WO2014086428A1 - Mehrstufiger umrichter mit zusatzmodul - Google Patents

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WO2014086428A1
WO2014086428A1 PCT/EP2012/074771 EP2012074771W WO2014086428A1 WO 2014086428 A1 WO2014086428 A1 WO 2014086428A1 EP 2012074771 W EP2012074771 W EP 2012074771W WO 2014086428 A1 WO2014086428 A1 WO 2014086428A1
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WO
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voltage
additional module
connection
power semiconductor
phase
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/074771
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English (en)
French (fr)
Inventor
Herbert Gambach
Hans-Joachim Knaak
Dominik Schuster
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/49—Combination of the output voltage waveforms of a plurality of converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/4835—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels comprising two or more cells, each including a switchable capacitor, the capacitors having a nominal charge voltage which corresponds to a given fraction of the input voltage, and the capacitors being selectively connected in series to determine the instantaneous output voltage

Definitions

  • the invention relates to a device for transmitting an electrical power between an AC voltage network and a DC voltage network in the high voltage range with phase modules, each having at least one common DC voltage connection and a separate AC voltage connection, between each DC voltage connection and each AC voltage terminal a Phasenmodulzweig extends, in which a series circuit of two-pole submodules is formed, each having an energy storage and the energy storage parallel power semiconductor circuit, so that depending on the control of the power semiconductor circuit either the voltage drop across the energy storage or zero - Voltage can be generated at the two terminals of each submodule.
  • the invention further relates to a method for controlling such a device.
  • phase module branches can also be referred to as converter arms. They have a series circuit of bipolar submodules, each having an energy storage and a power semiconductor circuit.
  • the power semiconductor circuit consists of two series-connected IGBTs, each with opposite freewheeling diode. Due to the selected circuit, either the voltage dropping across the energy store or else a zero voltage can be generated at the terminals of each submodule.
  • the voltage dropping across the DC terminals of the phase modules can be adjusted stepwise.
  • the distributed over the submodules energy storage must be complex balanced. In this case, it is expedient to generate circulating currents which flow over and between the phase modules. However, such a circulating current always causes a charge change of the energy storage of other submodules.
  • the energy storage of submodules are designed so large that they have sufficient energy for the control of transient
  • WO 2008/039120 A1 describes a high-voltage direct-current transmission system with two converters, which are connected to one another on the DC voltage side.
  • the converters have three phase modules, each with an AC voltage connection, where the AC voltage connections are each connected to one phase of the connected AC mains.
  • each phase module has two DC voltage connections.
  • the device has, in addition to the phase modules, a further module which is equipped with two DC voltage connections and a center connection.
  • the additional module is like the phase modules connected at its two DC voltage terminals in each case with a phase conductor of the three-phase AC voltage line.
  • the third conductor is connected to the middle connection of the module. With the help of this additional connection, the Capacitance of the AC line for high-voltage DC transmission can be better used.
  • the object of the invention is therefore to provide a device and a method of the type mentioned above, which allow a simple balancing of the energy storage and which are also inexpensive.
  • the invention achieves this object on the basis of the aforementioned device by an additional module without AC voltage connection, which has at least one power semiconductor circuit, at least one energy store and at least one DC voltage connection, each DC voltage connection of the additional module being connected to one of the common DC voltage connections of the phase modules and Control means are provided, with which a circular current can be generated, which flows through the additional module and one of the phase modules.
  • the invention achieves this object by virtue of the fact that in a device which has phase modules with at least one common DC voltage connection and in each case a separate AC voltage connection, a voltage is applied between each DC voltage connection and each AC voltage connection
  • Phase module branch extends, in which is formed by a series circuit of two-pole submodules, each having an energy storage and the energy storage parallel-connected power semiconductor circuit, so that depending on the control of the power semiconductor switch either the voltage drop across the energy storage or zero voltage at the two terminals of a each submodule can be generated, wherein an additional module without an AC voltage connection is provided which has at least one power semiconductor circuit, at least one energy store and at least one DC voltage connection, each DC voltage connection of the additional module being connected to one of the common DC voltage connections of the phase modules and no An AC terminal, the power semiconductor circuits of a phase module and the additional module are driven so that a circular current is generated, which flows between and the add-on module and one of the phase modules and on this.
  • the device according to the invention has, in addition to the phase modules whose number corresponds to the number of phases of the connected AC voltage connection, an additional module.
  • the additional module has no AC voltage connection and therefore can not be connected to the AC voltage network connected to the inverter.
  • the additional installation of an additional module seems at first glance to be extra work. However, requirements are conceivable which justify the additional expense of savings elsewhere in the device.
  • the additional module can provide active power supplies which, for example, are used to compensate for transient harmonics for balancing in the case of asymmetrical network errors of the phase affected by an error.
  • the additional module can also serve to balance the DC voltages that are present in the DC voltage network.
  • conventional transformers can be used, which are much cheaper than the DC transformers otherwise used, which generally have to contend with high DC voltage components and are therefore costly.
  • a capacitor is preferably used.
  • the configuration of the additional module is in principle initially arbitrary within the scope of the invention. It is essential that at least one energy store, and a power semiconductor circuit are provided, with which a control of the charge state of the or the energy storage is enabled. In other words, the power semiconductor circuit is connected to the energy storage device (s) such that, depending on the activation of the power semiconductor switch, the energy storage device (s) are charged or discharged.
  • the additional module has a series arrangement of two-pole submodules, which are each equipped with a power semiconductor circuit and with one of these parallel-connected energy storage, so that depending on the control of the power semiconductor circuit, either the voltage dropping to an energy store or a zero voltage can be generated between the two terminals of each submodule.
