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Title:
MODULAR MATRIX AC/AC MULTIPOINT CONVERTER HAVING HIGHER-FREQUENCY TRANSFORMERS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/166096
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a converter arrangement (1) for converting an alternating input voltage having an input frequency into an alternating output voltage having an output frequency. The converter arrangement (1) comprises a direct converter (9) on the input side having a plurality of input terminals (15) and input-side converter units (17), transformers (11), the number of which matches the number of input terminals (15), and a direct converter (13) on the output side having output-side converter units (21), and a number of output terminals (19), which number matches the number of input terminals (15). Each transformer (11) is connected on the primary side to each input terminal (15) via one each input-side converter unit (17), and is connected on the secondary side to each output terminal (19) via one each output-side converter unit (21).

Inventors:
KUHN, German (Peter-Zink-Weg 4, Erlangen, 91052, DE)
PIESCHEL, Martin (Salzbrunner Str. 12, Nürnberg, 90473, DE)
SHARMA, Kunal (Am Europakanal 8, Erlangen, 91056, DE)
RENTSCHLER, Alexander (Mühltalstraße 18, Bensheim, 64625, DE)
Application Number:
EP2018/055093
Publication Date:
September 06, 2019
Filing Date:
March 01, 2018
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Werner-von-Siemens-Straße 1, München, 80333, DE)
International Classes:
H02M5/22; H02M7/483
Domestic Patent References:
WO2017016594A12017-02-02
Foreign References:
CN102545644B2014-07-16
EP2458725A12012-05-30
Other References:
STEPHAN KENZELMANN ET AL: "A versatile DC-DC converter for energy collection and distribution using the Modular Multilevel Converter", 2011 14TH EUROPEAN CONFERENCE ON POWER ELECTRONICS AND APPLICATIONS (EPE 2011) : BIRMINGHAM, UNITED KINGDOM, 30 AUGUST - 1 SEPTEMBER 2011, 1 January 2011 (2011-01-01), Piscataway, NJ, pages 1 - 10, XP055396299, ISBN: 978-1-61284-167-0
None
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Claims:
Patentansprüche

1. Umrichteranordnung (1) zur Umwandlung einer

Eingangswechselspannung mit einer Eingangsfrequenz in eine Ausgangswechselspannung mit einer Ausgangsfrequenz, die Umrichteranordnung (1) umfassend

- einen eingangsseitigen direkten Umrichter (9) mit mehreren Eingangsanschlüssen (15) und eingangsseitigen

Umrichtereinheiten (17),

- eine mit der Anzahl der Eingangsanschlüsse (15)

übereinstimmende Anzahl von Transformatoren (11) und

- einen ausgangsseitigen direkten Umrichter (13) mit ausgangsseitigen Umrichtereinheiten (21) und einer mit der Anzahl der Eingangsanschlüsse (15) übereinstimmenden Anzahl von Ausgangsanschlüssen (19),

- wobei jeder Transformator (11) primärseitig mit jedem Eingangsanschluss (15) über jeweils eine eingangsseitige Umrichtereinheit (17) und sekundärseitig mit jedem

Ausgangsanschluss (19) über jeweils eine ausgangsseitige Umrichtereinheit (21) verbunden ist.

2. Umrichteranordnung (1) nach Anspruch 1,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

jede eingangsseitige Umrichtereinheit (17) mehrere parallel geschaltete Schaltzweige (25) aufweist, wobei jeder

Schaltzweig (25) mehrere in Reihe geschaltete

Schaltmodule (27) aufweist, die jeweils eine

Vollbrückenschaltung mit vier Schalteinheiten (37) und einem in dem Brückenzweig der Vollbrückenschaltung angeordneten Brückenzweigkondensator (39) aufweisen.

3. Umrichteranordnung (1) nach Anspruch 2,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

zu jedem Schaltzweig (25) jeder eingangsseitigen

Umrichtereinheit (17) transformatorseitig eine

Schaltzweigspule (31) in Reihe geschaltet ist.

4. Umrichteranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

jede ausgangsseitige Umrichtereinheit (21) mehrere in Reihe geschaltete Schaltmodule (27) aufweist, die jeweils eine Vollbrückenschaltung mit vier Schalteinheiten (37) und einem in dem Brückenzweig der Vollbrückenschaltung angeordneten Brückenzweigkondensator (39) aufweisen.

