EP4010983A1 - Verfahren zur erfassung von schaltzuständen eines leistungsschaltermoduls in einem umrichter - Google Patents

Verfahren zur erfassung von schaltzuständen eines leistungsschaltermoduls in einem umrichter

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Publication number
EP4010983A1
EP4010983A1 EP20751553.7A EP20751553A EP4010983A1 EP 4010983 A1 EP4010983 A1 EP 4010983A1 EP 20751553 A EP20751553 A EP 20751553A EP 4010983 A1 EP4010983 A1 EP 4010983A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
circuit breaker
module
breaker module
converter
switching state
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20751553.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Eric Hartmann
Hans-Georg Nowak
Karsten Wenzel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KK Wind Solutions AS
Original Assignee
Convertertec Deutschland GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Convertertec Deutschland GmbH filed Critical Convertertec Deutschland GmbH
Publication of EP4010983A1 publication Critical patent/EP4010983A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/18—Modifications for indicating state of switch
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/26—Testing of individual semiconductor devices
    • G01R31/27—Testing of devices without physical removal from the circuit of which they form part, e.g. compensating for effects surrounding elements

Definitions

  • the invention relates to a method for detecting a switching state of at least one circuit breaker module in a converter, the converter having at least one controller for controlling the at least one circuit breaker module.
  • the invention relates to a converter with at least one circuit breaker module and a control for the at least one circuit breaker module and a device for generating or converting electrical energy, preferably in the fields of wind, solar, biomass, energy storage and sector coupling with at least one converter.
  • Converters are used, for example, to convert a first alternating voltage into a second alternating voltage.
  • a converter is also understood to mean an inverter which is used only to convert a direct voltage into an alternating voltage.
  • the field of application of converters ranges from motor drives to devices for generating or converting electrical energy, especially in the areas of wind, solar, biomass, energy storage and sector coupling. In some cases, large electrical powers are fed into an electrical network via the converters, for example via wind turbines.
  • converters are required which have electrical outputs of up to several MW, e.g. B. lead up to 100 MW in a single device.
  • the converters are usually three-phase for this purpose and, in devices for generating or converting electrical energy in the fields of wind, solar, biomass, energy storage and sector coupling, usually have an intermediate circuit that serves as an energy buffer.
  • One from the generator of a generating device, for example a wind power plant the three-phase alternating voltage generated is, for example, converted into a direct voltage and then again into a three-phase alternating voltage which is, for example, adapted in phase and amplitude to the mains voltage.
  • the converters use extremely fast power switches, predominantly insulated gate bipolar transistor (1GBT) power switches, which are usually controlled via a pulse width modulation control (PWM).
  • PWM pulse width modulation control
  • the PWM activation is in turn controlled by a controller of the converter.
  • a circuit breaker module is understood to mean at least one IGBT circuit breaker with at least one optional free-wheeling diode connected in anti-parallel.
  • Converters for example, often have two power switch modules per phase in a top-bottom arrangement as a phase module, so that a total of power switch modules are provided for a three-phase converter. At higher powers, however, additional phase modules can be provided per phase, which are connected in parallel.
  • the IGBT power switches are therefore protected by primary measures, for example electrical fuses or other secondary measures, for example converter-guided protection devices, which in the event of a fault, for example in the event of a short circuit, protect the IGBT power switch or the Disconnect converters from the mains, for example, and thus protect them from damage.
  • the special fuses provided for this have a response time in the range of milliseconds.
  • So-called gate driver circuits are used to control IGBT power switches, which switch the IGBT power switch to the conductive or non-conductive switching state by controlling the gate current by applying a gate voltage.
  • a so-called intelligent gate driver circuit is known from the international patent application WO 2014/154221 A2.
  • the driver circuit disclosed in this document is able to measure the voltage drop across the IGBT circuit breaker, i.e. the collector-emitter voltage, and to draw conclusions from this on technical parameters of the 1GBT circuit breaker, for example on the electrical and thermal load on the circuit breaker .
  • a detection of the switching state of a 1GBT circuit breaker, that is, whether the desired switching state is reached or not, is not disclosed. Rather, the aforementioned international patent application aims to draw conclusions about the service life and technical parameters of the circuit breakers. A solution that increases the protection of the IGBT circuit breakers against fault conditions is therefore not provided.
  • US patent application US 2011/0298527 A1 also discloses measuring the collector-emitter voltage of the IGBT power switch in order to determine the switching state of the power switch therefrom.
  • the present invention is based on the object of providing a method for detecting the switching state of at least one circuit breaker module with which a particularly faster and more reliable protection of the at least one circuit breaker module or the converter can be provided in the event of malfunctions.
  • the invention has the task of specifying a converter with an improved protection concept and a device for generating or converting electrical energy with an improved converter.
  • the above object is achieved for a method for detecting a switching state of at least one circuit breaker module in a converter in that at least one circuit breaker module is switched to the non-conductive switching state, in which the switching state of the at least one IGBT circuit breaker of the at least one circuit breaker module is in the non-conductive state is brought and the switching state of the circuit breaker module is evaluated in the non-conductive state, a switching state signal is generated depending on the detection of a fault current in the non-conductive switching state of the circuit breaker module, which is used to control the converter.
  • the power module is blocked in the reverse direction of the free-wheeling diode in the non-conductive switching state, ie the 1GBT circuit breaker blocks in both current directions, the optional free-wheeling diode only blocks in its reverse current direction. Nevertheless, a current can flow in the freewheeling direction via the diode.
  • This state of the circuit breaker module is called the non-conductive switching state.
  • the “non-conductive”, blocked switching state of the IGBT circuit breaker is not reached and at the same time faulty blocking properties of the freewheeling diode or the corresponding freewheeling property of the IGBT circuit breaker is detected.
  • the switching status signal derived therefrom can be effectively used by the control of the converter in the event of a fault to avoid further switching operations.
  • the converter and all others Components are thus protected particularly quickly and effectively against damage due to faults in the circuit breaker modules.
  • the detection of the switching state according to the invention can preferably be carried out on only one or on a plurality of circuit breaker modules of a converter.
  • the power switch (s) of a brake chopper in the converter which is used to limit overvoltages in the intermediate circuit, can also be detected with the method according to the invention.
  • the method according to the invention is independent of the topology and the power of the converter and of the voltage range in which the converter is to be used. However, converters with high switching capacities of at least 200 kW are preferred.
  • the switching status signal can be forwarded for use, for example, to the control of the converter and enable the control of the converter to protect the at least one IGBT circuit breaker by disconnecting it in the event of an unexpected switching status signal, for example if the switching status signal indicates a faulty switching status switch off the converter completely. Due to the very fast controls nowadays, this can be done within a few microseconds, so that an effective protection of the circuit breaker modules is achieved.
  • the method for detecting the switching state of at least one circuit breaker module is particularly preferably carried out in a converter, which is used in the power path of a device for generating or converting electrical energy, preferably in the fields of wind, solar, biomass, energy storage and sector coupling, for example a wind turbine .
  • a converter which is used in the power path of a device for generating or converting electrical energy, preferably in the fields of wind, solar, biomass, energy storage and sector coupling, for example a wind turbine .
  • These circuit breaker modules have to switch particularly high currents and can cause major damage in the converter if the switching states are faulty.
  • the switching capacities are, for example, at least 200 kW.
  • the next switching operation of at least one further circuit breaker module of the converter or the entire converter is enabled or disabled.
  • the next switching operation of the converter or a further circuit breaker module can be prevented, so that damage in the converter can be avoided particularly effectively by the method according to the invention for detecting the switching state in the event of a fault.
  • a voltage or current source is preferably connected to the main current path via a decoupling module, via which a voltage is applied in the reverse direction of the circuit breaker module in the non-conductive state in order to cause a fault current in the event of a fault.
  • the decoupling module for example a correspondingly switched diode, has the result that the voltage or current source is protected from the high voltages and current flows in the main current path of the circuit breaker module and can be made available correspondingly inexpensively.
  • this structure can ensure that the fault current to be detected is always caused under the same conditions, so that power modules of the same construction can be easily compared, for example.
  • the main current path of the power module denotes the current path between the collector and emitter of the IGBT circuit breaker and, if applicable, the parallel current path between anode and cathode of the optional freewheeling diode.
  • at least one capacitor is connected in parallel via the decoupling module to the main current path of the at least one circuit breaker module, the charging of the capacitor to a voltage value below a predetermined voltage level indicating the presence of a fault current.
  • the non-conductive switching state cannot be achieved due to a fault in the IGBT power switch itself or due to an inadequate blocking effect of the optional, at least one free-wheeling diode, a fault current flows which reduces the voltage on the capacitor or does not allow it to pass higher voltage is charged.
  • the capacitor voltage thus allows a possibly low fault current to be detected in a simple manner without having to measure it directly. This results in a high signal-to-noise ratio for differentiating the fault current case from the proper operation of the circuit breaker module.
  • the at least one capacitor is preferably charged into the non-conductive state using a voltage or current source after the state change of the circuit breaker module, so that in the non-conductive switching state of the circuit breaker module, reaching the desired "non-conductive" switching state can be detected directly and quickly can.
  • means are provided for short-circuiting or at least partially discharging the at least one capacitor, so that the at least one capacitor is at least partially discharged before charging in the non-conductive switching state.
  • the capacitor is discharged in the “non-conductive” switching state of the power module immediately before the capacitor is charged, so that the switching state of the power module is always recorded under the same conditions.
  • the fault current caused by the voltage or current source is measured, for example using a shunt resistor.
  • This alternative embodiment is particularly simple and allows the fault current to be recorded quantitatively. However, the effort required to achieve a good signal-to-noise ratio is greater.
