DE102014219788A1

DE102014219788A1 - Modularer Multilevel-Direktumrichter mit einphasigem variablen Frequenzausgang

Info

Publication number: DE102014219788A1
Application number: DE102014219788.0A
Authority: DE
Inventors: Gopal Mondal; Sebastian Nielebock
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2016-03-31
Also published as: WO2016050533A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Mehrpegelenergiewandler (22, 24) zum Wandeln von elektrischer Energie, mit einem Anschluss (34, 36) zum Zuführen von zu wandelnder elektrischer Energie und einem anderen Anschluss (34, 36) zum Abgeben der gewandelten elektrischen Energie, wobei der Mehrpegelenergiewandler (22, 24) eine erste Wandlerschaltung (38) aufweist, die an einem ersten der beiden der Anschlüsse (36) des Mehrpegelenergiewandlers (22, 24) angeschlossen ist und die mehrere in Reihe geschaltete Wandlereinheiten (26) mit einem Wandlereinheitskondensator (48) umfasst und die einen mit dem zweiten der Anschlüsse (34) gekoppelten Mittelanschluss bereitstellt, wobei die Wandlerschaltung (38) zum Steuern an eine Steuereinheit angeschlossen ist, um die elektrische Energie zu wandeln. Erfindungsgemäß steuert die Steuereinheit die Wandlereinheiten (26) zum Betreiben sowohl des ersten als auch des zweiten Anschlusses (34, 36) im Wechselspannungsbetrieb.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mehrpegelenergiewandler zum Wandeln von elektrischer Energie, mit einem Anschluss zum Zuführen von zu wandelnder elektrischer Energie und einem anderen Anschluss zum Abgeben der gewandelten elektrischen Energie, wobei der Mehrpegelenergiewandler eine erste Wandlerschaltung aufweist, die an einem ersten der beiden der Anschlüsse des Mehrpegelenergiewandlers angeschlossen ist und die mehrere in Reihe geschaltete Wandlereinheiten mit einem Wandlereinheitskondensator umfasst und die einen mit dem zweiten der Anschlüsse gekoppelten Mittelanschluss bereitstellt, wobei die Wandlerschaltung zum Steuern an eine Steuereinheit angeschlossen ist, um die elektrische Energie zu wandeln. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Energiekoppeleinrichtung zum galvanisch getrennten Koppeln eines ersten Energieversorgungsnetzes mit einem zweiten Energieversorgungsnetz, mit einem Trenntransformator mit zwei magnetisch gekoppelten und galvanisch getrennten Wicklungen, wobei eine erste der Wicklungen des Trenntransformators mit einem ersten Energieversorgungsnetz elektrisch gekoppelt ist und die zweite der Wicklungen des Trenntransformators mit dem zweiten Energieversorgungsnetz elektrisch gekoppelt ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Wandeln von elektrischer Energie mittels eines Mehrpegelenergiewandlers, bei dem die an einem Anschluss zugeführte elektrische Energie gewandelt und an einem anderen Anschluss abgegeben wird, wobei die elektrische Energie mittels wenigstens einer ersten an einem ersten der beiden Anschlüsse des Mehrpegelenergiewandlers angeschlossenen Wandlerschaltung gewandelt wird, zu welchem Zweck die Wandlerschaltung mehrere in Reihe geschaltete Wandlereinheiten mit einem Wandlereinheitskondensator umfasst und einen mit dem zweiten der Anschluss gekoppelten Mittelanschluss bereitstellt, wobei die Wandlerschaltung mittels einer Steuereinheit gesteuert wird, um die elektrische Energie zu wandeln.
Mehrpegelenergiewandler sowie Energiekoppeleinrichtungen der gattungsgemäßen Art sind dem Grunde nach bekannt, sodass es eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises hierfür nicht bedarf. Mehrpegelenergiewandler dienen dazu, elektrische Energie zwischen einem Gleichspannungsanschluss und einem Wechselspannungsanschluss zu wandeln. Energiekoppeleinrichtungen dienen dazu, einen Energieaustausch zwischen galvanisch voneinander getrennten elektrischen Energieversorgungsnetzen zu ermöglichen. In der Regel handelt es sich bei den Energieversorgungsnetzen um dreiphasige Energieversorgungsnetze, die als öffentliches Energieversorgungsnetz bei 50 Hz oder auch bei 60 Hz mit Wechselspannung betrieben werden. Im diesem Bereich wird häufig eine Effektivspannung zwischen zwei Phasen von 400 V genutzt. Aus unterschiedlichen Gründen, beispielsweise aus Gründen der Versorgungssicherheit oder dergleichen, ist es zweckmäßig, zwischen unterschiedlichen Energieversorgungsnetzen einen Energieaustausch zu ermöglichen. Dabei ist es jedoch sinnvoll zugleich eine galvanische Trennung vorzusehen, aufgrund derer unerwünschte Wechselwirkungen der gekoppelten elektrischen Energieversorgungsnetze untereinander vermieden oder zumindest reduziert werden können. Im einfachsten Fall wird diesbezüglich ein dreiphasiger Trenntransformator genutzt, der für jedes der angeschlossenen Energieversorgungsnetze einen entsprechenden dreiphasigen Anschluss bereitstellt und eine unmittelbare Kopplung ermöglicht. Solche Transformatoren sind für die Netzfrequenz der zu koppelnden Energieversorgungsnetze ausgebildet, das heißt, für einen Betrieb bei 50 Hz oder bei 60 Hz.
Obwohl sich solche Trenntransformatoren im praktischen Betrieb bewährt haben, zeigen sich dennoch Nachteile. Zwar lässt sich eine galvanische Trennung mit solchen Trenntransformatoren erreichen und zugleich auch eine Spannungsanpassung – falls erforderlich – vornehmen, jedoch kann einerseits der Energiefluss nicht gesteuert werden und andererseits erfordert die Nutzung des Trenntransformators, dass die beiden zu koppelnden Energieversorgungsnetze synchron mit der gleichen Frequenz betrieben werden. Hieraus können sich im praktischen Betrieb Probleme ergeben.
Um hier eine Verbesserung bewirken zu können, ist es darüber hinaus bekannt, mittels über gemeinsame Gleichspannungszwischenkreise gekoppelte Wechselrichter und einem einphasigen Hochfrequenztrenntransformator die zu koppelnden Energieversorgungsnetze zu koppeln. Zu diesem Zweck ist jedes der zu koppelnden Energieversorgungsnetze an einen bidirektionalen dreiphasigen Wechselrichter angeschlossen, an dessen Zwischenkreis jeweils ein ebenfalls bidirektionaler Wechselrichter für einphasigen Hochfrequenzbetrieb angeschlossen ist. Ausgangsseitig, das heißt, wechselspannungsseitig, sind die einphasigen Wechselrichter an ihnen zugeordnete galvanisch getrennte Wicklungen des Hochfrequenztrenntransformators angeschlossen. Mit einer solchen Energiekoppeleinrichtung ist es möglich, unabhängig von elektrischen Parametern der energietechnisch zu koppelnden Energieversorgungsnetze einen Energiefluss in eine gewünschte vorgebbare Richtung zu ermöglichen.
