DE19541370C2 - Verfahren zum Betrieb einer Stromrichteranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Stromrichteranordnung, bei der an einem netzspannungsgespeisten gesteuerten Gleichrichter mit anschließendem kapazitivem Zwischenkreis ein supraleitender magnetischer Energiespeicher betrieben wird, der über ein als Zwei-Quadrantensteller mit Spannungsumkehr (voltage-chopper) ausgeführtes Kopplungsnetzwerk, bestehend aus mindestens zwei Stromventilen und diesen zugeordneten Freilaufdioden an den Zwischenkreis angekoppelt wird, wobei in einem ersten Schaltzustand des Kopplungsnetzwerkes bei geschlossenen Stromventilen der Energiespeicher vom Zwischenkreis gespeist und in einem zweiten Schaltzustand des Kopplungsnetzwerkes bei geöffneten Stromventilen der Energiespeicher in den Zwischenkreis zurückspeist, und wobei Detektormittel für die Größe der zwischen einem maximalen und einem minimalen Betriebswert zu haltenden Zwischenkreisspannung vorgesehen sind, die mit Steuermitteln für die mindestens zwei steuerbaren Stromventile gekoppelt sind.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist bekannt aus der Publikation "Comparative Study and Simulation of Optimal Converter Topologies for SMES Systems", I. J. Iglesias and J. Acero, A. Bautista, Conf. Proceedings 6 ^th EPE Conference Sevilla, 1995, p. 2.552 ff."(4 Seiten). Bei einem Stromrichter dieser bekannten Art dient das Kopplungsnetzwerk zwischen dem Gleichrichter sowie dem Zwischenkreis einerseits und dem supraleitenden magnetischen Energiespeicher (SMES) andererseits dazu, in beiden Richtungen Leistung auszutauschen. Dabei kann einerseits ein Leistungsfluß erfolgen vom Zwischenkreis in den SMES, bei dem letzterer aufgeladen wird, und andererseits in umgekehrter Richtung vom SMES in den Zwischenkreis, wobei der SMES entladen und der Zwischenkreiskondensator aufgeladen wird. Beim Betrieb eines solchen Stromrichters kommt es wesentlich darauf an, daß zum Erhalt der supraleitenden Eigenschaften der Strom des SMES innerhalb eines vorgegebenen Bereiches gehalten wird. Wird der Strom überschritten, wird der SMES thermisch gefährdet oder zerstört. Das als Zwei- Quadrantensteller ausgeführte Kopplungsnetzwerk trägt dabei der Bedingung Rechnung, daß trotz des Erfordernisses des bidirektionalen Energieaustausches zwischen SMES und Zwischenkreis der Strom am SMES sich nicht sprunghaft ändern kann, da dieser induktives Verhalten hat. Daher erfolgt die Kopplung unter Spannungsumkehr. Hierzu besteht der bekannte Chopper aus mindestens zwei Schaltern oder Gruppen von Schaltern, zwei Freilaufdioden beziehungsweise Gruppen von Freilaufdioden und einem Zwischenkreiskondensator. Der bekannte Chopper hat dabei die Aufgabe, die Spule des SMES zu laden beziehungsweise zu entladen.

Zu diesem Zweck wird eine Zweipunktregelung benutzt, wobei beide Schalter gleichzeitig geschaltet werden. Sind beide Schalter geschlossen, ist der Leistungsfluß in den SMES gerichtet, sind sie geöffnet, gibt der SMES Leistung an den Zwischenkreis ab. Die Umschaltung zwischen diesen beiden Zuständen erfolgt jeweils bei Erreichen der unteren beziehungsweise der oberen Grenze des vordefinierten Hysteresebandes der Zwischenkreisspannung, so daß diese zwangsgeführt zwischen diesen beiden Grenzen einen definierten Mittelwert einhält.

Das bekannte Steuerverfahren zeichnet sich durch eine hohe Schaltfrequenz und somit durch hohe Schaltverluste im Koppelstromrichter und eine hohe thermische und isolatorische Belastung des SMES aus.

