DE112022003918T5

DE112022003918T5 - Mehrstufiger Gitterwechselrichter

Info

Publication number: DE112022003918T5
Application number: DE112022003918.3T
Authority: DE
Inventors: Stefan M. Götz; Jingyang Fang
Original assignee: Rheinland Pfaelzische Technische Univ Kaiserslautern Landau Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Rheinland Pfaelzische Technische Universitaet Kaiserslautern Landau Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Current assignee: Rheinland Pfaelzische Technische Univ Kaiserslautern Landau Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Rheinland Pfaelzische Technische Universitaet Kaiserslautern Landau Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Priority date: 2021-08-11
Filing date: 2022-08-03
Publication date: 2024-05-29
Also published as: WO2023016887A1; EP4135185A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mehrstufigen Gitterwechselrichter (100), der mindestens zwei Gitterzellen (500) umfasst, wobei die Gitterzelle (500) mindestens 3 Knoten (612) und mindestens 3 Äste (611) umfasst, wobei jeder Ast (611) zwei der Knoten (612) miteinander verbindet, wobei mindestens ein Ast (611) eine Wechselrichterschaltung (200) umfasst, die ein Modul (101) aufweist, wobei das Modul (101) ein Energiespeicherelement (300), ein Schaltelement (400) und zwei Modulanschlüsse (800) aufweist; wobei das Schaltelement (400) imstande ist, das Energiespeicherelement (300) derart zu verbinden, dass das Modul (101) wie eine H-Brückenschaltung oder eine Halbbrückenschaltung zwischen den zwei Modulanschlüssen (800) agiert, wobei einer der Knoten (612) ein Wechselrichteranschluss ist und wobei der mehrstufige Gitterwechselrichter (100) mindestens zwei Wechselrichteranschlüsse umfasst; und die zwei Gitterzellen (500) aneinander derart angrenzen, dass sich die zwei Gitterzellen (500) mindestens einen Ast (611) und mindestens zwei Knoten (612) teilen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mehrstufigen Wechselrichter, der mindestens zwei Gitterzellen umfasst. Die Gitterzelle selbst umfasst mindestens 3 Knoten und mindestens 3 Äste, wobei jeder Ast zwei der Knoten verbindet. Der elektrische mehrstufige Gitterwechselrichter umfasst zweidimensionale oder dreidimensionale Schaltungszellen, die wiederholt mit einer zweidimensionalen Ebene oder einem dreidimensionalen Raum verbunden sind.
Wechselstrommotoren, wie jene in Elektrofahrzeugen, benötigen üblicherweise einen Leistungswandler, der die Gleichspannung, die von einer Batterie oder einer Leistungsversorgung zugeführt wird, in eine Wechselspannung umwandelt oder umgekehrt. Zusätzlich sind normalerweise verteilte erneuerbare Energieressourcen, wie Photovoltaik und Wind, mit dem Netz durch DC-AC- und AC-DC-Leistungswandler verbunden. Darüber hinaus werden DC-AC- und AC-DC-Wechselrichter verwendet, um Blindleistung und Oberschwingungen in statischen Kompensatoren (STATCOMs) und aktiven Leistungsfiltern (APFs, Active Power Filters) zu kompensieren. Typischerweise verwenden die Wechselrichter in diesen Anwendungen sogenannte Brückenschaltungen, die ihre Ausgangsanschlüsse abwechselnd mit einem positiven und einem negativen Pol der Gleichspannungsquelle verbinden. In jedem Schaltzustand wählen die Wechselrichter die Verweildauer, sodass sich die geforderte Wechselspannung im zeitlichen Mittel einstellt. Eine auf diese Weise erzeugte Wechselspannung weist jedoch normalerweise eine niedrigere Spannungsamplitude als jene der Gleichspannung, eine niedrigere Spannungsqualität und wesentliche Verzerrungen auf. Zusätzlich treten hohe Energieverluste infolge von Schaltprozessen auf. Weitere Nachteile ergeben sich bei der elektromagnetischen Verträglichkeit, da die durch das Schalten entstehenden hochfrequenten Schaltflanken hohe Energien elektromagnetisch abstrahlen. Zusätzlich benötigen die Wechselrichter, die auf Brückenschaltungen basieren, teure Schalter, da diese jeweils für die Spitzenspannung ausgelegt sein müssen.
Die oben erwähnten Probleme können durch mehrstufige Wechselrichter gelöst werden. Mehrstufige Wechselrichter erlauben, dass die Ausgangslastspannung höher ist als die Modulgleichspannung und in kleinen Stufen erzeugt wird, was zu weniger Spannungsoberschwingungen und elektromagnetischem Rauschen führt. Durch die richtige Aktivierung von Halbleiterschaltern können Energieverluste während Schaltprozesse minimiert werden. Da eine Mehrzahl von Schaltern in Reihe verbunden ist, können mehrstufige Wechselrichter mit Schaltern von niedrigen Nennspannungen hohe Spannungen übernehmen. Unter mehrstufigen Wechselrichter sind drei Arten praktisch bewährt. Erstens sind Diode-Klemmen-Wechselrichter unter anderen aus wissenschaftlicher Referenz Nabae et al. (1981) bekannt, [A. Nabae, I. Takahashi, und H. Akagi (1981), A new neutral-point-clamped PWM inverter, IEEE Transactions on Industrial Application, 17(5):518-523], auf die an dieser Stelle verwiesen wird. Die zweite Art bezieht sich auf Flying-Capacitor-Wechselrichter, ausführlich erklärt in wissenschaftlicher Referenz Meynard et al. (1992) [T. A. Meynard und H. Foch (1992). Multi-level conversion: high voltage choppers and voltage-source inverters, IEEE Power Electronics Specialist Conference, 397-403], auf die hier verwiesen wird. Drittens sind kaskadierte Brückenwechselrichter aus der Patentveröffentlichung US 3,867,643 bekannt, auf die hier unter Bezugnahme verwiesen wird. Überdies werden modulare mehrstufige Wechselrichter (MMCs, Modular Multilevel Converters) durch wissenschaftlicher Referenz Marquardt et al (2003) [R. Marquardt und A. Lesnicar (2003), vorgestellt. Eine neue modulare Spannungsquellenumrichtertopologie, IEEE European Conference on Power Electronics and Applications, 1-10] wird hier zur Bezugnahme zitiert. Zusätzlich offenbart die Patentveröffentlichung DE 101 03 031 B4 ein grundlegendes MMC und soll hier durch Bezugnahme aufgenommen werden.
Verglichen mit Diode-Klemmen-Wechselrichtern und Flying-Capacitor-Wechselrichtern benötigten kaskadierte Brücken-Wechselrichter (siehe 1a) und MMCs (siehe 2a-2f) die geringste Anzahl zusätzlicher Komponenten wie Klemmdioden und Spannungsausgleichskondensatoren, um dieselben Spannungspegel zu erreichen. Zusätzlich bestehen kaskadierte Brücken-Wechselrichter und MMCs aus identischen Modulen, wodurch sie die Vorteile von Modularität und Skalierbarkeit genießen. Jedes Modul umfasst mindestens ein Energiespeicherelement und mindestens zwei aktive Schalter. Ein Modul ist elektrisch mit mindestens einem benachbarten Modul verbunden, wobei die elektrische Verbindung während des Betriebs dynamisch variabel ist, sodass die Ausgangswechselspannung durch dynamisches Ändern der Verbindung elektrischer Energiespeicherelemente synthetisiert wird. Unter dem Begriff „elektrisches Energiespeicherelement“ sollen im Folgenden auch elektrische Energiequellen und -senken verstanden werden, die sich von elektrischen Energiespeicherelementen lediglich dadurch unterscheiden, dass sie vorzugsweise einen Betriebsbereich, entweder eine Energieaufnahme oder eine Energieabgabe, ermöglichen. Außerdem müssen die hier bezeichneten elektrischen Energiespeicher nicht unbedingt ideal und damit verlustfrei sein, so dass die entnehmbare Energie geringer sein kann als die zuvor eingespeiste.
MMCs können durch Ersetzen der aktiven Schalter von standardmäßigen zweistufigen Wechselrichtern durch kaskadierte Brücken-Wechselrichterschaltungen abgeleitet werden. Daher übernehmen MMCs die Vorteile von kaskadierten Brücken-Wechselrichtern. Wissenschaftliche Referenz Gupta et al. (2016) [K. K. Gupta, A. Ranjan, P. Bhatnagar, L. K. Sahu, und S. Jain, „Multilevel inverter topologies with reduced device count: a review", in IEEE Transactions on Power Electronics, Band 31, Nr. 1, S. 135-151, Jan. 2016, doi: 10.1109/TPEL.2015.2405012], auf die hier Bezug genommen wird, offenbart mehrere MMCs in DC-DC-Leistungsumwandlungsanwendungen (siehe 2a). Die wissenschaftliche Referenz Yang et al. (2019) [S. Yang, J. Fang, Y. Tang, H. Qiu, C. Dong, und P. Wang, „Modular multilevel converter synthetic inertia-based frequency support for medium-voltage microgrids", in IEEE Transactions on Industrial Electronics, Band 66, Nr. 11, S. 8992-9002, Nov. 2019, doi: 10.1109/TIE.2018.2890491], die hier unter Bezugnahme zitiert wird, verwendet MMCs auf der Basis von symmetrischen Halbbrückenschaltungen (siehe 2b). Die wissenschaftliche Veröffentlichung Glinka et al. (2005) [M. Glinka und R. Marquardt, „A new AC/AC multilevel converter family", in IEEE Transactions on Industrial Electronics, Band 52, Nr. 3, S. 662-669, Jun. 2005, doi: 10.1109/TIE.2005.843973], die hier unter Bezugnahme zitiert wird, offenbart MMCs auf der Basis von H-Brückenschaltungen (siehe 2c). Die wissenschaftliche Veröffentlichung Perez et al. (2015) [M. A. Perez, S. Bernet, J. Rodriguez, S. Koura, und R. Lizana, „Circuit topologies, modeling, control schemes, and applications of modular multilevel converters", in IEEE Transactions on Power Electronics, Band 30, Nr. 1, S. 4-17, Jan. 2015, doi: 10.1 109/TPEL.2014.2310127], die hier unter Bezugnahme zitiert wird, offenbart mehrere MMCs, die Dreiphasen-MMCs (siehe 2d), Matrix-MMCs (siehe 2e) und hexagonalen MMCs (siehe 2f) umfasst. Matrix-MMCs sind auch in DE 10 2018 109 926 A1 und in Fang Jingyang et al.: „A Review of Multilevel Converters With Parallel Connectivity", IEEE Transactions on Power Electronics, USA, Band 36, Nr. 11, 23, April 2021 (2021-04-23), Seiten12468-12489, XP011869409, ISSN: 0885-8993, DOI: 10.1109/TPEL.2021.3075211, offenbart.
