DE102009031574A1

DE102009031574A1 - Aufbau eines mehrstufigen Umrichters der Elektroenergieversorgung

Info

Publication number: DE102009031574A1
Application number: DE102009031574A
Authority: DE
Inventors: Jörg DORN; Thomas Kubel; Thomas Westerweller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2009-06-30
Filing date: 2009-06-30
Publication date: 2011-01-05
Also published as: WO2011000687A1

Abstract

Um einen Umrichter (9) zur Umrichtung einer elektrischen Größe wie Spannung oder Strom im Bereich der Elektroenergieübertragung und -verteilung mit einer Reihenschaltung von bipolaren Submodulen (4), die jeweils eine Leistungshalbleiterschaltung und einen Energiespeicher aufweisen, und mit einem Traggerüst (2) zum isolierten Halten der Submodule (4), so dass die Submodule nebeneinander in wenigstens zwei übereinander gestapelten Reihen (5, 6, 7) angeordnet sind, wobei eine Verschienung (8) zur elektrischen Verbindung der Submodule (4) vorgesehen ist, bereitzustellen, der möglichst kompakt und daher kostengünstig ist, wobei gleichzeitig eine ausreichende Spannungsfestigkeit bereitgestellt ist, wird vorgeschlagen, dass ein am ersten äußersten Rand einer ersten Reihe (5) angeordnetes Submodul (5) mit einem Submodul (6) der darüber oder darunter liegenden zweiten Reihe (6) verbunden ist, das an einem von dem ersten Rand der ersten Reihe (5) abgewandten zweiten äußersten Rand der zweiten Reihe (6) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Umrichter zur Umrichtung einer elektrischen Größe wie Spannung oder Strom im Bereich der Elektroenergieübertragung und -verteilung mit einer Reihenschaltung von bipolaren Submodulen, die jeweils eine Leistungshalbleiterschaltung und einen Energiespeicher aufweisen, und mit einem Traggerüst zum isolierten Halten der Submodule, so dass die Submodule nebeneinander in wenigstens zwei übereinander gestapelten Reihen angeordnet sind, wobei eine Verschienung zur elektrischen Verbindung der Submodule vorgesehen ist.
Ein solcher Umrichter ist aus dem Stand der Technik bereits bekannt. So ist beispielsweise in der DE 101 03 031 ein mehrstufiger Umrichter beschrieben, der aus einer Reihenschaltung von bipolaren Submodulen besteht. Jedes Submodul verfügt über einen Energiespeicher sowie über eine Leistungshalbleiterschaltung, die jeweils aus zwei Leistungshalbleitern besteht. Die beiden Leistungshalbleiter können so angesteuert werden, dass entweder die an dem Energiespeicher des jeweiligen Submoduls abfallende Spannung oder aber eine Nullspannung an den beiden Ausgangsklemmen des jeweiligen Submoduls erzeugbar ist. Die Reihenschaltung der Submodule bildet eines der Stromrichterventile des Umrichters aus. Die an den Stromrichterventilen jeweils abfallende Spannung kann mit Hilfe der Submodule stufenweise eingestellt werden, wobei die Höhe der Spannungsstufen, der an dem Kondensator eines Submoduls abfallenden Spannung entspricht. Im Bereich der Energieübertragung und Energieverteilung ist ein solcher Umrichter für Spannungen von mehreren hundert Kilovolt ausgelegt. Aus diesem Grunde kann ein solcher mehrstufiger Umrichter daher mehrere hundert von solchen Submodule aufweisen.
Zur Halterung der Submodule dient in der Regel ein Traggerüst. Ein gemäß dem Stand der Technik eingesetztes Traggerüst ist in 1 gezeigt. Das Traggerüst 1 weist einen nur schematisch dargestellten Tragrahmen 2 aus einem isolierenden Material auf. Darüber hinaus verfügt der Tragrahmen 2 über Tragsäulen ausbildende Stützträger 3. Die Submodule 4 sind in den Tragrahmen nebeneinander liegend angeordnet, wobei Reihen 5, 6 und 7 ausgebildet sind, die stapelweise übereinander liegen. Die unterschiedlichen Reihen 5, 6 und 7 sind durch die Stützträger 3 voneinander beabstandet, wobei die bipolaren Submodule 4 über eine Verschienung 8 elektrisch miteinander verbunden sind. Die an einem Submodul abfallende Spannung beträgt beispielsweise 1 kV. In jeder Reihe sind 24 Submodule angeordnet. Liegt an dem in 1 in der obersten Reihe 5 am rechten Ende angeordneten Submodul 51 eine Spannung von beispielsweise 200 kV an, ist die Spannung am linken Submodul der gleichen Reihe 524 auf 176 kV abgefallen. Dies entspricht gleichzeitig der Eingangsspannung des Submoduls 624. Die Spannung am Submodul 61 beträgt dann 152 kV. Der Abstand, also die Höhe der Stützträger 3, ist so groß zu wählen, dass eine ausreichend hohe Spannungsfestigkeit zwischen den übereinander liegenden Reihen 5 und 6 gegeben ist. Dabei ist von einer Spannungsdifferenz von 48 kV auszugehen.
Ein weiterer mehrstufiger Umrichter ist aus der US 5,642,275 bekannt. Der dort beschriebene Umrichter weist ebenfalls Stromrichterventile mit einer Reihenschaltung und bipolare Submodule auf. Die Submodule weisen jeweils einen Energiespeicher sowie eine Leistungshalbleiterschaltung auf, die jedoch dort aus vier Leistungshalbleitern bestehen, die unter Ausbildung einer Vollbrücke mit dem Energiespeicher verschaltet sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Umrichter der eingangs genannten Art bereitzustellen, der möglichst kompakt und daher kostengünstig ist, wobei gleichzeitig eine ausreichende Spannungsfestigkeit bereitgestellt ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass ein am ersten äußersten Rand einer ersten Reihe angeordnetes Submodul 524 mit einem Submodul 61 einer fluchtend über oder unter der ersten Reihe liegenden zweiten Reihe 6 verbunden ist, das an einem von dem ersten Rand der ersten Reihe 5 abgewandten zweiten äußersten Rand der zweiten Reihe 6 angeordnet ist.
