EP2756588A1 - Modulare umrichteranordnung - Google Patents

Modulare umrichteranordnung

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Publication number
EP2756588A1
EP2756588A1 EP11785644.3A EP11785644A EP2756588A1 EP 2756588 A1 EP2756588 A1 EP 2756588A1 EP 11785644 A EP11785644 A EP 11785644A EP 2756588 A1 EP2756588 A1 EP 2756588A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
converter arrangement
series circuits
converter
connection side
switching modules
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11785644.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dominik Schuster
Herbert Gambach
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2756588A1 publication Critical patent/EP2756588A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/4835—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels comprising two or more cells, each including a switchable capacitor, the capacitors having a nominal charge voltage which corresponds to a given fraction of the input voltage, and the capacitors being selectively connected in series to determine the instantaneous output voltage

Definitions

  • the invention relates to a converter arrangement having a first connection side, to which at least one change ⁇ current-fed and / or at least one alternating voltage can be applied, and a second connection side, to which a can be removed by Umraum formed vice oriented alternating or direct current, wherein the converter arrangement comprises at least two parallel-connected series circuits whose external connections are or with the second terminal ⁇ side of the converter in conjunction form these, each of the parallel-connected series circuits each having at least two series-connected Wegmodu ⁇ le, which can store energy preferably in each case to ⁇ summarizes and wherein the control modules is in communication with a control device that can control the switching modules such that branch currents flow in the series circuits and the converted alternating or direct current at the second terminal side a predetermined Having size and / or a pre give ⁇ NEN over time.
  • Such a converter arrangement is known from the publication "An innovative Modular Multilevel Converter Topology Suitable for Wide Power Range" (A. Lesnicar and R. Marquardt, 2003 IEEE Bologna Power Tech Conference, 23-26 June 2003, Bologna, Italy).
  • This previously known Umrichteranord ⁇ tion is a so-called Marquardt converter arrangement, which comprises at least two series circuits connected in parallel, the outer terminals form DC voltage ⁇ connections of the inverter assembly.
  • Each of the parallel-connected series circuits each comprising at least two series-connected switching modules, each Minim ⁇ least two switches and comprise a capacitor. By suitable activation of the switches, the voltage level at the output terminals can be adjusted.
  • each period of the voltage present at the alternating voltage side of the converter ⁇ clamping voltage thus has each branch of the converter to a time at which the sum of the energies stored in the branch is at a maximum and greater than its time average.
  • each period of the mains voltage is produced in ⁇ nerrenz a time when the stored energy in the branch is minimal and smaller than its time average.
  • the difference between maximum and minimum branch energy, ie the energy swing, is predetermined in quasi-stationary and symmetrical consideration from the operating point of the converter arrangement. It is independent of the internal topology of the switching modules of the converter arrangement (half bridge, full bridge, etc.
  • the invention has for its object to provide a Umrichteran- order in which the energy swing over conventional inverter arrangements can be reduced.
  • the converter arrangement has a harmonic determination module which, on the basis of the respective converter operating state, for each of the
  • Series circuits each determined at least one additional current ⁇ upper oscillation, wherein the additional current harmonics are dimensioned such that they in the parallel connected series circuits of the inverter flow in a circle and remain within the inverter, and the control device ⁇ controls the switching modules such that in each of the series circuits of the Oberschwingungs extracts- module respectively determined at least one additional current ⁇ upper oscillation flows.
  • a significant advantage of the converter arrangement according to the invention is that in this - in contrast to previously known converter arrangements - the energy swing can be reduced by feeding in additional current harmonics by means of the harmonic determination module.
  • the additional current harmonics flow in the converter arrangement in a circle, so that they do not include the external connections on the first and second connection side of the converter arrangement and outside can not appear or disturb.
  • the additional current harmonics are sized in terms of their size and phase position such that the energy swing in each of the series circuits is smaller than without the additional current harmonics.
  • the Umrich ⁇ teranix comprises a modulation means which modulates the externally applied to the first terminal side alternating voltage system ⁇ a common mode component.
  • the converter arrangement is preferably designed in such a way that it also enables feeding of an alternating or direct current to the second connection side and removal of an alternating current formed by conversion on the first connection side.
  • Each of the switching modules preferably comprises each Minim ⁇ least two switches and one capacitor, which enables energy storage.
  • the converter arrangement forms a cell converter with partial or full bridges, for example a Marquardt converter.
  • the invention also relates to a method for operating a converter arrangement which comprises a first connection side, a second connection side and at least two series circuits connected in parallel, whose external connections are or form the second connection side of the converter arrangement and which in each case at least two in series having switched switching modules.
  • the circuit modules are controlled such that in the series circuits branch currents flow and a reverse oriented alternating or direct current having a predetermined size and / or a predetermined time characteristic of the second terminal side, on the basis of the respective inverter Operating state for each of the series circuits each min ⁇ least one additional current harmonic oscillation is determined, wherein the additional current harmonics are such that they flow in the parallel-connected series circuits of the inverter in a circle and remain within the Umrich ⁇ ters, and the switching modules so controlled who ⁇ that, in each of the series circuits each determined at least one additional current harmonics flows.
  • the additional current harmonics are dimensioned in terms of their size and phase position such that the energy swing in each of the friction is smaller than without the additional current harmonics.
  • one or more harmonic currents whose frequency corresponds to an even, not divisible by three multiples of the basic or network frequency on the first terminal side, impressed into the branch currents of the series ⁇ circuits.
  • harmonic voltages preferably one or more harmonic voltages whose frequency corresponds to one of three divisible harmonics of the basic or network frequency on the first terminal side, so to speak a "common mode component"
  • a ⁇ be embossed, for example, if the inverter-side windings of a mains transformer have no or a non-grounded star point.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a dung OF INVENTION ⁇ proper converter arrangement with a control device and a control device connected to the harmonic determination module,
  • FIG. 2 shows a schematic example of the current harmonics flowing in a circle in the converter arrangement according to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows the currents and applied voltages flowing in the converter arrangement according to FIG. 1 during operation of the converter arrangement without the harmonic determination module
  • FIG. 4 shows the currents and applied voltages flowing in the converter arrangement according to FIG 5 shows a first exemplary embodiment of a switching module for the converter arrangement according to FIG. 1,
  • FIG. 5 shows an operation of the harmonic determination module, that is to say for additional current harmonics flowing in a circle;
  • FIG. 6 shows a second exemplary embodiment of a switching module for the converter arrangement according to FIG. 1,
  • FIG. 7 shows a third exemplary embodiment of a switching module for the converter arrangement according to FIG. 1,
  • Figure 8 shows a second embodiment of a converter arrangement according dung inventions, wherein the upper vibration-determination module is implemented in the Steuereinrich ⁇ tung,
  • FIG. 9 shows a third exemplary embodiment of a converter arrangement according to the invention, in which the harmonic determination module is formed by a software program module, and
  • FIG. 10 shows a fourth embodiment of a converter arrangement according to inventions dung, in which the harmonic distortion determination module immediately processed Messsig ⁇ dimensional and measurement data.
  • FIG. 1 shows an inverter arrangement 10 which has a first connection side 11 and a second connection side 12.
  • the first terminal side 11 of the converter arrangement 10 is a three-phase AC system connected that provides three Phasenspannun ⁇ gen UACL, Uac2, Uac3. Due to the three alternating voltages ⁇ UACL, Uac2 and Uac3 three alternating currents lacI, Iac2 and Iac3 are generated which are fed to the first connection side 11 in the converter arrangement 10th
  • the wiring of the converter arrangement 10 is to be understood here only as an example; wherein the converter arrangement 10, it is alternatively possible to feed to the second terminal side 12 in the electric power converter arrangement 10 and to take on the first terminal side 11 in the form of electrical energy to ⁇ directed voltages and vice directed currents. It is also possible to make a Umplatz with a supply of alternating voltages or alternating currents at the first terminal side 11 such that no permanent constant DC voltage is ent ⁇ at the second port side 12, but a time varying DC voltage or an AC voltage.
  • the converter arrangement 10 has three series connections R 1, R 2 and R 3, each of which comprises two groups of switching modules each having three switching modules SM.
