DE212015000322U1

DE212015000322U1 - Multilevelumrichter mit Redundanzmodul

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Publication number: DE212015000322U1
Application number: DE212015000322.1U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2015-10-09
Filing date: 2015-10-09
Publication date: 2018-05-14
Anticipated expiration: 2025-10-10
Also published as: WO2017059924A1; CN209046521U

Abstract

Multilevelumrichter (5) mit einer Mehrzahl an in Reihe geschalteten Submodulen (10, 40), die jeweils zumindest einen Kondensator (13, 43) aufweisen und in Entladephasen mittels des Kondensators (13, 43) Strom nach außen abgeben und in Ladephasen Strom zum Aufladen des Kondensators (13, 43) aufnehmen, dadurch gekennzeichnet, dass- der Multilevelumrichter (5) mindestens ein Redundanzmodul (20, 50) aufweist, das in einem Normalbetriebsmodus des Multilevelumrichters (5) inaktiv ist und in einem Ersatzbetriebsmodus des Multilevelumrichters (5) als Submodul (10, 40) arbeitet, und- zu dem Redundanzmodul (20, 50) oder zu einer das Redundanzmodul (20, 50) aufweisenden Redundanzmodulreihenschaltung (21, 51) eine Schalteinrichtung (100, 500) parallel geschaltet ist, die im Normalbetriebsmodus eingeschaltet und im Ersatzbetriebsmodus ausgeschaltet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Multilevelumrichter mit einer Mehrzahl an in Reihe geschalteten Submodulen, die jeweils zumindest einen Kondensator aufweisen und in Entladephasen mittels des Kondensators Strom nach außen abgeben und in Ladephasen Strom zum Aufladen des Kondensators aufnehmen.
Ein derartiger Multilevelumrichter ist beispielsweise aus der Druckschrift „An Innovative Modular Multilevel Converter Topology Suitable for Wide Power Range" (A. Lesnicar und R. Marquardt, 2003 IEEE Bologna Power Tech Conference, 23.-26. Juni 2003, Bologna, Italien) bekannt. Bei diesem vorbekannten Multilevelumrichter handelt es sich um eine sogenannte Marquardt-Umrichteranordnung, die zumindest zwei parallel geschaltete Reihenschaltungen umfasst. Jede der parallel geschalteten Reihenschaltungen umfasst jeweils mindestens zwei in Reihe geschaltete Submodule, die jeweils mindestens zwei Schalter und einen Kondensator umfassen. Durch eine geeignete Ansteuerung der Schalter lässt sich das Spannungsniveau am Ausgang des Multilevelumrichters gezielt einstellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Multilevelumrichter anzugeben, bei dem im Falle eines Ausfalls von Submodulen ein weiterer sicherer Betrieb zumindest für eine gewisse weitere Zeitdauer möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Multilevelumrichter mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Multilevelumrichters sind in Unteransprüchen angegeben.
Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Multilevelumrichter mindestens ein Redundanzmodul aufweist, das in einem Normalbetriebsmodus des Multilevelumrichters inaktiv ist und in einem Ersatzbetriebsmodus des Multilevelumrichters als Submodul arbeitet, und zu dem Redundanzmodul oder zu einer das Redundanzmodul aufweisenden Redundanzmodulreihenschaltung eine Schalteinrichtung parallel geschaltet ist, die im Normalbetriebsmodus eingeschaltet und im Ersatzbetriebsmodus ausgeschaltet ist.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Multilevelumrichters besteht darin, dass im Falle eines Ausfalls eines oder - je nach Ausgestaltung - mehrerer aktiver Submodule ein weiterer Betrieb des Multilevelumrichters oder zumindest ein sicheres Herunterfahren des Multilevelumrichters möglich ist, da ausgefallene Submodule durch Aktivieren von Redundanzmodulen ersetzt werden können. Das Aktivieren des oder der Redundanzmodule kann erfindungsgemäß durch ein Ausschalten einer parallelen Schalteinrichtung, also zuverlässig und schnell, erfolgen. Durch das Ausschalten der Schalteinrichtung wird das parallel liegende Redundanzmodul bzw. werden die parallel liegenden Redundanzmodule mit Spannung beaufschlagt, so dass ihre Kondensatoren geladen werden können und die Redundanzmodule betriebsbereit werden.
Die Redundanzmodule für den Ersatzbetriebsmodus und die im Normalbetriebsmodus bereits aktiven Submodule sind vorzugsweise baugleich bzw. identisch.
Mit Blick auf eine ausreichende Redundanz wird es als vorteilhaft angesehen, wenn mindestens zwei Submodule des Multilevelumrichters Redundanzmodule sind. Vorzugsweise sind die mindestens zwei Redundanzmodule elektrisch in Reihe geschaltet und bilden die erwähnte Redundanzmodulreihenschaltung.
Mit Blick auf minimale elektrische Verluste im eingeschalteten Zustand wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Schalteinrichtung einen mechanischen Schalter aufweist. Der mechanische Schalter ist im Normalbetriebsmodus des Multilevelumrichters eingeschaltet und im Ersatzbetriebsmodus des Multilevelumrichters ausgeschaltet.
Die Schalteinrichtung weist bevorzugt eine Parallelschaltung auf, die mindestens einen mechanischen Schalter und einen dazu parallel geschalteten Halbleiterschalter umfasst.
