EP4018540A1 - Stromrichteranordnung mit tragestruktur - Google Patents

Stromrichteranordnung mit tragestruktur

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EP4018540A1 EP19786455.6A EP19786455A EP4018540A1 EP 4018540 A1 EP4018540 A1 EP 4018540A1 EP 19786455 A EP19786455 A EP 19786455A EP 4018540 A1 EP4018540 A1 EP 4018540A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stromrichteranordnung (1) mit einem modularen Mehrstufenstromrichter (MMC), der eine Reihenschaltung von Schaltmodulen (5-12) umfasst, die jeweils mehrere Halbleiterschalter und wenigstens einen Energiespeicher aufweisen, wobei einige der Schaltmodule Schaltmodule eines ersten Typs (5-8) und einige andere der Schaltmodule Schaltmodule eines zweiten Typs (9-12) sind, wobei im Betrieb der Stromrichteranordnung an Anschlussklemmen der Schaltmodule des ersten Typs jeweils eine positive Schaltmodulspannung, eine negative Schaltmodulspannung oder eine Nullspannung erzeugbar sind, und an Anschlussklemmen der Schaltmodule des zweiten Typs jeweils eine positive Schaltmodulspannung oder eine Nullspannung erzeugbar sind. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Stromrichteranordnung ferner eine Tragestruktur (30) mit mehreren Etagen (31-34) umfasst, die jeweils Aufnahmen (35) aufweisen, in denen die Schaltmodule angeordnet sind, wobei in jeder Etage der Tragestruktur sowohl Schaltmodule des ersten als auch des zweiten Typs angeordnet sind.

Description

Stromrichteranordnung mit Tragestruktur
Die Erfindung betrifft eine Stromrichteranordnung mit einem modularen Mehrstufenstromrichter (MMC), der eine Reihenschal tung von Schaltmodulen umfasst, die jeweils mehrere Halb leiterschalter und wenigstens einen Energiespeicher aufwei sen, wobei einige der Schaltmodule Schaltmodule eines ersten Typs und einige andere der Schaltmodule Schaltmodule eines zweiten Typs sind, wobei im Betrieb der Stromrichteranordnung an Anschlussklemmen der Schaltmodule des ersten Typs jeweils eine positive Schaltmodulspannung, eine negative Schaltmodul spannung oder eine Nullspannung erzeugbar ist, und an An schlussklemmen der Schaltmodule des zweiten Typs jeweils eine positive Schaltmodulspannung oder eine Nullspannung erzeugbar ist.
Eine solche Stromrichteranordnung ist aus der WO 2012/103936 Al bekannt. Der MMC der bekannten Stromrichteranordnung ist dreiphasig ausgebildet und umfasst entsprechend drei Phasen- module, die sich zwischen einem ersten und einem zweiten Gleichspannungspol erstrecken. Jedes Phasenmodul weist einen Wechselspannungsanschluss zum Verbinden mit einer Phasenlei tung eines Wechselspannungsnetzes auf, so dass zwischen dem Wechselspannungsanschluss und den beiden Gleichspannungspolen sich jeweils ein Stromrichterarm erstreckt. In jedem der Stromrichterarme ist eine Reihenschaltung der Schaltmodule angeordnet. Jede der Reihenschaltungen umfasst Schaltmodule beider Typen. Der Vorteil der bekannten Stromrichteranordnung liegt darin, dass mittels der Schaltmodule des ersten Typs in einem Fehlerfall eine Gegenspannung aufgebaut werden kann, so dass ein Fehlerstrom schneller reduzierbar ist. Die Verwen dung beider Typen der Schaltmodule hat gegenüber einem Strom richter mit ausschließlich Schaltmodulen des ersten Typs wie derum den Vorteil der geringeren Betriebs- und Schaltverlus te. Die Aufgabe der Erfindung ist eine weitere Verbesserung der eingangs genannten Stromrichteranordnung im Hinblick auf de ren Fehlersicherheit und Zuverlässigkeit.
Die Aufgabe wird bei einer artgemäßen Stromrichteranordnung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Stromrichteranord nung ferner eine Tragestruktur mit mehreren Etagen umfasst, die jeweils Aufnahmen aufweisen, in denen die Schaltmodule angeordnet sind, wobei in jeder Etage der Tragestruktur so wohl Schaltmodule des ersten als auch des zweiten Typs ange ordnet sind. Die Anordnung der Schaltmodule in der Tra gestruktur erlaubt die Zuweisung einer definierten Position für jedes Schaltmodul sowie eine feste vorbestimmte Isolati on. Ferner vereinfacht eine solche Anordnung die Wartung des MMC. Jede Etage der Tragestruktur, die oftmals in Form eines Turms ausgebildet ist, umfasst Stützvorrichtungen. Die Schaltmodule können sich beispielsweise auf darunter liegen den Stützvorrichtungen abstützen oder an darüberliegenden Stützvorrichtungen hängend angeordnet sein. Die Anzahl der Schaltmodule in einer Etage, also in einer im Wesentlichen horizontalen Ebene bezogen auf eine Vertikale der Tragestruk tur, kann je nach Anwendung zum Beispiel zwischen 5 und 50 betragen.
