Konverter für Hochspannungsgleichstromübertragung

Die Erfindung betrifft ein Konvertermodul für einen Multile- vel-Konverter zur Hochspannungsgleichstromübertragung, ein Verfahren zur Ansteuerung des Konvertermoduls sowie einen Multilevel-Konverter zur Hochspannungsgleichstromübertragung.

Für die Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) werden sogenannte modulare Multilevel-Konverter (MMC für "Modular Mul- tilevel Converter") eingesetzt, deren Grundbaustein eine sogenannte Halbbrücke aus IGBT und Dioden ist. Dieser Grundbau ^¬ stein wird auch als Konvertermodul oder Modul bezeichnet. Es ist bekannt, eine Vielzahl solcher Module in Reihe zu schal ^¬ ten, um eine Hochspannungsfestigkeit zu erreichen. Fig.l zeigt beispielhaft eine solche Anordnung, wobei ein Wechsel ^¬ stromnetz 101 über einen Transformator 102 mit einem MMC 103 und somit mit einem Gleichspannungsnetz (mit Anschlüssen 105 und 106) verbunden ist. Der MMC 103 umfasst eine Vielzahl von Konvertermodulen 104, wobei beispielhaft der Aufbau eines Konvertermoduls 104 gezeigt ist: Ein elektronischer Schalter Tl ist mit einem zweiten elektronischen Schalter T2 in Reihe geschaltet, wobei jeweils entgegen die Durchlassrichtung des elektronischen Schalters Tl, T2 eine Diode Dl, D2 angeordnet ist. Parallel zu der Reihenschaltung aus den elektronischen Schaltern Tl und T2 ist ein Kondensator C angeordnet. Bei den elektronischen Schaltern kann es sich um Transistoren, z.B. Bipolartransistoren, insbesondere um IGBTs handeln. Das Konvertermodul 104 stellt einen Zweipol dar, der einerseits mit einem Mittenabgriff zwischen den Schaltern Tl, T2 und andererseits mit dem Schalter T2 (dem Emitter des Schalters T2, wenn dieser als Transistor ausgeführt ist) verbunden ist.

Ein Problem der in Fig.l dargestellten Anordnung besteht darin, dass der MMC 103 den Strom nur in einer Richtung sperren kann. Fig.2 zeigt die Schaltung von Fig.l, wobei zwischen den Anschlüssen 105, 106 des Gleichspannungsnetzes ein Kurz- schluss 108 besteht. Ein solcher Kurzschluss 108 bewirkt, dass der Strom in einer Richtung 107 durch die Diode D2 der Konvertermodule 104 ungehindert fließen kann und somit der Kurzschluss über den MMC 103 auch an dem Wechselstromnetz 101 auftritt, und zwar immer dann, wenn die Wechselspannung an den jeweiligen Phasen des Wechselstromnetzes 101 die Polarität aufweist, die die Diode D2 in den leitenden Zustand bringt. Dies stellt eine gefährliche Situation für die Anlage dar .

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend ge ^¬ nannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine effi ^¬ ziente Möglichkeit zum Schutz vor einem Kurzschluss zu ermög ^¬ lichen .

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Aus führungs formen sind insbesonde ^¬ re den abhängigen Ansprüchen entnehmbar. Zur Lösung der Aufgabe wird ein Konvertermodul für einen Mul- tilevel-Konverter zur Hochspannungsgleichstromübertragung vorgeschlagen,

- mit einer ersten Schalteinheit und mit einer zweiten Schalteinheit, wobei die erste Schalteinheit und die zweite Schalteinheit in Reihe geschaltet sind,

- mit einem Kondensator der parallel zu der in Reihe geschalteten ersten Schalteinheit und zweiten Schalteinheit angeordnet ist,

- wobei die zweite Schalteinheit als ein Zweirichtungs- Schalter ausgeführt ist.

Bei dem Zweirichtungsschalter handelt es sich um einen steuerbaren Schalter, der es erlaubt, den Stromfluss des Konvertermoduls in beide Richtungen, d.h. Strom unterschiedlicher Polaritäten, zu beeinflussen, d.h. zumindest teilweise zu sperren . Hierbei sei erwähnt, dass die Schalteinheiten mittels einer Steuereinheit ansteuerbar sind und somit einzeln oder in Gruppen aktiviert (leitend geschaltet) oder deaktiviert

(sperrend geschaltet) werden können.

