DE102014100256B4

DE102014100256B4 - Modular converter

Info

Publication number: DE102014100256B4
Application number: DE102014100256.3A
Authority: DE
Inventors: Malte von Hofen; Lennart Baruschka; Dennis Karwatzki
Original assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Current assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Priority date: 2014-01-10
Filing date: 2014-01-10
Publication date: 2021-09-09
Anticipated expiration: 2034-01-11
Also published as: DE102014100256A1

Abstract

Modularer Stromrichter (20, 70, 90) zur Verbindung mit wenigstens einem elektrischen Mehrleitungsnetz (30, 40) mittels elektronische Halbleiterschalter (5, 6, 7, 8, 13, 14) aufweisenden Brückenmodulen (1), wobei aus einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Brückenmodulen (1) jeweils Stromrichterzweige (21-29, 71-76) gebildet sind, wobei mehrere Stromrichterzweige (21-29, 71-76) vorhanden sind, die jeweils eine Leitung (31, 32, 33) des ersten Mehrleitungsnetzes (30) mit einer Leitung (41, 42, 43) des zweiten Mehrleitungsnetzes (40) oder einer anderen Leitung (31, 32, 33) des ersten Mehrleitungsnetzes (30) verbinden, wobei der Stromrichter (20, 70, 90) eine Stromrichterzweig-Redundanz derart aufweist, dass wenigstens ein weiterer Stromrichterzweig als redundanter Stromrichterzweig (22, 24, 29, 69) ausgebildet ist oder durch eine Steuerungseinrichtung (97) des Stromrichters (20, 70, 90) als redundanter Stromrichterzweig (22, 24, 29, 69) betrieben ist, wobei der wenigstens eine redundante Stromrichterzweig (22, 24, 29, 69) zur wenigstens teilweisen Übernahme der Funktion eines anderen Stromrichterzweiges (21-29, 71-76) eingerichtet ist, wobei der Stromrichter als Multilevelmatrixkonverter ausgebildet ist, der für die Kopplung zweier Dreileitungsnetze neun Stromrichterzweige aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerungseinrichtung (97) des Stromrichters (20, 70, 90) dazu eingerichtet ist, die für den Betrieb des Stromrichters (20, 70, 90) genutzten Stromrichterzweige (21-29, 71-76) im laufenden Betrieb zyklisch zu wechseln und dabei den Stromrichter mit einer variablen, durch die Steuerungseinrichtung (97) festlegbaren Anzahl von Stromrichterzweigen zwischen sechs und neun Stromrichterzweigen zu betreiben.Modular converter (20, 70, 90) for connection to at least one electrical multi-line network (30, 40) by means of bridge modules (1) having electronic semiconductor switches (5, 6, 7, 8, 13, 14), whereby from a plurality of in series connected bridge modules (1) each converter branches (21-29, 71-76) are formed, wherein several converter branches (21-29, 71-76) are present, each of which has a line (31, 32, 33) of the first multi-line network (30 ) to a line (41, 42, 43) of the second multi-line network (40) or another line (31, 32, 33) of the first multi-line network (30), the converter (20, 70, 90) having a converter branch redundancy such that at least one further converter branch is designed as a redundant converter branch (22, 24, 29, 69) or by a control device (97) of the converter (20, 70, 90) as a redundant converter branch (22, 24, 29, 69) is operated, the at least one redundant Converter branch (22, 24, 29, 69) is set up to at least partially take over the function of another converter branch (21-29, 71-76), the converter being designed as a multilevel matrix converter which has nine converter branches for the coupling of two three-line networks characterized in that a control device (97) of the converter (20, 70, 90) is set up to cyclically add the converter branches (21-29, 71-76) used for operating the converter (20, 70, 90) during operation change and operate the converter with a variable number of converter branches between six and nine converter branches that can be determined by the control device (97).

Description

Die Erfindung betrifft einen modularen Stromrichter zur Verbindung eines ersten elektrischen Mehrleitungsnetzes mit einem zweiten elektrischen Mehrleitungsnetz mittels elektronische Halbleiterschalter aufweisenden Brückenmodulen gemäß dem Anspruch 1.The invention relates to a modular converter for connecting a first electrical multi-line network to a second electrical multi-line network by means of bridge modules having electronic semiconductor switches according to claim 1.

Allgemein betrifft die Erfindung das Gebiet der elektrischen Energieversorgungstechnik. Mit einem solchen Stromrichter kann elektrische Energie zwischen Energieversorgungsnetzen transferiert werden, die z. B. unterschiedliche Nennspannungen oder, im Falle von Wechselspannung, unterschiedliche Frequenzen haben. Ein solcher Stromrichter wird auch als Umrichter bezeichnet. Dies kann durch Verwendung von elektronische Halbleiterschalter aufweisenden Brückenmodulen ohne teure und aufwändige Transformatoren realisiert werden. Entsprechende Vorschläge sind z. B. aus der DE 10 2010 013 862 A1 und der DE 10 2011 107 737 A1 bekannt.In general, the invention relates to the field of electrical power supply technology. With such a converter electrical energy can be transferred between power supply networks, which z. B. have different nominal voltages or, in the case of AC voltage, different frequencies. Such a converter is also referred to as a converter. This can be achieved by using bridge modules having electronic semiconductor switches without expensive and complex transformers. Corresponding proposals are z. B. from the DE 10 2010 013 862 A1 and the DE 10 2011 107 737 A1 known.

Solche bekannten Stromrichter weisen mehrere Stromrichterzweige auf, die jeweils eine Leitung des ersten Mehrleitungsnetzes mit einer Leitung des zweiten Mehrleitungsnetzes verbinden. In jedem Stromrichterzweig sind so viele Brückenmodule in Reihe geschaltet, dass die gewünschte Energieübertragung von dem einen Mehrleitungsnetz in das andere Mehrleitungsnetz durchgeführt werden kann und die einzelnen Brückenmodule dabei nicht überlastet werden. Um eine erhöhte Ausfallsicherheit zu erreichen, kann die Anzahl der in Reihe geschalteten Brückenmodule pro Stromrichterzweig so groß gewählt werden, dass eine gewisse Redundanz vorhanden ist. So kann z. B. bei einem internen Defekt eines Brückenmoduls der Reihenschaltung dieses Brückenmodul über die interne Brückenschaltung oder auf andere Weise elektrisch überbrückt werden. Der hierdurch verursachte Spannungsausfall kann durch die übrigen Brückenmodule der Reihenschaltung kompensiert werden, indem durch entsprechende Steuerung der elektronischen Halbleiterschalter der Brückenmodule pro Brückenmodul eine im zeitlichen Mittel jeweils erhöhte Ausgangsspannung bereitgestellt wird. Bei einem solchen Stromrichter erfolgt die Wartung und Reparatur im Regelfall in einem vollständig abgeschalteten Zustand des Stromrichters.Known converters of this type have several converter branches which each connect a line of the first multi-line network to a line of the second multi-line network. In each converter branch, so many bridge modules are connected in series that the desired energy transfer from one multi-line network to the other multi-line network can be carried out and the individual bridge modules are not overloaded. In order to achieve increased reliability, the number of bridge modules connected in series per converter branch can be selected to be so large that there is a certain redundancy. So z. B. in the event of an internal defect in a bridge module of the series connection, this bridge module can be electrically bridged via the internal bridge circuit or in some other way. The voltage failure caused by this can be compensated by the other bridge modules of the series circuit by providing an output voltage that is increased over time by appropriate control of the electronic semiconductor switches of the bridge modules per bridge module. In the case of such a converter, maintenance and repair are generally carried out when the converter is completely switched off.

Aus der ES 2 341 693 A1 geht ein Matrixkonverter hervor. Aus der Veröffentlichung von Yun Wan, Steven Liu, Jianguo Jiang gehen Vorschläge für analytische Methoden und für die Auslegung modularer Multilevelkonverter hervor. Aus der JP 2009 - 136 098 A geht ein Hochdruck-Direktumrichter hervor.From the ES 2 341 693 A1 a matrix converter emerges. Proposals for analytical methods and for the design of modular multilevel converters emerge from the publication by Yun Wan, Steven Liu, and Jianguo Jiang. From the JP 2009 - 136 098 A a high-pressure direct converter emerges.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen modularen Stromrichter der zuvor erläuterten Art anzugeben, der bei im Wesentlichen gleichem Hardware-Aufwand eine verbesserte Ausfallsicherheit bietet.The invention is based on the object of specifying a modular converter of the type explained above, which offers improved reliability with essentially the same hardware expenditure.

Diese Aufgabe wird durch einen modularen Stromrichter gemäß Anspruch 1 gelöst. Der modulare Stromrichter, im Folgenden nur kurz als Stromrichter bezeichnet, hat den Vorteil, dass durch ein gegenüber Vorschlägen aus dem Stand der Technik völlig anderes Redundanzkonzept bei im Wesentlichen gleichem oder nur geringfügig erhöhtem Hardware-Aufwand eine deutliche Verbesserung der Ausfallsicherheit erzielt werden kann. Infolgedessen ist seltener mit Ausfällen der elektrischen Energieversorgung zu rechnen. Zudem wird die Wartungsfreundlichkeit des Stromrichters erhöht. Dies wird durch die Einführung einer Stromrichterzweig-Redundanz erreicht, im Gegensatz zu einer Redundanz innerhalb eines Stromrichterzweigs. Durch Vorsehen eines zusätzlichen Stromrichterzweigs als redundanten Stromrichterzweig oder durch Betreiben eines vorhandenen Stromrichterzweigs als redundanten Stromrichterzweig wird es möglich, bei einer Störung in einem anderen Stromrichterzweig, z. B. einem Ausfall eines Brückenmoduls, die Funktion des gestörten Stromrichterzweigs solange durch den redundanten Stromrichterzweig ausführen zu lassen, bis der Ausfall oder die Störung des gestörten Stromrichterzweigs behoben ist. Um eine ausreichende Sicherheit für das Wartungspersonal zu gewährleisten, kann der gestörte Stromrichterzweig während der Durchführung der Wartungsarbeiten galvanisch abgetrennt werden, z. B. durch entsprechende Trennschütze. Hierin liegt ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Redundanzkonzepts, nämlich, dass nur relativ wenige Trennschütze erforderlich sind, nur zwei pro Stromrichterzweig, um den gesamten Stromrichterzweig in einen für Wartungsarbeiten sicheren Zustand zu versetzen. Bei der reinen Redundanz durch die Reihenschaltung der Brückenmodule wären Trennschütze auf beiden Seiten jedes Brückenmoduls erforderlich, was aufgrund des erheblichen Aufwands nicht praxisgerecht wäre. Durch das erfindungsgemäße neue Redundanzkonzept der Stromrichterzweig-Redundanz können damit auch reparaturbedingte Abschaltphasen des Stromrichters reduziert oder ganz vermieden werden.This object is achieved by a modular power converter according to claim 1. The modular power converter, hereinafter referred to as power converter for short, has the advantage that a completely different redundancy concept compared to proposals from the prior art can achieve a significant improvement in reliability with essentially the same or only slightly increased hardware outlay. As a result, failures in the electrical power supply are to be expected less often. In addition, the serviceability of the converter is increased. This is achieved through the introduction of a converter branch redundancy, in contrast to a redundancy within a converter branch. By providing an additional converter branch as a redundant converter branch or by operating an existing converter branch as a redundant converter branch, it is possible, in the event of a fault in another converter branch, e.g. B. a failure of a bridge module to have the function of the disturbed converter branch carried out by the redundant converter branch until the failure or the malfunction of the disturbed converter branch is eliminated. In order to ensure sufficient safety for the maintenance personnel, the faulty converter branch can be galvanically separated while the maintenance work is being carried out, e.g. B. by appropriate isolating contactors. This is another advantage of the redundancy concept according to the invention, namely that only relatively few isolating contactors are required, only two per converter branch, in order to put the entire converter branch in a state that is safe for maintenance work. In the case of pure redundancy through the series connection of the bridge modules, isolating contactors would be required on both sides of each bridge module, which would not be practical due to the considerable effort involved. With the new redundancy concept of the converter branch redundancy according to the invention, repair-related disconnection phases of the converter can also be reduced or avoided entirely.