  • the additional module also has a modular multi-level structure, with two-pole submodules connected in series with one another.
  • each submodule again comprises an energy store and a power semiconductor circuit arranged parallel to the energy store.
  • Add-on modules may be identical to or different from the submodules of the phase modules. It is essential in this exemplary embodiment that in this way a circulating current can be generated between the additional module and one of the phase modules of one of the inverters.
  • the submodules of the add-on module are designed as a half-bridge circuit. Deviating from this, however, it is possible to design the submodules as a full bridge circuit. In addition, it is possible to form the submodules as both half and full bridge modules. In the case of a submodule designed as a half bridge, either a zero voltage or the voltage dropping across the energy store can be generated at the output terminals of each submodule.
  • the half-bridge circuit has only two power semiconductor switches, for example IGBTs, GTOs, IGCTs or the like, which are reverse-conducting or to which in each case a freewheeling diode is connected in parallel in opposite directions.
  • the series circuit of the two power semiconductor switches is connected in parallel to the energy store.
  • a terminal of the submodule is connected to a pole of the energy storage. The other terminal is connected to the potential point between the power semiconductor switches.
  • the full bridge circuits have a total of four power semiconductor switches, wherein two series circuits each consisting of two power semiconductor switches are each connected in parallel to the energy store. One connection terminal is connected to the potential point between the power semiconductor switches of the first series circuit and the second connection terminal is connected to the potential point between the two power semiconductor switches of the second connection terminal.
  • a possible with the use of Vollmaschinensubmodulen negative voltage to the additional module can be used to extinguish arcs, which arise for example on a line of the DC network.
  • the submodules moreover have at least one ohmic resistance, with which the electrical power is erroneous. can be reversibly converted into heat and released into the atmosphere.
  • the additional module has at least one throttle.
  • the throttle serves, for example, to connect a series circuit of submodules to one pole of the DC voltage network.
  • two throttles are provided, which are arranged between the series connection of submodules and each pole of the DC voltage circuit.
  • the additional module can have a center connection.
  • the center connection can serve, for example, for earthing the entire system and for balancing the voltages in the DC intermediate circuit.
  • the number of submodules of the additional module corresponds to the number of submodules of a phase module branch of a phase module.
  • the add-on module can only have half as many submodules as one
  • FIG. 1 shows an equivalent circuit diagram of a previously known modular multistage converter
  • FIG. 2 shows a submodule designed as a half bridge for a multi-stage converter according to FIG. 1,
  • Figure 3 is designed as a full bridge submodule
  • Figure 4 is an equivalent circuit diagram of a first embodiment of the device according to the invention.
  • Figure 5 show a further embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 1 shows a converter 1 according to the prior art. It can be seen that the converter has three phase modules 2, 3 and 4 which are each connected to a first common DC voltage connection 7 and a second common DC voltage connection 8. Furthermore, each phase module 2, 3, 4 has a separate AC voltage connection 7, which serves to connect one of the phases 6 of an otherwise not further clarified AC voltage network.
  • the first common DC voltage connection 7 is connected to the positive pole and the second common DC voltage connection 8 to the negative pole of a DC voltage network.
  • the inverter 1 is used to convert AC voltage to DC voltage or vice versa, depending on the direction of the power flow.
  • the phase modules 2, 3 and 4 each have two phase module branches 9 to 14, which each extend between the respective AC voltage connection 5 and one of the DC voltage connections 7 or 8. In this case, each phase module branch 9 to 14 consists of a series connection of two-pole submodules 15 whose equivalent circuit diagrams are shown by way of example in FIGS. 2 and 3.
  • FIG. 2 shows a submodule 15 embodied as a half-bridge circuit. It can be seen that this submodule 15 has an energy store 16 and a power semiconductor circuit 17, which is implemented in FIG. 2 as a series circuit 22 which consists of two power semiconductor switches 18, each of which has a freewheeling diode 19 is connected in parallel in opposite directions.
  • the power semiconductor switches 18 are power semiconductor switches which can be switched on and off such as IGBTs, GCTs or the like.
  • the submodule 15 according to FIG. 2 has a first connection terminal 20, which is connected to the potential point between the power semiconductor switches 18, and via a second connection terminal 21, which is connected to a pole of the energy accumulator 16. Depending on the control of the power semiconductor switch 18, either the voltage dropping across the energy store Uc or the voltage zero can thus be generated at the connection terminals 20 and 21.
  • FIG. 3 shows a submodule 15, which is referred to as a so-called full bridge circuit.
  • the full-bridge circuit also has energy stores 16 and a power semiconductor circuit 17 connected in parallel therewith, which has a first series circuit 22 and a second series circuit 23, each consisting of two power semiconductor switches 18 which can be switched on and off.
  • the first series circuit 22 and the second series circuit 23 are both connected in parallel to the energy store 16.
  • the first connection terminal 20 of the submodule 15 is connected to the potential point between the power semiconductor switches 18 of the first series circuit 22 and the second submodule connection terminal 21 is connected to the potential point between the power semiconductor switches 18 of the second series circuit 23.
  • both the energy storage voltage Uc dropping across the energy store 16 in this case a capacitor, a zero voltage or else the inverse energy storage voltage Uc can be generated at the connection terminals 20 and 21 of the submodule 15 according to FIG.
  • inverter 1 the submodules 15 are all formed as a half-bridge circuit.
  • inverter known which form only submodules in full bridge circuit according to Figure 3.
  • inverters 1 have been proposed which are both
  • phase module branches 9 to 14 can have both alternating voltage components Iac flowing, for example, from a phase 6 of the alternating voltage network, to both sides via the phase module branches of a common phase module.
