EP3656044A1 - Umrichteranordnung - Google Patents

Umrichteranordnung

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Publication number
EP3656044A1
EP3656044A1 EP17761249.6A EP17761249A EP3656044A1 EP 3656044 A1 EP3656044 A1 EP 3656044A1 EP 17761249 A EP17761249 A EP 17761249A EP 3656044 A1 EP3656044 A1 EP 3656044A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
voltage
submodules
series
converter
bipolar
Prior art date
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Pending
Application number
EP17761249.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich Halfmann
Andre SCHÖN
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
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, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP3656044A1 publication Critical patent/EP3656044A1/de
Pending 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
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • 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
    • H02M7/02—Conversion of AC power input into DC power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of AC power input into DC power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/12—Conversion of AC power input into DC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/21—Conversion of AC power input into DC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/217—Conversion of AC power input into DC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • 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

  • Umrichteran extract The invention relates to a converter arrangement with the features according to the preamble of patent claim 1.
  • Such a converter arrangement is known from international patent application WO 2013/071 947 AI.
  • the previously known converter arrangement comprises at least one converter unit.
  • the converter unit has at least two AC connections ⁇ , which can be fed to a respective alternating current or removed, and a first and a second direct voltage terminal to which a direct current can be fed or taken up.
  • the inverter unit comprises per AC voltage connection in each case a series ⁇ circuit which is supplied to the respective AC voltage terminal ⁇ arranged.
  • the series circuits are electrically connected in parallel.
  • a first series circuit connection is connected to the first direct voltage terminal of the converter unit and a second series scarf ⁇ pipe connection to the second direct voltage terminal of the converter, respectively.
  • Each of the series circuits has submodules connected in series, respectively. In each of the series circuits of the AC voltage terminal respectively divided the submodules in an electrically the first series circuit and a terminal near Submodulrios elekt ⁇ driven to the second series circuit terminal near submodule ⁇ group.
  • Inverter arrangements of this type can be used in high-voltage direct-current transmission (HVDC) and, if they have two converter units, form an HVDC-bipole structure. If they are equipped with unipolar submodules, for example half-bridge submodules, then unbalanced phase-to-ground short-circuits at the AC voltage terminals -subsequently called unbalanced AC errors-can occur due to the rectification effect after error detection Blocked half-bridge submodules lead to a DC current offset in the two not affected by the ground fault phases of the AC network (AC network).
  • AC power circuit breakers which are intended to disconnect the converter arrangement in such cases from the AC voltage network, establish a voltage-proof isolation path only at a preceding zero-crossing. The DC current offset in the described error case can now cause the current zero crossing does not occur and thus the circuit breaker can not establish a separation distance. Even with backup protection, this may lead to the destruction of the circuit breaker and damage to the power electronics of the inverter assembly.
  • the problem can be solved by an additional short-circuiting unit, which produces a 3-pole AC short circuit.
  • a hard three-pole short circuit is generated from a 1- or 2-pole earth fault fault, which balances the fault current.
  • this represents a mas ⁇ sive impairment of the AC voltage network.
  • Inverter units are solved. Due to a very high impedance in the earthing path, the fault current and thus the DC current offset are limited so that current zero crossings in the AC circuit breakers can still be achieved. However, the voltage pre-charge of connected DC cables represents a major thermal load for this Er ⁇ conception concept. In addition, the earth path can not as third conductor / return conductor can be used for the bipolar structure.
  • the invention has for its object to provide a converter arrangement, which allows in the case of an unbalanced conductor-earth short circuit at an AC voltage terminal a simple and fast disconnection of the inverter assembly from AC mains. This object is achieved by a
  • the invention provides that one of the two DC voltage terminals of the converter is grounded, the submodules divided in each of the series circuits of the respective AC voltage terminal, respectively in an electrically erd ⁇ near Submodulxx and an electrically Erdferne Submodulxx and the low earth Submodulopathy at least a bipolar submodule and have remote submodule groups ⁇ finally unipolar submodules.
  • An essential advantage of the Umrichteran- order according to the invention is the fact that by providing at least one bipolar submodule in each of the near-Earth submodule groups a DC current offset shift such that no current zero crossings of the Kirditionsan ⁇ statements of the inverter arrangement in the case of unsymmetrical AC ground fault occur, can be avoided. Since appearing on the AC side zero crossings even when earth fault, the AC side with Leis ⁇ processing switches can be separated from the external network quickly and easily.
  • the massive network perturbations that result from active short-circuiting do not occur.
  • the system can be grounded rigidly (i.e., with low earth impedance). Potential shifts during pre-charging of the cable route or in case of earth faults can not occur in this way.
  • the ratio between the number of bipolar submodules and the total number of submodules is preferably between 1/4 and 3/4.
  • the converter arrangement preferably has a first and a second converter unit, which each have at least two AC voltage terminals, at each of which an AC current can be fed or removed, and a first and a second DC voltage terminal, to which a DC current can be fed or removed, the converter units per AC voltage terminal each comprise a series circuit which is assigned to the respective AC voltage terminal, the series circuits are electrically ge ⁇ connected in parallel with each converter unit, in each series circuit respectively, a first series circuit connected to the first Gleichthesesan- circuit of the respective converter unit, and a second Rei ⁇ henscibilsan gleich is connected to the second DC voltage terminal of the respective inverter unit, each of the series circuits each connected in series Sub- modules, namely unipolar submodules and bipolar submodules, and in each of the series circuits the alternating voltage connection respectively subdivides the submodules into a subchannel group electrically close to the first series circuit connection and a submodule group that is electrically close to the second series connection connection.
  • the first DC voltage terminal of the first inverter unit forms a first DC input terminal Umrichteran ⁇ order
  • the first direct voltage terminal of the two ⁇ th inverter unit forms a second direct voltage terminal of the converter
  • the second DC voltage terminals of the two converter units are grounded and the AC voltage connections of the two converter units in pairs, each alone or with other components, form an AC voltage connection of the converter arrangement.
  • Inverter unit divides the associated AC voltage ⁇ connection, the sub-modules preferably in each case in a elekt ⁇ near-earth submodule group and an electrically erdferne submodule group.
  • the near-earth submodule groups preferably have at least one bipolar submodule and the remote submodule groups from ⁇ finally unipolar submodules.
  • the ratio between the number of bipolar submodules and the total number of submodules is between 1/4 and 3/4 in the subsurface submodule groups.
  • the bipolar submodules are preferably protected against overvoltage with one or more voltage limiting devices.
  • each own voltage limiting device is electrically connected in parallel. In this embodiment, it is advantageous if the voltage limiting devices in each case the
  • Capacitor voltage of a capacitor of the associated bipolar submodule to a predetermined maximum
  • the bipolar submodules in at least one of the subsurface submodule groups are each interconnected to form a series connection of bipolar submodules within their respective subdome group near the earth.
  • one voltage limiting device is electrically connected in parallel to each of the series circuits of bipolar submodules.
  • the voltage limiting devices each have the sum of the capacitor voltages of the capacitors of the bipolar submodules of the associated series circuit of bipolar submodules to a predetermined maximum
  • the unipolar submodules are preferably those which can output their submodule voltage with only a single polarity.
  • the bipolar submodules are preferably those that their
  • Submodule voltage can be output either with positive or negative polarity. It is also advantageous if the bi-polar ⁇ submodules are those that can spend their Submodulschreib optionally with positive or negative polarity, but of different voltage level.
  • the unipolar submodules are preferably each connected by a series connection with two switches, each of which has a switching circuit. element and a diode connected in parallel, and ei ⁇ NEN to the series circuit connected in parallel capacitor formed.
  • the bipolar submodules are preferably in each case by two series circuits connected in parallel, each with two
  • Switches each comprising a switching element and a diode connected in parallel, and formed a parallel to the parallel scarf ⁇ tion of the series circuits in parallel capacitor.
