DE102019120615B3 - Process and circuit for providing extended switching states for modular multilevel converters with half bridges - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung erweiterter Schaltzustände bei einem modularen Multilevelkonverter mit Halbbrücken, bei dem der modulare Multilevelkonverter mindestens einen Strang mit einem ersten äußeren Modul, einem zweiten äußeren Modul und mindestens einem inneren Modul umfasst, bei dem jedes Modul eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, welche jeweils einen ersten Modulanschluss und einen zweiten Modulanschluss umfassen, bei dem jede Seite eine äußere und eine innere Halbbrücke mit jeweils einem unteren und einem oberen unidirektionalen Halbleiterschalter und einer jeweilig zugeordneten Freilaufdiode aufweist, wobei die jeweilig äußeren Halbbrücken durch eine äußere obere Stromschiene, die jeweilig inneren Halbbrücken durch eine innere obere Stromschiene und alle Halbbrücke durch eine untere Stromschiene miteinander verbunden werden, bei dem zwischen der inneren oberen Stromschiene und der unteren Stromschiene ein erster Energiespeicher und zwischen der äußeren oberen Stromschiene und der inneren oberen Stromschiene ein Verbindungsschalter angeordnet wird, wobei durch ein so gebildetes Modul mindestens eine serielle und eine parallele Verschaltung des ersten Energiespeichers des jeweiligen Moduls mit jeweiligen ersten Energiespeichern benachbarter Module ermöglicht wird.The invention relates to a method for providing extended switching states in a modular multilevel converter with half bridges, in which the modular multilevel converter comprises at least one strand with a first outer module, a second outer module and at least one inner module, in which each module has a first side and a having second side, which each comprise a first module connection and a second module connection, in which each side has an outer and an inner half-bridge, each with a lower and an upper unidirectional semiconductor switch and a respective associated freewheeling diode, the respective outer half-bridges by an outer upper Busbar, the respective inner half-bridges are connected to one another by an inner upper busbar and all half-bridges are connected to one another by a lower busbar, with a first energy store between the inner upper busbar and the lower busbar and between A connection switch is arranged in the outer upper busbar and the inner upper busbar, with at least one serial and parallel connection of the first energy store of the respective module with the respective first energy stores of adjacent modules being made possible by a module formed in this way.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung erweiterter Schaltzustände mit einem effizienten Überspringen eines jeweiligen Energiespeichers in einem modularen Multilevelkonverter, wobei der modulare Multilevelkonverter als Basistopologie mehrere Halbbrücken aufweist. Ferner wird eine Schaltung zu diesen effizienten Schaltzuständen beansprucht.The present invention relates to a method for providing extended switching states with an efficient skipping of a respective energy store in a modular multilevel converter, the modular multilevel converter having a plurality of half bridges as the base topology. A circuit for these efficient switching states is also claimed.
Ein modulares Multilevelkonvertersystem, bspw. ein MMSPC beschrieben in „
Die Druckschrift
Ein wesentliches Ziel bei einem Betrieb von modularen Multilevelkonvertern ist es, alle Energiespeicher ähnlich geladen zu halten oder zumindest zu vermeiden, dass einzelne Module über- oder unterladen werden. Daraus ergibt sich ein erster Ladungsausgleichmechanismus: ein jeweiliger Energieinhalt der Energiespeicher kann kontrolliert und beeinflusst werden, indem gezielt Module ladend in einen Stromfluss geschaltet (Eimer in den Wasserfluss gehalten werden) oder entladend in den Stromfluss geschaltet werden (Eimer mit in den bereits fließenden Wasserstrahl gegossen werden). Durch Messung oder Schätzung eines Ladezustandes oder der Spannung jedes Energiespeichers kann entsprechend durch die Steuerung ausgleichend eingegriffen werden.An essential goal in the operation of modular multilevel converters is to keep all energy stores similarly charged or at least to avoid that individual modules are overloaded or undercharged. This results in a first charge balancing mechanism: a respective energy content of the energy storage devices can be controlled and influenced by specifically switching modules into a current flow for charging (holding buckets in the water flow) or discharging them into the current flow (pouring buckets into the already flowing water jet) become). By measuring or estimating a state of charge or the voltage of each energy store, the controller can intervene accordingly.
Ferner kann auf diese Weise Ladung und Energie von einem Modul zu einem anderen Modul transferiert werden, indem bspw. ein Modul positiv in Serie und ein anderes Modul negativ in Serie geschaltet wird, oder, im Falle von Wechselstrom, eines der Module bevorzugt bei einer positiven Halbwelle (in Serienschaltung) eingesetzt wird, das Modul sich aber bei einer negativen Halbwelle vorzugsweise bspw. in einem Bypass-Betrieb befindet. Das andere Modul wird dann genau entgegengesetzt behandelt.Furthermore, charge and energy can be transferred from one module to another module in this way, for example by connecting one module positively in series and another module negatively in series, or, in the case of alternating current, one of the modules preferably with a positive one Half wave (in series connection) is used, but the module is preferably in a bypass mode in the case of a negative half wave. The other module is then treated in exactly the opposite way.
