Stromrichteranordnung mit einer Abschaltungsfähigkeit eines Fehlerstroms und ein Verfahren zur Abschaltung eines Fehlerstroms bei einer solchen Stromrichteranordnung

Die Erfindung betrifft eine Stromrichteranordnung mit einer Abschaltungsfähigkeit eines Fehlerstroms gemäß Anspruch 1 und ein zugehöriges Verfahren gemäß Anspruch 6.

Modulare Mehrstufen-Stromrichter (MMC) sind aus der Hochspan- nungs-Gleichstromübertragung bekannt. Sie werden eingangssei- tig von einem Wechselstromnetz gespeist und stellen ausgangs- seitig eine Gleichspannung zur elektrischen Energieversorgung im Hochspannungsbereich bereit. Der Anschluss erfolgt über Transformatoren, die sekundärseitig an parallel geschaltete zweipolige Phasenmodule angeschlossen sind. Die parallel ge ^¬ schalteten Phasenmodule sind jeweils aus zwei Stromrichtermo ^¬ dulen gebildet und über einen Verbindungspunkt miteinander verbunden. Jeder Verbindungspunkt bildet einen Anschluss für eine der sekundärseitigen Phasen eines Transformators. Die beiden Stromrichtermodule sind selbst wiederum aus in Reihe geschalteten Submodulen gebildet, welche Halbleiterschalter aufweisen, die in Vollbrückenschaltung oder in Halbbrückenschaltung ausgeführt sind. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Vollbrücken- und Halbbrückenmodulen (Vollbrücken- und Halbbrücken-Submodulen) .

Stromrichter mit Halbbrückenmodulen zeichnen sich durch eine hohe Flexibilität und Effizienz aus. Bei Kurzschlüssen auf der Gleichspannungsseite können diese Stromrichter auf Grund der Gleichrichterwirkung der Submodule keine entsprechende Gegenspannung aufbauen und müssen zur Abschaltung des DC- Kurzschlusses vom Wechselspannungsnetz getrennt werden.

Stromrichter mit Vollbrückenmodulen können auf Grund ihrer bipolaren Natur auch Gleichspannungen kleiner als die verket- teten Wechselspannungen bereitstellen und somit Kurzschlüsse auf der Gleichspannungsseite durch Erzeugen einer entspre ^¬ chenden Gegenspannung aktiv abschalten. Sie stellen dem Wechselstromnetz nach dem Abschalten weiterhin Dienstleistungen wie z.B. Blindleistung (Blindstromstützung) zur Verfügung. Auf Grund der höheren Zahl an Halbleiterschaltern im Strompfad entstehen aber deutlich höhere elektrische Verluste.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Stromrichteranordnung zu erzielen, der Fehlerströme auf der Gleichstromseite, ins- besondere Kurzschlussströme, in kurzer Zeit aktiv abschaltet und relativ geringe elektrische Verluste aufweist. Weiter ist die Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Verfahren zur Abschaltung eines Fehlerstroms bei einer entsprechenden

Stromrichteranordnung vorzuschlagen .

Die Aufgabe wird bezogen auf den Stromrichter durch die Merkmale des Anspruchs 1 und bezogen auf das Verfahren durch die Merkmale des Anspruchs 6 gelöst; die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen dar.

Die Lösung bezieht sich auf eine Stromrichteranordnung von mehrphasigen Mehrstufen-Stromrichtern, die an Wechselstromnetze über primärseitig parallel geschaltete Transformatoren angeschlossen werden und die eine Gesamt-Gleichspannung (an zwei Ausgangs-Gleichspannungsanschlüssen) zur elektrischen Energieversorgung im Hochspannungsbereich bereitstellen,

- wobei die Stromrichteranordnung in Reihe geschaltete Teil- Stromrichter aufweist, deren Teil-Gleichspannungen die Gesamt-Gleichspannung (des Gesamtstromrichters) bilden und die jeweils drei parallel geschaltete (miteinander verbundene) zweipolige Phasenmodule aufweisen,

