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WO2015149870A1 - Kommutierungsschaltung - Google Patents

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WO2015149870A1
WO2015149870A1 PCT/EP2014/056841 EP2014056841W WO2015149870A1 WO 2015149870 A1 WO2015149870 A1 WO 2015149870A1 EP 2014056841 W EP2014056841 W EP 2014056841W WO 2015149870 A1 WO2015149870 A1 WO 2015149870A1
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WO
WIPO (PCT)
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switching device
voltage
power converter
circuit
commutation circuit
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2014/056841
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jörg DORN
Dominik ERGIN
Peter Menke
Bernd Utz
Michael Weinhold
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
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Priority to PCT/EP2014/056841 priority patent/WO2015149870A1/de
Priority to US15/301,804 priority patent/US10320308B2/en
Priority to DE112014006555.2T priority patent/DE112014006555B4/de
Publication of WO2015149870A1 publication Critical patent/WO2015149870A1/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • Y02E60/60—Arrangements for transfer of electric power between AC networks or generators via a high voltage DC link [HVCD]

Definitions

  • the invention relates to a commutation circuit for a power converter and to a method for commutating an electrical current.
  • bypass current path serves to bypass the power converter which is not in operation and to carry the operating current. So it is possible that one
  • Power converter can be maintained and a residual system, in which the power converter is installed, remains in operation. This is particularly advantageous in systems in which converters are electrically connected in series,
  • HVDC High Voltage Direct Current
  • MRTB Metal Return Transfer Breaker
  • This special commutation circuit includes one
  • the invention is based on the object to provide a commutation circuit and a method with which the operating current of the bridging current path in the power converter can be commutated simple and reliable. This object is achieved by a
  • Power converter with a first switching device, by means of which the power converter is electrically bridged, and with a circuit part for limiting the size of the time-related
  • the commutation circuit may be configured such that the circuit part has an energy store, in particular a capacitor.
  • the energy store, in particular the capacitor represents a particularly simple way of limiting the magnitude of the time-related voltage change.
  • the commutation circuit can also be designed such that the circuit part has a surge arrester, which provides the energy store, in particular the capacitor
  • the surge arrester limits the voltage applied to the energy store, in particular the voltage applied to the capacitor.
  • an energy store, or capacitor can be used with a comparatively low dielectric strength, which is available at low cost and which has a small size.
  • the commutation circuit can be designed such that the power converter is a rectifier, in particular a
  • the rectifier may be a diode rectifier. This allows the commutation circuit to be used to advantage in HVDC systems.
  • the commutation circuit may also be configured such that the first switching device is connected to a first DC voltage connection of the power converter and to a second DC voltage connection of the power converter.
  • the commutation circuit can be realized such that the first switching device and the circuit part a
  • the commutation circuit can also be designed such that a second switching device is arranged electrically in series with the parallel circuit.
  • the series connection of the second switching device to the parallel circuit increases the dielectric strength of the overall circuit.
  • the commutation circuit may also be configured such that the first switching device and / or the second switching device comprises a mechanical switch, in particular a vacuum switch (for example a vacuum interrupter).
  • a mechanical switch By means of a mechanical switch, the first switching device and / or the second switching device comprises a mechanical switch, in particular a vacuum switch (for example a vacuum interrupter).
  • Commutation circuit can be constructed easily and inexpensively.
  • the use of a vacuum switch is advantageous, since vacuum switches very good dielectric
  • the commutation circuit can also be constructed such that the second switching device is a series circuit
  • the commutation circuit may be constructed so that the first switching device is connected to a first DC voltage connection of the power converter and the second switching device is connected to a second DC voltage connection of the power converter. This makes it possible to bridge the power converter electrically.
  • the electric current first flows through the closed (i.e., switched-on) first switching device,
  • a zero crossing of the current is achieved in the first switching device. It is particularly advantageous that the size of the time-related voltage change at the first switching device is limited by the circuit part. This ensures that a current zero crossing is achieved in the first switching device. This will do that
  • the process can proceed in such a way that
  • Energy storage in particular a capacitor, charging, and
  • Circuit part is commutated in the power converter.
  • the con ⁇ densatortemp this case acts as a commutation ⁇ stress that (that is, by the converter) the current in the converter path drives.
  • the procedure can also be such that
  • the level of the voltage of the energy store i.e., the voltage appearing on the energy store
  • the height of the capacitor voltage is limited to a voltage maximum value.
  • Such energy storage or capacitors are available at low cost and have a small design.
  • the voltage maximum value is greater than the commutation voltage, which is necessary for commutating the current of the
  • the height of the voltage can be limited in particular by means of a surge arrester.
  • the procedure can also be such that
  • the method also has the advantages stated above in connection with the commutation circuit.
  • the invention is based on
  • FIG. 1 shows schematically an embodiment of a
  • Figure 2 shows an embodiment of a power converter
  • Figure 3 shows another embodiment of a
  • the electrical system 1 shows a section of an electrical ⁇ rule system 1 is illustrated by way of example, which is used for example for connecting a wind farm to a power transmission network by means of a high voltage direct current transmission.
  • the electrical system 1 has a first power converter 3 with an AC voltage connection 5, a first DC voltage connection 6 and a second DC voltage connection 7.
  • a first commutation circuit 8 is electrically parallel to the first power converter 3 connected.
  • the first DC ⁇ terminal 6 is connected to a first connection point 9
  • the second DC voltage terminal 7 is electrically connected to a second connection point 10
  • FIG. 1 shows an electrical series circuit of the first power converter 3, a second power converter 13 and a third power converter 23 is shown. Similar to the first power converter 3, the second power converter 13 has an AC voltage terminal 15, a first DC voltage ⁇ connection 16 and a second DC voltage terminal 17. Electrically parallel to the second power converter 13, a second commutation circuit 18 is connected.
  • DC voltage terminal 16 is electrically connected to the second connection point 10
  • the second DC voltage ⁇ connection 17 is electrically connected to a third connection point 20.
  • the third power converter 23 has an AC voltage terminal 15, a first DC voltage ⁇ connection 26 and a second DC voltage terminal 27. Electrically parallel to the third power converter 23, a third commutation circuit 28 is connected.
  • the first DC voltage terminal 26 of the third power converter 23 is electrically connected to the third connection point 20
  • the second DC voltage terminal 27 of the third power converter 23 is electrically connected to a fourth connection point 30.
  • the first power converter 3, the second power converter 13 and the third power converter 23 are rectifiers in the exemplary embodiment, for example diode rectifiers. These rectifiers generate a direct current from a three-phase alternating current supplied via the respective AC voltage connection 5, 15, 25. The direct current is output at the first DC voltage connection 6, 16, 26 and at the second DC voltage connection 7, 17, 27.
  • the power converters may each have smoothing throttles which are arranged in a similar manner as in FIGS. 2 to 4. This smoothing chokes ⁇ are not shown in FIG. 1 In Figure 2, the first power converter 3 and the first
  • Commutation circuit 8 shown. At the first DC voltage connection 6, a first smoothing choke 201 is arranged; at the second DC voltage terminal 7, a second smoothing reactor 203 is arranged. The first
  • the first commutation circuit 8 has a first switching device 207, a capacitor 210 and a surge arrester 213.
  • the capacitor 210 constitutes an energy store 210.
  • the first switching device 207 forms a low-resistance bypass current path (bypass current path) for the first power converter 3.
  • the first switching device 207, the capacitor 210 and the overvoltage conductor 213 are electrically connected in parallel.
  • the capacitor 210 and the surge absorber 213 constitute a circuit portion 217, wherein the larger the zeitbe ⁇ coated voltage change (rate of change of
  • Voltage time rate of change of the voltage of a voltage occurring at the first switching device 207 limited.
  • the first switching device 207 is opened, such a temporal voltage change occurs at this first switching device 207.
  • the first switching device 207 may in particular be designed as a vacuum switch 207 (for example as a vacuum interrupter 207).
  • the commutation circuit 8 is advantageously constructed so that between the first switching device 207 and the capacitor 210 as low as possible leakage inductances are present.
  • the inductance value of these parasitic stray inductances can be reduced by design measures.
  • the electrical capacitance of the capacitor 210 is chosen so large that the influence of the leakage inductances is negligible.
  • FIG. 3 shows the second power converter 13 with the second commutation circuit 18.
  • the second commutation circuit 18 differs from the first commutation circuit 8 only in that a second commutation circuit 18 differs
  • Switching device 303 is electrically connected in series with the parallel connection of first switching device 207,
  • the second switching device 303 may be configured as a mechanical switch, for example as a vacuum switch or as a gas-insulated switch with or without arc support, or as another mechanical switch (e.g., a circuit breaker).
  • the first switching device 207 and the second switching device 303 form a low-resistance
  • Capacitor 210 and the Kochnapssabieiters 213 also applies here in the figure 2 said.
  • FIG. 4 shows the third converter 23 with the third commutation circuit 28.
  • the third commutation circuit 28 is different from the second
  • Commutation circuit 18 only in that the second switching device 303 is configured as an electrical series circuit of three switching devices: In the embodiment of FIG 4, the second switching device 303 as a series circuit of a switching device 403, a switching device 405 and a switching device 407 realized.
  • the switching devices 403, 405 and 407 may each (as the second switching device 303 of Figure 3) be configured as a mechanical switch,
  • Switching device 405 and the switching device 407 form a low-impedance bypass current path (bypass current path) for the power converter 23.
  • the surge arrester 213 is in each case optional; it can also be omitted.
  • the operating current of the electrical system 1 continues to flow, it is now generated by the further power converters connected electrically in series (in this case by the first power converter 3 and the third power converter 23). This operating current then flows from the third connection point 20 via the second switching device 303 and the first switching device 207 to the second
  • the Switching device 303 and the first switching device 207 operating current in the second power converter 13 are commutated. For this purpose, the first switching device 207 is opened. Due to the flowing (large) operating current, between the switching contacts of the first switching device an arc.
  • the first switching device 207 is here designed as a vacuum switch (eg as a vacuum interrupter).
  • the arc voltage of the light ⁇ bow in the vacuum switch is composed of the additively
  • Base point voltages of the arc (which are substantially current-independent) and a resistive voltage component (which is current-dependent) together.
  • This arc voltage causes a commutation of the
  • the time-related voltage ⁇ change on the capacitor is limited by the size of the capacitance value of the capacitor.
  • the capacitance of the capacitor ⁇ sators is chosen so that the current can commutate completely into the path of the capacitor before the
  • Capacitor is charged to a voltage greater than the arc voltage of the switching device 207. If this is ensured, then the arc extinguishes in the switching device 207.
  • the second switching input ⁇ direction 303 needs ideally not be arc-proof, but of course, a switch can be used with arc viability as a second switching device 303rd
  • the commutation process of the operating current from the first switching device 207 to the second power converter 13 is completed.
  • the second power converter 13 again be turned on.
  • the second current ⁇ judge 13 begins to build up voltage.
  • the charging voltage of the capacitor 210 is determined by the
  • Surge Absieiter 213 limited to a predetermined value. As a result, the necessary isolation capability and thus the design of the capacitor 210 can be limited. However, the circuit will work without the surge ⁇ abieiter 213. Then, the capacitor 210 must be designed such that it has sufficient for the stresses arising withstand voltage.
  • the second switching device 303 increases in the embodiment ⁇ example of Figure 3 only the electrical insulation ability / dielectric strength. This is particularly advantageous if the DC voltage generated by the second power converter 13 during its operation is greater than the isolation capability of the first switching device 207.
  • the circuit also works without the second switching device 303, then the circuit according to FIG. In this case, the first switching device 207 must be designed so that it can withstand the DC voltages generated during operation of the power converter 13.
  • direct currents of, for example, up to several kA can be commutated into the power converter.
  • the commutation circuit (in particular the size and dielectric strength of the capacitor) are dependent on the current flowing through the converter
  • the presented solution can be particularly advantageous for the connection of offshore wind turbines, e.g. an offshore wind farm, by means of a high-voltage direct current transmission to a shore-side power grid can be used.
  • offshore wind turbines e.g. an offshore wind farm
  • shore-side power grid e.g. a shore-side power grid
  • Capacitor needs to be designed to the full DC rated voltage. This is made possible by the fact that only the commutation voltage needs to be provided by means of the commutation circuit. That is, the capacitor 210 needs only to be charged until the
  • Capacitor voltage overcomes the commutation voltage. It is advantageous that the commutation circuit in
  • the simplest case is constructed only from the first switching device with a capacitor connected in parallel.
  • Capacitor voltage, z. B. by means of an overvoltage arrester.
  • the use of a second switching device (which optionally can in turn consist of a series connection of several switches directions) increases the insulation ability of the commutating ⁇ ungsscnies advantageously without the capacitor needs to be designed for the full stresses occurring.
  • electric current can be commutated by a current path bridging a current path back into the power converter.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kommutierungsschaltung (8, 18, 28) für einen Stromrichter (3, 13, 23) mit einer ersten Schalteinrichtung (207), mittels der der Stromrichter elektrisch überbrückbar ist, und mit einem Schaltungsteil (217) zum Begrenzen der Größe der zeitbezogenen Spannungs-änderung einer Spannung, die über der ersten Schalteinrichtung (207) auftritt.

Description

Kommutierungsschaltung
Die Erfindung betrifft eine Kommutierungsschaltung für einen Stromrichter sowie ein Verfahren zum Kommutieren eines elektrischen Stroms.
Für den Fall einer Wartung eines Stromrichters ist oft ein niederohmiger Bypass-Strompfad (Überbrückungs-Strompfad) vorgesehen. Dieser Bypass-Strompfad dient dazu, den außer Betrieb befindlichen Stromrichter zu überbrücken und den Betriebsstrom zu führen. So ist es möglich, dass ein
Stromrichter gewartet werden kann und eine restliche Anlage, in die der Stromrichter eingebaut ist, weiterhin in Betrieb bleibt. Dies ist besonders vorteilhaft bei Anlagen, in denen Stromrichter elektrisch in Serie geschaltet sind,
beispielsweise bei HVDC-Systemen (HVDC = High Voltage Direct Current) .
Wenn der außer Betrieb genommene Stromrichter während des Betriebs der Anlage wieder zugeschaltet werden soll, so ist es notwendig, den Betriebsstrom vom Überbrückungs-Strompfad wieder zurück in den Stromrichter (d.h. auf den Stromrichterpfad) zu kommutieren. Dazu ist bei HVDC-Anwendungen eine spezielle Kommutierungsschaltung bekannt, welche als ein MRTB (Metallic Return Transfer Breaker) bezeichnet wird.
Diese spezielle Kommutierungsschaltung beinhaltet einen
Schwingkreis, welcher eine aufklingende Stromoszillation erzeugt. Diese aufklingende Stromoszillation führt dazu, dass in einem SF6-Schalter ein künstlicher Stromnulldurchgang erzeugt wird. Diese spezielle Kommutierungsschaltung ist technisch aufwendig und teuer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Kommutie¬ rungsschaltung und ein Verfahren anzugeben, mit denen einfach und zuverlässig der Betriebsstrom von dem Überbrückungs- Strompfad in den Stromrichter kommutiert werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine
Kommutierungsschaltung und durch ein Verfahren nach den unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Kommutierungsschaltung und des Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Offenbart wird eine Kommutierungsschaltung für einen
Stromrichter mit einer ersten Schalteinrichtung, mittels der der Stromrichter elektrisch überbrückbar ist, und mit einem Schaltungsteil zum Begrenzen der Größe der zeitbezogenen
Spannungsänderung einer Spannung, die über der ersten Schalteinrichtung (insbesondere beim Öffnen der ersten Schalteinrichtung) auftritt. Durch den Schaltungsteil wird dabei vorteilhafter Weise die zeitbezogene Spannungsänderung
(Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung, zeitliche Anstiegsrate der Spannung) begrenzt. Dadurch verlischt ein ggf. in der ersten Schalteinrichtung beim Abschalten des Stromes
auftretender Lichtbogen, wodurch in der ersten Schalteinrichtung ein Auftreten eines Stromnulldurchgangs sicherge- stellt ist.
Die Kommutierungsschaltung kann so ausgestaltet sein, dass der Schaltungsteil einen Energiespeicher, insbesondere einen Kondensator, aufweist. Der Energiespeicher, insbesondere der Kondensator, stellt eine besonders einfache Möglichkeit zum Begrenzen der Größe der zeitbezogenen Spannungsänderung dar.
Die Kommutierungsschaltung kann auch so ausgestaltet sein, dass der Schaltungsteil einen Überspannungsabieiter aufweist, der den Energiespeicher, insbesondere den Kondensator, vor
Überspannung schützt. Der Überspannungsabieiter begrenzt die an dem Energiespeicher anliegende Spannung, insbesondere die an dem Kondensator anliegende Spannung. Dadurch kann ein Energiespeicher, bzw. Kondensator mit einer vergleichsweise niedrigen Spannungsfestigkeit verwendet werden, welcher kostengünstig verfügbar ist und welcher eine geringe Baugröße aufweist . Die Kommutierungsschaltung kann so ausgestaltet sein, dass der Stromrichter ein Gleichrichter, insbesondere ein
dreiphasiger Gleichrichter, ist. Beispielsweise kann der Gleichrichter ein Diodengleichrichter sein. Dadurch kann die Kommutierungsschaltung mit Vorteil bei HVDC-Systemen eingesetzt werden.
Die Kommutierungsschaltung kann auch so ausgestaltet sein, dass die erste Schalteinrichtung mit einem ersten Gleich- spannungsanschluss des Stromrichters und mit einem zweiten Gleichspannungsanschluss des Stromrichters verbunden ist. Dadurch ist mittels der ersten Schalteinrichtung der
Stromrichter überbrückbar. Die Kommutierungsschaltung kann so realisiert sein, dass die erste Schalteinrichtung und der Schaltungsteil eine
elektrische Parallelschaltung bilden. Dadurch wird auf eine besonders einfache Art und Weise das Kommutieren des Stroms von der ersten Schalteinrichtung in den Schaltungsteil ermöglicht.
Die Kommutierungsschaltung kann auch so ausgestaltet sein, dass eine zweite Schalteinrichtung elektrisch in Reihe zu der Parallelschaltung angeordnet ist. Die Reihenschaltung der zweiten Schalteinrichtung zu der Parallelschaltung erhöht die Spannungsfestigkeit der Gesamtschaltung.
Die Kommutierungsschaltung kann auch so ausgestaltet sein, dass die erste Schalteinrichtung und/oder die zweite Schalt- einrichtung einen mechanischen Schalter, insbesondere einen Vakuumschalter (beispielsweise eine Vakuumschaltröhre) , aufweist. Mittels eines mechanischen Schalters kann die
Kommutierungsschaltung einfach und kostengünstig aufgebaut werden. Insbesondere ist der Einsatz einer Vakuumschalters vorteilhaft, da Vakuumschalter sehr gute dielektrische
Wiederverfestigungseigenschaften nach Erreichen des
Stromnulldurchgangs aufweisen. Die Kommutierungsschaltung kann auch so aufgebaut sein, dass die zweite Schalteinrichtung eine Reihenschaltung aus
mehreren mechanischen Schaltern aufweist. Dadurch wird die Spannungsfestigkeit der Gesamtschaltung nochmals vergrößert.
Die Kommutierungsschaltung kann so aufgebaut sein, dass die erste Schalteinrichtung mit einem ersten Gleichspannungs- anschluss des Stromrichters verbunden ist und die zweite Schalteinrichtung mit einem zweiten Gleichspannungsanschluss des Stromrichters verbunden ist. Dies ermöglicht es, den Stromrichter elektrisch zu überbrücken.
Offenbart wird weiterhin ein Stromrichter mit einer
Kommutierungsschaltung nach einer der vorstehend beschrie- benen Varianten.
Ebenfalls offenbart wird eine Anordnung mit mehreren Strom¬ richtern, die jeweils eine Kommutierungsschaltung nach einer der vorstehend beschriebenen Varianten aufweisen und wobei die Stromrichter elektrisch in Reihe geschaltet sind.
Offenbart wird weiterhin ein Verfahren zum Kommutieren eines elektrischen Stroms von einer ersten Schalteinrichtung einer Kommutierungsschaltung in einen Stromrichter, wobei der
Stromrichter mittels der ersten Schalteinrichtung
überbrückbar ist, wobei
- der elektrische Strom zunächst durch die geschlossene (d.h. eingeschaltete) erste Schalteinrichtung fließt,
- die erste Schalteinrichtung geöffnet wird,
- daraufhin der Strom von der ersten Schalteinrichtung in einen Schaltungsteil der Kommutierungsschaltung kommutiert, wobei durch den Schaltungsteil die Größe der zeitbezogenen Spannungsänderung einer Spannung begrenzt wird, die über der ersten Schalteinrichtung beim Öffnen der ersten Schalt- einrichtung auftritt, und
- aufgrund der Begrenzung der zeitbezogenen Spannungsänderung ein Nulldurchgang des Stroms in der ersten Schalteinrichtung erreicht wird. Hierbei ist besonders vorteilhaft, dass durch den Schaltungsteil die Größe der zeitbezogenen Spannungsänderung an der ersten Schalteinrichtung begrenzt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass in der ersten Schalteinrichtung ein Stromnulldurchgang erreicht wird. Dadurch wird das
Kommutieren des durch die erste Schalteinrichtung fließenden Stroms in den Stromrichterpfad sichergestellt.
Das Verfahren kann so ablaufen, dass
- der in den Schaltungsteil kommutierende Strom einen
Energiespeicher, insbesondere einen Kondensator, auflädt, und
- aufgrund der sich mit der Zeit vergrößernden Spannung des Energiespeichers, insbesondere aufgrund der sich mit der Zeit vergrößernden Kondensatorspannung, der Strom von dem
Schaltungsteil in den Stromrichter kommutiert wird. Die Kon¬ densatorspannung wirkt hierbei als eine Kommutierungs¬ spannung, die den Strom in den Stromrichterpfad (das heißt, durch den Stromrichter) treibt. Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass
- die Höhe der Spannung des Energiespeichers (d.h. der an dem Energiespeicher auftretenden Spannung) , insbesondere die Höhe der Kondensatorspannung, auf einen Spannungs-Maximalwert begrenzt wird. Dadurch kann vorteilhafter Weise ein Energie- Speicher, insbesondere ein Kondensator, mit vergleichsweise niedriger Spannungsfestigkeit verwendet werden. Derartige Energiespeicher bzw. Kondensatoren sind preisgünstig verfügbar und weisen eine kleine Bauform auf. Dabei ist der Spannungs-Maximalwert größer als die Kommutierungsspannung, welche notwendig ist zum Kommutieren des Stroms von dem
Schaltungsteil in den Stromrichter. Die die Höhe der Spannung kann insbesondere mittels eines Überspannungsabieiters begrenzt werden. Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass
- der elektrische Strom zunächst durch eine Reihenschaltung aus der geschlossenen ersten Schalteinrichtung und einer geschlossenen zweiten Schalteinrichtung fließt, und - nach dem Kommittieren des Stroms in den Stromrichter die zweite Schalteinrichtung geöffnet wird. Auf Grund der
Reihenschaltung kann eine besonders hohe Spannungsfestigkeit der Gesamtschaltung erreicht werden.
Darüber hinaus weist das Verfahren auch die Vorteile auf, die oben im Zusammenhang mit der Kommutierungsschaltung angegeben sind . Im Folgenden wird die Erfindung anhand von
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dazu ist in
Figur 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer
Reihenschaltung aus mehreren Stromrichtern dargestellt, welche jeweils eine
Kommutierungsschaltung aufweisen, in
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel eines Stromrichters mit
einer Kommutierungsschaltung im Detail, in
Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Stromrichters mit einer Kommutierungsschaltung im Detail und in Figur 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Stromrichters mit einer Kommutierungsschaltung im Detail dargestellt .
In Figur 1 ist beispielhaft ein Ausschnitt aus einer elektri¬ schen Anlage 1 dargestellt, die zum Beispiel zur Anbindung eines Windparks an ein Energieübertragungsnetz mittels einer Hochspannungsgleichstromübertragung dient. Die elektrische Anlage 1 weist einen ersten Stromrichter 3 mit einem Wechsel- spannungsanschluss 5, einem ersten Gleichspannungsanschluss 6 und einem zweiten Gleichspannungsanschluss 7 auf. Eine erste Kommutierungsschaltung 8 ist elektrisch parallel zu dem ersten Stromrichter 3 geschaltet. Der erste Gleichspannungs¬ anschluss 6 ist mit einem ersten Verbindungspunkt 9
elektrisch verbunden; der zweite Gleichspannungsanschluss 7 ist elektrisch mit einem zweiten Verbindungspunkt 10
verbunden. Damit liegt ein Stromrichtermodul vor, welches den ersten Stromrichter 3 und die erste Kommutierungsschaltung 8 aufweist .
In Figur 1 ist eine elektrische Reihenschaltung aus dem ersten Stromrichter 3, einem zweiten Stromrichter 13 und einem dritten Stromrichter 23 dargestellt. Gleichartig zum ersten Stromrichter 3 weist der zweite Stromrichter 13 einen Wechselspannungsanschluss 15, einen ersten Gleichspannungs¬ anschluss 16 und einen zweiten Gleichspannungsanschluss 17 auf. Elektrisch parallel zum zweiten Stromrichter 13 ist eine zweite Kommutierungsschaltung 18 geschaltet. Der erste
Gleichspannungsanschluss 16 ist elektrisch mit dem zweiten Verbindungspunkt 10 verbunden, der zweite Gleichspannungs¬ anschluss 17 ist elektrisch mit einem dritten Verbindungs- punkt 20 verbunden.
In gleicher Weise weist der dritte Stromrichter 23 einen Wechselspannungsanschluss 15, einen ersten Gleichspannungs¬ anschluss 26 und einen zweiten Gleichspannungsanschluss 27 auf. Elektrisch parallel zu dem dritten Stromrichter 23 ist eine dritte Kommutierungsschaltung 28 geschaltet. Der erste Gleichspannungsanschluss 26 des dritten Stromrichters 23 ist mit dem dritten Verbindungspunkt 20 elektrisch verbunden, der zweite Gleichspannungsanschluss 27 des dritten Stromrichters 23 ist mit einem vierten Verbindungspunkt 30 elektrisch verbunden .
Elektrisch in Reihe zu den gezeigten Stromrichtern können noch weitere Stromrichter mit weiteren Kommutierungs- Schaltungen geschaltet sein. Bei dem ersten Stromrichter 3, dem zweiten Stromrichter 13 und dem dritten Stromrichter 23 handelt sich im Ausführungsbeispiel um Gleichrichter, beispielsweise um Diodengleichrichter. Diese Gleichrichter erzeugen aus einen über den jeweiligen Wechselspannungs- anschluss 5, 15, 25 zugeführten dreiphasigen Wechselstrom einen Gleichstrom. Der Gleichstrom wird an dem ersten Gleich- spannungsanschluss 6, 16, 26 und an dem zweiten Gleich- spannungsanschluss 7, 17, 27 ausgegeben. Die Stromrichter können jeweils Glättungsdrosseln aufweisen, die gleichartig wie in den Figuren 2 bis 4 angeordnet sind. Diese Glättungs¬ drosseln sind jedoch in Figur 1 nicht dargestellt. In Figur 2 ist der erste Stromrichter 3 und die erste
Kommutierungsschaltung 8 dargestellt. An dem ersten Gleich- spannungsanschluss 6 ist dabei eine erste Glättungsdrossel 201 angeordnet; an dem zweiten Gleichspannungsanschluss 7 ist eine zweite Glättungsdrossel 203 angeordnet. Der erste
Stromrichter 3 ist mittels der ersten Kommutierungsschaltung 8 elektrisch überbrückbar. Die erste Kommutierungsschaltung 8 weist eine erste Schalteinrichtung 207, einen Kondensator 210 und einen Überspannungsabieiter 213 auf. Der Kondensator 210 stellt dabei einen Energiespeicher 210 dar. Die erste Schalt- einrichtung 207 bildet einen niederohmigen Bypass-Strompfad (Überbrückungs-Strompfad) für den ersten Stromrichter 3. Die erste Schalteinrichtung 207, der Kondensator 210 und der Überspannungsleiter 213 sind elektrisch parallel geschaltet. Der Kondensator 210 und der Überspannungsabieiter 213 bilden einen Schaltungsteil 217, welcher die Größer der zeitbe¬ zogenen Spannungsänderung (Änderungsgeschwindigkeit der
Spannung zeitliche Änderungsrate der Spannung) einer an der ersten Schalteinrichtung 207 auftretenden Spannung begrenzt. Insbesondere beim Öffnen der ersten Schalteinrichtung 207 tritt an dieser ersten Schalteinrichtung 207 eine derartige zeitliche Spannungsänderung auf.
Die erste Schalteinrichtung 207 kann insbesondere als ein Vakuumschalter 207 (beispielsweise als eine Vakuumschaltröhre 207) ausgestaltet sein.
Die Kommutierungsschaltung 8 ist vorteilhafterweise so aufgebaut, dass zwischen der ersten Schalteinrichtung 207 und dem Kondensator 210 möglichst geringe Streuinduktivitäten vorhanden sind. Der Induktivitätswert dieser parasitären Streuinduktivitäten kann durch konstruktive Maßnahmen verringert werden. Gegebenenfalls wird die elektrische Kapazität des Kondensators 210 so groß gewählt, dass der Einfluss der Streuinduktivitäten vernachlässigbar ist.
In Figur 3 ist der zweite Stromrichter 13 mit der zweiten Kommutierungsschaltung 18 dargestellt. Die zweite Kommutie- rungsschaltung 18 unterscheidet sich von der ersten Kommutierungsschaltung 8 lediglich dadurch, dass eine zweite
Schalteinrichtung 303 elektrisch in Reihe geschaltet ist zu der Parallelschaltung aus erster Schalteinrichtung 207,
Kondensator 210 und Überspannungsabieiter 213. Die zweite Schalteinrichtung 303 kann als ein mechanischer Schalter ausgestaltet sein, beispielsweise als ein Vakuumschalter oder als ein gasisolierter Schalter mit oder ohne Lichtbogentragfähigkeit oder als ein anderer mechanischer Schalter (z.B. ein Trennschalter) . Die erste Schalteinrichtung 207 und die zweite Schalteinrichtung 303 bilden einen niederohmigen
Bypass-Strompfad (Überbrückungs-Strompfad) für den Strom¬ richter 13. Bzgl. der ersten Schalteinrichtung 207, des
Kondensators 210 und des Überspannungsabieiters 213 gilt auch hier das bei der Figur 2 Gesagte.
In Figur 4 ist der dritte Stromrichter 23 mit der dritten Kommutierungsschaltung 28 dargestellt. Die dritte Kommutie¬ rungsschaltung 28 unterscheidet sich von der zweiten
Kommutierungsschaltung 18 lediglich dadurch, dass die zweite Schalteinrichtung 303 als eine elektrische Reihenschaltung aus drei Schalteinrichtungen ausgestaltet ist: Im Aus¬ führungsbeispiel der Figur 4 ist die zweite Schalteinrichtung 303 als eine Reihenschaltung aus einer Schalteinrichtung 403, einer Schalteinrichtung 405 und einer Schalteinrichtung 407 realisiert. Die Schalteinrichtungen 403, 405 und 407 können jeweils (wie die zweite Schalteinrichtung 303 der Figur 3) als ein mechanischer Schalter ausgestaltet sein,
beispielsweise als ein gasisolierter Schalter mit oder ohne Lichtbogentragfähigkeit oder als ein Vakuumschalter
(beispielsweise als eine Vakuumschaltröhre) . Die erste
Schalteinrichtung 207, die Schalteinrichtung 403, die
Schalteinrichtung 405 und die Schalteinrichtung 407 bilden einen niederohmigen Bypass-Strompfad (Überbrückungs- Strompfad) für den Stromrichter 23.
In den Ausführungsbeispielen der Figuren 2, 3 und 4 ist der Überspannungsabieiter 213 jeweils optional, er kann auch weggelassen werden.
Im Folgenden wird anhand von Figur 3 ein Verfahren zum
Kommutieren des elektrischen Stroms erläutert. Bei Normal¬ betrieb der elektrischen Anlage 1 ist die erste Schaltein- richtung 207 und die zweite Schalteinrichtung 303 geöffnet (ausgeschaltet) , der Betriebsstrom fließt von dem dritten Verbindungspunkt 20 über die zweite Glättungsdrossel 203, den zweiten Stromrichter 13 und die erste Glättungsdrossel 201 zum zweiten Verbindungspunkt 10. Wenn nun der zweite Strom- richter 13 gewartet werden soll, dann werden die zweite
Schalteinrichtung 303 und die erste Schalteinrichtung 207 geschlossen. Dadurch wird der zweite Stromrichter 13
elektrisch überbrückt. Der Betriebsstrom der elektrischen Anlage 1 fließt weiter, er wird jetzt durch die weiteren elektrisch in Reihe geschalteten Stromrichter (hier also durch den ersten Stromrichter 3 und den dritten Stromrichter 23) erzeugt. Dieser Betriebsstrom fließt dann vom dritten Verbindungspunkt 20 über die zweite Schalteinrichtung 303 und die erste Schalteinrichtung 207 zu dem zweiten
Verbindungspunkt 10.
Wenn nun der zweite Stromrichter 13 wieder in Betrieb
genommen werden soll, dann muss der über die zweite
Schalteinrichtung 303 und die erste Schalteinrichtung 207 fließende Betriebsstrom in den zweiten Stromrichter 13 kommutiert werden. Dazu wird die erste Schalteinrichtung 207 geöffnet. Auf Grund des fließenden (großen) Betriebsstroms entsteht zwischen den Schaltkontakten der ersten Schalt- einrichtung ein Lichtbogen. Die erste Schalteinrichtung 207 ist hier als ein Vakuumschalter (z.B. als eine Vakuumschaltröhre) ausgestaltet. Die Lichtbogenspannung des Licht¬ bogens in dem Vakuumschalter setzt sich additiv aus den
Fußpunktspannungen des Lichtbogens (welche im Wesentlichen stromunabhängig sind) und einem ohmschen Spannungsanteil (welcher stromabhängig ist) zusammen.
Diese Lichtbogenspannung bewirkt eine Kommutierung des
Stromes vom Pfad der ersten Schalteinrichtung 207 auf den
Strompfad des Kondensators 210. Die zeitbezogene Spannungs¬ änderung am Kondensator ist durch die Größe des Kapazitätswerts des Kondensators begrenzt. Die Kapazität des Konden¬ sators ist dabei so gewählt, dass der Strom vollständig in den Pfad des Kondensators kommutieren kann, bevor der
Kondensator auf eine Spannung größer der Lichtbogenspannung der Schalteinrichtung 207 aufgeladen ist. Ist dies gewährleistet, so verlischt der Lichtbogen in der Schalteinrichtung 207.
Wenn der Lichtbogen in der ersten Schalteinrichtung 207 verlischt, dann ist der Betriebsstrom vollständig in den Strompfad des Kondensators 210 kommutiert. Dadurch wird dieser Kondensator weiter aufgeladen und die Kondensator- Spannung vergrößert sich. Diese Kondensatorspannung wirkt als Kommutierungsspannung und sorgt dafür, dass der Betriebsstrom von dem Pfad des Kondensators 210 auf den Strompfad des zweiten Stromrichters 13 kommutiert. Sobald der Betriebsstrom vollständig in den zweiten Stromrichter 13 kommutiert ist, wird die zweite Schalteinrichtung 303 geöffnet. Da dies im stromlosen Zustand erfolgt, braucht die zweite Schaltein¬ richtung 303 im Idealfall nicht lichtbogenfest zu sein, aber natürlich kann als zweite Schalteinrichtung 303 auch ein Schalter mit Lichtbogentragfähigkeit verwendet werden. Damit ist der Kommutierungsvorgang des Betriebsstroms von der ersten Schalteinrichtung 207 auf den zweiten Stromrichter 13 abgeschlossen. Jetzt kann der zweite Stromrichter 13 wieder eingeschaltet werden. Daraufhin beginnt der zweite Strom¬ richter 13 Spannung aufzubauen.
Die Ladespannung des Kondensators 210 wird durch den
Überspannungsabieiter 213 auf einen vorgegebenen Wert begrenzt. Dadurch lässt sich die notwendige Isolationsfähigkeit und damit die Auslegung des Kondensators 210 begrenzen. Die Schaltung funktioniert jedoch auch ohne den Überspannungs¬ abieiter 213. Dann muss der Kondensator 210 so ausgelegt sein, dass er eine für die auftretenden Spannungen ausreichende Spannungsfestigkeit aufweist.
Die zweite Schalteinrichtung 303 vergrößert beim Ausführungs¬ beispiel der Figur 3 lediglich die elektrische Isolations- fähigkeit/Spannungsfestigkeit . Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die von dem zweiten Stromrichter 13 bei dessen Betrieb erzeugte Gleichspannung größer ist als die Isolationsfähigkeit der ersten Schalteinrichtung 207. Die Schaltung funktioniert jedoch auch ohne die zweite Schaltein- richtung 303, dann liegt die Schaltung nach Figur 2 vor. In diesem Fall muss die erste Schalteinrichtung 207 so ausgelegt sein, dass sie auch den beim Betrieb von dem Stromrichter 13 erzeugten Gleichspannungen standhalten kann. Mit den beschriebenen Kommutierungsschaltungen und dem beschriebenen Verfahren können Gleichströme von beispielsweise bis zu mehreren kA in den Stromrichter kommutiert werden. Die Kommutierungsschaltung (insbesondere die Größe und Spannungsfestigkeit des Kondensators) werden dabei in Abhängigkeit von den durch den Stromrichter fließenden
Strömen und von der Größe der Glättungsdrosseln ausgelegt.
