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Title:
MULTI-PHASE MULTI-STAGE POWER CONVERTER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/184671
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a multi-phase multi-stage power converter (MMC), comprising a phase module (PM1, PM2, PM3), which has a power converter module (UL, UH), which is formed from a plurality of two-pole sub-modules (SM) connected electrically in series, which have a) a plurality of semiconductor switches (HS), which are connected together in series, b) a stored energy source (C), which can be charged and discharged by the semiconductor switches (HS), c) a bypass switch (BPS), which short-circuits the stored energy source (C) when an associated first limit voltage is exceeded, and d) a signal input (SBS) for a blocking signal (BS), which opens all the semiconductor switches (HS) of the sub-module (SM). The aim of the invention is to protect the sub-modules of the power converter modules from overloading in a technically much simpler manner. This aim is achieved, according to the invention, in that a module arrester (MA) is connected in parallel with the power converter module (UL, UH), which module arrester limits the power converter voltage in the manner of a valve when a second limit voltage is exceeded, in that the module arrester (MA) operates in the blocking mode below the second limit voltage and in the conducting mode above the second limit voltage, a current that limits the power converter voltage flowing through the module arrester (MA) in the conducting mode.

Inventors:
STANKEWITZ, Jan Christoph (Münchberger Str. 5, Nürnberg, 90411, DE)
STARSCHICH, Ewgenij (Brahmsstr. 8, Wilhermsdorf, 91452, DE)
VOR DEM BERGE, Markus (Ludwig-Feuerbach Str. 67, Nürnberg, 90489, DE)
Application Number:
EP2017/058099
Publication Date:
October 11, 2018
Filing Date:
April 05, 2017
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Werner-von-Siemens-Straße 1, München, 80333, DE)
International Classes:
H02M1/32; H02H7/122; H02H9/04; H02M7/483
Foreign References:
CN103063903A2013-04-24
US20140226374A12014-08-14
EP3068008A12016-09-14
EP2595302A12013-05-22
EP0234368A11987-09-02
Other References:
None
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Claims:
Patentansprüche

1. Mehrphasiger Mehrstufenstromrichter (MMC) ,

mit einem Phasenmodul (PM1, PM2, PM3) , das ein Stromrichter- modul (UL, UH) aufweist, das aus einer Vielzahl von elekt¬ risch in Reihe geschalteten zweipoligen Sub-Modulen (SM) gebildet ist, die aufweisen

a) mehrere Halbleiterschalter (HS) , die in Reihe zusammenge¬ schaltet sind,

b) einen Energiespeicher (C) , der von den Halbleiterschaltern (HS) aufladbar und entladbar ist,

c) einen Bypass-Schalter (BPS) , der den Energiespeicher (C) bei Überschreitung einer zugehörigen ersten Grenzspannung kurzschließt,

d) einen Signaleingang (SBS) für ein Blockiersignal (BS) , welches alle Halbleiterschalter (HS) des Sub-Moduls (SM) öff¬ net,

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

dass parallel zum Stromrichtermodul (UL, UH) ein

Modulabieiter (MA) geschaltet ist, der die Stromrichterspannung bei Überschreitung einer zweiten Grenzspannung nach Art eines Ventils begrenzt, indem der Modulabieiter (MA) unterhalb der zweiten Grenzspannung im Sperrmodus und oberhalb der zweiten Grenzspannung im Durchlassmodus arbeitet, wobei im Durchlassmodus ein die Stromrichterspannung begrenzender Strom durch den Modulabieiter (MA) fließt.

2. Mehrstufenstromrichter 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 die zweite Grenzspannung kleiner als die Summe der ers¬ ten Grenzspannungen der Sub-Module (SM) ist, so dass ein Zünden der Bypass-Schalter (BPS) sicher verhindert ist.

3. Mehrstufenstromrichter nach Anspruch 1 oder 2,

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

dass der Modulabieiter (MA) ohne Gehäuse ausgeführt ist.

4. Mehrstufenstromrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass der Modulabieiter (MA) als High Cooling Arrester ausgeführt ist.

5. Mehrstufenstromrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass jedes Stromrichtermodul (UL, UH) aus höchstens zwei Stromrichtertürmen (UT1, UT2) ausgebildet ist.

6. Mehrstufenstromrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass der Modulabieiter (MA) in hängender oder stehender Ausführung neben einem Stromrichterturm (UT1, UT2) oder zwischen den Stromrichtertürmen (UT1, UT2) eingebaut ist.