Der Halbleiterschalter ist bevorzugt sowohl im Normalbetriebsmodus des Multilevelumrichters als auch im Ersatzbetriebsmodus des Multilevelumrichters ausgeschaltet. Der Halbleiterschalter dient vorzugsweise nur zum Kurzschließen des mechanischen Schalters während des Öffnens der Schaltkontakte des mechanischen Schalters, um das Auftreten eines Lichtbogens zu verhindern bzw. das Auftreten eines Lichtbogens zu verkürzen.
Als Halbleiterschalter wird vorzugsweise ein Thyristor eingesetzt.
Insbesondere für den Fall, dass es sich bei den Submodulen und den Redundanzmodulen um Vollbrückenmodule handelt, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Schalteinrichtung eine Parallelschaltung aufweist, die mindestens einen mechanischen Schalter und zwei dazu parallel geschaltete unidirektional schaltende Halbleiterschalter umfasst, wobei die unidirektional schaltenden Halbleiterschalter gegenpolig verschaltet sind.
Im Falle der letztgenannten Ausführungsvariante ist es besonders vorteilhaft, wenn die Schalteinrichtung eine Parallelschaltung aufweist, die mindestens einen mechanischen Schalter und zwei dazu parallel geschaltete Thyristoren umfasst, wobei die Thyristoren gegenpolig verschaltet sind.
Im Übrigen ist es vorteilhaft, wenn zu der Schalteinrichtung, insbesondere zu dem Halbleiterschalter und/oder zu dem mechanischen Schalter, eine Impedanz, beispielsweise in Form eines ohmschen Widerstandes, in Reihe geschaltet ist. Eine solche Impedanz kann zur Strombegrenzung sowie dazu dienen, gezielt einen Spannungsabfall hervorzurufen, der das Aufladen des oder der Kondensatoren des bzw. der Redundanzmodule mitbestimmt bzw. beeinflusst.
Bei der letztgenannten Ausführungsform wird der mit der Impedanz in Reihe liegende Schalter - dies ist bevorzugt der Halbleiterschalter - vorzugsweise erst geöffnet, wenn der oder die Kondensatoren des Submoduls ausreichend geladen sind und das Submodul betriebsfähig und mit einer Steuereinrichtung des Multilevelumrichters kommunikationsfähig ist.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Anordnung mit einem Multilevelumrichter, wie er oben beschrieben worden ist.
Die Anordnung oder der Multilevelumrichter selbst weist vorzugsweise eine Steuereinrichtung auf, die mit dem erwähnten mechanischen Schalter und dem erwähnten zumindest einen Halbleiterschalter in Verbindung steht.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Anordnung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie im Rahmen der Aktivierung des Ersatzbetriebs des Multilevelumrichters, also vor, während oder nach dem Ausschalten des mechanischen Schalters, den Halbleiterschalter einschaltet, vorzugsweise, indem sie an einen Steuereingang, insbesondere Zündeingang, des Halbleiterschalters oder der Halbleiterschalter ein periodisches Steuersignal, insbesondere einen Pulskamm, anlegt.
Bevorzugt ist die Steuereinrichtung derart ausgestaltet, dass sie den Halbleiterschalter oder die Halbleiterschalter eingeschaltet lässt oder wiederholt, insbesondere mittels eines periodischen Steuersignals, einschaltet, bis sie, insbesondere von dem Redundanzmodul, ein Signal erhält, das den ausgeschalteten Zustand des mechanischen Schalters signalisiert. Die Steuereinrichtung wird vorzugsweise den Strom durch den mechanischen Schalter überwachen und den Halbleiterschalter eingeschaltet lassen, bis der Strom eine vorgegebene Schwelle erreicht oder unterschreitet.
Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinrichtung derart ausgestaltet sein, dass sie den Halbleiterschalter oder die Halbleiterschalter eingeschaltet lässt oder wiederholt, insbesondere mittels eines periodischen Steuersignals einschaltet, und zwar für eine fest vorgegebene Zeitspanne nach dem Ausschalten des mechanischen Schalters oder dem Anlegen eines Ausschaltbefehls an den mechanischen Schalter.
Um eine Überspannung an dem Kondensator des oder der Redundanzmodule und eine Überlastung und ggf. Zerstörung der Redundanzmodule zu vermeiden, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Steuereinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie den Halbleiterschalter oder die Halbleiterschalter einschaltet oder eingeschaltet lässt, wenn die Spannung an einem Kondensator des Redundanzmoduls eine vorgegebene Maximalspannung erreicht oder überschreitet und/oder die Summenspannung der Spannungen der Kondensatoren der Redundanzmodulreihenschaltung eine vorgegebene Summenmaximalspannung erreicht oder überschreitet.
Bei einer bevorzugten speziellen Ausgestaltung der Anordnung ist vorgesehen, dass das Redundanzmodul ein Halbbrückenmodul ist oder aufweist, das zusätzlich zu dem Kondensator zwei in Reihe geschaltete Schaltelemente, zu denen jeweils eine Diode parallel geschaltet ist, aufweist, wobei die Reihenschaltung der Schaltelemente und damit die Reihenschaltung der Dioden parallel zu dem Kondensator liegt, die Dioden derart gepolt sind, dass bei einer positiven Polarität eines durch das Halbbrückenmodul fließenden Stromes der Kondensator bei ausgeschalteten Schaltelementen geladen werden kann und bei einer negativen Polarität eines durch das Halbbrückenmodul fließenden Stromes der Kondensator bei ausgeschalteten Schaltelementen nicht geladen werden kann, und die Steuereinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie den Ersatzbetrieb des Multilevelumrichters aktiviert und den mechanischen Schalter ausschaltet, wenn der Strom durch das Halbbrückenmodul die negative Polarität aufweist oder seinen Nulldurchgang in Richtung negativer Polarität durchführt.
