EP4128468A1 - Vorrichtung und verfahren zum stabilisieren eines wechselspannungsnetzes - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum stabilisieren eines wechselspannungsnetzes

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EP4128468A1
EP4128468A1 EP20732111.8A EP20732111A EP4128468A1 EP 4128468 A1 EP4128468 A1 EP 4128468A1 EP 20732111 A EP20732111 A EP 20732111A EP 4128468 A1 EP4128468 A1 EP 4128468A1
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EP
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load
energy storage
converter
voltage
storage arrangement
Prior art date
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Pending
Application number
EP20732111.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Pieschel
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
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    • H02J3/38—Arrangements for feeding a single network from two or more generators or sources in parallel; Arrangements for feeding already energised networks from additional generators or sources in parallel
    • H02J3/381—Dispersed generators

Definitions

  • the invention relates to a device for stabilizing egg nes AC voltage network with a converter with an AC voltage side for connecting to the AC voltage network and a DC voltage side with two DC voltage poles and with an energy storage arrangement, the DC voltage side of the converter is connected between the DC voltage poles.
  • the stabilizing effect of the device is based in particular on the fact that the device is set up to exchange active and reactive power with the AC voltage network. Controllable intermediate storage of energy is becoming increasingly important, especially in connection with the generation of energy from renewable sources.
  • the energy storage arrangement usually comprises short-term energy storage devices (generally capacitive energy storage devices). This means that the device can be used for rapid frequency support, e.g. when shedding loads with a high output or generating generators.
  • the network frequency can be kept within a range specified by the network operator by means of the device. If the grid frequency leaves the permissible range, there is a risk of a chain reaction by switching off other feeding inverters (such as the inverters of photovoltaic systems). Ultimately, this can lead to a power failure.
  • a corresponding device is known from WO 2020/007464 A1.
  • the known device comprises a power converter which is a modular multi-stage converter in a double-star configuration.
  • Energy storage branches connected in parallel are connected between the DC voltage-side poles of the converter arranged with voltage converter modules and energy storage modules.
  • the object of the invention is to provide a type-appropriate device which is as effective and reliable as possible in operation.
  • the object is achieved with a type-appropriate device according to the invention by a controlled load for active power absorption or active power consumption, which is arranged in a series or in a parallel circuit to the energy storage arrangement.
  • the load includes, for example, a consumption unit through which current can flow in a controlled manner.
  • the load can absorb power and convert it into heat.
  • the device according to the invention can take active power from the network longer than the known devices without necessarily having to increase the energy content of the energy storage arrangement.
  • the device according to the invention it is thus possible in particular to avoid the disadvantage that, in order to increase the capacity of the energy storage arrangement, it must be equipped with more energy storage units.
  • This allows, thanks to the device according to the invention, to avoid the disadvantage of an increased space requirement.
  • the availability of the device can be improved in this way, since the failure rate of the components increases accordingly with their number.
  • the load can both absorb the active power instead of the energy storage arrangement and also delay loading of the energy storage arrangement through corresponding partial active power consumption.
  • the load can be used to discharge the energy storage arrangement more quickly when the converter is shut down.
  • the load preferably comprises at least one resistance element, for example a passive resistance element, for example a dry resistor or a high-performance resistor known to the person skilled in the art.
  • a passive resistance element for example a dry resistor or a high-performance resistor known to the person skilled in the art.
  • the resistance element is connected to the energy storage arrangement as a separate component. By means of the resistance element, power can be converted into heat. The resulting waste heat can, for example, be given off against ambient air or in a cooling water circuit, for example a cooling water circuit of the converter.
  • the load can comprise a plurality of resistance elements which are connected to one another in any circuit topologies, in particular a series and / or parallel circuit.
  • the load is connected in series with the energy storage arrangement, the resistance element (or, for example, a series connection of resistance elements) at least one diode being connected in parallel.
  • the forward direction of the diode is selected in such a way that it is ensured that the load is not effective when active power is output by the device (i.e. no current flows through the resistance element). With the use of the diode, the current through the load (and thus the load itself) is controlled.
  • the arrangement of the load in series with the energy storage arrangement has the particular advantage that the load in this case can have a lower insulation capacity than a load connected in parallel to the energy storage arrangement.
  • the load is preferably connected in series with the energy storage arrangement, a bypass switch being connected in parallel to the resistance element, by means of which the at least one resistance element (or an interconnection of resistance elements) can be bypassed. By means of a suitable control of the bridging switch, the load or the resistance element can be switched on or bridged in order to develop its effect accordingly.
  • the load comprises a braking unit, that is to say a controllable device for converting electrical energy into heat.
  • the braking unit preferably has a series connection of braking unit modules.
  • a braking unit module comprises, for example, a braking unit power module with passive or controllable, preferably switchable, semiconductor switches and with a DC voltage intermediate circuit to which a braking unit capacitor module with a capacitance is connected.
  • This variant of the braking unit is particularly flexible and effective, since a number of braking unit modules adapted to the specific application can be switched to active or inactive at a given time.
  • the braking actuator modules can suitably be controlled in such a way that the energy storage arrangement is charged with a constant current. For this purpose, the converter can output its maximum DC voltage.
  • the load forms a series circuit with a switching unit, which is connected in parallel to the energy storage arrangement.
  • the load can be switched on or off by means of the switching unit, where it can be controlled.
  • the load comprises a first load branch and a second load branch, which are arranged in a parallel connection to one another, the first load branch having at least one controllable resistance element and the second load branch comprise a further controllable resistance element or a braking device.
  • the load can be used particularly effectively.
  • the load branch with the resistance elements can be used to absorb large amounts of power.
  • the load branch with the braking unit can absorb smaller amounts of active power.
  • the resistance element can be controlled by means of a semiconductor switch or a mechanical switch in series with the resistance element (or, if a circuit is provided with several resistance elements, in parallel with this circuit).
  • the semiconductor switch can, for example, be a switchable semiconductor switch (e.g. an IGBT, IGCT, IEGT, MOSFET or the like).
  • a freewheeling diode can be connected in anti-parallel to the semiconductor switch.
  • the energy storage arrangement suitably comprises a plurality of series connections with energy storage units connected in parallel.
  • the device is scalable with regard to its capacity of the energy storage arrangement.
  • low-voltage storage units can be used in the energy storage arrangement.
  • the converter is preferably a modular multi-stage converter (MMC) in a double star arrangement.
  • MMC modular multi-stage converter
  • the MMC has particular advantages with regard to the effectiveness and reliability of the exchange of active and reactive power with the AC voltage network.
  • the MMC is characterized by power converter arms, each of which has a series connection of switching modules.
  • Each switching module comprises semiconductor switches that can be switched off and a module energy storage device.
  • at least one switching module voltage can be generated at the connections of the switching module, which corresponds to an energy storage voltage of positive polarity or a zero voltage in the case of bipolar switching modules also negative.
  • the invention also relates to a method for operating a device for stabilizing an AC voltage network with a converter with an AC voltage side for connecting to the AC voltage network and a DC voltage side with two DC voltage poles, an energy storage arrangement that is connected on the DC side of the Stromrich age between the DC voltage poles.
  • the object of the invention is to provide such a method which enables the most effective and inexpensive possible stabilization of the AC voltage network.
  • the object is achieved in a method according to the type in that a controlled load for active power absorption or active power consumption is provided, which is arranged in a series or parallel connection to the energy storage arrangement, active power is taken from the AC voltage network and stored by means of the energy storage arrangement, with active power consumption is delayed or slowed down for the controlled load.
  • the device can take up real power from the network for a longer period of time without an expensive increase in a take-up capacity of the energy storage arrangement. This improves the effectiveness of network stabilization. Further advantages result from those that have already been discussed in connection with the device according to the invention.