Dass wenigstens ein Stromrichterzweig als redundanter Stromrichterzweig ausgebildet ist oder durch eine Steuerungseinrichtung des Stromrichters als redundanter Stromrichterzweig betrieben ist, umfasst die Ausführungsformen, dass einer oder mehrere Stromrichterzweig als redundante Stromrichterzweige ausgebildet sind oder als solche betrieben sind.The fact that at least one converter branch is designed as a redundant converter branch or is operated as a redundant converter branch by a control device of the converter includes the embodiments that one or more converter branches are designed as redundant converter branches or are operated as such.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die Anzahl der erforderlichen Brückenmodule des Stromrichters und damit die installierte Schaltleistung, der Platzbedarf und die Investitionskosten gesenkt werden können. Der Ausfall eines Brückenmoduls führt maximal zu einem Ausfall des entsprechenden Stromrichterzweigs, nicht jedoch zu einem Ausfall des gesamten Stromrichters. Hieraus lässt sich eine Erhöhung der Verfügbarkeit des Stromrichters ableiten. Wartungsarbeiten wie der Austausch von Brückenmodulen oder anderen Bauteilen können im laufenden Betrieb geschehen. Hierbei kann der Stromrichter ggf. mit verminderter Leistung am Netz bleiben.Another advantage of the invention is that the number of bridge modules required for the converter and thus the installed switching capacity, the space requirement and the investment costs can be reduced. The failure of a bridge module leads to a failure of the corresponding converter branch, but not to a failure of the entire converter. An increase in the availability of the converter can be derived from this. Maintenance work such as the replacement of bridge modules or other components can be carried out during operation. In this case, the converter can, if necessary, remain connected to the grid with reduced power.

Gemäß der Erfindung ist eine Steuerungseinrichtung des Stromrichters dazu eingerichtet, die für den Betrieb des Stromrichters genutzten Stromrichterzweige zu wechseln. Insbesondere können auch ein oder mehrere redundante Stromrichterzweige für den Betrieb des Stromrichters genutzt werden, ohne dass Fehler oder Störungen vorliegen. Gemäß der Erfindung ist eine Steuerungseinrichtung des Stromrichters dazu eingerichtet, den Stromrichter mit einer variablen, durch die Steuereinrichtungseinrichtung festlegbaren Anzahl von Stromrichterzweigen zu betreiben. Dies hat den Vorteil, dass durch die Steuerungseinrichtung ein gestörter Stromrichterzweig abgeschaltet werden kann und durch einen redundanten Stromrichterzweig ersetzt werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei entsprechender schaltungstechnischer Anordnung der einzelnen Stromrichterzweige einschließlich des oder der redundanten Stromrichterzweige ein Wechsel zwischen gerade aktiven Stromrichterzweigen durch die Steuerungseinrichtung durchgeführt werden kann, auch ohne dass eine Störung in einem Stromrichterzweig vorliegt. Dies hat den Vorteil, dass alle Stromrichterzweige hin und wieder im laufenden Betrieb eingesetzt werden, so dass eventuelle Fehler oder Störungen frühzeitig entdeckt werden. Insbesondere kann hiermit vermieden werden, dass ein redundanter Stromrichterzweig im Normalfall nie betrieben wird und erst dann, wenn der redundante Stromrichterzweig benötigt wird, festgestellt wird, dass der redundante Stromrichterzweig einen Fehler aufweist. Ein weiterer Vorteil der genannten Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass durch ein regelmäßiges Umschalten der aktiv in Betrieb befindlichen Stromrichterzweige eine gleichmäßige Belastung und Abnutzung der Bauteile erfolgt, insbesondere der einzelnen Bauteile der Brückenmodule. Anders gesagt, im zeitlichen Mittel werden hierdurch sämtliche Bauteile geschont, weil sie nicht ständig in Betrieb sind.According to the invention, a control device of the converter is set up to change the converter branches used for operating the converter. In particular, one or more redundant converter branches can also be used for operating the converter without errors or malfunctions being present. According to the invention, a control device of the converter is set up to operate the converter with a variable number of converter branches that can be determined by the control device. This has the advantage that a faulty converter branch can be switched off by the control device and can be replaced by a redundant converter branch. Another advantage is that with a corresponding circuit arrangement of the individual converter branches including the redundant converter branch (s), a change between currently active converter branches can be carried out by the control device without a fault in a converter branch. This has the advantage that all converter branches are used every now and then during operation, so that any errors or malfunctions can be discovered early on. In particular, it can thereby be avoided that a redundant converter branch is normally never operated and only when the redundant converter branch is required is it determined that the redundant converter branch has a fault. Another advantage of the mentioned development of the invention is that regular switching of the converter branches that are actively in operation results in uniform loading and wear of the components, in particular the individual components of the bridge modules. In other words, on average over time, all components are spared because they are not constantly in operation.

Eine Abschaltung eines Stromrichterzweigs, z. B. bei einer Störung, kann z. B. durch Durchführung einer Stromregelung derart erfolgen, dass der Strom auf den Wert Null geregelt wird, so dass der Stromrichterzweig elektrisch neutral ist. Anschließend ist es beispielsweise möglich, sämtliche Halbleiterschalter im Brückenmodul zu deaktivieren und somit zu entlasten.A shutdown of a converter branch, z. B. in the event of a fault, z. B. can be done by performing a current control in such a way that the current is regulated to the value zero, so that the converter branch is electrically neutral. It is then possible, for example, to deactivate all semiconductor switches in the bridge module and thus relieve them.

Eine Änderung der genutzten Stromrichterzweige kann durch die Steuerungseinrichtung z.B. vorgenommen werden, wenn der Stromrichter nicht in Betrieb ist. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Steuerungseinrichtung zur Änderung der genutzten Stromrichterzweige bzw. der genutzten Anzahl von Stromrichterzweigen während des laufenden Betriebs des Stromrichters eingerichtet. Somit muss der Stromrichter für einen Wechsel der genutzten Stromrichterzweige nicht heruntergefahren werden. Die Energieversorgung durch den Stromrichter wird daher nicht unterbrochen. Auf diese Weise können je nach elektrischer Belastungssituation jederzeit mehr oder weniger Stromrichterzweige genutzt werden. Es können z. B. redundante Stromrichterzweige genutzt werden, um in zeitlichen Phasen hoher Belastung des Stromrichters die übrigen Stromrichterzweige zu entlasten.A change in the converter branches used can be made by the control device, e.g. when the converter is not in operation. According to an advantageous development of the invention, the control device is set up to change the converter branches used or the number of converter branches used while the converter is in operation. This means that the converter does not have to be shut down to change the converter branches used. The power supply from the converter is therefore not interrupted. In this way, depending on the electrical load situation, more or fewer converter branches can be used at any time. It can e.g. B. redundant converter branches can be used to relieve the remaining converter branches during periods of high load on the converter.

Das erste und/oder das zweite elektrische Mehrleitungsnetz kann z. B. ein Zweileitungsnetz oder ein Dreileitungsnetz sein, insbesondere ein Wechselstromnetz. Der Stromrichter eignet sich z. B. für die Verbindung zweier dreiphasiger Netze miteinander, d. h. von zwei Drehstromnetzen. Der Stromrichter eignet sich auch z. B. zur Verbindung eines einphasigen Wechselstromnetzes mit einem dreiphasigen Netz. Ebenso kann ein dreiphasiges Netz z. B. mit einem Gleichstromnetz mit zwei Leitungen verbunden werden, z. B. zur Hochspannungsgleichstrom übertragung.The first and / or the second electrical multi-line network can, for. B. be a two-line network or a three-line network, in particular an alternating current network. The converter is suitable for. B. for the connection of two three-phase networks with each other, d. H. of two three-phase networks. The converter is also suitable for. B. to connect a single-phase AC network with a three-phase network. Likewise, a three-phase network z. B. can be connected to a direct current network with two lines, e.g. B. for high voltage direct current transmission.

Erfindungsgemäß ist der Stromrichter als Multilevelmatrixkonverter ausgebildet, der für die Kopplung zweier Dreileitungsnetze neun Stromrichterzweige aufweist, wobei der Stromrichter variabel mit einer Anzahl von Stromrichterzweigen zwischen 6 und 9 betreiben wird. Wird der Stromrichter mit 6 Stromrichterzweigen betrieben, kann ein vorteilhaftes Betriebsverfahren gemäß DE 10 2011 107 737 A1 realisiert werden.According to the invention, the converter is designed as a multilevel matrix converter which has nine converter branches for the coupling of two three-line networks, the converter being operated variably with a number of converter branches between 6 and 9. If the converter is operated with 6 converter branches, an advantageous operating method according to FIG DE 10 2011 107 737 A1 will be realized.

