WO2014127829A1 - Serial tapping with pre-charge unit - Google Patents

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WO2014127829A1
WO2014127829A1 PCT/EP2013/053592 EP2013053592W WO2014127829A1 WO 2014127829 A1 WO2014127829 A1 WO 2014127829A1 EP 2013053592 W EP2013053592 W EP 2013053592W WO 2014127829 A1 WO2014127829 A1 WO 2014127829A1
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pole
precharging
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Hans-Joachim Knaak
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a device for exchanging electrical power with a pole of a direct current network with two terminals for serial connection to the pole and with at least one converter having at its DC voltage connection interconnected phase modules, each having an AC voltage terminal and form a series circuit of bipolar submodules.
  • Such a device is already known from WO 2010/115453 Al.
  • longitudinal voltage sources into DC transmission lines in order to keep the voltage in the DC voltage network within a permissible range everywhere.
  • the longitudinal voltage sources By inserting the longitudinal voltage sources the DC system energy is supplied or removed. Extracted energy is fed into a three-phase network, to which the longitudinal voltage source is connected.
  • a longitudinal voltage source for example, a converter is considered, which is inserted serially into the DC transmission line and is connected on the AC voltage side to the AC voltage network.
  • the services taken are on the order of 10% of the services transmitted by the network.
  • the parallel tap also has at least one inverter. If the converter of a series or parallel tap is connected to an alternating voltage network on the alternating voltage side, its energy store can be charged via the converter transformer and a precharge resistor per alternating voltage phase before the converter is put into operation. This is for example from the field of High-voltage direct current transmission known. However, if an active alternating voltage network is missing, this procedure is no longer possible.
  • the object of the invention is therefore to provide a device of the type mentioned, which can be put into operation independently of an AC voltage network and cost.
  • the invention achieves this object by virtue of the fact that each submodule is equipped with a power semiconductor circuit and an energy store and means are provided for precharging the submodules, which makes it possible to charge the energy stores independently of the connection of the AC voltage terminals.
  • At least one so-called modular multi-stage converter is proposed as part of a device for exchanging electrical power with a direct-current network, the device moreover comprising means for
  • the submodules are designed as full bridge circuits or half bridge circuits.
  • the power semiconductor circuit comprises a series circuit of two power semiconductor switches, which are both switched on and off.
  • Such power semiconductor switches are, for example, IGBTs, GTOs, IGCTs or the like. Each of these power semiconductor switch is a freewheeling diode connected in opposite directions in parallel.
  • the series connection of the two switched on and off power semiconductor switch is connected in parallel to the energy storage, wherein in the half-bridge circuit a submodule connection terminal connected directly to one pole of the energy storage and the other submodule connection terminal is connected to the potential point between the power semiconductor switches.
  • the full bridge circuit has a total of four power semiconductor switches in the form of two series circuits each comprising two power semiconductor switches which can be switched on and off.
  • the two series circuits are each connected in parallel to the energy store, wherein the first submodule connection terminal is connected to the potential point between the power semiconductor switches of the first series circuit and the second submodule connection terminal is connected to the potential point between the power semiconductor switches of the second series circuit.
  • the means for precharging the submodules comprise a precharging branch in which a mechanical switch and a resistor are arranged in series connection.
  • the mechanical switch is closed so that a
  • Pre-charging the multi-stage converter is made possible by means of the current flowing through the resistor current.
  • the resistor has a capacitance and / or an inductance connected in series.
  • capacitance is to be understood here as meaning any capacitive component, such as a capacitor or the like, for example.
  • the term “inductance” encompasses any inductive component, that is to say, for example, a coil, choke or the like.
  • the inductance may be at least part of a winding of a transformer connected to the AC terminal of one of the inverters.
  • the Vorladezweig bypasses the converter or the.
  • a bridging branch bridging the pre-charging branch is expedient, in which a second mechanical switch is arranged, wherein each terminal can be connected to the pole via a mechanical switch.
  • the procedure for commissioning the inverter as follows. It is assumed here that the mechanical switch in the bridging branch is closed. In this switch position, the device according to the invention is bridged. With suitable control of the mechanical switch, the current commutates in the Vorladezweig. A current flows through the resistor arranged in the precharge branch, as a result of which the energy stores of the submodules can be charged. If the multistage converter is or is ready for operation, it can be used with a suitable topology to open the mechanical switch in the pre-charging branch virtually without current.
  • a voltage is generated by means of the device according to the invention, which generates in the loop formed from the device and the Vorladezweig a voltage which drives a circulating current, which is opposite to the operating current in the mechanical switch.
  • the switch can open normally so that an arc in the switch is extinguished. Subsequently, the normal operation of the device according to the invention can take place.
  • each AC voltage terminal is connected to a phase of an AC voltage network.
  • the precharging branch connects one of the connection terminals to the ground potential or to an oppositely polarized pole of the direct voltage network.
  • two inverters are connected in series. The two inverters connected in series can again have submodules with full or half-bridge switching. However, half-bridge circuits are preferably provided.
  • the precharging branch is connected to a potential point between the inverters on the one hand and the ground potential or to the oppositely polarized pole of the direct current power grid on the other hand.
  • the invention also relates to a method for precharging a device for exchanging electrical power with a pole of the direct voltage network.
  • the device again comprises two terminals for serial connection to the pole and at least one converter with phase modules each extending between two common DC terminals and each having an AC terminal, the phase modules forming a series arrangement of two-pole submodules, each of which a power semiconductor circuit and an energy storage and wherein means for precharging the submodules are provided.
  • the method comprises the steps of charging the energy stores of the submodules via the means for precharging the submodules.
  • the device can record its normal operation and, for example, set up an alternating-voltage side with its AC voltage network connected to it.
  • an AC voltage network connected to the AC voltage connection is established.
  • FIG 2 shows a device according to Figure 1 in detail
  • FIG. 3 shows an embodiment of the device according to the invention deviating from FIG. 2,
  • FIG. 4 shows another embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of the device 1 according to the invention, which has two connection terminals 2 and 3 for connection to a pole 4 of a direct voltage network 5.
  • the DC voltage network 5 comprises, in addition to the already mentioned positively polarized pole 4, a negative pole 6. However, the other pole could also be at ground potential.
  • a bridging branch 7 is provided, in which a mechanical switch 8 is arranged. For connecting the terminals 2 and 3 to the pole 4, the mechanical switches 9 and 10 are provided. If the mechanical switch 8 is closed, the device 1 is bridged.
  • the device 1 further comprises a converter 11 with two DC voltage connections, not shown in the figures, which are each connected here to a connection terminal 2 or 3.
  • the inverter 11 forms an AC voltage terminal which is connected to a three-phase AC voltage network 12.
  • a mechanical disconnect switch 13 is provided in order to disconnect the alternating voltage network 12 from the converter 11, a mechanical disconnect switch 13 is provided.
  • means 14 are provided for precharging not shown submodules of the inverter 11.
  • the means 14 for precharging the submodules comprise a precharging branch 15, which on the one hand is connected to the Device 1 and on the other hand connected to the negative pole 6 of the DC power network 5.
  • a mechanical switch 16 and an ohmic resistor 17 are arranged in series.
  • FIG. 2 shows the device 1 according to FIG. In particular, the structure of the inverter 11 is shown in more detail.