Erfindungsgemäß sind die Submodule Z-förmig verschient. Das äußerste Submodul einer Reihe wird daher nicht wie beim Stand der Technik mit dem ersten Submodul der gleichen Seite der senkrecht über oder unter der ersten Reihe liegenden zweiten Reihe verbunden. Vielmehr wird das in einer Reihe beispielsweise links außen angeordnete Submodul mit den rechts außen gelegenen Submodul der darunter liegenden Reihe verbunden, wobei die beiden Reihen, in denen die miteinander verbundenen Submodule angeordnet sind, senkrecht übereinander verlaufen, also fluchtend zueinander angeordnet sind. Auf diese Weise ist die abfallende Spannung zwischen den Reihen verringert. Das Haltegerüst kann daher kompakter ausgelegt werden. Dies wirkt sich auch vorteilhaft auf die Höhe der gesamten Anlage aus. Darüber hinaus liegt der Schwerpunkt eines solchen Umrichters tiefer, wodurch sich vor allem in Erdbeben gefährdeten Gebieten Vorteile ergeben. Selbstverständlich wirkt sich die kompakte Bauweise auch vorteilhafterweise auf die Kosten des Haltegerüsts selbst aus. Die Submodule sind in dem Traggerüst selbstverständlich isoliert gehalten. Die miteinander verschienten Submodule bilden ein Phasenmodul aus, das mit nur einer Phase eines Wechselspannungsnetzes verbindbar ist. Für die restlichen Phasen des Spannungsnetzes sind entsprechende Submodule miteinander R-förmiger Verschaltung vorgesehen.
Vorteilhafterweise ist die Anzahl der Submodule einer Ebene größer als 24.
Die Anzahl der Ebenen ist vorteilhafterweise größer als 2.
Vorteilhafterweise sind die Reihen mit nebeneinander angeordneten Submodulen durch elektrisch isolierende Stützträger voneinander beabstandet. Elektrische Stützträger sind in der Regel mit Rippen versehen, so dass eine erhöhte Kriechfestigkeit bereitgestellt ist. Auf diese Art und Weise wird die Spannungsfestigkeit zwischen den Reihen noch weiter erhöht.
Weitere Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die Figuren beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen und wobei
1 ein Phasenmodul eines Umrichters gemäß dem Stand der Technik schematisch und
2 ein Ausführungsbeispiel eines Teils des erfindungsgemäßen Umrichters verdeutlichen.
1 zeigt ein Phasenmodul eines Umrichters gemäß dem Stand der Technik, der bereits weiter oben ausführlich beschrieben wurde.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Phasenmoduls des erfindungsgemäßen Umrichters 9, der einen aus Isoliermaterial gefertigten Tragrahmen 2 aufweist. Der Tragrahmen 2 verfügt wieder über als Tragsäulen dienende Stützträger 3, die Reihen 5, 6 und 7 aus nebeneinander angeordneten bipolaren Submodulen 4 voneinander trennen. Wie bereits ausgeführt wurde, verfügt jedes Submodul über einen Energiespeicher, wie beispielsweise einen Kondensator, sowie über eine mit dem Kondensator verbundene Leistungshalbleiterschaltung, so dass entweder die an dem Kondensator abfallende Spannung an die Ausgangsklemmen eines jeden Submoduls erzeugbar ist oder aber eine Nullspannung. An jedem Submodul 4 kann hier eine Spannung von 1 kV oder aber eine Spannung von Null erzeugt werden. 2 zeigt wie in 1 nur ein Phasenmodul eines Umrichters 1, der jedoch aus insgesamt drei Phasenmodulen besteht, die beispielsweise hinter dem in den Figuren gezeigten Phasenmodul und somit verdeckt angeordnet sind. Die Phasenmodule sind identisch aufgebaut und weisen jeweils einen Wechselspannungsanschluss für eine Phase des angeschlossenen Wechselspannungsnetzes auf. Darüber hinaus verfügt jedes Phasenmodul über zwei unterschiedlich gepolte Gleichspannungsanschlüsse.
In den Figuren ist die elektrische Verbindung der senkrecht übereinander liegenden Reihen eines Phasenmoduls gezeigt. Die Eingangsspannung am Submodul 51 beträgt 200 kV. Die Ausgangsspannung des Submoduls 524 beträgt dann 176 kV. Um die größtmögliche Spannung zwischen den Reihen 5, 6 und 7 zu verringern, ist im Gegensatz zum Stand der Technik nicht das Submodul 624 mit dem Submodul 524 über die Anschlussverschienung 8 verbunden. Vielmehr ist das Submodul 524 mit dem Submodul 61 verbunden. Mit anderen Worten wird ein am ersten Ende einer ersten Reihe 5 angeordnetes Submodul mit dem Submodul der senkrecht darunter liegenden zweiten Reihe einer zweiten Ebene 6 verbunden, das an dem von dem ersten Ende der ersten Reihe abgewandten zweiten Ende der zweiten Reihe angeordnet ist. Entsprechendes gilt für die Verbindung des Submoduls 624 mit dem Submodul 71. Zwischen den Reihen 5 und 6 oder 6 und 7 fällt dann jeweils nur noch eine Spannungsdifferenz von maximal 24 kV ab.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10103031 [0002]
- US 5642275 [0004]