Die Anzahlen m und n von Leitungen der Mehrleitungsnetze beziehen sich dabei auf die bei gleichmäßiger Belastung stromtransportierenden Leitungen, d.h. bei einem Dreiphasennetz auf die drei Phasenleiter. Ein ggf. vorhandener Neutralleiter ist hier nicht mitgezählt.The numbers m and n of lines in the multi-line networks relate to the lines carrying current when the load is uniform, i.e. to the three phase conductors in a three-phase network. Any neutral conductor that may be present is not included here.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist für einen, mehrere oder alle Stromrichterzweige und/oder für einen, mehrere oder alle redundanten Stromrichterzweige wenigstens ein in Reihe zu den Brückenmodulen des Stromrichterzweigs geschalteter Trennschalter vorgesehen, mit dem der Stromrichterzweig oder der redundante Stromrichterzweig galvanisch abschaltbar ist. Der Trennschalter kann z. B. als manuell betätigbarer Trennschalter oder als durch eine Steuerungseinrichtung steuerbares Trennschütz ausgebildet sein. Der Trennschalter kann insbesondere am Ende eines Stromrichterzweigs angeordnet sein, d. h. an der Verbindung des Stromrichterzweigs zu einer Leitung eines angeschlossenen Mehrleitungsnetzes. Dies hat den Vorteil, dass mittels des Trennschalters ein Stromrichterzweig auch galvanisch abgeschaltet werden kann. Hierdurch kann der Stromrichter im Fehlerfall einfacher und sicherer repariert werden oder es können Wartungsarbeiten durchgeführt werden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens ein Trennschalter an jedem Ende eines Stromrichterzweigs oder redundanten Stromrichterzweigs, der Trennschalter aufweist, vorhanden. Dies hat den Vorteil, dass der Stromrichterzweig beidseitig galvanisch abgetrennt werden kann, so dass er vollständig potentialfrei geschaltet werden kann. Hierdurch wird die größtmögliche Sicherheit für Reparatur- und Wartungsarbeiten erreicht.According to an advantageous development of the invention, at least one isolating switch connected in series to the bridge modules of the converter branch is provided for one, several or all converter branches and / or for one, several or all redundant converter branches, with which the converter branch or the redundant Converter branch can be switched off galvanically. The circuit breaker can, for. B. be designed as a manually operated isolating switch or as a controllable by a control device isolating contactor. The isolating switch can in particular be arranged at the end of a converter branch, ie at the connection of the converter branch to a line of a connected multi-line network. This has the advantage that a converter branch can also be galvanically switched off by means of the isolating switch. In this way, the converter can be repaired more easily and safely in the event of a fault, or maintenance work can be carried out. According to an advantageous development of the invention, there is at least one disconnector at each end of a converter branch or redundant converter branch that has disconnectors. This has the advantage that the converter branch can be galvanically separated on both sides so that it can be switched completely potential-free. This ensures the greatest possible safety for repair and maintenance work.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Stromrichter als Direktumrichter oder als Zwischenkreis-Umrichter, insbesondere mit einem Gleichspannungszwischenkreis, oder als Wechselrichter, Blindleistungskompensator oder unterbrechungsfreie Stromversorgungseinheit ausgebildet. Der Stromrichter kann insbesondere als transformatorloser Stromrichter ausgebildet sein. Hierdurch kann der Stromrichter vergleichsweise kostengünstig und kompakt realisiert werden.According to an advantageous development of the invention, the converter is designed as a direct converter or as an intermediate circuit converter, in particular with a DC voltage intermediate circuit, or as an inverter, reactive power compensator or uninterruptible power supply unit. The converter can in particular be designed as a transformerless converter. As a result, the converter can be implemented in a comparatively inexpensive and compact manner.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Brückenmodul wenigstens zwei elektronische Halbleiterschalter in Halbbrückenschaltung oder vier elektronische Halbleiterschalter in Vollbrückenschaltung auf. Das Brückenmodul weist wenigstens einen Kondensator auf, der über die Halbleiterschalter mit äußeren Anschlusskontakten des Brückenmoduls verbindbar ist. Mit der Vollbrückenschaltung lassen sich bipolare Vollbrückenmodule realisieren, mit denen beliebige Wechselstrom-Energieumwandlungen zwischen dem ersten und dem zweiten Mehrleitungsnetz durchgeführt werden können. Über den Kondensator kann in dem Brückenmodul ein gewisser elektrischer Energieinhalt gespeichert werden, wodurch energietechnisch besonders günstige Betriebsmodi des Stromrichters realisiert werden können, z. B. die in DE 10 2011 107 737 A1 beschriebene Energieinhaltsregelung.According to an advantageous development of the invention, the bridge module has at least two electronic semiconductor switches in a half-bridge circuit or four electronic semiconductor switches in a full-bridge circuit. The bridge module has at least one capacitor which can be connected to external connection contacts of the bridge module via the semiconductor switch. With the full bridge circuit, bipolar full bridge modules can be implemented, with which any alternating current energy conversions between the first and the second multi-line network can be carried out. A certain amount of electrical energy can be stored in the bridge module via the capacitor, which means that operating modes of the converter which are particularly favorable in terms of energy can be implemented, e.g. B. the in DE 10 2011 107 737 A1 energy content control described.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der wenigstens eine redundante Stromrichterzweig über eine schaltbare elektrische Verbindungseinrichtung mit jeweils einer elektrischen Leitung des ersten Mehrleitungsnetzes galvanisch verbindbar und davon trennbar und über eine zweite elektrische Verbindungseinrichtung mit einer elektrischen Leitung des zweiten Mehrleitungsnetzes oder einer anderen Leitung des ersten Mehrleitungsnetzes galvanisch verbindbar und davon trennbar. Die erste und die zweite elektrische Verbindungseinrichtung können z. B. als Umschalter ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass der redundante Stromrichterzweig variabel zum Ersatz unterschiedlicher anderer Stromrichterzweige des Stromrichters eingesetzt werden kann, wenn einer davon eine Störung aufweist. Hierdurch kann die Zahl der erforderlichen redundanten Stromrichterzweige minimiert werden, ggf. bis hinunter auf nur einen redundanten Stromrichterzweig. Ist nur ein redundanter Stromrichterzweig vorhanden, ist es vorteilhaft, die erste und die zweite elektrische Verbindungseinrichtung so auszubilden, dass der redundante Stromrichterzweig wahlweise als Ersatz für jeden der sonstigen Stromrichterzweige des Stromrichters geschaltet werden kann.According to an advantageous development of the invention, the at least one redundant converter branch can be galvanically connected to and separated from an electrical line of the first multi-line network via a switchable electrical connection device and can be electrically connected to an electrical line of the second multi-line network or another line of the first multi-line network via a second electrical connection device Galvanically connectable and separable from it. The first and second electrical connection means may e.g. B. be designed as a switch. This has the advantage that the redundant converter branch can be used variably to replace different other converter branches of the converter if one of them has a fault. As a result, the number of redundant converter branches required can be minimized, possibly down to only one redundant converter branch. If there is only one redundant converter branch, it is advantageous to design the first and second electrical connection devices in such a way that the redundant converter branch can optionally be switched as a replacement for each of the other converter branches of the converter.

Die Erfindung erlaubt die Durchführung des folgenden Betriebsverfahrens. Zunächst erfolgt im laufenden Betrieb eine Stromregelung einzelner Stromrichterzweige auf den Wert Null und der Übergang zu einer anderen Betriebsart des Stromrichters, z. B. einer Hexverter-Regelung in den nicht abgeschalteten Stromrichterzweigen. Da in den für den Hexverter-Betrieb nicht benötigten Stromrichterzweigen auf diese Weise kein Strom fließt, erlaubt das Vorgehen, diese Stromrichterzweige im laufenden Betrieb des Stromrichters mittels der Trennschalter vom restlichen Stromrichter zu trennen.The invention allows the following method of operation to be carried out. First, the current of individual converter branches is regulated to the value zero during operation and the transition to another operating mode of the converter, e.g. B. a Hexverter control in the converter branches that are not switched off. Since no current flows in the converter branches that are not required for Hexverter operation, the procedure allows these converter branches to be disconnected from the rest of the converter by means of the isolating switch while the converter is in operation.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist wenigstens ein Brückenmodul folgende Merkmale auf:

a) Das Brückenmodul weist einen ersten und einen zweiten Anschluss zur Verbindung mit einer Leitung des Energieversorgungsnetzes oder einem Anschluss eines weiteren Brückenmoduls auf,
b) das Brückenmodul weist vier elektronische Halbleiterschalter in Vollbrückenschaltung auf,
c) der erste und der zweite Anschluss des Brückenmoduls ist mit einander gegenüberliegenden Anschlusspunkten der Vollbrückenschaltung verbunden,
d) das Brückenmodul weist einen Kondensator auf, der mit den weiteren einander gegenüberliegenden Anschlusspunkten der Vollbrückenschaltung verbunden ist.

According to an advantageous development of the invention, at least one bridge module has the following features:

a) The bridge module has a first and a second connection for connection to a line of the energy supply network or a connection of a further bridge module,
b) the bridge module has four electronic semiconductor switches in full bridge circuit,
c) the first and the second connection of the bridge module are connected to opposite connection points of the full bridge circuit,
d) the bridge module has a capacitor which is connected to the other opposite connection points of the full bridge circuit.

Die Vollbrückenschaltung erlaubt dabei variabel eine Vielzahl einstellbarer Schaltzustände, z.B. die Schaltung einer direkten Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss des Brückenmoduls (Überbrücken des Brückenmoduls) oder ein Laden oder Entladen des Kondensators mit der jeweils gewünschten, über die Halbleiterschalter wählbaren Polarität. Durch entsprechende Ansteuerung der Halbleiterschalter über eine Steuerungseinrichtung, die z.B. pulsbreitenmodulierte Ansteuersignale ausgibt, ist eine relativ feinstufige Ladung und Entladung des Kondensators möglich.The full bridge circuit allows a variety of adjustable switching states, for example the switching of a direct connection between the first and the second connection of the bridge module (bridging the bridge module) or charging or discharging of the capacitor with the each desired polarity that can be selected via the semiconductor switch. Appropriate control of the semiconductor switches via a control device which, for example, outputs pulse-width-modulated control signals, enables the capacitor to be charged and discharged in relatively fine stages.

a) das Brückenmodul weist eine Batterie auf,
b) das Brückenmodul weist einen steuerbaren Gleichspannungswandler auf, dessen eine Anschlussseite parallel zum Kondensator angeschlossen ist und an dessen andere Anschlussseite die Batterie angeschlossen ist.

a) the bridge module has a battery,
b) the bridge module has a controllable DC / DC converter, one connection side of which is connected in parallel to the capacitor and the other connection side of which the battery is connected.

Dies erlaubt auf elegante Weise und mit geringem schaltungstechnischem Aufwand eine Einbindung einer Batterie in den Direktstromrichter. Mit der Batterie bzw. einer Mehrzahl von Batterien bei Verwendung einer Mehrzahl von Brückenmodulen kann eine unterbrechungsfreie Stromversorgung mit wenig Aufwand integriert werden. Bei Einsatz des Direktstromrichters an einem Stromversorgungsnetz lässt sich so beispielsweise die Bereitstellung einer Minutenreserve zur Netzstabilisierung realisieren. Mittels der Batterien der Brückenmodule ist eine Pufferung der Energieversorgung je nach Auslegung der Batterien auch für einen größeren Zeitraum möglich, z.B. während Zeiten geringerer Energieerzeugung eines Windenergieparks. In vergleichbarer Weise kann eine Solarzellenenergieversorgungseinrichtung vorteilhaft mit der genannten Einrichtung an ein Dreiphasennetz angekoppelt werden. Vorteilhaft kann über die Batterien eine Zwischenspeicherung der Energie für sonnenlichtarme Zeiten oder die Nacht erfolgen.This allows a battery to be integrated into the direct converter in an elegant manner and with little circuitry effort. With the battery or a plurality of batteries when using a plurality of bridge modules, an uninterruptible power supply can be integrated with little effort. When using the direct converter on a power supply network, for example, a minute reserve can be provided for network stabilization. The batteries of the bridge modules can be used to buffer the energy supply, depending on the design of the batteries, even for a longer period of time, e.g. during periods of low energy generation in a wind farm. In a comparable manner, a solar cell energy supply device can advantageously be coupled to a three-phase network with the device mentioned. The batteries can advantageously be used to temporarily store the energy for times of low sunlight or at night.

Die Batterie ist vorteilhaft als aufladbare Batterie ausgebildet, z.B. als Nickelmetallhydrid-Akkumulator, Blei-Akkumulator oder Lithiumpolymer-Akkumulator. Selbstverständlich können auch andere Akkumulator-Technologien eingesetzt werden.The battery is advantageously designed as a rechargeable battery, e.g. as a nickel metal hydride accumulator, lead accumulator or lithium polymer accumulator. Of course, other accumulator technologies can also be used.

Eine solche Ausführung des Brückenmoduls ermöglicht es, die mit Hilfe der Batterie erzeugte Brückengleichspannung des Brückenmoduls unabhängig von der Batteriespannung konstant zu halten, und zwar durch entsprechende Steuerung des Gleichspannungswandlers. Hierdurch kann auch bei sinkender Batteriespannung eine konstante Ausgangsspannung aufrechterhalten werden. Als Brückenmodul sei in diesem Zusammenhang jegliche räumliche und bauliche Anordnung der genannten Elemente verstanden, unabhängig davon, ob die Elemente beispielsweise in einem Gehäuse zusammengefasst sind oder verteilt angeordnet sind. Beispielsweise kann die Batterie baulich getrennt von den übrigen Elementen des Brückenmoduls angeordnet sein. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Batterie baulich in das Brückenmodul integriert.Such a design of the bridge module makes it possible to keep the bridge DC voltage of the bridge module generated with the help of the battery constant independently of the battery voltage, to be precise by appropriate control of the DC voltage converter. As a result, a constant output voltage can be maintained even when the battery voltage drops. In this context, a bridge module is understood to mean any spatial and structural arrangement of the elements mentioned, regardless of whether the elements are, for example, combined in a housing or arranged in a distributed manner. For example, the battery can be arranged structurally separate from the other elements of the bridge module. In an advantageous development of the invention, the battery is structurally integrated into the bridge module.