  • the values of the switching state signal are preferably generated depending on the level of the measured values of the fault current in the non-conductive state of the at least one circuit breaker module, so that the switching state signal allows a quantitative analysis.
  • the switching status signal can then be used for further evaluations, for example.
  • the gate-emitter voltage of at least one IGBT power switch of at least one power switch module is additionally measured and the measured value is used to generate a gate state signal of the at least one power switch module.
  • the circuit breaker module is additionally protected with regard to a faulty gate control voltage. By detecting the gate voltage, it can be detected, for example by comparison with the associated control signal of the gate driver circuit, whether the gate voltage corresponds to the desired switching state.
  • the method according to the invention can be further improved in that, depending on the switching status signal of the at least one circuit breaker module in the non-conductive switching state, the next switching operation of at least one further circuit breaker module or the entire converter is enabled or disabled, preferably using the converter controller. Damage to the converter or other circuit breaker modules can thus be prevented in advance.
  • the converter control is particularly powerful and can send the necessary shutdown or blocking signals to various circuit breaker modules centrally, yet extremely quickly.
  • decentralized shutdown or blocking signals at the level of the control or driver of the individual circuit breaker modules to be carried out, which can contribute to an increase in switching speed and greater robustness of the protection.
  • the converter has at least one phase module with at least one first and one second power switch module, for which each power switch module generates gate state and switching state signals
  • a first error signal for the first power module is generated from the switching status signal and the gate status signal of the second power switch module and the gate status signal of the first power switch module
  • a second error signal for the second power switch module is generated from the switching status signal and the gate status signal of the first power switch module and the gate status signal of the second power switch module is produced.
  • the above-mentioned object is also achieved for a converter with at least one circuit breaker module and a controller for controlling the at least one circuit breaker module for performing a detection of the switching state of the at least one circuit breaker module in that means for generating a fault current in the circuit breaker module in the form of a voltage or Power source and means for generating a switching status signal are provided, the means for generating the switching status signal being able to generate a switching status signal depending on the detection of a fault current in the non-conductive switching status of the at least one circuit breaker module and the control of the converter is designed to generate the switching status signal for controlling the Inverter to be used.
  • the converters according to the invention can be particularly safe for damage in the event of faulty switching states of circuit breaker modules avoid and react very quickly to faulty switching states.
  • the means for generating a fault current in the at least one circuit breaker module have a voltage or current source. Voltage or current sources can easily enable a direct measurement of the blocking properties of a power switch module, whereby not only the IGBT power switch, but also an optionally provided free-wheeling diode is included in the test.
  • the means for generating a fault current in the circuit breaker module have at least one capacitor connected in parallel to the main current path of the circuit breaker module via a decoupling module and means for measuring the capacitor voltage.
  • the measurement of the capacitor voltage can provide a switching state signal that is safe and easy to detect and that can reliably indicate that the non-conductive switching state has been reached.
  • the capacitor voltage provides a good signal-to-noise ratio for the detection of a fault current in the main current path and can thus provide a very reliable determination of the reaching of the "non-conductive" switching state of the circuit breaker module with simple means.
  • the means for generating a fault current in the circuit breaker module have means for current measurement, preferably using a shunt resistor.
  • this embodiment basically has a poorer signal-to-noise ratio than the alternative embodiment with a capacitor connected in parallel in the main current path of the power module, but it allows a quantitative assessment of a fault current and is particularly simple.
  • additional means for measuring the gate-emitter voltage of at least one IGBT power switch of the at least one Power switch module and means for generating a gate state signal depending on the measured gate-emitter voltage of the at least one power switch module are provided, in addition to the switching state in the non-conductive switching state, the control of the IGBT power switch can also be detected.
  • the means for generating a switching state signal of the at least one circuit breaker module are designed to evaluate a gate control signal of the at least one IGBT circuit breaker for generating the switching state signal. What is achieved thereby is that a switching state detection synchronous with the control of the IGBT circuit breaker can take place in the non-conductive switching state of the circuit breaker module in a particularly simple manner.
  • the converter has at least one phase module with at least one first and one second circuit breaker module in a top-bottom arrangement.
  • a top-bottom arrangement of the circuit breaker modules is understood to mean a switching arrangement of two circuit breaker modules in which the alternating current phase generated is dissipated between the circuit breaker modules connected in series. The respective other collectors and emitters of the circuit breaker modules are connected to the respective opposite intermediate circuit potential.
  • a device for generating electrical energy preferably in the fields of wind, solar, biomass, energy storage and sector coupling, particularly preferably by a wind turbine with a converter according to the invention, which preferably uses a method according to the invention for detecting the switching states of the circuit breaker modules use.
  • the rapid detection of faulty switching states means that damage to the converter and thus also to the entire device for generating or converting electrical energy due to the failure of an IGBT power switch, for example, can be minimized and virtually prevented.
  • the converter of a device for generating or converting electrical energy preferably in the areas of wind, solar, biomass, energy storage and sector coupling, can be switched off before the next switching process. This high level of safety is particularly important in converters that are intended for high power outputs, since the costs of replacing high-performance components are high here.
  • the devices according to the invention having a converter according to the invention are therefore preferably used for generating and converting electrical energy in a wind energy installation, for example for feeding electrical energy into an electrical network.
  • Other applications in addition to photovoltaic systems are the connection of electrical storage in the form of batteries or accumulators to an electrical network to provide storage for electrical energy, the feeding of electrical energy into a network that was generated by biomass.
  • the corresponding devices can also have converters according to the invention in the case of energy conversion for sector coupling, for example “power-to-gas” or “power-to-heat”.
  • Fig. 1 is a block diagram of a phase module of a
  • FIG. 2 shows a block diagram of an exemplary embodiment for detecting a fault current with a capacitor connected in parallel
  • 3 shows a block diagram of a further exemplary embodiment for detecting a fault current via a direct current measurement
  • FIG. 1 shows a phase module 1 of a converter according to the invention with a two-point topology, which has two circuit breaker modules 2, 3 in a top-bottom arrangement.
  • the circuit breaker modules 2, 3 are controlled via a driver circuit 4, which includes means 5, 6 for generating a switching state signal 5a, 6a for the respective circuit breaker module 2, 3.
  • means for generating a fault current are provided in the circuit breaker module, which are not shown in detail in FIG. 1.
  • the means 5, 6 for generating the switching status signal generate, depending on the detection of a fault current in the non-conductive switching status of the at least one circuit breaker module 2, 3, a switching status signal which is used by the controller 17 of the converter.
  • an error signal 7a, 8a is generated for each circuit breaker module 2, 3 from the switching status signal 5a, 6a.
  • the means for generating a fault current are integrated in the means for generating a switching status signal 5, 6.
  • the means 5, 6 for generating the switching state signal are in turn part of the driver circuit 4, which also has the gate driver circuit 13, 14. It is conceivable that the means for generating the switching state signal 5, 6 of the respective Circuit breaker module 2, 3 and the means of generating a fault current can be implemented as external circuits. In the present exemplary embodiment, the means for generating the switching state signal 5, 6 generate the switching state signal 5a, 6a depending on the detection of a fault current of the respective circuit breaker module 2, 3 in the non-conductive switching state of the respective circuit breaker module 2, 3.
  • means 5c, 6c for measuring the gate-emitter voltage of at least one power switch module 2, 3 are provided, which generate a gate state signal 5d, 6d depending on the measured gate-emitter voltage of the at least one power switch module.
  • the gate driver circuits 13, 14, like the means for generating the switching state signal, are supplied with the control signal for switching the IGBT circuit breaker of the circuit breaker module 2, 3 on and off so that the switching states can be easily determined when the switching state is switched off.
  • the switching signal 5b preferably comes directly from a PWM control which is integrated in the controller 17 of the converter.
  • the switching state signal 5a, 6a generated by the means for generating the switching state signal 5, 6 is first galvanically isolated from the means for generating the switching state signal 5, 6 in the present exemplary embodiment.
  • means for galvanic separation 9, 9a, 9b, 10, 11, 11a, 11b and 12 are provided.
  • the galvanically isolated switching status signal 5a, 6a is compared in an "And" gate with the gate status signal 5d, 6d of the respective opposing power switch module 2, 3 and a further signal, the further signal only being applied if the gate status signals of both power switch modules 2, 3 are different.
  • the circuit breaker module 2 is in the non-conductive switching state and the circuit breaker module 3 is, for example, in the conductive switching state.
  • the AND gates 7, 8 do not deliver an error signal. As soon as the non-conductive switching state is not in a circuit breaker module 2, 3 is properly achieved and an error current can be detected, an error signal is passed on to the controller 17 via the And gates 7 and 8.
  • the controller 17 preferably immediately stops the operation of the converter when an error signal 7a, 8a is present. This can prevent damage from continuing to operate the converter with defective circuit breakers.
  • one IGBT circuit breaker 2, 3 always changes to the non-conductive switching state with opposing IGBT circuit breakers 2, 3, a high level of security against malfunctions can be achieved by the inventive detection of this switching state in each switching cycle. Since, according to the invention, the detection of a fault current also detects errors in the blocking effect of the freewheeling diodes, the security against malfunction of the entire circuit breaker module is improved.
  • phase module 1 shows only a phase module which connects the DC voltage intermediate circuit with the voltages + UZK and -UZK with a phase of an alternating voltage to be generated. It is therefore easy to imagine that at least three of these phase modules 1 can be used for typical three-phase converters.
  • FIG. 2 shows a block diagram of a first exemplary embodiment of the means for generating a fault current in the at least one circuit breaker module, which means have a voltage or current source 21, 24.
  • the voltage or current source 21, 24 is decoupled from the main current path of the circuit breaker module 2, 3 via a decoupling module 21 a, 24 a in the form of a diode.