  • the three series circuits Rl, R2 and R3 form three Umrichterzweige of the converter 10.
  • the voltage dropped across the top in the Figure 1 switch module group the left row scarf ⁇ tung Rl voltage is designated by the reference numeral UZL.
  • the voltage that drops at the lower in the figure 1 switching module group of the left series circuit Rl is designated by the reference numeral Uz2.
  • the voltages applied to the switching module groups of the two other series circuits R2 and R3 fall, carry in Figure 1, the reference numerals Uz3, Uz4, Uz5 and Uz6.
  • Each of the three series circuits Rl, R2 and R3 are each equipped with two inductors L, over which the two
  • Switching module groups of the respective series connection to the first connection side 11 are connected.
  • the structure of the converter 10 thus corresponds to the structure of a cell converter, as is frequently ⁇ fig referred to in the literature as Marquardt inverter.
  • FIG. 1 also shows that the converter arrangement 10 for controlling the switching modules SM of the three series circuits R1, R2 and R3 has a control device 30 which, via individual control lines, in each case with each of the
  • Switching modules SM of the three series circuits Rl, R2 and R3 is connected.
  • the connecting lines are not shown in FIG. 1 for reasons of clarity.
  • the control device 30 For controlling the switching modules SM, the control device 30 generates control signals ST (SM), which are transmitted to the switching modules via the control lines, not shown.
  • control device 30 is on the input side with a variety
  • measurement signals and / or measurement data are measuring signals and / or measured data which are the alternating voltages Uacl, Uac2 and Uac3 applied to the first connection side 11, the alternating currents Iacl, Iac2 and Iac3 flowing into the first connection side 11, the direct current Id flowing at the second connection side and indicate the voltage applied to the second terminal 12 voltage Ud.
  • control device 30 is connected to the switching modules SM of the three series circuits R1, R2 and R3 in such a way, for example via the already mentioned control lines or via further signal lines, that the respective circuit state of the switching modules describing state data Zd (SM) can be transmitted to the control device 30.
  • switching modules SM of the three series circuits R1, R2 and R3 in such a way, for example via the already mentioned control lines or via further signal lines, that the respective circuit state of the switching modules describing state data Zd (SM) can be transmitted to the control device 30.
  • the controller 30 knows due to the eingangssei ⁇ tig applied data voltages and currents at the first port side 11 and to the second terminal side 12 are available, and also, in which operating state the individual switching modules SM of the three series circuits Rl, R2 and R3 are located.
  • the controller 30 is able to drive the switch modules SM in such a way that, depending on the voltage applied to the ers ⁇ th connection side 11 alternating voltages and alternating currents on the output side a desired direct voltage Ud and a desired DC Id be generated or delivered.
  • the converter arrangement 10 can also be operated inversely or inversely, with current being fed in at the second connection side 12 and current being conducted being removed at the first connection side 11.
  • a entspre ⁇ chender reverse or inverse operation is enabled by the controller 30 by driving the switching modules SM correspondingly different.
  • control device 30 can comprise, for example, a computing device (eg in the form of a data processing system or a computer) 31 which is programmed in such a way that it depends on the measurement signals, measurement data or state data present on the input side each determines the optimal control of the switching modules SM and generates in this way the control signals necessary for the control ST (SM).
  • a corresponding control program (or program module Steuerpro ⁇ ) PR1 to control the computing means may in a memory 32 located in the controller 30 may be stored.
  • FIG. 1 shows a harmonic determination module 40, which is connected to the control device 30.
  • the harmonic detection module 40 he holds ⁇ by the control device 30 via a control line operating state BZ data that describe the operating condition of the converter 10th
  • the Oberschwingungsats- module is 40 generated in response to th of the RadioShingungsats- module defining for each of the three series circuits Rl, R2 and R3 are each at least one to ⁇ additional current harmonics which additionally flowing in the respective series circuit of Rl, R2 and R3 ,
  • the controller 30 processes received from the harmonics supply determination module 40 Oberschwingungsgehaltsda ⁇ th OS and modifies the control of the switching module SM of the series circuits Rl, R2 and R3 means of the control signals ST (SM) such that in the series circuits to flow not only those branch streams which would be required for the desired DC Id or the desired DC voltage Ud on the second terminal side 12, but also also flow the additional current harmonics that have been determined by the harmonic determination module 40.
  • SM control signals
  • the additional current harmonics which are determined by the upper vibration detection module 40 are out ⁇ visibly its amount and its phase position sen so dimensioned that the additional current harmonics in the three series circuits Rl, R2 and R3 to flow in a circle. This is shown schematically in FIG.
  • variable Uz (t) designates, for example, the voltage at one of the switching module groups of one of the series circuits R1, R2 or R3, Iz (t) the branch current flowing through the corresponding switching module group, P (t) the resulting one Power in the respective switching module group and JP (t) dt the corresponding integral over the power, from which the respective energy stroke AW results.
  • FIG. 3 shows the curves without the additional current harmonics Izos, ie the case in which only the branch currents flowing in the series circuits R1, R2 and R3 are used for conversion, ie for generating the DC voltage Ud and the DC current Id at the second connection side 12 are required.
  • the switching module SM has an upper transistor T1, a lower transistor T2, two diodes D and a capacitor C, at which a capacitor voltage Uc drops.
  • the lower transistor T2 is supplied with a control voltage from the control device 30 according to FIG.
  • the output voltage of the switching module SM is indicated in the figure 5 with the reference ⁇ sign U SM .
  • the switching module SM has an upper transistor T1, a lower transistor T2, two diodes D and a capacitor C, at which a capacitor voltage Uc drops.
  • the upper transistor Tl is acted upon by a control voltage U SM from the control device 30 according to FIG.
  • the switching module SM has four transistors T1-T4, four diodes D and a capacitor C at which a capacitor voltage Uc drops.
  • transistor T2 For driving one of the transistors (here transistor T2) is acted upon by a control voltage U SM from the control device 30 according to FIG.
  • the Energyhub AW is dependent in quasi-steady-state, only the frequency and amplitude of the AC voltage system, ⁇ phase angle, frequency and amplitude of the currents in the alternating clamping ⁇ recognition system, as well as the voltage and the current in the direct current system.
  • the described energy pulsation is identical in the symmetrical, quasi-stationary state of all branches of the inverter, but phase-shifted. This results in a pulsation of the difference of the energies of two branches, the "branch energy difference".
  • the time course of the energy difference between two branches is then directly dependent on the time course of the energy of a branch as well as the phase shifters ⁇ bung of the voltages and currents on Senditionsabgriff of the branches.
  • the stored energy in a branch is preferably uniform in time on the capacitors of the
  • inverter arrangement is followed by a minimum allowable branch energy. For example, if the adjustable from the order ⁇ converter branches voltage smaller than half the voltage of the DC system plus the alternate AC voltage (assuming stationary, differential mode), the converter arrangement would no longer be capable of regulation.
  • the minimum energy Wmin + res of a branch is thus predetermined and corresponds to the minimum energy required to maintain the controllability branch energy Wmi n plus the energy to be given in the worst case error W res , neg-
  • the converter arrangement When dropping below this minimum energy, the converter arrangement must be shut down because the converter arrangement in case of failure to kontrol ⁇ lose, lose their ability to energy flows.
  • the maximum energy to be stored in a branch of the converter arrangement W max is likewise predetermined physically. It is first the sum of the above-mentioned minimum energy ⁇ m ⁇ n + res plus the maximum energy swing ⁇ W max occurring during normal operation.
  • the reserve is the energy W reSiPOS cases for errors ⁇ which increase the branch energystructurezuaddieren:
  • W max AW max + Wm ⁇ + res + W res, pos (8) '
  • the individual capacitors in the switching modules of the inverter branches are specified for a specific maximum voltage U c , m ax. This results in a maximum energy storable in the branch, which depends on the number of switching modules N in the branch ⁇ .
