WO2022112273A2 - Schaltungsanordnung und verfahren zum steuern von elektrischen betriebsmitteln und/oder netzleitungsabschnitten - Google Patents

Schaltungsanordnung und verfahren zum steuern von elektrischen betriebsmitteln und/oder netzleitungsabschnitten Download PDF

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WO2022112273A2 PCT/EP2021/082732 EP2021082732W WO2022112273A2 WO 2022112273 A2 WO2022112273 A2 WO 2022112273A2 EP 2021082732 W EP2021082732 W EP 2021082732W WO 2022112273 A2 WO2022112273 A2 WO 2022112273A2
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Thomas Petzoldt
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    • H02M7/4833—Capacitor voltage balancing

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement and a method for controlling and isolating electrical equipment and power line sections with the aid of multilevel converters, which are coupled to an n-stage intermediate voltage circuit, which consists of a direct series connection of capacitors.
  • the invention also relates to a method for selective current limitation and for voltage stability in DC networks, which can be configured in any network structures.
  • MMC modular multilevel converters
  • electronic, alternately switching switches in half or full bridge topology are used, each of which is permanently connected to a permanently assigned intermediate circuit capacitor.
  • These switch cells are connected in series to form switch cascades, so that there is no direct series connection of the intermediate circuit capacitors and the potentials of the switch cells therefore change at high slew rates in accordance with the switch positions.
  • the resulting displacement currents through the insulation cause both losses and electromagnetic interference in the environment.
  • modular multilevel converters are known, for example described in WO 2019/004015 A1, in which the alternately switching switches in a half-bridge circuit are only indirectly assigned to an intermediate circuit capacitor because the connection to this is implemented via an upstream or downstream half-bridge circuit.
  • the intermediate circuit capacitors can be connected directly in series and the number of half bridges corresponds to the number of stages of the capacitors connected in series. Disadvantages of these circuits are the asymmetrical loading of the intermediate circuit capacitors and the power semiconductors in the half-bridges.
  • An object of the present invention is therefore to overcome the disadvantages known from the prior art by providing an improved circuit arrangement and an improved method for operating this circuit arrangement, in particular for controlling and isolating electrical equipment and power line sections. Furthermore, the invention is intended to provide control methods which enable the selective current limitation of individual line sections of a complex DC network through to their voltage isolation and guarantee decentralized voltage maintenance of the entire network.
  • the invention is initially based on an intermediate voltage circuit whose individual capacitors are connected directly in series, with each capacitor drawing so much energy from a parallel current source or delivering it to it that its DC voltage remains constant on average. Furthermore, switch cells are used whose electronic switches switch on and off alternately.
  • the circuit arrangement according to the invention is suitable for controlling and enabling the connection of electrical equipment and/or power line sections with an n-stage intermediate voltage circuit (nUz), which consists of a series connection of n capacitors with the connection points (APo to APn ) .
  • nUz intermediate voltage circuit
  • each of the n capacitors has a parallel current source (Iq n ) which is coupled to a DC or AC source (Q) which charges the n capacitor voltages to the same average voltage value.
  • n half-bridge circuits (HB n ) each consisting of two switches S + n and S ⁇ n and having the connection points (HB + n ), (HB ° n ) and ( HB ⁇ n ) .
  • a first part of the n half-bridges (HB n ) is connected to the n-stage intermediate voltage circuit (nUz) via at least one high-side multilevel converter (HSMC).
  • HSMC high-side multilevel converter
  • its connection point (HB + n ) of the nth half-bridge (HB n ) is connected to the connection point (AP n) of the n-stage intermediate voltage circuit (nUz);
  • the connection point (HB ” i) of the first half-bridge (HBi) is connected to the connection point (APo) of the n-stage voltage intermediate circuit (nUz);
  • the connection point (HB ⁇ n ) of the nth half bridge (HB n ) is connected to the connection point (HB° ni ) of the (nl)th half bridge (HB n _i).
  • a second part of the n half-bridges (HB n ) is connected to the n-stage intermediate voltage circuit (nUz) via at least one low-side multilevel converter (LSMC).
  • LSMC low-side multilevel converter
  • At the LSMC is its connection point (HB ⁇ n ) of the nth half-bridge (HB n ) with the Connection point (AP n _i) of the n-stage voltage intermediate circuit (nUz) connected;
  • the connection point (HB + n ) of the nth half-bridge (HB n ) is connected to the connection point (AP n ) of the n-stage voltage intermediate circuit (nUz);
  • the connection point (HB° n ) of the nth half bridge (HB n ) is connected to the connection point (HB + ni ) of the (nl) th half bridge (HB n _i).
  • connection point (HB°i) of the first half-bridge (HBi) of the Low Side Multilevel Converter (LSMC) and the connection point (HB° n ) of the nth half-bridge (HB n ) of the High Side Multilevel Converter (HSMC) is connected.
  • the switch cells are connected in series and connected to the voltage intermediate circuit not directly, but via the switch cell immediately adjacent in the series circuit, which results in a linking of the control laws between the affected switch cells. If the connection points of an n-level voltage intermediate circuit are labeled APo beginning with APn up to APn , there are generally two circuit variants for the multilevel converter.
  • a high-side multilevel converter the first switch cell is connected directly to the first intermediate circuit capacitor. All other switch cells up to a number n have their plus connection connected directly to the plus connection of their assigned intermediate circuit capacitor, while their negative connection is connected to the negative connection of its intermediate circuit capacitor via the high-side switch of the upstream switch cell.
  • a low-side multilevel converter LSMC
  • the nth switch cell is directly connected to the nth intermediate circuit capacitor. All other switches Cells are directly connected with their negative connection to the negative connection of the associated intermediate circuit capacitor. The connection of the associated positive terminal of the nth switch cell to the positive terminal of its intermediate circuit capacitor is made via the low-side switch of the downstream switch cell.
  • Equipment or power line sections are connected to an HSMC at the center connection of the nth switch cell and the negative connection APo of the n-stage intermediate voltage circuit (negative connection of the first switch cell).
  • the connection points for the equipment or power line sections are located at the positive connection AP n of the intermediate voltage circuit and at the middle connection of the first switch cell.
  • the invention has the advantage that when connected to equipment or power line sections in uncontrolled operation, only one switch is current-carrying and consequently only small losses occur. In controlled operation, only one switch cell switches alternately under the condition that the high-side switch of the upstream switch cell is switched on in the case of an HSMC or the low-side switch of the downstream switch cell is switched on in the case of an LSMC.
  • An advantageous embodiment of the invention consists in the connection of several HSMC or LSMC to an n-stage intermediate voltage circuit. This means that radial DC networks can be operated selectively with each connected line section or, in the event of a fault, can be disconnected from the network.
  • the simultaneous connection of an HSMC and an LSMC with an n-stage intermediate voltage circuit and the connection of the equipment to the middle connections of the nth switch cell (in the case of HSMC) or the first switch cell (in the case of LSMC) allows the voltage polarity of the equipment to be reversed compared to the middle potential of the n-stage intermediate voltage circuit.
  • three-phase and multi-phase AC equipment or AC power lines can be connected to the center connections of the nth switch cells (in the case of HSMC) or the first switch cells (in the case of LSMC). - connections are coupled.
  • the method according to the invention for controlling and enabling the connection of electrical equipment and/or power line sections can be carried out with the circuit arrangement described above.
  • a number of k-1 switches (S ” i ; S ⁇ 2 ; ... ;S ” ki ) (k ⁇ n) starting from (S ” i) to (S ” ki ) switched on and the switch pair (S ” k ) and (S + k ) of the half-bridge ( HB k ) switched alternately, so that the voltage Ud H s to the value
  • Ud H s Uzi+Uz 2 +...+Uz k -i +v*Uz k .
  • Ud LS Uz n +Uz n _i+... +Uz n-k+i +v*Uz k sets.
  • v represents the ratio between the on-time of the switch (S + k ) and the period of the switching frequency.
  • the invention is based on the assumption that the one- to n-stage voltage intermediate circuits, which are to be provided at each network node k, are fundamentally connected to one another via HSMC or LSMC at the two connection points of a line section.
  • the number of line sections in DC networks that are coupled to one another at a network node also determines the number of HSMC or
  • the current flows through the line section at its first connection point, e.g. B. in the positive direction and at the second connection point in the negative direction.
  • the active switches of the HSMC or LSMC at the first connection point and the passive switches at the second connection point therefore carry the line current.
  • I maxi a defined maximum value
  • a current limiting controller of the HSMC or LSMC lowers its voltage and thus limits the line current to I maxi . If the current direction is reversed, the HSMC or LSMC located at the other end of the line section reacts accordingly.
  • the HSMC or LSMC reacts first with a positive current direction, while the HSMC or LSMC at the other end of the line section only intervenes after its current direction change and the line current has exceeded the value of I maxi .
  • both HSMCs or LSMCs located at the ends of the line section de-energize the line section in a very short time if I maxi is exceeded if the control pulses for the active switches of the two HSMCs or LSMCs involved are blocked at the same time.
  • the invention enables decentralized voltage stability in DC networks by assigning extended control functions to all current sources I q connected in parallel with the capacitors of the one- to n-stage voltage intermediate circuits and coupled to AC or DC sources.
  • a first group of said current sources I quk takes over the voltage regulation at the one- to n-stage voltage intermediate circuits, whose network node points are provided for the voltage regulation in the entire DC network.
  • At least a network node of a DC network must have such a network node.
  • the current sources feed the current into their parallel-connected capacitors of the one- to n-stage intermediate voltage circuit in such a way that either its total voltage or the n individual voltages of the capacitors are measured as the actual voltage value U ZkiSt with a value for the entire DC Mains uniform voltage setpoint U zsoii are compared.
  • a voltage controller amplifies this control deviation and forms a current setpoint i qksoii r at its output, which is to be limited depending on the voltage before it is adjusted in a possibly downstream current controller for the current i q k with the actual current value i q kactual.
