EP4162599A1 - Anordnung und verfahren zu dessen betrieb - Google Patents

Anordnung und verfahren zu dessen betrieb

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EP4162599A1
EP4162599A1 EP20754640.9A EP20754640A EP4162599A1 EP 4162599 A1 EP4162599 A1 EP 4162599A1 EP 20754640 A EP20754640 A EP 20754640A EP 4162599 A1 EP4162599 A1 EP 4162599A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
converter
voltage
sub
soll
modules
Prior art date
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Pending
Application number
EP20754640.9A
Other languages
English (en)
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 EP4162599A1 publication Critical patent/EP4162599A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/42—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/36—Arrangements for transfer of electric power between AC networks via high-voltage DC [HVDC] links; Arrangements for transfer of electric power between generators and networks via HVDC links
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
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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
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/66—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output with possibility of reversal
    • H02M7/68—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output with possibility of reversal by static converters
    • H02M7/72—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/75—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means
    • H02M7/757—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only
    • H02M7/7575—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only for high voltage direct transmission link
    • H—ELECTRICITY
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    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
    • H02M1/0006—Arrangements for supplying an adequate voltage to the control circuit of converters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/60—Arrangements for transfer of electric power between AC networks or generators via a high voltage DC link [HVCD]

Definitions

  • the invention relates to arrangements with 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.
  • Converters of the type described can be connected to form arrangements comprising a first converter and a second converter, each having a DC voltage side.
  • the DC voltage sides can each be connected to one another and to a common reference potential with one connection and each form a DC voltage connection of a common common DC voltage system with the other connection.
  • the object of the invention is to specify an arrangement with converters which enables the converter to be operated in a particularly advantageous manner.
  • the module devices each have a module control device for controlling the sub-modules of their respective module device
  • the converters each have a central device that is designed to provide the module control devices of the module devices of their own converter with at least one voltage specification that affects switched-off sub-modules , to transmit stuffs and to transmit at least one value to the central device of the other converter in each case, the converter-related voltage specification depending on at least one value that the respective central device receives from the central device of the other converter in each case, and the module devices are each designed for this are to meet the voltage specification of their central facility, or at least approximately to meet them, by switching none, one or more of their sub-modules to the switched-off operating state.
  • a major advantage of the arrangement according to the invention is that due to the exchange of values between the converters provided according to the invention and the determination of voltage specifications that relate to switched-off sub-modules, both symmetrical operation, for example when precharging the converter after commissioning, is relatively to each other as well as a symmetrical operation can be achieved relative to the common reference potential. DC currents via the reference potential can be avoided or at least reduced.
  • the sub-modules preferably each have a sub-module control device.
  • the sub-module control devices preferably determine the operating state of their sub-modules by controlling the switching elements.
  • the converters after commissioning, in which all sub-modules are initially in the blocked operating state and the sub-module control devices are not yet capable of communication due to the lack of sufficient charge of their assigned energy storage devices, are first switched to charging mode, and the sub-module control devices each with it their assigned Modul Wennein device communicate as soon as they have become capable of communication during charging, and the central devices gene the module control devices of their converter at least during charging the voltage specification, which relates to switched sub-modules, transmit.
  • the converters first switch to a charging mode that includes at least a first and a two te charging phase includes, are shifted, and the central devices transmit the voltage specification, which relates to switched-off sub-modules, to the module control devices of their converter at least in the second charging phase of the charging operation.
  • the converters can make a transition from the first charging phase to the second charging phase in 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 at least for a communication drive are already sufficiently charged, continue to be charged in a targeted manner and others are specifically excluded from further charging.
  • 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.
  • a further advantage of the last-mentioned embodiment can be seen in the fact that by specifying the voltage specification, asymmetries between the charging states of the module devices are minimized in a targeted manner or their occurrence can be prevented or at least prevented as best as possible; For example, if 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 module control devices are preferably designed to transmit voltage values transmitted by the sub-module control devices or sum values derived therefrom to the higher-level central device of their converter.
  • the central devices are preferably designed to switch over those of their module control devices in which the sum of the transmitted voltage values or the transmitted total value reaches or exceeds a predetermined voltage threshold from the first to the second charging phase of the charging operation by providing these module control devices with the voltage specification, which relates to switched off sub-modules.
  • the voltage specification for the first and second converters is preferably changed in each case until the difference value, which indicates the difference between the operating points of the converters, is zero or falls below a predetermined limit.
  • the voltage specification for the first and/or second converter preferably depends on a voltage difference between a first partial voltage, which is present between the two connections on the DC voltage side of the first converter, and a second partial voltage, which is present between the two connections on the DC voltage side of the second converter applied, from.
  • the voltage specification for the first converter is increased when the first partial voltage is greater than the second partial voltage, and reduced when the second partial voltage is greater than the first partial voltage, and/or the voltage specification for the second converter is reduced is decorated when the first partial voltage is greater than the second partial voltage, and is increased when the second partial voltage is greater than the first partial voltage.
  • the voltage specification for the first and/or second converter can advantageously depend on the energy difference between the energy stored in the energy stores of the first converter and the energy stored in the energy stores of the second converter.
  • the voltage specification for the first and/or second converter depends on the energy difference between a first mean value, which is formed by averaging the energies stored in the module devices of the first converter, and a second mean value, which is formed by averaging the energies stored in the module devices of the second converter are formed.
  • the voltage specification for the first converter depends on the level of an energy difference between the energy stored in the energy stores of the first converter and the energy stored in the energy stores of the second converter, specifically is increased when a first energy value indicating the energy stored in the first converter is greater than a second energy value indicating the energy stored in the second converter, and is reduced when the second energy value is greater than the first energy value, and/or the voltage specification for the second converter is increased when the second energy value is greater than the first energy value and decreased when the first energy value is greater than the second energy value.
  • the charging operation is preferably carried out from the common DC voltage system, and the voltage specifications for the first converter and the second converter are preferably determined according to:
  • Uout,soll2 f(Udc, Uac2, Ufinal,soll, t, kp, El, E2,
  • Vac1 designates the AC voltage present on the AC voltage side of the first converter and Vac2 the AC voltage present on the AC voltage side of the second converter.
  • Uout,setpoint denotes the voltage specification for the first converter and Uout,setpoint2 the voltage specification for the second converter.
  • Ufinal,soll designates the target voltage sum from the sub-module voltages of the module devices present at the energy stores of the sub-modules after the end of the charging phase and at the beginning of normal operation for both converters, from the operating point of the two to be set converter at the start of normal operation
  • kp designates an adjustable amplification factor
  • El an energy value which specifies the energy stored in the energy stores of the first converter
  • E2 an energy value which specifies the energy stored in the energy stores of the second converter
  • f designates a function that increases over time t, preferably in steps or ramps, from zero to a respective maximum value
  • Uout,set,max2 Ufinal,set - 0.25*Udc-0.5Uac2 + kp(E2-El) increases.
  • the invention also relates to a converter, in particular for an arrangement as described above, the converter having a DC voltage side and comprising modules that each have a series connection with at least two sub-modules electrically connected in series, and each sub-module has an energy store and at least two switching elements, of which at least one switching element is switched on when the partial module is switched on or switched off, and all switching elements are switched off in the blocked operating state.
  • the module devices each have a module control device for controlling the sub-modules of their respective module device
  • the converter has a central device that is designed to transmit at least one voltage specification, which relates to switched-off sub-modules, to the module control devices of its own module devices and to transmit at least one value to a central facility of another converter, with the converter-related voltage specification depending on at least one value that the respective central facility receives from the central facility of the other converter, and the module facilities are each equipped for this are formed to meet the voltage specification of their central facility, or at least approximately to meet them, by putting none, one or more of their sub-modules into the switched-off operating state.
  • the invention also relates to a central device for a converter as described above and for an arrangement as described above.
  • the central device is designed to transmit at least one voltage specification, which relates to switched-off sub-modules, to module control devices assigned to module devices and to transmit at least one value to a central device of another converter, the converter-related voltage specification having at least one value depends, which the respective central facility receives from the central facility of the other converter.
  • the invention also relates to a Modulmatiein direction for a converter, as described above, or an arrangement as described above.
  • the module control device is designed to transmit voltage values transmitted by sub-module control devices or sum values derived therefrom to a higher-level central device, and this is also designed to meet a voltage specification of the central device by switching at least one sub-module capable of communication into the switched-off operational state.
  • the invention also relates to a method for operating an arrangement with a first converter and a second converter, each of which has a DC voltage side, with the two DC voltage sides being connected to one connection and to a common reference potential and to the other
  • Each connection forms a DC voltage connection of a common community DC voltage system
  • the converters each comprising module devices which each have a series circuit with at least two sub-modules electrically connected in series, and the sub-modules each comprise an energy store and at least two switching elements, one of which is switched on or switched off operating state of the sub-modules at least one switching element is switched on and in the blocked operating state all switching elements are switched off.
  • the module devices each have a module control device that controls the sub-modules of their respective module device, a central device transmits at least one voltage specification, which relates to switched-off sub-modules, to the module control devices of the module devices of its own converter, and at least one value to the central device of the transmitted to the other converter in each case, with the converter-related voltage specification depending on at least one value that the respective central device receives from the central device of the other converter in each case, and the module devices meet the voltage specification of their central device or at least approximately meet it by not having one, one or more their sub-modules into the switched-off operating state.
  • Figure 1 shows an embodiment of an inventive
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a converter according to the invention, which can be used in the arrangement according to FIG.
