EP3560057A1 - Umrichteranordnung - Google Patents

Umrichteranordnung

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EP3560057A1
EP3560057A1 EP18704433.4A EP18704433A EP3560057A1 EP 3560057 A1 EP3560057 A1 EP 3560057A1 EP 18704433 A EP18704433 A EP 18704433A EP 3560057 A1 EP3560057 A1 EP 3560057A1
Authority
EP
European Patent Office
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memory
converter
arrangement
converter arrangement
voltage
Prior art date
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Pending
Application number
EP18704433.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ervin SPAHIC
Ulrich Zahner
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 Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP3560057A1 publication Critical patent/EP3560057A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H02J3/1821—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks using shunt compensators
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a converter arrangement with an inverter to an alternating voltage side for connection to an alternating voltage network and a dc-voltage side, and with a memory device which is connectable to the DC ⁇ side of the inverter, wherein the Speicheranord ⁇ voltage includes a plurality of electrically interconnected memory modules ,
  • Such a converter arrangement is known from WO 2007/102758 AI.
  • a power compensation system is described ⁇ Ben, which can exchange both reactive power and active power with the AC voltage network.
  • the known power compensation system comprises a converter, which is also referred to as STATCOM (Static Var Compensator), which is connected on the AC side via a transformer to the AC voltage network.
  • STATCOM Static Var Compensator
  • a capacitor is arranged in a parallel circuit to the DC side of the inverter.
  • the power compensation system further comprises a storage arrangement in the form of batteries, which are arranged in a series connection parallel to the capacitance.
  • the memory device In operation, the memory device, it is important that the individual memory modules always have the same electrical properties ⁇ properties. For example, deviations of the capacity of the storage modules together to differing ⁇ chen Seichermodulhoven to the memory modules, which is also called asymmetry.
  • the imbalance limits the usability of the memory array.
  • the object of the invention is to propose an inverter arrangement of the above type whose usability is as high as possible.
  • the object is achieved according to the invention in an artful converter arrangement by a control device for controlling memory module voltages of the memory modules, wherein the control device is adapted to exchange data signals with the memory modules.
  • the control device has in particular the property and the Aufga ⁇ be, by appropriate control of the memory module voltage E and oriented to driving the memory modules for a balancing to ensure that an elimination of the asymmetry of the memory module voltages.
  • the control device exchanges specific data signals with the memory modules or, in particular, with the control units which are installed in the memory modules.
  • the control device is expediently suitable for evaluating these data signals in terms of control engineering. Based on the evaluation of received data signals, the control device can in turn generate further data signals in the form of control signals for controlling the memory modules and transmit them to the control units of the memory modules.
  • the control device of the converter arrangement according to the invention can, for example, also perform operating functions, such as, for example, a definition of a common electrical base potential, as well as backup functions.
  • the control device is connected via data connections to the memory modules or to the control units.
  • the exchange of data signals takes place via the data connections.
  • the data links may each be implemented as a data bus.
  • a suitably suitable communication protocol is expediently such as, for example, the CAN, ProfiNet or IEC 61850 protocols known to the person skilled in the art.
  • wireless communication such as WLAN or Bluetooth.
  • the memory arrangement preferably comprises a plurality of memory branches connected in parallel, each memory branch having a series connection of the memory modules.
  • the ⁇ are connected to memory modules in several parallel-connected series circuits.
  • the control means preferably comprises a central control unit and a plurality of subunits, wherein the central control unit by means Da ⁇ ten réelleen is connected to the sub-units and each of the storage branches, at least one subunit of the regulating device zugeord ⁇ net, each sub-unit for controlling a sub-group of Memory modules and for exchanging data with the memory modules of the associated subgroup is set up.
  • a subunit may be replaced by the be formed module of a memory branch.
  • the central control unit, the transmitted data and the operation of the subunits coor ⁇ ren.
  • Each of the memory sectors may be assigned according to a variant exactly one subunit.
  • the memory modules of a memory branch can then be controlled by means of that subunit which is assigned to this memory branch.
  • each sub-unit is adapted to provide the following data to the memory modules or be ⁇ riding determine: a set value and / or a control value of the voltage and / or a memory module loading condition for each memory module in the memory associated with branch, wherein the list is not meant to be exhaustive shall be.
  • the central control unit is to be rich ⁇ tet, Ready determine desired values and / or actuating values of the voltage and / or a memory branch-charge state for each storage branch be ⁇ relationship as each subset to the sub-units, wherein the list is not meant to be exhaustive.
  • each subunit of crizungsein ⁇ direction receives appropriate point and correction values that they can convert environmentally machining ⁇ th and set and control values for each Speichermo ⁇ modules of the storage branch, or the subgroup.
  • the following data can be transmitted between at least one memory module of a memory branch and the subunit of the closed-loop control device assigned to it: voltage and / or capacitance and / or state of charge and / or a state signal, the subunits being adapted to apply the data mentioned to the central control unit.
  • the state signal for example, the in ⁇ formation include whether the memory module in question is functional onstrich or an error in the memory module is present. It is also conceivable to provide further information about the status of the memory modules from the memory modules to the subunits. transmit information such as temperature.
  • the subunits are configured to transfer the data received from the memory modules to the central control unit after they have been processed.
