DE19736612A1 - Wechselrichter - Google Patents

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik. Sie betrifft einen Wechselrichter, um­ fassend eine Mehrzahl von am gleichen Gleichspannungszwi­ schenkreis parallel arbeitenden Wechselrichterbrücken, deren Ausgangsspannungen über Summationsmittel aufsummiert werden, wobei die Wechselrichterbrücken jeweils nach Maßgabe eines Trägersignals pulsdauermoduliert angesteuert werden und die Trägersignale der einzelnen Wechselrichterbrücken unterein­ ander eine konstante Phasendifferenz aufweisen, und wobei die Summationsmittel einen Mittelabgriff aufweisen, welcher über eine Erdverbindung geerdet ist.

STAND DER TECHNIK

Zur Verbindung von Stromnetzen mit unterschiedlicher Phasen­ zahl und/oder Wechselspannungsfrequenz, wie z. B. zwischen ei­ nem 50 Hz-Drehstromnetz und einem einphasigen 16 2/3 Hz-Bahn­ netz, werden zunehmend mit Leistungshalbleitern ausgerüstete vollstatische Kupplungen bzw. Bahnstromumrichter eingesetzt, die häufig als Umrichter mit Gleichspannungszwischenkreis ausgebildet sind. Gemäß Fig. 1 umfaßt ein solcher Bahn­ stromumrichter 10 beispielsweise einen (thyristorbestückten) Stromrichter 13, der über einen Transformator 12 den Dreh­ strom aus dem Drehstromnetz 11 abnimmt und in einen Gleich­ strom umwandelt, einen Gleichspannungszwischenkreis 14 zur Glättung bzw. Zwischenspeicherung, und einen Wechselrichter 15, der den Gleichstrom wieder in einen Wechselstrom der ge­ wünschten Frequenz umwandelt und in das Bahnnetz 16 ein­ speist.

Im Wechselrichter 15 werden üblicherweise eine oder mehrere parallel arbeitende Wechselrichterbrücken mit schaltbaren Ventilen (z. B. GTOs) eingesetzt, die pulsdauermoduliert ange­ steuert werden und die gewünschte sinusförmige Ausgangsspan­ nung durch eine Abfolge von dauermodulierten Rechteckimpulsen wechselnder Polarität approximieren. Zur Pulsdauermodulation wird dabei üblicherweise eine dreieckförmige Hilfssteuerspan­ nung verwendet. Einzelheiten der Ansteuerung können bei­ spielsweise einem Sonderdruck (Nr. 9608-1000-0) der Anmelde­ rin, "Vollstatische 100-MW-Frequenzkupplung Bremen", entnom­ men werden. Werden mehrere Wechselrichterbrücken parallel be­ trieben, werden die Ausgangsspannungen aufsummiert. Eine Ver­ ringerung des Oberschwingungsgehalts wird dabei dadurch er­ reicht, daß die Ansteuerung der einzelnen Wechselrichter­ brücken über die Hilfssteuerspannungen phasenverschoben er­ folgt.

Ein beispielhafter Aufbau eines Wechselrichters 15 ist in Fig. 2 wiedergegeben. Der Wechselrichter 15 dieses Beispiels umfaßt 8 parallel arbeitende Wechselrichterbrücken B1, . . ., B8, die jeweils mit einem parallelen Kondensator C1, . . ., C8 am Ein­ gang an die vom Gleichspannungszwischenkreis 14 kommenden Eingangsleitungen 17, 18 angeschlossen sind. Zur Summation der Ausgangsspannungen der Wechselrichterbrücken B1, . . ., B8 ist ein Transformator 19 vorgesehen, der für jede der Wechsel­ richterbrücken B1, . . ., B8 ein Wicklungspaar aus einer Primär­ wicklung P1, . . ., P8 und einer Sekundärwicklung S1, . . ., S8 ent­ hält. Die Ausgänge der Wechselrichterbrücken B1, . . ., B8 sind jeweils an die entsprechenden Primärwicklungen P1, . . ., P8 ange­ schlossen, die Sekundärwicklungen S1, . . ., S8 sind in Reihe ge­ schaltet. Das summierte Ausgangssignal steht an den Ausgangs­ leitungen 20, 21 zur Verfügung. Zur Unterdrückung von Ober­ schwingungen kann der Transformator 19 zusätzlich mit Ter­ tiärwicklungen T1, . . ., T8 ausgestattet sein, die in Reihe ge­ schaltet und durch eine entsprechende Filterschaltung 25 be­ dämpft sind (siehe dazu beispielsweise die EP-B1-0 149 169). Beispielhafte dauermodulierte und phasenverschobene Impuls­ reihen für die Wechselrichterbrücken B1, . . ., B8 sind in Fig. 3 wiedergegeben. Durch Summation der einzelnen Impulsfolgen im Transformator 19 ergibt sich daraus die resultierende Summen­ spannung u_Bi in Fig. 4.

