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Title:
CONVERTER ARRANGEMENT COMPRISING A GROUNDING TRANSFORMER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/095508
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a converter arrangement (1) comprising a converter (2) which can be switched between an AC voltage supply system and a DC voltage circuit and which has converter valves that extend between AC voltage connections (4) and DC voltage connections (3), each converter valve comprising a series connection of bipolar submodules that comprise power semiconductor devices, the converter arrangement (1) further comprising a grounding transformer (7) which is located on the AC voltage side of the converter and has impedance coils (9-11) that are interconnected to form a grounded neutral point (12). The invention is characterized by a suppression filter (15) which is located between the neutral point (12) and a ground connection (8) and which is designed to suppress a harmonic of an alternating voltage in the AC voltage supply system (5).

Inventors:
ARMSCHAT, Christoph (Görlitzer Str. 07, Erlangen, 91058, DE)
SCHÖN, Andre (Erlanger Str. 68, Möhrendorf, 91096, DE)
Application Number:
EP2016/078383
Publication Date:
May 31, 2018
Filing Date:
November 22, 2016
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Werner-von-Siemens-Straße 1, München, 80333, DE)
International Classes:
H02M1/12; H02J3/01; H02M7/483; H03H7/01
Foreign References:
US20140139167A12014-05-22
US5663636A1997-09-02
DE3337834A11985-03-14
DE3545405A11987-07-02
DE102009034354A12011-01-27
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Claims:
Patentansprüche

1. Umrichteranordnung (1) mit

- einem zwischen einem Wechselspannungsnetz (5) und ei- nem Gleichspannungskreis schaltbaren Umrichter (2), der Umrichterarme (121-126) aufweist, die sich je¬ weils zwischen einem Wechselspannungsanschluss (4) und einem Gleichspannungsanschluss (3) erstrecken, wobei jeder Umrichterarm (121-126) eine Reihenschal- tung zweipoliger Submodule (127) umfasst, die Leis¬ tungshalbleiter (130) umfassen, sowie

- einem wechselspannungsseitig des Umrichters (2) ange¬ ordneten Sternpunktbildner (7), der zu einem geerdeten Sternpunkt (12) verschaltete Drosselspulen (9, 10, 11) aufweist,

g e k e n n z e i c h n e t durch

ein Sperrfilter (15), das zwischen dem Sternpunkt (12) und einer Erdanbindung (8) angeordnet und zum Unterdrücken einer Harmonischen einer Wechselspannung des Wechselspan- nungsnetzes (5) eingerichtet ist.

2. Umrichteranordnung (1) nach Anspruch 1, wobei jede Drosselspule (9, 10, 11) auf ihrer dem Sternpunkt (12) ab¬ gewandten Seite galvanisch mit einer zugeordneten Phase des Wechselspannungsnetzes (5) verbunden ist.

3. Umrichteranordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Sperrfilter (7) einen Parallelschwingkreis (25) mit einer Kapazität (23) und einer Induktivität (24) umfasst, wobei eine Resonanzfrequenz des Parallel¬ schwingkreises (25) auf die Frequenz der zu unterdrücken¬ den Harmonischen abgestimmt ist.

4. Umrichteranordnung (1) nach Anspruch 3, wobei die In- duktivität (24) eine Primärwicklung eines Sperrfiltertransformators (27) ist, wobei eine Sekundärwicklung (28) des Sperrfiltertransformators (27) mit einem Wechselspan¬ nungsanschluss (31) eines Sperrfilterumrichters (30) ver- bunden ist, wobei der Sperrfilterumrichter (30) dazu eingerichtet ist, am Wechselspannungsanschluss (31) eine Wechselspannung (Uh) zu erzeugen, deren Frequenz der Frequenz der zu unterdrückenden Harmonischen entspricht.

5. Umrichteranordnung (1) nach Anspruch 4, wobei ein Übersetzungsverhältnis Ü am Sperrfiltertransformator (27) zwischen 1/1000 und 1/10 liegt.

6. Umrichteranordnung (1) nach einem der Ansprüche 4 oder

5, wobei der Sperrfilterumrichter (30) eine Vollbrücken- schaltung mit wenigstens vier abschaltbaren Leistungshalb¬ leitern (33) und einem Umrichterkondensator (35) ausbildet, die so mit dem Umrichterkondensator (35) verschaltet sind, dass am Wechselspannungsanschluss (31) des Sperrfil¬ terumrichters (30) eine an dem Umrichterkondensator (35) abfallende Kondensatorspannung, eine Nullspannung oder aber die inverse Kondensatorspannung erzeugbar ist.

7. Umrichteranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis

6, wobei der Sternpunktbildner (7) zwischen einem wech- selspannungsseitig des Umrichters (2) angeordneten Trans¬ formator (6) und dem Wechselspannungsanschluss (4) des Um¬ richters (2) angeordnet ist.

