sehr einfach, Gleichspannungen auszugleichen und seine Ausgangsspannungen bzw. Ausgangsströme zu steuern.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.

1a zeigt eine Schaltung zu einem H-Brücken-Submodul.
1b zeigt eine Schaltung zu einem asymmetrischen Halbbrücken-Submodul.
1c zeigt eine Schaltung zu einem symmetrischen Halbbrücken-Submodul.
2 zeigt eine Schaltung zu einem modifizierten symmetrischen Halbbrücken-Submodul mit paralleler Konnektivität.
3a zeigt eine Schaltung zu einem ersten Drei-Schalter-Submodul mit symmetrischer Halbbrücke in einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters.
3b zeigt eine Schaltung zu einem zweiten Drei-Schalter-Submodul mit symmetrischer Halbbrücke in einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters.
4a zeigt schematisch eine Topologie zu kaskadierte-Brücken-Wechselrichtern.
4b zeigt schematisch eine Topologie zu H-Brücken-MMCs.
4c zeigt schematisch eine Topologie zu Halbbrücken-MMCs.
4d zeigt schematisch eine Topologie zu dreiphasigen MMCs.
4e zeigt schematisch eine Topologie zu Doppel-Halbbrücken-MMCs.
4f zeigt schematisch eine weitere Topologie zu Doppel-Halbbrücken-MMCs.
5a zeigt eine Verschaltung des ersten Drei-Schalter-Submoduls mit symmetrischer Halbbrücke in einer fortgesetzt weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters als kaskadierte-Brücken-Wechselrichter.
5b zeigt eine Verschaltung des zweiten Drei-Schalter-Submoduls mit symmetrischer Halbbrücke in einer fortgesetzt noch weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters als kaskadierte-Brücken-Wechselrichter.
6a zeigt einen ersten Modulzustand zu einer parallelen Verschaltung des ersten Drei-Schalter-Submoduls mit symmetrischer Halbbrücke in einer weiter fortgesetzten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters als kaskadierte-Brücken-Wechselrichter.
6b zeigt den ersten Modulzustand zu der parallelen Verschaltung des ersten Drei-Schalter-Submoduls mit symmetrischer Halbbrücke in der weiter fortgesetzten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters als kaskadierte-Brücken-Wechselrichter.
6c zeigt einen zweiten Modulzustand zu einer parallelen Verschaltung des ersten Drei-Schalter-Submoduls mit symmetrischer Halbbrücke in der weiter fortgesetzten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters als kaskadierte-Brücken-Wechselrichter.
6d zeigt den zweiten Modulzustand zu der parallelen Verschaltung des ersten Drei-Schalter-Submoduls mit symmetrischer Halbbrücke in der weiter fortgesetzten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters als kaskadierte-Brücken-Wechselrichter.
7a zeigt Signale zur Modulation in einem Drei-Schalter-Submodul mit symmetrischer Halbbrücke in einer noch weiter fortgesetzten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters.
7b zeigt Gatesignale in einem Drei-Schalter-Submodul mit symmetrischer Halbbrücke in der noch weiter fortgesetzten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters.
8 zeigt ein Steuerungsschema zu kaskadierte-Brücken-Wechselrichtern in einem STATCOM-Betrieb.
9a zeigt in graphischer Darstellung simulierte Netzwechselspannungen und Netzwechselströme in einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters als kaskadierte-Brücken-Wechselrichter im STATCOM-Modus.
9b zeigt in graphischer Darstellung simulierte Gleichspannungen in der bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters als kaskadierte-Brücken-Wechselrichter im STATCOM-Modus.

In 1a wird eine Schaltung zu einem H-Brücken-Submodul 110 gezeigt. Das H-Brücken-Submodul umfasst ein elektrisches Energiespeicherelement 115, hier und in den folgenden Figuren als Kondensator ausgestaltet, vier aktive Schaltelemente 111, 112, 113, 114, wobei jedes einzelne einen Transistor samt intrinsischer Diode aufweist, und zwei Anschlüsse 116, 117. Eine Grundfunktion des H-Brücken-Submoduls 110 wird durch geeignete Ansteuerung der aktiven Schaltelemente 111, 112, 113, 114 erreicht. Drei verschiedene Modulzustände sind darstellbar, welche jeweilig unterschiedlich das Energiespeicherelement 115 mit jeweiligen Energiespeicherelementen aus Nachbarmodulen verschalten. Ein erster Modulzustand bildet eine positive Ausgangsspannung, indem die Schaltelemente 111, 114 eingeschaltet sind (Schalter geschlossen), während die Schaltelemente 112, 113 ausgeschaltet sind (Schalter offen). Dadurch wird eine positive Spannung zwischen den Anschlüssen 116, 117 erhalten. Ein zweiter Modulzustand bildet eine negative Ausgangsspannung, indem die Schaltelemente 111, 114 ausgeschaltet sind, während die Schaltelemente 112, 113 eingeschaltet sind. Dadurch wird eine negative Spannung zwischen den Anschlüssen 116, 117 erhalten. Schließlich wird ein dritter Modulzustand erhalten, indem die Schaltelemente 111, 114 und die Schaltelemente 112, 113 gleichzeitig eingeschaltet sind, so dass sich keine Spannungsdifferenz zwischen den beiden Anschlüssen 116, 117 bilden kann. Anders ausgedrückt, wurde im dritten Modulzustand das Energiespeicherelement 115 umgangen bzw. ein Bypass geschaltet. Zusammengefasst kann das Energiespeicherelement 115 in dem H-Brücken-Submodul entweder in Reihe mit jeweiligen Energiespeicherelementen benachbarter H-Brücken-Submodule verschaltet werden oder aus der Schaltung herausgenommen werden (Bypass). Demzufolge erlaubt ein solches H-Brücken-Submodul 110 bipolare Ausgangsspannungen.
