WO2016050532A1 - Modularer multilevelumrichter mit zentralem kondensator am zwischenkreis - Google Patents

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WO2016050532A1
WO2016050532A1 PCT/EP2015/071430 EP2015071430W WO2016050532A1 WO 2016050532 A1 WO2016050532 A1 WO 2016050532A1 EP 2015071430 W EP2015071430 W EP 2015071430W WO 2016050532 A1 WO2016050532 A1 WO 2016050532A1
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converter
voltage
series
circuit
level
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PCT/EP2015/071430
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English (en)
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Inventor
Gopal Mondal
Matthias Neumeister
Sebastian Nielebock
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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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
    • 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 present invention relates to a method for converting electrical energy by means of a Mehrpegelenergywand ⁇ lers, in which at an AC voltage terminal an elec ⁇ tric AC voltage and at a dc connected to a DC voltage DC voltage connection, a DC electrical voltage is provided, wherein the electrical energy by means of at least one is connected to the DC ⁇ voltage connection of the multi-level energy converter ⁇ nen converter circuit is converted, for which purpose the converter circuit a plurality of series connected
  • Converter units comprising a converter unit capacitor and provides a center connection coupled to the AC voltage terminal, wherein the converter circuit is controlled by means of a control unit to convert the electrical energy.
  • the invention further relates to a multi-level energy converter for converting supplied electrical energy, with an AC terminal and a DC terminal for supplying and discharging the electrical energy and with a control unit, wherein the multi-level energy converter has a first converter circuit which is connected to the DC voltage terminal of the multi-level energy converter and the plurality connected in series
  • Converter units comprising a converter unit capacitor and which provides a center terminal coupled to the AC terminal, wherein the converter circuit is connected to a control unit for controlling to convert the electrical energy.
  • Multi-level energy converters and methods for their operation are basically known, so there is no need for a separate pressure ⁇ written proof for this.
  • Such energy converters are frequently used in the field of high-voltage direct current (HVDC) transmission, with DC clamping being used. in the range of several 100 kV and in the range of 1 GW.
  • HVDC high-voltage direct current
  • multi-level energy converters are used bidirectionally, so that so ⁇ well electrical energy from the AC voltage side to the DC voltage side and vice versa can be converted.
  • the conversion is performed without any substantial alteration of the ⁇ n ⁇ voltage level, that is, that the level of a maximum amplitude of the AC voltage is substantially equal to a level of the DC voltage intermediate circuit.
  • the multi-level energy converter Due to the circuit structure, the control of the converter units is comparatively reliable compared to alternative circuit concepts, which is why the multi-level energy converter is particularly suitable for applications in the HVDC sector.
  • the multi-level energy converter with the generic design does not require a DC link capacitor at the DC link, which otherwise would be very complicated and expensive when used in the HVDC sector.
  • the converter capacitors By the converter capacitors a corresponding support of the DC voltage intermediate circuit is achieved.
  • the converter capacitors are sorted ⁇ but equipped with a certain minimum capacity leading to an overall relatively large design of the multilevel converter.
  • Generic multi-level energy converters are called in the English literature also Modular Multi Level Converter or MMC or M2C.
  • Multi-level energy converters of the generic type have proven themselves in the use of the aforementioned type in power engineering. Basically, can such multi-level power converter ⁇ course also be used at lower voltages. In this case, the advantage of very high efficiency, low switching losses and high reliability compared to other energy converters can be used.
  • each of the converter ⁇ units of the multi-level energy converter has a comparatively large converter unit capacitor.
  • the converter It is therefore important to choose a high capacitance capacitor because it has to store almost the energy of a half-wave of the fundamental AC voltage. This makes the converter unit capacitor large and expensive. In high-voltage applications, this aspect is not significant in that, in high-voltage applications, a very expensive high-voltage capacitor in the DC link can basically be saved.
  • the invention has the object of developing a multi-level ⁇ energy converter and a method for its operation to the effect that his effort in particular for
  • the invention particularly proposes that the converter units be controlled in such a way that a current circulates through the converter units.
  • control unit is directed a ⁇ to allow a current through the converter units circulates lose.
  • the invention utilizes the knowledge to a process for Steue ⁇ tion of a multi-level power converter and a multilevel ⁇ energy converter further develop using a circulating current is provided by means of which the respective electrical
  • the invention is based on the realization that in generic Mehrpegel energie ⁇ converters the converter unit capacitors depending on the control by the control unit must withstand high voltages and a large current ripple. In order to be able to comply with these conditions, large film capacitors are used in the prior art. With the invention, it is now possible to significantly reduce the capacity of the converter unit capacitors. As a result, both the size and costs for the multi-level energy converter can be significantly reduced.
  • the multi-level energy converter can thereby also become attractive for low-voltage applications.
  • the invention uses the generation of a circulation current through all converter unit capacitors and a DC voltage intermediate circuit capacitor or a supplementary circulation capacitor, which is connected in parallel to the converter circuit.
  • the circulation capacitor is preferably to be adapted in terms of capacity to the control method according to the invention adapted to choose. It proves to be advantageous that - in contrast to Hochwoodsanwendun ⁇ conditions - the use of capacitors on the DC link basically can be made relatively straightforward.
  • the cost of the circulation capacitor which is required in addition to a corresponding adjustment of the control in addition to the invention, is outweighed by the potential savings on the converter unit capacitors. Overall, this results in a reduction in the effort for the multi-level energy converter.
  • DC intermediate circuit can also be provided that the circulation current circulates at least partially through the parallel ⁇ switched converter circuits. A capacitor can then be saved.
  • low-voltage means in particular a definition according to Directive 2006/95 / EC of the European Parliament and of the Council of 12 December 2006 on the approximation of the laws of the Member States relating to electrical equipment designed for use within certain voltage limits.
  • the invention is not limited to this voltage range, but can also be used in the range of the medium voltage, which may preferably include a voltage range greater than 1 kV up to and including 52 kV.
  • the method according to the invention or the multi-level energy converter according to the invention it is possible to convey electrical energy from the AC voltage connection to the DC voltage connection or vice versa.
  • the multi ⁇ level energy converter makes a corresponding conversion. For this purpose, at the DC voltage intermediate circuit of the
  • Multi-level energy converter connected to the converter circuit with a Rei ⁇ henscrien, which series circuit comprises a plurality of series-connected converter units.
  • a Rei ⁇ henscrien which series circuit comprises a plurality of series-connected converter units.
  • two or three or more such converter circuits may also be connected to the DC intermediate circuit.
  • connection or connection connection provides the change ⁇ pannungsancript.
  • Converter circuits connected to the intermediate circuit there is also the possibility that the converter circuits are connected in parallel at least partially with respect to the Gleichthesesanschlus ⁇ ses and the AC voltage terminal .
  • Each of the converter units itself has in each case a series ⁇ circuit of two switching elements, to which the
  • Converter unit capacitor is connected in parallel.
  • the switching elements By means of the switching elements, the converter unit capacitor in be predeterminably included in the conversion process.
  • the switching elements are connected to a control unit which controls the switching elements in a suitable manner.
  • the basic control method with respect to the wall of one energy by means of a multi-level power converter is the professional basically known, so that the present case is ver ⁇ dispensed to a de ⁇ waisted representation of the conversion process.
  • a switching element for the purposes of this disclosure is preferably a controllable electronic switch element, Example ⁇ , a controllable electronic semiconductor switch, such as a transistor, a thyristor, combination scarf ⁇ obligations thereof, preferably (with parallel-connected freewheeling diodes, a gate turn-off thyristor GTO ), an isolated gate bipolar transistor (IGBT), combinations thereof, or the like.
  • the semiconductor switch may also be formed by a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET).
  • MOSFET metal oxide semiconductor field effect transistor
  • the switching element is controllable by the control unit.
  • the control unit preferably determines the conditions which cause the activation or deactivation of the entspre ⁇ sponding part of the transducer units.
  • the control unit with sensors relevant parameters, such as the switching elements of the converter unit ⁇ capacitors of the converter circuit and / or the like can detect.
  • Parameters may be, for example, an electrical current, an electrical voltage, an electrical power, a phase shift between an electrical voltage and an associated electrical current, combinations thereof, or the like.
