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Title:
POWER CONVERTER HAVING A BRIDGING ELEMENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/041369
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a power converter (1), comprising a plurality of modules (1_1 … 1_6), which each have at least two electronic switching elements (202, 206) and a stored electrical energy source (210). The modules (1_1 … 1_6) are arranged in an electrical series circuit (506), wherein a bridging element (520) for bridging the series circuit (506) is associated with the series circuit (506).

Inventors:
BÖHME, Daniel (Jochensteinstraße 42, Nürnberg, 90480, DE)
KÜBEL, Thomas (Von-Lentersheim-Str. 11a, Erlangen, 91056, DE)
PIERSTORF, Steffen (Karlsruher-Str. 20, Nürnberg, 90443, DE)
SCHMITT, Daniel (Dallingerstraße 4 c, Nürnberg, 90459, DE)
SCHREMMER, Frank (Magnolienweg 19, Fürth, 90768, DE)
STOLTZE, Torsten (Adam-Kraft-Str. 24, Herzogenaurach, 91074, DE)
WAHLE, Marcus (Vacher Straße 23, Fürth, 90766, DE)
Application Number:
EP2016/070830
Publication Date:
March 08, 2018
Filing Date:
September 05, 2016
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Werner-von-Siemens-Straße 1, München, 80333, DE)
International Classes:
H02M7/483; H02H7/12; H02M1/32
Foreign References:
EP3001552A12016-03-30
US20160013716A12016-01-14
DE202016104020U12016-08-02
EP2993771A22016-03-09
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Claims:
Patentansprüche

1. Stromrichter (1) mit einer Mehrzahl von Modulen (1_1 ... 1_6) , die jeweils mindestens zwei elektronische

Schaltelemente (202, 206) und einen elektrischen

Energiespeicher (210) aufweisen, wobei die Module (1_1 ... 1_6) in einer elektrischen Reihenschaltung (506) angeordnet sind, und wobei der Reihenschaltung (506) ein Überbrückungselement (520) zum Überbrücken der Reihenschaltung (506) zugeordnet ist .

2. Stromrichter 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

- das Überbrückungselement (520) parallel zu der

Reihenschaltung (506) geschaltet ist.

3. Stromrichter 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

- das Überbrückungselement (520) mindestens ein steuerbares

Leistungshalbleiter-Bauelement (535) , insbesondere mindestens einen Thyristor (535), aufweist.

4. Stromrichter 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

- das Überbrückungselement (520) mehrere steuerbare

Leistungshalbleiter-Bauelemente (535) , insbesondere mehrere Thyristoren (535) , aufweist, die in einer elektrischen

Reihenschaltung (540) angeordnet sind.

5. Stromrichter nach Anspruch 3 oder 4,

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

- die Thyristoren lichtgesteuerte Thyristoren (535) sind. 6. Stromrichter 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

- der elektrische Energiespeicher ein Kondensator (210) ist.

7. Stromrichter 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

- die zwei elektronischen Schaltelemente (202, 206) der

Module (1_1 ... 6_n) in einer Halbbrückenschaltung angeordnet sind.

8. Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage (301) mit einem Stromrichter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7. 9. Verfahren zum Überbrücken von Modulen (1_1 ... 1_6) eines Stromrichters (1), der eine Mehrzahl solcher Module (1_1 ... 1_6) aufweist, die jeweils mindestens zwei elektronische Schaltelemente (202, 206) und einen elektrischen

Energiespeicher (210) aufweisen, wobei die Module (1_1 ... 1_6) in einer elektrischen Reihenschaltung (506) angeordnet sind, wobei bei dem Verfahren

- auf ein Überbrückungssignal (525) hin mittels eines der Reihenschaltung (506) zugeordneten Überbrückungselements (520) die Reihenschaltung (506) elektrisch überbrückt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9,

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

- mittels des Überbrückungselements (520) die Module (1_1 ... 1_6) der Reihenschaltung (506) gleichzeitig überbrückt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10,

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

- als Überbrückungssignal (525) ein optisches

Überbrückungssignal (525) erzeugt wird, und

- dieses Überbrückungssignal (525) über eine optische

Kommunikationsverbindung (530) zu dem Überbrückungselement (520) übertragen wird. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11,

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

- das Überbrückungselement (520) in einer Reihenschaltung (540) mehrere steuerbare Leistungshalbleiter-Bauelemente (535) , insbesondere mehrere Thyristoren (535) , aufweist, die mittels des Überbrückungssignals (525) aktiviert werden.

Description:
Beschreibung

STROMRICHTER MIT ÜBERBRÜCKUNGSELEMENT

Die Erfindung betrifft einen Stromrichter mit einer Mehrzahl von Modulen, die jeweils mindestens zwei elektronische

Schaltelemente und einen elektrischen Energiespeicher aufweisen, wobei die Module in einer elektrischen

Reihenschaltung angeordnet sind. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Überbrücken von Modulen eines Stromrichters .