- wobei jedes Phasenmodul aus zwei in Reihe geschalteten Stromrichtermodulen gebildet ist, die jeweils über einen ersten Verbindungspunkt miteinander verbunden sind, der einen der Phasenanschlüsse bildet,

- wobei jeweils ein Transformator an die Phasenanschlüsse ei ^¬ nes Teil-Stromrichters angeschlossen ist,

- wobei die beiden Stromrichtermodule der Phasenmodule eines ersten Teil-Stromrichters aus in Reihe geschalteten unipola ^¬ ren Submodulen und die eines zweiten Teil-Stromrichters aus in Reihe geschalteten bipolaren Submodulen gebildet und der erste und zweite Teil-Stromrichter über einen zweiten Verbin- dungspunkt miteinander verbunden sind,

- wobei eine Regelung zur Einstellung des Gleichstroms (der durch die Teil-Stromrichter fließt) auf einen vorgegebenen Sollwert vorgesehen ist, welche jeweils zumindest die Teil- Gleichspannung des zweiten Teil-Stromrichters verringert, wenn der Gleichstrom den Sollwert überschreitet, und

- wobei die Teil-Gleichspannung des zweiten Teil- Stromrichters durch die Regelung zumindest bis zur Kompensa ^¬ tion der Teil-Gleichspannung des ersten Teil-Stromrichters invertierbar ist.

Die Lösung des Verfahrens zur Abschaltung eines Gleichstrom- Fehlerstroms bezieht sich auf eine Stromrichteranordnung (mehrphasiger Mehrstufen-Stromrichter) ,

- wobei an diese Wechselstromnetze über primärseitig parallel geschaltete Transformators angeschlossen werden,

- wobei diese eine Gesamt-Gleichspannung (an zwei Ausgangs- Gleichspannungsanschlüssen) zur elektrischen Energieversorgung im Hochspannungsbereich bereitstellt,

- wobei diese in Reihe geschaltete Teil-Stromrichter auf- weist, aus deren Teil-Gleichspannungen die Gesamt- Gleichspannung (des Gesamtstromrichters) gebildet wird,

- wobei die Teil-Stromrichter jeweils parallel geschaltete (miteinander verbundene) zweipolige Phasenmodule aufweisen,

- wobei jedes Phasenmodul aus zwei in Reihe geschalteten Stromrichtermodulen gebildet ist, die jeweils über einen ers ^¬ ten Verbindungspunkt miteinander verbunden sind, der einen der Phasenanschlüsse bildet,

- wobei jeweils ein Transformator an die Phasenanschlüsse ei ^¬ nes Teil-Stromrichters angeschlossen ist,

- wobei die beiden Stromrichtermodule der Phasenmodule PM ei ^¬ nes ersten Teil-Stromrichters aus in Reihe geschalteten uni ^¬ polaren Submodulen und die eines zweiten Teil-Stromrichters aus in Reihe geschalteten bipolaren Submodulen gebildet und der erste und zweite Teil-Stromrichter über einen zweiten Verbindungspunkt miteinander verbunden sind,

- wobei bei dem Verfahren der Gleichstrom (der durch die Teil-Stromrichter fließt) auf einen vorgegebenen Sollwert ge- regelt wird, indem jeweils zumindest die Teil-Gleichspannung des zweiten Teil-Stromrichters verringert wird, wenn der Gleichstrom den Sollwert überschreitet, und

- wobei zumindest die Teil-Gleichspannung des ersten Teil- Stromrichters von der Teil-Gleichspannung des zweiten Teil- Stromrichters (zur Verringerung des Gleichstroms) kompensiert wird, indem vom zweiten Teil-Stromrichter eine entsprechende Gegenspannung gebildet wird.

Technisch relativ einfach ist es, wenn die unipolaren Submo- dule Halbleiterschalter aufweisen, die als Halbbrücke (HB) geschaltet sind.

Technisch relativ einfach ist es, wenn die bipolaren Submodu- le Halbleiterschalter aufweisen, die als Vollbrücke (VB) ge- schaltet sind.

