EP4352869A1 - Anordnung und verfahren zum ansteuern eines modularen multilevelstromrichters - Google Patents

Anordnung und verfahren zum ansteuern eines modularen multilevelstromrichters

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EP4352869A1
EP4352869A1 EP21769070.0A EP21769070A EP4352869A1 EP 4352869 A1 EP4352869 A1 EP 4352869A1 EP 21769070 A EP21769070 A EP 21769070A EP 4352869 A1 EP4352869 A1 EP 4352869A1
Authority
EP
European Patent Office
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voltage
modules
connection
module connection
circuit
Prior art date
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Pending
Application number
EP21769070.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sebastian SEMMLER
Pablo Ignacio CORREA VÁSQUEZ
Cristian Andres Verdugo Retamal
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.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Publication of EP4352869A1 publication Critical patent/EP4352869A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
    • H02M1/0012—Control circuits using digital or numerical techniques
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/4835—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels comprising two or more cells, each including a switchable capacitor, the capacitors having a nominal charge voltage which corresponds to a given fraction of the input voltage, and the capacitors being selectively connected in series to determine the instantaneous output voltage

Definitions

  • the invention relates to an arrangement and a method for controlling a modular multilevel power converter.
  • Modular multilevel power converters have a plurality of modules in an electrical series connection, the modules each having at least two electronic switching elements and an electrical energy store. Modular multilevel converters can have one or more such series connections. Appropriate control of the modules ensures that the individual modules can effectively switch the voltage of their energy store into the series connection or switch the voltage of their energy store out of the series connection if required.
  • switching signals for the switching elements of the modules of the phase module are determined.
  • the switching elements of the modules are controlled by these switching signals in such a way that they switch the energy storage device into the series connection (so that the voltage of the energy storage device in the series connection becomes effective) or bridge the energy storage device (so that the voltage of the energy storage device in the series connection is ineffective, i H. does not take effect in the series connection) .
  • the invention is based on the object of specifying a method and an arrangement with which the modular multilevel converter can be controlled comparatively quickly.
  • a method for driving a modular multilevel power converter which has at least one electrical Has henschalt of modules, the modules each having at least two electronic switching elements and an electrical energy store, wherein in the method
  • Switching signals (control signals) for the switching elements of the modules of the series connection are determined by means of a switching element control (control circuit, logic circuit) from the voltage setpoints, wherein
  • the regulation and the switching element control are carried out by means of a (single) programmable single-chip processor system (system-on-a-programmable chip).
  • the regulation and the switching element control are carried out by means of the programmable single-chip processor system integrated on a single semiconductor chip, the regulation and the switching element control can be carried out very quickly. In this way, in particular, a long signal transmission time between the regulation and the switching element activation can be avoided.
  • the procedure can be carried out in such a way that
  • the programmable single-chip processor system has at least one processor and a programmable logic circuit (which can also be referred to as a programmable logic gate array), the regulation being carried out by means of the at least one processor and the switching element control being carried out by means of the programmable logic circuit becomes .
  • a programmable logic circuit which can also be referred to as a programmable logic gate array
  • the regulation being carried out by means of the at least one processor
  • the switching element control being carried out by means of the programmable logic circuit becomes .
  • the comparatively more universal but slower processor is only used for the regulation, whereas the comparatively faster programmable logic circuit is advantageously used for the control of the switching elements.
  • the procedure can be carried out in such a way that
  • the programmable logic circuit is connected downstream of the at least one processor (signal flow-related in the direction of the modular multi-level converter). The procedure can be carried out in such a way that
  • the modules each have a first module connection and a second module connection and are set up to output the voltage zero or at least the voltage of the energy store in one polarity between the first module connection and the second module connection.
  • the modules can have an energy store and the voltage of zero or the voltage of this one energy store can be output in one polarity.
  • An example of such a module is a half-bridge module.
  • the modules can also have several energy stores (in particular two energy stores) and the voltage zero, the voltage of one of the energy stores in one polarity or the sum of the voltages of the several energy stores in one polarity can be output.
  • the procedure can also be carried out in such a way that
  • the modules each have a first module connection, a second module connection and two further electronic switching elements and are set up to have zero voltage between the first module connection and the second module connection, at least the voltage of the energy store in one polarity or at least the voltage of the energy store in of the opposite polarity.
  • the modules can have an energy store and the voltage of zero or the voltage of this one energy store can be output in both polarities.
  • An example of such a module is a full bridge module.
  • the modules can also have several energy stores
  • the voltage of one of the energy stores in both polarities or the sum of the voltages of the several energy stores in both polarities can be output.
  • the procedure can be carried out in such a way that -
  • the multilevel converter has a plurality of series circuits of modules which are arranged in a bridge circuit, a delta circuit or a matrix circuit.
  • the procedure can be carried out in such a way that
  • the switching signals are transmitted to the modules of the series circuit (more precisely, to the switching elements of the modules of the series circuit are transmitted).
  • the switching elements are switched on or off by the switching signals.
  • the procedure can also be carried out in such a way that
  • Also disclosed is an arrangement for driving a modular multilevel power converter which has at least one electrical series connection of modules, the modules each having at least two electronic switching elements and an electrical energy store,
  • the arrangement can be designed in such a way that
  • the programmable single-chip processor system has at least one processor and a programmable logic circuit, wherein the at least one processor is set up to carry out the regulation and the programmable logic circuit is set up to carry out the switching element control.
  • the arrangement can also be designed in such a way that
  • the programmable logic circuit is connected downstream of the at least one processor.
  • the arrangement can be designed in such a way that
  • the modules each have a first module connection and a second module connection and are set up to output the voltage zero or at least the voltage of the energy store in one polarity between the first module connection and the second module connection.
  • the arrangement can be designed in such a way that
  • the modules additionally have at least two further electronic switching elements and are set up to output zero voltage, at least the voltage of the energy store in one polarity or at least the voltage of the energy store in the opposite polarity between the first module connection and the second module connection.
  • the arrangement can be designed in such a way that
  • the multilevel converter has a plurality of series circuits of modules which are arranged in a bridge circuit, a delta circuit or a matrix circuit.
  • the arrangement can also have sensors for determining measured values of electrical quantities occurring at the multilevel converter. These measured values can be used as input variables for the control.
  • Figure 1 shows an exemplary embodiment of a modular multilevel converter
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a module of the modular multilevel power converter
  • FIG. 3 shows another exemplary embodiment of a module of the modular multilevel power converter, in
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of an arrangement and a method for controlling the modular multilevel converter
  • FIG. 5 shows an exemplary timing that occurs when driving the modular multilevel converter.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a modular multilevel power converter 1 .
  • This multilevel converter 1 has a first AC voltage connection 5 , a second AC voltage connection 7 and a third AC voltage connection 9 .
  • the first AC voltage connection 5 is electrically connected to a first phase module branch 11 and a second phase module branch 13 .
  • the first phase module branch 11 and the second phase module branch 13 form a first phase module 15 of the power converter 1 .
  • the end of the first phase module branch 11 facing away from the first AC voltage connection 5 is electrically connected to a first DC voltage connection 16; that end of the second phase module branch 13 which is remote from the first AC voltage connection 5 is electrically connected to a second DC voltage connection 17 .
  • the first DC voltage connection 16 is a positive DC voltage connection; the second DC voltage connection 17 is a negative DC voltage connection.
  • the second AC voltage connection 7 is electrically connected to one end of a third phase module branch 18 and to one end of a fourth phase module branch 21 .
