EP4162598A1 - Converter and method for operating same - Google Patents

Converter and method for operating same

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Publication number
EP4162598A1
EP4162598A1 EP20754639.1A EP20754639A EP4162598A1 EP 4162598 A1 EP4162598 A1 EP 4162598A1 EP 20754639 A EP20754639 A EP 20754639A EP 4162598 A1 EP4162598 A1 EP 4162598A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
voltage
sub
modules
switched
converter
Prior art date
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Pending
Application number
EP20754639.1A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Dominik ERGIN
Felix Kammerer
Sebastian Müller
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 EP4162598A1 publication Critical patent/EP4162598A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/12—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/21—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/217—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M7/219—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only in a bridge configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/4835—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels comprising two or more cells, each including a switchable capacitor, the capacitors having a nominal charge voltage which corresponds to a given fraction of the input voltage, and the capacitors being selectively connected in series to determine the instantaneous output voltage
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    • H02M1/0006—Arrangements for supplying an adequate voltage to the control circuit of converters

Definitions

  • the invention relates to converters and methods for their operation.
  • an electrical converter in the form of a multilevel converter which has an at least two-phase AC voltage side with at least two AC voltage connections, a DC voltage side and modular devices comprises, each having a series circuit with at least two sub-modules electrically connected in series.
  • the sub-modules each comprise an energy store and at least two switching elements, of which at least one switching element is switched on when the sub-module is switched on or off and all switching elements are switched off in the blocked operating state.
  • a multilevel converter with a different type of sub-modules is known from the international publication WO 2015/036149 A1.
  • the invention is based on the object of specifying a converter that allows a rapid transition to normal operation after commissioning, in which the energy stores of the sub-modules are initially not sufficiently charged, and symmetrical charging conditions - based on the charging states of the module devices - during of the store can be set in a particularly simple manner.
  • the sub-modules each include a sub-module control device that determines the operating state of the sub-module by controlling the switching elements
  • the converter is designed for this after commissioning, in which all sub-modules are initially in the blocked operating state and the sub-module control devices are not yet able to communicate due to the lack of a sufficient state of charge of their assigned energy stores, initially in a first charging phase of a charging operation, which comprises at least the first and a subsequent second charging phase
  • the sub-module control devices are designed to communicate with a module control device assigned to them communicate as soon as they have become capable of communication during the first charging phase
  • the module control devices are designed to, transmitted by the sub-module control devices voltage values or sum values derived therefrom during the first charging phase to a higher-level central facility of the converter
  • the central facility is designed to switch those module control facilities in which the sum of the transmitted voltage values or the transmitted total value reaches or exceeds a specified voltage threshold to the second charging phase of the charging operation by transmits to these
  • a significant advantage of the converter according to the invention is that it can make a transition from the first charging phase to the second charging phase for each of the module devices, even if not all sub-modules of the module device in question are capable of communication and therefore cannot yet be controlled.
  • the module devices can advantageously already be transferred to an optimized charging mode in the second charging phase, in which some of the sub-modules whose energy stores are already sufficiently charged at least for communication mode are charged further in a targeted manner and others are charged in a targeted manner by one further stores are excluded. This procedure makes it possible, for example, for some of the sub-modules to have much higher charging voltages than others or the average of the sub-modules at the time when all sub-modules of all modular devices are capable of communication and can therefore be controlled.
  • Another significant advantage of the converter according to the invention is that by specifying the first and second voltage specifications, asymmetries between the states of charge of the module devices can be minimized or their occurrence prevented or at least prevented as best as possible; If, for example, the first voltage specification is selected to be greater for one of the module devices than for another module device, the total voltage of the partial module voltages in the first-mentioned module device will rise less quickly than in the second-mentioned module device, and vice versa.
  • the specified voltage threshold is dimensioned in such a way that it is reached or exceeded even if not all sub-modules of the respective module device are capable of communication.
  • the specified voltage threshold is preferably measured in such a way that it is reached or exceeded when a specified number of sub-modules of the respective module device, which is between 25% and 50%, is capable of communication.
  • the specified voltage threshold is between 25% and 50% of the total voltage to be expected in the event that all sub-modules of the respective modular device are capable of communication.
  • the first and/or the second voltage specification is preferably determined using a first external voltage value indicating the voltage on the first connection side, a second external voltage value indicating the voltage on the second connection side and/or the voltage values or total values transmitted by the module control devices .
  • the first connection side is a single-phase or multi-phase AC voltage side and the second connection side is a DC voltage side.
  • the second voltage specification is preferably determined according to:
  • the first voltage specification is preferably determined from the AC voltage side according to:
  • Uoff,setpoint f(Uac, Ufinal,setpoint, Vin,setpoint, t)
  • Vac denotes the alternating voltage present on the AC voltage side
  • Vin,setpoint denotes the second voltage specification
  • Uout,setpoint denotes the first voltage specification, with f over time t , preferably in the form of steps or ramps, is an increasing function which increases from zero to a maximum value Uout,soll,max, and where applies
  • Uout,set,max Ufinal,set - q -Uac -
  • Ufinal,soll specifies the target voltage sum from the sub-module voltages present at the energy stores of the sub-modules for each of the sub-modules after the end of the charging phase and at the beginning of normal operation, which depends on the operating point of the converter to be set at the beginning of normal operation, and where q is one in the case of half bridges as partial modules and 0.5 in the case of full bridges as partial modules.
  • the second voltage specification Uin,setpoint is preferably set to zero.
  • the first voltage specification Uout,setpoint is preferably determined according to:
  • Uoff,soll f(Uac, Udc, Ufinal,soll, t)
  • Uac the AC voltage present on the AC voltage side
  • the invention also relates to a Modulmatiein device for a converter, in particular a converter as has been described above.
  • the module control device is designed to transmit voltage values transmitted by sub-module control devices or total values derived therefrom to a higher-level central device during a first charging phase, and the module control device is also designed to transmit a first and a second voltage specification to the central device by switching at least one communication-capable sub-module to the switched-on or switched-off operating state, and continuing to charge the energy stores that are in the switched-on and blocked operating state.
  • the invention also relates to a central device for a converter, in particular a converter as has been described above.
  • the central device is designed to switch module control devices, in which the sum of transmitted voltage values or a transmitted total value reaches or exceeds a specified voltage threshold, to a second charging phase of a charging operation by providing these module control devices with a first voltage specification that switches off Concerns sub-modules, and a second voltage specification, which relates to sub-modules switched on, communicates.
  • the invention also relates to a method for operating a converter, which comprises a first connection side and a second connection side as well as module devices, each of which has a series circuit with at least two sub-modules electrically connected in series, with the sub-modules each having an energy store and at least two Include switching elements, of which at least one switching element is switched on in the switched-on or switched-off operating state of the partial module and all switching elements are switched off in the blocked operating state.
  • the converter after commissioning, in which all sub-modules are initially in the blocked operating state and sub-module control devices of the sub-modules are not yet capable of communication due to a lack of sufficient state of charge of their assigned energy stores, the converter initially enters a first charging phase of a charging operation that includes at least the first and a subsequent second charging phase, the partial module control devices, which determine the operating state of the partial module assigned to them by actuating the switching elements, each communicate with a module control device assigned to them as soon as they have become capable of communication during the first charging phase, the During the first charging phase, module control devices transmit voltage values or total values derived from them from the sub-module control devices to a higher-level central device of the converter, the central device ution those module control devices in which the sum of the transmitted voltage values or the transmitted total value reaches or exceeds a pre-specified voltage threshold, switches to the second charging phase of the charging operation by the sen module control devices a first voltage specification, the relates to switched-off sub
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a converter according to the invention
  • Figure 2 shows a first embodiment of a for
  • Figure 3 shows a second embodiment of a for
  • Figure 4 shows an embodiment of an inventive
  • Figure 5 shows an embodiment of an inventive
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a converter 10, which has a first connection side and a second connection side.
  • the first connection side is connected by a three-phase alternating voltage side 11, which has three AC voltage connections W1-W3, and the second connection side is formed by a DC voltage side 12, which has two DC voltage connections Gl and G2.
  • the converter 10 also includes six modular devices ME1-ME6, each of which has a series connection with two or more sub-modules TM electrically connected in series and a module control device MSE for controlling the sub-modules TM of the respective modular device ME1-ME6.
  • the module control devices MSE are connected to a higher-level central device ZE of the converter 10 via communication lines, which are not shown in detail in FIG. 1 for reasons of clarity.
  • the sub-modules TM each comprise a sub-module control unit TMSE, an energy store ES (see Figures 2 and 3) and at least two switching elements, of which at least one switching element is switched on both when the sub-module TM is switched on and when it is switched off and in the blocked operating state of the sub-module all switching elements are switched off.
  • the sub-module control device TMSE determines the operating state of its sub-module TM by activating the switching elements.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a partial module TM in the form of what is known as a half-bridge module, which can be used in converter 10 according to FIG.
  • the partial module TM according to FIG. 2 comprises two switching elements S1 and S2, each of which is formed by a transistor and a freewheeling diode connected in parallel, and an energy store ES in the form of a capacitor.
  • FIG. 2 shows the submodule control device TMSE, which controls the two switching elements S1 and S2.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a partial module TM in the form of a so-called full-bridge module, which can be used in converter 10 according to FIG.
  • the part- module TM comprises four switching elements S1 to S4, each of which is formed by a transistor and a freewheeling diode connected in parallel, and an energy store ES in the form of a capacitor.
  • FIG. 3 shows the submodule control device TMSE, which controls the four switching elements S1 to S4.
  • the module control devices MSE in the converter 10 are suitable in normal operation for ensuring a predetermined flow of energy between the two connection sides 11 and 12 of the converter 10 by activating the sub-module control devices TMSE of their sub-modules TM.
  • the sub-module control devices TMSE are not yet able to communicate due to the lack of a sufficient state of charge in their associated energy store ES; the sub-module control devices TMSE can also not yet activate their assigned switching elements S1-S2 according to FIG. 2 or S1-S4 according to FIG. 3, which is why the switching elements are also still switched off.
  • all sub-modules TM are initially in the blocked operating state because the energy stores ES are not yet sufficiently charged and therefore none of the switching elements can be switched on.
  • the converter 10 After the converter 10 has been put into operation, it is first put into a charging mode that includes a first and a second charging phase.
  • the charging operation can take place from the AC voltage side 11 or the DC voltage side 12 by applying an AC voltage to the AC voltage connections W1-W3 or a DC voltage to the DC voltage connections G1 and G2.
  • the sub-module control devices TMSE As soon as the sub-module control devices TMSE become capable of communication during the first charging phase because their energy Memory ES are sufficiently charged and can provide operating energy, they each begin to communicate with their assigned module control device MSE. As part of the communication, the sub-module control devices TMSE each transmit voltage values U, which indicate the respective voltage at their energy store ES, to the module control device MSE that is higher than them.
  • the index i identifies the assigned module device MEi, ie ME1-ME6, and thus its module control devices MSE. Since the converter 10 according to FIG. 1 has six module control devices MSE, six cumulative values Sul-Su6 are transmitted to the central device ZE.
  • the central device ZE is designed to switch those module control devices MSE for which the sum of the transmitted voltage values or the transmitted total value already reaches or exceeds a specified voltage threshold Smin to the second charging phase of the charging operation by providing these module control devices MSE with a first voltage specification Uoff ,soll, which relates to switched-off sub-modules TM, and a second voltage specification Uein,soll, which relates to switched-on sub-modules TM.
  • the modular devices ME1-ME6 are each individually placed in the second charging phase as soon as they qualify for it.
  • the first voltage specification Uout,setpoint preferably defines which total voltage switched-off sub-modules should achieve, and the second voltage specification Uin,setpoint defines which total voltage switched-on sub-modules should reach.
