WO2020141019A1 - Modul eines modularen multilevelstromrichters - Google Patents

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WO2020141019A1
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Siemens AG
Siemens Corp
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Definitions

  • the invention relates to a module of a modular
  • Multilevel converter which is a first electronic
  • the invention further relates to a method for reducing an alternating component in such a module.
  • modules are components of modular multilevel converters that can be connected to an electrical transmission network.
  • the energy storage of the modules can be a capacitor; the voltage of the energy store is then
  • the amplitude of the alternating component can depend on the average capacitor voltage, the capacitor capacity, the number of modules installed and / or that of the converter
  • This alternating component of the module energy store reduces the available / usable voltage that a modular multilevel converter has on its
  • the invention has for its object to provide a module and a method with which the modules of the modular
  • Multilevel converters with regard to their output voltage can be better used.
  • This task is solved by a module and by a
  • a module of a modular is disclosed
  • Multilevel converter which is a first electronic
  • the energy store is provided with a filter circuit that reduces (dampens) an alternating component in the voltage of the energy store.
  • the alternating component can in particular be an alternating voltage component if the voltage of the
  • a module of a modular multilevel converter is sometimes also referred to as a submodule.
  • the module can be designed such that
  • the filter circuit has a capacitor and a choke.
  • the alternating component can be reduced by means of the capacitor and the choke (choke coil, component with inductance).
  • the module can also be designed such that
  • the filter circuit is a series circuit from the
  • the module can be designed such that
  • Capacitor and the choke by a factor of 1.2 to 4, in particular by a factor of 1.5 to 3, greater than the frequency of the alternating component of the voltage of the
  • the capacitor and the choke can be made spatially small.
  • the module can also be designed such that
  • the filter circuit is an active filter circuit. This can advantageously reduce alternating components of different frequencies.
  • the module can be designed such that
  • the filter circuit is a series circuit from the
  • the controllable AC voltage source is an active element with which alternating components of different, variable frequencies can advantageously be reduced.
  • the module can also be designed such that
  • the controllable AC voltage source is a converter, in particular an inverter.
  • Such a converter can advantageously be used to generate a voltage of the most varied frequency and phase position. This voltage can be applied to the energy store in order to keep the alternating component in the
  • the module can be designed such that
  • Full bridge circuit has 4 electronic in particular
  • the 4 electronic switching elements can preferably switch quickly, but need only have a relatively low current carrying capacity.
  • AC voltage source can be constructed in the same way as a module of the modular one Multi-level converters in full-bridge circuit (full-bridge module) without filter circuit.
  • the module can also be designed such that
  • the rated power of the converter is between 5% and 30% of the rated power of the module, in particular between 10% and 20% of the rated power of the module.
  • a converter is therefore preferably relatively smaller
  • the module can be designed such that
  • the module can also be designed such that
  • Half-bridge circuit are arranged.
  • the module can in particular be designed as a so-called half-bridge module.
  • the module can be designed such that
  • the module has a third electronic switching element and a fourth electronic switching element, the first electronic switching element, the second electronic switching element, the third electronic switching element and the fourth electronic switching element in one
  • Full bridge circuit are arranged.
  • the module can be designed as a so-called full-bridge module.
  • a method of reducing an alternating component in a module of a modular is also disclosed
  • Multilevel converter which has a first electronic switching element, a second electronic switching element and an electrical energy store, with the method
  • Filter circuit an alternating component occurring in the voltage of the energy store is reduced.
  • the procedure can be such that
  • the filter circuit is a series circuit of one
  • the AC voltage source is driven such that it generates an AC voltage that has the same frequency and an opposite phase position as the AC component.
  • the time profile of the voltage of the energy store can be measured / ascertained beforehand and the from the measured / ascertained time profile
  • Frequency and / or the phase of the alternating component can be determined.
  • the procedure can be such that
  • the controllable AC voltage source is a converter, in particular an inverter.
  • the procedure can also be such that
  • the procedure can be such that
  • the filter circuit is connected in parallel to the energy store.
  • the procedure can also be such that - The first electronic switching element and the second electronic switching element are arranged in a half-bridge circuit.
  • the procedure can be such that
  • the module has a third electronic switching element and a fourth electronic switching element, the first electronic switching element, the second electronic switching element, the third electronic switching element and the fourth electronic switching element in one
  • Figure 1 shows an embodiment of a modular
  • Figure 2 shows an embodiment of a module of the modular
  • Multilevel converter in the form of a half-bridge module, in
  • Figure 3 shows an embodiment of a module of the modular
  • Multilevel converter in the form of a full-bridge module, in
  • Figure 4 shows an embodiment of a
  • FIG. 5 shows an embodiment of converter modules of the
  • FIG. 7 shows an embodiment of converter modules of the
  • FIG. 8 shows a more detailed embodiment of the
  • FIG. 9 shows a further exemplary embodiment of modules of the modular multilevel converter, in
  • Figure 10 shows an embodiment of a power module
  • FIG. 11 shows a further exemplary embodiment of a power module, in
  • Figure 12 shows an embodiment of a capacitor module
  • Figure 13 shows an embodiment of a filter circuit.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a converter 1 in the form of a modular multilevel converter 1
  • This multi-level converter 1 has a first AC voltage connection 5, a second
  • AC voltage connection 5 is electrically connected to a first phase module branch 11 and a second phase module branch 13.
  • Phase module branch 13 form a first phase module 15 of the converter 1.
  • the end of the first phase module branch 11 facing away from the first AC voltage connection 5 is connected to a first DC voltage connection 16 electrically connected; the end of the second phase module branch 13 facing away from the first AC voltage connection 5 is connected to a second one
  • the first DC voltage connection 16 electrically connected.
  • the first DC voltage connection 16 is a positive one
  • the second DC voltage connection 17 is a negative DC voltage connection.
  • the second AC voltage connection 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.
  • AC voltage connection 9 is at one end of a fifth phase module branch 27 and at one end of a sixth
  • Phase module branch 29 electrically connected.
  • Phase module branch 27 and the sixth phase module branch 29 form a third phase module 31.
  • Phase module branch 27 are with the first
  • the first phase module branch 11, the third phase module branch 18 and the fifth phase module branch 27 form a positive side
  • Converter part 32; the second phase module branch 13, the fourth phase module branch 21 and the sixth phase module branch 29 form a negative-side converter part 33.
  • Each phase module branch has a plurality of modules (1_1, 1_2, 1_3, 1_4 ... l_n; 2_1 ... 2_n; etc.), which are electrically connected in series (by means of their module connections).
  • modules are also referred to as submodules. in the
  • n 36: the first phase module branch 11 thus has 36 modules 1_1, 1_2, 1_3, ... 1_36. The others
  • Phase module branches 13, 18, 21, 27 and 29 are constructed in the same way.
  • FIG. 1 In the left area of FIG. 1 there is schematically one
  • Control device 35 shown for the modules 1_1 to 6_n. This central control device 35 sends optical messages or optical signals via an optical one
  • Communication link 37 (for example via a
  • Fiber optic cable to the individual modules.