  • the third Phase module branch 18 and the fourth phase module branch 21 form a second phase module 24.
  • the third AC voltage connection 9 is electrically connected to one end of a fifth phase module branch 27 and to one end of a sixth phase module branch 29.
  • the fifth phase module branch 27 and the sixth phase module branch 29 form a third phase module 31.
  • the end of the third phase module branch 18 facing away from the second AC voltage connection 7 and the end of the fifth phase module branch 27 facing away from the third AC voltage connection 9 are electrically connected to the first DC voltage connection 16 .
  • the end of the fourth phase module branch 21 facing away from the second AC voltage connection 7 and the end of the sixth phase module branch 29 facing away from the third AC voltage connection 9 are electrically connected to the second DC voltage connection 17 .
  • the first phase module branch 11, the third phase module branch 18 and the fifth phase module branch 27 form a positive-side converter part 32; the second phase module branch 13, the fourth phase module branch 21 and the sixth phase module branch 29 form a negative-side converter part 33.
  • Each phase module branch has a plurality of modules (1_1, 1_2, 1_3, 1_4...1_n; 2_1...2_n; etc.) which are electrically connected in series (by means of their module connections).
  • This plurality of modules thus forms an electrical series connection.
  • the modules 1_1, 1_2, 1_3, 1_4 ... l_n form a first series connection 35; together with an inductor L, this series circuit 35 forms the first phase module branch 11.
  • the modules 2_1, 2_2, 2_3, 2_4 ... 2_n form a second series circuit 36; this second series circuit 36 forms, together with a further inductance L, the second phase module branch 13, etc.
  • the other phase module branches 18, 21, 27 and 29 are constructed in the same way.
  • each series connection has n modules; Each phase module branch therefore has n modules connected in series.
  • the number of modules electrically connected in series by means of their module connections can be very different, at least three modules are connected in series, but it is also possible, for example, for 50, 100 or more modules to be electrically connected in series.
  • the modules are also referred to as submodules.
  • a first phase current iL1 flows through the first AC voltage connection 5;
  • a second phase current iL2 flows through the second AC voltage connection 7 and a third phase current iL3 flows through the third AC voltage connection 9 .
  • a first phase voltage uL1 against the reference potential (for example earth) occurs at the first AC voltage connection 5;
  • a second phase voltage uL2 occurs at the second AC voltage connection 7 and a third phase voltage uL3 occurs at the third AC voltage connection 7 .
  • a first branch current iCl (series circuit current iCl) flows through the first series circuit 35 (here: through the first phase module branch 11);
  • a second branch current iC2 etc. flows through the second series connection 36 (here: through the second phase module branch 13).
  • a first branch voltage uCl (first series circuit voltage uCl) occurs at the first series circuit 35 (here: at the first phase module branch 11);
  • a second branch voltage uC2 (second series circuit voltage uC2) occurs at the second series circuit 36 (here: at the second phase module branch 13), etc.
  • a direct voltage UDC occurs between the first direct voltage connection 16 and the second direct voltage connection 17 .
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a module 200 of the modular multilevel power converter 1 .
  • the module can be, for example, one of the modules 1_1 . . . 6_n shown in FIG.
  • the module 200 is designed as a half-bridge module 200 .
  • the module 200 has a first electronic switching element 202 (which can be switched off) (first semiconductor valve 202 which can be switched off) with a first diode 204 connected antiparallel.
  • the module 200 has a second electronic switching element 206 (which can be switched off) (second semiconductor valve 206 which can be switched off) with a second diode 208 connected antiparallel and an electrical energy store 210 in the form of a capacitor 210 .
  • the first electronic switching element 202 and the second electronic switching element 206 are each configured as an IGBT (insulated-gate bipolar transistor).
  • the first electronic switching element 202 is electrically connected in series with the second electronic switching element 206 .
  • a first galvanic module connection 212 is arranged at the connection point between the two electronic switching elements 202 and 206 .
  • a second galvanic module connection 215 is arranged at the connection of the second electronic switching element 206 , which is opposite the connection point.
  • the second module connection 215 is also electrically connected to a first connection of the energy store 210; a second connection of the energy store 210 is electrically connected to the connection of the first electronic switching element 202 which is opposite the connection point.
  • the energy store 210 is therefore connected electrically in parallel to the series connection made up of the first electronic switching element 202 and the second electronic switching element 206 .
  • a switching element control switching element control device
  • the respective desired output voltage ucx can be branched off to the individual phase module and the output voltage of the converter can thus also be generated.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a module 300 of the modular multilevel converter.
  • the module 300 can be, for example, one of the modules 1_1 . . . 6_n shown in FIG.
  • the module 300 shown in Figure 3 has a third electronic switching element 302 with a third freewheeling diode 304 connected in anti-parallel as well as a fourth electronic switching element 306 with a fourth freewheeling diode 308 connected in antiparallel.
  • the third electronic switching element 302 and the fourth electronic switching element 306 are each designed as an IGBT.
  • the second module connection 315 is not electrically connected to the second electronic switching element 206, but to a midpoint (connection point ) of an electrical series connection made up of the third electronic switching element 302 and the fourth electronic switching element 306.
  • the module 300 in FIG. 3 is what is known as a full-bridge module 300 .
  • This full-bridge module 300 is characterized in that, with appropriate control of the four electronic switching elements between the first (galvanic) module connection 212 and the second (galvanic) module connection 315, either the positive voltage of the energy store 210, the negative voltage of the energy store 210 or a voltage of zero value (zero voltage) can be issued. The polarity of the output voltage can thus be reversed by means of the full bridge module 300 .
  • modules of modular multilevel power converters can, for example, have more than one energy store, for example two energy stores or more than two energy stores.
  • the voltage zero, the voltage of one of the energy stores in one polarity or in both polarities, or the sum of the voltages of the several energy stores in one polarity or in both polarities can be output between the first module connection and the second module connection become .
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of an arrangement 405 and a method for driving the modular multilevel converter 1 .
  • the modular multilevel converter 1 only the first series circuit 35 with the modules 1_1 to l_n is shown in FIG.
  • the arrangement 405 has a controller 410 and a switching element control 413 .
  • the regulation 410 and the switching element control 413 are arranged on a programmable single-chip processor system 417 .
  • the regulation 410 and the switching element control 413 are thus carried out or executed by the programmable single-chip processor system 417. are realized by means of the one-chip processor system 417.
  • the programmable single-chip processor system 417 has at least one processor 420 and a programmable logic circuit 423 (for example a so-called programmable logic gate array 423, which is also referred to as a "field programmable gate array").
  • the processor is 420
  • the programmable logic circuit 423 is set up by means of a corresponding program to carry out the regulation. carry out the switching element control. For this purpose, the logic functions required for driving the switching elements are coded using a suitable programming language and loaded into the programmable logic circuit during programming.
  • the programmable logic circuit is, so to speak, a logic circuit that can be individually configured (composed) by the end user from individual logic commands/logic elements and that immediately (i.e. very quickly) provides an output signal at its outputs after input signals have been applied to its inputs.
  • the programmable logic circuit 423 is connected downstream of the at least one processor 420 (in terms of signal flow in the direction of the modular multilevel converter).
  • the modular multilevel converter is controlled as follows. First, measured values of electrical quantities occurring at the multilevel converter are determined by means of sensors. These electrical quantities are the phase currents iLl, iL2, iL3, the phase voltages uLl, uL2, uL3, the branch currents iCl...iC6 and the DC voltage UDC. The measured values of these variables form input variables for the controller 410 .