  • Figure 1 shows a first embodiment of an inventive device in a schematic representation
  • FIG. 2 shows a section of the device of FIG. 1 in a schematic representation
  • FIG. 3 shows an example of a converter arm for a converter of the device of FIGS. 1 and 2 in a schematic representation
  • FIG. 4 shows a switching module for the converter of the device of FIGS. 1 and 2 in a schematic representation
  • FIG. 5 shows a first section of the switching module of FIG. 4 in a schematic representation
  • FIG. 6 shows a second section of the switching module of FIG. 5 in a schematic representation
  • FIG. 7 shows a first example of a load for the device of FIG. 1 in a schematic representation
  • FIG. 8 shows a second example of a load for the device in FIG. 1 in a schematic representation
  • FIG. 9 shows a third example of a load for the device in FIG. 1 in a schematic representation
  • FIG. 10 shows a fourth example of a load for the device of FIG. 1 in a schematic representation
  • FIG. 11 shows a fifth example of a load for the device of FIG. 1 in a schematic representation
  • FIG. 12 shows a first section of the load from FIGS. 7 to 11 in a schematic representation
  • FIG. 13 shows a second section of the load from FIGS. 7 to 11 in a schematic representation
  • FIG. 14 shows an example of a braking device in a schematic representation
  • FIG. 15 shows a braking unit module for the braking unit of FIG. 14 in a schematic representation
  • FIG. 16 shows a first example of a brake actuator power module in a schematic representation
  • FIG. 17 shows a second example of a braking unit power module in a schematic representation
  • FIG. 18 shows a braking unit capacitor module in a schematic representation
  • FIG. 19 shows a second exemplary embodiment of a device according to the invention in a schematic representation
  • FIG. 20 shows a section of the device of FIG. 19 in a schematic representation
  • FIG. 21 shows an example of a converter arm for a converter of the device of FIG. 19 in a schematic representation
  • FIG. 22 shows a first example of a load for the device of FIG. 19 in a schematic representation
  • FIG. 23 shows a second example of a load for the device of FIG. 19 in a schematic representation
  • FIG. 24 shows a braking device for the device of FIG. 19 in a schematic representation
  • FIG. 25 shows a flow chart of a method according to the invention.
  • FIG. 1 is a device 7 for stabilizing an AC voltage network 1.
  • the device 7 comprises an arrangement 2 with a converter and an energy storage system which is connected to the AC voltage network 1 by means of a connection transformer 6.
  • the structure of the arrangement 2 is discussed in more detail in the following FIG. 2.
  • the device 7 further comprises a central regulating or control device 5 a current measuring device 3.
  • the control device 5 is set up to regulate an exchange of active and reactive power between the system 2 and the AC voltage network, taking into account the measured and setpoint values.
  • identical and similar elements are provided with the same reference symbols in all figures.
  • FIG. 2 shows a section of the device 7 from FIG. 1 with the arrangement 2.
  • Figure 2 shows a converter 9, which is a modular multi-stage converter (MMC) in a double star configuration.
  • the converter 9 comprises six converter arms 10. Three of the converter arms 10 are connected to one another in a first star connection with a first star point or DC voltage pole P. Another three of the converter arms 10 are connected to one another in a second star point circuit with a second star point or DC voltage pole N. Each of the converter arms he stretch between one of three AC voltage connections L1-L3 and one of the two DC voltage poles P, N.
  • the structure of the converter arms 10 is discussed in more detail in FIG. 3 below.
  • the alternating voltage connections L1-L3 form an alternating voltage side 9ac of the converter 9 for connection to the alternating voltage network 1.
  • the direct voltage poles P, N form a direct voltage side 9dc of the converter 9 for connecting to an energy storage arrangement E.
  • the energy storage arrangement E comprises one or more series connections of energy storage modules EM, which can be arranged in parallel to one another.
  • the energy storage modules EM can for example have ultracaps or comparable short-term energy storage devices.
  • a controlled load 8 is arranged, by means of which additional active power can be taken from the AC voltage network 1 and, if necessary, converted into heat. For this purpose, a controlled flow of current through the load can be enabled.
  • the structure of the load 8 is discussed in greater detail below in connection with FIGS. 7 to 18.
  • FIG. 3 an example of a converter arm 10 for the converter 9 of FIG. 2 is shown.
  • the converter arm 10 has two connections A1 and A2, by means of which the converter arm can be switched between one of the AC voltage connections Ll-3 and one of the DC voltage poles P or N.
  • the converter arm 10 comprises a series connection of switching modules 13, the structure of which is discussed in greater detail in the following FIGS. 4 to 6.
  • the switching module voltages occurring at the switching modules 13 add up to an arm voltage u_conv.
  • the converter arm also includes a smoothing choke 12.
  • An arm current i_conv through the converter arm 10 is recorded by means of an ammeter 11 and passed on to the converter control device.
  • a switching module 13 for the converter arm 10 of FIG. 3 is shown.
  • the switching module 13 has a first connection AC1 and a second connection AC2, at which a switching module voltage Usm is applied.
  • the switching module 13 comprises a power module 14 and a capacitor module 15, which are connected to one another via suitable connections or terminals DC1-4.
  • the structure of the power module 14 and the capacitor module 15 is discussed in greater detail in the following FIGS. 5 and 6.
  • FIG. 5 a power module 14 for a switching module 13 from FIG. 4 is shown.
  • the example shown in FIG. 5 is a full-bridge power module for a full-bridge switching module.
  • the power module 14 comprises four semiconductor switches (IGBTs in the example shown), each of which has a free-wheeling diode D connected in antiparallel.
  • the two terminals DC1, DC2 on the DC voltage intermediate circuit are used to connect to the capacitor module 15.
  • An intermediate circuit voltage Uzk is applied to the DC voltage intermediate circuit.
  • FIG. 6 a capacitor module 15 for a switching module 13 from FIG. 4 is shown.
  • the capacitor module has two terminals DC3 and DC4 for connection to the power module 14.
  • An energy store 20 in the form of a capacitor is arranged parallel to the terminals DC3, DC4.
  • a voltage Uc present at the energy storage device is monitored by means of a voltmeter 19.
  • FIG. 7 shows an example of a controlled load 8a which can be used as a load 8 of the device 7 of FIG.
  • the load 8a comprises two parallel load branches 16a and 16c, the structure of the load branches 16a and 16c being discussed in more detail in the following FIG.
  • FIG. 8 shows an example of a controlled load 8b which can be used as a load 8 of the device 7 of FIG.
  • the load 8b comprises two parallel load branches 16b and 16d, the structure of load branches 16b and 16d being discussed in greater detail in FIG. 13 below.
  • FIG. 9 shows an example of a controlled load 8c which can be used as a load 8 of the device 7 of FIG.
  • the load 8c comprises two parallel load branches 16a and 16b, the structure of the first load branch 16a in FIG. 12 and the structure and 16b in the following FIG. 13 being discussed in greater detail.
  • FIG. 10 shows an example of a controlled load 8d which can be used as a load 8 of the device 7 of FIG.
  • the load 8d comprises two parallel load branches, a first load branch 16a and a second load branch with a braking unit 17, the structure of the load branch 16a in the following FIG. 12 and the structure of the braking unit 17 in the following FIGS. 14 to 18 being discussed in more detail is going.
  • FIG. 11 shows an example of a controlled load 8e which can be used as a load 8 of the device 7 of FIG.
  • the load 8e comprises two parallel load branches, a third load branch 16b and the second load branch with a braking unit 17, the structure of the load branch 16b in the following FIG. 13 and the structure of the braking unit 17 in the following FIGS. 14 to 18 being discussed in more detail is going.
  • FIG. 12 shows a load branch 16a which can be used, for example, as load branch 16a and also load branch 16c of FIGS. 7, 9 and 10.
  • the load branch 16a is arranged between the first and the second DC voltage pole P and N of the converter 9.
  • the load branch 16a comprises a resistance element 21 and a mechanical switch 22 in series with the resistance element 21.
  • a load branch 16b is shown, for example as load branch 16b and also load branch 16d of Figures 8, 9 and 11 can be used.
  • the load branch 16b is arranged between the first and the second DC voltage pole P and N of the converter 9.
  • the load branch 16b comprises a resistance element 21.
  • the load branch 16b also comprises a parallel circuit 23 of a turn-off semiconductor switch S (in the example shown, an IGBT) and an anti-parallel freewheeling diode D (the forward directions of the semiconductor switch and the freewheeling diode are opposed to each other).
