WO2019141500A1 - Verfahren zum überwachen eines modularen stromrichters - Google Patents

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WO2019141500A1
WO2019141500A1 PCT/EP2018/097013 EP2018097013W WO2019141500A1 WO 2019141500 A1 WO2019141500 A1 WO 2019141500A1 EP 2018097013 W EP2018097013 W EP 2018097013W WO 2019141500 A1 WO2019141500 A1 WO 2019141500A1
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module
electronic switching
energy storage
power converter
switching elements
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PCT/EP2018/097013
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Daniel BÖHME
Ingo Euler
Thomas KÜBEL
Steffen PIERSTORF
Daniel Schmitt
Frank Schremmer
Torsten Stoltze
Marcus Wahle
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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 method for monitoring a mo dularen converter, which has a plurality of modules, each having at least two electronic switching elements and an electrical energy storage. Furthermore, the invention relates to such a modular power converter.
  • Power converters are power electronic circuits for converting electrical energy. With converters AC can be converted into DC, DC to AC, AC to AC other frequency and / or Ampli tude or DC into DC voltage of other voltage. Power converters may have a plurality of similar-like modules, which are electrically connected in series GE. The electrical series connection of the modules allows high output voltages to be achieved.
  • Power converters are easily passable to different voltages (scalable) and a desired output voltage can be generated relatively accurately.
  • Such converters are used, for example, for high voltage DC transmission (HVDC) or active reactive power compensation.
  • Each module of the power converter has an electrical energy storage. These spatially distributed in the converter energy storage are used as energy buffer, for example, for the conversion of direct current into alternating current or vice versa.
  • the energy storage used in this case (in particular electrical con capacitors such as film capacitors) are generally very reliable and have even at voltages of a few kV only a very small leakage current. Despite this, it can not be ruled out that such an energy storage device will be damaged.
  • Such damage may cause the leakage current (from the positive electrode of the energy store to the negative electrode of the Energy storage inside the energy storage flows) is ver enlarged, which (at least in the medium to long term) can lead to egg ner further damage to the energy storage (for example, to a short circuit in the energy storage).
  • Such increased leakage currents are often still so low that they are not recognized by conventional short-circuit monitoring of the power converter. Over a longer period of time, however, such increased leakage currents can lead to thermal damage to the energy storage device (for example, to thermal damage to the dielectric of the capacitor), which in extreme cases can cause a short circuit with subsequent fire.
  • Such a short circuit then often leads to comparatively great damage in the vicinity of the energy storage tank.
  • the modular power converter must be turned off for repair. Such shutdowns are very expensive and reduce the availability of the power converter.
  • the invention has for its object to provide a method and a power converter, with which a slow Zerstö tion of the electrical energy storage can be avoided.
  • a monitoring signal is output when the leakage current exceeds a predetermined value. It is particularly advantageous that the monitoring of the energy storage currency end of the regular operation of the power converter can be performed. It is therefore not necessary to switch off the power converter for monitoring the energy storage. Furthermore, it is advantageous that for monitoring the power converter le diglich the time course of the voltage of Energyspei chers (temporal voltage curve) needs to be determined. Additional measures are not necessary, in particular special no flowing in the converter currents must be measured.
  • the predetermined value of the leakage current is a threshold above which the leakage current of the energy storage device is too large.
  • the period in which the flowing through the series circuit sequent current (load current of the power converter) is passed by means of at least one switching element of the module to the energy storage of the module represents a special operating state of the module. Such periods occur again fetches during operation of the power converter on. During these periods, the leakage current of the energy storage device can be determined. In other words, in the period of time, the energy storage of the module by means of min least one switching element of the module of the current flowing through the power converter (load) current is separated. In other words, in the time period, the (outer) capacitor current is zero.
  • the current flowing through the series circuit can be conducted through the energy store of the module or past the energy store of the module. be guided. If the current flowing through the series circuit current is passed by at least one switching element to the energy storage of the module, then there is the time section before.
  • the method may be such that a bypass switch closing the module is closed to the monitoring signal.
  • the method may also be such that the electrical energy store is a capacitor and / or the electronic switching elements IGBTs are.
  • the electrical energy storage device may in particular be a film capacitor. With derar term film capacitors can be at high voltages large electrical charges Z swipe.
  • the method may be such that the two electronic switching elements are arranged in a half-bridge circuit or the modules each have at least the two electronic switching elements, the electrical energy storage and two other electronic switching elements, wherein the two electronic switching elements and the two other electronic switching elements in a full bridge circuit are arranged.
  • the modules of the modular power converter Kings nen so be designed as so-called half-bridge modules and / or as so-called full-bridge modules.
  • the method may also be such that the power converter is a modular multilevel power converter.
  • the method can proceed such that the leakage current on the basis of the temporal voltage curve and the (known) electrical Capacity of the energy storage is determined.
  • the electrical cal capacity of the energy storage is already known and can be stored as a module-specific parameters.
  • a temporal voltage curve of the voltage of the energy storage determines, based on the temporal voltage curve the
  • Leakage current of the energy storage determined, and outputs a monitoring signal when the leakage current exceeds a predetermined value.
  • This power converter can be designed such that the module is provided with a bypass switch which bridges the module in response to the monitoring signal.
  • the power converter can also be configured such that the electrical energy store is a capacitor and / or the electronic switching elements are IGBTs.
  • the power converter can be configured so that the two electronic switching elements are arranged in a half-bridge circuit or the modules each have the two electronic's switching elements, the electrical energy storage and two other electronic switching elements, wherein the two electronic switching elements and the two other electronic switching elements in a Full bridge circuit are arranged.
  • the power converter can be a modular multilevel power converter.
  • the power converter may be configured such that the monitoring device determines the leakage current on the basis of the time-related voltage profile and the (known) electrical capacity of the energy store.
  • the power converter can also be designed so that the monitoring device is part of the module (modul ternal monitoring device).
  • each module can advantageously have its own module-internal monitoring device, so that each module can be monitored independently of other ren modules.
  • Figure 1 shows an embodiment of a modular Stromrich age
  • Figure 2 shows an embodiment of a module of the modular
  • Figure 3 shows another embodiment of a module of the modular power converter
  • FIG. 4 shows an exemplary method sequence.
  • FIG. 1 shows a power converter 1 in the form of a modular multilevel converter 1 (modular multilevel converter, MMC).
  • This multilevel converter 1 has a first AC voltage connection 5, a second AC voltage connection 7 and a third AC voltage connection 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.
  • the end of the first phase module branch 11 facing away from the first alternating voltage terminal 5 is electrically connected to a first direct voltage terminal 16; the first AC terminal 5 opposite end of the second phase module branch 13 is electrically connected to a second DC voltage terminal 17.
  • the first DC voltage terminal 16 is a positive DC voltage connection; 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 electrically connected to one end of a fifth phase module branch 27 and to one end of a sixth phase module branch 29.
  • the fifth phase module branch 27 and the sixth phase module branch 29 form a third phase module 31.
  • the second AC terminal 7 remote from the end of the third phase module branch 18 and the third Wech selchansan gleich 9 opposite end of the fifth Phasenmo dulzweigs 27 are electrically connected to the first DC voltage terminal 16.