  • the individual memory modules comprise so-called supercaps, which are also referred to as supercapacitors, or according to ultracaps.
  • supercaps which are also referred to as supercapacitors, or according to ultracaps.
  • Memory elements of this type knows ⁇ sen a particularly high power density, so that they can be very quickly charged and discharged. It is per ⁇ but also conceivable to use other storage elements, how to use crizspielswei ⁇ se battery storage or lithium cells.
  • the memory modules can build up a voltage of more than 1 kV at their terminals. at its terminals, a voltage of more than 1 kV can be generated. By connecting the memory modules in series, a correspondingly high total voltage can be achieved.
  • the semiconductor switching modules comprise intermediate capacitors, which may also be referred to as DC link capacitors. That way is the
  • Umrichteran onion extracts from ⁇ of the converter and the alternating voltage network.
  • the semiconductor switching modules each comprise semiconductor switches and an intermediate capacitor, which are connected to one another in a full bridge module circuit.
  • a full bridge module circuit is characterized in that two series circuits of two semiconductor switches are connected in parallel, wherein pa ⁇ rallel to the series circuits of the semiconductor switches of Intermediate capacitor is arranged.
  • the full-bridge module circuit has two connection terminals, one of which is arranged with a potential point between the semiconductor switches of one series connection and the other with a potential point between the semiconductor switches of the other series connection. At the terminals of the semiconductor switching module a sloping at the intermediate capacitor
  • Capacitor voltage a zero voltage or the inverse capacitor voltage can be generated.
  • the converter arrangement is set up to exchange an active power between the memory arrangement and an AC voltage network connected to the converter arrangement on the AC voltage side by suitable control of the semiconductor switching modules by means of a converter control.
  • the converter arrangement is suitable for contributing, for example, to a frequency stabilization in the alternating voltage network.
  • the converter arrangement is further to be ⁇ directed, by suitable control of the Halbleiterschaltmo ⁇ modules by means of a converter control a reactive power between the semiconductor switch modules and one of the
  • Inverter assembly exchange AC voltage connected AC voltage side.
  • the converter arrangement can thus be used to further stabilize the alternating voltage network.
  • the inverter is a so-called modular multi-stage converter
  • the semiconductor switch of the semiconductor switching units of the MMC are independently controlled, whereby the MMC can generate a step-shaped AC voltage with an almost be ⁇ arbitrary time course.
  • the converter arms of the converter are connected to one another in a double star arrangement.
  • the binary star arrangement is characterized by the following structure: records.
  • the inverter comprises three converter phases with two converter arms each. Each converter phase extends between a positive and a negative DC pole of the converter arrangement, which are connected at the same time to the positive and negative DC busbars.
  • the Umrichterarme a single converter phase are connected in Rei ⁇ he one another, wherein a respective AC voltage connection for connecting the order is arranged ⁇ converter with an associated phase of the AC network between the Umrichterarmen.
  • the memory arrangement is connected in parallel with the converter phases between the positive and the negative DC voltage pole.
  • Figure 1 shows an embodiment of a converter arrangement according to the invention in a schematic representation
  • Figure 2 shows an embodiment of a Speicheranord ⁇ tion
  • FIG. 3 shows an example of a semiconductor switching module.
  • the converter arrangement 1 comprises a converter 3 which has an AC voltage connection 4 for connection to the AC voltage network 2. In this way, the converter 3 can be connected to the AC voltage network 2 on the AC voltage side.
  • the inverter comprises six converter arms 5a-5f, which are connected to each other in a double star connection.
  • the three converter arms 5a-c are connected to each other in a first star point 6a, the converter arms 5d-f in a second star point 6b.
  • Each converter arm 5a-f has a series circuit of semiconductor circuit modules 7 (of similar design in the exemplary embodiment of FIG. 1). The construction of the semiconductor switch modules 7 is described in more detail in the following FIG.
  • the converter arrangement 1 further comprises a storage arrangement 8, which is arranged parallel to the three converter phases of the converter 3.
  • the memory device 8 comprises a plurality of memory modules. On the construction of the memory array 8 will be discussed in more detail in the following figures 2 and 3.
  • Inverter arrangement 1 allows such a control of the semiconductor switching modules 7, that an exchange of reactive and active power with the AC voltage network 2 is possible.
  • the voltage in AC mains 2 is 110 kV AC.
  • a measuring device 12 is set up to measure the power in the AC voltage network 2.
  • the measuring device 12 is connected on the output side to the regulating device 9, so that the regulation of the converter arrangement 1 is carried out using the measured transmitted power.
  • the measurement of the power can be done for example via a current and voltage measurement.
  • FIG. 2 shows a memory arrangement 8 which is shown in FIG.
  • Inverter assembly 1 of Figure 1 can be used.
  • the memory arrangement 8 has two connections 21, 22. By means of the terminals 21, 22, the memory array 8 with the
  • the memory arrangement 8 comprises a plurality of memory branches 23a-n, which are each Weil between a positive DC busbar 24 and a negative DC busbar 25 he stretch ⁇ and are electrically connected to it.
