Matrix-Umrichter und Verfahren zum Erzeugen einer Wechselspannung in einem zweiten Wechselspannungsnetz aus einer Wechselspannung in einem ersten Wechselspannungsnetz mittels eines Matrix-Umrichters

Die Erfindung betrifft einen Matrix-Umrichter, der einerseits mit einem ersten mehrphasigen Wechselspannungsnetz und ande- rerseits mit einem zweiten mehrphasigen Wechselspannungsnetz verbunden ist, mit jeweils mit dem ersten Wechselspannungs ^¬ netz verbundenen, ersten induktiven Schaltungselementen und jeweils mit dem zweiten Wechselspannungsnetz verbundenen, zweiten induktiven Schaltungselementen, mit einer Schaltmat- rix, die die von dem ersten Wechselspannungsnetz abgewandten Enden der ersten induktiven Schaltungselemente mit den von dem zweiten Wechselspannungsnetz abgewandten Enden der zweiten induktiven Schaltungselemente verbindet, wobei die

Schaltmatrix aus steuerbaren Umrichtereinheiten besteht, und mit einer mit Steuereingängen der steuerbaren Umrichtereinheiten verbundenen Regelanordnung, wobei die Regelanordnung mit Strom- und Spannungsmessgrößen des ersten und des zweiten Wechselspannungsnetzes beaufschlagt ist. Ein derartiger Matrix-Umrichter ist in der US-Patentschrift 6,900,998 B2 beschrieben. Bei diesem bekannten Matrix- Umrichter sind die jeweils von dem ersten mehrphasigen Wechselspannungsnetz abgewandten Enden der ersten induktiven Schaltungselemente über jeweils eine Umrichtereinheit in Form eines Multilevel-Schaltbausteins mit allen von den zweiten Anschlüssen abgewandten Enden der zweiten induktiven Schaltungselemente verbunden, wozu bei dreiphasigen Wechselspannungsnetzen insgesamt neun Umrichtereinheiten erforderlich sind. Die Regelanordnung des bekannten Matrix-Umrichters ist mit Strom- und Spannungsmessgrößen des ersten und des zweiten Wechselspannungsnetzes beaufschlagt und so ausgelegt, dass der Matrix-Umrichter unter Verwendung einer Raumvektor- Modulation gesteuert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Matrix- Umrichter vorzuschlagen, der nicht nur vergleichsweise einfach aufgebaut ist, sondern der auch relativ einfach steuerbar ist, um zwei Wechselspannungsnetze unterschiedlichen Spannungsniveaus und/oder unterschiedlicher Frequenz miteinander zu verbinden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Matrix-Umrichter der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß zwischen den von dem ersten Wechselspannungsnetz abgewandten Enden der ersten induktiven Schaltungselemente und Erdpotential jeweils eine erste Umrichtereinheit in einer Ausführung als steuerbare Wechselspannungsquelle angeordnet, zwischen die von dem ers ^¬ ten Wechselspannungsnetz abgewandten Enden der ersten induk- tiven Schaltungselemente und die von dem zweiten Wechselspannungsnetz abgewandten Enden der zweiten induktiven Schaltungselemente ist jeweils eine zweite Umrichtereinheit in ei ^¬ ner Ausführung als steuerbare Wechselspannungsquelle geschal ^¬ tet; die Regelanordnung ist mit Steuereingängen der ersten und der zweiten Umrichtereinheiten derart verbunden, dass die dem Matrix-Umrichter zufließende elektrische Leistung gleich der aus dem Matrix-Umrichter abfließenden elektrischen Leistung ist. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Matrix- Umrichters besteht darin, dass er vergleichsweise einfach aufgebaut ist, indem er bei dreiphasigen Wechselspannungsnet ^¬ zen mit nur drei ersten Umrichtereinheiten und nur drei zweiten Umrichtereinheiten auskommt, also insgesamt nur sechs Um- richtereinheiten benötigt. Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass die Regelanordnung vergleichsweise ein ^¬ fach ausgeführt werden kann, weil mit ihr der Matrix- Umrichter nur so gesteuert zu werden braucht, dass die dem Matrix-Umrichter zufließende elektrische Leistung gleich der aus dem Matrix-Umrichter abfließenden elektrischen Leistung ist, ausgehend von der Spannung am ersten Wechselspannungs ^¬ netz die Spannung am zweiten Wechselspannungsnetz beliebig entsprechend gewünschten Vorgaben bezüglich Höhe und/oder Frequenz einstellen zu können.

Bei dem erfindungsgemäßen Matrix-Umrichter können steuerbare Umrichtereinheiten unterschiedlicher Ausführung eingesetzt werden, sofern sie dazu geeignet sind, bei entsprechender An- Steuerung steuerbare Wechselspannungsquellen zu bilden.

