WO2021047743A1 - System having at least one rectifier - Google Patents

System having at least one rectifier Download PDF

Info

Publication number
WO2021047743A1
WO2021047743A1 PCT/DE2020/200075 DE2020200075W WO2021047743A1 WO 2021047743 A1 WO2021047743 A1 WO 2021047743A1 DE 2020200075 W DE2020200075 W DE 2020200075W WO 2021047743 A1 WO2021047743 A1 WO 2021047743A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
rectifier
voltage
connection
branch
connections
Prior art date
Application number
PCT/DE2020/200075
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Stefan Kolb
Oliver Moritz
Original Assignee
Hs-Drives Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hs-Drives Gmbh filed Critical Hs-Drives Gmbh
Priority to DE112020004362.2T priority Critical patent/DE112020004362A5/en
Publication of WO2021047743A1 publication Critical patent/WO2021047743A1/en

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0047—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with monitoring or indicating devices or circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/44—Circuits or arrangements for compensating for electromagnetic interference in converters or inverters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/12—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/21—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/217—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M7/2173—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only in a biphase or polyphase circuit arrangement
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/4833—Capacitor voltage balancing
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/487—Neutral point clamped inverters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/7072—Electromobility specific charging systems or methods for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/12—Electric charging stations

Definitions

  • the invention relates to systems with a rectifier.
  • Converters based on a three-stage NPC topology are generally known and are described, for example, on the Wikipedia website under the entry "Neutral Point Clamped”.
  • the invention is based on the object of specifying a system with at least one rectifier with improved properties compared to the prior art.
  • the rectifier is a three-phase rectifier with three AC voltage rectifier connections, hereinafter referred to as AC rectifier connections, for connection to a three-phase network, a first DC voltage connection, hereinafter referred to as "DC +" connection, and a second DC voltage connection.
  • DC connection The conclusion, hereinafter referred to as "DC" connection, is that the rectifier comprises three power semiconductor branches, each based on a 3-level topology, with each of the three power semiconductor branches each having its own branch AC voltage connection, hereinafter called AC connection, which is connected to a the three AC rectifier connections of the rectifier is connected, a branch-own first connection, hereinafter referred to as branch-own "DC +" connection, a branch-own second connection, hereinafter referred to as branch-specific "DC-” connection, and a branch-specific third connection, hereinafter the branch's own “DCN” connection, the branch's own “DC +” connections of the three power semiconductor branches to the "DC +" connection of the rectifier and the branch's own “DC-” connections of the three power semiconductor branches to the "DC-" -Connection of the rectifier are connected, the three-phase rectifier has a neutral conductor connection, which is used for connection is designed to a neutral conductor of the three-phase network, and the branch's
  • a significant advantage of the system according to the invention is based on the possibility of a direct or indirect connection between the neutral conductor of the three-phase network and the branch's own "DCN" connections, so that the midpoint of the DC voltage without the use of a potential separation to ground potential or neutral conductor potential of the three-phase network.
  • the rectifier can be regulated and its DC voltage output at the "DC +" connection and the "DC-" connection can be adjusted.
  • the rectifier is an active rectifier and outputs a higher voltage level on its DC voltage side than is applied on its three-phase voltage side.
  • the rectifier is designed for connection to a low-voltage three-phase network and is designed to output a DC voltage between its "DC +" and its "DC-" connection can be set between 800 volts and 1500 volts.
  • the rectifier is designed for connection to a low-voltage three-phase network and is designed to provide a DC voltage on the output side between its "DC +" and "DC-" connections , which is between 570 volts and 1500 volts.
  • a choke is electrically connected in each case between the branch's own AC connections of the three power semiconductor branches and the respectively assigned AC rectifier connection of the rectifier.
  • a common choke (FIG. 1b) is electrically connected between the branch's own AC connections of the three power semiconductor branches and the respectively assigned AC rectifier connection of the rectifier.
  • a common choke (FIG. 1b) is electrically connected between the branch's own AC connections of the three power semiconductor branches and the respectively assigned AC rectifier connection of the rectifier.
  • the potential difference between the “DC +” connection and the “DCN” connection and the potential difference between the “DC-” connection and the “DCN” connection are equal or at least equal are approximately the same size.
  • a balancing unit or balancing unit is connected to the DC +, DCN and DC- voltage, which makes it possible to shift energy between the DC + and the DC- potential.
  • a balancing unit is connected to the DC voltage side of the rectifier, which comprises a power semiconductor branch and a choke, and a connection point of the power semiconductor branch connects the power semiconductor branch via the choke with the neutral conductor connection of the rectifier and the electrically connects the branch's own "DCN" connections.
  • a balancing unit is connected to the DC voltage side of the rectifier, which comprises two series-connected power semiconductor switches with antiparallel diodes and a choke, and the connection point between the power semiconductor switches via the choke with the The neutral conductor connection of the rectifier and the branch's own “DCN" connections are electrically connected.
  • a balancing unit is connected to the DC voltage side of the rectifier, which one Multilevel inverter branch and comprises at least one choke, and the power semiconductor branch is electrically connected to the neutral conductor connection of the rectifier and the branch's own “DCN" connections via the choke.
  • One or more DC / DC converters and / or one or more mobile battery storage and / or one or more stationary battery storage and / or one or more photovoltaic systems are preferably connected to the "DC +" connection and the "DC -" connection of the rectifier and / or one or more DC / AC converters and / or three-phase consumers, preferably three-phase motors, and / or inductive interfaces, preferably inductive charging stations, and / or other contactless, inductive consumers connected.
  • the system forms a charging system for charging electric vehicles, the three-phase rectifier with its three AC rectifier connections being connected to a low-voltage three-phase network, the rectifier having a DC voltage between its output side "DC +" and its "DC -” connection between 800 volts and 1500 volts and the DC voltage between the "DC +" and "DC -” connections forms a system-specific DC network to which one or several charging stations are connected.
  • the diodes of the power semiconductor branch are designed as SiC diodes.
  • the system has a control device that is controlled by the targeted control of the power semiconductors (Modulation) can set the DC voltage to a specified target value and / or can set the reactive power drawn from the AC network.
  • a control device that is controlled by the targeted control of the power semiconductors (Modulation) can set the DC voltage to a specified target value and / or can set the reactive power drawn from the AC network.
  • the setpoint value for the DC voltage between DC + and DC- is set as a function of the available power and / or the DC voltage is adapted, in particular reduced, for loss optimization.
  • the output voltage of the rectifier is guided in such a way that the DC / DC converter is operated at a loss-optimal operating point as a function of the charging voltage of the battery to be charged.
  • components of the rectifier or rectifiers are integrated in a housing and form a power module.
  • two or more rectifiers connected in parallel in particular two or more power modules connected in parallel
  • two or more rectifiers connected in parallel are accommodated in different charging stations arranged at a distance from one another.
  • two or more rectifiers connected in parallel in particular two or more power modules connected in parallel, are arranged at a distance from one another and can electrically feed charging stations arranged at a distance from one another from separate feed points (FIG 12).
  • a central control unit controls the parallel power modules, the control unit being implemented locally or in a central data center.
  • one or more DC / DC converters are connected directly or indirectly to at least two of the DC connections, the one or more mobile battery storage (e.g. in a E-car, e-bus, e-tram, e-train, e-bike, e-small vehicle) can charge.
  • the DC / DC converter (s) are designed as a resonant or hard-switched topology.
  • the AC / DC converter and one or more DC / DC converters are accommodated in one housing.
  • At least two of the DC potentials are connected to at least one stationary DC battery storage device.
  • the DC voltage of the rectifier input voltage of the DC / DC converter
  • the DC voltage of the rectifier is varied in order to set the output voltage of the DC / DC converter (s).
  • the DC voltage is distributed decentrally to charging units via electrical conductors.
  • one or more DC / DC converters which are connected to the DC voltage, are bidirectional in the form of a dual active bridge.
  • the DC / DC converters have a communication interface to a central control unit, which is arranged locally or remotely in a data center.
  • the rectifier feeds a DC network to which various consumers and / or producers are connected.
  • the system includes the three-phase network and the neutral conductor connection of the rectifier and the branched connections "DCN" connections of the three power semiconductors branches are connected to the neutral conductor of the three-phase network.
  • the rectifier or rectifiers are bidirectionally operating rectifiers which enable a bidirectional flow of power.
  • the rectifier or rectifiers are unidirectional rectifiers which only allow a unidirectional flow of power.
  • the rectifier or rectifiers are unidirectional PFC 3-level rectifiers.
  • the invention also relates to a method for generating a DC voltage between a "DC +" terminal and a "DC-" terminal of a rectifier.
  • the rectifier comprises three power semiconductor branches, each based on a 3-level topology, each of the three power semiconductor branches has a branch of its own AC connection, each with one of three of the AC rectifier connections of the rectifier in Connection is established, the three AC rectifier connections of the rectifier are connected to a three-phase network, third branch connections of the three power semiconductor branches, hereinafter referred to as branch “DCN” connections, which are connected to one another and together form a neutral conductor connection of the three-phase rectifier to a neutral conductor of the three-phase network and the potential of the "DCN” connections of the three power semiconductors branch is set to the potential of the neutral conductor of the three-phase network.
  • branch “DCN” connections which are connected to one another and together form a neutral conductor connection of the three-phase rectifier to a neutral conductor of the three-phase network and the potential
  • the rectifier is connected to a low-voltage three-phase network and the output side ei ne DC voltage between the "DC +" - and the "DC -" terminal of the rectifier between 800 volts and 1500 volts is set and the DC -Voltage is fed into one or more charging devices, one or more charging stations or an internal DC network for supplying energy to charging devices or charging stations.
  • the invention also relates to a three-phase rectifier consisting of three power semiconductor branches with 3 AC connections for 3 phases and at least one DC +, one DC- and one DCN connection, characterized in that the DC voltage between DC + and DC- is greater than 800 volts , is preferably adjustable up to a maximum of 1500 volts, and / or the power semiconductor branches are preferably based on a 3-level NPC topology, and / or the DC voltage is preferably regulated and adjustable, and / or the potential difference is preferably between DC + and DCN and between DC and N are approximately the same, and / or the DCN potential is preferably connected to the neutral conductor of the feeding three-phase network, and / or at least one choke is connected to each of the AC connections of the power semiconductor branches, and / or preferably a common choke with high common-mode inductance is connected, and / or to the respective connection of the choke to which the AC connection of the power semiconductor branch is not connected , preferably directly or indirectly the power supply network is connected.
  • the diodes of the power semiconductor branch are designed as SiC diodes.
  • a control device is present that can set the DC voltage to a predetermined target value through the targeted control of the power semiconductors (modulation) and / or the reactive power taken from the AC network can adjust.
  • the setpoint value for the DC voltage between DC + and DC- is set as a function of the available power and / or the DC voltage is reduced to optimize losses.
  • the power semiconductor branches and an associated line filter are integrated in a housing (power module).
  • the power is scaled by connecting power modules in parallel.
  • a central control unit controls the parallel power modules.
  • the control unit is implemented locally or in a central data center.
  • a balancing unit is connected to the DC +, DCN and DC- voltage, which makes it possible to shift energy between the DC + and the DC- potential.
  • one or more DC / DC converters are connected directly or indirectly to at least two of the DC connections, the one or more mobile battery storage (e.g. in a E-car, e-bus, e-tram, e-train, e-bike, e-small vehicles).
  • the DC / DC converter (s) are designed as a resonant or hard-switched topology.
  • the AC / DC converter and one or more DC / DC converters are accommodated in one housing.
  • the DC voltage of the rectifier (input voltage of the DC / DC converter) is varied in order to set the output voltage of the DC / DC converter (s).
  • the DC voltage is distributed decentrally to charging units via electrical conductors.
  • one or more DC / DC converters which are connected to the DC voltage, are bidirectional in the form of dual active bridges.
  • the DC / DC converters have a communication interface to a central control unit, which is arranged locally or remotely in a data center.
  • the rectifier feeds a DC network to which various consumers and / or producers are connected.
  • the exemplary embodiments relate to systems for generating and operating floating and floating DC voltages. Compared to the state of the art, the midpoint of the DC voltage can be used without the use of a potential tial separation on earth potential or neutral conductor potential of a three-phase network.
  • AC / DC converters Classic passive rectifiers (AC / DC converters) use diodes as essential elements. On the AC side, these usually generate a current with a high level of distortion. Active rectifiers can be used to improve this property.
  • Multi-level topologies are used for applications with higher voltages or in applications in which low losses are important.
  • a common topology of a power semiconductor branch / phase leg (see FIG. 1, reference number 10) is the 3-level NPC (FIG. 2a).
  • a 3-phase active rectifier can be realized through the DC-side parallel connection of 3 power semiconductor branches (Fig. 1).
  • the modulation of the power semiconductor branches can be carried out in such a way that active power is drawn from the power grid (see FIG. 4, reference number 12) and thus the DC side of the active rectifier is supplied with energy, or energy is fed into the supply network from the DC side.
  • the DC voltage can be set and regulated.
  • the modulation method of the active rectifier generates common-mode voltages. These lead to the intermediate circuit jumping in relation to the center potential of the supply system (in the case of the TN system, the potential of the N conductor). In real applications, the common-mode voltage is up to 1/3 of the DC voltage. ['Pulse Width Modulation for Power Converters - Principles and Practice', D.G. Holmes, T.A. Lipo .; IEEE Press, Wiley-Interscience, 2003].
  • the center potential of the DC voltage is close to the earth potential. This enables z. B. to lower the insulation requirements for cables and cables and to reduce the creepage and clearance distances required by the standards.
  • the EMC emissions are reduced because the DC system no longer jumps at the switching frequency of the semiconductor switches.
  • a near-earth center potential is particularly advantageous in DC networks.
  • a near-earth center potential can be achieved if the DC center point (DCN) is connected to the center point of the supply network (N conductor) or the center point is directly grounded.
  • the required filter inductance is essentially determined by the permissible current ripple. This derives among other things from factors such as the permissible harmonics, the limit values for the conducted interference and the permissible heating of the chokes.
  • SiC silicon carbide
  • the AC network In applications in which the AC network is fed from transformers that are operated close to the power limit, or in applications in which the network should be provided with image power, this can be required by the AC network operator, it enables the proposed circuit - pology to feed reactive power into the power supply network in a targeted manner.
  • the DC voltage can be set at the same time.
  • the voltages generated by the semiconductor branches are measured by means of a control unit (see FIG. 4, reference number).
  • chen 14 modulated in such a way that the adjusting current vector is in relation to the voltage vector of the network in such a way that the desired power consumption results in reactive and active components.
  • the DC voltage can be set by specifically drawing active current through the control unit or feeding it into the AC grid.
  • a current and / or voltage measuring unit (see FIG. 4, reference number 15) is used.
  • a separate, possibly decentralized DC current and voltage measuring unit can be used to supply the control unit with information (for example voltages, currents) about the DC system.
  • the freedom that the proposed arrangement offers to be able to adjust the DC voltage can be used to reduce the losses in the power semiconductors of the active inverter and in the filter in a targeted manner.
  • the output DC voltage of the active rectifier can be used in an advantageous manner to increase the power in the to regulate any connected DC network.
  • the voltage level can be used to indicate to the connected devices how much power can be drawn. No communication connections to the connected devices are then necessary.
  • the required filter inductance can be reduced. This also reduces the installation space required.
  • the unit made up of power semiconductors, filters and associated electronics is referred to as a power module (see FIG. 4, reference numeral 200).
  • the execution of application- and performance-specific filters is then not necessary.
  • the power modules (see FIG. 4, reference number 200) can be specifically optimized for the application. If the applications require different electrical outputs, it is suggested that the power modules be connected directly in parallel (see FIG. 5). The potential circulating currents are reduced by the integrated filter.
  • Element 201 from FIG. 5 represents the three-phase system (AC) and element 202 the direct current system (DC).
  • Each power module contains at least the components power semiconductors, chokes, DC capacitors and units for current and voltage measurement.
  • a central control unit is preferably used so that the parallel power modules can provide the required power in the desired manner. This is able to communicate with the individual power modules. Communication can be wireless or wired via signal or power lines.
  • the individual power modules send actual values such as currents, voltages or temperatures to the central control unit.
  • the control unit processes this information and sends setpoints to the power modules.
  • the voltage and current regulation can be carried out centrally or locally.
  • An algorithm for balancing the outputs or currents of the individual modules can be executed on the central control unit.
  • An algorithm for regulating the circulating currents and / or balancing the currents is preferably carried out.
  • An algorithm that regulates the partial voltages N- DC + and DC- N to the same values as possible is also executed on the central control unit.
  • FIG. 2b An example embodiment is shown in FIG. 2b.
  • Other topologies such as B. 3-levels are also applicable here.
  • the energy from one of the DC subsystems can be used to magnetize the choke (see Fig. 2b, reference number 32) and after the power semiconductor has been switched off, the energy from the choke is transferred to the other DC subsystem (e.g. DCN-DC-) transferred.
  • One or more DC / DC converters can be connected directly or indirectly to the DC connections of the described bidirectional rectifier (see FIG. 3, reference numeral 100).
  • mobile battery storage devices can be used, for example, for electric vehicles (e-cars, e-buses, e-trucks, e-trams, e-trains), small electric vehicles (e- Pedelecs, e-cargo bikes) and small electric vehicles (e-scooters) or similar.
  • the DC / DC converters required for this can be implemented in both resonant and hard-switched topologies.
  • the system shown can be expanded to include DC / DC converters on its DC bus (see FIG. 3, reference numeral 102). This results in the following system advantages:
  • the bidirectional connection of the DC / DC converters also enables a power flow between the individual DC / DC converters and thus the connected mobile storage units. (Vehicle to Vehicle, Vehicle to Grid, Vehicle to X).
  • the power transmitted can be increased compared to alternating voltage with the same line cross-sections.
  • the described bidirectional rectifier can be equipped with one or more potential-sensitive adhered or potential-free DC voltage converters (see Fig. 8, reference number 101), also referred to as DC / DC converter net, are housed in a housing to connect DC generator or DC consumer locally to the low-voltage three-phase network. This results in advantages in terms of installation effort and lower costs and less installation space for the system.
  • the system around the described bidirectional rectifier enables the indirect non-floating connection of stationary energy storage devices to the DC connection of the rectifier (Fig. 9). This can be done in parallel to other participants coupled to the DC voltage.
  • the bidirectional rectifier described can be the output-side DC voltage according to specifications in a wide range of up to z. B. vary a maximum of 1500 Vdc. This means that connected DC / DC converters can be supplied with DC voltage that let them work at their optimal operating point. As a result, the switching losses of these converters in particular can also be reduced and thus a further increase in efficiency is achieved.
  • Fully resonant DC / DC converters can thus be used with little loss in ZVS / ZCS operation, although the voltage ratio between input and output voltage is variable.
  • the resonance frequency does not need to be varied or only needs to be varied to a small extent in order to reduce the output voltage.
  • DC / DC converters based on a dual active bridge or related topologies can be operated in phase shift mode, and the output voltage is set by changing the input voltage.
  • connection of the charging units to the bidirectional supply of the AC / DC converter can also be done locally via electrical lines. Cables in the ground as well as other common types of laying are possible here. Furthermore, suitable existing infrastructure can be used here.
  • the DC / DC converters connected to the system described should enable a bidirectional power flow.
  • the converters should preferably be designed in dual active bridge topology and operated using phase shift modulation. This enables a potential-free connection of different voltage levels with an adjustable power flow.
  • the pulse width can be changed in addition to the phase shift modulation.
  • the system described is characterized in that the DC / DC converters have a communication interface (see FIG. 6, reference number 104) to a central control unit (see FIG. 6, reference number 103), which can be arranged locally or remotely in a data center .
  • the various consumers and generators that are connected to the DC voltage by means of DC / DC converters can have the total power of the nominal power of the feeding bidirectional rectifier (see Fig. 6, reference number 100) according to the claims Exceed 1-9.
  • a central controller in order to be able to counteract the overload that is potentially possible as a result, in order to be able to coordinate consumers and producers with one another and / or to be able to maintain a system state, a central controller (see Fig. 6, reference number 103) is provided which is wireless communication interfaces or via communication that uses the power cabling for transmission, are connected to the individual DC / DC converters and optionally also to the rectifier. This control can be carried out locally or in a data center.
  • control units of the active rectifier see Fig. 4, reference number 14
  • DC / DC converter see Fig.
  • the network of charging units described which are fed by the rectifier, corresponds to a network of generators and consumers, connected by the regulated DC voltage.
  • the individual producers and consumers can be set up at a distance from each other. You can for example on a property, a factory site or a locality.
  • This network is accessible to consumers and / or producers through DC / DC converters. This enables any number of participants to be networked.
  • FIG. 11 shows the connection of various consumers / generators to the DC voltage (reference symbol 102).
  • the design of the DC / DC converter can also include a contactless inductive transmission path (see FIG. 10, reference number 304).
  • This potentially also bidirectional contactless power transmission enables fully or partially encapsulated transmission routes that allow lay access to this network.
  • the encapsulation is carried out in such a way that there is no danger to the user from current or voltage.
  • FIG. 1 shows the system of the bidirectional rectifier consisting of at least one power module (200) each with three power semiconductor branches (10).
  • the branches (10) are connected to the low-voltage rotary current network (12) via single-phase chokes (11). Furthermore, the DC voltage connections DC +, DC- and DCN form the DC connection (13).
  • the figure lb shows an example that in an advantageous manner between the branch's own AC connections of the three power semiconductor branches and the respectively assigned AC rectifier connection of the rectifier, a common inductor (111) can be connected electrically.
  • Figure 2a shows a power semiconductor branch (20) in 3-level design consisting of 4 series-connected power semiconductor switches with anti-parallel diodes (21), the clamping diodes (22) and the local energy stores (23).
  • the Klemmdio the (23) connect the DC voltage center point (DCN) with the respective upper and lower semiconductor switches (21).
  • the middle of the series connection of the 4 switch / diode pairs (21) forms the connection point for the single-phase chokes (11) for connection to the low-voltage three-phase system.
  • Figure 2b shows the structure of an exemplary symmetry approximately unit (30) consisting of two series-connected power semiconductor switches with anti-parallel diodes (31) and a balancing choke (32), which are connected in such a way that the center of the two switches (31) with the choke (32) is connected and this in turn with the center point DCN of the DC voltage system DC +, DCN, DC-.
  • FIG. 3 schematically shows the combination of the bidirectional rectifier (100) with the DC / DC converters (101) by means of direct voltage (102).
  • the DC / DC converters (101) bind the mobile storage devices shown in the example to the DC voltage (102) in order to charge or discharge them.
  • FIG. 4 shows the system of the bidirectional rectifier with power module (200), power semiconductor branches (10), single-phase chokes (11) as a link between the low-voltage three-phase network (12) and the low-voltage direct current network (13) as well as with the control unit (14) and the optional current-voltage measuring devices for AC (15) and DC (16).
  • FIG. 5 shows the parallel connection of power modules (200) to increase the bidirectional power transmission between the low-voltage three-phase network (201) and the low-voltage direct current network (202).
  • FIG. 6 shows the system consisting of a bidirectional rectifier (100) and DC / DC converters (101) which are connected to a central control unit (103) via communication channels (104).
  • FIG. 7 shows several DC / DC converters (101) which are connected in charging devices (300) mobile energy storage devices (301) to the DC voltage (102) fed by the bidirectional rectifier (100) for charging and / or discharging.
  • FIG. 8 shows the components of the bidirectional rectifier (100) and DC / DC converter (101) accommodated in a housing in the application as a charging device (300) for mobile battery storage (301).
  • FIG. 9 describes the combination of bidirectional rectifier (100) and stationary battery storage (302), which are connected directly and / or indirectly to the common DC voltage (102) by means of DC / DC converters (101).
  • FIG. 10 shows the bidirectional rectifier (100) on a local DC network (102) with different subscribers, such as stationary battery storage devices (302), charging devices (300) connected directly or indirectly via DC / DC converters (101).
  • mobile battery storage via DC / DC converter (301) integrate into the network, contactless, inductive converter stages (304) for the integration of systems that can be operated by laypeople as well as any DC subscriber (303) integrated via DC / DC converter (101).
  • FIG. 11 illustrates a local DC network (203) that is connected to the medium-voltage network via the bidirectional rectifier (100) and the low-voltage three-phase network, for example via a distribution transformer (204). Participants in this local DC network are also shown.
  • three-phase consumers such as three-phase motors, can also be connected via DC / AC converters (305).
  • inductive interfaces such as inductive charging stations (306) or other contactless, inductive loads (304, 303) can be connected.
  • FIG. 12 shows by way of example that advantageously two or more rectifiers (100) connected in parallel, in particular two or more power modules connected in parallel, can be arranged at a distance from one another and can electrically feed charging stations arranged at a distance from one another from separate feed points.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Rectifiers (AREA)

