EP3994792A1 - Verfahren zum vorladen von modulen eines modularen multilevelstromrichters - Google Patents

Verfahren zum vorladen von modulen eines modularen multilevelstromrichters

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EP3994792A1
EP3994792A1 EP19769032.4A EP19769032A EP3994792A1 EP 3994792 A1 EP3994792 A1 EP 3994792A1 EP 19769032 A EP19769032 A EP 19769032A EP 3994792 A1 EP3994792 A1 EP 3994792A1
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EP
European Patent Office
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bridge modules
full
modules
voltage
bridge
Prior art date
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Pending
Application number
EP19769032.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Felix Kammerer
Sebastian SEMMLER
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 Energy Global GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Publication of EP3994792A1 publication Critical patent/EP3994792A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H02M7/5387—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 using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
    • H02M7/53871—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 using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current
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    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels

Definitions

  • the invention relates to a method for precharging half-bridge modules and full-bridge modules of a modular multilevel converter.
  • Half-bridge modules and full-bridge modules of a modular multilevel converter have at least two electronic switching elements and an electrical energy store.
  • the electrical energy store is often designed as a capacitor.
  • the electrical energy storage devices of the half-bridge modules and the full-bridge modules must be precharged.
  • the multilevel converter can only start its nominal operation when the energy stores of the individual modules are each precharged to a certain voltage. This voltage can, for example, be a minimum voltage that is sufficient for the internal voltage supply of the modules.
  • the voltage required for the internal voltage supply is often provided by the energy store of the respective module.
  • the invention is based on the object of specifying a method and a multilevel converter with which the energy stores of both the half-bridge modules and the energy stores of the full-bridge modules can be precharged in a controlled manner before the start of nominal operation of the multilevel converter. According to the invention, this object is achieved by a method and by a modular multilevel converter according to the independent patent claims. Advantageous refinements of the method are specified in the dependent claims.
  • a method is disclosed for the (initial) precharging of half-bridge modules and full-bridge modules of a modular multilevel converter (before the start of nominal operation of the multilevel converter), the modular
  • Multilevel converter has at least one phase module branch with half-bridge modules and full-bridge modules electrically connected in series, and each of the half-bridge modules and full-bridge modules having at least a first module connection, a second module connection, two electronic switching elements and an electrical energy store, with the method
  • Multilevel converter with an energy supply network when the electronic switching elements of the half-bridge modules and the full-bridge modules are not activated, the energy storage devices of the half-bridge modules and the full-bridge modules are charged in an uncontrolled manner, and
  • the electronic switching elements of at least some of the full-bridge modules are controlled in such a way that the half-bridge modules are charged further.
  • the power supply network is preferably an AC voltage power supply network z. It is advantageous and surprising that in the second charging phase the electronic switching elements of at least some of the full bridge modules are activated in order to further charge the half bridge modules.
  • the energy stores of the full-bridge modules are charged to a higher voltage than the energy stores of the Half-bridge modules. The reason for this is that in the full-bridge modules both half-waves of the alternating voltage lead to the charging of the energy store, while in the half-bridge modules only one half-wave of the alternating voltage leads to the charging of the energy store.
  • the full-bridge modules are therefore ready for use (ie can be controlled) earlier than the half-bridge modules, so that at the beginning of the second charging phase by means of the activation of the
  • Full bridge modules the charging process of the energy storage device of the half bridge modules can be influenced. This even works at a point in time at which the half-bridge modules are not yet ready for use (i.e. cannot be controlled) because the voltage of their energy storage is still too low.
  • the method can run in such a way that the number of half-bridge modules and full-bridge modules of the series connection is selected so that in the first charging phase the energy storage devices of the full-bridge modules are charged to such an extent that at the end of the first charging phase the voltage of the energy storage devices in the full-bridge modules is sufficiently high for internal Power supply of the full bridge modules.
  • the voltage of the energy stores of the full bridge modules is sufficiently high to supply voltage to an electronic circuit that is (additionally) arranged in each of the full bridge modules.
  • Such an electronic circuit can in particular be a module control device.
  • the voltage of the energy stores of the full bridge modules is greater than a minimum voltage that is necessary for the internal voltage supply of the full bridge modules.
  • the minimum voltage is in particular the voltage that is (at least) necessary for the internal voltage supply for the electronic circuit (additionally) arranged in the full bridge modules.
  • the full bridge modules can be controlled.
  • the number of half-bridge modules and the Full bridge modules of the series connection must be selected so that the line voltage (for example AC voltage) occurring on the power supply network is sufficient to charge the energy stores of the full bridge modules to a sufficient extent so that the full bridge modules are ready for use (i.e. controllable) at the end of the first charging phase.
  • line voltage for example AC voltage
  • the procedure can also be carried out in such a way that
  • the electronic switching elements of at least some of the full bridge modules are controlled in such a way that the current flowing through these full bridge modules is essentially bypassed the respective energy storage device of these full bridge modules and thus essentially the voltage zero between the first and the second module connection of these full bridge modules ( Zero voltage) occurs.
  • the method can run in such a way that the electronic switching elements of the half-bridge modules remain unactivated in the second charging phase. This means that the second charging phase can already be started when only the full-bridge modules can be controlled, but the half-bridge modules cannot yet be controlled, i.e. cannot be controlled.
  • the procedure can also take place in such a way that
  • the energy stores of the half-bridge modules are charged until the energy stores of the half-bridge modules have a first preselected voltage.
  • the first preselected voltage can be selected in such a way that this first preselected voltage is sufficiently high for the internal power supply of the half-bridge modules.
  • the voltage of the energy stores of the half-bridge modules is sufficiently high to supply voltage to an electronic circuit that is (additionally) arranged in each of the half-bridge modules.
  • Such an electronic circuit can in particular be a module control device.
  • the first preselected voltage is selected such that it is equal to or greater than a minimum voltage which is sufficient for the internal voltage supply for the electronic circuit (additionally) arranged in each case in the half-bridge modules.
  • the procedure can also be carried out in such a way that
  • the electronic switching elements of the half-bridge modules and the electronic switching elements of the full-bridge modules are controlled in such a way that both the energy stores of the half-bridge modules and the energy stores of the full-bridge modules are further charged (controlled).
  • the energy stores of the half-bridge modules and the energy stores of the full-bridge modules can each be charged to a desired voltage value.
  • the procedure can be such that
  • the electronic switching elements of the half-bridge modules and the electronic switching elements of the full-bridge modules continue to be charged (controlled) until the energy stores of the half-bridge modules have a second preselected voltage and the energy stores of the full-bridge modules have a third preselected voltage.
  • the second preselected voltage and the third preselected voltage can be essentially the same.
  • the procedure can be such that
  • the second preselected voltage corresponds to the nominal voltage of the half-bridge modules and / or and the third preselected voltage corresponds to the nominal voltage of the full bridge modules.
  • the procedure can be such that
  • the energy stores are charged via an (ohmic) precharge resistor, which can in particular be arranged between the power supply network and the multilevel converter.
  • the charging current is limited by means of the precharge resistor.
  • the procedure can be such that
  • the precharge resistor is bridged electrically (by means of a bridging device) (which means that it is ineffective during the subsequent rated operation of the multilevel converter). This reduces electrical losses during nominal operation of the precharge resistor
  • the procedure can be such that
  • the half-bridge modules each have the two electronic switching elements in a half-bridge circuit.
  • the procedure can also take place in such a way that
  • the full bridge modules each have the two electronic switching elements and two further electronic switching elements in a full bridge circuit.
  • a modular multilevel converter with at least one phase module branch is also disclosed, which has a series connection of half-bridge modules and full-bridge modules, each of the half-bridge modules and full-bridge modules having at least a first module connection, a second module connection, two electronic switching elements and an electrical energy store having, wherein the multilevel converter is designed to carry out the method specified above.
  • Figure 1 shows an embodiment of a modular multilevel converter
  • Figure 2 shows an embodiment of a half-bridge module of the modular multilevel converter
  • Figure 3 shows an embodiment of a full bridge module of the modular multilevel converter
  • Figure 4 shows an embodiment of a modular
  • FIG. 5 shows an exemplary diagram that shows the precharging process of the half-bridge modules and the full-bridge modules
  • FIG. 6 shows an exemplary control device for controlling the precharge process in
  • FIG. 7 shows a section from the multilevel converter of FIG. 4 with an exemplary current path during the pre-charging process shown.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a converter 1 in the form of a modular multilevel converter 1.
  • This multilevel converter 1 has a first AC voltage connection 5, a second AC voltage connection 7 and a third AC voltage connection 9.
  • the first AC voltage connection 5 has a first AC voltage connection 5, a second AC voltage connection 7 and a third AC voltage connection 9. The first
  • AC voltage connection 5 is electrically connected to a first phase module branch 11 and a second phase module branch 13.
  • the first phase module branch 11 and the second phase module branch 13 form a first phase module 15 of the converter 1.
  • the end of the first phase module branch 11 facing away from the first alternating voltage connection 5 is electrically connected to a first direct voltage connection 16; that end of the second phase module branch 13 facing away from the first AC voltage connection 5 is electrically connected to a second DC voltage connection 17.
  • the first DC voltage connection 16 is a positive one
  • the second DC voltage connection 17 is a negative DC voltage connection.
  • the second AC voltage connection 7 is electrically connected to one end of a third phase module branch 18 and to one end of a fourth phase module branch 21.
  • the third phase module branch 18 and the fourth phase module branch 21 form a second phase module 24.
  • AC voltage connection 9 is electrically connected to one end of a fifth phase module branch 27 and to one end of a sixth phase module branch 29.
  • the fifth phase module branch 27 and the sixth phase module branch 29 form a third phase module 31.
  • the first phase module branch 11, the third phase module branch 18 and the fifth phase module branch 27 form a positive-side converter part 32; the second phase module branch 13, the fourth phase module branch 21 and the sixth phase module branch 29 form a negative-side converter part 33.
  • Each phase module branch has a plurality of modules (1_1, 1_2, 1_3, 1_4 ... l_n; 2_1 ... 2_n; etc.) which are electrically connected in series (by means of their module connections). Such modules are also referred to as submodules.
  • each phase module branch has n modules.
  • the number of modules connected electrically in series by means of their module connections can be very different, at least three modules are connected in series, but it is also possible, for example, to connect 50, 100 or more modules electrically in series.
