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Die Erfindung betrifft einen modularen Mehrstufenumrichter mit einer Reihenschaltung von mehreren Modulen.
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Ein modularer Mehrstufenumrichter, auch modularer Multilevel Umrichter oder kurz MMC bzw. M2C (nach dem englischen „modular multilevel converter“) genannt, ist ein Umrichter zum Umwandeln einer Spannung in eine andere Spannung. Ein modularer Mehrstufenumrichter kann z.B. eine Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandeln, d.h. er wird als Wechselrichter verwendet. Ein modularer Mehrstufenumrichter kann außerdem z.B. eine Wechselspannung in eine Gleichspannung umwandeln, d.h. er wird als Gleichrichter verwendet. Weiterhin kann ein modularer Mehrstufenumrichter eine Wechselspannung in eine in der Frequenz und Amplitude unterschiedliche Wechselspannung umwandeln, ohne zunächst eine Gleichspannung zu erzeugen, d.h. er wird als direkter Umrichter verwendet.
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Modulare Mehrstufenumrichter werden vorwiegend im Hochleistungsbereich eingesetzt. Ein mögliches Anwendungsfeld eines modularen Mehrstufenumrichters als Wechselrichter liegt in einem Photovoltaikkraftwerk, in welchem die durch das Kraftwerk erzeugte Gleichspannung in eine Wechselspannung umgewandelt werden muss, um letztere in ein Wechselstromnetz einspeisen zu können.
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Ein modularer Mehrstufenumrichter als Gleichrichter wird beispielsweise in der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung benötigt. Dabei wird aus einer Wechselspannung eine Gleichspannung erzeugt, welche zum verlustarmen Transport über weite Übertragungsstrecken hinweg genutzt wird. Nach der Übertragung wird die Gleichspannung wiederum mit einem modularen Mehrstufenumrichter als Wechselrichter in eine Wechselspannung umgewandelt, um diese in das Wechselstromnetz einzuspeisen.
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In seinem Aufbau umfasst ein modularer Mehrstufenumrichter zumindest eine Reihenschaltung mit mehreren in Reihe geschalteten Modulen.
EP 2677653 A1 offenbart einen modularen Mehrstufenumrichter, welcher in diesem Fall drei Reihenschaltungen mit 2N Modulen umfasst. Jede der Reihenschaltungen wird durch eine Wechselspannungsleitung in zwei Zweige geteilt. Jeder Zweig wiederum ist über ein Drosselelement mit der Wechselspannungsleitung verbunden. Ferner weist jedes Modul einen Energiespeicher und eine Schaltvorrichtung auf. Der jeweilige Energiespeicher ist dazu eingerichtet, eine elektrische Energie zu speichern. In jedem Modul kann der Energiespeicher zumindest teilweise mit elektrischer Energie(auf-)geladen werden. Mithilfe der Schaltvorrichtung kann gesteuert werden, ob der Energiespeicher des jeweiligen Moduls geladen bzw. entladen werden soll oder ob der Energiespeicher überbrückt werden soll.
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Der modulare Mehrstufenumrichter ist für eine bestimmte Maximalspannung und für einen bestimmten Maximalstrom ausgelegt, bis zu welchen der modulare Mehrstufenumrichter optimal und/oder störungsfrei arbeiten kann. Damit der modulare Mehrstufenumrichter auch bei noch höheren Spannungswerten störungsfrei arbeiten kann, d.h. um die Maximalspannung zu erhöhen, kann die Anzahl der in Reihe geschalteten Module erhöht werden. Der Maximalstrom bleibt dabei gleich, d.h. der Maximalstrom kann auf diese Weise nicht erhöht werden.
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Um den modularen Mehrstufenumrichter auch für höhere Ströme auszubauen, d.h. um den Maximalstrom zu erhöhen, werden derzeit in den Modulen (statt Standard-Halbleiterkomponenten) Hochleistungs-Halbleiterkomponenten, z.B. Hochleistungs-Schaltelemente, verwendet, die für solche höheren Ströme ausgelegt sind. Jedoch sind diese Hochleistungs-Halbleiterkomponenten teuer.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen leistungsfähigen und kostengünstigen modularen Mehrstufenumrichter bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen modularen Mehrstufenumrichter mit einer Reihenschaltung von mehreren Modulen gelöst, wobei jedes der Module mehrere parallel zueinander geschaltete Submodule umfasst und jedes der Submodule eine Schaltvorrichtung, einen Energiespeicher und ein Drosselelement aufweist.
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Der Erfindung liegt zugrunde, dass durch ein Parallelschalten mehrerer Einheiten der Strom in jeder Einheit niedrig gehalten werden kann, weil sich der Gesamtstrom auf die einzelnen Einheiten (in mehrere Teilströme) aufteilt.