  • the message transmission between the control device and a module is represented symbolically by a line 37; the direction of the message transmission is symbolized by the arrowheads on the lines 37. This is illustrated using the example of modules 1_1, 1_4 and 4_5; Messages are sent to the other modules in the same way or from these modules
  • Control device 35 to the individual modules each have a setpoint for the switching state of the electronic
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a module 200 of the modular multi-level converter 1.
  • the module can be, for example, one of the modules 1_1 ... 6_n shown in FIG. 1.
  • Several or all modules of the modular can also be used
  • Multilevel converter 1 may be configured as the module shown.
  • the module 200 is designed as a half-bridge module 200.
  • the module 200 has a first (switchable) electronic switching element 202 (first switchable semiconductor valve 202) with a first diode 204 connected in anti-parallel.
  • the module 200 further has a second (switchable) electronic switching element 206 (second switchable
  • Energy storage 210 in the form of a capacitor 210.
  • Electronic switching element 206 are each designed 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. At the connection point between the two electronic ones
  • a first module connection 212 is arranged for switching elements 202 and 206. At the connector of the second electronic
  • the second module connection 215 is also electrically connected to a first connection of the energy store 210; a second connection of the energy store 210 is electrically connected to the connection of the first
  • the energy store 210 is therefore electrically parallel
  • Activation of the first electronic switching element 202 and the second electronic switching element 206 by a control device of the converter can result in that between the first module connection 212 and the second module connection 215 either the voltage of the energy store 210 is output or no voltage is output (ie a zero voltage is output) becomes) .
  • each can desired output voltage of the converter can be generated.
  • the energy store can be a capacitor (or an interconnection of several capacitors); the voltage of the energy storage device is then the capacitor voltage (or the total voltage of the interconnection).
  • the energy store 210 is provided with a filter circuit 220.
  • This filter circuit 220 is in parallel with that
  • the filter circuit 220 reduces (attenuates) an (undesirable) AC component in the voltage of the energy store 210.
  • the voltage of the energy store (capacitor voltage) is a DC voltage.
  • An undesirable AC component is an AC voltage (AC component) that the
  • Voltage ripple generally has an amplitude that is less than the DC voltage.
  • the filter circuit 220 has a capacitor 224 and an inductor 228 in a series circuit.
  • the filter circuit 220 would already be used with these two components
  • the resonance frequency f res of the series circuit comprising the capacitor and the choke is preferably by a factor of 1.2 to 4, in particular by a factor of 1.5 to 3, greater than the frequency of the alternating component of the voltage of the energy store.
  • the resonance frequency f res is calculated according to
  • L is the inductance of inductor 228 and C is
  • Capacitance of capacitor 224 is Capacitance of capacitor 224.
  • Filter circuit 224 additionally has a controllable one
  • the filter circuit 220 is therefore an active filter circuit 220. As a result, the filter circuit 220 can be used even more versatile than a passive suction circuit.
  • alternating component with a frequency can be reduced (damped) by means of a passive suction circuit.
  • active filter circuit 220 alternating components with different ones can also be used
  • the controllable AC voltage source 232 has its own energy source (energy store). Hence the
  • controllable AC voltage source 232 capable of a
  • AC voltage source are controlled such that the AC voltage source generates an AC voltage that has the same frequency and an opposite phase position as the AC component. Ideally, the AC voltage generated can also have the same amplitude as the AC component. This alternating voltage arrives (via the
  • Capacitor 224 and the choke 228) to the energy store 210 and ensures that the alternating component in the voltage of the energy store is reduced or even completely eliminated.
  • the controllable AC voltage source 232 is shown in FIG.
  • An exemplary embodiment of a converter 232 in particular an inverter 232.
  • This converter has its own energy source in the form of a capacitor which is charged to a DC voltage. Therefore, the converter 232 is able to generate an AC voltage with a selectable frequency and phase position.
  • the converter 232 can in particular be a
  • the converter 232 can therefore have four electronic switching elements and the electrical energy source / energy store in a full-bridge circuit.
  • the controllable AC voltage source 232 / the converter 232 can thus be constructed in particular in the same way as the full-bridge module 300 shown in FIG. 3 without the filter circuit 220.
  • the rated power of the converter 232 is between 5% and 30% of the rated power of the module 200, in particular between 10% and 20% of the
  • the converter 232 is therefore a converter of low power. Therefore, the converter 232 is comparatively simple and inexpensive to manufacture.
  • the converter can also have a plurality of full-bridge circuits connected in series, in which case the size of the
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a module 300 of the modular multi-level converter 1.
  • the module 300 can be, for example, one of the modules 1_1 ... 6_n shown in FIG. 1. Several or all modules of the modular can also be used
  • Multilevel converter 1 may be configured as the module shown.
  • second electronic switching element 206 In addition to the first electronic switching element 202 already known from FIG. 2, second electronic switching element 206, first free-wheeling diode 204, second free-wheeling diode 208 and
  • the module 300 shown in FIG. 3 has a third electronic switching element 302 with an antiparallel connected third freewheeling diode 304 and a fourth electronic switching element 306 with a fourth freewheeling diode 308 connected in anti-parallel.
  • the third electronic switching element 302 and the fourth electronic switching element 306 are each designed as an IGBT.
  • the second electronic switching element 306 In contrast to the circuit of Figure 2 is the second
  • Switching element 206 electrically connected, but with a center (connection point) of an electrical
  • the module 300 in FIG. 3 is a so-called full-bridge module 300.
  • This full-bridge module 300 is distinguished by the fact that with appropriate control of the four
  • Multi-level converter 1 can either have only half-bridge modules 200, only full-bridge modules 300 or also half-bridge modules 200 and full-bridge modules 300.
  • the energy store 210 is provided with a filter circuit 220.
  • This filter circuit 220 is in parallel with that
  • the filter circuit 220 corresponds to that in connection with the above
  • FIG. 4 shows a modular multilevel converter 402 which is connected via a connecting rail S and a
  • Transformer 406 is connected to an electrical power supply network 401.
  • the current flowing through the converter 402 is measured by means of a current measuring device 403;
  • the voltage applied to the converter 402 is measured by means of a voltage measuring device 404.
  • Control unit 405 for the converter transmitted and processed there.
  • the control unit 405 is also supplied with setpoints SW for the multi-level converter 402.
  • the control unit 405 controls the multilevel converter 402; the control unit 405 controls the
  • the exemplary embodiment has three converter modules 410
  • the exemplary embodiment has six converter modules 410 of the
  • Converter 402. The six converter modules 410
  • Phase module branches are arranged in a bridge circuit and connected to a three-phase network with the connections LI, L2 and L3. The converter continues to point
  • Multilevel converter 402 shown which is a further three-phase interconnection of the converter modules 410
  • the converter modules 410 are in one
  • Star arrangement (star connection) interconnected, a return conductor N being connected to the star point.
  • FIG. 8 shows three exemplary embodiments 410a, 410b and 410c for converter modules 410 in greater detail.
