Anordnung mit einem Modul eines Stromrichters und einem

Schalter

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem Modul eines modularen Multilevelstromrichters und ein Verfahren zum Überwachen eines solchen Stromrichters. Stromrichter (power Converter) 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 an- derer Spannung umgewandelt werden. Stromrichter können eine Vielzahl von gleichartigen Modulen aufweisen, welche elektrisch in Reihe geschaltet sind. Diese Module werden auch als Submodule bezeichnet. Diese Module weisen jeweils mindestens zwei elektronische Schaltelemente und einen elektrischen Energiespeicher auf. 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. Diese Stromrichter werden oftmals im Hochspannungs ^¬ bereich eingesetzt, beispielsweise als Stromrichter bei Hoch ^¬ spannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlagen oder als Blindleis- tungskompensatoren bei flexiblen Drehstromübertragungssyste- men .

Um den Stromrichter auch bei einem Auftreten eines Defekts an einem Modul (oder an mehreren Modulen) weiterbetreiben zu können, weisen die Module jeweils einen Schalter auf, der in seinem geschlossenen Schaltzustand das Modul elektrisch überbrückt (kurzschließt) . Anstelle des überbrückten Moduls kann dann ein Reserve-Modul zum Betrieb des Stromrichters verwen ^¬ det; daher weist der Stromrichter oft mehrere Reserve-Module auf . Der Schalter zum elektrischen Überbrücken des Moduls wird auch als Überbrückungsschalter oder als Bypassschalter bezeichnet. Das defekte Modul wird solange mittels des Schal ^¬ ters elektrisch überbrückt (kurzgeschlossen) , bis es bei einer Wartung des Stromrichters durch ein funktionsfähiges Mo- dul ersetzt wird. Je nach zeitlichem Abstand zwischen den einzelnen Wartungen kann es daher notwendig sein, dass ein Modul eine lange Zeit mittels des Schalters elektrisch über ^¬ brückt wird. Es kann der Fall auftreten, dass auch der Schalter zum Überbrücken des fehlerhaften Moduls einen Fehler aufweist, d.h. dass der Schalter nicht ordnungsgemäß funktioniert. Ein sol ^¬ cher Fehler des Schalters kann beispielsweise darin bestehen, dass sich der Schaltkontakt während des Schließvorgangs ver- kantet oder dass es überhaupt nicht zum Schließvorgang des

Schalters kommt, obwohl eine Schließ-Anweisung an den Schalter gesendet worden ist. Letzteres kann beispielsweise bei einem Elektronikausfall passieren. Infolgedessen wird kein Strom oder nur ein geringer Strom an dem defekten Modul vorbeigeführt, so dass dann die Schutzfunktion des Schalters nicht oder nur zum Teil gegeben ist.

Wenn die elektrische Überbrückung des Moduls nicht ordnungs ^¬ gemäß funktioniert, dann kann der Strom weiterhin durch das defekte Modul fließen, wodurch ein Totalausfall des Strom ^¬ richters (beispielsweise durch einen Brand) auftreten kann. Es ist auch möglich, dass das defekte Modul den Stromfluss unterbricht und es deshalb zum Ausfall des Stromrichters kommt . Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren anzugeben, mit denen ein Ausfall des

Multilevelstromrichters vermieden werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anord ^¬ nung und durch ein Verfahren nach den unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausführungsformen der Anordnung und des Verfahrens sind in den jeweiligen abhängigen Patentansprüchen angegeben.

Offenbart wird eine Anordnung mit einem Modul eines modularen Multilevelstromrichters, mit einem Schalter, der in seinem geschlossenen Schaltzustand das Modul elektrisch überbrückt und mit einem (elektrischen) Messsensor zur Messung einer physikalischen Größe, die an dem Schalter auftritt und die verschiedene Werte annimmt in Abhängigkeit davon, ob der Schalter in seinem geöffneten Schaltzustand (geöffneter

Schalter) oder in seinem geschlossenen Schaltzustand (geschlossener Schalter) ist. Dabei ist vorteilhaft, dass die Anordnung den elektrischen Messsensor aufweist. Mit diesem

Messsensor kann die physikalische Größe gemessen werden. Die physikalische Größe erlaubt einen Rückschluss darauf, ob der Schalter (zum Zeitpunkt der Messung) in seinem geöffneten Schaltzustand oder in seinem geschlossenen Schaltzustand ist, dass heißt, ob der Schalter geöffnet oder geschlossen ist. Mit der Anordnung kann also die ordnungsgemäße Funktion des Schalters überwacht werden.

Die Anordnung kann so ausgestaltet sein, dass die physikali- sehe Größe ein elektrischer Strom, ein Magnetfeld oder eine elektrische Spannung ist. Jede dieser physikalischen Größen (Strom, Magnetfeld oder Spannung) erlaubt einen Rückschluss darauf, ob der Schalter geöffnet oder geschlossen ist. Die Anordnung kann auch so ausgestaltet sein, dass der Mess ^¬ sensor ein Strom-Messsensor oder ein Magnetfeld-Messsensor ist, der mit dem Schalter elektrisch in Reihe geschaltet ist, oder der Messsensor ein Spannungs-Messsensor ist, der parallel zu dem Schalter geschaltet ist. Der Strom-Messsensor oder der Magnetfeld-Messsensor ist also in einer Reihenschaltung mit dem Schalter geschaltet; der Spannungs-Messsensor ist in einer Parallelschaltung mit dem Schalter geschaltet. Mittels des Strom-Messsensors, des Magnetfeld-Messsensors oder des Spannungs-Messsensors kann ermittelt werden, ob der Schalter in seinem geöffneten Schaltzustand oder in seinem geschlossenen Schaltzustand ist.