  • the capacitors C GmbHmodulkon ⁇ must apply to N and the capacity that during operation or error occurs, the Inverter arrangement occurring branch energy is always smaller than the maximum energy storable in the branch:
  • each built-in switching module flows through one of the branch currents in the converter arrangement. From the reduction in the number of modules, therefore, a corresponding reduction in the losses of the converter arrangement is possible.
  • a reduction in the number of modules can also have a positive effect on the distribution of the forward losses of the semiconductors of the individual switching modules and thus allow slightly higher branch currents - ie higher Konverterleis ⁇ lines.
  • harmonic currents which are not divisible by 3 (relative to the frequency of the AC system on the first connection side 11 according to FIG. 1) are impressed into the branch currents.
  • harmonic voltages preferably by three divisible harmonics of Basic or mains frequency on the first connection side 11,
  • Common mode component are impressed if the transformer windings on the transformer side have no or a non-earthed star point. This common mode ⁇ shift then eliminates the potential separation of the transformer and is not transmitted to its network-side Wicklun ⁇ conditions, provided that the transformer meets the consequent requirements with respect to its isolation.
  • ⁇ ⁇ ( ⁇ ) ⁇ - + ⁇ ⁇ - ⁇ ( ⁇ - ⁇ ) + ⁇ ( OS3 ⁇ sin (iD ⁇ t + ⁇ 083 ) t + ⁇ ) ⁇ ⁇ + I 0S2 ⁇ cos (2- ⁇ - ⁇ + ⁇ 082 ) -2- ⁇ + I 0S4 ⁇ cos (4- ⁇ - ⁇ + ⁇ 054 ) ⁇ 4 ⁇
  • One or more of the said harmonics of the power curve can therefore over each Umrichterzweig by judicious choice of the amplitude and phase position so changed who ⁇ that a Energyhub is established which is less than without the said harmonics resulting as shown in Figures 2 and 3 is shown by way of example.
  • the auftre ⁇ tende maximum energy W max is thereby reduced.
  • the series switching number and / or the switching module capacitance C can be reduced, where ⁇ can be reduced by costs and converter losses.
  • the harmonics to be impressed to reduce the energy swing can be determined in a variety of ways. E lends itself, for example, a map control, which reads off from the current state of the inverter arrangement, the opti cal harmonic parameters and controls accordingly.
  • the corresponding characteristic field can have been created in a variety of ways (eg analytical calculation, numerical optimization, etc.). Alternatively - crizspielswei se for dynamic processes - a control system concerned will see ⁇ , which regulates the corresponding harmonics act on its own.
  • the described method for calculating and generating the additionally be impressed harmonics can be independent of the usual power, voltage, current, - Energyba ⁇ Lance- regulatory / control method as controlled or in the embodiment according to FIG 1 of the control program PR1 is controlled, because the harmonics are superimposed on the "normal" branch currents calculated in FIG. 1 by the control program PR1, and the modulated harmonics do not influence the quantities and balance ratios controlled by the control program PR1.
  • the determination and / or generation of the harmonics can also be carried out as an integral part of the regulations / controls mentioned.
  • FIG. 8 shows a second exemplary embodiment of a converter arrangement according to the invention.
  • the converter arrangement according to FIG. 8 corresponds to the mode of operation of the converter.
  • the harmonic determination module 40 is implemented in the control device 30.
  • FIG. 9 shows a third exemplary embodiment of a converter arrangement according to the invention, in which the harmonic determination module 40 is formed by a software program module PR2 which is stored in the memory 32 of the computing device 31 of the control device 30.
  • the computing device 31 of the control device 30 must call and execute only the software program module PR2.
  • FIG. 10 shows a fourth exemplary embodiment of a converter arrangement according to the invention, in which the harmonic determination module 40 directly processes the measurement signals or measurement data which are also processed by the control device 30.
  • the harmonic determination module 40 can thus operate independently of operating state data provided by the control device 30.
  • the mode of operation of the harmonic determination module 40 and the converter arrangement 10 as a whole corresponds to the mode of operation of the converter arrangement 10 according to FIG. 1.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung bezieht sich u. a. auf eine Umrichteranordnung (10) mit einer ersten Anschlussseite (11), an der zumindest ein Wechselstrom eingespeist und/oder zumindest eine Wechselspannung angelegt werden kann, und einer zweiten Anschlussseite (12), an der ein durch Umrichtung gebildeter umgerichteter Wechsel- oder Gleichstrom entnommen werden kann, wobei die Umrichteranordnung (10) zumindest zwei parallel geschaltete Reihenschaltungen (R1, R2, R3) umfasst, deren äußere Anschlüsse mit der zweiten Anschlussseite (12) der Umrichteranordnung (10) in Verbindung stehen oder diese bilden, wobei jede der parallel geschalteten Reihenschaltungen (R1, R2, R3) jeweils mindestens zwei in Reihe geschaltete Schaltmodule (SM) umfasst und wobei mit den Schaltmodulen (SM) eine Steuereinrichtung (30) in Verbindung steht, die die Schaltmodule (SM) derart ansteuern kann, dass in den Reihenschaltungen (R1, R2, R3) Zweigströme fließen und der umgerichtete Wechsel- oder Gleichstrom an der zweiten Anschlussseite (12) eine vorgegebene Größe und/oder einen vorgegebenen zeitlichen Verlauf aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Umrichteranordnung (10) ein Oberschwingungsermittlungsmodul (40) aufweist, das anhand des jeweiligen Umrichterbetriebszustands für jede der Reihenschaltungen (R1, R2, R3) jeweils mindestens eine zusätzliche Stromoberschwingung ermittelt, wobei die zusätzlichen Stromoberschwingungen derart bemessen sind, dass sie in den parallel geschalteten Reihenschaltungen (R1, R2, R3) der Umrichteranordnung (10) im Kreis fließen und innerhalb der Umrichteranordnung (10) verbleiben, und die Steuereinrichtung (30) die Schaltmodule (SM) derart ansteu- ert, dass in jeder der Reihenschaltungen (R1, R2, R3) die von dem Oberschwingungsermittlungsmodul (40) jeweils ermittelte mindestens eine zusätzliche Stromoberschwingung fließt.

Description

Beschreibung
MODULARE UMRICHTERANORDNUNG
Die Erfindung bezieht sich auf eine Umrichteranordnung mit einer ersten Anschlussseite, an der zumindest ein Wechsel¬ strom eingespeist und/oder zumindest eine Wechselspannung angelegt werden kann, und einer zweiten Anschlussseite, an der ein durch Umrichtung gebildeter umgerichteter Wechsel- oder Gleichstrom entnommen werden kann, wobei die Umrichteranordnung zumindest zwei parallel geschaltete Reihenschaltungen umfasst, deren äußere Anschlüsse mit der zweiten Anschluss¬ seite der Umrichteranordnung in Verbindung stehen oder diese bilden, wobei jede der parallel geschalteten Reihenschaltungen jeweils mindestens zwei in Reihe geschaltete Schaltmodu¬ le, die vorzugsweise jeweils Energie speichern können, um¬ fasst und wobei mit den Schaltmodulen eine Steuereinrichtung in Verbindung steht, die die Schaltmodule derart ansteuern kann, dass in den Reihenschaltungen Zweigströme fließen und der umgerichtete Wechsel- oder Gleichstrom an der zweiten Anschlussseite eine vorgegebene Größe und/oder einen vorgegebe¬ nen zeitlichen Verlauf aufweist.
