DE102017124126B4

DE102017124126B4 - Umrichter, elektrisches Polyphasen-System und Verfahren zum effizienten Leistungsaustausch

Info

Publication number: DE102017124126B4
Application number: DE102017124126.4A
Authority: DE
Inventors: Stefan Götz
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2017-10-17
Filing date: 2017-10-17
Publication date: 2019-05-09
Anticipated expiration: 2037-10-18
Also published as: US11038435B2; CN109672353A; CN109672353B; DE102017124126A1; US20190115849A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen modularen Multilevel-Umrichter (10) mit einer Mehrzahl von Einzelmodulen (12), die jeweils eine Mehrzahl von Schaltelementen und mindestens einen elektrischen Energiespeicher aufweisen, wobei eine erste Anzahl von Einzelmodulen (12) hintereinander zu einem geschlossenen Ring verschaltet sind, und mindestens zwei Abgriffe (14) jeweils zwischen zwei benachbarten Einzelmodulen (12) des Rings angeordnet sind, wobei zwischen zwei benachbarten Abgriffen (14) mindestens ein Einzelmodul (12) des Rings angeordnet ist, das ein Ringsegment bildet, und wobei an mindestens zwei Abgriffen je eine zweite Anzahl von Einzelmodulen als von der Ringanordnung (11) abzweigendes und einen Sternstrang bildendes Phasenmodul (20) aus mindestens zwei Einzelmodulen (12) vorgesehen ist, das mit einem Ende an dem jeweiligen Abgriff (14) angeschlossen ist und an dem anderen Ende einen Phasenanschluss bildet, wobei die Mehrzahl von Schaltelementen ein Verschalten von Energiespeichern benachbarter Einzelmodule (12) ermöglicht, wodurch zwischen zwei benachbarten Phasenanschlüssen (14) eine Spannungsdifferenz bereitstellbar ist, die von einer Steuereinheit entsprechend eines Verlaufs eines mehrphasigen Drehfeldes regelbar ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Polyphasensystem und ein Verfahren zum effizienten Leistungsaustausch zwischen Modulen.

Description

Die Erfindung betrifft einen modularen Multilevel-Umrichter, ein elektrisches Polyphasen-System und ein Verfahren zum effizienten Leistungsaustausch beim Betreiben eines elektrischen Polyphasen-Systems.
Herkömmliche Batterien können festverdrahtete Einheiten aus Einzelteilen, bspw. Einzelzellen oder Teilbatterien, sein. Derartige Batterien stellen an einem Ausgang im Wesentlichen eine Gleichspannung bereit. Viele Verbraucher hingegen benötigen bspw. eine Wechselspannung mit bestimmter Frequenz, Amplitude und/oder Phase. Des Weiteren ist die Gleichspannung mit dem Ladezustand nicht konstant. Um sowohl bei einer Spitzenspannung als auch bei einer Ladeendspannung die an der Batterie angeschlossenen Verbraucher zu betreiben und die geforderte Leistung entnehmen zu können, müssen die Verbraucher aufwändige Versorgungsschaltungen aufweisen.
Alternativ dazu wird zur Bereitstellung einer von einem Verbraucher benötigten Ausgangsspannung ein Umrichter vorgesehen, der ein dynamisches Umschalten einer Verschaltung einer entsprechenden Batterie erlaubt, wobei Schaltelemente so umgeschaltet werden, dass Energiespeicher der Batterie entweder in Parallelschaltung und/oder in Serienschaltung vorliegen. Eine solche Batterie wird als geschaltete Batterie bezeichnet. Im Gegensatz zu bisherigen Umrichtern kann dabei ein vorzusehender Modulationsindex, d. h. ein Kennwert einer entsprechenden Frequenzmodulation, bei allen Amplituden maximal gehalten werden. Des Weiteren sinken bei niedrigen Spannungen die Verluste, weil durch eine Parallelschaltung der Batterieteile einer geschalteten Batterie ein effektiver Innenwiderstand sinkt. Weiterhin erzeugt eine geschaltete Batterie, bei der die Energiespeicher zwischen einer Parallelschaltung und einer Serienschaltung hin- und hergeschaltet werden können, eine fast verzerrungsfreie Ausgangsspannung, da Stufen zwischen den Spannungen zweier Konfigurationen sehr gering gehalten werden können.
Darüber hinaus kann per Schaltmodulation zwischen solchen Spannungen moduliert werden, um weiter zu glätten.
Elektrische Umrichter, eine Unterart elektrischer Stromrichter, wandelt Gleichspannung in Wechselspannung um. Topologien für elektrische Umrichter sind bspw. aus der DE 10 2010 052 934 A1 , DE 10 2011 108 920 B4 , DE 102 17 889 , US 7,269,037 , DE 101 03 031 und DE 10 2015 112 512 A1 bekannt.
In der DE 10 2010 052 934 A1 wird ein elektrisches Umrichtersystem mit mindestens zwei gleichartigen hintereinandergeschalteten Einzelmodulen beschrieben. Die Einzelmodule weisen mindestens vier interne Schaltelemente, mindestens ein Energiespeicherelement und mindestens vier Anschlüsse auf, wovon je zwei der Anschlüsse ein erstes und ein zweites Klemmenpaar bilden. Die internen Schaltelemente jedes Einzelmoduls sind so ausgeführt, dass sie wahlweise einen oder beide Anschlüsse jedes Klemmenpaars mit dem Energiespeicherelement verbinden können. Schaltelemente der jeweiligen Einzelmodule in der Hintereinanderschaltung der mindestens zwei Einzelmodule verbinden ihre jeweiligen Energiespeicherelemente so mit den Klemmen der Hintereinanderschaltung, dass wahlweise eine Reihen- oder eine Parallelschaltung der Energiespeicherelemente vorliegt.
Die DE 10 2011 108 920 B4 führt diesen Ansatz fort und beschreibt ebenfalls ein elektrisches Umrichtersystem aus mindestens zwei gleichartigen hintereinandergeschalteten Modulen, wobei die hintereinandergeschalteten Module einen
Brückenzweig bilden. Die Module weisen mindestens einen Modulkondensator und Schaltelemente auf. Mindestens zwischen einem Modul und einem nachfolgenden der hintereinandergeschalteten Module ist ein Zwischenmodul geschaltet, das mindestens eine Induktivität zur Energiespeicherung aufweist.
Die DE 10 2015 112 512 A1 beschreibt ein Batteriemodul, dessen elektrische Verschaltung dynamisch veränderbar ist, d. h. die einzelnen Batteriezellen sind nicht fest miteinander verdrahtet. Dazu ist die Verwendung gleichartiger Batterieteile vorgesehen, umfassend jeweils eine oder mehrere Batteriezellen sowie eine Mehrzahl von Niederspannungsschaltern, insbesondere MOSFETs. Damit können die einzelnen Batteriezellen zwischen einer Parallelschaltung, einer Serienschaltung, einer Überbrückung und einer Abschaltung einzelner oder mehrerer Batterieteile umgeschaltet werden. Da alle Niederspannungsschalter, die zur Umschaltung der elektrischen Verbindung zwischen Batterieteilen benötigt werden, in demselben Batterieteil liegen, sind keine besonderen Spannungsversorgungen nötig, und es kann ein akurates Timing, d. h. eine Gleichzeitigkeit der Ansteuerung sichergestellt werden.
WO 2016/119 820 A1 betrifft einen mehrstufigen Leistungswandler, der mit einem Wechselstromnetz und einer Last verbunden ist. Der Leistungswandler umfasst mindestens einen ersten und einen zweiten Phasenzweig, wobei jeder Phasenzweig eine Vielzahl von kaskadierten Kettenglied-verbundenen Zellen umfasst. Jede Zelle umfasst ferner einen Zwischenkreiskondensator. Mindestens eine Zelle in jedem Phasenzweig umfasst zusätzlich zu dem Zwischenkreiskondensator ein Energiespeicherelement.
Beispiele für leistungselektronische Schaltungen sind der modulare Multilevel-Umrichter M2C, wie in der voranstehend genannten US 7,269,037 und der DE 101 03 031 beschrieben, oder der modulare Multilevel-Parallel-Seriell-Umrichter M2SPC, wie bspw. in der DE 10 2010 052 934 und der DE 10 2011 108 920 beschrieben. Das Schaltungskonzept derartiger modularer Multilevel-Umrichter, sowohl M2C bzw. MMC als auch M2SPC bzw. MMSPC wird meist in eine Mikrotopologie, d. h. eine Verschaltung innerhalb des Moduls, und eine Makrotopologie, d. h. eine Kombination mehrerer Module zu einem System, wie bspw.
Bekannte Makrotopologien umfassen bspw. einen Modulstrang, welcher jedoch nur für einphasige Systeme verwendbar ist, sofern sich Energieentnahme und Energierückspeisung über die Zeit ausgleichen oder bspw. durch zwischenzeitliches Laden ausgeglichen werden können. Beispiele dafür sind Kombinationssysteme für Stromversorgung, bspw. STATCOM, oder auch einphasige AC-Batteriequellen. Ferner ist eine Puls-Topologie zur Erzeugung hochdynamischer Strompulse mit getrennten Anschlussklemmen gegenüber der Ladeanschlussklemmen bekannt, wie bspw. beschrieben in Götz, S.M.; Peterchev, A.V.; Weyh, T., „Modular Multilevel Converter with Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control", Power Electronics, IEEE, Transactions on, vol.30, no.1, pp.203,215, 2015. doi: 10.1109/TPEL.2014.2310225. Ferner ist eine sogenannte Marquardt-Topologie für bidirektionale AC/AC- und AC/DC-Systeme bekannt, wie bspw. beschrieben in Lesnicar, A.; Marquardt, R., „An innovative modular multilevel converter topology suitable for a wide power range", Power Tech Conference Proceedings, 2003 IEEE Bologna, vol.3, no., pp.6, pp. vol.3, 23-26, 2003, doi: 10.1109/PTC.2003.1304403.
Allerdings ist bislang keine systematische Regel bekannt, welche Eigenschaften eine Makrotopologie erfüllen muss, damit ein durch die Zusammenschaltung der Einzelmodule entstehender Umrichter funktionsfähig ist. Generell können in einer Makrotopologie auch unterschiedliche Module kombiniert werden, wenn diese jeweils zumindest zwei zueinander kompatible Zustände darstellen können, so dass eine Umschaltung zwischen verschiedenen Schaltzuständen möglich ist.
Modulare Multilevel-Konverter bzw. Multilevel-Umrichter, insbesondere ein klassischer MMC und ein klassischer MMSPC, arbeiten nach dem Schema, dass im Gegensatz zu traditioneller Leistungselektronik, die mit wenigen Leistungsschaltern Ein- oder Ausgangsspannungen zwischen wenigen Niveaus umschalten, um im Mittel eine gewünschte Größe zu erlangen, eine Spannung durch eine dynamisch wechselbare elektrische Konfiguration von geladenen in Modulen angeordneten Energiespeichern, wie bspw. Kondensatoren oder Batterien, mit in den Modulen befindlichen elektrischen oder elektronischen Schaltern und bestimmten Zuständen in sehr feinen Stufen gesteuert wird.
