WO2020125968A1 - Verfahren zum regeln eines stromrichters sowie stromrichteranlage mit dem stromrichter - Google Patents

Verfahren zum regeln eines stromrichters sowie stromrichteranlage mit dem stromrichter Download PDF

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WO2020125968A1
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power converter
control
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Dominik Schuster
Rodrigo Alonso Alvarez Valenzuela
Andreas Lorenz
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02M1/0025—Arrangements for modifying reference values, feedback values or error values in the control loop of a converter

Definitions

  • the invention relates to a method for regulating a power converter, in which a setpoint of a control parameter is limited by at least one limiting value.
  • the converter In many energy transmission applications, for example in a high-voltage direct current transmission system (HVDC system), especially when using IGBT-based VSC technology (e.g. modular multi-stage converters), the converter is a thermally sensitive component. Even short-term overloads (in the ⁇ ls range) of semiconductors or semiconductor switches installed in them can result in destruction of the converter with high economic costs. At the same time, high demands are placed on the converter with regard to its short-term overload capability. This generally leads to a costly oversized converter design.
  • HVDC system high-voltage direct current transmission system
  • IGBT-based VSC technology e.g. modular multi-stage converters
  • the converter is a thermally sensitive component. Even short-term overloads (in the ⁇ ls range) of semiconductors or semiconductor switches installed in them can result in destruction of the converter with high economic costs. At the same time, high demands are placed on the converter with regard to its short-term overload capability. This generally leads to a costly oversized converter design.
  • the control of the converters is adapted in the known converter systems.
  • the adaptation includes a limitation of the setpoint of one or more of the control parameters.
  • the usually several setpoints for the converter control are usually specified by a higher-level control system. So far, the setpoint has been limited on the basis of permanently stored characteristic or limit values.
  • the limit values are mostly derived from calculations of stationary operating points of the converter system.
  • Limiting the control parameters is known, for example, from EP 3 392 994 A1.
  • the regulation proposed there provides that the corresponding control characteristics are The nominal / maximum output power and the minimum / maximum permanently permissible voltage of the converter are limited in order to prevent damage to the converter.
  • the object of the invention is to propose a method mentioned at the outset which enables the most reliable regulation of the converter.
  • the object is achieved according to the invention by a method according to the species, in which the at least one limit value is determined in a time-dynamic manner as a function of a converter temperature.
  • the time-dynamic determination of the limit value means that the limit value can change over time.
  • the limit value can be determined at predetermined time intervals.
  • the converter temperature is understood as a present, actual or suitably determined, modeled or estimated temperature at a predetermined location of the converter or its immediate surroundings.
  • the setpoints to be limited can be given, in particular, for one or more of the following variables of the converter: an AC-side reactive current Iq, an AC-side active current Ip, a DC-side current IDC, a circuit-internal circuit current
  • An advantage of the method according to the invention is that due to the time-dynamic adaptation of the limiting value, taking into account the converter temperature, better utilization of the converter can be achieved.
  • the dynamic performance of the converter can be increased without an increase in its overall costs.
  • the method according to the invention allows the Converter in the event of brief overloads and at the same time avoids shutdowns through higher-level protective devices. In this way, particularly expensive transmission failures can be prevented.
  • in stationary operation of the converter under suitable circumstances (eg at low outside temperatures and a higher power of a cooling system of the converter), increased transmission or reactive power is made possible.
  • the converter temperature is a semiconductor temperature of a semiconductor switch of the converter.
  • the semiconductor temperature is preferably a semiconductor junction temperature at a junction of the semiconductor.
  • Several semiconductor temperatures or, in general, other converter temperatures can also be used and combined with one another to determine and determine the limit values.
  • the semiconductor temperatures of several, preferably all, of the semiconductor switches used in the converter can be used or taken into account when determining the limit value or limits.
  • the converter temperature can be formed, for example, as an average value, a median value or a maximum value of the semiconductor temperatures.
  • the use of the semiconductor temperatures is advantageous because the semiconductor switches are the particularly relevant active components of the converter.
  • the converter temperature is preferably determined on the basis of a temperature model of the semiconductor switch.
  • the semiconductor temperature can be calculated using the temperature model.
  • the determination can take over a suitable part of the control with sufficient computing power, whereby all necessary parameters are supplied to this part of the control.
  • the temperature model or the module By means of which the temperature model is created or dynamically determined and executed, for example, can include one or more of the following input variables: one
  • Branch current in a converter branch a degree of modulation of the converter branch, a voltage present at the converter branch, thermal parameters of the semiconductor switch.
  • the temperature model it is possible to determine or at least estimate the semiconductor temperature using known measurement variables. A complex direct temperature measurement at high voltage potential is not required.
  • the temperature model particularly preferably comprises a power model loss of the semiconductor switch.