Abstract

The invention relates, inter alia, to a system having at least one rectifier. According to the invention, the rectifier is a three-phase rectifier having: - three alternating-voltage rectifier terminals, hereinafter called AC rectifier terminals, for connection to a three-phase grid (12), - a first direct-voltage terminal, hereinafter called "DC+" terminal, and - a second direct-voltage terminal, hereinafter called "DC-" terminal, and the rectifier comprises three power semiconductor branches which are each based on a 3-level topology, each of the three power semiconductor branches having: - a branch-dedicated alternating-voltage terminal, hereinafter called AC terminal, which is connected to one of the three AC rectifier terminals of the rectifier, - a branch-dedicated first terminal, hereinafter called branch-dedicated "DC+" terminal, - a branch-dedicated second terminal, hereinafter called branch-dedicated "DC-" terminal, and - a branch-dedicated third terminal, hereinafter called branch-dedicated "DCN" terminal, the branch-dedicated "DC+" terminals of the three power semiconductor branches being connected to the "DC+" terminal of the rectifier, and the branch-dedicated "DC-" terminals of the three power semiconductor branches being connected to the "DC-" terminal of the rectifier, the three-phase rectifier having a neutral conductor terminal which is designed to be connected to a neutral conductor of the three-phase grid (12), and the branch-dedicated "DCN" terminals being directly or at least indirectly electrically connected to the neutral conductor terminal of the three-phase rectifier.