  • the current setpoint i qksoii to be limited as a function of the voltage corresponds to the current of the current sources I qu k.
  • the voltage of the DC network is maintained with the voltage-dependent current limitation.
  • a second group of said current sources I qp k also takes on the regulation of the current requirement of the AC or DC sources coupled to the current sources I qp k at a network node k depending on the process requirements as consumer, energy store or energy source.
  • a process controller to be provided for this purpose forms the control deviation from the process setpoint X soii and process actual value Xi st and makes a correspondingly amplified current setpoint i qksoii , which again has to be limited as a function of the voltage, available to a current controller at its output.
  • the maximum current limit values I maxq relate to the current carrying capacity of the AC or DC sources coupled to the current sources.
  • the invention thus also provides a method for selective current limitation and decentralized voltage maintenance in DC networks, with multiple Interconnection of one- to n-stage voltage intermediate circuits is used, which have a series connection of n capacitors with parallel current sources I q and can be configured as ring or mesh networks.
  • a maximum current I maxi is defined for each line section k of the DC network, which is compared with the actual current value i kactual of line section k, which is limited to positive values.
  • This current difference is fed to a current limiting controller whose limited output value V k is proportional to the voltage U k , with the limiting value corresponding to the maximum output voltage and the modulation function of the HSMC or LSMC at the network node k in the sense that only after the maximum current I maxi has been exceeded does a
  • the voltage U k is reduced and the current is limited to the maximum value I maxi .
  • the current i ⁇ k+i)actual which is limited to positive values, is limited to the value I maxi at the network node k+1 with the aid of its HSMC or LSMC by reducing the voltage U k+i .
  • this method is characterized in that a first group of the current sources I qu k arranged in parallel with the series-connected capacitors of an n-stage voltage intermediate circuit takes over the regulation of the voltage U Z k at the network node k by either the total voltage of the n-stage voltage intermediate circuit or the n individual voltages of the capacitors are compared as actual voltage value U ZkiSt with a voltage setpoint U Zsoii that is uniform for the entire DC network and the control deviation is fed to a voltage controller, at the output of which there is a current setpoint i qksoii that is to be limited as a function of the voltage and that is used in a current controller for the Current i qk is compared with the actual current value i qkact .
  • a second group of current sources I qp k arranged in parallel with the series-connected capacitors of the n-stage voltage intermediate circuit takes over the control of the current requirement of the AC or DC sources coupled to the current sources I qp k depending on the process, in that a process controller based on the deviation between the process setpoint X soii and process actual value Xi st generates a voltage-dependent current setpoint i qksoii at the output, which is adjusted in a current controller for the current i qk with the current actual value iqkactual.
  • the HSMC or LSMC of both network nodes preferably switch off all active semiconductor switches, so that line section k of the DC network is switched off from current when the current passes through zero.
  • both multiple current sources I qk for controlling the voltage U Zk and multiple current sources I qpk for controlling the power requirement of the AC or DC sources coupled to the current sources I qpk are combined at the network node k to form a sum of current sources I qk .
  • FIG. 1 shows an nth switch cell; 2 shows an n-stage voltage intermediate circuit; 3 shows a high side multilevel converter (HSMC); FIG. 4 shows a more abstract representation of the high-side multilevel converter (HSMC) from FIG. 3;
  • HSMC high side multilevel converter
  • FIG. 5 shows a low side multilevel converter (LSMC);
  • FIG. 6 shows a more abstract representation of the low side multilevel converter (LSMC) from FIG. 5;
  • FIG. 8 shows an embodiment for the connection of three or more line sections via an LSMC to an n-stage voltage intermediate circuit
  • FIG. 10 shows an embodiment for the connection of three LSMC to an n-stage voltage intermediate circuit without a common return conductor
  • FIG. 11 shows the interconnection of an HSMC and an LSMC with an n-stage intermediate voltage circuit
  • FIG. 13 shows a modified embodiment of the circuit arrangement according to FIG. 12 14 shows a network node on a connected line section of a DC network
  • FIG. 16 shows a line section with connected network nodes in the upper part and a current limiting controller in the lower part;
  • FIG. 17 shows a network node with the associated intermediate voltage circuit in the upper part and a voltage regulator in the lower part;
  • Fig. 1 shows an nth switch cell with a high side switch S + n and a low side switch S ⁇ n in a half-bridge circuit HB n with the three connection points HB + n , HB ⁇ n and HB ° n .
  • nUz n-stage voltage intermediate circuit
  • Q parallel current sources
  • FIG. 3 shows a High Side Multilevel Converter (HSMC), which is shown more abstractly in FIG. In the same way, the low side multilevel converter is shown in FIG. 5 and FIG.
  • HSMC High Side Multilevel Converter
  • HSMC high-side multilevel converter
  • nUz n-stage intermediate voltage circuit
  • the voltage Ud Hs is applied to the DC equipment or DC line section to be connected. If all high-side switches of the HSMC are switched on, the voltage Ud Hs is identical to the sum of all capacitor voltages, the intermediate voltage circuit is fully connected to the DC equipment or DC line section. While the switch S + n conducts the current, their assigned capacitor voltage is present at all low-side switches S ” i to S ⁇ n .
  • Ud H s Uzi + Uz 2 +...+ Uz k -i + vUz k in, where v represents the ratio between the on time of the switch (S + k ) and the period of the switching frequency.
  • any voltage value can be set, ie only the required intermediate circuit capacitors and their parallel current sources participate in the energy exchange.
  • FIG. 7 shows the connection of three HSMC to an n-stage intermediate voltage circuit, as a result of which three or more line sections can exchange energy with one another or can be switched on and off.
  • FIG. 8 shows three or more line sections can be switched on and off via an LSMC with the n-stage intermediate voltage circuit.
  • three-phase or multi-phase AC equipment is connected without a common return conductor that is at neutral potential.
  • the mean voltage of the n-stage voltage intermediate circuit determines the mean voltage of the multi-phase systems.
  • An advantageous embodiment of the invention results from the combination of an HSMC with an LSMC, both of which are connected to the same n-stage intermediate voltage circuit.
  • 11 shows the interconnection of an HSMC and an LSMC with an n-stage intermediate voltage circuit.
  • the voltage Ud can be reversed, which results in possible four-quadrant operation for the connected equipment or line sections. This type of connection is therefore suitable for both DC and single-phase AC systems.
  • FIG. 12 shows an extension to combinations of three HSMCs and three LSMCs, which is therefore also suitable for three-phase and multi-phase systems in which each transformer winding can be connected separately via the multilevel converter.
  • FIG. 13 shows a modified embodiment of the circuit arrangement as shown in FIG. 12, also with three HSMC and three LSMC, only three lines being required for coupling to the three-phase AC network.
  • at least three high-side multilevel converters HSMC1, HSMC2, HSMC3 and at least three low-side multilevel converters LSMC1, LSMC2, LSMC3 are connected to an n-stage voltage intermediate circuit nUz.
  • connection points of the half-bridges HB° n of the HSMC and the connection points of the half-bridges HB°i of the LSMC are each connected to one another via a circulating current reactor, whose common connection point represents the connection to the three-phase or multi-phase equipment in the AC network.
  • circuit arrangement described above with its embodiments and the method mentioned can be used in different environments.
  • preferred applications in electrical networks for voltage or current control are presented.
  • Fig. 14 shows a network node k, consisting of a one- to n-stage voltage intermediate circuit with the current sources I qk arranged in parallel to the capacitors connected in series and a connected HSMC or LSMC with the voltage U k on the connected line section k of a DC network and the total intermediate circuit voltage U Zk .
  • the network node k+1 At the other end of the line section k is the network node k+1, which is structured in the same way, with the HSMC or LSMC with the connection voltage U k+i on the line section k and the one- to n-stage voltage intermediate circuit with the intermediate circuit voltage U Z k+ i and the parallel current sources I q k+i- Further line sections can be connected to both network nodes via HSMC or LSMC.
  • the sum of all current sources I qk determined by current supply or current drain the individual capacitor voltages and thus the entire intermediate circuit voltage U Z k by being coupled to AC or DC sources.
  • the network node k+1 Depending on their modulation, the HSMC or LSMC connected to line section k determine the two connection voltages U k and U k+i in the value range between zero and the associated intermediate circuit voltage and thus influence the current flow through line section k.
  • FIG. 15 shows an example of the structure of a ring network with four network nodes and four line sections, with the HSMC or LSMC only being shown symbolically.
  • FIG. 16 shows the line section k, shown in simplified form, with the connected network nodes k and k+1.
  • Both HSMC or LSMC of the network nodes now receive a current limiting controller shown in the lower part, whose control deviation from a maximum current value I maxi for the line section k and the actual values of the currents i kact , which are limited to exclusively positive current values, and for the network node k+1 i (k+ ui st , corresponding to the specified direction of the counting arrow.
  • the limitation controller is always in full control as long as the actual value remains below the setpoint value and thus the voltages U k and U k+i are at their maximum values, the correspond to those of their intermediate circuit voltages U Z k and U Z k+i.
  • the HSMC or MSMC are constantly in the on state with their high-side switches, which means that there are no switching losses.
  • the HSMC only lowers when the positive current value I maxi is exceeded or LSMC with positive current from its associated voltage U k or U k+i and thus limits the St rom through line section k to the value of I maxi .
  • both HSMC or LSMC limits the respective positive short-circuit current to the value of I maxi . If the two voltages U k and U k+i fall below a defined limit value U limit, the current will drop to zero in a very short time due to the blocking of the control signals of the active power semiconductors of the two HSMC or LSMC involved, which means that line section k is dead on both sides can be switched freely.
  • a further field of application of the invention relates to the voltage maintenance of a DC network.
  • the control functions of the current sources I q which are arranged parallel to the capacitors, of the one- to n-stage intermediate voltage circuits, which are present at each network node, are used.
