Einrichtung und Verfahren zur Gleichstromversorgung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Gleichstromver sorgung und ein zum Betreiben der Einrichtung zugehöriges Verfahren gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 8.

Einrichtungen zur Gleichstromversorgung, auch Gleichstrom quellen genannt, sind bekannt. Solche Einrichtungen werden mit einem elektrischen Energienetz verbunden, welches eine dreiphasige Wechselspannung mit einer Netzfrequenz von 50-60 Hz bereitstellt und die Einrichtung mit einem Wechselstrom versorgt. Zur Gleichrichtung dient üblicherweise ein Brücken gleichrichter, der über einen Transformator zur Spannungsan passung angeschlossen ist. Mit zunehmendem Gleichstrombedarf steigen allerdings die Blindleistungsverluste durch den

Transformator, welcher außerdem immer voluminöser und schwe rer wird. Zudem nehmen die Durchlassverluste erheblich zu. Ab Leistungen über 10 MW können die Transformatoren nicht mehr wirtschaftlich von der Mittelspannung auf Niederspannung übertragen, sondern es muss zusätzlich ein teurer Hochspan nungstransformator verwendet werden.

Durch die Brückengleichrichter nimmt auch der Oberschwin gungsgehalt zu, welcher durch aufwändige Maßnahmen, wie Pas sivfilter, verringert werden muss. Aufgrund der Blindleistung können auch weitere Maßnahmen wie dynamische Kompensationsan lagen erforderlich sein.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine verlustarme Einrich tung und ein zugehöriges Verfahren zur Gleichstromversorgung (Gleichstromquelle) insbesondere für den Mittelspannungsbe reich und für hohe Leistungen mit relativ kleinen Transforma toren zu erzielen, welche weder Blindleistung noch Ober schwingungen in das speisende Energienetz (Versorgungsnetz) abgeben . Die Aufgabe wird bezogen auf die Einrichtung durch die Merk male des Anspruchs 1 und bezogen auf das zugehörige Verfahren durch die Merkmale des Anspruchs 8 gelöst; die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen dar.

Die Lösung sieht bezogen auf die Einrichtung vor, dass zur Generierung der Ansteuersignale eine Zuführung der gemessenen Gleichspannung und des gemessenen Gleichstroms an die An steuereinheit erfolgt, dass der Mehrstufenstromrichter die mehrphasige erste Wechselspannung in eine einphasige oder ei ne mehrphasige zweite Wechselspannung mit einer zweiten Fre quenz überführt, deren Frequenz größer als die erste Frequenz ist, dass zumindest ein primärseitig und sekundärseitig für dieselbe Anzahl Phasen wie die zweite Wechselspannung ausge bildeter Transformator (z.B. Dreiphasenwechselstrom-Trans formator) an den Mehrstufenstromrichter angeschlossenen ist, der die zweite Wechselspannung in eine (dieselbe Anzahl Pha sen wie die zweite Wechselspannung aufweisende) dritte Wech selspannung gleicher Frequenz und Phasenanzahl transformiert, deren Spannungsamplitude kleiner als die Spannungsamplitude der ersten Wechselspannung ist, und dass die Gleichrichter schaltung an den zumindest einen Transformator angeschlossen ist und die dritte Wechselspannung in eine Gleichspannung überführt .

Mit Vorteil ist die Gleichrichterschaltung bei einer einpha sigen dritten Wechselspannung aus einem einphasigen Brücken gleichrichter und einem Gleichspannungswandler und bei einer mehrphasigen dritten Wechselspannung aus einem die gleiche Anzahl Phasen wie die dritte Wechselspannung aufweisenden Brückengleichrichter und einem Gleichspannungswandler gebil det .

Zweckmäßigerweise ist der Brückengleichrichter als gesteuer ter Brückengleichrichter ausgebildet. Damit der Mehrstufenstromrichter auf seiner Hochfrequenzsei te nicht mit Stromverzerrungen belastet wird, ist der Gleich spannungswandler als Hochsetzsteller ausgebildet.

Alternativ kann der Gleichspannungswandler als Tiefsetzstel- ler ausgebildet sein.

Mit Vorteil sind mindestens zwei primärseitig parallel ge schaltete Transformatoren an den Mehrstufenstromrichter ange schlossen .

