DE202019005897U1

DE202019005897U1 - Stromrichteranordnung

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Publication number: DE202019005897U1
Application number: DE202019005897.4U
Authority: DE
Original assignee: ABB Schweiz AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2019-12-03
Filing date: 2019-12-03
Publication date: 2023-01-25
Anticipated expiration: 2029-12-04

Abstract

Stromrichteranordnung, umfassend:
einen Primärquellenanschluss (41), der mindestens eine Phase umfasst, und der angepasst ist, mit einer primären Wechselstromversorgung (301) verbunden zu sein;
einen Lastanschluss (71), der angepasst ist, mit einer Last (707) verbunden zu sein;
ein Primärquellenstromrichtersystem (8) mit einer Wechselstromseite, die elektrisch mit dem Primärquellenanschluss (41) verbunden ist, und einer Gleichstromseite, wobei das Primärquellenstromrichtersystem (8) eine Vielzahl an parallel verbundenen Primärquellenstromrichterzweigen (91, 92) für jede Phase des Primärquellenanschlusses (41) umfasst;
einen Gleichstromzwischenkreis (2), der elektrisch zwischen der Gleichstromseite des Primärquellenstromrichtersystems (8) und dem Lastanschluss (71) verbunden ist, wobei der Gleichstromzwischenkreis (2) eine Gleichstromzwischenkreiskapazität umfasst;
ein Steuersystem (909), das angepasst ist, das Primärquellenstromrichtersystem (8) zu steuern, wobei das Steuersystem (909) angepasst ist, einen Netzstützbetrieb zum Liefern von Energie vom Gleichstromzwischenkreis (2) an den Primärquellenanschluss (41) bereitzustellen,
dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Vielzahl an Primärquellenstromrichterzweigen (91, 92) ein mehrstufiger Stromrichterzweig ist, und das Steuersystem (909) angepasst ist, die Vielzahl an parallel verbundenen Primärquellenstromrichterzweigen (91, 92) für jede Phase in einem verschachtelten Modus während des Netzstützbetriebs zu betreiben.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromrichteranordnung gemäß einem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es ist im Stand der Technik bekannt, einen Netzstützbetrieb bereitzustellen, bei dem überschüssige Energie von einem Gleichstromzwischenkreis einer Stromrichteranordnung an eine primäre Wechselstromversorgung der Stromrichteranordnung geliefert wird, wobei die überschüssige Energie Energie ist, die von einer Last der Stromrichteranordnung nicht benötigt wird. In Verbindung mit bekannten Stromrichteranordnungen verursacht der Netzstützbetrieb eine gewisse Welligkeit in der primären Wechselstromversorgung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Stromrichteranordnung bereitzustellen, deren Netzstützbetrieb weniger Welligkeit verursacht als die Netzstützbetriebe bekannter Stromrichteranordnungen.
Die Erfindung basiert auf der Idee, eine Stromrichteranordnung mit einer Vielzahl an parallel verbundenen mehrstufigen Stromrichterzweigen pro jede Phase des Primärquellenanschlusses bereitzustellen, und die parallel verbundenen mehrstufigen Stromrichterzweige in einem verschachtelten Modus während des Netzstützbetriebs zu betreiben.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Stromrichteranordnung ist, dass sie ein Verringern der in der primären Wechselstromversorgung durch den Netzstützbetrieb verursachten Welligkeit ermöglicht.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung in weiterem Detail anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen

1 ein vereinfachtes Schaltbild einer Stromrichteranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 parallel verbundene Primärquellenstromrichterzweige der Stromrichteranordnung von 1 zeigt; und
3 Teile von Steuersignalen der parallel verbundenen Primärquellenstromrichterzweige von 2 während eines Netzstützbetriebs zeigt.

GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild einer Stromrichteranordnung 101, die einen Primärquellenanschluss 41, drei Sekundärquellenanschlüsse 42, 43 und 44, einen Gleichstromzwischenkreis 2, einen Lastanschluss 71, ein Primärquellenstromrichtersystem 8, einen sekundärquellenseitigen Stromrichter 28, einen lastseitigen Stromrichter 18, ein Schaltsystem 5 und ein Steuerungssystem 909 umfasst.
