DE10205261A1

DE10205261A1 - Verteiltransformator für elektrische Energie

Info

Publication number: DE10205261A1
Application number: DE10205261A
Authority: DE
Inventors: Lothar Heinemann
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 2002-02-08
Filing date: 2002-02-08
Publication date: 2003-08-21

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen modularen, auf Leistungselektronik basierenden, eine Mittelspannungsseite und eine Niederspannungsseite aufweisenden Verteiltransformator. Der Verteiltransformator enthält einen Umrichter (53), der niederspannungsseitig über einen Niederspannungs-Gleichspannungszwischenkreis (56) mit der Gleichspannungsseite eines Wechselrichters (54) verbunden ist, wobei der Umrichter (53) drei gleichartig aufgebaute Transformationsmodule (140, 150, 160 bzw. 210, 220, 230) enthält, die DOLLAR A - jeweils Gleichspannungs-Schaltmittel (194, 195 bzw. 251, 252) und einen Transformator (193 bzw. 254) zur Spannungstransformation und Potentialtrennung enthalten, DOLLAR A - eingangsseitig mittels eines Reihenschaltmoduls (120) oder einen Parallelschaltmoduls (130) an einen Mittelspannungs-Gleichspannungszwischenkreis (55) anschließbar sind, und die DOLLAR A - ausgangsseitig mittels eines Gleichrichter- und Filtermoduls (170 bzw. 240) an den Niederspannungs-Gleichspannungszwischenkreis (56) angeschlossen sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verteiltransformator für elektrische Energie, mit dem eine Versorgung unterschiedlichster Verbraucher, z. B. Industrieunternehmen oder größere Verwaltungsgebäude mit vielen kritischen Lasten, aber auch einfache Haushalte sowie eine effiziente Einbindung von verteilten Stromerzeugern bei Speisung aus einem Wechsel- oder einem Gleichspannungsnetz ermöglicht wird.
Das Verteilungsnetz für elektrische Energie basiert bisher - bis auf wenige Ausnahmen - weltweit auf einer Wechselspannung, die gewöhnlich auf der Mittelspannungsseite (1-36 kV) mit drei Phasen und niederspannungsseitig mit drei Phasen (z. B. 380 V) und einem Nulleiter bei einer Frequenz von 50 Hz oder 60 Hz ausgeführt ist. Als Bindeglied zwischen der Mittelspannung und der Niederspannung dient hierbei ein Verteiltransformator. Zudem existiert in der Bahntechnik ein einphasiges Netz mit z. B. 17 kV bei 16 2/3 Hz.
Die Verwendung von Wechselspannung hat neben vielen Vorteilen wie der einfachen Spannungstransformation und dem leichteren Abschaltvermögen bei Kurzschlüssen aber auch einige signifikante Nachteile, die sich insbesondere bei schwachen Netzen, langen Versorgungsleitungen und der Einbindung von verteilten Energiequellen mittlerer, nicht kontrollierbarer Leistung negativ bemerkbar machen und sich für den Kunden mitunter in einer schlechten Versorgungsqualität äußern. Diese Probleme sind hinlänglich bekannt, sehr vielfältig und können mit einem einfachen Verteiltransformator nicht beseitigt werden.

Bedingt durch die ständigen Innovationen in der Halbleitertechnik und der damit verbundenen Realisierbarkeit von kleinvolumigen leistungselektronischen Umrichtern auch bei hohen zu übertragenden Leistungen, sowie der von Energieversorgungsunternehmen sicherzustellenden Energieversorgung mit einer hohen Versorgungsqualität, wird neben den oben angesprochenen klassischen Netzen derzeit in der Literatur vermehrt auch über komplette Gleichspannungsnetze bzw. über Wechselspannungsnetze mit unterlagerten Gleichspannungsteilnetzen diskutiert, siehe hierzu die unten aufgeführten Literaturstellen [1] bis [6]. Während die letztgenannte Netzkonfiguration bereits in absehbarer Zukunft vermehrt Verwendung finden wird (beispielsweise zur Einbindung von Windmühlen eines Windmühlenparks über einen verteilten Gleichspannungszwischenkreis und Anschluss an das Wechselspannungsnetz über einen gemeinsamen Umrichter), ist eine großflächig vernetzte Energieverteilung mittels Gleichspannung (an Stelle von Wechselspannung) sicherlich erst im nächsten Jahrzehnt kostengünstig und damit großflächig umzusetzen.