5. Umrichteranordnung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

jede Schalteinheit (37) einen Bipolartransistor (41) mit isolierter Gate-Elektrode und eine dazu parallel geschaltete Freilaufdiode (43) aufweist.

6. Umrichteranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

zwischen jede eingangsseitige Umrichtereinheit (17) und den mit ihr verbundenen Eingangsanschluss (15) eine

Eingangsspule (29) geschaltet ist.

7. Umrichteranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

zwischen jede ausgangsseitige Umrichtereinheit (21) und den mit ihr verbundenen Transformator (11) eine

Zwischenspule (33) geschaltet ist.

8. Umrichteranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

zwischen jede ausgangsseitige Umrichtereinheit (21) und den mit ihr verbundenen Ausgangsanschluss (19) eine

Ausgangsspule (35) geschaltet ist.

9. Umrichteranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Eingangsfrequenz und die Ausgangsfrequenz voneinander unterscheiden.

10. Verfahren zur Umwandlung einer Eingangswechselspannung mit einer Eingangsfrequenz in eine Ausgangswechselspannung mit einer Ausgangsfrequenz mittels einer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildeten

Umrichteranordnung (1), wobei die Eingangsfrequenz mit dem eingangsseitigen direkten Umrichter (9) auf eine

Zwischenfrequenz erhöht wird und die Zwischenfrequenz mit dem ausgangsseitigen direkten Umrichter (13) auf die

Ausgangsfrequenz transformiert wird.

11. Verwendung einer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildeten Umrichteranordnung (1) zur Kopplung eines

Generators (5) an ein Stromnetz (7), wobei die

Umrichteranordnung (1) eingangsseitig mit dem Generator (5) und ausgangsseitig mit dem Stromnetz (7) verbunden wird.

12. Verwendung gemäß Anspruch 11,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

jede Phase einer Generatorausgangsspannung des Generators (5) mit einem Eingangsanschluss (15) der Umrichteranordnung (1) verbunden wird und jede Phase einer Netzspannung des

Stromnetzes (7) mit einem Ausgangsanschluss (19) der

Umrichteranordnung (1) verbunden wird.

13. Verwendung gemäß Anspruch 12,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

jeder Ausgangsanschluss (19) der Umrichteranordnung (1) über einen Koppeltransformator (23) mit einer Phase des

Stromnetzes (7) verbunden wird.

Description:
Beschreibung

MODULARER MATRIX AC/AC MEHRPUNKTUMRICHTER MIT HÖHERFREQUENTEN

TRANSFORMATOREN

Die Erfindung betrifft eine Umrichteranordnung und ein

Verfahren zur Umwandlung einer Eingangswechselspannung in eine Ausgangswechselspannung und die Kopplung eines

Generators an ein Stromnetz.

Generatoren, die an ein Stromnetz gekoppelt werden, werden häufig mit der Netzfrequenz des Stromnetzes betrieben. Um die elektrische Energie über große Entfernungen zu übertragen, wird die von einem Generator erzeugte Generatorspannung dabei in der Regel auf eine höhere Übertragungsspannung

transformiert. Alternativ wird die Generatorspannung

gleichgerichtet und übertragen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

Umrichteranordnung und ein Verfahren zur Umwandlung einer Eingangswechselspannung in eine Ausgangswechselspannung anzugeben, die insbesondere geeignet sind, einen Generator an ein Stromnetz zu koppeln, wobei sich die Frequenz der

Generatorspannung von der Netzfrequenz des Stromnetzes unterscheidet .

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine

Umrichteranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 und eine

Verwendung einer derartigen Umrichteranordnung mit den

Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Eine erfindungsgemäße Umrichteranordnung zur Umwandlung einer Eingangswechselspannung mit einer Eingangsfrequenz in eine Ausgangswechselspannung mit einer Ausgangsfrequenz umfasst einen eingangsseitigen direkten Umrichter mit mehreren Eingangsanschlüssen und eingangsseitigen Umrichtereinheiten, eine mit der Anzahl der Eingangsanschlüsse übereinstimmende Anzahl von Transformatoren und einen ausgangsseitigen

direkten Umrichter mit einer mit der Anzahl der

Eingangsanschlüsse übereinstimmenden Anzahl von

Ausgangsanschlüssen und ausgangsseitigen Umrichtereinheiten. Jeder Transformator ist primärseitig mit jedem

Eingangsanschluss über jeweils eine eingangsseitige

Umrichtereinheit und sekundärseitig mit jedem

Ausgangsanschluss über jeweils eine ausgangsseitige

Umrichtereinheit verbunden.