  • Figure 3 shows a first embodiment of a for
  • FIG. 4 shows a second exemplary embodiment of a partial module suitable for the converter according to FIG. 2,
  • Figure 5 shows an embodiment of a Modul Strukturein direction
  • FIG. 6 shows an exemplary embodiment of a central device according to the invention.
  • FIG. 1 shows an arrangement 400, which includes a first converter 401 and a second converter 402 and is designed in what is known as a “bipole rigid” topology.
  • Each of the two converters 401 and 402 has a first connection side and a second connection side.
  • the first two connection sides are each three-phase AC voltage sides 11, which have three AC voltage connections WS1-WS3.
  • the two second connection sides are DC voltage sides 12, one connection of which is connected to one another and via an impedance Z to a common reference potential BP, and the other connection forms a DC voltage connection 411 and 412 of a common common DC voltage system 410.
  • the reference potential BP is ground potential
  • the impedance Z is a ground impedance.
  • the line system 420 for the two DC voltage connections 411 and 412 is shown in FIG. 1 in a greatly simplified form in the form of two equivalent capacitors Cdc.
  • the purpose of the mode of operation of the converters 401 and 402 described below is to avoid an excessive potential shift at the ground connection during charging and thus to keep the current flow via the earth connection within small, defined limits.
  • the charging operation preferably takes place in at least two charging phases.
  • the converters 401 and 402 according to Figure 1 each have a central device ZE, which is designed to provide module devices ME1-ME6 of their own converter with a voltage specification Uout,setpoint or Uout,setpoint2, which switched off sub-modules TM (cf. Figure 2 ) relates to determining how to transmit at least one value W1 or W2 to the central device ZE of the other converter in each case.
  • the module devices ME1-ME6 are each designed to meet or at least approximately meet the voltage specification Uout,setpoint or Uout,setpoint2 of their central device ZE by switching none, one or more of their submodules TM to the switched-off operating state.
  • the values W1 and W2 received from the other converter allow each of the two converters 401 and 402 to change its voltage specification Uout,setpoint or Uout,setpoint2 in such a way that a difference value indicating the difference between the operating points of the converters 401 and 402 is zero amounts to or falls below a predetermined limit.
  • the voltage specifications Uout,setpoint or Uout,setpoint2 for the converters 401 and 402 are based on a voltage difference between a first partial voltage Udcl, which is present between the two terminals of the DC voltage side 12 of the first converter 401, and a second partial voltage Udc2 which is between the two terminals of the DC voltage side 12 of the second converter 402 is applied depends.
  • the voltage specification Uout,setpoint for the first converter 401 can be increased when the first partial voltage Udcl is greater than the second partial voltage Udc2, and reduced when the second partial voltage Udc2 is greater than the first partial voltage Udcl.
  • the voltage specification Uout,setpoint2 for the second converter 401 and 402 can be reduced when the first partial voltage Udcl is greater than the second partial voltage Udc2, and increased when the second partial voltage Udc2 is greater than the first partial voltage Udcl.
  • the values W1 and W2 exchanged between the converters 401 and 402 preferably also indicate at least the first partial voltage Udcl and the second partial voltage Udc2.
  • the voltage specifications Uaus,soll and Uaus,soll2 for the first and second converter 401 and 402 are based on the energy difference between the energy stored in the energy stores ES (see FIGS. 2 to 6) of the first converter 401 and the energy stored in the energy store ES of the second converter 402 .
  • the values W1 and W2, which are exchanged between the converters 401 and 402 preferably also indicate at least energy values which describe the energy stored in the energy stores ES.
  • the voltage specification Uout,setpoint for the first converter 401 and the voltage specification Uout,setpoint2 for the second converter 402 can be based on the energy difference between a first mean value, which is formed by averaging the energies stored in the modules of the first converter 401, and a second mean value, which is formed by averaging the energies stored in the module devices of the second converter 402.
  • the values W1 and W2 ranging between the converters 401 and 402 are exchanged, preferably at least also the average values described.
  • the voltage specification Uout,soll for the first converter 401 depends on the level of an energy difference between the energy stored in the energy stores of the first converter 401 and the energy stored in the energy stores of the second converter 402, namely increased when a first energy value indicative of the energy stored in the first converter 401 is greater than a second energy value indicative of the energy stored in the second converter 402, and is reduced when the second energy value is greater than the first energy value.
  • the voltage specification for the second converter 402 can be increased if the second energy value is greater than the first energy value and reduced if the first energy value is greater than the second energy value.
  • the values W1 and W2 exchanged between the converters 401 and 402 preferably also indicate at least the described energy values.
  • Uout,soll2 f(Udc, Uac2, Ufinal,soll, t, kp, El, E2,
  • Uacl designates the AC voltage applied to the AC voltage side 11 of the first converter 401 (e.g. as amplitude or effective value of the phase-to-phase voltage) and Uac2 the AC voltage side 11 of the second converter ters 402 applied AC voltage (e.g. as amplitude or effective value of the phase-to-phase voltage).
  • Ufinal,soll designates a target voltage sum from the sub-module voltages of the module devices present at the energy stores ES of the sub-modules TM (see Figures 2 to 6) after the end of the charging phase and at the beginning of normal operation for both converters 401 and 402, which range from the operating point to be set to the both converters 401 and 402 at the beginning of normal operation depends.
  • kp is an adjustable gain factor.
  • El designates an energy value, which is transmitted as value W1 to the second converter 402 and indicates the energy stored in the energy stores ES of the first converter 401 .
  • E2 denotes an energy value, which is transmitted as value W2 to the first converter 401 and indicates the energy stored in the energy stores ES of the second converter 402.
  • f is a function that increases over time t, preferably in steps or ramps, from Zero to a respective maximum value
  • Uout,set,maxi Ufinal,set - 0.25*Udc-0.5Uacl + kp(El-E2)
  • Uout,set,max2 Ufinal,set - 0.25*Udc-0.5Uac2 + kp(E2- El) increases.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a converter 10, which can be used as a first converter 401 and as a second converter 402 in the arrangement 400 according to FIG.
  • the converter 10 is used as the converter 401 in the arrangement 400 according to FIG.
  • the DC voltage side 12 has two DC voltage terminals G1 and G2.
  • the DC voltage connection G1 at the top in FIG. 2 can form the DC voltage connection 411 of the common community DC voltage system 410 according to FIG.
  • the lower in the figure 2 DC voltage terminal G2 can the impedance Z can be connected to the common reference potential BP according to FIG.
  • the converter 10 includes six module devices ME-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 module device ME-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. 2 for reasons of clarity.
  • the sub-modules TM each comprise a sub-module control unit TMSE, an energy store ES (see Figures 3 and 4) 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. 3 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. 3 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. 3 shows the submodule control device TMSE, which controls the two switching elements S1 and S2.
  • FIG. 4 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 partial module TM comprises four switching elements S1 to S4, each of which is connected by a transistor and a parallel-connected release Running diode are formed, and an energy store ES in the form of a capacitor.
  • FIG. 4 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 to ensure a predetermined flow of energy between the two connection sides 11 and 12 of the converter 10 by activating the submodule control devices TMSE of their submodules TM.
  • the sub-module control devices TMSE are not yet able to communicate due to a lack of sufficient charging status of their associated energy store ES; the sub-module control devices TMSE can also not yet activate their associated switching elements S1-S2 according to FIG. 3 or S1-S4 according to FIG. 4, 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 WS1-WS3 or a DC voltage to the DC voltage connections G1 and G2.
  • the converter 10 is charged from the common DC voltage system 410 according to FIG. 1, ie on the DC voltage side 12.
  • the sub-module control devices TMSE are able to communicate during the first charging phase, because their energy stores ES are sufficiently charged and can provide operating energy, they each begin to communicate with their assigned module control device MSE.
  • 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. 2 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, in 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 voltage specification Uout, is to, which relates to switched-off sub-modules TM, transmitted.
  • the modular devices ME1-ME6 are each individually placed in the second charging phase as soon as they qualify for it.
  • the voltage specification Uout should preferably define the total voltage that switched-off sub-modules should reach.
  • the module devices ME1-ME6 are designed to meet the voltage specification Uout, set or at least as best as possible by putting none, one or more of their communication-capable sub-modules TM in the switched off th operating state and charging the energy storage cher ES, the are in the on and blocked operating state.
  • the algorithm as to how the partial modules TM to be switched off are determined is arbitrary; the best possible fulfillment of the voltage specification of the central device ZE can be determined, for example, by a simulation in the sense of computer-assisted 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 specification.
  • 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 specified voltage threshold Smin is preferably dimensioned in such a way that it is reached or exceeded when a specified number, which is between 25% and 50%, of the sub-modules TM of the respective modular device ME1-ME6 carries, is able to communicate with sub-modules TM.
  • 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 central device ZE determines the voltage specification Uout,soll as a function of the respective energy difference between the energy stored in the energy stores ES of its own converter 10 or the corresponding energy value El and the energy stored in the other converter 402 of the arrangement 400 according to FIG or the corresponding energy value E2, as explained above by way of example in connection with FIG.
  • FIG. 5 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. 6 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 arrangement 400 described above by way of example and the converters 401 and 402 or their operating methods can have one or more of the properties or features listed below: -
  • the operating method preferably comprises a two-stage pre-charging method, which is coordinated via two converters 401 and 402 connected in series.
  • the operating method can be characterized in that partially active converters 401 and 402 can also be started up during the pre-charging.
  • the operating method can be distinguished by the fact that to coordinate the second (active) charging phase, the average arm energy (module installation energy) or the average total voltage between the two DC voltage connections Gl and G2 of the converters 401 and 402 is exchanged.