Description:
Beschreibung

Mehrphasiger Mehrstufenstromrichter Die Erfindung betrifft einen mehrphasigen Mehrstufenstromrichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

An ein mehrphasiges Wechselstromnetz angeschlossene Stromrichterstationen zur Erzeugung einer Spannungsversorgung mit einer Gleichspannung (DC-Spannung) im Hochspannungsbereich sind bekannt. Eine Stromrichterstation umfasst einen Trans ¬ formator, an den primärseitig das Wechselstromnetz angeschlossen ist. Das Wechselstromnetz ist mittels eines AC- Leistungsschalters durch ein Ausschaltsignal (ESOF-Signal , ESOF: Emergency Switch OFF) abschaltbar. Sekundärseitig sind die Wicklungen des Transformators wahlweise in Dreieckschal ¬ tung oder in Sternschaltung mit einem Sternpunkt geschaltet und an einen Stromrichter angeschlossen, oft in Form eines mehrphasigen Mehrstufenstromrichters (auch abgekürzt MMC : Mo- dular Multilevel Converter) . An dessen Wechselspannungs- Anschlüssen (AC-Anschlüssen) liegen die sekundärseitigen Wechselspannungen (AC-Spannungen) des Transformators an, und an den beiden Gleichspannungs-Anschlüssen (DC-Anschlüssen) des Mehrstufenstromrichters steht die Gleichspannung (DC- Spannung) zur Verfügung.

Der mehrphasige Mehrstufenstromrichter verfügt für jede Phase über ein Phasenmodul mit einem der AC-Anschlüsse . An jedem Phasenmodul sind zwei Stromrichtermodule angeschlossen, die jeweils in Serie mit einer Induktivität geschaltet sind.

Jedes Stromrichtermodul ist aus einer Vielzahl von elektrisch in Reihe geschalteten zweipoligen Sub-Modulen gebildet, die folgendes aufweisen: a) mehrere Halbleiterschalter z.B. in Form von IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), die in Reihe zusammengeschaltet sind, b) einen Energiespeicher in Form eines Kondensators, der von den Halbleiterschaltern auf- ladbar und entladbar ist, c) einen Bypass-Schalter, der den Energiespeicher bei Überschreitung einer zugehörigen Grenzspannung kurzschließt, d) einen Signaleingang für ein

Blockiersignal, welches (z.B. im Fehlerfall) alle Halbleiter- Schalter öffnet.

Die Halbleiterschalter können als Vollbrückenschaltung (VSC- Vollbrückenschaltung, VSC: Voltage Sourced Converter) oder Halbbrückenschaltung (VSC-Halbbrückenschaltung) ausgeführt sein.

Die zum Schutz der Sub-Module vorgesehenen Bypass-Schalter sind zwischen den Anschlussklemmen der Sub-Module angeordnet und überbrücken das jeweils zugehörige Sub-Modul bei Über- schreitung der Grenzspannung.

Eine Schutzfunktion des Mehrstufenstromrichters detektiert jeweils den durch die Stromrichtermodule fließenden Strom. Schwerwiegende stromrichterinterne Kurzschlüsse werden typi- scherweise anhand von auftretenden Fehlerströmen erkannt.

Zum Schutz des Stromrichters werden die Sub-Module beim Auf ¬ treten solcher Fehlerströme mittels eines Blockiersignals blockiert (die Halbleiter geöffnet) und das Wechselstromnetz durch den AC-Leistungsschalter mittels Ausschaltsignal (ESOF- Signal) abgeschaltet.

Nachteilig ist dabei, dass in der Zeit (vom Blockieren der Sub-Module bis zum Öffnen des AC-Leistungsschalters ) die Dif- ferenz zwischen der DC Spannung und der aufgeprägte AC-

Spannung über den Stromrichtermodulen anliegt. Dies führt zu einem Aufladen der Kondensatoren der Sub-Module; abhängig von der Höhe und Dauer der anliegenden Spannungsdifferenz kann es zu einer Spannungsüberhöhung kommen, die mit einer Über- schreitung der zulässigen Spannung (der Grenzspannung) bei einem oder mehreren Sub-Modulen verbunden sein kann. Eine Überschreitung der Grenzspannung eines Sub-Moduls aufgrund der Überladung führt jeweils zur Auslösung des integrierten Bypass-Schalters des Sub-Moduls, das damit ausfällt, d.h. ei ¬ ne Überladung kann zum Ausfall mehrerer oder sogar aller SubModule eines Stromrichtermoduls führen.

Eine Möglichkeit die Stromrichtermodule vor einer Überladung und der damit verbundenen Gefahr der Zündung der integrierten Bypass-Schalter zu schützen, besteht darin, die Anzahl der Sub-Module in den Stromrichtermodulen soweit zu erhöhen, dass die zulässigen Spannungen (die Grenzspannungen) der SubModule mit hoher Sicherheit nicht überschritten werden. Diese Lösung ist technisch sehr aufwendig, zumal die zusätzlichen Sub-Module viel Platz benötigen. Allerdings funktioniert die ¬ se Lösung sowohl bei VSC-Vollbrücken-Stromrichtern als auch bei VSC-Halbbrücken-Stromrichtern .

Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Sub-Module der Strom ¬ richtermodule vor einer Überladung und der damit verbundenen Gefahr einer Zündung der integrierten Bypass-Schalter zu schützen, die neben VSC-Halbbrücken-Stromrichtern auch für VSC-Vollbrücken-Stromrichter geeignet ist.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst; die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen dar.

Die Lösung sieht vor, dass parallel zum Stromrichtermodul ein Modulabieiter geschaltet ist, der die Stromrichterspannung bei Überschreitung einer zweiten Grenzspannung nach Art eines Ventils begrenzt, indem der Modulabieiter unterhalb der zwei- ten Grenzspannung im Sperrmodus und oberhalb der zweiten

Grenzspannung im Durchlassmodus arbeitet, wobei im Durchlass ¬ modus ein die Stromrichterspannung begrenzender Strom durch den Modulabieiter fließt. Ein Zünden der Bypass-Schalter lässt sich sicher verhindern, wenn die zweite Grenzspannung kleiner als die Summe der ers- ten Grenzspannungen der Sub-Module ist, so dass ein Zünden der Bypass-Schalter sicher verhindert ist.

Zweckmäßigerweise ist der Modulabieiter als High Cooling Arrester ausgeführt. Der High Cooling Arrester wird ohne Gehäuse ausgeführt, wodurch eine bessere Kühlung und somit eine höhere Wärmeabfuhrt erzielt wird.

Baulich platzsparend ist es, wenn jedes Stromrichtermodul höchstens aus zwei Stromrichtertürmen gebildet ist. Eine Kon ¬ figuration mit mehr als zwei Stromrichtertürmen ist baulich zwar realisierbar, aber nicht platzsparend.

Zweckmäßigerweise ist der Modulabieiter weiter in hängender oder stehender Ausführung neben einem Stromrichterturm oder zwischen den Stromrichtertürmen eingebaut.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 zeigt schematisch eine elektrische Schaltung ei ¬ ner Stromrichterstation mit einem dreiphasigen Mehrstufenstromrichter,

Fig. 2 ein Stromrichtermodul des Mehrstufenstromrichters gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein Sub-Modul mit speziellen Leistungshalbleiterbauelementen IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) in Vollbrückenschaltung,

Fig. 4 ein Sub-Modul mit speziellen Leistungshalbleiterbauelementen IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) in Halbbrückenschaltung, Fig. 5 eine Vorderansicht einer bauliche Anordnung eines

Stromrichtermoduls mit zwei Stromrichtertürmen und einem Modulabieiter und

Fig. 6 eine Draufsicht der baulichen Anordnung gemäß

Fig. 5.

Fig. 1 zeigt schematisch eine elektrische Schaltung 1 einer Stromrichterstation, die aus einer dreiphasigen Wechselspan- nung eines Wechselstromnetzes eine DC-Spannung (Gleichspan ¬ nung) erzeugt. Dazu sind die drei Phasen PI, P2, P3 des Wech ¬ selstromnetzes primärseitig an einen Transformator T ange ¬ schlossen. Über einen Hauptschalter ACS lassen sich die drei Phasen PI, P2, P3 mit dem Transformator T verbinden und vom Transformator T trennen.

Die drei sekundärseitigen Wicklungen Wl, W2, W3 des Transformators T sind hier in Sternschaltung geschaltet. Die Wicklungen Wl, W2, W3 sind jeweils mit einem von drei eingangsseitigen AC-Anschlüssen AC (oder entsprechend AC1, AC2, AC3 für die drei einzelnen AC-Anschlüsse) eines mehrpha ¬ sigen Mehrstufenstromrichters MMC verbunden, der ausgangssei- tig zwei an Gleichstrom-Sammelschienen angeschlossene gemein- same DC-Anschlüsse DC (oder entsprechend DC+, DC-) aufweist, an denen eine Spannung DC (als Spannungsversorgung) zur Verfügung steht. Der DC-Anschluss DC+ ist der positive Pol und der DC-Anschluss DC- der negative Pol der DC-Spannung. Der Stromrichter MMC verfügt über drei Phasenmodule PMl, PM2, PM3 mit jeweils einem der drei AC-Anschlüsse AC1, AC2, AC3. Die Phasenmodule PMl, PM2, PM3 sind parallel geschaltet und mit den beiden gemeinsamen DC-Anschlüssen DC+, DC- verbunden.