Ein weiterer Vorteil ist, dass die Welligkeit des Leistungsbedarfs bzw. des durch das Brückenmodul fließenden Stroms im Wesentlichen von der Batterie entkoppelt werden kann. Es ist ein im Wesentlichen konstanter Stromfluss durch die Batterie möglich, d.h. die höherfrequenten Anteile im Energieversorgungsnetz können von der Batterie ferngehalten werden. Dies erhöht die potentielle Lebensdauer der Batterien erheblich.Another advantage is that the ripple of the power requirement or of the current flowing through the bridge module can essentially be decoupled from the battery. An essentially constant current flow through the battery is possible, i.e. the higher-frequency components in the power supply network can be kept away from the battery. This increases the potential life of the batteries significantly.

Vorteilhaft kann eine Reihenschaltung von Brückenmodulen eingesetzt werden. Hierdurch kann eine direkte Reihenschaltung einer großen Anzahl von Batterien vermieden werden. Eine Integration einer Mehrzahl von Batterien ist dann über eine Mehrzahl der Brückenmodule, die jeweils eine eigene Batterie aufweisen, möglich. Dies vermeidet schaltungstechnischen Aufwand für gesonderte Balancier- oder Lade-/Entladeschaltungen für die Batterien und verringert damit den gesamten schaltungstechnischen Aufwand.A series connection of bridge modules can advantageously be used. This avoids a large number of batteries being directly connected in series. A plurality of batteries can then be integrated via a plurality of the bridge modules, each of which has its own battery. This avoids circuit complexity for separate balancing or charging / discharging circuits for the batteries and thus reduces the overall circuit complexity.

Vorteilhaft wird die Batteriespannung mit Rücksicht auf die Brückengleichspannung bzw. die Nennspannung des jeweiligen Brückenmoduls gewählt. Große Übersetzungsverhältnisse des Gleichspannungswandlers lassen sich somit vermeiden und der Wirkungsgrad wird optimiert. Im Fall unterschiedlicher Nennspannungen in den Brückenmodulen eines Stromrichters unterscheiden sich dann auch die Spannungen der verwendeten Batterien voneinander.The battery voltage is advantageously selected with regard to the DC bridge voltage or the nominal voltage of the respective bridge module. Large transformation ratios of the DC voltage converter can thus be avoided and the efficiency is optimized. In the case of different nominal voltages in the bridge modules of a converter, the voltages of the batteries used also differ from one another.

Ein weiterer Vorteil ist, dass eine Abschaltung des Brückenmoduls über die Vollbrückenschaltung möglich ist. So kann etwa bei einem defekten Leistungshalbleiter die Abschaltung eines Brückenmoduls in einer Reihenschaltung von Brückenmodulen erfolgen. Über die verbleibenden Brückenmodule kann trotz Ausfall eines Brückenmoduls weiterhin die gewünschte Ausgangsspannung der Reihenschaltung konstant gehalten werden.Another advantage is that the bridge module can be switched off via the full bridge circuit. In the case of a defective power semiconductor, for example, a bridge module can be switched off in a series connection of bridge modules. The desired output voltage of the series circuit can still be kept constant via the remaining bridge modules, despite the failure of a bridge module.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass ein Brückenmodul, dessen Batterie defekt ist, weiter in Betrieb bleiben kann. Im zeitlichen Mittel kann das Modul mit defekter Batterie zwar keine Energie liefern, es kann jedoch genutzt werden, um die Spannung über der Reihenschaltung von Brückenmodulen während eines Teils der Netzperiode zu erhöhen, und hilft so, die für einen ausfallsicheren Betrieb des Stromrichters nötige Überdimensionierung der Nennspannungen der einzelnen Brückenmodule zu reduzieren.Another advantage of the invention is that a bridge module whose battery is defective can continue to operate. On average over time, the module with a defective battery cannot supply any energy, but it can be used to increase the voltage across the series connection of bridge modules during part of the grid period, thus helping to overdimension the power converter, which is necessary for fail-safe operation of the converter To reduce the nominal voltages of the individual bridge modules.

Durch die beiden genannten Maßnahmen können besonders ausfallsichere unterbrechungsfreie Stromversorgungen bzw. Stromrichtersysteme geschaffen werden.The two measures mentioned can be particularly fail-safe uninterruptible power supplies or converter systems are created.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass durch den Gleichspannungswandler unterschiedliche Spannungsniveaus der Batterie, die sich je nach Ladezustand einstellen, kompensiert werden können. Hierdurch kann das Brückenmodul eine gewünschte konstante Ausgangsspannung erzeugen. Somit kann auch bei Verwendung der Brückenmodule in einer Reihenschaltung, z.B. in einem Stromrichter, eine konstante Spannung am Dreileitungsnetz aufrechterhalten werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass die bei bekannten Stromrichtern vorgesehene Überdimensionierung bezüglich der Modulanzahl bzw. der Batteriespannung nicht mehr erforderlich ist, da bei Ausfall eines Brückenmoduls bzw. der Batterie des Brückenmoduls die fehlende Spannung durch eine entsprechende Anhebung der Ausgangsspannungen und gegebenenfalls der Brückengleichspannungen der übrigen Brückenmodule ausgeglichen werden kann.Another advantage of the invention is that the DC / DC converter can compensate for different voltage levels of the battery, which are set depending on the state of charge. This enables the bridge module to generate a desired constant output voltage. This means that even when using the bridge modules in a series connection, e.g. in a power converter, a constant voltage can be maintained on the three-wire network. Another advantage is that the overdimensioning of the number of modules or the battery voltage provided in known converters is no longer necessary, since if a bridge module or the battery of the bridge module fails, the missing voltage is caused by a corresponding increase in the output voltages and possibly the DC bridge voltages of the others Bridge modules can be compensated.

Bei entsprechender Auslegung des Gleichspannungswandlers kann grundsätzlich auch mit einer geringeren Anzahl von Brückenmodulen bzw. Batterien die Einrichtung im Vergleich zu unterbrechungsfreien Stromversorgungen aus dem Stand der Technik aufgebaut werden. Hierdurch lassen sich besonders kostengünstige unterbrechungsfreie Stromversorgungen realisieren.With an appropriate design of the DC / DC converter, the device can in principle also be constructed with a smaller number of bridge modules or batteries compared to uninterruptible power supplies from the prior art. In this way, particularly inexpensive uninterruptible power supplies can be implemented.

Je nach Sicherheits- und Zuverlässigkeitsanforderungen kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung die Reihenschaltung der Brückenmodule von vornherein überdimensioniert ausgeführt werden, d.h. es kann eine größere Anzahl von Brückenmodulen bzw. Batterien vorgesehen werden als für die Erreichung der gewünschten Ausgangsspannung an sich notwendig wäre. Es werden somit redundante Brückenmodule vorgesehen. Die gewünschte Ausgangsspannung kann durch Abwärtswandlung der Brückengleichspannungen der einzelnen Brückenmodule über deren Brückenschaltungen erfolgen. Da jedes einzelne Modul so weniger Energie bereitstellen muss, werden hierdurch einerseits die Batterien geschont. Zudem kann auch bei Ausfall einer größeren Anzahl von Brückenmodulen die gewünschte Ausgangsspannung aufrechterhalten werden. Hierdurch kann auch die Ausfallsicherheit der gesamten Einrichtung z.B. gegenüber reinen Reihenschaltungen von Batterien weiter erhöht werden.Depending on the safety and reliability requirements, in an advantageous embodiment the series connection of the bridge modules can be oversized from the outset, i.e. a larger number of bridge modules or batteries can be provided than would be necessary to achieve the desired output voltage. Redundant bridge modules are therefore provided. The desired output voltage can be achieved by down-converting the DC bridge voltages of the individual bridge modules via their bridge circuits. Since each individual module has to provide less energy, this on the one hand saves the batteries. In addition, the desired output voltage can be maintained even if a large number of bridge modules fail. As a result, the reliability of the entire facility can be further increased, e.g. compared to pure series connections of batteries.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Gleichspannungswandler zur Bereitstellung einer Ausgangsspannung an dem Kondensator eingerichtet, die je nach Ausführung und Steuerung des Gleichspannungswandlers höher, niedriger oder gleich der Spannung der Batterie einstellbar ist. Die Verwendung eines solchen steuerbaren Gleichspannungswandlers erlaubt eine hohe Flexibilität bei der Verwendung des Brückenmoduls bzw. einer Mehrzahl von Brückenmodulen und der Steuerung von deren Ausgangsspannung. Der Gleichspannungswandler kann als reiner Aufwärtswandler (Ausgangsspannung höher oder gleich der Batteriespannung), reiner Abwärtswandler (Ausgangsspannung niedriger oder gleich der Batteriespannung) oder als kombinierter Aufwärts-/Abwärtswandler ausgelegt sein. Vorteilhaft ist der Einsatz eines Aufwärtswandlers, da hierfür zum einen weniger Bauteile benötigt werden als für einen kombinierten Aufwärts-/Abwärtswandler und zum anderen eine geringere Batteriespannung benötigt wird, was den potentiellen Bedarf an Balanciermöglichkeiten verringert.According to an advantageous development of the invention, the DC voltage converter is set up to provide an output voltage on the capacitor which, depending on the design and control of the DC voltage converter, can be set higher, lower or equal to the voltage of the battery. The use of such a controllable DC voltage converter allows a high degree of flexibility in the use of the bridge module or a plurality of bridge modules and the control of their output voltage. The DC / DC converter can be designed as a pure step-up converter (output voltage higher than or equal to the battery voltage), a pure step-down converter (output voltage lower than or equal to the battery voltage) or as a combined step-up / step-down converter. The use of a step-up converter is advantageous because, on the one hand, fewer components are required for this than for a combined step-up / step-down converter and, on the other hand, a lower battery voltage is required, which reduces the potential need for balancing options.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Gleichspannungswandler ein bidirektionaler Gleichspannungswandler. Hierdurch kann nicht nur in der einen Richtung die Energie für die Brückengleichspannung am mit dem Kondensator verbundenen Ausgang des Gleichspannungswandlers variabel bereitgestellt werden, sondern zusätzlich auch die Batterie mit einer von der mit dem Kondensator verbundenen Seite des Gleichspannungswandlers abgeleiteten Spannung mit einer für den jeweiligen Batteriezustand geeigneten Ladespannung geladen werden. Zusätzlich ist auch eine definierte Entladung der Batterie über den bidirektionalen Gleichspannungswandler steuerbar, z.B. zum Zweck der Formierung der Batterie.According to an advantageous development of the invention, the DC voltage converter is a bidirectional DC voltage converter. As a result, not only can the energy for the bridge DC voltage at the output of the DC voltage converter connected to the capacitor be provided variably in one direction, but also the battery with a voltage derived from the side of the DC voltage converter connected to the capacitor with a voltage suitable for the respective battery status Charging voltage are charged. In addition, a defined discharge of the battery can be controlled via the bidirectional DC voltage converter, e.g. for the purpose of forming the battery.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Gleichspannungswandler eine Halbbrücke mit zwei elektronischen Halbleiterschaltern auf. Vorteilhaft können Halbleiterschalter des gleichen Typs verwendet werden wie für die Vollbrückenschaltung. Dies erlaubt einen einfachen und kostengünstigen Aufbau des Gleichspannungswandlers aus wenigen Bauteilen und damit einen kostengünstigen Aufbau des gesamten Brückenmoduls.According to an advantageous development of the invention, the DC voltage converter has a half bridge with two electronic semiconductor switches. Semiconductor switches of the same type as for the full bridge circuit can advantageously be used. This allows a simple and cost-effective construction of the DC-DC converter from a few components and thus a cost-effective construction of the entire bridge module.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die elektronischen Halbleiterschalter in Form eines dreiphasigen IGBT-Moduls vorgesehen. Als IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) bezeichnet man ein Vierschicht-Halbleiterbauelement, das mittels eines Gates gesteuert wird. IGBTs sind eine Weiterentwicklung von Leistungs-MOSFETs. Ausgangsseitig weisen IGBTs P-N-Halbleiterübergänge auf. Somit ist ein IGBT eine Art Kombination aus einem Feldeffekt-Halbleiterbauelement und einem Bipolar-Halbleiterbauelement. IGBTs werden in der Energieversorgungstechnik häufig in Form von Modulen mit drei Halbbrücken, d.h. sechs IGBT-Halbleiterschaltern, verwendet. Solche Module sind daher einfach und kostengünstig erhältlich. Die Erfindung zeigt einen eleganten Weg auf, die in einem dreiphasigen IGBT-Modul vorhandenen sechs Halbleiterschalter bzw. drei Halbbrücken effizient für den Aufbau eines Brückenmoduls einzusetzen.In an advantageous development of the invention, the electronic semiconductor switches are provided in the form of a three-phase IGBT module. An IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is a four-layer semiconductor component that is controlled by means of a gate. IGBTs are a further development of power MOSFETs. On the output side, IGBTs have PN semiconductor junctions. An IGBT is therefore a type of combination of a field effect semiconductor component and a bipolar semiconductor component. IGBTs are often used in power supply technology in the form of modules with three half bridges, ie six IGBT semiconductor switches. Such modules can therefore be obtained easily and inexpensively. The invention shows an elegant way to use the six existing in a three-phase IGBT module Use semiconductor switches or three half bridges efficiently for building a bridge module.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist in Reihe zu einem Brückenmodul oder einer Reihenschaltung von Brückenmodulen wenigstens eine Drossel geschaltet. Die Drossel bewirkt durch ihre Energiespeicherungseigenschaft einer Glättung des Stromverlaufs durch das Brückenmodul bzw. durch die Reihenschaltung von Brückenmodulen.According to an advantageous development of the invention, at least one choke is connected in series with a bridge module or a series connection of bridge modules. Due to its energy storage property, the choke smooths the current flow through the bridge module or through the series connection of bridge modules.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert:The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments using drawings:

Es zeigen:

1 bis 3 verschiedene Ausführungsformen von Brückenmodulen und
4 einen modularen Multilevelmatrixkonverter und
5 den Multilevelmatrixkonverter gemäß 4 mit abgeschalteten Stromrichterzweigen und
6 einen Stromrichterzweig mit Trennschaltern und
7 einen Stromrichterzweig mit schaltbaren elektrischen Verbindungseinrichtungen und
8 den Multilevelmatrixkonverter gemäß 4 mit einem zusätzlichen redundanten Stromrichterzweig und
9 einen Hexverter und
10 einen Stromrichter mit einer Steuerungseinrichtung und
11 bis 14 weitere Anwendungsbeispiele der Erfindung.

Show it:

1 until 3 different embodiments of bridge modules and
4th a modular multilevel matrix converter and
5 the multilevel matrix converter according to 4th with switched off converter branches and
6th a converter branch with disconnectors and
7th a converter branch with switchable electrical connection devices and
8th the multilevel matrix converter according to 4th with an additional redundant converter branch and
9 a hexverter and
10 a converter with a control device and
11 until 14th further application examples of the invention.

In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.In the figures, the same reference symbols are used for elements that correspond to one another.

Die 1 zeigt ein Brückenmodul 1, das als Einrichtung zur Einbindung wenigstens einer Batterie in ein Energieversorgungsnetz geeignet ist. Das Brückenmodul 1 weist als externe Anschlüsse einen ersten Anschluss 2 und einen zweiten Anschluss 3 auf. Die Anschlüsse 2, 3 sind die Außenverbindungen des Brückenmoduls mit einem Energieversorgungsnetz, weiteren Brückenmodulen eines Stromrichterzweigs oder sonstigen Bauelementen. Das Brückenmodul 1 weist eine Vollbrückenschaltung 4 mit vier elektronischen Halbleiterschaltern 5, 6, 7, 8 auf. Zwischen zwei gegenüberliegenden Anschlusspunkten 116, 117 der Vollbrückenschaltung 4 ist ein Kondensator 9 angeschlossen. Die übrigen zwei gegenüberliegenden Anschlusspunkte 118, 119 der Vollbrückenschaltung 4 sind mit den Außenanschlüssen 2, 3 verbunden. Die Anschlusspunkte 116, 117 sind mit einem steuerbaren, bidirektionalen Gleichspannungswandler 10 verbunden, der als kombinierter Aufwärts-/Abwärtswandler ausgebildet ist. Der Gleichspannungswandler ist parallel zum Kondensator 9 geschaltet. Auf der gegenüberliegenden Anschlussseite des Gleichspannungswandlers 10 ist eine mit dem Gleichspannungswandler 10 verbundene Batterie 11 vorgesehen. Das Brückenmodul 1 weist außerdem eine lokale Steuereinheit 12 auf, z.B. in Form eines Mikroprozessors oder einer Logikschaltung. Die lokale Steuereinheit 12 ist mit Steueranschlüssen der Halbleiterschalter 5, 6, 7, 8 sowie mit einem Steuereingang des Gleichspannungswandlers 10 verbunden. Die lokale Steuereinheit 12 führt ein Steuerprogramm aus, mit dem die Funktion des Gleichspannungswandlers 10 sowie die Schaltzustände der Halbleiterschalter 5, 6, 7, 8 gesteuert werden.the 1 shows a bridge module 1 , which is suitable as a device for integrating at least one battery into an energy supply network. The bridge module 1 has a first connection as external connections 2 and a second port 3 on. The connections 2 , 3 are the external connections of the bridge module with an energy supply network, further bridge modules of a converter branch or other components. The bridge module 1 has a full bridge circuit 4th with four electronic semiconductor switches 5 , 6th , 7th , 8th on. Between two opposite connection points 116 , 117 the full bridge circuit 4th is a capacitor 9 connected. The other two opposite connection points 118 , 119 the full bridge circuit 4th are with the external connections 2 , 3 tied together. The connection points 116 , 117 are equipped with a controllable, bidirectional DC voltage converter 10 connected, which is designed as a combined up / down converter. The DC / DC converter is parallel to the capacitor 9 switched. On the opposite connection side of the DC / DC converter 10 is one with the DC-DC converter 10 connected battery 11 intended. The bridge module 1 also has a local control unit 12th on, for example in the form of a microprocessor or a logic circuit. The local control unit 12th is the semiconductor switch with control connections 5 , 6th , 7th , 8th as well as with a control input of the DC / DC converter 10 tied together. The local control unit 12th executes a control program with which the function of the DC / DC converter 10 as well as the switching states of the semiconductor switches 5 , 6th , 7th , 8th being controlled.

Die Halbleiterschalter 5, 6, 7, 8 der Vollbrücke 4 sind jeweils z.B. als IGBT ausgebildet. Ferner weist der Gleichspannungswandler 10 zwei weitere elektronische Halbleiterschalter 13, 14 auf, die z.B. als IGBT ausgebildet sind. Die Gateanschlüsse der Halbleiterschalter 13, 14 sind, ebenso wie die Gateanschlüsse der Halbleiterschalter 5, 6, 7, 8, mit der lokalen Steuereinheit 12 verbunden. Die lokale Steuereinheit 12 führt hierüber eine Steuerung des Gleichspannungswandlers 10 durch entsprechende Ansteuerung der Halbleiterschalter 13, 14 durch. Die Halbleiterschalter 13, 14 sind in Halbbrückenschaltung angeordnet. Hierbei ist der Kollektoranschluss des Halbleiterschalters 13 mit dem Anschlusspunkt 116 der Vollbrückenschaltung 4 verbunden. Der Emitteranschluss des Halbleiterschalters 14 ist mit dem Anschlusspunkt 117 der Vollbrückenschaltung 4 verbunden. Der Emitteranschluss des Halbleiterschalters 13 ist mit dem Kollektoranschluss des Halbleiterschalters 14 sowie mit einer Drossel 15 verbunden. Die Drossel 15 ist mit einem Anschluss der Batterie 11 verbunden, z.B. mit dem Pluspol. Ein zweiter Anschluss, z.B. der Minuspol, der Batterie 11 ist mit dem Emitteranschluss des Halbleiterschalters 14 und damit mit dem Anschlusspunkt 117 der Vollbrückenschaltung 4 verbunden.The semiconductor switches 5 , 6th , 7th , 8th the full bridge 4th are each designed as an IGBT, for example. Furthermore, the DC voltage converter 10 two more electronic semiconductor switches 13th , 14th which are designed as IGBTs, for example. The gate connections of the semiconductor switches 13th , 14th are, as are the gate connections of the semiconductor switches 5 , 6th , 7th , 8th , with the local control unit 12th tied together. The local control unit 12th This controls the DC / DC converter 10 by appropriate control of the semiconductor switch 13th , 14th by. The semiconductor switches 13th , 14th are arranged in a half-bridge circuit. Here is the collector connection of the semiconductor switch 13th with the connection point 116 the full bridge circuit 4th tied together. The emitter connection of the semiconductor switch 14th is with the connection point 117 the full bridge circuit 4th tied together. The emitter connection of the semiconductor switch 13th is with the collector connection of the semiconductor switch 14th as well as with a throttle 15th tied together. The thrush 15th is with one connector of the battery 11 connected, e.g. with the positive pole. A second connection, e.g. the negative pole, of the battery 11 is with the emitter connection of the semiconductor switch 14th and thus with the connection point 117 the full bridge circuit 4th tied together.

Die Verwendung der Halbleiterschalter 13, 14 sowie der Drossel 15 erlaubt einen einfachen und kostengünstigen Aufbau eines bidirektionalen, steuerbaren Gleichspannungswandlers, der damit als Aufwärtswandler ausgebildet ist. Zudem kann ein dreiphasiges IGBT-Modul verwendet werden, das bereits sechs IGBTs aufweist, die jeweils paarweise in Halbbrückenschaltung geschaltet sind. Hierbei kann eine erste Halbbrücke des IGBT-Moduls für die Anordnung der Halbleiterschalter 5, 6 verwendet werden, eine zweite Halbbrücke für die Halbleiterschalter 7, 8 und die dritte Halbbrücke für die Halbleiterschalter 13, 14.The use of the semiconductor switch 13th , 14th as well as the throttle 15th allows a simple and inexpensive construction of a bidirectional, controllable DC voltage converter, which is thus designed as a step-up converter. In addition, a three-phase IGBT module can be used that already has six IGBTs, which are each connected in pairs in a half-bridge circuit. A first half bridge of the IGBT module can be used for the arrangement of the semiconductor switches 5 , 6th used, a second half bridge for the semiconductor switch 7th , 8th and the third half bridge for the semiconductor switches 13th , 14th .

Die lokale Steuereinheit 12 ist über eine Leitung 16 mit einer zentralen elektronischen Steuerungseinrichtung verbunden, deren Aufbau und Funktion später noch erläutert wird. Die Leitung 16 kann z.B. ein Datenbus sein, z.B. ein serieller Datenbus. Über die Leitung 16 erhält die lokale Steuereinheit 12 Sollwerte, anhand derer sie die Vollbrückenschaltung 4 und den Gleichspannungswandler 10 steuert. Über die Leitung 16 übermittelt die lokale Steuereinheit 12 zudem Kennwerte an die zentrale elektronische Steuerungseinrichtung, z.B. den Ladungszustand des Kondensators 9 und/oder der Batterie 11.The local control unit 12th is over a line 16 connected to a central electronic control device, the structure and function of which will be explained later. The administration 16 can for example be a data bus, for example a serial data bus. Over the line 16 receives the local control unit 12th Setpoints by means of which they set the full bridge circuit 4th and the DC-DC converter 10 controls. Over the line 16 transmitted by the local control unit 12th in addition, characteristic values to the central electronic control device, such as the state of charge of the capacitor 9 and / or the battery 11 .