Zwar kann mit einer solchen Energiekoppeleinrichtung ein gegenüber einem herkömmlichen Trenntransformator geringere Baugröße in Bezug auf die Netzfrequenzen der Energieversorgungsnetze erreicht werden, jedoch erweist sich der Gesamtwirkungsgrad einer solchen Energiekoppeleinrichtung gegenüber dem vorgenannten Trenntransformator als nachteilig. Aus diesem Grund werden derartige Energiekoppeleinrichtungen nur bei besonderen Anforderungen eingesetzt. Der Wirkungsgrad wird insbesondere durch Schaltelemente der Wechselrichter beeinträchtigt.
Bekannt ist es darüber hinaus, einen Mehrpegelenergiewandler als Wechselrichter zu nutzen. Hierdurch kann zwar der Wirkungsgrad verbessert werden, jedoch erweist sich der Schaltungsaufwand insgesamt durch die erforderlichen vier Wechselrichter für zwei zu koppelnde Energieversorgungsnetze nach wie vor als hoch. Gattungsgemäße Mehrpegelenergiewandler werden in der englischsprachigen Literatur auch Modular Multi Level Converter oder MMC oder auch M2C genannt.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Mehrpegelenergiewandler ein Vrefahren zu dessen Betrieb sowie eine Energiekoppeleinrichtung anzugeben, die einen verbesserten Wirkungsgrad und zugleich einen geringen Aufwand erfordern.
Als Lösung wird mit der Erfindung ein Mehrpegelenergiewandler sowie eine Energiekoppeleinrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen 1 und 8 vorgeschlagen. Darüber hinaus wird als Lösung auch ein Verfahren gemäß dem weiteren unabhängigen Anspruch 9 vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich anhand von Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Bezüglich des Mehrpegelenergiewandlers wird insbesondere vorgeschlagen, dass die Steuereinheit die Wandlereinheiten zum Betreiben sowohl des ersten als auch des zweiten Anschlusses im Wechselspannungsbetrieb steuert.
Bezüglich der Energiekoppeleinrichtung wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass die Energiekoppeleinrichtung zwei Mehrpegelenergiewandler gemäß der Erfindung aufweist, wobei die Mehrpegelenergiewandler jeweils einen ersten Wechselspannungsanschluss zum Anschließen an die jeweilige Wicklung des Trenntransformators und einen zweiten Wechselspannungsanschluss zum Anschließen an das jeweilige Energieversorgungsnetz aufweisen, wobei ein erster der Mehrpegelenergiewandler die erste Wicklung mit dem ersten Energieversorgungsnetz elektrisch koppelt und der zweite der Mehrpegelenergiewandler die zweite Wicklung mit dem zweiten Energieversorgungsnetz elektrisch koppelt.
Verfahrensseitig wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass die Steuereinheit die Wandlereinheiten derart steuert, dass sowohl der erste als auch der zweite Anschluss im Wechselspannungsbetrieb betrieben werden.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass der Mehrpegelenergiewandler nicht nur an einem Gleichspannungszwischenkreis als Wechselrichter betrieben werden kann, sondern den Gleichspannungszwischenkreis dem Grunde nach nicht benötigt. Anders als Wechselrichter kann der Mehrpegelenergiewandler also gleichspannungszwischenkreislos betrieben werden. Dies erlaubt es, gegenüber der Energiekoppeleinrichtung des Stands der Technik, die auf der Nutzung von vier Wechselrichtern bei der Kopplung zweier Energieversorgungsnetze basiert, Aufwand einzusparen. Um den Trenntransformator beziehungsweise seine beiden Wicklungen mit den jeweiligen Energieversorgungsnetzen zu koppeln, ist somit für jedes Energieversorgungsnetz lediglich eine einzige Wandlereinrichtung in Form des Mehrpegelenergiewandlers erforderlich. Dadurch kann der Aufwand bezüglich des Wandelns erheblich reduziert werden, wodurch sich nicht nur der Wirkungsgrad erhöht, sondern auch Kosten und Bauraum reduziert werden können.
Mehrpegelenergiewandler sowie Verfahren zu deren Betrieb werden häufig im Bereich einer Hochspannungsgleichspannungsübertragung (HGÜ) eingesetzt, wobei Gleichspannungen im Bereich von mehreren 100 kV sowie Leistungen im Bereich von 1 GW vorgesehen sind. Vorzugsweise werden solche Mehrpegelenergiewandler bidirektional eingesetzt, wobei die elektrische Energie jeweils in eine gewünschte, vorzugsweise vorgebbare Richtung gewandelt werden kann. Vorzugsweise erfolgt die Wandlung der elektrischen Energie ohne wesentliche Änderung von Spannungspegeln, das heißt, dass ein Spannungspegel einer maximalen Amplitude der Wechselspannung des Energieversorgungsnetzes im Wesentlichen einem Spannungspegel der transformatorseitigen Wechselspannung entspricht.
Jede der Wandlereinheiten weist vorzugsweise zwei parallelgeschaltete Reihenschaltungen mit jeweils zwei Schaltelementen auf. Zu den Reihenschaltungen aus den Schaltelementen ist ferner der Wandlereinheitskondensator parallelgeschaltet. Dies erlaubt es, die Schaltungsstruktur einer Vollbrücke bezüglich jeder Wandlereinheit auszubilden. Mittelanschlüsse der jeweiligen Reihenschaltungen aus den Schaltelementen stellen die Wandlereinheitsanschlüsse bereit, mittels denen die Anschlüsse zu benachbarten Wandlereinheiten hergestellt werden können. Dadurch kann eine hohe Flexibilität bezüglich der Steuerung des Mehrpegelenergiewandlers erreicht werden.
Die Schaltelemente sind an die Steuereinheit angeschlossen, welche die Schaltelemente in geeigneter Weise steuert, um den gewünschten Wandlungsvorgang zu realisieren. Grundlegende Steuerungsverfahren bezüglich des Wandelns von Energie mittels eines Mehrpegelenergiewandlers zwischen einer Gleichspannung und einer WEchselspannung sind dem Fachmann dem Grunde nach bekannt, sodass auf eine detaillierte Darstellung des allgemeinen Wandlungsprinzips vorliegend verzichtet wird. Im Übrigen wird diesbezüglich auf eine Veröffentlichung von Lesnicar, A. und Marquardt, R. verwiesen, mit dem Titel „An innovative modular multi-level converter topology for wide power range" veröffentlicht durch IEEE Power Tech Conference, Bologna, Italien, Juni 2003.
Der Wandlereinheitskondensator kann durch einen Folienkondensator, einen Keramikkondensator, aber auch durch einen für Frequenzanwendungen geeigneten Elektrolytkondensator oder dergleichen gebildet sein. Der Wandlereinheitskondensator kann natürlich auch durch eine Kombination von mehreren Einzelkondensatoren, insbesondere unterschiedlicher Art, wie zuvor genannt, gebildet sein.