Der Primärquellenanschluss 41 umfasst eine Phase und ist angepasst, mit einer primären Wechselstromversorgung 301 verbunden zu sein. In einer alternativen Ausführungsform ist der Primärquellenanschluss ein mehrphasiger Anschluss, der angepasst ist, mit einer mehrphasigen primären Wechselstromversorgung, wie einem Versorgungsnetz, verbunden zu sein.
Der Lastanschluss 71 ist angepasst, mit einer Last 707 verbunden zu sein. Der Lastanschluss 71 ist ein einphasiger Wechselstromanschluss. In einer alternativen Ausführungsform ist der Lastanschluss ein mehrphasiger Wechselstromanschluss. In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist der Lastanschluss ein Gleichstromanschluss.
Das Primärquellenstromrichtersystem 8 weist eine Wechselstromseite auf, die elektrisch mit dem Primärquellenanschluss 41 verbunden ist, und eine Gleichstromseite, die elektrisch mit dem Gleichstromzwischenkreis 2 verbunden ist. Das Primärquellenstromrichtersystem 8 umfasst einen ersten Primärquellenstromrichter 81 und einen zweiten Primärquellenstromrichter 82, die parallel verbunden sind. Daher sind ein erster Anschluss 811 des ersten Primärquellenstromrichters 81, und ein erster Anschluss 821 des zweiten Primärquellenstromrichters 82 elektrisch mit dem Primärquellenanschluss 41 verbunden, und ein zweiter Anschluss 812 des ersten Primärquellenstromrichters 81, und ein zweiter Anschluss 822 des zweiten Primärquellenstromrichters 82 sind elektrisch mit dem Gleichstromzwischenkreis 2 verbunden.
Hierin werden zwei Komponenten als elektrisch miteinander verbunden definiert, wenn es eine Verbindung zwischen den Komponenten gibt, die eine Übertragung von elektrischer Energie zwischen den Komponenten ermöglicht.
Der Gleichstromzwischenkreis 2 umfasst eine Gleichstromzwischenkreiskapazität. Der Gleichstromzwischenkreis 2 ist über den lastseitigen Stromrichter 18 elektrisch mit dem Lastanschluss 71 verbunden. Der lastseitige Stromrichter 18 weist einen ersten Anschluss 181 auf, der elektrisch mit dem Gleichstromzwischenkreis 2 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss 182, der elektrisch mit dem Lastanschluss 71 verbunden ist. Der erste Anschluss 181 ist ein Gleichstromanschluss und der zweite Anschluss 182 ist ein Wechselstromanschluss.
In einer Ausführungsform, bei der der Lastanschluss ein Gleichstromanschluss ist, ist der lastseitige Stromrichter ein Gleichstrom-Stromrichter oder ein Gleichstromwandler. In einer alternativen Ausführungsform, bei der der Lastanschluss ein Gleichstromanschluss ist, wird der lastseitige Stromrichter ausgelassen.
Der sekundärquellenseitige Stromrichter 28 ist ein bidirektionaler Gleichstromstromrichter, dessen erster Anschluss 281 über ein Sekundärquellen-Sammelschienensystem 6 und das Schaltsystem 5 elektrisch mit dem Sekundärquellenanschluss 42, 43 und 44 verbunden ist. Die Sekundärquellenanschlüsse 42, 43 und 44 sind Gleichstromanschlüsse. Ein zweiter Anschluss 282 des sekundärquellenseitigen Stromrichters 28 ist elektrisch mit dem Gleichstromzwischenkreis 2 verbunden. In einer alternativen Ausführungsform ist der sekundärquellenseitige Stromrichter ein unidirektionaler Gleichstromstromrichter, der angepasst ist, den Gleichstromzwischenkreis mit Energie zu versorgen.