Die 2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Brückenmoduls 1. Das Brückenmodul 1 gemäß 2 ist vergleichbar aufgebaut wie das Brückenmodul 1 gemäß 1, jedoch ohne den Gleichspannungswandler 10 und die Batterie 11. Hierdurch kann ein einfacheres kostengünstigeres Brückenmoduls bereitgestellt werden, wenn eine kurzzeitige Energiespeicherung über den Kondensator 9 ausreichend ist.the 2 shows a further embodiment of a bridge module 1 . The bridge module 1 according to 2 has a similar structure to the bridge module 1 according to 1 but without the DC / DC converter 10 and the battery 11 . In this way, a simpler, more cost-effective bridge module can be provided when short-term energy storage via the capacitor 9 is sufficient.

Die 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Brückenmoduls 1. Das Brückenmodul 1 gemäß 3 ist vergleichbar aufgebaut wie das Brückenmodul 1 gemäß 2, jedoch ohne die Halbleiterschalter 7, 8. Hierdurch kann ein noch einfacheres kostengünstigeres Brückenmoduls bereitgestellt werden, wenn keine bipolaren Vollbrückenmodule, wie anhand der 1 und 2 beschrieben, erforderlich sind.the 3 shows a further embodiment of a bridge module 1 . The bridge module 1 according to 3 has a similar structure to the bridge module 1 according to 2 , but without the semiconductor switches 7th , 8th . In this way, an even simpler, more cost-effective bridge module can be provided if there are no bipolar full-bridge modules, as on the basis of FIG 1 and 2 are required.

Die beschriebenen Stromrichterzweige des Stromrichters können z.B. wahlweise mit Brückenmodulen der 1, 2 oder 3 bestückt sein.The described converter branches of the converter can, for example, optionally with bridge modules of the 1 , 2 or 3 be equipped.

Die 4 zeigt einen modularen Stromrichter 20 in Form eines modularen Multilevelmatrixkonverters, der neun Stromrichterzweige 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29 aufweist. Jeder Stromrichterzweig weist eine Reihenschaltung einer Mehrzahl von Brückenmodulen 1 auf. In der Reihenschaltung der Brückenmodule 1 kann zusätzlich eine Drossel 19 vorgesehen sein. In der 4 sind je Stromrichterzweig beispielhaft zwei Brückenmodule 1 in Reihe dargestellt, in einer praktischen Realisierung wird häufig eine höhere Anzahl von Brückenmodulen verwendet werden. Der Stromrichter 20 verbindet ein erstes elektrisches Mehrleitungsnetz 30 in Form eines Dreileitungsnetzes mit einem zweiten elektrischen Mehrleitungsnetz 40, das ebenfalls als Dreileitungsnetz ausgeführt ist. Die Dreileitungsnetze 30, 40 können z. B. als Drehstromnetze ausgebildet sein. Über die neun Stromrichterzweige wird eine vollständige Matrixanordnung zur Verbindung der einzelnen Leitungen der Dreileitungsnetze derart gebildet, dass jede Leitung 31, 32, 33 des ersten Dreileitungsnetzes 30 mit jeder Leitung 41, 42, 43 des zweiten Dreileitungsnetzes 40 über einen jeweiligen Stromrichterzweig verbunden werden kann. Der Stromrichter 20 gemäß 4 ist jedoch in vielen Betriebszuständen überdimensioniert. Wie in der DE 10 2010 013 862 A1 gezeigt wurde, kann die Aufgabe, zwei Dreileitungsnetze über einen Stromrichter miteinander zu koppeln, mit sechs Stromrichterzweigen in der sogenannten Hexverter-Anordnung erfüllt werden. In einer beispielhaften Anwendung der vorliegenden Erfindung kann der Stromrichter 20 gemäß 4 jedoch generell in einem degradierten Modus betrieben werden, in dem nicht alle neun Stromrichterzweige aktiv sind. Dies ist beispielhaft in 5 dargestellt.the 4th shows a modular power converter 20th in the form of a modular multilevel matrix converter, the nine converter branches 21 , 22nd , 23 , 24 , 25th , 26th , 27 , 28 , 29 having. Each converter branch has a series connection of a plurality of bridge modules 1 on. In the series connection of the bridge modules 1 can also have a throttle 19th be provided. In the 4th are two bridge modules for each converter branch 1 shown in series, in a practical implementation a higher number of bridge modules will often be used. The converter 20th connects a first electrical multi-line network 30th in the form of a three-line network with a second electrical multi-line network 40 , which is also designed as a three-line network. The three-line networks 30th , 40 can e.g. B. be designed as three-phase networks. A complete matrix arrangement for connecting the individual lines of the three-line networks is formed over the nine converter branches in such a way that each line 31 , 32 , 33 of the first three-line network 30th with every line 41 , 42 , 43 of the second three-line network 40 can be connected via a respective converter branch. The converter 20th according to 4th however, it is oversized in many operating states. Like in the DE 10 2010 013 862 A1 was shown, the task of coupling two three-wire networks via a converter can be achieved with six converter branches in the so-called hexverter arrangement. In an exemplary application of the present invention, the power converter 20th according to 4th however, they can generally be operated in a degraded mode in which not all nine converter branches are active. This is exemplified in 5 shown.

Gemäß 5 sind die dort gestrichelt dargestellten Stromrichterzweige 22, 24, 29 abgeschaltet. Die Umrichtung erfolgt nur über die aktiven Stromrichterzweige 21, 23, 25, 26, 27, 28. Diese bilden dann eine Anordnung gemäß der Hexverter-Schaltung. Wird nun in einem der aktiven Stromrichterzweige ein Defekt oder eine Störung festgestellt, kann dieser abgeschaltet werden und stattdessen einer der inaktiven Stromrichterzweige 22, 24, 29 als Ersatz für den abgeschalteten, gestörten Stromrichterzweig aktiviert werden. Während des Betriebs des Stromrichters 20 kann die in 5 beispielhaft dargestellte Abschaltung dreier Stromrichterzweige auch zyklisch geändert werden, und zwar derart, dass durch Abschaltung anderer Stromrichterzweige jeweils wieder Hexverter-Schaltungen gebildet werden, mit denen die Umrichtungsfunktion weiterhin erfüllt werden kann. Hierdurch können sämtliche Stromrichterzweige hin und wieder genutzt werden und damit auf Funktion geprüft werden. Zudem werden die Belastungen gleichmäßiger verteilt. In einem weiteren vorteilhaften Betriebsmodus des Stromrichters 20 können die jeweils abgeschalteten Stromrichterzweige, oder zumindest einige davon, während des laufenden Betriebs auch ohne eine Störung in anderen Stromrichterzweigen aktiviert werden, z. B. wenn ein erhöhter Energietransfer von dem einen Dreileitungsnetz in das andere Dreileitungsnetz zu bewältigen ist. Der Stromrichter 20 kann variabel mit einer Anzahl von sechs bis neun aktiven Stromrichterzweigen betrieben werden. According to 5 are the converter branches shown there with dashed lines 22nd , 24 , 29 switched off. The conversion takes place only via the active converter branches 21 , 23 , 25th , 26th , 27 , 28 . These then form an arrangement according to the hexverter circuit. If a defect or a fault is found in one of the active converter branches, this can be switched off and instead one of the inactive converter branches 22nd , 24 , 29 can be activated as a replacement for the disconnected, faulty converter branch. During the operation of the converter 20th can the in 5 Shutdown of three converter branches shown by way of example can also be changed cyclically, specifically in such a way that hexverter circuits are formed again by switching off other converter branches, with which the conversion function can continue to be fulfilled. As a result, all converter branches can be used every now and then and their function can be checked. In addition, the loads are distributed more evenly. In a further advantageous operating mode of the converter 20th the converter branches that are switched off, or at least some of them, can be activated during ongoing operation even without a fault in other converter branches, e.g. B. when there is an increased energy transfer from one three-line network to the other three-line network. The converter 20th can be operated variably with a number of six to nine active converter branches.

Die 6 zeigt eine Ausführungsform eines Stromrichterzweigs, bei der an jedem Ende des Stromrichterzweigs jeweils ein in Reihe geschalteter Trennschalter 50, 52 vorhanden ist, mit dem der Stromrichterzweig galvanisch abgeschaltet werden kann. Durch Abschaltung der Trennschalter 50, 52 können die dazwischen liegenden Brückenmodule 1 sowie die Drossel 19 von Außenanschlüssen 51, 53 des Stromrichterzweigs galvanisch getrennt werden. Die Außenanschlüsse 51, 53 sind mit jeweiligen Leitungen 31, 32, 33 des ersten Dreileitungsnetzes 30 bzw. Leitungen 41, 42, 43 des zweiten Dreileitungsnetzes 40 verbunden. Der in 6 dargestellte Stromrichterzweig kann z. B. einer der Stromrichterzweige 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29 des Stromrichters 20 sein, oder ein zusätzlicher, redundanter Stromrichterzweig.the 6th shows an embodiment of a converter branch, in which at each end of the converter branch a circuit breaker connected in series 50 , 52 is available, with which the converter branch can be galvanically switched off. By switching off the isolating switch 50 , 52 can the intermediate bridge modules 1 as well as the throttle 19th of external connections 51 , 53 of the converter branch must be galvanically isolated. The external connections 51 , 53 are with respective lines 31 , 32 , 33 of the first three-line network 30th or lines 41 , 42 , 43 of the second three-line network 40 tied together. The in 6th The converter branch shown can, for. B. one of the Converter branches 21 , 22nd , 23 , 24 , 25th , 26th , 27 , 28 , 29 of the converter 20th or an additional, redundant converter branch.

Die 7 zeigt einen Stromrichterzweig 69, der an jedem Ende eine schaltbare elektrische Verbindungseinrichtung 60, 64 aufweist, die jeweils als Umschalter ausgebildet ist. Mittels einer ersten schaltbaren elektrischen Verbindungseinrichtung 60 kann der Stromrichterzweig 69 wahlweise mit einem der Außenanschlüsse 61, 62, 63 des Stromrichterzweigs verbunden werden. Mittels einer zweiten schaltbaren elektrischen Verbindungseinrichtung 64 kann der Stromrichterzweig an seinem anderen Ende wahlweise mit einem der Außenanschlüsse 65, 66, 67 des Stromrichterzweigs verbunden werden. Die Außenanschlüsse 61, 62, 63 können z. B. mit dem ersten Dreileitungsnetz 30 gekoppelt werden, d. h. der Anschluss 61 mit der Leitung 31, der Anschluss 62 mit der Leitung 32 und der Anschluss 63 mit Leitung 33. Die Außenanschlüsse 65, 66, 67 können z. B. mit dem zweiten Dreileitungsnetz 40 gekoppelt werden, d. h. der Anschluss 65 mit der Leitung 41, der Anschluss 66 mit der Leitung 42 und Anschluss 67 mit der Leitung 43. Auf diese Weise kann z. B. ein redundanter Stromrichterzweig in dem Stromrichter 20 bereitgestellt werden, der wahlweise durch entsprechende Einstellung der ersten und der zweiten schaltbaren elektrischen Verbindungseinrichtung 60, 64 die Funktion jedes anderen Stromrichterzweigs 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29 übernehmen kann. Es können auch einer, mehrere oder alle der vorhandenen Stromrichterzweige 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29 jeweils durch einen Stromrichterzweig 69 gemäß 7 ersetzt werden.the 7th shows a converter branch 69 , a switchable electrical connection device at each end 60 , 64 has, each of which is designed as a changeover switch. By means of a first switchable electrical connection device 60 can the converter branch 69 optionally with one of the external connections 61 , 62 , 63 of the converter branch. By means of a second switchable electrical connection device 64 the converter branch can optionally be connected to one of the external connections at its other end 65 , 66 , 67 of the converter branch. The external connections 61 , 62 , 63 can e.g. B. with the first three-line network 30th be coupled, ie the connection 61 with the line 31 , the connection 62 with the line 32 and the connection 63 with lead 33 . The external connections 65 , 66 , 67 can e.g. B. with the second three-line network 40 be coupled, ie the connection 65 with the line 41 , the connection 66 with the line 42 and connection 67 with the line 43 . In this way, z. B. a redundant converter branch in the converter 20th are provided, optionally by setting the first and the second switchable electrical connection device accordingly 60 , 64 the function of every other converter branch 21 , 22nd , 23 , 24 , 25th , 26th , 27 , 28 , 29 can take over. One, several or all of the existing converter branches can also be used 21 , 22nd , 23 , 24 , 25th , 26th , 27 , 28 , 29 each by a converter branch 69 according to 7th be replaced.

