DE10038814A1 - Hochspannungs-Gleichstromwandler - Google Patents

Hochspannungs-Gleichstromwandler

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Abstract

Es wird ein Hochspannungs-Gleichstromwandler vorgeschlagen, DOLLAR A - zusammengesetzt aus mehreren (n) primärseitigen Stromrichter-Modulen und mindestens einem sekundärseitigen Stromrichter-Modul, DOLLAR A - wobei die Gleichanschlüsse der primärseitigen Stromrichter-Module zwischen den Anschlüssen (12, 13) eines Hochspannungs-Gleichstrom-Verteilnetzes (1) in Serie geschaltet sind, DOLLAR A - wobei die Gleichanschlüsse der sekundärseitigen Stromrichter-Module zwischen den Anschlüssen (11) eines weiteren Gleichstromnetzes parallel geschaltet sind, DOLLAR A - wobei ein primärseitiges Stromrichter-Modul aus einer primärseitigen Stromrichter-Brücke (14.n), einem primärseitigen Kondensator (15.n), einem primärseitigen Serien-Resonanzkondensator (17.n), einem Transformator (18.n) und einem sekundärseitigen Serien-Resonanzkondensator (19.n) besteht und DOLLAR A - wobei ein sekundärseitiges Stromrichter-Modul aus einer sekundärseitigen Stromrichter-Brücke (20.n) und einen sekundärseitigem Kondensator (21.n) besteht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochspannungs-Gleichstromwandler und wird vor­ zugsweise auf dem Gebiet der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) ver­ wendet.
In Fig. 5 ist ein Hochspannungs-Gleichstrom-Verteilnetz mit Einspeisung(en) und Ab­ zweigung(en) dargestellt. Die beiden Enden des Hochspannungs-Gleichstrom-Verteil­ netzes 1 sind an einen Stromrichter 2 bzw. an einen Stromrichter 5 angeschlossen, wo­ bei jeweils Stützkondensatoren 4 bzw. 6 mit geerdetem Mittelpunkt vorgesehen sind. Die beiden Stromrichter 2 bzw. 5 weisen andererseits Anschlüsse 3 bzw. 7 für Dreh­ stromnetze auf. Der Stromrichter 2 dient vorzugsweise als Einspeise-Gleichrichter und ist hierzu mit einem Kraftwerk verbunden. Der Stromrichter 5 fungiert vorzugsweise als Wechselrichter zur Einspeisung in ein verzweigtes Versorgungsnetz.
Das Hochspannungs-Gleichstrom-Verteilnetz 1 ist des weiteren mit einem Stromrichter 8 und einem Hochspannungs-Gleichstromwandler 10 verbunden. Der Stromrichter 8 ist andererseits mit Anschlüssen 9 für ein Drehstromnetz vorzugsweise niedrigerer Span­ nung versehen und kann entweder als Wechselrichter zur Einspeisung aus dem Ver­ teilnetz 1 in dieses Drehstromnetz oder als Wechselrichter zur Einspeisung aus dem Drehstromnetz in das Hochspannungs-Gleichstrom-Verteilnetz 1 fungieren.