Bei modularen Multilevelkonvertern mit der Möglichkeit der Parallelschaltung von Modulen, bspw. beschrieben in der US-amerikanischen Druckschrift
Allerdings kann Energie zwischen Modulen, und damit zwischen deren jeweiligen Energiespeichern, nur sehr begrenzt oder mit hohen Verlusten ausgetauscht werden, obwohl schon in einem Normalbetrieb eine zeitweise unterschiedlich starke Belastung der Module vorliegen kann, insbesondere wenn unterschiedliche Abgriffe für jeweils unterschiedliche Traktionsmaschinen eingesetzt werden. Dies betrifft bspw. in einer Mehrmaschinenkonfiguration den üblichen Fall, dass die einzelnen Traktionsmaschinen in unterschiedlichen Arbeitspunkten betrieben werden, aber auch dass aufgrund der Wechselspannung eine Last je Modul mit einer Frequenz der Wechselspannung bzw. deren Harmonischen (insbesondere der doppelten Frequenz der Wechselspannung) fluktuieren kann. Diese Fluktuationen sind aufgrund des zeitlichen Versatzes der unterschiedlichen Phasen nicht zeitlich synchron und könnten sich zu nahezu konstanter Last kompensieren, wenn denn ein substantieller und effizienter Leistungsaustausch zwischen Modulen unterschiedlicher Abgriffe oder Stränge möglich wäre.However, energy between modules, and thus between their respective energy stores, can be exchanged only to a very limited extent or with high losses, although even during normal operation the modules can be loaded to different extents at times, in particular if different taps are used for different traction machines. In a multi-machine configuration, for example, this applies to the usual case that the individual traction machines are operated at different operating points, but also that due to the alternating voltage, a load per module can fluctuate with a frequency of the alternating voltage or its harmonics (in particular twice the frequency of the alternating voltage) . These fluctuations are not synchronized in time due to the time offset of the different phases and could compensate for an almost constant load if a substantial and efficient exchange of power between modules of different taps or lines would be possible.
Die US-amerikanische Druckschrift
Die
Die
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches in einem modularen Multilevelkonverter erweiterte Schaltzustände zu einem effizienten Überspringen oder Bypass eines jeweiligen Energiespeichers ermöglicht. Es soll dabei auch möglich sein, den jeweiligen Energiespeicher in mehreren benachbarten Modulen zu überspringen. Ferner soll eine Schaltung mit diesen effizienten Schaltzuständen vorgestellt werden.Against this background, it is an object of the present invention to provide a method which, in a modular multilevel converter, enables expanded switching states for an efficient skipping or bypassing of a respective energy store. It should also be possible to skip the respective energy store in several neighboring modules. Furthermore, a circuit with these efficient switching states will be presented.
Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zur Bereitstellung erweiterter Schaltzustände bei einem modularen Multilevelkonverter mit Halbbrücken vorgeschlagen, bei dem der modulare Multilevelkonverter mindestens einen Strang mit einem ersten äußeren Modul, einem zweiten äußeren Modul und mindestens einem inneren Modul umfasst. Jedes Modul weist eine erste Seite und eine zweite Seite auf, welche jeweils einen ersten Modulanschluss und einen zweiten Modulanschluss umfassen. Jede Seite weist eine äußere und eine innere Halbbrücke mit jeweils einem unteren und einem oberen unidirektionalen Halbleiterschalter und einer jeweilig zugeordneten Freilaufdiode auf, wobei die jeweilige Freilaufdiode in Durchflussrichtung von einem Source-/Emitter-Anschluss zu einem Drain-/Kollektor-Anschluss des jeweiligen unidirektionalen Halbleiterschalters angeordnet wird. Der jeweilig untere Halbleiterschalter wird mit seinem Drain-/Kollektor-Anschluss und der jeweilig obere Halbleiterschalter mit seinem Source-/Emitter-Anschluss mit dem jeweiligen Modulanschluss der jeweiligen Seite verbunden, wobei auf jeder Seite der jeweilig erste Modulanschluss mit der jeweilig äußeren Halbbrücke und der jeweilig zweite Modulanschluss mit der jeweilig inneren Halbbrücke verbunden werden. Die Source-/Emitter-Anschlüsse der jeweiligen unteren Halbleiterschalter werden durch eine untere Stromschiene, die Drain-/Kollektor-Anschlüsse der jeweilig äußeren Halbbrücken durch eine äußere obere Stromschiene und die Drain-/Kollektor-Anschlüsse der jeweilig inneren Halbbrücken werden durch eine innere obere Stromschiene verbunden. Mit der inneren oberen Stromschiene wird ein positiver Pol eines ersten Energiespeichers und mit der unteren Stromschiene ein negativer Pol des ersten Energiespeichers verbunden. Zwischen der äußeren oberen Stromschiene und der inneren oberen Stromschiene wird ein Verbindungsschalter angeordnet. Durch ein so gebildetes Modul wird mindestens eine serielle und eine parallele Verschaltung des ersten Energiespeichers des jeweiligen Moduls mit jeweiligen ersten Energiespeichern benachbarter Module ermöglicht. Ein jeweiliges Modul wird von einer Steuerungseinheit als eine jeweilige erste Schalteinheit gesteuert. Schließlich wird durch mindestens einen Schaltzustand mindestens einer durch ein inneres Modul gebildeten ersten Schalteinheit der Strom über die jeweilige äußere obere Stromschiene und die jeweilige untere Stromschiene gemeinsam unter einer Umgehung des jeweiligen ersten Energiespeichers der mindestens einen ersten Schalteinheit geleitet.To achieve the above object, a method for providing extended switching states in a modular multilevel converter with half bridges is proposed, in which the modular multilevel converter comprises at least one strand with a first outer module, a second outer module and at least one inner module. Each module has a first side and a second side, each of which comprises a first module connection and a second module connection. Each side has an outer and an inner half bridge, each with a lower and an upper unidirectional semiconductor switch and a respectively assigned freewheeling diode, the respective freewheeling diode in the flow direction from a source / emitter connection to a drain / collector connection of the respective unidirectional one Semiconductor switch is arranged. The respective lower semiconductor switch is connected with its drain / collector connection and the respective upper semiconductor switch with its source / emitter connection with the respective module connection on the respective side, the respective first module connection with the respective outer half bridge and the respective on each side each second module connection can be connected to the respective inner half bridge. The source / emitter connections of the respective lower semiconductor switches are by a lower busbar, the drain / collector connections of the respective outer half bridges by an outer upper busbar and the drain / collector connections of the respective inner half bridges are by an inner upper Busbar connected. A positive pole of a first energy store is connected to the inner upper busbar and a negative pole of the first energy store is connected to the lower busbar. A connection switch is arranged between the outer upper busbar and the inner upper busbar. A module formed in this way enables at least one serial and one parallel connection of the first energy store of the respective module with respective first energy stores of adjacent modules. A respective module is controlled by a control unit as a respective first switching unit. Finally, the current is conducted through at least one switching state of at least one first switching unit formed by an inner module via the respective outer upper busbar and the respective lower busbar, bypassing the respective first energy store of the at least one first switching unit.