  • the voltage limiting devices preferably have or are formed by non-linear resistors.
  • the voltage limiting devices are preferably absorbers.
  • Figure 1 shows an embodiment of an inventive
  • Figure 2 shows the inverter arrangement according to Figure 1 in the case of
  • FIG. 3 shows another advantageous embodiment based on a near-earth submodule group of the converter arrangement according to FIG.
  • Figure 4 shows an embodiment of an inventive
  • Converter arrangement which is equipped with two converter units and forms a bipolar structure
  • FIG. 5 shows the converter arrangement according to FIG. 4 in the case of a
  • Figure 6 shows an embodiment of a unipolar
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment of a bipolar submodule that can be used in the converter arrangements according to FIGS. 1 to 5.
  • the same reference numbers are always used in the figures for identical or comparable components.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a three-phase converter arrangement 10, which has a converter unit 11.
  • the converter unit comprises AC voltage terminals W1, W2 and W3 for feeding and removing alternating current.
  • it is equipped on a DC voltage side G with a first, in the figure 1 upper DC voltage terminal Gl and a second, in the figure 1 unte ⁇ ren DC voltage terminal G2.
  • a direct current can be fed or taken to the DC voltage terminals ⁇ Gl and G2.
  • DC voltage connection G2 is at earth potential.
  • the converter unit 11 has three parallel connected Rei ⁇ hensciens Rl, R2 and R3, whose outer terminals RH, R21 and R31 are connected to the first DC voltage terminal Gl in combination.
  • the other external terminals R12, R22 and R32 of the three parallel-connected series circuits R1, R2 and R3 are connected to the second DC voltage terminal G2 and are accordingly at ground potential.
  • Each of the series circuits R1, R2 and R3 has in each case series-connected submodules, namely unipolar submodules UM and bipolar submodules BM.
  • the alternating voltage terminals Wl, W2 and W3 are each egg ⁇ ner of the series circuits Rl, R2 and R3, respectively associated with and divide in this, the sub-modules are each in an electrically low earth Submodulrios NG and an electrically Erdferne Submodul distruv.
  • the subelectrode groups NG of the three series circuits Rl, R2 and R3, which are close to the earth, are in each case connected to the second direct voltage terminal G2 of the converter unit 11, that is to say to the earth potential; the apogee Submo ⁇ dul pulp FG of the three series circuits Rl, R2 and R3 are each connected to the first direct voltage terminal Gl.
  • the near-Earth Submodulopathy NG each have both bipolar submodules BM and unipolar submodules UM, wohinge ⁇ gen the apogee Submodulement FG each comprise only unipolar submodules UM.
  • the number of submodules in the near-Earth submodule groups NG and the remote submodule groups FG is preferably the same size.
  • the erdfer ⁇ NEN Submodulopathy FG and the low earth Submodulopathy NG each have four submodules. This is only an example of changes are ⁇ .
  • the submodule groups may also have more or fewer submodules.
  • the near-earth submodule groups NG have two bipolar submodules BM; saudes ⁇ sen, more or less bipolar submodules BM forth his handen. It is regarded as advantageous if in the near-Earth submodule groups NG the ratio between the number of bipolar submodules BM and the total number of submodules is between 1/4 and 3/4.
  • the AC terminals Wl, W2 and W3 are about ei ⁇ nen transformer 20 and circuit breaker 30 with network connections Nl, N2 and N3 in conjunction.
  • FIG. 2 shows the converter arrangement 10 according to FIG. 1 in the event of a ground fault between the AC voltage terminal W3 and the transformer 20. It can be seen that the series circuit R3 is short-circuited and a fault current If is connected via the series circuits R1 and R2 and the
  • Transformer 20 flows to earth, even after - after an error detection - all submodules UM and BM or their switching elements (see Figures 6 and 7) are switched off the wor ⁇ are.
  • the currents flow via diodes which are parallel to the switched-off switching elements. If the fault current is fed via the power terminals Nl, N2 and N3 and the Trans ⁇ formator 20 from an external not shown, connected to the mains terminals Nl, N2 and N3 power supply network.
  • the partial currents II and 12 flowing via the AC voltage terminals W1 and W2 charge the capacitors present in the unipolar submodules UM and in the bipolar submodules BM (compare FIGS. 6 and 7). Since, in the unipolar submodules UM, the current flows through the capacitor only in one current direction and is bypassed in the other current direction, the unipolar submodules UM always supply their submodule voltages - with reference to the output connections of the submodules - with only one - of a polarity; In contrast to this, the bipolar submodules are capable of conducting current in both directions in the off state and of outputting submodule voltages with positive or negative polarity, based on the output connections of the submodules.
  • the bipolar submodules BM of the near-earth submodule group NG can thus in case of failure build up a mutual voltage for both polarities which limits the unbalanced fault current If and thus forces current zero crossings into the currents flowing through the power switches 30.
  • the current zero crossings in turn make it possible to turn off the power switches 30 at the time of the respective zero crossing.
  • capacitors of the bipolar submodules BM also be charged in the case of a negative current flow both in the case of a positive current flow when the capacitor voltage increases continuously during the shown in the Figure 2 error case, because of the bidirectional operation twice as fast as in the unipolar submodules.
  • bipolar submodules BM In order to avoid destruction of the capacitors of bipolar submodules BM, they are preferably protected with one or meh ⁇ eral voltage limiting devices against overvoltage.
  • the bipolar submodules BM for each series scarf ⁇ tung Rl, R2 and R3 are each directly connected and form a series circuit Rb of bipolar submodules.
  • Series circuit Rb from bipolar submodules each have a voltage limiting device 40 is connected in parallel.
  • the voltage-limiting devices 40 may be at non-linear resistors or arrester han ⁇ spindles, for example, which are a low upon reaching a threshold voltage, and by conducting current to the submodules.
  • Such voltage limiting non-linear resistors and arresters are well known in power engineering.
  • the voltage limiting devices 40 are each dimensioned such that they limit the sum of the submodule voltages of the associated bipolar submodules of the series circuit Rb to a predetermined maximum voltage.
  • FIG. 3 shows an alternative but nevertheless advantageous embodiment of an overvoltage protection for the near-earth submodule groups NG according to FIGS. 1 and 2 in greater detail. It can be seen that each bipolar submodule BM low earth Submodulxx NG is equipped each with an individually ⁇ superior voltage limiter 40th The switching voltage or protective voltage of the voltage limiting devices 40 is in each case limited to the maximum permissible Sige submodule voltage of the respective bipolar submodule BM tuned.
  • bipolar submodules BM are equipped with their own voltage-limiting devices 40, they can be directly connected and form a series circuit Rb, as shown in FIG. 3, or, alternatively, they can be mixed with the unipolar submodules UM. Incidentally, the above statements apply in conjunction with Figures 1 and 2 accordingly.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of an inverter ⁇ arrangement 10 which is equipped with a first converter unit and a second converter unit IIa IIb.
  • the ⁇ at the converter units IIa and IIb are preferably equal ⁇ construction.
  • a first direct voltage terminal 101 of the first converter unit IIa forms a first direct voltage terminal Gl of the converter arrangement 10.
  • a second direct voltage terminal 102 of the first converter unit IIa is grounded or grounded.
  • a first DC voltage terminal 201 of the second Umrich ⁇ territt IIb forms a second DC voltage terminal G2 of the inverter assembly 10.
  • a second DC voltage terminal 202 of the second inverter unit IIb is common to the second DC voltage terminal 102 of the first
  • Inverter unit IIa at ground potential or grounded.
  • Inverter units IIa and IIb form three AC voltage terminals Wal, Wa2 and Wa3 of the converter arrangement 10 via a respectively assigned transformer 20a or 20b.