Bezüglich der Anordnung der Redundanzmodule wird es mit Blick auf die Verteilung der elektrischen Potentiale innerhalb des Multilevelumrichters als vorteilhaft angesehen, wenn die Redundanzmodule auf einem möglichst geringen Gleichspannungsniveau liegen. Vorzugsweise sind die Redundanzmodule direkt oder möglichst direkt mit Wechselspannungsanschlüssen des Multilevelumrichters verbunden. Vorteilhaft ist es insbesondere, wenn innerhalb von Reihenschaltungen, die die Submodule und die Redundanzmodule enthalten, mehr Submodule zwischen den Gleichspannungsanschlüssen des Multilevelumrichters und dem oder den Redundanzmodulen liegen als zwischen den Wechselspannungsanschlüssen und dem oder den Redundanzmodulen.
Die elektrische Energie zum Erzeugen von Steuer- oder Zündsignalen zum Einschalten des Halbleiterschalters und zum Ausschalten des mechanischen Schalters, beispielsweise zum Erzeugen des erwähnten Pulskamms, entnimmt die Steuereinrichtung vorzugsweise von den Kondensatoren bzw. den Zwischenkreisen anderer Submodule.
Besonders vorteilhaft ist es mit Blick auf die elektrische Potentialverteilung, wenn die elektrische Energie zum Erzeugen von Steuer- bzw. Zündsignalen (ausschließlich oder zumindest auch) von einem Kondensator bzw. Zwischenkreis eines Submoduls entnommen wird, das elektrisch möglichst benachbart ist und auf ähnlichem Potential, zumindest nicht zu unterschiedlichem Potential, wie die auszulösende Schalteinrichtung liegt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein elektrisch unmittelbar benachbartes (also mit dieser Schalteinrichtung unmittelbar verbundenes) Submodul zur Energieentnahme herangezogen wird.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zum Betreiben eines Multilevelumrichters, der eine Mehrzahl an in Reihe geschalteten Submodulen aufweist, die jeweils zumindest einen Kondensator aufweisen und in Entladephasen mittels des Kondensators Strom nach außen abgeben und in Ladephasen Strom zum Aufladen des Kondensators aufnehmen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Multilevelumrichter in einem Normalbetriebsmodus betrieben wird, solange die Submodule oder eine vorgegebene Anzahl an Submodulen betriebsfähig ist, und bei Ausfall eines der Submodule oder bei Unterschreiten der vorgegebenen Anzahl an betriebsfähigen Submodulen mindestens ein Redundanzmodul aktiviert wird, indem eine Schalteinrichtung, die elektrisch zum Redundanzmodul oder einer das Redundanzmodul aufweisenden Redundanzmodulreihenschaltung parallel geschaltet ist, von ihrem im Normalbetriebsmodus eingeschalteten Zustand in ihren ausgeschalteten Zustand geschaltet wird.
Bezüglich der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Multilevelumrichter und der erfindungsgemäßen Anordnung verwiesen.
Vorzugsweise werden nach dem Öffnen der Schalteinrichtung bei den parallel liegenden Redundanzmodulen zunächst die Submodul-Kondensatoren geladen, damit die submoduleigene Stromversorgung der Submodule hochlaufen kann, und dann geladen gehalten, bis die Steuereinrichtung des Multilevelumrichters oder eine submoduleigene Steuerung die Regelung der Kondensatorspannungen der Submodul-Kondensatoren übernimmt.
Danach können die Redundanzmodule wie normale Submodule zur Spannungsbildung herangezogen werden. Vor dem Übergang in den Normalbetrieb ist es möglich, die neu in Betrieb genommenen Submodule (vorher Redundanzmodule) zu testen. Die Schalteinrichtung, insbesondere deren Halbleiterschalter (vorzugsweise Thyristor) kann während dieser Testphase als Schutz dienen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft:

1 ein Ausführungsbeispiel für einen dreiphasigen Multilevelumrichter, der mit einer Vielzahl an Submoduleinrichtungen, die jeweils mehrere Submodule aufweisen, sowie einer Mehrzahl an Redundanzeinrichtungen, die jeweils mehrere Redundanzmodule aufweisen, ausgestattet ist,
2 ein Ausführungsbeispiel für eine Submoduleinrichtung, die bei dem Multilevelumrichter gemäß 1 eingesetzt werden kann, wobei die Submoduleinrichtung Submodule in Form von Halbbrückenmodulen aufweist,
3 ein Ausführungsbeispiel für eine Redundanzeinrichtung, die bei dem Multilevelumrichter gemäß 1 eingesetzt werden kann, wobei die Redundanzeinrichtung Submodule in Form von Halbbrückenmodulen aufweist,
4 ein Ausführungsbeispiel für eine Submoduleinrichtung, die bei dem Multilevelumrichter gemäß 1 eingesetzt werden kann, wobei die Submoduleinrichtung Submodule in Form von Vollbrückenmodulen aufweist,
5 ein Ausführungsbeispiel für eine Redundanzeinrichtung, die bei dem Multilevelumrichter gemäß 1 eingesetzt werden kann, wobei die Redundanzeinrichtung Submodule in Form von Vollbrückenmodulen aufweist,
6 beispielhaft den zeitlichen Verlauf eines Steuersignals, das zum wiederholten Zünden von Halbleiterschaltern der Redundanzeinrichtungen gemäß den 3 und 5 geeignet ist,
7 ein Ausführungsbeispiel für eine Redundanzeinrichtung, die bei dem Multilevelumrichter gemäß 1 eingesetzt werden kann, wobei zu einem Halbleiterschalter der Redundanzeinrichtung eine Impedanz in Reihe geschaltet ist, und
8 ein Ausführungsbeispiel für eine Redundanzeinrichtung, die bei dem Multilevelumrichter gemäß 1 eingesetzt werden kann, wobei zu parallel geschalteten Halbleiterschaltern der Redundanzeinrichtung jeweils eine Impedanz in Reihe geschaltet ist.