  • FIG. 14 a braking device 17 for the loads 8d, 8e of FIGS. 10 and 11 is shown.
  • the braking unit 17 comprises a coupling inductance 25 and a series connection of several braking unit modules 24, which are similarly constructed in the example shown.
  • a current i_BC through the braking unit 17 is measured by means of an ammeter 26 and used to regulate the braking unit 17 by means of a control not shown in detail.
  • the structure of the brake actuator modules 24 is discussed in more detail in the following FIGS. 15 to 18.
  • a braking unit module 24 for the braking unit of FIG. 14 is shown.
  • the braking unit module 24 has two connections XI and X2 for inserting the braking unit module 24 into the corresponding series circuit as shown in FIG.
  • the braking unit module 24 further comprises a braking unit power module 27, the structure of which will be discussed in detail in connection with FIGS. 16 and 17, and a braking unit capacitor module 28, which is shown in detail in FIG.
  • the braking unit power module 27 and the braking unit capacitor module 28 are connected to one another by means of connecting terminals or connections DC1-4 set up for this purpose.
  • FIG. 16 shows a first example of a braking unit power module 27a which can be used as a braking unit power module 27 of the braking unit module 17 of FIG.
  • the brake actuator power module 27a comprises two a first diode 29a and a second diode 29b with the same forward direction, which are arranged in series between the connecting terminals DC1 and DC2.
  • the first connection XI of the brake actuator module 24 is arranged between the diodes 29, the second connection X2 of the brake actuator module 24 is arranged between the diode 29b and the second connection terminal DC2.
  • FIG. 17 shows a second example of a braking unit power module 27b which can be used as a braking unit power module 27 of the braking unit module 17 of FIG.
  • the brake actuator power module 27b comprises two a first diode 29a and a second diode 29b with the same forward directions, which are net angeord in series between the connecting terminals DC1 and DC2.
  • the first connection XI of the brake actuator module 24 is arranged between the diodes 29, the second connection X2 of the brake actuator module 24 is arranged between the diode 29b and the second connection terminal DC2.
  • the braking unit power module 27b comprises a turn-off semiconductor switch 30 (e.g. IGBT), which is connected in parallel to the second diode 29b.
  • IGBT turn-off semiconductor switch
  • the braking unit capacitor module 28 comprises an energy store 31 in the form of a capacitor, which is arranged parallel to the connecting terminals DC3 and DC4.
  • the braking unit capacitor module 28 comprises an energy store 31 in the form of a capacitor, which is arranged parallel to the connecting terminals DC3 and DC4.
  • the energy store 31 is arranged parallel to the connecting terminals DC3 and DC4.
  • a high-performance resistor 33 In egg ner parallel connection to the energy store 31 is a series circuit of a high-performance resistor 33 and a semiconductor switch 34 with anti-parallel freewheeling diode D.
  • To the parallel-connected energy storage voltage measurement 32 is provided.
  • the voltage present at the energy store is denoted by Uzk.
  • a device 107 for stabilizing an alternating voltage network 1 is shown in FIG.
  • the device 107 comprises an arrangement 102 with a converter and an energy storage system, which is connected to the AC voltage network 1 by means of a connection transformer 6. On the The structure of the arrangement 102 is discussed in greater detail in the following FIG.
  • the device 107 further comprises a central regulating or control device 105.
  • the regulating device 105 receives a set S of predetermined setpoint values and measured values from a voltage measuring device 4 and a current measuring device 3.
  • the regulating device 105 is set up, taking into account the measured and setpoint values to regulate an exchange of active and reactive power between the arrangement 102 and the AC voltage network 1.
  • FIG. 20 shows a section of the device 107 from FIG. 19 with the arrangement 102.
  • FIG. 20 shows a power converter 9, which is a modular multi-stage converter (MMC) in a double-star configuration.
  • the converter 9 comprises six converter arms 10. Three of the converter arms 10 are connected to one another in a first star connection with a first star point or DC voltage pole P. A further three of the converter arms 10 are connected to one another in a second star point circuit with a second star point or DC voltage pole N. Each of the converter arms extend between one of three AC voltage connections L1-L3 and one of the two DC voltage poles P, N.
  • the structure of the converter arms 10 is discussed in greater detail in FIG. 21 below.
  • the AC voltage connections L1-L3 form an AC voltage side 9ac of the converter 9 for connection to the AC voltage network 1.
  • the DC voltage poles P, N form a DC voltage side 9dc of the converter 9 for connection to an energy storage arrangement E.
  • the energy storage arrangement E comprises one or more series circuits of energy storage modules EM, which can be arranged in parallel to one another.
  • the energy storage modules EM can, for example, have ultracaps or comparable short-term energy storage devices.
  • a controlled load 108 is arranged in a series connection with the energy storage arrangement E, by means of which additional borrowed active power from the AC voltage network 1 recorded and possibly converted into heat.
  • the series connection of the energy storage arrangement E and the load 108 extends between the DC voltage poles P, N of the converter 9.
  • the structure of the load 108 is discussed in greater detail below in connection with FIGS. 22 to 24.
  • FIG. 21 shows an example of a converter arm 10 for the converter 9 of FIG.
  • the converter arm 10 has two connections A1 and A2, by means of which the converter arm can be connected between one of the AC voltage connections Ll-3 and one of the DC voltage poles P and N, respectively.
  • the converter arm 10 comprises a series connection of switching modules 13, the structure of which corresponds to that of the switching modules that are described in more detail in connection with the fi gures 4 to 6.
  • the switching module voltages occurring at the switching modules 13 add up to an arm voltage u_conv.
  • the converter arm further comprises a smoothing choke 12.
  • An arm current i_conv through the converter arm 10 is detected by means of an ammeter 11 and passed on to the control device 105 of the converter.
  • FIG. 22 shows a controllable load 108a which can be used as the controlled load 108 of FIG.
  • the load 108a comprises a high-power resistor 121, to which a switch 122 is connected in parallel, by means of which the high-power resistor 121 can be bridged.
  • the load 108a can be switched, for example, between a potential point Q, at which the load is connected to the energy storage arrangement E, and the DC voltage pole N of the arrangement 102 in FIG.
  • FIG. 23 shows a controlled load 108b which can be used as the controlled load 108 of FIG.
  • the load 108b comprises a high-performance resistor 121, with which a diode 109 is connected in parallel.
  • the direction of passage of the Dio de 109 is chosen in such a way that the high-performance resistance is not effective when energy is released into the network.
  • the load 108b can be switched, for example, between a potential point Q, at which the load is connected to the energy storage arrangement E, and the DC voltage pole N of the arrangement 102 in FIG.
  • FIG. 24 shows a braking device 17 which can be used as the controlled load 108 of FIG.
  • the braking unit 17 comprises a coupling inductance 25 and a series circuit of several braking unit modules 24, which are similarly constructed in the example shown.
  • the structure of the brake actuator modules 24 is discussed in detail in FIGS. 15 to 18.
  • a device according to the invention for example device 7 of FIG. 1 or device 107 of FIG. 19, is provided and connected to an alternating voltage network and put into operation, so that reactive and / or active power by means of the device can be exchanged with the AC voltage network.
  • a second step 202 active power is taken from the alternating voltage network and stored by means of the energy storage arrangement E (see FIGS. 1 and 19). During power consumption, the controlled load 8 resp.
  • a further step 203 further active power is taken from the AC voltage network, this further active power being at least partially converted into heat by means of the controlled load.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (7,107) zum Stabilisieren eines Wechselspannungsnetzes (1) mit einem Stromrichter (9) mit einer Wechselspannungsseite zum Verbinden mit dem Wechselspannungsnetz und einer Gleichspannungsseite mit zwei Gleichspannungspolen und mit einer Energiespeicheranordnung (E), die gleichspannungsseitig des Stromrichters zwischen den Gleichspannungspolen geschaltet ist. Die Erfindung zeichnet sich durch eine gesteuerte Last (8) zur Wirkleistungsabsorption bzw. Wirkleistungsverbrauch aus, die in einer Reihenoder Parallelschaltung zur Energiespeicheranordnung angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Stabilisieren eines Wechselspannungsnetzes mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Description

Beschreibung
Vorrichtung und Verfahren zum Stabilisieren eines Wechsel- spannungsnetzes
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Stabilisieren ei nes Wechselspannungsnetzes mit einem Stromrichter mit einer Wechselspannungsseite zum Verbinden mit dem Wechselspannungs netz und einer Gleichspannungsseite mit zwei Gleichspannungs polen und mit einer Energiespeicheranordnung, die gleichspan nungsseitig des Stromrichters zwischen den Gleichspannungspo len geschaltet ist.
