WO2014023569A2 - Verfahren zum betrieb einer leistungselektronischen schaltung - Google Patents

Verfahren zum betrieb einer leistungselektronischen schaltung Download PDF

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    • H02M7/539—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 using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters with automatic control of output wave form or frequency
    • H02M7/5395—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 using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters with automatic control of output wave form or frequency by pulse-width modulation

Definitions

  • the invention relates to the field of operating methods of power electronic circuits, in particular converter circuits. It is based on a method for operating a power electronic circuit according to the preamble of the independent claim.
  • a converter circuit 1 for switching at least three switching voltage stages has a plurality of switching cells 3 with controllable power semiconductor switches for connection to a voltage supply 2 with phases u, v, w of the converter circuit 1.
  • FIG. 7 also shows a converter circuit realized as a cascade, which is indicated in US 5,986,909.
  • Figure 9 discloses a STATCOM inverter circuit without power supply, the STATCOM inverter circuit being shown in US 6,005,788 and in US 5,642,275.
  • a method for operating a converter circuit for switching at least three switching voltage levels is given, for example, in US 5,986,909 and in CN 1545199 A.
  • US Pat. No. 5,986,909 it is disclosed, for example, that if one switching cell fails, a voltage level is automatically lost at the terminal of the affected phase of the converter circuit. This circumstance must be taken into account in the operating method of the converter circuit, so that, despite the lack of switching cells, a symmetrical three-phase current flows at the phases of the converter circuit. This is equivalent to the requirement that the chained phase voltages between two phases must be symmetrical.
  • 5,986,909 proposes to bridge only the defective switching cell and to operate the converter circuit asymmetrically, such that now the asymmetrical converter circuit generates a symmetrical phase voltage.
  • US 5,986,909 is specified to adjust the phase voltages in amplitude and phase shift in the now limited modulation range, as shown in US 5,986,909 in Fig. 2 and Fig. 5a, wherein a zero shift of the phase voltages is explicitly mentioned.
  • the objective here is to maximize the possible phase voltage.
  • CN 1545199 A describes a calculation method for correcting the error.
  • the method for operating a converter circuit having at least three switching voltage stages of US 5,986,909 is cumbersome and inaccurate, since the phase voltages are manipulated in amplitude and common mode shift according to the error state of the converter circuit.
  • This requires the generation and correct use of a table or alternatively a controller.
  • the difficulty is to ensure the right table or the right control for every possible error.
  • the correct reaction of the activation of the power semiconductor switches of the switching cells for generating the desired phase voltages is ensured only for the error cases stored in the tables.
  • the replacement of the tables by a controller according to US 5,986,909 is not optimal, but only an approximation to an optimal control.
  • the zero offset of the phase voltages is limited to a specific course. It is omitted in principle in US 5,986,909 the possibility of several redundant switching state combinations to use in the sense of a criterion to be defined or prioritizing optimal switching state combination.
  • the object of the invention is therefore to provide a method for operating a power electronic circuit, in particular a converter circuit for switching at least three switching voltage levels, by means of which the power electronic circuit in the case of at least one faulty switching cell of the power electronic circuit can be operated easily and with as little restrictions ,
  • the electronic power circuit has a plurality of switching cells with controllable power semiconductor switches for connection to phases of the power electronic circuit.
  • the method according to the invention comprises the following steps:
  • step (d) Power semiconductor switch of the switching cells are driven according to the selected switching state combination for connection to the phases of the power electronic circuit.
  • step (d) Power semiconductor switch of the switching cells are driven according to the selected switching state combination for connection to the phases of the power electronic circuit.
  • Fig. 1 shows an embodiment power electronic circuit, in particular a
  • phase branch of a power electronic circuit in particular a converter circuit with five switching voltage levels, a state diagram with switching state combinations of the phases of a converter circuit with five switching voltage levels, a phase branch of a power electronic circuit, in particular a converter circuit having a plurality of switching voltage stages, connected to a DC voltage supply, a phase branch of a power electronic circuit, in particular a converter circuit having a plurality of switching voltage stages, connected to an AC voltage supply,
  • FIG. 7 shows a further embodiment of a power electronic circuit, in particular a converter circuit in cascade connection
  • 8A is a block diagram according to an embodiment of the method according to the invention
  • FIG. 8B is a block diagram according to another embodiment of the inventive method.
  • FIG. 9 shows another embodiment of a power electronic circuit, in particular a STATCOM converter circuit.
  • the reference numerals used in the drawings and their meaning are listed in the list of reference numerals. Basically, the same parts are provided with the same reference numerals in the figures.
  • the described embodiments are exemplary of the subject invention and have no limiting effect.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a power electronic circuit 1, in particular a converter circuit with three switching voltage levels. Furthermore, a phase branch of a power electronic circuit 1, in particular a converter circuit with five switching voltage levels, is shown in FIG. Furthermore, FIG. 5 shows a phase branch of a power electronic circuit 1, in particular a converter circuit with a plurality of switching voltage stages, the phase branch being connected to a DC voltage supply. FIG. 6 furthermore shows a phase branch of a power electronic circuit 1, in particular a converter circuit having a plurality of switching voltage stages, which is connected to an alternating voltage supply. In addition, a further embodiment of a power electronic circuit 1, in particular a converter circuit in cascade connection is shown in FIG. Furthermore, FIG.
  • the power electronic circuit 1 which is in particular a converter circuit for switching at least three switching voltage stages, has a plurality of switch cells 3 with controllable power semiconductor switches for connecting phases u, v , W of the power electronic circuit 1 with a power supply 2 on.
  • the specification of the three phases u, v, w of the power electronic circuit 1 is merely an example and represents no restriction to the phases u, v, w, ie, any of the number of phases of the power electronic circuit 1 is conceivable.
  • a power supply 2 both a DC power supply and an AC power supply is conceivable.
  • the respective controllable power semiconductor switch of the switching cells 3 is designed in particular as a turn-off thyristor (GTO) or as an integrated thyristor with a commutated drive electrode (IGCT), each with an antiparallel-connected diode.
  • GTO turn-off thyristor
  • IGCT commutated drive electrode
  • FIG. 2 shows a state diagram with switching state combinations SK of the phases u, v, w of the power electronic circuit 1, designed as a converter circuit according to FIG. 1 in a two-dimensional ⁇ - ⁇ plane.
  • 1 shows the possible switching state combinations SK of switching states of the power semiconductor switches of the switching cells 3 for the converter circuit according to FIG.
  • FIG. 4 shows a state diagram with switching state combinations SK in the ⁇ - ⁇ plane of the phases u, v, w of the power electronic circuit 1, designed as a converter circuit with five switching voltage levels according to FIG. 3.
  • the state diagram according to FIG. 4 likewise shows redundant switching state combinations SK according to FIG. 2. It should be noted that a state diagram of Switching state combinations SK of a converter circuit 1, for example, to the circuit of seven, nine, eleven, etc. would represent Schalhardstryn differently.
  • step (c) control of the power semiconductor switch of the switching cell 3 according to the selected switching state combination SK a for connection to the phases u, v, w of the power electronic circuit.
