DE102020127328A1

DE102020127328A1 - Multilevel-Umwandler zum Wandeln von elektrischer Energie

Info

Publication number: DE102020127328A1
Application number: DE102020127328.2A
Authority: DE
Inventors: Babak Rooholahi; Ralf Salomon
Original assignee: Univ Rostock Koeperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Universitaet Rostock Koeperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Current assignee: Univ Rostock Koeperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Universitaet Rostock Koeperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Priority date: 2020-10-16
Filing date: 2020-10-16
Publication date: 2022-04-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zustandsrücksetzen von Komponenten (10) eines Fahrzeugs auf eine Grundeinstellung.
Multilevel-Umwandler zum Wandeln von elektrischer Energie, mit einem Anschluss zum Zuführen von zu wandelnder elektrischer Energie (Eingang) und einem anderen Anschluss zum Abgeben der gewandelten elektrischen Energie (Ausgang) umfassend eine Levelerzeugungseinheit und eine Umrichtereinheit, die dazu eingerichtet sind, eine bestimmte Anzahl von Spannungsleveln am Ausgang zu erzeugen, wobei die Levelerzeugungseinheit aus mindestens einem Submodul gebildet ist, wobei das mindestens eine Submodul durch eine elektrische Schaltung gebildet ist umfassend einen ersten Ast mit einem aktiven Schaltelement in Serie geschaltet mit mindestens einer Teilspannungsquelle und einen zweiten Ast mit einem Schaltelement parallel geschaltet zu dem ersten Ast.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Multilevel-Umwandler 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. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines derartigen erfindungsgemäßen Umwandlers.
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen betreffen im Allgemeinen das Gebiet der Umwandlung von Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC), beziehungsweise Gleichspannung in Wechselspannung, und anders herum, genauer Umwandler (Umrichter und Gleichrichter) mit mehreren Pegeln (multilevel).
Durch die zunehmende Verwendung von Technologien mit Gate-gesteuerten elektronischen Instrumenten ist eine Vielzahl von Leistungsumwandlern entstanden. Verschiedene Arten von Leistungskonvertern und -umrichtern werden beispielsweise in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen genutzt. Insbesondere Multilevel-Umrichter bieten dabei eine hohe Leistungsqualität, eine hohe Effizienz, eine reduzierte Harmonische Abweichung (THD) der Ausgangsspannung, eine verbesserte elektromagnetische Kompatibilität und hochqualitative Spannungssignalformen nahe an einer sinusförmigen Form.
Eine derartige Leistungsumwandlung ist im Speziellen nützlich zur direkten Verknüpfung von erneuerbaren Energiesystemen wie Windkraftanlagen oder Solaranlagen mit einem Versorgungsnetz. Im Allgemeinen umfasst eine Windkraftanlage einen Rotor mit einer Mehrzahl an Rotorblättern, der Windenergie in ein mechanisches Drehmoment umwandelt, das einen oder mehrere elektrische Generatoren antreibt. Durch die wachsende Anzahl von erneuerbaren Energieanlagen, die ohne Zwischenspeicher direkt mit einem Versorgungsnetz verbunden sind, zeigt die inkonstante Einspeisung in das Versorgungsnetz einen großen Einfluss auf die Netzspannung und Netzfrequenz. Es ist daher erforderlich, den Spannungsverlauf und die Frequenz am Ausgang der Generatoranlage zu steuern. Es werden daher ein oder mehrere Spannungsumwandler an den Generator gekoppelt um für eine angemessene Spannung und Frequenz des Versorgungsnetzes zu sorgen.
Umwandler mit einer geringen Anzahl von Ausgangs-Spannungslevels, beispielsweise zwei Level, zeigen Nachteile in puncto Qualität der Ausgangs-Wechselspannung und des Ausgangsstroms, eine geringe Effizienz, hohen Spannungsabfall und einen reduzierten Leistungsfaktor. Diese Nachteile können mit Multilevel-Umrichtern ausgeglichen werden, indem diese in der Lage sind höhere Ausgangslevel bereitzustellen. Jedoch erhöht sich die Anzahl der verwendeten Leistungselektronikkomponenten bei einer Erhöhung der Ausgangslevel beträchtlich.