  • the end of the fourth phase module branch 21 facing away from the second AC terminal 7 and the one facing away from the third AC terminal 9 End of the sixth phase module branch 29 are electrically connected to the second DC voltage terminal 17.
  • Each phase module branch has a plurality of modules (1_1, 1_2, 1_3, ... l_n; 2_1 ... 2_n; etc.) which are electrically connected in series (by means of their galvanic current connections).
  • each phase has modulzweig n modules.
  • the number of electrically connected in series (by means of their galvanic power connections) Mo modules may be very different, at least two modules are connected in series, but it can also be, for example, 50 or 100 modules electrically connected in series.
  • n 32: the first phase module branch thus has 32 modules 1_1, 1_2, 1_3,... 1_32.
  • the modules are also called submodules.
  • a current flowing through the power converter 220 flows through the series connection of the modules, for example, by the series connection of the modules 1_1 ... l_n of the first phase module branch 11.
  • the switching elements of the modules of the flowing through the series circuit Current are each passed through the energy storage of the module or passed to the energy storage of the module.
  • a Steuerein device 35 is shown schematically for the modules 1_1 to 6_n. From the ser central control device 35 optical signals are transmitted to the individual modules. The signal transmission between tween the controller and a module is in each case sym bollich represented by a dashed line 37. This is shown using the example of the modules 1_1, l_n and 4_3; Signals are sent to the other modules in the same way. By means of the signals, the modules are instructed, for example, to output a certain voltage value at the module connections.
  • a Mo module 201 is exemplified. This may, for example, to the module 1_1 of the first phase module branch 11 (or also to one of the other modules shown in Figure 1) act.
  • the module is designed as a half-bridge module 201.
  • the module 201 has a first turn-off electronic
  • the module 201 has a second switchable from electronic switching element 206 with a two th antiparallel diode 208 and a rule electrical energy storage 210 in the form of a capacitor 210.
  • the first electronic switching element 202 and the second electronic switching element 206 are each configured as an IGBT (insulated-gate bipolar transistor).
  • the first electronic switching element 202 is electrically connected in series with the second electronic switching element 206.
  • a first galvanic module connection 212 is arranged to.
  • a second galvanic module connection 215 is arranged at the connection of the second electronic switching element 206, which is opposite to the connection point.
  • the second module connection 215 is furthermore connected to a first connection of the energy store 210; a second terminal of the energy storage 210 is electrically connected to the terminal of the first electronic switching element 202 opposite to the connection point.
  • the energy storage 210 is thus electrically parallel maral tet to the series circuit of the first electronic switching element 202 and the second electronic Wegele element 206.
  • a module-internal module control 230 electronic control circuit 230
  • the voltage of the energy storage 210 is output or no voltage is output (ie, a zero voltage is output).
  • the current 220 (load current 220) flowing in the power converter flows into the module via the first module connection 212 when the bypass switch 238 is open and out of the module 201 again via the second module connection 215.
  • the energy storage 210 is provided with apulsmesseinrich device 225, which performs a measurement of the voltage of the energy gieaires over time. This measurement of the clamping voltage takes place in particular in periods in which the current flowing through the module current is passed by at least one switching element of the module to the energy storage 210 of the Mo module. As a result of this (in particular temporally high-resolution) voltage measurement, a timed course u of the voltage of the energy store 210 is determined. This temporal voltage curve u (t) is transmitted from the voltage measuring device 225 to the module controller 230 via. An arranged in the module control 230 monitoring device 234 receives the timeponsver run u (t) and determines the leakage current of Energyspei chers 210.
  • This determination of the leakage current of Energyspei chers thus takes place for the above-mentioned periods. If this leakage current exceeds a predetermined value, then a monitoring signal S is output. This monitoring signal S is used in the embodiment of Figure 2 to close the bypass switch 238.
  • the bypass switch 238 may, for example, be a mechanical override switch 238.
  • the bridging switch ter 238 connects the first module terminal 212 with the two th module connection 215.
  • the bypass switch 238 thus directs the load current of the power converter to the two electro-American switching elements 202, 206 and the energy storage 210 over. This avoids that the energy storage medium and long term is damaged by a high leakage current be.
  • the module controller 230 provides drive signals A for the first electronic switching element 202 and for the second electronic switching element 206.
  • time intervals occur again and again in which a (load) current flowing through the power converter is conducted past the energy store of the module by means of at least one switching element of a module.
  • a (load) current flowing through the power converter is conducted past the energy store of the module by means of at least one switching element of a module.
  • Such a period occurs in the embodiment of Figure 2 for example, when the second electronic switching element 206 is turned on and the first electronic switching element 202 is turned off.
  • the operating current or load current of the power converter, bypassing the energy store 210 flows from the first module connection 212 via the second electronic switching element 206 to the second module connection 215.
  • Such a time segment is generally present when the first module connection is connected by means of at least one switching element of the Module is electrically connected to order the energy storage device to the second module connection.
  • the energy storage device is neither charged nor discharged by the load current of the power converter. Therefore, in such a period of time, ideally, the voltage of the energy store 210 would remain constant (if the leakage current of the energy store would be zero and no energy would otherwise be taken from the energy store 210, for example for the voltage measuring device 225). During this period of time, the magnitude of the leakage current of the energy store can therefore be determined by means of a measurement of the temporal voltage curve of the energy storage voltage. This can be done, for example, by applying the relationship
  • C is the electrical capacity of the electrical energy store 210
  • AU is the voltage change of the voltage of the energy store during the time At.
  • the capacity C of the energy store is known and can be For example, be stored as a module-specific parameter in the monitoring device 234.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a module 301.
  • This module 301 can be, for example, the module l_n (or else one of the other modules shown in FIG. 1).
  • the module 301 shown in Figure 3 a third switchable from electronic switching element 302 with a th third antiparallel switched diode 304 and a fourth switchable from electronic switching element 306 with a four th anti-parallel diode 308 on.
  • the third switchable electronic switching element 302 and the fourth switchable electronic switching element 306 are each configured as an IGBT.
  • the second galvanic module connection 315 is not connected to the second electronic switching element 206, but to a center of an electrical series connection of the third electronic switching element 302 and the fourth electronic switching element 306.
  • the module 301 of FIG. 3 is a so-called full-bridge module 301.
  • This full-bridge module 301 is characterized in that, with appropriate control of the four electronic modules see switching elements between the first galvanic module connection 212 and the second galvanic module connection 315 selectively either the positive voltage of the energy storage 210, the negative voltage of the energy storage 210 or a voltage of zero (zero voltage) can be output. Thus, therefore, by means of the full bridge module 301, the polarity of the output voltage can be reversed.
  • the power converter 1 can either have only half-bridge modules 201, only full-bridge modules 301 or also half-bridge modules 201 and full-bridge modules 301.
  • the representations of FIGS. 2 and 3 each show a module with the first module connection 212 and the second module connection 215 or 315. Via the first module connection 212 and the second module connection 215, 315, large electrical load currents of the power converter flow.
  • the module shown in Figure 3 enters the Zeitab section (in which a current flowing through the power converter current is bypassed by at least one switching element to the energy storage), for example, when the first electronic switching element 202 and the third electronic switching element 302 is turned on and the second electronic switching element 206 and the fourth electronic switching element 306 are turned off.