8. Umrichteranordnung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis

7, wobei jeder Drosselspule (9, 10, 11) des Sternpunkt¬ bildners (7) eine Kompensationswicklung (21a-c) zugeordnet ist, wobei die Kompensationswicklungen (21a-c) in einer elektrischen Reihenschaltung zwischen dem Sternpunkt (12) und Erdanbindung (8) angeordnet sind, wobei die Kompensa¬ tionswicklungen (21a-c) und die Drosselspulen (9, 10, 11) einen gemeinsamen Spulenkern (13) aufweisen, wobei das Sperrfilter (15) zwischen der Reihenschaltung der Kompensationswicklungen (21a-c) und der Erdanbindung (8) ange¬ ordnet ist.

9. Umrichteranordnung (20) nach Anspruch 8, wobei die Drosselspulen (9, 10, 11) des Sternpunktbildners (7) als konverterseitige Wicklungen eines Transformators (6) aus¬ gebildet sind, der wechselspannungsseitig des Umrichters (2) angeordnet ist, und die Kompensationswicklungen (21a- c) als Tertiärwicklungen des Transformators (6) ausgebil¬ det sind, wobei ein Wickelsinn der Kompensationswicklungen (21a-c) einem Wickelsinn der zugeordneten Drosselspulen entgegengerichtet ist und der Transformator (6) und der Sternpunktbildner (7) einen gemeinsamen Spulenkern (13) aufweisen .

10. Umrichteranordnung (1) nach Anspruch 8, wobei der Sternpunktbildner (7) zwischen einem wechselspannungssei- tig des Umrichters (2) angeordneten Transformator (6) und dem Wechselspannungsanschluss (4) des Umrichters (2) ange¬ ordnet ist, wobei ein Wickelsinn der Kompensationswicklungen (21a-c) und der Drosselspulen (9, 10, 11) gleichge¬ richtet ist.

11. Umrichteranordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Sternpunktbildner (7) einen

Überspannungsabieiter (19) umfasst, der zwischen dem

Sternpunkt (12) und Erdanbindung (8) parallel zu dem

Sperrfilter (15) geschaltet ist.

12. Umrichteranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes Submodul (127) eine Vollbrücken- schaltung mit vier abschaltbaren Leistungshalbleitern und einem Energiespeicher aufweist, die so mit dem Energie¬ speicher verschaltet sind, dass an Ausgangsklemmen des Submoduls eine an dem Energiespeicher abfallende Energie¬ speicherspannung, eine Nullspannung oder aber die inverse Energiespeicherspannung erzeugbar ist.

13. Umrichteranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes Submodul (127) eine Halbbrücken¬ schaltung mit zwei abschaltbaren Leistungshalbleitern (130) und einem Energiespeicher (131) aufweist, die so mit dem Energiespeicher (131) verschaltet sind, dass an Aus¬ gangsklemmen des Submoduls (127) eine an dem Energiespei¬ cher abfallende Energiespeicherspannung oder eine Null- Spannung erzeugbar ist.

Description:
Beschreibung

Umrichteranordnung mit Sternpunktbildner Die Erfindung betrifft eine Umrichteranordnung mit einem zwischen einem Wechselspannungsnetz und einem Gleichspannungskreis schaltbaren Umrichter, der Umrichterarme aufweist, die sich jeweils zwischen einem Wechselspannungsanschluss und ei ¬ nem Gleichspannungsanschluss erstrecken, wobei jeder

Umrichterarm eine Reihenschaltung zweipoliger Submodule um- fasst, die Leistungshalbleiter umfassen, sowie einem wechselspannungsseitig des Umrichters angeordneten Sternpunkt ¬ bildner, der zu einem geerdeten Sternpunkt verschaltete Dros ¬ selspulen aufweist.