  • DC components Idc are also recognizable which flow, for example, from the negative DC voltage connection of the phase module 2 via the phase module branches 10 and 9 to the positive DC voltage connection.
  • circular currents Ici are also possible, which arise, for example, when voltage differences occur between the phase module voltages generated by the phase modules 3 and 4.
  • the circulating currents Ici flow between the phase modules 3 and 4 and via the phase modules 3 and 4.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment 24 of the device 24 according to the invention, which has an inverter 1 according to FIG. 1 and an additional module 25.
  • the additional module 25 has two DC voltage terminals 26 and 27, which are connected to the common DC voltage terminals 7 and 8 of the phase modules 2, 3 and 4.
  • the additional module 25 also has a series connection of submodules 15, which are all designed either as a half-bridge circuit according to FIG. 2 or all as a full-bridge circuit according to FIG.
  • an inductance in the shape of a choke, coil or the like is arranged between the series connection of the submodules 15 and each of the DC voltage terminals 26 and 27 of the additional module 25.
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment of the device 24 according to the invention, the additional module 25 of which has a A first additional module branch 28 and between the middle branch 30 and the DC voltage connection 27 a second additional module branch 29 extend between the middle connection 30 and the DC voltage connection 26.
  • Each of the additional module branches 28, 29 in turn consists of a series connection of submodules 15 according to FIG. 2 and / or FIG. 3.
  • the middle connection 30 is connected, for example, to the ground potential.
  • an asymmetric load of the connected AC voltage network can be compensated.
  • the power stored in the energy stores of the additional module 25 it is possible for the power stored in the energy stores of the additional module 25 to be made available for the converter 1 at short notice in the event of need.
  • the energy storage 16 of the phase modules 2, 3, 4 of the inverter 1 can thus be made smaller and therefore less expensive.
  • the additional module 25 can be arranged in the immediate vicinity of the converter 1. In the context of the invention, however, a greater distance between the additional module 25 and inverter 1 is possible.
  • DC voltage networks to connect with each other.
  • an additional module can also be shared by several inverters.

Landscapes

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

Abstract

Um eine Vorrichtung (24) zum Übertragen einer elektrischen Leistung zwischen einem Wechselspannungsnetz und einem Gleichspannungsnetz im Hochspannungsbereich mit Phasenmodulen (2,3,4), die jeweils wenigstens einen gemeinsamen Gleichspannungsanschluss (7,8) sowie einen separaten Wechselspannungsanschluss (5) aufweisen, wobei sich zwischen jedem Gleichspannungsanschluss (7,8) und jedem Wechselspannungsanschluss (5) ein Phasenmodulzweig (9,...14) erstreckt, der über eine Reihenschaltung aus zweipoligen Submodulen (15) verfügt, die jeweils einen Energiespeicher (16) und eine dem Energiespeieher parallel geschaltete Leistungshalbleiterschaltung aufweisen, so dass je nach Ansteuerung der Leistungshalbleiterschaltung (17) entweder die an dem Energiespeicher (16) abfallende Spannung oder aber eine NullSpannung an den zwei Anschlussklemmen (20,21) eines jeden Submoduls (15) erzeugbar ist, zu schalten, die eine einfache Symmetrierung der Energiespeicher ermöglicht und die darüber hinaus kostengünstig ist, wird vorgeschlagen, dass ein Zusatzmodul (24) ohne Wechselspannungsanschluss bereitgestellt wird, das wenigstens eine Leistungshalbleiterschaltung (17), wenigstens einen Energiespeicher (16) und wenigstens einen Gleichspannungsanschluss (26,27) aufweist, wobei jeder Gleichspannungsanschluss (26,27) des Zusatzmoduls (25) mit einem der gemeinsamen Gleichspannungsanschlüsse (7,8) der Phasenmodule (2,3,4) verbunden ist und Steuerungsmittel vorgesehen sind, mit denen ein Kreisstrom erzeugbar ist, der über das Zusatzmodul (25) und eines der Phasenmodule (2,3,4) fliesst.

Description

Beschreibung
MEHRSTUFIGER UMRICHTER MIT ZUSATZMODUL Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Übertragen einer elektrischen Leistung zwischen einem Wechselspannungsnetz und einem Gleichspannungsnetz im Hochspannungsbereich mit Phasenmodulen, die jeweils wenigstens einen gemeinsamen Gleichspan- nungsanschluss sowie einen separaten Wechselspannungsan- schluss aufweisen, wobei sich zwischen jedem Gleichspannungs- anschluss und jedem Wechselspannungsanschluss ein Phasenmo- dulzweig erstreckt, in dem eine Reihenschaltung aus zweipoligen Submodulen ausgebildet ist, die jeweils einen Energiespeicher und eine dem Energiespeicher parallel geschaltete Leistungshalbleiterschaltung aufweisen, so dass je nach An- steuerung der Leistungshalbleiterschaltung entweder die an dem Energiespeicher abfallende Spannung oder aber eine Null- spannung an den zwei Anschlussklemmen eines jeden Submoduls erzeugbar ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Regeln einer solchen Vorrichtung.
