WO2017080928A1 - Modularer mehrstufenumrichter und verfahren zum betreiben eines modularen mehrstufenumrichters - Google Patents

Modularer mehrstufenumrichter und verfahren zum betreiben eines modularen mehrstufenumrichters Download PDF

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WO2017080928A1
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submodules
modules
module
switching
modular multi
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PCT/EP2016/076710
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Inventor
Manuel Blum
Marek Galek
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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
    • H02M7/493—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 the static converters being arranged for operation in parallel
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    • 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
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    • 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 a modular multi-stage converter with a series connection of several modules.
  • a modular multistage converter also known as a modular multilevel converter, or MMC or M2C for short, is a converter for converting a voltage into another voltage, for example, a modular multistage converter can convert a DC voltage into an AC voltage
  • a modular multi-stage converter can convert, for example, an AC voltage into a DC voltage, ie it is used as a rectifier.
  • a modular multi-stage converter can convert an AC voltage to an AC voltage different in frequency and amplitude, without first applying a DC voltage DC voltage, ie it is used as a direct converter.
  • Modular Mehrmenumrichter be used ⁇ tung area mainly in the high-Leis.
  • One possible field of application of a modular multi-stage inverter as an inverter is a photovoltaic power plant in which the DC voltage generated by the power plant must be converted into an AC voltage in order to feed the latter into an AC grid.
  • a modular multi-level converter as a rectifier is needed, for example, in the high-voltage DC transmission.
  • a DC voltage is generated from an AC voltage, which is used for low-loss transport over long transmission distances.
  • the DC voltage is again converted into an AC adapter with a modular multistage inverter as an inverter. tion in order to feed them into the AC mains .
  • EP 2677653 AI discloses a modular multi-stage converter, which in this case comprises three series circuits with 2N modules. Each of the series circuits is divided into two branches by an AC line. Each branch in turn is connected via a throttle element with the AC voltage line. Furthermore, each module has an energy store and a switching device. The respective energy storage is configured to store an electrical ⁇ cal energy. In each module, the energy ⁇ memory can be at least partially charged with electrical energy (up). By means of the switching device can be controlled whether the energy storage of the respective module to be charged or discharged or whether the energy storage is to be bridged.
  • the modular Mehrmenumrichter is designed for a certain Maxi ⁇ malhard, and for a certain maximum current up to which the modular Mehrmenumrichter to work optimally and / or interference. So that the modular multi-stage converter can work without interference even with even higher voltage values, ie in order to increase the maximum voltage, the number of modules connected in series can be increased. The maximum current remains the same, ie the maximum current can not be increased in this way.
  • An object of the present invention is to provide a high performance and low cost modular multi-stage converter. This object is achieved by a modular multi-stage converter with a series circuit of several modules, each of the modules comprises a plurality of parallel zuei ⁇ nander switched submodules and each of the submodules has a switching device, an energy storage and a throttle selel element.
  • the invention is based on the fact that the current in each unit can be kept low by connecting several units in parallel, because the total current is divided among the individual units (into a plurality of substreams).
  • each previous module is divided into several ⁇ submodules, the submodules are connected in parallel.
  • the current in each of the submodules - ie in each submodule or in each of the submodules - can be kept low because the total current is divided among the individual submodules (into several subcurrents).
  • each of the submodules has a low partial current so that standard semiconductor components can be used in each of the submodules.
  • the invention recognizes that a simple splitting of the previous modules (with energy storage and switching device) into several submodules is not possible because the switching times of the switching devices in the respective submodules differ slightly from one another. Due to the manufacturing process, switching devices with exactly the same switching times can not be supplied. Due to slightly different switching times of the switching devices, a load in a module, for example, only flow over one of the submodules, resulting in may cause a defect of the switching device within this submodule.
  • the invention provides for integrating a throttle element in each of the submodules, since a load can be uniformly distributed over all submodules.
  • the invention provides a parallel connection of several submodules ⁇ rer before, so that it is ensured that in each of the submodules a low (partial) current flows and, further, the invention provides that each of the submodules a
  • the parallel connection of several submodules has the advantage that the modularity of a modular Mehrmenum ⁇ converter is further increased.
  • the number of submodules ei ⁇ nes each module depending on the required maximum current can be varied, in particular without having to exchange elements of the respective submodules. A scalability of the modular multi-level inverter with respect to the maximum current is thus produced.
  • the modular multi-stage converter can be used for converting a DC voltage into an AC voltage, ie as an inverter, and / or for converting an AC voltage into a DC voltage, ie as a rectifier.
  • the modular multi-stage converter can be set up to convert an alternating voltage into an alternating voltage that is different in frequency and / or amplitude.
  • the modular multi-stage converter can be multifunctional.
  • at least one of the plurality Submo ⁇ modules comprises a half-bridge circuit.
  • the switching device and the energy storage of the same submodule are connected.
  • each of the plurality of submodules may comprise a half-bridge circuit in which preferably the switching device and the energy store of the respective submodule are interconnected.
  • each of the energy stores of the plurality of submodules can be placed in an intermediate circuit of the respective submodule.
  • the respective interim ⁇ intermediate circuit is usefully an element of the previously-called half bridge circuit.
  • the respective energy store can be arranged parallel to the switching device of the respective submodule.
  • the energy store of at least one of the plurality of submodules is a capacitor and / or a rechargeable battery.
  • a rechargeable battery can be understood ⁇ to.
  • each of the energy stores of the plurality of submodules can be a capacitor and / or a rechargeable battery.
  • the capacitor may be, for example, a power capacitor.
  • the capacitor may be, for example, a film capacitor, an electrolytic capacitor or a ceramic capacitor.
  • the switching device comprises at least one of the plurality of submodules two switching units.
  • each of the switching devices of the plurality is advantageous if the switching device comprises at least one of the plurality of submodules two switching units.
  • Submodules each comprise two switching units.
  • the two switching units (each) maral ⁇ tet in series.
  • the two (respective) switching ⁇ units form a bridge arm.
  • the (respective) bridge arm is usefully an element of the aforementioned half-bridge circuit.
  • the switching unit of at least one of the plurality of submodules comprises a diode and / or a controllable switching element.
  • each of the switching units of the plurality of sub-modules can (weils JE) summarize a diode and / or a controllable switching element to ⁇ .
  • the controllable switching element may be, for example, a transistor.
  • controllable switching element may be an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-effect Transistor) or the like.
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field-effect Transistor
  • the controllable switching element is antipa ⁇ connected in parallel to the diode.
  • the switching unit of the plurality of sub-modules, in particular ⁇ sondere each of the switching units of the plurality of sub-modules include a thyristor.
  • the throttling element of at least one of the plurality of sub-modules is connected such to the switching device of the same sub-module, that the throttling element defining a Stromän ⁇ alteration rate in the two switching units of the same submodule.
  • each of the throttle elements of the plurality of sub-modules may be connected such to the switching device of the respective sub-module that the respective Dros ⁇ ele- ment a current change rate in the two switching input ⁇ units in the respective submodule limited.
  • the throttle element of at least one of the plurality of submodules can be connected to the switching device of the same submodule such that the switching operations of the same submodule are decoupled from the switching processes of other submodules.
  • the throttle element of at least one of sev- eral submodules may be such interconnected with the switching apparatus of the same sub-module that an interference-free current ⁇ takeover, particularly a commutation, the switching apparatus of the same sub-module is assured. It is useful if modules in at least one of the plurality Submo ⁇ the two switching units of the same sub-module are connected to each other through a conduit. In particular, in each of the several submodules the two respective switching inputs each connected by a line. Preferably, a junction splitter ⁇ line is connected to the respective line.
  • the respective branch line advantageously comprises the throttle element of the respective submodule.
  • the throttle element can be arranged in the respec ⁇ gene branch line.
  • the throttle member of at least one of the plurality of submodules ⁇ is a coil and / or a resistor.
  • each of the throttle elements is a coil and / or a resistor.
  • each of the throttle elements of the plurality of submodules may be a coil.
  • the throttle element of at least one of the plurality of submodules having a frequency-dependent resistor.
  • the throttle element of at least one of the plurality of submodules has an inductance.
  • each of the modules may have such a module ⁇ control.
  • Next is preferably carried out in each of the plurality of modules to control the sub-modules of each module at the level of the respective module with a common seed ⁇ module controller. That is, each of the modules may have a common module controller for driving its submodules.
  • the control module of the respective module is advantageously adapted to control the switching devices, in particular ⁇ sondere the switching units, its submodules.
  • the module control of at least one of the plurality of modules is connected via a first bus and / or via a second bus to the switching devices of the same module.
  • each of the sub-modules of the same module has a first switching unit and a second switching unit.