  • the AC voltage terminals Wal, Wa2 and Wa3 Umrich ⁇ teran elbow 10 are connected via power switch 30 with power terminals Nl, N2 and N3 in combination.
  • the two converter units IIa and IIb can with the
  • Inverter unit 11 according to Figures 1 and 2 be identical, so that with respect to the structure of the inverter units IIa and IIb reference is made to the above statements in connection with Figures 1 and 2.
  • the AC voltage terminals Wl, W2 and W3 the submodules with each in a near-earth Submodullitis NG and a erdfer ⁇ ne Submodulxx FG divide.
  • the remote submodule groups FG have exclusively unipolar submodules UM, whereas the subsurface submodule groups NG comprise at least one bipolar submodule BM and otherwise unipolar submodules UM.
  • the converter assembly 10 forms a so-called bipole structure due to the electrical interconnection of the inverter units IIa and IIb, which is suitable for use in the high voltage direct current (HVDC) energy transmission.
  • the converter arrangement 10 according to FIG. 4 can thus also be referred to as HVDC bipole structure.
  • FIG. 5 shows the converter arrangement 10 according to FIG. 4 in the case of an earth fault in the region of the AC voltage connection W3 in the upper one in FIGS. 4 and 5
  • Inverter unit IIa It can be seen that a fault current If flows via the two remaining AC voltage terminals W1 and W2.
  • the subsurface submodule groups NG each have at least one bipolar submodule BM, it is ensured that zero crossings will occur in the fault currents flowing through the power switches 30 and a currentless disconnection of the power switches 30 remains possible.
  • the bipolar submodules BM are each connected to a series connection of bipolar submodules BM which are each protected by a voltage limiting device 40, as is also the case in the exemplary embodiment according to FIGS. 1 and 2.
  • the bipolar submodules BM limiting device each having an individually associatedchrosbegren- 40 are provided - similar to the embodiment shown in Fi gur ⁇ . 3 In this regard, reference is made to the above statements in connection with the figure 3.
  • FIG. 6 shows an exemplary embodiment of a unipolar submodule UM, which can be used in the converter arrangements 10 according to FIGS. 1 to 5.
  • the unipolar submodule UM can be used in the converter arrangements 10 according to FIGS. 1 to 5.
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment of a bipolar
  • Submodule BM which can be used in the converter arrangements according to FIGS. 1 to 5.
  • the bipolar submodule BM has two series circuits connected in parallel with each two switches Sl and S2 or S3 and S4, each of a switching element SE and a parallel-connected diode D umfas ⁇ sen.
  • a capacitor C is connected in parallel with the parallel connection of the series circuits of the switches.
  • the bipolar submodule BM is reversed in the blocked state in the position, in the case of a positive Submodulstroms output in a positi ⁇ ve Submodulschreib Vc at the current terminals Al and A2, and in the case of a negative Submodulstroms In the Submodulpressive Vc, that is of opposite polarity and Sign, output.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Umrichteranordnung (10) mit zumindest einer Umrichtereinheit (11, 11a, 11b) die mindestens zwei Wechselspannungsanschlüsse (W1, W2, W3), an denen jeweils ein Wechselstrom eingespeist oder entnommen werden kann, und einen ersten und einen zweiten Gleichspannungsanschluss (101, 102, 201, 202), an denen ein Gleichstrom eingespeist oder entnommen werden kann, aufweist, wobei die Umrichtereinheit pro Wechselspannungsanschluss jeweils eine Reihenschaltung (R1, R2, R3) umfasst, die dem jeweiligen Wechselspannungsanschluss zugeordnet ist, die Reihenschaltungen elektrisch parallel geschaltet sind, bei jeder Reihenschaltung jeweils ein erster Reihenschaltungsanschluss an den ersten Gleichspannungsanschluss der Umrichtereinheit und ein zweiter Reihenschaltungsanschluss an den zweiten Gleichspannungsanschluss der Umrichtereinheit angeschlossen ist, jede der Reihenschaltungen jeweils in Reihe geschaltete Submodule aufweist, und bei jeder der Reihenschaltungen der Wechselspannungsanschluss jeweils die Submodule in eine elektrisch dem ersten Reihenschaltungsanschluss nahe Submodulgruppe und eine elektrisch dem zweiten Reihenschaltungsanschluss nahe Submodulgruppe unterteilt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass einer der zwei Gleichspannungsanschlüsse der Umrichtereinheit geerdet ist, bei jeder der Reihenschaltungen der zu¬ gehörige Wechselspannungsanschluss die Submodule jeweils in eine elektrisch erdnahe Submodulgruppe (NG) und eine elektrisch erdferne Submodulgruppe (FG) unterteilt und die erdnahen Submodulgruppen zumindest ein bipolares Submodul und die erdfernen Submodulgruppen ausschließlich unipolare Submodule aufweisen.

Description

Beschreibung
Umrichteranordnung Die Erfindung bezieht sich auf eine Umrichteranordnung mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine solche Umrichteranordnung ist aus der internationalen Patentanmeldung WO 2013/071 947 AI bekannt. Die vorbekannte Umrichteranordnung umfasst zumindest eine Umrichtereinheit. Die Umrichtereinheit weist mindestens zwei Wechselspannungs¬ anschlüsse, an denen jeweils ein Wechselstrom eingespeist oder entnommen werden kann, und einen ersten und einen zweiten Gleichspannungsanschluss , an denen ein Gleichstrom einge- speist oder entnommen werden kann, auf. Die Umrichtereinheit umfasst pro Wechselspannungsanschluss jeweils eine Reihen¬ schaltung, die dem jeweiligen Wechselspannungsanschluss zuge¬ ordnet ist. Die Reihenschaltungen sind elektrisch parallel geschaltet. Bei jeder Reihenschaltung ist jeweils ein erster Reihenschaltungsanschluss an den ersten Gleichspannungsanschluss der Umrichtereinheit und ein zweiter Reihenschal¬ tungsanschluss an den zweiten Gleichspannungsanschluss der Umrichtereinheit angeschlossen. Jede der Reihenschaltungen weist jeweils in Reihe geschaltete Submodule auf. Bei jeder der Reihenschaltungen unterteilt der Wechselspannungsanschluss jeweils die Submodule in eine elektrisch dem ersten Reihenschaltungsanschluss nahe Submodulgruppe und eine elekt¬ risch dem zweiten Reihenschaltungsanschluss nahe Submodul¬ gruppe .
Umrichteranordnungen dieser Art können in der Hochspannungsgleichstromübertragung (HVDC) eingesetzt werden und, falls sie zwei Umrichtereinheiten aufweisen, eine HVDC-Bipol- Struktur bilden. Werden sie mit unipolaren Submodulen, bei- spielsweise Halbbrückensubmodulen, bestückt, so können unsymmetrische Leiter-Erde-Kurzschlüsse an den Wechselspannungsan¬ schlüssen - nachfolgend unsymmetrischer AC-Fehler genannt - auf Grund der Gleichrichtwirkung der nach Fehlererkennung blockierten Halbbrückensubmodule zu einem DC-Stromoffset in den zwei nicht vom Erdschluss betroffenen Phasen des Wechselspannungsnetzes (AC-Netzes) führen. Wechselspannungs- Leistungsschalter, die die Umrichteranordnung in solchen Fäl- len vom Wechselspannungsnetz trennen sollen, stellen eine spannungsfeste Trennstrecke nur bei einem vorhergehenden Stromnulldurchgang her. Der DC-Stromoffset im beschriebenen Fehlerfall kann nun dazu führen, dass der Stromnulldurchgang ausbleibt und damit die Leistungsschalter keine Trennstrecke herstellen können. Selbst mit Backupschutz führt dies unter Umständen zur Zerstörung der Leistungsschalter und zu einer Beschädigung der Leistungselektronik der Umrichteranordnung.