Durch den erfindungsgemäß angeordneten Verbindungschalter werden, je nach geöffneter oder geschlossener Schalterstellung, zwei unterschiedliche Sätze an mit den Halbbrücken realisierbaren Schaltzuständen ermöglicht, bzw. kann mit dem Verbindungschalter zwischen diesen beiden Sätzen, ähnlich zu einer Registerumschaltung, hin und her geschaltet werden.Depending on the open or closed switch position, the connection switch arranged according to the invention enables two different sets of switching states which can be achieved with the half bridges, or can be switched back and forth between the two sets, similar to a register changeover, using the connection switch.
Im Folgenden wird ohne Einschränkung auf diesen Fall ein erfindungsgemäßes Zertrennen bzw. Aufteilen einer denkbaren gemeinsamen oberen Stromschiene in die äußere obere Stromschiene und innere obere Stromschiene mit dazwischen angeordnetem Verbindungschalter betrachtet. Alle für diesen Fall im Folgenden ausgeführten Offenbarungen gelten analog für den gleichfalls beanspruchten Fall eine Zertrennens bzw. Aufteilens der unteren Stromschiene in eine äußere untere Stromschiene und eine innere untere Stromschiene mit ebenfalls dazwischen angeordnetem Verbindungschalter, wobei hier der positive Pol des Energiespeichers mit der nun allen Halbbrücken gemeinsamen oberen Stromschiene und der negativen Pol des Energiespeichers mit der inneren unteren Stromschiene verbunden wird.In the following, without restriction to this case, an inventive separation or division of a conceivable common upper busbar into the outer upper busbar and inner upper busbar with a connection switch arranged therebetween is considered. All of the disclosures set out below for this case apply analogously to the case also claimed: the lower busbar is separated or divided into an outer lower busbar and an inner lower busbar with a connection switch likewise arranged in between, the positive pole of the energy store now having all of them here Half-bridge common upper busbar and the negative pole of the energy store is connected to the inner lower busbar.
Der jeweilige Energiespeicher wird als eine Gleichspannungsquelle oder ein Gleichspannungsspeicher mindestens aus folgender Liste gewählt: Batterie, Batteriepack, Primärzelle, Sekundärzelle, Kondensatoren jeglicher Bauart. Generell sind alle eine Gleichspannung bereitstellenden Energiequellen oder Gleichspannungsspeicher denkbar.The respective energy store is selected as a DC voltage source or a DC voltage store at least from the following list: battery, battery pack, primary cell, secondary cell, capacitors of any type. In general, all energy sources or DC voltage storage devices providing DC voltage are conceivable.
Die Schaltzustände eines bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gebildeten Moduls können mindestens ein seriell-positives Verschalten, d. h. Verschalten ungleichnamiger Pole, ein seriell-negatives Verschalten, d. h. Verschalten gleichnamiger Pole, ein paralleles Verschalten des jeweiligen Energiespeichers des Moduls mit einem jeweiligen Energiespeicher eines benachbarten Moduls oder ein Umgehen bzw. Bypass des jeweiligen Energiespeichers des Moduls umfassen. Das bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gebildete Modul weist vorteilhaft eine Modultopologie auf, welche gegenüber dem Stand der Technik erweiterte Schaltzustände ermöglicht. So ist nun eine Umgehung bzw. Bypass des Energiespeichers des jeweiligen inneren Moduls auf zwei Stromschienen möglich, wodurch Durchleitungsverluste im Vergleich mit einer Leitung durch eine einzige Stromschiene reduziert werden. Damit wird zusätzlich ein neuer Bypass-Schaltzustand, hier auch als „Bypassboost“ bezeichnet, ermöglicht, bei dem der Verbindungsschalter geöffnet ist, und bspw. bei geöffneten inneren oberen Halbleiterschaltern alle unteren Halbleiterschalter sowie äußeren oberen Halbleiterschalter des jeweiligen inneren Moduls geschlossen sind und somit ein Strom zusätzlich zur unteren Stromschiene auch über die äußere obere Stromschiene geleitet werden kann. Mit diesem Bypass-Schaltzustand ist es nun auch vorteilhaft möglich, den jeweiligen Energiespeicher mehrerer benachbarter Module zu überspringen, was insbesondere bei stark ungleich geladenen Modulen wichtig ist, um ein Zusammenschalten stark ungleich geladener Module und die damit verbundenen hohen kurzen Ausgleichsströme und die dadurch bedingten Energieverluste zu vermeiden. Des Weiteren ist für das jeweilige innere Modul ein neuer Parallel-Überspring-Schaltzustand ermöglicht, bei dem zwischen einem linken Nachbarmodul und einem rechten Nachbarmodul, falls ein solches Nachbarmodul sich nicht ebenfalls in diesem Parallel-Überspring-Schaltzustand befindet, eine parallele Verschaltung der jeweiligen Energiespeicher gebildet wird, jedoch der Energiespeicher des jeweiligen inneren Moduls dabei übersprungen wird. Sowohl der durch das erfindungsgemäße Verfahren ermöglichte Bypass-Schaltzustand als auch der Parallel-Überspring-Schaltzustand ist daher geeignet, einen substantiellen und effizienten Leistungsaustausch zwischen Energiespeichern unterschiedlicher Module eines Strangs oder sogar unterschiedlicher Stränge zu ermöglichen. Damit wird vorteilhaft für die jeweiligen Energiespeicher auch eine über einen Zeitverlauf ausgeglichene nahezu konstante Last dargestellt.The switching states of a module formed in one embodiment of the method according to the invention can include at least one serial-positive interconnection, ie interconnection of poles of the same name, one serial-negative interconnection, ie interconnection of poles of the same name, a parallel interconnection of the respective energy store Module with a respective energy storage of an adjacent module or bypassing or bypassing the respective energy storage of the module. The module formed in one embodiment of the method according to the invention advantageously has a module topology which enables switching states which are expanded compared to the prior art. Bypassing or bypassing the energy store of the respective inner module on two busbars is now possible, as a result of which transmission losses are reduced in comparison with a line through a single busbar. This also enables a new bypass switching state, here also referred to as “bypass boost”, in which the connection switch is open and, for example, when the inner upper semiconductor switches are open, all lower semiconductor switches and outer upper semiconductor switches of the respective inner module are closed and thus one In addition to the lower conductor rail, electricity can also be conducted via the outer upper conductor rail. With this bypass switching state, it is now also advantageously possible to skip the respective energy store of a number of adjacent modules, which is particularly important in the case of highly unevenly charged modules, in order to interconnect highly unevenly charged modules and the associated high short equalization currents and the energy losses resulting therefrom to avoid. Furthermore, a new parallel skip switching state is made possible for the respective inner module, in which a parallel connection of the respective energy stores is carried out between a left neighboring module and a right neighboring module, if such a neighboring module is not also in this parallel skipping switching state is formed, but the energy storage of the respective inner module is skipped. Both the bypass switching state made possible by the method according to the invention and the parallel skip switching state are therefore suitable for enabling a substantial and efficient power exchange between energy stores of different modules of a line or even different lines. In this way, an almost constant load balanced over a time course is also advantageously represented for the respective energy stores.