  • Fig. 17 shows a network node k with the associated one- to n-stage intermediate voltage circuit with the voltage U Zk , the combined current sources I qk and a line section k of a DC network connected via HSMC or LSMC with the voltage U k and the stream i k .
  • the entire one- to n-stage intermediate voltage circuit draws its energy from the DC network via one or more HSMC or LSMC on the one hand and from the AC or DC sources on the other hand, which supply the current of the current sources I qk .
  • At least one of the current sources I qk must be able to regulate the intermediate circuit voltage U Zk to a value U Zsoii that is uniform for the entire DC network.
  • the internal current controller of the current sources regulates to this limited current setpoint iqksoii I qu k
  • FIG. 18 shows other current sources I qPk r connected to the one- to n-stage voltage intermediate circuits, which supply their coupled AC or DC sources with the current that is necessary as a consumer, energy store or energy source depending on the process requirements associated with them .
  • a process controller to be provided for this purpose forms the system deviation from the process setpoint X setpoint and process actual value Xi St and provides a current controller with a correspondingly amplified current setpoint i qksoii , which is again to be limited as a function of the voltage, at its output.
  • the voltage-dependent upper current-limiting function I ogw f(Uzk) increases, as shown in FIG. 19, in the voltage range between zero and a minimum value U min value zero, in the voltage range between U min and (U min + AU) it increases proportionally from the value zero to the value (I maxq - DI) and in the voltage range between (U min + AU) and a maximum value U max / in the middle of which the voltage setpoint U zsoii should ideally lie, it changes proportionally with increasing voltage from a current value ( I maxq - AI ) to the current value I maxq
  • the voltage control and its control deviations a natural voltage distribution of all network node voltages according to the power requirements of all process controllers of the DC network and due to the distributed impedances of the network line sections. If the limit values are exceeded, the load flow distribution of the DC network changes, in that the modulation of individual process or voltage-regulating AC or DC sources or the current conduction of individual line sections is limited or switched off, without the voltage stability of the entire network being impaired within known limits.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein- und mehrphasige High Side Multilevel Converter (HSMC) und LOW Side Multilevel Converter (LSMC), die mit einem n-stufigen Spannungszwischenkreis (nUz) verbunden sind. Jeder der n in Reihe geschalteten Kondensatoren des n-stufigen Spannungszwischenkreises weist eine parallele Stromquelle auf, die mit einer AC- oder DC- Quelle gekoppelt ist und den Mittelwert aller KondensatorSpannungen konstant hält. Die n Halbbrücken (HBn) sind bei einem HSMC so mit dem n- stufigen Spannungszwischenkreis (nUz) verbunden, dass ihr Anschlusspunkt ( HB+n) mit dem Anschlusspunkt (APn) des n stufigen Spannungszwischenkreises (nUz), der Anschlusspunkt (HB"i) mit dem Anschlusspunkt (APo) des n-stufigen Spannungszwischenkreis (nUz) und der Anschlusspunkt (HB~n) mit dem Anschlusspunkt (HB°n-l) verbunden sind und die elektrischen Betriebsmittel bzw. Leitungsabschnitte von DC Netzen an dem Anschlusspunkt (HB°n) und dem Anschlusspunkt (APo) angeschlossen sind. Im Fall eines LSMC ist der Anschlusspunkte (HB~n) mit dem Anschlusspunkt (APn-i), der Anschlusspunkt (HB+n) mit dem Anschlusspunkt (APn) und der Anschlusspunkt (HB°n) mit dem Anschlusspunkt (HB n-l) der Halbbrücken verbunden, wobei die elektrischen Betriebsmittel bzw. Leitungsabschnitte von DC Netzen an dem Anschlusspunkt (HB°i) und den Anschlusspunkt (APn) angeschlossen sind.

Description

Schaltungsanordnung und Verfahren zum Steuern von elektrischen
Betriebsmitteln und/oder Netzleitungsabschnitten
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Steuern und Freischalten von elektrischen Betriebsmitteln und Netzleitungsabschnitten mit Hilfe von Multilevel Convertern, die mit einem n stufigen Spannungszwischenkreis, der aus einer direkten Reihenschaltung von Kondensatoren besteht, gekoppelt sind.
Die Erfindung betrifft insbesondere auch ein Verfahren zur selektiven Strombegrenzung und zur Spannungshaltung in DC Netzen, die sich in beliebige Netzstrukturen konfigurieren lassen.
In bekannten modularen Multilevel Convertern (MMC), beispielsweise beschrieben in der DE 10103 031 B4, werden elektronische, alternierend schaltende Schalter in Halb- oder Vollbrückentopologie verwendet, die jeweils mit einem fest zugeordneten Zwischenkreiskondensator fest verbunden sind. Diese Schalterzellen werden zu Schalterkaskaden in Reihe geschaltet, sodass keine direkte Reihenschaltung der Zwischenkreiskondensatoren entsteht und sich somit die Potentiale der Schalterzellen mit hohen Anstiegsgeschwindig- keiten entsprechend der Schalterstellungen ändern. Die dabei auftretenden Verschiebungsströme durch die Isolation verursachen sowohl Verluste als auch elektromagnetische Störungen in der Umgebung. Weiterhin werden zur AC-DC Kopplung eines Mehrphasensystems pro Phase zwei der Schalterkaskaden mit einer Gesamtspannung, die der DC-Spannung entspricht, in Reihe geschaltet, wodurch im Vergleich mit einfach in Reihe geschalteten Leistungshalbleitern oder kondensatorgekoppelten Topologien der doppelte Aufwand an Leistungshalbleitern entsteht. Weiterhin sind im Betrieb derartiger Schaltungen ständig die Hälfte aller eingesetzten Schalterzellen stromführend und demzufolge an der Verlustentstehung beteiligt .
Weiterhin sind modulare Multilevel Converter bekannt, beispielsweise beschrieben in der WO 2019/004015 Al, bei denen die alternierend schaltenden Schalter in Halbbrückenschaltung nur indirekt einem Zwischenkreiskondensator zugeordnet sind, weil die Verbindung zu diesem jeweils über eine vor- oder nachgeordnete Halbbrückenschaltung realisiert wird. In diesem Fall der indirekten Kaskadierung können die Zwischenkreis- kondensatoren direkt in Reihe geschaltet werden und die Anzahl der Halbrücken entspricht der Stufenzahl der in Reihe geschalteten Kondensatoren. Nachteilig an diesen Schaltungen sind die unsymmetrische Belastung der Zwischenkreiskonden- satoren und der Leistungshalbleiter in den Halbbrücken.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu überwinden, durch Bereitstellung einer verbesserten Schaltungsanordnung sowie eines verbesserten Verfahrens zum Betrieb dieser Schaltungs- anordnung, insbesondere zum Steuern und Freischalten von elektrischen Betriebsmitteln und Netzleitungsabschnitten. Weiterhin soll die Erfindung Steuerverfahren bereitstellen, welche die selektive Strombegrenzung einzelner Leitungs- abschnitte eines komplexen DC Netzes bis hin zu deren Spannungsfreischaltung ermöglichen und eine dezentrale Spannungshaltung des gesamten Netzes garantieren.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten, sechsten und neunten Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Erfindung geht zunächst von einem Spannungszwischenkreis aus, dessen Einzelkondensatoren direkt in Reihe geschaltet sind, wobei jeder Kondensator aus einer parallelen Stromquelle so viel Energie bezieht oder an sie abgibt, dass seine Gleichspannung im Mittel konstant bleibt. Weiterhin werden Schalterzellen benutzt, deren elektronische Schalter alternierend ein- bzw. ausschalten.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eignet sich zum Steuern und Freischalten der Verbindung von elektrischen Betriebsmitteln und/oder Netzleitungsabschnitten mit einem n-stufigen Spannungszwischenkreis (nUz), der aus einer Reihenschaltung von n Kondensatoren mit den Anschlusspunkten (APo bis APn) besteht. Jeder der n Kondensatoren weist dazu eine parallele Stromquelle (Iqn) auf, die mit einer DC- oder AC-Quelle (Q) gekoppelt ist, welche die n Kondensator- spannungen im Mittel auf den gleichen Spannungswert auflädt. Weiterhin sind n Halbbrückenschaltungen (HBn) vorhanden, die jeweils aus zwei Schaltern S+ n und S~ n bestehen und die Anschlusspunkte (HB+ n), (HB°n) und (HB~ n) aufweisen. Ein erster Teil der n Halbbrücken (HBn) ist mit dem n-stufigen Spannungszwischenkreis (nUz) über mindestens einen High Side Multilevel Converter (HSMC) angeschlossen. Am HSMC ist dessen Anschlusspunkt (HB+ n) der n-ten Halbbrücke (HBn) mit dem Anschlusspunkt (APn) des n-stufigen Spannungszwischenkreises (nUz) verbunden; der Anschlusspunkt (HB”i) der ersten Halb- brücke (HBi) ist mit dem Anschlusspunkt (APo) des n-stufigen Spannungszwischenkreises (nUz) verbunden; und der Anschluss- punkt (HB~ n) der n-ten Halbbrücke (HBn) ist mit dem Anschluss- punkt (HB°n-i) der (n-l)-ten Halbbrücke (HBn_i) verbunden. Ein zweiter Teil der n Halbbrücken (HBn) ist mit dem n-stufigen Spannungszwischenkreis (nUz) über mindestens einen Low Side Multilevel Converter (LSMC) angeschlossen. Am LSMC ist dessen Anschlusspunkt (HB~ n) der n-ten Halbbrücke (HBn) mit dem Anschlusspunkt (APn_i) des n-stufigen Spannungszwischenkreises (nUz) verbunden; der Anschlusspunkt (HB+ n) der n-ten Halbbrücke (HBn) ist mit dem Anschlusspunkt (APn) des n-stufigen Spannungszwischenkreises (nUz) verbunden; und der Anschlusspunkt (HB°n) der n-ten Halbbrücke (HBn) ist mit dem Anschlusspunkt (HB+ n-i) der (n-l)-ten Halbbrücke (HBn_i) verbunden. Und schließlich sind die elektrischen Betriebs- mittel und/oder Netzleitungsabschnitte an dem Anschlusspunkt (HB°i) der ersten Halbbrücke (HBi) des Low Side Multilevel Converter (LSMC) und dem Anschlusspunkt (HB°n) der n-ten Halbbrücke (HBn) des High Side Multilevel Converter (HSMC) angeschlossen .