Eine solche Umrichteranordnung ist aus der DE 10 2009 034 354 AI bekannt. Die bekannte Umrichteranordnung wird dazu einge ¬ setzt, eine Übertragung elektrischer Energie zwischen einem Wechselspannungsnetz und einem Gleichspannungsnetz zu ermög- liehen. Dazu ist der Umrichter mittels des Gleichspannungsanschlusses mit dem Gleichspannungskreis bzw. einer Gleichspan ¬ nungsleitung und mittels des Wechselspannungsanschlusses mit dem Wechselspannungsnetz verbunden. Die Umrichteranordnung kann dabei beispielsweise Teil einer Hochspannungsgleich- Stromübertragungsanlage (HGÜ) sein. Der Umrichter der bekann ¬ ten Umrichteranordnung ist ein sogenannter modularer Mehrstufenumrichter (MMC) . Jeder Umrichterarm des MMC umfasst eine Reihenschaltung zweipoliger Submodule. Das Submodul umfasst wiederum Leistungshalbleiterschalter sowie einen Energiespei- eher, meist in Form eines Kondensators. Die Leistungshalblei ¬ terschalter sind derart mit dem Energiespeicher verschaltet, dass durch geeignete Steuerung der Leistungshalbleiterschal ¬ ter an den Polen bzw. Klemmen des Submoduls eine Spannung null oder eine an dem Energiespeicher abfallende Energiespei- cherspannung erzeugbar sind. Die Leistungshalbleiterschalter und die Submodule sind voneinander unabhängig steuerbar, so dass mittels des MMC wechselspannungsseitig eine stufenförmi ¬ ge Umrichterwechselspannung erzeugbar ist, deren Stufenhöhe im Wesentlichen durch die Energiespeicherspannung und die erzeugbare Stufenanzahl durch die Anzahl der Submodule des Leistungshalbleiterventils bestimmt sind. Aufgrund des Auf ¬ baus und der Funktionsweise des MMC können Pole des Gleich- spannungskreises bezüglich des Erdpotenzials grundsätzlich

Spannungen mit unterschiedlich hohen Beträgen aufweisen. Insbesondere in einer Ausführung als sogenannter symmetrischer Monopol gibt es keine starre Anbindung des Umrichters bzw. des Gleichspannungskreises an das Erdpotenzial. In einem sol- chen Fall können Fremdschichtströme, die auf den Oberflächen von Isolatoren gegen Erde abfließen einen resultierenden Gleichstrom gegen Erde bewirken. Dieser resultierende Gleichstrom kann sich auf der Wechselspannungsseite des Umrichters nachteilig auswirken. In Leistungstransformatoren führt der Gleichstrom zum Beispiel zu einer Verschiebung des Arbeitspunktes in der Magnetisierungskennlinie. Diese Verschiebung kann zu einer erhöhten Geräuschbildung und zu einer Sättigung des Leistungstransformators im Betrieb führen. Der Sternpunktbildner der bekannten Umrichteranordnung ist dazu vorgesehen, die Spannungen im Gleichspannungskreis ge ¬ genüber dem Erdpotenzial zu symmetrieren . Dazu ist der Sternpunktbildner derart ausgestaltet, dass er für Wechselstrom mit einer Grundschwingungsfrequenz des Wechselspannungsnetzes einen Strompfad mit einer hohen Impedanz zum Erdpotenzial darstellt. Zugleich bildet der Sternpunktbildner für einen Gleichstrom einen Strompfad mit einer niedrigen Impedanz zum Erdpotenzial. Auf diese Weise ist eine Potenzialanbindung der Umrichteranordnung an das Erdpotenzial realisiert. Der be- kannte Sternpunktbildner ist dabei wechselspannungsseitig pa ¬ rallel zum Wechselspannungsnetz zwischen dem Umrichter und einem Transformator angeordnet. Jede Drosselspule des Stern ¬ punktbildners ist auf der dem Sternpunkt abgewandten Seite mit einer ihr zugeordneten Phase des Wechselspannungsnetzes verbunden bzw. über eine Schalteinheit verbindbar. Die Wechselströme mit der Grundschwingungsfrequenz des Wechselspannungsnetzes, üblicherweise beträgt diese Grundschwingungsfre ¬ quenz 50 Hz oder 60 Hz, können über den Sternpunktbildner nicht abfließen. Die durch eine Asymmetrie der Spannungen im Gleichspannungskreis entstehenden Gleichströme können hinge ¬ gen über den Sternpunktbildner abfließen und den Gleichstromkreis damit symmetrieren .

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine artgemäße Umrichteranordnung vorzuschlagen, bei der eine weiter verbesserte Vermeidung unerwünschter Ströme möglich ist.

Die Aufgabe wird bei einer artgemäßen Umrichteranordnung erfindungsgemäß durch ein Sperrfilter gelöst, das zwischen dem Sternpunkt des Sternpunktbildners und einer Erdanbindung an ¬ geordnet und zum Unterdrücken einer Harmonischen einer Wechselspannung des Wechselspannungsnetzes eingerichtet ist.