In 1b wird eine Schaltung zu einem asymmetrischen Halbbrücken-Submodul 120 gezeigt. Das asymmetrische Halbbrücken-Submodul 120 umfasst ein elektrisches Energiespeicherelement 123, zwei aktive Schaltelemente 121, 122, und zwei Anschlüsse 124, 125. Im Vergleich mit dem H-Brücken-Submodul 110 aus 1a ist das asymmetrische Halbbrücken-Submodul 120 wesentlich einfacher gestaltet. Das asymmetrische Halbbrücken-Submodul 120 kann zwei Modulzustände darstellen. Ein erster Modulzustand bildet eine positive Ausgangsspannung, indem das Schaltelement 121 eingeschaltet ist, während das Schaltelement 122 ausgeschaltet ist. Dadurch wird eine positive Spannung zwischen den Anschlüssen 124, 125 erhalten. Kein Spannungsunterschied zwischen den Anschlüssen 124, 125 wird beim zweiten Modulzustand oder auch Nullspannungszustand gebildet, indem das Schaltelement 121 ausgeschaltet ist und das Schaltelement 122 eingeschaltet ist. Zusammengefasst kann das Energiespeicherelement 123 in dem asymmetrischen Halbbrücken-Submodul 120 entweder in Reihe mit jeweiligen Energiespeicherelementen benachbarter Submodule verschaltet werden oder in der Schaltung umgangen werden (Bypass). Demzufolge erlaubt ein solches asymmetrisches Halbbrücken-Submodul 120 unipolare Ausgangsspannungen.
In 1c wird eine Schaltung 130 zu einem symmetrischen Halbbrücken-Submodul 130 gezeigt. Das symmetrische Halbbrücken-Submodul 130 umfasst zwei elektrische Energiespeicherelemente 133, 134, zwei aktive Schaltelemente 131, 132, und zwei Anschlüsse 135, 136. Das symmetrische Halbbrücken-Submodul 130 kann zwei Modulzustände darstellen. Ein erster Modulzustand bildet eine positive Ausgangsspannung, indem ein high-side-Schaltelement 131 eingeschaltet ist, während ein low-side-Schaltelement 132 ausgeschaltet ist. Dadurch wird die positive Spannung des Energiespeicherelementes 133 zwischen den Anschlüssen 135, 136 erhalten. Demgegenüber bildet ein zweiter Modulzustand eine negative Spannung mit dem Energiespeicherelement 134, indem das high-side-Schaltelement 131 ausgeschaltet ist und das low-side-Schaltelement 132 eingeschaltet ist. Demzufolge erlaubt ein solches symmetrisches Halbbrücken-Submodul 130 bipolare Ausgangsspannungen. Im Vergleich mit dem H-Brücken-Submodul 110 aus 1a spart das symmetrische Halbbrücken-Submodul 130 zwei Schaltelemente ein. Jedoch können die beiden Energiespeicherelemente 133, 134 auch nicht umgangen werden, da das symmetrische Halbbrücken-Submodul 130 keinen Nullspannungszustand aufweist.
In 2 wird eine Schaltung zu einem modifizierten symmetrischen Halbbrücken-Submodul 210 mit paralleler Konnektivität gezeigt. Das modifizierte symmetrische Halbbrücken-Submodul 210 umfasst zwei elektrische Energiespeicherelemente 215, 216, vier aktive Schaltelemente 211, 212, 213, 214, wobei jedes einzelne einen Transistor und zumindest eine Diode aufweist, und vier Anschlüsse 217, 218, 219, 2110. Im Vergleich mit dem symmetrischen Halbbrücken-Submodul 130 aus 1c, fügt das modifizierte symmetrische Halbbrücken-Submodul 210 zwei weitere Schaltelemente 213, 214 hinzu. Im Allgemeinen werden die zwei bereits im symmetrischen Halbbrücken-Submodul 130 in 1c mit Bezugszeichen 131 und 132 aufgezeigten aktiven Schaltelemente 211, 212 des modifizierten symmetrischen Halbbrücken-Submoduls 210 als Hauptschaltelemente bezeichnet, welche sich auch analog zu den dortigen Schaltelementen 131, 132 verhalten. Außerdem erlauben die zwei zusätzlichen Schaltelemente 213, 214 dem modifizierten symmetrischen Halbbrücken-Submodul 210 eine größere Flexibilität in einer Verschaltung mit anderen Submodulen, insbesondere bzgl. einer parallelen Konnektivität.