Eine solche Vorrichtung und ein solches Verfahren sind aus der DE 101 03 031 AI bereits bekannt. Die dort offenbarte
Vorrichtung offenbart einen so genannten modularen Mehrstufenumrichter mit drei parallel zueinander geschalteten Phasenmodulen, die sich zwischen zwei Polen eines Gleichspannungs- anschlusses erstrecken und somit zwei gemeinsame Gleichspan- nungsanschlüsse ausbilden. Die Phasenmodule stellen Dreipole dar und bilden neben den besagten beiden Gleichspannungsanschlüssen auch einen mittigen Wechselspannungsanschluss aus. Zwischen jedem Gleichspannungsanschluss und dem Wechselspannungsanschluss eines jeden Phasenmoduls erstreckt sich ein Phasenmodulzweig . Die Phasenmodulzweige können auch als Umrichterarme bezeichnet werden. Sie verfügen über eine Reihenschaltung von zweipoligen Submodulen, die jeweils einen Energiespeicher und eine Leistungshalbleiterschaltung aufweisen. Die Leistungshalbleiterschaltung besteht aus zwei in Reihe geschalteten IGBTs mit jeweils gegensinniger Freilaufdiode . An den Klemmen eines jeden Submoduls kann aufgrund der gewählten Schaltung entweder die an dem Energiespeicher abfal- lende Spannung oder aber eine NullSpannung erzeugt werden. Durch die Reihenschaltung der zweipoligen Submodule kann die an den Gleichspannungsanschlüssen der Phasenmodule abfallende Spannung stufenweise eingestellt werden. Die über die Submodule verteilten Energiespeicher müssen aufwändig symmetriert werden. Hierbei werden zweckmäßigerweise Kreisströme erzeugt, die über und zwischen den Phasenmodulen fließen. Ein solcher Kreisstrom bewirkt jedoch immer eine Ladungsänderung der Energiespeicher anderer Submodule. Darüber hinaus sind die Energiespeicher der Submodule so groß ausgelegt, dass diese ausreichend Energie für die Beherrschung von transienten
Ober- und Unterschwingungen speichern können. Diese großen Energiespeicher, in der Regel Kondensatoren, erhöhen jedoch die Anschaffungskosten und das Gewicht einer solchen Vorrichtung beträchtlich.
In der WO 2008/039120 AI ist eine Hochspannungsgleichstrom- Übertragungsanlage mit zwei Umrichtern beschrieben, die gleichspannungsseitig miteinander verbunden sind. Die Umrichter weisen drei Phasenmodule mit jeweils einem Wechselspan- nungsanschluss auf, wobei die Wechselspannungsanschlüsse jeweils mit einer Phase des angeschlossenen Wechselspannungs- netzes verbunden ist. Darüber hinaus weist jedes Phasenmodul zwei Gleichspannungsanschlüsse auf. Um eine dreiphasige Wechselspannungsleitung für die Gleichstromübertragung vollum- fänglich ausnutzen zu können, weist die Vorrichtung neben den Phasenmodulen ein weiteres Modul auf, das mit zwei Gleichspannungsanschlüssen und einem Mittenanschluss ausgerüstet ist. Das zusätzliche Modul ist wie die Phasenmodule an seinen beiden Gleichspannungsanschlüssen jeweils mit einem Phasen- leiter der dreiphasigen Wechselspannungsleitung verbunden. An den Mittenanschluss des Moduls ist der dritte Leiter angeschlossen. Mit Hilfe dieser zusätzlichen Anbindung kann die Kapazität der Wechselspannungsleitung für die Hochspannungs- gleichstromübertragung besser genutzt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, die eine einfache Symmetrierung der Energiespeicher ermöglichen und die darüber hinaus kostengünstig sind.
Die Erfindung löst diese Aufgabe ausgehend von der eingangs genannten Vorrichtung durch ein Zusatzmodul ohne Wechselspan- nungsanschluss , das wenigstens eine Leistungshalbleiterschaltung, wenigstens einen Energiespeicher und wenigstens einen Gleichspannungsanschluss aufweist, wobei jeder Gleichspan- nungsanschluss des Zusatzmoduls mit einem der gemeinsamen Gleichspannungsanschlüsse der Phasenmodule verbunden ist und Steuerungsmittel vorgesehen sind, mit denen ein Kreisstrom erzeugbar ist, der über das Zusatzmodul und eines der Phasenmodule fließt. Ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren löst die Erfindung diese Aufgabe dadurch, dass bei einer Vorrichtung, die Phasenmodule mit wenigstens einen gemeinsamen Gleichspannungsanschluss sowie jeweils einem separaten Wechselspan- nungsanschluss aufweist, wobei sich zwischen jedem Gleich- spannungsanschluss und jedem Wechselspannungsanschluss ein
Phasenmodulzweig erstreckt, in dem über eine Reihenschaltung aus zweipoligen Submodulen ausgebildet ist, die jeweils einen Energiespeicher und eine dem Energiespeicher parallel geschaltete Leistungshalbleiterschaltung aufweisen, so dass je nach Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter entweder die an dem Energiespeicher abfallende Spannung oder aber eine Nullspannung an den zwei Anschlussklemmen eines jeden Submo- duls erzeugbar ist, wobei ein Zusatzmodul ohne Wechselspannungsanschluss vorgesehen ist, das wenigstens eine Leistungs- halbleiterschaltung, wenigstens einen Energiespeicher und wenigstens einen Gleichspannungsanschluss aufweist, wobei jeder Gleichspannungsanschluss des Zusatzmoduls mit einem der gemeinsamen Gleichspannungsanschlüsse der Phasenmodule und kei- nen Wechselspannungsanschluss aufweist, die Leistungshalbleiterschaltungen eines Phasenmoduls und des Zusatzmoduls so angesteuert werden, dass ein Kreisstrom erzeugt wird, der zwischen und dem Zusatzmodul und einem der Phasenmodule und über diese fließt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist neben den Phasenmodulen, deren Anzahl der Anzahl der Phasen des angeschlossenen Wechselspannungsanschlusses entspricht, ein Zusatzmodul auf. Das