Der Hochspannungs-Gleichstromwandler 10 ist einerseits über Anschlüsse 12, 13 mit dem Verteilnetz 1 verbunden und weist andererseits Anschlüsse 11 für ein weiteres Gleichstromnetz vorzugsweise niedrigerer Spannung (Mittelspannung) auf. Es ist zum einen möglich, den Hochspannungs-Gleichstromwandler 10 zur Speisung dieses Gleichstromnetzes (beispielsweise eines Mittelspannungs-Gleichstrom-Verteilnetzes) aus dem Hochspannungs-Gleichstrom-Verteilnetz 1 heranzuziehen. Zum anderen ist es möglich, den Hochspannungs-Gleichstromwandler 10 zur Speisung des Hochspan­ nungs-Gleichstrom-Verteilnetzes 1 aus diesem Gleichstromnetz heranzuziehen. In letzterem Fall ist der Hochspannungs-Gleichstromwandler 10 beispielsweise an ein Solar-Kraftwerk oder eine Windkraftanlage angeschlossen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen für verschiedene primärseitige und sekundärseitige Spannungsanforderungen kostengünstig herstellbaren Hochspan­ nungs-Gleichstromwandler anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Hochspannungs-Gleichstrom­ wandler,
  • - zusammengesetzt aus mehreren primärseitigen Stromrichter-Modulen und minde­ stens einem sekundärseitigen Stromrichter-Modul,
  • - wobei die Gleichanschlüsse der primärseitigen Stromrichter-Module zwischen den Anschlüssen eines Hochspannungs-Gleichstrom-Verteilnetzes in Serie geschaltet sind,
  • - wobei die Gleichanschlüsse der sekundärseitigen Stromrichter-Module zwischen den Anschlüssen eines weiteren Gleichstromnetzes parallel geschaltet sind,
  • - wobei ein primärseitiges Stromrichter-Modul aus einer primärseitigen Stromrichter- Brücke, einem primärseitigen Kondensator, einem primärseitigen Serien-Resonanz­ kondensator, einem Transformator und einem sekundärseitigen Serien- Resonanzkondensator besteht und
  • - wobei ein sekundärseitiges Stromrichter-Modul aus einer sekundärseitigen Strom­ richter-Brücke und einem sekundärseitigen Kondensator besteht.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß das vorge­ schlagene Modulkonzept in sehr einfacher und universeller Weise eine Anpassung des Hochspannungs-Gleichstromwandlers an die vorgegebene Spannung des Hochspan­ nungs-Gleichstrom-Verteilnetzes ermöglicht, d. h. durch die Spannung des Hochspan­ nungs-Gleichstrom-Verteilnetzes wird die Anzahl der in Serie zu schaltenden Strom­ richter-Module bestimmt. Es genügt die Konstruktion, Fertigung und Bevorratung von sehr wenigen (beispielsweise drei) unterschiedlichen Typen von Stromrichter-Modulen (mit verschiedenen Strom-Spannungs- und Leistungsdaten), um alle denkbaren Vari­ anten auf dem Gebiet der Hochspannungs-Gleichstrom-Einspeisetechnik bzw. -Ab­ zweigtechnik abdecken zu können.
Da die Stromrichter-Module in relativ hoher Stückzahl hergestellt werden, ergeben sich Kostenvorteile im Vergleich zu einem Lösungsansatz ohne den Einsatz von Modulen. Der zur Realisierung eines Projektes erforderliche Zeitaufwand wird erheblich reduziert. Die Ersatzteilbevorratung wird erleichtert.
Vorteilhaft ist eine synchronisierte Ansteuerung einer Serienschaltung von vielen zwi­ schen den Hochspannungsanschlüssen angeordneten Halbleiterventilen nicht erforder­ lich.
Weitere Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeich­ net.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiele erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine Grundausführung des Hochspannungs-Gleichstromwandlers,
Fig. 2 eine vereinfachte Ausführung des Hochspannungs-Gleichstromwandlers für einen Energiefluß von der Hochspannungsseite zur Mittelspannungsseite,
Fig. 3 eine vereinfachte Ausführung des Hochspannungs-Gleichstromwandlers für einen Energiefluß von der Mittelspannungsseite zur Hochspannungsseite,
Fig. 4 eine vereinfachte Ausführung des Hochspannungs-Gleichstromwandlers für einen Energiefluß von der Mittelspannungsseite zur Hochspannungsseite bei relativ geringen Leistungsanforderungen,
Fig. 5 ein Hochspannungs-Gleichstrom-Verteilnetz mit Einspeisung(en) und Ab­ zweigung(en).
