DE102013212426A1

DE102013212426A1 - Umrichteranordnung mit parallel geschalteten Mehrstufen-Umrichtern sowie Verfahren zu deren Steuerung

Info

Publication number: DE102013212426A1
Application number: DE102013212426.0A
Authority: DE
Inventors: Martin Pieschel; Wolfgang Hörger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-06-27
Filing date: 2013-06-27
Publication date: 2014-12-31
Also published as: CN205657581U; RU2629005C2; WO2014206704A1; KR20160013176A; US20160380551A1; EP2992595A1; RU2016102320A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Vielzahl von an ihren Wechselspannungsanschlüssen 21 parallel geschlossenen Mehrstufen-Umrichtern 2, die jeweils eine Reihenschaltung von zweipoligen Submodulen aufweisen. Dabei umfasst jedes der Submodule mindestens zwei steuerbare elektronische Schalter und einen Energiespeicher, wobei die steuerbaren elektronischen Schalter unter Ausbildung einer Reihenschaltung in Reihe geschaltet sind und die Reihenschaltung parallel zum Energiespeicher geschaltet ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird an dem jeweiligen Wechselspannungsanschluss 21 der Mehrstufen-Umrichter 2 ein stufenförmiger Spannungsverlauf erzeugt. Der Spannungsverlauf eines zweiten Mehrstufen-Umrichters wird dabei gegenüber dem Spannungsverlauf eines ersten Mehrstufen-Umrichters zeitlich versetzt. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Umrichteranordnung 1, die Mittel zur zeitlichen Verzögerung des Wechselspannungsverlaufes wenigstens eines Mehrstufen-Umrichters 2 gegenüber dem Wechselspannungsverlauf eines weiteren Mehrstufen-Umrichters 2 umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Umrichteranordnung mit einer Vielzahl von Mehrstufen-Umrichtern mit jeweils einer Reihenschaltung von zweipoligen Submodulen, wobei jeder der Mehrstufen-Umrichter einen Wechselspannungsanschluss aufweist, an dem ein stufenförmiger Spannungsverlauf erzeugbar ist, und die Mehrstufen-Umrichter über ihre Wechselspannungsanschlüsse parallel geschaltet sind.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung der Umrichteranordnung.
In der DE 101 03 031 B4 ist ein modularer Mehrstufen-Umrichter der eingangs genannten Art offenbart, wobei der Mehrstufen-Umrichter über dessen Wechselspannungsanschlüsse mit drei Phasen eines Wechselstromnetzes verbunden ist. Jedem der drei Wechselspannungsanschlüsse des Mehrstufen-Umrichters sind zwei Zweige in Reihe geschalteter zweipoliger Submodule zugeordnet. Jedes Submodul umfasst steuerbare elektronische Schalter sowie einen Energiespeicher. Die steuerbaren elektronischen Schalter sind unter Ausbildung einer Reihenschaltung in Reihe geschaltet, wobei die Reihenschaltung parallel zum Energiespeicher geschaltet ist. Durch geeignete Ansteuerung der Submodule kann der Mehrstufen-Umrichter eine stufenförmige periodische Wechselspannung mit vorgegebener Frequenz und Amplitude erzeugen. Die Anzahl N der in einem Zweig in Reihe geschalteten Submodule definiert zugleich die Anzahl N der erzeugbaren (positiven bzw. negativen) Spannungsstufen am Wechselspannungsausgang des jeweiligen Mehrstufen-Umrichters. Als nachteilig bei der Verwendung solcher Mehrstufen-Umrichter erweisen sich stets die sich aus der Stufenform der erzeugten Ausgangswechselspannung ergebenden Oberschwingungen (Netzrückwirkungen). Die Oberschwingungen können in Einzelfällen zu Netzresonanzen und damit zu Strom- und/oder Spannungsüberhöhungen führen, so dass es bei Verbrauchern zu Beeinträchtigungen kommen kann.
Für einige Anwendungen, beispielsweise in Hochspannungsgleichstromübertragungsanlagen (HGÜ-Anlagen) oder in Vorrichtungen zur Blindleitungskompensation, ist es von Vorteil, mehrere solcher Mehrstufen-Umrichter parallel zu betreiben, wobei die parallel geschalteten Mehrstufen-Umrichter an einer mehrphasigen Sammelschiene angeschlossen sind.
Seit Langem besteht daher ein großer Bedarf an Umrichteranordnungen mit parallel betriebenen Mehrstufen-Umrichtern sowie an Verfahren zur Steuerung derselben, bei denen der Anteil der Oberschwingungen an der Ausgangswechselspannung vermindert werden kann.
