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WO2018113926A1 - Stromrichter - Google Patents

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Publication number
WO2018113926A1
WO2018113926A1 PCT/EP2016/081950 EP2016081950W WO2018113926A1 WO 2018113926 A1 WO2018113926 A1 WO 2018113926A1 EP 2016081950 W EP2016081950 W EP 2016081950W WO 2018113926 A1 WO2018113926 A1 WO 2018113926A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
module
modules
power converter
voltage
surge arrester
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2016/081950
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel BÖHME
Ingo Euler
Thomas KÜBEL
Steffen PIERSTORF
Daniel Schmitt
Frank Schremmer
Torsten Stoltze
Marcus Wahle
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
Priority to PCT/EP2016/081950 priority Critical patent/WO2018113926A1/de
Publication of WO2018113926A1 publication Critical patent/WO2018113926A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/42—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/42—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/4835—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels comprising two or more cells, each including a switchable capacitor, the capacitors having a nominal charge voltage which corresponds to a given fraction of the input voltage, and the capacitors being selectively connected in series to determine the instantaneous output voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/36—Arrangements for transfer of electric power between AC networks via a high-tension DC link
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • 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 power converter with a plurality of modules, each having at least two electronic
  • the invention relates to a method for protecting modules of a power converter from overvoltage.
  • Power converters are power electronic circuits for converting electrical energy.
  • AC can be used in DC, DC in AC, AC in AC of other frequency and / or
  • VSC voltage sourced converter
  • the electrical series connection of the modules can achieve high output voltages.
  • the converters are easily adaptable to different voltages (scalable) and a desired output voltage can be generated relatively accurately.
  • Modular multilevel converters are often used in the high voltage range, for example as
  • the invention has for its object to provide a power converter and a method in which the
  • Modules each containing at least two electronic
  • Parasitic electrical variables of the converter for example parasitic resistances, parasitic inductances or parasitic capacitances, which may occur, for example, due to conductor tracks of the converter or the design of the converter hall
  • Modules is thus each a separate protective element in shape assigned to the respective surge arrester.
  • the surge arrester can be optimally adapted to the module, for example by selecting a suitable threshold voltage for the module. If a power converter is built with a higher operating voltage and therefore more modules are connected in series, then no other surge arresters need to be used because the individual surge arresters only have to fit to the respective module, but not to the operating voltage of the module
  • the power converter can in particular be a modular
  • the modules may in particular be bipolar modules.
  • the surge arresters can also be used as decentralized modular surge arresters or as decentralized modular multilevel surge arresters
  • the power converter can be designed so that
  • Surge Absieiter be arranged spatially close to the respective module.
  • the power converter can be designed so that - The surge arrester is low inductively connected to the respective module. This allows the surge arrester to quickly perform its protective function in the event of overvoltage.
  • the power converter can also be designed so that
  • the surge arrester each a metal oxide surge arrester, in particular a metal oxide varistor, is.
  • the power converter can be designed so that
  • the two electronic switching elements of the modules are arranged in a half-bridge circuit, or
  • the modules each have the two electronic switching elements and two other electronic switching elements, wherein the two electronic switching elements and the two other electronic switching elements in one
  • such a module also becomes a half-bridge module or a half-bridge submodule
  • such module also referred to as a full bridge module or as a full bridge submodule.
  • Disclosed is still a method for protecting
  • Converter has a plurality of modules and each module has at least two electronic switching elements and an electrical energy storage, wherein in the
  • each module has a first terminal and a second terminal, and the first terminal and the second terminal become electrically conductive (when an overvoltage occurs) by means of the surge absorber (exclusively) associated with this module
  • a method for protecting modules of a power converter from overvoltage wherein the power converter has a plurality of modules and each module has at least two electronic modules
  • modules When an overvoltage occurs on several modules, these modules are each electrically bridged by means of a surge arrester, which is (exclusively) associated with the respective module.
  • Figure 1 shows an embodiment of a power converter, which has a plurality of modules
  • Figure 2 shows an embodiment of a module
  • FIG. 3 shows another embodiment of a module
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a high-voltage
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a reactive power
  • FIG. 6 shows an exemplary sequence of the method for
  • Multilevel converter 1 (modular multilevel converter, MMC).
  • MMC modular multilevel converter
  • This multi-level power converter 1 has a first AC voltage connection 5, a second alternating voltage terminal ⁇ 7 and a third AC voltage terminal.
  • the first AC voltage terminal 5 is electrically connected to a first phase module branch 11 and a second phase module branch 13.
  • the first phase module branch 11 and the second phase module branch 13 form a first phase module 15 of the power converter 1.
  • Phase module branch 11 is electrically connected to a first DC voltage connection 16; that the first
  • Phase module branch 13 is connected to a second
  • the first DC voltage terminal 16 electrically connected.
  • the first DC voltage terminal 16 is a positive one
  • the second DC voltage terminal 17 is a negative DC voltage terminal.
  • DC voltage terminal 17 is applied to a DC voltage Ud.
  • the second AC voltage terminal 7 is electrically connected to one end of a third phase module branch 18 and to one end of a fourth phase module branch 21.
  • the third phase module branch 18 and the fourth phase module branch 21 form a second phase module 24.