  • the load current flows, for example, from the first module terminal 212, bypassing the energy store 210 via the first free-wheeling diode 204 and the third electronic switching element 302 to the second module terminal 315.
  • the Vollschulnmo module 301 may (in contrast to the half-bridge module 201) such a period also occur at opposite current flow through the module.
  • the load current then flows from the second module connection 315 via the third free-wheeling diode 304 and via the first electronic switching element 202 to the first module connection 212.
  • Such a period of time is also present when the second electronic switching element 206 and the fourth electronic switching element 306 is turned on, and the first electronic switching element 202 and the third electronic switching element 302 are turned off.
  • the load current of the power converter flows, bypassing the energy storage 210, for example, from the first module terminal 212 via the second electronic switching element 206 and the fourth freewheeling diode 308 to the second module terminal 315.
  • the load current from the second module connection 315 via the fourth electronic switching element 306 and the second freewheeling diode 208 to the first module terminal 212 flow.
  • the further process is similar in the module shown in Figure 3 as the method in the presented in Figure 2 Darge module.
  • the monitoring device 234 is in each case a component of the module.
  • FIG. 4 once again summarizes the sequence of the method for monitoring the power converter by means of a sequence of method steps.
  • a time interval is determined in which a current flowing through the power converter (load) current is passed past the energy store of the module by means of at least one switching element of a module.
  • a voltage curve u (t) of the voltage of the energy store is determined during this time interval.
  • the leakage current iL of the energy store 210 is determined on the basis of the temporal voltage curve u (t).
  • a monitor signal S is output when the leakage current iL exceeds a predetermined value.
  • Step 410 On the monitoring signal S towards the bypass switch 238 closed.
  • the module is electrically bridged.
  • Several or all of the method steps 402 to 408 may be performed by the monitoring device 234.
  • Leakage current assumes impermissibly high values. If the leakage current assumes impermissibly high values, then a monitoring signal S is output and optionally the module can be bypassed by means of a bypass switch 238.
  • the energy gie Arditati (in particular the capacitor voltage) to measure (in particular sufficiently accurate and with a suffi cient temporal sampling rate) and thus to determine the time span voltage curve of the voltage of the energy storage.
  • the switching state of the electronic switching elements is known in the module controller 230, so that by means of the monitoring device 234 during operation of the power converter those periods can be determined in which a current flowing through the converter (load) current by means of at least one switching element of a module on the Energy memory of the module is passed.
  • Capacitor current equal to zero and unaffected by the load current of the power converter.
  • the energy Gie electrician determines the differential of the voltage over time (dU / dt, AU / At) and then determined by means of any known capacity of the monitored energy storage device, the leakage current.
  • the moni monitoring device 234 detects based on the present in Modulsteue tion information about the switching state of the electronic switching elements of the module, the time periods in which the load current of the power converter is passed past the Energyspei cher.
  • the monitoring device 234 determines the voltage profile of the voltage over time Energy storage and determines (using the any known capacity of the energy storage, which is deposited as a parameter in the monitoring device 234), the leakage current of the energy storage. Since often anyway a voltage measuring device 225 for measuring the capacitor voltage / energy gie Ardong is present, the effort to realize the monitoring of the leakage current is limited.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines modularen Stromrichters (1), der in einer Reihenschaltung eine Mehrzahl von Modulen (1_1... 1_n) aufweist, welche jeweils mindestens zwei elektronische Schaltelemente (202, 206) und einen elektrischen Energiespeicher (210) aufweisen. Bei dem Verfahren wird während des Betriebs des Stromrichters (1) in einem Zeitabschnitt, in dem der durch die Reihenschaltung fließende Strom mittels mindestens eines Schaltelements (206) eines Moduls (201) an dem Energiespeicher (210) des Moduls vorbeigeführt wird, der zeitliche Spannungsverlauf (u(t)) der Spannung des Energiespeichers (210) ermittelt. Anhand des zeitlichen Spannungsverlaufs (u(t)) wird der Leckstrom des Energiespeichers (210) ermittelt. Ein Überwachungssignal (S) wird ausgegeben, wenn der Leckstrom einen vorbestimmten Wert überschreitet.

Description

Verfahren zum Überwachen eines modularen Stromrichters
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines mo dularen Stromrichters, der eine Vielzahl von Modulen auf weist, welche jeweils mindestens zwei elektronische Schalt elemente und einen elektrischen Energiespeicher aufweisen. Weiterhin betrifft die Erfindung einen derartigen modularen Stromrichter .
Stromrichter sind leistungselektronische Schaltungen zum Um wandeln von elektrischer Energie. Mit Stromrichtern kann Wechselstrom in Gleichstrom, Gleichstrom in Wechselstrom, Wechselstrom in Wechselstrom anderer Frequenz und/oder Ampli tude oder Gleichstrom in Gleichstrom anderer Spannung umge wandelt werden. Stromrichter können eine Vielzahl von gleich artigen Modulen aufweisen, welche elektrisch in Reihe ge schaltet sind. Durch die elektrische Reihenschaltung der Mo- dule lassen sich hohe Ausgangsspannungen erreichen. Die
Stromrichter sind einfach an unterschiedliche Spannungen an passbar (skalierbar) und eine gewünschte Ausgangsspannung kann relativ genau erzeugt werden.
Solche Stromrichter werden beispielsweise zur Hochspannungs gleichstromübertragung (HGÜ) oder zur aktiven Blindleistungs kompensation eingesetzt. Dabei weist jedes Modul des Strom richters einen elektrischen Energiespeicher auf. Diese im Stromrichter räumlich verteilten Energiespeicher dienen als Energie-Zwischenspeicher beispielsweise für die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom oder umgekehrt. Die dabei eingesetzten Energiespeicher (insbesondere elektrische Kon densatoren wie beispielsweise Folienkondensatoren) sind im Allgemeinen sehr zuverlässig und weisen selbst bei Spannungen von einigen kV nur einen sehr geringen Leckstrom auf. Trotz dem kann nicht ausgeschlossen werden, dass ein solcher Ener giespeicher beschädigt wird. Eine solche Beschädigung kann dazu führen, dass der Leckstrom (der von der positiven Elekt rode des Energiespeichers zu der negativen Elektrode des Energiespeichers im Inneren des Energiespeichers fließt) ver größert wird, was (zumindest mittel- bis langfristig) zu ei ner weiteren Schädigung des Energiespeichers (beispielsweise zu einem Kurzschluss im Energiespeicher) führen kann. Solche vergrößerten Leckströme sind oftmals immer noch so gering, dass sie durch eine herkömmliche Kurzschlussüberwachung des Stromrichters nicht erkannt werden. Über einen längeren Zeit raum können derartige vergrößerte Leckströme jedoch bei spielsweise zu einer thermischen Beschädigung des Energie speichers (beispielsweise zu einer thermischen Schädigung des Dielektrikums des Kondensators) führen, wodurch im Extremfall ein Kurzschluss mit anschließendem Brand ausgelöst werden kann. Ein derartiger Kurzschluss führt dann oft zu ver gleichsweise großen Beschädigungen in der Umgebung des Ener giespeichers. Oftmals muss dann der modulare Stromrichter zur Reparatur abgeschaltet werden. Solche Abschaltungen sind sehr teuer und reduzieren die Verfügbarkeit des Stromrichters.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen Stromrichter anzugeben, mit denen eine langsame Zerstö rung des elektrischen Energiespeichers vermieden werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren und durch einen Stromrichter nach den unabhängigen Patentan sprüchen. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens und des Stromrichters sind in den jeweiligen abhängigen Patentan sprüchen angegeben.