Die vorgestellte Lösung kann insbesondere mit Vorteil für die Anbindung von Offshore-Windkraftanlagen, z.B. eines Offshore- Windparks, mittels einer Hochspannungsgleichstromübertragung an ein landseitiges Energieversorgungsnetz eingesetzt werden. Insbesondere ist dabei vorteilhaft, dass sich durch die
Verwendung einer ersten Schalteinrichtung und einer zweiten Schalteinrichtung (wie in Figur 3 dargestellt) eine große Isolationsfähigkeit bereitstellen lässt, ohne dass der
Kondensator auf die volle DC-Nennspannung ausgelegt zu sein braucht. Dies wird dadurch ermöglicht, dass mittels der Kommutierungsschaltung lediglich die Kommutierungsspannung bereitgestellt zu werden braucht. Das heißt, der Kondensator 210 braucht nur soweit aufgeladen werden, bis die
Kondensatorspannung die Kommutierungsspannung überwindet. Vorteilhaft ist, dass die Kommutierungsschaltung im
einfachsten Fall lediglich aus der ersten Schalteinrichtung mit einem parallel geschalteten Kondensator aufgebaut ist. Optional kann vorteilhafterweise eine Begrenzung der
Kondensatorspannung erfolgen, z. B. mittels eines Überspan- nungsableiters . Die Verwendung einer zweiten Schalteinrichtung (die ggf. wiederum aus einer Reihenschaltung von mehreren Schalterrichtungen bestehen kann) vergrößert in vorteilhafter Weise die Isolationsfähigkeit der Kommutier¬ ungsschaltung, ohne dass der Kondensator auf die vollen auftretenden Spannungen ausgelegt zu sein braucht.
Es wurde eine Kommutierungsschaltung und ein Verfahren beschrieben, mit denen einfach und zuverlässig ein
elektrischer Strom von einem einen Stromrichter über- brückenden Strompfad zurück in den Stromrichter kommutiert werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Kommutierungsschaltung (8, 18, 28) für einen Stromrichter (3, 13, 23) mit
- einer ersten Schalteinrichtung (207), mittels der der Stromrichter elektrisch überbrückbar ist, und
- einem Schaltungsteil (217) zum Begrenzen der Größe der zeitbezogenen Spannungsänderung einer Spannung, die über der ersten Schalteinrichtung (207) auftritt.
2. Kommutierungsschaltung nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- der Schaltungsteil (217) einen Energiespeicher (210), insbesondere einen Kondensator (210), aufweist.
3. Kommutierungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- der Schaltungsteil (217) einen Überspannungsabieiter (213) aufweist, der den Energiespeicher (210), insbesondere den Kondensator (210), vor Überspannung schützt.
4. Kommutierungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- der Stromrichter ein Gleichrichter (3, 13, 23) ist.
5. Kommutierungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- die erste Schalteinrichtung (207) mit einem ersten
Gleichspannungsanschluss (6) und mit einem zweiten
Gleichspannungsanschluss (7) des Stromrichters (3) verbunden ist .
6. Kommutierungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass - die erste Schalteinrichtung (207) und der Schaltungsteil (217) eine elektrische Parallelschaltung bilden.
7. Kommutierungsschaltung nach Anspruch 6,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- eine zweite Schalteinrichtung (303) elektrisch in Reihe zu der Parallelschaltung angeordnet ist.
8. Kommutierungsschaltung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- die erste Schalteinrichtung (207) und/oder die zweite
Schalteinrichtung (303) einen mechanischen Schalter,
insbesondere einen Vakuumschalter, aufweist.
9. Kommutierungsschaltung nach Anspruch 7 oder 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- die zweite Schalteinrichtung (303) eine Reihenschaltung aus mehreren mechanischen Schaltern (403, 405, 407) aufweist.
10. Kommutierungsschaltung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- die erste Schalteinrichtung (207) mit dem ersten
Gleichspannungsanschluss (16) des Stromrichters verbunden ist und die zweite Schalteinrichtung (303) mit dem zweiten
Gleichspannungsanschluss (17) des Stromrichters (13)
verbunden ist.
11. Stromrichter mit einer Kommutierungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
12. Anordnung mit mehreren Stromrichtern (3, 13, 23) nach Anspruch 11, wobei die Stromrichter (3, 13, 23) elektrisch in Reihe geschaltet sind.
13. Verfahren zum Kommutieren eines elektrischen Stroms von einer ersten Schalteinrichtung (207) einer
Kommutierungsschaltung (8) in einen Stromrichter (201), wobei der Stromrichter mittels der ersten Schalteinrichtung (207) überbrückbar ist, wobei
- der elektrische Strom zunächst durch die geschlossene erste Schalteinrichtung (207) fließt,
- die erste Schalteinrichtung (207) geöffnet wird,
- daraufhin der Strom von der ersten Schalteinrichtung (207) in einen Schaltungsteil (217) der Kommutierungsschaltung (8) kommutiert, wobei durch den Schaltungsteil (217) die Größe der zeitbezogenen Spannungsänderung einer Spannung begrenzt wird, die über der ersten Schalteinrichtung (207) beim Öffnen der ersten Schalteinrichtung (207) auftritt, und
- aufgrund der Begrenzung der zeitbezogenen Spannungsänderung ein Nulldurchgang des Stroms in der ersten Schalteinrichtung (207) erreicht wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- der in den Schaltungsteil (217) kommutierende Strom einen Energiespeicher (210), insbesondere einen Kondensator (210) , auflädt, und
- aufgrund der sich mit der Zeit vergrößernden Spannung des Energiespeichers (210), insbesondere aufgrund der sich mit der Zeit vergrößernden Kondensatorspannung, der Strom von dem Schaltungsteil (217) in den Stromrichter (3) kommutiert wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- die Höhe der Spannung des Energiespeichers (210),
insbesondere die Höhe der Kondensatorspannung, auf einen Spannungs-Maximalwert begrenzt (213) wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- der elektrische Strom zunächst durch eine Reihenschaltung aus der geschlossenen ersten Schalteinrichtung (207) und einer geschlossenen zweiten Schalteinrichtung (303) fließt, und - nach dem Kommutieren des Stroms in den Stromrichter (13) die zweite Schalteinrichtung (303) geöffnet wird.
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