Das Schaltsystem 5 umfasst drei Schalteinheiten 52, die jede elektrisch zwischen einem entsprechenden Sekundärquellenanschluss und dem Sekundärquellen-Sammelschienensystem 6 verbunden sind. Eine erste Schalteinheit ist elektrisch zwischen dem Sekundärquellenanschluss 42 und dem Sekundärquellen-Sammelschienensystem 6 verbunden. Eine zweite Schalteinheit ist elektrisch zwischen dem Sekundärquellenanschluss 43 und dem Sekundärquellen-Sammelschienensystem 6 verbunden. Eine dritte Schalteinheit ist elektrisch zwischen dem Sekundärquellenanschluss 44 und dem Sekundärquellen-Sammelschienensystem 6 verbunden.
Jede Schalteinheit 52 des Schaltsystems 5 umfasst einen ersten Schalter 521 und einen zweiten Schalter 522, die parallel verbunden sind, wobei der erste Schalter 521 eine höhere Schaltgeschwindigkeit als der zweite Schalter 522 aufweist, und der zweite Schalter 522 geringere Leitungsverluste als der erste Schalter 521 aufweist. Der erste Schalter 521 ist ein Thyristor, und der zweite Schalter 522 ist ein mechanischer Schalter. In einer alternativen Ausführungsform umfasst jede Schalteinheit des Schaltsystems nur einen Schalter, der ein mechanischer Schalter ist.
Die Sekundärquellenanschlüsse 42, 43 und 44 sind mit den Sekundärstromversorgungen 461, 462 bzw. 463 verbunden. Jede der Sekundärstromversorgungen 461, 462 und 463 weist einen anderen Typ auf als die anderen Sekundärstromversorgungen, so dass sich die zyklischen und/oder thermischen Leistungen der Sekundärstromversorgungen voneinander unterscheiden.
Die Sekundärstromversorgung 461 ist eine wiederaufladbare Batterie, die Sekundärstromversorgung 462 ist ein Kondensator und die Sekundärstromversorgung 463 ist eine kinetische Quelle. In einer alternativen Ausführungsform umfassen Sekundärstromversorgungen mindestens eines der folgenden: eine Photovoltaikzelle, eine Brennstoffzelle, eine Windkraftanlage. In einer weiteren alternativen Ausführungsform umfasst die Stromrichteranordnung mindestens einen Sekundärquellenanschluss, der ein Wechselstromanschluss ist, und der elektrisch mit dem Gleichstromzwischenkreis über einen sekundärquellenseitigen Stromrichter, der eine elektrisch mit dem Sekundärquellenanschluss verbundene Wechselstromseite und eine elektrisch mit dem Gleichstromzwischenkreis verbundene Gleichstromseite aufweist, verbunden ist.
In einer alternativen Ausführungsform umfasst die Stromrichteranordnung nur einen Sekundärquellenanschluss, und die einzige Schalteinheit des Schaltsystems umfasst nur einen Schalter, der ein mechanischer Schalter ist. In dieser Ausführungsform ist ein mechanischer Schalter ausreichend, da keine Notwendigkeit besteht, schnelle Umschaltungen zwischen verschiedenen Sekundärstromversorgungen vorzunehmen. In einer weiteren alternativen Ausführungsform umfasst die Stromrichteranordnung keine Sekundärquellenanschlüsse.
Das Steuersystem 909 ist angepasst, das Primärquellenstromrichtersystem 8, den lastseitigen Stromrichter 18, den sekundärquellenseitigen Stromrichter 28 und das Schaltsystem 5 zu steuern. Das Steuersystem 909 ist angepasst, einen Netzstützbetrieb zum Liefern von Energie vom Gleichstromzwischenkreis 2 zum Primärquellenanschluss 41 bereitzustellen. Natürlich ist das Steuersystem 909 auch angepasst, einen Laststützbetrieb für das Liefern von Energie aus dem Gleichstromzwischenkreis 2 an den Lastanschluss 71 bereitzustellen.