In 3a wird eine Schaltung zu einem ersten Drei-Schalter-Submodul 310 mit symmetrischer Halbbrücke in einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters gezeigt. Ähnlich zu konventionellen symmetrischen Halbbrücken-Submodulen, umfasst das erste Drei-Schalter-Submodul 310 mit symmetrischer Halbbrücke zunächst zwei elektrische Energiespeicherelemente 315, 316 und zwei aktive Schaltelemente 311, 312. Außerdem werden ein zusätzliches bidirektionales Schaltelement 3134, welches ein aktives Schaltelement 313 und vier Dioden 314 aufweist, und insgesamt vier Anschlüsse 317, 318, 319, 3110 umfasst. Im Vergleich zu dem modifizierten symmetrischen Halbbrücken-Submodul 210 aus 2, spart das erste Drei-Schalter-Submodul 310 ein aktives Schaltelement ein. Auch hier werden die zwei bereits im modifizierten symmetrischen Halbbrücken-Submodul 210 in 2 mit Bezugszeichen 211 und 212 aufgezeigten aktiven Schaltelemente 311, 312 des ersten Drei-Schalter-Submoduls 310 als Hauptschaltelemente bezeichnet, welche sich analog zu den dortigen Schaltelementen 211, 212 verhalten. Darüber hinaus erlaubt das zusätzliche bidirektionale Schaltelement 3134 dem ersten Drei-Schalter-Submodul 310 parallele Konnektivität.
3b zeigt eine Schaltung zu einem zweiten Drei-Schalter-Submodul 320 mit symmetrischer Halbbrücke in einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters. Ähnlich zu konventionellen symmetrischen Halbbrücken-Submodulen, umfasst das zweite Drei-Schalter-Submodul 320 mit symmetrischer Halbbrücke zunächst zwei elektrische Energiespeicherelemente 325, 326 und zwei aktive Schaltelemente 321, 322. Außerdem werden ein zusätzliches bidirektionales Schaltelement 3234, welches zwei aktive Schaltelemente 323, 324 aufweist, und insgesamt vier Anschlüsse 327, 328, 329, 3210 umfasst. Auch hier werden die zwei bereits im modifizierten symmetrischen Halbbrücken-Submodul 210 in 2 mit Bezugszeichen 211 und 212 aufgezeigten aktiven Schaltelemente 321, 322 des zweiten Drei-Schalter-Submoduls 320 als Hauptschaltelemente bezeichnet, welche sich analog zu den dortigen Schaltelementen 211, 212 verhalten. Darüber hinaus erlaubt das zusätzliche bidirektionale Schaltelement 3234 dem zweiten Drei-Schalter-Submodul 320 die parallele Konnektivität.
In 4a wird schematisch eine Topologie zu einem kaskadierte-Brücken-Wechselrichter 410 gezeigt, wobei ein Strang mit seriell verbundenen Submodulen 401 aus einem in den vorangegangen 1 bis 3 beschriebenen Typus gebildet ist. Dabei werden zwei Anschlüsse 411, 412 bereitgestellt.
In 4b wird schematisch eine Topologie zu einem H-Brücken-MMC 420 gezeigt, wobei vier Stränge mit seriell verbundenen Submodulen 401 aus einem in den vorangegangen 1 bis 3 beschriebenen Typus gebildet sind. Dabei werden vier Anschlüsse 421, 422, 423, 424 bereitgestellt.
In 4c wird schematisch eine Topologie zu einem Halbbrücken-MMC 430 gezeigt, wobei zwei Stränge mit seriell verbundenen Submodulen 401 aus einem in den vorangegangen 1 bis 3 beschriebenen Typus gebildet sind. Die beiden Stränge werden mit jeweils einem ersten Ende miteinander verbunden und mit ihrem jeweils zweiten Ende zu zwei seriell verbundenen Kondensatoren 435, 436 parallel geschaltet Dabei werden zwei Gleichspannungs-Anschlüsse 431, 433 und zwei Wechselspannungs-Anschlüsse 432, 434 bereitgestellt.
In 4d wird schematisch eine Topologie zu einem dreiphasigen MMC 440 gezeigt, wobei sechs Stränge mit seriell verbundenen Submodulen 401 aus einem in den vorangegangen 1 bis 3 beschriebenen Typus gebildet sind. Jeweilig zwei Stränge werden mit jeweils einem ersten Ende miteinander verbunden und formen dort jeweils eine Phase eines Wechselspannungsanschlusses 443, 444, 445. Die dabei entstandenen drei Doppelstränge werden parallel miteinander verschaltet, woraus sich zwei Gleichspannungsanschlüsse 441, 442 ergeben.