  • Each Converter module 410 has AC voltage connections AC1 and AC2.
  • the current i_conv (t) flowing through the converter module 410 is measured in each case by means of a current measuring device 411 (converter module current measurement).
  • Each converter module 410 has a plurality of modules 413.
  • the converter module 410a has a series connection of a coupling inductor 412 and a plurality of full-bridge modules 413a.
  • the converter module 410b has a series connection of a coupling inductor 412 and a plurality of half-bridge modules 413b.
  • the converter module 410c has a series connection of a coupling inductor 412, several full-bridge modules 413a and several half-bridge modules 413b
  • FIG. 9 shows that the full-bridge module 413a has a power module 414a (in a full-bridge circuit), to the intermediate circuit of which a capacitor module 415 and, in parallel, the filter circuit 416 (filter module 416) are connected.
  • the half-bridge module 413b has a power module 414b (in a half-bridge circuit), at its intermediate circuit
  • Capacitor module 415 and, in parallel, filter circuit 416 (filter module 416) are connected.
  • FIG. 10 shows the power module 414a, which has a full bridge circuit.
  • the power module 414a has 4 semiconductor switches 418 (semiconductor switches S1 to S4).
  • Suitable semiconductor switches S1 to S4 are e.g. IGBT, IGCT, IEGT or MOSFET.
  • FIG. 11 shows the power module 414b, which has a half-bridge circuit.
  • the power module 414b has 2 semiconductor switches 418 (semiconductor switches S1 and S2). Suitable semiconductor switches S1 and S2 are, for example, IGBT, IGCT, IEGT or MOSFET.
  • the capacitor module 415 is shown in FIG.
  • the capacitor module 415 has a capacitor 420, which buffers the intermediate circuit voltage, and a parallel-connected voltage measuring device 419a for the
  • Capacitor voltage measurement In general, the capacitor module contains the electrical energy store of the module of the modular multilevel converter.
  • the filter circuit 416 (filter module 416) is shown in FIG.
  • the filter circuit 416 has one
  • Filter choke 422 and an inverter 423 (in particular an inverter of low power 423).
  • the current through the inverter 423 is by means of a
  • Current measuring device 424 measured (filter current measurement).
  • Voltage measuring device 419b measured the voltage across the filter circuit.
  • the voltage measurement values and the current measurement values are supplied to the inverter control unit 425.
  • the voltage measuring device 419a of FIG. 12 and the voltage measuring device 419b of FIG. 13 can also be operated by only one voltage measuring device
  • Both voltage measuring devices 419a and 419b measure the energy storage voltage, here that
  • the inverter control unit 425 determines measured values for the switching commands for the inverter 423.
  • a module and a method for reducing an alternating component in a module have been described, in which a filter circuit (in particular an active suction circuit)
  • Capacitor of the module a series connection of a
  • Filter choke a filter capacitor and one
  • Inverters dampen the alternating share of the
  • Capacitor voltage the inverter is controlled so that an active suction circuit is created.
  • Capacitor voltage can be designed.
  • the resonance frequency of the active suction circuit can be set to different mains frequencies (using the controllable AC voltage source).
  • the number of modules installed in a converter can be reduced. In addition, less occurs at the converter connections

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Modul (200) eines modularen Multilevelstromrichters (1), das ein erstes elektronisches Schaltelement (202), ein zweites elektronisches Schaltelement (206) und einen elektrischen Energiespeicher (210) aufweist. Der Energiespeicher (210) ist mit einer Filterschaltung (220) versehen, die einen Wechselanteil in der Spannung des Energiespeichers (210) verringert.

Description

Beschreibung
Modul eines modularen Multilevelstromrichters
Die Erfindung betrifft ein Modul eines modularen
Multilevelstromrichters, das ein erstes elektronisches
Schaltelement, ein zweites elektronisches Schaltelement und einen elektrischen Energiespeicher aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verringern eines Wechselanteils bei einem solchen Modul. Derartige Module sind Bestandteile von modularen Multilevelstromrichtern, die an ein elektrisches Übertragungsnetz angeschlossen sein können.
Der Energiespeicher der Module kann ein Kondensator sein; die Spannung des Energiespeichers ist dann die
Kondensatorspannung. Die Energiespeicherspannung
(insbesondere die Kondensatorspannung) der Module kann einen unerwünschten Wechselanteil (Spannungsripple) aufweisen. Die Amplitude des Wechselanteils kann abhängig von der mittleren Kondensatorspannung, der Kondensatorkapazität, der Anzahl an verbauten Modulen und/oder dem von dem Stromrichter
bereitgestellten Strom sein. Dieser Wechselanteil der Modul- Energiespeicher verringert die verfügbare/nutzbare Spannung, die ein modularer Multilevelstromrichter an seinen
Anschlüssen ausgeben kann. Ein Grund dafür ist, dass auch die kleine Amplitude des Wechselanteils bei der Auslegung des Stromrichters in Bezug auf die maximal zulässige Spannung berücksichtigt werden muss. Als Abhilfe könnte man die
Kapazität des Modul-Energiespeichers vergrößern oder die Anzahl der im Stromrichter verbauten Module vergrößern. In beiden Fällen steigen die Kosten durch zusätzlich verbaute Elemente. Zudem steigt das Gewicht des Stromrichters, was zu konstruktiven Problemen führen kann, die nur durch
zusätzlichen Materialaufwand gelöst werden können. Falls zusätzliche Module verbaut werden, steigen auch die Kosten durch Energieverluste in den Modulen beim Betrieb. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Modul und ein Verfahren anzugeben, mit denen die Module des modularen
Multilevelstromrichters bezüglich deren Ausgangsspannung besser ausgenutzt werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Modul und durch ein
Verfahren nach den unabhängigen Patentansprüchen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Moduls und des Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Offenbart wird ein Modul eines modularen
Multilevelstromrichters, das ein erstes elektronisches
Schaltelement, ein zweites elektronisches Schaltelement und einen elektrischen Energiespeicher aufweist, wobei
- der Energiespeicher mit einer Filterschaltung versehen ist, die einen Wechselanteil in der Spannung des Energiespeichers verringert (dämpft) . Der Wechselanteil kann insbesondere ein Wechselspannungsanteil sein, wenn die Spannung des
Energiespeichers eine Gleichspannung ist. Ein Modul eines modularen Multilevelstromrichters wird manchmal auch als ein Submodul bezeichnet.
Das Modul kann so ausgestaltet sein, dass
- die Filterschaltung einen Kondensator und eine Drossel aufweist .
Mittels des Kondensators und der Drossel (Drosselspule, induktivitätsbehaftetes Bauelement) kann der Wechselanteil verringert werden.
Das Modul kann auch so ausgestaltet sein, dass
- die Filterschaltung eine Reihenschaltung aus dem
Kondensator und der Drossel aufweist.
Damit ergibt sich ein passiver Saugkreis, mit dem der
Wechselanteil verringert werden kann.
