WO2008151859A1 - Umrichterverbund mit einem sowohl energie als auch kommunikationsdaten übertragenden zwischenkreis - Google Patents

Umrichterverbund mit einem sowohl energie als auch kommunikationsdaten übertragenden zwischenkreis Download PDF

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WO2008151859A1
WO2008151859A1 PCT/EP2008/053564 EP2008053564W WO2008151859A1 WO 2008151859 A1 WO2008151859 A1 WO 2008151859A1 EP 2008053564 W EP2008053564 W EP 2008053564W WO 2008151859 A1 WO2008151859 A1 WO 2008151859A1
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converter
network
inverter
communication
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PCT/EP2008/053564
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Norbert Benesch
Alexander Wagenpfeil
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H02M1/008—Plural converter units for generating at two or more independent and non-parallel outputs, e.g. systems with plural point of load switching regulators

Definitions

  • the invention relates to a converter network, in which an intermediate circuit is provided for supplying a number of converter power units.
  • frequency converters convert alternating current of a specific frequency into a voltage which can be varied in amplitude and frequency. With this voltage thus converted, the desired consumer is then operated.
  • frequency converters are mostly realized by electronic devices, the essential components being a rectifier, an intermediate circuit and an inverter for generating the desired output voltage.
  • a known frequency converter 1 is exemplified in a schematic representation.
  • a rectifier 4 is supplied from a network 2 here.
  • the DC voltage generated by the rectifier 4 is supplied to a DC link 6, which includes, inter alia, a DC link capacitor 8 for buffering.
  • the intermediate circuit 6 is finally connected to an inverter 10 and thereby to its DC input part.
  • the inverter 10 represents a power section of the converter 1 and supplies an output voltage U A in order to supply a load with a voltage at the desired amplitude level and frequency.
  • the intermediate circuit 6 leads accordingly Gleichlingn.
  • the intermediate circuit capacitor 8 can be composed of individual components.
  • each component of the converter supplies "its own share” of this capacity (such as the DC and the inverter). It can be said that here the component “intermediate circuit” is functionally present, but not in the concrete form a (single) capacity, which is designed as a component. This also applies mutatis mutandis to the explanations below in connection with Figure 2.
  • the DC link capacitor 8 can be very small, so that one could even speak in the limit of a converter without proper DC link. Furthermore, current intermediate circuits with an inductance instead of a capacitance in the DC link are possible.
  • Known frequency converters for drive technology can be equipped with digital inputs and outputs in addition to the power connections.
  • An analog input can e.g. be connected to a potentiometer for adjusting the output frequency.
  • frequency converters that are controlled via known bus communication systems, in which case no device-specific input and output modules must be present.
  • An adaptation to an example to be driven motor can be done by appropriate parameter selection.
  • devices have prevailed which have a keyboard and a display unit directly on the converter and a menu structure for the navigation.
  • More complex converters include a control unit and are programmable.
  • Prefabricated data sets for parameterization are loaded directly into the inverter via an interface.
  • inverters are operated in one converter network, with several converter power units being operated on a common DC link.
  • several feeders / rectifiers can be operated on the same DC link.
  • cyclic information Status / control information In order to coordinate the operation of the number of inverter power units, information must be exchanged between the components of the converter network, such as cyclic information Status / control information or acyclic information such as parameterization records.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a converter network in which a communication between the components of the converter network is implemented efficiently and in a simple manner.
  • a converter network comprising: at least one intermediate circuit for feeding converter power units, at least one converter power unit connected to the intermediate circuit, wherein the at least one converter power unit is fed from the one intermediate circuit, and a communication unit for imprinting and removal of communication data on or from intermediate circuit connections of the intermediate circuit, the intermediate circuit connections connecting the intermediate circuit in terms of performance and communication technology with the at least one converter power section, so that the impressed communication data via the DC link between the intermediate circuit and the at least one inverter power parts are transferable.
  • the invention is based on the consideration that it is possible to resort to an exchange of required communication data on a structure already present in such a converter network. Since existing converter power parts are connected to the common DC link, according to the invention the DC link connections between said components are used not only for power transmission, but also for communication transmission. To apply the communication data to the DC link connections, the communication unit is provided.
  • the communication unit may, for example, be a modulation unit with the aid of which the communication data are modulated onto the DC link connections and removed from these.
  • the converter network comprises (at least) one rectifier / infeed, one DC link, (at least) one inverter and (at least) one DC link component.
  • a possible modulation method for applying and / or removing the communication data is preferably designed such that the impressed communication data can be distinguished from operations with switching frequency. To minimize errors, redundant communication methods can be used.
  • the carrier frequency of the modulation method for impressing the communication data is preferably less than or equal to twice the switching frequency of the network converter.
  • a feed is connected to the intermediate circuit for introducing energy into the intermediate circuit, and the intermediate circuit connections also comprise connections between the intermediate circuit and the feed, so that the impressed communication data can also be transmitted from and to the feed.
  • a converter network with a DC link and several power units connected to it requires communication between the components in order to match the respective functions for operating the entire system.
  • the converter power units require, for example, status information and measured value information from the infeed.
  • the feed must tell if she is ready.
  • the aforementioned measured value information for a knowledge, for example, about the network level, the network phases or a current operating situation of the intermediate circuit such as pulse resistance or filtering.
  • components of the intermediate circuit for example a chopper, need control information based on the measured network level or control information regarding desired input thresholds of the chopper.
  • the infeed requires topology information regarding the type, number and functionality of the connected converter power sections.
  • feeds can be provided on the same intermediate circuit, for example in the form of a master-slave operation for realizing a redundant power supply.