Erfindungsgemäß ist demnach ein Sperrfilter vorgesehen, der zwischen den Drosselspulen und Erde angeordnet ist. Das

Sperrfilter ist derart ausgebildet, dass mittels des Sperr ¬ filters wenigstens eine Harmonische der Wechselspannung im Wechselspannungsnetz herausgefiltert werden kann. Als Harmonische wird dabei jeder Wechselspannungsanteil der Wechsel ¬ spannung im Wechselspannungsnetz verstanden, dessen Frequenz ein Vielfaches der Grundfrequenz der Wechselspannung im Wechselspannungsnetz entspricht. Die Grundfrequenz kann dabei üblicherweise 50 Hz oder 60 Hz betragen.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Umrichteranordnung ist die Möglichkeit zur Vermeidung oder zumindest Minimierung unerwünschter Ströme im Wechselspannungsnetz, die sich aus harmo- nischen Spannungsanteilen der Wechselspannung des Wechselspannungsnetzes ergeben. Beispielsweise kann die bei einigen Anwendungen im Umrichter erzeugte dritte Harmonische mit der dreifachen Frequenz der Wechselspannung durch das Sperrfilter unterdrückt werden. Eine solche dritte Harmonische wird oft- mals vorsätzlich erzeugt, weil dadurch eine höhere Ausnutzung einer Transformator-Sekundärspannung erreicht werden kann, also einer umrichterseitigen Spannung eines Leistungstransformators, mittels dessen der Umrichter mit dem Wechselspan- nungsnetz verbunden ist. Zudem ist dadurch auch eine höhere Ausnutzung der Submodule des Umrichters ermöglicht. Die drit ¬ te Harmonische wirkt sich jedoch im Wechselspannungsnetz, falls nicht unterdrückt, nachteilig aus, weil sie zu einer entsprechenden Harmonischen des Stromes führen kann.

Zweckmäßigerweise ist jede Drosselspule auf ihrer dem Stern ¬ punkt abgewandten Seite galvanisch mit einer zugeordneten Phase des Wechselspannungsnetzes verbunden. Insbesondere ist eine galvanische Trennung zwischen den Drosselspulen bzw. dem Sternpunkt des Sternpunktbildners und dem Wechselspannungs ¬ netz, abgesehen von etwaigen Schaltern, nicht notwendigerweise vorgesehen. Vorzugsweise umfasst das Sperrfilter einen Parallelschwingkreis mit einer Kapazität und einer Induktivität, wobei eine Resonanzfrequenz des Parallelschwingkreises auf die Frequenz der zu unterdrückenden Harmonischen abgestimmt ist. Die Induktivität ist geeigneterweise in Form einer oder mehrerer Drosseln, die Kapazität in Form eines oder mehrerer Kondensa ¬ toren realisiert. Die Induktivität L und die Kapazität C sind derart ausgelegt, dass für die Resonanzfrequenz F des Sperr ¬ filters F = 1 / 2* pi * sqrt (C * L) gilt. Die Resonanzfre ¬ quenz entspricht der Frequenz der zu unterdrückenden Harmoni- sehen.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Induktivität eine Primärwicklung eines Sperrfiltertransformators, wo ¬ bei eine Sekundärwicklung des Sperrfiltertransformators mit einem Wechselspannungsanschluss eines Sperrfilterumrichters verbunden ist, wobei der Sperrfilterumrichter dazu eingerichtet ist, am Wechselspannungsanschluss eine Wechselspannung Uh zu erzeugen, deren Frequenz der Frequenz der zu unterdrückenden Harmonischen entspricht. Mittels des Sperrfilterumrich- ters kann ein DC-Flussim Eisenkern des Sperrfiltertransforma ¬ tors aktiv unterdrückt werden. Als Sperrfilterumrichter kann beispielsweise jeder geeignete Mittelspannungsumrichter einsetzbar sein. Die Wechselspannung Uh kann mit einem entspre- chenden Phasenversatz zu der zu unterdrückenden Harmonischen der Wechselspannung im Wechselspannungsnetz erzeugt werden. Als besonders vorteilhaft wird angesehen, den Sperrfilterum ¬ richter als eine Kombination einer AC-Spannungsquelle und ei- ner DC-Stromquelle auszulegen. Mittels des Sperrfilterumrichters kann ein DC-Fluss somit in einem Eisenkern der Induktivität des Sperrfilters aktiv zu null geregelt werden. Damit weist der Sternpunktbildner zugleich eine besonders niedrige Impedanz für Gleichströme und eine besonders hohe Sperrfähig- keit für die zu unterdrückende Harmonische auf.

Bevorzugt liegt ein Übersetzungsverhältnis Ü am Sperrfilter ¬ transformator zwischen 1/1000 und 1/10. Mit einer solchen Übersetzung der Spannungen am Sperrfiltertransformator lässt sich insbesondere der Sperrfilterumrichter auf niedrigere

Spannungen auslegen, wodurch er besonders kostengünstig ist.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bildet der Sperrfilterumrichter eine Vollbrückenschaltung mit vier abschalt- baren Leistungshalbleitern und einem Umrichterkondensator aus, die so mit dem Umrichterkondensator verschaltet sind, dass am Wechselspannungsanschluss des Sperrfilterumrichters eine an dem Umrichterkondensator abfallende

Kondensatorspannung, eine Nullspannung oder aber die inverse Kondensatorspannung erzeugbar ist. Mit einer geeigneten An- steuerung, beispielsweise mittels Pulsweitenmodulation, ist eine bevorzugte Wechselspannung Uh am Wechselspannungsanschluss des Sperrfilterumrichters erzeugbar. Der Sternpunktbildner kann beispielsweise zwischen einem wechselspannungsseitig des Umrichters angeordneten Transfor ¬ mator und dem Wechselspannungsanschluss des Umrichters ange ¬ ordnet sein. Die Drosselspulen können dabei direkt mit den ihnen zugeordneten Phasen der Wechselspannungsleitung paral- lel zum Transformator schaltbar sein.