Die stabilisierende Wirkung der Vorrichtung basiert insbeson dere darauf, dass die Vorrichtung zum Austausch von Wirk- und Blindleistung mit dem Wechselspannungsnetz eingerichtet ist. Besonders im Zusammenhang mit Erzeugern von Energie aus er neuerbaren Quellen gewinnt eine kontrollierbare Zwischenspei cherung der Energie stets an Bedeutung.
Üblicherweise umfasst die Energiespeicheranordnung Kurzzei tenergiespeicher (im Allgemeinen kapazitive Energiespeicher). Damit kann die Vorrichtung zu einer schnellen Frequenzstüt zung z.B. bei Abwurf leistungsmäßig großer Lasten oder Erzeu ger verwendet werden. Die Netzfrequenz kann mittels der Vor richtung innerhalb eines vom Netzbetreiber vorgegebenen Be reichs gehalten werden. Verlässt die Netzfrequenz den zuläs sigen Bereich, droht eine Kettenreaktion durch Abschalten an derer einspeisender Wechselrichter (wie z.B. der Wechselrich ter von Photovoltaik-Anlagen). Dies kann im Endeffekt zu ei nem Netzausfall führen.
Eine artgemäße Vorrichtung ist aus der WO 2020/007464 Al be kannt. Die bekannte Vorrichtung umfasst einen Stromrichter, der ein modularer Mehrstufenumrichter in einer Doppelstern- Konfiguration ist. Zwischen Gleichspannungsseitigen Polen des Stromrichters sind parallel geschaltete Energiespeicherzweige mit Spannungswandlermodulen und Energiespeichermodulen ange ordnet.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine artgemäße Vorrichtung anzugeben, die möglichst effektiv und zuverlässig im Betrieb ist.
Die Aufgabe wird bei einer artgemäßen Vorrichtung erfindungs gemäß durch eine gesteuerte Last zur Wirkleistungsabsorption bzw. Wirkleistungsverbrauch gelöst, die in einer Reihen- oder in einer Parallelschaltung zur Energiespeicheranordnung ange ordnet ist. Die Last umfasst beispielsweise eine Verbrauchs einheit, durch die gesteuert Strom fließen kann. Die Last kann beispielsweise Leistung aufnehmen und diese in Wärme um wandeln.
Ein wichtiger Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung gegenüber den be kannten Vorrichtungen länger Wirkleistung aus dem Netz auf nehmen kann, ohne, dass notwendigerweise der Energiegehalt der Energiespeicheranordnung vergrößert werden muss. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann somit insbesondere der Nachteil vermieden werden, dass zur Vergrößerung einer Auf nahme-Kapazität der Energiespeicheranordnung diese mit mehr Energiespeichereinheiten ausgestattet werden muss. Dies wie derum erlaubt dank der erfindungsgemäßen Vorrichtung, den Nachteil eines erhöhten Raumbedarfes zu vermeiden. Zudem kann auf diese Weise die Verfügbarkeit der Vorrichtung verbessert werden, da die Ausfallrate der Komponenten entsprechend mit deren Anzahl steigt. Die Last kann sowohl anstatt der Ener giespeicheranordnung die Wirkleistung aufnehmen als auch durch entsprechende teilweise Wirkleistungsaufnahme ein Auf laden der Energiespeicheranordnung verzögern. Zusätzlich kann die Last dazu verwendet werden, um die Energiespeicheranord nung bei einem Herunterfahren des Stromrichters schneller zu entladen. Bevorzugt umfasst die Last wenigstens ein Widerstandselement, beispielsweise ein passives Widerstandselement, z.B. ein Tro ckenwiderstand bzw. einen dem Fachmann bekannten Hochleis tungswiderstand. Dies stellt eine kostengünstige und einfache und damit besonders zuverlässige Variante für die Last dar. Das Widerstandselement ist als separates Bauteil mit der Energiespeicheranordnung verbunden. Mittels des Widerstandse lements kann Leistung in Wärme umgewandelt werden. Die dabei entstehende Abwärme kann zum Beispiel gegen eine Umgebungs luft oder in einem Kühlwasserkreislauf abgegeben werden, bei spielsweise einen Kühlwasserkreislauf des Stromrichters. Die Last kann mehrere Widerstandselemente umfassen, die miteinan der in beliebigen Schaltungstopologien, insbesondere einer Reihen- und/oder Parallelschaltung verbunden sind.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Last in Reihe zur Energiespeicheranordnung geschaltet, wobei dem Wi derstandselement (oder beispielsweise einer Reihenschaltung von Widerstandselementen) wenigstens eine Diode parallelge schaltet ist. Die Durchlassrichtung der Diode ist derart ge wählt, dass sichergestellt ist, dass die Last bei Wirkleis tungsabgabe durch die Vorrichtung nicht wirksam ist (d.h. kein Strom durch das Widerstandselement fließt). Mit der Ver wendung der Diode ist der Strom durch die Last (und damit die Last selbst) gesteuert. Die Anordnung der Last in Reihe mit der Energiespeicheranordnung hat den besonderen Vorteil, dass die Last in diesem Fall eine niedrigere Isolationsfähigkeit aufweisen kann als eine zur Energiespeicheranordnung paral lelgeschaltete Last.
Ist die Last in Reihe zur Energiespeicheranordnung geschal tet, so kann der Widerstandswert R der Last zweckmäßigerweise so dimensioniert werden, dass die maximale Stromrichter gleichspannung Udc, die maximale Spannung Usp der Energie speicheranordnung sowie die aufzunehmende Wirkleistung P be rücksichtigt werden: R = (Udc - Usp) * Udc / P. Vorzugsweise ist die Last in Reihe zur Energiespeicheranord nung geschaltet, wobei dem Widerstandselement ein Überbrü ckungsschalter parallelgeschaltet ist, mittels dessen das we nigstens eine Widerstandselement (bzw. eine Zusammenschaltung von Widerstandselementen) überbrückbar ist. Mittels einer ge eigneten Steuerung des Überbrückungsschalters kann die Last bzw. das Widerstandselement zugeschaltet oder überbrückt wer den, um dementsprechend ihre Wirkung zu entfalten.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Last einen Bremssteller, also eine steuerbare Einrichtung zum Um wandeln elektrischer Energie in Wärme.
Vorzugsweise weist der Bremssteller eine Reihenschaltung von Bremsstellermodulen auf. Ein Bremsstellermodul umfasst bei spielsweise ein Bremsstellerpowermodul mit passiven oder steuerbaren, vorzugsweise einschaltbaren, Halbleiterschaltern sowie mit einem Gleichspannungszwischenkreis, an den ein Bremsstellerkondensatormodul mit einer Kapazität angeschlos sen ist. Diese Variante des Bremsstellers ist besonders fle xibel und effektiv, da jeweils eine an die konkrete Anwendung angepasste Anzahl an Bremsstellermodulen zu einer gegebenen Zeit aktiv bzw. inaktiv geschaltet werden kann. Geeigneter weise können die Bremsstellermodule so angesteuert werden, dass die Energiespeicheranordnung mit einem konstanten Strom geladen wird. Dazu kann der Stromrichter seine maximale Gleichspannung ausgeben.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bildet die Last mit einer Schalteinheit eine Reihenschaltung aus, die parallel zur Energiespeicheranordnung geschaltet ist. Mittels der Schalteinheit kann die Last zu- oder abgeschaltet werden, wo mit diese steuerbar ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Last einen ersten Lastzweig und einen zweiten Lastzweig, die in einer Parallelschaltung zueinander angeordnet sind, wobei der erste Lastzweig wenigstens ein steuerbares Widerstandselement und der zweite Lastzweig ein weiteres steuerbares Widerstand selement oder einen Bremssteller umfassen. Gemäß dieser Aus führungsvariante kann die Last besonders effektiv eingesetzt werden. Der Lastzweig mit den Widerstandselementen können da zu verwendet werden, große Leistungen zu absorbieren. Der Lastzweig mit dem Bremssteller kann kleinere auftretende Men gen an Wirkleistung aufnehmen.
