DE102007018343A1

DE102007018343A1 - Aktivfilter mit einer Multilevel-Topologie

Info

Publication number: DE102007018343A1
Application number: DE102007018343A
Authority: DE
Inventors: Tobias Bernhard; Mike Dommaschk; Jörg DORN; Ingo Euler; Franz Karlecik-Maier; Jörg LANG; John-William Strauss; Quoc-Buu Tu; Carsten Wittstock; Klaus WÜRFLINGER
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2007-04-16
Filing date: 2007-04-16
Publication date: 2008-10-30
Also published as: EP2147491A1; BRPI0811050B1; RU2009141969A; BRPI0811050A2; WO2008125493A1; RU2453963C2; BRPI0811050B8; US20100127769A1; CN101682190B; JP2010524425A; CN101682190A; JP5371952B2; US7969238B2

Abstract

Um eine Vorrichtung (1) zur Beeinflussung der Elektroenergieübertragung einer mehrere Phasen aufweisenden Wechselspannungsleitung (2) mit Phasenmodulen (5a, 5b, 5c), die jeweils einen Wechselspannungsanschluss (6a, 6b, 6c) zum Verbinden mit jeweils einer Phase der Wechselspannungsleitung (2) und zwei Verbindungsanschlüsse (7p, 7n) aufweisen, wobei sich zwischen jedem Verbindungsanschluss (7p, 7n) und jedem Wechselspannungsanschluss (6a, 6b, 6c) ein Phasenmodulzweig (8ap, 8bp, 8cp, 8an, 8bn, 8cn) erstreckt, der aus einer Reihenschaltung von Submodulen (9) besteht, die jeweils eine Leistungshalbleiterschaltung und einen zur Leistungshalbleiterschaltung parallel geschalteten Energiespeicher (15) aufweisen, und wobei die Verbindungsanschlüsse (7p, 7n) miteinander verbunden sind, bereitzustellen, die kostengünstig ist, wird vorgeschlagen, dass die Leistungshalbleiterschaltung abschaltbare Leistungshalbleiter (13) aufweist, die in einer Halbbrücke miteinander verschaltet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beeinflussung der Elektroenergieübertragung einer mehrere Phasen aufweisenden Wechselspannungsleitung mit Phasenmodulen, die jeweils einen Wechselspannungsanschluss zum Verbinden mit jeweils einer Phase der Wechselspannungsleitung und zwei Verbindungsanschlüsse aufweisen, wobei sich zwischen jedem Verbindungsanschluss und jedem Wechselspannungsanschluss ein Phasenmodulzweig erstreckt, der aus einer Reihenschaltung von Submodulen besteht, die jeweils eine Leistungshalbleiterschaltung und einen zur Leistungshalbleiterschaltung parallel geschalteten Energiespeicher aufweisen, und wobei die Verbindungsanschlüsse miteinander verbunden sind.