Herkömmliche Multilevel-Umrichter lassen sich in drei Hauptgruppen klassifizieren. In kaskadierende H-Brücken-Umrichter (CHB), in so genannte Flying Capacitor Converter (FC) und sogenannte Neutral Point Clamped Converter (NPC). Diese Multilevel-Umrichter sind gebildet durch eine bestimmte Anordnung von Leistungskomponenten und Kapazitäten als Spannungsquellen. Die am Ausgang generierte Spannung hat eine stufenförmige Signalform aufgrund von unterschiedlichen Schaltzeiten einzelner Leistungsschalter. Abhängig von der Anzahl der Leistungsschalter erhöht oder erniedrigt sich die Ausgangsspannung durch Addition einzelner zugeschalteter Spannungen der in den Schaltungen enthaltenen Kapazitäten. Es besteht dabei der Bedarf für eine große Anzahl an Leistungsschaltern, Gleichstromquellen und Gate-Steuerungsschaltkreisen, um die benötigte Anzahl von Spannungsleveln bereitzustellen. Das erhöht nachteilig den Leistungsverlust, die Größe und das Gewicht der Vorrichtung und verringert die Effizienz. Nicht zuletzt sind durch den Mehrbedarf an Leistungselektronikkomponenten die Herstellungs- und Betriebskosten eines herkömmlichen Multilevel-Umwandlers erhöht.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, und eine Topografie für einen Multilevel-Umwandler bereitzustellen, die eine verbesserte Energieumwandlung bei einer Minimierung der verwendeten Leistungselektronikkomponenten ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der Erfindung ergeben sich aus den in den jeweiligen rückbezogenen Unteransprüchen genannten Merkmalen, den Zeichnungen und der zugehörigen Beschreibung.
Dementsprechend können die vorgeschlagenen Topologien für verschiedene industrielle Anwendungen angepasst werden. Einige vorteilhafte Anwendungen sind beispielsweise die Verbindung erneuerbarer Energiequellen, vorzugsweise Windkraft oder Solarkraft, mit einem Spannungsversorgungsnetz. insbesondere eine verbesserte Gleichstrom/Wechselstrom Umwandlung von erneuerbaren Energiequellen mittels Multilevel-Umwandler für Mittel- und Hochspannungsanwendungen. Weiter lassen sich die vorgeschlagenen Topologien vorteilhaft für Fahrzeug-elektrische Anwendungen verwenden, insbesondere zur Steuerung von Wechselspannungsmotoren durch die Umwandlung von Batteriegleichspannung / -strom in hochqualitative Wechselspannung / -strom. Weiter können die vorgeschlagenen Topologien vorteilhaft zur Verringerung der Harmonischen der Ausgangsspannung in Anwendungen verwendet werden, in denen eine geringe Harmonische Abweichung (THD - Total Harmonic Distortion) erforderlich ist. Weiter können die vorgeschlagenen Topologien vorteilhaft zur aktiven Filterung und zur reaktiven Leistungskompensation verwendet werden.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Multilevel-Umwandler zum Wandeln von elektrischer Energie, mit einem Anschluss zum Zuführen von zu wandelnder elektrischer Energie (Eingang) und einem anderen Anschluss zum Abgeben der gewandelten elektrischen Energie (Ausgang) umfassend eine Levelerzeugungseinheit und eine Umrichtereinheit, die dazu eingerichtet sind, eine bestimmte Anzahl von Spannungsleveln am Ausgang zu erzeugen, wobei die Levelerzeugungseinheit aus einem ersten Submodul und mindestens einem in Reihe zum ersten Submodul geschalteten weiteren Submodul gebildet ist, wobei ein Submodul durch eine elektrische Schaltung gebildet ist umfassend einen ersten Ast mit einem aktiven Schaltelement in Serie geschaltet mit mindestens einer Teilspannungsquelle und einen zweiten Ast mit einem Schaltelement parallel geschaltet zu dem ersten Ast.
Bevorzugt können die Spannungslevel am Ausgang erhöht werden, indem der Multilevel-Umwandler mit weiteren erfindungsgemäßen Submodulen ergänzt wird. Der erfindungsgemäße Multilevel-Umwandler ist einphasig ausgebildet, kann bevorzugt aber auch als einzelne Phase eines mehrphasigen Umwandlers gebildet sein. Grundsätzlich ermöglicht es der erfindungsgemäße Umwandler, den Aufwand des Wandelns erheblich zu reduzieren, da eine direkte Energiekopplung auf der Ausgangsseite zu einem Energieversorgungsnetz bereitgestellt werden kann, ohne dass weitere Einkopplungseinrichtungen vorgesehen sein müssen, wie beispielsweise bekannte Energiekopplungseinrichtungen, die auf der Nutzung von mehreren Wechselrichtern und Trenntransformatoren beruhen. Weiter ist bei der vorgeschlagenen Schalttopografie die Anzahl der zu steuernden aktiven Schaltelemente vorteilhaft verringert und der serielle modulare Aufbau bietet die Möglichkeit, in einfacher Weise die Spannungslevel zu erhöhen, durch die Kombination verschiedener erfindungsgemäßer Submodultypen,bei gleichzeitig minimiertem Bedarf an zu steuernden Schaltelementen. Dadurch wird nicht nur der Aufwand bezüglich des Wandelns erheblich reduziert, wodurch sich der Wirkungsgrad und die Ausgangsqualität erhöht, sondern auch und vor allem werden Kosten, Bauraum und Steuerungskomplexität reduziert.