Aus der DE 36 03 071 A1 ist eine ähnliche Stromrichteranordnung bekannt, bei der die Stromventile nicht nur synchron sondern auch zeitversetzt angesteuert werden können. Hierdurch wird ein Freilaufbetrieb ermöglicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß die Schaltfrequenz des Koppelstromrichters minimiert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die mindestens zwei Stromventile unabhängig voneinander in Abhängigkeit von der Höhe der Zwischenkreisspannung gesteuert werden derart, daß das eine Stromventil beim Erreichen des maximalen Betriebswertes der Zwischenkreisspannung geschlossen und beim Erreichen eines unteren Vorgabewertes wieder geöffnet wird und daß das andere Stromventil beim Erreichen des minimalen Betriebswertes der Zwischenkreisspannung geöffnet und beim Erreichen eines oberen Vorgabewertes wieder geschlossen wird, wobei der untere und der obere Vorgabewert innerhalb des Betriebsbereiches der Zwischenkreisspannung liegen, so daß in einem zusätzlichen dritten Schaltzustand des Kopplungsnetzwerkes der Energiespeicher im Freilauf über ein Stromventil und eine Freilaufdiode Strom führt.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß innerhalb des Betriebsbereiches für die Zwischenkreisspannung definierte Lade- beziehungs Entladeniveaus geschaffen werden, bei denen die Stromventile jeweils ihren Zustand ändern. Dies wird dadurch erreicht, daß jeder der beiden Stromventile (beziehungsweise Gruppen von Stromventilen) unabhängig voneinander gesteuert werden und jedem der beiden Stromventile separate Schaltschwellen in Form einer oberen und einer unteren Grenze für die Zwischenkreisspannung zugeordnet sind. Dabei schaltet das eine Stromventil in den geschlossenen Zustand, wenn der Maximalwert der Zwischenkreisspannung U_max erreicht wird und geht erst dann in den geöffneten Zustand über, wenn die Zwischenkreisspannung auf einen vorgegebenen unteren Vorgabewert U_lo abgesunken ist. Umgekehrt öffnet das andere Stromventil, wenn die untere Grenzspannung der Zwischenkreisspannung U_min erreicht wird und öffnet erst wieder, wenn ein oberer Vorgabewert U_hi erreicht wird. Durch die Schaffung solcher zweier Spannungsniveaus zur Rückführung der Zwischenkreisspannung läßt sich die Schaltfrequenz gegenüber der bekannten Zweipunktregelung deutlich absenken. Dies ist darauf zurückzuführen, daß aufgrund der Unabhängigkeit der Schalterzustände während bestimmter Zeitabschnitte der SMES im Freilaufbetrieb (Kreiszustand) betrieben wird. Dies erfolgt dann, wenn nur einer der beiden Schalter leitet. Dabei hat der eingeprägte Strom der SMES-Induktivität einen Verlauf entlang eines über eine der beiden Freilaufdioden gehenden Kreises und kann - abgesehen von Leistungsverlusten in Ventilen und Zuleitungen - ohne Verluste geführt werden. Während dieser Zeit kann sich die Spannung im Zwischenkreis entsprechend dem Einfluß des angekoppelten Netzes ändern, ohne daß der Kreiszustand aufgehoben wird, solange die Zwischenkreisspannung nicht eines der einen Schaltvorgang auslösenden Niveaus erreicht. Falls das entsprechende Niveau erreicht wird, wird die Zwischenkreisspannung mit der entsprechenden Schalterstellung in den zulässigen Bereich innerhalb des Betriebsbereiches zwischen U_min und U_max zurückgeführt. Auf die Schaltfrequenz wirkt sich vor allem vermindernd aus, daß auch bei unveränderter Stromrichtung I_N die jeweilige Veränderung der Zwischenkreisspannung langsamer vor sich geht, da während der Freilaufphasen nicht zusätzlich auch der SMES-Strom zur Spannungsänderung am Zwischenkreis beiträgt. Somit finden auch bei kurzfristigen Wechseln der Richtung des Stromes I_N keine Schaltvorgänge statt, solange nicht die Schwellwerte für die Umschaltung der Schalter erreicht werden.

Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen dargestellt.

Eine bevorzugte Ausführungsform sieht dabei vor, daß parallel zum Zwischenkreis ein über einen steuerbaren Schalter angesteuerter ohmscher (Leistungs)-Widerstand angeordnet ist, der von den mit der Detektoreinrichtung gekoppelten Steuermitteln derart angesteuert wird, daß der steuerbare Schalter beim Überschreiten eines oberhalb des Betriebsbereiches der Zwischenkreisspannung liegenden vorgebbaren Grenzwertes schließt. Das zum Zwischenkreis parallel geschaltete ohmsche Element dient zur Aufnahme von transient überschüssiger Energie vom Netz, die entweder aufgrund eines zu geringen Ladezustandes des SMES und seiner induktiven Charakteristik nicht vollständig aufgenommen werden kann, oder bei einem zu hohen Ladeniveau des SMES keine weitere Energieaufnahme stattfinden darf, um eine thermische Überlastung zu vermeiden.

Um eine entsprechende unzulässige Erhöhung der Zwischenkreisspannung zu vermeiden, wird der Widerstand über den steuerbaren Schalter zugeschaltet, so daß die überschüssige Energie in Wärme umgesetzt wird. Sinkt die Zwischenkreisspannung dann wieder in einen zulässigen Bereich ab, wird der steuerbare Schalter wieder geöffnet.

Um einen Freilaufpfad für parasitäre induktive Anteile zu eröffnen, ist dem Leistungswiderstand eine Freilaufdiode zugeordnet.

Parallel zu dem den Leistungswiderstand ansteuernden selbstgeführten leistungselektronischen Schaltelement befindet sich eine antiparallele Diode, die im Fehlerfall zusammen mit der zum Leistungswiderstand antiparallelen Freilaufdiode eine negative Aufladung des Gleichspannungszwischenkreises unterbindet.

Vorzugsweise werden alle selbstgeführten leistungselektronischen Schaltelemente als IGBTs realisiert.

Bevorzugte Anwendung findet gemäß der Erfindung ein Hochtemperatur-SMES.

Eine besondere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht fernerhin vor, daß zusätzlich zu der schwellwertabhängigen Festlegung des Lade- und Entladeniveaus für die Zwischenkreisspannung erste und zweite Blockierzustände geschaffen werden, bei denen das eine Stromventil dauerhaft leitend beziehungsweise das andere Stromventil dauerhaft sperrend ist.

Der erste Blockierzustand wird dann aktiviert, wenn der SMES einen festgelegten maximalen Stromwert I_max überschritten hat. Er wird dann deaktiviert, wenn der SMES einen festgelegten Stromwert I_hi unterschritten hat, Wobei gilt: I_hi < I_max Der zweite Blockierzustand wird dann aktiviert, wenn der SMES einen festgelegten minimalen Stromwert I_min unterschritten hat. Er wird dann deaktiviert, wenn der SMES einen festgelegten Stromwert I_lo überschritten hat, wobei gilt: I_lo < I_min.

Diese Blockierzustände dienen dem Zweck, ein unerwünschtes Aufladen des SMES (erster Blockierzustand) beziehungsweise ein unerwünschtes Entladen des SMES (zweiter Blockierzustand) zu verhindern. Die Blockierfunktion ist dabei der Betriebsfunktion übergeordnet.

Darüber hinaus kann durch gleichzeitige Aktivierung des ersten und zweiten Blockierzustandes ein Parkzustand des Stromrichters erzwungen werden, in dem der SMES vollständig vom Zwischenkreis abgekoppelt ist.