  • setpoint and / or actual values must be exchanged between the master and the slave infeed in order to accomplish voltage and / or current regulation of the intermediate circuit.
  • the intermediate circuit comprises at least two intermediate circuit components, and the communication data can be transmitted between the infeed, the converter power units and at least one of the intermediate circuit components.
  • This embodiment is concerned with the control information already mentioned above for components of the intermediate circuit.
  • Such intermediate circuit components may be, for example, the aforementioned chopper or an intermediate circuit capacitor.
  • the communication data preferably include min. at least information from the group ⁇ tuning information between feed and at least one of the inverter power units, feed status information, feed measured value information, intermediate circuit control information, inverter interconnection topology information, inverter information functional information, and feed control information ⁇ .
  • the at least two converter power units and the at least one control unit preferably transmit characteristic data via the DC link connections, wherein the characteristic data identifies the at least two converter power units or the at least one control unit.
  • Rectifier / Infeed communicates with further rectifier / infeed
  • Rectifier / infeed communicates with inverter / power unit • Inverter / power unit communicates with further inverter / power unit
  • the type of communication data result from a required by the composite functionality.
  • the said components of the converter network identify themselves via the DC link connection, so that a current topology of the converter network can be determined from the transmitted characteristic data.
  • the components report when connecting to the DC link, so that the infeed / rectifier can determine the topology.
  • the components can then look at characteristic data stored on them in order, for example, to carry out plausibility and / or functional checks.
  • the transmitted characteristic data can be stored in each case in a memory of the converter power units or a control unit.
  • the topology determined in this way is automatically adapted by the characteristic data of converter units that are added to or removed from the converter network and / or control units.
  • a changing topology of the converter network is automatically detected and thus an adaptation of the individual functionalities to a desired overall success is simplified or even automatically carried out.
  • a further control unit is provided, and the intermediate circuit is connected both to the inverter power units connected to the at least one and to the further control unit, so that the intermediate circuit is provided for feeding all converter power units comprised by the converter network ,
  • the inverter power units are arranged in groups, and each group is assigned its own control unit. However, here too only one common DC link is provided for feeding the groups.
  • data can also be exchanged, for example, between converter power units which are assigned to different control units via the common DC link.
  • a separate communication channel such as a bus system, is not required for this purpose.
  • the converter network comprises a communication bus interface, by means of which the converter network communicates with a further converter network, so that the communication data of the converter network is transmitted via the communication bus interface to the further converter network.
  • communication data can also be transmitted via the DC link connections.
  • the invention makes use of an already existing structure, namely to use the intermediate circuit, for the transmission of communication data between components of the converter network. It is possible here to transfer the communication data wherever the energy flow takes place.
  • the communication data serve, for example, for detecting the topology, for distributing status information and measured value information, for collecting the status information and for determining
  • the exchange of communication data relating to the feed can be reduced to the duration of the start-up of the feed.
  • the status information from the startup of the infeed can already be used to derive important infor- mation regarding the infeed and it is possible to dispense with a complete, continuous online synchronization.
  • the amount and / or speed of the communication data to be transmitted is preferably adjusted to the available address bands or frequency ranges or other specifics of the modulation method used.
  • the communication in the converter network according to the invention can follow the energy flow everywhere, regardless of the mechanical design of the DC link wiring.
  • topology of the converter network is changed, these changes can be automatically diagnosed because, for example, newly added converter power units or control units automatically log on using their characteristics.
  • the converter network according to the invention does not require additional communication means, since the feeds can also communicate via the DC link connections.
  • the distance between components of the converter network also does not matter communication technology, since the communication follows the energy flow everywhere as mentioned.
  • the communication data can be transmitted using known or specially written protocols. Also conceivable are the transmission of pulse sequences as communication data on the DC link voltage level. Furthermore, voltage pulses on the DC link and a measurement of the transit times that occur in this case can also be considered as communication data. The removal of the communication data from the DC link connections is also done by the communication unit.
  • the communication data can be adapted and extended at any time, for example by providing additional control information such as Pulse cancellations of the association, safety shutdowns or warnings due to the prevailing network conditions transmitted from the feeds to the respective associated power converter power units.
  • additional control information such as Pulse cancellations of the association, safety shutdowns or warnings due to the prevailing network conditions transmitted from the feeds to the respective associated power converter power units.
  • functional extensions can be realized by means of the communication data which make use of the cross-communication established according to the invention between the components of the converter network via the intermediate circuit.
  • the inverter power units can report load surges or other influencing conditions.
  • the communication data may also include very general, additional communication between the components.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a converter according to the prior art
  • Figure 2 shows a converter network according to the invention with, for example, three inverter power units on a common DC link, and
  • FIG. 3 shows two converter groups which communicate via a communication bus interface, ie also across the composite boundaries, via a DC link connection.
  • FIG. 1 shows a converter 1 according to the prior art in a schematic representation.
  • a rectifier 4 is connected on the input side to a network 2 and has a DC voltage output side with an intermediate circuit 6, which has at least one intermediate circuit capacitor 8 for energy puffing.
  • an inverter 10 is provided, which is connected on the input side to the intermediate circuit. On the output side, this inverter 10 supplies the output voltage U A.
  • FIG. 2 shows an inverter network 3 according to the invention. In this case, a number of converter power units 101, 102, 105 are connected to the intermediate circuit 6 via intermediate circuit connections 12.
  • the inverter power units 101, 102 and 105 provide as output voltages U A i, U A 2 and U A 5 for controlling a respective load to be connected a desired voltage amplitude and frequency.
  • a (further) DC link component 15 is present in addition to the DC link capacitor 8; This intermediate circuit component 15 may comprise, for example, further capacitor modules and / or braking resistor modules.