Unabhängig vom zeitlichen Horizont für eine großflächige Nutzung der Gleichspannung für die Verteilung der elektrischen Energie - was mit den vorhandenen Kabelnetzen und Freileitungen ohne weiteres erfolgen kann - ist aber vor allem dafür Sorge zu tragen, dass zur Spannungskonvertierung und zur Potentialtrennung kostengünstige Umrichter mit sehr hohem Wirkungsgrad verfügbar sind, die auch unter extremen Umweltbedingungen noch sehr zuverlässig die Funktion über einen langen Zeitraum von mehreren Jahrzehnten gewährleisten können. Da auch in den nächsten Jahren die Kosten für derartige Umrichter noch immer deutlich über den Kosten für einen einfachen Verteiltransformator liegen werden, ist es zwingend erforderlich, dass ein auf Leistungselektronik basierender Verteiltransformator nicht nur die elementaren Funktionen wie Spannungskonvertierung und Potentialtrennung erfüllt. Vielmehr müssen auf Leistungselektronik basierende Verteiltransformatoren einem Kunden zusätzliche Funktionen bieten (beispielsweise eine integrierte Schnittstelle für verteilte Energieerzeuger kleinerer Leistung und eine integrierte unterbrechungsfreie Stromversorgung zum Schutz sensibler Lasten), durch welche die zu erwartenden hohen Kosten kompensiert werden können, siehe [7].

Um die elementaren Funktionen eines typischen Verteiltransformators wie Spannungskonvertierung und Potentialtrennung in den unterschiedlichen Regionen der Welt erfüllen zu können, ist bisher eine große Variantenvielfalt erforderlich. Weltweit existieren nämlich sowohl auf der Mittel- als auch auf der Niederspannungsseite unterschiedliche Spannungsniveaus bei unterschiedlichen Netzfrequenzen und Bauleistungen des Transformators. Die nachfolgenden drei Tabellen geben hierzu einen Überblick. Tabelle 1 und Tabelle 2 zeigen beispielhaft die verschiedenen Spannungsniveaus nach IEC und ANSI Standard (explizit dargelegt für Europa und Nord Amerika, wo die ersten Anwendungen erwartet werden können). Tabelle 1 Auswahl an relevanten Spannungsniveaus (Effektivwerte) auf der Mittelspannungsseite (inklusive Bahnanwendungen) mit 1 = 3 Phasen, 50 Hz, 2 = 3 Phasen, 60 Hz, 3 = 1 Phase, 16 2/3 Hz und 4 = 1 Phase, 50 oder 60 Hz

Tabelle 2 Auswahl an relevanten Spannungsniveaus (Effektivwerte) auf der Niederspannungsseite mit 2 oder 3 Phasen, 50 Hz oder 60 Hz

Tabelle 3 zeigt beispielhaft die am häufigsten verwendeten Leistungsdaten für die verschiedenen, am Markt verfügbaren Verteiltransformatoren, die in verschiedenen Ausführungsformen und mit verschiedenen Isolationsmaterialien (ölisoliert oder feststoffisoliert) verfügbar sind. Tabelle 3 Auswahl an typischen Nennleistungen für heute am Markt verfügbaren Verteiltransformatoren

Ein auf Leistungselektronik basierender Verteiltransformator ist deshalb so auszulegen, dass aus der Vielzahl von Spannungsniveaus auf der Mittel- und Niederspannungsseite, den unterschiedlichen Frequenzen und den verschiedenen Bauleistungen ein Produktspektrum mit einem Minimum an Varianten entsteht, durch die der überwiegende Teil aller Anwendungen und Anforderungen abgedeckt werden kann. Weiterhin muss im Hinblick auf eine Standardisierung und eine weitestgehend automatisierbare Produktion ein modulares System resultieren, da nur dann mittelfristig der Ersatz des heutigen Verteiltransformators durch einen auf Leistungselektronik basierenden Verteiltransformators möglich ist.

Zur Realisierung des kompletten, auf Leistungselektronik basierenden Verteiltransformators sind grundsätzlich zwei verschiedene Varianten denkbar:

- Verwendung von sogenanntem Multi-Level Umrichtern, wobei mittelspannungsseitig entsprechend viele Einzelmodule mit Standardhalbleitern (keine Reihenschaltung von Halbleitern) in Reihe geschaltet werden müssen und weiterhin jedes Modul einen eigenen hochisolierenden Transformator enthält, der mit hoher Schaltfrequenz betrieben werden kann. Jedes Modul verfügt bei einem Wechselspannungsanschluss auf der Mittelspannungsseite über einen eigenen Gleichspannungszwischenkreis auf niedrigem Spannungsniveau. Ein Beispiel für eine einphasige Anwendung ist in [8] und [9] zu finden. Für ein dreiphasiges Spannungssystem ist die ganze Anordnung allerdings dreifach aufzubauen, was in hohen Kosten, in einer aufwendigen Regelung der Einzelmodule und einer aufwendigen potentialfreien Ansteuerung eines jeden Leistungsschalters auf der Mittelspannungsseite resultiert. Auf der Niederspannungsseite werden die einzelnen Module schließlich parallel geschaltet, um einen Gleichspannungszwischenkreis zu erzeugen, an dem wiederum moderne verteilte Stromerzeuger angeschlossen werden können.
- Verwendung von möglichst wenigen Modulen mit entsprechend wenigen hochisolierenden Transformatoren aber mit einer notwendigen Reihenschaltung von Standardhalbleitern. Ein Beispiel hierzu ist in [10] zu finden, wo mittels eines Gleichrichters eine hohe Zwischenkreisspannung auf der Mittelspannungsseite erzeugt wird. Dies ermöglicht in einfacher Weise den Anschluss an eine gleichspannungsbasierte Energieverteilung. Der Spannungstransformation und die Potentialtrennung erfolgt schließlich in [10] mit 3 gleichartig aufgebauten Modulen, die auf der Mittelspannungsseite in Reihe und auf der Niederspannungsseite parallel geschaltet werden. Auf diese Weise kann dann auf der Niederspannungsseite ebenfalls ein Gleichspannungszwischenkreis mit der Möglichkeit der effizienten Einbindung von verteilen Stromerzeugern erzeugt werden