  • the inverter 11 has three phase modules 18, 19 and 20, each extending between two common DC voltage terminals 21 and 22. Each phase module further forms an AC voltage terminal 23, which is connected to a phase of said alternating voltage network, which is not figuratively shown in Figure 2.
  • the AC-side terminal of the inverter 11 to the AC voltage network via an inverter transformer 24 having a primary winding 25 which is galvanically connected to the AC voltage terminal 23 of the inverter 11.
  • a secondary winding 26 is galvanically connected to the AC mains.
  • phase module branches 27 Between an AC voltage terminal 23 and each DC voltage terminal 21 and 22 extend phase module branches 27, which are connected to a six-pulse or Graetz bridge with each other.
  • the phase module branches 27 comprise a series connection of bipolar submodules 28, which are all constructed identically here, and of which only one is shown in more detail in FIG. However, the identical design of the submodules is not absolutely necessary within the scope of the invention.
  • the topology of submodules can vary. It can be seen in FIG. 2 that all submodules 28 are of bipolar design and have a first submodule connection terminal and a second submodule connection terminal.
  • each submodule 28 has an energy store 31, which has a first series connection of two IGBTs 32 as a power semiconductor switch and a second series circuit of two IGBTs 32 are connected in parallel.
  • Each IGBT 32 has a freewheeling diode connected in parallel in opposite directions.
  • the first submodule connection terminal is connected to the potential point between the IGBTs 32 of the first series circuit and the second submodule connection terminal to the potential point between the IGBTs of the second series circuit.
  • each submodule 28 thus has four power semiconductor switches 32 which can be switched on and off, and forms a full bridge circuit together with the energy store 31 designed as a capacitor.
  • the condenser voltage dropping across the capacitor 31, a zero voltage or the inverse capacitor voltage can be generated at the two submodule connection terminals.
  • the commissioning of the device 1 according to FIG. 2 is described below, it being assumed that the AC voltage network 12 is a so-called off-grid without its own energy source.
  • the alternating voltage network 12 is not constructed before the device 1 is put into operation. There is therefore no AC voltage.
  • the switch 8 of the bridging branch 7 is closed, whereas the mechanical switches 9 and 10 are opened.
  • the device 1 is completely bridged.
  • the mechanical switches 9 and 16 are closed, so that a direct current flows through the converter 11 and the pre-charge branch 15, which charges the energy stores 31 of the sub-modules.
  • the switch 10 can be closed. Subsequently, the switch 8 is opened in the bridging branch 7, whereby a voltage is generated at the connection terminals 2, 3 of the device 1, which extinguishes the arc drawn by the contacts of the mechanical switch 8.
  • the AC voltage in the AC voltage network 12 can be established.
  • the device 1 can be controlled to the DC voltage required for the desired power exchange with the connected AC power supply 12.
  • Figure 2 is indicated by the terminals C and D of the transformer 24 that a portion of the primary winding 25 of the transformer 24 can be used as an inductance, if this is useful for the pre-charging of the device 1.
  • a part of the primary winding 25 can be connected in series as an inductance to the ohmic resistor 17 by connection to the precharging branch 15, so that this part is the means 14 for precharging the submodules.
  • FIG. 3 shows a modified exemplary embodiment of the device 1 according to the invention, which differs from the exemplary embodiment shown in FIG. 2 in that the submodules 28 of the converter 11 do not form a full bridge circuit but a half bridge circuit.
  • the submodules 28 accordingly comprise only a series arrangement of two IGBTs, one of the submodule connection terminals being connected to one pole of the energy store and the other submodule connection terminal being connected to the potential point between the IGBTs of the series connection.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of the device 1 according to the invention, which, in contrast to the exemplary embodiment shown in FIG. 3, has a second converter 34 in addition to a first converter 11, which converter is constructed identically to the first converter 11.
  • the second converter 34 also has phase modules 18, 19 and 20 which each have two common DC voltage terminals 21 and 22 and one AC voltage terminal 23 each.
  • the AC voltage terminal 23 of each phase module 18, 19, 20 of the second converter 34 is connected via a second transformer 35 to a second separate AC voltage network, which is not shown figuratively. Deviating from this, both transformers 24, 35 are connected to the same alternating voltage network.
  • the precharging branch 15 in this embodiment of the invention is connected to the potential point between the inverters 11 and 34 and on the other hand to the negative pole 6 of the DC voltage network 5. In this way, the submodules 28 of both converters 11, 34, that is to say the energy stores 31 of the submodules 28 of both converters 11 and 34, can be charged.
  • the inverter (s) are connected to an AC power supply that has its own energy source, the
  • Inverter 11 or the inverters 11 and 34 can be charged via the resistor 30, which is shown in Figures 2 to 4.
  • the switch 13 is opened and the switch 29 is closed.
  • Figure 5 shows a further embodiment of the device according to the invention, with a first inverter 11, which is again designed as a modular multi-stage converter with half-bridges according to Figure 3.
  • the means 14 for precharging the submodules 28 again comprise a precharging branch 15, in which a mechanical switch 16 and an ohmic resistor 17 are arranged.
  • the precharging branch 15 bridges the converter 11.
  • the precharging branch 15 is again bridged by the bridging branch 7, in which a mechanical switch 8 is arranged.
  • the terminals 2 and 3 of the device 1 are again connected via separate switches 9 and 10 to the pole 4 of the DC voltage network 5.
  • the mechanical switch 8 in the bridging branch 7 is connected in parallel with a classic extinguishing circuit 37, which forms a resonant circuit.
  • Oscillating circuit can be imparted to the current flowing through the switch a vibration and thus a current zero crossing can be generated.
  • the mechanical switch 8 can be opened without current.
  • the precharging of the submodules 28 of the converter 11 according to FIG. 5 is carried out as follows. If the device 1 is not in operation, the switch 8 of the bridging branch 7 is closed. concluded. To start up the device 1, the switch 16 is closed and the switch 8 is opened. The main current commutates in the Vorladezweig 15 and flows through the resistor 17, with the aid of the resonant circuit 37, the switch 8 can be opened while avoiding an arc. Thus, a voltage drops at the resistor 17 which drives a current with which the energy stores 31 of the submodules 28 of the converter 11 can be charged.
  • a voltage can be generated at the output at the connection terminals 2 and 3 which generates a circulating current in the loop formed by the precharging branch 15 and the converter 11, which is opposite to the current flowing in the switch 8 that with equal amplitudes of the mechanical switch 37 can be opened almost without power. Subsequently, the desired power can be taken from the pole of the DC voltage network 5 and fed into the connected AC voltage network 12.

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Abstract

The invention pertains to the production of a device (1) for exchanging electric power with a pole (4) of a direct current network (5) with two connection terminals (2, 3) for serial connection to the pole (4) and with at least one converter, which has interconnected phase modules (18, 19, 20) at its direct current connection, each of which has an alternating current connection (23) and a series circuit of bipolar sub-modules (28), which device can be operated cheaply and without a pre-existing alternating current network, to which end each sub-module (28) is equipped with a semi-conductor power circuit and an energy accumulator (31), and means (14) for pre-charging the sub-modules (28) are provided which enable the energy accumulators (31) to be charged independently of the connection of the alternating current connections (23).