Der hier vorgeschlagene Ansatz erlaubt eine effiziente Opti ^¬ mierung von Konvertermodulen, wobei beispielhaft nur ein einzelner aus einem schaltbaren Halbleiter und einer Diode bestehende Brückenschalter in dem Konvertermodul durch einen Zweirichtungsschalter ersetzt wird. Die unsymmetrische Reali ^¬ sierung erlaubt hierbei eine deutliche Effizienzsteigerung.

Eine Weiterbildung ist es, dass

- das Konvertermodul einen ersten und einen zweiten An- schluss zur Verbindung in dem Multilevel-Konverter aufweist,

- wobei der erste Anschluss mit einem Mittenabgriff

zwischen der ersten Schalteinheit und dem Zweirichtungsschalter verbunden ist und

- wobei der zweite Anschluss mit dem anderen Pol des

Zweirichtungsschalters verbunden ist.

Eine andere Weiterbildung ist es, dass die erste Schaltein ^¬ heit einen Transistor oder einen IGBT aufweist mit einer an- tiparallel angeordneten Diode.

Als Schaltelemente können auch IGC-Thyristoren (englisch: in- tegrated gate-commutated thyristor, IGCT) eingesetzt werden. Hierbei sei angemerkt, dass die antiparallel angeordnete Dio ^¬ de eine Diode ist, die entgegen der Durchflussrichtung des Transistors bzw. IGBT geschaltet ist, d.h. bei einem npn- Transistor verläuft die Durchflussrichtung vom Kollektor über den Emitter, die antiparallel angeordnete Diode ist somit pa- rallel zu Kollektor und Emitter des Transistors angeordnet, wobei die Kathode in Richtung des Kollektors zeigt. Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass der Zweirichtungsschalter einen bidirektionalen steuerbaren Schalter aufweist.

Der bidirektionale steuerbare Schalter ist hierbei so ausge ^¬ führt, dass durch die Steuereinheit jede Polarität des Stroms durch den Zweirichtungsschalter getrennt voneinander (teilweise) gesperrt bzw. beeinflusst werden kann.

Auch ist es eine Weiterbildung, dass der bidirektionale

Schalter

- einen ersten elektronischen Schalter aufweist, der in Reihe mit einer ersten Diode geschaltet ist,

- wobei parallel zu dieser Reihenschaltung aus erstem elektronischen Schalter und erster Diode ein zweiter elektronischer Schalter angeordnet ist,

- wobei der erste elektronische Schalter und der zweite elektronische Schalter je eine Diodenstrecke aufwei ^¬ sen, wobei die Diodenstrecken der elektronischen Schalter zueinander entgegengesetzt angeordnet sind,

- wobei die erste Diode entsprechend der Diodenstrecke des ersten elektronischen Schalters angeordnet ist.

Die Diodenstrecke ist beispielsweise bestimmt durch die Emit ^¬ terdiode eines Bipolartransistors.

Der erste elektronische Schalter wird beispielsweise leitend angesteuert. Soll der Konverter z.B. wegen eines Kurschlusses gesperrt werden, werden der erste elektronische Schalter, der zweite elektronische Schalter sowie die erste Schalteinheit in den sperrenden Zustand versetzt. Somit wird durch den ers ^¬ ten elektronischen Schalter verhindert, dass ein Strom durch die mit diesem in Reihe geschaltete Diode fließen kann.

Ferner ist es eine Weiterbildung, dass zu dem zweiten elektronischen Schalter eine zweite Diode in Reihe geschaltet ist, wobei die zweite Diode entsprechend der Diodenstrecke des zweiten elektronischen Schalters angeordnet ist. Im alternative Ausgestaltung ist es, dass der bidirektionale Schalter

- einen ersten elektronischen Schalter mit einer antiparallel angeordneten ersten Diode aufweist,

- einen zweiten elektronischen Schalter mit einer antiparallel angeordneten zweiten Diode aufweist,

- wobei der erste elektronische Schalter und der zweite elektronische Schalter je eine Diodenstrecke aufwei ^¬ sen, wobei die Diodenstrecken der elektronischen Schalter zueinander entgegengesetzt angeordnet sind,

- wobei die Parallelschaltung aus erstem elektronischen Schalter und erster Diode mit der Parallelschaltung aus zweitem elektronischen Schalter und zweiter Diode in Reihe geschaltet sind.