  • the operating method can be characterized in that, based on the difference in the mean module device energies of the module devices ME1-ME6 and/or the mean voltages between the two DC voltage connections Gl and G2 of the converters 401 and 402, the setpoint value for the DC charging voltage of the respective converter 401 and 402 is changed.
  • the operating method can be used for both half- and full-bridge converters, especially multilevel converters (MMCs).
  • MMCs multilevel converters
  • the operating method allows the pre-charging of an HVDC station or its two converters while at the same time minimizing the energy input into the ground impedance Z. This allows optimization both with regard to the design and the costs in the ground connection.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich unter anderem auf eine Anordnung (400) mit einem ersten Umrichter (10, 401, 402) und einem zweiten Umrichter (10, 401, 402), die jeweils eine Gleichspannungsseite (12) aufweisen, wobei die beiden Gleichspannungsseiten (12) jeweils mit einem Anschluss miteinander und mit einem gemeinsamen Bezugspotential (BP) verbunden sind und mit dem anderen Anschluss jeweils einen Gleichspannungsanschluss (411, 412) eines gemeinsamen Gemeinschaftsgleichspannungssystems (410) bilden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Umrichter (10, 401, 402) jeweils eine Zentraleinrichtung (ZE) aufweisen, die dazu ausgebildet ist, Modulsteuereinrichtungen (MSE) ihrer Moduleinrichtungen (ME1-ME6) zumindest eine Spannungsvorgabe (Uaus,soll), die ausgeschaltete Teilmodule (TM) betrifft, zu übermitteln sowie zumindest einen Wert (W1, W2) an die Zentraleinrichtung (ZE) des jeweils anderen Umrichters (10, 401, 402) zu übermitteln, wobei die umrichterbezogene Spannungsvorgabe (Uaus,soll) von zumindest einem Wert (W1, W2) abhängt, den die jeweilige Zentraleinrichtung (ZE) von der Zentraleinrichtung (ZE) des jeweils anderen Umrichters (10, 401, 402) erhält.

Description

Beschreibung
Anordnung und Verfahren zu dessen Betrieb
Die Erfindung bezieht sich auf Anordnungen mit Umrichtern und Verfahren zu deren Betrieb.
Die Veröffentlichungsschrift "Modular Multilevel Converter:
An 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.
Ein Multilevelumrichter mit anderer Art Teilmodulen ist aus der internationalen Veröffentlichungsschrift WO 2015/036149 Al bekannt.
Umrichter der beschriebenen Art können zu Anordnungen ver schaltet werden, die einen ersten Umrichter und einen zweiten Umrichter umfassen, die jeweils eine Gleichspannungsseite aufweisen. Die Gleichspannungsseiten können jeweils mit einem Anschluss miteinander und mit einem gemeinsamen Bezugspoten tial verbunden sein und mit dem anderen Anschluss jeweils einen Gleichspannungsanschluss eines gemeinsamen Gemein schaftsgleichspannungsSystems bilden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung mit Umrichtern anzugeben, die einen Betrieb der Umrichter in be sonders vorteilhafter Weise ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung sind in Un teransprüchen angegeben.
Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Moduleinrich tungen jeweils eine Modulsteuereinrichtung zum Ansteuern der Teilmodule ihrer jeweiligen Moduleinrichtung aufweisen, die Umrichter jeweils eine Zentraleinrichtung aufweisen, die dazu ausgebildet ist, den Modulsteuereinrichtungen der Modulein richtungen des eigenen Umrichters zumindest eine Spannungs vorgabe, die ausgeschaltete Teilmodule betrifft, zu übermit teln sowie zumindest einen Wert an die Zentraleinrichtung des jeweils anderen Umrichters zu übermitteln, wobei die um richterbezogene Spannungsvorgabe von zumindest einem Wert ab hängt, den die jeweilige Zentraleinrichtung von der Zentral einrichtung des jeweils anderen Umrichters erhält, und die Moduleinrichtungen jeweils dazu ausgebildet sind, die Span nungsvorgabe ihrer Zentraleinrichtung zu erfüllen oder zumin dest näherungsweise zu erfüllen, indem sie keines, eines oder mehrere ihrer Teilmodule in den ausgeschalteten Betriebszu stand versetzen.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung be steht darin, dass aufgrund des erfindungsgemäß vorgesehenen Austauschs von Werten zwischen den Umrichtern und des Ermit- telns von Spannungsvorgaben, die ausgeschaltete Teilmodule betreffen, sowohl ein symmetrischer Betrieb, beispielsweise beim Vorladen der Umrichter nach einer Inbetriebnahme, rela tiv zueinander als auch ein symmetrischer Betrieb relativ zu dem gemeinsamen Bezugspotential erreicht werden kann. Aus gleichsströme über das Bezugspotential lassen sich vermeiden oder zumindest reduzieren. Die Teilmodule weisen vorzugsweise jeweils eine Teilmodul steuereinrichtung auf. Die Teilmodulsteuereinrichtungen be stimmen vorzugsweise den Betriebszustand ihrer Teilmodule durch Ansteuerung der Schaltelemente.
Vorteilhaft ist es, wenn die Umrichter nach einer Inbetrieb nahme, bei der sich alle Teilmodule zunächst im geblockten Betriebszustand befinden und die Teilmodulsteuereinrichtungen mangels ausreichendem Ladezustand ihrer zugeordneten Energie speicher noch nicht kommunikationsfähig sind, zunächst in einen Ladebetrieb versetzt werden, und die Teilmodulsteuer einrichtungen jeweils mit ihrer zugeordneten Modulsteuerein richtung kommunizieren, sobald sie während des Ladebetriebs kommunikationsfähig geworden sind, und die Zentraleinrichtun gen den Modulsteuereinrichtungen ihres Umrichters zumindest während des Ladebetriebs die Spannungsvorgabe, die ausge schaltete Teilmodule betrifft, übermitteln.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Umrichter nach einer Inbetriebnahme, bei der sich alle Teilmodule zunächst im ge blockten Betriebszustand befinden und die Teilmodulsteuerein richtung mangels ausreichendem Ladezustand ihrer zugeordneten Energiespeicher noch nicht kommunikationsfähig ist, zunächst in einen Ladebetrieb, der zumindest eine erste und eine zwei te Ladephase umfasst, versetzt werden, und die Zentralein richtungen den Modulsteuereinrichtungen ihres Umrichters zu mindest in der zweiten Ladephase des Ladebetriebs die Span nungsvorgabe, die ausgeschaltete Teilmodule betrifft, über mitteln. Ein Vorteil der letztgenannten Ausgestaltung besteht darin, dass die Umrichter bei jeder der Moduleinrichtungen jeweils einen Übergang von der ersten Ladephase in die zweite Ladephase vornehmen können, auch wenn noch nicht alle Teilmo dule der betreffenden Moduleinrichtung kommunikationsfähig und deshalb noch nicht ansteuerbar sind. Durch Vorgabe der 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 Kommunikationsbe- trieb 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 Lade spannungen aufweisen als andere bzw. der Durchschnitt der Teilmodule. Ein weiterer Vorteil der letztgenannten Ausge staltung ist darin zu sehen, dass durch die Vorgabe der Span nungsvorgabe gezielt Asymmetrien zwischen den Ladezuständen der Moduleinrichtungen minimiert bzw. deren Auftreten verhin dert oder zumindest bestmöglich verhindert werden können; wird beispielsweise bei einer der Moduleinrichtungen die ers te Spannungsvorgabe größer als bei einer anderen Modulein richtung gewählt, so wird die Summenspannung der Teilmodul spannungen in der erstgenannten Moduleinrichtung weniger schnell ansteigen als in der zweitgenannten Moduleinrichtung, und umgekehrt.
Vorteilhaft ist es, wenn die vorgegebene Spannungsschwelle derart bemessen ist, dass diese erreicht oder überschritten wird, auch wenn noch nicht alle Teilmodule der jeweiligen Mo duleinrichtung kommunikationsfähig sind.
Die Modulsteuereinrichtungen sind vorzugsweise dazu ausge staltet, von den Teilmodulsteuereinrichtungen übermittelte Spannungswerte oder daraus abgeleitete Summenwerte an die übergeordnete Zentraleinrichtung ihres Umrichters zu übermit teln.
Die Zentraleinrichtungen sind vorzugsweise dazu ausgebildet, diejenigen ihrer Modulsteuereinrichtungen, bei denen die Sum me der übermittelten Spannungswerte oder der übermittelte Summenwert eine vorgegebene Spannungsschwelle erreicht oder überschreitet, von der ersten in die zweite Ladephase des La debetriebs umzuschalten, indem sie diesen Modulsteuereinrich tungen die Spannungsvorgabe, die ausgeschaltete Teilmodule betrifft, übermitteln. Die Spannungsvorgabe für den ersten und zweiten Umrichter wird vorzugsweise jeweils solange verändert, bis ein den Un terschied zwischen den Betriebspunkten der Umrichter angeben der Unterschiedswert Null beträgt oder eine vorgegebene Gren ze unterschreitet.
Die Spannungsvorgabe für den ersten und/oder zweiten Umrich ter hängt vorzugsweise von einem Spannungsunterschied zwi schen einer ersten Teilspannung, die zwischen den beiden An schlüssen der Gleichspannungsseite des ersten Umrichters an liegt, und einer zweiten Teilspannung, die zwischen den bei den Anschlüssen der Gleichspannungsseite des zweiten Umrich ters anliegt, ab.
