DE102020131349B3 - Schaltungsanordnung und Verfahren zum Steuern und Freischalten der Verbindung von elektrischen Betriebsmitteln und/oder Netzleitungsabschnitten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein- und mehrphasige High Side Multilevel Converter (HSMC) und LOW Side Multilevel Converter (LSMC), die mit einem n-stufigen Spannungszwischenkreis (nUz) verbunden sind. Jeder der n in Reihe geschalteten Kondensatoren des n-stufigen Spannungszwischenkreises weist eine parallele Stromquelle auf, die mit einer AC- oder DC-Quelle gekoppelt ist und den Mittelwert aller Kondensatorspannungen konstant hält.Ein erster Teil der n Halbbrücken (HBn) sind als HSMC so mit dem n-stufigen Spannungszwischenkreis (nUz) verbunden, dass ihr Anschlusspunkt ( HB+n) mit dem Anschlusspunkt (APn) des n stufigen Spannungszwischenkreises (nUz), der Anschlusspunkt (HB-1) mit dem Anschlusspunkt (AP0) des n-stufigen Spannungszwischenkreis (nUz) und der Anschlusspunkt (HB-n) mit dem Anschlusspunkt (HB0n-1) verbunden sind und ein zweiter Teil der n Halbbrücken (HBn) sind als LSMC so mit dem n-stufigen Spannungszwischenkreis (nUz) verbunden, dass ihr Anschlusspunkt (HB-n) mit dem Anschlusspunkt (APn-1), der Anschlusspunkt (HB+n) mit dem Anschlusspunkt (APn) und der Anschlusspunkt (HB0n) mit dem Anschlusspunkt (HB+n-1) der Halbbrücken verbunden sind, wobei die elektrischen Betriebsmittel bzw. Leitungsabschnitte von DC Netzen an dem Anschlusspunkt (HB01) der ersten Halbbrücke (HB1) des Low Side Multilevel Converter (LSMC) und dem Anschlusspunkt (HB0n) der n-ten Halbbrücke (HBn) des High Side Multilevel Converter (HSMC) angeschlossen sind.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Steuern und Freischalten von elektrischen Betriebsmitteln und Netzleitungsabschnitten mit Hilfe von Multilevel Convertern in den Ausführungen als High Side Multilevel Converter (HSMC) und Low Side Multilevel Converter (LSMC), die mit einem n stufigen Spannungszwischenkreis, der aus einer direkten Reihenschaltung von Kondensatoren besteht, gekoppelt sind, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• In bekannten modularen Multilevel Convertern (MMC) ( DE 101 03 031 B4 ) werden elektronische, alternierend schaltende Schalter in Halb- oder Vollbrückentopologie verwendet, die jeweils mit einem fest zugeordneten Zwischenkreiskondensator fest verbunden sind. Diese Schalterzellen werden zu Schalterkaskaden in Reihe geschaltet, sodass keine direkte Reihenschaltung der Zwischenkreiskondensatoren entsteht und sich somit die Potentiale der Schalterzellen mit hohen Anstiegsgeschwindigkeiten entsprechend der Schalterstellungen ändern. Die dabei auftretenden Verschiebungsströme durch die Isolation verursachen sowohl Verluste als auch elektromagnetische Störungen in der Umgebung. Weiterhin werden zur AC-DC Kopplung eines Mehrphasensystems pro Phase zwei der Schalterkaskaden mit einer Gesamtspannung, die der DC-Spannung entspricht, in Reihe geschaltet, wodurch im Vergleich mit einfach in Reihe geschalteten Leistungshalbleitern oder kondensatorgekoppelten Topologien der doppelte Aufwand an Leistungshalbleitern entsteht. Weiterhin sind im Betrieb derartiger Schaltungen ständig die Hälfte aller eingesetzten Schalterzellen stromführend und demzufolge an der Verlustentstehung beteiligt.