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Die Erfindung sieht vor, dass jedes bisherige Modul in mehrere Submodule aufgeteilt wird, wobei die Submodule parallel zueinander geschaltet werden. Durch ein Parallelschalten mehrerer Submodule kann der Strom in jedem der Submodule – d.h. in jedem Submodul bzw. in jedem von den Submodulen – niedrig gehalten werden, weil sich der Gesamtstrom auf die einzelnen Submodule (in mehrere Teilströme) aufteilt. Veranschaulicht formuliert heißt das, auch wenn in den modularen Mehrstufenumrichter ein hoher Strom eingespeist wird, liegt in jedem der Submodule ein geringer Teilstrom an, sodass in jedem der Submodule Standard-Halbleiterkomponenten eingesetzt werden können.
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Weiter erkennt die Erfindung, dass ein einfaches Aufteilen der bisherigen Module (mit Energiespeicher und Schaltvorrichtung) in mehrere Submodule nicht möglich ist, weil sich die Schaltzeitpunkte der Schaltvorrichtungen in den jeweiligen Submodulen leicht voneinander unterscheiden. Herstellungsbedingt lassen sich keine Schaltvorrichtungen mit exakt gleichen Schaltzeitpunkten liefern. Durch leicht unterschiedliche Schaltzeitpunkte der Schaltvorrichtungen kann eine Last in einem Modul z.B. nur über eines der Submodule fließen, was zu einem Defekt der Schaltvorrichtung innerhalb dieses Submoduls führen kann.
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Ausgehend von diesen Erkenntnissen sieht die Erfindung vor, in jedem der Submodule ein Drosselelement zu integrieren, damit sich eine Last über alle Submodule gleichmäßig verteilen kann.
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Das heißt, die Erfindung sieht eine Parallelschaltung mehrerer Submodule vor, sodass gewährleistet wird, dass in jedem der Submodule ein geringer (Teil-)Strom fließt und, weiter sieht die Erfindung vor, dass jedes der Submodule eine Schaltvorrichtung, einen Energiespeicher und ein Drosselelement aufweist, wobei unterschiedliche Schaltzeitpunkte der Schaltvorrichtungen unter Verwendung des Drosselelements ausgeglichen werden.
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Weiterhin hat das Parallelschalten mehrerer Submodule den Vorteil, dass die Modularität eines modularen Mehrstufenumrichters weiter erhöht wird. Bei der Herstellung eines modularen Mehrstufenumrichters kann die Anzahl der Submodule eines jeden Moduls je nach benötigtem maximalem Strom variiert werden, insbesondere ohne Elemente der jeweiligen Submodule austauschen zu müssen. Eine Skalierbarkeit des modularen Mehrstufenumrichters hinsichtlich des maximalen Stroms wird damit hergestellt.
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Der modulare Mehrstufenumrichter kann zum Umwandeln einer Gleichspannung in eine Wechselspannung, d.h. als Wechselrichter, und/oder zum Umwandeln einer Wechselspannung in eine Gleichspannung, d.h. als Gleichrichter, betrieben werden. Außerdem kann der modulare Mehrstufenumrichter dazu eingerichtet sein, eine Wechselspannung in eine in der Frequenz und/oder Amplitude unterschiedliche Wechselspannung umzuwandeln. Auf diese Weise kann der modulare Mehrstufenumrichter multifunktional sein.
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Zweckmäßigerweise umfasst zumindest eines der mehreren Submodule eine Halbbrückenschaltung. Vorzugsweise sind in der Halbbrückenschaltung die Schaltvorrichtung und der Energiespeicher desselben Submoduls verschaltet. Insbesondere kann jedes der mehreren Submodule eine Halbbrückenschaltung umfassen, in welcher vorzugsweise die Schaltvorrichtung und der Energiespeicher des jeweiligen Submoduls verschaltet sind.
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Weiter ist es zweckmäßig, wenn der Energiespeicher von zumindest einem der mehreren Submodule in einem Zwischenkreis desselben Submoduls platziert ist. Insbesondere kann jeder der Energiespeicher der mehreren Submodule in einem Zwischenkreis des jeweiligen Submoduls platziert sein. Der jeweilige Zwischenkreis ist sinnvollerweise ein Element der zuvor genannten Halbbrückenschaltung. Weiter kann der jeweilige Energiespeicher parallel zu der Schaltvorrichtung des jeweiligen Submoduls angeordnet sein.