Eine dynamische Umkonfigurierung der Verschaltung der jeweiligen Energiespeicher der Module ermöglicht vorteilhaft eine Vereinigung mindestens dreier Funktionen, nämlich erstens einen Ladungsaustausch zwischen den Energiespeichern, um bspw. ein konventionelles Batteriemanagement durchzuführen, zweitens ein defektes Modulteil zu überbücken, ohne eine Gesamtfunktion des Multilevelkonverters zu verlieren, und drittens eine Erzeugung beliebiger Ausgangsspannungen und zeitlicher Strom-/Spannungsverläufe direkt durch den modularen Multilevelkonverter ohne den Bedarf eines zusätzlichen leistungselektronischen Umrichters.Dynamic reconfiguration of the interconnection of the respective energy stores of the modules advantageously enables a combination of at least three functions, namely firstly a charge exchange between the energy stores, for example to carry out conventional battery management, secondly bridging a defective module part without losing an overall function of the multilevel converter, and thirdly, generation of any output voltages and temporal current / voltage curves directly through the modular multilevel converter without the need for an additional power electronic converter.
Durch die dynamische Rekonfiguration der Verschaltung der Energiespeicher kann direkt eine Wechselspannung und/oder Multiphasenspannung für einen oder mehrere Verbraucher erzeugt werden. Vorteilhaft kann ein Modulationsindex bei allen Amplituden maximal gehalten werden. Ferner sinken bei niedrigen Spannungen sogar die Verluste, weil durch die Parallelschaltung von Energiespeichern ein effektiver Innenwiderstand sinkt. Da Stufen zwischen den Spannungen zweier Konfigurationen sehr gering gehalten werden können, wird eine fast verzerrungsfreie Ausgangsspannung erzeugt. Darüber hinaus kann per Schaltmodulation zwischen solchen Spannungen moduliert werden, um weiter zu glätten.The dynamic reconfiguration of the interconnection of the energy stores can directly generate an AC voltage and / or a multi-phase voltage for one or more consumers. A modulation index can advantageously be kept to a maximum for all amplitudes. Furthermore, the losses decrease even at low voltages, because an effective internal resistance drops due to the parallel connection of energy stores. Since levels between the voltages of two configurations can be kept very low, an almost distortion-free output voltage is generated. In addition, switching voltages can be used to modulate between such voltages in order to further smooth out.
Es ist denkbar, dass ein in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens angeordneter jeweiliger Halbleiterschalter ein Niederspannungsschalter ist, d. h., dass eine maximale Spannung, für die der Schalter ausgelegt sein muss, bspw. bei den für den jeweiligen Schalter relevanten Schalteinheiten, deutlich unter einer von dem Multilevelkonverter bereitgestellten Gesamtspannung liegt.It is conceivable that a respective semiconductor switch arranged in an embodiment of the method according to the invention is a low-voltage switch, i. That is to say that a maximum voltage for which the switch must be designed, for example in the switching units relevant to the respective switch, is significantly below an overall voltage provided by the multilevel converter.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Verbindungsschalter als ein mechanischer Schalter oder ein bidirektionaler Halbleiterschalter gewählt. Der mechanische Schalter kann bspw. durch ein Relais oder ein Schütz gebildet sein und wird vorteilhaft eingesetzt, wenn eine Schaltrate sehr niedrig ist oder eine sehr langsame Schaltgeschwindigkeit gewünscht wird. Alternativ kann ein bidirektionaler Halbleiterschalter eingesetzt werden, der bspw. als ein Transistor, der in beiden Stromflussrichtungen schaltbar ist, oder aus zwei unidirektionalen Halbleiterschaltern mit jeweiliger Freilaufdiode gebildet werden kann. Bei solchen Verbindungsschaltern hängen die Schaltzustände des inneren Moduls nicht von Spannungsverhältnissen der oberen Stromschienen ab.In one embodiment of the method according to the invention, the connection switch is selected as a mechanical switch or a bidirectional semiconductor switch. The mechanical switch can be formed, for example, by a relay or a contactor and is used advantageously when a switching rate is very low or a very slow switching speed is desired. Alternatively, a bidirectional semiconductor switch can be used, which can be formed, for example, as a transistor that can be switched in both directions of current flow or from two unidirectional semiconductor switches with a respective free-wheeling diode. With such connection switches, the switching states of the inner module do not depend on the voltage conditions of the upper busbars.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Verbindungsschalter als ein unidirektionaler Halbleiterschalter mit Freilaufdiode gewählt, wobei die Freilaufdiode in „Rückwärtsrichtung“ zum bei geschlossenem unidirektionalem Halbleiterschalter entstehenden Stromfluss geschaltet wird. Im Gegensatz zum Stand der Technik, bspw. bei der genannten Druckschrift