Es ist bekannt, dass bei einem Diode-Clamped Voltage Source Converter (VSC), einem Flying-Capacitor VSC, Cascaded H-Bridge VSC oder einem modularen Mehrstufen-Umrichter (MMC) durch Erhöhung der Schaltfrequenz der Grad an Oberschwingungen reduziert werden kann. Dies führt jedoch zu zusätzlichen elektrischen Verlusten, die den Betrieb der Mehrstufen-Umrichter verteuern.
Eine andere Methode zur Vermeidung von Oberschwingungen ist der Einsatz von Passivfiltern. Diese benötigen jedoch zusätzliche Stellfläche, was die benötigte Gesamtstellfläche der Umrichteranordnung vergrößert. Passivfilter verursachen zudem thermische Verluste. Des Weiteren ist die Wirksamkeit von Filtern von den Netzbedingungen abhängig, welche sich über die Zeit ändern können, nicht vollständig bekannt sind und/oder von den Alterungseffekten von Bauteilen abhängen.
J. Salmon, A. M. Knight, J. Ewanchuk beschreiben in ihrem Beitrag „Single-Phase Multilevel PWM Inverter Topologies Using Coupled Inductors"; IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 24, May 2009 den Einsatz spezieller Koppelinduktivitäten.
In der DE 42 32 356 A1 ist die Steuerung einer Parallelschaltung von Umrichtern beschrieben, bei der eine ausgewählte Oberschwingung durch Phasenverschiebung der Spannung eines der Umrichter gegenüber der Spannung eines weiteren Umrichters um die halbe Periodendauer der Oberschwingung unterdrückt wird. Eine Ansteuerung von Mehrstufen-Umrichtern der eingangs genannten Art zur Unterdrückung des gesamten Oberschwingungsanteils ist in der DE 42 32 356 A1 allerdings nicht thematisiert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Steuerung der Umrichteranordnung mit einer Vielzahl von Mehrstufen-Umrichtern vorzuschlagen, bei dem der Anteil der Oberschwingungen der Ausgangswechselspannung verringert wird.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Spannungsverlauf am Wechselspannungsanschluss eines zweiten Mehrstufen-Umrichters gegenüber dem Spannungsverlauf am Wechselspannungsanschluss eines ersten Mehrstufen-Umrichters zeitlich versetzt wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ferner, eine Umrichteranordnung der obigen Art vorzuschlagen, die eine Steuerung der Mehrstufen-Umrichter ermöglicht, bei der der Anteil der Oberschwingungen der Ausgangswechselspannung der Umrichteranordnung verringerbar ist.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Umrichteranordnung Mittel zur zeitlichen Verzögerung des Wechselspannungsverlaufes wenigstens eines Mehrstufen-Umrichters gegenüber dem Wechselspannungsverlauf eines weiteren Mehrstufen-Umrichters umfasst.
Der zeitliche Versatz der Spannungsverläufe führt im erfindungsgemäßen Verfahren dazu, dass die Oberschwingungen, die sich aus der Stufenform der von den Mehrstufen-Umrichtern erzeugten Wechselspannung ergeben, sich dergestalt überlagern, dass sie zumindest teilweise ausgelöscht werden.
Unter geeigneten Bedingungen kann eine Dämpfung der Oberschwingungen um den Faktor 1/M erreicht werden, wobei mit M die Anzahl der parallel geschalteten Mehrstufen-Umrichter bezeichnet wird. Die auf diese Weise stark gedämpften Oberschwingungen weisen die M-fache Frequenz eines einzeln angesteuerten Mehrstufen-Umrichters auf und haben im Allgemeinen keinen störenden Einfluss mehr auf das Netz.
Vorteilhafterweise kann zudem eine Schaltfrequenz der Mehrstufen-Umrichter, sie entspricht dem Kehrwert der Periodendauer des Taktsignales, soweit herabgesetzt werden, dass die entstehenden Oberschwingungen unterhalb eines zu erfüllenden Grenzwertes liegen. Hierdurch werden die Betriebsverluste der einzelnen Mehrstufen-Umrichter gesenkt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist sowohl für den Einsatz in HGÜ-Anlagen als auch bei der Blindleistungskompensation in Wechselspannungsnetzen geeignet.
Vorzugsweise leitet eine dazu vorgesehene zentrale Steuereinheit Ansteuersignale an die Mehrstufen-Umrichter. Dabei leitet die zentrale Steuereinheit an den ersten Mehrstufen-Umrichter ein unverzögertes und an den zweiten Mehrstufen-Umrichter ein um eine Differenzzeit verzögertes Ansteuersignal.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Differenzzeit in Abhängigkeit von der Anzahl N der erzeugbaren Spannungsstufen sowie von einem Zeitabstand TA zwischen zwei aufeinander folgenden Ansteuersignalen vorbestimmt.