  • the module devices ME1-ME6 are designed to meet the first and second voltage specifications Uout,setpoint and Uein,setpoint or at least to meet them as best as possible by no, one or more of their communication-capable sub-modules TM in the switched-on operating state and none, one or several other of their communication-capable sub-modules TM in the switched-off operating state and charging the energy stores ES, which are in the switched-on and blocked operating state, continues.
  • the algorithm as to how the partial modules TM to be switched on and off are determined is arbitrary; the best possible fulfillment of the voltage specifications of the central device ZE can be determined, for example, by a simulation in the sense of computer-aided trying out all possible operating constellations of the communication-capable submodules TM and the subsequent selection of that operating constellation that guarantees the best possible fulfillment of the voltage specifications.
  • a brute force-like approach can be carried out without any problems.
  • the specified voltage threshold Smin is dimensioned in such a way that it is reached or exceeded even if not all sub-modules TM of the respective modular device ME1- ME6 are capable of communication.
  • the available charging voltage can be used advantageously for the sub-modules TM that are not yet capable of communication, so that they can communicate more quickly than would be the case if all sub-modules TM were charged simultaneously. Since the switched-on sub-modules continue to be charged, a particularly high charging voltage can be achieved for them, which is necessary for operation of the converter 10 after the end of the charging phase.
  • the specified voltage threshold Smin is preferably dimensioned such that it is reached or exceeded when a specified number of sub-modules TM, which is between 25% and 50% of the sub-modules TM of the respective modular device ME1-ME6, is capable of communication.
  • the specified voltage threshold Smin can be between 25% and 50% of the total voltage to be expected in the event that all sub-modules TM of the respective modular device ME1-ME6 were capable of communication.
  • the first and second voltage specifications are preferably calculated using a first external voltage value indicating the voltage on the AC voltage side 11, a second external voltage value indicating the voltage on the DC voltage side 12 and/or the The voltage values or sum values Sul-Su6 transmitted to the module control devices MSE are determined.
  • the second voltage specification Uin,setpoint before is preferably determined according to:
  • Vin,set f(Udc, Udc,set, t)
  • Udc designates the direct voltage applied to the direct voltage side 12 and Udc,soll a setpoint direct voltage to be set on the direct voltage side 12.
  • Uac designates the AC voltage applied to the AC voltage side 11, for example as the amplitude or effective value of the phase-to-phase voltage between the AC voltage connections W1-W3.
  • f is a function that increases over time t, preferably in a stepped or ramped manner, which increases from zero to a maximum value Uout,soll,max.
  • Ufinal,soll designates the target voltage sum from the partial module voltages U present at the energy stores ES of the partial modules TM after the end of the charging phase and at the beginning of normal operation, which depends on the operating point of the converter to be set at the beginning of normal operation.
  • q is one in the case of half bridges as partial modules TM (cf. FIG. 2) and 0.5 in the case of full bridges as partial modules TM (cf. FIG. 3).
  • the second voltage specification Uein,sollvor is preferably set to zero.
  • the first voltage specification is determined during charging from the direct voltage side 12, preferably according to:
  • Uac designates the AC voltage applied to the AC voltage side 11, for example as the amplitude or effective value of the phase-to-phase voltage between the AC voltage connections W1-W3.
  • Ufinal,soll returns the sum of the setpoint voltages from the partial motors present at the energy stores ES of the submodules TM dul voltages U after the end of the charging phase and at the beginning of normal operation, which depends on the operating point of the converter to be set at the beginning of normal operation, f is a function that increases over time t, preferably in steps or ramps, from zero to one maximum value
  • Uout,set,max Ufinal,set - 0.5 ⁇ (Udc - Uac) increases.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a module control device MSE, which can be used in the converter 10 according to FIG.
  • the module control device MSE includes a computing device 100 and a memory 110.
  • a software program module SPM_mse is stored in the memory 110, which when executed by the computing device 100 causes the module control device MSE to operate as described above by way of example.
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a central device ZE, which can be used in the converter 10 according to FIG.
  • the central device ZE includes a computing device 200 and a memory 210.
  • a software program module SPM_ze is stored in the memory 210, which when executed by the computing device 200 causes the central device ZE to operate as described above by way of example.
  • the converter described above as an example or its operating method can have one or more of the properties or features listed below:
  • the operating method described for active pre-charging makes it possible to compensate for asymmetries between the six module devices ME1-ME6 during the active charging phase. If the pre-charging takes place from the AC side, a vertical symmetry of the upper or lower three modules with respect to one another is possible. If the converter 10 is pre-charged from the DC system, it is possible to balance all six modular devices ME1-ME6 with one another.
  • the release of the active loading phase can also take place if not all sub-modules TM in a module device ME1-ME6 have reported back as ready for operation. Asymmetries in the module voltage distribution within a converter arm can be reduced using the operating procedure presented as soon as there is a sufficient number of sub-modules in an operational state.
  • the operating method thus allows partially active converters 10 to be started up both when pre-charged from the AC side and when pre-charged from the DC side.
  • the operating method allows the passive charging voltage of the DC system to be increased from the AC side during active pre-charging. As a result, transient transients can be prevented when switching to normal operation. This minimizes the load on all system components and repercussions on the AC grid.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

The invention relates inter alia to a converter (10) comprising module devices (ME1-ME6) which each have a series connection with at least two partial modules (TM) which are electrically connected in series. According to the invention, it is provided that a central device (ZE) is designed to switch module control devices (MSE), in which the sum of the transmitted voltage values or the transmitted sum value (Su1-Su6) reaches or exceeds a predefined voltage threshold, into a second charging phase of a charging operation by transmitting a first voltage specification (Uaus,soll) relating to switched-off partial modules (TM) and a second voltage specification (Uein,soll) relating to switched-on partial modules (TM) to said module control devices (MSE), and wherein the module devices (ME1-ME6) are designed to meet or at least approximately meet the first and second voltage specifications (Uaus,soll, Uein,soll) by setting none, one or more of the communication-capable partial modules (TM) thereof into a switched-on operating state and none, one or more of the other communication-capable partial modules (TM) thereof into a switched-off operating state, and to continue the charging of the energy stores (ES) which are in the switched-on and blocked operating state.

Description

Beschreibung description
Umrichter und Verfahren zu dessen Betrieb Converter and method for its operation
Die Erfindung bezieht sich auf Umrichter und Verfahren zu deren Betrieb. The invention relates to converters and methods for their operation.
Die Veröffentlichungsschrift "Modular Multilevel Converter:The publication "Modular Multilevel Converter:
An universal concept for HVDC-Networks and extended DC-Bus- Applications " (R. Marquardt, 2010 International PowerA universal concept for HVDC networks and extended DC bus applications" (R. Marquardt, 2010 International Power
Electronics Conference, Seiten 502 bis 507, 978-1-4244-5393- 1/10, 2010 IEEE) offenbart einen elektrischen Umrichter in Form eines Multilevelumrichters, der eine zumindest zweipha- sige Wechselspannungsseite mit zumindest zwei Wechselspan nungsanschlüssen, eine Gleichspannungsseite sowie Modulein richtungen umfasst, die jeweils eine Reihenschaltung mit zu mindest zwei elektrisch in Reihe geschalteten Teilmodulen aufweisen. Die Teilmodule umfassen jeweils einen Energiespei cher und zumindest zwei Schaltelemente, von denen im einge schalteten oder ausgeschalteten Betriebszustand des Teilmo duls zumindest ein Schaltelement eingeschaltet ist und im ge blockten Betriebszustand alle Schaltelemente ausgeschaltet sind. Electronics Conference, pages 502 to 507, 978-1-4244-5393-1/10, 2010 IEEE) discloses an electrical converter in the form of a multilevel converter, which has an at least two-phase AC voltage side with at least two AC voltage connections, a DC voltage side and modular devices comprises, each having a series circuit with at least two sub-modules electrically connected in series. The sub-modules each comprise an energy store and at least two switching elements, of which at least one switching element is switched on when the sub-module is switched on or off and all switching elements are switched off in the blocked operating state.
Ein Multilevelumrichter mit anderer Art Teilmodulen ist aus der internationalen Veröffentlichungsschrift WO 2015/036149 Al bekannt. A multilevel converter with a different type of sub-modules is known from the international publication WO 2015/036149 A1.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Umrichter an zugeben, der einen schnellen Übergang in den Normalbetrieb nach einer Inbetriebnahme, bei der die Energiespeicher der Teilmodule zunächst noch nicht ausreichend geladen sind, er laubt sowie symmetrische Ladeverhältnisse - bezogen auf die Ladezustände der Moduleinrichtungen - während des Ladens in besonders einfacher Weise einstellen kann. The invention is based on the object of specifying a converter that allows a rapid transition to normal operation after commissioning, in which the energy stores of the sub-modules are initially not sufficiently charged, and symmetrical charging conditions - based on the charging states of the module devices - during of the store can be set in a particularly simple manner.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Umrichter mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Umrichters sind in Un teransprüchen angegeben. According to the invention, this object is achieved by a converter having the features according to patent claim 1 . beneficial Refinements of the converter according to the invention are specified in the subclaims.
Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Teilmodule jeweils eine Teilmodulsteuereinrichtung umfassen, die den Be triebszustand des Teilmoduls durch Ansteuerung der Schaltele mente bestimmt, der Umrichter dazu ausgebildet ist, nach einer Inbetriebnahme, bei der sich alle Teilmodule zunächst im geblockten Betriebszustand befinden und die Teilmodulsteu ereinrichtungen mangels ausreichendem Ladezustand ihrer zuge ordneten Energiespeicher noch nicht kommunikationsfähig sind, zunächst in eine erste Ladephase eines Ladebetriebs, der zu mindest die erste und eine nachfolgende zweite Ladephase um fasst, versetzt zu werden, die Teilmodulsteuereinrichtungen dazu ausgebildet sind, jeweils mit einer ihnen zugeordneten Modulsteuereinrichtung zu kommunizieren, sobald sie während der ersten Ladephase kommunikationsfähig geworden sind, die Modulsteuereinrichtungen dazu ausgestaltet sind, von den Teilmodulsteuereinrichtungen übermittelte Spannungswerte oder daraus abgeleitete Summenwerte während der ersten Ladephase an eine übergeordnete Zentraleinrichtung des Umrichters zu übermitteln, die Zentraleinrichtung dazu ausgebildet ist, diejenigen Modulsteuereinrichtungen, bei denen die Summe der übermittelten Spannungswerte oder der übermittelte Summenwert eine vorgegebene Spannungsschwelle erreicht oder überschrei tet, in die zweite Ladephase des Ladebetriebs umzuschalten, indem sie diesen Modulsteuereinrichtungen eine erste Span nungsvorgabe, die ausgeschaltete Teilmodule betrifft, und eine zweite Spannungsvorgabe, die eingeschaltete Teilmodule betrifft, übermittelt, und die Moduleinrichtungen außerdem dazu ausgebildet sind, die erste und zweite Spannungsvorgabe zu erfüllen oder zumindest näherungsweise zu erfüllen, indem sie keines, eines oder mehrere ihrer kommunikationsfähigen Teilmodule in den eingeschalteten Betriebszustand und keines, eines oder mehrere andere ihrer kommunikationsfähigen Teilmo dule in den ausgeschalteten Betriebszustand versetzen und das Laden der Energiespeicher, die sich im eingeschalteten und geblockten Betriebszustand befinden, fortsetzen. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Umrichters be steht darin, dass dieser bei jeder der Moduleinrichtungen je weils einen Übergang von der ersten Ladephase in die zweite Ladephase vornehmen kann, auch wenn noch nicht alle Teilmodu- le der betreffenden Moduleinrichtung kommunikationsfähig und deshalb noch nicht ansteuerbar sind. Durch Vorgabe der ersten und zweiten Spannungsvorgabe können die Moduleinrichtungen in der zweiten Ladephase in vorteilhafter Weise bereits in einen optimierten Ladebetrieb überführt werden, bei dem einige der Teilmodule, deren Energiespeicher zumindest für einen Kommu nikationsbetrieb bereits ausreichend geladen sind, gezielt weitergeladen und andere gezielt von einem weiteren Laden ausgeschlossen werden. Durch diese Vorgehensweise lässt sich beispielsweise erreichen, dass zum Zeitpunkt, bei dem alle Teilmodule aller Moduleinrichtungen kommunikationsfähig und damit ansteuerbar sind, bereits einige der Teilmodule sehr viel höhere Ladespannungen aufweisen als andere bzw. der Durchschnitt der Teilmodule. According to the invention, it is provided that the sub-modules each include a sub-module control device that determines the operating state of the sub-module by controlling the switching elements, the converter is designed for this after commissioning, in which all sub-modules are initially in the blocked operating state and the sub-module control devices are not yet able to communicate due to the lack of a sufficient state of charge of their assigned energy stores, initially in a first charging phase of a charging operation, which comprises at least the first and a subsequent second charging phase, the sub-module control devices are designed to communicate with a module control device assigned to them communicate as soon as they have become capable of communication during the first charging phase, the module control devices are designed to, transmitted by the sub-module control devices voltage values or sum values derived therefrom during the first charging phase to a higher-level central facility of the converter, the central facility is designed to switch those module control facilities in which the sum of the transmitted voltage values or the transmitted total value reaches or exceeds a specified voltage threshold to the second charging phase of the charging operation by transmits to these module control devices a first voltage specification, which relates to switched-off sub-modules, and a second voltage specification, which relates to switched-on sub-modules, and the module devices are also designed to meet the first and second voltage specifications, or at least approximately to meet them, by having none, one or several of their communication-capable sub-modules in the switched-on operating state and none, one or more other of their communication-capable sub-modules in the switched-off operating state and charging the energy memories that are in the powered on and blocked states. A significant advantage of the converter according to the invention is that it can make a transition from the first charging phase to the second charging phase for each of the module devices, even if not all sub-modules of the module device in question are capable of communication and therefore cannot yet be controlled. By specifying the first and second voltage specification, the module devices can advantageously already be transferred to an optimized charging mode in the second charging phase, in which some of the sub-modules whose energy stores are already sufficiently charged at least for communication mode are charged further in a targeted manner and others are charged in a targeted manner by one further stores are excluded. This procedure makes it possible, for example, for some of the sub-modules to have much higher charging voltages than others or the average of the sub-modules at the time when all sub-modules of all modular devices are capable of communication and can therefore be controlled.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Um richters ist darin zu sehen, dass durch die Vorgabe der ers ten und zweiten Spannungsvorgabe gezielt Asymmetrien zwischen den Ladezuständen der Moduleinrichtungen minimiert bzw. deren Auftreten verhindert oder zumindest bestmöglich verhindert werden kann; wird beispielsweise bei einer der Moduleinrich tungen die erste Spannungsvorgabe größer als bei einer ande ren Moduleinrichtung gewählt, so wird die Summenspannung der Teilmodulspannungen in der erstgenannten Moduleinrichtung weniger schnell ansteigen als in der zweitgenannten Modulein richtung, und umgekehrt. Another significant advantage of the converter according to the invention is that by specifying the first and second voltage specifications, asymmetries between the states of charge of the module devices can be minimized or their occurrence prevented or at least prevented as best as possible; If, for example, the first voltage specification is selected to be greater for one of the module devices than for another module device, the total voltage of the partial module voltages in the first-mentioned module device will rise less quickly than in the second-mentioned module device, and vice versa.
Vorteilhaft ist es, wenn die vorgegebene Spannungsschwelle derart bemessen ist, dass diese erreicht oder überschritten wird, auch wenn noch nicht alle Teilmodule der jeweiligen Moduleinrichtung kommunikationsfähig sind. Die vorgegebene Spannungsschwelle ist vorzugsweise derart be messen, dass diese erreicht oder überschritten wird, wenn eine vorgegebene Anzahl, die zwischen 25 % und 50 % der Teil module der jeweiligen Moduleinrichtung beträgt, an Teilmodu len kommunikationsfähig ist. It is advantageous if the specified voltage threshold is dimensioned in such a way that it is reached or exceeded even if not all sub-modules of the respective module device are capable of communication. The specified voltage threshold is preferably measured in such a way that it is reached or exceeded when a specified number of sub-modules of the respective module device, which is between 25% and 50%, is capable of communication.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die vorgegebene Span nungsschwelle zwischen 25 % und 50 % der zu erwartenden Sum menspannung für den Fall, dass alle Teilmodule der jeweiligen Moduleinrichtung kommunikationsfähig sind, beträgt. Alternatively, it can be provided that the specified voltage threshold is between 25% and 50% of the total voltage to be expected in the event that all sub-modules of the respective modular device are capable of communication.
Die erste und/oder die zweite Spannungsvorgabe wird vorzugs weise ermittelt unter Heranziehung eines die Spannung an der ersten Anschlussseite angebenden ersten äußeren Spannungswer tes, eines die Spannung an der zweiten Anschlussseite ange benden zweiten äußeren Spannungswertes und/oder der von den Modulsteuereinrichtungen übermittelten Spannungswerte oder Summenwerte . The first and/or the second voltage specification is preferably determined using a first external voltage value indicating the voltage on the first connection side, a second external voltage value indicating the voltage on the second connection side and/or the voltage values or total values transmitted by the module control devices .
Bei einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die erste Anschlussseite eine ein- oder mehrphasige Wechselspannungsseite und die zweite Anschlussseite eine Gleichspannungsseite ist. In an advantageous embodiment, it is provided that the first connection side is a single-phase or multi-phase AC voltage side and the second connection side is a DC voltage side.
Im Falle eines Ladebetriebs von der Wechselspannungsseite aus wird die zweite Spannungsvorgabe vorzugsweise ermittelt ge mäß: In the case of charging from the AC voltage side, the second voltage specification is preferably determined according to:
Uein,soll = f(Udc, Udc,soll, t) wobei Udc die an der Gleichspannungsseite anliegende Gleich spannung, Udc,soll eine an der Gleichspannungsseite einzu stellende Sollgleichspannung und Uein,soll die zweite Span nungsvorgabe bezeichnet, und wobei f eine über der Zeit t, vorzugsweise stufen- oder rampenförmig, ansteigende Funktion ist, die von Null auf einen Maximalwert Uein,soll,max =Uin,soll = f(Udc, Udc,soll, t) where Udc is the DC voltage applied to the DC voltage side, Udc,soll is a setpoint DC voltage to be set on the DC voltage side and Uin,soll is the second voltage specification, and where f is a value above the Time t, preferably in the form of steps or ramps, increasing function from zero to a maximum value Uein,soll,max =
Udc,soll - Udc ansteigt. Die erste Spannungsvorgabe wird im Falle eines Ladebetriebs von der Wechselspannungsseite aus vorzugsweise ermittelt ge mäß: Udc,set - Udc increases. In the case of charging operation, the first voltage specification is preferably determined from the AC voltage side according to:
Uaus,soll = f(Uac, Ufinal,soll, Uein,soll, t) wobei Uac die an der Wechselspannungsseite anliegende Wech selspannung, Uein,soll die zweite Spannungsvorgabe und Uaus,soll die erste Spannungsvorgabe bezeichnet, wobei f eine über der Zeit t, vorzugsweise stufen- oder rampenförmig, an steigende Funktion ist, die von Null auf einen Maximalwert Uaus,soll,max ansteigt, und wobei gilt Uoff,setpoint = f(Uac, Ufinal,setpoint, Vin,setpoint, t) where Vac denotes the alternating voltage present on the AC voltage side, Vin,setpoint denotes the second voltage specification and Uout,setpoint denotes the first voltage specification, with f over time t , preferably in the form of steps or ramps, is an increasing function which increases from zero to a maximum value Uout,soll,max, and where applies
Uaus,soll,max = Ufinal,soll - q -Uac - |Uein,soll| wobei Ufinal,soll die Sollspannungssumme aus den an den Ener giespeichern der Teilmodule anliegenden Teilmodulspannungen bei jedem der Teilmodule nach dem Ende der Ladephase und zu Beginn des Normalbetriebs angibt, die vom einzustellenden Arbeitspunkt des Umrichters zu Beginn des Normalbetriebs ab hängt, und wobei q Eins beträgt im Falle von Halbbrücken als Teilmodulen und 0,5 beträgt im Falle von Vollbrücken als Teilmodulen . Uout,set,max = Ufinal,set - q -Uac - |Uin,set| where Ufinal,soll specifies the target voltage sum from the sub-module voltages present at the energy stores of the sub-modules for each of the sub-modules after the end of the charging phase and at the beginning of normal operation, which depends on the operating point of the converter to be set at the beginning of normal operation, and where q is one in the case of half bridges as partial modules and 0.5 in the case of full bridges as partial modules.
Im Fall eines Ladebetriebs von der Gleichspannungsseite aus wird die zweite Spannungsvorgabe Uein,soll vorzugsweise auf Null festgelegt. Die erste Spannungsvorgabe Uaus,soll wird vorzugsweise ermittelt gemäß: In the case of charging operation from the direct voltage side, the second voltage specification Uin,setpoint is preferably set to zero. The first voltage specification Uout,setpoint is preferably determined according to:
Uaus,soll = f(Uac, Udc, Ufinal,soll, t) wobei Uac die an der Wechselspannungsseite anliegende Wech selspannung, und Ufinal,soll die Sollspannungssumme aus den an den Energiespeichern der Teilmodule anliegenden Teilmodul spannungen (bei jedem der Teilmodule) nach dem Ende der Lade phase und zu Beginn des Normalbetriebs angibt, die vom einzu stellenden Arbeitspunkt des Umrichters zu Beginn des Normal betriebs abhängt, und wobei f eine über der Zeit t, Vorzugs- weise stufen- oder rampenförmig, ansteigende Funktion ist, die von Null auf einen Maximalwert Uaus,soll,max =Uoff,soll = f(Uac, Udc, Ufinal,soll, t) where Uac is the AC voltage present on the AC voltage side and Ufinal,soll is the sum of the nominal voltages from the submodule voltages present at the energy stores of the submodules (for each of the submodules) after the end of the charging phase and at the beginning of normal operation, which depends on the operating point of the converter to be set at the beginning of normal operation, and where f is a value over time t, preferred wise step or ramp-shaped, increasing function, from zero to a maximum value Uaus,soll,max =
Ufinal,soll - 0,5 · (Udo - Uac) ansteigt. Ufinal,soll - 0.5 · (Udo - Uac) increases.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Modulsteuerein richtung für einen Umrichter, insbesondere einen Umrichter wie er oben beschrieben worden ist. Erfindungsgemäß ist vor gesehen, dass die Modulsteuereinrichtung dazu ausgestaltet ist, von Teilmodulsteuereinrichtungen übermittelte Spannungs werte oder daraus abgeleitete Summenwerte während einer ers ten Ladephase an eine übergeordnete Zentraleinrichtung zu übermitteln, und die Modulsteuereinrichtung außerdem dazu ausgebildet ist, eine erste und eine zweite Spannungsvorgabe der Zentraleinrichtung zu erfüllen, indem sie zumindest ein kommunikationsfähiges Teilmodul in den ein- oder ausgeschal teten Betriebszustand versetzt, und das Laden der Energie speicher, die sich im eingeschalteten und geblockten Be triebszustand befinden, fortsetzt. The invention also relates to a Modulsteuerein device for a converter, in particular a converter as has been described above. According to the invention, it is provided that the module control device is designed to transmit voltage values transmitted by sub-module control devices or total values derived therefrom to a higher-level central device during a first charging phase, and the module control device is also designed to transmit a first and a second voltage specification to the central device by switching at least one communication-capable sub-module to the switched-on or switched-off operating state, and continuing to charge the energy stores that are in the switched-on and blocked operating state.