  • the means for generating a fault current in the circuit breaker module have at least one capacitor 22, 25 connected in parallel to the main current path of the circuit breaker module and means for measuring the capacitor voltage 23, 26.
  • the Voltage source 21, 24 applied a voltage in the reverse direction of the freewheeling diodes 2b, 3b.
  • the capacitor 22, 25 is charged and a capacitor voltage at least equal to the reference voltage, which is specified by the Zener diode 23a, 26a, can be detected.
  • the comparator 23, 26 then generates a switching state signal 5a, 6a, which indicates a proper switching state.
  • a fault current IF flows because the main current path is then low-resistance.
  • the capacitor 22, 25 is only charged to a lower voltage than in the fault-free switching state.
  • the comparator 23, 26 compares the voltage across the capacitor against the reference voltage, which in the event of a fault is greater than the voltage across the capacitor.
  • the switching state signal 5a, 6a which indicates an incorrect switching state, is generated by the comparator 23, 26.
  • the capacitor 22, 25 In order to charge the capacitor 22, 25 in the non-conductive state of the respective circuit breaker module 2, 3, the capacitor 22, 25 is first short-circuited and at least partially discharged via the switch 27, 28 in each case before the non-conductive switching state is determined.
  • the switching signal of the controller 17 from FIG. 1 can be used in a simple manner for the synchronous closing of the switch. The switching status signal is then generated.
  • the embodiment shown in FIG. 2 not only has a particularly simple and robust structure, but is also characterized by a high signal-to-noise ratio with regard to the determination of faulty switching states of the circuit breaker modules in the non-conductive switching state.
  • the determination of the switching states in the non-conductive switching state of the power module is therefore successful particularly safe despite strong electrical and magnetic fields due to the extremely fast switching of high currents in the converter.
  • FIG. 3 shows an alternative exemplary embodiment to FIG. 2, in which a voltage or current source 31, 32 in the non-conductive switching state of the device connected to the main current path via a decoupling module 31a, 32a
  • Circuit breaker module 2, 3 a voltage is applied to the collector.
  • the fault current via the voltage drop across the shunt resistor 33, 34 is measured directly via a shunt resistor 33, 34 via an operational amplifier 35, 36.
  • the fault current can also be included quantitatively in the generation of the switching state signal 5a, 6a.
  • such a switching state signal 5a, 6a could be used for further evaluations.
  • FIG. 4 and 5 show exemplary embodiments of wind turbines with converters 40, 50 according to the invention.
  • FIG. 4 shows a double-fed asynchronous machine 42, the rotor of which is connected to the electrical network 41 via a three-phase converter 40 according to the invention with an intermediate circuit.
  • FIG. 5 a three-phase machine 52 is shown, the entire power of which is output to a network 51 via the converter 50 according to the invention.
  • the method according to the invention enables extremely rapid state detection of the switching states of the circuit breaker modules in the converters 40, 50 of the exemplary embodiments in FIGS. 4 and 5 with the converters 40, 50 according to the invention.
  • a high level of security against faulty switching states can thereby be achieved, so that, for example, the use of fuses for electrically protecting the circuit breaker modules can be dispensed with in principle.
  • converters with different topologies are used, for example, in wind energy installations according to FIGS. 4 and 5, but also in other devices for generating or converting electrical energy.
  • Two of these The exemplary embodiments in FIGS. 6 and 7 show topologies in a three-phase structure.
  • the power switches of the converter in Fig. 6 are constructed in accordance with the two-point connection in such a way that a phase module la, lb, lc is provided for each phase a, b, c and the phase modules la, lb, lc in a top Bottom arrangement each have two circuit breakers Sil, S12, S13, S14, S15 and S16.
  • Sil and S14 are connected in a top-bottom arrangement and can thus generate a phase a of the alternating current or transform it from the direct voltage in the direct voltage intermediate circuit.
  • a detection of the switching states of the IGBT circuit breakers used can protect the other IGBT circuit breakers from damage, for example in the event of incorrect behavior of an IGBT circuit breaker in one of the phase modules.
  • circuit breaker module in the form of a chopper shown in FIG. 8 is not shown in either FIG. 6 or FIG. 7, but it is regularly used in converters with the topology of FIGS. 6 and 7.
  • the detection of the switching state of the power switch module of the chopper or an identically constructed crowbar, not shown, for example for short-circuiting rotor currents in double-fed asynchronous machines offers the advantage of detecting the switching state of these safety elements when the converter is in operation.
  • the chopper or the crowbar have at least one circuit breaker module S, the switching state of which is detected using the method according to the invention.
  • FIGS. 9 to 13 show further exemplary embodiments of devices for generating or converting electrical energy in the fields of solar, biomass, energy storage and sector coupling, in which a method according to the invention and a converter according to the invention are used.
  • the circuit diagrams in FIGS. 9 and 11 have photovoltaic modules 93 or different storage units 104 as energy sources, which are connected to the network via a converter 90, 100.
  • Applications of this type can also be up to several MW, e.g. B. deliver up to 100 MW of a single device via the converter 90, 100 to the network 91, 101 or, in the case of the different storage units 104, take it up.
  • converters 110 When generating electrical energy from biomass 115, as shown in FIG. 11, converters 110 are generally used which feed the electrical alternating voltage of a generator G into a direct voltage in the intermediate circuit and then again into an alternating voltage in the electrical network 111 12 and 13, either electrical energy 126 (FIG. 12) made available as alternating current or electrical energy 137 made available as direct current are converted into another form of energy 138, in the form of produced, combustible gas, for example hydrogen or in Form of thermal energy, for example converted by operating a heat pump.
  • the aforementioned devices for generating or converting electrical energy require converters with high powers, which are particularly advantageously designed according to the invention and can be operated with the method according to the invention.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung des Schaltzustands mindestens eines Leistungsschaltermoduls (2, 3) in einem Umrichter, wobei der Umrichter zumindest eine Steuerung (17) zur Ansteuerung des mindestens einen Leistungsschaltermoduls (2, 3) aufweist. Die Aufgabe, ein Verfahren zur Erfassung des Schaltzustands mindestens eines Leistungsschaltermoduls zur Verfügung zu stellen, mit welchem ein besonders schneller und zuverlässiger Schutz des mindestens einen Leistungsschaltermoduls oder des Umrichters im Falle von Fehlfunktionen bereitgestellt werden kann wird für ein Verfahren zur Erfassung eines Schaltzustands mindestens eines Leistungsschaltermoduls in einem Umrichter dadurch gelöst, dass mindestens ein Leistungsschaltermodul in den nichtleitenden Schaltzustand geschaltet wird, in dem der Schaltzustand des mindestens einen IGBT-Leistungsschalters (2, 3) des mindestens einen Leistungsschaltermoduls in den nicht- leitenden Zustand gebracht wird und der Schaltzustand des Leistungsschaltermoduls im nicht-leitenden Zustand bewertet wird, wobei ein Schaltzustandssignal (5a, 6a) abhängig von der Detektion eines Fehlerstroms im nicht-leitenden Schaltzustand des Leistungsschaltermoduls erzeugt wird, welches zur Steuerung des Umrichters verwendet wird.

Description

Verfahren zur Erfassung von Schaltzuständen eines Leistungsschaltermoduls in einem Umrichter
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung eines Schaltzustands mindestens eines Leistungsschaltermoduls in einem Umrichter, wobei der Umrichter zumindest eine Steuerung zur Ansteuerung des mindestens einen Leistungsschaltermoduls aufweist. Daneben betrifft die Erfindung einen Umrichter mit mindestens einem Leistungsschaltermodul und einer Steuerung für das mindestens eine Leistungsschaltermodul sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung oder Umformung elektrischer Energie, vorzugsweise in den Bereichen Wind, Solar, Biomasse, Energiespeicher und Sektorenkopplung mit mindestens einem Umrichter.
Umrichter werden beispielsweise zur Umformung einer ersten Wechselspannung in eine zweite Wechselspannung verwendet ln der weiteren Anmeldung wird aber unter einem Umrichter auch ein Wechselrichter verstanden, welcher lediglich zur Umformung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung verwendet wird. Das Einsatzgebiet von Umrichtern reicht von Motorantrieben bis zu Vorrichtungen zur Erzeugung oder Umformung elektrischer Energie, insbesondere in den Bereichen Wind, Solar, Biomasse, Energiespeicher und Sektorenkopplung. Zum Teil werden große elektrische Leistungen über die Umrichter beispielsweise über Windenergieanlagen in ein elektrisches Netz eingespeist.
Insbesondere im Bereich der Erzeugung oder Umformung elektrischer Energie werden aber Umrichter benötigt, welche elektrische Leistungen von bis zu mehreren MW, z. B. bis zu 100 MW in einer einzelnen Vorrichtung führen. Die Umrichter sind hierzu in der Regel dreiphasig ausgebildet und weisen bei Vorrichtungen zur Erzeugung oder Umformung elektrischer Energie in den Bereichen Wind, Solar, Biomasse, Energiespeicher und Sektorenkopplung üblicherweise einen Zwischenkreis auf, der als Energiepuffer dient. Eine vom Generator einer Erzeugungsvorrichtung, beispielsweise einer Windenergieanlage, erzeugte dreiphasige Wechselspannung wird beispielsweise in eine Gleichspannung und anschließend wieder in eine dreiphasige Wechselspannung, die beispielsweise in Phase und Amplitude an die Netzspannung angepasst ist, umgeformt. Zur Erzeugung der Gleichspannung aus der ersten Wechselspannung und der zweiten Wechselspannung aus der Gleichspannung verwenden die Umrichter extrem schnelle Leistungsschalter, überwiegend Insulated- Gate-Bipolar-Transistor (1GBT) -Leistungsschalter, welche in der Regel über eine Pulsweitenmodulationssteuerung (PWM) angesteuert werden. Die PWM-Ansteuerung wird wiederum von einer Steuerung des Umrichters gesteuert. ln der vorliegenden Anmeldung wird unter einem Leistungsschaltermodul mindestens ein IGBT-Leistungsschalter mit mindestens einer optionalen, antiparallel geschalteten Freilaufdiode verstanden. Umrichter weisen beispielsweise pro Phase oft zwei Leistungsschaltermodule in einer Top-Bottom-Anordnung als Phasenmodul auf, so dass für einen dreiphasigen Umrichter insgesamte Leistungsschaltermodule vorgesehen sind. Bei höheren Leistungen können jedoch pro Phase zusätzliche Phasenmodule vorgesehen sein, welche parallel geschaltet sind.