Description

Beschreibung description
System mit zumindest einem Gleichrichter System with at least one rectifier
Die Erfindung bezieht sich auf Systeme mit einem Gleichrich ter. The invention relates to systems with a rectifier.
Umrichter auf der Basis einer dreistufigen NPC-Topologie sind allgemein bekannt und beispielsweise auf der Wikipedia- Webseite unter dem Eintrag "Neutral Point Clamped" beschrie ben. Converters based on a three-stage NPC topology are generally known and are described, for example, on the Wikipedia website under the entry "Neutral Point Clamped".
In der Druckschrift „A Review of Three-Phase Improved Power Quality AC-DC Converters", IEEE Transactions on industrial Electronics, Vol 51, No. 3, 06/2004 sind verschiedene Varian ten von 3-phasigen aktiven Gleichrichtern mit verbesserter Leistungsqualität (Power Quality) offenbart. In the publication "A Review of Three-Phase Improved Power Quality AC-DC Converters", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol 51, No. 3, 06/2004, different versions of 3-phase active rectifiers with improved power quality (Power Quality).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System mit zu mindest einem Gleichrichter mit gegenüber dem Stand der Tech nik verbesserten Eigenschaften anzugeben. The invention is based on the object of specifying a system with at least one rectifier with improved properties compared to the prior art.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein System, mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausge staltungen des erfindungsgemäßen Systems sind in Unteran sprüchen angegeben. According to the invention, this object is achieved by a system having the features according to patent claim 1. Advantageous designs of the system according to the invention are given in sub-claims.
Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Gleichrichter ein dreiphasiger Gleichrichter mit drei Wechselspannungs- Gleichrichteranschlüssen, nachfolgend AC-Gleichrichter- anschlüssen genannt, zum Anschluss an ein Drehstromnetz, ei nem ersten Gleichspannungsanschluss, nachfolgend "DC+"- Anschluss genannt, und einem zweiten Gleichspannungsan- Schluss, nachfolgend "DC-"-Anschluss genannt, ist, der Gleichrichter drei Leistungshalbleiterzweige, die jeweils auf einer 3-Level-Topologie beruhen, umfasst, wobei jeder der drei Leistungshalbleiterzweige jeweils einen zweigeigenen Wechselspannungsanschluss, nachfolgend AC-Anschluss genannt, der mit einem der drei AC-Gleichrichteranschlüsse des Gleich richters in Verbindung steht, einen zweigeigenen ersten An schluss, nachfolgend zweigeigener "DC+"-Anschluss genannt, einen zweigeigenen zweiten Anschluss, nachfolgend zweigeige ner "DC-"-Anschluss genannt, und einen zweigeigenen dritten Anschluss, nachfolgend zweigeigener "DCN"-Anschluss genannt, aufweist, die zweigeigenen "DC+"-Anschlüsse der drei Leis tungshalbleiterzweige an den "DC+"-Anschluss des Gleichrich ters und die zweigeigenen "DC-"-Anschlüsse der drei Leis tungshalbleiterzweige an den "DC-"-Anschluss des Gleichrich ters angeschlossen sind, der dreiphasige Gleichrichter einen Neutralleiteranschluss aufweist, der zum Anschluss an einen Neutralleiter des Drehstromnetzes ausgelegt ist, und die zweigeigenen "DCN"-Anschlüsse elektrisch mit dem Neutral leiteranschluss des dreiphasigen Gleichrichters unmittelbar oder zumindest mittelbar verbunden sind. According to the invention, it is provided that the rectifier is a three-phase rectifier with three AC voltage rectifier connections, hereinafter referred to as AC rectifier connections, for connection to a three-phase network, a first DC voltage connection, hereinafter referred to as "DC +" connection, and a second DC voltage connection. The conclusion, hereinafter referred to as "DC" connection, is that the rectifier comprises three power semiconductor branches, each based on a 3-level topology, with each of the three power semiconductor branches each having its own branch AC voltage connection, hereinafter called AC connection, which is connected to a the three AC rectifier connections of the rectifier is connected, a branch-own first connection, hereinafter referred to as branch-own "DC +" connection, a branch-own second connection, hereinafter referred to as branch-specific "DC-" connection, and a branch-specific third connection, hereinafter the branch's own "DCN" connection, the branch's own "DC +" connections of the three power semiconductor branches to the "DC +" connection of the rectifier and the branch's own "DC-" connections of the three power semiconductor branches to the "DC-" -Connection of the rectifier are connected, the three-phase rectifier has a neutral conductor connection, which is used for connection is designed to a neutral conductor of the three-phase network, and the branch's own "DCN" connections are electrically connected directly or at least indirectly to the neutral conductor connection of the three-phase rectifier.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Systems beruht auf der erfindungsgemäß vorgesehenen Möglichkeit einer mit telbaren oder unmittelbaren Verbindung zwischen dem Neutral leiter des Drehstromnetzes und den zweigeigenen "DCN"-An- schlüssen, so dass der Mittelpunkt der DC-Spannung ohne die Nutzung einer Potentialtrennung auf Erdpotential bzw. Neut ralleiterpotential des dreiphasigen Netzes liegen kann. A significant advantage of the system according to the invention is based on the possibility of a direct or indirect connection between the neutral conductor of the three-phase network and the branch's own "DCN" connections, so that the midpoint of the DC voltage without the use of a potential separation to ground potential or neutral conductor potential of the three-phase network.
Vorteilhaft ist es, wenn der Gleichrichter regelbar ist und seine an dem "DC+"-Anschluss und dem "DC-"-Anschluss ausgege bene Gleichspannung einstellbar ist. Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass der Gleichrichter ein aktiver Gleichrichter ist und auf seiner Gleichspannungsseite ein höheres Span nungsniveau ausgibt als auf seiner Drehspannungsseite an liegt. It is advantageous if the rectifier can be regulated and its DC voltage output at the "DC +" connection and the "DC-" connection can be adjusted. Alternatively or in addition, it can be provided in an advantageous manner that the rectifier is an active rectifier and outputs a higher voltage level on its DC voltage side than is applied on its three-phase voltage side.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass der Gleichrichter zum Anschluss an ein Nie- derspannungs-Drehstromnet z ausgelegt ist und dazu ausgebildet ist, ausgangsseitig eine DC-Spannung zwischen seinem "DC+"- und seinem "DC-"-Anschluss zwischen 800 Volt und 1500 Volt einzustellen . Alternatively or in addition, it can be provided in an advantageous manner that the rectifier is designed for connection to a low-voltage three-phase network and is designed to output a DC voltage between its "DC +" and its "DC-" connection can be set between 800 volts and 1500 volts.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass der Gleichrichter zum Anschluss an ein Nie- derspannungs-Drehstromnet z ausgelegt ist und dazu ausgebildet ist, ausgangsseitig zwischen seinem "DC+"- und seinem "DC-"- Anschluss eine DC-Spannung, die zwischen 570 Volt und 1500 Volt liegt, einzustellen. Alternatively or additionally, it can be provided in an advantageous manner that the rectifier is designed for connection to a low-voltage three-phase network and is designed to provide a DC voltage on the output side between its "DC +" and "DC-" connections , which is between 570 volts and 1500 volts.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass zwischen die zweigeigenen AC-Anschlüsse der drei Leistungshalbleiterzweige und den jeweils zugeordneten AC-Gleichrichteranschluss des Gleichrichters elektrisch je weils eine Drossel geschaltet ist. Alternatively or additionally, it can be provided in an advantageous manner that a choke is electrically connected in each case between the branch's own AC connections of the three power semiconductor branches and the respectively assigned AC rectifier connection of the rectifier.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass zwischen die zweigeigenen AC-Anschlüsse der drei Leistungshalbleiterzweige und den jeweils zugeordneten AC-Gleichrichteranschluss des Gleichrichters elektrisch eine gemeinsame Drossel (Figur lb) geschaltet ist. Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass die Potentialdifferenz zwischen dem "DC+"- Anschluss und dem "DCN"-Anschluss und die Potentialdifferenz zwischen dem "DC-"-Anschluss und dem "DCN"-Anschluss gleich groß oder zumindest annähernd gleich groß sind. Alternatively or additionally, it can be provided in an advantageous manner that a common choke (FIG. 1b) is electrically connected between the branch's own AC connections of the three power semiconductor branches and the respectively assigned AC rectifier connection of the rectifier. Alternatively or additionally, it can advantageously be provided that the potential difference between the “DC +” connection and the “DCN” connection and the potential difference between the “DC-” connection and the “DCN” connection are equal or at least equal are approximately the same size.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass an die DC+, DCN und DC- Spannung eine Balan cierungseinheit oder Symmetrierungseinheit angeschlossen ist, die es ermöglicht, Energie zwischen dem DC+ und dem DC- Po tential zu verschieben. Alternatively or additionally, it can be provided in an advantageous manner that a balancing unit or balancing unit is connected to the DC +, DCN and DC- voltage, which makes it possible to shift energy between the DC + and the DC- potential.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass an der Gleichspannungsseite des Gleichrich ters eine Symmetrierungseinheit angeschlossen ist, die einen Leistungshalbleiterzweig und eine Drossel umfasst, und ein Verbindungspunkt des Leistungshalbleiterzweigs den Leistungs halbleiterzweig über die Drossel mit dem Neutralleiteran schluss des Gleichrichters und den zweigeigenen "DCN"-An- schlüssen elektrisch verbindet. Alternatively or additionally, it can be provided in an advantageous manner that a balancing unit is connected to the DC voltage side of the rectifier, which comprises a power semiconductor branch and a choke, and a connection point of the power semiconductor branch connects the power semiconductor branch via the choke with the neutral conductor connection of the rectifier and the electrically connects the branch's own "DCN" connections.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass an der Gleichspannungsseite des Gleichrich ters eine Symmetrierungseinheit angeschlossen ist, die zwei in Reihe geschaltete Leistungshalbleiterschalter mit antipa rallelen Dioden und eine Drossel umfasst, und der Verbin dungspunkt zwischen den Leistungshalbleiterschaltern über die Drossel mit dem Neutralleiteranschluss des Gleichrichters und den zweigeigenen "DCN"-Anschlüssen elektrisch verbunden ist. Alternatively or in addition, it can be provided in an advantageous manner that a balancing unit is connected to the DC voltage side of the rectifier, which comprises two series-connected power semiconductor switches with antiparallel diodes and a choke, and the connection point between the power semiconductor switches via the choke with the The neutral conductor connection of the rectifier and the branch's own "DCN" connections are electrically connected.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass an der Gleichspannungsseite des Gleichrich ters eine Symmetrierungseinheit angeschlossen ist, die einen Multilevel-Wechselrichterzweig und mindestens eine Drossel umfasst, und der Leistungshalbleiterzweig über die Drossel mit dem Neutralleiteranschluss des Gleichrichters und den zweigeigenen "DCN"-Anschlüssen elektrisch verbunden ist. Alternatively or additionally, it can be provided in an advantageous manner that a balancing unit is connected to the DC voltage side of the rectifier, which one Multilevel inverter branch and comprises at least one choke, and the power semiconductor branch is electrically connected to the neutral conductor connection of the rectifier and the branch's own "DCN" connections via the choke.
An den "DC+"-Anschluss und den "DC-"-Anschluss des Gleich richters sind vorzugsweise ein oder mehrere DC/DC Wandler und/oder ein oder mehrere mobile Batteriespeicher und/oder ein oder mehrere stationäre Batteriespeicher und/oder ein oder mehrere Photovoltaikanlagen und/oder ein oder mehrere DC/AC-Wandler und/oder Drehstromverbraucher, vorzugsweise Drehstrommotoren, und/oder induktive Schnittstellen, vorzugs weise induktive Ladestationen, und/oder andere kontaktlose, induktive Verbraucher angeschlossen. One or more DC / DC converters and / or one or more mobile battery storage and / or one or more stationary battery storage and / or one or more photovoltaic systems are preferably connected to the "DC +" connection and the "DC -" connection of the rectifier and / or one or more DC / AC converters and / or three-phase consumers, preferably three-phase motors, and / or inductive interfaces, preferably inductive charging stations, and / or other contactless, inductive consumers connected.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass das System ein Ladesystem zum Laden von Elektrofahrzeugen bildet, wobei der dreiphasige Gleichrichter mit seinen drei AC-Gleichrichteranschlüssen an ein Nieder spannungs-Drehstromnetz angeschlossen ist, der Gleichrichter ausgangsseitig eine DC-Spannung zwischen seinem "DC+"- und seinem "DC-"-Anschluss zwischen 800 Volt und 1500 Volt ein stellt und die DC-Spannung zwischen dem "DC+"- und dem "DC-"- Anschluss ein systemeigenes DC-Netz bildet, an das eine oder mehrere Ladestationen angeschlossen sind. Alternatively or additionally, it can be provided in an advantageous manner that the system forms a charging system for charging electric vehicles, the three-phase rectifier with its three AC rectifier connections being connected to a low-voltage three-phase network, the rectifier having a DC voltage between its output side "DC +" and its "DC -" connection between 800 volts and 1500 volts and the DC voltage between the "DC +" and "DC -" connections forms a system-specific DC network to which one or several charging stations are connected.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass zumindest ein Teil der Dioden des Leistungs halbleiterzweiges als SiC Dioden ausgeführt ist. Alternatively or in addition, it can be provided in an advantageous manner that at least some of the diodes of the power semiconductor branch are designed as SiC diodes.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass das System eine Regeleinrichtung aufweist, die durch die gezielte Ansteuerung der Leistungshalbleiter (Modulation) die DC-Spannung auf einen vorgegebenen Sollwert einstellen kann und/oder die dem AC-Netz entnommene Blind leistung einstellen kann. Alternatively or in addition, it can be provided in an advantageous manner that the system has a control device that is controlled by the targeted control of the power semiconductors (Modulation) can set the DC voltage to a specified target value and / or can set the reactive power drawn from the AC network.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass der Sollwert für die DC-Spannung zwischen DC+ und DC-, in Abhängigkeit von der verfügbaren Leistung eingestellt wird und/oder die DC-Spannung zur Verlustoptimie rung angepasst, insbesondere reduziert wird. Alternatively or additionally, it can advantageously be provided that the setpoint value for the DC voltage between DC + and DC- is set as a function of the available power and / or the DC voltage is adapted, in particular reduced, for loss optimization.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass die Ausgangsspannung des Gleichrichters der art geführt wird, dass der DC/DC-Wandler in Abhängigkeit der Ladespannung der zu ladenden Batterie in einem verlustoptima len Arbeitspunkt betrieben wird. Alternatively or in addition, it can be provided in an advantageous manner that the output voltage of the rectifier is guided in such a way that the DC / DC converter is operated at a loss-optimal operating point as a function of the charging voltage of the battery to be charged.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass Komponenten des oder der Gleichrichter, ins besondere die Leistungshalbleiterzweige und ein zugehöriger Netzfilter, in einem Gehäuse integriert sind und ein Powermo dul bilden. Alternatively or additionally, it can be provided in an advantageous manner that components of the rectifier or rectifiers, in particular the power semiconductor branches and an associated line filter, are integrated in a housing and form a power module.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass zwei oder mehr Gleichrichter, insbesondere zwei oder mehr Powermodule, parallel geschaltet sind. Alternatively or additionally, it can be provided in an advantageous manner that two or more rectifiers, in particular two or more power modules, are connected in parallel.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass zwei oder mehr parallel geschaltete Gleich richter, insbesondere zwei oder mehr parallel geschaltete Po wermodule, in unterschiedlichen, beabstandet voneinander an geordneten Ladesäulen untergebracht sind. Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass zwei oder mehr parallel geschaltete Gleich richter, insbesondere zwei oder mehr parallel geschaltete Po- wermodule, beabstandet voneinander angeordnet sind und beab- standet voneinander angeordnete Ladesäulen von separaten Speisepunkten aus elektrisch speisen können (Figur 12). Alternatively or additionally, it can be provided in an advantageous manner that two or more rectifiers connected in parallel, in particular two or more power modules connected in parallel, are accommodated in different charging stations arranged at a distance from one another. Alternatively or in addition, it can be provided in an advantageous manner that two or more rectifiers connected in parallel, in particular two or more power modules connected in parallel, are arranged at a distance from one another and can electrically feed charging stations arranged at a distance from one another from separate feed points (FIG 12).