Ein direkter Umrichter, der auch als Matrix-Konverter

bezeichnet wird, führt eine Spannungs- und Frequenzumrichtung in einer so genannten Matrix durch, die jede Ausgangsphase wahlweise mit einer Eingangsphase über einen Schaltpfad verbindet .

Eine erfindungsgemäße Umrichteranordnung ermöglicht

insbesondere die Umwandlung einer Eingangswechselspannung in eine Ausgangswechselspannung, deren Ausgangsfrequenz sich von der Eingangsfrequenz der Eingangswechselspannung

unterscheidet. Insbesondere eignet sich die

Umrichteranordnung daher zur Kopplung eines Generators an ein Stromnetz, dessen Netzfrequenz von der Frequenz der

Generatorspannung abweicht.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass jede

eingangsseitige Umrichtereinheit mehrere parallel geschaltete Schaltzweige aufweist, wobei jeder Schaltzweig mehrere in Reihe geschaltete Schaltmodule aufweist, die jeweils eine Vollbrückenschaltung mit vier Schalteinheiten und einem in dem Brückenzweig der Vollbrückenschaltung angeordneten

Brückenzweigkondensator aufweisen. Dabei kann zu jedem

Schaltzweig jeder eingangsseitigen Umrichtereinheit

transformatorseitig eine Schaltzweigspule in Reihe geschaltet sein. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass jede ausgangsseitige Umrichtereinheit mehrere in Reihe geschaltete Schaltmodule aufweist, die jeweils eine

Vollbrückenschaltung mit vier Schalteinheiten und einem in dem Brückenzweig der Vollbrückenschaltung angeordneten

Brückenzweigkondensator aufweisen. Die Schalteinheiten weisen beispielsweise jeweils einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT = Insulated-Gate Bipolar Transistor) und eine dazu parallel geschaltete Freilaufdiode auf.

Der modulare Aufbau der Umrichtereinheiten aus Schaltmodulen ermöglicht eine den gewünschten Ein- und

Ausgangswechselspannungen und -strömen angepasste Auslegung der Umrichteranordnung. Die Ausführung der Schaltmodule als Vollbrückenschaltung mit vier Schalteinheiten führt dabei zu einer einfachen Verschaltbarkeit der Schaltmodule, die den modularen Aufbau vereinfacht. Eine zu einem Schaltzweig jeweils transformatorseitig in Reihe geschaltete

Schaltzweigspule ermöglicht vorteilhaft eine Glättung und Begrenzung der ausgangsseitigen Ströme und Spannungen des Schaltzweiges .

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass zwischen jede eingangsseitige Umrichtereinheit und den mit ihr verbundenen Eingangsanschluss eine Eingangsspule

geschaltet ist, und/oder dass zwischen jede ausgangsseitige Umrichtereinheit und den mit ihr verbundenen Transformator eine Zwischenspule geschaltet ist, und/oder dass zwischen jede ausgangsseitige Umrichtereinheit und den mit ihr

verbundenen Ausgangsanschluss eine Ausgangsspule geschaltet ist .

Die vorgenannten Ausgestaltungen der Erfindung ermöglichen vorteilhaft eine Glättung und Begrenzung der eingangsseitigen Ströme und Spannungen der Umrichtereinheiten beziehungsweise der ausgangsseitigen Ströme und Spannungen der

ausgangsseitigen Umrichtereinheiten .

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Umrichteranordnung zur Umwandlung einer Eingangswechselspannung in eine Ausgangswechselspannung, deren Ausgangsfrequenz sich von der Eingangsfrequenz der Eingangswechselspannung unterscheidet, ausgelegt ist. Eine derartige Umrichteranordnung eignet sich insbesondere zur Kopplung eines Generators an ein Stromnetz, dessen

Netzfrequenz sich von der Frequenz der Generatorspannung unterscheidet .

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine

Eingangswechselspannung mit einer Eingangsfrequenz in eine Ausgangswechselspannung mit einer Ausgangsfrequenz mittels einer erfindungsgemäßen Umrichteranordnung umgewandelt. Dabei wird die Eingangsfrequenz mit dem eingangsseitigen direkten Umrichter auf eine Zwischenfrequenz erhöht und die

Zwischenfrequenz wird mit dem ausgangsseitigen direkten

Umrichter auf die Ausgangsfrequenz transformiert. Die

Zwischenfrequenz ist dabei vorzugsweise deutlich höher als die Eingangsfrequenz, beispielsweise ist sie ein Vielfaches der Eingangsfrequenz, z. B. das Fünffache oder Sechsfache der Eingangsfrequenz. Die Erhöhung der Eingangsfrequenz auf eine Zwischenfrequenz ermöglicht, die zwischen die beiden direkten Umrichter geschalteten Transformatoren kleiner auszulegen als ohne eine Erhöhung der Eingangsfrequenz auf die

Zwischenfrequenz .

Die Erfindung sieht ferner eine Verwendung einer

erfindungsgemäßen Umrichteranordnung zur Kopplung eines

Generators an ein Stromnetz vor, wobei die Umrichteranordnung eingangsseitig mit dem Generator und ausgangsseitig mit dem Stromnetz verbunden wird. Insbesondere wird dabei jede Phase einer Generatorausgangsspannung des Generators mit einem Eingangsanschluss der Umrichteranordnung verbunden und jede Phase einer Netzspannung des Stromnetzes wird mit einem

Ausgangsanschluss der Umrichteranordnung, beispielsweise über einen Koppeltransformator, verbunden. Die Vorteile dieser Verwendung einer erfindungsgemäßen Umrichteranordnung ergeben sich aus den oben bereits genannten Vorteilen einer

erfindungsgemäßen Umrichteranordnung . 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 Beschreibung von

Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den

Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:

FIG 1 einen Schaltplan einer Umrichteranordnung,

FIG 2 einen Schaltplan eines Schaltmoduls.

Figur 1 zeigt einen Schaltplan eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Umrichteranordnung 1, die einen von einer Turbine 3 angetriebenen dreiphasigen Generator 5 an ein dreiphasiges Stromnetz 7 koppelt.

Die Umrichteranordnung 1 weist einen eingangsseitigen

direkten Umrichter 9, drei Transformatoren 11 und einen ausgangsseitigen direkten Umrichter 13 auf. Der

eingangsseitige Umrichter 9 und der ausgangsseitige

Umrichter 13 sind im Ausführungsbeispiel insbesondere jeweils als ein Multilevel-Konverter (auch als modularer Multilevel- Konverter bezeichnet) ausgestaltet, genauer gesagt als ein Multilevel-Matrix-Konverter (auch als modularer Multilevel- Matrix-Konverter bezeichnet) .

Der eingangsseitige direkte Umrichter 9 weist drei

Eingangsanschlüsse 15 und neun eingangsseitige

Umrichtereinheiten 17 auf. Jeder Eingangsanschluss 15 ist mit einer Phase einer Generatorausgangsspannung des Generators 5 verbunden .

Der ausgangsseitige direkte Umrichter 13 weist drei

Ausgangsanschlüsse 19 und neun ausgangsseitige

Umrichtereinheiten 21 auf. Jeder Ausgangsanschluss 19 ist über einen Koppeltransformator 23 mit einer Phase einer

Netzspannung des Stromnetzes 7 verbunden. Jeder Transformator 11 ist primärseitig mit jedem Eingangsanschluss 15 über jeweils eine eingangsseitige

Umrichtereinheit 17 und sekundärseitig mit jedem

Ausgangsanschluss 19 über jeweils eine ausgangsseitige

Umrichtereinheit 21 verbunden.

Jede eingangsseitige Umrichtereinheit 17 weist drei parallel geschaltete Schaltzweige 25 auf, wobei jeder Schaltzweig 25 fünf in Reihe geschaltete Schaltmodule 27 aufweist.