  • each of the submodules of the respective module can ne first switching unit and a second switching unit aufwei ⁇ sen.
  • the first and the second switching unit can insbeson ⁇ particular be the above-mentioned two switching units.
  • the module control of the at least one of the plurality of modules can be connected via the first bus to each first switching unit of the same module, in particular to each of the switching elements of the first switching unit of the same module. Furthermore, the module control of the at least one of the plurality of modules can be connected via the second bus to every second switching unit of the same module, in particular to each of the switching elements of the second switching unit of the same module. In particular, each of the module controllers of the plurality of modules can be connected to the switching units of the submodules of the respective modules in such a way.
  • Each of the submodules may include other elements.
  • the half- bridge circuit of at least one of the plurality of submodules can form, for example, a full bridge circuit with the further elements of the same submodule.
  • Each of the submodules may comprise one or more further switching devices, which in turn may comprise one or more switching units.
  • the one or more switching units of the further switching device (s) may be configured identically or substantially identically to the first-mentioned switching units.
  • the module control of the respective module can be connected to the further switching devices of the same module, in particular to control these.
  • the Rei ⁇ henscrien comprises an even number of modules.
  • the series connection of the modular multi-stage converter may be a first series connection.
  • the modular multi-stage converter may comprise at least one further series connection of modules.
  • the further series connection can, in particular each of the further series circuits, be connected in parallel with the first series connection of modules.
  • the further series circuit, in particular each of the further series circuits, and the first series circuit an equal number of modules, in particular a straight number of modules ⁇ have.
  • each of the modules has an equal number of submodules.
  • the modu le ⁇ the first series circuit may have an equal number of submodules.
  • the modules of the further series connection, in particular the modules of each of the further series circuits, and the modules of the first series circuit may have an equal number of submodules.
  • the submodules are identical or substantially identical to one another.
  • the modular multi-stage converter can have a main control.
  • the main controller can be connected to the jewei gene module controls.
  • the modular multi-stage converter can be used, for example, to supply a power transmission system, wherein in particular a voltage converted by the modular multi-stage converter can be fed into the energy transmission system.
  • the energy transfer ⁇ system is a power grid, for example a direct current power or an alternating current network.
  • each of the modules comprises a plurality of parallel zueinan ⁇ switched submodules and each of the submodules has a switching device, an energy storage and a throttle element, wherein a voltage is applied to the modular multi-stage converter, in each of the submodules a partial current flows through the throttle member of the respective Submo- duls a current change rate of the respective partial flow be ⁇ is limited, the current flowing in the submodules partial flows are superposed to form a total current and the total current from the modulated laren multi-stage converter is delivered to a power transmission system.
  • this modular multi-stage converter can be the modular multi-stage converter described above. Consequently, the following elements of the modular multi-stage converter can be the aforementioned elements.
  • each of the modules generates a partial voltage.
  • the partial voltages are superimposed to form a total voltage.
  • the total voltage can be delivered by the modular multi-stage converter.
  • the total voltage can be delivered to the energy transmission system. It makes sense that the total voltage is the voltage converted by the modular multistage converter.
  • the switching devices of the respective module are actuated at the level of the respective module according to a predetermined logic.
  • each of the submodules has a first switching unit and a second
  • each first switching unit of the respective module and, at the same time, each second switching unit of the respective module can be driven in substantially the same way in each of the plurality of modules according to the predetermined logic.
  • each of the sub-modules comprises a switching process direction, which expediently comprises a first switching ⁇ unit and a second switching unit. It is further advantageous if each of the modules includes a module controller on ⁇ .
  • the module controller can control its submodules. Expediently, the module controller controls the switching devices, in particular the switching units, of the respective module.
  • the module controller can control the switching devices, in particular the switching units, of the respective module according to a predetermined logic. In a preferred embodiment Design of the invention controls the module control via a first bus and / or a second bus, the switching units of the respective module.
  • each first switching unit of the same module insbesonde ⁇ re the switching elements of the first switching units of the same module driving, through a first bus substantially. Furthermore, according to the predetermined logic, the module control of the respective module via a second
  • Bus substantially simultaneously control each second switching unit ⁇ the same module, in particular the switching elements of the second switching units of the same module. If the first switching unit is turned on in the respective submodule ⁇ on, the energy storage of the respective sub-module is advantageously bridged. If the second switching ⁇ unit of each submodule is turned on, the energy storage of each submodule is conveniently charged and / or discharged.
  • the first switching unit, in particular the switching element of the first switching unit, of the respective submodule is / are opened when the second switching unit, in particular the switching element of the second switching unit, of the same submodule is / is closed and vice versa.
  • both switching units of the respective submodule, in particular its switching elements can be opened at the same time.
  • the modular multi-stage converter may comprise at least one further series connection of modules.
  • the modular multi-stage converter comprises a further series connection (ie a total of two series connections) in order to generate and / or convert a two-phase alternating voltage.
  • the modular multi-stage inverter may include two more series circuits (ie, three total series circuits) to generate and / or convert a three-phase AC voltage.
  • the description of advantageous embodiments of the invention given hitherto contains numerous features which are reproduced in some detail in the individual subclaims. However, these features can expediently also be considered individually and combined into meaningful further combinations. In particular, these features can be combined individually and in any suitable combination with the method according to the invention and the modular multi-stage converter according to the invention.
  • the process features are formulated objectively as property of entspre ⁇ sponding device unit to se ⁇ hen and vice versa.
  • 1 shows a modular multi-stage converter with a series connection of several modules
  • FIG. 3 shows a modular multi-stage converter with three series circuits of several modules.
  • the modular multi-stage converter 2 comprises two DC voltage lines 8 for the connection of a DC voltage (+, -) or for connection to a DC network and an AC line 10 for the output of an AC voltage (AC) or for connection to an AC network.
  • the modular Mehrmenumrichter 2 is for example to set up a DC voltage (+, -) to a (einpha ⁇ SiGe) alternating current (AC) to convert.
  • the AC ⁇ circuit 10 divides the series circuit 4 into two branches 12. Each branch 12 includes the same number of modules. 6
  • Each module 6 comprises a plurality of sub-modules 14 connected in parallel with each module 6 having the same number of sub-modules 14.
  • the submodules 14 are identical to each other.
  • Each submodule 14 comprises a switching device 16, an energy store 18 and a throttle element 20.
  • each submodule 14 comprises a half-bridge switch 22, in which the switching device 16 and the energy store 18 are connected.
  • each energy ⁇ memory 18 respectively in an intermediate circuit 24 of the bridge circuit 22 Halbbrü- the respective submodule 14 placed, that each energy storage 18 is parallel to the respective
  • Switching device 16 is arranged. Each energy store 18 is designed as a capacitor.
  • the switching device 16 of the respective sub-module 14 comprises a first switching unit 26 and a second switching unit 28. Further, the two respective switching units 26, 28 connected in series and form a bridge arm 30 of the bridge circuit 22 of the Halbbrü ⁇ respective submodule fourteenth
  • Each switching unit 26, 28 comprises a diode 32 and a steu ⁇ erbares switching element 34.
  • the respective controllable switching element 34 is a transistor, in particular an IGBT (insulated gate bipolar transistor). Further, the switching element 34 is connected in anti-parallel with the diode 32.
  • the two respective switching units 26, 28 of each submodule 14 are connected to each other by a line 35 and to the respective line 35 a branch line 36 is connected, which comprises the throttle element 20 of the respective submodule 14.
  • the throttle member 20 of the respective sub-module 14 is a coil having a Indukti ⁇ tivity and thus a frequency-dependent resistance.
  • the respective branch line 36 connects the respective module 6 to the next (according to the drawing above lying) module 6.
  • the branch line 36 of the drawing according to deviss ⁇ th module 6 connects this module 6 via the DC clamping ⁇ voltage line (input line) 8 to the positive terminal (+) of the DC voltage (+, -).
  • each module 6 has a module control ⁇ 38.
  • the respective module controller 38 controls the switching units 26, 28 of the respective switching device 16, in particular according to a predetermined logic.
  • the module controller 38 of the respective module 6 is connected via the first bus 40 to each first switching unit 26 of the same module 6, in particular to the switching elements 34 of the first switching units 26 of the same module 6.
  • the module controller 38 of the respective module 6 controls (according to the predetermined logic) through the first bus 40 is substantially at the same time each first switching unit of the same module 6, insbeson ⁇ particular, the switching elements 34 of the first switching units 26 of the same module 6 on.
  • the module controller 38 of the respective module 6 is connected via the second bus 42 to each second switching unit 28 of the same module 6, in particular to the switching elements 34 of the second switching units 28 of the same module.