Aufgrund der hohen Leistungen der Umrichter, insbesondere im Bereich der Erzeugung elektrischer Energie, haben Schaltfehler der IGBT-Leistungsschalter z. B. aufgrund eines Defektes, große Auswirkungen und können große Schäden an den Umrichtern hervorrufen. Um die Umrichter vor Schäden zu schützen, werden die IGBT-Leistungsschalter daher über primäre Maßnahmen, beispielsweise elektrische Sicherungen oder andere sekundäre Maßnahmen, beispielsweise Wandler geführte Schutzgeräte, abgesichert, welche im Fehlerfall, beispielsweise im Falle eines Kurzschlusses, die IGBT-Leistungsschalter bzw. den Umrichter beispielsweise vom N etz trennen und damit vor Schäden schützen sollen. Die dafür vorgesehenen speziellen Schmelzsicherungen haben eine Reaktionszeit im Bereich von Millisekunden. Es kommt daher vor dem Eintreten der Schutzwirkung, d.h. dem Trennen des Umrichters oder des IGBT-Leistungsschalters noch zu Schaltvorgängen im Umrichter. Hierdurch können weitere Bauteile beschädigt werden, da der Umrichter im nächsten Schaltvorgang noch alle IGBT-Leistungsschalter ansteuern kann. Insbesondere die innerhalb von wenigen Mikrosekunden schaltenden IGBT- Leistungsschalter können daher durch Schmelzsicherungen nicht effektiv vor Beschädigungen geschützt werden. Bei den geforderten hohen Leistungen sind die Kosten für den Ersatz von IGBT-Leistungsschaltern wie auch der Schmelzsicherungen aber relativ hoch.
Zur Ansteuerung von IGBT-Leistungsschaltern werden sogenannte Gate- Treiberschaltungen verwendet, welche über die Steuerung des Gate-Stroms durch Anlegen einer Gate-Spannung den IGBT-Leistungsschalter in den leitenden oder nicht- leitenden Schaltzustand versetzen. Eine sogenannte intelligente Gate- Treiberschaltung ist aus der internationalen Patentanmeldung WO 2014/154221 A2 bekannt. Die in diesem Dokument offenbarte Treiberschaltung ist in der Lage, den Spannungsabfall über den IGBT-Leistungsschalter, also die Kollektor-Emitter- Spannung zu messen und hieraus Rückschlüsse auf technische Parameter des 1GBT- Leistungsschalters, beispielsweise auf die elektrische und thermische Belastung des Leistungsschalters zu erhalten. Eine Erfassung des Schaltzustands eines 1GBT- Leistungsschalters, also ob der gewünschte Schaltzustand erreicht wird oder nicht, wird aber nicht offenbart. Die genannte internationale Patentanmeldung verfolgt vielmehr das Ziel, Rückschlüsse auf die Lebensdauer und technischer Parameter der Leistungsschalter zu machen. Eine Lösung, welche den Schutz der IGBT- Leistungsschalter vor Fehlerzuständen erhöht, wird daher nicht zur Verfügung gestellt.
Die US-PatentanmeldungUS 2011/0298527 Al offenbart ebenfalls, die Kollektor- Emitter-Spannung des IGBT-Leistungsschalters zu messen, um daraus den Schaltzustand des Leistungsschalters zu ermitteln.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Erfassung des Schaltzustands mindestens eines Leistungsschaltermoduls zur Verfügung zu stellen, mit welchem ein besonders schneller und zuverlässiger Schutz des mindestens einen Leistungsschaltermoduls oder des Umrichters im Falle von Fehlfunktionen bereitgestellt werden kann. Darüber hinaus hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, einen Umrichter mit einem verbesserten Schutzkonzept sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung oder Umformung elektrischer Energie mit einem verbesserten Umrichter anzugeben.
Die oben aufgezeigte Aufgabe wird für ein Verfahren zur Erfassung eines Schaltzustands mindestens eines Leistungsschaltermoduls in einem Umrichter dadurch gelöst, dass mindestens ein Leistungsschaltermodul in den nicht-leitenden Schaltzustand geschaltet wird, in dem der Schaltzustand des mindestens einen IGBT- Leistungsschalters des mindestens einen Leistungsschaltermoduls in den nicht- leitenden Zustand gebracht wird und der Schaltzustand des Leistungsschaltermoduls im nicht-leitenden Zustand bewertet wird, wobei ein Schaltzustandssignal abhängig von der Detektion eines Fehlerstroms im nicht-leitenden Schaltzustand des Leistungsschaltermoduls erzeugt wird, welches zur Steuerung des Umrichters verwendet wird.
Normalerweise ist das Leistungsmodul im nicht-leitenden Schaltzustand in Sperrrichtung der Freilaufdiode gesperrt, d.h. der 1GBT Leistungsschalter sperrt in beide Stromrichtungen, die optionale Freilaufdiode sperrt nur in ihre Sperrstromrichtung. Trotzdem kann über die Diode in Freilaufrichtung ein Strom fließen. Dieser Zustand des Leistungsschaltermoduls wird als nicht-leitender Schaltzustand bezeichnet. Anders als bei der aus dem Stand der Technik bekannten Messung der Kollektor-Emitter-Spannung wird bei der Detektion eines Fehlerstrom unmittelbar das Nicht-Erreichen des „nicht-leitenden“, gesperrten Schaltzustands des IGBT-Leistungsschalters und gleichzeitig auch eine fehlerhafte Sperreigenschaften der Freilaufdiode oder der entsprechenden Freilaufeigenschaft des IGBT- Leistungsschalters detektiert. Das daraus abgeleitete Schaltzustandssignal kann insofern effektiv durch die Steuerung des Umrichters im Fehlerfall zur Vermeidung von weiteren Schaltvorgängen genutzt werden. Der Umrichter und alle weiteren Komponenten werden so besonders schnell und effektiv vor Schäden aufgrund von Fehlern in den Leistungsschaltermodulen geschützt.
Die erfindungsgemäße Erfassung des Schaltzustands kann vorzugsweise an nur einem oder an einer Mehrzahl an Leistungsschaltermodulen eines Umrichters durchgeführt werden. Es können beispielsweise auch der oder die Leistungsschalter eines Brems- Choppers im Umrichter, welcher zur Begrenzung von Überspannungen im Zwischenkreis verwendet wird, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erfasst werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei von der Topologie und der Leistung des Umrichters sowie von dem Spannungsbereichs, in welchem der Umrichter eingesetzt werden soll, unabhängig. Bevorzugt sind aber Umrichter mit hohen Schaltleistungen von mindestens 200 kW.
Das Schaltzustandssignal kann zur Verwendung beispielsweise an die Steuerung des Umrichters weitergeleitet werden und die Steuerung des Umrichters in die Lage versetzen, bei einem nicht erwarteten Schaltzustandssignal, beispielsweise wenn das Schaltzustandssignal einen fehlerhaften Schaltzustand anzeigt, den mindestens einen IGBT-Leistungsschalter durch Freischalten zu schützen oder beispielsweise den Umrichter ganz abschalten. Aufgrund der heutzutage sehr schnellen Steuerungen kann dies innerhalb weniger Mikrosekunden erfolgen, sodass ein effektiver Schutz der Leistungsschaltermodule erreicht wird.
Besonders bevorzugt wird das Verfahren zur Erfassung des Schaltzustandes mindestens eines Leistungsschaltermoduls in einem Umrichter durchgeführt, welcher im Leistungspfad einer Vorrichtung zur Erzeugung oder Umformung elektrischer Energie, vorzugsweise in den Bereichen Wind, Solar, Biomasse, Energiespeicher und Sektorenkopplung, also beispielsweise einer Windenergieanlage, verwendet wird. Diese Leistungsschaltermodule müssen besonders hohe Ströme schalten und können bei fehlerhaften Schaltzuständen große Schäden im Umrichter hervorrufen. Die Schaltleistungen liegen beispielsweise bei mindestens 200 kW. Durch die Erfassung des Schaltzustands des mindestens einen Leistungsschaltermoduls können in diesen Umrichtern in der Regel vorgesehene, weitere Leistungsschaltermodule vor Schäden bewahrt werden. Im Schadensfall können die Schäden aufgrund des frühzeitigen Abschaltens des Umrichters deutlich begrenzt werden. Daher besteht auch die Möglichkeit mit dem erfindungsgemäßen Verfahren weitere Schutzmaßnahmen wie Schmelzsicherungen einzusparen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt abhängig vom Schaltzustandssignal des mindestens einen Leistungsschaltermoduls im nicht-leitenden Schaltzustand die Freigabe oder das Sperren des nächsten Schaltvorgangs mindestens eines weiteren Leistungsschaltermoduls des Umrichters oder des gesamten Umrichters. Hierdurch kann im Fehlerfall der nächste Schaltvorgang des Umrichters oder eines weiteren Leistungsschaltermoduls unterbunden werden, so dass besonders effektiv Schäden im Umrichter durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Erfassung des Schaltzustandes im Fehlerfall vermieden werden.