Wie voranstehend bereits erläutert, bestehen modulare Multilevel-Konverter in der Regel aus zwei Anteilen, einer Modulart, der sogenannten Mikrotopologie und einer Verschaltung von Modulen, der sogenannten Makrotopologie. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung wird insbesondere die Makrotopologie betrachtet, wobei sich der erfindungsgemäße Gedanke für alle Modularten anwenden lässt.
MMSPC-Module unterscheiden sich im Allgemeinen von konventionellen MMC-Modulen dadurch, dass ein zusätzlicher Parallel-Zustand existiert. Damit kann ein MMSPC in einem Strang eine nahezu beliebige elektrische seriell-parallele Schaltungskonfiguration von modulintegrierten Energiespeichern erzeugen und diese dynamisch ändern. Ferner steht zumeist auch ein Umgehungszustand bzw. Bypass zur Verfügung, um den Energiespeicher eines Moduls zu umgehen. Je nach Modulart kann eine zeitweise Serienverschaltung der modulintegrierten Energiespeicher in nur einer Polarität oder in beiden Polaritäten ermöglicht werden.
Generell basiert das Prinzip eines modularen Multilevel-Konverters in einer Erzeugung von Spannungsdifferenzen zwischen zwei Terminals bzw. Anschlussstellen bspw. eines Energienetzes durch eine Konfiguration einer elektrischen Verschaltung von Energiespeichern in den Modulen und einer Schaltmodulation zwischen Schaltzuständen zur Bildung von beliebigen Zwischenzuständen. Wird bspw. zwischen zwei Anschlussstellen durch die Module eine leicht geringere Spannung erzeugt als die Anschlussstellen selbst aufweisen, fließt Strom und somit Ladung in die jeweiligen Energiespeicher der Module. Werden demgegenüber mehr Module in Serie geschaltet, fließt Strom aus dem Energiespeicher dieser Module in die Terminals. Die Steuerung kann dabei durch geeignete Auswahl der Schaltzustände jedes Moduls entscheiden, von welchem Modul ein jeweiliger darin umfasster Energiespeicher bei in einen mehrere Module umfassenden Arm eines Multilevel-Konverters fließendem Strom geleert, gefüllt oder gar nicht beeinflusst wird. Gewünscht ist es im Betrieb eines modularen Multilevel-Konverters, alle Energiespeicher ähnlich geladen zu halten oder zumindest zu vermeiden, dass einzelne Module bzw. deren Energiespeicher über- oder unterladen werden.
Daraus ergibt sich ein erster Ladungsausgleichsmechanismus. Ein jeweiliger Energieinhalt der jeweiligen Energiespeicher der Mehrzahl von Modulen kann kontrolliert und beeinflusst werden, indem gezielt Module ladend in einen Stromfluss geschaltet werden, vergleichbar mit einem Eimer, der in einen Wasserfluss gehalten wird, oder entladend in einen Stromfluss geschaltet werden, vergleichsweise mit einem Eimer, der in einen bereits fließenden Wasserstrahl zusätzlich hinzugegossen wird. Durch Messung oder Schätzung eines Ladezustands oder einer Spannung jedes Energiespeichers der Mehrzahl von Modulen kann entsprechend durch eine Steuerung ausgleichend eingegriffen werden.
Auf diese Weise kann ferner Ladung und Energie von einem Modul zu einem anderen Modul transferiert werden, indem bspw. ein Modul positiv in Serie und ein anderes negativ in Serie geschaltet wird, oder im Fall von Wechselstrom eines der Module bevorzugt bei der positiven Halbwelle eingesetzt, d. h. in Serie, geschaltet wird, in der negativen Halbwelle aber vorzugsweise bzw. für längere Zeit im Bypass-Betrieb oder dergleichen geschaltet wird, während das andere Modul im Verhältnis zu dem ersten Modul genau umgekehrt zu schalten ist. In einem geschlossenen Ring aus Modulen kann ein zirkulierender Ringstrom erzeugt werden, der ebenso einen Ladungsaustausch ohne einen externen Laststrom ermöglicht.
Bei modularen Multilevel-Konvertern mit der Möglichkeit der Parallelschaltung von Modulen, wie bspw. bei dem voranstehend genannten MMSPC, kann ferner ein zweiter Prozess des Ladungs- und Energietransfers genutzt werden, indem zwei oder mehrere Module mit gering unterschiedlich geladenen Energiespeichern zeitweise parallel verbunden werden. Die Ausgleichsströme vom volleren zum leereren Energiespeicher gleichen entsprechend Ladung, Spannung und/oder Energie aus.
Bei einer Wechselspannungserzeugung mit einem modularen Multilevel-Konverter wird eine Wechselspannung durch entsprechende Koordination der Module zu jedem Zeitpunkt erzeugt. Die Wechselspannung entlang bspw. eines Strangs bzw. Arms des Multilevel-Konverters ist entsprechend im Wesentlichen sinusförmig und schließt die negativen Halbwellen ein. Bei Wirkleistungsabgabe des Multilevel-Konverters oder auch nur des entsprechenden Arms folgt der Strom ohne Phasenversatz der Spannung. Die elektrische Leistung als Produkt aus Strom und Spannung ist folglich etwa proportional zu sin²(ωt)≥0. Da die Modulkonfiguration, d. h. die Schaltkonfiguration der Module, der Spannung folgt, werden die Energiespeicher der jeweiligen Module von den elektronischen Schaltern stets umgepolt, so dass der Energiefluss positiv ist. Aufgrund dieser Umpolung scheint der Strom zumindest aus Sicht der Energiespeicher der jeweiligen Module eine |sin(ωt)|-Komponente zu haben. Das bedeutet, dass der Strom über die Zeit nicht konstant ist. Dies gilt näherungsweise für alle Module eines Strangs, der derselben Gesamtspannung und demselben Strom ausgesetzt ist. Aufgrund dessen ist ein Ausgleich zwischen Nachbarn durch ein geeignetes Scheduling bzw. durch eine geeignete Schaltkoordination der Modulzustände bzw. der Schaltzustände der Module eines Strangs nicht möglich.
Dieser so entstehende Stromrippel hat in mehrerer Hinsicht Nachteile. Zum einen sind viele Verlustmechanismen in den Modulen näherungsweise nicht linear, bspw. proportional zum Quadrat des Stroms entsprechend den Ohm'schen Verlusten. Somit sind Verluste eines pulsierenden Stroms, wie oben genannt, höher als bei einem konstanten Strom. Die Energiespeicher müssen ferner die Ladung für den zeitlichen Ausgleich bereitstellen. Einerseits werden einige Energiespeicher dadurch ständig entladen und geladen, verbunden mit entsprechender Alterung und Erwärmung. Andererseits muss die dazu notwendige Kapazität in den Modulspeichern zusätzlich zur eigentlich nötigen Kapazität vorgehalten werden.
Die Technologie der modularen Multilevel-Konverter soll insbesondere eingesetzt werden, um die bisher fest verdrahteten eingangs kurz beschriebenen Batteriepacks so in Teilbatterien bzw. Module aufzutrennen, dass die elektrische Verschaltung der Einzelteile dynamisch im Betrieb verändert werden kann. Vorzugsweise können Teilbatterien zwischen einer Parallelschaltung, einer Serienschaltung, einer Überbrückung, d. h. eines Bypasses, und einer Abschaltung einzelner oder mehrerer Teilbatterien umschalten, wie bspw. beschrieben in Götz, S.M.; Peterchev, A.V.; Weyh, T., „Modular Multilevel Converter with Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control", Power Electronics, IEEE, Transactions on, vol.30, no.1, pp.203,215, 2015. doi: 10.1109/TPEL.2014.2310225. Die dynamische Umkonfigurierung der Verschaltung der Batterieteile bzw. der Einzelmodule ermöglicht eine Vereinigung dreier Funktionen. Zum einen wird ein Ladungsaustausch zwischen den Batterieteilen, um bspw. ein konventionelles Batteriemanagement durchzuführen, ermöglicht. Zum anderen können defekte Batterieteile, ohne die Gesamtfunktion zu verlieren, überbrückt werden. Drittens können beliebige Ausgangsspannungen und zeitliche Strom- bzw. Spannungsverläufe direkt durch die Batterie ohne den Bedarf eines zusätzlichen leistungselektronischen Umrichters erzeugt werden.
Dabei können alle Schalter Niederspannungsschalter, bspw. MOSFETs, sein, was bedeutet, dass eine maximale Spannung, für die die jeweiligen Schalter ausgelegt werden müssen, deutlich unter der Gesamtspannung des Systems liegt, sondern bspw. bei der Maximalspannung des Batterieteils, den die zugehörigen Schalter direkt beaufschlagen. Batterieteile können dabei einzelne Zellen, aber auch mehrere Zellen, bspw. selbst ein kleines Batteriepack, sein. Als Batterie gelten in der vorliegenden Offenbarung bspw. Primärzellen, Sekundärzellen, Kondensatoren jeglicher Art oder Energiequellen oder Energiespeicher, die lediglich Gleichspannung verwenden.
Durch eine dynamische Rekonfiguration der Batterieverschaltung kann direkt die Wechselspannung und die Multiphasenspannung für einen oder mehrere Verbraucher erzeugt werden. Im Gegensatz zu bisherigen Umrichtern kann, wie eingangs bereits erwähnt, ein vorzusehender Modulationsindex bei allen Amplituden maximal gehalten werden. Ferner sinken bei niedrigen Spannungen sogar die Verluste, weil durch eine Parallelschaltung der Batterieteile der effektive Innenwiderstand sinkt. Darüber hinaus erzeugt eine derart geschaltete Batterie eine fast verzerrungsfreie Ausgangsspannung, da die Stufen zwischen den Spannungen zweier Konfigurationen sehr gering gehalten werden können. Darüber hinaus kann per Schaltmodulation zwischen solchen Spannungen moduliert werden, um weiter zu glätten. Jedoch muss die Multiphasenspannung auf eine Weise erzeugt werden, die keinen oder nur geringen Mehraufwand bedeutet.
Bei Verwendung der eingangs genannten Module können die Module zur Erzeugung verschiedener Spannungen in unterschiedlicher Weise zusammengeschaltet werden. Eine Möglichkeit zur Erzeugung von mehrphasigen Spannungen, bspw. Dreiphasen- oder Mehrphasenwechselspannung, bspw. zum Betrieb von mehreren Mehrphasensystemen oder allgemein zur Konvertierung zwischen mehreren elektrischen Anschlüssen, besteht in einer Sternverschaltung zwischen Strängen oder Armen, die jeweils wiederum aus einzelnen Modulen bestehen. Bei der Verwendung der voranstehend erwähnten MMSPC-Module kann eine Verschaltung der Module zur Ermöglichung einer Parallelverschaltung von Modulen über Stranggrenzen hinweg im Sternpunkt erfolgen, wenn die jeweils mindestens zwei elektrischen Anschlüsse jedes Modulstrangs paarweise untereinander verbunden werden. Eine Parallelschaltung über Stränge hinweg erlaubt einen Energieaustausch zwischen diesen Strängen bzw. zwischen den Energiespeichern der in den jeweiligen Strängen enthaltenen Module.
