DE112014002276T5

DE112014002276T5 - Modularer konfigurierbarer Multimegawatt-Leistungsverstärker

Info

Publication number: DE112014002276T5
Application number: DE112014002276.4T
Authority: DE
Inventors: Enrique Ledezma; Thomas Keister; Kaiyu Wang; Ryan Edwards; Randall Pipho; Bhaskara Palle; Alex Scorcz
Original assignee: Teco Westinghouse Motor Co
Current assignee: Teco Westinghouse Motor Co
Priority date: 2013-03-28
Filing date: 2014-03-27
Publication date: 2016-03-31
Anticipated expiration: 2034-03-28
Also published as: DE112014002276B4; WO2014160859A1; EP2979355A1; US9722503B2; US20140293663A1

Abstract

Bei einer Ausführungsform weist ein Leistungswandler auf: mehrere Leistungsverstärkereinheiten, die jeweils aufweisen: mehrere Slices, jeweils mit einem Leistungswandlungsmodul, das einen AC/DC/AC-Wandler aufweist; eine Netzsteuereinheit zum Steuern der mehreren Slices; und ein Rückkopplungs-Aufbereitungssystem, das mit der Netzsteuereinheit gekoppelt ist; mehrere Eingangsschütze und mehrere Ausgangsschütze, über welche jede der mehreren Leistungsverstärkereinheiten zwischen einen Transformator und eine Last zu schalten ist; und eine Master-Steuereinheit, die mit den mehreren Leistungsverstärkereinheiten gekoppelt ist.

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 11. November 2013 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung Seriennr. 61/902,436 und der am 28. März 2013 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung Seriennr. 61/806,091, deren Inhalt hiermit durch Querverweis in die vorliegende Patentanmeldung aufgenommen wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In jüngster Zeit wurde es zunehmend üblich, Multilevel-Leistungswandler zu verwenden, um empfangenen Netzstrom in gewünschte aufbereitete Leistungssignale zur Zuführung zu/von verschiedenen Typen von Einrichtungen umzuwandeln. Es besteht ein erhebliches Interesse daran, den Wirkungsgrad, die Herstellbarkeit, die Inbetriebnahmezeit, das Übergangsverhalten, die Zuverlässigkeit, die Verfügbarkeit und die physische Größe solcher Leistungswandlersysteme zu verbessern. All dies ist auf Megawatt-Niveaus erforderlich, mit anspruchsvollen Hochleistungs-Kenndaten. Aufgrund dieser industriellen Anforderungen muss die leistungselektronische Umwandlung diesen Herausforderungen auf unkonventionellen Wegen der Implementierung von Steuerung, Leistungsskalierbarkeit und Redundanz begegnen, um reale Systemlösungen bereitzustellen, die für spezielle industrielle Anwendungen geeignet sind.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Bei einer Ausführungsform umfasst ein Leistungswandler: mehrere Leistungsverstärkereinheiten, die jeweils aufweisen: mehrere Slices (Scheiben), jeweils mit einem Leistungswandlungsmodul, das einen AC/DC/AC-Wandler aufweist; eine Netzsteuereinheit zum Steuern der mehreren Slices; und ein Rückkopplungs-Aufbereitungssystem, das mit der Netzsteuereinheit gekoppelt ist; mehrere Eingangsschütze und mehrere Ausgangsschütze, über welche jede der mehreren Leistungsverstärkereinheiten zwischen einen Transformator und eine Last zu schalten ist; und eine Master-Steuereinheit, die mit den mehreren Leistungsverstärkereinheiten gekoppelt ist.
Die Master-Steuereinheit kann Redundanz ermöglichen, so dass der Leistungswandler arbeiten kann, wenn wenigstens eine der Leistungsverstärkereinheiten deaktiviert ist. Jede der Leistungsverstärkereinheiten kann eine modulare konfigurierbare Einheit sein, die dafür ausgelegt ist, in einer oder mehreren Betriebsarten zu arbeiten, die aus einer regenerativen Betriebsart, einer teilweise regenerativen Betriebsart und einer nicht-regenerativen Betriebsart ausgewählt sind.
Bei einer Ausführungsform umfasst jedes der mehreren Slices einen Transformator und mehrere Power Cubes (Leistungswürfel), die jeweils ein Leistungswandlungsmodul aufweisen und innerhalb eines isolierenden Gehäuses ausgebildet sind. Die Power Cubes wenigstens einiger der Slices umfassen ein Active-Frontend.
Bei einer Ausführungsform erzeugt die Netzsteuereinheit einer ersten Leistungsverstärkereinheit auf der Basis von Steuersignalen, die unter Verwendung eines Streuinduktivitäts-Modells erzeugt werden, Regenerationssteuereinheits-Befehle, um die regenerative Betriebsart zu aktivieren. Das Streuinduktivitäts-Modell basiert bei einer Ausführungsform auf einem oder mehreren Parametern, die aus dem Transformator des Slice extrahiert wurden.
Bei einer Ausführungsform ist eine Busanordnung dafür ausgebildet, die Slices wenigstens einer der mehreren Leistungsverstärkereinheiten flexibel miteinander zu koppeln. Die Busanordnung kann an einen oberen Abschnitt von mehreren Gehäusen angepasst sein, die jeweils wenigstens eines der mehreren Slices einer der Leistungsverstärkereinheiten aufweisen.
Bei einer Ausführungsform ist eine externe Anwendung dafür ausgelegt zu bewirken, dass die entsprechenden Leistungsverstärkereinheiten Leistung in die Last einspeisen oder Leistung aus der Last extrahieren, in einer Betriebsart des offenen oder des geschlossenen Regelkreises.
Bei einer Konfiguration sind in einer ersten Leistungsverstärkereinheit die Slices eines ersten Abschnitts der Slices in Reihe geschaltet und die Slices eines zweiten Abschnitts der Slices in Reihe geschaltet, wobei der erste und der zweite Abschnitt parallelgeschaltet sind und die Anzahl der mehreren Slices feldkonfigurierbar ist. Jede der Leistungsverstärkereinheiten kann ferner mehrere Slice-Steuereinheiten umfassen, die jeweils einem der mehreren Slices zugeordnet sind, und die mehreren Slice-Steuereinheiten sind dafür ausgelegt, Vektorbefehle von der Netzsteuereinheit in Steuersignale für das entsprechende Slice zu übersetzen. Jede der Leistungsverstärkereinheiten umfasst ferner wenigstens ein Kühlsystem, um für Kühlung für die mehreren Slices zu sorgen, welches ein flüssiges Kühlmittel verwenden kann.
Bei einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren: Erzeugen mehrerer Steuersignale für jedes von mehreren Slices eines Leistungswandlers in einer regenerativen Betriebsart unter Verwendung eines äquivalenten Streuinduktivitätswertes eines Mehrwicklungstransformators pro Phase; und Durchführen einer elektronischen Verschachtelung von Trägersignalen der mehreren Slices auf der Basis der mehreren Steuersignale und eines Phasenverschiebungswertes, wobei der Phasenverschiebungswert auf der Basis einer Anzahl der mehreren zu verschachtelnden Slices bestimmt wird.
Bei einer Ausführungsform wird der äquivalente Streuinduktivitätswert auf der Basis eines oder mehrerer Parameter des Mehrwicklungstransformators bestimmt.
Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner: Bestimmen eines ersten Stroms, der von einem ersten Satz der mehreren Slices abgegeben wird, und eines zweiten Stroms, der von einem zweiten Satz der mehreren Slices abgegeben wird; und Steuern einer ersten Induktivität, die mit einem Ausgang des ersten Satzes der mehreren Slices gekoppelt ist, und einer zweiten Induktivität, die mit einem Ausgang des zweiten Satzes der mehreren Slices gekoppelt ist, auf der Basis des ersten Stroms und des zweiten Stroms.
Bei einer anderen Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung: eine Regenerationssteuereinheit für einen Leistungswandler, der mehrere modulare Leistungseinheiten aufweist, die jeweils ein oder mehrere Slices umfassen, die jeweils einen Transformator und mehrere Power Cubes aufweisen, wobei die Regenerationssteuereinheit dafür ausgelegt ist, eine Rückspeisung von Leistung zu einem Versorgungsanschluss zu ermöglichen, der mit dem Leistungswandler gekoppelt ist.