Bevorzugt ist eine Spannungs- oder Stromquelle über ein Entkopplungsmodul mit dem Hauptstrompfad verbunden, über welche eine Spannung in Sperrrichtung des Leistungsschaltermoduls im nicht-leitenden Zustand angelegt wird, um im Fehlerfall einen Fehlerstrom zu verursachen. Das Entkopplungsmodul, beispielsweise eine entsprechend geschaltete Diode, führt dazu, dass die Spannungs- oder Stromquelle vor den hohen Spannungen und Stromflüssen im Hauptstrompfad des Leistungsschaltermoduls geschützt ist und entsprechend kostengünstig bereitgestellt werden kann. Gleichzeitig kann durch diesen Aufbau sichergestellt werden, dass der zu detektierende Fehlerstrom immer unter gleichen Bedingungen verursacht wird, so dass sich baugleiche Leistungsmodule beispielsweise gut vergleichen lassen. Der Hauptstrompfad des Leistungsmoduls bezeichnet dabei den Strompfad zwischen Kollektor und Emitter des IGBT-Leistungsschalters und gegebenenfalls den dazu parallelen Strompfad zwischen Anode und Kathode der optionalen Freilaufdiode. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist mindestens ein Kondensator über das Entkopplungsmodul zu dem Hauptstrompfad des mindestens einen Leistungsschaltermoduls parallel geschaltet, wobei die Aufladung des Kondensators auf einen Spannungswert unterhalb eines vorbestimmten Spannungsniveaus das Vorhandensein eines Fehlerstroms anzeigt. Kann der nicht-leitende Schaltzustand jedoch aufgrund eines Fehlers im IGBT-Leistungsschalter selbst oder aufgrund einer nicht ausreichenden Sperrwirkung der optionalen, mindestens einen Freilaufdiode nicht erreicht werden, fließt ein Fehlerstrom, welcher die Spannung am Kondensator verringert bzw. nicht zulässt, dass dieser auf eine höhere Spannung aufgeladen wird. Die Kondensatorspannung lässt damit auf einfache Weise zu, einen möglicherweise geringen Fehlerstrom zu detektieren, ohne diesen unmittelbar messen zu müssen. Hieraus resultiert ein hohes Signal-Rauschverhältnis zur Unterscheidung des Fehlerstromfalls vom ordnungsgemäßen Betrieb des Leistungsschaltermoduls.
Bevorzugt wird der mindestens eine Kondensator unter Verwendung einer Spannungs- oder Stromquelle nach dem Zustandswechsel des Leistungsschaltermoduls in den nicht-leitenden Zustand geladen, so dass im nicht- leitenden Schaltzustand des Leistungsschaltermoduls das Erreichen des gewünschten „nicht-leitenden“ Schaltzustands direkt und schnell detektiert werden kann.
Gemäß einer Ausgestaltung sind Mittel zum Kurzschließen oder zum zumindest teilweisen Entladen des mindestens einen Kondensators vorgesehen, so dass der mindestens eine Kondensator vor dem Aufladen im nicht-leitenden Schaltzustand zumindest teilweise entladen wird. Das Entladen des Kondensators erfolgt im „nicht- leitenden“ Schaltzustand des Leistungsmoduls zeitlich unmittelbar vor dem Aufladen des Kondensators, so dass die Erfassung des Schaltzustands des Leistungsmoduls unter immer gleiche Bedingungen erfolgt.
Gemäß einer Alternative zur Detektion des Fehlerstroms über die Messung einer Kondensatorspannung wird der durch die Spannungs- oder Stromquelle verursachte Fehlerstrom, beispielsweise über einen Shunt-Widerstand, gemessen. Diese alternative Ausgestaltung ist besonders einfach und erlaubt die Möglichkeit, den Fehlerstrom auch quantitativ zu erfassen. Allerdings ist der Aufwand, um ein gutes Signal-Rauschverhältnis zu erzielen, größer.
Bevorzugt werden bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens die Werte des Schaltzustandssignals abhängig von der Höhe der gemessenen Werte des Fehlerstroms im nicht-leitenden Zustand des mindestens einen Leistungsschaltermoduls erzeugt, so dass das Schaltzustandssignal eine quantitative Analyse zulässt. Das Schaltzustandssignal kann dann beispielsweise für weitere Auswertungen verwendet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird zusätzlich die Gate-Emitter-Spannung mindestens eines IGBT-Leistungsschalters mindestens eines Leistungsschaltermoduls gemessen und der Messwert zur Erzeugung eines Gatezustandssignals des mindestens einen Leistungsschaltermoduls verwendet. Hierdurch wird das Leistungsschaltermodul zusätzlich in Bezug auf eine fehlerhafte Gatesteuerspannung geschützt. Über die Erfassung der Gatespannung kann beispielsweise durch Vergleich mit dem zugehörigen Steuersignal der Gatetreiberschaltung erfasst werden, ob die Gatespannung dem gewünschten Schaltzustand entspricht.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann dadurch weiter verbessert werden, dass abhängig vom Schaltzustandssignal des mindestens einen Leistungsschaltermoduls im nicht-leitenden Schaltzustand die Freigabe oder das Sperren des nächsten Schaltvorgangs mindestens eines weiteren Leistungsschaltermoduls oder des gesamten Umrichters, vorzugsweise unter Verwendung der Steuerung des Umrichters erfolgt. Schäden am Umrichter oder an anderen Leistungsschaltermodulen können damit im Vorfeld verhindert werden. Die Steuerung der Umrichter ist besonders leistungsstark und kann zentral und doch extrem schnell entsprechend notwendige Abschalt- oder Sperrsignale an verschiedene Leistungsschaltermodule senden. Daneben bestehtauch die Möglichkeit die Abschalt- oder Sperrsignale dezentral auf der Ebene der Ansteuerung bzw. Treiber der einzelnen Leistungsschaltermodule durchzuführen, was zu einer Steigerung der Schaltgeschwindigkeit und zu einer höheren Robustheit der Absicherung beitragen kann.
Schließlich wird die Sicherheit vor fehlerhaften Schaltzuständen in einem Umrichter gemäß der weiteren Ausgestaltung des Verfahrens für typische Konfigurationen eines Umrichters dadurch erreicht, dass der Umrichter mindestens ein Phasenmodul mit mindestens jeweils einem ersten und einem zweiten Leistungsschaltermodul aufweist, für die Leistungsschaltermodule jeweils Gatezustands- und Schaltzustandssignale erzeugt werden, wobei ein erstes Fehlersignal für das erste Leistungsmodul aus dem Schaltzustandssignal und dem Gatezustandssignal des zweiten Leistungsschaltermoduls sowie dem Gatezustandssignals des ersten Leistungsschaltermoduls erzeugt wird und ein zweites Fehlersignal für das zweite Leistungsschaltermodul aus dem Schaltzustandssignal und dem Gatezustandssignal des ersten Leistungsschaltermoduls sowie dem Gatezustandssignals des zweiten Leistungsschaltermoduls erzeugt wird. Hierdurch wird eine möglichst frühe Detektion eines Fehlers ermöglicht, nämlich bevor das betreffende Leistungsschaltermodul in den nicht-leitenden Zustand versetzt wird.
Die oben aufgezeigte Aufgabe wird darüber hinaus für einen Umrichter mit mindestens einem Leistungsschaltermodul und einer Steuerung zur Ansteuerung des mindestens einen Leistungsschaltermoduls zur Durchführung einer Erfassung des Schaltzustands des mindestens einen Leistungsschaltermoduls dadurch gelöst, dass Mittel zur Erzeugung eines Fehlerstroms im Leistungsschaltermodul in Form einer Spannungs- oder Stromquelle und Mittel zur Erzeugung eines Schaltzustandssignals vorgesehen sind, wobei die Mittel zur Erzeugung des Schaltzustandssignals abhängig von der Detektion eines Fehlerstroms im nicht-leitenden Schaltzustand des mindestens einen Leistungsschaltermoduls ein Schaltzustandssignal erzeugen können und die Steuerung des Umrichters dazu ausgebildet ist, das Schaltzustandssignal zur Steuerung des Umrichters zu verwenden. Wie oben bereits ausgeführt, können die erfindungsgemäßen Umrichter Schäden im Falle von fehlerhaften Schaltzuständen von Leistungsschaltermodulen besonders sicher vermeiden und sehr schnell auf fehlerhafte Schaltzustände reagieren. Hierzu weisen die Mittel zur Erzeugung eines Fehlerstroms im mindestens einen Leistungsschaltermodul eine Spannungs- oder Stromquelle auf. Spannungs- oder Stromquellen können auf einfache Weise eine direkte Messung der Sperreigenschaften eines Leistungsschaltermoduls ermöglichen, wobei nicht nur der IGBT-Leistungsschalter, sondern auch eine optional vorgesehene Freilaufdiode in der Prüfung miteinbezogen wird.