Zweckmäßigerweise ist das Widerstandselement mittels eines Halbleiterschalters oder eines mechanischen Schalters in Rei hen zum Widerstandselement (bzw., falls eine Schaltung mehre rer Widerstandselemente vorgesehen ist, parallel zu dieser Schaltung) steuerbar. Der Halbleiterschalter kann beispiels weise ein einschaltbarer Halbleiterschalter sein (z.B. ein IGBT, IGCT, IEGT, MOSFET oder dergleichen). Dem Halbleiter schalter kann eine Freilaufdiode antiparallel geschaltet sein.
Geeigneterweise umfasst die Energiespeicheranordnung mehrere parallel geschaltete Reihenschaltungen mit Energiespeicher einheiten. Auf diese Weise ist die Vorrichtung skalierbar be züglich ihrer Aufnahme-Kapazität der Energiespeicheranord nung. Zudem sind Niederspannungsspeichereinheiten in der Energiespeicheranordnung einsetzbar.
Bevorzugt ist der Stromrichter ein modularer Mehrstufenstrom richter (MMC) in einer Doppelsternanordnung. Der MMC weist insbesondere Vorteile bezüglich der Effektivität und Zuver lässigkeit des Austausches von Wirk- und Blindleistung mit dem Wechselspannungsnetz auf. Der MMC zeichnet sich durch Stromrichterarme aus, die jeweils eine Reihenschaltung von Schaltmodulen aufweisen. Jedes Schaltmodul umfasst dabei ab schaltbare Halbleiterschalter sowie einen Modulenergiespei cher. Mittels einer geeigneten Ansteuerung der Halbleiter schalter kann an Anschlüssen des Schaltmoduls zumindest eine Schaltmodulspannung erzeugt werden, die einer Energiespei cherspannung positiver, bei bipolaren Schaltmodulen auch ne gativer, Polarität oder einer Nullspannung entspricht. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben ei ner Vorrichtung zum Stabilisieren eines Wechselspannungsnet zes mit einem Stromrichter mit einer Wechselspannungsseite zum Verbinden mit dem Wechselspannungsnetz und einer Gleich spannungsseite mit zwei Gleichspannungspolen, einer Energie speicheranordnung, die gleichspannungsseitig des Stromrich ters zwischen den Gleichspannungspolen geschaltet ist.
Ein solches Verfahren ist aus der bereits erwähnten WO 2020/007464 Al bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein derartiges Verfahren anzugeben, das eine möglichst effektive und kostengünstige Stabilisierung des Wechselspannungsnetzes ermöglicht.
Die Aufgabe wird bei einem artgemäßen Verfahren dadurch ge löst, dass eine gesteuerte Last zur Wirkleistungsabsorption bzw. Wirkleistungsverbrauch bereitgestellt wird, die in einer Reihen- oder Parallelschaltung zur Energiespeicheranordnung angeordnet ist, Wirkleistung aus dem Wechselspannungsnetz aufgenommen und mittels der Energiespeicheranordnung gespei chert wird, wobei mittels der gesteuerten Last die Wirkleis tungsaufnahme verzögert oder verlangsamt wird. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Vorrichtung länger Wirkleistung aus dem Netz aufnehmen, ohne eine aufwendige Er höhung einer Aufnahme-Kapazität der Energiespeicheranordnung. Damit kann eine verbesserte Effektivität bei der Netzstabili sierung erreicht werden. Weitere Vorteile ergeben sich aus denjenigen, die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsge mäßen Vorrichtung erörtert wurden.
Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung wird, wenn die aufgenommene Wirkleistung eine Aufnahme-Kapazitätsschwelle erreicht hat, weitere Wirkleistung dem Wechselspannungsnetz entnommen und mittels der gesteuerten Last zumindest teilwei se in Wärme umgewandelt wird. Damit kann auch über die Auf- nahme-Kapazitätsschwelle der Energiespeicheranordnung hinaus noch Wirkleistung aus dem Netz absorbiert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 25 weiter erläutert.
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung;
Figur 2 zeigt einen Ausschnitt der Vorrichtung der Figur 1 in einer schematischen Darstellung;
Figur 3 zeigt ein Beispiel eines Stromrichterarmes für einen Stromrichter der Vorrichtung der Figuren 1 und 2 in einer schematischen Darstellung;
Figur 4 zeigt ein Schaltmodul für den Stromrichter der Vor richtung der Figuren 1 und 2 in einer schematischen Darstel lung;
Figur 5 zeigt einen ersten Ausschnitt des Schaltmoduls der Figur 4 in einer schematischen Darstellung;
Figur 6 zeigt einen zweiten Ausschnitt des Schaltmoduls der Figur 5 in einer schematischen Darstellung;
Figur 7 zeigt ein erstes Beispiel einer Last für die Vorrich tung der Figur 1 in einer schematischen Darstellung;
Figur 8 zeigt ein zweites Beispiel einer Last für die Vor richtung der Figur 1 in einer schematischen Darstellung;
Figur 9 zeigt ein drittes Beispiel einer Last für die Vor richtung der Figur 1 in einer schematischen Darstellung;
Figur 10 zeigt ein viertes Beispiel einer Last für die Vor richtung der Figur 1 in einer schematischen Darstellung; Figur 11 zeigt ein fünftes Beispiel einer Last für die Vor richtung der Figur 1 in einer schematischen Darstellung;
Figur 12 zeigt einen ersten Ausschnitt der Last der Figuren 7 bis 11 in einer schematischen Darstellung;
Figur 13 zeigt einen zweiten Ausschnitt der Last der Figuren 7 bis 11 in einer schematischen Darstellung;
Figur 14 zeigt ein Beispiel eines Bremsstellers in einer schematischen Darstellung;
Figur 15 zeigt ein Bremsstellermodul für den Bremssteller der Figur 14 in einer schematischen Darstellung;
Figur 16 zeigt ein erstes Beispiel eines Bremsstellerpowermo duls in einer schematischen Darstellung;
Figur 17 zeigt ein zweites Beispiel eines Bremsstellerpower moduls in einer schematischen Darstellung;
Figur 18 zeigt ein Bremsstellerkondensatormodul in einer schematischen Darstellung;
Figur 19 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung;
Figur 20 zeigt einen Ausschnitt der Vorrichtung der Figur 19 in einer schematischen Darstellung;
Figur 21 zeigt ein Beispiel eines Stromrichterarmes für einen Stromrichter der Vorrichtung der Figur 19 in einer schemati schen Darstellung;
Figur 22 zeigt ein erstes Beispiel einer Last für die Vor richtung der Figur 19 in einer schematischen Darstellung; Figur 23 zeigt ein zweites Beispiel einer Last für die Vor richtung der Figur 19 in einer schematischen Darstellung;
Figur 24 zeigt einen Bremssteller für die Vorrichtung der Fi gur 19 in einer schematischen Darstellung;
Figur 25 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens .
In Figur 1 ist eine Vorrichtung 7 zum Stabilisieren eines Wechselspannungsnetzes 1. Die Vorrichtung 7 umfasst eine An ordnung 2 mit einem Stromrichter und eine Energiespeicheran lage, die mittels eines Anschlusstransformators 6 mit dem Wechselspannungsnetz 1 verbunden ist. Auf den Aufbau der An ordnung 2 wird in der nachfolgenden Figur 2 näher eingegan gen. Die Vorrichtung 7 umfasst ferner eine zentrale Rege- lungs- bzw. Steuerungseinrichtung 5. Die Regelungseinrichtung 5 empfängt einen Satz S von vorgegebenen Sollwerten sowie Messwerte von einer Spannungsmessvorrichtung 4 und einer Strommessvorrichtung 3. Die Regelungseinrichtung 5 ist dazu eingerichtet, unter Berücksichtigung der Mess- und Sollwerte, einen Austausch von Wirk- und Blindleistung zwischen der An ordnung 2 und dem Wechselspannungsnetz zu regeln. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in allen Figuren gleiche und gleichartige Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In Figur 2 ist ein Ausschnitt der Vorrichtung 7 der Figur 1 mit der Anordnung 2 dargestellt. Figur 2 zeigt einen Strom richter 9, der ein modularer Mehrstufenumrichter (MMC) in ei ner Doppelstern-Konfiguration ist. Der Stromrichter 9 umfasst sechs Stromrichterarme 10. Drei der Stromrichterarme 10 sind in einer ersten Sternschaltung mit einem ersten Sternpunkt bzw. Gleichspannungspol P miteinander verbunden. Weitere drei der Stromrichterarme 10 sind in einer zweiten Sternpunkt schaltung mit einem zweiten Sternpunkt bzw. Gleichspannungs pol N miteinander verbunden. Jeder der Stromrichterarme er strecken sich dabei zwischen einem von drei Wechselspannungs anschlüssen L1-L3 und einem der beiden Gleichspannungspole P,N. Auf den Aufbau der Stromrichterarme 10 wird in der nach folgenden Figur 3 näher eingegangen. Die Wechselspannungsan schlüsse L1-L3 bilden eine Wechselspannungsseite 9ac des Stromrichters 9 zum Verbinden mit dem Wechselspannungsnetz 1. Die Gleichspannungspole P,N bilden eine Gleichspannungsseite 9dc des Stromrichters 9 zum Verbinden mit einer Energiespei cheranordnung E. Die Energiespeicheranordnung E umfasst eine oder mehrere Reihenschaltungen von Energiespeichermodulen EM, die in einer Parallelschaltung zueinander angeordnet sein können. Die Energiespeichermodule EM können beispielsweise Ultracaps oder vergleichbare Kurzzeitenergiespeicher aufwei sen.
In einer Parallelschaltung zu der Energiespeicheranordnung E und zwischen den Gleichspannungspolen P,N des Stromrichters 9 ist eine gesteuerte Last 8 angeordnet, mittels der zusätzli che Wirkleistung aus dem Wechselspannungsnetz 1 aufgenommen und ggf. in Wärme umgewandelt werden kann. Zu diesem Zweck kann gesteuert Stromfluss durch die Last ermöglicht werden. Auf den Aufbau der Last 8 wird nachfolgend im Zusammenhang mit den Figuren 7 bis 18 näher eingegangen.
In Figur 3 ist ein Beispiel eines Stromrichterarmes 10 für den Stromrichter 9 der Figur 2 dargestellt. Der Stromrichter arm 10 weist zwei Anschlüsse Al und A2 auf, mittels deren der Stromrichterarm zwischen einen den Wechselspannungsanschlüsse Ll-3 und einen der Gleichspannungspole P bzw. N geschaltet werden kann. Der Stromrichterarm 10 umfasst eine Reihenschal tung von Schaltmodulen 13, auf deren Aufbau in den nachfol genden Figuren 4 bis 6 näher eingegangen wird. Die an den Schaltmodulen 13 anfallenden Schaltmodulspannungen summieren sich zu einer Armspannung u_conv. Der Stromrichterarm umfasst ferner eine Glättungsdrossel 12. Ein Armstrom i_conv durch den Stromrichterarm 10 wird mittels eines Strommessers 11 er fasst und an die Regelungseinrichtung des Stromrichters wei tergeleitet . In Figur 4 ist ein Schaltmodul 13 für den Stromrichterarm 10 der Figur 3 dargestellt. Das Schaltmodul 13 weist einen ers ten Anschluss AC1 und einen zweiten Anschluss AC2, an denen eine Schaltmodulspannung Usm ansteht. Das Schaltmodul 13 um fasst ein Powermodul 14 sowie ein Kondensatormodul 15, die über geeignete Verbindungen bzw. Klemmen DC1-4 miteinander verbunden sind. Auf den Aufbau des Powermoduls 14 und des Kondensatormoduls 15 wird in den nachfolgenden Figuren 5 und 6 näher eingegangen.
In Figur 5 ist ein Powermodul 14 für ein Schaltmodul 13 der Figur 4 dargestellt. In dem in Figur 5 dargestellten Beispiel handelt es sich um ein Vollbrücken-Powermodul für ein Voll- brücken-Schaltmodul . Das Powermodul 14 umfasst vier Halb leiterschalter (IGBTs im gezeigten Beispiel), denen jeweils eine Freilaufdiode D antiparallel geschaltet ist. Die zwei Klemmen DC1, DC2 am Gleichspannungszwischenkreis dienen zum Verbinden mit dem Kondensatormodul 15. Am Gleichspannungszwi schenkreis steht eine Zwischenkreisspannung Uzk an.
In Figur 6 ist ein Kondensatormodul 15 für ein Schaltmodul 13 der Figur 4 dargestellt. Das Kondensatormodul weist zwei Klemmen DC3 und DC4 zum Verbinden mit dem Powermodul 14 auf. Parallel zu den Klemmen DC3, DC4 ist ein Energiespeicher 20 in Form eines Kondensators angeordnet. Eine am Energiespei cher anstehende Spannung Uc wird mittels eines Spannungsmes sers 19 überwacht.
In Figur 7 ist ein Beispiel einer gesteuerten Last 8a darge stellt, die als Last 8 der Vorrichtung 7 der Figur 1 einsetz- bar ist. Die Last 8a umfasst zwei parallele Lastzweige 16a und 16c, wobei auf den Aufbau der Lastzweige 16a und 16c in der nachfolgenden Figur 12 näher eingegangen wird.
In Figur 8 ist ein Beispiel einer gesteuerten Last 8b darge stellt, die als Last 8 der Vorrichtung 7 der Figur 1 einsetz- bar ist. Die Last 8b umfasst zwei parallele Lastzweige 16b und 16d, wobei auf den Aufbau der Lastzweige 16b und 16d in der nachfolgenden Figur 13 näher eingegangen wird.
In Figur 9 ist ein Beispiel einer gesteuerten Last 8c darge stellt, die als Last 8 der Vorrichtung 7 der Figur 1 einsetz- bar ist. Die Last 8c umfasst zwei parallele Lastzweige 16a und 16b, wobei auf den Aufbau des ersten Lastzweiges 16a in der Figur 12 und auf den Aufbau und 16b in der nachfolgenden Figur 13 näher eingegangen wird.
In Figur 10 ist ein Beispiel einer gesteuerten Last 8d darge stellt, die als Last 8 der Vorrichtung 7 der Figur 1 einsetz- bar ist. Die Last 8d umfasst zwei parallele Lastzweige, einen ersten Lastzweig 16a und einen zweiten Lastzweig mit einem Bremssteller 17, wobei auf den Aufbau des Lastzweiges 16a in der nachfolgenden Figur 12 und auf den Aufbau des Bremsstel lers 17 in den nachfolgenden Figuren 14 bis 18 näher einge gangen wird.
In Figur 11 ist ein Beispiel einer gesteuerten Last 8e darge stellt, die als Last 8 der Vorrichtung 7 der Figur 1 einsetz- bar ist. Die Last 8e umfasst zwei parallele Lastzweige, einen dritten Lastzweig 16b und den zweiten Lastzweig mit einem Bremssteller 17, wobei auf den Aufbau des Lastzweiges 16b in der nachfolgenden Figur 13 und auf den Aufbau des Bremsstel lers 17 in den nachfolgenden Figuren 14 bis 18 näher einge gangen wird.
In Figur 12 ist ein Lastzweig 16a darstellt, der beispiels weise als Lastzweig 16a und auch Lastzweig 16c der Figuren 7, 9 und 10 einsetzbar ist. Der Lastzweig 16a ist zwischen den ersten und den zweiten Gleichspannungspol P bzw. N des Strom richters 9 angeordnet. Der Lastzweig 16a umfasst ein Wider standselement 21 sowie in Reihe zum Widerstandselement 21 ei nen mechanischen Schalter 22.