  • the converter unit capacitor may be formed by a film capacitor, a ceramic capacitor, but also by an electrolytic capacitor suitable for frequency applications or the like.
  • the converter unit capacitor may also be formed by a combination of a plurality of individual capacitors, in particular of different types as mentioned above.
  • An embodiment of the invention provides that the converter units have the switching structure of a half-bridge with regard to the switching elements.
  • the transducer unit is the reason ready means of which the rows ⁇ circuit of the converter units can be realized by two terminals. One of the connections is through the connection port of the
  • the control unit controls the switching elements according to the dung OF INVENTION ⁇ so that a current through the
  • Converter unit capacitors of the converter units and possibly circulating the circulating capacitor circulates.
  • the circulating current is selected such that an electrical voltage is maintained at the converter unit capacitors.
  • this can be achieved by flowing the circulating current through a central capacitor such as a DC link capacitor, a supplemental circulating capacitor or the like.
  • This is a particularly effective operation can be achieved, can be selected to be particularly small in the Kapazitä ⁇ th of the transducer unit capacitors.
  • a further embodiment of the invention provides that the circulating current is chosen such that a voltage Change is minimal to the converter unit capacitors.
  • This embodiment makes it possible to minimize the influence of the circulating current on the intended conversion of the multi-level ⁇ energy converter. It can be achieved that a ripple voltage to the converter unit ⁇ capacitors and / or a capacitance value of the converter unit capacitors are reduced. The latter makes it possible to reduce dimensions of weight and / or the like of the converter unit capacitors.
  • a further embodiment of the invention proposes that a period for the circulating current is determined as a function of an electrical energy acting on the converter unit capacitors.
  • This control function can be achieved in a simple manner, which allows to achieve the best possible interpretation of Wandlerein ⁇ integrated capacitors.
  • the period can be determined, for example, by first determining an average energy of the converter capacitors. For this purpose it can be provided that the sum of the energies of all converter unit capacitors is determined and related to their number. For example, it can be provided that the sum of the energies of all converter unit capacitors is divided by the number of converter unit capacitors. In an embodiment, it can be provided that the average energy for one or all converter scarf ⁇ tions is determined separately. In an alternative Substituted ⁇ staltung may further be provided that the average energy for all conversion circuits is determined in common. According to a deviation of a current energy of a
  • Converter unit capacitor with respect to the average energy is added to this converter unit capacitor according to energy or discharged. This is preferably carried out separately for all converter unit capacitors of a respective converter circuit or jointly for all converter circuits.
  • the circulating current is determined such that a total of Ener ⁇ gie shortungen the transducer unit capacitors is minimized is proposed.
  • This embodiment particularly takes into account the case where the converter unit capacitors of the converter units are not uniformly stressed during the walling. It allows this configuration to find a optima ⁇ le design that is optimized for the overall arrangement of the multi-level power converter and the operation of the wall one.
  • each converter unit has two parallel series ⁇ circuits with two switching elements. This makes it possible to form the circuit structure of a full bridge with respect to each converter unit.
  • Conversion unit ports are provided through the respective mid Elan ⁇ connections of the two series circuits of the switching elements.
  • the flexibility with respect to the control of the multi-level energy converter can be improved, and at the same time fault currents can be reduced, which can occur when a short-circuit occurs on the DC side.
  • the DC voltage at the DC voltage intermediate circuit of any polarity can be, making the Flexi ⁇ stability is further increased.
  • an increased effort with respect to the control is required because a correspondingly larger number of switching elements is to be controlled.
  • Semiconductor switches as switching elements are operated in accordance with this disclosure in the switching mode.
  • the switching operation of a semiconductor switch means that in an on scarf ⁇ ended state between the switching path forming arrival circuits of the semiconductor switch is a very low electrical resistance is provided, so that a high current flow is possible with very small residual stress.
  • the switching path of the semiconductor scarf ⁇ ters high impedance, that is, it provides a high elek- fresh resistance, so even at high, at the
  • Switching path applied electrical voltage substantially no or only a very small, especially negligible current flow is present. This differs from a linear operation, which is not used in multi-level energy converters of the generic type.
  • a development of the invention provides that a connection inductance is connected between the connection of the series circuit inductances and the AC voltage connection.
  • This intermediary Terminal inductance he ⁇ laubt to adapt the multi-level power converter AC side better.
  • a plurality of series connected conversion units and a respective other AC voltage connection be ⁇ riding alternate end of the series circuit are connected in two series-connected series circuit inductors each comprising on the DC voltage intermediate circuit of the multi ⁇ level energy converter two further series circuits, wherein the control unit is adapted entspre ⁇ accordingly to control the switching elements of a three-phase alternating voltage network.
  • the chosen structure may also by a comparatively slight extra effort on the part of controlling a simp ⁇ che adjustment for a three-phase alternating current network ER enough.
  • the AC voltages of the three-phase alternating voltage network are basically the same, but only shifted by 120 °.
  • the circulating current circulates only by one of the three series connections.
  • the controller can control the switching elements ent ⁇ accordingly. It can be provided that the circulating current is cyclically switched from one of the three series circuits to another. In addition, it can also be provided that the circulating current flows at least simultaneously through the three series circuits.
  • the invention thus uses a combination of the zircon ⁇ culation capacitor with the appropriate control of
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram for a multi- ⁇ gelenergywandler according to the invention
  • FIG 2 is a schematic circuit diagram for a first extended ⁇ staltung a transducer unit for the multi-level ⁇ energy converter of FIG 1,
  • FIG. 3 shows a schematic circuit diagram representation for a second embodiment of a converter unit for the multi-level energy converter according to FIG. 1, 4 shows schematically a diagram in which by means of two
  • FIG. 3 is a graph schematically illustrating a diagram representing an intermediate circuit voltage of the multi-level energy converter according to the invention, and is a schematic diagram showing an electric voltage across a power supply
  • Converter unit capacitor of the multi-level energy converter according to the invention a representation like FIG 4, but without the circu lierenden current according to the invention, a representation like FIG 5, but without the zirku lierenden current according to the invention, a representation like FIG 6, but without the zirku lierenden Current according to the invention, a representation as in FIG 4, with the circulating current according to the invention, however, without circulation capacitor,
  • FIG 11 with the circulating current according to the invention, however, without circulating capacitor, and a representation as in FIG 6, with the circulating current according to the invention, however, without circulation capacitor.
  • the multi-level energy converter 10 comprises three AC terminals 12, 14, 16, and a DC terminal 20 for supplying and Abon ⁇ ren of electrical energy and a control unit.
  • the control unit is not shown in the figure.
  • the multi-level energy converter 10 is controlled such that the three AC voltage terminals 12, 14, 16 are operated in a three-phase operation in which the AC voltages at the three AC voltage terminals 12, 14, 16 are temporally offset by 120 °.
  • the multi-level energy converter 10 further comprises a DC voltage intermediate circuit 18, to which the DC voltage terminal 20 is connected.
  • a DC voltage intermediate circuit 18 In addition to the DC voltage intermediate circuit 18 three converter circuits in
  • Each of the three series circuits 22, 24, 28 comprises a plurality of converter units 28 connected in series.
  • the multi-level energy converter 10 according to the invention is therefore modularly formed from converter units 28.
  • the series circuits 22, 24, 28 have an even number of converter units 28.
  • a further series connection of two series-connected inductances 30 (L arm ) connected in series is connected in the series circuit 22, 24, 28.
  • the series connection inductances 30 form a connection point, which respectively provides the AC voltage connections 12, 14, 16.
  • the converter unit 28 comprises a series connection of two switching elements, which is formed in the present case by IGBTs 34, 36.
  • a converter unit capacitor 38 is connected in parallel.
  • the wall 28 provides ⁇ lerritt conversion unit ports 50, 52 ready which allow the converter unit 28 to be connected in a predetermined manner in the respective series circuit 20, 22, 24 in the multi-level energy converter 10.
  • the converter unit 28 thus provides the circuit structure of a half-bridge.
  • FIG 3 shows an alternative embodiment for a transducer ⁇ unit 32, which can be used alternatively for the converter unit 28 in the electrical circuit of FIG 1.