Vorzugsweise ist jeder Drosselspule des Sternpunktbildners eine Kompensationswicklung zugeordnet, wobei die Kompensati- onswicklungen in einer elektrischen Reihenschaltung zwischen dem Sternpunkt und Erde bzw. dem Sperrfilter angeordnet sind, wobei die Kompensationswicklungen und die Drosselspulen einen gemeinsamen Spulenkern aufweisen, wobei das Sperrfilter zwi- sehen der Reihenschaltung der Kompensationswicklungen und der Erdanbindung angeordnet ist. Durch die Kompensationswicklungen lässt sich die Impedanz gegenüber der Grundschwingungsfrequenz des Wechselspannungsnetzes weiter erhöhen. Dabei kann die Windungszahl der Kompensationswicklungen beispiels- weise 1/3 der Windungszahl der Drosselspulen betragen. Diese Ausführungsform der Erfindung weist den Vorteil auf, dass der Sternpunktbildner eine verhältnismäßig niedrige Nullsystemimpedanz im Normalbetrieb und eine hohe Nullsystemimpedanz in einem gleichspannungsseitigen Fehlerfall aufweist.

In einigen Anwendungen ist es von Vorteil, wenn wechselspan- nungsseitig des Umrichters ein Transformator angeordnet ist. Der Transformator weist netzseitige sowie konverterseitige Wicklungen auf und verbindet den Umrichter mit einem netzsei- tigen Wechselspannungsnetz. Die netzseitigen Wicklungen können beispielsweise in einer Sternanordnung, die

konverterseitigen Wicklungen beispielsweise in einer Deltaoder Sternanordnung angeordnet sein. Der Sternpunkt der konverterseitigen Sternanordnung kann geerdet sein. Der aus der Unsymmetrie im Gleichspannungskreis resultierende Gleich ¬ strom (auch als Erdstrom bezeichnet) kann in diesem Fall eine nachteilige Vormagnetisierung im Transformator bewirken.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Drossel- spulen des Sternpunktbildners als konverterseitige Wicklungen des Transformators ausgebildet, der wechselspannungsseitig des Umrichters angeordnet ist. Die Kompensationswicklungen sind zugleich als Tertiärwicklungen des Transformators ausge ¬ bildet, wobei ein Wickelsinn der Kompensationswicklungen ei- nem Wickelsinn der zugeordneten Drosselspulen

entgegengerichtet ist und der Transformator und der Stern ¬ punktbildner einen gemeinsamen Spulenkern aufweisen. Der gemeinsame Spulenkern durchsetzt demnach sowohl die netzseiti- gen und die konverterseitigen Wicklungen des Transformators als auch die Kompensationswicklungen. Der resultierende

Gleichstrom in der Umrichteranordnung fließt gemäß dieser Ausführungsform verteilt durch die konverterseitigen Wicklun- gen des Transformators und in Summe durch die Kompensations ¬ wicklungen. Durch die gegensinnig orientierten Kompensationswicklungen wird eine im Spulenkern entstehende magnetische Spannung kompensiert. Auf diese Weise lässt sich die zuvor beschriebene Vormagnetisierung des Transformators vorteilhaft vermeiden. Aus diesem Effekt resultiert zudem eine Verringe ¬ rung von Störgeräuschen im Transformator.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Sternpunktbildner zwischen einem wechselspannungsseitig des Umrichters angeordneten Transformator und dem Wechselspan- nungsanschluss des Umrichters angeordnet, wobei ein Wickel ¬ sinn der Kompensationswicklungen und der Drosselspulen gleichgerichtet ist. Gemäß dieser Ausführungsform bilden die Kompensationswicklungen eine Reihenschaltung aus, die einer- seits mit dem Sternpunkt des Sternpunktbildners und ander ¬ seits mit einem Erdanschluss verbunden ist. Der Wickelsinn jeder Kompensationswicklung ist zum Wickelsinn der zugeordneten Drosselspule gleichgerichtet. Die Vorteile dieser Anord ¬ nung sind eine besonders hohe Nullsystemimpedanz im Normalbe- trieb und eine niedrige Nullsystemimpedanz in einem gleich- spannungsseitigen Fehlerfall. Zur gezielten Festlegung der Nullsysteminduktivität und des Sättigungspunktes können auch hier Luftspalte in jeden Eisenschenkel des gemeinsamen Spu ¬ lenkerns eingebracht werden. Ferner kann die dritte Harmoni- sehe im Sternpunkt der drei Hauptwicklungen effizient unter ¬ drückt werden.