Offenbart wird ein Verfahren zum Überwachen eines modularen Stromrichters, der in einer Reihenschaltung eine Mehrzahl (oder sogar Vielzahl) von (zweipoligen) Modulen aufweist, welche jeweils mindestens zwei elektronische Schaltelemente und einen elektrischen Energiespeicher aufweisen, wobei bei dem Verfahren
- während des Betriebs des Stromrichters in einem Zeitab schnitt, in dem der durch die Reihenschaltung fließende Strom (Laststrom des Stromrichters) mittels mindestens eines Schaltelements eines Moduls an dem Energiespeicher des Moduls vorbeigeführt wird, ein zeitlicher Spannungsverlauf der Span nung des Energiespeichers ermittelt wird,
- anhand des zeitlichen Spannungsverlaufs der Leckstrom des Energiespeichers ermittelt wird, und
- ein Überwachungssignal ausgegeben wird, wenn der Leckstrom einen vorbestimmten Wert überschreitet. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass die Überwachung des Energiespeichers wäh rend des regulären Betriebs des Stromrichters durchgeführt werden kann. Es ist also nicht notwendig, für die Überwachung des Energiespeichers den Stromrichter abzuschalten. Weiterhin ist vorteilhaft, dass zur Überwachung des Stromrichters le diglich der zeitliche Verlauf der Spannung des Energiespei chers (zeitlicher Spannungsverlauf) ermittelt zu werden braucht. Weitere Messgrößen sind dazu nicht notwendig, insbe sondere müssen keine in dem Stromrichter fließenden Ströme gemessen werden. Der vorbestimmte Wert des Leckstroms ist ein Schwellenwert, ab dessen Überschreitung der Leckstrom des Energiespeichers zu groß ist.
Der Zeitabschnitt, in dem der durch die Reihenschaltung flie ßende Strom (Laststrom des Stromrichters) mittels mindestens eines Schaltelements des Moduls an dem Energiespeicher des Moduls vorbeigeführt wird, stellt einen besonderen Betriebs zustand des Moduls dar. Solche Zeitabschnitte treten wieder holt während des Betriebs des Stromrichters auf. Während die ser Zeitabschnitte kann jeweils der Leckstrom des Energie speichers ermittelt werden. Mit anderen Worten gesagt, ist in dem Zeitabschnitt der Energiespeicher des Moduls mittels min destens eines Schaltelements des Moduls von dem durch den Stromrichter fließenden (Last-) Strom getrennt. Mit nochmals anderen Worten gesagt, ist in dem Zeitabschnitt der (äußere) Kondensatorstrom gleich Null.
Mittels der Schaltelemente eines Moduls kann der durch die Reihenschaltung fließende Strom durch den Energiespeicher des Moduls geführt oder an dem Energiespeicher des Moduls vorbei- geführt werden. Wenn der durch die Reihenschaltung fließende Strom mittels mindestens eines Schaltelements an dem Energie speicher des Moduls vorbeigeführt wird, dann liegt der Zeit abschnitt vor.
Das Verfahren kann so ablaufen, dass auf das Überwachungssig nal hin ein Überbrückungsschalter geschlossen wird, der das Modul überbrückt. Durch diese Überbrückung des Moduls mittels des Überbrückungsschalters wird das Modul mit dem elektri schen Energiespeicher (welcher einen zu hohen Leckstrom auf weist) außer Betrieb genommen. Dadurch wird sichergestellt, dass der Energiespeicher nicht durch den zu hohen Leckstrom zerstört wird und ein Kurzschluss oder ähnliches auftritt.
Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass der elektrische Energiespeicher ein Kondensator ist und/oder die elektroni schen Schaltelemente IGBTs sind. Der elektrische Energiespei cher kann insbesondere ein Folienkondensator sein. Mit derar tigen Folienkondensatoren lassen sich bei hohen Spannungen große elektrische Ladungen Zwischenspeichern.
Das Verfahren kann so ablaufen, dass die zwei elektronischen Schaltelemente in einer Halbbrückenschaltung angeordnet sind oder die Module jeweils mindestens die zwei elektronischen Schaltelemente, den elektrischen Energiespeicher und zwei weitere elektronische Schaltelemente aufweisen, wobei die zwei elektronischen Schaltelemente und die zwei weiteren elektronischen Schaltelemente in einer Vollbrückenschaltung angeordnet sind. Die Module des modularen Stromrichters kön nen also als sogenannte Halbbrücken-Module und/oder als soge nannte Vollbrücken-Module ausgestaltet sein.
Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass der Stromrichter ein modularer Multilevel-Stromrichter ist.
Das Verfahren kann so ablaufen, dass der Leckstrom anhand des zeitlichen Spannungsverlaufs und der (bekannten) elektrischen Kapazität des Energiespeichers ermittelt wird. Die elektri sche Kapazität des Energiespeichers ist dabei vorbekannt und kann als ein modulspezifischer Parameter abgespeichert sein.
Offenbart wird weiterhin ein modularer Stromrichter
- mit einer Mehrzahl (oder sogar Vielzahl) von in einer Rei henschaltung angeordneten (zweipoligen) Modulen, welche je weils mindestens zwei elektronische Schaltelemente und einen elektrischen Energiespeicher aufweisen, und
- mit einer Überwachungseinrichtung, die während des Betriebs des Stromrichters in einem Zeitabschnitt, in dem der durch die Reihenschaltung fließende Strom (Laststrom des Stromrich ters) mittels mindestens eines Schaltelements eines Moduls an dem Energiespeicher des Moduls vorbeigeführt wird, einen zeitlichen Spannungsverlauf der Spannung des Energiespeichers ermittelt, anhand des zeitlichen Spannungsverlaufs den
Leckstrom des Energiespeichers ermittelt, und ein Überwa chungssignal ausgibt, wenn der Leckstrom einen vorbestimmten Wert überschreitet.
Dieser Stromrichter kann so ausgestaltet sein, dass das Modul mit einem Überbrückungsschalter versehen ist, der auf das Überwachungssignal hin das Modul überbrückt.
Der Stromrichter kann auch so ausgestaltet sein, dass der elektrische Energiespeicher ein Kondensator ist und/oder die elektronischen Schaltelemente IGBTs sind.
Der Stromrichter kann so ausgestaltet sein, dass die zwei elektronischen Schaltelemente in einer Halbbrückenschaltung angeordnet sind oder die Module jeweils die zwei elektroni schen Schaltelemente, den elektrischen Energiespeicher und zwei weitere elektronischen Schaltelemente aufweisen, wobei die zwei elektronischen Schaltelemente und die zwei weiteren elektronischen Schaltelemente in einer Vollbrückenschaltung angeordnet sind. Der Stromrichter kann ein modularer Multilevel-Stromrichter sein .