Eine derartige Umrichteranordnung ist 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 dieser vorbekannten Umrichteranord¬ nung handelt es sich um eine sogenannte Marquardt-Umrichteranordnung, die zumindest zwei parallel geschaltete Reihen¬ schaltungen umfasst, deren äußere Anschlüsse Gleichspannungs¬ anschlüsse der Umrichteranordnung bilden. Jede der parallel geschalteten Reihenschaltungen umfasst jeweils mindestens zwei in Reihe geschaltete Schaltmodule, die jeweils mindes¬ tens zwei Schalter und einen Kondensator umfassen. Durch eine geeignete Ansteuerung der Schalter lässt sich das Spannungs¬ niveau an den Ausgangsanschlüssen einstellen. Während des Betriebs von Umrichteranordnungen der beschriebe¬ nen Art entsteht bei heutzutage bekannten Regel- und Steuer¬ verfahren eine Energiepulsation in jedem Zweig der Umrichteranordnung. Im quasistationären Zustand pulsiert die Summe der in den Kondensatoren jedes Zweiges gespeicherten Energie dabei um eine aus der Auslegung sowie aus der Steuerung/Rege¬ lung der Umrichteranordnung folgende, durchschnittliche
Zweigenergie. Innerhalb jeder Periode der an der Wechselspan¬ nungsseite der Umrichteranordnung anliegenden Spannung weist jeder Zweig der Umrichteranordnung somit einen Zeitpunkt auf, in dem die Summe der im Zweig gespeicherten Energien maximal und größer ist als ihr zeitliches Mittel. Ebenso entsteht in¬ nerhalb jeder Periode der Netzspannung ein Zeitpunkt, zu dem die im Zweig gespeicherte Energie minimal und kleiner ist als ihr zeitliches Mittel.
Die Differenz zwischen maximaler und minimaler Zweigenergie, also der Energiehub, ist in quasistationärer und symmetrischer Betrachtung vom Betriebspunkt der Umrichteranordnung vorgegeben. Er ist unabhängig von der internen Topologie der Schaltmodule der Umrichteranordnung (Halbbrücke, Vollbrücke etc . ) .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Umrichteran- Ordnung anzugeben, bei der der Energiehub gegenüber herkömmlichen Umrichteranordnungen reduziert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Umrichteranord¬ nung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vor- teilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Umrichteranordnung sind in Unteransprüchen angegeben.
Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Umrichteranordnung ein Oberschwingungsermittlungsmodul aufweist, das an- hand des jeweiligen Umrichterbetriebszustands für jede der
Reihenschaltungen jeweils mindestens eine zusätzliche Strom¬ oberschwingung ermittelt, wobei die zusätzlichen Stromoberschwingungen derart bemessen sind, dass sie in den parallel geschalteten Reihenschaltungen des Umrichters im Kreis fließen und innerhalb des Umrichters verbleiben, und die Steuer¬ einrichtung die Schaltmodule derart ansteuert, dass in jeder der Reihenschaltungen die von dem Oberschwingungsermittlungs- modul jeweils ermittelte mindestens eine zusätzliche Strom¬ oberschwingung fließt.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Umrichteranordnung besteht darin, dass bei dieser - im Unterschied zu vorbekannten Umrichteranordnungen - der Energiehub durch das Einspeisen zusätzlicher Stromoberschwingungen mittels des Oberschwingungsermittlungsmoduls reduziert werden kann. Die zusätzlichen Stromoberschwingungen fließen dabei in der Umrichteranordnung im Kreis, so dass sie die Außenanschlüsse an der ersten und zweiten Anschlussseite der Umrichteranordnung nicht mit einbeziehen und außen nicht in Erscheinung treten oder stören können.
Vorzugsweise werden die zusätzlichen Stromoberschwingungen hinsichtlich ihrer Größe und Phasenlage derart bemessen, dass der Energiehub in jeder der Reihenschaltungen kleiner ist als ohne die zusätzlichen Stromoberschwingungen.
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Umrich¬ teranordnung eine Modulationseinrichtung aufweist, die auf das außen an der ersten Anschlussseite anliegende Wechsel¬ spannungssystem eine Gleichtaktkomponente aufmoduliert.
Die Umrichteranordnung ist bevorzugt derart ausgestaltet, dass sie auch ein Einspeisen eines Wechsel- oder Gleichstroms an der zweiten Anschlussseite und ein Entnehmen eines durch Umrichtung gebildeten Wechselstroms an der ersten Anschlussseite ermöglicht.
Jedes der Schaltmodule umfasst vorzugsweise jeweils mindes¬ tens zwei Schalter und einen Kondensator, der eine Energie- speicherung ermöglicht. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Umrichteranordnung einen Zellenumrichter mit Teil- oder Vollbrücken, beispielsweise einen Marquardt- Umrichter, bildet.
Als Erfindung wird auch ein Verfahren angesehen zum Betreiben einer Umrichteranordnung, die eine erste Anschlussseite, eine zweite Anschlussseite und zumindest zwei parallel geschaltete Reihenschaltungen umfasst, deren äußere Anschlüsse mit der zweiten Anschlussseite der Umrichteranordnung in Verbindung stehen oder diese bilden und die jeweils mindestens zwei in Reihe geschaltete Schaltmodule aufweist.
Erfindungsgemäß ist bezüglich eines solchen Verfahrens vorge¬ sehen, dass die Schaltmodule derart angesteuert werden, dass in den Reihenschaltungen Zweigströme fließen und an der zweiten Anschlussseite ein umgerichteter Wechsel- oder Gleichstrom eine vorgegebene Größe und/oder einen vorgegebenen zeitlichen Verlauf aufweist, anhand des jeweiligen Umrichter- betriebszustands für jede der Reihenschaltungen jeweils min¬ destens eine zusätzliche Stromoberschwingung ermittelt wird, wobei die zusätzlichen Stromoberschwingungen derart bemessen werden, dass sie in den parallel geschalteten Reihenschaltungen des Umrichters im Kreis fließen und innerhalb des Umrich¬ ters verbleiben, und die Schaltmodule derart angesteuert wer¬ den, dass in jeder der Reihenschaltungen die jeweils ermittelte mindestens eine zusätzliche Stromoberschwingung fließt.
Bezüglich der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sei auf die oben erläuterten Vorteile der erfindungsgemäßen Umrichteranordnung verwiesen, da die Vorteile der erfindungsgemäßen Umrichteranordnung denen des erfindungsgemäßen Verfahrens im Wesentlichen entsprechen.
Als vorteilhaft wird es angesehen, wenn die zusätzlichen Stromoberschwingungen hinsichtlich ihrer Größe und Phasenlage derart bemessen werden, dass der Energiehub in jeder der Rei- henschaltungen kleiner ist als ohne die zusätzlichen Strom- oberschwingungen .
Vorzugsweise werden ein oder mehrere Oberschwingungsströme, deren Frequenz einem geradzahligen, nicht durch drei teilbaren Vielfachen der Grund- bzw. Netzfrequenz auf der ersten Anschlussseite entspricht, in die Zweigströme der Reihen¬ schaltungen eingeprägt.
Auch wird es als vorteilhaft angesehen, wenn in die Wechsel¬ spannungen auf der ersten Anschlussseite Oberschwingungsspannungen (vorzugsweise eine oder mehrere Oberschwingungsspannungen, deren Frequenz einer durch drei teilbaren Harmonischen der Grund- bzw. Netzfrequenz auf der ersten Anschlussseite entspricht, sozusagen eine "Gleichtaktkomponente") ein¬ geprägt werden, beispielsweise dann, wenn die umrichterseiti- gen Wicklungen eines Netztransformators keinen oder einen nicht geerdeten Sternpunkt aufweisen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie¬ len näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine erfin¬ dungsgemäße Umrichteranordnung mit einer Steuereinrichtung sowie einem mit der Steuereinrichtung verbundenen Oberschwingungsermittlungsmodul ,
Figur 2 schematisch beispielhaft die in der Umrichteranordnung gemäß Figur 1 im Kreis fließenden StromoberSchwingungen,
Figur 3 die in der Umrichteranordnung gemäß Figur 1 fließenden Ströme und anliegenden Spannungen bei einem Betrieb der Umrichteranordnung ohne das Oberschwingungsermittlungsmodul ,
Figur 4 die in der Umrichteranordnung gemäß Figur 1 fließenden Ströme und anliegenden Spannungen während eines Betriebs des Oberschwingungsermittlungsmo- duls, also bei im Kreis fließenden zusätzlichen StromoberSchwingungen, Figur 5 ein erstes Ausführungsbeispiel für ein Schaltmo¬ dul für die Umrichteranordnung gemäß Figur 1,
Figur 6 ein zweites Ausführungsbeispiel für ein Schaltmo¬ dul für die Umrichteranordnung gemäß Figur 1,
Figur 7 ein drittes Ausführungsbeispiel für ein Schaltmo¬ dul für die Umrichteranordnung gemäß Figur 1,
Figur 8 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine erfin- dungsgemäße Umrichteranordnung, bei der das Ober- schwingungsermittlungsmodul in der Steuereinrich¬ tung implementiert ist,
Figur 9 ein drittes Ausführungsbeispiel für eine erfin- dungsgemäße Umrichteranordnung, bei der das Ober- schwingungsermittlungsmodul durch ein Softewa- reprogrammmodul gebildet, und
Figur 10 ein viertes Ausführungsbeispiel für eine erfin- dungsgemäße Umrichteranordnung, bei der das Ober- schwingungsermittlungsmodul unmittelbar Messsig¬ nale bzw. Messdaten verarbeitet.