Mit Vorteil gehören die Halbleiter der Halbleiterschalter der einzelnen Teil-Stromrichter zu verschiedenen- Spannungsklassen, um die Stromtragfähigkeit der Teil- Stromrichter an einander anzupassen.

Vorteilhaft ist es, wenn die Halbleiterschalter der Teil- Stromrichter in einer Parallelschaltung ausgeführt sind, um die Stromtragfähigkeit beider Teil-Stromrichter aneinander anzupassen.

Die Lösung besteht also aus der Serienschaltung von jeweils zwei unmittelbar in Reihe geschalteten und zusammenwirkenden Teil-Stromrichtern, wobei einer der beiden Teil-Stromrichter nur aus bipolaren Submodulen und der andere Teil-Stromrichter nur aus unipolaren Submodulen gebildet ist. Die Gleichspannung der Stromrichteranordnung besteht aus der Summe der Gleichspannungen beider Teil-Stromrichter. Der Teil-Strom- richter mit den bipolaren Submodulen ist dabei so dimensioniert, dass dessen Gleichspannung größer als (mindesten jedoch gleich groß wie) die des Teil-Stromrichters mit den uni ^¬ polaren Submodulen ist. Bei einem Fehlerstrom auf der Gleich- spannungsseite, insbesondere einem Kurzschluss, wird die

Gleichspannung des Teil-Stromrichters mit den bipolaren Sub ^¬ modulen durch die Stromrichterregelung innerhalb kürzester Zeit invertiert, so dass in Summe eine dem Fehlergleichstrom (Kurzschlussstrom) entgegen gerichtete Gleichspannung an- steht, die den Fehlergleichstrom (Kurzschlussstrom) durch

Spannungskompensation aktiv abschaltet. Beide Teil-Stromrichter können dabei aktiv bleiben und dem Wechselstromnetz z.B. Blindleistung und dergleichen weiter zur Verfügung stellen, d.h. die übrige Funktionalität bleibt erhalten.

Darüber hinaus wird die Blockierspannung im Vergleich zu Stromrichteranordnungen nur mit bipolaren Submodulen für die volle Gleichspannung in etwa halbiert, was besonders für Ka ^¬ belanwendungen (XLPE, begrenzte Polaritätswechsel-Festigkeit) vorteilhaft ist. Zusätzlich erhöht die vorgeschlagene Strom ^¬ richteranordnung die Verfügbarkeit, da z.B. beim Ausfall ei ^¬ nes Teil-Stromrichters die Stromrichteranordnung mit redu ^¬ zierter Gleichspannung weiter betrieben werden kann. Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei ^¬ spiels näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen als mehrphasiger Mehrstufen-Stromrichter ausgebildeten Gesamtstromrichter, der zwei Teil- Stromrichter aufweist,

Fig. 2 ein Phasenmodul des einen Teil-Stromrichters mit

Submodulen in Halbbrückenschaltung,

Fig. 3 ein Phasenmodul des anderen Teil-Stromrichters mit Submodulen in Vollbrückenschaltung,

Fig. 4 ein Submodul in Halbbrückenschaltung, Fig. 5 ein Submodul in Vollbrückenschaltung,

Fig. 6 die Steuerung des Gesamtstromrichters gemäß Fig,

1,

Fig. 7 den Verlauf der Gleichspannungen und des Gleichstroms nach einem ausgangsseitigen Kurzschluss über der Zeit,

Fig. 8 zwei Teil-Stromrichter geschaltet als unsymmetrischer symmetrischer Monopol,