Das Problem kann durch eine zusätzliche Kurzschließereinheit, die einen 3-poligen AC-Kurzschluss herstellt, gelöst werden. Hierbei wird im Fehlerfall aus einem 1- oder 2-poligen Fehler mit Erdberührung ein harter dreipoliger Kurzschluss erzeugt, der den Fehlerstrom symmetriert. Dies stellt jedoch eine mas¬ sive Beeinträchtigung des Wechselspannungsnetzes dar.
Da es sich bei den beschriebenen unsymmetrischen AC-Fehlern um stromstarke Fehler handelt, kann beim Fehlereintritt nicht unmittelbar unterschieden werden, ob ein umrichterinterner Fehler oder der beschriebene unsymmetrische AC-Fehler vor- liegt. Der Kurzschließer muss folglich bei jedem stromstarken Fehler ausgelöst werden. D. h. jeder stromstarke Fehler an der Umrichteranordnung führt zu massiven Rückwirkungen auf das Wechselspannungsnetz. Das Problem kann bei einer Bipol-Struktur auch durch eine Impedanzerdung am Punkt zwischen den beiden
Umrichtereinheiten (Teilkonvertern) gelöst werden. Durch eine sehr hohe Impedanz im Erdungspfad wird der Fehlerstrom und damit der DC-Stromoffset begrenzt, so dass weiterhin Strom- nulldurchgänge in den AC-Leistungsschaltern erreicht werden können. Die Spannungsvorladung angeschlossener DC-Kabel stellt jedoch eine große thermische Belastung für dieses Er¬ dungskonzept dar. Darüber hinaus kann der Erd-Pfad nicht als dritter Leiter/Rückleiter für die Bipol-Struktur verwendet werden .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Umrichter- anordnung anzugeben, die im Falle eines unsymmetrischen Leiter-Erde-Kurzschlusses an einem Wechselspannungsanschluss ein einfaches und schnelles Abtrennen der Umrichteranordnung vom Wechselspannungsnetz ermöglicht. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Umrichteranordnung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Umrichteranordnung sind in Unteransprüchen angegeben. Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass einer der zwei Gleichspannungsanschlüsse der Umrichtereinheit geerdet ist, bei jeder der Reihenschaltungen der zugehörige Wechselspannungsanschluss die Submodule jeweils in eine elektrisch erd¬ nahe Submodulgruppe und eine elektrisch erdferne Submodul- gruppe unterteilt und die erdnahen Submodulgruppen zumindest ein bipolares Submodul und die erdfernen Submodulgruppen aus¬ schließlich unipolare Submodule aufweisen.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Umrichteran- Ordnung ist darin zu sehen, dass durch das Vorsehen zumindest eines bipolaren Submoduls in jeweils jeder der erdnahen Submodulgruppen eine DC-Strom-Offset-Verschiebung dergestalt, dass keine Stromnulldurchgänge an den Wechselspannungsan¬ schlüssen der Umrichteranordnung im Falle eines unsymmetri- sehen AC-Erdschlusses auftreten, vermieden werden kann. Da auf der Wechselspannungsseite Nulldurchgänge auch bei Erd- schluss auftreten, kann die Wechselspannungsseite mit Leis¬ tungsschaltern vom externen Netz schnell und einfach abgetrennt werden. Durch die bipolaren Submodule wird nämlich im Falle eines unsymmetrischen Leiter-Erde-Kurzschlusses an ei¬ nem Wechselspannungsanschluss bei den anderen unbetroffenen Phasen für beide Polaritäten eine Gegenspannung aufgebaut, die den unsymmetrischen Fehlerstrom begrenzt und so weiterhin Stromnulldurchgänge in den Leistungsschaltern bewirkt.
Im Unterschied zu den eingangs erwähnten alternativen Maßnah- men zur Handhabung unsymmetrischer Leiter-Erde-Kurzschlüsse treten die massiven Netzrückwirkungen, die durch aktive Kurzschließer entstehen, nicht auf. Darüber hinaus kann das System starr (d. h. mit geringer Erdimpedanz) geerdet werden. Potentialverschiebungen beim Vorladen der Kabelstrecke oder bei Erdfehlern können so nicht auftreten.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen
Umrichteranordnung besteht darin, dass kostenaufwändige bipo¬ lare Submodule nur dort, wo sie hilfreich sind, eingesetzt werden, nämlich in den erdnahen Submodulgruppen; in den erdfernen Submodulgruppen werden nur unipolare Submodule eingesetzt .
In den erdnahen Submodulgruppen liegt das Verhältnis zwischen der Anzahl an bipolaren Submodulen und der Gesamtzahl an Sub- modulen vorzugsweise jeweils zwischen 1/4 und 3/4.
Die Umrichteranordnung weist vorzugsweise eine erste und eine zweite Umrichtereinheit auf, die jeweils mindestens zwei Wechselspannungsanschlüsse, an denen jeweils ein Wechselstrom eingespeist oder entnommen werden kann, und einen ersten und einen zweiten Gleichspannungsanschluss , an denen ein Gleichstrom eingespeist oder entnommen werden kann, aufweisen, wobei die Umrichtereinheiten pro Wechselspannungsanschluss je- weils eine Reihenschaltung umfassen, die dem jeweiligen Wechselspannungsanschluss zugeordnet ist, die Reihenschaltungen bei jeder Umrichtereinheit jeweils elektrisch parallel ge¬ schaltet sind, bei jeder Reihenschaltung jeweils ein erster Reihenschaltungsanschluss an den ersten Gleichspannungsan- schluss der jeweiligen Umrichtereinheit und ein zweiter Rei¬ henschaltungsanschluss an den zweiten Gleichspannungsanschluss der jeweiligen Umrichtereinheit angeschlossen ist, jede der Reihenschaltungen jeweils in Reihe geschaltete Sub- module, nämlich unipolare Submodule und bipolare Submodule, aufweist, und bei jeder der Reihenschaltungen der Wechsels- pannungsanschluss jeweils die Submodule in eine elektrisch dem ersten Reihenschaltungsanschluss nahe Submodulgruppe und eine elektrisch dem zweiten Reihenschaltungsanschluss nahe Submodulgruppe unterteilt.
Bei der letztgenannten Ausgestaltung ist es vorteilhaft, wenn der erste Gleichspannungsanschluss der ersten Umrichterein- heit einen ersten Gleichspannungsanschluss der Umrichteran¬ ordnung bildet, der erste Gleichspannungsanschluss der zwei¬ ten Umrichtereinheit einen zweiten Gleichspannungsanschluss der Umrichteranordnung bildet, die zweiten Gleichspannungsanschlüsse der zwei Umrichtereinheiten geerdet sind und die Wechselspannungsanschlüsse der beiden Umrichtereinheiten paarweise jeweils allein oder mit anderen Komponenten einen Wechselspannungsanschluss der Umrichteranordnung bilden.
Bei jeder der Reihenschaltungen der ersten und zweiten
Umrichtereinheit unterteilt der zugehörige Wechselspannungs¬ anschluss die Submodule vorzugsweise jeweils in eine elekt¬ risch erdnahe Submodulgruppe und eine elektrisch erdferne Submodulgruppe . Die erdnahen Submodulgruppen weisen bevorzugt zumindest ein bipolares Submodul und die erdfernen Submodulgruppen aus¬ schließlich unipolare Submodule auf.
Auch im Falle von zwei Umrichtereinheiten ist es vorteilhaft, wenn in den erdnahen Submodulgruppen das Verhältnis zwischen der Anzahl an bipolaren Submodulen und der Gesamtzahl an Sub- modulen jeweils zwischen 1/4 und 3/4 liegt.