In den Figuren werden der Übersicht halber für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet .
Die Figur 1 zeigt eine Umrichteranordnung 10, die eine erste Anschlussseite 11 sowie eine zweite Anschlussseite 12 auf- weist .
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 ist an die erste Anschlussseite 11 der Umrichteranordnung 10 ein dreiphasiges Wechselspannungssystem angeschlossen, das drei Phasenspannun¬ gen Uacl, Uac2, Uac3 bereitstellt. Durch die drei Wechsel¬ spannungen Uacl, Uac2 und Uac3 werden drei Wechselströme Iacl, Iac2 und Iac3 erzeugt, die an der ersten Anschlussseite 11 in die Umrichteranordnung 10 eingespeist werden.
Mit den an der ersten Anschlussseite 11 anliegenden Wechsel¬ spannungen und Wechselströmen werden aufgrund der Umrichtung in der Umrichteranordnung 10 an der zweiten Anschlussseite 12 beispielsweise eine Gleichspannung Ud sowie ein Gleichstrom Id erzeugt, die an der zweiten Anschlussseite 12 die Umrich¬ teranordnung 10 verlassen.
Die Beschaltung der Umrichteranordnung 10 ist hier nur beispielhaft zu verstehen; bei der Umrichteranordnung 10 ist es alternativ möglich, an der zweiten Anschlussseite 12 elektrische Energie in die Umrichteranordnung 10 einzuspeisen und an der ersten Anschlussseite 11 elektrische Energie in Form um¬ gerichteter Spannungen und umgerichteter Ströme zu entnehmen. Auch ist es möglich, bei einer Einspeisung von Wechselspannungen bzw. Wechselströmen an der ersten Anschlussseite 11 eine Umrichtung derart vorzunehmen, dass an der zweiten Anschlussseite 12 keine dauerhaft konstante Gleichspannung ent¬ steht, sondern eine zeitliche variierende Gleichspannung oder eine Wechselspannung.
Wie sich der Figur 1 entnehmen lässt, weist die Umrichteranordnung 10 drei Reihenschaltungen Rl, R2 und R3 auf, die jeweils zwei Schaltmodulgruppen mit jeweils drei Schaltmodulen SM umfassen. Die drei Reihenschaltungen Rl, R2 und R3 bilden drei Umrichterzweige der Umrichteranordnung 10. Die an der in der Figur 1 oberen Schaltmodulgruppe der linken Reihenschal¬ tung Rl abfallende Spannung ist mit dem Bezugszeichen Uzl bezeichnet. Die Spannung, die an der in der Figur 1 unteren Schaltmodulgruppe der linken Reihenschaltung Rl abfällt, ist mit dem Bezugszeichen Uz2 bezeichnet. Die Spannungen, die an den Schaltmodulgruppen der beiden anderen Reihenschaltungen R2 und R3 abfallen, tragen in der Figur 1 die Bezugszeichen Uz3, Uz4, Uz5 und Uz6.
Jede der drei Reihenschaltungen Rl, R2 und R3 ist jeweils mit zwei Induktivitäten L ausgestattet, über die die beiden
Schaltmodulgruppen der jeweiligen Reihenschaltung an die erste Anschlussseite 11 angeschlossen sind.
Die Struktur der Umrichteranordnung 10 entspricht somit der Struktur eines Zellenkonverters, wie er in der Literatur häu¬ fig auch als Marquardt-Umrichter bezeichnet wird.
Die Figur 1 zeigt außerdem, dass die Umrichteranordnung 10 zur Ansteuerung der Schaltmodule SM der drei Reihenschaltun- gen Rl, R2 und R3 eine Steuereinrichtung 30 aufweist, die über individuelle Steuerleitungen jeweils mit jedem der
Schaltmodule SM der drei Reihenschaltungen Rl, R2 und R3 verbunden ist. Die Verbindungsleitungen sind in der Figur 1 aus Gründen der Übersicht nicht eingezeichnet. Zur Ansteuerung der Schaltmodule SM erzeugt die Steuereinrichtung 30 Steuersignale ST (SM), die über die nicht gezeigten Steuerleitungen zu den Schaltmodulen übertragen werden.
Zur Ermittlung der optimalen Steuersignale ST (SM) ist die Steuereinrichtung 30 eingangsseitig mit einer Vielzahl an
Messsignalen und/oder Messdaten beaufschlagt. Beispielsweise handelt es sich um Messsignale und/oder Messdaten, die die an der ersten Anschlussseite 11 anliegenden Wechselspannungen Uacl, Uac2 und Uac3, die in die erste Anschlussseite 11 flie- ßenden Wechselströme Iacl, Iac2 und Iac3, den an der zweiten Anschlussseite fließenden Gleichstrom Id sowie die an der zweiten Anschlussseite 12 anliegende Spannung Ud angeben.
Darüber hinaus ist die Steuereinrichtung 30 - beispielsweise über die bereits erwähnten Steuerleitungen oder über weitere Signalleitungen - derart mit den Schaltmodulen SM der drei Reihenschaltungen Rl, R2 und R3 verbunden, dass den jeweili- gen Zustand der Schaltmodule beschreibende Zustandsdaten Zd(SM) an die Steuereinrichtung 30 übermittelt werden können.
Die Steuereinrichtung 30 weiß also aufgrund der eingangssei¬ tig anliegenden Daten, welche Spannungen und Ströme an der ersten Anschlussseite 11 und an der zweiten Anschlussseite 12 vorhanden sind, sowie außerdem, in welchem Betriebszustand sich die einzelnen Schaltmodule SM der drei Reihenschaltungen Rl, R2 und R3 befinden.
Aufgrund der eingangsseitig anliegenden Messsignale und/oder Messdaten und der eingangsseitig anliegenden Zustandsdaten ist die Steuereinrichtung 30 in der Lage, die Schaltmodule SM derart anzusteuern, dass in Abhängigkeit von den an der ers¬ ten Anschlussseite 11 anliegenden Wechselspannungen und Wechselströmen ausgangsseitig eine gewünschte Gleichspannung Ud und ein gewünschter Gleichstrom Id erzeugt bzw. abgegeben werden .
Wie bereits erwähnt, kann die Umrichteranordnung 10 auch in- vers bzw. umgekehrt betrieben werden, wobei an der zweiten Anschlussseite 12 Strom eingespeist und umgerichteter Strom an der ersten Anschlussseite 11 entnommen wird. Ein entspre¬ chender umgekehrter bzw. inverser Betrieb wird durch die Steuereinrichtung 30 ermöglicht, indem sie die Schaltmodule SM entsprechend anders ansteuert.
Um die beschriebenen Steueraufgaben wahrnehmen zu können, kann die Steuereinrichtung 30 beispielsweise eine Recheneinrichtung (z. B. in Form einer Datenverarbeitungsanlage oder eines Computers) 31 umfassen, die derart programmiert ist, dass sie in Abhängigkeit von den eingangsseitig anliegenden Messsignalen, Messdaten bzw. Zustandsdaten die jeweils optimale Ansteuerung der Schaltmodule SM ermittelt und in dieser Weise die zur Ansteuerung nötigen Steuersignale ST (SM) erzeugt. Ein entsprechendes Steuerprogramm (bzw. Steuerpro¬ grammmodul) PR1 zur Ansteuerung der Recheneinrichtung kann in einem in der Steuereinrichtung 30 befindlichen Speicher 32 abgespeichert sein.
