WO2018041369A1 - Stromrichter mit überbrückungselement - Google Patents

Stromrichter mit überbrückungselement Download PDF

Info

Publication number
WO2018041369A1
WO2018041369A1 PCT/EP2016/070830 EP2016070830W WO2018041369A1 WO 2018041369 A1 WO2018041369 A1 WO 2018041369A1 EP 2016070830 W EP2016070830 W EP 2016070830W WO 2018041369 A1 WO2018041369 A1 WO 2018041369A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
modules
series circuit
bridging
module
bridging element
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/070830
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel BÖHME
Thomas KÜBEL
Steffen PIERSTORF
Daniel Schmitt
Frank Schremmer
Torsten Stoltze
Marcus Wahle
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Priority to PCT/EP2016/070830 priority Critical patent/WO2018041369A1/de
Publication of WO2018041369A1 publication Critical patent/WO2018041369A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/10—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers
    • H02H7/12—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers
    • H02H7/1203—Circuits independent of the type of conversion
    • H02H7/1206—Circuits independent of the type of conversion specially adapted to conversion cells composed of a plurality of parallel or serial connected elements
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/10—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers
    • H02H7/12—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers
    • H02H7/125—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers for rectifiers
    • H02H7/1257—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers for rectifiers responsive to short circuit or wrong polarity in output circuit
    • 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
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • 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
    • 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
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H02M1/325—Means for protecting converters other than automatic disconnection with means for allowing continuous operation despite a fault, i.e. fault tolerant converters