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Vorteilhafterweise ist der Energiespeicher von zumindest einem der mehreren Submodule ein Kondensator und/oder ein Akku. Als Akku kann eine wiederaufladbare Batterie verstanden werden. Insbesondere kann jeder der Energiespeicher der mehreren Submodule ein Kondensator und/oder ein Akku sein. Der Kondensator kann z.B. ein Leistungskondensator sein. Weiter kann der Kondensator beispielsweise ein Folienkondensator, ein Elektrolytkondensator oder ein Keramikkondensator sein.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Schaltvorrichtung von zumindest einem der mehreren Submodule zwei Schalteinheiten umfasst. Insbesondere kann jede der Schaltvorrichtungen der mehreren Submodule jeweils zwei Schalteinheiten umfassen. Vorzugsweise sind die beiden Schalteinheiten (jeweils) in Reihe geschaltet. Zweckmäßigerweise bilden die beiden (jeweiligen) Schalteinheiten einen Brückenarm. Der (jeweilige) Brückenarm ist sinnvollerweise ein Element der zuvor genannten Halbbrückenschaltung.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Schalteinheit von zumindest einem der mehreren Submodule eine Diode und/oder ein steuerbares Schaltelement. Insbesondere kann jede der Schalteinheiten der mehreren Submodule (jeweils) eine Diode und/oder ein steuerbares Schaltelement umfassen. Das steuerbare Schaltelement kann z.B. ein Transistor sein. Insbesondere kann das steuerbare Schaltelement ein IGBT (insulated gate bipolar transistor), ein MOSFET (metal oxide semiconductor field-effect transistor) oder dergleichen sein. Vorteilhafterweise ist das steuerbare Schaltelement antiparallel zu der Diode geschaltet. Alternativ oder zusätzlich kann die Schalteinheit eines der mehreren Submodule, insbesondere jede der Schalteinheiten der mehreren Submodule, einen Thyristor umfassen.
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Vorzugsweise ist das Drosselelement von zumindest einem der mehreren Submodule derart mit der Schaltvorrichtung desselben Submoduls verschaltet, dass das Drosselelement eine Stromänderungsrate in den beiden Schalteinheiten desselben Submoduls begrenzt. Insbesondere kann jedes der Drosselelemente der mehreren Submodule derart mit der Schaltvorrichtung des jeweiligen Submoduls verschaltet sein, dass das jeweilige Drosselelement eine Stromänderungsrate in den beiden Schalteinheiten des jeweiligen Submoduls begrenzt. Weiter kann das Drosselelement von zumindest einem der mehreren Submodule derart mit der Schaltvorrichtung desselben Submoduls verschaltet sein, dass die Schaltvorgänge desselben Submoduls von den Schaltvorgängen anderer Submodule entkoppelt sind. Außerdem kann das Drosselelement von zumindest einem der mehreren Submodule derart mit der Schaltvorrichtung desselben Submoduls verschaltet sein, dass eine störungsfreie Stromübernahme, insbesondere eine Kommutierung, der Schaltvorrichtung desselben Submoduls gewährleistet wird.
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Es ist sinnvoll, wenn in zumindest einem der mehreren Submodule die beiden Schalteinheiten desselben Submoduls durch eine Leitung miteinander verbunden sind. Insbesondere können in jedem der mehreren Submodule die beiden jeweiligen Schalteinheiten jeweils durch eine Leitung miteinander verbunden sein. Vorzugsweise ist an der jeweiligen Leitung eine Abzweigungsleitung angeschlossen. Die jeweilige Abzweigungsleitung umfasst vorteilhafterweise das Drosselelement des jeweiligen Submoduls. Alternativ kann das Drosselelement in der jeweiligen Abzweigungsleitung angeordnet sein.
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Weiter ist es zweckmäßig, wenn das Drosselelement von zumindest einem der mehreren Submodule eine Spule und/oder ein Widerstand ist. Vorzugsweise ist jedes der Drosselelemente eine Spule und/oder ein Widerstand. Insbesondere kann jedes der Drosselelemente der mehreren Submodule eine Spule sein. Weiter kann das Drosselelement von zumindest einem der mehreren Submodule einen frequenzabhängigen Widerstand aufweisen. Insbesondere weist das Drosselelement von zumindest einem der mehreren Submodule eine Induktivität auf.
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Vorteilhafterweise erfolgt in zumindest einem der mehreren Module eine Steuerung der Submodule desselben Moduls auf einer Ebene desselben Moduls mit einer gemeinsamen Modulsteuerung. Insbesondere kann jedes der Module eine solche Modulsteuerung aufweisen. Weiter erfolgt vorzugsweise in jedem der mehreren Module eine Steuerung der Submodule des jeweiligen Moduls auf der Ebene des jeweiligen Moduls mit einer gemeinsamen Modulsteuerung. Das heißt, jedes der Module kann eine gemeinsame Modulsteuerung zum Ansteuern seiner Submodule aufweisen. Die Modulsteuerung des jeweiligen Moduls ist zweckmäßigerweise dazu eingerichtet, die Schaltvorrichtungen, insbesondere die Schalteinheiten, seiner Submodule anzusteuern.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Modulsteuerung zumindest eines der mehreren Module über einen ersten Bus und/oder über einen zweiten Bus mit den Schaltvorrichtungen desselben Moduls verbunden. Weiter ist es bevorzugt, dass in zumindest einem der mehreren Module jedes der Submodule desselben Moduls eine erste Schalteinheit und eine zweite Schalteinheit aufweist. Insbesondere kann in jedem der mehreren Module jedes der Submodule des jeweiligen Moduls eine erste Schalteinheit und eine zweite Schalteinheit aufweisen. Die erste und die zweite Schalteinheit können insbesondere die zuvor genannten zwei Schalteinheiten sein.