Alternativ werden mindestens zwei primärseitig in Reihe ge schaltete Transformatoren an den Mehrstufenstromrichter ange schlossen .

Vorteilhafterweise sind mindestens zwei primärseitig parallel geschaltete Transformatoren an den Mehrstufenstromrichter (MMC) angeschlossen.

Alternativ sind mindestens zwei primärseitig in Reihe ge schaltete Transformatoren an den Mehrstufenstromrichter (MMC) angeschlossen .

Die Lösung sieht bezogen auf das Verfahren vor, dass zur Ge nerierung der Ansteuersignale die Gleichspannung und der Gleichstrom gemessen werden und der Mehrstufenstromrichter (MMC) entsprechend (unter Berücksichtigung der jeweiligen Messwerte) angesteuert wird, dass die mehrphasige erste Wech selspannung vom Mehrstufenstromrichter (MMC) in eine zumin dest einphasige zweite Wechselspannung mit einer zweiten Fre quenz überführt wird, deren Frequenz größer als die erste Frequenz ist, dass zumindest ein der Phasenanzahl (phasenmä ßig) der zweiten Wechselspannung entsprechender Transformator die zweite Wechselspannung in eine phasenmäßig der zweiten Wechselspannung entsprechende dritte Wechselspannung gleicher Frequenz transformiert, deren Spannungsamplitude kleiner als die Spannungsamplitude der ersten Wechselspannung ist, und dass die Gleichrichterschaltung an den zumindest einen Trans- formator angeschlossen wird, welche die zweite Wechselspan nung in eine Gleichspannung überführt.

Erfindungsgemäß wird also die netzfrequente dreiphasige Wech selspannung im Mittelspannungsbereich mittels mehrphasiger Mehrstufenstromrichter (Modular Multilevel Converter MMC) in Doppelsterntopologie (M2C) oder Matrixtopologie (M3C) in eine Wechselspannung höherer Frequenz, insbesondere hoher Frequenz von ca. 100 bis 500 Hz, transformiert, welche mit kompakten Hochfrequenztransformatoren auf eine niedrigere Spannungsamp litude, insbesondere deutlich niedrigere Spannungsamplitude von ca. 600 bis 1000 V, übersetzt werden. Dort wird die Wech selspannung gleichgerichtet und mit einem Gleichspannungs wandler auf die gewünschte Gleichspannung gestellt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei spiels näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Einrichtung zur Gleichstromversorgung mit einem modularen Mehrstufenstromrichter,

Fig. 2 eine Ausführung der Einrichtung mit dem Mehr stufenstromrichter zur Erhöhung der Frequenz und einem einphasigen Transformator zur Herab setzung der Spannungsamplitude,

Fig. 3 eine Ausführung der Einrichtung mit dem Mehr stufenstromrichter zur Erhöhung der Frequenz und zwei primärseitig parallel geschaltete einphasige Transformatoren zur Herabsetzung der Spannungsamplitude,

Fig. 4 eine Ausführung der Einrichtung mit dem Mehr stufenstromrichter zur Erhöhung der Frequenz und zwei primärseitig in Reihe geschaltete einphasige Transformatoren zur Herabsetzung der Spannungsamplitude, Fig. 5 eine Ausführung der Einrichtung mit dem Mehr stufenstromrichter zur Erhöhung der Frequenz und einem dreiphasigen Transformator zur Her absetzung der Spannungsamplitude,

Fig. 6 eine Ausführung der Einrichtung mit dem Mehr stufenstromrichter zur Erhöhung der Frequenz und zwei primärseitig parallel geschaltete dreiphasige Transformatoren zur Herabsetzung der Spannungsamplitude,

Fig. 7 eine Ausführung eines Mehrstufenstromrichters mit drei netzseitigen Phasenanschlüssen und zwei transformatorseitigen Phasenanschlüssen,

Fig. 8 eine Ausführung eines dreiphasig auf dreipha sigen Mehrstufenstromrichters,