Probleme mit der in Fig. 2 dargestellten Art von Wechselrich­ ter ergeben sich nun, wenn - wie es bei manchen Bahnnetzen erforderlich ist - der Transformator 19 des Wechselrichters 15 an einem Mittelabgriff 23 durch eine Erdverbindung 24 über einen Widerstand 22 (oder auch ohne Widerstand, d. h. "hart") geerdet wird (siehe Fig. 2). Diese Probleme lassen sich an­ hand der in Fig. 5 bis 8 wiedergegebenen Ersatzschaltbilder verdeutlichen: Der Wechselrichter, der als Spannungsquellen­ umrichter (Voltage Source Converter, VSC) arbeitet, kann grundsätzlich (Fig. 5) durch eine Spannungsquelle 26 mit der Spannung u_Bi beschrieben werden, die einen entsprechenden Strom i_Bi durch einen Kreis treibt, der durch die Impedanzen 27, 28 und 29 gebildet wird. Die Impedanzen 27 und 28 mit den Werten z₁ bzw. z₂ repräsentieren den Transformator 19, die Impedanz 29 mit dem Wert z₃ repräsentiert die Filterschaltung 25. Das Bahnnetz 16 läßt sich im Ersatzschaltbild durch die Impedanz 30 (z₄) und die Spannungsquelle 31 beschreiben.

Durch die Erdung (über den Widerstand 22) am Mittelabgriff 23 des Transformators 19 kann das Ersatzschaltbild des VSC aus Fig. 5 in ein Ersatzschaltbild gemäß Fig. 6 überführt wer­ den. Die Spannungsquelle 26 ist hier in zwei Spannungsquellen 32 und 33 mit den Teilspannungen u_Bi,a und u_Bi,b aufgeteilt, wobei gilt:

u_Bi = u_Bi,a-u_Bi,b (1).

Die Impedanzen 27 und 28 des Transformators 19 sind in Fig. 6 aufgeteilt in Impedanzen 34 und 39 bzw. 35 und 40 mit je­ weils der Hälfte des ursprünglichen Impedanzwertes, nämlich z₁/2 und z₂/2. Die Impedanz 29 mit dem Wert z₃ bleibt erhal­ ten, während die Impedanz 30 und die Spannungsquelle 31 des Bahnnetzes 16 ebenfalls aufgeteilt werden in die Impedanzen 36 und 41 (jeweils mit dem Wert z₄/2) bzw. Spannungsquellen 42 und 43. Die Erdung über den Mittelabgriff 23 des Transfor­ mators 19 wird in Fig. 6 durch den Widerstand 37 mit dem Wert R_E repräsentiert. Ein entsprechender Widerstand 38 mit dem Wert R_{E, r} beschreibt den gesamten Fern-Erdungswiderstand des Bahnnetzes 16.

Nach dem Konzept der modalen Zerlegung ("Modal Decomposi­ tion") kann das Ersatzschaltbild der Fig. 6 in zwei überla­ gerte Teilsysteme zerlegt werden, nämlich in das Gleichtakt-System ("Common Mode System") und das Gegentakt-System ("Differential Mode System"). Die beiden überlagerten Systeme können dann getrennt voneinander behandelt und die resultie­ renden Ströme und Spannungen nach Beendigung der Analyse ein­ fach addiert werden, um die realen physikalischen Größen zu erhalten. Das Ersatzschaltbild im Gleichtakt-System für die obere Hälfte des VSC ist in Fig. 7 wiedergegeben. Neben den bereits bekannten Impedanzen 34, 35 und 36 befinden sich im Stromkreis die Widerstände 45 und 46, welche jeweils das Dop­ pelte der Erdungswiderstände 37 bzw. 38 ausmachen. Die Span­ nungsquelle 44 gibt eine Spannung u_Bi,CM ab, die einen Strom i_Bi,CM durch den Kreis treibt. Das Ersatzschaltbild im Gegen­ takt-System für die obere Hälfte des VSC ist in Fig. 8 darge­ stellt. Neben den bereits bekannten Impedanzen 34, 35 und 36 ist hier zusätzlich die Impedanz 48 vorhanden, welche der halben Impedanz 29 entspricht und für die Filterschaltung 25 charakteristisch ist. Die Spannungsquelle 47 gibt eine Span­ nung u_Bi,D ab, die einen Strom i_Bi,D durch den Kreis treibt.