Fig. 9 drei Teil-Stromrichter geschaltet als symmetri- scher Monopol und

Fig. 10 drei Teil-Stromrichter geschaltet als symmetrischer Bipol. Fig. 1 zeigt eine Stromrichteranordnung GMMC, die als mehrphasiger Mehrstufen-Gesamtstromrichter ausgebildet ist. An die Stromrichteranordnung GMMC ist ein dreiphasiges Wechsel ^¬ stromnetz N über zwei Transformatoren Tl, T2 angeschlossen. Die Primärwicklungen der beiden Transformatoren Tl, T2 sind parallel geschaltet und die Sekundärwicklungen eines Trans ^¬ formators Tl, T2 sind jeweils an Phasenanschlüssen PA1, PA2, PA3 eines Teil-Stromrichters TMMC-H, TMMC-F angeschlossen, die beide in Reihe geschaltet und über einen (ersten) Verbin ^¬ dungspunkt VP1 miteinander verbunden sind (und dadurch quasi einen Gesamtstromrichter bilden) . An ihrem Ausgang stellen die beiden Teil-Stromrichter TMMC-H, TMMC-F jeweils eine Teil-Gleichspannung VDC-H, VDC-F zur Verfügung. Die beiden Teil-Gleichspannungen VDC-H, VDC-F bilden aufgrund der Reihenschaltung eine Gesamtgleichspannung VDC-G bei einem Ge- samtgleichstrom IDC-G aus, der durch die beiden Teil- Stromrichter TMMC-H, TMMC-F fließt. Beide Teil-Stromrichter TMMC-H, TMMC-F werden jeweils aus drei parallel geschalteten Phasenmodulen PM-H, PM-F gebildet. Die beiden Pole der zweipoligen Phasenmodule PM-H, PM-F sind bei der Parallelschaltung miteinander verbunden. Jedes Pha- senmodul PM-H, PM-F besteht wiederum aus zwei in Reihe ge ^¬ schalteten Stromrichtermodulen UM-H, UM-F, die jeweils über einen zweiten Verbindungspunkt VP2 miteinander verbunden sind. Jeder Verbindungspunkt VP2 bildet einen der Phasenan ^¬ schlüsse PA1, PA2, PA3.

Fig. 2 zeigt schematisch ein Phasenmodul PM-H eines Teil- Stromrichters TMMC-H, das aus in Reihe geschalteten unipola ^¬ ren Submodulen SM-H und einer Induktivität L gebildet ist. Die unipolaren Submodule SM-H der Teil-Stromrichter TMMC-H bestehen hier speziell aus Halbleiterschaltern, die als Halbbrücke HB (s. Fig. 4) geschaltet sind.

In Fig. 3 ist ein Phasenmodul PM-F eines Teil-Stromrichters TMMC-F gezeigt, das aus in Reihe geschalteten bipolaren Sub- modulen SM-H und einer Induktivität L gebildet ist. Die bipo ^¬ laren Submodule SM-F sind hier speziell mit Halbleiterschal ^¬ tern in Vollbrückenschaltung FB (s. Fig. 5) ausgeführt.

Fig. 4 und Fig. 5 zeigen ein unipolares Submodul SM-H mit Halbleiterschaltern in Halbbrückenschaltung und ein bipolares Submodul SM-F mit Halbleiterschaltern in Vollbrückenschal ^¬ tung .

Fig. 6 zeigt die Steuerung der Stromrichteranordnung GMMC ge- mäß Fig. 1. Zur Regelung (automatischen Steuerung) der beiden Teil-Stromrichter TMMC-H, TMMC-F dienen zwei Ansteuereinhei- ten AE-H, AE-F, denen entsprechende Sollwerte SW-H, SW-F vorgegeben sind. Vor den Transformatoren Tl, T2, also primärseitig, erfolgt jeweils eine Strommessung MI-H, MI-F und eine Spannungsmes ^¬ sung MU-H, MU-F, deren Werte der jeweiligen Ansteuereinheit AE-H, AE-F zugeführt werden. Aus diesen ermitteln die An- Steuereinheiten AE-H, AE-F die entsprechenden Steuersignale S-H und S-F für die Submodule SM-H, SM-F der Teil-Stromrichter TMMC-H, TMMC-F. Zusätzlich werden den AnSteuereinheiten AE-H, AE-F der durch die Teil-Stromrichter TMMC-H, TMMC-F fließende Gleichstrom IDC-G und die Ausgangsgleichspannung

VDC-G zugeführt. Für eine entsprechende Regelung tauschen die beiden AnSteuereinheiten AE-H, AE-F die erforderlichen Daten Dl, D2 aus. Die Regelung des Gesamtstromrichters GMMC durch die beiden

AnSteuereinheiten AE-H, AE-F erfolgt so, dass jede Ansteuer- einheit AE-H, AE-F jeweils die zugehörige Teil-Gleichspannung VDC-H bzw. VDC-F verringert, wenn der Gleichstrom IDC-G den vorgegebenen Sollwert SW-H, SW-F überschreitet.