  • n 36: the first phase module branch 11 thus has 36 modules 1_1, 1_2, 1_3, ... 1_36.
  • the other phase module branches 13, 18, 21, 27 and 29 are constructed in the same way.
  • a control device 35 for the modules 1_1 to 6_n is shown schematically. From this central control device 35, optical messages or optical signals are transmitted to the individual modules via an optical communication link 37 (for example via an optical waveguide).
  • the message transmission between the control device and a module is represented symbolically by a line 37; the direction of the message transmission is symbolized by the arrowheads on the lines 37.
  • This is shown using the example of modules 1_1, 1_4 and 4_5; to the other modules are done in the same way Messages sent or messages received from these modules.
  • the control device 35 sends a setpoint value for the switching state of the electronic switching elements to the individual modules.
  • FIG. 200 An exemplary embodiment of a module 200 of the modular multilevel converter 1 is shown in FIG.
  • the module can be one of the modules 1_1 ... 6_n shown in FIG. 1, for example.
  • the module 200 is designed as a half-bridge module 200.
  • the module 200 has a first electronic switching element 202 (which can be switched off) (first semiconductor valve 202 which can be switched off) with a first diode 204 connected in anti-parallel.
  • the module 200 has a second (switchable) electronic switching element 206 (second switchable semiconductor valve 206) with a second diode 208 connected in anti-parallel and an electrical energy store 210 in the form of a capacitor 210.
  • the first electronic switching element 202 and the second electronic switching element 206 are each designed as an IGBT (insulated-gate bipolar transistor).
  • the first electronic switching element 202 is electrically connected in series with the second electronic switching element 206.
  • a first galvanic module connection 212 is arranged at the connection point between the two electronic switching elements 202 and 206. At the connection of the second electronic switching element 206, which is the
  • a second galvanic module connection 215 is arranged.
  • the second module connection 215 is also electrically connected to a first connection of the energy store 210; a second connection of the energy store 210 is electrically connected to the connection of the first electronic switching element 202, which is opposite the connection point.
  • the energy store 210 is thus electrically connected in parallel to the series connection of the first electronic switching element 202 and the second electronic switching element 206.
  • the half-bridge module 200 also has a
  • Module control device 220 This module control device 220 is supplied with electrical voltage from the energy store 210. This is symbolized by lines shown in dashed lines, which connect the module control device 220 both to the positive connection (that is the upper connection) and to the negative connection (that is the lower connection) of the energy store 210.
  • the module control device 220 can only work when the energy store 210 is charged to a minimum voltage (minimum voltage) which is sufficient for the internal voltage supply of the half-bridge module 200, which in particular is sufficient for the internal voltage supply for the module control device 220.
  • the module control device 220 can perform various tasks: for example, receives the
  • Module control device 220 receives the control signals 37 from the central control device 35 and controls the first electronic switching element 202 and the second electronic switching element 206.
  • the module control device 220 can, for example, also detect the voltage of the energy store 210 and transmit it to the central control device 35.
  • the module controller 220 and the associated electrical connections are by means of dashed lines, because they do not belong to the power electronics part of the half-bridge module, but to the control-related part of the half-bridge module 200.
  • the module control device 220 is an example of an (additional) electronic circuit of the module that is generated by the energy store 210 of the module (ie by means of the internal Power supply of the module) is supplied with power.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a module 300 of the modular multilevel converter.
  • the module 300 can be one of the modules 1_1... 6_n shown in FIG. 1, for example.
  • the third electronic switching element 302 and the fourth electronic switching element 306 are each designed as an IGBT.
  • the second module connection 315 is not electrically connected to the second electronic switching element 206, but to a midpoint (connection point) of an electrical series circuit comprising the third electronic switching element 302 and the fourth electronic switching element 306.
  • the module 300 of Figure 3 is a so-called full bridge module 300.
  • This full bridge module 300 is characterized in that with appropriate control of the four electronic switching elements between the first (galvanic) module connection 212 and the second (galvanic) module connection 315 either the positive voltage of the energy store 210, the negative voltage of the energy store 210 or a voltage of the value zero (zero voltage) can be output.
  • the polarity of the output voltage can be reversed by means of the full bridge module 300.
  • the multilevel power converter 1 can generally have either only half-bridge modules 200, only full-bridge modules 300 or also half-bridge modules 200 and full-bridge modules 300.
  • the full-bridge module 300 also has a module control device 320, which is supplied with electrical energy by the energy store 210.
  • the module control device 320 also controls the third electronic switching element 302 and the fourth electronic switching element 306. For reasons of space, however, only the control lines running to the first electronic switching element 202 and the second electronic switching element 206 are shown.
  • FIG. 4 An exemplary embodiment of a modular multilevel converter 400 is shown in FIG. 4, which has a series connection of half-bridge modules and full-bridge modules in each of its six phase module branches.
  • the first phase module branch 11 has a half-bridge module 1_1 and three full-bridge modules 1_4, 1_5 and 1_6 connected in series.
  • the series connection has a larger number of half-bridge modules and full-bridge modules; For reasons of space, however, only one half-bridge module and three full-bridge modules are shown here.
  • the multilevel converter 400 thus has a mixed configuration with half-bridge modules and full-bridge modules in each phase module branch.
  • the series circuit also has an inductive component 403 (for example a choke coil 403).
  • the other phase module branches are constructed in the same way.
  • the voltage occurring at the energy store is shown on the respective energy stores of the individual modules by means of an arrow.
  • the energy storage device occurs Half-bridge module 1_1 the voltage Uclp, HB.
  • Uc stands for the capacitor voltage, 1 for the first phase module, p for the positive-side converter part 32 and HB for half-bridge module.
  • the voltages of the energy stores of the other modules are also designated in the same way.
  • the three AC voltage connections 5, 7 and 9 of the multilevel converter 400 are each electrically connected to an energy supply network 409 via a precharge resistor 406.
  • Each of the precharge resistors 406 can be electrically bridged (short-circuited) by a bridging device 412.
  • the energy supply network 409 is a three-phase AC voltage energy supply network 409, which is symbolically represented by its three phase voltages ULI, UL2 and UL3.
  • the energy stores of the half-bridge modules and the full-bridge modules are precharged by means of this AC voltage power supply network 409.
  • the bridging devices 412 are open, so that the current flows from the energy supply network 409 through the precharge resistors 406 to the modules of the multilevel converter 400.
  • the time sequence of the method for precharging the energy stores of the half-bridge modules and full-bridge modules is shown as an example. Both the profile of the voltage Uc, hb on the energy store of a half-bridge module and the profile of the voltage Uc, fb on the energy store of a full-bridge module over time t are shown.
  • the multilevel converter 400 becomes electrically connected to the AC power supply network 409.
  • the energy stores of the half-bridge modules and the energy stores of the full-bridge modules charge in an uncontrolled manner.
  • This charging proceeds according to an exponential function and is essentially determined by the ratio of the precharge resistors 406 to the capacities of the energy stores of the individual modules.
  • the electronic switching elements of the half-bridge modules and the full-bridge modules are not activated, that is, the corresponding switching elements are blocked and the current flows through the anti-parallel connected freewheeling diodes.
  • the energy storage voltage Uc, hb of the half-bridge modules reaches the voltage Upassive, hb and the energy storage voltage Uc, fb of the full-bridge modules reaches the voltage Upassive, fb.
  • the minimum voltage Umin is the voltage that is at least necessary for the internal voltage supply of the half-bridge modules and the full-bridge modules the minimum voltage Umin is the voltage that is at least necessary for the internal voltage supply for the electronic circuits additionally arranged in the half and / or full bridge modules (such as the module control devices 220 and 320).
  • the full bridge modules can therefore be controlled ( ie ready for operation), whereas the half-bridge modules are still ni are cht controllable (ie not yet ready for operation).
  • the voltage of the energy storage of the half-bridge modules at the end of the first charging phase 501 must also be greater than the voltage Upassiv, hb.
  • the energy storage voltage Uc, hb of the half-bridge modules is increased so that the energy storage voltage Uc, hb at the end of the second charging phase 502 is greater than the minimum voltage Umin.
  • the second charging phase at least some of the full-bridge modules of the series connection are activated in such a way that the half-bridge modules of the series connection are charged further.
  • the respective full bridge modules are controlled in such a way that the current flowing through these full bridge modules is essentially bypassed the respective energy stores of these full bridge modules. As a result, the voltage essentially zero (zero voltage) occurs between the first and the second module connection of these full bridge modules.
  • the voltage provided by the energy supply network 409 is distributed over fewer modules in the series connection, so that a greater effective voltage is available for the individual half-bridge modules.
  • the half-bridge modules are charged further, and charging can also take place according to an e-function.
  • other full-bridge modules in the series connection can also be controlled in such a way that the current flows through the energy store of the respective full-bridge module and charges this energy store further. Since the individual full bridge modules can be controlled one after the other in such a way that temporarily the current bypasses the respective energy store and the current flows through the respective energy store at times, the voltage of the energy store Uc, fb can also be increased in the full bridge modules during the second charging phase 502 .
  • the energy storage voltage Uc, hb of the half-bridge modules at the end of the second charging phase is greater than the energy storage voltage of the half-bridge modules at the beginning of the second charging phase (at time t1).
  • the voltage Uc, hb of the half-bridge modules is greater than the minimum voltage Umin.
  • the half-bridge modules can also be activated, i.e. at the end of the second charging phase 502, both the full-bridge modules and the half-bridge modules are ready for operation (can be activated).
  • the voltage Uc, hb of the energy store of the half-bridge modules at time t2 is therefore preselected in such a way that this voltage is sufficiently high to supply the half-bridge modules internally.
  • both the electronic switching elements of the half-bridge modules and the electronic switching elements of the full-bridge modules are controlled in such a way that both the energy stores of the half-bridge modules and the energy stores of the full-bridge modules are further charged.
  • the half-bridge modules and the full-bridge modules are controlled in such a way that in the third charging phase 503 the charging current flows temporarily through the energy stores of the half-bridge modules and secondarily through the energy stores of the full-bridge modules.
  • Appropriate control (similar to pulse width modulation) of the electronic switching elements can ensure that the energy storage voltages Uc, hb and Uc, fb assume preselected values at the end of the third charging phase 503.