Das Modul kann so ausgestaltet sein, dass
- die Resonanzfrequenz der Reihenschaltung aus dem
Kondensator und der Drossel um den Faktor 1,2 bis 4, insbesondere um den Faktor 1,5 bis 3, größer ist als die Frequenz des Wechselanteils der Spannung des
Energiespeichers. Dadurch können der Kondensator und die Drossel räumlich klein realisiert werden.
Das Modul kann auch so ausgestaltet sein, dass
- die Filterschaltung eine aktive Filterschaltung ist. Damit lassen sich vorteilhafterweise Wechselanteile verschiedener Frequenzen verringern.
Das Modul kann so ausgestaltet sein, dass
- die Filterschaltung eine Reihenschaltung aus dem
Kondensator, der Drossel und einer steuerbaren
Wechselspannungsquelle aufweist.
Die steuerbare Wechselspannungsquelle stellt ein aktives Element dar, mit dem vorteilhafterweise Wechselanteile verschiedener, variabler Frequenzen verringert werden können.
Das Modul kann auch so ausgestaltet sein, dass
- die steuerbare Wechselspannungsquelle ein Stromrichter, insbesondere ein Wechselrichter, ist.
Mittels eines solchen Stromrichters kann vorteilhafterweise eine Spannung unterschiedlichster Frequenz und Phasenlage erzeugt werden. Mit dieser Spannung kann der Energiespeicher beaufschlagt werden, um den Wechselanteil in der
Energiespeicher-Spannung zu verringern/dämpfen .
Das Modul kann so ausgestaltet sein, dass
- die steuerbare Wechselspannungsquelle eine
Vollbrückenschaltung aufweist. Eine solche
Vollbrückenschaltung weist insbesondere 4 elektronische
Schaltelemente und einen elektrischen Energiespeicher auf.
Die 4 elektronischen Schaltelemente können vorzugsweise schnell schalten, brauchen aber nur eine relativ geringe Stromtragfähigkeit zu haben. Die steuerbare
Wechselspannungsquelle kann also prinzipiell gleichartig aufgebaut sein wie ein Modul des modularen Multilevelstromrichters in Vollbrückenschaltung (Vollbrücken- Modul) ohne Filterschaltung.
Das Modul kann auch so ausgestaltet sein, dass
- die Bemessungsleistung des Stromrichters zwischen 5% und 30% der Bemessungsleistung des Moduls, insbesondere zwischen 10% und 20% der Bemessungsleistung des Moduls, beträgt.
Vorzugsweise ist also ein Stromrichter relativ kleiner
Leistung (bezogen auf die Modulleistung) ausreichend für die FilterSchaltung .
Das Modul kann so ausgestaltet sein, dass
- die Filterschaltung parallel zu dem Energiespeicher
geschaltet ist. Dadurch wirkt die von der Filterschaltung erzeugte bzw. bereitgestellte Spannung unmittelbar auf die Energiespeicherspannung ein.
Das Modul kann auch so ausgestaltet sein, dass
- das erste elektronische Schaltelement und das zweite elektronische Schaltelement (des Moduls) in einer
Halbbrückenschaltung angeordnet sind. In diesem Fall kann das Modul insbesondere als ein sogenanntes Halbbrücken-Modul ausgestaltet sein.
Das Modul kann so ausgestaltet sein, dass
- das Modul ein drittes elektronisches Schaltelement und ein viertes elektronisches Schaltelement aufweist, wobei das erste elektronische Schaltelement, das zweite elektronische Schaltelement, das dritte elektronische Schaltelement und das vierte elektronische Schaltelement in einer
Vollbrückenschaltung angeordnet sind. In diesem Fall kann das Modul als ein sogenanntes Vollbrücken-Modul ausgestaltet sein .
Offenbart wird weiterhin ein modularer Multilevelstromrichter mit mindestens einem Modul nach einer der vorstehend
beschriebenen Ausführungen. Offenbart wird auch ein Verfahren zum Verringern eines Wechselanteils bei einem Modul eines modularen
Multilevelstromrichters , das ein erstes elektronisches Schaltelement, ein zweites elektronisches Schaltelement und einen elektrischen Energiespeicher aufweist, wobei bei dem Verfahren
- mittels einer an den Energiespeicher angeschlossenen
Filterschaltung ein in der Spannung des Energiespeichers auftretender Wechselanteil verringert wird.
Das Verfahren kann so ablaufen, dass
- die Filterschaltung eine Reihenschaltung aus einem
Kondensator, einer Drossel und einer steuerbaren
Wechselspannungsquelle aufweist, und die steuerbare
Wechselspannungsquelle derart angesteuert wird, dass diese eine Wechselspannung erzeugt, die dieselbe Frequenz und eine entgegengesetzte Phasenlage wie der Wechselanteil aufweist. Dabei kann zuvor insbesondere der zeitliche Verlauf der Spannung des Energiespeichers gemessen/ermittelt werden und aus dem gemessenen/ermittelten zeitlichen Verlauf die
Frequenz und/oder die Phase des Wechselanteils bestimmt werden .
Das Verfahren kann so ablaufen, dass
- die steuerbare Wechselspannungsquelle ein Stromrichter, insbesondere ein Wechselrichter, ist.
Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass
- die steuerbare Wechselspannungsquelle eine
Vollbrückenschaltung aufweist.
Das Verfahren kann so ablaufen, dass
- die Filterschaltung parallel zu dem Energiespeicher geschaltet ist.
Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass - das erste elektronische Schaltelement und das zweite elektronische Schaltelement in einer Halbbrückenschaltung angeordnet sind.
Das Verfahren kann so ablaufen, dass
- das Modul ein drittes elektronisches Schaltelement und ein viertes elektronisches Schaltelement aufweist, wobei das erste elektronische Schaltelement, das zweite elektronische Schaltelement, das dritte elektronische Schaltelement und das vierte elektronische Schaltelement in einer
Vollbrückenschaltung angeordnet sind.
Das beschriebene Modul und das beschriebene Verfahren weisen gleiche beziehungsweise gleichartige Vorteile auf.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen verweisen dabei auf gleiche oder gleichwirkende Elemente.
Dazu ist in
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines modularen
Multilevelstromrichters , in
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel eines Moduls des modularen
Multilevelstromrichters in Form eines Halbbrücken- Moduls, in
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines Moduls des modularen
Multilevelstromrichters in Form eines Vollbrücken- Moduls, in
Figur 4 ein Ausführungsbeispiel eines an ein
Energieversorgungsnetz angeschlossenen modularen Multilevelstromrichters, in
Figur 5 ein Ausführungsbeispiel von Konvertermodulen des
Multilevelstromrichters in einer Dreieckschaltung, in Figur 6 ein Ausführungsbeispiel von Konvertermodulen des
Multilevelstromrichters in einer Brückenschaltung, in
Figur 7 ein Ausführungsbeispiel von Konvertermodulen des
Multilevelstromrichters in einer Sternschaltung, in
Figur 8 ein detaillierteres Ausführungsbeispiel der
Konvertermodule, in
Figur 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel von Modulen des modularen Multilevelstromrichters, in
Figur 10 ein Ausführungsbeispiel eines Powermoduls, in
Figur 11 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Powermoduls, in
Figur 12 ein Ausführungsbeispiel eines Kondensatormoduls, und in
Figur 13 ein Ausführungsbeispiel einer Filterschaltung dargestellt .