Die bipolaren Submodule sind vorzugsweise mit einer oder meh- reren Spannungsbegrenzungseinrichtungen gegen ÜberSpannung geschützt . Zu jedem der bipolaren Submodule ist bevorzugt jeweils eine eigene Spannungsbegrenzungseinrichtung elektrisch parallel geschaltet. Bei dieser Ausgestaltung ist es vorteilhaft, wenn die Spannungsbegrenzungseinrichtungen jeweils die
Kondensatorspannung eines Kondensators des zugeordneten bipolaren Submoduls auf eine vorgegebene maximale
Kondensatorspannung begrenzen.
Auch kann in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass die bipolaren Submodule in zumindest einer der erdnahen Submodul- gruppen, vorzugsweise jeweils in allen erdnahen Submodulgrup- pen, jeweils unter Bildung einer Reihenschaltung aus bipolaren Submodulen innerhalb ihrer jeweiligen erdnahen Submodul- gruppe miteinander verbunden sind. Bei dieser Variante ist es außerdem vorteilhaft, wenn zu jeder der Reihenschaltungen aus bipolaren Submodulen jeweils eine Spannungsbegrenzungsein- richtung elektrisch parallel geschaltet ist.
Bei der letztgenannten Variante ist es im Übrigen von Vor- teil, wenn die Spannungsbegrenzungseinrichtungen jeweils die Summe der Kondensatorspannungen der Kondensatoren der bipolaren Submodule der zugeordneten Reihenschaltung aus bipolaren Submodulen auf eine vorgegebene maximale
Kondensatorsummenspannung begrenzen .
Die unipolaren Submodule sind vorzugsweise solche, die ihre Submodulspannung mit nur einer einzigen Polarität ausgeben können . Die bipolaren Submodule sind vorzugsweise solche, die ihre
Submodulspannung wahlweise mit positiver oder negativer Polarität ausgeben können. Auch ist es vorteilhaft, wenn die bi¬ polaren Submodule solche sind, die ihre Submodulspannung wahlweise mit positiver oder negativer Polarität, aber unter- schiedlicher Spannungshöhe, ausgeben können.
Die unipolaren Submodule sind vorzugsweise jeweils durch eine Reihenschaltung mit zwei Schaltern, die jeweils ein Schalt- element und eine parallel geschaltete Diode umfassen, und ei¬ nen zu der Reihenschaltung parallel geschalteten Kondensator gebildet . Die bipolaren Submodule sind vorzugsweise jeweils durch zwei parallel geschaltete Reihenschaltungen mit jeweils zwei
Schaltern, die jeweils ein Schaltelement und eine parallel geschaltete Diode umfassen, und einen zu der Parallelschal¬ tung der Reihenschaltungen parallel geschalteten Kondensator gebildet.
Die Spannungsbegrenzungseinrichtungen weisen vorzugsweise nichtlineare Widerstände auf oder sind durch solche gebildet. Die Spannungsbegrenzungseinrichtungen sind bevorzugt Abieiter .
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie¬ len näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße
Umrichteranordnung, die mit einer einzigen Umrichtereinheit ausgestattet ist, Figur 2 die Umrichteranordnung gemäß Figur 1 im Falle eines
Erdschlusses an einem Wechselspannungsanschluss der Umrichteranordnung,
Figur 3 anhand einer erdnahen Submodulgruppe der Umrichter- anordnung gemäß Figur 1 eine andere vorteilhafte
Anordnung von Spannungsbegrenzungseinrichtungen,
Figur 4 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße
Umrichteranordnung, die mit zwei Umrichtereinheiten ausgestattet ist und eine Bipol-Struktur bildet,
Figur 5 die Umrichteranordnung gemäß Figur 4 im Falle eines
Erdschlusses an einem Wechselspannungsanschluss, Figur 6 ein Ausführungsbeispiel für ein unipolares
Submodul, das bei den Umrichteranordnungen gemäß den Figuren 1 bis 5 eingesetzt werden kann, und
Figur 7 ein Ausführungsbeispiel für ein bipolares Submodul, das bei den Umrichteranordnungen gemäß den Figuren 1 bis 5 eingesetzt werden kann. In den Figuren werden der Übersicht halber für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet .
In der Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel für eine dreipha- sige Umrichteranordnung 10 gezeigt, die eine Umrichtereinheit 11 aufweist. Die Umrichtereinheit umfasst Wechselspannungsan¬ schlüsse Wl, W2 und W3 zum Einspeisen und zur Entnahme von Wechselstrom. Darüber hinaus ist sie auf einer Gleichspannungsseite G mit einem ersten, in der Figur 1 oberen Gleich- spannungsanschluss Gl und einem zweiten, in der Figur 1 unte¬ ren Gleichspannungsanschluss G2 ausgestattet. An den Gleich¬ spannungsanschlüssen Gl und G2 kann ein Gleichstrom eingespeist oder entnommen werden. Der in der Figur 1 untere
Gleichspannungsanschluss G2 liegt auf Erdpotential.
Die Umrichtereinheit 11 weist drei parallel geschaltete Rei¬ henschaltungen Rl, R2 und R3 auf, deren äußere Anschlüsse RH, R21 und R31 mit dem ersten Gleichspannungsanschluss Gl in Verbindung stehen. Die anderen äußeren Anschlüsse R12, R22 und R32 der drei parallel geschalteten Reihenschaltungen Rl, R2 und R3 sind mit dem zweiten Gleichspannungsanschluss G2 verbunden und liegen demgemäß auf Erdpotential.
Jede der Reihenschaltungen Rl, R2 und R3 weist jeweils in Reihe geschaltete Submodule auf, nämlich unipolare Submodule UM und bipolare Submodule BM. Die Wechselspannungsanschlüsse Wl, W2 und W3 sind jeweils ei¬ ner der Reihenschaltungen Rl, R2 bzw. R3 zugeordnet und unterteilen bei dieser die Submodule jeweils in eine elektrisch erdnahe Submodulgruppe NG und eine elektrisch erdferne Submo- dulgruppe FG. Die elektrisch erdnahen Submodulgruppen NG der drei Reihenschaltungen Rl, R2 und R3 stehen jeweils mit dem zweiten Gleichspannungsanschluss G2 der Umrichtereinheit 11, also mit dem Erdpotential in Verbindung; die erdfernen Submo¬ dulgruppen FG der drei Reihenschaltungen Rl, R2 und R3 sind jeweils mit dem ersten Gleichspannungsanschluss Gl verbunden.
Die erdnahen Submodulgruppen NG weisen jeweils sowohl bipolare Submodule BM als auch unipolare Submodule UM auf, wohinge¬ gen die erdfernen Submodulgruppen FG jeweils ausschließlich unipolare Submodule UM umfassen.
Die Anzahl der Submodule ist in den erdnahen Submodulgruppen NG und den erdfernen Submodulgruppen FG vorzugsweise gleich groß .
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 weisen die erdfer¬ nen Submodulgruppen FG und die erdnahen Submodulgruppen NG jeweils vier Submodule auf. Dies ist nur beispielhaft zu ver¬ stehen. Die Submodulgruppen können auch mehr oder weniger Submodule aufweisen.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 weisen die erdnahen Submodulgruppen NG zwei bipolare Submodule BM auf; stattdes¬ sen können auch mehr oder weniger bipolare Submodule BM vor- handen sein. Als vorteilhaft wird es angesehen, wenn in den erdnahen Submodulgruppen NG das Verhältnis zwischen der Anzahl an bipolaren Submodulen BM und der Gesamtzahl an Submo- dulen jeweils zwischen 1/4 und 3/4 liegt. Die Wechselspannungsanschlüsse Wl, W2 und W3 stehen über ei¬ nen Transformator 20 und Leistungsschalter 30 mit Netzanschlüssen Nl, N2 und N3 in Verbindung. Die Figur 2 zeigt die Umrichteranordnung 10 gemäß Figur 1 im Falle eines Erdschlusses zwischen dem Wechselspannungsan- schluss W3 und dem Transformator 20. Es lässt sich erkennen, dass die Reihenschaltung R3 kurzgeschlossen wird und ein Feh- lerstrom If über die Reihenschaltungen Rl und R2 und den
Transformator 20 zur Erde abfließt, und zwar auch nachdem - nach einer Fehlerdetektion - alle Submodule UM und BM bzw. deren Schaltelemente (vgl. Figuren 6 und 7) abgeschaltet wor¬ den sind. Die Ströme fließen über Dioden, die zu den ausge- schalteten Schaltelementen parallel liegen. Der Fehlerstrom If wird über die Netzanschlüsse Nl, N2 und N3 und den Trans¬ formator 20 von einem nicht weiter dargestellten, an die Netzanschlüsse Nl, N2 und N3 angeschlossenen externen Energieversorgungsnetz gespeist.