Die Reihenschaltung der Schalterzellen und deren Verbindung mit dem Spannungszwischenkreis erfolgt nicht direkt, sondern jeweils über die unmittelbar in der Reihenschaltung benach- barte Schalterzelle, was eine Verknüpfung der Steuergesetze zwischen den betroffenen Schalterzellen zur Folge hat. Werden die Anschlusspunkte eines n-stufigen Spannungszwischenkreises mit APo beginnend bis APn bezeichnet, ergeben sich generell zwei Schaltungsvarianten für die Multilevel Converter.
Bei der ersten Variante - einem High Side Multilevel Converter (HSMC) - ist die erste Schalterzelle direkt mit dem ersten Zwischenkreiskondensator verbunden. Alle anderen Schalter- zellen bis zur Anzahl n sind mit ihrem Plusanschluss direkt an den Plusanschluss ihres zugeordneten Zwischenkreiskondensators angeschlossen, während ihr Minusanschluss über den High Side Schalter der vorgeordneten Schalterzelle mit dem Minus- anschluss seines Zwischenkreiskondensators verbunden ist.
Bei der zweiten Variante - einem Low Side Multilevel Converter (LSMC) - ist die n-te Schalterzelle direkt mit dem n-ten Zwischenkreiskondensator verbunden. Alle anderen Schalter- zellen sind mit ihrem Minusanschluss direkt an den Minus- anschluss des zugeordneten Zwischenkreiskondensators angeschlossen. Die Verbindung des zugehörigen Plusanschlusses der n-ten Schalterzelle an den Plusanschluss seines Zwischen- kreiskondensators erfolgt jeweils über den Low Side Schalter der nachgeordneten Schalterzelle.
Der Anschluss von Betriebsmitteln oder Netzleitungsabschnitten an einen HSMC erfolgt an den Mittenanschluss der n-ten Schalterzelle und den Minusanschluss APo des n-stufigen Spannungszwischenkreis (Minusanschluss der ersten Schalterzelle) . Im Fall eines LSMC befinden sich die Anschlusspunkte der Betriebsmittel oder Netzleitungsabschnitte am Plusanschluss APn des Spannungszwischenkreises und am Mittenanschluss der ersten Schalterzelle.
Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass bei der Verbindung mit Betriebsmitteln oder Netzleitungsabschnitten im ungesteuerten Betrieb jeweils nur ein Schalter stromführend ist und demzufolge nur geringe Verluste entstehen. Im gesteuerten Betrieb schaltet jeweils nur eine Schalterzelle alternierend unter der Bedingung, dass der High Side Schalter der vorgeordneten Schalterzelle im Fall eines HSMC bzw. der Low Side Schalter der nachgeordneten Schalterzelle im Fall eines LSMC eingeschaltet ist.
Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung besteht in dem Anschluss mehrerer HSMC oder LSMC an einen n-stufigen Spannungszwischenkreis. Damit können strahlenförmige DC-Netze mit jedem angeschlossenen Netzleitungsabschnitt selektiv betrieben werden bzw. im Fehlerfall vom Netz getrennt werden.
Die Verschaltung eines HSMC mit einem n-stufigen Spannungs- zwischenkreis mit positiver Polung und neutralem Potential und von einem LSMC mit einem n-stufigen Spannungszwischenkreis mit negativer Polung gegenüber dem neutralen Potential führt zu einer Konfiguration eines Dreileiter-DC-Netzes mit gemeinsamen Neutralleiter .
Die gleichzeitige Verbindung eines HSMC und eines LSMC mit einem n-stufigen Spannungszwischenkreis und der Anschluss der Betriebsmittel jeweils an den Mittenanschlüssen der n-ten Schalterzelle (im Fall HSMC) oder der ersten Schalterzelle (im Fall LSMC) erlaubt die Spannungsumpolung am Betriebsmittel gegenüber dem Mittenpotential des n-stufigen Spannungszwischenkreis .
Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung mit mindestens drei verschalteten HSMC oder LSMC können jeweils an den Mittenanschlüssen der n-ten Schalterzellen (im Fall HSMC) oder der ersten Schalterzellen (im Fall LSMC) drei- und mehrphasige AC-Betriebsmittel bzw. AC-Netzleitungs- anschlüsse gekoppelt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Steuern und Freischalten der Verbindung von elektrischen Betriebsmitteln und/oder Netzleitungsabschnitten kann mit der zuvor beschriebenen Schaltungsanordnung ausgeführt werden. Zur Einstellung einer definierten Spannung UdHs auf einen Wert zwischen Null und der Summe aller n Kondensatorspannungen Uz, die an dem elek- trischen DC-Betriebsmittel und/oder DC-Netzleitungsabschnitt anliegt, werden eine Anzahl von k-1 Schaltern (S”i; S~ 2; ... ;S” k-i) (k<=n) von (S”i) beginnend bis (S” k-i) eingeschaltet und das Schalterpaar (S” k) und (S+ k) der Halbbrücke (HBk) alternierend geschaltet, so dass sich die Spannung UdHs auf den Wert
UdHs = Uzi+Uz2+...+Uzk-i +v*Uzk einstellt. Zur Einstellung der Spannung (UdLs) auf einen beliebigen Wert zwischen Null und der Summe aller n Konden- satorspannungen Uz, die an dem elektrischen DC-Betriebsmittel und/oder DC-Netzleitungsabschnitt anliegt, werden eine Anzahl von k-1 Schaltern (S+ n; S+ n-i; ... ; S+ k-i) (k<=n) von (S+ n) beginnend bis (S+ k-i) eingeschaltet und das Schalterpaar (S” k) und (S+ k) der Halbbrücke (HBk) alternierend geschaltet, so dass sich die Spannung (UdLs) auf den Wert
UdLS = Uzn+Uzn_i+... +Uzn-k+i +v*Uzk einstellt. Dabei stellt v das Verhältnis zwischen der Einzeit des Schalters (S+ k) und der Periodendauer des Schaltfrequenz dar.
Gemäß einer Ausführungsform werden zur Trennung von den elektrischen Betriebsmitteln und/oder den Netzleitungs- abschnitten alle Schalter (S” n) eingeschaltet (UdHs= Null) und zu deren Verbindung alle Schalter (S+ n) eingeschaltet (UdHS = Uz).
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden zur Trennung von den elektrischen Betriebsmitteln und/oder den Netzleitungs- abschnitten alle Schalter (S+ n) eingeschaltet (UdLs= Null) und zu deren Verbindung alle Schalter (S” n) eingeschaltet (UdLS = Uz).
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform geht die Erfindung davon aus, dass die ein- bis n-stufigen Spannungszwischen- kreise, die an jedem Netzknotenpunkt k vorzusehen sind, grundsätzlich über HSMC oder LSMC an den beiden Anschluss- punkten eines Leitungsabschnittes miteinander verbunden sind. Die Anzahl der Leitungsabschnitte in DC Netzen, die an einem Netzknotenpunkt miteinander gekoppelt sind, bestimmt damit auch die Anzahl der mit dem ein- bis n-stufigen Spannungs- zwischenkreis des Netzknotenpunktes verbundenen HSMC oder
LSMC. Bei einheitlicher Definition der Stromrichtung fließt im ungestörten Betrieb des DC Netzes der Strom durch den Leitungsabschnitt an seinem ersten Anschlusspunkt z. B. in positive Richtung und an dem zweiten Anschlusspunkt in negative Richtung. Die aktiven Schalter des HSMC oder LSMC am ersten Anschlusspunkt und die passiven Schalter am zweiten Anschlusspunkt führen demzufolge den Leitungsstrom. Über- schreitet der positive Strom eines HSMC oder LSMC einen definierten Maximalwert Imaxi, der vom Leiterquerschnitt des Leitungsabschnittes abhängt, senkt ein Strombegrenzungsregler der HSMC oder LSMC deren Spannung ab und begrenzt damit den Leitungsstrom auf Imaxi . Bei umgekehrter Stromrichtung reagiert der am anderen Ende des Leitungsabschnittes befindliche HSMC oder LSMC entsprechend. Im Kurzschluss innerhalb eines Leitungsabschnittes reagiert zuerst der HSMC oder LSMC mit positiver Stromrichtung, während der HSMC oder LSMC am anderen Ende des Leitungsabschnittes erst nach seinem Stromrichtungs- wechsel und Überschreitung des Leitungsstromes über den Wert von Imaxi eingreift. Bei dominanter Übersteuerung der Strom- begrenzungsregler schalten beide an den Enden des Leitungs- abschnittes befindliche HSMC oder LSMC bei Überschreitung von Imaxi den Leitungsabschnitt in kürzester Zeit stromlos, wenn gleichzeitig die Ansteuerimpulse für die aktiven Schalter der beiden beteiligten HSMC oder LSMC gesperrt werden.