Hierbei sei angemerkt, dass der elektronische Schalter als ein steuerbarer elektronischer Schalter, z.B. ein Transistor, Bipolartransistor, IGBT, Mosfet, o.a. realisiert sein kann. Auch Kombinationen unterschiedlicher elektronischer Schalter sind einsetzbar.

Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass parallel zu dem ersten elektronischen Schalter ein Überspannungsschutz angeordnet ist.

Eine Ausgestaltung ist es, dass parallel zu dem zweiten elektronischen Schalter ein Überspannungsschutz angeordnet ist . Eine alternative Aus führungs form besteht darin, dass parallel zu dem zweiten Zweirichtungsschalter ein Überspannungsschutz angeordnet ist.

Eine nächste Ausgestaltung ist es, dass parallel zu dem Kon- vertermodul ein Überspannungsschutz angeordnet ist.

Auch ist es eine Ausgestaltung, dass der Überspannungsschutz mindestens einen Widerstand aufweist. Eine Weiterbildung besteht darin, dass

- der Überspannungsschutz einen ersten Widerstand, einen zweiten Widerstand und einen Snubber-Kondensator aufweist,

- wobei der erste Widerstand mit dem Snubber- Kondensator in Reihe geschaltet ist und

- wobei der zweite Widerstand zu der Reihenschaltung aus erstem Widerstand und Snubber-Kondensator parallel geschaltet ist.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zur Ansteuerung des hier beschriebenen Konvertermoduls, bei dem in einem Fehlerfall die erste Schalteinheit und die zweite Schalteinheit sperrend angesteuert werden.

Bei dem Fehlerfall kann es sich z.B. um einen Kurzschluss handeln. Die Ansteuerung der Schalteinheiten bzw. elektronischen Schalter kann mittels einer (zentralen oder dezentralen) Steuereinheit erfolgen.

Ferner wird die oben genannte Aufgabe gelöst mittels eines Multilevel-Konverters zur Hochspannungsgleichstromübertragung mit einer Vielzahl von hierin beschriebenen Konvertermodulen,

- wobei mehrere Stränge von Konvertermodulen parallel geschaltet sind,

- wobei ein Strang mehrere in Reihe geschaltete Konver ^¬ termodule aufweist.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszei ^¬ chen versehen sein.

Es zeigen: Fig.l eine beispielhafte Beschaltung eines Multilevel-

Konverters mit einer Vielzahl von Konvertermodulen;

Fig.2 basierend auf Fig.l einen Kurschluss im Gleichspan- nungsnetz mit Auswirkung auf das Wechselstromnetz;

Fig.3 eine schematische Darstellung eines Konvertermoduls mit einem Zweirichtungsschalter zur Vermeidung unerwünschter Rückkopplungen auf das Wechselstromnetz;

Fig.4 eine beispielhafte Realisierung des in Fig.3 gezeig ^¬ ten Zweirichtungsschalters;

Fig.5 eine alternative Realisierung des in Fig.3 gezeigten

Zweirichtungsschalters;

Fig.6 eine weitere Realisierung des in Fig.3 gezeigten

ZweirichtungsSchalters ; Fig.7 eine zusätzliche Realisierung des in Fig.3 gezeigten

ZweirichtungsSchalters ;

Fig.8 eine beispielhafte Realisierung des in Fig. 3 gezeig ^¬ ten Zweirichtungsschalters mit zwei in beiden Strom- richtungen sperrfähigen Halbleitern und einer Überspannungsschutz-Schaltung für den ganzen Zweirichtungsschalter;

Fig.9 eine beispielhafte Realisierung der Überspannungs- schutz-Schaltung .

Fig.3 zeigt eine schematische Darstellung eines Konvertermo duls 301 gemäß dem vorliegenden Ansatz umfassend einen Kondensator C, eine Diode Dl, einen elektronischen Schalter Tl (insbesondere ausgeführt als ein IGBT oder ein Bipolar- Transistor) sowie einen Zweirichtungsschalter 302. Das Konvertermodul 301 ist ein Zweipol mit Anschlüssen 303 und 304 wobei eine Vielzahl von Konvertermodulen 301 in einem MMC (vgl. z.B. die Anordnung gemäß Fig.l) vorgesehen sein kann.

Beispielhaft wird davon ausgegangen, dass der elektronische Schalter Tl als ein IGBT ausgeführt ist.

Der Emitter des IGBT Tl ist mit dem Anschluss 303 verbunden, die Diode Dl verbindet den Emitter mit dem Kollektor des IGBT Tl, wobei die Kathode der Diode Dl in Richtung des Kollektors gerichtet ist. Der Zweirichtungsschalter 302 ist als Zweipol zwischen den Anschlüssen 303 und 304 angeordnet. Der Kondensator C ist einerseits mit dem Kollektor des IGBT Tl und andererseits mit dem Anschluss 304 verbunden. Der IGBT Tl in Verbindung mit der Diode Dl entspricht einem

IGBT-Dioden-Schalter, also einem Brückenschalter. Mittels des Zweirichtungsschalters 302 wird nun erreicht, dass das Kon ^¬ vertermodul fähig ist, den Strom in beiden Richtungen bzw. beide Polaritäten des Stroms zu sperren.

Hierzu wird der Zweirichtungsschalter 302 beispielsweise durch einen bidirektionalen Schalter gemäß der Anordnung in Fig.4 ersetzt. Ein IGBT T3 ist in Serie mit einer Diode D2 geschaltet, wobei der Emitter des IGBT T3 und die Kathode der Diode D2 in Richtung des Anschlusses 303 ausgerichtet sind. Der Emitter des IGBT T3 ist mit dem Anschluss 303 und die Anode der Diode D2 ist mit dem Anschluss 304 verbunden. Pa ^¬ rallel zu der Reihenschaltung aus IGBT T3 und Diode D2 ist ein IGBT T2 angeordnet, wobei dessen Emitter mit dem An- schluss 304 verbunden ist.

Der IGBT T3 wird normalerweise in dem leitenden Zustand durch eine nicht in Fig.4 gezeigte Steuereinheit angesteuert. In diesem leitenden Zustand arbeitet der bidirektionale Schalter wie üblich, d.h. entsprechend der in Fig.l gezeigten Anordnung. Soll der Konverter 301 z.B. wegen eines Fehlerfalls (z.B. des in Fig.2 gezeigten Kurschlusses) gesperrt werden, werden die IGBTs Tl, T2 und T3 entsprechend mittels der Steu- ereinheit in den sperrenden Zustand versetzt. Somit wird durch den IGBT T3 wirksam verhindert, dass ein Strom durch die Diode D2 fließen kann. Die Diode Dl wird automatisch durch die an dem Kondensator C anliegende Spannung in den Sperrzustand geführt.

Optional kann parallel zu dem IGBT T3 (d.h. zwischen dem Emitter und dem Kollektor) ein sogenannter Snubber S (Überspannungsschutz, realisiert durch eine geeignete Schaltung bzw. Beschaltung) angeordnet sein. Anhand des Snubbers S kann das Potential zwischen den einzelnen Konvertermodulen 301 des MMC verteilt werden und es können Überspannungen auf dem Konvertermodul und insbesondere auf seinen Halbleitern begrenzt werden. Der Snubber S umfasst beispielsweise mindestens einen Widerstand, kann aber auch eine Kombination aus zwei Widerständen RS und RP und einem Kondensator CS aufgebaut sein, wie dies beispielhaft in Fig.9 dargestellt ist. Der Wider ^¬ stand RS ist mit dem Kondensator CS in Reihe geschaltet und der Widerstand RP ist zu dieser Reihenschaltung parallel an- geordnet.

Wie vorstehend ausgeführt, kann der Snubber S parallel zu dem IGBT T3 geschaltet sein. Alternativ ist es möglich, dass der Snubber S auch parallel zu dem Zweirichtungsschalter 302 ge- schaltet sein kann. Dies ist beispielhaft in Fig.8 angedeu ^¬ tet. Eine weitere Alternative ist es, dass der Snubber S pa ^¬ rallel zu dem Konvertermodul 301 ausgeführt ist.

Fig.5 zeigt eine zu Fig.4 alternative Realisierung des Zwei- richtungsschalters 302. Der IGBT T3 ist in Reihe mit der Dio ^¬ de D2 geschaltet, wobei die Kathode der Diode D2 mit dem An- schluss 303 und der Kollektor des IGBT T3 mit dem Anschluss 304 verbunden ist. Der IGBT T2 ist parallel zu der Reihenschaltung aus IGBT T3 und Diode D2 angeordnet, wobei der Emitter des IGBT T2 mit dem Anschluss 304 verbunden ist.