In den Figuren werden der Übersicht halber für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet.
In der 1 ist ein Ausführungsbeispiel für einen dreiphasigen Multilevelumrichter 5 gezeigt. Dieser umfasst Wechselspannungsanschlüsse W5 zum Ein- oder Ausspeisen von Wechselstrom sowie zwei Gleichspannungsanschlüsse G5a und G5b, an denen ein Gleichstrom oder ein zeitlich variabler Gleichstrom eingespeist oder entnommen werden. Die Richtung des Energieflusses und der zeitliche Verlauf der Ausgangsspannung, sei es an den Wechselspannungsanschlüssen W5 oder den Gleichspannungsanschlüssen G5a und G5b, hängt von der Ansteuerung von Submoduleinrichtungen SME ab, die in Reihenschaltungen R1, R2 und R3 in Reihe geschaltet sind. Eine solche Ansteuerung kann von einer zentralen Steuereinrichtung ZSE übernommen werden.
Jede der drei Reihenschaltungen R1, R2 und R3 ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 jeweils mit acht in Reihe geschalteten Submoduleinrichtungen SME sowie zwei Induktivitäten L ausgestattet. Jeweils zwischen den zwei Induktivitäten L befindet sich ein Zwischenanschluss Za, der potentialmäßig zwischen den in der 1 oberen vier Submoduleinrichtungen SME und den in 1 unteren vier Submoduleinrichtungen SME liegt und einen der drei Wechselspannungsanschlüsse W5 des Multilevelumrichters 5 bildet.
Jeweils vier Submoduleinrichtungen SME bilden bei dem Multilevelumrichter 5 gemäß 1 eine Submoduleinrichtungsgruppe SG, die elektrisch zwischen einem der Zwischenanschlüsse Z und einem der Gleichspannungsanschlüsse liegt.
Bei jeder der Submoduleinrichtungsgruppen SG ist vorzugsweise wenigstens eine Schalteinrichtung T vorhanden, die zu einer der Submoduleinrichtungen SME parallel geschaltet ist und diese zu einer Redundanzeinrichtung RE macht: Ist die jeweilige Schalteinrichtung T eingeschaltet, so wird die parallel liegende Submoduleinrichtung SME kurzgeschlossen und dadurch deaktiviert. Ist die jeweilige Schalteinrichtung T ausgeschaltet, so wird die parallel liegende Submoduleinrichtung SME aktiviert, so dass diese wie die anderen im Betrieb befindlichen Submoduleinrichtungen SME arbeitet.
Der jeweilige Schaltzustand der Schalteinrichtung T entscheidet also über den Betriebszustand der parallel liegenden Submoduleinrichtung SME bzw. darüber, ob diese aktiviert ist und als normale Submoduleinrichtung arbeitet oder nicht.
Die bereits erwähnte zentrale Steuereinrichtung ZSE wird im Normalbetriebsmodus die Arbeitsweise der im Betrieb befindlichen Submoduleinrichtungen SME überwachen. Stellt sie dabei fest, dass einige oder mehrere der aktiv betriebenen Submoduleinrichtungen SME oder deren Submodule ausgefallen sind, wird sie bei der jeweiligen Submoduleinrichtungsgruppe SG die Redundanzeinrichtung RE unmittelbar oder unter Einbezug einer anderen lokalen Steuereinrichtung aktivieren, so dass diese vollständig oder (im Falle von Submoduleinrichtungen mit mehreren Submodulen) nur zum Teil ausgefallene Submoduleinrichtungen SME ersetzen kann.
Bezüglich der Anordnung der Redundanzeinrichtungen RE innerhalb der Reihenschaltungen R1 bis R3 wird es als vorteilhaft angesehen, wenn diese auf einem möglichst geringen Gleichspannungsniveau liegen. Aus diesem Grunde sind die Redundanzeinrichtungen RE innerhalb der Reihenschaltungen R1 bis R3 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 direkt oder möglichst direkt mit den Wechselspannungsanschlüssen W5 des Multilevelumrichters 5 verbunden. Vorteilhaft ist es insbesondere, wenn innerhalb der Reihenschaltungen R1 bis R3 mehr Submoduleinrichtungen SME zwischen den Gleichspannungsanschlüssen G5a bzw. G5b und der Redundanzeinrichtung RE liegen als zwischen den Wechselspannungsanschlüssen W5 und der Redundanzeinrichtung RE.
Die 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Submoduleinrichtung SME, die bei dem Multilevelumrichter 5 gemäß 1 eingesetzt werden kann. Die Submoduleinrichtung SME kann ein einziges Submodul 10 umfassen oder - wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 - eine Vielzahl an Submodulen 10, die in Reihe geschaltet sind.
Bei den Submodulen 10 gemäß 2 handelt es sich um sogenannte Halbbrückenmodule, die jeweils zwei Schaltelemente 11 umfassen, die jeweils durch eine schaltende Halbleiterkomponente, beispielsweise einen Transistor oder dergleichen, gebildet sein können. Zu den Schaltelementen 11 ist jeweils eine Diode 12 parallel geschaltet. Parallel zu der Reihenschaltung der Schaltelemente 11 und der Dioden 12 liegt ein Kondensator 13.