Bevorzugt ist der Ausgang an ein Energieversorgungsnetz angeschlossen. In der Regel handelt es sich dabei um Energieversorgungsnetze, die bei 50 Hz oder auch bei 60 Hz mit Wechselspannung betrieben werden. Ferner wird häufig eine Effektivspannung zwischen zwei Phasen des Energieversorgungsnetzes von 400 Volt genutzt. Daher ist es bevorzugt in einem solchen Fall am Ausgang des Umwandlers ebenfalls eine maximale Spannung von 400 Volt bereitzustellen.
Weiter bevorzugt kann der Multilevel-Umwandler im Bereich eines Mittelspannungsnetzes, also mit einer Betriebsspannung größer als 1 kV oder im Bereich der Hochspannungsübertragung, also mit einer Betriebsspannung größer 100 kV, eingesetzt werden, entsprechend schaltfeste und anforderungsgerechte Komponenten vorausgesetzt.
Jedes der Submodule umfasst vorzugsweise einen ersten Ast mit einem aktiven Schaltelement in Serie geschaltet mit mindestens einer Teilspannungsquelle und einen zweiten Ast mit einem Schaltelement parallel geschaltet zu dem ersten Ast. Insbesondere ist es bevorzugt, dass das Schaltelement des zweiten Astes durch ein passives Schaltelement gebildet ist, insbesondere durch eine Diode. Die Diode ist dabei bevorzugt in Durchlassrichtung angeordnet, so dass der zweite Ast des Submoduls einen passiven Bypass für den ersten Ast bildet und bei einem Sperren des aktiven Schaltelements im ersten Ast, die an der Teilspannungsquelle anliegende Teilspannung nicht zu den Spannungsleveln am Ausgang beitragen kann.
Das Schaltelement des zweiten Astes eines Submoduls kann alternativ auch durch ein aktives Schaltelement gebildet sein. Bevorzugt ist in dem ersten Submodul das Schaltelement durch ein aktives Schaltelement gebildet. Dadurch wird gewährleistet, dass es keinen Pfad in der Schaltung gibt, der nicht mindestens ein aktiv gesteuertes Schaltelement aufweist. So ist vorteilhaft die Schaltqualität für alle möglichen Ausgangsspannungslevel gewährleistet.
Die aktiv geschalteten Schaltelemente sind an eine Steuereinheit angeschlossen, welche die Schaltelemente in geeigneter Weise steuert, um den gewünschten Wandlungsvorgang mit den zugehörigen Spannungsleveln zu realisieren. Grundlegende Steuerungsverfahren bezüglich des Wandelns von Energie mittels eines Multilevel-Umwandlers zwischen einer Gleichspannung und einer Wechselspannung sind dem Fachmann dem Grunde nach bekannt.
Ein aktives Schaltelement im Sinne der Offenbarung ist vorzugsweise ein steuerbares elektronisches Schaltelement, insbesondere ein steuerbarer elektronischer Halbleiterschalter, beispielsweise ein Transistor, ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), ein Thyristor, Kombinationsschaltungen hiervon, ein Gate-turn-of Thyristor (GTO), ein Isolated-Gate-Bipolar-Transistor (IGBT), insbesondere ein IGBT mit antiparallel geschalteter Sperrdiode oder dergleichen. Besonders bevorzugt ist ein aktives Schaltelement durch einen diskreten IGBT ohne antiparallel geschalteter Sperrdiode gebildet. Vorzugsweise sind die Schaltelemente durch eine Steuereinheit steuerbar und weiter bevorzugt als Hochfrequenzschalter ausgebildet.
Weiter ist es bevorzugt, dass die Gesamteingangsspannung durch eine Gleichstromspannungsquelle bereitgestellt wird und wobei an der mindestens einen Teilspannungsquelle eine Teilspannung anliegt, die durch eine Zerlegung der Gesamteingangsspannung gebildet ist. Der Umwandler wird also bevorzugt als Wechselrichter zwischen einem Gleichspannungskreis am Eingang und einem Wechselspannungskreis am Ausgang betrieben und gesteuert.
Eine Teilspannungsquelle ist bevorzugt durch einen Kondensator gebildet, Dabei kann der Kondensator durch einen Folienkondensator, einen Keramikkondensator, aber auch durch einen für Frequenzanwendungen geeigneten Elektrolytkondensator oder dergleichen gebildet sein. Der Kondensator der Teilspannungsquelle kann bevorzugt auch durch eine Kombination von mehreren Einzelkondensatoren gebildet sein. Bevorzugt liegt an den verschiedenen Teilspannungsquellen die gleiche Teilspannung an, wobei die Summe der verschiedenen Teilspannungen der am Eingang anliegenden Gesamtspannung entspricht. Damit ist gewährleistet, dass die Abstände zwischen zwei benachbarten Spannungsleveln am Ausgang identisch sind.