  • the method according to the invention serves to connect the switching cells 3 to the phases u, v, w of the power electronic circuit 1.
  • step (c) no selection of a switching state combination SK a possible, since no selection of a switching state combination SK a the predetermined control manipulated value essentially allows, ie there is no selection of a switching state State combination SK a the predetermined control value substantially corresponds, the control value is reduced. This is done in such a way that the selection of a switching state combination SK a from the remaining switching state combinations SK according to the reduced predefinable control manipulated value substantially enables the reduced predefinable control manipulated value, ie essentially corresponds to it.
  • a block diagram of this embodiment of the method according to the invention is shown by way of example in FIG. 8B.
  • the predefinable control manipulated value is reduced, for example, by means of a predeterminable proportionality factor k, in which case, for example, k> 1 could be specified, but it is also possible for an arbitrary temporal function f (t) to take place.
  • the further operation of the power electronic circuit 1 with a reduced control manipulated value is thus possible.
  • the presettable control manipulated value comes from a control device 5.
  • the control device 5 comprises the already mentioned phase voltage regulation or phase current regulation or power regulation.
  • the control device 5 is advantageously not influenced by the detection of the functional state of the at least two switching cells 3 and thus independent of the detection.
  • step (a) it is also conceivable that the functional state of each switching cell 3 is detected.
  • a voltage supply 2 is provided, the control of the power semiconductor switch of the switching cell 3 is carried out according to the selected switching state combination SK a for connecting the phases u, v, w of the power electronic circuit 1 with the power supply 2.
  • the method in particular if a selection of a switching state combination SK a is possible, explained in detail.
  • step (a) Assuming a faulty switching cell 3, which is detected in step (a) and leads to the elimination of the switching state combinations "+2, i, j" and “-2, i, j", where i and j respectively the values "-2, -1, 0, 1, 2 "This means that in this example the switching voltage level 2V + and 2V- can no longer be switched for phase u
  • Switching state combinations "+2, i, j" and “-2, i, j" are shown in phantom in FIG. 4, in FIG. 4 the possible switching state combinations SK generated under step (b) of switching states of the power semiconductor switches of the switching cells 3 for a Converter circuit are shown with five Schalhardshaven. Under step (c), the path is then case of the switching state combinations SK considered in the selection of a switching state combination SK a . If, for example, in FIG.
  • the preceding selected switching state combination SK av was "0, -1, -1" and if the switching state combination SK a "2, 1, 0" is to be selected on the basis of a predefinable setpoint, this selection is based on the omitted, no switchable switching state combinations "+2, i, j" and "-2, i, j" are not possible.
  • the switching state combination SK a "0, -1, -2" is selected, thus advantageously taking into account the functional state of the switching cells 3 detected under step (a)
  • the power semiconductor switches of the switching cells 3 are then in step (d) corresponding to the selected switching state combination SK a "0, -1, -2" for connecting the phases of the converter circuit according to FIG. 4 with the power supply 2 driven.
  • the inventive method is therefore very easy to implement and advantageously allows the almost unlimited continued operation of the power electronic circuit 1 in the case of at least one faulty switching cell 3.
  • the inventive method also allows a continuous adaptation of the selection of the available switching state combinations SK to the func- tion states of individual switching cells 3.
  • Fig. 8A is a block diagram of an embodiment of the inventive method shown by way of example.
  • the switching cell current is preferably conducted via a bypass path.
  • the bypass path can be a current path outside the defective switching cell 3 or else a current path within the defective switching cell 3.
  • the control manipulated value is specified by a phase voltage control or a phase current control or a power control.
  • a control manipulated value a chained phase voltage u uw , u vu , Uwv is preferably specified.
  • a phase current i u , i v , i w can also be specified as a control manipulated value.
  • a power can also be specified as the control value, and this can be an apparent power or a reactive power or an active power. It has proved to be advantageous if, in the case of step (c), the selection of the switching state combination SK a from the generated switching state combinations SK additionally takes place as a function of the preceding selected switching state combination SK av .
  • a common-mode voltage is determined at the phases u, v, w of the power electronic circuit 1.
  • the determination of the common mode voltage can be done by measurement or calculation or from a combination of measurement and calculation.
  • the selection of the switching state combination SK a then takes place from the generated switching state combinations SK additionally in dependence on the smallest common-mode voltage. This ensures that the common mode voltage at the phases u, v, w of the power electronic circuit 1 is kept low.
  • the chained phase voltages u uw , u vu , Uwv of the phases u, v, w of the power electronic circuit 1 are determined.
  • the determination of the chained phase voltages u uw , u vu , Uwv can be done by measurement or calculation or from a combination of measurement and calculation.
  • the selection of the switching state combination SK a from the generated switching state combinations SK additionally takes place as a function of the change in the concatenated phase voltages u uw , u vu , Uwv.
  • the cell switching frequency of the switching cells 3 is determined, and in the case of step (c), then the selection of the switching state combination SK a from the generated switching state combinations SK additionally takes place as a function of the cell switching frequency.
  • the distribution and the number of switching inserts of the switching cells 3, in particular the power semiconductor switches of the switching cells 3, can be determined and influenced, and the switching losses of the individual switching cells 3, in particular their power semiconductor switches, are limited.
  • the selection of the switching state combination SK a from the generated switching state combinations SK additionally takes place as a function of the smallest cell switching frequency.
  • a switching state combination SK a is selected in which the associated switching cells 3 have so far exhibited only a small number of switching operations.
  • step (c) additionally the highest cell switching frequency in the Selection of the switching state combination SK a from the generated switching state combinations SK is not taken into account.
  • switching cells 3, in particular their power semiconductor switches are less often used for switching operations with high cell switching frequency, thus spared and the useful life of the power semiconductor switches of these switching cells 3 is advantageously extended.
  • the switching frequency of the switching cells 3 is determined and in the case of step (c) the selection of the switching state combination SK a from the generated switching state combinations (SK) then additionally takes place as a function of the smallest switching frequency.
  • the temperature of the power semiconductor switches of the switching cells 3 is determined, and in the case of step (c) then the selection of the switching state combination SK a from the generated switching state combinations SK additionally takes place as a function of the temperature of the power semiconductor switches of the switching cells 3, in particular As a result, switching cells 3, in particular their power semiconductor switches, used at high temperature less frequently to switching operations, consequently spared and extends the life of the power semiconductor switch this switching cells 3 advantageous.
  • step (c) it is preferable to determine harmonic components in phase voltages u u , u v , u w of the phases u, v, w of the power electronic circuit 1, and in the case of step (c) then select the switching state combination SK a from the generated ones Switching state combinations SK additionally dependent on the lowest harmonic components. Harmonic components in phase voltages u u , u v , u w of the phases u, v, w of the power electronic circuit 1 can thus be controlled and kept small.
  • harmonic components in phase currents i u , i v , i w of the phases u, v, w of the power electronic circuit 1 are determined and in the case of step (c) then the selection of the switching state combination SK a from the generated switching state combinations SK additionally dependent on the lowest harmonic content.