  • the energy storage voltages uS 1 . . . uSn occurring at the energy stores of the individual modules are measured and these measured values are transmitted to the programmable logic circuit 423 .
  • the programmable logic circuit 423 sums the energy storage voltages uSl...usn of each series circuit to form a total energy storage voltage ussum of the series circuit. This total energy storage voltage ussum is then transmitted to the controller 410 as a further input variable.
  • the summation of the energy storage voltages uS l . a separate summary screen can also be used for this.
  • Other input variables are target values iLl*, iL2* and iL3* for the phase currents iLl, iL2 and iL3 .
  • the input variables are read in by the controller.
  • control 410 determines desired values uCl*...uC6* for branch voltages uCl...uC6, i. H .
  • the details of the regulation method are irrelevant in the context of this description; the control is not restricted to a specific control method.
  • a wide variety of configurations of such control methods are known to those skilled in the art.
  • a control method with multiple feedbacks can be used, ie, for example, with an inner control loop and one or more outer control loops.
  • the target values uCl*...uC6* for the branch voltages uCl...uC6 are then transmitted to the programmable logic circuit 423 and form input variables for the logic circuit 423.
  • the logic circuit 423 performs the switching element driving, i . H .
  • the logic circuit 423 determines from the desired voltage values uC1* ... uC6* switching signals S (control signals S) for the switching elements of the modules of the six series circuits. In this way, it is determined which modules of the respective series connection must be switched on or off so that the voltage occurring across the series connection follows the desired voltage value for this series connection. This process is also known as modulation.
  • the control of the switching elements is carried out in the programmable logic circuit 423 as a pure combination of logic operations; no regulation is necessary in this case.
  • the switching signals S are then transmitted to the modules of the series connection. More precisely, the switching signals S are transmitted to the switching elements of the modules in the series connection.
  • the switching elements are switched on or off accordingly by the switching signals, so that the branch voltage uCx corresponding to the desired voltage value uCx* occurs in the series circuit.
  • the logical operations to be carried out in detail in the logic circuit 423 are within the scope of this description irrelevant; control is not limited to specific logical operations.
  • FIG. 5 the timing that occurs when the modular multilevel converter 1 according to FIG. 4 is driven is shown qualitatively by way of example.
  • the input variables for the control are read into the processor 420 in a first time interval t1.
  • the controller 410 is executed in the processor 420 and the desired voltage values uc1* . . . uc6* are determined as the output variable.
  • the desired voltage values uc1*...uc6* are transmitted to the programmable logic circuit 423.
  • the switching element control 413 is carried out in the programmable logic circuit 423 .
  • the switching signals S are transmitted to the modules of the series connection. The switching elements of the modules in the series connection are then switched on or off by the switching signals S.
  • the third time segment t3 and the fourth time segment t4 are comparatively short.
  • the third period of time t3 (transmission of the desired voltage values uc1*...uc6* from the processor 420 to the programmable logic circuit 423) is advantageously short because the processor 420 and the programmable logic circuit 423 are located on a common semiconductor chip (single-chip process sorsystem) and therefore the transmission paths are very short.
  • the fourth time period t4 (performing the switching element control 413 in the programmable logic circuit 423) is advantageously short because the programmable logic circuit 423 in a single clock step (or in a few clock steps) by means of the programmed logic from the voltage setpoints ucl * ... uc6 * the switching signals S determined .
  • a programmable single-chip processor system which has a monolithic integration of one or more processors and at least one programmable logic circuit on a single (circuit) chip.
  • SoC programmable single-chip processor system
  • the monolithic integration can also include other components, such as memories, clock generators, bus systems, etc. This enables a high processing speed.
  • the regulation is carried out on one or more processors of the programmable single-chip processor system and the switching element control based on logic operations is carried out in the programmable logic circuit of the programmable single-chip processor system.
  • programmable logic circuits iLl, iL2, iL3 phase currents iLl*, iL2*, iL3* target values for phase currents uLl, uL2, uL3 phase voltages iCl ... iC6 branch currents uCl ... uC6 branch voltages uCl * ... uC6* Target values for branch voltages
  • UDC DC voltage uS l ... uSn Energy storage voltages us sum Energy storage rather total voltage L Inductance tl ... t5 time periods

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines modularen Multilevelstromrichters (1), der mindestens eine elektrische Reihenschaltung (35) von Modulen (1_1, 1_2, 1_3, 1_4 … 1_n) aufweist, wobei die Module jeweils mindestens zwei elektronische Schaltelemente (202, 206) und einen elektrischen Energiespeicher (210) aufweisen. Dabei werden mittels einer Regelung (410) Spannungssollwerte (uC1*) für die Reihenschaltung (35) ermittelt. Mittels einer Schaltelementean- steuerung (413) werden aus den Spannungssollwerten (uC1*) Schaltsignale (S) für die Schaltelemente (202, 206) der Module der Reihenschaltung (35) ermittelt. Die Regelung (410) und die Schaltelementeansteuerung (413) werden mittels eines programmierbaren Ein-Chip-Prozessorsystems (417) durchgeführt.

Description

Beschreibung
Anordnung und Verfahren zum Ansteuern eines modularen Multilevel Stromrichters
Die Erfindung betri f ft eine Anordnung und ein Verfahren zum Ansteuern eines modularen Multilevelstromrichters .
Modulare Multilevelstromrichter weisen in einer elektrischen Reihenschaltung eine Mehrzahl von Modulen auf , wobei die Module j eweils mindestens zwei elektronische Schaltelemente und einen elektrischen Energiespeicher aufweisen . Modulare Multilevelstromrichter können eine oder mehrere solcher Reihenschaltungen aufweisen . Durch entsprechende Ansteuerung der Module wird erreicht , dass die einzelnen Module bei Bedarf die Spannung ihres Energiespeichers wirksam in die Reihenschaltung schalten können oder die Spannung ihres Energiespeichers aus der Reihenschaltung herausschalten können . Beim Ansteuern werden Schaltsignale für die Schaltelemente der Module des Phasenmoduls ermittelt . Durch diese Schaltsignale werden die Schaltelemente der Module so angesteuert , dass sie den Energiespeicher in die Reihenschaltung schalten ( so dass die Spannung des Energiespeichers in der Reihenschaltung wirksam wird) oder den Energiespeicher überbrücken ( so dass die Spannung des Energiespeichers in der Reihenschaltung unwirksam ist , d . h . nicht in der Reihenschaltung wirksam wird) .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, mit denen der modulare Multilevelstromrichter vergleichsweise schnell angesteuert werden kann .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren und eine Anordnung nach den unabhängigen Patentansprüchen . Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Anordnung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben .
Of fenbart wird ein Verfahren zum Ansteuern eines modularen Multilevelstromrichters , der mindestens eine elektrische Rei- henschaltung von Modulen aufweist , wobei die Module j eweils mindestens zwei elektronische Schaltelemente und einen elektrischen Energiespeicher aufweisen, wobei bei dem Verfahren
- mittels einer Regelung Spannungssollwerte für die Reihenschaltung ermittelt werden, und
- mittels einer Schaltelementeansteuerung (Ansteuerschaltung, Logikschaltung) aus den Spannungssollwerten Schaltsignale (Ansteuersignale ) für die Schaltelemente der Module der Reihenschaltung ermittelt werden, wobei
- die Regelung und die Schaltelementeansteuerung mittels eines ( einzigen) programmierbaren Ein-Chip-Prozessorsystems ( System-on-a-programmable-Chip ) durchgeführt werden .