Definitions

  • the invention relates to a power converter with a plurality of modules, each having at least two electronic
  • the invention relates to a method for bridging modules of a power converter.
  • Power converters are power electronic circuits for converting electrical energy.
  • AC can be used in DC, DC in AC, AC in AC of other frequency and / or
  • VSC voltage sourced converter
  • the electrical series connection of the modules can achieve high output voltages.
  • the converters are easily adaptable to different voltages (scalable) and a desired output voltage can be generated relatively accurately.
  • Modular multilevel converters are often used in the high voltage range, for example as
  • the invention has for its object to provide a power converter and a method that a simple and
  • the Bridging element is assigned to bridge the series circuit.
  • the power converter can be a modular
  • the bridging element bridges over to a bridging signal
  • the power converter can in
  • Bridging element is sufficient to the modules of the series connection before a fault current or overcurrent to protect. It is advantageous that in the individual
  • Bridging element is only connected at two points, namely at an initial contact of the series circuit and at an end contact of the series circuit with the series circuit. As a result, there are only two electrical
  • the power converter can be designed so that the
  • the power converter can also be designed so that the bridging element at least one controllable
  • Power semiconductor device in particular at least one thyristor having.
  • Thyristor is turned on (i.e., ignited)), then the bypass element is active and thereby able to bypass an occurring overcurrent on the series connection of the modules.
  • a thyristor is therefore special
  • the power converter may also be configured such that the bridging element has a plurality of controllable power semiconductor components, in particular a plurality of thyristors, which are arranged in an electrical series circuit (component series circuit, thyristor series circuit).
  • Power semiconductor components (or by means of Such a series connection of thyristors) can realize a bridging element that works reliably even at high voltages.
  • the power converter may also be configured such that the at least one thyristor is a light-controlled thyristor or light-triggered thyristor (LTT).
  • Light-controlled thyristors are particularly advantageous because they can be switched on (ignited) by means of an optical bypass signal.
  • Thyristor / transmit the thyristors, for example by means of an optical waveguide.
  • the power converter can also be designed so that the electrical energy storage is a capacitor.
  • Capacitor is preferably a unipolar capacitor.
  • the power converter can also be designed so that the two electronic switching elements of the modules in one
  • Half bridge circuit are arranged (the two
  • half-bridge modules also referred to as half-bridge modules
  • Multilevel power converter included.
  • (two-pole) modules each having at least two electronic switching elements and an electrical
  • Series circuit is electrically bridged (so that after bridging electrical power, bypassing the
  • Bridging signal out by means of the bridging element the (complete) series circuit electrically bypasses.
  • a single bridging element is therefore sufficient to protect the modules of the series connection from a fault current or overcurrent.
  • the method can proceed in such a way that by means of the
  • the procedure can also be such that
  • an optical bypass signal is generated
  • Signal line is transmitted to the bridging element.
  • the procedure can also be such that the
  • Bridging element in an electrical series connection component series connection, thyristor series connection
  • a plurality of controllable power semiconductor components
  • thyristors which by means of Bridging signal (parallel in time, at the same time) activated (switched on, ignited).
  • the described power converter and the described method have the same or similar advantages.
  • Figure 1 shows an embodiment of a power converter having a plurality of modules
  • Figure 2 shows an embodiment of a module
  • Figure 3 shows an embodiment of a high voltage DC transmission system
  • Figure 4 shows an embodiment of a module with a
  • FIG. 5 shows an embodiment of a series connection of modules with a bridging element, in Figure 6, the embodiment of Figure 5 in a simplified representation, in
  • Figure 7 shows another embodiment of a
  • Figure 8 shows another embodiment of a
  • FIG. 1 shows a power converter 1 in the form of a modular multilevel converter 1 (modular multilevel converter, MMC).
  • This multi-level power converter 1 has a first AC voltage connection 5, a second AC ian gleich 7 and a third alternating voltage terminal ⁇ 9.
  • the first AC voltage terminal 5 is electrically connected to a first phase module branch 11 and a second phase module branch 13.
  • the first phase module branch 11 and the second phase module branch 13 form a first phase module 15 of the power converter 1.
  • Phase module branch 11 is electrically connected to a first DC voltage connection 16; that the first
  • Phase module branch 13 is connected to a second
  • the first DC voltage terminal 16 electrically connected.
  • the first DC voltage terminal 16 is a positive one
  • the second DC voltage terminal 17 is a negative DC voltage terminal.
  • the second AC voltage terminal 7 is electrically connected to one end of a third phase module branch 18 and to one end of a fourth phase module branch 21.
  • the third phase module branch 18 and the fourth phase module branch 21 form a second phase module 24.
  • the third AC voltage terminal 9 is connected to one end of a fifth
  • Phase module branch 27 Phase module branch 27 and with one end of a sixth
  • Phase module branch 29 electrically connected.
  • Phase module branch 27 and the sixth phase module branch 29 form a third phase module 31.
  • the second AC terminal 7 opposite end of the third phase module branch 18 and the third
  • AC voltage terminal 9 opposite end of the fifth phase module branch 27 are electrically connected to the first DC voltage terminal 16.
  • the second AC terminal 7 remote from the end of the fourth phase ⁇ module branch 21 and the third AC terminal 9 opposite end of the sixth phase module branch 29 are electrically connected to the second DC voltage terminal 17.
  • the first phase module branch 11, the third phase module branch 18 and the fifth phase module branch 27 form a positive-side converter element 32; the second phase module branch 13, the fourth phase module branch 21 and the sixth phase module branch 29 form a negative-side converter part 33.
  • Each phase module branch has a plurality of modules (1_1, 1_2, 1_3, 1_4 ... l_n; 2_1 ... 2_n; etc.) which are electrically connected in series (by means of their galvanic current connections). Such modules are also referred to as submodules.
  • each phase module branch has n modules. The number of electrically connected in series by means of their galvanic power connections modules can be very different, at least three
  • n 36: the first one
  • Phase module branch 11 thus has 36 modules 1_1, 1_2, 1_3, ...
  • phase module branches 13, 18, 21, 27 and 29 are of similar construction.
  • Communication link 37 (for example via a
  • Fiber optic cable to the individual modules.
  • the message transmission between the controller and a module is symbolically represented by a line 37; the direction of the message transmission is symbolized by the arrowheads on the lines 37. This is shown using the example of modules 1_1, 1_4 and 4_5; Messages are sent to the other modules in the same way or from these modules
  • Control device 35 to the individual modules each have a desired value for the amount of output voltage that is to provide the respective module.
  • a module 201 is shown by way of example. This may be, for example, the module 1_1 of the first phase module branch 11 (or else to one of the other modules shown in Figure 1).
  • the module is designed as a half-bridge module 201.
  • the module 201 has a first on and off switchable electronic
  • Switching element 202 switching element 202 which can be switched on and off
  • a first antiparallel-connected diode 204 first freewheeling diode 204
  • the module 201 has a second switchable on and off electronic switching element 206 (switchable on and off switching element 206) with a second antiparallel connected diode 208 (second
  • Freewheeling diode 208 and an electrical energy store 210 in the form of a capacitor 210.
  • Electronic switching element 202 and the second electronic switching element 206 are each configured as an IGBT (insulated-gate bipolar transistor).
  • Switching element 202 is electrically connected in series with second electronic switching element 206. At the connection point between the two electronic switching elements 202 and 206, there is a first galvanic module connection 212
  • a second galvanic module connection 215 is arranged.
  • Module terminal 215 is further connected to a first terminal of energy storage 210; a second terminal of the energy storage 210 is electrically connected to the
  • the energy storage 210 is therefore electrically parallel
  • first switching element 202 and the second switching element 206 By switching the first switching element 202 and the second switching element 206 appropriately, it can be achieved that either the voltage of the energy store 210 is output or no voltage is output between the first galvanic module connection 212 and the second galvanic module connection 215 (ie a zero voltage is output).
  • a zero voltage is output.
  • Triggering of the first switching element 202 and the second switching element 206 takes place in the exemplary embodiment by means of a module-internal electronic module control device 220.
  • FIG. 3 schematically shows an exemplary embodiment of a high-voltage direct-current transmission system 301.
  • This high-voltage DC transmission system 301 has two power converters 1, as shown in FIG. These two power converters 1 are electrically connected to one another on the DC voltage side via a high-voltage direct current connection 305. The two are positive
  • DC terminals 16 of the power converters 1 are electrically connected to each other by means of a first high-voltage DC line 305a; the two negative DC voltage connections 17 of the two power converters 1 are electrically connected to one another by means of a second high-voltage direct-current line 305b.
  • High voltage DC transmission system 301 may
  • FIG. 4 shows an embodiment of a module 402 is shown, the basic structure of which corresponds to the module 201 of Figure 2. In addition to that in FIG. 2
  • the module 402 comprises a thyristor 406 serving as a bridging element 406.
  • Thyristor 406 is connected between the first module terminal 212 and the second module terminal 215. If, due to a fault, a large fault current 410 (short-circuit current 410) flows out of the module 402 through the second module terminal 215 and back out of the module 402 through the first module terminal 212, then this fault current 410 would overload the second diode 208. Therefore, in the event of a fault, the thyristor 406 would be switched on (fired), thus the short-circuit current 410 from the second module connection 215 (bypassing second diode 208) flows via thyristor 406 directly to first module terminal 212.
  • short-circuit current 410 short-circuit current 410
  • this module 402 has the disadvantage that each module requires a thyristor, which must be contacted with the first module connection 212 and with the second module connection 215 in such a way that, in the event of an error, large
  • Residual currents 410 can safely flow through the thyristor 406.
  • the realization of such a connected thyristor 406 is therefore complicated and expensive.
  • FIG. 5 shows a section of the power converter 1 of FIG.
  • the modules 1_1, 1_2, 1_3, 1_4, 1_5 and 1_6 of the first phase module branch 11 form a
  • the module 1_5 is not shown in Figure 5, instead, it is indicated by three points that between the module 1_4 and the module 1_6 one or more other modules can be arranged. in the
  • the series circuit 506 has six modules, in other embodiments, the series circuit but also other numbers of modules
  • the series circuit 506 (module series circuit 506) has an initial contact 510 of the series connection and a
  • Module terminal 212 of the last module 1_6 of the series circuit forms the end contact 512.
  • the first electronic switching element 202 and the second electronic switching element 206 are in one
  • Half-bridge circuit arranged. Parallel to the series connection of the first electronic switching element 202 and the second electronic switching element 206 of the electrical energy switch 210 is connected. The electric
  • Power switch 210 may be a capacitor 210 in particular.
  • About the energy storage 210 is the energy storage voltage U c (capacitor voltage U c ).
  • the output voltage U A of the module is output.
  • the series circuit 506 is associated with a bypass element 520.
  • the bridging element 520 serves for
  • the bypass element 520 is connected in parallel with the series circuit 506. This is bridged by a jumper signal 525
  • the bypass signal 525 is generated by the control device 35 and via a
  • Communication link 530 (for example, a signal line 530) to the bridging element 520 transmitted.
  • Communication link 530 is configured in the exemplary embodiment as an optical waveguide 530;
  • Bridging signal 525 is an optical bypass signal 525 (light signal 525).
  • the bridging element 520 has a plurality of power semiconductor components 535. In the embodiment, it is in the
  • Power semiconductor devices around thyristors 535 are in a
  • electrical series circuit 540 (device series circuit 540, thyristor series circuit 540).
  • the series circuit 540 has four controllable power semiconductor components 535 (here: four Thyristors 535).
  • the thyristors 535 are in particular light-controlled thyristors (LTT - Light Triggered
  • Thyristor The three points indicate that the bridging element 520 may, however, also have a different number of power semiconductor components / thyristors 535. In extreme cases, even one
  • Power semiconductor device 535 e.g., a single
  • Thyristor 535 sufficient), if this power semiconductor device 535, in particular this thyristor 535, has a sufficiently high withstand voltage. In general, there are always so many power semiconductor devices
  • bypass element 520 As long as the bypass element 520 is not active (that is, the power semiconductor devices / thyristors 535 of the bypass element 520 are not turned on or not ignited), in the event of a fault, a fault current 550 from the initial contact 510 of
  • bypass element 520 is activated, that is, turned on. This is done by the fact that the
  • Control 35 generates the bypass signal 525.
  • the bypass signal 525 is sent from the controller 35 via the communication link 530 to the
  • the thyristors ignite 535 and become electrically conductive.
  • the bypass signal 525 so the Power semiconductor devices 535 (in particular all
  • Bypass element 520 electrically conductive.
  • the fault current 550 then no longer flows through the modules 1_1 to 1_6. Rather, the fault current 550 * flows from the
  • the fault current also flows almost completely as fault current 550 * through the bypass element 520 because the bypass element 520 has a lower electrical resistance than the series connection of the modules 1_1 to 1_6.
  • the bridging element 520 is electrically low inductively connected to the starting contact 510 and the end contact 512, so that even a possibly rapidly changing fault current 550 * flows through the bridging element 520 and is thus conducted past the modules of the power converter. The fault current 550 * is thus bypassing the
  • FIG. 6 shows the embodiment of FIG. 5 in a simplified representation.
  • the modules 1_1 to 1_6 are each represented as a rectangular block.
  • the series circuit 506 of the modules 1_1 to 1_6 is on
  • FIG. 7 shows a further exemplary embodiment of a part of the power converter 1, in which the series circuit 506 has, for example, six constructional units 610.
  • the series circuit 506 may be another
  • Series circuit 506 is associated with a single bypass element 520. With this bridging element 520 is in
  • the series connection 506 of the constructional units 610 is configured in the exemplary embodiment of FIG. 7 as a converter tower 710.
  • the modules of the series circuit 506 are thus components of the converter tower 710.
  • a "converter tower 710" is an arrangement in which modules of
  • Power converters tower-shaped i.e., in several levels
  • Figure 8 is another embodiment of a
  • This series circuit 506 has a plurality of converter towers 710, in particular six converter towers 710.
  • converter towers 710 form a phase module branch of the power converter 1, in particular the first phase module branch 11.
  • Series circuit 506 are thus components of the
  • the series circuit 506 of several converter towers 710 is the only one
  • FIG. 9 again shows the method for bridging modules of the power converter by means of a flow chart.
  • the starting point of the method is that an error associated with a fault current has been detected and therefore the modules of the power converter are to be protected from the fault current.
  • Bypass element 520 Passing the fault current 550 * through the bypass element 520, bypassing the
  • the series circuit (in particular the modules of the power converter contained in the series circuit) is protected from the fault current.
  • DC side of the power converter ie, for example, short circuits on the DC side of the converter
  • the second electronic switching element 206 and / or the second free-wheeling diode 208 must be located before the (often very high)
  • a bridging element (protective element) which, in the event of a fault, electrically bridges the series circuit 506 with the modules. It is particularly advantageous that for all modules of the series connection only one Bridging element is needed. For example, several modules can become one (transportable) constructive
  • Unit 610 transport unit 610) and all the modules of this unit require only one common bridging element 520. If high voltages occur at the series circuit 506, then the bypass element 520 may be a plurality
  • the control of the bridging element 520 can be particularly easily by means of an optical
  • Bridging element 520 for example, light-controlled
  • Thyristors (light-triggered thyristors) have.
  • An electrical control of the bridging element 520 is also possible.
  • the use of a single bypass element 520 per series connection has a number of advantages: The electrical connection of the bypass element 520 to the series circuit 506 is substantially simplified, since only two contact points (the initial contact 510 and the
  • Bypass element 520 must be connected. If this electrical connection advantageously means
  • Bridging element 520 can take over almost the entire fault current quickly. Furthermore, such a central bridging element 520 can be realized in a particularly low-inductance manner (that is, with a low electrical inductance).