Ein Schaltelement im Sinne dieser Offenbarung ist vorzugsweise ein steuerbares elektronisches Schaltelement, beispielsweise ein steuerbarer elektronischer Halbleiterschalter, beispielsweise ein Transistor, ein Thyristor, Kombinationsschaltungen hiervon, vorzugsweise mit parallelgeschalteten Freilaufdioden, ein Gate-turn-of Thyristor (GTO) ein Isolated-Gate-Bipolar-Transistor (IGBT), Kombinationen hiervon oder dergleichen. Dem Grunde nach kann der Halbleiterschalter auch durch einen Metaloxide-Semiconductor-Feldeffekttransistor (MOSFET) gebildet sein. Vorzugsweise ist das Schaltelement durch die Steuereinheit steuerbar.
Besonderes vorteilhaft kann die Erfindung im Bereich der Mittelspannung Einsatz finden. Die Erfindung natürlich sowohl im Bereich der Niederspannung als auch im Bereich der Mittel- oder Hochspannung eingesetzt werden. Als Niederspannung im Sinne der Erfindung ist insbesondere eine Definition gemäß der Richtlinie 2006/95/EG des europäischen Parlaments und des Rats vom 12.12.2006 zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedsstaaten elektrischer Betriebsmittel zur Verwendung innerhalb bestimmter Spannungsgrenzen zu verstehen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Spannungsbereich begrenzt, sondern kann besonders vorteilhaft benso im Bereich der Mittelspannung eingesetzt werden, der vorzugsweise einen Spannungsbereich größer als 1 kV bis einschließlich 52 kV umfassen kann.
Der Mehrpegelenergiewandler der Erfindung weist den ersten Wechselspannungsanschluss zum Anschließen an die jeweilige Wicklung des Trenntransformators auf, an die auch die mehreren, in Reihe geschalteten Wandlereinheiten zum Wandeln von elektrischer Energie mit jeweils einem Wandlereinheitskondensator als Wandlerschaltung angeschlossen sind. Gegenüber dem Mehrpegelenergiewandler des Stands der Technik liegt also bei der Erfindung auch am dem Anschluss, der im Stand der Technik ein Gleichspannungsanschluss ist, Wechselspannung an.
Insgesamt nutzt die Erfindung eine Eigenschaft des Mehrpegelenergiewandlers, nämlich einerseits im Wesentlichen zwischenkreislos betrieben werden zu können und andererseits unmittelbar eine Wechselspannung in eine andere Wechselspannung wandeln zu können, ohne dass die Erzeugung einer Gleichspannung zwischengeschaltet werden müsste.
Die Erfindung benötigt für die Realisierung einer Energiekoppeleinrichtung also neben einem einphasigen Trenntransformator lediglich noch zwei Mehrpegelenergiewandler gemäß der Erfindung, mittels denen eine Energiewandlung zwischen zwei Wechselspannungen, von denen eine auch mehrphasig sein kann, unmittelbar realisiert werden kann. Ein Gleichspannungszwischenkreis kann vollständig eingespart werden. Dieser kann als Hochfrequenztransformator, als Mittelfrequenztransformator oder auch als Niederfrequenztransformator ausgebildet sein, je nach Anwendungsfall. Entsprechend sind die Mehrpegelenergiewandler und deren Betrieb angepasst ausgebildet. Dadurch können der Wirkungsgrad deutlich erhöht und/oder das Bauvolumen deutlich reduziert werden.
Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass der Mehrpegelenergiewandler einen am ersten Anschluss angeschlossenen Zirkulationskondensator aufweist, und die Steuereinheit eingerichtet ist, einen Zirkulationsstrom durch die in Reihe geschalteten Wandlereinheiten des Mehrpegelenergiewandlers und gegebenenfalls den Zirkulationskondensator strömen zu lassen. Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, die Wandlereinheitskondensatoren in vorgebbarer Weise mit elektrischer Ladung zu versehen, so dass sie während des bestimmungsgemäßen Betriebs weniger beansprucht werden. Dies erlaubt es, die Wandlereinheitskondensatoren hinsichtlich ihres Kapazitätswertes kleiner zu wählen. Darüber hinaus kann bei einem dreiphasigen Betrieb an einem dreiphasigen Energieversorgungsnetz erreicht werden, dass Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Phasen während des Wandelns mittels des Mehrpegelenergiewandlers reduziert werden können. Insgesamt können dadurch der Aufwand für den Mehrpegelenergiewandler und auch seine Baugröße reduziert werden. Dies erweist sich als vorteilhaft, weil insbesondere im Bereich der Mittelspannung und der Hochspannung geeignete Kondensatoren nur schwierig zu beschaffen sind.
Der optionale Zirkulationskondensator wird vorzugsweise so gewählt, dass der Zirkulationsstrom in bestimmungsgemäßer Weise strömen kann. Er ist nicht mit einem Zwischenkreiskondensator vergleichbar, zumal der Anschluss, an dem der Zirkulationskondensator angeschlossen ist, mit einer Wechselspannung beaufschlagt werden soll. Ein Zwischenkreiskondensator würde an dieser Stelle eine Funktionsstörung zur Folge haben. Infolgedessen ist ein Kapazitätswert des Zirkulationskondensators natürlich erheblich kleiner als der eines geeigneten Gleichspannungszwischenkreiskondensators. Sein Kapazitätswert ist vorzugsweise derart gewählt, dass sein Einfluss auf die Wechselspannung am ersten Anschluss gering, besonders bevorzugt vernachlässigbar, ist.
Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn der zweite Wechselspannungsanschluss des Mehrpegelenergiewandlers als Drei-Phasen-Wechselspannungsanschluss ausgebildet ist. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass für jede Phase des zweiten Wechselspannungsanschlusses jeweils in Reihe geschaltete Wandlereinheiten wie zuvor beschrieben vorgesehen sind, die jeweils zueinander parallelgeschaltet sind. Die Wandlereinheiten werden von der Steuereinheit unter Berücksichtigung einer Phasenverschiebung zwischen den drei Wechselspannungen am zweiten Wechselspannungsanschluss gesteuert. Auf diese Weise kann einfach eine Anschlussmöglichkeit für ein dreiphasiges Energieversorgungsnetz bereitgestellt werden.
Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass der Mehrpegelenergiewandler für jede Phase eine eigene Wandlerschaltung nach Art einer Reihenschaltung aus in Reihe geschalteten Wandlereinheiten aufweist. Diese Wandlerschaltungen beziehungsweise Reihenschaltungen sind vorzugsweise parallelgeschaltet und stellen jeweilige Phasenanschlüsse für die Wechselspannungen des dreiphasigen Energieversorgungsnetzes bereit.
Die in Reihe geschalteten Wandlereinheiten einer jeweiligen Reihenschaltung sind vorzugsweise am ersten Wechselspannungsanschluss des Mehrpegelenergiewandlers angeschlossen. Damit kann eine unmittelbare Wandlung von Energie von einer Wechselspannungsseite zur anderen Wechselspannungsseite erreicht werden. Ein Gleichspannungszwischenkreis, wie er bei Einsatz von Wechselrichtern erforderlich ist, kann gänzlich eingespart werden. Durch die unmittelbare Wandlung können darüber hinaus der Aufwand für die Energiekoppeleinrichtung insgesamt und somit auf das Bauvolumen weiter reduziert werden.