Als besonders geeignet erweist es sich, die Differenzzeit proportional zu TA und umgekehrt proportional zu N zu wählen. Beispielsweise kann die Differenzzeit durch eine Formel t = c·TA/N dargestellt werden. Dabei bezeichnet t die Differenzzeit und c eine Konstante, die in einem Wertebereich zwischen 0 und 2, bevorzugt zwischen 0,2 und 0,8, liegen kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gibt die zentrale Steuereinheit sowohl einen Ansteuertakt als auch eine einzustellende Umrichterspannung jedem der Mehrstufen-Umrichter vor. Die Umrichterspannungsvorgabe kann beispielsweise mittels phasenverschobener Pulsweitenmodulation in eine entsprechende Ansteuerung der Mehrstufen-Umrichter umgesetzt werden. Der vorgegebene Ansteuertakt kann in Form eines periodischen Trägersignals vorliegen. Die Pulsweitenmodulation zur Ansteuerung der einzelnen Submodule der Mehrstufen-Umrichter umfasst dann geeigneterweise ein Verschieben des Trägersignals um einen vorgegebenen Phasenwinkel.
Zur Ansteuerung der Mehrstufen-Umrichter kann jedoch auch jede andere geeignete Methode verwendet werden, wie beispielsweise die in der WO 2008/086760 A1 beschriebene.
Umfasst die Umrichteranordnung mehr als zwei Mehrstufen-Umrichter, so werden bevorzugt alle Mehrstufen-Umrichter bis auf den ersten Mehrstufen-Umrichter verzögert angesteuert. Falls das Ansteuersignal an den zweiten Mehrstufen-Umrichter um die Differenzzeit verzögert wird, so kann beispielsweise das Ansteuersignal an einen dritten Mehrstufen-Umrichter um die doppelte Differenzzeit, an einen vierten Merstufen-Umrichter um die dreifache Differenzzeit, usw., verzögert werden.
Gemäß der Erfindung umfasst die Umrichteranordnung Mittel zur zeitlichen Verzögerung des stufenförmigen Wechselspannungsverlaufes wenigstens eines Mehrstufen-Umrichters gegenüber dem Wechselspannungsverlauf eines weiteren Mehrstufen-Umrichters.
Vorzugsweise umfassen die Mehrstufen-Umrichter jeweils eine Steuereinheit, die beispielsweise in Form eines Module Management Systems (MMS) ausgebildet sein kann. Die Umrichteranorndung weist ferner bevorzugt eine zentrale Steuereinheit zum Bereitstellen von Ansteuersignalen an die Steuereinheiten auf. Die zentrale Steuereinheit ist mit einem oder mehreren Verzögerungsgliedern ausgestattet, so dass die Ansteuersignale mittels der Verzögerungsglieder zeitlich verzögerbar sind.
Wird von der zentralen Steuereinheit eine umzusetzende Spannung vorgegeben, so ist vorzugsweise jede Steuereinheit für eine Umsetzung der vorgegebenen Spannung an den Umrichterklemmen durch Ansteuerung der Mehrstufen-Umrichter zuständig.
Geeigneterweise sind die Mehrstufen-Umrichter über eine Koppelinduktivität mit einer Sammelschiene verbunden. Die Koppelinduktivität kann als eine Drossel zur Reduzierung hochfrequenter Ströme ausgebildet sein.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Sammelschiene an ein Wechselspannungsnetz angeschlossen. Bevorzugt ist das Wechselspannungsnetz ein Dreiphasennetz. Hierbei ist jeder Mehrstufen-Umrichter an drei Sammelschienen angeschlossen, wobei jede Sammelschiene einer Phase des Netzes entspricht.
Vorzugsweise sind die zweipoligen Submodule als Halbbrückenschaltungen oder Vollbrückenschaltungen ausgebildet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von 1 bis 7 weiter erläutert.
1 zeigt den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Umrichteranordnung;
2 zeigt eine zeitliche Verzögerung von Ansteuersignalen gemäß der Erfindung in einer schematischen Darstellung;
3 und 4 zeigen Ausführungsbeispiele von Mehrstufen-Umrichtern der erfindungsgemäßen Umrichteranordnung in einer schematischen Darstellung;
5 und 6 zeigen jeweils ein Ausführungsbeispiel eines Submoduls in einer schematischen Darstellung;
7 zeigt ein Beispiel einer Simulation der erfindungsgemäßen Umrichteranordnung in einer schematischen Darstellung;
8 zeigt eine Regelstrecke der Simulation aus 5 in einer schematischen Darstellung;
9 zeigt eine Anordnung zur Ansteuerung des Mehrstufen-Umrichters gemäß der Simulation aus 5 und 6 in einer schematischen Darstellung.