Die Patentveröffentlichung US 10,158,49 B2 , auf die hier Bezug genommen wird, offenbart einen mehrstufigen Ring-Stern-Wechselrichter (siehe 3).
Kaskadierte-Brückenwechselrichter und MMCs können verschiedene Energiespeicherelemente und -Module enthalten. Die Patentveröffentlichung US 10,442,309 B2 , die hier unter Bezugnahme zitiert wird, offenbart einen MMC mit verschiedenen Modularten, die Batteriezellen als Energiespeicherelemente umfassen. Die Patentveröffentlichung US 10,218,189 B2 , die hier zum Zwecke der Bezugnahme zitiert werden soll, beschreibt ferner Module, die Ausgleichsschaltungen für beinhaltete Batteriezellen umfassen.
Die Patentanmeldungsveröffentlichung US 2018/0013339 A1 offenbart weiter Modulschaltungen mit einer verringerten Anzahl von Schaltelementen und wird hier zum Zwecke der Bezugnahme zitiert. Die Patentveröffentlichung US 8,890,465 B2 beschreibt ein alternatives Modul, das für Motorantriebsanwendungen optimiert ist; sie soll hier durch Bezugnahme aufgenommen werden.
Die im Stand der Technik gängigsten Module kaskadierter Brücken-Wechselrichter und MMCs sind H-Brückenmodule (siehe 4a), positive Halbbrückenmodule (siehe 4b), negative Halbbrückenmodule (siehe 4c), und symmetrische Halbbrückenmodule (siehe 4d). Im Vergleich übertreffen Halbbrückenmodule H-Brückenmodule hinsichtlich Einfachheit, was sich in geringeren Kosten und Leitungsverlusten, wie auch geringerer Systemgröße und geringerem Systemgewicht niederschlägt, während das Gegenteil auf die Funktionalität der Module zutrifft. Insbesondere erlauben H-Brückenmodule einen unipolaren und Bypass-Betrieb während positive und negative Halbbrückenmodule nur unipolare Spannungen ausgeben können. Symmetrische Halbbrückenmodule können bipolare Spannungen ausgeben, können aber nicht gebypasst werden.
Die wissenschaftliche Veröffentlichung Fang et al. (2020) [J. Fang, Z. Li, und S. Goetz, " „Multilevel Converters with Symmetrical Half-Bridge Submodules and Sensorless Voltage Balance", IEEE Transactions on Power Electronics, doi: 10.1109/TPEL.2020.3000469] und die Patentanmeldungsveröffentlichung DE 10 2019 006 476 A1 offenbaren symmetrische Halbbrückenmodule und sollen hier unter Bezugnahme aufgenommen werden. Wissenschaftliche Referenz Lizana et al. (2019) [R. Lizana F., S. Rivera, Z. Li, J. Luo, A. V. Peterchev, und S. M. Goetz, „Modular Multilevel Series/Parallel Converter With Switched-Inductor Energy Transfer Between Modules", in IEEE Transactions on Power Electronics, Band 34, Nr. 5, S. 4844-4852, May 2019, doi: 10.1109/TPEL.2018.2859902] offenbart eine induktive Verbindung zwischen Modulen, was auch auf die hier offenbarte Erfindung zutrifft; sie soll hier zum Zwecke der Bezugnahme aufgenommen werden.
Die wissenschaftliche Veröffentlichung Deng et al. (2015) [Y. Deng und R. G. Harley, „Space-Vector Versus Nearest-Level Pulse Width Modulation for Multilevel Converters", in IEEE Transactions on Power Electronics, Band 30, Nr. 6, S. 2962-2974, Juni 2015, doi: 10.1109/TPEL.2014.2331687] beschreibt Steuerverfahren, die Teil der Erfindung sein können; sie soll zum Zwecke der Bezugnahme aufgenommen werden. Die wissenschaftliche Veröffentlichung Specht et al. (2017) [E. Specht, C. Aschauer, C. Korte und S. Goetz, „Direct Torque Control with Variable Level Discretization for Automotive Drives", PCIM Europe 2017; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, Nürnberg, Deutschland, 2017, S. 1-8., ISBN: 978-3-8007-4424-4], offenbart ein Steuerverfahren, das Teil der Erfindung sein kann, und soll zum Zwecke der Bezugnahme aufgenommen werden. Die wissenschaftlichen Veröffentlichungen Wang et al. (2017) [C. Wang, F. R. Lizana, Z. Li, A. V. Peterchev und S. M. Goetz, „Submodule short-circuit fault diagnosis based on wavelet transform and support vector machines for modular multilevel converter with series and parallel connectivity", IECON 2017 - 43rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Beijing, 2017, S. 3239-3244, doi: 10.1109/IECON.2017.8216547], Wang et al. (2019) [C. Wang, A. V. Peterchev, und S. M. Goetz, „Online Switch Open-Circuit Fault Diagnosis Using Reconfigurable Scheduler for Modular Multilevel Converter with Parallel Connectivity", 2019 21st European Conference on Power Electronics und Applications (EPE '19 ECCE Europe), Genua, Italien, 2019, S. P.1-P.10, doi: 10.23919/EPE.2019.8915402] offenbaren Steuer- und Fehlerdetektionsverfahren, die Teil der Erfindung sein können; sie werden zum Zwecke der Bezugnahme zitiert.
Kaskadierte Brückenwechselrichter und MMCs können große Spannungen übernehmen. Sie leiden jedoch unter niederen Nennströmen, da Module in Reihe statt parallel geschaltet sind. Neuartige MMCs mit Reihen- und ParallelSchaltung von Modulen sind bekannt. Der Nennstrom solcher neuartigen MMCs ist jedoch nach wie vor durch die Stromstärke eines einzelnen Moduls begrenzt, da Module mit Parallelschaltung aus der Perspektive der Makroebene in Reihe geschaltet sind.
Die Patentveröffentlichung US 9,496,799 B2 und die wissenschaftlichen Referenzen Goetz et al. (2015) [S. M. Goetz, A. V. Peterchev und T. Weyh, „Modular Multilevel Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control" in IEEE Transactions on Power Electronics, Band 30, Nr. 1, S. 203-215, Jan. 2015, doi: 10.1109/TPEL.2014.2310225] wie auch Goetz et al. (2017) [S. M. Goetz, Z. Li, X. Liang, C. Zhang, S. M. Lukic und A. V. Peterchev, „Control of Modular Multilevel Converter With Parallel Connectivity-Application to Battery Systems", in IEEE Transactions on Power Electronics, Band 32, Nr. 11, S. 8381-8392, Nov. 2017, doi: 10.1109/TPEL.2016.2645884] offenbaren Doppel-H-Brückenmodule (manchmal auch unter der MMSPC-Gruppe subsummiert), die mindestens ein Energiespeicherelement und Schaltelemente umfassen, die in mehr als zwei parallel geschalteten Halbbrücken angeordnet sind, und es erlauben, die Energiespeicherelemente benachbarter Module dynamisch oder temporär in Reihe, parallel oder im Bypass zu schalten. Diese Referenzen werden hier unter Bezugnahme einbezogen. Die Patentveröffentlichung US 9,502,960B2 und die wissenschaftliche Veröffentlichung Li et al. (2019) [Z. Li, R. Lizana F., Z. Yu, S. Sha, A.V. Peterchev und S.M. Goetz, „A Modular Multilevel Series/Parallel Converter for a Wide Frequency Range Operation", in IEEE Transactions on Power Electronics, Band 34, Nr. 10, S. 9854-9865, Okt. 2019, doi: 10.1109/TPEL.2019. 2891052] offenbaren H-Brückenmodule mit weniger Transistoren und werden hier durch Bezugnahme einbezogen.
Parallel verbundene Wechselrichter (siehe 1b) können große Ströme übernehmen. Sie leiden jedoch unter niederen Nennströmen, da Module parallel statt in Reihe geschaltet sind. In diesem Sinn gibt es eine starke Motivation für die Erfindung von Wechselrichtern, die sowohl hohe Spannungen als auch große Ströme aufnehmen können.
Die wissenschaftliche Referenz Chandorkar et al. (1993) [M. C. Chandorkar, D. M. Divan und R. Adapa, „Control of parallel connected inverters in standalone ac supply systems, in IEEE Transactions on Industrial Application, Band 29, Nr. 1, S. 136-143, Jan./Feb. 1993, doi: 10.1109/28.195899] offenbart multiple parallel verbundene DC-AC-Wechselrichter und wird hier zum Zwecke der Bezugnahme zitiert.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen sehr flexiblen elektrischen Wechselrichter bereitzustellen, der große Spannungsunterschiede überbrücken kann und der in mehreren Anwendungen und für verschiedene Anforderungen verwendet werden kann.
Die Aufgabe wird durch einen mehrstufigen Gitterwechselrichter nach Anspruch 1, durch einen elektronischen Chip nach Anspruch 15 und ein Verfahren nach Anspruch 16 gelöst.
Die vorliegende Erfindung stellt, unter anderen, eine Lösung zum Implementieren mehrstufiger Wechselrichter basierend auf Gitterzellen, die aus H-Brücken- und/oder Halbbrücken-Schaltungsmodulen bestehen, bereit, welche eine Leistungsumwandlung durchführen und hohe Spannungen und große Ströme, theoretisch bis unendlich, aufnehmen können.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein mehrstufiger Gitterwechselrichter mindestens drei Gitterzellen. Die Gitterzelle umfasst mindestens 3 Knoten und mindestens 3 Äste, wobei jeder Ast zwei der Knoten miteinander verbindet. Ein Ast umfasst eine Wechselrichterschaltung, die ein Modul aufweist. Das Modul weist ein Energiespeicherelement, ein Schaltelement und mindestens zwei Modulanschlüsse auf; wobei das Schaltelement geeignet ist, um das Energiespeicherelement derart zu verschalten, dass das Modul wie eine H-Brückenschaltung und/oder eine Halbbrückenschaltung oder eine Kombination aus H-Brücke und Halbbrücke zwischen den mindestens zwei Modulanschlüssen wirkt. Einer der Knoten ist ein Wechselrichteranschluss. Der mehrstufige Gitterwechselrichter umfasst zwei Wechselrichteranschlüsse. Zwei der drei Gitterzellen grenzen derart aneinander, dass sich die zwei Gitterzellen mindestens einen Ast und mindestens zwei Knoten teilen. Die Module können auch wie eine Kombination aus zwei oder mehreren H-Brücken und zwei oder mehreren Halbbrücken wirken.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der mehrstufige Gitterwechselrichter bevorzugt derart eingerichtet und ausgebildet, dass der Wechselrichter mindestens zwei Knoten zwischen den zwei Wechselrichteranschlüssen des mehrstufigen Gitterwechselrichters umfasst. Bevorzugt gibt es mindestens drei Knoten zwischen den mindestens zwei Wechselrichteranschlüssen. Die Knoten zwischen den mindestens zwei Wechselrichteranschlüssen sind selbst keine Wechselrichteranschlüsse.