In Figur 13 ist ein Lastzweig 16b darstellt, der beispiels weise als Lastzweig 16b und auch Lastzweig 16d der Figuren 8, 9 und 11 einsetzbar ist. Der Lastzweig 16b ist zwischen den ersten und den zweiten Gleichspannungspol P bzw. N des Strom richters 9 angeordnet. Der Lastzweig 16b umfasst ein Wider standselement 21. Ferner umfasst der Lastzweig 16b eine Pa rallelschaltung 23 eines abschaltbaren Halbleiterschalters S (im dargestellten Beispiel eines IGBT) und einer antiparalle len Freilaufdiode D (die Durchlassrichtungen des Halbleiter schalters und der Freilaufdiode sind einander entgegenge setzt).
In Figur 14 ist ein Bremssteller 17 für die Lasten 8d, 8e der Figuren 10 und 11 dargestellt. Der Bremssteller 17 umfasst eine Koppelinduktivität 25 und eine Reihenschaltung mehrerer, im dargestellten Beispiel gleichartig aufgebauter Bremsstel- lermodule 24. Ein Strom i_BC durch den Bremssteller 17 wird mittels eines Strommessers 26 gemessen und zur Regelung des Bremsstellers 17 mittels einer nicht näher dargestellten Re gelung verwendet. Auf den Aufbau der Bremsstellermodule 24 wird in den nachfolgenden Figuren 15 bis 18 näher eingegan gen.
In Figur 15 ist ein Bremsstellermodul 24 für den Bremssteller der Figur 14 dargestellt. Das Bremsstellermodul 24 verfügt über zwei Anschlüsse XI und X2 zum Einfügen des Bremssteller moduls 24 in die entsprechende Reihenschaltung wie in Figur 14 gezeigt. Das Bremsstellermodul 24 umfasst ferner ein Bremsstellerpowermodul 27, auf dessen Aufbau im Zusammenhang mit den Figuren 16 und 17 im Detail eingegangen wird, sowie ein Bremsstellerkondensatormodul 28, das im Detail in Figur 18 dargestellt ist. Das Bremsstellerpowermodul 27 und das Bremsstellerkondensatormodul 28 sind miteinander mittels dazu eingerichteter Verbindungsklemmen bzw. -anschlüsse DC1-4 ver bunden.
In Figur 16 ist ein erstes Beispiel eines Bremsstellerpower moduls 27a dargestellt, das als Bremsstellerpowermodul 27 des Bremsstellermoduls 17 der Figur 15 einsetzbar ist. Das Brems stellerpowermodul 27a umfasst zwei eine erste Diode 29a und eine zweite Diode 29b mit gleicher Durchlassrichtung, die in Reihe zwischen den Verbindungsklemmen DC1 und DC2 angeordnet sind. Der erste Anschluss XI des Bremsstellermoduls 24 ist zwischen den Dioden 29 angeordnet, der zweite Anschluss X2 des Bremsstellermoduls 24 ist zwischen der Diode 29b und der zweiten Verbindungsklemme DC2 angeordnet.
In Figur 17 ist ein zweites Beispiel eines Bremsstellerpower moduls 27b dargestellt, das als Bremsstellerpowermodul 27 des Bremsstellermoduls 17 der Figur 15 einsetzbar ist. Das Brems stellerpowermodul 27b umfasst zwei eine erste Diode 29a und eine zweite Diode 29b mit gleichen Durchlassrichtungen, die in Reihe zwischen den Verbindungsklemmen DC1 und DC2 angeord net sind. Der erste Anschluss XI des Bremsstellermoduls 24 ist zwischen den Dioden 29 angeordnet, der zweite Anschluss X2 des Bremsstellermoduls 24 ist zwischen der Diode 29b und der zweiten Verbindungsklemme DC2 angeordnet. Ferner umfasst das Bremsstellerpowermodul 27b einen abschaltbaren Halb leiterschalter 30 (z.B. IGBT), der der zweiten Diode 29b an tiparallel geschaltet ist.
In Figur 18 ist ein Beispiel eines Bremsstellerkondensatormo duls 28 für das Bremsstellermodul 24 der Figur 15 darge stellt. Das Bremsstellerkondensatormodul 28 umfasst einen Energiespeicher 31 in Form eines Kondensators, der parallel zu den Verbindungsklemmen DC3 und DC4 angeordnet ist. In ei ner Parallelschaltung zum Energiespeicher 31 ist eine Reihen schaltung aus einem Hochleistungswiderstand 33 und einem Halbleiterschalter 34 mit antiparalleler Freilaufdiode D. Zu dem ist eine parallelgeschaltete Energiespeicherspannungsmes sung 32 vorgesehen. Am Energiespeicher anstehende Spannung wird mit Uzk bezeichnet.
In Figur 19 ist eine Vorrichtung 107 zum Stabilisieren eines Wechselspannungsnetzes 1 dargestellt. Die Vorrichtung 107 um fasst eine Anordnung 102 mit einem Stromrichter und einer Energiespeicheranlage, die mittels eines Anschlusstransforma tors 6 mit dem Wechselspannungsnetz 1 verbunden ist. Auf den Aufbau der Anordnung 102 wird in der nachfolgenden Figur 20 näher eingegangen. Die Vorrichtung 107 umfasst ferner eine zentrale Regelungs- bzw. Steuerungseinrichtung 105. Die Rege lungseinrichtung 105 empfängt einen Satz S von vorgegebenen Sollwerten sowie Messwerte von einer Spannungsmessvorrichtung 4 und einer Strommessvorrichtung 3. Die Regelungseinrichtung 105 ist dazu eingerichtet, unter Berücksichtigung der Mess- und Sollwerte, einen Austausch von Wirk- und Blindleistung zwischen der Anordnung 102 und dem Wechselspannungsnetz 1 zu regeln.
In Figur 20 ist ein Ausschnitt der Vorrichtung 107 der Figur 19 mit der Anordnung 102 dargestellt. Figur 20 zeigt einen Stromrichter 9, der ein modularer Mehrstufenumrichter (MMC) in einer Doppelstern-Konfiguration ist. Der Stromrichter 9 umfasst sechs Stromrichterarme 10. Drei der Stromrichterarme 10 sind in einer ersten Sternschaltung mit einem ersten Sternpunkt bzw. Gleichspannungspol P miteinander verbunden. Weitere drei der Stromrichterarme 10 sind in einer zweiten Sternpunktschaltung mit einem zweiten Sternpunkt bzw. Gleich spannungspol N miteinander verbunden. Jeder der Stromrichter arme erstrecken sich dabei zwischen einem von drei Wechsel spannungsanschlüssen L1-L3 und einem der beiden Gleichspan nungspole P,N. Auf den Aufbau der Stromrichterarme 10 wird in der nachfolgenden Figur 21 näher eingegangen. Die Wechsel spannungsanschlüsse L1-L3 bilden eine Wechselspannungsseite 9ac des Stromrichters 9 zum Verbinden mit dem Wechselspan nungsnetz 1. Die Gleichspannungspole P,N bilden eine Gleich spannungsseite 9dc des Stromrichters 9 zum Verbinden mit ei ner Energiespeicheranordnung E. Die Energiespeicheranordnung E umfasst eine oder mehrere Reihenschaltungen von Energie speichermodulen EM, die in einer Parallelschaltung zueinander angeordnet sein können. Die Energiespeichermodule EM können beispielsweise Ultracaps oder vergleichbare Kurzzeitenergie speicher aufweisen.
In einer Reihenschaltung zu der Energiespeicheranordnung E ist eine gesteuerte Last 108 angeordnet, mittels der zusätz- liehen Wirkleistung aus dem Wechselspannungsnetz 1 aufgenom men und ggf. in Wärme umgewandelt werden kann. Die Reihen schaltung der Energiespeicheranordnung E und der Last 108 er streckt sich zwischen den Gleichspannungspolen P, N des Stromrichters 9. Auf den Aufbau der Last 108 wird nachfolgend im Zusammenhang mit den Figuren 22 bis 24 näher eingegangen.