In der Figur 1 erkennt man darüber hinaus ein Oberschwin- gungsermittlungsmodul 40, das mit der Steuereinrichtung 30 in Verbindung steht. Das Oberschwingungsermittlungsmodul 40 er¬ hält von der Steuereinrichtung 30 über eine Steuerleitung Be- triebszustandsdaten BZ, die den Betriebszustand der Umrichteranordnung 10 beschreiben. Das Oberschwingungsermittlungs- modul 40 erzeugt in Abhängigkeit von den Betriebszustandsda- ten BZ Oberschwingungsgehaltsdaten OS, die für jede der drei Reihenschaltungen Rl, R2 und R3 jeweils mindestens eine zu¬ sätzliche Stromoberschwingung definieren, die in der jeweiligen Reihenschaltung Rl, R2 und R3 zusätzlich fließen soll.
Die Steuereinrichtung 30 verarbeitet die von dem Oberschwin- gungsermittlungsmodul 40 erhaltenen Oberschwingungsgehaltsda¬ ten OS und modifiziert die Ansteuerung der Schaltmodule SM der Reihenschaltungen Rl, R2 und R3 mittels der Steuersignale ST (SM) derart, dass in den Reihenschaltungen nicht nur diejenigen Zweigströme fließen, die für den gewünschten Gleichstrom Id bzw. die gewünschte Gleichspannung Ud an der zweiten Anschlussseite 12 erforderlich wären, sondern darüber hinaus auch die zusätzlichen Stromoberschwingungen fließen, die von dem Oberschwingungsermittlungsmodul 40 ermittelt worden sind.
Die zusätzlichen Stromoberschwingungen, die von dem Ober- schwingungsermittlungsmodul 40 ermittelt werden, sind hin¬ sichtlich ihres Betrages und ihrer Phasenlage derart bemes- sen, dass die zusätzlichen Stromoberschwingungen in den drei Reihenschaltungen Rl, R2 und R3 im Kreis fließen. Dies ist schematisch in der Figur 2 gezeigt.
Es lässt sich in der Figur 2 erkennen, dass die zusätzlichen Stromoberschwingungen Izos nur innerhalb der drei Reihenschaltungen Rl, R2 und R3 fließen und weder die erste Anschlussseite 11 noch die zweite Anschlussseite 12 verlassen. Die zusätzlichen Stromoberschwingungen Izos überlagern sich mit den zum Betrieb der Umrichteranordnung 10 "nötigen" Zweigströmen in den Reihenschaltungen Rl, R2 und R3 dabei derart, dass der Energiehub AW in jeder der drei Reihenschal- tungen Rl, R2 und R3 kleiner wird als dies ohne die zusätzlichen Stromoberschwingungen Izos der Fall wäre. Dies ist in den Figuren 3 und 4 im Detail gezeigt.
In den Figuren 3 und 4 bezeichnet die Variable Uz (t) bei- spielhaft die Spannung an einer der Schaltmodulgruppen einer der Reihenschaltungen Rl, R2 oder R3, Iz (t) den durch die entsprechende Schaltmodulgruppe fließenden Zweigstrom, P(t) die sich ergebende Leistung in der jeweiligen Schaltmodulgruppe und JP(t)dt das entsprechende Integral über der Leis- tung, aus der sich der jeweilige Energiehub AW ergibt.
Die Figur 3 zeigt die Kurvenverläufe ohne die zusätzlichen Stromoberschwingungen Izos, also den Fall, dass in den Reihenschaltungen Rl, R2 und R3 nur diejenigen Zweigströme flie- ßen, die zum Umrichten, also zum Erzeugen der Gleichspannung Ud und des Gleichstromes Id an der zweiten Anschlussseite 12 erforderlich sind.
Die Figur 4 zeigt die Kurvenverläufe für den identischen Be- triebspunkt mit den zusätzlichen Stromoberschwingungen Izos, also den Fall, dass auf die zum Erzeugen der Gleichspannung Ud und des Gleichstromes Id nötigen Zweigströme die Strom¬ oberschwingungen durch eine entsprechende Ansteuerung der Schaltmodule SM aufmoduliert werden. Es ist ersichtlich, dass der Energiehub AW aufgrund der zusätzlichen Stromoberschwingungen kleiner ist als dies ohne die entsprechenden Stromoberschwingungen der Fall ist (vgl. Figur 3) .
In den Figuren 5 bis 7 sind Ausführungsbeispiele für die Schaltmodule SM gezeigt.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 weist das Schaltmo¬ dul SM einen oberen Transistor Tl, einen unteren Transistor T2, zwei Dioden D und einen Kondensator C auf, an dem eine Kondensatorspannung Uc abfällt. Zur Ansteuerung wird der untere Transistor T2 mit einer Steuerspannung von der Steuereinrichtung 30 gemäß Figur 1 beaufschlagt. Die Ausgangsspannung des Schaltmoduls SM ist in der Figur 5 mit dem Bezugs¬ zeichen USM gekennzeichnet.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6 weist das Schaltmo¬ dul SM einen oberen Transistor Tl, einen unteren Transistor T2, zwei Dioden D und einen Kondensator C auf, an dem eine Kondensatorspannung Uc abfällt. Zur Ansteuerung wird der obere Transistor Tl mit einer Steuerspannung USM von der Steuereinrichtung 30 gemäß Figur 1 beaufschlagt.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 7 weist das Schaltmo¬ dul SM vier Transistoren T1-T4, vier Dioden D und einen Kondensator C auf, an dem eine Kondensatorspannung Uc abfällt. Zur Ansteuerung wird einer der Transistoren (hier Transistor T2) mit einer Steuerspannung USM von der Steuereinrichtung 30 gemäß Figur 1 beaufschlagt.
Die Arbeitsweise des Oberschwingungsermittlungsmoduls 40 ge¬ mäß Figur 1 soll nachfolgend näher erläutert werden:
Der Energiehub AW ist im quasistationären Zustand nur von Frequenz und Amplitude des Wechselspannungssystems, Phasen¬ winkel, Frequenz und Amplitude der Ströme im Wechselspan¬ nungssystem, sowie der Spannung und dem Strom im Gleichspannungssystem abhängig. Für die Reihenschaltung Rl in Figur 1 gilt beispielsweise: mit
P(t) = Uzl (t) - Izl(t) , (2) (3)
3
Die beschriebene Energiepulsation wird im symmetrischen, quasistationären Zustand von allen Zweigen der Umrichteranordnung identisch, jedoch phasenverschoben durchlaufen. Daraus folgt eine Pulsation der Differenz der Energien zweier Zweige, die "Zweigenergiedifferenz". Der zeitliche Verlauf der Energiedifferenz zweier Zweige ist dann direkt vom zeitlichen Verlauf der Energie eines Zweiges sowie der Phasenverschie¬ bung der Spannungen und Ströme am Wechselspannungsabgriff der Zweige abhängig.
Die in einem Zweig gespeicherte Energie wird vorzugsweise im zeitlichen Mittel gleichmäßig auf die Kondensatoren der
Schaltmodule des jeweiligen Zweiges verteilt. Damit werden die Spannungen der Schaltmodulkondensatoren eines Zweiges an- nähernd gleich gehalten.
Aus der Auslegung der Umrichteranordnung folgt eine minimale, zulässige Zweigenergie. Ist beispielsweise die von den Um¬ richterzweigen einstellbare Spannung kleiner als die halbe Spannung des Gleichspannungssystems zuzüglich der zu stellenden Wechselspannung (Annahme: stationärer, symmetrischer Betrieb), so wäre die Umrichteranordnung nicht mehr regelfähig.
Mit der Annahme, dass diese Energie gleichmäßig über die Schaltmodule eines Umrichterzweiges verteilt sei, folgt: w = M.
'' min 1 v —.{TJ
2 C'min (5) mit beispielsweise d +uacl
TJ = -A
C.min
Bei Kurzschlüssen und anderen Fehlern an den Klemmen der Umrichteranordnung muss von einzelnen Zweigen eine hohe Energiemenge aufgenommen oder abgegeben werden. Diese Gegebenheit folgt aus den Anforderungen der angeschlossenen Netze oder Anlagen zum anforderungsgemäßen Beherrschen der entstehenden hohen Ströme.