Das beschriebene Regelungsverfahren kann neben dem schon dargestellten minimalem Kopplungsnetzwerk auch auf Kopplungsnetzwerke angewendet werden, die es ermöglichen, den durch die Reihenschaltung von mindestens zwei Kondensatoren gebildeten Mittelpunkt des Gleichspannungszwischenkreises belastbar zu machen und somit die Verbindung dieses Mittelpunktes an einen Neutralleiter zu ermöglichen.

Eine bevorzugte Ausführungsform einer Stromrichteranordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht zu diesem Zweck vor, daß das Kopplungsnetzwerk ergänzt wird durch einen weiteren Strang mit zwei Modulen, die entgegengesetzt orientiert sind und je aus einem rückwärts-sperrfähigen selbstgeführten, leistungselektronischen Schalter bestehen, die an ihren Enden an die beiden Pole des Gleichspannungszwischenkreises angeschlossen werden, wobei der Verbindungspunkt der beiden Module an den Neutralleiter angeschlossen wird. Die Schaltelemente werden gegeneinander verriegelt und im einfachsten Fall mit einer Schaltzeitverteilung von 1 : 1 angesteuert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher dargestellt. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Schaltkreis eines Stromrichters, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist,

Fig. 2 eine Darstellung zur Erläuterung der Funktion des Schaltkreises nach Fig. 1,

Fig. 3 zeitliche Signalpegelverläufe im Schaltkreis nach Fig. 1,

Fig. 4 einen Schaltkreis gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 5 eine Darstellung zur Erläuterung der Funktion des Schaltkreises nach Fig. 4,

Fig. 6 zeitliche Signalpegelverläufe im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4,

Fig. 7 eine Darstellung zum Vergleich der Schaltfrequenz beim Stand der Technik und beim Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung,

Fig. 8 eine Zustandsgraphendarstellung zur Erläuterung des Regel- und Schutzkonzeptes des ersten Ausführungsbeispieles der Erfindung,

Fig. 9 einen Schaltkreis gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 10 zeitliche Spannungspegelverläufe zur Erläuterung der Funktion des in Fig. 9 dargestellten zweiten Ausführungsbeispieles im Vergleich zum in Fig. 4 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 11 eine Zustandsgraphendarstellung zur Erläuterung des erweiterten Regel- und Schutzkonzeptes des zweiten Ausführungsbeispieles der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Schaltkreis für einen Stromrichter, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Über einen nicht dargestellten netzspannungsgespeisten Netzstromrichter ist ein Spannungszwischenkreis symbolisiert durch die Zwischenkreisspannung U_ZK angeschlossen, über den ein supraleitender magnetischer Energiespeicher SMES angekoppelt ist. Die Kopplung zwischen dem SMES und dem Zwischenkreis erfolgt über ein Koppelnetzwerk, welches aus den Elementen S_p, S_n, D_p, D_n besteht. Bei den Komponenten S_p, S_n handelt es sich um Stromventile, die steuerbar sind und in Form von IGBTs realisiert sind. In jedem der beiden Stränge befindet sich eine Freilaufdiode D_p beziehungsweise D_n. Erreicht die Zwischenkreisspannung U_ZK eine obere zulässige Grenze U_max (Fig. 2), werden die Schaltelemente S_n, S_p geschlossen, so daß der Gleichspannungszwischenkreis Leistung an den SMES abgibt und die Spannung vermindert wird. Wird dann die untere Grenze U_min erreicht, so werden S_p und S_n wieder geöffnet, so daß der Gleichspannungszwischenkreis nachgeladen wird und sich somit die Spannung erhöht. Hierdurch wird die Spannung zwischen den beiden Begrenzungen zwangsgeführt, wie dies aus Fig. 2 hervorgeht. Dabei sind beide Schalter S_p beziehungsweise S_n gemeinsam leitend oder gemeinsam sperrend.

Wie aus Fig. 3 hervorgeht, erfolgt jedesmal, wenn eine der beiden Spannungsschwellen erreicht wird, ein Umschalten der Stromventile.

Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung unterscheidet sich von demjenigen, wie es in Fig. 1 dargestellt wurde, zum einen durch einen parallel zum Zwischenkreis liegenden ohmschen Widerstand R_LW, der über einen steuerbaren Schalter S_LW zugeschaltet werden kann und zum anderen dadurch, daß die Ansteuerung der Stromventile S_p, S_n im Koppelnetzwerk in einer im folgenden beschriebenen Art und Weise erfolgt.

Wie aus Fig. 5 hervorgeht, werden für jede der beiden Stromventile S_p, S_n unterschiedliche Schaltschwellen definiert, wobei der eine Schalter S_p, einschaltet, wenn die Zwischenkreisspannung größer wird als die maximale Betriebsspannung am Zwischenkreis U_max und ausschaltet, wenn diese kleiner wird als ein unterer Vorgabewert U_LO. Umgekehrt schaltet der andere Schalter S_n aus, wenn die Zwischenkreisspannung niedriger wird als die minimale zulässige Betriebsspannung U_min im Zwischenkreis und schaltet wieder ein, wenn diese größer wird als ein oberer Vorgabewert U_hi. Damit wird der Betrieb der Stromventile S_p, S_n innerhalb zweier unterschiedlicher Hysteresebänder geführt, die sich teilweise überlappen (Fig. 5). Die Spannungsbandbreite der Hysteresebänder Δ_max beziehungsweise Δ_min ist dabei jeweils größer als die halbe Breite des Abstandes zwischen U_max und U_min, so daß eine entsprechende Optimierung der Regelung eintritt.

Wie aus Fig. 6 hervorgeht, ist die Schaltfrequenz gegenüber der in Fig. 3 dargestellten Regelung nach dem Stand der Technik deutlich herabgesetzt.

Der direkte Vergleich zwischen den Schaltfrequenzen der herkömmlichen Zweipunktregelung und der optimierten Freilaufregelung ist in. Fig. 7 dargestellt. Dort ist zu erkennen, daß bei der getroffenen Wahl für die Lage der Lade- und Entladeniveaus für Werte I_N/I_{SMES <} 3/5 die Schaltfrequenz f_s zum Teil drastisch reduziert wird. Da aus Verfügbarkeitsgründen sowieso ein hoher Ladezustand des SMES angestrebt wird, resuliert daraus eine Verminderung der Schaltfrequenz für kurzfristige Zeitabschnitte um bis zu 100%. Einher damit geht eine niedrigere thermische Belastung des SMES und eine Verminderung der Beträge der Spannungsprünge über dem SMES auf die Hälfte der in der Zweipunktregelung gemäß dem Stand der Technik auftretenden Potentialdifferenzen, was zu einer Schonung der Isolation des supraleitenden Drahtes führt.

Durch den parallel zum Gleichspannungszwischenkreiskondensator C geschalteten Leistungswiderstand R_LW wird zum einen erreicht, daß auch bei dem seinen vollen Ladezustand erreichenden SMES transient überschüssige Wirkleistung vom Netz durch den Stromrichter aufgenommen werden kann, um die Spannungsqualität zu verbessern. Zum anderen wird dafür gesorgt, daß die Spannung am Gleichspannungszwischenkreis nicht über ein festgelegtes Spannungsniveau steigen kann, wenn der SMES zum Beispiel aufgrund seines niedrigen Ladezustandes nicht in der Lage sein sollte, die transient überschüssige Energie vom Netz in dem Maße aufzunehmen, daß sich die Spannung im Zwischenkreis nicht unzulässig erhöht.

Da der Leistungswiderstand R_LW auch einen parasitären induktiven Anteil beinhalten kann, ist eine Diode antiparallel zu diesem angeordnet, um einen entsprechenden Freilaufpfad anbieten zu können.

Überspannungen über dem Schalter S_LW beim Abschalten werden dadurch vermieden, daß auch antiparallel zum Schalter S_LW eine Freilaufdiode liegt.