• Weiterhin sind modulare Multilevel Converter bekannt ( WO 2019/004015 A1 ), bei denen die alternierend schaltenden Schalter in Halbbrückenschaltung nur indirekt einem Zwischenkreiskondensator zugeordnet sind, weil die Verbindung zu diesem jeweils über eine vor- oder nachgeordneten Halbbrückenschaltung realisiert wird. In diesem Fall der indirekten Kaskadierung können die Zwischenkreiskondensatoren direkt in Reihe geschaltet werden und die Anzahl der Halbrücken entspricht der Stufenzahl der in Reihe geschalteten Kondensatoren. Nachteilig an diesen Schaltungen sind die unsymmetrische Belastung der Zwischenkreiskondensatoren und der Leistungshalbleiter in den Halbbrücken.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, den aus dem Stand der Technik bekannten Nachteil zu überwinden und eine Schaltungsanordnung und ein dazugehöriges Verfahren zum Steuern und Freischalten von elektrischen Betriebsmitteln und Netzleitungsabschnitten bereitzustellen, bei denen die Schalterzellen derart in Reihe geschaltet sind, dass eine direkte Reihenschaltung der Kondensatoren eines Spannungszwischenkreises mit an jedem Anschlusspunkt weitgehend beruhigten Potentialen realisierbar wird.
• Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten und achten Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Die Erfindung geht von einem Spannungszwischenkreis aus, dessen Einzelkondensatoren direkt in Reihe geschaltet sind, wobei jeder Kondensator aus einer parallelen Stromquelle so viel Energie bezieht oder an sie abgibt, das seine Gleichspannung im Mittel konstant bleibt. Weiterhin werden Schalterzellen benutzt, deren elektronische Schalter alternierend ein- bzw. ausschalten.
• Die Reihenschaltung der Schalterzellen und deren Verbindung mit dem Spannungszwischenkreis erfolgt erfindungsgemäß nicht direkt, sondern jeweils über die unmittelbar in der Reihenschaltung benachbarte Schalterzelle, was eine Verknüpfung der Steuergesetze zwischen den betroffenen Schalterzellen zur Folge hat. Werden die Anschlusspunkte eines n stufigen Spannungszwischenkreises mit AP₀ beginnend bis AP_n bezeichnet, ergeben sich zwei Ausführungsvarianten für die Multilevel Converter.
• Bei der ersten Variante - einem High Side Multilevel Converter (HSMC) - ist die erste Schalterzelle direkt mit dem ersten Zwischenkreiskondensator verbunden. Alle anderen Schalterzellen bis zur Anzahl n sind mit ihrem Plusanschluss direkt an den Plusanschluss ihres zugeordneten Zwischenkreiskondensators angeschlossen, während ihr Minusanschluss über den High Side Schalter der vorgeordneten Schalterzelle mit dem Minusanschluss seines Zwischenkreiskondensators verbunden ist.
• Bei der zweiten Variante - einem Low Side Multilevel Converter (LSMC) - ist die n-te Schalterzelle direkt mit dem n-ten Zwischenkreiskondensator verbunden. Alle anderen Schalterzellen sind mit ihrem Minusanschluss direkt an den Minusanschluss des zugeordneten Zwischenkreiskondensators angeschlossen. Die Verbindung des zugehörigen Plusanschlusses der n-ten Schalterzelle an den Plusanschluss seines Zwischenkreiskondensators erfolgt jeweils über den Low Side Schalter der nachgeordneten Schalterzelle.
• Der Anschluss von Betriebsmitteln oder Netzleitungsabschnitten an einen HSMC erfolgt an den Mittenanschluss der n-ten Schalterzelle und den Minusanschluss AP0 des n-stufigen Spannungszwischenkreis (Minusanschluss der ersten Schalterzelle). Im Fall eines LSMC befinden sich die Anschlusspunkte der Betriebsmittel oder Netzleitungsabschnitte am Plusanschluss AP_n des Spannungszwischenkreises und am Mittenanschluss der ersten Schalterzelle.
• Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass bei der Verbindung mit Betriebsmitteln oder Netzleitungsabschnitten im ungesteuerten Betrieb jeweils nur ein Schalter stromführend ist und demzufolge nur geringe Verluste entstehen. Im gesteuerten Betrieb schaltet jeweils nur eine Schalterzelle alternierend unter der Bedingung, dass der High Side Schalter der vorgeordneten Schalterzelle im Fall eines HSMC bzw. der Low Side Schalter der nachgeordneten Schalterzelle im Fall eines LSMC eingeschaltet ist.
• Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung besteht in dem Anschluss mehrerer HSMC oder LSMC an einen n-stufigen Spannungszwischenkreis. Damit können strahlenförmige DC-Netze mit jedem angeschlossenen Netzleitungsabschnitt selektiv betrieben werden bzw. im Fehlerfall vom Netz getrennt werden.
• Die Verschaltung eines HSMC mit einem n-stufigen Spannungszwischenkreis mit positiver Polung und neutralem Potential und von einem LSMC mit einem n-stufigen Spannungszwischenkreis mit negativer Polung gegenüber dem neutralen Potential führt zu einer Konfiguration eines Dreileiter-DC-Netzes mit gemeinsamen Neutralleiter.
• Die gleichzeitige Verbindung eines HSMC und eines LSMC mit einem n-stufigen Spannungszwischenkreis und der Anschluss der Betriebsmittel jeweils an den Mittenanschlüssen der n-ten Schalterzelle (im Fall HSMC) oder der ersten Schalterzelle (im Fall LSMC) erlaubt die Spannungsumpolung am Betriebsmittel gegenüber dem Mittenpotential des n-stufigen Spannungszwischenkreis.
• Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung mit mindestens drei verschalteten HSMC oder LSMC können jeweils an den Mittenanschlüssen der n-ten Schalterzellen (im Fall HSMC) oder der ersten Schalterzellen (im Fall LSMC) drei- und mehrphasige AC-Betriebsmittel bzw. AC-Netzleitungsanschlüsse gekoppelt werden.
• Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in den Figuren.
• 1 zeigt eine n-te Schalterzelle mit dem High Side Schalter S⁺ _n und dem Low Side Schalter S-_n in einer Halbbrückenschaltung HB_n mit den drei Anschlusspunkten HB⁺ _n, HB^- _n und HB⁰ _n.
• In 2 ist ein n-stufiger Spannungszwischenkreis (nUz) mit seinen Anschlusspunkten AP₀ bis AP_n und den gekoppelten parallelen Stromquellen (Q) abgebildet.
• 3 zeigt einen High Side Multilevel Converter (HSMC), der in 4 abstrakter dargestellt ist. In gleicher Weise sind der Low Side Multilevel Converter in 5 und 6 abgebildet.
• Am Beispiel des in 3 dargestellten High Side Multilevel Converter (HSMC) soll nachfolgend seine Grundfunktion an einem n-stufigen Spannungszwischenkreis erläutert werden.