  • the transducer unit 32 according to FIG 3 comprises two parallel only ⁇ switched series circuits each with two switching elements, here also IGBTs 34, 36, 44, 46. These series scarf ⁇ obligations connected in parallel again, a transducer unit ⁇ capacitor 38.
  • Central terminals of the series circuits STEL len terminals 54 , 56 of the converter unit 32 by means of which they, like the converter unit 28 with the terminals 50, 52, can be connected in the electrical circuit of the multi-level energy converter 10.
  • the multi-level energy converter 10 uses only one type of converter units, namely either the converter unit 28 or the converter unit 32.
  • a circulation capacitor 42 is connected to the DC voltage intermediate circuit 18. Furthermore, it is shown in FIG. 1 that a current circulates through the first series circuit 22 and the circulation capacitor 42. This serves the wall ⁇ lerappelskondensatoren 38 of the converting units 28 to beat acted upon in order to control the voltage and to reduce current ripple on the converter unit capacitors 38th As a result, the effort with respect to the individual converter units 28, 32 can be reduced, so that the expense for the multi-level ⁇ energy converter 10 can be reduced overall. This makes its application attractive even at low voltage. In addition, the circulation capacitor 42 causes that in the three-phase operation of the multi-level energy lers 10 this AC side can be controlled easily and independently of interphase conditions.
  • the circulating current 40 between the converter unit capacitors 38 and the circulation capacitor 32 is required. It is advantageous to find a suitable value for the circulating current 40 to avoid any adverse effects.
  • a voltage deviation across the converter unit capacitor 38 may be represented as follows:
  • the voltage deviation as previously determined, can be positive or negative, depending on the current state of charge of the battery
  • Converter unity capacitor 38 The sign of the deviation determines whether the converter unit capacitor 38 must be charged or discharged.
  • the converter unit capacitor 38 may be charged or discharged by an impressed current i adjust .
  • the current flows through the converter unit capacitor 38 to minimize the aforementioned voltage deviation.
  • the current generates a voltage change across the converter unit capacitor 38, which is given by:
  • the time T denotes a time during which the circulating ⁇ de current 40 i adjust flows.
  • the energy of the converter unit capacitor 38 with respect to the voltage deviation Av err x is defined by
  • the current i acij ust should minimize the optimization function.
  • the multiplication by the value 2 is required because two series circuit inductances 30 per series circuit 22, 24, 26 (FIG. 1) are provided. Therefore, to generate a current 40i adjust, a voltage drop across the series-connected inductor 30 is low
  • FIGS. 4 to 6 schematically show diagrams in which the multi-level energy converter 10 according to the invention has the circulating current 40 and the circulation capacitor 42.
  • the graph 64 shows an electrical voltage at one of the AC voltage terminals 12, 14, 16 and the current flowing at this terminal by means of a graph 66.
  • the ordinate indicates the corresponding values in volts (V) and in amps (A).
  • the abscissa shows the time in seconds.
  • FIG. 5 shows an associated representation of the intermediate circuit voltage on the DC voltage intermediate circuit 18 with a graph 58. It can be seen that the intermediate circuit voltage at the DC bus voltage
  • DC voltage intermediate circuit 18 is substantially constant at about 700 V.
  • the alternating voltage and the alternating current are essentially undisturbed, as can be recognized from the graphs 64, 66 according to FIG.
  • FIG. 6 shows, by way of example for one of the converter unit capacitors 38, a corresponding voltage curve on the basis of the graph 60.
  • FIGS. 7 to 9 show a comparable representation to FIGS. 4 to 6, but in this simulation no circulating current 40 is provided. It can be seen from FIG. 7 that, although the alternating voltage according to the graph 64 is still substantially undisturbed, interference with the graph 66 with respect to the current results. Accordingly, in the intermediate circuit voltage at the DC voltage intermediate circuit 18, a corresponding increase can be seen with reference to the graph 58.
  • FIG. 9 also shows a corresponding voltage development on the basis of the graph 60 for the electrical voltages applied to the converter unit capacitors 60.
  • FIG 10 to 12 show corresponding to Figure 4 to 6 Dia ⁇ programs.
  • a circulating compensation current 40 is provided in the simulation according to FIGS. 10 to 12, but the circulation capacitor 42 is missing.
  • FIG graph 64 is substantially undisturbed, however, the current waveform ge ⁇ Wegss the graph 66 significant disturbance on. Accordingly, a voltage rise at constant tension ⁇ voltage intermediate circuit 80 according to the graph 58 to ver ⁇ is also drawing shown in FIG. 11
  • a DC voltage of 700 V and an AC voltage of 400 V effectively between the phases at the AC voltage terminals 12, 14, 16 shown in FIG 1 at 50 Hz.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Mehrpegelenergiewandler (10) zum Wandeln von zugeführter elektrischer Energie, mit einem Wechselspannungsanschluss (12) sowie einem Gleichspannungsanschluss (20) zum Zuführen und zum Abführen der elektrischen Energie sowie mit einer Steuereinheit, wobei der Mehrpegelenergiewandler (10) eine erste Wandlerschaltung aufweist, die am Gleichspannungsanschluss (20) des Mehrpegelenergiewandlers (10) angeschlossen ist und die mehrere in Reihe geschaltete Wandlereinheiten (28, 32) mit einem Wandlereinheitskondensator (38) umfasst und die einen mit dem Wechselspannungsanschluss (12) gekoppelten Mittelanschluss bereitstellt, wobei die Wandlerschaltung zum Steuern an eine Steuereinheit angeschlossen ist, um die elektrische Energie zu wandeln. Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit eingerichtet, einen Strom (40) durch die Wandlereinheiten (28, 32) zirkulieren zu lassen.

Description

Beschreibung
Modularer Multilevelumrichter mit zentralem Kondensator am Zwischenkreis
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wandeln von elektrischer Energie mittels eines Mehrpegelenergiewand¬ lers, bei dem an einem Wechselspannungsanschluss eine elek¬ trische Wechselspannung und an einem an einem Gleichspan- nungszwischenkreis angeschlossenen Gleichspannungsanschluss eine elektrische Gleichspannung bereitgestellt wird, wobei die elektrische Energie mittels wenigstens einer am Gleich¬ spannungsanschluss des Mehrpegelenergiewandlers angeschlosse¬ nen Wandlerschaltung gewandelt wird, zu welchem Zweck die Wandlerschaltung mehrere in Reihe geschaltete
Wandlereinheiten mit einem Wandlereinheitskondensator umfasst und einen mit dem Wechselspannungsanschluss gekoppelten Mit- telanschluss bereitstellt, wobei die Wandlerschaltung mittels einer Steuereinheit gesteuert wird, um die elektrischen Ener- gie zu wandeln. Die Erfindung betrifft ferner einen Mehrpegelenergiewandler zum Wandeln von zugeführter elektrischer Energie, mit einem Wechselspannungsanschluss sowie einem Gleichspannungsanschluss zum Zuführen und zum Abführen der elektrischen Energie sowie mit einer Steuereinheit, wobei der Mehrpegelenergiewandler eine erste Wandlerschaltung aufweist, die am Gleichspannungsanschluss des Mehrpegelenergiewandlers angeschlossen ist und die mehrere in Reihe geschaltete
Wandlereinheiten mit einem Wandlereinheitskondensator umfasst und die einen mit dem Wechselspannungsanschluss gekoppelten Mittelanschluss bereitstellt, wobei die Wandlerschaltung zum Steuern an eine Steuereinheit angeschlossen ist, um die elektrische Energie zu wandeln.
Mehrpegelenergiewandler sowie Verfahren zu deren Betrieb sind dem Grunde nach bekannt, sodass es eines gesonderten druck¬ schriftlichen Nachweises hierfür nicht bedarf. Derartige Energiewandler werden häufig im Bereich einer Hochspannungs- Gleichspannungsübertragung (HGÜ) eingesetzt , wobei Gleichspan- nungen im Bereich von mehreren 100 kV sowie Leistungen im Bereich von 1 GW vorgesehen sind. Vorzugsweise werden solche Mehrpegelenergiewandler bidirektional eingesetzt, sodass so¬ wohl elektrische Energie von der Wechselspannungsseite zur Gleichspannungsseite als auch umgekehrt gewandelt werden kann. Üblicherweise erfolgt die Wandlung ohne wesentliche Än¬ derung der Spannungspegel, das heißt, dass der Pegel einer maximalen Amplitude der Wechselspannung im Wesentlichen einem Pegel des Gleichspannungszwischenkreises entspricht.