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stromrichter (1) mit einer Mehrzahl von Modulen (1_1 … 1_6), die jeweils mindestens zwei elektronische Schaltelemente (202, 206) und einen elektrischen Energiespeicher (210) aufweisen. Dabei sind die Module (1_1 … 1_6) in einer elektrischen Reihenschaltung (506) angeordnet, wobei der Reihenschaltung (506) ein Überbrückungselement (520) zum Überbrücken der Reihenschaltung (506) zugeordnet ist.

Description

Beschreibung
STROMRICHTER MIT ÜBERBRÜCKUNGSELEMENT
Die Erfindung betrifft einen Stromrichter mit einer Mehrzahl von Modulen, die jeweils mindestens zwei elektronische
Schaltelemente und einen elektrischen Energiespeicher aufweisen, wobei die Module in einer elektrischen
Reihenschaltung angeordnet sind. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Überbrücken von Modulen eines Stromrichters .
Stromrichter sind leistungselektronische Schaltungen zum Umwandeln von elektrischer Energie. Mit Stromrichtern kann Wechselstrom in Gleichstrom, Gleichstrom in Wechselstrom, Wechselstrom in Wechselstrom anderer Frequenz und/oder
Amplitude oder Gleichstrom in Gleichstrom anderer Spannung umgewandelt werden. Stromrichter können eine Vielzahl der oben genannten gleichartigen Module (die auch als Submodule bezeichnet werden) aufweisen, welche elektrisch in Reihe geschaltet sind. Solche Stromrichter werden als modulare Multilevelstromrichter bezeichnet und gehören zu den VSC- Stromrichtern (VSC = voltage sourced Converter) . Durch die elektrische Reihenschaltung der Module lassen sich hohe Ausgangsspannungen erreichen. Die Stromrichter sind einfach an unterschiedliche Spannungen anpassbar (skalierbar) und eine gewünschte Ausgangsspannung kann relativ genau erzeugt werden. Modulare Multilevelstromrichter werden oftmals im Hochspannungsbereich eingesetzt, beispielsweise als
Stromrichter bei Hochspannungs-Gleichstrom- Übertragungsanlagen .
Bei Auftreten von Fehlern, insbesondere bei Auftreten von Kurzschlüssen auf der Gleichspannungsseite des Stromrichters kann es zu hohen Fehlerströmen kommen, die über die Module fließen. Um die elektronischen Schaltelemente oder zu diesen Schaltelementen antiparallel geschaltete Freilaufdioden vor diesen Fehlerströmen zu schützen, ist es denkbar, parallel z jedem Modul einen Thyristor zu schalten, der im Fehlerfall gezündet wird und dann das Modul überbrückt. Allerdings würden dann für jedes Modul ein zusätzlicher Thyristor und eine zuverlässige, auch für die hohen Fehlerströme geeignete elektrische Verbindung zwischen dem Thyristor und den
Modulanschlüssen benötigt werden. Dies würde einen
beträchtlichen Aufwand verursachen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stromrichter und ein Verfahren anzugeben, die einen einfachen und
zuverlässigen Schutz vor Fehlerströmen ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen
Stromrichter und durch ein Verfahren nach den unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausführungsformen des
Stromrichters und des Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Offenbart wird ein Stromrichter mit einer Mehrzahl von
(zweipoligen) Modulen, die jeweils mindestens zwei
elektronische Schaltelemente und einen elektrischen
Energiespeicher aufweisen, wobei die Module in einer
elektrischen Reihenschaltung (Modul-Reihenschaltung)
angeordnet sind, wobei der Reihenschaltung ein
Überbrückungselement zum Überbrücken der Reihenschaltung zugeordnet ist. Der Stromrichter kann ein modularer
Multilevelstromrichter sein. Das Überbrückungselement überbrückt auf ein Überbrückungssignal hin die
Reihenschaltung elektrisch. Der Stromrichter kann im
Allgemeinen mehrere Reihenschaltungen von Modulen aufweisen. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass ein einziges
Überbrückungselement zum Überbrücken der gesamten
Reihenschaltung vorgesehen ist. Dadurch wird nicht bei jedem Modul ein eigenes Überbrückungselement benötigt, sondern es reicht ein (zentrales) Überbrückungselement für die
Reihenschaltung aus mehreren Modulen aus. Ein einziges
Überbrückungselement reicht also aus, um die Module der Reihenschaltung vor einem Fehlerstrom bzw. Überstrom zu schützen. Dabei ist vorteilhaft, dass in den einzelnen
Modulen kein zusätzlicher Montageaufwand für ein
modulinternes Überbrückungselement anfällt. Das
Überbrückungselement wird lediglich an zwei Punkten, nämlich an einem Anfangskontakt der Reihenschaltung und an einem Endkontakt der Reihenschaltung mit der Reihenschaltung verbunden. Dadurch gibt es auch nur zwei elektrische
Kontaktstellen, auf denen eine gute elektrische Verbindung zwischen dem Überbrückungselement und der Reihenschaltung sichergestellt werden sollte.
Der Stromrichter kann so ausgestaltet sein, dass das
Überbrückungselement parallel zu der Reihenschaltung
geschaltet ist. Damit kann vorteilhafterweise ein
auftretender Überstrom parallel an der Reihenschaltung vorbeigeleitet werden.
Der Stromrichter kann auch so ausgestaltet sein, dass das Überbrückungselement mindestens ein steuerbares
Leistungshalbleiter-Bauelement, insbesondere mindestens einen Thyristor, aufweist. Wenn das steuerbare Leistungshalbleiter- Bauelement eingeschaltet wird (insbesondere wenn der
Thyristor eingeschaltet (d.h. gezündet) wird), dann ist das Überbrückungselement aktiv und dadurch in der Lage, einen auftretenden Überstrom an der Reihenschaltung der Module vorbeizuleiten. Ein Thyristor ist deshalb besonders
vorteilhaft, weil dieser besonders schnell eingeschaltet (gezündet) werden kann, und dadurch die Schutzfunktion des Überbrückungselements im Bedarfsfall sehr schnell wirksam werden kann.
Der Stromrichter kann auch so ausgestaltet sein, dass das Überbrückungselement mehrere steuerbare Leistungshalbleiter- Bauelemente, insbesondere mehrere Thyristoren, aufweist, die in einer elektrischen Reihenschaltung (Bauelement- Reihenschaltung, Thyristor-Reihenschaltung) angeordnet sind. Mittels einer derartigen Reihenschaltung von
Leistungshalbleiter-Bauelementen (beziehungsweise mittels einer derartigen Reihenschaltung von Thyristoren) lässt sich ein Überbrückungselement realisieren, das auch bei hohen Spannungen zuverlässig funktioniert. Eine derartige
Reihenschaltung von Leistungshalbleiter-Bauelementen oder Thyristoren ist daher insbesondere im Hochspannungsbereich vorteilhaft .
Der Stromrichter kann auch so ausgestaltet sein, dass der mindestens eine Thyristor ein lichtgesteuerter Thyristor bzw. lichtgesteuerte Thyristoren (LTT - light triggered thyristor) sind. Lichtgesteuerte Thyristoren sind besonders vorteilhaft, weil diese mittels eines optischen Überbrückungssignals eingeschaltet (gezündet) werden können. Ein optisches
Überbrückungssignal lässt sich vorteilhafterweise einfach potentialgetrennt zwischen einer Steuereinrichtung und dem
Thyristor/den Thyristoren übertragen, beispielsweise mittels einem Lichtwellenleiter.
Der Stromrichter kann auch so ausgestaltet sein, dass der elektrische Energiespeicher ein Kondensator ist. Dieser
Kondensator ist vorzugsweise ein unipolarer Kondensator.
Der Stromrichter kann auch so ausgestaltet sein, dass die zwei elektronischen Schaltelemente der Module in einer
Halbbrückenschaltung angeordnet sind (wobei die zwei