Der Stromrichter kann so ausgestaltet sein, dass die Überwa chungseinrichtung den Leckstrom anhand des zeitlichen Span nungsverlaufs und der (bekannten) elektrischen Kapazität des Energiespeichers ermittelt.
Der Stromrichter kann auch so ausgestaltet sein, dass die Überwachungseinrichtung Bestandteil des Moduls ist (modulin terne Überwachungseinrichtung) . Dadurch kann vorteilhafter weise jedes Modul eine eigene modulinterne Überwachungsein richtung aufweisen, so dass jedes Modul unabhängig von ande ren Modulen überwacht werden kann.
Die vorstehend beschriebenen Varianten des Stromrichters wei sen gleichartige Vorteile auf, wie sie im Zusammenhang mit dem Verfahren angegeben sind.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei spielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen verweisen da bei auf gleiche oder gleich wirkende Elemente. Dazu ist in
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines modularen Stromrich ters, in
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel eines Moduls des modularen
Stromrichters, in
Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Moduls des modularen Stromrichters, und in
Figur 4 ein beispielhafter Verfahrensablauf dargestellt . In Figur 1 ist ein Stromrichter 1 in Form eines modularen Multilevelstromrichters 1 (modular multilevel Converter, MMC) dargestellt. Dieser Multilevelstromrichter 1 weist einen ers ten Wechselspannungsanschluss 5, einen zweiten Wechselspan nungsanschluss 7 und einen dritten Wechselspannungsanschluss 9 auf. Der erste Wechselspannungsanschluss 5 ist elektrisch mit einem ersten Phasenmodulzweig 11 und einem zweiten Pha senmodulzweig 13 verbunden. Der erste Phasenmodulzweig 11 und der zweite Phasenmodulzweig 13 bilden ein erstes Phasenmodul 15 des Stromrichters 1. Das dem ersten Wechselspannungsan schluss 5 abgewandte Ende des ersten Phasenmodulzweigs 11 ist mit einem ersten Gleichspannungsanschluss 16 elektrisch ver bunden; das dem ersten Wechselspannungsanschluss 5 abgewandte Ende des zweiten Phasenmodulzweigs 13 ist mit einem zweiten Gleichspannungsanschluss 17 elektrisch verbunden. Der erste Gleichspannungsanschluss 16 ist ein positiver Gleichspan nungsanschluss; der zweite Gleichspannungsanschluss 17 ist ein negativer Gleichspannungsanschluss.
Der zweite Wechselspannungsanschluss 7 ist mit einem Ende ei nes 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 Wechselspannungsan schluss 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 Wech selspannungsanschluss 9 abgewandte Ende des fünften Phasenmo dulzweigs 27 sind mit dem ersten Gleichspannungsanschluss 16 elektrisch verbunden. Das dem zweiten Wechselspannungsan schluss 7 abgewandte Ende des vierten Phasenmodulzweigs 21 und das dem dritten Wechselspannungsanschluss 9 abgewandte Ende des sechsten Phasenmodulzweigs 29 sind mit dem zweiten Gleichspannungsanschluss 17 elektrisch verbunden.
Jeder Phasenmodulzweig weist eine Mehrzahl von Modulen (1_1, 1_2, 1_3, ... l_n; 2_1 ... 2_n; usw.) auf, welche (mittels ihrer galvanischen Stromanschlüsse) elektrisch in Reihe geschaltet sind. Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 weist jeder Phasen modulzweig n Module auf. Die Anzahl der (mittels ihrer galva nischen Stromanschlüsse) elektrisch in Reihe geschalteten Mo dule kann sehr verschieden sein, mindestens sind zwei Module in Reihe geschaltet, es können aber auch beispielsweise 50 oder 100 Module elektrisch in Reihe geschaltet sein. Im Aus führungsbeispiel ist n = 32 : der erste Phasenmodulzweig weist also 32 Module 1_1, 1_2, 1_3, ... 1_32 auf. Die Module werden auch als Submodule bezeichnet. Ein durch den Stromrichter fließender Strom 220 (Laststrom oder Betriebsstrom des Strom richters) fließt durch die Reihenschaltung der Module, bei spielsweise durch die Reihenschaltung der Module 1_1 ... l_n des ersten Phasenmodulzweigs 11. Mittels der Schaltelemente der Module kann der durch die Reihenschaltung fließende Strom jeweils durch den Energiespeicher des Moduls geführt oder an dem Energiespeicher des Moduls vorbeigeführt werden.
Im linken Bereich der Figur 1 ist schematisch eine Steuerein richtung 35 für die Module 1_1 bis 6_n dargestellt. Von die ser zentralen Steuereinrichtung 35 werden optische Signale zu den einzelnen Modulen übertragen. Die Signalübertragung zwi schen der Steuereinrichtung und einem Modul ist jeweils sym bolhaft durch eine gestrichelte Linie 37 dargestellt. Dies ist am Beispiel der Module 1_1, l_n und 4_3 dargestellt; zu den anderen Modulen werden auf die gleiche Art und Weise Sig nale gesendet. Mittels der Signale werden die Modulen bei spielsweise angewiesen, einen bestimmten Spannungswert an den Modulanschlüssen auszugeben.
In Figur 2 ist beispielhaft der prinzipielle Aufbau eines Mo duls 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 abschaltbares elektronisches
Schaltelement 202 mit einer ersten antiparallel geschalteten Diode 204 auf. Weiterhin weist das Modul 201 ein zweites ab schaltbares elektronisches Schaltelement 206 mit einer zwei ten antiparallel geschalteten Diode 208 sowie einen elektri schen 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 ge schaltet mit dem zweiten elektronischen Schaltelement 206. Am Verbindungspunkt zwischen den beiden elektronischen Schalt elementen ist ein erster galvanischer Modulanschluss 212 an geordnet. An dem Anschluss des zweiten elektronischen Schalt elements 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 An schluss des Energiespeichers 210 ist elektrisch verbunden mit dem Anschluss des ersten elektronischen Schaltelements 202, der dem Verbindungspunkt gegenüberliegt.
Der Energiespeicher 210 ist also elektrisch parallel geschal tet zu der Reihenschaltung aus dem ersten elektronischen Schaltelement 202 und dem zweiten elektronischen Schaltele ment 206. Durch entsprechende Ansteuerung des ersten elektro nischen Schaltelements 202 und des zweiten elektronischen Schaltelements 206 durch eine modulinterne Modulsteuerung 230 (elektronische Ansteuerschaltung 230) kann erreicht werden, dass zwischen dem ersten Modulanschluss 212 und dem zweiten 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. Der in dem Stromrichter fließende Strom 220 (Laststrom 220) fließt bei geöffnetem Überbrückungsschalter 238 über den ers ten Modulanschluss 212 in das Modul hinein und über den zwei ten Modulanschluss 215 wieder aus dem Modul 201 heraus.