Aufgrund der Schaltungsstruktur ist die Steuerung der Wandlereinheiten gegenüber alternativen Schaltungskonzepten vergleichsweise betriebssicher, weshalb sich der Mehrpegelenergiewandler besonders für Anwendungen im Bereich der HGÜ eig- net. Darüber benötigt der Mehrpegelenergiewandler mit dem gattungsgemäßen Aufbau am Zwischenkreis keinen Zwischenkreis- kondensator, der im Übrigen bei der Anwendung im Bereich HGÜ sehr aufwendig und teuer ausfallen würde. Durch die Wandlerkondensatoren wird eine entsprechende Stützung des Gleich- spannungszwischenkreises erreicht. Zu diesem Zweck sind je¬ doch die Wandlerkondensatoren mit einer gewissen Mindestkapazität auszurüsten, die insgesamt zu einer vergleichsweise großen Bauform des Mehrpegelwandlers führt. Gattungsgemäße Mehrpegelenergiewandler werden in der englischsprachigen Literatur auch Modular Multi Level Converter oder MMC oder auch M2C genannt.
Mehrpegelenergiewandler der gattungsgemäßen Art haben sich bei dem Einsatz der vorgenannten Art in der Energietechnik bewährt. Dem Grunde nach können derartige Mehrpegelenergie¬ wandler natürlich auch bei niedrigeren Spannungen eingesetzt werden. Dabei kann der Vorteil des sehr hohen Wirkungsgrads, der geringen Schaltverluste sowie der hohen Zuverlässigkeit im Vergleich zu anderen Energiewandlern genutzt werden. Dabei erweist es sich jedoch als nachteilig, dass jede der Wandler¬ einheiten des Mehrpegelenergiewandlers einen vergleichsweise großen Wandlereinheitskondensator aufweist. Der Wandlerein- heitskondensator ist deshalb hinsichtlich der Kapazität groß zu wählen, weil er nahezu die Energie einer Halbschwingung der fundamentalen Wechselspannung zu speichern hat. Dadurch wird der Wandlereinheitskondensator groß und teuer. Bei Hoch- spannungsanwendungen fällt dieser Aspekt insofern nicht in dem Maße ins Gewicht, als dass bei Hochspannungsanwendungen ein sehr teurer Hochspannungskondensator im Zwischenkreis dem Grunde nach eingespart werden kann. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mehrpegel¬ energiewandler sowie ein Verfahren zu seinem Betrieb dahingehend weiterzubilden, dass sein Aufwand insbesondere für
Niederspannungsanwendungen reduziert werden kann. Als Lösung wird mit der Erfindung ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 vorgeschlagen. Darüber hinaus wird mit dem weiteren unabhängigen Anspruch 7 ein Mehrpegelenergiewandler gemäß der Erfindung vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich anhand von Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Bei einem gattungsgemäßen Verfahren wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass die Wandlereinheiten derart gesteuert werden, dass ein Strom durch die Wandlereinheiten zirkuliert.
In Bezug auf den Mehrpegelenergiewandler wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass die Steuereinheit ein¬ gerichtet ist, einen Strom durch die Wandlereinheiten zirku- lieren zu lassen.
Die Erfindung nutzt die Erkenntnis, ein Verfahren zur Steue¬ rung eines Mehrpegelenergiewandlers sowie einen Mehrpegel¬ energiewandler weiterzubilden, indem ein Zirkulationsstrom bereitgestellt wird, mittels dem die jeweilige elektrische
Spannung an den Wandlereinheitskondensatoren sowie ein Strom- rippel über den Wandlereinheitskondensatoren der Wandlereinheiten reduziert werden kann. Dabei basiert die Erfindung auf der Erkenntnis, dass bei gattungsgemäßen Mehrpegelenergie¬ wandlern die Wandlereinheitskondensatoren abhängig von der Steuerung durch die Steuereinheit großen Spannungen und einem großen Stromrippel standhalten müssen. Um diese Bedingungen einhalten zu können, werden im Stand der Technik große Folienkondensatoren eingesetzt. Mit der Erfindung ist es nunmehr möglich, die Kapazität der Wandlereinheitskondensatoren erheblich zu reduzieren. Dadurch können sowohl die Baugröße als auch Kosten für den Mehrpegelenergiewandler deutlich redu- ziert werden.
Insbesondere kann der Mehrpegelenergiewandler dadurch auch für Niederspannungsanwendungen attraktiv werden. Dabei nutzt die Erfindung das Erzeugen eines Zirkulationsstromes durch sämtliche Wandlereinheitskondensatoren und einen Gleichspan- nungszwischenkreiskondensator oder einen ergänzenden Zirkulationskondensator, der an der Wandlerschaltung parallel anschlössen ist. Der Zirkulationskondensator ist vorzugsweise hinsichtlich der Kapazität an das Steuerungsverfahren gemäß der Erfindung angepasst zu wählen. Dabei erweist es sich als vorteilhaft, dass - im Unterschied zu Hochspannungsanwendun¬ gen - der Einsatz von Kondensatoren am Zwischenkreis dem Grunde nach vergleichsweise unproblematisch gestaltet werden kann. Der Aufwand für den Zirkulationskondensator, der neben einer entsprechenden Anpassung der Steuerung ergänzend für die Erfindung erforderlich ist, wird durch das Einsparpotential an den Wandlereinheitskondensatoren überwogen. Insgesamt ergibt sich dadurch eine Reduktion hinsichtlich des Aufwands für den Mehrpegelenergiewandler.
Bei mehreren parallelgeschalteten Wandlerschaltungen am
Gleichspannungszwischenkreis kann auch vorgesehen sein, dass der Zirkulationsstrom zumindest teilweise durch die parallel¬ geschalteten Wandlerschaltungen zirkuliert. Ein Kondensator kann dann eingespart werden.
Als Niederspannung im Sinne der Erfindung ist insbesondere eine Definition gemäß der Richtlinie 2006/95/EG des Europäi- sehen Parlaments und des Rates vom 12. Dezember 2006 zur An- gleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten elektrischer Betriebsmittel zur Verwendung innerhalb bestimmter Spannungsgrenzen zu verstehen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Spannungsbereich begrenzt, sondern kann ebenso im Bereich der Mittelspannung eingesetzt werden, die vorzugsweise einen Spannungsbereich größer als 1 kV bis einschließlich 52 kV umfassen kann. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beziehungsweise dem erfindungsgemäßen Mehrpegelenergiewandler ist es möglich, elektrische Energie vom Wechselspannungsanschluss zum Gleich- spannungsanschluss oder auch umgekehrt zu fördern. Der Mehr¬ pegelenergiewandler nimmt eine entsprechende Wandlung vor. Zu diesem Zweck ist an dem Gleichspannungszwischenkreis des
Mehrpegelenergiewandlers die Wandlerschaltung mit einer Rei¬ henschaltung angeschlossen, welche Reihenschaltung mehrere in Reihe geschaltete Wandlereinheiten umfasst. Natürlich können an dem Gleichspannungszwischenkreis auch zwei oder drei oder mehrere solcher Wandlerschaltungen angeschlossen sein. Mittels der Wandlerschaltung wird das Wandeln der elektrischen Energie durchgeführt.
