WO2013120675A2 - Distribution system for electrical energy - Google Patents

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WO2013120675A2
WO2013120675A2 PCT/EP2013/051268 EP2013051268W WO2013120675A2 WO 2013120675 A2 WO2013120675 A2 WO 2013120675A2 EP 2013051268 W EP2013051268 W EP 2013051268W WO 2013120675 A2 WO2013120675 A2 WO 2013120675A2
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electrical energy
distribution network
capacitor
network according
submodules
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Jürgen MOSER
Hans-Joachim Knaak
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
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    • H—ELECTRICITY
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    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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    • H02J2310/00—The network for supplying or distributing electric power characterised by its spatial reach or by the load
    • H02J2310/10—The network having a local or delimited stationary reach
    • H02J2310/12—The local stationary network supplying a household or a building

Definitions

  • Distribution network for electrical energy Classical energy distribution systems are predominantly based on alternating current distribution networks. Such networks have the disadvantage of relatively high line losses, resulting from the effective resistance of the cables or cables and inductive and capacitive resistances.
  • the invention has for its object to propose a distribution network for electrical energy, which allows a cost-effective and a wide distribution of electrical energy.
  • the invention in a Ver ⁇ distribution network connected to electrical energy with a Stromübertra ⁇ transmission link to the power transmission path via a modular multi-level converter arrangement at least one electrical energy consumer and / or electric power generators in such a way that at the condenser of at least one submodule of the modular multi-level converter arrangement is connected to the at least one electrical load or electrical energy generator via in each case one inverter with a downstream transformer.
  • a single consumer or power generator via a single submodule or to zelne or all capacitors with electrical energy consumers or energy generators Beschallten.
  • capacitors of individual submodules can deliberately remain unconnected in order to achieve a required DC voltage.
  • 2008/002226 AI a distribution network for electrical energy, in which electrical loads are connected via a respective pulse inverter of a series circuit of pulse inverters to a direct current transmission path; An energy transport can therefore only take place in one direction, namely to the consumers.
  • Directions allows, which means it can be used electric Anla ⁇ gen both in the form of electric energy consumers as well as electrical power generators.
  • Another advantage is that submodules that have been introduced and mass-produced with modular multi-level inverters can be used.
  • an electrical energy store is additionally connected to the capacitor of the at least one submodule via a DC chopper, so that in the distribution network according to the invention, if appropriate, a plurality of energy stores can be set up in a relatively simple manner. can be loaded; It is also possible to connect all submodules with energy storage devices. In itself, it is known from international patent application WO 2011/060823 AI to use a submodule for charging and discharging an energy storage device.
  • the distribution network according to the invention in spatially widely distributed electrical consumers.
  • consumers can be se beispielswei- involve ships in a harbor, which are each supplied over land ⁇ connections with electrical power.
  • these land connections are spatially distributed over a relatively large area, and a submodule of the modular multi-level converter arrangement is then placed adjacent to these land connections.
  • a use in example formed by high-rise consumers also offers with advantage.
  • the submodules can be embodied advantageously in the spatially distributed modular multi-level converter arrangement as so-called full-bridge submodules.
  • full-bridge submodules are relatively expensive because they require relatively many controlled rectifiers and consume relatively much electrical power, but can be achieved with them a better dynamic;
  • they allow, at least in part, a connection of power generators even in cases where the distribution network according to the invention is fed via an uncontrolled diode converter (see below).
  • the sub-modules of the modular multilevel converter arrangement of half-bridge submodules exist, as shown for example in Figure 4 of the above essay.
  • the power consumption and circuit scale ⁇ such submodules are Güns ⁇ tig.
  • the submodules on an operable by an error detection device short-circuiter.
  • This short circuiter does not switch operationally, but only after an error and then only ON and not OFF; the Lö ⁇ rule of an arc when switching off is not necessary, so that the short-circuiting device is relatively inexpensive executable.
  • a voltage measuring device is connected to the capacitor of each submodule, which is followed by a control device for the submodule, the high frequency each at low voltage across the capacitor charging of the capacitor and each at high voltage on the capacitor ⁇ a bypass line of the direct current causes the capacitor.
  • the Stromübertragungstre ⁇ bridge is a DC transmission link and to the
  • the Stromübertra ⁇ tion link is an AC transmission link, and the phase conductors of the AC transmission link via phase modules of the modular multi-level inverter arrangement, the electrical energy consumers and / or the electrical energy generator connected in such a way
  • An electrical energy consumer or an electrical energy generator is connected to the capacitor of each submodule of the phase modules of the modular multi-level converter arrangement via in each case one inverter with a downstream transformer.
  • FIG 1 shows an embodiment of the invention
  • Figure 2 shows another embodiment with connection to an AC voltage network via a
  • Figure 3 illustrates an embodiment with connecting electrical ⁇ rule energy consumers and energy producers through a single modular multi-level inverter device to an AC power supply system shown.
  • the DC transmission line 6 leads to a modular multi-level converter arrangement 9, which consists of individual submodules 10, 11 and 12 as well as 13, 14 and 15.
  • This Submodu ⁇ le 10 to 15 are each formed consistently in known manner as a half-bridge submodules by each ⁇ wells comprise an electronic power switch 16 in parallel with a diode 17 and a further electronic power switch 18 in parallel with a further diode 19 , On the output side, each of the submodules 10 to 15 has a capacitor 20.
  • An inverter 27 is connected to the capacitor 20 of each of the submodules 10 to 15, forming an extended submodule 21, 22, 23, 24, 25 and 26, respectively.
  • These inverters 27 can be implemented in the simplest way as a 2-level inverter; they are attached Schlos ⁇ sen at their outputs respectively to a three-phase alternating voltage network 28th With the respective alternating voltage network 28 connected transformers 29 are used for voltage adjustment and galvanic separation to see, and are each connected via an AC switch ⁇ 30 with, for example, each having a Landungsan- circuit 31 of a harbor facility not shown.
  • the extended sub-modules 21 to 26 can ⁇ example, be also connected to terminals of houses in a housing development.
  • each submodule 10 to 15 is assigned a short-circuiter 32, which is not shown in FIG Way is actuated when an error detection device signals an error in the submodules or the respective downstream consumer.
  • the individual submodules 10 to 15 are circuitally arranged, as is the case with the known modular multi-level converter. However, they are spatially separated in the present case arranged so that they each of the
  • the submodules 10 to 15 are arranged structurally and spatially very differently, as is the case with the known modular multi-level converter, in which the individual submodules are in a close spatial relationship with one another, for example housed in a common housing.
  • FIG. 2 The embodiment of Figure 2 is in terms of mo ⁇ dularen multilevel converter arrangement identical to the darg Robinsonen in Figure 1 embodiment, so that it can be dispensed with the description of this portion of the illustrated distribution network ⁇ here.
  • a three-phase alternating voltage network is in the embodiment according to figure 2 here 40 via a transformer assembly 41 having a modular multi- ti-level inverter 42, which in known manner by inductances 43, 44 and 45 With regard to its positive-side converter part as well as further inductances 46, 47 and 48, it is connected to the transformer arrangement 41 with regard to its negative converter part.
  • a further description of the modular multi-level converter 42 is unnecessary because it corresponds to a known inverter design with half-bridge submodules.
  • submodules 50 and 51 in addition to further submodules, not shown, form a phase branch 52 of a modular multi-level converter device, as is known per se from the abovementioned state of the art Technique is known.
  • Each submodule 50 or 51 is so out ⁇ leads, as it has already been set out in the description of FIG. 1 above.
  • Connected to the capacitor 53 of the submodule 50 is an inverter 54 to which a transformer 55 is arranged downstream, as has been described in detail above in connection with FIG.
  • a non-illustrated energy consumer or - producer can be connected via a switch 56.
  • a DC voltage controller 57 Connected to the capacitor 53 is also a DC voltage controller 57, to which an energy supply 58 is arranged downstream.
  • This can be formed for example by ei ⁇ nem accumulator.
  • the circuit comprising the submodule 50, the inverter 54, the transformer 55, the DC voltage controller 57 and the energy store 58 forms a circuit unit 59.
  • supplemental circuit units 68 and 69 are formed with submodules 66 and 67 and further submodules, not shown, which together represent a further circuit unit branch 70.
  • the illustrated distribution network includes further pairs of circuit unit branches 72 and 73 which are circuit units 74 and 75 and 76 and 77, respectively, corresponding to circuit units 59 and 60 and 68 and 69, respectively; these circuit unit branches 72 and 73 are connected to another phase conductor 78 of the AC transmission path 64 via further throttles 79 and 80.
  • the third phase conductor 81 is the AC transmission path 64 connected thereto by means of complementary reactors 82 and 83 the circuit unit branches 61 and 72 and 70 and 73 corresponding circuit unit branches 84 and 85 are connected.
  • FIG. 3 also shows that the lower circuit unit branches 70, 73 and 85 in the figure are at a uniform negative potential.

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Abstract

The invention relates to a distribution system for electrical energy with a current transmission path (6) and electrical installations arranged spaced physically apart from one another. In order to configure such a system in such a way that said system enables long-range distribution inexpensively, at least one electrical energy consumer and/or electrical energy producer is connected to the current transmission path (6) via a modular multi-level converter arrangement (9) in such a way that the at least one electrical consumer or electrical energy producer is connected to the capacitor (20) of at least one submodule (10, 11, 12, 13, 14, 15) of the modular multi-level converter arrangement (9) via in each case one inverter (27) with a downstream transformer (29).

Description

Beschreibung description
Verteilungsnetz für elektrische Energie Klassische Energieverteilungen beruhen überwiegend auf Wechselstrom-Verteilungsnetzen. Derartige Netze haben den Nachteil von relativ hohen Leitungsverlusten, die sich aus den Wirkwiderständen der Leitungen oder Kabel und induktiven und kapazitiven Widerständen ergeben. Distribution network for electrical energy Classical energy distribution systems are predominantly based on alternating current distribution networks. Such networks have the disadvantage of relatively high line losses, resulting from the effective resistance of the cables or cables and inductive and capacitive resistances.
Deshalb liegt an sich der Gedanke nahe, Verteilungsnetze für elektrische Energie als Gleichstrom-Verteilungsnetze aufzu¬ bauen. Solche Netze scheitern jedoch an den Leistungsschal¬ tern, weil diese - wenn sie überhaupt gefertigt werden können - sehr groß bauen. Therefore, the idea is close to him, aufzu distribution networks for electric power as a DC distribution networks build ¬. However, such networks fail due to the power scarf ¬ tern, because these - if they can be made at all - build very large.
In den letzten Jahren sind insbesondere in Form von Windparks Verteilungsnetze für elektrische Energie mit einer Gleich¬ stromübertragungsstrecke und räumlich beabstandet voneinander angeordneten elektrischen Anlagen in Gestalt von Windturbinen entwickelt und aufgebaut worden. In recent years, distribution system for electric energy with a DC power transmission link ¬ and spatially spaced-apart electrical systems have been developed in the form of wind turbines and constructed in particular in the form of wind farms.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verteilungsnetz für elektrische Energie vorzuschlagen, das kostengünstig auch eine weiträumige Verteilung der elektrischen Energie zulässt. The invention has for its object to propose a distribution network for electrical energy, which allows a cost-effective and a wide distribution of electrical energy.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Ver¬ teilungsnetz für elektrische Energie mit einer Stromübertra¬ gungsstrecke an die Stromübertragungsstrecke über eine modu- lare Multi-Level-Umrichter-Anordnung mindestens ein elektrischer Energieverbraucher und/oder elektrischer Energieerzeuger in der Weise angeschlossen, dass an den Kondensator mindestens eines Submoduls der modularen Multi-Level-Umrichter- Anordnung über jeweils einen Wechselrichter mit nachgeordne- tem Transformator der mindestens eine elektrische Verbraucher oder elektrische Energieerzeuger angeschlossen ist. Dabei ist es je nach Bedarf möglich, über nur ein Submodul einen einzigen Verbraucher oder Energieerzeuger anzuschließen oder ein- zelne oder alle Kondensatoren mit elektrischen Energieverbrauchern oder Energieerzeugern zu beschälten. Im Einzelfall können Kondensatoren von einzelnen Submodulen bewusst unbeschaltet bleiben, um eine benötigte Gleichspannung zu er- reichen. To achieve this object, the invention in a Ver ¬ distribution network connected to electrical energy with a Stromübertra ¬ transmission link to the power transmission path via a modular multi-level converter arrangement at least one electrical energy consumer and / or electric power generators in such a way that at the condenser of at least one submodule of the modular multi-level converter arrangement is connected to the at least one electrical load or electrical energy generator via in each case one inverter with a downstream transformer. Depending on requirements, it is possible to connect a single consumer or power generator via a single submodule or to zelne or all capacitors with electrical energy consumers or energy generators Beschallten. In individual cases, capacitors of individual submodules can deliberately remain unconnected in order to achieve a required DC voltage.
Es ist zwar an sich beispielsweise aus dem Aufsatz von R. Marquardt, A. Lesnicar „New Concept for High Voltage-Modular Multilevel Converter PESC" 2004 Conference in Aachen, Germany eine modulare Multi-Level-Umrichter-Anordnung mit mehreren in Reihe angeordneten Submodulen mit jeweils einem Kondensator bekannt, jedoch sind bei dieser bekannten Anordnung die Kondensatoren der Submodule der modularen Multi-Level-Umrichter- Anordnung jeweils ohne Anschluss nach außen. While it is in itself, for example, in the article by R. Marquardt, A. Lesnicar "New Concept for High Voltage Modular Multilevel Converter PESC" 2004 Conference in Aachen, Germany a modular multi-level inverter arrangement with several sub-modules arranged in series each known with a capacitor, however, in this known arrangement, the capacitors of the submodules of the modular multi-level inverter arrangement are each without connection to the outside.
Ferner ist aus der internationalen Patentanmeldung WO Furthermore, from international patent application WO
2008/002226 AI ein Verteilungsnetz für elektrische Energie bekannt, bei dem elektrische Verbraucher über jeweils einen Pulswechselrichter einer Reihenschaltung von Pulswechselrich- tern an eine Gleichstromübertragungsstrecke angeschlossen sind; ein Energietransport kann daher nur in einer Richtung, und zwar zu den Verbrauchern hin erfolgen. 2008/002226 AI a distribution network for electrical energy, in which electrical loads are connected via a respective pulse inverter of a series circuit of pulse inverters to a direct current transmission path; An energy transport can therefore only take place in one direction, namely to the consumers.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verteilungs- netzes besteht darin, dass es einen Energiefluss in beidenA significant advantage of the distribution network according to the invention is that it has an energy flow in both
Richtungen ermöglicht, das heißt, es können elektrische Anla¬ gen sowohl in Form von elektrischen Energieverbrauchern als auch in Form von elektrischen Energieerzeugern zum Einsatz kommen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei modula- ren Multi-Level-Umrichtern eingeführte und serienmäßig gefertigte Submodule Anwendung finden können. Directions allows, which means it can be used electric Anla ¬ gen both in the form of electric energy consumers as well as electrical power generators. Another advantage is that submodules that have been introduced and mass-produced with modular multi-level inverters can be used.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verteilungsnetzes ist an den Kondensator des mindestens einen Submoduls zusätzlich über einen Gleichstromsteller ein elektrischer Energiespeicher angeschlossen, so dass bei dem erfindungsgemäßen Verteilungsnetz gegebenenfalls eine Mehrzahl von Energiespeichern gleichzeitig auf relativ einfache Weise auf- geladen werden können; auch eine Beschaltung aller Submodule mit Energiespeichern ist möglich. An sich ist es für sich aus der internationalen Patentanmeldung WO 2011/060823 AI bekannt, ein Submodul zum Laden und Entladen eines Energiespei- chers zu verwenden. In an advantageous embodiment of the distribution network according to the invention, an electrical energy store is additionally connected to the capacitor of the at least one submodule via a DC chopper, so that in the distribution network according to the invention, if appropriate, a plurality of energy stores can be set up in a relatively simple manner. can be loaded; It is also possible to connect all submodules with energy storage devices. In itself, it is known from international patent application WO 2011/060823 AI to use a submodule for charging and discharging an energy storage device.
Es kann auch vorteilhaft sein, wenn an den Kondensator mindestens eines weiteren Submoduls über einen Gleichstromstel¬ ler lediglich ein elektrischer Energiespeicher angeschlossen ist. It may also be advantageous if only one electrical energy store is connected to the capacitor of at least one further submodule via a DC contactor .
Besonders vorteilhaft ist der Einsatz des erfindungsgemäßen Verteilungsnetzes bei räumlich weit verteilten elektrischen Verbrauchern. Bei den Verbrauchern kann es sich beispielswei- se um Schiffe in einem Hafen handeln, die jeweils über Land¬ anschlüsse mit elektrischer Energie versorgt werden. Diese Landanschlüsse sind je nach Größe des jeweiligen Hafens über ein relativ großes Gebiet räumlich verstreut angeordnet und benachbart zu diesen Landanschlüssen ist dann jeweils ein Submodul der modularen Multi-Level-Umrichter-Anordnung platziert. Auch ein Einsatz bei beispielsweise von Hochhäusern gebildeten Verbrauchern bietet sich mit Vorteil an. Particularly advantageous is the use of the distribution network according to the invention in spatially widely distributed electrical consumers. Among consumers can be se beispielswei- involve ships in a harbor, which are each supplied over land ¬ connections with electrical power. Depending on the size of the respective port, these land connections are spatially distributed over a relatively large area, and a submodule of the modular multi-level converter arrangement is then placed adjacent to these land connections. A use in example formed by high-rise consumers also offers with advantage.
Die Submodule können bei der räumlich verteilten modularen Multi-Level-Umrichter-Anordnung in vorteilhafter Weise als so genannte Vollbrücken-Submodule ausgeführt sein. Zwar sind derartige Submodule relativ aufwendig, weil sie relativ viele gesteuerte Gleichrichter benötigen und verbrauchen relativ viel elektrische Leistung, jedoch lässt sich mit ihnen eine bessere Dynamik erreichen; außerdem erlauben sie mindestens teilweise einen Anschluss von Energieerzeugern auch in den Fällen, in denen das erfindungsgemäße Verteilungsnetz über einen ungesteuerten Diodenumrichter gespeist wird (vgl. unten) . The submodules can be embodied advantageously in the spatially distributed modular multi-level converter arrangement as so-called full-bridge submodules. Although such submodules are relatively expensive because they require relatively many controlled rectifiers and consume relatively much electrical power, but can be achieved with them a better dynamic; In addition, they allow, at least in part, a connection of power generators even in cases where the distribution network according to the invention is fed via an uncontrolled diode converter (see below).
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn bei dem er¬ findungsgemäßen Verteilungsnetz die Submodule der modularen Multi-Level-Umrichter-Anordnung aus Halbbrücken-Submodulen bestehen, wie sie beispielsweise in Figur 4 des oben genannten Aufsatzes dargestellt sind. Hinsichtlich des Leistungs¬ verbrauchs und Schaltungsaufwands sind solche Submodule güns¬ tig . Especially advantageous is regarded as where he ¬ inventive distribution network, the sub-modules of the modular multilevel converter arrangement of half-bridge submodules exist, as shown for example in Figure 4 of the above essay. With regard to the power consumption and circuit scale ¬ such submodules are Güns ¬ tig.
In besonders vorteilhafter Weise weisen bei dem erfindungsge¬ mäßen Verteilungsnetz die Submodule einen von einer Fehlererfassungseinrichtung betätigbaren Kurzschließer auf. Dieser Kurzschließer schaltet nicht betriebsmäßig, sondern nur nach einem Fehlerfall und dann auch nur Ein und nicht Aus; das Lö¬ schen eines Lichtbogens beim Ausschalten ist nicht erforderlich, so dass der Kurzschließer relativ kostengünstig ausführbar ist. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verteilungsnetzes ist an den Kondensator jedes Submoduls eine Spannungsmesseinrichtung angeschlossen, der eine Steuereinrichtung für das Submodul nachgeordnet ist, die hochfrequent jeweils bei niedriger Spannung am Kondensator eine Aufladung des Kondensators und jeweils bei hoher Span¬ nung am Kondensator eine Vorbeileitung des Gleichstroms am Kondensator bewirkt. Durch eine solche Ausgestaltung ist in einfacher Weise dafür gesorgt, dass die Spannungen an den Kondensatoren der Submodule der modularen Multi-Level- Umrichter-Anordnung nur in geringem Maße schwanken, also weitgehend konstant gehalten sind. In a particularly advantageous manner, in the erfindungsge ¬ MAESSEN distribution network, the submodules on an operable by an error detection device short-circuiter. This short circuiter does not switch operationally, but only after an error and then only ON and not OFF; the Lö ¬ rule of an arc when switching off is not necessary, so that the short-circuiting device is relatively inexpensive executable. In a particularly advantageous embodiment of the distribution network according to the invention, a voltage measuring device is connected to the capacitor of each submodule, which is followed by a control device for the submodule, the high frequency each at low voltage across the capacitor charging of the capacitor and each at high voltage on the capacitor ¬ a bypass line of the direct current causes the capacitor. By such a configuration is ensured in a simple manner that the voltages on the capacitors of the submodules of the modular multi-level inverter arrangement vary only slightly, so are kept largely constant.
Bei dem erfindungsgemäßen Verteilungsnetz können unterschiedliche Stromübertragungsstrecken zum Einsatz kommen. So wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Stromübertragungstre¬ cke eine Gleichstromübertragungsstrecke ist und an die In the distribution network according to the invention, different current transmission paths can be used. Thus, it is considered advantageous if the Stromübertragungstre ¬ bridge is a DC transmission link and to the
Gleichstromübertragungsstrecke ein Wechselspannungsnetz über einen ungesteuerten Diodenumrichter angeschlossen ist. In diesem Falle ist der Aufwand für den Gleichrichter selbst re- lativ gering, weil sich ein ungesteuerter Diodenumrichter vergleichsweise kostengünstig herstellen lässt. Vorteilhaft kann es aber auch sein und bei einem Energiefluss in beiden Richtungen sogar notwendig, wenn an die Gleichstromübertragungsstrecke ein Wechselspannungsnetz über einen modularen Multi-Level-Umrichter angeschlossen ist. Der Ein- satz eines modularen Multi-Level-Umrichters ist zwar ver¬ gleichsweise aufwendig, jedoch hat der mit ihm erzeugte DC transmission link an AC voltage network via an uncontrolled diode converter is connected. In this case, the expense for the rectifier itself is relatively low, because an uncontrolled diode converter can be produced comparatively inexpensively. However, it can also be advantageous and even necessary in the case of an energy flow in both directions if an AC voltage network is connected to the DC transmission path via a modular multi-level converter. Although the on set of a modular multilevel converter is ver ¬ tively expensive, but has the generated with him
Gleichstrom eine höhere Güte. DC higher quality.
Bei einer anderen besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verteilungsnetzes ist die Stromübertra¬ gungsstrecke eine Wechselstromübertragungsstrecke, und an die Phasenleiter der Wechselstromübertragungsstrecke sind über Phasenmodule der modularen Multi-Level-Umrichter-Anordnung die elektrischen Energieverbraucher und/oder die elektrischen Energieerzeuger in der Weise angeschlossen, dass an den Kondensator jedes Submoduls der Phasenmodule der modularen Mul- ti-Level-Umrichter-Anordnung über jeweils einen Wechselrichter mit nachgeordnetem Transformator ein elektrischer Energieverbraucher oder ein elektrischer Energieerzeuger ange- schlössen ist. Vorteilhaft ist diese Ausführungsform vor al¬ lem deshalb, weil sie bei Vorhandensein einer Wechselstromübertragungsstrecke ohne eine Umformung der Gleichspannung in eine Wechselspannung auskommt, also beispielweise eines unge¬ steuerten Diodenumrichters oder eines modularen Multi-Level- Umrichters nicht bedarf. In another particularly advantageous embodiment of the distribution network according to the invention, the Stromübertra ¬ tion link is an AC transmission link, and the phase conductors of the AC transmission link via phase modules of the modular multi-level inverter arrangement, the electrical energy consumers and / or the electrical energy generator connected in such a way An electrical energy consumer or an electrical energy generator is connected to the capacitor of each submodule of the phase modules of the modular multi-level converter arrangement via in each case one inverter with a downstream transformer. , This embodiment is advantageous against al ¬ lem so because it manages in the presence of an AC power transmission line without a transformation of DC voltage into AC voltage, so for example, a unge ¬ controlled Diodenumrichters or a modular multilevel converter not required.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung ist in For further explanation of the invention is in
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen  Figure 1 shows an embodiment of the invention
Verteilungsnetzes mit Anschluss an ein  Distribution network with connection to a
Wechselspannungsnetz über einen ungesteuerten  AC voltage network via an uncontrolled
Diodenumrichter, in  Diode converter, in
Figur 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit Anschluss an ein Wechselspannungsnetz über einen  Figure 2 shows another embodiment with connection to an AC voltage network via a
Multi-Level-Umrichter und in  Multi-level inverter and in
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel mit Anschluss von elektri¬ schen Energieverbrauchern und Energieerzeugern über eine einzige modulare Multi-Level-Umrichter- Einrichtung an ein Wechselspannungsnetz dargestellt . Figure 3 illustrates an embodiment with connecting electrical ¬ rule energy consumers and energy producers through a single modular multi-level inverter device to an AC power supply system shown.
Gemäß Figur 1 ist bei dem dort dargestellten Ausführungsbei¬ spiel an ein dreiphasiges Wechselstromnetz 1 über eine Trans- formatoranordnung 2 ein aus mehreren ungesteuerten Dioden bestehender Diodenumrichter 3 angeschlossen. An die Ausgänge 4 und 5 des Diodenumrichters 3 ist eine Gleichstromübertra¬ gungsstrecke in Form einer Gleichstromübertragungsleitung 6 mit ihren Leitungen 7 und 8 angeschlossen. According to Figure 1 is in the shown there Ausführungsbei ¬ game to a three phase AC network 1 is connected via a transport formatoranordnung 2, an existing from a plurality of uncontrolled diode Diodenumrichter. 3 To the outputs 4 and 5 of the diode 3 is a Gleichstromübertra ¬ transmission path in the form of a DC transmission line 6 with its lines 7 and 8 connected.
Die Gleichstromübertragungsleitung 6 führt zu einer modularen Multi-Level-Umrichter-Anordnung 9, die aus einzelnen Submodu- len 10, 11 und 12 sowie 13, 14 und 15 besteht. Diese Submodu¬ le 10 bis 15 sind jeweils in bekannter Weise als Halb- Brücken-Submodule übereinstimmend ausgebildet, indem sie je¬ weils einen elektronischen Leistungsschalter 16 in Parallelschaltung zu einer Diode 17 sowie einem weiteren elektronischen Leistungsschalter 18 in Parallelschaltung zu einer weiteren Diode 19 aufweisen. Ausgangsseitig weist jedes der Sub- module 10 bis 15 einen Kondensator 20 auf. The DC transmission line 6 leads to a modular multi-level converter arrangement 9, which consists of individual submodules 10, 11 and 12 as well as 13, 14 and 15. This Submodu ¬ le 10 to 15 are each formed consistently in known manner as a half-bridge submodules by each ¬ weils comprise an electronic power switch 16 in parallel with a diode 17 and a further electronic power switch 18 in parallel with a further diode 19 , On the output side, each of the submodules 10 to 15 has a capacitor 20.
An den Kondensator 20 jedes der Submodule 10 bis 15 ist unter Bildung jeweils eines erweiterten Submoduls 21, 22, 23, 24, 25 und 26 jeweils ein Wechselrichter 27 angeschlossen. Diese Wechselrichter 27 können in einfachster Weise als 2-Level- Umrichter ausgeführt sein; sie sind an ihren Ausgängen jeweils an ein dreiphasiges Wechselspannungsnetz 28 angeschlos¬ sen. Mit dem jeweiligen Wechselspannungsnetz 28 verbundene Transformatoren 29 dienen zur Spannungsanpassung und galvani- sehen Trennung und sind über jeweils einen Wechselspannungs¬ schalter 30 mit beispielsweise jeweils einem Landungsan- schluss 31 einer nicht weiter dargestellten Hafenanlage verbunden. Die erweiterten Submodule 21 bis 26 können beispiels¬ weise auch an Anschlüsse von Häusern in einer Wohnsiedlung angeschlossen werden. An inverter 27 is connected to the capacitor 20 of each of the submodules 10 to 15, forming an extended submodule 21, 22, 23, 24, 25 and 26, respectively. These inverters 27 can be implemented in the simplest way as a 2-level inverter; they are attached Schlos ¬ sen at their outputs respectively to a three-phase alternating voltage network 28th With the respective alternating voltage network 28 connected transformers 29 are used for voltage adjustment and galvanic separation to see, and are each connected via an AC switch ¬ 30 with, for example, each having a Landungsan- circuit 31 of a harbor facility not shown. The extended sub-modules 21 to 26 can ¬ example, be also connected to terminals of houses in a housing development.
Wie die Figur 1 ferner zeigt, ist jedem Submodul 10 bis 15 ein Kurzschließer 32 zugeordnet, der in nicht dargestellter Weise betätigt wird, wenn eine Fehlererfassungs-Einrichtung einen Fehler in den Submodulen oder dem jeweils nachgeordneten Verbraucher signalisiert. Die einzelnen Submodule 10 bis 15 sind schaltungstechnisch so angeordnet, wie es bei dem bekannten modularen Multi-Level- Umrichter der Fall ist. Sie sind jedoch im vorliegenden Falle räumlich getrennt so angeordnet, dass sie jeweils dem As FIG. 1 further shows, each submodule 10 to 15 is assigned a short-circuiter 32, which is not shown in FIG Way is actuated when an error detection device signals an error in the submodules or the respective downstream consumer. The individual submodules 10 to 15 are circuitally arranged, as is the case with the known modular multi-level converter. However, they are spatially separated in the present case arranged so that they each of the
Verbraucher bzw. den hier dargestellten Landanschlüssen 31 benachbart liegen. Bei dem dargestellten Verteilungsnetz sind also die Submodule 10 bis 15 konstruktiv und räumlich ganz anders angeordnet, wie dies bei dem bekannten modularen Mul- ti-Level-Umrichter der Fall ist, bei dem die einzelnen Submodule sich in einem engen räumlichen Zusammenhang miteinander befinden, beispielsweise in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind. Consumer or the land connections 31 shown here are adjacent. In the illustrated distribution network, therefore, the submodules 10 to 15 are arranged structurally and spatially very differently, as is the case with the known modular multi-level converter, in which the individual submodules are in a close spatial relationship with one another, for example housed in a common housing.
Das Ausführungsbeispiel nach Figur 2 ist hinsichtlich der mo¬ dularen Multi-Level-Umrichter-Anordnung identisch mit dem in Figur 1 dargstellten Ausführungsbeispiel, so dass hier auf die Beschreibung dieses Teils des dargestellten Verteilungs¬ netzes verzichtet werden kann. Im Unterschied zu dem Ausfüh¬ rungsbeispiel nach Figur 1 ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2 hier ein dreiphasiges Wechselspannungsnetz 40 über eine Transformatoranordnung 41 mit einem modularen Mul- ti-Level-Umrichter 42 verbunden, der in bekannter Weise über Induktivitäten 43, 44 und 45 hinsichtlich seines positivsei- tigen Konverterteils sowie weitere Induktivitäten 46, 47 und 48 hinsichtlich seines negativen Konverterteils an die Trans- formatoranordnung 41 angeschlossen ist. Eine weitere Beschreibung des modularen Multi-Level-Umrichters 42 erübrigt sich, weil er einer bekannten Umrichter-Ausführung mit Halb- brücken-Submodulen entspricht. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 bilden Submodule 50 und 51 neben weiteren, nicht dargestellten Submodulen einen Phasenzweig 52 einer modularen Multi-Level-Umrichter- Einrichtung, wie sie an sich aus dem oben erwähnten Stand der Technik bekannt ist. Jedes Submodul 50 bzw. 51 ist so ausge¬ führt, wie es bei der Beschreibung zur Fig. 1 oben bereits dargelegt worden ist. An den Kondensator 53 des Submoduls 50 ist ein Wechselrichter 54 angeschlossen, dem ein Transforma- tor 55 nachgeordnet ist, wie es im Zusammenhang mit der Fig. 1 oben ausführlich beschrieben worden ist. Über einen Schalter 56 ist ein nicht dargestellter Energieverbraucher oder - erzeuger anschließbar. An den Kondensator 53 ist auch ein Gleichspannungssteller 57 angeschlossen, dem ein Energiespei- eher 58 nachgeordnet ist. Dieser kann beispielsweise von ei¬ nem Akkumulator gebildet sein. Die Schaltung aus dem Submodul 50, dem Wechselrichter 54, dem Transformator 55, dem Gleichspannungssteller 57 und dem Energiespeicher 58 bildet eine Schaltungseinheit 59. The embodiment of Figure 2 is in terms of mo ¬ dularen multilevel converter arrangement identical to the dargstellten in Figure 1 embodiment, so that it can be dispensed with the description of this portion of the illustrated distribution network ¬ here. In contrast to the exporting ¬ approximately example according to Figure 1, a three-phase alternating voltage network is in the embodiment according to figure 2 here 40 via a transformer assembly 41 having a modular multi- ti-level inverter 42, which in known manner by inductances 43, 44 and 45 With regard to its positive-side converter part as well as further inductances 46, 47 and 48, it is connected to the transformer arrangement 41 with regard to its negative converter part. A further description of the modular multi-level converter 42 is unnecessary because it corresponds to a known inverter design with half-bridge submodules. In the embodiment according to FIG. 3, submodules 50 and 51, in addition to further submodules, not shown, form a phase branch 52 of a modular multi-level converter device, as is known per se from the abovementioned state of the art Technique is known. Each submodule 50 or 51 is so out ¬ leads, as it has already been set out in the description of FIG. 1 above. Connected to the capacitor 53 of the submodule 50 is an inverter 54 to which a transformer 55 is arranged downstream, as has been described in detail above in connection with FIG. A non-illustrated energy consumer or - producer can be connected via a switch 56. Connected to the capacitor 53 is also a DC voltage controller 57, to which an energy supply 58 is arranged downstream. This can be formed for example by ei ¬ nem accumulator. The circuit comprising the submodule 50, the inverter 54, the transformer 55, the DC voltage controller 57 and the energy store 58 forms a circuit unit 59.
Entsprechend sind das Submodul 51 und weitere nicht darge¬ stellte Submodule dieses Phasenzweiges 52 Bestandteil jeweils einer weiteren Schaltungseinheit 60, so dass auf diese Weise ein Schaltungseinheitenzweig 61 gebildet ist; dieser ist über eine Drossel 62 mit einem Phasenleiter 63 einer Wechselstromübertragungstrecke 64 mit einem Transformator 65 verbunden. In entsprechender Weise sind mit Submodulen 66 und 67 und weiteren, nicht gezeigten Submodulen ergänzende Schaltungseinheiten 68 und 69 gebildet, die insgesamt einen weiteren Schaltungseinheitenzweig 70 darstellen. Dieser ist über eine weitere Drossel 71 ebenfalls mit dem Phasenleiter 63 verbun¬ den . Accordingly, the sub-module 51 and other non Darge ¬ presented submodules this phase leg part 52 respectively of a further circuit unit 60 so that a branch circuit unit 61 is formed in this way; this is connected via a throttle 62 with a phase conductor 63 of an AC transmission link 64 to a transformer 65. In a corresponding manner, supplemental circuit units 68 and 69 are formed with submodules 66 and 67 and further submodules, not shown, which together represent a further circuit unit branch 70. This is also another verbun 71 with the phase conductor 63 verbun ¬ the.
Wie die Fig. 3 ferner zeigt, enthält das dargestellte Vertei- lernetz weitere Paare von Schaltungseinheitenzweigen 72 und 73, die aus den Schaltungseinheiten 59 und 60 bzw. 68 und 69 entsprechenden Schaltungseinheiten 74 und 75 bzw. 76 und 77 bestehen; diese Schaltungseinheitenzweige 72 und 73 sind an einen weiteren Phasenleiter 78 der Wechselstromübertragungs- trecke 64 über weitere Drosseln 79 und 80 angeschlossen. As further shown in FIG. 3, the illustrated distribution network includes further pairs of circuit unit branches 72 and 73 which are circuit units 74 and 75 and 76 and 77, respectively, corresponding to circuit units 59 and 60 and 68 and 69, respectively; these circuit unit branches 72 and 73 are connected to another phase conductor 78 of the AC transmission path 64 via further throttles 79 and 80.
Entsprechend ist der dritte Phasenleiter 81 der Wechselstromübertragungsstrecke 64 beschaltet, indem mit ihm über ergänzende Drosseln 82 und 83 den Schaltungseinheitenzweigen 61 bzw. 72 sowie 70 bzw. 73 entsprechende Schaltungseinheitenzweige 84 und 85 verbunden sind . Accordingly, the third phase conductor 81 is the AC transmission path 64 connected thereto by means of complementary reactors 82 and 83 the circuit unit branches 61 and 72 and 70 and 73 corresponding circuit unit branches 84 and 85 are connected.
Die Fig. 3 zeigt auch, dass die in der Figur unteren Schaltungseinheitenzweige 70, 73 und 85 auf einem einheitlichen Minuspotential liegen. Der auf Pluspotential liegende An- schluss 86 des Schaltungseinheitenzweiges 61, die ebenfalls auf Pluspotential liegenden Anschlüsse 87 und 88 des Schal¬ tungseinheitenzweiges 72 und die entsprechenden Anschlüsse 89 und 90 des Schaltungseinheitenzweiges 84 sind hier offen dar¬ gestellt. Bei Bedarf lassen sich an sie weitere Schaltungs¬ einheiten entsprechend beispielsweise der Schaltungseinheit 59 anschließen. FIG. 3 also shows that the lower circuit unit branches 70, 73 and 85 in the figure are at a uniform negative potential. The lying on positive potential check circuit 86 of the circuit unit branch 61, the terminals also lying on positive potential 87 and 88 of the scarf ¬ processing unit branch 72 and the respective terminals 89 and 90 of the circuit unit branch 84 are open here is provided ¬. If necessary, additional circuit ¬ units, for example, the circuit unit 59 can be connected to them accordingly.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verteilungsnetz für elektrische Energie mit einer Stromübertragungsstrecke (6), 1. distribution network for electrical energy with a current transmission path (6),
· an die über eine modulare Multi-Level-Umrichter- · To which a modular multi-level inverter
Anordnung (9) mindestens ein elektrischer Energieverbraucher und/oder elektrischer Energieerzeuger in der Weise angeschlossen ist , dass an den Kondensator (20) mindestens eines Submoduls (10 bis 15) der modularen Multi-Level-Umrichter-Anordnung (9) über jeweils einenArrangement (9) at least one electrical energy consumer and / or electrical energy generator is connected in such a way that the capacitor (20) at least one submodule (10 to 15) of the modular multi-level inverter arrangement (9) via one
Wechselrichter (27) mit nachgeordnetem Transformator (29) der mindestens eine elektrische Verbraucher oder elektrische Energieerzeuger angeschlossen ist. Inverter (27) with a downstream transformer (29) of at least one electrical load or electrical energy generator is connected.