Auf der Niederspannungsseite kann in beiden Fällen schließlich ein dreiphasiges Wechselspannungsnetz (mit oder ohne Nullleiter) mit Hilfe eines dreiphasigen standardisierten Wechselrichters generiert werden (vergleichbar mit den heute am Markt verfügbaren unterbrechungsfreien Stromversorgungen für dreiphasigen Betrieb).

Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde, einen Verteiltransformator für elektrische Energie zur Spannungskonvertierung und zur Potentialtrennung anzugeben, mit dem eine sichere und kostengünstige Versorgung unterschiedlichster Verbraucher, sowie eine effiziente Einbindung von modernen verteilten Stromerzeugern möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch einen modularen, auf Leistungselektronik basierenden Verteiltransformator für elektrische Energie gelöst, der die im Anspruch 1 angegeben Merkmale aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in weiteren Ansprüchen angegeben.

Ausgehend von der oben dargelegten elementaren Betrachtung und den oben aufgelisteten Anforderungen liegt der Erfindung die Überlegung zugrunde, dass zur kostengünstigen Realisierung eines auf Leistungselektronik basierenden Verteiltransformators ein dreistufiges Konzept mit einem mittel- und einem niederspannungsseitigen Gleichspannungszwischenkreis mit möglichst wenigen Modulen sinnvoll ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn neben den eigentlichen Halbleitern auch noch hochisolierende Transformatoren Verwendung finden, die, um die Baugröße des Wechselrichters klein zu halten, mit möglichst hoher Frequenz betrieben werden sollten und die in absehbarer Zukunft auch weiterhin wesentlich die Kosten des gesamten Wechselrichtersystems bestimmen. Weiterhin findet die Reihenschaltung von Halbleiterschaltern eine immer breitere Verwendung, so dass in naher Zukunft mit einer weiteren Kostenreduktion derartiger Schalter zu rechnen ist, und bedingt durch die immer weiter fortschreitende Integration von Ansteuerfunktion in Reihe geschaltete Halbleiterschalter auch die Zuverlässigkeit immer weiter erhöht werden dürfte.

Neben der eigentlichen technischen Lösung ist, wie eingangs bereits erwähnt, ein auf Leistungselektronik basierender Verteiltransformator möglichst so auszulegen, dass die Variantenvielfalt bei den weltweit unterschiedlichen Spannungsniveaus, den unterschiedlichen Frequenzen und den unterschiedlichen Bauleistungen so gering wie möglich gehalten wird. Um dies zu erreichen, sind einheitliche Niveaus der mittel- und der niederspannungsseitigen Zwischenkreisspannung notwendig, die sich mit den entsprechenden Umrichtern (beispielsweise ein dreiphasiger Umrichter für bipolaren Leistungsfluss mit netzseitigen Filterspulen zur Gewährleistung einer sinusförmigen Stromaufnahme bei jeden Phase) sowohl auf der Mittel- als auch auf der Niederspannungsseite erzeugen lassen. Tabelle 4 gibt hierzu einen Überblick, wenn als Umrichter zwischen dem Wechselspannungsnetz und dem mittelspannungsseitigen Zwischenkreis ein dreiphasiger Wechselrichter oder ein aktiver Gleichrichter geschaltet wird. Die erste Zeile der Tabelle 4 gibt hierbei die Wechselspannung nach Tabelle 1 wider. Die weiteren Zeilen geben die im Prinzip frei wählbaren stabilisierten Spannungsniveaus an, die mit einem standardisierten aufwärts wandelnden Wechselrichter bzw. mit einem aktiven Gleichrichter eingestellt werden können und die über dem Gleichrichtwert der Wechselspannung liegen müssen (siehe hierzu auch [11] und [12]). Tabelle 4 Bestimmung von geeigneten Spannungsniveaus auf der Mittelspannungsseite bei Verwendung eines dreiphasigen Wechselrichters oder eines aktiven Gleichrichters als Bindeglied zwischen dem Wechselspannungsnetz und dem Zwischenkreis auf der Mittelspannungsseite