Die über die Wechselspannungsanschlüsse Wl und W2 fließenden Teilströme II und 12 laden die in den unipolaren Submodulen UM und in den bipolaren Submodulen BM vorhandenen Kondensatoren auf (vgl. Figuren 6 und 7) . Da bei den unipolaren Submo- dulen UM im ausgeschalteten Zustand der Strom lediglich in einer Stromrichtung durch den Kondensator fließt und in der anderen Stromrichtung an diesem vorbeigeleitet wird, geben die unipolaren Submodule UM ihre Submodulspannungen - bezogen auf die Ausgangsanschlüsse der Submodule - stets mit nur ei- ner Polarität aus; die bipolaren Submodule sind im Unter¬ schied dazu in der Lage, im ausgeschalteten Zustand Strom in beiden Richtungen zu führen und Submodulspannungen - bezogen auf die Ausgangsanschlüsse der Submodule - mit positiver oder negativer Polarität auszugeben.
Die bipolaren Submodule BM der erdnahen Submodulgruppe NG können somit im Fehlerfall für beide Polaritäten jeweils eine Gegenspannung aufbauen, die den unsymmetrischen Fehlerstrom If begrenzt und somit Stromnulldurchgänge in den durch die Leistungsschalter 30 fließenden Strömen erzwingt. Die Stromnulldurchgänge ermöglichen es wiederum, die Leistungsschalter 30 zum Zeitpunkt des jeweiligen Nulldurchgangs abzuschalten. Da in den Figuren 1 und 2 aus Gründen der Übersicht nicht ge¬ zeigte Kondensatoren der bipolaren Submodule BM sowohl im Falle eines positiven Stromflusses als auch im Falle eines negativen Stromflusses aufgeladen werden, steigt während des in der Figur 2 gezeigten Fehlerfalles die Kondensatorspannung kontinuierlich an, und zwar wegen des bidirektionalen Betriebs doppelt so schnell wie in den unipolaren Submodulen.
Um eine Zerstörung der Kondensatoren der bipolaren Submodule BM zu vermeiden, sind diese vorzugsweise mit einer oder meh¬ reren Spannungsbegrenzungseinrichtungen gegen Überspannung geschützt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 1 und 2 sind die bipolaren Submodule BM bei jeder Reihenschal¬ tung Rl, R2 und R3 jeweils unmittelbar verbunden und bilden eine Reihenschaltung Rb aus bipolaren Submodulen. Zu jeder
Reihenschaltung Rb aus bipolaren Submodulen ist jeweils eine Spannungsbegrenzungseinrichtung 40 parallel geschaltet.
Bei den Spannungsbegrenzungseinrichtungen 40 kann es sich beispielsweise um nichtlineare Widerstände bzw. Ableiter han¬ deln, die bei Erreichen einer Schwellenspannung niederohmig werden und den Strom an den Submodulen vorbeileiten. Derartige spannungsbegrenzende nichtlineare Widerstände und Ableiter sind in der Energietechnik allgemein bekannt.
Die Spannungsbegrenzungseinrichtungen 40 sind jeweils derart dimensioniert, dass sie die Summe der Submodulspannungen der zugeordneten bipolaren Submodule der Reihenschaltung Rb auf eine vorgegebene maximale Spannung begrenzen.
Die Figur 3 zeigt eine alternative, aber dennoch vorteilhafte Ausgestaltung eines Überspannungsschutzes für die erdnahen Submodulgruppen NG gemäß den Figuren 1 und 2 näher im Detail. Es lässt sich erkennen, dass jedes bipolare Submodul BM der erdnahen Submodulgruppe NG jeweils mit einer individuell zu¬ geordneten Spannungsbegrenzungseinrichtung 40 ausgestattet ist. Die Schaltspannung bzw. Schutzspannung der Spannungsbe- grenzungseinrichtungen 40 ist jeweils auf die maximal zuläs- sige Submodulspannung des jeweiligen bipolaren Submoduls BM abgestimmt .
Sind die bipolaren Submodule BM mit eigenen Spannungsbegren- Zungseinrichtungen 40 ausgestattet, so können sie unmittelbar verbunden sein und eine Reihenschaltung Rb bilden, wie in Figur 3 gezeigt, oder alternativ mit den unipolaren Submodulen UM gemischt verschaltet werden. Im Übrigen gelten die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 entsprechend.
Die Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Umrichter¬ anordnung 10, die mit einer ersten Umrichtereinheit IIa und einer zweiten Umrichtereinheit IIb ausgestattet ist. Die bei¬ den Umrichtereinheiten IIa und IIb sind vorzugsweise bau¬ gleich .
Ein erster Gleichspannungsanschluss 101 der ersten Umrichter- einheit IIa bildet einen ersten Gleichspannungsanschluss Gl der Umrichteranordnung 10. Ein zweiter Gleichspannungsanschluss 102 der ersten Umrichtereinheit IIa ist geerdet bzw. liegt auf Erdpotential. Ein erster Gleichspannungsanschluss 201 der zweiten Umrich¬ tereinheit IIb bildet einen zweiten Gleichspannungsanschluss G2 der Umrichteranordnung 10. Ein zweiter Gleichspannungsanschluss 202 der zweiten Umrichtereinheit IIb liegt gemeinsam mit dem zweiten Gleichspannungsanschluss 102 der ersten
Umrichtereinheit IIa auf Erdpotential bzw. ist geerdet.
Die Wechselspannungsanschlüsse Wl, W2 und W3 der beiden
Umrichtereinheiten IIa und IIb bilden über einen jeweils zugeordneten Transformator 20a bzw. 20b drei Wechselspannungs- anschlüsse Wal, Wa2 und Wa3 der Umrichteranordnung 10. Die Wechselspannungsanschlüsse Wal, Wa2 und Wa3 der Umrich¬ teranordnung 10 stehen über Leistungsschalter 30 mit Netzanschlüssen Nl, N2 und N3 in Verbindung. Die beiden Umrichtereinheiten IIa und IIb können mit der
Umrichtereinheit 11 gemäß den Figuren 1 und 2 baugleich sein, so dass bezüglich des Aufbaus der Umrichtereinheiten IIa und IIb auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 verwiesen sei. Ergänzend sei lediglich nochmals betont, dass bei jeder der beiden Umrichtereinheiten IIa und IIb die Wechselspannungsanschlüsse Wl, W2 und W3 die Submodu- le jeweils in eine erdnahe Submodulgruppe NG und eine erdfer¬ ne Submodulgruppe FG unterteilen. Die erdfernen Submodulgrup- pen FG weisen ausschließlich unipolare Submodule UM auf, wo- hingegen die erdnahen Submodulgruppen NG jeweils zumindest ein bipolares Submodul BM und ansonsten unipolare Submodule UM umfassen.