  • a controller 14 For controlling the converter network 3, a controller 14 is provided.
  • a modulation unit 22 For the transmission of communication data 14 between said components of the converter network 3, a modulation unit 22 is provided, by means of which communication data can be impressed and removed from the intermediate circuit connections. Examples of such communication data of the components of the converter network 3 have already been mentioned in large numbers at the beginning.
  • a memory 17 is provided which is assigned to the controller 14.
  • the modulation unit 22 is arranged within the feed and the power unit or parts 101, 102, 105.
  • the feed 4 and / or the converter power units 101, 102 and 105 can have their own memory.
  • a transmission of communication data via the DC link connections 12 is thus possible, so that an information exchange between the components of the converter network 3 is made possible in order, for example, to optimize and synchronize the joint operation of the components, without requiring an additional Communication channel required.
  • the communication data according to the invention via existing structures, namely the DC link 12, transmitted.
  • Figure 3 shows schematically Ümrichterverb massese 18 and 20, which communicate via a communication bus interface 28, for example, to synchronize a common operation.
  • the communication bus interface 28 is, for example, a universal communication interface for connecting the converter network to a (higher-level) control.
  • a communication according to the invention via the intermediate circuit is usually restricted to "absolutely necessary" information and not used as the general communication medium of the network.
  • Each of the converter assemblies 18 and 20 has its own control unit 14 or 16. Furthermore, each of the converter assemblies 18 and 20 has its own intermediate circuit 61 or 63.
  • a modulation unit 24 or 26 is provided in each case. These modulation units 24 and 26 are advantageously integrated in one or more feeds and the power parts.
  • the converter network 18 comprises the converter power units 107, 109 and 111
  • Inverter network 20 has the converter power units 113, 115 and 117, but the inverter power unit 113 is supplied by the power converter network 18 in terms of energy, but from the converter network 20 in terms of control technology.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Ein erfindungsgemäßer Umrichterverbund (3, 18, 20) umfasst mindestens ein Umrichter-Leistungsteil (101, 102, 115, 107, 109, 111, 113, 115, 117), welches an einem Zwischenkreis (6) betrieben wird. Er umfasst weiterhin eine Kommunikationseinheit (22, 24, 26), mittels welcher eine Aufprägung und Entnahme von Kommunikationsdaten auf bzw. von Zwischenkreisverbindungen (12) des Zwischenkreises (6) bewerkstelligt wird. Somit wird für eine Kommunikation zwischen Komponenten des Umrichterverbunds eine ohnehin vorhandene Struktur, nämlich der Zwischenkreis, verwendet.

Description

Beschreibung
UMRICHTERVERBUND MIT EINEM SOWOHL ENERGIE ALS AUCH KOMMUNIKATIONSDATEN ÜBERTRAGENDEN ZWISCHENKREIS
Die Erfindung betrifft einen Umrichterverbund, bei welchem ein Zwischenkreis zur Speisung einer Anzahl an Umrichter- Leistungsteilen vorgesehen ist.
Bekannte Umrichter, üblicherweise so genannte Frequenzumrichter, wandeln Wechselstrom einer bestimmten Frequenz um in eine in Amplitude und Frequenz veränderbare Spannung. Mit dieser derart umgerichteten Spannung wird dann der gewünschte Verbraucher betrieben. Heutzutage sind Frequenzumrichter meist durch elektronische Geräte realisiert, wobei als wesentliche Komponenten ein Gleichrichter, ein Zwischenkreis und ein Wechselrichter zur Erzeugung der gewünschten Ausgangsspannung vorgesehen sind.
In der Figur 1 ist beispielhaft in schematischer Darstellung ein bekannter Frequenzumrichter 1 dargestellt. Ein Gleichrichter 4 wird hierbei aus einem Netz 2 versorgt. Die vom Gleichrichter 4 erzeugte Gleichspannung wird einem Zwischenkreis 6 zugeführt, welcher u.a. einem Zwischenkreiskondensa- tor 8 zur Pufferung umfasst. Der Zwischenkreis 6 ist aus- gangsseitig schließlich mit einem Wechselrichter 10 und dabei mit dessen Gleichspannungseingangsteil verbunden. Der Wechselrichter 10 stellt hierbei ein Leistungsteil des Umrichters 1 dar und liefert eine Ausgangsspannung UA, um einen Verbraucher mit einer Spannung in gewünschter Amplitudenhöhe und Frequenz zu versorgen.
Der Zwischenkreis 6 führt hierbei demgemäß Gleichgrößen. Der Zwischenkreiskondensator 8 kann sich aus Einzelkomponenten zusammensetzen Vorteilhaft liefert jede Komponente des Umrichters "seinen eigenen Anteil" an dieser Kapazität mit (wie beispielsweise der Gleich- und der Wechselrichter) . Man kann davon sprechen, dass hierbei die Komponente "Zwischenkreis" funktionell vorhanden ist, aber nicht in der konkreten Form einer (einzigen) Kapazität, die als Bauelement ausgeführt ist. Dies gilt sinngemäß auch für die später folgenden Erläuterungen im Zusammenhang mit Figur 2.
Der Zwischenkreiskondensator 8 kann sehr klein sein, so dass man im Grenzfall sogar von einem Umrichter ohne richtigen Zwischenkreis sprechen könnte. Des Weiteren sind auch Strom- Zwischenkreise mit einer Induktivität statt einer Kapazität im Zwischenkreis möglich.
Bekannte Frequenzumrichter für die Antriebstechnik können neben den Leistungsanschlüssen auch über digitale Ein- und Ausgänge verfügen. Ein Analogeingang kann z.B. mit einem Potentiometer zur Einstellung der Ausgangsfrequenz verbunden sein. Es existieren auch Frequenzumrichter, die über bekannte Buskommunikationssysteme angesteuert werden, wobei hier dann keine gerätespezifischen Ein- und Ausgangsbaugruppen mehr vorhanden sein müssen.
