WO2020083470A1 - System for stabilizing an alternating voltage grid - Google Patents

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WO2020083470A1
WO2020083470A1 PCT/EP2018/079003 EP2018079003W WO2020083470A1 WO 2020083470 A1 WO2020083470 A1 WO 2020083470A1 EP 2018079003 W EP2018079003 W EP 2018079003W WO 2020083470 A1 WO2020083470 A1 WO 2020083470A1
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phase
voltage
inverter module
voltage side
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PCT/EP2018/079003
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Martin Pieschel
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02M7/5387—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 using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration

Definitions

  • the invention relates to a system for stabilizing an AC voltage network with a converter and at least one electrical energy store.
  • electrical energy taken from the AC voltage network can be stored, for example, and this can be made available to the AC voltage network at another time. In this way, the system is set up to exchange both reactive power and active power with the AC network.
  • the frequency in the AC network can be influenced, for example.
  • the AC voltage network is, for example, an energy supply network
  • the basic frequency of an AC voltage in the AC voltage network is usually 50 Hz or 60 Hz. This frequency should, if possible, remain constant over time. However, due to a change in power consumption by connected consumers and / or power output by connected producers, it is subject to fluctuations over time.
  • the stabilization of the frequency and thus the AC voltage network can be achieved in such cases by causing the compensation system to take up active power when the frequency in the AC network increases (overfrequency) and to deliver active power when the frequency is reduced (underfrequency).
  • Known systems for supporting an AC network consist, for example, of a low-voltage inverter which is connected to the AC network via a transformer for voltage adjustment.
  • the reactive power losses increase with an increasing nominal power through the transformer.
  • the transformer itself is getting bigger and bigger.
  • a cost-intensive high-voltage transformer must finally be used for outputs above 10 MW. Due to the use of a low-voltage energy storage device, the harmonic content also increases, which has to be reduced by complex countermeasures such as passive filters.
  • the electrical energy store is operated at a high DC voltage, complex insulation within the system is required. If battery storage is used, this is particularly problematic since battery storage always has residual voltage. This residual voltage makes maintenance of the system particularly difficult.
  • a type-appropriate system is known from WO 2016/150466 Al.
  • the converter of the known system comprises converter arms connected in a triangular circuit. In each converter arm, a series connection of switching modules is easily seen, each switching module having an electrical energy storage unit belonging to the switching module.
  • the object of the invention is to propose a position mentioned at the outset, which is as cost-effective and reliable as possible.
  • the converter is a matrix converter which can be connected on the primary side to an m-phase AC voltage network and whose secondary side has an n-phase connection
  • the system also has at least one NEN transformer, which can be connected to the secondary side of the matrix converter
  • at least one inverter module is provided, which has an AC voltage side and a DC voltage side, the AC voltage side being connectable to the secondary side of the matrix converter by means of the transformer, and the electrical cal energy storage device can be connected to the DC voltage side of the inverter module.
  • a line frequency for example three-phase AC voltage, for example in the medium voltage range
  • an AC voltage of higher frequency preferably a frequency between 100 Hz and 500 Hz
  • This alternating voltage of higher frequency can be converted to a lower voltage amplitude, preferably between 500 V and 1 kV, by means of the transformer, for example by means of a compact high-frequency transformer.
  • This alternating voltage of lower voltage amplitude can in turn be converted into a direct voltage by means of the at least one inverter module.
  • the system according to the invention makes it possible to overcome some of the disadvantages of the prior art. The conversion losses are reduced due to the possibility of using higher transmission frequencies.
  • the matrix converter When connected to a three-phase AC network, the matrix converter is expediently provided on the primary side with a three-phase connection in order to be able to be connected to a three-phase AC network.
  • the matrix converter is preferably a modular multi-stage converter.
  • the basic structure of a modular multi-stage converter comprises several converter arms, each converter arm having a series connection of two-pole switching modules. Switch module types that are frequently used are switch modules in half-bridge circuit or in full-bridge circuit.
  • Each of the switching modules of the modular multi-stage converter is means of a control device individually controllable.
  • a voltage drop across one of the converter arms is equal to the sum of voltages drop across the associated switching modules.
  • a particularly advantageous step-shaped converter voltage can be generated by means of the MMC.
  • n 2.
  • a first and a second secondary-side connection of the matrix converter are provided, the at least one transformer being a single-phase transformer, by means of whose primary winding the two secondary-side connections are connected to one another.
  • the converter therefore provides a single-phase AC voltage on the secondary side, which can be converted to a lower voltage level by means of the single-phase transformer.
  • the at least one inverter module has a single-phase connection on the AC voltage side.
  • DC voltage side of each of the inverter modules can be connected to the energy store assigned to this inverter module.
  • the secondary side of the converter is connected to a large number of transformers connected in parallel.
  • the current carrying capacity of the system can be increased by connecting the transformers in parallel.
  • a plurality of single-phase transformers and associated inverter modules and energy storage modules are provided, the primary winding lungs of the single-phase transformers are connected to one another in a series circuit.
  • the secondary winding of each of the single-phase transformers can be connected to the AC voltage side of the associated inverter module, the DC voltage side of each of the inverter modules being connectable to the energy store assigned to this inverter module.
  • the secondary side of the converter is hereby connected to a large number of transformers connected in series. The achievable voltage can advantageously be increased by connecting the transformers in series.
  • the DC voltage sides of the inverter modules can also be connected in parallel to increase the current.
  • n 3.
  • a first, a second and a third secondary-side connection of the matrix converter are thus provided, the at least one transformer being a three-phase transformer, and the at least one inverter module having a three-phase AC voltage side.
  • the secondary connection of the matrix converter is therefore three-phase. Accordingly, the AC voltage side of the inverter module is also configured in three phases.
  • transformers and inverter modules and energy storage modules assigned to them are seen before.
  • the primary windings of the transformers are connected to one another in parallel and the secondary windings of each of the transformers can be connected to the AC voltage side of the associated inverter module, the DC voltage side of each of the inverter modules being connectable to the energy store assigned to them.
  • the secondary side of the converter is hereby connected with a large number of parallel ones
  • the at least one inverter module suitably comprises an n-phase bridge circuit with power semiconductors.
  • the bridge circuit can thus be in particular two-phase or three-phase, the AC voltage side of the inverter module having a corresponding n-phase connection.
  • the bridge circuit can be, for example, a full bridge circuit known to the person skilled in the art.
  • the bridge circuit comprises n series circuits, each arranged in parallel, of two of the power semiconductor switches, the two outer potential points of the series circuits of the power semiconductor switches advantageously being connected to the DC voltage side of the inverter module.
  • the connections on the AC voltage side of the inverter module are suitably connected to potential points between the power semiconductor switches of each of the series connections.
  • the at least one inverter module preferably comprises a bridge capacitor in a parallel connection to the bridge circuit. So that the bridge capacitor is connected, for example, directly to the DC voltage side of the inverter module.
  • the at least one inverter module further comprises a DCDC converter, which is connected to a DC voltage side of the bridge circuit.
  • the DCDC converter preferably has two semiconductor switches and a converter capacitor in a half-bridge circuit, the DC voltage side of the inverter module being arranged in parallel with the converter capacitor.
  • a smoothing choke can also be arranged between the bridge circuit and the DCDC converter.
  • the transformer is a medium or high frequency transformer.
  • the working hours The frequency of the transformer can thus be, for example, over 100 Hz, in particular between 100 Hz and 500 Hz.
  • Figure 1 shows a first embodiment of an inventive system in a schematic representation
  • Figure 2 shows a second embodiment of an inventive system in a schematic representation
  • Figure 3 shows a third embodiment of an inventive system in a schematic representation
  • Figure 4 shows a first example of a matrix converter in a schematic representation
  • Figure 5 shows a fourth embodiment of an inventive system in a schematic representation
  • Figure 6 shows a fifth embodiment of an inventive system in a schematic representation
  • FIG. 7 shows a second example of a matrix converter in a schematic illustration
  • FIG. 8 shows an example of a switching module for one of the matrix converters of FIGS. 4 and 7 in a schematic illustration
  • Figures 9 and 10 each show an example of an inverter module in a schematic representation
  • FIG. 11 shows an example of a bridge circuit for one of the inverter modules of FIGS. 9 and 10;
  • Figures 12 and 13 show further examples of an inverter module in a schematic representation;
  • FIG. 14 shows an example of a bridge circuit for one of the inverter modules of FIGS. 12 and 13 in a schematic representation
  • FIG. 15 shows an example of a DCDC converter for one of the inverter modules of FIGS. 9, 10, 12 and 13.
  • FIG. 1 a system 1 for stabilizing an AC network 2 is shown.
  • the facility includes one
  • Power converter 3 which is a matrix converter.
  • the structure of the converter 3 is discussed in more detail in the following FIG. 4.
  • the converter 3 has a three-phase AC voltage connection 4 on the primary side and can therefore be connected to the three-phase AC voltage network 2.
  • the converter 3 is connected via a secondary side with a secondary-side, single-phase connection 5 to a single-phase transformer, in the exemplary embodiment shown a single-phase medium-frequency transformer 6, or its primary winding.
  • the medium-frequency transformer 6 is connected to an AC voltage side 8 of an inverter module 7 via a secondary winding.
  • the structure of the inverter module 7 is discussed in more detail in the following FIGS. 9-11.
  • the system 1 further comprises an electrical energy store 10 which is connected to a DC voltage side 9 of the inverter module 7.
  • the electrical energy store 10 is a battery store.
  • the system further comprises a control unit 11 for controlling the converter 3 by means of a control of its controllable semiconductor switch.
  • the control unit 11 can also perform regulation of the power exchange between the system 1 and the AC network 2. Currents and voltages both on the primary side and on the secondary side of the converter 3 are detected by means of suitable measuring devices 12-14 and assigned to the control unit 11. leads, which generates control signals for the converter 3 and the other elements of the system 1 as a function of operating point specifications.
  • FIG. 2 a system 15 for stabilizing an AC voltage network 2 is shown. Identical and similar elements and system parts are provided with the same reference symbols in FIGS. 1 and 2. The structure of system 15 largely corresponds to that of system 1 in FIG. 1.
  • system 15 comprises a plurality of single-phase transformers 6a, 6b, which are designed as
  • Medium-frequency transformers are designed. In the example shown there are two, but it is conceivable and possible without any further, the number of which can in principle be increased arbitrarily with a corresponding structure.
  • the medium frequency transformers 6a, b are connected to one another on the primary side in a parallel circuit.
  • Each of the medium-frequency transformers 6a, b is connected on the secondary side to its own inverter module 7a or 7b, the DC voltage side 9 of which is connected to an associated electrical energy storage device 10a or 10b.
  • the system 15 like the system 1, has a control unit of the same design with corresponding measuring devices, which is, however, not shown explicitly in FIG. 2.
  • system 16 comprises a plurality of single-phase transformers 6c, 6d, which are used as
  • Medium-frequency transformers are designed. In the example shown there are two, but it is conceivable and oh- ne further possible, the number of which can be increased in principle with the appropriate structure.
  • the medium-frequency transformers 6c, d are connected to one another on the primary side in a series connection. Each of the medium-frequency transformers 6c, d is connected on the secondary side to its own inverter module 7c or 7d, the DC voltage side 9 of which is connected to an associated electrical energy store 10c or 10d.
  • the system 16 like the systems 1 and 15 of FIGS. 1 and 2, also has a control unit with corresponding measuring devices, which, however, is not shown explicitly in FIG. 3.
  • FIG. 4 shows a converter 3 for one of the systems 1,
  • the converter 3 is a matrix converter with a primary side 21 and a secondary side 22.
  • the primary side 21 has a three-phase connection 23 with three connection branches A, B, C, by means of which the converter for example, can be connected to a three-phase alternating voltage network.
  • the secondary side 22 has a single-phase connection 24 with two connection branches U, V, by means of which the converter 3 can be connected, for example, to a single-phase transformer.
  • the converter 3 comprises six converter arms 25 to 30, each primary-side connection branch AC being connected in each case via one of the converter arms 25-30 to a connection branch U, V on the secondary side. In the example shown in Figure 4, the converter arms 25-30 are constructed in the same way, but this is generally not necessary.
  • Each converter arm 25-30 has a smoothing inductance 31 and a series connection of two-pole switching modules 32.
  • the number of switching modules 32 in a converter arm can be up to several hundred and more.
  • the structure of the switching modules 32 is discussed in more detail below in FIG. 8.
  • the converter can also comprise a separate control device, not shown in the figure.
  • a system 33 for stabilizing the AC voltage network 2 is shown.
  • the same and similar elements and system components are provided with the same reference numerals in FIGS. 1 and 5.
  • the structure of system 33 largely corresponds to that of system 1 in FIG. 1. For reasons of clarity, only the differences between systems 1 and 33 will be discussed below. The same also applies to the following FIG. 6.
  • the system 33 comprises a converter 34.
  • the converter 34 has a three-phase AC voltage connection 4 on the primary side and can therefore be connected to the three-phase AC voltage network 2.
  • the converter 34 is connected to a three-phase transformer 36, in the exemplary embodiment shown a single-phase medium-frequency transformer, via a secondary side with a customer-side, likewise three-phase connection 35. Via its secondary windings, the medium-frequency transformer 36 is connected to an AC voltage side 38 of an inverter module 37.
  • the structure of the inverter module 37 is discussed in more detail in the following FIGS. 12-14.
  • FIG. 6 a system 39 for stabilizing the AC voltage network 2 is shown.
  • the system 34 comprises a plurality of three-phase transformers 36a, 36b, which are designed as medium-frequency transformers.
  • the medium-frequency transformers 36a, 36b are connected to one another on the primary side in a parallel connection.
  • Each of the medium-frequency transformers 36a, 36b is connected on the secondary side by means of corresponding connections 38 to an internal inverter module 37a or 37b, the DC voltage side 9 of which is associated with one
  • the systems 33 and 39 like the system 1 in FIG. 1, also have a control unit with corresponding measuring devices, which, however, are not explicitly illustrated in FIGS. 5 and 6 above.
  • FIG 7 shows a converter 34 for one of the systems 33, 39 of Figures 5 and 6.
  • the same and similar elements and system parts are provided with the same reference numerals in Figures 4 and 7. For reasons of clarity, only the differences between the converters 3 and 34 will be discussed in the fol lowing.
  • the converter 34 is a matrix converter with a primary side 21 and a secondary side 41.
  • the secondary side 41 has a three-phase connection 40 with three connection branches U, V and W, by means of which the converter 34, for example can be connected to a three-phase transformer.
  • the converter 34 comprises nine converter arms 42 to 50, each primary-side connection branch A-C being connected via one of the converter arms 42-50 to a secondary-side connection branch U, V, W.
  • the converter arms 42-50 are constructed in the same way, but this is generally not necessary.
  • FIG. 8 shows a switching module 32 for one of the converters 3 and 34 of Figures 4 and 7.
  • the switching module 32 is designed as a so-called full-bridge module and accordingly comprises four semiconductor switches Sl-4 that can be switched off, each of which has a free-wheeling diode D connected antiparallel.
  • a capacitor C is arranged, to which a capacitor voltage Uc is applied, and a voltage measuring device 51 for detecting the capacitor voltage Uc.
  • a voltage can be generated by suitable control of the semiconductor switch Sl-4, which corresponds to the capacitor voltage Uc, a negative capacitor voltage -Uc or a zero voltage.
  • the inverter module 51 comprises a bridge circuit 54 and a DCDC converter 55.
  • the bridge circuit 54 has an AC voltage side 52 with a single-phase connection with two connection branches Y1, Y2 and a DC voltage side 53 with two connections ZI, Z2.
  • the structure of the bridge circuit is described in more detail in the following FIG. 11.
  • the DCDC converter 55 can be connected to an electrical energy store by means of connections DC +, DC-.
  • the structure of the DCDC converter 55 is discussed in more detail in the following FIG. 15.
  • FIG. 10 shows a further example of an inverter module 56 for one of the systems in FIGS. 1 to 3.
  • the inverter module 56 comprises a bridge circuit 54.
  • the inverter module 56 does not have a DCDC converter.
  • the bridge circuit 54 has an AC voltage side 52 with a single-phase connection with two connection branches Y1, Y2 and a DC voltage side 53 with two connections ZI,
  • FIG. 11 shows a bridge circuit 54 for one of the inverter modules 51 and 56 of FIGS. 9 and 10.
  • the bridge circuit 54 comprises four semiconductor switches S1-S4 that can be switched off and also antiparallel diodes D.
  • a bridge capacitor CB is arranged in a parallel connection to the DC-side connections ZI and Z2 of the bridge circuit 54, which form a DC voltage side 53 of the bridge circuit.
  • FIG. 12 shows an example of an inverter module 57 for one of the systems in FIGS. 5 and 6.
  • the inverter module 57 comprises a bridge circuit 58 and a DCDC converter 55.
  • the bridge circuit 58 has one AC voltage side 59 with a three-phase connection with three connection branches Yl-3 and a DC voltage side 53 with two connections ZI, Z2.
  • the structure of the bridge circuit is described in more detail in the following FIG. 14.
  • the DCDC converter 55 can be connected to an electrical energy store by means of connections DC +, DC-.
  • the structure of the DCDC converter 55 is discussed in more detail in the following FIG. 15.
  • FIG. 13 shows a further example of an inverter module 60 for one of the systems in FIGS. 5 or 6.
  • the inverter module 60 comprises a bridge circuit 59.
  • the inverter module 60 does not have a DCDC converter.
  • the bridge circuit 58 has an AC voltage side 52 with a three-phase connection with three connection branches Yl-3 and a DC voltage side 53 with two connections ZI, Z2. The structure of the bridge circuit is discussed in more detail in the following FIG. 14.
  • FIG. 14 shows a bridge circuit 58 for one of the inverter modules 57 or 60 of FIGS. 12 and 13.
  • the bridge circuit 58 comprises six semiconductor switches S1-S6 which can be switched off and diodes D which are antiparallel to them.
  • a bridge capacitor CB is arranged in a parallel circuit to the DC side connections ZI and Z2 of the bridge circuit 58.
  • FIG. 15 shows a DCDC converter 61 for one of the inverter modules in FIGS. 9 and 12.
  • the DCDC converter 61 which is also referred to as a step-up / step-down converter, comprises a first pair of connections 62, 63 for connecting to a bridge circuit and a second pair of connections DC +, DC- for connecting to an electrical energy store 64.
  • the DCDC- Converter 61 two semiconductor switches Hl, H2, which are arranged with a converter capacitor Cw in a half-bridge circuit.
  • the semiconductor switches Hl, 2 each have a diode D1 or D2 connected in anti-parallel.
  • An additional inductance 65 can be arranged on one of the connections 62, 63 of the first connection pair.

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Abstract

The invention relates to a system (1) for stabilizing an alternating voltage grid (2), comprising a power converter (3) and at least one electrical energy store (10). The invention is characterized in that the power converter is a matrix converter, which can be connected on the primary side to an m-phase alternating voltage grid and the secondary side (5) of which has an n-phase terminal, the system also comprises at least one transformer (6), which can be connected to the secondary side of the matrix converter, at least one inverter module (7) is provided, which has an alternating voltage side (8) and a direct voltage side (9), it being possible to connect the alternating voltage side to the secondary side of the matrix converter by means of the transformer, and the electrical energy store (10) can be connected to a direct voltage side of the inverter module.

Description

Beschreibung description
Anlage zum Stabilisieren eines Wechselspannungsnetzes System for stabilizing an AC voltage network
Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Stabilisieren eines Wechselspannungsnetzes mit einem Stromrichter und wenigstens einem elektrischen Energiespeicher. The invention relates to a system for stabilizing an AC voltage network with a converter and at least one electrical energy store.
Mittels des elektrischen Energiespeichers kann beispielsweise dem Wechselspannungsnetz entnommene elektrische Energie ge speichert werden und diese zu einem anderen Zeitpunkt dem Wechselspannungsnetz zur Verfügung gestellt werden. Auf diese Weise ist die Anlage sowohl zum Austausch von Blindleistung als auch von Wirkleistung mit dem Wechselspannungsnetz einge richtet . By means of the electrical energy store, electrical energy taken from the AC voltage network can be stored, for example, and this can be made available to the AC voltage network at another time. In this way, the system is set up to exchange both reactive power and active power with the AC network.
Durch einen Austausch der Wirkleistung zwischen dem elektri schen Energiespeicher und dem Wechselspannungsnetz kann bei spielsweise die Frequenz im Wechselspannungsnetz beeinflusst werden. Ist das Wechselspannungsnetz beispielsweise ein Ener gieversorgungsnetz, so ist die Grundfrequenz einer Wechsel spannung im Wechselspannungsnetz meist 50 Hz oder 60 Hz. Die se Frequenz soll nach Möglichkeit in der Zeit konstant blei ben. Aufgrund einer geänderten Leistungsaufnahme durch ange schlossene Verbraucher und/oder Leistungsabgabe durch ange schlossene Erzeuger unterliegt sie jedoch zeitlichen Fluktua tionen. Die Stabilisierung der Frequenz und damit des Wech selspannungsnetzes kann in solchen Fällen dadurch erreicht werden, dass bei Frequenzerhöhung im Wechselspannungsnetz (Überfrequenz) die Kompensationsanlage zu einer Wirkleis tungsaufnahme und bei einer Frequenzsenkung (Unterfrequenz) zu einer Wirkleistungsabgabe veranlasst wird. By exchanging the active power between the electrical energy store's and the AC network, the frequency in the AC network can be influenced, for example. If the AC voltage network is, for example, an energy supply network, the basic frequency of an AC voltage in the AC voltage network is usually 50 Hz or 60 Hz. This frequency should, if possible, remain constant over time. However, due to a change in power consumption by connected consumers and / or power output by connected producers, it is subject to fluctuations over time. The stabilization of the frequency and thus the AC voltage network can be achieved in such cases by causing the compensation system to take up active power when the frequency in the AC network increases (overfrequency) and to deliver active power when the frequency is reduced (underfrequency).
Bekannte Anlagen zur Stützung eines Wechselspannungsnetzes bestehen beispielsweise aus einem Niederspannungswechselrich ter, der über einen Transformator zur Spannungsanpassung an das Wechselspannungsnetz angeschlossen ist. Mit einer zuneh menden Nennleistung steigen dabei die Blindleistungsverluste durch den Transformator. Zudem wird der Transformator selbst immer größer. Bei Leistungen oberhalb von 10 MW muss schließ lich ein kostenintensiver Hochspannungstransformator einge setzt werden. Bedingt durch den Einsatz eines Niederspan nungsenergiespeichers nimmt auch der Oberschwingungsgehalt zu, welcher durch aufwendige Gegenmaßnahmen, wie Passivfil ter, verringert werden muss. Known systems for supporting an AC network consist, for example, of a low-voltage inverter which is connected to the AC network via a transformer for voltage adjustment. The reactive power losses increase with an increasing nominal power through the transformer. In addition, the transformer itself is getting bigger and bigger. A cost-intensive high-voltage transformer must finally be used for outputs above 10 MW. Due to the use of a low-voltage energy storage device, the harmonic content also increases, which has to be reduced by complex countermeasures such as passive filters.
Wird hingegen der elektrische Energiespeicher bei einer hohen Gleichspannung betrieben, so wird eine aufwendige Isolation innerhalb der Anlage erforderlich. Bei einem Einsatz von Bat teriespeichern ist dies besonders problematisch, da Batterie speicher stets eine Restspannung aufweisen. Diese Restspan nung erschwert insbesondere eine Wartung der Anlage. If, on the other hand, the electrical energy store is operated at a high DC voltage, complex insulation within the system is required. If battery storage is used, this is particularly problematic since battery storage always has residual voltage. This residual voltage makes maintenance of the system particularly difficult.
Eine artgemäße Anlage ist aus der WO 2016/150466 Al bekannt. Der Stromrichter der bekannten Anlage umfasst in einer Drei eckschaltung verbundene Stromrichterarme. In jedem Strom richterarm ist eine Reihenschaltung von Schaltmodulen vorge sehen, wobei jedes Schaltmodul einen schaltmoduleigenen elektrischen Energiespeicher aufweist. A type-appropriate system is known from WO 2016/150466 Al. The converter of the known system comprises converter arms connected in a triangular circuit. In each converter arm, a series connection of switching modules is easily seen, each switching module having an electrical energy storage unit belonging to the switching module.
Aus der EP 3 361 598 A2 ist ferner eine Anordnung bekannt, die einen modularen Stromrichter in einer sogenannten Doppel sternanordnung umfasst. Gleichspannungsseitig des Stromrich ters und zu diesem Parallel ist ein elektrischer Energiespei cher bereitgestellt, der eine Vielzahl parallel- und reihen geschalteter Energiespeichermodule aufweist. From EP 3 361 598 A2 an arrangement is also known which comprises a modular converter in a so-called double star arrangement. On the DC voltage side of the converter and in parallel with this, an electrical energy store is provided which has a multiplicity of energy storage modules connected in parallel and in series.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine eingangs genannte An lage vorzuschlagen, die möglichst kostengünstig und zuverläs sig ist. The object of the invention is to propose a position mentioned at the outset, which is as cost-effective and reliable as possible.
Die Aufgabe wird bei einer artgemäßen Anlage erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Stromrichter ein Matrix-Umrichter ist, der primärseitig mit einem m-phasigen Wechselspannungs netz verbindbar ist und dessen Sekundärseite einen n- phasigen Anschluss aufweist, die Anlage ferner wenigstens ei- nen Transformator umfasst, der mit der Sekundärseite des Mat rix-Umrichters verbindbar ist, zudem wenigstens ein Wechsel richtermodul vorgesehen ist, das eine Wechselspannungsseite und eine Gleichspannungsseite aufweist, wobei die Wechsel spannungsseite mittels des Transformators mit der Sekundär seite des Matrix-Umrichters verbindbar ist, und der elektri sche Energiespeicher mit der Gleichspannungsseite des Wech selrichtermoduls verbindbar ist. Mit der erfindungsgemäßen Anlage kann demnach eine netzfrequente, beispielsweise drei phasige Wechselspannung, beispielsweise im Mittelspannungsbe reich, mittels des Matrixumrichters in eine Wechselspannung höherer Frequenz, vorzugsweise einer Frequenz zwischen 100 Hz und 500 Hz, umgewandelt werden. Diese Wechselspannung höherer Frequenz kann mittels des Transformators, beispielsweise mit tels eines kompakten Hochfrequenztransformators , auf eine niedrigere Spannungsamplitude, bevorzugt zwischen 500 V und 1 kV, überführt werden. Diese Wechselspannung niedrigerer Span nungsamplitude kann wiederum mittels des wenigstens einen Wechselrichtermoduls in eine Gleichspannung umgewandelt wer den. Die erfindungsgemäße Anlage erlaubt es, einige Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Die Wandlungsverluste sind aufgrund der Möglichkeit der Verwendung höherer Überset zungsfrequenzen reduziert. Auch ist es möglich, kompaktere und kostengünstigere Transformatoren einzusetzen. Durch die Anbindung des elektrischen Energiespeichers auf einem nieder frequenten Potenzial ist die Wartung der Anlage erleichtert. Bei einer Anbindung an ein dreiphasiges Wechselspannungsnetz ist der Matrix-Umrichter zweckmäßigerweise primärseitig mit einem dreiphasigen Anschluss versehen, um mit einem dreipha sigen Wechselspannungsnetz verbindbar zu sein. The object is achieved according to the invention in a system of this type in that the converter is a matrix converter which can be connected on the primary side to an m-phase AC voltage network and whose secondary side has an n-phase connection, and the system also has at least one NEN transformer, which can be connected to the secondary side of the matrix converter, at least one inverter module is provided, which has an AC voltage side and a DC voltage side, the AC voltage side being connectable to the secondary side of the matrix converter by means of the transformer, and the electrical cal energy storage device can be connected to the DC voltage side of the inverter module. Accordingly, with the system according to the invention, a line frequency, for example three-phase AC voltage, for example in the medium voltage range, can be converted into an AC voltage of higher frequency, preferably a frequency between 100 Hz and 500 Hz, by means of the matrix converter. This alternating voltage of higher frequency can be converted to a lower voltage amplitude, preferably between 500 V and 1 kV, by means of the transformer, for example by means of a compact high-frequency transformer. This alternating voltage of lower voltage amplitude can in turn be converted into a direct voltage by means of the at least one inverter module. The system according to the invention makes it possible to overcome some of the disadvantages of the prior art. The conversion losses are reduced due to the possibility of using higher transmission frequencies. It is also possible to use more compact and less expensive transformers. The maintenance of the system is made easier by connecting the electrical energy store to a low-frequency potential. When connected to a three-phase AC network, the matrix converter is expediently provided on the primary side with a three-phase connection in order to be able to be connected to a three-phase AC network.
Vorzugsweise ist der Matrix- Umrichter ein modularer Mehrstu fenumrichter. Ein modularer Mehrstufenumrichter (MMC) umfasst in seinem Grundaufbau mehrere Konverterarme, wobei jeder Kon verterarm eine Serienschaltung zweipoliger Schaltmodule auf weist. Häufig verwendete Schaltmodultypen sind Schaltmodule in Halbbrückenschaltung bzw. in Vollbrückenschaltung. Jedes der Schaltmodule des modularen Mehrstufenumrichters ist mit- tels einer Ansteuereinrichtung einzeln ansteuerbar. Eine an einem der Konverterarme abfallende Spannung ist gleich der Summe von Spannungen, die an den zugehörigen Schaltmodulen abfallen. Mittels des MMC ist eine besonders vorteilhafte stufenförmige Konverterspannung erzeugbar. The matrix converter is preferably a modular multi-stage converter. The basic structure of a modular multi-stage converter (MMC) comprises several converter arms, each converter arm having a series connection of two-pole switching modules. Switch module types that are frequently used are switch modules in half-bridge circuit or in full-bridge circuit. Each of the switching modules of the modular multi-stage converter is means of a control device individually controllable. A voltage drop across one of the converter arms is equal to the sum of voltages drop across the associated switching modules. A particularly advantageous step-shaped converter voltage can be generated by means of the MMC.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist n=2. In diesem Fall sind ein erster und ein zweiter sekundärseitiger An schluss des Matrix-Umrichters vorgesehen, wobei der wenigs tens eine Transformator ein Einphasentransformator ist, mit tels dessen Primärwicklung die beiden sekundärseitigen An schlüsse miteinander verbunden sind. Der Stromrichter stellt also sekundärseitig eine einphasige Wechselspannung bereit, die mittels des Einphasentransformators auf ein niedrigeres Spannungsniveau übersetzt werden kann. Entsprechend weist das wenigstens eine Wechselrichtermodul wechselspannungsseitig einen einphasigen Anschluss. Ein solcher Aufbau der Anlage ist vorteilhaft einfach, insbesondere durch den einfachen Aufbau des Einphasentransformators. According to one embodiment of the invention, n = 2. In this case, a first and a second secondary-side connection of the matrix converter are provided, the at least one transformer being a single-phase transformer, by means of whose primary winding the two secondary-side connections are connected to one another. The converter therefore provides a single-phase AC voltage on the secondary side, which can be converted to a lower voltage level by means of the single-phase transformer. Accordingly, the at least one inverter module has a single-phase connection on the AC voltage side. Such a construction of the plant is advantageously simple, in particular due to the simple construction of the single-phase transformer.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der obigen Ausfüh rungsvariante sind mehrere Einphasentransformatoren und ihnen zugeordnete Wechselrichtermodule und Energiespeichermodule vorgesehen. Dabei sind die Primärwicklungen der Einphasen transformatoren ein einer Parallelschaltung miteinander ver bunden. Eine Sekundärwicklung eines jeden der Einphasentrans formatoren ist entsprechend mit der Wechselspannungsseite des zugeordneten Wechselrichtermoduls verbindbar, wobei die According to an advantageous embodiment of the above embodiment, several single-phase transformers and associated inverter modules and energy storage modules are provided. The primary windings of the single-phase transformers are connected together in a parallel connection. A secondary winding of each of the single-phase transformers can be connected accordingly to the AC voltage side of the associated inverter module, the
Gleichspannungsseite eines jeden der Wechselrichtermodule mit dem diesem Wechselrichtermodul zugeordneten Energiespeicher verbindbar ist. Die Sekundärseite des Stromrichters ist hier mit mit einer Vielzahl von parallelgeschalteten Transformato ren verbunden. Durch die Parallelschaltung der Transformato ren kann die Stromtragfähigkeit der Anlage erhöht werden. DC voltage side of each of the inverter modules can be connected to the energy store assigned to this inverter module. The secondary side of the converter is connected to a large number of transformers connected in parallel. The current carrying capacity of the system can be increased by connecting the transformers in parallel.
Gemäß einer alternativen Variante sind mehrere Einphasen transformatoren und ihnen zugeordnete Wechselrichtermodule und Energiespeichermodule vorgesehen, wobei die Primärwick- lungen der Einphasentransformatoren ein einer Reihenschaltung miteinander verbunden sind. Hierbei ist die Sekundärwicklung eines jeden der Einphasentransformatoren mit der Wechselspan nungsseite des zugeordneten Wechselrichtermoduls verbindbar, wobei die Gleichspannungsseite eines jeden der Wechsel- richtermodule mit dem diesem Wechselrichtermodul zugeordneten Energiespeicher verbindbar ist. Die Sekundärseite des Strom richters ist hiermit mit einer Vielzahl von in Reihe geschal teten Transformatoren verbunden. Durch die Reihenschaltung der Transformatoren kann die erreichbare Spannung vorteilhaft erhöht werden. In den oben beschriebenen Ausführungsformen können zur Stromerhöhung die Gleichspannungsseiten der Wech- selrichtermodule des Weiteren parallelgeschaltet werden. According to an alternative variant, a plurality of single-phase transformers and associated inverter modules and energy storage modules are provided, the primary winding lungs of the single-phase transformers are connected to one another in a series circuit. In this case, the secondary winding of each of the single-phase transformers can be connected to the AC voltage side of the associated inverter module, the DC voltage side of each of the inverter modules being connectable to the energy store assigned to this inverter module. The secondary side of the converter is hereby connected to a large number of transformers connected in series. The achievable voltage can advantageously be increased by connecting the transformers in series. In the above-described embodiments, the DC voltage sides of the inverter modules can also be connected in parallel to increase the current.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist n=3. Damit sind ein erster, ein zweiter und ein dritter sekundärseitiger An schluss des Matrix-Umrichters vorgesehen, wobei der wenigs tens eine Transformator ein Dreiphasentransformator ist, und das wenigstens eine Wechselrichtermodul eine dreiphasige Wechselspannungsseite aufweist. Der sekundärseitige Anschluss des Matrix-Umrichters ist damit dreiphasig. Entsprechend ist auch die Wechselspannungsseite des Wechselrichtermoduls drei phasig ausgestaltet. According to one embodiment of the invention, n = 3. A first, a second and a third secondary-side connection of the matrix converter are thus provided, the at least one transformer being a three-phase transformer, and the at least one inverter module having a three-phase AC voltage side. The secondary connection of the matrix converter is therefore three-phase. Accordingly, the AC voltage side of the inverter module is also configured in three phases.
Zweckmäßigerweise sind mehrere Transformatoren und ihnen zu geordnete Wechselrichtermodule und Energiespeichermodule vor gesehen. Dabei sind die Primärwicklungen der Transformatoren ein einer Parallelschaltung miteinander verbunden und die Se kundärwicklungen eines jeden der Transformatoren mit der Wechselspannungsseite des zugeordneten Wechselrichtermoduls verbindbar ist, wobei die Gleichspannungsseite eines jeden der Wechselrichtermodule mit dem ihm zugeordneten Energie speicher verbindbar ist. Die Sekundärseite des Stromrichters ist hiermit mit einer Vielzahl von parallelgeschalteten Expediently, several transformers and inverter modules and energy storage modules assigned to them are seen before. The primary windings of the transformers are connected to one another in parallel and the secondary windings of each of the transformers can be connected to the AC voltage side of the associated inverter module, the DC voltage side of each of the inverter modules being connectable to the energy store assigned to them. The secondary side of the converter is hereby connected with a large number of parallel ones
Transformatoren verbunden. Durch die Parallelschaltung der Transformatoren kann die Stromtragfähigkeit der Anlage erhöht werden . Geeigneterweise umfasst das wenigstens eine Wechselrichtermo dul eine n-phasige Brückenschaltung mit Leistungshalbleiter schaltern. Damit kann die Brückenschaltung insbesondere zwei- phasig oder dreiphasig sein, wobei die Wechselspannungsseite des Wechselrichtermoduls über einen entsprechend n-phasigen Anschluss verfügt. Die Brückenschaltung kann beispielsweise eine dem Fachmann bekannte Vollbrückenschaltung sein. Dabei umfasst die Brückenschaltung n parallel angeordnete Reihen schaltungen von jeweils zwei der Leistungshalbleiterschalter, wobei die beiden äußeren Potenzialpunkte der Reihenschaltun gen der Leistungshalbleiterschalter zweckmäßigerweise mit der Gleichspannungsseite des Wechselrichtermoduls verbunden sind. Die Anschlüsse der Wechselspannungsseite des Wechselrichter moduls sind geeigneterweise mit Potenzialpunkten zwischen den Leistungshalbleiterschalter jedes der Reihenschaltungen ver bunden . Connected transformers. The current carrying capacity of the system can be increased by connecting the transformers in parallel. The at least one inverter module suitably comprises an n-phase bridge circuit with power semiconductors. The bridge circuit can thus be in particular two-phase or three-phase, the AC voltage side of the inverter module having a corresponding n-phase connection. The bridge circuit can be, for example, a full bridge circuit known to the person skilled in the art. In this case, the bridge circuit comprises n series circuits, each arranged in parallel, of two of the power semiconductor switches, the two outer potential points of the series circuits of the power semiconductor switches advantageously being connected to the DC voltage side of the inverter module. The connections on the AC voltage side of the inverter module are suitably connected to potential points between the power semiconductor switches of each of the series connections.
Vorzugsweise umfasst das wenigstens eine Wechselrichtermodul, einen Brückenkondensator in einer Parallelschaltung zu der Brückenschaltung. Damit ist der Brückenkondensator beispiels weise direkt mit der Gleichspannungsseite des Wechselrichter moduls verbunden. The at least one inverter module preferably comprises a bridge capacitor in a parallel connection to the bridge circuit. So that the bridge capacitor is connected, for example, directly to the DC voltage side of the inverter module.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das wenigs tens eine Wechselrichtermodul ferner ein DCDC-Wandler, der mit einer Gleichspannungsseite der Brückenschaltung verbunden ist . According to one embodiment of the invention, the at least one inverter module further comprises a DCDC converter, which is connected to a DC voltage side of the bridge circuit.
Bevorzugt weist der DCDC-Wandler zwei Halbleiterschalter so wie einen Wandlerkondensator in einer Halbbrückenschaltung auf, wobei die Gleichspannungsseite des Wechselrichtermoduls parallel zum Wandlerkondensator angeordnet ist. Zwischen der Brückenschaltung und dem DCDC-Wandler kann zudem eine Glät tungsdrossel angeordnet sein. The DCDC converter preferably has two semiconductor switches and a converter capacitor in a half-bridge circuit, the DC voltage side of the inverter module being arranged in parallel with the converter capacitor. A smoothing choke can also be arranged between the bridge circuit and the DCDC converter.
Es wird als vorteilhaft angesehen, wenn der Transformator ein Mittel- oder Hochfrequenztransformator ist. Die Arbeitsfre- quenz des Transformators kann damit beispielsweise bei über 100 Hz liegen, insbesondere zwischen 100 Hz und 500 Hz. It is considered advantageous if the transformer is a medium or high frequency transformer. The working hours The frequency of the transformer can thus be, for example, over 100 Hz, in particular between 100 Hz and 500 Hz.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren 1 bis 15 weiter erläutert. The invention is further explained below with reference to FIGS. 1 to 15.
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Anlage in einer schematischen Darstellung; Figure 1 shows a first embodiment of an inventive system in a schematic representation;
Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Anlage in einer schematischen Darstellung; Figure 2 shows a second embodiment of an inventive system in a schematic representation;
Figur 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Anlage in einer schematischen Darstellung; Figure 3 shows a third embodiment of an inventive system in a schematic representation;
Figur 4 zeigt ein erstes Beispiel eines Matrix-Umrichters in einer schematischen Darstellung; Figure 4 shows a first example of a matrix converter in a schematic representation;
Figur 5 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Anlage in einer schematischen Darstellung; Figure 5 shows a fourth embodiment of an inventive system in a schematic representation;
Figur 6 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Anlage in einer schematischen Darstellung; Figure 6 shows a fifth embodiment of an inventive system in a schematic representation;
Figur 7 zeigt ein zweites Beispiel eines Matrix-Umrichters in einer schematischen Darstellung; FIG. 7 shows a second example of a matrix converter in a schematic illustration;
Figur 8 zeigt ein Beispiel eines Schaltmoduls für einen der Matrix-Umrichter der Figuren 4 und 7 in einer schematischen Darstellung; FIG. 8 shows an example of a switching module for one of the matrix converters of FIGS. 4 and 7 in a schematic illustration;
Figuren 9 und 10 zeigen jeweils ein Beispiel eines Wechsel richtermoduls in einer schematischen Darstellung; Figures 9 and 10 each show an example of an inverter module in a schematic representation;
Figur 11 zeigt ein Beispiel einer Brückenschaltung für eines der Wechselrichtermodule der Figuren 9 und 10; Figuren 12 und 13 zeigen weitere Beispiele für ein Wechsel richtermodul in einer schematischen Darstellung; FIG. 11 shows an example of a bridge circuit for one of the inverter modules of FIGS. 9 and 10; Figures 12 and 13 show further examples of an inverter module in a schematic representation;
Figur 14 zeigt ein Beispiel einer Brückenschaltung für eines der Wechselrichtermodule der Figuren 12 und 13 in einer sche matischen Darstellung; FIG. 14 shows an example of a bridge circuit for one of the inverter modules of FIGS. 12 and 13 in a schematic representation;
Figur 15 zeigt ein Beispiel eines DCDC-Wandlers für eines der Wechselrichtermodule der Figuren 9, 10, 12 und 13. FIG. 15 shows an example of a DCDC converter for one of the inverter modules of FIGS. 9, 10, 12 and 13.
In Figur 1 ist eine Anlage 1 zum Stabilisieren eines Wechsel spannungsnetzes 2 dargestellt. Die Anlage umfasst einen In Figure 1, a system 1 for stabilizing an AC network 2 is shown. The facility includes one
Stromrichter 3, der ein Matrix-Umrichter ist. Auf den Aufbau des Stromrichters 3 wird in der nachfolgenden Figur 4 näher eingegangen. Der Stromrichter 3 weist einen primärseitigen dreiphasigen Wechelspannungsanschluss 4 und ist damit mit dem dreiphasigen Wechselspannungsnetz 2 verbindbar. Über eine Se kundärseite mit einem sekundärseitigen, einphasigen Anschluss 5 ist der Stromrichter 3 mit einem Einphasentransformator, im gezeigten Ausführungsbeispiel einem einphasigen Mittelfreu- quenztransformator 6, bzw. dessen Primärwicklung verbunden. Über eine Sekundärwicklung ist der Mittelfrequenztransforma tor 6 mit einer Wechselspannungsseite 8 eines Wechselrichter moduls 7 verbunden. Auf den Aufbau des Wechselrichtermoduls 7 wird in den nachfolgenden Figuren 9-11 näher eingegangen. Die Anlage 1 umfasst ferner einen elektrischen Energiespeicher 10, der mit einer Gleichspannungsseite 9 des Wechselrichter moduls 7 verbunden ist. Im dargestellten Beispiel ist der elektrische Energiespeicher 10 ein Batteriespeicher. Power converter 3, which is a matrix converter. The structure of the converter 3 is discussed in more detail in the following FIG. 4. The converter 3 has a three-phase AC voltage connection 4 on the primary side and can therefore be connected to the three-phase AC voltage network 2. The converter 3 is connected via a secondary side with a secondary-side, single-phase connection 5 to a single-phase transformer, in the exemplary embodiment shown a single-phase medium-frequency transformer 6, or its primary winding. The medium-frequency transformer 6 is connected to an AC voltage side 8 of an inverter module 7 via a secondary winding. The structure of the inverter module 7 is discussed in more detail in the following FIGS. 9-11. The system 1 further comprises an electrical energy store 10 which is connected to a DC voltage side 9 of the inverter module 7. In the example shown, the electrical energy store 10 is a battery store.
Die Anlage umfasst ferner eine Ansteuereinheit 11 zum Steuern des Stromrichters 3 mittels einer Ansteuerung dessen steuer barer Halbleiterschalter. Die Ansteuereinheit 11 kann darüber hinaus Regelung des Leistungsaustausches zwischen der Anlage 1 und dem Wechselspannungsnetz 2 durchführen. Ströme und Spannungen sowohl auf der Primärseite als auch auf der Sekun därseite des Stromrichters 3 werden mittels geeigneter Mess vorrichtungen 12-14 erfasst und der Ansteuereinheit 11 zuge- führt, welche in Abhängigkeit von Betriebspunktvorgaben An steuersignale für den Stromrichter 3 und die übrigen Elemente der Anlage 1 generiert. The system further comprises a control unit 11 for controlling the converter 3 by means of a control of its controllable semiconductor switch. The control unit 11 can also perform regulation of the power exchange between the system 1 and the AC network 2. Currents and voltages both on the primary side and on the secondary side of the converter 3 are detected by means of suitable measuring devices 12-14 and assigned to the control unit 11. leads, which generates control signals for the converter 3 and the other elements of the system 1 as a function of operating point specifications.
In Figur 2 ist eine Anlage 15 zum Stabilisieren eines Wech selspannungsnetzes 2 dargestellt. Gleiche und gleichartige Elemente und Anlagenteile sind in den Figuren 1 und 2 mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Aufbau der Anlage 15 entspricht weitgehend demjenigen der Anlage 1 der Figur 1.In Figure 2, a system 15 for stabilizing an AC voltage network 2 is shown. Identical and similar elements and system parts are provided with the same reference symbols in FIGS. 1 and 2. The structure of system 15 largely corresponds to that of system 1 in FIG. 1.
Aus Übersichtlichkeitsgründen wird daher im Folgenden ledig lich auf die Unterschiede zwischen den Anlagen 1 und 15 ein gegangen. Gleiches gilt im Übrigen auch für die Figur 3. For reasons of clarity, only the differences between Annexes 1 and 15 will be discussed below. The same also applies to FIG. 3.
Im Unterschied zur Anlage 1 der Figur 1 umfasst die Anlage 15 eine Mehrzahl von Einphasentransformatoren 6a, 6b, die alsIn contrast to system 1 in FIG. 1, system 15 comprises a plurality of single-phase transformers 6a, 6b, which are designed as
Mittelfrequenztransformatoren ausgebildet sind. Im darge stellten Beispiel sind es zwei, es ist jedoch denkbar und oh ne weiteres möglich, deren Anzahl grundsätzlich beliebig mit entsprechendem Aufbau zu erhöhen. Die Mittelfrequenztransfor matoren 6a, b sind primärseitig in einer Parallelschaltung miteinander verbunden. Jeder der Mittelfrequenztransformato ren 6a, b ist sekundärseitig mit einem eigenen Wechsel richtermodul 7a bzw. 7b verbunden, dessen Gleichspannungssei te 9 jeweils mit einem zugeordneten elektrischen Energiespei cher 10a bzw. 10b verbunden ist. Medium-frequency transformers are designed. In the example shown there are two, but it is conceivable and possible without any further, the number of which can in principle be increased arbitrarily with a corresponding structure. The medium frequency transformers 6a, b are connected to one another on the primary side in a parallel circuit. Each of the medium-frequency transformers 6a, b is connected on the secondary side to its own inverter module 7a or 7b, the DC voltage side 9 of which is connected to an associated electrical energy storage device 10a or 10b.
Die Anlage 15 verfügt, wie die Anlage 1, über eine dazu gleichartig aufgebaute Ansteuereinheit mit entsprechenden Messvorrichtungen, die jedoch in Figur 2 figürlich nicht ex plizit dargestellt ist. The system 15, like the system 1, has a control unit of the same design with corresponding measuring devices, which is, however, not shown explicitly in FIG. 2.
In Figur 3 ist eine Anlage 16 zum Stabilisieren des Wechsel spannungsnetzes 2 dargestellt. In Figure 3, a system 16 for stabilizing the AC network 2 is shown.
Im Unterschied zur Anlage 1 der Figur 1 umfasst die Anlage 16 eine Mehrzahl von Einphasentransformatoren 6c, 6d, die alsIn contrast to system 1 in FIG. 1, system 16 comprises a plurality of single-phase transformers 6c, 6d, which are used as
Mittelfrequenztransformatoren ausgebildet sind. Im darge stellten Beispiel sind es zwei, es ist jedoch denkbar und oh- ne weiteres möglich, deren Anzahl grundsätzlich beliebig mit entsprechendem Aufbau zu erhöhen. Die Mittelfrequenztransfor- matoren 6c, d sind primärseitig in einer Reihenschaltung mit einander verbunden. Jeder der Mittelfrequenztransformatoren 6c, d ist sekundärseitig mit einem eigenen Wechselrichtermo dul 7c bzw. 7d verbunden, dessen Gleichspannungsseite 9 je weils mit einem zugeordneten elektrischen Energiespeicher 10c bzw. lOd verbunden ist. Medium-frequency transformers are designed. In the example shown there are two, but it is conceivable and oh- ne further possible, the number of which can be increased in principle with the appropriate structure. The medium-frequency transformers 6c, d are connected to one another on the primary side in a series connection. Each of the medium-frequency transformers 6c, d is connected on the secondary side to its own inverter module 7c or 7d, the DC voltage side 9 of which is connected to an associated electrical energy store 10c or 10d.
Auch die Anlage 16 verfügt, wie die Anlagen 1 und 15 der Fi guren 1 und 2, über eine Ansteuereinheit mit entsprechenden Messvorrichtungen, die jedoch in Figur 3 figürlich nicht ex plizit dargestellt ist. The system 16, like the systems 1 and 15 of FIGS. 1 and 2, also has a control unit with corresponding measuring devices, which, however, is not shown explicitly in FIG. 3.
Figur 4 zeigt einen Stromrichter 3 für eine der Anlagen 1,FIG. 4 shows a converter 3 for one of the systems 1,
15, 16 der Figuren 1 bis 3. Der Stromrichter 3 ist ein Mat rix-Umrichter mit einer Primärseite 21 und einer Sekundärsei te 22. Die Primärseite 21 weist einen dreiphasigen Anschluss 23 mit drei Anschlusszweigen A, B, C auf, mittels dessen der Stromrichter beispielsweise mit einem dreiphasigen Wechsel spannungsnetz verbindbar ist. Die Sekundärseite 22 weist ei nen einphasigen Anschluss 24 mit zwei Anschlusszweigen U, V auf, mittels dessen der Stromrichter 3 beispielsweise mit ei nem Einphasentransformator verbindbar ist. Der Stromrichter 3 umfasst sechs Umrichterarme 25 bis 30, wobei jeder primärsei tige Anschlusszweig A-C jeweils über einen der Umrichterarme 25-30 mit einem sekundärseitigen Anschlusszweig U,V verbunden ist. Im in Figur 4 dargestellten Beispiel sind die Umrichter arme 25-30 gleichartig aufgebaut, was jedoch im Allgemeinen nicht notwendig ist. Jeder Umrichterarm 25-30 weist eine Glättungsinduktivität 31 sowie eine Reihenschaltung zweipoli ger Schaltmodule 32 auf. Die Anzahl der Schaltmodule 32 in einem Umrichterarm kann bis zu mehreren Hundert und mehr be tragen. Auf den Aufbau der Schaltmodule 32 wird nachfolgend in der Figur 8 näher eingegangen. Der Stromrichter kann fer ner eine figürlich nicht dargestellte, eigene Steuerungsvor richtung umfassen. In Figur 5 ist eine Anlage 33 zum Stabilisieren des Wechsel spannungsnetzes 2 dargestellt. Gleiche und gleichartige Ele mente und Anlagenteile sind in den Figuren 1 und 5 mit glei chen Bezugszeichen versehen. Der Aufbau der Anlage 33 ent spricht weitgehend demjenigen der Anlage 1 der Figur 1. Aus Übersichtlichkeitsgründen wird daher im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zwischen den Anlagen 1 und 33 eingegan gen. Gleiches gilt im Übrigen auch für die nachfolgende Figur 6. 15, 16 of Figures 1 to 3. The converter 3 is a matrix converter with a primary side 21 and a secondary side 22. The primary side 21 has a three-phase connection 23 with three connection branches A, B, C, by means of which the converter for example, can be connected to a three-phase alternating voltage network. The secondary side 22 has a single-phase connection 24 with two connection branches U, V, by means of which the converter 3 can be connected, for example, to a single-phase transformer. The converter 3 comprises six converter arms 25 to 30, each primary-side connection branch AC being connected in each case via one of the converter arms 25-30 to a connection branch U, V on the secondary side. In the example shown in Figure 4, the converter arms 25-30 are constructed in the same way, but this is generally not necessary. Each converter arm 25-30 has a smoothing inductance 31 and a series connection of two-pole switching modules 32. The number of switching modules 32 in a converter arm can be up to several hundred and more. The structure of the switching modules 32 is discussed in more detail below in FIG. 8. The converter can also comprise a separate control device, not shown in the figure. In Figure 5, a system 33 for stabilizing the AC voltage network 2 is shown. The same and similar elements and system components are provided with the same reference numerals in FIGS. 1 and 5. The structure of system 33 largely corresponds to that of system 1 in FIG. 1. For reasons of clarity, only the differences between systems 1 and 33 will be discussed below. The same also applies to the following FIG. 6.
Die Anlage 33 umfasst einen Stromrichter 34. Der Stromrichter 34 weist einen primärseitigen dreiphasigen Wechelspannungsan- schluss 4 und ist damit mit dem dreiphasigen Wechselspan nungsnetz 2 verbindbar. Über eine Sekundärseite mit einem se kundärseitigen, ebenfalls dreiphasigen Anschluss 35 ist der Stromrichter 34 mit einem Dreiphasentransformator 36, im ge zeigten Ausführungsbeispiel einem einphasigen Mittelfreu- quenztransformator, verbunden. Über dessen Sekundärwicklungen ist der Mittelfrequenztransformator 36 mit einer Wechselspan nungsseite 38 eines Wechselrichtermoduls 37 verbunden. Auf den Aufbau des Wechselrichtermoduls 37 wird in den nachfol genden Figuren 12-14 näher eingegangen. The system 33 comprises a converter 34. The converter 34 has a three-phase AC voltage connection 4 on the primary side and can therefore be connected to the three-phase AC voltage network 2. The converter 34 is connected to a three-phase transformer 36, in the exemplary embodiment shown a single-phase medium-frequency transformer, via a secondary side with a customer-side, likewise three-phase connection 35. Via its secondary windings, the medium-frequency transformer 36 is connected to an AC voltage side 38 of an inverter module 37. The structure of the inverter module 37 is discussed in more detail in the following FIGS. 12-14.
In Figur 6 ist eine Anlage 39 zum Stabilisieren des Wechsel spannungsnetzes 2 dargestellt. Im Unterschied zur Anlage 33 der Figur 5 umfasst die Anlage 34 eine Mehrzahl von Dreipha sentransformatoren 36a, 36b, die als Mittelfrequenztransfor- matoren ausgebildet sind. Im dargestellten Beispiel sind es zwei, es ist jedoch denkbar und ohne weiteres möglich, deren Anzahl grundsätzlich beliebig mit entsprechendem Aufbau zu erhöhen. Die Mittelfrequenztransformatoren 36a, 36b sind pri märseitig in einer Parallelschaltung miteinander verbunden. Jeder der Mittelfrequenztransformatoren 36a, 36b ist sekun därseitig mittels entsprechender Anschlüsse 38 mit einem ei genen Wechselrichtermodul 37a bzw. 37b verbunden, dessen Gleichspannungsseite 9 jeweils mit einem zugeordneten In Figure 6, a system 39 for stabilizing the AC voltage network 2 is shown. In contrast to the system 33 in FIG. 5, the system 34 comprises a plurality of three-phase transformers 36a, 36b, which are designed as medium-frequency transformers. In the example shown there are two, but it is conceivable and easily possible to increase the number in principle arbitrarily with a corresponding structure. The medium-frequency transformers 36a, 36b are connected to one another on the primary side in a parallel connection. Each of the medium-frequency transformers 36a, 36b is connected on the secondary side by means of corresponding connections 38 to an internal inverter module 37a or 37b, the DC voltage side 9 of which is associated with one
elektrischen Energiespeicher lOe bzw. lOf verbunden ist. Auch die Anlagen 33 und 39 verfügen, wie die Anlage 1 der Fi gur 1, über eine Ansteuereinheit mit entsprechenden Messvor richtungen, die jedoch in den obigen Figuren 5 und 6 figür lich nicht explizit dargestellt sind. electrical energy storage lOe or lOf is connected. The systems 33 and 39, like the system 1 in FIG. 1, also have a control unit with corresponding measuring devices, which, however, are not explicitly illustrated in FIGS. 5 and 6 above.
Figur 7 zeigt einen Stromrichter 34 für eine der Anlagen 33, 39 der Figuren 5 und 6. Gleiche und gleichartige Elemente und Anlagenteile sind in den Figuren 4 und 7 mit gleichen Bezugs zeichen versehen. Aus Übersichtlichkeitsgründen wird im Fol genden lediglich auf die Unterschiede zwischen den Stromrich tern 3 und 34 eingegangen. Figure 7 shows a converter 34 for one of the systems 33, 39 of Figures 5 and 6. The same and similar elements and system parts are provided with the same reference numerals in Figures 4 and 7. For reasons of clarity, only the differences between the converters 3 and 34 will be discussed in the fol lowing.
Der Stromrichter 34 ist ein Matrix-Umrichter mit einer Pri märseite 21 und einer Sekundärseite 41. Im Unterschied zum Stromrichter 3 der Figur 4 weist die Sekundärseite 41 einen dreiphasigen Anschluss 40 mit drei Anschlusszweigen U, V und W auf, mittels dessen der Stromrichter 34 beispielsweise mit einem Dreiphasentransformator verbindbar ist. Der Stromrich ter 34 umfasst neun Umrichterarme 42 bis 50, wobei jeder pri märseitige Anschlusszweig A-C jeweils über einen der Um richterarme 42-50 mit einem sekundärseitigen Anschlusszweig U,V,W verbunden ist. Im in Figur 7 dargestellten Beispiel sind die Umrichterarme 42-50 gleichartig aufgebaut, was je doch im Allgemeinen nicht notwendig ist. The converter 34 is a matrix converter with a primary side 21 and a secondary side 41. In contrast to the converter 3 in FIG. 4, the secondary side 41 has a three-phase connection 40 with three connection branches U, V and W, by means of which the converter 34, for example can be connected to a three-phase transformer. The converter 34 comprises nine converter arms 42 to 50, each primary-side connection branch A-C being connected via one of the converter arms 42-50 to a secondary-side connection branch U, V, W. In the example shown in FIG. 7, the converter arms 42-50 are constructed in the same way, but this is generally not necessary.
Figur 8 zeigt ein Schaltmodul 32 für einen der Stromrichter 3 bzw. 34 der Figuren 4 und 7. Das Schaltmodul 32 ist als ein sogenanntes Vollbrückenmodul ausgebildet und umfasst entspre chend vier abschaltbare Halbleiterschalter Sl-4, denen je weils eine Freilaufdiode D antiparallel geschaltet ist. Pa rallel zu der Brückenschaltung der Halbleiterschalter Sl-4 ist ein Kondensator C angeordnet, an dem eine Kondensator spannung Uc ansteht, sowie eine Spannungsmessvorrichtung 51 zur Erfassung der Kondensatorspannung Uc. An den Anschluss klemmen 521, 522 des Schaltmoduls kann eine Spannung erzeugt werden, durch geeignete Ansteuerung der Halbleiterschalter Sl-4, die der Kondensatorspannung Uc, einer negativen Konden satorspannung -Uc oder einer Nullspannung entspricht. In Figur 9 ist ein Beispiel eines Wechselrichtermoduls 51 für eine der Anlagen der Figuren 1 bis 3 dargestellt. Das Wech selrichtermodul 51 umfasst eine Brückenschaltung 54 sowie ei nen DCDC-Wandler 55. Die Brückenschaltung 54 weist eine Wech selspannungsseite 52 mit einem einphasigen Anschluss mit zwei Anschlusszweigen Yl, Y2 sowie eine Gleichspannungsseite 53 mit zwei Anschlüssen ZI, Z2 auf. Auf den Aufbau der Brücken schaltung wird in der nachfolgenden Figur 11 näher eingegan gen. Der DCDC-Wandler 55 ist mittels Anschlüsse DC+, DC- mit einem elektrischen Energiespeicher verbindbar. Auf den Aufbau des DCDC-Wandlers 55 wird in der nachfolgenden Figur 15 näher eingegangen . Figure 8 shows a switching module 32 for one of the converters 3 and 34 of Figures 4 and 7. The switching module 32 is designed as a so-called full-bridge module and accordingly comprises four semiconductor switches Sl-4 that can be switched off, each of which has a free-wheeling diode D connected antiparallel. Pa rallel to the bridge circuit of the semiconductor switch Sl-4, a capacitor C is arranged, to which a capacitor voltage Uc is applied, and a voltage measuring device 51 for detecting the capacitor voltage Uc. At the terminals 521, 522 of the switching module, a voltage can be generated by suitable control of the semiconductor switch Sl-4, which corresponds to the capacitor voltage Uc, a negative capacitor voltage -Uc or a zero voltage. FIG. 9 shows an example of an inverter module 51 for one of the systems in FIGS. 1 to 3. The inverter module 51 comprises a bridge circuit 54 and a DCDC converter 55. The bridge circuit 54 has an AC voltage side 52 with a single-phase connection with two connection branches Y1, Y2 and a DC voltage side 53 with two connections ZI, Z2. The structure of the bridge circuit is described in more detail in the following FIG. 11. The DCDC converter 55 can be connected to an electrical energy store by means of connections DC +, DC-. The structure of the DCDC converter 55 is discussed in more detail in the following FIG. 15.
In Figur 10 ist ein weiteres Beispiel eines Wechselrichtermo duls 56 für eine der Anlagen der Figuren 1 bis 3 dargestellt. Das Wechselrichtermodul 56 umfasst eine Brückenschaltung 54. Im Unterschied zum Wechselrichtermodul 51 der Figur 9 umfasst das Wechselrichtermodul 56 weist keinen DCDC-Wandler. Die Brückenschaltung 54 weist eine Wechselspannungsseite 52 mit einem einphasigen Anschluss mit zwei Anschlusszweigen Yl, Y2 sowie eine Gleichspannungsseite 53 mit zwei Anschlüssen ZI,FIG. 10 shows a further example of an inverter module 56 for one of the systems in FIGS. 1 to 3. The inverter module 56 comprises a bridge circuit 54. In contrast to the inverter module 51 of FIG. 9, the inverter module 56 does not have a DCDC converter. The bridge circuit 54 has an AC voltage side 52 with a single-phase connection with two connection branches Y1, Y2 and a DC voltage side 53 with two connections ZI,
Z2 auf. Auf den Aufbau der Brückenschaltung wird in der nach folgenden Figur 11 näher eingegangen. Z2 on. The structure of the bridge circuit is discussed in more detail in the following FIG. 11.
In Figur 11 ist eine Brückenschaltung 54 für eines der Wech- selrichtermodule 51 bzw. 56 der Figuren 9 und 10 dargestellt. Die Brückenschaltung 54 umfasst vier abschaltbare Halbleiter schalter S1-S4 sowie dazu antiparallele Dioden D. In einer Parallelschaltung zu den gleichspannungsseitigen Anschlüssen ZI und Z2 der Brückenschaltung 54, die eine Gleichspannungs seite 53 der Brückenschaltung ausbilden, ist ein Brückenkon densator CB angeordnet. FIG. 11 shows a bridge circuit 54 for one of the inverter modules 51 and 56 of FIGS. 9 and 10. The bridge circuit 54 comprises four semiconductor switches S1-S4 that can be switched off and also antiparallel diodes D. In a parallel connection to the DC-side connections ZI and Z2 of the bridge circuit 54, which form a DC voltage side 53 of the bridge circuit, a bridge capacitor CB is arranged.
In Figur 12 ist ein Beispiel eines Wechselrichtermoduls 57 für eine der Anlagen der Figuren 5 und 6 dargestellt. Das Wechselrichtermodul 57 umfasst eine Brückenschaltung 58 sowie einen DCDC-Wandler 55. Die Brückenschaltung 58 weist eine Wechselspannungsseite 59 mit einem dreiphasigen Anschluss mit drei Anschlusszweigen Yl-3 sowie eine Gleichspannungsseite 53 mit zwei Anschlüssen ZI, Z2 auf. Auf den Aufbau der Brücken schaltung wird in der nachfolgenden Figur 14 näher eingegan gen. Der DCDC-Wandler 55 ist mittels Anschlüsse DC+, DC- mit einem elektrischen Energiespeicher verbindbar. Auf den Aufbau des DCDC-Wandlers 55 wird in der nachfolgenden Figur 15 näher eingegangen . FIG. 12 shows an example of an inverter module 57 for one of the systems in FIGS. 5 and 6. The inverter module 57 comprises a bridge circuit 58 and a DCDC converter 55. The bridge circuit 58 has one AC voltage side 59 with a three-phase connection with three connection branches Yl-3 and a DC voltage side 53 with two connections ZI, Z2. The structure of the bridge circuit is described in more detail in the following FIG. 14. The DCDC converter 55 can be connected to an electrical energy store by means of connections DC +, DC-. The structure of the DCDC converter 55 is discussed in more detail in the following FIG. 15.
In Figur 13 ist ein weiteres Beispiel eines Wechselrichtermo duls 60 für eine der Anlagen der Figuren 5 oder 6 darge stellt. Das Wechselrichtermodul 60 umfasst eine Brückenschal tung 59. Im Unterschied zum Wechselrichtermodul 57 der Figur 12 umfasst das Wechselrichtermodul 60 weist keinen DCDC- Wandler. Die Brückenschaltung 58 weist eine Wechselspannungs seite 52 mit einem dreiphasigen Anschluss mit drei Anschluss zweigen Yl-3 sowie eine Gleichspannungsseite 53 mit zwei An schlüssen ZI, Z2 auf. Auf den Aufbau der Brückenschaltung wird in der nachfolgenden Figur 14 näher eingegangen. FIG. 13 shows a further example of an inverter module 60 for one of the systems in FIGS. 5 or 6. The inverter module 60 comprises a bridge circuit 59. In contrast to the inverter module 57 of FIG. 12, the inverter module 60 does not have a DCDC converter. The bridge circuit 58 has an AC voltage side 52 with a three-phase connection with three connection branches Yl-3 and a DC voltage side 53 with two connections ZI, Z2. The structure of the bridge circuit is discussed in more detail in the following FIG. 14.
In Figur 14 ist eine Brückenschaltung 58 für eines der Wech- selrichtermodule 57 bzw. 60 der Figuren 12 und 13 darge stellt. Die Brückenschaltung 58 umfasst sechs abschaltbare Halbleiterschalter S1-S6 sowie dazu antiparallele Dioden D.FIG. 14 shows a bridge circuit 58 for one of the inverter modules 57 or 60 of FIGS. 12 and 13. The bridge circuit 58 comprises six semiconductor switches S1-S6 which can be switched off and diodes D which are antiparallel to them.
In einer Parallelschaltung zu den gleichspannungsseitigen An schlüssen ZI und Z2 der Brückenschaltung 58 ist ein Brücken kondensator CB angeordnet. In a parallel circuit to the DC side connections ZI and Z2 of the bridge circuit 58, a bridge capacitor CB is arranged.
In Figur 15 ist ein DCDC-Wandler 61 für eines der Wechsel- richtermodule der Figuren 9 und 12 dargestellt. Der DCDC- Wandler 61, der auch als Hochsetz-Tiefsetz-Steller bezeichnet wird, umfasst ein erstes Anschlusspaar 62, 63 zum Verbinden mit einer Brückenschaltung und ein zweites Anschlusspaar DC+, DC- zum Verbinden mit einem elektrischen Energiespeicher 64. Ferner umfasst der DCDC-Wandler 61 zwei Halbleiterschalter Hl, H2, die mit einem Wandlerkondensator Cw in einer Halbbrü ckenschaltung angeordnet sind. Den Halbleiterschaltern Hl, 2 ist jeweils eine Diode Dl bzw. D2 antiparallel geschaltet. Eine zusätzliche Induktivität 65 kann an einem der Anschlüsse 62, 63 des ersten Anschlusspaars angeordnet sein. FIG. 15 shows a DCDC converter 61 for one of the inverter modules in FIGS. 9 and 12. The DCDC converter 61, which is also referred to as a step-up / step-down converter, comprises a first pair of connections 62, 63 for connecting to a bridge circuit and a second pair of connections DC +, DC- for connecting to an electrical energy store 64. Furthermore, the DCDC- Converter 61 two semiconductor switches Hl, H2, which are arranged with a converter capacitor Cw in a half-bridge circuit. The semiconductor switches Hl, 2 each have a diode D1 or D2 connected in anti-parallel. An additional inductance 65 can be arranged on one of the connections 62, 63 of the first connection pair.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Anlage (1) zum Stabilisieren eines m-phasigen Wechselspan nungsnetzes (2) mit einem Stromrichter (3) und wenigstens ei nem elektrischen Energiespeicher (10), 1. system (1) for stabilizing an m-phase alternating voltage network (2) with a converter (3) and at least one electrical energy store (10),
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that
- der Stromrichter (3) ein Matrix-Umrichter ist, der primär seitig mit dem Wechselspannungsnetz (2) verbindbar ist und dessen Sekundärseite einen n-phasigen Anschluss (5) aufweist, - The converter (3) is a matrix converter which can be connected on the primary side to the AC voltage network (2) and whose secondary side has an n-phase connection (5),
- die Anlage (1) ferner wenigstens einen Transformator (6) umfasst, der mit der Sekundärseite des Matrix-Umrichters ver bindbar ist, - The system (1) further comprises at least one transformer (6) which can be connected to the secondary side of the matrix converter,
- wenigstens ein Wechselrichtermodul (7) vorgesehen ist, das eine Wechselspannungsseite (8) und eine Gleichspannungsseite (9) aufweist, wobei die Wechselspannungsseite (8) mittels des Transformators (6) mit der Sekundärseite des Matrix- Umrichters verbindbar ist, und  - At least one inverter module (7) is provided, which has an AC voltage side (8) and a DC voltage side (9), the AC voltage side (8) being connectable to the secondary side of the matrix converter by means of the transformer (6), and
- der elektrische Energiespeicher (10) mit der Gleichspan nungsseite (9) des Wechselrichtermoduls (7) verbindbar ist.  - The electrical energy storage (10) with the DC voltage side (9) of the inverter module (7) can be connected.
2. Anlage (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Matrix- Umrichter ein modularer Mehrstufenumrichter ist. 2. System (1) according to one of the preceding claims, wherein the matrix converter is a modular multi-stage converter.
3. Anlage (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei n=2 ist, so dass ein erster und ein zweiter sekundärseitiger Anschluss des Matrix-Umrichters vorgesehen sind, wobei der wenigstens eine Transformator (6) ein Einphasentransformator ist, mittels dessen Primärwicklung die beiden sekundärseiti gen Anschlüsse miteinander verbunden sind. 3. Plant (1) according to one of the preceding claims, wherein n = 2, so that a first and a second secondary connection of the matrix converter are provided, the at least one transformer (6) being a single-phase transformer, by means of whose primary winding the two secondary side connections are interconnected.
4. Anlage (15) nach Anspruch 3, wobei mehrere Einphasentrans formatoren (6a,b) und ihnen zugeordnete Wechselrichtermodule (7a, b) und Energiespeichermodule (10) vorgesehen sind, wobei die Primärwicklungen der Einphasentransformatoren (6a, b) ein einer Parallelschaltung miteinander verbunden sind, und eine Sekundärwicklung eines jeden der Einphasentransformatoren mit der Wechselspannungsseite (8) des zugeordneten Wechsel richtermoduls (7a, b) verbindbar ist, wobei die Gleichspan- nungsseite (9) eines jeden der Wechselrichtermodule (7a, b) mit dem diesem Wechselrichtermodul (7a, b) zugeordneten Ener giespeicher (10) verbindbar ist. 4. System (15) according to claim 3, wherein a plurality of single-phase transformers (6a, b) and associated inverter modules (7a, b) and energy storage modules (10) are provided, the primary windings of the single-phase transformers (6a, b) being connected in parallel with one another are connected, and a secondary winding of each of the single-phase transformers can be connected to the AC voltage side (8) of the associated inverter module (7a, b), the DC voltage voltage side (9) of each of the inverter modules (7a, b) can be connected to the energy store (10) assigned to this inverter module (7a, b).
5. Anlage (16) nach Anspruch 3, wobei mehrere Einphasentrans formatoren (6c,d) und ihnen zugeordnete Wechselrichtermodule (7c, d) und Energiespeichermodule (10) vorgesehen sind, wobei die Primärwicklungen der Einphasentransformatoren (6c,d) ein einer Reihenschaltung miteinander verbunden sind, und eine Sekundärwicklung eines jeden der Einphasentransformatoren (6c, d) mit der Wechselspannungsseite (8) des zugeordneten Wechselrichtermoduls (7c, d) verbindbar ist, wobei die Gleich spannungsseite (8) eines jeden der Wechselrichtermodule 5. System (16) according to claim 3, wherein a plurality of single-phase transformers (6c, d) and associated inverter modules (7c, d) and energy storage modules (10) are provided, the primary windings of the single-phase transformers (6c, d) being connected in series with one another are connected, and a secondary winding of each of the single-phase transformers (6c, d) can be connected to the AC voltage side (8) of the associated inverter module (7c, d), the DC voltage side (8) of each of the inverter modules
(7c, d) mit dem diesem Wechselrichtermodul (7c, d) zugeordneten Energiespeicher (10) verbindbar ist.  (7c, d) can be connected to the energy store (10) assigned to this inverter module (7c, d).
6. Anlage (39) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei n=3 ist, so dass ein erster, ein zweiter und ein dritter sekun därseitiger Anschluss des Matrix-Umrichters vorgesehen sind, wobei der wenigstens eine Transformator (36a) ein Dreiphasen transformator ist, und das wenigstens eine Wechselrichtermo dul (37a) eine dreiphasige Wechselspannungsseite (38) auf weist. 6. System (39) according to one of claims 1 or 2, wherein n = 3, so that a first, a second and a third secondary side connection of the matrix converter are provided, the at least one transformer (36a) having a three-phase is transformer, and the at least one inverter module (37a) has a three-phase AC side (38).
7. Anlage (39) nach Anspruch 6, wobei mehrere Transformatoren (36a, b) und ihnen zugeordnete Wechselrichtermodule (37a, b) und Energiespeichermodule (10e,f) vorgesehen sind, wobei die Primärwicklungen der Transformatoren (36a, b) ein einer Paral lelschaltung miteinander verbunden sind, und die Sekun därwicklungen eines jeden der Transformatoren (36a, b) mit der Wechselspannungsseite (38) des zugeordneten Wechselrichtermo duls (37a, b) verbindbar ist, wobei die Gleichspannungsseite (9) eines jeden der Wechselrichtermodule (37a, b) mit dem ihm zugeordneten Energiespeicher (10e,f) verbindbar ist. 7. The system (39) according to claim 6, wherein a plurality of transformers (36a, b) and associated inverter modules (37a, b) and energy storage modules (10e, f) are provided, the primary windings of the transformers (36a, b) being a parallel The circuit is connected to one another, and the secondary windings of each of the transformers (36a, b) can be connected to the AC voltage side (38) of the associated inverter module (37a, b), the DC voltage side (9) of each of the inverter modules (37a, b ) can be connected to the energy store (10e, f) assigned to it.
8. Anlage (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Wechselrichtermodul (7) eine n-phasige Brückenschaltung (54) mit Leistungshalbleiterschaltern um fasst . 8. System (1) according to one of the preceding claims, wherein the at least one inverter module (7) is an n-phase Bridge circuit (54) with power semiconductor switches.
9. Anlage (1) nach Anspruch 8, wobei das wenigstens eine Wechselrichtermodul (7) einen Brückenkondensator (CB) in ei ner Parallelschaltung zu einer Gleichspannungsseite (53) der Brückenschaltung umfasst. 9. Installation (1) according to claim 8, wherein the at least one inverter module (7) comprises a bridge capacitor (CB) in egg ner parallel connection to a DC voltage side (53) of the bridge circuit.
10. Anlage (1) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei das wenigstens eine Wechselrichtermodul (7) ferner ein DCDC- Wandler (61) umfasst, der mit einer Gleichspannungsseite (53) der Brückenschaltung verbunden ist. 10. System (1) according to one of claims 8 or 9, wherein the at least one inverter module (7) further comprises a DCDC converter (61) which is connected to a DC voltage side (53) of the bridge circuit.
11. Anlage (1) nach Anspruch 10, wobei der DCDC-Wandler (61) zwei Halbleiterschalter sowie einen Wandlerkondensator (CW) in einer Halbbrückenschaltung aufweist, wobei die Gleichspan nungsseite (9) des Wechselrichtermoduls (7) parallel zum Wandlerkondensator (CW) angeordnet ist. 11. The system (1) according to claim 10, wherein the DCDC converter (61) has two semiconductor switches and a converter capacitor (CW) in a half-bridge circuit, the DC voltage side (9) of the inverter module (7) being arranged parallel to the converter capacitor (CW) is.
12. Anlage (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Transformator (6) ein Mittel- oder Hochfrequenztransfor- mator ist. 12. System (1) according to any one of the preceding claims, wherein the transformer (6) is a medium or high frequency transformer.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113098295A (en) * 2021-04-07 2021-07-09 全球能源互联网研究院有限公司 AC-AC converter

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080179951A1 (en) * 2005-09-06 2008-07-31 Siemens Aktiengesellschaft Wide-voltage-range converter
WO2016150466A1 (en) 2015-03-20 2016-09-29 Siemens Aktiengesellschaft Energy storage arrangement
EP3361617A1 (en) * 2017-02-14 2018-08-15 Siemens Aktiengesellschaft Rectifier circuit for an electrolysis plant
EP3361598A2 (en) 2017-02-13 2018-08-15 Siemens Aktiengesellschaft Balancing device for a batterie in a converter assembly

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080179951A1 (en) * 2005-09-06 2008-07-31 Siemens Aktiengesellschaft Wide-voltage-range converter
WO2016150466A1 (en) 2015-03-20 2016-09-29 Siemens Aktiengesellschaft Energy storage arrangement
EP3361598A2 (en) 2017-02-13 2018-08-15 Siemens Aktiengesellschaft Balancing device for a batterie in a converter assembly
EP3361617A1 (en) * 2017-02-14 2018-08-15 Siemens Aktiengesellschaft Rectifier circuit for an electrolysis plant

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113098295A (en) * 2021-04-07 2021-07-09 全球能源互联网研究院有限公司 AC-AC converter

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