Bezüglich der Vorteile und vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Teilmodulsteuereinrichtung sei auf die obi gen Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Umrichter und dessen vorteilhafter Ausgestaltungen verwiesen. With regard to the advantages and advantageous configurations of the partial module control device according to the invention, reference is made to the above statements in connection with the converter according to the invention and its advantageous configurations.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Zentraleinrich tung für einen Umrichter, insbesondere einen Umrichter wie er oben beschrieben worden ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Zentraleinrichtung dazu ausgebildet ist, Modulsteu ereinrichtungen, bei denen die Summe übermittelter Spannungs werte oder ein übermittelter Summenwert eine vorgegebene Spannungsschwelle erreicht oder überschreitet, in eine zweite Ladephase eines Ladebetriebs umzuschalten, indem sie diesen Modulsteuereinrichtungen eine erste Spannungsvorgabe, die ausgeschaltete Teilmodule betrifft, und eine zweite Span nungsvorgabe, die eingeschaltete Teilmodule betrifft, über mittelt. Bezüglich der Vorteile und vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Zentraleinrichtung sei auf die obigen Aus führungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Umrichter und dessen vorteilhafter Ausgestaltungen verwiesen. The invention also relates to a central device for a converter, in particular a converter as has been described above. According to the invention, the central device is designed to switch module control devices, in which the sum of transmitted voltage values or a transmitted total value reaches or exceeds a specified voltage threshold, to a second charging phase of a charging operation by providing these module control devices with a first voltage specification that switches off Concerns sub-modules, and a second voltage specification, which relates to sub-modules switched on, communicates. With regard to the advantages and advantageous configurations of the central device according to the invention, reference is made to the above statements in connection with the converter according to the invention and its advantageous configurations.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zum Be treiben eines Umrichters, der eine erste Anschlussseite und eine zweite Anschlussseite sowie Moduleinrichtungen umfasst, die jeweils eine Reihenschaltung mit zumindest zwei elekt risch in Reihe geschalteten Teilmodulen aufweisen, wobei die Teilmodule jeweils einen Energiespeicher und zumindest zwei Schaltelemente umfassen, von denen im eingeschalteten oder ausgeschalteten Betriebszustand des Teilmoduls zumindest ein Schaltelement eingeschaltet ist und im geblockten Betriebszu stand alle Schaltelemente ausgeschaltet sind. The invention also relates to a method for operating a converter, which comprises a first connection side and a second connection side as well as module devices, each of which has a series circuit with at least two sub-modules electrically connected in series, with the sub-modules each having an energy store and at least two Include switching elements, of which at least one switching element is switched on in the switched-on or switched-off operating state of the partial module and all switching elements are switched off in the blocked operating state.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Umrichter nach einer Inbetriebnahme, bei der sich alle Teilmodule zunächst im ge blockten Betriebszustand befinden und Teilmodulsteuereinrich tungen der Teilmodule mangels ausreichendem Ladezustand ihrer zugeordneten Energiespeicher noch nicht kommunikationsfähig sind, zunächst in eine erste Ladephase eines Ladebetriebs, der zumindest die erste und eine nachfolgende zweite Ladepha se umfasst, versetzt wird, die Teilmodulsteuereinrichtungen, die den Betriebszustand des ihnen jeweils zugeordneten Teil moduls durch Ansteuerung der Schaltelemente bestimmen, je weils mit einer ihnen zugeordneten Modulsteuereinrichtung kommunizieren, sobald sie während der ersten Ladephase kommu nikationsfähig geworden sind, die Modulsteuereinrichtungen von den Teilmodulsteuereinrichtungen übermittelte Spannungs werte oder daraus abgeleitete Summenwerte während der ersten Ladephase an eine übergeordnete Zentraleinrichtung des Um richters übermitteln, die Zentraleinrichtung diejenigen Mo dulsteuereinrichtungen, bei denen die Summe der übermittelten Spannungswerte oder der übermittelte Summenwert eine vorge gebene Spannungsschwelle erreicht oder überschreitet, in die zweite Ladephase des Ladebetriebs umschaltet, indem sie die sen Modulsteuereinrichtungen eine erste Spannungsvorgabe, die ausgeschaltete Teilmodule betrifft, und eine zweite Span nungsvorgabe, die eingeschaltete Teilmodule betrifft, über mittelt, und die Moduleinrichtungen die erste und zweite Spannungsvorgabe erfüllen oder zumindest näherungsweise er füllen, indem sie keines, eines oder mehrere ihrer kommunika tionsfähigen Teilmodule in den eingeschalteten Betriebszu stand und keines, eines oder mehrere andere ihrer kommunika tionsfähigen Teilmodule in den ausgeschalteten Betriebszu stand versetzen und das Laden der Energiespeicher, die sich im eingeschalteten und geblockten Betriebszustand befinden, fortsetzen. According to the invention, it is provided that after commissioning, in which all sub-modules are initially in the blocked operating state and sub-module control devices of the sub-modules are not yet capable of communication due to a lack of sufficient state of charge of their assigned energy stores, the converter initially enters a first charging phase of a charging operation that includes at least the first and a subsequent second charging phase, the partial module control devices, which determine the operating state of the partial module assigned to them by actuating the switching elements, each communicate with a module control device assigned to them as soon as they have become capable of communication during the first charging phase, the During the first charging phase, module control devices transmit voltage values or total values derived from them from the sub-module control devices to a higher-level central device of the converter, the central device ution those module control devices in which the sum of the transmitted voltage values or the transmitted total value reaches or exceeds a pre-specified voltage threshold, switches to the second charging phase of the charging operation by the sen module control devices a first voltage specification, the relates to switched-off sub-modules, and a second voltage specification, which relates to switched-on sub-modules, and the module devices meet the first and second voltage specification or at least approximately meet it by having none, one or more of their communication-capable sub-modules in the switched-on operating state and put none, one or more of their communication-capable sub-modules into the switched-off operating state and continue charging the energy stores that are in the switched-on and blocked operating state.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie len näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft: The invention is explained in more detail below with reference to exemplary embodiments; show examples:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemä- ßen Umrichter, FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a converter according to the invention,
Figur 2 ein erstes Ausführungsbeispiel für ein für denFigure 2 shows a first embodiment of a for
Umrichter gemäß Figur 1 geeignetes Teilmodul, Converter according to Figure 1 suitable sub-module,
Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel für ein für denFigure 3 shows a second embodiment of a for
Umrichter gemäß Figur 1 geeignetes Teilmodul, Converter according to Figure 1 suitable sub-module,
Figur 4 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäßeFigure 4 shows an embodiment of an inventive
Modulsteuereinrichtung, und module controller, and
Figur 5 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäßeFigure 5 shows an embodiment of an inventive
Zentraleinrichtung . central facility .
In den Figuren werden der Übersicht halber für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet. For the sake of clarity, the figures always use the same reference symbols for identical or comparable components.
Die Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Umrichter 10, der eine erste Anschlussseite und eine zweite Anschluss seite aufweist. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 wird die erste Anschlussseite durch eine dreiphasige Wechsel- spannungsseite 11, die drei Wechselspannungsanschlüsse W1-W3 aufweist, und die zweite Anschlussseite durch eine Gleich spannungsseite 12, die zwei Gleichspannungsanschlüsse Gl und G2 aufweist, gebildet. FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a converter 10, which has a first connection side and a second connection side. In the exemplary embodiment according to FIG. 1, the first connection side is connected by a three-phase alternating voltage side 11, which has three AC voltage connections W1-W3, and the second connection side is formed by a DC voltage side 12, which has two DC voltage connections Gl and G2.
Der Umrichter 10 umfasst außerdem sechs Moduleinrichtungen ME1-ME6, die jeweils eine Reihenschaltung mit zwei oder mehr elektrisch in Reihe geschalteten Teilmodulen TM und eine Mo dulsteuereinrichtung MSE zum Ansteuern der Teilmodule TM der jeweiligen Moduleinrichtung ME1-ME6 aufweisen. Die Modulsteu ereinrichtungen MSE stehen über aus Gründen der Übersicht in der Figur 1 nicht weiter im Detail gezeigte Kommunikations leitungen mit einer übergeordneten Zentraleinrichtung ZE des Umrichters 10 in Verbindung. The converter 10 also includes six modular devices ME1-ME6, each of which has a series connection with two or more sub-modules TM electrically connected in series and a module control device MSE for controlling the sub-modules TM of the respective modular device ME1-ME6. The module control devices MSE are connected to a higher-level central device ZE of the converter 10 via communication lines, which are not shown in detail in FIG. 1 for reasons of clarity.
Die Teilmodule TM umfassen jeweils eine Teilmodulsteuerein richtung TMSE, einen Energiespeicher ES (vgl. Figuren 2 und 3) und zumindest zwei Schaltelemente, von denen sowohl im eingeschalteten als auch im ausgeschalteten Betriebszustand des Teilmoduls TM jeweils zumindest ein Schaltelement einge schaltet ist und im geblockten Betriebszustand des Teilmoduls alle Schaltelemente ausgeschaltet sind. Die Teilmodulsteuer einrichtung TMSE bestimmt jeweils den Betriebszustand ihres Teilmoduls TM durch Ansteuerung der Schaltelemente. The sub-modules TM each comprise a sub-module control unit TMSE, an energy store ES (see Figures 2 and 3) and at least two switching elements, of which at least one switching element is switched on both when the sub-module TM is switched on and when it is switched off and in the blocked operating state of the sub-module all switching elements are switched off. The sub-module control device TMSE determines the operating state of its sub-module TM by activating the switching elements.
Die Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Teilmodul TM in Form eines sogenannten Halbbrückenmoduls, das bei dem Umrichter 10 gemäß Figur 1 eingesetzt werden kann. Das Teil modul TM gemäß Figur 2 umfasst zwei Schaltelemente S1 und S2, die jeweils durch einen Transistor und eine parallel geschal tete Freilaufdiode gebildet sind, und einen Energiespeicher ES in Form eines Kondensators. Außerdem zeigt die Figur 2 die Teilmodulsteuereinrichtung TMSE, die die zwei Schaltelemente S1 und S2 ansteuert. FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a partial module TM in the form of what is known as a half-bridge module, which can be used in converter 10 according to FIG. The partial module TM according to FIG. 2 comprises two switching elements S1 and S2, each of which is formed by a transistor and a freewheeling diode connected in parallel, and an energy store ES in the form of a capacitor. In addition, FIG. 2 shows the submodule control device TMSE, which controls the two switching elements S1 and S2.
Die Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Teilmodul TM in Form eines sogenannten Vollbrückenmoduls, das bei dem Umrichter 10 gemäß Figur 1 eingesetzt werden kann. Das Teil- modul TM umfasst vier Schaltelemente S1 bis S4, die jeweils durch einen Transistor und eine parallel geschaltete Frei laufdiode gebildet sind, und einen Energiespeicher ES in Form eines Kondensators. Außerdem zeigt die Figur 3 die Teilmodul steuereinrichtung TMSE, die die vier Schaltelemente S1 bis S4 ansteuert. FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a partial module TM in the form of a so-called full-bridge module, which can be used in converter 10 according to FIG. The part- module TM comprises four switching elements S1 to S4, each of which is formed by a transistor and a freewheeling diode connected in parallel, and an energy store ES in the form of a capacitor. In addition, FIG. 3 shows the submodule control device TMSE, which controls the four switching elements S1 to S4.