2. Verteilungsnetz nach Anspruch 1, 2. Distribution network according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
• an den Kondensator (53) des mindestens einen Submoduls (50) zusätzlich über einen Gleichstromsteller (57) ein elektrischer Energiespeicher (58) angeschlossen ist.  • An electrical energy store (58) is additionally connected to the capacitor (53) of the at least one submodule (50) via a DC current controller (57).
3. Verteilungsnetz nach Anspruch 1, 3. distribution network according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
• an den Kondensator mindestens eines weiteren Submoduls über einen Gleichstromsteller lediglich ein elektrischer Energiespeicher angeschlossen ist.  • is connected to the capacitor of at least one further submodule via a DC chopper, only an electrical energy storage.
4. Verteilungsnetz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 4. Distribution network according to one of claims 1 to 3,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
• die Submodule Vollbrücken-Submodule sind.  • the submodules are full bridge submodules.
5. Verteilungsnetz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass 5. distribution network according to one of claims 1 to 3, characterized in that
• die Submodule (10 bis 15) Halbbrücken-Submodule sind.  • the submodules (10 to 15) are half-bridge submodules.
6. Verteilungsnetz nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass • die Submodule (10 bis 15) mit einem von einer Fehlerer¬ fassungseinrichtung betätigbaren Kurzschließer (32) versehen sind. 6. Distribution network according to one of the preceding claims, characterized in that • the submodules (10 to 15) are provided with one of a capture device operable Fehlerer ¬ short-circuiting device (32).
7. Verteilungsnetz nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 7. Distribution network according to one of the preceding claims, characterized in that
• an den Kondensator jedes Submoduls eine Spannungsmess¬ einrichtung angeschlossen ist, der eine Steuereinrichtung für das Submodul nachgeordnet ist, die hochfrequent jeweils bei niedriger Spannung am Kondensator eine Aufladung des Kondensators und jeweils bei hoher Spannung am Kondensator eine Vorbeileitung des Gleichstroms am Kondensator bewirkt. • To the capacitor of each submodule a voltage measuring ¬ device is connected, which is followed by a control device for the sub-module, which causes a high frequency at low voltage across the capacitor charging of the capacitor and each at high voltage across the condenser bypassing the direct current to the capacitor.
8. Verteilungsnetz nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 8. Distribution network according to one of the preceding claims, characterized in that
• die Stromübertragungstrecke eine Gleichstromübertra¬ gungsstrecke (6) ist und • the power transmission link a Gleichstromübertra ¬ transmission link (6) and
• an die Gleichstromübertragungsstrecke (6) ein Wechsel¬ spannungsnetz (1) über einen ungesteuerten Diodenumrichter (3) angeschlossen ist. • to the DC transmission line (6) a change ¬ voltage network (1) is connected via an uncontrolled Diodenumrichter (3).
9. Verteilungsnetz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass 9. distribution network according to one of claims 1 to 6, characterized in that
• die Stromübertragungstrecke eine Gleichstromübertra¬ gungsstrecke ist und • the power transmission path is a Gleichstromübertra ¬ transmission link and
• an die Gleichstromübertragungsstrecke ein Wechselspan¬ nungsnetz (40) über einen modularen Multi-Level- Umrichter ( 42 ) angeschlossen ist. • is connected to the DC power transmission link a removable clamping ¬ voltage network (40) via a modular multi-level inverter (42).
10. Verteilungsnetz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass 10. Distribution network according to one of claims 1 to 6, characterized in that
• die Stromübertragungsstrecke eine Wechselstromübertra¬ gungsstrecke (64) ist und • the power transmission link a Wechselstromübertra ¬ transmission link (64) and
• an die Phasenleiter (63,78,81) der Wechselstromübertra¬ gungsstrecke (64) über Phasenzweige (52) einer modularen Multi-Level-Umrichter-Einrichtung die elektrischen Energieverbraucher und/oder die elektrischen Energieerzeuger in der Weise angeschlossen sind, dass an den Kondensator (53) jedes Submoduls (50,51) der Phasenzweige (52) der modularen Multi-Level-Umrichter-Einrichtung über jeweils einen Wechselrichter (54) mit nachgeordnetem Transforma- tor (56) jeweils ein elektrischer Energieverbraucher oder ein elektrischer Energieerzeuger angeschlossen ist. • on the phase conductors (63,78,81) of the Wechselstromübertra ¬ transmission link (64) via phase legs (52) of a modular multi-level inverter device, the electric energy consumers and / or the electrical power generator are connected in such a way that to the capacitor (53) of each submodule (50,51) of the phase branches (52) of the modular multi-level converter device via a respective inverter (54) with downstream transformer (56) each an electrical energy consumer or an electrical energy generator is connected.
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