  • the temperature model also uses loss parameters of the semiconductor switch. In this way, the accuracy of the modeling of the semiconductor temperature can be increased because the thermal losses in the semiconductor are taken into account.
  • the converter is a modular multi-stage converter and the converter temperature is obtained from one or more of the following measurement parameters: a branch current of a converter branch of the converter, an energy storage voltage of an energy store of a switching module of the converter, a switching state of the switching module. Additionally or alternatively, for example, an average capacitor voltage of all capacitors of a converter branch can also be used as measurement parameters for the temperature model.
  • a modular multi-stage converter is a live converter which is characterized by a modular structure. In each converter branch, the multi-stage converter comprises a series connection of two-pole switching modules. Each switching module comprises several semiconductor switches and an energy store, usually in the form of a capacitor.
  • the semiconductor switches can be controlled independently of one another, so that a switching module voltage is connected to the connections of the respective switching module. is adjustable. Examples of switching module topologies are the half-bridge and full-bridge switching modules known to the person skilled in the art.
  • the method according to the invention is particularly advantageous for the operation of a modular multistage converter, because an oversizing in the design of the multistage converter can be avoided.
  • the converter temperature is obtained using a temperature measurement on the converter.
  • the temperature measurement can include, for example, a cooling temperature of a cooling medium of a cooling system for cooling the converter.
  • a cooling water temperature of a cooling water for cooling the converter can be measured.
  • the converter temperature can be measured directly by suitable measures, for example by a measuring device for measuring a semiconductor temperature at the semiconductor switch.
  • the converter temperature can be determined particularly precisely by direct temperature measurement of the converter temperature or by using a temperature measurement when modeling the converter temperature.
  • volume flow of the cooling medium is used to determine the limiting value.
  • setpoints of several control parameters are used in converter control.
  • the at least one limiting value is preferably defined as a function of target values of further control parameters. If several limit values are defined for several control parameters at the same time, this creates a multidimensional problem with mutually dependent variables, because the different control parameters may not be limited independently of one another. At the same time, despite the interdependencies, one or more degrees of freedom remain when determining the limit values.
  • This Degrees of freedom can be used to select the individual limit values according to the requirements for the converter system or for energy transmission according to a priority. This selection process can also be referred to as prioritization. For example, in a dynamic overload case, reactive and active power of the converter system can be limited, for example, based on a current requirement profile.
  • the invention further relates to a converter system with egg NEM converter and a control device for controlling the converter.
  • Such a converter system is known, for example, from EP 3 392 994 Al, already mentioned above.
  • the object of the invention is to propose a power converter system of the type which enables the most reliable possible operation.
  • control device is set up to limit a setpoint value of a control parameter by at least one limiting value which is determined or can be determined dynamically as a function of a converter temperature.
  • the converter is preferably a modular multistage converter. It is known that modular multistage converters are particularly complex, and their internal variables (such as the semiconductor temperature, for example) change over time largely independently of their external variables (current, voltage, reactive power). A static limitation of the External sizes can therefore not guarantee comprehensive protection against thermal overloading of the converter or its semiconductor. For this reason, the advantages of the solution according to the invention of the time-dynamic, temperature-dependent setpoint limitation are particularly apparent in connection with a modular multi-stage converter.
  • Figure 1 shows an embodiment of a modular multi-stage converter in a schematic representation
  • Figure 2 shows an example of a half-bridge switching module in a schematic representation
  • Figure 3 shows an example of a full-bridge switching module in a schematic representation
  • Figure 4 shows an embodiment of a crizungseinrich device for a converter system according to the invention
  • FIG. 5 shows an example of temperature modeling for a method according to the invention.
  • a converter system 1 is shown in FIG.
  • the converter system 1 comprises a modular multi-stage converter (MMC) 2, which in the example shown for converting an AC voltage of an AC voltage network 3, to which the MMC 2 is connected by means of a network transformer 4, into a DC voltage Udc.
  • MMC modular multi-stage converter
  • the MMC 2 comprises six converter branches 5-10, which are connected to one another in a double star circuit.
  • Each of the similarly constructed converter branches 5-10 comprises two arm inductors 11, 12 and a series connection two-pole switching modules SM.
  • all switching modules SM are constructed identically, but this is generally not necessary.
  • the number of switching modules SM in each converter branch 5-10 is basically arbitrary and can be adapted to the respective application.
  • the switching modules SM can be, for example, full-bridge switching modules or half-bridge switching modules, the structure of which is discussed in more detail in the following FIGS. 2 and 3.
  • Each switching module SM comprises controllable semiconductor switches, e.g. IGBT or the like, an energy store and a control module by means of which the semiconductor switches can be controlled.
  • the converter system 1 further comprises a central control device 13, which is set up to regulate the MMC 2 and to control the switching modules SM.