Wieder Bezug nehmend auf Figur 1 sind bei dem Umrichter 10 die Modulsteuereinrichtungen MSE im Normalbetrieb geeignet, durch Ansteuerung der Teilmodulsteuereinrichtungen TMSE ihrer Teilmodule TM einen vorgegebenen Energiefluss zwischen den zwei Anschlussseiten 11 und 12 des Umrichters 10 zu gewähr leisten. Referring again to FIG. 1, the module control devices MSE in the converter 10 are suitable in normal operation for ensuring a predetermined flow of energy between the two connection sides 11 and 12 of the converter 10 by activating the sub-module control devices TMSE of their sub-modules TM.
Nach einer Inbetriebnahme des Umrichters 10 sind die Teil modulsteuereinrichtungen TMSE jedoch mangels ausreichendem Ladezustand ihrer zugeordneten Energiespeicher ES noch nicht kommunikationsfähig; auch können die Teilmodulsteuereinrich tungen TMSE ihre zugeordneten Schaltelemente S1-S2 gemäß Fi gur 2 bzw. S1-S4 gemäß Figur 3 noch nicht ansteuern, weshalb die Schaltelemente ebenfalls noch abgeschaltet sind. Mit an deren Worten befinden sich nach einer Inbetriebnahme bei je der Moduleinrichtung ME1-ME6 alle Teilmodule TM zunächst im geblockten Betriebszustand, weil die Energiespeicher ES noch nicht ausreichend geladen sind und deshalb keines der Schalt elemente eingeschaltet werden kann. However, after the converter 10 has been started up, the sub-module control devices TMSE are not yet able to communicate due to the lack of a sufficient state of charge in their associated energy store ES; the sub-module control devices TMSE can also not yet activate their assigned switching elements S1-S2 according to FIG. 2 or S1-S4 according to FIG. 3, which is why the switching elements are also still switched off. In other words, after start-up for each module device ME1-ME6, all sub-modules TM are initially in the blocked operating state because the energy stores ES are not yet sufficiently charged and therefore none of the switching elements can be switched on.
Aus diesem Grunde wird nach einer Inbetriebnahme des Umrich ters 10 dieser zunächst in einen Ladebetrieb versetzt, der eine erste und eine zweite Ladephase umfasst. Der Ladebetrieb kann - wie weiter unten noch näher erläutert wird - von der Wechselspannungsseite 11 oder der Gleichspannungsseite 12 aus erfolgen, indem an die Wechselspannungsanschlüsse W1-W3 eine Wechselspannung oder an die Gleichspannungsanschlüsse Gl und G2 eine Gleichspannung angelegt wird. For this reason, after the converter 10 has been put into operation, it is first put into a charging mode that includes a first and a second charging phase. As will be explained in more detail below, the charging operation can take place from the AC voltage side 11 or the DC voltage side 12 by applying an AC voltage to the AC voltage connections W1-W3 or a DC voltage to the DC voltage connections G1 and G2.
Sobald die Teilmodulsteuereinrichtungen TMSE während der ers ten Ladephase kommunikationsfähig werden, weil ihre Energie- Speicher ES ausreichend geladen sind und Betriebsenergie zur Verfügung stellen können, beginnen sie jeweils, mit ihrer zu geordneten Modulsteuereinrichtung MSE zu kommunizieren. Im Rahmen der Kommunikation übermitteln die Teilmodulsteuerein richtungen TMSE jeweils Spannungswerte U, die die jeweilige Spannung an ihrem Energiespeicher ES angeben, an die ihnen übergeordnete Modulsteuereinrichtung MSE. As soon as the sub-module control devices TMSE become capable of communication during the first charging phase because their energy Memory ES are sufficiently charged and can provide operating energy, they each begin to communicate with their assigned module control device MSE. As part of the communication, the sub-module control devices TMSE each transmit voltage values U, which indicate the respective voltage at their energy store ES, to the module control device MSE that is higher than them.
Die Modulsteuereinrichtungen MSE übermitteln wiederum die von den Teilmodulsteuereinrichtungen TMSE übermittelten Span nungswerte U oder daraus abgeleitete Summenwerte Sui (mit i=l,2,...6) - wie in Figur 1 beispielhaft explizit für den Sum menwert Su3 der Moduleinrichtung ME3 gezeigt - an die überge ordnete Zentraleinrichtung ZE. Der Index i identifiziert je weils die zugeordnete Moduleinrichtung MEi, also ME1-ME6, und damit deren Modulsteuereinrichtungen MSE. Da der Umrichter 10 gemäß Figur 1 sechs Modulsteuereinrichtungen MSE aufweist, werden also sechs Summenwerte Sul-Su6 zur Zentraleinrichtung ZE übermittelt. The module control devices MSE in turn transmit the voltage values U transmitted by the sub-module control devices TMSE or total values Sui (with i=1, 2, the superordinate central facility ZE. The index i identifies the assigned module device MEi, ie ME1-ME6, and thus its module control devices MSE. Since the converter 10 according to FIG. 1 has six module control devices MSE, six cumulative values Sul-Su6 are transmitted to the central device ZE.
Die Zentraleinrichtung ZE ist dazu ausgebildet, diejenigen Modulsteuereinrichtungen MSE, bei denen die Summe der über mittelten Spannungswerte oder der übermittelte Summenwert eine vorgegebene Spannungsschwelle Smin bereits erreicht oder überschreitet, in die zweite Ladephase des Ladebetriebs umzu schalten, indem sie diesen Modulsteuereinrichtungen MSE eine erste Spannungsvorgabe Uaus,soll, die ausgeschaltete Teilmo- dule TM betrifft, und eine zweite Spannungsvorgabe Uein,soll, die eingeschaltete Teilmodule TM betrifft, übermittelt. Mit anderen Worten werden somit die Moduleinrichtungen ME1-ME6 jeweils individuell in die zweite Ladephase versetzt, sobald sie sich dazu qualifizieren. The central device ZE is designed to switch those module control devices MSE for which the sum of the transmitted voltage values or the transmitted total value already reaches or exceeds a specified voltage threshold Smin to the second charging phase of the charging operation by providing these module control devices MSE with a first voltage specification Uoff ,soll, which relates to switched-off sub-modules TM, and a second voltage specification Uein,soll, which relates to switched-on sub-modules TM. In other words, the modular devices ME1-ME6 are each individually placed in the second charging phase as soon as they qualify for it.
Konkret definiert die erste Spannungsvorgabe Uaus,soll vor zugsweise, welche Summenspannung ausgeschaltete Teilmodule erreichen sollen, und die zweite Spannungsvorgabe Uein,soll, welche Summenspannung eingeschaltete Teilmodule erreichen sollen. Die Moduleinrichtungen ME1-ME6 sind dazu ausgebildet, die erste und zweite Spannungsvorgabe Uaus,soll und Uein,soll zu erfüllen oder zumindest bestmöglich zu erfüllen, indem sie keines, eines oder mehrere ihrer kommunikationsfähigen Teil- module TM in den eingeschalteten Betriebszustand und keines, eines oder mehrere andere ihrer kommunikationsfähigen Teilmo- dule TM in den ausgeschalteten Betriebszustand versetzt und das Laden der Energiespeicher ES, die sich im eingeschalteten und geblockten Betriebszustand befinden, fortsetzt. Specifically, the first voltage specification Uout,setpoint preferably defines which total voltage switched-off sub-modules should achieve, and the second voltage specification Uin,setpoint defines which total voltage switched-on sub-modules should reach. The module devices ME1-ME6 are designed to meet the first and second voltage specifications Uout,setpoint and Uein,setpoint or at least to meet them as best as possible by no, one or more of their communication-capable sub-modules TM in the switched-on operating state and none, one or several other of their communication-capable sub-modules TM in the switched-off operating state and charging the energy stores ES, which are in the switched-on and blocked operating state, continues.
Der Algorithmus, wie die ein- und auszuschaltenden Teilmodule TM bestimmt werden, ist dabei beliebig; die bestmögliche Er füllung der Spannungsvorgaben der Zentraleinrichtung ZE kann beispielsweise ermittelt werden durch eine Simulation im Sin ne eines rechnergestützten Ausprobierens aller möglichen Be triebskonstellationen der kommunikationsfähigen Teilmodule TM und die nachfolgende Auswahl derjenigen Betriebskonstellati on, die die bestmögliche Erfüllung der Spannungsvorgaben ge währleistet. Mit Blick auf die Rechenleistung heutiger Pro zessoren und die verhältnismäßig geringe Anzahl an Teilmodu len in Umrichtern ist ein solcher Brute-Force-ähnlicher An satz problemlos durchführbar. The algorithm as to how the partial modules TM to be switched on and off are determined is arbitrary; the best possible fulfillment of the voltage specifications of the central device ZE can be determined, for example, by a simulation in the sense of computer-aided trying out all possible operating constellations of the communication-capable submodules TM and the subsequent selection of that operating constellation that guarantees the best possible fulfillment of the voltage specifications. In view of the computing power of today's processors and the relatively small number of sub-modules in converters, such a brute force-like approach can be carried out without any problems.
Um bei allen Teilmodulen TM einen möglichst zügigen Übergang von der ersten Ladephase in die zweite Ladephase zu errei chen, ist die vorgegebene Spannungsschwelle Smin derart be messen, dass diese erreicht oder überschritten wird, auch wenn noch nicht alle Teilmodule TM der jeweiligen Modulein richtung ME1-ME6 kommunikationsfähig sind. Durch das frühzei tige Ausschalten bereits kommunikationsfähiger Teilmodule TM kann die zur Verfügung stehende Ladespannung in vorteilhafter Weise für die noch nicht kommunikationsfähigen Teilmodule TM genutzt werden, sodass diese schneller kommunikationsfähig werden, als dies der Fall wäre, wenn alle Teilmodule TM gleichzeitig geladen werden. Da die eingeschalteten Teilmodu le weiter geladen werden, kann bei diesen gezielt eine beson ders hohe Ladespannung erreicht werden, die für den Betrieb des Umrichters 10 nach dem Ende der Ladephase von Nutzen sein kann. In order to achieve the fastest possible transition from the first charging phase to the second charging phase for all sub-modules TM, the specified voltage threshold Smin is dimensioned in such a way that it is reached or exceeded even if not all sub-modules TM of the respective modular device ME1- ME6 are capable of communication. By switching off already communication-capable sub-modules TM at an early stage, the available charging voltage can be used advantageously for the sub-modules TM that are not yet capable of communication, so that they can communicate more quickly than would be the case if all sub-modules TM were charged simultaneously. Since the switched-on sub-modules continue to be charged, a particularly high charging voltage can be achieved for them, which is necessary for operation of the converter 10 after the end of the charging phase.
Die vorgegebene Spannungsschwelle Smin ist vorzugsweise der art bemessen, dass diese erreicht oder überschritten wird, wenn eine vorgegebene Anzahl, die zwischen 25 % und 50 % der Teilmodule TM der jeweiligen Moduleinrichtung ME1-ME6 be trägt, an Teilmodulen TM kommunikationsfähig ist. Alternativ kann die vorgegebene Spannungsschwelle Smin zwischen 25 % und 50 % der zu erwartenden Summenspannung für den Fall, dass alle Teilmodule TM der jeweiligen Moduleinrichtung ME1-ME6 kommunikationsfähig wären, betragen. The specified voltage threshold Smin is preferably dimensioned such that it is reached or exceeded when a specified number of sub-modules TM, which is between 25% and 50% of the sub-modules TM of the respective modular device ME1-ME6, is capable of communication. Alternatively, the specified voltage threshold Smin can be between 25% and 50% of the total voltage to be expected in the event that all sub-modules TM of the respective modular device ME1-ME6 were capable of communication.