Der Netzstützbetrieb ermöglicht ein Übertragen von Energie von den Sekundärquellenanschlüssen 42, 43 und 44 an den Primärquellenanschluss 41 über den Gleichstromzwischenkreis 2. Daher kann Energie von den Sekundärstromversorgungen 461, 462 und 463, die von der Last 707 nicht benötigt wird, an die primäre Wechselstromversorgung 301 geliefert werden. Des Weiteren ermöglicht der Netzstützbetrieb ein Übertragen von Energie vom Lastanschluss 71 zum Primärquellenanschluss 41 über den Gleichstromzwischenkreis 2.
2 zeigt, dass das Primärquellenstromrichtersystem 8 zwei parallel verbundene Primärquellenstromrichterzweige umfasst, die mit 91 und 92 bezeichnet werden. Jeder der Primärquellenstromrichterzweige 91 und 92 weist eine Wechselstromseite auf, die elektrisch mit dem Primärquellenanschluss 41 verbunden ist, und eine Gleichstromseite, die mit dem Gleichstromzwischenkreis 2 verbunden ist. In einer alternativen Ausführungsform umfasst das Primärquellenstromrichtersystem zwei oder mehr parallel verbundene Primärquellenstromrichterzweige für jede Phase des Primärquellenanschlusses.
Der Primärquellenstromrichterzweig 91 befindet sich im ersten Primärquellenstromrichter 81, und der Primärquellenstromrichterzweig 92 befindet sich im zweiten Primärquellenstromrichter 82. In einer alternativen Ausführungsform befindet sich die Vielzahl an parallel verbundenen Primärquellenstromrichterzweigen des Primärquellenstromrichtersystems in einem einzigen Primärquellenstromrichter.
Der Gleichstromzwischenkreis 2 umfasst eine erste Sammelschiene BB1, eine zweite Sammelschiene BB2, eine dritte Sammelschiene BB3, einen ersten Kondensator C21 und einen zweiten Kondensator C22. Der erste Kondensator C21 und der zweite Kondensator C22 sind in Reihe zwischen der ersten Sammelschiene BB1 und der zweiten Sammelschiene BB2 verbunden. Die dritte Sammelschiene BB3 ist elektrisch zwischen dem ersten Kondensator C21 und dem zweiten Kondensator C22 verbunden.
Jeder der Primärquellenstromrichterzweige 91 und 92 ist ein dreistufiger Stromrichterzweig, der vier steuerbare Schalter umfasst, die angepasst sind, vom Steuersystem 909 gesteuert zu werden. Der Primärquellenstromrichterzweig 91 umfasst steuerbare Schalter S11, S12, S13 und S14, die in Reihe zwischen der ersten Sammelschiene BB1 und der zweiten Sammelschiene BB2 verbunden sind, sowie ein Diodenventil VD1. Der Primärquellenstromrichterzweig 92 umfasst steuerbare Schalter S21, S22, S23 und S24, die in Reihe zwischen der ersten Sammelschiene BB1 und der zweiten Sammelschiene BB2 verbunden sind, sowie ein Diodenventil VD2. Der Primärquellenanschluss 41 ist elektrisch zwischen den steuerbaren Schaltern S12 und S13 des Primärquellenstromrichterzweigs 91 und zwischen den steuerbaren Schaltern S22 und S23 des Primärquellenstromrichterzweigs 92 verbunden.
Die steuerbaren Schalter S11 bis S24 sind Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) mit antiparallelen Dioden. Das Steuersystem 909 ist angepasst, die steuerbaren Schalter S11 bis S24 durch ein Pulsweitenmodulationsverfahren (PWM) zu steuern.
In alternativen Ausführungsformen sind die steuerbaren Schalter der mehrstufigen Stromrichterzweige andere Arten von Hochfrequenzschaltelementen als IGBTs. In einer alternativen Ausführungsform sind die steuerbaren Schalter der mehrstufigen Stromrichterzweige Feldeffekttransistoren (FET).