Jedes Phasenmodul PMl, PM2, PM3 umfasst zwei in Reihe ge ¬ schaltete Stromrichtermodule UL, UH (oder entsprechend ULI, UH1, UL2 , UH2, UL3, UH3; für die hier gezeigte Bipolkonfiguration steht H hier für High und L für Low) , die jeweils über eine Induktivität L mit einem der beiden DC- Anschlüsse DC+, DC- verbunden sind und zwischen denen der AC- Anschluss AC1, AC2, AC3 angeordnet ist.

Fig. 2 zeigt schematisch, dass jedes Stromrichtermodul UL, UH aus einer Vielzahl von elektrisch in Reihe geschalteten zweipoligen Sub-Modulen SM gebildet ist. Die Sub-Module SM weisen gesteuerte Halbleiterschalter HS auf, die hier aus Leistungs- halbleiterbauelementen IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) gebildet sind. Die Halbleiterschalter HS sind weiter in Vollbrückenschaltung (VSC-Vollbrückenschaltung, VSC: Voltage Sourced Converter) ausgeführt, können aber auch in Halbbrü ¬ ckenschaltung (VSC-Halbbrückenschaltung) ausgeführt sein. Weiter ist jeweils ein Energiespeicher C in Form eines Kondensators vorhanden, der von den Halbleiterschaltern HS aufladbar und entladbar ist. Ein Bypass-Schalter BS schließt das Sub-Modul SM bei Überschreitung einer zugehörigen Sub-Modul- Grenzspannung (der ersten Grenzspannung) kurz.

Über einen Signaleingang SBS für ein Blockiersignal BS lassen sich die Halbleiterschalter HS des Sub-Moduls SM öffnen (blockieren) . Fig. 3 zeigt ein Sub-Modul SM mit speziellen Leistungshalb ¬ leiterbauelementen IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) in Vollbrückenschaltung; Fig. 4 in Halbbrückenschaltung.

Wie Fig. 1 weiter zeigt, ist parallel zu jedem Stromrichter- modul UL, UH ein Modulabieiter MA geschaltet, der als

Überspannungsabieiter die Stromrichterspannung VU, also die Spannung am Stromrichtermodul, bei Überschreitung einer

Stromrichtermodul-Grenzspannung (der zweiten Grenzspannung) nach Art eines Ventils begrenzt, indem der Modulabieiter MA oberhalb der zweiten Grenzspannung im Sperrmodus und unterhalb der zweiten Grenzspannung im Durchlassmodus arbeitet, in dem ein die Stromrichterspannung VU begrenzender Strom durch den Modulabieiter MA fließt.

Ein Stromsensor SIH, SIL (oder entsprechend SIH1, SIH2, SIH3, SIL1, SIL2, SIL3) des Mehrstufenstromrichters MMC detektiert den durch das jeweilige Stromrichtermodul UL, UH fließenden Strom IH, IL (oder entsprechend IH1, IH2, IH3, IL1, IL2, IL3) . Der Strom IH, IL der Stromsensoren SIH, SIL wird von einer Überwachungseinheit UE überwacht.

Im Fehlerfall, z.B. bei schwerwiegenden stromrichterinternen Kurzschlüssen, gibt die Überwachungseinheit UE Blockiersigna ¬ le BS an die Sub-Module SM und ein Ausschaltsignal ESOF an den AC-Leistungsschalter ACS aus, so dass alle Halbleiter- Schalter HS der Sub-Module und der AC-Leistungsschalter ACS geöffnet werden.

In der Zeit, d.h. vom Offnen der Sub-Module SM bis zum Offnen des AC-Leistungsschalters ACS, liegt die AC-seitig aufgepräg- te Wechselspannung AC1, AC2, AC3 (d.h. eine Spannungsdiffe ¬ renz) an den Stromrichtermodulen UL, UH (beispielsweise für ca. 120 ms) an. In dieser Zeit werden die Energiespeicher C der Sub-Module SM aufgeladen, wodurch sich die Spannung VU am Stromrichtermodul UL, UH und entsprechend an den Sub-Modulen SM erhöht.