Die Regenerationssteuereinheit kann aufweisen: eine Transformatormodell-Logik zum Erzeugen eines Streuinduktivitätswertes für den Transformator auf der Basis eines oder mehrerer Parameter, die aus dem Transformator extrahiert wurden; eine DC-Steuereinheit zum Erzeugen eines DC-Steuersignals auf der Basis einer Gleichspannung eines DC-Busses eines der mehreren Power Cubes; eine erste Transformationslogik zum Empfangen einer Spannung einer Primärseite des Transformators und zum Erzeugen eines ersten Phasenwertes und mehrerer gemessener Spannungssignale; und eine zweite Transformationslogik zum Empfangen eines Stroms einer Sekundärseite des Transformators und zum Erzeugen mehrerer gemessener Stromsignale.
Bei einer Ausführungsform weist die Regenerationssteuereinheit ferner auf: einen ersten Kombinierer zum Empfangen des DC-Steuersignals und eines ersten gemessenen Stromsignals und zum Ausgeben eines ersten Summensignals; einen ersten Proportional-Integral-(PI-)Regler zum Empfangen des ersten Summensignals und des Streuinduktivitätswertes und zum Ausgeben eines ersten PI-Signals; und einen zweiten Kombinierer zum Kombinieren des ersten PI-Signals, eines Kreuzkopplungs-Korrekturwertes und eines ersten gemessenen Spannungssignals zum Erzeugen eines ersten Referenzspannungssignals.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A und 1B sind Konfigurationsdiagramme eines Multimegawatt-Leistungsverstärkersystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2A und 2B sind Schemata von Leistungswandlungs-Slices einer Leistungsverstärkereinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein Schema eines Slice gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist ein Schema eines Cubes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt eine verteilte und modulare Steuerungsplattform gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 ist ein Blockschaltbild einer Regenerationssteuereinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 ist ein Blockschaltbild einer Verschachtelungs-Slice-Steuereinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine graphische Darstellung der Regenerationsträger-Erzeugung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine Darstellung einer Leistungsverstärker-Busanordnung gemäß einer Ausführungsform.
10 ist ein Blockschaltbild eines Slice eines Leistungsverstärkersystems, welches eine regenerative Multiwandler-Vektor-Steuerung gewährleistet, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ein Konfigurationsdiagramm eines Multimegawatt-Leistungsverstärkersystems gemäß einer Ausführungsform ist in 1A dargestellt. Das System besteht aus vier 3,75 MVA, 4,16 kV Leistungsverstärkereinheiten (Power Amplifier Units, PAUs) 20 _a–20 _d, deren technische Daten für eine Ausführungsform in Tabelle I aufgelistet sind. Bei einer Anwendung sind vier PAUs 20 dafür konfiguriert, als ein einzelnes Umwandlungssystem zu reagieren, das in der Lage ist, eine Leistung von 15 MVA, 60 Hz bidirektional zwischen einem Versorgungsnetz und einem Lastnetz über 24/4,16 kV Abspanntransformatoren (nicht dargestellt) zu verarbeiten.
Active-Frontend-(AFE-)Dreiphasengleichrichter verarbeiten diese Leistung über eine isolierte DC-Bus-Architektur. Jeder AFE-Eingang ist mit einem sekundären Stern-Dreieck-Mehrwicklungstransformator verbunden. Die Leistung von den DC-Bussen wird über kaskadierte IGBT-Inverterstufen verarbeitet und dem Ausgangsnetz zugeführt. Bei einer Ausführungsform kann diese Leistungszuführung unter Verwendung von 4,16/24 kV Aufspanntransformatoren bewirkt werden. Auf dieselbe Weise kann das System Leistung vom Lastnetz ins Versorgungsnetz rückspeisen.

Für Anwendungen, bei denen keine volle Regenerationsfähigkeit erforderlich ist, können PAUs mit passiven Gleichrichterstufen und partiellen regenerativen Frontend-Stufen ausgeführt werden. TABELLE I. Beispiel für Spezifikationsparameter einer PAU

Parameter	Wert
Leistung	3,75 MVA
Eingangsfrequenz	60 Hz
Primärspannung	4,16 kV
Sekundärspannung	620 V
Maximaler Ausgang	740 V
Nennspannung DC-Bus	1100 V
AFE Schaltung	2,0–6,0
Inverter-Schaltfrequenz	6000 Hz
Maximaler Ausgang	300 A
Leistungselektronik	Flüssigkeit/H₂
Anzahl der SLICES	je 8

Wie in 1A dargestellt, sieht das System 10 mehrere Leistungsverstärkereinheiten 20a–20d vor, die zwischen einen Netztransformator an einem Versorgungsnetz-Eingangsanschluss (zur Vereinfachung der Darstellung in 1A nicht dargestellt) und einen Lasttransformator (ebenfalls zur Vereinfachung der Darstellung in 1A nicht dargestellt) geschaltet sind. Außerdem versteht es sich, dass, obwohl die Ausführungsform von 1A eine Versuchsanlage zeigt, bei welcher das System mit einem simulierten Netz (Last) gekoppelt ist, diese simulierte oder experimentelle Last auch durch eine beliebige von verschiedenartigen Lasten bei anderen Ausführungsformen ersetzt werden kann, wie etwa Synchron-, Induktions- oder Permanentmagnet-Maschinen oder -Maschinenantriebe oder andere industrielle Lasten, wie etwa Windenergieanlagen, Photovoltaikanlagen und so weiter.
Wie in 1A weiterhin dargestellt ist, kann jede der PAUs 20 schaltbar zwischen ein eingangsseitiges Netz und ein ausgangsseitiges Netz über jeweilige Eingangsverbindungsbusse 15a–15d und Ausgangsverbindungsbusse 40a–40d gekoppelt sein. Bei einer Ausführungsform können diese Verbindungsbusse über einen oder mehrere Schütze implementiert sein. Weiterhin auf 1A Bezug nehmend, ist anzumerken, dass jede PAU 20 eine Multi-Slice-Leistungseinheit 25 (welche bei einer Ausführungsform als eine 8-Slice-Leistungseinheit ausgebildet sein kann), eine Netzsteuereinheit 30 und eine Rückkopplungseinheit 35 aufweist. Es ist anzumerken, dass die Rückkopplungseinheit 35, welche ein Rückkopplungs-Aufbereitungssystem sein kann, Rückinformationen von verschiedenen Punkten innerhalb der PAU empfangen kann, einschließlich von Eingang und Ausgang der Leistungseinheit 25, sowie direkt mit der Netzsteuereinheit 30 gekoppelt ist, welche wiederum den Betrieb der Leistungseinheit 25 steuern kann. Ferner ist anzumerken, dass eingangsseitige und ausgangsseitige Mittel zur elektrischen Isolation wie etwa Vakuumschütze vorhanden sind, wie in PAU 20 dargestellt. Bei einer Ausführungsform können diese Eingangs-/Ausgangsmittel unter Verwendung anderer Typen von Schutzvorrichtungen ausgebildet sein, die jedoch nicht auf Leistungsschalter begrenzt sind. Außerdem ist anzumerken, dass Eingangs-/Ausgangs-Überspannungsschutzschaltungen innerhalb der PAUs vorhanden sind.
Wie außerdem dargestellt ist, kann jede der PAUs 20 mit einer Master-Steuereinheit 50 gekoppelt sein, die eine Systemsteuereinheit 55 und eine Benutzerschnittstelle 58 aufweist, um einem Benutzer zu ermöglichen, mit dem System zu interagieren. Wie ersichtlich, ist die Master-Steuereinheit 50 wiederum mit den Rückkopplungseinheiten 35 der einzelnen PAUs gekoppelt. Bei einer Ausführungsform kann die PAU 20 als elektronischer Megawatt-Leistungsbaustein fungieren, um große Leistungswandlungssysteme zu konfigurieren, wenn die Steuerung durch eine Master-Steuereinheit 50 erfolgt.
Der Begriff ”Leistungsverstärker” wird verwendet, um die Fähigkeit dieser Topologie hervorzuheben, Ausgangsleistung in inkrementellen Schritten zu synthetisieren, um Multi-Megawatt-Leistungsniveaus zu synthetisieren. Jede Leistungsverstärkereinheit 20 ist dafür ausgelegt, unabhängig oder untergeordnet in anderen, größeren Konfigurationen zu arbeiten, wie in der vorliegenden Anwendung beschrieben. Dieser Prozess erfordert die Integration verschiedener weiterer Leistungswandlungsmodule, herkömmlicher Pulsweitenmodulation (PWM) und von Steuerungsschemata. Auf der Basis dieses Implementierungsansatzes sind PAUs in der Lage, Ausgänge zu erzeugen, die gewünschten Anforderungen an die Leistungsqualität genügen, wie verbesserter Klirrfaktor und Leistungsfaktor und verbessertes Übergangsverhalten, sowie Verfügbarkeit bei diesen Leistungsniveaus.