Besonders geeignet als steuerbare Umrichtereinheiten sind bei dem erfindungsgemäßen Matrix-Umrichter Multilevel- Umrichtereinheiten . Diese können beispielsweise aus Halbbrü- cken-Submodulen bestehen. Als besonders vorteilhaft wird es aber angesehen, wenn die modularen Multilevel- Umrichtereinheiten aus H-Brücken-Submodule bestehen, weil hierdurch die Abschaltmöglichkeit des Stromes gewährleistet wird und höhere Modulationsgrade möglich werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kondensatoren der H- Brücken-Submodule Speicherkondensatoren mit höchster Kapazität im Faradbereich sind, die auch als SuperCaps bezeichnet werden. Alternativ dazu können den Kondensatoren üblicher Ausführung in den H-Brücken-Submodulen Energiespeicher, wie Batterien, parallel geschaltet sein. Andererseits können Energiespeicher per Steller an den Zwischenkreiskondensator angeschlossen werden. Auch die induktiven Schaltungselemente können bei dem erfindungsgemäßen Matrix-Umrichter in unterschiedlicher Weise ausgestaltet sein. Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die induktiven Schaltungselemente Drosseln sind, weil sich diese vergleichsweise einfach herstellen lassen und so ^¬ mit kostengünstig sind.

Gegebenenfalls kann es aber auch vorteilhaft sein, wenn die induktiven Schaltungselemente Transformatoren sind, weil sich damit das Übersetzungsverhältnis des gesamten Matrix- Umrichters optimieren lässt; außerdem lassen sich damit besondere Isolationsanforderungen erfüllen.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfah- ren zum Erzeugen einer Wechselspannung in einem zweiten mehrphasigen Wechselspannungsnetz (N2) aus einer mehrphasigen Wechselspannung in einem ersten Wechselspannungsnetz mittels eines Matrix-Umrichters, der eine Verbindung zu dem ersten Wechselspannungsnetz und dem zweiten Wechselspannungsnetz aufweist, jeweils mit dem ersten Wechselspannungsnetz verbundene, erste induktive Schaltungselemente und jeweils mit dem zweiten Wechselspannungsnetz verbundene, zweite induktive Schaltungselemente, eine Schaltmatrix, die die von dem ersten Wechselspannungsnetz abgewandten Enden der ersten induktiven Schaltungselemente mit den von dem zweiten Wechselspannungs ^¬ netz abgewandten Enden der zweiten induktiven Schaltungselemente verbindet, wobei die Schaltmatrix aus steuerbaren Um ^¬ richtereinheiten besteht, und eine mit Steuereingängen der steuerbaren Umrichtereinheiten verbundene Regelanordnung, wobei die Regelanordnung mit Strom- und Spannungsmessgrößen des ersten und des zweiten Wechselspannungsnetzes beauf ^¬ schlagt ist. Ein solches Verfahren ist der oben bereits erwähnten US- Patentschrift 6,900,998 B2 zu entnehmen. Davon ausgehend wird erfindungsgemäß vorgesehen, dass bei einem Matrix-Umrichter mit mit jeweils einer zwischen den von den ersten Wechsel- spannungsnetz abgewandten Enden der ersten induktiven Schaltungselemente und Erdpotential angeordneten ersten Umrichte ^¬ reinheit in einer Ausführung als steuerbare Wechselspannungs ^¬ quelle und jeweils einer zwischen die von dem ersten Wechsel ^¬ spannungsnetz abgewandten Enden der ersten induktiven Schal- tungselemente und die von dem zweiten Wechselspannungsnetz abgewandten Enden der zweiten induktiven Schaltungselemente angeschlossenen zweiten Umrichtereinheit in einer Ausführung als steuerbare Wechselspannungsquelle die Umrichtereinheiten mittels der Regelanordnung derart gesteuert werden, dass die dem Matrix-Umrichter zufließende elektrische Leistung gleich der aus dem Matrix-Umrichter abfließenden elektrischen Leistung ist.

Mit diesem Verfahren lassen sich die Vorteile erzielen, die oben bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Umrichter aufgeführt worden sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Patentansprüchen 7 bis 10.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung ist in

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen

Matrix-Umrichters mit Drosseln als induktive Schaltungselemente und in

Figur 2 eine prinzipielle Darstellung des erfindungs ^¬ gemäßen Matrix-Umrichters für eine einzige Phase zur näheren Erläuterung seiner Funktionsweise dargstellt.

In der Figur 1 ist ein Matrix-Umrichter MU dargestellt, der mit einem ersten mehrphasigen Wechselspannungsnetz Nl mit den Phasenleitern ul, vi und wl verbunden ist. Andererseits ist der Matrix-Umrichter MU auch mit den Phasenleitern u2, v2 und w2 eines zweiten mehrphasigen Wechselspannungsnetzes N2 ver ^¬ bunden .

Der Matrix-Umrichter MU ist an ersten Anschlüssen Kul, Kvl und Kwl an die Phasenleiter ul, vi und wl des ersten Wechselspannungsnetzes Nl angeschlossen. Mit diesen ersten Anschlüssen Kul, Kvl und Kwl sind erste induktive Schaltungselemente Sul, Svl und Swl mit ihrem jeweils einen Ende verbunden. Die von den ersten Anschlüssen Kul, Kvl und Kwl und damit vom ersten Wechselspannungsnetz Nl abgewandten Enden Eul und Evl sowie Ewl der induktiven Schaltungselemente Sul, Svl und Swl sind mit jeweils einer ersten Umrichtereinheit Uul, Uvl und Uwl einer Schaltmatrix MA verbunden. Ausgangsseitig sind diese ersten Umrichtereinheiten Uul, Uvl und Uwl gemeinsam an Erdpotential M angeschlossen.

Wie die Figur 1 ferner zeigt, sind die Enden Eul, Evl und Ewl der ersten induktiven Schaltungselemente Sul, Svl und Swl auch mit zweiten Umrichtereinheiten Uu2, Uv2 und Uw2 verbunden, die ihrerseits ausgangsseitig an von dem zweiten Wech ^¬ selspannungsnetz N2 abgewandte Enden Eu2, Ev2 und Ew2 von zweiten induktiven Schaltungselementen Su2, Sv2 und Sw2 ange- schlössen sind. Diese Schaltungselemente Su2, Sv2 und Sw2 sind über zweite Anschlüsse Ku2, Kv2 und Kw2 an das zweite Wechselspannungsnetz N2 angeschlossen. Die Figur 1 lässt ferner erkennen, dass jeder der Umrichtereinheiten Uul, Uvl und Uwl beziehungsweise Uu2, Uv2 und Uw2 als modulare Multilevel-Umrichter mit jeweils einer Anzahl n von Submodulen SM ausgeführt ist, wie es an sich bekannt ist. Die Submodule SM sind als sogenannte H-Brückenschaltung aus ^¬ gestaltet, was ebenfalls bekannt ist und deshalb hier im Ein ^¬ zelnen nicht beschrieben zu werden braucht. Die Steueranschlüsse dieser Submodule SM sind hier auch nur angedeutet. Die Anzahl der Submodule SM in den ersten und den zweiten Umrichtereinheiten Uul, Uvl und Uwl beziehungsweise Uu2, Uv2 und Uw2 ist im Hinblick auf die gewünschte Spannungsamplitude im zweiten Wechselspannungsnetz N2 gewählt, wenn das erste Wechselspannungsnetz Nl das speisende Netz ist.