Bevorzugt ist die Umrichtereinheit durch eine H-Brückenschaltung gebildet. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die H-Brückenschaltung der Umrichtereinheit aus vier aktiven Schaltelementen gebildet. Eine derartige Umrichtereinheit ist demzufolge dazu eingerichtet die Polarität der bestimmten Anzahl (N_Level) durch die Levelerzeugungseinheit erzeugten Spannungslevel in einem zweiten Halbzyklus des Spannungsverlaufs zu ändern. Zusätzlich zur Polaritätsänderung liefert die Umrichtereinheit die Null-Level sowohl für den positiven als auch für den negativen Halbzyklus. Beispielhaft liefert ein erfindungsgemäßer Multilevel-Umwandler mit einer Levelerzeugungseinheit, die vier Spannungslevel erzeugt, am Ausgang insgesamt neun separate Betriebszustände mit vier positiven Spannungsleveln, vier negativen Spannungsleveln und einem Null-Level. Die aktiven Schaltelemente der H-Brückenschaltung können dabei ebenfalls durch die beschriebenen steuerbaren elektrischen Halbleiterschalter gebildet sein. Jedoch sind aufgrund der Funktionsweise der H-Brückenschaltung Transistoren ohne parallele Sperrdioden, wie beispielsweise ein diskreter IGBT ohne Antiparalleldiode, ausgeschlossen.
Eine bevorzugte Ausgestaltung eines Submodultyps umfasst im ersten Ast des Submoduls zwei in Serie geschaltete Teilspannungsquellen mit einem dazwischen angeordneten aktiven Schaltelement. Dieser Submodultyp wird bevorzugt für die weiteren Submodule verwendet, die sich an das erste Submodul anschließen. Bei einem alternativen bevorzugten Submodultyp ist das aktive Schaltelement nicht in Reihe zwischen den zwei Teilspannungsquellen angeordnet, sondern in Reihe vor oder hinter den zwei Spannungsquellen. Ein derartiges Submodul verhält sich wie ein Submodul mit einer Teilspannungsquelle mit einer anliegenden zweifachen Teilspannung.
Besonders bevorzugt ist ein derartiger Multilevel-Umwandler dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl N_Level der Spannungslevel am Ausgang durch N_Level=2n+1 gegeben ist, wobei n die Anzahl der Teilspannungsquellen ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Levelerzeugungseinheit ein erstes Submodul mit einer ersten Teilspannungsquelle in Reihe geschaltet mit einem aktiven Schaltelement im ersten Ast und einem weiteren aktiven Schaltelement im parallel geschalteten zweiten Ast, wobei sich weitere Submodule mit jeweils zwei Teilspannungsquellen in Reihe geschaltet anschließen, wobei das erste Submodul und die weiteren Submodule über eine in Reihe dazwischengeschaltete zweite Teilspannungsquelle verbunden sind. Durch diesen Aufbau ist bevorzugt ein symmetrischer Multilevel-Umwandler mit einer geraden Anzahl von Teilspannungsquellen gebildet. Die in Reihe zwischengeschaltete zweite Teilspannungsquelle sorgt dafür, dass am Ausgang der Levelerzeugungseinheit kein Null-Level anliegt, sondern ein erstes Spannungslevel, selbst wenn die Schalter der Submodule den Stromfluss sperren und nur der zweite Bypass-Ast aktiv ist.
Ein asymmetrischer Multilevel-Umwandler mit einer ungeraden Anzahl von Teilspannungsquellen ist bevorzugt dadurch gebildet, dass ein letztes Submodul der weiteren Submodule im ersten Ast nur eine Teilspannungsquelle aufweist.
In einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung wird der Multilevel-Umwandler zur direkten Kopplung einer Erneuerbaren-Energie-Quelle mit einem Wechselspannungsversorgungsnetz eingesetzt, wobei der Eingang des Multilevel-Umwandlers mit einem Gleichspannungsanschluss der Erneuerbaren-Energie-Quelle verbunden ist und wobei der Ausgang des Multilevel-Umwandlers mit einem Netzanschluss des Wechselspannungsversorgungsnetzes verbunden ist. Insbesondere kann der Eingang mit einer Gleichstromausgangsleitung eines DC/DC-Wandlers eines elektrischen Generators einer Windkraftanlage oder direkt mit Photovoltaischen Anlagen verbunden sein.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in den Figurenbeschreibungen genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder abweichen.
Die verwendeten Ausdrücke wie „erste“, „zweite“ „weitere“ und „letzte“ sind nicht dahingehend zu verstehen, dass mit Ihnen eine bestimmte Anordnung, Menge oder Wichtigkeit verbunden ist, sondern werden lediglich dazu verwendet, um einzelne Elemente voneinander zu unterscheiden.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung von Schaltdiagrammen verschiedener Grundtypen von erfindungsgemäßen Submodulen;
2 eine schematische Darstellung von Schaltdiagrammen verschiedener Levelerzeugungseinheiten bestehend aus erfindungsgemäßen Submodulen;
3 eine schematische Darstellung eines Schaltdiagramms für erweiterte Levelerzeugungseinheiten;
4 eine schematische Darstellung eines Schaltdiagramms eines erfindungsgemäßen 9-Level Multilevel-Umwandlers.