Es zeigt sich, dass bei entsprechender Wahl der geringsten gewählten Zwischenkreisspannung alle anderen Zwischenkreisspannungen einem Vielfachen dieser geringsten Zwischenkreisspannung (hier beispielhaft 14 kV) entsprechen. Dies hat den Vorteil, dass bei geeigneter Wahl der Zwischenkreisspannung nur wenige unterschiedliche Module mit Transformator erforderlich sind, und dass die unterschiedlichen Spannungsniveaus durch Reihenschaltung von gleichartigen Modulen bewältigt werden können. Insbesondere ist ersichtlich, dass für die niedrigen Wechselspannungen immer die geringste gewählte Zwischenkreisspannung ausreicht, und alle hohen Eingangspannungen auf das Dreifache der geringsten gewählten Zwischenkreisspannung stabilisiert werden kann. Dies bedeutet, dass im Hinblick auf die notwendige Spannungsfestigkeit auch für den netzseitigen Umrichter auf der Mittelspannungsseite nur eine sehr geringe Anzahl an Varianten notwendig ist (die erforderliche Spannungsfestigkeit richtet sich bei den standardisierten Umrichtern nach der Höhe der Zwischenkreisspannung). In analoger Weise kann auch auf der Niederspannungsseite vorgegangen werden. Tabelle 5 gibt hierzu eine Übersicht mit der Wahl von 375 V als geringste Zwischenkreisspannung. Tabelle 5 Bestimmung von geeigneten Spannungsniveaus auf der Niederspannungsseite bei Verwendung eines dreiphasigen Wechselrichters zur Erzeugung eines Niederspannungsnetzes

Was für die verschiedenen Spannungen möglich ist, kann auch für die Leistungen in entsprechender Weise definiert werden. Tabelle 6 zeigt mögliche Kombinationen, die mit einem Vielfachen von 105 kVA, 210 kVA, 315 kVA, 420 kVA und 630 kVA erzielbar sind. Auch hier wurde davon ausgegangen, dass die Bauleistungen entweder mit einem Modul oder mit 3 Modulen bzw. mit einem Vielfachen von 3 Modulen realisiert werden können. Selbstverständlich sind aber auch noch weitere Kombinationen denkbar. Die verschiedenen Konfigurationen sind für alle in Frage kommender Module (mittel- und niederspannungsseitig sowie zur Spannungskonvertierung und zur Potentialtrennung) geeignet. Tabelle 6 Modulare Struktur der Umrichter zur Gewährleistung von heute am Markt verfügbaren Nennleistungen für Verteiltransformatoren