  • harmonic components in phase currents i u , i v , i w of the phases u, v, w of the power electronic circuit 1 can be advantageously controlled and kept small.
  • the determination of the harmonic components in the phase voltages u u , u v , u w of the phases u, v, w and the determination of the harmonic components in the phase currents i u , i v , i w of the phases u, v, w can by measuring or Calculation or from a combination of measurement and calculation.
  • the control of the power semiconductor switch of the switching cells 3 via a wireless signal transmission for example, by the air via electromagnetic waves.
  • a wireless signal transmission for example by a magnetizable solid via a corresponding magnetic field.
  • the functional state of the cable-free signal transmission is preferably monitored. In the case of a defective wireless signal transmission, the switching cell current is then conducted via a bypass path, which may be a current path outside the switching cell 3 or else a current path within the switching cell 3.
  • the functional state of the wireless signal transmission is monitored and in the case of a defective wireless signal transmission, the switching cell 3 is operated autonomously, ie preferably determines their switching state or operating state itself.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betrieb einer leistungselektronischen Schaltung (1) angegeben, wobei die leistungselektronische Schaltung (1) eine Vielzahl an Schaltzellen (3) mit ansteuerbaren Leistungshalbleiterschaltern zur Verbindung mit Phasen (u, v, w) der leistungselektronischen Schaltung (1) aufweist, und wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Detektierung des Funktionszustandes von mindestens zwei Schaltzellen (3), Generierung von Schaltzustandskombinationen (SK) von Schaltzuständen der Leistungshalbleiterschalter der Schaltzellen (3), Auswahl einer Schaltzustandskombination (SKa) aus den generierten Schaltzustandskombinationen (SK) in Abhängigkeit der Detektierung nach Schritt (a), wobei die auszuwählende Schaltzustandskombination (SKa) im wesentlichen einen vorgebbaren Regelstellwert ermöglicht, wobei falls keine Auswahl einer Schaltzustandskombination (SKa) den vorgebbaren Regelstellwert im wesentlichen ermöglicht, Reduzierung des vorgebbaren Regelstellwertes mittels eines vorgebbaren Proportionalitätsfaktors (k) oder mittels einer zeitlichen Funktion (f(t)) derart, dass die Auswahl einer Schaltzustandskombination (SKa) nach dem reduzierten vorgebbaren Regelstellwert aus den restlichen Schaltzustandskombinationen (SK) im wesentli- chen den reduzierten vorgebbaren Regelstellwert ermöglicht, und Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter der Schaltzellen (3) entsprechend der ausgewählten Schaltzustandskombination (SKa) zur Verbindung mit den Phasen (u, v, w) der leistungselektronischen Schaltung (1).

Description

Verfahren zum Betrieb einer leistungselektronischen Schaltung
BESCHREIBUNG Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Betriebsverfahren von leistungselektronischen Schaltungen, insbesondere Umrichterschaltungen. Sie geht aus von einem Verfahren zum Betrieb einer leistungselektronischen Schaltung gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
Stand der Technik Heute werden in vielen Anwendungen leistungselektronische Schaltungen, insbesondere Umrichterschaltungen eingesetzt. Vor allem Umrichterschaltungen zur Schaltung von mindestens drei Schaltspannungsstufen, d.h. Mehrpegelumrichterschaltungen sind heute von besonderer Bedeutung. In Fig. 1 ist beispielhaft eine solche Umrichterschaltung mit drei Schaltspannungsstufen dargestellt. Ferner zeigt Fig. 3 beispielhaft einen Phasenzweig einer Umrichterschaltung mit fünf Schaltspannungsstufen. Darüber hinaus sind in Fig. 5 und Fig. 6 Phasenzweige weiterer bekannter Mehrpegelumrichterschaltungen dargestellt. Allgemein weist eine Umrichterschaltung 1 zur Schaltung von mindestens drei Schaltspannungsstufen eine Vielzahl an Schaltzellen 3 mit ansteuerbaren Leistungshalbleiterschaltern zur Verbindung mit einer Spannungsversorgung 2 mit Phasen u, v, w der Umrichterschaltung 1 auf. In Fig. 7 zeigt zudem eine Umrichterschaltung als Kaskade realisiert, die in der US 5,986,909 angegeben ist. Fig. 9 offenbart eine STATCOM-Umrichterschaltung ohne Spannungsversorgung, wobei die STATCOM-Umrichterschaltung in der US 6,005,788 und in der US 5,642,275 angegeben ist.
Ein Verfahren zum Betrieb einer Umrichterschaltung zur Schaltung von mindestens drei Schaltspannungsstufen ist beispielsweise in der US 5,986,909 und in der CN 1545199 A angegeben. In der US 5,986,909 wird beispielsweise offenbart, dass bei Ausfall einer Schaltzelle automatisch eine Spannungsstufe an der Klemme der betroffenen Phase der Umrichter- Schaltung verlorengeht. Dieser Umstand muss im Betriebsverfahren der Umrichterschaltung berücksichtigt werden, so dass trotz fehlender Schaltzellen ein symmetrischer Drehstrom an den Phasen der Umrichterschaltung fliesst. Dies ist gleichbedeutend mit der Forderung, dass die verketteten Phasenspannungen zwischen zwei Phasen symmetrisch sein müssen. Die US 5,986,909 schlägt dazu vor, nur die defekte Schaltzelle zu überbrücken und die Um- richterschaltung unsymmetrisch zu betreiben, derart, dass nun die unsymmetrische Umrichterschaltung eine symmetrische Phasenspannung erzeugt. In der US 5,986,909 ist dazu angegeben, die Phasenspannungen in Amplitude und Phasenverschiebung im nunmehr begrenzten Aussteuerbereich anzupassen, wie dies in der US 5,986,909 in Fig. 2 und Fig. 5a gezeigt ist, wobei eine Nullpunktverschiebung der Phasenspannungen explizit genannt ist. Die Zielsetzung ist hier die Maximierung der möglichen Phasenspannung. Es wird in CN 1545199 A eine Rechenmethode zur Korrektur des Fehlers beschrieben.
Das Verfahren zum Betrieb einer Umrichterschaltung mit mindestens drei Schaltspannungsstufen der US 5,986,909 ist umständlich und ungenau, da die Phasenspannungen in Amplitude und Gleichtaktverschiebung entsprechend dem Fehlerzustand der Umrichterschaltung manipuliert werden. Das erfordert die Erzeugung und korrekte Verwendung einer Tabelle oder alternativ eines Reglers. Die Schwierigkeit besteht darin, für jeden möglichen Fehlerfall die passende Tabelle bzw. die passende Regelung zu gewährleisten. Desweiteren ist die korrekte Reaktion der Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter der Schaltzellen zur Er- zeugung der gewünschten Phasenspannungen nur für die in den Tabellen abgelegten Fehlerfälle gewährleistet. Der Ersatz der Tabellen durch einen Regler gemäss der US 5,986,909 ist nicht optimal, sondern nur eine Annäherung an eine optimale Ansteuerung. Ausserdem ist die Nullpunktverschiebung der Phasenspannungen auf einen ganz bestimmten Verlauf beschränkt. Es wird in der US 5,986,909 prinzipiell auf die Möglichkeit verzichtet, aus mehreren redundanten Schaltzustandskombinationen die im Sinne eines zu definierenden bzw. priori- sierenden Kriteriums optimale Schaltzustandskombination zu nutzen.
