WO2005124985A1 - Matrix converter for coupling three-phase voltage networks - Google Patents

Matrix converter for coupling three-phase voltage networks Download PDF

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Abstract

A device (1) with connector terminals (2,5) is disclosed for the simple and economical coupling of different three-phase voltage networks (4,7), said terminals each being provided for coupling one of the three-phase voltage networks (4,7), whereby, at least one matrix converter (9) and at least one inductance (8,10) in series with each matrix converter (9) are wired between the connector terminals (2,5).

Description

Beschreibung description
Matrixumrichter zur Kopplung von Drehspannungsnetzen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kopplung von Drehspannungsnetzen .Matrix converter for coupling three-phase voltage networks The invention relates to a device for coupling three-phase voltage networks.
Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise in dem im Internet unter der Adresse http: //www. worldbank.org/html/fpd/em/transmission/technology_ ABB. pdf veröffentlichten Beitrag „High Voltage Direct Current (HVDC) Transmission Systems Technology Review Paper" von Ru- dervall, R. et al . beschrieben. Die dort offenbarten Vorrichtungen sind unter dem Begriff „Hochspannungsgleichstromüber- tragungssysteme" bekannt geworden. Hochspannungsgleichstrom- Übertragungssysteme weisen in der Regel zwei Umrichter mit Leistungshalbleiterventilen auf. Jeder Umrichter ist einem Drehstromspannungsnetz zugeordnet und mit dem anderen Umrichter über einen Gleichstromzwischenkreis verbunden. Bei der klassischen Hochspannungsgleichstromübertragung werden Thyristorventile in den Umrichtern eingesetzt. Thyristorventile sind robust und im Vergleich zu anderen Leistungshalbleiterventilen mit höheren Spannungen belastbar. Bei Thyristorventilen handelt es sich jedoch um so genannte fremdgeführte Halbleiterventile, die nicht kontrolliert in ihre Sperrstellung überführt werden können. Aufgrund ihrer größeren Regelungsmöglichkeiten werden daher auch selbstgeführte Leistungshalbleiterventile zur Kopplung von Drehspannungsnetzen eingesetzt. Durch diese Art der Kopplung kann der Leistungs- flμss von einem Drehspannungsnetz in das andere Drehspannungsnetz kontrolliert werden. Dies ist beispielsweise für den Energiehandel von Bedeutung. Ferner ist es mit der gattungsgemäßen Vorrichtung möglich Drehspannungsnetze mit un- terschiedlichen Frequenzen, Spannungsamplituden, Phasenlagen, Sternpunktbehandlungen oder dergleichen zu Koppeln.Such a device is, for example, in the Internet at http: // www. worldbank.org/html/fpd/em/transmission/technology_ ABB. pdf published article "High Voltage Direct Current (HVDC) Transmission Systems Technology Review Paper" by Ruddervall, R. et al. The devices disclosed there have become known under the term "high-voltage direct current transmission systems". High-voltage direct current transmission systems generally have two inverters with power semiconductor valves. Each converter is assigned to a three-phase voltage network and connected to the other converter via a DC link. With classic high-voltage direct current transmission, thyristor valves are used in the inverters. Thyristor valves are robust and can withstand higher voltages compared to other power semiconductor valves. Thyristor valves, however, are so-called externally guided semiconductor valves that cannot be moved into their blocking position in a controlled manner. Because of their greater control options, self-commutated power semiconductor valves are therefore used to couple three-phase networks. This type of coupling enables the power flow to be controlled from one three-phase network to the other three-phase network. This is important for energy trading, for example. It is also possible with the generic device three-phase networks with different frequencies, voltage amplitudes, phase positions, neutral point treatments or the like to couple.
Nachteilig bei den bekannten Vorrichtungen der Hochspannungs- gleichstromübertragung ist jedoch, dass aufgrund der beiden Umrichter ein erhöhter Aufwand im Zusammenhang mit der Leistungselektronik notwendig ist. Auch die im Gleichstromzwischenkreis vorzusehenden Energiespeicher wie Drosselspulen und Kondensatoren machen diese Technik aufwändig und sorgen für hohe Kosten.A disadvantage of the known devices for high-voltage direct current transmission, however, is that the two converters require more effort in connection with the power electronics. The energy storage devices to be provided in the DC link, such as choke coils and capacitors, make this technology complex and ensure high costs.
Aus der DE 100 05 449 AI ist ein Matrixumrichter offenbart, der zum Antrieb eines asynchronen Antriebes vorgesehen ist. Der dort offenbarte Matrixstromrichter weist neun bidirektio- nale Schalter auf, die selbsttätig ein- und ausschaltbar sind. Dabei bestehen die bidirektionalen Schalter aus Schaltungen mit selbstgeführten Leistungshalbleiterventilen, die mit Taktfrequenzen im Kiloherzbereich ein- und ausgeschaltet werden können .DE 100 05 449 AI discloses a matrix converter which is provided for driving an asynchronous drive. The matrix converter disclosed there has nine bidirectional switches which can be switched on and off automatically. The bidirectional switches consist of circuits with self-controlled power semiconductor valves that can be switched on and off at clock frequencies in the kilo-heart range.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Kopplung von Drehspannungsnetzen bereitzustellen, die aufwandsarm und kostengünstig ist.The object of the invention is to provide a device for coupling three-phase voltage networks which is inexpensive and inexpensive.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zurThe invention solves this problem by a device for
Kopplung von Drehspannungsnetzen mit Anschlussterminals, die zur Ankopplung jeweils eines der Drehspannungsnetze eingerichtet sind, wobei zwischen den Anschlussterminals wenigstens ein Matrixumrichter und in Reihe zu jedem Matrixumrich- ter wenigstens eine Induktivität geschaltet sind.Coupling of three-phase voltage networks with connection terminals, which are set up to couple each of the three-phase voltage networks, at least one matrix converter being connected between the connection terminals and at least one inductor connected in series with each matrix converter.
Erfindungsgemäß wird der Aufwand für die Leistungselektronik im Vergleich zur Hochspannungsgleichstromübertragung redu- ziert. Ferner entfällt die Notwendigkeit, zwischen den Umrichtern einen Gleichstromzwischenkreis vorzusehen, so dass kostenintensive Energiespeicher wie Drosseln oder Kondensatoren überflüssig geworden sind. Der bislang nur aus der An- triebstechnik bekannte Matrixschalter ist aufgrund der Verwendung selbstgeführter Leistungshalbleiterventile steuerbar, so dass eine Regelung des Energieaustausches zwischen den Drehspannungsnetzen möglich ist. Durch die bidirektionalen Schalter des Matrixschalters kann jede Spannung eines Dreh- spannungsnetzes mit der Phase des anderen Drehspannungsnetzes verbunden werden. Die dadurch entstehenden Differenzspannungen fallen über jede Induktivität ab. Der jeweilige Strangstrom ergibt sich aus dem Integral dieser Spannungsdifferenz. Erfindungsgemäß können Drehspannungsnetze, die beispielsweise unterschiedliche Frequenzen, Spannungsamplituden, Phasenlagen, Sternpunktbehandlung oder dergleichen aufweisen, kostengünstig miteinander gekoppelt werden. Selbstverständlich ist es mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch möglich einen definierten Leistungsfluss zwischen den Drehspannungs- netzen einzustellen.According to the invention, the effort for the power electronics is reduced in comparison to the high-voltage direct current transmission. ed. Furthermore, there is no need to provide a DC link between the converters, so that cost-intensive energy stores such as chokes or capacitors have become superfluous. The matrix switch previously known only from drive technology can be controlled due to the use of self-guided power semiconductor valves, so that regulation of the energy exchange between the three-phase voltage networks is possible. The bidirectional switches of the matrix switch make it possible to connect any voltage in a three-phase network to the phase in the other three-phase network. The resulting differential voltages drop across each inductance. The respective phase current results from the integral of this voltage difference. According to the invention, three-phase voltage networks, which for example have different frequencies, voltage amplitudes, phase positions, neutral point treatment or the like, can be coupled to one another at low cost. Of course, with the aid of the device according to the invention it is also possible to set a defined power flow between the three-phase voltage networks.
Zweckmäßige Leistungshalbleiterventile des Matrixschalters sind beispielsweise bipolare Halbleiterventile wie der IGBT's.Appropriate power semiconductor valves of the matrix switch are, for example, bipolar semiconductor valves such as IGBTs.
Vorteilhafterweise ist wenigstens eine Blindleistungskompen- sationsanlage in Parallelschaltung zu einem Anschlussterminal vorgesehen. Zwar ist der Energieaustausch zwischen den Drehspannungsnetzen durch den Matrixschalter einstellbar. Die Blindleistung kann jedoch nur in einem Netz eingestellt werden. Aus diesem Grunde ist wenigstens eine Blindleistungskompensation vorzusehen, um so die Blindleistungen beider Drehspannungsnetze regeln zu können. Vorteilhafterweise ist eine Filterbank in Parallelschaltung zu einem Anschlussterminal vorgesehen. Die Filterbank ist vorteilhafterweise auf Oberschwingungen abgestimmt, die durch den Matrixumrichter bei der Energieübertragung zwischen den Drehspannungsnetzen erzeugt werden. Liegt die Resonanzfrequenz der Filter der Filterbank im Bereich einer solchen 0- berschwingung, wird diese über das Filter zum jeweils gewählten Bezugspunkt hin abgesaugt und so wirkungsvoll aus dem System entfernt.At least one reactive power compensation system is advantageously provided in parallel connection to a connection terminal. The energy exchange between the three-phase networks can be set using the matrix switch. However, the reactive power can only be set in a network. For this reason, at least one reactive power compensation must be provided so that the reactive powers of both three-phase networks can be controlled. A filter bank is advantageously provided in parallel with a connection terminal. The filter bank is advantageously matched to harmonics which are generated by the matrix converter during the energy transmission between the three-phase voltage networks. If the resonance frequency of the filter of the filter bank lies in the range of such an overshoot, it is extracted via the filter to the respectively chosen reference point and thus effectively removed from the system.
Zweckmäßigerweise ist wenigstens eine der Induktivitäten ein Transformator. Durch den Transformator -ist neben den oben bereits beschriebenen Vorteilen eine wunschgemäße Einstellung der Spannungsamplitude ermöglicht. Abweichend hiervon ist es möglich, dass wenigstens eine der Induktivitäten eine Drosselspule ist. Drosselspulen weisen gegenüber Transformatoren den Vorteil auf, dass sie kostengünstiger sind. Allerdings ist mit ihnen keine Änderung der Spannungsamplitude ermög- licht. Selbstverständlich ist es auch vorstellbar, im Rahmen der Erfindung Drosselspulen und Transformatoren gemeinsam einzusetzen.At least one of the inductors is expediently a transformer. In addition to the advantages already described above, the transformer enables the voltage amplitude to be set as desired. Deviating from this, it is possible that at least one of the inductors is a choke coil. Choke coils have the advantage over transformers that they are cheaper. However, no change in the voltage amplitude is possible with them. Of course, it is also conceivable to use choke coils and transformers together in the context of the invention.
Vorteilhafterweise sind zwei Matrixumrichter parallel zuein- ander zwischen die Anschlussterminals geschaltet. Durch die Verwendung von zwei Matrixumrichtern kann die Durchlassleistung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhöht werden.Two matrix converters are advantageously connected in parallel between the connection terminals. The transmission power of the device according to the invention can be increased by using two matrix converters.
Gemäß einer diesbezüglichen Weiterentwicklung sind die Matri- xumrichter gegenparallel zueinander geschaltet. Durch die gegenparallele Anordnung können Netzrückwirkungen und der Blindleistungsaustausch in beiden Netzen optimiert werden. Vorteilhafterweise weist der Matrixumrichter bidirektionale Schaltkreise auf, in denen selbstgeführte Leistungshalbleiterventile angeordnet sind. Solche selbstgeführten Leistungs- halbleiterventile sind beispielsweise IGBT's.According to a further development in this regard, the matrix inverters are connected in parallel with one another. The counter-parallel arrangement allows network perturbations and reactive power exchange to be optimized in both networks. The matrix converter advantageously has bidirectional circuits in which self-commutated power semiconductor valves are arranged. Such self-guided power semiconductor valves are, for example, IGBTs.
Abweichend hiervon weist der Matrixumrichter wenigstens einen bidirektionalen Leistungshalbleiterschalter auf. Solche bidirektionalen Leistungshalbleiterschalter sind beispielsweise aus der DE 198 48 596 AI bekannt geworden, so dass auf deren Funktionsweise hier nicht näher eingegangen braucht. Durch die Verwendung von bidirektionalen Leistungshalbleiterschaltern werden die Regelungsmöglichkeiten noch weiter erhöht, wobei die Kosten der erfindungsgemäßen Vorrichtung weiter abgesenkt werden.In a departure from this, the matrix converter has at least one bidirectional power semiconductor switch. Such bidirectional power semiconductor switches have become known, for example, from DE 198 48 596 AI, so that their functioning need not be discussed in more detail here. The use of bidirectional power semiconductor switches further increases the control options, the costs of the device according to the invention being further reduced.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Aus- führungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleichwirkende Bauteile mit gleichen Be- zugszeichen versehen sind und wobeiFurther expedient refinements and advantages of the invention are the subject of the following description of exemplary embodiments of the invention with reference to the figures of the drawing, components with the same function being provided with the same reference symbols and wherein
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung verdeutlicht und Figur 2 Beispiele für den Aufbau der bidirektionalen Schalter des Matrixstromrichters gemäß Figur 1 zeigen.Figure 1 illustrates an embodiment of the device according to the invention and Figure 2 show examples of the structure of the bidirectional switch of the matrix converter according to Figure 1.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, die ein erstes Anschlussterminal 2 mit einem dreiphasigen Sammelschienensystem 3 aufweist, das mit einem ersten Drehspannungsnetz 4 verbunden ist. Weiterhin ist ein zweites Anschlussterminal 5 mit einem zweiten Sammelschienen- System 6 vorgesehen, an das ein zweites Drehspannungsnetz 7 angeschlossen ist. Das erste Anschlussterminal 2 ist mit dem zweiten Anschlussterminal 5 über einen ersten Transformator 8, einen Matrixschalter 9 sowie einen zweiten Transformator 10 verbunden. Durch die Transformatoren 8,10 ist zum einen für die zum Stromaufbau über die erfindungsgemäße Vorrichtung notwendige Induktivität gesorgt. Darüber hinaus ist auch die Spannung einstellbar, mit dem der Matrixschalter 9 beaufschlagt wird.Figure 1 shows an embodiment of the device 1 according to the invention, which has a first connection terminal 2 with a three-phase busbar system 3, which is connected to a first three-phase network 4. Furthermore, a second connection terminal 5 with a second busbar System 6 is provided, to which a second three-phase network 7 is connected. The first connection terminal 2 is connected to the second connection terminal 5 via a first transformer 8, a matrix switch 9 and a second transformer 10. The transformers 8, 10 provide, on the one hand, for the inductance required to build up current via the device according to the invention. In addition, the voltage that is applied to the matrix switch 9 can also be set.
Zur Kompensation von Blindleistung sowie zum Herausfiltern von Oberschwingungsanteilen, die von dem Matrixschalter 9 erzeugt werden, sind Kompensations- und Filteranlagen 11 vorgesehen, die jeweils mit einem Sammelschienensystem 3,6 des zu- geordneten Anschlussterminals 2,5 verbunden sind.In order to compensate for reactive power and to filter out harmonic components that are generated by the matrix switch 9, compensation and filter systems 11 are provided, each of which is connected to a busbar system 3, 6 of the assigned connection terminal 2, 5.
Der Matrixschalter 9 besteht aus drei mal drei, also insgesamt neun, bidirektionalen Schaltern 12, die in Figur 1 nur schematisch angedeutet sind.The matrix switch 9 consists of three times three, that is a total of nine, bidirectional switches 12, which are only indicated schematically in FIG.
Die Figur 2a zeigt eine AusführungsVariante für den Aufbau der bidirektionalen Schalter 12.FIG. 2a shows an embodiment variant for the construction of the bidirectional switches 12.
Gemäß Figur 2a sind zwei IGBT's 13a, 13b mit entgegengesetz- ter Durchlassrichtung in Reihe zueinander geschaltet. Jeder der IGBT's 13a, 13b wird von einer der Durchlassrichtung des jeweiligen IGBT's 13a, 13b entgegen gerichteten Freilaufdiode 14a, 14b überbrückt, die parallel zu den jeweiligen IGBT's 13a, 13b geschaltet ist.According to FIG. 2a, two IGBTs 13a, 13b are connected in series with one another with the opposite forward direction. Each of the IGBTs 13a, 13b is bridged by a free-wheeling diode 14a, 14b, which is opposite to the forward direction of the respective IGBTs 13a, 13b and is connected in parallel to the respective IGBTs 13a, 13b.
Figur 2b zeigt eine Brückenschaltung von Dioden 14 sowie eines zentralen IGBT's 13. Der in Figur 2b gezeigte bidirektionale Schalter 12 weist im Gegensatz zu dem Ausführungsbei- spiel gemäß Figur 2a lediglich einen IGBT 13 auf und ist somit kostengünstiger. Allerdings fließt der Strom gegenüber dem in Figur 2a gezeigten Ausführungsbeispiel immer durch eine zusätzliche Diode 14, wodurch erhöhte Durchlassverluste entstehen. FIG. 2b shows a bridge circuit of diodes 14 and a central IGBT 13. The bidirectional switch 12 shown in FIG. 2b has, in contrast to the exemplary embodiment, 2a only has an IGBT 13 and is therefore less expensive. However, compared to the exemplary embodiment shown in FIG. 2a, the current always flows through an additional diode 14, as a result of which increased forward losses occur.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung (1) zur Kopplung von Drehspannungsnetzen (4,7) mit Anschlussterminals (2,5), die zur Ankopplung jeweils ei- nes der Drehspannungsnetze (4,7) eingerichtet sind, wobei zwischen den Anschlussterminals (2,5) wenigstens ein Matrixumrichter (9) und in Reihe zu jedem Matrixumrichter (9) wenigstens eine Induktivität (8,10) geschaltet sind. 1. Device (1) for coupling three-phase voltage networks (4,7) with connection terminals (2,5), each of which is set up for coupling one of the three-phase voltage networks (4,7), at least between the connection terminals (2,5) a matrix converter (9) and at least one inductance (8, 10) are connected in series with each matrix converter (9).
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h wenigstens eine Blindleistungskompensationsanlage (11) in Parallelschaltung zu einem Anschlussterminal (2,5). 2. Device (1) according to claim 1, at least one reactive power compensation system (11) connected in parallel to a connection terminal (2,5).
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h wenigstens eine Filterbank (11) in Parallelschaltung zu einem Anschlussterminal (2,5).3. The device (1) according to claim 1 or 2, at least one filter bank (11) connected in parallel to a connection terminal (2,5).
4. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass wenigstens eine der Induktivitäten ein Transformator (8,10) ist .4. Device (1) according to one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that at least one of the inductors is a transformer (8,10).
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass wenigstens eine der Induktivitäten eine Drosselspule ist.5. Device according to one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that at least one of the inductors is a choke coil.
6. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zwei Matrixumrichter (9) parallel zueinander zwischen die Anschlussterminals (2,5) geschaltet sind. 6. Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that two matrix converters (9) are connected in parallel to one another between the connection terminals (2,5).
7. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zwei Matrixumrichter (9) gegenparallel zueinander zwischen die Anschlussterminals (2,5) geschaltet sind.7. Device (1) according to one of claims 1 to 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that two matrix converters (9) are connected in parallel to each other between the connection terminals (2,5).
8. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Matrixumrichter (9) bidirektionale Schaltkreise aufweist, in denen selbstgeführte Leistungshalbleiter (13, 13a, 13b) an- geordnet sind.8. The device (1) according to one of the preceding claims, that the matrix converter (9) has bidirectional circuits in which self-commutated power semiconductors (13, 13a, 13b) are arranged.
9. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Matrixumrichter (9) wenigstens einen bidirektionalen Leistungshalbleiter aufweist. 9. The device (1) according to one of the preceding claims, that the matrix converter (9) has at least one bidirectional power semiconductor.
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