5 ein Diagramm das einen Zeitausschnitt einer Spannung am Ausgang des Multilevel-Umwandlers darstellt;
6 ein Diagramm das einen Zeitausschnitt der totalen harmonischen Distorsion (THD) einer Ausgangsspannung darstellt;
7 ein Diagramm das einen Zeitausschnitt von eingeleitetem Strom und Versorgungsnetzspannung darstellt;
8 eine schematische Darstellung einer Energieeinspeisekonfiguration von Erneuerbaren Energiequellen in ein Versorgungsnetz zeigt;
9 eine schematische Darstellung von PV-Modulen und PV-Strängen zeigt;
10 eine schematische Darstellung eines PV-Strangs als Teilspannungsquelle zeigt;
11 eine schematische Darstellung eines Multilevel-Umwandlers mit Teilspannungsquellen aus 10 zeigt; und
12 eine schematische Darstellung der Ausgangsspannung und der Spannungslevel zeigt.

Ein erfindungsgemäßer Multilevel-Umwandler 10 umfasst eine Levelerzeugungseinheit 11 und eine Umrichtereinheit 12. Die Levelerzeugungseinheit 11 ist durch eine Mehrzahl an Submodulen 13 gebildet. 1 zeigt das Schaltbild beispielhafter Ausgestaltungen von Submodulen 13. Ein erster Submodultyp (d) ist gebildet durch zwei parallele Äste, wobei in einem ersten Ast eine Teilspannungsquelle Udn in Reihe mit einem aktiven gesteuerten Schaltelement San angeordnet ist. Die Teilspannungsquelle kann dabei vorteilhaft durch einen Kondensator gebildet sein. Bei dem aktiv gesteuerten Schaltelement San handelt es sich bevorzugt um IGBTs insbesondere durch diskrete IGBTs ohne Antiparalleldiode. Der erste Ast ist parallel zu einem zweiten Ast geschaltet mit einem passiven Schaltelement, beispielsweise einer Diode Dn.
In den Figuren sind die Teilspannungen, bzw. Teilspannungsquellen austauschbar mit mit C, U oder V gekennzeichnet.
Ein weiterer Submodultyp (e) ist gebildet durch zwei parallele Äste, wobei in dem ersten Ast zwei in Reihe geschaltete Teilspannungsquellen Udn und Udn-1 mit einem dazwischen angeordneten aktiven Schaltelement San angeordnet sind.
Der Submodultyp (f) weist im ersten Ast ebenfalls zwei Teilspannungsquellen auf, wobei zwei direkt in Reihe geschaltete Teilspannungsquellen als eine Teilspannungsquelle mit dem Wert 2Udn angesehen werden können.
Eine schematische Darstellung von Schaltdiagrammen verschiedener Levelerzeugungseinheiten 11 bestehend aus erfindungsgemäßen Submodulen 13, geht aus der 2 hervor.
Dabei ist in der Topologie (a) einer ersten beispielhaften Levelerzeugungseinheit 11 ein erstes Submodul 13' vorgesehen, das im Wesentlichen vom Submodultyp (d) ist, wobei jedoch im parallelen zweiten Ast anstatt der Diode, also eines passiven Schaltelements, ebenfalls ein von einer Steuereinheit gesteuerter aktiver elektrischer Leistungsschalter Sc vorgesehen ist. Der erste Ast ist jedoch identisch mit einer in Reihe geschalteten Teilspannungsquelle Ud1, die insbesondere durch einen Kondensator gebildet ist, und aktivem Schaltelement Sb. Über eine in Reihe geschaltete zweite Teilspannungsquelle Ud2 ist ein weiteres (zweites) Submodul 13" vom Submodultyp (e) angeschlossen. Dieses umfasst die Teilspannungsquellen Ud3 und Ud4. Eine derartige Topologie einer Levelerzeugungseinheit 11 kann 4 Spannungslevel bereitstellen. Im Zusammenspiel mit einem H-Brücken-Umrichter 12 ist somit ein 9-Level-Multilevel-Umwandler gebildet. Eine leicht abgewandelte Variante der Topologie (a) ist in der Topologie (b) der 2 dargestellt. Dabei ist das weitere (zweite) Submodul 13" identisch zu dem weiteren (zweiten) Submodul 13" von Topologie (a). Das erste Submodul 13' entspricht dem Submodultyp (d) mit einer Diode als passivem Leistungselement im parallelen zweiten Ast der Schaltung. Es ist jedoch ein weiteres aktives Schaltelement Sc in Schaltrichtung Ausgangsanschluss vorgesehen. Eine Schaltvariante ähnlich der Topologie (a) ist in c) gezeigt, wobei die Topologie in c) 5 Spannungslevel bereitstellen kann und somit für einen 11-Level-Multilevel-Umwandler eingesetzt werden kann.