Über den bis hierhin beschriebenen Betriebsfunktionszustand hinaus kann durch die erfindungsgemäße Lösung auch eine erhöhte Sicherheitsfunktion erreicht werden, wie dies anhand der Zustandsgraphendarstellung von Fig. 8 erläutert wird.

Hierzu wird dann, wenn der SMES seinen maximalen Ladezustand erreicht hat, der Schalter S_p dauerhaft geöffnet und in dieser Stellung solange blockiert (erster Blockierungszustand BP₁) bis der SMES-Strom unter ein vorgegebenes Niveau gesunken ist. Während dieser Blockierung kann das andere Stromventil S_n beliebig geschaltet werden, da in dem Falle, wenn dieser Schalter S_n sperrt, der SMES weiter entladen wird, während dann, wenn der Schalter S_n leitet, ein Freilaufbetrieb eingehalten wird.

Im Unterschied dazu wird bei einem zu geringen Ladezustand des SMES der Schalter S_n dauerhaft geschlossen (zweiter Blockierungszustand BN₁), so daß ausschließlich entweder der Freilaufzustand oder der den SMES aufladende Zustand ermöglicht wird.

Um eine vollkommene Entkopplung des Stromrichters vom SMES zu erreichen, können beide Blockierungszustände gleichzeitig erfolgen. Dabei wird ein sogenannter Parkzustand P₁ erreicht, bei dem eine völlige Entkopplung erfolgt. Dies ist dann erforderlich, wenn die Temperaturgrenze des SMES überschritten wird, so daß ein "Quench" des supraleitenden Elementes zu befürchten ist. Wenn die SMES-Temperatur einen vorgegebenen unteren Temperaturwert wieder unterschritten hat, wird der Parkzustand wieder verlassen.

Ein anderer Grenzfall, der ebenfalls zu einem Parkzustand führt, ist die Überschreitung der Zwischenkreisspannung über ein absolutes Grenzwertniveau hinaus, beispielsweise dann, wenn der Leistungswiderstand R_LW seine Funktion nicht erfüllt.

Fig. 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches sich zunächst hinsichtlich der Grundfunktion und der Ansteuerung der Stromventile S_p, S_n nicht vom ersten in Fig. 4 dargestellten Schaltkreis unterscheidet. In Ergänzung und im Unterschied zu Fig. 4 dient diese Ausführungsform zum Betrieb der Stromrichteranordnung mit einem belastbaren Nullpunkt. Hierzu wird durch die Reihenschaltung von zwei Kondensatoren C_p, C_N ein Mittelpunkt N für den Gleichspannungszwischenkreis gebildet. Das oben im Zusammenhang mit den Fig. 1 beziehungsweise 4 beschriebene Kopplungsnetzwerk wird ergänzt um zwei selbstgeführte leistungselektronische Ventile S_MP, S_MN, die die Fähigkeit zur Aufnahme von Rückwärtssperrspannung aufweisen müssen. Diese Schalter werden derart an den Mittelpunkt N des Gleichspannungszwischenkreises angeschlossen, daß der erste Schalter S_MP mit seiner Kathode an die Kathoden der Elemente des ersten Stranges, der zweite Schalter S_MN mit seiner Anode an die Anoden der Elemente des zweiten Stranges angeschlossen wird. Besteht nun zum Beispiel aufgrund unterschiedlich großer paralleler, parasitärer Entladewiderstände der Kondensatoren C_p, C_n ein Mißverhältnis der Spannungen im oberen und unteren Teil des Zwischenkreises, so werden die zusätzlichen Schalter derart angesteuert, daß bei Auftreten einer Differenz Δ = ε₁ der entsprechende Schalter solange geschlossen bleibt, bis sich die Differenz auf einen Wert -ΔU = ε₂ (mit ε₂ < ε₁) vermindert hat. Im vorliegenden Fall bedeutet dies, daß der erste Schalter S_MP dann geschlossen wird, wenn bei Überschreiten der Toleranz ε₁ der untere Teil des Gleichspannungszwischenkreises C_N eine höhere Spannung aufweist als der obere, wodurch der untere Teil entladen wird und die Spannungsverteilung folglich wieder angepaßt wird. Entsprechend wird der zweite Schalter S_MN dann geschlossen, wenn der obere Teil des Gleichspannungszwischenkreises C_P eine über der Toleranz ε₁ liegende, höhere Spannung als der untere Teil hat, so daß der untere Teil durch diese Schaltmaßnahme aufgeladen wird.