In Fig. 1 ist eine Grundausführung des Hochspannungs-Gleichstromwandlers darge­ stellt. Von Wichtigkeit ist die galvanische Trennung zwischen den Anschlüssen 12, 13 am Hochspannungs-Gleichstrom-Verteilnetz 1 einerseits und den mittelspannungsseiti­ gen Anschlüssen 11 (z. B. 5 kV Spannung zwischen den Anschlüssen 11) andererseits. Diese galvanische Trennung wird durch n Transformatoren 18.1 bis 18.n bewirkt. Die Primärspulen dieser Transformatoren 18.1 bis 18.n sind mit den Wechselanschlüssen von Stromrichter-Brücken 14.1 bis 14.n verbunden, wobei die Anschlüsse über Serien- Resonanzkondensatoren 17.1 bis 17.n erfolgen. Die Gleichanschlüsse der Stromrichter- Brücken 14.1 bis 14.n liegen in Serie zwischen den Anschlüssen 12, 13, wobei jeweils ein Kondensator 15.1 bis 15.n zwischen diesen Gleichanschlüssen angeordnet ist, so daß sich eine Serien-Kondensatorschaltung zwischen beiden hochspannungsseitigen Anschlüssen 12, 13 (z. B. 70 kV Spannung zwischen den Anschlüssen 12, 13) ergibt. Der Mittelpunkt dieser Serien-Kondensatorschaltung liegt über einem Erdanschluß 16 an Masse.
Die Sekundärspulen der Transformatoren 18.1 bis 18.n sind mit den Wechselanschlüs­ sen von Stromrichter-Brücken 20.1 bis 20.n verbunden, wobei die Anschlüsse über Se­ rien-Resonanzkondensatoren 19.1 bis 19.n erfolgen. Jeweils zwei Stromrichter-Brücken 20.1 bis 20.n sind paarweise über ihre Gleichanschlüsse in Serie geschaltet, wobei je­ weils ein Kondensator 21.1 bis 21.n zwischen diesen Gleichanschlüssen angeordnet ist. Die derart gebildeten Paare liegen über ihre äußeren Gleichanschlüsse parallel an den Anschlüssen 11. Die mittleren Anschlüsse der Paare sind miteinander verbunden. Der gemeinsame Verbindungspunkt aller mittleren Anschlüsse der Paare ist über Wider­ stände 22 mit den Anschlüssen 11 verbunden.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Grundausführung des Hochspannungs-Gleichstromwandlers 10 sind sowohl die Stromrichter-Brücken 14.1 bis 14.n als auch die Stromrichter-Brücken 20.1 bis 20.n jeweils mit aktiv ein- und ausschaltbaren Halbleiterschaltern, wie IGBTs, GTOs, MOSFETs in den vier Brückenzweigen bestückt. Dies erlaubt eine opti­ male Steuerung/Regelung des Energieflusses bzw. Stromflusses sowohl vom Hoch­ spannungs-Gleichstrom-Verteilnetz 1 zu den mittelspannungsseitigen Anschlüssen 11 als auch umgekehrt von den Anschlüssen 11 zum Hochspannungs-Gleichstrom-Verteil­ netz 1. Die aktiv ein- und ausschaltbaren Halbleiterschalter werden vorzugsweise mit einer relativ hohen Schaltfrequenz im Bereich 2 bis 10 kHz betrieben, was vorteilhaft die Baugröße der Transformatoren im Vergleich zu einer Betriebsweise mit niedriger Fre­ quenz reduziert. Für den Betrieb wird vorzugsweise eine Kombination aus Zero Current Switching (ZCS) und Zero Voltage Switching (ZVS) eingesetzt.