Zusatzmodul weist keinen Wechselspannungsanschluss auf und ist daher nicht mit dem an den Umrichter angeschlossenen Wechselspannungsnetz verbindbar. Die zusätzliche Installation eines Zusatzmoduls erscheint auf den ersten Blick als Mehraufwand. Es sind jedoch Anforderungen denkbar, die den Mehr- aufwand durch Einsparungen an anderer Stelle der Vorrichtung rechtfertigen. So können im Rahmen der Erfindung Kreisströme erzeugt werden, die lediglich über eines der Phasenmodule fließen, wobei der Rückstrom über das Zusatzmodul erfolgt. Darüber hinaus kann im Bedarfsfall das Zusatzmodul Wirkleis- tungen bereitstellen, die beispielsweise zur Kompensation von transienten Oberschwingungen zum Symmetrieren bei unsymmetrischen Netzfehlern der von einem Fehler betroffenen Phase dienen. Darüber hinaus ist es auch möglich, bei einem Ungleichgewicht zwischen den Umrichtern Energie aufzunehmen oder ab- zugeben. Schließlich ist auch ein gesteuerter Kurzschluss an den Gleichspannungsklemmen des Umrichters möglich. Das Zusatzmodul kann auch zur Symmetrierung der Gleichspannungen dienen, die im Gleichspannungsnetz vorliegen. Hierdurch können übliche Transformatoren eingesetzt werden, die wesentlich kostengünstiger sind als die ansonsten eingesetzten Gleichspannungstransformatoren, die in der Regel mit hohen Gleichspannungsanteilen zu kämpfen haben und daher kostenintensiv sind . Als Energiespeicher wird bevorzugt ein Kondensator eingesetzt . Die Ausgestaltung des Zusatzmoduls ist im Rahmen der Erfindung zunächst grundsätzlich beliebig. Wesentlich ist, dass wenigstens ein Energiespeicher, und eine Leistungshalbleiterschaltung vorgesehen sind, mit der eine Steuerung des Ladezu- Stands des oder der Energiespeicher ermöglicht ist. Mit anderen Worten ist die Leistungshalbleiterschaltung so mit dem oder den Energiespeichern verbunden, dass je nach Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter der oder die Energiespeicher aufgeladen oder entladen werden.
Bevorzugt ist im Rahmen der Erfindung, dass das Zusatzmodul eine Reihenschaltung aus zweipoligen Submodulen aufweist, die jeweils mit einer Leistungshalbleiterschaltung sowie mit einem dieser parallel geschalteten Energiespeicher ausgerüstet sind, so dass je nach Ansteuerung der Leistungshalbleiterschaltung entweder die an einem Energiespeicher abfallende Spannung oder aber eine NullSpannung zwischen den beiden Anschlussklemmen eines jeden Submoduls erzeugbar ist. Mit anderen Worten weist das Zusatzmodul ebenfalls eine modulare Mul- tilevelstruktur auf, wobei zweipolige Submodule miteinander in Reihe geschaltet sind. Dabei umfasst jedes Submodul wieder einen Energiespeicher sowie eine parallel zum Energiespeicher angeordnete Leistungshalbleiterschaltung. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung ist der Aufbau des Zusatzmoduls an den Aufbau der Phasenmodule angelehnt. Die Submodule des
Zusatzmoduls können identisch zu den Submodulen der Phasenmodule sein oder sich von diesen unterscheiden. Wesentlich ist bei diesem Ausführungsbeispiel, dass auf diese Weise ein Kreisstrom zwischen dem Zusatzmodul und einem der Phasenmodu- le eines der Umrichter erzeugbar ist.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Submodule des Zusatzmoduls als Halbbrückenschaltung ausgebildet. Abweichend hiervon ist es möglich, die Submodule jedoch auch als Vollbrückenschaltung auszugestalten. Darüber hinaus ist es möglich, die Submodule sowohl als Halb- als auch als Vollbrückenmodule auszubilden. Bei einem als Halbbrücke ausgebildeten Submodul kann an den Ausgangsklemmen eines jeden Submoduls entweder eine NullSpannung oder die an dem Energiespeicher abfallende Spannung erzeugt werden. Die Halbbrückenschaltung weist lediglich zwei Leistungshalbleiterschalter, beispielsweise IGBTs, GTOs, IGCTs oder dergleichen, auf, die rückwärtsleitend sind oder denen jeweils eine Freilaufdiode gegensinnig parallel geschaltet ist. Die Rei- henschaltung der beiden Leistungshalbleiterschalter ist dem Energiespeicher parallel geschaltet. Eine Anschlussklemme des Submoduls ist an einen Pol des Energiespeichers angeschlossen. Die andere Anschlussklemme ist mit dem Potenzialpunkt zwischen den Leistungshalbleiterschaltern verbunden.
Bei einer Vollbrückenschaltung kann nicht nur die an dem Energiespeicher abfallende Energiespeicherspannung und eine Nullspannung an den beiden Anschlussklemmen eines jeden Submoduls erzeugt werden. Vielmehr ist auch die Erzeugung der inversen Energiespeicherspannung ermöglicht. Hierzu weisen die Vollbrückenschaltungen insgesamt vier Leistungshalbleiterschalter auf, wobei zwei Reihenschaltungen aus je zwei Leistungshalbleiterschaltern jeweils dem Energiespeicher parallel geschaltet sind. Eine Anschlussklemme ist mit dem Po- tenzialpunkt zwischen den Leistungshalbleiterschaltern der ersten Reihenschaltung und die zweite Anschlussklemme mit dem Potenzialpunkt zwischen den beiden Leistungshalbleiterschaltern der zweiten Anschlussklemme verbunden. Eine bei Verwendung von Vollbrückensubmodulen mögliche negative Spannung an dem Zusatzmodul kann zum Löschen von Lichtbögen eingesetzt werden, die beispielsweise auf einer Leitung des Gleichspannungsnetzes entstehen. Bei einer weiteren zweckmäßigen Weiterentwicklung der Erfindung weisen die Submodule darüber hinaus wenigstens einen ohmschen Widerstand auf, mit dem elektrische Leistung irre- versibel in Wärme überführt und an die Atmosphäre abgegeben werden kann.