  • the module controller 38 of the respective module 6 controls (according to the given logic) via the second bus 42 essentially simultaneously each second switching unit 28 of the same module 6, in particular the switching elements 34 of the second switching units 26 of the same module 6.
  • the switching element 34 of the first switching unit 26 of the respective submodule 14 is turned on and the Wegele ⁇ ment 34 of the second switching unit 28 of the same submodule 14 is turned off, the energy storage 18 of the respective submodule 14 is bridged. If the switching element 34 of the two ⁇ th switching unit 28 of the respective sub-module 14 is on scarf ⁇ tet and the switching element 34 is turned off the first switching unit 26 of the same sub-module 14, the energy can be the memory 18 of the respective sub-module 14 charged or discharged.
  • both switching units 26, 28 of the respective submodule 14, in particular its switching elements 34 can be opened at the same time.
  • the opening of the respective switching elements 34 takes place in that the respective switching element 34 becomes high-impedance.
  • To convert the voltage is, for example, to the
  • DC voltage lines 8 a DC voltage (+, -) applied.
  • each of the submodules 14 flows (due to the Parallelschal ⁇ tion) a partial flow.
  • a current change rate of the respective partial current is limited.
  • the partial currents flowing in the submodules overlap to form a total current.
  • the total current is from the modular multi-stage converter 2 on the
  • each module 6 generates a partial voltage.
  • the partial voltages are superimposed to form a total voltage.
  • the total voltage is delivered in the form of an AC voltage (AC) from the modular multi-stage converter 2 via the AC line 10 in the power transmission system.
  • AC AC
  • the modular multi-stage converter 2 can also be operated in the opposite direction, i. To the AC line 10, an AC voltage 10 can be applied, which from the modular multi-stage converter 2 in a
  • the DC voltage (+, -) or the DC current is then output via the DC voltage lines 8 to a DC voltage network.
  • FIG. 2 shows a schematic circuit diagram of an alternative embodiment of a submodule 44.
  • the submodules 14 shown in FIG. 1 can each be represented by the one shown in FIG. 1
  • Submodule 44 are replaced.
  • Submodule 44 comprises a half-bridge circuit 22, in which a switching device 16 and an energy store 18 are arranged.
  • the switching device 16 comprises two switching ⁇ units 26, 28, which are arranged in a bridge arm 30 of the half-bridge circuit 22nd
  • the two switching units 26, 28 are connected to each other by a line 35 and to the line 35, a branch line 36 is connected, which includes the throttle element 20.
  • the submodule 44 includes a second Wegvorrich ⁇ device 46 with two switching units 48, 50, which are arranged in a second bridge branch 52.
  • the half-bridge circuit 22 of a sub-module 44 forms a full-bridge circuit 54 with the second switching device 46.
  • the second switching device 46 is driven by the same module controller (see FIG 1) as the first switching device 16. That is, the switching elements 34 of the second switching device 46 are connected to the same module control like the switching elements 34 of the first switching device 16.
  • the submodule can also comprise a mixed form of half bridge and full bridge.
  • the submodule may also include a full bridge and other elements.
  • FIG. 3 shows a schematic diagram of a modular Mehrmenumrichters 56 having three series circuits 4.
  • Each series circuit includes a plurality of modules 6, which in turn each have wells ⁇ several submodules 58 and a control module 38 on ⁇ .
  • the submodules 58 have been drawn symbolically as a rectangle, and each submodule 58 can be replaced, for example, by one of the submodules 14, 44 from FIG. 1 or from FIG. 2.
  • each ⁇ zener module 6 The respective module controller 38 and the submodules 58 of each ⁇ zener module 6 are connected via a bus system 60 with each other ((as opposed to the plurality of buses 40, 42) in FIG 1).
  • the activation of the submodules 58 or their switching devices, in particular their switching elements, takes place via the bus system 60 in an analogous manner to the control in FIG.
  • the first series circuit 4 is shown by the diagram on the left, the second series circuit 4 according to the drawing and the center drit ⁇ th serial circuit 4 arranged according to the drawing on the right.
  • the second and the third series circuit 4 is connected in each case paral lel ⁇ to the first series circuit 4, that is, the three series circuits 4 are connected in parallel. Further, the three series circuits 4 each comprise an equal number of modules 6.
  • the second series circuit 4 and the third series circuit 4 are formed analogously to the first series circuit 4.
  • Each series circuit 4 comprises per ⁇ wells an AC voltage line 10 for one phase of an alternating voltage (AC).
  • the modular multi-stage converter 56 is configured, for example, to convert a DC voltage (+, -) into a three-phase AC voltage (AC). In principle, the modular multi-stage converter 56 can also be operated in the reverse direction, ie it can convert a three-phase AC voltage (AC) into a DC voltage (+, -).

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen modularen Mehrstufenumrichter (2, 56) mit einer Reihenschaltung (4) von mehreren Modulen (6). Um einen kostengünstigen modularen Mehrstufenumrichter (2, 56) bereitstellen zu können, wird vorgeschlagen, dass jedes der Module (6) mehrere parallel zueinander geschaltete Submodule (14, 44, 58) umfasst und jedes der Submodule (14, 44, 58) eine Schaltvorrichtung (16), einen Energiespeicher (18) und ein Drosselelement (20) aufweist.

Description

Beschreibung
Modularer Mehrstufenumrichter und Verfahren zum Betreiben eines modularen Mehrstufenumrichters
Die Erfindung betrifft einen modularen Mehrstufenumrichter mit einer Reihenschaltung von mehreren Modulen.
Ein modularer Mehrstufenumrichter, auch modularer Multilevel Umrichter oder kurz MMC bzw. M2C (nach dem englischen „modu- lar multilevel Converter") genannt, ist ein Umrichter zum Umwandeln einer Spannung in eine andere Spannung. Ein modularer Mehrstufenumrichter kann z.B. eine Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandeln, d.h. er wird als Wechselrichter verwendet. Ein modularer Mehrstufenumrichter kann außerdem z.B. eine Wechselspannung in eine Gleichspannung umwandeln, d.h. er wird als Gleichrichter verwendet. Weiterhin kann ein modularer Mehrstufenumrichter eine Wechselspannung in eine in der Frequenz und Amplitude unterschiedliche Wechselspannung umwandeln, ohne zunächst eine Gleichspannung zu erzeugen, d.h. er wird als direkter Umrichter verwendet.
Modulare Mehrstufenumrichter werden vorwiegend im Hochleis¬ tungsbereich eingesetzt. Ein mögliches Anwendungsfeld eines modularen Mehrstufenumrichters als Wechselrichter liegt in einem Photovoltaikkraftwerk, in welchem die durch das Kraftwerk erzeugte Gleichspannung in eine Wechselspannung umgewandelt werden muss, um letztere in ein Wechselstromnetz einspeisen zu können.
Ein modularer Mehrstufenumrichter als Gleichrichter wird beispielsweise in der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung benötigt. Dabei wird aus einer Wechselspannung eine Gleichspannung erzeugt, welche zum verlustarmen Transport über weite Übertragungsstrecken hinweg genutzt wird. Nach der Übertragung wird die Gleichspannung wiederum mit einem modularen Mehrstufenumrichter als Wechselrichter in eine Wechselspan- nung umgewandelt, um diese in das Wechselstromnetz einzuspei¬ sen .
In seinem Aufbau umfasst ein modularer Mehrstufenumrichter zumindest eine Reihenschaltung mit mehreren in Reihe geschal¬ teten Modulen. EP 2677653 AI offenbart einen modularen Mehrstufenumrichter, welcher in diesem Fall drei Reihenschaltungen mit 2N Modulen umfasst. Jede der Reihenschaltungen wird durch eine Wechselspannungsleitung in zwei Zweige geteilt. Jeder Zweig wiederum ist über ein Drosselelement mit der Wechselspannungsleitung verbunden. Ferner weist jedes Modul einen Energiespeicher und eine Schaltvorrichtung auf. Der jeweilige Energiespeicher ist dazu eingerichtet, eine elektri¬ sche Energie zu speichern. In jedem Modul kann der Energie¬ speicher zumindest teilweise mit elektrischer Energie (auf-) geladen werden. Mithilfe der Schaltvorrichtung kann gesteuert werden, ob der Energiespeicher des jeweiligen Moduls geladen bzw. entladen werden soll oder ob der Energiespeicher überbrückt werden soll.