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Die Modulsteuerung des zumindest einen der mehreren Module kann über den ersten Bus mit jeder ersten Schalteinheit desselben Moduls, insbesondere mit jedem der Schaltelemente der ersten Schalteinheit desselben Moduls, verbunden sein. Ferner kann die Modulsteuerung des zumindest einen der mehreren Module über den zweiten Bus mit jeder zweiten Schalteinheit desselben Moduls, insbesondere mit jedem der Schaltelemente der zweiten Schalteinheit desselben Moduls, verbunden sein. Insbesondere kann jede der Modulsteuerungen der mehreren Module derart mit den Schalteinheiten der Submodule der jeweiligen Module verbunden sein.
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Jedes der Submodule kann weitere Elemente umfassen. Die Halbbrückenschaltung zumindest eines der mehreren Submodule kann mit den weiteren Elementen desselben Submoduls z.B. eine Vollbrückenschaltung bilden. Jedes der Submodule kann eine oder mehrere weitere Schaltvorrichtungen umfassen, welche wiederum eine oder mehrere Schalteinheiten aufweisen können. Die eine oder mehreren Schalteinheiten der weiteren Schaltvorrichtung(en) können identisch oder im Wesentlichen identisch zu den erstgenannten Schalteinheiten ausgestaltet sein. Die Modulsteuerung des jeweiligen Moduls kann mit den weiteren Schaltvorrichtungen desselben Moduls verbunden sein, insbesondere um diese anzusteuern. Vorzugsweise umfasst die Reihenschaltung eine gerade Anzahl von Modulen.
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Die Reihenschaltung des modularen Mehrstufenumrichters kann eine erste Reihenschaltung sein. Außerdem kann der modulare Mehrstufenumrichter mindestens eine weitere Reihenschaltung von Modulen umfassen. Die weitere Reihenschaltung kann, insbesondere jede der weiteren Reihenschaltungen können, zur ersten Reihenschaltung von Modulen parallel geschaltet sein. Ferner kann die weitere Reihenschaltung, insbesondere jede der weiteren Reihenschaltungen, und die erste Reihenschaltung eine gleiche Anzahl von Modulen, insbesondere eine gerade Anzahl von Modulen, aufweisen.
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Weiter ist es bevorzugt, wenn jedes der Module eine gleiche Anzahl von Submodulen aufweist. Insbesondere können die Module der ersten Reihenschaltung eine gleiche Anzahl von Submodulen aufweisen. Außerdem können die Module der weiteren Reihenschaltung, insbesondere die Module jeder der weiteren Reihenschaltungen, und die Module der ersten Reihenschaltung eine gleiche Anzahl von Submodulen aufweisen. Vorzugsweise sind die Submodule identisch oder im Wesentlichen identisch zueinander ausgestaltet.
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Weiter kann der modulare Mehrstufenumrichter eine Hauptansteuerung aufweisen. Die Hauptsteuerung kann mit den jeweiligen Modulsteuerungen verbunden sein.
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Der modulare Mehrstufenumrichter kann beispielsweise zur Versorgung eines Energieübertragungssystems eingesetzt werden, wobei insbesondere eine von dem modularen Mehrstufenumrichter gewandelte Spannung in das Energieübertragungssystem eingespeist werden kann. Vorzugsweise ist das Energieübertragungssystem ein Stromnetz, beispielsweise ein Gleichstromnetz oder ein Wechselstromnetz.
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Ferner ist die Erfindung auf ein Verfahren zum Betreiben eines modularen Mehrstufenumrichters mit einer Reihenschaltung von mehreren Modulen gerichtet. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren umfasst jedes der Module mehrere parallel zueinander geschaltete Submodule und jedes der Submodule weist eine Schaltvorrichtung, einen Energiespeicher und ein Drosselelement auf, wobei eine Spannung an den modularen Mehrstufenumrichter angelegt wird, in jedem der Submodule ein Teilstrom fließt, wobei durch das Drosselelement des jeweiligen Submoduls eine Stromänderungsrate des jeweiligen Teilstroms begrenzt wird, die in den Submodulen fließenden Teilströme sich zu einem Gesamtstrom überlagern und der Gesamtstrom vom modularen Mehrstufenumrichter an ein Energieübertragungssystem abgegeben wird.