• Der HSMC ist, wie beschrieben, mit dem n-stufigen Spannungszwischenkreis (nUz) verbunden. Die Spannung Ud_HS liegt an dem anzuschließenden DC-Betriebsmittel oder DC-Leitungsabschnitt an. Sind alle High Side Schalter des HSMC eingeschaltet, ist die Spannung Ud_HS identisch mit der Summe aller Kondensatorspannungen, der Spannungszwischenkreis ist vollständig mit dem DC-Betriebsmittel oder DC-Leitungsabschnitt verbunden. Während der Schalter S⁺ _n den Strom führt, liegt an allen Low Side Schaltern S^- ₁ bis S^- _n ihre zugeordnete Kondensatorspannung an. Zum Trennen der Verbindung zwischen dem DC-Betriebsmittel oder DC-Leitungsabschnitt und dem n-stufigen Spannungszwischenkreis schalten alle Low Side Schalter S^- ₁ bis S^- _n ein und alternierend die High Side Schalter aus, wodurch die Spannung Ud_HS den Wert von Null annimmt. Im nachfolgenden Stromnulldurchgang kann der Stromkreis aufgetrennt werden. Soll sich eine beliebige Spannung zwischen dem Wert Null und dem Summenwert aller Kondensatorspannungen Uz einstellen, schalten die erforderlichen k (k<=n) High Side Schalter S⁺ ₁ bis S⁺ _k-1 ständig ein, während die Schalter S⁺k und S^- _k alternierend ein- und ausschalten. Die gewünschte Spannung (Ud_HS) stellt sich dabei auf den Wert $${\text{Ud}}_{\text{HS}}={\text{Uz}}_1+{\text{Uz}}_2+\dots +{\text{Uz}}_{\text{k}-1}+{\text{vUz}}_{\text{k}}$$

  

  ein, wobei v das Verhältnis zwischen der Einzeit des Schalters (S⁺ _k) und der Periodendauer des Schaltfrequenz darstellt.
  Unter der Bedingung, dass ein alternierendes Schalten einer Halbbrücke nur dann erfolgt, wenn jeweils die vorgeordneten Schalter S⁺ _k-1 sich im Ein Zustand befinden, kann jeder Spannungswert eingestellt werden, d.h. am Energieaustausch beteiligen sich nur die benötigten Zwischenkreiskondensatoren und deren parallel angeordnete Stromquellen. Für den LSMC gelten die beschriebenen Abläufe entsprechend der Darstellung in 5 in angepasster Reihenfolge.
• 7 zeigt in einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung den Anschluss von drei HSMC an einen n-stufigen Spannungszwischenkreis, wodurch drei oder auch mehrere Leitungsabschnitte miteinander Energie austauschen können bzw. zu- und abgeschaltet werden können. In gleiche Weise (8) lassen drei oder auch mehrere Leitungsabschnitte über einen LSMC mit dem n-stufigen Spannungszwischenkreis zu- und abschalten.
• In den 9 und 10 werden unter Verzicht auf jeweils einen gemeinsamen Rückleiter, der sich auf neutralem Potential befindet, drei- oder mehrphasige AC-Betriebsmittel angeschlossen. Die Mittenspannung des n-stufigen Spannungszwischenkreises bestimmt dabei die Mittenspannung der Mehrphasensysteme.
• Eine weitere vorteilhafte Ausprägung der Erfindung ergibt sich aus der Kombination eines HSMC mit einem LSMC, die beide an denselben n-stufigen Spannungszwischenkreis angeschlossen werden. 11 zeigt die Verschaltung eines HSMC und eines LSMC mit einem n-stufigen Spannungszwischenkreis. In dieser Ausführung kann die Spannung Ud umgepolt werden, woraus sich ein möglicher Vierquadranten-Betrieb für die angeschlossenen Betriebsmittel bzw. Leitungsabschnitte ergibt. Somit ist diese Art des Anschlusses sowohl für DC als auch für einphasige AC Systeme geeignet.
• Die in 12 gezeigte eine Erweiterung auf Kombinationen von jeweils drei HSMC und drei LSMC, die damit auch für Drei- und Mehrphasensysteme geeignet ist, bei denen jede Transformatorwicklung über die Multilevel Converter separat angeschlossen werden kann.