In einer alternativen Ausführungsform umfasst das PrimärquellenStromrichtersystem eine Vielzahl an parallel verbundenen Primärquellenstromrichterzweigen für jede Phase des Primärquellenanschlusses. Die Anzahl der Stufen der Primärquellenstromrichterzweige ist nicht auf drei beschränkt, sondern es sind auch höherstufige Stromrichterzweige verwendbar. Mit anderen Worten ist ein mehrstufiger Stromrichterzweig ein dreistufiger Stromrichterzweig oder ein höherstufiger Stromrichterzweig wie ein fünfstufiger Stromrichterzweig.
Die Stromrichteranordnung umfasst eine Filterinduktivität L11 für den Primärquellenstromrichterzweig 91 und eine Filterinduktivität L12 für den Primärquellenstromrichterzweig 92. Die Filterinduktivität L11 ist elektrisch zwischen dem Primärquellenanschluss 41 und einem Punkt P11 verbunden, der elektrisch zwischen den steuerbaren Schaltern S12 und S13 liegt. Die Filterinduktivität L12 ist elektrisch zwischen dem Primärquellenanschluss 41 und einem Punkt P12 verbunden, der elektrisch zwischen den steuerbaren Schaltern S22 und S23 liegt.
Das Diodenventil VD1 umfasst die Dioden D11 und D12, die in Reihe verbunden sind. Das Diodenventil VD1 ist antiparallel zwischen einem Punkt P1, der elektrisch zwischen den steuerbaren Schaltern S11 und S12 liegt, und einem Punkt P2, der elektrisch zwischen den steuerbaren Schaltern S13 und S14 liegt, verbunden. Die dritte Stromschiene BB3 ist elektrisch zwischen den in Reihe verbundenen Dioden D11 und D12 verbunden.
Das Diodenventil VD2 umfasst die Dioden D21 und D22, die in Reihe verbunden sind. Das Diodenventil VD2 ist antiparallel zwischen einem Punkt P3, der elektrisch zwischen den steuerbaren Schaltern S21 und S22 liegt, und einem Punkt P4, der elektrisch zwischen den steuerbaren Schaltern S23 und S24 liegt, verbunden. Die dritte Stromschiene BB3 ist elektrisch zwischen den in Reihe verbundenen Dioden D21 und D22 verbunden.
Während des Netzstützbetriebs betreibt das Steuersystem 909 die parallel verbundenen Stromrichterzweige 91 und 92 in einem verschachtelten Modus, um die Welligkeit in der vom Gleichstromzwischenkreis 2 an den Primärquellenanschluss 41 gelieferten Elektrizität zu verringern. Im verschachtelten Modus sind die Steuersignale für die parallel verbundenen Stromrichterzweige 91 und 92 identisch, aber es besteht eine Zeitdifferenz zwischen ihnen.
3 zeigt Teile von Steuersignalen der parallel verbundenen Primärquellenstromrichterzweige 91 und 92 während des Netzstützbetriebs. In 3 ist PWM1 ein Teil eines Steuersignals, das vom Steuersystem 909 erzeugt wird und angepasst ist, den Primärquellenstromrichterzweig 91 zu steuern, und PWM2 ist ein Teil eines Steuersignals, das vom Steuersystem 909 erzeugt wird und angepasst ist, den Primärquellenstromrichterzweig 92 zu steuern.
Eine Frequenz der Steuersignale PWM1 und PWM2 ist 20 kHz. In alternativen Ausführungsformen beträgt die Frequenz der Steuersignale der Vielzahl an parallel verbundenen Primärquellenstromrichterzweigen mindestens 5 kHz.
Eine Phasenverschiebung zwischen den Steuersignalen PWM1 und PWM2 beträgt 180°. In einer alternativen Ausführungsform, in der das Primärquellenstromrichtersystem N parallel verbundene Primärquellenstromrichterzweige für jede Phase der Primärquellenverbindung umfasst, beträgt eine Phasenverschiebung zwischen den Steuersignalen der parallel verbundenen Stromrichterzweige 360°/N. In weiteren alternativen Ausführungsformen ist eine Phasenverschiebung zwischen den Steuersignalen der parallel verbundenen Stromrichterzweige in einem Bereich von 5° bis 360°/N.