Beispielsweise kann zwischen zwei der Wandlereinheiten der Reihenschaltung eine weitere Reihenschaltung aus zwei
Reihenschaltungsinduktivitäten zwischengeschaltet sein, deren Verbindung beziehungsweise Verbindungsanschluss den Wechsels¬ pannungsanschluss bereitstellt. Sind mehrere
Wandlerschaltungen am Zwischenkreis angeschlossen, besteht darüber hinaus die Möglichkeit, dass die Wandlerschaltungen zumindest teilweise hinsichtlich des Gleichspannungsanschlus¬ ses und des Wechselspannungsanschlusses parallelgeschaltet sind . Jede der Wandlereinheiten selbst weist jeweils eine Reihen¬ schaltung aus zwei Schaltelementen auf, zu der der
Wandlereinheitskondensator parallelgeschaltet ist. Mittels der Schaltelemente kann der Wandlereinheitskondensator in vorgebbarer Weise in den Wandlungsvorgang einbezogen werden. Zu diesem Zweck sind die Schaltelemente an eine Steuereinheit angeschlossen, die die Schaltelemente in geeigneter Weise steuert. Das grundlegende Steuerungsverfahren bezüglich des Wandeins von Energie mittels eines Mehrpegelenergiewandlers ist dem Fachmann dem Grunde nach bekannt, sodass auf eine de¬ taillierte Darstellung des Wandlungsvorgangs vorliegend ver¬ zichtet wird. Im Übrigen wird diesbezüglich auf eine Veröf¬ fentlichung von Lesnicar, A. und Marquardt, R. verwiesen, mit dem Titel „An innovative modular multi-level Converter topology for wide power ränge" veröffentlicht in IEEE Power Tech Conference, Bologna, Italien, Juni 2003.
Ein Schaltelement im Sinne dieser Offenbarung ist vorzugswei- se ein steuerbares elektronisches Schaltelement, beispiels¬ weise ein steuerbarer elektronischer Halbleiterschalter, beispielsweise ein Transistor, ein Thyristor, Kombinationsschal¬ tungen hiervon, vorzugsweise mit parallelgeschalteten Freilaufdioden, ein Gate-Turn-Off-Thyristor (GTO) , ein Isolated- Gate-Bipolar-Transistor (IGBT), Kombinationen hiervon oder dergleichen. Dem Grunde nach kann der Halbleiterschalter auch durch einen Metaloxide-Semiconductor-Feldeffekttransistor (MOSFET) gebildet sein. Vorzugsweise ist das Schaltelement durch die Steuereinheit steuerbar.
Die Steuereinheit ermittelt vorzugsweise die Bedingungen, die die Aktivierung beziehungsweise Deaktivierung des entspre¬ chenden Teils der Wandlereinheiten bedingen. Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit über Sensoren relevante Parameter, beispielsweise der Schaltelemente, der Wandlereinheits¬ kondensatoren, der Wandlerschaltung und/oder dergleichen erfassen. Parameter können beispielsweise ein elektrischer Strom, eine elektrische Spannung, eine elektrische Leistung, eine Phasenverschiebung zwischen einer elektrischen Spannung und einem zugehörigen elektrischen Strom, Kombinationen hiervon oder dergleichen sein. Der Wandlereinheitskondensator kann durch einen Folienkondensator, einen Keramikkondensator, aber auch durch einen für Frequenzanwendungen geeigneten Elektrolytkondensator oder dergleichen gebildet sein. Der Wandlereinheitskondensator kann natürlich auch durch eine Kombination von mehreren Einzelkondensatoren, insbesondere unterschiedlicher Art wie zuvor genannt, gebildet sein.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Wand- lereinheiten hinsichtlich der Schaltelemente die Schaltstruktur einer Halbbrücke aufweisen. Die Wandlereinheit stellt dem Grunde nach zwei Anschlüsse bereit, mittels denen die Reihen¬ schaltung der Wandlereinheiten realisiert werden kann. Einer der Anschlüsse wird durch den Verbindungsanschluss der
Schaltelemente und ein weiterer Anschluss durch einen der beiden Anschlüsse des Wandlereinheitskondensators gebildet. Darüber hinaus können auch alternative Schaltungsstrukturen für die Wandlereinheiten vorgesehen sein, wie weiter unten erläutert .
Die Steuereinheit steuert die Schaltelemente gemäß der Erfin¬ dung so, dass ein Strom durch die
Wandlereinheitskondensatoren der Wandlereinheiten und gegebenenfalls dem Zirkulationskondensator zirkuliert.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der zirkulierende Strom derart gewählt, dass eine elektrische Spannung an den Wandlereinheitskondensatoren erhalten bleibt. Vorteilhaft kann dies erreicht werden, indem der Zirkulati- onsstrom durch einen zentralen Kondensator wie einem Gleich- spannungszwischenkreiskondensator, einem ergänzenden Zirkulationskondensator oder dergleichen strömt. Dadurch lässt sich ein besonders günstiger Betrieb erreichen, bei dem Kapazitä¬ ten der Wandlereinheitskondensatoren besonders klein gewählt werden können.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der zirkulierende Strom derart gewählt wird, dass eine Spannungs- änderung an den Wandlereinheitskondensatoren minimal wird. Diese Ausgestaltung erlaubt es, den Einfluss des zirkulierenden Stroms auf das bestimmungsgemäße Wandeln des Mehrpegel¬ energiewandlers möglichst gering zu halten. So kann erreicht werden, dass ein Rippel der Spannung an den Wandlereinheits¬ kondensatoren und/oder auch ein Kapazitätswert der Wandlereinheitskondensatoren reduziert werden. Letzteres erlaubt es, Abmessungen Gewicht und/oder dergleichen der Wandlereinheitskondensatoren zu reduzieren.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung schlägt vor, dass in Abhängigkeit von einer die Wandlereinheitskondensatoren beaufschlagenden elektrischen Energie ein Zeitraum für den zirkulierenden Strom ermittelt wird. Dadurch kann auf einfache Weise eine Steuerungsfunktion erreicht werden, die es erlaubt, eine möglichst günstige Auslegung der Wandlerein¬ heitskondensatoren erreichen zu können. Der Zeitraum kann beispielsweise dadurch ermittelt werden, dass zunächst eine mittlere Energie der Wandlerkondensatoren ermittelt wird. Zu diesem Zweck kann vorgesehen sein, dass die Summe der Energien aller Wandlereinheitskondensatoren ermittelt und auf deren Anzahl bezogen wird. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Summe der Energien aller Wandlereinheitskondensatoren durch die Anzahl der Wandlereinheitskondensatoren ge- teilt wird. Bei einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die mittlere Energie für eine oder alle Wandlerschal¬ tungen separat ermittelt wird. In einer alternativen Ausge¬ staltung kann ferner vorgesehen sein, dass die mittlere Energie für alle Wandlerschaltungen gemeinsam ermittelt wird. Entsprechend einer Abweichung einer aktuellen Energie eines
Wandlereinheitskondensators in Bezug auf die mittlere Energie wird diesem Wandlereinheitskondensator entsprechend Energie zu- oder abgeführt. Dies wird vorzugsweise für sämtliche Wandlereinheitskondensatoren einer jeweiligen Wandler- Schaltung separat oder für alle Wandlerschaltungen gemeinsam durchgeführt . Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der zirkulierende Strom derart ermittelt wird, dass eine Gesamtsumme von Ener¬ gieänderungen der Wandlereinheitskondensatoren minimiert wird. Diese Ausgestaltung berücksichtigt insbesondere den Fall, dass die Wandlereinheitskondensatoren der Wandlereinheiten nicht gleichmäßig während des Wandeins beansprucht werden. Dabei ermöglicht es diese Ausgestaltung, eine optima¬ le Auslegung zu finden, die für die Gesamtanordnung des Mehrpegelenergiewandlers sowie den Vorgang des Wandeins optimiert ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass ein Wert des zirkulierenden Stromes mittels Erfassen einer elektrischen Spannung an der Reihenschaltung der
Reihenschaltungsinduktivitäten ermittelt wird. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, den Wert des zirkulierenden Stromes zu erfassen und ein entsprechendes Signal der Steuereinheit zur Verfügung zu stellen. Dadurch kann eine sehr einfache Regelung für den zirkulierenden Strom realisiert werden.