Stromrichter sind leistungselektronische Schaltungen zum Umwandeln von elektrischer Energie. Mit Stromrichtern kann Wechselstrom in Gleichstrom, Gleichstrom in Wechselstrom, Wechselstrom in Wechselstrom anderer Frequenz und/oder

Amplitude oder Gleichstrom in Gleichstrom anderer Spannung umgewandelt werden. Stromrichter können eine Vielzahl der oben genannten gleichartigen Module (die auch als Submodule bezeichnet werden) aufweisen, welche elektrisch in Reihe geschaltet sind. Solche Stromrichter werden als modulare Multilevelstromrichter bezeichnet und gehören zu den VSC- Stromrichtern (VSC = voltage sourced Converter) . Durch die elektrische Reihenschaltung der Module lassen sich hohe Ausgangsspannungen erreichen. Die Stromrichter sind einfach an unterschiedliche Spannungen anpassbar (skalierbar) und eine gewünschte Ausgangsspannung kann relativ genau erzeugt werden. Modulare Multilevelstromrichter werden oftmals im Hochspannungsbereich eingesetzt, beispielsweise als

Stromrichter bei Hochspannungs-Gleichstrom- Übertragungsanlagen .

Bei Auftreten von Fehlern, insbesondere bei Auftreten von Kurzschlüssen auf der Gleichspannungsseite des Stromrichters kann es zu hohen Fehlerströmen kommen, die über die Module fließen. Um die elektronischen Schaltelemente oder zu diesen Schaltelementen antiparallel geschaltete Freilaufdioden vor diesen Fehlerströmen zu schützen, ist es denkbar, parallel z jedem Modul einen Thyristor zu schalten, der im Fehlerfall gezündet wird und dann das Modul überbrückt. Allerdings würden dann für jedes Modul ein zusätzlicher Thyristor und eine zuverlässige, auch für die hohen Fehlerströme geeignete elektrische Verbindung zwischen dem Thyristor und den

Modulanschlüssen benötigt werden. Dies würde einen

beträchtlichen Aufwand verursachen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stromrichter und ein Verfahren anzugeben, die einen einfachen und

zuverlässigen Schutz vor Fehlerströmen ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen

Stromrichter und durch ein Verfahren nach den unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausführungsformen des

Stromrichters und des Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.

Offenbart wird ein Stromrichter mit einer Mehrzahl von

(zweipoligen) Modulen, die jeweils mindestens zwei

elektronische Schaltelemente und einen elektrischen

Energiespeicher aufweisen, wobei die Module in einer

elektrischen Reihenschaltung (Modul-Reihenschaltung)

angeordnet sind, wobei der Reihenschaltung ein

Überbrückungselement zum Überbrücken der Reihenschaltung zugeordnet ist. Der Stromrichter kann ein modularer

Multilevelstromrichter sein. Das Überbrückungselement überbrückt auf ein Überbrückungssignal hin die

Reihenschaltung elektrisch. Der Stromrichter kann im

Allgemeinen mehrere Reihenschaltungen von Modulen aufweisen. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass ein einziges

Überbrückungselement zum Überbrücken der gesamten

Reihenschaltung vorgesehen ist. Dadurch wird nicht bei jedem Modul ein eigenes Überbrückungselement benötigt, sondern es reicht ein (zentrales) Überbrückungselement für die

Reihenschaltung aus mehreren Modulen aus. Ein einziges

Überbrückungselement reicht also aus, um die Module der Reihenschaltung vor einem Fehlerstrom bzw. Überstrom zu schützen. Dabei ist vorteilhaft, dass in den einzelnen

Modulen kein zusätzlicher Montageaufwand für ein

modulinternes Überbrückungselement anfällt. Das

Überbrückungselement wird lediglich an zwei Punkten, nämlich an einem Anfangskontakt der Reihenschaltung und an einem Endkontakt der Reihenschaltung mit der Reihenschaltung verbunden. Dadurch gibt es auch nur zwei elektrische

Kontaktstellen, auf denen eine gute elektrische Verbindung zwischen dem Überbrückungselement und der Reihenschaltung sichergestellt werden sollte.

Der Stromrichter kann so ausgestaltet sein, dass das

Überbrückungselement parallel zu der Reihenschaltung

geschaltet ist. Damit kann vorteilhafterweise ein

auftretender Überstrom parallel an der Reihenschaltung vorbeigeleitet werden.

Der Stromrichter kann auch so ausgestaltet sein, dass das Überbrückungselement mindestens ein steuerbares

Leistungshalbleiter-Bauelement, insbesondere mindestens einen Thyristor, aufweist. Wenn das steuerbare Leistungshalbleiter- Bauelement eingeschaltet wird (insbesondere wenn der

Thyristor eingeschaltet (d.h. gezündet) wird), dann ist das Überbrückungselement aktiv und dadurch in der Lage, einen auftretenden Überstrom an der Reihenschaltung der Module vorbeizuleiten. Ein Thyristor ist deshalb besonders

vorteilhaft, weil dieser besonders schnell eingeschaltet (gezündet) werden kann, und dadurch die Schutzfunktion des Überbrückungselements im Bedarfsfall sehr schnell wirksam werden kann.

Der Stromrichter kann auch so ausgestaltet sein, dass das Überbrückungselement mehrere steuerbare Leistungshalbleiter- Bauelemente, insbesondere mehrere Thyristoren, aufweist, die in einer elektrischen Reihenschaltung (Bauelement- Reihenschaltung, Thyristor-Reihenschaltung) angeordnet sind. Mittels einer derartigen Reihenschaltung von

Leistungshalbleiter-Bauelementen (beziehungsweise mittels einer derartigen Reihenschaltung von Thyristoren) lässt sich ein Überbrückungselement realisieren, das auch bei hohen Spannungen zuverlässig funktioniert. Eine derartige

Reihenschaltung von Leistungshalbleiter-Bauelementen oder Thyristoren ist daher insbesondere im Hochspannungsbereich vorteilhaft .