In 4e wird schematisch eine Topologie zu einem Doppel-Halbbrücken-MMC 450 gezeigt, wobei vier Stränge mit seriell verbundenen Submodulen 401 aus einem in den vorangegangen 1 bis 3 beschriebenen Typus gebildet sind. Jeweilig zwei Stränge werden mit jeweils einem ersten Ende miteinander verbunden und formen dort zwei Wechselspannungsdoppelanschlüsse 451, 452, 453, 454. Die dabei entstandenen zwei Doppelstränge und zwei seriell verbundene Kondensatoren 455, 456 werden parallel miteinander verschaltet. Daraus ergibt sich am jeweiligen Zusammenschluss ein jeweiliger Gleichspannungsanschluss 457, 458.
In 4f wird schematisch eine weitere Topologie zu einem Doppel-Halbbrücken-MMC 460 gezeigt, wobei zwei Stränge mit seriell verbundenen Submodulen 401 aus einem in den vorangegangen 1 bis 3 beschriebenen Typus gebildet sind. Die beiden Stränge werden mit jeweils einem ersten Ende miteinander verbunden und formen einen ersten Wechselspannungsdoppelanschluss 462, 463. Der dabei entstandene Doppelstrang wird mit zwei Halbbrücken, jede mit zwei aktiven Schaltelementen 465, 466, 467, 468, gebildet und, am Mittenabgriff einen Wechselspannungsdoppelanschluss 461, 464 bereitstellend, parallel verschaltet. Daraus ergibt sich am jeweiligen Zusammenschluss ein jeweiliger Gleichspannungsanschluss 469, 4610.
In 5a wird eine Verschaltung des ersten Drei-Schalter-Submoduls 310 mit symmetrischer Halbbrücke in einer fortgesetzt weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters als ein erster kaskadierte-Brücken-Wechselrichter 510, in welchem ein Netz-/Ladestrom i_AC 511 fließt, gezeigt. Wie dargestellt, enthält der kaskadierte-Brücken-Wechselrichter 510 zumindest zwei Drei-Schalter-Submodule 310, wobei eine Anzahl zwar nicht nach oben beschränkt ist, sich jedoch gemeinhin aus Anforderungen an eine jeweilige Schaltung ergibt. Bei einem kaskadierte-Brücken-Wechselrichter sind alle Submodule über ihre elektrischen Anschlüsse seriell verbunden. Eine von dem ersten kaskadierte-Brücken-Wechselrichter 510 ausgegebene Gesamtwechselspannung umfasst alle von den einzelnen Drei-Schalter-Submodulen 310 an ihren Anschlüssen bereitgestellten Spannungen ihrer jeweiligen Energiespeicher. Im Normalfall werden diese Spannungen als identisch angesehen. Jedoch stellt ein Ungleichgewicht zwischen jeweiligen Kondensatorspannungen eines oberen und eines unteren Kondensators einer Halbbrücke ein ernsthaftes Problem in Submodulen mit symmetrischen Halbbrücken dar. Hervorgerufen wird dieses Problem durch Unterschiede zwischen den Kondensatoren, Offsets bei Spannungssensoren und/oder fehlerhafter Modulation. Als negative Folgen kommt es dann zu Übermodulierung, Stromstörungen, und/oder Fehlfunktionen bei der Leistungswandlung an sich. Ein in diesem Fall übliches Einspeisen einer Gleichstromkomponente zu dem Netz-/Ladestrom i_AC 511 kann hier nicht angewendet werden, da man damit nur einen einzelnen Freiheitsgrad ansteuern kann, was zur Kompensation aller Spannungsunterschiede zwischen oberen und unteren Kondensatoren nicht ausreicht.
In 5b wird eine Verschaltung des zweiten Drei-Schalter-Submoduls 320 mit symmetrischer Halbbrücke in einer fortgesetzt noch weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters als ein zweiter kaskadierte-Brücken-Wechselrichter 520, in welchem ein Netz-/Ladestrom i_AC 511 fließt, gezeigt. Wie dargestellt, enthält der kaskadierte-Brücken-Wechselrichter 520 zumindest zwei Drei-Schalter-Submodule 320, wobei auch hier die Anzahl zwar nicht nach oben beschränkt ist, sich jedoch gemeinhin aus Anforderungen an eine jeweilige Schaltung ergibt.
In den 6a und 6b wird ein erster Modulzustand zu einer parallelen Verschaltung des ersten Drei-Schalter-Submoduls 310 mit symmetrischer Halbbrücke in einer weiter fortgesetzten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters als kaskadierte-Brücken-Wechselrichter 610, 620 gezeigt.