elektronischen Schaltelemente eine elektrische Schaltelement- Reihenschaltung bilden und diese Schaltelement- Reihenschaltung parallel zu dem Energiespeicher geschaltet ist) . Eine derartige elektronische Schaltung ist
beispielsweise in sogenannten Halbbrücken-Modulen (auch als Halbbrücken-Modulen bezeichnet) eines modularen
MultilevelStromrichters enthalten .
Offenbart werden weiterhin eine Hochspannungs-Gleichstrom- Übertragungsanlage mit einem Stromrichter nach einer der vorstehend beschriebenen Varianten. Offenbart wird weiterhin ein Verfahren, zum Überbrücken von Modulen eines Stromrichters, der eine Mehrzahl solcher
(zweipoliger) Module aufweist, die jeweils mindestens zwei elektronische Schaltelemente und einen elektrischen
Energiespeicher aufweisen, wobei die Module in einer
elektrischen Reihenschaltung (Modul-Reihenschaltung)
angeordnet sind, wobei bei dem Verfahren
- auf ein Überbrückungssignal hin mittels eines der
Reihenschaltung zugeordneten Überbrückungselements die
Reihenschaltung elektrisch überbrückt wird (so dass nach der Überbrückung elektrischer Strom unter Umgehung der
Reihenschaltung durch das Überbrückungselement geleitet wird . ) Bei diesem Verfahren wird vorteilhafterweise auf das
Überbrückungssignal hin mittels des Überbrückungselements die (komplette) Reihenschaltung elektrisch überbrückt. Ein einziges Überbrückungselement reicht also aus, um die Module der Reihenschaltung vor einem Fehlerstrom bzw. Überstrom zu schützen.
Das Verfahren kann so ablaufen, dass mittels des
Überbrückungselements die Module (sämtliche Module) der Reihenschaltung gleichzeitig überbrückt werden.
Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass
- als Überbrückungssignal ein optisches Überbrückungssignal erzeugt wird, und
- dieses Überbrückungssignal über eine optische
Kommunikationsverbindung (zum Beispiel über eine
Signalleitung) zu dem Überbrückungselement übertragen wird.
Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass das
Überbrückungselement in einer elektrischen Reihenschaltung (Bauelement-Reihenschaltung, Thyristor-Reihenschaltung) mehrere steuerbare Leistungshalbleiter-Bauelemente,
insbesondere mehrere Thyristoren, aufweist, die mittels des Überbrückungssignals (zeitlich parallel, gleichzeitig) aktiviert (eingeschaltet, gezündet) werden.
Der beschriebene Stromrichter und das beschriebene Verfahren weisen gleiche beziehungsweise gleichartige Vorteile auf.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs¬ beispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen verweisen dabei auf gleiche oder gleich wirkende Elemente. Dazu ist in
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines Stromrichters, der eine Vielzahl von Modulen aufweist, in
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel eines Moduls, in
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel einer Hochspannungs- Gleichstrom-Übertragungsanlage, in
Figur 4 ein Ausführungsbeispiel eines Moduls mit einem
Thyristor, in
Figur 5 ein Ausführungsbeispiel einer Reihenschaltung von Modulen mit einem Überbrückungselement , in Figur 6 das Ausführungsbeispiel der Figur 5 in einer vereinfachten Darstellung, in
Figur 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Reihenschaltung von Modulen mit einem
Überbrückungselement, in
Figur 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Reihenschaltung von Modulen mit einem
Überbrückungselement und in
Figur 9 ein beispielhafter Ablauf eines Verfahrens zum
Überbrücken von Modulen eines Stromrichters dargestellt
In Figur 1 ist ein Stromrichter 1 in Form eines modularen Multilevelstromrichters 1 (modular multilevel Converter, MMC) dargestellt. Dieser Multilevelstromrichter 1 weist einen ersten Wechselspannungsanschluss 5, einen zweiten Wechsel- spannungs-ianschluss 7 und einen dritten Wechselspannungs¬ anschluss 9 auf. Der erste Wechselspannungsanschluss 5 ist elektrisch mit einem ersten Phasenmodulzweig 11 und einem zweiten Phasenmodulzweig 13 verbunden. Der erste Phasenmodulzweig 11 und der zweite Phasenmodulzweig 13 bilden ein erstes Phasenmodul 15 des Stromrichters 1. Das dem ersten Wechselspannungsanschluss 5 abgewandte Ende des ersten
Phasenmodulzweigs 11 ist mit einem ersten Gleichspannungs- anschluss 16 elektrisch verbunden; das dem ersten
Wechselspannungsanschluss 5 abgewandte Ende des zweiten
Phasenmodulzweigs 13 ist mit einem zweiten
Gleichspannungs-ianschluss 17 elektrisch verbunden. Der erste Gleichspannungs-ianschluss 16 ist ein positiver
Gleichspannungsanschluss ; der zweite Gleichspannungsanschluss 17 ist ein negativer Gleichspannungsanschluss. Der zweite Wechselspannungsanschluss 7 ist mit einem Ende eines dritten Phasenmodulzweigs 18 und mit einem Ende eines vierten Phasenmodulzweigs 21 elektrisch verbunden. Der dritte Phasenmodulzweig 18 und der vierte Phasenmodulzweig 21 bilden ein zweites Phasenmodul 24. Der dritte Wechsel- spannungs-ianschluss 9 ist mit einem Ende eines fünften
Phasenmodulzweigs 27 und mit einem Ende eines sechsten
Phasenmodulzweigs 29 elektrisch verbunden. Der fünfte
Phasenmodulzweig 27 und der sechste Phasenmodulzweig 29 bilden ein drittes Phasenmodul 31.
Das dem zweiten Wechselspannungsanschluss 7 abgewandte Ende des dritten Phasenmodulzweigs 18 und das dem dritten
Wechselspannungs-ianschluss 9 abgewandte Ende des fünften Phasenmodulzweigs 27 sind mit dem ersten Gleichspannungs- anschluss 16 elektrisch verbunden. Das dem zweiten Wechselspannungsanschluss 7 abgewandte Ende des vierten Phasen¬ modulzweigs 21 und das dem dritten Wechselspannungsanschluss 9 abgewandte Ende des sechsten Phasenmodulzweigs 29 sind mit dem zweiten Gleichspannungsanschluss 17 elektrisch verbunden. Der erste Phasenmodulzweig 11, der dritte Phasenmodulzweig 18 und der fünfte Phasenmodulzweig 27 bilden ein positivseitiges Stromrichterteil 32; der zweite Phasenmodulzweig 13, der vierte Phasenmodulzweig 21 und der sechste Phasenmodulzweig 29 bilden ein negativseitiges Stromrichterteil 33.
Jeder Phasenmodulzweig weist eine Mehrzahl von Modulen (1_1, 1_2, 1_3, 1_4 ... l_n; 2_1 ... 2_n; usw.) auf, welche (mittels ihrer galvanischen Stromanschlüsse) elektrisch in Reihe geschaltet sind. Solche Module werden auch als Submodule bezeichnet. Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 weist jeder Phasenmodulzweig n Module auf. Die Anzahl der mittels ihrer galvanischen Stromanschlüsse elektrisch in Reihe geschalteten Module kann sehr verschieden sein, mindestens sind drei
Module in Reihe geschaltet, es können aber auch beispiels¬ weise 50, 100 oder mehr Module elektrisch in Reihe geschaltet sein. Im Ausführungsbeispiel ist n = 36: der erste
Phasenmodulzweig 11 weist also 36 Module 1_1, 1_2, 1_3, ...
1_36 auf. Die anderen Phasenmodulzweige 13, 18, 21, 27 und 29 sind gleichartig aufgebaut.
Im linken Bereich der Figur 1 ist schematisch eine
Steuereinrichtung 35 für die Module 1_1 bis 6_n dargestellt. Von dieser zentralen Steuereinrichtung 35 werden optische Nachrichten bzw. optische Signale über eine optische
Kommunikationsverbindung 37 (zum Beispiel über einen
Lichtwellenleiter) zu den einzelnen Modulen übertragen. Die Nachrichtenübertragung zwischen der Steuereinrichtung und einem Modul ist jeweils symbolhaft durch eine Linie 37 dargestellt; die Richtung der Nachrichtenübertragung ist durch die Pfeilspitzen an den Linien 37 symbolisiert. Dies ist am Beispiel der Module 1_1, 1_4 und 4_5 dargestellt; zu den anderen Modulen werden auf die gleiche Art und Weise Nachrichten gesendet beziehungsweise von diesen Modulen