Neben einer Sternschaltung können die Module auch zu einem Ring zusammengeschaltet werden bzw. zu einer n-Eckkonfiguration, wobei eine Strombelastung der in dem Ring enthaltenen Module bei gleicher Antriebsleistung in erster Näherung konstant bleibt. Gleichzeitig sinkt eine durchschnittliche Stromstärke je Phase der elektrischen Maschine invers linear mit der Anzahl der bereitgestellten Phasen. Über zwischen jeweils zwei Modulen innerhalb des Rings vorzusehende Anschlüsse können jeweilige Verbraucher angeschlossen werden, wobei der Aufwand zur Erzeugung einer jeweiligen Phase bspw. ausgehend von einem dreiphasigen System, lediglich in Hinzufügung eines zusätzlichen Abgriffs an der Ringschaltung der Module besteht.
Aus der DE 10 2015 121 226 A1 ist ein Multilevelstromrichter in Form eines Ringes aus Vierpolmodulen bekannt. In eine Ausführungsform zweigt vom Ring ein Arm mit wenigstens zwei Modulen ab, womit das Potenzial des Ringes gegenüber dem Bezugspotenzial am Ende dieses Arms verschoben werden kann.
Ein generelles Problem besteht darin, dass nur sehr begrenzt Energie zwischen den Modulen bzw. zwischen Energiespeichern der Module ausgetauscht werden kann, obwohl im Betrieb eine zeitweise unterschiedliche Belastung der Energiespeicher der jeweiligen Module vorliegen kann, insbesondere, wenn unterschiedliche Abgriffe für jeweils unterschiedliche Antriebsmaschinen eingesetzt werden. Dies betrifft bspw. in einer Mehrmaschinenkonfiguration den üblichen Fall, dass die einzelnen Maschinen in unterschiedlichen Arbeitspunkten betrieben werden, aber auch, dass aufgrund der Wechselspannung die Last der Module mit der Frequenz der Wechselspannung bzw. deren Harmonischen, insbesondere der doppelten Frequenz der Wechselspannung, fluktuieren kann.
Allerdings sind diese Fluktuationen aufgrund des zeitlichen Versatzes der unterschiedlichen Phasen nicht zeitlich synchron und könnten sich daher zu nahezu konstanter Last kompensieren, wenn ein substantieller effizienter Leistungsaustausch zwischen Modulen unterschiedlicher Abgriffe oder Arme möglich wäre.
Demnach war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit vorzusehen, die Module eines Multilevel-Umrichters bzw. -Konverters in der zugrundeliegenden Makrotopologie so miteinander zu verschalten, dass ein substantieller effizienter Leistungsaustausch zwischen den Modulen unterschiedlicher Abgriffe oder Arme des Umrichters möglich ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Multilevel-Umrichter und ein Polyphasen-System sowie ein Verfahren mit den Merkmalen der jeweils unabhängigen Patentansprüche bereitgestellt.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen sind der Beschreibung und den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Es wird ein modularer Multilevel-Umrichter mit einer Mehrzahl von Einzelmodulen, die jeweils eine Mehrzahl von Schaltelementen und mindestens einen elektrischen Energiespeicher aufweisen vorgeschlagen, wobei eine erste Anzahl von Einzelmodulen hintereinander zu einem geschlossenen Ring verschaltet sind, und mindestens zwei Abgriffe jeweils zwischen zwei benachbarten Einzelmodulen des Rings angeordnet sind, wobei zwischen zwei benachbarten Abgriffen mindestens ein Einzelmodul des Rings angeordnet ist, das ein Ringsegment bildet, und wobei an mindestens zwei Abgriffen je eine zweite Anzahl von Einzelmodulen als von der Ringanordnung abzweigendes und einen Sternstrang bildendes Phasenmodul aus mindestens zwei Einzelmodulen vorgesehen ist, das mit einem Ende an dem jeweiligen Abgriff angeschlossen ist und an dem anderen Ende einen Phasenanschluss bildet, wobei die Mehrzahl von Schaltelementen ein Verschalten von Energiespeichern benachbarter Einzelmodule ermöglicht, wodurch zwischen zwei benachbarten Phasenanschlüssen eine Spannungsdifferenz bereitstellbar ist, die von einer ersten Steuereinheit entsprechend eines Verlaufs eines mehrphasigen Drehfeldes regelbar ist, und wodurch zwischen Energiespeichern von Einzelmodulen der Mehrzahl von Einzelmodulen ein Leistungsaustausch realisierbar und von einer zweiten Steuereinheit steuerbar ist.
Die erste und die zweite Steuereinheit können in einer übergeordneten Steuereinheit zusammengeführt sein.
In Ausgestaltung kann ein Leistungsaustausch zwischen Energiespeichern von zu verschiedenen Sternsträngen gehörenden Modulen und/oder zwischen Energiespeichern von Modulen eines Sternstrangs und Modulen der Ringanordnung und/oder zwischen Energiespeichern von Modulen innerhalb der Ringanordnung realisiert und gesteuert werden.
Erfindungsgemäß wird eine Topologie vorgeschlagen, bei der Vorteile einer Ringtopologie mit Vorteilen einer Sterntopologie kombiniert werden, so dass ein Energieaustausch zwischen den Modulen bzw. deren Energiespeichern in der Gesamttopologie möglich wird. Da die eingangs erwähnten MMC-Module lediglich einen seriellen und einen Bypass Verbindungszustand zwischen jeweiligen Modulen ermöglichen, ist durch die erfindungsgemäße Topologie der Module eine Möglichkeit gegeben, Energie zwischen den Modulen, insbesondere zwischen den Modulen der verschiedenen Stränge, auszutauschen.
In Ausgestaltung weisen die Einzelmodule eine erste Seite und eine zweite Seite auf, wobei die erste Seite zwei Anschlüsse und die zweite Seite zwei Anschlüsse aufweist.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Multilevel-Konverters sind die Einzelmodule der ersten Anzahl von Einzelmodulen jeweils mit zwei elektrischen Leitern miteinander elektrisch verbunden sind. Vorzugsweise sind dabei MMSPC-Module als Einzelmodule vorzusehen.
Dabei stellt in Ausgestaltung jeder oder zumindest einer der mindestens zwei Abgriffe zum jeweiligen Anschluss eines von der Ringanordnung abzweigenden Phasenmoduls je einen Anschluss an den zwei elektrischen Leitern bereit.
In alternativer Ausgestaltung stellt jeder oder zumindest einer der mindestens zwei Abgriffe zum Anschluss eines von der Ringanordnung abzweigenden Phasenmoduls einen Anschluss an einem der zwei elektrischen Leiter bereit.
In noch weiterer Ausgestaltung sind die zwei elektrischen Leiter an jedem oder an zumindest einem der mindestens zwei Abgriffe zum Anschluss eines von der Ringanordnung abzweigenden Phasenmoduls zusammengeführt.
Bei Vorsehen von MMSPC-Modulen, die zusätzlich einen temporär nutzbaren parallelen Verbindungszustand erlauben, kann der Energieaustausch zwischen den Modulen über den zentralen Ring hinweg und die Stränge bzw. Sternstränge über eine zeitweise Parallelschaltung der Module erfolgen, wodurch Strom von jenem Modul mit höherer Spannung, bspw. aufgrund eines höheren Ladezustands des eingebetteten Energiespeichers, zu jenem Modul mit niedriger Spannung der parallel geschalteten Module fließt und somit einen Energieaustausch zwischen den Modulen bewirkt.
Alternativ kann ein Energieaustausch auch über eine Kontrolle bzw. Steuerung eines Energiezu- und abflusses jedes Einzelmoduls in der Gesamttopologie und entsprechend gezielter Wahl eines Modulzustands eines jeweiligen Moduls erfolgen.
Erfindungsgemäß wird eine Topologie mit einem zentralen Ring und daran angeschlossenen Armen bzw. Sternsträngen, die jeweils aus einer Anzahl von Modulen gebildet werden, vorgeschlagen. Eine jeweilige Anzahl an Modulen in jedem Teilstrang kann unterschiedlich sein. Ein Teilstrang von Modulen wird dabei definiert als ein Ringsegment, d. h. ein Abschnitt des Rings zwischen zwei Anschlüssen, an denen bspw. je ein Arm von Modulen, d. h. ein Sternstrang, angeschlossen ist, oder als ein von dem Ring abzweigendes einen Sternstrang bildendes Phasenmodul aus mindestens zwei Modulen. Ferner können auch unterschiedliche Modultypen kombiniert werden. Beispielsweise können in dem zentralen Ring vorwiegend MMC-Module, in den Armen bzw. Sternsträngen vorwiegend MMSPC-Module verwendet werden.
In einem Dreiphasensystem, d. h. bei Bereitstellung von drei Phasenanschlüssen, ist eine erreichbare Spannung an den Phasenanschlüssen an den jeweiligen Enden der Arme bzw. Sternstränge für den Fall gleichartiger Module, d. h. gleichartiger Modultypen mit symmetrischer Modulverschaltung gegeben durch: $V_{A n s c h l u s s} = (\frac{n_{r}}{\sqrt{3}} + n_{s}) \frac{V_{m}}{3}$
wobei n_r die Zahl aller Module im Ring, n_s die Zahl der Module in den drei Armen bzw. Sternsträngen zusammen und V_m die Modulspannung eines jeweiligen Moduls angibt.
Eine optimale Auslegung, d. h. eine Wahl der Anzahl der Module im zentralen Ring und den jeweiligen Armen bzw. Sternsträngen stellt ein Optimierungsproblem dar. Dieses Optimierungsproblem unterliegt insbesondere zwei Zielen, nämlich einer möglichst geringen Gesamtmodulanzahl und minimalen Verlusten. Ein derartiges Optimierungsproblem kann durch numerische Simulation gelöst werden.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der gesamte Ladungsaustausch zwischen Modulen innerhalb des Gesamtsystems über Stränge bzw. Teilstränge hinweg nicht mehr allein über eine Parallelschaltung in einem gemeinsamen Sternstrang mit geringer Spannung, d. h. Modulspannung, der einzelnen Module und damit hohem Strom erfolgen muss. Stattdessen kann über den zentralen Ring Ladung und damit Energie über einen in dem zentralen Ring laufenden Ringstrom bei vergleichsweise hohem Spannungsniveau ausgetauscht werden. Sowohl in den Armen bzw. Sternsträngen als auch im zentralen Ring kann ein Energieaustausch zwischen den Modulen über Parallelschaltung als auch über eine geeignete Steuerung bzw. Regelung einer Auswahl der Zustände jedes einzelnen Moduls ausgetauscht werden. In der Regel umfasst der hier vorzusehende zentrale Ring weniger Module als dies bei einer eingangs erwähnten reinen Ringtopologie der Fall wäre, so dass ein Weg für einen Ringstrom deutlich kürzer ist. Bei gleicher ausgleichender Ringstromamplitude erzeugt der Ringstrom im zentralen Ring somit niedrigere Verluste als dies bei einer reinen Ringtopologie der Fall ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen modularen Multilevel-Umrichters ist zwischen zwei benachbarten Einzelmodulen des Rings mindestens ein zusätzlicher Abgriff angeordnet ist, der einen Phasenanschluss zum direkten Anschluss einer elektrischen Maschine bildet.