  • memory branches 23a and 23n are shown in FIG. Their number is ever ⁇ but generally desired within the scope of the application, which is indicated by the dotted line 26th
  • Each memory branch 23a-n has a series connection of m individual memory modules 23al-m, 23nl-m.
  • the memory branches 23a-n are connected in parallel with each other.
  • the number m of the memory modules 23al-23nm in each branch may be up to several hundreds.
  • the memory modules 23al-nm of the memory device 8 are in
  • Towers 30 are arranged. Each tower 30 can admit 5 to 50 SpeI ⁇ chermodule 23al nm.
  • the towers 30 form a tra ⁇ ing structure for receiving the memory modules 23al-nm.
  • the memory modules 23al-nm each comprise a plurality of so-called supercapacitors or battery.
  • the voltage dropped across the memory modules 23al-nm in the example of FIG. 3 is 125 V. Accordingly, the voltage at each tower can be for example 1.25 kV and the total voltage at the terminals 21, 22 of the memory arrangement 24 kV, if there are ten memory modules per tower 30 and twenty towers are inserted in a memory branch 23a-n.
  • the memory modules arranged on an eta ⁇ ge of one of the towers 30 form a sub-group 31a-n of the memory modules.
  • the memory arrangement 8 further comprises a control device 20 with a central control unit 201 and sub ⁇ units 20 a-n.
  • Each of the subgroups 31a-n is assigned one of the subunits 20a-n.
  • Each of the subunits 20a-n is connected to the memory modules in the associated subgroup 31a-n by means of data links DV.
  • the central control unit 201 with the subunits 20a-n connected via data lines DL.
  • an exchange of data signals or data such as status data of the memory modules and setpoints or manipulated variables, can be provided for the individual memory modules.
  • a balancing of the memory module voltages of the memory modules can be carried out in an efficient and reliable manner.
  • Full bridge module circuit 101 is shown schematically in FIG.
  • the full-bridge module circuit 101 has a first semiconductor switch 102 in the form of an IGBT, to which a freewheeling diode 103 is connected in antiparallel, and a second semiconductor switch 104 in the form of an IGBT, to which a freewheeling diode 105 is connected in antiparallel.
  • the forward direction of the two semiconductor switches 102 and 104 is rectified.
  • the full-bridge module circuit 101 comprises a third semiconductor switch 109 in the form of an IGBT, to which a freewheeling diode 110 is connected in antiparallel, and a fourth semiconductor switch 111 in the form of an IGBT, to which a free-wheeling diode 112 is connected in antiparallel.
  • the passage ⁇ direction of the two semiconductor switches 109 and 111 is rectified.
  • the semiconductor switches 102 and 104 associated with them freewheeling diodes 103, 105 thus form a series circuit which is connected in parallel by a series circuit formed by the semiconductor switches 109, 111 and the associated freewheeling diodes 110 and 112.
  • An intermediate capacitor 106 is arranged parallel to the two series circuits.
  • the first port XI is at a potential point
  • the second terminal X2 is disposed at a potential point 114 between the semiconductor switches 109, 111.
  • 104, 109 and 111 can be generated at the terminals XI, X2 voltage drop, that of the intermediate capacitor 106 falling voltage Uc, the voltage drop across the intermediate capacitor 106, however, with opposite polarity (-Uc) or zero voltage.

Landscapes

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  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Umrichteranordnung (1) mit einem Umrichter (3) mit einer Wechselspannungsseite zum Verbinden mit einem Wechselspannungsnetz (2) sowie einer Gleichspannungsseite, und mit einer Speicheranordnung 8(), die mit der Gleichspannungsseite des Umrichters verbindbar ist, wobei die Speicheranordnung eine Mehrzahl elektrisch miteinander verbundener Speichermodule (23al-nm) umfasst. Die Erfindung zeichnet sich durch eine Regelungseinrichtung (20) zur Regelung von Speichermodulspannungen der Speichermodule aus, wobei die Regelungseinrichtung dazu eingerichtet ist, Datensignale mit den Speichermodulen auszutauschen.

Description

Umrichteranordnung
Die Erfindung betrifft eine Umrichteranordnung mit einem Umrichter mit einer Wechselspannungsseite zum Verbinden mit ei- nem Wechselspannungsnetz sowie einer Gleichspannungsseite, und mit einer Speicheranordnung, die mit der Gleichspannungs¬ seite des Umrichters verbindbar ist, wobei die Speicheranord¬ nung eine Mehrzahl elektrisch miteinander verbundener Speichermodule umfasst.
Eine solche Umrichteranordnung ist aus der WO 2007/102758 AI bekannt. Dort ist eine Leistungskompensationsanlage beschrie¬ ben, die sowohl Blindleistung als auch Wirkleistung mit dem Wechselspannungsnetz austauschen kann. Die bekannte Leis- tungskompensationsanlage umfasst einen Umrichter, der auch als STATCOM (Static Var Compensator) bezeichnet wird, der wechselspannungsseitig über einen Transformator mit dem Wechselspannungsnetz verbunden ist. In einer Parallelschaltung zu der Gleichspannungsseite des Umrichters ist eine Kapazität angeordnet. Die Leistungskompensationsanlage umfasst ferner eine Speicheranordnung in Form von Batterien, die in einer Reihenschaltung parallel zur Kapazität angeordnet sind. Durch den Austausch von Blind- und Wirkleistung mit dem Wechselspannungsnetz kann die bekannte Umrichteranordnung besonders wirksame Stabilisierung des Wechselspannungsnetzes sorgen.