Gattungsgemässe Verfahren zum Betrieb einer Umrichterschaltung mit mindestens drei Schaltspannungsstufen sind beispielsweise in "Fault-tolerant Operation of a medium voltage drive based on the Cascaded H-bridge inverter", POWER ELECTRONICS, DRIVE SYSTEMS AND TECHNOLOGIES CONFERENCE (PEDSTC), 201 1 2ND, IEEE, 16. Februar 201 1 , in "A new generalized fault tolerant space vector modulator for cascaded multilevel Converters", IECON 201 1 -37TH ANNUAL CONFERENCE ON IEEE INDUSTRIAL ELECTRONICS SOCIETY, IEEE, 7. November 201 1 sowie in "Design and Control of a Modular Multilevel HVDC Converter With Redundant Power Modules for Noninterruptible Energy Transfer", IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, IEEE SERVICE CENTER, NEW YORK, NY, US, Bd. 27, Nr. 3, 1. Juli 2012 angegeben
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zum Betrieb einer leistungselektronischen Schaltung, insbesondere einer Umrichterschaltung zur Schaltung von mindestens drei Schaltspannungsstufen, anzugeben, mittels welchem die leistungselektronische Schaltung im Falle mindestens einer fehlerhaften Schaltzelle der leistungselektronischen Schaltung einfach und mit möglichst wenig Einschränkungen weiterbetrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. In den abhängigen Ansprü- chen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Beim erfindungsgemässen Verfahren zum Betrieb einer leistungselektronischen Schaltung, insbesondere einer Umrichterschaltung zur Schaltung von mindestens drei Schaltspannungsstufen, weist die leistungselektronische Schaltung eine Vielzahl an Schaltzellen mit an- steuerbaren Leistungshalbleiterschaltern zur Verbindung mit Phasen der leistungselektronischen Schaltung auf.
Das Verfahren nach der Erfindung umfasst folgende Schritte:
(a) Detektierung des Funktionszustandes von mindestens zwei Schaltzellen, Generierung von Schaltzustandskombinationen von Schaltzuständen der Leistungshalbleiterschalter der Schaltzellen,
Auswahl einer Schaltzustandskombination aus den generierten Schaltzustandskombinationen in Abhängigkeit der Detektierung nach Schritt (a), wobei die auszuwählende Schaltzustandskombination im wesentlichen einen vorgebbaren Regelstellwert ermög licht, wobei falls keine Auswahl einer Schaltzustandskombination den vorgebbaren Regelstellwert im wesentlichen ermöglicht, Reduzierung des vorgebbaren Regelstellwertes mittels eines vorgebbaren Proportionalitätsfaktors oder mittels einer zeitlichen Funktion derart, dass die Auswahl einer Schaltzustandskombination nach dem reduzierten vorgebbaren Regelstellwert aus den restlichen Schaltzustandskombinationen im wesentlichen den reduzierten vorgebbaren Regelstellwert ermöglicht,
Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter der Schaltzellen entsprechend der ausgewählten Schaltzustandskombination zur Verbindung mit den Phasen der leistungselektronischen Schaltung.
Wird unter Schritt (a) beispielsweise eine fehlerhafte Schaltzelle detektiert, so wird unter Schritt (c) dieser Funktionszustand, also der Fehler der Schaltzelle, bei der Auswahl einer Schaltzustandskombination aus den generierten Schaltzustandskombinationen vorteilhaft be- rücksichtigt, wobei dann unter Schritt (d) die Leistungshalbleiterschalter der Schaltzellen entsprechend der ausgewählten Schaltzustandskombination zur Verbindung mit den Phasen der leistungselektronischen Schaltung angesteuert werden. Das erfindungsgemässe Verfahren ist demnach sehr einfach zu realisieren und erlaubt mit Vorteil den nahezu uneingeschränkten Weiterbetrieb der leistungselektronischen Schaltung im Falle mindestens einer fehlerhaf- ten Schaltzelle. Selbstverständlich wird unter Schritt (a) im Falle der Detektion keiner fehlerhaften Schaltzelle, dann unter Schritt (c) dieser Funktionszustand, d.h. alle Schaltzellen funktionieren fehlerfrei, auch bei der Auswahl einer Schaltzustandskombination aus den generierten Schaltzustandskombinationen berücksichtigt. Folglich werden dann auch wieder unter Schritt (d) die Leistungshalbleiterschalter der Schaltzellen entsprechend der ausgewählten Schaltzustandskombination zur Verbindung mit den Phasen der leistungselektronischen
Schaltung angesteuert. Ist keine Auswahl einer Schaltzustandskombination möglich, da keine Auswahl einer Schaltzustandskombination den vorgebbaren Regelstellwert im wesentlichen ermöglicht, d.h. da keine Auswahl einer Schaltzustandskombination dem vorgebbaren Regelstellwert im wesentlichen entspricht, so ist auch dann mit Vorteil der Weiterbetrieb der leis- tungselektronischen Schaltung mit einem verringerten Reg eiste II wert nach der Erfindung möglich.