Vorzugsweise ist ein Mittelanschluss der in Reihe geschalteten Wandlereinheiten einer jeweiligen Reihenschaltung mit dem zweiten Wechselspannungsanschluss gekoppelt. Diese Ausgestaltung sieht insbesondere vor, dass eine gerade Anzahl von Wandlereinheiten jeweils in Reihe geschaltet ist und der Mittelanschluss an zwei unmittelbar miteinander verbundenen Wandlereinheiten angeschlossen ist. Vorzugsweise ist der Mittelanschluss nach der Hälfte der Anzahl der Wandlereinheiten in der Reihenschaltung vorgesehen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die in Reihe geschalteten Wandlereinheiten im Bereich des Koppelns des zweiten Wechselspannungsanschlusses durch eine Reihenschaltung aus zwei Reihenschaltungsinduktivitäten ergänzt sind, deren Verbindung an den zweiten Wechselspannungsanschluss angeschlossen ist. Die Reihenschaltungsinduktivitäten sind bei dieser Ausgestaltung also vorzugsweise zwischen die Wandlereinheiten und den zweiten Wechselspannungsanschluss zwischengeschaltet, wobei sie einerseits den zweiten Anschluss an ihrem gemeinsamen Verbindungspunkt bereitstellen und andererseits zu den weiteren Wandlereinheiten der Reihenschaltung ergänzend in Reihe geschaltet sind. Vorzugsweise ist die Zwischenschaltung der Reihenschaltungsinduktivitäten ebenfalls im Bereich des Mittelanschlusses der Reihenschaltung der Wandlereinheiten vorgesehen.
Darüber hinaus wird verfahrensseitig vorgeschlagen, dass parallel zu der ersten Wandlerschaltung die elektrische Energie mittels einer zweiten und einer dritten Wandlerschaltung gewandelt wird, wobei die Reihenschaltungen der Wandlerschaltungen identisch zur ersten Wandlerschaltung ausgebildet sind und jeweils einen dritten und einen vierten Anschluss bereitstellen, wobei die Wandlereinheiten der Wandlerschaltung im Wechselspannungsbetrieb mittels der Steuereinheit derart gesteuert werden, dass mit den zweiten, dritten und vierten Anschlüssen ein dreiphasiger Wechselspannungsbetrieb erreicht wird. Dadurch ist es möglich, den Mehrpegelenergiewandler mit geringem Aufwand für einen dreiphasigen Betrieb aufzurüsten. Hierbei zeigt sich der besondere Vorteil der Erfindung, dass nämlich für den dreiphasigen Betrieb ein aufwendiger Gleichspannungszwischenkreis dem Grunde nach vollständig eingespart werden kann.
Vorzugsweise steuert die Steuereinheit die Wandlereinheiten der Wandlerschaltung derart, dass ein Zirkulationsstrom durch die Wandlereinheiten erzeugt wird. Dadurch ist es möglich, einen Energieausgleich bei den einzelnen Wandlereinheiten, und hier insbesondere bei den Wandlereinheitskondensatoren zu ermöglichen, so dass deren Kapazität und damit das Bauvolumen insgesamt reduziert werden kann. Bei gegebenen Kapazitäten kann demnach auch eine höhere Leistung gewandelt werden.
Insbesondere bei wenigstens zwei Wandlerschaltungen für einen Mehrpegelenergiewandler kann der Zirkulationsstrom durch entsprechendes Steuern der Schaltelemente der Wandlereinheiten der beiden Wandlerschaltungen realisiert werden. Dies ist natürlich auch bei mehr als zwei Wandlerschaltungen möglich.
Darüber hinaus kann ergänzend der Zirkulationskondensator vorgesehen sein, insbesondere wenn lediglich eine einzige Wandlerschaltung vorgesehen ist. Mittels des Zirkulationskondensators kann dann der Zirkulationsstrom realisiert werden. Natürlich kann der Zirkulationskondensator auch bei mehreren Wandlerschaltungen vorgesehen sein, um die Flexibilität der Realisierung des Zirkulationsstromes zu verbessern. Er wird hinsichtlich der Kapazität derart gewählt, dass sein Einfluss auf die am ersten Anschluss anliegende Wechselspannung im Wesentlichen vernachlässigt werden kann.
Weitere Vorteile und Merkmale sind der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren zu entnehmen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile und Funktionen.
Es zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild für eine Energiekoppeleinrichtung des Stands der Technik,
2 ein schematisches Blockschaltbild für eine Energiekoppeleinrichtung gemäß der Erfindung,
3 ein schematisches Blockschaltbild für eine Energiekoppeleinrichtung gemäß 2 mit einem Mehrpegelenergiewandler,
4 eine schematische Schaltbilddarstellung für eine Wandlereinheit für den Mehrpegelenergiewandler gemäß 3,
5 in schematischer Darstellung zwei Diagramme, von denen das obere Diagramm einen Zeitausschnitt eines Stromes am zweiten Anschluss des Mehrpegelenergiewandlers und das untere Diagramm eine schematische Darstellung einer Fouriertransformierten des im oberen Diagramm dargestellten Signals darstellt,
6 schematisch zwei übereinander angeordnete Diagramme wie in 5, jedoch für den ersten Wechselspannungsanschluss des Mehrpegelenergiewandlers gemäß 3,
7 drei übereinander angeordnete Diagramme in schematischer Darstellung, wobei das oberste Diagramm drei Phasen am zweiten Anschluss des Mehrpegelenergiewandlers gemäß 3, das mittlere Diagramm gemäß einem ersten Graphen die entsprechende Wechselspannung einer einzelnen Phase aus dem oberen Diagramm und überlagert hierzu gemäß einem zweiten Graphen den entsprechenden zugehörigen Strom, und das untere Diagramm Spannungen an den jeweiligen Wandlereinheitskondensatoren darstellt,
8 in schematischer Darstellung ein Diagramm von am zweiten Anschluss des Mehrpegelenergiewandlers gemäß 3 erzeugten Wechselspannungen für ein dreiphasiges Energieversorgungsnetz,
9 zeitlich zugeordnet ein Diagramm in schematischer Darstellung, bei dem entsprechende Phasenströme dargestellt sind, die den erzeugten Wechselspannungen gemäß 8 gegenüber gestellt sind,
10 in schematischer Darstellung ein Diagramm mit einem Spannungsverlauf am ersten Anschluss zugeführten elektrischen Spannung vom Trenntransformator,
11 in schematischer Darstellung eine überlagerte Darstellung entsprechend 10, bei der der zugeführten Wechselspannung am ersten Anschluss des Mehrpegelenergiewandlers ein entsprechender Strom überlagert dargestellt ist,
12 schematisch eine Gesamtdarstellung einer Energiekoppeleinrichtung gemäß der Erfindung für einen Simulationsaufbau,
13 in schematischer Darstellung ein Diagramm für einen Spannungs- und einen Stromverlauf einer Phase an einem von drei Phasenanschlüssen des zweiten Anschlusses des Mehrpegelenergiewandlers gemäß 12, wobei für alle drei Phasen ein gleicher Leistungsfaktor vorliegt,
14 in schematischer Darstellung zwei übereinander angeordnete und zeitlich zueinander zugeordnete Diagramme, in denen Wandlereinheitskondensatorspannungen eines ersten und eines zweiten Mehrpegelenergiewandlers gemäß 12 dargestellt sind,
15 und 16 in schematischer Darstellung energieversorgungsnetzseitige dreiphasige Spannungsverläufe der beiden in 12 dargestellten Mehrpegelenergiewandler, und
17 in schematischer Darstellung ein Spannungsverlauf der transformatorseitigen Wechselspannung der Mehrpegelenergiewandler gemäß 12.