Eine Anpassung an einen beispielsweise anzutreibenden Motor kann durch geeignete Parameterwahl erfolgen. Dabei haben sich mittlerweile Geräte durchgesetzt, welche direkt am Umrichter eine Tastatur und eine Anzeigeeinheit sowie für die Navigation eine Menüstruktur aufweisen. Komplexere Umrichter umfassen eine Steuereinheit und sind programmierbar. Somit können z.B. vorgefertigte Datensätze zur Parametrierung über eine Schnittstelle direkt in den Umrichter geladen werden.
Vielfach werden Umrichter in einem Umrichterverbund betrie- ben, wobei mehrere Umrichter-Leistungsteile an einem gemeinsamen Zwischenkreis betrieben werden. Außerdem können mehrere Einspeisungen/Gleichrichter am gleichen Zwischenkreis betrieben werden.
Um eine Koordination des Betriebs der Anzahl an Umrichter- Leistungsteilen zu bewerkstelligen, müssen Informationen zwischen den Komponenten des Umrichterverbunds ausgetauscht werden wie beispielsweise zyklische Informationen betreffend Status-/Steuerinformationen oder azyklische Informationen wie Parametrierdatensätze .
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Umrich- terverbund anzugeben, bei welchem eine Kommunikation zwischen den Komponenten des Umrichterverbunds effizient und auf einfache Weise realisiert ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch einen Umrich- terverbund umfassend: mindestens einen Zwischenkreis zur Speisung von Umrichter- Leistungsteilen, mindestens ein mit Zwischenkreis verbundenes Umrichter- Leistungsteil, wobei das mindestens eine Umrichter- Leistungsteil aus dem einen Zwischenkreis gespeist wird, und eine Kommunikationseinheit zur Aufprägung und Entnahme von Kommunikationsdaten auf bzw. von Zwischenkreisverbindungen des Zwischenkreises, wobei die Zwischenkreisverbindungen den Zwischenkreis leistungsmäßig und kommunikationstechnisch mit dem mindestens einen Umrichter-Leistungsteil verbindet, so dass die aufgeprägten Kommunikationsdaten über die Zwischenkreisverbindungen zwischen dem Zwischenkreis und dem mindestens einen Umrichter-Leistungsteilen übertragbar sind.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass zu einem Austausch von benötigten Kommunikationsdaten auf eine bei einem derartigen Umrichterverbund ohnehin vorhandene Struktur zurückgegriffen werden kann. Da vorhandene Umrichter- Leistungsteile mit dem gemeinsamen Zwischenkreis verbunden sind, werden erfindungsgemäß die Zwischenkreisverbindungen zwischen den genannten Komponenten nicht nur zur Leistungs-, sondern auch zur Kommunikationsübertragung genutzt. Zur Aufbringung der Kommunikationsdaten auf die Zwischenkreisverbindungen ist die Kommunikationseinheit vorgesehen.
Die Kommunikationseinheit kann hierbei beispielsweise eine Modulationseinheit sein, mit deren Hilfe die Kommunikations- daten auf die Zwischenkreisverbindungen aufmoduliert werden und von diesen entnommen werden.
In einem typischen Ausbau des Umrichterverbundes umfasst die- ser (mindestens) einen Gleichrichter/Einspeisung, einen Zwischenkreis, (mindestens) einen Wechselrichter sowie (mindestens) eine Zwischenkreiskomponente .
Erfindungsgemäß werden aber auch erheblich komplexere Verbün- de umfasst mit einer Anzahl an Gleichrichter/Einspeisungen, einer Anzahl an Wechselrichtern, einer Anzahl an Zwischen- kreiskomponenten sowie einem gemeinsamen Zwischenkreis.
Ein mögliches Modulationsverfahren zum Aufbringen und/oder Entnehmen der Kommunikationsdaten ist bevorzugt derart ausgelegt, dass die aufgeprägten Kommunikationsdaten unterscheidbar sind von Vorgängen mit Schaltfrequenz. Zur Fehlerminimie- rung können redundante Kommunikationsverfahren eingesetzt werden .
Die Trägerfrequenz des Modulationsverfahrens zur Aufprägung der Kommunikationsdaten ist bevorzugt kleiner oder gleich der doppelten Schaltfrequenz des Netzumrichters.
Bevorzugt ist eine Einspeisung mit dem Zwischenkreis verbunden zur Einleitung von Energie in den Zwischenkreis, und die Zwischenkreisverbindungen umfassen auch Verbindungen zwischen dem Zwischenkreis und der Einspeisung, so dass die aufgeprägten Kommunikationsdaten auch von und zu der Einspeisung über- tragbar sind.
Allgemein erfordert ein Umrichterverbund mit einem Zwischenkreis und mehreren daran angeschlossenen Leistungsteilen eine Kommunikation zwischen den Komponenten, um die jeweiligen Funktionen zum Betrieb des Gesamtsystems abzugleichen. Hierfür benötigen die Umrichter-Leistungsteile beispielsweise Statusinformationen und Messwertinformationen von der Einspeisung. Beispielsweise muss die Einspeisung mitteilen, ob sie betriebsbereit ist. Des Weiteren benötigt man die genannten Messwertinformationen für eine Kenntnis beispielsweise über das Netzniveau, die Netzphasen oder eine aktuelle Betriebssituation des Zwischenkreises wie z.B. Pulswiderstand oder Filterungen.