Die Ansteuerung der übrigen Schalter bleibt in ihrer Funktion erhalten, allerdings muß bei dieser speziellen Ausführung dem Schalter S_MN ein Vorrang vor dem Schalter S_N eingeräumt werden, was dazu führt, daß S_N solange geöffnet bleibt, solange S_MN geschlossen ist, da ansonsten der Strom seinen Pfad über Schalter S_N und Diode D_N suchen würde (vgl. ergänzter Zustandsgraph "Leitzustandsregler" in Fig. 11).

Wichtig ist jedoch, daß die Ergänzung des minimalen Kopplungsstromrichternetzes um diese zusätzlichen Schaltelemente keine Veränderungen des verwendeten Regelungsverfahrens zur Minimierung der Schaltfrequenz nach sich führt, sondern additiv und nach den gleichen Grundsätzen überlappender Hysteresebänder hinzugefügt werden kann.

Claims (17)

1. Verfahren zum Betrieb einer Stromrichteranordnung, bei der an einem netzspannungsgespeisten gesteuerten Gleichrichter mit anschließendem kapazitivem Zwischenkreis (ZK) ein supraleitender magnetischer Energiespeicher (SMES) betrieben wird, der über ein als Zwei-Quadrantensteller mit Spannungsumkehr (voltage­ chopper) ausgeführtes Kopplungsnetzwerk, bestehend aus mindestens zwei Stromventilen (S_P, S_N) und diesen zugeordneten Freilaufdioden (D_P, D_N) an den Zwischenkreis angekoppelt wird, wobei in einem ersten Schaltzustand des Kopplungsnetzwerkes bei geschlossenen Stromventilen (S_P, S_N) der Energiespeicher (SMES) vom Zwischenkreis (ZK) gespeist und in einem zweiten Schaltzustand des Kopplungsnetzwerkes bei geöffneten Stromventilen (S_P, S_N) der Energiespeicher (SMES) in den Zwischenkreis (ZK) zurückspeist, und wobei Detektormittel für die Größe der zwischen einem maximalen (U_max) und einem minimalen (U_min) Betriebswert zu haltenden Zwischenkreisspannung (U_ZK) vorgesehen sind, die mit Steuermitteln für die mindestens zwei steuerbaren Stromventile (S_P, S_N) gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Stromventile (S_P, S_N) unabhängig voneinander in Abhängigkeit von der Höhe der Zwischenkreisspannung (U_ZK) gesteuert werden derart, daß das eine Stromventil (S_p) beim Erreichen des maximalen Betriebswertes (U_max) der Zwischenkreisspannung geschlossen und beim Erreichen eines unteren Vorgabewertes (U_lo) wieder geöffnet wird und daß das andere Stromventil (S_n) beim Erreichen des minimalen Betriebswertes (U_min) der Zwischenkreisspannung geöffnet und beim Erreichen eines oberen Vorgabewertes (U_hi) wieder geschlossen wird, wobei der untere und der obere Vorgabewert innerhalb des Betriebsbereiches (U_min, U_max) der Zwischenkreisspannung liegen, so daß in einem zusätzlichen dritten Schaltzustand des Kopplungsnetzwerkes der Energiespeicher (SMES) im Freilauf über ein Stromventil (S_P oder S_N) und eine Freilaufdiode (D_P oder D_N) Strom führt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Zwischenkreis (ZK) ein über einen steuerbaren Schalter (S_LW) angesteuerter ohmscher (Leistungs)-Widerstand (R_LW) angeordnet ist, der von den mit der Detektoreinrichtung gekoppelten Steuermitteln derart angesteuert wird, daß der steuerbare Schalter beim Überschreiten einer oberhalb des Betriebsbereiches der Zwischenkreisspannung (U_ZK) liegenden vorgebbaren Grenzwertes (U_LW) schließt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Schalter (S_LW) wieder öffnet, wenn die Zwischenkreisspannung (U_ZK) auf einen Wert innerhalb des Betriebsbereiches der Zwischenkreisspannung abgesunken ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Leistungswiderstand (R_LW) eine Freilaufdiode zugeordnet ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei steuerbaren Stromventile (S_P, S_N) und/oder der steuerbare Schalter (S_LW) durch IGBT- Bauelemente realisiert sind.