Gemäß einer Ausgestaltung des Umrichters weisen die Mittel zur Erzeugung eines Fehlerstroms im Leistungsschaltermodul mindestens einen über ein Entkopplungsmodul zum Hauptstrompfad des Leistungsschaltermoduls parallel geschalteten Kondensator und Mittel zur Messung der Kondensatorspannung auf. Die Messung der Kondensatorspannung kann ein sicher und einfach zu detektierendes Schaltzustandssignal bereitstellen, welches das Erreichen des nicht-leitenden Schaltzustands sicher anzeigen kann. Trotz der hohen elektrischen und magnetischen Felder im Umfeld der Leistungsschaltermodule liefert die Kondensatorspannung ein gutes Signal-Rauschverhältnis zur Detektion eines Fehlerstroms im Hauptstrompfad und kann damit eine sehr sichere Bestimmung des Erreichens des „nicht-leitenden“ Schaltzustands des Leistungsschaltermoduls mit einfachen Mitteln bereitstellen.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung zum parallel geschalteten Kondensator weisen die Mittel zur Erzeugung eines Fehlerstroms im Leistungsschaltermodul Mittel zur Strommessung, vorzugsweise unter Verwendung eines Shunt-Widerstands auf. Diese Ausgestaltung besitzt zwar im Hinblick auf die Ermittlung des Schaltzustands grundsätzlich ein schlechteres Signal-Rauschverhältnis als die alternative Ausgestaltung mit im Hauptstrompfad des Leistungsmoduls parallel geschaltetem Kondensator, aber sie erlaubt eine quantitative Bewertung eines Fehlerstroms und ist besonders einfach ausgestaltet.
Sind gemäß einer weiteren Ausgestaltung zusätzlich Mittel zur Messung der Gate- Emitter-Spannung mindestens eines IGBT-Leistungsschalters des mindestens einen Leistungsschaltermoduls und Mittel zur Erzeugung eines Gatezustandssignals abhängig von der gemessenen Gate-Emitter-Spannung des mindestens einen Leistungsschaltermoduls vorgesehen, kann neben dem Schaltzustand im nicht- leitenden Schaltzustand zusätzlich die Ansteuerung des IGBT-Leistungsschalters erfasst werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Umrichters sind die Mittel zur Erzeugung eines Schaltzustandssignals des mindestens einen Leistungsschaltermoduls dazu ausgebildet, ein Gatesteuersignal des mindestens einen IGBT-Leistungsschalters zur Erzeugung des Schaltzustandssignals auszuwerten. Hierdurch wird erreicht, dass besonders einfach eine mit der Steuerung des IGBT-Leistungsschalters synchrone Schaltzustandserfassung im nicht-leitenden Schaltzustand des Leistungsschaltermoduls erfolgen kann. ln einer bevorzugten Ausführung weist der Umrichter mindestens ein Phasenmodul mit mindestens jeweils einem ersten und einem zweiten Leistungsschaltermodul in Top-Bottom-Anordnung auf. Unter einer Top-Bottom-Anordnung der Leistungsschaltermodule wird eine Schaltanordnung von zwei Leistungsschaltermodulen verstanden, bei welcher zwischen den in Reihe geschalteten Leistungsschaltermodulen die erzeugte Wechselstromphase abgeführt wird. Die jeweiligen anderen Kollektor und Emitter der Leistungsschaltermodule sind mit dem jeweils gegenüberliegenden Zwischenkreispotential verbunden.
Die oben aufgezeigte Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, vorzugsweise in den Bereichen Wind, Solar, Biomasse, Energiespeicher und Sektorenkopplung, besonders bevorzugt durch eine Windenergieanlage mit einem erfindungsgemäßen Umrichter gelöst, welche bevorzugt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erfassung der Schaltzustände der Leistungsschaltermodule verwenden. Durch die schnelle Detektion fehlerhafter Schaltzustände können Schäden am Umrichter und damit auch an der gesamten Vorrichtung zur Erzeugung oder Umformung elektrischer Energie aufgrund des Ausfalls beispielsweise eines IGBT- Leistungsschalters minimiert und nahezu verhindert werden. Der Umrichter einer Vorrichtung zur Erzeugung oder Umformung elektrischer Energie, vorzugsweise in den Bereichen Wind, Solar, Biomasse, Energiespeicher und Sektorenkopplung kann noch vor dem nächsten Schaltvorgang abgeschaltet werden. Diese hohe Sicherheit ist bei Umrichtern, die für hohe Leistungsabgaben vorgesehen sind, besonders wichtig, da hier die Kosten bei Ersatz hochleistungsfähiger Bauteile hoch sind.
Bevorzugt werden die erfindungsgemäßen Vorrichtungen aufweisend einen erfindungsgemäßen Umrichter daher zur Erzeugung und Umformung elektrischer Energie in einer Windenergieanlage beispielsweise zur Einspeisung elektrischer Energie in ein elektrisches Netz angewendet. Weitere Anwendungen neben Photovoltaikanlagen sind die Anbindung elektrischer Speicher in Form von Batterien oder Akkumulatoren an ein elektrisches Netz zur Bereitstellung von Speichern für elektrische Energie, die Einspeisung elektrischer Energie in ein Netz, welche durch Biomasse erzeugt wurde. Aber auch bei der Energiewandlung zur Sektorenkopplung zum Beispiel „Power-to-Gas“ oder „Power-to-Heat“ können die entsprechenden Vorrichtungen erfindungsgemäße Umrichter aufweisen.
Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert werden ln der Zeichnung zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Phasenmoduls eines
Ausführungsbeispiels eines Umrichters zur Durchführung des Verfahrens mit einem Gleichspannungszwischenkreis,
Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels zur Erfassung eines Fehlerstroms mit einem parallel geschalteten Kondensator, Fig. 3 ein Blockschaltbild weiteren Ausführungsbeispiels zur Erfassung eines Fehlerstroms über eine direkte Strommessung,
Fig. 4, 5 Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Erzeugung oder Umformung elektrischer Energie,
Fig. 6, 7 und 8 weitere erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele von 1GBT- Leistungsschaltern in Umrichtern und
Fig. 9 bis 13 Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen zur Erzeugung oder Umformung elektrischer Energie im Bereich Solar, Biomasse, Energiespeicher und Sektorenkopplung.
Fig. 1 zeigt nun ein Phasenmodul 1 eines erfindungsgemäßen Umrichters mit Zwei- Punkt-Topologie, welches zwei Leistungsschaltermodule 2, 3 in Top-Bottom- Anordnung aufweist. Die Leistungsschaltermodule 2, 3 werden über eine Treiberschaltung 4 gesteuert, welche Mittel 5, 6 zur Erzeugung eines Schaltzustandssignals 5a, 6a für das jeweilige Leistungsschaltermodul 2, 3 umfassen. Zusätzlich sind Mittel zur Erzeugung eines Fehlerstroms im Leistungsschaltermodul vorgesehen, welche im Detail in Fig. 1 nicht dargestellt sind. Die Mittel 5, 6 zur Erzeugung des Schaltzustandssignals erzeugen abhängig von der Detektion eines Fehlerstroms im nicht-leitenden Schaltzustand des mindestens einen Leistungsschaltermoduls 2, 3 ein Schaltzustandssignal, welches von der Steuerung 17 des Umrichters verwendet wird. Hierzu wird aus dem Schaltzustandssignal 5a, 6a ein Fehlersignal 7a, 8a für jedes Leistungsschaltermodul 2, 3 erzeugt ln dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Mittel zur Erzeugung eines Fehlerstroms in den Mitteln zur Erzeugung eines Schaltzustandssignals 5, 6 integriert.
Die Mittel 5, 6 zur Erzeugung des Schaltzustandssignal sind ihrerseits Teil der Treiberschaltung 4, welche auch die Gate-Treiberschaltung 13, 14 aufweist. Denkbar ist, dass die Mittel zur Erzeugung des Schaltzustandssignals 5, 6 des jeweiligen Leistungsschaltermoduls 2, 3 sowie die Mittel Erzeugung eines Fehlerstroms als externe Schaltungen realisiert werden. Die Mittel zur Erzeugung des Schaltzustandssignals 5, 6 erzeugen im vorliegenden Ausführungsbeispiel das Schaltzustandssignal 5a, 6a abhängig von der Detektion eines Fehlerstroms des jeweiligen Leistungsschaltermoduls 2, 3 im nicht-leitenden Schaltzustand des jeweiligen Leistungsschaltermoduls 2, 3.
Zusätzlich sind Mittel 5c, 6c zur Messung der Gate-Emitter-Spannung mindestens eines Leistungsschaltermoduls 2, 3 vorgesehen, welche ein Gatezustandssignal 5d, 6d abhängig von der gemessenen Gate-Emitter-Spannung des mindestens einen Leistungsschaltermoduls erzeugen. Die Gate-Treiberschaltungen 13, 14 werden, wie auch die Mittel zur Erzeugung des Schaltzustandssignals mit dem Steuersignal zum Ein- und Ausschalten des IGBT-Leistungsschalters des Leistungsschaltermoduls 2, 3 versorgt, so dass die Schaltzustände einfach im ausgeschalteten Schaltzustand bestimmt werden können. Bevorzugt kommt das Schaltsignal 5b direkt von einer PWM-Ansteuerung, welche in der Steuerung 17 des Umrichters integriert ist.
Das von den Mitteln zur Erzeugung des Schaltzustandssignals 5, 6 erzeugte Schaltzustandssignal 5a, 6a wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel zunächst galvanisch von den Mitteln zur Erzeugung des Schaltzustandssignals 5, 6 getrennt. Hierzu sind Mittel zur galvanischen Trennung 9, 9a, 9b, 10, 11, 11a, 11b und 12 vorgesehen. Das galvanisch getrennte Schaltzustandssignal 5a, 6a wird in einem „And“-Gatter mit dem Gatezustandssignal 5d, 6d des jeweils gegenüberliegenden Leistungsschaltermoduls 2, 3 und einem weiteren Signal verglichen, wobei das weitere Signal nur dann anliegt, wenn die Gatezustandssignale beider Leistungsschaltermodule 2, 3 unterschiedlich sind. Mit anderen Worten beispielsweise das Leistungsschaltermodul 2 im nicht-leitenden Schaltzustand und das Leistungsschaltermodul 3 beispielsweise im leitenden Schaltzustand sich befinden. Stimmen die Gatezustandssignale 5d, 6d, mit dem jeweils gemessenen Schaltzustandssignal 5a, 6a überein, liefern die And-Gatter 7, 8 kein Fehlersignal. Sobald in einem Leistungsschaltermodul 2, 3 der nicht-leitende Schaltzustand nicht ordnungsgemäß erreicht wird und ein Fehlerstrom detektiert werden kann, wird über die And-Gatter 7 und 8 ein Fehlersignal an die Steuerung 17 weitergegeben.