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass eine zentrale Steuereinheit die parallelen Powermodule steuert, wobei die Steuereinheit lokal oder in einem zentralen Rechenzentrum ausgeführt ist. Alternatively or additionally, it can be provided in an advantageous manner that a central control unit controls the parallel power modules, the control unit being implemented locally or in a central data center.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass einzelne Steuereinheiten die örtlich ge trennten Gleichrichter und/oder Powermodule steuern. Alternatively or additionally, it can be provided in an advantageous manner that individual control units control the locally separated rectifiers and / or power modules.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass an mindestens zwei der DC-Anschlüsse ein oder mehrere DC/DC Wandler mittelbar oder unmittelbar ange schlossen sind, der/die einen oder mehrere mobile Batterie speicher (wie z. B. in einem E-Auto, E-Bus, E-Tram, E-Zug, E- Fahrrad, E-Kleinfahrzeug) laden kann/können. Der/die DC/DC Wandler sind als resonante oder hart geschaltete Topologie ausgeführt . Alternatively or additionally, it can be provided in an advantageous manner that one or more DC / DC converters are connected directly or indirectly to at least two of the DC connections, the one or more mobile battery storage (e.g. in a E-car, e-bus, e-tram, e-train, e-bike, e-small vehicle) can charge. The DC / DC converter (s) are designed as a resonant or hard-switched topology.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass der AC/DC Wandler und ein oder mehrere DC/DC-Wandler in einem Gehäuse untergebracht sind. Alternatively or additionally, it can be provided in an advantageous manner that the AC / DC converter and one or more DC / DC converters are accommodated in one housing.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass mindestens zwei der DC-Potentiale an mindes tens einen stationären DC-Batteriespeicher angebunden sind. Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass die DC-Spannung des Gleichrichters (Ein gangsspannung des DC/DC-Wandlers) variiert wird, um die Aus gangsspannung des/der DC/DC-Wandler zu stellen. Alternatively or additionally, it can be provided in an advantageous manner that at least two of the DC potentials are connected to at least one stationary DC battery storage device. Alternatively or in addition, it can be provided in an advantageous manner that the DC voltage of the rectifier (input voltage of the DC / DC converter) is varied in order to set the output voltage of the DC / DC converter (s).
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass die DC-Spannung dezentral über elektrische Leiter an Ladeeinheiten verteilt wird. Alternatively or in addition, it can be provided in an advantageous manner that the DC voltage is distributed decentrally to charging units via electrical conductors.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass ein oder mehrere DC/DC-Wandler, die an die DC-Spannung angeschlossen sind, bidirektional als Dual Active Bridge ausgeführt sind. Alternatively or in addition, it can be provided in an advantageous manner that one or more DC / DC converters, which are connected to the DC voltage, are bidirectional in the form of a dual active bridge.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass die DC/DC Wandler über eine Kommunikations schnittstelle zu einer zentralen Steuereinheit verfügen, die lokal oder entfernt in einem Rechenzentrum angeordnet ist. Alternatively or additionally, it can be provided in an advantageous manner that the DC / DC converters have a communication interface to a central control unit, which is arranged locally or remotely in a data center.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass der Gleichrichter ein DC-Netz speist, an welches verschiedene Verbraucher und/oder Erzeuger ange schlossen sind. Alternatively or in addition, it can be provided in an advantageous manner that the rectifier feeds a DC network to which various consumers and / or producers are connected.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass Erzeuger oder Verbraucher über eine Einheit, welche Energie kontaktlos induktiv überträgt, mit dem DC-Netz verbunden sind. Alternatively or in addition, it can be provided in an advantageous manner that producers or consumers are connected to the DC network via a unit which inductively transmits energy in a contactless manner.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass das System das Drehstromnetz umfasst und der Neutralleiteranschluss des Gleichrichters und die zweigeige nen Anschlüsse "DCN"-Anschlüsse der drei Leistungshalbleiter- zweige an den Neutralleiter des Drehstromnetzes angeschlossen sind. Alternatively or additionally, it can be provided in an advantageous manner that the system includes the three-phase network and the neutral conductor connection of the rectifier and the branched connections "DCN" connections of the three power semiconductors branches are connected to the neutral conductor of the three-phase network.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass der oder die Gleichrichter bidirektional ar beitende Gleichrichter sind, die einen bidirektionalen Leis tungsfluss ermöglichen. Alternatively or in addition, it can be provided in an advantageous manner that the rectifier or rectifiers are bidirectionally operating rectifiers which enable a bidirectional flow of power.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass der oder die Gleichrichter unidirektional arbeitende Gleichrichter sind, die nur einen undirektionalen Leistungsfluss ermöglichen. Alternatively or in addition, it can be provided in an advantageous manner that the rectifier or rectifiers are unidirectional rectifiers which only allow a unidirectional flow of power.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass der oder die Gleichrichter unidirektional arbeitende PFC 3-Level Gleichrichter sind. Alternatively or in addition, it can be provided in an advantageous manner that the rectifier or rectifiers are unidirectional PFC 3-level rectifiers.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zum Er zeugen einer Gleichspannung zwischen einem "DC+"-Anschluss und einem "DC-"-Anschluss eines Gleichrichters. Erfindungsge mäß ist vorgesehen, dass der Gleichrichter drei Leistungs halbleiterzweige umfasst, die jeweils auf einer 3-Level- Topologie beruhen, jeder der drei Leistungshalbleiterzweige einen zweigeigenen AC-Anschluss aufweist, der jeweils mit ei nem von drei der AC-Gleichrichteranschlüssen des Gleichrich ters in Verbindung steht, die drei AC-Gleichrichteranschlüsse des Gleichrichters an ein Drehstromnetz angeschlossen werden, dritte zweigeigene Anschlüsse der drei Leistungshalbleiter zweige, nachfolgend zweigeigene "DCN"-Anschlüsse genannt, die miteinander verbunden sind und gemeinsam einen Neutralleiter anschluss des dreiphasigen Gleichrichters bilden, an einen Neutralleiter des Drehstromnetzes angeschlossen werden und das Potential der "DCN"-Anschlüsse der drei Leistungshalblei- terzweige auf das Potential des Neutralleiters des Drehstrom- netzes festgelegt wird. The invention also relates to a method for generating a DC voltage between a "DC +" terminal and a "DC-" terminal of a rectifier. According to the invention it is provided that the rectifier comprises three power semiconductor branches, each based on a 3-level topology, each of the three power semiconductor branches has a branch of its own AC connection, each with one of three of the AC rectifier connections of the rectifier in Connection is established, the three AC rectifier connections of the rectifier are connected to a three-phase network, third branch connections of the three power semiconductor branches, hereinafter referred to as branch “DCN” connections, which are connected to one another and together form a neutral conductor connection of the three-phase rectifier to a neutral conductor of the three-phase network and the potential of the "DCN" connections of the three power semiconductors branch is set to the potential of the neutral conductor of the three-phase network.
Bezüglich der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie vorteilhafter Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfah rens sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System verwiesen. With regard to the advantages of the method according to the invention and advantageous embodiments of the method according to the invention, reference is made to the above statements in connection with the system according to the invention.
Vorteilhaft ist es, wenn der Gleichrichter an ein Niederspan nungs-Drehstromnetz angeschlossen wird und ausgangsseitig ei ne DC-Spannung zwischen dem "DC+"- und dem "DC-"-Anschluss des Gleichrichters zwischen 800 Volt und 1500 Volt einge stellt wird und die DC-Spannung in eine oder mehrere Ladeein richtungen, eine oder mehrere Ladestationen oder in ein in ternes DC-Netz zur Energieversorgung von Ladeeinrichtungen oder Ladestationen eingespeist wird. It is advantageous if the rectifier is connected to a low-voltage three-phase network and the output side ei ne DC voltage between the "DC +" - and the "DC -" terminal of the rectifier between 800 volts and 1500 volts is set and the DC -Voltage is fed into one or more charging devices, one or more charging stations or an internal DC network for supplying energy to charging devices or charging stations.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf einen dreiphasigen Gleichrichter bestehend aus drei Leistungshalbleiterzweigen mit 3 AC-Anschlüssen für 3 Phasen und mindestens einem DC+, einem DC- und einem DCN Anschluss, dadurch gekennzeichnet dass die DC-Spannung zwischen DC+ und DC- auf größer 800 Volt, vorzugsweise bis maximal 1500 Volt einstellbar ist, und/oder die Leistungshalbleiterzweige vorzugsweise auf einer 3- Level-NPC Topologie beruhen, und/oder die DC-Spannung vorzugsweise geregelt und einstellbar ist, und/oder die Potentialdifferenz vorzugsweise zwischen DC+ und DCN sowie zwischen DC- und N annähernd gleich ist, und/oder das DCN Potential vorzugsweise mit dem Neutralleiter des speisenden Drehstromnetzes verbunden ist, und/oder an die AC-Anschlüsse der Leistungshalbleiterzweige vor zugsweise mindestens je eine Drossel angeschlossen ist, und/oder vorzugsweise eine gemeinsame Drossel mit hoher Gleichtaktinduktivität angeschlossen ist, und/oder an den jeweiligen Anschluss der Drossel, an den nicht der AC Anschluss des Leistungshalbleiterzweiges ange schlossen ist, vorzugsweise mittelbar oder unmittelbar das Stromversorgungsnetz angeschlossen ist. The invention also relates to a three-phase rectifier consisting of three power semiconductor branches with 3 AC connections for 3 phases and at least one DC +, one DC- and one DCN connection, characterized in that the DC voltage between DC + and DC- is greater than 800 volts , is preferably adjustable up to a maximum of 1500 volts, and / or the power semiconductor branches are preferably based on a 3-level NPC topology, and / or the DC voltage is preferably regulated and adjustable, and / or the potential difference is preferably between DC + and DCN and between DC and N are approximately the same, and / or the DCN potential is preferably connected to the neutral conductor of the feeding three-phase network, and / or at least one choke is connected to each of the AC connections of the power semiconductor branches, and / or preferably a common choke with high common-mode inductance is connected, and / or to the respective connection of the choke to which the AC connection of the power semiconductor branch is not connected , preferably directly or indirectly the power supply network is connected.
Vorteilhaft ist es, wenn zumindest ein Teil der Dioden des Leistungshalbleiterzweiges als SiC Dioden ausgeführt ist. It is advantageous if at least some of the diodes of the power semiconductor branch are designed as SiC diodes.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass eine Regeleinrichtung vorhanden ist, die durch die gezielte Ansteuerung der Leistungshalbleiter (Modu lation) die DC-Spannung auf einen vorgegebenen Sollwert ein stellen kann und/oder die dem AC-Netz entnommene Blindleis tung einstellen kann. Alternatively or in addition, it can be provided in an advantageous manner that a control device is present that can set the DC voltage to a predetermined target value through the targeted control of the power semiconductors (modulation) and / or the reactive power taken from the AC network can adjust.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass der Sollwert für die DC-Spannung zwischen DC+ und DC- in Abhängigkeit von der verfügbaren Leistung ein gestellt wird und/oder die DC-Spannung zur Verlustoptimierung reduziert wird. Alternatively or additionally, it can be provided in an advantageous manner that the setpoint value for the DC voltage between DC + and DC- is set as a function of the available power and / or the DC voltage is reduced to optimize losses.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass die Leistungshalbleiterzweige und ein zuge höriger Netzfilter in einem Gehäuse (Powermodul) integriert sind. Alternatively or additionally, it can be provided in an advantageous manner that the power semiconductor branches and an associated line filter are integrated in a housing (power module).