1 zeigt eine Energiekoppeleinrichtung 10 gemäß dem Stand der Technik, die zwei Energieversorgungsnetze 12, 14 miteinander koppelt. Die Energieversorgungsnetze 12, 14 sind mittels der Energiekoppeleinrichtung 10 galvanisch getrennt gekoppelt. Die Energiekoppeleinrichtung 10 erlaubt einen bidirektionalen Energiefluss.
Die Energieversorgungsnetze 12, 14 sind jeweils dreiphasig mit einer Phasenspannung, das heißt, einer Effektivspannung von 400 V bei 50 Hz ausgelegt. An die Energieversorgungsnetze 12, 14 ist jeweils ein Wechselrichter 40 angeschlossen, der an einem Gleichspannungszwischenkreis 44 angeschlossen ist. An die jeweiligen Gleichspannungskreise 44 sind einphasige Mittelfrequenzwechselrichter 42 angeschlossen, die wechselspannungsseitig jeweils an Wicklungen 18, 20 eines Mittelfrequenztrenntransformators 16 angeschlossen sind. Diese Energiekoppeleinrichtung 10 des Stands der Technik erfordert vier Wechselrichter 40, 42, um die energietechnische Kopplung der Energiekopplungseinrichtung 10 in bestimmungsgemäßer Weise darstellen zu können. Dabei zeigt es sich, dass neben dem hohen Aufwand auch der Wirkungsgrad gegenüber einer energietechnischen Kopplung mittels eines gewöhnlichen Trenntransformators bei Netzfrequenz erheblich reduziert ist.
2 zeigt eine Energiekoppeleinrichtung 10 gemäß der Erfindung, bei der anstelle der vier Wechselrichter 40, 42 zwei Mehrpegelenergiewandler 22, 24 zum Einsatz kommen. Gegenüber Wechselrichtern 40, 42 haben Mehrpegelenergiewandler 22, 24 einen höheren Wirkungsgrad. Die Erfindung erlaubt es darüber hinaus, dadurch, dass die Mehrpegelenergiewandler 22, 24 an ihren beiden Anschlüssen im Wechselspannungsbetrieb betrieben werden, dass ein Gleichspannungszwischenkreis, wie der Gleichspannungszwischenkreis 44 gemäß 1, eingespart werden kann. Der Trenntransformator 16 gemäß 2 entspricht vorliegend dem Trenntransformator 16 gemäß 1.
3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild für die Mehrpegelenergiewandler 22, 24 gemäß 2. Vorliegend ist vorgesehen, dass die Mehrpegelenergiewandler 22, 24 identisch ausgebildet sind, jedoch kann in alternativen Ausgestaltungen vorgesehen sein, dass es sich um unterschiedliche Mehrpegelenergiewandler handelt, beispielsweise wenn mittels des Trenntransformators 16 zugleich eine Spannungswandlung bereitgestellt wird.
Der Mehrpegelenergiewandler 22, 24 gemäß 3 weist Anschlüsse 34, 36 auf, an denen elektrische Energie zugeführt beziehungsweise abgeführt werden kann. Die elektrische Energie wird mittels drei an dem ersten der beiden Anschlüsse 36 des Mehrpegelenergiewandlers 22, 24 angeschlossenen Wandlerschaltungen 38 gewandelt. Zu diesem Zweck weisen die Wandlerschaltungen 38 mehrere in Reihe geschaltete Wandlereinheiten 26 mit einem Wandlereinheitskondensator 48 auf (4). Die Wandlerschaltungen 38 stellen Mittelanschlüsse bereit, die mit dem zweiten der Anschlüsse 34 gekoppelt sind. Die Wandlerschaltungen 38 werden mittels einer Steuereinheit 62, 64 (12) derart gesteuert, dass elektrische Energie gewandelt wird. Vorliegend ist vorgesehen, dass mittels der drei Wandlerschaltungen 38 am zweiten Anschluss 34 ein dreiphasiges Wechselspannungsnetz bereitgestellt wird.
Die Steuereinheit steuert die Wandlereinheiten 26 ferner derart, dass sowohl der erste als auch der zweite Anschluss 34, 36 im Wechselspannungsbetrieb betrieben werden.
Die Mehrpegelenergiewandler 22, 24 weisen jeweils einen ersten Wechselspannungsanschluss 36 zum Anschließen an die jeweilige Wicklung 18, 20 des Trenntransformators 16 und einen zweiten Wechselspannungsanschluss 34 zum Anschließen an das jeweilige Energieversorgungsnetz 12, 14 auf. Ein erster der Mehrpegelenergiewandler 22 koppelt elektrisch die erste Wicklung 18 mit dem ersten Energieversorgungsnetz 12. Der zweite der Mehrpegelenergiewandler 24 koppelt elektrisch die zweite Wicklung 20 mit dem zweiten Energieversorgungsnetz 14. Der zweite Wechselspannungsanschluss 34 des Mehrpegelenergiewandlers 22, 24 ist jeweils als Drei-Phasen-Wechselspannungsanschluss ausgebildet. Zu diesem Zweck werden drei entsprechende nicht bezeichnete Anschlüsse bereitgestellt (4).
Vorliegend ist vorgesehen, dass die Wandlerschaltungen 38 jeweils sechs Wandlereinheiten 26 aufweisen, die jeweils in einer Reihenschaltung geschaltet sind. Die Reihenschaltungen der Wandlerschaltungen 38 sind parallelgeschaltet und an den ersten Anschluss 36 der Mehrpegelenergiewandler 22, 24 angeschlossen.
Die in Reihe geschalteten Wandlereinheiten 26 der Wandlerschaltungen 38 sind jeweils im Bereich des Koppelns des zweiten Wechselspannungsanschlusses 34 durch eine Reihenschaltung aus zwei Reihenschaltungsinduktivitäten 28 ergänzt. Die Verbindung zwischen den beiden Reihenschaltungsinduktivitäten 28 ist an den zweiten Wechselspannungsanschluss 34 beziehungsweise an die entsprechenden Phasenanschlüsse angeschlossen. Vorliegend ist vorgesehen, dass die jeweiligen Phasenanschlüsse über eine Anschlussinduktivität 30 an die jeweiligen Verbindungen der Reihenschaltungsinduktivitäten 28 angeschlossen sind.