Description

Beschreibung description
Serielle Anzapfung mit Vorladeeinheit Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Austausch elektrischer Leistung mit einem Pol eines Gleichspannungsnetzes mit zwei Anschlussklemmen zum seriellen Anschluss an den Pol und mit wenigstens einem Umrichter, der an ihrem Gleichspan- nungsanschluss miteinander verbundene Phasenmodule aufweist, die jeweils über einen Wechselspannungsanschluss verfügen und eine Reihenschaltung aus zweipoligen Submodulen ausbilden. The invention relates to a device for exchanging electrical power with a pole of a direct current network with two terminals for serial connection to the pole and with at least one converter having at its DC voltage connection interconnected phase modules, each having an AC voltage terminal and form a series circuit of bipolar submodules.
Eine solche Vorrichtung ist aus der WO 2010/115453 AI bereits bekannt. Dort wird vorgeschlagen, Längsspannungsquellen in Gleichspannungsübertragungsleitungen einzufügen, um die Spannung in dem Gleichspannungsnetz überall in einem zulässigen Bereich zu halten. Durch das Einfügen der Längsspannungsquellen wird dem Gleichspannungssystem Energie zugeführt oder entnommen. Entnommene Energie wird in ein Drehstromnetz ein- gespeist, mit welchem die Längsspannungsquelle verbunden ist. Als Längsspannungsquelle kommt beispielsweise ein Umrichter in Betracht, der seriell in die Gleichspannungsübertragungs - leitung eingefügt und wechselspannungsseitig mit dem Wechselspannungsnetz verbunden ist. Such a device is already known from WO 2010/115453 Al. There, it is proposed to insert longitudinal voltage sources into DC transmission lines in order to keep the voltage in the DC voltage network within a permissible range everywhere. By inserting the longitudinal voltage sources the DC system energy is supplied or removed. Extracted energy is fed into a three-phase network, to which the longitudinal voltage source is connected. As a longitudinal voltage source, for example, a converter is considered, which is inserted serially into the DC transmission line and is connected on the AC voltage side to the AC voltage network.
Auch in Gleichspannungsnetzen kann das Aus- oder Einkoppeln kleiner Leistungen erforderlich werden. Die entnommenen Leistungen liegen hierbei in der Größenordnung von 10% bezogen auf die vom Netz übertragenen Leistungen. Hierzu wurden neben den oben ausgeführten Reihenanzapfungen auch Parallelanzapfungen vorgeschlagen, die auch als Querspannungsquelle bezeichnet werden. Die Parallelanzapfung weist ebenfalls wenigstens einen Umrichter auf. Ist der Umrichter einer Reihenoder Parallelanzapfung wechselspannungsseitig mit einem Wech- selspannungsnetz verbunden, können vor Inbetriebnahme des Umrichters dessen Energiespeicher über den Umrichtertransformator und einen Vorladewiderstand je Wechselspannungsphase aufgeladen werden. Dies ist beispielsweise aus dem Bereich der Hochspannungsgleichstromübertragung bekannt. Fehlt jedoch ein aktives Wechselspannungsnetz, ist diese Verfahrensweise nicht mehr möglich. Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die unabhängig von einem Wechselspannungsnetz und kostengünstig in Betrieb genommen werden kann. Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass jedes Submodul mit einer Leistungshalbleiterschaltung und einem Energiespeicher ausgerüstet ist und Mittel zum Vorladen der Submodule vorgesehen sind, die ein Aufladen der Energiespeicher unabhängig von der Anbindung der Wechselspannungsanschlüsse er- möglichen. Even in DC networks, the extraction or coupling of small power may be required. The services taken are on the order of 10% of the services transmitted by the network. For this purpose, in addition to the above-described series taps and parallel taps have been proposed, which are also referred to as a cross-voltage source. The parallel tap also has at least one inverter. If the converter of a series or parallel tap is connected to an alternating voltage network on the alternating voltage side, its energy store can be charged via the converter transformer and a precharge resistor per alternating voltage phase before the converter is put into operation. This is for example from the field of High-voltage direct current transmission known. However, if an active alternating voltage network is missing, this procedure is no longer possible. The object of the invention is therefore to provide a device of the type mentioned, which can be put into operation independently of an AC voltage network and cost. The invention achieves this object by virtue of the fact that each submodule is equipped with a power semiconductor circuit and an energy store and means are provided for precharging the submodules, which makes it possible to charge the energy stores independently of the connection of the AC voltage terminals.
Erfindungsgemäß wird wenigstens ein so genannter modularer Mehrstufenumrichter als Teil einer Vorrichtung zum Austausch elektrischer Leistung mit einem Gleichspannungsnetz vorge- schlagen, wobei die Vorrichtung darüber hinaus Mittel zumAccording to the invention, at least one so-called modular multi-stage converter is proposed as part of a device for exchanging electrical power with a direct-current network, the device moreover comprising means for
Vorladen der Submodule aufweist, die ein Aufladen der Energiespeicher des Umrichters ermöglichen, ohne dass die hierfür erforderliche Leistung dem Wechselspannungsanschluss entnommen werden muss, das beispielsweise mit dem Umrichter verbun- den ist. Im Rahmen der Erfindung kann somit eine Inbetriebnahme der Vorrichtung erfolgen und erst anschließend ein Wechselspannungsnetz aufgebaut werden, das z.B. mit dem Wechselspannungsanschluss des Umrichters verbunden ist. Vorteilhafterweise sind die Submodule als Vollbrückenschal - tung oder Halbbrückenschaltung ausgebildet. Bei einer Halbbrückenschaltung umfasst die Leistungshalbleiterschaltung eine Reihenschaltung aus zwei Leistungshalbleiterschaltern, die sowohl ein- als auch abschaltbar sind. Solche Leistungshalb- leiterschalter sind beispielsweise IGBTs, GTOs, IGCTs oder dergleichen. Jedem dieser Leistungshalbleiterschalter ist eine Freilaufdiode gegensinnig parallel geschaltet. Abweichend hiervon können auch rückwärts leitfähige Leistungshalbleiter- Schalter zum Einsatz gelangen. Die Reihenschaltung der beiden ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter ist dem Energiespeicher parallel geschaltet, wobei bei der Halbbrückenschaltung eine Submodulanschlussklemme direkt an einen Pol des Energiespeichers angeschlossen und die andere Submodulanschlussklemme mit dem Potenzialpunkt zwischen den Leistungshalbleiterschaltern verbunden ist. Die Vollbrückenschal - tung weist insgesamt vier Leistungshalbleiterschalter in Gestalt von zwei Reihenschaltungen aus jeweils zwei ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern auf. Die beiden Reihenschaltungen sind jeweils dem Energiespeicher parallel geschaltet, wobei die erste Submodulanschlussklemme mit dem Potenzialpunkt zwischen den Leistungshalbleiterschaltern der ersten Reihenschaltung und die zweite Submodulanschlussklemme mit dem Potenzialpunkt zwischen den Leistungshalbleiterschaltern der zweiten Reihenschaltung verbunden ist. Somit kann nicht nur, wie bei der Halbbrückenschaltung, die an dem Energiespeicher abfallende Spannung oder eine Nullspannung an den beiden Submodulanschlussklemmen erzeugt werden, sondern auch die inverse Energiespeicherspannung. Precharging the sub-modules, which allow charging the energy storage of the inverter, without the required power must be removed from the AC terminal, which is connected to the inverter, for example. In the context of the invention can thus take place a commissioning of the device and only then an AC voltage network can be constructed, which is connected for example to the AC voltage terminal of the inverter. Advantageously, the submodules are designed as full bridge circuits or half bridge circuits. In a half-bridge circuit, the power semiconductor circuit comprises a series circuit of two power semiconductor switches, which are both switched on and off. Such power semiconductor switches are, for example, IGBTs, GTOs, IGCTs or the like. Each of these power semiconductor switch is a freewheeling diode connected in opposite directions in parallel. Deviating from this, reverse-conducting power semiconductor Switch used. The series connection of the two switched on and off power semiconductor switch is connected in parallel to the energy storage, wherein in the half-bridge circuit a submodule connection terminal connected directly to one pole of the energy storage and the other submodule connection terminal is connected to the potential point between the power semiconductor switches. The full bridge circuit has a total of four power semiconductor switches in the form of two series circuits each comprising two power semiconductor switches which can be switched on and off. The two series circuits are each connected in parallel to the energy store, wherein the first submodule connection terminal is connected to the potential point between the power semiconductor switches of the first series circuit and the second submodule connection terminal is connected to the potential point between the power semiconductor switches of the second series circuit. Thus, not only, as in the case of the half-bridge circuit, the voltage dropping across the energy store or a zero voltage can be generated at the two submodule connection terminals, but also the inverse energy storage voltage.