Mehrpegelenergiewandlerseitig wird weiterhin vorgeschlagen, dass jede Wandlereinheit zwei parallelgeschaltete Reihen¬ schaltungen mit jeweils zwei Schaltelementen aufweist. Dies erlaubt es, die Schaltungsstruktur einer Vollbrücke bezüglich jeder Wandlereinheit auszubilden. Die
Wandlereinheitsanschlüsse sind durch die jeweiligen Mittelan¬ schlüsse der beiden Reihenschaltungen der Schaltelemente bereitgestellt. Dadurch kann die Flexibilität bezüglich der Steuerung des Mehrpegelenergiewandlers verbessert werden und zugleich können Fehlerströme reduziert werden, die auftreten können, wenn gleichspannungsseitig ein Kurzschluss auftritt. Darüber hinaus kann die Gleichspannung am Gleichspannungszwischenkreis von beliebiger Polarität sein, wodurch die Flexi¬ bilität weiter erhöht wird. Im Unterschied zur vorgenannten Halbbrückenstruktur ist jedoch ein erhöhter Aufwand bezüglich der Steuerung erforderlich, weil eine entsprechend größere Anzahl von Schaltelementen zu steuern ist. Halbleiterschalter als Schaltelemente werden im Sinne dieser Offenbarung im Schaltbetrieb betrieben. Der Schaltbetrieb eines Halbleiterschalters bedeutet, dass in einem eingeschal¬ teten Zustand zwischen den die Schaltstrecke bildenden An- Schlüssen des Halbleiterschalters ein sehr geringer elektrischer Widerstand bereitgestellt wird, sodass ein hoher Strom- fluss bei sehr kleiner Restspannung möglich ist. Im ausgeschalteten Zustand ist die Schaltstrecke des Halbleiterschal¬ ters hochohmig, das heißt, sie stellt einen hohen elek- frischen Widerstand bereit, sodass auch bei hoher, an der
Schaltstrecke anliegender elektrischer Spannung im Wesentlichen kein oder nur ein sehr geringer, insbesondere vernachlässigbarer Stromfluss vorliegt. Hiervon unterscheidet sich ein Linearbetrieb, der aber bei Mehrpegelenergiewandlern der gattungsgemäßen Art nicht zum Einsatz kommt.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zwischen der Verbindung der Reihenschaltungsinduktivitäten und dem Wech- selspannungsanschluss eine Anschlussinduktivität angeschlos- sen ist. Diese zwischengeschaltete Anschlussinduktivität er¬ laubt es, den Mehrpegelenergiewandler wechselspannungsseitig besser anpassen zu können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorge- schlagen, dass an dem Gleichspannungszwischenkreis des Mehr¬ pegelenergiewandlers zwei weitere Reihenschaltungen jeweils umfassend mehrere in Reihe geschaltete Wandlereinheiten und eine einen jeweiligen weiteren Wechselspannungsanschluss be¬ reitstellende Reihenschaltung aus zwei in Reihe geschalteten Reihenschaltungsinduktivitäten angeschlossen sind, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, die Schaltelemente entspre¬ chend eines dreiphasigen Wechselspannungsnetzes zu steuern. Dadurch kann auf einfache Weise erreicht werden, dass der Mehrpegelenergiewandler drei Wechselspannungsanschlüsse be- reitstellt, mittels denen das dreiphasige Netz bereitgestellt werden kann beziehungsweise mittels denen der Mehrpegelenergiewandler an ein entsprechendes dreiphasiges Wechselspannungsnetz angeschlossen werden kann. Diese Anwendung eignet sich insbesondere bei großen Leistungen. Durch die gewählte Struktur kann darüber hinaus mittels eines vergleichsweise geringfügigen Mehraufwands seitens der Steuerung eine einfa¬ che Anpassung für ein dreiphasiges Wechselspannungsnetz er- reicht werden. Dabei kann Berücksichtigung finden, dass die Wechselspannungen des dreiphasigen Wechselspannungsnetzes dem Grunde nach gleich, jedoch lediglich um 120° verschoben sind. Es kann ferner vorgesehen sein, dass der zirkulierende Strom lediglich durch jeweils eine der drei Reihenschaltungen zir- kuliert. Die Steuerung kann die Schaltelemente hierfür ent¬ sprechend steuern. Es kann vorgesehen sein, dass der zirkulierende Strom zyklisch von einer der drei Reihenschaltungen auf eine andere geschaltet wird. Darüber hinaus kann auch vorgesehen sein, dass der zirkulierende Strom zumindest zeit- weise gleichzeitig durch die drei Reihenschaltungen strömt.
Insgesamt nutzt die Erfindung also eine Kombination des Zir¬ kulationskondensators mit der geeigneten Steuerung der
Schaltelemente .
Weitere Vorteile und Merkmale sind der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren zu entnehmen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen, gleiche Bauteile und Funktionen.
Es zeigen:
FIG 1 ein schematisches Blockschaltbild für einen Mehrpe¬ gelenergiewandler gemäß der Erfindung,
FIG 2 ein schematisches Schaltbild für eine erste Ausge¬ staltung einer Wandlereinheit für den Mehrpegel¬ energiewandler gemäß FIG 1,
FIG 3 eine schematische Schaltbilddarstellung für eine zweite Ausgestaltung einer Wandlereinheit für den Mehrpegelenergiewandler gemäß FIG 1, FIG 4 schematisch ein Diagramm, in dem mittels zweier
Graphen ein Wechselstrom und eine zugehörige Wechselspannung an einem Wechselspannungsanschluss des Mehrpegelenergiewandlers gemäß der Erfindung darge stellt ist, schematisch ein Diagramm, welches eine Zwischen- kreisspannung des Mehrpegelenergiewandlers gemäß der Erfindung darstellt, schematisch ein Diagramm mit einer Darstellung einer elektrischen Spannung an einem
Wandlereinheitskondensator des Mehrpegelenergiewandlers gemäß der Erfindung, eine Darstellung wie FIG 4, jedoch ohne den zirku lierenden Strom gemäß der Erfindung, eine Darstellung wie FIG 5, jedoch ohne den zirku lierenden Strom gemäß der Erfindung, eine Darstellung wie FIG 6, jedoch ohne den zirku lierenden Strom gemäß der Erfindung, eine Darstellung wie FIG 4, mit dem zirkulierenden Strom gemäß der Erfindung jedoch ohne Zirkulations kondensator,
FIG 11 mit dem zirkulierenden Strom gemäß der Erfindung jedoch ohne Zirkulationskondensator, und eine Darstellung wie FIG 6, mit dem zirkulierenden Strom gemäß der Erfindung jedoch ohne Zirkulations kondensator .
FIG 1 zeigt ein schematisches Prinzipschaltbild eines Mehrpe gelenergiewandlers 10 gemäß der Erfindung zum Wandeln von zu geführter elektrischer Energie. Der Mehrpegelenergiewandler 10 weist drei Wechselspannungsanschlüsse 12, 14, 16 sowie einen Gleichspannungsanschluss 20 zum Zuführen und zum Abfüh¬ ren der elektrischen Energie sowie eine Steuereinheit auf. Die Steuereinheit ist in der Figur nicht weiter dargestellt. Mittels der Steuereinheit ist der Mehrpegelenergiewandlers 10 derart gesteuert, dass die drei Wechselspannungsanschlüsse 12, 14, 16 in einem dreiphasigen Betrieb betrieben werden, bei dem die Wechselspannungen an den drei Wechselspannungsanschlüssen 12, 14, 16 zeitlich um 120° versetzt zueinander sind.
Der Mehrpegelenergiewandler 10 umfasst ferner einen Gleichspannungszwischenkreis 18, an den der Gleichspannungsanschluss 20 angeschlossen ist. Darüber hinaus sind an den Gleichspannungszwischenkreis 18 drei Wandlerschaltungen in
Form von Reihenschaltungen 20, 22, 24 angeschlossen. Jede der drei Reihenschaltungen 22, 24, 28 umfasst mehrere in Reihe geschaltete Wandlereinheiten 28. Der Mehrpegelenergiewandler 10 gemäß der Erfindung ist somit modular aus Wandlereinheiten 28 gebildet.
Vorliegend ist vorgesehen, dass die Reihenschaltungen 22, 24, 28 eine gerade Anzahl von Wandlereinheiten 28 aufweisen. Mittig in Bezug auf die Reihenschaltung beziehungsweise die je- weilige Anzahl der Wandlereinheiten 28 ist in die Reihenschaltung 22, 24, 28 jeweils eine weitere Reihenschaltung aus zwei in Reihe geschalteten Reihenschaltungsinduktivitäten 30 (Larm) geschaltet. Die Reihenschaltungsinduktivitäten 30 bilden einen Verbindungspunkt, der jeweils die Wechselspannungs- anschlüsse 12, 14, 16 bereitstellt.