4 zeigt eine schematische Schaltbilddarstellung einer der Wandlereinheiten 26. Vorliegend sind die Wandlereinheiten 26 identisch zueinander ausgebildet. Die Wandlereinheit 26 gemäß 4 umfasst zwei parallelgeschaltete Reihenschaltungen aus IGBTs 50, zu denen parallel der Wandlereinheitskondensator 48 angeschlossen ist. Mittelpunkte der Reihenschaltungen der IGBTs 50 bilden Anschlüsse 52, 54 der Wandlereinheit 26. Mittels der Anschlüsse 52, 54 können die Wandlereinheiten 26 in Reihenschaltung verschaltet werden. Vorliegend ist vorgesehen, dass die Wandlereinheiten 26 sämtlich identisch sind. In alternativen Ausführungsbeispielen können jedoch auch abweichende Wandlereinheiten vorgesehen sein, beispielsweise hinsichtlich des Wandlereinheitskondensators und/oder dergleichen.
Aus 3 ist ferner ersichtlich, dass der erste Anschluss 36 eine Anschlussinduktivität 32 aufweist. Diese dient zur besseren Anpassung des ersten Anschlusses 36 an den Trenntransformator 16.
12 zeigt schematisch einen Simulationsaufbau für eine Energiekoppeleinrichtung 10 gemäß der Erfindung. Die Energiekoppeleinrichtung 10 umfasst danach die zwei Mehrpegelenergiewandler 22, 24, deren erste Anschlüsse 26 an den Transformator 16 angeschlossen sind. Darüber hinaus sind die Mehrpegelenergiewandler 22, 24 über eine Anschlussleitung 66 an ein gemeinsames Taktsignal angeschlossen. Schließlich ist für jeden der Mehrpegelenergiewandler 22, 24 eine ihm zugeordnete Steuereinheit 62, 64 vorgesehen, die ebenfalls über die Anschlussleitung 66 an den jeweiligen Mehrpegelenergiewandler 22, 24 angeschlossen ist.
Am ersten Anschluss 36 des Mehrpegelenergiewandlers 22 ist ferner eine Messeinrichtung 68 angeschlossen, mittels der eine elektrische Spannung des ersten Anschlusses 36 erfasst werden kann.
Die zweiten Anschlüsse 34 der Mehrpegelenergiewandler 22, 24 sind über Entkoppelnetzwerke 76, 78 sowie Messblöcke 70, 72 parallelgeschaltet und über einen weiteren Messblock 60 an eine dreiphasige Energiequelle 74 angeschlossen.
In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Induktivität 32 einen Wert von 4,5 mH aufweist. Die Anschlussinduktivität 30 weist vorliegend eine Induktivität von 10 µH auf. Die Kapazität der Wandlereinheitskondensatoren 48 beträgt vorliegend 1,5 mF. Die Reihenschaltungsinduktivitäten 28 weisen vorliegend eine Induktivität von 0,8 µH auf. Für jede der drei Phasen ist eine Spannung im Spitze-Spitze-Wert von etwa 700 V vorgesehen. Die Frequenzen der Wechselspannung am zweiten Anschluss 34 betragen 50 Hz. Die Spitze-Spitze-Spannung der Wechselspannung am ersten Wechselspannungsanschluss 36 der Mehrpegelenergiewandler 22, 24 beträgt vorliegend etwa 400 V. Die Frequenz der Wechselspannung am ersten Wechselspannungsanschluss 36 beträgt etwa 1000 Hz.
Die vorgenannten Werte sind lediglich für das erläuternde Ausführungsbeispiel angegeben und können je nach Erfordernis beziehungsweise Anwendung in gewünschter Weise angepasst werden. Dem Grunde nach kann natürlich die Frequenz am ersten Anschluss 36 des Mehrpegelenergiewandlers 22, 24 auch niedriger als die Frequenz der Wechselspannung am zweiten Anschluss 34 sein.
5 zeigt schematisch zwei übereinander angeordnete Diagramme, wobei in dem oberen Diagramm mittels eines Graphen ein Stromverlauf einer der Phasen am zweiten Wechselspannungsanschluss 34 dargestellt ist. Die Abszisse ist eine Zeitachse, in der die Zeit in s angegeben ist. Auf der Ordinate ist der Strom in A aufgetragen. Zu erkennen ist, dass mit dem im oberen Diagramm dargestellten Graphen ein Wechselstrom mit einer Amplitude von etwa 40 A bei einer Frequenz von 50 Hz dargestellt ist.
Das untere Diagramm der 5 stellt eine entsprechende Fouriertransformierte des im oberen Diagramm dargestellten Signalausschnitts dar. Entsprechend ist die Abszisse der Frequenz in Hz zugeordnet. Zu erkennen ist, dass bei 50 Hz ein großer Wert dargestellt ist, wohingegen Oberwellen sowie Subharmonische sehr klein ausfallen. Der im oberen Diagramm dargestellte Verlauf des Stromes ist somit in hoher Qualität sinusförmig.
6 zeigt zwei Diagramme, die übereinander geordnet wie bei 5. Im oberen Diagramm ist mittels eines Graphen der Stromfluss am ersten Anschluss 36 des Mehrpegelenergiewandlers 22, 24 dargestellt. Entsprechend ist die Ordinate dem Strom gemessen in A zugeordnet, wohingegen die Abszisse eine Zeitachse ist, auf der die Zeit in s angegeben ist. Aus dem oberen Diagramm ergibt sich, dass der dort dargestellte Stromverlauf eine Amplitude von etwa 100 A bei einer Frequenz von 1 kHz aufweist.
Im unteren Diagramm der 6 ist wieder die Fouriertransformierte des Signalausschnitts des oberen Diagramms dargestellt. Entsprechend ist die Abszisse der Frequenz in Hz zugeordnet. Zu erkennen ist aus der unteren Darstellung der 6, dass die Fouriertransformierte bei der Betriebsfrequenz von 1 kHz ein sehr großer Ausschlag erfolgt. Ein diesbezüglich vernachlässigbarer Ausschlag ist lediglich noch bei 3000 Hz und noch geringer bei 500 Hz erkennbar. Dadurch ergibt sich, dass mittels des Mehrpegelenergiewandlers 22, 24 eine Wechselspannung mit hoher Qualität erzeugt werden kann, mit der der Trenntransformator 16 beaufschlagt wird. Die hohe Qualität der Wechselspannung erlaubt es, Verluste im Trenntransformator 16 möglichst gering zu halten.
7 zeigt drei übereinander dargestellte Diagramme, die den zweiten Anschluss 34 des Mehrpegelenergiewandlers 22 gemäß 12 betreffen. Bei 12 ist vorliegend vorgesehen, dass elektrische Energie vom Mehrpegelenergiewandler 22 über den Trenntransformator 16 zum Mehrpegelenergiewandler 24 gefördert wird. Die obere Darstellung der 7 zeigt die elektrischen Spannungen der drei Phasen der am zweiten Wechselspannungsanschluss 34 des Mehrpegelenergiewandlers 22 zugeführten elektrischen Energie. Die Ordinate ist demzufolge der elektrischen Spannung in V zugeordnet, wohingegen die Abszisse eine Zeitachse ist, auf der die Zeit in s dargestellt ist. Zu erkennen ist, dass es sich um eine dreiphasige Wechselspannung handelt, bei der jede Phase eine Spannungsamplitude von etwa 230 V bei einer Frequenz von 50 Hz aufweist. Die drei Wechselspannungen sind jeweils um 120° verschoben.