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher (SMES) ein Hochtemperatur-Energiespeicher (HT_c-SMES) ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Koppelstromrichter zueinander parallel geschaltet sind, wobei die jeweilige Ankoppelung induktiv erfolgt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichspannungs-Zwischenkreis (ZK) aus einer Reihenschaltung von mindestens zwei Kondensatoren (C_P, C_N) gebildet ist, wobei der Neutralleiter (N) an einer Verbindungsstelle von zwei Kondensatoren angeschlossen ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Anschlußpunkte des Energiespeichers (SMES) über entgegengesetzt orientierte rückwärts-sperrfähige weitere Stronrichterventile (S_MP, S_MN) mit dem Neutralleiter (N) verbunden ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das rückwärts-sperrfähige weitere Stromrichterventil (S_MP, S_MN) durch die Reihenschaltung aus einem IGBT und einer Leistungsdiode gebildet ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8-10, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Stromrichterventile (S_MP, S_MN) derart angesteuert werden, daß beim Auftreten einer vorgegebenen Mindestdifferenz ΔU zwischen den Spannungen an den beiden Kondensatoren (C_P, C_N) eines der beiden weiteren Stromrichterventile (S_MP, S_MN) solange geschlossen bleibt, bis die Differenz auf eine vorgegebene maximal zulässige Spannungsdifferenz abgesunken ist.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher (SMES) beim Überschreiten eines vorgebbaren Höchststromes in einen ersten Blockierzustand geschaltet wird, bei dem das eine Stromventil (S_p) dauerhaft sperrend ist und daß der SMES beim Unterschreiten eines vorgebbaren Mindeststromes in einen zweiten Blockierzustand geschaltet wird, bei dem das andere Stromventil (S_n) dauerhaft leitend ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erreichen eines Parkzustandes beide Blockierzustände eingestellt werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der weiteren Stromrichterventile (S_MP, S_MN) der Ansteuerung der ersten Stronrichterventile (S_N, S_P) übergeordnet ist.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das den Freilaufzustand ermöglichende Stromventil (S_N) gesperrt wird, wenn das weitere Stromventil (S_MN) in den leitenden Zustand geschaltet wird.

16. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorgenannten Ansprüche als Bestandteil eines aktiven Filters oder eines aktiven Kompensators in einer elektrischen Energieversorgung.

17. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-15, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Kopplungsnetzwerk, welches mindestens zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren im Gleichspannungs- Zwischenkreis aufweist, und wobei an einer Verbindungsstelle zweier Kondensatoren der Neutralleiter (N) angeschlossen ist, jeder der beiden Anschlußpunkte des (SMES) über entgegengesetzt orientierte rückwärts- sperrfähige weitere Stromrichterventile (S_MP, S_MN) mit dem Neutralleiter verbunden werden, wobei die Stromrichterventile (S_MP, S_MN) derart angesteuert werden, daß beim Auftreten einer vorgegebenen Mindestdifferenz ΔU zwischen den Spannungen an den beiden Kondensatoren (C_P, C_N) einer der beiden weiteren Stromrichterventile (S_MP, S_MN) solange geschlossen bleibt, bis die Differenz auf eine vorgegebene maximal zulässige Spannungsdifferenz abgesunken ist.