Die Umrichteranordnung 10 bildet aufgrund der elektrischen Verschaltung der Umrichtereinheiten IIa und IIb eine sogenannte Bipol-Struktur, die für den Einsatz bei der Hochspannungsgleichstrom (HVDC) -Energieübertragung geeignet ist. Die Umrichteranordnung 10 gemäß Figur 4 kann somit auch als HVDC- Bipol-Struktur bezeichnet werden.
Die Figur 5 zeigt die Umrichteranordnung 10 gemäß Figur 4 im Falle eines Erdschlusses im Bereich des Wechselspannungsanschlusses W3 der in den Figuren 4 und 5 oberen
Umrichtereinheit IIa. Es lässt sich erkennen, dass ein Feh- lerstrom If über die beiden übrigen Wechselspannungsanschlüs¬ se Wl und W2 fließt.
Aufgrund der Tatsache, dass die erdnahen Submodulgruppen NG jeweils zumindest ein bipolares Submodul BM aufweisen, wird sichergestellt, dass in den durch die Leistungsschalter 30 fließenden Fehlerströmen Nulldurchgänge auftreten werden und ein stromloses Ausschalten der Leistungsschalter 30 möglich bleibt . Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 sind die bipolaren Submodule BM jeweils zu einer Reihenschaltung aus bipolaren Submodulen BM verbunden, die jeweils mit einer Spannungsbe- grenzungseinrichtung 40 geschützt ist, wie dies auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 1 und 2 der Fall ist. Alternativ kann - analog zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fi¬ gur 3 - vorgesehen sein, dass die bipolaren Submodule BM jeweils mit einer individuell zugeordneten Spannungsbegren- zungseinrichtung 40 versehen sind. Diesbezüglich sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit der Figur 3 verwiesen .
Die Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein unipolares Submodul UM, das bei den Umrichteranordnungen 10 gemäß den Figuren 1 bis 5 eingesetzt werden kann. Das unipolare
Submodul UM weist eine Reihenschaltung mit zwei Schaltern Sl und S2 auf, die jeweils ein Schaltelement SE und eine paral¬ lel geschaltete Diode D umfassen. Zu der Reihenschaltung ist ein Kondensator C parallel geschaltet, an dem die Submodul- spannung Vc abfällt. Ein Stromanschluss AI des unipolaren Submoduls UM wird durch die Verbindungsstelle zwischen den beiden Schaltern Sl und S2 gebildet, ein anderer Stromanschluss A2 wird durch einen Anschluss des Kondensators C ge- bildet. Der Strom durch das Submodul ist mit dem Bezugszei¬ chen Im gekennzeichnet. Ist bei blockiertem Submodul - also abgeschalteten Schaltelementen SE - der Strom Im positiv, so fließt er durch den Kondensator C, und die Submodulspannung Vc wird an den Stromanschlüssen AI und A2 ausgegeben. Ist der Strom Im negativ, so fließt er an dem Kondensator C vorbei, weil er von der Diode des Schalters S2 vorbeigeleitet wird; die Kondensatorspannung Vc wird an den Stromanschlüssen AI und A2 nicht sichtbar. Die Figur 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein bipolares
Submodul BM, das bei den Umrichteranordnungen gemäß den Figuren 1 bis 5 eingesetzt werden kann. Das bipolare Submodul BM weist zwei parallel geschaltete Reihenschaltungen mit jeweils zwei Schaltern Sl und S2 bzw. S3 und S4 auf, die jeweils ein Schaltelement SE und eine parallel geschaltete Diode D umfas¬ sen. Ein Kondensator C ist parallel zu der Parallelschaltung der Reihenschaltungen der Schalter geschaltet.
Das bipolare Submodul BM ist im blockierten Zustand in der Lage, im Falle eines positiven Submodulstroms Im eine positi¬ ve Submodulspannung Vc an den Stromanschlüssen AI und A2 auszugeben, und im Falle eines negativen Submodulstroms Im die Submodulspannung Vc umgepolt, also mit entgegengesetzter Polarität bzw. Vorzeichen, auszugeben.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungs¬ beispiele 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 Umrichtereinheit
IIa erste Umrichtereinheit
IIb zweite Umrichtereinheit
20 Transformator
20a Transformator
20b Transformator
30 Leistungsschalter
40 Spannungsbegrenzungseinrichtung
101 Gleichspannungsanschluss
102 Gleichspannungsanschluss
201 Gleichspannungsanschluss
202 Gleichspannungsanschluss
AI Stromanschluss
A2 Stromanschluss
BM bipolare Submodule
C Kondensator
D Diode
FG erdferne Submodulgruppe
G Gleichspannungsseite
Gl Gleichspannungsanschluss
G2 Gleichspannungsanschluss
11 Teilstrom
12 Teilstrom
If Fehlerstrom
Im Strom
Nl Netzanschluss
N2 Netzanschluss
N3 Netzanschluss
NG erdnahe Submodulgruppe
Rl Reihenschaltung
R2 Reihenschaltung
R3 Reihenschaltung
RH Anschluss
R12 Anschluss R21 Anschluss
R22 Anschluss
R31 Anschluss
R32 Anschluss
Rb Reihenschaltung
Sl Schalter
S2 Schalter
S3 Schalter
S4 Schalter
SE Schaltelernent
UM unipolare Submodule
Vc SubmodulSpannung
Wl Wechselspannungsanschluss
W2 Wechselspannungsanschluss
W3 Wechselspannungsanschluss
Wal Wechselspannungsanschluss
Wa2 Wechselspannungsanschluss
Wa3 Wechselspannungsanschluss

Claims

Patentansprüche
1. Umrichteranordnung (10) mit zumindest einer
Umrichtereinheit (11, IIa, IIb) die mindestens zwei Wechsels- pannungsanschlüsse (Wl, W2, W3) , an denen jeweils ein Wech¬ selstrom eingespeist oder entnommen werden kann, und einen ersten und einen zweiten Gleichspannungsanschluss (101, 102, 201, 202), an denen ein Gleichstrom eingespeist oder entnommen werden kann, aufweist, wobei
- die Umrichtereinheit (11, IIa, IIb) pro Wechselspannungsan¬ schluss (Wl, W2, W3) jeweils eine Reihenschaltung (Rl, R2, R3) umfasst, die dem jeweiligen Wechselspannungsanschluss (Wl, W2, W3) zugeordnet ist,
- die Reihenschaltungen (Rl, R2, R3) elektrisch parallel ge- schaltet sind,
- bei jeder Reihenschaltung (Rl, R2, R3) jeweils ein erster Reihenschaltungsanschluss an den ersten Gleichspannungsanschluss (101, 201) der Umrichtereinheit (11, IIa, IIb) und ein zweiter Reihenschaltungsanschluss an den zweiten
Gleichspannungsanschluss (102, 202) der Umrichtereinheit
(11, IIa, IIb) angeschlossen ist,
- jede der Reihenschaltungen (Rl, R2, R3) jeweils in Reihe geschaltete Submodule aufweist, und
- bei jeder der Reihenschaltungen (Rl, R2, R3) der Wechsels- pannungsanschluss (Wl, W2, W3) jeweils die Submodule in ei¬ ne elektrisch dem ersten Reihenschaltungsanschluss nahe Submodulgruppe und eine elektrisch dem zweiten Reihenschal¬ tungsanschluss nahe Submodulgruppe unterteilt,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- einer der zwei Gleichspannungsanschlüsse der
Umrichtereinheit (11, IIa, IIb) geerdet ist,
- bei jeder der Reihenschaltungen (Rl, R2, R3) der zugehörige Wechselspannungsanschluss (Wl, W2, W3) die Submodule je¬ weils in eine elektrisch erdnahe Submodulgruppe (NG) und eine elektrisch erdferne Submodulgruppe (FG) unterteilt und
- die erdnahen Submodulgruppen (NG) zumindest ein bipolares Submodul (BM) und die erdfernen Submodulgruppen (FG) ausschließlich unipolare Submodule (UM) aufweisen.