Zweckmäßigerweise umfassen die Mittel zum Vorladen der Submo- dule ein Vorladezweig, in dem ein mechanischer Schalter und ein Widerstand in Reihenschaltung angeordnet sind. Zum Vorla- den wird der mechanische Schalter geschlossen, so dass einExpediently, the means for precharging the submodules comprise a precharging branch in which a mechanical switch and a resistor are arranged in series connection. For preloading, the mechanical switch is closed so that a
Vorladen des Mehrstufenumrichters mit Hilfe des durch den Widerstand fließenden Stroms ermöglicht ist. Pre-charging the multi-stage converter is made possible by means of the current flowing through the resistor current.
Zweckmäßigerweise sind dem Widerstand eine Kapazität und/oder eine Induktivität in Reihe geschaltet. Unter dem Begriff „Kapazität" ist hier jedes kapazitive Bauteil, wie beispielsweise ein Kondensator oder dergleichen, zu verstehen. Der Begriff „Induktivität" umfasst jedes induktive Bauteil, also beispielsweise eine Spule, Drossel oder dergleichen. In eini- gen Fällen kann die Induktivität zumindest Teil einer Wicklung eines Transformators sein, der mit dem Wechselspannungs - anschluss eines der Umrichter verbunden ist. Zweckmäßigerweise überbrückt der Vorladezweig den oder die Umrichter. Zusätzlich ist ein den Vorladezweig überbrückender Überbrückungszweig zweckmäßig, in dem ein zweiter mechanischer Schalter angeordnet ist, wobei jede Anschlussklemme über einen mechanischen Schalter mit dem Pol verbindbar ist. Conveniently, the resistor has a capacitance and / or an inductance connected in series. The term "capacitance" is to be understood here as meaning any capacitive component, such as a capacitor or the like, for example. The term "inductance" encompasses any inductive component, that is to say, for example, a coil, choke or the like. In some cases, the inductance may be at least part of a winding of a transformer connected to the AC terminal of one of the inverters. Conveniently, the Vorladezweig bypasses the converter or the. In addition, a bridging branch bridging the pre-charging branch is expedient, in which a second mechanical switch is arranged, wherein each terminal can be connected to the pole via a mechanical switch.
Bei solchen Mitteln zum Vorladen der Submodule wird zur Inbetriebnahme des Umrichters wie folgt vorgegangen. Hierbei wird davon ausgegangen, dass der mechanische Schalter im Überbrü- ckungszweig geschlossen ist. In dieser Schalterstellung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung überbrückt. Bei geeigneter Ansteuerung der mechanischen Schalter, kommutiert der Strom in den Vorladezweig. Über den im Vorladezweig angeordneten Widerstand fließt ein Strom, wodurch die Energiespeicher der Submodule geladen werden können. Ist der oder sind die Mehrstufenumrichter betriebsbereit, kann dieser bei geeigneter Topologie verwendet werden, um den mechanischen Schalter im Vorladezweig nahezu stromfrei zu öffnen. Hierzu wird mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Spannung erzeugt, die in der aus der Vorrichtung und dem Vorladezweig gebildeten Masche eine Spannung erzeugt, die einen Kreisstrom treibt, der dem Betriebsstrom im mechanischen Schalter entgegengesetzt ist. Der Schalter kann stromlos öffnen, so dass ein Lichtbogen im Schalter gelöscht wird. Anschließend kann der Normalbetrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgen. In such means for pre-charging the submodules, the procedure for commissioning the inverter as follows. It is assumed here that the mechanical switch in the bridging branch is closed. In this switch position, the device according to the invention is bridged. With suitable control of the mechanical switch, the current commutates in the Vorladezweig. A current flows through the resistor arranged in the precharge branch, as a result of which the energy stores of the submodules can be charged. If the multistage converter is or is ready for operation, it can be used with a suitable topology to open the mechanical switch in the pre-charging branch virtually without current. For this purpose, a voltage is generated by means of the device according to the invention, which generates in the loop formed from the device and the Vorladezweig a voltage which drives a circulating current, which is opposite to the operating current in the mechanical switch. The switch can open normally so that an arc in the switch is extinguished. Subsequently, the normal operation of the device according to the invention can take place.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist jeder Wechselspannungsanschluss mit einer Phase eines Wechselspannungsnetzes verbunden. Auf diese Weise kann dem Pol des Gleichspannungsnetzes Leistung entnommen und beispielsweise in das Wechselspannungsnetz eingespeist werden. Das Wechselspannungsnetz kann ebenso mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung erst aufgebaut werden. Bei einer Variante der Erfindung verbindet der Vorladezweig eine der Anschlussklemmen mit dem Erdpotenzial oder mit einem entgegengesetzt polarisierten Pol des Gleichspannungsnetzes. In einer Ausführung der Erfindung sind zwei Umrichter in Reihe geschaltet. Auch die beiden in Reihe geschalteten Umrichter können wieder Submodule mit Voll- oder Halbbrückenschaltung aufweisen. Bevorzugt sind jedoch Halbbrückenschaltungen vorgesehen. Zweckmäßigerweise ist bei dieser Ausgestaltung der Erfindung der Vorladezweig mit einem Potenzialpunkt zwischen den Umrichtern einerseits und dem Erdpotenzial oder mit dem entgegengesetzt polarisierten Pol des Gleichspannungsnetzes andererseits verbunden. According to a preferred embodiment of the invention, each AC voltage terminal is connected to a phase of an AC voltage network. In this way, power can be taken from the pole of the direct voltage network and, for example, fed into the alternating voltage network. The alternating voltage network can also be built only with the help of the device according to the invention. In a variant of the invention, the precharging branch connects one of the connection terminals to the ground potential or to an oppositely polarized pole of the direct voltage network. In one embodiment of the invention, two inverters are connected in series. The two inverters connected in series can again have submodules with full or half-bridge switching. However, half-bridge circuits are preferably provided. Conveniently, in this embodiment of the invention, the precharging branch is connected to a potential point between the inverters on the one hand and the ground potential or to the oppositely polarized pole of the direct current power grid on the other hand.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Vorladen einer Vorrichtung zum Austausch elektrischer Leistung mit einem Pol des Gleichspannungsnetzes. Die Vorrichtung weist wieder zwei Anschlussklemmen zum seriellen Anschluss an den Pol und we- nigstens einen Umrichter mit Phasenmodulen auf, die sich jeweils zwischen zwei gemeinsamen Gleichspannungsanschlüssen erstrecken und jeweils einen Wechselspannungsanschluss aufweisen, wobei die Phasenmodule mit einer Reihenschaltung aus zweipoligen Submodulen ausbilden, von denen jedes eine Leis- tungshalbleiterschaltung sowie einen Energiespeicher aufweist und wobei Mittel zum Vorladen der Submodule vorgesehen sind. Das Verfahren umfasst die Schritte, dass die Energiespeicher der Submodule über die Mittel zum Vorladen der Submodule aufgeladen werden. Anschließend kann die Vorrichtung ihren Nor- malbetrieb aufnehmen und beispielsweise ein wechselspannungs - seitig mir ihr verbundenes Wechselspannungsnetz aufbauen. The invention also relates to a method for precharging a device for exchanging electrical power with a pole of the direct voltage network. The device again comprises two terminals for serial connection to the pole and at least one converter with phase modules each extending between two common DC terminals and each having an AC terminal, the phase modules forming a series arrangement of two-pole submodules, each of which a power semiconductor circuit and an energy storage and wherein means for precharging the submodules are provided. The method comprises the steps of charging the energy stores of the submodules via the means for precharging the submodules. Subsequently, the device can record its normal operation and, for example, set up an alternating-voltage side with its AC voltage network connected to it.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach dem seriellen Einbinden der Vorrichtung in den Pol ein mit dem Wechselspannungsanschluss verbundenes Wechselspannungsnetz aufgebaut. In a preferred embodiment of the method according to the invention, after the serial incorporation of the device into the pole, an AC voltage network connected to the AC voltage connection is established.