  • the third alternating voltage terminal 9 is connected to one end of a fifth
  • Phase module branch 27 Phase module branch 27 and with one end of a sixth
  • Phase module branch 29 electrically connected.
  • Phase module branch 27 and the sixth phase module branch 29 form a third phase module 31.
  • Phase module branch 27 are electrically connected to the first DC voltage connection 16.
  • the second AC terminal 7 remote from the end of the fourth phase ⁇ module branch 21 and the third AC terminal 9 opposite end of the sixth phase module branch 29 are electrically connected to the second DC voltage terminal 17.
  • the first phase module branch 11, the third phase module branch 18 and the fifth phase module branch 27 form a positive-side converter element 32; the second phase module branch 13, the fourth phase module branch 21 and the sixth phase module branch 29 form a negative-side converter element 33.
  • Each phase module branch has a plurality of modules (1_1, 1_2, 1_3, ... l_n; 2_1 ... 2_n; etc.) which are electrically connected in series (by means of their galvanic current connections). Such modules are also referred to as submodules. In the exemplary embodiment of FIG. 1, each phase module branch has n modules. The number of means of their galvanic
  • Power connections electrically connected in series modules can be very different, at least two modules are connected in series, but it can also be, for example, 3, 50, 100 or more modules connected electrically in series. in the
  • the other phase module branches 13, 18, 21, 27 and 29 are of similar construction.
  • Power converter 1 are optical messages or optical signals via an optical communication link (for example via an optical waveguide) to the individual
  • Transfer modules 1_1 to 6_n For example, the control device sends one to the individual modules
  • the modules 1_1 to 6_n are each with a
  • Surge arrester is assigned to exactly one module.
  • module 3_2 is exactly that
  • each module is a separate one
  • the surge arrester is connected in parallel to the respective module.
  • the surge arrester in the exemplary embodiment is a metal oxide surge arrester, in particular a
  • the method for protecting modules of the power converter 1 against overvoltage thus runs so that when an overvoltage occurs on one of the modules of this module by means of (exclusively or exclusively) this module associated surge arrester is electrically bridged.
  • modules are each electrically bridged by means of a respective surge arrester, which is assigned (exclusively) to the respective module.
  • a module 201 is shown by way of example. This may be, for example, the module l_n of the first phase module branch 11 (or else one of the other modules illustrated in FIG. 1).
  • the module is designed as a half-bridge module 201.
  • the module 201 has a first on and off switchable electronic
  • Switching element 202 (first electronic switching element 202) with a first antiparallel-connected diode 204 (first freewheeling diode 204) on. Furthermore, the module 201 has a second switchable on and off electronic switching element 206 (second electronic switching element 206) with a second antiparallel-connected diode 208 (second
  • the first electronic switching element 202 and the second electronic switching element 206 are each configured as an IGBT (insulated-gate bipolar transistor).
  • the first electronic switching element 202 is electrically connected in series with the second electronic switching element 206.
  • a first (galvanic) module connection 212 At the connection point between the two electronic switching elements 202 and 206, a first (galvanic) module connection 212
  • a second (galvanic) module connection 215 is arranged at the connection of the second switching element 206, which is opposite to the connection point.
  • the second module connection 215 is furthermore connected to a first connection of the energy store 210; a second terminal of the energy storage 210 is electrically connected to the
  • Module terminal 215 either the voltage of the energy storage 210 is output or no voltage is output (i.e., a zero voltage is output).
  • the control of the first switching element 202 and the second switching element 206 takes place in the exemplary embodiment by means of the (above-mentioned) transmitted from the control device of the power converter to the module message or signal.
  • the surge arrester Al_n (see FIG. 1) connects the first module terminal 212 and the second module terminal 215.
  • the surge arrester Al_n is therefore connected in parallel to the module 201 (here: parallel to the module I_n).
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a module 301 of the modular multilevel converter.
  • This module 301 can be, for example, the module 1_1 (or also one of the other modules shown in FIG. 1).
  • first electronic switching element 202 second electronic switching element 202
  • Switching element 306 with a fourth anti-parallel connected freewheeling diode 308 on.
  • the third electronic switching element 302 and the fourth electronic switching element 306 are each configured as an IGBT. In contrast to
  • the module 301 of FIG. 3 is a so-called full-bridge module 301.
  • This full-bridge module 301 is characterized in that, when appropriately controlled, it is connected to a center of an electrical series connection of the third electronic switching element 302 and the fourth electronic switching element 306 the four
  • (Galvanic) module connection 315 selectively either the positive voltage of the energy storage 210, the negative voltage of the energy storage 210 or a voltage of zero (zero voltage) can be output. Thus, therefore, by means of the full bridge module 301, the polarity of the output voltage can be reversed.
  • the power converter 1 can have either only half-bridge modules 201, only full-bridge modules 301 or also half-bridge modules 201 and full-bridge modules 301. Via the first module connection 212 and the second module connection 215, 315 flow large electrical currents of the power converter.
  • FIG. 4 schematically shows an exemplary embodiment of a high-voltage direct-current transmission system 401.