Fig. 9 der Aufbau eines Phasenmoduls des Mehrstufen stromrichters,

Fig. 10 eine schematische Schaltung eines Submoduls des Phasenmoduls,

Fig . 11 den Aufbau eines Powermoduls des Submoduls,

Fig . 12 den Aufbau eines Kondensatormoduls des Submo duls,

Fig. 13 eine einphasige Gleichrichterschaltung,

Fig. 14 eine dreiphasige Gleichrichterschaltung,

Fig. 15 eine einphasige Gleichrichterschaltung mit ei nem einphasigen gesteuerten Brückengleichrich ter, Fig. 16 eine dreiphasige Gleichrichterschaltung mit einem dreiphasigen gesteuerten Brückengleich richter,

Fig. 17 einen einphasigen Brückengleichrichter mit

vier Dioden,

Fig. 18 einen einphasigen Brückengleichrichter mit

sechs Dioden,

Fig. 19 einen einphasigen gesteuerten Brückengleich richter mit vier Thyristoren und einer Glät tungsdrossel,

Fig. 20 einen einphasigen gesteuerten Brückengleich richter mit sechs Thyristoren und einer Glät tungsdrossel,

Fig. 21 eine Ausführung eines als Tiefsetzsteiler aus gebildeten Gleichspannungswandlers ,

Fig. 22 eine Ausführung eines als Hochsetzsteller aus gebildeten Gleichspannungswandlers und

Fig. 23 ein Verfahren zur Erzeugung und Bereitstellung eines Gleichstroms.

In Fig. 1 ist eine Anordnung 1 mit einer Einrichtung 2 zur Gleichstromversorgung dargestellt, zu der ein modularer Mehr stufenstromrichter MMC (Modular Multilevel Converter MMC) ge hört. Der modulare Mehrstufenstromrichter MMC ist dreiphasig über eine Anschlussschiene 3 mit einem Energieversorgungsnetz 4 elektrisch verbunden, das eine dreiphasige erste Wechsel spannung Ulac als Anschluss-Wechselspannung bereitstellt . Mittels eines Stromsensors 5 wird der durch den Mehrstufen stromrichter MMC fließende Strom gemessen. Strommesswerte 6 werden zu einer Ansteuereinheit 7 des modularen Mehrstufen stromrichters MMC übertragen. Weiterhin wird mittels eines Spannungssensors 8 (der hier als ein Messwandler ausgeführt ist) die an der Anschlussschiene 3 anliegende Spannung gemes sen, die im Wesentlichen der an dem modularen Mehrstufen stromrichter MMC anliegenden ersten Wechselspannung Ulac ent spricht. Die Spannungsmesswerte 9 der ersten Wechselspannung Ulac werden zu der Ansteuereinheit 7 übertragen.

Anhand von vorgegebenen Sollwerten 10 berechnet die Ansteuer einheit 7 jeweils in Abhängigkeit von Betriebspunktvorgaben Ansteuersignale 11, die zum modularen Mehrstufenstromrichter MMC übertragen werden. Mittels der Ansteuersignale 11 wird der Mehrstufenstromrichter MMC derart angesteuert, dass sich auf der Gleichspannungsseite an der Gleichstromlast 12, hier an den beiden Gleichstromlasten 12a, 12b jeweils die vorgege benen Gleichstromwerte 14a, 14b und die vorgegebene Gleich spannung Udc mit den Gleichspannungswerten 13a, 13b einstel len. Die Messung der aktuellen Gleichstrom- und Gleichspan nungswerte 14a, 14b, 13a, 13b erfolgt mittels je eines Strom sensors 15a, 15b und mittels je eines Spannungssensors 16a, 16b; die Gleichstrom-und Gleichspannungswerte 14a, 14b, 13a, 13b werden an die Ansteuereinheit 7 übergeben. Die Ansteuer einheit 7 kontrolliert auf diese Weise den Mehrstufenstrom richter MMC und damit die Einrichtung 2 zur Gleichstromver sorgung .

In Fig. 2 ist eine Ausführung 2a der Einrichtung 2 darge stellt, bei der ein Mehrstufenstromrichter MMC eingesetzt wird, der eine dreiphasige erste Wechselspannung Ulac mit ei ner ersten Frequenz NI von 50 oder 60 Hz in eine einphasige zweite Wechselspannung U2ac hoher zweiter Frequenz N2 von ca. 100 bis 500 Hz, hier beispielhaft von 150 Hz überführt, d.h. dass die zweite Frequenz N2 ist (wesentlich) größer als die erste Frequenz, hier um ein Vielfaches größer. Diese hochfre quente zweite Wechselspannung U2ac wird mit einem einphasigen Transformator 17a in der Spannungsamplitude herabgesetzt (hier von 12000-20000 V auf 600 bis 1000 V) und von einer Gleichrichterschaltung 18a in eine Gleichspannung Udc über führt . In Fig. 3 ist eine Ausführung 2b der Einrichtung 2 darge stellt, bei der im Unterschied zu Fig. 2 zwei einphasige Transformatoren 17a (anstelle von einem einphasigen Transfor mator 17a) die hochfrequente zweite Wechselspannung U2ac in der Spannungsamplitude entsprechend herabsetzen und jeweils von einer Gleichrichterschaltung 18a in eine Gleichspannung Udc überführen. Die beiden Transformatoren 17a sind primär seitig parallel geschaltet an den Mehrstufenstromrichter MMC angeschlossen .

Fig. 4 zeigt eine Ausführung 2c der Einrichtung 2, bei der im Unterschied zu Fig. 3 die beiden einphasigen Transformatoren 17a in Reihe geschaltet sind.

In Fig. 5 ist eine Ausführung 2d der Einrichtung 2 darge stellt, bei der ein Mehrstufenstromrichter MMC eingesetzt wird, der die dreiphasige erste Wechselspannung Ulac mit ei ner ersten Frequenz NI von 50 oder 60 Hz in eine dreiphasige zweite Wechselspannung U2ac hoher zweiter Frequenz N2 von ca. 100 bis 500 Hz, hier beispielhaft von 150 Hz überführt, d.h. die zweite Frequenz ist (wesentlich) größer als die erste Frequenz, hier wieder um ein Vielfaches größer. Diese hoch frequente dreiphasige zweite Wechselspannung U2ac wird mit einem dreiphasigen Transformator 17b wieder in der Spannungs amplitude herabgesetzt und von einer Gleichrichterschaltung 18b in eine Gleichspannung Udc überführt.

Dargestellt ist in Fig. 6 eine Ausführung 2e der Einrichtung 2, bei der im Unterschied zu Fig. 5 zwei dreiphasige Trans formatoren 17b die hochfrequente zweite Wechselspannung U2ac wieder in der Spannungsamplitude herabsetzen und jeweils von einer Gleichrichterschaltung in eine Gleichspannung Udc über führen. Die beiden Transformatoren 17b sind primärseitig pa rallel geschaltet an den Mehrstufenstromrichter MMC ange schlossen . In Fig. 7 ist eine Ausführung eines Mehrstufenstromrichters MMC mit drei netzseitigen Phasenanschlüssen A, B, C auf einer Netzanschlussseite und zwei transformatorseitigen Phasenan schlüssen U, V auf der anderen gegenüberliegenden Transforma toranschlussseite dargestellt. An den Anschlüssen U, V wird die entsprechende Wechselspannung U2ac bereitgestellt. Die drei anderen Anschlüsse A, B, C der Phasenmodule 19 sind je weils mit einer Phase (LI, L2 oder L3) des Energieversor gungsnetzes 4 verbunden.

Fig. 8 zeigt eine Ausführung eines dreiphasig auf dreiphasi gen Mehrstufenstromrichters MMC, der im Unterschied zu Fig. 7 neun Phasenmodule 19 aufweist, die drei netzseitige Phasenan schlüsse A, B, C und drei transformatorseitige Anschlüsse U, V, W bereitstellen .

In Fig. 9 ist der Aufbau der Phasenmodule 19 mit Wechselspan nungsanschlüssen AC1 und AC2 gezeigt, das aus einer Indukti vität 20 und einer Vielzahl in Reihe geschalteter Submodule 21 gebildet ist. Der Strom durch das Phasenmodul 19 wird mit tels eines Stromsensors 19a gemessen.

Fig. 10 zeigt eine schematische Schaltung eines Submoduls 21, das aus einem Powermodul 22 besteht, an dessen Zwischenkreis mit den Gleichspannungen DC1, DC2 und DC3, DC4 und damit der Zwischenkreisspannung Uzk ein Kondensatormodul 23 als Ener giespeicher 23a angeschlossen ist.