In einer weiter fortgesetzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der unidirektionale Halbleiterschalter mit Freilaufdiode mit seinem Source-/Emitter-Anschluss mit der äußeren oberen Stromschiene und mit seinem Drain-/Kollektor-Anschluss mit der inneren oberen Stromschiene verbunden und entsprechend die zugeordnete Freilaufdiode von der äußeren oberen Stromschiene hin zu der inneren oberen Stromschiene in Durchlassrichtung angeordnet. In einem Normalbetrieb mit geschlossenem Verbindungsschalter sind die äußere obere und die innere obere Stromschiene auf gleichem Potential. Bei offenem Verbindungschalter steht der Bypass-Schaltzustand stets zur Verfügung, der Parallel-Überspring-Schaltzustand nur dann, wenn ein Spannungspotential des ggfs. zu überspringenden Energiespeichers höher ist als die Spannungspotentiale der nächstgelegenen nicht übersprungenen parallel geschalteten Energiespeicher. Dies ist bspw. bei einem den ggfs. zu überspringenden Energiespeicher aufladenden Strom der Fall.In a further continued embodiment of the method according to the invention, the unidirectional semiconductor switch with free-wheeling diode is connected with its source / emitter connection to the outer upper busbar and with its drain / collector connection to the inner upper busbar and the associated free-wheeling diode is connected accordingly from the outer upper busbar towards the inner upper busbar in the forward direction. In normal operation with the connection switch closed, the outer upper and the inner upper busbar are at the same potential. When the connection switch is open, the bypass switching state is always available, and the parallel skip switching state is only available if a voltage potential of the energy store that is possibly to be skipped is higher than the voltage potential of the closest non-skipped parallel energy store. This is the case, for example, in the case of a current which charges the energy store to be skipped.
In einer noch weiter fortgesetzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der unidirektionale Halbleiterschalter mit Freilaufdiode mit seinem Source-/Emitter-Anschluss mit der inneren oberen Stromschiene und mit seinem Drain-/Kollektor-Anschluss mit der äußeren oberen Stromschiene verbunden und entsprechend die zugeordnete Freilaufdiode von der inneren oberen Stromschiene hin zu der äußeren oberen Stromschiene in Durchlassrichtung angeordnet, so kann der Bypass-Schaltzustand nicht mehr eingesetzt werden, jedoch der Parallel-Überspring-Schaltzustand, wenn ein Spannungspotential des ggfs. zu überspringenden Energiespeichers niedriger ist als die Spannungspotentiale der nächstgelegenen nicht übersprungenen parallel geschalteten Energiespeicher. Dies ist bspw. bei einem den ggfs. zu überspringenden Energiespeicher entladenden Strom der Fall.In a still further embodiment of the method according to the invention, the unidirectional semiconductor switch with free-wheeling diode is connected with its source / emitter connection to the inner upper busbar and with its drain / collector connection to the outer upper busbar, and the associated free-wheeling diode is connected accordingly by the If the inner upper busbar is arranged towards the outer upper busbar in the forward direction, the bypass switching state can no longer be used, but the parallel skip switching state if a voltage potential of the energy store that is possibly to be skipped is lower than the voltage potential of the nearest non-skipped one energy storage connected in parallel. This is the case, for example, in the case of a current that discharges the energy store that is possibly to be skipped.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als jeweiliger Halbleiterschalter mit Freilaufdiode ein Feldeffekttransistor gewählt, wobei der Feldeffekttransistor intrinsisch eine Bodydiode aufweist, welche die Funktion der Freilaufdiode einnimmt. Der Feldeffekttransistor kann bspw. ein MOSFET sein.In a further embodiment of the method according to the invention, a field-effect transistor is selected as the respective semiconductor switch with a free-wheeling diode, the field-effect transistor intrinsically having a body diode which assumes the function of the free-wheeling diode. The field effect transistor can be a MOSFET, for example.
In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zusätzlich zwischen der äußeren oberen Stromschiene und der unteren Stromschiene ein zweiter Energiespeicher angeordnet. Ohne diesen zusätzlich angeordneten zweiten Energiespeicher sind Zwischenschaltkreise denkbar, die ohne Beaufschlagung des ersten Energiespeichers „frei laufen“, d. h. frei verschaltbar sind. Alternativ hierzu sind jedoch mit Anordnung eines zweiten Energiespeichers im jeweiligen Modul zwei Zwischenkreise denkbar, wobei ein erster Zwischenkreis durch die inneren Halbbrücken und dem ersten Energiespeicher gebildet wird und der zweite Zwischenkreis durch die äußeren Halbbrücken und den zweiten Energiespeicher gebildet wird. Dabei können der erste Energiespeicher und der zweite Energiespeicher bspw. als Kondensator oder als Batteriezelle oder als Kombination von beidem gebildet werden und auch ein unterschiedliches Spannungsspeichervermögen aufweisen. Der jeweilige Verbindungsschalter kann diese beiden Energiespeicher des jeweiligen Moduls zeitweise parallel schalten oder voneinander trennen.In yet another embodiment of the method according to the invention, a second energy store is additionally arranged between the outer upper busbar and the lower busbar. Without this additionally arranged second energy store, intermediate circuits are conceivable which “run freely” without being loaded on the first energy store, ie. H. are freely interconnectable. As an alternative to this, however, two intermediate circuits are conceivable by arranging a second energy store in the respective module, a first intermediate circuit being formed by the inner half bridges and the first energy store and the second intermediate circuit being formed by the outer half bridges and the second energy store. In this case, the first energy store and the second energy store can be formed, for example, as a capacitor or as a battery cell or as a combination of both, and can also have a different voltage storage capacity. The respective connection switch can temporarily connect these two energy stores of the respective module in parallel or separate them from one another.