Die äußeren Anschlüsse der Submoduleinrichtung SME, die zur Bildung der Reihenschaltung R1, R2, bzw. R3 herangezogen werden, sind mit den Bezugszeichen A1 und A2 gekennzeichnet (siehe auch 1).
Die 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Redundanzeinrichtung RE, die bei dem Multilevelumrichter 5 gemäß 1 eingesetzt werden kann. Die Redundanzeinrichtung RE kann ein einziges Redundanzmodul 20 umfassen oder - wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 - eine Vielzahl an Redundanzmodulen 20, die in Reihe geschaltet und eine Redundanzmodulreihenschaltung 21 bilden.
Bei den Redundanzmodulen 20 gemäß 3 kann es sich um Halbbrückenmodule handeln, wie sie im Zusammenhang mit der 2 beschrieben worden sind. Mit anderen Worten kann es sich bei den Redundanzmodulen 20 um Module handeln, die mit den Submodulen 10 der Submoduleinrichtung SME gemäß 2 identisch sind; bezüglich des Aufbaus der Halbbrückenmodule bzw. der Redundanzmodule gemäß 3 sei deshalb auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
Parallel zu der Redundanzmodulreihenschaltung 21 ist eine Schalteinrichtung 100 geschaltet, die im Normalbetriebsmodus des Multilevelumrichters 5 eingeschaltet und im Ersatzbetriebsmodus des Multilevelumrichter 5 ausgeschaltet ist.
Die Schalteinrichtung 100 weist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 eine Parallelschaltung auf, die mindestens einen mechanischen Schalter 110 und einen dazu parallel geschalteten Halbleiterschalter 120 umfasst. Bei dem Halbleiterschalter 120 handelt es sich vorzugsweise um einen Thyristor.
Die bereits erwähnte zentrale Steuereinrichtung ZSE oder eine der Redundanzeinrichtung RE zugeordnete und diese ansteuernde andere, lokale (vorzugsweise der zentralen Steuereinrichtung ZSE untergeordnete) Steuereinrichtung LSE ist bevorzugt derart ausgestaltet, dass sie im Rahmen der Aktivierung des Ersatzbetriebs des Multilevelumrichters 5, also vor, während oder nach dem Ausschalten des mechanischen Schalters 110, an einen Steuereingang E120, insbesondere Zündeingang, des Halbleiterschalters 120 ein periodisches Steuersignal ST, vorzugsweise einen Pulskamm wie in 6 beispielhaft dargestellt, anlegt.
Die elektrische Energie zum Erzeugen des Steuer- bzw. Zündsignals ST, beispielsweise des Pulskamms gemäß 6, entnimmt die Steuereinrichtung ZSE oder LSE vorzugsweise von den Kondensatoren bzw. den Zwischenkreisen anderer Submodule 10 gemäß 2 oder anderer Submoduleinrichtungen SME gemäß 1. Besonders vorteilhaft ist es mit Blick auf die elektrische Potentialverteilung in den Reihenschaltungen R1 bis R3 gemäß 1, wenn die elektrische Energie zum Erzeugen des Steuer- bzw. Zündsignals bzw. des Pulskamms gemäß 6 von einem Kondensator bzw. Zwischenkreis eines Submoduls 10 entnommen wird, das elektrisch möglichst benachbart ist und auf ähnlichem Potential, zumindest nicht zu unterschiedlichem Potential, wie der Halbleiterschalter 120 liegt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein elektrisch unmittelbar benachbartes (also mit diesem unmittelbar verbundenes) Submodul 10 herangezogen wird.
Wenn aus Redundanzgründen mehrere andere Submodule 10 zur Energieentnahme zwecks Erzeugung des Steuer- bzw. Zündsignals, beispielsweise des Pulskamms gemäß 6, herangezogen werden sollen, so werden dementsprechend vorzugsweise ebenfalls elektrisch möglichst benachbarte bzw. auf ähnlichen Potentialen liegende Submodule gewählt.
Die Steuereinrichtung ZSE oder LSE wird den Halbleiterschalter 120 vorzugsweise eingeschaltet lassen oder wiederholt, insbesondere mittels des periodischen Steuersignals ST gemäß 6, einschalten, bis der mechanische Schalter 110 vollständig ausgeschaltet und entionisiert ist und der durch ihn geführte Strom eine vorgegebene Schwelle unterschreitet. Die Steuereinrichtung ZSE oder LSE wird zu diesem Zwecke den Strom durch den mechanischen Schalter 110 vorzugsweise mittels eines in den Figuren nicht gezeigten Stromsensors überwachen.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung ZSE oder LSE den Halbleiterschalter 120 für eine fest vorgegebene Zeitspanne, die mit dem Ausschalten des mechanischen Schalters 110 bzw. mit dem Erzeugen oder Anlegen eines entsprechenden Ausschaltbefehls beginnt, eingeschaltet lässt oder wiederholt, insbesondere mittels des periodischen Steuersignals gemäß 6, einschaltet.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinrichtung ZSE oder LSE derart ausgestaltet ist, dass sie den Halbleiterschalter 120 zu einem späteren Zeitpunkt wieder einschaltet oder eingeschaltet lässt, sofern die Spannung an den einzelnen Kondensatoren der Redundanzmodule 20 eine vorgegebene Maximalspannung erreicht oder überschreitet und/oder die Summenspannung der Spannungen der Kondensatoren der Redundanzmodulreihenschaltung 21 eine vorgegebene Summenmaximalspannung erreicht oder überschreitet.