  • This high-voltage DC transmission system 401 has two power converters 1, as shown in FIG. These two power converters 1 are electrically connected to one another on the DC voltage side via a high-voltage direct current connection 405. The two are positive
  • DC terminals 16 of the power converters 1 are electrically connected to each other by means of a first high-voltage DC line 405a; the two negative DC voltage connections 17 of the two power converters 1 are electrically connected to one another by means of a second high-voltage direct-current line 405b.
  • High voltage DC transmission system 401 can be
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a power converter 501, which is a reactive power compensator 501. This power converter 501 has only the three
  • the three phase modules 11, 18 and 27 are connected in a triangular manner, i. the three phase modules 11, 18 and 27 are connected in a delta connection. Each vertex of the delta connection is electrically connected to a respective phase line 515, 517 and 519 of the three-phase AC network 511. (In another embodiment, the three phase modules can also be connected in a star connection instead of in delta connection.)
  • the converter 501 can supply the AC voltage network 511 with reactive power or remove reactive power from the AC voltage network 511.
  • FIG. 6 the method for protecting modules of a power converter against overvoltage is shown once again by means of a flowchart.
  • Step 604 Occurrence of overvoltage on one (or more) of the modules.
  • Surge arrester which is assigned exclusively to the respective module). It was a power converter with a plurality of modules and a method for protecting modules of the
  • Each module is assigned a (separate) surge arrester, which protects only the respective module against overvoltage.
  • surge arresters are thus distributed over the modules to be protected.
  • the surge arresters are arranged adjacent to the respective module to be protected, ie spatially close to the respective module to be protected.
  • the arrangement of the surge arrester has a number of advantages:

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stromrichter (1) mit einer Mehrzahl von Modulen (1_1... 6_n), die jeweils mindestens zwei elektronische Schaltelemente (202, 206) und einen elektrischen Energiespeicher (210) aufweisen. Die Module (1_1... 6_n) sind jeweils mit einem Überspannungsableiter (A1_1... A6_n) versehen.

Description

Beschreibung Stromrichter Die Erfindung betrifft einen Stromrichter mit einer Mehrzahl von Modulen, die jeweils mindestens zwei elektronische
Schaltelemente und einen elektrischen Energiespeicher aufweisen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Schützen von Modulen eines Stromrichters vor Überspannung.
Stromrichter sind leistungselektronische Schaltungen zum Umwandeln von elektrischer Energie. Mit Stromrichtern kann Wechselstrom in Gleichstrom, Gleichstrom in Wechselstrom, Wechselstrom in Wechselstrom anderer Frequenz und/oder
Amplitude oder Gleichstrom in Gleichstrom anderer Spannung umgewandelt werden. Stromrichter können eine Vielzahl der oben genannten gleichartigen Module (die auch als Submodule bezeichnet werden) aufweisen, welche elektrisch in Reihe geschaltet sind. Solche Stromrichter werden als modulare Multilevelstromrichter bezeichnet und gehören zu den VSC- Stromrichtern (VSC = voltage sourced Converter) . Durch die elektrische Reihenschaltung der Module lassen sich hohe Ausgangsspannungen erreichen. Die Stromrichter sind einfach an unterschiedliche Spannungen anpassbar (skalierbar) und eine gewünschte Ausgangsspannung kann relativ genau erzeugt werden. Modulare Multilevelstromrichter werden oftmals im Hochspannungsbereich eingesetzt, beispielsweise als
Stromrichter bei Hochspannungs-Gleichstrom- Übertragungsanlagen .
Beim Betrieb solcher Stromrichter können Überspannungen auftreten, welche die Module beschädigen können. Es ist denkbar, den Eingang und den Ausgang des Stromrichters jeweils mit einem Überspannungsabieiter zu schützen. Dieser Überspannungsabieiter muss dann auf die jeweilige
Betriebsspannung des Stromrichters abgestimmt sein. Bei modular aufgebauten Stromrichtern (die durch Wahl der Anzahl der Module für unterschiedliche Betriebsspannungen ausgelegt sein können) bedeutet dies, dass für jede gewünschte
Betriebsspannung des Stromrichters ein Überspannungsabieiter mit einer anderen Schwellenspannung eingesetzt werden muss. Dies erfordert es, eine große Anzahl an unterschiedlichen Überspannungsableitern zu produzieren oder vorrätig zu halten. Außerdem benötigen für große Spannungen ausgelegte Überspannungsabieiter viel Platz, um beispielsweise die erforderlichen Spannungs-Schlagweiten einzuhalten. Daraus resultieren relativ hohe Aufwände und Kosten für den
Überspannungsschutz.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stromrichter und ein Verfahren anzugeben, bei denen der