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Dieser modulare Mehrstufenumrichter kann insbesondere der oben beschriebene modulare Mehrstufenumrichter sein. Folglich können die nachfolgend genannten Elemente des modularen Mehrstufenumrichters die zuvor erwähnten Elemente sein.
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Zweckmäßigerweise erzeugt jedes der Module eine Teilspannung. Vorzugsweise überlagern sich die Teilspannungen zu einer Gesamtspannung. Weiter kann die Gesamtspannung vom modularen Mehrstufenumrichter abgegeben werden. Insbesondere kann die Gesamtspannung an das Energieübertragungssystem abgegeben werden. Sinnvollerweise ist die Gesamtspannung die vom modularen Mehrstufenumrichter gewandelte Spannung.
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Zweckmäßigerweise werden in jedem der mehreren Module die Schaltvorrichtungen des jeweiligen Moduls auf der Ebene des jeweiligen Moduls nach einer vorgegebenen Logik ansteuert.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist jedes der Submodule eine erste Schalteinheit und eine zweite Schalteinheit auf. Weiter kann in jedem der mehreren Module nach der vorgegebenen Logik im Wesentlichen zeitgleich jede erste Schalteinheit des jeweiligen Moduls und im Wesentlichen zeitgleich jede zweite Schalteinheit des jeweiligen Moduls angesteuert werden.
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Es ist bevorzugt, wenn jedes der Submodule eine Schaltvorrichtung umfasst, welche zweckmäßigerweise eine erste Schalteinheit und eine zweite Schalteinheit aufweist. Weiter ist es vorteilhaft wenn jedes der Module eine Modulsteuerung aufweist. Die Modulsteuerung kann seine Submodule ansteuern. Zweckmäßigerweise steuert die Modulsteuerung die Schaltvorrichtungen, insbesondere die Schalteinheiten, des jeweiligen Moduls an. Die Modulsteuerung kann die Schaltvorrichtungen, insbesondere die Schalteinheiten, des jeweiligen Moduls nach einer vorgegebenen Logik ansteuern. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung steuert die Modulsteuerung über einen ersten Bus und/oder über einen zweiten Bus die Schalteinheiten des jeweiligen Moduls an.
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Nach der vorgegebenen Logik kann die Modulsteuerung des jeweiligen Moduls über einen ersten Bus im Wesentlichen zeitgleich jede erste Schalteinheit desselben Moduls, insbesondere die Schaltelemente der ersten Schalteinheiten desselben Moduls, ansteuern. Ferner kann nach der vorgegebenen Logik die Modulsteuerung des jeweiligen Moduls über einen zweiten Bus im Wesentlichen zeitgleich jede zweite Schalteinheit desselben Moduls, insbesondere die Schaltelemente der zweiten Schalteinheiten desselben Moduls, ansteuern.
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Falls die erste Schalteinheit des jeweiligen Submoduls eingeschaltet ist, wird der Energiespeicher des jeweiligen Submoduls zweckmäßigerweise überbrückt. Falls die zweite Schalteinheit des jeweiligen Submoduls eingeschaltet ist, wird der Energiespeicher des jeweiligen Submoduls zweckmäßigerweise geladen und/oder entladen.
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Vorzugsweise wird/ist die erste Schalteinheit, insbesondere das Schaltelement der ersten Schalteinheit, des jeweiligen Submoduls geöffnet, wenn die zweite Schalteinheit, insbesondere das Schaltelement der zweiten Schalteinheit, desselben Submoduls geschlossen wird/ist und umgekehrt. Weiter können beide Schalteinheiten des jeweiligen Submoduls, insbesondere dessen Schaltelemente, gleichzeitig geöffnet sein.
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Der modulare Mehrstufenumrichter kann mindestens eine weitere Reihenschaltung von Modulen umfassen. Vorzugsweise umfasst der modulare Mehrstufenumrichter eine weitere Reihenschaltung (d.h. insgesamt zwei Reihenschaltungen), um eine zweiphasige Wechselspannung zu erzeugen und/oder umzuwandeln. Alternativ kann der modulare Mehrstufenumrichter zwei weitere Reihenschaltungen (d.h. insgesamt drei Reihenschaltungen) umfassen, um eine dreiphasige Wechselspannung zu erzeugen und/oder umzuwandeln.
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Die bisher gegebene Beschreibung vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung enthält zahlreiche Merkmale, die in den einzelnen Unteransprüchen teilweise zu mehreren zusammengefasst wiedergegeben sind. Diese Merkmale können jedoch zweckmäßigerweise auch einzeln betrachtet und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammengefasst werden. Insbesondere sind diese Merkmale jeweils einzeln und in beliebiger geeigneter Kombination mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen modularen Mehrstufenumrichter kombinierbar. So sind Verfahrensmerkmale auch als Eigenschaft der entsprechenden Vorrichtungseinheit gegenständlich formuliert zu sehen und umgekehrt.
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Auch wenn in der Beschreibung bzw. in den Patentansprüchen einige Begriffe jeweils im Singular oder in Verbindung mit einem Zahlwort verwendet werden, soll der Umfang der Erfindung für diese Begriffe nicht auf den Singular oder das jeweilige Zahlwort eingeschränkt sein. Ferner sind die Wörter „ein“ bzw. „eine“ nicht als Zahlwörter, sondern als unbestimmte Artikel zu verstehen.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und beschränken die Erfindung nicht auf die darin angegebene Kombination von Merkmalen, auch nicht in Bezug auf funktionale Merkmale. Außerdem können dazu geeignete Merkmale eines jeden Ausführungsbeispiels auch explizit isoliert betrachtet, aus einem Ausführungsbeispiel entfernt, in ein anderes Ausführungsbeispiel zu dessen Ergänzung eingebracht und mit einem beliebigen der Ansprüche kombiniert werden.
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Es zeigen:
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1 einen modularen Mehrstufenumrichter mit einer Reihenschaltung von mehreren Modulen;
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2 eine alternative Ausführungsform eines Submoduls; und
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3 einen modularen Mehrstufenumrichter mit drei Reihenschaltungen von mehreren Modulen.
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1 zeigt ein schematisches Schaltbild eines modularen Mehrstufenumrichters 2, welcher eine Reihenschaltung 4 mit mehreren Modulen 6 aufweist.
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Der modulare Mehrstufenumrichter 2 umfasst zwei Gleichspannungsleitungen 8 für den Anschluss einer Gleichspannung (+, –) bzw. für den Anschluss an ein Gleichstromnetz und eine Wechselspannungsleitung 10 für den Ausgang einer Wechselspannung (AC) bzw. für den Anschluss an ein Wechselstromnetz. Weiter ist der modulare Mehrstufenumrichter 2 beispielsweise dazu eingerichtet, eine Gleichspannung (+, –) in eine (einphasige) Wechselspannung (AC) umzuwandeln. Die Wechselspannungsleitung 10 teilt die Reihenschaltung 4 in zwei Zweige 12. Jeder Zweig 12 umfasst die gleiche Anzahl an Modulen 6.
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Jedes Modul 6 umfasst mehrere parallel zueinander geschaltete Submodule 14, wobei jedes Modul 6 die gleiche Anzahl an Submodulen 14 aufweist. Die Submodule 14 sind identisch zueinander ausgebildet. Jedes Submodul 14 umfasst eine Schaltvorrichtung 16, einen Energiespeicher 18 und ein Drosselelement 20. Weiter umfasst jedes Submodul 14 eine Halbbrückenschaltung 22, in welchem die Schaltvorrichtung 16 und der Energiespeicher 18 verschalten sind. Insbesondere ist jeder Energiespeicher 18 jeweils in einem Zwischenkreis 24 der Halbbrückenschaltung 22 des jeweiligen Submoduls 14 platziert, d.h. jeder Energiespeicher 18 ist parallel zu der jeweiligen Schaltvorrichtung 16 angeordnet. Jeder Energiespeicher 18 ist als Kondensator ausgeführt.
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Die Schaltvorrichtung 16 des jeweiligen Submoduls 14 umfasst eine erste Schalteinheit 26 und eine zweite Schalteinheit 28. Ferner sind die beiden jeweiligen Schalteinheiten 26, 28 in Reihe geschaltet und bilden einen Brückenarm 30 der Halbbrückenschaltung 22 des jeweiligen Submoduls 14.
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Jede Schalteinheit 26, 28 umfasst eine Diode 32 und ein steuerbares Schaltelement 34. Das jeweilige steuerbare Schaltelement 34 ist ein Transistor, insbesondere ein IGBT (insulated gate bipolar transistor). Weiter ist das Schaltelement 34 antiparallel zu der Diode 32 geschaltet.
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Außerdem ist jedes Drosselelement 20, derart mit der Schaltvorrichtung 16 desselben Submoduls 14 verschaltet, dass das jeweilige Drosselelement 20 eine Stromänderungsrate in den beiden Schalteinheiten 26, 28 desselben Submoduls 14 begrenzt. Dazu sind die beiden jeweiligen Schalteinheiten 26, 28 jedes Submoduls 14 durch eine Leitung 35 miteinander verbunden und an der jeweiligen Leitung 35 ist eine Abzweigungsleitung 36 angeschlossen, welche das Drosselelement 20 des jeweiligen Submoduls 14 umfasst. Das Drosselelement 20 des jeweiligen Submoduls 14 ist eine Spule, welche eine Induktivität und somit einen frequenzabhängigen Widerstand aufweist.
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Die jeweilige Abzweigungsleitung 36 verbindet das jeweilige Modul 6 mit dem nächsten (zeichnungsgemäß oberhalb liegenden) Modul 6. Die Abzweigungsleitung 36 des zeichnungsgemäß obersten Moduls 6 verbindet dieses Modul 6 über die Gleichspannungsleitung (Eingangsleitung) 8 mit dem Pluspol (+) der Gleichspannung (+, –).
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Ferner erfolgt die Steuerung eines jeweiligen Submoduls 14 auf einer Ebene des jeweiligen Moduls 6 mit einer gemeinsamen Modulsteuerung 38. Das heißt, jedes Modul 6 weist eine Modulsteuerung 38 auf. Die jeweilige Modulsteuerung 38 steuert die Schalteinheiten 26, 28 der jeweiligen Schaltvorrichtung 16 an, insbesondere nach einer vorgegebenen Logik.
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Weiter ist die Modulsteuerung 38 des jeweiligen Moduls 6 über den ersten Bus 40 mit jeder ersten Schalteinheit 26 desselben Moduls 6, insbesondere mit den Schaltelementen 34 der ersten Schalteinheiten 26 desselben Moduls 6, verbunden. Die Modulsteuerung 38 des jeweiligen Moduls 6 steuert (nach der vorgegebenen Logik) über den ersten Bus 40 im Wesentlichen zeitgleich jede erste Schalteinheit desselben Moduls 6, insbesondere die Schaltelemente 34 der ersten Schalteinheiten 26 desselben Moduls 6, an.
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Außerdem ist die Modulsteuerung 38 des jeweiligen Moduls 6 über den zweiten Bus 42 mit jeder zweiten Schalteinheit 28 desselben Moduls 6, insbesondere mit den Schaltelementen 34 der zweiten Schalteinheiten 28 desselben Moduls, verbunden. Die Modulsteuerung 38 des jeweiligen Moduls 6 steuert (nach der vorgegebenen Logik) über den zweiten Bus 42 im Wesentlichen zeitgleich jede zweite Schalteinheit 28 desselben Moduls 6, insbesondere die Schaltelemente 34 der zweiten Schalteinheiten 26 desselben Moduls 6, an.
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Falls das Schaltelement 34 der ersten Schalteinheit 26 des jeweiligen Submoduls 14 eingeschaltet ist und das Schaltelement 34 der zweiten Schalteinheit 28 desselben Submoduls 14 ausgeschaltet ist, wird der Energiespeicher 18 des jeweiligen Submoduls 14 überbrückt. Falls das Schaltelement 34 der zweiten Schalteinheit 28 des jeweiligen Submoduls 14 eingeschaltet ist und das Schaltelement 34 der ersten Schalteinheit 26 desselben Submoduls 14 ausgeschaltet ist, kann der Energiespeicher 18 des jeweiligen Submoduls 14 geladen oder entladen werden.
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Weiter können beide Schalteinheiten 26, 28 des jeweiligen Submoduls 14, insbesondere dessen Schaltelemente 34, gleichzeitig geöffnet sein. Das Öffnen der jeweiligen Schaltelemente 34 erfolgt dadurch, dass das jeweilige Schaltelement 34 hochohmig wird.
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Zur Umwandlung der Spannung wird beispielsweise an die Gleichspannungleitungen 8 eine Gleichspannung (+, –) angelegt. In jedem der Submodule 14 fließt (aufgrund der Parallelschaltung) ein Teilstrom. Durch das Drosselelement 20 des jeweiligen Submoduls 14 wird eine Stromänderungsrate des jeweiligen Teilstroms begrenzt. Weiter überlagern sich die in den Submodulen fließenden Teilströme zu einem Gesamtstrom. Der Gesamtstrom wird vom modularen Mehrstufenumrichter 2 über die Wechelspannungsleitung 10 an ein Energieübertragungssystem abgegeben. In diesem Beispiel ist das Energieübertragungssystem das Wechselstromnetz.
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Weiter erzeugt jedes Modul 6 eine Teilspannung. Die Teilspannungen überlagern sich zu einer Gesamtspannung. Die Gesamtspannung wird in Form einer Wechselspannung (AC) vom modularen Mehrstufenumrichter 2 über die Wechselspannungsleitung 10 in das Energieübertragungssystem abgegeben. Somit ist hier die gewandelte Spannung die Wechselspannung.
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Prinzipiell kann der modulare Mehrstufenumrichter 2 auch in umgekehrter Richtung betrieben werden, d.h. an die Wechselspannungsleitung 10 kann eine Wechselspannung 10 angelegt werden, welche vom modularen Mehrstufenumrichter 2 in eine Gleichspannung (+, –) bzw. in einen Gleichstrom umgewandelt wird. Die Gleichspannung (+, –) bzw. der Gleichstrom wird dann über die Gleichspannungsleitungen 8 an ein Gleichspannungsnetz abgegeben.