Für die Spannungen und Ströme ergibt sich der folgende Zusam­ menhang:

u_Bi,a = u_Bi,CM + u_Bi,D (2)

u_Bi,b = u_Bi,CM-u_Bi,D (3),

sowie

i_Bi = i_Bi,CM + i_Bi,D (4)

und

i_E = 2.i_Bi,CM (5).

Aus den Fig. 5 bis 8 und den Gleichungen (1) bis (5) ergibt sich unmittelbar, daß die Gleichtaktspannung u_Bi,CM uner­ wünscht ist, weil sie einen Gleichtaktstrom i_Bi,CM treibt, der nur durch die Erdungswiderstände 37 und 38 zurückfließen kann. Die Höhe des Gleichtaktstromes i_Bi,CM ist hauptsächlich durch die Impedanzen z₁ und z₂ des Transformators 19 be­ grenzt. Der Gleichtaktstrom i_BI,GM hat zwei nachteilige Wir­ kungen:

• - Er bewirkt erhebliche Verluste sowohl im lokalen Erdungs­ widerstand 22 bzw. 37 als auch im Fern-Erdungswiderstand 38. Wie Simulationen einer realen Anlage (ca. 50 MW) zei­ gen, können die Verluste im Erdungswiderstand 22 (bei ei­ nem nominalen Widerstandswert von R_E = 334 Ω) ungefähr 50 kW betragen und sind daher von einer unakzeptablen Größen­ ordnung.
• - Er kann in dem Bahnnetz (z. B. einem 138kV-Netz) Störungen in benachbarten Kommunikationseinrichtungen hervorrufen.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen VSC-Wechselrichter zu schaffen, bei welchem die über die Erdverbindung flies­ senden Ströme unterdrückt bzw. auf einen unschädlichen Wert gedämpft werden.

Die Aufgabe wird bei einem Wechselrichter der eingangs ge­ nannten Art dadurch gelöst, daß zur Dämpfung bzw. Unte­ rdrückung von über die Erdverbindung fliessenden gleichpha­ sigen Störströmen und den damit verbundenen Störspannungen in der Erdverbindung Schaltmittel angeordnet sind. Durch die Anordnung der Schaltmittel direkt in der Erdverbindung kann verhindert werden, daß im Normalfall (wenn die Schaltmittel offen sind) gleichphasige Störströme über die Erdverbindung fließen. Im Kurzschlußfall können die Schaltmittel ge­ schlossen werden, so daß die Kurzschlußströme zur Erde ab­ fließen können.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Schaltmittel eine als Sättigungs­ drossel ausgebildete Drossel umfassen. Die Drossel stellt für die Gleichtaktströme bei geeigneter Auslegung eine hohe Im­ pedanz dar, ohne die ohmsche Verbindung des Mittelabgriffs zur Erde im Fehlerfall zu beeinträchtigen. Zugleich ist die Drossel als passives Bauelement einfach und sicher in der Funktion.

Im normalen Betriebsfall erfüllt eine einfache Drossel pro­ blemlos die an sie gestellten Anforderungen. Probleme würden sich jedoch im Falle eines Kurzschlusses im Bahnnetz ergeben, weil dann die hohe Impedanz der Drossel ein Abfließen des steil ansteigenden Kurzschlußstromes zur Erde verhinderte und damit andere Anlagenteile gefährdete. Die Aufhebung der Dämpfungsfunktion im Kurzschlußfall wird dadurch erreicht, daß die Drossel als Sättigungsdrossel ausgebildet ist, deren Spannungs-Zeit-Fläche der zu erwartenden Spannungs-Zeit-Fläche der Störspannungen bzw. Störströme im Normalbetrieb angepaßt ist. Im Normalfall arbeitet die Sättigungsdrossel unterhalb der Sättigung und dämpft die in der Erdverbindung fliessenden Ströme. Im Kurzschlußfall geht die Sättigungs­ drossel in die Sättigung und läßt dann weitgehend ungehin­ dert den Kurzschlußstrom passieren.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß die Schaltmittel einen Thyristorschalter umfassen. Im normalen Betrieb ist der Thyristorschalter geschlossen und verhindert so sicher, daß die genannten Störströme über die Erdverbindung fließen können. Im Kurzschlußfall wird der Thyristorschalter, der z. B. aus zwei antiparallelen Thyristo­ ren besteht, geschlossen, und die Kurzschlußströme können un­ gehindert über die Erdverbindung fließen.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen An­ sprüchen.