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass mit einer geringen Anzahl an Modulen auf der Mittelspannungsseite, auf der Niederspannungsseite und dem Modul zur Spannungskonvertierung mit Potentialtrennung eine große Variantenvielfalt an unterschiedlichen Verteiltransformatoren der heutigen Bauart abgedeckt werden kann. Zudem ist Redundanz möglich, wenn mehrere Module parallel geschaltet werden bzw. wenn ein auf Leistungselektronik basierender Verteiltransformator schaltungstechnisch so ausgestaltet wird, dass Redundanz bei Ausfall eines Moduls gegeben ist. Während sowohl für das Modul auf der Mittelspannungsseite (Konvertierung der Wechselspannung unterschiedlicher Frequenz in eine stabilisierte Gleichspannung) als auch für das Modul auf der Niederspannungsseite (Konvertierung der Gleichspannung in eine Wechselspannung unterschiedlicher Frequenz) standardisierte Wechselrichter verwendet werden können, sind bei dem eigentlichen Herzstück des auf Leistungselektronik basierenden Verteiltransformators (dem Modul zur Spannungskonvertierung und zur Potentialtrennung) schaltungstechnisch noch Freiheitsgrade bei der Gestaltung gegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in Zeichnungsfiguren dargestellten Ausführungsbeispiele weiter erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a ein Blockschaltbild eines Verteiltransformators elektrische Energie nach dem Stand der Technik, mit einem niederspannungsseitig angeschlossenen verteilten Stromerzeuger und einer unterbrechungsfreien Stromversorgung,
Fig. 1b ein Blockschaltbild eines modularen auf Leistungselektronik basierenden Verteiltransformators mit integrierter Schnittstelle für einen verteilten Stromerzeuger und eine integrierte unterbrechungsfreie Stromversorgung;
Fig. 2 Module eines Umrichters des erfindungsgemäßen Verteiltransformators, wobei die Module für unipolaren Leistungsfluss ausgeführt sind,
Fig. 3 entsprechende Module eines Umrichters für bipolaren Leistungsfluss, und
Fig. 4 Strom- und Spannungsverläufe des Verteiltransformators bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen.
Fig. 1a zeigt beispielhaft ein Blockschaltbild mit einem Verteiltransformator 22 für elektrische Energie nach dem Stand der Technik, der über einen Lasttrennschalter mit Sicherungen 21 an einen Mittelspannungsring 10 angeschlossen ist, und mit dem niederspannungsseitig die elektrische Energie über eine Schalttafel 23 und nachgeschalteten Sicherungen 24 weiter verteilt wird. Sowohl der Verteiltransformator 22, der Lasttrennschalter mit Sicherungen 21, als auch die Schalttafel mit Sicherungen 24 sind üblicherweise in einer Sekundärstation 20 untergebracht. Niederspannungsseitig angeschlossen ist zudem beispielhaft ein moderner verteilter Stromerzeuger 40, der aus einem Generator 41, einem Gleichrichter 42 und einem Wechselrichter 43 besteht, sowie eine unterbrechungsfreie Stromversorgung 30 zur Versorgung sensibler Lasten 36. Die unterbrechungsfreie Stromversorgung 30 enthält im vorliegenden Fall ebenfalls einen Gleichrichter 31 und einen Wechselrichter 32, sowie einen Zwischenkreisspeicher 33 zur Überbrückung von Netzausfällen. Die sensiblen Lasten 36 sind dabei an eine Schalttafel 35 angeschlossen. Ein Lasttrennschalter 34 dient zur Überbrückung der unterbrechungsfreien Stromversorgung 30 im Falle eines Fehlers innerhalb der Stromversorgung oder zur Überbrückung während Wartungsarbeiten.
Die Konfiguration in Fig. 1b entspricht funktionell der Anordnung nach Fig. 1a. Allerdings ist in der dargestellten Sekundärstation 50 statt des ursprünglichen Verteiltransformators nun ein auf Leistungselektronik basierender Verteiltransformator vorhanden, der bei einer dreistufigen Konvertierung unter anderem einen mittelspannungsseitigen Umrichter 52 enthält, mit dem die Netzwechselspannung gleichgerichtet und stabilisiert wird, der aber auch entfallen kann, wenn zur Einspeisung eine Gleichspannung dient. An einen Gleichspannungszwischenkreis 55 auf der Mittelspannungsseite - mit angeschlossenem Mittelspannungs-Zwischenkreisspeicher 62 - ist ein Umrichter 53 angeschlossen, der einen Transformator enthält und deshalb sowohl die Spannungskonvertierung als auch die Potentialtrennung sicherstellt. Niederspannungsseitig ist an einen Zwischenkreis 56 - mit angeschlossenem Niederspannungs-Zwischenkreisspeicher 63 - zum einen ein Wechselrichter 54 angeschlossen, mit dem das niederspannungsseitige Netz generiert wird. Zum anderen ist ein verteilter Stromerzeuger 70, bestehend aus einem Generator 71 und einem Gleichrichter 72 an dem Gleichspannungszwischenkreis 56 angeschlossen. Auf einen Wechselrichter - wie in Fig. 1a - kann dabei verzichtet werden. Die Versorgung von Lasten 58 bzw. 61 auf der Niederspannungsseite erfolgt über eine durch einen Leistungsschalter 59 und eine Entkopplungsspule 60 getrennte Schalttafel 57. Im Falle einer Netzstörung können normale Lasten 61 - bei nicht ausreichender Versorgungsleistung durch den verteilten Stromerzeuger 70 und/oder durch einen der Zwischenkreisspeicher 62 oder 63 - mittels dem Leistungsschalter 59 abgeschaltet werden. Die Versorgung sensibler Lasten 58 ist dadurch auch bei einem Netzausfall gesichert.
Fig. 2 zeigt eine mögliche, sehr einfache Schaltung, mit welcher der Umrichter 53 nach Fig. 1b realisiert werden kann. Der Umrichter enthält drei gleichartige Module 140, 150 und 160, die jeweils einen Transformator enthalten und hier als Transformationsmodule bezeichnet sind. Das erste Transformationsmodul 140 hat ein Eingangsklemmenpaar 141 und ein Ausgangsklemmenpaar 142; das zweite Transformationsmodul 150 hat ein Eingangsklemmenpaar 151 und ein Ausgangsklemmenpaar 152; und das dritte Transformationsmodul 160 hat ein Eingangsklemmenpaar 161 und ein Ausgangsklemmenpaar 162.