Der Energiespeicher 210 ist mit einer Spannungsmesseinrich tung 225 versehen, welche eine Messung der Spannung des Ener giespeichers über der Zeit vornimmt. Diese Messung der Span nung findet insbesondere in Zeitabschnitten statt, in denen der durch das Modul fließende Strom mittels mindestens eines Schaltelements des Moduls an dem Energiespeicher 210 des Mo duls vorbeigeführt wird. Im Ergebnis dieser (insbesondere zeitlich hochaufgelösten) Spannungsmessung wird ein zeitli cher Verlauf u der Spannung des Energiespeichers 210 ermit telt. Dieser zeitliche Spannungsverlauf u(t) wird von der Spannungsmesseinrichtung 225 zu der Modulsteuerung 230 über tragen. Eine in der Modulsteuerung 230 angeordnete Überwa chungseinrichtung 234 empfängt den zeitlichen Spannungsver lauf u(t) und ermittelt daraus den Leckstrom des Energiespei chers 210. Diese Ermittlung des Leckstroms des Energiespei chers findet also für die oben erwähnten Zeitabschnitte statt. Wenn dieser Leckstrom einen vorbestimmten Wert über schreitet, dann wird ein Überwachungssignal S ausgegeben. Dieses Überwachungssignal S dient im Ausführungsbeispiel der Figur 2 dazu, den Überbrückungsschalter 238 zu schließen. Der Überbrückungsschalter 238 kann beispielsweise ein mechani scher Überbrückungsschalter 238 sein. Der Überbrückungsschal ter 238 verbindet den ersten Modulanschluss 212 mit dem zwei ten Modulanschluss 215. Der Überbrückungsschalter 238 leitet somit den Laststrom des Stromrichters an den beiden elektro nischen Schaltelementen 202, 206 und an dem Energiespeicher 210 vorbei. Dadurch wird vermieden, dass der Energiespeicher mittel- und langfristig durch einen zu hohen Leckstrom be schädigt wird. Die Modulsteuerung 230 stellt Ansteuersignale A für das erste elektronische Schaltelement 202 und für das zweite elektroni sche Schaltelement 206 bereit. Während des Betriebs des Stromrichters treten immer wieder Zeitabschnitte auf, in de nen ein durch den Stromrichter fließender (Last-) Strom mit tels mindestens eines Schaltelements eines Moduls an dem Energiespeicher des Moduls vorbeigeführt wird. Ein derartiger Zeitabschnitt tritt beim Ausführungsbeispiel der Figur 2 bei spielsweise dann auf, wenn das zweite elektronische Schalt element 206 eingeschaltet ist und das erste elektronische Schaltelement 202 ausgeschaltet ist. Dann fließt der Be triebsstrom beziehungsweise Laststrom des Stromrichters unter Umgehung des Energiespeichers 210 von dem ersten Modulan schluss 212 über das zweite elektronische Schaltelement 206 zu dem zweiten Modulanschluss 215. Ein solcher Zeitabschnitt liegt allgemein also dann vor, wenn der erste Modulanschluss mittels mindestens eines Schaltelements des Moduls unter Um gehung des Energiespeichers mit dem zweiten Modulanschluss elektrisch verbunden ist.
In einem derartigen Zeitabschnitt wird also der Energiespei cher durch den Laststrom des Stromrichters weder geladen noch entladen. Daher würde in einem derartigen Zeitabschnitt im Idealfall die Spannung des Energiespeichers 210 konstant bleiben (wenn der Leckstrom des Energiespeichers Null wäre und auch sonst keine Energie aus dem Energiespeicher 210 ent nommen würde, beispielsweise für die Spannungsmesseinrichtung 225) . Während dieses Zeitabschnitts kann also mittels einer Messung des zeitlichen Spannungsverlaufs der Energiespeicher spannung die Größe des Leckstroms des Energiespeichers ermit telt werden. Dies kann beispielsweise erfolgen unter Anwen dung der Beziehung
iL = C * AU / At,
wobei iL der Leckstrom ist, C die elektrische Kapazität des elektrischen Energiespeichers 210, AU die Spannungsänderung der Spannung des Energiespeichers während der Zeit At. Die Kapazität C des Energiespeichers ist bekannt und kann bei- spielsweise als ein modulspezifischer Parameter in der Über wachungseinrichtung 234 gespeichert sein.
Solange der Leckstrom einen vorbestimmten Wert (Grenzwert, Schwellenwert) unterschreitet (wenn also der Leckstrom im Normalbereich liegt) , dann unterbleibt die Ausgabe des Über wachungssignals S und der Überbrückungsschalter 238 bleibt in seiner dargestellten, offenen Stellung. Wenn jedoch der
Leckstrom den vorbestimmten Wert überschreitet (der Leckstrom also einen unzulässig hohen Wert annimmt) , dann gibt die Überwachungseinrichtung 234 das Überwachungssignal S aus und der Überbrückungsschalter 238 wird geschlossen.
In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Moduls 301 dargestellt. Bei diesem Modul 301 kann es sich beispiels weise um das Modul l_n (oder auch um eines der anderen in Fi gur 1 dargestellten Module) handeln. Neben dem bereits aus Figur 2 bekannten ersten elektronischen Schaltelement 202, zweiten elektronischen Schaltelement 206, erster Diode 204, zweiter Diode 208, Energiespeicher 210 und Modulsteuerung 230 weist das in Figur 3 dargestellte Modul 301 ein drittes ab schaltbares elektronisches Schaltelement 302 mit einer drit ten antiparallel geschalteten Diode 304 sowie ein viertes ab schaltbares elektronisches Schaltelement 306 mit einer vier ten antiparallel geschalteten Diode 308 auf. Das dritte ab schaltbare elektronische Schaltelement 302 und das vierte ab schaltbare elektronische Schaltelement 306 sind jeweils als ein IGBT ausgestaltet. Im Unterschied zur Schaltung der Figur 2 ist der zweite galvanische Modulanschluss 315 nicht mit dem zweiten elektronischen Schaltelement 206 verbunden, sondern mit einem Mittelpunkt einer elektrischen Reihenschaltung aus dem dritten elektronischen Schaltelement 302 und dem vierten elektronischen Schaltelement 306.
Das Modul 301 der Figur 3 ist ein sogenanntes Vollbrückenmo dul 301. Dieses Vollbrückenmodul 301 zeichnet sich dadurch aus, dass bei entsprechender Ansteuerung der vier elektroni- sehen Schaltelemente zwischen dem ersten galvanischen Modul anschluss 212 und dem zweiten galvanischen Modulanschluss 315 wahlweise entweder die positive Spannung des Energiespeichers 210, die negative Spannung des Energiespeichers 210 oder eine Spannung des Wertes Null (Nullspannung) ausgegeben werden kann. Somit kann also mittels des Vollbrückenmoduls 301 die Polarität der Ausgangsspannung umgekehrt werden. Der Strom richter 1 kann entweder nur Halbbrückenmodule 201, nur Voll- brückenmodule 301 oder auch Halbbrückenmodule 201 und Voll- brückenmodule 301 aufweisen. Die Darstellungen der Figuren 2 und 3 zeigen jeweils ein Modul mit dem ersten Modulanschluss 212 und dem zweiten Modulanschluss 215 beziehungsweise 315. Über den ersten Modulanschluss 212 und den zweiten Modulan schluss 215, 315 fließen große elektrische Lastströme des Stromrichters .