Der Wechselrichteranschluss kann ein Knoten sein, der für eine Verbindung oder eine Verknüpfung mit anderen elektronischen Komponenten eingerichtet und ausgebildet ist, die nicht Teil des mehrstufigen Gitterwechselrichters sind. Daher ist der mehrstufige Gitterwechselrichter (bevorzugt direkt oder indirekt) mit anderen Komponenten über die Wechselrichteranschlüsse verbunden.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein elektronischer Chip, insbesondere für Stromversorgungen, einen mehrstufigen Gitterwechselrichter wie oben beschrieben, wobei die Schaltelemente und die Energiespeicherelemente elektronische Komponenten sind, bevorzugt alle Schaltelemente Halbleiterschalter sind und alle Energiespeicherelemente Kondensatoren sind.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren angegeben, das die Steuerung eines mehrstufigen Gitterwechselrichters, wie oben beschrieben, erlaubt, wobei in einem Schritt des Verfahrens mindestens eines der Schaltelemente derart geschaltet wird, dass ein vorbestimmtes Energiespeicherelement auf vorbestimmte Weise in den Gitterzellen verschaltet ist, sodass eine vorbestimmte elektrische Wandlung zwischen einem Eingangs-Port und einem Ausgangs-Port des mehrstufigen Gitterwechselrichters erfolgt, wobei der Eingangs-Port und der Ausgangs-Port jeweils einen Wechselrichteranschluss des mehrstufigen Gitterwechselrichters bilden.
In noch weiteren Aspekten der vorliegenden Erfindung wird ein Computerprogramm bereitgestellt, das Programmcodemittel umfasst, um einen Computer zu veranlassen, die Schritte des hier offenbarten Verfahrens durchzuführen, wobei das Computerprogramm auf einem Computer wie auch einem nicht transitorischen computerlesbaren Speichermedium ausgeführt wird, in dem ein Computerprogrammprodukt gespeichert ist, das, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, bewirkt, dass das Verfahren durchgeführt wird.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Es sollte klar sein, dass das beanspruchte Verfahren, die beanspruchte Vorrichtung, nämlich der Wechselrichter, das beanspruchte Computerprogramm und Medium ähnliche und/oder identische bevorzugte Ausführungsformen wie der beanspruchte Wechselrichter haben, insbesondere wie er in den abhängigen Ansprüchen definiert und wie hier offenbart ist.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Idee, mehrere Module zu verwenden, die ein Energiespeicherelement, ein Schaltelement und zwei Modulanschlüsse umfassen, die derart geschaltet werden können, dass das Modul wie eine H-Brückenschaltung oder eine Halbbrückenschaltung zwischen den zwei Modulanschlüssen wirkt. Die Module können auch sogenannte Doppel-H-Brücken umfassen, so dass zwei H-Brücken mit einem Energiespeicherelement verbunden sind. Solche Module können mehr als zwei Anschlüsse haben, insbesondere vier Anschlüsse, zwei für jedes benachbarte Modul. Solche Module können mehrere zusätzliche Betriebsarten bewirken, zum Beispiel dynamische Parallelschaltungen.
Werden die Module in gewünschter Weise zu mindestens zwei Gitterzellen verschaltet, kann ein mehrstufiger Gitterwechselrichter entworfen werden, der erlaubt, große Spannungsunterschiede zwischen den zwei Wechselrichteranschlüssen des mehrstufigen Gitterwechselrichters, nämlich einem Eingangs-Port und einem Ausgangs-Port zu überbrücken. Der Wechselrichter hat den weiteren Vorteil, dass verschiedene Eingänge und Ausgänge verwendet werden könne. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen mehrstufigen Gitterwechselrichters ist, das in dem Wechselrichter keine Induktivitäten verwendet werden, sodass der Wechselrichter im Wesentlichen frei von Induktivitäten ist.
Der mehrstufige Gitterwechselrichter (LMC) hat den Vorteil, dass er in einer Vielzahl von Anwendungen und Implementierungen verwendet werden kann. Er hat den Vorteil, dass Stromversorgungen mit einer Reihe variabler kleiner Stromversorgungen gestaltet werden können. Der mehrstufige Gitterwechselrichter kann auch als eine Computerleistungsversorgung oder z.B. in einem Schaltschrank oder Gehäuse für elektrische Zwecke eingesetzt werden
Der erfindungsgemäße LMC hat den Vorteil, dass sich die Äste zwischen den Knoten der Gitterzellen in dem Wechselrichter nicht überlappen. Daher sind die Zellen, die durch die Knoten und Äste gebildet werden, frei von Überlappungen der Äste. Die Äste sind derart konfiguriert und angeordnet, dass sich die Äste nicht kreuzen. Dieser Vorteil fällt in mehrstufigen Gitterwechselrichtern mit drei oder mehr Gitterzellen besonders stark ins Gewicht.
Für die mehrstufigen Gitterwechselrichter sind die Äste (bestehend aus mehreren in Reihe geschalteten Modulen) und Knoten gitterartig miteinander verbunden. Verschiedene Gitter weisen verschiedene Graphen auf, aber keiner von ihnen ist ein vollständiger Bigraph (wie Matrixwechselrichter). Der LMC kann auf dreieckigen Gitterzellen bzw. quadratischen Gitterzellen basieren. Es ist leicht zu erkennen, dass die vorgeschlagenen Gitterwechselrichter und die Matrixwechselrichter im Stand der Technik unterschiedlich sind. Wenn die Anzahl von Knoten zunimmt, weist der Matrixwechselrichter eine erhöhte Anzahl von Ästen auf, die mit jedem Knoten verbunden sind. Die Gitterwechselrichter weisen dieses Merkmal jedoch nicht auf. Zum Beispiel weist der auf Gitterzellen basierende Gitterwechselrichter höchstens vier Äste auf, die an jeden Knoten gebunden sind. Dies ist ein sehr offensichtlicher Unterschied zwischen Matrixwechselrichtern und Gitterwechselrichtern.
Der erfindungsgemäße mehrstufige Gitterwechselrichter stellt eine neue Verschaltung von Wechselrichtern bereit, die alle in einem mehrstufigen Wechselrichter integriert sein können. Einerseits wird ein sehr flexibler Wechselrichter bereitgestellt, der in einem weiten Bereich der Spannungsumwandlung und/oder Stromumwandlung verwendet werden kann. Andererseits hat der mehrstufige Wechselrichter den Vorteil, dass bevorzugt nur Komponenten der Leistungselektronik verwendet werden können. Die Verwendung von Transistoren wie Feldeffekttransistoren (FET) oder Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT) hat insbesondere den Vorteil, dass der mehrstufige Gitterwechselrichter ziemlich klein und deutlich billiger als herkömmliche Wechselrichter ist. Der erfindungsgemäße Wechselrichter kann in einen Chip oder in eine integrierte Schaltung (IC, Integrated Circuit) integriert werden. Der Gitterwechselrichter hat den weiteren Vorteil, dass er zum Bilden eines programmierbaren Leistungs-Arrays mit zahlreichen Modulen verwendet werden kann, die wie H-Brücken und/oder Halbbrücken wirken. Das programmierbare Leistungs-Array kann von einer Steuervorrichtung oder einer Steuereinheit eines Systems oder von einem Computer mit einer spezifischen Software gesteuert werden, sodass einzelne Schaltelemente entsprechend der Software oder einer gewünschten Anforderung ein- und ausgeschaltet werden können.
Der erfindungsgemäße LMC hat den Vorteil von Modularität und Skalierbarkeit, unbegrenzten Strom- und Spannungswerte, der hohen Stromqualität, der einheitlichen Steuerung und der hohen Zuverlässigkeit.
Da der mehrstufige Gitterwechselrichter aus Standardmodulen oder Standard-Gitterzellen besteht, ist es sehr einfach und kostengünstig, bestehende mehrstufige Gitterwechselrichter zu erweitern oder auszubauen, sodass sie an neue oder veränderte Anforderungen angepasst werden können.
Der erfindungsgemäße mehrstufige Gitterwechselrichter findet zum Beispiel Anwendung in Hochspannungs-DC/AC-Übertragungen, in der Erzeugung erneuerbarer Energie, in Geräten zur Verbesserung der Stromqualität, in Elektrofahrzeugen, in Schiffs- und Flugzeugantrieben, in medizinischen Anwendungen wie nicht-invasiven magnetischen Stimulatoren, in Hochfrequenz-Hochleistungs-Stromversorgungen, in Plasma-Anwendungen und/oder in zukünftigen Stromnetzen.
Die erfindungsgemäßen mehrstufigen Gitterwechselrichter haben den weiteren Vorteil, dass sie in einem elektronischen Chip verwendet und in diesen integriert sein können, im Gegensatz zu den mehrstufigen Matrixwechselrichtern, die in der Regel Schalter und passive Komponenten enthalten, wie sie in modernen elektronischen Stromwechselrichtern üblich sind. Herkömmliche Wechselrichter wie Matrixwechselrichter sind nicht auf einem selben Chip integriert, insbesondere für Hochleistungsanwendungen. Der erfindungsgemäße LMC bietet diese Möglichkeit.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen LMC haben alle Zellen des Wechselrichters dieselbe Anzahl von Ästen und/oder Knoten. Bevorzugt haben alle Zellen des LMC drei Äste und drei Knoten, wobei es möglich und bevorzugt ist, dass zwei angrenzende Zellen sich einen Ast und auch bevorzugt zwei Knoten teilen.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des mehrstufigen Gitterwechselrichters haben alle Zellen vier Äste und vier Knoten, wobei es möglich und auch bevorzugt ist, dass sich zwei angrenzende Zellen einen Ast und auch bevorzugt zwei Knoten teilen.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des LMC weist der LMC mindestens eine Zelle mit drei Ästen und drei Knoten und mindestens eine Zelle mit vier Ästen und vier Knoten auf. Bevorzugt sind alle Gitterzellen zweidimensionale Gitterzellen.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform des LMC weist eine Kombination aus mindestens einer zweidimensionalen Gitterzelle und mindestens einer dreidimensionalen Gitterzelle auf, wobei die zweidimensionale Gitterzelle nicht Teil der dreidimensionalen Gitterzelle ist.