Vorteilhaft ist es, wenn die Spannungsvorgabe für den ersten Umrichter erhöht wird, wenn die erste Teilspannung größer als die zweite Teilspannung ist, und reduziert wird, wenn die zweite Teilspannung größer als die erste Teilspannung ist, und/oder die Spannungsvorgabe für den zweiten Umrichter redu ziert wird, wenn die erste Teilspannung größer als die zweite Teilspannung ist, und erhöht wird, wenn die zweite Teilspan nung größer als die erste Teilspannung ist.
Alternativ oder zusätzlich kann die Spannungsvorgabe für den ersten und/oder zweiten Umrichter in vorteilhafter Weise von der Energiedifferenz zwischen der in den Energiespeichern des ersten Umrichters gespeicherten Energie und der in den Ener giespeichern des zweiten Umrichters gespeicherten Energie ab- hängen.
Vorteilhaft ist es insbesondere, wenn die Spannungsvorgabe für den ersten und/oder zweiten Umrichter von der Energiedif ferenz zwischen einem ersten Mittelwert, der durch Mittlung der in den Moduleinrichtungen des ersten Umrichters gespei cherten Energien gebildet wird, und einem zweiten Mittelwert, der durch Mittlung der in den Moduleinrichtungen des zweiten Umrichters gespeicherten Energien gebildet wird, abhängt. Bezüglich eines Austauschs von Energiewerten wird es außerdem als vorteilhaft angesehen, wenn die Spannungsvorgabe für den ersten Umrichter von der Höhe einer Energiedifferenz zwischen der in den Energiespeichern des ersten Umrichters gespeicher ten Energie und der in den Energiespeichern des zweiten Um richters gespeicherten Energie abhängt, und zwar erhöht wird, wenn ein die im ersten Umrichter gespeicherte Energie ange bender erster Energiewert größer als ein die im zweiten Um richter gespeicherte Energie angebender zweiter Energiewert ist, und reduziert wird, wenn der zweite Energiewert größer als der erste Energiewert ist, und/oder die Spannungsvorgabe für den zweiten Umrichter erhöht wird, wenn der zweite Ener giewert größer als der erste Energiewert ist, und reduziert wird, wenn der erste Energiewert größer als der zweite Ener giewert ist.
Der Ladebetrieb erfolgt vorzugsweise von dem Gemeinschafts gleichspannungssystem aus, und die Spannungsvorgaben für den ersten Umrichter und den zweiten Umrichter werden vorzugswei se ermittelt gemäß:
Uaus,solll = f(Udc, Uacl, Ufinal,soll, t, kp, El, E2,
Uaus,soll,maxi) und
Uaus,soll2 = f(Udc, Uac2, Ufinal,soll, t, kp, El, E2,
Uaus,soll,max2) und
Uacl bezeichnet die an der Wechselspannungsseite des ersten Umrichters anliegende Wechselspannung und Uac2 die an die Wechselspannungsseite des zweiten Umrichters anliegende Wech selspannung. Uaus,solll bezeichnet die Spannungsvorgabe für den ersten Umrichter und Uaus,soll2 die Spannungsvorgabe für den zweiten Umrichter. Ufinal,soll bezeichnet die Sollspan nungssumme aus den an den Energiespeichern der Teilmodule an liegenden Teilmodulspannungen der Moduleinrichtungen nach dem Ende der Ladephase und zu Beginn des Normalbetriebs für beide Umrichter, die vom einzustellenden Arbeitspunkt der beiden Umrichter zu Beginn des Normalbetriebs abhängt, kp bezeichnet einen einstellbaren Verstärkungsfaktor, El einen Energiewert, der die in den Energiespeichern des ersten Umrichters gespei cherte Energie angibt, und E2 einen Energiewert, der die in den Energiespeichern des zweiten Umrichters gespeicherte Energie angibt, f bezeichnet eine über der Zeit t, vorzugs weise stufen- oder rampenförmig, ansteigende Funktion, die von Null auf einen jeweiligen Maximalwert
Uaus,soll,maxi = Ufinal,soll - 0,25*Udc-0,5Uacl + kp(El-E2) bzw.
Uaus,soll,max2 = Ufinal,soll - 0,25*Udc-0,5Uac2 + kp(E2-El) ansteigt.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf einen Umrichter, ins besondere für eine Anordnung wie oben beschrieben, wobei der Umrichter eine Gleichspannungsseite aufweist und Modulein richtungen umfasst, die jeweils eine Reihenschaltung mit zu mindest zwei elektrisch in Reihe geschalteten Teilmodulen aufweisen, und die Teilmodule jeweils einen Energiespeicher und zumindest zwei Schaltelemente umfassen, von denen im ein geschalteten oder ausgeschalteten Betriebszustand des Teilmo duls zumindest ein Schaltelement eingeschaltet ist und im ge blockten Betriebszustand alle Schaltelemente ausgeschaltet sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Moduleinrich tungen jeweils eine Modulsteuereinrichtung zum Ansteuern der Teilmodule ihrer jeweiligen Moduleinrichtung aufweisen, der Umrichter eine Zentraleinrichtung aufweist, die dazu ausge bildet ist, den Modulsteuereinrichtungen der eigenen Modul einrichtungen zumindest eine Spannungsvorgabe, die ausge schaltete Teilmodule betrifft, zu übermitteln sowie zumindest einen Wert an eine Zentraleinrichtung eines anderen Umrich ters zu übermitteln, wobei die umrichterbezogene Spannungs vorgabe von zumindest einem Wert abhängt, den die jeweilige Zentraleinrichtung von der Zentraleinrichtung des anderen Um richters erhält, und die Moduleinrichtungen jeweils dazu aus- gebildet sind, die Spannungsvorgabe ihrer Zentraleinrichtung zu erfüllen oder zumindest näherungsweise zu erfüllen, indem sie keines, eines oder mehrere ihrer Teilmodule in den ausge schalteten Betriebszustand versetzen.
Bezüglich der Vorteile und vorteilhafter Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Umrichters sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Anordnung und deren vorteilhafter Ausgestaltungen verwiesen.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Zentraleinrich tung für einen Umrichter, wie er oben beschrieben worden ist, sowie für eine Anordnung, wie sie oben beschrieben worden ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Zentraleinrich tung dazu ausgebildet ist, Modulsteuereinrichtungen zugeord neter Moduleinrichtungen zumindest eine Spannungsvorgabe, die ausgeschaltete Teilmodule betrifft, zu übermitteln sowie zu mindest einen Wert an eine Zentraleinrichtung eines anderen Umrichters zu übermitteln, wobei die umrichterbezogene Span nungsvorgabe von zumindest einem Wert abhängt, den die jewei lige Zentraleinrichtung von der Zentraleinrichtung des ande ren Umrichters erhält.
Bezüglich der Vorteile und vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Zentraleinrichtung sei auf die obigen Aus führungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Anordnung und deren vorteilhafter Ausgestaltungen verwiesen.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Modulsteuerein richtung für einen Umrichter, wie oben beschrieben, oder eine Anordnung, wie oben beschrieben. Erfindungsgemäß ist vorgese hen, dass die Modulsteuereinrichtung dazu ausgestaltet ist, von Teilmodulsteuereinrichtungen übermittelte Spannungswerte oder daraus abgeleitete Summenwerte an eine übergeordnete Zentraleinrichtung zu übermitteln, und diese außerdem dazu ausgebildet ist, eine Spannungsvorgabe der Zentraleinrichtung zu erfüllen, indem sie zumindest ein kommunikationsfähiges Teilmodul in den ausgeschalteten Betriebszustand versetzt. Bezüglich der Vorteile und vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Modulsteuereinrichtung sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Anord nung und deren vorteilhafter Ausgestaltungen verwiesen.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zum Be treiben einer Anordnung mit einem ersten Umrichter und einem zweiten Umrichter, die jeweils eine Gleichspannungsseite auf weisen, wobei die beiden Gleichspannungsseiten jeweils mit einem Anschluss miteinander und mit einem gemeinsamen Bezugs potential verbunden sind und mit dem anderen Anschluss je weils einen Gleichspannungsanschluss eines gemeinsamen Ge meinschaftsgleichspannungssystems bilden, wobei die Umrichter jeweils Moduleinrichtungen umfassen, die jeweils eine Reihen schaltung mit zumindest zwei elektrisch in Reihe geschalteten Teilmodulen aufweisen, und die Teilmodule jeweils einen Ener giespeicher und zumindest zwei Schaltelemente umfassen, von denen im eingeschalteten oder ausgeschalteten Betriebszustand der Teilmodule zumindest ein Schaltelement eingeschaltet ist und im geblockten Betriebszustand alle Schaltelemente ausge schaltet sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Modu leinrichtungen jeweils eine Modulsteuereinrichtung aufweisen, die die Teilmodule ihrer jeweiligen Moduleinrichtung ansteu ert, eine Zentraleinrichtung den Modulsteuereinrichtungen der Moduleinrichtungen des eigenen Umrichters zumindest eine Spannungsvorgabe, die ausgeschaltete Teilmodule betrifft, übermittelt sowie zumindest einen Wert an die Zentraleinrich tung des jeweils anderen Umrichters übermittelt, wobei die umrichterbezogene Spannungsvorgabe von zumindest einem Wert abhängt, den die jeweilige Zentraleinrichtung von der Zent raleinrichtung des jeweils anderen Umrichters erhält, und die Moduleinrichtungen die Spannungsvorgabe ihrer Zentraleinrich tung erfüllen oder zumindest näherungsweise erfüllen, indem sie keines, eines oder mehrere ihrer Teilmodule in den ausge schalteten Betriebszustand versetzen. Bezüglich der Vorteile und vorteilhafter Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Anordnung und deren vorteilhafter Ausgestaltungen verwiesen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie len näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße
Anordnung,
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemä- ßen Umrichter, der bei der Anordnung gemäß Figur 1 eingesetzt werden kann,
Figur 3 ein erstes Ausführungsbeispiel für ein für den
Umrichter gemäß Figur 2 geeignetes Teilmodul,
Figur 4 ein zweites Ausführungsbeispiel für ein für den Umrichter gemäß Figur 2 geeignetes Teilmodul,
Figur 5 ein Ausführungsbeispiel für eine Modulsteuerein richtung, und
Figur 6 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Zentraleinrichtung.