FIG 2 zeigt eine erste Ausgestaltung für die Wandlereinheit 28 in einer schematischen Schaltbilddarstellung. Danach umfasst die Wandlereinheit 28 eine Reihenschaltung aus zwei Schaltelementen, die vorliegend durch IGBTs 34, 36 gebildet ist. Zu der Reihenschaltung aus den IGBTs 34, 36 ist ein Wandlereinheitskondensator 38 parallelgeschaltet. Die Wand¬ lereinheit 28 stellt Wandlereinheitsanschlüsse 50, 52 bereit, die es erlauben, die Wandlereinheit 28 in vorgegebener Weise in der jeweiligen Reihenschaltung 20, 22, 24 im Mehrpegelenergiewandler 10 anzuschließen. Die Wandlereinheit 28 stellt auf diese Weise die Schaltungsstruktur einer Halbbrücke be- reit.
FIG 3 zeigt eine alternative Ausgestaltung für eine Wandler¬ einheit 32, die alternativ für die Wandlereinheit 28 in der elektrischen Schaltung gemäß FIG 1 eingesetzt werden kann. Die Wandlereinheit 32 gemäß FIG 3 umfasst zwei parallelge¬ schaltete Reihenschaltungen mit jeweils zwei Schaltelementen, hier ebenfalls IGBTs 34, 36, 44, 46. Zu diesen Reihenschal¬ tungen parallelgeschaltet ist wieder ein Wandlereinheits¬ kondensator 38. Mittelanschlüsse der Reihenschaltungen stel- len Anschlüsse 54, 56 der Wandlereinheit 32 bereit, mittels denen sie, wie die Wandlereinheit 28 mit den Anschlüssen 50, 52, in der elektrischen Schaltung des Mehrpegelenergiewandlers 10 angeschlossen werden kann. Vorliegend ist vorgesehen, dass der Mehrpegelenergiewandler 10 lediglich eine Sorte der Wandlereinheiten, nämlich entweder die Wandlereinheit 28 oder die Wandlereinheit 32 nutzt.
Aus FIG 1 ist ferner ersichtlich, dass an den Gleichspan- nungszwischenkreis 18 ein Zirkulationskondensator 42 angeschlossen ist. Ferner ist in der FIG 1 dargestellt, dass ein Strom durch die erste Reihenschaltung 22 und den Zirkulationskondensator 42 zirkuliert. Dieser dient dazu, die Wand¬ lereinheitskondensatoren 38 der Wandlereinheiten 28 zu beauf- schlagen, um deren Spannung zu steuern und Stromrippel über den Wandlereinheitskondensatoren 38 zu reduzieren. Dadurch kann der Aufwand bezüglich der einzelnen Wandlereinheiten 28, 32 reduziert werden, sodass der Aufwand für den Mehrpegel¬ energiewandler 10 insgesamt reduziert werden kann. Dadurch wird seine Anwendung auch bei Niederspannung attraktiv. Darüber hinaus bewirkt der Zirkulationskondensator 42, dass bei dem vorgesehen dreiphasigen Betrieb des Mehrpegelenergiewand- lers 10 dieser wechselspannungsseitig einfach und unabhängig von Zwischenphasenbedingungen gesteuert werden kann.
Im Folgenden wird die Ermittlung des Ausgleichsstroms be- schrieben.
Um die gewünschte Spannung an den Wandlereinheitskondensatoren 38 zu halten, ist der zirkulierende Strom 40 zwischen den Wandlereinheitskondensatoren 38 und dem Zirkulationskon- densator 32 erforderlich. Es ist vorteilhaft, einen geeigneten Wert für den zirkulierenden Strom 40 zu finden, um etwaige ungünstige Effekte zu vermeiden.
Eine Spannungsabweichung über dem Wandlereinheitskondensator 38 kann wie folgt dargestellt werden:
Figure imgf000017_0001
Die Spannungsabweichung, wie zuvor ermittelt, kann positiv oder negativ sein, abhängig vom aktuellen Ladezustand des
Wandlereinheitskondensators 38. Das Vorzeichen der Abweichung bestimmt, ob der Wandlereinheitskondensator 38 geladen oder entladen werden muss.
Figure imgf000017_0002
Der Wandlereinheitskondensator 38 kann durch einen eingeprägten Strom iadjust geladen oder entladen werden. Der Strom strömt durch den Wandlereinheitskondensator 38, um die zuvor genannte Spannungsabweichung zu minimieren. Der Strom erzeugt eine Spannungsänderung über den Wandlereinheitskondensator 38, welcher gegeben ist durch:
Figure imgf000018_0002
Die Zeit T bezeichnet eine Zeit, während der der zirkulieren¬ de Strom 40 iadjust strömt. Die Energie des Wandlereinheits- kondensators 38 bezüglich der Spannungsabweichung Averr x ist definiert durch
Figure imgf000018_0001
Die mit dem Strom 40 iadjust für den Wandlereinheitskondensator 38 in Verbindung stehende Energie ist gegeben durch
Figure imgf000018_0003
Es kann eine Optimierungsfunktion definiert werden, unter
Verwendung der Gleichungen (3) und (4), wie im Folgenden angegeben :
Figure imgf000018_0004
Der Strom i acij ust soll die Optimierungsfunktion minimieren. Für eine Anzahl von N Wandlereinheiten 38 der jeweiligen Reihenschaltung 22, 24, 26 mit einer Anzahl von N
Wandlereinheitskondensatoren 38 kann die Optimierungsfunktio- nen wie folgt angegeben werden:
Figure imgf000018_0005
In der Formel (5) können die einzelnen Terme unterschiedliche Vorzeichen aufweisen. Um das Minimieren insgesamt zuverlässig erreichen zu können, wird eine abweichende Optimierungsfunktion wie folgt gebildet, bei der die einzelnen Terme qua¬ driert sind:
Figure imgf000019_0001
Um den optimalen Wert von iadjust auffinden zu können, werden Nullstellen der Ableitung der Formel
Figure imgf000019_0005
ermittelt .
Aus den Gleichungen (6) und (7) erhält
Figure imgf000019_0006
oder
Figure imgf000019_0002
Deshalb ist
Figure imgf000019_0003
Dieser Strom erzeugt einen Spannungsabfall über die
Reihenschaltungsinduktivitäten 30. Die Spannung aufgrund des Stromes 40 iadjust über der Reihenschaltungsinduktivität 30 Larm ist definiert durch
Figure imgf000019_0004
Die Multiplikation mit dem Wert 2 ist erforderlich, weil zwei Reihenschaltungsinduktivitäten 30 pro Reihenschaltung 22, 24, 26 (FIG 1) vorgesehen sind. Deshalb ist zur Erzeugung eines Stromes 40iadjust ein Spannungsabfall an der Reihenschaltungs¬ induktivität 30 Larm von
Figure imgf000020_0001
erforderlich .
Eine Simulation der Ergebnisse ist anhand von den weiteren FIG 4 bis 12 in den dort vorgesehenen Diagrammen schematisch dargestellt .
Für die Simulation sind folgende Werte gesetzt
Anschlussinduktivität 48
Wandlereinheitskondensator 38
Zirkulationskondensator 42
Reihenschaltungsinduktivität 30
Die FIG 4 bis 6 zeigen schematisch Diagramme, bei denen der Mehrpegelenergiewandler 10 gemäß der Erfindung den zirkulie renden Strom 40 sowie den Zirkulationskondensator 42 aufweist.
In FIG 4 ist mit dem Graphen 64 eine elektrische Spannung an einem der Wechselspannungsanschlüsse 12, 14, 16 sowie der an diesem Anschluss strömende Strom mittels eines Graphen 66 dargestellt. In der Ordinate sind die entsprechenden Werte in Volt (V) beziehungsweise in Ampere (A) angegeben. Auf der Abszisse ist die Zeit in Sekunden dargestellt.