Überspannungsschutz einfach und kostengünstig realisiert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen
Stromrichter und durch ein Verfahren nach den unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausführungsformen des
Stromrichters und des Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Offenbart wird ein Stromrichter mit einer Mehrzahl von
Modulen, die jeweils mindestens zwei elektronische
Schaltelemente und einen elektrischen Energiespeicher aufweisen, wobei die Module jeweils mit einem
Überspannungsabieiter versehen sind. Dabei ist vorteilhaft, dass die Module jeweils mit einem (nur dem jeweiligen Modul zugeordneten) Überspannungsabieiter versehen sind. Dadurch wird jedes Modul individuell mittels eines eigenen
Überspannungsabieiters geschützt. Parasitäre elektrische Größen des Umrichters (zum Beispiel parasitäre Widerstände, parasitäre Induktivitäten oder parasitäre Kapazitäten, die beispielsweise durch Stromschienen des Umrichters oder die Ausgestaltung der Umrichterhalle auftreten können)
beeinträchtigen nicht den Überspannungsschutz. Die
Überspannungsabieiter sind auf Modulebene verbaut. Den
Modulen ist also jeweils ein eigenes Schutzelement in Form des jeweiligen Überspannungsabieiters zugeordnet. Dadurch kann der Überspannungsabieiter jeweils optimal an das Modul angepasst sein, zum Beispiel durch Wahl einer gut zu dem Modul passenden Schwellenspannung. Wenn ein Stromrichter mit einer höheren Betriebsspannung gebaut wird und daher mehr Module in Reihe geschaltet werden, dann brauchen keine anderen Überspannungsabieiter eingesetzt zu werden, weil die einzelnen Überspannungsabieiter nur zu dem jeweiligen Modul passen müssen, nicht aber zu der Betriebsspannung des
Umrichters.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass anstelle von wenigen großen Überspannungsableitern (die jeweils für eine große Spannung ausgelegt sind) nunmehr viele kleine Überspannungsabieiter (die jeweils für eine kleine Spannung ausgelegt sind) verwendet werden. Die vielen kleinen Überspannungsabieiter lassen sich aufgrund ihrer kleinen Baugröße einfacher in den Stromrichter integrieren als wenige große
Überspannungsabieiter. Außerdem sind große Stückzahlen von Überspannungsableitern mit kleiner Schwellenspannung
kostengünstiger am Markt erhältlich als Einzelstücke von großen Überspannungsableitern mit großer Schwellenspannung. Aufgrund von Skaleneffekten lässt sich der
Überspannungsschutz also kostengünstiger realisieren. Der Stromrichter kann insbesondere ein modularer
Multilevelstromrichters sein. Die Module können insbesondere zweipolige Module sein. Die Überspannungsabieiter können auch als dezentrale modulare Überspannungsabieiter oder als dezentrale modulare Multilevel-Überspannungsableiter
bezeichnet werden.
Der Stromrichter kann so ausgestaltet sein, dass
- der Überspannungsabieiter dem jeweiligen Modul
parallelgeschaltet ist. Dadurch kann der
Überspannungsabieiter räumlich dicht an dem jeweiligen Modul angeordnet sein.
Der Stromrichter kann so ausgestaltet sein, dass - der Überspannungsabieiter niederinduktiv mit dem jeweiligen Modul verbunden ist. Dadurch kann der Überspannungsabieiter im Überspannungsfall schnell seine Schutzfunktion ausführen. Der Stromrichter kann auch so ausgestaltet sein, dass
- der Überspannungsabieiter jeweils ein Metalloxid- Überspannungsableiter, insbesondere ein Metalloxid-Varistor, ist . Der Stromrichter kann so ausgestaltet sein, dass
- die zwei elektronischen Schaltelemente der Module in einer Halbbrückenschaltung angeordnet sind, oder
- die Module jeweils die zwei elektronischen Schaltelemente und zwei weitere elektronische Schaltelemente aufweisen, wobei die zwei elektronischen Schaltelemente und die zwei weiteren elektronischen Schaltelemente in einer
Vollbrückenschaltung angeordnet sind.
Im Fall der ersten Alternative wird ein derartiges Modul auch als Halbbrücken-Modul oder als Halbbrücken-Submodul
bezeichnet. Im Fall der zweiten Alternative wird ein
derartiges Modul auch als ein Vollbrücken-Modul oder als ein Vollbrücken-Submodul bezeichnet.
Offenbart werden weiterhin eine Hochspannungs-Gleichstrom- Übertragungsanlage und eine Blindleistungs-
Kompensationsanlage mit einem Stromrichter gemäß den
vorstehend beschriebenen Varianten.
Offenbart wird weiterhin ein Verfahren zum Schützen von
Modulen eines Stromrichters vor Überspannung, wobei der
Stromrichter eine Mehrzahl der Module aufweist und jedes Modul mindestens zwei elektronische Schaltelemente und einen elektrischen Energiespeicher aufweist, wobei bei dem
Verfahren
- bei Auftreten einer Überspannung an einem der Module dieses Modul elektrisch überbrückt wird mittels eines
Überspannungsabieiters, der (ausschließlich) diesem Modul zugeordnet ist. Mit anderen Worten gesagt, weist jedes Modul einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss auf, und der erste Anschluss und der zweite Anschluss werden (bei Auftreten einer Überspannung) mittels des (ausschließlich) diesem Modul zugeordneten Überspannungsabieiters elektrisch
kurzgeschlossen.