In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Stromrichters 1 in Form eines modularen Multilevelstromrichters 1
dargestellt. Dieser Multilevelstromrichter 1 weist einen ersten Wechselspannungsanschluss 5, einen zweiten
Wechselspannungsanschluss 7 und einen dritten
Wechselspannungsanschluss 9 auf. Der erste
Wechselspannungsanschluss 5 ist elektrisch mit einem ersten Phasenmodulzweig 11 und einem zweiten Phasenmodulzweig 13 verbunden. Der erste Phasenmodulzweig 11 und der zweite
Phasenmodulzweig 13 bilden ein erstes Phasenmodul 15 des Stromrichters 1. Das dem ersten Wechselspannungsanschluss 5 abgewandte Ende des ersten Phasenmodulzweigs 11 ist mit einem ersten Gleichspannungsanschluss 16 elektrisch verbunden; 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
Gleichspannungsanschluss; der zweite Gleichspannungsanschluss 17 ist ein negativer Gleichspannungsanschluss.
Der zweite Wechselspannungsanschluss 7 ist mit einem Ende eines dritten Phasenmodulzweigs 18 und mit einem Ende eines vierten Phasenmodulzweigs 21 elektrisch verbunden. Der dritte Phasenmodulzweig 18 und der vierte Phasenmodulzweig 21 bilden ein zweites Phasenmodul 24. Der dritte
Wechselspannungsanschluss 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
Wechselspannungsanschluss 9 abgewandte Ende des fünften
Phasenmodulzweigs 27 sind mit dem ersten
Gleichspannungsanschluss 16 elektrisch verbunden. Das dem zweiten Wechselspannungsanschluss 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. Der erste Phasenmodulzweig 11, der dritte Phasenmodulzweig 18 und der fünfte Phasenmodulzweig 27 bilden ein positivseitiges
Stromrichterteil 32; der zweite Phasenmodulzweig 13, der vierte Phasenmodulzweig 21 und der sechste Phasenmodulzweig 29 bilden ein negativseitiges Stromrichterteil 33.
Jeder Phasenmodulzweig weist eine Mehrzahl von Modulen (1_1, 1_2, 1_3, 1_4 ... l_n; 2_1 ... 2_n; usw.) auf, welche (mittels ihrer Modulanschlüsse) elektrisch in Reihe geschaltet sind. Solche Module werden auch als Submodule bezeichnet. Im
Ausführungsbeispiel der Figur 1 weist jeder Phasenmodulzweig n Module auf. Die Anzahl der mittels ihrer Modulanschlüsse elektrisch in Reihe geschalteten Module kann sehr verschieden sein, mindestens sind drei Module in Reihe geschaltet, es können aber auch beispielsweise 50, 100 oder mehr Module elektrisch in Reihe geschaltet sein. Im Ausführungsbeispiel ist n = 36: der erste Phasenmodulzweig 11 weist also 36 Module 1_1, 1_2, 1_3, ... 1_36 auf. Die anderen
Phasenmodulzweige 13, 18, 21, 27 und 29 sind gleichartig aufgebaut .
Im linken Bereich der Figur 1 ist schematisch eine
Steuereinrichtung 35 für die Module 1_1 bis 6_n dargestellt. Von dieser zentralen Steuereinrichtung 35 werden optische Nachrichten bzw. optische Signale über eine optische
Kommunikationsverbindung 37 (zum Beispiel über einen
Lichtwellenleiter) zu den einzelnen Modulen übertragen. Die Nachrichtenübertragung zwischen der Steuereinrichtung und einem Modul ist jeweils symbolhaft durch eine Linie 37 dargestellt; die Richtung der Nachrichtenübertragung ist durch die Pfeilspitzen an den Linien 37 symbolisiert. Dies ist am Beispiel der Module 1_1, 1_4 und 4_5 dargestellt; zu den anderen Modulen werden auf die gleiche Art und Weise Nachrichten gesendet beziehungsweise von diesen Modulen
Nachrichten empfangen. Beispielsweise sendet die
Steuereinrichtung 35 an die einzelnen Module jeweils einen Sollwert für den Schaltzustand der elektronischen
Schaltelemente .
In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Moduls 200 des modularen Multilevelstromrichters 1 dargestellt. Bei dem Modul kann es sich beispielsweise um eines der in Figur 1 dargestellten Module 1_1 ... 6_n handeln. Es können auch mehrere oder alle Module des modularen
Multilevelstromrichters 1 so ausgestaltet sein wie das dargestellte Modul. Das Modul 200 ist als ein Halbbrücken-Modul 200 ausgestaltet. Das Modul 200 weist ein erstes (abschaltbares) elektronisches Schaltelement 202 (erstes abschaltbares Halbleiterventil 202) mit einer ersten antiparallel geschalteten Diode 204 auf. Weiterhin weist das Modul 200 ein zweites (abschaltbares) elektronisches Schaltelement 206 (zweites abschaltbares
Halbleiterventil 206) mit einer zweiten antiparallel
geschalteten Diode 208 sowie einen elektrischen
Energiespeicher 210 in Form eines Kondensators 210 auf. Das erste elektronische Schaltelement 202 und das zweite
elektronische Schaltelement 206 sind jeweils als ein IGBT (insulated-gate bipolar transistor) ausgestaltet. Das erste elektronische Schaltelement 202 ist elektrisch in Reihe geschaltet mit dem zweiten elektronischen Schaltelement 206. Am Verbindungspunkt zwischen den beiden elektronischen
Schaltelementen 202 und 206 ist ein erster Modulanschluss 212 angeordnet. An dem Anschluss des zweiten elektronischen
Schaltelements 206, welcher dem Verbindungspunkt
gegenüberliegt, ist ein zweiter Modulanschluss 215
angeordnet. Der zweite Modulanschluss 215 ist weiterhin mit einem ersten Anschluss des Energiespeichers 210 elektrisch verbunden; ein zweiter Anschluss 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
geschaltet zu der Reihenschaltung aus dem ersten
elektronischen Schaltelement 202 und dem zweiten
elektronischen Schaltelement 206. Durch entsprechende
Ansteuerung des ersten elektronischen Schaltelements 202 und des zweiten elektronischen Schaltelements 206 durch eine Steuereinrichtung des Stromrichters 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 Energiespeicher kann ein Kondensator sein (oder eine Zusammenschaltung aus mehreren Kondensatoren) ; die Spannung des Energiespeichers ist dann die Kondensatorspannung (oder die Gesamtspannung der Zusammenschaltung) .