FIG 5 zeigt eine zugehörige Darstellung der Zwischenkreis- Spannung am Gleichspannungszwischenkreis 18 mit einem Graphen 58. Zu erkennen ist, dass die Zwischenkreisspannung am
Gleichspannungszwischenkreis 18 im Wesentlichen konstant bei etwa 700 V liegt. Die Wechselspannung und der Wechselstrom sind im Wesentlichen ungestört, wie anhand der Graphen 64, 66 gemäß FIG 4 erkannt werden kann. FIG 6 zeigt exemplarisch für einen der Wandlereinheitskondensatoren 38 einen entsprechenden Spannungsverlauf anhand des Graphen 60. Die FIG 7 bis 9 zeigen eine vergleichbare Darstellung zu den FIG 4 bis 6, wobei bei dieser Simulation jedoch kein zirkulierender Strom 40 vorgesehen ist. Aus FIG 7 ist erkennbar, dass zwar die Wechselspannung gemäß dem Graphen 64 weiterhin im Wesentlichen ungestört ist, jedoch ergeben sich Störungen anhand des Graphen 66 in Bezug auf den Strom. Entsprechend ist bei der Zwischenkreisspannung am Gleichspannungszwischenkreis 18 ein entsprechendes Ansteigen anhand des Graphen 58 erkennbar. Eine entsprechende Spannungsentwicklung zeigt auch FIG 9 anhand des Graphen 60 für die an den Wandlereinheits- kondensatoren 60 anliegenden elektrischen Spannungen.
Die FIG 10 bis 12 zeigen entsprechend der FIG 4 bis 6 Dia¬ gramme. Im Unterschied zur Simulation gemäß der FIG 4 bis 6 ist bei der Simulation gemäß der FIG 10 bis 12 zwar ein zir- kulierender Ausgleichstrom 40 vorgesehen, jedoch fehlt es am Zirkulationskondensator 42. Auch hier ist aus FIG 10 ersichtlich, dass zwar die Wechselspannung gemäß dem Graphen 64 im Wesentlichen ungestört ist, jedoch weist der Stromverlauf ge¬ mäß dem Graphen 66 erhebliche Störungen auf. Entsprechend ist auch hier gemäß FIG 11 ein Spannungsanstieg am Gleichspan¬ nungszwischenkreis 80 entsprechend des Graphen 58 zu ver¬ zeichnen. Ebenso ergibt sich ein Spannungsverlauf gemäß dem Graphen 60 in dem Diagramm der FIG 12. Ergänzend ist noch anzumerken, dass für die Simulation eine Gleichspannung von 700 V und eine Wechselspannung von 400 V effektiv zwischen den Phasen an den Wechselspannungsanschlüssen 12, 14, 16 gemäß FIG 1 bei 50 Hz vorliegen. Bei dieser Simulation sind sehr kleine Kapazitätswerte für die Wandlereinheitskondensatoren 38 gewählt worden. Die Simulationen zeigen, dass ohne den zirkulierenden Strom 40 ein Steuern des Ausgleichens der Wandlereinheitskondensatoren 38 sehr erschwert ist. Es ist auch ersichtlich, dass der Zirku¬ lationskondensator 42 für die Ausführung der Erfindung sehr förderlich ist.
Das Ausführungsbeispiel dient lediglich der Erläuterung der Erfindung ist für diese nicht beschränkend. Natürlich können Funktionen, insbesondere auch Ausgestaltungen in Bezug auf den Mehrpegelenergiewandler sowie die Wandlereinheiten beliebig gestaltet sein, ohne den Gedanken der Erfindung zu verlassen .
Schließlich ist anzumerken, dass die für die erfindungsgemäße Einrichtung beschriebenen Vorteile und Merkmale sowie Ausführungsformen gleichermaßen für das entsprechende Verfahren gelten und umgekehrt. Folglich können für Vorrichtungsmerkma¬ le entsprechende Verfahrensmerkmale und umgekehrt vorgesehen sein .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Wandeln von elektrischer Energie mittels eines Mehrpegelenergiewandlers (10), bei dem an einem Wech- selspannungsanschluss (12) eine elektrische Wechselspannung und an einem an einen Gleichspannungszwischenkreis (18) ange¬ schlossenen Gleichspannungsanschluss (20) eine elektrische Gleichspannung bereitgestellt wird, wobei die elektrische Energie mittels wenigstens einer am Gleichspannungsanschluss (20) des Mehrpegelenergiewandlers (10) angeschlossenen
Wandlerschaltung gewandelt wird, zu welchem Zweck die
Wandlerschaltung mehrere in Reihe geschaltete Wandlereinheiten (28, 32) mit einem Wandlereinheitskondensator (38) um- fasst und einen mit dem Wechselspannungsanschluss (12) gekop- pelten Mittelanschluss bereitstellt, wobei die Wandler¬ schaltung mittels einer Steuereinheit gesteuert wird, um die elektrischen Energie zu wandeln,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wandlereinheiten (28, 32) derart gesteuert werden, dass ein Strom (40) durch die Wandlereinheiten (28, 32) zirkuliert .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zirkulierende Strom (40) derart gewählt wird, dass eine elektrische Spannung an den Wandlereinheitskondensatoren (38) erhalten bleibt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zirkulierende Strom (40) derart gewählt wird, dass eine Spannungsänderung an den Wandlereinheitskondensatoren (38) minimal wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von einer die Wandlerein- heitskondensatoren (38) beaufschlagenden elektrischen Energie ein Zeitraum für den zirkulierenden Strom (40) ermittelt wird .
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zirkulierende Strom (40) derart ermit¬ telt wird, dass eine Gesamtsumme von Energieänderungen der Wandlereinheitskondensatoren (38) minimiert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wert des zirkulierenden Stromes (40) mittels Erfassen einer elektrischen Spannung an der Reihenschaltung der Reihenschaltungsinduktivitäten (30) ermittelt wird.
7. Mehrpegelenergiewandler (10) zum Wandeln von zugeführter elektrischer Energie, mit einem Wechselspannungsanschluss (12) sowie einem Gleichspannungsanschluss (20) zum Zuführen und zum Abführen der elektrischen Energie sowie mit einer Steuereinheit, wobei der Mehrpegelenergiewandler (10) eine erste Wandlerschaltung aufweist, die am Gleichspannungsanschluss (20) des Mehrpegelenergiewandlers (10) angeschlossen ist und die mehrere in Reihe geschaltete Wandlereinheiten (28, 32) mit einem Wandlereinheitskondensator (38) umfasst und die einen mit dem Wechselspannungsanschluss (12) gekop¬ pelten Mittelanschluss bereitstellt, wobei die Wandler¬ schaltung zum Steuern an eine Steuereinheit angeschlossen ist, um die elektrische Energie zu wandeln,
gekennzeichnet durch
dass die Steuereinheit eingerichtet ist, einen Strom (40) durch die Wandlereinheiten (28, 32) zirkulieren zu lassen.
8. Mehrpegelenergiewandler nach Anspruch 7, dadurch gekenn- zeichnet, dass jede Wandlereinheit (28, 32) zwei parallelge¬ schaltete Reihenschaltungen mit jeweils zwei Schaltelementen (34, 36, 44, 46) aufweist.
9. Mehrpegelenergiewandler nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Verbindung der
Reihenschaltungsinduktivitäten (30) und dem Wechselspannungsanschluss (12) eine Anschlussinduktivität (48) angeschlossen ist .
10. Mehrpegelenergiewandler nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Gleichspannungszwischenkreis (18) des Mehrpegelenergiewandlers (10) zwei weitere Reihenschaltungen (24, 26) jeweils umfassend mehrere in Reihe geschaltete Wandlereinheiten (28, 32) und eine einen jeweili¬ gen weiteren Wechselspannungsanschluss (14, 16) bereitstel¬ lende Reihenschaltung aus zwei in Reihe geschalteten
Reihenschaltungsinduktivitäten (30) angeschlossen sind, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, die Schaltelemente (34,
36) entsprechend eines dreiphasigen Wechselspannungsnetzes zu steuern .
PCT/EP2015/071430 2014-09-30 2015-09-18 Modularer multilevelumrichter mit zentralem kondensator am zwischenkreis WO2016050532A1 (de)

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DE102014219789.9A DE102014219789A1 (de) 2014-09-30 2014-09-30 Modularer Multilevelumrichter mit zentralem Kondensator am Zwischenkreis

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