Diese und weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung offensichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
Fig. 1 eine Ausführungsform leistungselektronischen Schaltung, insbesondere einer
Umrichterschaltung mit drei Schaltspannungsstufen, ein Zustandsdiagramm mit Schaltzustandskombinationen der Phasen der Umrichterschaltung nach Fig. 1 , ein Phasenzweig einer leistungselektronischen Schaltung, insbesondere einer Umrichterschaltung mit fünf Schaltspannungsstufen, ein Zustandsdiagramm mit Schaltzustandskombinationen der Phasen einer Umrichterschaltung mit fünf Schaltspannungsstufen, ein Phasenzweig einer leistungselektronischen Schaltung, insbesondere einer Umrichterschaltung mit mehreren Schaltspannungsstufen, verbunden mit einer Gleichspannungsversorgung, ein Phasenzweig einer leistungselektronischen Schaltung, insbesondere einer Umrichterschaltung mit mehreren Schaltspannungsstufen, verbunden mit einer Wechselspannungsversorgung,
Fig. 7 eine weitere Ausführungsform einer leistungselektronischen Schaltung, insbesondere einer Umrichterschaltung in Kaskadenschaltung, Fig. 8A ein Blockschaltbild gemäss einer Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens,
Fig. 8B ein Blockschaltbild gemäss einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäs- sen Verfahrens und
Fig. 9 eine weitere Ausführungsform einer leistungselektronischen Schaltung, insbesondere einer STATCOM-Umrichterschaltung. Die in der Zeichnung verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die beschriebenen Ausführungsformen stehen beispielhaft für den Erfindungsgegenstand und haben keine beschränkende Wirkung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
In Fig. 1 ist, wie eingangs erwähnt, eine Ausführungsform einer leistungselektronischen Schaltung 1 , insbesondere einer Umrichterschaltung mit drei Schaltspannungsstufen darge- stellt. Weiterhin ist in Fig. 3 ein Phasenzweig einer leistungselektronischen Schaltung 1 , insbesondere einer Umrichterschaltung mit fünf Schaltspannungsstufen gezeigt. Ferner zeigt Fig. 5 einen Phasenzweig einer leistungselektronischen Schaltung 1 , insbesondere einer Umrichterschaltung mit mehreren Schaltspannungsstufen, wobei der Phasenzweig mit einer Gleichspannungsversorgung verbunden ist. In Fig. 6 ist desweiteren ein mit einer Wechsel- spannungsversorgung verbundener Phasenzweig einer leistungselektronischen Schaltung 1 , insbesondere einer Umrichterschaltung mit mehreren Schaltspannungsstufen dargestellt. Darüber hinaus ist in Fig. 7 eine weitere Ausführungsform einer leistungselektronischen Schaltung 1 , insbesondere einer Umrichterschaltung in Kaskadenschaltung gezeigt. Ferner ist in Fig. 9 eine STATCOM-Umrichterschaltung, insbesondere ohne Spannungsversorgung 2. Allgemein weist die leistungselektronische Schaltung 1 , die insbesondere eine Umrichterschaltung zur Schaltung von mindestens drei Schaltspannungsstufen ist, eine Vielzahl an Schaltzellen 3 mit ansteuerbaren Leistungshalbleiterschaltern zur Verbindung von Phasen u, v, w der leistungselektronischen Schaltung 1 mit einer Spannungsversorgung 2 auf. Die Angabe der drei Phasen u, v, w der leistungselektronischen Schaltung 1 ist lediglich beispielhaft und stellt keine Beschränkung auf die Phasen u, v, w dar, d.h. jedwede dem Anzahl Phasen der leistungselektronischen Schaltung 1 ist denkbar. Als Spannungsversorgung 2 ist sowohl eine Gleichspannungsversorgung als auch eine Wechselspannungsversorgung denkbar. Der jeweilige ansteuerbare Leistungshalbleiterschalter der Schaltzellen 3 ist insbesondere als Abschaltthyristor (GTO - Gate Turn-Off Thyristor) oder als integrierter Thyristor mit kommu- tierter Ansteuerelektrode (IGCT - Integrated Gate Commutated Thyristor) mit jeweils einer antiparallel geschalteten Diode ausgebildet. Es ist aber auch denkbar, einen ansteuerbaren Leistungshalbleiterschalter beispielsweise als Leistungs-MOSFET mit zusätzlich antiparallel geschalteter Diode oder als Bipolartransistor mit isoliert angeordneter Gateelektrode (IGBT) mit zusätzlich antiparallel geschalteter Diode auszubilden.
In Fig. 2 ist ein Zustandsdiagramm mit Schaltzustandskombinationen SK der Phasen u, v, w der leistungselektronischen Schaltung 1 , ausgebildet als Umrichterschaltung nach Fig. 1 in einer zweidimensionalen α-β-Ebene gezeigt. Darin sind die möglichen Schaltzustandskombi- nationen SK von Schaltzuständen der Leistungshalbleiterschalter der Schaltzellen 3 für die Umrichterschaltung nach Fig. 1 zur Schaltung von drei Schaltspannungsstufen dargestellt, wobei„1 " für eine Verbindung der entsprechenden Phase u, v, w mit dem Punkt V+,„-1 " für eine Verbindung der entsprechenden Phase u, v, w mit dem Punkt V- und„0" für eine Verbindung der entsprechenden Phase u, v, w mit dem Punkt NP steht. Es gibt in Fig. 2 Punkte, bei welchen mehrere Schaltzustandskombinationen SK dargestellt sind. Diese sogenannten redundanten Schaltzustandskombinationen SK ergeben jeweils dieselben verketteten Phasenspannungen uuw, uvu, Uwy. Fig. 4 zeigt ein Zustandsdiagramm mit Schaltzustandskombinationen SK in der α-β-Ebene der Phasen u, v, w der leistungselektronischen Schaltung 1 , ausgebildet als Umrichterschaltung mit fünf Schaltspannungsstufen entsprechend Fig. 3. Darin sind die möglichen Schaltzustandskombinationen SK von Schaltzuständen der Leistungshalbleiterschalter der Schaltzellen 3 für die Umrichterschaltung zur Schaltung von fünf Schaltspannungsstufen entsprechend Fig. 3 dargestellt, wobei„2" für eine Verbindung der entsprechenden Phase u, v, w mit dem Punkt 2V+,„1 " für eine Verbindung der entsprechenden Phase u, v, w mit dem Punkt V+,„0" für eine Verbindung der entsprechenden Phase u, v, w mit dem Punkt NP,„-1 " für eine Verbindung der entsprechenden Phase u, v, w mit dem Punkt V- und„-2" für eine Verbindung der entsprechenden Phase u, v, w mit dem Punkt 2V- steht. Das Zustandsdiagramm gemäss Fig. 4 zeigt ebenfalls redundante Schaltzustandskombinationen SK entsprechend Fig. 2. Es sei erwähnt, dass sich ein Zustandsdiagramm von Schaltzustandskombinationen SK einer Umrichterschaltung 1 beispielsweise zur Schaltung von sieben, neun, elf usw. Schalspannungsstufen anders darstellen würde.
Allgemein weist das erfindungsgemäss Verfahren zum Betrieb einer leistungselektronischen Schaltung 1 , insbesondere einer Umrichterschaltung zur Schaltung von mindestens drei Schaltspannungsstufen, nun folgende Schritte auf
(a) Detektierung des Funktionszustandes von mindestens zwei Schaltzellen 3,
(b) Generierung von Schaltzustandskombinationen SK von Schaltzuständen der Leistungshalbleiterschalter der Schaltzellen 3,
(c) Auswahl einer Schaltzustandskombination SKa aus den generierten Schaltzustandskombinationen (SK) in Abhängigkeit der Detektierung nach Schritt (a), wobei die auszuwählende Schaltzustandskombination SKa im wesentlichen einen vorgebbaren Regelstellwert ermöglicht, wobei falls keine Auswahl einer Schaltzustandskombination SKa den vorgebbaren Regelstellwert im wesentlichen ermöglicht, Reduzierung des vorgeb- baren Regelstellwertes mittels eines vorgebbaren Proportionalitätsfaktors k oder mittels einer zeitlichen Funktion f(t) derart, dass die Auswahl einer Schaltzustandskombination SKa nach dem reduzierten vorgebbaren Regelstellwert aus den restlichen Schaltzustandskombinationen SK im wesentlichen den reduzierten vorgebbaren Regelstellwert ermöglicht,
und
(d) Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter der Schaltzellen 3 entsprechend der ausgewählten Schaltzustandskombination SKa zur Verbindung mit den Phasen u, v, w der leistungselektronischen Schaltung 1 . Dass gemäss Schritt (c) die auszuwählende Schaltzustandskombination SKa im wesentlichen einen vorgebbaren Regelstellwert ermöglicht, bedeutet, dass die ausgewählte Schaltzustandskombination SKa im wesentlichen einem vorgebbaren Regelstellwert entspricht.