In einer fortgesetzt noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem der zusätzliche zweite Energiespeicher angeordnet wurde, wird der Verbindungschalter durch einen Doppelgleichrichter ersetzt. Der Doppelgleichrichter wird dabei dadurch gebildet, indem mit der äußeren oberen Stromschiene eine Induktivität und daran der Source-/Emitter-Anschluss eines ersten unidirektionalen Halbleiterschalters verbunden wird, und weiter dessen Drain-/Kollektor-Anschluss mit der inneren oberen Stromschiene verbunden wird, sowie zwischen der Induktivität und dem ersten unidirektionalen Halbleiterschalter ein Drain-/Kollektor-Anschluss eines zweiten unidirektionalen Halbleiterschalters angeschlossen wird, dessen Source-/Emitter-Anschluss mit der unteren Stromschiene verbunden wird. Statt einer binären Zusammenschaltung oder Abtrennung ist damit vorteilhaft eine gezielte Strom- und/oder Spannungsregelung, d. h. ein gezielter Leistungsaustausch, zwischen dem ersten Energiespeicher und dem zweiten Energiespeicher des jeweiligen Moduls möglich. Beispielsweise kann hier der eine Energiespeicher parallel mit mindestens einem rechtseitigen Modul, der andere Energiespeicher parallel mit mindestens einem linksseitigen Modul geschaltet werden, wenn diese bspw. untereinander ähnliche Spannungsverhältnisse vorweisen. Der sich in dieser Anordnung bildende Doppelgleichrichter kann zum gesteuerten Leistungsaustausch sogar entgegen einer Spannungsrichtung genutzt werden. Über diese Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung des Doppelgleichrichters hinaus, die auch als unidirektionale Buck-Boost-Anordnung bezeichnet wird und benötigt, dass eine Spannung des ersten Energiespeichers höher ist als eine Spannung des zweiten Energiespeichers, sind für den Leistungsaustausch von Energiespeichern in Zwischenkreisen auch andere Topologien denkbar, beispielsweise eine bidirektionale Buck-Boost-Topologie mit vier Schaltern. Unabhängig davon kann eine solche integrale Gleichrichter-Stufe in Strom-, Spannungs- oder Strom-Spannungs-Regelung betrieben werden.In a still further embodiment of the method according to the invention, in which the additional second energy store has been arranged, the connection switch is replaced by a double rectifier. The double rectifier is formed by connecting an inductance to the upper upper busbar and to it the source / emitter connection of a first unidirectional semiconductor switch, and further connecting its drain / collector connection to the inner upper busbar, and between the inductance and the first unidirectional semiconductor switch, a drain / collector connection of a second unidirectional semiconductor switch is connected, the source / emitter connection of which is connected to the lower busbar. Instead of a binary interconnection or disconnection, a targeted current and / or voltage regulation, ie a targeted power exchange, is advantageously possible between the first energy store and the second energy store of the respective module. For example, the one energy store can be connected in parallel with at least one right-hand module, and the other energy store can be connected in parallel with at least one left-hand module if, for example, they have similar voltage relationships. The one that forms in this arrangement Double rectifiers can even be used for controlled power exchange against a voltage direction. In addition to this embodiment of an arrangement of the double rectifier according to the invention, which is also referred to as a unidirectional buck-boost arrangement and requires that a voltage of the first energy store is higher than a voltage of the second energy store, other topologies are also for the power exchange of energy stores in intermediate circuits conceivable, for example a bidirectional buck-boost topology with four switches. Regardless of this, such an integral rectifier stage can be operated in current, voltage or current-voltage regulation.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch ein jeweiliges Modul ohne die beiden Halbbrücken auf seiner linken Seite, aber zusammen mit den beiden Halbbrücken auf der linken Seite eines an die rechte Seite des jeweiligen Moduls angrenzenden Moduls eine jeweilige zweite Schalteinheit gebildet. Dies ist möglich, da in dem mindesten einen Strang an Modulen eine jeweilige Modulgrenze zur Bildung einer jeweiligen Schalteinheit verschoben werden kann. Eine sogenannte Stromkommutierung, d. h. das Umleiten des Strompfades, muss insbesondere zwischen den Halbbrücken durchgeführt werden. Da ein Zwischenzustand bspw. zwischen einem seriellen Schaltzustand und einem parallelen Schaltzustand des jeweiligen Moduls zu Kurzschlüssen führen kann, ist hier meist eine hohe Synchronizität der Umschaltung der einzelnen Schalter einer jeweilig gebildeten Schalteinheit notwendig. Aus diesem Grund kann es vorteilhaft sein, die Modulgrenzen gemäß dieser weiteren Ausführungsform zu der erfindungsgemäßen zweiten Schalteinheit umzuändern. Eine Synchronizitätsanforderung an eine Umsetzung eines jeweiligen Schaltzustands ist hierbei vorteilhaft verringert bzw. ein jeweiliger Zeitrahmen kann leichter eingehalten werden, da der jeweilig von der zweiten Schalteinheit zu verschaltende (mindestens eine) Energiespeicher an einer Seite - hier der rechten Seite der zweiten Schalteinheit - liegt und die zu einer von der zweiten Schalteinheit gehörenden Halbleiterschalter bspw. eine Kommutierungsanordnung bilden, die unmittelbar benachbart sind. Dadurch liegen die bspw. zu einer Kommutierungsgruppe gehörenden Halbleiterschalter, die zwangsweise gleichzeitig oder zumindest innerhalb eines sehr engen Zeitrahmens angesteuert werden müssen, nicht mehr durch den jeweiligen (mindestens einen) Energiespeicher getrennt, weshalb auch weiter vorteilhaft nicht mehr unterschiedliche Schalteinheiten, d. h. bei der ersten Schalteinheit ein Modul mit mittigem (mindestens einen) Energiespeicher, zueinander synchronisiert werden müssen. Stattdessen liegen alle Halbleiterschalter, die zeitgleich für eine für eine Kommutierung eines Strompfades angesteuert werden müssen, in derselben (zweiten) Schalteinheit. Der Zeitrahmen zur Ansteuerung dieser jeweiligen zweiten Schalteinheit erweitert sich dabei von einem Nanosekundenbereich in einen Mikrosekundenbereich oder sogar darüber hinaus. In gleicher Weise ist es denkbar, analog zu der zweiten Schalteinheit mit dem jeweiligen (mindestens einen) Energiespeicher auf der linken Seite eine dritte Schalteinheit mit dem jeweiligen Energiespeicher auf der rechten Seite zu bilden.In a further embodiment of the method according to the invention, a respective second switching unit is formed by a respective module without the two half bridges on its left side, but together with the two half bridges on the left side of a module adjacent to the right side of the respective module. This is possible because a respective module boundary can be shifted in the at least one strand of modules to form a respective switching unit. A so-called current commutation, i. H. the redirection of the current path must