In noch weiterer Ausgestaltung sind zwischen zwei benachbarten Abgriffen des Rings mindestens zwei Einzelmodule des Rings angeordnet sind, die ein Ringsegment bilden.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Multilevel-Umrichters sind die Schaltelemente der Vielzahl von Einzelmodulen Niederspannungshalbleiterschaltelemente, insbesondere MOSFETs.
Vorzugsweise teilen die mindestens zwei Abgriffe zum jeweiligen Anschluss eines von der Ringanordnung abzweigenden Phasenmoduls bzw. Seitenstrangs den Ring der Einzelmodule symmetrisch, d. h. die dadurch gebildeten Ringsegmente umfassen alle die gleiche Anzahl von Einzelmodulen.
In möglicher Ausgestaltung können mehr als drei Sternstränge bzw. Arme an den zentralen Ring angeschlossen werden. Insbesondere können bspw. sechs Sternstränge an den zentralen Ring angeschlossen werden, wobei bspw. ein durch die angeschlossenen Sternstränge definiertes Ringsegment lediglich ein Modul umfasst. Zur Bereitstellung eines bspw. sechsphasigen Systems umfasst der zentrale Ring insbesondere lediglich sechs Module, wobei jedes Modul ein Ringsegment definiert, das beidseitig von einem angeschlossenen Sternstrang begrenzt wird. Demnach sind an dem Ring sechs Sternstränge bzw. Arme angeschlossen, die wiederum eine Mehrzahl an Modulen jeweilig aufweisen, bspw. vier Module. Jeder Sternstrang umfasst zwei Anschlüsse, von denen jeweils einer an den zentralen Ring angeschlossen ist und der andere als freier Anschluss bzw. Phasenanschluss zur Verfügung steht, um daran eine elektrische Maschine anzuschließen. Werden von der Topologie bspw. sechs Anschlüsse zur Verfügung gestellt, so ergibt sich die Möglichkeit, zwei unabhängig zu betreibende elektrische Maschinen, die jeweilig dreiphasig zu betreiben sind, zu versorgen. Beispielsweise könnte eine derartige Topologie für einen elektrischen Allradantrieb mit einer Maschine für eine Vorder- und einer Maschine für eine Hinterachse oder einer Maschine für ein linkes Rad und einer Maschine für ein rechtes Rad eingesetzt werden.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Topologie könnte über die sechs Abgriffe diese Maschine versorgt werden, wobei ein Energieaustausch zwischen den Modulen unterschiedlicher Teilstränge, der einen wesentlichen Anteil der elektrischen Leistung der entsprechenden Antriebsmaschine, bspw. 20%, insbesondere > 50%, mit vertretbaren Verlusten erreicht werden kann. Der Anschluss von elektrischen Maschinen, wie bspw. Motoren, kann im einfachsten Fall für eine erste Maschine an drei benachbarten Anschlüssen und für eine zweite Maschine ebenfalls an drei benachbarten Anschlüssen erfolgen. Eine derartige Anordnung erlaubt eine vergleichsweise einfache Regelung und einen maximalen Energieaustausch zwischen zusammengehörigen Phasen der zusammengeschlossenen Maschinen zum Ausgleich von Stromharmonischen in den Endmodulen aufgrund einer Wechselstromlast.
Alternativ kann eine Anschlussweise der Maschinen ineinander verschränkt werden, indem im voranstehend beschriebenen Beispiel von sechs Phasenanschlüssen die sechs Anschlüsse bzw. Phasenanschlüsse im Ring umlaufend bspw. im Wechsel der einen und der anderen Maschine zugeordnet werden. Dabei ergeben sich ebenfalls einige Vorteile. Aufgrund der direkten „elektrischen Nachbarschaft“ wird ein hoher Leistungsfluss zwischen Modulen eines Strangs einer Maschine und jenen der anderen Maschine, um bspw. eine unterschiedliche fahrdynamische Belastung der Maschinen bei Beschleunigung, Verzögerung und Kurvenfahrt durch Energiefluss zwischen den Modulen unterschiedlicher Stränge auszugleichen, ermöglicht. Ferner wird im Fall eines Gleichlaufs der elektrischen Maschinen mit gleicher Frequenz und geeigneter Phase eine nötige Spannung zwischen den benachbarten Anschlüssen bzw. Phasenanschlüssen reduziert, wodurch die von den Modulen zur Verfügung zu stellende Amplitude vermindert wird.
Statt elektrischer Maschinen lassen sich ebenso andere Lasten oder elektrische Netze anschließen, um bspw. eine Energiewandlung zwischen den angeschlossenen Netzen zu ermöglichen und den Multilevel-Umrichter mit jeweils geeigneten Energiespeicherelementen als Netzspeicher oder Kompensationssystem, sogenanntes STATCOM oder UPFC, agieren zu lassen. Dabei müssen die angeschlossenen Netze nicht die gleiche Frequenz oder Amplitude oder eine Synchronität aufweisen. So können bspw. das Bahnstromnetz in Deutschland und unterschiedliche Verbundnetze in Nordamerika oder in Japan angeschlossen werden.
Eine höhere Anzahl von angeschlossenen Maschinen mit entsprechend höherer Phasenzahl des erfindungsgemäßen Umrichters ist ebenso möglich.
Ferner schlägt die vorliegende Erfindung ein elektrisches Polyphasensystem mit

- mindestens einer elektrischen Maschine, die eine Vielzahl von Wicklungen mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss aufweist, wobei mindestens ein Knotenpunkt existiert, mit dem entweder der erste oder der zweite Anschluss jeweils einer Wicklung der Vielzahl von Wicklungen elektrisch verbunden ist und der entsprechend andere Anschluss des ersten und des zweiten Anschlusses jeweils einer Wicklung der Vielzahl von Wicklungen mit einem Phasenanschluss elektrisch verbunden ist, und
- einem voranstehend beschriebenen erfindungsgemäßen modularen Multilevel-Umrichter,

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In möglicher Ausgestaltung arbeitet die mindestens eine elektrische Maschine als Generator oder als Motor.
Ferner wird ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Polyphasensystems bereitgestellt, bei dem eine elektrische Maschine und ein modularer Multilevel-Umrichter verwendet wird, wobei die elektrische Maschine eine Vielzahl von Wicklungen mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss aufweist und entweder der erste Anschluss oder der zweite Anschluss jeweils einer Wicklung der Vielzahl von Wicklungen mit einem Knotenpunkt verbunden wird, mit dem jede Wicklung der Vielzahl von Wicklungen verbunden ist, und der entsprechend andere Anschluss des ersten und des zweiten Anschlusses jeweils einer Wicklung der Vielzahl von Wicklungen mit einem Phasenanschluss verbunden wird, und wobei der modulare Multilevel-Umrichter eine Mehrzahl von Einzelmodulen aufweist, wobei eine erste Anzahl von Einzelmodulen hintereinander zu einem geschlossenen Ring verschaltet sind, und mindestens zwei Abgriffe jeweils zwischen zwei benachbarten Einzelmodulen des Rings angeordnet sind, wobei zwischen zwei benachbarten Abgriffen mindestens ein Einzelmodul des Rings angeordnet ist, das ein Ringsegment bildet, und wobei an mindestens zwei Abgriffen je eine zweite Anzahl von Einzelmodulen als von der Ringanordnung abzweigendes und einen Sternstrang bildendes Phasenmodul aus mindestens zwei Einzelmodulen vorgesehen ist, das mit einem Ende an dem jeweiligen Abgriff angeschlossen ist und an dem anderen Ende einen Phasenanschluss bildet, mit dem der erste oder der zweite Anschluss einer Wicklung der Vielzahl von Wicklungen der elektrischen Maschine elektrisch verbunden wird, wobei die Einzelmodule des modularen Multilevel-Umrichters je einen Energiespeicher und eine Mehrzahl von Schaltelementen aufweisen, die ein Verschalten von Energiespeichern benachbarter Einzelmodule ermöglicht, wodurch zwischen zwei benachbarten Phasenanschlüssen bzw. zwei benachbarten Wicklungen eine Spannungsdifferenz bereitgestellt wird, die von einer Steuereinheit entsprechend eines Verlaufs eines mehrphasigen Drehfeldes geregelt wird, und wodurch zwischen Energiespeichern von Einzelmodulen der Mehrzahl von Einzelmodulen ein Leistungsaustausch realisierbar und von einer zweiten Steuereinheit gesteuert wird.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung schematisch und ausführlich beschrieben.

1 zeigt eine schematische Ansicht einer beispielhaften Makrotopologie eines erfindungsgemäßen und erfindungsgemäß zu verwendenden modularen Multilevel-Umrichters.
2 zeigt eine schematische Ansicht einer weiteren beispielhaften Makrotopologie eines erfindungsgemäßen und erfindungsgemäß zu verwendenden modularen Multilevel-Umrichters.
3 zeigt mehrere Ausführungsformen eines beispielhaften Einzelmoduls zur Verwendung in einem modularen Multilevel-Umrichter aus 1 oder 2.
4 zeigt weitere Ausführungsformen eines Einzelmoduls zur Verwendung in einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen modularen Multilevel-Umrichters.
5 zeigt eine noch weitere Ausführungsform eines Einzelmoduls zur Verwendung in einer noch weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen modularen Multilevel-Umrichters.
6 zeigt verschiedene mögliche Verbindungen zwischen Ringanordnung und Sternstrang in einem erfindungsgemäßen modularen Multilevel-Umrichter.

Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.
Elektrofahrzeuge des Stands der Technik verwenden zur Bereitstellung einer Wechselspannung, die für den Betrieb des Elektromotors notwendig ist, Inverter bzw. Wechselrichter, die eine von einer Gleichspannungsquelle bereitgestellte Gleichspannung in die benötigte Wechselspannung umwandeln. Oft wird für Elektromotoren ein dreiphasiger Wechselstrom benötigt, d. h. dass der Elektromotor drei Wicklungen aufweist, wobei der Verlauf der jeweiligen Spannungen in den einzelnen Wicklungen um 120° phasenverschoben ist, wenn die Wicklungen in regelmäßigen Abständen auf einem Kreis angeordnet sind.
Die Phasenanzahl einer elektrischen Maschine wird erhöht, indem die Anzahl der Wicklungen der elektrischen Maschine erhöht wird. Je nachdem wie viele Phasen die elektrische Maschine aufweisen soll, weist die elektrische Maschine entsprechend viele Wicklungen auf. Jede Wicklung ist also einer Phase zugeordnet. Die Vielzahl von Wicklungen soll in der Regel gleichmäßig über einen Umfang eines Kreises verteilt sein, wodurch sich ein gleichmäßiger Phasenwinkel zwischen dem Verlauf der Spannungen der einzelnen Wicklungen einstellt.