Die 8 zeigt den Einsatz des Stromrichterzweigs 69 als zusätzlichen redundanten Stromrichterzweig bei dem Stromrichter 20.the 8th shows the use of the converter branch 69 as an additional redundant converter branch in the converter 20th .

In den 6 und 7 sind die Reihenschaltungen der Brückenmodule 1 wiederum nur anhand zweier Brückenmodule beispielhaft dargestellt. In praktischen Anwendungen kann auch eine größere Anzahl von Brückenmodulen in Reihenschaltung vorhanden sein.In the 6th and 7th are the series connections of the bridge modules 1 again only shown by way of example using two bridge modules. In practical applications, there can also be a larger number of bridge modules connected in series.

Die 9 zeigt einen Direktstromrichter 70, mit dem das erste Dreileitungsnetz 30 mit dem zweiten Dreileitungsnetz 40 verbunden ist. Zur Verbindung dienen jeweils Stromrichterzweige 71, 72, 73, 74, 75, 76, die in gleicher Weise aus Brückenmodulen 1 und Drosseln 19 gebildet sein können wie zuvor für den Stromrichter 20 erläutert. Es können hierbei Brückenmodule gemäß den 1 bis 3 oder andere Brückenmodule eingesetzt werden, auch in Mischbestückung. Der Direktstromrichter 70 ist als Hexverter ausgebildet und wie folgt aufgebaut:

Ein erster Stromrichterzweig 71 ist an einem Verbindungspunkt 300 einerseits an eine erste Leitung 31 des ersten Dreileitungsnetzes 30 und an einem Verbindungspunkt 301 andererseits an eine erste Leitung 41 des zweiten Dreileitungsnetzes 40 angeschlossen. Ein zweiter Stromrichterzweig 72 ist an einem Verbindungspunkt 302 einerseits an eine zweite Leitung 32 des ersten Dreileitungsnetzes 30 und an dem Verbindungspunkt 301 andererseits an die erste Leitung 41 des zweiten Dreileitungsnetzes 40 angeschlossen. Ein dritter Stromrichterzweig 73 ist an dem Verbindungspunkt 302 einerseits an die zweite Leitung 32 des ersten Dreileitungsnetzes 30 und an einem Verbindungspunkt 303 andererseits an eine zweite Leitung 42 des zweiten Dreileitungsnetzes 40 angeschlossen. Ein vierter Stromrichterzweig 74 ist an einem Verbindungspunkt 304 einerseits an eine dritte Leitung 33 des ersten Dreileitungsnetzes 30 und an dem Verbindungspunkt 303 andererseits an die zweite Leitung 42 des zweiten Dreileitungsnetzes 40 angeschlossen. Ein fünfter Stromrichterzweig 75 ist an dem Verbindungspunkt 304 einerseits an die dritte Leitung 33 des ersten Dreileitungsnetzes 30 und an einem Verbindungspunkt 305 andererseits an eine dritte Leitung 43 des zweiten Dreileitungsnetzes 40 angeschlossen. Ein sechster Stromrichterzweig 76 ist an dem Verbindungspunkt 300 einerseits an die erste Leitung 31 des ersten Dreileitungsnetzes 30 und an dem Verbindungspunkt 305 andererseits an die dritte Leitung 43 des zweiten Dreileitungsnetzes 40 angeschlossen.

the 9 shows a direct converter 70 , with which the first three-line network 30th with the second three-line network 40 connected is. Converter branches are used for the

connection

71 , 72 , 73 , 74 , 75 , 76 that are made in the same way from bridge modules 1 and chokes 19th can be formed as before for the converter 20th explained. It can bridge modules according to the 1 until 3 or other bridge modules can be used, also in mixed configuration. The direct converter 70 is designed as a hexverter and is structured as follows:

A first converter branch 71 is at a connection point 300 on the one hand to a first line 31 of the first three-line network 30th and at a connection point 301 on the other hand to a first line 41 of the second three-line network 40 connected. A second converter branch 72 is at a connection point 302 on the one hand to a second line 32 of the first three-line network 30th and at the connection point 301 on the other hand to the first line 41 of the second three-line network 40 connected. A third converter branch 73 is at the connection point 302 on the one hand to the second line 32 of the first three-line network 30th and at a connection point 303 on the other hand to a second line 42 of the second three-line network 40 connected. A fourth converter branch 74 is at a connection point 304 on the one hand to a third line 33 of the first three-line network 30th and at the connection point 303 on the other hand to the second line 42 of the second three-line network 40 connected. A fifth converter branch 75 is at the connection point 304 on the one hand to the third line 33 of the first three-line network 30th and at a connection point 305 on the other hand to a third line 43 of the second three-line network 40 connected. A sixth converter branch 76 is at the connection point 300 on the one hand to the first line 31 of the first three-line network 30th and at the connection point 305 on the other hand to the third line 43 of the second three-line network 40 connected.

Die in den 4, 5, 8, 9 gezeigten Topologien erlauben bei entsprechender Steuerung von batteriebestückten Brückenmodulen 1 die Realisierung einer unterbrechungsfreien Stromversorgung in dem Energieversorgungsnetz. Zudem kann über die Brückenmodule 1 eine Blindleistungskompensation sowie eine Kompensation von Schwankungen des Energiebedarfs bzw. beim Einsatz zur Anbindung eines Generators an ein Energieversorgungsnetz eine Kompensation von Schwankungen der bereitgestellten Energie erfolgen. Zur Koordination der Steuerung der Mehrzahl der Brückenmodule 1 ist die zentrale elektronische Steuerungseinrichtung vorgesehen, die mit den einzelnen lokalen Steuereinheiten 12 der Brückenmodule 1 über Datenkommunikation in Verbindung steht. Die zentrale elektronische Steuerungseinrichtung steuert die Brückengleichspannungen der einzelnen Brückenmodule sowie die von den einzelnen Brückenmodulen abgegebenen Ausgangsspannungen.The ones in the 4th , 5 , 8th , 9 The topologies shown allow with appropriate control of battery-equipped bridge modules 1 the realization of an uninterruptible power supply in the energy supply network. In addition, the bridge modules 1 reactive power compensation and compensation for fluctuations in the energy requirement or, when used to connect a generator to an energy supply network, compensation for fluctuations in the energy provided. To coordinate the control of the majority of the bridge modules 1 the central electronic control device is provided with the individual local control units 12th the bridge modules 1 is in communication via data communication. The central electronic control device controls the DC bridge voltages of the individual bridge modules as well as the output voltages emitted by the individual bridge modules.

Der in 9 dargestellte Stromrichter 70 stellt mit seinen sechs Stromrichterzweigen eine Minimalausstattung eines Direktstromrichters dar, d. h. weniger als sechs Stromrichterzweige wären technisch nicht sinnvoll. Um beim Stromrichter 70 eine Zweigredundanz vorzusehen, kann z. B. ein zusätzlicher, redundanter Stromrichterzweig ergänzt werden, z. B. der Stromrichterzweig 69 gemäß 7. Die Anschlüsse 61, 62, 63, 65, 66, 67 des Stromrichterzweigs 69 werden dann wie zuvor für den Stromrichter 20 erläutert an die Leitungen des ersten und des zweiten Dreileitungsnetzes 30, 40 angeschlossen.The in 9 shown power converter 70 With its six converter branches, it represents the minimum equipment of a direct converter, ie less than six converter branches would be technical not useful. To at the converter 70 Providing a branch redundancy can, for. B. an additional, redundant converter branch can be added, z. B. the converter branch 69 according to 7th . The connections 61 , 62 , 63 , 65 , 66 , 67 of the converter branch 69 are then as before for the converter 20th explained to the lines of the first and the second three-line network 30th , 40 connected.

Die 10 zeigt schematisch das erste Dreileitungsnetz 30, einen Stromrichter 90 und das zweite Dreileitungsnetz 40. Ferner ist eine zentrale elektronische Steuerungseinrichtung 97 zur Steuerung des Stromrichters 90 dargestellt. Die elektronische Steuerungseinrichtung 97 kann mit einem Mikroprozessor ausgestattet sein, auf dem ein Steuerungsprogramm in Form eines Computerprogramms ausgeführt wird. Das Steuerungsprogramm kann eine Betriebssteuerungsebene 95 aufweisen, die dazu dient, die Grundfunktionen des Stromrichters 90 zu steuern, wie z. B. den Energietransfer von dem ersten Dreileitungsnetz in das zweite Dreileitungsnetz oder umgekehrt nach von außen vorgegebenen Energiebedarfs-, Energieangebots- und/oder Blindleistungskriterien zu steuern. Hierfür werden der Betriebssteuerungsebene 95 entsprechende Steuerdaten 96 von außen zugeführt, wie z.B. die zu übertragende Wirkleistung, die einzustellende Blindleistung und die Ausgangsspannung des Stromrichters 90. Es ist ebenfalls möglich, dass die Steuerungseinrichtung 97 die Solldaten selbsttätig bestimmt, beispielsweise auf Basis entsprechender Droop-Verfahren. Die Steuerungseinrichtung 97 weist zudem Eingangsschaltungen auf, über die der Steuerungseinrichtung 97 Messdaten über einen Messzweig 91 von dem ersten Dreileitungsnetz 30 und Messdaten über einen zweiten Messzweig 92 von dem zweiten Dreileitungsnetz 40 zugeführt werden. Die Steuerungseinrichtung 97 kann hierüber z.B. die jeweiligen Blindleistungen in den Dreileitungsnetzen 30, 40 ermitteln. Die Steuerungseinrichtung 97 weist eine Eingangsschaltung auf, über die Rückmeldesignale 94 von den einzelnen lokalen Steuereinheiten 12 der Brückenmodule 1 der Stromrichterzweige in die Steuerungseinrichtung 97 eingelesen werden. Die Steuerungseinrichtung 97 weist eine Ausgangsausschaltung auf, über die Ausgangssignale 93 an die einzelnen lokalen Steuereinheiten 12 der Brückenmodule 1 der Stromrichterzweige abgegeben werden. Hierüber wird die eigentliche Grundfunktion des Direktstromrichters gesteuert. Der Stromrichter 90 kann z. B. wie der zuvor erläuterte Stromrichter 20 oder wie der Stromrichter 70 ausgebildet sein.the 10 shows schematically the first three-line network 30th , a power converter 90 and the second three-line network 40 . There is also a central electronic control device 97 to control the converter 90 shown. The electronic control device 97 can be equipped with a microprocessor on which a control program in the form of a computer program is executed. The control program can be an operational control level 95 have, which is used to perform the basic functions of the converter 90 to control such. B. to control the energy transfer from the first three-line network to the second three-line network or vice versa according to externally specified energy demand, energy supply and / or reactive power criteria. For this purpose, the operational control level 95 corresponding tax data 96 supplied from outside, such as the active power to be transmitted, the reactive power to be set and the output voltage of the converter 90 . It is also possible that the control device 97 the target data is determined automatically, for example on the basis of corresponding droop methods. The control device 97 also has input circuits via which the control device 97 Measurement data via a measurement branch 91 from the first three-line network 30th and measurement data via a second measurement branch 92 from the second three-line network 40 are fed. The control device 97 can use this, for example, to determine the respective reactive power in the three-line networks 30th , 40 determine. The control device 97 has an input circuit via the feedback signals 94 from the individual local control units 12th the bridge modules 1 the converter branches in the control device 97 can be read. The control device 97 has an output switch-off via the output signals 93 to the individual local control units 12th the bridge modules 1 the converter branches are output. This controls the actual basic function of the direct converter. The converter 90 can e.g. B. as the previously explained converter 20th or like the converter 70 be trained.