Der Energiespeicher 210 ist mit einer Filterschaltung 220 versehen. Diese Filterschaltung 220 ist parallel zu dem
Energiespeicher 210 geschaltet. Die Filterschaltung 220 verringert (dämpft) einen (unerwünschten) Wechselanteil in der Spannung des Energiespeichers 210. Im Ausführungsbeispiel ist die Spannung des Energiespeichers (Kondensatorspannung) eine Gleichspannung. Ein unerwünschter Wechselanteil ist eine Wechselspannung (Wechselspannungsanteil) , der der
Gleichspannung überlagert ist. Diese Wechselspannung
(Spannungsripple) hat im Allgemeinen eine Amplitude, die kleiner ist als die Gleichspannung.
Die Filterschaltung 220 weist einen Kondensator 224 und eine Drossel 228 in einer Reihenschaltung auf. Schon mit diesen beiden Bauelementen würde die Filterschaltung 220
funktionieren; die Filterschaltung 220 würde dann einen passiven Saugkreis darstellen. Die Resonanzfrequenz fres der Reihenschaltung aus dem Kondensator und der Drossel ist vorzugsweise um den Faktor 1,2 bis 4, insbesondere um den Faktor 1,5 bis 3, größer als die Frequenz des Wechselanteils der Spannung des Energiespeichers. Dabei berechnet sich die Resonanzfrequenz fres gemäß
Figure imgf000013_0001
Dabei ist L die Induktivität der Drossel 228 und C die
Kapazität des Kondensators 224.
Die im Ausführungsbeispiel der Figur 2 dargestellte
Filterschaltung 224 weist zusätzlich eine steuerbare
Wechselspannungsquelle 232 auf. Ein Steuereingang zum Ansteuern der Wechselspannungsquelle 232 ist durch einen Pfeil symbolisiert. Diese steuerbare Wechselspannungsquelle 232 ist in Reihe zu dem Kondensator 224 und der Drossel 228 geschaltet. Die Filterschaltung 220 ist also eine aktive Filterschaltung 220. Dadurch ist die Filterschaltung 220 noch vielseitiger einsetzbar als ein passiver Saugkreis.
Beispielsweise kann mittels eines passiven Saugkreises nur ein Wechselanteil mit einer Frequenz verringert (gedämpft) werden. Mit der dargestellten aktiven Filterschaltung 220 können jedoch auch Wechselanteile mit verschiedenen
Frequenzen verringert werden.
Die steuerbare Wechselspannungsquelle 232 verfügt über eine eigene Energiequelle (Energiespeicher) . Daher ist die
steuerbare Wechselspannungsquelle 232 in der Lage, eine
Wechselspannung mit wählbarer Amplitude, Frequenz und/oder Phasenlage zu erzeugen und in dem Modul wirksam werden zu lassen. Zum Beispiel kann die steuerbare
Wechselspannungsquelle derart angesteuert werden, dass die Wechselspannungsquelle eine Wechselspannung erzeugt, die dieselbe Frequenz und eine entgegengesetzte Phasenlage wie der Wechselanteil aufweist. Im Idealfall kann die erzeugte Wechselspannung auch dieselbe Amplitude wie der Wechselanteil aufweisen. Diese Wechselspannung gelangt (über den
Kondensator 224 und die Drossel 228) zu dem Energiespeicher 210 und sorgt dafür, dass der Wechselanteil in der Spannung des Energiespeichers verringert oder sogar vollständig beseitigt wird.
Die steuerbare Wechselspannungsquelle 232 ist im
Ausführungsbeispiel ein Stromrichter 232, insbesondere ein Wechselrichter 232. Dieser Stromrichter verfügt über eine eigene Energiequelle in Form eines Kondensators, der auf eine Gleichspannung aufgeladen ist. Daher ist der Stromrichter 232 in der Lage, eine Wechselspannung mit wählbarer Frequenz und Phasenlage zu erzeugen. Der Stromrichter 232 kann insbesondere eine
Vollbrückenschaltung aufweisen. Der Stromrichter 232 kann also vier elektronische Schaltelemente und die elektrische Energiequelle/Energiespeicher in einer Vollbrückenschaltung aufweisen. Die steuerbare Wechselspannungsquelle 232 / der Stromrichter 232 kann also insbesondere gleichartig aufgebaut sein wie das in Figur 3 dargestellte Vollbrückenmodul 300 ohne die Filterschaltung 220. Die vier elektronischen
Schaltelemente des Stromrichters 232 können
vorteilhafterweise schnell schalten, brauchen aber nur eine geringe Stromtragfähigkeit zu haben (geringer als die
Stromtragfähigkeit des ersten elektronischen Schaltelements 202 und des zweiten elektronischen Schaltelements 206) . Es ist insbesondere ausreichend, wenn die Bemessungsleistung des Stromrichters 232 zwischen 5% und 30% der Bemessungsleistung des Moduls 200, insbesondere zwischen 10% und 20% der
Bemessungsleistung des Moduls 200, beträgt. Es handelt sich also bei dem Stromrichter 232 um einen Stromrichter kleiner Leistung. Daher ist der Stromrichter 232 vergleichsweise einfach und kostengünstig herstellbar. Der Stromrichter kann auch mehrere in Reihe geschaltete Vollbrückenschaltungen aufweisen, dann kann insbesondere auch die Größe der
erzeugten Wechselspannung variiert werden.
In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Moduls 300 des modularen Multilevelstromrichters 1 dargestellt. Bei dem Modul 300 kann es sich beispielsweise um eines der in Figur 1 dargestellten Module 1_1 ... 6_n handeln. Es können auch mehrere oder alle Module des modularen
Multilevelstromrichters 1 so ausgestaltet sein wie das dargestellte Modul.
Neben den bereits aus Figur 2 bekannten ersten elektronischen Schaltelement 202, zweiten elektronischen Schaltelement 206, erster Freilaufdiode 204, zweiter Freilaufdiode 208 und
Energiespeicher 210 weist das in Figur 3 dargestellte Modul 300 ein drittes elektronisches Schaltelement 302 mit einer antiparallel geschalteten dritten Freilaufiode 304 sowie ein viertes elektronisches Schaltelement 306 mit einer vierten antiparallel geschalteten Freilaufdiode 308 auf. Das dritte elektronische Schaltelement 302 und das vierte elektronische Schaltelement 306 sind jeweils als ein IGBT ausgestaltet. Im Unterschied zur Schaltung der Figur 2 ist der zweite
Modulanschluss 315 nicht mit dem zweiten elektronischen
Schaltelement 206 elektrisch verbunden, sondern mit einem Mittelpunkt (Verbindungspunkt) einer elektrischen
Reihenschaltung aus dem dritten elektronischen Schaltelement 302 und dem vierten elektronischen Schaltelement 306.
Das Modul 300 der Figur 3 ist ein sogenanntes Vollbrücken- Modul 300. Dieses Vollbrücken-Modul 300 zeichnet sich dadurch aus, dass bei entsprechender Ansteuerung der vier
elektronischen Schaltelemente zwischen dem ersten
Modulanschluss 212 und dem zweiten 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 300 die Polarität der Ausgangsspannung umgekehrt werden. Der
Multilevelstromrichter 1 kann entweder nur Halbbrücken-Module 200, nur Vollbrücken-Module 300 oder auch Halbbrücken-Module 200 und Vollbrücken-Module 300 aufweisen.