Allgemein dient das erfindungsgemässe Verfahren der Verbindung der Schaltzellen 3 mit den Phasen u, v, w der leistungselektronischen Schaltung 1 .
Ist im Falle von Schritt (c) , wie bereits vorstehend erwähnt, keine Auswahl einer Schaltzustandskombination SKa möglich, da keine Auswahl einer Schaltzustandskombination SKa den vorgebbaren Regelstellwert im wesentlichen ermöglicht, d.h. da keine Auswahl einer Schalt- zustandskombination SKa dem vorgebbaren Regelstellwert im wesentlichen entspricht, so wird der Regelstellwert reduziert. Dies geschieht derart, dass die Auswahl einer Schaltzu- standskombination SKa nach dem reduzierten vorgebbaren Regelstellwert aus den restlichen Schaltzustandskombinationen SK im wesentlichen den reduzierten vorgebbaren Regelstell- wert ermöglicht, diesem also im wesentliche entspricht. In Fig. 8B ist dazu beispielhaft ein Blockschaltbild nach dieser Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens gezeigt. Die Reduzierung des vorgebbaren Regelstellwertes erfolgt beispielsweise mittels einem vorgebbaren Proportionalitätsfaktor k, wobei dann beispielsweise k>1 vorgegeben werden könnte, kann aber auch nach einer beliebigen zeitlichen Funktion f(t) erfolgen. Mit Vorteil ist der Wei- terbetrieb der leistungselektronischen Schaltung 1 mit einem verringerten Regelstellwert somit möglich. Gemäss Fig. 8A und Fig. 8B kommt der vorgebbare Regelstellwert von einer Regeleinrichtung 5. Die Regeleinrichtung 5 umfasst dazu die bereits erwähnte Phasenspannungsregelung oder Phasenstromregelung oder Leistungsregelung. Die Regeleinrichtung 5 wird durch die Detektion des Funktionszustandes der mindestens zwei Schaltzellen 3 vorteil- haft nicht beeinflusst und damit unabhängig von der Detektion.
Alternativ zu Schritt (a) ist es auch denkbar, dass der Funktionszustand einer jeden Schaltzelle 3 detektiert wird. Ist, wie vorstehend bereits erwähnt, eine Spannungsversorgung 2 vorgesehen, so erfolgt die Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter der Schaltzellen 3 entsprechend der ausgewählten Schaltzustandskombination SKa zur Verbindung der Phasen u, v, w der leistungselektronischen Schaltung 1 mit der Spannungsversorgung 2. Anhand von Fig. 4 wird nun das Verfahren, insbesondere falls eine Auswahl einer Schaltzustandskombination SKa möglich ist, detailliert erläutert. Angenommen wird eine fehlerhafte Schaltzelle 3, die unter Schritt (a) detektiert wird und zum Wegfall der Schaltzustandskombinationen„+2, i, j" und„-2, i, j" führt, wobei i und j jeweils die Werte„-2, -1 , 0, 1 , 2" annehmen können. Dies bedeutet, dass in diesem Beispiel für Phase u die Schaltspannungsstufe 2V+ und 2V- nicht mehr geschaltet werden kann. Die wegfallenden, nicht mehr schaltbaren
Schaltzustandskombinationen„+2, i, j" und„-2, i, j" sind in Fig. 4 durchgestrichen dargestellt, wobei in Fig. 4 die unter Schritt (b) generierten möglichen Schaltzustandskombinationen SK von Schaltzuständen der Leistungshalbleiterschalter der Schaltzellen 3 für eine Umrichterschaltung mit fünft Schalspannungsstufen gezeigt sind. Unter Schritt (c) wird dann der Weg- fall der Schaltzustandskombinationen SK bei der Auswahl einer Schaltzustandskombination SKa berücksichtigt. War nun beispielsweise in Fig. 4 die vorangehende ausgewählte Schaltzustandskombination SKav„0, -1 , -1 " und soll aufgrund eines vorgebbaren Sollwertes die Schaltzustandskombination SKa„2, 1 , 0" ausgewählt werden, so ist diese Auswahl aufgrund der wegfallenden, nicht mehr schaltbaren Schaltzustandskombinationen„+2, i, j" und„-2, i, j" nicht möglich. Stattdessen wird beispielsweise die Schaltzustandskombination SKa„0, -1 , -2" ausgewählt und somit vorteilhaft der unter Schritt (a) detektierte Funktionszustand der Schaltzellen 3 berücksichtigt. Schliesslich werden dann unter Schritt (d) die Leistungshalbleiterschalter der Schaltzellen 3 entsprechend der ausgewählten Schaltzustandskombination SKa„0, -1 , -2" zur Verbindung der Phasen der Umrichterschaltung gemäss Fig. 4 mit der Spannungsversorgung 2 angesteuert. Allgemein werden also nur solche Schaltzustandskombination SKa aus den generierten Schaltzustandskombinationen SK ausgewählt, welche mit funktionsfähigen Schaltzellen 3 geschaltet werden können. Das erfindungsgemässe Verfahren ist demnach sehr einfach zu realisieren und erlaubt vorteilhaft den nahezu uneinge- schränkten Weiterbetrieb der leistungselektronischen Schaltung 1 im Falle mindestens einer fehlerhaften Schaltzelle 3. Das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt zudem eine fortlaufende Anpassung der Auswahl der verfügbaren Schaltzustandskombinationen SK an die Funkti- onszustände der einzelnen Schaltzellen 3. In Fig. 8A ist dazu beispielhaft ein Blockschaltbild nach einer Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens gezeigt.
Wird in Schritt (a) des erfindungsgemässen Verfahrens eine defekte Schaltzelle 3 detektiert, so wird der der Schaltzellenstrom vorzugsweise über einen Bypasspfad geführt. Der Bypass- pfad kann ein Strompfad ausserhalb der defekten Schaltzelle 3 oder auch ein Strompfad innerhalb der defekten Schaltzelle 3 sein.
Der Regelstellwert wird von einer Phasenspannungsregelung oder einer Phasenstromrege- lung oder einer Leistungsregelung vorgegeben. Als Regelstellwert wird vorzugsweise eine verkettete Phasenspannung uuw, uvu, Uwv vorgegeben. Alternativ dazu kann als Regelstellwert auch ein Phasenstrom iu, iv, iw vorgegeben werden. Als weitere alternative kann als Regel- stellwert auch eine Leistung vorgegeben werden, wobei dies eine Scheinleistung oder eine Blindleistung oder eine Wirkleistung sein kann. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn im Falle von Schritt (c) die Auswahl der Schaltzu- standskombination SKa aus den generierten Schaltzustandskombinationen SK zusätzlich in Abhängigkeit der vorangehenden ausgewählten Schaltzustandskombination SKav erfolgt. In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird eine Gleichtaktspannung an den Phasen u, v, w der leistungselektronischen Schaltung 1 ermittelt. Die Ermittlung der Gleichtaktspannung kann durch Messung oder Berechnung oder aus einer Kombination von Messung und Berechnung erfolgen. Im Falle von Schritt (c) erfolgt dann die Auswahl der Schaltzustandskombination SKa aus den generierten Schaltzustandskombinati- onen SK zusätzlich in Abhängigkeit der kleinsten Gleichtaktspannung. Dadurch wird erreicht, dass die Gleichtaktspannung an den Phasen u, v, w der leistungselektronischen Schaltung 1 gering gehalten wird.