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass die Leistung durch die Parallelschaltung von Powermodulen skaliert wird. Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass eine zentrale Steuereinheit die parallelen Powermodule steuert. Die Steuereinheit ist lokal oder in ei nem zentralen Rechenzentrum ausgeführt. Alternatively or additionally, it can be provided in an advantageous manner that the power is scaled by connecting power modules in parallel. Alternatively or additionally, it can be provided in an advantageous manner that a central control unit controls the parallel power modules. The control unit is implemented locally or in a central data center.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass an die DC+, DCN und DC- Spannung eine Balan cierungseinheit angeschlossen ist, die es ermöglicht, Energie zwischen dem DC+ und dem DC- Potential zu verschieben. Alternatively or additionally, it can be provided in an advantageous manner that a balancing unit is connected to the DC +, DCN and DC- voltage, which makes it possible to shift energy between the DC + and the DC- potential.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass an mindestens zwei der DC-Anschlüsse ein oder mehrere DC/DC Wandler mittelbar oder unmittelbar ange schlossen sind, der/die einen oder mehrere mobile Batterie speicher (wie z. B. in einem E-Auto, E-Bus, E-Tram, E-Zug, E- Fahrrad, E-Kleinfahrzeuge) laden kann/können. Der/die DC/DC Wandler sind als resonante oder hart geschaltete Topologie ausgeführt . Alternatively or additionally, it can be provided in an advantageous manner that one or more DC / DC converters are connected directly or indirectly to at least two of the DC connections, the one or more mobile battery storage (e.g. in a E-car, e-bus, e-tram, e-train, e-bike, e-small vehicles). The DC / DC converter (s) are designed as a resonant or hard-switched topology.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass der AC/DC Wandler und ein oder mehrere DC/DC-Wandler in einem Gehäuse untergebracht sind. Alternatively or additionally, it can be provided in an advantageous manner that the AC / DC converter and one or more DC / DC converters are accommodated in one housing.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass mindestens zwei der DC-Potentiale an mindes tens einen stationären DC-Batteriespeicher angebunden sind. Alternatively or additionally, it can be provided in an advantageous manner that at least two of the DC potentials are connected to at least one stationary DC battery storage device.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass die DC-Spannung des Gleichrichters (Ein gangsspannung des DC/DC-Wandlers) variiert wird, um die Aus gangsspannung des/der DC/DC-Wandler zu stellen. Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass die DC-Spannung dezentral über elektrische Leiter an Ladeeinheiten verteilt wird. Alternatively or in addition, it can be provided in an advantageous manner that the DC voltage of the rectifier (input voltage of the DC / DC converter) is varied in order to set the output voltage of the DC / DC converter (s). Alternatively or in addition, it can be provided in an advantageous manner that the DC voltage is distributed decentrally to charging units via electrical conductors.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass ein oder mehrere DC-/DC-Wandler, die an die DC-Spannung angeschlossen sind, bidirektional als Dual Active Bridge ausgeführt sind. Alternatively or in addition, it can be provided in an advantageous manner that one or more DC / DC converters, which are connected to the DC voltage, are bidirectional in the form of dual active bridges.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass die DC/DC Wandler über eine Kommunikations schnittstelle zu einer zentralen Steuereinheit verfügen, die lokal oder entfernt in einem Rechenzentrum angeordnet ist. Alternatively or additionally, it can be provided in an advantageous manner that the DC / DC converters have a communication interface to a central control unit, which is arranged locally or remotely in a data center.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass der Gleichrichter ein DC-Netz speist, an welches verschiedene Verbraucher und/oder Erzeuger ange schlossen sind. Alternatively or in addition, it can be provided in an advantageous manner that the rectifier feeds a DC network to which various consumers and / or producers are connected.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge sehen sein, dass Erzeuger oder Verbraucher über eine Einheit, welche Energie kontaktlos induktiv überträgt, mit dem DC-Netz verbunden sind. Alternatively or in addition, it can be provided in an advantageous manner that producers or consumers are connected to the DC network via a unit which inductively transmits energy in a contactless manner.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie len näher erläutert. The invention is explained in more detail with reference to Ausführungsbeispie len.
Die Ausführungsbeispiele betreffen Systeme zur Erzeugung und zum Betrieb von potentialfreien und potentialbehafteten DC- Spannungen. Gegenüber dem Stand der Technik kann bei diesen der Mittelpunkt der DC-Spannung ohne die Nutzung einer Poten- tialtrennung auf Erdpotential bzw. Neutralleiterpotential ei nes dreiphasigen Netzes liegen. The exemplary embodiments relate to systems for generating and operating floating and floating DC voltages. Compared to the state of the art, the midpoint of the DC voltage can be used without the use of a potential tial separation on earth potential or neutral conductor potential of a three-phase network.
Klassische passive Gleichrichter (AC/DC Converter) setzen Di oden als wesentliche Elemente ein. Diese erzeugen auf der AC Seite in der Regel einen Strom mit hohem Verzerrungsanteil. Zur Verbesserung dieser Eigenschaft können aktive Gleichrich ter eingesetzt werden. Classic passive rectifiers (AC / DC converters) use diodes as essential elements. On the AC side, these usually generate a current with a high level of distortion. Active rectifiers can be used to improve this property.
In [„A Review of Three-Phase Improved Power Quality AC-DC Converters", IEEE Transactions on industrial Electronics, Vol 51, No. 3, 06/2004] sind verschiedene Varianten von 3- phasigen aktiven Gleichrichtern mit verbesserter Power Quali ty dargestellt. In ["A Review of Three-Phase Improved Power Quality AC-DC Converters", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol 51, No. 3, 06/2004] different variants of three-phase active rectifiers with improved power quality are shown .
Für Anwendungen mit höheren Spannungen oder in Anwendungen, in denen niedrige Verluste von Bedeutung sind, werden Mehr- leveltopologien eingesetzt. Multi-level topologies are used for applications with higher voltages or in applications in which low losses are important.
Eine verbreitete Topologie eines Leistungshalbleiterzwei- ges/Phase-Leg (siehe Fig. 1, Bezugszeichen 10) ist der 3- Level NPC (Fig. 2a). A common topology of a power semiconductor branch / phase leg (see FIG. 1, reference number 10) is the 3-level NPC (FIG. 2a).
Wenn eine Spannung deutlich über 800 Volt DC erzeugt werden soll, ist der Einsatz einer einfachen 2-Level Topologie und der Einsatz von 1200 Volt Halbleitern nicht mehr möglich. Ur sache ist die induktive Abschaltüberspannung beim Ausschalten der Leistungshalbleiter (z. B. IGBT), welche schnell zum Überschreiten der zulässigen Spitzensperrspannung führt. Der Einsatz von Halbleitern mit höheren Spitzensperrspannungen, z. B. 1700 Volt, führt zu höheren Leit- und Schaltverlusten. Mit der 3-Level NPC Topologie (siehe Fig. 2a, Bezugszeichen 20) kann mit Halbleitern, die eine Spitzensperrspannung von 1200 Volt aufweisen, in realen Anwendungen eine DC-Spannung in Höhe von z. B. 1500 Volt DC erzeugt werden. Während der Sperrphase liegt über jedem Halbleiter maximal die Spannung einer DC-Link Hälfte (in diesem Fall 750 Volt) an. Die Diffe renz bis 1500 Volt ist hier für die Abschaltüberspannung aus reichend . If a voltage is to be generated well above 800 volts DC, the use of a simple 2-level topology and the use of 1200 volt semiconductors is no longer possible. The cause is the inductive switch-off overvoltage when switching off the power semiconductors (e.g. IGBT), which quickly leads to the permissible peak reverse voltage being exceeded. The use of semiconductors with higher peak reverse voltages, e.g. B. 1700 volts, leads to higher conduction and switching losses. With the 3-level NPC topology (see Fig. 2a, reference number 20) with semiconductors that have a peak reverse voltage of 1200 volts, a DC voltage of z. B. 1500 volts DC are generated. During the blocking phase, a maximum of one half of the DC link (in this case 750 volts) is present across each semiconductor. The difference up to 1500 volts is sufficient here for the cut-off overvoltage.
Durch die DC-seitige Parallelschaltung von 3 Leistungshalb leiterzweigen kann ein 3-phasiger aktiver Gleichrichter rea lisiert werden (Fig. 1). A 3-phase active rectifier can be realized through the DC-side parallel connection of 3 power semiconductor branches (Fig. 1).
Durch eine Regeleinrichtung (siehe Fig. 4, Bezugszeichen 14), die mindestens einen Modulator und einen Spannungsregler ent hält, kann die Modulation der Leistungshalbleiterzweige so ausgeführt werden, dass Wirkleistung aus dem Stromnetz (siehe Fig. 4, Bezugszeichen 12) bezogen wird und damit die DC-Seite des aktiven Gleichrichters mit Energie versorgt wird, oder Energie von der DC-Seite in das Versorgungsnetz eingespeist wird. Die DC-Spannung kann eingestellt und geregelt werden. By means of a control device (see FIG. 4, reference number 14) that contains at least one modulator and a voltage regulator, the modulation of the power semiconductor branches can be carried out in such a way that active power is drawn from the power grid (see FIG. 4, reference number 12) and thus the DC side of the active rectifier is supplied with energy, or energy is fed into the supply network from the DC side. The DC voltage can be set and regulated.
Durch das Modulationsverfahren des aktiven Gleichrichters werden Gleichtaktspannungen erzeugt. Diese führen dazu, dass der Zwischenkreis gegenüber dem Mittenpotential des speisen den Netzes (beim TN Netz, das Potential des N-Leiters) springt. Die Gleichtaktspannung beträgt in realen Anwendungen bis zu 1/3 der DC Spannung. ['Pulse Width Modulation for Po wer Converters - Principles and Practice', D.G. Holmes, T.A. Lipo.; IEEE Press, Wiley-Interscience, 2003]. The modulation method of the active rectifier generates common-mode voltages. These lead to the intermediate circuit jumping in relation to the center potential of the supply system (in the case of the TN system, the potential of the N conductor). In real applications, the common-mode voltage is up to 1/3 of the DC voltage. ['Pulse Width Modulation for Power Converters - Principles and Practice', D.G. Holmes, T.A. Lipo .; IEEE Press, Wiley-Interscience, 2003].
In verschiedenen Anwendungen ist es günstig, wenn das Mitten potential der DC-Spannung (DCN) nahe dem Erdpotential liegt. Dies ermöglicht es z. B., die Isolationsanforderungen für Ka bel und Leitungen zu senken und die normativ verlangten Kriech- und Luftstrecken zu reduzieren. Außerdem reduzieren sich die EMV Störaussendungen, da das DC-System nicht mehr mit Schaltfrequenz der Halbleiterschalter springt. Ein erdna hes Mittenpotential ist insbesondere in DC-Netzen vorteil haft. In various applications it is beneficial if the center potential of the DC voltage (DCN) is close to the earth potential. This enables z. B. to lower the insulation requirements for cables and cables and to reduce the creepage and clearance distances required by the standards. In addition, the EMC emissions are reduced because the DC system no longer jumps at the switching frequency of the semiconductor switches. A near-earth center potential is particularly advantageous in DC networks.
Ein erdnahes Mittenpotential kann erreicht werden, wenn der DC-Mittelpunkt (DCN) leitend mit dem Mittelpunkt des speisen den Netzes (N-Leiter) verbunden wird oder der Mittelpunkt di rekt geerdet wird. A near-earth center potential can be achieved if the DC center point (DCN) is connected to the center point of the supply network (N conductor) or the center point is directly grounded.
Durch die Prinzip-bedingt erzeugten Gleichtaktspannungen kommt es zu Gleichtaktströmen, die durch den Einsatz von Drosseln (siehe Fig. 1, Bezugszeichen 11) im AC Pfad begrenzt werden müssen. In der Regel werden für 3-phasige Gleich- /Wechselrichter 3-schenklige Drosseln eingesetzt. Diese wei sen in Relation zur Gegentaktinduktivität eine sehr kleine Gleichtaktinduktivität auf. The common-mode voltages generated as a result of the principle lead to common-mode currents which must be limited in the AC path by using chokes (see FIG. 1, reference numeral 11). As a rule, 3-legged chokes are used for 3-phase rectifiers / inverters. These have a very small common mode inductance in relation to the differential mode inductance.
Es wird in vorteilhafter Weise daher vorgeschlagen, vorzugs weise einphasige Drosseln (siehe Fig. 1, Bezugszeichen 11) einzusetzen. Diese begrenzen den Gleichtaktstrom deutlich stärker als eine 3-schenklige Drossel. Es kann auch z. B. ei ne 4- oder 5- schenklige Drossel eingesetzt werden. Andere Drosselbauformen, die eine hohe Gleichtaktinduktivität haben, können auch eingesetzt werden. Kombinationen aus mehreren Drosseln und ggf. Filterkondensatoren können je nach Anwen dung vorteilhaft sein. It is therefore proposed in an advantageous manner, preferential use of single-phase chokes (see Fig. 1, reference numeral 11). These limit the common-mode current much more than a 3-legged choke. It can also e.g. B. ei ne 4- or 5-legged throttle can be used. Other choke designs that have a high common-mode inductance can also be used. Combinations of several chokes and possibly filter capacitors can be advantageous depending on the application.
Die benötigte Filterinduktivität wird im Wesentlichen durch den zulässigen Stromripple bestimmt. Dieser leitet sich u. a. aus Faktoren wie den zulässigen Oberwellen, den Grenzwerten für die leitungsgebundenen Störungen und der zulässigen Er wärmung der Drosseln ab. The required filter inductance is essentially determined by the permissible current ripple. This derives among other things from factors such as the permissible harmonics, the limit values for the conducted interference and the permissible heating of the chokes.
Wenn die Schaltfrequenz des aktiven Gleichrichters erhöht wird, steigen die Schaltverluste der Leistungshalbleiter. Der Wirkungsgrad sinkt und die Sperrschichttemperaturen der Halb leiter steigen. If the switching frequency of the active rectifier is increased, the switching losses of the power semiconductors increase. The efficiency drops and the junction temperatures of the semiconductors rise.
Durch den Einsatz von SiC (Siliziumkarbid)-Dioden an einer oder mehrerer der Positionen (siehe Fig. 2a, Bezugszeichen 21, 22) können die Schaltverluste in den Dioden (Reverse- Recovery-Verluste) und die Einschaltverluste der Halbleiter schalter (z.B. IGBTs) reduziert werden. By using SiC (silicon carbide) diodes at one or more of the positions (see Fig. 2a, reference numbers 21, 22), the switching losses in the diodes (reverse recovery losses) and the switch-on losses of the semiconductor switches (e.g. IGBTs) be reduced.
Dies ermöglicht es, bei gleichen Verlusten höhere Schaltfre quenzen zu erreichen. Damit kann die Größe der benötigten Filterinduktivitäten reduziert werden. Die Nachteile durch den Anschluss des N-Leiters an das Mittelpunktpotential (DCN), insbesondere ein höherer Ripplestrom, kann so redu ziert werden. This makes it possible to achieve higher switching frequencies with the same losses. This allows the size of the filter inductances required to be reduced. The disadvantages of connecting the N conductor to the midpoint potential (DCN), in particular a higher ripple current, can thus be reduced.
In Anwendungen bei denen das AC-Netz aus Transformatoren ge speist wird, die nahe der Leistungsgrenze betrieben werden, oder in Anwendungen, in denen dem Netz Bildleistung bereit gestellt werden sollte, dies kann vom AC-Netzbetreiber ver langt werden, ermöglicht es die vorgeschlagene Schaltungsto- pologie, gezielt Blindleistung in das Stromversorgungsnetz einzuspeisen. Gleichzeitig kann die DC-Spannung eingestellt werden. In applications in which the AC network is fed from transformers that are operated close to the power limit, or in applications in which the network should be provided with image power, this can be required by the AC network operator, it enables the proposed circuit - pology to feed reactive power into the power supply network in a targeted manner. The DC voltage can be set at the same time.
Dazu werden die von den Halbleiterzweigen erzeugten Spannun gen mittels einer Steuerungseinheit (siehe Fig. 4, Bezugszei- chen 14) derart moduliert, dass sich der einstellende Strom vektor zum Spannungsvektor des Netzes so in Relation befin den, dass sich die gewünschte Leistungsentnahme in Blind- und Wirkanteil ergibt. For this purpose, the voltages generated by the semiconductor branches are measured by means of a control unit (see FIG. 4, reference number). chen 14) modulated in such a way that the adjusting current vector is in relation to the voltage vector of the network in such a way that the desired power consumption results in reactive and active components.
Die DC-Spannung kann gestellt werden, indem durch die Regel einheit gezielt Wirkstrom bezogen oder ins AC-Netz einge speist wird. The DC voltage can be set by specifically drawing active current through the control unit or feeding it into the AC grid.
Um die gewünschte Leistung am Netz einstellen zu können, wird eine Strom- und/oder Spannungsmesseinheit (siehe Fig. 4, Be zugszeichen 15) eingesetzt. In order to be able to set the desired power on the network, a current and / or voltage measuring unit (see FIG. 4, reference number 15) is used.
Eine separate ggf. dezentral angeordnete DC Strom- und Span nungsmesseinheit (siehe Fig. 4, Bezugszeichen 16) kann einge setzt werden, um die Steuerungseinheit mit Informationen (beispielsweise Spannungen, Ströme) über das DC-System zu versorgen . A separate, possibly decentralized DC current and voltage measuring unit (see FIG. 4, reference number 16) can be used to supply the control unit with information (for example voltages, currents) about the DC system.