Aufgrund der Anordnung der Schaltmodule in den Etagen der Tragestruktur kann zwischen mehreren Etagen ein Kurzschluss auftreten, der auch als Etagenüberschlag bezeichnet wird. Die Schaltmodule in der Tragestruktur sind miteinander in einer Reihenschaltung verbunden, so dass bei einer hohen Anzahl der Schaltmodule zwischen den Etagen im Betrieb der Stromrichter anordnung ein hoher Potenzialunterschied vorliegen kann, der zu dem Etagenüberschlag führen kann. Bei diesem Fehler kann ein sehr hoher Strom durch die Schaltmodule der betreffenden Etagen fließen, der die Schaltmodule beschädigen kann. Geeig neterweise verfügt die Stromrichteranordnung zwar über einen Stromrichterschutz, der bei Erkennung eines solchen Fehlers eine Sperrung des MMC bzw. aller Halbleiterschalter des MMC veranlasst. Dies unterbricht jedoch nachteilig dessen Be trieb. Aufgrund der Anordnung der Schaltmodule beider Typen kann hingegen vorteilhaft erreicht werden, dass der sehr hohe Fehlerstrom durch die Schaltmodule verhindert oder zumindest reduziert wird. Die Schaltmodule des ersten Typs sind geeig neterweise derart ausgebildet, dass der Fehlerstrom durch ei nes der Schaltmodule des ersten Typs über dessen Energiespei cher fließt, und zwar so, dass die Polarität des Energiespei chers dem Fehlerstrom entgegenwirkt. Damit wirkt die Energie speicherspannung der Schaltmodule des ersten Typs als Gegen spannung der den Fehlerstrom treibenden Spannung entgegen und begrenzt den Fehler- bzw. Kurzschlussstrom. Ein Schaden an den Schaltmodulen kann vorteilhaft verhindert werden. Eine Sperrung des Stromrichters durch den Stromrichterschutz wird weniger wahrscheinlich, so dass die Zuverlässigkeit und Ver fügbarkeit der Stromrichteranordnung vorteilhaft erhöht ist.
Bevorzugt ist in jeder Etage die Anzahl der Schaltmodule der ersten und des zweiten Typs derart bemessen, dass mittels der Schaltmodule des ersten Typs eine erste Etagenspannung er zeugbar ist, die mindestens einer zweiten Etagenspannung ent spricht, die mittels der Schaltmodule des zweiten Typs er zeugbar ist. Die erzeugbare Etagenspannung hängt insbesondere von der Energiespeicherspannung an den Energiespeichern der Schaltmodule. Beispielsweise davon ausgehend, dass in allen Schaltmodulen gleiche Energiespeicher verbaut sind, so ent spricht vorzugsweise die Anzahl der Schaltmodule des ersten Typs der Anzahl der Schaltmodule des zweiten Typs. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass die den Kurzschluss treibende Spannung durch die mittels der Schaltmodule des ersten Typs aufgebauten Gegenspannung zumindest egalisiert werden kann.
Vorzugsweise sind in jeder Etage die Schaltmodule des ersten Typs abwechselnd mit den Schaltmodulen des zweiten Typs ange ordnet. Damit grenzt jedes Schaltmodul des zweiten Typs an wenigstens ein Schaltmodul des ersten Typs innerhalb dersel- ben Etage. Auf diese Weise kann die Wahrscheinlichkeit der Beschädigung der Schaltmodule weiter gesenkt werden.
Es wird als vorteilhaft angesehen, wenn die Schaltmodule des ersten Typs Vollbrückenschaltmodule sind. In einem Vollbrü- ckenschaltmodul ist eine erste Reihenschaltung von abschalt baren Halbleiterschaltern mit gleicher Durchlassrichtung vor gesehen, eine zweite Reihenschaltung von abschaltbaren Halb leiterschaltern mit ebenfalls gleicher Durchlassrichtung vor gesehen, wobei jedem der Halbleiterschalter eine eigene Frei laufdiode antiparallel geschaltet ist, sowie ein Energiespei cher vorgesehen, der in einem Energiespeicherzweig angeordnet ist, der den beiden Reihenschaltungen der Halbleiterschalter parallel geschaltet ist. Die Anschlussklemmen des Vollbrü- ckenschaltmoduls sind jeweils an einem Potenzialpunkt zwi schen zwei Halbleiterschaltern der Reihenschaltungen angeord net. Das Vollbrückenschaltmodul weist vorteilhafterweise ei nen relativ einfachen Aufbau und zugleich die geforderte Funktionalität auf.