Nachrichten empfangen. Beispielsweise sendet die
Steuereinrichtung 35 an die einzelnen Module jeweils einen Sollwert zur Höhe der Ausgangsspannung, die das jeweilige Modul bereitstellen soll.
In Figur 2 ist beispielhaft der Aufbau eines Moduls 201 dargestellt. Dabei kann es sich beispielsweise um das Modul 1_1 des ersten Phasenmodulzweigs 11 (oder auch um eines der anderen in Figur 1 dargestellten Module) handeln. Das Modul ist als ein Halbbrückenmodul 201 ausgestaltet. Das Modul 201 weist ein erstes ein- und abschaltbares elektronisches
Schaltelement 202 (ein- und abschaltbares Schaltelement 202) mit einer ersten antiparallel geschalteten Diode 204 (erste Freilaufdiode 204) auf. Weiterhin weist das Modul 201 ein zweites ein- und abschaltbares elektronisches Schaltelement 206 (ein- und abschaltbares Schaltelement 206) mit einer zweiten antiparallel geschalteten Diode 208 (zweite
Freilaufdiode 208) sowie einen elektrischen Energiespeicher 210 in Form eines Kondensators 210 auf. Das erste
elektronische Schaltelement 202 und das zweite elektronische Schaltelement 206 sind jeweils als ein IGBT ( insulated-gate bipolar transistor) ausgestaltet. Das erste elektronische
Schaltelement 202 ist elektrisch in Reihe geschaltet mit dem zweiten elektronischen Schaltelement 206. Am Verbindungspunkt zwischen den beiden elektronischen Schaltelementen 202 und 206 ist ein erster galvanischer Modulanschluss 212
angeordnet. An dem Anschluss des zweiten Schaltelements 206, welcher dem Verbindungspunkt gegenüberliegt, ist ein zweiter galvanischer Modulanschluss 215 angeordnet. Der zweite
Modulanschluss 215 ist weiterhin mit einem ersten Anschluss des Energiespeichers 210 verbunden; ein zweiter Anschluss des Energiespeichers 210 ist elektrisch verbunden mit dem
Anschluss des ersten Schaltelements 202, der dem
Verbindungspunkt gegenüberliegt.
Der Energiespeicher 210 ist also elektrisch parallel
geschaltet zu der Reihenschaltung aus dem ersten
Schaltelement 202 und dem zweiten Schaltelement 206. Durch entsprechende Ansteuerung des ersten Schaltelements 202 und des zweiten Schaltelements 206 kann erreicht werden, dass zwischen dem ersten galvanischen Modulanschluss 212 und dem zweiten galvanischen Modulanschluss 215 entweder die Spannung des Energiespeichers 210 ausgegeben wird oder keine Spannung ausgegeben wird (d.h. eine Nullspannung ausgegeben wird). Durch Zusammenwirken der Module der einzelnen Phasenmodulzweige kann so die jeweils gewünschte Ausgangsspannung des Stromrichters erzeugt werden. Die
Ansteuerung des ersten Schaltelements 202 und des zweiten Schaltelements 206 erfolgt im Ausführungsbeispiel durch eine modulinterne elektronische Modulsteuereinrichtung 220.
In Figur 3 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage 301 dargestellt. Diese Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage 301 weist zwei Stromrichter 1 auf, wie sie in Figur 1 dargestellt sind. Diese beiden Stromrichter 1 sind gleichspannungsseitig über eine Hochspannungs-Gleichstrom-Verbindung 305 elektrisch miteinander verbunden. Dabei sind die beiden positiven
Gleichspannungsanschlüsse 16 der Stromrichter 1 mittels einer ersten Hochspannungs-Gleichstrom-Leitung 305a elektrisch miteinander verbunden; die beiden negativen Gleichspannungsanschlüsse 17 der beiden Stromrichter 1 sind mittels einer zweiten Hochspannungs-Gleichstrom-Leitung 305b elektrisch miteinander verbunden. Mittels einer derartigen
Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage 301 kann
elektrische Energie über weite Entfernungen übertragen werden; die Hochspannungs-Gleichstrom-Verbindung 305 weist dann eine entsprechende Länge auf. In Figur 4 ist ein Ausführungsbeispiel eines Moduls 402 dargestellt, dessen grundsätzlicher Aufbau dem Modul 201 der Figur 2 entspricht. Zusätzlich zu dem in Figur 2
dargestellten Modul weist das Modul 402 einen Thyristor 406 auf, der als ein Überbrückungselement 406 dient. Der
Thyristor 406 ist zwischen dem ersten Modulanschluss 212 und dem zweiten Modulanschluss 215 geschaltet. Wenn aufgrund eines Fehlers ein großer Fehlerstrom 410 (Kurzschlussstrom 410) durch den zweiten Modulanschluss 215 in das Modul 402 hinein und durch den ersten Modulanschluss 212 wieder aus dem Modul 402 herausfließt, dann würde dieser Fehlerstrom 410 die zweite Diode 208 überlasten. Deshalb würde bei einem Fehler der Thyristor 406 eingeschaltet (gezündet) werden, damit der Kurzschlussstrom 410 von dem zweiten Modulanschluss 215 (unter Umgehung der zweiten Diode 208) über den Thyristor 406 direkt zu dem ersten Modulanschluss 212 fließt.
Dieses Modul 402 weist jedoch den Nachteil auf, dass jedes Modul einen Thyristor benötigt, der derart mit dem ersten Modulanschluss 212 und mit dem zweiten Modulanschluss 215 kontaktiert sein muss, dass im Fehlerfall auch große
Fehlerströme 410 sicher über den Thyristor 406 fließen können. Die Realisierung eines derart geschalteten Thyristors 406 ist daher aufwändig und teuer.
In Figur 5 ist ein Ausschnitt aus dem Stromrichter 1 der Figur 1 dargestellt. Die Module 1_1, 1_2, 1_3, 1_4, 1_5 und 1_6 des ersten Phasenmodulzweiges 11 bilden eine
Reihenschaltung 506. Das Modul 1_5 ist in Figur 5 nicht dargestellt, stattdessen ist durch drei Punkte angedeutet, dass zwischen dem Modul 1_4 und dem Modul 1_6 ein oder mehrere weitere Module angeordnet sein können. Im
Ausführungsbeispiel der Figur 5 weist die Reihenschaltung 506 sechs Module auf, in anderen Ausführungsbeispielen kann die Reihenschaltung aber auch andere Anzahlen an Modulen
aufweisen, beispielsweise 10 Module, 20 Module, 50 Module oder mehr. Die Reihenschaltung 506 (Modul-Reihenschaltung 506) weist einen Anfangskontakt 510 der Reihenschaltung und einen
Endkontakt 512 der Reihenschaltung auf. Dabei bildet der zweite Modulanschluss 215 des ersten Moduls 1_1 der
Reihenschaltung den Anfangskontakt 510; der erste
Modulanschluss 212 des letzten Moduls 1_6 der Reihenschaltung bildet den Endkontakt 512.
Jedes der in Figur 5 dargestellten Module weist (in
Übereinstimmung mit dem in Figur 2 dargestellten Modul) das erste elektronische Schaltelement 202, das zweite
elektronische Schaltelement 206, die erste antiparallel geschaltete Diode 204 (erste Freilaufdiode 204), die zweite antiparallel geschaltete Diode 208 (zweite Freilaufdiode 208) und den Energiespeicher 210 auf. Wie beim Ausführungsbeispiel der Figur 2 sind das erste elektronische Schaltelement 202 und das zweite elektronische Schaltelement 206 in einer
Halbbrückenschaltung angeordnet. Parallel zur Reihenschaltung aus dem ersten elektronischen Schaltelement 202 und dem zweiten elektronischen Schaltelement 206 ist der elektrische Energieschalter 210 geschaltet. Der elektrische
Energieschalter 210 kann insbesondere ein Kondensator 210 sein. Über dem Energiespeicher 210 liegt die Energiespeicher- Spannung Uc (Kondensator-Spannung Uc) an. Zwischen dem ersten Modulanschluss 212 und dem zweiten Modulanschluss 215 wird die Ausgangsspannung UA des Moduls ausgegeben.
Der Reihenschaltung 506 ist ein Überbrückungselement 520 zugeordnet. Das Überbrückungselement 520 dient zum
Überbrücken der Reihenschaltung 506. Das Überbrückungselement 520 ist parallel zu der Reihenschaltung 506 geschaltet. Auf ein Überbrückungssignal 525 hin überbrückt das