Die Wicklungen können auf verschiedene Weise miteinander verschaltet sein. Eine Möglichkeit stellt eine sogenannte Sternschaltung dar. Bei einer Sternschaltung ist jeweils ein Anschluss der einzelnen Wicklungen an einem gemeinsamen Knotenpunkt aller Wicklungen, dem sogenannten Sternpunkt, miteinander elektrisch verbunden. Sind die Wicklungen regelmäßig auf dem Kreis verteilt, ist die Spannung im Sternpunkt Null, wodurch an dem Sternpunkt ein Nullleiter oder Neutralleiter anschließbar ist. Der entsprechend andere Anschluss einer Wicklung ist mit einem Phasenanschluss verbunden und weist eine Spannung auf, die gegenüber dem Sternpunkt erhöht ist.
Der Phasenanschluss wird von einem Umrichter bereitgestellt. In 1 ist ein schematisches Schaltbild eines erfindungsgemäßen Umrichters 10, eines sogenannten modularen Multilevel-Umrichters 10, veranschaulicht. Der erfindungsgemäße modulare Multilevel-Umrichter 10 weist eine Vielzahl von Einzelmodulen 12 auf. Die Einzelmodule 12 können selber eine beliebige Topologie, eine sogenannte Mikrotopologie, aufweisen, die üblicherweise aus einer Mehrzahl von Schaltelementen und je mindestens einem elektrischen Energiespeicher, beispielweise einem Kondensator oder einer Batteriezelle, besteht.
Beispielhafte Einzelmodule 300, 320 und 330 sind in den 3a, 3b und 3c dargestellt.
Das beispielhafte Einzelmodul 300 aus 3a weist zwei Seiten auf, die jeweils zwei Anschlüsse aufweisen. Auf einer ersten Seite sind die Anschlüsse 314a und 314b angeordnet. Auf einer zweiten Seite sind die Anschlüsse 318a und 318b angeordnet. In der gezeigten Ausführungsform weist das beispielhafte Einzelmodul 300 acht Schaltelemente 316-1, 316-2, 316-3, 316-4, 316-5, 316-6, 316-7, 316-8 auf. Damit stehen für eine elektrische Verbindung der Anschlüsse 314a, 314b mit den Anschlüssen 318a, 318b für jede Verbindung, also 314a-318a, 314a-318b, 314b-318a und 314b-318b, jeweils zwei Lastpfade zur Verfügung. Das ermöglicht es, die Schaltelemente 316-1 bis 316-8 für eine geringere Stromtragfähigkeit auszulegen. Somit können für die Schaltelemente auch Niederspannungsschaltelemente bzw. Niederspannungshalbleiterschaltelemente verwendet werden, weil die maximale Spannung, für die die Schaltelemente 316-1 bis 316-8 ausgelegt sein müssen, deutlich unter der Gesamtspannung des Systems liegt, nämlich beispielsweise nur bei der Maximalspannung des elektrischen Energiespeichers 312 eines Einzelmoduls 300, dem die Schaltelemente 316-1 bis 316-8 zugeordnet sind. Der elektrische Energiespeicher 312 kann ein Kondensator jeglicher Art oder eine einzelne Batteriezelle oder mehrere Batteriezellen (beispielsweise ein kleines Batteriepack) sein. Es soll verstanden werden, dass als Batterie beispielsweise Primärzellen, Sekundärzellen oder Energiequellen und Energiespeicher, die lediglich eine Gleichspannung bereitstellen, verwendet werden können.
Die in 3a dargestellten Schaltelemente erlauben für fast alle Verbindungen zwischen dem Energiespeicher 312 und einem entsprechenden Energiespeicher eines gleichartigen benachbarten Einzelmoduls zwei parallele Pfade. Die Schaltelemente werden entsprechend parallel verwendet. Allerdings lassen sich Schaltelemente eliminieren, um die Komplexität zu verringern. Die verbleibenden Schaltelemente sollten dann jedoch mit entsprechend größeren Halbleitern, falls Halbleiterschaltelemente verwendet werden, implementiert werden, um die gleiche Stromtragfähigkeit zu ermöglichen. Durch eine entsprechende Wahl von Halbleitern lassen sich bestimmte Schaltzustände hinsichtlich ihrer Verluste gegenüber anderen optimieren.
So bilden die Schaltelemente 316-1 und 316-7 einen Pfad, der zu dem durch die Schaltelemente 316-2 und 316-8 gebildeten Pfad parallel ist und zu demselben Ziel führt, d. h. je nach Richtung zu dem Anschluss 314a oder zu dem Anschluss 318a. Die Schaltelemente 316-6 und 316-4 bilden einen Pfad, der zu demselben Ziel führt wie der durch die Schaltelemente 316-5 und 316-3 gebildete Pfad, nämlich je nach Richtung zu dem Anschluss 314b oder zu dem Anschluss 318b. Die Schaltelemente 316-1 und 316-5 bilden einen Pfad, der zu dem gleichen Ziel führt wie der durch die Schaltelemente 316-2 und 316-6 gebildete Pfad. Ferner bilden die Schaltelemente 316-4 und 316-8 einen Pfad, der zu dem durch die Schaltelemente 316-7 und 316-3 gebildeten Pfad parallel ist und zu demselben Ziel führt, nämlich je nach Richtung zu dem Anschluss 314b oder 318a.
Bei einer Eliminierung kann nun ein beliebiges Schaltelement entfernt werden. Ein zweites zu eliminierendes Schaltelement sollte allerdings so gewählt werden, dass noch immer von jedem Anschluss zu jedem anderen Anschluss über die verbleibenden Schaltelemente eine Verbindung hergestellt werden kann. Dadurch ergeben sich eine Reihe reduzierter Schaltungen.
Das beispielhafte Einzelmodul 320 aus 3b weist ebenfalls zwei Seiten auf, die jeweils zwei Anschlüsse aufweisen. Auf einer ersten Seite sind die Anschlüsse 324a und 324b angeordnet. Auf einer zweiten Seite sind die Anschlüsse 328a und 328b angeordnet. In der gezeigten Ausführungsform weist das beispielhafte Einzelmodul 320 vier Schaltelemente 326-1, 326-2, 326-3 und 326-4 auf. Die Schaltelemente 326-1 bis 326-4 können trotzdem noch für eine relativ geringe Stromtragfähigkeit ausgelegt sein, weil die maximale Spannung, für die die Schaltelemente 326-1 bis 326-4 ausgelegt sein müssen, deutlich unter der Gesamtspannung des Systems liegt, nämlich beispielsweise nur bei der Maximalspannung des elektrischen Energiespeichers 322 eines Einzelmoduls 320, dem die Schaltelemente 326-1 bis 326-4 zugeordnet sind. Somit können für die Schaltelemente auch Niederspannungsschaltelemente bzw. Niederspannungshalbleiterschaltelemente verwendet werden. Der elektrische Energiespeicher 322 kann ein Kondensator jeglicher Art oder eine einzelne Batteriezelle oder mehrere Batteriezellen (beispielsweise ein kleines Batteriepack) sein. Es soll verstanden werden, dass als Batterie beispielsweise Primärzellen, Sekundärzellen oder Energiequellen und Energiespeicher, die lediglich eine Gleichspannung bereitstellen, verwendet werden können.
Die in 3b dargestellten Schaltelemente erlauben eine Parallelschaltung zwischen dem Energiespeicher 322 und einem entsprechenden Energiespeicher eines gleichartigen benachbarten Einzelmoduls. Die Schaltelemente werden entsprechend parallel verwendet.
So bildet das Schaltelement 326-1 einen Pfad, der je nach Richtung zu dem Anschluss 324a oder zu dem Anschluss 328a führt. Die Schaltelemente 326-1 und 326-3 bilden einen Pfad, der je nach Richtung zu dem Anschluss 324b oder zu dem Anschluss 328a führt. Die Schaltelemente 326-2 und 326-1 bilden einen Pfad, der je nach Richtung zu dem Anschluss 328b oder zu dem Anschluss 324a führt. Ferner bilden die Schaltelemente 326-1 und 326-3 einen Pfad, der je nach Richtung zu dem Anschluss 328ab oder 324b führt.
Das beispielhafte Einzelmodul 330 aus 3c weist ebenfalls zwei Seiten auf, die jeweils zwei Anschlüsse aufweisen. Auf einer ersten Seite sind die Anschlüsse 334a und 334b angeordnet. Auf einer zweiten Seite sind die Anschlüsse 338a und 338b angeordnet. In der gezeigten Ausführungsform weist das beispielhafte Einzelmodul 330 vier Schaltelemente 336-1, 336-2, 336-3, 336-4 auf. Der elektrische Energiespeicher 332 kann ein Kondensator jeglicher Art oder eine einzelne Batteriezelle oder mehrere Batteriezellen (beispielsweise ein kleines Batteriepack) sein. Es soll verstanden werden, dass als Batterie beispielsweise Primärzellen, Sekundärzellen oder Energiequellen und Energiespeicher, die lediglich eine Gleichspannung bereitstellen, verwendet werden können.
Die in 3c dargestellten Schaltelemente erlauben eine Parallelschaltung zwischen dem Energiespeicher 332 und einem entsprechenden Energiespeicher eines gleichartigen benachbarten Einzelmoduls. Die Schaltelemente werden entsprechend parallel verwendet.
Die Schaltelemente 336-1 und 336-4 bilden einen Pfad, der je nach Richtung zu dem Anschluss 334a oder zu dem Anschluss 338b führt. Das Schaltelement 336-2 bildet einen Pfad, der je nach Richtung zu dem Anschluss 334b oder zu dem Anschluss 338b führt. Die Schaltelemente 336-3 und 336-4 bilden einen Pfad, der je nach Richtung zu dem Anschluss 334a oder zu dem Anschluss 338a führt.
4 zeigt diverse Modultopologien bzw. Einzelmodule 400, 410, 420, 430, 440, 450, 460, 470, 480, 490, 40, die jeweils als Einzelmodul 12 eingesetzt werden können. Die hier gezeigten Einzelmodule 400, 410, 420, 430, 440, 450, 460, 470, 480, 490, 40 erlauben im Gegensatz zu den in 3 gezeigten Einzelmodulen 300, 320, 330 keine Parallelschaltung zu einem daran angekoppelten Nachbarmodul.
Die Module 400, 410, 420, 430, 440, 450, 460, 470, 480, 490, 40 weisen alle jeweils nur zwei Anschlüsse 404, 408; 414, 418; 424, 428; 434, 438; 444, 448; 454, 458; 464, 468; 473, 478; 484, 488; 493, 498; 44, 48 auf. Die Module 400 und 410 weisen jeweils einen Energiespeicher 402 bzw. 412, die Module 430, 440, 450, 460, 470, 480, 490 und 40 weisen jeweils zwei Energiespeicher 432a, 432b; 442a, 442b; 452a, 452b; 462a, 462b; 472a, 472b; 482a, 482b; 492a, 492b; 40a, 40b auf. Das Modul 420 weist drei Energiespeicher 422a, 422b und 422c auf. Die Module 430, 460 und 470 weisen noch einzelne Dioden 437-1, 437-2; 467; 477-1, 477-2 auf. Das Modul 450 weist ferner ein zentrales geschaltetes Gleichrichtermodul 457 auf.