Bevorzugt sind die Schaltmodule des zweiten Typs Halbbrücken- schaltmodule. Das Halbbrückenschaltmodul umfasst einen ersten und einen zweiten Anschluss sowie einen sich zwischen den An schlüssen erstreckenden Brückenzweig, in dem ein erster ab schaltbarer Halbleiterschalter angeordnet ist, dem eine Frei laufdiode antiparallel geschaltet ist. Ferner umfasst das Schaltmodul einen sich zwischen den Anschlüssen und parallel zum Brückenzweig erstreckenden Energiespeicherzweig, in dem eine Reihenschaltung aus einem zweiten abschaltbaren unidi- rektional steuerbar sperrfähigen Halbleiterschalter, dem eine weitere Freilaufdiode parallel geschaltet ist, und ein Ener giespeicher angeordnet sind. Das Halbbrückenschaltmodul zeichnet sich durch relativ niedrige Betriebsverluste aus.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Strom richteranordnung ferner eine Erkennungseinrichtung zum Erken nen eines Etagenüberschlages auf. Mittels der Erkennungsein- richtung kann eine zentrale Stromrichtersteuerung die Infor mation über den Etagenüberschlag erhalten und notfalls geeig nete Maßnahmen, wie die Auslösung des Stromrichterschutzes einleiten.
Zweckmäßigerweise kann die Erkennungseinrichtung eine Kollek tor-Emitter-Spannung an wenigstens einem der Halbleiterschal ter der Schaltmodule überwachen. Mittels einer solchen Über wachung kann ein Kurzschluss am betreffenden Schaltmodul zu verlässig erkannt werden. Insbesondere kann ein Fehlerfall zuverlässig als erkannt bestimmt werden, falls die Kollektor- Emitter-Spannung einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht oder übersteigt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der modulare Mehrstufenstromrichter dreiphasig ausgebildet und die drei Phasen bzw. Phasenmodule des modularen Mehrstufenstromrich ters in separaten Tragestrukturen angeordnet sind. Die Isola tionsstrecken zwischen den separaten Tragestrukturen bzw. Türmen können entsprechend weit gewählt werden. Dadurch kann vorteilhaft ein Kurzschluss zwischen den drei Phasen des MMC vermieden werden. Innerhalb jeder Tragestruktur sind geeigne terweise in jeder Etage wiederum wie zuvor beschrieben die Schaltmodule beider Typen angeordnet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Figur dar gestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemä ßen Stromrichteranordnung in einer schematischen Darstellung.
In der Figur ist ein Ausschnitt einer Stromrichteranordnung 1 dargestellt, der einen von sechs Stromrichterarmen eines mo dularen Mehrstufenstromrichters (MMC) zeigt. Der in der Figur dargestellte Stromrichterarm 2 erstreckt sich zwischen einem ersten Gleichspannungspol 3 und einem Wechselspannungsan schluss 4 der Stromrichteranordnung 1 bzw. des MMC. Der Stromrichterarm 2 umfasst eine Reihenschaltung von Schaltmodulen 5-12. Einige der Schaltmodule 5-12 sind Schalt- module eines ersten Typs 5-8, einige andere Schaltmodule ei nes zweiten Typs 9-12. Die Schaltmodule des ersten Typs 5-8 sind als Vollbrückenschaltmodule ausgebildet. Die Schaltmodu le des zweiten Typs 9-12 sind als Halbbrückenschaltmodule ausgebildet.