Besonders vorteilhaft ermöglicht die Erfindung die dezentrale Spannungshaltung in DC Netzen, indem allen zu den Konden- satoren der ein- bis n-stufigen Spannungszwischenkreisen parallel geschalteten und mit AC oder DC Quellen gekoppelten Stromquellen Iq erweiterte Steuerfunktionen zugewiesen werden. Dazu übernimmt eine erste Gruppe der genannten Stromquellen Iquk die Spannungsregelung an den ein- bis n-stufigen Spannungszwischenkreisen, deren Netzkontenpunkte im gesamten DC Netz für die Spannungsregelung vorgesehen sind. Mindestens ein Netzknotenpunkt eines DC Netzes muss einen solchen Netzknoten aufweisen. Die Stromquellen speisen am Netzknoten- punkt k den Strom so in ihre parallel geschalteten Konden- satoren des ein- bis n-stufigen Spannungszwischenkreises ein, dass entweder dessen Gesamtspannung oder die n Einzel- spannungen der Kondensatoren als Spannungsistwert UZkiSt mit einem für das gesamte DC Netz einheitlichem Spannungssollwert Uzsoii verglichen werden. Ein Spannungsregler verstärkt diese Regelabweichung und bildet an seinem Ausgang einen Strom- sollwert iqksoiir der spannungsabhängig zu begrenzen ist, bevor er in einem evtl, nachgeschalteten Stromregler für den Strom iqk mit dem Stromistwert iqkist abgeglichen wird. Der spannungs- abhängig zu begrenzende Stromsollwert iqksoii entspricht dabei dem Strom der Stromquellen Iquk· Mit der spannungsabhängigen Strombegrenzung erfolgt die Spannungshaltung des DC Netzes.
Eine zweite Gruppe der genannten Stromquellen Iqpk übernimmt ebenfalls an einem Netzknotenpunkt k die Regelung des Strombedarfes der mit den Stromquellen Iqpk gekoppelten AC oder DC Quellen in Abhängigkeit der Prozessanforderungen als Verbraucher, Energiespeicher oder Energiequelle. Ein dazu vorzusehender Prozessregler bildet die Regelabweichung aus Prozesssollwert Xsoii und Prozessistwert Xist und stellt an seinem Ausgang einen entsprechend verstärkten und wieder spannungsabhängig zu begrenzenden Stromsollwert iqksoii einem Stromregler zur Verfügung.
Da beide Gruppen von Stromquellen sowohl positive als auch negative Ströme führen, gelten die Steuergesetze der spannungsabhängigen Stromsollwertbegrenzung für beide in gleicher Weise, d. h. positiver Strom entspricht einem Stromverbrauch aus dem Netzknotenpunkt und negativer Strom entspricht einer Stromeinspeisung in den Netzknotenpunkt. Die spannungsabhängige obere Strombegrenzungsfunktion Iogw = f(Uzk) nimmt dabei im Spannungsbereich zwischen Null und einem Minimalwert Umin den Wert Null an, in dem Spannungs- bereich zwischen Umin und (Umin + AU) steigt sie proportional von dem Wert Null auf den Wert (Imaxq - DI) an und in dem Spannungsbereich zwischen (Umin + AU) und einem Maximalwert Umaxt in dessen Mitte optimal der Spannungssollwert Uzsoii liegen sollte, ändert sie sich proportional mit ansteigender Spannung von einem Stromwert (Imaxq - AI) bis zum Stromwert Imaxq·
Die spannungsabhängige untere Strombegrenzungsfunktion Iugw = f(UZk) weist im Spannungsbereich oberhalb von Umax den Wert Null auf, in dem Spannungsbereich zwischen (Umax - AU) und Umax ändert sie sich proportional mit abnehmender Spannung von dem Wert Null auf den Wert -(Imaxq - AI) und im Spannungsbereich zwischen Umin und (Umax - AU) nimmt sie proportional mit abnehmender Spannung von dem Stromwert -(Imaxq - AI) bis zu dem Stromwert -Imaxq ab. Die maximalen Strombegrenzungswerte Imaxq beziehen sich dabei auf die Stromtragfähigkeit der mit den Stromquellen gekoppelten AC oder DC Quellen.
Die Erfindung stellt in Anwendung der beschriebenen Schaltungsanordnung somit auch ein Verfahren zur selektiven Strombegrenzung und dezentralen Spannungshaltung in DC Netzen breit, wobei eine über Leitungsabschnitte des DC Netzes und kaskadierbaren High Side Multilevel Converter (HSMC) und/oder Low Side Multilevel Converter (LSMC) mehrfache Zusammen- schaltung von ein- bis n-stufigen Spannungszwischenkreisen zum Einsatz kommet, die eine Reihenschaltung von n Kondensatoren mit parallelen Stromquellen Iq aufweisen und beliebig als Ring- oder Maschennetze konfigurierbar sind. Dazu wird für jeden Leitungsabschnitt k des DC Netzes ein maximaler Strom Imaxi definiert, der mit dem auf positive Werte begrenzten Stromistwert ikist des Leitungsabschnittes k verglichen wird. Diese Stromdifferenz wird einem Strombegrenzungsregler zugeführt, dessen begrenzter Ausgangswert Vk der Spannung Uk proportional ist, wobei der Begrenzungswert der maximalen Ausgangsspannung und der Aussteuerungsfunktion des HSMC oder LSMC am Netzknotenpunkt k in dem Sinne entspricht, dass erst nach Überschreitung des maximalen Stromes Imaxi eine Reduzierung der Spannung Uk einsetzt und dabei der Strom auf den Maximal- wert Imaxi begrenzt wird. In gleicher Weise wird am Netzknoten- punkt k+1 mithilfe seiner HSMC oder LSMC der auf positive Werte begrenzte Strom i<k+i)istdurch Reduzierung der Spannung Uk+i auf den Wert Imaxi begrenzt.
Weiterhin zeichnet sich dieses Verfahren dadurch aus, dass eine erste Gruppe der zu den reihengeschalteten Kondensatoren eines n-stufigen Spannungszwischenkreises parallel angeordneten Stromquellen Iquk die Regelung der Spannung UZk am Netzknotenpunkt k übernimmt, indem entweder die Gesamtspannung des n-stufigen Spannungszwischenkreises oder die n Einzel- spannungen der Kondensatoren als Spannungsistwert UZkiSt mit einem für das gesamte DC Netz einheitlichem Spannungssollwert UZsoii verglichen werden und die Regelabweichung einem Spannungsregler zugeführt wird, an dessen Ausgang ein spannungsabhängig zu begrenzender Stromsollwert iqksoii anliegt, der in einem Stromregler für den Strom iqk mit dem Stromistwert iqkist abgeglichen wird. Dabei übernimmt eine zweite Gruppe der zu den reihengeschalteten Kondensatoren des n-stufigen Spannungszwischenkreises parallel angeordneten Stromquellen Iqpkdie Regelung des Strombedarfes der mit den Stromquellen Iqpk gekoppelten AC oder DC Quellen prozessabhängig, indem ein Prozessregler auf Basis der Regelabweichung zwischen Prozess- sollwert Xsoii und Prozessistwert Xist am Ausgang einen spannungsabhängig zu begrenzenden Stromsollwert iqksoii erzeugt, der in einem Stromregler für den Strom iqk mit dem Stromistwert iqkist abgeglichen wird. Bevorzugt schalten bei Unterschreitung eines definierten Spannungsgrenzwertes Ugrenz der beiden Spannungen Uk und Uk+i die HSMC oder LSMC beider Netzknotenpunkte alle aktiven Halbleiterschalter ab, sodass ab Stromnulldurchgang der Leitungsabschnitt k des DC Netzes stromlos geschaltet wird.
Es ist vorteilhaft, wenn bei Stromverbrauch aus dem Netzknotenpunkt k die spannungsabhängige obere Strombegrenzungsfunktion Iogw = f (UZk) im Spannungsbereich zwischen Null und einem Minimalwert Umin den Wert Null annimmt, in dem Spannungsbereich zwischen Umin und Umin + AU von dem Wert Null auf den Wert Imaxq - DI ansteigt und in dem Spannungsbereich zwischen Umin + AU und einem Maximalwert Umax/ in dessen Mitte vorzugsweise der Spannungssollwert Uzsoii liegt, sich proportional mit ansteigender Spannung von einem Stromwert Imaxq - AI bis zum Stromwert Imaxq einstellt.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn bei Stromeinspeisung in den Netzknotenpunkt k die spannungsabhängige untere Strombegren- zungsfunktion Iugw = f (UZk) im Spannungsbereich oberhalb von Umax den Wert Null annimmt, in dem Spannungsbereich zwischen Umax - AU und Umax mit abnehmender Spannung von dem Wert Null bis zu dem Wert -(Imaxq - AI) abnimmt und in dem Spannungs- bereich zwischen Umin und Umax - AU sich proportional mit abnehmender Spannung von dem Stromwert -(Imaxq - AI) bis zu dem Stromwert -Imaxq einstellt.
Vorzugsweise werden sowohl mehrere Stromquellen Iquk für die Regelung der Spannung UZk als auch mehrere Stromquellen Iqpk für die Regelung des Strombedarfes der mit den Stromquellen Iqpk gekoppelten AC oder DC Quellen am Netzknotenpunkt k zu einer Summe von Stromquellen Iqk zusammengefasst. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind. Es zeigen:
Fig. 1 eine n-te Schalterzelle; Fig. 2 einen n-stufigen Spannungszwischenkreis; Fig. 3 einen High Side Multilevel Converter (HSMC); Fig. 4 eine abstraktere Darstellung des High Side Multilevel Converter (HSMC) aus Fig. 3;
Fig. 5 einen Low Side Multilevel Converter (LSMC); Fig. 6 eine abstraktere Darstellung des Low Side Multilevel Converter (LSMC) aus Fig. 5;
Fig. 7 eine Ausführungsform für den Anschluss von drei HSMC an einen n-stufigen Spannungszwischenkreis;
Fig. 8 eine Ausführungsform für den Anschluss von drei oder mehr Leitungsabschnitten über einen LSMC an einen n-stufigen Spannungszwischenkreis;
Fig. 9 eine Ausführungsform für den Anschluss von drei HSMC an einen n-stufigen Spannungszwischenkreis unter Verzicht auf einen gemeinsamen Rückleiter;
Fig. 10 eine Ausführungsform für den Anschluss von drei LSMC an einen n-stufigen Spannungszwischenkreis unter Verzicht auf einen gemeinsamen Rückleiter;
Fig. 11 die Verschaltung eines HSMC und eines LSMC mit einem n-stufigen Spannungszwischenkreis;
Fig. 12 eine Kombinationen von jeweils drei HSMC und drei LSMC;
Fig. 13 eine abgewandelte Ausführungsform der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 12 Fig. 14 ein Netzknotenpunkt an einem angeschlossenen Leitungsabschnitt eines DC Netzes;
Fig. 15 ein Ringnetz mit vier Netzknotenpunkten und vier Leitungsabschnitten;
Fig. 16 im oberen Teil einen Leitungsabschnitt mit angeschlossenen Netzknotenpunkten und im unteren Teil einen Strombegrenzungsregler;
Fig. 17 im oberen Teil einen Netzknoten mit zugehörigem Spannungszwischenkreis und im unteren Teil einen Spannungsregler;
Fig. 18 im oberen Teil an Spannungszwischenkreise angeschlossene Stromquellen und im unteren Teil einen Prozessregler;
Fig. 19 eine spannungsabhängige Strombegrenzungsfunktion.