  • the control device 13 receives specifications from a higher-level entity with regard to the required active power and reactive power, which the control unit converts into setpoints for some control parameters.
  • the control parameters can be, for example, an AC voltage Uac, an AC current Iac, a DC side current Idc and / or a DC voltage Udc.
  • a voltage between the positive DC voltage pole and the earth potential, Udc +, and a voltage between the negative DC voltage pole and the earth potential, Udc- are important.
  • FIG 2 shows a first switching module SM1, which is suitable as a switching module SM for the converter of Figure 1, and which is connected in a half-bridge circuit.
  • a parallel connection of a first semiconductor switch S1 and a capacitor C is arranged in a capacitor gate branch.
  • a second semiconductor switch is arranged in a bridge branch between two connections XI, X2 of the first switching module SM1.
  • the two semiconductor switches S1, S2 are each one Free-wheeling diode F connected in anti-parallel.
  • a switching module voltage USM1 can be generated at the connections XI, X2, which corresponds to the capacitor voltage Uc, or else a zero voltage.
  • FIG. 3 shows a second switching module SM2, which is suitable as a switching module SM for the converter of FIG. 1, and which is connected in a full-bridge circuit.
  • the switching module SM comprises a first switchable semiconductor switch Hl, to which a first free-wheeling diode D1 is connected in anti-parallel, a second switchable semiconductor switch H2, to which a second free-wheeling diode D2 is connected in anti-parallel, the first and second semiconductor switches H1, H2 being connected to one another in a first semiconductor series connection are and have the same forward direction.
  • the switching module SM2 further comprises a third switchable semiconductor switch H3, to which a third free-wheeling diode D3 is connected in anti-parallel, and a fourth switchable semiconductor switch H4, to which a fourth free-wheeling diode D4 is connected in anti-parallel, the third and fourth semiconductor switches H3, H4 in a second semiconductor series connection are interconnected and have the same forward direction.
  • the two semiconductor series connections are parallel to each other and to an energy storage device C in the form of a capacitor, to which a capacitor voltage Uc is applied.
  • the switching module SM2 further comprises a first connection terminal XI, which is arranged between the semiconductor switches Hl, H2 of the first semiconductor series circuit, and a second connection terminal X2, which is arranged between the semiconductor switches H3, H4 of the second semiconductor series circuit.
  • a switching module voltage USM2 can be generated at the connections XI, X2, which corresponds to the capacitor voltage Uc, the negative capacitor voltage -Uc, or a zero voltage.
  • FIG. 4 shows a control device 13 for the converter system of FIG. 1.
  • the control device 13 comprises a conventional control component 14, which receives measured values M from the measuring devices of the converter 2 and transmits control signals S to the converter 2.
  • control device 13 includes a module 15 for temperature modeling or temperature calculation.
  • the module 15 receives the measured values M on the input side.
  • the module 15 provides a set of limit values B on the output side, which is sent to a prioritization module 16 for determining the prioritization of the control parameters or their target values.
  • the prioritization module 16 is connected on the input side to a control and protection technology 17, which derives from the measured values M setpoints target for the relevant control parameters and transmits them to the prioritization module.
  • the prioritization module 16 determines which setpoints are limited in a prioritized manner. The setpoints together with the limit values are then transmitted to the control component 14.
  • FIG. 5 shows an example of temperature modeling that can be carried out in a method according to the invention.
  • a power loss model component VK receives, on the input side, a capacitor voltage Uc of a switching module, a modulation level of a converter branch in which the relevant switching module is arranged, a switching state a of a semiconductor of the switching module, the semiconductor temperature of which is to be determined or estimated, and one Current Iconv in the relevant converter branch.
  • the power loss model component VK provides a power loss L and transmits this to a temperature model component TK, which additionally has a coolant temperature Tv as an input parameter.
  • the temperature model component TK is determined on the basis of the input parameters Tv, L is a semiconductor temperature T (Tv, L).
  • the semiconductor temperature T (Tv, L) is transmitted on the output side of the temperature model component TK for further processing to other control components.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines Stromrichters (2), bei dem ein Sollwert eines Regelungsparameters durch wenigstens einen Begrenzungswert begrenzt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der wenigstens eine Begrenzungswert in Abhängigkeit von einer Stromrichtertemperatur zeitdynamisch festgelegt wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Stromrichteranlage (1) mit einer Regelungseinrichtung (13), die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Regeln eines Stromrichters sowie Stromrichter anlage mit dem Stromrichter
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines Strom richters, bei dem ein Sollwert eines Regelungsparameters durch wenigstens einen Begrenzungswert begrenzt wird.
