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Title:
DEVICE AND METHOD FOR CONTROLLING A LOAD FLOW IN AN ALTERNATING-VOLTAGE NETWORK
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/101963
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a device (1) for controlling a load flow in an alternating-voltage network (2). The device is distinguished by a module series circuit (3) of two-pole switching modules (6) that can be inserted in series into a phase line (21) of the alternating-voltage network, wherein each switching module has an energy store and controllable power semiconductors that can be switched on an off and each switching module can be controlled in such a way that a switching-module voltage can be produced at the poles thereof, which switching-module voltage corresponds to a positive or negative energy-store voltage or a voltage having the value of zero, and a control apparatus (20) for controlling the switching modules, which control apparatus is designed to control the switching modules in such a way that a periodic longitudinal voltage can be produced at the module series circuit (3). The invention further relates to a method for controlling a load flow in an alternating-voltage network by means of the device according to the invention.

Inventors:
AUGSBURGER FRIEDEMANN (DE)
ERGIN DOMINIK (DE)
KNAAK HANS-JOACHIM (DE)
PHILIPP ANDREAS (DE)
SCHÄFER JOCHEN (DE)
Application Number:
EP2015/079546
Publication Date:
June 22, 2017
Filing Date:
December 14, 2015
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
International Classes:
H02J3/26; H02J3/18
Domestic Patent References:
WO2013189526A12013-12-27
WO2013189525A12013-12-27
WO2014127829A12014-08-28
WO2015003737A12015-01-15
WO2013087110A12013-06-20
WO2015003737A12015-01-15
Foreign References:
FR2232857A11975-01-03
DE10103031B42011-12-01
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Claims:
Patentansprüche

Vorrichtung (1) zum Steuern eines Lastflusses in einem

Wechselspannungsnetz (2) mit

einer seriell in eine Phasenleitung (21) des Wechselspannungsnetzes (2) einfügbaren Modulreihenschal¬ tung (3) zweipoliger Schaltmodule (6), wobei jedes Schaltmodul einen Energiespeicher (31) sowie ansteuerbare, ein- und abschaltbare Leistungshalbleiter (301) aufweist und derart ansteuerbar ist, dass an dessen Polen (32,33) eine Schaltmodulspannung erzeugbar ist, die einer positiven oder negativen Energiespeicherspannung oder einer Spannung mit dem Wert null entspricht, und

einer Steuereinrichtung (20) zum Ansteuern der Schaltmodule (6), die dazu eingerichtet ist, die Schaltmodule (6) derart anzusteuern, dass an der Mo¬ dulreihenschaltung (3) eine periodische Längsspannung erzeugbar ist.

Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung

(1) ferner umfasst

eine weitere Modulreihenschaltung (3a) der zweipoli¬ gen Schaltmodule (6), die in eine mit der Phasenlei¬ tung (21) verbundene Abgangsleitung (21a) des Wechselspannungsnetzes (2) einfügbar und mittels der eine Längsspannung erzeugbar ist, sowie

eine mit der Modulreihenschaltung (3) und mit der weiteren Modulreihenschaltung (3a) verbindbare Energieaustauschvorrichtung (8), die zum Austausch elektrischer Energie zwischen der Phasenleitung (3) und der Abgangsleitung (3a) eingerichtet ist.

. Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei die Energieaustauschvorrichtung (8)

einen ersten Wechselrichter (9a) umfasst, der gleich- spannungsseitig mit dem Energiespeicher (31) eines der Schaltmodule (6) der Modulreihenschaltung (3) und wechselspannungsseitig mit einer Sammelschiene (11) verbunden ist, und

einen zweiten Wechselrichter (9c)umfasst, der gleich- spannungsseitig mit dem Energiespeicher (31) eines der Schaltmodule (6) der weiteren Modulreihenschal¬ tung (3a) und wechselspannungsseitig mit der Sammel¬ schiene (11) verbunden ist.

Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, wobei der erste und der zweite Wechselrichter (9a, 9c) jeweils über einen Trans¬ formator (10a, 10c) mit der Sammelschiene (11) verbunden sind .

Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei die Sammelschiene (11) über einen zusätzlichen Transformator (12) mit einem weiteren Wechselspannungsnetz (13) verbunden ist.

Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei die Energieaustauschvorrichtung (8) wenigstens einen Energieaustauschzweig (15a) umfasst, in dem eine Reihenschaltung (16a) zweipoliger Austauschmodule (17) angeordnet ist, wobei jedes Austauschmodul (17) einen Energiespeicher (31) so¬ wie ansteuerbare, ein- und abschaltbare Leistungshalb¬ leiter (301) aufweist und derart ansteuerbar ist, dass an dessen Polen eine Austauschmodulspannung erzeugbar ist, die einer positiven oder negativen Energiespeicherspannung oder einer Spannung mit dem Wert null entspricht .

Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei eine Mehrzahl zusätzlicher Modulreihenschaltungen (3a-c) der zweipoligen Schaltmodule (6) vorgesehen ist, die je¬ weils in ihnen zugeordnete, mit der Phasenleitung (21) verbundene zusätzliche Abgangsleitungen (21a-c)

einfügbar sind, wobei die Energieaustauschvorrichtung (8) mit den zusätzlichen Modulreihenschaltungen (3a-c) verbunden und zum Energieaustausch zwischen der Phasen- leitung (21), der Abgangsleitung und den zusätzlichen Abgangsleitungen (21a-c) eingerichtet ist.

8. Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, wobei die Energieaus- tauschvorrichtung (8) Energieaustauschzweige (15a-d) zwischen der Phasenleitung und den Abgangsleitungen um- fasst, die eine Ringstruktur bilden.

9. Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, wobei die Energieaus- tauschvorrichtung (8) Energieaustauschzweige (15a-d) zwischen der Phasenleitung und den Abgangsleitungen um- fasst, die eine Sternstruktur bilden.

10. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden An- Sprüche, wobei die Vorrichtung (1) zum Steuern des Last¬ flusses in einem mehrphasigen Wechselspannungsnetz (2) eingerichtet ist.

11. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden An- Sprüche, wobei die Schaltmodule (6) als Vollbrücken- schaltungen ausgebildet sind.

12. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schaltmodule (6) jeweils als zwei entgegengesetzt gerichtete Halbbrückenschaltungen ausge¬ bildet sind.

13. Verfahren zur Steuerung eines Lastflusses in einem Wechselspannungsnetz (2), bei dem mittels einer Steuer- einrichtung (20) zweipolige Schaltmodule (6) einer Mo¬ dulreihenschaltung (3), die in eine Phasenleitung (21) des Wechselspannungsnetzes (2) eingefügt ist, wobei je¬ des Schaltmodul (2) einen Energiespeicher (31) sowie ansteuerbare, ein- und abschaltbare Leistungshalbleiter (301) aufweist und derart ansteuerbar ist, dass an des¬ sen Polen (32,33) eine Schaltmodulspannung erzeugbar ist, die einer positiven oder negativen Energiespeicherspannung oder einer Spannung mit dem Wert null ent- spricht, derart angesteuert werden, dass an der Modul¬ reihenschaltung (3) eine periodische Längsspannung erzeugt wird. 14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem mittels der

Steuereinrichtung (20) Schaltmodule einer weiteren Modulreihenschaltung (3a) , die in eine Abgangsleitung

(21a) des Wechselspannungsnetzes (2) eingefügt ist, der¬ art angesteuert werden, dass an der weiteren Modulrei- henschaltung (21a) eine Längsspannung erzeugt wird, wo¬ bei mittels einer mit den beiden Modulreihenschaltungen

(21,21a) verbundenen Energieaustauschvorrichtung (8) elektrische Energie zwischen der Phasenleitung (21) und der Abgangsleitung (21a) ausgetauscht wird.

Description:
Beschreibung

Vorrichtung und Verfahren zum Steuern eines Lastflusses in einem Wechselspannungsnetz

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern eines Lastflusses in einem Wechselspannungsnetz.

In einem Wechselspannungsnetz, insbesondere einem verzweigten oder einem vermaschten Wechselspannungsnetz, ist es oft erforderlich den Lastfluss derart einzustellen, dass sich ein im Wechselspannungsnetz fließender Betriebsstrom möglichst gleichmäßig auf parallele Leitungen des Wechselspannungsnet ¬ zes verteilt. Dies ist insbesondere durch die quadratische Abhängigkeit der ohmschen Verluste vom Strom begründet, wo ¬ durch auch der Wirkungsgrad der Energieübertragung maßgeblich beeinflusst ist. Zudem müssen in Wechselspannungsnetzen die Blindleistungserzeugung und der Blindleistungsverbruch kontrolliert werden. Im Rahmen der steigenden zu übertragenden Energiemengen aufgrund der verstärkten Nutzung regenerativer Energiequellen bekommt die optimale Auslastung der vorhande ¬ nen Wechselspannungsnetze eine deutlich gewachsene Bedeutung.

Vorrichtungen zum Steuern des Lastflusses sind insbesondere als Blindleistungskompensationsanlagen aus dem Stand der

Technik bekannt. Beispielsweise werden bei der sogenannten Fixed Series Compensation (FSC) seriell in eine Wechselspan ¬ nungsleitung des Wechselspannungsnetzes eigefügte Kondensato ¬ ren verwendet.

Ferner sind statische Blindleistungskompensatoren bekannt, die parallel zur Wechselspannungsleitung angeordnete Umrichter umfassen. Beispielsweise zeigt die Druckschrift WO

2013/087110 AI einen Umrichter mit drei Phasenzweigen, die in einer Dreiecksschaltung miteinander verbunden sind. Jeder

Phasenzweig weist einen Anschlusspunkt zum Anschluss an eine ihm zugeordnete Phase eines dreiphasigen Wechselspannungsnet ¬ zes auf. Dabei sind die Phasenzweige jeweils über Koppelinduktivitäten mit den zugeordneten Phasen des Wechselspannungsnetzes verbunden. Jeder Phasenzweig weist ein Phasenmodul mit einer Reihenschaltung von zweipoligen Submo- dulen auf, wobei die Submodule als sogenannte Vollbrücken- Schaltungen ausgebildet sind. Jedes Submodul umfasst demnach zwei zueinander parallel geschaltete Reihenschaltungen von Leistungshalbleiterschalteinheiten, wobei jede Leistungshalb- leiterschalteinheit einen ausschaltbaren Leistungshalbleiter sowie eine dazu antiparallele Diode umfasst. Ferner weist je- des Submodul einen zu den beiden Reihenschaltungen parallel geschalteten Energiespeicher in Form eines Kondensators auf. Jedes Submodul kann derart angesteuert werden, dass an dessen Polen eine Spannung abfällt, die entweder einer Energiespei ¬ cherspannung, also der Spannung des Kondensators, der Ener- giespeicherspannung jedoch mit umgekehrter Polarität oder einer Nullspannung, also einer Spannung mit dem Wert null, entspricht. Damit kann mittels geeigneter Ansteuerung der Submodule eine stufenförmige Wechselspannung an den Phasenmodulen des Umrichters erzeugt werden. Die einzelne Stufenhöhe ent- spricht dabei der Kondensatorspannung. Ferner umfasst der bekannte Umrichter eine Regelungseinrichtung zur Regelung der Ströme in den Phasenzweigen des Umrichters, so dass eine ge ¬ wünschte induktive Blindleistung im Wechselspannungsnetz bereitgestellt werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, die eine möglichst schnel ¬ le und zuverlässige Lastflusssteuerung im Wechselspannungs ¬ netz erlaubt.

Die Aufgabe wird bei einer artgemäßen Vorrichtung durch eine seriell in eine Phasenleitung des Wechselspannungsnetzes einfügbare Modulreihenschaltung zweipoliger Schaltmodule gelöst, wobei jedes Schaltmodul einen Energiespeicher sowie an- steuerbare, ein- und abschaltbare Leistungshalbleiter auf ¬ weist und derart ansteuerbar ist, dass an dessen Polen eine Schaltmodulspannung erzeugbar ist, die einer positiven oder negativen Energiespeicherspannung oder einer Spannung mit dem Wert null entspricht, und einer Steuereinrichtung zum Ansteu ¬ ern der Schaltmodule, die dazu eingerichtet ist, die Schalt ¬ module derart anzusteuern, dass an der Modulreihenschaltung eine periodische Längsspannung erzeugbar ist.

Unter einer Längsspannung kann eine Spannung verstanden werden, die entlang einer Stromleitung oder entlang eines Abschnitts einer Stromleitung anliegt. Insbesondere kann eine Längsspannung eine Spannung zwischen zwei Anschlüssen der Mo- dulreihenschaltung sein. Die Modulreihenschaltung ist dabei zweipolig ausgebildet, so dass der gesamte in der Phasenlei ¬ tung fließende Phasenstrom auch über die erfindungsgemäße Vorrichtung fließt. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine schnelle und im Wesentlichen kontinuierlich einstellbare Längsspannungsquelle für ein Wechselspannungsnetz bereitgestellt. Da im Vergleich zu einer Parallelkompensation seriell lediglich relativ kleine Spannungen in das Wechselspannungsnetz einge- speist werden müssen, um den Lastfluss effektiv zu beeinflus ¬ sen, kann vorteilhaft eine Kostensenkung der Lastflusssteue ¬ rung erreicht werden.

Darüber hinaus können vorteilhaft neben einer Grundschwingung auch Oberschwingungen der Spannung bzw. des Stromes mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung beeinflusst werden. Damit können auftretende Instabilitäten schnell bedämpft werden. Zudem kann Energie aus bestimmten Oberschwingungen oder tran- sienten Vorgängen im Wechselspannungsnetz entnommen werden und mit einer anderen, unkritischen Frequenz wieder in das Wechselspannungsnetz eingespeist werden.

Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann eine Längsspannung einer vorbestimmten Frequenz und Phase erzeugt wer- den. Dabei wird die Energie aus dem Wechselspannungsnetz in den Energiespeichern der Schaltmodule zwischengespeichert. Daher kann die Vorrichtung zunächst Blindleistung in das Wechselspannungsnetz einspeisen, wobei eine kurzfristige Wirkleistungseinspeisung ebenfalls möglich ist.

Zur Erzeugung der periodischen Längsspannung steuert die Steuereinrichtung die Schaltmodule bzw. die Leistungshalblei ¬ ter der Schaltmodule beispielsweise in der Weise an, dass in einer vorgegebenen zeitlichen Reihenfolge eine Polarität der Schaltmodulspannung wechselt. Da alle Leistungshalbleiter aller Schaltmodule prinzipiell unabhängig voneinander schaltbar sind, kann somit eine Längsspannung beliebiger Phase und Fre ¬ quenz erzeugt werden.

Die zur wirksamen Beeinflussung des Lastflusses einzuprägende Längsspannung ist relativ gering, verglichen mit einer Quer- Spannung, die mittels parallel angeschlossener Anlagen eingespeist werden muss. Beispielsweise können Längsspannungen von 1 kV bis 50 kV bei einer Übertragungsspannung von über 100 kV im Wechselspannungsnetz bereits ausreichend sein. Bei einem mehrphasigen Wechselspannungsnetz ist bevorzugt jede der Phasenleitungen mit einer ihr zugeordneten Modulreihenschaltung ausgestattet.

Eine Wirkleistungseinspeisung über eine längere Zeit kann er- reicht werden, wenn eine Energieübertragung zwischen einer Mehrzahl der Modulreihenschaltungen ermöglicht wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung ferner eine weitere Modulreihenschaltung der zweipoligen Schaltmodule, die in eine mit der Phasenleitung verbundene Abgangsleitung des Wechselspannungsnetzes

einfügbar und mittels der eine Längsspannung erzeugbar ist, sowie eine mit der Modulreihenschaltung und mit der weiteren Modulreihenschaltung verbundende Energieaustauschvorrichtung, die zum Austausch elektrischer Energie zwischen der Phasen- leitung und der Abgangsleitung eingerichtet ist. Dementspre ¬ chend kann in einem Knoten des Wechselspannungsnetzes die Energie zwischen dessen Knotenzweigen, nämlich der Phasenleitung und wenigstens einem weiteren Knotenzweig, der auch als Abgangsleitung bezeichnet wird, ausgetauscht wird. Da sich die Phasenleitung und die Abgangsleitung im Wesentlichen auf gleichem elektrischen Potenzial befinden, ist ein Energieaustausch zwischen ihnen einfacher durchzuführen als beispiels- weise ein Energieaustausch zwischen dem Wechselspannungsnetz und einer sich auf Erdpotenzial befindenden Energiequelle.

Es ist jedoch prinzipiell auch denkbar, wenn die Modulreihenschaltung einer ersten Phasenleitung und die weitere Modul- reihenschaltung einer zweiten, einer weiteren Phase eines mehrphasigen Wechselspannungsnetzes zugeordneten Phasenlei ¬ tung zugeordnet ist und mittels der Energieaustauschvorrichtung ein Energieaustausch zwischen der ersten und der zweiten Phasenleitung durchführbar ist.

Vorzugsweise umfasst die Energieaustauschvorrichtung einen ersten Wechselrichter, der gleichspannungsseitig mit dem Energiespeicher wenigstens eines der Schaltmodule der Modul ¬ reihenschaltung und wechselspannungsseitig mit einer Sammel- schiene verbunden ist, und einen zweiten Wechselrichter, der gleichspannungsseitig mit dem Energiespeicher wenigstens ei ¬ nes der Schaltmodule der weiteren Modulreihenschaltung und wechselspannungsseitig mit der Sammelschiene verbunden ist. Die auszutauschende Energie wird demnach dem gleichspannungs- seifigen Zwischenkreis des Schaltmoduls entnommen und dem gleichspannungsseitigen Zwischenkreis des Schaltmoduls der weiteren Modulreihenschaltung zugeführt. Es ist weiterhin denkbar, wenn mehrere oder auch alle Schaltmodule der Modul ¬ reihenschaltung und/oder der weiteren Modulreihenschaltung über ihnen zugeordnete Wechselrichter mit der Sammelschiene verbunden sind. Dies erlaubt eine besonders effiziente Ener ¬ gieübertragung zwischen den Modulreihenschaltungen.

Vorzugsweise sind der erste und der zweite Wechselrichter je- weils über einen Transformator mit der Sammelschiene verbunden. Dadurch ist vorteilhaft eine Potenzialtrennung zwischen den Schaltmodulen erreicht. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Sammelschiene über einen zusätzlichen Transformator mit einem weiteren Wechselspannungsnetz verbunden. Auf diese Weise kann zusätzlich benötigte oder überschüssige Wirkleistung mit dem weiteren Wechselspannungsnetz ausgetauscht werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Energieaustauschvorrichtung wenigstens einen Energieaustauschzweig, in dem eine Reihenschaltung zweipoliger Austauschmodule angeord- net ist, wobei jedes Austauschmodul einen Energiespeicher so ¬ wie ansteuerbare, ein- und abschaltbare Leistungshalbleiter aufweist und derart ansteuerbar ist, dass an dessen Polen ei ¬ ne Austauschmodulspannung erzeugbar ist, die einer positiven oder negativen Energiespeicherspannung oder einer Spannung mit dem Wert null entspricht. Über eine geeignete Ansteuerung der Leistungshalbleiter der Austauschmodule kann ein Energieaustausch zwischen den Modulreihenschaltungen bzw. der Phasenleitung und der Abgangsleitung erreicht werden. Dabei kann vorteilhaft auf eine Bereitstellung eines Transformators ver- ziehtet werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine Mehrzahl zusätzlicher Modulreihenschaltungen der zweipoligen Schaltmodule vorgesehen, die jeweils in ihnen zugeord- nete, mit der Phasenleitung verbundene zusätzliche Abgangs ¬ leitungen einfügbar sind, wobei die Energieaustauschvorrichtung mit den zusätzlichen Modulreihenschaltungen verbunden und zum Energieaustausch zwischen der Phasenleitung, der Abgangsleitung und den zusätzlichen Abgangsleitungen eingerich- tet ist. Die Energieaustauschvorrichtung kann dabei mehrere Energieaustauschzweige aufweisen, die sich jeweils zwischen zwei Leitungen aus der Menge der Phasenleitung, der Abgangsleitung und der zusätzlichen Abgangsleitungen erstrecken und den Energieaustausch ermöglichen. Auf diese Weise kann eine Lastflusssteuerung in einem eine Mehrzahl von Abgangsleitungen aufweisenden Knoten des Wechselspannungsnetzes realisiert werden, wobei in einzelne Abgangsleitung bzw. die Phasenleitung auch Wirkleistung dauerhaft eingespeist werden kann. Der Energieaustausch zwischen der Phasenleitung und den Abgangsleitungen kann mittels eines Kreisstromes realisiert werden, der in den Energieaustauschzweigen fließt.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bilden die Energieaustauschzweige zwischen der Phasenleitung und den Abgangsleitungen eine Ringstruktur und/oder eine Sternstruktur. Die Ringstruktur bzw. Sternstruktur kann mehrere Maschen umfas- sen, die von den Energieaustauschzweigen, einem Abschnitt der Phasenleitung und/oder Abschnitten der Abgangsleitungen gebildet sind. In diesen Maschen kann durch entsprechende An- steuerung der Schaltmodule bzw. der Leistungshalbleiter der Schaltmodule wenigstens ein Kreisstrom erzeugt werden, so dass ein Energie- bzw. Wirkleistungsaustausch stattfindet.

Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Steuern des Lastflusses in einem mehrphasigen, beispielsweise einem dreiphasigen Wechselspannungsnetz eingerichtet.

Es kann von Vorteil sein, wenn die die Schaltmodule als Voll- brückenschaltungen ausgebildet sind. Eine Vollbrückenschal- tung ist beispielsweise in der WO 2013/087110 AI beschrieben. Es ist ebenfalls möglich, die Schaltmodule als zwei entgegen ¬ gesetzt gerichtete Halbbrückenschaltungen auszubilden. Eine Halbbrückenschaltung ist beispielsweise aus der DE 10103031 B4 bekannt. Es ist jedoch ebenfalls selbstverständlich denkbar, wenn die Modulreihenschaltung weitere zweipolige Elemente aufweist, die unter Ausbildung einer Reihenschaltung gemeinsam mit den Submodulen in die Phasenleitung bzw. die Abgangsleitungen geschaltet sind.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Steuerung eines Lastflusses in einem Wechselspannungsnetz. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein solches Verfahren anzugeben, das möglichst einfach durchzuführen und zuverlässig ist. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem mittels einer Steuereinrichtung Schaltmodule einer Modulreihenschal ¬ tung, die in eine Phasenleitung des Wechselspannungsnetzes eingefügt ist, wobei jedes Schaltmodul einen Energiespeicher sowie ansteuerbare, ein- und abschaltbare Leistungshalbleiter aufweist und derart ansteuerbar ist, dass an dessen Polen ei ¬ ne Schaltmodulspannung erzeugbar ist, die einer positiven oder negativen Energiespeicherspannung oder einer Spannung mit dem Wert null entspricht, derart angesteuert werden, dass an der Modulreihenschaltung eine periodische Längsspannung erzeugt wird.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechen den im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschriebenen Vorteilen.

Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens werden mittels der Steuereinrichtung Schaltmodule einer weiteren Modulreihenschaltung, die in eine Abgangsleitung des Wechselspannungs ¬ netzes eingefügt ist, derart angesteuert, dass an der weite- ren Modulreihenschaltung eine Längsspannung erzeugt wird, wobei mittels einer mit den beiden Modulreihenschaltungen verbundenen Energieaustauschvorrichtung elektrische Energie zwischen der Phasenleitung und der Abgangsleitung ausgetauscht wird. Damit kann dauerhaft auch eine Wirkleistung in die Pha- senleitung oder die Abgangsleitung eingespeist werden.

Die Erfindung soll ferner anhand von Ausführungsbeispielen in Figuren 1 bis 6 näher erläutert werden. Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungs ¬ gemäßen Vorrichtung in schematischer Darstellung; Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungs ¬ gemäßen Vorrichtung in schematischer Darstellung;

Figur 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungs- gemäßen Vorrichtung in schematischer Darstellung;

Figur 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungs ¬ gemäßen Vorrichtung in schematischer Darstellung; Figur 5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel der erfindungs ¬ gemäßen Vorrichtung in schematischer Darstellung;

Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Schaltmoduls der erfindungsgemäßen Vorrichtungen der Figuren 1 bis 5 in sche- matischer Darstellung.

Im Einzelnen ist in Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 zum Steuern eines Lastflusses in einem Wechselspannungsnetz 2. Das Wechselspannungsnetz 2 umfasst eine erste, eine zweite und eine dritte Phasenleitung 21, 22, 23 sowie einen Erdleiter 24. Zwischen den Phasenleitungen 21, 22, 23 fallen Phasenspannungen von über 100 kV ab. Beispielsweise beträgt eine Phasenspannung U23 zwischen der zweiten Phasenleitung 22 und der dritten Phasenleitung 23 400 kV. Entsprechen fällt zwischen der dritten Phasenleitung 23 und dem Erdleiter 24 eine Differenzspannung U3E von ca. 230 kV ab. Alle Phasenspannungen sind im vorliegenden Fall Wechselgrößen . Eine erste Modulreihenschaltung 3 ist in die erste Phasenlei ¬ tung 21 seriell eingefügt. Die erste Modulreihenschaltung 3 ist hierbei zweipolig ausgebildet, so dass der gesamte Pha ¬ senstrom 121 auch über die Modulreihenschaltung 3 fließt. Die erste Modulreihenschaltung 3 umfasst eine Reihenschaltung zweipoliger Schaltmodule 6, die im vorliegenden Beispiel alle als Vollbrückenschaltungen ausgebildet sind. Auf den Aufbau der Schaltmodule 6 wird im Folgenden im Zusammenhang mit der Erläuterung der Figur 6 näher eingegangen.

Die Vorrichtung 1 umfasst ferner eine zweite Modulreihen- Schaltung 4, die in die zweite Phasenleitung 22 eingefügt ist und eine dritte Modulreihenschaltung 5, die in die dritte Phasenleitung 23 eingefügt ist. Der Aufbau der zweiten und dritten Modulreihenschaltung 4 bzw. 5 gleicht im vorliegenden Ausführungsbeispiel demjenigen der ersten Modulreihenschal- tung 3.

Die Vorrichtung 1 umfasst darüber hinaus eine Steuereinrichtung 20, die dazu geeignet ist, die Leistungshalbleiterschal ¬ ter der Schaltmodule 6 anzusteuern. Auf diese Weise kann eine Schaltmodulspannung an den Anschlüssen jedes Schaltmoduls 6 eingestellt werden. An der ersten Modulreihenschaltung 3 kann somit insgesamt eine Längsspannung UL eingestellt werden, die der Summe der Schaltmodulspannungen der einzelnen Schaltmodule entspricht. Es ist hierbei anzumerken, dass die erste Mo- dulreihenschaltung 3 in der Darstellung der Figur 1 zwölf Schaltmodule 6 aufweist. Die Anzahl der Schaltmodule 6 ist jedoch grundsätzlich beliebig und kann an die jeweilige Anwendung angepasst sein. Entsprechendes gilt auch für die zweite und die dritte Modul ¬ reihenschaltung 4 und 5.

Da die Schaltmodule 6 unabhängig voneinander angesteuert wer ¬ den können, ist eine Längsspannung UL beliebiger Kurvenform einstellbar. Auf diese Weise können sehr schnell veränderliche induktive und/oder kapazitive Spannungen zur direkten Beeinflussung des Lastflusses in das Wechselspannungsnetz 2 eingespeist werden. Dies ist insbesondere auch in Reihen ¬ schaltung mit Transformatoren im Netz und an Abgängen von Schaltanlagen möglich.

Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfin ¬ dungsgemäßen Vorrichtung 1, in an einem Knoten 7 eines Wech- selspannungsnetzes 2. Zur Übersichtlichkeit sind in den Figu ¬ ren 1 und 2 gleiche oder gleichartige Bauteile und Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Dies gilt im Übrigen auch für die Darstellungen der Figuren 3 bis 5.

In dem Knoten 7 laufen die Phasenleitung 21 und eine Abgangsleitung 21a zusammen. Das Wechselspannungsnetz 2 der Figur 2 ist dreiphasig. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist jedoch nur die erste Phase des Wechselspannungsnetzes 2 grafisch dargestellt.

Die Vorrichtung 1 umfasst eine erste Modulreihenschaltung 3, die seriell in der Phasenleitung 21 angeordnet ist, sowie ei ¬ ne weitere Modulreihenschaltung 3a, die seriell in der Ab- gangsleitung 21a angeordnet ist. Der Aufbau der Modulreihenschaltungen 3 und 3a entspricht dem Aufbau der Modulreihenschaltung 3 in Figur 1.

Gemäß dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel um- fasst die Vorrichtung 2 ferner eine Energieaustauschvorrichtung 8. Die Energieaustauschvorrichtung 8 ist sowohl mit der ersten Modulreihenschaltung 3 als auch mit der weiteren Modulreihenschaltung 3a verbunden. Mittels der Energieaustauschvorrichtung 8 kann Energie zwischen der Phasenleitung 21 und der Abgangsleitung 21a ausgetauscht werden. Damit kann auch dauerhaft Wirkleistung in die Phasenleitung 21 oder die Abgangsleitung 21a eingespeist werden und damit beispielswei ¬ se auch unterschiedliche Spannungsabfälle auf der Phasenlei ¬ tung 21 bzw. der Abgangsleitung 21a kompensiert werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vor ¬ richtung 1 ist in Figur 3 gezeigt. Die erste Modulreihenschaltung 3 ist mit der weiteren Modulreihenschaltung 3a über eine Energieaustauschvorrichtung 8 verbunden. Parallel zu ei- nem Energiespeicher 31 eines ersten Schaltmoduls 6a der Modulreihenschaltung 3 ist ein erster Wechselrichter 9a angeschlossen. Der erste Wechselrichter 9a ist demnach gleich- spannungsseitig mit dem Energiespeicher 31 und wechselspan- nungsseitig über einen ersten Transformator 10a mit einer Sammelschiene 11 verbunden.

Ein zweites Schaltmodul 6b der Modulreihenschaltung 3 ist auf gleichartige Weise über einen zweiten Wechselrichter 9b und zweiten Transformator 10b mit der Sammelschiene 11 verbunden.

Entsprechend sind auch ein erstes Schaltmodul 6c sowie ein zweites Schaltmodul 6d der weiteren Modulreihenschaltung 3a über ihnen zugeordnete Wechselrichter 9c und 9d und Transformatoren 10c bzw. lOd mit der Sammelschiene 11 verbunden. Der Anschluss der Wechselrichter erfolgt jeweils parallel zu den Energiespeichern 31 der Schaltmodule 6c bzw. 6d. Die Wechselrichter 9a-d können demnach den Energiespeichern 31 Energie entnehmen und diese als Wechselspannung in die Sammelschiene 11 einspeisen. Umgekehrt kann auch Energie von der Sammelschiene 11 in die Energiespeicher 31 übertragen werden. In diesem Fall arbeiten die Wechselrichter 9a-d als Gleichrichter.

Im in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel sind lediglich jeweils zwei Schaltmodule 6a-d der Modulreihenschaltungen 3, 3a mit der Sammelschiene 11 verbunden. Solche Verbindungen umfassend Wechselrichter und/oder Transformatoren können jedoch auch einigen anderen oder auch allen Schaltmodulen der Modulreihenschaltungen zugeordnet sein.