Neben dem ersten Drei-Schalter-Submodul 310 ist die parallele Verschaltung mit einem benachbarten Submodul bzw. dessen symmetrischer Halbbrücke (604, 605, 608, 609) dargestellt. Im ersten Drei-Schalter-Submodul 310 sind das untere aktive Schaltelement T_S12 602 eingeschaltet und das obere aktive Schaltelement T_S11 601 ausgeschaltet, während im benachbarten Submodul das obere aktive Schaltelement T_S21 604 eingeschaltet und das untere aktive Schaltelement T_S22 605 ausgeschaltet sind. Das zusätzliche bidirektionale Schaltelement T_S13 603 ist eingeschaltet, so dass ein oberer Kondensator 608 des benachbarten Submoduls und ein unterer Kondensator 607 des Drei-Schalter-Submoduls 310 parallel verschaltet sind. Diese parallele Verschaltung bereinigt einen Spannungsunterschied zwischen diesen beiden Kondensatoren 607, 608, wobei die Pfeile 611, 612, 621, 622 eine dabei jeweilig fließende Stromrichtung angeben.
In den 6c und 6d wird ein zweiter Modulzustand zu einer parallelen Verschaltung des ersten Drei-Schalter-Submoduls 310 mit symmetrischer Halbbrücke in der weiter fortgesetzten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters als kaskadierte-Brücken-Wechselrichter 630, 640 gezeigt. Neben dem ersten Drei-Schalter-Submodul 310 ist die parallele Verschaltung mit einem benachbarten Submodul bzw. dessen symmetrischer Halbbrücke (694, 695, 608, 609) dargestellt. Im ersten Drei-Schalter-Submodul 310 sind das untere aktive Schaltelement T_S12 692 ausgeschaltet und das obere aktive Schaltelement T_S11 691 eingeschaltet, während im benachbarten Submodul das obere aktive Schaltelement T_S21 694 ausgeschaltet und das untere aktive Schaltelement T_S22 695 eingeschaltet sind. Das zusätzliche bidirektionale Schaltelement T_S13 603 ist eingeschaltet, so dass ein unterer Kondensator 609 des benachbarten Submoduls und ein oberer Kondensator 606 des Drei-Schalter-Submoduls 310 parallel verschaltet sind. Diese parallele Verschaltung bereinigt einen Spannungsunterschied zwischen den beiden Kondensatoren 606, 609, wobei die Pfeile 631, 632, 641, 642 eine dabei jeweilig fließende Stromrichtung angeben.
In 7a werden Signale 711, 712, 713, 714 zur Modulation in einem Drei-Schalter-Submodul mit symmetrischer Halbbrücke in einer noch weiter fortgesetzten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters in einem zeitlichen Verlauf 701 gezeigt. Ein Modulationssignal m_i 711 ist im Vergleich mit zwei Trägersignalen c₁ 712 und c₂ 713, welche zur Unterdrückung von Schaltharmonischen phasenverschoben sind, dargestellt. Daraus wird ein pulsweitenmoduliertes Gatesignal g_TSi 714 erzeugt. Das Modulationssignal g_TSi 714 dient zur Erzeugung von Gatesignalen zur Steuerung der aktiven Schaltelemente im Drei-Schalter-Submodul.
In 7b wird eine Ansteuerung durch Gatesignale in einem Drei-Schalter-Submodul mit symmetrischer Halbbrücke in der noch weiter fortgesetzten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters gezeigt, wobei die Gatesignale g_TSi 721 und g_TS(i+1) 722, jeweilige NOT-Elementen 728 und ein XOR-Element 729 umfasst werden. Von der in 7a gezeigten Modulation kommend, treibt das Gatesignal g_TSi1 723 bzw. g_TS(i+1)1 725 die jeweiligen oberen Schaltelemente T_Si1 oder T_S(i+1)1, während das komplementäre Gatesignal g_TSi2 724 bzw. g_TS(i+1)2 726 die jeweiligen unteren Schaltelemente T_S12 oder T_S(i+1)2 treibt. Das Gatesignal g_TSi3 727 wird erhalten, falls g_TSi1 723 und g_TS(i+1)1 725 unterschiedlich sind, und steuert das zusätzliche bidirektionale Schaltelement mit den Bezugszeichen 3134 oder 3234 in 3. Bemerkenswerterweise leitet das in 7a gezeigte Modulationsschema das Gatesignal g_TSi3 727 direkt aus einem Gatesignal eines benachbarten Submoduls her, woraus folgt, dass für das zusätzliche bidirektionale Schaltelement im jeweiligen Submodul keine zusätzliche Steuerung von Nöten ist. Dies ist besonders vorteilhaft, da es einen Steuerungsaufwand wesentlich eingrenzt. Zwischen den jeweiligen oberen und unteren Paaren an Schaltelementen wird in der Praxis ein jeweiliger Totbereich eingefügt.