In den Figuren werden der Übersicht halber für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet.
Die Figur 1 zeigt eine Anordnung 400, die einen ersten Um richter 401 und einem zweiten Umrichter 402 umfasst und in sogenannter "Bipol-Rigid"-Topologie ausgeführt ist. Jeder der beiden Umrichter 401 und 402 weist jeweils eine erste An schlussseite und eine zweite Anschlussseite auf. Die beiden ersten Anschlussseiten sind jeweils dreiphasige Wechselspannungsseiten 11, die drei Wechselspannungsanschlüs se WS1-WS3 aufweisen.
Die beiden zweiten Anschlussseiten sind Gleichspannungsseiten 12, die jeweils mit einem Anschluss miteinander und über eine Impedanz Z mit einem gemeinsamen Bezugspotential BP verbunden sind und mit dem anderen Anschluss jeweils einen Gleichspan nungsanschluss 411 und 412 eines gemeinsamen Gemeinschafts gleichspannungssystems 410 bilden. Nachfolgend wird beispiel haft davon ausgegangen, dass das Bezugspotential BP Erdpoten tial ist und die Impedanz Z eine Erdungsimpedanz ist.
Eine Herausforderung besteht darin, die Umrichter 401 und 402 und das Gemeinschaftsgleichspannungssystems 410 nach einer Inbetriebnahme für eine Hochspannungsgleichstromübertragung (= HGÜ/HVDC) vorzuladen, und zwar über die Gleichspannungsan schlüsse 411 und 412 und über ein mit diesen verbundenem Lei tungssystem 420. Das Leitungssystem 420 für die beiden Gleichspannungsanschlüsse 411 und 412 ist in der Figur 1 stark vereinfacht in Form zweier Ersatzkondensatoren Cdc ge zeigt.
Werden die Umrichter 401 und 402 unabhängig voneinander hoch gefahren, so kann während der Aufladung des Leitungssystems 420 ein Stromfluss I zum Bezugspotential (d.h. Strom I 0) auftreten. Da die Anbindung an das Erdpotential in Form der Erdungsimpedanz Z ausgeführt ist, kommt es aufgrund des Stromflusses I zu einem signifikanten Energieeintrag in die Erdungsimpedanz Z. Dieser Energieeintrag ist unerwünscht, da er das Design und die Kosten der Erdanbindung negativ beein flusst. Ferner kann aufgrund des Stromflusses I über die Er dimpedanz Z eine Potentialverschiebung der Anordnung 400 ge genüber dem Erdpotential auftreten.
Die nachstehend beschriebene Arbeitsweise der Umrichter 401 und 402 hat das Ziel, während des Ladebetriebs eine zu große Potentialverschiebung am Erdanschluss zu vermeiden und somit den Stromfluss über die Erdanbindung innerhalb kleiner defi nierter Grenzen zu halten. Wie nachfolgend noch ausführlich erläutert wird, erfolgt der Ladebetrieb hierzu vorzugsweise in zumindest zwei Ladephasen.
Die Umrichter 401 und 402 gemäß Figur 1 weisen jeweils eine Zentraleinrichtung ZE auf, die dazu ausgebildet ist, Modu leinrichtungen ME1-ME6 des jeweils eigenen Umrichters eine Spannungsvorgabe Uaus,solll bzw. Uaus,soll2, die ausgeschal tete Teilmodule TM (vgl. Figur 2) betrifft, zu ermitteln so wie jeweils zumindest einen Wert W1 bzw. W2 an die Zentral einrichtung ZE des jeweils anderen Umrichters zu übertragen.
Die umrichterbezogenen Spannungsvorgaben Uaus,solll und Uaus,soll2, die jeder Umrichter 401 und 402 ermittelt, hängen jeweils auch von dem Wert W1 bzw. W2 ab, den die jeweilige Zentraleinrichtung ZE von der Zentraleinrichtung ZE des je weils anderen Umrichters erhält.
Die Moduleinrichtungen ME1-ME6 sind jeweils dazu ausgebildet, die Spannungsvorgabe Uaus,solll bzw. Uaus,soll2 ihrer Zent raleinrichtung ZE zu erfüllen oder zumindest näherungsweise zu erfüllen, indem sie keines, eines oder mehrere ihrer Teil module TM in den ausgeschalteten Betriebszustand versetzt.
Die vom jeweils anderen Umrichter erhaltenen Werte W1 und W2 erlauben es jedem der beiden Umrichter 401 und 402, seine Spannungsvorgabe Uaus,solll bzw. Uaus,soll2 so zu verändern, dass ein den Unterschied zwischen den Betriebspunkten der Um richter 401 und 402 angebender Unterschiedswert Null beträgt oder eine vorgegebene Grenze unterschreitet.
Vorteilhaft ist es, wenn die Spannungsvorgaben Uaus,solll bzw. Uaus,soll2 für die Umrichter 401 und 402 von einem Span nungsunterschied zwischen einer ersten Teilspannung Udcl, die zwischen den beiden Anschlüssen der Gleichspannungsseite 12 des ersten Umrichters 401 anliegt, und einer zweiten Teil spannung Udc2, die zwischen den beiden Anschlüssen der Gleichspannungsseite 12 des zweiten Umrichters 402 anliegt, abhängt.
Beispielsweise kann die Spannungsvorgabe Uaus,solll für den ersten Umrichter 401 erhöht werden, wenn die erste Teilspan nung Udcl größer als die zweite Teilspannung Udc2 ist, und reduziert werden wird, wenn die zweite Teilspannung Udc2 grö ßer als die erste Teilspannung Udcl ist. In entsprechender Weise kann die Spannungsvorgabe Uaus,soll2 für den zweiten Umrichter 401 und 402 reduziert werden, wenn die erste Teil spannung Udcl größer als die zweite Teilspannung Udc2 ist, und erhöht werden, wenn die zweite Teilspannung Udc2 größer als die erste Teilspannung Udcl ist. Bei einer solchen Ausge staltung geben die Werte W1 und W2, die zwischen den Um richtern 401 und 402 ausgetauscht werden, vorzugsweise zumin dest auch die erste Teilspannung Udcl und die zweite Teil spannung Udc2 an.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Spannungsvorgaben Uaus,solll und Uaus,soll2 für den ersten und zweiten Umrich ter 401 und 402 von der Energiedifferenz zwischen der in den Energiespeichern ES (siehe Figuren 2 bis 6) des ersten Um richters 401 gespeicherten Energie und der in den Energie speichern ES des zweiten Umrichters 402 gespeicherten Energie abhängt. Bei einer solchen Ausgestaltung geben die Werte W1 und W2, die zwischen den Umrichtern 401 und 402 ausgetauscht werden, vorzugsweise zumindest auch Energiewerte an, die die in den Energiespeichern ES gespeicherte Energie beschreiben.
Beispielsweise können die Spannungsvorgabe Uaus,solll für den ersten Umrichter 401 und die Spannungsvorgabe Uaus,soll2 für den zweiten Umrichter 402 von der Energiedifferenz zwischen einem ersten Mittelwert, der durch Mittlung der in den Modu leinrichtungen des ersten Umrichters 401 gespeicherten Ener gien gebildet wird, und einem zweiten Mittelwert, der durch Mittlung der in den Moduleinrichtungen des zweiten Umrichters 402 gespeicherten Energien gebildet wird, abhängen. Bei einer solchen Ausgestaltung geben die Werte W1 und W2, die zwischen den Umrichtern 401 und 402 ausgetauscht werden, vorzugsweise zumindest auch die beschriebenen Mittelwerte an.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Spannungsvorgabe Uaus,solll für den ersten Umrichter 401 von der Höhe einer Energiedifferenz zwischen der in den Energiespeichern des ersten Umrichters 401 gespeicherten Energie und der in den Energiespeichern des zweiten Umrichters 402 gespeicherten Energie abhängt, und zwar erhöht wird, wenn ein die im ersten Umrichter 401 gespeicherte Energie angebender erster Energie wert größer als ein die im zweiten Umrichter 402 gespeicherte Energie angebender zweiter Energiewert ist, und reduziert wird, wenn der zweite Energiewert größer als der erste Ener giewert ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Spannungs vorgabe für den zweiten Umrichter 402 erhöht werden, wenn der zweite Energiewert größer als der erste Energiewert ist, und reduziert werden, wenn der erste Energiewert größer als der zweite Energiewert ist. Bei einer solchen Ausgestaltung geben die Werte W1 und W2, die zwischen den Umrichtern 401 und 402 ausgetauscht werden, vorzugsweise zumindest auch die be schriebenen Energiewerte an.