Da die Regelung und die Schaltelementeansteuerung mittels des auf einem einzigen Halbleiterchip integrierten programmierbaren Ein-Chip-Prozessorsystems durchgeführt werden, können die Regelung und die Schaltelementeansteuerung sehr schnell durchgeführt werden . Insbesondere kann dadurch eine lange Signalübertragungsdauer zwischen der Regelung und der Schaltelementeansteuerung vermieden werden .
Das Verfahren kann so ablaufen, dass
- das programmierbare Ein-Chip-Prozessorsystem mindestens einen Prozessor und eine programmierbare Logikschaltung ( die auch als ein programmierbares Logik-Gate-Array bezeichnet werden kann) aufweist , wobei mittels des mindestens einen Prozessors die Regelung durchgeführt wird und mittels der programmierbaren Logikschaltung die Schaltelementeansteuerung durchgeführt wird . Dabei wird der vergleichsweise universellere , aber langsamere Prozessor nur für die Regelung eingesetzt , wohingegen für die Schaltelementeansteuerung vorteilhafterweise die vergleichsweise schnellere programmierbare Logikschaltung verwendet wird .
Das Verfahren kann so ablaufen, dass
- die programmierbare Logikschaltung dem mindestens einen Prozessor ( signal flussbezogen in Richtung des modularen Mul- tilevelstromrichters ) nachgeschaltet ist . Das Verfahren kann so ablaufen, dass
- die Module j eweils einen ersten Modulanschluss und einen zweiten Modulanschluss aufweisen und dazu eingerichtet sind, zwischen dem ersten Modulanschluss und dem zweiten Modulanschluss die Spannung Null oder mindestens die Spannung des Energiespeichers in einer Polarität aus zugeben . Die Module können hierbei einen Energiespeicher aufweisen und es kann die Spannung Null oder die Spannung dieses einen Energiespeichers in einer Polarität ausgegeben werden . Ein Beispiel für ein solches Modul ist ein Halbbrücken-Modul . Die Module können aber auch mehrere Energiespeicher aufweisen ( insbesondere zwei Energiespeicher ) und es kann die Spannung Null , die Spannung eines der Energiespeicher in einer Polarität oder die Summe der Spannungen der mehreren Energiespeicher in einer Polarität ausgegeben werden .
Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass
- die Module j eweils einen ersten Modulanschluss , einen zweiten Modulanschluss und zwei weitere elektronische Schaltelemente aufweisen und dazu eingerichtet sind, zwischen dem ersten Modulanschluss und dem zweiten Modulanschluss die Spannung Null , mindestens die Spannung des Energiespeichers in einer Polarität oder mindestens die Spannung des Energiespeichers in der entgegengesetzten Polarität aus zugeben . Die Module können hierbei einen Energiespeicher aufweisen und es kann die Spannung Null oder die Spannung dieses einen Energiespeichers in beiden Polaritäten ausgegeben werden . Ein Beispiel für ein solches Modul ist ein Vollbrücken-Modul . Die Module können aber auch mehrere Energiespeicher aufweisen
( insbesondere zwei Energiespeicher ) und es kann die Spannung Null , die Spannung eines der Energiespeicher in beiden Polaritäten oder die Summe der Spannungen der mehreren Energiespeicher in beiden Polaritäten ausgegeben werden .
Das Verfahren kann so ablaufen, dass - der Multilevelstromrichter mehrere Reihenschaltungen von Modulen aufweist , die in einer Brückenschaltung, einer Dreieckschaltung oder einer Matrixschaltung angeordnet sind .
Das Verfahren kann so ablaufen, dass
- die Schaltsignale zu den Modulen der Reihenschaltung übertragen werden ( genauer gesagt zu den Schaltelementen der Module der Reihenschaltung übertragen werden) . Durch die Schaltsignale werden die Schaltelemente ein- oder ausgeschaltet .
Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass
- Messwerte von an dem Multilevelstromrichter auftretenden elektrischen Größen ermittelt werden und als Eingangsgrößen für die Regelung verwendet werden .
Of fenbart wird weiterhin eine Anordnung zum Ansteuern eines modularen Multilevelstromrichters , der mindestens eine elektrische Reihenschaltung von Modulen aufweist , wobei die Module j eweils mindestens zwei elektronische Schaltelemente und einen elektrischen Energiespeicher aufweisen,
- mit einer Regelung, die eingerichtet ist , Spannungssollwerte für die Reihenschaltung zu ermitteln, und
- mit einer Schaltelementeansteuerung, die eingerichtet ist , aus den Spannungssollwerten Schaltsignale für die Schaltelemente der Module der Reihenschaltung zu ermitteln, wobei
- die Regelung und die Schaltelementeansteuerung mittels eines ( einzigen) programmierbaren Ein-Chip-Prozessorsystems ( System-on-a-programmable-Chip ) realisiert sind .
Die Anordnung kann so ausgestaltet sein, dass
- das programmierbare Ein-Chip-Prozessorsystem mindestens einen Prozessor und eine programmierbare Logikschaltung aufweist , wobei der mindestens eine Prozessor eingerichtet ist , die Regelung durchzuführen und die programmierbare Logikschaltung eingerichtet ist , die Schaltelementeansteuerung durchzuführen . Die Anordnung kann auch so ausgestaltet sein, dass
- die programmierbare Logikschaltung dem mindestens einen Prozessor nachgeschaltet ist .
Die Anordnung kann so ausgestaltet sein, dass
- die Module j eweils einen ersten Modulanschluss und einen zweiten Modulanschluss aufweisen und dazu eingerichtet sind, zwischen dem ersten Modulanschluss und dem zweiten Modulanschluss die Spannung Null oder mindestens die Spannung des Energiespeichers in einer Polarität aus zugeben .
Die Anordnung kann so ausgestaltet sein, dass
- die Module zusätzlich mindestens zwei weitere elektronische Schaltelemente aufweisen und dazu eingerichtet sind, zwischen dem ersten Modulanschluss und dem zweiten Modulanschluss die Spannung Null , mindestens die Spannung des Energiespeichers in einer Polarität oder mindestens die Spannung des Energiespeichers in der entgegengesetzten Polarität aus zugeben .
Die Anordnung kann so ausgestaltet sein, dass
- der Multilevelstromrichter mehrere Reihenschaltungen von Modulen aufweist , die in einer Brückenschaltung, einer Dreieckschaltung oder einer Matrixschaltung angeordnet sind .
Die Anordnung kann auch Sensoren zum Ermitteln von Messwerten von an dem Multilevelstromrichter auftretenden elektrischen Größen aufweisen . Diese Messwerte können als Eingangsgrößen für die Regelung verwendet werden .
Das beschriebene Verfahren und die beschriebene Anordnung weisen gleiche beziehungsweise gleichartige Vorteile auf .
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Aus führungsbeispielen näher erläutert . Dabei verweisen gleiche Bezugs zeichen auf gleiche oder gleichwirkende Elemente . Dazu ist in
Figur 1 ein Aus führungsbeispiel eines modularen Multilevel- stromrichters , in Figur 2 ein Aus führungsbeispiel eines Moduls des modularen Multilevelstromrichters , in
Figur 3 ein weiteres Aus führungsbeispiel eines Moduls des modularen Multilevelstromrichters , in
Figur 4 ein Aus führungsbeispiel einer Anordnung und eines Verfahrens zum Ansteuern des modularen Multilevelstromrichters , und in
Figur 5 ein beispielhafter Zeitablauf , der beim Ansteuern des modularen Multilevelstromrichters auftritt , dargestellt .