Fig. 1 zeigt eine n-te Schalterzelle mit einem High Side Schalter S+ n und einem Low Side Schalter S~ n in einer Halb- brückenschaltung HBn mit den drei Anschlusspunkten HB+ n, HB~ n und HB°n.
In Fig. 2 ist ein n-stufiger Spannungszwischenkreis (nUz) mit seinen Anschlusspunkten APo bis APn und den gekoppelten parallelen Stromquellen (Q) abgebildet.
Fig. 3 zeigt einen High Side Multilevel Converter (HSMC), der in Fig. 4 abstrakter dargestellt ist. In gleicher Weise sind der Low Side Multilevel Converter in Fig. 5 und Fig. 6 abgebildet .
Am Beispiel des in Fig. 3 dargestellten High Side Multilevel Converter (HSMC) soll nachfolgend seine Grundfunktion an einem n-stufigen Spannungszwischenkreis erläutert werden. Der HSMC ist, wie beschrieben, mit dem n-stufigen Spannungszwischen- kreis (nUz) verbunden. Die Spannung UdHs liegt an dem anzuschließenden DC-Betriebsmittel oder DC-Leitungsabschnitt an. Sind alle High Side Schalter des HSMC eingeschaltet, ist die Spannung UdHs identisch mit der Summe aller Kondensator- spannungen, der Spannungszwischenkreis ist vollständig mit dem DC-Betriebsmittel oder DC-Leitungsabschnitt verbunden. Während der Schalter S+ n den Strom führt, liegt an allen Low Side Schaltern S”i bis S~ n ihre zugeordnete Kondensatorspannung an. Zum Trennen der Verbindung zwischen dem DC-Betriebsmittel oder DC-Leitungsabschnitt und dem n-stufigen Spannungszwischenkreis schalten alle Low Side Schalter S”i bis S~ n ein und alternierend die High Side Schalter aus, wodurch die Spannung UdHs den Wert von Null annimmt. Im nachfolgenden Stromnulldurchgang kann der Stromkreis aufgetrennt werden. Soll sich eine beliebige Spannung zwischen dem Wert Null und dem Summenwert aller Kondensatorspannungen Uz einstellen, schalten die erforderlichen k (k<=n) High Side Schalter s\ bis S+ k-i ständig ein, während die Schalter S+ k und S~ k alternierend ein- und ausschalten. Die gewünschte Spannung (UdHs) stellt sich dabei auf den Wert
UdHs = Uzi + Uz2+...+ Uzk-i + vUzk ein, wobei v das Verhältnis zwischen der Einzeit des Schalters (S+ k) und der Periodendauer des Schaltfrequenz darstellt.
Unter der Bedingung, dass ein alternierendes Schalten einer Halbbrücke nur dann erfolgt, wenn jeweils die vorgeordneten Schalter S+ k-i sich im Ein Zustand befinden, kann jeder Spannungswert eingestellt werden, d. h. am Energieaustausch beteiligen sich nur die benötigten Zwischenkreiskondensatoren und deren parallel angeordnete Stromquellen.
Für den LSMC gelten die beschriebenen Abläufe entsprechend der Darstellung in Fig. 5 in angepasster Reihenfolge. Fig. 7 zeigt den Anschluss von drei HSMC an einen n-stufigen Spannungszwischenkreis, wodurch drei oder auch mehrere Leitungsabschnitte miteinander Energie austauschen können bzw. zu- und abgeschaltet werden können. In gleicher Weise (Fig. 8) lassen sich drei oder auch mehrere Leitungsabschnitte über einen LSMC mit dem n-stufigen Spannungszwischenkreis zu- und abschalten .
In den Fig. 9 und 10 werden unter Verzicht auf jeweils einen gemeinsamen Rückleiter, der sich auf neutralem Potential befindet, drei- oder mehrphasige AC-Betriebsmittel ange- schlossen. Die Mittenspannung des n-stufigen Spannungs- zwischenkreises bestimmt dabei die Mittenspannung der Mehrphasensysteme .
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich aus der Kombination eines HSMC mit einem LSMC, die beide an denselben n-stufigen Spannungszwischenkreis angeschlossen werden. Fig. 11 zeigt die Verschaltung eines HSMC und eines LSMC mit einem n-stufigen Spannungszwischenkreis. In dieser Ausführung kann die Spannung Ud umgepolt werden, woraus sich ein möglicher Vierquadranten-Betrieb für die angeschlossenen Betriebsmittel bzw. Leitungsabschnitte ergibt. Somit ist diese Art des Anschlusses sowohl für DC als auch für einphasige AC Systeme geeignet.
Fig. 12 zeigt eine Erweiterung auf Kombinationen von jeweils drei HSMC und drei LSMC, die damit auch für Drei- und Mehr- phasensysteme geeignet ist, bei denen jede Transformator- wicklung über die Multilevel Converter separat angeschlossen werden kann. Fig. 13 zeigt ein abgewandelte Ausführungsform der Schaltungsanordnung, wie sie in Fig. 12 dargestellt ist, ebenfalls mit drei HSMC und drei LSMC, wobei nur drei Leitungen für die Kopplung an das dreiphasige AC-Netz benötigt werden. Bei dieser Schaltungsanordnung sind an einem n-stufigen Spannungszwischenkreis nUz mindestens drei High Side Multilevel Converter HSMC1, HSMC2, HSMC3 und mindestens drei Low Side Multilevel Converter LSMC1, LSMC2, LSMC3 angeschlossen. Die Anschlusspunkte der Halbbrücken HB°n der HSMC und die Anschlusspunkte der Halbbrücken HB°i der LSMC sind jeweils über eine Kreisstromdrossel miteinander verbunden, deren jeweils gemeinsamer Anschlusspunkt die Verbindung zu den drei- oder mehrphasigen Betriebsmitteln im AC-Netz darstellt.
Es ist ersichtlich, dass die zuvor beschriebene Schaltungs- anordnung mit ihren Ausführungsformen sowie das genannte Verfahren in verschiedenen Umgebungen einsetzbar sind. Nachfolgend werden bevorzugte Einsatzfälle in elektrische Netzen zur Spannungs- bzw. Stromsteuerung dargestellt.
Fig. 14 zeigt einen Netzknotenpunkt k, bestehend aus einem ein- bis n-stufigen Spannungszwischenkreis mit den zu den in Reihe geschalteten Kondensatoren parallel angeordneten Stromquellen Iqk und einen verbundenen HSMC oder LSMC mit der Spannung Uk an dem angeschlossenem Leitungsabschnitt k eines DC Netzes und der gesamten Zwischenkreisspannung UZk. Am anderen Ende des Leitungsabschnittes k befindet sich der in gleicher Weise strukturierte Netzknotenpunkt k+1 mit den HSMC oder LSMC mit der Anschlussspannung Uk+i am Leitungsabschnitt k und dem ein- bis n- stufigen Spannungszwischenkreis mit der Zwischen- kreisspannung UZk+i und den parallelen Stromquellen Iqk+i- An beiden Netzknotenpunkten können über HSMC oder LSMC weitere Leitungsabschnitte angeschlossen sein. Die Summe aller Stromquellen Iqk bestimmt durch Stromzufuhr oder Stromentnahme die einzelnen Kondensatorspannungen und damit die gesamte Zwischenkreisspannung UZk, indem sie jeweils mit AC oder DC Quellen gekoppelt sind. Gleiches gilt für den Netzknotenpunkt k+1. Die jeweils an den Leitungsabschnitt k angeschlossenen HSMC oder LSMC bestimmen entsprechend ihrer Aussteuerung die beiden Anschlussspannungen Uk und Uk+i im Wertebereich zwischen Null und der zugeordneten Zwischenkreisspannung und beein- flussen damit den Stromfluss durch den Leitungsabschnitt k.
Fig. 15 zeigt beispielhaft die Struktur eines Ringnetzes mit vier Netzknotenpunkten und vier Leitungsabschnitten, wobei die HSMC oder LSMC nur symbolisch dargestellt sind.