Bevorzugt stoppt die Steuerung 17 den Betrieb des Umrichters bei Anliegen eines Fehlersignals 7a, 8a sofort. Hierdurch können Schäden durch Weiterbetreiben des Umrichters mit defekten Leistungsschaltern vermieden werden.
Dadurch dass, bei gegenüberliegenden IGBT-Leistungsschaltern 2, 3 jeweils immer ein IGBT-Leistungsschalter 2, 3 in den nicht-leitenden Schaltzustand wechselt, kann durch das erfindungsgemäße Erfassen dieses Schaltzustands in jedem Schaltzyklus eine hohe Sicherheit gegen Fehlfunktionen erreicht werden. Da erfindungsgemäß die Detektion eines Fehlerstroms auch Fehler in der Sperrwirkung der Freilaufdioden erfasst, wird die Sicherheit gegenüber Fehlfunktion des gesamten Leistungsschaltermoduls verbessert.
Fig. 1 zeigt lediglich ein Phasenmodul, welches den Gleichspannungszwischenkreis mit den Spannungen +UZK und -UZK mit einer Phase einer zu erzeugenden Wechselspannung verbindet. Deshalb ist leicht vorstellbar, dass für typische dreiphasige Umrichter mindestens drei dieser Phasenmodule 1 zum Einsatz kommen können.
Im Weiteren soll auf die Detektion der Fehlerströme genauer eingegangen werden.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der Mittel zur Erzeugung eines Fehlerstroms im mindestens einen Leistungsschaltermodul, welche eine Spannungs- oder Stromquelle 21, 24 aufweisen. Die Spannungs- oder Stromquelle 21, 24 ist über ein Entkopplungsmodul 21 a, 24a in Form einer Diode vom Hauptstrompfad des Leistungsschaltermoduls 2, 3 entkoppelt. Die Mittel zur Erzeugung eines Fehlerstroms im Leistungsschaltermodul weisen mindestens einen zum Hauptstrompfad des Leistungsschaltermoduls parallel geschalteten Kondensator 22, 25 und Mittel zur Messung der Kondensatorspannung 23, 26 auf. Im nicht- leitenden Schaltzustand der Leistungsschaltermodule 2, 3 wird über die dargestellte Spannungsquelle 21, 24 eine Spannung in Sperrrichtung der Freilaufdioden 2b, 3b angelegt.
Sofern der nicht-leitende Schaltzustand des Leistungsschaltermoduls 2, 3 erreicht wurde, wird der Kondensator 22, 25 geladen und eine Kondensatorspannung mindestens in Höhe der Referenzspannung, welche durch Z-Diode 23a, 26a vorgegeben ist, kann detektiert werden. Der Komparator 23, 26 erzeugt dann ein Schaltzustandssignal 5a, 6a, welches einen ordnungsgemäßen Schaltzustand angibt.
Für den Fall, dass der IGBT-Leistungsschalter 2a, 3a oder die Freilaufdioden 2b, 3b, also der Hauptstrompfad des Leistungsmoduls, fehlerhaft sind, fließt ein Fehlerstrom IF, da der Hauptstrompfad dann niederohmig ist. Der Kondensator 22, 25 wird in diesem Fall nur auf eine geringere Spannung aufgeladen als im fehlerfreien Schaltzustand. Der Komparator 23, 26 vergleicht die Spannung am Kondensator gegen die Referenzspannung, welche im Fehlerfall größer ist als die Spannung am Kondensator. Das Schaltzustandssignal 5a, 6a, welches einen fehlerhaften Schaltzustand angibt, wird durch den Komparator 23, 26 erzeugt.
Um das Aufladen des Kondensators 22, 25 im nicht-leitenden Zustand des jeweiligen Leistungsschaltermoduls 2, 3 jeweils durchzuführen, wird der Kondensator 22, 25 über den Schalter 27, 28 jeweils vor Ermittlung des nicht-leitenden Schaltzustands zunächst kurzgeschlossen und zumindest teilweise entladen. Zum synchronen Schließen des Schalters kann auf einfache Weise das Schaltsignal der Steuerung 17 aus Fig. 1 verwendet werden. Anschließend wird das Schaltzustandssignal erzeugt.
Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel hat nicht nur einen besonders einfachen und robusten Aufbau, sondern zeichnet sich durch ein hohes Signal-Rauschverhältnis in Bezug auf die Bestimmung von fehlerhaften Schaltzuständen der Leistungsschaltermodule im nicht-leitenden Schaltzustand aus. Die Bestimmung der Schaltzustände im nicht-leitenden Schaltzustand des Leistungsmoduls gelingt daher trotz starker elektrischer und magnetischer Felder aufgrund des extrem schnellen Schaltens von hohen Strömen im Umrichter besonders sicher.
Fig. 3 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel zu Fig. 2, bei welchem über eine über ein Entkopplungsmodul 31a, 32a mit dem Hauptstrompfad verbundene Spannungs- bzw. Stromquelle 31, 32 im nichtleitenden Schaltzustand des
Leistungsschaltermoduls 2, 3 jeweils eine Spannung am Kollektor angelegt wird. Über einen Shunt-Widerstand 33, 34 wird über einen Operationsverstärker 35, 36 der Fehlerstrom über den Spannungsabfalls über dem Shunt-Widerstand 33, 34 direkt gemessen. Hierdurch kann der Fehlerstrom auch quantitativ in die Erzeugung des Schaltzustandssignal 5a, 6a eingehen. Beispielsweise könnte ein derartiges Schaltzustandssignal 5a, 6a für weitere Auswertungen benutzt werden.
Fig. 4 und 5 zeigen Ausführungsbeispiele von Windenergieanlagen mit erfindungsgemäßen Umrichtern 40, 50. In Fig. 4 ist eine doppeltgespeiste Asynchronmaschine 42, deren Rotor über einen drei-phasigen, erfindungsgemäßen Umrichter 40 mit Zwischenkreis mit dem elektrischen Netz 41 verbunden ist, dargestellt. In Figur 5 ist eine Drehstrommaschine 52 dargestellt, dessen gesamte Leistung über den erfindungsgemäßen Umrichter 50 an ein Netz 51 abgegeben wird.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann mit den erfindungsgemäßen Umrichtern 40, 50 eine extrem schnelle Zustandserfassung der Schaltzustände der Leistungsschaltermodule in den Umrichtern 40, 50 der Ausführungsbeispiele in Fig. 4 und 5 erfolgen. Dabei kann eine hohe Sicherheit gegen fehlerhafte Schaltzustände erreicht werden, so dass beispielsweise auf die Verwendung von Schmelzsicherungen zur elektrischen Absicherung der Leistungsschaltermodule grundsätzlich verzichtet werden kann.
Ferner werden beispielweise in Windenergieanlagen, gemäß Fig. 4 und 5, aber auch in anderen Vorrichtungen zur Erzeugung oder Umformung elektrischer Energie Umrichter mit unterschiedlichen Topologien zum Einsatz gebracht. Zwei dieser Topologien zeigen die Ausführungsbeispiele der Fig. 6 und 7 in dreiphasigem Aufbau. Die Leistungsschalter des Umrichters in Fig. 6 sind entsprechend der Zwei-Punkt- Verschaltung derart aufgebaut, dass jeweils ein Phasenmodul la, lb, lc für jede Phase a, b, c vorgesehen ist und die Phasenmodule la, lb, lc in einer Top-Bottom- Anordnung jeweils zwei Leistungsschalter Sil, S12, S13, S14, S15 und S16 aufweisen. Dabei sind beispielsweise Sil und S14 in einer Top-Bottom-Anordnung verschaltet und können so eine Phase a des Wechselstroms erzeugen bzw. aus der Gleichspannung im Gleichspannungszwischenkreis umformen. Eine Erfassung der Schaltzustände der eingesetzten IGBT-Leistungsschalter kann beispielsweise bei fehlerhaftem Verhalten eines IGBT-Leistungsschalters in einem der Phasenmodule, die anderen IGBT-Leistungsschalter vor Schäden schützen.
Dies gilt auch bei einer Dreipunkt-Topologie des Umrichters, wie es das Ausführungsbeispiel in Fig. 7 zeigt. Aufgrund der erhöhten Anzahl an Leistungsschaltermodule, hier werden insgesamt mindestens 12 Leistungsschaltermodule verwendet, ist ein Schutz vor eventuellen Schäden bei diesem Ausführungsbeispiel durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders effektiv.
Sowohl in Fig. 6 als auch in Fig. 7 ist das in Fig. 8 dargestellte Ausführungsbeispiel der Verwendung eines Leistungsschaltermoduls in Form eines Choppers zwar nicht dargestellt, wird aber regelmäßig in Umrichtern mit der Topologie der Fig. 6 und 7 verwendet. Insbesondere auch die Erfassung des Schaltzustands des Leistungsschaltermoduls des Choppers oder auch einer identisch aufgebauten, nicht dargestellten Crowbar, beispielsweise zum Kurzschließen von Rotorströmen bei doppeltgespeisten Asynchronmaschinen, bietet den Vorteil, den Schaltzustand dieser Sicherheitselemente im Betrieb des Umrichters zu erfassen. Der Chopper oder auch die Crowbar weisen dabei mindestens ein Leistungsschaltermodul S auf, dessen Schaltzustand mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erfasst wird. Die Fig. 9 bis 13 zeigen weitere Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen zur Erzeugung oder Umformung elektrischer Energie, in den Bereichen Solar, Biomasse, Energiespeicher und Sektorenkopplung, in welchen ein erfindungsgemäßes Verfahren und ein erfindungsgemäßer Umrichter Anwendung finden. Die Schaltungsdiagramme der Fig. 9 und 11 weisen dabei als Energiequelle Photovoltaikmodule 93 oder unterschiedliche Speichereinheiten 104 auf, welche über einen Umrichter 90, 100 an das Netz angebunden sind. Anwendungen dieser Art können auch bis zu mehreren MW, z. B. bis zu 100 MW einer einzelnen Vorrichtung über die Umrichter 90, 100 an das Netz 91, 101 abgeben oder im Falle der unterschiedlichen Speichereinheiten 104 aufnehmen.