Die Anordnung kann auch so ausgestaltet sein, dass die Anord ^¬ nung einen weiteren Messsensor in Form eines weiteren Strom- Messsensors oder in Form eines weiteren Magnetfeld- Messsensors aufweist, der mit dem Modul elektrisch in Reihe geschaltet ist. Mittels des weiteren Messsensors kann ein weiterer Strom oder ein weiteres Magnetfeld gemessen werden. Dieser weitere Strom oder dieses weitere Magnetfeld dienen als Vergleichsstrom bzw. als Vergleichsmagnetfeld. Die Anordnung kann so ausgestaltet sein, dass der Schalter ein mechanischer Schalter ist. Ein mechanischer Schalter ist hier von Vorteil, weil über einen mechanischen Schalters große Ströme auch über lange Zeiten mit geringen Verlusten fließen können.

Die Anordnung kann so ausgestaltet sein, dass das Modul min ^¬ destens zwei elektronische Schaltelemente und einen elektri ^¬ schen Energiespeicher aufweist. Dabei kann die Anordnung so ausgestaltet sein, dass die zwei elektronischen Schaltelemente des Moduls in einer Halbbrü ^¬ ckenschaltung angeordnet sind. Ein derartiges Modul wird auch als Halbbrücken-Modul oder als Halbbrücken-Submodul bezeich ^¬ net .

Die Anordnung kann auch so ausgestaltet sein, dass das Modul die zwei elektronischen Schaltelemente und zwei weitere elektronische Schaltelemente aufweist, wobei die zwei elekt ^¬ ronischen Schaltelemente und die zwei weiteren elektronischen Schaltelemente in einer Vollbrückenschaltung angeordnet sind. Ein derartiges Modul wird auch als Vollbrücken-Modul oder als Vollbrücken-Submodul bezeichnet.

Offenbart wird weiterhin ein modularer

Multilevelstromrichter, der mindestens eine Anordnung nach einer der vorstehend beschriebenen Varianten aufweist. Insbe- sondere weist ein solcher modularer Multilevelstromrichter eine Mehrzahl von solchen Anordnungen auf, beispielsweise mindestens 24 solche Anordnungen.

Offenbart wird auch eine Hochspannungs-Gleichstrom- Übertragungsanlage mit einem solchen modularen

Multilevelstromrichter .

Offenbart wird weiterhin ein Verfahren zum Überwachen eines modularen Multilevelstromrichters , der mindestens einen Pha- senmodulzweig mit einer Mehrzahl von Modulen aufweist, die mit jeweils einem elektrischen Schalter versehen sind, der in seinem geschlossenen Schaltzustand das jeweilige Modul elekt ^¬ risch überbrückt, wobei bei dem Verfahren

- mittels eines (elektrischen) Messsensors eine physikali- sehen Größe unter Bildung eines Messwerts der physikalischen Größe gemessen wird, wobei die physikalische Größe an dem Schalter auftritt und verschiedene Werte annimmt in Abhängig ^¬ keit davon, ob der Schalter in seinem geöffneten Schaltzustand oder in seinem geschlossenen Schaltzustand ist, und - anhand des Messwerts ermittelt wird, ob der Schalter (zum Zeitpunkt der Bildung des Messwerts) in seinem geöffneten Schaltzustand oder in seinem geschlossenen Schaltzustand ist. Bei diesem Verfahren wird anhand des Messwerts der physikali ^¬ schen Größe ermittelt, ob der Schalter (zum Zeitpunkt der Messung des Messwerts) in seinem geöffneten Schaltzustand oder in seinem geschlossenen Schaltzustand ist. Der Messwert gibt also eine Rückmeldung darüber, ob der Schalter in seinem geöffneten Schaltzustand (geöffneter Schalter) oder in seinem geschlossenen Schaltzustand (geschlossener Schalter) ist.

Das Verfahren kann so ablaufen, dass

- als physikalische Größe der durch den Schalter fließende Strom unter Bildung eines Schalter-Strom-Messwerts gemessen wird, und der geschlossene Schaltzustand erkannt wird, wenn das Verhältnis zwischen dem Schalter-Strom-Messwert und dem gesamten durch den Phasenmodulzweig fließenden Strom einen (vorbestimmten) Schwellwert überschreitet (und der geöffnete Schaltzustand erkannt wird, wenn das Verhältnis zwischen dem Schalter-Strom-Messwert und dem gesamten durch den Phasenmo ^¬ dulzweig fließenden Strom den Schwellwert unterschreitet) , oder

- als physikalische Größe der durch den Schalter fließende Strom unter Bildung eines Schalter-Strom-Messwerts gemessen wird und als weitere physikalische Größe der durch das Modul fließende Strom unter Bildung eines Modul-Strom-Messwerts ge ^¬ messen wird, und der geschlossene Schaltzustand erkannt wird, wenn das Verhältnis zwischen dem Schalter-Strom-Messwert und dem Modul-Strom-Messwert einen (vorbestimmten) Schwellwert überschreitet (und der geöffnete Schaltzustand erkannt wird, wenn das Verhältnis zwischen dem Schalter-Strom-Messwert und dem Modul-Strom-Messwert den Schwellwert unterschreitet) , oder

- als physikalische Größe die über dem Schalter auftretende Spannung unter Bildung eines Schalter-Spannungs-Messwerts ge ^¬ messen wird, und der geschlossene Schaltzustand erkannt wird, wenn der Schalter-Spannungs-Messwert einen (vorbestimmten) Minimum-Schalter-Spannungswert unterschreitet (und der geöff ^¬ nete Schaltzustand erkannt wird, wenn der Schalter-Spannungs- Messwert den Minimum-Schalter-Spannungswert überschreitet) . Als physikalische Größe können also der durch den Schalter fließende Strom oder die über dem Schalter auftretende Span- nung (d.h. die über dem Schalter anliegende Spannung) gemessen und ausgewertet werden. Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass der durch den

Schalter fließende Strom mittels des durch den fließenden Strom erzeugten Magnetfelds gemessen wird. Dieses Verfahren ist insbesondere bei der Messung von hohen Strömen vorteil- haft, weil eine berührungsfreie Messung möglich ist.

Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass bei ermitteltem geschlossenen Schaltzustand des Schalters die physikalische Größe wiederholt in zeitlichen Abständen unter Bildung je- weils eines Messwertes gemessen wird, und für die Messwerte jeweils ermittelt wird, ob der Schalter (zum Zeitpunkt der Bildung des Messwerts) in seinem geöffneten Schaltzustand oder in seinem geschlossenen Schaltzustand ist. Mit diesem Verfahren kann vorteilhafterweise ermittelt werden, ob der Schalter auch während längerer Zeiträume den geschlossenen Schaltzustand beibehält.

Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass bei ermitteltem geschlossenen Schaltzustand des Schalters wiederholt in zeitli- chen Abständen Schalter-Strom-Messwerte oder Schalter-

Spannungs-Messwerte ermittelt werden, und diese Schalter- Strom-Messwerte oder diese Schalter-Spannungs-Messwerte da ^¬ raufhin ausgewertet werden, ob der ohmsche Übergangswiderstand des Schalters zunimmt. Mit diesem Verfahren kann vor- teilhafterweise ermittelt werden, ob der ohmsche Übergangswi ^¬ derstand des Schalters zunimmt. Ein zunehmender ohmscher Übergangswiderstand des Schalters ist ein Anzeichen dafür, dass der elektrische Kontakt des geschlossenen Schalters zu ^¬ nehmend schlechter wird. Dadurch funktioniert die Überbrü- ckung des Moduls zunehmend schlechter und es entstehen an dem ohmschen Übergangswiderstand ungewünschte elektrische Verlus ^¬ te. Ein zunehmender ohmscher Übergangswiderstand des Schal ^¬ ters ist also ein Hinweis darauf, dass der Schalter seine Überbrückungsfunktion zunehmend schlechter ausführt und daher repariert oder ausgetauscht werden sollte.

Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass - erkannt wird, dass der ohmsche Übergangswiderstand des Schalters zunimmt, wenn das Verhältnis zwischen den Schalter- Strom-Messwerten und dem gesamten durch den Phasenmodulzweig fließenden Strom größer wird, oder

- erkannt wird, dass der ohmsche Übergangswiderstand des

Schalters zunimmt, wenn das Verhältnis zwischen den Schalter- Strom-Messwerten und zugehörigen Modul-Strom-Messwerten größer wird, oder

- erkannt wird, dass der ohmsche Übergangswiderstand des Schalters zunimmt, wenn die Schalter-Spannungs-Messwerte grö ^¬ ßer werden.

Das Verfahren kann so ausgestaltet sein, dass das Modul min ^¬ destens zwei elektronische Schaltelemente und einen elektri- sehen Energiespeicher aufweist.

Das Verfahren kann auch so ausgestaltet sein, dass die zwei elektronischen Schaltelemente des Moduls in einer Halbbrü ^¬ ckenschaltung angeordnet sind (Halbbrücken-Modul) .

Das Verfahren kann auch so ausgestaltet sein, dass das Modul die zwei elektronischen Schaltelemente und zwei weitere elektronische Schaltelemente aufweist, wobei die zwei elekt ^¬ ronischen Schaltelemente und die zwei weiteren elektronischen Schaltelemente in einer Vollbrückenschaltung angeordnet sind (Vollbrücken-Modul) .

Das Verfahren kann so ausgestaltet sein, dass ein Schalter- Geöffnet-Signal ausgegeben wird, wenn bei einem defekten Mo- dul der Schalter in seinem geöffneten Schaltzustand ist. Ein derartiges Schalter-Geöffnet-Signal kann beispielsweise ein Warnsignal sein oder ein derartiges Schalter-Geöffnet-Signal kann als eine zusätzliche Eingangsgröße zu einer Steuerungs ^¬ einheit des Stromrichters geleitet werden. Die Steuerungsein- heit des Stromrichters reagiert dann darauf, dass der Schal ^¬ ter in seinem geöffneten Schaltzustand ist, obwohl er (wegen des defekten Moduls) in seinem geschlossenen Schaltzustand sein sollte. Beispielsweise reduziert die Steuerungseinheit daraufhin den Ausgangsstrom des Stromrichters. Dadurch werden Überhitzungsschäden an dem defekten Modul, Brände etc. vermieden .