Der Figur 1 ist ferner zu entnehmen, dass dem Matrix- Umrichter MU eine Regelanordnung R zugeordnet ist, die ein- gangsseitig mit Messgrößen des ersten und des zweiten Wechselspannungsnetzes Nl beziehungsweise N2 beaufschlagt ist. Zu diesem Zwecke ist in dem Phasenleiter ul ein Stromwandler Stul angeordnet, dem eine Messwertverarbeitungseinrichtung Muli nachgeordnet ist, von der ein dem jeweiligen Strom in dem Phasenleiter ul proportionaler Strom einem Eingang Euli zugeleitet wird. Die Spannung an dem Phasenleiter ul wird mittels eines Spannungswandlers Spul erfasst, dem ein Mess ^¬ wertumsetzer Mulu nachgeschaltet ist. Eine der Spannung an dem Phasenleiter ul proportionale Spannung gelangt über einen Eingang Eulu in die Regelanordnung R. Weitere, nur schematisch dargestellte Eingänge der Regelanordnung R sind dazu vorgesehen, in entsprechender Weise Strom- und Spannungsmessgrößen an den Phasenleitern vi und wl der Regelanordnung R zuzuführen . Entsprechend werden auch Strom- und Spannungsmessgrößen an den Phasenleitern u2, v2 und w2 des zweiten Wechselspannungsnetzes N2 erfasst, indem über einen Stromwandler Stu2 und eine Messwertaufbereitungseinrichtung Mu2i eine Strommessgröße über einen Eingang Eu2i der Regelanordnung R zugeführt wird; die entsprechende Spannung am Phasenleiter u2 wird mittels eines Spannungswandler Spu2 mit nachgeordneter Messwertaufbe- reitungsanordnung Mu2u über einen weiteren Eingang Eu2u der Regelanordnung R zugeführt. Weitere nur schematisch an der Regelanordnung R angedeutete Eingänge dienen dazu, in ent ^¬ sprechender Weise die Strom- und Spannungsmessgrößen an den Phasenleitern v2 und w2 zu erfassen und der Regelanordnung R zur Weiterverarbeitung zuzuleiten. Die Regelanordnung R ist ferner mit Steuerausgängen SA1 bis SAn versehen, die in nicht dargestellter Weise an die verschiedenen Steuereingänge der Submodule SM angeschlossen sind. Bei einer entsprechenden Auslegung der Regelungsanordnung R können die einzelnen Submodule SM so gesteuert werden, dass von den ersten und zweiten Umrichtereinheiten Uul, Uvl und Uwl beziehungsweise Uu2, Uv2 und Uw2 zwei Wechselspan ^¬ nungsquellen gebildet werden, die zu einer Wechselspannung mit gewünschter Höhe und/oder Frequenz am Wechselspannungsnetz N2 führen; dabei wird mittels der Regelanordnung R dafür gesorgt, dass die in den Matrix-Umrichtern MU aus dem ersten Wechselspannungsnetz Nl einfließende Leistung gleich der in das zweite Wechselspannungsnetz N2 eingespeisten Leistung ist . Zur weiteren Erläuterung der Wirkungsweise des erfindungsge ^¬ mäßen Matrix-Umrichters dient die Figur 2, in der beispiel ^¬ haft anhand einer Phase die Steuerung des Matrix-Umrichters erläutert wird. Der hier dargestellte Umrichter MU1, der bei ^¬ spielsweise gedanklich die beiden Umrichtereinheiten Uul und Uu2 nach Figur 1 enthält, liegt einerseits an einem ersten Wechselspannungsnetz Nil (beispielsweise Phasenleiter ul nach Fig. 1), an dem eine Spannung ul ansteht. Mit dieser Spannung Ul ist der Umrichter MU1 beaufschlagt. Eine Wechselspannungs- quelle W2 des Umrichters MU1 entspricht in dem gewählten Bei ^¬ spiel gedanklich der ersten Umrichtereinheit Uul und erzeugt eine weitere Umrichter-Spannung Uc2; die Wechselspannungs ^¬ quelle W2 liegt einerseits an Erdpotenzial M und ist anderer ^¬ seits mit einer weiteren Wechselspannungsquelle W3 verbunden, die der zweiten Umrichtereinheit Uu2 nach Fig. 1 entspricht. An dieser weiteren Wechselspannungsquelle W2 tritt eine zu ^¬ sätzliche Umrichterspannung Uc3 auf. Durch die hier nicht dargestellte Regelanordnung wird eine Ansteuerung der Umrichtereinheiten beziehungsweise der Wechselspannungsquellen W2 und W3 derart vorgenommen, dass die über die Drossel XI (in ^¬ duktives Schaltungselement Sul) eingespeiste Leistung PI vom Wechselspannungsnetz Nil der Leistung P2 entspricht, die über die Drossel X2 (zweites induktives Schaltungselement Su2 nach Fig. 1) an das zweite Netz N2 mit einer Spannung U2 geliefert wird. Es wird also stets dafür gesorgt, dass unter Berück ^¬ sichtigung der Unterschiede zwischen der Spannung Ul und der Spannung U2 beide Leistungen PI und P2 gleich groß sind, was sich formelmäßig in folgender Weise darstellen lässt: PI = {Ul Ucl sin(£l)}/ XI (1)

P2 = {U2Uc2sm(S2}}/ X2 . (2)

In diesen Gleichungen (1) und (2) S l und δ 2 die Phasendif ferenzen an den induktiven Schaltelementen XI und X2. Die Spannung Ucl ist gegeben durch die Gleichung (3) :

Ucl = (Uc2 + Uc3) . (3) Daraus wird klar, dass es durch die Steuerung des Leistungs ^¬ flusses möglich ist, bei einer vorgegebenen Spannung Ul beziehungsweise Spannung am Phasenleiter ul gemäß Fig. 1 durch St4euerung der Wechselspannungsquellen W2 und W3 beziehungs- weise der ersten und der zweiten Umrichtereinheit Uul und Uu2 von Spannungshöhe, Phase und Frequenz der Spannungen Uc2 und Uc3 so einzustellen, dass im zweiten Wechselspannungsnetz N21 beziehungsweise N2 gemäß Fig. 1 die gewünschte Spannung U2 entsteht .