Matrixumrichter zur Kopplung von Drehspannungsnetzen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kopplung von Drehspannungsnetzen.

Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise in dem im Internet unter der Adresse http://www.worldbank.org/html/fpd/em/transmission/technology _ ABB.pdf veröffentlichten Beitrag „High Voltage Direct Current (HVDC) Transmission Systems Technology Review Paper" von Ru- dervall, R. et al . beschrieben. Die dort offenbarten Vorrich¬ tungen sind unter dem Begriff „Hochspannungsgleichstromüber- tragungssysteme" bekannt geworden. Hochspannungsgleichstrom- Übertragungssysteme weisen in der Regel zwei Umrichter mit Leistungshalbleiterventilen auf. Jeder Umrichter ist einem Drehstromspannungsnetz zugeordnet und mit dem anderen Umrich¬ ter über einen Gleichstromzwischenkreis verbunden. Bei der klassischen Hochspannungsgleichstromübertragung werden Thy¬ ristorventile in den Umrichtern eingesetzt. Thyristorventile sind robust und im Vergleich zu anderen Leistungshalbleiter¬ ventilen mit höheren Spannungen belastbar. Bei Thyristorven¬ tilen handelt es sich jedoch um so genannte fremdgeführte Halbleiterventile, die nicht kontrolliert in ihre Sperrstel¬ lung überführt werden können. Aufgrund ihrer größeren Rege¬ lungsmöglichkeiten werden daher auch selbstgeführte Leis¬ tungshalbleiterventile zur Kopplung von Drehspannungsnetzen eingesetzt. Durch diese Art der Kopplung kann der Leistungs- flμss von einem Drehspannungsnetz in das andere Drehspan¬ nungsnetz kontrolliert werden. Dies ist beispielsweise für den Energiehandel von Bedeutung. Ferner ist es mit der gat¬ tungsgemäßen Vorrichtung möglich Drehspannungsnetze mit un- terschiedlichen Frequenzen, Spannungsamplituden, Phasenlagen, Sternpunktbehandlungen oder dergleichen zu Koppeln.

Nachteilig bei den bekannten Vorrichtungen der Hochspannungs- gleichstromübertragung ist jedoch, dass aufgrund der beiden Umrichter ein erhöhter Aufwand im Zusammenhang mit der Leis¬ tungselektronik notwendig ist. Auch die im Gleichstromzwi¬ schenkreis vorzusehenden Energiespeicher wie Drosselspulen und Kondensatoren machen diese Technik aufwändig und sorgen für hohe Kosten.

Aus der DE 100 05 449 Al ist ein Matrixumrichter offenbart, der zum Antrieb eines asynchronen Antriebes vorgesehen ist. Der dort offenbarte Matrixstromrichter weist neun bidirektio- nale Schalter auf, die selbsttätig ein- und ausschaltbar sind. Dabei bestehen die bidirektionalen Schalter aus Schal¬ tungen mit selbstgeführten Leistungshalbleiterventilen, die mit Taktfrequenzen im Kiloherzbereich ein- und ausgeschaltet werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Kopplung von Drehspannungsnetzen bereitzustellen, die aufwandsarm und kostengünstig ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Kopplung von Drehspannungsnetzen mit Anschlussterminals, die zur Ankopplung jeweils eines der Drehspannungsnetze einge¬ richtet sind, wobei zwischen den Anschlussterminals wenigs¬ tens ein Matrixumrichter und in Reihe zu jedem Matrixumrich- ter wenigstens eine Induktivität geschaltet sind.

Erfindungsgemäß wird der Aufwand für die Leistungselektronik im Vergleich zur Hochspannungsgleichstromübertragung redu- ziert. Ferner entfällt die Notwendigkeit, zwischen den Um¬ richtern einen Gleichstromzwischenkreis vorzusehen, so dass kostenintensive Energiespeicher wie Drosseln oder Kondensato¬ ren überflüssig geworden sind. Der bislang nur aus der An- triebstechnik bekannte Matrixschalter ist aufgrund der Ver¬ wendung selbstgeführter Leistungshalbleiterventile steuerbar, so dass eine Regelung des Energieaustausches zwischen den Drehspannungsnetzen möglich ist. Durch die bidirektionalen Schalter des Matrixschalters kann jede Spannung eines Dreh- Spannungsnetzes mit der Phase des anderen Drehspannungsnetzes verbunden werden. Die dadurch entstehenden Differenzspannun¬ gen fallen über jede Induktivität ab. Der jeweilige Strang¬ strom ergibt sich aus dem Integral dieser Spannungsdifferenz. Erfindungsgemäß können Drehspannungsnetze, die beispielsweise unterschiedliche Frequenzen, Spannungsamplituden, Phasenla¬ gen, Sternpunktbehandlung oder dergleichen aufweisen, kosten¬ günstig miteinander gekoppelt werden. Selbstverständlich ist es mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch möglich einen definierten Leistungsfluss zwischen den Drehspannungs- netzen einzustellen.

Zweckmäßige Leistungshalbleiterventile des Matrixschalters sind beispielsweise bipolare Halbleiterventile wie der IGBT' s.