be carried out in particular between the half bridges. Since an intermediate state, for example between a serial switching state and a parallel switching state of the respective module, can lead to short circuits, a high degree of synchronicity in the switching of the individual switches of a switching unit formed in each case is usually necessary here. For this reason, it can be advantageous to change the module limits according to this further embodiment to the second switching unit according to the invention. A synchronicity requirement for the implementation of a respective switching state is advantageously reduced or a respective time frame can be adhered to more easily, since the (at least one) energy store to be connected in each case by the second switching unit is on one side - here the right side of the second switching unit - and which, for example, form a commutation arrangement belonging to a semiconductor switch belonging to the second switching unit, which are immediately adjacent. As a result, the semiconductor switches, for example belonging to a commutation group, which must be controlled at the same time or at least within a very narrow time frame, are no longer separated by the respective (at least one) energy store, which is why it is advantageous that switching units no longer differ, i.e. H. in the first switching unit, a module with a central (at least one) energy store must be synchronized with one another. Instead, all semiconductor switches that have to be activated simultaneously for a commutation of a current path are located in the same (second) switching unit. The time frame for controlling this respective second switching unit extends from a nanosecond range to a microsecond range or even beyond. In the same way, it is conceivable to form a third switching unit with the respective energy storage on the right, analogous to the second switching unit with the respective (at least one) energy store on the left.
Ferner wird eine Schaltung zur Bereitstellung erweiterter Schaltzustände bei einem modularen Multilevelkonverter mit Halbbrücken beansprucht, wobei der modulare Multilevelkonverter mindestens einen Strang mit einem ersten äußeren Modul, einem zweiten äußeren Modul und mindestens einem inneren Modul umfasst. Jedes Modul weist eine erste Seite und eine zweite Seite auf, welche jeweils einen ersten Modulanschluss und einen zweiten Modulanschluss umfassen. Jede Seite weist eine äußere und eine innere Halbbrücke mit jeweils einem unteren und einem oberen unidirektionalen Halbleiterschalter und einer jeweilig zugeordneten Freilaufdiode auf, wobei die jeweilige Freilaufdiode in Durchflussrichtung von einem Source-/Emitter-Anschluss zu einem Drain-/Kollektor-Anschluss des jeweiligen unidirektionalen Halbleiterschalters angeordnet ist und der jeweilig untere Halbleiterschalter mit seinem Drain-/Kollektor-Anschluss und der jeweilig obere Halbleiterschalter mit seinem Source-/Emitter-Anschluss mit einem jeweiligen ersten oder zweiten Modulanschluss der jeweiligen Seite verbunden ist, wobei auf jeder Seite der jeweilig erste Modulanschluss mit der jeweilig äußeren Halbbrücke und der jeweilig zweite Modulanschluss mit der jeweilig inneren Halbbrücke verbunden ist. Die Source-/Emitter-Anschlüsse der jeweiligen unteren Halbleiterschalter sind durch eine untere Stromschiene verbunden. Die Drain-/Kollektor-Anschlüsse der jeweilig äußeren oberen Halbleiterschalter sind durch eine äußere obere Stromschiene verbunden und die Drain-/Kollektor-Anschlüsse der jeweilig inneren oberen Halbleiterschalter sind durch eine innere obere Stromschiene verbunden. Mit der inneren oberen Stromschiene ist ein positiver Pol eines ersten Energiespeichers und mit der unteren Stromschiene ist ein negativer Pol des ersten Energiespeichers verbunden, wobei zwischen der äußeren oberen Stromschiene und der inneren oberen Stromschiene ein Verbindungsschalter angeordnet ist. Durch ein so gebildetes Modul sind mindestens eine serielle und eine parallele Verschaltung des ersten Energiespeichers des jeweiligen Moduls mit jeweiligen ersten Energiespeichern benachbarter Module ermöglicht. Die Schaltung umfasst weiter eine Steuerungseinheit, welche dazu konfiguriert ist, mindestens die jeweiligen ersten Schalteinheiten zu steuern. Schließlich ist mindestens ein Schaltzustand mindestens einer durch ein inneres Modul gebildeten ersten Schalteinheit dazu konfiguriert, den Strom über die jeweilige äußere obere Stromschiene und die jeweilige untere Stromschiene gemeinsam unter einer Umgehung des jeweiligen Energiespeichers der mindestens einen ersten Schalteinheit zu leiten.Furthermore, a circuit for providing extended switching states in a modular multilevel converter with half bridges is claimed, the modular multilevel converter comprising at least one line with a first outer module, a second outer module and at least one inner module. Each module has a first side and a second side, each of which comprises a first module connection and a second module connection. Each side has an outer and an inner half bridge, each with a lower and an upper unidirectional semiconductor switch and a respectively assigned freewheeling diode, the respective freewheeling diode in the flow direction from a source / emitter connection to a drain / collector connection of the respective unidirectional one Semiconductor switch is arranged and the respective lower semiconductor switch with its drain / collector connection and the respective upper semiconductor switch with its source / emitter connection is connected to a respective first or second module connection on the respective side, the respective first module connection on each side is connected to the respective outer half bridge and the respective second module connection is connected to the respective inner half bridge. The source / emitter connections of the respective lower semiconductor switches are connected by a lower busbar. The drain / collector connections of the respective outer upper semiconductor switch are connected by an outer upper current rail and the drain / collector connections of the respective inner upper semiconductor switch are connected by an inner upper current rail. A positive pole of a first energy store is connected to the inner upper busbar and a negative pole of the first energy store is connected to the lower busbar, a connection switch being arranged between the outer upper busbar and the inner upper busbar. A module formed in this way enables at least one serial and one parallel connection of the first energy store of the respective module with respective first energy stores of adjacent modules. The circuit further comprises a control unit which is configured to control at least the respective first switching units. Finally, at least one switching state of at least one first switching unit formed by an inner module is configured to transmit the current via the respective outer upper busbar and the to conduct the respective lower busbar together bypassing the respective energy store of the at least one first switching unit.