In einer weiteren Variante des erfindungsgemässen Verfahrens werden die verkettete Pha- senspannungen uuw, uvu, Uwv der Phasen u, v, w der leistungselektronischen Schaltung 1 ermittelt. Die Ermittlung der verkettete Phasenspannungen uuw, uvu, Uwv kann durch Messung oder Berechnung oder aus einer Kombination von Messung und Berechnung erfolgen. Im Falle von Schritt (c) erfolgt die Auswahl der Schaltzustandskombination SKa aus den generierten Schaltzustandskombinationen SK zusätzlich in Abhängigkeit der Änderung der verket- teten Phasenspannungen uuw, uvu, Uwv.
Darüber hinaus wird in einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens die Zellenschalthäufigkeit der Schaltzellen 3 ermittelt und im Falle von Schritt (c) erfolgt dann die Auswahl der Schaltzustandskombination SKa aus den generierten Schaltzustandskombi- nationen SK zusätzlich in Abhängigkeit der Zellenschalthäufigkeit. Dadurch lässt sich die Verteilung und die Anzahl der Schalteinsätze der Schaltzellen 3, insbesondere der Leistungshalbleiterschalter der Schaltzellen 3, festlegen und beeinflussen und die Schaltverluste der einzelnen Schaltzellen 3, insbesondere deren Leistungshalbleiterschalter, werden begrenzt. Alternativ ist es auch denkbar, dass im Falle von Schritt (c) die Auswahl der Schaltzustands- kombination SKa aus den generierten Schaltzustandskombinationen SK zusätzlich in Abhängigkeit der kleinsten Zellenschalthäufigkeit erfolgt. Dies bedeutet, dass eine Schaltzustandskombination SKa ausgewählt wird, bei der die zugehörigen Schaltzellen 3 bisher nur eine geringe Anzahl an Schaltvorgängen aufgewiesen haben. Als weitere Alternative ist es auch denkbar, dass im Falle von Schritt (c) zusätzlich die höchste Zellenschalthäufigkeit bei der Auswahl der Schaltzustandskombination SKa aus den generierten Schaltzustandskombinati- onen SK nicht berücksichtigt wird. Dadurch werden Schaltzellen 3, insbesondere deren Leistungshalbleiterschalter, mit hoher Zellenschalthäufigkeit weniger häufig zu Schalthandlungen eingesetzt, somit geschont und die Lebensdauer der Leistungshalbleiterschalter dieser Schaltzellen 3 mit Vorteil verlängert.
Desweiteren wird in einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens die Schaltfrequenz der Schaltzellen 3 ermittelt und im Falle von Schritt (c) erfolgt die Auswahl der Schaltzustandskombination SKa aus den generierten Schaltzustandskombinationen (SK) dann zusätzlich in Abhängigkeit der kleinsten Schaltfrequenz. Diese Massnahme erlaubt es, die Schaltverluste der einzelnen Schaltzellen 3, insbesondere deren Leistungshalbleiterschalter, gering zu halten. Die Leistungshalbleiterschalter der Schaltzellen 3 werden dadurch geschont und die Lebensdauer der Leistungshalbleiterschalter der Schaltzellen 3 verlängert. Ferner wird in einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens die Temperatur der Leistungshalbleiterschalter der Schaltzellen 3 ermittelt und im Falle von Schritt (c) erfolgt dann die Auswahl der Schaltzustandskombination SKa aus den generierten Schaltzustandskombinationen SK zusätzlich in Abhängigkeit der Temperatur der Leistungshalbleiterschalter der Schaltzellen 3, insbesondere der geringsten Temperatur der Leistungs- halbleiterschalter der Schaltzellen 3. Dadurch werden Schaltzellen 3, insbesondere deren Leistungshalbleiterschalter, mit hoher Temperatur weniger häufig zu Schalthandlungen eingesetzt, demzufolge geschont und die Lebensdauer der Leistungshalbleiterschalter dieser Schaltzellen 3 vorteilhaft verlängert. Als weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens werden vorzugsweise Oberschwingungsanteile in Phasenspannungen uu, uv, uw der Phasen u, v, w der leistungselektronischen Schaltung 1 ermittelt und im Falle von Schritt (c) erfolgt dann die Auswahl der Schaltzustandskombination SKa aus den generierten Schaltzustandskombinationen SK zusätzlich in Abhängigkeit der geringsten Oberschwingungsanteile. Oberschwingungsanteile in Phasenspannungen uu, uv, uw der Phasen u, v, w der leistungselektronischen Schaltung 1 können somit kontrolliert und klein gehalten werden. Denkbar ist es auch, dass Oberschwingungsanteile in Phasenströmen iu, iv, iw der Phasen u, v, w der leistungselektronischen Schaltung 1 ermittelt werden und im Falle von Schritt (c) dann die Auswahl der Schaltzustandskombination SKa aus den generierten Schaltzustandskombinationen SK zusätzlich in Abhän- gigkeit der geringsten Oberschwingungsanteile erfolgt. In dieser Ausführungsform des erfin- dungsgemässen Verfahrens können Oberschwingungsanteile in Phasenströmen iu, iv, iw der Phasen u, v, w der leistungselektronischen Schaltung 1 vorteilhaft kontrolliert und klein gehalten werden. Die Ermittlung der Oberschwingungsanteile in den Phasenspannungen uu, uv, uw der Phasen u, v, w bzw. die Ermittlung der Oberschwingungsanteile in den Phasenströmen iu, iv, iw der Phasen u, v, w kann durch Messung oder Berechnung oder aus einer Kombination von Messung und Berechnung erfolgen.
Die Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter der Schaltzellen 3 erfolgt über eine kabelge- bundene Signalübertragung oder über eine Signalübertragung via Lichtwellenleiter. In bevorzugter Weise erfolgt die Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter der Schaltzellen 3 über eine kabellose Signalübertragung, beispielweise durch die Luft über elektromagnetische Wellen. Denkbar ist auch eine kabellose Signalübertragung, beispielweise durch einen magneti- sierbaren Festkörper über ein entsprechendes Magnetfeld. Der Funktionszustand der kabel- losen Signalübertragung wird vorzugsweise überwacht. Im Falle einer defekten kabellosen Signalübertragung wird dann der Schaltzellenstrom über einen Bypasspfad geführt, der ein Strompfad ausserhalb der Schaltzelle 3 oder auch ein Strompfad innerhalb der Schaltzelle 3 sein kann. Alternativ ist es auch denkbar, dass der Funktionszustand der kabellose Signalübertragung überwacht wird und im Falle einer defekten kabellosen Signalübertragung die Schaltzelle 3 autonom betrieben wird, d.h. vorzugsweise ihren Schaltzustand beziehungsweise Betriebszustand selbst bestimmt.