Wie weiter unten für unterschiedliche Fallgestaltungen noch näher beschrieben wird, wird die erste und zweite Spannungs vorgabe vorzugsweise unter Heranziehung eines die Spannung an der Wechselspannungsseite 11 angebenden ersten äußeren Span nungswertes, eines die Spannung an der Gleichspannungsseite 12 angebenden zweiten äußeren Spannungswertes und/oder der von den Modulsteuereinrichtungen MSE übermittelten Spannungs werte oder Summenwerte Sul-Su6 ermittelt. As will be described in more detail below for different scenarios, the first and second voltage specifications are preferably calculated using a first external voltage value indicating the voltage on the AC voltage side 11, a second external voltage value indicating the voltage on the DC voltage side 12 and/or the The voltage values or sum values Sul-Su6 transmitted to the module control devices MSE are determined.
Im Falle, dass der Ladebetrieb von der Wechselspannungsseite 11 erfolgt, wird die zweite Spannungsvorgabe Uein,soll vor zugsweise ermittelt gemäß: In the event that the charging operation takes place from the AC voltage side 11, the second voltage specification Uin,setpoint before is preferably determined according to:
Uein,soll = f(Udc, Udc,soll, t) Vin,set = f(Udc, Udc,set, t)
Udc bezeichnet in der obigen Formel die an der Gleichspan nungsseite 12 anliegende Gleichspannung und Udc,soll eine an der Gleichspannungsseite 12 einzustellende Sollgleichspan nung. f bezeichnet in der obigen Formel eine über der Zeit t ansteigende, vorzugsweise stufen- oder rampenförmig anstei gende, Funktion, die von Null auf einen Maximalwert Uein,soll,max = Udc,soll - Udc ansteigt. In the above formula, Udc designates the direct voltage applied to the direct voltage side 12 and Udc,soll a setpoint direct voltage to be set on the direct voltage side 12. In the above formula, f designates a function that increases over time t, preferably in a stepwise or ramp-like manner, which increases from zero to a maximum value Vin,setpoint,max=Udc,setpoint - Udc.
Die erste Spannungsvorgabe Uaus,soll wird vorzugsweise ermit telt gemäß: Uaus,soll = f(Uac, Ufinal,soll, Uein,soll, t) The first voltage specification Uout,soll is preferably determined according to: Uoff,set = f(Uac, Ufinal,set, Vin,set, t)
Uac bezeichnet in der obigen Formel die an der Wechselspan nungsseite 11 anliegende Wechselspannung, beispielsweise als Amplitude oder Effektivwert der Leiter-Leiter-Spannung zwi schen den Wechselspannungsanschlüssen W1-W3. f ist in der obigen Formel eine über der Zeit t ansteigende, vorzugsweise stufen- oder rampenförmig ansteigende, Funktion, die von Null auf einen Maximalwert Uaus,soll,max ansteigt. In the above formula, Uac designates the AC voltage applied to the AC voltage side 11, for example as the amplitude or effective value of the phase-to-phase voltage between the AC voltage connections W1-W3. In the above formula, f is a function that increases over time t, preferably in a stepped or ramped manner, which increases from zero to a maximum value Uout,soll,max.
Für den Maximalwert Uaus,soll,max gilt vorzugsweise: The following preferably applies to the maximum value Uout,setpoint,max:
Uaus,soll,max = Ufinal,soll - q -Uac - |Uein,soll| Uout,set,max = Ufinal,set - q -Uac - |Uin,set|
Ufinal,soll bezeichnet in der obigen Formel die Sollspan nungssumme aus den an den Energiespeichern ES der Teilmodule TM anliegenden Teilmodulspannungen U nach dem Ende der Lade phase und zu Beginn des Normalbetriebs, die vom einzustellen den Arbeitspunkt des Umrichters zu Beginn des Normalbetriebs abhängt. In der obigen Formel beträgt q Eins im Falle von Halbbrücken als Teilmodulen TM (vgl. Figur 2) und 0,5 im Fal le von Vollbrücken als Teilmodulen TM (vgl. Figur 3). In the above formula, Ufinal,soll designates the target voltage sum from the partial module voltages U present at the energy stores ES of the partial modules TM after the end of the charging phase and at the beginning of normal operation, which depends on the operating point of the converter to be set at the beginning of normal operation. In the above formula, q is one in the case of half bridges as partial modules TM (cf. FIG. 2) and 0.5 in the case of full bridges as partial modules TM (cf. FIG. 3).
Im Falle, dass der Ladebetrieb von der Gleichspannungsseite 12 erfolgt, wird die zweite Spannungsvorgabe Uein,soll vor zugsweise auf Null festgelegt. Die erste Spannungsvorgabe wird bei Ladebetrieb von der Gleichspannungsseite 12 aus vor zugsweise ermittelt wird gemäß: In the event that the charging operation takes place from the direct voltage side 12, the second voltage specification Uein,sollvor is preferably set to zero. The first voltage specification is determined during charging from the direct voltage side 12, preferably according to:
Uaus,soll = f(Uac, Udc, Ufinal,soll, t) Uout,set = f(Uac, Udc, Ufinal,set, t)
Uac bezeichnet in der obigen Formel die an der Wechselspan nungsseite 11 anliegende Wechselspannung, beispielsweise als Amplitude oder Effektivwert der Leiter-Leiter-Spannung zwi schen den Wechselspannungsanschlüssen W1-W3. Ufinal,soll gibt in der obigen Formel wieder die Sollspannungssumme aus den an den Energiespeichern ES der Teilmodule TM anliegenden Teilmo- dulspannungen U nach dem Ende der Ladephase und zu Beginn des Normalbetriebs an, die vom einzustellenden Arbeitspunkt des Umrichters zu Beginn des Normalbetriebs abhängt, f ist eine über der Zeit t ansteigende, vorzugsweise stufen- oder ram penförmig, ansteigende Funktion, die von Null auf einen Maxi malwert In the above formula, Uac designates the AC voltage applied to the AC voltage side 11, for example as the amplitude or effective value of the phase-to-phase voltage between the AC voltage connections W1-W3. In the above formula, Ufinal,soll returns the sum of the setpoint voltages from the partial motors present at the energy stores ES of the submodules TM dul voltages U after the end of the charging phase and at the beginning of normal operation, which depends on the operating point of the converter to be set at the beginning of normal operation, f is a function that increases over time t, preferably in steps or ramps, from zero to one maximum value
Uaus,soll,max = Ufinal,soll - 0,5 · (Udc - Uac) ansteigt. Uout,set,max = Ufinal,set - 0.5 · (Udc - Uac) increases.
Die Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Modulsteu ereinrichtung MSE, die bei dem Umrichter 10 gemäß Figur 1 eingesetzt werden kann. Die Modulsteuereinrichtung MSE um fasst eine Recheneinrichtung 100 und einen Speicher 110. In dem Speicher 110 ist ein Softwareprogrammmodul SPM_mse abge speichert, das bei Ausführung durch die Recheneinrichtung 100 einen Betrieb der Modulsteuereinrichtung MSE bewirkt, wie er oben beispielhaft beschrieben ist. FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a module control device MSE, which can be used in the converter 10 according to FIG. The module control device MSE includes a computing device 100 and a memory 110. A software program module SPM_mse is stored in the memory 110, which when executed by the computing device 100 causes the module control device MSE to operate as described above by way of example.
Die Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Zentral einrichtung ZE, die bei dem Umrichter 10 gemäß Figur 1 einge setzt werden kann. Die Zentraleinrichtung ZE umfasst eine Recheneinrichtung 200 und einen Speicher 210. In dem Speicher 210 ist ein Softwareprogrammmodul SPM_ze abgespeichert, das bei Ausführung durch die Recheneinrichtung 200 einen Betrieb der Zentraleinrichtung ZE bewirkt, wie er oben beispielhaft beschrieben ist. FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a central device ZE, which can be used in the converter 10 according to FIG. The central device ZE includes a computing device 200 and a memory 210. A software program module SPM_ze is stored in the memory 210, which when executed by the computing device 200 causes the central device ZE to operate as described above by way of example.
Der oben beispielhaft beschriebene Umrichter bzw. dessen Be triebsverfahren kann eine(s) oder mehrere der im Folgenden stichpunktartig aufgeführten Eigenschaften bzw. Merkmale auf weisen: The converter described above as an example or its operating method can have one or more of the properties or features listed below:
- Bei dem beschriebenen Betriebsverfahren kann während der aktiven Ladephase von den Teilmodulen TM Energie auf- und abgegeben werden. Dies ermöglicht die Anhebung der DC- Spannung über die passive Ladespannung hinaus und schafft zusätzliche Freiheitsgrade bei der energetischen Balancie rung des Umrichters 10 während dieser Phase. - With the operating method described, energy can be supplied and released by the partial modules TM during the active charging phase. This enables the DC voltage to be increased above the passive charging voltage and creates additional degrees of freedom in the energetic balancing of the converter 10 during this phase.
- Das beschriebenen Betriebsverfahren zur aktiven Vorladung erlaubt es, Unsymmetrien zwischen den sechs Moduleinrich tungen ME1-ME6 während der aktiven Ladephase auszuglei chen. Erfolgt die Vorladung von der AC-Seite, so ist eine vertikale Symmetrierung der oberen bzw. unteren drei Mo duleinrichtungen zueinander möglich. Erfolgt die Vorladung des Umrichters 10 vom DC-System aus, so ist die Symmetrie rung aller sechs Moduleinrichtungen ME1-ME6 zueinander möglich. - The operating method described for active pre-charging makes it possible to compensate for asymmetries between the six module devices ME1-ME6 during the active charging phase. If the pre-charging takes place from the AC side, a vertical symmetry of the upper or lower three modules with respect to one another is possible. If the converter 10 is pre-charged from the DC system, it is possible to balance all six modular devices ME1-ME6 with one another.
- Die Freigabe der aktiven Ladephase kann auch erfolgen, wenn sich noch nicht alle Teilmodule TM in einer Modulein richtung ME1-ME6 als betriebsbereit zurückgemeldet haben. Unsymmetrien in der Modulspannungsverteilung innerhalb eines Stromrichterarmes können durch das vorgestellte Be triebsverfahren abgebaut werden, sobald sich eine ausrei chende Zahl an Teilmodulen im betriebsbereiten Zustand be findet. - The release of the active loading phase can also take place if not all sub-modules TM in a module device ME1-ME6 have reported back as ready for operation. Asymmetries in the module voltage distribution within a converter arm can be reduced using the operating procedure presented as soon as there is a sufficient number of sub-modules in an operational state.
- Das Betriebsverfahren erlaubt somit das Hochfahren von teilaktiven Umrichtern 10 sowohl bei Vorladung von der AC- Seite als auch bei Vorladung von der DC-Seite. The operating method thus allows partially active converters 10 to be started up both when pre-charged from the AC side and when pre-charged from the DC side.