Außerdem benötigen Komponenten des Zwischenkreises, beispielsweise ein Chopper, Steuerungsinformationen basierend auf dem gemessenen Netzniveau oder Steuerungsinformationen bezüglich gewünschter Einsatzschwellen des Choppers .
Da die Einspeisung über dem Zwischenkreis mit einer Anzahl an Umrichter-Leistungsteilen verbunden sein kann, benötigt die Einspeisung Topologieinformationen bezüglich Art, Anzahl und Funktionalität der angeschlossenen Umrichter-Leistungsteile.
Schließlich können mehrere Einspeisungen am gleichen Zwischenkreis vorgesehen sein, beispielsweise in Form eines Mas- ter-Slave-Betriebs zur Realisierung einer redundanten Ein- Speisung. Hierbei müssen dann beispielsweise Soll- und/oder Istwerte zwischen der Master- und der Slave-Einspeisung ausgetauscht werden, um eine Spannungs- und/oder Stromregelung des Zwischenkreises zu bewerkstelligen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Zwischenkreis mindestens zwei Zwischenkreiskomponenten, und die Kommunikationsdaten sind zwischen der Einspeisung, den Umrichter-Leistungsteilen und mindestens einer der Zwischenkreiskomponenten übertragbar.
Bei dieser Ausführungsform geht es um die weiter oben bereits erwähnten Steuerungsinformationen für Komponenten des Zwischenkreises. Derartige Zwischenkreiskomponenten können beispielsweise der zuvor genannte Chopper oder ein Zwischen- kreiskondensator sein.
Um die vielfältigen Bedürfnisse an Kommunikationsaustausch zu befriedigen, umfassen die Kommunikationsdaten bevorzugt min- destens eine Information aus der Gruppe {Abstimmungsinformation zwischen Einspeisung und mindestens einem der Umrichter- Leistungsteile, Statusinformation betreffend der Einspeisung, Messwertinformation bezüglich der Einspeisung, Steuerungsin- formation bezüglich des Zwischenkreises, Topologieinformation bezüglich des Umrichterverbunds, Funktionsinformation bezüglich des Umrichterverbunds, und Regelungsinformation bezüglich der Einspeisung}. Bevorzugt übertragen die mindestens zwei Umrichter-Leistungsteile und die mindestens eine Steuer- einheit jeweils Kenndaten über die Zwischenkreisverbindungen, wobei die Kenndaten die mindestens zwei Umrichter-Leistungsteile bzw. die mindestens eine Steuereinheit identifizieren.
Bevorzugt kommen hierbei die folgenden "Kommunikationspaarun- gen" vor:
• Gleichrichter/Einspeisung kommuniziert mit weiterem Gleichrichter/Einspeisung
• Gleichrichter/Einspeisung kommuniziert mit Wechselrichter/Leistungsteil • Wechselrichter/Leistungsteil kommuniziert mit weiterem Wechselrichter/Leistungsteil
Die Art der Kommunikationsdaten ergeben sich dabei aufgrund einer vom Verbund geforderten Funktionalität.
Hierbei identifizieren sich die genannten Komponenten des Umrichterverbunds über die Zwischenkreisverbindung, so dass aus den übertragenen Kenndaten eine aktuelle Topologie des Umrichterverbunds ermittelbar ist.
Hierbei melden sich die Komponenten beim Anschluss an den Zwischenkreis, so dass die Einspeisung/Gleichrichter die Topologie ermitteln kann. In einem zweiten Schritt können die Komponenten dann auf ihnen gespeicherte Kenndaten austau- sehen, um Z.B. Plausibilitäts- und/oder Funktionskontrollen durchzuführen . Dabei können die übertragenen Kenndaten in jeweils einem Speicher der Umrichter-Leistungsteile bzw. einer Steuereinheit abgelegt werden.
Bevorzugt wird die derart ermittelte Topologie automatisch angepasst durch die Kenndaten von zum Umrichterverbund hinzukommenden oder aus diesem entfernte Umrichter-Leistungsteile und/oder Steuereinheiten.
Durch diese besonders bevorzugte Ausführungsform wird automatisch eine sich ändernde Topologie des Umrichterverbunds erkannt und somit eine Anpassung der Einzelfunktionalitäten den einen gewünschten Gesamterfolg vereinfacht oder sogar automatisch durchführbar.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine weitere Steuereinheit vorgesehen, und der Zwischenkreis ist sowohl mit den an die mindestens eine als auch mit den an die weitere Steuereinheit angeschlossenen Umrichter-Leistungsteilen verbunden, so dass der Zwischenkreis zur Speisung aller vom Umrichterverbund umfassten Umrichter-Leistungsteile vorgesehen ist.
Bei dieser Ausführungsform sind die Umrichter-Leistungsteile in Gruppen geordnet, und jeder Gruppe ist eine eigene Steuer- einheit zugewiesen. Jedoch ist auch hier zur Speisung der Gruppen nur ein gemeinsamer Zwischenkreis vorgesehen.
Hierbei können nun über den gemeinsamen Zwischenkreis auch Daten beispielsweise zwischen Umrichter-Leistungsteilen aus- getauscht werden, welche verschiedenen Steuereinheiten zugewiesen sind. Ein separater Kommunikationskanal, wie beispielsweise ein Bussystem, ist hierzu nicht erforderlich.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Umrichterver- bund eine Kommunikationsbus-Schnittstelle, mittels derer der Umrichterverbund mit einem weiteren Umrichterverbund kommuniziert, so dass die Kommunikationsdaten des Umrichterverbunds über die Kommunikationsbus-Schnittstelle an den weiteren Um- richterverbund übertragen werden und derart ein koordinierter Betrieb des Umrichterverbunds und des weiteren Umrichterverbunds ermöglicht ist. Hierbei können alternativ oder in Ergänzung auch Kommunikationsdaten über die Zwischenkreisver- bindungen übertragen werden.