Der modulare Mehrstufenumrichter ist für eine bestimmte Maxi¬ malspannung und für einen bestimmten Maximalstrom ausgelegt, bis zu welchen der modulare Mehrstufenumrichter optimal und/oder störungsfrei arbeiten kann. Damit der modulare Mehrstufenumrichter auch bei noch höheren Spannungswerten störungsfrei arbeiten kann, d.h. um die Maximalspannung zu erhöhen, kann die Anzahl der in Reihe geschalteten Module erhöht werden. Der Maximalstrom bleibt dabei gleich, d.h. der Maximalstrom kann auf diese Weise nicht erhöht werden.
Um den modularen Mehrstufenumrichter auch für höhere Ströme auszubauen, d.h. um den Maximalstrom zu erhöhen, werden derzeit in den Modulen (statt Standard-Halbleiterkomponenten) Hochleistungs-Halbleiterkomponenten, z.B. Hochleistungs- Schaltelemente, verwendet, die für solche höheren Ströme aus¬ gelegt sind. Jedoch sind diese Hochleistungs-Halbleiterkompo- nenten teuer. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen leistungsfähigen und kostengünstigen modularen Mehrstufenumrichter bereitzustellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen modularen Mehrstufenumrichter mit einer Reihenschaltung von mehreren Modulen gelöst, wobei jedes der Module mehrere parallel zuei¬ nander geschaltete Submodule umfasst und jedes der Submodule eine Schaltvorrichtung, einen Energiespeicher und ein Dros- selelement aufweist.
Der Erfindung liegt zugrunde, dass durch ein Parallelschalten mehrerer Einheiten der Strom in jeder Einheit niedrig gehalten werden kann, weil sich der Gesamtstrom auf die einzelnen Einheiten (in mehrere Teilströme) aufteilt.
Die Erfindung sieht vor, dass jedes bisherige Modul in mehre¬ re Submodule aufgeteilt wird, wobei die Submodule parallel zueinander geschaltet werden. Durch ein Parallelschalten meh- rerer Submodule kann der Strom in jedem der Submodule - d.h. in jedem Submodul bzw. in jedem von den Submodulen - niedrig gehalten werden, weil sich der Gesamtstrom auf die einzelnen Submodule (in mehrere Teilströme) aufteilt. Veranschaulicht formuliert heißt das, auch wenn in den modularen Mehrstufen- umrichter ein hoher Strom eingespeist wird, liegt in jedem der Submodule ein geringer Teilstrom an, sodass in jedem der Submodule Standard-Halbleiterkomponenten eingesetzt werden können . Weiter erkennt die Erfindung, dass ein einfaches Aufteilen der bisherigen Module (mit Energiespeicher und Schaltvorrichtung) in mehrere Submodule nicht möglich ist, weil sich die SchaltZeitpunkte der Schaltvorrichtungen in den jeweiligen Submodulen leicht voneinander unterscheiden. Herstellungsbe- dingt lassen sich keine Schaltvorrichtungen mit exakt gleichen SchaltZeitpunkten liefern. Durch leicht unterschiedliche SchaltZeitpunkte der Schaltvorrichtungen kann eine Last in einem Modul z.B. nur über eines der Submodule fließen, was zu einem Defekt der Schaltvorrichtung innerhalb dieses Submodul führen kann.
Ausgehend von diesen Erkenntnissen sieht die Erfindung vor, in jedem der Submodule ein Drosselelement zu integrieren, da mit sich eine Last über alle Submodule gleichmäßig verteilen kann .
Das heißt, die Erfindung sieht eine Parallelschaltung mehre¬ rer Submodule vor, sodass gewährleistet wird, dass in jedem der Submodule ein geringer (Teil-) Strom fließt und, weiter sieht die Erfindung vor, dass jedes der Submodule eine
Schaltvorrichtung, einen Energiespeicher und ein Drosselelement aufweist, wobei unterschiedliche SchaltZeitpunkte der Schaltvorrichtungen unter Verwendung des Drosselelements aus geglichen werden.
Weiterhin hat das Parallelschalten mehrerer Submodule den Vorteil, dass die Modularität eines modularen Mehrstufenum¬ richters weiter erhöht wird. Bei der Herstellung eines modu¬ laren Mehrstufenumrichters kann die Anzahl der Submodule ei¬ nes jeden Moduls je nach benötigtem maximalem Strom variiert werden, insbesondere ohne Elemente der jeweiligen Submodule austauschen zu müssen. Eine Skalierbarkeit des modularen Mehrstufenumrichters hinsichtlich des maximalen Stroms wird damit hergestellt.
Der modulare Mehrstufenumrichter kann zum Umwandeln einer Gleichspannung in eine Wechselspannung, d.h. als Wechselrich ter, und/oder zum Umwandeln einer Wechselspannung in eine Gleichspannung, d.h. als Gleichrichter, betrieben werden. Au ßerdem kann der modulare Mehrstufenumrichter dazu eingerichtet sein, eine Wechselspannung in eine in der Frequenz und/oder Amplitude unterschiedliche Wechselspannung umzuwandeln. Auf diese Weise kann der modulare Mehrstufenumrichter multifunktional sein. Zweckmäßigerweise umfasst zumindest eines der mehreren Submo¬ dule eine Halbbrückenschaltung. Vorzugsweise sind in der Halbbrückenschaltung die Schaltvorrichtung und der Energiespeicher desselben Submoduls verschaltet. Insbesondere kann jedes der mehreren Submodule eine Halbbrückenschaltung umfassen, in welcher vorzugsweise die Schaltvorrichtung und der Energiespeicher des jeweiligen Submoduls verschaltet sind.
Weiter ist es zweckmäßig, wenn der Energiespeicher von zumin- dest einem der mehreren Submodule in einem Zwischenkreis des¬ selben Submoduls platziert ist. Insbesondere kann jeder der Energiespeicher der mehreren Submodule in einem Zwischenkreis des jeweiligen Submoduls platziert sein. Der jeweilige Zwi¬ schenkreis ist sinnvollerweise ein Element der zuvor genann- ten Halbbrückenschaltung. Weiter kann der jeweilige Energiespeicher parallel zu der Schaltvorrichtung des jeweiligen Submoduls angeordnet sein.
Vorteilhafterweise ist der Energiespeicher von zumindest ei- nem der mehreren Submodule ein Kondensator und/oder ein Akku. Als Akku kann eine wiederaufladbare Batterie verstanden wer¬ den. Insbesondere kann jeder der Energiespeicher der mehreren Submodule ein Kondensator und/oder ein Akku sein. Der Kondensator kann z.B. ein Leistungskondensator sein. Weiter kann der Kondensator beispielsweise ein Folienkondensator, ein Elektrolytkondensator oder ein Keramikkondensator sein.
Es ist vorteilhaft, wenn die Schaltvorrichtung von zumindest einem der mehreren Submodule zwei Schalteinheiten umfasst. Insbesondere kann jede der Schaltvorrichtungen der mehreren
Submodule jeweils zwei Schalteinheiten umfassen. Vorzugsweise sind die beiden Schalteinheiten (jeweils) in Reihe geschal¬ tet. Zweckmäßigerweise bilden die beiden (jeweiligen) Schalt¬ einheiten einen Brückenarm. Der (jeweilige) Brückenarm ist sinnvollerweise ein Element der zuvor genannten Halbbrückenschaltung . In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Schalteinheit von zumindest einem der mehreren Submodule eine Diode und/oder ein steuerbares Schaltelement. Insbesondere kann jede der Schalteinheiten der mehreren Submodule (je- weils) eine Diode und/oder ein steuerbares Schaltelement um¬ fassen. Das steuerbare Schaltelement kann z.B. ein Transistor sein. Insbesondere kann das steuerbare Schaltelement ein IGBT (insulated gate bipolar transistor) , ein MOSFET (metal oxide semiconductor field-effect transistor) oder dergleichen sein. Vorteilhafterweise ist das steuerbare Schaltelement antipa¬ rallel zu der Diode geschaltet. Alternativ oder zusätzlich kann die Schalteinheit eines der mehreren Submodule, insbe¬ sondere jede der Schalteinheiten der mehreren Submodule, einen Thyristor umfassen.