8 zeigt ein in eine Spannungssteuerung 810 und eine Stromsteuerung 820 aufgeteiltes Steuerungsschema 800 in einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters als kaskadierte-Brücken-Wechselrichter im STATCOM-Modus. Als Eingabe dienen Referenzsignale V_{dc_ref} 801 betreffend eine Kondensatorspannung und i_{q_ref} 802 als Blindstrom. Eine Netzspannung V_grid 803 wird beim Durchgang durch einen Phase-locked-loop (PLL) 899 erfasst, woraus sich ein Phasenwinkel θ für eine Ausgabe cosθ817 und sin<9816 ergibt. Verarbeitete Spannungssignale sind v_dc1u 811, v_dc1d 812, v_dc1 813, v_{dc_av}814, sowie Stromsignale i_{dc_ref} 815, i_{acd_ref} 818, i_{acq_ref} 821, i_{ac_ref} 822, i_ac 823. Darüber hinaus werden komplexe Frequenzbereich-Übertragungsfunktionen G_PI(s) 892, 894, G_PR(s) 895, G_{Fil_1}(s) 891 und G_{Fil_2}(s) 893 von Proportional-Integral-Reglern (PI), Proportional-Resonanz-Reglern (PR), auf eine Grundfrequenz eingestellten Kerbfilter, und einem auf eine zweite Harmonische eingestellten Kerbfilter gebildet. Ein jeweiliges Ausgangssignal m_i 824 dient als jeweiliges Modulationssignal (Bezugszeichen 711 in 7a). Das erfindungsgemäße Steuerungsschema 800 ist im Vergleich zu einem Steuerungsschema für aus dem Stand der Technik bekannten kaskadierte-Brücken-Wechselrichtern beträchtlich vereinfacht, da Spannungsregler zur individuellen Regelung von Kondensatorspannungen größtenteils fehlen. Nur ein einziger Spannungsregler zum Gleichspannungstracking ist verblieben. Durch diesen einen Spannungsregler werden alle Kondensatorspannungen ausgeglichen.
In 9a werden in graphischer Darstellung 910 eine simulierte Netzwechselspannung v_grid(V) 911 und ein simulierter Netzwechselstrom i_ac(A) 912 in einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters als kaskadierte-Brücken-Wechselrichter im STATCOM-Modus als Funktion der Zeit 901 gezeigt. Die betrachtete bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters umfasst drei erfindungsgemäße Drei-Schalter-Submodule, welche im STATCOM-Modus betrieben werden. Ein Hauptaugenmerk von STATCOMs liegt in einer Kompensation von Blindleistung und einer Spannungsregulierung. Um dies umzusetzen, wird vom erfindungsgemäßen Multilevelkonverter ein einstellbarer Wechselstrom i_ac ausgegeben, der zu einer um näherungsweise 90° verschobenen Netzspannung V_grid führt.
In 9b werden in graphischer Darstellung 920 simulierte Gleichspannungen v_{dc1,2,3,4,5,6}(5V/div) 921 dreier erfindungsgemäßer Submodule in der bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters als kaskadierte-Brücken-Wechselrichter im STATCOM-Modus als Funktion der Zeit 901 gezeigt. Die Gleichspannungen V_{dc1,2,3,4,5,6} werden vorteilhaft durch die parallele Verschaltungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Drei-Schalter-Submodule (bspw. Bezugszeichen 310 aus 3a) ausgeglichen.
Bezugszeichenliste

110: Halbbrückenmodul
111: Schalter
112: Schalter
113: Schalter
114: Schalter
115: Energiespeicherelement
116: Anschluss
117: Anschluss
118: Halbbrückenverbindung
119: Halbbrückenverbindung
120: Asymmetrisches Halbbrückenmodul
121: Schalter
122: Schalter
123: Energiespeicherelement
124: Anschluss
125: Anschluss
126: Halbbrückenverbindung
130: Symmetrisches Halbbrückenmodul
131: Schalter
132: Schalter
133: Energiespeicherelement
134: Energiespeicherelement
135: Anschluss
136: Anschluss
137: Halbbrückenverbindung
138: Halbbrückenverbindung
117: Anschluss
118: Halbbrückenverbindung
210: Modifiziertes symmetrisches Halbbrückenuntermodul
211: Schalter
212: Schalter
213: Schalter
214: Schalter
215: Energiespeicherelement
216: Energiespeicherelement
217: Anschluss
218: Anschluss
219: Anschluss
2110: Anschluss
2111: Halbbrückenverbindung
2112: Halbbrückenverbindung
310: Erstes symmetrische Halbbrückensubmodul mit drei Schaltern
311: Schalter
312: Schalter
313: Schalter
314: Vierersatz Dioden
3134: bidirektionales Schaltelement
315: Energiespeicherelement
316: Energiespeicherelement
317: Anschluss
318: Anschluss
319: Anschluss
3110: Anschluss
3111: Halbbrückenverbindung