Der Energiespeicher 210 ist mit einer Filterschaltung 220 versehen. Diese Filterschaltung 220 ist parallel zu dem
Energiespeicher 210 geschaltet. Die Filterschaltung 220 entspricht der oben im Zusammenhang mit dem
Ausführungsbeispiel der Figur 2 beschriebenen
Filterschaltung. In den folgenden Figuren ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt.
In Figur 4 ist ein modularer Multilevelstromrichter 402 dargestellt, der über eine Anschlussschiene S und einen
Transformator 406 an ein elektrisches Energieversorgungsnetz 401 angeschlossen ist. Mittels einer Strommesseinrichtung 403 wird der durch den Stromrichter 402 fließende Strom gemessen; mittels einer Spannungsmesseinrichtung 404 wird die an dem Stromrichter 402 anliegende Spannung (Anschlussspannung des Stromrichters) gemessen. Die Strommesswerte und die
Spannungsmesswerte werden zu einer Ansteuereinheit 405
(Ansteuereinheit 405 für den Stromrichter) übertragen und dort verarbeitet. Die Ansteuereinheit 405 wird weiterhin mit Sollwerten SW für den Multilevelstromrichter 402 versorgt.
Die Ansteuereinheit 405 kontrolliert den Multilevelumrichter 402; die Ansteuereinheit 405 steuert den
Multilevelstromrichter 402 an.
In Figur 5 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für den
Multilevelstromrichters 402 dargestellt. Dieses
Ausführungsbeispiel weist drei Konvertermodule 410
(Stromrichtermodule 410) des Multilevelstromrichters 402 auf. Die Konvertermodule 410 sind in Dreieck verschaltet
(Dreieckschaltung) und an ein dreiphasiges Netz mit den
Anschlüssen LI, L2 und L3 angeschlossen.
In Figur 6 ist ein zweites Ausführungsbeispiel für den
Multilevelstromrichters 402 dargestellt. Dieses
Ausführungsbeispiel weist sechs Konvertermodule 410 des
Stromrichters 402 auf. Die sechs Konvertermodule 410
(Phasenmodulzweige) sind in einer Brückenschaltung angeordnet und an ein dreiphasiges Netz mit den Anschlüssen LI, L2 und L3 angeschlossen. Der Stromrichter weist weiterhin
einphasigen Ausgänge Y1 und Y2 auf (zum Beispiel
Gleichspannungsausgänge Y1 und Y2).
In Figur 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für den
Multilevelstromrichters 402 dargestellt, welches eine weitere dreiphasige Zusammenschaltung der Konvertermodule 410
aufweist. Die Konvertermodule 410 sind in einer
Sternanordnung (Sternschaltung) zusammengeschaltet, wobei an dem Sternpunkt ein Rückleiter N angeschlossen ist.
In Figur 8 sind drei Ausführungsbeispiele 410a, 410b und 410c für Konvertermodule 410 näher dargestellt. Jedes Konvertermodul 410 weist Wechselspannungsanschlüsse AC1 und AC2 auf. Der durch das Konvertermodul 410 fließende Strom i_conv(t) wird jeweils mittels einer Strommesseinrichtung 411 gemessen (Konvertermodulstrommessung) . Jedes Konvertermodul 410 weist mehrere Module 413 auf.
Das Konvertermodul 410a weist eine Reihenschaltung aus einer Koppelinduktivität 412 und mehreren Vollbrücken-Modulen 413a auf. Das Konvertermodul 410b weist eine Reihenschaltung aus einer Koppelinduktivität 412 und mehreren Halbbrücken-Modulen 413b auf. Das Konvertermodul 410c weist eine Reihenschaltung von einer Koppelinduktivität 412, mehreren Vollbrücken- Modulen 413a und mehreren Halbbrücken-Modulen 413b auf
(gemischte Bestückung mit Vollbrücken-Modulen 413a und mehreren Halbbrücken-Modulen 413b) .
In Figur 9 ist dargestellt, dass das Vollbrücken-Modul 413a ein Powermodul 414a (in Vollbrückenschaltung) aufweist, an dessen Zwischenkreis ein Kondensatormodul 415 und parallel dazu die Filterschaltung 416 (Filtermodul 416) angeschlossen ist .
Das Halbbrücken-Modul 413b weist ein Powermodul 414b (in Halbbrückenschaltung) auf, an dessen Zwischenkreis ein
Kondensatormodul 415 und parallel dazu die Filterschaltung 416 (Filtermodul 416) angeschlossen sind.
In Figur 10 ist das Powermodul 414a dargestellt, welches eine Vollbrückenschaltung aufweist. Das Powermodul 414a weist 4 Halbleiterschalter 418 auf (Halbleiterschalter S1 bis S4). Geeignete Halbleiterschalter S1 bis S4 sind z.B. IGBT, IGCT, IEGT oder MOSFET.
In Figur 11 ist das Powermodul 414b dargestellt, welches eine Halbbrückenschaltung aufweist. Das Powermodul 414b weist 2 Halbleiterschalter 418 auf (Halbleiterschalter S1 und S2). Geeignete Halbleiterschalter S1 und S2 sind z.B. IGBT, IGCT, IEGT oder MOSFET. In Figur 12 ist das Kondensatormodul 415 dargestellt. Das Kondensatormodul 415 weist einen Kondensator 420 auf, der die Zwischenkreisspannung puffert, und eine parallelgeschaltete Spannungsmesseinrichtung 419a für die
Kondensatorspannungsmessung. Im Allgemeinen enthält das Kondensatormodul den elektrischen Energiespeicher des Moduls des modularen Multilevelstromrichters .
In Figur 13 ist die Filterschaltung 416 (Filtermodul 416) dargestellt. Die Filterschaltung 416 weist eine
Reihenschaltung aus dem Filterkondensator 421, der
Filterdrossel 422 und einem Wechselrichter 423 (insbesondere einem Wechselrichter kleiner Leistung 423) auf. Der Strom durch den Wechselrichter 423 wird mittels einer
Strommesseinrichtung 424 gemessen (Filterstrommessung) .
Ebenso wird mittels einer Spannungsmesseinrichtung 419b
(Spannungsmessgerät 419b) die über der Filterschaltung anliegende Spannung gemessen. Die Spannungsmesswerte und die Strommesswerte werden der Wechselrichteransteuereinheit 425 zugeführt. (Dabei kann die Spannungsmesseinrichtung 419a der Figur 12 und die Spannungsmesseinrichtung 419b der Figur 13 auch durch nur eine einzige Spannungsmesseinrichtung
realisiert sein. Beide Spannungsmesseinrichtungen 419a und 419b messen die Energiespeicherspannung, hier die
Kondensatorspannung.) Basierend auf den zugeführten
Messwerten ermittelt die Wechselrichteransteuereinheit 425 die Schaltbefehle für den Wechselrichter 423.