In vielen Anwendungen der Energieübertragung, zum Beispiel in einem Hochspannungsgleichstromübertragungssystem (HGÜ- System) , insbesondere bei Verwendung IGBT-basierter VSC- Technologie (z.B. modularer Mehrstufenstromrichter), ist der Stromrichter (Converter) eine thermisch sensible Komponente. Bereits kurzzeitige Überlastungen (im Bereich < ls) von darin verbauten Halbleitern bzw. Halbleiterschaltern können eine Zerstörung des Stromrichters mit hohen Ökonomischen Kosten zur Folge haben. Gleichzeitig werden an den Stromrichter hohe Anforderungen bezüglich deren kurzzeitiger Überlastfähigkeit gestellt. Dies führt im Allgemeinen zu einer kostenintensiven überdimensionierten Auslegung des Stromrichters.
Um den oben beschriebenen Problemen zu begegnen wird bei den bekannten Stromrichteranlagen die Regelung der Stromrichter angepasst. Die Anpassung umfasst eine Begrenzung des Sollwer tes eines oder mehrerer der Regelungsparameter. Die meist mehreren Sollwerte für die Stromrichterregelung werden dabei üblicherweise von einer übergeordneten Leittechnik vorgege ben. Die Begrenzung des Sollwertes erfolgt bislang anhand fest abgespeicherter Kennlinien- bzw. Begrenzungswerte. Die Begrenzungswerte sind meist aus Berechnungen von stationären Betriebspunkten der Stromrichteranlage näherungsweise abge leitet .
Eine Begrenzung der Regelungsparameter ist beispielsweise aus der EP 3 392 994 Al bekannt. Die dort vorgeschlagene Regelung sieht vor, dass die entsprechenden Regelkennlinien durch mi- nimale/maximale Ausgangsleistung sowie minimale/maximale dau erhaft zulässige Spannung des Stromrichters begrenzt sind, um eine Beschädigung des Stromrichters zu verhindern.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein eingangs genanntes Ver fahren vorzuschlagen, das eine möglichst zuverlässige Rege lung des Stromrichters ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein artgemäßes Verfah ren gelöst, bei dem der wenigstens eine Begrenzungswert in Abhängigkeit von einer Stromrichtertemperatur zeitdynamisch festgelegt wird. Die zeitdynamische Festlegung des Begren zungswertes bedeutet, dass der Begrenzungswert sich in der Zeit ändern kann. Beispielsweise kann die Festlegung des Be grenzungswertes in vorbestimmten Zeitabständen erfolgen. Die Stromrichtertemperatur wird als eine an einer vorher festge legten Stelle des Stromrichters oder dessen unmittelbarer Um gebung vorliegende, tatsächliche oder auf geeignete Weise er mittelte, modellierte oder geschätzte Temperatur, verstanden. Die zu begrenzenden Sollwerte können insbesondere für eine oder mehreren der folgenden Größen des Stromrichters gegeben sein: einen wechselspannungsseitigen Blindstrom Iq, einen wechselspannungsseitigen Wirkstrom Ip, einen gleichspannungs seitigen Strom IDC, ein stromrichterinterner Kreisstrom
Ikreis, eine gleichspannungsseitige Spannung UDC, eine wech selspannungsseitige Spannung UAC, eine wechselspannungsseiti ge Frequenz, eine Gesamtenergie am Stromrichter (die Summe der erzeugten Spannungen) oder auch eine beliebige Linearkom bination der vorangehenden Größen.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass auf grund der zeitdynamischen Anpassung des Begrenzungswertes un ter Berücksichtigung der Stromrichtertemperatur eine bessere Ausnutzung des Stromrichters erreicht werden kann. Insbeson dere kann die dynamische Performance des Stromrichters erhöht werden, und zwar ohne eine Erhöhung dessen Gesamtkosten . Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht einen Weiterbetrieb des Stromrichters bei kurzzeitigen Überlasten und vermeidet zu gleich Abschaltungen durch übergeordnete Schutzeinrichtungen. Auf diese Weise können insbesondere kostenintensive Übertra- gungsausfällte verhindert werden. Zudem sind im stationären Betrieb des Stromrichters bei geeigneten Umständen (z.B. bei niedrigen Außentemperaturen und einer dadurch erhöhten Leis tung einer Kühlanlage des Stromrichters) erhöhte Übertra- gungs- oder Blindleistungen ermöglicht.