Der Stromrichter kann auch so ausgestaltet sein, dass der mindestens eine Thyristor ein lichtgesteuerter Thyristor bzw. lichtgesteuerte Thyristoren (LTT - light triggered thyristor) sind. Lichtgesteuerte Thyristoren sind besonders vorteilhaft, weil diese mittels eines optischen Überbrückungssignals eingeschaltet (gezündet) werden können. Ein optisches

Überbrückungssignal lässt sich vorteilhafterweise einfach potentialgetrennt zwischen einer Steuereinrichtung und dem

Thyristor/den Thyristoren übertragen, beispielsweise mittels einem Lichtwellenleiter.

Der Stromrichter kann auch so ausgestaltet sein, dass der elektrische Energiespeicher ein Kondensator ist. Dieser

Kondensator ist vorzugsweise ein unipolarer Kondensator.

Der Stromrichter kann auch so ausgestaltet sein, dass die zwei elektronischen Schaltelemente der Module in einer

Halbbrückenschaltung angeordnet sind (wobei die zwei

elektronischen Schaltelemente eine elektrische Schaltelement- Reihenschaltung bilden und diese Schaltelement- Reihenschaltung parallel zu dem Energiespeicher geschaltet ist) . Eine derartige elektronische Schaltung ist

beispielsweise in sogenannten Halbbrücken-Modulen (auch als Halbbrücken-Modulen bezeichnet) eines modularen

MultilevelStromrichters enthalten .

Offenbart werden weiterhin eine Hochspannungs-Gleichstrom- Übertragungsanlage mit einem Stromrichter nach einer der vorstehend beschriebenen Varianten. Offenbart wird weiterhin ein Verfahren, zum Überbrücken von Modulen eines Stromrichters, der eine Mehrzahl solcher

(zweipoliger) Module aufweist, die jeweils mindestens zwei elektronische Schaltelemente und einen elektrischen

Energiespeicher aufweisen, wobei die Module in einer

elektrischen Reihenschaltung (Modul-Reihenschaltung)

angeordnet sind, wobei bei dem Verfahren

- auf ein Überbrückungssignal hin mittels eines der

Reihenschaltung zugeordneten Überbrückungselements die

Reihenschaltung elektrisch überbrückt wird (so dass nach der Überbrückung elektrischer Strom unter Umgehung der

Reihenschaltung durch das Überbrückungselement geleitet wird . ) Bei diesem Verfahren wird vorteilhafterweise auf das

Überbrückungssignal hin mittels des Überbrückungselements die (komplette) Reihenschaltung elektrisch überbrückt. Ein einziges Überbrückungselement reicht also aus, um die Module der Reihenschaltung vor einem Fehlerstrom bzw. Überstrom zu schützen.

Das Verfahren kann so ablaufen, dass mittels des

Überbrückungselements die Module (sämtliche Module) der Reihenschaltung gleichzeitig überbrückt werden.

Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass

- als Überbrückungssignal ein optisches Überbrückungssignal erzeugt wird, und

- dieses Überbrückungssignal über eine optische

Kommunikationsverbindung (zum Beispiel über eine

Signalleitung) zu dem Überbrückungselement übertragen wird.

Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass das

Überbrückungselement in einer elektrischen Reihenschaltung (Bauelement-Reihenschaltung, Thyristor-Reihenschaltung) mehrere steuerbare Leistungshalbleiter-Bauelemente,

insbesondere mehrere Thyristoren, aufweist, die mittels des Überbrückungssignals (zeitlich parallel, gleichzeitig) aktiviert (eingeschaltet, gezündet) werden.

Der beschriebene Stromrichter und das beschriebene Verfahren weisen gleiche beziehungsweise gleichartige Vorteile auf.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs ¬ beispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen verweisen dabei auf gleiche oder gleich wirkende Elemente. Dazu ist in

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines Stromrichters, der eine Vielzahl von Modulen aufweist, in

Figur 2 ein Ausführungsbeispiel eines Moduls, in

Figur 3 ein Ausführungsbeispiel einer Hochspannungs- Gleichstrom-Übertragungsanlage, in

Figur 4 ein Ausführungsbeispiel eines Moduls mit einem

Thyristor, in

Figur 5 ein Ausführungsbeispiel einer Reihenschaltung von Modulen mit einem Überbrückungselement , in Figur 6 das Ausführungsbeispiel der Figur 5 in einer vereinfachten Darstellung, in

Figur 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer

Reihenschaltung von Modulen mit einem

Überbrückungselement, in

Figur 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer

Reihenschaltung von Modulen mit einem

Überbrückungselement und in

Figur 9 ein beispielhafter Ablauf eines Verfahrens zum

Überbrücken von Modulen eines Stromrichters dargestellt

In Figur 1 ist ein Stromrichter 1 in Form eines modularen Multilevelstromrichters 1 (modular multilevel Converter, MMC) dargestellt. Dieser Multilevelstromrichter 1 weist einen ersten Wechselspannungsanschluss 5, einen zweiten Wechsel- spannungs-ianschluss 7 und einen dritten Wechselspannungs ¬ anschluss 9 auf. Der erste Wechselspannungsanschluss 5 ist elektrisch mit einem ersten Phasenmodulzweig 11 und einem zweiten Phasenmodulzweig 13 verbunden. Der erste Phasenmodulzweig 11 und der zweite Phasenmodulzweig 13 bilden ein erstes Phasenmodul 15 des Stromrichters 1. Das dem ersten Wechselspannungsanschluss 5 abgewandte Ende des ersten

Phasenmodulzweigs 11 ist mit einem ersten Gleichspannungs- anschluss 16 elektrisch verbunden; das dem ersten

Wechselspannungsanschluss 5 abgewandte Ende des zweiten

Phasenmodulzweigs 13 ist mit einem zweiten

Gleichspannungs-ianschluss 17 elektrisch verbunden. Der erste Gleichspannungs-ianschluss 16 ist ein positiver

Gleichspannungsanschluss ; der zweite Gleichspannungsanschluss 17 ist ein negativer Gleichspannungsanschluss. Der zweite Wechselspannungsanschluss 7 ist mit einem Ende eines dritten Phasenmodulzweigs 18 und mit einem Ende eines vierten Phasenmodulzweigs 21 elektrisch verbunden. Der dritte Phasenmodulzweig 18 und der vierte Phasenmodulzweig 21 bilden ein zweites Phasenmodul 24. Der dritte Wechsel- spannungs-ianschluss 9 ist mit einem Ende eines fünften

Phasenmodulzweigs 27 und mit einem Ende eines sechsten

Phasenmodulzweigs 29 elektrisch verbunden. Der fünfte

Phasenmodulzweig 27 und der sechste Phasenmodulzweig 29 bilden ein drittes Phasenmodul 31.

Das dem zweiten Wechselspannungsanschluss 7 abgewandte Ende des dritten Phasenmodulzweigs 18 und das dem dritten

Wechselspannungs-ianschluss 9 abgewandte Ende des fünften Phasenmodulzweigs 27 sind mit dem ersten Gleichspannungs- anschluss 16 elektrisch verbunden. Das dem zweiten Wechselspannungsanschluss 7 abgewandte Ende des vierten Phasen ¬ modulzweigs 21 und das dem dritten Wechselspannungsanschluss 9 abgewandte Ende des sechsten Phasenmodulzweigs 29 sind mit dem zweiten Gleichspannungsanschluss 17 elektrisch verbunden. Der erste Phasenmodulzweig 11, der dritte Phasenmodulzweig 18 und der fünfte Phasenmodulzweig 27 bilden ein positivseitiges Stromrichterteil 32; der zweite Phasenmodulzweig 13, der vierte Phasenmodulzweig 21 und der sechste Phasenmodulzweig 29 bilden ein negativseitiges Stromrichterteil 33.

Jeder Phasenmodulzweig weist eine Mehrzahl von Modulen (1_1, 1_2, 1_3, 1_4 ... l_n; 2_1 ... 2_n; usw.) auf, welche (mittels ihrer galvanischen Stromanschlüsse) elektrisch in Reihe geschaltet sind. Solche Module werden auch als Submodule bezeichnet. Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 weist jeder Phasenmodulzweig n Module auf. Die Anzahl der mittels ihrer galvanischen Stromanschlüsse elektrisch in Reihe geschalteten Module kann sehr verschieden sein, mindestens sind drei

Module in Reihe geschaltet, es können aber auch beispiels ¬ weise 50, 100 oder mehr Module elektrisch in Reihe geschaltet sein. Im Ausführungsbeispiel ist n = 36: der erste

Phasenmodulzweig 11 weist also 36 Module 1_1, 1_2, 1_3, ...

1_36 auf. Die anderen Phasenmodulzweige 13, 18, 21, 27 und 29 sind gleichartig aufgebaut.

Im linken Bereich der Figur 1 ist schematisch eine

Steuereinrichtung 35 für die Module 1_1 bis 6_n dargestellt. Von dieser zentralen Steuereinrichtung 35 werden optische Nachrichten bzw. optische Signale über eine optische

Kommunikationsverbindung 37 (zum Beispiel über einen

Lichtwellenleiter) zu den einzelnen Modulen übertragen. Die Nachrichtenübertragung zwischen der Steuereinrichtung und einem Modul ist jeweils symbolhaft durch eine Linie 37 dargestellt; die Richtung der Nachrichtenübertragung ist durch die Pfeilspitzen an den Linien 37 symbolisiert. Dies ist am Beispiel der Module 1_1, 1_4 und 4_5 dargestellt; zu den anderen Modulen werden auf die gleiche Art und Weise Nachrichten gesendet beziehungsweise von diesen Modulen

Nachrichten empfangen. Beispielsweise sendet die

Steuereinrichtung 35 an die einzelnen Module jeweils einen Sollwert zur Höhe der Ausgangsspannung, die das jeweilige Modul bereitstellen soll.

In Figur 2 ist beispielhaft der Aufbau eines Moduls 201 dargestellt. Dabei kann es sich beispielsweise um das Modul 1_1 des ersten Phasenmodulzweigs 11 (oder auch um eines der anderen in Figur 1 dargestellten Module) handeln. Das Modul ist als ein Halbbrückenmodul 201 ausgestaltet. Das Modul 201 weist ein erstes ein- und abschaltbares elektronisches

Schaltelement 202 (ein- und abschaltbares Schaltelement 202) mit einer ersten antiparallel geschalteten Diode 204 (erste Freilaufdiode 204) auf. Weiterhin weist das Modul 201 ein zweites ein- und abschaltbares elektronisches Schaltelement 206 (ein- und abschaltbares Schaltelement 206) mit einer zweiten antiparallel geschalteten Diode 208 (zweite

Freilaufdiode 208) sowie einen elektrischen Energiespeicher 210 in Form eines Kondensators 210 auf. Das erste

elektronische Schaltelement 202 und das zweite elektronische Schaltelement 206 sind jeweils als ein IGBT ( insulated-gate bipolar transistor) ausgestaltet. Das erste elektronische

Schaltelement 202 ist elektrisch in Reihe geschaltet mit dem zweiten elektronischen Schaltelement 206. Am Verbindungspunkt zwischen den beiden elektronischen Schaltelementen 202 und 206 ist ein erster galvanischer Modulanschluss 212

angeordnet. An dem Anschluss des zweiten Schaltelements 206, welcher dem Verbindungspunkt gegenüberliegt, ist ein zweiter galvanischer Modulanschluss 215 angeordnet. Der zweite

Modulanschluss 215 ist weiterhin mit einem ersten Anschluss des Energiespeichers 210 verbunden; ein zweiter Anschluss des Energiespeichers 210 ist elektrisch verbunden mit dem

Anschluss des ersten Schaltelements 202, der dem

Verbindungspunkt gegenüberliegt.

Der Energiespeicher 210 ist also elektrisch parallel

geschaltet zu der Reihenschaltung aus dem ersten

Schaltelement 202 und dem zweiten Schaltelement 206. Durch entsprechende Ansteuerung des ersten Schaltelements 202 und des zweiten Schaltelements 206 kann erreicht werden, dass zwischen dem ersten galvanischen Modulanschluss 212 und dem zweiten galvanischen Modulanschluss 215 entweder die Spannung des Energiespeichers 210 ausgegeben wird oder keine Spannung ausgegeben wird (d.h. eine Nullspannung ausgegeben wird). Durch Zusammenwirken der Module der einzelnen Phasenmodulzweige kann so die jeweils gewünschte Ausgangsspannung des Stromrichters erzeugt werden. Die

Ansteuerung des ersten Schaltelements 202 und des zweiten Schaltelements 206 erfolgt im Ausführungsbeispiel durch eine modulinterne elektronische Modulsteuereinrichtung 220.

In Figur 3 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage 301 dargestellt. Diese Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage 301 weist zwei Stromrichter 1 auf, wie sie in Figur 1 dargestellt sind. Diese beiden Stromrichter 1 sind gleichspannungsseitig über eine Hochspannungs-Gleichstrom-Verbindung 305 elektrisch miteinander verbunden. Dabei sind die beiden positiven

Gleichspannungsanschlüsse 16 der Stromrichter 1 mittels einer ersten Hochspannungs-Gleichstrom-Leitung 305a elektrisch miteinander verbunden; die beiden negativen Gleichspannungsanschlüsse 17 der beiden Stromrichter 1 sind mittels einer zweiten Hochspannungs-Gleichstrom-Leitung 305b elektrisch miteinander verbunden. Mittels einer derartigen

Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage 301 kann

elektrische Energie über weite Entfernungen übertragen werden; die Hochspannungs-Gleichstrom-Verbindung 305 weist dann eine entsprechende Länge auf. In Figur 4 ist ein Ausführungsbeispiel eines Moduls 402 dargestellt, dessen grundsätzlicher Aufbau dem Modul 201 der Figur 2 entspricht. Zusätzlich zu dem in Figur 2

dargestellten Modul weist das Modul 402 einen Thyristor 406 auf, der als ein Überbrückungselement 406 dient. Der

Thyristor 406 ist zwischen dem ersten Modulanschluss 212 und dem zweiten Modulanschluss 215 geschaltet. Wenn aufgrund eines Fehlers ein großer Fehlerstrom 410 (Kurzschlussstrom 410) durch den zweiten Modulanschluss 215 in das Modul 402 hinein und durch den ersten Modulanschluss 212 wieder aus dem Modul 402 herausfließt, dann würde dieser Fehlerstrom 410 die zweite Diode 208 überlasten. Deshalb würde bei einem Fehler der Thyristor 406 eingeschaltet (gezündet) werden, damit der Kurzschlussstrom 410 von dem zweiten Modulanschluss 215 (unter Umgehung der zweiten Diode 208) über den Thyristor 406 direkt zu dem ersten Modulanschluss 212 fließt.

Dieses Modul 402 weist jedoch den Nachteil auf, dass jedes Modul einen Thyristor benötigt, der derart mit dem ersten Modulanschluss 212 und mit dem zweiten Modulanschluss 215 kontaktiert sein muss, dass im Fehlerfall auch große

Fehlerströme 410 sicher über den Thyristor 406 fließen können. Die Realisierung eines derart geschalteten Thyristors 406 ist daher aufwändig und teuer.