Die äußeren Anschlüsse der Redundanzeinrichtung RE, die zur Bildung der Reihenschaltung R1, R2, bzw. R3 herangezogen werden, sind mit den Bezugszeichen A1 und A2 gekennzeichnet (siehe auch 1).
Die 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Submoduleinrichtung SME, die bei dem Multilevelumrichter 5 gemäß 1 eingesetzt werden kann. Die Submoduleinrichtung SME kann ein einziges Submodul 40 umfassen oder - wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 - eine Vielzahl an Submodulen 40, die in Reihe geschaltet sind.
Bei den Submodulen 40 gemäß 4 handelt es sich um sogenannte Vollbrückenmodule, die jeweils vier Schaltelemente 41 umfassen, die jeweils durch eine schaltende Halbleiterkomponente, beispielsweise einen Transistor oder dergleichen, gebildet sein können. Zu den Schaltelementen 41 ist jeweils eine Diode 42 parallel geschaltet. Die Schaltelemente sind paarweise in Reihe geschaltet. Parallel zu den Reihenschaltungen liegt ein Kondensator 43.
Die äußeren Anschlüsse der Submoduleinrichtung SME, die zur Bildung der Reihenschaltung R1, R2, bzw. R3 herangezogen werden, sind mit den Bezugszeichen A1 und A2 gekennzeichnet (siehe auch 1).
Die 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Redundanzeinrichtung RE, die bei dem Multilevelumrichter 5 gemäß 1 eingesetzt werden kann. Die Redundanzeinrichtung RE kann ein einziges Redundanzmodul 50 umfassen oder - wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 - eine Vielzahl an Redundanzmodulen 50, die in Reihe geschaltet und eine Redundanzmodulreihenschaltung 51 bilden.
Bei den Redundanzmodulen 50 gemäß 5 kann es sich um Vollbrückenmodule handeln, wie sie im Zusammenhang mit der 4 beschrieben worden sind; bezüglich des Aufbaus der Vollbrückenmodule bzw. der Redundanzmodule 50 gemäß 5 sei deshalb auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
Parallel zu der Redundanzmodulreihenschaltung 51 ist eine Schalteinrichtung 500 parallel geschaltet, die im Normalbetriebsmodus des Multilevelumrichters 5 eingeschaltet und im Ersatzbetriebsmodus des Multilevelumrichters 5 ausgeschaltet ist.
Die Schalteinrichtung 500 weist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 eine Parallelschaltung auf, die mindestens einen mechanischen Schalter 110 und zwei dazu parallel geschalteten Halbleiterschalter 120 umfasst. Bei den Halbleiterschaltern 120 handelt es sich vorzugsweise um Thyristoren, die gegenpolig bzw. mit gegensätzlicher Polarität parallel geschaltet sind.
Die bereits erwähnte zentrale Steuereinrichtung ZSE oder eine der Redundanzeinrichtung RE zugeordnete andere, lokale Steuereinrichtung LSE ist bevorzugt derart ausgestaltet, dass sie im Rahmen der Aktivierung des Ersatzbetriebs des Multilevelumrichters 5, also vor, während oder nach dem Ausschalten des mechanischen Schalters 110, an die Steuereingänge E120 der Halbleiterschalter 120 periodische Steuersignale ST, vorzugsweise Pulskämme wie in 6 beispielhaft dargestellt, anlegt.
Die elektrische Energie zum Erzeugen der Steuer- bzw. Zündsignale, beispielsweise der Pulskämme gemäß 6, entnimmt die Steuereinrichtung ZSE oder LSE vorzugsweise von den Kondensatoren bzw. den Zwischenkreisen anderer Submodule 10 oder 40 gemäß 2 oder 4 bzw. anderer Submoduleinrichtungen SME gemäß 1. Besonders vorteilhaft ist es mit Blick auf die elektrische Potentialverteilung in den Reihenschaltungen R1 bis R3 gemäß 1, wenn die elektrische Energie zum Erzeugen der Steuer- bzw. Zündsignale bzw. der Pulskämme gemäß 6 von einem Kondensator bzw. Zwischenkreis eines Submoduls 10 entnommen wird, das elektrisch möglichst benachbart ist und auf ähnlichem Potential, zumindest nicht zu unterschiedlichem Potential, wie die Halbleiterschalter 120 liegt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein elektrisch unmittelbar benachbartes (also mit den Halbleiterschaltern 120 unmittelbar verbundenes) Submodul 10 herangezogen wird.
Wenn aus Redundanzgründen mehrere andere Submodule 10 zur Energieentnahme zwecks Erzeugung der Steuer- bzw. Zündsignale herangezogen werden sollen, so werden dementsprechend vorzugsweise ebenfalls elektrisch möglichst benachbarte und auf ähnlichen Potentialen liegende Submodule gewählt.