Eine solche Vorrichtung ist aus der US 6,075,350 bereits bekannt. Dort ist ein so genannter Multilevel-Stromrichter beschrieben, der zum Filtern von harmonischen Oberschwingungen der Netzfrequenz einer Wechselspannungsleitung sowie zur Blindleistungskompensation vorgesehen ist. Der vorbekannte Stromrichter weist für jede Phase des Wechselspannungsnetzes ein Phasenmodul auf, das über einen Wechselspannungsanschluss verfügt, mit dem jedes Phasenmodul mit jeweils einer Phase der Wechselspannungsleitung verbunden ist. Dabei weist jedes Phasenmodul eine Reihenschaltung aus Submodulen auf, die als Zweipole ausgestaltet sind, wobei jedes Submodul einen Kondensator und in Parallelschaltung zum Kondensator eine Vollbrückenschaltung aus Leistungshalbleitern aufweist. Jedem dieser abschaltbare Leistungshalbleiter ist eine Freilaufdiode gegensinnig parallel geschaltet. Als abschaltbare Leistungshalbleiter kommen beispielsweise IGBTs, GTOs oder dergleichen in Betracht. Mit Hilfe der Vollbrückenschaltung ist bei zweckmäßiger Ansteuerung der abschaltbaren Leistungshalbleiter möglich, den Klemmen jedes Submoduls die Kondensatorspannung, eine Nullspannung oder aber die invertierte Kondensatorspannung aufzuprägen. Die Phasenmodule sind an ihrem vom Wechselspannungsanschluss abgewandten Ende zu einem Stern miteinander verschaltet. Durch Zu- beziehungsweise Abschalten von Submodulen mit Hilfe der Leistungshalbleiterschaltung ist es möglich, eine Sinusspannung stufenförmig anzunähern. Dabei gestattet die Vollbrückenschaltung die größtmögliche Flexibilität bei der Schaltung. Die Vollbrückenschaltung macht jedoch eine Vielzahl von Leistungshalbleitermodulen erforderlich, wodurch die Kosten einer solchen Vorrichtung erhöht sind.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die kostengünstig ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass die Leistungshalbleiterschaltung abschaltbare Leistungshalbleiter aufweist, die in einer Halbbrücke miteinander verschaltet sind.
Erfindungsgemäß ist ein Aktivfilter mit einer Multilevel-Topologie bereitgestellt. Mit anderen Worten ist für jede Phase oder aber im Falle einer Anwendung des Aktivfilters in einem Gleichspannungszwischenkreis für jeden Pol ein Phasenmodul vorgesehen ist, das aus einer Reihenschaltung von Submodulen besteht. Die Submodule sind Bipole und weisen zwei Anschlussklemmen auf. Dabei verfügt jedes Submodul über einen Energiespeicher, beispielsweise einen Kondensator, dem eine Leistungshalbleiterschaltung parallel geschaltet ist. Je nach Ansteuerung der Leistungshalbleiter der Leistungshalbleiterschaltung ist an den Anschlussklemmen die an dem Energiespeicher abfallende Spannung erzeugbar oder aber eine Nullspannung. Im Gegensatz zum Mulilevel-Aktivfilter gemäß dem Stand der Technik ist erfindungsgemäß eine Halbbrückenschaltung vorgesehen. Solche Topologien sind bislang nur im Zusammenhang mit der Hochspannungsgleichstromübertragung bekannt geworden. Der Einsatz einer Vollbrückenschaltung im Zusammenhang mit der Hochspannungsgleichstromübertragung scheidet aus, da aufgrund einer Vollbrückenschaltung keine Energieeinspeisung in einen Gleichspannungszwischenkreis ermöglich ist. Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass eine lediglich aus der Energieübertragung bekannte Verschaltung von Leistungshalbleitern auch für ein aktives Filter eingesetzt werden kann. Das Unterdrücken harmonischer Oberschwingungen in einem Wechselspannungsnetz oder in einem Gleichspannungszwischenkreis ist erfindungsgemäß auch mit einer Halbbrückenschaltung möglich, die an ihren Anschlussklemmen im Gegensatz zum Stand der Technik keine invertierte Energiespeicherspannung erzeugen kann. Der große Vorteil der Halbbrückenschaltung gegenüber der Vollbrückenschaltung ist in den Kosten zu sehen, da aufgrund der Halbbrückenschaltung lediglich halb so viele Leistungshalbleitermodule beim Aktivfilter eingesetzt werden müssen.