Es wird als besonders vorteilhaft angesehen, wenn die Strom richtertemperatur eine Halbleitertemperatur eines Halbleiter schalters des Stromrichters ist. Die Halbleitertemperatur ist bevorzugt eine Halbleiter-Sperrschichttemperatur an einer Sperrschicht des Halbleiters. Zur Ermittlung und Festlegung des oder der Begrenzungswerte können auch mehrere Halbleiter temperaturen oder im Allgemeinen auch andere Stromrichtertem peraturen (beispielsweise eine Gehäusetemperatur oder Tempe raturen an anderen Komponenten des Stromrichters, wie Schalt anlagen, Ableiter etc.) herangezogen und miteinander kombi niert werden. Zum Beispiel können bei der Festlegung des oder der Begrenzungswerte die Halbleitertemperaturen mehrerer, vorzugsweise aller im Stromrichter eingesetzten Halbleiter schalter verwendet bzw. berücksichtigt werden. Die Stromrich tertemperatur kann in einem solchen Fall beispielsweise als ein Mittelwert, ein Medianwert oder ein Maximalwert der Halb leitertemperaturen gebildet sein. Die Verwendung der Halblei tertemperaturen ist vorteilhaft, weil die Halbleiterschalter die besonders relevanten aktiven Komponenten des Stromrich ters sind.
Vorzugsweise wird die Stromrichtertemperatur anhand eines Temperaturmodells des Halbleiterschalters ermittelt. Mittels des Temperaturmodells kann die Halbleitertemperatur rechne risch ermittelt werden. Die Ermittlung kann dabei ein geeig neter Teil der Regelung mit ausreichender Rechenkraft über nehmen, wobei diesem Teil der Regelung alle notwendigen Para meter zugeführt werden. Das Temperaturmodel bzw. das Modul, mittels dessen das Temperaturmodell erstellt bzw. zeitdyna misch ermittelt und ausgeführt wird, kann beispielsweise eine oder mehrere folgender Eingangsgrößen umfassen: einen
Zweigstrom in einem Stromrichterzweig, einen Aussteuergrad des Stromrichterzweiges , eine am Stromrichterzweig anstehende Spannung, thermische Parameter des Halbleiterschalters. Mit tels des Temperaturmodels ist es möglich, die Halbleitertem peratur unter Verwendung ohnehin bekannter Messgrößen zu er mitteln oder zumindest zu schätzen. Eine aufwendige direkte Temperaturmessung auf Hochspannungspotenzial wird hierbei nicht benötigt.
Besonders bevorzugt umfasst das Temperaturmodel ein Verlust leistungsmodel des Halbleiterschalters. Dazu verwendet das Temperaturmodell zusätzlich auch Verlustparameter des Halb leiterschalters. Auf diese Weise kann die Genauigkeit der Mo dellierung der Halbleitertemperatur erhöht werden, weil die thermischen Verluste im Halbleiter berücksichtigt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Stromrich ter ein modularer Mehrstufenstromrichter und die Stromrich tertemperatur aus einer oder mehreren folgender Messparameter gewonnen wird: einem Zweigstrom eines Stromrichterzweiges des Stromrichters, einer Energiespeicherspannung eines Energie speichers eines Schaltmoduls des Stromrichters, einem Schalt zustand des Schaltmoduls. Zusätzlich oder alternativ kann beispielsweise auch eine mittlere Kondensatorspannung aller Kondensatoren eines Stromrichterzweiges als Messparameter für das Temperaturmodell verwendet werden. Ein modularer Mehrstu fenstromrichter ist dabei ein spannungsgeführter Stromrich ter, der durch einen modularen Aufbau gekennzeichnet ist. In jedem Stromrichterzweig umfasst der Mehrstufenstromrichters eine Reihenschaltung zweipoliger Schaltmodule . Jedes Schalt modul umfasst mehrere Halbleiterschalter sowie einen Energie speicher, meist in Form eines Kondensators. Die Halbleiter schalter sind voneinander unabhängig ansteuerbar, so dass an Anschlüssen des jeweiligen Schaltmoduls eine Schaltmodulspan- nung einstellbar ist. Beispiele für Schaltmodultopologien sind die dem Fachmann bekannten Halbbrücken- und Vollbrücken- Schaltmodule . Das erfindungsgemäße Verfahren ist für den Be trieb eines modularen Mehrstufenstromrichters besonders vor teilhaft, weil sich hierbei eine Überdimensionierung in der Auslegung des Mehrstufenstromrichters vermeiden lässt.
Es ist ebenfalls denkbar, dass die Stromrichtertemperatur un ter Verwendung einer Temperaturmessung am Stromrichter gewon nen wird. Die Temperaturmessung kann beispielsweise eine Kühltemperatur eines Kühlmediums einer Kühlanlage zur Kühlung des Stromrichters umfassen. Insbesondere kann eine Kühlwas sertemperatur eines Kühlwassers zur Kühlung des Stromrichters gemessen werden. Selbstverständlich kann die Stromrichtertem peratur durch geeignete Maßnahmen direkt gemessen werden, beispielsweise durch eine Messvorrichtung zum Messen einer Halbleitertemperatur am Halbleiterschalter. Durch direkte Temperaturmessung der Stromrichtertemperatur oder eine Ver wendung einer Temperaturmessung bei der Modellierung der Stromrichtertemperatur kann die Stromrichtertemperatur beson ders genau ermittelt werden.