Das in 1A dargestellte System kann das Lastnetz in einer Betriebsart entweder des offenen oder des geschlossenen Regelkreises steuern. Während einer Steuerung im offenen Regelkreis speist das PAU-System Leistung in das Lastnetz ein oder extrahiert Leistung aus ihm, wobei es Befehlen folgt, die von der in jeder PAU angeordneten Netzsteuereinheit 30 stammen. Bei einer Steuerung im geschlossenen Regelkreis kann das PAU-System Steuerbefehle direkt von einer externen Steuereinheit empfangen, die von einer hochentwickelten Computerarchitektur ausgeführt wird, um Echtzeitreaktionen eines simulierten elektrischen Leistungsnetzes zu emulieren, um eine Hardware in einem Schleifenprozess (nicht dargestellt) zu steuern, oder von einer Steuereinheit für auf Vektorsteuerung basierende Schemata, die bei dieser Anwendung in eine Master-Steuereinheit 50 integriert ist. Bei einem simulierten Netzoptions-Typ einer Last emuliert die PAU dann die Echtzeit-Systemreaktionen für ein zu prüfendes Objekt, das mit einem modellierten Leistungsnetz interagiert. Jede Betriebsart (geschlossener oder offener Regelkreis) kann eine V/Hz-Steuerung für jede kaskadierte IGBT-Inverterstufe der PAU implementieren. Bei anderen Anwendungen, wie etwa der Steuerung einer physikalischen Versorgungsnetz-Last oder einer AC-Maschinen-Antriebslast, kann der PAU-Systemausgang in einem geschlossenen Regelkreis unter Verwendung von Vektorsteuerungs-Schemata gesteuert werden, um Leistung der Last zuzuführen oder aus ihr zu extrahieren. Das regenerative Steuerungsschema 20 _a–20 _d bleibt wie in dieser Anmeldung beschrieben. Es ist anzumerken, dass bei anderen Ausführungsformen Steuerbefehle für eine manuelle Steuerungsbetriebsart direkt von einem Benutzer eingegeben werden können, oder automatisch unter einer Steuerungsanwendung der oben erwähnten Art, wie etwa von einer gegebenen physikalischen Last, mit welcher das System gekoppelt ist.
Der grundlegende Baustein dieses modularen Systems ist die PAU. Diese an das Netz anschließbaren Leistungswandlungsprodukte verwenden gemeinsam dieselben Bausteine und sind feldkonfigurierbar, um die Leistung zu skalieren. Es wird nun auf 1B Bezug genommen; sie zeigt ein Blockschaltbild weiterer Einzelheiten eines Systems gemäß einer Ausführungsform. 1B zeigt schematisch das System 10 von 1A. Jedoch sind hier, bei dem dargestellten Detail der Implementierung, mehrere parallele Sätze von in Reihe geschalteten Slices oder Zweigen in jeder der PAUs vorhanden. Bei der in 1B dargestellten Ausführungsform wird angenommen, dass jede PAU 8 Slices 28 ₁–28 ₈ aufweist. Diese Slices können in 2 parallele Sätze von 4 in Reihe geschalteten Slices (28 ₁–28 ₄ und 28 ₅–28 ₈) segmentiert sein, um Redundanz zu gewährleisten, sowohl innerhalb einer PAU als auch als ein System, in welchem eine oder mehrere der PAUs so angesteuert werden können, dass sie selektiv deaktiviert werden.
Ferner ist in 1B dargestellt, dass ankommende Versorgungsnetzleistung durch entsprechende Eingangstransformatoren 29 mehreren PAUs zugeführt wird. Es versteht sich, dass, auch wenn die Transformatoren hier mit diesem speziellen Verbindungsschema dargestellt sind, bei anderen Ausführungsformen ein unabhängiger Transformator auf der Eingangsseite jeder PAU vorgesehen sein kann. Ferner versteht es sich, dass auch mehr als 2 PAUs mit einem einzigen Eingangstransformator gekoppelt sein können.
In jeder PAU kann eine Eingangsinduktivität X1 vorgesehen sein. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann diese Eingangsinduktivität X1 eine gewollte Induktivität mit einem sehr kleinen Wert in der Größenordnung von ungefähr 0,005 bis 0,020 Millihenry sein. Die Induktivität X1 kann Fähigkeiten für eine Implementierung einer anwendungsspezifischen aktiven Steuerung der Eingangsstromaufteilung auf PAUs oder eine weitere Verbesserung des Eingangsklirrfaktors bereitstellen. Die bevorzugte Ausführungsform verwendet keine zusätzliche X1, da die äquivalente Streuinduktivität von dem Mehrwicklungstransformator des extrahierten Slice für solche Zwecke verwendet werden kann, wie unten erläutert wird. Dies ist der Fall, weil jeder der Slices einen Transformator aufweist, welcher den Betrag an Induktivität bereitstellen kann, der für diese Anwendungen gewöhnlich benötigt wird. Auf diese Weise entfällt die Notwendigkeit großer Primärinduktivitäten. Wie 1B außerdem zeigt, ist der Ausgang jeder der in Reihe geschalteten Sätze von Slices mit einer Ausgangsinduktivität X2 gekoppelt. Bei verschiedenen Ausführungsformen können diese Induktivitäten verwendet werden, um ein passives Ausbalancieren des Stromausgangs zwischen den PAUs durch die in Reihe geschalteten Slices zu ermöglichen. Bei anderen Ausführungsformen kann die Induktivität X2 verwendet werden, um eine anwendungsspezifische aktive Steuerung der Ausgangsstromaufteilung zu gewährleisten. Somit können auf der Basis des Stroms, der von jedem der Slice-Sätze ausgegeben wird, die Werte einzelner Induktivitäten X2 variabel gesteuert werden, um die Stromausgänge im Wesentlichen gleich zu halten. Bei einigen Ausführungsformen können die Ausgangsinduktivitäten X2 in der Größenordnung von ungefähr 0,005 bis 0,020 Millihenry liegen. Ferner können, während die Induktivitäten bei einigen Ausführungsformen im Wesentlichen gleich sein können, die Induktivitäten bei anderen Ausführungsformen so gesteuert werden, dass sie variable Werte haben. Dies gilt insbesondere in Situationen, in denen eine oder mehrere der PAUs deaktiviert werden sollen. Es versteht sich, dass der gewollte äquivalente Blindwiderstand der Induktivitäten X1 und X2 innerhalb jedes Slice und/oder jedes Power Cube innerhalb einer bestimmten PAU verteilt werden kann und nicht nur auf äußere PAU-Orte beschränkt ist.
Es ist anzumerken, dass mit mehreren in Reihe geschalteten Slice-Ausgängen für jeden von mehreren parallelen Zweigen innerhalb einer PAU Redundanz gewährleistet ist. Zum Beispiel kann für jeden der Zweige, die in 1B dargestellt sind (z. B. die Zweige, die von den Slices 28 ₁–28 ₄ und 28 ₅–28 ₈ gebildet werden), sogar dann 100% Leistung realisiert werden, wenn eines der Slice z. B. infolge eines Ausfalls deaktiviert ist, da das vierte Slice jedes Zweiges ein Maß an Redundanz bereitstellt. Natürlich können zusätzliche in Reihe geschaltete Slices vorhanden sein, und in verschiedenen Ausführungsformen können größere oder kleinere Mengen an Redundanz realisiert werden.
In 2A ist ein repräsentatives Verbindungsschema einer 3,75 MVA, 4,16 kV PAU dargestellt. Wie in 2A dargestellt, weist eine PAU 100 zwischen einer Eingangsseite und einer Lastseite mehrere parallelgeschaltete Slices auf. Genauer, bei der in 2A dargestellten Dreiphasen-Implementierung sind drei Phaseneingangsleitungen und drei Phasenausgangsleitungen vorhanden (nämlich Eingangsleitungen V_u–V_w und Ausgangsleitungen V_a–V_c). Außerdem wird jedes Slice von einem entsprechenden Transformator 110 _a–110 _h gebildet, mit welchem drei Phasen von Leistungswandlungsmodulen 115 _a1–115 _a3–115 _h1–115 _h3 gekoppelt sind.