Die Anordnung und das Verfahren weisen gleichartige Vorteile auf; diese sind oben zum Teil nur bei der Anordnung und zum Teil nur bei dem Verfahren genannt. Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei ^¬ spielen 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-Übertragungsanlage, in

Figur 5 ein Ausführungsbeispiel eines Stromrichters als Blindleistungskompensator, in Figur 6 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung mit einem Strom-Messsensor, in

Figur 7 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung mit zwei Strom-Messsensoren, in

Figur 8 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung mit einem Magnetfeld-Messsensor, in

Figur 9 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung mit zwei Magnetfeld-Messsensoren, in

Figur 10 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung mit einem Spannungs-Messsensor, in

Figur 11 ein beispielhafter Verfahrensablauf und in

Figur 12 ein weiterer beispielhafter Verfahrensablauf 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 Wechselspan- nungsanschluss 7 und einen dritten Wechselspannungsanschluss 9 auf. Der erste Wechselspannungsanschluss 5 ist elektrisch mit einem ersten Phasenmodulzweig 11 und einem zweiten Pha ^¬ senmodulzweig 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 Gleichspannungsanschluss 16 elektrisch ver ^¬ bunden; 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 Gleichspan ^¬ nungsanschluss; der zweite Gleichspannungsanschluss 17 ist ein negativer Gleichspannungsanschluss. Der zweite Wechselspannungsanschluss 7 ist mit einem Ende ei ^¬ nes 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 Wechselspannungsan- schluss 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 Wech ^¬ selspannungsanschluss 9 abgewandte Ende des fünften Phasenmo ^¬ dulzweigs 27 sind mit dem ersten Gleichspannungsanschluss 16 elektrisch verbunden. Das dem zweiten Wechselspannungsanschluss 7 abgewandte Ende des vierten Phasenmodulzweigs 21 und das dem dritten Wechselspannungsanschluss 9 abgewandte Ende des sechsten Phasenmodulzweigs 29 sind mit dem zweiten Gleichspannungsanschluss 17 elektrisch verbunden.

Jeder Phasenmodulzweig weist eine Mehrzahl von Modulen (1_1, 1_2, 1_3, 1_ ; 2_1 ... 2_4 ; 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 4 Module (Stromrichter-Module) auf. Die Anzahl der (mittels ihrer galvanischen Stromanschlüsse) elektrisch in Reihe geschalteten Module kann sehr verschieden sein, mindestens sind drei Module in Reihe geschaltet, es können aber auch bei ^¬ spielsweise 50, 100 oder mehr Module elektrisch in Reihe ge ^¬ schaltet sein.

Jedem Modul ist ein Schalter (Überbrückungsschalter,

Bypassschalter) zugeordnet, der das Modul (bei einem Defekt des Moduls) überbrücken (kurzschließen) kann. Beispielsweise ist dem ersten Modul 1_1 ein erster Schalter Sl_l zugeordnet. Der erste Schalter Sl_l wird bei Auftreten eines Defekts an dem ersten Modul 1_1 von einer modulinternen Schalter- Ansteuereinrichtung angesteuert, daraufhin schließt der erste Schalter; das heißt, er geht von dem geöffneten Schaltzustand in den geschlossenen Schaltzustand über.

In Figur 2 ist beispielhaft der prinzipielle Aufbau eines Mo ^¬ duls 201 dargestellt. Dabei kann es sich beispielsweise um das Modul 1_1 des ersten Phasenmodulzweigs 11 (oder auch um eines der anderen in Figur 1 dargestellten Module) handeln. Das Modul ist als ein Halbbrücken-Modul 201 ausgestaltet. Das Modul 201 weist ein erstes ein- und abschaltbares Halbleiter ^¬ ventil 202 mit einer ersten antiparallel geschalteten Diode 204 auf. Weiterhin weist das Modul 201 ein zweites ein- und abschaltbares Halbleiterventil 206 mit einer zweiten antipa- rallel geschalteten Diode 208 sowie einen elektrischen Energiespeicher 210 in Form eines Kondensators 210 auf. Das erste abschaltbare Halbleiterventil 202 ist ein erstes elektroni- sches Schaltelement 202; das zweite abschaltbare Halbleiter ^¬ ventil 206 ist ein zweites elektronisches Schaltelement 206. Das erste abschaltbare Halbleiterventil 202 und das zweite abschaltbare Halbleiterventil 206 sind jeweils als ein IGBT (insulated-gate bipolar transistor) ausgestaltet. Das erste abschaltbare Halbleiterventil 202 ist elektrisch in Reihe ge ^¬ schaltet mit dem zweiten abschaltbaren Halbleiterventil 206. Am Verbindungspunkt zwischen den beiden Halbleiterventilen 202 und 206 ist ein erster galvanischer Modulanschluss 212 angeordnet. An dem Anschluss des zweiten Halbleiterventils 206, welcher dem Verbindungspunkt gegenüberliegt, ist ein zweiter galvanischer Modulanschluss 215 angeordnet. Der zwei ^¬ te Modulanschluss 215 ist weiterhin mit einem ersten An ^¬ schluss des Energiespeichers 210 verbunden; ein zweiter An- schluss des Energiespeichers 210 ist elektrisch verbunden mit dem Anschluss des ersten Halbleiterventils 202, der dem Ver ^¬ bindungspunkt gegenüberliegt.

Der Energiespeicher 210 ist also elektrisch parallel geschal- tet zu der Reihenschaltung aus dem ersten Halbleiterventil

202 und dem zweiten Halbleiterventil 206. Durch entsprechende Ansteuerung des ersten Halbleiterventils 202 und des zweiten Halbleiterventils 206 durch eine modulinterne elektronische Ansteuerschaltung 220 kann erreicht werden, dass zwischen dem ersten galvanischen Modulanschluss 212 und dem zweiten galvanischen Modulanschluss 215 entweder die Spannung des Energie ^¬ speichers 210 ausgegeben wird oder keine Spannung ausgegeben wird (das heißt eine Nullspannung ausgegeben wird) . Durch Zusammenwirken der Module der einzelnen Phasenmodulzweige kann so die jeweils gewünschte Ausgangsspannung des Stromrichters erzeugt werden.