Bei dem in Figur 3 dargestellten Modul tritt der Zeitab schnitt (in dem ein durch den Stromrichter fließender Last strom mittels mindestens eines Schaltelements an dem Energie speicher vorbeigeführt wird) beispielsweise dann auf, wenn das erste elektronische Schaltelement 202 und das dritte elektronische Schaltelement 302 eingeschaltet und das zweite elektronische Schaltelemt 206 und das vierte elektronische Schaltelement 306 ausgeschaltet sind. In diesem Fall fließt der Laststrom beispielsweise von dem ersten Modulanschluss 212 unter Umgehung des Energiespeichers 210 über die erste Freilaufdiode 204 und das dritte elektronische Schaltelement 302 zu dem zweiten Modulanschluss 315. Bei dem Vollbrückenmo dul 301 kann (im Unterschied zum Halbbrückenmodul 201) ein solcher Zeitabschnitt auch bei entgegengesetztem Stromfluss durch das Modul auftreten. Der Laststrom fließt dann vom zweiten Modulanschluss 315 über die dritte Freilaufdiode 304 und über das erste elektronische Schaltelement 202 zu dem ersten Modulanschluss 212.
Ein derartiger Zeitabschnitt liegt ebenfalls dann vor, wenn das zweite elektronische Schaltelement 206 und das vierte elektronische Schaltelement 306 eingeschaltet, und das erste elektronische Schaltelement 202 und das dritte elektronische Schaltelement 302 ausgeschaltet sind. In diesem Fall fließt der Laststrom des Stromrichters unter Umgehung des Energie speichers 210 beispielsweise von dem ersten Modulanschluss 212 über das zweite elektronische Schaltelement 206 und die vierte Freilaufdiode 308 zu dem zweiten Modulanschluss 315. Bei entgegengesetztem Stromfluss durch das Modul kann der Laststrom dann vom zweiten Modulanschluss 315 über das vierte elektronische Schaltelement 306 und die zweite Freilaufdiode 208 zu dem ersten Modulanschluss 212 fließen. Das weitere Verfahren läuft bei dem in Figur 3 dargestellten Modul gleichartig ab wie das Verfahren bei dem in Figur 2 darge stellten Modul.
Bei den in den Figuren 2 und 3 dargestellten Modulen ist die Überwachungseinrichtung 234 jeweils Bestandteil des Moduls.
Es handelt sich um eine modulinterne Überwachungseinrichtung 234. Dies hat den Vorteil, dass jedes Modul eine eigene Über wachung des Energiespeichers aufweist und damit jedes Modul unabhängig für sich erkennen kann, ob der Leckstrom den vor bestimmten Wert überschreitet.
In Figur 4 ist noch einmal der Ablauf des Verfahrens zum Überwachen des Stromrichters mittels einer Abfolge von Ver fahrensschritten zusammengefasst dargestellt. In einem ersten Verfahrensschritt 402 wird ein Zeitabschnitt ermittelt, in dem ein durch den Stromrichter fließender (Last-) Strom mit tels mindestens eines Schaltelements eines Moduls an dem Energiespeicher des Moduls vorbeigeführt wird. Im darauf fol genden Verfahrensschritt 404 wird während dieses Zeitab schnitts ein zeitlicher Spannungsverlauf u(t) der Spannung des Energiespeichers ermittelt. Im Verfahrensschritt 406 wird anhand des zeitlichen Spannungsverlaufs u(t) der Leckstrom iL des Energiespeichers 210 ermittelt. Im Verfahrensschritt 408 wird ein Überwachungssignal S ausgegeben, wenn der Leckstrom iL einen vorbestimmten Wert überschreitet. Optional wird im Verfahrensschritt 410 auf das Überwachungssignal S hin der Überbrückungsschalter 238 geschlossen. Dadurch wird das Modul elektrisch überbrückt. Mehrere oder alle der Verfahrens schritte 402 bis 408 können von der Überwachungseinrichtung 234 durchgeführt werden.
Es wurden ein Verfahren und ein Stromrichter beschrieben, mit denen während des Betriebs des Stromrichters der Energiespei cher der Module daraufhin überwacht werden kann, ob der
Leckstrom unzulässig hohe Werte annimmt. Wenn der Leckstrom unzulässig hohe Werte annimmt, dann wird ein Überwachungssig nal S ausgegeben und es kann optional das Modul mittels eines Überbrückungsschalters 238 überbrückt werden.
Für diese Überwachung ist es lediglich notwendig, die Ener giespeicherspannung (insbesondere die Kondensatorspannung) zu messen (insbesondere hinreichend genau und mit einer hinrei chenden zeitlichen Abtastrate) und so den zeitlichen Span nungsverlauf der Spannung des Energiespeichers zu ermitteln. Der Schaltzustand der elektronischen Schaltelemente ist in der Modulsteuerung 230 bekannt, so dass mittels der Überwa chungseinrichtung 234 während des Betriebs des Stromrichters diejenigen Zeitabschnitte bestimmt werden können, in denen ein durch den Stromrichter fließender (Last-) Strom mittels mindestens eines Schaltelements eines Moduls an dem Energie speicher des Moduls vorbeigeführt wird.
Bei der Ansteuerung der Module durch die übergeordneten Steu ereinrichtung 35 des Stromrichters treten stets auch Zeitab schnitte auf, in denen der Laststrom des Stromrichters mit tels der elektronischen Schaltelemente am Energiespeicher 210 vorbeigeführt wird. Das bedeutet, in diesen Zeitabschnitten verändert der Laststrom des Stromrichters nicht die
Kondensatorspannung; in diesen Zeitabschnitten ist der
Kondensatorstrom gleich Null und unbeeinflusst von dem Last strom des Stromrichters. Während dieser Zeitabschnitte wird mittels des gemessenen zeitlichen Spannungsverlaufs der Ener- giespeicherspannung das Differenzial der Spannung über der Zeit (dU/dt; AU/At) ermittelt und daraufhin mittels der be kannten Kapazität des zu überwachenden Energiespeichers der Leckstrom ermittelt.
Durch das beschriebene Verfahren und den beschriebenen Strom richter kann rechtzeitig erkannt werden, wenn der Leckstrom einen vorbestimmten Wert überschreitet. Dadurch wird verhin dert, dass aufgrund eines zu großen Leckstroms des Energie speichers eine zu große Verlustleistung in den Energiespei cher eingetragen wird und es dadurch (beispielsweise durch Temperaturausdehnung oder Pyrolysegase) zu einem hohen Über druck im Energiespeichergehäuse/Kondensatorgehäuse mit einem anschließenden Bersten des Gehäuses kommt. Im Extremfall kann das Bersten des Kondensators ein Austreten von brennbarem Gas und dessen Entzündung an einem Lichtbogen zur Folge haben. Durch die Überwachung des Leckstroms können also Beschädigun gen und Verschmutzungen der den Energiespeicher umgebenden Komponenten des Stromrichters sowie die Entstehung eines Brandes durch einen Lichtbogen des fehlerhaften Energiespei chers vermieden werden. Dadurch können kostenintensive unge- plante Anlagenabschaltungen und unerwünschte Verschmutzungen der Stromrichteranlage vermieden werden. Kostenintensive Rei nigungsarbeiten oder der Austausch von nahe einem havarierten Energiespeicher angeordneten Elementen werden unnötig.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass zur Überwachung des
Leckstroms lediglich die Überwachungseinrichtung 234 in der Modulsteuerung 230 realisiert zu werden braucht. Die Überwa chungseinrichtung 234 erkennt anhand der in der Modulsteue rung vorliegenden Informationen über den Schaltzustand der elektronischen Schaltelemente des Moduls die Zeitabschnitte, in denen der Laststrom des Stromrichters an dem Energiespei cher vorbeigeleitet wird.