Wie aus 2A ersichtlich, besteht eine PAU aus acht Slices, welche kleinere Leistungswandlungsmodule sind (und welche selbst von mehreren Leistungswandlungsmodulen (die hier als Cubes bezeichnet werden) gebildet werden), und einem Netzgehäuse (Mains Cabinet) (nicht dargestellt), wo die Systemsteuerungs-, Erfassungs- und Schutzfunktionen resident sind. Slice- und Netzkonzepte werden später vorgestellt. In die PAU sind außerdem Eingangs- und Ausgangsschütze (nicht dargestellt) für Leistungsverbindungen integriert. Die Schütze verleihen dieser modularen Konfiguration Stabilität. Diese Komponenten erleichtern Wartung und Prüfung und ermöglichen einen flexiblen Leistungsfluss durch die PAUs. Die Schütze ermöglichen die Addition oder Subtraktion mehrerer MW Leistung zu dem bzw. von dem Netz. Daher können PAUs in Konfigurationen mit großer Leistung als redundante bidirektionale Leistungswandler betrieben werden. PAUs besitzen unabhängige Diagnostik, haben jedoch die Fähigkeit, einem einzigen Befehl der Systemsteuerung zu folgen.
Das Netzgehäuse kann die Systemsteuerung und die Eingangs- und Ausgangsschütze enthalten. Eine PAU weist typischerweise ein Netzgehäuse und wenigstens eine Slice-Anordnung auf. Bei einer Ausführungsform ist die Kommunikation über Lichtwellenleiter implementiert, und Protokolle verknüpfen Datenpriorität mit Zeitablauf. Es ist anzumerken, dass das Netzgehäuse eine Teilsystem- oder Systemsteuerung gewährleisten kann. Bei einer Ausführungsform wird Steuerleistung über das Netzgehäuse zugeführt und wird auf die einzelnen Slices mit 480/230 V verteilt.
Es wird nun auf 2B Bezug genommen; sie zeigt eine Darstellung einer Implementierung einer Leistungsverstärkereinheit gemäß einer Ausführungsform. Bei der in 2B dargestellten Ausführungsform wird die Modularität einer PAU veranschaulicht. Wie ersichtlich, können die Slices 28 der PAU jeweils innerhalb eines entsprechenden separaten modularen Gehäuses 70 untergebracht sein, welches die Komponenten des Slice enthält (nämlich einen Transformator und mehrere Leistungswandlungseinheiten, die z. B. jeweils als ein Würfel implementiert sind, der innerhalb einer entsprechenden Isolationseinheit des Gehäuses adaptiert ist). Eine Kopplung zwischen den verschiedenen Slices der PAU (sowohl den in Reihe geschalteten Slices als auch den Parallelschaltungen von Zweigen, die in Reihe geschaltete Slices enthalten) kann über einen Bus erfolgen, der auf einem Abschnitt des Gehäuses angeordnet ist. Wie in 2B ferner dargestellt ist, kann ein separates Gehäuse 75 als eine Netzsteuereinheit für die mehreren Slices vorgesehen sein.
Im Allgemeinen ist ein erster Satz von Bussen 80 für jeden der in Reihe geschalteten Sätze von Slices vorgesehen, um die Steuerungssignalisierung zu gewährleisten. Bei einer Ausführungsform können diese Busse mit 480 V betrieben werden. Zusätzlich kann eine Signalisierung mittels Lichtwellenleiter, welche Abtastung, Diagnose und andere Informationen betrifft, ebenfalls über den Bus erfolgen. Andererseits ist ein Eingangsbus 85 zu allen Slices vorgesehen, z. B. von einem Eingangstransformator aus. Obwohl ein einziger Bus dargestellt ist, der sämtliche Slices in Parallelschaltung miteinander verbindet, können bei anderen Ausführungsformen einzelne Slices oder kleinere Sätze von Slices mit unterschiedlichen Eingangstransformatoren gekoppelt sein. Schließlich stellt ein Satz von Ausgangsbussen 90 den Ausgang von den 2 Sätzen von in Reihe geschalteten Slices bereit.
Ein Schema eines Slice ist in 3 dargestellt. Die bei einer Ausführungsform verwendete konstruktive Ausführung des Slices ist ein 550 kVA Leistungsabschnitt, der als PAU in einem Megawattmaßstab konfiguriert wurde. Die Slices sind dafür ausgelegt, vor Ort verbunden zu werden. Wie in 2A dargestellt, können acht Slices als zwei Sätze von –2 MVA Abschnitten parallelgeschaltet werden, um eine 3,75 MVA Leistungsverstärkereinheit bei 4160 V zu realisieren. Der Begriff ”Slice” (Scheibe) wird verwendet, um die Einfachheit und die Fähigkeit, Leistung vor Ort zu konfigurieren und zu skalieren, hervorzuheben. Bei einer Ausführungsform beinhaltet ein Slice-Gehäuse 100 einen 4,16 kV/620 V Stern-Dreieck-Mehrwicklungstransformator 110, drei regenerative Power Cubes 115a–115c zur Leistungsverarbeitung, lokale Steuerung, Abtastung, Schutzfähigkeit und ein Flüssigkeitskühlsystem auf der Basis eines R134A Kühlmittels, das mit einem externen Wärmetauscher (in 3 nicht dargestellt) gekoppelt ist. Leistungstransformatoren sind dafür ausgelegt, eine sichtbare Spannungsisolation bereitzustellen. Die Transformatorisolation ist fest, doch das flexible Design ermöglicht eine leichte Skalierbarkeit auf eine Systemisolation. Transformatoren können entweder abgeschirmt oder nicht abgeschirmt sein. Das Kühlsystem eines Transformators kann auf Luft, Wasser oder einem zweiphasigen Kühlmittel basieren. Das bevorzugte Kühlsystem kann für eine Anwendung eine zweiphasige Kühlung sein.
Ein Schema eines Cubes (Würfels) ist in 4 dargestellt. Cubes sind elementare Leistungswandlungsmodule, die innerhalb jedes Slice angeordnet sind, und basieren auf einer wohlbekannten Zwei-Ebenen-Topologie der regenerativen AC/DC/AC-Wandlung. Wie aus 4 ersichtlich, weist ein Cube 200 einen ersten Satz von IGBTs 210 auf, welcher als ein Active-Frontend (AFE) agieren kann und dazu dient, eine AC/DC-Wandlung durchzuführen. Die IGBTs 210 sind mit einem DC-Bus gekoppelt, der einen Kondensator C1 aufweist, welcher wiederum mit einem zweiten Satz von IGBTs 220 gekoppelt ist, der einen H-Brückeninverter bildet. Weitere Einzelheiten betreffs eines Power Cubes (auch als ”Leistungszelle” (Power Cell) bezeichnet) sind in der US-Patentschrift Nr. 8,279,640 zu finden, deren Offenbarung hiermit durch Querverweis einbezogen wird.
Somit weist, wie aus 4 ersichtlich, ein Cube ein AFE, einen DC-Bus und einen Inverter auf, wobei das AFE und der Inverter unter Verwendung von IGBTs implementiert sind, und der DC-Bus mit einem Kondensator, wie dargestellt. In dem zuvor beschriebenen Slice ist jeder Cube vollständig regenerativ und verwendet fünf flüssigkeitsgekühlte IGBT-Dualmodule, die als ein dreiphasiges AFE und ein einphasiger H-Brückeninverter angeordnet sind. Cubes können mit hoher dielektrischer Isolation entworfen und hergestellt sein. Ein Bemessungswert der dielektrischen Isolation von 15 kV wird bei einer Ausführungsform durch eine ”Blase” (Bubble) gewährleistet. Die Blasen-Ausführung ist ein mehrschichtiges Isolationssystem, welches jeden Power Cube umgibt. Schließlich weist jeder Cube Lichtwellenleiter-Kommunikation mit lokaler Steuerungs-, Überwachungs- und Schutzfunktionalität auf.
Redundanz ist eine charakteristische Eigenschaft für einen modularen Konstruktionsansatz. Das in 1A dargestellte System kann als ein redundantes System fungieren, indem es die Fähigkeit aufweist, jedes Leistungsverstärkermodul als eine redundante Komponente zu verwenden. Es fließt auch dann weiterhin Leistung, wenn ein, zwei oder drei PAUs nicht angeschlossen sind. Die Sicherheit wird verbessert, indem unabhängige Diagnose und Schutz an jedem Leistungswandlungsmodul auf der PAU-, Slice- und Cube-Ebene vorgesehen werden.
Innerhalb jedes Leistungswandlungsabschnitts sind verteilte und modulare Steuerungsplattformen vorgesehen. 5 zeigte die verteilte und modulare Steuerungsplattform, die bei einer bevorzugten Ausführungsform verwendet wird. Wie aus 5 ersichtlich, weist eine Plattform 300 eine Steuereinheits-Schnittstelle 310 auf, welche Befehls-Referenzinformationen zu einer Master-Steuereinheit 320 übermittelt und Zustands- und Synchronisationsinformationen von der Master-Steuereinheit empfängt.