Vorzugsweise ist das Drosselelement von zumindest einem der mehreren Submodule derart mit der Schaltvorrichtung desselben Submoduls verschaltet, dass das Drosselelement eine Stromän¬ derungsrate in den beiden Schalteinheiten desselben Submoduls begrenzt. Insbesondere kann jedes der Drosselelemente der mehreren Submodule derart mit der Schaltvorrichtung des jeweiligen Submoduls verschaltet sein, dass das jeweilige Dros¬ selelement eine Stromänderungsrate in den beiden Schaltein¬ heiten des jeweiligen Submoduls begrenzt. Weiter kann das Drosselelement von zumindest einem der mehreren Submodule derart mit der Schaltvorrichtung desselben Submoduls verschaltet sein, dass die Schaltvorgänge desselben Submoduls von den Schaltvorgängen anderer Submodule entkoppelt sind. Außerdem kann das Drosselelement von zumindest einem der meh- reren Submodule derart mit der Schaltvorrichtung desselben Submoduls verschaltet sein, dass eine störungsfreie Strom¬ übernahme, insbesondere eine Kommutierung, der Schaltvorrichtung desselben Submoduls gewährleistet wird. Es ist sinnvoll, wenn in zumindest einem der mehreren Submo¬ dule die beiden Schalteinheiten desselben Submoduls durch eine Leitung miteinander verbunden sind. Insbesondere können in jedem der mehreren Submodule die beiden jeweiligen Schaltein- heiten jeweils durch eine Leitung miteinander verbunden sein. Vorzugsweise ist an der jeweiligen Leitung eine Abzweigungs¬ leitung angeschlossen. Die jeweilige Abzweigungsleitung um- fasst vorteilhafterweise das Drosselelement des jeweiligen Submoduls. Alternativ kann das Drosselelement in der jeweili¬ gen Abzweigungsleitung angeordnet sein.
Weiter ist es zweckmäßig, wenn das Drosselelement von zumin¬ dest einem der mehreren Submodule eine Spule und/oder ein Widerstand ist. Vorzugsweise ist jedes der Drosselelemente eine Spule und/oder ein Widerstand. Insbesondere kann jedes der Drosselelemente der mehreren Submodule eine Spule sein. Wei¬ ter kann das Drosselelement von zumindest einem der mehreren Submodule einen frequenzabhängigen Widerstand aufweisen. Insbesondere weist das Drosselelement von zumindest einem der mehreren Submodule eine Induktivität auf.
Vorteilhafterweise erfolgt in zumindest einem der mehreren Module eine Steuerung der Submodule desselben Moduls auf ei¬ ner Ebene desselben Moduls mit einer gemeinsamen Modulsteuerung. Insbesondere kann jedes der Module eine solche Modul¬ steuerung aufweisen. Weiter erfolgt vorzugsweise in jedem der mehreren Module eine Steuerung der Submodule des jeweiligen Moduls auf der Ebene des jeweiligen Moduls mit einer gemein¬ samen Modulsteuerung. Das heißt, jedes der Module kann eine gemeinsame Modulsteuerung zum Ansteuern seiner Submodule aufweisen. Die Modulsteuerung des jeweiligen Moduls ist zweckmäßigerweise dazu eingerichtet, die Schaltvorrichtungen, insbe¬ sondere die Schalteinheiten, seiner Submodule anzusteuern.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Modulsteuerung zumindest eines der mehreren Module über einen ersten Bus und/oder über einen zweiten Bus mit den Schaltvorrichtungen desselben Moduls verbunden. Weiter ist es bevorzugt, dass in zumindest einem der mehreren Module jedes der Submodule desselben Moduls eine erste Schalteinheit und eine zweite Schalteinheit aufweist. Insbesondere kann in jedem der mehreren Module jedes der Submodule des jeweiligen Moduls ei- ne erste Schalteinheit und eine zweite Schalteinheit aufwei¬ sen. Die erste und die zweite Schalteinheit können insbeson¬ dere die zuvor genannten zwei Schalteinheiten sein. Die Modulsteuerung des zumindest einen der mehreren Module kann über den ersten Bus mit jeder ersten Schalteinheit desselben Moduls, insbesondere mit jedem der Schaltelemente der ersten Schalteinheit desselben Moduls, verbunden sein. Ferner kann die Modulsteuerung des zumindest einen der mehreren Mo- dule über den zweiten Bus mit jeder zweiten Schalteinheit desselben Moduls, insbesondere mit jedem der Schaltelemente der zweiten Schalteinheit desselben Moduls, verbunden sein. Insbesondere kann jede der Modulsteuerungen der mehreren Module derart mit den Schalteinheiten der Submodule der jewei- ligen Module verbunden sein.
Jedes der Submodule kann weitere Elemente umfassen. Die Halb¬ brückenschaltung zumindest eines der mehreren Submodule kann mit den weiteren Elementen desselben Submoduls z.B. eine Vollbrückenschaltung bilden. Jedes der Submodule kann eine oder mehrere weitere Schaltvorrichtungen umfassen, welche wiederum eine oder mehrere Schalteinheiten aufweisen können. Die eine oder mehreren Schalteinheiten der weiteren Schaltvorrichtung (en) können identisch oder im Wesentlichen iden- tisch zu den erstgenannten Schalteinheiten ausgestaltet sein. Die Modulsteuerung des jeweiligen Moduls kann mit den weiteren Schaltvorrichtungen desselben Moduls verbunden sein, insbesondere um diese anzusteuern. Vorzugsweise umfasst die Rei¬ henschaltung eine gerade Anzahl von Modulen.
Die Reihenschaltung des modularen Mehrstufenumrichters kann eine erste Reihenschaltung sein. Außerdem kann der modulare Mehrstufenumrichter mindestens eine weitere Reihenschaltung von Modulen umfassen. Die weitere Reihenschaltung kann, ins- besondere jede der weiteren Reihenschaltungen können, zur ersten Reihenschaltung von Modulen parallel geschaltet sein. Ferner kann die weitere Reihenschaltung, insbesondere jede der weiteren Reihenschaltungen, und die erste Reihenschaltung eine gleiche Anzahl von Modulen, insbesondere eine gerade An¬ zahl von Modulen, aufweisen.
Weiter ist es bevorzugt, wenn jedes der Module eine gleiche Anzahl von Submodulen aufweist. Insbesondere können die Modu¬ le der ersten Reihenschaltung eine gleiche Anzahl von Submodulen aufweisen. Außerdem können die Module der weiteren Reihenschaltung, insbesondere die Module jeder der weiteren Reihenschaltungen, und die Module der ersten Reihenschaltung eine gleiche Anzahl von Submodulen aufweisen. Vorzugsweise sind die Submodule identisch oder im Wesentlichen identisch zueinander ausgestaltet.
Weiter kann der modulare Mehrstufenumrichter eine HauptanSteuerung aufweisen. Die Hauptsteuerung kann mit den jewei gen Modulsteuerungen verbunden sein .
Der modulare Mehrstufenumrichter kann beispielsweise zur Versorgung eines Energieübertragungssystems eingesetzt werden, wobei insbesondere eine von dem modularen Mehrstufenumrichter gewandelte Spannung in das Energieübertragungssystem eingespeist werden kann. Vorzugsweise ist das Energieübertragungs¬ system ein Stromnetz, beispielsweise ein Gleichstromnetz oder ein Wechselstromnetz.
Ferner ist die Erfindung auf ein Verfahren zum Betreiben eines modularen Mehrstufenumrichters mit einer Reihenschaltung von mehreren Modulen gerichtet. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren umfasst jedes der Module mehrere parallel zueinan¬ der geschaltete Submodule und jedes der Submodule weist eine Schaltvorrichtung, einen Energiespeicher und ein Drosselelement auf, wobei eine Spannung an den modularen Mehrstufenumrichter angelegt wird, in jedem der Submodule ein Teilstrom fließt, wobei durch das Drosselelement des jeweiligen Submo- duls eine Stromänderungsrate des jeweiligen Teilstroms be¬ grenzt wird, die in den Submodulen fließenden Teilströme sich zu einem Gesamtstrom überlagern und der Gesamtstrom vom modu- laren Mehrstufenumrichter an ein Energieübertragungssystem abgegeben wird.
Dieser modulare Mehrstufenumrichter kann insbesondere der oben beschriebene modulare Mehrstufenumrichter sein. Folglich können die nachfolgend genannten Elemente des modularen Mehrstufenumrichters die zuvor erwähnten Elemente sein.
Zweckmäßigerweise erzeugt jedes der Module eine Teilspannung. Vorzugsweise überlagern sich die Teilspannungen zu einer Gesamtspannung. Weiter kann die Gesamtspannung vom modularen Mehrstufenumrichter abgegeben werden. Insbesondere kann die Gesamtspannung an das Energieübertragungssystem abgegeben werden. Sinnvollerweise ist die Gesamtspannung die vom modu- laren Mehrstufenumrichter gewandelte Spannung.
Zweckmäßigerweise werden in jedem der mehreren Module die Schaltvorrichtungen des jeweiligen Moduls auf der Ebene des jeweiligen Moduls nach einer vorgegebenen Logik ansteuert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist jedes der Submodule eine erste Schalteinheit und eine zweite
Schalteinheit auf. Weiter kann in jedem der mehreren Module nach der vorgegebenen Logik im Wesentlichen zeitgleich jede erste Schalteinheit des jeweiligen Moduls und im Wesentlichen zeitgleich jede zweite Schalteinheit des jeweiligen Moduls angesteuert werden.