Die Topologien sind durch weitere Submodule 13" einfach erweiterbar (siehe 3), wodurch sich auch die Anzahl der erzeugbaren Spannungslevel erhöht. Dabei können die Multilevel-Umwandler sowohl symmetrisch als auch asymmetrisch erweitert werden. Für einen symmetrischen Aufbau ist das letzte erweiterte Submodul 13''' durch einen Submodultyp mit zwei Teilspannungsquellen Udn, Udn-1 ausgebildet, beispielsweise Submodultyp e) aus 1, so dass die Gesamtanzahl der Teilspannungsquellen gerade ist. Für einen asymmetrischen Aufbau ist das letzte erweiterte Submodul 13"' durch einen Submodultyp mit einer Teilspannungsquelle Udn gebildet, beispielsweise Submodultyp d) aus 1, so dass die Gesamtzahl der Teilspannungsquellen ungerade ist.
Die Anzahl der benötigten aktiv gesteuerten Schaltelemente ist im Vergleich zu herkömmlichen Multilevel-Umwandlern auf ein Minimum reduziert und ergibt sich für die Levelerzeugungseinheit aus Tabelle 1 für die in 4 verwendete symmetrische Topologie (a), c)) aus (n/2)+1=3, wobei n die Anzahl der verwendeten Teilspannungsquellen ist. Dazu kommen noch die vier aktiven Schalter S1, S2, S3 und S4 der Umrichtereinheit 12, so dass der beschriebene Multilevel-Umwandler nur 7 Schalter benötigt. Vorteilhaft erhöht sich die Anzahl der Schalter in der Umrichtereinheit 12 nicht weiter auch wenn mehr Level erzeugt werden. Tabelle 1: Anzahl der benötigten aktiv gesteuerten Leistungsschalter.

Levelerzeugungseinheit Letztes Submodul Typ d); asymmetrisch Letztes Submodul Typ e); symmetrisch

a) (n+3)/2 (n/2)+1

b) (n+3)/2 (n/2)+1

c) (n/2)+1 (n+3)/2

4 zeigt einen beispielhaften Multilevel-Umwandler der dazu eingerichtet ist, neun Ausgangslevel bereitzustellen. Als Levelerzeugungseinheit 11 ist eine Topologie vom Typ a) aus 2 vorgesehen. Als Gesamtspannung am Eingangsanschluss 14 liegt eine Gleichspannung U_DC über die gesamte Levelerzeugungseinheit 11 an. Die Summe der einzelnen Teilspannungen entspricht der Gesamtspannung UDC = U_d1+U_d2+U_d3+U_d4. Die Levelerzeugungseinheit 11 liefert 4 Spannungslevel am Ausgang. Eine H4-Brücken-Umrichterschaltung 12 mit vier aktiven Leistungsschaltern S1, S2, S3 und S4 ist dazu vorgesehen, in beiden Halbzyklen der Ausgangsfrequenz zu schalten. Die Schalter S1 und S4 schalten im positiven Halbzyklus und die Schalter S2 und S3 schalten im negativen Halbzyklus der Wechselspannung des am Ausgang verbundenen Versorgungsnetzes. Das Versorgungsnetz ist dabei über die Knoten A und B an den Multilevel-Umwandler angeschlossen. Es ergibt sich eine Anzahl N_Level der Spannungslevel am Ausgang durch N_Level=2n+1, wobei n die Anzahl der Teilspannungsquellen U_dn ist. Tabelle 2: Schaltzustände der aktiven Schalter zur Erzeugung der Ausgangslevel.

Ausgangsspannung	Sa	Sb	Sc	S1	S2	S3	S4
+4Ud	1	1	0	1	0	0	1
+3Ud	1	0	1	1	0	0	1
+2Ud	0	1	0	1	0	0	1
+1Ud	0	0	1	1	0	0	1
0	0	0	0	1	0	1	0
0	0	0	0	0	1	0	1
-1Ud	0	0	1	0	1	1	0
-2Ud	0	1	0	0	1	1	0
-3Ud	1	0	1	0	1	1	0
-4Ud	1	1	0	0	1	1	0

Aus der Tabelle 2 wird ersichtlich, wie die sieben Schaltelemente gesteuert werden müssen, um neun Spannungslevel am Ausgang zu erzeugen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine erneuerbare Energiequelle zur Spannungsversorgung am Eingang 14 des Multilevel-Umwandlers genutzt. Beispielsweise wird der Anschluss zum Zuführen von zu wandelnder elektrischer Energie, wie in 4 ersichtlich, von einem Gleichspannungsausgang eines DC/DC-Wandlers 16 eines oder mehrerer Erneuerbarer-Energie-Quellen gespeist. Dabei kann es sich beispielsweise um Generatoren einer oder mehrerer Windkraftanlagen handeln oder aber auch andere Arten von elektrischen Energiequellen, wie beispielsweise Solarkraftanlagen.