Zusammenfassend macht die Erfindung davon Gebrauch, eine ohnehin vorhandene Struktur, nämlich den Zwischenkreis, zur Übertragung von Kommunikationsdaten zwischen Komponenten des Umrichterverbunds zu nutzen. Möglich ist hierbei eine Übertragung der Kommunikationsdaten überall dahin, wohin auch der Energiefluss stattfindet. Die Kommunikationsdaten dienen hierbei beispielsweise zur Erfassung der Topologie, zur Verteilung von Statusinformationen und Messwertinformationen, zum Einsammeln der Statusinformationen und Ermittlung von
Konfigurationen, wie beispielsweise aktuell aktivierte Funktionen der Komponenten des Verbunds.
Im Unterschied beispielsweise zur Hochspannungstechnik, wobei ebenfalls eine Kommunikation parallel zum Energiefluss auf separaten Zeitungen stattfindet, sind beim erfindungsgemäßen Umrichterverbund jedoch keine separaten Leitungen notwendig. Es werden ausschließlich bereits vorhandene Zwischenkreisver- bindungen zur Übertragung der Kommunikationsdaten verwendet, wobei die Kommunikationsdaten auf die Zwischenkreisverbindun- gen aufmoduliert werden.
Um eine Reduzierung der auszutauschenden Kommunikationsdaten zu erreichen, kann beispielsweise bezüglich der Einspeisung der Austausch von Kommunikationsdaten bezüglich der Einspeisung reduziert werden auf die Zeitdauer des Hochlaufens der Einspeisung. Bereits aus den Statusinformationen aus dem Hochlaufen der Einspeisung sind wichtige Informationen bezüglich der Einspeisung ableitbar und es kann auf eine vollstän- dige, kontinuierliche Online-Synchronisation verzichtet werden . Die Menge und/oder Geschwindigkeit der zu übertragenden Kommunikationsdaten wird bevorzugt abgestellt auf die zur Verfügung stehenden Adressbänder oder Frequenzbereiche oder sonstige Spezifika des zum Einsatz kommenden Modulationsverfah- rens .
Prinzipiell kann die Kommunikation beim erfindungsgemäßen Umrichterverbund dem Energiefluss überallhin folgen, unabhängig von der mechanischen Ausführung der Zwischenkreisverdrahtung.
Bei Änderungen der Topologie des Umrichterverbunds sind diese Änderungen automatisch diagnostizierbar, da sich beispielsweise neu hinzukommende Umrichter-Leistungsteile oder Steuereinheiten mittels ihrer Kenndaten automatisch anmelden.
Im Falle von Mehrfach-Einspeisungen auf einen Zwischenkreis kommt der erfindungsgemäße Umrichterverbund ohne zusätzliche Kommunikationsmittel aus, da die Einspeisungen ebenfalls über die Zwischenkreisverbindungen kommunizieren können.
Die Entfernung zwischen Komponenten des Umrichterverbunds spielt kommunikationstechnisch ebenfalls keine Rolle mehr, da die Kommunikation wie erwähnt, dem Energiefluss überallhin folgt.
Die Kommunikationsdaten können mittels bekannter oder speziell geschriebener Protokolle übertragen werden. Denkbar sind auch die Übertragung von Impulsfolgen als Kommunikationsdaten über den Zwischenkreis-Spannungspegel. Des Weiteren können als Kommunikationsdaten auch Spannungsimpulse auf dem Zwischenkreis und eine Vermessung der dabei auftretenden Laufzeiten in Frage kommen. Das Entnehmen der Kommunikationsdaten von den Zwischenkreisverbindungen geschieht ebenfalls durch die Kommunikationseinheit.
Über Software-Protokolle können die Kommunikationsdaten jederzeit angepasst und erweitert werden, beispielsweise durch das Bereitstellen von zusätzlichen Steuerinformationen wie Impulslöschungen des Verbandes, Sicherheitsabschaltungen oder Vorwarnungen aufgrund der vorherrschenden Netzbedingungen ü- bertragen von den Einspeisungen an die jeweils zugeordneten Umrichter-Leistungsteile. Außerdem können Funktionserweite- rungen mittels der Kommunikationsdaten realisiert werden, welche Gebrauch machen von der erfindungsgemäß etablierten Querkommunikation zwischen den Komponenten des Umrichterverbunds über den Zwischenkreis. Des Weiteren können die Umrichter-Leistungsteile Laststöße oder sonstige beeinflussende Be- dingungen melden. Schließlich können die Kommunikationsdaten auch sehr allgemeine, zusätzliche Kommunikation zwischen den Komponenten umfassen.
Im Folgenden werden zwei Ausführungsformen der Erfindung nä- her dargestellt.
Es zeigen:
Figur 1 einen Umrichter nach dem Stand der Technik in sche- matischer Darstellung,
Figur 2 einen erfindungsgemäßen Umrichterverbund mit beispielsweise drei Umrichter-Leistungsteilen an einem gemeinsamen Zwischenkreis, und
Figur 3 zwei Umrichterverbände, die sowohl über eine Kommu- nikationsbusschnittstelle, also auch über die Verbundgrenzen hinweg über eine Zwischenkreisverbin- dung kommunizieren.