Im Betrieb der Speicheranordnung ist es wichtig, dass die einzelnen Speichermodule stets gleiche elektrische Eigen¬ schaften aufweisen. Beispielsweise führen Abweichungen der Kapazität der Speichermodule untereinander zu unterschiedli¬ chen Seichermodulspannungen an den Speichermodulen, was auch als Unsymmetrie bezeichnet wird. Die Unsymmetrie begrenzt die Nutzbarkeit der Speicheranordnung. Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Umrichteranordnung der obigen Art vorzuschlagen, deren Nutzbarkeit möglichst hoch ist . Die Aufgabe wird bei einer artgemäßen Umrichteranordnung durch eine Regelungseinrichtung erfindungsgemäß zur Regelung von Speichermodulspannungen der Speichermodule gelöst, wobei die Regelungseinrichtung dazu eingerichtet ist, Datensignale mit den Speichermodulen auszutauschen. Die Regelungseinrichtung hat demnach insbesondere die Eigenschaft und die Aufga¬ be, durch eine geeignete Regelung der Speichermodulspannunge und eine darauf ausgerichtete Ansteuerung der Speichermodule für eine Balancierung, d.h. eine Beseitigung der Unsymmetrie der Speichermodulspannungen zu sorgen. Dazu tauscht die Rege lungseinrichtung bestimmte Datensignale mit den Speichermodu len beziehungsweise insbesondere mit den Steuerungseinheiten die in die Speichermodule eingebaut sind. Die Regelungsein¬ richtung ist zweckmäßigerweise dazu geeignet, diese Datensig nale regelungstechnisch auszuwerten. Basierend auf der Auswertung empfangener Datensignale kann die Regelungseinrichtung wiederum weitere Datensignale in Form von Steuerungssig nalen zur Steuerung der Speichermodle generieren und an die Steuerungseinheiten der Speichermodule übermitteln.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Umrichteranordnung ist es, dass durch die verwendete Regelungseinrichtung eine
Balancierung einer hohen Anzahl von Speichermodulen ermöglicht ist. Dadurch ist es möglich, auch Speichermodule zu verwenden, die aus einer Vielzahl von Niederspannungsspei¬ cherzellen bestehen bzw. solche umfassen. Die Regelungseinrichtung der erfindungsgemäßen Umrichteranordnung kann beispielsweise zudem Betriebsfunktionen, wie beispielsweise eine Festlegung eines gemeinsamen elektrischen Basispotenzials, sowie Sicherungsfunktionen ausführen.
Vorteilhaft können mit der erfindungsgemäßen
Umrichteranordnung negative Alterungseffekte und Kapazitäts¬ verluste minimiert werden. Ferner kann durch die Möglichkeit der Balancierung der Speichermodule mittels der Regelungseinrichtung der erfindungsge¬ mäßen Umrichteranordnung vorteilhaft eine höhere Lebensdauer, höhere Nutzbarkeit, eine schnellere Entladung in einem Stör- fall sowie eine höhere Effizienz beim Entladen der Speichermodule erreicht werden.
Geeigneterweise ist die Regelungseinrichtung über Datenverbindungen mit den Speichermodulen beziehungsweise mit den Steuerungseinheiten verbunden. Der Austausch von Datensignalen erfolgt demnach über die Datenverbindungen. Die Datenverbindungen können beispielsweise jeweils als ein Daten-Bus ausgeführt sein. Zum Austausch der Daten bzw. Datensignale ist zweckmäßigerweise ein entsprechend geeignetes Kommunika- tionsprotokoll wie beispielsweise die dem Fachmann bekannten Protokolle CAN, ProfiNet oder IEC 61850 sein. Weiterhin ist es möglich, drahtlose Kommunikation, wie beispielsweise WLAN oder Bluetooth, einzusetzen. Vorzugsweise umfasst die Speicheranordnung mehrere parallel geschaltete Speicherzweige, wobei jeder Speicherzweig eine Reihenschaltung der Speichermodule aufweist. Somit sind dem¬ nach Speichermodule in mehreren parallel geschalteten Reihenschaltungen miteinander verbunden. Durch die Verbindung meh- rerer Seichermodule in einer Reihenschaltung kann die erreichbare Spannung der Speicheranordnung erhöht werden. Durch die Verbindung der Reihenschaltungen parallel zueinander kann die Leistungsaufnahmefähgikeit der Speicheranordnung erhöht werden. Die Regelungseinrichtung umfasst bevorzugt eine zent- rale Regelungseinheit sowie mehrere Untereinheiten, wobei die zentrale Regelungseinheit mit den Untereinheiten mittels Da¬ tenleitungen verbunden ist und jedem der Speicherzweige wenigstens eine Untereinheit der Regelungseinrichtung zugeord¬ net ist, wobei jede Untereinheit zur Regelung einer Unter- gruppe der Speichermodule und zum Austausch von Daten mit den Speichermodulen der zugeordneten Untergruppe eingerichtet ist. Beispielsweise kann eine Untereinheit durch die Spei- chermodule eines Speicherzweiges gebildet sein. Auf diese Weise kann die zentrale Regelungseinheit die übermittelten Daten sowie die Funktionsweise der Untereinheiten koordinie¬ ren. Jedem der Speicherzweige kann gemäß einer Variante genau eine Untereinheit zugeordnet sein. Die Speichermodule eines Speicherzweiges können dann mittels derjenigen Untereinheit geregelt werden, die diesem Speicherzweig zugeordnet ist.