Bezugszeichenliste
1 leistungselektronische Schaltung
2 Spannungsversorgung
3 Schaltzelle
4 Transformator
5 Regeleinrichtung

Claims

PATENTANSPRUCHE
Verfahren zum Betrieb einer leistungselektronischen Schaltung (1 ), wobei die leistungselektronische Schaltung (1 ) eine Vielzahl an Schaltzellen (3) mit ansteuerbaren Leistungshalbleiterschaltern zur Verbindung mit Phasen (u, v, w) der leistungselektronischen Schaltung (1 ) aufweist,
mit den Schritten
(a) Detektierung des Funktionszustandes von mindestens zwei Schaltzellen (3),
(b) Generierung von Schaltzustandskombinationen (SK) von Schaltzuständen der Leistungshalbleiterschalter der Schaltzellen (3),
(c) Auswahl einer Schaltzustandskombination (SKa) aus den generierten Schaltzustandskombinationen (SK) in Abhängigkeit der Detektierung nach Schritt (a), wobei die auszuwählende Schaltzustandskombination (SKa) im wesentlichen einen vorgebbaren Regelstellwert ermöglicht, wobei falls keine Auswahl einer Schaltzustandskombination (SKa) den vorgebbaren Regelstellwert im wesentlichen ermöglicht, Reduzierung des vorgebbaren Regelstellwertes mittels eines vorgebbaren Proportionalitätsfaktors (k) oder mittels einer zeitlichen Funktion (f(t)) derart, dass die Auswahl einer Schaltzustandskombination (SKa) nach dem reduzierten vorgebbaren Regelstellwert aus den restlichen Schaltzustandskombinationen (SK) im wesentlichen den reduzierten vorgebbaren Regelstellwert ermöglicht, und
(d) Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter der Schaltzellen (3) entsprechend der ausgewählten Schaltzustandskombination (SKa) zur Verbindung mit den Phasen (u, v, w) der leistungselektronischen Schaltung (1 ).
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannungsversorgung
(2) vorgesehen ist und die Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter der Schaltzellen
(3) entsprechend der ausgewählten Schaltzustandskombination (SKa) zur Verbindung der Phasen (u, v, w) der leistungselektronischen Schaltung (1 ) mit der Spannungsversorgung (2) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass falls in Schritt (a) eine defekte Schaltzelle (3) detektiert wird, der Schaltzellenstrom über einen Bypasspfad geführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelstellwert von einer Phasenspannungsregelung vorgegeben wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelstellwert von einer Phasenstromregelung vorgegeben wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelstellwert von einer Leistungsregelung vorgegeben wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle von Schritt (c) die Auswahl der Schaltzustandskombination (SKa) aus den generierten Schaltzustandskombinationen (SK) zusätzlich in Abhängigkeit der vorangehenden ausgewählten Schaltzustandskombination (SKav) erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Gleichtaktspannung an den Phasen (u, v, w) der leistungselektronischen Schaltung (1 ) ermittelt wird und im Falle von Schritt (c) die Auswahl der Schaltzustandskombination (SKa) aus den generierten Schaltzustandskombinationen (SK) zusätzlich in Abhängigkeit der kleinsten Gleichtaktspannung erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass verkettete Phasenspannungen (uuw, uvu, Uwv) der Phasen (u, v, w) der leistungselektronischen Schaltung (1 ) ermittelt werden und im Falle von Schritt (c) die Auswahl der Schaltzu- Standskombination (SKa) aus den generierten Schaltzustandskombinationen (SK) zusätzlich in Abhängigkeit der Änderung der verketteten Phasenspannungen (uuw, uvu, Uwv) erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen- schalthäufigkeit der Schaltzellen (3) ermittelt wird und im Falle von Schritt (c) die Auswahl der Schaltzustandskombination (SKa) aus den generierten Schaltzustandskombinationen (SK) zusätzlich in Abhängigkeit der Zellenschalthäufigkeit erfolgt.
1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellenschalthäufigkeit der Schaltzellen (3) ermittelt wird und im Falle von Schritt (c) die Auswahl der Schaltzustandskombination (SKa) aus den generierten Schaltzustandskombina- tionen (SK) zusätzlich in Abhängigkeit der kleinsten Zellenschalthäufigkeit erfolgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellenschalthäufigkeit der Schaltzellen (3) ermittelt wird und im Falle von Schritt (c) zusätzlich die höchste Zellenschalthäufigkeit bei der Auswahl der Schaltzustandskombination (SKa) aus den generierten Schaltzustandskombinationen (SK) nicht berücksichtigt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltfrequenz der Schaltzellen (3) ermittelt wird und im Falle von Schritt (c) die Auswahl der Schaltzustandskombination (SKa) aus den generierten Schaltzustandskombinationen (SK) zusätzlich in Abhängigkeit der kleinsten Schaltfrequenz erfolgt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Leistungshalbleiterschalter der Schaltzellen (3) ermittelt wird und im Falle von Schritt (c) die Auswahl der Schaltzustandskombination (SKa) aus den generierten Schaltzustandskombinationen (SK) zusätzlich in Abhängigkeit der Temperatur erfolgt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Oberschwingungsanteile in Phasenspannungen (uu, uv, uw) der Phasen (u, v, w) der leistungselektronischen Schaltung (1 ) ermittelt werden und im Falle von Schritt (c) die Aus- wähl der Schaltzustandskombination (SKa) aus den generierten Schaltzustandskombinationen (SK) zusätzlich in Abhängigkeit der geringsten Oberschwingungsanteile erfolgt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Oberschwingungsanteile in Phasenströmen (iu, iv, iw) der Phasen (u, v, w) der leistungselekt- ronischen Schaltung (1 ) ermittelt werden und im Falle von Schritt (c) die Auswahl der
Schaltzustandskombination (SKa) aus den generierten Schaltzustandskombinationen (SK) zusätzlich in Abhängigkeit der geringsten Oberschwingungsanteile erfolgt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die An- steuerung der Leistungshalbleiterschalter der Schaltzellen (3) durch eine kabellose Signalübertragung erfolgt.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionszustand der kabellose Signalübertragung überwacht wird, und
dass im Falle einer defekten kabellosen Signalübertragung der Schaltzellenstrom über einen Bypasspfad geführt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionszustand der kabellose Signalübertragung überwacht wird, und
dass im Falle einer defekten kabellosen Signalübertragung die Schaltzelle (3) autonom betrieben wird.
PCT/EP2013/065514 2012-08-08 2013-07-23 Verfahren zum betrieb einer leistungselektronischen schaltung WO2014023569A2 (de)

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