Bei einer ersten zweckmäßigen Ausgestaltung der Halbbrückenschaltung weist jedes Submodul eine erste Anschlussklemme, eine zweite Anschlussklemme, einen Energiespeicher und einen zwei in Reihe geschaltete abschaltbare Leistungshalbleiter aufweisenden Leistungshalbleiterzweig in Parallelschaltung zum Energiespeicher auf, wobei jedem abschaltbaren Leistungshalbleiter eine gegensinnige Freilaufdiode parallel geschaltet ist und der Verbindungspunkt des Emitters eines ersten abschaltbaren Leistungshalbleiters des Leistungshalbleiterzweiges und der Anode der dem ersten abschaltbaren Leistungshalbleiter zugeordneten gegensinnigen Freilaufdiode die erste Anschlussklemme und der Verbindungspunkt der abschaltbaren Leistungshalbleiter des Leistungshalbleiterzweiges und der Freilaufdioden die zweite Anschlussklemme ausbilden.
Bei einer hiervon abweichenden Ausgestaltung weist jedes Submodul eine erste Anschlussklemme und eine zweite Anschlussklemme auf, wobei die Leistungshalbleiterschaltung einen zwei in Reihe geschaltete abschaltbare Leistungshalbleiter aufweisenden Leistungshalbleiterzweig in Parallelschaltung zum Energiespeicher aufweist, wobei jedem abschaltbaren Leistungshalbleiter eine gegensinnige Diode parallel geschaltet ist und der Verbindungspunkt des Kollektors des ersten abschaltbaren Leistungshalbleiters des Leistungshalbleiterzweiges und der Katode der dem ersten abschaltbaren Leistungshalbleiter zugeordneten gegensinnigen Freilaufdiode die erste Anschlussklemme und der Verbindungspunkt der abschaltbaren Leistungshalbleiter des Leistungshalbleiterzweiges und der Freilaufdiode die zweite Anschlussklemme ausbilden.
Gemäß einer zweckmäßigen Weiterentwicklung der Erfindung ist ein weiteres Phasenmodul vorgesehen, dass einen mit Erdpotenzial verbundenen Erdungsanschluss und zwei Verbindungsanschlüsse aufweist, wobei sich zwischen jedem Verbindungsanschluss und dem Erdungsanschluss jeweils ein Phasenmodulzweig erstreckt, der aus einer Reihenschaltung von Submodulen besteht, wobei jeder Verbindungsanschluss mit dem Verbindungsanschluss der restlichen Phasenmodule verbunden ist. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung ist nicht nur eine Dämpfung des Gegensystems bereitgestellt. Vielmehr ist durch die Erdung auch das Abfließen von Nullsystemströmen ermöglicht, so dass auch deren Unterdrückung in der Wechselspannungsleitung ermöglicht ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Kondensatormodul mit einem Erdungsanschluss und zwei Verbin dungsanschlüssen vorgesehen, wobei zwischen dem Erdungsanschluss und jedem Verbindungsanschluss jeweils ein Kondensatorzweig ausgebildet ist, der aus einem oder mehreren Kondensatoren besteht, die in Reihe zueinander geschaltet sind, wobei jeder Verbindungsanschluss mit einem Verbindungsanschluss der Phasenmodulzweige verbunden ist. Auch über den Erdungsanschluss des Kondensatormoduls ist das Abfließen von Nullsystemströmen ermöglicht. Das Kondensatormodul kann somit zusätzlich zu dem weiter oben beschriebenen Phasenmodul mit einem Erdungsanschluss ausgerüstet oder eben stattdessen vorgesehen sein. Sowohl bei dem geerdeten Phasenmodul als auch bei dem Kondensatormodul ist eine mittige Anordnung des Erdungsanschlusses und somit eine symmetrische Ausgestaltung des Kondensatormoduls zweckmäßig. Die sich zwischen dem Verbindungsanschluss und dem Erdungsanschluss jeweils erstreckenden Phasenmodulzweige eines Phasenmoduls sind daher identisch. Entsprechendes gilt für die Reihenschaltung aus Kondensatoren oder für die beiden Kondensatoren, die jeweils in einem Zweig zwischen Erdungsanschluss und Verbindungsanschluss angeordnet sind. Auch aufgrund dieser Ausgestaltung kann bei der Übertragung einer hoher Grad an Symmetrie bereitgestellt werden.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen und wobei
1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Ersatzbilddarstellung,
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigen.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, die an eine Wechselspannungsleitung 2 mit den Phasen 2a, 2b und 2c angeschlossen ist. Dabei erstreckt sich die Wechselspannungsleitung 2 zwischen einem Elektroenergie speisenden Versorgungsnetz 3 sowie einer Last 4, durch die das Versorgungsnetz 3 beziehungsweise die Wechselspannungsleitung 2 unsymmetrisch belastet wird und wobei gleichzeitig harmonische Oberschwingungen der Nennfrequenz der Wechselspannung der Wechselspannungsleitung 2 erzeugt werden. Die Vorrichtung 1 ist zur Kompensation der Unsymmetrien und insbesondere zur Unterdrückung der besagten Oberschwingungen vorgesehen.