Besonders einfach und vorteilhaft ist es, wenn bei dem von dem Gemeinschaftsgleichspannungssystem 410 aus erfolgenden Ladebetrieb die Spannungsvorgaben Uaus,solll und Uaus,soll2 für den ersten Umrichter 401 und den zweiten Umrichter 402 ermittelt werden gemäß:
Uaus,solll = f(Udc, Uacl, Ufinal,soll, t, kp, El, E2,
Uaus,soll,maxi) und
Uaus,soll2 = f(Udc, Uac2, Ufinal,soll, t, kp, El, E2,
Uaus,soll,max2) und
Uacl bezeichnet die an der Wechselspannungsseite 11 des ers ten Umrichters 401 anliegende Wechselspannung (z. B. als Amplitude oder Effektivwert der Leiter-Leiterspannung) und Uac2 die an die Wechselspannungsseite 11 des zweiten Umrich- ters 402 anliegende Wechselspannung (z. B. als Amplitude oder Effektivwert der Leiter-Leiterspannung). Ufinal,soll bezeich net eine Sollspannungssumme aus den an den Energiespeichern ES der Teilmodule TM (siehe Figuren 2 bis 6) anliegenden Teilmodulspannungen der Moduleinrichtungen nach dem Ende der Ladephase und zu Beginn des Normalbetriebs für beide Umrich ter 401 und 402, die vom einzustellenden Arbeitspunkt der beiden Umrichter 401 und 402 zu Beginn des Normalbetriebs ab hängt. kp ist ein einstellbarer Verstärkungsfaktor. El be zeichnet einen Energiewert, der als Wert W1 zum zweiten Um richter 402 übermittelt wird und die in den Energiespeichern ES des ersten Umrichters 401 gespeicherte Energie angibt. E2 bezeichnet einen Energiewert, der als Wert W2 zum ersten Um richter 401 übermittelt wird und die in den Energiespeichern ES des zweiten Umrichters 402 gespeicherte Energie angibt, f ist eine über der Zeit t, vorzugsweise stufen- oder rampen förmig, ansteigende Funktion, die von Null auf einen jeweili gen Maximalwert
Uaus,soll,maxi = Ufinal,soll - 0,25*Udc-0,5Uacl + kp(El-E2) Uaus,soll,max2 = Ufinal,soll - 0,25*Udc-0,5Uac2 + kp(E2-El) ansteigt.
Die Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Umrichter 10, der als erster Umrichter 401 und als zweiter Umrichter 402 bei der Anordnung 400 gemäß Figur 1 eingesetzt werden kann. Nachfolgend wird für die weiteren Erläuterungen bei spielhaft davon ausgegangen, dass der Umrichter 10 als Um richter 401 bei der Anordnung 400 gemäß Figur 1 eingesetzt wird.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 weist die Gleich spannungsseite 12 zwei Gleichspannungsanschlüsse Gl und G2 auf. Der in der Figur 2 obere Gleichspannungsanschluss Gl kann den Gleichspannungsanschluss 411 des gemeinsamen Gemein schaftsgleichspannungssystems 410 gemäß Figur 1 bilden. Der in der Figur 2 untere Gleichspannungsanschluss G2 kann über die Impedanz Z mit dem gemeinsamen Bezugspotential BP gemäß Figur 1 verbunden sein.
Der Umrichter 10 umfasst sechs Moduleinrichtungen ME-ME6, die jeweils eine Reihenschaltung mit zwei oder mehr elektrisch in Reihe geschalteten Teilmodulen TM und eine Modulsteuerein richtung MSE zum Ansteuern der Teilmodule TM der jeweiligen Moduleinrichtung ME-ME6 aufweisen. Die Modulsteuereinrichtun gen MSE stehen über aus Gründen der Übersicht in der Figur 2 nicht weiter im Detail gezeigte Kommunikationsleitungen mit einer übergeordneten Zentraleinrichtung ZE des Umrichters 10 in Verbindung.
Die Teilmodule TM umfassen jeweils eine Teilmodulsteuerein richtung TMSE, einen Energiespeicher ES (vgl. Figuren 3 und 4) 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.
Die Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Teilmodul TM in Form eines sogenannten Halbbrückenmoduls, das bei dem Umrichter 10 gemäß Figur 2 eingesetzt werden kann. Das Teil modul TM gemäß Figur 3 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 3 die Teilmodulsteuereinrichtung TMSE, die die zwei Schaltelemente S1 und S2 ansteuert.
Die Figur 4 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 4 die Teilmodul steuereinrichtung TMSE, die die vier Schaltelemente S1 bis S4 ansteuert.
Wieder Bezug nehmend auf Figur 2 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.
Nach einer Inbetriebnahme des Umrichters 10 sind die Teilmo dulsteuereinrichtungen TMSE jedoch mangels ausreichendem La dezustand ihrer zugeordneten Energiespeicher ES noch nicht kommunikationsfähig; auch können die Teilmodulsteuereinrich tungen TMSE ihre zugeordneten Schaltelemente S1-S2 gemäß Fi gur 3 bzw. S1-S4 gemäß Figur 4 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.
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 WS1-WS3 eine Wechselspannung oder an die Gleichspannungsanschlüsse Gl und G2 eine Gleichspannung angelegt wird. Nachfolgend wird beispielhaft davon ausgegangen, dass der Umrichter 10 von dem Gemeinschaftsgleichspannungssystem 410 gemäß Figur 1 aus, al so damit an der Gleichspannungsseite 12, geladen wird. 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.
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 2 sechs Modulsteuereinrichtungen MSE aufweist, werden also sechs Summenwerte Sul-Su6 zur Zentraleinrichtung ZE übermittelt.
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 Spannungsvorgabe Uaus,soll, die ausgeschaltete 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.
Konkret definiert die Spannungsvorgabe Uaus,soll vorzugswei se, welche Summenspannung ausgeschaltete Teilmodule erreichen sollen. Die Moduleinrichtungen ME1-ME6 sind dazu ausgebildet, die Spannungsvorgabe Uaus,soll zu erfüllen oder zumindest best möglich zu erfüllen, indem sie keines, eines oder mehrere ih rer kommunikationsfähigen Teilmodule TM in den ausgeschalte ten Betriebszustand versetzt und das Laden der Energiespei cher ES, die sich im eingeschalteten und geblockten Betriebs zustand befinden, fortsetzt.
Der Algorithmus, wie die auszuschaltenden Teilmodule TM be stimmt werden, ist dabei beliebig; die bestmögliche Erfüllung der Spannungsvorgabe der Zentraleinrichtung ZE kann bei spielsweise ermittelt werden durch eine Simulation im Sinne eines rechnergestützten Ausprobierens aller möglichen Be triebskonstellationen der kommunikationsfähigen Teilmodule TM und die nachfolgende Auswahl derjenigen Betriebskonstellati on, die die bestmögliche Erfüllung der Spannungsvorgabe 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.
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.
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 al le Teilmodule TM der jeweiligen Moduleinrichtung ME1-ME6 kom munikationsfähig wären, betragen.
Die Spannungsvorgabe Uaus,soll ermittelt die Zentraleinrich tung ZE in Abhängigkeit von der jeweiligen Energiedifferenz zwischen der in den Energiespeichern ES des eigenen Umrich ters 10 gespeicherten Energie bzw. dem entsprechenden Ener giewert El und der im anderen Umrichter 402 der Anordnung 400 gemäß Figur 1 gespeicherten Energie bzw. dem entsprechenden Energiewert E2, wie dies oben beispielhaft im Zusammenhang mit der Figur 1 erläutert wurde.
Die Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Modulsteu ereinrichtung MSE, die bei dem Umrichter 10 gemäß Figur 2 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.
Die Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Zentral einrichtung ZE, die bei dem Umrichter 10 gemäß Figur 2 einge setzt werden kann. Die Zentraleinrichtung ZE umfasst eine Re cheneinrichtung 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.
Die oben beispielhaft beschriebene Anordnung 400 und die Um richter 401 und 402 bzw. deren Betriebsverfahren können eine(s) oder mehrere der im Folgenden stichpunktartig aufge führten Eigenschaften bzw. Merkmale aufweisen: - Das Betriebsverfahren umfasst vorzugsweise ein zweistufi ges Vorladeverfahren, das über zwei in Reihe geschaltete Umrichter 401 und 402 hinweg koordiniert wird.
- Das Betriebsverfahren kann sich dadurch auszeichnen, dass bei der Vorladung auch teilaktive Umrichter 401 und 402 hochgefahren werden können.
- Das Betriebsverfahren kann sich dadurch auszeichnen, dass zur Koordination der zweiten (aktiven) Ladephase die mitt lere Armenergie (Moduleinrichtungsenergie) bzw. die mitt lere Summenspannung zwischen den beiden Gleichspannungsan schlüssen Gl und G2 der Umrichter 401 und 402 ausgetauscht wird.
- Das Betriebsverfahren kann sich dadurch auszeichnen, dass auf Grundlage der Differenz der mittleren Moduleinrich tungsenergien der Moduleinrichtungen ME1-ME6 und/oder der mittleren Spannungen zwischen den beiden Gleichspannungs anschlüssen Gl und G2 der Umrichter 401 und 402 die Soll wertvorgabe für die DC-Ladespannung des jeweiligen Umrich ters 401 und 402 verändert wird.
- Das Betriebsverfahren kann sowohl für Halb- als auch Voll- brücken-Umrichter, insbesondere Multilevelumrichter (MMCs), verwendet werden.
- Das Betriebsverfahren erlaubt die Vorladung einer HVDC- Station bzw. deren beider Umrichter bei gleichzeitiger Mi nimierung des Energieeintrages in die Erdimpedanz Z. Dadurch kann sowohl bzgl. des Designs als auch der Kosten in der Erdanbindung eine Optimierung erfolgen.