In Figur 1 ist ein Aus führungsbeispiel eines modularen Multilevelstromrichters 1 dargestellt . Dieser Multilevelstromrich- ter 1 weist einen ersten Wechselspannungsanschluss 5 , einen zweiten Wechselspannungsanschluss 7 und einen dritten Wechselspannungsanschluss 9 auf . Der erste Wechselspannungsanschluss 5 ist elektrisch mit einem ersten Phasenmodul zweig 11 und einem zweiten Phasenmodul zweig 13 verbunden . Der erste Phasenmodul zweig 11 und der zweite Phasenmodul zweig 13 bilden ein erstes Phasenmodul 15 des Stromrichters 1 . Das dem ersten Wechselspannungsanschluss 5 abgewandte Ende des ersten Phasenmodul zweigs 11 ist mit einem ersten Gleichspannungsanschluss 16 elektrisch verbunden; das dem ersten Wechselspannungsanschluss 5 abgewandte Ende des zweiten Phasenmodulzweigs 13 ist mit einem zweiten Gleichspannungsanschluss 17 elektrisch verbunden . Der erste Gleichspannungsanschluss 16 ist ein positiver Gleichspannungsanschluss ; der zweite Gleichspannungsanschluss 17 ist ein negativer Gleichspannungsanschluss .
Der zweite Wechselspannungsanschluss 7 ist mit einem Ende eines dritten Phasenmodul zweigs 18 und mit einem Ende eines vierten Phasenmodul zweigs 21 elektrisch verbunden . Der dritte Phasenmodulzweig 18 und der vierte Phasenmodulzweig 21 bilden ein zweites Phasenmodul 24. Der dritte Wechselspannungsanschluss 9 ist mit einem Ende eines fünften Phasenmodulzweigs 27 und mit einem Ende eines sechsten Phasenmodulzweigs 29 elektrisch verbunden. Der fünfte Phasenmodulzweig 27 und der sechste Phasenmodulzweig 29 bilden ein drittes Phasenmodul 31.
Das dem zweiten Wechselspannungsanschluss 7 abgewandte Ende des dritten Phasenmodulzweigs 18 und das dem dritten Wechselspannungsanschluss 9 abgewandte Ende des fünften Phasenmodulzweigs 27 sind mit dem ersten Gleichspannungsanschluss 16 elektrisch verbunden. Das dem zweiten Wechselspannungsanschluss 7 abgewandte Ende des vierten Phasenmodulzweigs 21 und das dem dritten Wechselspannungsanschluss 9 abgewandte Ende des sechsten Phasenmodulzweigs 29 sind mit dem zweiten Gleichspannungsanschluss 17 elektrisch verbunden. Der erste Phasenmodulzweig 11, der dritte Phasenmodulzweig 18 und der fünfte Phasenmodulzweig 27 bilden ein positivseitiges Stromrichterteil 32; der zweite Phasenmodulzweig 13, der vierte Phasenmodulzweig 21 und der sechste Phasenmodulzweig 29 bilden ein negativseitiges Stromrichterteil 33.
Jeder Phasenmodulzweig weist eine Mehrzahl von Modulen (1_1, 1_2, 1_3, 1_4 ... l_n; 2_1 ... 2_n; usw.) auf, welche (mittels ihrer Modulanschlüsse) elektrisch in Reihe geschaltet sind. Diese Mehrzahl von Modulen bildet also eine elektrische Reihenschaltung. Beispielsweise bilden die Module 1_1, 1_2, 1_3, 1_4 ... l_n eine erste Reihenschaltung 35; diese Reihenschaltung 35 bildet zusammen mit einer Induktivität L den ersten Phasenmodulzweig 11. Als weiteres Beispiel bilden die Module 2_1, 2_2, 2_3, 2_4 ... 2_n eine zweite Reihenschaltung 36; diese zweite Reihenschaltung 36 bildet zusammen mit einer weiteren Induktivität L den zweiten Phasenmodulzweig 13 usw. Die anderen Phasenmodulzweige 18, 21, 27 und 29 sind gleichartig auf gebaut . Im Aus führungsbeispiel der Figur 1 weist j ede Reihenschaltung n Module auf ; j eder Phasenmodul zweig weist also n Module in dessen Reihenschaltung auf . Die Anzahl der mittels ihrer Modulanschlüsse elektrisch in Reihe geschalteten Module kann sehr verschieden sein, mindestens sind drei Module in Reihe geschaltet , es können aber auch beispielsweise 50 , 100 oder mehr Module elektrisch in Reihe geschaltet sein . Die Module werden auch als Submodule bezeichnet .
Durch den ersten Wechselspannungsanschluss 5 fließt ein erster Phasenstrom iLl ; durch den zweiten Wechselspannungsanschluss 7 fließt ein zweiter Phasenstrom iL2 und durch den dritten Wechselspannungsanschluss 9 fließt ein dritter Phasenstrom iL3 . Am ersten Wechselspannungsanschluss 5 tritt eine erste Phasenspannung uLl gegen Bezugspotential ( zum Beispiel Erde ) auf ; am zweiten Wechselspannungsanschluss 7 tritt eine zweite Phasenspannung uL2 auf und am dritten Wechselspannungsanschluss 7 tritt eine dritte Phasenspannung uL3 auf .
Durch die erste Reihenschaltung 35 (hier : durch den ersten Phasenmodul zweig 11 ) fließt ein erster Zweigstrom iCl (Reihenschaltungsstrom iCl ) ; durch die zweite Reihenschaltung 36 (hier : durch den zweiten Phasenmodul zweig 13 ) fließt ein zweiter Zweigstrom iC2 usw . An der ersten Reihenschaltung 35 (hier : am ersten Phasenmodul zweig 11 ) tritt eine erste Zweigspannung uCl ( erste Reihenschaltungsspannung uCl ) auf ; an der zweiten Reihenschaltung 36 (hier : am zweiten Phasenmodul zweig 13 ) tritt eine zweite Zweigspannung uC2 ( zweite Reihenschaltungsspannung uC2 ) auf usw . Zwischen dem ersten Gleichspannungsanschluss 16 und dem zweiten Gleichspannungsanschluss 17 tritt eine Gleichspannung UDC auf .
Im Zusammenhang mit Figur 1 wurde beispielhaft ein modularer Multilevelstromrichter 1 beschrieben, der eine Brückenschaltung aufweist . Der modulare Multilevelstromrichter kann aber auch anders aufgebaut sein, beispielsweise kann er auch eine Dreieckschaltung aufweisen oder eine Matrixschaltung . In Figur 2 ist ein Aus führungsbeispiel eines Moduls 200 des modularen Multilevelstromrichters 1 dargestellt . Bei dem Modul kann es sich beispielsweise um eines der in Figur 1 dargestellten Module 1_1 ... 6_n handeln .