- Das Betriebsverfahren erlaubt, die passive Ladespannung des DC-Systems während der aktiven Vorladung von der AC- Seite anzuheben. Dadurch können transiente Einschwingvor gänge bei der Umschaltung in den Normalbetrieb verhindert werden. Hierdurch wird die Belastung aller Komponenten der Anlage und Rückwirkungen auf das AC-Netz minimiert. - The operating method allows the passive charging voltage of the DC system to be increased from the AC side during active pre-charging. As a result, transient transients can be prevented when switching to normal operation. This minimizes the load on all system components and repercussions on the AC grid.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungs beispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. BezugsZeichen Although the invention has been illustrated and described in detail by means of preferred exemplary embodiments, the invention is not restricted by the disclosed examples and other variations can be derived therefrom by a person skilled in the art without departing from the protective scope of the invention. reference sign
10 Umrichter 10 converters
11 erste Anschlussseite / Wechselspannungsseite11 first connection side / AC voltage side
12 zweite Anschlussseite / Gleichspannungsseite12 second connection side / DC voltage side
100 Recheneinrichtung 100 computing device
110 Speicher 110 memory
200 Recheneinrichtung 200 computing device
210 Speicher 210 memory
ES Energiespeicher ES energy storage
Gl Gleichspannungsanschluss Gl DC connection
G2 Gleichspannungsanschluss G2 DC voltage connection
ME1-ME6 Moduleinrichtungen ME1-ME6 modular devices
MSE Modulsteuereinrichtung MSE module controller
51 Schaltelement 51 switching element
52 Schaltelement 52 switching element
53 Schaltelement 53 switching element
54 Schaltelement 54 switching element
Smin vorgegebene Spannungsschwelle Smin specified voltage threshold
SPM_mse Softwareprogrammmodul SPM_mse software program module
SPM_ze Softwareprogrammmodul SPM_ze software program module
Sui Summenwert Sui sum value
TM Teilmodul TM submodule
TMSE Teilmodulsteuereinrichtung TMSE submodule controller
U Spannungswert U voltage value
Uaus,soll erste Spannungsangabe Uout, should be the first voltage specification
Uein,soll zweite Spannungsvorgabe Vin, set second voltage specification
W1 Wechselspannungsanschluss W1 AC power connector
W2 Wechselspannungsanschluss W2 AC power connector
W3 Wechselspannungsanschluss W3 AC power connector
ZE Zentraleinrichtung ZE central facility

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Umrichter (10) mit einer ersten Anschlussseite und einer zweiten Anschlussseite, 1. converter (10) with a first connection side and a second connection side,
- wobei der Umrichter (10) Moduleinrichtungen (ME1-ME6) um fasst, die jeweils eine Reihenschaltung mit zumindest zwei elektrisch in Reihe geschalteten Teilmodulen (TM) aufwei sen, und - Wherein the converter (10) comprises modular devices (ME1-ME6), each of which has a series circuit with at least two sub-modules (TM) electrically connected in series, and
- wobei die Teilmodule (TM) jeweils einen Energiespeicher (ES) und zumindest zwei Schaltelemente (S1-S4) umfassen, von denen im eingeschalteten oder ausgeschalteten Be triebszustand des Teilmoduls (TM) zumindest ein Schaltele ment (S1-S4) eingeschaltet ist und im geblockten Betriebs zustand alle Schaltelemente (S1-S4) ausgeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass - The sub-modules (TM) each comprising an energy store (ES) and at least two switching elements (S1-S4), of which at least one switching element (S1-S4) is switched on when the sub-module (TM) is switched on or off and in the blocked operating state all switching elements (S1-S4) are switched off, characterized in that
- die Teilmodule (TM) jeweils eine Teilmodulsteuereinrich tung (TMSE) umfassen, die den Betriebszustand des Teilmo duls (TM) durch Ansteuerung der Schaltelemente (S1-S4) be stimmt, - The sub-modules (TM) each include a sub-module control device (TMSE), which determines the operating state of the sub-module (TM) by activating the switching elements (S1-S4),
- der Umrichter (10) dazu ausgebildet ist, nach einer Inbe triebnahme, bei der sich alle Teilmodule (TM) zunächst im geblockten Betriebszustand befinden und die Teilmodulsteu ereinrichtungen (TMSE) mangels ausreichendem Ladezustand ihrer zugeordneten Energiespeicher (ES) noch nicht kommu nikationsfähig sind, zunächst in eine erste Ladephase eines Ladebetriebs, der zumindest die erste und eine nach folgende zweite Ladephase umfasst, versetzt zu werden,- The converter (10) is designed for this, after commissioning, in which all sub-modules (TM) are initially in the blocked operating state and the sub-module control devices (TMSE) are not yet capable of communication due to a lack of sufficient charge state of their associated energy stores (ES), to be put into a first charging phase of a charging operation, which comprises at least the first and a subsequent second charging phase,
- die Teilmodulsteuereinrichtungen (TMSE) dazu ausgebildet sind, jeweils mit einer ihnen zugeordneten Modulsteuerein richtung (MSE) zu kommunizieren, sobald sie während der ersten Ladephase kommunikationsfähig geworden sind, - the sub-module control devices (TMSE) are designed to communicate with a module control device (MSE) assigned to them as soon as they have become capable of communication during the first charging phase,
- die Modulsteuereinrichtungen (MSE) dazu ausgestaltet sind, von den Teilmodulsteuereinrichtungen (TMSE) übermittelte Spannungswerte oder daraus abgeleitete Summenwerte (Sul- Su6) während der ersten Ladephase an eine übergeordnete Zentraleinrichtung (ZE) des Umrichters (10) zu übermit teln, - die Zentraleinrichtung (ZE) dazu ausgebildet ist, diejeni gen Modulsteuereinrichtungen (MSE), bei denen die Summe der übermittelten Spannungswerte oder der übermittelte Summenwert (Sul-Su6) eine vorgegebene Spannungsschwelle erreicht oder überschreitet, in die zweite Ladephase des Ladebetriebs umzuschalten, indem sie diesen Modulsteuer einrichtungen (MSE) eine erste Spannungsvorgabe (Uaus,soll), die ausgeschaltete Teilmodule (TM) betrifft, und eine zweite Spannungsvorgabe (Uein,soll), die einge schaltete Teilmodule (TM) betrifft, übermittelt, und - the module control devices (MSE) are designed to transmit voltage values or sum values (Sul-Su6) derived therefrom transmitted by the sub-module control devices (TMSE) during the first charging phase to a higher-level central device (ZE) of the converter (10), - the central device (ZE) is designed to switch those module control devices (MSE) for which the sum of the transmitted voltage values or the transmitted sum value (Sul-Su6) reaches or exceeds a predetermined voltage threshold to the second charging phase of the charging operation by these module control devices (MSE) transmit a first voltage specification (Uout,setpoint), which relates to the switched-off partial modules (TM), and a second voltage specification (Uein,setpoint), which relates to the switched-in partial modules (TM), and
- die Moduleinrichtungen (ME1-ME6) außerdem dazu ausgebildet sind, die erste und zweite Spannungsvorgabe (Uaus,soll, Uein,soll) zu erfüllen oder zumindest näherungsweise zu erfüllen, indem sie keines, eines oder mehrere ihrer kom munikationsfähigen Teilmodule (TM) in den eingeschalteten Betriebszustand und keines, eines oder mehrere andere ih rer kommunikationsfähigen Teilmodule (TM) in den ausge schalteten Betriebszustand versetzen und das Laden der Energiespeicher (ES), die sich im eingeschalteten und ge blockten Betriebszustand befinden, fortsetzen. - The module devices (ME1-ME6) are also designed to meet the first and second voltage specifications (Uout,setpoint, Uin,setpoint) or at least approximately to meet them by having none, one or more of their communication-capable sub-modules (TM) in switch the switched-on operating state and none, one or more other of their communication-capable sub-modules (TM) into the switched-off operating state and continue charging the energy stores (ES) that are in the switched-on and blocked operating state.
2. Umrichter (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Spannungsschwelle derart bemessen ist, dass diese erreicht oder überschritten wird, auch wenn noch nicht alle Teilmodule (TM) der jeweiligen Moduleinrichtung (ME1- ME6) kommunikationsfähig sind. 2. Converter (10) according to claim 1, characterized in that the predetermined voltage threshold is dimensioned such that it is reached or exceeded even if not all sub-modules (TM) of the respective module device (ME1- ME6) are capable of communication.
3. Umrichter (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Spannungsschwelle derart bemessen ist, dass diese erreicht oder überschritten wird, wenn eine vorgegebene Anzahl, die zwischen 25 % und 50 % der Teilmodule (TM) der jeweiligen Moduleinrichtung (ME1-ME6) beträgt, an Teilmodulen (TM) kommunikationsfähig ist. 3. Converter (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the predetermined voltage threshold is dimensioned such that it is reached or exceeded when a predetermined number of between 25% and 50% of the sub-modules (TM) of the respective module device (ME1-ME6) is able to communicate with sub-modules (TM).
4. Umrichter (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Spannungsschwelle zwischen 25 % und 50 % der zu erwartenden Summenspannung für den Fall, dass alle Teilmo- dule (TM) der jeweiligen Moduleinrichtung (ME1-ME6) kommuni kationsfähig sind, beträgt. 4. Converter (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the specified voltage threshold is between 25% and 50% of the total voltage to be expected in the event that all sub-modules (TM) of the respective module device (ME1-ME6) are capable of communication.
5. Umrichter (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Spannungsvorgabe (Uaus,soll, Uein,soll) ermittelt wird unter Heranziehung 5. Converter (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the first and/or the second voltage specification (Uout,setpoint, Uin,setpoint) is determined using
- eines die Spannung an der ersten Anschlussseite angebenden ersten äußeren Spannungswertes, - a first external voltage value indicating the voltage on the first connection side,
- eines die Spannung an der zweiten Anschlussseite angeben den zweiten äußeren Spannungswertes und/oder - one specifying the voltage on the second connection side the second external voltage value and/or
- der von den Modulsteuereinrichtungen (MSE) übermittelten Spannungswerte oder Summenwerte (Sul-Su6). - The voltage values or total values (Sul-Su6) transmitted by the module control devices (MSE).
6. Umrichter (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Anschlussseite eine ein- oder mehrphasige Wechsel spannungsseite (11) und die zweite Anschlussseite eine Gleichspannungsseite (12) ist und der Ladebetrieb von der Wechselspannungsseite erfolgt und die zweite Spannungsvorgabe ermittelt wird gemäß: 6. Converter (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the first connection side is a single-phase or multi-phase AC voltage side (11) and the second connection side is a DC voltage side (12) and the charging operation takes place from the AC voltage side and the second voltage specification is determined according to:
Uein,soll = f(Udc, Udc,soll, t) Vin,set = f(Udc, Udc,set, t)
- wobei Udc die an der Gleichspannungsseite anliegende Gleichspannung, Udc,soll eine an der Gleichspannungsseite einzustellende Sollgleichspannung und Uein,soll die zweite Spannungsvorgabe bezeichnet, und - where Udc denotes the direct voltage present on the direct voltage side, Udc,soll denotes a desired direct voltage to be set on the direct voltage side and Uin,soll denotes the second voltage specification, and
- wobei f eine über der Zeit t, vorzugsweise stufen- oder rampenförmig, ansteigende Funktion ist, die von Null auf einen Maximalwert Uein,soll,max = Udc,soll - Udc ansteigt. - where f is a function that increases over time t, preferably in steps or ramps, which increases from zero to a maximum value Uein,setpoint,max = Udc,setpoint - Udc.
7. Umrichter (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Anschlussseite eine ein- oder mehrphasige Wechsel spannungsseite (11) und die zweite Anschlussseite eine Gleichspannungsseite (12) ist und der Ladebetrieb von der Gleichspannungsseite (12) erfolgt und die zweite Spannungs vorgabe Uein,soll auf Null festgelegt wird. 7. Converter (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the first connection side has a single-phase or multi-phase alternating voltage side (11) and the second connection side has a DC voltage side (12) and the charging operation takes place from the DC voltage side (12) and the second voltage specification Uein, is set to zero.
