Serielle Anzapfung mit Vorladeeinheit Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Austausch elektrischer Leistung mit einem Pol eines Gleichspannungsnetzes mit zwei Anschlussklemmen zum seriellen Anschluss an den Pol und mit wenigstens einem Umrichter, der an ihrem Gleichspan- nungsanschluss miteinander verbundene Phasenmodule aufweist, die jeweils über einen Wechselspannungsanschluss verfügen und eine Reihenschaltung aus zweipoligen Submodulen ausbilden.

Eine solche Vorrichtung ist aus der WO 2010/115453 AI bereits bekannt. Dort wird vorgeschlagen, Längsspannungsquellen in Gleichspannungsübertragungsleitungen einzufügen, um die Spannung in dem Gleichspannungsnetz überall in einem zulässigen Bereich zu halten. Durch das Einfügen der Längsspannungsquellen wird dem Gleichspannungssystem Energie zugeführt oder entnommen. Entnommene Energie wird in ein Drehstromnetz ein- gespeist, mit welchem die Längsspannungsquelle verbunden ist. Als Längsspannungsquelle kommt beispielsweise ein Umrichter in Betracht, der seriell in die Gleichspannungsübertragungs - leitung eingefügt und wechselspannungsseitig mit dem Wechselspannungsnetz verbunden ist.

Auch in Gleichspannungsnetzen kann das Aus- oder Einkoppeln kleiner Leistungen erforderlich werden. Die entnommenen Leistungen liegen hierbei in der Größenordnung von 10% bezogen auf die vom Netz übertragenen Leistungen. Hierzu wurden neben den oben ausgeführten Reihenanzapfungen auch Parallelanzapfungen vorgeschlagen, die auch als Querspannungsquelle bezeichnet werden. Die Parallelanzapfung weist ebenfalls wenigstens einen Umrichter auf. Ist der Umrichter einer Reihenoder Parallelanzapfung wechselspannungsseitig mit einem Wech- selspannungsnetz verbunden, können vor Inbetriebnahme des Umrichters dessen Energiespeicher über den Umrichtertransformator und einen Vorladewiderstand je Wechselspannungsphase aufgeladen werden. Dies ist beispielsweise aus dem Bereich der Hochspannungsgleichstromübertragung bekannt. Fehlt jedoch ein aktives Wechselspannungsnetz, ist diese Verfahrensweise nicht mehr möglich. Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die unabhängig von einem Wechselspannungsnetz und kostengünstig in Betrieb genommen werden kann. Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass jedes Submodul mit einer Leistungshalbleiterschaltung und einem Energiespeicher ausgerüstet ist und Mittel zum Vorladen der Submodule vorgesehen sind, die ein Aufladen der Energiespeicher unabhängig von der Anbindung der Wechselspannungsanschlüsse er- möglichen.

Erfindungsgemäß wird wenigstens ein so genannter modularer Mehrstufenumrichter als Teil einer Vorrichtung zum Austausch elektrischer Leistung mit einem Gleichspannungsnetz vorge- schlagen, wobei die Vorrichtung darüber hinaus Mittel zum