Vorzugsweise umfasst der Sternpunktbildner einen

Überspannungsabieiter, der zwischen dem Sternpunkt und Erde parallel zu den Kompensationswicklungen oder dem Sperrfilter geschaltet ist. Dieser Überspannungsabieiter sorgt für eine Spannungsbegrenzung in einem Fehlerfall. Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung weist jedes Submodul eine Vollbrückenschaltung mit vier abschaltbaren Leistungshalbleitern und einem Energiespeicher auf, die so mit dem Energiespeicher verschaltet sind, dass an Ausgangs- klemmen des Submoduls eine an dem Energiespeicher abfallende Energiespeicherspannung, eine Nullspannung oder aber die in- verse Energiespeicherspannung erzeugbar ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante weist jedes Submodul eine Halbbrückenschaltung mit zwei abschaltbaren Leistungshalbleitern und einem Energiespeicher auf, die so mit dem Energiespeicher verschaltet sind, dass an Ausgangsklemmen des Submoduls eine an dem Energiespeicher abfallende Energiespei ¬ cherspannung oder eine Nullspannung erzeugbar ist.

Es ist gleichwohl denkbar, wenn einige Submodule des Umrichters Halbbrückenschaltungen und einige andere Submodule des Umrichters Vollbrückenschaltungen aufweisen. Es ist hierbei anzumerken, dass die Anwendung der Erfindung nicht auf modu- lare Mehrstufenumrichter beschränkt ist. Es ist beispielswei ¬ se denkbar, dass die Submodule jeweils einen ein- und ab ¬ schaltbaren Leistungshalbleiter und eine antiparallele Freilaufdiode umfassen. In diesem Fall ist der Umrichter als ein Zwischenkreisumrichter ausgebildet, der einen Gleichspan- nungszwischenkreis aufweist, in dem ein Zwischenkreiskonden- sator angeordnet ist.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren 1 bis 3 weiter erläutert.

Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfin ¬ dungsgemäßen Umrichteranordnung in einer schematischen Darstellung; Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfin ¬ dungsgemäßen Umrichteranordnung in einer schematischen Darstellung; Figur 3 zeigt ein Beispiel eines Sperrfilters der Umrichteranordnungen der Figuren 1 und 2 in einer schematischen Darstellung; Figur 4 zeigt ein Beispiel eines Umrichters für eine der Umrichteranordnungen der Figuren 1 bis 3.

Im Einzelnen ist in Figur 1 eine Umrichteranordnung 1 gezeigt. Die Umrichteranordnung 1 umfasst einen Umrichter 2. Der Umrichter 2 weist eine Gleichspannungsseite, die mit ei ¬ nem Gleichspannungskreis, beispielsweise einem Gleichspan ¬ nungszwischenkreis einer HGÜ-Anlage oder einem Gleichspan ¬ nungsnetz mittels eines Gleichspannungsanschlusses 3

verbindbar ist. Ferner weist der Umrichter 2 eine Wechsels- pannungsseite auf, die mittels Wechselspannungsanschlusses 4 mit einem Wechselspannungsnetz 5 verbindbar ist, das im vorliegenden Beispiel dreiphasig ist. Im in Figur 1 dargestell ¬ ten Ausführungsbeispiel erfolgt die Anbindung an das Wech ¬ selspannungsnetz 5 über einen Transformator 6. Der Transfor- mator 6 umfasst netzseitige Wicklungen (in der Figur 1 figürlich nicht dargestellt und konverterseitige Wicklungen 61a-c auf der dem Umrichter 2 zugewandten Seite des Transformators 6. Die konverterseitigen Wicklungen 61a-c sind jeweils in ei ¬ ner Sternschaltung miteinander verbunden. Die netzseitigen Wicklungen sind beispielsweise ebenfalls in einer Sternschal ¬ tung miteinander verbunden. Im Prinzip ist jedoch auch jede andere geeignete Konfiguration des Transformators möglich, beispielsweise eine Stern-Dreieck-Konfiguration. Zwischen dem Transformator 6 und dem Umrichter 2 ist ein