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 erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Further expedient embodiments and advantages of the invention are the subject matter of the following description of embodiments of the invention with reference to the figures of the drawing, wherein like reference numerals refer to like-acting components and wherein 1 shows a first embodiment of the device according to the invention,
Figur 2 eine Vorrichtung gemäß Figur 1 im Detail Figure 2 shows a device according to Figure 1 in detail
Figur 3 ein von Figur 2 abweichendes Ausführungsbei - spiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, FIG. 3 shows an embodiment of the device according to the invention deviating from FIG. 2,
Figur 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Figure 4 shows another embodiment of the device according to the invention and
Figur 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigen. Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, die zwei Anschlussklemmen 2 und 3 zum Anschluss an einen Pol 4 eines Gleichspannungsnetzes 5 aufweist. Das Gleichspannungsnetz 5 umfasst neben dem bereits erwähnten positiv polarisierten Pol 4 einen negativen Pol 6. Der andere Pol könnte jedoch auch auf dem Erdpotential liegen. Um die Vorrichtung 1 außer Betrieb nehmen zu können, ist ein Überbrückungszweig 7 vorgesehen, in dem ein mechanischer Schalter 8 angeordnet ist. Zum Verbinden der Anschlussklemmen 2 und 3 mit dem Pol 4 sind die mechanischen Schalter 9 und 10 vorgesehen. Wird der mechanische Schalter 8 geschlossen, ist die Vorrichtung 1 überbrückt. Figure 5 show a further embodiment of the device according to the invention. FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of the device 1 according to the invention, which has two connection terminals 2 and 3 for connection to a pole 4 of a direct voltage network 5. The DC voltage network 5 comprises, in addition to the already mentioned positively polarized pole 4, a negative pole 6. However, the other pole could also be at ground potential. In order to take the device 1 out of operation, a bridging branch 7 is provided, in which a mechanical switch 8 is arranged. For connecting the terminals 2 and 3 to the pole 4, the mechanical switches 9 and 10 are provided. If the mechanical switch 8 is closed, the device 1 is bridged.
Die Vorrichtung 1 umfasst ferner einen Umrichter 11 mit zwei figürlich nicht dargestellten Gleichspannungsanschlüssen, die hier jeweils mit einer Anschlussklemme 2 beziehungsweise 3 verbunden sind. Darüber hinaus bildet der Umrichter 11 einen Wechselspannungsanschluss aus, der mit einem dreiphasigen Wechselspannungsnetz 12 verbunden ist. Um das Wechselspannungsnetz 12 vom Umrichter 11 zu trennen, ist ein mechani- scher Trennschalter 13 vorgesehen. Weiterhin sind Mittel 14 zum Vorladen von figürlich nicht dargestellten Submodulen des Umrichters 11 vorgesehen. Die Mittel 14 zum Vorladen der Sub- module umfassen einen Vorladezweig 15, der einerseits mit der Vorrichtung 1 und andererseits mit dem negativen Pol 6 des Gleichspannungsnetzes 5 verbunden ist. In dem Vorladezweig 15 sind ein mechanischer Schalter 16 sowie ein ohmscher Widerstand 17 in Reihenschaltung angeordnet. The device 1 further comprises a converter 11 with two DC voltage connections, not shown in the figures, which are each connected here to a connection terminal 2 or 3. In addition, the inverter 11 forms an AC voltage terminal which is connected to a three-phase AC voltage network 12. In order to disconnect the alternating voltage network 12 from the converter 11, a mechanical disconnect switch 13 is provided. Furthermore, means 14 are provided for precharging not shown submodules of the inverter 11. The means 14 for precharging the submodules comprise a precharging branch 15, which on the one hand is connected to the Device 1 and on the other hand connected to the negative pole 6 of the DC power network 5. In the Vorladezweig 15, a mechanical switch 16 and an ohmic resistor 17 are arranged in series.
Figur 2 zeigt die Vorrichtung 1 gemäß Figur 1 genauer. Insbesondere ist der Aufbau des Umrichters 11 detaillierter dargestellt. Der Umrichter 11 weist drei Phasenmodule 18, 19 und 20 auf, die sich jeweils zwischen zwei gemeinsamen Gleich- Spannungsanschlüssen 21 und 22 erstrecken. Jedes Phasenmodul bildet ferner einen Wechselspannungsanschluss 23 aus, der mit einer Phase des besagten Wechselspannungsnetzes verbunden ist, das in Figur 2 figürlich nicht dargestellt ist. Der wechselspannungsseitige Anschluss des Umrichters 11 an das Wechselspannungsnetz erfolgt über einen Umrichtertransformator 24, der eine Primärwicklung 25 aufweist, die galvanisch mit dem Wechselspannungsanschluss 23 des Umrichters 11 verbunden ist. Eine Sekundärwicklung 26 ist galvanisch mit dem Wechselspannungsnetz verbunden ist. FIG. 2 shows the device 1 according to FIG. In particular, the structure of the inverter 11 is shown in more detail. The inverter 11 has three phase modules 18, 19 and 20, each extending between two common DC voltage terminals 21 and 22. Each phase module further forms an AC voltage terminal 23, which is connected to a phase of said alternating voltage network, which is not figuratively shown in Figure 2. The AC-side terminal of the inverter 11 to the AC voltage network via an inverter transformer 24 having a primary winding 25 which is galvanically connected to the AC voltage terminal 23 of the inverter 11. A secondary winding 26 is galvanically connected to the AC mains.