In der mittleren Darstellung der 7 ist mittels eines Graphen 80 die elektrische Spannung einer einzelnen Phase des obigen Diagramms separiert mit einem zugehörigen Phasenstrom gemäß einem Graphen 82 dargestellt. Zu erkennen ist, dass die Amplitude des Phasenstroms etwa 40 A beträgt. Die Wechselspannung und der Wechselstrom sind in der Phase gleich. Die Zeitachse entspricht der Zeitachse der oberen Darstellung.
In der unteren Darstellung gemäß 7 ist ein weiteres Diagramm mit einer ebensolchen Zeitachse wie die beiden oberen Diagramme dargestellt. In diesem Diagramm ist der Spannungsverlauf an einem der Wandlereinheitskondensatoren 26 dargestellt. Entsprechend ist die Ordinate der elektrischen Spannung in V zugeordnet. Vorliegend ist für jede der Phasen jeweils einer der Wandlereinheitskondensatoren 48 hinsichtlich seiner Spannung exemplarisch dargestellt. Zu erkennen ist, dass die Spannung an den Wandlereinheitskondensatoren 48 im Rhythmus der Wechselspannung an den Phasenanschlüssen des zweiten Wechselspannungsanschlusses 34 schwankt. Zugleich ist ein Rippel überlagert, der vorliegend durch die Wechselspannung am ersten Wechselspannungsanschluss 36 aufgrund der Einwirkung des entsprechenden Wechselstromes überlagert ist. Entsprechend weist der Rippel eine Frequenz von 1 kHz auf.
8 zeigt schematisch ein Diagramm mit der am zweiten Wechselspannungsanschluss 34 des Mehrpegelenergiewandlers 24 bereitgestellten elektrischen Wechselspannung, die hier ebenfalls dreiphasig ist. In dem Diagramm der 8 ist deshalb die Abszisse eine Zeitachse, bei der die Zeit in s dargestellt ist und die Ordinate eine Spannungsachse, bei der die elektrische Spannung in V angegeben ist. Zu erkennen ist, dass die bereitgestellte Wechselspannung eine mittlere Spannungsamplitude von etwa 500 V bei einer Frequenz von 50 Hz aufweist. Auch hier werden drei Phasen erzeugt, die gegeneinander um etwa 120° verschoben sind. Aus der Darstellung gemäß 8 ist ferner ersichtlich, dass jede der Spannungen an den Phasenanschlüssen durch einen hochfrequenten Rippel überlagert ist. Dieser Rippel weist die Frequenz von 1 kHz auf, die sich aufgrund der Energieübertragung vom Mehrpegelenergiewandler 22 über den Trenntransformator 16 zum Mehrpegelenergiewandler 24 ergibt. Falls erforderlich, können ergänzend Filtermaßnahmen vorgesehen sein, um den Rippel zu dämpfen.
9 zeigt in zeitlich entsprechender Darstellung zur 8 Stromverläufe der jeweiligen in 8 dargestellten elektrischen Phasenspannungen. Das Diagramm gemäß 9 weist deshalb als Abszisse die Zeitachse wie 8 auf, wohingegen die Ordinate dem elektrischen Strom der jeweiligen Phase in A zugeordnet ist. Zu erkennen ist, dass der Stromverlauf jeder der drei Phasen der Sinusform im Wesentlichen entspricht und zwischen den Wechselspannungen an den Phasenanschlüssen und den zugeordneten Wechselströmen im Wesentlichen keine Phasenverschiebung vorliegt.
In der 10 ist ein Spannungsverlauf des ersten Anschlusses 36 des Mehrpegelenergiewandlers 24 dargestellt, wobei die Abszisse wieder eine Zeitachse mit der Zeit in s und die Ordinate eine Spannungsachse mit einer elektrischen Spannung in V zugeordnet ist. Zu erkennen ist, dass eine Wechselspannung von etwa 450 V in der Amplitude und 1 kHz in der Frequenz vorliegt.
11 zeigt ein weiteres Diagramm wie 10, bei dem jedoch einem Graphen 84 bezüglich der elektrischen Spannung, wie sie in 10 dargestellt ist, ein entsprechender zugehöriger elektrischer Strom überlagert mit einem zweiten Graphen 86 dargestellt ist. Zu erkennen ist, dass der elektrische Strom gegenphasig zur elektrischen Spannung ist und eine Amplitude von etwa 80 A aufweist.
13 zeigt in einer oberen Darstellung mittels eines Graphen 88 eine Phasenspannung und mittels eines Graphen 90 einen Phasenstrom einer der Phasen am zweiten elektrischen Anschluss 34 des Mehrpegelenergiewandlers 22, 24 bei Wechsel der Energieflussrichtung und bei einheitlichem Leistungsfaktor. Eine entsprechend zugeordnete Darstellung der Spannungen an den Wandlereinheitskondensatoren 48 findet sich in 14. In 14 sind zwei Diagramme übereinander angeordnet, die identische Zeitachsen als Abszisse und Spannungsachsen als Ordinate aufweisen. Die Zeit ist in s und die Spannung in V angegeben. Die obere der beiden Darstellungen ist den Wandlereinheitskondensatoren 48 des Mehrpegelenergiewandlers 22 und die untere der beiden Darstellungen den Wandlereinheitskondensatoren 48 des Mehrpegelenergiewandlers 24 zugeordnet. Zu erkennen ist, dass bei etwa 0,27 s ein Richtungswechsel des Energieflusses erfolgt. Im Bereich von 0,2 s bis 0,27 s erfolgt der Energiefluss vom Mehrpegelenergiewandler 22 zum Mehrpegelenergiewandler 27. Danach, das heißt, ab etwa 0,27 s, kehrt sich die Energieflussrichtung um.
In den 15 und 16 sind die Spannungsverläufe der drei Phasen des zweiten Wechselspannungsanschlusses 34 der beiden Mehrpegelenergiewandler 24, 26 jeweils in einem Diagramm dargestellt. In den 15 und 16 ist jeweils die Abszisse eine Zeitachse, in der die Zeit in s angegeben ist. Die Ordinate ist in den beiden Figuren jeweils der Spannung zugeordnet, die dort in V angegeben ist. 15 ist dabei dem Mehrpegelenergiewandler 22 zugeordnet, wohingegen 16 den Mehrpegelenergiewandler 24 zugeordnet ist. Die Zeitachsen sind ferner den Zeitachsen der 13 und 14 zugeordnet. Zu erkennen ist, dass im Bereich von 0,27 s ein Energieflusswechsel erfolgt.