Fig. 16 zeigt im oberen Teil den vereinfacht dargestellten Leitungsabschnitt k mit den angeschlossenen Netzknotenpunkten k und k+1. Beide HSMC oder LSMC der Netzknotenpunkte erhalten jetzt einen im unteren Teil dargestellten Strombegrenzungs- regler, dessen Regelabweichung aus einem maximalen Stromwert Imaxi für den Leitungsabschnitt k und den jeweils auf ausschließlich positive Stromwerte begrenzten Istwerten der Ströme ikist und für den Netzknotenpunkt k+1 i(k+uist, entsprechend der festgelegten Zählpfeilrichtung, gebildet wird. Durch diese Begrenzungen befindet sich der Begrenzungs- regler immer in Vollaussteuerung, solange der Istwert unterhalb des Sollwertes bleibt und somit auch die Spannungen Uk und Uk+i auf ihren Maximalwerten, die denen ihrer Zwischen- kreisspannungen UZk und UZk+i entsprechen. Die HSMC oder MSMC sind mit ihren High Side Schaltern ständig im Ein-Zustand, wodurch keine Schaltverluste zu verzeichnen sind. Erst bei Überschreitung des positiven Stromwertes Imaxi senkt derjenige HSMC oder LSMC mit positivem Strom seine zugehörige Spannung Uk oder Uk+i ab und begrenzt damit den Strom durch den Leitungs- abschnitt k auf den Wert von Imaxi . Für den Fall eines Kurzschlusses im Leitungsabschnitt k liefern beide HSMC oder LSMC den jeweils positiven Kurzschlussstrom auf den Wert von Imaxi begrenzt. Ein Unterschreiten der beiden Spannungen Uk und Uk+i unter einen definierten Grenzwert Ugrenz wird durch Sperrung der Ansteuersignale der aktiven Leistungshalbleiter der beiden beteiligten HSMC oder LSMC der Strom in kürzester Zeit auf den Wert Null abnehmen, wodurch der Leitungsabschnitt k beidseitig stromlos frei geschaltet werden kann.
Ein weiteres Einsatzfeld der Erfindung betrifft die Spannungshaltung eines DC Netzes. Dazu werden die Steuerfunktionen der zu den Kondensatoren parallel angeordneten Stromquellen Iq der ein- bis n-stufigen Spannungszwischenkreise benutzt, die an jedem Netzknotenpunkt vorhanden sind.
Fig. 17 zeigt im oberen Teil einen Netzknoten k mit dem zugehörigen ein- bis n-stufigen Spannungszwischenkreis mit der Spannung UZk, den zusammengefassten Stromquellen Iqk und einen über HSMC oder LSMC angeschlossenen Leitungsabschnitt k eines DC Netzes mit der Spannung Uk und dem Strom ik. Der gesamte ein- bis n-stufige Spannungszwischenkreis bezieht seine Energie einerseits aus dem DC Netz über einen oder mehrere HSMC oder LSMC und andererseits aus den AC oder DC Quellen, die den Strom der Stromquellen Iqk liefern. Für die Spannungshaltung des gesamten DC Netzes muss mindestens eine der Stromquellen Iqk in der Lage sein, die Zwischenkreis- spannung UZk auf einen für das gesamte DC Netz einheitlichen Wert UZsoii zu regeln. Wie im unteren Teil von Fig. 17 dargestellt, beziehen diese spannungsregelnden Stromquellen Iquk ihre Energie aus ihren gekoppelten AC oder DC Quellen, indem ein Spannungsregler aus seiner bewerteten Regelabweichung einen Stromsollwert generiert, der zur Spannungshaltung des DC Netzes in beiden Richtungen mit einer oberen Iogw = f(UZk) und einer unteren Begrenzungsfunktion IUgw = f(Uzk) begrenzt wird. Auf diesen begrenzten Stromsollwert iqksoii regelt der interne Stromregler der Stromquellen Iquk·
Fig. 18 zeigt im oberen Teil weitere an die ein- bis n-stufigen Spannungszwischenkreise angeschlossene Stromquellen IqPkr die ihre gekoppelten AC oder DC Quellen mit dem Strom versorgen, der in Abhängigkeit der mit ihnen verbunden Prozessanforderungen als Verbraucher, Energiespeicher oder Energiequelle notwendig ist. Ein dazu vorzusehender Prozessregler, wie im unteren Teil von Fig. 18 dargestellt, bildet die Regelabweichung aus Prozesssollwert Xsoii und Prozessistwert XiSt und stellt an seinem Ausgang einen entsprechend verstärkten und wieder spannungsabhängig zu begrenzenden Stromsollwert iqksoii einem Stromregler zur Verfügung.
Weiterhin können an einem ein- bis n-stufigen Spannungs- zwischenkreis mehrere sowohl spannungsregelnde Iquk als auch prozessregelnde Iqpk Stromquellen angeschlossen sein.
Die spannungsabhängigen oberen Strombegrenzungsfunktionen Iogw = f(UZk) und die spannungsabhängigen unteren Strombegren- zungsfunktionen Iugw = f(UZk) sind dabei grundsätzlich sowohl für spannungsregelnde als auch für prozessregelnde Stromquellen von gleicher Grundstruktur. Sie unterscheiden sich jeweils durch ihre Stromgrenzwerte Iqmax und DI, die individuell auf die Stromtragfähigkeit der DC oder AC Quellen zugeschnitten sind. Allen gemeinsam sind dagegen die vom gesamten DC Netz einheitlich zu definierenden Spannungs- grenzwerte Umin, Usoll, Umax Und AU.
Die spannungsabhängige obere Strombegrenzungsfunktion Iogw = f(Uzk) nimmt dabei, wie in Fig. 19 dargestellt, im Spannungsbereich zwischen Null und einem Minimalwert Umin den Wert Null an, in dem Spannungsbereich zwischen Umin und (Umin + AU) steigt sie proportional von dem Wert Null auf den Wert (Imaxq - DI) an und in dem Spannungsbereich zwischen (Umin + AU) und einem Maximalwert Umax / in dessen Mitte optimal der Spannungssollwert Uzsoii liegen sollte, ändert sie sich proportional mit ansteigender Spannung von einem Stromwert ( Imaxq - AI ) bis zum Stromwert Imaxq ·
Weiterhin weist nach Fig. 19 die spannungsabhängige untere Strombegrenzungsfunktion Iugw = f (UZk ) im Spannungsbereich oberhalb von Umax den Wert Null auf, in dem Spannungsbereich zwischen (Umax - AU) und Umax ändert sie sich proportional mit abnehmender Spannung von dem Wert Null auf den Wert - (Imaxq - AI) und im Spannungsbereich zwischen Umin und (Umax - AU) nimmt sie proportional mit abnehmender Spannung von dem Stromwert -(Imaxq - AI) bis zu dem Stromwert -Imaxq ab. Solang die regulären Stromsollwerte zwischen unterer Iugw = f (UZk ) und oberer Strombegrenzungsfunktion Iogw = f (UZk ) liegen und die Ströme durch die Leitungsabschnitte des Netzes unterhalb ihrer Grenzwerte Imaxi liegen, stellt sich entsprechend der Spannungsregelung und deren Regelabweichungen, dem Strombedarf aller Prozessregler des DC Netzes entsprechend und durch die verteilten Impedanzen der Netzleitungsabschnitte eine natürliche Spannungsverteilung alle Netzknotenspannungen ein. Bei Überschreitung der Grenzwerte ändert sich die Lastfluss- verteilung des DC Netzes, indem einzelne prozess- oder spannungsregelnde AC oder DC Quellen in ihrer Aussteuerung oder einzelne Leitungsabschnitte in ihrer Stromführung begrenzt oder abgeschaltet werden, ohne dass innerhalb bekannter Grenzen die Spannungshaltung des Gesamtnetzes beeinträchtigt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung zum Steuern und Freischalten der Verbindung von elektrischen Betriebsmitteln und/oder Netzleitungs- abschnitten mit einem n-stufigen Spannungszwischenkreis (nüz), der aus einer Reihenschaltung von n Kondensatoren mit den Anschlusspunkten (AP0 bis APn) besteht, wobei jeder der n Kondensatoren eine parallele Stromquelle (Iqn) aufweist, die mit einer DC- oder AC-Quelle (Q) gekoppelt ist, welche die n Kondensatorspannungen im Mittel auf den gleichen Spannungswert auflädt, und unter Verwendung von n Halbbrückenschaltungen (HBn) , die jeweils aus zwei Schaltern S+ n und S~ n bestehen und die Anschlusspunkte (HB+ n) , (HB°n) und (HB~ n) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass: ein erster Teil der n Halbbrücken (HBn) mit dem n-stufigen Spannungszwischenkreis (nüz) über mindestens einen High Side Multilevel Converter (HSMC), o dessen Anschlusspunkt (HB+ n) der n-ten Halbbrücke (HBn) mit dem Anschlusspunkt (APn) des n-stufigen Spannungszwischenkreises (nüz), o dessen Anschlusspunkt (HB~i) der ersten Halbbrücke (HBc) mit dem Anschlusspunkt (AP0) des n-stufigen Spannungszwischenkreises (nüz), und o dessen Anschlusspunkt (HB~ n) der n-ten Halbbrücke (HBn) mit dem Anschlusspunkt (HB°n_i) der (n-l)-ten Halbbrücke (HBn_i) verbunden ist; und ein zweiter Teil der n Halbbrücken (HBn) mit dem n-stufigen Spannungszwischenkreis (nüz) über mindestens einen Low Side Multilevel Converter (LSMC), o dessen Anschlusspunkt (HB~ n) der n-ten Halbbrücke (HBn) mit dem Anschlusspunkt (APn_i) des n-stufigen Spannungszwischenkreises (nüz), o dessen Anschlusspunkt (HB+ n) der n-ten Halbbrücke (HBn) mit dem Anschlusspunkt (APn) des n-stufigen Spannungszwischenkreises (nüz), und o dessen Anschlusspunkt (HB°n) der n-ten Halbbrücke (HBn) mit dem Anschlusspunkt (HB+ n_i) der (n-l)-ten Halbbrücke (HBn_i) verbunden ist; und die elektrischen Betriebsmittel und/oder
Netzleitungsabschnitte an dem Anschlusspunkt (HB°i) der ersten Halbbrücke (HBc) des Low Side Multilevel Converter (LSMC) und dem Anschlusspunkt (HB°n) der n-ten Halbbrücke (HBn) des High Side Multilevel Converter (HSMC) angeschlossen sind.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an einen n-stufigen Spannungszwischenkreises (nüz), dessen Minuspol neutrales Potential führt, über jeweils einen High Side Multilevel Converter (HSMC) oder über jeweils einen Low Side Multilevel Converter (LSMC) mehrere DC-Netzleitungsabschnitte strahlenförmig angeschlossen sind.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an einem n-stufigen Spannungszwischenkreis (nüz), dessen Mittenpotential auf neutralem Potential liegt, über jeweils einen High Side Multilevel Converter (HSMC1, HSMC2, HSMC3) drei oder mehrere Phasen der elektrischen Betriebsmittel jeweils an den Anschlusspunkten der n-ten Halbbrücken (HB°n) der High Side Multilevel Converter (HSMC1, HSMC2, HSMC3) angeschlossen sind.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an einem n-stufigen Spannungszwischenkreis (nüz), dessen Mittenpotential auf neutralem Potential liegt, über jeweils einen Low Side Multilevel Converter (LSMC1, LSMC2, LSMC3) drei oder mehrere Phasen der elektrischen Betriebsmittel jeweils an den Anschlusspunkten der ersten Halbbrücken (HB°i) der Low Side Multilevel Converter (LSMC1, LSMC2, LSMC3) angeschlossen sind.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an einem n-stufigen Spannungszwischenkreis (nüz) mindestens drei High Side Multilevel Converter (HSMC1, HSMC2, HSMC3) und mindestens drei Low Side Multilevel Converter (LSMC1, LSMC2, LSMC3) angeschlossen sind, wobei drei oder mehrere Phasen der elektrischen Betriebsmittel jeweils mit den Anschlusspunkten (HB°n) der High Side Multilevel Converter (HSMC1, HSMC2, HSMC3) und drei oder mehrere Phasen der elektrischen Betriebsmittel mit den Anschlusspunkten (HB°i) der Low Side Multilevel Converter (LSMC1, LSMC2, LSMC3) verbunden sind.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass an einem n-stufigen Spannungszwischenkreis (nUz) mindestens drei High Side Multilevel Converter (HSMC1, HSMC2, HSMC3) und mindestens drei Low Side Multilevel Converter (LSMC1, LSMC2, LSMC3) angeschlossen sind, wobei die Anschlusspunkte der Halbbrücke (HB°n) der High Side Multilevel Converter (HSMC) und die Anschlusspunkte der Halbbrücke (HB°i) der Low Side Multilevel Converter (LSMC) jeweils über eine Kreisstromdrossel miteinander verbunden sind, deren gemeinsamer Anschlusspunkt jeweils mit den drei- oder mehrphasigen Betriebsmitteln verbunden ist.