Vorladen der Submodule aufweist, die ein Aufladen der Energiespeicher des Umrichters ermöglichen, ohne dass die hierfür erforderliche Leistung dem Wechselspannungsanschluss entnommen werden muss, das beispielsweise mit dem Umrichter verbun- den ist. Im Rahmen der Erfindung kann somit eine Inbetriebnahme der Vorrichtung erfolgen und erst anschließend ein Wechselspannungsnetz aufgebaut werden, das z.B. mit dem Wechselspannungsanschluss des Umrichters verbunden ist. Vorteilhafterweise sind die Submodule als Vollbrückenschal - tung oder Halbbrückenschaltung ausgebildet. Bei einer Halbbrückenschaltung umfasst die Leistungshalbleiterschaltung eine Reihenschaltung aus zwei Leistungshalbleiterschaltern, die sowohl ein- als auch abschaltbar sind. Solche Leistungshalb- leiterschalter sind beispielsweise IGBTs, GTOs, IGCTs oder dergleichen. Jedem dieser Leistungshalbleiterschalter ist eine Freilaufdiode gegensinnig parallel geschaltet. Abweichend hiervon können auch rückwärts leitfähige Leistungshalbleiter- Schalter zum Einsatz gelangen. Die Reihenschaltung der beiden ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter ist dem Energiespeicher parallel geschaltet, wobei bei der Halbbrückenschaltung eine Submodulanschlussklemme direkt an einen Pol des Energiespeichers angeschlossen und die andere Submodulanschlussklemme mit dem Potenzialpunkt zwischen den Leistungshalbleiterschaltern verbunden ist. Die Vollbrückenschal - tung weist insgesamt vier Leistungshalbleiterschalter in Gestalt von zwei Reihenschaltungen aus jeweils zwei ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern auf. Die beiden Reihenschaltungen sind jeweils dem Energiespeicher parallel geschaltet, wobei die erste Submodulanschlussklemme mit dem Potenzialpunkt zwischen den Leistungshalbleiterschaltern der ersten Reihenschaltung und die zweite Submodulanschlussklemme mit dem Potenzialpunkt zwischen den Leistungshalbleiterschaltern der zweiten Reihenschaltung verbunden ist. Somit kann nicht nur, wie bei der Halbbrückenschaltung, die an dem Energiespeicher abfallende Spannung oder eine Nullspannung an den beiden Submodulanschlussklemmen erzeugt werden, sondern auch die inverse Energiespeicherspannung.

Zweckmäßigerweise umfassen die Mittel zum Vorladen der Submo- dule ein Vorladezweig, in dem ein mechanischer Schalter und ein Widerstand in Reihenschaltung angeordnet sind. Zum Vorla- den wird der mechanische Schalter geschlossen, so dass ein

Vorladen des Mehrstufenumrichters mit Hilfe des durch den Widerstand fließenden Stroms ermöglicht ist.

Zweckmäßigerweise sind dem Widerstand eine Kapazität und/oder eine Induktivität in Reihe geschaltet. Unter dem Begriff „Kapazität" ist hier jedes kapazitive Bauteil, wie beispielsweise ein Kondensator oder dergleichen, zu verstehen. Der Begriff „Induktivität" umfasst jedes induktive Bauteil, also beispielsweise eine Spule, Drossel oder dergleichen. In eini- gen Fällen kann die Induktivität zumindest Teil einer Wicklung eines Transformators sein, der mit dem Wechselspannungs - anschluss eines der Umrichter verbunden ist. Zweckmäßigerweise überbrückt der Vorladezweig den oder die Umrichter. Zusätzlich ist ein den Vorladezweig überbrückender Überbrückungszweig zweckmäßig, in dem ein zweiter mechanischer Schalter angeordnet ist, wobei jede Anschlussklemme über einen mechanischen Schalter mit dem Pol verbindbar ist.