Figur 1 zeigt einen Umrichter 1 nach dem Stand der Technik in schematischer Darstellung. Ein Gleichrichter 4 ist hierbei eingangsseitig mit einem Netz 2 verbunden und gleichspan- nungs-ausgangsseitig mit einem Zwischenkreis 6, welcher mindestens über einen Zwischenkreiskondensator 8 zur Energiepuf- ferung verfügt. Zur Erzeugung einer Ausgangsspannung UA einer gewünschten Amplitude und Frequenz ist ein Wechselrichter 10 vorgesehen, welcher eingangsseitig mit dem Zwischenkreis verbunden ist. Ausgangsseitig liefert dieser Wechselrichter 10 die Ausgangsspannung UA. In der Figur 2 ist ein erfindungsgemäßer Umrichterverbund 3 dargestellt. Hierbei sind eine Anzahl an Umrichter-Leistungsteilen 101, 102, 105 mit dem Zwischenkreis 6 über Zwischen- kreisverbindungen 12 verbunden. Die Umrichter-Leistungsteile 101, 102 und 105 liefern als Ausgangsspannungen UAi, UA2 bzw. UA5 zur Aussteuerung eines jeweils anzuschließenden Verbrauchers eine gewünschte Spannungsamplitude sowie -frequenz. Des Weiteren ist neben dem Zwischenkreiskondensator 8 noch eine (weitere) Zwischenkreiskomponente 15 vorhanden; diese Zwi- schenkreiskomponente 15 kann beispielsweise weitere Kondensatormodule und/oder Bremswiderstandsmodule umfassen.
Zur Steuerung des Umrichterverbunds 3 ist eine Steuerung 14 vorgesehen. Zur Übertragung von Kommunikationsdaten 14 zwischen den genannten Komponenten des Umrichterverbunds 3 ist eine Modulationseinheit 22 vorgesehen, mittels welcher Kommunikationsdaten auf die Zwischenkreisverbindungen aufprägbar und entnehmbar sind. Beispiele für derartige Kommunikations- daten der Komponenten des Umrichterverbunds 3 wurden eingangs bereits in großer Zahl genannt. Zur Speicherung zumindest von Teilen der Kommunikationsdaten wie beispielsweise Kenndaten von Komponenten des Umrichterverbunds 3 ist ein Speicher 17 vorgesehen, welcher der Steuerung 14 zugeordnet ist. Vorteil- haft ist die Modulationseinheit 22 innerhalb der Einspeisung und des oder der Leistungsteile 101, 102, 105 angeordnet.
Des Weiteren können die Einspeisung 4 und/oder die Umrichter- Leistungsteile 101, 102 und 105 über eigene Speicher verfü- gen.
Beim vorliegenden erfindungsgemäßen Umrichterverbund ist somit eine Übertragung von Kommunikationsdaten über die Zwischenkreisverbindungen 12 möglich, so dass ein Informations- austausch zwischen den Komponenten des Umrichterverbunds 3 ermöglicht ist, um beispielsweise den gemeinsamen Betrieb der Komponenten zu optimieren und zu synchronisieren, ohne dass es hierfür eines zusätzlichen Kommunikationskanals bedarf. Die Kommunikationsdaten werden erfindungsgemäß über ohnehin vorhandene Strukturen, nämlich die Zwischenkreisverbindungen 12, übertragen.
Figur 3 zeigt schematisch Ümrichterverbände 18 und 20, welche über eine Kommunikationsbusschnittstelle 28 kommunizieren, um beispielsweise einen gemeinsamen Betrieb zu synchronisieren.
Die Kommunikationsbusschnittstelle 28 ist beispielsweise ein universelles Kommunikationsinterface zur Anbindung des Umrichterverbunds an eine (übergeordnete) Regelung.
Im Unterschied hierzu wird eine erfindungsgemäße Kommunikation über den Zwischenkreis üblicherweise beschränkt auf "abso- lut notwendige" Informationen und nicht als generelles Kommunikationsmedium des Verbunds genützt.
Jeder der Umrichterverbände 18 und 20 verfügt über eine eigene Steuereinheit 14 bzw. 16. Des Weiteren verfügt jeder der Umrichterverbände 18 und 20 über einen eigenen Zwischenkreis 61 bzw. 63.
Zur Aufprägung und Entnahme der Kommunikationsdaten auf den Zwischenkreis 61 bzw. 63 ist jeweils eine Modulationseinheit 24 bzw. 26 vorgesehen. Diese Modulationseinheiten 24 und 26 sind vorteilhaft in eine oder mehrere Einspeisungen und die Leistungsteile integriert.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst der Umrichterver- bund 18 die Umrichter-Leistungsteile 107, 109 und 111. Der
Umrichterverbund 20 hat die Umrichter-Leistungsteile 113, 115 und 117, wobei jedoch das Umrichter-Leistungsteil 113 energietechnisch vom Umrichterverbund 18 versorgt wird, steuerungstechnisch aber vom Umrichterverbund 20.
Da über die Zwischenkreisverbindungen 12 alle hiermit verbundenen Umrichter-Leistungsteile kommunikationstechnisch erreicht werden können, kann im vorliegenden Ausführungsbei- spiel eine Kommunikation zwischen dem Umrichterverbund 18 und 20 über die Zwischenkreisverbindungen 12 des Zwischenkreises 61 des Umrichterverbunds 18 stattfinden. Da das Umrichter- Leistungsteil 13 steuerungstechnisch an den Umrichterverbund 20 angebunden ist, ist somit eine Kommunikation zwischen den Umrichterverbänden 18 und 20 über die Zwischenkreisverbindungen 12 möglich, und nicht nur über die Kommunikationsbusschnittstelle 28.
Somit ist beispielsweise bei einem Ausfall der Kommunikationsbusschnittstelle 28 weiterhin eine Kommunikation zwischen den Umrichterverbänden 18 und 20 möglich. Oder es wird eine Kommunikation zwischen den Umrichterverbänden 18 und 20 aufgeteilt auf die Kommunikationsbusschnittstelle 28 und die Zwischenkreisverbindungen 12.