Es wird nach wie vor auf 5 Bezug genommen; die Master-Steuereinheit kommuniziert wiederum mit mehreren PAUs 330 ₁–330 ₄. Obwohl zur Vereinfachung der Darstellung nur vier PAUs dargestellt sind, versteht es sich, dass bei einer gegebenen Implementierung mehr als vier solche PAUs vorhanden sein können. Wie ersichtlich, weist jede PAU eine Netzsteuereinheit 332 und mehrere Slice-Steuereinheiten 334 auf. Natürlich versteht es sich, dass jede PAU mehrere Slices umfassen kann, wie oben erläutert wurde. Dieser Steuerungsansatz des Designs ist in jeder Cube-, Slice- und Netz-Einheit realisiert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann die Steuereinheit des Gesamtsystems im Netz-Gehäuse implementiert sein. Jedes Slice enthält lokale Steuerung zum Koppeln und Verwalten von auf Lichtwellenleitern basierenden Signalen vom Netz zu jedem Slice und innerhalb des Slice zu jedem Power Cube. Die Slice-Steuerung übersetzt auch Vektorbefehlssignale von der Netzsteuerung in geeignete IGBT-Befehle für jeden Cube und verwaltet Signalüberwachung, Schutz und Cube-Zustandsinformationen an die Netzsteuerung.
Die Netzsteuereinheit besteht aus einer Verarbeitungseinheit und einer Hochspannungsrückkopplungs-(High Voltage Feedback, HVF-)Schnittstelle. Die HVF-Schnittstelle sammelt Informationen von Spannungs- und Stromsensoren des Leistungsverstärkers und stellt eine Lichtwellenleiter-Schnittstelle für den Systemsteuerungs-Abschnitt bereit. Die Systemsteuerung führt Vektorsteuerungs-Berechnungen auf der Basis von Informationen aus, die von jedem Slice und der HVF-Schnittstelle empfangen wurden. Ein Benutzerverbindungsabschnitt stellt eine PLC-Endgerät-Schnittstelle, lokale Tastenfeld/Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI), PC und Netzwerkverbindungen bereit.
Wie oben erläutert, kann ein System von Leistungsverstärkereinheiten so gesteuert werden, dass es einen regenerativen Betrieb in Betriebsarten sowohl des offenen als auch des geschlossenen Regelkreises ermöglicht. Es wird nun auf 6 Bezug genommen; sie zeigt ein Blockschaltbild einer Regenerationssteuereinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 6 dargestellt, kann die Regenerationssteuereinheit 300 mit unterschiedlicher Hardware eines Systems implementiert sein, wie etwa mit einem oder mehreren Prozessoren, Steuereinheiten oder anderer Logik, welche gemessene Eingänge und andere Diagnoseinformationen empfangen, um Steuersignale für ein entsprechendes Leistungswandlungsmodul zu erzeugen. Bei einer Ausführungsform kann ein globaler oder System-Regenerationsbetrieb gewährleistet werden, indem eine Regenerationssteuereinheit für jeden AFE-Cube in jedem Slice eines Systems implementiert wird. Um eine Cube-Regeneration zu ermöglichen, können Ausführungsformen eine Steuerung einer DC-Busspannung des Cubes ermöglichen, indem sie eine unabhängige Steuerung der aktiven und reaktiven Eingangs-Cube-Stromkomponenten ermöglichen, um einen Steuerungssatz von aktiven und reaktiven Spannungskomponenten zu erzeugen, um einen Dreiphasen-Referenzspannungssatz Van*, Vbn*, Vcn* aus einer Messung auf der Primärseite des Slice-Transformators zu erzeugen. Dieser Dreiphasen-Referenzspannungssatz wird verwendet, um jedem IGBT des AFE-Cubes PWM-Gatesignale zuzuführen. Außerdem wird die Streuinduktivität des Mehrwicklungstransformators aus einem äquivalenten Modellblock 310 extrahiert. Aus Leistungstransformator-Parametern 312 wird in einer Logik 314 ein Transformatormodell erzeugt, und aus diesem Modell wird eine sekundäre äquivalente Streuinduktivität L0 pro Phase synthetisiert und in einem Speicher 316 gespeichert. In einem Beispiel kann dieser Wert L0 in der Größenordnung von ungefähr 200 bis 400 Mikrohenry liegen. Danach wird L0 verwendet, um jeden Proportional-Integral-Regler und Kreuzkopplungsblöcke in der Steuereinheit 300 zu beeinflussen, um die korrekten dynamischen Ausgänge zur aktiven Regelung des DC-Busses jedes Cubes zu erzeugen.
Wie in 6 dargestellt, beinhaltet die Regenerationssteuereinheit 300 ein Leistungstransformatormodell 310. Im Allgemeinen kann das Leistungstransformatormodell 310 verschiedene Parametereingänge von einem entsprechenden Transformator empfangen, welcher bei einer Ausführungsform der Slice-Eingangstransformator eines entsprechenden Slice ist. Zu den Parametern, welche aus dem Leistungstransformator extrahiert werden können, gehören zum Beispiel das wirksame Windungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärwicklungen, die äquivalente sekundäre Streuinduktivität zwischen der Primär- und jeder Sekundärwicklung, die Summe aller Sekundärwicklungsströme, bezogen auf die Primärseite, Spannungsverstärkungen zwischen verschiedenen Paaren von Wicklungen, wenn andere Wicklungen kurzgeschlossen sind, und Selbstinduktivität pro Phase, bezogen auf die Primärseite. Diese Informationen können bereitgestellt werden, um ein Modell des Transformators zu erzeugen, das einer modellierten Induktivität L0 entspricht, welche in einem Speicher 316 gespeichert werden kann. Wie weiter unten erläutert wird, kann diese modellierte Induktivität, welche einer äquivalenten Streuinduktivität pro Phase des Transformators, von den Sekundärwicklungen des Transformators aus gesehen, entspricht, beim Bereitstellen einer Regenerationssteuerung verwendet werden. Es ist anzumerken, dass L0 ein konfigurierter Wert sein kann, welcher bei der Konstruktion festgelegt wird (im Ergebnis einer Modellierung des Transformators), oder ein variabler Wert, der auf tatsächlichen Betriebsparametern des Transformators basiert. Mit dieser äquivalenten Induktivität kann auf eine gewollte Eingangsinduktivität verzichtet werden, oder diese kann wenigstens reduziert werden. Zum Beispiel ermöglicht L0 eine Regenerationssteuerung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ohne die Hinzufügung einer zusätzlichen physikalischen Induktivität zwischen Cube und Sekundärwicklungen des Transformators, wodurch X1 entfällt oder minimiert wird, wie in Verbindung mit 1B erläutert wurde.
Es wird weiterhin auf 6 Bezug genommen; es ist eine DC-Steuereinheit 320 vorhanden. Im Allgemeinen erzeugt die DC-Steuereinheit 320 ein Steuersignal auf der Basis einer gemessenen Spannung, die einer Gleichspannung in einem Cube eines gegebenen Slice entspricht. Zum Beispiel kann die DC-Busspannung Vdc eines gegebenen Cubes gemessen und zusammen mit einem Spannungs-Befehlssignal Vdc* einem Kombinierer 322 zugeführt werden. Der Kombinierer 322 wiederum erzeugt einen Ausgang, der einem Proportional-Integral-(PI-)Regler 324 zugeführt wird, welcher ein Steuersignal Iq* erzeugt, das einem Kombinierer 350 zugeführt wird.
Es können zusätzliche Systemparameter gemessen werden, darunter Spannungssignale von der Primärseite des Transformators. Somit werden, wie ersichtlich, ankommende Spannungssignale V_R–V_T von dem Slice-Transformator einer ersten Transformationseinheit 330 zugeführt, welche die dreiphasigen stationären Signale in einen zweiphasigen orthogonalen stationären Referenzrahmen mit Komponenten qs und ds transformiert, um entsprechende Spannungssignale Vqs und Vds auszugeben. Diese Signale werden wiederum einer weiteren Verarbeitungseinheit 332 zugeführt, welche diese Signale verarbeitet, um den elektrischen Phasenwinkel Θe der rotierenden primären Versorgungsspannung zu bestimmen. Es ist anzumerken, dass 30 Grad zu Θe addiert werden, um der Wicklung der sekundären Dreieckverbindung Rechnung zu tragen. Bei einer Ausführungsform kann die Transformationseinheit 332 unter Verwendung einer tan^–1-Funktion implementiert sein. Es versteht sich jedoch, dass der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt ist und bei einer anderen Ausführungsform die Transformationseinheit 332 als ein Phasenregelkreis implementiert sein kann.