Es wurde ein Modul und ein Verfahren zum Verringern eines Wechselanteils bei einem Modul beschrieben, bei denen eine Filterschaltung (insbesondere ein aktiver Saugkreis)
verwendet wird, um unerwünschte Wechselanteile
(Spannungsripple) in der Kondensatorspannung des Moduls kontrolliert zu dämpfen. Damit ergibt sich ein Modul für einen modularen Multilevelstromrichter, das (im Idealfall) keinen Wechselanteil in dessen Energiespeicherspannung (z.B. Kondensatorspannung) aufweist. Dies wird bevorzugt dadurch erreicht, dass parallel zu dem Energiespeicher (z.B.
Kondensator) des Moduls eine Reihenschaltung aus einer
Filterdrossel, einem Filterkondensator und einem
Wechselrichter kleiner Leistung (ca. 10 bis 20% der
Bemessungsleistung des Moduls) angeschlossen ist. Der
Wechselrichter dämpft den Wechselanteil der
Kondensatorspannung; der Wechselrichter wird so angesteuert, dass ein aktiver Saugkreis entsteht.
Das Modul und das Verfahren weisen insbesondere folgende Vorteile auf:
- Bessere Ausnutzbarkeit der von dem Modul ausgegebenen
Spannung aufgrund einer höheren und gleichmäßigeren
Kondensatorspannung und/oder Reduktion der
Kondensatorkapazität möglich.
- Kleine Bauelemente beim aktiven Saugkreis sind ausreichend, da die natürliche Resonanzfrequenz des Saugkreises
höherfrequenter als die Frequenz des Wechselanteils der
Kondensatorspannung ausgelegt werden kann.
- Die Resonanzfrequenz des aktiven Saugkreis ist (mittels der steuerbaren Wechselspannungsquelle) auf unterschiedliche Netzfrequenzen einstellbar.
Aufgrund der besseren Ausnutzung der Module (d.h. der
besseren Ausnutzbarkeit der Modulspannungen) kann die Anzahl der in einem Stromrichter verbauten Module reduziert werden. Außerdem treten an den Stromrichteranschlüssen weniger
(insbesondere durch Modulationseffekte verursachte)
Spannungsverzerrungen auf. Dadurch wird die Störabstrahlung reduziert (EMV und RFI), was den Installationsaufwand
vereinfacht .

Claims

Patentansprüche
1. Modul (200) eines modularen Multilevelstromrichters (1), das ein erstes elektronisches Schaltelement (202), ein zweites elektronisches Schaltelement (206) und einen
elektrischen Energiespeicher (210) aufweist,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- der Energiespeicher (210) mit einer Filterschaltung (220) versehen ist, die einen Wechselanteil in der Spannung des Energiespeichers (210) verringert.
2. Modul 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
- die Filterschaltung (220) einen Kondensator (224) und eine Drossel (228) aufweist.
3. Modul nach Anspruch 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- die Filterschaltung (220) eine Reihenschaltung aus dem Kondensator (224) und der Drossel (228) aufweist.
4. Modul nach Anspruch 3,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- die Resonanzfrequenz der Reihenschaltung aus dem
Kondensator (224) und der Drossel (228) um den Faktor 1,2 bis
4. insbesondere um den Faktor 1,5 bis 3, größer ist als die Frequenz des Wechselanteils der Spannung des Energiespeichers (210) .
5. Modul 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 Filterschaltung (220) eine aktive Filterschaltung ist.
6. Modul nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- die Filterschaltung (220) eine Reihenschaltung aus dem Kondensator (224), der Drossel (228) und einer steuerbaren Wechselspannungsquelle (232) aufweist. 7. Modul nach Anspruch 6,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- die steuerbare Wechselspannungsquelle ein Stromrichter (232), insbesondere ein Wechselrichter (232), ist.
8. Modul nach Anspruch 6 oder 7,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- die steuerbare Wechselspannungsquelle (232) eine
Vollbrückenschaltung aufweist.
9. Modul nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- die Bemessungsleistung des Stromrichters (232) zwischen 5% und 30% der Bemessungsleistung des Moduls (200), insbesondere zwischen 10% und 20% der Bemessungsleistung des Moduls (200), beträgt .
10. Modul 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 Filterschaltung (220) parallel zu dem Energiespeicher (210) geschaltet ist.
11. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- das erste elektronische Schaltelement (202) und das zweite elektronische Schaltelement (206) in einer
Halbbrückenschaltung angeordnet sind.
12. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- das Modul (300) ein drittes elektronisches Schaltelement (302) und ein viertes elektronisches Schaltelement (306) aufweist, wobei das erste elektronische Schaltelement (202), das zweite elektronische Schaltelement (206), das dritte elektronische Schaltelement (302) und das vierte
elektronische Schaltelement (306) in einer
Vollbrückenschaltung angeordnet sind. 13. Modularer Multilevelstromrichter (1) mit mindestens einem Modul (200, 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
14. Verfahren zum Verringern eines Wechselanteils bei einem Modul (200) eines modularen Multilevelstromrichters (1), das ein erstes elektronisches Schaltelement (202), ein zweites elektronisches Schaltelement (206) und einen elektrischen Energiespeicher (210) aufweist, wobei bei dem Verfahren
- mittels einer an den Energiespeicher (210) angeschlossenen Filterschaltung (220) ein in der Spannung des
Energiespeichers (210) auftretender Wechselanteil verringert wird .
15. Verfahren nach Anspruch 14,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- die Filterschaltung (220) eine Reihenschaltung aus einem Kondensator (224), einer Drossel (228) und einer steuerbaren Wechselspannungsquelle (232) aufweist, und die steuerbare Wechselspannungsquelle (232) derart angesteuert wird, dass diese eine Wechselspannung erzeugt, die dieselbe Frequenz und eine entgegengesetzte Phasenlage wie der Wechselanteil aufweist .
16. Verfahren nach Anspruch 15,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- die steuerbare Wechselspannungsquelle ein Stromrichter (232), insbesondere ein Wechselrichter (232), ist.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- die steuerbare Wechselspannungsquelle (232) eine
Vollbrückenschaltung aufweist.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- die Filterschaltung (220) parallel zu dem Energiespeicher (210) geschaltet ist. 19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- das erste elektronische Schaltelement (202) und das zweite elektronische Schaltelement (206) in einer
Halbbrückenschaltung angeordnet sind.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- das Modul (300) ein drittes elektronisches Schaltelement
(302) und ein viertes elektronisches Schaltelement (306) aufweist, wobei das erste elektronische Schaltelement (202), das zweite elektronische Schaltelement (206), das dritte elektronische Schaltelement (302) und das vierte
elektronische Schaltelement (306) in einer
Vollbrückenschaltung angeordnet sind.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2017001024A1 (en) * 2015-07-02 2017-01-05 Abb Schweiz Ag Multilevel converter

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