Das Modul 200 ist als ein Halbbrücken-Modul 200 ausgestaltet . Das Modul 200 weist ein erstes ( abschaltbares ) elektronisches Schaltelement 202 ( erstes abschaltbares Halbleiterventil 202 ) mit einer ersten antiparallel geschalteten Diode 204 auf . Weiterhin weist das Modul 200 ein zweites ( abschaltbares ) elektronisches Schaltelement 206 ( zweites abschaltbares Halbleiterventil 206 ) mit einer zweiten antiparallel geschalteten Diode 208 sowie einen elektrischen Energiespeicher 210 in Form eines Kondensators 210 auf . Das erste elektronische Schaltelement 202 und das zweite elektronische Schaltelement 206 sind j eweils als ein IGBT ( insulated-gate bipolar transistor ) ausgestaltet . Das erste elektronische Schaltelement 202 ist elektrisch in Reihe geschaltet mit dem zweiten elektronischen Schaltelement 206 . Am Verbindungspunkt zwischen den beiden elektronischen Schaltelementen 202 und 206 ist ein erster galvanischer Modulanschluss 212 angeordnet . An dem Anschluss des zweiten elektronischen Schaltelements 206 , welcher dem Verbindungspunkt gegenüberliegt , ist ein zweiter galvanischer Modulanschluss 215 angeordnet . Der zweite Modulanschluss 215 ist weiterhin mit einem ersten Anschluss des Energiespeichers 210 elektrisch verbunden; ein zweiter Anschluss des Energiespeichers 210 ist elektrisch verbunden mit dem Anschluss des ersten elektronischen Schaltelements 202 , der dem Verbindungspunkt gegenüberliegt .
Der Energiespeicher 210 ist also elektrisch parallel geschaltet zu der Reihenschaltung aus dem ersten elektronischen Schaltelement 202 und dem zweiten elektronischen Schaltelement 206 . Durch entsprechende Ansteuerung des ersten elektronischen Schaltelements 202 und des zweiten elektronischen Schaltelements 206 durch eine Schaltelementeansteuerung ( Schaltelementeansteuerungseinrichtung) des Stromrichters kann erreicht werden, dass zwischen dem ersten Modulanschluss 212 und dem zweiten Modulanschluss 215 entweder die Spannung des Energiespeichers 210 ausgegeben wird oder keine Spannung ausgegeben wird ( d . h . eine Nullspannung ausgegeben wird) . Durch Zusammenwirken der Module der einzelnen Reihenschaltungen kann so die j eweils gewünschte Ausgangsspannung ucx an den einzelnen Phasenmodul zweigen und damit auch die Ausgangsspannung des Stromrichters erzeugt werden .
In Figur 3 ist ein weiteres Aus führungsbeispiel eines Moduls 300 des modularen Multilevelstromrichters dargestellt . Bei dem Modul 300 kann es sich beispielsweise um eines der in Figur 1 dargestellten Module 1_1 ... 6_n handeln . Neben den bereits aus Figur 2 bekannten ersten elektronischen Schaltelement 202 , zweiten elektronischen Schaltelement 206 , erster Freilauf diode 204 , zweiter Freilauf diode 208 und Energiespeicher 210 weist das in Figur 3 dargestellte Modul 300 ein drittes elektronisches Schaltelement 302 mit einer antiparallel geschalteten dritten Freilaufiode 304 sowie ein viertes elektronisches Schaltelement 306 mit einer vierten antiparallel geschalteten Freilauf diode 308 auf . Das dritte elektronische Schaltelement 302 und das vierte elektronische Schaltelement 306 sind j eweils als ein IGBT ausgestaltet . Im Unterschied zur Schaltung der Figur 2 ist der zweite Modulanschluss 315 nicht mit dem zweiten elektronischen Schaltelement 206 elektrisch verbunden, sondern mit einem Mittelpunkt (Verbindungspunkt ) einer elektrischen Reihenschaltung aus dem dritten elektronischen Schaltelement 302 und dem vierten elektronischen Schaltelement 306 .
Das Modul 300 der Figur 3 ist ein sogenanntes Vollbrücken- Modul 300 . Dieses Vollbrücken-Modul 300 zeichnet sich dadurch aus , dass bei entsprechender Ansteuerung der vier elektronischen Schaltelemente zwischen dem ersten ( galvanischen) Modulanschluss 212 und dem zweiten ( galvanischen) Modulanschluss 315 wahlweise entweder die positive Spannung des Energiespeichers 210 , die negative Spannung des Energiespeichers 210 oder eine Spannung des Wertes Null (Nullspannung) ausgegeben werden kann . Somit kann also mittels des Vollbrü- cken-Moduls 300 die Polarität der Ausgangsspannung umgekehrt werden .
Es gibt auch weitere Module von modularen Multilevelstrom- richtern, die hier nicht im Einzelnen dargestellt sind . Solche Module können beispielsweise mehr als einen Energiespeicher aufweisen, also zum Beispiel zwei Energiespeicher oder mehr als zwei Energiespeicher . Bei entsprechender Ansteuerung der Schaltelemente dieser Module kann zwischen dem ersten Modulanschluss und dem zweiten Modulanschluss zum Beispiel die Spannung Null , die Spannung eines der Energiespeicher in einer Polarität oder in beiden Polaritäten oder die Summe der Spannungen der mehreren Energiespeicher in einer Polarität oder in beiden Polaritäten ausgegeben werden .
In Figur 4 ist ein Aus führungsbeispiel einer Anordnung 405 und eines Verfahrens zum Ansteuern des modularen Multilevel- stromrichters 1 dargestellt . Von dem modularen Multilevel- stromrichter 1 ist in Figur 4 lediglich die erste Reihenschaltung 35 mit den Modulen 1_1 bis l_n dargestellt .
Die Anordnung 405 weist eine Regelung 410 und eine Schaltelementeansteuerung 413 auf . Dabei sind die Regelung 410 und die Schaltelementeansteuerung 413 auf einem programmierbaren Ein- Chip-Prozessorsystem 417 angeordnet . Die Regelung 410 und die Schaltelementeansteuerung 413 werden also von dem programmierbaren Ein-Chip-Prozessorsystem 417 ausgeführt bzw . sind mittels des Ein-Chip-Prozessorsystems 417 realisiert .
Das programmierbare Ein-Chip-Prozessorsystem 417 weist mindestens einen Prozessor 420 und eine programmierbare Logikschaltung 423 ( zum Beispiel ein sogenanntes programmierbares Logik-Gate-Array 423 , das auch als „Field Programmable Gate Array" bezeichnet wird) auf . Dabei ist der Prozessor 420 mittels eines entsprechenden Programms eingerichtet , die Regelung durchzuführen . Die programmierbare Logikschaltung 423 ist mittels eines entsprechenden Programms dazu eingerichtet , die Schaltelementeansteuerung durchzuführen . Dazu sind die zur Schaltelementeansteuerung benötigten logischen Funktionen mittels einer geeigneten Programmiersprache codiert und bei der Programmierung in die programmierbare Logikschaltung geladen worden . Die programmierbare Logikschaltung stellt also sozusagen eine vom Endnutzer individuell aus einzelnen Logikbefehlen / Logikelementen konfigurierbare ( zusammenstellbare ) Logikschaltung da, die nach dem Anlegen von Eingangssignalen an ihre Eingänge unmittelbar ( d . h . sehr schnell ) ein Ausgangssignal an ihren Ausgängen bereitstellt . Die programmierbare Logikschaltung 423 ist dem mindestens einen Prozessor 420 ( signal flussbezogen in Richtung des modularen Multilevel- stromrichters ) nachgeschaltet .