In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung weist die Schaltung zusätzlich einen zweiten Energiespeicher auf, der zwischen der äußeren oberen Stromschiene und der unteren Stromschiene angeordnet ist.In one configuration of the circuit according to the invention, the circuit additionally has a second energy store, which is arranged between the outer upper busbar and the lower busbar.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung ist der Verbindungschalter durch einen Doppelgleichrichter ersetzt, wobei der Doppelgleichrichter gebildet ist, indem mit der äußeren oberen Stromschiene eine Induktivität und daran der Source-/Emitter-Anschluss eines ersten unidirektionalen Halbleiterschalters verbunden ist, und weiter dessen Drain-/Kollektor-Anschluss mit der inneren oberen Stromschiene verbunden ist, sowie zwischen der Induktivität und dem ersten unidirektionalen Halbleiterschalter ein Drain-/Kollektor-Anschluss eines zweiten unidirektionalen Halbleiterschalters angeschlossen ist, dessen Source-/Emitter-Anschluss mit der unteren Stromschiene verbunden ist.In a further embodiment of the circuit according to the invention, the connection switch is replaced by a double rectifier, the double rectifier being formed by connecting an inductance to the outer upper busbar and to it the source / emitter connection of a first unidirectional semiconductor switch, and furthermore its drain / Collector connection is connected to the inner upper busbar, and between the inductor and the first unidirectional semiconductor switch a drain / collector connection of a second unidirectional semiconductor switch is connected, the source / emitter connection of which is connected to the lower busbar.
In einer noch weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung ist durch ein jeweiliges Modul ohne die beiden Halbbrücken auf seiner linken Seite, aber zusammen mit den beiden Halbbrücken auf der linken Seite eines an die rechte Seite des jeweiligen Moduls angrenzenden Moduls eine jeweilige zweite Schalteinheit gebildet.In a still further embodiment of the circuit according to the invention, a respective second switching unit is formed by a respective module without the two half bridges on its left side, but together with the two half bridges on the left side of a module adjacent to the right side of the respective module.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.Further advantages and refinements of the invention result from the description and the accompanying drawings.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own without departing from the scope of the present invention.
Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.
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1 zeigt eine Modulschaltung als eine erste Schalteinheit zu einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. -
2 zeigt eine Modulschaltung mit einem unidirektionalen Halbleiterschalter als Verbindungsschalter zu einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. -
3 zeigt einen Bypass-Schaltzustand zu einer weiter fortgesetzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. -
4 zeigt einen Parallel-Überspring-Schaltzustand zu einer noch weiter fortgesetzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. -
5 zeigt eine Modulschaltung mit einem bidirektionalen Halbleiterschalter als Verbindungsschalter zu einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. -
6 zeigt eine Modulschaltung mit einem umgekehrt angeordneten unidirektionalen Halbleiterschalter als Verbindungsschalter zu einer fortgesetzt weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. -
7 zeigt eine Modulschaltung mit einer zweiten Schalteinheit zu einer fortgesetzt noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. -
8 zeigt eine explizite Modulschaltung als zweite Schalteinheit zu der fortgesetzt noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. -
9 zeigt eine Modulschaltung mit einem zusätzlichen zweiten Energiespeicher zu einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. -
10 zeigt eine Modulschaltung mit einem Doppelgleichrichter zu einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. -
11 zeigt eine Modulschaltung mit einem Doppelgleichrichter in bidirektionaler Buck-Boost-Topologie zu einer fortgesetzt noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 shows a module circuit as a first switching unit to an embodiment of the inventive method. -
2nd shows a module circuit with a unidirectional semiconductor switch as a connection switch to a further embodiment of the method according to the invention. -
3rd shows a bypass switching state to a further continued embodiment of the inventive method. -
4th shows a parallel skip switching state to a still further embodiment of the method according to the invention. -
5 shows a module circuit with a bidirectional semiconductor switch as a connection switch to yet another embodiment of the method according to the invention. -
6 shows a module circuit with a reversed unidirectional semiconductor switch as a connection switch to another embodiment of the inventive method. -
7 shows a module circuit with a second switching unit to a still further embodiment of the inventive method. -
8th shows an explicit module circuit as a second switching unit to the still further embodiment of the method according to the invention. -
9 shows a module circuit with an additional second energy storage for a further embodiment of the inventive method. -
10th shows a module circuit with a double rectifier to yet another embodiment of the method according to the invention. -
11 shows a module circuit with a double rectifier in bidirectional buck-boost topology to a still further embodiment of the method according to the invention.
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Entsprechend ist die zugeordnete Freilaufdiode von der inneren oberen Stromschiene
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Legal Events
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R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |