EP3245723A1 - Gleichspannungswandler - Google Patents

Gleichspannungswandler

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Publication number
EP3245723A1
EP3245723A1 EP15707941.9A EP15707941A EP3245723A1 EP 3245723 A1 EP3245723 A1 EP 3245723A1 EP 15707941 A EP15707941 A EP 15707941A EP 3245723 A1 EP3245723 A1 EP 3245723A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
converter
voltage
submodules
module
arms
Prior art date
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Ceased
Application number
EP15707941.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Mark-Matthias Bakran
Andre SCHÖN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP3245723A1 publication Critical patent/EP3245723A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/4835—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels comprising two or more cells, each including a switchable capacitor, the capacitors having a nominal charge voltage which corresponds to a given fraction of the input voltage, and the capacitors being selectively connected in series to determine the instantaneous output voltage

Definitions

  • the invention relates to a DC-DC converter having a converter branch extending between high-voltage DC poles and having a first and a second converter arm electrically connected to a potential point connected to a first undervoltage-side DC pole, the second converter arm being between the potential point between the converter arms and a second undervoltage-side DC voltage pole extends, and each of the converter arms has switched on and off power semiconductor switches, and an energy exchange branch for the exchange of energy between the two
  • Converter arms extending between the upper voltage side DC poles parallel to the converter branch.
  • DC voltage converters are used, for example, in the coupling of DC voltage networks of different voltage levels.
  • DC-DC converters are needed for coupling high-voltage DC transmission links.
  • the power to be transformed can reach up to several 1000 MW. For such applications neither the solutions known from the AC transmission nor from the medium voltage can be used.
  • DC-DC converters are known from the prior art in this connection known by two "front-to-front.” -.-Coupled inverters are realized The two order ⁇ rectifiers via a transformer are AC connected to one another, the transformer required in this known DC-DC converter comprises a heavy weight and is relatively expensive.
  • a DC-DC converter of the type mentioned at the outset is known from the article "The Multilevel Modular DC Converter” by JA Fereira, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 28, No. 10, October 2013, known.
  • the described therein DC-DC Converters ⁇ tension is outlined in FIG. 1
  • the DC converter ⁇ transforms a voltage dropped across high side DC voltage Ul Poland in a dropping at undervoltage side DC voltage poles voltage U2 (or vice versa). It has a series of filter circuit 2 of an inductor and a capacitor 3 the energy from branch exchange ⁇ 4th
  • Each of the converter arms 5, 6 comprises a series connection of full-bridge or half-bridge submodules 7, which are equipped with energy stores.
  • the object of He ⁇ invention is to propose a DC-DC converter, which is as cost effective and reliable.
  • the object is achieved by a converter module with a series circuit of two-pole submodules, which is arranged between the potential point zwi ⁇ tween the two converter arms and the first undervoltage-side DC voltage pole in a art-like DC-DC converter, wherein the
  • Submodules having an energy store and at least one Leis ⁇ semiconductor switch and may be controlled such that at the poles of the submodules falls a positive or ne gative ⁇ Submodulschreib or a voltage with the value zero.
  • An advantage of the DC-DC converter according to the invention is its transformerless operation. Since no transforma- Tor is required, the weight of the DC voltage ⁇ converter can be reduced compared to some known DC-DC converters. Another advantage arises from the possibility that Se ⁇ rien circuit of the sub-modules of the converter module for protection of the DC-DC converter and a connected supply network in case of failure, such as a short circuit in one of the devices connected to the DC-DC converter DC cables. In this way, an integrated protection is realized in a coupling of high-voltage DC transmission links (HVDC lines) of different nominal voltage.
  • HVDC lines high-voltage DC transmission links
  • each of the two converter arms generates a converter voltage as DC voltage superposed by an AC voltage, so that the sum of the two converter voltages always corresponds to the DC voltage dropping across the DC voltage side DC poles.
  • Via the converter branch and the energy exchange ⁇ branch flows an alternating circuit current with a frequency of the AC voltage component generated in the converter arms of the
  • the DC-DC converter according to the invention is essentially a freely controllable voltage source.
  • the DC ⁇ converter can deliver its energy interpretation or absorb reactive power in the frame. Only a direct current flows through the converter module so that on average there is no active power to be exchanged.
  • the converter arms each have a number scarf ⁇ tung bipolar converter submodules, wherein each submodule converter on and off power semiconductors comprises scarf ⁇ ter.
  • Each converter submodule suitably comprises an energy store.
  • each of the converter submodules can be controlled individually. In this way a so- ⁇ -called modular Mehrmenumrichter (MMC) is realized.
  • MMC modular Mehrmenumrichter
  • the converter submodules are also knowbil ⁇ det as half-bridge circuits .
  • a half-bridge circuit comprises a series connection of two power semiconductor switching units with the same conducting direction, wherein each power semiconductor switch unit we ⁇ iquess comprises a mono- and turn-off power semiconductor switch.
  • the half-bridge circuit comprises an energy store, for example a power capacitor, which is arranged parallel to the series circuit of the power semiconductor switching units.
  • the half-bridge circuit has two terminals or poles, wherein a first terminal is connected to one of the power semiconductor switching units and to the energy store and the other is arranged at a potential point between the power semiconductor terminal switching units.
  • Half-bridge circuits are relatively inexpensive and have relatively low forward losses during normal operation.
  • the converter submodules are designed as full bridge circuits.
  • the full bridge circuit comprises two parallel series circuits of two power semiconductor switching circuits each. units with on / off switchable power semiconductor switches.
  • An energy store for example a power capacitor, is arranged in parallel with the series circuits.
  • the full-bridge circuit allows a drive so that a positive or negative submodule voltage or a voltage with the value zero drops at the poles of the submodule.
  • the submodule voltage preferably corresponds to an energy storage voltage dropping at the energy store.
  • At least one converter submodule is implemented as a half bridge circuit and at least one further converter submodule as a full bridge circuit.
  • the submodules of the converter module preferably have power semiconductor switches. More preferably, the submodules, suitably all submodules, are realized as the full bridge circuits described above. Each of the performance can tung semiconductor switching units of the full-bridge circuit, for example, an Integrated Gate Bipolar Transistor (IGBT) and an antiparallel-connected to the freewheeling diode umfas ⁇ sen. It is conceivable in this context to use backward conductive power semiconductors.
  • IGBT Integrated Gate Bipolar Transistor
  • the energy exchange branch comprises a filter capacitor.
  • the filter capacitor forms a low-pass or resonant circuit with a line inductance of the electrical line in the energy exchange branch.
  • the resonant circuit can be tuned by means of the generated alternating voltage in the converter arms by suitable dimen ⁇ solution of the filter capacitor to the frequency.
  • the energy exchange branch comprising a capacitor and a filter inductor ⁇ board filter.
  • the filter capacitor and filter inductance form the Reso ⁇ nanzscnies in energy exchange branch in this case.
  • the energy exchange branch comprises a further series circuit of converter submodules with power semiconductor switches which can be switched on and off.
  • the converter submodules of the energy exchange branch By means of the converter submodules of the energy exchange branch, an alternating voltage with the frequency of the alternating circuit current can be generated. In this way, a particularly flexible variant of the erfindungsge ⁇ Maessen DC-DC converter is provided.
  • the submodules of the converter module are arranged for limiting and / or switching off an undervoltage-side fault current.
  • Converter module for example, realized as a full bridge circuits, so by a suitable dimensioning of the
  • Converter module for limiting and / or switching off a high voltage side fault current are set up.
  • ⁇ are probably low side and upper voltage side Feh ⁇ lerströme from the DC converter automatically be limited or switched off, it can be dispensed with separate DC scarf ⁇ ter advantageous in the connected DC cables.
  • the energy gieorzweig comprises a third and a fourth Konverterarm Konverterarm, wherein the arms of the converter energy from ⁇ exchange branch each comprising a series circuit bipolar converter sub-modules, each of said converter- Submodule of the energy exchange branch comprises and switchable power semiconductor switches, and further another converter module is provided with a series circuit of two-pole sub-modules, which extends between a potential point between the converter arms of the energy exchange branch and the low-side DC voltage pole.
  • the converter branch a first acti ve ⁇ converter phase and the energy exchange branch forms a second active converter stage.
  • the two converter modules suitably generate opposing alternating voltages of the same frequency. In this way, a particularly effective and flexible DC-DC converter is provided.
  • the active converter phases can be assigned pairwise alternating circulating currents which, when n active converter phases are used, form an n-phase current system.
  • the sub-modules of the converter module and the sub ⁇ module further converter module are of identical construction. Due to the use of similar components, costs of the DC-DC converter can be reduced.
  • the DC-DC converter comprises connecting means for connecting the DC-DC converter to an AC voltage network.
  • the connecting means allow a direct connection of the DC-DC converter to an AC voltage network.
  • the AC voltage generated by the series circuit can thus be fed as needed into the AC mains.
  • the connecting means comprise a transformer which can be connected on the primary side to the AC voltage network and on the secondary side to the series circuit of the converter module and / or of the series connection of the further converter module.
  • the DC-DC converter according to the invention can be designed both monopolar and bipolar.
  • a voltage of a bipolar high-voltage side DC voltage line is transformed into a voltage of a bipolar voltage side DC voltage side voltage line (or vice versa).
  • the bipolar embodiment of the DC-DC converter therefore suitably has a first converter branch, which extends between a positive high-side DC voltage pole and a neutral, for example grounded, DC voltage pole and a second
  • a first and a second energy exchange branch are suitably provided, which are parallel to the first or to the second
  • Converter branches is assigned in each case a converter module in Wesentli ⁇ Chen in the manner as described in connection with the monopolar versions of the DC-DC converter according to the invention previously.
  • Figure 2 shows a first embodiment erfindungsge ⁇ MAESSEN DC-DC converter in a schematic representation
  • FIG. 3 shows an embodiment of a
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a
  • Figure 5 shows a second embodiment of a ⁇ OF INVENTION DC-DC converter to the invention in schemati ⁇ shear representation
  • Figure 6 shows a third embodiment of a ⁇ OF INVENTION DC-DC converter to the invention in a schematic representation
  • Figure 7 shows a fourth embodiment of a ⁇ OF INVENTION DC-DC converter to the invention in a schematic representation
  • Figure 8 shows a fifth embodiment of a ⁇ OF INVENTION DC-DC converter to the invention in a schematic representation
  • FIG. 9 shows a sixth exemplary embodiment of a DC-DC converter according to the invention in a schematic representation
  • Figure 10 shows a seventh embodiment of a ⁇ OF INVENTION DC-DC converter to the invention in a schematic representation
  • the DC-DC converter 100 comprises a first upper-voltage-side DC voltage pole 12 and a second upper-voltage-side DC voltage pole 13.
  • the upper-side DC voltage poles 12, 13 are arranged for connection to a high-voltage side DC voltage network, not shown in FIG.
  • the falling between the devisitatisseiti ⁇ gen DC voltage poles 12, 13, DC voltage will be referred to with UDC1.
  • the DC-DC converter 100 further includes a converter branch 14.
  • Converter branch 14 has two converter arms: a first converter arm 15 and a second converter arm 16. Furthermore, a first smoothing choke 17 and a second smoothing choke 18 are arranged in the converter branch 14. The two converter arms 15, 16 are in a potential point 19 between the converter arms 15, 16 connected to each other. The first converter arm 15 thus extends between the first upper-voltage-side DC voltage pole 12 and the potential point 19 between the converter arms 15, 16. The second converter arm 16 extends between the potential point 19 and a second undervoltage-side DC voltage pole 20.
  • the second undervoltage-side DC voltage pole 20 and a first undervoltage side Gleichpolpol 21 are adapted to the DC-DC converter 100 with an undervoltage side not shown in Figure 2
  • the first converter arm 15 comprises a series connection of two-pole converter submodules 22 comprising power semiconductor switches.
  • the power semiconductor switch of the con- verter sub-modules 22 are switched on and switched off and can be realized in playing ⁇ by IGBTs.
  • the illustrated in Figure 2 embodiment of the DC-DC converter 100 has three series-connected converter submodules 22 of the first converter arm 15. However, it is conceivable to equip the converter module 15 with any desired number of converter submodules 22 adapted to the respective application, so that their number may well be several hundred.
  • the converter arm 16 is for
  • Converter arm 15 has a similar structure.
  • the converter arm 16 also has a series connection of two-pole converter submodules 22.
  • Parallel to the converter branch 14 extends between the high-side DC voltage poles 12, 13, an energy exchange arm 23.
  • a filter capacitor is arranged ⁇ 24, which is implemented as a power capacitor.
  • the DC-DC converter 100 further includes a converter module 25.
  • the converter module 25 is arranged between the Po ⁇ tenzialddling 19 between the converter arms and the first low side Gleichlastingpol 21st
  • the converter module comprises a series connection of bipolar submodules 26.
  • the number of submodules 26 shown in FIG. 2 is three, but it can be arbitrarily increased depending on the application.
  • the first converter arm 15 In operation, the first converter arm 15 generates a first one
  • the voltage UK1 is composed of an AC voltage component uAC and a DC voltage component.
  • the DC voltage component is dimensioned such that the following relationship applies:
  • UK1 UDC1 - UDC2 - uAC.
  • the second voltage converter UK2 generated.
  • the second voltage converter UK2 is also a superimposition of the AC voltage Vac ⁇ proportion (but opposite polarity), and a DC voltage component.
  • the voltage UDC1 dropping across the upper voltage side DC voltage poles is equal to the sum of the converter voltages generated by the two converter arms 15, 16, or their converter submodules 22.
  • the AC voltage uM1 thus has the same frequency and amplitude as the AC voltage component uAC generated by means of the converter arms. but shifted by one phase ⁇ (is thus provided with a minus sign). In this way, it is achieved that at the low-voltage DC poles Abfal ⁇ loin voltage UDC2 is actually a DC voltage.
  • the means of the converter sub-modules 22 and 26 of the submodules modeled AC voltage component UAC creates a Wech ⁇ selstrom iAC.
  • the alternating current iAC is an alternating circulating current which flows between the converter branch 14 and the energy exchange branch 23.
  • the filter capacitor 24 is tuned to the frequency of the alternating circuit current iAC.
  • the alternating circuit current iAC is superimposed by a direct current IDC1 flowing through the upper voltage side DC voltage poles 12, 13, so that the following applies to a current iDCACl:
  • iDCACl IDC1 + iAC.
  • the alternating circuit current iAC allows an energy exchange between the two converter arms 15, 16 in the converter branch 14.
  • the currents IDC1, IDC2, iAC each flow in a direction indicated by the arrows in the figure 2 direction.
  • FIG. 3 shows an embodiment of a converter- submodule is provided ⁇ 22 of the DC-DC converter 100 in FIG. 2
  • the converter submodule 22 of FIG. 3 is implemented as a half-bridge circuit.
  • the converter submodule 22 is bipolar, that is, the converter submodule 22 has two poles 27 and 28.
  • the converter submodule 22 comprises a first power semiconductor switching unit 29 and a second power semiconductor switching unit 30, wherein the two Power semiconductor switching units 29, 30 are connected in series.
  • the first power semiconductor switching unit 29 comprises a power semiconductor switch 31 which can be switched on and off as well as a freewheeling diode 32 arranged antiparallel to it.
  • the second power semiconductor switching unit 30 has a similar construction to the first power semiconductor switching unit 29.
  • the second power semiconductor switching unit 30 comprises the ⁇ according to a switched on and off power semiconductor switch 33 and an antiparallel arranged freewheeling diode 34.
  • the two power semiconductor switching units 31 and 33 are IGBTs. In the embodiment of FIG. 3, the two power semiconductor switching units 31, 33 are arranged in the same forward direction. Parallel to the series connection to both power semiconductor switching units 31, 33, a power capacitor 35 is arranged.
  • Such a half-bridge circuit is also known from DE 101 03 031 B4.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of a converter submodule 22.
  • the converter submodule 22 of FIG. 4 is realized as a full-bridge circuit.
  • the full-bridge circuit comprises two series circuits of power semiconductor switching units: the first series circuit of the power semiconductor switching units 29, 30 and a second series circuit of power semiconductor switching units 36 and 37.
  • the two series circuits of the power semiconductor switching units 29, 30 and 36, 37 are arranged parallel to each other.
  • the two terminals of the submodule 22 of Figure 4 are to Poten ⁇ potential between the two points nurse Halbleiterschaltein- units of a respective series circuit arranged.
  • a voltage can be generated at the two terminals 27, 28 of the converter submodule 22 which corresponds to the voltage at the converter. capacitor 35, but the voltage of the capacitor 35 with reverse polarity, or generate the voltage zero.
  • the converter submodules 22 of Figures 3 and 4 may be likewise used in the hereinafter described embodiments of the DC converter according to the invention the ⁇ . Furthermore, the submodule 26 of all embodiments of the DC voltage converter according to the invention described in FIGS. 5 to 10 can be realized as a full bridge circuit of FIG.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of a ⁇ OF INVENTION DC-DC converter 101 to the invention is shown.
  • the same or similar components are provided with the same reference numerals, so that from
  • the embodiment of the DC-DC converter 101 according to FIG. 5 differs from the DC-DC converter 100 of FIG. 2 in that a filter inductance 42 is arranged in the energy exchange branch 23 in addition to the capacitor 24.
  • the filter inductor 42 and the filter capacitor 24 thus form a resonant circuit in the energy exchange branch 23.
  • This resonant circuit can be tuned to a desired frequency.
  • the resonant circuit is tuned to the frequency of the alternating-Fre ⁇ circuit current iAC.
  • the mode of operation of the embodiments of the DC-DC converter 100 and 101 in FIGS. 2 and 5 is otherwise substantially the same.
  • Figure 6 shows a third embodiment of a DC-DC converter erfindungsge- MAESSEN 102.
  • EMBODIMENTS 2 and the figure 5 comprises the DC-DC converter 102 of Figure 6 in the energy exchange branch 23 a further series circuit of Converter Submodules 22.
  • the further series connection of the converter submodules 22 in the energy exchange branch 23 is composed of a third converter arm 43 and a fourth
  • the third and fourth Konverterarm 43 and 44 are the first and second Konverterarm 15, 16 similarly constructed and connected in a potential point 47 MITEI ⁇ Nander.
  • the energy exchange branch 23 further comprises a third smoothing choke 45 and a fourth smoothing choke 46.
  • a single smoothing choke would be sufficient here, but two are preferred for reasons of symmetry.
  • the converter branch 14 and the energy exchange branch 23 in the embodiment of FIG. 6 are also referred to as (two) active phases of the DC-DC converter, because voltages UK1, UK2, UK3, UK4 can be actively generated by means of the converter arms 15, 16, 43, 44.
  • FIG. 7 shows a fourth embodiment of an OF INVENTION ⁇ to the invention the DC converter 103.
  • the DC-DC converter 103 in energy exchange branch summarizes a third Konnverterarm 43 and a fourth Konverterarm 44.
  • the third and fourth Konverterarm 43 are connected at a potential point 47.
  • a further converter module 48 extends with a series connection of two-pole submodules 26.
  • a second module voltage uM2 uAC is generated. In this way, between a potential point 49, at which the two converter modules 26 and 48 are connected to each other, and the first low-side DC voltage pole 21, a DC current IDC2 flows tolerably.
  • iDCACl IDC1 / 2 + iAC.
  • Converter arm 51 and a sixth converter arm 52 which are interconnected in a potential point 53.
  • the fifth and sixth converter arms 51 and 52 are constructed similarly to the other converter arms.
  • the DC-DC converter 104 has three active phases.
  • the converter branch 14 may also be referred to as the first converter branch 14 in this context.
  • the energy exchange branch 23 can be referred to as the second converter branch 23 and the further energy exchange branch 50 as the third converter branch 50.
  • UK1 UDC1 - UDC2 - ⁇ ACa
  • UK3 UDC1 - UDC2 - ⁇ ACb
  • the DC-DC converter 104 is different from the DC-DC converter 103 by a third one
  • Converter module 53 extending between a potential point 54 between the fifth and the sixth converter arm 51 and 52 and the first undervoltage-side DC voltage 21th extends.
  • the third converter module 53 is constructed similar to the two üb ⁇ membered converter modules 25 and 48th
  • the three converter modules 25, 48, 53 are interconnected in a potential point 49.
  • the module voltages uM1, uM2 or uM3 generated at the convector modules 25, 48, 53 the following applies:
  • uM2 -uACb
  • uM3 -uACc.
  • the generated alternating voltages or alternating voltage components uACa, uACb, uACc result in a first alternatingcircuit current iACl flowing between the first and second converter branches 14 and 23, respectively, and a second alternatingcircuit current iAC2 flowing between the second and third converter branches 23 or 50 flows.
  • the direct current IDC1 flowing on the high-voltage side DC poles 12, 13 and the direct current IDC2 flowing on the low-side DC poles 20, 21 are superposed with the two alternating circulating currents iAC1, iAC2 to form superimposed currents
  • iDCACl IDC1 / 3 + iACl
  • iDCAC2 IDC1 / 3 + 2 * IDC2 / 3 + iACl;
  • iDCAC3 2 * IDC1 / 3 + iAC2;
  • iDCAC4 2 * IDC1 / 3 + IDC2 / 3 + iAC2.
  • FIG 9 shows a further embodiment of an OF INVENTION ⁇ to the invention the DC converter 105.
  • the DC clamping ⁇ voltage transformer 105 is different from the DC voltage wall ⁇ ler 104 of Figure 7 by connecting means 55 for connecting the DC-DC converter 105 with a (not shown in Figure 9) alternating voltage network.
  • the connection means 55 comprise a transformer 56 which is connectable or connected on the primary side by means of connections 57 to the AC voltage network and on the secondary side via a first phase 58 to the first converter module 25 and via a second phase 59 to the second converter module 48.
  • the first phase 58 extends between the transformer 56 and the potential point 19 between the first and the second converter arm 15 or 16.
  • the second stage 59 extends between the transformer 56 and the potential of point 47 between the third and fourth Konverterarm 43 and 44.
  • a seventh embodiment of an OF INVENTION ⁇ to the invention DC-DC converter 106 is shown.
  • the DC-DC converter 106 differs from the DC-DC converter 104 of FIG. 8 by connecting means 60 for connecting the DC-DC converter 106 to an AC voltage network (not shown in FIG. 10).
  • the connecting means 60 comprise a three-phase transformer 61, which on the primary side by means of connections 62 to the alternating ⁇ pannungsnetz and secondary side via a first phase 63 with the first converter module 25, via a second phase 64 with the second converter module 48 and a third phase 65 with the third converter module 53 connectable or connected.
  • the first phase 63 extends between the transformer 61 and the potential point 19 between the first and the second converter arm 15 or 16.
  • the second phase 64 extends between the transformer 61 and the potential point 47 between the third and the fourth
  • the third phase 65 extends between the transformer 61 and the potential point 54 between the fifth and the sixth converter arm 51 and 52, respectively.
  • the exemplary embodiments of the DC voltage converter according to the invention shown in FIGS. 2 and 5 to 10 are monopolar. In all cases, however, a bipolar variant of the DC-DC converter is possible by a corresponding expansion of the circuit.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler (100) mit einem sich zwischen oberspannungsseitigen Gleichspannungspolen (12, 13) erstreckenden Konverterzweig (14) mit einem ersten und einem zweiten Konverterarm (15, 16), die an einem Potenzialpunkt (19) elektrisch verbunden sind, der mit einem ersten unterspannungsseitigen Gleichspannungspol (21) verbunden ist, wobei der zweite Konverterarm (16) sich zwischen dem Potenzialpunkt zwischen den Konverterarmen und einem zweiten unterspannungsseitigen Gleichspannungspol (20) erstreckt, und jeder der Konverterarme ein- und abschaltbare Leistungshalbleiterschalter aufweist, sowie einem Energieaustauschzweig (14) zum Energieaustausch zwischen den beiden Konverterarmen, der sich zwischen den oberspannungsseitigen Gleichspannungspolen parallel zum Konverterzweig erstreckt. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch ein Konvertermodul (25) mit einer Serienschaltung zweipoliger Submodule (26), das zwischen dem Potenzialpunkt zwischen den beiden Konverterarmen und dem ersten unterspannungsseitigen Gleichspannungspol angeordnet ist, wobei die Submodule einen Energiespeicher sowie wenigstens einen Leistungshalbleiterschalter aufweisen und derart ansteuerbar sind, dass an den Polen der Submodule eine positive oder negative Submodulspannung oder eine Spannung mit dem Wert null abfällt.

Description

Beschreibung
Gleichspannungswandler Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler mit einem sich zwischen oberspannungsseitigen Gleichspannungspolen erstreckenden Konverterzweig mit einem ersten und einem zweiten Konverterarm, die an einem Potenzialpunkt elektrisch verbunden sind, der mit einem ersten unterspannungsseitigen Gleich- spannungspol verbunden ist, wobei der zweite Konverterarm sich zwischen dem Potenzialpunkt zwischen den Konverterarmen und einem zweiten unterspannungsseitigen Gleichspannungspol erstreckt, und jeder der Konverterarme ein- und abschaltbare Leistungshalbleiterschalter aufweist, sowie einem Energieaus- tauschzweig zum Energieaustausch zwischen den beiden
Konverterarmen, der sich zwischen den oberspannungsseitigen Gleichspannungspolen parallel zum Konverterzweig erstreckt.
Gleichspannungswandler finden beispielsweise Anwendung in der Kopplung von Gleichspannungsnetzen unterschiedlicher Spannungsniveaus. Insbesondere zur Kopplung von Hochspannungs- gleichstromübertragungsstrecken werden Gleichspannungswandler benötigt. Die hierbei zu transformierende Leistung kann bis zu mehreren 1000 MW erreichen. Für solche Anwendungen können weder die aus der Wechselstromübertragung noch die aus der Mittelspannung bekannten Lösungen verwendet werden.
Aus dem Stand der Technik sind in diesem Zusammenhang Gleichspannungswandler bekannt, die durch zwei „front-to-front"- gekoppelte Umrichter realisiert sind. Dabei sind die zwei Um¬ richter über einen Transformator wechselspannungsseitig miteinander verbunden. Der bei diesem bekannten Gleichspannungswandler benötigte Transformator weist ein hohes Gewicht auf und ist relativ kostenintensiv.
Ein Gleichspannungswandler der eingangs genannten Art ist aus dem Artikel „The Multilevel Modular DC Converter" von J.A. Fereira, IEEE Transactions on Power Elektronics, Vol. 28, No . 10, October 2013, bekannt. Der dort beschriebene Gleichspan¬ nungswandler ist in Figur 1 skizziert. Der Gleichspannungs¬ wandler transformiert eine an oberspannungsseitigen Gleichspannungspolen abfallende Spannung Ul in eine an unterspan- nungsseitigen Gleichspannungspolen abfallende Spannung U2 (oder umgekehrt) . Er weist eine Reihen-Filterschaltung aus einer Induktivität 2 und einer Kapazität 3 im Energieaus¬ tauschzweig 4 auf. Jeder der Konverterarme 5, 6 umfasst eine Reihenschaltung von Vollbrücken- bzw. Halbbrücken-Submodulen 7, die mit Energiespeichern ausgestattet sind. Über die Rei¬ hen-Filterschaltung 1 fließt ein von den Konverterarmen 5, 6 erzeugter Wechsel-Kreisstrom, so dass Energie zwischen den beiden Konverterarmen 5, 6 ausgetauscht wird. Ein zwischen dem Potenzialpunkt 8 zwischen den Konverterarmen 5, 6 und dem ersten unterspannungsseitigen Gleichspannungspol 9 angeordne¬ ter Parallel-Filterkreis 10 verhindert, dass ein Wechselstrom zu dem unterspannungsseitigen Gleichspannungspol fließt. Be¬ züglich der weiteren Details des bekannten Gleichspannungswandlers wird hierbei auf die genannte Veröffentlichung ver- wiesen.
Ausgehend vom Stand der Technik besteht die Aufgabe der Er¬ findung darin, einen Gleichspannungswandler vorzuschlagen, der möglichst kostengünstig und zuverlässig ist.
Die Aufgabe wird bei einem artgemäßen Gleichspannungswandler durch ein Konvertermodul mit einer Serienschaltung zweipoliger Submodule gelöst, das zwischen dem Potenzialpunkt zwi¬ schen den beiden Konverterarmen und dem ersten unterspan- nungsseitigen Gleichspannungspol angeordnet ist, wobei die
Submodule einen Energiespeicher sowie wenigstens einen Leis¬ tungshalbleiterschalter aufweisen und derart ansteuerbar sind, dass an den Polen der Submodule eine positive oder ne¬ gative Submodulspannung oder eine Spannung mit dem Wert null abfällt.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers ist dessen transformatorlose Funktionsweise. Da kein Transforma- tor benötigt wird, kann das Gewicht des Gleichspannungswand¬ lers gegenüber einigen bekannten Gleichspannungswandlern reduziert werden. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Möglichkeit, die Se¬ rienschaltung der Submodule des Konvertermoduls für einen Schutz des Gleichspannungswandlers und eines angeschlossenen Versorgungsnetzes im Fehlerfall, beispielsweise einem Kurz- schluss in einer der an den Gleichspannungswandler ange- schlossenen Gleichspannungsleitungen. Auf diese Weise ist ein integrierter Schutz bei einer Kopplung von Hochspannungs- gleichstromübertragungsstrecken (HGÜ-Strecken) unterschiedlicher Nennspannung realisiert. Im erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler erzeugt jeder der beiden Konverterarme eine Konverterspannung als von einer Wechselspannung überlagerte Gleichspannung, so dass die Summe der beiden Konverterspannungen stets der an den oberspan- nungsseitigen Gleichspannungspolen abfallenden Gleichspannung entspricht. Über den Konverterzweig und den Energieaustausch¬ zweig fließt ein Wechsel-Kreisstrom mit einer Frequenz des in den Konverterarmen erzeugten Wechselspannunganteils der
Konverterspannungen. Auf diese Weise ist ein Energietransport zwischen den Konverterarmen ermöglicht. Mittels der Submodule des Konvertermoduls wird eine Wechselspannung erzeugt, so dass an den unterspannungsseitigen Gleichspannungspolen eine im Wesentlichen konstante Gleichspannung abfällt.
Mit anderen Worten handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler im Wesentlichen um eine frei steuerbare Spannungsquelle. Als eine solche kann der Gleichspannungs¬ wandler im Rahmen dessen energetischer Auslegung Blindleistung liefern oder aufnehmen. Durch das Konvertermodul fließt lediglich ein Gleichstrom, so dass dort im Mittel keine Wirk- leistung ausgetauscht wird.
Es soll hierbei darauf hingewiesen werden, dass die zuvor verwendeten Begriffe , oberspannungsseitig λ und ,unterspan- nungsseitig λ rein deskriptiv zu verstehen sind. Unter bestimmten Bedingungen ist eine unterspannungsseitig abfallende Spannung denkbar, die höher als eine oberspannungsseitig ab¬ fallende Spannung ist.
Bevorzugt weisen die Konverterarme jeweils eine Reihenschal¬ tung zweipoliger Konverter-Submodule auf, wobei jedes Konver- ter-Submodul ein- und abschaltbare Leistungshalbleiterschal¬ ter umfasst. Jedes Konverter-Submodul umfasst geeigneterweise einen Energiespeicher. Ferner ist jedes der Konverter- Submodule einzeln ansteuerbar. Auf diese Weise ist ein soge¬ nannter modularer Mehrstufenumrichter (MMC) realisiert. Mittels des MMC ist eine besonders vorteilhafte stufenförmige Konverterspannung erzeugbar. Ein MMC ist beispielsweise in der DE 101 03 031 B4 beschrieben.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Konverter-Submodule als Halbbrückenschaltungen ausgebil¬ det. Eine Halbbrückenschaltung weist eine Reihenschaltung von zwei Leistungshalbleiterschalteinheiten mit gleicher Durchlassrichtung, wobei jede Leistungshalbleiterschalteinheit we¬ nigstens einen ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter aufweist. Ferner umfasst die Halbbrückenschaltung einen Energiespeicher, beispielsweise einen Leistungskonden- sator, der parallel zu der Reihenschaltung der Leistungshalb- leiterschalteinheiten angeordnet ist. Die Halbbrückenschal¬ tung verfügt über zwei Anschlüsse beziehungsweise Pole, wobei ein erster Anschluss mit einer der Leistungshalbleiterschalt- einheiten und mit dem Energiespeicher verbunden ist und der andere an einem Potenzialpunkt zwischen den Leistungshalblei- terschalteinheiten angeordnet ist. Halbbrückenschaltungen sind verhältnismäßig kostengünstig und weisen relativ geringe Durchlassverluste im Normalbetrieb auf. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Konverter-Submodule als Vollbrückenschaltungen ausgebildet. Die Vollbrückenschaltung umfasst zwei parallele Reihenschaltungen von jeweils zwei Leistungshalbleiterschalt- einheiten mit ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern. Parallel zu den Reihenschaltungen ist ein Energiespeicher, beispielsweise ein Leistungskondensator, angeordnet. Die Vollbrückenschaltung erlaubt eine Ansteuerung, so dass an den Polen des Submoduls eine positive oder negative Submodulspannung oder eine Spannung mit dem Wert null abfällt. Bevorzugt entspricht die Submodulspannung einer am Energiespeicher abfallenden Energiespeicherspannung. Damit kann mittels einer Reihenschaltung von Vollbrücken-Submodulen vorteilhaft eine Gegenspannung aufgebaut werden, die in einem Fehlerfall einen Fehlerstrom unterbrechen kann.
Denkbar ist auch, dass wenigstens ein Konverter-Submodul als Halbbrückenschaltung und wenigstens ein weiteres Konverter- Submodul als Vollbrückenschaltung realisiert ist. Damit kön¬ nen die Vorteile der Halbbrückenschaltungen mit den Vorteilen der Vollbrückenschaltungen kombiniert werden.
Bevorzugt weisen die Submodule des Konvertermoduls Leistungs- halbleiterschalter auf. Weiter bevorzugt sind die Submodule, geeigneterweise alle Submodule, als die zuvor beschriebenen Vollbrückenschaltungen realisiert. Dabei kann jede der Leis- tungshalbleiterschalteinheiten der Vollbrückenschaltung beispielsweise einen Integrated Gate Bipolar Transistor (IGBT) sowie eine dazu antiparallel geschaltete Freilaufdiode umfas¬ sen. Denkbar ist es in diesem Zusammenhang auch rückwärts leitfähige Leistungshalbleiter einzusetzen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Ener- gieaustauschzweig einen Filterkondensator. Der Filterkondensator bildet mit einer Leitungsinduktivität der elektrischen Leitung im Energieaustauschzweig einen Tiefpass oder einen Resonanzkreis. Der Resonanzkreis kann durch geeignete Abmes¬ sung des Filterkondensators auf die Frequenz der mittels der in den Konverterarmen erzeugten Wechselspannung abgestimmt werden . Bevorzugt umfasst der Energieaustauschzweig einen Filterkon¬ densator und eine Filterinduktivität. Der Filterkondensator und die Filterinduktivität bilden in diesem Fall die Reso¬ nanzschaltung im Energieaustauschzweig. Durch die Verwendung der Filterinduktivität ist eine Resonanzfrequenz der Reso¬ nanzschaltung besonders einfach und genau einstellbar.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst Energieaustauschzweig eine weitere Reihenschal¬ tung von Konverter-Submodulen mit ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern. Mittels der Konverter-Submodule des Energieaustauschzweiges kann eine Wechselspannung mit der Frequenz des Wechsel-Kreisstromes erzeugt werden. Auf diese Weise ist eine besonders flexible Variante des erfindungsge¬ mäßen Gleichspannungswandlers bereitgestellt.
Geeigneterweise sind die Submodule des Konvertermoduls zum Begrenzen und/oder Abschalten eines unterspannungsseitigen Fehlerstromes eingerichtet. Sind die Submodule des
Konvertermoduls beispielsweise als Vollbrückenschaltungen re- alisiert, so kann durch eine geeignete Dimensionierung der
Leistungshalbleitereinheiten, der Leistungshalbleiterschalter und der Energiespeicher eine Abschaltung bzw. eine Begrenzung von vorbestimmten Fehlerströmen möglich. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Submodule des
Konvertermoduls zum Begrenzen und/oder Abschalten eines ober- spannungsseitigen Fehlerstromes eingerichtet sind. Sind so¬ wohl unterspannungsseitige als auch oberspannungsseitige Feh¬ lerströme vom Gleichspannungswandler selbständig begrenzbar bzw. abschaltbar, so kann auf separate Gleichspannungsschal¬ ter in den angeschlossenen Gleichspannungsleitungen vorteilhaft verzichtet werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Ener- gieaustauschzweig einen dritten Konverterarm und einen vierten Konverterarm, wobei die Konverterarme des Energieaus¬ tauschzweiges jeweils eine Reihenschaltung zweipoliger Konverter-Submodule aufweisen, wobei jedes der Konverter- Submodule des Energieaustauschzweiges ein- und abschaltbare Leistungshalbleiterschalter umfasst, und ferner ein weiteres Konvertermodul mit einer Serienschaltung von zweipoligen Sub- modulen vorgesehen ist, das sich zwischen einem Potenzialpunkt zwischen den Konverterarmen des Energieaustauschzweiges und dem unterspannungsseitigen Gleichspannungspol erstreckt. Mit anderen Worten bildet der Konverterzweig eine erste akti¬ ve Konverterphase und der Energieaustauschzweig eine zweite aktive Konverterphase. Die beiden Konvertermodule erzeugen dabei geeigneterweise gegensinnige Wechselspannungen gleicher Frequenz. Auf diese Weise ist ein besonders effektiver und flexibler Gleichspannungswandler bereitgestellt.
Diese Ausführungsform kann entsprechend auf drei oder mehr Phasen erweitert werden. Den aktiven Konverterphasen können paarweise Wechsel-Kreisströme zugeordnet werden, die, bei Verwendung von n aktiven Konverterphasen, ein n-phasiges Stromsystem ausbilden.
Bevorzugt sind die Submodule des Konvertermoduls und die Sub¬ module des weiteren Konvertermoduls gleichartig aufgebaut. Aufgrund der Verwendung gleichartiger Bauteile können Kosten des Gleichspannungswandlers reduziert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Gleichspannungswandler Verbindungsmittel zum Verbinden des Gleichspannungswandlers mit einem Wechselspannungsnetz. Die Verbindungsmittel ermöglichen eine direkte Anbindung des Gleichspannungswandlers an ein Wechselspannungsnetz. Die von der Serienschaltung erzeugte Wechselspannung kann damit nach Bedarf in das Wechselspannungsnetz eingespeist werden.
Bevorzugt umfassen die Verbindungsmittel einen Transformator, der primärseitig mit dem Wechselspannungsnetz und sekundär- seitig mit der Serienschaltung des Konvertermoduls und/oder der Serienschaltung des weiteren Konvertermoduls verbindbar ist . Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler kann sowohl monopolar als auch bipolar ausgeführt sein. Bei der bipolaren Ausführung des Gleichspannungswandlers wird beispielsweise eine Spannung einer bipolaren oberspannungsseitigen Gleichspannungsleitung in eine Spannung einer bipolaren unterspan- nungsseitigen Gleichspannungsleitung transformiert (oder umgekehrt) . Die bipolare Ausführung des Gleichspannungswandlers weist daher geeigneterweise einen ersten Konverterzweig, der sich zwischen einem positiven oberspannungsseitigen Gleichspannungspol und einem neutralen, beispielsweise geerdeten, Gleichspannungspol erstreckt sowie einen zweiten
Konverterzweig, der sich zwischen dem neutralen Gleichspannungspol und einem negativen oberspannungsseitigen Gleichspannungspol erstreckt. Entsprechend sind geeigneterweise ein erster und ein zweiter Energieaustauschzweig vorgesehen, die parallel zum ersten beziehungsweise zum zweiten
Konverterzweig angeordnet sind. Jedem der beiden
Konverterzweige ist jeweils ein Konvertermodul im Wesentli¬ chen in der Weise zugeordnet, wie im Zusammenhang mit den monopolaren Ausführungen des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers zuvor beschrieben.
Die Erfindung soll im Folgenden anhand der Figuren 2 bis 10 näher erläutert werden.
Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel erfindungsge¬ mäßen Gleichspannungswandler in schematischer Darstellung;
Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines
Konvertersubmoduls in schematischer Darstellung;
Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Konvertersubmoduls in schematischer Darstellung;
Figur 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfin¬ dungsgemäßen Gleichspannungswandlers in schemati¬ scher Darstellung; Figur 6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfin¬ dungsgemäßen Gleichspannungswandlers in schemati- scher Darstellung;
Figur 7 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfin¬ dungsgemäßen Gleichspannungswandlers in schemati- scher Darstellung; Figur 8 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfin¬ dungsgemäßen Gleichspannungswandlers in schemati- scher Darstellung;
Figur 9 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel eines erfin- dungsgemäßen Gleichspannungswandlers in schemati- scher Darstellung;
Figur 10 zeigt ein siebtes Ausführungsbeispiel eines erfin¬ dungsgemäßen Gleichspannungswandlers in schemati- scher Darstellung;
Im Einzelnen ist in Figur 2 ein Ausführungsbeispiel eines er¬ findungsgemäßen Gleichspannungswandlers 100 gezeigt. Der Gleichspannungswandler 100 umfasst einen ersten oberspannungsseitigen Gleichspannungspol 12 und einen zweiten oberspannungsseitigen Gleichspannungspol 13. Die oberseitigen Gleichspannungspole 12, 13 sind zum Verbinden mit einem in Figur 2 nicht dargestellten oberspannungsseitigen Gleichspan- nungsnetz eingerichtet. Die zwischen den oberspannungsseiti¬ gen Gleichspannungpolen 12, 13 abfallende Gleichspannung wird im Folgenden mit UDC1 bezeichnet. Der Gleichspannungswandler 100 umfasst ferner einen Konverterzweig 14. Der
Konverterzweig 14 weist zwei Konverterarme auf: einen ersten Konverterarm 15 und einen zweiten Konverterarm 16. Ferner sind eine erste Glättungsdrossel 17 und eine zweite Glät- tungsdrossel 18 im Konverterzweig 14 angeordnet. Die beiden Konverterarme 15, 16 sind in einem Potenzialpunkt 19 zwischen den Konverterarmen 15, 16 miteinander verbunden. Der erste Konverterarm 15 erstreckt sich damit zwischen dem ersten oberspannungsseitigen Gleichspannungspol 12 und dem Potenzialpunkt 19 zwischen den Konverterarmen 15, 16. Der zweite Konverterarm 16 erstreckt sich zwischen dem Potenzialpunkt 19 und einem zweiten unterspannungsseitigen Gleichspannungspol 20. Der zweite unterspannungsseitige Gleichspannungspol 20 und ein erster unterspannungsseitiger Gleichspannungspol 21 sind dazu eingerichtet, den Gleichspannungswandler 100 mit einem in Figur 2 nicht gezeigten unterspannungsseitigen
Gleichspannungsnetz zu verbinden. Eine zwischen den beiden unterspannungsseitigen Gleichspannungspolen 21 und 20 abfallende Gleichspannung wird im Folgenden mit UDC2 bezeichnet. Somit kann mittels des Gleichspannungswandlers 100 die Span¬ nung UDC1 in die Spannung UDC2 (oder umgekehrt) transformiert werden .
Der erste Konverterarm 15 umfasst eine Reihenschaltung von zweipoligen Konverter-Submodulen 22, die Leistungshalbleiterschalter umfassen. Die Leistungshalbleiterschalter der Kon- verter-Submodule 22 sind ein- und abschaltbar und können bei¬ spielsweise durch IGBTs realisiert werden. Die in Figur 2 dargestellte Ausführungsform des Gleichspannungswandlers 100 weist drei in Reihe geschaltete Konverter-Submodule 22 des ersten Konverterarmes 15 auf. Es ist jedoch denkbar, das Konvertermodul 15 mit jeder beliebigen beziehungsweise der jeweiligen Anwendung angepassten Anzahl von Konverter- Submodulen 22 auszustatten, so dass deren Anzahl durchaus mehrere hundert betragen kann. Der Konverterarm 16 ist zum
Konverterarm 15 gleichartig aufgebaut. Insbesondere weist der Konverterarm 16 ebenfalls eine Reihenschaltung von zweipoligen Konverter-Submodulen 22 auf. Parallel zum Konverterzweig 14 erstreckt sich zwischen den oberspannungsseitigen Gleich- spannungspolen 12, 13 ein Energieaustauschzweig 23. In dem Energieaustauschzweig 23 ist ein Filterkondensator 24 ange¬ ordnet, der als Leistungskondensator realisiert ist. Der Gleichspannungswandler 100 umfasst ferner ein Konvertermodul 25. Das Konvertermodul 25 ist zwischen dem Po¬ tenzialpunkt 19 zwischen den Konverterarmen und dem ersten unterspannungsseitigen Gleichspannungpol 21 angeordnet. Das Konvertermodul umfasst eine Reihenschaltung von zweipoligen Submodulen 26. Die Anzahl der in Figur 2 gezeigten Submodule 26 ist drei, sie kann jedoch je nach Anwendung beliebig erhöht werden.
Im Betrieb erzeugt der erste Konverterarm 15 eine erste
Konverterspannung UK1. Die Spannung UK1 setzt sich aus einem Wechselspannungsanteil uAC und einem Gleichspannungsanteil zusammen. Der Gleichspannungsanteil ist derart bemessen, dass folgende Beziehung gilt:
UK1 = UDC1 - UDC2 - uAC .
Mittels des zweiten Konverterarms 16 wird eine zweite
Konverterspannung UK2 erzeugt. Die zweite Konverterspannung UK2 ist ebenfalls eine Überlagerung von dem Wechselspannungs¬ anteil uAC (jedoch mit entgegengesetzter Polarität) und einem Gleichspannungsanteil. Für die zweite Konverterspannung UK2 gilt :
UK2 = UDC2 + uAC.
Somit summieren sich die beiden Konverterspannungen UK1 und UK2 stets zu:
UK1 + UK2 = UDC1.
Die an den oberspannungsseitigen Gleichspannungspolen abfallende Spannung UDC1 ist gleich der Summe der von den beiden Konverterarmen 15, 16, beziehungsweise deren Konverter- Submodulen 22 erzeugten Konverterspannungen.
Mittels der Submodule 26 des Konvertermoduls 25 wird eine Mo¬ dulspannung uMl erzeugt. Die Modulspannung uMl ist eine reine Wechselspannung: uMl = -uAC . Die Wechselspannung uMl weist damit die gleiche Frequenz und Amplitude wie der mittels der Konverterarme erzeugter Wechselspannungsanteil uAC, ist dem- gegenüber jedoch um eine Phase π verschoben (ist also mit einem Minus-Zeichen versehen) . Auf diese Weise ist erreicht, dass an den unterspannungsseitige Gleichspannungspolen abfal¬ lende Spannung UDC2 tatsächlich eine Gleichspannung ist.
Die mittels der Konverter-Submodule 22 und der Submodule 26 modellierter Wechselspannungsanteil uAC erzeugt einen Wech¬ selstrom iAC . Der Wechselstrom iAC ist ein Wechsel- Kreisstrom, der zwischen dem Konverterzweig 14 und dem Ener- gieaustauschzweig 23 fließt. Der Filterkondensator 24 ist auf die Frequenz des Wechsel-Kreisstromes iAC abgestimmt.
Der Wechsel-Kreisstrom iAC ist von einem durch die oberspan- nungsseitigen Gleichspannungspole 12, 13 fließenden oberspan- nungsseitigen Gleichstrom IDC1 überlagert, so dass für einen Strom iDCACl gilt:
iDCACl = IDC1 + iAC.
Entsprechend fließt in den unterseitigen Gleichspannungspolen 20, 21 ein unterspannungsseitiger Gleichstrom IDC2.
Der Wechsel-Kreisstrom iAC ermöglicht einen Energieaustausch zwischen den beiden Konverterarmen 15, 16 im Konverterzweig 14. Die Ströme IDC1, IDC2, iAC fließen jeweils in eine durch in der Figur 2 dargestellten Pfeile angedeutete Richtung.
Dies gilt entsprechend für alle nachfolgenden Figuren 3 bis 10. Dabei ist zu beachten, dass die Stromrichtungen durch eine Umdefinition der zu erzeugenden Spannungen selbstverständlich geändert werden können.
In Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Konverter- Submodul 22 des Gleichspannungswandlers 100 der Figur 2 dar¬ gestellt. Das Konverter-Submodul 22 der Figur 3 ist als eine Halbbrückenschaltung realisiert. Das Konverter-Submodul 22 ist zweipolig, das heißt, dass das Konverter-Submodul 22 über zwei Pole 27 und 28 verfügt. Das Konverter-Submodul 22 um- fasst eine erste Leistungshalbleiterschalteinheit 29 und eine zweite Leistungshalbleiterschalteinheit 30, wobei die beiden Leistungshalbleiterschalteinheiten 29, 30 in Reihe geschaltet sind. Die erste Leistungshalbleiterschalteinheit 29 umfasst einen ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter 31 sowie eine dazu antiparallel angeordnete Freilaufdiode 32. Die zweite Leistungshalbleiterschalteinheit 30 ist zur ersten Leistungshalbleiterschalteinheit 29 gleichartig aufgebaut. Die zweite Leistungshalbleiterschalteinheit 30 umfasst dem¬ nach einen ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter 33 und eine dazu antiparallele angeordnete Freilaufdiode 34. Die beiden Leistungshalbleiterschalteinheiten 31 und 33 sind IGBTs. In der Ausführungsform der Figur 3 sind die beiden Leistungshalbleiterschalteinheiten 31, 33 mit gleicher Durchlassrichtung angeordnet. Parallel zu der Reihenschaltung zu beiden Leistungshalbleiterschalteinheiten 31, 33 ist ein Leistungskondensator 35 angeordnet. Eine solche Halbbrückenschaltung ist auch aus der DE 101 03 031 B4 bekannt.
Figur 4 zweigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Konver- ter-Submoduls 22. In den Figuren 3 und 4 sind gleiche bezie- hungsweise gleichartige Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird daher in der Beschreibung der Figur 4 lediglich auf die Unterschiede zu der Ausführung der Figur 3 näher eingegangen. Das Konverter-Submodul 22 der Figur 4 ist als eine Vollbrü- ckenschaltung realisiert. Die Vollbrückenschaltung umfasst zwei Reihenschaltungen von Leistungshalbleiterschalteinhei- ten: die erste Reihenschaltung der Leistungshalbleiterschalt- einheiten 29, 30 und eine zweite Reihenschaltung von Leis- tungshalbleiterschalteinheiten 36 und 37. Die beiden Reihenschaltungen der Leistungshalbleiterschalteinheiten 29, 30 beziehungsweise 36, 37 sind zueinander parallel angeordnet. Die beiden Anschlüsse des Submoduls 22 der Figur 4 sind an Poten¬ zialpunkten zwischen den beiden Leistungshalbleiterschaltein- heiten einer jeweiligen Reihenschaltung angeordnet. Durch geeignete Ansteuerung des Konverter-Submodul 22 der Figur 4 lässt sich an den beiden Klemmen 27, 28 des Konverter- Submodul 22 eine Spannung erzeugen, die der Spannung am Kon- densator 35, der Spannung des Kondensator 35 jedoch mit umgekehrter Polarität, oder die Spannung null erzeugen.
Die Konverter-Submodule 22 der Figuren 3 und 4 können eben- falls in den hier nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers eingesetzt wer¬ den. Ferner kann das Submodul 26 aller in den Figuren 5 bis 10 beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers als Vollbrückenschaltung der Figur 4 realisiert sein.
In Figur 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfin¬ dungsgemäßen Gleichspannungswandlers 101 dargestellt. In den Figuren 2 und 5 sind gleiche beziehungsweise gleichartige Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass aus
Gründen der Übersichtlichkeit lediglich auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsformen der Figur 5 und der Figur 2 hier näher eingegangen wird. Entsprechendes gilt im Übrigen auch für die Ausführungsbeispiele der Figuren 6 bis 10.
Die Ausführungsform des Gleichspannungswandlers 101 gemäß der Figur 5 unterscheidet sich vom Gleichspannungswandler 100 der Figur 2 dadurch, dass im Energieaustauschzweig 23 zusätzlich zum Kondensator 24 eine Filterinduktivität 42 angeordnet ist. Die Filterinduktivität 42 und der Filterkondensator 24 bilden somit einen Resonanzkreis im Energieaustauschzweig 23. Dieser Resonanzkreis kann auf eine gewünschte Frequenz abgestimmt werden. Geeigneterweise ist der Resonanzkreis auf die Fre¬ quenz des Wechsel-Kreisstromes iAC abgestimmt. Die Funktions- weise der Ausführungsformen des Gleichspannungswandlers 100 und 101 in den Figuren 2 und 5 ist ansonsten im Wesentlichen gleich .
Figur 6 zeigt eine dritte Ausführungsform eines erfindungsge- mäßen Gleichspannungswandlers 102. Im Unterschied zu den Aus¬ führungsformen der Figuren 2 und der Figur 5 umfasst der Gleichspannungswandler 102 der Figur 6 im Energieaustauschzweig 23 eine weitere Reihenschaltung von Konverter- Submodulen 22. Die weitere Reihenschaltung der Konverter- Submodule 22 im Energieaustauschzweig 23 setzt sich zusammen aus einem dritten Konverterarm 43 und einem vierten
Konverterarm 44. Der dritte und der vierte Konverterarm 43 bzw. 44 sind zu dem ersten und zweiten Konverterarm 15, 16 gleichartig aufgebaut und in einem Potenzialpunkt 47 mitei¬ nander verbunden. Der Energieaustauschzweig 23 umfasst ferner eine dritte Glättungsdrossel 45 und eine vierte Glättungs- drossel 46. Eine einzelne Glättungsdrossel wäre hierbei aus- reichend, aus Symmetriegründen werden jedoch zwei bevorzugt.
Der Konverterzweig 14 und der Energieaustauschzweig 23 in der Ausführungsform der Figur 6 werden auch als (zwei) aktive Phasen des Gleichspannungswandlers bezeichnet, weil mittels der Konverterarme 15, 16, 43, 44 aktiv Spannungen UK1, UK2, UK3, UK4 erzeugt werden können.
Figur 7 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfin¬ dungsgemäßen Gleichspannungswandlers 103. Gemäß dem Ausfüh- rungsbeispiel des Gleichspannungswandlers 103 der Figur 7 um¬ fasst der Gleichspannungswandler 103 im Energieaustauschzweig einen dritten Konnverterarm 43 und einen vierten Konverterarm 44. Der dritte und der vierte Konverterarm 43 sind an einem Potenzialpunkt 47 miteinander verbunden. Zwischen dem Poten- zialpunkt 47 und dem ersten unterspannungsseitigen Gleichspannungspol 21 erstreckt sich ein weiteres Konvertermodul 48 mit einer Serienschaltung zweipoliger Submodule 26.
Mittels des Konvertermoduls 26 wird eine erste Modulspannung uMl = -uAC erzeugt. Mittels des weiteren Konvertermoduls 48 wird eine zweite Modulspannung uM2 = uAC erzeugt. Auf diese Weise fließt zwischen einem Potenzialpunkt 49, an dem die beiden Konvertermodule 26 und 48 miteinander verbunden sind, und dem ersten unterspannungsseitigen Gleichspannungspol 21 leidglich ein Gleichstrom IDC2.
Mittels des dritten Konverterarmes 43 wird eine Spannung UK3 erzeugt, für die gilt, dass UK3 = UDC1 - UDC2 + uAC . Mittels des vierten Konverterarmes 44 wird eine Spannung UK4 erzeugt, für die gilt, dass UK4 = UDC2 - uAC .
Für einen Überlagerten Strom iDCACl gilt hierbei: iDCACl = IDC1/2 + iAC.
Die in Figur 8 dargestellte Ausführungsform eines erfindungs¬ gemäßen Gleichspannungswandlers 104 unterscheidet sich vom Gleichspannungswandler 103 der Figur 7 durch einen zusätzlichen Energieaustauschzweig 50 zwischen den oberspannungssei- tigen Gleichspannungspolen 12, 13 mit einem fünften
Konverterarm 51 und einem sechsten Konverterarm 52, die in einem Potenzialpunkt 53 miteinander verbunden sind. Der fünfte und sechste Konverterarm 51 bzw. 52 sind zu den übrigen Konverterarmen gleichartig aufgebaut. Mittels des fünften Konverterarms 51 wird eine fünfte Konverterspannung UK5 und mittels des sechsten Konverterarms 52 eine sechste
Konverterspannung UK6 erzeugt. Somit verfügt der Gleichspannungswandler 104 über drei aktive Phasen. Der Konverterzweig 14 kann in diesem Zusammenhang auch als erster Konverterzweig 14 bezeichnet werden. Der Energieaustauschzweig 23 kann als zweiter Konverterzweig 23 und der weitere Energieaustauschzweig 50 als dritter Konverterzweig 50 bezeichnet werden. Für die Konverterspannungen gilt:
UK1 = UDC1 - UDC2 - uACa;
UK2 = UDC2 + uACa;
UK3 = UDC1 - UDC2 - uACb;
UK4 = UDC2 + uACb;
UK5 = UDC1 - UDC2 - uACc;
UK6 = UDC2 + uACc;
wobei uACa, uACb, uACc drei Wechselspannungsanteile der
Konverterspannungen sind.
Ferner unterscheidet sich der Gleichspannungswandler 104 von dem Gleichspannungswandler 103 durch ein drittes
Konvertermodul 53, das sich zwischen einem Potenzialpunkt 54 zwischen dem fünften und dem sechsten Konverterarm 51 bzw. 52 und dem ersten unterspannungsseitigen Gleichspannungspol 21 erstreckt. Das dritte Konvertermodul 53 ist zu den beiden üb¬ rigen Konvertermodulen 25 und 48 gleichartig aufgebaut. Die drei Konvertermodule 25, 48, 53 sind in einem Potenzialpunkt 49 miteinander verbunden. Für die an den Konvetermodulen 25, 48, 53 erzeugten Modulspannungen uMl, uM2 bzw. uM3 gilt:
uMl = -uACa;
uM2 = -uACb;
uM3 = -uACc. Durch die erzeugten Wechselspannungen bzw. Wechselspannungsanteile uACa, uACb, uACc ergeben sich ein erster Wechsel- Kreisstrom iACl, der zwischen dem ersten und dem zweiten Konverterzweig 14 bzw. 23 fließt und ein zweiter Wechsel- Kreisstrom iAC2, der zwischen dem zweiten und dem dritten Konverterzweig 23 bzw. 50 fließt. Der an den oberspannungs- seitigen Gleichspannungspolen 12, 13 fließende Gleichstrom IDC1 und der an den unterspannungsseitigen Gleichspannungspolen 20, 21 fließende Gleichstrom IDC2 überlagern sich mit den beiden Wechsel-Kreisströmen iACl, iAC2 zu überlagerten Strö- men
iDCACl = IDC1/3 + iACl;
iDCAC2 = IDC1/3 + 2 * IDC2/3 + iACl;
iDCAC3 = 2 * IDC1/3 + iAC2;
iDCAC4 = 2 * IDC1/3 + IDC2/3 + iAC2.