3112: Halbbrückenverbindung
320: Zweites symmetrisches Halbbrückensubmodul mit drei Schaltern
321: Schalter
322: Schalter
323: Schalter
324: Schalter
325: Energiespeicherelement
326: Energiespeicherelement
327: Anschluss
328: Anschluss
329: Anschluss
3210: Anschluss
3211: Halbbrückenverbindung
3212: Halbbrückenverbindung
401: Submodul
410: Kaskadierter Brückenwechselrichter
411: Anschluss
412: Anschluss
420: Halbbrücken-Multilevelwechselrichter
421: Anschluss
422: Anschluss
423: Anschluss
424: Anschluss
430: Halbbrücken-Multilevelwechselrichter mit zwei Stränge
431: Anschluss
432: Anschluss
433: Anschluss
434: Anschluss
435: Energiespeicherelement
436: Energiespeicherelement
440: Dreiphasiger Multilevelwechselrichter mit sechs Strängen
441: Anschluss
442: Anschluss
443: Anschluss
444: Anschluss
445: Anschluss
450: Doppel-Halbbrücken-Multilevelwechselrichter mit vier Strängen
451: Anschluss
452: Anschluss
453: Anschluss
454: Anschluss
455: Energiespeicherelement
456: Energiespeicherelement
457: Anschluss
458: Anschluss
460: Doppel-Halbbrücken-Multilevelwechselrichter mit zwei Strängen
461: Anschluss
462: Anschluss
463: Anschluss
464: Anschluss
465: Schalter
466: Schalter
467: Schalter
468: Schalter
469: Anschluss
4610: Anschluss
510: Erster Kaskadierte-Brücken-Wechselrichter
511: Netz-/Ladestrom
520: Zweiter Kaskadierte-Brücken-Wechselrichter
521: Netz-/Ladestrom
601: Schalter
602: Schalter
603: Bidirektionaler Schalter
604: Schalter
605: Schalter
606: Energiespeicherelement
607: Energiespeicherelement
608: Energiespeicherelement
609: Energiespeicherelement
610: Modul-Parallelisierungszustand
611: Stromrichtung
612: Stromrichtung
620: Modul-Parallelisierungszustand
621: Stromrichtung
622: Stromrichtung
630: Modul-Parallelisierungszustand
631: Stromrichtung
632: Stromrichtung
640: Modul-Parallelisierungszustand
641: Stromrichtung
642: Stromrichtung
691: Schalter
692: Schalter
694: Schalter
695: Schalter
701: Zeitachse
710: Modulierungsvorgang
711: Wellenform Modulierungswellen m_i
712: Wellenform Trägerwellensignal c_i
713: Wellenform Trägerwellensignal C_i+1
714: Pulssignal g_TS,i
720: Gatesignale Submodul
721: Gatesignal g_TS,i
722: Gatesignal g_TS,(i+1)
723: Gatesignal g_TSi1
724: Gatesignal g_TSi2
725: Gatesignal g_TS(i+1)1
726: Gatesignal g_TS(i+1)2
727: Gatesignal g_TSi3
728: NOT-Glied
729: XOR-Glied
800: Steuerschema
801: Input Spannungsreferenzsignal V_{dc_ref}
802: Input Stromreferenzsignal i_{q_ref}
803: Gemessene Netzspannung V_grid
810: Spannungssteuerung
811: V_dc1u
812: V_dc1d
813: V_dc1
814: V_{dc_av}
815: i_{dc_ref}
816: sin(θ)
817: cos(θ)
818: i_{acd_ref}
820: Stromsteuerung
821: i_{acq_ref}
822: i_{ac_ref}
823: i_ac
824: m_i
891: G_{Fil_1(s)}
892: G_PI/(s)
893: G_{Fil_2(S)}
894: G_PI(s)
895: G_PR(s)
899: PLL
901: Zeitachse
910: Simulationsergebnisse
911: V_grid(V)
912: i_ac(A)
920: Gleichspannungen der Submodule
921: V_{dc1,2,3,4,5,6}(5V(div)

Claims

Multilevelkonverter, wobei der Multilevelkonverter eine Steuerung und eine Mehrzahl an Drei-Schalter-Submodulen (310, 320, 401) mit symmetrischer Halbbrückenschaltung umfasst, wobei das jeweilige Drei-Schalter-Submodul (310, 320, 401) mindestens zwei aktive Schaltelemente (311, 312, 321, 322), mindestens zwei Energiespeicherelemente (315, 316, 325, 326) und mindestens ein bidirektionales Schaltelement (3134, 3234) aufweist, wobei die mindestens zwei aktiven Schaltelemente (311, 312, 321, 322) und die mindestens zwei Energiespeicherelemente (315, 316, 325, 326) in einer jeweiligen symmetrischen Halbbrückenschaltung verschaltet sind, wobei das mindestens eine bidirektionale Schaltelement (3134, 3234) des jeweiligen Drei-Schalter-Submoduls (310, 320, 401) zum einen mit einem Verbindungspunkt der jeweiligen aktiven Schaltelemente (311, 312, 321, 322) in der jeweiligen symmetrischen Halbbrückenschaltung verbunden ist und zum anderen mit einem Verbindungspunkt der mindestens zwei Energiespeicherelemente (315, 316, 325, 326) eines jeweilig unmittelbar benachbarten Drei-Schalter-Submoduls (310, 320, 401) verbunden ist.