8. Umrichter (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Anschlussseite eine ein- oder mehrphasige Wechsel spannungsseite (11) und die zweite Anschlussseite eine Gleichspannungsseite (12) ist und der Ladebetrieb von der Wechselspannungsseite (11) erfolgt und die erste Spannungs vorgabe (Uaus,soll) ermittelt wird gemäß: 8. Converter (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the first connection side is a single-phase or multi-phase AC voltage side (11) and the second connection side is a DC voltage side (12) and the charging operation takes place from the AC voltage side (11) and the first voltage specification (Uout,setpoint) is determined according to:
Uaus,soll = f(Uac, Ufinal,soll, Uein,soll, t) Uoff,set = f(Uac, Ufinal,set, Vin,set, t)
- wobei Uac die an der Wechselspannungsseite anliegende Wechselspannung, Uein,soll die zweite Spannungsvorgabe und Uaus,soll die erste Spannungsvorgabe bezeichnet, - where Uac is the AC voltage applied to the AC voltage side, Uin,soll is the second voltage specification and Uout,soll is the first voltage specification,
- wobei f eine über der Zeit t, vorzugsweise stufen- oder rampenförmig, ansteigende Funktion ist, die von Null auf einen Maximalwert Uaus,soll,max ansteigt, und wobei gilt where f is a function which increases over time t, preferably in steps or ramps, which increases from zero to a maximum value Uout,soll,max, and where applies
Uaus,soll,max = Ufinal,soll - q -Uac - |Uein,soll| Uout,set,max = Ufinal,set - q -Uac - |Uin,set|
- wobei Ufinal,soll die Sollspannungssumme aus den an den Energiespeichern (ES) der Teilmodule (TM) bei jedem der Teilmodule (TM) anliegenden Teilmodulspannungen nach dem Ende der Ladephase und zu Beginn des Normalbetriebs an gibt, die vom einzustellenden Arbeitspunkt des Umrichters (10) zu Beginn des Normalbetriebs abhängt, und - where Ufinal,soll is the target voltage sum from the partial module voltages present at the energy stores (ES) of the partial modules (TM) for each of the partial modules (TM) after the end of the charging phase and at the beginning of normal operation, which ranges from the operating point of the converter to be set (10th ) at the beginning of normal operation depends, and
- wobei q Eins beträgt im Falle von Halbbrücken als Teilmo dulen (TM) und 0,5 beträgt im Falle von Vollbrücken als Teilmodulen (TM). - Where q is one in the case of half bridges as part modules (TM) and 0.5 in the case of full bridges as part modules (TM).
9. Umrichter (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Anschlussseite eine ein- oder mehrphasige Wechsel spannungsseite (11) und die zweite Anschlussseite eine Gleichspannungsseite (12) ist und der Ladebetrieb von der Gleichspannungsseite (12) erfolgt und die erste Spannungsvor gabe ermittelt wird gemäß: 9. Converter (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the first connection side is a single-phase or multi-phase AC voltage side (11) and the second connection side is a DC voltage side (12) and the charging operation from the DC voltage side (12) takes place and the first voltage specification is determined according to:
Uaus,soll = f(Uac, Udc, Ufinal,soll, t) Uout,set = f(Uac, Udc, Ufinal,set, t)
- wobei Uac die an der Wechselspannungsseite anliegende Wechselspannung, und Uaus,soll die erste Spannungsvorgabe bezeichnet, - where Uac is the AC voltage applied to the AC voltage side, and Uout,soll designates the first voltage specification,
- wobei Ufinal,soll die Sollspannungssumme aus den an den Energiespeichern (ES) der Teilmodule (TM) bei jedem der Teilmodule (TM) anliegenden Teilmodulspannungen nach dem Ende der Ladephase und zu Beginn des Normalbetriebs an gibt, die vom einzustellenden Arbeitspunkt des Umrichters (10) zu Beginn des Normalbetriebs abhängt, und - where Ufinal,soll is the target voltage sum from the partial module voltages present at the energy stores (ES) of the partial modules (TM) for each of the partial modules (TM) after the end of the charging phase and at the beginning of normal operation, which ranges from the operating point of the converter to be set (10th ) at the beginning of normal operation depends, and
- wobei f eine über der Zeit t, vorzugsweise stufen- oder rampenförmig, ansteigende Funktion ist, die von Null auf einen Maximalwert Uaus,soll,max = Ufinal,soll - 0,5 · (Udc - Uac) ansteigt. - where f is a function that increases over time t, preferably in steps or ramps, which increases from zero to a maximum value Uout,setpoint,max = Ufinal,setpoint - 0.5 × (Udc - Uac).
10. Modulsteuereinrichtung (MSE) für einen Umrichter (10), insbesondere einen Umrichter (10) nach einem der voranstehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 10. Module control device (MSE) for a converter (10), in particular a converter (10) according to one of the preceding claims, characterized in that
- diese dazu ausgestaltet ist, von Teilmodulsteuereinrich tungen (TMSE) übermittelte Spannungswerte oder daraus ab geleitete Summenwerte (Sul-Su6) während einer ersten Lade phase an eine übergeordnete Zentraleinrichtung (ZE) zu übermitteln, und - This is designed to transmit voltage values or total values (Sul-Su6) derived therefrom from partial module control devices (TMSE) during a first charging phase to a higher-level central device (ZE), and
- diese außerdem dazu ausgebildet ist, eine erste und eine zweite Spannungsvorgabe (Uaus,soll, Uein,soll) der Zent raleinrichtung (ZE) zu erfüllen, indem sie zumindest ein kommunikationsfähiges Teilmodul (TM) in den ein- oder aus geschalteten Betriebszustand versetzt, und das Laden der Energiespeicher (ES), die sich im eingeschalteten und ge blockten Betriebszustand befinden, fortsetzt. - This is also designed to meet a first and a second voltage specification (Uout, target, Uin, target) of the central device (ZE) by switching at least one communication-capable sub-module (TM) to the switched on or off operating state, and the charging of the energy stores (ES) that are in the switched-on and blocked operating state continues.
11. Zentraleinrichtung (ZE) für einen Umrichter (10), insbe sondere einen Umrichter (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentraleinrichtung (ZE) dazu ausgebildet ist, Modulsteu ereinrichtungen (MSE), bei denen die Summe übermittelter Spannungswerte oder ein übermittelter Summenwert (Sul-Su6) eine vorgegebene Spannungsschwelle erreicht oder überschrei tet, in eine zweite Ladephase eines Ladebetriebs umzuschal ten, indem sie diesen Modulsteuereinrichtungen (MSE) eine erste Spannungsvorgabe (Uaus,soll), die ausgeschaltete Teil- module (TM) betrifft, und eine zweite Spannungsvorgabe (Uein,soll), die eingeschaltete Teilmodule (TM) betrifft, übermittelt . 11. Central device (ZE) for a converter (10), in particular a special converter (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the central device (ZE) is designed to module control devices (MSE), in which the sum of transmitted Voltage values or a transmitted total value (Sul-Su6) reaches or exceeds a specified voltage threshold, to switch over to a second charging phase of a charging operation by sending these module control devices (MSE) a first voltage specification (Uaus,soll), which sub-modules (TM ) relates, and a second voltage specification (Uin, target) that relates to the switched-on sub-modules (TM) is transmitted.
12. Verfahren zum Betreiben eines Umrichters (10), der eine erste Anschlussseite und eine zweite Anschlussseite sowie Mo duleinrichtungen (ME1-ME6) umfasst, die jeweils eine Reihen schaltung mit zumindest zwei elektrisch in Reihe geschalteten Teilmodulen (TM) aufweisen, wobei die Teilmodule (TM) jeweils einen Energiespeicher (ES) und zumindest zwei Schaltelemente (S1-S4) umfassen, von denen im eingeschalteten oder ausge schalteten Betriebszustand des Teilmoduls (TM) zumindest ein Schaltelement (S1-S4) eingeschaltet ist und im geblockten Be triebszustand alle Schaltelemente (S1-S4) ausgeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass 12. A method for operating a converter (10), which comprises a first connection side and a second connection side as well as module devices (ME1-ME6), each of which has a series connection with at least two sub-modules (TM) electrically connected in series, the sub-modules (TM) each comprise an energy store (ES) and at least two switching elements (S1-S4), of which at least one switching element (S1-S4) is switched on when the partial module (TM) is switched on or switched off, and all switching elements are switched on in the blocked operating state (S1-S4) are switched off, characterized in that
- der Umrichter (10) nach einer Inbetriebnahme, bei der sich alle Teilmodule (TM) zunächst im geblockten Betriebszu stand befinden und Teilmodulsteuereinrichtungen (TMSE) der Teilmodule (TM) mangels ausreichendem Ladezustand ihrer zugeordneten Energiespeicher (ES) noch nicht kommunikati onsfähig sind, zunächst in eine erste Ladephase eines La debetriebs, der zumindest die erste und eine nachfolgende zweite Ladephase umfasst, versetzt wird, - The converter (10) after commissioning, in which all sub-modules (TM) are initially in the blocked operating state and sub-module control devices (TMSE) of the sub-modules (TM) due to a lack of sufficient state of charge of their associated energy store (ES) are not yet able to communicate, initially is put into a first charging phase of a charging operation, which comprises at least the first and a subsequent second charging phase,
- die Teilmodulsteuereinrichtungen (TMSE), die den Betriebs zustand des ihnen jeweils zugeordneten Teilmoduls (TM) durch Ansteuerung der Schaltelemente (S1-S4) bestimmen, jeweils mit einer ihnen zugeordneten Modulsteuereinrich- tung (MSE) kommunizieren, sobald sie während der ersten Ladephase kommunikationsfähig geworden sind, - The sub-module control devices (TMSE), which determine the operating state of the sub-module (TM) assigned to them by driving the switching elements (S1-S4), each with a module control device assigned to them device (MSE) communicate as soon as they have become capable of communication during the first loading phase,
- die Modulsteuereinrichtungen (MSE) von den Teilmodulsteu ereinrichtungen (TMSE) übermittelte Spannungswerte oder daraus abgeleitete Summenwerte (Sul-Su6) während der ers ten Ladephase an eine übergeordnete Zentraleinrichtung (ZE) des Umrichters (10) übermitteln, - the module control devices (MSE) transmit voltage values or sum values (Sul-Su6) derived therefrom transmitted by the partial module control devices (TMSE) during the first charging phase to a higher-level central device (ZE) of the converter (10),
- die Zentraleinrichtung (ZE) diejenigen Modulsteuereinrich tungen (MSE), bei denen die Summe der übermittelten Span- nungswerte oder der übermittelte Summenwert (Sul-Su6) eine vorgegebene Spannungsschwelle erreicht oder überschreitet, in die zweite Ladephase des Ladebetriebs umschaltet, indem sie diesen Modulsteuereinrichtungen (MSE) eine erste Span nungsvorgabe (Uaus,soll), die ausgeschaltete Teilmodule (TM) betrifft, und eine zweite Spannungsvorgabe- the central device (ZE) switches those module control devices (MSE) for which the sum of the transmitted voltage values or the transmitted sum value (Sul-Su6) reaches or exceeds a specified voltage threshold to the second charging phase of the charging operation by switching these module control devices (MSE) a first voltage specification (Uaus,soll), which relates to the switched-off sub-modules (TM), and a second voltage specification
(Uein,soll), die eingeschaltete Teilmodule (TM) betrifft, übermittelt, und (Uein,soll), which relates to the switched-on sub-modules (TM), transmitted, and
- die Moduleinrichtungen (ME1-ME6) die erste und zweite Spannungsvorgabe (Uaus,soll, Uein,soll) erfüllen oder zu- mindest näherungsweise erfüllen, indem sie keines, eines oder mehrere ihrer kommunikationsfähigen Teilmodule (TM) in den eingeschalteten Betriebszustand und keines, eines oder mehrere andere ihrer kommunikationsfähigen Teilmodule (TM) in den ausgeschalteten Betriebszustand versetzen und das Laden der Energiespeicher (ES), die sich im einge schalteten und geblockten Betriebszustand befinden, fort setzen. - The module devices (ME1-ME6) meet the first and second voltage specification (Uout,setpoint, Uin,setpoint) or at least approximately meet them by switching none, one or more of their communication-capable sub-modules (TM) into the switched-on operating state and none, put one or more other of their communication-capable sub-modules (TM) into the switched-off operating state and continue charging the energy stores (ES), which are in the switched-on and blocked operating state.
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