Im Einzelnen zeigt 1 in einer schematischen Darstellung den grundsätzlichen Aufbau eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Umrichteranordnung 1. Die gezeigte Umrichteranordnung 1 umfasst eine Vielzahl von parallel geschalteten Mehrstufen-Umrichtern 2. Jeder der Mehrstufen-Umrichter 2 weist einen Wechselspannungsanschluss 21 auf. Die Mehrstufen-Umrichter 2 sind über ihren Wechselspannungsanschluss 21 und über eine Koppelinduktivität 4 an eine Sammelschiene 5 angeschlossen. Die Sammelschiene 5 ist ihrerseits mit einem Wechselspannungsnetz 6, beispielsweise einer Phase eines Dreiphasennetzes, verbunden.
Jeder der Mehrstufen-Umrichter 2 umfasst eine Steuereinheit 22, die zur Umsetzung einer Spannungsvorgabe einer zentralen Steuereinheit 3 in eine Ansteuerung der Mehrstufen-Umrichter 2 vorgesehen sind. Die zentrale Steuereinheit 3 weist Mittel 31 zur Erzeugung der Spannungsvorgabe sowie eine Einheit 32 zur Erzeugung eines Ansteuersignals auf.
Jeder der Mehrstufen-Umrichter 2 erhält von der zentralen Steuereinheit 3 die Stromsollwertvorgabe sowie das Ansteuersignal, das als ein periodisches Taktträgersignal ausgebildet ist. Dabei ist das Ansteuersignal eines ersten Mehrstufen-Umrichters unverzögert und das Ansteuersignal eines weiteren Mehrstufen-Umrichters gegenüber dem unverzögerten Ansteuersignal zeitlich versetzt. Bevorzugt sind die Ansteuersignale aller Mehrstufen-Umrichter bis auf den ersten Mehrstufen-Umrichter jeweils um eine Differenzzeit verzögert, wobei alle Differenzzeiten voneinander verschieden sind.
Mittels der Steuereinheiten 22 wird das jeweilige Ansteuersignal und die Stromsollwertvorgabe in eine Ansteuerung der Halbleiterschalter 71 (vgl. 5, 6) der Mehrstufen-Umrichter 2 umgewandelt. Durch die Verzögerung der Ansteuersignale sind die resultierenden Wechselspannungsverläufe an den Wechselspannungsanschlüssen 21 der Mehrstufen-Umrichter 2 gegeneinander zeitlich versetzt.
Ist die Mehrstufen-Umrichteranordnung als Teil einer HGÜ-Anlage einzusetzen, so verfügt jeder Mehrstufen-Umrichter 2 über Gleichspannungsanschlüsse 23 zur Anbindung an jeweils einen negativen und einen positiven Spannungspol bzw. einen Erdanschluss.
Die Mehrstufen-Umrichter 2 können bevorzugt als modulare Mehrstufen-Umrichter (MMC) eingerichtet sein (vgl. 3, 4).
Anhand von 2 soll der zeitliche Versatz der Ansteuersignale in seiner Entstehung anhand eines Beispielaufbaus erläutert werden.
Die Einheit 32 zur Erzeugung des Ansteuersignals (vgl. 1) umfasst einen Taktgenerator 321. Das vom Taktgenerator 321 generierte Ansteuersignal wird unverzögert an die Steuereinheit 22A des ersten Mehrstufen-Umrichters geleitet. Gleichzeitig wird das unverzögerte Ansteuersignal an ein erstes Verzögerungsglied 33A geleitet, mittels dessen das Ansteuersignal zeitlich verzögert wird. Die Steuereinheit 22B erhält somit das durch das Verzögerungsglied 33A verzögerte Ansteuersignal. Des Weiteren wird das durch das Verzögerungsglied 33A verzögerte Ansteuersignal an das Verzögerungsglied 33B weiter geleitet. Schließlich erhält die Steuereinheit 22C das mittels der beiden Verzögerungsglieder 33A und 33B insgesamt zweifach verzögerte Ansteuersignal.
Der Aufbau der Mehrstufen-Umrichter 2 gemäß zweier Ausführungsformen ist in den 3 und 4 schematisch dargestellt. Diese aus dem Stand der Technik bekannten Mehrstufen-Umrichter können bevorzugt in der erfindungsgemäßen Umrichteranordnung 1 verwendet werden. Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf den ausschließlichen Einsatz der gezeigten Mehrstufen-Umrichter.