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
10 Umrichter
11 erste Anschlussseite / Wechselspannungsseite
12 zweite Anschlussseite / Gleichspannungsseite
100 Recheneinrichtung
110 Speicher
200 Recheneinrichtung
210 Speicher
400 Anordnung
401 Umrichter
402 Umrichter
410 Gemeinschaftsgleichspannungs System
411 Gleichspannungsanschluss
412 Gleichspannungsanschluss 420 Leitungssystem
BP Bezugspotential
Cdc Ersatzkondensator
ES Energiespeieher
Gl Gleichspannungsanschluss
G2 Gleichspannungsanschluss
I Stromfluss
ME1-ME6 Moduleinrichtungen
MSE ModulSteuereinrichtung
S1-S4 Schaltelemente
Smin vorgegebene Spannungsschwelle
SPM_mse Softwareprogrammmodul
Sui Summenwert
TM Teilmodul
TMSE TeilmodulSteuereinrichtung
Uaus,soll Spannungs orgäbe
Uaus,solll Spannungsvorgäbe
Uaus,soll2 Spannungsvorgäbe
Udcl Teilspannung
Udc2 Teilspannung
W1 Wert
W2 Wert WS1 Wechselspannungsanschluss WS2 Wechselspannungsanschluss WS3 Wechselspannungsanschluss Z Impedanz ZE Zentraleinrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung (400) mit einem ersten Umrichter (10, 401, 402) und einem zweiten Umrichter (10, 401, 402), die jeweils eine Gleichspannungsseite (12) aufweisen, wobei die beiden Gleich spannungsseiten (12) jeweils mit einem Anschluss miteinander und mit einem gemeinsamen Bezugspotential (BP) verbunden sind und mit dem anderen Anschluss jeweils einen Gleichspannungs anschluss (411, 412) eines gemeinsamen Gemeinschaftsgleich spannungssystems (410) bilden, wobei
- die Umrichter (10, 401, 402) jeweils Moduleinrichtungen (ME1-ME6) umfassen, die jeweils eine Reihenschaltung mit zumindest zwei elektrisch in Reihe geschalteten Teilmodu len (TM) aufweisen, und
- die Teilmodule (TM) jeweils einen Energiespeicher (ES) und zumindest zwei Schaltelemente (S1-S4) umfassen, von denen im eingeschalteten oder ausgeschalteten Betriebszustand der Teilmodule (TM) zumindest ein Schaltelement (S1-S4) eingeschaltet ist und im geblockten Betriebszustand alle Schaltelemente (S1-S4) ausgeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Moduleinrichtungen (ME1-ME6) jeweils eine Modulsteuer einrichtung (MSE) zum Ansteuern der Teilmodule (TM) ihrer jeweiligen Moduleinrichtung (ME1-ME6) aufweisen,
- die Umrichter (10, 401, 402) jeweils eine Zentraleinrich tung (ZE) aufweisen, die dazu ausgebildet ist, den Modul steuereinrichtungen (MSE) der Moduleinrichtungen (ME1-ME6) des eigenen Umrichters (10, 401, 402) zumindest eine Span nungsvorgabe (Uaus,soll), die ausgeschaltete Teilmodule (TM) betrifft, zu übermitteln sowie zumindest einen Wert (Wl, W2) an die Zentraleinrichtung (ZE) des jeweils ande ren Umrichters (10, 401, 402) zu übermitteln,
- die umrichterbezogene Spannungsvorgabe (Uaus,soll) von zu mindest einem Wert (Wl, W2) abhängt, den die jeweilige Zentraleinrichtung (ZE) von der Zentraleinrichtung (ZE) des jeweils anderen Umrichters (10, 401, 402) erhält, und
- die Moduleinrichtungen (ME1-ME6) jeweils dazu ausgebildet sind, die Spannungsvorgabe (Uaus,soll) ihrer Zentralein- richtung (ZE) zu erfüllen oder zumindest näherungsweise zu erfüllen, indem sie keines, eines oder mehrere ihrer Teil- module (TM) in den ausgeschalteten Betriebszustand verset zen.
2. Anordnung (400) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Teilmodule (TM) jeweils eine Teilmodulsteuereinrich tung (TMSE) aufweisen, die den Betriebszustand ihrer Teil module (TM) durch Ansteuerung der Schaltelemente (S1-S4) bestimmen,
- die Umrichter (10, 401, 402) nach einer Inbetriebnahme, bei der sich alle Teilmodule (TM) zunächst im geblockten Betriebszustand befinden und die Teilmodulsteuereinrich tungen (TMSE) mangels ausreichendem Ladezustand ihrer zu geordneten Energiespeicher (ES) noch nicht kommunikations fähig sind, zunächst in einen Ladebetrieb versetzt werden, und
- die Teilmodulsteuereinrichtungen (TMSE) jeweils mit ihrer zugeordneten Modulsteuereinrichtung (MSE) kommunizieren, sobald sie während des Ladebetriebs kommunikationsfähig geworden sind, und
- die Zentraleinrichtungen (ZE) den Modulsteuereinrichtungen (MSE) ihres Umrichters (10, 401, 402) zumindest während des Ladebetriebs die Spannungsvorgabe (Uaus,soll), die ausgeschaltete Teilmodule (TM) betrifft, übermitteln.
3. Anordnung (400) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Umrichter (10, 401, 402) nach einer Inbetriebnahme, bei der sich alle Teilmodule (TM) zunächst im geblockten Betriebszustand befinden und die Teilmodulsteuereinrich tungen (TMSE) mangels ausreichendem Ladezustand ihrer zu geordneten Energiespeicher (ES) noch nicht kommunikations fähig sind, zunächst in einen Ladebetrieb, der zumindest eine erste und eine zweite Ladephase umfasst, versetzt werden, und - die Zentraleinrichtungen (ZE) den Modulsteuereinrichtungen (MSE) ihres Umrichters (10, 401, 402) zumindest in der zweiten Ladephase des Ladebetriebs die Spannungsvorgabe (Uaus,soll), die ausgeschaltete Teilmodule (TM) betrifft, übermitteln.
4. Anordnung (400) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Modulsteuereinrichtungen (MSE) dazu ausgestaltet sind, von den Teilmodulsteuereinrichtungen (TMSE) übermittelte Spannungswerte oder daraus abgeleitete Summenwerte an die übergeordnete Zentraleinrichtung (ZE) ihres Umrichters (10, 401, 402) zu übermitteln, und
- die Zentraleinrichtungen (ZE) dazu ausgebildet sind, die jenigen ihrer Modulsteuereinrichtungen (MSE), bei denen die Summe der übermittelten Spannungswerte oder der über mittelte Summenwert eine vorgegebene Spannungsschwelle er reicht oder überschreitet, von der ersten in die zweite Ladephase des Ladebetriebs umzuschalten, indem sie diesen Modulsteuereinrichtungen (MSE) die Spannungsvorgabe
(Uaus,soll), die ausgeschaltete Teilmodule (TM) betrifft, übermitteln.
5. Anordnung (400) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsvorgabe (Uaus,soll) für den ersten und zweiten Umrichter (10, 401, 402) jeweils solange verändert wird, bis ein den Unterschied zwischen den Betriebspunkten der Umrich ter (10, 401, 402) angebender Unterschiedswert Null beträgt oder eine vorgegebene Grenze unterschreitet.
6. Anordnung (400) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsvorgabe (Uaus,soll) für den ersten und/oder zweiten Umrichter (10, 401, 402) von einem Spannungsunter schied zwischen einer ersten Teilspannung (Udcl), die zwi schen den beiden Anschlüssen der Gleichspannungsseite (12) des ersten Umrichters (10, 401, 402) anliegt, und einer zwei- ten Teilspannung (Udc2), die zwischen den beiden Anschlüssen der Gleichspannungsseite (12) des zweiten Umrichters (10,
401, 402) anliegt, abhängt.
7. Anordnung (400) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Spannungsvorgabe (Uaus,soll) für den ersten Umrichter (10, 401, 402) erhöht wird, wenn die erste Teilspannung (Udcl) größer als die zweite Teilspannung (Udc2) ist, und reduziert wird, wenn die zweite Teilspannung (Udc2) größer als die erste Teilspannung (Udcl) ist, und/oder
- die Spannungsvorgabe (Uaus,soll) für den zweiten Umrichter (10, 401, 402) reduziert wird, wenn die erste Teilspannung (Udcl) größer als die zweite Teilspannung (Udc2) ist, und erhöht wird, wenn die zweite Teilspannung (Udc2) größer als die erste Teilspannung (Udcl) ist.
8. Anordnung (400) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsvorgabe (Uaus,soll) für den ersten und/oder zweiten Umrichter (10, 401, 402) von der Energiedifferenz zwischen der in den Energiespeichern (ES) des ersten Umrich ters (10, 401, 402) gespeicherten Energie und der in den Energiespeichern (ES) des zweiten Umrichters (10, 401, 402) gespeicherten Energie abhängt.
9. Anordnung (400) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsvorgabe (Uaus,soll) für den ersten und/oder zweiten Umrichter (10, 401, 402) von der Energiedifferenz zwischen einem ersten Mittelwert, der durch Mittlung der in den Moduleinrichtungen (ME1-ME6) des ersten Umrichters (10, 401, 402) gespeicherten Energien gebildet wird, und einem zweiten Mittelwert, der durch Mittlung der in den Modulein richtungen (ME1-ME6) des zweiten Umrichters (10, 401, 402) gespeicherten Energien gebildet wird, abhängt.