Zweckmäßigerweise ist jede Untereinheit dazu eingerichtet, folgende Daten an die Speichermodule zu übermitteln bzw. be¬ reitzustellen: einen Sollwert und/oder einen Stellwert der Spannung und/oder eines Speichermodul-Ladezustandes für jedes Speichermodul im zugeordneten Speicherzweig, wobei die Liste nicht als abschließend verstanden werden soll.
Bevorzugt ist die zentrale Regelungseinheit dazu eingerich¬ tet, Sollwerte und/oder Stellwerte der Spannung und/oder eines Speicherzweig-Ladezustandes für jeden Speicherzweig be¬ ziehungsweise jede Untergruppe an die Untereinheiten bereit- zustellen, wobei die Liste nicht als abschließend verstanden werden soll. Somit erhält jede Untereinheit der Regelungsein¬ richtung entsprechende Soll- und Stellwerte, die sie bearbei¬ ten und in Soll- und Stellwerte für die einzelnen Speichermo¬ dule des Speicherzweiges, beziehungsweise der Untergruppe um- wandeln kann.
Vorzugsweise sind zwischen wenigstens einem Speichermodul ei¬ nes Speicherzweiges und der ihnen zugeordneten Untereinheit der Regelungseinrichtung folgende Daten übertragbar: Spannung und/oder Kapazität und/oder Ladezustand und/oder ein Zu- standssignal , wobei die Untereinheiten dazu eingerichtet sind, die genannten Daten an die zentrale Regelungseinheit zu übermitteln. Das Zustandssignal kann beispielsweise die In¬ formation enthalten, ob das betreffende Speichermodul funkti- onstüchtig ist oder ein Fehler im Speichermodul vorliegt. Es ist ferner denkbar, weitere Informationen über den Zustand der Speichermodule von den Speichermodulen an die Unterein- heiten zu übermitteln, wie beispielsweise Temperatur. Die Untereinheiten sind dazu eingerichtet, die von den Speichermodulen empfangenen Daten nach deren Bearbeitung an die zentrale Regelungseinheit zu übertragen.
Vorzugsweise umfassen die einzelnen Speichermodule sogenannte Supercaps, die auch als Superkondensatoren bezeichnet werden, oder entsprechend Ultracaps. Speicherelemente dieser Art wei¬ sen eine besonders hohe Leistungsdichte auf, so dass sie be- sonders schnell auf- und entladen werden können. Es ist je¬ doch auch denkbar, andere Speicherelemente, wie beispielswei¬ se Batteriespeicher oder Lithium-Zellen zu verwenden.
Da im Wechselspannungsnetz üblicherweise Spannungen von über 100 kV eingesetzt werden, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Speichermodule an ihren Klemmen eine Spannung von mehr als 1 kV aufbauen können bwz . an ihrem Klemmen eine Spannung von mehr als 1 kV erzeugt werden kann. Durch die Reihenschaltung der Speichermodule kann eine entsprechend ho- he Gesamtspannung erreicht werden.
Zweckmäßigerweise umfassen die die Halbleiterschaltmodule Zwischenkondensatoren, die auch als Zwischenkreiskondensato- ren bezeichnet werden können. Auf diese Weise ist die
Umrichteranordnung zu einer Blindleistungskompensation im Wechselspannungsnetz ertüchtigt. Die Zwischenkondensatoren der Halbleiterschaltmodule sind nicht dazu vorgesehen, Wirk¬ leistung zwischen der Umrichteranordnung und dem Wechselspannungsnetz auszutauschen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfassen die Halbleiterschaltmodule jeweils Halbleiterschalter sowie einen Zwischenkondensator, die miteinander in einer Vollbrückenmo- dulschaltung verbunden sind. Eine Vollbrückenmodulschaltung zeichnet sich dadurch aus, dass zwei Reihenschaltungen von zwei Halbleiterschaltern parallel geschaltet sind, wobei pa¬ rallel zu den Reihenschaltungen der Halbleiterschalter der Zwischenkondensator angeordnet ist. Die Vollbrückenmodul- schaltung weist zwei Anschlussklemmen auf, wovon eine mit einem Potenzialpunkt zwischen den Halbleiterschaltern der einen Reihenschaltung und die andere mit einem Potenzialpunkt zwi- sehen den Halbleiterschaltern der anderen Reihenschaltung angeordnet ist. An den an Anschlussklemmen des Halbleiterschaltmoduls eine an dem Zwischenkondensator abfallende
Kondensatorspannung, eine Nullspannung oder aber die inverse Kondensatorspannung erzeugbar ist.