Das Ansteuern des modularen Multilevelstromrichters läuft im Aus führungsbeispiel folgendermaßen ab . Zuerst werden mittels Sensoren Messwerte von an dem Multilevelstromrichter auftretenden elektrischen Größen ermittelt . Diese elektrischen Größen sind die Phasenströme iLl , iL2 , iL3 , die Phasenspannungen uLl , uL2 , uL3 , die Zweigströme iCl...iC6 und die Gleichspannung UDC . Die Messwerte dieser Größen bilden Eingangsgrößen für die Regelung 410 .
Außerdem werden die an den Energiespeichern der einzelnen Module auftretenden Energiespeicherspannungen uS l ... uSn gemessen und diese Messwerte zu der programmierbaren Logikschaltung 423 übertragen . Die programmierbare Logikschaltung 423 summiert die Energiespeicherspannungen uS l ... uSn j eder Reihenschaltung auf unter Bildung einer Energiespeichersummenspannung ussum der Reihenschaltung . Diese Energiespeichersummenspannung ussum wird dann als weitere Eingangsgröße zu der Regelung 410 übertragen . Die Auf Summierung der Energiespeicherspannungen uS l ... uSn zu der Energiespeichersummenspannung ussum braucht nicht notwendigerweise in der programmierbaren Logikschaltung 423 zu erfolgen; dafür kann auch ein eigener Summenbilder verwendet werden . Weitere Eingangsgrößen sind Sollwerte iLl * , iL2 * und iL3* für die Phasenströme iLl , iL2 und iL3 . Die Eingangsgrößen werden von der Regelung eingelesen .
Die Regelung 410 ermittelt aus den Eingangsgrößen Sollwerte uCl * ... uC6* für die Zweigspannungen uCl ... uC6 , d . h . Sollwerte uCl * ... uC6* für die Spannungen uCl ... uC6 an den Reihenschaltungen . Die Details des Regelungsverfahrens sind im Rahmen dieser Beschreibung ohne Belang; die Ansteuerung ist nicht auf ein bestimmtes Regelungsverfahren eingeschränkt . Dem Fachmann sind verschiedenste Ausgestaltungen von derartigen Regelungsverfahren bekannt . Beispielsweise kann ein Regelungsverfahren mit mehreren Rückkopplungen verwendet werden, also zum Beispiel mit einer inneren Regelschlei fe und einer oder mehreren äußeren Regelschlei fen .
Die Sollwerte uCl * ... uC6* für die Zweigspannungen uCl ... uC6 werden daraufhin zu der programmierbaren Logikschaltung 423 übertragen und bilden Eingangsgrößen der Logikschaltung 423 . Die Logikschaltung 423 führt die Schaltelementeansteuerung durch, d . h . die Logikschaltung 423 ermittelt aus den Spannungssollwerten uCl * ... uC6* Schaltsignale S (Ansteuersignale S ) für die Schaltelemente der Module der sechs Reihenschaltungen . Dabei wird ermittelt , welche Module der j eweiligen Reihenschaltung eingeschaltet oder ausgeschaltet werden müssen, damit die an der Reihenschaltung auftretende Spannung dem Spannungssollwert für diese Reihenschaltung folgt . Dieser Vorgang wird auch als Modulation bezeichnet . Die Schaltelementeansteuerung wird in der programmierbaren Logikschaltung 423 als eine reine Verknüpfung von logischen Operationen ausgeführt , es ist dabei keine Regelung notwendig . Die Schaltsignale S werden daraufhin zu den Modulen der Reihenschaltung übertragen . Genauer gesagt , werden die Schaltsignale S zu den Schaltelementen der Module der Reihenschaltung übertragen . Durch die Schaltsignale werden die Schaltelemente entsprechend ein- oder ausgeschaltet , so dass an der Reihenschaltung die dem Spannungssollwert uCx* entsprechende Zweigspannung uCx auftritt . Die im Einzelnen in der Logikschaltung 423 durchzuführenden logischen Operationen sind im Rahmen dieser Beschreibung ohne Belang; die Ansteuerung ist nicht auf bestimmte logische Operationen eingeschränkt .
In Figur 5 ist beispielhaft der beim Ansteuern des modularen Multilevelstromrichters 1 gemäß Figur 4 auftretende Zeitablauf qualitativ dargestellt . In einem ersten Zeitabschnitt tl werden die Eingangsgrößen für die Regelung in den Prozessor 420 eingelesen . In einem darauf folgenden zweiten Zeitabschnitt t2 wird im Prozessor 420 die Regelung 410 ausgeführt und als Ausgangsgröße die Spannungssollwerte ucl * ... uc6* ermittelt . In einem dritten Zeitabschnitt t3 werden die Spannungssollwerte ucl * ... uc6* zu der programmierbaren Logikschaltung 423 übertragen . In einem vierten Zeitabschnitt t4 wird in der programmierbaren Logikschaltung 423 die Schaltelementeansteuerung 413 durchgeführt . In einem fünften Zeitabschnitt t5 werden die Schaltsignale S zu den Modulen der Reihenschaltung übertragen . Daraufhin werden durch die Schaltsignale S die Schaltelemente der Module der Reihenschaltung ein- oder ausgeschaltet .
Dabei ist zu erkennen, dass der dritte Zeitabschnitt t3 und der vierte Zeitabschnitt t4 vergleichsweise kurz sind . Der dritte Zeitabschnitt t3 (Übertragung der Spannungssollwerte ucl * ... uc6* vom Prozessor 420 zu der programmierbaren Logikschaltung 423 ) ist vorteilhafterweise kurz , weil sich der Prozessor 420 und die programmierbaren Logikschaltung 423 auf einem gemeinsamen Halbleiterchip befinden (Ein-Chip-Prozes- sorsystem) und daher die Übertragungswege sehr kurz sind .
Der vierte Zeitabschnitt t4 ( Durchführen der Schaltelementeansteuerung 413 in der programmierbaren Logikschaltung 423 ) ist vorteilhafterweise kurz , weil die programmierbare Logikschaltung 423 in einem einzigen Taktschritt ( oder in wenigen Taktschritten) mittels der programmierten Logik aus den Spannungssollwerten ucl * ... uc6* die Schaltsignale S ermittelt .
Dies erfolgt viel schneller, als wenn man beispielsweise mittels eines weiteren Prozessors unter Abarbeitung eines sequenziellen Programms aus den Spannungssollwerten ucl * ... uc6* die Schaltsignale S ermitteln würde . Aufgrund des kurzen dritten Zeitabschnitts t3 und des kurzen vierten Zeitabschnitts t4 lässt sich die Ansteuerung sehr schnell realisieren . Der dritte Zeitabschnitt t3 und der vierte Zeitabschnitt t4 können so kurz sein, dass sie in der Praxis nahezu vernachlässigt werden können .
Es wurde eine Anordnung und ein Verfahren beschrieben, mit denen ein modularer Multilevelstromrichter vergleichsweise schnell angesteuert werden kann . Dabei wird vorteilhafterweise ein programmierbares Ein-Chip-Prozessorsystem ( SoC ) verwendet , welches eine monolithische Integration von einem oder mehreren Prozessoren und mindestens einer programmierbaren Logikschaltung auf einem einzigen ( Schaltkreis- ) Chip aufweist . Dabei können mehrere gleichartige Prozessoren oder auch unterschiedliche Prozessoren integriert sein . Weiterhin kann die monolithische Integration auch weitere Komponenten umfassen, wie beispielsweise Speicher, Taktgeber, Bussysteme etc . Dies ermöglicht eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit .
Vorteilhafterweise wird die Regelung auf einem oder mehreren Prozessoren des programmierbaren Ein-Chip-Prozessorsystems ausgeführt und die auf Logikoperationen basierende Schaltelementeansteuerung wird in der programmierbaren Logikschaltung des programmierbaren Ein-Chip-Prozessorsystems ausgeführt .
Dadurch wird nur ein einziges programmierbares Ein-Chip-Prozessorsystem benötigt und die Ansteuerung kann vergleichsweise schnell erfolgen . Insbesondere reduziert sich bei der Ansteuerung die Gesamttotzeit . Weiterhin können auch vergleichsweise niedrige Hardware-Kosten erreicht werden, weil die Ansteuerung mit vergleichsweise wenigen Teilkomponenten durchgeführt werden kann . Be zugs Zeichen
1 modularer Multilevelstromrichter
5 erster Wechselspannungsanschluss 7 zweiter Wechselspannungsanschluss
9 dritter Wechselspannungsanschluss
11, 13, 18, 21, 27,29 Phasenmodul zweige
15, 24, 31 Phasenmodule 16, 17 Gleichspannungsanschluss
32 positivseitiges Stromrichterteil
33 negativseitiges Stromrichterteil
1_1, 1_2, ... , 6_n Modul 35 Reihenschaltung
200 Modul
202, 206 Schalt element 204, 208 Diode 210 Energie spei eher 212, 215 Modul ans chluss
300 Modul
302, 306 Schalt element 304, 308 Diode 315 Modul ans chluss
405 Anordnung
410 Regelung
413 Schalt element eansteuerung 417 programmierbares Ein-Chip-Prozessor system
420 Prozessor
423 programmierbare Logikschaltun iLl, iL2, iL3 Phasenströme iLl*, iL2*, iL3* Sollwerte für Phasenströme uLl, uL2, uL3 Phasenspannungen iCl ... iC6 Zweigströme uCl ... uC6 Zweigspannungen uCl * ... uC6* Sollwerte für Zweigspannungen
UDC Gleichspannung uS l ... uSn Energiespeicherspannungen us sum Energie spei eher summenspannung L Induktivität tl ... t5 Zeitabschnitte

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Ansteuern eines modularen Multilevelstrom- richters (1) , der mindestens eine elektrische Reihenschaltung (35) von Modulen (1_1, 1_2, 1_3, 1_4 ... l_n) aufweist, wobei die Module jeweils mindestens zwei elektronische Schaltelemente (202, 206) und einen elektrischen Energiespeicher (210) aufweisen, wobei bei dem Verfahren
- mittels einer Regelung (410) Spannungssollwerte (uCl*) für die Reihenschaltung (35) ermittelt werden, und
- mittels einer Schaltelementeansteuerung (413) aus den Spannungssollwerten (uCl*) Schaltsignale (S) für die Schaltelemente (202, 206) der Module der Reihenschaltung (35) ermittelt werden, wobei
- die Regelung (410) und die Schaltelementeansteuerung (413) mittels eines programmierbaren Ein-Chip-Prozessorsystems
(417) durchgeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
- das programmierbare Ein-Chip-Prozessorsystem (417) mindestens einen Prozessor (420) und eine programmierbare Logikschaltung (423) aufweist, wobei mittels des mindestens einen Prozessors (420) die Regelung (410) durchgeführt wird und mittels der programmierbaren Logikschaltung (423) die Schaltelementeansteuerung (413) durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
- die programmierbare Logikschaltung (423) dem mindestens einen Prozessor (420) nachgeschaltet ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Module (200) jeweils einen ersten Modulanschluss (212) und einen zweiten Modulanschluss (215) aufweisen und dazu eingerichtet sind, zwischen dem ersten Modulanschluss (212) und dem zweiten Modulanschluss (215) die Spannung Null oder mindestens die Spannung des Energiespeichers (210) in einer Polarität auszugeben.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Module (300) jeweils einen ersten Modulanschluss (212) , einen zweiten Modulanschluss (315) und zwei weitere elektronische Schaltelemente (302, 306) aufweisen und dazu eingerichtet sind, zwischen dem ersten Modulanschluss (212) und dem zweiten Modulanschluss (315) die Spannung Null, mindestens die Spannung des Energiespeichers (210) in einer Polarität oder mindestens die Spannung des Energiespeichers (210) in der entgegengesetzten Polarität auszugeben.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Multilevelstromrichter (1) mehrere Reihenschaltungen von Modulen (1_1, 1_2, 1_3, 1_4 ... l_n; 2_1 ... 2_n; ... ; 6_1 ... 6_n) aufweist, die in einer Brückenschaltung, einer Dreieckschaltung oder einer Matrixschaltung angeordnet sind.
7. Anordnung zum Ansteuern eines modularen Multilevelstrom- richters (1) , der mindestens eine elektrische Reihenschaltung (35) von Modulen (1_1, 1_2, 1_3, 1_4 ... l_n) aufweist, wobei die Module jeweils mindestens zwei elektronische Schaltelemente (202, 206) und einen elektrischen Energiespeicher (210) aufweisen,
- mit einer Regelung (410) , die eingerichtet ist, Spannungssollwerte (uCl*) für die Reihenschaltung (35) zu ermitteln, und
- mit einer Schaltelementeansteuerung (413) , die eingerichtet ist, aus den Spannungssollwerten (uCl*) Schaltsignale (S) für die Schaltelemente (202, 206) der Module der Reihenschaltung (35) zu ermitteln, wobei
- die Regelung (410) und die Schaltelementeansteuerung (413) mittels eines programmierbaren Ein-Chip-Prozessorsystems
(417) realisiert sind.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
- das programmierbare Ein-Chip-Prozessorsystem (417) mindestens einen Prozessor (420) und eine programmierbare Logikschaltung (423) aufweist, wobei der mindestens eine Prozessor (420) eingerichtet ist, die Regelung (410) durchzuführen und die programmierbare Logikschaltung (423) eingerichtet ist, die Schaltelementeansteuerung (413) durchzuführen.
9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass
- die programmierbare Logikschaltung (423) dem mindestens einen Prozessor (420) nachgeschaltet ist.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Module (200) jeweils einen ersten Modulanschluss (212) und einen zweiten Modulanschluss (215) aufweisen und dazu eingerichtet sind, zwischen dem ersten Modulanschluss (212) und dem zweiten Modulanschluss (215) die Spannung Null oder mindestens die Spannung des Energiespeichers (210) in einer Polarität auszugeben.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Module (300) zusätzlich mindestens zwei weitere elektronische Schaltelemente (302, 306) aufweisen und dazu eingerichtet sind, zwischen dem ersten Modulanschluss (212) und dem zweiten Modulanschluss (315) die Spannung Null, mindestens die Spannung des Energiespeichers (210) in einer Polarität oder mindestens die Spannung des Energiespeichers (210) in der entgegengesetzten Polarität auszugeben.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Multilevelstromrichter (1) mehrere Reihenschaltungen von Modulen (1 1, 1 2, 1 3, 1 4 ... 1 n; 2 1 ... 2 n; ; 6 1 ... 6_n) aufweist , die in einer Brückenschaltung, einer Dreieckschaltung oder einer Matrixschaltung angeordnet sind .
EP21769070.0A 2021-08-19 2021-08-19 Anordnung und verfahren zum ansteuern eines modularen multilevelstromrichters Pending EP4352869A1 (de)

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