Als Ergebnis von Simulationen der Multilevel- Umwandler Topologie mittels der PSCAD/EMTDC-Software, wurden die 5 bis 7 erhalten. 5 zeigt ein Diagramm bei dem mittels eines Graphen ein Spannungsverlauf am Wechselspannungsanschluss (Ausgang) dargestellt ist. Die Abszisse ist eine Zeitachse, in der die Zeit in Sekunden angegeben ist. Auf der Ordinate ist die Ausgangsspannung in V aufgetragen. Zu erkennen ist, dass eine Wechselspannung mit einer Amplitude von 400 V bei einer Frequenz von 50 Hz dargestellt ist. Deutlich sind auch die verschiedenen, insgesamt neun Spannungslevel zu erkennen. 6 zeigt ein Diagramm bei dem mittels eines Graphen der prozentuale Anteil der harmonischen Abweichung (Total Harmonic Distribution, THD) der Ausgangsspannung dargestellt ist. Die Abszisse ist eine Zeitachse, in der die Zeit in Sekunden angegeben ist. Auf der Ordinate ist die THD in Prozent aufgetragen. Zu erkennen ist, dass die THD sich bei einem Wert von unter 2,1 % stabilisiert, was ein Zeichen für eine hohe Signalqualität ist. 7 zeigt einen Verlauf des eingespeisten Stroms in A und der Netzspannung in V über die Zeit in Sekunden. Es ist deutlich zu erkennen, dass eingespeister Strom und Netzspannung frequenzstabil und gleichphasig verlaufen. Das ist ein Zeichen für einen guten Leistungsfaktor nahe eins.
Eine der vorgeschlagenen Topologien ist im Folgenden ausgewählt, um die Anwendung zur Verbindung einer erneuerbaren Energiequelle (Solarkraft / Windkraft) mit einem Versorgungsnetz zu veranschaulichen. Dabei wird im Detail die Netzeinbettung einer beispielhaften Photovoltaikanlage (PV) als Energiequelle beschrieben.
Eine Netz-verbundene erneuerbare Energie Konfiguration ist beispielhaft in 8 gezeigt. In dieser Konfiguration besteht ein Energieeinspeisungssystem in der Regel aus drei Teilen. Ein erster Teil ist ein DC/DC - Gleichspannungsumwandler 17, der dafür vorgesehen ist, die Gleichspannung der Erneuerbaren Energiequelle, eine PV-Anlage 18, oder eine Windkraftanlage 19, zu extrahieren und zu regulieren. Ein zweiter Teil ist ein DC/AC - Umwandler zum Umwandeln von Gleichspannung / - strom in Wechselspannung / -strom. Ein dritter Teil ist ein LCL-Filter 20 um umgewandelte Spannung und Strom zur Einspeisung in das Versorgungsnetz 16 vorzubereiten. In Systemen in denen ein Multilevel-Umwandler im zweiten Teil als DC/AC-Umwandler eingesetzt wird, nähert sich die Ausgangsspannung durch eine hohe Zahl an generierten Spannungsleveln einem sinusförmigen Verlauf an. Daher kann in einem solchen Fall der LCL-Filter 20 weggelassen oder durch einen einfachen L-Filter ersetzt werden. Eine vorgeschlagene Topologie eines Multilevel-Umwandlers 10 kann, wie bereits aus 4 ersichtlich, im zweiten Teil der Konfiguration von 8 zum Einsatz kommen.
Wie in 9 schematisch dargestellt, ist ein Paneel von PV-Modulen 22 durch eine Anordnung einzelner PV-Zellen 21 gebildet. PV-Zellen 21 nutzen das Sonnenlicht als Energiequelle und generieren Gleichstrom-Elektrizität (DC). Eine Zusammenschaltung mehrerer PV-Modul-Paneele 22 wird auch PV-Strang 23 genannt. Eine PV-Strang 23 Anordnung kann auf zwei unterschiedliche Arten gebildet sein: Als parallele Stranganordnung in 1) oder als Reihenstranganordnung in 2). Angenommen ein PV-Strang 23 liefert Gleichspannung / -strom von 60 V und 6 A, dann liefert die gesamte parallele Anordnung in 1) 60 V und 20 A und die Reihenanordnung in 2) 400 V und 6 A.
Für eine beispielhafte Verwendung eines vorgeschlagenen Multilevel-Umwandlers 10 in einem PV-Kraftwerk mit einer Hochspannungserzeugung, werden die einzelnen PV-Stränge 23 nicht zu Anordnungen zusammengeschaltet, um wie eingangs beschrieben beispielsweise 400 V bereitzustellen, sondern, die einzelnen PV-Stränge 23 des PV-Kraftwerks werden als individuelle Spannungsquelleneingänge für die Levelerzeugungseinheit 11 genutzt. In 10 ist ein beispielhafter PV-Strang 23 dargestellt, der eine Ausgangsspannung von 100 V liefert.