Zweckmäßigerweise ist die Umrichteranordnung dazu eingerichtet, durch geeignete Ansteuerung der Halbleiterschaltmodule mittels einer Umrichterregelung eine Wirkleistung zwischen der Speicheranordnung und einem an die Umrichteranordnung wechselspannungsseitig angeschlossenen Wechselspannungsnetz auszutauschen. Damit ist die Umrichteranordnung dazu geeignet, beispielsweise zu einer Frequenzstabilisierung im Wechselspannungsnetz beizutragen. Geeigneterweise ist die Umrichteranordnung ferner dazu einge¬ richtet, durch geeignete Ansteuerung der Halbleiterschaltmo¬ dule mittels einer Umrichterregelung eine Blindleistung zwischen den Halbleiterschaltmodulen und einem an die
Umrichteranordnung wechselspannungsseitig angeschlossenen Wechselspannungsnetz auszutauschen. Die Umrichteranordnung kann damit dazu verwendet werden, das Wechselspannungsnetz weiter zu stabilisieren.
Mit der Reihenschaltung der Halbleiterschalteinheiten ist der Umrichter ein sogenannter modularer Mehrstufenumrichter
(MMC) . Die Halbleiterschalter der Halbleiterschalteinheiten des MMC sind voneinander unabhängig ansteuerbar, wodurch der MMC eine stufenförmige Wechselspannung mit einem nahezu be¬ liebigen zeitlichen Verlauf generieren kann. Gemäß einer Aus- führungsform der Erfindung sind die Umrichterarme des Umrichters in einer Doppelsternanordnung miteinander verbunden. Die Doppelsternanordnung ist durch den folgenden Aufbau gekenn- zeichnet. Der Umrichter umfasst drei Umrichterphasen mit jeweils zwei Umrichterarmen. Jede Umrichterphase erstreckt sich zwischen einem positiven und einem negativen Gleichspannungspol der Umrichteranordnung, die zugleich mit der positiven und negativen Gleichspannungssammelschiene verbunden sind.
Die Umrichterarme einer einzelnen Umrichterphase sind in Rei¬ he miteinander verbunden, wobei zwischen den Umrichterarmen jeweils ein Wechselspannungsanschluss zum Verbinden des Um¬ richters mit einer zugeordneten Phase des Wechselspannungs- netzes angeordnet ist. Die Speicheranordnung ist parallel zu den Umrichterphasen zwischen dem positiven und dem negativen Gleichspannungspol geschaltet.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispielen weiter erläutert werden .
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Umrichteranordnung in einer schematischen Darstellung;
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Speicheranord¬ nung;
Figur 3 zeigt ein Beispiel eines Halbleiterschaltmoduls.
Im Einzelnen ist in Figur 1 eine Umrichteranordnung 1 zum Stabilisieren eines Wechselspannungsnetzes 2 dargestellt. Die Umrichteranordnung 1 umfasst einen Umrichter 3, der einen Wechselspannungsanschluss 4 zum Anschluss an das Wechselspan- nungsnetz 2 aufweist. Damit ist der Umrichter 3 wechselspan- nungsseitig mit dem Wechselspannungsnetz 2 verbindbar. Der Umrichter umfasst sechs Umrichterarme 5a-5f, die in einer Doppelsternschaltung miteinander verbunden sind. Die drei Umrichterarme 5a-c sind in einem ersten Sternpunkt 6a, die Umrichterarme 5d-f in einem zweiten Sternpunkt 6b miteinander verbunden . Jeder Umrichterarm 5a-f weist eine Reihenschaltung von (im Ausführungsbeispiel der Figur 1 gleichartig aufgebauten) Halbleiterschaltmodulen 7. Auf den Aufbau der Halbleiterschaltmodule 7 wird in der nachfolgenden Figur 3 näher einge- gangen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in Figur 1 le¬ diglich drei Halbleiterschaltmodule 7 dargestellt, deren An¬ zahl aber grundsätzlich beliebig und an die jeweilige Anwendung angepasst sein kann. Die Umrichteranordnung 1 umfasst ferner eine Speicheranord¬ nung 8, die parallel zu den drei Umrichterphasen des Umrichters 3 angeordnet ist. Die Speicheranordnung 8 umfasst eine Mehrzahl von Speichermodulen. Auf den Aufbau der Speicheranordnung 8 wird in den nachfolgenden Figuren 2 und 3 näher eingegangen.
Eine Regelungseinrichtung 9 zur Regelung der
Umrichteranordnung 1 erlaubt eine derartige Steuerung der Halbleiterschaltmodule 7, dass ein Austausch von Blind- und Wirkleistung mit dem Wechselspannungsnetz 2 ermöglicht ist.
Die Spannung im Wechselspannungsnetz 2 beträgt 110 kV AC . Eine Messeinrichtung 12 ist dazu eingerichtet, die Leistung im Wechselspannungsnetz 2 zu messen. Die Messeinrichtung 12 ist ausgangsseitig mit der Regelungseinrichtung 9 verbunden, so dass die Regelung der Umrichteranordnung 1 unter Verwendung der gemessenen übertragenen Leistung vorgenommen wird. Die Messung der Leistung kann beispielsweise über eine Strom- und Spannungsmessung erfolgen.