Der gemeinsame Gleichspannungsanschluss 21 der Phasenmodule 18, 19 und 20 ist mit der ersten Anschlussklemme 2 und der gemeinsame Gleichspannungsanschluss 22 mit der zweiten Anschlussklemme 3 verbunden. Zwischen einem Wechselspannungsan- schluss 23 und jedem Gleichspannungsanschluss 21 und 22 erstrecken sich Phasenmodulzweige 27, die zu einer Sechs-Pulsoder Graetz -Brücke miteinander verschaltet sind. Die Phasenmodulzweige 27 umfassen eine Reihenschaltung aus zweipoligen Submodulen 28, die hier alle identisch aufgebaut sind, und von denen in Figur 2 daher nur eines genauer dargestellt ist. Die identische Ausbildung der Submodule ist im Rahmen der Erfindung jedoch nicht zwingend erforderlich. Die Topologie der Submodule kann unterschiedlich sind. In Figur 2 ist erkennbar, dass alle Submodule 28 zweipolig ausgebildet sind und eine erste Submodulanschlussklemme und eine zweite Submodul- anschlussklemme aufweisen. Ferner verfügt jedes Submodul 28 über einen Energiespeicher 31, dem eine erste Reihenschaltung aus zwei IGBTs 32 als Leistungshalbleiterschalter sowie eine zweite Reihenschaltung aus zwei IGBTs 32 parallel geschaltet sind. Jedem IGBT 32 ist eine Freilaufdiode gegensinnig parallel geschaltet. Die erste Submodulanschlussklemme ist dem Potenzialpunkt zwischen den IGBTs 32 der ersten Reihenschaltung und die zweite Submodulanschlussklemme mit dem Potenzialpunkt zwischen den IGBTs der zweiten Reihenschaltung verbunden. Insgesamt verfügt jedes Submodul 28 somit über vier ein- und abschaltbare Leistungshalbleiterschalter 32 und bildet zusammen mit dem als Kondensator ausgebildeten Energiespeicher 31 eine Vollbrückenschaltung aus. An den beiden Submodulan- schlussklemmen kann somit entweder die am Kondensator 31 abfallende Kondensatorspannung, eine Nullspannung oder aber die inverse Kondensatorspannung erzeugt werden. Im Folgenden wird die Inbetriebnahme der Vorrichtung 1 gemäß Figur 2 beschrieben, wobei angenommen wird, dass sich bei dem Wechselspannungsnetz 12 um ein so genanntes Inselnetz ohne eigene Energiequelle handelt. Das Wechselspannungsnetz 12 ist vor Inbetriebnahme der Vorrichtung 1 nicht aufgebaut. Es liegt daher keine Wechselspannung an. Zunächst ist der Schalter 8 des Überbrückungszweiges 7 geschlossen, wohingegen die mechanischen Schalter 9 und 10 geöffnet sind. Somit ist die Vorrichtung 1 vollständig überbrückt. Zum Vorladen werden die mechanischen Schalter 9 und 16 geschlossen, so dass ein Gleichstrom über den Umrichter 11 und den Vorladezweig 15 fließt, der die Energiespeicher 31 der Submodule auflädt. Jetzt kann auch der Schalter 10 geschlossen werden. Anschließend wird der Schalter 8 im Überbrückungszweig 7 geöffnet, wobei eine Spannung an den Anschlussklemmen 2, 3 der Vorrich- tung 1 erzeugt wird, die den von den Kontakten des mechanischen Schalter 8 gezogenen Lichtbogen löscht . The common DC voltage terminal 21 of the phase modules 18, 19 and 20 is connected to the first terminal 2 and the common DC voltage terminal 22 to the second terminal 3. Between an AC voltage terminal 23 and each DC voltage terminal 21 and 22 extend phase module branches 27, which are connected to a six-pulse or Graetz bridge with each other. The phase module branches 27 comprise a series connection of bipolar submodules 28, which are all constructed identically here, and of which only one is shown in more detail in FIG. However, the identical design of the submodules is not absolutely necessary within the scope of the invention. The topology of submodules can vary. It can be seen in FIG. 2 that all submodules 28 are of bipolar design and have a first submodule connection terminal and a second submodule connection terminal. Furthermore, each submodule 28 has an energy store 31, which has a first series connection of two IGBTs 32 as a power semiconductor switch and a second series circuit of two IGBTs 32 are connected in parallel. Each IGBT 32 has a freewheeling diode connected in parallel in opposite directions. The first submodule connection terminal is connected to the potential point between the IGBTs 32 of the first series circuit and the second submodule connection terminal to the potential point between the IGBTs of the second series circuit. Overall, each submodule 28 thus has four power semiconductor switches 32 which can be switched on and off, and forms a full bridge circuit together with the energy store 31 designed as a capacitor. Thus, either the condenser voltage dropping across the capacitor 31, a zero voltage or the inverse capacitor voltage can be generated at the two submodule connection terminals. The commissioning of the device 1 according to FIG. 2 is described below, it being assumed that the AC voltage network 12 is a so-called off-grid without its own energy source. The alternating voltage network 12 is not constructed before the device 1 is put into operation. There is therefore no AC voltage. First, the switch 8 of the bridging branch 7 is closed, whereas the mechanical switches 9 and 10 are opened. Thus, the device 1 is completely bridged. For pre-charging, the mechanical switches 9 and 16 are closed, so that a direct current flows through the converter 11 and the pre-charge branch 15, which charges the energy stores 31 of the sub-modules. Now also the switch 10 can be closed. Subsequently, the switch 8 is opened in the bridging branch 7, whereby a voltage is generated at the connection terminals 2, 3 of the device 1, which extinguishes the arc drawn by the contacts of the mechanical switch 8.
Anschließend kann die Wechselspannung im Wechselspannungsnetz 12 aufgebaut werden. Nach einer angemessenen Erholungszeit des Schalters 8 kann die Vorrichtung 1 auf die Gleichspannung geregelt werden, die für den gewünschten Leistungsaustausch mit dem angeschlossenen Wechselspannungsnetz 12 erforderlich ist. Der genaue Ablauf des Vorladens und des Einschaltens hängt natürlich von den jeweiligen Schaltungen und der Belastbarkeit des an die Vorrichtung 1 angeschlossenen Wechselspannungsnetzes ab. In Figur 2 ist mit den Anschlüssen C und D des Transformators 24 angedeutet, dass ein Teil der Primärwicklung 25 des Transformators 24 als Induktivität eingesetzt werden kann, wenn dies für das Vorladen der Vorrichtung 1 zweckmäßig ist. Mit anderen Worten kann ein Teil der Primärwicklung 25 durch Verbindung mit dem Vorladezweig 15 als Induktivität dem ohmschen Widerstand 17 in Reihe geschal- tet werden, so dass dieser Teil der Mittel 14 zum Vorladen der Submodule ist. Subsequently, the AC voltage in the AC voltage network 12 can be established. After a reasonable recovery time of the switch 8, the device 1 can be controlled to the DC voltage required for the desired power exchange with the connected AC power supply 12. The exact process of pre-charging and switching on Of course, depends on the respective circuits and the load capacity of the connected to the device 1 alternating voltage network. In Figure 2 is indicated by the terminals C and D of the transformer 24 that a portion of the primary winding 25 of the transformer 24 can be used as an inductance, if this is useful for the pre-charging of the device 1. In other words, a part of the primary winding 25 can be connected in series as an inductance to the ohmic resistor 17 by connection to the precharging branch 15, so that this part is the means 14 for precharging the submodules.