Das Ausgangsklemmenpaar 142 des ersten Transformationsmoduls 140 ist niederspannungsseitig mit ersten Eingangsklemmen 171 eines Gleichrichter- und Filtermoduls 170 verbunden, entsprechend die Ausgangsklemmen 152 des zweiten Moduls 150 mit Eingangsklemmen 172, und das Ausgangsklemmenpaar 162 des dritten Moduls 160 mit dem Eingangsklemmen 173 des Gleichrichter- und Filtermoduls 170.
Innerhalb des Gleichrichter- und Filtermoduls 170 ist an eine erste der Eingangsklemmen 171 die Anode einer ersten Diode 174, am ersten Anschluss des Klemmenpaares 172 die Anode einer zweiten Diode 175 und am ersten Anschluss des Klemmenpaares 173 die Anode einer dritten Diode 176 geschaltet. Die jeweils anderen Anschlüsse der Eingangsklemmenpaare 171, 172 und 173 sind elektrisch miteinander verbunden. Auch die Kathoden der drei Dioden 174, 175, und 176 sind miteinander verbunden. Zwischen diesem auf diese Weise entstandenen Klemmenpaar ist eine Freilaufdiode 177 parallel geschaltet und zwar so, dass ihre Kathode mit der gemeinsamen Kathode der Dioden 174, 175, und 176 und ihre Anode mit der gemeinsamen Verbindung der Klemmenpaare 171, 172 und 173 verbunden ist. Dieser letztgenannte Schaltungspunkt stellt auch gleichzeitig eine der Klemmen 180 der Zwischenkreisspannung u_a(t) auf der Niederspannungsseite dar. Eine Filterspule 178 ist zwischen die Kathode der Freilaufdiode 177 und die zweite der Klemmen 180 geschaltet. Parallel zu diesen Ausgangsklemmen 180 ist ein Filterkondensator 179 geschaltet.
Mittelspannungsseitig besteht die Möglichkeit, die Transformationsmodule 140, 150 und 160 je nach Höhe der Zwischenkreisspannung u_i(t) an Klemmen 110 der Mittelspannungsseite (siehe Tabelle 4) sowohl parallel als auch in Reihe zu schalten. Bei hoher Zwischenkreisspannung u_i(t) wird ein Reihenschaltmodul 120 verwendet, das drei in Reihe geschaltete Kondensatoren enthält. Die Reihenschaltung bildet ein mit der Zwischenkreisspannung u_i(t) zu verbindendes Eingangsklemmenpaar 124. Die Anschlüsse der Kondensatoren bilden jeweils Ausgangsklemmenpaare 121, 122 und 123, die mit jeweils entsprechenden Eingangsklemmenpaaren 141, 151 und 161 der Transformationsmodule 140, 150 und 160 zu verbinden sind. Jedes Klemmenpaar des Reihenschaltmoduls 120 ist dadurch parallel mit einem Kondensator verbunden, mit dem zum einen die Spannungsaufteilung und zum anderen die Energiespeicherung gewährleistet wird.
Bei niedriger Zwischenkreisspannung u_i(t) auf der Mittelspannungsseite wird ein Parallelschaltmodul 130 verwendet, dessen Eingangsklemmenpaar 134 mit allen seinen Ausgangsklemmenpaaren 131, 132 und 133 parallel geschaltet ist. Die Ausgangsklemmenpaare 131, 132 und 133 sind mit den jeweils entsprechenden Eingangsklemmenpaaren 141, 151 und 161 der Transformationsmodule 140, 150 und 160 zu verbinden.
Ein Schaltungsbeispiel für die gleichartig aufgebauten und auch schaltungstechnisch genau die gleiche Funktion ausübenden Transformationsmodule 140, 150 und 160 ist in Fig. 2 als Transformationsmodul 190 dargestellt. Das Modul 190 weist ein Eingangsklemmenpaar 191 auf, das den Eingangsklemmenpaaren 141, 151 und 161 entspricht, und ein Ausgangsklemmenpaar 192, das den Klemmenpaaren 142, 152 und 162 entspricht. Die Anschlüsse der Sekundärwicklung eines Transformators 193 bilden das Ausgangsklemmenpaar 192. An einen ersten Anschluss des Eingangsklemmenpaares 191 sind ein erster Anschluss eines ersten Schalters 194 und die Kathode einer ersten Diode 196 angeklemmt. An den zweiten Anschluss des Eingangskemmenpaares 191 ist ein erster Anschluss eines zweiten Schalters 195 und die Anode einer zweiten Diode 197 angeschlossen. Die Kathode der zweiten Diode 197 ist mit dem zweiten Anschluss des ersten Schalters 194, und die Anode der ersten Diode 196 ist mit dem zweiten Anschluss des zweiten Schalters 195 verbunden. Das primärseitige Anschlussklemmenpaar des Transformators 193 ist schließlich mit dem zweiten Anschluss des ersten Schalters 194 und dem zweiten Anschluss des zweiten Schalters 195 verbunden.
Die in Fig. 2 dargestellte Schaltung des Gleichrichter- und Filtermoduls 170 ist wegen der Dioden 174, 175, 176 und 177 nur für unipolaren Leistungsfluss von der Mittelspannungsseite zur Niederspannungsseite geeignet. Um einen bipolaren Leistungsfluss zu ermöglichen, sind nur geringfügige Veränderungen vorzunehmen.
Fig. 3 zeigt ein modifiziertes Gleichrichter- und Filtermodul 240, das für bipolaren Leistungsfluß eingerichtet ist. Anstelle von Dioden 174, 175, 176, 177 (vergl. Fig. 2) sind Dioden/Schalterkombinationen 241, 242, 243, und 244 angeordnet und zwar so, dass die Polarität der Dioden gegenüber der ursprünglichen Anordnung nicht verändert wird. Die Filterspule 245 und der Filterkondensator 246 entsprechen den Komponenten 178 und 179 der Fig. 2.
Um bipolaren Leistungsfluß zu ermöglichen, sind außerdem anstelle der Transformationsmodule 140, 150 und 160 (s. Fig. 2) modifizierte Transformationsmodule 210, 220 und 230 einzusetzen, für die eine geeignete Schaltung als Transformationsmodul 250 in Fig. 3 dargestellt ist. Bei diesem repräsentativen Modul 250 ist zu jedem Schalter 251, bzw. 252 eine Diode parallel geschaltet.