Figur 2 zeigt eine Speicheranordnung 8, die in der
Umrichteranordnung 1 der Figur 1 einsetzbar ist. Die Speicheranordnung 8 weist zwei Anschlüsse 21, 22 auf. Mittels der Anschlüsse 21, 22 kann die Speicheranordnung 8 mit der
Gleichspannungsseite des Umrichters 3 der Umrichteranordnung 1 der Figur 1 verbunden werden. Die Speicheranordnung 8 umfasst eine Vielzahl von Speicherzweigen 23a-n, die sich je- weils zwischen einer positiven Gleichspannungssammelschiene 24 und einer negativen Gleichspannungssammelschiene 25 er¬ strecken und mit ihr elektrisch verbunden sind. In Figur 2 sind aus Übersichtlichkeitsgründen lediglich zwei Speicher- zweige 23a und 23n figürlich dargestellt. Ihre Anzahl ist je¬ doch grundsätzlich im Rahmen der jeweiligen Anwendung beliebig, was durch die punktierte Linie 26 angedeutet ist.
Jeder Speicherzweig 23a-n weist eine Reihenschaltung von m einzelnen Speichermodulen 23al-m, 23nl-m auf. Die Speicherzweige 23a-n sind zueinander parallel geschaltet. Die Anzahl m der Speichermodule 23al-23nm in jedem Zweig kann bis zu mehreren hundert betragen. Die Speichermodule 23al-nm der Speicheranordnung 8 sind in
Türmen 30 angeordnet. Jeder Turm 30 kann dabei 5 bis 50 Spei¬ chermodule 23al-nm aufnehmen. Die Türme 30 bilden eine tra¬ gende Struktur zur Aufnahme der Speichermodule 23al-nm. Die Speichermodule 23al-nm umfassen jeweils eine Vielzahl von sogenannten Superkondensatoren (Supercaps) oder Batterie. Die an den Speichermodulen 23al-nm abfallende Spannung beträgt im Beispiel der Figur 3 125 V. Entsprechend kann die Spannung an jedem Turm beispielsweise 1,25 kV und die Gesamtspannung an den Anschlüssen 21, 22 der Speicheranordnung 24 kV betragen, falls zehn Speichermodule pro Turm 30 und zwanzig Türme in einem Speicherzweig 23a-n eingesetzt sind. Die auf einer Eta¬ ge eines der Türme 30 angeordneten Speichermodule bilden eine Untergruppe 31a-n der Speichermodule.
Die Speicheranordnung 8 umfasst ferner eine Regelungseinrichtung 20 mit einer zentralen Regelungseinheit 201 und Unter¬ einheiten 20a-n. Jedem der Untergruppen 31a-n ist eine der Untereinheiten 20a-n zugeordnet. Jede der Untereinheiten 20a- n ist mit den Speichermodulen in der zugeordneten Untergruppe 31a-n mittels Datenverbindungen DV verbunden. Entsprechend ist die zentrale Regelungseinheit 201 mit den Untereinheiten 20a-n über Datenleitungen DL verbunden. Mittels der Datenverbindungen DV und der Datenleitungen DL ist ein Austausch von Datensignalen bzw. Daten, wie Zustandsdaten der Speichermodule und Soll- bzw. Stellwerte für die einzelnen Speichermodule bereitstellbar. Auf diese Weise kann mittels der Regelungs¬ einrichtung eine Balancierung der Speichermodulspannungen der Speichermodule auf eine effiziente und zuverlässige Weise durchgeführt werden. Ein Beispiel eines Halbleiterschaltmoduls 7 in Form einer
Vollbrückenmodulschaltung 101 ist in Figur 4 schematisch dargestellt. Die Vollbrückenmodulschaltung 101 weist einen ersten Halbleiterschalter 102 in Form eines IGBT, dem eine Freilaufdiode 103 antiparallel geschaltet ist sowie einen zweiten Halbleiterschalter 104 in Form eines IGBT, dem eine Freilaufdiode 105 antiparallel geschaltet ist. Die Durchlassrichtung der beiden Halbleiterschalter 102 und 104 ist gleichgerichtet. Ferner umfasst die Vollbrückenmodulschaltung 101 einen dritten Halbleiterschalter 109 in Form eines IGBT, dem eine Freilaufdiode 110 antiparallel geschaltet ist sowie einen vierten Halbleiterschalter 111 in Form eines IGBT, dem eine Freilaufdiode 112 antiparallel geschaltet ist. Die Durchlass¬ richtung der beiden Halbleiterschalter 109 und 111 ist gleichgerichtet. Die Halbleiterschalter 102 und 104 mit ihnen zugeordneten Freilaufdioden 103, 105 bilden somit eine Reihenschaltung, die einer durch die Halbleiterschalter 109, 111 und die zugeordneten Freilaufdioden 110 und 112 gebildeten Reihenschaltung parallel geschaltet ist. Ein Zwischenkondensator 106 ist parallel zu den beiden Reihenschaltungen ange- ordnet. Der erste Anschluss XI ist an einem Potenzialpunkt
113 zwischen den Halbleiterschaltern 102, 104 angeordnet, der zweite Anschluss X2 ist an einem Potenzialpunkt 114 zwischen den Halbleiterschaltern 109, 111 angeordnet. Durch eine geeignete Steuerung der Leistungshalbleiter 102,
104, 109 und 111 kann die an den Anschlüssen XI, X2 abfallende Spannung erzeugt werden, die der am Zwischenkondensator 106 abfallenden Spannung Uc, der am Zwischenkondensator 106 abfallenden Spannung jedoch mit entgegengesetzter Polarität (-Uc) oder der Spannung null entspricht.