Die Steuereinrichtung ZSE oder LSE wird die Halbleiterschalter 120 vorzugsweise eingeschaltet lassen oder wiederholt, insbesondere mittels des periodischen Steuersignals ST gemäß 6, einschalten, bis der mechanische Schalter 110 ausgeschaltet ist und der durch ihn geführte Strom eine vorgegebene Schwelle unterschreitet. Die Steuereinrichtung ZSE oder LSE wird zu diesem Zweck den Strom durch den mechanischen Schalter 110 vorzugsweise mittels eines in den Figuren nicht gezeigten Stromsensors überwachen.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung ZSE oder LSE die Halbleiterschalter 120 für eine fest vorgegebene Zeitspanne nach dem Ausschalten des mechanischen Schalters 110 bzw. dem Erzeugen oder Anlegen eines entsprechenden Ausschaltbefehls eingeschaltet lässt oder wiederholt, insbesondere mittels des periodischen Steuersignals ST gemäß 6, einschaltet.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinrichtung ZSE oder LSE derart ausgestaltet ist, dass sie die Halbleiterschalter 120 zu einem späteren Zeitpunkt wieder einschaltet oder eingeschaltet lässt, sofern die Spannung an den einzelnen Kondensatoren der Redundanzmodule 50 eine vorgegebene Maximalspannung erreicht oder überschreitet und/oder die Summenspannung der Spannungen der Kondensatoren der Redundanzmodulreihenschaltung 51 eine vorgegebene Summenmaximalspannung erreicht oder überschreitet.
Die äußeren Anschlüsse der Redundanzeinrichtung RE, die zur Bildung der Reihenschaltung R1, R2, bzw. R3 herangezogen werden, sind mit den Bezugszeichen A1 und A2 gekennzeichnet (siehe auch 1).
Die 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel für den Amplitudenverlauf eines Steuersignals ST, das eine Pulsfolge bzw. einen Pulskamm bildet, über der Zeit t. Das Steuersignal ST ist zum wiederholten bzw. periodischen Einschalten der Halbleiterschalter 120 gemäß den 3 und 5 geeignet.
Die 7 und 8 zeigen weitere Ausführungsbeispiele für Redundanzeinrichtungen RE, die bei dem Multilevelumrichter 5 gemäß 1 eingesetzt werden können. Bei diesen Ausführungsbeispielen ist, beispielsweise zum Zwecke der Strombegrenzung, zu den Halbleiterschaltern 120 jeweils eine Impedanz Z in Reihe geschaltet. Im Übrigen kann die Impedanz Z dazu dienen, absichtlich einen Spannungsabfall hervorzurufen, der wiederum das Aufladen der Kondensatoren der Redundanzmodule gezielt beeinflusst. Vorzugsweise wird der mit der Impedanz Z in Reihe liegende Halbleiterschalter 120 in diesem Falle erst geöffnet, wenn die Kondensatoren der Redundanzmodule ausreichend, also beispielsweise auf eine vorgegebene Mindestspannung, aufgeladen sind und die Redundanzmodule betriebsfähig sind.
Bei der Impedanz Z handelt es sich vorzugsweise um einen ohmschen Widerstand, eine Induktivität oder eine Kombination aus einer Induktivität und einem ohmschen Widerstand, beispielsweise in Form einer Reihen- oder Parallelschaltung.
Bei der Impedanz Z kann es sich beispielsweise um eine solche handeln, bei der der Realteil betragsmäßig zumindest 10-mal größer ist als der Imaginärteil.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

5: Multilevelumrichter
10: Submodul
11: Schaltelement
12: Diode
13: Kondensator
20: Redundanzmodul
21: Redundanzmodulreihenschaltung
40: Submodul
41: Schaltelement
42: Diode
43: Kondensator
50: Redundanzmodul
51: Redundanzmodulreihenschaltung
100: Schalteinrichtung
110: mechanischer Schalter
120: Halbleiterschalter
500: Schalteinrichtung
A1: äußerer Anschluss der Submoduleinrichtung
A2: äußerer Anschluss der Submoduleinrichtung
E120: Steuereingang
G5a: Gleichspannungsanschluss
G5b: Gleichspannungsanschluss
L: Induktivität
LSE: lokale Steuereinrichtung
R1: Reihenschaltung
R2: Reihenschaltung
R3: Reihenschaltung
RE: Redundanzeinrichtung
SG: Submoduleinrichtungsgruppe
SME: Submoduleinrichtung
ST: Steuersignal
t: Zeit
T: Schalteinrichtung
W5: Wechselspannungsanschluss
Z: Impedanz
Za: Zwischenanschluss
ZSE: zentrale Steuereinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

„An Innovative Modular Multilevel Converter Topology Suitable for Wide Power Range“ (A. Lesnicar und R. Marquardt, 2003 IEEE Bologna Power Tech Conference, 23.-26. Juni 2003, Bologna, Italien) [0002]

Claims

Multilevelumrichter (5) mit einer Mehrzahl an in Reihe geschalteten Submodulen (10, 40), die jeweils zumindest einen Kondensator (13, 43) aufweisen und in Entladephasen mittels des Kondensators (13, 43) Strom nach außen abgeben und in Ladephasen Strom zum Aufladen des Kondensators (13, 43) aufnehmen, dadurch gekennzeichnet, dass - der Multilevelumrichter (5) mindestens ein Redundanzmodul (20, 50) aufweist, das in einem Normalbetriebsmodus des Multilevelumrichters (5) inaktiv ist und in einem Ersatzbetriebsmodus des Multilevelumrichters (5) als Submodul (10, 40) arbeitet, und - zu dem Redundanzmodul (20, 50) oder zu einer das Redundanzmodul (20, 50) aufweisenden Redundanzmodulreihenschaltung (21, 51) eine Schalteinrichtung (100, 500) parallel geschaltet ist, die im Normalbetriebsmodus eingeschaltet und im Ersatzbetriebsmodus ausgeschaltet ist.
Multilevelumrichter (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - mindestens zwei Submodule (10, 40) des Multilevelumrichters (5) Redundanzmodule (20, 50) sind und - die mindestens zwei Redundanzmodule (20, 50) elektrisch in Reihe geschaltet sind und die Redundanzmodulreihenschaltung (21, 51) bilden.