5 zeigt ein Einzelmodul 500, das vier Anschlüsse 504a, 504b, 508a, 508b, acht Schaltelemente 506-1, 506-2, 506-3, 506-4, 506-5, 506-6, 506-7, 506-8 und ein Batteriemanagementsystem 507 aufweist. Die Verschaltmöglichkeiten der acht Schaltelemente 506-1, 506-2, 506-3, 506-4, 506-5, 506-6, 506-7, 506-8 sind gleich denen zu dem Einzelmodul 300 aus 3a. Damit stehen für eine elektrische Verbindung der Anschlüsse 504a, 504b mit den Anschlüssen 508a, 508b für jede Verbindung, also 504a-508a, 504a-508b, 504b-508a und 504b-508b, jeweils zwei Lastpfade zur Verfügung. Als Energiespeicher 502-1, 502-2, 502-3,..., 502-n, denen jeweils parallel geschaltet ein Widerstand 503-1, 503-2, 503-3,..., 503-n zugeordnet sind, können Batteriezellen oder Doppelschichtkondensatoren gewählt werden. Bei einer Serienschaltung solcher Energiespeicher ist es vorteilhaft, ein Batteriemanagement 507 in der Form zu haben, dass einzelne Zellen weitgehend unabhängig von den anderen Zellen entladen werden können, was beispielsweise durch hier gezeigte Widerstände 503-1, 503-2, 503-3,..., 503-n oder über steuerbare Entladepfade erfolgen kann. Durch das Batteriemanagementsystem 507 können die einzelnen Zellen 502-1, 502-2, 502-3,..., 502-n einzeln entladen werden, falls eine entsprechende einzelne Zelle höher geladen ist als andere der einzelnen Zellen.
Es soll verstanden werden, dass für den modularen Multilevel-Umrichter 10 nicht nur die gezeigten beispielhaften Einzelmodule 300, 320, 330, 400, 410, 420, 430, 440, 450, 460, 470, 480, 490, 40, 500 als Einzelmodul 12 verwendet können, sondern die Einzelmodule 12 jede beliebige bekannte Topologie aus dem Stand der Technik aufweisen können.
Mit solch einem mit Einzelmodulen 12 ausgestatteten modularen Multilevel-Umrichter 10 können bisher fest verdrahtete Batteriepacks so in Einzelteile bzw. Einzelmodule 12 aufgetrennt werden, dass eine elektrische Verschaltung der Einzelteile 12, also der Energiespeicher benachbarter Einzelmodule, dynamisch im Betrieb verändert werden kann. Die Energiespeicher benachbarter Einzelmodule können zwischen einer Parallelschaltung, einer Serienschaltung, einer Überbrückungsschaltung und einer Abschaltung einzelner oder mehrerer Einzelmodule umschalten. Das ermöglicht, dass über einen Ladungsaustausch zwischen den Einzelmodulen bzw. Energiespeichern, beispielsweise ein konventionelles Batteriemanagement durchgeführt werden kann, um die Energiespeicher gleichmäßig zu belasten. Weiterhin können defekte Einzelmodule 12 überbrückt werden, ohne die Gesamtfunktion zu verlieren. Insbesondere können beliebige Ausgangsspannungen und zeitliche Strom- bzw. Spannungsverläufe an den Anschlüssen, bspw. 314a, 314b, 318a, 318b im Fall von 3a, direkt durch die Einzelmodule erzeugt werden, ohne dass es eines zusätzlichen leistungselektronischen Umrichters bedarf.
Die Einzelmodule 12 sind, wie in 1 ersichtlich, über ihre Anschlüsse, wie beispielsweise die Anschlüsse 314a, 314b, 318a, 318b des Einzelmoduls 300 der 3a, mit einem benachbarten Einzelmodul 12 über zwei elektrische Leiter 16 und 18 elektrisch verbunden. Erfindungsgemäß ist eine erste Anzahl von Einzelmodulen 12 in einem Kreis bzw. Ring angeordnet, so dass ein n-tes Einzelmodul 12 mit einem ersten Einzelmodul 12 elektrisch verbunden ist. Um die von den Einzelmodulen 12 erzeugten Strom- bzw. Spannungsverläufe abgreifen zu können, sind zwischen zwei benachbarten Einzelmodulen 12 hier drei Abgriffe 14 angeordnet, an denen jeweils ein von der Ringanordnung abzweigendes Phasenmodul 20 angeschlossen ist, wobei jedes Phasenmodul 20 hier vier Einzelmodule 12 umfasst und wobei das dem Ring abgewandte Ende 21 des Phasenmoduls 20 je einen Phasenanschluss 21 zum Anschluss einer Phase einer elektrischen Maschine bildet. Im hier gezeigten Beispiel sind die Abgriffe 14 gleichmäßig über den Ring verteilt und stellen drei Phasenanschlüsse 21 über jeweilige von der Ringanordnung abzweigende Phasenmodule bzw. Sternstränge 20 dar. Jedes der Phasenmodule 20 umfasst hier vier Einzelmodule 12, die je einen Sternstrang bilden. Zwischen zwei benachbarten Abgriffen 14 sind hier je zwei ein Phasenmodul bzw. ein Ringsegment bildende Einzelmodule 12 angeordnet. Generell können die Sternstränge 20 und die Ringsegmente eine beliebige und voneinander unterschiedliche Anzahl an Einzelmodulen 12 umfassen. Ferner können die Einzelmodule 12 in den Ringsegmenten und in den Sternsträngen 20 unterschiedlichen Typs sein. Bspw. können die Einzelmodule 12 in den Ringsegmenten vorwiegend MMC-Module und in den Sternsträngen vorwiegend MMSPC-Module sein. Ferner können die Einzelmodule 12 auch innerhalb eines Sternstrangs 20 und/oder innerhalb der Ringanordnung 11 unterschiedlichen Typs sein. Je nach Ausgestaltung der Einzelmodule 12 können die Verbindungen zwischen den Einzelmodulen 12 und zu den Abgriffen 14 zum jeweiligen Anschluss eines Sternstrangs 20 unterschiedlich definiert werden, was hier durch eine jeweilige Umrahmung der Abgriffe 14 kenntlich gemacht ist, d. h. getrennt über zwei oder lediglich über einen elektrischen Leiter 16, 18 oder über eine Zusammenführung von zwei Leitern 16, 18. Zunächst sind in 1 drei derartige Abgriffe 14 dargestellt. Durch einfaches Hinzufügen eines zusätzlichen Abgriffs 14* kann ein zusätzlicher, direkt an der Ringanordnung 11 ausgebildeter Phasenanschluss bereitgestellt werden. Ein solcher Umrichter bzw. modularer Multilevel-Umrichter 10 mit im Kreis bzw. Ring angeordneten Einzelmodulen 12, kann nun auf einfache Weise mit beliebig vielen, insbesondere über jeweilige Sternstränge 20 bereitstellbaren Phasenanschlüssen 21 ausgestattet werden (je nachdem wie viele Einzelmodule 12 vorhanden sind, deren Anzahl aber auch beliebig erhöht werden kann). Die Abgriffe 14 lassen sich auf verschiedene Arten realisieren. Beispielsweise können an einem Abgriff 14 beide elektrische Leiter 16, 18 zum Anschluss von entsprechend zwei Leitern eines Einzelmoduls 12 eines Sternstrangs 20 zur Verfügung stehen. Ferner könnten an dem Abgriff 14 die beiden elektrischen Leiter 16, 18 zusammengeführt werden. Damit ist jedoch keine Parallelschaltung benachbarter Energiespeicher der Einzelmodule möglich. Alternativ könnte ein Abgriff 14 realisiert werden, der lediglich an einem elektrischen Leiter 16 bzw. 18 einen Anschluss bereitstellt, wie dies für den zusätzlichen Abgriff 14* dargestellt ist. Damit ist jedoch die Strombelastung für die Schaltelemente, die die jeweilige elektrische Leitung bedienen, größer. Zwischen zwei Abgriffen 14 bilden die entsprechenden Einzelmodule ein Ringsegment.
Durch solch eine Anordnung der Einzelmodule 12 in dem modularen Multilevel-Umrichter 10 kann durch die dynamische Rekonfiguration direkt die Wechselspannung und die Multiphasenspannung für einen oder mehrere Verbraucher, wie beispielsweise eine elektrische Maschine, die als Motor arbeitet, erzeugt werden. Im Gegensatz zu Umrichtern des Stands der Technik kann ein Modulationsindex, d. h. ein Kennwert einer entsprechenden Frequenzmodulation, bei allen Amplituden maximal gehalten werden. Des Weiteren sinken bei niedrigen Spannungen sogar die Verluste, weil durch eine Parallelschaltung von Batterieteilen (also der jeweiligen Energiespeicher) einer geschalteten Batterie ein effektiver Innenwiderstand sinkt. Weiterhin erzeugt eine geschaltete Batterie, bei der die Energiespeicher zwischen einer Parallelschaltung und einer Serienschaltung hin und her geschaltet werden können, eine fast verzerrungsfreie Ausgangsspannung, da Stufen zwischen den Spannungen zweier Konfigurationen sehr gering gehalten werden können. Darüber hinaus kann per Schaltmodulation zwischen solchen Spannungen moduliert werden, um weiter zu glätten.
Durch die erfindungsgemäße Makrotopologie der miteinander verschalteten Einzelmodule 12 wird zudem ein einfacher und effizienter Leistungsausgleich zwischen den Energiespeichern der Mehrzahl von Einzelmodulen 12, seien sie Teil eines Sternstrangs 20 oder Teil eines Ringsegments, realisier- und steuerbar.
Erfindungsgemäß kann mit dem erfindungsgemäßen Polyphasensystem die Anzahl der Phasen auf einfache Weise erhöht werden. Dabei werden die Wicklungen der elektrischen Maschine als sogenannte Sternschaltung verschaltet und der modulare Multilevel-Umrichter 10 als n-Eck-Schaltung bzw. Ringschaltung mit einer der Phasenanzahl entsprechenden Anzahl von der Ringschaltung abzweigenden Sternsträngen 20 betrieben. Ein Anschluss der Wicklungen der elektrischen Maschine ist dabei jeweils mit einem Phasenanschluss 21 des Multilevel-Umrichters 10 elektrisch verbunden.