Claims

Patentansprüche
1. Umrichteranordnung (1) mit
- einem Umrichter (3) mit einer Wechselspannungsseite (3a) zum Verbinden mit einem Wechselspannungsnetz (2) sowie einer Gleichspannungsseite 36(),
- einer Speicheranordnung (8), die mit der Gleichspannungsseite (3b) des Umrichters (3) verbindbar ist, wo- bei die Speicheranordnung (8) eine Mehrzahl elektrisch miteinander verbundener Speichermodule (23al-nm) um- fasst
g e k e n n z e i c h n e t durch
eine Regelungseinrichtung (20) zur Regelung von Speicher- modulspannungen der Speichermodule (23al-nm) , wobei die
Regelungseinrichtung (20) dazu eingerichtet ist, Datensignale mit den Speichermodulen (23al-nm) auszutauschen .
2. Umrichteranordnung (1) nach Anspruch 1, wobei die Regelungseinrichtung (20) über Datenverbindungen (DL, DV) mit den Speichermodulen (23al-nm) verbunden ist.
3. Umrichteranordnung (1) nach einem der vorangehenden An- Sprüche, wobei die Speicheranordnung (8) mehrere paral¬ lel geschaltete Speicherzweige (23a-n) umfasst, wobei jeder Speicherzweig (23a-n) eine Reihenschaltung der Speichermodule (23al-nm) aufweist, und die Regelungs¬ einrichtung (20) eine zentrale Regelungseinheit (201) sowie mehrere Untereinheiten (20a-n) umfasst, wobei die zentrale Regelungseinheit (201) mit den Untereinheiten (20a-n) mittels Datenleitungen (DL) verbunden ist und jede Untereinheit (20a-n) zur Regelung einer Untergrup¬ pe (31a-n) der Speichermodule (23al-nm) und zum Aus- tausch von Daten mit den Speichermodulen (23al-nm) der zugeordneten Untergruppe (31a-n) eingerichtet ist.
Umrichteranordnung (1) nach Anspruch 3, wobei jeder Untereinheit (31a-n) dazu eingerichtet ist, einen Soll¬ wert und/oder einen Stellwert der Spannung und/oder eines Speichermodul-Ladezustandes für jedes Speichermodul (23al-nm) im zugeordneten Speicherzweig (23a-n) bereit¬ zustellen .
Umrichteranordnung (1) nach einem der Ansprüche 3 oder
4, wobei die zentrale Regelungseinheit (201) dazu ein¬ gerichtet ist, Sollwerte und/oder Stellwerte der Span¬ nung und/oder eines Speicherzweig-Ladezustandes für je¬ den Speicherzweig (23a-n) an die Untereinheiten (20a-n) bereitzustellen.
Umrichteranordnung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis
5, wobei zwischen wenigstens einem Speichermodul (23al- nm) eines Speicherzweiges (23a-n) und der ihnen zu¬ geordneten Untereinheit (31a-n) der Regelungseinrichtung (20) folgende Daten übertragbar sind: Spannung und/oder Kapazität und/oder Ladezustand und/oder ein Zustandssignal , wobei die Untereinheiten (31a-n) dazu eingerichtet sind, die Daten an die zentrale Regelungs¬ einheit (201) zu übermitteln.
Umrichteranordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Speichermodule (23al-nm) Superkon- densatoren und/oder Ultrakondensatoren und/oder Batteriespeicher umfassen.
8. Umrichteranordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterschaltmodule (7) Zwischen¬ kondensatoren (106) umfassen.
9. Umrichteranordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterschaltmodule (7) jeweils Halbleiterschalter (102, 104, 109, 111) sowie einen Zwischenkondensator (106) umfassen, die miteinander in einer Vollbrückenmodulschaltung (101) verbunden sind.
Umrichteranordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Umrichteranordnung (1) dazu einge¬ richtet ist, durch geeignete Ansteuerung der Halblei¬ terschaltmodule (7) mittels einer Umrichterregelung ei¬ ne Wirkleistung zwischen der Speicheranordnung (8) und einem an die Umrichteranordnung (1) wechselspannungs- seitig angeschlossenen Wechselspannungsnetz (2) auszutauschen .
Umrichteranordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Umrichteranordnung (1) dazu einge¬ richtet ist, durch geeignete Ansteuerung der Halblei¬ terschaltmodule (7) mittels einer Umrichterregelung ei¬ ne Blindleistung zwischen den Halbleiterschaltmodulen
(7) und einem an die Umrichteranordnung (1) wechsels- pannungsseitig angeschlossenen Wechselspannungsnetz (2) aus zutausehen .
Umrichteranordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Umrichterarme (5a-f) des Umrich¬ ters (3) in einer Doppelsternanordnung miteinander verbunden sind.
Umrichteranordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei an den einzelnen Speichermodulen
(23al-nm) eine Gleichspannung von mehr als 1 kV
erzeugbar ist.
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