Die zweiphasigen Spannungssignale Vqs und Vds werden ferner noch einer weiteren Transformationseinheit 334 zugeführt, welche das Signal in einen anderen Referenzrahmen transformiert, nämlich in einen synchronen Referenzrahmen, um gemessene Spannungssignale Vqe-m und Vde-m zu erzeugen.
Es ist anzumerken, dass ähnliche Transformationen ankommender gemessener Stromsignale von der Sekundärseite des Transformators in Transformationseinheiten 340 und 342 weiterverarbeitet werden können, um gemessene Stromsteuersignale Iqe-m und Ide-m zu erzeugen.
Es wird noch immer auf 6 Bezug genommen; der Kombinierer 350 empfängt das Steuersignal Iq* von der DC-Steuereinheit 320 und das gemessene Stromsteuersignal Iqe-m und führt einen Ausgang einem PI-Regler 352 zu, welcher ferner den äquivalenten Induktivitätswert L0 empfängt, der im Speicher 316 gespeichert ist, und einen Steuerungswert ΔVqe gemäß Kp(L0) + K(L0)/s berechnet. Diese Steuerspannung wird einem weiteren Kombinierer 355 zugeführt, welcher den Steuerungswert, das gemessene Spannungssignal Vqe-m und einen Ausgang einer Funktion 358, welche einen Kreuzkopplungswert in Abhängigkeit von dem äquivalenten Induktivitätswert erzeugt, alle kombiniert. Der Kombinierer 358 erzeugt somit eine Ausgangsspannung Vqe-ref, welche einer weiteren Transformationseinheit 370 zugeführt wird. Wie in 6 ebenfalls dargestellt ist, ist ein paralleler Verarbeitungsweg in Bezug auf einen Kombinierer 360, einen PI-Regler 362, einen Kombinierer 365 und eine Funktion 368 vorhanden, um eine Ausgangsspannung Vde-ref zu erzeugen, die ebenfalls der Transformationseinheit 370 zugeführt wird, welche die Phasenwerte des synchronen Referenzrahmens verwendet und ihrerseits dreiphasige Steuerungswerte Van*–Vcn* erzeugt. Selbstverständlich sind, auch wenn die Ausführungsform von 6 mit dieser speziellen Implementierung dargestellt ist, auch andere Varianten möglich.
Es wird nun auf 7 Bezug genommen; sie zeigt ein Blockschaltbild einer Verschachtelungs-Slice-Steuereinheit zum Bereitstellen einer Klirrfaktor-Steuerung von Regenerationssignalen für Strom auf der Primärseite des Slice-Transformators. Wie ersichtlich, weist eine Verschachtelungs-Steuereinheit 400 mehrere PWM-Logikschaltungen 410 ₁–410 _n auf. Wie ersichtlich, empfängt die Steuereinheit 400 Steuerspannungen für jedes Slice Van*–Vcn* (z. B. von der Regenerationssteuereinheit 300), zusammen mit einem Wert Φ, der einem Verschiebungswinkel des Slice-Trägers entspricht. Eine Raumvektor-PWM-Logikschaltung 410 für das entsprechende Slice erzeugt wiederum Steuersignale Va1*–Vc1*. Es ist anzumerken, dass der Phasenwert Φ auf der Basis der Anzahl verschachtelter Slices auf der Eingangsseite erzeugt werden kann. Zum Beispiel ist, bei N gleich 4 Slices, Φ gleich 90°, gemäß der folgenden Gleichung: Φn = 360/N, wobei N gleich der Anzahl verschachtelter Slices ist, die mit jeder Eingangsphase (z. B. Phase A, B oder C) einer PAU oder eines PAU-basierten Systems verbunden sind, und Φ entspricht der elektronischen Phasenverschiebung zwischen Wellenformsignalen zweier benachbarter Träger. Es ist anzumerken, dass die Träger pro Cube auf derselben Phase (z. B. Phase A) auf jedem Slice oder jeder Gruppe von Slices zugeführt werden. Theoretisch können alle Cubes, die mit derselben Phase verbunden sind, auf jeder Sekundärseite jedes Transformators verschachtelt werden. Der Klirrfaktor des Stroms des Eingangstransformators sollte sich auf einen sehr kleinen Wert verringern (z. B. weniger als 2% Restwelligkeit). Bei einer anderen Ausführungsform kann in einer PAU mit 8 Slices ein Cube pro Slice verschachtelt werden, wobei die anderen 2 Cubes dasselbe Signal empfangen sollen.
Es wird nun auf 8 Bezug genommen; sie zeigt eine graphische Darstellung der Regenerationsträger-Erzeugung gemäß einer Ausführungsform. Wie ersichtlich, weist jedes von N Slices eine dreieckige Wellenform auf, welche von dem nächsten Slice durch eine Phasenverschiebung von (getrennt ist, welches der Verschachtelungswinkel zwischen den regenerativen Trägern ist. Das Schaltmuster kann unter Verwendung von Träger-basierten Schemata implementiert werden, wie dargestellt, oder mittels einer SVPWM-(Raumzeigermodulations-)Strategie. Die bevorzugte Ausführungsform verwendet ein SVPWM-Verfahren, um das Schaltmuster für jede AFE zu erzeugen. Das Schaltmuster kann unter Verwendung des Winkels Φ verschoben werden. Auf diese Weise wird eine regenerative Spannung Va mit einem im Wesentlichen glatten Sinusmuster bereitgestellt, mit verringertem Klirrfaktor am PAU-Eingang, da der Klirrfaktor des Phasenstroms Ia drastisch verbessert wird. Außerdem kann durch Bereitstellen des dargestellten regenerativen Systems die elektronische Verschachtelung von Slice-Trägersignalen das harmonische Spektrum des Eingangsstroms verbessern, indem sie es zu einem Ort N*fsw verschiebt, wobei fsw die Schaltfrequenz der Halbleiterbauelemente des AFE ist. Für diese Anwendung kann die effektive Wandlerfrequenz über 24 kHz betragen. Mit einem Schema der elektronischen Verschachtelungssteuerung hat ein Eingangsstrom einen minimalen THD-Gehalt (Oberschwingungsgehalt), z. B. weniger als 2 indem die Träger von AFE-Modulen verschachtelt werden (womit eine Sinuswellenform realisiert wird, ohne dass eine zusätzliche physikalische Induktivität erforderlich ist). Der Spannungsklirrfaktor kann ohne die Hinzufügung eines physikalischen Filterns unter 10 liegen. Bei einer Ausführungsform kann das Steuerungsschema durch elektronische Phasenverschiebung der AFE-Träger jedes PAU-Reihen-Cubes pro Phase durchgeführt werden, zum Zwecke der Verbesserung des Oberschwingungsgehalts der Eingangsspannung und der Stromwellenform.
Durch die Durchführung einer elektronischen Verschachtelung kann der Stromklirrfaktor verringert werden, ohne dass ein spezieller Leistungstransformator erforderlich ist (keine Wicklungs-Phasenverschiebung erforderlich), oder komplexe/teure Eingangsfilter, um den Klirrfaktor des Eingangsstroms zu korrigieren. Stattdessen wird die Korrektur des Klirrfaktors mittels Software vorgenommen.
Auf ähnliche Weise wird eine Ausgangsträger-Phasenverschiebung an dem kaskadierten H-Brücken-Multilevel-Inverter durchgeführt. Hier werden nur die in Reihe geschalteten Cubes verschachtelt. Eine physikalische Prüfung für die konstruktive Implementierung des Leistungsverstärkers wurde unter Verwendung eines Motors als Last durchgeführt. Die Versuchsergebnisse wurden an einer Prototyp-Einheit unter Anwendung von Luftkühlung für die Cubes gemessen. Es wurde ein 4160 V, 3000 PS Dynamometer verwendet, um das Ausgangsverhalten eines kaskadierten Multilevel-Inverters für diese Anwendung zu beurteilen. Die Messung des Klirrfaktors des Ausgangsstroms ergab weniger als 2%, und der Klirrfaktor der Ausgangsspannung betrug weniger als 3%. Durch Kombinieren von Slices, welches die Anzahl der Power Cubes pro Phase in Reihe erhöht, ist zu erwarten, dass eine PAU ähnliche oder bessere Werte des Klirrfaktors aufweist.