Claims

Umrichter (9) zur Umrichtung einer elektrischen Größe wie Spannung oder Strom im Bereich der Elektroenergieübertragung und -verteilung mit einer Reihenschaltung von bipolaren Submodulen (4), die jeweils eine Leistungshalbleiterschaltung und einen Energiespeicher aufweisen, und mit einem Traggerüst (2) zum isolierten Halten der Submodule (4), so dass die Submodule (4) nebeneinander in wenigstens zwei übereinander gestapelten Reihen (5, 6, 7) angeordnet sind, wobei eine Verschienung (8) zur elektrischen Verbindung der Submodule (4) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein am ersten äußersten Rand einer ersten Reihe (5) angeordnetes Submodul (524) mit einem Submodul (61) einer senkrecht über oder unter der ersten Reihe (5) liegenden zweiten Reihe (6) verbunden ist, das an einem von dem ersten Rand der ersten Reihe (5) abgewandten zweiten äußersten Rand der zweiten Reihe (6) angeordnet ist.
Vorrichtung (9) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Submodule (4) einer Reihe größer oder gleich 24 ist.
Vorrichtung (9) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Reihen (5, 6, 7) größer als zwei ist.
Vorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihen (5, 6, 7) von nebeneinander angeordneten Submodulen (4) durch elektrisch isolierende Stützkörper (3) voneinander beabstandet sind.