Der Aufbau der Schaltmodule des ersten Typs 5-8 wird im Fol genden anhand eines ersten Schaltmoduls 5 beschrieben. Das erste Schaltmodul 5 umfasst einen ersten Halbleiterzweig 13, in dem eine erste Reihenschaltung zweier Halbleiterschalter 14, 15 in Form von IGBTs (denkbar sind generell auch andere Halbleiterschalter wie beispielsweise IGCTs oder MOSFET) an geordnet ist. Das erste Schaltmodul 5 umfasst ferner einen zweiten Halbleiterzweig 16, in dem eine zweite Reihenschal tung zweier Halbleiterschalter 17, 18 in Form von IGBTs ange ordnet ist. Parallel zu den beiden Halbleiterzweigen 13, 16 ist ein Energiespeicherzweig 19 mit einem Energiespeicher C in Form eines Kondensators angeordnet. Zwei Anschlüsse XI, X2 des Schaltmoduls 5 sind jeweils zwischen den Halbleiterschal tern 14, 15 bzw. 17, 18 der Reihenschaltungen angeordnet. Je dem der Halbleiterschalter 14, 15, 17, 18 ist eine Freilauf diode F antiparallel geschaltet. Im figürlich dargestellten Ausführungsbeispiel sind alle Schaltmodule des ersten Typs 5- 8 gleichartig ausgebildet, was im Allgemeinen jedoch nicht der Fall sein muss.
Der Aufbau der Schaltmodule des zweiten Typs 9-12 wird nach folgend anhand eines zweiten Schaltmoduls 9 beschrieben. Das Halbbrückenschaltmodul 9 umfasst einen ersten und einen zwei ten Anschluss X3, X4 sowie einen sich zwischen den Anschlüs sen X3, X4 erstreckenden Brückenzweig 20, in dem ein erster abschaltbarer Halbleiterschalter 21 angeordnet ist, dem eine Freilaufdiode F antiparallel geschaltet ist. Ferner umfasst das zweite Schaltmodul 9 einen sich zwischen den Anschlüssen X3, X4 und parallel zum Brückenzweig 20 erstreckenden Ener giespeicherzweig 22, in dem eine Reihenschaltung aus einem zweiten abschaltbaren Halbleiterschalter 23, dem eine weitere Freilaufdiode F parallel geschaltet ist, und ein Energiespei cher C in Form eines Kondensators angeordnet sind. Im figür lich dargestellten Ausführungsbeispiel sind alle Schaltmodule des zweiten Typs 9-12 gleichartig ausgebildet, was im Allge meinen jedoch nicht der Fall sein muss. Zum Schutz des Halb- brückenschaltmoduls 9 ist zwischen dessen Anschlüssen X3, X4 ein Schutzschalter Thyl in Form eines Schutzthyristors vorge sehen, der im Fehlerfall gezündet werden kann.
Eine Erkennungseinrichtung 29 ist dazu vorgesehen, einen Feh ler in der Anordnung mittels einer Überwachung einer Kollek tor-Emitter-Spannung an einem zugeordneten Halbleiterschalter festzustellen. Die Information darüber wird an eine zentrale, figürlich nicht dargestellte Steuerungseinrichtung übermit telt. Aus Übersichtlichkeitsgründen wurde figürlich nur eine Erkennungseinrichtung dargestellt, wobei eine solche an jedem der Halbleiterschalter aller Schaltmodule 5-12 vorgesehen sein kann.
Die Stromrichteranordnung 1 umfasst ferner eine Tragestruktur 30, in der die Schaltmodule 5-12 des Stromrichterarms 2 ange ordnet sind. Die Tragestruktur 30 stützt sich im dargestell ten Beispiel am Boden ab und ist in ihrer Vertikalen V in einzelne Etagen 31-34 unterteilt. Jede Etage 31-34 weist wie derum Aufnahmen 35-1 bis 35-8 auf, die zur Aufnahme einzelner Schaltmodule 5-12 eingerichtet sind. Es ist dabei anzumerken, dass die Anzahl der Etagen sowie die Anzahl der Aufnahmen in jeder Etage grundsätzlich beliebig und an die jeweilige An wendung angepasst sein kann. Die in der Figur dargestellte Anzahl von zwei Schaltmodulen pro Etage dient lediglich der Veranschaulichung. Es ist erkennbar, dass in jeder Etage 31- 34 sowohl Schaltmodule des ersten Typs (Vollbrückenschaltmo- dule) 5-8 als auch Schaltmodule des zweiten Typs (Halbbrü- ckenschaltmodule) 9-12 untergebracht sind. Im Betrieb der Stromrichteranordnung 1 liegt der erste Gleichspannungspol 3 im Allgemeinen auf einem anderen elektrischen Potenzial als der Wechselspannungsanschluss 4, so dass zwischen den beiden Potenzialpunkten eine erhebliche Hochspannung von mehreren Hundert Volt anliegen kann. Die Stromrichtung des Stromes durch den Stromrichterarm 2 ist in der Figur mittels der Pfeile iconv angedeutet. Aufgrund des Potenzialunterschiedes zwischen den Etagen 31-34 zu einem Etagenüberschlag kommen. In der Figur ist mittels eines Kurz schlusszeichens 36 ein Kurzschluss zwischen einer ersten Eta ge 31 und einer zweiten Etage 32 der Tragestruktur 30 ange deutet. In einem solchen Fehlerfall bildet sich ein Kurz schlussstrom Ikurzschluss von zeitweise mehr als 10 kA aus, dessen Richtung entsprechend aus der Figur erkennbar ist. Der Kurzschlussstrom wird durch die Energiespeicherspannung der Halbbrückenschaltmodule getrieben. In den Halbbrückenschalt modulen 9 und 10 fließt der Kurzschlussstrom ungehindert über die Freilaufdioden im Brückenzweig 20. Im ersten Schaltmodul 5 hingegen fließt der Kurzschlussstrom über die den Halb leiterschaltern 15 und 17 antiparallel geschalteten Freilauf dioden F sowie über den Energiespeicher C des ersten Schalt moduls 5. Aufgrund der gegebenen Polarität der Energiespei cherspannung Uc stellt diese eine der den Kurzschluss trei benden Spannung entgegenstehende Gegenspannung dar. Durch diese Gegenspannung wird der Kurzschlussstrom begrenzt und somit die Gefahr einer Beschädigung der betroffenen Schaltmo- dule vermieden.