Claims

Patentansprüche
1. Umrichterverbund (3, 18, 20), umfassend: mindestens einen Zwischenkreis (6) zur Speisung von Um- richter-Leistungsteilen (101, 102, 105, 107, 109, 111, 113, 115, 117); mindestens ein mit dem Zwischenkreis (6) verbundenes Umrichter-Leistungsteil (101, 102, 105, 107, 109, 111, 113, 115, 117), wobei das mindestens eine Umrichter-Leistungsteil (101, 102, 105, 107, 109, 111, 113, 115, 117) aus dem einen Zwischenkreis (6) gespeist ist; und eine Kommunikationseinheit (22, 24, 26) zur Aufprägung und Entnahme von Kommunikationsdaten auf bzw. von Zwischen- kreisverbindungen (12) des Zwischenkreises (6), wobei die Zwischenkreisverbindungen (12) den Zwischenkreis (6) leistungsmäßig und kommunikationstechnisch mit dem oder den Umrichter-Leistungsteilen (101, 102, 105, 107, 109, 111, 113, 115, 117) verbindet, so dass die aufgeprägten Kommunikationsdaten über die Zwischenkreisverbindungen (12) zwischen dem Zwischenkreis (6) und dem oder den Umrichter-Leistungsteilen (101, 102, 105, 107, 109, 111, 113, 115, 117) übertragbar sind.
2. Umrichterverbund (3, 18, 20) nach Anspruch 1, wobei eine Einspeisung (2, 4) mit dem Zwischenkreis (6) verbunden ist zur Einleitung von Energie in den Zwischenkreis (6) , und die Zwischenkreisverbindungen (12) auch Verbindungen zwischen dem Zwischenkreis (12) und der Einspeisung (2, 4) umfassen, so dass die aufgeprägten Kommunikationsdaten auch von und zu der Einspeisung (2, 4) übertragbar sind.
3. Umrichterverbund (3, 18, 20) nach Anspruch 2, wobei der Zwischenkreis (6) mindestens zwei Zwischenkreiskom- ponenten (6, 8, 15) umfasst, und die Kommunikationsdaten zwischen der Einspeisung (2, 4), dem oder den Umrichter-Leistungsteilen (101, 102, 105, 107, 109, 111, 113, 115, 117) und mindestens einer der Zwischen- kreiskomponenten (6, 8, 15) übertragbar sind.
4. Umrichterverbund (3, 18, 20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kommunikationsdaten mindestens eine Information aus der Gruppe {Abstimmungsinformation zwischen Einspei- sung und mindestens einem der Umrichter-Leistungsteile, Statusinformation betreffend der Einspeisung, Messwertinformation bezüglich der Einspeisung, Steuerungsinformation bezüglich des Zwischenkreises, Topologieinformation bezüglich des Umrichterverbundes, Funktionsinformation bezüglich des Umrichterverbundes, und Regelungsinformation bezüglich der Einspeisung} umfassen.
5. Umrichterverbund (3, 18, 20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das oder die Umrichter-Leistungsteile (101, 102, 105, 107, 109, 111, 113, 115, 117) Kenndaten über die Zwi- schenkreisverbindungen (12) übertragen, wobei die Kenndaten das oder die Umrichter-Leistungsteile (101, 102, 105, 107, 109, 111, 113, 115, 117) identifizieren.
6. Umrichterverbund (3, 18, 20) nach Anspruch 5, wobei das oder die Umrichter-Leistungsteile (101, 102, 105, 107, 109, 111, 113, 115, 117) und/oder eine Steuereinheit (14, 16) ei- nen Speicher (17) zur Speicherung der Kenndaten aufweisen.
7. Umrichterverbund (3, 18, 20) nach Anspruch 5 oder 6, wobei aus den Kenndaten eine Topologie des Umrichterverbunds (3, 18, 20) ermittelbar ist, bevorzugt durch die Einspeisung.
8. Umrichterverbund (3, 18, 20) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Topologie automatisch angepasst ist durch die Kenndaten der zum Umrichterverbund (3, 18, 20) hinzukommenden oder aus diesem entfernte Umrichter-Leistungsteile (101, 102, 105, 107, 109, 111, 113, 115, 117) und Steuereinheiten (14, 16) .
9. Umrichterverbund (3, 18, 20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine erste und eine zweite Steuereinheit (14, 16) vorgesehen sind und der Zwischenkreis (6) sowohl mit den an die erste (14) als auch mit den an die zweite Steuerein- heit (16) angeschlossenen Umrichter-Leistungsteilen (107,
109, 111, 113, 115, 117) verbunden ist, so dass der Zwischenkreis (6) zur Speisung aller vom Umrichterverbund (3, 18, 20) umfassten Umrichter-Leistungsteile (107, 109, 111, 113, 115, 117) vorgesehen ist.
10. Umrichterverbund (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Kommunikationsbus-Schnittstelle (28) vorgesehen ist, mittels derer der Umrichterverbund (18) mit einem weiteren Umrichterverbund (20) kommuniziert, so dass die Kommuni- kationsdaten des Umrichterverbunds (18) über die Kommunikationsbus-Schnittstelle an den weiteren Umrichterverbund (20) übertragen werden und derart ein koordinierter Betrieb des Umrichterverbunds (18) und des weiteren Umrichterverbunds (20) ermöglicht ist.
11. Umrichterverbund (3, 18, 20) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Kommunikationseinheit (22, 24, 26) eine Modulationseinheit ist, welche eine Trägerfrequenz aufweist, die bevorzugt kleiner oder gleich des Zweifachen einer Schaltfrequenz des Umrichterverbunds ist.
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