Multilevelumrichter (5) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (100, 500) einen mechanischen Schalter (110) aufweist.
Multilevelumrichter (5) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (100, 500) eine Parallelschaltung aufweist, die mindestens einen mechanischen Schalter (110) und einen dazu parallel geschalteten weiteren Schalter umfasst, bei dem es sich vorzugsweise um einen Halbleiterschalter (120) handelt und/oder mit dem vorzugsweise eine Impedanz in Reihe geschaltet ist.
Multilevelumrichter (5) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb von Reihenschaltungen (R1, R2, R3), die die Submodule (10, 40) und die Redundanzmodule (20, 50) enthalten, mehr Submodule (10, 40) zwischen Gleichspannungsanschlüssen (G5a, G5b) des Multilevelumrichters (5) und dem oder den Redundanzmodulen (20, 50) liegen als zwischen ,Wechselspannungsanschlüssen (W5) des Multilevelumrichters (5) und dem oder den Redundanzmodulen (20, 50).
Multilevelumrichter (5) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Schalteinrichtung (100, 500) eine Parallelschaltung aufweist, die mindestens einen mechanischen Schalter (110) und zwei dazu parallel geschaltete unidirektional schaltende Halbleiterschalter (120) umfasst, - wobei die unidirektional schaltenden Halbleiterschalter (120) gegenpolig verschaltet sind.
Multilevelumrichter (5) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Schalteinrichtung (100, 500) eine Parallelschaltung aufweist, die mindestens einen mechanischen Schalter (110) und zwei dazu parallel geschaltete Thyristoren umfasst, - wobei die Thyristoren gegenpolig verschaltet sind.
Anordnung mit einem Multilevelumrichter (5) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung oder der Multilevelumrichter (5) selbst eine Steuereinrichtung (ZSE, LSE) aufweist, die mit dem mechanischen Schalter (110) und dem zumindest einen Halbleiterschalter (120) in Verbindung steht.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass - das Redundanzmodul (20, 50) ein Halbbrückenmodul ist oder aufweist, das zusätzlich zu dem Kondensator (13, 43) zwei in Reihe geschaltete Schaltelemente (11, 41), zu denen jeweils eine Diode (12, 42) parallel geschaltet ist, aufweist, wobei die Reihenschaltung (R1, R2, R3) der Schaltelemente (11, 41) und damit die Reihenschaltung (R1, R2, R3) der Dioden (12) parallel zu dem Kondensator (13, 43) liegt, - die Dioden (12) derart gepolt sind, dass bei einer positiven Polarität eines durch das Halbbrückenmodul fließenden Stromes der Kondensator (13, 43) bei ausgeschalteten Schaltelementen (11, 41) geladen werden kann und bei einer negativen Polarität eines durch das Halbbrückenmodul fließenden Stromes der Kondensator (13, 43) bei ausgeschalteten Schaltelementen (11, 41) nicht geladen werden kann, und - die Steuereinrichtung (ZSE, LSE) derart ausgestaltet ist, dass sie den Ersatzbetrieb des Multilevelumrichters (5) aktiviert und den mechanischen Schalter (110) ausschaltet, wenn der Strom durch das Halbbrückenmodul die negative Polarität aufweist oder seinen Nulldurchgang in Richtung negativer Polarität durchführt.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (ZSE, LSE) derart ausgestaltet ist, dass sie im Rahmen der Aktivierung des Ersatzbetriebs des Multilevelumrichters (5), also vor, während oder nach dem Ausschalten des mechanischen Schalters (110), an einen Steuereingang, insbesondere Zündeingang, des Halbleiterschalters (120) oder der Halbleiterschalter (120) ein periodisches Steuersignal (ST), insbesondere einen Pulskamm, anlegt.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (ZSE, LSE) derart ausgestaltet ist, dass sie den Halbleiterschalter (120) oder die Halbleiterschalter (120) eingeschaltet lässt oder wiederholt, insbesondere mittels eines periodischen Steuersignals (ST), einschaltet, bis sie, insbesondere von dem Redundanzmodul (20, 50), ein Signal erhält, das den ausgeschalteten Zustand des mechanischen Schalters (110) signalisiert.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (ZSE, LSE) derart ausgestaltet ist, dass sie den Halbleiterschalter (120) oder die Halbleiterschalter (120) eingeschaltet lässt oder wiederholt, insbesondere mittels eines periodischen Steuersignals (ST) einschaltet, und zwar für eine fest vorgegebene Zeitspanne nach dem Ausschalten des mechanischen Schalters (110) oder Anlegen eines Ausschaltbefehls an den mechanischen Schalters (110).
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (ZSE, LSE) derart ausgestaltet ist, dass sie den Halbleiterschalter (120) oder die Halbleiterschalter (120) einschaltet oder eingeschaltet lässt, wenn die Spannung an einem Kondensator (13, 43) des Redundanzmoduls (20, 50) eine vorgegebene Maximalspannung erreicht oder überschreitet und/oder die Summenspannung der Spannungen der Kondensatoren der Redundanzmodulreihenschaltung (21, 51) eine vorgegebene Summenmaximalspannung erreicht oder überschreitet.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energie zum Erzeugen von Steuersignalen für die Schalteinrichtung (100, 500) ausschließlich oder zumindest auch von einem Kondensator (13, 43) oder einem Zwischenkreis eines Submoduls (10, 40) entnommen wird, das elektrisch mit dieser Schalteinrichtung (100, 500) unmittelbar verbunden ist.