  • the voltage Uc, hb of the energy store of the half-bridge modules is reached a second preselected voltage USoll, hb and the energy storage voltage Uc, fb of the full bridge modules a third preselected voltage USoll, fb.
  • the second preselected voltage USoll, hb is the nominal voltage of the half-bridge modules and the third preselected voltage USoll, fb is the nominal voltage of the full-bridge modules.
  • the second preselected voltage USoll, hb and the third preselected voltage USoll, fb can have different values.
  • the second preselected voltage is greater than the third preselected voltage, but it can also be the other way round.
  • the second preselected voltage can also be substantially the same as the third preselected voltage.
  • both the half-bridge modules and the full-bridge modules are precharged to their nominal voltage USoll, hb or USoll, fb.
  • the rated operation of the multilevel converter with controlled half and full bridge modules, i.e. the energy conversion or energy transmission, can begin.
  • FIG. 6 shows an exemplary embodiment of a precharge control device 603, by means of which the energy stores of the half-bridge modules and the full-bridge modules of the multilevel converter can be precharged.
  • the precharge control device 603 receives the sum UCx, hb of the energy storage voltages of all half-bridge modules of the respective phase module branch and the sum UCx, fb of the energy storage voltages of all full-bridge modules of the respective phase module branch as input variables for all six phase module branches of the multilevel converter.
  • the precharge control device 603 determines a so-called switch-on voltage Uon, fb, setpoint for the full-bridge modules, a switch-on voltage, for each point in time and for each individual phase module branch Uon, hb, should for the half-bridge modules, a switch-off voltage Uoff, fb, should for the full-bridge modules and a switch-off voltage Uoff, hb, should for the half-bridge modules.
  • the switch-on voltages Uon and the switch-off voltages Uoff each indicate a total voltage that is to be switched in (Uon) or switched out (Uoff) in the respective phase module branches (by means of the electronic switching elements and the energy storage of the respective modules).
  • the switch-on voltage Uon, fb, soll and the switch-off voltage Uoff, fb, soll are then transmitted to a modulator 605 for the full bridge modules of all phase module branches.
  • the modulator 605 converts these nominal voltages into corresponding pulse patterns for the individual full bridge modules.
  • the pulse patterns are then transmitted to the individual full bridge modules.
  • the switch-on voltage Uon, hb, soll and the switch-off voltage Uoff, hb, soll are transmitted to a modulator 608 for the half-bridge modules of all phase module branches.
  • the modulator 608 converts these nominal voltages into corresponding pulse patterns for the individual half-bridge modules.
  • the pulse patterns are then transmitted to the individual half-bridge modules.
  • the pre-charge control device 603 can also be designed as a pre-charge control device.
  • the precharge control device 603 can in particular work in a clocked manner, i.e. the pre-charge control device 603 can determine new switch-on voltages Uon and switch-off voltages Uoff for each successive cycle.
  • FIG. 7 shows an exemplary snapshot of the method for precharging the energy stores of the half-bridge modules and full-bridge modules of the
  • Multilevel converter 400 shown. Compared to FIG. 4, more modules are shown in FIG.
  • An exemplary precharge current path through two phases of the converter is marked with a wide line. It can be seen that specific modules are switched on (modules 3_1, 3_2, 3_3 and 3_4) and switched off (the remaining modules). How many half-bridge and full-bridge modules are switched on or off is specified by the setpoint values Uon, hb and Uon, fb or Uoff, hb, and Uoff, fb.
  • the (occurring between the first phase ULI and the second phase UL2) voltage UL12 of the AC power supply network 409 drives a current that, starting from the first phase ULI of the AC voltage network, through the first phase module branch 11 and the third phase module branch 18 back to the second phase UL2 of the Power supply network 409 flows.
  • the individual electronic switching elements of the full-bridge modules and the half-bridge modules are controlled in such a way that this precharge current flows through the current path marked in FIG. 7 by means of the broad line. It can be seen that the current on the energy stores of the half-bridge modules 1_1, 1_2 and 1_3 as well as on the energy stores of the full-bridge modules 1_4, 1_5, 1_6,
  • the individual half-bridge modules and full-bridge modules can be controlled differently, so that the current then flows through the half-bridge modules and full-bridge modules on a different current path and therefore charges the energy stores of other modules.
  • a method and a multilevel converter have been described with which the full-bridge modules and the half-bridge modules of the multilevel converter can be reliably precharged. This allows the capacitor voltages of both the half-bridge modules and the full-bridge modules to be set to preselected (definable) values (in preparation for nominal operation of the multilevel converter).
  • the described method and the described converter enable the energy stores of the modules of the multilevel converter to be actively precharged to a selectable / definable voltage value, which is an important prerequisite for the operation of such a converter.
  • This makes it possible to actively precharge the multilevel converter in order to then be able to start nominal operation (e.g. energy transmission).
  • half-bridge modules and full-bridge modules can also be used, which cover their own requirements from their own energy store (for example from the local capacitor) and thus cannot be (actively) controlled at the beginning of the passive precharge (i.e. at the beginning of the first charging phase 501).
  • Targeted switching of the electronic switching elements of the full bridge modules prevents, in particular, the full bridge modules from being charged further in the second charging phase 502 (in particular in the case of negative currents flowing through the full bridge modules).
  • the ratio of the switched voltages of the full bridge modules and Half-bridge modules the charge ratio of the energy storage of these full-bridge modules and half-bridge modules can be set in a targeted manner.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorladen von Halbbrückenmodulen und Vollbrückenmodulen eines modularen Multleveistromrichters (400), wobei der modulare Multleveistromrichter (400) mindestens einen Phasenmodulzweig (18) mit elektrisch in einer Reihenschaltung geschalteten Halbbrückenmodulen (3_1, 3_2, 3_3) und Vollbrückenmodulen (3_4, 3_5, 3_6, 3_7) aufweist und wobei jedes der Halbbrückenmodule (3_1, 3_2, 3_3) und Vollbrückenmodule (3_4, 3_5, 3_6, 3_7) mindestens einen ersten Modulanschluss (212), einen zweiten Modulanschluss (215, 315), zwei elektronische Schaltelemente (202, 206) und einen elektrischen Energiespeicher (210) aufweist. Bei dem Verfahren werden in einer ersten Ladephase (501) nach Verbinden des Multleveistromrichters (400) mit einem Energieversorgungsnetz (409) bei nicht angesteuerten elektronischen Schaltelementen (202, 206, 302, 306) der Halbbrückenmodule und der Vollbrückenmodule die Energiespeicher (210) der Halbbrückenmodule und der Vollbrückenmodule ungesteuert aufgeladen. In einer zweiten Ladephase (502) werden die elektronischen Schaltelemente (202, 206, 302, 306) zumindest einiger der Vollbrückenmodule (3_5, 3_6, 3_7) derart angesteuert, dass die Halbbrückenmodule (3_1, 3_2, 3_3) weiter aufgeladen werden.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Vorladen von Modulen eines modularen Multileveistromrichters
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorladen von Halbbrückenmodulen und Vollbrückenmodulen eines modularen Multilevelstromrichters . Halbbrückenmodule und Vollbrückenmodule eines modularen Multilevelstromrichters weisen mindestens zwei elektronische Schaltelemente und einen elektrischen Energiespeicher auf. Der elektrische Energiespeicher ist oft als ein Kondensator ausgestaltet. Vor Beginn des Nennbetriebs des Multilevelstromrichters, das heißt vor Beginn der Energiewandlung beziehungsweise Energieübertragung, müssen die elektrischen Energiespeicher der Halbbrückenmodule und der Vollbrückenmodule vorgeladen werden. Der Multilevelstromrichter kann erst dann seinen Nennbetrieb aufnehmen, wenn die Energiespeicher der einzelnen Module jeweils auf eine bestimmte Spannung vorgeladen sind. Diese Spannung kann beispielsweise eine Minimalspannung sein, die zur internen Spannungsversorgung der Module ausreicht.
Die zur internen Spannungsversorgung notwendige Spannung wird nämlich oft von dem Energiespeicher des jeweiligen Moduls bereitgestellt .
Wenn ein Multilevelstromrichter sowohl Halbbrückenmodule als auch Vollbrückenmodule aufweist, dann besteht das zusätzliche Problem, dass sich die Energiespeicher von Halbbrückenmodulen und von Vollbrückenmodulen aufgrund des unterschiedlichen Aufbaus dieser Module unterschiedlich aufladen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen Multilevelstromrichter anzugeben, mit denen vor Beginn des Nennbetriebs des Multilevelstromrichters die Energiespeicher sowohl der Halbbrückenmodule als auch die Energiespeicher der Vollbrückenmodule kontrolliert vorgeladen werden können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren und durch einen modularen Multilevelstromrichter nach den unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Offenbart wird ein Verfahren zum (anfänglichen) Vorladen von Halbbrückenmodulen und Vollbrückenmodulen eines modularen Multilevelstromrichters (vor Beginn des Nennbetriebs des Multilevelstromrichters), wobei der modulare
Multilevelstromrichter mindestens einen Phasenmodulzweig mit elektrisch in einer Reihenschaltung geschalteten Halbbrückenmodulen und Vollbrückenmodulen aufweist und wobei jedes der Halbbrückenmodule und Vollbrückenmodule mindestens einen ersten Modulanschluss, einen zweiten Modulanschluss, zwei elektronische Schaltelemente und einen elektrischen Energiespeicher aufweist, wobei bei dem Verfahren
- in einer ersten Ladephase nach Verbinden des
Multilevelstromrichters mit einem Energieversorgungsnetz bei nicht angesteuerten elektronischen Schaltelementen der Halbbrückenmodule und der Vollbrückenmodule die Energiespeicher der Halbbrückenmodule und der Vollbrückenmodule ungesteuert aufgeladen werden, und
- in einer zweiten Ladephase die elektronischen Schaltelemente zumindest einiger der Vollbrückenmodule derart angesteuert werden, dass die Halbbrückenmodule weiter aufgeladen werden.