Mit dem erfindungsgemäßen Polyphasensystem, insbesondere durch die Verwendung eines modularen Multilevel-Umrichters 10 mit einer erfindungsgemäßen Makrotopologie von Einzelmodulen 12, lässt sich nun direkt die Spannungsdifferenz zwischen zwei benachbarten Phasensträngen bzw. Wicklungen einer oder mehrerer elektrischer Maschinen darstellen und bereitstellen. Erhöht man die Anzahl der Phasen, bleibt die Spannung an den Wicklungen der jeweiligen elektrischen Maschine konstant, jedoch sinkt die von dem Umrichter bereitstellbare Phasenspannung linear. Bei herkömmlichen Leistungselektronikschaltungen war dieser Zusammenhang belanglos, da Inverter des Stands der Technik die jeweiligen Phasenspannungen stets gegen ein Referenzpotential, beispielsweise die Klemmen eines Zwischenkreiskondensators, erzeugen und keine Spannungsdifferenzen zwischen zwei Wicklungen bilden können. Die Spannungsdifferenzen können jedoch direkt durch den modularen Multilevel-Umrichter 10 erzeugt werden. Durch die Verwendung eines n-phasigen Systems, also ein System mit hoher (größer 3) Phasenanzahl (insbesondere bei der elektrischen Maschine), bei dem Last (elektrische Maschine) und Quelle (modularer Multilevel-Umrichter) unterschiedlich verschaltet sind (elektrische Maschine Sternschaltung, modularer Multilevel-Umrichter in n-armiger Eck- bzw. Ringschaltung), können die zusätzlichen Phasen mit sehr geringer Spannung erzeugt werden. Die sehr geringe Spannung lässt sich mit einer geringen Anzahl von Einzelmodulen 12 in einem Phasenmodul 20 erzeugen. In der Regel weist ein Phasenmodul 20 mindestens zwei Einzelmodule 12 auf.
Weist der modulare Multilevel-Umrichter 10 beispielsweise drei Phasenanschlüsse 21 auf, arbeitet der Umrichter in einer bekannten Dreieck-Schaltung. Der Aufwand zum Hinzufügen einer weiteren Phase besteht lediglich im Hinzufügen eines zusätzlichen Abgriffs 14 und eines davon abzweigenden Sternstrangs 20. Die Strombelastung der Einzelmodule 12 bleibt dabei bei gleicher Antriebsleistung in erster Näherung konstant. Gleichzeitig sinkt jedoch die durchschnittliche Stromstärke je Phase der elektrischen Maschine invers linear mit der Anzahl der Phasen. Da die Spannungsdifferenz zwischen den Wicklungen nun direkt von dem Umrichter 10 bereitgestellt wird, ist die Spannung an der Wicklung nun nicht mehr auf den Sternpunkt bezogen, sondern zu einer benachbarten Wicklung. Der Sternpunkt ist somit ein Freiheitsgrad in einem Regelalgorithmus und kann als eine Nebenbedingung in dem Regelalgorithmus des Umrichters implementiert werden.
Durch die Erhöhung der Anzahl der Phasen, reduziert sich, wie erwähnt, die Phasenspannung im Umrichter.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines modularen Multilevel-Umrichters 100 zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Polyphasensystem. Dabei weist der modulare Multilevel-Umrichter 100 drei zusätzliche Phasenmodule 20 auf. Die zusätzlichen Phasenmodule 20 weisen jeweils mindestens zwei, hier vier Einzelmodule 12 auf. Die zusätzlichen Phasenmodule 20 sind je an einem Abgriff 14 angeschlossen.
Darüber hinaus weist die in 2 gezeigte Ausführungsform des modularen Multilevel-Umrichters 100 eine Mehrzahl von Einzelmodulen 12 auf, die zu einem Ring 11 miteinander verschaltet sind. Die Einzelmodule 12 sind dabei über zwei elektrische Leiter 16, 18 miteinander verbunden. Zwischen je zwei benachbarten Einzelmodulen 12 sind Abgriffe 14 angeordnet. Dabei können beide elektrischen Leiter 16, 18 zusammengeführt werden, um einen Anschluss zu bilden. Oder ein Anschluss ist lediglich an einem elektrischen Leiter 16, 18 angeordnet. Oder ein jeweiliger Sternstrang 20 ist über zwei elektrische Leiter mit den beiden elektrischen Leitern 16, 18, wie hier dargestellt, verbunden.
Es gibt zwei bevorzugte Mechanismen für einen Energieaustausch innerhalb des erfindungsgemäßen Multilevelumrichters 10, 100. Zum einen sind dies, wie durch gebogenen Pfeil innerhalb der Ringanordnung 11 angedeutet, Ringströme in der Ringanordnung 11, zum anderen, wie beispielhaft durch einen Pfeil an einem Sternstrang 20 angedeutet, eine Parallelschaltung im Sternstrang 20 und von Ringanordnung 11 zu einem jeweiligen Sternstrang 20. Durch Parallelschaltung im Sternstrang 20 und/oder von Ringanordnung 11 zu Sternstrang 20 ist ein Ladungsausgleich zwischen den davon umfassten Modulen 12 möglich. Durch die Ringströme in der Ringanordnung 11 ist ebenfalls ein Ladungsausgleich zwischen den von der Ringanordnung 11 umfassten Modulen 12 möglich. Zwar können die Mechanismen auch umgekehrt, d.h. in den jeweils anderen Bereichen verwendet werden, doch ist die voranstehend genannte Verwendung der Mechanismen vorteilhaft.
6 zeigt verschiedene Verbindungsmöglichkeiten zwischen Ringanordnung 11 und einzelnem Sternstrang 20 eines erfindungsgemäßen Multilevelkonverters an Abgriff bzw. Sternpunkt 14. Verbindung 601 stellt allgemein eine Verbindung bzw. Anknüpfung eines Sternstrangs 20 an die Ringanordnung 11 dar und steht als Platzhalter für spezifisch ausgestaltete Anknüpfungen 602, 603, 604, 605, 607, 609. An den Anknüpfungspunkten 602, 603 und 604 werden jeweils zwei Module der Ringanordnung 11 mit einem Modul eines Sternstrangs 20 verbunden. Die Anknüpfungspunkte 605, 607 und 609 erlauben jeweils ebenfalls eine Verbindung zwischen zwei Modulen der Ringanordnung 11 mit einem Modul eines Sternstrangs 20. Ferner erlauben sie jeweils über extra vorgesehene Anschlüsse 606, 608 und 610 eine Anbindung eines weiteren Moduls und/oder eines Verbrauchers, unabhängig von einer Verbindung zwischen Ringanordnung 11 und Sternstrang 20. Die Anknüpfungsmöglichkeiten 602 und 605 sind besonders vorteilhaft, da sie jeweils bei Verwendung von MMSPC-Modulen als Einzelmodule eine zeitweise Parallelverschaltung über den Sternpunkt 14 hinweg erlauben.

Claims

Modularer Multilevel-Umrichter (10, 100) mit einer Mehrzahl von Einzelmodulen (12, 300, 320, 330, 400, 410, 420, 430, 440, 450, 460, 470, 480, 490, 40, 500), die jeweils eine Mehrzahl von Schaltelementen (316-1 bis 316-8; 406-1, 406-2; 416-1 bis 416-4; 426-1 bis 426-4; 436-1 bis 436-4; 446-1 bis 446-4; 456-1, 456-1, 457; 466-1, 466-2, 466-3; 476-1 bis 476-4; 486-1 bis 486-4; 496-1 bis 486-6; 496-1 bis 496-6; 46-1 bis 46-4; 502-1 bis 506-8) und mindestens einen elektrischen Energiespeicher (312; 402; 412; 422a, 422b, 422c; 432a, 432b; 442a, 442b; 452a, 452b; 462a, 462b; 472a, 472b; 482a, 482b; 492a, 492b; 42a, 42b; 502-1, 502-2, 502-3,...502-n) aufweisen, wobei eine erste Anzahl von Einzelmodulen (12, 300, 320, 330, 400, 410, 420, 430, 440, 450, 460, 470, 480, 490, 40, 500) hintereinander zu einem geschlossenen Ring verschaltet sind, und mindestens zwei Abgriffe (14) vorgesehen sind, von denen jeder zwischen zwei benachbarten Einzelmodulen (12, 300, 320, 330, 400, 410, 420, 430, 440, 450, 460, 470, 480, 490, 40, 500) des Rings angeordnet ist, wobei zwischen zwei benachbarten Abgriffen (14) mindestens ein Einzelmodul (12, 300, 320, 330, 400, 410, 420, 430, 440, 450, 460, 470, 480, 490, 40, 500) des Rings angeordnet ist, das ein Ringsegment bildet, und wobei an mindestens zwei Abgriffen je eine zweite Anzahl von Einzelmodulen als von der Ringanordnung (11) abzweigendes und einen Sternstrang bildendes Phasenmodul (22) aus mindestens zwei Einzelmodulen (12, 300, 320, 330, 400, 410, 420, 430, 440, 450, 460, 470, 480, 490, 40, 500) vorgesehen ist, das mit einem Ende an dem jeweiligen Abgriff (14) angeschlossen ist und an dem anderen Ende einen Phasenanschluss (21) bildet, wobei die Mehrzahl von Schaltelementen (316-1 bis 316-8; 406-1, 406-2; 416-1 bis 416-4; 426-1 bis 426-4; 436-1 bis 436-4; 446-1 bis 446-4; 456-1, 456-1, 457; 466-1, 466-2, 466-3; 476-1 bis 476-4; 486-1 bis 486-4; 496-1 bis 486-6; 496-1 bis 496-6; 46-1 bis 46-4; 502-1 bis 506-8) ein Verschalten von Energiespeichern (312; 402; 412; 422a, 422b, 422c; 432a, 432b; 442a, 442b; 452a, 452b; 462a, 462b; 472a, 472b; 482a, 482b; 492a, 492b; 42a, 42b; 502-1, 502-2, 502-3,...502-n) benachbarter Einzelmodule (12, 300, 320, 330, 400, 410, 420, 430, 440, 450, 460, 470, 480, 490, 40, 500) ermöglicht, wodurch zwischen zwei benachbarten Phasenanschlüssen (21) eine Spannungsdifferenz bereitstellbar ist, die von einer Steuereinheit entsprechend eines Verlaufs eines mehrphasigen Drehfeldes regelbar ist, und wodurch zwischen Energiespeichern von Einzelmodulen der Mehrzahl von Einzelmodulen ein Leistungsaustausch realisierbar und von einer zweiten Steuereinheit steuerbar ist.
Modularer Multilevel-Umrichter (10, 100) nach Anspruch 1, bei dem mehrere der Einzelmodule (12, 300, 320, 330, 500) eine erste Seite und eine zweite Seite aufweisen, wobei die erste Seite zwei Anschlüsse (314a, 314b; 324a, 324b; 334a, 334b; 504a, 504b) und die zweite Seite zwei Anschlüsse (318a, 318b; 328a, 328b; 338a, 338b; 508a, 508b) aufweist.
Modularer Multilevel-Umrichter (10, 100) nach Anspruch 2, bei dem die erste Anzahl von Einzelmodulen (12, 300, 320, 330, 500) jeweils mit zwei elektrischen Leitern (16, 18) miteinander elektrisch verbunden sind.
Modularer Multilevel-Umrichter (10, 100) nach Anspruch 3, bei dem jeder oder zumindest einer der mindestens zwei Abgriffe (14) zum jeweiligen Anschluss eines von der Ringanordnung (11) abzweigenden Phasenmoduls (20) an den zwei elektrischen Leitern (16, 18) je einen Anschluss bereitstellt.