2. Umrichteranordnung (10) 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
in den erdnahen Submodulgruppen (NG) das Verhältnis zwischen der Anzahl an bipolaren Submodulen (BM) und der Gesamtzahl an Submodulen jeweils zwischen 1/4 und 3/4 liegt.
3. Umrichteranordnung (10) 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 erste und eine zweite
Umrichtereinheit (11, IIa, IIb) aufweist, die jeweils mindes¬ tens zwei Wechselspannungsanschlüsse (Wl, W2, W3) , an denen jeweils ein Wechselstrom eingespeist oder entnommen werden kann, und einen ersten und einen zweiten Gleichspannungsan- schluss (101, 102, 201, 202), an denen ein Gleichstrom eingespeist oder entnommen werden kann, aufweisen, wobei
- die Umrichtereinheiten (11, IIa, IIb) pro Wechselspannungs- anschluss (Wl, W2, W3) jeweils eine Reihenschaltung (Rl, R2, R3) umfassen, die dem jeweiligen Wechselspannungsan- schluss (Wl, W2, W3) zugeordnet ist,
- die Reihenschaltungen (Rl, R2, R3) bei jeder
Umrichtereinheit (11, IIa, IIb) jeweils elektrisch parallel geschaltet sind,
- bei jeder Reihenschaltung (Rl, R2, R3) jeweils ein erster Reihenschaltungsanschluss an den ersten Gleichspannungsan- schluss (101, 201) der jeweiligen Umrichtereinheit (11, IIa, IIb) und ein zweiter Reihenschaltungsanschluss an den zweiten Gleichspannungsanschluss (102, 202) der jeweiligen Umrichtereinheit (11, IIa, IIb) angeschlossen ist,
- jede der Reihenschaltungen (Rl, R2, R3) jeweils in Reihe geschaltete Submodule, nämlich unipolare Submodule (UM) und bipolare Submodule, aufweist, und
- bei jeder der Reihenschaltungen (Rl, R2, R3) der Wechsels- pannungsanschluss (Wl, W2, W3) jeweils die Submodule in ei¬ ne elektrisch dem ersten Reihenschaltungsanschluss nahe Submodulgruppe und eine elektrisch dem zweiten Reihenschal¬ tungsanschluss nahe Submodulgruppe unterteilt.
4. Umrichteranordnung (10) nach Anspruch 3,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- der erste Gleichspannungsanschluss (101) der ersten
Umrichtereinheit (11, IIa, IIb) einen ersten Gleichspan¬ nungsanschluss (Gl) der Umrichteranordnung (10) bildet,
- der erste Gleichspannungsanschluss (201) der zweiten
Umrichtereinheit (11, IIa, IIb) einen zweiten Gleichspan¬ nungsanschluss (G2) der Umrichteranordnung (10) bildet, - die zweiten Gleichspannungsanschlüsse der zwei Umrichter¬ einheiten (11, IIa, IIb) geerdet sind und
- die Wechselspannungsanschlüsse (Wl, W2, W3) der beiden
Umrichtereinheiten (11, IIa, IIb) paarweise jeweils allein oder mit anderen Komponenten einen Wechselspannungsan- schluss (Wal, Wa2, Wa3) der Umrichteranordnung (10) bil¬ den .
5. Umrichteranordnung (10) nach Anspruch 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- bei jeder der Reihenschaltungen (Rl, R2, R3) der ersten und zweiten Umrichtereinheit (11, IIa, IIb) der zugehörige Wechselspannungsanschluss (Wl, W2, W3) die Submodule je¬ weils in eine elektrisch erdnahe Submodulgruppe (NG) und eine elektrisch erdferne Submodulgruppe (FG) unterteilt und - die erdnahen Submodulgruppen (NG) zumindest ein bipolares Submodul (BM) und die erdfernen Submodulgruppen (FG) ausschließlich unipolare Submodule (UM) aufweisen.
6. Umrichteranordnung (10) nach Anspruch 5,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
in den erdnahen Submodulgruppen (NG) das Verhältnis zwischen der Anzahl an bipolaren Submodulen (BM) und der Gesamtzahl an Submodulen jeweils zwischen 1/4 und 3/4 liegt.
7. Umrichteranordnung (10) 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 bipolaren Submodule (BM) mit einer oder mehreren Span- nungsbegrenzungseinrichtungen (40) gegen Überspannung geschützt sind.
8. Umrichteranordnung (10) 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
zu jedem der bipolaren Submodule (BM) jeweils eine eigene Spannungsbegrenzungseinrichtung (40) elektrisch parallel ge- schaltet ist.
9. Umrichteranordnung (10) nach Anspruch 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Spannungsbegrenzungseinrichtungen (40) jeweils die
Kondensatorspannung eines Kondensators (C) des zugeordneten bipolaren Submoduls (BM) auf eine vorgegebene maximale
Kondensatorspannung begrenzen.
10. Umrichteranordnung (10) nach einem der voranstehenden An- Sprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die bipolaren Submodule (BM) in zumindest einer der erdnahen Submodulgruppen (NG) , vorzugsweise jeweils in allen erdnahen Submodulgruppen (NG) , jeweils unter Bildung einer Reihen- Schaltung (Rl, R2, R3) aus bipolaren Submodulen (BM) innerhalb ihrer jeweiligen erdnahen Submodulgruppe (NG) miteinander verbunden sind.
11. Umrichteranordnung (10) nach Anspruch 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
zu jeder der Reihenschaltungen (Rl, R2, R3) aus bipolaren Submodulen (BM) jeweils eine Spannungsbegrenzungseinrichtung (40) elektrisch parallel geschaltet ist.
12. Umrichteranordnung (10) nach Anspruch 11,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Spannungsbegrenzungseinrichtungen (40) jeweils die Summe der Kondensatorspannungen der Kondensatoren (C) der bipolaren Submodule (BM) der zugeordneten Reihenschaltung (Rl, R2, R3) aus bipolaren Submodulen (BM) auf eine vorgegebene maximale Kondensatorsummenspannung begrenzen .
13. Umrichteranordnung (10) 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 unipolaren Submodule (UM) solche sind, die ihre Submo- dulspannung (Vc) mit nur einer einzigen Polarität ausgeben können, und/oder
- die bipolaren Submodule (BM) solche sind, die ihre Submo- dulspannung (Vc) wahlweise mit positiver oder negativer Polarität ausgeben können und/oder
- die bipolaren Submodule (BM) solche sind, die ihre Submo- dulspannung (Vc) wahlweise mit positiver oder negativer
Polarität, aber unterschiedlicher Spannungshöhe, ausgeben können .
14. Umrichteranordnung (10) nach einem der voranstehenden An- Sprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- die unipolaren Submodule (UM) jeweils durch eine Reihenschaltung (Rl, R2, R3) mit zwei Schaltern (Sl, S2), die jeweils ein Schaltelement (SE) und eine parallel geschal- tete Diode (D) umfassen, und einen zu dieser Reihenschal¬ tung parallel geschalteten Kondensator (C) gebildet sind und/oder
- die bipolaren Submodule (BM) jeweils durch zwei parallel geschaltete Reihenschaltungen (Rl, R2, R3) mit jeweils zwei Schaltern (Sl, S2, S3, S4), die jeweils ein Schalt¬ element (SE) und eine parallel geschaltete Diode (D) um¬ fassen, und einen zu der Parallelschaltung der Reihenschaltungen parallel geschalteten Kondensator (C) gebildet sind .
15. Umrichteranordnung (10) 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 Spannungsbegrenzungseinrichtungen (40) nichtlineare Widerstände aufweisen oder durch solche gebildet sind.
16. Umrichteranordnung (10) nach einem der voranstehenden An- Sprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Spannungsbegrenzungseinrichtungen (40) Abieiter sind.
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