Sternpunktbildner 7 angeordnet, der parallel zum Wechselspannungsnetz 5 geschaltet ist, bzw. zwischen den Phasen des Wechselspannungsnetzes 5 und einem Erdanschluss 8. Der Sternpunktbildner 7 umfasst eine erste Drosselspule 9, eine zweite Drosselspule 10 und eine dritte Drosselspule 11. Jede Drosselspule 9-11 ist mit einer ihr zugeordneten Phase des Wechselspannungsnetzes 5 galvanisch verbunden. Auf der dem Wechselspannungsnetz 5 abgewandten Seite sind die Drosselspulen 9-11 zu einem gemeinsamen Sternpunkt 12 zusammenge ¬ schaltet. Die drei Drosselspulen 9-11 weisen einen gemeinsa ¬ men Spulenkern 13 auf. Dabei ist jede Drosselspule 9, 10 bzw. 11 von einem Teilkern des gemeinsamen Spulenkerns 13 durchsetzt. Jeder Teilkern weist einen Luftspalt 17a-c auf, dessen Funktion eine Einstellung einer Sättigungskennlinie bzw. eines Sättigungspunktes der Drosseln 9-11 ist. Zwischen dem gemeinsamen Sternpunkt 12 und dem Erdanschluss bzw. der Erdanbindung 8 ist ein Sperrfilter 15 angeordnet. Auf den Aufbau des Sperrfilters 15 wird im Zusammenhang mit der Figur 3 unten näher eingegangen. Die Drosselspulen 9-11 sowie das Sperrfilter 15 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 16 angeordnet, das beispielsweise eine Ölisolation, eine SF 6 -Isolation, eine Ester-Isolation oder dergleichen bereitstellt. In einer Reihenschaltung zu dem Sperrfilter 15 befindet sich ein Widerstandselement 18, das zur Strombegrenzung dient. Pa ¬ rallel zu der Reihenschaltung des Sperrfilters 15 und des Wi ¬ derstandselementes 18 ist ein Überspannungsabieiter 19 zur Spannungsbegrenzung angeordnet.

Figur 2 zeigt eine Umrichteranordnung 20. In den Figuren 1 und 2 wurden gleiche bzw. gleichartige Elemente der

Umrichteranordnungen 1 bzw. 20 mit gleichen Bezugszeichen versehen .

Die Umrichteranordnung 20 umfasst einen Umrichter 2. Der Umrichter 2 weist eine Gleichspannungsseite, die mit einem Gleichspannungskreis, beispielsweise einem Gleichspannungs ¬ zwischenkreis einer HGÜ-Anlage oder einem Gleichspannungsnetz mittels eines Gleichspannungsanschlusses 3 verbindbar ist.

Ferner weist der Umrichter 2 eine Wechselspannungsseite auf, die mittels Wechselspannungsanschlusses 4 mit einem dreipha ¬ sigen Wechselspannungsnetz 5 verbindbar ist. Im in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Anbindung an das Wechselspannungsnetz 5 über einen Transformator 6.

Zwischen dem Transformator 6 und dem Umrichter 2 ist ein Sternpunktbildner 7 angeordnet, der parallel zum Wechselspannungsnetz 5 geschaltet ist, bzw. zwischen den Phasen des Wechselspannungsnetzes 5 und einem Erdanschluss 8. Der Stern ¬ punktbildner 7 umfasst drei Drosselspulen 9-11. Auf der dem Wechselspannungsnetz 5 abgewandten Seite sind die Drosselspu- len 9-11 zu einem gemeinsamen Sternpunkt 12 zusammengeschal ¬ tet .

Die Drosselspulen 9-11 der Umrichteranordnung 20 sind im Unterschied zu der Ausführung der Umrichteranordnung 1 der Fi- gur 1 als konverterseitige bzw. sekundärseitigen Wicklungen des Transformators 6 ausgeführt. Ferner umfasst der Transfor ¬ mator 6 netz- bzw. primärseitige Wicklungen 62a-c. Der ersten Drosselspule 9 ist eine erste Kompensationswicklung 21a, der zweiten Drosselspule 10 eine zweite Kompensationswicklung 21b und der dritten Drosselspule 11 eine dritte Kompensations ¬ wicklung 21c zugeordnet. Die Kompensationswicklungen 21a-c sind in einer Reihenschaltung zwischen dem gemeinsamen Sternpunkt 12 und dem Erdanschluss 8 angeordnet. Es ist zu erken ¬ nen, dass der gemeinsame Spulenkern 13 des Transformators 6 auch die Kompensationswicklungen 21a-c durchsetzt. Der Wickelsinn der Kompensationswicklungen 21a-c der

Umrichteranordnung 20 ist entgegengesetzt zum Wickelsinn der Drosselspulen 9-11. Der Wickelsinn von Spulen ist dabei in Figur 2 jeweils durch Punkte 22 angedeutet. Durch die entge- gengesetzte Wicklung wird eine Kompensation der Magnetisie ¬ rung des Spulenkerns 13 erreicht, wodurch eine Vormagnetisie ¬ rung des Transformators 6 vermieden werden kann.