Dabei ist das Energieversorgungsnetz vorzugsweise ein Wechselspannungs-Energieversorgungsnet z. Dabei ist vorteilhaft und überraschend, dass in der zweiten Ladephase die elektronischen Schaltelemente zumindest einiger der Vollbrückenmodule angesteuert werden, um die Halbbrückenmodule weiter aufzuladen. Dabei nutzt man die Erkenntnis aus, dass in der ersten Ladephase (d.h. bei der ungesteuerten Aufladung der Energiespeicher der Halbbrückenmodule und der Vollbrückenmodule) die Energiespeicher der Vollbrückenmodule auf eine höhere Spannung aufgeladen werden als die Energiespeicher der Halbbrückenmodule . Die Ursache dafür ist, dass bei den Vollbrückenmodulen beide Halbwellen der Wechselspannung zur Aufladung des Energiespeichers führen, während bei den Halbbrückenmodulen nur eine Halbwelle der Wechselspannung zur Aufladung des Energiespeichers führt. Daher sind die Vollbrückenmodule zeitlich früher einsatzbereit (d.h. ansteuerbar) als die Halbbrückenmodule, so dass zu Beginn der zweiten Ladephase mittels der Ansteuerung der
Vollbrückenmodule der Aufladeprozess der Energiespeicher der Halbbrückenmodule beeinflusst werden kann. Dies funktioniert sogar schon zu einem Zeitpunkt, zu dem die Halbbrückenmodule noch nicht einsatzbereit (d.h. nicht ansteuerbar) sind, weil die Spannung deren Energiespeicher noch zu gering ist.
Das Verfahren kann so ablaufen, dass die Anzahl der Halbbrückenmodule und der Vollbrückenmodule der Reihenschaltung so gewählt ist, dass in der ersten Ladephase die Energiespeicher der Vollbrückenmodule soweit aufgeladen werden, dass am Ende der ersten Ladephase die Spannung der Energiespeicher der Vollbrückenmodule ausreichend hoch ist zur internen Spannungsversorgung der Vollbrückenmodule. Insbesondere ist am Ende der ersten Ladephase die Spannung der Energiespeicher der Vollbrückenmodule ausreichend hoch zur Spannungsversorgung einer in den Vollbrückenmodulen jeweils (zusätzlich) angeordneten elektronischen Schaltung. Eine solche elektronische Schaltung kann insbesondere eine Modulsteuereinrichtung sein. Mit anderen Worten gesagt, ist am Ende der ersten Ladephase die Spannung der Energiespeicher der Vollbrückenmodule größer als eine Minimalspannung, die zur internen Spannungsversorgung der Vollbrückenmodule notwendig ist. Dabei ist die Minimalspannung insbesondere die Spannung, die zur internen Spannungsversorgung für die in den Vollbrückenmodulen jeweils (zusätzlich) angeordnete elektronische Schaltung (mindestens) notwendig ist. Am Ende der ersten Ladephase sind also die Vollbrückenmodule ansteuerbar.
Da in der ersten Ladephase die Aufladung ungesteuert verläuft, muss die Anzahl der Halbbrückenmodule und der Vollbrückenmodule der Reihenschaltung so gewählt sein, dass die an dem Energieversorgungsnetz auftretende Netzspannung (zum Beispiel Wechselspannung) ausreicht, um die Energiespeicher der Vollbrückenmodule in ausreichendem Maße aufzuladen, so dass zum Ende der ersten Ladephase die Vollbrückenmodule einsatzbereit (d.h. ansteuerbar) sind.
Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass
- in der zweiten Ladephase die elektronischen Schaltelemente zumindest einiger der Vollbrückenmodule derart angesteuert werden, dass der durch diese Vollbrückenmodule fließende Strom im Wesentlichen an dem jeweiligen Energiespeicher dieser Vollbrückenmodule vorbeigeleitet wird und dadurch zwischen dem ersten und dem zweiten Modulanschluss dieser Vollbrückenmodule im Wesentlichen die Spannung Null (Nullspannung) auftritt.
Dadurch steht insbesondere für die Aufladung der Halbbrückenmodule der Reihenschaltung eine größere (effektive) Spannung zu Verfügung, wodurch die Halbbrückenmodule weiter aufgeladen werden. Außerdem wird eine weitere Aufladung des jeweiligen Energiespeichers dieser Vollbrückenmodule im Wesentlichen vermieden oder begrenzt.
Das Verfahren kann so ablaufen, dass in der zweiten Ladephase die elektronischen Schaltelemente der Halbbrückenmodule unangesteuert bleiben. Dadurch kann die zweite Ladephase bereits dann gestartet werden, wenn nur die Vollbrückenmodule ansteuerbar sind, die Halbbrückenmodule aber noch nicht ansteuerbar, d.h. unansteuerbar, sind.
Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass
- in der zweiten Ladephase die Energiespeicher der Halbbrückenmodule solange aufgeladen werden, bis die Energiespeicher der Halbbrückenmodule eine erste vorgewählte Spannung aufweisen.
Dabei kann die erste vorgewählte Spannung so gewählt sein, dass diese erste vorgewählte Spannung ausreichend hoch ist zur internen Spannungsversorgung der Halbbrückenmodule. Insbesondere ist am Ende der zweiten Ladephase die Spannung der Energiespeicher der Halbbrückenmodule ausreichend hoch zur Spannungsversorgung einer in den Halbbrückenmodulen jeweils (zusätzlich) angeordneten elektronischen Schaltung. Eine solche elektronische Schaltung kann insbesondere eine Modulsteuereinrichtung sein. Mit anderen Worten gesagt, ist die erste vorgewählte Spannung so gewählt, dass sie gleich oder größer einer Minimalspannung ist, die zur internen Spannungsversorgung für die in den Halbbrückenmodulen jeweils (zusätzlich) angeordnete elektronische Schaltung ausreichend ist.
Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass
- in einer dritten Ladephase die elektronischen Schaltelemente der Halbbrückenmodule und die elektronischen Schaltelemente der Vollbrückenmodule derart angesteuert werden, dass sowohl die Energiespeicher der Halbbrückenmodule als auch die Energiespeicher der Vollbrückenmodule (gesteuert) weiter aufgeladen werden.
Dadurch können die Energiespeicher der Halbbrückenmodule und die Energiespeicher der Vollbrückenmodule jeweils auf einen gewünschten Spannungswert aufgeladen werden.
Das Verfahren kann so ablaufen, dass
- in der dritten Ladephase die elektronischen Schaltelemente der Halbbrückenmodule und die elektronischen Schaltelemente der Vollbrückenmodule solange (gesteuert) weiter aufgeladen werden, bis die Energiespeicher der Halbbrückenmodule eine zweite vorgewählte Spannung aufweisen und die Energiespeicher der Vollbrückenmodule eine dritte vorgewählte Spannung aufweisen. Insbesondere können die zweite vorgewählte Spannung und die dritte vorgewählte Spannung im Wesentlichen gleich groß sein.
Das Verfahren kann so ablaufen, dass
- die zweite vorgewählte Spannung der Nennspannung der Halbbrückenmodule entspricht und/oder und die dritte vorgewählte Spannung der Nennspannung der Vollbrückenmodule entspricht. Sobald die Energiespeicher der Halbbrückenmodule und die Energiespeicher der Vollbrückenmodule jeweils ihre Nennspannung erreicht haben, kann das Vorladen der Module beendet werden.
Das Verfahren kann so ablaufen, dass
- (in der ersten Ladephase, der zweiten Ladephase und/oder der dritten Ladephase) die Energiespeicher über einen (ohmschen) Vorladewiderstand aufgeladen werden, der insbesondere zwischen dem Energieversorgungsnetz und dem Multilevelstromrichter angeordnet sein kann. Mittels des Vorladewiderstandes wird der Ladestrom begrenzt.
Das Verfahren kann so ablaufen, dass
- nach Abschluss der dritten Ladephase der Vorladewiderstand elektrisch (mittels einer Überbrückungsvorrichtung) überbrückt wird (wodurch er beim darauffolgenden Nennbetrieb des Multilevelstromrichters unwirksam ist). Dadurch werden elektrische Verluste beim Nennbetrieb des
Multilevelstromrichters vermieden.
Das Verfahren kann so ablaufen, dass
- die Halbbrückenmodule jeweils die zwei elektronischen Schaltelemente in einer Halbbrückenschaltung aufweisen.
Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass
- die Vollbrückenmodule jeweils die zwei elektronischen Schaltelemente und zwei weitere elektronische Schaltelemente in einer Vollbrückenschaltung aufweisen.
Offenbart wird weiterhin ein modularer Multilevelstromrichter mit mindestens einem Phasenmodulzweig, der eine Reihenschaltung aus Halbbrückenmodulen und Vollbrückenmodulen aufweist, wobei jedes der Halbbrückenmodule und Vollbrückenmodule mindestens einen ersten Modulanschluss, einen zweiten Modulanschluss, zwei elektronische Schaltelemente und einen elektrischen Energiespeicher aufweist, wobei der Multilevelstromrichter ausgestaltet ist zum Durchführen der vorstehend angegebenen Verfahren.
Die beschriebenen Verfahren und der beschriebene modulare Multilevelstromrichter weisen gleiche beziehungsweise gleichartige Vorteile auf. Das sind insbesondere die Vorteile, die oben in Zusammenhang mit dem Verfahren angegeben sind.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei verweisen gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder gleichwirkende Elemente. Dazu ist in
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines modularen Multilevelstromrichters, in
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel eines Halbbrückenmoduls des modularen Multilevelstromrichters, in
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines Vollbrückenmoduls des modularen Multilevelstromrichters, in
Figur 4 ein Ausführungsbeispiel eines modularen
Multilevelstromrichters, der Halbbrückenmodule und
Vollbrückenmodule aufweist, in
Figur 5 ein beispielhaftes Diagramm, das den Vorladevorgang der Halbbrückenmodule und der Vollbrückenmodule darstellt, in
Figur 6 eine beispielhafte Regelungseinrichtung zum Regeln des Vorladeverfahrens in und
Figur 7 ein Ausschnitt aus dem Multilevelstromrichter der Figur 4 mit einem beispielhaften Strompfad während des Vorladeverfahrens dargestellt.