Die Zielsetzung wird auch durch die elektrischen Wechselrichter, nämlich die mehrstufigen Gitterwechselrichter (LMC) erreicht, die eine Mehrzahl von zweidimensionalen oder dreidimensionalen Gitterschaltungszellen umfassen, die wiederholt verbunden sind, um die Ebene oder den Raum zu bedecken. Die Gitterzellen bestehen bevorzugt aus einer Mehrzahl miteinander verbundener Äste, die kaskadierte Brückenschaltungen sind, die eine Mehrzahl von Modulen in Reihe umfassen, multi-parallel verbundenen Wechselrichterschaltungen, die eine Mehrzahl von Modulen parallel umfassen, oder eine beliebige Kombination aus diesen. Die Module umfassen H-Brücken-, positive Halbbrücken-, negative Halbbrücken-, symmetrische Halbbrückenmodule oder eine beliebige Kombination aus diesen. Jedes Modul umfasst bevorzugt eine Mehrzahl von Schaltern zum dynamischen Umschalten zwischen einer Mehrzahl sogenannter Schaltungszustände (auch als Modulzustände oder Verbindungsmodi oder Konnektivitätsmodi oder Schalterzustände oder Schaltzustände bezeichnet) und mindestens ein Energiespeicherelement, wie Kondensatoren, Batterien oder eine beliebige Kombination aus Kondensatoren und Batterien an seiner DC-Seite. Alle Modulausgänge können mittels programmierter Operationen in Reihe und/oder parallel geschaltet werden, wobei sie gemeinsam die Ausgangswechselspannung und den Ausgangswechselstrom bilden.
Bei den bevorzugten kaskadierten Brücken-Wechselrichtern sind die Module bevorzugt in Reihe geschaltet, um hohe Spannungen zu teilen. Alle Module nehmen denselben Laststrom auf. Da jedes Modul einen begrenzten Nennstrom hat, der durch Halbleiterschalter und Energiespeicherelemente bestimmt wird, können kaskadierte Brücken-Wechselrichter bei Starkstromanwendungen nicht anwendbar sein. MMCs können durch Ersetzen von Schaltern oder Energiespeicherelementen herkömmlicher Zweistufen-Wechselrichter durch kaskadierte Brücken-Wechselrichter abgeleitet werden, wodurch Vorteile und Nachteile von kaskadierten Brücken-Wechselrichtern übernommen werden. Aufgrund der begrenzten Anzahl von Armen (d.h. kaskadierte Brücken-Wechselrichterschaltungen) können MMCs nur begrenzte Nennströme bewältigen. Da herkömmliche Zweistufen-Wechselrichter (wie Abwärtswandler) nicht notwendigerweise modular sind, weisen MMCs keine Modularität der Topologien auf Makroebene auf. Sie können weder Ebenen oder Räume abdecken, was zu begrenzten Stromstärken, Verbesserungen Leistungsqualität und Modularität führt.
Bei mehreren parallel verbundenen DC-AC- und AC-DC-Wechselrichter sind die Module parallel verbunden, um hohe Ströme zu teilen. Da jedoch jedes Modul eine begrenzte Nennspannung aufweist, die durch Halbleiterschalter und Energiespeicherelemente bestimmt wird, können mehrfach parallel verbundene Wechselrichter bei Hochspannungsanwendungen nicht anwendbar sein. Sie können weder Ebenen oder Räume abdecken, was zu begrenzten Nennströmen und Verbesserungen der Leistungsqualität führt.
Im Gegensatz dazu überwinden die offenbarten Gitterwechselrichter die zuvor erwähnten Probleme. Da Gitterwechselrichter ihre Schaltungen in zweidimensionalen Ebenen oder dreidimensionalen Räumen ausdehnen, haben sie das Potential, eine Mehrzahl von seriell und parallel geschalteter Module gleichzeitig aufzubauen und sehr hohe (bis unendliche) Spannungen und große Ströme zu bewältigen. Darüber hinaus können Gitterwechselrichter mit identischen Zellen, Ästen und Modulen aufgebaut werden, wodurch sie die Vorteile der Modularität und Skalierbarkeit genießen. Durch Programmieren erlauben Gitterwechselrichter serielle und parallele Verbindungen zwischen Modulen. Weitere Konfigurationen können den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung entnommen werden.
Gitterwechselrichter bestehen aus Gitterzellen, die wiederum kaskadierte Brücken-Wechselrichterschaltungen und mehrfach parallel geschaltete Wechselrichterschaltungen umfassen können. Daher können Gitterwechselrichter aus gängigen Modulen, wie H-Brücken-, positive Halbbrücken-, negative Halbbrücken- und symmetrische Halbbrückenmodule, aufgebaut werden, die im Folgenden auch in doppelter Ausführung vorliegen können, um eine Parallelschaltung von Modulen zu ermöglichen, wie aus der oben genannten Patent- und Fachliteratur bekannt sind. Module können nicht nur in Reihe, sondern auch parallel zu ihren Nachbarn geschaltet werden, je nach Steuerungs- und Modulationsstrategie. Die Parallelisierung von Modulen vereinfacht Steuerarchitekturen deutlich. Solange eine Modulgleichspannung gut gesteuert wird, sind alle Modulspannungen ausgeglichen und gut reguliert. Für jedes Modul werden die Steuerung und Modulation übernommen, wo die Schalter identisch zu denen herkömmlicher Wechselrichteranwendungen arbeiten können.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können die mehrstufigen Gitterwechselrichter als eine Ergänzung von herkömmlichen mehrstufigen Wechselrichtern angesehen werden. Erstere gehen auf Spannungs- und Strombegrenzungen wie auch Modularitätsanforderung der letzteren ein.
Weitere Vorteile und Ausführungen der Erfindung gehen aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen hervor.
Es versteht sich von selbst, dass die oben genannten und die im Folgenden noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination sondern auch in anderen Kombinationen oder allein verwendet werden können, ohne dadurch den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben.

1a zeigt einen kaskadierten Brücken-Wechselrichter aus dem Stand der Technik.
1 b zeigt einen mehrfach parallel geschalteten Wechselrichter aus dem Stand der Technik.
2a zeigt einen MMC basierend auf der Abwärtswandler-Topologie aus dem Stand der Technik.
2b zeigt einen MMC basierend auf der symmetrischen Halbbrücke.
2c zeigt einen MMC basierend auf der H-Brückentopologie aus dem Stand der Technik.
2d zeigt einen MMC basierend auf der Dreiphasen-Brücke.
2e zeigt einen MMC basierend auf der Matrixtopologie aus dem Stand der Technik.
2f zeigt einen MMC basierend auf der hexagonalen Topologie aus dem Stand der Technik.
3 zeigt einen mehrstufigen Wechselrichter basierend auf dem Ring-Stern.
4a zeigt ein H-Brückenmodul aus dem Stand der Technik.
4b zeigt ein positives Halbbrückenmodul aus dem Stand der Technik.
4c zeigt ein negatives Halbbrückenmodul asu dem Stand der Technik.
4d zeigt ein symmetrisches Halbbrückenmodul aus dem Stand der Technik.
5a zeigt die positive Operation des H-Brückenmoduls.
5b zeigt die negative Operation des H-Brückenmoduls.
5c, 5d zeigen ein Beispiel der Null-Ausgang-Operation des H-Brückenmoduls.
6a zeigt eine Ausführungsform des Gitterwechselrichters basierend auf der dreieckigen Gitterzelle gemäß Aspekten der Erfindung.
6b zeigt eine Ausführungsform des Gitterwechselrichters basierend auf der quadratischen Gitterzelle gemäß Aspekten der Erfindung.
6c zeigt eine Ausführungsform des Gitterwechselrichters basierend auf der hexagonalen Gitterzelle gemäß Aspekten der Erfindung.
7a zeigt eine Ausführungsform des Gitterwechselrichters basierend auf der pyramidenförmigen Gitterzelle gemäß Aspekten der Erfindung.
7b zeigt eine Ausführungsform des Gitterwechselrichters basierend auf der kubischen Gitterzelle gemäß Aspekten der Erfindung.
7c zeigt eine Ausführungsform des Gitterwechselrichters basierend auf der Tri-Prisma-Gitterzelle gemäß Aspekten der Erfindung.
8a zeigt die Stromrouten einer Ausführungsform des Gitterwechselrichters basierend auf einem 2×2 quadratischen Gitter gemäß der Erfindung.
8b zeigt eine Ausführungsform der konzentrierten Knotenstrategien zum Stromteilen gemäß Aspekten der Erfindung.
9a zeigt eine Ausführungsform der Modulatoren des H-Brückenmoduls gemäß Aspekten der Erfindung.
9b zeigt eine Ausführungsform der Gate-Signale des H-Brückenmoduls gemäß Aspekten der Erfindung.
10a zeigt den simulierten Lastwechselstrom und die Lastwechselspannung einer Ausführungsform des offenbarten Gitterwechselrichters als ein Umrichter basierend auf einem 2×2 quadratischen Gitter gemäß Aspekten der Erfindung.
10b zeigt den simulierten Modulstrom und die Modulspannung einer Ausführungsform des offenbarten Gitterwechselrichters als einen Umrichter basierend auf einem 2×2 quadratischen Gitter gemäß Aspekten der Erfindung.
11 zeigt eine Anwendung des erfindungsgemäßen mehrstufigen Gitterwechselrichters, der in einem Elektrofahrzeug verwendet wird.
12 zeigt eine Anwendung des erfindungsgemäßen mehrstufigen Gitterwechselrichters, der bei einer Photovoltaikanlage verwendet wird.

Der elektrische mehrstufige Gitterwechselrichter nach Aspekten der Erfindung verwendet eine Mehrzahl von zweidimensionalen oder dreidimensionalen Gitterzellen, die wiederholt verbunden sind, um die Ebene oder den Raum abzudecken. Jede Gitterzelle besteht aus einer Mehrzahl miteinander verbundener Äste, die entweder kaskadierte Brücken-Wechselrichterschaltungen mit einer Mehrzahl von Modulen in Reihe oder parallel geschaltete Wechselrichterschaltungen mit einer Mehrzahl von parallelen Modulen sein können. Einzelne Module werden gesteuert und programmiert, um variable mehrstufige Ausgangsspannungen, -ströme zu erzeugen und/oder Energie zwischen den elektrischen Energiespeicherelementen in Modulen zu übertragen. Die Wechselrichter gemäß Aspekten der Erfindung beziehen sich auch auf die sogenannten mehrstufigen Gitterwechselrichter. Der mehrstufige Gitterwechselrichter (LMC) kann entweder in einer einphasigen, einer dreiphasigen oder allgemein einer n-phasigen Ausführung, einer Einzel-Port-Ausführung, einer Zwei-Port-Ausführung oder allgemein einer n-Port-Ausführung und mit Batteriespeicherelementen, Kondensatorspeicherelementen oder einer beliebigen Kombination aus diesen implementiert sein. Das optionale Merkmal, mindestens ein Modul mit Batterien mit mindestens einem Modul mit Kondensatoren zu kombinieren, ermöglicht beispielsweise teure Batteriezellen in einem System einzusparen und dennoch Spannungen und Ströme zu erzeugen, die deutlich höher als die Summe der Spannungen aller Batterien sind.