Die in 1 dargestellte Vorrichtung 1 umfasst drei Phasenmodule 5a, 5b und 5c, die jeweils über einen Wechselspannungsanschluss 6a, 6b und 6c verfügen, die jeweils mit einer Phase 2a, 2b beziehungsweise 2c der Wechselspannungsleitung 2 verbunden sind. Darüber hinaus verfügt jedes Phasenmodul 5a, 5b und 5c jeweils über zwei Verbindungsanschlüsse 7p und 7n, wobei sich zwischen jedem Wechselspannungsanschluss 6a, 6b und 6c und jedem der Verbindungsanschlüsse 7p beziehungsweise 7n jeweils ein Phasenmodulzweig 8ap, 8bp, 8cp, 8an, 8bn und 8cn erstreckt. Jeder dieser sechs Phasenmodulzweige besteht aus einer Reihenschaltung von Submodulen 9.
Die Submodule 9 sind als Zweipole ausgestaltet und weisen eine erste Anschlussklemme 10 sowie eine zweite Anschlussklemme 11 auf. Darüber hinaus verfügt jedes Submodul 9 über einen Leistungshalbleiterzweig 12, der zwei in Reihe zueinander geschaltete abschaltbare Leistungshalbleiter 13, wie beispielsweise IGBTs, aufweist. Jedem abschaltbaren Leistungshalblei ter 13 ist eine Freilaufdiode 14 gegensinnig parallel geschaltet. Der Leistungshalbleiterzweig 12 ist parallel zu einem Kondensator 15 als Energiespeicher geschaltet. Der Emitter des in 1 unten dargestellten abschaltbaren Leistungshalbleiters 13 und die Anode der dem besagten abschaltbaren Leistungshalbleiter 13 parallel geschalteten Freilaufdiode 14 liegen auf dem Potenzial der ersten Anschlussklemme 10 des Submoduls. Die zweite Anschlussklemme liegt auf dem Potenzial der Verbindungspunkte zwischen den beiden abschaltbaren Leistungshalbleitern 13 und somit auf dem Potenzial des Verbindungspunktes zwischen den beiden in Reihe geschalteten Freilaufdioden 14.
Je nach Ansteuerung der abschaltbaren Leistungshalbleiter 13 fällt an den Anschlussklemmen 10 und 11 entweder die Kondensatorspannung oder eine Nullspannung ab. Dies kann jedoch auch mit einer anderen, weiter oben genannten Verschaltung der benannten Bauteile erreicht werden.
Durch eine zweckmäßige in 1 nicht gezeigte Ansteuerung der abschaltbaren Leistungshalbleiter werden die Kondensatoren 15 jedes Submoduls 9 aufgeladen. Die Steuerungs- und Regelungseinrichtung umfasst jedoch darüber hinaus auch ein Verfahren, mit dem harmonische Oberschwingungen des in der Wechselspannungsleitung fließenden Wechselstromes erkannt werden. Die besagten Oberschwingungen weisen eine Frequenz auf, die ein ganzzahliges Vielfaches der Nennfrequenz der Spannung in der Wechselspannungsleitung sind. Durch zweckmäßiges Ansteuern der abschaltbaren Leistungshalbleiter 13 wird aufgrund der geladenen Kondensatoren 9 eine Spannung erzeugt, die einen Kompensationsstrom oder Filterstrom treibt, der in die Wechselspannungsleitung 2 eingekoppelt wird und dafür sorgt, dass die harmonischen Oberschwingungen sowie Asymmet rien des Stromes in der Wechselspannungsleitung 2 unterdrückt werden.
2 zeigt ein weiteres Beispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit den Phasenmodulen 5a, 5b und 5c, die jeweils zwei Phasenmodulzweige 8ap, 8an, 8bp, 8bn, 8cp beziehungsweise 8cn aufweisen. Zum Abfließenlassen von Nullsystemströmen ist ein weiteres Phasenmodul 5d vorgesehen, das wieder zwei Verbindungsanschlüsse 7p und 7n aufweist, die mit den Verbindungsanschlüssen 7p beziehungsweise 7n der Phasenmodule 5a, 5b und 5c durch eine Verbindungsleitung verbunden sind. Im Gegensatz zu den Phasenmodulen 5a, 5b und 5c verfügt das Phasenmodul 5d jedoch nicht über einen Wechselspannungsanschluss, sondern über einen Erdungsanschluss 16, über den bei zweckmäßiger Ansteuerung der abschaltbaren Leistungshalbleiter der Submodule 9 der Phasenmodulzweige 8dp und 8dn Nullsystemströme abfließen können. Gemäß dieser vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist somit auch eine Unterdrückung von Unsymmetrien aufgrund Nullsystemströmen ermöglicht.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei jedoch die Verbindungsanschlüsse 7p beziehungsweise 7n der Phasenmodule 5a, 5b und 5c mit den Verbindungsanschlüssen 7p beziehungsweise 7n der Phasenmodule 5a, 5b und 5c mit den Verbindungsanschlüssen 7p beziehungsweise 7n eines Kondensatormoduls 17 verbunden sind. Das Kondensatormodul 17 verfügt über einen Erdungsanschluss 16, wobei sich zwischen dem Erdungsanschluss 16 und jedem Verbindungsanschluss 7p beziehungsweise 7n jeweils ein Kondensator 18 angeschlossen ist. Selbstverständlich können auch mehrere in Reihe geschaltete Kondensatoren 18 zwischen dem Erdungsanschluss 16 und jedem Verbindungsanschluss 7p beziehungsweise 7n des Kondensatormoduls 17 vorgesehen sein. Über den Erdungsanschluss 16 ist wiederum ein Abfließen der Nullsystemströme ermöglicht. Dar über hinaus ist durch zweckmäßige Ansteuerung der abschaltbaren Leistungshalbleiter der Phasenmodule 5a, 5b und 5c das Einkoppeln einer kapazitiven Blindleistung in die Wechselspannungsleitung 2 ermöglicht. Somit ist durch diese Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 auch eine Blindleistungskompensation bereitgestellt. Selbstverständlich kann ein mittig geerdetes Phasenmodul, das in 2 mit 5d bezeichnet ist, auch zusammen mit einem Kondensatormodul 16 sowie den drei Phasenmodulen 5a, 5b und 5c im Rahmen der Erfindung eingesetzt werden, wobei die Verbindungsanschlüsse 7p beziehungsweise 7n durch eine Verbindungsleitung auf ein gemeinsames Potenzial gelegt sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6075350 [0002]

Claims

Vorrichtung (1) zur Beeinflussung der Elektroenergieübertragung einer mehrere Phasen (2a, 2b, 2c) aufweisenden Wechselspannungsleitung (2) mit Phasenmodulen (5a, 5b, 5c), die jeweils einen Wechselspannungsanschluss (6a, 6b, 6c) zum Verbinden mit jeweils einer Phase der Wechselspannungsleitung (2) und zwei Verbindungsanschlüsse (7p, 7n) aufweisen, wobei sich zwischen jedem Verbindungsanschluss (7p, 7n) und jedem Wechselspannungsanschluss (6a, 6b, 6c) ein Phasenmodulzweig (8ap, 8bp, 8cp, 8an, 8bn, 8cn) erstreckt, der aus einer Reihenschaltung von