Die Ausgangsspannung von passiven Gleichrichtern kann nicht eingestellt werden. Aktive Gleichrichter gemäß dem Stand der Technik werden bei konstanter Ausgangsspannung betrieben. The output voltage of passive rectifiers cannot be adjusted. Active rectifiers according to the prior art are operated at a constant output voltage.
Die Freiheit, welche die vorgeschlagene Anordnung bietet, die DC-Spannung einstellen zu können, kann genutzt werden, um ge zielt die Verluste in den Leistungshalbleitern des aktiven Wechselrichters und im Filter zu senken. The freedom that the proposed arrangement offers to be able to adjust the DC voltage can be used to reduce the losses in the power semiconductors of the active inverter and in the filter in a targeted manner.
Wenn die DC-Spannung reduziert wird, reduzieren sich die Schaltverluste der Leistungshalbleiter. If the DC voltage is reduced, the switching losses of the power semiconductors are reduced.
Außerdem kann in vorteilhafter Weise die Ausgangs-DC-Spannung des aktiven Gleichrichters genutzt werden, um die Leistung im ggf. angeschlossenen DC-Netz zu regeln. Den angeschlossenen Geräten kann über die Höhe der Spannung signalisiert werden, wie viel Leistung entnommen werden kann. Es sind dann keine Kommunikationsverbindungen zu den angeschlossenen Geräten notwendig. In addition, the output DC voltage of the active rectifier can be used in an advantageous manner to increase the power in the to regulate any connected DC network. The voltage level can be used to indicate to the connected devices how much power can be drawn. No communication connections to the connected devices are then necessary.
In großen aktiven Gleichrichtern (z. B. 500 kW) werden die benötigten Filterkomponenten häufig als einzelne Bauteile in Schaltschränke verbaut. Dies ist auf Grund der hohen Verluste der Filterkomponenten notwendig. In large active rectifiers (e.g. 500 kW), the required filter components are often installed as individual components in control cabinets. This is necessary due to the high losses of the filter components.
Durch den Einsatz einer hohen Schaltfrequenz, welches durch die Topologie und den Einsatz von SiC Dioden ermöglicht wird, kann die benötigte Filterinduktivität reduziert werden. Damit reduziert sich auch der benötigte Bauraum. By using a high switching frequency, which is made possible by the topology and the use of SiC diodes, the required filter inductance can be reduced. This also reduces the installation space required.
Es wird daher vorgeschlagen, die Filterkomponenten (Filter drosseln (siehe Fig. 4, Bezugszeichen 11), Kondensatoren, ggf. Filterkerne und die Leistungshalbleiterzweige) in ein Gehäuse zu integrieren (siehe Fig. 4, Bezugszeichen 200).It is therefore proposed to integrate the filter components (choke filters (see FIG. 4, reference number 11), capacitors, possibly filter cores and the power semiconductor branches) in a housing (see FIG. 4, reference number 200).
Dies ermöglicht eine modulare und skalierbare Bauweise. Die Einheit aus Leistungshalbleitern, Filter und zugehöriger Elektronik wird als Powermodul (siehe Fig. 4, Bezugszeichen 200) bezeichnet. This enables a modular and scalable design. The unit made up of power semiconductors, filters and associated electronics is referred to as a power module (see FIG. 4, reference numeral 200).
Durch die räumlich kompakte Integration nah an den Leistungs halbleitern werden die Störausbreitungswege minimiert und die gesamte Filterimpedanz reduziert. Due to the spatially compact integration close to the power semiconductors, the interference propagation paths are minimized and the entire filter impedance is reduced.
Die Ausführung von anwendungs- und leistungsspezifischen Fil tern ist dann nicht notwendig. Die Powermodule (siehe Fig. 4, Bezugszeichen 200) können für den Anwendungsfall gezielt optimiert werden. Wenn die Anwen dungen verschiedene elektrische Leistungen erfordern, wird vorgeschlagen, die Powermodule direkt parallel zu schalten (siehe Fig. 5). Durch die integrierten Filter werden die po tentiell auftretenden Kreisströme reduziert. Das Element 201 aus Figur 5 stellt das Drehstromsystem (AC) und das Element 202 das Gleichstromsystem (DC) dar. The execution of application- and performance-specific filters is then not necessary. The power modules (see FIG. 4, reference number 200) can be specifically optimized for the application. If the applications require different electrical outputs, it is suggested that the power modules be connected directly in parallel (see FIG. 5). The potential circulating currents are reduced by the integrated filter. Element 201 from FIG. 5 represents the three-phase system (AC) and element 202 the direct current system (DC).
Jedes Powermodul enthält dabei mindestens die Komponenten Leistungshalbleiter, Drosseln, DC-Kondensatoren sowie Einhei ten zur Strom- und Spannungsmessung. Each power module contains at least the components power semiconductors, chokes, DC capacitors and units for current and voltage measurement.
Es müssen nicht für verschiedene Leistungen unterschiedliche Komponenten entwickelt werden. Durch diesen Ansatz kann die Systemleistung der DC-Versorgung flexibel skaliert werden. Different components do not have to be developed for different services. With this approach, the system performance of the DC supply can be flexibly scaled.
Damit die parallelen Powermodule die benötigte Leistung in gewünschter Weise bereitstellen können, wird vorzugsweise ei ne zentrale Steuereinheit eingesetzt. Diese ist in der Lage, mit den einzelnen Powermodulen zu kommunizieren. Die Kommuni kation kann drahtlos oder drahtgebunden über Signal- oder Po werleitungen erfolgen. A central control unit is preferably used so that the parallel power modules can provide the required power in the desired manner. This is able to communicate with the individual power modules. Communication can be wireless or wired via signal or power lines.
Die einzelnen Powermodule senden Istwerte wie Strömen, Span nungen oder Temperaturen an die zentrale Steuereinheit. Die Steuereinheit verarbeitet diese Informationen und sendet Sollwerte an die Powermodule. Die Spannungs- und Stromrege lung kann dabei zentral oder lokal ausgeführt werden. The individual power modules send actual values such as currents, voltages or temperatures to the central control unit. The control unit processes this information and sends setpoints to the power modules. The voltage and current regulation can be carried out centrally or locally.
Auf der zentralen Steuereinheit kann ein Algorithmus zur Ba lancierung der Leistungen bzw. Ströme der einzelnen Module ausgeführt werden. Vorzugsweise wird ein Algorithmus zur Regelung der Kreisströ me und/oder der Symmetrierung der Ströme ausgeführt. Auch ein Algorithmus, der die Teilspannungen N- DC+ und DC- N zu mög lichst gleichen Werten regelt, wird auf der zentralen Steuer einheit ausgeführt. An algorithm for balancing the outputs or currents of the individual modules can be executed on the central control unit. An algorithm for regulating the circulating currents and / or balancing the currents is preferably carried out. An algorithm that regulates the partial voltages N- DC + and DC- N to the same values as possible is also executed on the central control unit.
Wenn die unsymmetrische Belastung des DC Systems (z. B. klei nere Last zwischen DC+ und N als zwischen DC- und N) zu groß wird, kann die Regelung des aktiven Gleichrichters dies nicht mehr ausregeln. In Folge sind dann die Spannungen DC+ und DC- vom Betrag her nicht mehr gleich. If the asymmetrical load on the DC system (e.g. smaller load between DC + and N than between DC- and N) becomes too great, the control of the active rectifier can no longer correct this. As a result, the voltages DC + and DC- are no longer the same in magnitude.
Es wird daher in vorteilhafter Weise vorgeschlagen, eine Ba lancierungseinheit an die DC-Spannungsanschlüsse unmittelbar oder mittelbar anzuschließen. Eine Beispielausführung zeigt Fig. 2b. Andere Topologien wie z. B. 3-Level sind hier auch anwendbar . It is therefore proposed in an advantageous manner to connect a balancing unit directly or indirectly to the DC voltage connections. An example embodiment is shown in FIG. 2b. Other topologies such as B. 3-levels are also applicable here.
Durch das Einschalten eines der Leistungshalbleiter kann mit der Energie eines des DC-Teilsysteme (z. B. DCN-DC+) die Drossel (siehe Fig. 2b, Bezugszeichen 32) aufmagnetisiert werden und nach Ausschalten des Leistungshalbleiters wird die Energie aus der Drossel in das andere DC-Teilsystem (z.B. DCN-DC-) transferiert. By switching on one of the power semiconductors, the energy from one of the DC subsystems (e.g. DCN-DC +) can be used to magnetize the choke (see Fig. 2b, reference number 32) and after the power semiconductor has been switched off, the energy from the choke is transferred to the other DC subsystem (e.g. DCN-DC-) transferred.
An die DC-Anschlüsse des beschriebenen bidirektionalen Gleichrichters (siehe Fig. 3, Bezugszeichen 100) können ein oder mehrere DC/DC Wandler (Fig. 3, 101) mittelbar oder un mittelbar angeschlossen werden. Hierdurch können mobile Bat teriespeicher von beispielsweise Elektrofahrzeugen (E-Auto, E-Bus, E-Truck, E-Tram, E-Zug), Elektrokleinfahrzeugen (E- Pedelecs, E-Cargobikes) und Elektrokleinstfahrzeugen (E- Scooter) o. ä. geladen werden. One or more DC / DC converters (Fig. 3, 101) can be connected directly or indirectly to the DC connections of the described bidirectional rectifier (see FIG. 3, reference numeral 100). As a result, mobile battery storage devices can be used, for example, for electric vehicles (e-cars, e-buses, e-trucks, e-trams, e-trains), small electric vehicles (e- Pedelecs, e-cargo bikes) and small electric vehicles (e-scooters) or similar.
Die hierfür nötigen DC/DC Wandler können in resonanter wie auch in hart geschalteter Topologie ausgeführt werden. The DC / DC converters required for this can be implemented in both resonant and hard-switched topologies.
Das dargestellte System kann an seinem DC-Bus (siehe Fig. 3, Bezugszeichen 102) um DC/DC Wandler erweitert werden. Hieraus ergeben sich folgende Systemvorteile: The system shown can be expanded to include DC / DC converters on its DC bus (see FIG. 3, reference numeral 102). This results in the following system advantages:
- stark verringerte Verluste der angeschlossenen Wandler im Vergleich zum Anschluss an das Niederspannungs-Drehstromnetz aufgrund der obsoleten Gleichrichterstufe eines jeden Wand lers, - Greatly reduced losses of the connected converters compared to connection to the low-voltage three-phase network due to the obsolete rectifier stage of each converter,
- somit weiterhin eine verringerte Komplexität der Wandler, was zu geringeren Kosten und verringertem Bauraum führt,- thus a further reduced complexity of the converter, which leads to lower costs and reduced installation space,
- das Laden und Entladen angeschlossener mobiler Energiespei cher erfolgt effizienter als bei klassischen AC-gekoppelten Systemen . - The charging and discharging of connected mobile energy storage systems is more efficient than with classic AC-coupled systems.
Durch die bidirektionale Anbindung der DC/DC-Wandler wird auch ein Leistungsfluss zwischen den einzelnen DC/DC-Wandlern und somit den angeschlossenen mobilen Speichern möglich. (Ve- hicle to Vehicle, Vehicle to grid, Vehicle to X). The bidirectional connection of the DC / DC converters also enables a power flow between the individual DC / DC converters and thus the connected mobile storage units. (Vehicle to Vehicle, Vehicle to Grid, Vehicle to X).
Außerdem kann durch die Nutzung von Gleichspannung die über tragene Leistung gegenüber Wechselspannung bei gleichen Lei tungsquerschnitten erhöht werden. In addition, by using direct voltage, the power transmitted can be increased compared to alternating voltage with the same line cross-sections.
Beispielhafte Ausführungen sind in den Figuren 3, 7, 8, 9 und 10 dargestellt. Exemplary designs are shown in FIGS. 3, 7, 8, 9 and 10.
Der beschriebene bidirektionale Gleichrichter (siehe Fig. 8, Bezugszeichen 100) kann mit einem oder mehreren potentialbe- hafteten oder potentialfreien Gleichspannungswandlern (siehe Fig. 8, Bezugszeichen 101), auch als DC/DC-Wandler bezeich net, in einem Gehäuse untergebracht werden, um DC-Erzeuger oder DC-Verbraucher lokal mit dem Niederspanungs- Drehstromnetz zu verbinden. Hieraus entstehen Vorteile hin sichtlich Installationsaufwand und geringeren Kosten und ge ringerem Bauraum der Anlage. The described bidirectional rectifier (see Fig. 8, reference numeral 100) can be equipped with one or more potential-sensitive adhered or potential-free DC voltage converters (see Fig. 8, reference number 101), also referred to as DC / DC converter net, are housed in a housing to connect DC generator or DC consumer locally to the low-voltage three-phase network. This results in advantages in terms of installation effort and lower costs and less installation space for the system.
Zur Anwendung kommt diese Kombinationen beispielsweise bei Hochleistungsgleichstromladern (Fig. 8). These combinations are used, for example, in high-performance DC chargers (FIG. 8).
Das System um den beschriebenen bidirektionalen Gleichrichter ermöglicht die mittelbare potentialbehaftete oder über DC/DC- Wandler potentialfreie Anbindung von stationären Energiespei chern an den DC-Anschluss des Gleichrichters (Fig. 9). Dies kann parallel zu weiteren an die DC-Spannung gekoppelten Teilnehmern geschehen. The system around the described bidirectional rectifier enables the indirect non-floating connection of stationary energy storage devices to the DC connection of the rectifier (Fig. 9). This can be done in parallel to other participants coupled to the DC voltage.
Hierdurch ergeben sich Vorteile in Bezug auf Netzdienlich keit: This results in advantages in terms of network serviceability:
- temporäre Laststützung (Peak-Shaving) - Temporary load support (peak shaving)
- Leistungsbereitstellung bei Netzfehlern - Provision of services in the event of network faults
- Breitstellung und Aufnahme von Primär- oder Sekundärregel leistung - Provision and acceptance of primary or secondary control power
- Zwischenspeicherung solarer Energie für das Laden von Elektrofahrzeugen - Intermediate storage of solar energy for charging electric vehicles
- Zwischenspeichern von Energie, um Elektrofahrzeuge mit er höhter Leistung laden zu können - Intermediate storage of energy in order to be able to charge electric vehicles with increased power
Der beschriebene bidirektionale Gleichrichter kann die aus gangsseitige Gleichspannung nach Vorgabe in einem weiten Be reich bis z. B. maximal 1500 Vdc variieren. Hierdurch können angeschlossene DC/DC-Wandler mit einer DC-Spannung versorgt werden, die sie in ihrem optimalen Arbeitspunkt arbeiten las sen. Hierdurch können weiterhin speziell die Schaltverluste dieser Wandler reduziert werden und somit wird eine weitere Effizienzsteigerung erzielt. The bidirectional rectifier described can be the output-side DC voltage according to specifications in a wide range of up to z. B. vary a maximum of 1500 Vdc. This means that connected DC / DC converters can be supplied with DC voltage that let them work at their optimal operating point. As a result, the switching losses of these converters in particular can also be reduced and thus a further increase in efficiency is achieved.
Vollresonante DC/DC-Wandler können so verlustarm im ZVS/ZCS Betrieb genutzt werden, obwohl das Spannungsverhältnis zwi schen Eingangs- und Ausgangsspannung variabel ist. Die Reso nanzfrequenz muss zur Reduktion der Ausgangsspannung nicht oder nur in geringem Maße variiert werden. Fully resonant DC / DC converters can thus be used with little loss in ZVS / ZCS operation, although the voltage ratio between input and output voltage is variable. The resonance frequency does not need to be varied or only needs to be varied to a small extent in order to reduce the output voltage.
DC/DC-Wandler auf einer Dual Active Bridge oder verwandter Topologien basierend können im Phaseshift Betrieb betrieben werden, und die Ausgangsspannung wird durch Veränderung der Eingangsspannung gestellt. DC / DC converters based on a dual active bridge or related topologies can be operated in phase shift mode, and the output voltage is set by changing the input voltage.