Figur 3 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, die sich von dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, dass die Submodule 28 des Umrichters 11 nicht eine Vollbrückenschal - tung, sondern eine Halbbrückenschaltung ausbilden. Die Submodule 28 umfassen demnach lediglich eine Reihenschaltung aus zwei IGBTs, wobei einer der Submodulanschlussklemmen mit einem Pol des Energiespeichers und die andere Submodulan- schlussklemme mit dem Potenzialpunkt zwischen den IGBTs der Reihenschaltung verbunden ist. FIG. 3 shows a modified exemplary embodiment of the device 1 according to the invention, which differs from the exemplary embodiment shown in FIG. 2 in that the submodules 28 of the converter 11 do not form a full bridge circuit but a half bridge circuit. The submodules 28 accordingly comprise only a series arrangement of two IGBTs, one of the submodule connection terminals being connected to one pole of the energy store and the other submodule connection terminal being connected to the potential point between the IGBTs of the series connection.
Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfin- dungsgemäßen Vorrichtung 1, die im Gegensatz zu dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel neben einem ersten Umrichter 11 einen zweiten Umrichter 34 aufweist, der identisch zu dem ersten Umrichter 11 aufgebaut ist. Mit anderen Worten verfügt auch der zweite Umrichter 34 über Phasenmodule 18, 19 und 20, die jeweils zwei gemeinsame Gleichspannungsanschlüsse 21 und 22 sowie jeweils einen Wechselspannungsanschluss 23 aufweisen. Der Wechselspannungsanschluss 23 eines jeden Phasenmoduls 18, 19, 20 des zweiten Umrichters 34 ist über einen zweiten Transformator 35 mit einem zweiten separaten Wech- selspannungsnetz verbunden, das figürlich nicht dargestellt ist. Abweichend hiervon sind beide Transformatoren 24, 35 mit dem gleichen Wechselspannungsnetz verbunden. Der Vorladezweig 15 bei dieser Ausgestaltung der Erfindung ist mit dem Potenzialpunkt zwischen den Umrichtern 11 und 34 und andererseits mit dem negativen Pol 6 des Gleichspannungs - netzes 5 verbunden. Auf diese Art und Weise können die Submo- dule 28 beider Umrichter 11, 34, also besser gesagt die Energiespeicher 31 der Submodule 28 beider Umrichter 11 und 34 aufgeladen werden. FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of the device 1 according to the invention, which, in contrast to the exemplary embodiment shown in FIG. 3, has a second converter 34 in addition to a first converter 11, which converter is constructed identically to the first converter 11. In other words, the second converter 34 also has phase modules 18, 19 and 20 which each have two common DC voltage terminals 21 and 22 and one AC voltage terminal 23 each. The AC voltage terminal 23 of each phase module 18, 19, 20 of the second converter 34 is connected via a second transformer 35 to a second separate AC voltage network, which is not shown figuratively. Deviating from this, both transformers 24, 35 are connected to the same alternating voltage network. The precharging branch 15 in this embodiment of the invention is connected to the potential point between the inverters 11 and 34 and on the other hand to the negative pole 6 of the DC voltage network 5. In this way, the submodules 28 of both converters 11, 34, that is to say the energy stores 31 of the submodules 28 of both converters 11 and 34, can be charged.
Ist der oder sind die Umrichter mit einem Wechselspannungs - netz verbunden, das eine eigene Energiequelle hat, kann derIf the inverter (s) are connected to an AC power supply that has its own energy source, the
Umrichter 11 oder können die Umrichter 11 und 34 über den Widerstand 30 aufgeladen werden, der in den Figuren 2 bis 4 dargestellt ist. Hierzu wird der Schalter 13 geöffnet und der Schalter 29 geschlossen. Inverter 11 or the inverters 11 and 34 can be charged via the resistor 30, which is shown in Figures 2 to 4. For this purpose, the switch 13 is opened and the switch 29 is closed.
Figur 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, mit einem ersten Umrichter 11, der wieder als modularer Mehrstufenumrichter mit Halbbrücken gemäß Figur 3 ausgestaltet ist . Die Mittel 14 zum Vorladen der Submodule 28 umfassen zwar wieder einen Vorladezweig 15, in dem ein mechanischer Schalter 16 sowie ein ohmscher Widerstand 17 angeordnet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel überbrückt der Vorladezweig 15 jedoch den Umrichter 11. Der Vorladezweig 15 wird wiederum von dem Überbrückungszweig 7 überbrückt, in dem ein mechanischer Schalter 8 angeordnet ist. Die Anschlussklemmen 2 und 3 der Vorrichtung 1 sind wieder jeweils über separate Schalter 9 und 10 mit dem Pol 4 des Gleichspannungs - netzes 5 verbindbar. Dem mechanischen Schalter 8 im Überbrü- ckungszweig 7 ist ein klassischer Löschkreis 37 parallel ge- schaltet, der einen Schwingkreis ausbildet. Mittels desFigure 5 shows a further embodiment of the device according to the invention, with a first inverter 11, which is again designed as a modular multi-stage converter with half-bridges according to Figure 3. Although the means 14 for precharging the submodules 28 again comprise a precharging branch 15, in which a mechanical switch 16 and an ohmic resistor 17 are arranged. In this embodiment, however, the precharging branch 15 bridges the converter 11. The precharging branch 15 is again bridged by the bridging branch 7, in which a mechanical switch 8 is arranged. The terminals 2 and 3 of the device 1 are again connected via separate switches 9 and 10 to the pole 4 of the DC voltage network 5. The mechanical switch 8 in the bridging branch 7 is connected in parallel with a classic extinguishing circuit 37, which forms a resonant circuit. By means of the
Schwingkreises kann dem über den Schalter fließenden Strom eine Schwingung aufgeprägt und so ein Stromnulldurchgang erzeugt werden. Im Zeitpunkt des Stromnulldurchgangs kann der mechanische Schalter 8 stromlos geöffnet werden. Oscillating circuit can be imparted to the current flowing through the switch a vibration and thus a current zero crossing can be generated. At the time of the current zero crossing, the mechanical switch 8 can be opened without current.