Vorteilhafterweise ist wenigstens eine Blindleistungskompen- sationsanlage in Parallelschaltung zu einem Anschlussterminal vorgesehen. Zwar ist der Energieaustausch zwischen den Dreh¬ spannungsnetzen durch den Matrixschalter einstellbar. Die Blindleistung kann jedoch nur in einem Netz eingestellt wer¬ den. Aus diesem Grunde ist wenigstens eine Blindleistungskom¬ pensation vorzusehen, um so die Blindleistungen beider Dreh¬ spannungsnetze regeln zu können. Vorteilhafterweise ist eine Filterbank in Parallelschaltung zu einem Anschlussterminal vorgesehen. Die Filterbank ist vorteilhafterweise auf Oberschwingungen abgestimmt, die durch den Matrixumrichter bei der Energieübertragung zwischen den Drehspannungsnetzen erzeugt werden. Liegt die Resonanzfre¬ quenz der Filter der Filterbank im Bereich einer solchen O- berschwingung, wird diese über das Filter zum jeweils gewähl¬ ten Bezugspunkt hin abgesaugt und so wirkungsvoll aus dem System entfernt.

Zweckmäßigerweise ist wenigstens eine der Induktivitäten ein Transformator. Durch den Transformator -ist neben den oben be¬ reits beschriebenen Vorteilen eine wunschgemäße Einstellung der Spannungsamplitude ermöglicht. Abweichend hiervon ist es möglich, dass wenigstens eine der Induktivitäten eine Dros¬ selspule ist. Drosselspulen weisen gegenüber Transformatoren den Vorteil auf, dass sie kostengünstiger sind. Allerdings ist mit ihnen keine Änderung der Spannungsamplitude ermög- licht. Selbstverständlich ist es auch vorstellbar, im Rahmen der Erfindung Drosselspulen und Transformatoren gemeinsam einzusetzen.

Vorteilhafterweise sind zwei Matrixumrichter parallel zuein- ander zwischen die Anschlussterminals geschaltet. Durch die Verwendung von zwei Matrixumrichtern kann die Durchlassleis¬ tung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhöht werden.

Gemäß einer diesbezüglichen Weiterentwicklung sind die Matri- xumrichter gegenparallel zueinander geschaltet. Durch die ge¬ genparallele Anordnung können Netzrückwirkungen und der Blindleistungsaustausch in beiden Netzen optimiert werden. Vorteilhafterweise weist der Matrixumrichter bidirektionale Schaltkreise auf, in denen selbstgeführte Leistungshalblei¬ terventile angeordnet sind. Solche selbstgeführten Leistungs- halbleiterventile sind beispielsweise IGBT' s.

Abweichend hiervon weist der Matrixumrichter wenigstens einen bidirektionalen Leistungshalbleiterschalter auf. Solche bidi¬ rektionalen Leistungshalbleiterschalter sind beispielsweise aus der DE 198 48 596 Al bekannt geworden, so dass auf deren Funktionsweise hier nicht näher eingegangen braucht. Durch die Verwendung von bidirektionalen Leistungshalbleiterschal¬ tern werden die Regelungsmöglichkeiten noch weiter erhöht, wobei die Kosten der erfindungsgemäßen Vorrichtung weiter ab¬ gesenkt werden.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfin¬ dung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Aus¬ führungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleichwirkende Bauteile mit gleichen Be- zugszeichen versehen sind und wobei

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung verdeutlicht und

Figur 2 Beispiele für den Aufbau der bidirektionalen Schalter des Matrixstromrichters gemäß Figur 1 zeigen.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, die ein erstes Anschlussterminal 2 mit einem dreiphasigen Sammelschienensystem 3 aufweist, das mit einem ersten Drehspannungsnetz 4 verbunden ist. Weiterhin ist ein zweites Anschlussterminal 5 mit einem zweiten Sammelschienen- System 6 vorgesehen, an das ein zweites Drehspannungsnetz 7 angeschlossen ist. Das erste Anschlussterminal 2 ist mit dem zweiten Anschlussterminal 5 über einen ersten Transformator 8, einen Matrixschalter 9 sowie einen zweiten Transformator 10 verbunden. Durch die Transformatoren 8,10 ist zum einen für die zum Stromaufbau über die erfindungsgemäße Vorrichtung notwendige Induktivität gesorgt. Darüber hinaus ist auch die Spannung einstellbar, mit dem der Matrixschalter 9 beauf¬ schlagt wird.

Zur Kompensation von Blindleistung sowie zum Herausfiltern von Oberschwingungsanteilen, die von dem Matrixschalter 9 er¬ zeugt werden, sind Kompensations- und Filteranlagen 11 vorge¬ sehen, die jeweils mit einem Sammelschienensystem 3,6 des zu- geordneten Anschlussterminals 2,5 verbunden sind.

Der Matrixschalter 9 besteht aus drei mal drei, also insge¬ samt neun, bidirektionalen Schaltern 12, die in Figur 1 nur schematisch angedeutet sind.

Die Figur 2a zeigt eine AusführungsVariante für den Aufbau der bidirektionalen Schalter 12.

Gemäß Figur 2a sind zwei IGBT' s 13a, 13b mit entgegengesetz- ter Durchlassrichtung in Reihe zueinander geschaltet. Jeder der IGBT' s 13a, 13b wird von einer der Durchlassrichtung des jeweiligen IGBT' s 13a, 13b entgegen gerichteten Freilaufdiode 14a, 14b überbrückt, die parallel zu den jeweiligen IGBT' s 13a, 13b geschaltet ist.

Figur 2b zeigt eine Brückenschaltung von Dioden 14 sowie ei¬ nes zentralen IGBT' s 13. Der in Figur 2b gezeigte bidirektio¬ nale Schalter 12 weist im Gegensatz zu dem Ausführungsbei- spiel gemäß Figur 2a lediglich einen IGBT 13 auf und ist so¬ mit kostengünstiger. Allerdings fließt der Strom gegenüber dem in Figur 2a gezeigten Ausführungsbeispiel immer durch ei¬ ne zusätzliche Diode 14, wodurch erhöhte Durchlassverluste entstehen.