Bei solchen Mitteln zum Vorladen der Submodule wird zur Inbetriebnahme des Umrichters wie folgt vorgegangen. Hierbei wird davon ausgegangen, dass der mechanische Schalter im Überbrü- ckungszweig geschlossen ist. In dieser Schalterstellung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung überbrückt. Bei geeigneter Ansteuerung der mechanischen Schalter, kommutiert der Strom in den Vorladezweig. Über den im Vorladezweig angeordneten Widerstand fließt ein Strom, wodurch die Energiespeicher der Submodule geladen werden können. Ist der oder sind die Mehrstufenumrichter betriebsbereit, kann dieser bei geeigneter Topologie verwendet werden, um den mechanischen Schalter im Vorladezweig nahezu stromfrei zu öffnen. Hierzu wird mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Spannung erzeugt, die in der aus der Vorrichtung und dem Vorladezweig gebildeten Masche eine Spannung erzeugt, die einen Kreisstrom treibt, der dem Betriebsstrom im mechanischen Schalter entgegengesetzt ist. Der Schalter kann stromlos öffnen, so dass ein Lichtbogen im Schalter gelöscht wird. Anschließend kann der Normalbetrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist jeder Wechselspannungsanschluss mit einer Phase eines Wechselspannungsnetzes verbunden. Auf diese Weise kann dem Pol des Gleichspannungsnetzes Leistung entnommen und beispielsweise in das Wechselspannungsnetz eingespeist werden. Das Wechselspannungsnetz kann ebenso mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung erst aufgebaut werden. Bei einer Variante der Erfindung verbindet der Vorladezweig eine der Anschlussklemmen mit dem Erdpotenzial oder mit einem entgegengesetzt polarisierten Pol des Gleichspannungsnetzes. In einer Ausführung der Erfindung sind zwei Umrichter in Reihe geschaltet. Auch die beiden in Reihe geschalteten Umrichter können wieder Submodule mit Voll- oder Halbbrückenschaltung aufweisen. Bevorzugt sind jedoch Halbbrückenschaltungen vorgesehen. Zweckmäßigerweise ist bei dieser Ausgestaltung der Erfindung der Vorladezweig mit einem Potenzialpunkt zwischen den Umrichtern einerseits und dem Erdpotenzial oder mit dem entgegengesetzt polarisierten Pol des Gleichspannungsnetzes andererseits verbunden.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Vorladen einer Vorrichtung zum Austausch elektrischer Leistung mit einem Pol des Gleichspannungsnetzes. Die Vorrichtung weist wieder zwei Anschlussklemmen zum seriellen Anschluss an den Pol und we- nigstens einen Umrichter mit Phasenmodulen auf, die sich jeweils zwischen zwei gemeinsamen Gleichspannungsanschlüssen erstrecken und jeweils einen Wechselspannungsanschluss aufweisen, wobei die Phasenmodule mit einer Reihenschaltung aus zweipoligen Submodulen ausbilden, von denen jedes eine Leis- tungshalbleiterschaltung sowie einen Energiespeicher aufweist und wobei Mittel zum Vorladen der Submodule vorgesehen sind. Das Verfahren umfasst die Schritte, dass die Energiespeicher der Submodule über die Mittel zum Vorladen der Submodule aufgeladen werden. Anschließend kann die Vorrichtung ihren Nor- malbetrieb aufnehmen und beispielsweise ein wechselspannungs - seitig mir ihr verbundenes Wechselspannungsnetz aufbauen.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach dem seriellen Einbinden der Vorrichtung in den Pol ein mit dem Wechselspannungsanschluss verbundenes Wechselspannungsnetz aufgebaut.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Aus- führungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen und wobei Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Figur 2 eine Vorrichtung gemäß Figur 1 im Detail

Figur 3 ein von Figur 2 abweichendes Ausführungsbei - spiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Figur 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Figur 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigen. Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, die zwei Anschlussklemmen 2 und 3 zum Anschluss an einen Pol 4 eines Gleichspannungsnetzes 5 aufweist. Das Gleichspannungsnetz 5 umfasst neben dem bereits erwähnten positiv polarisierten Pol 4 einen negativen Pol 6. Der andere Pol könnte jedoch auch auf dem Erdpotential liegen. Um die Vorrichtung 1 außer Betrieb nehmen zu können, ist ein Überbrückungszweig 7 vorgesehen, in dem ein mechanischer Schalter 8 angeordnet ist. Zum Verbinden der Anschlussklemmen 2 und 3 mit dem Pol 4 sind die mechanischen Schalter 9 und 10 vorgesehen. Wird der mechanische Schalter 8 geschlossen, ist die Vorrichtung 1 überbrückt.