Der mehrstufige Gitterwechselrichter 100 kann als eine Variante des kaskadierten Brücken-Wechselrichters oder MMC angesehen werden, in dem mindestens einige kaskadierte Brücken-Wechselrichter miteinander verschaltet sind, um Gitterzellen zu bilden und hohe Ströme zu übernehmen. Die erwähnten Wechselrichterschaltungen 200 weisen ein modulares Design auf. Das heißt, sie bestehen aus einer Mehrzahl von Modulen, die miteinander durch mindestens zwei Stromleitungen verbunden sind, wobei die Module mindestens ein elektrisches Energiespeicherelement und mindestens zwei elektronische Schaltelemente umfassen. Durch geeignete Aktivierung der Schaltelemente einzelner Module können die Energiespeicherelemente elektrisch entweder in Reihe oder parallel mit anderen Modulen verschaltet werden, im Allgemeinen mit den Nachbarn, oder elektrisch von anderen Modulen isoliert werden. Abhängig von der Ausführungsform der Module können diese elektrischen Verbindungen einzeln für die entsprechenden Energiespeicherelemente durchgeführt werden.
1a zeigt den kaskadierten Brücken-Wechselrichter gemäß dem Stand der Technik. Er umfasst eine Mehrzahl identischer Module 101, die durch elektrische Kabel 102, die die zwei Ausgangsanschlüsse 112, 113 bilden, in Reihe verbunden sind. Da sich alle Module gemeinsam die Lastspannung teilen, können kaskadierte Brücken-Wechselrichter sehr hohe Spannungen übernehmen.
1b zeigt den mehrfach parallel verbundenen Wechselrichter gemäß dem Stand der Technik. Er umfasst eine Mehrzahl identischer Module 101, die durch elektrische Kabel 103, die die zwei Ausgangsanschlüsse 115, 116 bilden, parallel verbunden sind. Da sich alle Module gemeinsam den Laststrom teilen, können mehrfach parallel verbundene Wechselrichter sehr große Ströme übernehmen.
2a zeigt einen MMC basierend auf der Abwärtswandler-Topologie aus dem Stand der Technik, wobei die zwei aktiven Schalter des Abwärtswandlers durch kaskadierte Brückenschaltungen 111 ersetzt sind. Dieser MMC ist eine Wechselrichterschaltung 200, die eine Gleichspannung herabsetzen oder einen Gleichstrom von dem DC Eingangs-Port 212, 214 auf den DC Ausgangs-Port 213, 214 heraufsetzen kann, und umgekehrt.
2b zeigt eine Wechselrichterschaltung 200 in Form eines MMC, basierend auf der symmetrischen Halbbrückentopologie aus dem Stand der Technik, wobei die zwei aktiven Schalter des symmetrischen Halbbrückenwechselrichters durch kaskadierte Brückenschaltungen 111 ersetzt sind. Dieser MMC kann eine Gleichspannung/einen Gleichstrom an den DC-Anschlüssen 222, 224 in eine Wechselspannung/einen Wechselstrom an den AC-Anschlüssen 221, 223 umwandeln, und umgekehrt.
2c zeigt eine Wechselrichterschaltung 200 in Form eines MMC basierend auf der H-Brückentopologie aus dem Stand der Technik, wobei die vier aktiven Schalter des H-Brückenwechselrichters durch kaskadierte Brückenschaltungen 111 ersetzt sind und der Zwischenkreiskondensator (DC-Bus-Kondensator) entfernt ist. Dieser MMC kann eine DC/AC-Spannung/einen DC/AC-Strom an einem Paar von Anschlüssen 231, 233 in eine DC/AC-Spannung/einen DC/AC-Strom an dem anderen Paar von Anschlüssen 232, 234 umwandeln, und umgekehrt.
2d zeigt eine Wechselrichterschaltung 200 in Form eines MMC basierend auf der Dreiphasen-Brückentopologie aus dem Stand der Technik, wobei die sechs aktiven Schalter des Dreiphasen-Brückenwechselrichters durch kaskadierte Brückenschaltungen 111 ersetzt sind und der Zwischenkreiskondensator entfernt ist. Dieser MMC kann eine Gleichspannung/einen Gleichstrom über die DC-Anschlüsse 244, 245 in eine Dreiphasen-Wechselspannung/einen Dreiphasen-Wechselstrom an den drei AC Anschlüssen 241, 242, 243 umwandeln, und umgekehrt.
2e zeigt einen MMC basierend auf der Matrixtopologie aus dem Stand der Technik, bei dem die neun aktiven Schalter des Matrixwechselrichters durch kaskadierte Brückenschaltungen 111 ersetzt sind. Dieser MMC kann eine Dreiphasen-Wechselspannung/einen Dreiphasen-Wechselstrom der drei Anschlüsse 251, 252, 253 in eine Dreiphasen-Wechselspannung/einen Dreiphasen-Wechselstrom der anderen drei Anschlüsse 254, 255, 256 umwandeln, und umgekehrt.
2f zeigt eine Wechselrichterschaltung 200 in Form eines MMC basierend auf der hexagonalen Topologie aus dem Stand der Technik, wobei die sechs Äste kaskadierte Brückenschaltungen 111 sind. Dieser MMC kann eine Dreiphasen-Wechselspannung/einen Dreiphasen-Wechselstrom der drei Anschlüsse 261, 263, 265 in eine Dreiphasen-Wechselspannung/einen Dreiphasen-Wechselstrom der anderen drei Anschlüsse 262, 264, 266 umwandeln, und umgekehrt.
3 zeigt einen mehrstufigen Ring-Stern-Wechselrichter aus dem Stand der Technik, bei dem die sechs sternförmigen Äste kaskadierte Brückenschaltungen 111 sind und durch einen Ring aus sechs Modulen verbunden sind. Dieser MMC kann eine Dreiphasen-Wechselspannung/einen Dreiphasen-Wechselstrom der drei Anschlüsse 261, 263, 265 in eine Dreiphasen-Wechselspannung/einen Dreiphasen-Wechselstrom 262, 264, 266 umwandeln, und umgekehrt. Darüber hinaus kann er mehrphasige Elektromotoren antreiben.
4a zeigt das sogenannte H-Brückenmodul aus dem Stand der Technik, das als Modul 101 kaskadierter Brücken-Wechselrichter, mehrfach parallel verbundener Wechselrichter und MMCs dienen kann. Das H-Brückenmodul umfasst mindestens ein elektrisches Energiespeicherelement 300, beispielsweise einen Kondensator 405 oder eine Batterie 406, Schaltelemente 400, nämlich vier aktive Schalter 401, 402, 403, 404 und zwei Modulanschlüsse 800, 407, 408.
Jeder Schalter umfasst einen Transistor und eine Diode. Das H-Brückenmodul erlaubt bipolare und Umgehungsoperationen.
4b zeigt das positive Halbbrückenmodul aus dem Stand der Technik, das als das Modul 101 kaskadierter Brücken-Wechselrichter, mehrfach parallel verbundener Wechselrichter und MMCs dienen kann. Das positive Halbbrückenmodul umfasst mindestens ein elektrisches Energiespeicherelement, wie einen Kondensator 413 oder eine Batterie 414, Schaltelemente 400, beispielsweise zwei aktive Schalter 411, 412 und zwei Modulanschlüsse 800 als Anschlüsse 415, 416. Jeder Schalter umfasst einen Transistor und eine Diode. Das positive Halbbrückenmodul spart verglichen mit dem H-Brückenmodul zwei aktive Schalter ein, erlaubt aber nur einpoligen und Bypass-Betrieb.
4c zeigt das negative Halbbrückenmodul aus dem Stand der Technik, das als Modul 101 kaskadierter Brücken-Wechselrichter, mehrfach parallel verbundener Wechselrichter und MMCs dienen kann. Das negative Halbbrückenmodul umfasst mindestens ein elektrisches Energiespeicherelement 300, wie einen Kondensator 423 oder eine Batterie 424, Schaltelemente 400, wie zwei aktive Schalter 421, 422 und zwei Anschlüsse 425, 426. Jeder Schalter umfasst einen Transistor und eine Diode. Das negative Halbbrückenmodul spart verglichen mit dem H-Brückenmodul zwei aktive Schalter, erlaubt aber nur einpoligen und Bypass-Betrieb.
4d zeigt das symmetrische Halbbrückenmodul aus dem Stand der Technik, das als Modul 101 kaskadierter Brücken-Wechselrichter, mehrfach parallel verbundener Wechselrichter und MMCs dienen kann. Das symmetrische Halbbrückenmodul umfasst mindestens zwei elektrische Energiespeicherelemente, wie zwei Kondensatoren 433, 434 oder zwei Batterien 435, 436, zwei aktive Schalter 431, 432 und zwei Anschlüsse 437, 438. Jeder Schalter umfasst einen Transistor und eine Diode. Das symmetrische Halbbrückenmodul spart verglichen mit dem H-Brückenmodul zwei aktive Schalter, erlaubt aber nur einen bipolaren Betrieb.
5 zeigt die Betriebszustände des H-Brückenmoduls. Die grundlegende Funktionsweise des H-Brückenmoduls wird durch angemessene Aktivierung der Schaltelemente 400, wie z.B. der aktiven Schalter 401, 402, 403, 404, erreicht. Das H-Brückenmodul weist drei verschiedene Zustände auf, die bestimmen, wie das Energiespeicherelement temporär mit denen der benachbarten Module verbunden ist. 5a zeigt den positiven Ausgangszustand. Dieser wird erreicht, indem die Schalter 401, 404 eingeschaltet werden, während die anderen Schalter 402, 403 ausgeschaltet werden. In diesem Fall ist die Spannung an den Anschlüssen 407, 408 positiv. Alternativ zeigt 5b den negativen Ausgangszustand, der erreicht wird, wenn die Schalter 401, 404 ausgeschaltet sind und während die anderen Schalter 402, 403 eingeschaltet sind.
5c zeigt den Fall mit eingeschalteten oberen Schaltern 401, 403 und ausgeschalteten unteren Schaltern 402, 404. In diesem Fall tritt keine Spannungsdifferenz an den Anschlüssen 407, 408 auf. 5d zeigt den Fall mit ausgeschalteten oberen Schaltern 401, 403 und eingeschalteten unteren Schaltern 402, 404. Ebenso wird das elektrische Energiespeicherelement in diesem Fall überbrückt. Daher kann das Energiespeicherelement in einem H-Brückenmodul entweder mit den entsprechenden elektrischen Energiespeicherelementen angrenzender Module in Reihe geschaltet sein oder aus der Schaltung entfernt sein. Somit ermöglicht das H-Brückenmodul flexible bipolare Ausgänge.