Claims

Patentansprüche
1. Stromrichteranordnung (1) mit
- einem modularen Mehrstufenstromrichter (2), der eine Rei henschaltung von Schaltmodulen (5-12) umfasst, die jeweils mehrere Halbleiterschalter (14,15,17,18,21,23) und wenigstens einen Energiespeicher (C) aufweisen, wobei einige der Schalt- module Schaltmodule eines ersten Typs (5-8) und einige andere der Schaltmodule Schaltmodule eines zweiten Typs (9-12) sind, wobei im Betrieb der Stromrichteranordnung an Anschlussklem men (XI,X2) der Schaltmodule des ersten Typs (5-8) jeweils eine positive Schaltmodulspannung, eine negative Schaltmodul spannung oder eine Nullspannung erzeugbar ist, und an An schlussklemmen (X3,X4) der Schaltmodule des zweiten Typs (9- 12) jeweils eine positive Schaltmodulspannung oder eine Nullspannung erzeugbar ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Stromrichteranordnung (1) ferner eine Tragestruktur (30) mit mehreren Etagen (31-34) umfasst, die jeweils Aufnahmen (35-1, ...,35-8) aufweisen, in denen die Schaltmodule (5-12) angeordnet sind, wobei in jeder Etage der Tragestruktur so wohl Schaltmodule des ersten als auch des zweiten Typs (5-8, 9-12) angeordnet sind.
2. Stromrichteranordnung (1) nach Anspruch 1, wobei in jeder Etage (31-34) die Anzahl der Schaltmodule des ersten und des zweiten Typs (5-8, 9-12) derart bemessen ist, dass mittels der Schaltmodule des ersten Typs (5-8) eine erste Etagenspan nung erzeugbar ist, die mindestens einer zweiten Etagenspan nung entspricht, die mittels der Schaltmodule des zweiten Typs (9-12) erzeugbar ist.
3. Stromrichteranordnung (1) nach einem der vorangehenden An sprüche, wobei in jeder Etage (31-34) die Schaltmodule des ersten Typs (5-8) abwechselnd mit den Schaltmodulen des zwei ten Typs (9-12) angeordnet sind.
4. Stromrichteranordnung (1) nach einem der vorangehenden An sprüche, wobei die Schaltmodule des ersten Typs (5-8) Voll- brückenschaltmodule sind.
5. Stromrichteranordnung (1) nach einem der vorangehenden An sprüche, wobei die Schaltmodule des zweiten Typs (9-12) Halb- brückenschaltmodule sind.
6. Stromrichteranordnung (1) nach einem der vorangehenden An sprüche, wobei die Stromrichteranordnung (1) ferner eine Er kennungseinrichtung (29) zum Erkennen eines Etagenüberschla ges aufweist.
7. Stromrichteranordnung (1) nach Anspruch 6, wobei die Er kennungseinrichtung (29) eine Kollektor-Emitter-Spannung an wenigstens einem der Halbleiterschalter der Schaltmodule (5- 12) überwacht.
8. Stromrichteranordnung (1) nach Anspruch 7, wobei ein Feh lerfall erkannt wird, falls die Kollektor-Emitter-Spannung einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht oder übersteigt.
9. Stromrichteranordnung (1) nach einem der vorangehenden An sprüche, wobei der modulare Mehrstufenstromrichter dreiphasig ausgebildet ist und die drei Phasen des modularen Mehrstufen stromrichters in separaten Tragestrukturen angeordnet sind.
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