Zwischen dem gemeinsamen Sternpunkt 12 und dem Erdanschluss bzw. der Erdanbindung 8 ist ein Sperrfilter 15 angeordnet. Auf den Aufbau des Sperrfilters 15 wird im Zusammenhang mit der Figur 3 unten näher eingegangen. Parallel zum Sperrfilter 15 ist ein Überspannungsabieiter 19 zur Spannungsbegrenzung angeordnet.

Figur 3 zeigt ein Sperrfilter 15, der beispielsweise in einer der Umrichteranordnungen 1 bzw. 20 der Figuren 1 und 2 einsetzbar ist.

Das Sperrfilter 15 umfasst einen Parallelschwingkreis 25 aus einer Kapazität 23 und einer Induktivität 24. Die Kapazität 23 und die Induktivität 24 sind derart ausgelegt, dass die Resonanzfrequenz des Parallelschwingkreises 25 der dritten Harmonischen der Wechselspannung im Wechselspannungsnetz 5 entspricht. Die Induktivität 24 ist dabei eine Primärwicklung eines Sperrfiltertransformators 27 mit einer Sekundärwicklung 28 und einem Übersetzungsverhältnis von Sekundärseite zu Pri ¬ märseite von 1:100. Die Primärwicklung 24 und die Sekundärwicklung 28 sind von einem gemeinsamen Eisenkern 29 mit Luftspalt durchsetzt. Der Sperrfiltertransformator 27 ist sekundärseitig mit einem Sperrfilterumrichter 30 verbunden. Der Sperrfilterumrichter 30 weist einen Wechselspannungsanschluss 31 zum Verbinden mit dem Sperrfiltertransformator 27 auf. Der Sperrfilterumrichter 30 umfasst ferner eine erste Schalteinheit 32a, eine zweite Schalteinheit 32b, eine dritte Schalteinheit 32c und eine vierte Schalteinheit 32d. Jede der Schalteinheiten 32a-d um ¬ fasst ihrerseits einen ein- und abschaltbaren Leistungshalb ¬ leiterschalter 33 sowie eine antiparallele Freilaufdiode 34. Ein Energiespeicher 35 ist parallel zu den Schalteinheiten 32a-b bzw. 32c-d angeordnet. Somit bildet der Sperrfilterum ¬ richter 30 eine Vollbrückenschaltung aus. Mittels einer geeigneten Steuerung der Schalteinheiten 32a-d kann am Wechselspannungsanschluss 31 eine Spannung Uh mit der Frequenz der zu unterdrückenden dritten Harmonischen erzeugt werden.

In Figur 4 ist ein Umrichter 2 für eine der

Umrichteranordnungen der Figuren 1 bis 3 dargestellt. Der Umrichter 2 ist zwischen einem Wechselspannungsanschluss 4 und einem Gleichspannungsanschluss 3 geschaltet. Damit ist der Umrichter 2 gleichspannungsseitig mit einer Gleichspannungs ¬ leitung bzw. einem Gleichspannungsnetz, wechselspannungssei- tig mit einem Wechselspannungsnetz verbindbar. Der Umrichter 2 ist ein modularer Mehrstufenumrichter (MMC) . Der MMC weist zwischen der Gleichspannungsseite und der Wechselspannungs ¬ seite angeordnete Leistungshalbleiterventile 121-126 auf.

Jedes Leistungshalbleiterventil 121-126 umfasst eine Reihen- Schaltung von zweipoligen Submodulen 127 sowie eine Glät- tungsdrossel 128. Im in Figur 2 dargestellten Ausführungsbei ¬ spiel sind alle Submodule 127 gleichartig aufgebaut, was je ¬ doch im Allgemeinen nicht erforderlich ist. Mittels unterbrochener Linien 129 ist in Figur 4 angedeutet, dass jedes Leis- tungshalbleiterventil 121-126 eine größere Anzahl von Submo ¬ dulen 127 aufweisen kann als die in Figur 4 explizit dargestellten zwei Submodule 127.

Jedes Submodul 127 umfasst zwei Halbleiterschalter 130, dem jeweils eine Freilaufdiode 301 antiparallel geschaltet ist, und einen Energiespeicher in Form eines Kondensators 131. Die Submodule 127 sind somit als Halbbrückenschaltungen ausgebil ¬ det. Die Halbleiterschalter 130 der Submodule 127 sind vonei ¬ nander unabhängig steuerbar.

Anstelle der Halbbrückenschaltungen können die Submodule auch beispielsweise als dem Fachmann bekannte Vollbrückenschaltun- gen realisiert werden. Der Umrichter 2 umfasst ferner Messeinrichtungen 321-330, die zum Messen von Strömen und/oder Spannungen abgerichtet sind.

Zudem ist eine in Figur 4 explizit nicht dargestellte Rege ¬ lungseinheit zum Regeln des Umrichters 2 vorgesehen.