Die Funktionsweise der gesamten Umrichter-Schaltung der Fig. 2, und auch die Regelung dieser gesamten Schaltung ist sehr einfach und robust. Unabhängig von der Art der Verschaltung auf der Mittelspannungsseite, also ob mit Verwendung des Reihenschaltmoduls 120 oder Parallelschaltmoduls 130, wird nämlich das in den Transformationsmodulen 140, 150 und 160 enthaltene Schalterpaar 194, 195 jeweils gleichzeitig, die Module 140, 150 und 160 aber nacheinander eingeschaltet. Dies kann so erfolgen, dass sich die Einschaltzeiten der einzelnen Schalter der Schalterpaare nicht überlappen. Es entsteht dann jeweils eine Pulspause und es wird damit eine Regelung der Ausgangsspannung u_a(t) ermöglicht. Der Umrichter kann auch so betrieben werden, dass sich die Einschaltzeiten der Schalter überlappen. Die Ausgangsspannung u_a(t) entspricht in diesem Fall der um das Übersetzungsverhältnis des Transformators 193 reduzierten Spannung an den Eingangsklemmen der Module 140, 150 und 160.
In Fig. 4 ist beispielhaft ein Kurvenverlauf 310 gezeigt, der den Strom der Filterspule 178 darstellt. Dabei ist auf der linken Seite der Fig. 4 der sogenannte Pulsbetrieb dargestellt, bei dem zwischen Einschaltzeiten t_on der Schalterpaare 194, 195 Pausenzeiten t_ph liegen. Die Einschaltdauer der drei Schalterpaare darf dabei auch unterschiedlich sein. Das dargestellte Ansteuersignal 320 gilt hierbei für das Schalterpaar des Moduls 140, das Ansteuersignal 330 für das Schalterpaar des Moduls 150 und das Ansteuersignal 340 für das Schalterpaar des Moduls 160. Mit t₁ bis t₈ sind Schaltzeitpunkte bezeichnet. In den Pulspausen wird die Freilaufdiode 177 leitend. Durch Variation der Pulslänge, also der Einschaltzeiten t_on, kann, wie bei fast allen gängigen Schaltnetzteilen mit Pulsweitenmodulation, auf einfache Weise die Ausgangsspannung auf einen festen Wert geregelt werden.
Bei dem in Fig. 4 auf der rechten Seite dargestellten Überlappbetrieb ist eine Regelung der Ausgangsspannung nicht mehr möglich. Die Übertragung der Leistung pro Gesamtperiodendauer (= Summe aller Einschaltzeiten pro Zyklus) ist aber maximal. Die Freilaufdiode 178 wird bei diesem Betriebsmodus nicht mehr leitend, die Filterspule übt keine Funktion mehr aus (kontinuierlicher Stromfluss).
Bei beiden Betriebsmoden kann man durch eine unterschiedliche Einschaltzeit gegebenenfalls vorhandene Unterschiede bei den Eingangsspannungen der Module ausgleichen. Auf diese Weise kann sich das System immer wieder selbst stabilisieren. Bei beiden Betriebsmoden ist zudem eine Entmagnetisierung des lediglich unipolar magnetisierten Transformators 193 jederzeit über das Diodenpaar 196 und 197 möglich.
Eine weitere Besonderheit ist darin zu sehen, dass bei einer Parallelschaltung der Module auf der Mittelspannungsseite (also Verwendung des Parallelschaltmoduls 130) die Umrichter-Funktion auch dann noch gewährleistet werden kann, wenn ein oder zwei der Transformationsmodule 140, 150, 160 ausfallen oder bei niedriger Belastung abgeschaltet werden. Das System weist somit bei Parallelschaltung auf der Mittelspannungsseite eine inhärente Redundanz auf. Es ist bei derartigem Betrieb lediglich darauf zu achten, dass eine genügend lange Zeit zum Entmagnetisieren des Transformators 193 verbleibt. D. h., die maximale Pulsbreite ist unter idealisierten Voraussetzungen auf maximal die Hälfte der Periodendauer T begrenzt.
In ähnlicher Weise kann die Funktion bei bipolarem Leistungsfluss erklärt werden. Die Schaltung verhält sich bei Rückspeisung, also bei Leistungsfluss von der Niederspannungsseite zur Mittelspannungsseite, auf der Niederspannungsseite exakt umgekehrt. Die Schalter 241, 242 und 243 werden nacheinander geschlossen. Bei Pulsbetrieb wird der Freilaufzweig 244 aktiv. Auf der Mittelspannungsseite sind nur die 4 Dioden des bidirektionalen Transformationsmoduls 250 abwechselnd leitend (zum Zwecke der Entmagnetisierung des Transformators 254 und zum Zwecke der Leistungsübertragung). Die Schalter 251, 252 auf der Mittelspannungsseite üben hierbei keine Funktion aus. Literatur [1] L. Heinemann, G. Mauthe, J.-J. Maillet, M. Hellum, "Power Quality, The New Paradigm for MV-Power Distribution" ABB Review, No. 3, 2000
[2] L. Gertmar, "Needs for Solutions and New Areas of Applications for Power Electronics", Keynote paper of the European Power Electronics Conference (EPE) 1997, Trondheim
[3] W. Leonard, "Power Electronics and Control by Microelectronics in Future Energy Systems", EPE Journal, April 2000
[4] M. Kruska, C. Nietsch, M. Weinhold, "Anwendung von Mittelspannungs-Gleichstrom- Übertragung (MGÜ) im deregulierten Markt", ETG Fachbericht 79, München 1999
[5] Electric Power Research Institute (EPRI), "Electricity Technology Roadmap, Powering Progress", July 1999
[6] C. Ovren, H. Lendenmann, S. Linder, B. Bijlenga, "Electronics with Power Semiconductors for Transmission & Distribution, ABB Review 03-2000
[7] L. Heinemann, G. Mauthe, D. Westermann; "Economical Power Quality Enhancement in MV Distribution Networks by Power Electronics Solutions", CIRED 2001, Amsterdam, June 2001
[8] S. D. Sudhoff, "Solid State Transformer", US Patent No. 5.943.229, Date of Patent 24.08.99
[9] E. R. Ronan, S. D. Sudhoff, S. F. Glover, D. L. Galloway; "Application of Power Electronics to the Distribution Transformer"; IEEE Applied Power Electronics Conference 2000
[10] G. Cramer, A. Falk, J. Weber; "Energie für Reisezüge"; Elektronik 3/2000
[11] J. Kolar; U. Drofenik, F. Zach; "Status of the Techniques of Three-Phase Rectifier Systems With Low Effects on the Mains"; VDE Fachtagung Leistungselektronik Aktoren und intelligente Bewegungssteuerungen 1996
[12] G. Asplund, K. Eriksson, K. Svensson, "HVDC Light - DC Transmission Based on Voltage Source Converters", ABB Review 1/98