In Figur 21 ist ein Beispiel eines Stromrichterarmes 10 für den Stromrichter 9 der Figur 20 dargestellt. Der Strom richterarm 10 weist zwei Anschlüsse Al und A2 auf, mittels deren der Stromrichterarm zwischen einen den Wechselspan nungsanschlüsse Ll-3 und einen der Gleichspannungspole P bzw. N geschaltet werden kann. Der Stromrichterarm 10 umfasst eine Reihenschaltung von Schaltmodulen 13, deren Aufbau demjenigen der Schaltmodule entspricht, die im Zusammenhang mit den Fi guren 4 bis 6 näher beschrieben sind. Die an den Schaltmodu len 13 anfallenden Schaltmodulspannungen summieren sich zu einer Armspannung u_conv. Der Stromrichterarm umfasst ferner eine Glättungsdrossel 12. Ein Armstrom i_conv durch den Stromrichterarm 10 wird mittels eines Strommessers 11 erfasst und an die Regelungseinrichtung 105 des Stromrichters weiter geleitet.
In Figur 22 ist eine steuerbare Last 108a dargestellt, die als gesteuerte Last 108 der Figur 20 einsetzbar ist. Die Last 108a umfasst einen Hochleistungswiderstand 121, dem ein Schalter 122 parallelgeschaltet ist, mittels dessen der Hoch leistungswiderstand 121 überbrückbar ist. Die Last 108a ist beispielsweise zwischen einen Potenzialpunkt Q, and dem die Last an die Energiespeicheranordnung E angeschlossen ist, und dem Gleichspannungspol N der Anordnung 102 der Figur 20 schaltbar.
In Figur 23 ist eine gesteuerte Last 108b dargestellt, die als gesteuerte Last 108 der Figur 20 einsetzbar ist. Die Last 108b umfasst einen Hochleistungswiderstand 121, dem eine Dio de 109 parallelgeschaltet ist. Die Durchlassrichtung der Dio de 109 ist derart gewählt, dass der Hochleistungswiderstand bei Energieabgabe ins Netz nicht wirksam ist. Die Last 108b ist beispielsweise zwischen einen Potenzialpunkt Q, and dem die Last an die Energiespeicheranordnung E angeschlossen ist, und dem Gleichspannungspol N der Anordnung 102 der Figur 20 schaltbar.
In Figur 24 ist ein Bremssteller 17 dargestellt, der als ge steuerte Last 108 der Figur 20 einsetzbar ist. Der Bremsstel ler 17 umfasst eine Koppelinduktivität 25 und eine Reihen schaltung mehrerer, im dargestellten Beispiel gleichartig aufgebauter Bremsstellermodule 24. Ein Strom i_BC durch den Bremssteller 17 wird mittels eines Strommessers 26 gemessen und zur Regelung des Bremsstellers 17 mittels einer nicht nä her dargestellten Regelung verwendet. Der Aufbau der Brems stellermodule 24 ist in den Figuren 15 bis 18 im Detail erör tert.
Die Wirkungsweise der Vorrichtungen 7 und 107 der vorangehen den Figuren kann anhand des Ablaufdiagramms der Figur 25 wie folgt beschrieben werden.
In einem ersten Schritt 201 wird eine erfindungsgemäße Vor richtung, z.B. die Vorrichtung 7 der Figur 1 oder die Vor richtung 107 der Figur 19 bereitgestellt und, einem Wechsel spannungsnetz verbunden und in Betrieb genommen, so dass mit tels der Vorrichtung Blind- und/oder Wirkleistung mit dem Wechselspannungsnetz ausgetauscht werden kann.
In einem zweiten Schritt 202 wird Wirkleistung aus dem Wech selspannungsnetz aufgenommen und mittels der Energiespeicher anordnung E (vide Figuren 1 bzw. 19) gespeichert. Während der Leistungsaufnahme wird mittels der gesteuerten Last 8 bzw.
108 die Wirkleistungsaufnahme verzögert oder verlangsamt, in dem ein Teil der Wirkleistung bzw. Energie in Wärme umgewan delt wird.
Sobald eine Aufnahme-Kapazitätsschwelle der Energiespeicher anordnung erreicht ist (die Energiespeichermodule EM, bzw. dort eingesetzte Ultracaps oder dergleichen sind voll aufge laden und können keine weitere Leistung bzw. Energie aufneh men), wird in einem weiteren Schritt 203 weitere Wirkleistung dem Wechselspannungsnetz entnommen, wobei diese weitere Wirkleistung mittels der gesteuerten Last zumindest teilweise in Wärme umgewandelt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (7, 107) zum Stabilisieren eines Wechsel spannungsnetzes (1) mit
- einem Stromrichter (9) mit einer Wechselspannungssei te (9ac) zum Verbinden mit dem Wechselspannungsnetz (1) und einer Gleichspannungsseite (9dc) mit zwei Gleichspannungspolen (P,N),
- einer Energiespeicheranordnung (E), die gleichspan nungsseitig des Stromrichters (9) zwischen den Gleichspannungspolen (P,N) geschaltet ist, gekennzeichnet durch eine gesteuerte Last (8) zur Wirkleistungsabsorption, die in einer Reihen- oder Parallelschaltung zur Energie speicheranordnung (E) angeordnet ist.
2. Vorrichtung (7, 107) nach Anspruch 1, wobei die Last (8) wenigstens ein Widerstandselement (21,121) umfasst.
3. Vorrichtung (7, 107) nach Anspruch 2, wobei die Last (8) in Reihe zur Energiespeicheranordnung (E) geschal tet ist und dem Widerstandselement (121) eine Diode (109) parallelgeschaltet ist.
4. Vorrichtung (7, 107) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Last (8) in Reihe zur Energiespeicheranordnung (E) ge schaltet ist und dem Widerstandselement (121) ein Über brückungsschalter (122) parallelgeschaltet ist, mittels dessen das Widerstandselement (121) überbrückbar ist.
5. Vorrichtung (7, 107) nach einem der vorangehenden An sprüche, wobei die Last (8) einen Bremssteller (17) um fasst.
6. Vorrichtung (7, 107) nach Anspruch 5, wobei der Brems steller (17) eine Reihenschaltung von Bremsstellermodu len (24) aufweist.
7. Vorrichtung (7, 107) nach einem der vorangehenden An sprüche, wobei die Last (8) mit einer Schalteinheit (22,23) eine Reihenschaltung ausbildet, die parallel zur Energiespeicheranordnung (E) geschaltet ist.
8. Vorrichtung (7, 107) nach einem der vorangehenden An sprüche, wobei die Last (8) einen ersten Lastzweig (16a,b) und einen zweiten Lastzweig (16b-d,17) umfasst, die in einer Parallelschaltung zueinander angeordnet sind, wobei der erste Lastzweig (16a,b) wenigstens ein steuerbares Widerstandselement und der zweite Lastzweig (16b-d,17) ein weiteres steuerbares Widerstandselement oder einen Bremssteller umfassen.
9. Vorrichtung (7, 107) nach Anspruch 8, wobei das Wider standselement (21) mittels eines Halbleiterschalters (23) oder eines mechanischen Schalters (22) in Reihe zum Widerstandselement (21) steuerbar ist.
10. Vorrichtung (7, 107) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Energiespeicheranordnung (E) meh rere parallel geschaltete Reihenschaltungen mit Ener giespeichereinheiten aufweist.
11. Vorrichtung (7, 107) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Stromrichter (9) ein modularer Mehrstufenstromrichter in einer Doppelsternanordnung ist.
12. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (7, 107) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem
Wirkleistung aus dem Wechselspannungsnetz (1) auf genommen und mittels der Energiespeicheranordnung (E) gespeichert wird, wobei mittels der gesteuerten Last (8) die Wirkleistungs aufnahme verzögert oder verlangsamt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei, wenn die aufgenommene Wirkleistung eine Aufnahme- Kapazitätsschwelle der Energiespeicheranordnung (E) er reicht hat, weitere Wirkleistung dem Wechselspannungs netz entnommen und mittels der gesteuerten Last (8) zu mindest teilweise in Wärme umgewandelt wird.
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