Bei der Erzeugung von elektrischer Energie aus Biomasse 115, wie in Fig. 11 dargestellt, werden in der Regel Umrichter 110 eingesetzt, die die elektrische Wechselspannung eines Generators G in eine Gleichspannung im Zwischenkreis und anschließend wieder in eine Wechselspannung in das elektrische Netz 111 einspeisen ln den Ausführungsbeispielen der Fig. 12 und 13 werden entweder als Wechselstrom zur Verfügung gestellte elektrische Energie 126 (Fig. 12) oder als Gleichstrom zur Verfügung gestellte elektrische Energie 137 in eine andere Energieform 138, in Form von hergestelltem, brennbarem Gas, beispielsweise Wasserstoff oder in Form von Wärmeenergie, beispielsweise durch Betreiben einer Wärmepumpe umgeformt.
Wie bereits zuvor ausgeführt, werden bei den genannten Vorrichtungen zur Erzeugung oder Umformung elektrischer Energie Umrichter mit großen Leistungen benötigt, die besonders vorteilhaft erfindungsgemäß ausgebildet sind und mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden können.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erfassung des Schaltzustands mindestens eines Leistungsschaltermoduls (2, 3) in einem Umrichter (40, 50, 90, 100, 110, 120, 130), wobei der Umrichter (40, 50, 90, 100, 110, 120, 130) zumindest eine Steuerung (17) zur Ansteuerung des mindestens einen Leistungsschaltermoduls (2, 3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Leistungsschaltermodul (2, 3) in den nicht-leitenden Schaltzustand geschaltet wird, in dem der Schaltzustand des mindestens einen IGBT- Leistungsschalters (2a, 3a) des mindestens einen Leistungsschaltermoduls (2, 3) in den nicht-leitenden Zustand gebracht wird und der Schaltzustand des Leistungsschaltermoduls (2, 3) im nicht-leitenden Zustand bewertet wird, wobei ein Schaltzustandssignal (5a, 6a) abhängig von der Detektion eines Fehlerstroms (IF) im nicht-leitenden Schaltzustand des Leistungsschaltermoduls (2, 3) erzeugt wird, welches zur Steuerung des Umrichters (40, 50, 90, 100, 110, 120, 130) verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannungs- oder Stromquelle (21, 24, 31, 32) über ein Entkopplungsmodul (21a, 24a, 31a, 32a) mit dem Hauptstrompfad des mindestens einen Leistungsschaltermoduls (2, 3) verbunden ist, über welche eine Spannung in Sperrrichtung des Leistungsschaltermoduls (2, 3) im nicht-leitenden Zustand angelegt wird, um im Fehlerfall einen Fehlerstrom (IF) zu verursachen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kondensator (22, 25) über das Entkopplungsmodul (21a, 24a, 31a, 32a) zu dem Hauptstrompfad des mindestens einen Leistungsschaltermoduls (2, 3) parallel geschaltet ist und die Aufladung des Kondensators (22, 25) auf einen Spannungswert unterhalb eines vorbestimmten Spannungsniveaus das Vorhandensein eines Fehlerstroms (1F) anzeigt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kondensator (22, 25) unter Verwendung der Spannungs- oder Stromquelle (221, 24, 31, 32) nach dem Zustandswechsels des Leistungsschaltermoduls (2, 3) in den nicht-leitenden Zustand geladen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass
Mittel (27, 28) zum Kurzschließen oder zum zumindest teilweise Entladen des mindestens einen Kondensators (22, 25) vorgesehen sind, so dass der mindestens eine Kondensator (22, 25)vor dem Aufladen im nicht-leitenden Schaltzustand des Leistungsschaltermoduls (2, 3) zumindest teilweise entladen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Spannungs- oder Stromquelle (21, 24, 31, 32) verursachte Fehlerstrom (1F), vorzugsweise über einen Shunt-Widerstand (33, 34), gemessen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte des Schaltzustandssignals (5a, 6a) abhängig von der Höhe der gemessenen Werte des Fehlerstroms (1F) im nicht-leitenden Zustand des mindestens einen Leistungsschaltermoduls (2, 3) erzeugt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gate-Emitter-Spannung mindestens eines IGBT-Leistungsschalters (2a, 3a) mindestens eines Leistungsschaltermoduls (2, 3) gemessen wird und der Messwert zur Erzeugung eines Gatezustandssignals (5d, 6d) des mindestens einen Leistungsschaltermoduls (2, 3) verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig vom Schaltzustandssignal (5a, 6a) des mindestens einen Leistungsschaltermoduls (2, 3) im nicht-leitenden Schaltzustand die Freigabe oder das Sperren des nächsten Schaltvorgangs mindestens eines weiteren
Leistungsschaltermoduls (2, 3) oder des gesamten Umrichters (40, 50, 90, 100, 110, 120, 130), vorzugsweise unter Verwendung der Steuerung (17) des Umrichters (40, 50, 90, 100, 110, 120, 130) erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (40, 50, 90, 100, 110, 120, 130) mindestens ein Phasenmodul (1) mit mindestens jeweils einem ersten und einem zweiten Leistungsschaltermodul (2, 3) aufweist, für die Leistungsschaltermodule (2, 3) jeweils Gatezustands- und Schaltzustandssignale (5d, 6d, 5a, 6a) erzeugt werden, wobei ein erstes Fehlersignal (7a) für das erste Leistungsmodul (2) aus dem Schaltzustandssignal (6a) und dem Gatezustandssignal (6d) des zweiten Leistungsschaltermoduls (3) sowie dem Gatezustandssignals (5d) des ersten Leistungsschaltermoduls (2) erzeugt wird und ein zweites Fehlersignal (8a) für das zweite Leistungsschaltermodul (3) aus dem Schaltzustandssignal (5a) und dem Gatezustandssignal (5d) des ersten Leistungsschaltermoduls sowie dem Gatezustandssignals (6d) des zweiten Leistungsschaltermoduls erzeugt wird.
11. Umrichter (40, 50, 90, 100, 110, 120, 130) mit mindestens einem Leistungsschaltermodul (2, 3) und einer Steuerung (17) zur Ansteuerung des mindestens einen Leistungsschaltermoduls (2, 3) zur Durchführung einer Erfassung des Schaltzustands des mindestens einen Leistungsschaltermoduls (2, 3) mit einem Verfahren nach Anspruch 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass
Mittel zur Erzeugung eines Fehlerstroms (IF) im Leistungsschaltermodul in Form einer Spannungs- oder Stromquelle (21, 24, 31, 32) und Mittel (5, 6) zur Erzeugung eines Schaltzustandssignals (5a, 6a) vorgesehen sind, wobei die Mittel (5, 6) zur Erzeugung des Schaltzustandssignals abhängig von der Detektion eines Fehlerstroms (1F) im nicht- leitenden Schaltzustand des mindestens einen Leistungsschaltermoduls (2, 3) ein Schaltzustandssignal (5a, 6a) erzeugen können und die Steuerung (17) des Umrichters (40, 50, 90, 100, 110, 120, 130) dazu ausgebildet ist, das Schaltzustandssignal (5a, 6a) zur Steuerung des Umrichters (40, 50, 90, 100, 110, 120, 130) zu verwenden.
12. Umrichter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung eines Fehlerstroms (1F) im Leistungsschaltermodul (2, 3) mindestens einen über ein Entkopplungsmodul (21a, 24a, 31a, 32a) zum Hauptstrompfad des Leistungsschaltermoduls (2, 3) parallel geschalteten Kondensator (22, 25) und Mittel (23, 26) zur Messung der Kondensatorspannung aufweisen.
13. Umrichter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung eines Fehlerstroms (1F) im Leistungsschaltermodul Mittel (35, 36) zur Strommessung, vorzugsweise unter Verwendung eines Shunt-Widerstands, aufweisen.
14. Umrichter nach Anspruch 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Mittel (5c, 6c) zur Messung der Gate-Emitter-Spannung mindestens eines IGBT-Leistungsschalters (2a, 3a) des mindestens einen Leistungsschaltermoduls (2, 3) und Mittel (5c, 6c) zur Erzeugung eines Gatezustandssignals (5d, 6d) abhängig von der gemessenen Gate-Emitter-Spannung des mindestens einen Leistungsschaltermoduls vorgesehen sind.
15. Umrichter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung eines Schaltzustandssignals (5a, 6a) des mindestens einen Leistungsschaltermoduls (2, 3) dazu ausgebildet sind, ein Gatesteuersignal des mindestens einen IGBT-Leistungsschalters zur Erzeugung des Schaltzustandssignals (5a, 6a) auszuwerten.
16. Vorrichtung zur Erzeugung oder Umformung elektrischer Energie, vorzugsweise in den Bereichen Wind, Solar, Biomasse, Energiespeicher und Sektorenkopplung mit einem Umrichter (20) nach einem der Ansprüche 12 bis 15.
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