Die Vorrichtung 1 umfasst ferner einen Umrichter 11 mit zwei figürlich nicht dargestellten Gleichspannungsanschlüssen, die hier jeweils mit einer Anschlussklemme 2 beziehungsweise 3 verbunden sind. Darüber hinaus bildet der Umrichter 11 einen Wechselspannungsanschluss aus, der mit einem dreiphasigen Wechselspannungsnetz 12 verbunden ist. Um das Wechselspannungsnetz 12 vom Umrichter 11 zu trennen, ist ein mechani- scher Trennschalter 13 vorgesehen. Weiterhin sind Mittel 14 zum Vorladen von figürlich nicht dargestellten Submodulen des Umrichters 11 vorgesehen. Die Mittel 14 zum Vorladen der Sub- module umfassen einen Vorladezweig 15, der einerseits mit der Vorrichtung 1 und andererseits mit dem negativen Pol 6 des Gleichspannungsnetzes 5 verbunden ist. In dem Vorladezweig 15 sind ein mechanischer Schalter 16 sowie ein ohmscher Widerstand 17 in Reihenschaltung angeordnet.

Figur 2 zeigt die Vorrichtung 1 gemäß Figur 1 genauer. Insbesondere ist der Aufbau des Umrichters 11 detaillierter dargestellt. Der Umrichter 11 weist drei Phasenmodule 18, 19 und 20 auf, die sich jeweils zwischen zwei gemeinsamen Gleich- Spannungsanschlüssen 21 und 22 erstrecken. Jedes Phasenmodul bildet ferner einen Wechselspannungsanschluss 23 aus, der mit einer Phase des besagten Wechselspannungsnetzes verbunden ist, das in Figur 2 figürlich nicht dargestellt ist. Der wechselspannungsseitige Anschluss des Umrichters 11 an das Wechselspannungsnetz erfolgt über einen Umrichtertransformator 24, der eine Primärwicklung 25 aufweist, die galvanisch mit dem Wechselspannungsanschluss 23 des Umrichters 11 verbunden ist. Eine Sekundärwicklung 26 ist galvanisch mit dem Wechselspannungsnetz verbunden ist.

Der gemeinsame Gleichspannungsanschluss 21 der Phasenmodule 18, 19 und 20 ist mit der ersten Anschlussklemme 2 und der gemeinsame Gleichspannungsanschluss 22 mit der zweiten Anschlussklemme 3 verbunden. Zwischen einem Wechselspannungsan- schluss 23 und jedem Gleichspannungsanschluss 21 und 22 erstrecken sich Phasenmodulzweige 27, die zu einer Sechs-Pulsoder Graetz -Brücke miteinander verschaltet sind. Die Phasenmodulzweige 27 umfassen eine Reihenschaltung aus zweipoligen Submodulen 28, die hier alle identisch aufgebaut sind, und von denen in Figur 2 daher nur eines genauer dargestellt ist. Die identische Ausbildung der Submodule ist im Rahmen der Erfindung jedoch nicht zwingend erforderlich. Die Topologie der Submodule kann unterschiedlich sind. In Figur 2 ist erkennbar, dass alle Submodule 28 zweipolig ausgebildet sind und eine erste Submodulanschlussklemme und eine zweite Submodul- anschlussklemme aufweisen. Ferner verfügt jedes Submodul 28 über einen Energiespeicher 31, dem eine erste Reihenschaltung aus zwei IGBTs 32 als Leistungshalbleiterschalter sowie eine zweite Reihenschaltung aus zwei IGBTs 32 parallel geschaltet sind. Jedem IGBT 32 ist eine Freilaufdiode gegensinnig parallel geschaltet. Die erste Submodulanschlussklemme ist dem Potenzialpunkt zwischen den IGBTs 32 der ersten Reihenschaltung und die zweite Submodulanschlussklemme mit dem Potenzialpunkt zwischen den IGBTs der zweiten Reihenschaltung verbunden. Insgesamt verfügt jedes Submodul 28 somit über vier ein- und abschaltbare Leistungshalbleiterschalter 32 und bildet zusammen mit dem als Kondensator ausgebildeten Energiespeicher 31 eine Vollbrückenschaltung aus. An den beiden Submodulan- schlussklemmen kann somit entweder die am Kondensator 31 abfallende Kondensatorspannung, eine Nullspannung oder aber die inverse Kondensatorspannung erzeugt werden. Im Folgenden wird die Inbetriebnahme der Vorrichtung 1 gemäß Figur 2 beschrieben, wobei angenommen wird, dass sich bei dem Wechselspannungsnetz 12 um ein so genanntes Inselnetz ohne eigene Energiequelle handelt. Das Wechselspannungsnetz 12 ist vor Inbetriebnahme der Vorrichtung 1 nicht aufgebaut. Es liegt daher keine Wechselspannung an. Zunächst ist der Schalter 8 des Überbrückungszweiges 7 geschlossen, wohingegen die mechanischen Schalter 9 und 10 geöffnet sind. Somit ist die Vorrichtung 1 vollständig überbrückt. Zum Vorladen werden die mechanischen Schalter 9 und 16 geschlossen, so dass ein Gleichstrom über den Umrichter 11 und den Vorladezweig 15 fließt, der die Energiespeicher 31 der Submodule auflädt. Jetzt kann auch der Schalter 10 geschlossen werden. Anschließend wird der Schalter 8 im Überbrückungszweig 7 geöffnet, wobei eine Spannung an den Anschlussklemmen 2, 3 der Vorrich- tung 1 erzeugt wird, die den von den Kontakten des mechanischen Schalter 8 gezogenen Lichtbogen löscht .