Überbrückungselement 520 die Reihenschaltung 506. Im
Ausführungsbeispiel wird das Überbrückungssignal 525 von der Steuereinrichtung 35 erzeugt und über eine
Kommunikationsverbindung 530 (zum Beispiel eine Signalleitung 530) zu dem Überbrückungselement 520 übertragen. Die
Kommunikationsverbindung 530 ist im Ausführungsbeispiel als ein Lichtwellenleiter 530 ausgestaltet; das
Überbrückungssignal 525 ist ein optisches Überbrückungssignal 525 (Lichtsignal 525) .
Das Überbrückungselement 520 weist im Ausführungsbeispiel der Figur 5 eine Mehrzahl von Leistungshalbleiter-Bauelementen 535 auf. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den
Leistungshalbleiter-Bauelementen um Thyristoren 535. Diese Leistungshalbleiter-Bauelemente 535 sind in einer
elektrischen Reihenschaltung 540 angeordnet (Bauelement- Reihenschaltung 540, Thyristor-Reihenschaltung 540).
Im Ausführungsbeispiel weist die Reihenschaltung 540 vier steuerbare Leistungshalbleiter-Bauelemente 535 (hier: vier Thyristoren 535) auf. Die Thyristoren 535 sind insbesondere lichtgesteuerte Thyristoren (LTT - Light Triggered
Thyristors) . Durch die drei Punkte ist angedeutet, dass das Überbrückungselement 520 jedoch auch eine andere Anzahl an Leistungshalbleiter-Bauelementen/Thyristoren 535 aufweisen kann. Im Extremfall ist sogar ein einziges
Leistungshalbleiter-Bauelement 535 (z.B. ein einziger
Thyristor 535 ausreichend) , wenn dieses Leistungshalbleiter- Bauelement 535, insbesondere dieser Thyristor 535, eine ausreichend hohe Spannungsfestigkeit aufweist. Im Allgemeinen sind immer so viele Leistungshalbleiter-Bauelemente
beziehungsweise Thyristoren 535 notwendig, dass deren
Reihenschaltung eine ausreichend hohe Spannungsfestigkeit aufweist .
Solange das Überbrückungselement 520 nicht aktiv ist (das heißt, die Leistungshalbleiter-Bauelemente/Thyristoren 535 des Überbrückungselements 520 nicht eingeschaltet sind beziehungsweise nicht gezündet sind) , wird im Fehlerfall ein Fehlerstrom 550 von dem Anfangskontakt 510 der
Reihenschaltung 506 über das erste Modul 1_1, das zweite Modul 1_2, das dritte Modul 1_3, usw. bis zum sechsten Modul 1_6 und von diesem zum Endkontakt 512 der Reihenschaltung 506 fließen. Dabei können die zweiten Freilaufdioden 208 der Module 1_1 bis 1_6 überlastet werden. Deshalb wird bei
Auftreten eines Fehlers (der mit einem derartigen Fehlerstrom verbunden ist) das Überbrückungselement 520 aktiviert, das heißt, eingeschaltet. Dies erfolgt dadurch, dass die
Steuereinrichtung 35 das Überbrückungssignal 525 erzeugt. Das Überbrückungssignal 525 wird von der Steuereinrichtung 35 über die Kommunikationsverbindung 530 zu den
Leistungshalbleiter-Bauelementen 535 des
Überbrückungselements 520 geleitet. Auf dieses
Überbrückungssignal 525 hin schalten sämtliche
Leistungshalbleiter-Bauelemente 535 ein und werden
elektrische leitfähig (Im Ausführungsbeispiel zünden die Thyristoren 535 und werden elektrische leitfähig) . Mittels des Überbrückungssignals 525 werden also die Leistungshalbleiter-Bauelemente 535 (insbesondere alle
Leistungshalbleiter-Bauelemente 535 der Reihenschaltung 540) des Überbrückungselements 520 zeitlich parallel
(gleichzeitig) aktiviert, das heißt, zeitlich parallel eingeschaltet beziehungsweise gezündet.
Auf dieses Überbrückungssignal 525 hin wird also das
Überbrückungselement 520 elektrisch leitfähig. Daraufhin fließt der Fehlerstrom 550 nicht mehr über die Module 1_1 bis 1_6. Vielmehr fließt der Fehlerstrom 550* von dem
Anfangskontakt 510 der Reihenschaltung über das
Überbrückungselement 520 zu dem Endkontakt 512 der
Reihenschaltung. In Figur 5 ist dieser an den Modulen 1_1 bis 1_6 vorbeigeleitete Fehlerstrom der besseren
Unterscheidbarkeit wegen mit dem Bezugszeichen 550*
bezeichnet. Der Fehlerstrom fließt auch nahezu vollständig als Fehlerstrom 550* durch das Überbrückungselement 520, weil das Überbrückungselement 520 einen geringeren elektrischen Widerstand aufweist als die Reihenschaltung der Module 1_1 bis 1_6. Außerdem ist das Überbrückungselement 520 elektrisch niederinduktiv mit dem Anfangskontakt 510 und dem Endkontakt 512 verbunden, so dass auch ein sich ggf. schnell ändernder Fehlerstrom 550* durch das Überbrückungselement 520 fließt und somit an den Modulen des Stromrichters vorbeigeleitet wird. Der Fehlerstrom 550* wird also unter Umgehung der
Reihenschaltung 506 durch das Überbrückungselement 520 geleitet. Das Überbrückungselement 520 überbrückt sämtliche Module der Reihenschaltung 506 gleichzeitig. In Figur 6 ist das Ausführungsbeispiel der Figur 5 in einer vereinfachten Darstellung gezeigt. Dabei sind die Module 1_1 bis 1_6 jeweils als ein rechteckiger Block dargestellt. Die Reihenschaltung 506 der Module 1_1 bis 1_6 ist ein
Bestandteil einer konstruktiven Einheit 610. Die Module der Reihenschaltung 506 bilden also Bestandteile der
konstruktiven Einheit 610. Beispielsweise können diese sechs Module 1 1 bis 1 6 in einem nicht dargestellten Rahmen befestigt sein, so dass sich die Einheit 610 einfach
transportieren und montieren lässt.
In Figur 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Teils des Stromrichters 1 dargestellt, bei dem die Reihenschaltung 506 beispielhaft sechs konstruktive Einheiten 610 aufweist. Natürlich kann die Reihenschaltung 506 auch eine andere
Anzahl an konstruktiven Einheiten 610 aufweisen. Dieser
Reihenschaltung 506 ist ein einziges Überbrückungselement 520 zugeordnet. Mit diesem Überbrückungselement 520 wird im
Fehlerfall die Reihenschaltung 506 elektrisch überbrückt. Die Reihenschaltung 506 der konstruktiven Einheiten 610 ist im Ausführungsbeispiel der Figur 7 als ein Stromrichterturm 710 ausgestaltet. Die Module der Reihenschaltung 506 sind also Bestandteile des Stromrichterturms 710. Als „Stromrichterturm 710" wird eine Anordnung bezeichnet, in der Module von
Stromrichtern turmförmig (d.h. in mehreren Ebenen
übereinander) angeordnet sind. In Figur 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Reihenschaltung 506 dargestellt. Diese Reihenschaltung 506 weist mehrere Stromrichtertürme 710 auf, insbesondere sechs Stromrichtertürme 710. Die Reihenschaltung 506 der
Stromrichtertürme 710 bildet im Ausführungsbeispiel der Figur 8 einen Phasenmodulzweig des Stromrichters 1, insbesondere den ersten Phasenmodulzweig 11. Die Module der
Reihenschaltung 506 sind also Bestandteile des
Phasenmodulzweigs 11 des Stromrichters 1. Der Reihenschaltung 506 aus mehreren Stromrichtertürmen 710 ist das einzige
Überbrückungselement 520 zugeordnet.
In Figur 9 ist noch einmal das Verfahren zum Überbrücken von Modulen des Stromrichters mittels eines Ablaufdiagramms dargestellt. Ausgangspunkt des Verfahrens ist, dass ein mit einem Fehlerstrom verbundenen Fehler erkannt wurde und daher die Module des Stromrichters vor dem Fehlerstrom geschützt werden sollen. Verfahrensschritt 902:
Erzeugen des Überbrückungssignals 525 in der
Steuereinrichtung 35. Verfahrensschritt 904:
Übertragen des Überbrückungssignals 525 mittels der
Kommunikationsverbindung 530 zu dem Überbrückungselement 520.
Verfahrensschritt 906:
Einschalten des Überbrückungselements 520 mittels des
Überbrückungssignals 525.
Verfahrensschritt 908:
Überbrücken der Reihenschaltung 506 durch das