In diesen Zeitabschnitten ermittelt die Überwachungseinrich tung 234 den zeitlichen Spannungsverlauf der Spannung des Energiespeichers und ermittelt daraus (unter Nutzung der be kannten Kapazität des Energiespeichers, der als Parameter in der Überwachungseinrichtung 234 hinterlegt ist) den Leckstrom des Energiespeichers. Da oftmals sowieso eine Spannungsmess- einrichtung 225 zur Messung der Kondensatorspannung / Ener giespeicherspannung vorhanden ist, hält sich der Aufwand zur Realisierung der Überwachung des Leckstroms in Grenzen.
Es wurden ein Verfahren und ein Stromrichter beschrieben, mit denen mit geringem Aufwand der Leckstrom des Energiespeichers der Module überwacht werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Überwachen eines modularen Stromrichters (1), der in einer Reihenschaltung eine Mehrzahl von Modulen (1_1 ... l_n) aufweist, welche jeweils mindestens zwei elektro nische Schaltelemente (202, 206) und einen elektrischen Ener giespeicher (210) aufweisen, wobei bei dem Verfahren
- während des Betriebs des Stromrichters (1) in einem Zeitab schnitt, in dem der durch die Reihenschaltung fließende Strom mittels mindestens eines Schaltelements (206) eines Moduls (201) an dem Energiespeicher (210) des Moduls vorbeigeführt wird, der zeitliche Spannungsverlauf (u(t)) der Spannung des Energiespeichers (210) ermittelt wird,
- anhand des zeitlichen Spannungsverlaufs (u(t)) der
Leckstrom des Energiespeichers (210) ermittelt wird, und
- ein Überwachungssignal (S) ausgegeben wird, wenn der
Leckstrom einen vorbestimmten Wert überschreitet.
2. Verfahren 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
- auf das Überwachungssignal (S) hin ein Überbrückungsschal ter (238) geschlossen wird, der das Modul (201) überbrückt.
3. Verfahren 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
- der elektrische Energiespeicher ein Kondensator (210) ist und/oder die elektronischen Schaltelemente IGBTs (202, 206) sind .
4. Verfahren 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) in einer Halbbrückenschaltung angeordnet sind oder die Module jeweils mindestens die zwei elektronischen Schaltelemente (202, 206), den elektrischen Energiespeicher (210) und zwei weitere elektronischen Schaltelemente (302, 306) aufweisen, wobei die zwei elektronischen Schaltelemente (202, 206) und die zwei weiteren elektronischen Schaltelemente (302, 306) in einer Vollbrückenschaltung angeordnet sind.
5. Verfahren 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 Stromrichter ein modularer Multilevel-Stromrichter (1) ist .
6. Verfahren 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 Leckstrom anhand des zeitlichen Spannungsverlaufs (u(t)) und der elektrischen Kapazität des Energiespeichers (210) ermittelt wird.
7. Modularer Stromrichter (1)
- mit einer Mehrzahl von in einer Reihenschaltung angeordne ten Modulen (1_1 ... l_n) , welche jeweils mindestens zwei elektronische Schaltelemente (202, 206) und einen elektri schen Energiespeicher (210) aufweisen, und
- mit einer Überwachungseinrichtung (234), die während des Betriebs des Stromrichters (1) in einem Zeitabschnitt, in dem der durch die Reihenschaltung fließende Strom (220) mittels mindestens eines Schaltelements (206) eines Moduls (201) an dem Energiespeicher (210) des Moduls vorbeigeführt wird, den zeitlichen Spannungsverlauf (u(t)) der Spannung des Energie speichers ermittelt, anhand des zeitlichen Spannungsverlaufs (u(t)) den Leckstrom des Energiespeichers (210) ermittelt, und ein Überwachungssignal (S) ausgibt, wenn der Leckstrom einen vorbestimmten Wert überschreitet.
8. Stromrichter nach Anspruch 7,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- das Modul (201) mit einem Überbrückungsschalter (238) ver sehen ist, der auf das Überwachungssignal (S) hin das Modul (201) überbrückt.
9. Stromrichter nach Anspruch 7 oder 8,
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 und/oder die elektronischen Schaltelemente IGBTs (202, 206) sind .
10. Stromrichter nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
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) in einer Halbbrückenschaltung angeordnet sind oder die Module jeweils die zwei elektronischen Schaltelemente (202, 206), den elekt rischen Energiespeicher (210) und zwei weitere elektronischen Schaltelemente (302, 306) aufweisen, wobei die zwei elektro nischen Schaltelemente (202, 206) und die zwei weiteren elektronischen Schaltelemente (302, 306) in einer Vollbrü ckenschaltung angeordnet sind.
11. Stromrichter nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- der Stromrichter ein modularer Multilevel-Stromrichter (1) ist .
12. Stromrichter nach einem der Ansprüche 7 bis 11,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- die Überwachungseinrichtung (234) den Leckstrom anhand des zeitlichen Spannungsverlaufs (u(t)) und der elektrischen Ka pazität des Energiespeichers (210) ermittelt.
13. Stromrichter nach einem der Ansprüche 7 bis 12,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- die Überwachungseinrichtung (234) Bestandteil des Moduls (201) ist .
PCT/EP2018/097013 2018-01-22 2018-12-27 Verfahren zum überwachen eines modularen stromrichters WO2019141500A1 (de)

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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2549634A1 (de) * 2010-03-15 2013-01-23 Hitachi, Ltd. Stromwandlervorrichtung
CN103235219A (zh) * 2013-04-17 2013-08-07 华北电力大学 一种模块化多电平换流器的子模块故障诊断方法
US20170123014A1 (en) * 2014-06-13 2017-05-04 Dr. Ing. H.C. F . Porsche Aktiengesellschaft Electronic circuit for easier operation of multilevel converters

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8982591B2 (en) * 2011-10-18 2015-03-17 Tigo Energy, Inc. System and method for exchangeable capacitor modules for high power inverters and converters
DE102012215963A1 (de) * 2012-09-10 2014-03-13 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Überwachung des Alterungszustandes des Zwischenkreiskondensators einer elektrischen Anlage und Steuereinheit für eine elektrische Anlage
EP2887526B1 (de) * 2013-12-19 2019-04-03 ABB Schweiz AG Verfahren und Leistungswandler zur Bestimmung des Zellkondensatorabbaus in einer Wandlerzelle
CN108352779A (zh) * 2015-10-29 2018-07-31 Abb瑞士股份有限公司 换流器中的电容器的感测失效

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2549634A1 (de) * 2010-03-15 2013-01-23 Hitachi, Ltd. Stromwandlervorrichtung
CN103235219A (zh) * 2013-04-17 2013-08-07 华北电力大学 一种模块化多电平换流器的子模块故障诊断方法
US20170123014A1 (en) * 2014-06-13 2017-05-04 Dr. Ing. H.C. F . Porsche Aktiengesellschaft Electronic circuit for easier operation of multilevel converters

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