Darüber hinaus kann es zweckmäßig sein, dass das Zusatzmodul wenigstens eine Drossel aufweist. Die Drossel dient beispielsweise zur Verbindung einer Reihenschaltung von Submodu- len mit einem Pol des Gleichspannungsnetzes. Zweckmäßigerweise sind zwei Drosseln vorgesehen, die zwischen der Reihenschaltung von Submodulen und jedem Pol des Gleichspannungs- kreises angeordnet sind.
Weiterhin ist es möglich, dass das Zusatzmodul einen Mitten- anschluss aufweist. Der Mittenanschluss kann beispielsweise zur Erdung der gesamten Anlage und zur Symmetrierung der Spannungen im Gleichspannungszwischenkreis dienen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung entspricht die Anzahl der Submodule des Zusatzmoduls der Anzahl der Submodule eines Phasenmodulzweigs eines Phasenmoduls. Somit kann das Zusatz- modul lediglich halb so viele Submodule aufweisen, wie ein
Phasenmodul, das mit einer Phase des angeschlossenen Wechsel - spannungsnetzes verbunden ist. Auf diese Art und Weise werden die Kosten gesenkt. Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Aus- führungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen und wobei
Figur 1 ein Ersatzschaltbild eines vorbekannten modu- laren Mehrstufenumrichters,
Figur 2 ein als Halbbrücke ausgebildetes Submodul für einen Mehrstufenumrichter gemäß Figur 1,
Figur 3 ein als Vollbrücke ausgebildetes Submodul
den Mehrstufenumrichter gemäß Figur 1, Figur 4 ein Ersatzschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
Figur 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigen.
Figur 1 zeigt einen Umrichter 1 gemäß dem Stand der Technik. Es ist erkennbar, dass der Umrichter drei Phasenmodule 2, 3 und 4 aufweist, die jeweils mit einem ersten gemeinsamen Gleichspannungsanschluss 7 und einem zweiten gemeinsamen Gleichspannungsanschluss 8 verbunden sind. Ferner verfügt jedes Phasenmodul 2, 3, 4 über einen separaten Wechselspan- nungsanschluss 7, der zum Anschluss einer der Phasen 6 eines ansonsten nicht weiter verdeutlichten Wechselspannungsnetzes dient. Der erste gemeinsame Gleichspannungsanschluss 7 ist mit dem positiven Pol und der zweite gemeinsame Gleichspannungsanschluss 8 mit dem negativen Pol eines Gleichspannungs- netzes verbunden. Der Umrichter 1 dient zur Umwandlung von WechselSpannung in Gleichspannung oder umgekehrt, je nach Richtung des Leistungsflusses. Die Phasenmodule 2, 3 und 4 weisen jeweils zwei Phasenmodulzweige 9 bis 14 auf, die sich jeweils zwischen dem jeweiligen Wechselspannungsanschluss 5 und einem der Gleichspannungsanschlüsse 7 oder 8 erstrecken. Dabei besteht jeder Phasenmodulzweig 9 bis 14 aus einer Reihenschaltung von zweipoligen Submodulen 15, deren Ersatzschaltbilder in den Figuren 2 und 3 beispielhaft gezeigt sind .
Figur 2 zeigt ein als Halbbrückenschaltung ausgebildetes Sub- modul 15. Es ist erkennbar, dass dieses Submodul 15 einen Energiespeicher 16 sowie eine Leistungshalbleiterschaltung 17 aufweist, die in Figur 2 als Reihenschaltung 22 realisiert ist, die aus zwei Leistungshalbleiterschaltern 18 besteht, denen jeweils eine Freilaufdiode 19 gegensinnig parallel geschaltet ist. Bei den Leistungshalbleiterschaltern 18 handelt es sich um ein- und abschaltbare Leistungshalbleiterschalter wie beispielsweise IGBTs, GCTs oder dergleichen. Das Submodul 15 gemäß Figur 2 verfügt über eine erste Anschlussklemme 20, die mit dem Potenzialpunkt zwischen den Leistungshalbleiterschaltern 18 verbunden ist, sowie über eine zweite Anschluss- klemme 21, die an einen Pol des Energiespeichers 16 angeschlossen ist. Je nach Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter 18 kann somit an den Anschlussklemmen 20 und 21 entweder die an dem Energiespeicher Uc abfallende Spannung oder aber die Spannung null erzeugt werden.
In Figur 3 ist ein Submodul 15 gezeigt, das als so genannte Vollbrückenschaltung bezeichnet wird. Auch die Vollbrücken- schaltung verfügt über Energiespeicher 16 sowie über eine diesem parallel geschaltete Leistungshalbleiterschaltung 17, die eine erste Reihenschaltung 22 sowie eine zweite Reihenschaltung 23 aufweist, die jeweils aus zwei ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern 18 bestehen. Die erste Reihenschaltung 22 und die zweite Reihenschaltung 23 sind dem Energiespeicher 16 beide parallel geschaltet. Die erste Anschlussklemme 20 des Submoduls 15 ist mit dem Potenzialpunkt zwischen den Leistungshalbleiterschaltern 18 der ersten Reihenschaltung 22 und die zweite Submodulanschluss- klemme 21 ist mit dem Potenzialpunkt zwischen den Leistungshalbleiterschaltern 18 der zweiten Reihenschaltung 23 verbun- den. Somit kann sowohl die an dem Energiespeicher 16, hier ein Kondensator, abfallende Energiespeicherspannung Uc, eine Nullspannung oder aber die inverse Energiespeicherspannung - Uc an den Anschlussklemmen 20 und 21 des Submoduls 15 gemäß Figur 3 erzeugt werden.