Die Sammelschiene 11 ist ferner mit einem zusätzlichen Trans- formator 12 verbunden, mittels dessen ein weiteres Wechselspannungsnetz 13 mit der Sammelschiene potenzialtrennend ver ¬ bunden ist. Auf diese Weise kann zwischen dem weiteren Wechselspannungsnetz 13 und dem Wechselspannungsnetz 3 ebenfalls Energie ausgetauscht werden.

In Figur 4 ist eine Phase eines mehrphasigen Wechselspannungsnetzes 2 mit einem weiteren Ausführungsbeispiel der Vor ¬ richtung 1 dargestellt. Das Wechselspannungsnetz 2 umfasst eine Phasenleitung 21 sowie eine erste, eine zweite und eine dritte zusätzliche Abgangsleitung 21a, 21b bzw. 21c. Das Wechselspannungsnetz 2 umfasst noch weitere Abgangsleitungen, die jedoch in Figur 4 grafisch nicht dargestellt sind.

Die Phasenleitung 21 sowie die Abgangsleitungen 21a-c weisen jeweils eine Modulreihenschaltung 3 bzw. 3a-c, die alle zur Modulreihenschaltung 3 der Figur 1 gleichartig aufgebaut sind. Ferner ist der Phasenleitung 21 und den Abgangsleitun- gen 21a-c jeweils ein Schaltelement 14a-d zugeordnet, mittels dessen die Leitungen voneinander getrennt werden können.

Die Energieaustauschvorrichtung 8 der Vorrichtung 1 umfasst Energieaustauschzweige 15a-d zwischen der Phasenleitung 21 und den zusätzlichen Abgangsleitungen 21a-c. In den Verbindungszweigen 15a-c ist jeweils eine Reihenschaltung 16a-d von Austauschmodulen 17 angeordnet, wobei die Austauschmodule 17 zu den Schaltmodulen 6 gleichartig aufgebaut sind. Die Energieaustauschzweige 15a-d bilden eine Ringstruktur. Sie ermöglichen damit einen Energieaustausch zwischen der Phasenleitung 21 und den Abgangsleitungen 21a-c. Mittels der Modulreihenschaltungen 3, 3a-c sowie den Reihenschaltungen 16a-d der Austauschmodule 17 sind Kreisströme erzeugbar, die für den Austausch der Wirkleistung sorgen. In Figur 4 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nur zwei der möglichen Kreisströme grafisch angedeutet: Ein erster Kreisstrom Ikrl, der in der durch die Phasenleitung 21, die erste Abgangsleitung 21a sowie den ersten Energieaustauschzweig 15a gebilde- ten Masche erzeugbar ist sowie ein zweiter Kreisstrom Ikr2, der in der durch die zweite Abgangsleitung 21b, die dritte Abgangsleitung 21c sowie den dritten Energieaustauschzweig 15c gebildeten Masche erzeugbar ist. Ein nächstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vor ¬ richtung 1 ist in Figur 5 dargestellt. Die Vorrichtung 1 der Figur 5 unterscheidet sich von der Vorrichtung 1 der Figur 4 dadurch, dass die Energieaustauschzweige 15a-d in dem Ausfüh- rungsbeispiel der Figur 5 eine Sternstruktur bilden. Alle Energieaustauschzweige 15a-d fallen in einem gemeinsamen Sternpunkt 19 zusammen. Auch hier sind jedoch Kreisströme erzeugbar, die für den Energieaustausch sorgen. Beispielswei- se kann ein Kreisstrom Ikr3 in der durch die zweite Abgangsleitung 21b, den dritten Energieaustauschzweig 15c, den vier ¬ ten Energieaustauschzweig 15d und die dritte Abgangsleitung 21c gebildeten Masche erzeugt werden. Figur 6 zeigt den Aufbau der Schaltmodule 6 der erfindungsge ¬ mäßen Vorrichtungen 1 der Figuren 1 bis 5. Die Schaltmodule 6a-d der Figur 3 sind hierzu gleichartig ausgebildet.

Das Schaltmodul 6 ist als Vollbrückenschaltung ausgebildet. Durch eine entsprechende Ansteuerung der einzelnen Leistungs ¬ halbleiter 301 kann dem Leistungskondensator 31 Energie zugeführt oder entnommen werden. Auf diese Weise kann an den Anschlüssen bzw. Polen 32 und 33 des Schaltmoduls 6 die am Energiespeicher abfallende Spannung, eine entgegengesetzt ge- richtete Spannung oder auch eine Spannung null eingestellt werden. Bezüglich weiterer Details des Aufbaus und der Funktionsweise des Umrichters 3 und des Schaltmoduls 6 wird hier ¬ mit auf die zuvor genannte Druckschrift WO 2015/003737 AI verwiesen .