Bevorzugt wird ein Wechselrichters nach der Erfindung in ei­ nem Umrichter mit Gleichspannungszwischenkreis, insbesondere in einem Bahnstromumrichter oder einer Frequenzkupplung, ein­ gesetzt.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie­ len im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. zeigen

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Bahnstromumrich­ ters;

Fig. 2 das Blockschaltbild eines für den Bahnstromum­ richter nach Fig. 1 geeigneten Wechselrichters mit einer Mehrzahl von parallelen Wechselrichter­ brücken und mit Mittelpunktserdung des Transfor­ mators;

Fig. 3 beispielhafte pulsdauermodulierte Ausgangsimpuls­ folgen der einzelnen Wechselrichterbrücken aus Fig. 2;

Fig. 4 die sich durch Aufsummierung der Ausgangsimpuls­ folgen aus Fig. 3 ergebende Summenspannung;

Fig. 5 das Ersatzschaltbild des mit dem Bahnnetz verbun­ denen Wechselrichters aus Fig. 4 ohne Mittel­ punktserdung des Transformators;

Fig. 6 das zu Fig. 5 entsprechende Ersatzschaltbild bei vorhandener Mittelpunktserdung;

Fig. 7 das aus dem Ersatzschaltbild der Fig. 6 abgelei­ tete Ersatzschaltbild für das Gleichtakt-Teilsy­ stem;

Fig. 8 das aus dem Ersatzschaltbild der Fig. 6 abgelei­ tete Ersatzschaltbild für das Gegentakt-Teilsy­ stem;

Fig. 9 ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen Wechselrichter nach der Erfindung mit einer sättigbaren Drossel zur Unterdrückung der in der Erdleitung fliessenden Gleichtaktströme; und

Fig. 10 ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen Wechselrichter nach der Erfindung mit einem Thyristorschalter zur Unterdrückung der in der Erdleitung fliessenden Gleichtaktströme.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In der Fig. 9 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für ei­ nen Wechselrichter nach der Erfindung wiedergegeben. Der Wechselrichter der Fig. 9 gleicht in seinem Aufbau im wesent­ lichen dem Wechselrichter der Fig. 2. Die Tertiärwicklungen am Transformator 19 sowie die dazugehörige Filterschaltung 25 sind hier der Einfachheit halber weggelassen. In die Erdver­ bindung 24, die vom Mittelabgriff 23 des Transformators über einen Widerstand 22 zur Erde führt, ist zur Dämpfung bzw. Un­ terdrückung der Gleichtaktströme in der Erdverbindung eine zum Widerstand 22 in Serie liegende Sättigungsdrossel 49 vor­ gesehen. Die Charakteristik der Sättigungsdrossel 49 ist da­ bei so bemessen, daß im normalen (stationären) Betriebsfall des Wechselrichters 15 die zu erwartenden gleichphasigen Ströme, die bei der geringen Anzahl von 8 Wechselrichter­ brücken B1, . . ., B8 relativ hoch sein können, stark gedämpft werden, während im Kurzschlußfall die Sättigungsdrossel 49 in die Sättigung gesteuert wird und den Kurzschlußstrom weitgehend ungehindert passieren läßt. Dazu wird die Span­ nungs-Zeit-Fläche der Sättigungsdrossel der zu erwartenden Spannungs-Zeit-Fläche der Störspannungen im Normalbetrieb an­ gepaßt.

Wie bereits weiter oben erwähnt kann gemäß Fig. 10 anstelle der Sättigungsdrossel 49 als Schaltmittel auch ein bei­ spielsweise aus zwei antiparallel geschalteten Thyristoren 50, 51 gebildeter Thyristorschalter verwendet werden, der im Normalfall offen ist und im Kurzschlußfall durchgesteuert wird.

Weiterhin ist es denkbar, die Sättigungsdrossel 49 auch bei einem Wechselrichter einzusetzen, der am Mittelabgriff des Transformators "hart" geerdet ist, d. h., keinen speziellen Erdungswiderstand 22 aufweist.

Beispiel: Es ergibt sich bei einer übertragenen Nennleistung von ca. 55MVA und einer Anzahl von 8 Wechselrichterbrücken ohne Dämpfungsmaßnahmen eine Gleichtakt-Stromverzerrung (Gleichtaktströme), die etwa 3% des Nennstromes (von ca. 400 A) ausmacht. An einem Erdungswiderstand 22 bzw. 37 von R_E = 240 Ω fällt dann eine maximale Verlustleistung von 100 kW ab. Durch Einfügung einer Sättigungsdrossel 49 mit einer un­ gesättigten Induktivität von ≧ 2H in die Erdverbindung 24 kann die Stromverzerrung und damit die am Erdungswiderstand abfallende Verlustleistung auf < 5 kW reduziert werden.