7. Verfahren zum Steuern und Freischalten der Verbindung von elektrischen Betriebsmitteln und/oder Netzleitungsabschnitten mit einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung einer definierten Spannung UdHS auf einen Wert zwischen Null und der Summe aller n Kondensator- spannungen Uz, die an dem elektrischen DC-Betriebsmittel und/oder DC-Netzleitungsabschnitt anliegt, eine Anzahl von k-1 Schaltern (S~i; S~ 2; ...;S~ k_i) (k<=n) von (S~i) beginnend bis (S~ k_i) eingeschaltet werden und das Schalterpaar (S~ k) und (S+ k) der Halbbrücke (HBk) alternierend schaltet, so dass sich die Spannung UdHS auf den Wert UdHS = Uzi+Uz2+...+Uzk_i +v*Uzk einstellt, zur Einstellung der Spannung (UdLS) auf einen beliebigen Wert zwischen Null und der Summe aller n Kondensatorspannungen Uz, die an dem elektrischen DC-Betriebsmittel und/oder DC- Netzleitungsabschnitt anliegt, eine Anzahl von k-1 Schaltern (S+ n; S+ n-i; ... ; S+ k_i) (k<=n) von (S+ n) beginnend bis (S+ k_i) eingeschaltet werden und das Schalterpaar (S~ k) und (S+ k) der Halbbrücke (HBk) alternierend schaltet, so dass sich die Spannung (UdLS) auf den Wert UdLS = Uzn+Uzn_i+...+Uzn-k+i +v*Uzk einstellt, wobei v jeweils das Verhältnis zwischen der Einzeit des Schalters (S+ k) und der Periodendauer des Schaltfrequenz darstellt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (S+ n) der n Halbbrücken (HBn) aktiv ausschalten, wenn der Schalter (S+ n_i) des High Side Multilevel Converters und der Schalter (S~ n+:L) des Low Side Multilevel Converters eingeschaltet sind.
9. Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass zur Trennung von den elektrischen Betriebsmitteln und/oder den Netzleitungsabschnitten alle Schalter (S~ n) des High Side Multilevel Converters (HSMC) und alle Schalter (S+ n) des Low Side Multilevel Converters (LSMC) eingeschaltet (OdHS = Null) und (UdLS = Null) und zu deren Verbindung alle Schalter (S+ n) des High Side Multilevel Converters (HSMC) und alle Schalter (S~ n) des Low Side Multilevel Converters (LSMC) eingeschaltet sind (üdHS = Uz) und (UdLS = Uz).
10. Verfahren zur selektiven Strombegrenzung und dezentralen Spannungshaltung in DC Netzen, umfassend eine
Schaltungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 und ein- bis n-stufige Spannungszwischenkreise, die eine Reihenschaltung von n Kondensatoren mit parallelen Stromquellen Iq aufweisen, wobei für jeden Leitungsabschnitt k des DC Netzes ein maximaler Strom Imaxi definiert wird, der mit dem auf positive Werte begrenzten Stromistwert iklst des Leitungsabschnittes k verglichen wird, wobei die aus diesem Vergleich resultierende Stromdifferenz einem Strombegrenzungsregler zugeführt wird, dessen begrenzter Ausgangswert vk der Spannung uk proportional ist, wobei der Begrenzungswert der maximalen Ausgangsspannung und der Aussteuerungsfunktion des HSMC oder LSMC an einem Netzknotenpunkt k in dem Sinne entspricht, dass erst nach Überschreitung des maximalen Stromes Imxi eine Reduzierung der Spannung uk einsetzt und dabei der Strom auf den Maximalwert Imaxi begrenzt wird; und dass in gleicher Weise am Netzknotenpunkt k+1 mithilfe seiner HSMC oder LSMC der auf positive Werte begrenzte Strom i(k+i)ist durch Reduzierung der Spannung uk+i auf den Wert Imxi begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Gruppe der zu den reihengeschalteten Kondensatoren eines n-stufigen Spannungszwischenkreises parallel angeordneten Stromquellen Iquk die Regelung der Spannung Uzk am Netzknotenpunkt k dadurch übernimmt, dass entweder die Gesamtspannung des n-stufigen Spannungszwischenkreises oder die n Einzelspannungen der Kondensatoren als Spannungsistwert Uzkist mit einem für das gesamte DC Netz einheitlichem Spannungssollwert Uzsou verglichen werden und die Regelabweichung einem Spannungsregler zugeführt wird, an dessen Ausgang ein spannungsabhängig zu begrenzender Stromsollwert iqksoii anliegt, der in einem Stromregler für den Strom iqk mit dem Stromistwert iqkiSt abgeglichen wird; und dass eine zweite Gruppe der zu den reihengeschalteten Kondensatoren des n-stufigen Spannungszwischenkreises parallel angeordneten Stromquellen Iqpk die Regelung des Strombedarfes der mit den Stromquellen Iqpk gekoppelten AC oder DC Quellen prozessabhängig dadurch übernimmt, dass ein Prozessregler auf Basis der Regelabweichung zwischen Prozesssollwert Xsou und Prozessistwert Xlst am Ausgang einen spannungsabhängig zu begrenzenden Stromsollwert iqksoii erzeugt, der in einem Stromregler für den Strom iqk mit dem Stromistwert iqkiSt abgeglichen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreitung eines definierten Spannungsgrenzwertes Ugrenz der beiden Spannungen uk und uk+i die HSMC oder LSMC beider Netzknotenpunkte alle aktiven Halbleiterschalter abschalten und damit ab Stromnulldurchgang der Leitungsabschnitt k des DC Netzes stromlos geschaltet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei Stromverbrauch aus dem Netzknotenpunkt k die spannungsabhängige obere Strombegrenzungsfunktion Iogw = f(Uzk) im Spannungsbereich zwischen Null und einem Minimalwert Umin den Wert Null annimmt, in dem Spannungsbereich zwischen Umin und Umin + Dϋ von dem Wert Null auf den Wert Imaxq - DI ansteigt und in dem Spannungsbereich zwischen Umin + Dϋ und einem Maximalwert Umax, in dessen Mitte vorzugsweise der Spannungssollwert Uzsou liegt, sich proportional mit ansteigender Spannung von einem Stromwert Imaxq - DI bis zum Stromwert Imaxq einstellt.
13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei Stromeinspeisung in den Netzknotenpunkt k die spannungsabhängige untere Strombegrenzungsfunktion Iugw = f (Uzk) im Spannungsbereich oberhalb von Umax den Wert Null annimmt, in dem Spannungsbereich zwischen Umax - Dϋ und Umax mit abnehmender Spannung von dem Wert Null bis zu dem Wert -(Imaxq - DI) abnimmt und in dem Spannungsbereich zwischen Umln und Umax - Dϋ sich proportional mit abnehmender Spannung von dem Stromwert -(Imaxq - DI) bis zu dem Stromwert -Imaxq einstellt.
14. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl mehrere Stromquellen Iquk für die Regelung der Spannung Uzk als auch mehrere Stromquellen Iqpk für die Regelung des Strombedarfes der mit den Stromquellen Iqpk gekoppelten AC oder DC Quellen am Netzknotenpunkt k zu einer Summe von Stromquellen Iqk zusammengefasst werden.
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