6a zeigt eine Ausführungsform des offenbarten mehrstufigen Gitterwechselrichters 100 basierend auf einer Mehrzahl von Gitterzellen 500, wie z.B. zweidimensionale Gitterzellen 600 in Form der dreieckigen Gitterzelle 601, gemäß Aspekten der Erfindung. Sie umfasst eine Mehrzahl der dreieckigen Gitterzellen 601, die wiederholt verbunden sind, um die Ebene abzudecken. Jede dreieckige Gitterzelle umfasst mindestens drei miteinander verbundene Äste 611 und mindestens drei Knoten 612. Die Äste können kaskadierte Brückenschaltungen 111, mehrfach parallel verbundene Schaltungen 114 oder eine beliebige Kombination davon sein.
6b zeigt eine Ausführungsform des offenbarten mehrstufigen Gitterwechselrichters 100 gemäß Aspekten der Erfindung, basierend auf einer Mehrzahl von Gitterzellen 500, wie z.B. zweidimensionale Gitterzellen 600 in Form der quadratischen Gitterzelle. Er umfasst eine Mehrzahl der quadratischen Gitterzellen 602, die wiederholt verbunden sind, um die Ebene abzudecken. Jede quadratische Gitterzelle umfasst mindestens vier miteinander verbundene Äste 611 und mindestens vier Knoten 612. Die Äste können kaskadierte Brückenschaltungen 111, mehrfach parallel verbundene Schaltungen 114 oder eine beliebige Kombination davon sein.
6c zeigt eine Ausführungsform des offenbarten mehrstufigen Gitterwechselrichters 100 gemäß Aspekten der Erfindung. Der mehrstufige Gitterwechselrichter 100 basiert auf einer Mehrzahl von Gitterzellen 500, wie z.B. zweidimensionale Gitterzellen 600 in der Form der hexagonalen Gitterzelle, gemäß Aspekten der Erfindung. Er umfasst eine Mehrzahl der hexagonalen Gitterzellen 603, die wiederholt verbunden sind, um die Ebene abzudecken. Jede hexagonale Gitterzelle umfasst mindestens sechs miteinander verbundene Äste 611 und mindestens sechs Knoten 612. Die Äste können kaskadierte Brückenschaltungen 111, mehrfach parallel verbundene Schaltungen 114 oder eine beliebige Kombination davon sein.
7a zeigt eine Ausführungsform des offenbarten mehrstufigen Gitterwechselrichters 100 basierend auf einer Mehrzahl von Gitterzellen 500, wie dreidimensionale Gitterzellen 700 in Form der pyramidenförmigen Gitterzelle, gemäß Aspekten der Erfindung. Er umfasst eine Mehrzahl der pyramidenförmigen Gitterzellen 701, die wiederholt verbunden sind, um den Raum abzudecken. Jede pyramidenförmige Gitterzelle umfasst mindestens acht miteinander verbundene Äste 611 und mindestens fünf Knoten 612. Die Äste umfassen Wechselrichterschaltungen 200, die kaskadierte Brückenschaltungen 111, mehrfach parallel verbundene Schaltungen 114 oder eine beliebige Kombination davon sein können.
7b zeigt eine Ausführungsform des offenbarten Gitterwechselrichters basierend auf der kubischen Gitterzelle gemäß Aspekten der Erfindung. Er umfasst eine Mehrzahl der kubischen Gitterzellen 702, die wiederholt verbunden sind, um den Raum abzudecken. Jede kubische Gitterzelle umfasst mindestens zwölf miteinander verbundene Äste 611 und mindestens acht Knoten 612. Die Äste können kaskadierte Brückenschaltungen 111, mehrfach parallel verbundene Schaltungen 114 oder eine beliebige Kombination davon sein.
7c zeigt eine Ausführungsform des offenbarten Gitterwechselrichters basierend auf der Tri-Prisma-Gitterzelle gemäß Aspekten der Erfindung. Er umfasst eine Mehrzahl der Tri-Prisma-Gitterzellen 703, die wiederholt verbunden sind, um den Raum abzudecken. Jede Tri-Prisma-Gitterzelle umfasst mindestens neun miteinander verbundene Äste 611 und mindestens sechs Knoten 612. Die Äste können kaskadierte Brückenschaltungen 111, mehrfach parallel verbundene Schaltungen 114 oder eine beliebige Kombination davon sein.
8a zeigt die Strompfade einer Ausführungsform des Gitterwechselrichters basierend auf einem 2×2 quadratischen Gitter gemäß Aspekten der Erfindung. In diesem Fall wird die Ausgangslastspannung so gewählt, dass sie über dem rechten oberen Knoten (2, 2) und dem linken unteren Knoten (0, 0) liegt. Der maximale Abstand zwischen diesen zwei Knoten bestimmt die maximale Ausgangsspannung (2-0) + (2-0) = 4 VAst, wo VAst für die maximale Astspannung steht. Um die Nennspannung zu erhöhen, ist es notwendig, das Netzgitter zu vergrößern. Es gibt insgesamt C(4, 2) = 6 verschiedene Strompfade, wie in 8a gezeigt. Um die Strombelastbarkeit zu erhöhen, können verschiedene Strompfade zu unterschiedlichen Zeiten aktiviert werden. Diese Strategie kann jedoch keine großen Ströme bis unendlich garantieren, da die Stromstärke jedes Asts begrenzt sein kann.
8b zeigt eine Ausführungsform der konzentrierten Knoten für die Stromaufteilung gemäß Aspekten der Erfindung. In diesem Fall sind alle Äste, die zu den konzentrierten Knoten gehören, kurzgeschlossen, was zu einer verringerten Gittergröße führt. Der Nennstrom jedes Knotens ist jedoch verdoppelt. Mit dieser Strategie der Knotenkonzentration können Nennströme, theoretisch bis unendlich, gesteigert werden, was auf Kosten der Gittergröße geht.
9a zeigt eine Ausführungsform der Modulatoren des H-Brückenmoduls gemäß Aspekten der Erfindung. Die Modulationswelle m_i und die Trägerwelle, die eine symmetrische dreieckige Wellenform aufweist, werden verglichen, wodurch eine pulsbreitenmodulierte Wellenform g_i erzeugt wird.
9b zeigt an Beispiel der Gate-Signale des H-Brückenmoduls gemäß Aspekten der Erfindung. Das Modulationssignal g_i erzeugt die Gate-Signale gi_1-4 durch logische Verknüpfungen zur Ansteuerung der entsprechenden aktiven Schalter. Es ist zu beachten, dass sogenannte Totzonen typischerweise beim Umschalten zwischen oberen und unteren Schalterpaaren in der Praxis eingefügt werden.
10a zeigt den simulierten Lastwechselstrom und die simulierte Lastwechselspannung einer Ausführungsform des offenbarten Gitterwechselrichters als einen Umrichter basierend auf einem 2×2 quadratischen Gitter gemäß Aspekten der Erfindung. In diesem Fall umfasst jeder Ast nur ein H-Brückenmodul. Die Äste, die zu dem ersten und dem letzten Strompfad gemäß 8a gehören, sind moduliert, um eine DC-AC-Leistungsumwandlung durchzuführen. Die Gleichspannung jedes Moduls beträgt 200 V und die Schaltfrequenz ist 5 kHz. Offensichtlich sind die Lastströme und -spannungen stark sinusförmig.
10b zeigt die simulierten Modulströme und -spannungen einer Ausführungsform des offenbarten Gitterwechselrichters als einen Umrichter basierend auf einem 2×2 quadratischen Gitter gemäß Aspekten der Erfindung. Wie gezeigt, können sich die aktiven Module Lastströme und -spannungen abhängig von Modulation und Steuerung teilen.
11 zeigt eine Ausführungsform des offenbarten erfindungsgemäßen mehrstufigen Gitterwechselrichters 100, der bei Elektrofahrzeugen 850 verwendet wird, wobei die Gittergröße eine Veranschaulichung ist und geändert werden kann. Der mehrstufige Gitterwechselrichter 100 umfasst vier quadratische Gitterzellen. Die Äste 611 umfassen mindestens ein Modul 602. In diesem Fall ist das Traktionsbatteriemodul in mehrstufige Gitterwechselrichter 100 integriert, um mehrere Funktionen bereitzustellen (d.h. Motorantrieb 852, Batterieladung, Batteriemanagement und Hilfsleistungsversorgungen), wodurch auf die Kernthemen einer Kosten- und Größenverringerung wie auch Erhöhung von Zuverlässigkeit und Effizienz eingegangen wird. Diese Methode bricht das festverdrahtete Batterie-Pack auf und beseitigt zweckbestimmte Leistungswandler. Die Methode segmentiert ihn in Module mit dynamisch rekonfigurierbarer Verbindungen, einschließlich Serien-, Parallel- und Bypass-Verbindungen zwischen Modulen. Einzelne Energiespeicherelemente der Module in den Ästen 611 können mit den Knoten der Module 602 verbunden oder von diesen getrennt werden, so dass der mehrstufige Gitterwechselrichter an eine aktuelle Fahrsituation des Fahrzeugs und an die Anforderungen oder Bedürfnisse des Fahrers angepasst werden kann. Abhängig vom Schaltzustand der Schaltelemente des mehrstufigen Gitterwechselrichters können gewünschte Wege durch den Wechselrichter aktiviert werden, wie zum Beispiel in Verbindung mit 8a beschrieben ist.
12 zeigt eine andere erfindungsgemäße Ausführungsform des mehrstufigen Gitterwechselrichters 100, der bei Photovoltaik- (PV) Anlagen 860 verwendet wird, wobei die Gittergröße eine Veranschaulichung ist und geändert werden kann. Beispielsweise umfasst der mehrstufige Gitterwechselrichter 100 vier quadratische Gitterzellen. Die Äste 611 umfassen mindestens ein Modul 602. In diesem Fall sind PV-Module in den Gitterwechselrichtern integriert, um erneuerbare Integrations- und Netzverbindungen 862 bereitzustellen. Gitterwechselrichter 100 erlauben große Ströme, hohe Spannungen und Modularität unter Verwendung Standard-Halbbrücken- oder -H-Brückenmodule, wodurch Nennleistungen, Stromqualität, Systemeffizienz und Steuerungsflexibilität verbessert werden. Im Vergleich zu herkömmlichen mehrstufigen Wechselrichtern ermöglicht diese Methode Multi-Port-Ausgänge mit dynamisch rekonfigurierbarer Konnektivität, einschließlich Reihen-, Parallel- und Bypassverbindungen zwischen Modulen. Einzelne Energiespeicherelemente und PV-Module in den Ästen 611 können mit den Knoten des mehrstufigen Gitterwechselrichters verbunden und von diesen getrennt werden, sodass der Wechselrichter an tatsächliche Anforderungen des Energienetzwerks, an aktuelle Witterungsbedingungen und/oder an die Bedürfnisse der Verbraucher angepasst werden kann. Abhängig von dem Schaltzustand der Schaltelemente des mehrstufigen Gitterwechselrichters können gewünschte Wege durch den Wechselrichter aktiviert werden, wie zum Beispiel in Verbindung mit 8a beschrieben.