Es wird für einen Fachmann auf dem Gebiet offensichtlich sein, dass das erfindungsgemäße Konzept auf verschiedene Weise umgesetzt werden kann. Die Erfindung und ihre Ausführungsformen sind nicht auf die vorstehend beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern können innerhalb des Bereichs der Ansprüche variieren.

Claims

Stromrichteranordnung, umfassend: einen Primärquellenanschluss (41), der mindestens eine Phase umfasst, und der angepasst ist, mit einer primären Wechselstromversorgung (301) verbunden zu sein; einen Lastanschluss (71), der angepasst ist, mit einer Last (707) verbunden zu sein; ein Primärquellenstromrichtersystem (8) mit einer Wechselstromseite, die elektrisch mit dem Primärquellenanschluss (41) verbunden ist, und einer Gleichstromseite, wobei das Primärquellenstromrichtersystem (8) eine Vielzahl an parallel verbundenen Primärquellenstromrichterzweigen (91, 92) für jede Phase des Primärquellenanschlusses (41) umfasst; einen Gleichstromzwischenkreis (2), der elektrisch zwischen der Gleichstromseite des Primärquellenstromrichtersystems (8) und dem Lastanschluss (71) verbunden ist, wobei der Gleichstromzwischenkreis (2) eine Gleichstromzwischenkreiskapazität umfasst; ein Steuersystem (909), das angepasst ist, das Primärquellenstromrichtersystem (8) zu steuern, wobei das Steuersystem (909) angepasst ist, einen Netzstützbetrieb zum Liefern von Energie vom Gleichstromzwischenkreis (2) an den Primärquellenanschluss (41) bereitzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Vielzahl an Primärquellenstromrichterzweigen (91, 92) ein mehrstufiger Stromrichterzweig ist, und das Steuersystem (909) angepasst ist, die Vielzahl an parallel verbundenen Primärquellenstromrichterzweigen (91, 92) für jede Phase in einem verschachtelten Modus während des Netzstützbetriebs zu betreiben.
Stromrichteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromrichteranordnung mindestens einen Sekundärquellenanschluss (42, 43, 44) umfasst, der angepasst ist, elektrisch mit einer sekundären Stromversorgung (461, 462, 463) verbunden zu sein, wobei der Netzstützbetrieb angepasst ist, Energie von dem mindestens einen Sekundärquellenanschluss (42, 43, 44) über den Gleichstromzwischenkreis (2) an den Primärquellenanschluss (41) zu übertragen.
Stromrichteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromrichteranordnung einen sekundärquellenseitigen Stromrichter (28) umfasst, der elektrisch zwischen dem mindestens einen Sekundärquellenanschluss (42) und dem Gleichstromzwischenkreis (2) verbunden ist, und das Steuersystem (909) angepasst ist, den sekundärquellenseitigen Stromrichter (28) zu steuern.
Stromrichteranordnung nach einem beliebigen der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromrichteranordnung eine Filterinduktivität (L11, L12) für jeden der Vielzahl an parallel verbundenen Primärquellenstromrichterzweigen (91, 92) umfasst.
Stromrichteranordnung nach einem beliebigen der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromrichteranordnung einen lastseitigen Stromrichter (18) umfasst, der elektrisch zwischen dem Gleichstromzwischenkreis (2) und dem Lastanschluss (71) verbunden ist, und das Steuersystem (909) angepasst ist, den lastseitigen Stromrichter (18) zu steuern.
Stromrichteranordnung nach einem beliebigen der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das PrimärquellenStromrichtersystem (8) N parallel verbundene Primärquellenstromrichterzweige (91, 92) für jede Phase des Primärquellenanschlusses (41) umfasst, und während des Netzstützbetriebs eine Phasenverschiebung zwischen Steuersignalen der parallel verbundenen Primärquellenstromrichterzweige (91, 92) in einem Bereich von 5° bis 360°/N ist.
Stromrichteranordnung nach einem beliebigen der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Vielzahl an Primärquellenstromrichterzweigen (91, 92) ein dreistufiger Stromrichterzweig ist.