Die Mindestenergie Wmin+res eines Zweiges ist damit vorgegeben und entspricht der minimal zur Erhaltung der Regelfähigkeit nötigen Zweigenergie Wmin zuzüglich der im schlimmsten Falle im Fehlerfall abzugebenden Energie Wres,neg-
W min+res =W min +W res,neg (7) '
Bei Unterschreiten dieser Minimalenergie muss die Umrichteranordnung abgeschaltet werden, da die Umrichteranordnung ihre Fähigkeit, die Energieflüsse auch im Fehlerfall zu kontrol¬ lieren, verliert.
Die in einem Zweig der Umrichteranordnung maximal zu speichernde Energie Wmax ist ebenfalls physikalisch vorgegeben. Sie ist zunächst die Summe aus o. g. Minimalenergie ^m±n+res zuzüglich des maximalen, im Normalbetrieb auftretenden Energiehubs ÄWmax. Dem ist die Reserveenergie WreSiPOS für Fehler¬ fälle, welche die Zweigenergie erhöhen, hinzuzuaddieren :
W max = AW max +Wm■+res +W res,pos (8) '
Die einzelnen Kondensatoren in den Schaltmodulen der Umrichterzweige sind dabei für eine bestimmte Maximalspannung Uc, max spezifiziert. Daraus folgt eine maximal im Zweig speicherbare Energie, die von der Anzahl der Schaltmodule N im Zweig ab¬ hängt. Dabei muss für N und die Kapazität der Schaltmodulkon¬ densatoren C gelten, dass die bei Betrieb oder Fehlerfall der Umrichteranordnung auftretende Zweigenergie stets kleiner ist als die maximal im Zweig speicherbare Energie:
W " max = AuW"BK +T
Bei Nichteinhaltung dieser Bedingung müsste die Umrichteranordnung ebenfalls abgeschaltet werden, da sie sonst zerstört würde .
Es ist zu erkennen, dass damit der spezifizierte Betrieb mit dem höchsten Energiehub die minimale Modulzahl und Modulkapa¬ zität der Umrichteranordnung vorgibt. Durch eine Verringerung des maximalen Energiehubes, wie sie durch das Oberschwin- gungsermittlungsmodul 40 erreicht wird, kann somit eine Ver¬ ringerung der Modulzahl in jedem Zweig der Umrichteranordnung und ein verringerter Installationsaufwand erreicht werden.
In der Umrichteranordnung wird zudem jedes verbaute Schaltmodul von einem der Zweigströme durchflössen. Aus der Verringerung der Modulzahl ist daher auch eine entsprechende Senkung der Verluste der Umrichteranordnung möglich.
Als Nebeneffekt kann sich zudem eine Verringerung der Modulzahl auch positiv auf die Verteilung der Durchlassverluste der Halbleiter der einzelnen Schaltmodule auswirken und somit geringfügig höhere Zweigströme - also höhere Konverterleis¬ tungen ermöglichen.
Um die beschriebenen im Kreis fließenden Oberschwingungen zu erzeugen, werden vorzugsweise geradzahlige, nicht durch 3 teilbare Oberschwingungsströme (bezogen auf die Frequenz des Wechselstromsystems auf der ersten Anschlussseite 11 gemäß Figur 1) in die Zweigströme eingeprägt.
Auch wird es als vorteilhaft angesehen, wenn in die Wechsel¬ spannungen auf der ersten Anschlussseite 11 Oberschwingungs¬ spannungen (vorzugsweise durch drei teilbare Harmonische der Grund- bzw. Netzfrequenz auf ersten Anschlussseite 11,
"Gleichtaktkomponente") eingeprägt werden, wenn die umrich- terseitigen Wicklungen des Netztransformators keinen oder einen nicht geerdeten Sternpunkt aufweisen. Diese Gleichtakt¬ verschiebung entfällt dann durch die Potentialtrennung des Transformators und wird nicht auf seine netzseitigen Wicklun¬ gen übertragen, sofern der Transformator die daraus folgenden Anforderungen bezüglich seiner Isolation erfüllt.
Für ein Beispiel mit einer zweiten und vierten Harmonischen im Zweigstrom und einer dritten Harmonischen auf der Zweigspannung folgt dann:
(0 = γ " d■ sin(fö·t + φ)+I0S2■ sin(2·ω■ t +Posi)+ s4■ sin(4'ω' t + φ084 )
(3b) υζ(ί) = ^- + ϋαΛ-ύη(ω-ί) + υ( OS3 ■ sin(iD· t+ φ083) t + φ)· ω+I0S2 ■ cos(2-ω-ί + φ082)-2-ω+I0S4 ■ cos(4-ω-ί + φ054)· 4ω
4b
Alle weiteren oben angegebenen Gleichungen gelten unverändert weiter .
Durch geschickte Auswahl der Amplitude und Phasenlage einer oder mehrerer der genannten Oberschwingungen kann der Leistungsverlauf über jedem Umrichterzweig also so verändert wer¬ den, dass sich ein Energiehub einstellt, der kleiner ist als der ohne die genannten Oberschwingungen entstehende, wie dies in den Figuren 2 und 3 beispielhaft gezeigt ist. Die auftre¬ tende Maximalenergie Wmax wird dadurch verringert. Damit kann bei der Auslegung der Umrichteranordnung die Reihenschaltzahl und/oder die Schaltmodulkapazität C verringert werden, wo¬ durch Kosten und Konverterverluste gesenkt werden können. Die zur Reduzierung des Energiehubs einzuprägenden Oberschwingungen können auf vielfältige Weise bestimmt werden. E bietet sich beispielsweise eine Kennfeldsteuerung an, die ab hängig vom aktuellen Zustand der Umrichteranordnung die opti malen Oberschwingungsparameter ausliest und entsprechend auf steuert. Das entsprechende Kennfeld kann dabei auf vielfälti ge Weise erstellt worden sein (z. B. analytische Berechnung, numerische Optimierung etc.) . Alternativ kann - beispielswei se für dynamische Vorgänge - auch ein Regelungssystem vorge¬ sehen werden, das die entsprechenden Oberschwingungen selbst tätig einregelt.
Das beschriebene Verfahren zum Berechnen und Erzeugen der zusätzlich einzuprägenden Oberschwingungen kann unabhängig von den sonst üblichen Leistungs-, Spannungs-, Strom,- Energieba¬ lance- Regelungs- / Steuerverfahren, wie es bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 von dem Steuerprogramm PR1 gesteuert bzw. geregelt wird, durchgeführt werden, weil die Oberschwingungen den "normalen" Zweigströmen, die in der Figur 1 durch das Steuerprogramm PR1 berechnet werden, überlagert werden und die aufmodulierten Oberschwingungen die von dem Steuerprogramm PR1 geregelten Größen und Balanceverhältnisse nicht beeinflussen.
Ebenso kann die Bestimmung und/oder Erzeugung der Oberschwingungen auch als integraler Bestandteil der genannten Regelungen/Steuerungen ausgeführt werden.
Es entsteht also kein zusätzlicher Aufwand im Leistungsteil der Umrichteranordnung (Messeinrichtungen etc.) zur Realisierung der Oberschwingungserzeugung. Sie kann beispielsweise in Software realisiert werden und könnte auch nachträglich ohne Hardwareänderungen in bereits bestehenden Anlagen nachgerüstet werden.
Die Figur 8 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Umrichteranordnung. Die Umrichteranordnung gemäß Figur 8 entspricht von der Funktionsweise her der Um- richteranordnung gemäß Figur 1. Im Unterschied dazu ist das Oberschwingungsermittlungsmodul 40 in der Steuereinrichtung 30 implementiert. Die Figur 9 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Umrichteranordnung, bei der das Oberschwin- gungsermittlungsmodul 40 durch ein Softwareprogrammmodul PR2 gebildet ist, das in dem Speicher 32 der Recheneinrichtung 31 der Steuereinrichtung 30 hinterlegt ist. Zur Ermittlung der Oberschwingungsgehaltsdaten bzw. zur Ermittlung der zusätzlichen Stromoberschwingungen, die für eine Reduktion des Energiehubs in den Reihenschaltungen Rl, R2 und R3 erforderlich bzw. vorteilhaft sind, muss die Recheneinrichtung 31 der Steuereinrichtung 30 lediglich das Softwareprogrammmodul PR2 aufrufen und ausführen.