Das Vorladen der Submodule 28 des Umrichters 11 gemäß Figur 5 wird wie folgt durchgeführt. Ist die Vorrichtung 1 nicht in Betrieb, ist der Schalter 8 des Überbrückungszweiges 7 ge- schlössen. Zur Inbetriebnahme der Vorrichtung 1 wird der Schalter 16 geschlossen und der Schalter 8 geöffnet. Der Hauptstrom kommutiert in den Vorladezweig 15 und fließt über den Widerstand 17, wobei mit Hilfe des Schwingkreises 37 der Schalter 8 unter Vermeidung eines Lichtbogens geöffnet werden kann. An dem Widerstand 17 fällt somit eine Spannung ab, die einen Strom treibt, mit dem die Energiespeicher 31 der Submo- dule 28 des Umrichters 11 aufgeladen werden können. Sind die Energiespeicher 31 ausreichend geladen, kann an dem Ausgang an den Anschlussklemmen 2 und 3 eine Spannung erzeugt werden, die in der aus dem Vorladezweig 15 und dem Umrichter 11 gebildeten Masche einen Kreisstrom erzeugt, der dem im Schalter 8 fließenden Strom entgegengesetzt ist, so dass bei gleichgroßen Amplituden der mechanische Schalter 37 nahezu stromlos geöffnet werden kann. Anschließend kann dem Pol des Gleichspannungsnetzes 5 die gewünschte Leistung entnommen und in das angeschlossene Wechselspannungsnetz 12 eingespeist werden . The precharging of the submodules 28 of the converter 11 according to FIG. 5 is carried out as follows. If the device 1 is not in operation, the switch 8 of the bridging branch 7 is closed. concluded. To start up the device 1, the switch 16 is closed and the switch 8 is opened. The main current commutates in the Vorladezweig 15 and flows through the resistor 17, with the aid of the resonant circuit 37, the switch 8 can be opened while avoiding an arc. Thus, a voltage drops at the resistor 17 which drives a current with which the energy stores 31 of the submodules 28 of the converter 11 can be charged. If the energy stores 31 are sufficiently charged, a voltage can be generated at the output at the connection terminals 2 and 3 which generates a circulating current in the loop formed by the precharging branch 15 and the converter 11, which is opposite to the current flowing in the switch 8 that with equal amplitudes of the mechanical switch 37 can be opened almost without power. Subsequently, the desired power can be taken from the pole of the DC voltage network 5 and fed into the connected AC voltage network 12.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung (1) zum Austausch elektrischer Leistung mit einem Pol (4) eines Gleichspannungsnetzes (5) mit zwei An- schlussklemmen (2,3) zum seriellen Anschluss in den Pol (4) und mit wenigstens einem Umrichter (11), der an ihrem Gleich- spannungsanschluss miteinander verbundene Phasenmodule 1. Device (1) for exchanging electrical power with a pole (4) of a DC voltage network (5) with two connection terminals (2,3) for serial connection in the pole (4) and at least one inverter (11) at their DC voltage connection interconnected phase modules
(18,19,20) aufweist, die jeweils über einen Wechselspannungs - anschluss (23) verfügen und eine Reihenschaltung aus zweipo- ligen Submodulen (28) umfassen, (18, 19, 20) each having an AC connection (23) and comprising a series connection of two-pole submodules (28),
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
jedes Submodul (28) mit einer Leistungshalbleiterschaltung und einem Energiespeicher (31) ausgerüstet ist und Mittel (14) zum Vorladen der Submodule (28) vorgesehen sind, die ein Aufladen der Energiespeicher (31) unabhängig von der Anbin- dung der Wechselspannungsanschlüsse (23) ermöglichen. each submodule (28) is equipped with a power semiconductor circuit and an energy store (31) and means (14) are provided for precharging the submodules (28) which charge the energy stores (31) independently of the connection of the AC voltage terminals (23) enable.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, 2. Device (1) according to claim 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
die Submodule (28) eine Vollbrückenschaltung oder Halbbrückenschaltung ausbilden. the submodules (28) form a full bridge circuit or half bridge circuit.
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, 3. Device (1) according to claim 1 or 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
die Mittel (14) zum Vorladen der Submodule (28) einen Vorladezweig (15) umfassen, in dem ein mechanischer Schalter (16) und ein Widerstand (17) in Reihenschaltung angeordnet sind. the means (14) for precharging the submodules (28) comprise a precharging branch (15) in which a mechanical switch (16) and a resistor (17) are arranged in series connection.
4. Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, 4. Device (1) according to claim 3,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
dem Widerstand (17) eine Kapazität und/oder eine Induktivität in Reihe geschaltet ist. the resistor (17) has a capacitance and / or an inductance connected in series.
5. Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, 5. Device (1) according to claim 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
die Induktivität zumindest Teil einer Wicklung (25) eines Transformators (24) ist, der mit dem Wechselspannungsan- schluss eines der Umrichter (11) verbunden ist. the inductance is at least part of a winding (25) of a transformer (24) which is connected to the AC voltage terminal of one of the inverters (11).
6. Vorrichtung (1) nach Anspruch 3 bis 5, 6. Device (1) according to claim 3 to 5,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
der Vorladezweig (15) eine der Anschlussklemmen (2,3) mit dem Erdpotenzial oder mit einem entgegengesetzt polarisierten Pol (6) des Gleichspannungsnetzes (5) verbindet. the precharging branch (15) connects one of the connection terminals (2, 3) to the ground potential or to an oppositely polarized pole (6) of the direct voltage network (5).
7. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 7. Device (1) according to one of claims 1 to 5,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
zwei Umrichter (11,34) in Reihe geschaltet sind. two inverters (11,34) are connected in series.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, 8. Apparatus according to claim 7,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
der Vorladezweig (15) einem Potenzialpunkt zwischen den Um- richtern (11,34) mit dem Erdpotenzial oder mit einem entgegengesetzt polarisierten Pol (6) des Gleichspannungsnetzes (5) verbindet. the precharging branch (15) connects a potential point between the converters (11, 34) to the ground potential or to an oppositely polarized pole (6) of the direct current network (5).
9. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, 9. Device (1) according to one of claims 3 to 5,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
der Vorladezweig (15) den oder die Umrichter (11,34) überbrückt . the Vorladezweig (15) the one or more inverters (11,34) bridged.
10. Vorrichtung (1) 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 10. The device according to claim 1, wherein:
jeder Wechselspannungsanschluss mit einer Phase eines Wechselspannungsnetzes verbunden ist. each AC voltage terminal is connected to one phase of an AC mains.
11. Verfahren zum Vorladen einer Vorrichtung (1) zum Aus- tausch elektrischer Leistung mit einem Pol (4) eines Gleichspannungsnetzes (5), die zwei Anschlussklemmen (2,3) zum seriellen Anschluss an den Pol (4) und wenigstens einen Umrichter (11) mit Phasenmodulen (18,19,20) aufweist, die sich jeweils zwischen zwei gemeinsamen Gleichspannungsanschlüssen (21,22) erstrecken und jeweils einen Wechselspannungsanschluss (23) aufweisen, wobei die Phasenmodule (18,19,20) mit einer Reihenschaltung aus zweipoligen Submodulen (28) ausgerüstet sind, von denen jedes eine Leistungshalbleiterschal- tung sowie einen Energiespeicher (31) aufweist und wobei Mittel (14) zum Vorladen der Submodule (28) vorgesehen sind, bei denen die Energiespeicher (31) der Submodule (28) über die Mittel zum Vorladen der Submodule aufgeladen werden und an- schließend ein dem Wechselspannungsanschluss des oder der Umrichter (11,34) verbundenes Wechselspannungsnetz (12) aufgebaut wird. 11. A method for precharging a device (1) for exchanging electrical power with a pole (4) of a DC voltage network (5), the two connection terminals (2,3) for the serial connection to the pole (4) and at least one converter ( 11) with phase modules (18,19,20), each extending between two common DC voltage terminals (21,22) and each having an AC voltage terminal (23), wherein the phase modules (18,19,20) with a series circuit of bipolar Submodules (28) are equipped, each of which is a power semiconductor switch and means (14) for precharging the submodules (28) are provided, in which the energy stores (31) of the submodules (28) are charged via the means for precharging the submodules and then a the AC voltage terminal of the inverter or (11,34) connected AC voltage network (12) is constructed.
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