In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Moduls 301 dargestellt. Bei diesem Modul 301 kann es sich beispiels- weise um das Modul 1_2 (oder auch um eines der anderen in Figur 1 dargestellten Module) handeln. Neben dem bereits aus Figur 2 bekannten ersten Halbleiterventil 202, zweiten Halb- leiterventil 206, erster Diode 204, zweiter Diode 208 und Energiespeicher 210 weist das in Figur 3 dargestellte Modul 301 ein drittes abschaltbares Halbleiterventil 302 mit einer antiparallel geschalteten dritten Diode 304 sowie ein viertes abschaltbares Halbleiterventil 306 mit einer vierten antipa ^¬ rallel geschalteten Diode 308 auf. Das dritte abschaltbare Halbleiterventil 302 ist ein drittes elektronisches Schalt ^¬ element 302; das vierte abschaltbare Halbleiterventil 306 ist ein viertes elektronisches Schaltelement 306. Das dritte ab- schaltbare Halbleiterventil 302 und das vierte abschaltbare Halbleiterventil 306 sind jeweils als ein IGBT ausgestaltet. Im Unterschied zur Schaltung der Figur 2 ist der zweite galvanische Modulanschluss 315 nicht mit dem zweiten Halbleiter ^¬ ventil 206 elektrisch verbunden, sondern mit einem Mittel- punkt einer elektrischen Reihenschaltung aus dem dritten

Halbleiterventil 302 und dem vierten Halbleiterventil 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 Halbleiterventile 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. Anstelle des beschriebenen Halbbrücken-Moduls oder des beschriebenen Vollbrücken-Moduls kann es sich bei dem Modul auch um ein anderes Mehrlevel-Modul handeln, bei ^¬ spielsweise um ein Drei-Level-Spannungswechselrichter-Modul oder um ein Fünf-Level-Spannungswechselrichter-Modul .

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 mit- einander verbunden. Dabei sind die beiden positiven Gleichspannungsanschlüsse 16 der Stromrichter 1 mittels einer ers ^¬ ten 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 entspre- chende Länge auf.

In Figur 5 ist ein Ausführungsbeispiel eines Stromrichters 501 dargestellt, welcher als ein Blindleistungskompensator 501 dient. Dieser Stromrichter 501 weist lediglich die drei Phasenmodulzweige 11, 18 und 27 auf, welche drei Phasenmodule 505, 507 und 509 des Stromrichters bilden. Die Anzahl der Phasenmodule 505, 507 und 509 entspricht der Anzahl der Pha ^¬ sen eines Wechselspannungsnetzes 511, an das der Stromrichter 501 angeschlossen ist.

Die drei Phasenmodulzweige 11, 18 und 27 sind sternförmig miteinander verbunden. Das dem Sternpunkt entgegengesetzte Ende der drei Phasenmodulzweige ist mit jeweils einer Phasen ^¬ leitung 515, 517 und 519 des dreiphasigen Wechselspannungs- netzes 511 elektrisch verbunden. (Die drei Phasenmodule 505, 507 und 509 können in einem anderen Ausführungsbeispiel anstelle in Sternschaltung auch in Dreieckschaltung geschaltet sein.) Der Stromrichter 501 kann das Wechselspannungsnetz 511 mit Blindleistung versorgen oder Blindleistung aus dem Wech- selspannungsnetz 511 entnehmen. In Figur 6 ist ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung 601 mit dem Modul 1_1 und dem Schalter Sl_l des Stromrichters 1 dargestellt. Das Modul 1_1 und der Schalter Sl_l sind ein Teil des Stromrichters 1 der Figur 1. Dabei ist der erste Mo- dulanschluss 212 elektrisch mit einem ersten Knoten 605 verbunden; der zweite Modulanschluss 215 ist elektrisch mit ei ^¬ nem zweiten Knoten 607 verbunden. Ein den Schalter Sl_l aufweisender Überbrückungszeig 610 verbindet elektrisch den ers ^¬ ten Knoten 605 mit dem zweiten Knoten 607. Mit anderen Worten überbrückt der Überbrückungszweig 610 das Modul 1_1. Bei dem Schalter Sl_l handelt es sich um einen mechanischen Schalter, d. h. um einen Schalter, welcher mechanische Schaltkontakte aufweist . In dem Überbrückungszweig 610 ist elektrisch in Reihe zu dem Schalter Sl_l ein elektrischer Messsensor 615 geschaltet. Der elektrische Messsensor 615 ist im Ausführungsbeispiel der Fi ^¬ gur 6 ein erster Strom-Messsensor 615. Mittels dieses ersten Strom-Messsensors 615 wird der in dem Überbrückungszweig 610 fließende elektrische Strom 620 unter Bildung eines Strom ^¬ messwertes M620 gemessen. Dieser Strommesswert wird im Fol ^¬ genden als Schalter-Strom-Messwert M620 bezeichnet. Der elektrische Strom 620 in dem Überbrückungszweig 610 wird im Folgenden auch als Schalter-Strom 620 bezeichnet.

Durch die Anordnung 601 fließt ein Strom 622, der dem gesamten durch den Phasenmodulzweig 11 fließenden Strom entspricht, vgl. Figur 1. Dieser Strom 622 wird auch als Phasen- modulzweig-Strom 622 bezeichnet. Wenn der Phasenmodulzweig- Strom 622 gemessen wird (mit einem nicht dargestellten Messsensor) , dann weist der Phasenmodulzweigstrom 622 den Phasen- modulzweig-Strom-Messwert M622 auf. Der Phasenmodulzweig ^¬ strom 622 teilt sich an dem zweiten Knoten 607 auf in den Schalter-Strom 620 und in einen Modul-Strom 625. Der Modul- Strom 625 ist der durch das Modul 1 1 fließende Strom. Wenn sich der Schalter Sl_l (wie in Figur 6 dargestellt) in seinem geöffneten Schaltzustand befindet, dann fließt über den Schalter Sl_l kein Strom und der erste Strom-Messsensor 615 misst als Schalter-Strom-Messwert den Wert Null: M620 = 0 A. Wenn sich der Schalter Sl_l in seinem geschlossenen

Schaltzustand befindet, dann fließt nahezu der gesamte in dem Phasenmodulzweig 11 fließende Strom 622 über den Schalter Sl_l. Der Schalter Sl_l hat nämlich in seinem geschlossenen Schaltzustand einen geringeren ohmschen Widerstand als das Modul 1_1 · Daher misst bei geschlossenem Schaltzustand des

Schalters Sl_l der erste Strom-Messsensor 615 einen Schalter- Strommesswert, der im Wesentlichen dem Phasenmodulzweig-Strom 622 entspricht: M620 = M622. In Figur 7 ist eine weitere Anordnung 701 dargestellt. Diese weitere Anordnung 701 unterscheidet sich von der Anordnung 601 der Figur 6 dadurch, dass diese Anordnung 701 einen weiteren Strom-Messsensor 718 (zweiter Strom-Messsensor 718) aufweist. Dieser zweite Strom-Messsensor 718 ist zwischen dem ersten Modulanschluss 212 und dem ersten Knoten 605 angeord ^¬ net. Der zweite Strom-Messsensor 718 misst den durch das Modul 1_1 fließenden Modul-Strom 625 unter Bildung eines Modul- Strom-Messwerts M625. Als Strom-Messsensoren 615, 718 können bei den Anordnungen der Figuren 6 und 7 beispielsweise soge- nannte Rogowskispulen verwendet werden, mit denen der Strom mittels eines Induktionsverfahren gemessen wird.

In Figur 8 ist ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung 801 dargestellt, welche einen ersten Magnetfeld-Messsensor 815 aufweist. Diese Anordnung unterscheidet sich von der in Figur 6 dargestellten Anordnung 601 lediglich dadurch, dass der erste Magnetfeld-Messsensor 815 anstelle des ersten Strom- Messsensors 615 angeordnet ist. Der erste Magnetfeld- Messsensor 815 misst das von dem über den Schalter Sl_l flie- ßenden Schalter-Strom 620 erzeugte Magnetfeld 820 unter Bildung eines Magnetfeld-Messwerts. Aus diesem Magnetfeld- Messwert kann der durch den Überbrückungszweig 610 fließenden Schalter-Strom 620 ermittelt werden. Bei der Messung mittels des ersten Magnetfeld-Messsensors 815 handelt es sich also um ein alternatives Verfahren zur Messung des Schalter-Stroms 620.

Der erste Magnetfeld-Messsensor misst also die physikalische Größe Magnetfeld. Wenn der Schalter Sl_l geschlossen ist, dann fließt durch den Überbrückungszweig 610 der Schalter- Strom 620. Folglich misst der erste Magnetfeld-Messsensor 815 das aufgrund dieses Schalter-Stroms 620 entstehende Magnet ^¬ feld. Wenn jedoch der Schalter Sl_l geöffnet ist, dann fließt durch den Überbrückungszweig 610 kein Strom und der erste Magnetfeld-Messsensor 815 misst einen Magnetfeld-Messwert von Null. Das stets existierende Erdmagnetfeld oder das sehr ge- ringe Magnetfeld von entfernten elektrischen Strömen kann hierbei vernachlässigt werden.

In Figur 9 ist ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung 901 dargestellt. Diese Anordnung 901 unterscheidet sich von der in Figur 7 dargestellten Anordnung 701 dadurch, dass anstelle des ersten Strom-Messsensors 615 und des zweiten Strom- Messsensors 718 der erste Magnetfeld-Messsensor 815 und ein weiterer Magnetfeld-Messsensor 918 vorhanden ist (zweiter Magnetfeld-Messsensor 918). Der zweite Magnetfeld-Messsensor 918 misst das Magnetfeld, das von dem über das Modul 1_1 fließenden Modul-Strom 625 erzeugt wird unter Bildung eines Magnetfeld-Messwerts. Aus diesem Magnetfeld-Messwert kann der durch das Modul 1_1 fließende Modul-Strom 625 ermittelt wer ^¬ den. Derartige Magnetfeld-Messsensoren 815, 918 werden auch als Hall-Sensoren bezeichnet. Mittels Hall-Sensoren wird der Strom indirekt unter Nutzung des Magnetfelds gemessen (Hall- Effekt) .

In Figur 10 ist ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung 1001 mit einem Spannungs-Messsensor 1020 dargestellt. In Übereinstimmung mit den Anordnungen der Figuren 6 bis 9 weist diese Anordnung das Modul 1 1 und den Überbrückungszweig 610 mit dem Schalter Sl_l auf. Im Unterschied zu den Anordnungen der Figuren 6 bis 9 ist jedoch in dem Überbrückungszweig 610 kein elektrischer Messsensor angeordnet (messsensorfreier Überbrückungszweig 610), sondern ein elektrischer Messsensor 1020 in Form des Spannungs-Messsensors 1020 ist parallel zu dem

Schalter Sl_l geschaltet (und damit auch parallel zu dem Mo ^¬ dul 1_1). Mittels dieses Spannungs-Messsensors 1020 wird die über dem Schalter Sl_l auftretende Spannung Us (Schalter- Spannung Us) unter Bildung eines Spannungs-Messwerts gemes- sen. Dieser Spannungs-Messwert wird im Folgenden als Schal- ter-Spannungs-Messwert bezeichnet .