Es sind Umrichter 1 bekannt, deren Submodule 15 alle als Halbbrückenschaltung ausgebildet sind. Darüber hinaus wie in Figur 1 dargestellte Umrichter bekannt, die ausschließlich Submodule in Vollbrückenschaltung gemäß Figur 3 ausbilden. Schließlich wurden Umrichter 1 vorgeschlagen, die sowohl
Voll- als auch Halbbrückenschaltungen in ihren Phasenmodul - zweigen aufweisen. In Figur 1 ist durch gestrichelte Linien und Pfeile schematisch verdeutlicht, dass die über die Phasenmodulzweige 9 bis 14 fließenden Ströme sowohl Wechselspannungsanteile Iac aufweisen können, die über beispielsweise von einer Phase 6 des Wechselspannungsnetzes kommen, zu beiden Seiten über die Phasenmodulzweige eines gemeinsamen Phasenmoduls fließen. Darüber hinaus sind auch Gleichspannungsanteile Idc erkennbar, die beispielsweise von dem negativen Gleichspannungsanschluss des Phasenmoduls 2 über die Phasenmodulzweige 10 und 9 zum positiven Gleichspannungsanschluss fließen. Schließlich sind auch Kreisströme Ici möglich, die beispielsweise entstehen, wenn Spannungsdifferenzen der zwischen den von den Phasenmodulen 3 und 4 erzeugten PhasenmodulSpannungen entstehen. Die Kreisströme Ici fließen zwischen den Phasenmodulen 3 und 4 sowie über die Phasenmodule 3 und 4.
Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel 24 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 24, die einen Umrichter 1 gemäß Figur 1 sowie ein Zusatzmodul 25 aufweist. Das Zusatzmodul 25 verfügt über zwei Gleichspannungsanschlüsse 26 und 27, die mit den gemeinsamen Gleichspannungsanschlüssen 7 bzw. 8 der Phasenmodule 2, 3 und 4 verbunden sind. Das Zusatzmodul 25 verfügt ferner über eine Reihenschaltung von Submodulen 15, die entweder alle als Halbbrückenschaltung gemäß Figur 2 oder alle als Voll- brückenschaltung gemäß Figur 3 ausgebildet sind. Darüber hinaus ist es auch möglich, Submodule sowohl als Halb- als auch Vollbrückenschaltungen in der Reihenschaltung des Zusatzmoduls 25 vorzusehen. Bei einer figürlich nicht dargestellten Weiterentwicklung des in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiels ist zwischen der Reihenschaltung der Submodule 15 und jedem der Gleichspannungsanschlüsse 26 und 27 des Zusatzmoduls 25 eine Induktivität in Gestalt einer Drossel, Spule oder dergleichen angeord- net .
Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 24, deren Zusatzmodul 25 einen Mit- tenanschluss 30 aufweist, wobei sich zwischen dem Mittenan- schluss 30 und dem Gleichspannungsanschluss 26 ein erstes Zusatzmodulzweig 28 und zwischen dem Mittenzweig 30 sowie dem Gleichspannungsanschluss 27 ein zweiter Zusatzmodulzweig 29 erstreckt. Jeder der Zusatzmodulzweige 28, 29 besteht wiederum aus einer Reihenschaltung von Submodulen 15 gemäß Figur 2 und/oder Figur 3. Der Mittenanschluss 30 ist beispielsweise mit dem Erdpotenzial verbunden. Mit Hilfe des Zusatzmoduls 25 ist es im Rahmen der Erfindung möglich, Kreisströme Ici zwischen nur einem der Phasenmodule, z.B. Phasenmodul 4, und dem Zusatzmodul 25 zu erzeugen, wobei die verbleibenden Phasenmodulzweige 2 und 3 von dem besagten Kreisstrom unbelastet sind. Ein solcher Kreisstrom Ici ist in Figur 4 verdeutlicht. Auf diese Weise kann beispielsweise eine asymmetrische Belastung des angeschlossenen Wechselspannungsnetzes ausgeglichen werden. Darüber hinaus ist es möglich, dass durch die in den Energiespeichern des Zusatzmoduls 25 gespeicherte Leistung kurzfristig im Bedarfsfall für den Umrichter 1 bereitgestellt wird. Die Energiespeicher 16 der Phasenmodule 2, 3, 4 des Umrichters 1 können somit kleiner und daher kostengünstiger ausgebildet werden.
Das Zusatzmodul 25 kann in unmittelbarer Nähe des Umrichters 1 angeordnet sein. Im Rahmen der Erfindung ist jedoch auch eine größere Entfernung zwischen Zusatzmodul 25 und Umrichter 1 möglich.