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2 zeigt ein schematisches Schaltbild einer alternativen Ausführungsform eines Submoduls 44. Die in 1 gezeigten Submodule 14 können jeweils durch das in 2 gezeigte Submodul 44 ersetzet werden.
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Die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zum Submodul 14 aus 1, auf das bezüglich gleich bleibender Merkmale und Funktionen verwiesen wird. Im Wesentlichen gleich bleibende Elemente werden grundsätzlich mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht erwähnte Merkmale sind in das folgende Ausführungsbeispiel übernommen, ohne dass sie erneut beschrieben sind.
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Das Submodul 44 umfasst eine Halbbrückenschaltung 22, in welchem eine Schaltvorrichtung 16 und ein Energiespeicher 18 angeordnet sind. Die Schaltvorrichtung 16 umfasst zwei Schalteinheiten 26, 28, die in einem Brückenarm 30 der Halbbrückenschaltung 22 angeordnet sind. Die zwei Schalteinheiten 26, 28 sind durch eine Leitung 35 miteinander verbunden und an der Leitung 35 ist eine Abzweigungsleitung 36 angeschlossen, welche das Drosselelement 20 umfasst.
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Außerdem umfasst das Submodul 44 eine zweite Schaltvorrichtung 46 mit zwei Schalteinheiten 48, 50, die in einem zweiten Brückenzweig 52 angeordnet sind. Die Halbbrückenschaltung 22 eines Submoduls 44 bildet mit der zweiten Schaltvorrichtung 46 eine Vollbrückenschaltung 54. Die zweite Schaltvorrichtung 46 wird von derselben Modulsteuerung (vgl. 1) angesteuert wie die erste Schaltvorrichtung 16. D.h. die Schaltelemente 34 der zweiten Schaltvorrichtung 46 sind mit derselben Modulsteuerung verbunden wie die Schaltelemente 34 der ersten Schaltvorrichtung 16.
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Prinzipiell kann das Submodul auch eine Mischform aus Halb- und Vollbrücke umfassen. Alternativ kann das Submodul auch eine Vollbrücke und weitere Elemente umfassen.
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3 zeigt ein schematisches Schaltbild eines modularen Mehrstufenumrichters 56 mit drei Reihenschaltungen 4. Jede Reihenschaltung umfasst mehrere Module 6, die wiederum jeweils mehrere Submodule 58 sowie eine Modulsteuerung 38 aufweisen. Zur besseren Übersichtlichkeit wurden die Submodule 58 als Rechteck symbolisch eingezeichnet und jedes Submodul 58 kann z.B. durch eines der Submodule 14, 44 aus 1 bzw. aus 2 ersetzt werden.
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Die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel aus 1, auf das bezüglich gleich bleibender Merkmale und Funktionen verwiesen wird. Im Wesentlichen gleich bleibende Elemente werden grundsätzlich mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht erwähnte Merkmale sind in das folgende Ausführungsbeispiel übernommen, ohne dass sie erneut beschrieben sind.
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Die jeweilige Modulsteuerung 38 und die Submodule 58 des jeweiligen Moduls 6 sind über ein Bussystem 60 miteinander verbunden (im Gegensatz zu den mehreren Busse (40, 42) in 1). In 3 erfolgt die Ansteuerung der Submodule 58 bzw. ihrer Schaltvorrichtungen, insbesondere ihrer Schaltelemente, über das Bussystem 60 in analoger Weise zu der Ansteuerung in 1.
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Die erste Reihenschaltung 4 ist zeichnungsgemäß links, die zweite Reihenschaltung 4 zeichnungsgemäß mittig und die dritte Reihenschaltung 4 zeichnungsgemäß rechts angeordnet. Die zweite sowie die dritte Reihenschaltung 4 ist jeweils parallel zu der ersten Reihenschaltung 4 geschaltet, d.h. die drei Reihenschaltungen 4 sind parallel zueinander geschaltet. Weiter umfassen die drei Reihenschaltungen 4 jeweils eine gleiche Anzahl von Modulen 6. Die zweite Reihenschaltung 4 und die dritte Reihenschaltung 4 sind analog zu ersten Reihenschaltung 4 ausgebildet. Jede Reihenschaltung 4 umfasst jeweils eine Wechselspannungsleitung 10 für eine Phase einer Wechselspannung (AC). Der modulare Mehrstufenumrichter 56 ist beispielsweise dazu eingerichtet, eine Gleichspannung (+, –) in eine dreiphasige Wechselspannung (AC) umzuwandeln. Prinzipiell kann der modulare Mehrstufenumrichter 56 auch in umgekehrter Richtung betrieben werden, d.h. er kann eine dreiphasige Wechselspannung (AC) in eine Gleichspannung (+, –) umwandeln.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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