Optional kann der Snubber S parallel zu dem IGBT T3 angeord ^¬ net sein. Fig.6 zeigt eine weitere Alternative für den Zweirichtungs ^¬ schalter 302. Basierend auf der Realisierung gemäß Fig.4 wird eine zusätzliche Diode D3 mit dem IGBT T2 in Reihe geschaltet und diese Reihenschaltung parallel zu der Reihenschaltung aus dem IGBT T3 mit der Diode D2 angeordnet. Die Kathode der Dio ^¬ de D3 ist in Richtung des Kollektors des IGBT T2 angeordnet und die Anode der Diode D3 ist mit dem Anschluss 303 verbun ^¬ den. Insofern ist im Vergleich zu Fig.4 die Diode D3 zwischen dem Kollektor des IGBT T2 und dem Anschluss 303 angeordnet.

Optional kann der Snubber S parallel zu dem IGBT T3 angeord ^¬ net sein.

Fig.7 zeigt noch eine Alternative für den Zweirichtungsschal- ter 302. Ein IGBT T4 ist mit parallel mit einer Diode D4 ge ^¬ schaltet, wobei die Kathode der Diode D4 mit dem Kollektor des IGBT T4 und die Anode der Diode D4 mit dem Emitter des IGBT T4 verbunden ist. Weiterhin ist ein IGBT T5 parallel zu einer Diode D5 angeordnet, wobei die Kathode der Diode D5 mit dem Kollektor des IGBT T5 und die Anode der Diode D5 mit dem Emitter des IGBT T5 verbunden ist. Die Parallelschaltung aus Diode D4 und IGBT T4 und die Parallelschaltung aus Diode D5 und IGBT T5 sind miteinander in Serie geschaltet, wobei die Kathode der Diode D4 und der Kollektor des IGBT T4 mit dem Anschluss 303 sowie die Kathode der Diode D5 und der Kollek ^¬ tor des IGBT T5 mit dem Anschluss 304 verbunden sind.

Optional kann der Snubber S parallel zu dem IGBT T5 sowie der Diode D5 angeordnet sein. Vorzugsweise wird dann der IGBT T5 gesteuert wie dies oben für den IGBT T3 beschrieben wurde.

Die Alternativen gemäß Fig.6 und Fig.7 weisen die Diode D3 bzw. D5 als zusätzliche Komponente auf. Dies kann jedoch von Vorteil sein, wenn kommerziell verfügbare Bauteile verwendet werden, die bereits eine entsprechende gegenläufige bzw. an ^¬ tiparallele Diode aufweisen. Weitere Vorteile:

Der hier vorgeschlagene Ansatz erlaubt eine effiziente Opti ^¬ mierung von Konvertermodulen, wobei beispielhaft nur ein einzelner elektronischer Schalter (d.h. ein Brückenschalter) in dem Konvertermodul durch einen Zweirichtungsschalter ersetzt wird. Hierdurch wird die Verlustleistung deutlich reduziert gegenüber dem Fall, wenn beide Brückenschalter durch Zweirichtungsschalter ersetzt würden. Insoweit führt die unsymmetrische Realisierung zu deutlichen Performance- Steigerungen .

Obwohl die Erfindung im Detail durch das mindestens eine ge ^¬ zeigte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Bezugs zeichenliste

101 Wechselstromnetz

102 Transformator

103 MMC (Multilevel-Konverter )

104 Konvertermodul

105 Anschluss Gleichspannungsnetz

106 Anschluss Gleichspannungsnetz

107 Richtung

108 Kurzschluss

301 Konvertermodul

302 Zweirichtungsschalter

303 Anschluss

304 Anschluss

C Kondensator

CS Kondensator ( Snubber-Kondensator )

RS Widerstand

RP Widerstand

S Snubber (Überspannungsschutz)

Tl IGBT (elektronischer Schalter)

T2 IGBT (elektronischer Schalter)

T3 IGBT (elektronischer Schalter)

T4 IGBT (elektronischer Schalter)

T5 IGBT (elektronischer Schalter)

Dl Diode

D2 Diode

D3 Diode

D4 Diode

D5 Diode