Für den Fall, dass Überspannung gleichzeitig an mehreren Modulen des Stromrichters auftritt, wird folgendes Verfahren offenbart:
Verfahren zum Schützen von Modulen eines Stromrichters vor Überspannung, wobei der Stromrichter eine Mehrzahl der Module aufweist und jedes Modul mindestens zwei elektronische
Schaltelemente und einen elektrischen Energiespeicher
aufweist, wobei bei dem Verfahren
- bei Auftreten einer Überspannung an mehreren Modulen diese Module jeweils elektrisch überbrückt werden mittels jeweils eines Überspannungsabieiters, der (ausschließlich) dem jeweiligen Modul zugeordnet ist.
Der beschriebene Stromrichter und die beschriebenen Verfahren weisen gleiche beziehungsweise gleichartige Vorteile auf.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs¬ beispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen verweisen dabei auf gleiche oder gleich wirkende Elemente. Dazu ist in
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines Stromrichters, der eine Vielzahl von Modulen aufweist, in Figur 2 ein Ausführungsbeispiel eines Moduls, in
Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Moduls, in
Figur 4 ein Ausführungsbeispiel einer Hochspannungs-
Gleichstrom-Übertragungsanläge, in
Figur 5 ein Ausführungsbeispiel einer Blindleistungs-
Kompensationsanlage und in
Figur 6 ein beispielhafter Ablauf des Verfahrens zum
Schützen von Modulen eines Stromrichters vor Überspannung dargestellt . In Figur 1 ist ein Stromrichter 1 in Form eines modularen
Multilevelstromrichters 1 (modular multilevel Converter, MMC) dargestellt. Dieser Multilevelstromrichter 1 weist einen ersten Wechselspannungsanschluss 5, einen zweiten Wechsel¬ spannungsanschluss 7 und einen dritten Wechselspannungs- anschluss 9 auf. Der erste Wechselspannungsanschluss 5 ist elektrisch mit einem ersten Phasenmodulzweig 11 und einem zweiten Phasenmodulzweig 13 verbunden. Der erste Phasenmodulzweig 11 und der zweite Phasenmodulzweig 13 bilden ein erstes Phasenmodul 15 des Stromrichters 1. Das dem ersten Wechselspannungsanschluss 5 abgewandte Ende des ersten
Phasenmodulzweigs 11 ist mit einem ersten Gleichspannungs- anschluss 16 elektrisch verbunden; das dem ersten
Wechselspannungsanschluss 5 abgewandte Ende des zweiten
Phasenmodulzweigs 13 ist mit einem zweiten
Gleichspannungsanschluss 17 elektrisch verbunden. Der erste Gleichspannungsanschluss 16 ist ein positiver
Gleichspannungsanschluss; der zweite Gleichspannungsanschluss 17 ist ein negativer Gleichspannungsanschluss. Zwischen dem ersten Gleichspannungsanschluss 16 und dem zweiten
Gleichspannungsanschluss 17 liegt eine Gleichspannung Ud an.
Der zweite Wechselspannungsanschluss 7 ist mit einem Ende eines dritten Phasenmodulzweigs 18 und mit einem Ende eines vierten Phasenmodulzweigs 21 elektrisch verbunden. Der dritte Phasenmodulzweig 18 und der vierte Phasenmodulzweig 21 bilden ein zweites Phasenmodul 24. Der dritte Wechsel¬ spannungsanschluss 9 ist mit einem Ende eines fünften
Phasenmodulzweigs 27 und mit einem Ende eines sechsten
Phasenmodulzweigs 29 elektrisch verbunden. Der fünfte
Phasenmodulzweig 27 und der sechste Phasenmodulzweig 29 bilden ein drittes Phasenmodul 31. Das dem zweiten Wechselspannungsanschluss 7 abgewandte Ende des dritten Phasenmodulzweigs 18 und das dem dritten
Wechselspannungsanschluss 9 abgewandte Ende des fünften
Phasenmodulzweigs 27 sind mit dem ersten Gleichspannungs- anschluss 16 elektrisch verbunden. Das dem zweiten Wechselspannungsanschluss 7 abgewandte Ende des vierten Phasen¬ modulzweigs 21 und das dem dritten Wechselspannungsanschluss 9 abgewandte Ende des sechsten Phasenmodulzweigs 29 sind mit dem zweiten Gleichspannungsanschluss 17 elektrisch verbunden. Der erste Phasenmodulzweig 11, der dritte Phasenmodulzweig 18 und der fünfte Phasenmodulzweig 27 bilden ein positivseitiges Stromrichterteil 32; der zweite Phasenmodulzweig 13, der vierte Phasenmodulzweig 21 und der sechste Phasenmodulzweig 29 bilden ein negativseitiges Stromrichterteil 33.
Jeder Phasenmodulzweig weist eine Mehrzahl von Modulen (1_1, 1_2, 1_3, ... l_n; 2_1 ... 2_n; usw.) auf, welche (mittels ihrer galvanischen Stromanschlüsse) elektrisch in Reihe geschaltet sind. Solche Module werden auch als Submodule bezeichnet. Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 weist jeder Phasenmodulzweig n Module auf. Die Anzahl der mittels ihrer galvanischen
Stromanschlüsse elektrisch in Reihe geschalteten Module kann sehr verschieden sein, mindestens sind zwei Module in Reihe geschaltet, es können aber auch beispielsweise 3, 50, 100 oder mehr Module elektrisch in Reihe geschaltet sein. Im
Ausführungsbeispiel ist n = 36: der erste Phasenmodulzweig 11 weist also 36 Module 1_1, 1_2, 1_3, ... 1_36 auf. Die anderen Phasenmodulzweige 13, 18, 21, 27 und 29 sind gleichartig aufgebaut .
Von einer (nicht dargestellten) Steuereinrichtung des
Stromrichters 1 werden optische Nachrichten bzw. optische Signale über eine optische Kommunikationsverbindung (zum Beispiel über einen Lichtwellenleiter) zu den einzelnen
Modulen 1_1 bis 6_n übertragen. Beispielsweise sendet die Steuereinrichtung an die einzelnen Module jeweils einen
Sollwert zur Höhe der Ausgangsspannung, die das jeweilige Modul bereitstellen soll. Die Module 1_1 bis 6_n sind jeweils mit einem
Überspannungsabieiter Al_l bis A6_n versehen. Jeder
Überspannungsabieiter ist dabei genau einem Modul zugeordnet. Zum Beispiel ist dem Modul 3_2 genau der
Überspannungsabieiter A3_2 zugeordnet. Mit anderen Worten gesagt, ist jedem Modul also ein eigener
Überspannungsabieiter zugeordnet. Der Überspannungsabieiter ist dabei dem jeweiligen Modul parallelgeschaltet. Der
Überspannungsabieiter ist elektrisch niederinduktiv mit dem jeweiligen Modul verbunden. Dies ist durch eine kurze und windungsfreie elektrische Verbindung zwischen dem
Überspannungsabieiter und dem jeweiligen Modul realisiert. Der Überspannungsabieiter ist im Ausführungsbeispiel ein Metalloxid-Überspannungsableiter, insbesondere ein
Metalloxid-Varistor .
Bei Auftreten einer Überspannung an einem Modul wird die Schwellenspannung des jeweiligen Überspannungsabieiters überschritten. Daraufhin vergrößert sich die elektrische
Leitfähigkeit des Überspannungsabieiters schnell, wodurch zum Einen große Ströme an dem Modul vorbeigeleitet werden und zum Anderen die über dem Modul abfallende Spannung sinkt. Dadurch wird das Modul vor Überspannung geschützt. Wenn lediglich an einem Modul oder an einigen Modulen Überspannung auftritt, dann wird auch nur bei dem jeweils zugeordneten
Überspannungsabieiter oder bei den jeweils zugeordneten
Überspannungsableitern die Schwellenspannung überschritten und diese Überspannungsabieiter überbrücken jeweils das von der Überspannung betroffene Modul. Wenn aber bei allen
Modulen des Stromrichters Überspannung auftritt, dann wird bei allen Überspannungsableitern die Schwellenspannung überschritten und alle Überspannungsabieiter überbrücken jeweils die von der Überspannung betroffenen Module.
Das Verfahren zum Schützen von Modulen des Stromrichters 1 vor Überspannung läuft also so ab, dass bei Auftreten einer Überspannung an einem der Module dieses Modul mittels des (ausschließlich bzw. exklusiv) diesem Modul zugeordneten Überspannungsabieiters elektrisch überbrückt wird. Bei
Auftreten einer Überspannung an mehreren Modulen werden diese Module jeweils elektrisch überbrückt mittels jeweils eines Überspannungsabieiters, der (ausschließlich) dem jeweiligen Modul zugeordnet ist.
In Figur 2 ist beispielhaft der Aufbau eines Moduls 201 dargestellt. Dabei kann es sich beispielsweise um das Modul l_n des ersten Phasenmodulzweigs 11 (oder auch um eines der anderen in Figur 1 dargestellten Module) handeln. Das Modul ist als ein Halbbrückenmodul 201 ausgestaltet. Das Modul 201 weist ein erstes ein- und abschaltbares elektronisches
Schaltelement 202 (erstes elektronisches Schaltelement 202) mit einer ersten antiparallel geschalteten Diode 204 (erste Freilaufdiode 204) auf. Weiterhin weist das Modul 201 ein zweites ein- und abschaltbares elektronisches Schaltelement 206 (zweites elektronisches Schaltelement 206) mit einer zweiten antiparallel geschalteten Diode 208 (zweite
Freilaufdiode 208) und einen elektrischen Energiespeicher 210 in Form eines elektrischen Kondensators 210 auf. Das erste elektronische Schaltelement 202 und das zweite elektronische Schaltelement 206 sind jeweils als ein IGBT ( insulated-gate bipolar transistor) ausgestaltet. Das erste elektronische Schaltelement 202 ist elektrisch in Reihe geschaltet mit dem zweiten elektronischen Schaltelement 206. Am Verbindungspunkt zwischen den beiden elektronischen Schaltelementen 202 und 206 ist ein erster (galvanischer) Modulanschluss 212
angeordnet. An dem Anschluss des zweiten Schaltelements 206, welcher dem Verbindungspunkt gegenüberliegt, ist ein zweiter (galvanischer) Modulanschluss 215 angeordnet. Der zweite Modulanschluss 215 ist weiterhin mit einem ersten Anschluss des Energiespeichers 210 verbunden; ein zweiter Anschluss des Energiespeichers 210 ist elektrisch verbunden mit dem
Anschluss des ersten Schaltelements 202, der dem
Verbindungspunkt gegenüberliegt. Der Energiespeicher 210 ist also elektrisch parallel
geschaltet zu der Reihenschaltung aus dem ersten
Schaltelement 202 und dem zweiten Schaltelement 206. Durch entsprechende Ansteuerung des ersten Schaltelements 202 und des zweiten Schaltelements 206 kann erreicht werden, dass zwischen dem ersten Modulanschluss 212 und dem zweiten
Modulanschluss 215 entweder die Spannung des Energiespeichers 210 ausgegeben wird oder keine Spannung ausgegeben wird (d.h. eine Nullspannung ausgegeben wird) . Durch Zusammenwirken der Module der einzelnen Phasenmodulzweige kann so die jeweils gewünschte Ausgangsspannung des Stromrichters erzeugt werden. Die Ansteuerung des ersten Schaltelements 202 und des zweiten Schaltelements 206 erfolgt im Ausführungsbeispiel mittels der (oben erwähnten) von der Steuereinrichtung des Stromrichters zu dem Modul übertragenen Nachricht bzw. Signal.
Der Überspannungsabieiter Al_n (siehe Figur 1) verbindet den ersten Modulanschluss 212 und dem zweiten Modulanschluss 215. Der Überspannungsabieiter Al_n ist also parallel zu dem Modul 201 (hier: parallel zu dem Modul l_n) geschaltet.
In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Moduls 301 des modularen Multilevelstromrichters dargestellt. Bei diesem Modul 301 kann es sich beispielsweise um das Modul 1_1 (oder auch um eines der anderen in Figur 1 dargestellten Module) handeln. Neben den bereits aus Figur 2 bekannten ersten elektronischen Schaltelement 202, zweiten
elektronischen Schaltelement 206, erster Freilaufdiode 204, zweiter Freilaufdiode 208 und Energiespeicher 210 weist das in Figur 3 dargestellte Modul 301 ein drittes elektronisches Schaltelement 302 mit einer antiparallel geschalteten dritten Freilaufiode 304 sowie ein viertes elektronischen
Schaltelement 306 mit einer vierten antiparallel geschalteten Freilaufdiode 308 auf. Das dritte elektronische Schaltelement 302 und das vierte elektronische Schaltelement 306 sind jeweils als ein IGBT ausgestaltet. Im Unterschied zur
Schaltung der Figur 2 ist der zweite Modulanschluss 315 nicht mit dem zweiten elektronischen Schaltelement 206 elektrisch verbunden, sondern mit einem Mittelpunkt einer elektrischen Reihenschaltung aus dem dritten elektronischen Schaltelement 302 und dem vierten elektronischen Schaltelement 306. Das Modul 301 der Figur 3 ist ein sogenanntes Vollbrücken- Modul 301. Dieses Vollbrücken-Modul 301 zeichnet sich dadurch aus, dass bei entsprechender Ansteuerung der vier
elektronischen Schaltelemente zwischen dem ersten
(galvanischen) Modulanschluss 212 und dem zweiten
(galvanischen) Modulanschluss 315 wahlweise entweder die positive Spannung des Energiespeichers 210, die negative Spannung des Energiespeichers 210 oder eine Spannung des Wertes Null (Nullspannung) ausgegeben werden kann. Somit kann also mittels des Vollbrückenmoduls 301 die Polarität der Ausgangsspannung umgekehrt werden. Der Stromrichter 1 kann entweder nur Halbbrücken-Module 201, nur Vollbrücken-Module 301 oder auch Halbbrücken-Module 201 und Vollbrücken-Module 301 aufweisen. Über den ersten Modulanschluss 212 und den zweiten Modulanschluss 215, 315 fließen große elektrische Ströme des Stromrichters.
In Figur 4 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage 401 dargestellt. Diese Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage 401 weist zwei Stromrichter 1 auf, wie sie in Figur 1 dargestellt sind. Diese beiden Stromrichter 1 sind gleichspannungsseitig über eine Hochspannungs-Gleichstrom-Verbindung 405 elektrisch miteinander verbunden. Dabei sind die beiden positiven
Gleichspannungsanschlüsse 16 der Stromrichter 1 mittels einer ersten Hochspannungs-Gleichstrom-Leitung 405a elektrisch miteinander verbunden; die beiden negativen Gleichspannungsanschlüsse 17 der beiden Stromrichter 1 sind mittels einer zweiten Hochspannungs-Gleichstrom-Leitung 405b elektrisch miteinander verbunden. Mittels einer derartigen
Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage 401 kann
elektrische Energie über weite Entfernungen übertragen werden; die Hochspannungs-Gleichstrom-Verbindung 405 weist dann eine entsprechende Länge auf. In Figur 5 ist ein Ausführungsbeispiel eines Stromrichters 501 dargestellt, welcher ein Blindleistungskompensator 501 ist. Dieser Stromrichter 501 weist lediglich die drei
Phasenmodulzweige 11, 18 und 27 auf, welche drei Phasenmodule des Stromrichters bilden. Die Anzahl der Phasenmodule
entspricht der Anzahl der Phasen eines Wechselspannungsnetzes 511, an das der Stromrichter 501 angeschlossen ist. Die drei Phasenmodule 11, 18 und 27 sind dreieckförmig miteinander verbunden, d.h. die drei Phasenmodule 11, 18 und 27 sind in einer Dreieckschaltung geschaltet. Jeder Eckpunkt der Dreieckschaltung ist mit jeweils einer Phasenleitung 515, 517 und 519 des dreiphasigen Wechselspannungsnetzes 511 elektrisch verbunden. (Die drei Phasenmodule können in einem anderen Ausführungsbeispiel anstelle in Dreieckschaltung auch in einer Sternschaltung geschaltet sein.) Der Stromrichter 501 kann das Wechselspannungsnetz 511 mit Blindleistung versorgen oder Blindleistung aus dem Wechselspannungsnetz 511 entnehmen.