Multilevelkonverter nach Anspruch 1, wobei der Multilevelkonverter (410, 420, 430, 440, 450, 460) mindestens einen Strang mit mindestens zwei seriell verbundenen jeweiligen Drei-Schalter-Submodulen (310, 320, 401) umfasst, wobei mindestens zwei Anschlüsse (411, 412, 421, 422, 423, 424, 431, 432, 433, 434, 441, 442, 443, 444, 445, 451, 452, 453, 454, 457, 458, 461, 462, 463, 464, 469, 4610) gebildet sind,
Multilevelkonverter nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei ein erstes Drei-Schalter-Submodul (310, 401) zwei Energiespeicherelemente (315, 316), drei aktive Schaltelemente (311, 312, 313), eine Diodenbrücke mit vier Dioden (314), und vier Anschlüsse (317, 318, 319, 3110) umfasst, wobei ein erstes aktives Schaltelement (311) und ein zweites aktives Schaltelement (312) über einen ersten Verbindungspunkt seriell verschaltet sind und eine Halbbrücke bilden, wobei der erste Verbindungspunkt einerseits mit einem ersten Anschluss (317) verbunden ist und andererseits mit einem Mittenpunkt eines ersten Armes der Diodenbrücke verbunden ist, wobei ein Mittenpunkt eines zweiten Armes der Diodenbrücke mit einem zweiten Anschluss (3110) verbunden ist, und wobei die zwei Energiespeicherelemente (315, 316) über einen zweiten Verbindungspunkt seriell verschaltet sind, und wobei der zweite Verbindungspunkt mit einem dritten Anschluss (318) und mit einem vierten Anschluss (319) verbunden ist.
Multilevelkonverter nach Anspruch 3, wobei im ersten Drei-Schalter-Submodul (310, 401) die Halbbrücke und eine serielle Verschaltung der beiden Energiespeicherelemente (315, 316) über eine positive Schiene (3111) und eine negative Schiene (3112) parallel miteinander verschaltet sind.
Multilevelkonverter nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei im ersten Drei-Schalter-Submodul (310, 401) ein drittes aktives Schaltelement (313) mit einer Anode und einer Kathode der Diodenbrücke mit vier Dioden (314) verschaltet ist, wodurch ein bidirektionaler Schalter (3134) gebildet ist.
Multilevelkonverter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei ein zweites Drei-Schalter-Submodul (320, 401) zwei Energiespeicherelemente (325, 326), vier aktive Schaltelemente (321, 322, 323, 324), und vier Anschlüsse (327, 328, 329, 3210) umfasst, wobei ein erstes aktives Schaltelement (321) und ein zweites aktives Schaltelement (322) über einen ersten Verbindungspunkt seriell verschaltet sind und eine Halbbrücke bilden, wobei der erste Verbindungspunkt einerseits mit einem ersten Anschluss (327) verbunden ist und andererseits mit einer ersten Seite eines dritten aktiven Schaltelementes (323) und eines vierten aktiven Schaltelementes (324), welche beide entgegengesetzt in Reihe geschaltet sind, verbunden ist, wobei deren zweite Seite mit einem Ausgang (3210) verbunden ist, und wobei die zwei Energiespeicherelemente (325, 326) über einen zweiten Verbindungspunkt seriell verschaltet sind und der zweite Verbindungspunkt mit einem dritten Anschluss (328) und einem vierten Anschluss (329) verbunden ist.
Multilevelkonverter nach Anspruch 6, wobei im zweiten Drei-Schalter-Submodul (320, 401) die Halbbrücke und eine serielle Verschaltung der beiden Energiespeicherelemente (325, 326) über eine positive Schiene (3211) und eine negative Schiene (3212) parallel miteinander verschaltet sind, und wobei die beiden entgegengesetzt in Reihe geschalteten Schaltelemente (323, 324) ein bidirektionales Schaltelement (3234) bilden.
Multilevelkonverter nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem mindestens zwei Drei-Schalter-Submodule (310, 320, 401) durch paarweise verbundene Anschlüsse (317, 318, 319, 3110, 327, 328, 329, 3210) miteinander verbunden sind, wodurch ein Multilevelkonverter-System (510, 520) gebildet ist.
Multilevelkonverter nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem das aktive Schaltelement (311, 312, 313, 321, 322, 323) durch ein elektronisches Bauelement aus folgender Liste gebildet ist: Halbleiterschalter, Feldeffekttransistor, MOSFET, Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, Diode, Thyristor.
Multilevelkonverter nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die mindestens zwei Energiespeicherelemente (315, 316, 325, 326) des jeweiligen Drei-Schalter-Submoduls (310, 320, 401) aus folgender Liste gewählt sind: Kondensatoren, Batterien, Kondensatoren und Batterien gemischt.