In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Stromrichters 1 in Form eines modularen Multilevelstromrichters 1 dargestellt. Dieser Multilevelstromrichter 1 weist einen ersten Wechselspannungsanschluss 5, einen zweiten Wechselspannungsanschluss 7 und einen dritten Wechselspannungsanschluss 9 auf. Der erste
Wechselspannungsanschluss 5 ist elektrisch mit einem ersten Phasenmodulzweig 11 und einem zweiten Phasenmodulzweig 13 verbunden. Der erste Phasenmodulzweig 11 und der zweite Phasenmodulzweig 13 bilden ein erstes Phasenmodul 15 des Stromrichters 1. Das dem ersten Wechselspannungsanschluss 5 abgewandte Ende des ersten Phasenmodulzweigs 11 ist mit einem ersten Gleichspannungsanschluss 16 elektrisch verbunden; das dem ersten Wechselspannungsanschluss 5 abgewandte Ende des zweiten Phasenmodulzweigs 13 ist mit einem zweiten Gleichspannungsanschluss 17 elektrisch verbunden. Der erste Gleichspannungsanschluss 16 ist ein positiver
Gleichspannungsanschluss; der zweite Gleichspannungsanschluss 17 ist ein negativer Gleichspannungsanschluss.
Der zweite Wechselspannungsanschluss 7 ist mit einem Ende eines dritten Phasenmodulzweigs 18 und mit einem Ende eines vierten Phasenmodulzweigs 21 elektrisch verbunden. Der dritte Phasenmodulzweig 18 und der vierte Phasenmodulzweig 21 bilden ein zweites Phasenmodul 24. Der dritte
Wechselspannungsanschluss 9 ist mit einem Ende eines fünften Phasenmodulzweigs 27 und mit einem Ende eines sechsten Phasenmodulzweigs 29 elektrisch verbunden. Der fünfte Phasenmodulzweig 27 und der sechste Phasenmodulzweig 29 bilden ein drittes Phasenmodul 31.
Das dem zweiten Wechselspannungsanschluss 7 abgewandte Ende des dritten Phasenmodulzweigs 18 und das dem dritten Wechselspannungsanschluss 9 abgewandte Ende des fünften Phasenmodulzweigs 27 sind mit dem ersten
Gleichspannungsanschluss 16 elektrisch verbunden. Das dem zweiten Wechselspannungsanschluss 7 abgewandte Ende des vierten Phasenmodulzweigs 21 und das dem dritten Wechselspannungsanschluss 9 abgewandte Ende des sechsten Phasenmodulzweigs 29 sind mit dem zweiten
Gleichspannungsanschluss 17 elektrisch verbunden. Der erste Phasenmodulzweig 11, der dritte Phasenmodulzweig 18 und der fünfte Phasenmodulzweig 27 bilden ein positivseitiges Stromrichterteil 32; der zweite Phasenmodulzweig 13, der vierte Phasenmodulzweig 21 und der sechste Phasenmodulzweig 29 bilden ein negativseitiges Stromrichterteil 33.
Jeder Phasenmodulzweig weist eine Mehrzahl von Modulen (1_1, 1_2, 1_3, 1_4 ... l_n; 2_1 ...2_n; usw.) auf, welche (mittels ihrer Modulanschlüsse) elektrisch in Reihe geschaltet sind. Solche Module werden auch als Submodule bezeichnet. Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 weist jeder Phasenmodulzweig n Module auf. Die Anzahl der mittels ihrer Modulanschlüsse elektrisch in Reihe geschalteten Module kann sehr verschieden sein, mindestens sind drei Module in Reihe geschaltet, es können aber auch beispielsweise 50, 100 oder mehr Module elektrisch in Reihe geschaltet sein. Im Ausführungsbeispiel ist n = 36: der erste Phasenmodulzweig 11 weist also 36 Module 1_1, 1_2, 1_3, ... 1_36 auf. Die anderen Phasenmodulzweige 13, 18, 21, 27 und 29 sind gleichartig aufgebaut.
Im linken Bereich der Figur 1 ist schematisch eine Steuereinrichtung 35 für die Module 1_1 bis 6_n dargestellt. Von dieser zentralen Steuereinrichtung 35 werden optische Nachrichten bzw. optische Signale über eine optische Kommunikationsverbindung 37 (zum Beispiel über einen Lichtwellenleiter) zu den einzelnen Modulen übertragen. Die Nachrichtenübertragung zwischen der Steuereinrichtung und einem Modul ist jeweils symbolhaft durch eine Linie 37 dargestellt; die Richtung der Nachrichtenübertragung ist durch die Pfeilspitzen an den Linien 37 symbolisiert. Dies ist am Beispiel der Module 1_1, 1_4 und 4_5 dargestellt; zu den anderen Modulen werden auf die gleiche Art und Weise Nachrichten gesendet beziehungsweise von diesen Modulen Nachrichten empfangen. Beispielsweise sendet die Steuereinrichtung 35 an die einzelnen Module jeweils einen Sollwert für den Schaltzustand der elektronischen Schaltelemente .
In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Moduls 200 des modularen Multilevelstromrichters 1 dargestellt. Bei dem Modul kann es sich beispielsweise um eines der in Figur 1 dargestellten Module 1_1 ... 6_n handeln.
Das Modul 200 ist als ein Halbbrücken-Modul 200 ausgestaltet. Das Modul 200 weist ein erstes (abschaltbares) elektronisches Schaltelement 202 (erstes abschaltbares Halbleiterventil 202) mit einer ersten antiparallel geschalteten Diode 204 auf. Weiterhin weist das Modul 200 ein zweites (abschaltbares) elektronisches Schaltelement 206 (zweites abschaltbares Halbleiterventil 206) mit einer zweiten antiparallel geschalteten Diode 208 sowie einen elektrischen Energiespeicher 210 in Form eines Kondensators 210 auf. Das erste elektronische Schaltelement 202 und das zweite elektronische Schaltelement 206 sind jeweils als ein IGBT (insulated-gate bipolar transistor) ausgestaltet. Das erste elektronische Schaltelement 202 ist elektrisch in Reihe geschaltet mit dem zweiten elektronischen Schaltelement 206. Am Verbindungspunkt zwischen den beiden elektronischen Schaltelementen 202 und 206 ist ein erster galvanischer Modulanschluss 212 angeordnet. An dem Anschluss des zweiten elektronischen Schaltelements 206, welcher dem
Verbindungspunkt gegenüberliegt, ist ein zweiter galvanischer Modulanschluss 215 angeordnet. Der zweite Modulanschluss 215 ist weiterhin mit einem ersten Anschluss des Energiespeichers 210 elektrisch verbunden; ein zweiter Anschluss des Energiespeichers 210 ist elektrisch verbunden mit dem Anschluss des ersten elektronischen Schaltelements 202, der dem Verbindungspunkt gegenüberliegt. Der Energiespeicher 210 ist also elektrisch parallel geschaltet zu der Reihenschaltung aus dem ersten elektronischen Schaltelement 202 und dem zweiten elektronischen Schaltelement 206. Durch entsprechende Ansteuerung des ersten elektronischen Schaltelements 202 und des zweiten elektronischen Schaltelements 206 durch eine Steuereinrichtung des Stromrichters kann erreicht werden, dass zwischen dem ersten Modulanschluss 212 und dem zweiten Modulanschluss 215 entweder die Spannung des Energiespeichers 210 ausgegeben wird oder keine Spannung ausgegeben wird (d.h. eine Nullspannung ausgegeben wird). Durch Zusammenwirken der Module der einzelnen Phasenmodulzweige kann so die jeweils gewünschte Ausgangsspannung des Stromrichters erzeugt werden.
Weiterhin weist das Halbbrückenmodul 200 eine
Modulsteuereinrichtung 220 auf. Diese Modulsteuereinrichtung 220 wird von dem Energiespeicher 210 mit elektrischer Spannung versorgt. Dies ist durch strichliert dargestellte Leitungen symbolisiert, welche die Modulsteuereinrichtung 220 sowohl mit dem positiven Anschluss (das ist der obere Anschluss) als auch mit dem negativen Anschluss (das ist der untere Anschluss) des Energiespeichers 210 verbinden. Die Modulsteuereinrichtung 220 kann erst dann arbeiten, wenn der Energiespeicher 210 auf eine MindestSpannung (Minimalspannung) aufgeladen ist, welche zur internen Spannungsversorgung des Halbbrückenmoduls 200 ausreichend ist, welche insbesondere zur internen Spannungsversorgung für die Modulsteuereinrichtung 220 ausreichend ist. Die Modulsteuereinrichtung 220 kann verschiedene Aufgaben wahrnehmen: beispielsweise empfängt die
Modulsteuereinrichtung 220 die Steuersignale 37 von der zentralen Steuereinrichtung 35 und steuert das erste elektronische Schaltelement 202 und das zweite elektronische Schaltelement 206 an. Die Modulsteuereinrichtung 220 kann aber beispielsweise auch die Spannung des Energiespeichers 210 erfassen und an die zentrale Steuereinrichtung 35 übermitteln. Die Modulsteuereinrichtung 220 und die zugehörigen elektrischen Verbindungen sind mittels strichlierter Linien dargestellt, weil diese nicht zum leistungselektronischen Teil des Halbbrückenmoduls gehören, sondern zum steuerungstechnischen Teil des Halbbrückenmoduls 200. Die Modulsteuereinrichtung 220 ist ein Beispiel für eine (zusätzliche) elektronische Schaltung des Moduls, die von dem Energiespeicher 210 des Moduls (d.h. mittels der internen Spannungsversorgung des Moduls) mit Spannung versorgt wird.
In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Moduls 300 des modularen Multilevelstromrichters dargestellt. Bei dem Modul 300 kann es sich beispielsweise um eines der in Figur 1 dargestellten Module 1_1 ... 6_n handeln. Neben den bereits aus Figur 2 bekannten ersten elektronischen Schaltelement 202, zweiten elektronischen Schaltelement 206, erster Freilaufdiode 204, zweiter Freilaufdiode 208 und Energiespeicher 210 weist das in Figur 3 dargestellte Modul 300 ein drittes elektronisches Schaltelement 302 mit einer antiparallel geschalteten dritten Freilaufiode 304 sowie ein viertes elektronisches Schaltelement 306 mit einer vierten antiparallel geschalteten Freilaufdiode 308 auf. Das dritte elektronische Schaltelement 302 und das vierte elektronische Schaltelement 306 sind jeweils als ein IGBT ausgestaltet. Im Unterschied zur Schaltung der Figur 2 ist der zweite Modulanschluss 315 nicht mit dem zweiten elektronischen Schaltelement 206 elektrisch verbunden, sondern mit einem Mittelpunkt (Verbindungspunkt) einer elektrischen Reihenschaltung aus dem dritten elektronischen Schaltelement 302 und dem vierten elektronischen Schaltelement 306.