17 zeigt einen Spannungsverlauf am ersten Wechselspannungsanschluss 36, wie er sowohl beim Mehrpegelenergiewandler 22 als auch beim Mehrpegelenergiewandler 24 auftritt. Die Abszisse ist wieder eine Zeitachse, auf der die Zeit in s dargestellt ist, wohingegen die Ordinate eine Spannungsachse ist, auf der die Spannung in V dargestellt ist. Zu erkennen ist, dass die Wechselspannung eine Frequenz von 1 kHz aufweist und eine Amplitude von etwa 600 V.
Die Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend. Natürlich können Funktionen insbesondere auch Ausgestaltungen in Bezug auf die Mehrpegelenergiewandler sowie die Wandlereinheiten beliebig gestaltet sein, ohne den Gedanken der Erfindung zu verlassen.
Schließlich ist anzumerken, dass die für die erfindungsgemäße Einrichtung beschriebenen Vorteile und Merkmale sowie Ausführungsformen gleichermaßen für das entsprechende Verfahren gelten und umgekehrt. Folglich können für Vorrichtungsmerkmale entsprechende Verfahrensmerkmale und umgekehrt vorgesehen sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Lesnicar, A. und Marquardt, R. verwiesen, mit dem Titel „An innovative modular multi-level converter topology for wide power range“ veröffentlicht durch IEEE Power Tech Conference, Bologna, Italien, Juni 2003 [0015]
Richtlinie 2006/95/EG [0018]

Claims

Mehrpegelenergiewandler (22, 24) zum Wandeln von elektrischer Energie, mit einem Anschluss (34, 36) zum Zuführen von zu wandelnder elektrischer Energie und einem anderen Anschluss (34, 36) zum Abgeben der gewandelten elektrischen Energie, wobei der Mehrpegelenergiewandler (22, 24) eine erste Wandlerschaltung (38) aufweist, die an einem ersten der beiden der Anschlüsse (36) des Mehrpegelenergiewandlers (22, 24) angeschlossen ist und die mehrere in Reihe geschaltete Wandlereinheiten (26) mit einem Wandlereinheitskondensator (48) umfasst und die einen mit dem zweiten der Anschlüsse (34) gekoppelten Mittelanschluss bereitstellt, wobei die Wandlerschaltung (38) zum Steuern an eine Steuereinheit angeschlossen ist, um die elektrische Energie zu wandeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit die Wandlereinheiten (26) zum Betreiben sowohl des ersten als auch des zweiten Anschlusses (34, 36) im Wechselspannungsbetrieb steuert.
Mehrpegelenergiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrpegelenergiewandler (22, 24) einen am ersten Wechselspannungsanschluss (36) angeschlossenen Zirkulationskondensator aufweist, und die Steuereinheit eingerichtet ist, einen Zirkulationsstrom durch die in Reihe geschalteten Wandlereinheiten (26) des Mehrpegelenergiewandlers (22, 24) und den Zirkulationskondensator strömen zu lassen.
Mehrpegelenergiewandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Anschluss (34) des Mehrpegelenergiewandlers (22, 24) als Drei-Phasen-Wechselspannungsanschluss ausgebildet ist.
Mehrpegelenergiewandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrpegelenergiewandler (22, 24) für jede Phase eine eigene Wandlerschaltung mit jeweils einer Reihenschaltung aus in Reihe geschalteten Wandlereinheiten (26) aufweist.
Mehrpegelenergiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in Reihe geschalteten Wandlereinheiten (26) am ersten Anschluss (36) des Mehrpegelenergiewandlers (22, 24) angeschlossen sind.
Mehrpegelenergiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittelanschluss der in Reihe geschalteten Wandlereinheiten (26) mit dem zweiten Anschluss (34) gekoppelt ist.
Mehrpegelenergiewandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die in Reihe geschalteten Wandlereinheiten (26) im Bereich des Koppelns des zweiten Anschlusses (34) durch eine Reihenschaltung aus zwei Reihenschaltungsinduktivitäten (28) ergänzt ist, deren Verbindung an den zweiten Anschluss (34) angeschlossen ist.
Energiekoppeleinrichtung (10) zum galvanisch getrennten Koppeln eines ersten Energieversorgungsnetzes (12) mit einem zweiten Energieversorgungsnetz (14), mit einem Trenntransformator (16) mit zwei magnetisch gekoppelten und galvanisch getrennten Wicklungen (18, 20), wobei eine erste der Wicklungen (18) des Trenntransformators (16) mit dem ersten Energieversorgungsnetz (12) elektrisch gekoppelt ist und die zweite der Wicklungen (20) des Trenntransformators (16) mit dem zweiten Energieversorgungsnetz (14) elektrisch gekoppelt ist, gekennzeichnet durch zwei Mehrpegelenergiewandler (22, 24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mehrpegelenergiewandler (22, 24) jeweils einen ersten Wechselspannungsanschluss (36) zum Anschließen an die jeweilige Wicklung (18, 20) des Trenntransformators (16) und einen zweiten Wechselspannungsanschluss (34) zum Anschließen an das jeweilige Energieversorgungsnetz (12, 14) aufweisen, wobei ein erster der Mehrpegelenergiewandler (22) die erste Wicklung (18) mit dem ersten Energieversorgungsnetz (12) elektrisch koppelt und der zweite der Mehrpegelenergiewandler (24) die zweite Wicklung (20) mit dem zweiten Energieversorgungsnetz (14) elektrisch koppelt.
Verfahren zum Wandeln von elektrischer Energie mittels eines Mehrpegelenergiewandlers (22, 24), bei dem die an einem Anschluss (34, 36) zugeführte elektrische Energie gewandelt und an einem anderen Anschluss (34, 36) abgegeben wird, wobei die elektrische Energie mittels wenigstens einer ersten an einem ersten der beiden der Anschlüsse (36) des Mehrpegelenergiewandlers (22, 24) angeschlossenen Wandlerschaltung (38) gewandelt wird, zu welchem Zweck die Wandlerschaltung (38) mehrere in Reihe geschaltete Wandlereinheiten (26) mit einem Wandlereinheitskondensator (48) umfasst und einen mit dem zweiten der Anschlüsse (34) gekoppelten Mittelanschluss bereitstellt, wobei die Wandlerschaltung (38) mittels einer Steuereinheit gesteuert wird, um die elektrischen Energie zu wandeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit die Wandlereinheiten (26) derart steuert, dass sowohl der erste als auch der zweite Anschluss (34, 36) im Wechselspannungsbetrieb betrieben werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu der ersten Wandlerschaltung (38) die elektrische Energie mittels einer zweiten und einer dritten Wandlerschaltung (38) gewandelt wird, wobei Reihenschaltungen der Wandlerschaltungen (38) identisch zur ersten Wandlerschaltung (38) ausgebildet sind und jeweils einen dritten und einen vierten Anschluss bereitstellen, wobei die Wandlereinheiten (26) der Wandlerschaltungen (38) im Wechselspannungsbetrieb mittels der Steuereinheit derart gesteuert werden, dass mit den zweiten, dritten und vierten Anschlüssen ein dreiphasiger Wechselspannungsbetrieb erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit die Wandlereinheiten (26) der Wandlerschaltung (38) derart steuert, dass ein Zirkulationsstrom durch die Wandlereinheiten (26) erzeugt wird.