Zwischen jede eingangsseitige Umrichtereinheit 17 und den mit ihr verbundenen Eingangsanschluss 15 ist eine

Eingangsspule 29 geschaltet, die mit allen Schaltzweigen 25 verbunden ist. Zu jedem Schaltzweig 25 jeder eingangsseitigen Umrichtereinheit 17 ist transformatorseitig eine

Schaltzweigspule 31 in Reihe geschaltet.

Jede ausgangsseitige Umrichtereinheit 21 weist sieben in Reihe geschaltete Schaltmodule 27 auf, die jeweils wie ein Schaltmodul 27 einer eingangsseitigen Umrichtereinheit 17 ausgebildet sind.

Zwischen jede ausgangsseitige Umrichtereinheit 21 und den mit ihr verbundenen Transformator 11 ist eine Zwischenspule 33 geschaltet. Zwischen jede ausgangsseitige Umrichtereinheit 21 und den mit ihr verbundenen Ausgangsanschluss 19 ist eine Ausgangsspule 35 geschaltet.

Von dem Generator 5 wird eine Generatorausgangsspannung erzeugt, die die Eingangswechselspannung der

Umrichteranordnung 1 ist. Die Umrichteranordnung 1 wandelt die Eingangswechselspannung in eine Ausgangswechselspannung mit einer Ausgangsfrequenz um, die mit der Netzfrequenz des Stromnetzes 7 übereinstimmt und sich von der Eingangsfrequenz der Eingangswechselspannung unterscheidet. Mit dem

eingangsseitigen direkten Umrichter 9 wird die

Eingangsfrequenz auf eine Zwischenfrequenz erhöht. Mit dem ausgangsseitigen direkten Umrichter 13 wird die

Zwischenfrequenz auf die Ausgangsfrequenz transformiert.

Beispielsweise beträgt die Eingangsfrequenz 50 Hz, die

Zwischenfrequenz beträgt 300 Hz und die Ausgangsfrequenz beträgt 60 Hz.

Figur 2 zeigt einen Schaltplan eines Schaltmoduls 27. Das Schaltmodul 27 weist eine Vollbrückenschaltung mit vier

Schalteinheiten 37 und einem in dem Brückenzweig der

Vollbrückenschaltung angeordneten Brückenzweigkondensator 39 auf. Jede Schalteinheit 37 weist einen Bipolartransistor 41 mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT = Insulated-Gate Bipolar Transistor) und eine dazu parallel geschaltete

Freilaufdiode 43 auf. Die Bipolartransistoren 41 werden durch eine nicht dargestellte Steuereinheit angesteuert.

Das in den Figuren gezeigte Ausführungsbeispiel einer

Umrichteranordnung 1 kann auf verschiedene Weisen abgewandelt werden. Beispielsweise können die Eingangsspulen 29

entfallen, wenn Wicklungen des Generators 5 ausreichende Induktivitäten aufweisen. Die Schaltzweigspulen 31 können entfallen, wenn Primärwicklungen der Transformatoren 11 ausreichende Induktivitäten aufweisen. Die Zwischenspulen 33 können entfallen, wenn Sekundärwicklungen der

Transformatoren 11 ausreichende Induktivitäten aufweisen. Die Ausgangsspulen 35 können entfallen, wenn Primärwicklungen der Koppeltransformatoren 23 ausreichende Induktivitäten

aufweisen. Ferner können die Schaltzweige 25 der

eingangsseitigen Umrichtereinheiten 17 und/oder die

ausgangsseitigen Umrichtereinheiten 21 von dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel abweichende Anzahlen von

Schaltmodulen 27 aufweisen, wobei diese Anzahlen den

gewünschten Ein- und Ausgangswechselspannungen und -strömen der Umrichteranordnung 1 angepasst werden.

Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte

Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Bezugs zeichenliste

I Umrichteranordnung

3 Turbine

5 Generator

7 Stromnetz

9 eingangsseitiger direkter Umrichter

II Transformator

13 ausgangsseitiger direkter Umrichter

15 Eingangsanschluss

17 eingangsseitige Umrichtereinheit

19 Ausgangsanschluss

21 ausgangsseitige Umrichtereinheit

23 Koppeltransformator

25 Schaltzweig

27 Schaltmodul

29 Eingangsspule

31 Schaltzweigspule

33 Zwischenspule

35 Ausgangsspule

37 Schalteinheit

39 Brückenzweigkondensator

41 Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode

43 Freilaufdiode