Mittels des Spannungs-Messsensors 1020 wird also die physika ^¬ lische Größe Spannung über dem Schalter Sl_l gemessen. Wenn der Schalter Sl_l geschlossen ist, dann weist der Schalter

Sl_l einen sehr geringen ohmschen Widerstand auf, daher tritt über dem Schalter Sl_l nur eine sehr geringe Spannung auf, welche von dem Spannungs-Messsensor 1020 gemessen wird (im Idealfall die Spannung Null) . Wenn jedoch der Schalter Sl_l geöffnet ist, dann hat der Schalter einen sehr großen ohmschen Widerstand und der Spannungs-Messsensor 1020 misst im Wesentlichen die an dem Modul 1_1 auftretende Spannung.

Im Folgenden wird ein Verfahren zum Überwachen des modularen Multilevel-Stromrichters am Beispiel der Anordnung 601 der Figur 6 erläutert. Mittels des ersten Strom-Messsensors 615 wird der durch den Schalter fließende Strom 620 (Schalter- Strom 620) unter Bildung eines Schalter-Strom-Messwerts M620 gemessen. Weiterhin ist ein aktueller Messwert M622 des ge- samten durch den Phasenmodulzweig 11 des Stromrichters flie ^¬ ßenden Stroms 622 (Phasenmodulzweig-Strom 622) bekannt. Dieser aktuelle Phasenmodulzweig-Strom-Messwert M622 liegt im Beispiel bei der (nicht dargestellten) Steuereinrichtung des Stromrichters 1 vor. Der aktuelle Phasenmodulzweig-Strom- Messwert M622 dient als Vergleichswert. Nun wird in der Steuereinrichtung das Verhältnis gebildet zwischen dem Schalter-Strom-Messwert M620 und dem Phasenmo- dulzweig-Strom-Messwert M622. Wenn dieses Verhältnis einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet (beispielsweise den Schwellwert 10), dann wird der geschlossene Schaltzustand des Schalters Sl_l erkannt. Es fließt dann nämlich der größte Teil des Stroms durch den Schalter Sl_l; daraus ergibt sich, dass der geschlossene Schaltzustand des Schalters Sl_l vor ^¬ liegt. Wenn dieses Verhältnis jedoch den vorbestimmten

Schwellwert unterschreitet, dann wird der geöffnete Schaltzu ^¬ stand des Schalters erkannt (weil dann ein beträchtlicher Teil des Stroms nicht durch den Schalter Sl_l, sondern durch das Modul 1_1 fließt) . So kann durch Auswertung des Schalter- Strom-Messwerts erkannt werden, ob der Schalter in seinem ge- öffneten Schaltzustand oder in seinem geschlossenen Schaltzustand ist.

Wenn der Phasenmodulzweig-Strom-Messwert M622 nicht bekannt ist, dann kann als Vergleichswert der Modul-Strom-Messwert M625 verwendet werden. Dieses Verfahren wird anhand der An ^¬ ordnung der Figur 7 erläutert. Als Vergleichswert wird hier mittels des zweiten Strom-Messsensors 718 der durch das Modul 1_1 fließende Strom 625 (Modul-Strom 625) unter Bildung eines Modul-Strom-Messwerts M625 gemessen. Daraufhin wird das Ver- hältnis aus dem Schalter-Strom-Messwert M620 und dem Modul- Strom-Messwert M625 gebildet. Wenn dieses Verhältnis größer ist als der vorbestimmte Schwellwert, dann wird der geschlos ^¬ sene Schaltzustand des Schalters Sl_l erkannt; wenn das Ver ^¬ hältnis kleiner ist als der vorbestimmte Schwellwert, dann wird der geöffnete Schaltzustand des Schalters Sl_l erkannt.

In gleichartiger Weise läuft das Verfahren bei den Anordnungen nach den Figuren 8 und 9 ab mit dem einzigen Unterschied, dass anstelle der Strom-Messwerte die entsprechenden Magnet- feld-Messewerte des ersten Magnetfeld-Messsensors 815

und/oder des zweiten Magnetfeld-Messsensors 918 verwendet werden . Das bei der Anordnung 1001 nach Figur 10 ablaufende Verfahren kommt ohne einen Vergleichswert aus. Hierbei wird lediglich die über dem Schalter Sl_l auftretende Spannung Us unter Bil- dung eines Schalter-Spannungs-Messwerts MUs gemessen. Wenn dieser Schalter-Spannungs-Messwert MUs einen vorbestimmten Minimum-Schalter-Spannungswert unterschreitet, dann wird der geschlossene Schaltzustand erkannt; wenn der Schalter- Spannungs-Messwert MUs den Minimum-Schalter-Spannungswert überschreitet, dann wird der geöffnete Schaltzustand des

Schalters Sl_l erkannt. Der Minimum-Schalter-Spannungswert kann beispielsweise bei 100 V liegen.

Ein weitere Variante sieht vor, dass mittels eines der vor- stehend erläuterten Verfahren bei geschlossenem Schaltzustand des Schalters (also bei defektem, durch den Schalter überbrückten! Modul) die physikalische Größe (Spannung, Strom oder Magnetfeld) wiederholt in zeitlichen Abständen unter Bildung jeweils eines Messwerts gemessen wird. Anhand des jeweiligen Messwerts kann dann wiederholt ermittelt werden, ob der

Schalter (immer noch) in seinem geschlossenen Schaltzustand ist oder ob der Schalter in seinem geöffneten Schaltzustand ist. Das Vorliegen eines geöffneten Schaltzustands würde auf einen Fehler hinweisen, weil ein einmal geschlossener Schal- ter nicht wieder geöffnet werden soll, bis das defekte Modul durch ein funktionsfähiges Modul ersetzt wird.