Claims (9)

1. Schaltungsanordnung zum Steuern und Freischalten der Verbindung von elektrischen Betriebsmitteln und/oder Netzleitungsabschnitten mit einem n-stufigen Spannungszwischenkreis (nUz), der aus einer Reihenschaltung von n Kondensatoren mit den Anschlusspunkten (AP₀ bis AP_n) besteht, wobei jeder der n Kondensatoren eine parallele Stromquelle (Iq_n) aufweist, die mit einer DC- oder AC-Quelle (Q) gekoppelt ist, welche die n Kondensatorspannungen im Mittel auf den gleichen Spannungswert auflädt, und unter Verwendung von n Halbbrückenschaltungen (HB_n), die jeweils aus zwei Schaltern S⁺ _n und S^- _n bestehen und die Anschlusspunkte (HB⁺ _n), (HB⁰ _n) und (HB^- _n) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Teil der n Halbbrücken (HB_n) mit dem n-stufigen Spannungszwischenkreis (nUz) über mindestens einen High Side Multilevel Converter (HSMC), dessen Anschlusspunkt (HB⁺ _n) der n-ten Halbbrücke (HB_n) mit dem Anschlusspunkt (AP_n) des n-stufigen Spannungszwischenkreises (nUz), dessen Anschlusspunkt (HB^- ₁) der ersten Halbbrücke (HB₁) mit dem Anschlusspunkt (AP₀) des n-stufigen Spannungszwischenkreises (nUz) und dessen Anschlusspunkt (HB^- _n) der n-ten Halbbrücke (HB_n) mit dem Anschlusspunkt (HB⁰ _n-1) der (n-1)-ten Halbbrücke (HB_n-1) verbunden ist und ein zweiter Teil der n Halbbrücken (HB_n) mit dem n-stufigen Spannungszwischenkreis (nUz) über mindestens einen Low Side Multilevel Converter (LSMC), dessen Anschlusspunkt (HB^- _n) der n-ten Halbbrücke (HB_n) mit dem Anschlusspunkt (AP_n-1) des n-stufigen Spannungszwischenkreises (nUz), dessen Anschlusspunkt (HB⁺ _n) der n-ten Halbbrücke (HB_n) mit dem Anschlusspunkt (AP_n) des n-stufigen Spannungszwischenkreises (nUz) und dessen Anschlusspunkt (HB⁰ _n) der n-ten Halbbrücke (HB_n) mit dem Anschlusspunkt (HB⁺ _n-1) der (n-1)-ten Halbbrücke (HB_n-1) verbunden ist und die elektrischen Betriebsmittel und/oder Netzleitungsabschnitte an dem Anschlusspunkt (HB⁰ ₁) der ersten Halbbrücke (HB₁) des Low Side Multilevel Converter (LSMC) und dem Anschlusspunkt (HB⁰ _n) der n-ten Halbbrücke (HB_n) des High Side Multilevel Converter (HSMC) angeschlossen sind.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass an einen n-stufigen Spannungszwischenkreises (nUz), dessen Minuspol neutrales Potential führt, über jeweils einen High Side Multilevel Converter (HSMC) mehrere DC-Netzleitungsabschnitte strahlenförmig angeschlossen sind.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass an einen n-stufigen Spannungszwischenkreis (nUz), dessen Pluspol neutrales Potential führt, über jeweils einen Low Side Multilevel Converter (LSMC) mehrere DC-Netzleitungsabschnitte strahlenförmig angeschlossen sind.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass an einem n-stufigen Spannungszwischenkreis (nUz), dessen Mittenpotential auf neutralem Potential liegt, über jeweils einen High Side Multilevel Converter (HSMC1, HSMC2, HSMC3) drei oder mehrere Phasen der elektrischen Betriebsmittel jeweils an den Anschlusspunkten der n-ten Halbbrücken (HB⁰ _n) der High Side Multilevel Converter (HSMC1, HSMC2, HSMC3) angeschlossen sind.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass an einem n-stufigen Spannungszwischenkreis (nUz), dessen Mittenpotential auf neutralem Potential liegt, über jeweils einen Low Side Multilevel Converter (LSMC1, LSMC2, LSMC3) drei oder mehrere Phasen der elektrischen Betriebsmittel jeweils an den Anschlusspunkten der ersten-ten Halbbrücken (HB⁰ ₁) der Low Side Multilevel Converter (LSMC1, LSMC2, LSMC3) angeschlossen sind.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass an einem n-stufigen Spannungszwischenkreis (nUz) mindestens drei High Side Multilevel Converter (HSMC1, HSMC2, HSMC3) und mindestens drei Low Side Multilevel Converter (LSMC1, LSMC2, LSMC3) angeschlossen sind, wobei drei oder mehrere Phasen der elektrischen Betriebsmittel jeweils mit den Anschlusspunkten (HB⁰ _n) der High Side Multilevel Converter (HSMC1, HSMC2, HSMC3) und drei oder mehrere Phasen der elektrischen Betriebsmittel mit den Anschlusspunkten (HB⁰ ₁) der Low Side Multilevel Converter (LSMC1, LSMC2, LSMC3) verbunden sind.