Ebenfalls von Vorteil kann es sein, wenn der Volumenstrom des Kühlmediums zur Bestimmung des Begrenzungswertes genutzt wird .
Im Allgemeinen werden bei der Stromrichterregelung Sollwerte mehrerer Regelungsparameter verwendet. Bevorzugt wird der we nigstens eine Begrenzungswert in Abhängigkeit von Sollwerten weiterer Regelungsparameter festgelegt. Werden mehrere Be grenzungswerte zugleich für mehrere Regelungsparameter fest gelegt, so entsteht auf diese Weise ein mehrdimensionales Problem mit voneinander abhängigen Variablen, weil die unter schiedlichen Regelungsparameter unter Umständen nicht unab hängig voneinander begrenzt werden. Zugleich verbleiben trotz der gegenseitigen Abhängigkeiten eines oder mehrere Frei heitsgrade bei der Festlegung der Begrenzungswerte. Diese Freiheitsgrade können dazu genutzt werden, die einzelnen Be grenzungswerte entsprechend den Anforderungen an das Strom richtersystem bzw. an die Energieübertragung gemäß einer Pri- orisierung auszuwählen. Dieser Auswahlvorgang kann auch als Priorisierung bezeichnet werden. Zum Beispiel in einem dyna mischen Überlastfall können beispielsweise anhand eines aktu ellen Anforderungsprofils Blind- und Wirkleistung des Strom richtersystems priorisiert begrenzt werden.
Die Erfindung betrifft ferner eine Stromrichteranlage mit ei nem Stromrichter und einer Regelungseinrichtung zum Regeln des Stromrichters.
Eine solche Stromrichteranlage ist beispielsweise aus der zu vor bereits genannten EP 3 392 994 Al bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine artgemäße Strom richteranlage vorzuschlagen, die einen möglichst zuverlässi gen Betrieb ermöglicht.
Die Aufgabe wird bei einer artgemäßen Stromrichteranlage er findungsgemäß dadurch gelöst, dass die Regelungseinrichtung dazu eingerichtet ist, einen Sollwert eines Regelungsparame ters durch wenigstens einen Begrenzungswert zu begrenzen, der zeitdynamisch in Abhängigkeit von einer Stromrichtertempera tur festgelegt wird beziehungsweise festlegbar ist.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Stromrichteranlage ergeben sich insbesondere aus den zuvor im Zusammenhang mit dem er findungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteilen.
Bevorzugt ist der Stromrichter ein modularer Mehrstufenstrom richter Es ist bekannt, dass modulare Mehrstufenstromrichter besonders komplex sind, wobei deren innere Größen (wie bei spielsweise die Halbleitertemperatur) sich im Betrieb weitge hend unabhängig von dessen äußeren Größen (Strom, Spannung, Blindleistung) zeitlich ändern. Eine statische Begrenzung der äußeren Größen kann daher keinen umfassenden Schutz gegen thermische Überlastungen des Stromrichters bzw. dessen Halb leiter gewährleisten. Aus diesem Grund treten im Zusammenhang mit einem modularen Mehrstufenstromrichter die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung der zeitdynamischen, temperaturab hängigen Sollwertbegrenzung besonders hervor.
Die Erfindung soll im Folgenden anhand der in den Figuren 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiel weiter erläutert wer den .
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines modularen Mehr stufenstromrichters in einer schematischen Darstellung;
Figur 2 zeigt ein Beispiel eines Halbbrücken-Schaltmoduls in einer schematischen Darstellung;
Figur 3 zeigt ein Beispiel eines Vollbrücken-Schaltmoduls in einer schematischen Darstellung;
Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Regelungseinrich tung für eine erfindungsgemäße Stromrichteranlage;
Figur 5 zeigt ein Bespiel einer Temperaturmodellierung für ein erfindungsgemäßes Verfahren.
In Figur 1 ist eine Stromrichteranlage 1 dargestellt. Die Stromrichteranlage 1 umfasst einen modularen Mehrstufenstrom richter (MMC) 2, der im dargestellten Beispiel zur Umwandlung einer Wechselspannung eines Wechselspannungsnetzes 3, mit dem der MMC 2 mittels eines Netztransformators 4 verbunden ist, in eine Gleichspannung Udc.
Der MMC 2 umfasst sechs Stromrichterzweige 5-10, die mitei nander in einer Doppelsternschaltung verbunden sind. Jeder der gleichartig aufgebauten Stromrichterzweige 5-10 umfasst zwei Arminduktivitäten 11, 12 sowie eine Reihenschaltung zweipoliger Schaltmodule SM. In dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind alle Schaltmodule SM gleichartig aufgebaut, was jedoch im Allgemeinen nicht notwendig ist.