Es ist bevorzugt, wenn jedes der Submodule eine Schaltvor- richtung umfasst, welche zweckmäßigerweise eine erste Schalt¬ einheit und eine zweite Schalteinheit aufweist. Weiter ist es vorteilhaft wenn jedes der Module eine Modulsteuerung auf¬ weist. Die Modulsteuerung kann seine Submodule ansteuern. Zweckmäßigerweise steuert die Modulsteuerung die Schaltvor- richtungen, insbesondere die Schalteinheiten, des jeweiligen Moduls an. Die Modulsteuerung kann die Schaltvorrichtungen, insbesondere die Schalteinheiten, des jeweiligen Moduls nach einer vorgegebenen Logik ansteuern. In einer bevorzugten Aus- gestaltung der Erfindung steuert die Modulsteuerung über einen ersten Bus und/oder über einen zweiten Bus die Schalteinheiten des jeweiligen Moduls an. Nach der vorgegebenen Logik kann die Modulsteuerung des jeweiligen Moduls über einen ersten Bus im Wesentlichen zeitgleich jede erste Schalteinheit desselben Moduls, insbesonde¬ re die Schaltelemente der ersten Schalteinheiten desselben Moduls, ansteuern. Ferner kann nach der vorgegebenen Logik die Modulsteuerung des jeweiligen Moduls über einen zweiten
Bus im Wesentlichen zeitgleich jede zweite Schalteinheit des¬ selben Moduls, insbesondere die Schaltelemente der zweiten Schalteinheiten desselben Moduls, ansteuern. Falls die erste Schalteinheit des jeweiligen Submoduls einge¬ schaltet ist, wird der Energiespeicher des jeweiligen Submoduls zweckmäßigerweise überbrückt. Falls die zweite Schalt¬ einheit des jeweiligen Submoduls eingeschaltet ist, wird der Energiespeicher des jeweiligen Submoduls zweckmäßigerweise geladen und/oder entladen.
Vorzugsweise wird/ist die erste Schalteinheit, insbesondere das Schaltelement der ersten Schalteinheit, des jeweiligen Submoduls geöffnet, wenn die zweite Schalteinheit, insbeson- dere das Schaltelement der zweiten Schalteinheit, desselben Submoduls geschlossen wird/ist und umgekehrt. Weiter können beide Schalteinheiten des jeweiligen Submoduls, insbesondere dessen Schaltelemente, gleichzeitig geöffnet sein. Der modulare Mehrstufenumrichter kann mindestens eine weitere Reihenschaltung von Modulen umfassen. Vorzugsweise umfasst der modulare Mehrstufenumrichter eine weitere Reihenschaltung (d.h. insgesamt zwei Reihenschaltungen), um eine zweiphasige Wechselspannung zu erzeugen und/oder umzuwandeln. Alternativ kann der modulare Mehrstufenumrichter zwei weitere Reihenschaltungen (d.h. insgesamt drei Reihenschaltungen) umfassen, um eine dreiphasige Wechselspannung zu erzeugen und/oder umzuwandeln . Die bisher gegebene Beschreibung vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung enthält zahlreiche Merkmale, die in den einzelnen Unteransprüchen teilweise zu mehreren zusammenge- fasst wiedergegeben sind. Diese Merkmale können jedoch zweckmäßigerweise auch einzeln betrachtet und zu sinnvollen weite¬ ren Kombinationen zusammengefasst werden. Insbesondere sind diese Merkmale jeweils einzeln und in beliebiger geeigneter Kombination mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem er- findungsgemäßen modularen Mehrstufenumrichter kombinierbar. So sind Verfahrensmerkmale auch als Eigenschaft der entspre¬ chenden Vorrichtungseinheit gegenständlich formuliert zu se¬ hen und umgekehrt. Auch wenn in der Beschreibung bzw. in den Patentansprüchen einige Begriffe jeweils im Singular oder in Verbindung mit einem Zahlwort verwendet werden, soll der Umfang der Erfindung für diese Begriffe nicht auf den Singular oder das je¬ weilige Zahlwort eingeschränkt sein. Ferner sind die Wörter „ein" bzw. „eine" nicht als Zahlwörter, sondern als unbestimmte Artikel zu verstehen.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und beschränken die Erfindung nicht auf die da- rin angegebene Kombination von Merkmalen, auch nicht in Bezug auf funktionale Merkmale. Außerdem können dazu geeignete Merkmale eines jeden Ausführungsbeispiels auch explizit iso¬ liert betrachtet, aus einem Ausführungsbeispiel entfernt, in ein anderes Ausführungsbeispiel zu dessen Ergänzung einge- bracht und mit einem beliebigen der Ansprüche kombiniert wer¬ den . Es zeigen:
FIG 1 einen modularen Mehrstufenumrichter mit einer Reihenschaltung von mehreren Modulen;
FIG 2 eine alternative Ausführungsform eines Submoduls; und
FIG 3 einen modularen Mehrstufenumrichter mit drei Reihenschaltungen von mehreren Modulen.
FIG 1 zeigt ein schematisches Schaltbild eines modularen Mehrstufenumrichters 2, welcher eine Reihenschaltung 4 mit mehreren Modulen 6 aufweist. Der modulare Mehrstufenumrichter 2 umfasst zwei Gleichspannungsleitungen 8 für den Anschluss einer Gleichspannung (+, -) bzw. für den Anschluss an ein Gleichstromnetz und eine Wechselspannungsleitung 10 für den Ausgang einer Wechselspannung (AC) bzw. für den Anschluss an ein Wechselstromnetz. Weiter ist der modulare Mehrstufenumrichter 2 beispielsweise dazu eingerichtet, eine Gleichspannung (+,-) in eine (einpha¬ sige) Wechselspannung (AC) umzuwandeln. Die Wechselspannungs¬ leitung 10 teilt die Reihenschaltung 4 in zwei Zweige 12. Jeder Zweig 12 umfasst die gleiche Anzahl an Modulen 6.
Jedes Modul 6 umfasst mehrere parallel zueinander geschaltete Submodule 14, wobei jedes Modul 6 die gleiche Anzahl an Sub- modulen 14 aufweist. Die Submodule 14 sind identisch zueinander ausgebildet. Jedes Submodul 14 umfasst eine Schaltvor- richtung 16, einen Energiespeicher 18 und ein Drosselelement 20. Weiter umfasst jedes Submodul 14 eine Halbbrückenschal¬ tung 22, in welchem die Schaltvorrichtung 16 und der Energiespeicher 18 verschalten sind. Insbesondere ist jeder Energie¬ speicher 18 jeweils in einem Zwischenkreis 24 der Halbbrü- ckenschaltung 22 des jeweiligen Submoduls 14 platziert, d.h. jeder Energiespeicher 18 ist parallel zu der jeweiligen
Schaltvorrichtung 16 angeordnet. Jeder Energiespeicher 18 ist als Kondensator ausgeführt. Die Schaltvorrichtung 16 des jeweiligen Submoduls 14 umfasst eine erste Schalteinheit 26 und eine zweite Schalteinheit 28. Ferner sind die beiden jeweiligen Schalteinheiten 26, 28 in Reihe geschaltet und bilden einen Brückenarm 30 der Halbbrü¬ ckenschaltung 22 des jeweiligen Submoduls 14.
Jede Schalteinheit 26, 28 umfasst eine Diode 32 und ein steu¬ erbares Schaltelement 34. Das jeweilige steuerbare Schaltele- ment 34 ist ein Transistor, insbesondere ein IGBT (insulated gate bipolar transistor) . Weiter ist das Schaltelement 34 antiparallel zu der Diode 32 geschaltet.
Außerdem ist jedes Drosselelement 20, derart mit der Schalt¬ vorrichtung 16 desselben Submoduls 14 verschaltet, dass das jeweilige Drosselelement 20 eine Stromänderungsrate in den beiden Schalteinheiten 26, 28 desselben Submoduls 14 begrenzt. Dazu sind die beiden jeweiligen Schalteinheiten 26, 28 jedes Submoduls 14 durch eine Leitung 35 miteinander verbunden und an der jeweiligen Leitung 35 ist eine Abzweigungsleitung 36 angeschlossen, welche das Drosselelement 20 des jeweiligen Submoduls 14 umfasst. Das Drosselelement 20 des jeweiligen Submoduls 14 ist eine Spule, welche eine Indukti¬ vität und somit einen frequenzabhängigen Widerstand aufweist.