Der Anschluss der Ladeeinheiten an den bidirektional speisen den AC/DC-Wandler kann örtlich begrenzt auch über elektrische Leitungen erfolgen. Hierbei sind Kabel in der Erde wie auch weitere übliche Verlegearten möglich. Weiterhin kann hierbei geeignete vorhandene Infrastruktur genutzt werden. The connection of the charging units to the bidirectional supply of the AC / DC converter can also be done locally via electrical lines. Cables in the ground as well as other common types of laying are possible here. Furthermore, suitable existing infrastructure can be used here.
Die an das beschriebene System angeschlossenen DC/DC-Wandler sollten einen bidirektionalen Leistungsfluss ermöglichen. Hierfür sollten die Wandler vorzugsweise in Dual Active Bridge-Topologie ausgeführt sein und mittels Phase Shift Mo dulation betrieben werden. Dies ermöglicht eine potential freie Anbindung verschiedener Spannungsniveaus bei einstell barem Leistungsfluss. The DC / DC converters connected to the system described should enable a bidirectional power flow. For this purpose, the converters should preferably be designed in dual active bridge topology and operated using phase shift modulation. This enables a potential-free connection of different voltage levels with an adjustable power flow.
Wenn die Spannungsdifferenzen zu groß sind, kann neben der Phase Shift Modulation die Pulsbreite verändert werden. Das beschriebene System ist dadurch gekennzeichnet, dass die DC/DC Wandler über eine Kommunikationsschnittstelle (siehe Fig. 6, Bezugszeichen 104) zu einer zentralen Steuereinheit (siehe Fig. 6, Bezugszeichen 103) verfügen, die lokal oder entfernt in einem Rechenzentrum angeordnet sein kann. If the voltage differences are too large, the pulse width can be changed in addition to the phase shift modulation. The system described is characterized in that the DC / DC converters have a communication interface (see FIG. 6, reference number 104) to a central control unit (see FIG. 6, reference number 103), which can be arranged locally or remotely in a data center .
Die verschiedenen Verbraucher und Erzeuger die mittels DC/DC Wandler (siehe Fig. 6, Bezugszeichen 101) an die DC Spannung angeschlossen sind, können in ihrer Summenleistung die Nenn leistung des speisenden bidirektionalen Gleichrichters (siehe Fig. 6, Bezugszeichen 100) entsprechend den Ansprüchen 1-9 überschreiten. Um der dadurch potentiell möglichen Überlas tung entgegenwirken zu können, um Verbraucher und Erzeuger aufeinander abstimmen zu können und/oder um einen Systemzu stand erhalten zu können, wird eine zentrale Steuerung (siehe Fig. 6, Bezugszeichen 103) vorgesehen, die durch drahtbehaf tete, drahtlose Kommunikationsschnittstellen oder über Kommu nikation, die die Leistungsverkabelung zur Übertragung nutzt, mit den einzelnen DC/DC-Wandlern und optional auch mit dem Gleichrichter verbunden sind. Diese Steuerung kann lokal oder in einem Rechenzentrum ausgeführt werden. The various consumers and generators that are connected to the DC voltage by means of DC / DC converters (see Fig. 6, reference number 101) can have the total power of the nominal power of the feeding bidirectional rectifier (see Fig. 6, reference number 100) according to the claims Exceed 1-9. In order to be able to counteract the overload that is potentially possible as a result, in order to be able to coordinate consumers and producers with one another and / or to be able to maintain a system state, a central controller (see Fig. 6, reference number 103) is provided which is wireless communication interfaces or via communication that uses the power cabling for transmission, are connected to the individual DC / DC converters and optionally also to the rectifier. This control can be carried out locally or in a data center.
Die Steuerungseinheiten des aktiven Gleichrichters (siehe Fig. 4, Bezugszeichen 14) und der DC/DC Wandler (siehe Fig. The control units of the active rectifier (see Fig. 4, reference number 14) and the DC / DC converter (see Fig.
6, Bezugszeichen 103) können technisch in die gleiche Hard ware integriert sein, sodass eine Steuerungseinheit beide Funktionen übernimmt. 6, reference number 103) can technically be integrated into the same hardware so that one control unit takes over both functions.
Der beschriebene Verbund von Ladeeinheiten, die durch den Gleichrichter gespeist werden, entspricht einem Netz von Er zeugern und Verbrauchern, verbunden durch die geregelte DC- Spannung. Die einzelnen Erzeuger und Verbraucher können ent fernt voneinander aufgestellt sein. Sie können sich bei- spielsweise auf einem Grundstück, einem Werksgelände oder ei ner Ortschaft befinden. The network of charging units described, which are fed by the rectifier, corresponds to a network of generators and consumers, connected by the regulated DC voltage. The individual producers and consumers can be set up at a distance from each other. You can for example on a property, a factory site or a locality.
Dieses Netz ist Verbrauchern und/oder Erzeuger durch DC/DC Wandler zugänglich. Hierdurch ist ein Verbund beliebiger Teilnehmer möglich. This network is accessible to consumers and / or producers through DC / DC converters. This enables any number of participants to be networked.
Figur 11 zeigt die Anbindung verschiedener Verbrau cher/Erzeuger an die DC-Spannung (Bezugszeichen 102). FIG. 11 shows the connection of various consumers / generators to the DC voltage (reference symbol 102).
Die Ausführung der DC/DC Wandler können auch eine kontaktlose induktive Übertragungsstrecke (siehe Fig. 10, Bezugszeichen 304) beinhalten. Diese potentiell auch bidirektionale kon taktlose Leistungsübertragung ermöglicht voll- oder teilge kapselte Übertragungsstrecken, die den Laienzugang zu diesem Netz ermöglichen. Die Kapselung wird derart ausgeführt, dass keine Gefahr durch Strom oder Spannung für den Benutzer be steht. The design of the DC / DC converter can also include a contactless inductive transmission path (see FIG. 10, reference number 304). This potentially also bidirectional contactless power transmission enables fully or partially encapsulated transmission routes that allow lay access to this network. The encapsulation is carried out in such a way that there is no danger to the user from current or voltage.
Somit sind laienbediente Verbraucher wie beispielsweise Lade punkte für Elektrofahrzeug oder Elektrokleinstfahrzeuge an der durch den in den Ansprüchen 1-10 beschriebenen Gleich- richter-gespeisten DC-Spannung möglich. Thus, lay-operated consumers such as charging points for electric vehicles or small electric vehicles are possible on the DC voltage supplied by the rectifier described in claims 1-10.
In Figur 1 ist das System des bidirektionalen Gleichrichters bestehend aus mindestens einem Powermodul (200) mit je drei Leistungshalbleiterzweigen (10) gezeigt. Die Zweige (10) sind über einphasige Drosseln (11) mit dem Niederspannungsdreh stromnetz (12) verbunden. Weiterhin bilden die Gleichspan nungsanschlüsse DC+, DC- und DCN den DC-Anschluss (13). FIG. 1 shows the system of the bidirectional rectifier consisting of at least one power module (200) each with three power semiconductor branches (10). The branches (10) are connected to the low-voltage rotary current network (12) via single-phase chokes (11). Furthermore, the DC voltage connections DC +, DC- and DCN form the DC connection (13).
Die Figur lb zeigt beispielhaft, dass in vorteilhafter Weise zwischen die zweigeigenen AC-Anschlüsse der drei Leistungs- halbleiterzweige und den jeweils zugeordneten AC-Gleich- richteranschluss des Gleichrichters elektrisch eine gemeinsa me Drossel (111) geschaltet sein kann. The figure lb shows an example that in an advantageous manner between the branch's own AC connections of the three power semiconductor branches and the respectively assigned AC rectifier connection of the rectifier, a common inductor (111) can be connected electrically.
Figur 2a zeigt einen Leistungshalbleiterzweig (20) in 3-Level Ausführung bestehend aus 4 in Reihe geschalteten Leistungs halbleiterschaltern mit antiparallelen Dioden (21), Klemmdio den (22) und den lokalen Energiespeichern (23). Die Klemmdio den (23) verbinden den Gleichspannungsmittelpunkt (DCN) mit den jeweils oberen und unteren Halbleiterschaltern (21). Die Mitte der Reihenschaltung der 4 Schalter/Dioden-Paare (21) bildet den Anschlusspunkt für die Einphasendrosseln (11) zur Verbindung mit dem Niederspannungsdrehstromsystem. Figure 2a shows a power semiconductor branch (20) in 3-level design consisting of 4 series-connected power semiconductor switches with anti-parallel diodes (21), the clamping diodes (22) and the local energy stores (23). The Klemmdio the (23) connect the DC voltage center point (DCN) with the respective upper and lower semiconductor switches (21). The middle of the series connection of the 4 switch / diode pairs (21) forms the connection point for the single-phase chokes (11) for connection to the low-voltage three-phase system.
Die Figur 2b zeigt den Aufbau einer beispielhaften Symmetrie rungseinheit (30) bestehend aus zwei in Reihe geschalteten Leistungshalbleiterschaltern mit antiparallelen Dioden (31) und einer Symmetrierungsdrossel (32), die derart verschaltet sind, dass der Mittelpunkt der beiden Schalter (31) mit der Drossel (32) verbunden ist und diese wiederum mit dem Mittel punkt DCN des Gleichspannungssystems DC+, DCN, DC-. Figure 2b shows the structure of an exemplary symmetry approximately unit (30) consisting of two series-connected power semiconductor switches with anti-parallel diodes (31) and a balancing choke (32), which are connected in such a way that the center of the two switches (31) with the choke (32) is connected and this in turn with the center point DCN of the DC voltage system DC +, DCN, DC-.
Die Figur 3 zeigt schematisch den Verbund des bidirektionalen Gleichrichters (100) mit den DC/DC-Wandlern (101) mittels Gleichspannung (102). Die DC/DC-Wandler (101) binden die bei spielhaft gezeigten mobilen Speicher an die DC-Spannung (102), um diese zu laden oder zu entladen. FIG. 3 schematically shows the combination of the bidirectional rectifier (100) with the DC / DC converters (101) by means of direct voltage (102). The DC / DC converters (101) bind the mobile storage devices shown in the example to the DC voltage (102) in order to charge or discharge them.
Die Figur 4 zeigt das System des bidirektionalen Gleichrich ters mit Powermodul (200), Leistungshalbleiterzweigen (10), Einphasendrosseln (11) als Bindeglied zwischen Niederspan nungs-Drehstromnetz (12) und Niederspannungsgleichstromnetz (13) sowie mit der Steuereinheit (14) und den optionalen Strom-Spannungsmesseinrichtungen für AC (15) und DC (16). FIG. 4 shows the system of the bidirectional rectifier with power module (200), power semiconductor branches (10), single-phase chokes (11) as a link between the low-voltage three-phase network (12) and the low-voltage direct current network (13) as well as with the control unit (14) and the optional current-voltage measuring devices for AC (15) and DC (16).
Die Figur 5 zeigt die Parallelschaltung von Powermodulen (200) zur Erhöhung der bidirektionalen Leistungsübertragung zwischen Niederspannungsdrehstromnetz (201) und dem Nieder spannungsgleichstromnetz (202). FIG. 5 shows the parallel connection of power modules (200) to increase the bidirectional power transmission between the low-voltage three-phase network (201) and the low-voltage direct current network (202).
Die Figur 6 stellt das System bestehend aus bidirektionalem Gleichrichter (100) und DC/DC-Wandlern (101) dar, die über Kommunikationskanäle (104) mit einer zentralen Steuereinheit (103) verbunden sind. FIG. 6 shows the system consisting of a bidirectional rectifier (100) and DC / DC converters (101) which are connected to a central control unit (103) via communication channels (104).
Die Figur 7 zeigt mehrere DC/DC-Wandler (101) die in Ladeein richtungen (300) mobile Energiespeicher (301) an die durch den bidirektionalen Gleichrichter (100) gespeiste Gleichspan nung (102) zum Laden und/oder Entladen angebunden werden. FIG. 7 shows several DC / DC converters (101) which are connected in charging devices (300) mobile energy storage devices (301) to the DC voltage (102) fed by the bidirectional rectifier (100) for charging and / or discharging.
Die Figur 8 stellt die in einem Gehäuse untergebrachten Kom ponenten bidirektionaler Gleichrichter (100) und DC/DC- Wandler (101) in der Anwendung als Ladeeinrichtung (300) für mobile Batteriespeicher (301) dar. FIG. 8 shows the components of the bidirectional rectifier (100) and DC / DC converter (101) accommodated in a housing in the application as a charging device (300) for mobile battery storage (301).
Die Figur 9 beschreibt den Verbund aus bidirektionalem Gleichrichter (100) und stationären Batteriespeichern (302), die direkt und/oder indirekt mittels DC/DC-Wandlern (101) mit der gemeinsamen DC-Spannung (102) verbunden sind. FIG. 9 describes the combination of bidirectional rectifier (100) and stationary battery storage (302), which are connected directly and / or indirectly to the common DC voltage (102) by means of DC / DC converters (101).
Die Figur 10 zeigt den bidirektionalen Gleichrichter (100) an einem lokalen DC-Netz (102) mit unterschiedlichen Teilneh mern, wie direkt oder über DC/DC-Wandler (101) indirekt ange bundenen stationären Batteriespeichern (302), Ladeeinrichtun gen (300), die über DC/DC-Wandler mobile Batteriespeicher (301) ins Netz integrieren, kontaktlose, induktive Wandler stufen (304) zur Einbindung laienbedienbarer Systeme sowie über DC/DC Wandler (101) eingebunden beliebige DC-Teilnehmer (303). FIG. 10 shows the bidirectional rectifier (100) on a local DC network (102) with different subscribers, such as stationary battery storage devices (302), charging devices (300) connected directly or indirectly via DC / DC converters (101). mobile battery storage via DC / DC converter (301) integrate into the network, contactless, inductive converter stages (304) for the integration of systems that can be operated by laypeople as well as any DC subscriber (303) integrated via DC / DC converter (101).
Die Figur 11 illustriert ein lokales DC-Netz (203), dass über den bidirektionalen Gleichrichter (100) und das Niederspan nungsdrehstromnetz beispielsweise über einen Verteiltrafo (204) mit dem Mittelspannungsnetz verbunden ist. Weiterhin sind Teilnehmer dieses lokalen DC-Netzes gezeigt. Dazu gehö ren DC/DC Wandler (101) als Bindeglied zu weiteren Teilneh mern, wie mobile Batteriespeicher, stationäre Batteriespei cher, beliebige DC-Teilnehmer oder Photovoltaikanlagen. Sta tionäre Batteriespeicher können auch direkt angeschlossen werden. Weiterhin können über DC/AC-Wandler (305) auch Dreh stromverbraucher, wie beispielsweise Drehstrommotoren ange schlossen werden. Zudem können auch induktive Schnittstellen, wie induktive Ladestationen (306) oder weitere kontaktlose, induktive Verbraucher (304, 303) angeschlossen werden. FIG. 11 illustrates a local DC network (203) that is connected to the medium-voltage network via the bidirectional rectifier (100) and the low-voltage three-phase network, for example via a distribution transformer (204). Participants in this local DC network are also shown. This includes DC / DC converters (101) as a link to other participants, such as mobile battery storage systems, stationary battery storage systems, any DC users or photovoltaic systems. Stationary battery storage can also be connected directly. Furthermore, three-phase consumers, such as three-phase motors, can also be connected via DC / AC converters (305). In addition, inductive interfaces such as inductive charging stations (306) or other contactless, inductive loads (304, 303) can be connected.
Die Figur 12 zeigt beispielhaft, dass in vorteilhafter Weise zwei oder mehr parallel geschaltete Gleichrichter (100), ins besondere zwei oder mehr parallel geschaltete Powermodule, beabstandet voneinander angeordnet sein können und beabstan- det voneinander angeordnete Ladesäulen von separaten Speise punkten aus elektrisch speisen können. FIG. 12 shows by way of example that advantageously two or more rectifiers (100) connected in parallel, in particular two or more power modules connected in parallel, can be arranged at a distance from one another and can electrically feed charging stations arranged at a distance from one another from separate feed points.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungs beispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Although the invention has been illustrated and described in more detail by preferred embodiment examples, the invention is not restricted by the disclosed examples and other variations can be derived therefrom by the person skilled in the art without departing from the scope of the invention.