Wie aus Fig. 1 zu erkennen ist, setzt sich der Hochspannungs-Gleichstromwandler 10 aus n Stromrichter-Modulen zusammen, welche jeweils als Serien-Resonanz-DC/DC- Stromrichter ausgebildet sind und betrieben werden. Ein derartiges Stromrichter-Modul besteht allgemein aus einer primärseitigen Stromrichter-Brücke 14.n, einem primärseiti­ gen Kondensator 15.n, einem primärseitigen Serien-Resonanzkondensator 17.n, einem Transformator 18.n, einer sekundärseitigen Stromrichter-Brücke 20.n, einem sekundär­ seitigen Kondensator 21.n und einem sekundärseitigen Serien-Resonanzkondensator 19.n. In Abhängigkeit der in den Stromrichter-Brücken eingesetzten Halbleiterschalter ist ein Stromrichter-Modul für die Beaufschlagung mit einer bestimmten maximalen Spannung (Modulspannung) - beispielsweise 2,5 kV - geeignet.
Vorteilhaft ist ein Transformator lediglich für die Modulspannung, d. h. beispielsweise 2,5 kV, zu isolieren. Das Übersetzungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärwick­ lung beträgt vorzugsweise etwa 1 : 1. Der Transformator kann sehr kompakt und streu­ arm aufgebaut werden, was allgemein für resonante DC/DC-Stromrichter von großem Vorteil ist.
Diese n Stromrichter-Module sind allgemein primärseitig zwischen den Anschlüssen 12, 13 des Hochspannungs-Gleichstrom-Verteilnetzes in Serie und sekundärseitig zwi­ schen den Anschlüssen 11 des weiteren Gleichstromnetzes parallel geschaltet. Da die Spannung dieses weiteren Gleichstromnetzes jedoch für die Halbleiterschalter eines einzigen Stromrichter-Moduls zu hoch ist, sind jeweils zwei Stromrichter-Module sekun­ därseitig zunächst in Serie geschaltet, wie in Fig. 1 gezeigt.
Wie leicht zu erkennen ist; ermöglicht das vorgeschlagene Modulkonzept in sehr einfa­ cher und universeller Weise eine Anpassung des Hochspannungs-Gleichstromwandlers 10 an die vorgegebene Spannung des Hochspannungs-Gleichstrom-Verteilnetzes 1, d. h. durch die Spannung des Hochspannungs-Gleichstrom-Verteilnetzes 1 wird die An­ zahl der in Serie zu schaltenden Stromrichter-Module bestimmt. Beträgt die Spannung des Hochspannungs-Gleichstrom-Verteilnetzes 1 beispielsweise 70 kV, so sind acht­ undzwanzig primärseitige Stromrichter-Module in Serie vorzusehen, wenn ein Halblei­ terschalter für eine Sperrspannung von 2,5 kV ausgelegt ist.
In Fig. 2 ist eine vereinfachte Ausführung des Hochspannungs-Gleichstromwandlers 10 dargestellt, welche lediglich einen Energiefluß bzw. Stromfluß vom Hochspannungs- Gleichstrom-Verteilnetz 1 zu den Anschlüssen 11 (von der Hochspannungsseite zur Mittelspannungsseite) ermöglicht. Bei dieser vereinfachten, zur Speisung eines Mit­ telspannungs-Gleichstrom-Verteilnetzes geeigneten Ausführung sind die Stromrichter- Brücken 20.1 bis 20.n jeweils mit Dioden in den vier Brückenzweigen bestückt. Die üb­ rige Schaltung ist unverändert zur Ausführungsform nach Fig. 1.
In Fig. 3 ist eine vereinfachte Ausführung des Hochspannungs-Gleichstromwandlers 10 dargestellt, welche lediglich einen Energiefluß bzw. Stromfluß von den Anschlüssen 11 zum Hochspannungs-Gleichstrom-Verteilnetz 1 (von der Mittelspannungsseite zur Hochspannungsseite) ermöglicht. Bei dieser zur Einspeisung aus einem Mittelspan­ nungs-Gleichstrom-Verteilnetz oder zur Einspeisung aus einer Mittelspannungs-Ener­ giequelle - beispielsweise relativ große Windkraftanlagen oder Solar-Kraftwerke - ge­ eigneten vereinfachten Ausführung sind die Stromrichter-Brücken 14.1 bis 14.n jeweils mit Dioden in den vier Brückenzweigen bestückt. Die übrige Schaltung ist unverändert zur Ausführungsform nach Fig. 1.