Das Modul 300 der Figur 3 ist ein sogenanntes Vollbrücken- Modul 300. Dieses Vollbrücken-Modul 300 zeichnet sich dadurch aus, dass bei entsprechender Ansteuerung der vier elektronischen Schaltelemente zwischen dem ersten (galvanischen) Modulanschluss 212 und dem zweiten (galvanischen) Modulanschluss 315 wahlweise entweder die positive Spannung des Energiespeichers 210, die negative Spannung des Energiespeichers 210 oder eine Spannung des Wertes Null (Nullspannung) ausgegeben werden kann. Somit kann also mittels des Vollbrückenmoduls 300 die Polarität der Ausgangsspannung umgekehrt werden. Der Multilevelstromrichter 1 kann im Allgemeinen entweder nur Halbbrücken-Module 200, nur Vollbrücken-Module 300 oder auch Halbbrücken-Module 200 und Vollbrücken-Module 300 aufweisen.
Gleichartig wie das Halbbrückenmodul 200 weist auch das Vollbrückenmodul 300 eine Modulsteuereinrichtung 320 auf, welche von dem Energiespeicher 210 mit elektrischer Energie versorgt wird. Die Modulsteuereinrichtung 320 steuert neben dem ersten elektronischen Schaltelement 202 und dem zweiten elektronischen Schaltelement 206 auch das dritte elektronische Schaltelement 302 und das vierte elektronische Schaltelement 306 an. Aus Platzgründen sind jedoch nur die zu dem ersten elektronischen Schaltelement 202 und dem zweiten elektronischen Schaltelement 206 verlaufenden Ansteuerleitungen dargestellt.
In Figur 4 ist ein Ausführungsbeispiel eines modularen Multilevelstromrichters 400 dargestellt, welcher in jedem seiner sechs Phasenmodulzweige jeweils eine Reihenschaltung aus Halbbrückenmodulen und Vollbrückenmodulen aufweist. So weist beispielsweise der erste Phasenmodulzweig 11 ein Halbbrückenmodul 1_1 und drei Vollbrückenmodule 1_4, 1_5 und 1_6 in einer Reihenschaltung auf. Im Allgemeinen weist die Reihenschaltung eine größere Anzahl an Halbbrückenmodulen und Vollbrückenmodulen auf; aus Platzgründen sind hier jedoch nur ein Halbbrückenmodul und drei Vollbrückenmodule dargestellt.
Der Multilevelstromrichter 400 weist also eine gemischte Bestückung mit Halbbrückenmodulen und Vollbrückenmodulen in jedem Phasenmodulzweig auf. Weiterhin weist die Reihenschaltung ein induktives Bauelement 403 (beispielsweise eine Drosselspule 403) auf. Die anderen Phasenmodulzweige sind gleichartig aufgebaut. An den jeweiligen Energiespeichern der einzelnen Module ist jeweils mittels eines Pfeils die an dem Energiespeicher auftretende Spannung dargestellt. Beispielsweise tritt an dem Energiespeicher des Halbbrückenmoduls 1_1 die Spannung Uclp,HB auf. Dabei steht Uc für die Kondensatorspannung, 1 für das erste Phasenmodul, p für den positivseitigen Konverterteil 32 und HB für Halbbrückenmodul. In gleicher Art und Weise sind auch die Spannungen der Energiespeicher der anderen Module bezeichnet.
Die drei Wechselspannungsanschlüsse 5, 7 und 9 des Multilevelstromrichters 400 sind jeweils über einen Vorladewiderstand 406 mit einem Energieversorgungsnetz 409 elektrisch verbunden. Dabei ist jeder der Vorladewiderstände 406 durch eine Überbrückungsvorrichtung 412 elektrisch überbrückbar (kurzschließbar). Bei dem Energieversorgungsnetz 409 handelt es sich um ein dreiphasiges Wechselspannungs- Energieversorgungsnetz 409, welches durch seine drei Phasenspannungen ULI, UL2 und UL3 symbolhaft dargestellt ist. Mittels dieses Wechselspannungs-Energieversorgungsnetzes 409 werden die Energiespeicher der Halbbrückenmodule und der Vollbrückenmodule vorgeladen. Während des Vorladens sind - wie in Figur 4 dargestellt - die Überbrückungsvorrichtungen 412 geöffnet, so dass der Strom vom Energieversorgungsnetz 409 durch die Vorladewiderstände 406 zu den Modulen des Multilevelstromrichters 400 fließt.
In Figur 5 ist beispielhaft der zeitliche Ablauf des Verfahrens zum Vorladen der Energiespeicher der Halbbrückenmodule und Vollbrückenmodule dargestellt. Dabei ist sowohl der Verlauf der Spannung Uc,hb am Energiespeicher eines Halbbrückenmoduls und der Verlauf der Spannung Uc,fb am Energiespeicher eines Vollbrückenmoduls über der Zeit t dargestellt.
Im Zeitraum tO < t <= tl findet die erste Ladephase 501 statt. Im Zeitraum tl < t <= t2 findet die zweite Ladephase 502 statt und im Zeitraum t2 < t <= t3 findet die dritte Ladephase 503 statt. Zum Zeitpunkt t = tO sind die Energiespeicher der Halbbrückenmodule und die Energiespeicher der Vollbrückenmodule vollständig entladen (Uc,hb = Uc,fb =
0). Zum Zeitpunkt t = tO wird der Multilevelstromrichter 400 elektrisch mit dem Wechselspannungs-Energieversorgungsnetz 409 verbunden. Daraufhin laden sich aufgrund der Spannung des Wechselspannungs-Energieversorgungsnet zes 409 die Energiespeicher der Halbbrückenmodule und die Energiespeicher der Vollbrückenmodule ungesteuert auf. Diese Aufladung verläuft nach einer e-Funktion und wird im Wesentlichen durch das Verhältnis der Vorladewiderstände 406 zu den Kapazitäten der Energiespeicher der einzelnen Module bestimmt. In dieser ersten Ladephase sind die elektronischen Schaltelemente der Halbbrückenmodule und der Vollbrückenmodule unangesteuert, das heißt, die entsprechenden Schaltelemente sperren, und der Strom fließt durch die antiparallel geschalteten Freilaufdiöden .
Zum Ende der ersten Ladephase erreicht die Energiespeicherspannung Uc,hb der Halbbrückenmodule die Spannung Upassiv,hb und die Energiespeicherspannung Uc,fb der Vollbrückenmodule die Spannung Upassiv,fb. „Passiv" steht dabei für eine passive (d.h. ungesteuerte) Aufladung der Energiespeicher. Es ist zu erkennen, dass am Ende der ersten Ladephase 501 die Spannung der Energiespeicher der Vollbrückenmodule größer ist als eine Minimalspannung Umin (Uc,fb = Upassiv,fb > Umin) und die Spannung der Energiespeicher der Halbbrückenmodule kleiner ist als die Minimalspannung Umin (Uc,hb = Upassiv,hb < Umin). Dabei ist die Minimalspannung Umin diejenige Spannung, die mindestens zur internen Spannungsversorgung der Halbbrückenmodule und der Vollbrückenmodule notwendig ist. Genauer gesagt ist die Minimalspannung Umin diejenige Spannung, die zur internen Spannungsversorgung für die in den Halb- und/oder Vollbrückenmodulen jeweils zusätzlich angeordneten elektronischen Schaltungen (wie beispielsweise die Modulsteuereinrichtungen 220 und 320) mindestens notwendig sind. Am Ende der ersten Ladephase 501 sind also die Vollbrückenmodule ansteuerbar (d.h. betriebsbereit), wohingegen die Halbbrückenmodule noch nicht ansteuerbar (d.h. noch nicht betriebsbereit) sind. Optional kann (insbesondere in seltenen Einzelfällen) die Spannung der Energiespeicher der Halbbrückenmodule am Ende der ersten Ladephase 501 auch größer sein als die Spannung Upassiv,hb.
In der zweiten Ladephase 502 wird die Energiespeicherspannung Uc,hb der Halbbrückenmodule erhöht, so dass die Energiespeicherspannung Uc,hb am Ende der zweiten Ladephase 502 größer ist als die Minimalspannung Umin. Um dies zu erreichen, werden in der zweiten Ladephase zumindest einige der Vollbrückenmodule der Reihenschaltung derart angesteuert, dass die Halbbrückenmodule der Reihenschaltung weiter aufgeladen werden. Dabei werden die jeweiligen Vollbrückenmodule derart angesteuert, dass der durch diese Vollbrückenmodule fließende Strom im Wesentlichen an den jeweiligen Energiespeichern dieser Vollbrückenmodule vorbeigeleitet wird. Dadurch tritt zwischen dem ersten und dem zweiten Modulanschluss dieser Vollbrückenmodule im Wesentlichen die Spannung Null (Nullspannung) auf. Folglich verteilt sich die von dem Energieversorgungsnetz 409 bereitgestellte Spannung auf weniger Module der Reihenschaltung, so dass für die einzelnen Halbbrückenmodule eine größere effektive Spannung zur Verfügung steht. Dadurch werden die Halbbrückenmodule weiter aufgeladen, wobei die Aufladung ebenfalls nach einer e-Funktion erfolgen kann. Andere Vollbrückenmodule der Reihenschaltung können jedoch auch so angesteuert werden, dass der Strom durch den Energiespeicher der jeweiligen Vollbrückenmodule fließt und diese Energiespeicher weiter auflädt. Da die einzelnen Vollbrückenmodule nacheinander sowohl derart angesteuert werden können, dass zeitweise der Strom an dem jeweiligen Energiespeicher vorbeigeleitet wird und zeitweise der Strom durch den jeweiligen Energiespeicher fließt, kann auch bei den Vollbrückenmodulen während der zweiten Ladephase 502 die Spannung des Energiespeichers Uc,fb erhöht werden. In dem beispielhaften Diagramm der Figur 5 ist deutlich sichtbar, dass zum Ende der zweiten Ladephase 502 zum Zeitpunkt t2 die Energiespeicherspannung Uc,fb der Vollbrückenmodule größer ist als zum Anfang der zweiten Ladephase 502 zum Zeitpunkt tl. Während der zweiten Ladephase 502 bleiben die elektronischen Schaltelemente der Halbbrückenmodule unangesteuert .