In Figur 5 ist ein Ausschnitt aus dem Stromrichter 1 der Figur 1 dargestellt. Die Module 1_1, 1_2, 1_3, 1_4, 1_5 und 1_6 des ersten Phasenmodulzweiges 11 bilden eine

Reihenschaltung 506. Das Modul 1_5 ist in Figur 5 nicht dargestellt, stattdessen ist durch drei Punkte angedeutet, dass zwischen dem Modul 1_4 und dem Modul 1_6 ein oder mehrere weitere Module angeordnet sein können. Im

Ausführungsbeispiel der Figur 5 weist die Reihenschaltung 506 sechs Module auf, in anderen Ausführungsbeispielen kann die Reihenschaltung aber auch andere Anzahlen an Modulen

aufweisen, beispielsweise 10 Module, 20 Module, 50 Module oder mehr. Die Reihenschaltung 506 (Modul-Reihenschaltung 506) weist einen Anfangskontakt 510 der Reihenschaltung und einen

Endkontakt 512 der Reihenschaltung auf. Dabei bildet der zweite Modulanschluss 215 des ersten Moduls 1_1 der

Reihenschaltung den Anfangskontakt 510; der erste

Modulanschluss 212 des letzten Moduls 1_6 der Reihenschaltung bildet den Endkontakt 512.

Jedes der in Figur 5 dargestellten Module weist (in

Übereinstimmung mit dem in Figur 2 dargestellten Modul) das erste elektronische Schaltelement 202, das zweite

elektronische Schaltelement 206, die erste antiparallel geschaltete Diode 204 (erste Freilaufdiode 204), die zweite antiparallel geschaltete Diode 208 (zweite Freilaufdiode 208) und den Energiespeicher 210 auf. Wie beim Ausführungsbeispiel der Figur 2 sind das erste elektronische Schaltelement 202 und das zweite elektronische Schaltelement 206 in einer

Halbbrückenschaltung angeordnet. Parallel zur Reihenschaltung aus dem ersten elektronischen Schaltelement 202 und dem zweiten elektronischen Schaltelement 206 ist der elektrische Energieschalter 210 geschaltet. Der elektrische

Energieschalter 210 kann insbesondere ein Kondensator 210 sein. Über dem Energiespeicher 210 liegt die Energiespeicher- Spannung U c (Kondensator-Spannung U c ) an. Zwischen dem ersten Modulanschluss 212 und dem zweiten Modulanschluss 215 wird die Ausgangsspannung U A des Moduls ausgegeben.

Der Reihenschaltung 506 ist ein Überbrückungselement 520 zugeordnet. Das Überbrückungselement 520 dient zum

Überbrücken der Reihenschaltung 506. Das Überbrückungselement 520 ist parallel zu der Reihenschaltung 506 geschaltet. Auf ein Überbrückungssignal 525 hin überbrückt das

Überbrückungselement 520 die Reihenschaltung 506. Im

Ausführungsbeispiel wird das Überbrückungssignal 525 von der Steuereinrichtung 35 erzeugt und über eine

Kommunikationsverbindung 530 (zum Beispiel eine Signalleitung 530) zu dem Überbrückungselement 520 übertragen. Die

Kommunikationsverbindung 530 ist im Ausführungsbeispiel als ein Lichtwellenleiter 530 ausgestaltet; das

Überbrückungssignal 525 ist ein optisches Überbrückungssignal 525 (Lichtsignal 525) .

Das Überbrückungselement 520 weist im Ausführungsbeispiel der Figur 5 eine Mehrzahl von Leistungshalbleiter-Bauelementen 535 auf. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den

Leistungshalbleiter-Bauelementen um Thyristoren 535. Diese Leistungshalbleiter-Bauelemente 535 sind in einer

elektrischen Reihenschaltung 540 angeordnet (Bauelement- Reihenschaltung 540, Thyristor-Reihenschaltung 540).

Im Ausführungsbeispiel weist die Reihenschaltung 540 vier steuerbare Leistungshalbleiter-Bauelemente 535 (hier: vier Thyristoren 535) auf. Die Thyristoren 535 sind insbesondere lichtgesteuerte Thyristoren (LTT - Light Triggered

Thyristors) . Durch die drei Punkte ist angedeutet, dass das Überbrückungselement 520 jedoch auch eine andere Anzahl an Leistungshalbleiter-Bauelementen/Thyristoren 535 aufweisen kann. Im Extremfall ist sogar ein einziges

Leistungshalbleiter-Bauelement 535 (z.B. ein einziger

Thyristor 535 ausreichend) , wenn dieses Leistungshalbleiter- Bauelement 535, insbesondere dieser Thyristor 535, eine ausreichend hohe Spannungsfestigkeit aufweist. Im Allgemeinen sind immer so viele Leistungshalbleiter-Bauelemente

beziehungsweise Thyristoren 535 notwendig, dass deren

Reihenschaltung eine ausreichend hohe Spannungsfestigkeit aufweist .