11 zeigt exemplarisch einen 9-Levelgenerator analog zu 4. In der in 11 gezeigten Verwendung, sind verschiedene (insgesamt vier) individuelle Spannungsquellen entsprechend der 10 als Teilspannungsquellen Cd1, Cd2, Cd3 und Cd4 verwendet. Jede der Teilspannungsquellen liefert 100 V als Teilspannung. Die dadurch erzeugte Ausgangsspannung ist in 13 dargestellt. Schematisch dargestellt ist die Ausgangsspannung in V. Zu erkennen ist, dass eine Wechselspannung mit einer Amplitude von 400 V ausgegeben wird. Ebenfalls sind auch die verschiedenen, insgesamt neun Spannungslevel zu erkennen.
Es versteht sich, dass die spezifischen Merkmale der im Detail beschriebenen Ausführungsformen nicht beschränkend zu verstehen sind, sondern auch Ausführungsformen mit nicht allen Merkmalen, zusätzlichen Merkmalen, Kombinationen und Äquivalente vom Umfang der Erfindung erfasst sind.
Bezugszeichenliste

10: Multilevel-Umwandler
11: Levelerzeugungseinheit
12: Umrichtereinheit
13: Submodul
13': erstes Submodul
13'': weiteres Submodul
13''': letztes Submodul
14: Anschluss (Eingang)
15: Anschluss (Ausgang)
16: Versorgungsnetz
17: Gleichstromwandler
18: Generator der zu wandelnden elektrischen Energie (PV)
19: Windkraftanlage / -generator
20: LCL-Filter
21: PV-Zellen
22: PV-Modul
23: PV-Strang

Claims

Multilevel-Umwandler (10) zum Wandeln von elektrischer Energie, mit einem Anschluss (14) zum Zuführen von zu wandelnder elektrischer Energie (Eingang) und einem anderen Anschluss (15) zum Abgeben der gewandelten elektrischen Energie (Ausgang) umfassend eine Levelerzeugungseinheit (11) und eine Umrichtereinheit (12), die dazu eingerichtet sind, eine bestimmte Anzahl von Spannungsleveln am Ausgang (15) zu erzeugen, wobei die Levelerzeugungseinheit (11) aus mindestens einem Submodul (13) gebildet ist, wobei das mindestens eine Submodul (13) durch eine elektrische Schaltung gebildet ist umfassend einen ersten Ast mit einem aktiven Schaltelement in Serie geschaltet mit mindestens einer Teilspannungsquelle und einen zweiten Ast mit einem Schaltelement parallel geschaltet zu dem ersten Ast.
Multilevel-Umwandler (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamteingangsspannung (U_DC) durch eine Gleichstromspannungsquelle bereitgestellt ist und wobei an der mindestens einen Teilspannungsquelle eine Teilspannung anliegt, die durch eine Zerlegung der Gesamteingangsspannung (U_DC) gebildet ist.
Multilevel-Umwandler (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umrichtereinheit (12) durch eine H-Brückenschaltung gebildet ist.
Multilevel-Umwandler (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die H-Brückenschaltung der Umrichtereinheit (12) aus vier aktiven Schaltelementen (S1, S2, S3, S4) gebildet ist.
Multilevel-Umwandler (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ast des Submoduls (13) zwei in Serie geschaltete Teilspannungsquellen mit einem dazwischen angeordneten aktiven Schaltelement umfasst.
Multilevel-Umwandler (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl N_Level der Spannungslevel am Ausgang (15) durch N_Level=2n+1 gegeben ist, wobei n die Anzahl der Teilspannungsquellen ist.
Multilevel-Umwandler (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Levelerzeugungseinheit (11) ein erstes Submodul (13') umfasst mit einer ersten Teilspannungsquelle in Reihe geschaltet mit einem aktiven Schaltelement im ersten Ast und einem weiteren aktiven Schaltelement im parallel geschalteten zweiten Ast, wobei sich weitere Submodule (13") mit jeweils zwei Teilspannungsquellen in Reihe geschaltet anschließen, wobei das erste Submodul (13') und die weiteren Submodule (13") über eine in Reihe dazwischengeschaltete zweite Teilspannungsquelle (U_d2) verbunden sind.
Multilevel-Umwandler (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein letztes Submodul (13''') der weiteren Submodule (13") im ersten Ast nur eine Teilspannungsquelle aufweist.
Multilevel-Umwandler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein aktives Schaltelement durch einen Hochfrequenzschalter gebildet ist.
Multilevel-Umwandler (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Schaltelemente durch diskrete IGBT Schalter ohne antiparallele Diode gebildet sind.
Multilevel-Umwandler (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur direkten Kopplung einer Erneuerbaren-Energie-Quelle mit einem Wechselspannungsversorgungsnetz (16), wobei der Eingang (14) des Multilevel-Umwandlers (10) mit einem Gleichspannungsanschluss (17) der Erneuerbaren-Energie-Quelle (18) verbunden ist und wobei der Ausgang (15) des Multilevel-Umwandlers (10) mit einem Netzanschluss des Wechselspannungsversorgungsnetzes (16) verbunden ist.