Figur 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfin¬ dungsgemäßen Gleichspannungswandlers 105. Der Gleichspan¬ nungswandler 105 unterscheidet sich vom Gleichspannungswand¬ ler 104 der Figur 7 durch Verbindungsmittel 55 zum Verbinden des Gleichspannungswandlers 105 mit einem (in Figur 9 nicht dargestellten) Wechselspannungsnetz. Die Verbindungsmittel 55 umfassen einen Transformator 56, der primärseitig mittels Anschlüsse 57 mit dem Wechselspannungsnetz und sekundärseitig über eine erste Phase 58 mit dem ersten Konvertermodul 25 und über eine zweite Phase 59 mit dem zweiten Konvertermodul 48 verbindbar bzw. verbunden ist. Die erste Phase 58 erstreckt sich dabei zwischen dem Transformator 56 und dem Potenzialpunkt 19 zwischen dem ersten und dem zweiten Konverterarm 15 bzw. 16. Die zweite Phase 59 erstreckt sich zwischen dem Transformator 56 und dem Potenzialpunkt 47 zwischen dem dritten und dem vierten Konverterarm 43 bzw. 44. In Figur 10 ist ein siebtes Ausführungsbeispiel eines erfin¬ dungsgemäßen Gleichspannungswandlers 106 dargestellt. Der Gleichspannungswandler 106 unterscheidet sich von dem Gleichspannungswandler 104 der Figur 8 durch Verbindungsmittel 60 zum Verbinden des Gleichspannungswandlers 106 mit einem (in Figur 10 nicht dargestellten) Wechselspannungsnetz. Die Verbindungsmittel 60 umfassen einen dreiphasigen Transformator 61, der primärseitig mittels Anschlüsse 62 mit dem Wechsels¬ pannungsnetz und sekundärseitig über eine erste Phase 63 mit dem ersten Konvertermodul 25, über eine zweite Phase 64 mit dem zweiten Konvertermodul 48 und über eine dritte Phase 65 mit dem dritten Konvertermodul 53 verbindbar bzw. verbunden ist. Die erste Phase 63 erstreckt sich dabei zwischen dem Transformator 61 und dem Potenzialpunkt 19 zwischen dem ersten und dem zweiten Konverterarm 15 bzw. 16. Die zweite Phase 64 erstreckt sich zwischen dem Transformator 61 und dem Potenzialpunkt 47 zwischen dem dritten und dem vierten
Konverterarm 43 bzw. 44. Die dritte Phase 65 erstreckt sich zwischen dem Transformator 61 und dem Potenzialpunkt 54 zwischen dem fünften und dem sechsten Konverterarm 51 bzw. 52.
Die in den Figuren 2 sowie 5 bis 10 dargestellten Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers sind monopolar. In allen Fällen ist jedoch durch eine entsprechende Erweiterung der Schaltung eine bipolare Variante des Gleichspannungswandlers möglich.

Claims

Gleichspannungswandler (100) mit
einem sich zwischen oberspannungsseitigen Gleichspannungspolen (12, 13) erstreckenden Konverterzweig (14) mit einem ersten und einem zweiten Konverterarm (15, 16), die an einem Potenzialpunkt (19) elektrisch ver¬ bunden sind, der mit einem ersten unterspannungssei¬ tigen Gleichspannungspol (21) verbunden ist, wobei der zweite Konverterarm (16) sich zwischen dem Potenzialpunkt (19) zwischen den Konverterarmen (15, 16) und einem zweiten unterspannungsseitigen Gleichspannungspol (20) erstreckt, und jeder der Konverterarme (15, 16) ein- und abschaltbare Leistungshalbleiterschalter aufweist, sowie
einem Energieaustauschzweig (23) zum Energieaustausch zwischen den beiden Konverterarmen (15, 16), der sich zwischen den oberspannungsseitigen Gleichspannungspolen (12, 13) parallel zum Konverterzweig (14) er¬ streckt,
g e k e n n z e i c h n e t durch
ein Konvertermodul (25) mit einer Serienschaltung zweipoliger Submodule (26), das zwischen dem Potenzialpunkt (19) zwischen den beiden Konverterarmen (15, 16) und dem ersten unterspannungsseitigen Gleichspannungspol (21) angeordnet ist, wobei die Submodule (26) einen Energiespeicher (35) sowie wenigstens ei¬ nen Leistungshalbleiterschalter (31, 33, 38 ,39) aufweisen und derart ansteuerbar sind, dass an den Polen (28, 27) der Submodule eine positive oder negative Submodulspannung oder eine Spannung mit dem Wert null abfällt .
Gleichspannungswandler (100) nach Anspruch 1, wobei die Konverterarme (15, 16) jeweils eine Reihenschaltung zweipoliger Konverter-Submodule (22) aufweisen, wobei jedes Konverter-Submodul (22) ein- und abschaltbare Leistungshalbleiterschalter umfasst .
3. Gleichspannungswandler (100) nach Anspruch 2, wobei die Konverter-Submodule (22) als Halbbrückenschaltungen aus- gebildet sind.
4. Gleichspannungswandler (100) nach Anspruch 2, wobei die Konverter-Submodule (22) als Vollbrückenschaltungen aus- gebildet sind.
Gleichspannungswandler (100) nach Anspruch 2, wobei wenigstens ein Konverter-Submodul (22) als Halbbrücken¬ schaltung und wenigstens ein weiteres Konverter-Submodul (22) als Vollbrückenschaltung realisiert ist.
Gleichspannungswandler (100) nach einem der vorangehen den Ansprüche, wobei die Submodule (26) des
Konvertermoduls (25) als Vollbrückenschaltungen reali¬ siert sind.
. Gleichspannungswandler (100) nach einem der vorangehen den Ansprüche, wobei der Energieaustauschzweig (23) ei nen Filterkondensator (24) umfasst.
Gleichspannungswandler (101) nach einem der vorangehen den Ansprüche, wobei der Energieaustauschzweig (23) ei nen Filterkondensator (24) und eine Filterinduktivität (42) umfasst.
. Gleichspannungswandler (102) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der Energieaustauschzweig (23) eine weitere Reihenschaltung von Konverter-Submodulen (22) mit ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern umfasst.
10. Gleichspannungswandler (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Submodule (26) des
Konvertermoduls (25) zum Abschalten eines unterspan- nungsseitigen Fehlerstromes eingerichtet sind.
11. Gleichspannungswandler (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Submodule (26) des
Konvertermoduls (25) zum Abschalten eines oberspannungs- seitigen Fehlerstromes eingerichtet sind.
12. Gleichspannungswandler (103) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Energieaustauschzweig (23) einen dritten Konverterarm (43) und einen vierten
Konverterarm (44) umfasst, wobei die Konverterarme (43, 44) des Energieaustauschzweiges (23) jeweils eine Rei¬ henschaltung zweipoliger Konverter-Submodule (22) aufweisen, wobei jedes der Konverter-Submodule (22) des Energieaustauschzweiges (23) ein- und abschaltbare Leis¬ tungshalbleiterschalter umfasst, und ferner ein weiteres Konvertermodul (48) mit einer Serienschaltung zweipoli¬ ger Submodule (26) vorgesehen ist, das sich zwischen einem Potenzialpunkt (47) zwischen den Konverterarmen (43, 44) des Energieaustauschzweiges (23) und dem ersten un- terspannungsseitigen Gleichspannungspol (31) erstreckt.
13. Gleichspannungswandler (103) nach Anspruch 12, wobei die Submodule (26) des Konvertermoduls (25) und die Submodule (26) des weiteren Konvertermoduls (48) gleich¬ artig aufgebaut sind.
14. Gleichspannungswandler (105, 106) nach Anspruch 13, wobei der Gleichspannungswandler (105, 106) Verbindungs¬ mittel (55, 60) zum Verbinden des Gleichspannungswand¬ lers (105, 106) mit einem Wechselspannungsnetz umfasst.
15. Gleichspannungswandler (105, 106) nach Anspruch 14, wobei die Verbindungsmittel (55, 61) einen Transformator (56, 61) umfassen, der primärseitig mit dem Wechselspannungsnetz und sekundärseitig mit der Serienschaltung des
Konvertermoduls (25) und/oder der Serienschaltung des weite¬ ren Konvertermoduls (48) verbindbar ist.
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