Solange das Überbrückungselement 520 nicht aktiv ist (das heißt, die Leistungshalbleiter-Bauelemente/Thyristoren 535 des Überbrückungselements 520 nicht eingeschaltet sind beziehungsweise nicht gezündet sind) , wird im Fehlerfall ein Fehlerstrom 550 von dem Anfangskontakt 510 der

Reihenschaltung 506 über das erste Modul 1_1, das zweite Modul 1_2, das dritte Modul 1_3, usw. bis zum sechsten Modul 1_6 und von diesem zum Endkontakt 512 der Reihenschaltung 506 fließen. Dabei können die zweiten Freilaufdioden 208 der Module 1_1 bis 1_6 überlastet werden. Deshalb wird bei

Auftreten eines Fehlers (der mit einem derartigen Fehlerstrom verbunden ist) das Überbrückungselement 520 aktiviert, das heißt, eingeschaltet. Dies erfolgt dadurch, dass die

Steuereinrichtung 35 das Überbrückungssignal 525 erzeugt. Das Überbrückungssignal 525 wird von der Steuereinrichtung 35 über die Kommunikationsverbindung 530 zu den

Leistungshalbleiter-Bauelementen 535 des

Überbrückungselements 520 geleitet. Auf dieses

Überbrückungssignal 525 hin schalten sämtliche

Leistungshalbleiter-Bauelemente 535 ein und werden

elektrische leitfähig (Im Ausführungsbeispiel zünden die Thyristoren 535 und werden elektrische leitfähig) . Mittels des Überbrückungssignals 525 werden also die Leistungshalbleiter-Bauelemente 535 (insbesondere alle

Leistungshalbleiter-Bauelemente 535 der Reihenschaltung 540) des Überbrückungselements 520 zeitlich parallel

(gleichzeitig) aktiviert, das heißt, zeitlich parallel eingeschaltet beziehungsweise gezündet.

Auf dieses Überbrückungssignal 525 hin wird also das

Überbrückungselement 520 elektrisch leitfähig. Daraufhin fließt der Fehlerstrom 550 nicht mehr über die Module 1_1 bis 1_6. Vielmehr fließt der Fehlerstrom 550* von dem

Anfangskontakt 510 der Reihenschaltung über das

Überbrückungselement 520 zu dem Endkontakt 512 der

Reihenschaltung. In Figur 5 ist dieser an den Modulen 1_1 bis 1_6 vorbeigeleitete Fehlerstrom der besseren

Unterscheidbarkeit wegen mit dem Bezugszeichen 550*

bezeichnet. Der Fehlerstrom fließt auch nahezu vollständig als Fehlerstrom 550* durch das Überbrückungselement 520, weil das Überbrückungselement 520 einen geringeren elektrischen Widerstand aufweist als die Reihenschaltung der Module 1_1 bis 1_6. Außerdem ist das Überbrückungselement 520 elektrisch niederinduktiv mit dem Anfangskontakt 510 und dem Endkontakt 512 verbunden, so dass auch ein sich ggf. schnell ändernder Fehlerstrom 550* durch das Überbrückungselement 520 fließt und somit an den Modulen des Stromrichters vorbeigeleitet wird. Der Fehlerstrom 550* wird also unter Umgehung der

Reihenschaltung 506 durch das Überbrückungselement 520 geleitet. Das Überbrückungselement 520 überbrückt sämtliche Module der Reihenschaltung 506 gleichzeitig. In Figur 6 ist das Ausführungsbeispiel der Figur 5 in einer vereinfachten Darstellung gezeigt. Dabei sind die Module 1_1 bis 1_6 jeweils als ein rechteckiger Block dargestellt. Die Reihenschaltung 506 der Module 1_1 bis 1_6 ist ein

Bestandteil einer konstruktiven Einheit 610. Die Module der Reihenschaltung 506 bilden also Bestandteile der

konstruktiven Einheit 610. Beispielsweise können diese sechs Module 1 1 bis 1 6 in einem nicht dargestellten Rahmen befestigt sein, so dass sich die Einheit 610 einfach

transportieren und montieren lässt.

In Figur 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Teils des Stromrichters 1 dargestellt, bei dem die Reihenschaltung 506 beispielhaft sechs konstruktive Einheiten 610 aufweist. Natürlich kann die Reihenschaltung 506 auch eine andere

Anzahl an konstruktiven Einheiten 610 aufweisen. Dieser

Reihenschaltung 506 ist ein einziges Überbrückungselement 520 zugeordnet. Mit diesem Überbrückungselement 520 wird im

Fehlerfall die Reihenschaltung 506 elektrisch überbrückt. Die Reihenschaltung 506 der konstruktiven Einheiten 610 ist im Ausführungsbeispiel der Figur 7 als ein Stromrichterturm 710 ausgestaltet. Die Module der Reihenschaltung 506 sind also Bestandteile des Stromrichterturms 710. Als „Stromrichterturm 710" wird eine Anordnung bezeichnet, in der Module von

Stromrichtern turmförmig (d.h. in mehreren Ebenen

übereinander) angeordnet sind. In Figur 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer

Reihenschaltung 506 dargestellt. Diese Reihenschaltung 506 weist mehrere Stromrichtertürme 710 auf, insbesondere sechs Stromrichtertürme 710. Die Reihenschaltung 506 der

Stromrichtertürme 710 bildet im Ausführungsbeispiel der Figur 8 einen Phasenmodulzweig des Stromrichters 1, insbesondere den ersten Phasenmodulzweig 11. Die Module der

Reihenschaltung 506 sind also Bestandteile des

Phasenmodulzweigs 11 des Stromrichters 1. Der Reihenschaltung 506 aus mehreren Stromrichtertürmen 710 ist das einzige

Überbrückungselement 520 zugeordnet.