Eine Überschreitung der Submodul-Grenzspannung durch Überladung wird durch den Modulabieiter MA verhindert, der die Spannung am Stromrichtermodul UM nicht über die Stromrichter- modul-Grenzspannung steigen lässt, die dividiert durch die Anzahl der Sub-Module SM des Stromrichtermoduls UM kleiner als die Submodul-Grenzspannung ist, so dass die Bypass- Schalter BS in der Zeit bis zum Öffnen des AC-Leistungsschal ¬ ters ACS nicht auslösen, d.h. durch den Modulabieiter MA kommt es nicht mehr zu einem Ausfall von Sub-Modulen SM durch Zünden der Bypass-Schalter BS infolge einer Überladung. Der Modulabieiter ist elektrisch also so ausgelegt, dass bis zum Blockierzeitpunkt nahezu keine Ströme in den Modulablei- ter fließen und gleichzeitig die Submodul-Grenzspannung (die maximal erlaubte transiente Spannung) pro Sub-Modul SM nicht überschritten wird. Vom Blockierzeitpunkt an setzt der Mo- dulableiter MA die damit verbundene Energie in kürzester Zeit in Wärme um. Aufgrund des geringen Spannungsabstandes zwi ¬ schen der Spannung zum Blockierzeitpunkt und der Grenzspannung erfolgt die Ausführung mit einem High Cooling Arrester (HCA) .

Fig. 5 zeigt eine Vorderansicht der baulichen Anordnung eines Stromrichtermoduls UM, die aus zwei Stromrichtertürmen UT1, UT2 gebildet ist. Jeder Stromrichterturm UT1, UT2 weist unten eine Stützkonstruktion SK zum elektrisch isolierten Aufständern einer vertikalen Rahmenkonstruktion RK mit übereinander angeordneten Etagen ET auf einem festen Untergrund.

Die Rahmenkonstruktion RK verfügt bezogen auf Fig.3 auf der linken Seite über drei Etagen ET und auf der rechten Seite über vier Etagen ET, in denen jeweils Sub-Module SM des

Stromrichtermoduls UM entsprechend der Reihenfolge in der Reihenschaltung seitlich nebeneinander angeordnet und elektrisch miteinander verbunden sind. Die Sub-Modul-Reihen unmit- telbar benachbarter Etagen eines einzelnen Stromrichterturms UT1, UT2 als auch die beiden Stromrichtertürme UT1 und UT2 sind zur Bildung der Gesamt-Reihenschaltung ebenfalls elektrisch entsprechend verbunden. Oberhalb und unterhalb der drei bzw. vier Etagen ET befinden sich Rohrrahmen RR als Abschirmung.

Die Stützkonstruktion weist Stützelemente SE und Spannseile SS auf, welche der Stützkonstruktion SK eine hinreichende Stabilität und Elastizität gegenüber Erschütterungen geben. Über Schläuche KS wird den Sub-Modulen SM zur Kühlung ein Kühlmittel zugeführt. Zwischen den beiden Stromrichtertürmen UTl, UT2 ist ein

Modulabieiter MA angeordnet, hier beispielhaft in hängender Ausführung; grundsätzlich ist auch eine stehende Ausführung möglich. Der Modulabieiter MA ist zu seiner besseren Kühlung und damit zur Verbesserung seiner thermischen Stabilität als High Cooling Arrester (Überspannungsabieiter) und somit ohne Gehäuse ausgeführt. Fig. 6 zeigt die zu Fig. 5 gehörige Draufsicht auf das Strom ¬ richtermodul UM mit den beiden Stromrichtertürme UTl, UT2 und dem Modulabieiter MA. Man erkennt, dass jeder der Stromrichtertürme UTl, UT2 aus je zwei Halbtürmen UTla, UTlb, UT2a, UT2b aufgebaut ist.

Wie man in Fig. 3 und 4 sieht, sind die beiden Stromrichtertürme UTl, UT2 nebeneinander angeordnet. Der Modulabieiter MA befindet sich seitlich unmittelbar neben jedem der beiden Stromrichtertürme UTl, UT2 und hier bei zwei Stromrichtertür- men UTl, UT2 unmittelbar zwischen den beiden Stromrichtertürme UTl, UT2. Unmittelbar neben einem Stromrichterturm UTl, UT2 in dem Sinne, dass keine weiteren elektrischen Komponenten dazwischen angeordnet sind.