Fig. 7 zeigt den Verlauf der Gleichspannungen und des Gleichstroms IDC-G nach einem Kurzschluss tSC über der Zeit t in einer schematischen Darstellung. Im Falle eines Kurzschlusses zum Zeitpunkt tSC als einem speziellen Fehlerstrom auf der Gleichspannungsseite (einem Gleichstrom-Fehlerstrom) kommt es trotz Verringerung der Teil-Gleichspannungen VDC-H, VDC-F der Teil-Stromrichter TMMC-H, TMMC-F zunächst zu einer weiteren Überschreitung des Gleichstroms IDC-G. In Fig. 7 ist die wei ^¬ tere Überschreitung des Gleichstroms IDC-G nach dem Kurz- schluss tSC schematisch dargestellt.

Man erkennt, dass der Teil-Stromrichter TMMC-F seine Ausgangsspannung VDC-F in kürzester Zeit t bis auf 0 verringert, danach invertiert und dann betragsmäßig wieder vergrößert, d. h. eine zunehmende Spannung VDC-F mit umgekehrtem Vorzei ^¬ chen erzeugt. Die Spannung VDC-F mit umgekehrtem Vorzeichen nimmt betragsmäßig so lange zu, bis die Gleichspannung VDC-H des Teil-Stromrichters TMMC-H zumindest kompensiert ist. Der Teil-Stromrichter TMMC-F ist hier so ausgelegt, dass die Teil-Gleichspannung VDC-H überkompensiert wird, d.h. dass ei ^¬ ne kleine Überkompensation erfolgt. Der Strom IDC-G nimmt nach dem Kurzschluss tSC etwas zu, bis es zur entsprechenden Absenkung der Gleichspannung VDC-F kommt. Der vorgegebene Gleichstrom IDC-G wird im Falle eines Kurzschlusses etwas er- höht und dann aufgrund der erfolgenden Kompensation der

Gleichspannung VDC-H zunächst stark „überverringert" und dann abgeschaltet .

Fig. 8 zeigt eine Stromrichteranordnung GMMC mit zwei Teil- Stromrichtern TMMC-H, TMMC-F ausgeführt als symmetrischer Mo- nopol mit einer symmefrischen Erdung E. Fig. 9 zeigt eine Stromrichteranordnung GMMC mit drei Teil- Stromrichtern TMMC-H, TMMC-F ausgeführt als symmetrischer Monopol mit einer symmetrischen Erdung E. Der Teil-Stromrichter TMMC-F kompensiert hier im Falle eines Fehlerstroms (eines Kurzschlusses) die Teil-Gleichspannungen VDC-H der beiden Teil-Stromrichter TMMC-H.

Fig. 10 zeigt eine Stromrichteranordnung GMMC mit vier Teil- Stromrichtern TMMC-H, TMMC-F ausgeführt als Bipol mit einer Erdung E. Der Teil-Stromrichter TMMC-F kompensiert hier im Falle eines Fehlerstroms (eines Kurzschlusses) die Teil- Gleichspannungen VDC-H des zugehörigen Teil-Stromrichters TMMC-H, also bezogen auf Fig. 10 von oben nach unten gezählt: Der zweite Teil-Stromrichter TMMC-F kompensiert die Teil- Gleichspannung VDC-H des ersten Teil-Stromrichters TMMC-H und der vierte Teil-Stromrichter TMMC-F kompensiert die Teil- Gleichspannung VDC-H des dritten Teil-Stromrichters TMMC-H.