7. Verfahren zum Steuern und Freischalten der Verbindung von elektrischen Betriebsmitteln und/oder Netzleitungsabschnitten mit einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass • zur Einstellung einer definierten Spannung Ud_HS auf einen Wert zwischen Null und der Summe aller n Kondensatorspannungen Uz, die an dem elektrischen DC-Betriebsmittel und/oder DC-Netzleitungsabschnitt anliegt, eine Anzahl von k-1 Schaltern (S^- ₁; S^- ₂; ... ;S^- _k-1) (k<=n) von (S^- ₁) beginnend bis (S^- _k-1) eingeschaltet werden und das Schalterpaar (S^- _k) und (S⁺ _k) der Halbbrücke (HB_k) alternierend schaltet, so dass sich die Spannung Ud_HS auf den Wert $${\text{Ud}}_{\text{HS}}={\text{Uz}}_1+{\text{Uz}}_2+\dots +{\text{Uz}}_{\text{k}-1}+\text{v}*{\text{Uz}}_{\text{k}}$$

   

   einstellt, • zur Einstellung der Spannung (UD_LS) auf einen beliebigen Wert zwischen Null und der Summe aller n Kondensatorspannungen Uz, die an dem elektrischen DC-Betriebsmittel und/oder DC-Netzleitungsabschnitt anliegt, eine Anzahl von k-1 Schaltern (S⁺ _n; S⁺ _n-1; ... ; S⁺ _k-1) (k<=n) von (S⁺ _n) beginnend bis (S⁺ _k-1) eingeschaltet werden und das Schalterpaar (S^- _k) und (S⁺ _k) der Halbbrücke (HB_k) alternierend schaltet, so dass sich die Spannung (Ud_LS) auf den Wert $${\text{Ud}}_{\text{LS}}={\text{Uz}}_{\text{n}}+{\text{Uz}}_{\text{n}-1}+\dots +{\text{Uz}}_{\text{n}-\text{k}+1}+\text{v}*{\text{Uz}}_{\text{k}}$$

   

   einstellt, wobei v jeweils das Verhältnis zwischen der Einzeit des Schalters (S⁺ _k) und der Periodendauer des Schaltfrequenz darstellt.
8. Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (S⁺ _n) der n Halbbrücken (HB_n) aktiv ausschalten, wenn der Schalter (S⁺ _n-1) des High Side Multilevel Converters und der Schalter (S^- _n+1) des Low Side Multilevel Converters eingeschaltet sind.
9. Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass zur Trennung von den elektrischen Betriebsmitteln und/oder den Netzleitungsabschnitten alle Schalter (S^- _n) des High Side Multilevel Converters (HSMC) und alle Schalter (S⁺ _n) des Low Side Multilevel Converters (LSMC) eingeschaltet (Ud_HS = Null) und (Ud_LS = Null) und zu deren Verbindung alle Schalter (S⁺ _n) des High Side Multilevel Converters (HSMC) und alle Schalter (S^- _n) des Low Side Multilevel Converters (LSMC) eingeschaltet sind (Ud_HS = Uz) und (Ud_LS = Uz).

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