Die jeweilige Abzweigungsleitung 36 verbindet das jeweilige Modul 6 mit dem nächsten (zeichnungsgemäß oberhalb liegenden) Modul 6. Die Abzweigungsleitung 36 des zeichnungsgemäß obers¬ ten Moduls 6 verbindet dieses Modul 6 über die Gleichspan¬ nungsleitung (Eingangsleitung) 8 mit dem Pluspol (+) der Gleichspannung (+,-).
Ferner erfolgt die Steuerung eines jeweiligen Submoduls 14 auf einer Ebene des jeweiligen Moduls 6 mit einer gemeinsamen Modulsteuerung 38. Das heißt, jedes Modul 6 weist eine Modul¬ steuerung 38 auf. Die jeweilige Modulsteuerung 38 steuert die Schalteinheiten 26, 28 der jeweiligen Schaltvorrichtung 16 an, insbesondere nach einer vorgegebenen Logik. Weiter ist die Modulsteuerung 38 des jeweiligen Moduls 6 über den ersten Bus 40 mit jeder ersten Schalteinheit 26 desselben Moduls 6, insbesondere mit den Schaltelementen 34 der ersten Schalteinheiten 26 desselben Moduls 6, verbunden. Die Modulsteuerung 38 des jeweiligen Moduls 6 steuert (nach der vorgegebenen Logik) über den ersten Bus 40 im Wesentlichen zeitgleich jede erste Schalteinheit desselben Moduls 6, insbeson¬ dere die Schaltelemente 34 der ersten Schalteinheiten 26 des- selben Moduls 6, an.
Außerdem ist die Modulsteuerung 38 des jeweiligen Moduls 6 über den zweiten Bus 42 mit jeder zweiten Schalteinheit 28 desselben Moduls 6, insbesondere mit den Schaltelementen 34 der zweiten Schalteinheiten 28 desselben Moduls, verbunden. Die Modulsteuerung 38 des jeweiligen Moduls 6 steuert (nach der vorgegebenen Logik) über den zweiten Bus 42 im Wesentlichen zeitgleich jede zweite Schalteinheit 28 desselben Moduls 6, insbesondere die Schaltelemente 34 der zweiten Schaltein- heiten 26 desselben Moduls 6, an.
Falls das Schaltelement 34 der ersten Schalteinheit 26 des jeweiligen Submoduls 14 eingeschaltet ist und das Schaltele¬ ment 34 der zweiten Schalteinheit 28 desselben Submoduls 14 ausgeschaltet ist, wird der Energiespeicher 18 des jeweiligen Submoduls 14 überbrückt. Falls das Schaltelement 34 der zwei¬ ten Schalteinheit 28 des jeweiligen Submoduls 14 eingeschal¬ tet ist und das Schaltelement 34 der ersten Schalteinheit 26 desselben Submoduls 14 ausgeschaltet ist, kann der Energie- Speicher 18 des jeweiligen Submoduls 14 geladen oder entladen werden .
Weiter können beide Schalteinheiten 26, 28 des jeweiligen Submoduls 14, insbesondere dessen Schaltelemente 34, gleich- zeitig geöffnet sein. Das Öffnen der jeweiligen Schaltelemente 34 erfolgt dadurch, dass das jeweilige Schaltelement 34 hochohmig wird. Zur Umwandlung der Spannung wird beispielsweise an die
Gleichspannungleitungen 8 eine Gleichspannung (+,-) angelegt. In jedem der Submodule 14 fließt (aufgrund der Parallelschal¬ tung) ein Teilstrom. Durch das Drosselelement 20 des jeweili- gen Submoduls 14 wird eine Stromänderungsrate des jeweiligen Teilstroms begrenzt. Weiter überlagern sich die in den Submo- dulen fließenden Teilströme zu einem Gesamtstrom. Der Gesamtstrom wird vom modularen Mehrstufenumrichter 2 über die
Wechelspannungsleitung 10 an ein Energieübertragungssystem abgegeben. In diesem Beispiel ist das Energieübertragungssys¬ tem das Wechselstromnetz.
Weiter erzeugt jedes Modul 6 eine Teilspannung. Die Teilspannungen überlagern sich zu einer Gesamtspannung. Die Gesamt- Spannung wird in Form einer Wechselspannung (AC) vom modularen Mehrstufenumrichter 2 über die Wechselspannungsleitung 10 in das Energieübertragungssystem abgegeben. Somit ist hier die gewandelte Spannung die Wechselspannung. Prinzipiell kann der modulare Mehrstufenumrichter 2 auch in umgekehrter Richtung betrieben werden, d.h. an die Wechselspannungsleitung 10 kann eine Wechselspannung 10 angelegt werden, welche vom modularen Mehrstufenumrichter 2 in eine
Gleichspannung (+,-) bzw. in einen Gleichstrom umgewandelt wird. Die Gleichspannung (+,-) bzw. der Gleichstrom wird dann über die Gleichspannungsleitungen 8 an ein Gleichspannungsnetz abgegeben.
FIG 2 zeigt ein schematisches Schaltbild einer alternativen Ausführungsform eines Submoduls 44. Die in FIG 1 gezeigten Submodule 14 können jeweils durch das in FIG 2 gezeigte
Submodul 44 ersetzet werden.
Die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zum Submodul 14 aus FIG 1, auf das be¬ züglich gleich bleibender Merkmale und Funktionen verwiesen wird. Im Wesentlichen gleich bleibende Elemente werden grund¬ sätzlich mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht erwähnte Merkmale sind in das folgende Ausführungsbeispiel übernommen, ohne dass sie erneut beschrieben sind.
Das Submodul 44 umfasst eine Halbbrückenschaltung 22, in wel- ehern eine Schaltvorrichtung 16 und ein Energiespeicher 18 angeordnet sind. Die Schaltvorrichtung 16 umfasst zwei Schalt¬ einheiten 26, 28, die in einem Brückenarm 30 der Halbbrückenschaltung 22 angeordnet sind. Die zwei Schalteinheiten 26, 28 sind durch eine Leitung 35 miteinander verbunden und an der Leitung 35 ist eine Abzweigungsleitung 36 angeschlossen, welche das Drosselelement 20 umfasst.
Außerdem umfasst das Submodul 44 eine zweite Schaltvorrich¬ tung 46 mit zwei Schalteinheiten 48, 50, die in einem zweiten Brückenzweig 52 angeordnet sind. Die Halbbrückenschaltung 22 eines Submoduls 44 bildet mit der zweiten Schaltvorrichtung 46 eine Vollbrückenschaltung 54. Die zweite Schaltvorrichtung 46 wird von derselben Modulsteuerung (vgl. FIG 1) angesteuert wie die erste Schaltvorrichtung 16. D.h. die Schaltelemente 34 der zweiten Schaltvorrichtung 46 sind mit derselben Modulsteuerung verbunden wie die Schaltelemente 34 der ersten Schaltvorrichtung 16.
Prinzipiell kann das Submodul auch eine Mischform aus Halb- und Vollbrücke umfassen. Alternativ kann das Submodul auch eine Vollbrücke und weitere Elemente umfassen.
FIG 3 zeigt ein schematisches Schaltbild eines modularen Mehrstufenumrichters 56 mit drei Reihenschaltungen 4. Jede Reihenschaltung umfasst mehrere Module 6, die wiederum je¬ weils mehrere Submodule 58 sowie eine Modulsteuerung 38 auf¬ weisen. Zur besseren Übersichtlichkeit wurden die Submodule 58 als Rechteck symbolisch eingezeichnet und jedes Submodul 58 kann z.B. durch eines der Submodule 14, 44 aus FIG 1 bzw. aus FIG 2 ersetzt werden.
Die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel aus FIG 1, auf -
das bezüglich gleich bleibender Merkmale und Funktionen verwiesen wird. Im Wesentlichen gleich bleibende Elemente werden grundsätzlich mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht erwähnte Merkmale sind in das folgende Ausführungsbei- spiel übernommen, ohne dass sie erneut beschrieben sind.
Die jeweilige Modulsteuerung 38 und die Submodule 58 des je¬ weiligen Moduls 6 sind über ein Bussystem 60 miteinander verbunden (im Gegensatz zu den mehreren Busse (40, 42) in FIG 1) . In FIG 3 erfolgt die Ansteuerung der Submodule 58 bzw. ihrer Schaltvorrichtungen, insbesondere ihrer Schaltelemente, über das Bussystem 60 in analoger Weise zu der Ansteuerung in FIG 1.