In Figur 9 ist noch einmal das Verfahren zum Überbrücken von Modulen des Stromrichters mittels eines Ablaufdiagramms dargestellt. Ausgangspunkt des Verfahrens ist, dass ein mit einem Fehlerstrom verbundenen Fehler erkannt wurde und daher die Module des Stromrichters vor dem Fehlerstrom geschützt werden sollen. Verfahrensschritt 902:

Erzeugen des Überbrückungssignals 525 in der

Steuereinrichtung 35. Verfahrensschritt 904:

Übertragen des Überbrückungssignals 525 mittels der

Kommunikationsverbindung 530 zu dem Überbrückungselement 520.

Verfahrensschritt 906:

Einschalten des Überbrückungselements 520 mittels des

Überbrückungssignals 525.

Verfahrensschritt 908:

Überbrücken der Reihenschaltung 506 durch das

Überbrückungselement 520. Leiten des Fehlerstroms 550* durch das Überbrückungselement 520 unter Umgehung der

Reihenschaltung 506.

Dadurch wird die Reihenschaltung (insbesondere die in der Reihenschaltung enthaltenen Module des Stromrichters) vor dem Fehlerstrom geschützt.

Es wurden ein Stromrichter, der Halbbrücken-Module aufweist, und ein Verfahren beschrieben, mit denen Fehler sicher beherrscht werden können, bei denen (hohe) Fehlerströme auftreten. Insbesondere können Fehler auf der

Gleichspannungsseite des Stromrichters (also beispielsweise Kurzschlüsse auf der Gleichspannungsseite des Stromrichters) beherrscht werden. Bei derartigen Fehlern muss insbesondere das zweite elektronische Schaltelement 206 und/oder die zweite Freilaufdiode 208 vor den (oftmals sehr hohen)

Fehlerströmen geschützt werden, anderenfalls würden das zweite elektronische Schaltelement 206 und/oder die zweite Freilaufdiode 208 irreparabel geschädigt werden. Zum Schutz wird ein Überbrückungselement (Schutzelement) eingesetzt, welches im Fehlerfall die Reihenschaltung 506 mit den Modulen elektrisch überbrückt. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass für sämtliche Module der Reihenschaltung nur ein Uberbrückungselement benötigt wird. Beispielsweise können mehrere Module zu einer (transportablen) konstruktiven

Einheit 610 (Transporteinheit 610) zusammengefasst werden, und für sämtliche Module dieser Einheit wird lediglich ein gemeinsames Überbrückungselement 520 benötigt. Wenn an der Reihenschaltung 506 hohe Spannungen auftreten, dann kann das Überbrückungselement 520 eine Mehrzahl an

Leistungshalbleiter-Bauelementen aufweist, welche elektrisch ebenfalls in Reihe geschaltet sind. Damit wird

sichergestellt, dass das Überbrückungselement 520 die an der Reihenschaltung 506 auftretenden Spannungen sicher sperren kann. Die Ansteuerung des Überbrückungselements 520 kann besonders einfach mittels eines optischen

Überbrückungssignals erfolgen. Dabei kann das

Überbrückungselement 520 beispielsweise lichtgesteuerte

Thyristoren (lichtgezündete Thyristoren) aufweisen. Eine elektrische Ansteuerung des Überbrückungselements 520 ist aber auch möglich. Die Nutzung eines einzigen Überbrückungselements 520 pro Reihenschaltung weist eine Reihe von Vorteilen auf: Die elektrische Verbindung des Überbrückungselements 520 mit der Reihenschaltung 506 ist wesentlich vereinfacht, da lediglich zwei Kontaktstellen (der Anfangskontakt 510 und der

Endkontakt 512) der Reihenschaltung 506 mit dem

Überbrückungselement 520 verbunden werden müssen. Wenn diese elektrische Verbindung vorteilhafterweise mittels

Spannverbänden realisiert wird, dann ist es nicht notwendig, in jedem Modul einen eigenen Spannverband zu realisieren, sondern es braucht lediglich pro Überbrückungselement 520 ein Spannverband realisiert zu werden. Dadurch werden zum einen viele mechanische Teile eingespart, zum anderen spart man sich das Verspannen von vielen kleinen Spannverbänden. Es muss lediglich ein Spannverband des Überbrückungselements 520 gespannt werden. Somit werden die Kosten sowohl für die mechanischen Teile als auch für die Montage deutlich

reduziert. Da lediglich ein einziges Überbrückungselement 520 angesteuert zu werden braucht, reduziert sich auch der Ansteuerungsaufwand in der Steuereinrichtung 35 erheblich. Außerdem ist lediglich eine einzige Steuereinrichtung 35 notwendig, wodurch die Verfügbarkeit der Ansteuerelektronik verbessert wird. Durch eine geringe Anzahl von

Kontaktübergangsstellen und durch kürzere vom Fehlerstrom zurückzulegende Strecken durch das Überbrückungselement 520 wird eine bessere Stromführung erreicht, so dass das

Überbrückungselement 520 nahezu den gesamten Fehlerstrom schnell übernehmen kann. Weiterhin lässt sich ein derartiges zentrales Überbrückungselement 520 besonders niederinduktiv (das heißt, mit einer geringen elektrischen Induktivität) realisieren .

Es wurden ein Stromrichter und ein Verfahren beschrieben, mit denen sicher und zuverlässig ein bei einem Fehler

auftretender Fehlerstrom an den Modulen des Stromrichters vorbeigeleitet werden kann.