In Figur 6 ist das Verfahren zum Schützen von Modulen eines Stromrichters vor Überspannung noch einmal mittels eines Ablaufdiagramms dargestellt.
Verfahrensschritt 602:
Auftreten einer Überspannung an einem (oder mehreren) der Module . Verfahrensschritt 604:
Elektrisches Überbrücken des einen Moduls mittels des
ausschließlich diesem Modul zugeordneten
Überspannungsabieiters (oder jeweils elektrisches Überbrücken der mehreren Module mittels jeweils eines
Überspannungsabieiters, der ausschließlich dem jeweiligen Modul zugeordnet ist) . Es wurde ein Stromrichter mit einer Mehrzahl von Modulen sowie ein Verfahren zum Schützen von Modulen des
Stromrichters vor Überspannung beschrieben. Dabei ist jedem Modul ein (eigener) Überspannungsabieiter zugeordnet, der nur das jeweilige Modul vor Überspannung schützt. Die
Überspannungsabieiter sind auf Modulebene verbaut. Die
Überspannungsabieiter sind also auf die zu schützenden Module verteilt. Dadurch sind die Überspannungsabieiter benachbart zu dem jeweils zu schützenden Modul angeordnet, also räumlich nah bei dem jeweils zu schützenden Modul. Die Anordnung der Überspannungsabieiter weist eine Reihe von Vorteilen auf:
- Platzersparnis und günstige Bauweise des Umrichters, weil sich viele kleine Überspannungsabieiter besser in die
Stromrichter-Anlage integrieren lassen als wenige große
Überspannungsabieiter.
- Optimale Spannungsauslegung der Überspannungsabieiter ist möglich, d.h. optimale Anpassung der Schwellenspannung der Überspannungsabieiter an die Spannung der Module.
- Parasitäre Einflüsse der Hallen- und Umrichterbauweise können eliminiert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Stromrichter (1) mit einer Mehrzahl von Modulen (1_1 ... 6_n) , die jeweils mindestens zwei elektronische
Schaltelemente (202, 206) und einen elektrischen
Energiespeicher (210) aufweisen, wobei
- die Module (1_1 ... 6_n) jeweils mit einem
Überspannungsabieiter (Al_l ... A6_n) versehen sind.
2. Stromrichter 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 Überspannungsabieiter (A3_2) dem jeweiligen Modul (3_2) parallelgeschaltet ist.
3. Stromrichter 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 Überspannungsabieiter (A3_2) niederinduktiv mit dem jeweiligen Modul (3_2) verbunden ist.
4. Stromrichter 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 Überspannungsabieiter jeweils ein Metalloxid- Überspannungsableiter (Al_l ... A6_n) , insbesondere ein
Metalloxid-Varistor (Al_l ... A6_n) , ist.
5. Stromrichter 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 zwei elektronischen Schaltelemente (202, 206) der
Module (201) in einer Halbbrückenschaltung angeordnet sind, oder
- die Module (301) jeweils die zwei elektronischen
Schaltelemente (202, 206) und zwei weitere elektronische Schaltelemente (302, 306) aufweisen, wobei die zwei
elektronischen Schaltelemente (202, 206) und die zwei
weiteren elektronischen Schaltelemente (302, 306) in einer Vollbrückenschaltung angeordnet sind.
6. Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage (401) mit einem Stromrichter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
7. Blindleistungs-Kompensationsanlage (501) mit einem
Stromrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
8. Verfahren zum Schützen von Modulen (1_1 ... 6_n) eines
Stromrichters (1) vor Überspannung, wobei der Stromrichter (1) eine Mehrzahl der Module (1_1 ... 6_n) aufweist und jedes Modul mindestens zwei elektronische Schaltelemente (202, 206) und einen elektrischen Energiespeicher (210) aufweist, wobei bei dem Verfahren
- bei Auftreten einer Überspannung an einem der Module (3_2) dieses Modul (3_2) elektrisch überbrückt (604) wird mittels eines Überspannungsabieiters (A3_2), der diesem Modul
zugeordnet ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- bei Auftreten einer Überspannung an mehreren Modulen (3_2, 5_1) diese Module (3_2, 5_1) jeweils elektrisch überbrückt werden mittels jeweils eines Überspannungsabieiters (A3_2, A5_l), der dem jeweiligen Modul (3_2, 5 1) zugeordnet ist.
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