In Zusammenfassung weiterer Aspekte und bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden einige Beispiele angeführt, die die Erfindung nicht einschränken und allein oder in beliebiger Weise kombiniert werden können.
Elektrische Leistungswandler werden offenbart, die aus zweidimensionalen oder dreidimensionalen Gitterzellen bestehen, die wiederholt verbunden sind, um die zweidimensionale Ebene oder den dreidimensionalen Raum abzudecken. Insbesondere sind die mehrstufigen Gitterwechselrichter basierend auf drei zweidimensionalen Gitterzellen, einschließlich der dreieckigen Gitterzelle, der quadratischen Gitterzelle und der hexagonalen Gitterzelle, offenbart. Überdies sind die mehrstufigen Gitterwechselrichter basierend auf drei dreidimensionalen Gitterzellen, umfassend die pyramidenförmige Gitterzelle, die kubische Gitterzelle und die Tri-Prisma-Gitterzelle, offenbart. Die offenbarten Gitterzellen bestehen aus einer Mehrzahl von Ästen, von welchen jeder mindestens ein H-Brücken- und/oder Halbbrückenmodul umfasst, die entweder in Reihe oder parallel verbunden sind. Die offenbarten mehrstufigen Gitterwechselrichterweisen den Vorteil von Modularität und Skalierbarkeit auf. Da sich Gitterwechselrichter selbst in zwei oder drei Dimensionen erstrecken, bestehen sie aus einer Mehrzahl von in Reihe und parallel geschalteten Modulen und können dadurch sehr hohe Spannungen und große Ströme, theoretisch bis unendlich, übernehmen. Eine Implementierung des offenbarten mehrstufigen Gitterwechselrichters basierend auf der quadratischen Gitterzelle wird bereitgestellt, die zwölf H-Brückenmodule umfasst. Simulationsergebnisse zeigen, dass der offenbarte Gitterwechselrichter gut als Hochleistungs-DC-AC-Wechselrichter (oder Umrichter) arbeiten kann.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung umfasst mindestens vier zweidimensionale Gitterzellen 601, 602, 603 oder dreidimensionale Gitterzellen 701, 702, 703, die wiederholt verbunden sind, um die zweidimensionale Ebene beziehungsweise den dreidimensionalen Raum kachelartig abzudecken.
Die zweidimensionalen Gitterzellen 601, 602, 603 können dreieckige Gitterzellen 601 mit mindestens drei Ästen 611 umfassen, die über mindestens drei Knoten 612 verbunden sind; sie können quadratische Gitterzellen 602 mit mindestens vier Ästen 611 umfassen, die über mindestens vier Knoten 612 verbunden sind; sie können hexagonale Gitterzellen 603 mit mindestens sechs Ästen 611 umfassen, die über mindestens sechs Knoten 612 verbunden sind.
Die dreidimensionalen Gitterzellen 701, 702, 703 können pyramidenförmige Gitterzellen 701 mit mindestens acht Ästen 611 umfassen, die über mindestens fünf Knoten 612 verbunden sind; sie können kubische Gitterzellen 702 mit mindestens zwölf Ästen 611 umfassen, die über mindestens acht Knoten 612 verbunden sind; sie können Tri-Prisma-Gitterzellen 703 mit mindestens neun Ästen 611 umfassen, die über mindestens sechs Knoten 612 verbunden sind.
In einer Ausführungsform umfasst jeder Ast 611 mindestens eine kaskadierte Wechselrichterschaltung 111, die jeweils mindestens ein in Reihe geschaltetes Wechselrichtermodul 101 und mindestens zwei Anschlüsse 112, 113, die mit mindestens zwei Knoten 612 gebunden sind, umfasst.
In einer anderen Ausführungsform umfasst jeder Ast 611 mindestens eine mehrfach parallel verbundene Wechselrichterschaltung 114, die jeweils mindestens ein parallel geschaltetes Wechselrichtermodul 101 und mindestens zwei Anschlüsse 115, 116, die mit mindestens zwei Knoten 612 verbunden sind, umfasst.
In einer alternativen Ausführungsform umfassen Äste 611 mindestens eine kaskadierte Wechselrichterschaltung 111 und mindestens eine parallel verbundene Wechselrichterschaltung 114.
Einige oder alle der Schaltelemente 401, 402, 403, 404, 411, 412, 421, 422, 431, 432 können Halbleiterschalter sein. Diese Halbleiterschalter können beispielsweise Dioden oder Transistoren, wie Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT) oder Feldeffekttransistoren (FET) sein.
In einer anderen Ausführungsform umfassen die mindestens zwei Modul-Energiespeicherelemente des symmetrischen Halbbrückenmoduls mindestens ein erstes Energiespeicherelement 433, 435 und ein zweites Energiespeicherelement 434, 436, wobei die Nennspannung des ersten Energiespeicherelements kleiner als drei Viertel der Nennspannung des zweiten Energiespeicherelements ist.
Die Module einer bevorzugten Ausführungsform umfassen H-Brücken, die jeweils mindestens vier Schaltelemente 401, 402, 403, 404, mindestens ein Energiespeicherelement 405, 406 und mindestens zwei Modulanschlüsse 407, 408 umfassen, wobei mindestens zwei der Schaltelemente 401, 402 in Reihe geschaltet sind, um mindestens eine erste Halbbrücke zu bilden, und mindestens zwei der Schaltelemente 403, 404 in Reihe geschaltet sind, um mindestens eine zweite Halbbrücke zu bilden, wobei der elektrische Verbindungspunkt der Schalter in mindestens einer ersten Halbbrücke elektrisch mit mindestens einem ersten Modulanschluss 407 verbunden ist und der elektrische Verbindungspunkt der Schalter in mindestens einer zweiten Halbbrücke elektrisch mit mindestens einem zweiten Modulanschluss 408 verbunden ist, wobei mindestens eine erste Halbbrücke, mindestens eine zweite Halbbrücke und mindestens ein Energiespeicherelement 405, 406 elektrisch parallel verbunden sind, wodurch mindestens eine positive Schiene 409 und mindestens eine negative Schiene 410 gebildet werden, und wobei mindestens vier Schaltelemente 401, 402, 403, 404 so geschaltet werden können, dass sie jeden von mindestens zwei Modulanschlüssen 407, 408 einzeln und temporär mit mindestens einer positiven Schiene 409 oder mit mindestens einer negativen Schiene 410 elektrisch verbinden.
Module können weiter positive, negative oder symmetrische Halbbrücken umfassen, die jeweils mindestens zwei Schaltelemente 411, 412, mindestens ein Energiespeicherelement 413, 414 und mindestens zwei Modulanschlüsse 415, 416 umfassen, wobei mindestens zwei der Schaltelemente 411, 412 in Reihe verbunden sind, um mindestens eine erste Halbbrücke zu bilden, wobei der elektrische Verbindungspunkt der Schalter in mindestens einer ersten Halbbrücke elektrisch mit mindestens einem ersten Modulanschluss 415 verbunden ist und mindestens eine negative Schiene elektrisch mit mindestens einem zweiten Modulanschluss 416 verbunden ist, wobei mindestens eine erste Halbbrücke und mindestens ein Energiespeicherelement 413, 414 elektrisch parallel verbunden sind, um mindestens eine positive Schiene 417 und mindestens eine negative Schiene 416 zu bilden, und wobei mindestens zwei Schaltelemente 411, 412 so geschaltet werden können, dass sie mindestens einen Modulanschluss 415 temporär mit mindestens einer positiven Schiene 417 oder mit mindestens einer negativen Schiene 416 elektrisch verbinden.
Die erfinderischen mehrstufigen Gitterwechselrichter, wie insbesondere in den 6a, 6b, 6c, 7a, 7b und 7c offenbart, umfassen zweidimensionale oder dreidimensionale Gitterschaltungszellen, die wiederholt verbunden sind, um die zweidimensionale Ebene oder den dreidimensionalen Raum abzudecken. Die offenbarten mehrstufigen Gitterwechselrichter bestehen aus einer Mehrzahl von Ästen und Modulen, die programmiert werden können, um in Reihe und/oder parallel verbunden zu sein, wodurch sie imstande sind, sehr hohe Spannungen und große Ströme, theoretisch bis unendlich, zu übernehmen. Die offenbarten mehrstufigen Gitterwechselrichter haben den Vorteil von Modularität und Skalierbarkeit. Diese Erfindung offenbart insbesondere den mehrstufigen Gitterwechselrichter basierend auf der quadratischen Zelle (siehe 6b) und bestätigt dessen Vorteile.
Daher offenbart und beschreibt die vorangehende Ausführung nur beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Wie für Fachleute klar ist, kann die vorliegende Offenbarung in anderen besonderen Formen ausgeführt werden, ohne von ihrem Wesen oder ihren wesentlichen Eigenschaften abzuweichen. Daher soll die Beschreibung nur veranschaulichend sein, ohne den Umfang der Offenbarung wie auch anderer Ansprüche zu begrenzen. Die Offenbarung, einschließlich sämtlicher leicht erkennbarer Varianten der vorliegenden Lehren, definiert, auch zum Teil, den Schutzbereich der vorangehenden Ansprüche, ohne dass ein weiterer erfinderischer Gegenstand der Öffentlichkeit zu Teil wird.
In den Ansprüchen schließt das Wort „umfassend“ andere Elemente oder Schritte nicht aus und der unbestimmte Artikel „einer, eine, ein“ schließt eine Mehrzahl nicht aus. Ein einzelnes Element oder eine andere Einheit kann die Funktionen mehrerer in den Ansprüchen genannter Elemente erfüllen. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in voneinander abhängigen Ansprüchen genannt werden, bedeutet nicht, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht vorteilhaft sein kann.
Soweit Ausführungsformen der Offenbarung als zumindest teilweise durch softwaregesteuerte Datenverarbeitungsgeräte implementiert beschrieben worden sind, ist klar, dass ein nicht-transitorisches maschinenlesbares Medium, das eine solche Software trägt, wie eine optische Platte, eine Magnetplatte, ein Halbleiterspeicher oder dergleichen, ebenfalls als Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung angesehen wird. Darüber hinaus kann solche Software auch in anderen Formen verbreitet werden, wie über das Internet oder andere drahtgebundene oder drahtlose Telekommunikationssysteme. Ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann insbesondere durchgeführt werden, um den Betrieb eines softwaredefinierten Funks zu steuern.