Modularer Multilevel-Umrichter (10, 100) nach Anspruch 3, bei dem jeder oder zumindest einer der mindestens zwei Abgriffe (14) zum Anschluss eines von der Ringanordnung (11) abzweigenden Phasenmoduls (20) einen Anschluss an einem der zwei elektrischen Leiter (16, 18) bereitstellt.
Modularer Multilevel-Umrichter (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem zwischen zwei benachbarten Einzelmodulen (12, 300, 320, 330, 400, 410, 420, 430, 440, 450, 460, 470, 480, 490, 40, 500) des Rings mindestens ein zusätzlicher Abgriff (14*) angeordnet ist, der einen Phasenanschluss zum direkten Anschluss einer elektrischen Last oder eines elektrischen Netzes an den Ring bildet.
Modularer Multilevel-Umrichter (10, 100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem zwischen zwei benachbarten Abgriffen (14) des Rings mindestens zwei Einzelmodule (12, 300, 320, 330, 400, 410, 420, 430, 440, 450, 460, 470, 480, 490, 40, 500) des Rings angeordnet sind, die ein Phasenmodul (20) bilden.
Modularer Multilevel-Umrichter (10, 100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem zumindest ein Teil der Schaltelemente (316-1 bis 316-8; 406-1, 406-2; 416-1 bis 416-4; 426-1 bis 426-4; 436-1 bis 436-4; 446-1 bis 446-4; 456-1, 456-1, 457; 466-1, 466-2, 466-3; 476-1 bis 476-4; 486-1 bis 486-4; 496-1 bis 486-6; 496-1 bis 496-6; 46-1 bis 46-4; 502-1 bis 506-8) der Vielzahl von Einzelmodulen (12, 300, 320, 330, 400, 410, 420, 430, 440, 450, 460, 470, 480, 490, 40, 500) Niederspannungshalbleiterschaltelemente sind.
Modularer Multilevel-Umrichter (10, 100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die mindestens zwei Abgriffe (14) zum jeweiligen Anschluss eines von der Ringanordnung (11) abzweigenden Phasenmoduls (20) den Ring der Einzelmodule (12) symmetrisch teilen.
Modularer Multilevel-Umrichter (10, 100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die erste Anzahl von Einzelmodulen (12) aus MMC-Modulen und die jeweilige zweite Anzahl von Einzelmodulen aus MMSPC-Modulen besteht.
Elektrisches Polyphasensystem mit - mindestens einer elektrischen Maschine, die eine Vielzahl von Wicklungen mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss aufweist, wobei mindestens ein Knotenpunkt existiert, mit dem entweder der erste oder der zweite Anschluss jeweils einer Wicklung der Vielzahl von Wicklungen elektrisch verbunden ist und der entsprechend andere Anschluss des ersten und des zweiten Anschlusses jeweils einer Wicklung der Vielzahl von Wicklungen mit einem Phasenanschluss (14) elektrisch verbunden ist, und - einem modularen Multilevel-Umrichter (10, 100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei eine Anzahl von Phasenanschlüssen (14) des modularen Multilevel-Umrichters (10, 100) gleich einer Anzahl von Wicklungen der mindestens einen elektrischen Maschine ist, und wobei die Einzelmodule (12, 300, 320, 330, 400, 410, 420, 430, 440, 450, 460, 470, 480, 490, 40, 500) des modularen Multilevel-Umrichters (10, 100) je einen Energiespeicher (312) und eine Mehrzahl von Schaltelementen (316-1 bis 316-8; 406-1, 406-2; 416-1 bis 416-4; 426-1 bis 426-4; 436-1 bis 436-4; 446-1 bis 446-4; 456-1, 456-1, 457; 466-1, 466-2, 466-3; 476-1 bis 476-4; 486-1 bis 486-4; 496-1 bis 486-6; 496-1 bis 496-6; 46-1 bis 46-4; 502-1 bis 506-8) aufweisen, die ein Verschalten von Energiespeichern (312; 402; 412; 422a, 422b, 422c; 432a, 432b; 442a, 442b; 452a, 452b; 462a, 462b; 472a, 472b; 482a, 482b; 492a, 492b; 42a, 42b; 502-1, 502-2, 502-3,...502-n) benachbarter Einzelmodule (12, 300, 320, 330, 400, 410, 420, 430, 440, 450, 460, 470, 480, 490, 40, 500) ermöglicht, wodurch zwischen zwei benachbarten Phasenanschlüssen (21) bzw. zwei benachbarten Wicklungen eine Spannungsdifferenz bereitstellbar ist, die von einer Steuereinheit entsprechend eines Verlaufs eines mehrphasigen Drehfeldes regelbar ist, und wodurch zwischen Energiespeichern von Einzelmodulen der Mehrzahl von Einzelmodulen ein Leistungsaustausch realisierbar und von einer zweiten Steuereinheit steuerbar ist.
Elektrisches Polyphasensystem nach Anspruch 11, bei dem die mindestens eine elektrische Maschine als Generator oder als Motor arbeitet.
Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Polyphasensystems, bei dem eine elektrische Maschine und ein modularer Multilevel-Umrichter (10, 100) verwendet wird, wobei die elektrische Maschine eine Vielzahl von Wicklungen mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss aufweist und entweder der erste Anschluss oder der zweite Anschluss jeweils einer Wicklung der Vielzahl von Wicklungen mit einem Knotenpunkt verbunden wird, mit dem jede Wicklung der Vielzahl von Wicklungen verbunden ist, und der entsprechend andere Anschluss des ersten und des zweiten Anschlusses jeweils einer Wicklung der Vielzahl von Wicklungen mit einem Phasenanschluss (21) des Multilevel-Umrichters (10, 100) verbunden wird, und wobei der modulare Multilevel-Umrichter (10, 100) eine Mehrzahl von Einzelmodulen (12, 300, 320, 330, 400, 410, 420, 430, 440, 450, 460, 470, 480, 490, 40, 500) aufweist, wobei eine erste Anzahl von Einzelmodulen (12, 300, 320, 330, 400, 410, 420, 430, 440, 450, 460, 470, 480, 490, 40, 500) hintereinander zu einem geschlossenen Ring verschaltet sind, und mindestens zwei Abgriffe (14) vorgesehen sind, von denen jeder zwischen zwei benachbarten Einzelmodulen (12, 300, 320, 330, 400, 410, 420, 430, 440, 450, 460, 470, 480, 490, 40, 500) des Rings angeordnet ist, wobei zwischen zwei benachbarten Abgriffen (14) mindestens ein Einzelmodul (12, 300, 320, 330, 400, 410, 420, 430, 440, 450, 460, 470, 480, 490, 40, 500) des Rings angeordnet ist, das ein Ringsegment bildet, und wobei an mindestens zwei Abgriffen (14) je eine zweite Anzahl von Einzelmodulen (12, 300, 320, 330, 400, 410, 420, 430, 440, 450, 460, 470, 480, 490, 40, 500) als von der Ringanordnung (11) abzweigendes und einen Sternstrang bildendes Phasenmodul (20) aus mindestens zwei Einzelmodulen (12, 300, 320, 330, 400, 410, 420, 430, 440, 450, 460, 470, 480, 490, 40, 500) vorgesehen ist, das mit einem Ende an dem jeweiligen Abgriff (14) angeschlossen ist und an dem anderen Ende einen Phasenanschluss (21) bildet, mit dem der erste oder der zweite Anschluss einer Wicklung der Vielzahl von Wicklungen der elektrischen Maschine elektrisch verbunden wird, wobei die Einzelmodule (12, 300, 320, 330, 400, 410, 420, 430, 440, 450, 460, 470, 480, 490, 40, 500) des modularen Multilevel-Umrichters (10, 100) je einen Energiespeicher (312; 402; 412; 422a, 422b, 422c; 432a, 432b; 442a, 442b; 452a, 452b; 462a, 462b; 472a, 472b; 482a, 482b; 492a, 492b; 42a, 42b; 502-1, 502-2, 502-3,...502-n) und eine Mehrzahl von Schaltelementen (316-1 bis 316-8; 406-1, 406-2; 416-1 bis 416-4; 426-1 bis 426-4; 436-1 bis 436-4; 446-1 bis 446-4; 456-1, 456-1, 457; 466-1, 466-2, 466-3; 476-1 bis 476-4; 486-1 bis 486-4; 496-1 bis 486-6; 496-1 bis 496-6; 46-1 bis 46-4; 502-1 bis 506-8) aufweisen, die ein Verschalten von Energiespeichern benachbarter Einzelmodule (12, 300, 320, 330, 400, 410, 420, 430, 440, 450, 460, 470, 480, 490, 40, 500) ermöglicht, wodurch zwischen zwei benachbarten Phasenanschlüssen (21) bzw. zwei benachbarten Wicklungen eine Spannungsdifferenz bereitgestellt wird, die von einer Steuereinheit entsprechend eines Verlaufs eines mehrphasigen Drehfeldes geregelt wird, und wodurch zwischen Energiespeichern von Einzelmodulen der Mehrzahl von Einzelmodulen ein Leistungsaustausch realisierbar und von einer zweiten Steuereinheit gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem als Einzelmodule (12) Einzelmodule (12, 300, 320, 330, 500) verwendet werden, die eine erste Seite und eine zweite Seite aufweisen, wobei die erste Seite zwei Anschlüsse (314a, 314b; 324a, 324b; 334a, 334b; 504a, 504b) und die zweite Seite zwei Anschlüsse (318a, 318b; 328a, 328b; 338a, 338b; 508a, 508b) aufweist.
Verfahren nach 14, bei dem die Einzelmodule (12) jeweils mit zwei elektrischen Leitern (16, 18) miteinander elektrisch verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem an jedem oder zumindest einem der mindestens zwei Abgriffe (14) zum Anschluss eines von der Ringanordnung (11) abzweigenden Phasenmoduls (20) an einem der zwei elektrischen Leiter (16, 18) ein Anschluss angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem an jedem oder zumindest einem der mindestens zwei Abgriffe (14) zum jeweiligen Anschluss eines von der Ringanordnung (11) abzweigenden Phasenmoduls (20) an beiden elektrischen Leitern (16, 18) je ein Anschluss angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, bei dem für zumindest einen Teil der Schaltelemente (316-1 bis 316-8; 406-1, 406-2; 416-1 bis 416-4; 426-1 bis 426-4; 436-1 bis 436-4; 446-1 bis 446-4; 456-1, 456-1, 457; 466-1, 466-2, 466-3; 476-1 bis 476-4; 486-1 bis 486-4; 496-1 bis 486-6; 496-1 bis 496-6; 46-1 bis 46-4; 502-1 bis 506-8) der Vielzahl von Einzelmodulen (12, 300, 320, 330, 400, 410, 420, 430, 440, 450, 460, 470, 480, 490, 40, 500) Niederspannungshalbleiterschaltelemente verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, bei dem die elektrische Maschine als Generator oder als Motor arbeitet.