Die Energiespeicherspannung Uc,hb der Halbbrückenmodule zum Ende der zweiten Ladephase (zum Zeitpunkt t2) ist größer als die Energiespeicherspannung der Halbbrückenmodule zum Anfang der zweiten Ladephase (zum Zeitpunkt tl). Zum Ende der zweiten Ladephase ist insbesondere die Spannung Uc,hb der Halbbrückenmodule größer als die Minimalspannung Umin. Es können also am Ende der zweiten Ladephase auch die Halbbrückenmodule angesteuert werden, d.h. zum Ende der zweiten Ladephase 502 sind sowohl die Vollbrückenmodule als auch die Halbbrückenmodule betriebsbereit (ansteuerbar). Die Spannung Uc,hb des Energiespeichers der Halbbrückenmodule zum Zeitpunkt t2 ist also derart vorgewählt, dass diese Spannung ausreichend hoch ist zur internen Versorgung der Halbbrückenmodule. Diese Spannung Uc,hb zum Zeitpunkt t=t2 ist die erste vorgewählte Spannung Ul. Zum Endzeitpunkt t2 der zweiten Ladephase 502 weist die Spannung Uc,hb des Energiespeichers der Halbbrückenmodule also die erste vorgewählte Spannung Ul auf: Uc,hb (t2)=U1.
In der dritten Ladephase 503 werden sowohl die elektronischen Schaltelemente der Halbbrückenmodule als auch die elektronischen Schaltelemente der Vollbrückenmodule derart angesteuert, dass sowohl die Energiespeicher der Halbbrückenmodule also auch die Energiespeicher der Vollbrückenmodule weiter aufgeladen werden. Dazu werden die Halbbrückenmodule und die Vollbrückenmodule derart angesteuert, dass in der dritten Ladephase 503 der Ladestrom zeitweise durch die Energiespeicher der Halbbrückenmodule und zweitweise durch die Energiespeicher der Vollbrückenmodule fließt. Durch eine entsprechende Ansteuerung (ähnlich einer Pulsweitenmodulation) der elektronischen Schaltelemente kann erreicht werden, dass die Energiespeicherspannungen Uc,hb und Uc,fb am Ende der dritten Ladephase 503 vorgewählte Werte annehmen. So erreicht am Ende der dritten Ladephase 503 die Spannung Uc,hb der Energiespeichers der Halbbrückenmodule eine zweite vorgewählte Spannung USoll,hb und die Energiespeicherspannung Uc,fb der Vollbrückenmodule eine dritte vorgewählte Spannung USoll,fb.
Dabei ist die zweite vorgewählte Spannung USoll,hb die Nennspannung der Halbbrückenmodule und die dritte vorgewählte Spannung USoll,fb die Nennspannung der Vollbrückenmodule. Die zweite vorgewählte Spannung USoll,hb und die dritte vorgewählte Spannung USoll,fb können unterschiedliche Werte aufweisen. Im Ausführungsbeispiel ist die zweite vorgewählte Spannung größer als die dritte vorgewählte Spannung, es kann aber auch umgekehrt sein. Die zweite vorgewählte Spannung kann auch im Wesentlichen gleich groß sein wie die dritte vorgewählte Spannung.
Zum Zeitpunkt t3 ist das Vorladen der Energiespeicher der Halbbrückenmodule und der Vollbrückenmodule beendet. Sowohl die Halbbrückenmodule als auch die Vollbrückenmodule sind auf ihre Nennspannung USoll,hb bzw. USoll,fb vorgeladen. Der Nennbetrieb des Multilevelstromrichters mit angesteuerten Halb- und Vollbrückenmodulen, d.h. die Energiewandlung oder Energieübertragung, kann beginnen.
In Figur 6 ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorlade- Regelungseinrichtung 603 dargestellt, mittels der die Energiespeicher der Halbbrückenmodule und der Vollbrückenmodule des Multilevelstromrichters vorgeladen werden können. Der Vorlade-Regelungseinrichtung 603 werden als Eingangsgrößen für alle sechs Phasenmodulzweige des Multilevelstromrichters jeweils die Summe UCx,hb der Energiespeicherspannungen aller Halbbrückenmodule des jeweiligen Phasenmodulzweigs und die Summe UCx,fb der Energiespeicherspannungen aller Vollbrückenmodule des jeweiligen Phasenmodulzweigs zugeführt. Je nach Größe dieser Summenspannungen bestimmt die Vorlade-Regelungseinrichtung 603 für jeden Zeitpunkt und für jeden einzelnen Phasenmodulzweig eine sogenannte EinschaltSpannung Uon,fb,soll für die Vollbrückenmodule, eine EinschaltSpannung Uon,hb,soll für die Halbbrückenmodule, eine AusschaltSpannung Uoff,fb,soll für die Vollbrückenmodule und eine AusschaltSpannung Uoff,hb,soll für die Halbbrückenmodule. Die EinschaltSpannungen Uon und die AusschaltSpannungen Uoff geben dabei jeweils in Summe eine Spannung an, die in den jeweiligen Phasenmodulzweigen (mittels der elektronischen Schaltelemente und der Energiespeicher der jeweiligen Module) hineingeschaltet (Uon) werden soll oder herausgeschaltet (Uoff) werden soll.
Die EinschaltSpannung Uon,fb,soll und die AusschaltSpannung Uoff,fb,soll wird daraufhin zu einem Modulator 605 für die Vollbrückenmodule aller Phasenmodulzweige übertragen. Der Modulator 605 setzt diese Sollspannungen in entsprechende Pulsmuster für die einzelnen Vollbrückenmodule um. Die Pulsmuster werden dann zu den einzelnen Vollbrückenmodulen übertragen. In gleicher Weise werden die EinschaltSpannung Uon,hb,soll und die AusschaltSpannung Uoff,hb,soll zu einem Modulator 608 für die Halbbrückenmodule aller Phasenmodulzweige übertragen. Der Modulator 608 setzt diese Sollspannungen in entsprechende Pulsmuster für die einzelnen Halbbrückenmodule um. Die Pulsmuster werden dann zu den einzelnen Halbbrückenmodulen übertragen. Die Vorlade- Regelungseinrichtung 603 kann auch als eine Vorlade- Steuerungseinrichtung ausgestaltet sein. Die Vorlade- Regelungseinrichtung 603 kann insbesondere getaktet arbeiten, d.h. für jeweils aufeinanderfolgende Takte kann die Vorlade- Regelungseinrichtung 603 jeweils neue EinschaltSpannungen Uon und AusschaltSpannungen Uoff ermitteln.
Mit dem beschriebenen Verfahren können auch noch nicht ansteuerbare Halbbrückenmodule vorgeladen werden. Daher kann insbesondere die Summe aus den vier Sollwerten Uon,hb, Uoff,hb, Uon,fb und Uoff,fb zeitweise kleiner sein als die Summe der tatsächlich verfügbaren Kondensatorspannungen in den jeweiligen Phasenmodulzweigen. In Figur 7 ist eine beispielhafte Momentaufnahme des Verfahrens zum Vorladen der Energiespeicher der Halbbrückenmodule und Vollbrückenmodule des
Multilevelstromrichters 400 dargestellt. Gegenüber der Figur 4 sind in Figur 7 mehr Module dargestellt.
Mittels einer breiten Linie ist ein beispielhafter Vorladestrompfad durch zwei Phasen des Stromrichters markiert. Es ist zu erkennen, dass gezielt Module eingeschaltet (Module 3_1, 3_2, 3_3 und 3_4) und ausgeschaltet (die restlichen Module) werden. Wie viele Halbbrücken- und Vollbrückenmodule jeweils ein- bzw. ausgeschaltet werden, wird durch die Sollwerte Uon,hb und Uon,fb beziehungsweise Uoff,hb, und Uoff,fb vorgegeben.
Die (zwischen der ersten Phase ULI und der zweiten Phase UL2 auftretende) Spannung UL12 des Wechselspannungs- Energieversorgungsnetzes 409 treibt einen Strom, der ausgehend von der ersten Phase ULI des Wechselspannungsnetzes durch den ersten Phasenmodulzweig 11 und den dritten Phasenmodulzweig 18 zurück zur zweiten Phase UL2 des Energieversorgungsnetzes 409 fließt. Dabei sind die einzelnen elektronischen Schaltelemente der Vollbrückenmodule und der Halbbrückenmodule so angesteuert, dass dieser Vorlade-Strom den in Figur 7 mittels der breiten Linie markierten Strompfad durchströmt. Es ist zu erkennen, dass der Strom an den Energiespeichern der Halbbrückenmodule 1_1, 1_2 und 1_3 sowie an den Energiespeichern der Vollbrückenmodule 1_4, 1_5, 1_6,
1_7, 3_7, 3_6 und 3_5 vorbeigeleitet wird. Diese Module werden also derart angesteuert, dass zwischen den beiden Modulanschlüssen dieser Module jeweils die Spannung Null auftritt. Entsprechend ist an diesen Modulen eine AusschaltSpannung Uoff angegeben. Im Unterschied dazu werden das Vollbrückenmodul 3_4 und die drei Halbbrückenmodule 3_3, 3_2 und 3_1 derart angesteuert, dass der Strom durch die Energiespeicher dieser Module fließt und die Energiespeicher weiter auflädt. Entsprechend ist an diesen Modulen eine EinschaltSpannung Uon angegeben. Zu einem folgenden Zeitpunkt (insbesondere in einem nächsten Takt) des Vorladeverfahrens können die einzelnen Halbbrückenmodule und Vollbrückenmodule anders angesteuert werden, so dass der Strom dann auf einem anderen Strompfad durch die Halbbrückenmodule und Vollbrückenmodule fließt und daher die Energiespeicher anderer Module auflädt.
Im Beispiel der Figur 7 sind aus Platzgründen nur wenige Halbbrückenmodule und Vollbrückenmodule dargestellt. Im Allgemeinen werden in einem Multilevelstromrichter mehr Halbbrückenmodule und Vollbrückenmodule vorhanden sein, so dass dann im Allgemeinen gleichzeitig mehr als ein Vollbrückenmodul vorgeladen wird.