Die Figur 10 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Umrichteranordnung, bei der das Oberschwin- gungsermittlungsmodul 40 unmittelbar die Messsignale bzw. Messdaten verarbeitet, die auch von der Steuereinrichtung 30 verarbeitet werden. Das Oberschwingungsermittlungsmodul 40 kann somit unabhängig von Betriebszustandsdaten arbeiten, die von der Steuereinrichtung 30 bereitgestellt werden. Im Übrigen entspricht die Arbeitsweise des Oberschwingungsermitt- lungsmoduls 40 sowie der Umrichteranordnung 10 insgesamt der Arbeitsweise der Umrichteranordnung 10 gemäß Figur 1.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten 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 . Bezugs zeichenliste
10 Umrichteranordnung
11 erste Anschlussseite
12 zweite Anschlussseite
30 Steuereinrichtung
31 Recheneinrichtung
32 Speicher
40 Oberschwingungsermittlungsmodul
BZ Betriebs zustandsdaten
C Kondensator
D Diode
Iacl Wechselstrom
Iac2 Wechselstrom
Iac3 Wechselstrom
Id Gleichstrom
I zos StromoberSchwingungen
Iz (t) Zweigstrom
L Induktivität
OS Oberschwingungsgehaltsdaten
P(t) Leistung
PR1 Steuerprogramm
PR2 Softwareprogrammmodul
Rl, R2, R3 Reihenschaltung
SM Schaltmodul
ST (SM) Steuersignal
Tl, T2, T3, T4 Transistor
Uacl Phasenspannung
Uac2 Phasenspannung
Uac3 Phasenspannung
Uc KondensatorSpannung
Ud Gleichspannung
USM SteuerSpannung
Uzl-Uz6 abfallende Spannung
Uz (t) Variable
Zd (SM) Zustandsdaten
AW Energiehub
;p (t) dt Integral

Claims

Patentansprüche
1. Umrichteranordnung (10) mit einer ersten Anschlussseite (11), an der zumindest ein Wechselstrom eingespeist und/oder zumindest eine Wechselspannung angelegt werden kann, und ei¬ ner zweiten Anschlussseite (12), an der ein durch Umrichtung gebildeter umgerichteter Wechsel- oder Gleichstrom entnommen werden kann,
- wobei die Umrichteranordnung (10) zumindest zwei parallel geschaltete Reihenschaltungen (Rl, R2, R3) umfasst, deren äußere Anschlüsse mit der zweiten Anschlussseite (12) der Umrichteranordnung (10) in Verbindung stehen oder diese bilden,
- wobei jede der parallel geschalteten Reihenschaltungen (Rl, R2, R3) jeweils mindestens zwei in Reihe geschaltete
Schaltmodule (SM) umfasst und
- wobei mit den Schaltmodulen (SM) eine Steuereinrichtung
(30) in Verbindung steht, die die Schaltmodule (SM) derart ansteuern kann, dass in den Reihenschaltungen (Rl, R2, R3) Zweigströme fließen und der umgerichtete Wechsel- oder
Gleichstrom an der zweiten Anschlussseite (12) eine vorgegebene Größe und/oder einen vorgegebenen zeitlichen Verlauf aufweist,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- die Umrichteranordnung (10) ein Oberschwingungsermittlungs- modul (40) aufweist, das anhand des jeweiligen Umrichterbe- triebszustands für jede der Reihenschaltungen (Rl, R2, R3) jeweils mindestens eine zusätzliche Stromoberschwingung er¬ mittelt, wobei die zusätzlichen Stromoberschwingungen der- art bemessen sind, dass sie in den parallel geschalteten
Reihenschaltungen (Rl, R2, R3) der Umrichteranordnung (10) im Kreis fließen und innerhalb der Umrichteranordnung (10) verbleiben, und
- die Steuereinrichtung (30) die Schaltmodule (SM) derart an- steuert, dass in jeder der Reihenschaltungen (Rl, R2, R3) die von dem Oberschwingungsermittlungsmodul (40) jeweils ermittelte mindestens eine zusätzliche Stromoberschwingung fließt.
2. Umrichteranordnung nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die zusätzlichen Stromoberschwingungen hinsichtlich ihrer Größe und Phasenlage derart bemessen sind, dass der Energie- hub in jeder der Reihenschaltungen (Rl, R2, R3) kleiner ist als ohne die zusätzlichen Stromoberschwingungen.
3. Umrichteranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Umrichteranordnung (10) eine Modulationseinrichtung aufweist, die auf das außen an der ersten Anschlussseite anlie¬ gende Wechselspannungssystem eine Gleichtaktkomponente aufmo¬ duliert .
4. Umrichteranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Umrichteranordnung (10) ein Einspeisen eines Wechsel- oder Gleichstroms an der zweiten Anschlussseite (12) und ein Entnehmen eines durch Umrichtung gebildeten Wechselstroms an der ersten Anschlussseite (11) ermöglicht.
5. Umrichteranordnung nach einem der voranstehenden Ansprü- che,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
jedes der Schaltmodule (SM) jeweils mindestens zwei Transis¬ toren (T1-T4) und einen Kondensator (C) umfasst.
6. Umrichteranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Umrichteranordnung (10) einen Marquardt-Umrichter bildet.
7. Verfahren zum Betreiben einer Umrichteranordnung (10), die eine erste Anschlussseite (11), eine zweite Anschlussseite (12) und zumindest zwei parallel geschaltete Reihenschaltun¬ gen (Rl, R2, R3) umfasst, deren äußere Anschlüsse mit der zweiten Anschlussseite (12) der Umrichteranordnung (10) in Verbindung stehen oder diese bilden und die jeweils mindestens zwei in Reihe geschaltete Schaltmodule (SM) umfassen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- die Schaltmodule (SM) derart angesteuert werden, dass in den Reihenschaltungen (Rl, R2, R3) Zweigströme fließen und an der zweiten Anschlussseite (12) ein umgerichteter Wechsel- oder Gleichstrom eine vorgegebene Größe und/oder einen vorgegebenen zeitlichen Verlauf aufweist,
- anhand des jeweiligen Umrichterbetriebszustands für jede der Reihenschaltungen (Rl, R2, R3) jeweils mindestens eine zusätzliche Stromoberschwingung ermittelt wird, wobei die zusätzlichen Stromoberschwingungen derart bemessen werden, dass sie in den parallel geschalteten Reihenschaltungen der Umrichteranordnung im Kreis fließen und innerhalb der Umrichteranordnung verbleiben, und
- die Schaltmodule (SM) derart angesteuert werden, dass in jeder der Reihenschaltungen (Rl, R2, R3) die jeweils ermittelte mindestens eine zusätzliche Stromoberschwingung fließt.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die zusätzlichen Stromoberschwingungen hinsichtlich ihrer Größe und Phasenlage derart bemessen werden, dass der Ener¬ giehub in jeder der Reihenschaltungen (Rl, R2, R3) kleiner ist als ohne die zusätzlichen Stromoberschwingungen.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
ein oder mehrere Oberschwingungsströme, deren Frequenz einem geradzahligen, nicht durch drei teilbaren Vielfachen der Grund- bzw. Netzfrequenz auf der ersten Anschlussseite (11) entspricht, in die Zweigströme der Reihenschaltungen (Rl, R2, R3) eingeprägt werden.
10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 7-9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in die Wechselspannung oder die Wechselspannungen auf der ersten Anschlussseite (11) eine oder mehrere Oberschwingungs Spannungen eingeprägt werden, deren Frequenz einer durch dre teilbaren Harmonischen der Grund- bzw. Netzfrequenz auf der ersten Anschlussseite (11) entspricht.
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