Überbrückungselement 520. Leiten des Fehlerstroms 550* durch das Überbrückungselement 520 unter Umgehung der
Reihenschaltung 506.
Dadurch wird die Reihenschaltung (insbesondere die in der Reihenschaltung enthaltenen Module des Stromrichters) vor dem Fehlerstrom geschützt.
Es wurden ein Stromrichter, der Halbbrücken-Module aufweist, und ein Verfahren beschrieben, mit denen Fehler sicher beherrscht werden können, bei denen (hohe) Fehlerströme auftreten. Insbesondere können Fehler auf der
Gleichspannungsseite des Stromrichters (also beispielsweise Kurzschlüsse auf der Gleichspannungsseite des Stromrichters) beherrscht werden. Bei derartigen Fehlern muss insbesondere das zweite elektronische Schaltelement 206 und/oder die zweite Freilaufdiode 208 vor den (oftmals sehr hohen)
Fehlerströmen geschützt werden, anderenfalls würden das zweite elektronische Schaltelement 206 und/oder die zweite Freilaufdiode 208 irreparabel geschädigt werden. Zum Schutz wird ein Überbrückungselement (Schutzelement) eingesetzt, welches im Fehlerfall die Reihenschaltung 506 mit den Modulen elektrisch überbrückt. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass für sämtliche Module der Reihenschaltung nur ein Uberbrückungselement benötigt wird. Beispielsweise können mehrere Module zu einer (transportablen) konstruktiven
Einheit 610 (Transporteinheit 610) zusammengefasst werden, und für sämtliche Module dieser Einheit wird lediglich ein gemeinsames Überbrückungselement 520 benötigt. Wenn an der Reihenschaltung 506 hohe Spannungen auftreten, dann kann das Überbrückungselement 520 eine Mehrzahl an
Leistungshalbleiter-Bauelementen aufweist, welche elektrisch ebenfalls in Reihe geschaltet sind. Damit wird
sichergestellt, dass das Überbrückungselement 520 die an der Reihenschaltung 506 auftretenden Spannungen sicher sperren kann. Die Ansteuerung des Überbrückungselements 520 kann besonders einfach mittels eines optischen
Überbrückungssignals erfolgen. Dabei kann das
Überbrückungselement 520 beispielsweise lichtgesteuerte
Thyristoren (lichtgezündete Thyristoren) aufweisen. Eine elektrische Ansteuerung des Überbrückungselements 520 ist aber auch möglich. Die Nutzung eines einzigen Überbrückungselements 520 pro Reihenschaltung weist eine Reihe von Vorteilen auf: Die elektrische Verbindung des Überbrückungselements 520 mit der Reihenschaltung 506 ist wesentlich vereinfacht, da lediglich zwei Kontaktstellen (der Anfangskontakt 510 und der
Endkontakt 512) der Reihenschaltung 506 mit dem
Überbrückungselement 520 verbunden werden müssen. Wenn diese elektrische Verbindung vorteilhafterweise mittels
Spannverbänden realisiert wird, dann ist es nicht notwendig, in jedem Modul einen eigenen Spannverband zu realisieren, sondern es braucht lediglich pro Überbrückungselement 520 ein Spannverband realisiert zu werden. Dadurch werden zum einen viele mechanische Teile eingespart, zum anderen spart man sich das Verspannen von vielen kleinen Spannverbänden. Es muss lediglich ein Spannverband des Überbrückungselements 520 gespannt werden. Somit werden die Kosten sowohl für die mechanischen Teile als auch für die Montage deutlich
reduziert. Da lediglich ein einziges Überbrückungselement 520 angesteuert zu werden braucht, reduziert sich auch der Ansteuerungsaufwand in der Steuereinrichtung 35 erheblich. Außerdem ist lediglich eine einzige Steuereinrichtung 35 notwendig, wodurch die Verfügbarkeit der Ansteuerelektronik verbessert wird. Durch eine geringe Anzahl von
Kontaktübergangsstellen und durch kürzere vom Fehlerstrom zurückzulegende Strecken durch das Überbrückungselement 520 wird eine bessere Stromführung erreicht, so dass das
Überbrückungselement 520 nahezu den gesamten Fehlerstrom schnell übernehmen kann. Weiterhin lässt sich ein derartiges zentrales Überbrückungselement 520 besonders niederinduktiv (das heißt, mit einer geringen elektrischen Induktivität) realisieren .
Es wurden ein Stromrichter und ein Verfahren beschrieben, mit denen sicher und zuverlässig ein bei einem Fehler
auftretender Fehlerstrom an den Modulen des Stromrichters vorbeigeleitet werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Stromrichter (1) mit einer Mehrzahl von Modulen (1_1 ... 1_6) , die jeweils mindestens zwei elektronische
Schaltelemente (202, 206) und einen elektrischen
Energiespeicher (210) aufweisen, wobei die Module (1_1 ... 1_6) in einer elektrischen Reihenschaltung (506) angeordnet sind, und wobei der Reihenschaltung (506) ein Überbrückungselement (520) zum Überbrücken der Reihenschaltung (506) zugeordnet ist .
2. Stromrichter 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 Überbrückungselement (520) parallel zu der
Reihenschaltung (506) geschaltet ist.
3. Stromrichter 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
- das Überbrückungselement (520) mindestens ein steuerbares
Leistungshalbleiter-Bauelement (535) , insbesondere mindestens einen Thyristor (535), aufweist.
4. Stromrichter 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 Überbrückungselement (520) mehrere steuerbare
Leistungshalbleiter-Bauelemente (535) , insbesondere mehrere Thyristoren (535) , aufweist, die in einer elektrischen
Reihenschaltung (540) angeordnet sind.
5. Stromrichter nach Anspruch 3 oder 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- die Thyristoren lichtgesteuerte Thyristoren (535) sind.
6. Stromrichter 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
- der elektrische Energiespeicher ein Kondensator (210) ist.
7. Stromrichter 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
- die zwei elektronischen Schaltelemente (202, 206) der
Module (1_1 ... 6_n) in einer Halbbrückenschaltung angeordnet sind.
8. Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage (301) mit einem Stromrichter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
9. Verfahren zum Überbrücken von Modulen (1_1 ... 1_6) eines Stromrichters (1), der eine Mehrzahl solcher Module (1_1 ... 1_6) aufweist, die jeweils mindestens zwei elektronische Schaltelemente (202, 206) und einen elektrischen
Energiespeicher (210) aufweisen, wobei die Module (1_1 ... 1_6) in einer elektrischen Reihenschaltung (506) angeordnet sind, wobei bei dem Verfahren
- auf ein Überbrückungssignal (525) hin mittels eines der Reihenschaltung (506) zugeordneten Überbrückungselements (520) die Reihenschaltung (506) elektrisch überbrückt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- mittels des Überbrückungselements (520) die Module (1_1 ... 1_6) der Reihenschaltung (506) gleichzeitig überbrückt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- als Überbrückungssignal (525) ein optisches
Überbrückungssignal (525) erzeugt wird, und
- dieses Überbrückungssignal (525) über eine optische
Kommunikationsverbindung (530) zu dem Überbrückungselement (520) übertragen wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- das Überbrückungselement (520) in einer Reihenschaltung (540) mehrere steuerbare Leistungshalbleiter-Bauelemente (535) , insbesondere mehrere Thyristoren (535) , aufweist, die mittels des Überbrückungssignals (525) aktiviert werden.
PCT/EP2016/070830 2016-09-05 2016-09-05 Stromrichter mit überbrückungselement WO2018041369A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/EP2016/070830 WO2018041369A1 (de) 2016-09-05 2016-09-05 Stromrichter mit überbrückungselement