Es wurde ein Verfahren und ein Multilevelstromrichter beschrieben, mit denen die Vollbrückenmodule und die Halbbrückenmodule des Multilevelstromrichters zuverlässig vorgeladen werden können. Damit können (in Vorbereitung des Nennbetriebs des Multilevelstromrichters) die Kondensatorspannungen sowohl der Halbbrückenmodule als auch der Vollbrückenmodule auf vorgewählte (definierbare) Werte eingestellt werden.
Durch gezieltes Schalten der Module (d.h. durch gezieltes Ein- und Ausschalten der Halbbrückenmodule beziehungsweise durch gezieltes Ausschalten, Einschalten und Einschalten mit entgegengesetzter Polarität der Vollbrückenmodule) kann dabei erreicht werden, dass die Summe der Modulspannungen der Reihenschaltung eines Phasenmodulzweigs größer ist als die Spannung, die von dem Energieversorgungsnetz zur Verfügung gestellt wird. Dies ist durch sogenanntes netzspannungswinkelabhängiges Schalten der elektronischen Schaltelemente der Module möglich, d.h. die Schaltelemente werden so geschaltet, dass in einen bereits teilweise geladenen Energiespeicher weiter elektrischer Strom fließt und dadurch die Spannung des Energiespeichers weiter ansteigt. Als ein Spezialfall kann erreicht werden, dass zum Ende der zweiten Ladephase (zum Zeitpunkt t2) die Spannung der Halbbrückenmodule und die Spannung der Vollbrückenmodule gleich groß sind (symmetrische Spannungsaufteilung). Die Spannungen können aber auch unterschiedlich große Werte annehmen.
Das beschriebene Verfahren und der beschriebene Stromrichter ermöglichen die aktive Vorladung der Energiespeicher der Module des Multilevelstromrichters auf einen wählbaren/definierbaren Spannungswert, was eine wichtige Voraussetzung für den Betrieb eines solchen Stromrichters ist. Dadurch wird es möglich, den Multilevelstromrichter aktiv vorzuladen, um anschließend den Nennbetrieb (z.B. die Energieübertragung) aufnehmen zu können. Dabei können insbesondere auch Halbbrückenmodule und Vollbrückenmodule verwendet werden, die ihren Eigenbedarf aus dem eigenen Energiespeicher (zum Beispiel aus dem lokalen Kondensator) decken und somit zu Beginn der passiven Vorladung (d.h. zu Beginn der ersten Ladephase 501) nicht (aktiv) angesteuert werden können. Vorteilhafterweise wird für das koordinierte (netzspannungswinkelabhängige) Ansteuern aller sechs Phasenmodulzweige mit den Halbbrückenmodulen und den Vollbrückenmodulen zusätzlich lediglich ein Vorladewiderstand pro Phase benötigt, welcher überbrückbar ist. Zusätzliche leistungselektronische Bauelemente werden nicht benötigt. Damit können die Energiespeicher der Halbbrückenmodule und der Vollbrückenmodule gezielt vorgeladen werden.
Durch gezieltes Schalten der elektronischen Schaltelemente der Vollbrückenmodule wird insbesondere verhindert, dass die Vollbrückenmodule sich in der zweiten Ladephase 502 zu stark weiter aufladen (insbesondere bei negativen Strömen, die durch die Vollbrückenmodule fließen). Bei Strömen in entgegengesetzter Richtung (positiven Strömen) durch die Vollbrückenmodule kann insbesondere über das Verhältnis der geschalteten Spannungen der Vollbrückenmodule und Halbbrückenmodule das Ladeverhältnis der Energiespeicher dieser Vollbrückenmodule und Halbbrückenmodule gezielt eingestellt werden. Durch Einsatz eines solchen Multilevelstromrichters mit Halbbrückenmodulen und Vollbrückenmodulen in jedem Phasenmodulzweig können signifikant Verluste bei der Energieübertragung reduziert werden, weil in den Halbbrückenmodulen insbesondere weniger Schaltverluste auftreten als in den Vollbrückenmodulen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Vorladen von Halbbrückenmodulen und Vollbrückenmodulen eines modularen Multilevelstromrichters (400), wobei der modulare Multilevelstromrichter (400) mindestens einen Phasenmodulzweig (18) mit elektrisch in einer Reihenschaltung geschalteten Halbbrückenmodulen (3_1, 3_2, 3_3) und Vollbrückenmodulen (3_4, 3_5, 3_6, 3_7) aufweist und wobei jedes der Halbbrückenmodule (3_1, 3_2,
3_3) und Vollbrückenmodule (3_4, 3_5, 3_6, 3_7) mindestens einen ersten Modulanschluss (212), einen zweiten Modulanschluss (215, 315), zwei elektronische Schaltelemente (202, 206) und einen elektrischen Energiespeicher (210) aufweist, wobei bei dem Verfahren
- in einer ersten Ladephase (501) nach Verbinden des Multilevelstromrichters (400) mit einem Energieversorgungsnetz (409) bei nicht angesteuerten elektronischen Schaltelementen (202, 206, 302, 306) der Halbbrückenmodule und der Vollbrückenmodule die Energiespeicher (210) der Halbbrückenmodule und der Vollbrückenmodule ungesteuert aufgeladen werden, und
- in einer zweiten Ladephase (502) die elektronischen Schaltelemente (202, 206, 302, 306) zumindest einiger der Vollbrückenmodule (3_5, 3_6, 3_7) derart angesteuert werden, dass die Halbbrückenmodule (3_1, 3_2, 3_3) weiter aufgeladen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- die Anzahl der Halbbrückenmodule (3_1, 3_2, 3_3) und der Vollbrückenmodule (3_4, 3_5, 3_6, 3_7) der Reihenschaltung so gewählt ist, dass in der ersten Ladephase (501) die Energiespeicher der Vollbrückenmodule soweit aufgeladen werden, dass am Ende der ersten Ladephase (501) die Spannung der Energiespeicher (210) der Vollbrückenmodule (3_4, 3_5, 3_6, 3_7) ausreichend hoch ist zur internen Spannungsversorgung der Vollbrückenmodule (3_4, 3_5, 3_6,
3_7).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- in der zweiten Ladephase (502) die elektronischen Schaltelemente (202, 206, 302, 306) zumindest einiger der Vollbrückenmodule (3_5, 3_6, 3_7) derart angesteuert werden, dass der durch diese Vollbrückenmodule (3_5, 3_6, 3_7) fließende Strom im Wesentlichen an dem jeweiligen Energiespeicher (210) dieser Vollbrückenmodule vorbeigeleitet wird und dadurch zwischen dem ersten und dem zweiten Modulanschluss (212, 315) dieser Vollbrückenmodule (3_5, 3_6, 3_7) im Wesentlichen die Spannung Null auftritt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- in der zweiten Ladephase (502) die elektronischen Schaltelemente (202, 206) der Halbbrückenmodule (3_1, 3_2, 3_3) unangesteuert bleiben.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- in der zweiten Ladephase (502) die Energiespeicher (210) der Halbbrückenmodule (3_1, 3_2, 3_3) solange aufgeladen werden, bis die Energiespeicher der Halbbrückenmodule (3_1, 3_2, 3_3) eine erste vorgewählte Spannung (Ul) aufweisen.
6. Verfahren 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
- die erste vorgewählte Spannung (Ul) so gewählt ist, dass diese erste vorgewählte Spannung (Ul) ausreichend hoch ist zur internen Spannungsversorgung der Halbbrückenmodule (3_1, 3_2, 3_3).
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass - in einer dritten Ladephase (503) die elektronischen Schaltelemente der Halbbrückenmodule (3_1, 3_2, 3_3) und die elektronischen Schaltelemente der Vollbrückenmodule (3_4,
3_5, 3_6, 3_7) derart angesteuert werden, dass sowohl die Energiespeicher (210) der Halbbrückenmodule (3_1, 3_2, 3_3) als auch die Energiespeicher der Vollbrückenmodule (3_4, 3_5, 3_6, 3_7) weiter aufgeladen werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- in der dritten Ladephase (503) die elektronischen Schaltelemente (202, 206) der Halbbrückenmodule (3_1, 3_2, 3_3) und die elektronischen Schaltelemente (202, 206, 302, 306) der Vollbrückenmodule (3_4, 3_5, 3_6, 3_7) solange weiter aufgeladen werden, bis die Energiespeicher der Halbbrückenmodule (3_1, 3_2, 3_3) eine zweite vorgewählte Spannung (Usoll,hb) aufweisen und die Energiespeicher der Vollbrückenmodule (3_4, 3_5, 3_6, 3_7) eine dritte vorgewählte Spannung (Usoll,fb) aufweisen.
9. Verfahren 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 zweite vorgewählte Spannung der Nennspannung (Usoll,hb) der Halbbrückenmodule entspricht und/oder und die dritte vorgewählte Spannung der Nennspannung (Usoll,fb) der Vollbrückenmodule entspricht.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- die Energiespeicher (210) über einen Vorladewiderstand (406) aufgeladen werden, der insbesondere zwischen dem Energieversorgungsnetz (409) und dem Multilevelstromrichter (400) angeordnet ist.
11. Verfahren 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
- nach Abschluss der dritten Ladephase (503) der Vorladewiderstand (406) elektrisch überbrückt (412) wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- die Halbbrückenmodule (200) jeweils die zwei elektronischen Schaltelemente (202, 206) in einer Halbbrückenschaltung aufweisen.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- die Vollbrückenmodule (300) jeweils die zwei elektronischen Schaltelemente (202, 206) und zwei weitere elektronische Schaltelemente (302, 306) in einer Vollbrückenschaltung aufweisen.
14. Modularer Multilevelstromrichter (400) mit mindestens einem Phasenmodulzweig (18), der eine Reihenschaltung aus Halbbrückenmodulen (3_1, 3_2, 3_3) und Vollbrückenmodulen (3_4, 3_5, 3_6, 3_7) aufweist, wobei jedes der Halbbrückenmodule (3_1, 3_2, 3_3) und Vollbrückenmodule (3_4, 3_5, 3_6, 3_7) mindestens einen ersten Modulanschluss (212), einen zweiten Modulanschluss (215, 315) , zwei elektronische
Schaltelemente (202, 206) und einen elektrischen Energiespeicher (210) aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Multilevelstromrichter ausgestaltet ist zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
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