10. Anordnung (400) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Spannungsvorgabe (Uaus,soll) für den ersten Umrichter (10, 401, 402) von der Höhe einer Energiedifferenz zwi schen der in den Energiespeichern (ES) des ersten Umrich ters (10, 401, 402) gespeicherten Energie und der in den Energiespeichern (ES) des zweiten Umrichters (10, 401,
402) gespeicherten Energie abhängt, und zwar erhöht wird, wenn ein die im ersten Umrichter (10, 401, 402) gespei cherte Energie angebender erster Energiewert größer als ein die im zweiten Umrichter (10, 401, 402) gespeicherte Energie angebender zweiter Energiewert ist, und reduziert wird, wenn der zweite Energiewert größer als der erste Energiewert ist, und/oder
- die Spannungsvorgabe (Uaus,soll) für den zweiten Umrichter (10, 401, 402) erhöht wird, wenn der zweite Energiewert größer als der erste Energiewert ist, und reduziert wird, wenn der erste Energiewert größer als der zweite Energie wert ist.
11. Anordnung (400) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladebetrieb von dem Gemeinschaftsgleichspannungssystem (410) aus erfolgt und die Spannungsvorgaben für den ersten Umrichter (10, 401, 402) und den zweiten Umrichter (10, 401, 402) ermittelt werden gemäß:
Uaus,solll = f(Udc, Uacl, Ufinal,soll, t, kp, El, E2,
Uaus,soll,maxi) und
Uaus,soll2 = f(Udc, Uac2, Ufinal,soll, t, kp, El, E2,
Uaus,soll,max2) und
- wobei Uacl die an der Wechselspannungsseite des ersten Um richters (10, 401, 402) anliegende Wechselspannung und Uac2 die an die Wechselspannungsseite des zweiten Umrich ters (10, 401, 402) anliegende Wechselspannung bezeichnen, Uaus,solll die Spannungsvorgabe (Uaus,soll) für den ersten Umrichter (10, 401, 402) und Uaus,soll2 die Spannungsvor gabe (Uaus,soll) für den zweiten Umrichter (10, 401, 402) bezeichnet,
- wobei Ufinal,soll die Sollspannungssumme aus den an den Energiespeichern (ES) der Teilmodule (TM) anliegenden Teilmodulspannungen der Moduleinrichtungen (ME1-ME6) nach dem Ende der Ladephase und zu Beginn des Normalbetriebs für beide Umrichter (10, 401, 402) angibt, die vom einzu stellenden Arbeitspunkt der beiden Umrichter (10, 401,
402) zu Beginn des Normalbetriebs abhängt,
- wobei kp ein einstellbarer Verstärkungsfaktor, El einen Energiewert, der die in den Energiespeichern (ES) des ers ten Umrichters (10, 401, 402) gespeicherte Energie angibt, und E2 einen Energiewert, der die in den Energiespeichern (ES) des zweiten Umrichters (10, 401, 402) gespeicherte Energie angibt, bezeichnet und
- wobei f eine über der Zeit t, vorzugsweise stufen- oder rampenförmig, ansteigende Funktion ist, die von Null auf einen jeweiligen Maximalwert
Uaus,soll,maxi = Ufinal,soll - 0,25*Udc-0,5Uacl + kp (El- E2) bzw.
Uaus,soll,max2 = Ufinal,soll - 0,25*Udc-0,5Uac2 + kp (E2- El) ansteigt.
12. Umrichter (10, 401, 402), insbesondere für eine Anordnung (400) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Um richter (10, 401, 402) eine Gleichspannungsseite (12) auf weist und Moduleinrichtungen (ME1-ME6) umfasst, die jeweils eine Reihenschaltung mit zumindest zwei elektrisch in Reihe geschalteten Teilmodulen (TM) aufweisen, und die Teilmodule (TM) jeweils einen Energiespeicher (ES) und zumindest zwei Schaltelemente (S1-S4) umfassen, von denen im eingeschalteten oder ausgeschalteten Betriebszustand des Teilmoduls (TM) zu mindest ein Schaltelement (S1-S4) eingeschaltet ist und im geblockten Betriebszustand alle Schaltelemente (S1-S4) ausge schaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass - die Moduleinrichtungen (ME1-ME6) jeweils eine Modulsteuer einrichtung (MSE) zum Ansteuern der Teilmodule (TM) ihrer jeweiligen Moduleinrichtung (ME1-ME6) aufweisen,
- der Umrichter (10, 401, 402) eine Zentraleinrichtung (ZE) aufweist, die dazu ausgebildet ist, den Modulsteuerein richtungen (MSE) der eigenen Moduleinrichtungen (ME1-ME6) zumindest eine Spannungsvorgabe (Uaus,soll), die ausge schaltete Teilmodule (TM) betrifft, zu übermitteln sowie zumindest einen Wert (Wl, W2) an eine Zentraleinrichtung (ZE) eines anderen Umrichters (10, 401, 402) zu übermit teln,
- wobei die umrichterbezogene Spannungsvorgabe (Uaus,soll) von zumindest einem Wert (Wl, W2) abhängt, den die jewei lige Zentraleinrichtung (ZE) von der Zentraleinrichtung (ZE) des anderen Umrichters (10, 401, 402) erhält, und
- wobei die Moduleinrichtungen (ME1-ME6) jeweils dazu ausge bildet sind, die Spannungsvorgabe (Uaus,soll) ihrer Zent raleinrichtung (ZE) zu erfüllen oder zumindest näherungs weise zu erfüllen, indem sie keines, eines oder mehrere ihrer Teilmodule (TM) in den ausgeschalteten Betriebszu stand versetzen.
13. Zentraleinrichtung (ZE) für einen Umrichter (10, 401, 402), insbesondere einen Umrichter (10, 401, 402) nach An spruch 12 oder eine Anordnung (400) nach einem der voranste henden Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Zentraleinrichtung (ZE) dazu ausgebildet ist, Modul steuereinrichtungen (MSE) zugeordneter Moduleinrichtungen (ME1-ME6) zumindest eine Spannungsvorgabe (Uaus,soll), die ausgeschaltete Teilmodule (TM) betrifft, zu übermitteln sowie zumindest einen Wert (Wl, W2) an eine Zentralein richtung (ZE) eines anderen Umrichters (10, 401, 402) zu übermitteln,
- wobei die umrichterbezogene Spannungsvorgabe (Uaus,soll) von zumindest einem Wert (Wl, W2) abhängt, den die jewei lige Zentraleinrichtung (ZE) von der Zentraleinrichtung (ZE) des anderen Umrichters (10, 401, 402) erhält.
14. Modulsteuereinrichtung (MSE) für einen Umrichter (10,
401, 402), insbesondere einen Umrichter (10, 401, 402) nach Anspruch 12 oder eine Anordnung (400) einem der voranstehen den Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass
- diese dazu ausgestaltet ist, von Teilmodulsteuereinrich tungen (TMSE) übermittelte Spannungswerte oder daraus ab geleitete Summenwerte an eine übergeordnete Zentralein richtung (ZE) zu übermitteln, und
- diese außerdem dazu ausgebildet ist, eine Spannungsvorgabe (Uaus,soll) der Zentraleinrichtung (ZE) zu erfüllen, indem sie zumindest ein kommunikationsfähiges Teilmodul (TM) in den ausgeschalteten Betriebszustand versetzt.
15. Verfahren zum Betreiben einer Anordnung (400) mit einem ersten Umrichter (10, 401, 402) und einem zweiten Umrichter (10, 401, 402), die jeweils eine Gleichspannungsseite (12) aufweisen, wobei die beiden Gleichspannungsseiten (12) je weils mit einem Anschluss miteinander und mit einem gemeinsa men Bezugspotential (BP) verbunden sind und mit dem anderen Anschluss jeweils einen Gleichspannungsanschluss eines ge meinsamen Gemeinschaftsgleichspannungssystems (410) bilden, wobei die Umrichter (10, 401, 402) jeweils Moduleinrichtungen (ME1-ME6) umfassen, die jeweils eine Reihenschaltung mit zu mindest zwei elektrisch in Reihe geschalteten Teilmodulen
(TM) aufweisen, und die Teilmodule (TM) jeweils einen Ener giespeicher (ES) und zumindest zwei Schaltelemente (S1-S4) umfassen, von denen im eingeschalteten oder ausgeschalteten Betriebszustand des Teilmoduls (TM) zumindest ein Schaltele ment (S1-S4) eingeschaltet ist und im geblockten Betriebszu stand alle Schaltelemente (S1-S4) ausgeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Moduleinrichtungen (ME1-ME6) jeweils eine Modulsteuer einrichtung (MSE) aufweisen, die die Teilmodule (TM) ihrer jeweiligen Moduleinrichtung (ME1-ME6) ansteuert,
- eine Zentraleinrichtung (ZE) den Modulsteuereinrichtungen (MSE) der Moduleinrichtungen (ME1-ME6) des eigenen Umrich- ters (10, 401, 402) zumindest eine Spannungsvorgabe
(Uaus,soll), die ausgeschaltete Teilmodule (TM) betrifft, übermittelt sowie zumindest einen Wert (Wl, W2) an die Zentraleinrichtung (ZE) des jeweils anderen Umrichters (10, 401, 402) übermittelt,
- wobei die umrichterbezogene Spannungsvorgabe (Uaus,soll) von zumindest einem Wert (Wl, W2) abhängt, den die jewei lige Zentraleinrichtung (ZE) von der Zentraleinrichtung (ZE) des jeweils anderen Umrichters (10, 401, 402) erhält, und
- die Moduleinrichtungen (ME1-ME6) die Spannungsvorgabe (Uaus,soll) ihrer Zentraleinrichtung (ZE) erfüllen oder zumindest näherungsweise erfüllen, indem sie keines, eines oder mehrere ihrer Teilmodule (TM) in den ausgeschalteten Betriebszustand versetzen.
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