Gezeigt ist in Fig. 11 der Aufbau des Powermoduls 22, das vier von der Steuereinrichtung 7 gesteuerte Halbleiterschal ter S aufweist, welche als Vollbrücke geschaltet sind. Geeig nete Halbleiterschalter S sind z.B. IGBT (Bipolar- Transistoren mit isolierter Gate-Elektrode) , IGCT, IEGT oder MOSFETs .

Fig. 12 zeigt den Aufbau des Kondensatormoduls 23, das aus einer Kondensatorspannungsmessung 24 und einem Kondensator C besteht, der die Zwischenkreisspannung Uzk puffert. Dargestellt ist in Fig. 13 eine einphasige Gleichrichter schaltung 18a, die aus einem einphasigen Brückengleichrichter 25a und einem Gleichspannungswandler 26 besteht.

Fig. 14 zeigt eine dreiphasige Gleichrichterschaltung 18b, die aus einem dreiphasigen Brückengleichrichter 25b und einem Gleichspannungswandler 26 gebildet ist.

Gezeigt ist in Fig. 15 eine einphasige Gleichrichterschaltung 18c, die aus einem einphasigen gesteuerten Brückengleichrich ter 25c besteht.

Fig. 16 zeigt eine dreiphasige Gleichrichterschaltung 18d, die einen dreiphasigen gesteuerten Brückengleichrichter 25d aufweist .

Die Darstellung in Fig. 17 zeigt einen einphasigen Brücken gleichrichter 25a, der aus vier Dioden 27 gebildet ist.

Fig. 18 zeigt einen aus sechs Dioden 27 gebildeten dreiphasi gen Brückengleichrichter 25b.

In Fig. 19 ist ein einphasiger gesteuerter Brückengleichrich ter 25c gezeigt, der aus vier Thyristoren 28 mit einer Glät tungsdrossel 29 gebildet ist.

Fig. 20 zeigt einen dreiphasigen gesteuerten Brückengleich richter 25d, der aus sechs Thyristoren 28 und einer Glät tungsdrossel 29 gebildet ist.

Fig. 21 zeigt eine Ausführung 26a eines als Tiefsetzsteller ausgebildeten Gleichspannungswandlers 26, der aus einem Halb leiterschalter S, einer Diode D, einem Pufferkondensator C und einer Glättungsdrossel 30 besteht.

Fig. 22 zeigt eine Ausführung 26b eines als Hochsetzsteller ausgebildeten Gleichspannungswandlers 26 bestehend aus einem Halbleiterschalter S, einer Diode D, einem Pufferkondensator C und einer Glättungsdrossel 30.

Das Fig. 23 gezeigte zugehörige Verfahren zur Erzeugung und Bereitstellung eines Gleichstroms weist folgende wesentliche Verfahrensschritte S auf:

Sa) Verbinden einer Einrichtung 2 mit einem elektrischen Energienetz 4, welches eine mehrphasige erste Wechselspannung Ulac als Anschluss-Wechselspannung mit einer ersten Frequenz (deren Netzfrequenz) NI bereitstellt und die Einrichtung 2 mit einem Wechselstrom versorgt,

Sb) Anschließen der mehrphasigen ersten Wechselspannung Ulac an einen gesteuerten mehrphasigen Mehrstufenstromrichter MMC, Sc) Überführen der mehrphasigen ersten Wechselspannung Ulac in eine zumindest einphasige zweite Wechselspannung U2ac mit einer zweiten Frequenz N2 durch den Mehrstufenstromrichter (MMC) , wobei die zweite Frequenz N2 (wesentlich) größer als die erste Frequenz NI ist,

Sd) Transformieren der zweiten Wechselspannung U2ac in eine phasenzahlmäßig der zweiten Wechselspannung U2ac entsprechen de dritte Wechselspannung U3ac gleicher Frequenz N2 mit Hilfe zumindest eines Transformators 17a, 17b, wobei die dritte Wechselspannung U3ac kleiner als die zweite Wechselspannung U2ac ist, und

Se) Überführen der dritten Wechselspannung U3ac in eine

Gleichspannung Udc mit Hilfe einer an den Transformator 17a, 17b angeschlossenen Gleichrichterschaltung 18a, 18b, 18c,

18d.