Der Mehrstufen-Umrichter 2 der 3 umfasst drei Wechselspannungsanschlüsse L1, L2, L3. Mittels der Wechselspannungsanschlüsse L1, L2, L3 ist der Mehrstufen-Umrichter 2 an ein Dreiphasenstromnetz (nicht dargestellt) angeschlossen. Der in 3 dargestellte Mehrstufen-Umrichter kann als Gleichrichter oder als Wechselrichter eingesetzt werden. Der Mehrstufen-Umrichter 2 umfasst ferner sechs Zweige Z, die jeweils eine Reihenschaltung von N baugleichen zweipoligen Submodulen 7 sowie eine Induktivität 24 aufweisen. Jeder der Zweige Z ist entweder mit einer positiven Sammelschiene SP oder einer negativen Sammelschiene SN verbunden. Die Potentialdifferenz zwischen den beiden Klemmen 73 eines jeden zweipoligen Submoduls 7 wird als Submodul-Klemmenspannung bezeichnet. Jedes Submodul 7 kann einen ersten Schaltzustand annehmen, in dem die zugehörige Submodul-Klemmenspannung gleich Null ist; und einen zweiten Schaltzustand annehmen, in dem die Submodul-Klemmenspannung gleich einem von Null verschiedenen Wert ist. Durch geeignete Ansteuerung der Submodule 7 des Mehrstufen-Umrichters 2 können demnach beispielsweise k der zwischen der positiven Sammelschiene SP und der negativen Sammelschiene SN in Reihe geschalteten Submodule 7 in den zweiten Schaltzustand geschaltet werden; die übrigen N-k Submodule werden in den ersten Schaltzustand geschaltet. Dadurch wird zwischen den Sammelschienen SP und SN eine Potentialdifferenz U_PN erzeugt, die der Anzahl k der Submodule 7 entspricht, die sich im zweiten Schaltzustand befinden. Sind beispielsweise die Energiespiecher der Submodule auf eine einheitliche Spannungshöhe U_C vorgeladen, so gilt für die Potentialdifferenz U_PN = k·U_C. Das Potential am Anschluss L1, das zum Beispiel als Potentialdifferenz zur Sammelschiene SN definiert wird, ist dann proportional zu der Anzahl der im Zweig Z zwischen L1 und SN liegenden Subsysteme, die sich im zweiten Schaltzustand befinden. Die Anzahl der maximal erzeugbaren (positiven bzw. negativen) Spannungsstufen zwischen L1 und SN (bzw. SP) ist damit gleich der Anzahl N der in Reihe geschalteten Submodule 7 in einem zugehörigen Zweig Z. Entsprechendes gilt für die Anschlüsse L2 und L3.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Mehrstufen-Umrichters 2. Der Mehrstufen-Umrichter 2 der 4 weist drei Zweige Z in Reihe geschalteter Submodule 7 auf. Dabei sind die drei Wechselspannungsanschlüsse L1, L2, L3 über die drei Zweige Z in einer Dreiecksschaltung miteinander verbunden. Der Mehrstufen-Umrichter 2 der 4 wird vorzugsweise zur Blindleistungskompensation eines Dreiphasen-Wechselstromnetzes eingesetzt.
Anhand der 5 und 6 sollen zwei Ausführungsbeispiele von Submodulen 7 der erfindungsgemäßen Umrichteranordnung beschrieben werden.
Das Submodul 7 der 5 ist als Halbbrückenschaltung realisiert und weist zwei Klemmen 73, zwei steuerbare elektronische Schalter 711, 712 sowie einen Energiespeicher 72 auf.
Die beiden steuerbaren elektronischen Schalter 711, 712 sind unter Ausbildung einer Reihenschaltung in Reihe geschaltet. Die Reihenschaltung der elektronischen Schalter 711, 712 ist dabei parallel zum Energiespeicher 72 geschaltet. Die steuerbaren elektronischen Schalter 711, 712 werden durch Halbleiter wie IGBT oder MOS-FET realisiert. Jedem der steuerbaren elektronischen Schalter 711, 712 ist eine Diode 74 antiparallel geschaltet. Die antiparallelen Dioden 74 können diskrete Bauelemente oder in der Halbleiterstruktur der steuerbaren elektronischen Schalter 711, 712 integriert sein. Der Energiespeicher 72 ist als Speicherkondensator oder eine Kondensatorbatterie aus mehreren Speicherkondensatoren realisiert.
Der erste Schaltzustand des Submoduls 7 ist dadurch charakterisiert, dass der elektronische Schalter 712 eingeschaltet ist, während der elektronische Schalter 711 ausgeschaltet ist. Ist der elektronische Schalter 711 eingeschaltet, während der elektronische Schalter 712 ausgeschaltet ist, so befindet sich das Submodul 7 im zweiten Schaltzustand, bei dem an den Submodul-Klemmen 73 im Wesentlichen die Spannung des Energiespeichers 72 abfällt. Sind beide elektronischen Schalter 711, 712 ausgeschaltet, so ist sichergestellt, dass in einem äußeren Fehlerfall (beispielsweise bei Klemmenkurzschluss) unerwünscht Energie abgegeben wird.
In dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das zweipolige Submodul 7 mit den zwei Klemmen 73 als eine Vollbrücke realisiert. Das Submodul 7 der 6 umfasst zwei Reihenschaltungen von elektronischen Schaltern 71, deren jeweils eine antiparallele Diode 74 zugeordnet ist. Parallel zu den beiden Reihenschaltungen ist ein Energiespeicher 72 in Form eines Speicherkondensators oder eine Kondensatorbatterie geschaltet. Ähnlich wie in 5 sind auch bei der Vollbrücke der 6 durch Ein- bzw. Ausschalten der elektronischen Schalter 74 der erste und der zweite Schaltzustand des Submoduls 7 erzeugbar. Zusätzlich kann das Submodul 7 als Vollbrücke auch einen negativen Schaltzustand erzeugen.
Selbstverständlich soll durch die in 3 bis 6 nicht ausgeschlossen werden, dass die Mehrstufen-Umrichter 2 sowie die Submodule 7 keine weiteren Bauteile umfassen, wie beispielsweise in den Figuren nicht dargestellte Messvorrichtungen.
In 7 ist ein Versuchsaufbau zur Simulation des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung der Umrichteranordnung 1 schematisch dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Umrichteranorndung 1 drei Mehrstufen-Umrichter 2A, 2B, 2C. Die Mehrstufen-Umrichter 2A, 2B, 2C sind über ihre Wechselspannungsanschlüsse 21 parallel geschaltet.
Eine Stromsollwertvorgabe 31 wird über eine Verzweigung an einem Knotenpunkt K an die parallel geschalteten Mehrstufen-Umrichter 2A, 2B, 2C geleitet. Gemäß der Stromsollwertvorgabe wird an jedem der Wechselspannungsanschlüsse 21 ein stufenförmiger Spannungsverlauf erzeugt, wobei die Spannungsverläufe gegeneinander zeitlich versetzt sind. Anschließend werden die drei Spannungsverläufe in einem Summierglied 8 addiert und mit den einzelnen Spannungsverläufen verglichen, wobei der Vergleich in einem Darstellungsmittel visualisiert wird. Durch die Erfassung und graphische Darstellung der Spannungsverläufe kann der im Ergebnis des Verfahrens unterdrückte Oberschwingungsanteil im Spannungsverlauf sichtbar gemacht und im Einzelfall gegebenenfalls quantifiziert werden.
In 8 ist der grundsätzliche Verlauf einer Regelstrecke zwischen dem Knotenpunkt K der und dem Wechselspannungsanschluss 21 (vgl. 7) eines der Mehrstufen-Umrichter 2A, 2B, 2C dargestellt. Diese Darstellung gilt für die übrigen Mehrstufen-Umrichter entsprechend.
Am Eingang 10 der Regelstrecke wird die Stromsollwertvorgabe, die einen sinusförmigen Zeitverlauf aufweist, bereitgestellt und an einen Stromregler 11 weitergeleitet. Im Ausführungsbeispiel der 8 ist der Stromregler 11 als ein PI-Regler realisiert. Der PI-Regler ist dabei durch eine Übertragungsfunktion der Form U(s) = (s + 200/(100·pi))/s charakterisiert, wobei pi die Kreiszahl bezeichnet. Es ist hierbei selbstverständlich auch denkbar, andere Regler mit davon abweichenden Übertragungsfunktionen einzusetzen. Die Stromsollwertvorgabe wird von dem PI-Regler in eine Umrichterspannungsvorgabe umgewandelt. Die Steuereinheit des Mehrstufen-Umrichters 2 verarbeitet die Umrichterspannungsvorgabe und wandelt sie mittels einer phasenverschobenen Pulsweitenmodulation (phaseshifted PWM) in Schaltbefehle für die elektronischen Schalter der Submodule. Die resultierende Spannung wird an den Ausgang 12 der Regelstrecke ausgegeben, wobei die Spannung mittels der Koppelinduktivität 4, deren Induktivität im vorliegenden Beispiel 636,7 μH und deren ohmscher Widerstand ca. 1 mOhm betragen, weiter angepasst wird. Die Koppelinduktivität 4 weist im Allgemeinen außer einem induktiven auch einen ohmschen Anteil. Im Ausführungsbeispiel der 8 ist daher der Koppelinduktivität 4 eine Übertragungsfunktion der Form U(s) = 1000/((200/100·pi)·s + 1) zugeordnet. Andere Übertragungsfunktionen sind in diesem Zusammenhang jedoch ebenfalls denkbar.
9 zeigt eine schematische Darstellung der phasenverschobenen Pulsweitenmodulation des simulierten Ausführungsbeispiels der 7 und 8. Die phasenverschobene Pulsweitenmodulation wird dabei für jeden der drei Mehrstufen-Umrichter 2A, 2B, 2C entsprechend vorgenommen.
In diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Mehrstufen-Umrichter 2A, 2B, 2C zwei Submodule in jedem Zweig Z. Das Verfahren zur Ansteuerung ist jedoch auf jede größere Anzahl von Submodulen entsprechend erweiterbar.
Ein Taktträgersignal der Ansteuerung wird mittels eines Sägezahngenerators erzeugt und an ein erstes Verzögerungsglied 15 geleitet. Das erste Verzögerungsglied 15 verzögert das Taktträgersignal gemäß der folgenden Regel: Das Taktsignal für den Mehrstufen-Umrichter 2A wird nicht verzögert; das Taktträgersignal für den Mehrstufen-Umrichter 2B wird um eine Differenzzeit verzögert; das Taktträgersignal für den Mehrstufen-Umrichter 2C wird um die zweifache Differenzzeit verzögert. Das sägezahnförmige Taktträgersignal weist hierbei eine Frequenz von 1kHz auf. Die Differenzzeit beträgt 83,3 μs.
Das Taktträgersignal wird anschließend an das erste Submodul ohne weitere Verzögerung weiter geleitet, was in 9 durch einen ersten Zweig Z1 angedeutet ist. Das Taktträgersignal an das zweite Submodul wird über einen zweiten Zweig Z2 an ein zweites Verzögerungsglied 16 geleitet, so dass dem zweiten Submodul ein zusätzlich verzögertes Taktträgersignal zugeordnet wird. Die zusätzliche Verzögerung, die üblicherweise als Phasenverschiebung bezüglich des periodischen Taktträgersignals ausgedrückt wird, beträgt in dem in 9 gezeigten Ausführungsbeispiel 90°. Allgemeiner gilt, dass für den Fall von m Submodulen die Phasenverschiebung 180°/m betragen soll, was beispielsweise in dem Aufsatz „Multicarrier PWM With DC-Link Ripple Feedforward for Multilevel Inverters"; Power Electronics, IEEE Transactions on (Volume: 23, Issue: 1), 2008, von S. Kouro et al. beschrieben wird.
Die vom Stromregler 11 ermittelte Spannungssollwertvorgabe wird am Eingang 13 der Ansteuerung bereit gestellt. Diese wird unter Berücksichtigung der Submodul-Spannung, die von einer Meßeinrichtung 17 zur Verfügung gestellt wird, mittels eines Multiplikators 18 normiert.
Die Taktträgersignale der beiden Submodule werden dann mit dem normierten Spannungssollwert mittels von Komparatoren 19 verglichen, woraus jeweils der Schaltzustand für jeden der beiden Submodule ermittelt wird. Die an den Klemmen der Submodule gemäß deren Schaltzuständen abfallenden Spannungen werden mittels eines Summiergliedes 20 addiert. Mittels eines Multiplikators 30 wird schließlich die resultierende Umrichterspannung gebildet und an den Ausgang 40 geleitet.
Bezugszeichenliste

1: Umrichteranordnung
2, 2A, 2B, 2C: Mehrstufen-Umrichter
21: Wechselspannungsanschluss
22, 22A, 22B, 22C: Steuereinheit
23: Gleichsspannungsanschluss
3: zentrale Steuereinheit
31: Stromsollwertvorgabe
32: Ansteuersignalerzeugung
33A, 33B: Verzögerungsglied
4: Koppelinduktivität
5: Sammelschiene
6: Wechselspannungsnetz
7: Submodul
71, 711, 712: elektronischer Schalter
72: Energiespeicher
73: Submodul-Klemme
74: Diode
8: Summierglied
9: Darstellungsmittel
10: Eingang Regelstrecke
11: Stromregler
12: Ausgang Regelstrecke
13: Eingang Ansteuerung
14: Sägezahngenerator
15: erstes Verzögerungsglied
16: zweites Verzögerungsglied
17: Messeinrichtung
18: Multiplikator
19: Komparator
20: Summierglied
30: Multiplikator
40: Ausgang Ansteuerung
K: Knotenpunkt
L1, L2, L3: Wechselspannungsanschluss eines Drehstromnetzes
SN: negative Sammelschiene
SP: positive Sammelschiene
Z: Zweig
Z1: erster Zweig
Z2: zweiter Zweig

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10103031 B4 [0003]
DE 4232356 A1 [0009, 0009]
WO 2008/086760 A1 [0022]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

J. Salmon, A. M. Knight, J. Ewanchuk beschreiben in ihrem Beitrag „Single-Phase Multilevel PWM Inverter Topologies Using Coupled Inductors“; IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 24, May 2009 [0008]
„Multicarrier PWM With DC-Link Ripple Feedforward for Multilevel Inverters“; Power Electronics, IEEE Transactions on (Volume: 23, Issue: 1), 2008, von S. Kouro et al. [0062]

Claims