Es wird nun auf 9 Bezug genommen; sie zeigt eine Darstellung einer Leistungsverstärker-Busanordnung gemäß einer Ausführungsform. Wie in 9 dargestellt, kann eine Leistungsverstärker-Busanordnung auf einem Dach oder einem oberen Abschnitt eines Gehäuses implementiert werden (z. B. auf einer Außenseite des Gehäuses), um einen leichten Zugang zu ermöglichen. Auf diese Weise kann eine vereinfachte Konfigurierbarkeit vor Ort bewirkt werden, da die Notwendigkeit, die Verkabelung innerhalb eines Gehäuses umzugestalten, welches ein oder mehrere Slices umfasst, vermieden werden kann. Diese flexible Dach-Bus-Konstruktion ermöglicht Vorort-Konfigurationen für Eingang, Ausgang, Steuerungsleistung und Kommunikationsbusse. Ferner ist eine Isolation für Hochspannungssysteme (z. B. 13,8 kV) vorgesehen. In dem in 9 dargestellten Beispiel sind vier Abschnitte vorhanden, die jeweils einem Slice einer PAU entsprechen, die von vier Slices und einem Netzgehäuse gebildet wird. Das Netzgehäuse ist durch Hochspannungskabel verbunden, jedoch nicht auf diesen Typ von Verbindung beschränkt. Zum Beispiel kann eine andere Konstruktion beinhalten, das Bussystem zu verlängern, so dass es das Netzgehäuse mit abdeckt. Dies kann einen saubereren Weg darstellen, um die Eingangsleistung der PAU und die Last zu verbinden. In dem in 9 erläuterten Fall sind keine Busse erforderlich, um die Verbindung zum Netz herzustellen. Die Busanordnung ist für eine Leistungsfähigkeit von ungefähr zwei Megawatt ausgelegt, wobei eine PAU zwei Sätze dieser Busse verwendet. Die Position des Bussystems ist nicht auf die Oberseite der PAU begrenzt. Für andere Anwendungstypen kann ein Bussystem so ausgebildet sein, dass es sich über dem Leistungstransformator eines Slice und unter dem Power-Cube-Abschnitt innerhalb eines Slice befindet. In diesem Falle kann ein flexibles steckbares seitliches Verbindungssystem Leistungs- und Steuerungsverbindungen zwischen Slices und Netz ermöglichen. In anderen Fällen können feste Kabelverbindungen verwendet werden.
Es wird nun auf 10 Bezug genommen; sie zeigt ein Blockschaltbild eines Slice eines Leistungsverstärkersystems, welches eine regenerative Multiwandler-Vektor-Steuerung gewährleistet. Wie ersichtlich, wird ankommender Netzstrom (z. B. mit 4160 V) einem Mehrwicklungs-Leistungstransformator zugeführt. Es ist anzumerken, dass bei einer Implementierung dieser Mehrwicklungstransformator nicht phasenverschoben ist und mit einer Primärwicklung in Sternschaltung und Sekundärwicklungen in Dreieckkonfiguration versehen ist. Die Dreieckverbindung kann eventuelle Nullsequenzkomponenten ”einfangen”, die vom oder in das System kommen. Natürlich sind Alternativen möglich. Jede der Sekundärwicklungen führt einem entsprechenden Power Cube Dreiphasenleistung zu.
In der dargestellten Abbildung ist jeder Power Cube zur Regeneration in der Lage, da die Cubes ein Active-Frontend aufweisen, um die Dreiphasenleistung zu empfangen. Der Ausgang des Active-Frontends, welcher von IGBTs gebildet sein kann, ist mit einem DC-Bus gekoppelt, welcher wiederum mit einer H-Brücke gekoppelt ist, die selbst von IGBTs gebildet wird, um so Leistungsausgänge zu erzeugen. Wie ersichtlich, werden, um Rückkopplungsinformationen zur Steuerung intern dem Cube über eine Cube-Steuereinheit (CIBR1) zuzuführen, aus dem Ausgang des Mehrwicklungstransformators Strominformationen (I_abc) gewonnen. Außerdem werden vom DC-Bus Spannungsinformationen gewonnen. Zusätzlich zur Gewährleistung einer inneren Steuerung ist die Cube-Steuereinheit ferner, z. B. über eine Lichtwellenleiterverbindung, mit einer Slice-System-Steuertafel gekoppelt, welche die Steuerung auf der Slice-Ebene handhabt. Diese Slice-System-Steuertafel ist wiederum mit einer Hauptsystem-Steuertafel gekoppelt, welche ihrerseits mit einer Haupt-Master-Steuereinheit gekoppelt ist.
Um ankommende Spannungsinformationen im Hinblick auf die Eingangsverbindung bereitzustellen, werden Spannungsinformationen vom Eingang des Mehrwicklungstransformators über einen Hochspannungs-Rückkopplungskreis gewonnen, welcher mit der Haupt-Hochspannungsrückkopplungstafel (MHVF2) und mit der Systemsteuertafel (MSCB2) über eine Lichtwellenleiterverbindung gekoppelt ist und im Netzgehäuse angeordnet ist. Es ist anzumerken, dass bei der Implementierung von 10 die Notwendigkeit zusätzlicher Induktivitäten, um einen regenerativen Betrieb zu gewährleisten, entfällt. Das heißt, es sind keine Induktionsspulen erforderlich, die entweder mit dem Eingang des Transformators oder mit dem Ausgang des Transformators gekoppelt sind, um diese Rückkopplungsinformationen bereitzustellen, die bei der Durchführung einer regenerativen Steuerung verwendet werden. Der Mehrwicklungstransformator an sich wirkt als ein Sensor für eine Multilevel-AFE-Wandlersteuerung. Es wird ein äquivalenter konstanter Wert der Sekundärstreuung (pro Phase) verwendet, um Stromregelschleifen jedes AFE-Moduls abzustimmen. In dieser Hinsicht nimmt jede regenerative Cube-Steuerung die Wirkung einer einfachen virtuellen Induktionsspule wahr, die zwischen dem Cube und der 4160-V-Seite in Reihe ist. Diese innovative Implementierung der AFE-Steuerung verringert die Anzahl der Spannungssensoren und zugehörigen Schaltungen, und sie erhöht die Leistungsdichte der PAU, indem die Notwendigkeit des Einbaus voluminöser physikalischer Induktivitätselemente entfällt.
Unter Verwendung eines modularen konfigurierbaren Multimegawatt-Leistungsverstärkers, wie hier beschrieben, kann eine Topologie Leistung und Spannung unter Verwendung unabhängiger modularer Bausteine skalieren. Auf diese Weise kann ein System mit einer feldkonfigurierbaren Topologie für serielle und parallele Schemata umkonfiguriert werden. Außerdem kann ein System eingebaute Redundanz gewährleisten, die einen Betrieb sogar dann ermöglicht, wenn ein oder mehrere Slices einen Ausfall aufweisen. Ferner kann das System so gesteuert werden, dass es einen Betrieb mit variabler Ausgangsfrequenz gewährleistet. Bei einer Ausführungsform kann das System mit bis zu 850 Hz betrieben werden, wobei es 25 der Nennlast unterstützt. Je nach den Lastanforderungen kann zusätzliche Slice-Kühlkapazität hinzugefügt werden.
Durch Kombinieren von PAUs in Reihe-/parallel und Anwenden klassischer Schemata der Vektorsteuerung können vor Ort leicht anspruchsvolle Topologien der Leistungskonfiguration erzeugt werden. Die Leistungsqualität von Eingangs-/Ausgangswellenformen und die Redundanz können beeinflusst werden, indem Slices zu dem System hinzugefügt oder aus ihm entfernt werden und entsprechende Softwareänderungen vorgenommen werden. Die Potentialtrennungseigenschaften von Komponenten und eine verteilte Lichtwellenleiterschnittstellen-Hierarchie sind entscheidende Faktoren für die Produktimplementierung.

Claims

Leistungswandler, welcher aufweist: mehrere Leistungsverstärkereinheiten, wobei jede der Leistungsverstärkereinheiten aufweist: mehrere Slices, wobei jedes der mehreren Slices ein Leistungswandlungsmodul aufweist, das einen AC/DC/AC-Wandler aufweist; und eine Netzsteuereinheit zum Steuern der mehreren Slices; und ein Rückkopplungs-Aufbereitungssystem, das mit der Netzsteuereinheit gekoppelt ist; mehrere Eingangsschütze und mehrere Ausgangsschütze, über welche jede der mehreren Leistungsverstärkereinheiten zwischen einen Transformator und eine Last zu schalten ist; und eine Master-Steuereinheit, die mit den mehreren Leistungsverstärkereinheiten gekoppelt ist, wobei die Master-Steuereinheit dafür ausgelegt ist, Redundanz zu ermöglichen, so dass der Leistungswandler arbeitet, wenn wenigstens eine der mehreren Leistungsverstärkereinheiten deaktiviert ist, wobei jede der mehreren Leistungsverstärkereinheiten eine modulare konfigurierbare Einheit ist, die dafür ausgelegt ist, in einer oder mehreren Betriebsarten zu arbeiten, die aus einer regenerativen Betriebsart, einer teilweise regenerativen Betriebsart und einer nicht-regenerativen Betriebsart ausgewählt sind.
Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei jedes der mehreren Slices einen Transformator und mehrere Power Cubes umfasst, die jeweils ein Leistungswandlungsmodul aufweisen und innerhalb eines isolierenden Gehäuses konfiguriert sind.
Leistungswandler nach Anspruch 2, wobei die mehreren Power Cubes wenigstens einiger der mehreren Slices ein Active-Frontend umfassen.
Leistungswandler nach Anspruch 2, wobei die Netzsteuereinheit einer ersten Leistungsverstärkereinheit auf der Basis mehrerer Steuersignale, die unter Verwendung eines Streuinduktivitäts-Modells erzeugt werden, Referenzsteuerbefehle erzeugt, um die regenerative Betriebsart zu aktivieren.
Leistungswandler nach Anspruch 4, wobei das Streuinduktivitäts-Modell auf einem oder mehreren Parametern basiert, die aus dem Transformator des Slice extrahiert wurden.
Leistungswandler nach Anspruch 1, welcher ferner eine Busanordnung umfasst, die dafür ausgebildet ist, die mehreren Slices wenigstens einer der mehreren Leistungsverstärkereinheiten flexibel miteinander zu koppeln.
Leistungswandler nach Anspruch 6, wobei die Busanordnung an einen oberen Abschnitt von mehreren Gehäusen angepasst ist, die jeweils wenigstens eines der mehreren Slices einer der Leistungsverstärkereinheiten aufweisen.
Leistungswandler nach Anspruch 2, wobei die Netzsteuereinheit dafür ausgelegt ist zu bewirken, dass die mehreren Leistungsverstärkereinheiten eine elektronische Phasenverschiebung von Trägersignalen der mehreren Power Cubes pro Phase durchführen.
Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei das Rückkopplungs-Aufbereitungssystem ferner mit einem Eingang der mehreren Slices und einem Ausgang der mehreren Slices gekoppelt ist.
Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die Netzsteuereinheit dafür ausgelegt ist zu bewirken, dass die entsprechenden Leistungsverstärkereinheiten Leistung in die Last einspeisen oder Leistung aus der Last extrahieren, in einer Betriebsart des offenen Regelkreises.
Leistungswandler nach Anspruch 1, welche ferner eine zweite Steuereinheit umfasst, um zu bewirken, dass die entsprechenden Leistungsverstärkereinheiten Leistung in die Last einspeisen oder Leistung aus der Last extrahieren, in einer Betriebsart des geschlossenen Regelkreises.
Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei in einer ersten von den Leistungsverstärkereinheiten die Slices eines ersten Abschnitts der mehreren Slices in Reihe geschaltet und die Slices eines zweiten Abschnitts der mehreren Slices in Reihe geschaltet sind, wobei der erste und der zweite Abschnitt parallelgeschaltet sind und die Anzahl der mehreren Slices feldkonfigurierbar ist.
Leistungswandler nach Anspruch 12, wobei jede der mehreren Leistungsverstärkereinheiten ferner mehrere Slice-Steuereinheiten umfasst, die jeweils einem der mehreren Slices zugeordnet sind, und die mehreren Slice-Steuereinheiten dafür ausgelegt sind, Referenzbefehle von der Netzsteuereinheit zu übersetzen, um regenerative Steuersignale für das entsprechende Slice zu erzeugen.
Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei jede der mehreren Leistungsverstärkereinheiten ferner wenigstens ein Kühlsystem umfasst, um für Kühlung für die mehreren Slices zu sorgen, wobei das wenigstens eine Kühlsystem ein flüssiges Kühlmittel verwendet.
Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die mehreren Leistungsverstärkereinheiten dafür ausgelegt sind, als redundante bidirektionale Leistungswandler zu arbeiten.
Verfahren, welches umfasst: Erzeugen mehrerer Steuersignale für jedes von mehreren Slices eines Leistungswandlers in einer regenerativen Betriebsart unter Verwendung eines äquivalenten Streuinduktivitätswertes eines Mehrwicklungstransformators pro Phase, wobei der äquivalente Streuinduktivitätswert auf der Basis eines oder mehrerer Parameter des Mehrwicklungstransformators bestimmt wird; und Durchführen einer elektronischen Verschachtelung von Trägersignalen der mehreren Slices auf der Basis der mehreren Steuersignale und eines Phasenverschiebungswertes, wobei der Phasenverschiebungswert auf der Basis einer Anzahl der mehreren zu verschachtelnden Slices bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, welches ferner umfasst: Bestimmen eines ersten Stroms, der von einem ersten Satz der mehreren Slices abgegeben wird, und eines zweiten Stroms, der von einem zweiten Satz der mehreren Slices abgegeben wird; und Steuern einer ersten Induktivität, die mit einem Ausgang des ersten Satzes der mehreren Slices gekoppelt ist, und einer zweiten Induktivität, die mit einem Ausgang des zweiten Satzes der mehreren Slices gekoppelt ist, auf der Basis des ersten Stroms und des zweiten Stroms.
Vorrichtung, welche umfasst: eine Regenerationssteuereinheit für einen Leistungswandler, der mehrere modulare Leistungseinheiten aufweist, die jeweils ein oder mehrere Slices umfassen, die jeweils einen Transformator und mehrere Power Cubes aufweisen, wobei die Regenerationssteuereinheit dafür ausgelegt ist, eine Rückspeisung von Leistung zu einem Versorgungsanschluss zu ermöglichen, der mit dem Leistungswandler gekoppelt ist, wobei die Regenerationssteuereinheit aufweist: eine Transformatormodell-Logik zum Erzeugen eines Streuinduktivitätswertes für den Transformator auf der Basis eines oder mehrerer Parameter, die aus dem Transformator extrahiert wurden; eine DC-Steuereinheit zum Erzeugen eines DC-Steuersignals auf der Basis einer Gleichspannung eines DC-Busses eines der mehreren Power Cubes; eine erste Transformationslogik zum Empfangen einer Spannung einer Primärseite des Transformators und zum Erzeugen eines ersten Phasenwinkelwertes und mehrerer orthogonaler Gleichstromkomponenten-Spannungssignale; und eine zweite Transformationslogik zum Empfangen eines Stroms einer Sekundärseite des Transformators und zum Erzeugen mehrerer orthogonaler Gleichstromkomponenten-Stromsignale.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Regenerationssteuereinheit ferner aufweist: einen ersten Kombinierer zum Empfangen des DC-Steuersignals und eines ersten gemessenen Stromkomponentensignals und zum Ausgeben eines ersten Summensignals; einen ersten Proportional-Integral-(PI-)Regler zum Empfangen des ersten Summensignals und des Streuinduktivitätswertes und zum Ausgeben eines ersten PI-Signals; und einen zweiten Kombinierer zum Kombinieren des ersten PI-Signals, eines Kreuzkopplungs-Korrekturwertes und eines gemessenen Spannungssignals der Quadraturkomponente zum Erzeugen eines Referenzspannungssignals der Quadraturkomponente.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Regenerationssteuereinheit ferner aufweist: einen dritten Kombinierer zum Empfangen eines Direktsteuerungs-Befehlssignals und eines zweiten gemessenen Stromkomponentensignals und zum Ausgeben eines zweiten Summensignals; einen zweiten PI-Regler zum Empfangen des zweiten Summensignals und des Streuinduktivitätswertes und zum Ausgeben eines zweiten PI-Signals; und einen vierten Kombinierer zum Kombinieren des zweiten PI-Signals, des Kreuzkopplungs-Korrekturwertes und eines gemessenen Spannungssignals der direkten Komponente zum Erzeugen eines Referenzspannungssignals der direkten Komponente.
Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei die Regenerationssteuereinheit ferner aufweist: eine dritte Transformationslogik zum Transformieren des Referenzspannungssignals der Quadraturkomponente und des Referenzspannungssignals der direkten Komponente in mehrere Steuerungs-Referenzsignale, um Schaltsignale zu erzeugen, um einen oder mehrere Cubes eines ersten Slice zu steuern.
Vorrichtung nach Anspruch 21, welche ferner eine Verschachtelungs-Steuereinheit zum Empfangen der mehreren Steuerungs-Referenzsignale und zum Verschachteln der mehreren Steuerungs-Referenzsignale entsprechend einem Phasenwinkelwert auf der Basis einer Anzahl zu verschachtelnder Slices umfasst, wobei die mehreren Steuerungs-Referenzsignale dafür ausgelegt sind, Schaltsignale zu erzeugen, um darauf basierend den einen oder die mehreren Cubes des ersten Slice zu steuern.