Auch die Anzahl der Schaltmodule SM in jedem Stromrichter zweig 5-10 ist grundsätzlich beliebig und an die jeweilige Anwendung anpassbar. Die Schaltmodule SM können beispielswei se Vollbrücken-Schaltmodule oder Halbbrücken-Schaltmodule sein, auf deren Aufbau in den nachfolgenden Figuren 2 und 3 näher eingegangen wird. Jedes Schaltmodul SM umfasst steuer bare Halbleiterschalter, z.B. IGBT oder dergleichen, einen Energiespeicher sowie eine Steuerungsbaugruppe, mittels der die Halbleiterschalter angesteuert werden können.
Die Stromrichteranlage 1 umfasst ferner eine zentrale Rege lungseinrichtung 13, die zum Regeln des MMC 2 und zum Ansteu ern der Schaltmodule SM eingerichtet ist. Die Regelungsein richtung 13 erhält von einer übergeordneten Instanz Vorgaben bezüglich der geforderten Wirkleistung und Blindleistung, die von der Regelungseinheit in Sollwerte einiger Regelungspara meter umgesetzt werden. Die Regelungsparameter können bei spielsweise eine wechselspannungsseitige Spannung Uac, ein wechselspannungsseitiger Strom Iac, ein gleichspannungsseiti ger Strom Idc und/oder eine gleichspannungsseitige Spannung Udc sein. In Stromrichteranlagen, die als ein symmetrischer Monopol konzipiert sind, sind eine Spannung zwischen dem po sitiven Gleichspannungspol und dem Erdpotenzial, Udc+, und eine Spannung zwischen dem negativen Gleichspannungspol und dem Erdpotenzial, Udc-, von Bedeutung.
Figur 2 zeigt ein erstes Schaltmodul SM1, das als Schaltmodul SM für den Stromrichter der Figur 1 geeignet ist, und das in einer Halbbrückenschaltung geschaltet ist. In einem Kondensa torzweig ist eine Parallelschaltung eines ersten Halbleiter schalters S1 und eines Kondensators C angeordnet. In einem Brückenzweig zwischen zwei Anschlüssen XI, X2 des ersten Schaltmoduls SM1 ist ein zweiter Halbleiterschalter angeord net. Den beiden Halbleiterschaltern Sl, S2 ist jeweils eine Freilaufdiode F antiparallel geschaltet. Durch geeignete An steuerung der beiden Halbleiterschalter Sl, S2 kann an den Anschlüssen XI, X2 eine Schaltmodulspannung USM1 erzeugbar, die der Kondensatorspannung Uc entspricht, oder aber eine NullSpannung .
Figur 3 zeigt ein zweites Schaltmodul SM2, das als Schaltmo dul SM für den Stromrichter der Figur 1 geeignet ist, und das in einer Vollbrückenschaltung geschaltet ist. Das Schaltmodul SM umfasst einen ersten abschaltbaren Halbleiterschalter Hl, dem eine erste Freilaufdiode Dl antiparallel geschaltet ist, einen zweiten abschaltbaren Halbleiterschalter H2, dem eine zweite Freilaufdiode D2 antiparallel geschaltet ist, wobei der erste und der zweite Halbleiterschalter Hl, H2 in einer ersten Halbleiterreihenschaltung miteinander verbunden sind und gleiche Durchlassrichtung aufweisen. Das Schaltmodul SM2 umfasst ferner einen dritten abschaltbaren Halbleiterschalter H3, dem eine dritte Freilaufdiode D3 antiparallel geschaltet ist, und einen vierten abschaltbaren Halbleiterschalter H4, dem eine vierte Freilaufdiode D4 antiparallel geschaltet ist, wobei der dritte und der vierte Halbleiterschalter H3, H4 in einer zweiten Halbleiterreihenschaltung miteinander verbunden sind und gleiche Durchlassrichtung aufweisen. Die beiden Halbleiterreihenschaltungen sind parallel zueinander und zu einem Energiespeicher C in Form eines Kondensators angeord net, an dem eine Kondensatorspannung Uc ansteht. Des Weiteren umfasst das Schaltmodul SM2 ferner eine erste Anschlussklemme XI, die zwischen den Halbleiterschaltern Hl, H2 der ersten Halbleiterreihenschaltung angeordnet ist, und eine zweite An schlussklemme X2, die zwischen den Halbleiterschaltern H3, H4 der zweiten Halbleiterreihenschaltung angeordnet ist. Durch geeignete Ansteuerung der Halbleiterschalter Hl-4 kann an den Anschlüssen XI, X2 eine Schaltmodulspannung USM2 erzeugbar, die der Kondensatorspannung Uc entspricht, der negativen Kon densatorspannung -Uc entspricht, oder aber eine Nullspannung. Figur 4 zeigt eine Regelungseinrichtung 13 für die Strom richteranlage der Figur 1. Die Regelungseinrichtung 13 um fasst eine übliche Regelungskomponente 14, die von den Mess vorrichtungen des Stromrichters 2 Messwerte M empfängt und Steuersignale S an den Stromrichter 2 übermittelt. Zusätzlich dazu umfasst die Regelungseinrichtung 13 ein Modul 15 zur Temperaturmodellierung bzw. Temperaturberechnung. Das Modul 15 empfängt eingangsseitig die Messwerte M. Ausgangsseitig stellt das Modul 15 einen Satz an Begrenzungswerten B bereit, das an ein Priorisierungsmodul 16 zur Bestimmung der Priori- sierung der Regelungsparameter bzw. deren Sollwerte. Zugleich ist das Priorisierungsmodul 16 eingangsseitig mit einer Leit- und Schutztechnik 17 verbunden, die aus den Messwerten M Sollwerte Soll für die relevanten Regelungsparameter ableitet und diese an das Priorisierungsmodul übermittelt. Mittels des Priorisierungsmoduls 16 wird festgelegt, welche Sollwerte priorisiert begrenzt werden. Die Sollwerte zusammen mit den Begrenzungswerten werden dann an die Regelungskomponente 14 übermittelt .