Die erste Reihenschaltung 4 ist zeichnungsgemäß links, die zweite Reihenschaltung 4 zeichnungsgemäß mittig und die drit¬ te Reihenschaltung 4 zeichnungsgemäß rechts angeordnet. Die zweite sowie die dritte Reihenschaltung 4 ist jeweils paral¬ lel zu der ersten Reihenschaltung 4 geschaltet, d.h. die drei Reihenschaltungen 4 sind parallel zueinander geschaltet. Weiter umfassen die drei Reihenschaltungen 4 jeweils eine gleiche Anzahl von Modulen 6. Die zweite Reihenschaltung 4 und die dritte Reihenschaltung 4 sind analog zu ersten Reihenschaltung 4 ausgebildet. Jede Reihenschaltung 4 umfasst je¬ weils eine Wechselspannungsleitung 10 für eine Phase einer Wechselspannung (AC) . Der modulare Mehrstufenumrichter 56 ist beispielsweise dazu eingerichtet, eine Gleichspannung (+,-) in eine dreiphasige Wechselspannung (AC) umzuwandeln. Prinzipiell kann der modulare Mehrstufenumrichter 56 auch in umgekehrter Richtung betrieben werden, d.h. er kann eine dreiphasige Wechselspannung (AC) in eine Gleichspannung (+,-) umwandeln .
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausfüh- rungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Patentansprüche
1. Modularer Mehrstufenumrichter (2, 56) mit einer Reihenschaltung (4) von mehreren Modulen (6), wobei jedes der Modu- le (6) mehrere parallel zueinander geschaltete Submodule (14, 44, 58) umfasst und jedes der Submodule ( 14 , 44, 58) eine Schaltvorrichtung (16), einen Energiespeicher (18) und ein Drosselelement (20) aufweist.
2. Modularer Mehrstufenumrichter (2, 56) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der mehreren Submodule (14, 44, 58) eine Halbbrückenschaltung (22) umfasst, in welcher die Schaltvorrichtung (16) und der Energiespeicher (18) desselben Submoduls (14, 44, 58) verschaltet sind, insbesondere dass jedes der mehreren Submodule (14, 44, 58) eine Halbbrückenschaltung (22) umfasst, in welcher die Schaltvorrichtung (16) und der Energiespeicher (18) des jeweiligen Submoduls (14, 44, 58) verschaltet sind.
3. Modularer Mehrstufenumrichter (2, 56) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (18) von zumindest einem der mehreren Submodule (14, 44, 58) in einem Zwischenkreis (24) desselben Submoduls (14, 44, 58) platziert ist, insbesondere jeder Energiespeicher (18) der mehreren
Submodule (14, 44, 58) in einem Zwischenkreis (24) des jewei¬ ligen Submoduls (14, 44, 58) platziert ist, und dass der Energiespeicher (18) von zumindest einem der mehreren Submodule (14, 44, 58) ein Kondensator und/oder ein Akku ist, ins- besondere jeder der Energiespeicher (18) der mehreren Submodule (14, 44, 58) ein Kondensator und/oder Akku ist.
4. Modularer Mehrstufenumrichter (2, 56) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (16) von zumindest einem der mehreren Submodule (14, 44, 58) zwei Schalteinheiten (26, 28) umfasst, welche in Reihe geschaltet sind, insbesondere dass jede der Schaltvorrichtungen (16) der mehreren Submodule (14, 44, 58) jeweils zwei Schalteinheiten (26, 28) umfasst, welche jeweils in Reihe geschaltet sind.
5. Modularer Mehrstufenumrichter nach (2, 56) Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (26, 28) von zumindest einem der mehreren Submodule (14, 44, 58), insbe¬ sondere jede der Schalteinheiten (26, 28) der mehreren Submodule (14, 44, 58), eine Diode (32) und ein zu der Diode (32) antiparallel geschaltetes steuerbares Schaltelement (34), insbesondere einen IGBT, einen MOSFET und/oder einen Thyristor, umfasst.
6. Modularer Mehrstufenumrichter (2, 56) nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselelement (20) von zu¬ mindest einem der mehreren Submodule (14, 44, 58) derart mit der Schaltvorrichtung (16) desselben Submoduls (14, 44, 58) verschaltet ist, dass das Drosselelement (20) eine Stromände¬ rungsrate in den beiden Schalteinheiten (26, 28) desselben Submoduls (14, 44, 58) begrenzt, insbesondere dass jedes der Drosselelemente (20) der mehreren Submodule (14, 44, 58) der¬ art mit der Schaltvorrichtung (16) des jeweiligen Submoduls (14, 44, 58) verschaltet ist, dass das jeweilige Drosselele¬ ment (20) eine Stromänderungsrate in den beiden Schalteinhei- ten (26, 28) des jeweiligen Submoduls (14, 44, 58) begrenzt.
7. Modularer Mehrstufenumrichter (2, 56) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselelement (20) von zu- mindest einem der mehreren Submodule (14, 44, 58) eine Spule und/oder ein Widerstand ist, insbesondere dass jedes der Drosselelemente (20) der mehreren Submodule (14, 44, 58) eine Spule ist.
8. Modularer Mehrstufenumrichter (2, 56) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem der mehreren Module (6) eine Steuerung der Submodule (14, 44, 58) dessel- ben Moduls (6) auf einer Ebene desselben Moduls (6) mit einer gemeinsamen Modulsteuerung (38) erfolgt, insbesondere dass jedes der Module (6) eine solche Modulsteuerung (38) auf¬ weist.
9. Modularer Mehrstufenumrichter (2, 56) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem der mehreren Module (6) jedes der Submodule (14, 44, 58) desselben Moduls (6) eine erste Schalteinheit (26) und eine zweite Schaltein- heit (28) aufweist und die Modulsteuerung (38) des zumindest einen der mehreren Module (6) über einen ersten Bus (40) sowie über einen zweiten Bus (42) mit den Schalteinheiten (26, 28) desselben Moduls (6) verbunden ist, wobei die Modul¬ steuerung (38) über den ersten Bus (40) mit jeder ersten Schalteinheit (26) der Submodule (14, 44, 58) desselben Mo¬ duls (6) und über den zweiten Bus (42) mit jeder zweiten Schalteinheit (28) der Submodule (14, 44, 58) desselben Mo¬ duls (6) verbunden ist.
10. Modularer Mehrstufenumrichter (2, 56) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reihenschaltung (4) eine erste Reihenschaltung ist,
gekennzeichnet durch mindestens eine weitere Reihenschaltung (4) von Modulen (6), die zur ersten Reihenschaltung (4) von Modulen (6) parallel geschaltet ist, wobei die weitere Rei¬ henschaltung (4) und die erste Reihenschaltung (4) eine gleiche Anzahl von Modulen (6), insbesondere eine gerade Anzahl von Modulen (6), aufweist.
11. Modularer Mehrstufenumrichter (2, 56) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Module (6) eine glei¬ che Anzahl von Submodulen (14, 44, 58) aufweist.
12. Modularer Mehrstufenumrichter (2, 56) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, eingesetzt zur Versorgung eines Energieübertragungssystems, wobei insbesondere eine von dem modu- laren Mehrstufenumrichter (2, 56) gewandelte Spannung in das Energieübertragungssystem eingespeist wird.
13. Verfahren zum Betreiben eines modularen Mehrstufenumrich- ters (2, 56) mit einer Reihenschaltung (4) von mehreren Modulen (6), bei dem jedes der Module (6) mehrere parallel zuei¬ nander geschaltete Submodule (14, 44, 58) umfasst und jedes der Submodule (14, 44, 58) eine Schaltvorrichtung (16), einen Energiespeicher (18) und ein Drosselelement (20) aufweist, wobei
- eine Spannung an den modularen Mehrstufenumrichter (2, 56) angelegt wird,
- in jedem der Submodule (14, 44, 58) ein Teilstrom fließt, wobei durch das Drosselelement (20) des jeweiligen Submo- duls (14, 44, 58) eine Stromänderungsrate des jeweiligen
Teilstroms begrenzt wird,
- die in den Submodulen fließenden Teilströme sich zu einem Gesamtstrom überlagern und
- der Gesamtstrom vom modularen Mehrstufenumrichter (2, 56) an ein Energieübertragungssystems abgegeben wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass in jedem der mehreren Module (6) die Schaltvorrichtungen (16) des jeweiligen Moduls (6) auf der Ebene des jeweiligen Moduls (6) nach einer vorgegebenen Logik ansteuert werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Submodule (14, 44, 58) eine erste Schalteinheit (26) und eine zweite Schalteinheit (28) aufweist und in jedem der mehreren Module (6) nach der vorgegebenen Logik im Wesentlichen zeitgleich jede erste Schalteinheit (26) des jeweiligen Moduls (6) und im Wesentli¬ chen zeitgleich jede zweite Schalteinheit (28) des jeweiligen Moduls (6) angesteuert wird.
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