Die Steuerungseinrichtung 97 kann über die Rückmeldesignale 94 zudem eine Überwachung der Stromrichterzweige auf Defekte oder Störungen hin mittels einer Fehlerüberwachungsebene 98 des Steuerungsprogramms durchführen. Wird ein solcher Defekt oder eine Störung in einem Stromrichterzweig erkannt, kann die Steuerungseinrichtung 97 diesen abschalten und statt dessen einen redundanten Stromrichterzweig als Ersatz für den abgeschalteten Stromrichterzweig aktivieren. Der redundante Stromrichterzweig kann ein vorhandener, als redundanter Stromrichterzweig betriebener Stromrichterzweig sein, wie anhand der 5 beschrieben, oder ein zusätzlicher redundanter Stromrichterzweig 69.The control device 97 can via the feedback signals 94 In addition, a monitoring of the converter branches for defects or malfunctions by means of an error monitoring level 98 of the control program. If such a defect or a fault is detected in a converter branch, the control device can 97 switch it off and instead activate a redundant converter branch as a replacement for the converter branch that has been switched off. The redundant converter branch can be an existing converter branch operated as a redundant converter branch, as shown on the basis of FIG 5 or an additional redundant converter branch 69 .

Durch die Hinzufügung des zusätzlichen redundanten Stromrichterzweigs 69 ist es möglich, den im Übrigen unveränderten Stromrichter 20 mit den bereits vorhandenen Steuer- und Regelungsverfahren weiterzubetreiben, d. h. es ist nicht eine Änderung der Steuer- und Regelungsverfahren erforderlich wie beim degradierten Betrieb mit einer variablen Anzahl von Stromrichterzweigen. Die Anzahl der aktiven Stromrichterzweige bleibt dann immer gleich neun.By adding the additional redundant converter branch 69 it is possible to use the otherwise unchanged converter 20th continue to operate with the already existing control and regulation methods, ie it is not necessary to change the control and regulation method as in degraded operation with a variable number of converter branches. The number of active converter branches then always remains the same as nine.

Die 11 zeigt eine Anwendung der erfindungsgemäßen Zweigredundanz am Beispiel einer HGÜ-Anlage, wie sie z. B. für Offshore-Anbindungen verwendet wird. Der Stromrichter 20 ist dabei in der sogenannten M²LC-Topologie geschaltet. Er weist sechs Stromrichterzweige 22, 23, 25, 26, 28, 29 auf. Über die oben dargestellten Stromrichterzweige 23, 26, 29 werden die drei Leitungen 31, 32, 33 des Drehstromnetzes 30 mit einer Leitung 41 eines Gleichstromnetzes 40 verbunden. Über die unteren drei Stromrichterzweige 22, 25, 28 erfolgt eine Anbindung der Leitungen 31, 32, 33 an eine zweite Leitung 42 des Gleichstromnetzes 40. Es ist ein mit Vollbrückenmodulen bestückter redundanter Stromrichterzweig 69 vorhanden, der über einen Umschalter 60 wahlweise an seiner einen Seite mit jeder der Leitungen 31, 32, 33 des Drehstromnetzes 30 und über einen Umschalter 64 wahlweise mit jeder der Leitungen 41, 42 des Gleichstromnetzes 40 verbunden werden kann. Über einen zusätzlichen Trennschalter 52 kann zudem eine zusätzliche Auftrennung erfolgen. Auf diese Weise kann der redundante Stromrichterzweig 69 als Ersatz für jeden der Stromrichterzweige 22, 23, 25, 26, 28, 29 geschaltet werden.the 11 shows an application of the branch redundancy according to the invention using the example of an HVDC system, as z. B. is used for offshore connections. The converter 20th is connected in the so-called M ² LC topology. It has six converter branches 22nd , 23 , 25th , 26th , 28 , 29 on. Via the converter branches shown above 23 , 26th , 29 become the three lines 31 , 32 , 33 of the three-phase network 30th with one line 41 of a direct current network 40 tied together. Via the lower three converter branches 22nd , 25th , 28 the lines are connected 31 , 32 , 33 to a second line 42 of the direct current network 40 . It is a redundant converter branch equipped with full bridge modules 69 available, which has a switch 60 optionally on one side with each of the lines 31 , 32 , 33 of the three-phase network 30th and a switch 64 optionally with each of the lines 41 , 42 of the direct current network 40 can be connected. Via an additional disconnector 52 an additional separation can also be made. In this way, the redundant converter branch 69 as a replacement for each of the converter branches 22nd , 23 , 25th , 26th , 28 , 29 be switched.

Die 12 zeigt die Anwendung eines redundanten Stromrichterzweigs 69, der über Umschalter 60, 64 wahlweise mit jeder der Leitungen 31, 32, 33 des Drehstromnetzes 30 verbunden werden kann. Auf diese Weise kann der redundante Stromrichterzweig 69 jeden der in diesem Fall drei Stromrichterzweige 21, 22, 23 des Stromrichters 20 ersetzen. Die Umschalter 60, 64 können in diesem Fall auch gegenüber der dargestellten Ausführungsform vereinfacht werden, da es ausreicht, wenn z. B. die linke Seite des redundanten Stromrichterzweigs 69 nur wahlweise mit einer der Leitungen 31 oder 32 verbunden werden kann und die rechte Seite wahlweise mit einer der Leitungen 32 oder 33 verbunden werden kann (oder umgekehrt). Der Stromrichter 20 gemäß 12 kann z.B. als Wechselrichter, Blindleistungskompensator oder unterbrechungsfreie Stromversorgungseinheit betrieben werden.the 12th shows the use of a redundant converter branch 69 that has toggle switch 60 , 64 optionally with each of the lines 31 , 32 , 33 of the three-phase network 30th can be connected. In this way, the redundant converter branch 69 each of the three converter branches in this case 21 , 22nd , 23 of the converter 20th substitute. The switches 60 , 64 can in this case also be simplified compared to the illustrated embodiment, since it is sufficient if, for. B. the left side of the redundant converter branch 69 only optionally with one of the lines 31 or 32 can be connected and the right side optionally with one of the lines 32 or 33 can be connected (or vice versa). The converter 20th according to 12th can be operated, for example, as an inverter, reactive power compensator or uninterruptible power supply unit.

Die 13 zeigt wiederum einen Stromrichter 20 in M²LC-Topologie, wie anhand der 11 bereits erläutert. Auch hier ist eine Anwendung in HGÜ-Anlagen denkbar. Gemäß 13 wird vorgeschlagen, zwei redundante Stromrichterzweige 69 vorzusehen, die durch Umschalter 60 und Trennschalter 52 wahlweise als Ersatz eines kompletten Zweigpaars der Stromrichterzweige des Stromrichters 20 geschaltet werden können, d. h. als Ersatz für das Zweigpaar 22, 23 oder das Zweigpaar 25, 26 oder das Zweigpaar 28, 29.the 13th again shows a power converter 20th in M ² LC topology, as based on the 11 already explained. An application in HVDC systems is also conceivable here. According to 13th it is proposed to have two redundant converter branches 69 provide that through toggle switch 60 and disconnector 52 optionally as a replacement for a complete pair of converter branches of the converter 20th can be switched, ie as a replacement for the branch pair 22nd , 23 or the pair of branches 25th , 26th or the pair of branches 28 , 29 .

Die Schaltungen gemäß den 11 und 13 können auch in einer sogenannten Back-To-Back-Anordnung zweifach vorhanden sein, um zwei Drehstromsysteme 30 miteinander zu koppeln. Hierbei sind dann die jeweiligen Leitungen 41, 42 des Gleichstromnetzes 40 miteinander gekoppelt, wie in 14 anhand der Schaltung 140 dargestellt. Die Schaltung 140 zeigt zwei der Schaltungen der 13 in einer Back-To-Back-Anordnung. Die Schaltung 140 kann vorteilhaft auch derart modifiziert werden, dass nur eines der in 14 dargestellten Paare an redundanten Stromrichterzweigen 69 vorhanden ist, was dann über Umschalter wahlweise mit dem linken oder dem rechten Drehstromsystem verbunden werden kann und somit wahlweise als Ersatz eines Zweigpaars des linken oder des rechten Stromrichters 20 geschaltet werden kann.The circuits according to the 11 and 13th can also be present twice in a so-called back-to-back arrangement, around two three-phase systems 30th to couple with each other. Here are the respective lines 41 , 42 of the direct current network 40 coupled together, as in 14th based on the circuit 140 shown. The circuit 140 shows two of the circuits of the 13th in a back-to-back arrangement. The circuit 140 can advantageously also be modified in such a way that only one of the in 14th illustrated pairs of redundant converter branches 69 is available, which can then optionally be connected to the left or right three-phase system via changeover switches and thus optionally as a replacement for a pair of branches of the left or right converter 20th can be switched.

Claims

Modular power converter (20, 70, 90) for connection to at least one electrical multi-line network (30, 40) by means of bridge modules (1) having electronic semiconductor switches (5, 6, 7, 8, 13, 14), whereby from a plurality of in series connected bridge modules (1) each converter branches (21-29, 71-76) are formed, wherein several converter branches (21-29, 71-76) are present, each of which has a line (31, 32, 33) of the first multi-line network (30 ) to a line (41, 42, 43) of the second multi-line network (40) or another line (31, 32, 33) of the first multi-line network (30), the converter (20, 70, 90) having a converter branch redundancy such that at least one further converter branch is designed as a redundant converter branch (22, 24, 29, 69) or by a control device (97) of the converter (20, 70, 90) as a redundant converter branch (22, 24, 29, 69) is operated, the at least one redundant Converter branch (22, 24, 29, 69) is set up to at least partially take over the function of another converter branch (21-29, 71-76), the converter being designed as a multilevel matrix converter, which has nine converter branches for coupling two three-line networks characterized in that a control device (97) of the converter (20, 70, 90) is set up to cyclically add the converter branches (21-29, 71-76) used for operating the converter (20, 70, 90) during operation change and operate the converter with a variable number of converter branches between six and nine converter branches that can be determined by the control device (97).

Converter according to one of the preceding claims, characterized in that for one, several or all converter branches (21-29, 71-76) and / or for one, several or all redundant converter branches (22, 24, 29, 69) at least one in There is a series of isolating switches (50, 52) connected to the bridge modules (1) of the converter branch, with which the converter branch (21-29, 71-76) or the redundant converter branch (22, 24, 29, 69) can be galvanically switched off.

Converter according to Claim 2 , characterized in that at least one isolating switch (50, 52) at each end of a converter branch (21-29, 71-76) or redundant converter branch (22, 24, 29, 69), the isolating switch (50, 52) is present is.

Power converter according to one of the preceding claims, characterized in that the power converter (20, 70, 90) is designed as a direct converter, inverter, reactive power compensator or uninterruptible power supply unit.

Converter according to one of the preceding claims, characterized in that the bridge module (1) has at least two electronic semiconductor switches (5, 6, 7, 8, 13, 14) in a half-bridge circuit or four electronic semiconductor switches (5, 6, 7, 8, 13, 14) in full bridge circuit (4), and the bridge module (1) has at least one capacitor (9) which is connected to external connection contacts (2, 3) of the bridge module via the semiconductor switches (5, 6, 7, 8, 13, 14) (1) is connectable.

Power converter according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one redundant power converter branch (22, 24, 29, 69) has a first switchable electrical connection device (60) each with an electrical line (31, 32, 33) of the first Multi-line network (30) is galvanically connectable and separable therefrom and via a second switchable electrical connection device (64) to an electrical line (41, 42, 43) of the second multi-line network (40) or another line (31, 32, 33) of the first Multi-line network (30) can be galvanically connected and separated therefrom.