In Fig. 4 ist eine vereinfachte Ausführung des Hochspannungs-Gleichstromwandlers 10 dargestellt, welche lediglich einen Energiefluß bzw. Stromfluß von den Anschlüssen 11 zum Hochspannungs-Gleichstrom-Verteilnetz 1 (von der Mittelspannungsseite zur Hochspannungsseite) bei relativ geringen Leistungsanforderungen ermöglicht. Bei die­ ser zur Einspeisung aus einem Mittelspannungs-Gleichstrom-Verteilnetz oder zur Ein­ speisung aus einer Mittelspannungs-Energiequelle - beispielsweise relativ kleine Wind­ kraftanlagen oder Solar-Kraftwerke - geeigneten vereinfachten Ausführung sind die Stromrichter-Brücken 14.1 bis 14.n jeweils mit Dioden in den vier Brückenzweigen be­ stückt. Alle Sekundärspulen der Transformatoren 18.1 bis 18.n sind parallel mit den Wechselanschlüssen einer einzigen Stromrichter-Brücke 20 verbunden, wobei die An­ schlüsse über Resonanzkondensatoren 19.1 bis 19.n erfolgen. Die Gleichanschlüsse der Stromrichter-Brücke 20 bilden die Anschlüsse 11, zwischen denen ein Kondensator 21 angeordnet ist. Die Stromrichter-Brücke 20 ist mit aktiv ein- und ausschaltbaren Halbleiterschaltern, wie IGBTs, GTOs, MOSFETs in den vier Brückenzweigen bestückt. Die übrige Schaltung ist unverändert zur Ausführungsform nach Fig. 1.

Claims (4)

1. Hochspannungs-Gleichstromwandler,
zusammengesetzt aus mehreren (n) primärseitigen Stromrichter-Modulen und mindestens einem sekundärseitigen Stromrichter-Modul,
wobei die Gleichanschlüsse der primärseitigen Stromrichter-Module zwischen den Anschlüssen (12, 13) eines Hochspannungs-Gleichstrom-Verteilnetzes (1) in Serie geschaltet sind,
wobei die Gleichanschlüsse der sekundärseitigen Stromrichter-Module zwischen den Anschlüssen (11) eines weiteren Gleichstromnetzes parallel geschaltet sind, wobei ein primärseitiges Stromrichter-Modul aus einer primärseitigen Stromrichter- Brücke (14.n), einem primärseitigen Kondensator (15.n), einem primärseitigen Se­ rien-Resonanzkondensator (17.n), einem Transformator (18.n) und einem sekun­ därseitigen Serien-Resonanzkondensator (19.n) besteht und
wobei ein sekundärseitiges Stromrichter-Modul aus einer sekundärseitigen Strom­ richter-Brücke (20.n) und einem sekundärseitigen Kondensator (21.n) besteht.
2. Hochspannungs-Gleichstromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sowohl die primärseitigen Stromrichter-Brücken (14.n) als auch die min­ destens eine sekundärseitige Stromrichter-Brücke (20.n) mit aktiv ein- und ausschaltba­ ren Halbleiterschaltern bestückt sind.
3. Hochspannungs-Gleichstromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die primärseitigen Stromrichter-Brücken (14.n) mit aktiv ein- und aus­ schaltbaren Halbleiterschaltern bestückt sind und die mindestens eine sekundärseitige Stromrichter-Brücke (20.n) mit Dioden bestückt ist.
4. Hochspannungs-Gleichstromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die primärseitigen Stromrichter-Brücken (14.n) mit Dioden bestückt sind und die mindestens eine sekundärseitige Stromrichter-Brücke (20.n) mit aktiv ein- und ausschaltbaren Halbleiterschaltern bestückt ist.
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