Für alle beschriebenen Verfahren gibt es folgende Option: Wenn bei einem defekten Modul der Schalter in seinem geöffne- ten Schaltzustand ist, dann wird ein Schalter-Geöffnet-Signal ausgegeben. Ein derartiges Schalter-Geöffnet-Signal kann bei ^¬ spielsweise ein Warnsignal sein oder ein derartiges Schalter- Geöffnet-Signal kann als eine zusätzliche Eingangsgröße zu einer Steuerungseinheit des Stromrichters geleitet werden, die daraufhin den Ausgangsstrom des Stromrichters reduziert. Dadurch werden Überhitzungsschäden aufgrund des (unerwünsch- ten) Stromflusses durch das defekte Modul, nachfolgende Brän ^¬ de o.a. vermieden.

Eine weitere Variante des Verfahrens sieht vor, dass bei ge- schlossenem Schaltzustand des Schalters wiederholt Messwerte der physikalischen Größe gemessen werden (Schalter-Strom- Messwerte oder Schalter-Spannungs-Messwerte) . Diese in zeit ^¬ lichem Abstand gemessenen Schalter-Strom-Messwerte oder

Schalter-Spannungs-Messwerte stellen einen zeitlichen Mess- werteverlauf dar. Dieser zeitliche Messwerteverlauf wird dann daraufhin ausgewertet, ob der ohmsche Übergangswiderstand des Schalters zunimmt. Eine solche Vergrößerung des ohmschen Übergangswiderstands des Schalters kann beispielsweise auf ^¬ grund von Alterungsprozessen (Materialermüdung, Oxidation der Kontakte usw.) auftreten. Beispielsweise wird erkannt, dass der ohmsche Übergangswiderstand des Schalters zunimmt, wenn das Verhältnis zwischen den Schalter-Strom-Messwerten M620 und den zugehörigen Phasenmodulzweig-Strom-Messwerten M622 größer wird oder wenn die Schalter-Spannungs-Messwerte MUs größer werden. Auf diese Weise kann die Langzeitqualität

(bzw. das Alterungsverhalten) des elektrischen Kontakts des geschlossenen Schalters überwacht werden. Wenn sich herausstellt, dass die Kontaktqualität schlechter wird (weil der ohmsche Widerstand größer wird) , dann kann der Schalter er- neuert werden, oder das defekte Modul kann gegen ein neues funktionierendes Modul getauscht werden.

In Figur 11 ist in einem Ablaufdiagramm ein beispielhafter Verfahrensablauf mit einem Strom-Messwert zusammengefasst dargestellt.

Verfahrensschritt 1102:

Messen, mittels des elektrischen Messsensors, des durch den Schalter fließenden Stroms unter Bildung eines Schalter- Strom-Messwerts.

Verfahrensschritt 1104: Vergleichen des Schalter-Strom-Messwerts M620 mit einem Ver ^¬ gleichswert, wobei der Vergleichswert der durch den Phasenmo- dulzweig fließende Strom (Phasenmodulzweig-Strom-Messwert M622) oder der durch das Modul fließende Strom (Modul-Strom- Messwert M625) ist.

Verfahrensschritt 1106:

Erkennen des geschlossenen Schaltzustands , wenn das Verhält ^¬ nis einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.

Verfahrensschritt 1108:

Erkennen des geöffneten Schaltzustands , wenn das Verhältnis den vorbestimmten Schwellwert unterschreitet. Verfahrensschritt 1110 (optional) :

Ausgeben eines Alarmsignals, wenn der geöffnete Schaltzustand erkannt worden ist, obwohl der Schalter den geschlossenen Schaltzustand aufweisen müsste. In Figur 12 ist in einem Ablaufdiagramm ein beispielhafter

Verfahrensablauf mit einem Spannungs-Messwert zusammengefasst dargestellt .

Verfahrensschritt 1202:

Messen, mittels des elektrischen Messsensors, der an dem

Schalter auftretenden Spannung unter Bildung eins Schalter- Spannungs-Messwert MUs.

Verfahrensschritt 1204:

Erkennen des geschlossenen Schaltzustands , wenn der Schalter- Spannungs-Messwert MUs einen vorbestimmten Schwellwert unter ^¬ schreitet .

Verfahrensschritt 1206:

Erkennen des geöffneten Schaltzustands , wenn der Schalter- Spannungs-Messwert MUs den vorbestimmten Schwellwert über ^¬ schreitet . Verfahrensschritt 1208 (optional) :

Ausgeben eines Alarmsignals, wenn der geöffnete Schaltzustand erkannt worden ist, obwohl der Schalter den geschlossenen Schaltzustand aufweisen müsste.

Es wurde eine Anordnung und ein Verfahren beschrieben, mit denen mittels einer Messung einer physikalischen Größe die Funktion des Schalters und die Kontakteigenschaften des Schalters überwacht werden können. Damit wird die Funktions ^¬ sicherheit der Überbrückung von defekten Modulen überwacht und nicht korrekt funktionierende Schalter erkannt. Damit wird die Funktionsfähigkeit des Multilevel-Stromrichters (und damit die Funktionsfähigkeit der mittels des Multilevel- Stromrichters stattfindenden Energieübertragung) erheblich verbessert .