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/EP2016/070830 WO2018041369A1 (de) 2016-09-05 2016-09-05 Stromrichter mit überbrückungselement

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018041369A1 true WO2018041369A1 (de) 2018-03-08

Family

ID=56893955

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2016/070830 WO2018041369A1 (de) 2016-09-05 2016-09-05 Stromrichter mit überbrückungselement

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2018041369A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4311054A1 (de) * 2022-07-21 2024-01-24 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Verfahren zum behandeln eines fehlers in einer hochspannungs-anordnung

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160013716A1 (en) * 2014-07-10 2016-01-14 University-Industry Foundation(UIF) Fault current reduction structure of multi-level converter and apparatus using the fault current reduction structure
EP2993771A2 (de) * 2014-08-25 2016-03-09 General Electric Company Systeme und verfahren zum verbesserte betrieb und schutz von leistungswandlern
EP3001552A1 (de) * 2014-09-23 2016-03-30 Alstom Technology Ltd Spannungsquellenwandler und Steuerung dafür
DE202016104020U1 (de) * 2016-07-22 2016-08-02 Abb Schweiz Ag Spannungsgeführte Stromrichteranordnung mit einem vorgeladenen Widerstandselement

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160013716A1 (en) * 2014-07-10 2016-01-14 University-Industry Foundation(UIF) Fault current reduction structure of multi-level converter and apparatus using the fault current reduction structure
EP2993771A2 (de) * 2014-08-25 2016-03-09 General Electric Company Systeme und verfahren zum verbesserte betrieb und schutz von leistungswandlern
EP3001552A1 (de) * 2014-09-23 2016-03-30 Alstom Technology Ltd Spannungsquellenwandler und Steuerung dafür
DE202016104020U1 (de) * 2016-07-22 2016-08-02 Abb Schweiz Ag Spannungsgeführte Stromrichteranordnung mit einem vorgeladenen Widerstandselement

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4311054A1 (de) * 2022-07-21 2024-01-24 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Verfahren zum behandeln eines fehlers in einer hochspannungs-anordnung

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3257147B1 (de) Umrichteranordnung und verfahren zu deren kurzschlussschutz
EP2118993B1 (de) Verfahren zur schadenbegrenzung eines leistungshalbleiter aufweisenden stromrichters bei einem kurzschluss im gleichspannungszwischenkreis
EP3025403B1 (de) Modularer mehrpunktstromrichter für hohe spannungen
DE102017219499A1 (de) Elektrische Anordnung mit Teilmodulen sowie Teilmodule als solche
EP3734818B1 (de) Verfahren zur fehlerbehandlung eines fehlers in einer gleichspannungsleitung sowie eine stromrichteranordnung zum durchführen des verfahrens
EP3036823A1 (de) Multilevelumrichter
EP3783783A1 (de) Anordnung zum regeln eines leistungsflusses in einem wechselspannungsnetz und verfahren zum schutz der anordnung
EP3622621B1 (de) Multilevelstromrichter
DE102017220599A1 (de) Umrichteranordnung zum Stabilisieren eines Wechselspannungsnetzes
WO2018041369A1 (de) Stromrichter mit überbrückungselement
WO2018113926A1 (de) Stromrichter
WO2020011331A1 (de) Modularer multilevel-stromrichter mit unterschiedlichen submodultypen
DE102013109714A1 (de) Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Schaltung sowie elektrische Schaltung
EP3878088B1 (de) Anordnung mit einem multilevelstromrichter
EP3818550B1 (de) Anordnung mit einem überbrückungsschalter
WO2013075928A1 (de) Umrichter mit ungleichen spannungsstufen
EP3622618A1 (de) Stromrichter
DE102007024178A1 (de) Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Schaltung sowie entsprechende elektrische Schaltung
EP3994792A1 (de) Verfahren zum vorladen von modulen eines modularen multilevelstromrichters
WO2016055106A1 (de) Stromrichteranordnung mit kurzschlusseinheit sowie verfahren zum trennen einer wechselspannungsleitung
DE102012210423A1 (de) Einspeisung von Solarenergie in ein Energieversorgungsnetz mittels Solarwechselrichter
EP3656032A1 (de) Serienkompensationseinrichtung
EP3391524B1 (de) Konvertermodul für einen mehrstufenumrichter und verfahren zu dessen betrieb
DE4042378A1 (de) Symmetrische schaltentlastungsanordnung fuer ein aus gategesteuerten halbleiterschaltern gebildetes wechselrichterzweigpaar
EP3167297B1 (de) Prüfschaltung für hochleistungs-halbleiterelement

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16763235

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 16763235

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1