Verfahren zur Steuerung einer Vielzahl von an ihren Wechselspannungsanschlüssen (21) parallel geschalteten Mehrstufen-Umrichtern (2, 2A, 2B, 2C), die jeweils eine Reihenschaltung von zweipoligen Submodulen (7) aufweisen, wobei jedes Submodul (7) mindestens zwei steuerbare elektronische Schalter (71, 711, 712) und einen Energiespeicher (72) umfasst, wobei die steuerbaren elektronischen Schalter (71, 711, 712) unter Ausbildung einer Reihenschaltung in Reihe geschaltet sind und die Reihenschaltung parallel zum Energiespeicher (72) angeordnet ist, bei dem an dem jeweiligen Wechselspannungsanschluss (21) ein stufenförmiger Spannungsverlauf erzeugt und der Spannungsverlauf eines zweiten Mehrstufen-Umrichters (2, 2A, 2B, 2C) gegenüber dem Spannungsverlauf eines ersten Mehrstufen-Umrichters (2, 2A, 2B, 2C) zeitlich versetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine zentrale Steuereinheit (3) Ansteuersignale an die Mehrstufen-Umrichter (2) leitet, wobei die zentrale Steuereinheit (3) an den ersten Mehrstufen-Umrichter (2) ein unverzögertes Ansteuersignal leitet und an den zweiten Mehrstufen-Umrichter (2) ein um eine Differenzzeit verzögertes Ansteuersignal leitet.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass von jedem Mehrstufen-Umrichter (2, 2A, 2B, 2C) N Spannungsstufen erzeugt werden, und jede Differenzzeit in Abhängigkeit von N sowie von einem Zeitabstand TA zwischen zwei aufeinander folgenden Ansteuersignalen vorbestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzzeit proportional zu TA und umgekehrt proportional zu N ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Steuereinheit (3) eine einzustellende Umrichterspannung vorgibt, und die Umrichterspannungsvorgabe mittels phasenverschobener Pulsweitenmodulation in eine entsprechende Ansteuerung der Mehrstufen-Umrichter (2) umgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die phasenverschobene Pulsweitenmodulation ein Verschieben einer Phase eines periodischen Trägersignals zur Ansteuerung der einzelnen Submodule (7) der Mehrstufen-Umrichter (2, 2A, 2B, 2C) umfasst.
Umrichteranordnung mit einer Vielzahl von an ihren Wechselspannungsanschlüssen (21) parallel geschalteten Mehrstufen-Umrichtern (2, 2A, 2B, 2C), die jeweils eine Reihenschaltung von zweipoligen Submodulen (7) aufweisen, wobei jedes Submodul (7) mindestens zwei steuerbare elektronische Schalter (71, 711, 712) und einen Energiespeicher (72) umfasst, wobei die steuerbaren elektronischen Schalter (71, 711, 712) unter Ausbildung einer Reihenschaltung in Reihe geschaltet sind und die Reihenschaltung parallel zum Energiespeicher (72) angeordnet ist, wobei an jedem Wechselspannungsanschluss (21) ein stufenförmiger Spannungsverlauf erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Umrichteranordnung Mittel zur zeitlichen Verzögerung des Wechselspannungsverlaufes wenigstens eines Mehrstufen-Umrichters (2, 2A, 2B, 2C) gegenüber dem Wechselspannungsverlauf eines weiteren Mehrstufen-Umrichters (2, 2A, 2B, 2C) umfasst.
Umrichteranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrstufen-Umrichter (2, 2A, 2B, 2C) jeweils eine Steuereinheit (22, 22A, 22B, 22C) umfassen, und die Umrichteranorndung ferner eine zentrale Steuereinheit (4) zum Bereitstellen von Ansteuersignalen an die Steuereinheiten (22, 22A, 22B, 22C) aufweist, wobei die zentrale Steuereinheit (3) mit Verzögerungsgliedern (33A, 33B, 15) ausgestattet ist, und die Ansteuersignale mittels der Verzögerungsglieder (33A, 33B, 15) zeitlich verzögerbar sind.
Umrichteranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrstufen-Umrichter (2, 2A, 2B, 2C) über eine Koppelinduktivität (4) mit einer Sammelschiene (5) verbunden sind.
Umrichteranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelschiene (5) an ein Wechselspannungsnetz (6) angeschlossen ist.
Umrichteranordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheiten (22, 22A, 22B, 22C) dazu eingerichtet sind, die einzelnen Submodule (7) der Mehrstufen-Umrichter (2) mittels phasenverschobener Pulsweitenmodulation anzusteuern.
Umrichteranordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Submodule (7) als Halbbrückenschaltungen oder Vollbrückenschaltungen ausgebildet sind.