Anschließend kann die Wechselspannung im Wechselspannungsnetz 12 aufgebaut werden. Nach einer angemessenen Erholungszeit des Schalters 8 kann die Vorrichtung 1 auf die Gleichspannung geregelt werden, die für den gewünschten Leistungsaustausch mit dem angeschlossenen Wechselspannungsnetz 12 erforderlich ist. Der genaue Ablauf des Vorladens und des Einschaltens hängt natürlich von den jeweiligen Schaltungen und der Belastbarkeit des an die Vorrichtung 1 angeschlossenen Wechselspannungsnetzes ab. In Figur 2 ist mit den Anschlüssen C und D des Transformators 24 angedeutet, dass ein Teil der Primärwicklung 25 des Transformators 24 als Induktivität eingesetzt werden kann, wenn dies für das Vorladen der Vorrichtung 1 zweckmäßig ist. Mit anderen Worten kann ein Teil der Primärwicklung 25 durch Verbindung mit dem Vorladezweig 15 als Induktivität dem ohmschen Widerstand 17 in Reihe geschal- tet werden, so dass dieser Teil der Mittel 14 zum Vorladen der Submodule ist.

Figur 3 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, die sich von dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, dass die Submodule 28 des Umrichters 11 nicht eine Vollbrückenschal - tung, sondern eine Halbbrückenschaltung ausbilden. Die Submodule 28 umfassen demnach lediglich eine Reihenschaltung aus zwei IGBTs, wobei einer der Submodulanschlussklemmen mit einem Pol des Energiespeichers und die andere Submodulan- schlussklemme mit dem Potenzialpunkt zwischen den IGBTs der Reihenschaltung verbunden ist.

Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfin- dungsgemäßen Vorrichtung 1, die im Gegensatz zu dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel neben einem ersten Umrichter 11 einen zweiten Umrichter 34 aufweist, der identisch zu dem ersten Umrichter 11 aufgebaut ist. Mit anderen Worten verfügt auch der zweite Umrichter 34 über Phasenmodule 18, 19 und 20, die jeweils zwei gemeinsame Gleichspannungsanschlüsse 21 und 22 sowie jeweils einen Wechselspannungsanschluss 23 aufweisen. Der Wechselspannungsanschluss 23 eines jeden Phasenmoduls 18, 19, 20 des zweiten Umrichters 34 ist über einen zweiten Transformator 35 mit einem zweiten separaten Wech- selspannungsnetz verbunden, das figürlich nicht dargestellt ist. Abweichend hiervon sind beide Transformatoren 24, 35 mit dem gleichen Wechselspannungsnetz verbunden. Der Vorladezweig 15 bei dieser Ausgestaltung der Erfindung ist mit dem Potenzialpunkt zwischen den Umrichtern 11 und 34 und andererseits mit dem negativen Pol 6 des Gleichspannungs - netzes 5 verbunden. Auf diese Art und Weise können die Submo- dule 28 beider Umrichter 11, 34, also besser gesagt die Energiespeicher 31 der Submodule 28 beider Umrichter 11 und 34 aufgeladen werden.

Ist der oder sind die Umrichter mit einem Wechselspannungs - netz verbunden, das eine eigene Energiequelle hat, kann der

Umrichter 11 oder können die Umrichter 11 und 34 über den Widerstand 30 aufgeladen werden, der in den Figuren 2 bis 4 dargestellt ist. Hierzu wird der Schalter 13 geöffnet und der Schalter 29 geschlossen.

Figur 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, mit einem ersten Umrichter 11, der wieder als modularer Mehrstufenumrichter mit Halbbrücken gemäß Figur 3 ausgestaltet ist . Die Mittel 14 zum Vorladen der Submodule 28 umfassen zwar wieder einen Vorladezweig 15, in dem ein mechanischer Schalter 16 sowie ein ohmscher Widerstand 17 angeordnet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel überbrückt der Vorladezweig 15 jedoch den Umrichter 11. Der Vorladezweig 15 wird wiederum von dem Überbrückungszweig 7 überbrückt, in dem ein mechanischer Schalter 8 angeordnet ist. Die Anschlussklemmen 2 und 3 der Vorrichtung 1 sind wieder jeweils über separate Schalter 9 und 10 mit dem Pol 4 des Gleichspannungs - netzes 5 verbindbar. Dem mechanischen Schalter 8 im Überbrü- ckungszweig 7 ist ein klassischer Löschkreis 37 parallel ge- schaltet, der einen Schwingkreis ausbildet. Mittels des

Schwingkreises kann dem über den Schalter fließenden Strom eine Schwingung aufgeprägt und so ein Stromnulldurchgang erzeugt werden. Im Zeitpunkt des Stromnulldurchgangs kann der mechanische Schalter 8 stromlos geöffnet werden.

Das Vorladen der Submodule 28 des Umrichters 11 gemäß Figur 5 wird wie folgt durchgeführt. Ist die Vorrichtung 1 nicht in Betrieb, ist der Schalter 8 des Überbrückungszweiges 7 ge- schlössen. Zur Inbetriebnahme der Vorrichtung 1 wird der Schalter 16 geschlossen und der Schalter 8 geöffnet. Der Hauptstrom kommutiert in den Vorladezweig 15 und fließt über den Widerstand 17, wobei mit Hilfe des Schwingkreises 37 der Schalter 8 unter Vermeidung eines Lichtbogens geöffnet werden kann. An dem Widerstand 17 fällt somit eine Spannung ab, die einen Strom treibt, mit dem die Energiespeicher 31 der Submo- dule 28 des Umrichters 11 aufgeladen werden können. Sind die Energiespeicher 31 ausreichend geladen, kann an dem Ausgang an den Anschlussklemmen 2 und 3 eine Spannung erzeugt werden, die in der aus dem Vorladezweig 15 und dem Umrichter 11 gebildeten Masche einen Kreisstrom erzeugt, der dem im Schalter 8 fließenden Strom entgegengesetzt ist, so dass bei gleichgroßen Amplituden der mechanische Schalter 37 nahezu stromlos geöffnet werden kann. Anschließend kann dem Pol des Gleichspannungsnetzes 5 die gewünschte Leistung entnommen und in das angeschlossene Wechselspannungsnetz 12 eingespeist werden .