An dem Gleichspannungsnetz, das an die Gleichspannungsan- Schlüsse 7 und 8 angeschlossen ist, sind in der Regel an wenigstens zwei Umrichter angeschlossen. Darüber hinaus ist es bei so genannten Multiterminal -Anwendungen jedoch auch möglich, mehrere Umrichter durch beispielsweise vermaschte
Gleichspannungsnetze miteinander zu verbinden. Im Rahmen der Erfindung ist es daher möglich, alle durch das Gleichspannungsnetz miteinander verbundenen Umrichter 1 mit einem solchen Zusatzmodul auszurüsten. Ein Zusatzmodul kann jedoch auch von mehreren Umrichtern gemeinsam genutzt werden. Auch ist es möglich, beispielsweise mehrere Zusatzmodule für mehrere Umrichter einzusetzen, wobei die Anzahl der Phasenmodule geringer ist als die Anzahl der Umrichter, die an dem Gleichspannungsnetz angeschlossen sind.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (24) zum Übertragen einer elektrischen Leistung zwischen einem Wechselspannungsnetz und einem Gleich- spannungsnetz im Hochspannungsbereich mit Phasenmodulen
(2,3,4), die jeweils wenigstens einen gemeinsamen Gleichspan- nungsanschluss (7,8) sowie einen separaten Wechselspannungs- anschluss (5) aufweisen, wobei sich zwischen jedem Gleich- spannungsanschluss (7,8) und jedem Wechselspannungsanschluss (5) ein Phasenmodulzweig (9,...14) erstreckt, der über eine Reihenschaltung aus zweipoligen Submodulen (15) verfügt, die jeweils einen Energiespeicher (16) und eine dem Energiespeicher parallel geschaltete Leistungshalbleiterschaltung aufweisen, so dass je nach Ansteuerung der Leistungshalbleiter- Schaltung (17) entweder die an dem Energiespeicher (16) abfallende Spannung oder aber eine NullSpannung an den zwei Anschlussklemmen (20,21) eines jeden Submoduls (15) erzeugbar ist ,
g e k e n n z e i c h n e t d u r c h
ein Zusatzmodul (24) ohne Wechselspannungsanschluss, das wenigstens eine Leistungshalbleiterschaltung (17) , wenigstens einen Energiespeicher (16) und wenigstens einen Gleichspan- nungsanschluss (26,27) aufweist, wobei jeder Gleichspannungs- anschluss (26,27) des Zusatzmoduls (25) mit einem der gemein- samen Gleichspannungsanschlüsse (7,8) der Phasenmodule
(2,3,4) verbunden ist und Steuerungsmittel vorgesehen sind, mit denen ein Kreisstrom erzeugbar ist, der über das Zusatzmodul (25) und eines der Phasenmodule (2,3,4) fließt.
2. Vorrichtung (24) nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
das Zusatzmodul (25) eine Reihenschaltung aus zweipoligen Submodulen (15) aufweist, die jeweils mit einer Leistungshalbleiterschaltung (7) sowie mit einem dieser parallel ge- schalteten Energiespeicher (16) ausgerüstet sind, so dass je nach Ansteuerung der Leistungshalbleiterschaltung (17) entweder die an dem Energiespeicher (16) abfallende Spannung oder aber eine Nullspannung zwischen den beiden Anschlussklemmen (20,21) eines jeden Submoduls (15) erzeugbar ist.
3. Vorrichtung (24) nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
jedes Submodul (15) eine Halbbrückenschaltung ausbildet.
4. Vorrichtung (24) nach Anspruch 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
jedes Submodul (15) eine Vollbrückenschaltung ausbildet.
5. Vorrichtung (24) nach Anspruch 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Submodule (15) sowohl eine Halbbrücken- als auch eine Vollbrückenschaltung ausbilden.
6. Vorrichtung (24) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Submodule (15) zumindest teilweise mit ohmschen Wider- ständen zum thermischen Abführen von elektrischer Leistung ausgerüstet sind.
7. Vorrichtung (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
jedes Zusatzmodul (25) mit wenigstens einer Drossel ausgerüstet ist.
8. Vorrichtung (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
das Zusatzmodul (25) einen Mittenanschluss (30) aufweist.
9. Vorrichtung (24) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Anzahl der Submodule (15) des Zusatzmoduls (25) der An- zahl der Submodule (15) eines Phasenmodulzweigs (9,...14) eines Phasenmoduls (2,3,4) entspricht.
10. Verfahren zum Regeln einer Vorrichtung (24), die Phasenmodule (2,3,4) mit wenigstens einen gemeinsamen Gleichspan- nungsanschluss (7,8) sowie jeweils einem Wechselspannungsanschluss (5) aufweist, wobei sich zwischen jedem Gleichspan- nungsanschluss (7,8) und jedem Wechselspannungsanschluss (5) ein Phasenmodulzweig (9,...14) erstreckt, der über eine Reihenschaltung aus zweipoligen Submodulen (15) verfügt, die jeweils einen Energiespeicher und eine dem Energiespeicher (16) parallel geschaltete Leistungshalbleiterschaltung (17) auf- weisen, so dass je nach Ansteuerung der Leistungshalbleiterschaltung (17) entweder die an dem Energiespeicher (16) abfallende Spannung oder aber eine NullSpannung an den zwei Anschlussklemmen (20,21) eines jeden Submoduls (15) erzeugbar ist, wobei ein Zusatzmodul (25) vorgesehen ist, das wenigs- tens eine Leistungshalbleiterschaltung (17) , wenigstens einen Energiespeicher (16) und wenigstens einen Gleichspannungsan- schluss (26,27) aufweist, wobei jeder Gleichspannungsan- schluss (26,27) des Zusatzmoduls (25) mit einem der gemeinsamen Gleichspannungsanschlüsse der Phasenmodule verbunden ist und wobei das Zusatzmodul keinen Wechselspannungsanschluss aufweist, bei dem die Leistungshalbleiterschaltungen eines der Phasenmodule (2,3,4) und des Zusatzmoduls (25) so angesteuert werden, dass ein Kreisstrom Ici zwischen und über das Zusatzmodul (25) und eines der Phasenmodule (2,3,4) fließt.
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