Submodulen (9) besteht, die jeweils eine Leistungshalbleiterschaltung und einen zur Leistungshalbleiterschaltung parallel geschalteten Energiespeicher (15) aufweisen, und wobei die Verbindungsanschlüsse (7p, 7n) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungshalbleiterschaltung abschaltbare Leistungshalbleiter (13) aufweist, die in einer Halbbrücke miteinander verschaltet sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Submodul (9) eine erste Anschlussklemme (10), eine zweite Anschlussklemme (11), den Energiespeicher (15) und einen zwei in Reihe geschaltete abschaltbare Leistungshalbleiter (13) aufweisenden Leistungshalbleiterzweig (12) in Parallelschaltung zum Energiespeicher (15) aufweist, wobei jedem abschaltbaren Leistungshalbleiter (13) eine gegensinnige Freilaufdiode (14) parallel geschaltet ist und der Verbindungspunkt des Emitters eines ersten abschaltbaren Leistungshalbleiters (13) des Leistungshalbleiterzweiges und der Anode der dem ersten abschaltbaren Leistungshalbleiter zugeordneten gegensinnigen Freilaufdiode (14) die erste Anschlussklemme (10) und der Verbindungspunkt der abschaltbaren Leistungshalbleiter (13) des Leistungshalbleiterzweiges (12) und der Freilaufdioden (14) die zweite Anschlussklemme (11) ausbilden.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Submodul (9) eine erste Anschlussklemme, eine zweite Anschlussklemme aufweisen, wobei die Leistungshalbleiterschaltung einen zwei in Reihe geschaltete abschaltbare Leistungshalbleiter aufweisenden Leistungshalbleiterzweig in Parallelschaltung zum Energiespeicher aufweist, wobei jedem abschaltbaren Leistungshalbleiter eine gegensinnige Diode parallel geschaltet ist und der Verbindungspunkt des Kollektors des ersten abschaltbaren Leistungshalbleiters des Leistungshalbleiterzweiges und der Katode der dem ersten abschaltbaren Leistungshalbleiter zugeordneten gegensinnigen Freilaufdiode die erste Anschlussklemme und der Verbindungspunkt der abschaltbaren Leistungshalbleiter des Leistungshalbleiterzweiges und der Freilaufdiode die zweite Anschlussklemme ausbilden.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein weiteres Phasenmodul (8d), das einen mit Erdpotenzial verbundenen Erdungsanschluss (16) und zwei Verbindungsanschlüsse (7p, 7n) aufweist, wobei sich zwischen jedem Verbindungsanschluss (7p, 7n) und dem Erdungsanschluss (16) jeweils ein Phasenmodulzweig (8dp, 8dn) erstreckt, der aus einer Reihenschaltung von Submodulen (9) besteht, wobei jeder Verbindungsanschluss (7p, 7n) mit den Verbindungsanschluss (7p, 7n) der restlichen Phasenmodule (5a, 5b, 5c) verbunden ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Kondensatormodul (17) mit einem Erdungsanschluss (16) und zwei Verbindungsanschlüssen (7p, 7n), wobei sich zwischen dem Erdungsanschluss (16) und jedem Verbindungsanschluss (7p, 7n) jeweils ein Kondensatorzweig erstreckt, der aus einem oder mehreren Kondensatoren (18) besteht, die in Reihe zueinander geschaltet sind, wobei jeder Verbindungsanschluss (7p, 7n) mit einem Verbindungsanschluss (7p, 7n) der Phasenmodulzweige (5a, 5b, 5c) verbunden ist.