Claims

1. Modularer, auf Leistungselektronik basierender, eine Mittelspannungsseite und eine Niederspannungsseite aufweisender Verteiltransformator, der einen Umrichter (53) enthält, der niederspannungsseitig über einen Niederspannungs- Gleichspannungszwischenkreis (56) mit der Gleichspannungsseite eines Wechselrichters (54) verbunden ist, wobei der Umrichter (53) drei gleichartig aufgebaute Transformationsmodule (140, 150, 160 bzw. 210, 220, 230) enthält, die
jeweils Gleichspannungs-Schaltmittel (194, 195 bzw. 251, 252) und einen Transformator (193, bzw. 254) zur Spannungstransformation und Potentialtrennung enthalten,
eingangsseitig mittels eines Reihenschaltmoduls (120) oder eines Parallelschaltmoduls (130) an einen Mittelspannungs-Gleichspannungszwischenkreis (55) anschließbar sind, und die
ausgangsseitig mittels eines Gleichrichter- und Filtermoduls (170 bzw. 240) an den Niederspannungs-Gleichspannungszwischenkreis (56) angeschlossen sind.

2. Verteiltransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er außerdem einen Mittelspannungs-Gleichspannungszwischenkreis (55) mit Mittelspannungs-Zwischenkreisspeicher (62) und einen mit ihm verbundenen mittelspannungsseitigen Umrichter (52) enthält, der wechselspannungsseitig mit einem Wechselspannungs-Mittelspannungsnetz (10) verbindbar ist.

3. Verteiltransformator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Niederspannungs-Gleichspannungszwischenkreis (56) ein Niederspannungs-Zwischenkreisspeicher (63) und ein Stromerzeuger (70) mit Generator (71) und Gleichrichter (72) angeschlossen sind.

4. Verteiltransformator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Reihenschaltmodul (120) eingesetzt ist, das drei in Reihe geschaltete Kondensatoren zur Energiespeicherung und Spannungsaufteilung enthält, wobei jeweils einer der Kondensatoren über Ausgangsklemmen (121, 122, 123) des Reihenschaltmoduls (120) mit einem der Transformationsmodule (140, 150, 160 bzw. 210, 220, 230) parallel geschaltet ist.

5. Verteiltransformator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Parallelschaltmodul (130) eingesetzt ist, das drei parallel geschaltete Kondensatoren zur Energiespeicherung enthält, wobei jeweils einer der Kondensatoren über Ausgangsklemmen (131, 132, 133) des Parallelschaltmoduls (130) mit einem der Transformationsmodule (140, 150, 160 bzw. 210, 220, 230) parallel geschaltet ist.

6. Verteiltransformator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformationsmodule (140, 150, 160) jeweils als unidirektionales Transformationsmodul (190) ausgeführt sind, und außerdem das Gleichrichter- und Filtermodul (170) als unidirektionales Modul (170) ausgeführt ist.

7. Verteiltransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformationsmodule (241, 242, 243) jeweils als bidirektionales Transformationsmodul (250) ausgeführt sind, und außerdem das Gleichrichter- und Filtermodul (240) als bidirektionales Modul (240) ausgeführt ist.