In Figur 5 ist ein Beispiel einer Temperaturmodellierung dar gestellt, das bei einem erfindungsgemäßen Verfahren durchge führt werden kann.
Eine Verlustleistungsmodell-Komponente VK empfängt eingangs seitig als Eingangsparameter eine Kondensatorspannung Uc ei nes Schaltmoduls, einen Aussteuergrad eines Stromrichterzwei- ges, in dem das betreffende Schaltmodul angeordnet ist, einen Schaltzustand a eines Halbleiters des Schaltmoduls, dessen Halbleitertemperatur ermittelt oder geschätzt werden soll, sowie einen Strom Iconv im betreffenden Stromrichterzweig . Ausgangsseitig stellt die Verlustleistungsmodell-Komponente VK eine Verlustleistung L bereit und übermittelt diese an ei ne Temperaturmodell-Komponente TK, die zusätzlich als Ein gangsparameter eine Kühlmittel-Temperatur Tv. Mittels eines vorbelegten Thermischen Modells T ermittelt die Temperaturmo dell-Komponente TK auf der Grundlage der Eingangsparameter Tv, L eine Halbleitertemperatur T (Tv, L) . Die Halbleitertem peratur T (Tv, L) wird ausgangsseitig der Temperaturmodell- Komponente TK zur weiteren Bearbeitung an weitere Komponenten der Regelung übermittelt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Regeln eines Stromrichters (2), bei dem ein Sollwert eines Regelungsparameters durch wenigstens einen Be grenzungswert begrenzt wird,
d a d u r c h g e k e n z e i c h n e t , dass
der wenigstens eine Begrenzungswert in Abhängigkeit von einer
Stromrichtertemperatur zeitdynamisch festgelegt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Stromrichtertempera tur eine Halbleitertemperatur eines Halbleiterschalters (Hl - H4, Sl, S2) des Stromrichters ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Stromrichtertempera tur anhand eines Temperaturmodels des Halbleiterschalters (H1-H4, Sl-2) ermittelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Temperaturmodel ein Verlustleistungsmodel des Halbleiterschalters (Hl-4, Sl-2) umfasst .
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Stromrichter (2) ein modularer Mehrstufenstromrichter ist und die Strom richtertemperatur aus einer oder mehreren folgender Messpara meter gewonnen wird: einem Zweigstrom eines Stromrichterzwei- ges des Stromrichters (2), einer Energiespeicherspannung ei nes Energiespeichers (C) eines Schaltmoduls (SM) des Strom richters (2), einem Schaltzustand des Schaltmoduls.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Stromrichtertemperatur unter Verwendung einer Temperatur messung am Stromrichter (2) gewonnen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei eine Kühlwassertemperatur eines Kühlwassers zur Kühlung des Stromrichters (2) gemessen wird .
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine Begrenzungswert in Abhängigkeit von Soll werten weiterer Regelungsparameter festgelegt wird.
9. Stromrichteranlage (1) mit einem Stromrichter (2) und ei ner Regelungseinrichtung (13) zum Regeln des Stromrichters (2) ,
d a d u r c h g e k e n z e i c h n e t , dass
die Regelungseinrichtung (13) dazu eingerichtet ist, einen Sollwert eines Regelungsparameters durch wenigstens einen Be grenzungswert zu begrenzen, der zeitdynamisch in Abhängigkeit von einer Stromrichtertemperatur festgelegt wird.
10. Stromrichteranlage (1) nach Anspruch 9, wobei der Strom richter (2) ein modularer Mehrstufenstromrichter ist.
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