Die Elemente der offenbarten Vorrichtungen, der Schaltung und des Systems können durch entsprechende Hardware- und/oder Softwareelemente, z. B. geeignete Schaltungen, implementiert werden. Eine Schaltung ist eine strukturelle Anordnung elektronischer Komponenten einschließlich herkömmlicher Schaltungselemente, integrierter Schaltungen, umfassend anwendungsspezifische integrierte Schaltungen, standardmäßige integrierte Schaltungen, anwendungsspezifische Standardprodukte und feldprogrammierbare Gate-Arrays.
Eine Schaltung umfasst weiter Zentraleinheiten, Grafikprozessoren und Mikroprozessoren, die nach einem Softwarecode programmiert oder konfiguriert werden. Eine Schaltung umfasst keine reine Software, obwohl eine Schaltung die oben beschriebene Hardware enthält, die Software ausführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims

Mehrstufiger Gitterwechselrichter, umfassend mindestens drei Gitterzellen (500), wobei die Gitterzelle (500) mindestens 3 Knoten (612) und mindestens 3 Äste (611) umfasst, wobei jeder Ast (611) zwei der Knoten (612) miteinander verbindet; wobei mindestens ein Ast (611) eine Wechselrichterschaltung (200) mit mindestens einem Modul (101) umfasst; das Modul (101) ein Energiespeicherelement (300), ein Schaltelement (400) und zwei Modulanschlüsse (800) aufweist; wobei das Schaltelement (400) dazu eingerichtet ist, das Energiespeicherelement (300) derart zu verbinden, dass das Modul (101) wie eine H-Brückenschaltung und/oder eine Halbbrückenschaltung zwischen den zwei Modulanschlüssen (800) wirkt; einer der Knoten (612) ein Wechselrichteranschluss ist; und wobei der mehrstufige Gitterwechselrichter (100) mindestens zwei Wechselrichteranschlüsse umfasst; und mindestens zwei der drei Gitterzellen (500) derart aneinander grenzen, dass sich die zwei Gitterzellen (500) mindestens einen Ast (611) und mindestens zwei Knoten (612) teilen.
Mehrstufiger Gitterwechselrichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Gitterzelle (500) eine zweidimensionale Gitterzelle (600) ist; und wobei der mehrstufige Gitterwechselrichter (100) vorzugsweise mindestens vier zweidimensionale Gitterzellen (600) umfasst, die wiederholt verbunden sind, um eine zweidimensionale Ebene zu erzeugen.
Mehrstufiger Gitterwechselrichter nach Anspruch 2, wobei die zweidimensionale Gitterzelle (600) eine dreieckige Gitterzelle, eine quadratische Gitterzelle oder eine hexagonale Gitterzelle ist.
Mehrstufiger Gitterwechselrichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine der drei Gitterzellen (500) sich mindestens einen Ast (611) und zwei Knoten (612) mit jeder der zwei anderen angrenzenden Gitterzellen (500) teilt.
Mehrstufiger Gitterwechselrichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in den Gitterzellen (500) die Äste (611) derart ausgebildet und eingerichtet sind, dass die Äste (611) einander nicht überlappen.
Mehrstufiger Gitterwechselrichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Gitterzelle (500) eine dreidimensionale Gitterzelle (700) ist; und wobei der mehrstufige Gitterwechselrichter (100) vorzugsweise mindestens vier dreidimensionale Gitterzellen (700) umfasst, die wiederholt verbunden sind, um einen dreidimensionalen Raum zu erzeugen.
Mehrstufiger Gitterwechselrichter nach Anspruch 6, wobei die dreidimensionale Gitterzelle (700) eine pyramidenförmigen Gitterzelle, bevorzugt mit einer quadratischen Basis, eine kubischen Gitterzelle oder eine Prisma-Gitterzelle, bevorzugt eine Tri-Prisma-Gitterzelle, ist.
Mehrstufiger Gitterwechselrichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens einer der Äste (611) mindestens eine Wechselrichterschaltung (200) umfasst, die eine kaskadierte Wechselrichterschaltung (111) ist, wobei die kaskadierte Wechselrichterschaltung (111) mindestens zwei Wechselrichtermodule (101), die in Reihe verbunden sind, und mindestens zwei Anschlüsse (800), die mit mindestens zwei Knoten (612) verbunden sind, umfasst.
Mehrstufiger Gitterwechselrichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens einer der Äste (611) mindestens eine Wechselrichterschaltung (200) umfasst , die eine mehrfach parallele Wechselrichterschaltung (114) ist, wobei die mehrfach parallele Wechselrichterschaltung (114) mindestens zwei Wechselrichtermodule (101), die parallel verbunden sind, und mindestens zwei Anschlüsse (800), die mit mindestens zwei Knoten (612) verbunden sind, umfasst.
Mehrstufiger Gitterwechselrichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens eines der Schaltelemente (400) ein Halbleiterschalter ist, wobei der Halbleiterschalter eine Diode oder ein Transistor sein kann, bevorzugt ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) oder ein Feldeffekttransistor (FET).
Mehrstufiger Gitterwechselrichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Energiespeicherelement (300) des Moduls (101) ein Kondensator oder eine Batterie oder eine Kombination aus Kondensator und Batterie ist.
Mehrstufiger Gitterwechselrichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der mehrstufige Gitterwechselrichter eine Einzelphasen-Topologie oder eine Mehrfachphasen-Topologie, bevorzugt eine Dreiphasen-Topologie, aufweist und/oder eine Einzel-Port-Ausführungsform, eine Mehrfach-Port-Ausführungsform, bevorzugt eine Zwei-Port-Ausführungsform ist.
Mehrstufiger Gitterwechselrichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens eines der Module ein Halbbrückenmodul, bevorzugt ein symmetrisches Halbbrückenmodul, ist, mit mindestens einem ersten Energiespeicherelement (433, 435) und einem zweiten Energiespeicherelement (434, 436), wobei die Nennspannung des ersten Energiespeicherelements kleiner als drei Viertel der Nennspannung des zweiten Energiespeicherelements ist.
Mehrstufiger Gitterwechselrichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Modul mindestens zwei Schaltelemente (400), mindestens ein Energiespeicherelement (300) und zwei Modulanschlüsse (800) umfasst, wobei zwei der Schaltelemente (400) in Reihe verbunden sind, um eine Halbbrücke, bevorzugt eine positive Halbbrücke, eine negative Halbbrücke oder eine symmetrischen Halbbrücke, zu bilden, wobei der elektrische Verbindungspunkt der Schaltelemente (400) in der Halbbrücke elektrisch mit dem ersten Modulanschluss (800) verbunden ist und eine negative Schiene des Moduls elektrisch mit dem zweiten Modulanschluss (800) verbunden ist, wobei die Halbbrücke und eines der Energiespeicherelemente (400) elektrisch parallel verbunden sind, um eine positive Schiene (417) und eine negative Schiene (416) zu bilden, und wobei die zwei Schaltelemente (400) so geschaltet werden können, um mindestens einen Modulanschluss (800) temporär mit der positiven Schiene (417) oder mit der negativen Schiene (416) zu verbinden.
Mehrstufiger Gitterwechselrichter nach Anspruch 14, wobei das Modul vier Schaltelemente (400) umfasst, die eine H-Brücke bilden, die zwei Halbbrücken umfasst; wobei zwei der Schaltelemente (400) in Reihe verbunden sind, um die erste Halbbrücke zu bilden, und die zweiten zwei der Schaltelemente (400) in Reihe verbunden sind, um die zweite Halbbrücke zu bilden, wobei der elektrische Verbindungspunkt der Schaltelemente (400) in der ersten Halbbrücke elektrisch mit dem ersten Modulanschluss (800) verbunden ist, und der elektrische Verbindungspunkt der Schalter in der zweiten Halbbrücke elektrisch mit dem zweiten Modulanschluss (408) verbunden ist, wobei die Halbbrücken und mindestens ein Energiespeicherelement (300) elektrisch parallel verbunden sind, um die positive Schiene (409) und die negative Schiene (410) zu bilden, und wobei mindestens vier Schaltelemente (401, 402, 403, 404) so geschaltet werden können, dass jeder der Modulanschlüsse (407, 408) einzeln und temporär mit der positiven Schiene (409) oder mit der negativen Schiene (410) elektrisch verbunden ist.
Mehrstufiger Gitterwechselrichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schaltelemente (400) und die Energiespeicherelemente (300) elektronische Komponenten sind, bevorzugt alle Schaltelemente (400) Halbleiterschalter sind und alle Energiespeicherelemente (300) Kondensatoren sind, sodass der mehrstufige Gitterwechselrichter in einen elektronischen Chip integriert werden kann.
Elektronischer Chip, umfassend einen mehrstufigen Gitterwechselrichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schaltelemente (400) und die Energiespeicherelemente (300) elektronische Komponenten sind, bevorzugt alle Schaltelemente (400) Halbleiterschalter sind und alle Energiespeicherelemente (300) Kondensatoren sind.
Verfahren zum Steuern eines mehrstufigen Gitterwechselrichters, bevorzugt eines mehrstufigen Gitterwechselrichters nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der mehrstufige Gitterwechselrichter mindestens drei Gitterzellen (500) umfasst, die jeweils mindestens 3 Knoten (612) und mindestens 3 Äste (611) umfassen, wobei jeder Ast (611) zwei der Knoten (612) miteinander verbindet und einer der Knoten ein Wechselrichteranschluss ist, wobei der mindestens eine Ast (611) eine Wechselrichterschaltung (200) umfasst, die ein Modul (101) aufweist, das ein Energiespeicherelement (300), ein Schaltelement (400) und zwei Modulanschlüsse (800) aufweist, wobei der mehrstufige Gitterwechselrichter (100) zwei Wechselrichteranschlüsse aufweist und wobei zwei Gitterzellen (500) sich mindestens einen Ast (611) und zwei Knoten (612) teilen, umfassend den folgenden Schritt: Schalten des Schaltelements (400) des Moduls derart, dass das Energiespeicherelement (300) auf vorbestimmte Weise in der Gitterzelle (500) so verbunden ist, dass eine vorbestimmte elektrische Umwandlung zwischen den zwei Wechselrichteranschlüssen des mehrstufigen Gitterwechselrichters (100) stattfindet.
Verfahren zum Steuern eines mehrstufigen Gitterwechselrichters nach dem vorhergehenden Anspruch, umfassend den weiteren Schritt: Bereitstellen eines mehrstufigen Gitterwechselrichters, wobei eine der Gitterzellen (500) mindestens einen Ast (611) und zwei Knoten (612) mit jeder der beiden anderen benachbarten Gitterzellen (500) teilt.