Die Erfindung ist in Fig. 9, 10 im Zusammenhang mit einem 1-phasigen Transformator erläutert worden. Es versteht sich jedoch von selbst, daß sie entsprechend auf einen 3-phasigen Transformator anwendbar ist.

Bezugszeichenliste

10

Bahnstromumrichter

11

Drehstromnetz

12

Transformator (3-phasig)

13

Stromrichter

14

Gleichspannungszwischenkreis

15

Wechselrichter

16

Bahnnetz

17

,

18

Eingangsleitung (Wechselrichter)

19

Transformator (Wechselrichter)

20

,

21

Ausgangsleitung (Wechselrichter)

22

Widerstand

23

Mittelabgriff (Transformator)

24

Erdverbindung

25

Filterschaltung

26

,

31

Spannungsquelle

27

, . . .,

30

Impedanz

32

,

33

Spannungsquelle

34

, . . .,

36

Impedanz

37

,

38

Widerstand

39

, . . .,

41

Impedanz

42

,

43

Spannungsquellen

44

,

47

Spannungsquelle

45

,

46

Widerstand

48

Impedanz

49

Drossel (Sättigungsdrossel)

50

,

51

Thyristor
B1, . . ., B8 Wechselrichterbrücke
C1, . . ., C8 Kondensator
P1, . . ., P8 Primärwicklung
S1, . . ., S8 Sekundärwicklung
T1, . . ., T8 Tertiärwicklung

Claims (8)

1. Wechselrichter (15), umfassend eine Mehrzahl von am gleichen Gleichspannungszwischenkreis (149 parallel arbei­ tenden Wechselrichterbrücken (B1, . . ., B8 , deren Ausgangsspan­ nungen über Summationsmittel (19) aufsummiert werden, wobei die Wechselrichterbrücken (B1, . . ., B8) jeweils nach Maßgabe einer Hilfssteuerspannung pulsdauermoduliert angesteuert wer­ den und die Hilfssteuerspannungen der einzelnen Wechselrich­ terbrücken (B1, . . ., B8) untereinander eine konstante Phasen­ differenz aufweisen, und wobei die Summationsmittel (19) ei­ nen Mittelabgriff (23) aufweisen, welcher über eine Erdver­ bindung (24) erdbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Dämpfung bzw. Unterdrückung von über die Erdverbindung (24) fliessenden gleichphasigen Störströmen und den damit verbun­ denen Störspannungen in der Erdverbindung (24) Schaltmittel (49, 50, 51) angeordnet sind.

2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass die Schaltmittel eine als Sättigungsdrossel ausge­ bildete Drossel (49) umfassen.

3. Wechselrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, dass die Spannungs-Zeit-Fläche der Drossel (49) der zu erwartenden Spannungs-Zeit-Fläche der Störspannungen bzw. Störströme im Normalbetrieb angepaßt ist.

4. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass die Schaltmittel einen Thyristorschalter (50, 51) umfassen.

5. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, dass in der Erdverbindung (24) ein Wi­ derstand (22) angeordnet ist, und dass die Schaltmittel (49, 50, 51) in der Erdverbindung (24) in Serie mit dem Widerstand (22) geschaltet sind.

6. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, dass die Summationsmittel einen Trans­ formator (19) umfassen, welcher eine der Anzahl der Wechsel­ richterbrücken (B1, . . ., B8) entsprechende Anzahl von Primär­ wicklungen (P1, . . ., P8) und zugehörigen Sekundärwicklungen (S1, . . ., S8) aufweist, daß jede Wechselrichterbrücke (B1, . . ., B8) jeweils ausgangsseitig an eine Primärwicklung (P1, . . ., P8) angeschlossen ist, und dass die Sekundärwicklungen (S1, . . ., S8) zur Summation der Ausgangsspannungen in Serie ge­ schaltet sind.

7. Wechselrichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, dass 2n (n = 1, 2, 3, . . .) Wechselrichterbrücken (B1, . . ., B8) bzw. Primärwicklungen (P1, . . ., P8) und Sekundärwicklungen (S1, . . ., S8) vorgesehen sind, und dass der Mittelabgriff (23) zwischen der n-ten und der (n+1)-ten Sekundärwicklung ange­ ordnet ist.

8. Anwendung eines Wechselrichters nach einem der Ansprü­ che 1 bis 7 in einem Umrichter (10) mit Gleichspannungszwi­ schenkreis (14).