Claims

Patentansprüche Claims
1. System mit zumindest einem Gleichrichter, dadurch gekennzeichnet, dass 1. System with at least one rectifier, characterized in that
- der Gleichrichter ein dreiphasiger Gleichrichter mit drei Wechselspannungs-Gleichrichteranschlüssen, nachfolgend AC- Gleichrichteranschlüssen genannt, zum Anschluss an ein Drehstromnetz (12), einem ersten Gleichspannungsanschluss, nachfolgend "DC+"-Anschluss genannt, und einem zweiten Gleichspannungsanschluss, nachfolgend "DC-"-Anschluss ge nannt, ist, - The rectifier is a three-phase rectifier with three AC voltage rectifier connections, hereinafter referred to as AC rectifier connections, for connection to a three-phase network (12), a first DC voltage connection, hereinafter referred to as "DC +" connection, and a second DC voltage connection, hereinafter "DC -" Connection is called,
- der Gleichrichter drei Leistungshalbleiterzweige, die je weils auf einer 3-Level-Topologie beruhen, umfasst, - the rectifier comprises three power semiconductor branches, each based on a 3-level topology,
- wobei jeder der drei Leistungshalbleiterzweige jeweils ei nen zweigeigenen Wechselspannungsanschluss, nachfolgend AC-Anschluss genannt, der mit einem der drei AC- Gleichrichteranschlüsse des Gleichrichters in Verbindung steht, einen zweigeigenen ersten Anschluss, nachfolgend zweigeigener "DC+"-Anschluss genannt, einen zweigeigenen zweiten Anschluss, nachfolgend zweigeigener "DC-"- Anschluss genannt, und einen zweigeigenen dritten An schluss, nachfolgend zweigeigener "DCN"-Anschluss genannt, aufweist, - each of the three power semiconductor branches each having its own branch AC voltage connection, hereinafter referred to as AC connection, which is connected to one of the three AC rectifier connections of the rectifier, a branch-own first connection, hereinafter referred to as a branch "DC +" connection, a branch-own second connection , hereinafter referred to as the branch-own "DC-" connection, and has a branch-own third connection, hereinafter referred to as the branch-own "DCN" connection,
- die zweigeigenen "DC+"-Anschlüsse der drei Leistungshalb leiterzweige an den "DC+"-Anschluss des Gleichrichters und die zweigeigenen "DC-"-Anschlüsse der drei Leistungshalb leiterzweige an den "DC-"-Anschluss des Gleichrichters an geschlossen sind, - the branch's "DC +" connections of the three power semiconductor branches are connected to the "DC +" connection of the rectifier and the branch-own "DC -" connections of the three power semiconductor branches are connected to the "DC -" connection of the rectifier,
- der dreiphasige Gleichrichter einen Neutralleiteranschluss aufweist, der zum Anschluss an einen Neutralleiter des Drehstromnetzes (12) ausgelegt ist, und - die zweigeigenen "DCN"-Anschlüsse elektrisch mit dem Neu tralleiteranschluss des dreiphasigen Gleichrichters unmit telbar oder zumindest mittelbar verbunden sind. - The three-phase rectifier has a neutral conductor connection which is designed for connection to a neutral conductor of the three-phase network (12), and - The branch's own "DCN" connections are electrically connected directly or at least indirectly to the neutral conductor connection of the three-phase rectifier.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter regelbar ist und seine an dem "DC+"- Anschluss und dem "DC-"-Anschluss ausgegebene Gleichspannung einstellbar ist. 2. System according to claim 1, characterized in that the rectifier can be regulated and its direct voltage output at the "DC +" connection and the "DC -" connection can be adjusted.
3. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter ein aktiver Gleichrichter ist und auf sei ner Gleichspannungsseite ein höheres Spannungsniveau ausgibt, als auf seiner Drehspannungsseite anliegt. 3. System according to one of the preceding claims, characterized in that the rectifier is an active rectifier and outputs a higher voltage level on its DC voltage side than is applied on its three-phase voltage side.
4. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter zum Anschluss an ein Niederspannungs- Drehstromnetz ausgelegt ist und dazu ausgebildet ist, aus gangsseitig eine DC-Spannung zwischen seinem "DC+"- und sei nem "DC-"-Anschluss zwischen 800 Volt und 1500 Volt einzu stellen. 4. System according to one of the preceding claims, characterized in that the rectifier is designed for connection to a low-voltage three-phase network and is designed to output a DC voltage between its "DC +" - and its "DC -" connection set between 800 volts and 1500 volts.
5. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter zum Anschluss an ein Niederspannungs- Drehstromnetz ausgelegt ist und dazu ausgebildet ist, aus gangsseitig zwischen seinem "DC+"- und seinem "DC-"-Anschluss eine DC-Spannung, die zwischen 570 Volt und 1500 Volt liegt, einzustellen . 5. System according to one of the preceding claims, characterized in that the rectifier is designed for connection to a low-voltage three-phase network and is designed to provide a DC voltage on the output side between its "DC +" and its "DC -" connection, which is between 570 volts and 1500 volts.
6. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die zweigeigenen AC-Anschlüsse der drei Leistungs halbleiterzweige und den jeweils zugeordneten AC- Gleichrichteranschluss des Gleichrichters elektrisch jeweils eine Drossel geschaltet ist. 6. System according to one of the preceding claims, characterized in that a choke is electrically connected between the branch's own AC connections of the three power semiconductor branches and the respectively assigned AC rectifier connection of the rectifier.
7. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass zwischen die zweigeigenen AC-Anschlüsse der drei Leistungs halbleiterzweige und den jeweils zugeordneten AC-Gleich- richteranschluss des Gleichrichters elektrisch eine gemeinsa me Drossel geschaltet ist. 7. System according to one of the preceding claims, characterized in that a common choke is electrically connected between the branch's own AC connections of the three power semiconductor branches and the respectively assigned AC rectifier connection of the rectifier.
8. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Potentialdifferenz zwischen dem "DC+"-Anschluss und dem "DCN"-Anschluss und die Potentialdifferenz zwischen dem "DC- "-Anschluss und dem "DCN"-Anschluss gleich groß oder zumin dest annähernd gleich groß sind. 8. System according to any one of the preceding claims, characterized in that the potential difference between the "DC +" terminal and the "DCN" terminal and the potential difference between the "DC-" terminal and the "DCN" terminal are equal to or are at least approximately the same size.
9. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an die DC+, DCN und DC- Spannung eine Balancierungseinheit oder Symmetrierungseinheit angeschlossen ist, die es ermög licht, Energie zwischen dem DC+ und dem DC- Potential zu ver schieben. 9. System according to one of the preceding claims, characterized in that a balancing unit or balancing unit is connected to the DC +, DCN and DC- voltage, which makes it possible to shift energy between the DC + and the DC- potential.
10. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 10. System according to any one of the preceding claims, characterized in that
- an der Gleichspannungsseite des Gleichrichters eine Sym metrierungseinheit (30) angeschlossen ist, die einen Leis tungshalbleiterzweig und eine Drossel (32) umfasst, und - ein Verbindungspunkt des Leistungshalbleiterzweigs den Leistungshalbleiterzweig über die Drossel (32) mit dem Neutralleiteranschluss des Gleichrichters und den zweigei genen "DCN"-Anschlüssen elektrisch verbindet. - A Sym metrierungseinheit (30) is connected to the DC voltage side of the rectifier, which comprises a power semiconductor branch and a choke (32), and - A connection point of the power semiconductor branch electrically connects the power semiconductor branch via the choke (32) to the neutral conductor connection of the rectifier and the two branched "DCN" connections.
11. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 11. System according to one of the preceding claims, characterized in that
- an der Gleichspannungsseite des Gleichrichters eine Sym metrierungseinheit (30) angeschlossen ist, die zwei in Reihe geschaltete Leistungshalbleiterschalter mit antipa rallelen Dioden (31) und eine Drossel (32) umfasst, und- A Sym metrierungseinheit (30) is connected to the DC voltage side of the rectifier, which comprises two series-connected power semiconductor switches with antiparallel diodes (31) and a choke (32), and
- der Verbindungspunkt zwischen den Leistungshalbleiter schaltern über die Drossel (32) mit dem Neutralleiteran schluss des Gleichrichters und den zweigeigenen "DCN"- Anschlüssen elektrisch verbunden ist. - The connection point between the power semiconductor switches is electrically connected via the choke (32) to the neutral conductor connection of the rectifier and the branch's own "DCN" connections.
12. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 12. System according to any one of the preceding claims, characterized in that
- an der Gleichspannungsseite des Gleichrichters eine Sym metrierungseinheit angeschlossen ist, die einen Multile- vel-Wechselrichterzweig und mindestens eine Drossel um fasst, und - A symmetrization unit is connected to the DC voltage side of the rectifier, which includes a multilevel inverter branch and at least one choke, and
- der Leistungshalbleiterzweig über die Drossel mit dem Neutralleiteranschluss des Gleichrichters und den zweigei genen "DCN"-Anschlüssen elektrisch verbunden ist. - The power semiconductor branch is electrically connected to the neutral conductor connection of the rectifier and the two "DCN" connections via the choke.
13. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den "DC+"-Anschluss und den "DC-"-Anschluss des Gleich richters 13. System according to one of the preceding claims, characterized in that the "DC +" connection and the "DC -" connection of the rectifier
- ein oder mehrere DC/DC Wandler (101) und/oder - One or more DC / DC converters (101) and / or
- ein oder mehrere mobile Batteriespeicher und/oder - ein oder mehrere stationäre Batteriespeicher und/oder- one or more mobile battery storage and / or - one or more stationary battery storage and / or
- ein oder mehrere Photovoltaikanlagen und/oder - one or more photovoltaic systems and / or
- ein oder mehrere DC/AC-Wandler (305) und/oder - One or more DC / AC converters (305) and / or
- Drehstromverbraucher, vorzugsweise Drehstrommotoren, und/oder - Three-phase consumers, preferably three-phase motors, and / or
- induktive Schnittstellen, vorzugsweise induktive Ladesta tionen (306), und/oder - Inductive interfaces, preferably inductive charging stations (306), and / or
- andere kontaktlose, induktive Verbraucher (304, 303) angeschlossen sind. - Other contactless, inductive loads (304, 303) are connected.
14. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 14. System according to any one of the preceding claims, characterized in that
- das System ein Ladesystem zum Laden von Elektrofahrzeugen bildet, - the system forms a charging system for charging electric vehicles,
- wobei der dreiphasige Gleichrichter mit seinen drei AC- Gleichrichteranschlüssen an ein Niederspannungs-Dreh stromnetz angeschlossen ist, - The three-phase rectifier with its three AC rectifier connections is connected to a low-voltage three-phase network,
- der Gleichrichter ausgangsseitig eine DC-Spannung zwischen seinem "DC+"- und seinem "DC-"-Anschluss zwischen 800 und 1500 Volt einstellt und - the rectifier sets a DC voltage on the output side between its "DC +" and its "DC -" connection between 800 and 1500 volts and
- die DC-Spannung zwischen dem "DC+"- und dem "DC-"- Anschluss ein systemeigenes DC-Netz bildet, an das eine oder mehrere Ladestationen angeschlossen sind. - the DC voltage between the "DC +" and the "DC -" connection forms a system-specific DC network to which one or more charging stations are connected.
15. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Dioden des Leistungshalbleiterzweiges als SiC Dioden ausgeführt ist. 15. System according to one of the preceding claims, characterized in that at least some of the diodes of the power semiconductor branch are designed as SiC diodes.
16. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Regeleinrichtung aufweist, die durch die ge zielte Ansteuerung der Leistungshalbleiter (Modulation) die DC-Spannung auf einen vorgegebenen Sollwert einstellen kann und/oder die dem AC-Netz entnommene Blindleistung einstellen kann. 16. System according to any one of the preceding claims, characterized in that the system has a control device that can set the DC voltage to a predetermined target value through the targeted control of the power semiconductors (modulation) and / or can set the reactive power taken from the AC network.
17. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 17. System according to one of the preceding claims, characterized in that
- der Sollwert für die DC-Spannung zwischen DC+ und DC-, in Abhängigkeit von der verfügbaren Leistung eingestellt wird und/oder - the setpoint for the DC voltage between DC + and DC- is set depending on the available power and / or
- die DC-Spannung zur Verlustoptimierung angepasst, insbe sondere reduziert wird. - the DC voltage is adapted, in particular reduced, to optimize losses.
18. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung des Gleichrichters derart geführt wird, dass der DC/DC-Wandler in Abhängigkeit von der Ladespannung der zu ladenden Batterie in einem verlustoptimalen Arbeits punkt betrieben wird. 18. System according to one of the preceding claims, characterized in that the output voltage of the rectifier is guided in such a way that the DC / DC converter is operated in a loss-optimal working point depending on the charging voltage of the battery to be charged.
19. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 19. System according to any one of the preceding claims, characterized in that
Komponenten des oder der Gleichrichter, insbesondere die Leistungshalbleiterzweige und ein zugehöriger Netzfilter, in einem Gehäuse integriert sind und ein Powermodul bilden. Components of the rectifier or rectifiers, in particular the power semiconductor branches and an associated line filter, are integrated in a housing and form a power module.
20. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Gleichrichter, insbesondere zwei oder mehr Po- wermodule, parallel geschaltet sind. 20. System according to one of the preceding claims, characterized in that two or more rectifiers, in particular two or more power modules, are connected in parallel.
21. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr parallel geschaltete Gleichrichter, insbeson dere zwei oder mehr parallel geschaltete Powermodule, in un terschiedlichen, beabstandet voneinander angeordneten Lade säulen untergebracht sind. 21. System according to one of the preceding claims, characterized in that two or more rectifiers connected in parallel, in particular two or more power modules connected in parallel, are accommodated in different charging columns arranged at a distance from one another.
22. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr parallel geschaltete Gleichrichter, insbeson dere zwei oder mehr parallel geschaltete Powermodule, beab standet voneinander angeordnet sind und beabstandet voneinan der angeordnete Ladesäulen von separaten Speisepunkten aus elektrisch speisen können. 22. System according to one of the preceding claims, characterized in that two or more rectifiers connected in parallel, in particular two or more power modules connected in parallel, are arranged at a distance from one another and can feed electrically from separate feed points at a distance from one another.
23. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zentrale Steuereinheit die parallelen Powermodule steu ert, wobei die Steuereinheit lokal oder in einem zentralen Rechenzentrum ausgeführt ist. 23. System according to one of the preceding claims, characterized in that a central control unit controls the parallel power modules, the control unit being implemented locally or in a central data center.
24. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Steuereinheiten die örtlich getrennten Gleichrichter und/oder Powermodule steu ern. 24. System according to one of the preceding claims, characterized in that individual control units control the spatially separate rectifiers and / or power modules.
25. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens zwei der DC-Anschlüsse ein oder mehrere DC/DC Wandler mittelbar oder unmittelbar angeschlossen sind, der/die einen oder mehrere mobile Batteriespeicher (wie z. B. in einem E-Auto, E-Bus, E-Tram, E-Zug, E-Fahrrad, E-Klein- fahrzeug) laden kann/können. Der/die DC/DC Wandler sind als resonante oder hart geschaltete Topologie ausgeführt. 25. System according to one of the preceding claims, characterized in that one or more DC / DC converters are directly or indirectly connected to at least two of the DC connections, the one or more mobile battery storage devices (such as in an E Car, e-bus, e-tram, e-train, e-bike, e-small vehicle). The DC / DC converter (s) are designed as a resonant or hard-switched topology.
26. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der AC/DC Wandler und ein oder mehrere DC/DC-Wandler in einem Gehäuse untergebracht sind. 26. System according to one of the preceding claims, characterized in that the AC / DC converter and one or more DC / DC converters are accommodated in one housing.
27. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der DC-Potentiale an mindestens einen statio nären DC-Batteriespeicher angebunden sind. 27. System according to one of the preceding claims, characterized in that at least two of the DC potentials are connected to at least one stationary DC battery storage.
28. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die DC-Spannung des Gleichrichters (Eingangsspannung des DC/DC-Wandlers) variiert wird, um die Ausgangsspannung des/der DC/DC-Wandler zu stellen. 28. System according to one of the preceding claims, characterized in that the DC voltage of the rectifier (input voltage of the DC / DC converter) is varied in order to set the output voltage of the DC / DC converter (s).
29. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die DC-Spannung dezentral über elektrische Leiter an Ladeein heiten verteilt wird. 29. System according to one of the preceding claims, characterized in that the DC voltage is distributed decentrally via electrical conductors to charging units.
30. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere DC/DC-Wandler, die an die DC-Spannung ange schlossen sind, bidirektional als Dual Active Bridge ausge führt sind. 30. System according to one of the preceding claims, characterized in that one or more DC / DC converters, which are connected to the DC voltage, are bidirectional leads out as dual active bridges.
31. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die DC/DC Wandler über eine Kommunikationsschnittstelle zu einer zentralen Steuereinheit verfügen, die lokal oder ent fernt in einem Rechenzentrum angeordnet ist. 31. System according to one of the preceding claims, characterized in that the DC / DC converters have a communication interface to a central control unit, which is arranged locally or remotely in a data center.
32. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter ein DC-Netz speist, an welches verschiedene Verbraucher und/oder Erzeuger angeschlossen sind. 32. System according to one of the preceding claims, characterized in that the rectifier feeds a DC network to which various consumers and / or producers are connected.
33. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 33. System according to one of the preceding claims, characterized in that
Erzeuger oder Verbraucher über eine Einheit, welche Energie kontaktlos induktiv überträgt, mit dem DC-Netz verbunden sind. Generators or consumers are connected to the DC network via a unit that transmits energy inductively without contact.
34. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 34. System according to one of the preceding claims, characterized in that
- das System das Drehstromnetz (12) umfasst und - The system includes the three-phase network (12) and
- der Neutralleiteranschluss des Gleichrichters und die zweigeigenen "DCN"-Anschlüsse der drei Leistungshalblei terzweige an den Neutralleiter des Drehstromnetzes (12) angeschlossen sind. - The neutral conductor connection of the rectifier and the branch's own "DCN" connections of the three power semiconductor branches are connected to the neutral conductor of the three-phase network (12).
35. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Gleichrichter bidirektional arbeitende Gleich richter sind, die einen bidirektionalen Leistungsfluss ermög lichen. 35. System according to one of the preceding claims, characterized in that the rectifier or rectifiers are bidirectional rectifiers which enable a bidirectional power flow.
36. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Gleichrichter unidirektional arbeitende Gleich richter sind, die nur einen undirektionalen Leistungsfluss ermöglichen . 36. System according to one of the preceding claims, characterized in that the rectifier or rectifiers are unidirectional rectifiers which only allow one unidirectional power flow.
37. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Gleichrichter unidirektional arbeitende PFC 3- Level Gleichrichter sind. 37. System according to one of the preceding claims, characterized in that the rectifier or rectifiers are unidirectional PFC 3-level rectifiers.
38. Verfahren zum Erzeugen einer Gleichspannung zwischen ei nem "DC+"-Anschluss und einem "DC-"-Anschluss eines Gleich richters, dadurch gekennzeichnet, dass 38. A method for generating a direct voltage between a “DC +” connection and a “DC -” connection of a rectifier, characterized in that
- der Gleichrichter drei Leistungshalbleiterzweige umfasst, die jeweils auf einer 3-Level-Topologie beruhen, - the rectifier comprises three power semiconductor branches, each based on a 3-level topology,
- jeder der drei Leistungshalbleiterzweige einen zweigeige nen AC-Anschluss aufweist, der jeweils mit einem von drei der AC-Gleichrichteranschlüssen des Gleichrichters in Ver bindung steht, - each of the three power semiconductor branches has a branched AC connection that is connected to one of three of the AC rectifier connections of the rectifier,
- die drei AC-Gleichrichteranschlüsse des Gleichrichters an ein Drehstromnetz (12) angeschlossen werden, - the three AC rectifier connections of the rectifier are connected to a three-phase network (12),
- dritte zweigeigene Anschlüsse der drei Leistungshalblei terzweige, nachfolgend zweigeigene "DCN"-Anschlüsse ge nannt, die miteinander verbunden sind und gemeinsam einen Neutralleiteranschluss des dreiphasigen Gleichrichters bilden, an einen Neutralleiter des Drehstromnetzes (12) angeschlossen werden und das Potential der "DCN"- Anschlüsse der drei Leistungshalbleiterzweige auf das Po tential des Neutralleiters des Drehstromnetzes festgelegt wird. - Third branch connections of the three power semiconductors, hereinafter called branch “DCN” connections, which are connected to each other and together form a neutral conductor connection of the three-phase rectifier, are connected to a neutral conductor of the three-phase network (12) and the potential of the “DCN” - Connections of the three power semiconductor branches are set to the potential of the neutral conductor of the three-phase network.
39. Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass 39. The method according to claim 38, characterized in that
- der Gleichrichter an ein Niederspannungs-Drehstromnetz an geschlossen wird und ausgangsseitig eine DC-Spannung zwi schen dem "DC+"- und dem "DC-"-Anschluss des Gleichrich ters zwischen 800 Volt und 1500 Volt eingestellt wird und - die DC-Spannung in eine oder mehrere Ladeeinrichtungen, eine oder mehrere Ladestationen oder in ein internes DC- Netz zur Energieversorgung von Ladeeinrichtungen oder La destationen eingespeist wird. - The rectifier is connected to a low-voltage three-phase network and on the output side a DC voltage between the "DC +" and the "DC -" connection of the rectifier is set between 800 volts and 1500 volts and - The DC voltage is fed into one or more charging devices, one or more charging stations or into an internal DC network for supplying energy to charging devices or charging stations.
PCT/DE2020/200075 2019-09-13 2020-09-09 System having at least one rectifier WO2021047743A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE112020004362.2T DE112020004362A5 (en) 2019-09-13 2020-09-09 System with at least one rectifier

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019214031 2019-09-13
DE102019214031.9 2019-09-13

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021047743A1 true WO2021047743A1 (en) 2021-03-18

Family

ID=72840277

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2020/200075 WO2021047743A1 (en) 2019-09-13 2020-09-09 System having at least one rectifier

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE112020004362A5 (en)
WO (1) WO2021047743A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022029256A1 (en) 2020-08-07 2022-02-10 TRUMPF Hüttinger GmbH + Co. KG Npc three-level converter comprising npc three-level compensating module for adjusting the centre potential

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2362522A2 (en) * 2010-02-25 2011-08-31 EDAG GmbH & Co. KGaA Charging device for an electric car
US20180278161A1 (en) * 2015-04-24 2018-09-27 Epc Power Corporation Power converter with controllable dc offset

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2362522A2 (en) * 2010-02-25 2011-08-31 EDAG GmbH & Co. KGaA Charging device for an electric car
US20180278161A1 (en) * 2015-04-24 2018-09-27 Epc Power Corporation Power converter with controllable dc offset

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"A Review of Three-Phase Improved Power Quality AC-DC Converters", IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, vol. 51, no. 3, June 2004 (2004-06-01)
D.G. HOLMEST.A. LIPO.: "Pulse Width Modulation for Power Converters - Principles and Practice", 2003, IEEE PRESS, WILEY-INTERSCIENCE
LIN S-K ET AL: "A DC-LINK VOLTAGE BALANCING ALGORITHM FOR 3-LEVEL CONVERTER USING THE ZERO SEQUENCE CURRENT", 30TH ANNUAL IEEE POWER ELECTRONICS SPECIALISTS CONFERENCE. PESC 99. RECORD. CHARLESTON; [ANNUAL POWER ELECTRONICS SPECIALISTS CONFERENCE], NEW YORK, NY : IEEE, US, 1 January 1999 (1999-01-01), pages 1083 - 1088, XP000924580, ISBN: 978-0-7803-5422-7 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022029256A1 (en) 2020-08-07 2022-02-10 TRUMPF Hüttinger GmbH + Co. KG Npc three-level converter comprising npc three-level compensating module for adjusting the centre potential
DE102020120870A1 (en) 2020-08-07 2022-02-10 TRUMPF Hüttinger GmbH + Co. KG Inverter with a balancing device

Also Published As

Publication number Publication date
DE112020004362A5 (en) 2022-06-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3333005B1 (en) Modular power electronics unit for charging an electrically powered vehicle
EP3973610A1 (en) Apparatus and method for charging an electric battery vehicle
WO2022207258A1 (en) Charging station, system, and method
EP3818604A1 (en) Device for coupling electrical grids
EP3136581A1 (en) Modular multilevel converter and method for operating same
DE102013221830A1 (en) Charging circuit for an energy storage device and method for charging an energy storage device
DE102011086087A1 (en) Electric inverter
DE10303421A1 (en) Current and voltage converter circuit has a primary transformer winding connected using alternate switching stages
WO2021047743A1 (en) System having at least one rectifier
EP2664049B1 (en) Assembly for feeding electrical energy into an energy supply network
DE102013212692A1 (en) Energy storage device with DC power supply circuit
WO2023006949A1 (en) Converter circuit for generating an isolated dc voltage
WO2016091300A1 (en) Bidirectional dc/dc controller with a divided intermediate circuit
DE102014203404A1 (en) Converter circuit and method of operating the same
DE102021108246A1 (en) Charging station and method of operating a charging station
EP3331118B1 (en) System for transmitting electric power
WO2018082786A1 (en) Installation for transmitting electrical power comprising a filter unit
WO2018158005A1 (en) Modular inverter
WO2016050720A1 (en) Hybrid m2c diode rectifier
DE102011083645A1 (en) Charging device for rechargeable battery used in electric vehicle, has three-phase rectifier connected in downstream of three-phase transformer to convert third three-phase alternating current into direct current for charging battery
WO2022207512A1 (en) Dc-to-dc converter device for a wind turbine, an electric drive system or an industrial dc supply system, and operating method
EP4097837A1 (en) Converter assembly and operating method for same
DE102020214265A1 (en) Device for low-common-mode conversion of alternating voltage
DE102021108250A1 (en) Charging station and method of operating a charging station
WO2022242936A1 (en) Method for operating a dc-dc converter for supplying an electrolysis device with electrical operating power

Legal Events

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

Ref document number: 20789827

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

REG Reference to national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R225

Ref document number: 112020004362

Country of ref document: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20789827

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1