DE102007014597A1 - Multistage voltage convertor has switching network for selective activation of direct current energy accumulators on voltage system, and control unit for controlling switching network - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Spannungsumrichter mit einem Schaltnetzwerk zur wahlweisen Anschaltung von Gleichspannungsenergiespeichern an ein Spannungssystem und mit einer Steuereinheit zur Ansteuerung des Schaltnetzwerkes.The The invention relates to a multi-stage voltage converter with a Switching network for the selective connection of DC voltage energy storage to a voltage system and to a control unit for control of the switching network.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anordnung aus mehrstufigem Spannungsumrichter und Gleichspannungsenergiespeichern sowie ein Verfahren zur Ansteuerung eines solchen mehrstufigen Spannungsumrichters.The The invention further relates to an arrangement of multistage voltage converter and DC energy storage and a method for driving such a multi-stage voltage converter.
Zur Umformung elektrischer Energie bei gleichzeitiger Steuerung des Energieflusses werden in der Energietechnik insbesondere leistungselektronische Schaltungen eingesetzt. Damit werden verschiedene Arten von Umrichtern realisiert. Es sind AC-AC Wandler bekannt, um eine Wechselspannung einer ersten Frequenz in eine Wechselspannung einer geänderten zweiten Frequenz umzuwandeln. Weiterhin sind AC-DC Wandler bekannt, um eine Wechselspannung mit einer Eingangsfrequenz in eine Gleichspannung auf einen vorgegebenen Spannungspegel gleichzurichten. Umge kehrt sind DC-AC Wechselrichter bekannt, um eine Gleichspannung mit konstanter Spannung auf eine Wechselspannung mit definierter Frequenz wechselzurichten. Weiterhin sind DC-DC Wandler bekannt, um eine Gleichspannung von einem ersten Spannungsniveau auf eine Gleichspannung mit einem zweiten Spannungsniveau zu transferieren.to Transformation of electrical energy while controlling the Energy flow in power engineering will be particularly power electronic Circuits used. This will be different types of converters realized. There are AC-AC converters known to AC voltage a first frequency in an AC voltage of a changed second frequency to convert. Furthermore, AC-DC converters are known, by an AC voltage with an input frequency to a DC voltage to rectify to a predetermined voltage level. Vice versa DC-AC inverters are known to be a constant voltage DC Change voltage to an AC voltage with a defined frequency. Furthermore, DC-DC converters are known to have a DC voltage of a first voltage level to a DC voltage with a second To transfer voltage level.
In einem Spannungszwischenkreis-Umrichter sind ein AC-DC Gleichrichter und ein DC-AC Wechselrichter miteinander kombiniert. Ein solcher Spannungszwischenkreis-Umrichter ermöglicht die Umformung einer Eingangsfrequenz f1 in die Ausgangsfrequenz f2 und einer Eingangsamplitude in eine gewünschte Ausgangsamplitude. Dazu wird die am Spannungszwischenkreis-Umrichter anliegende Spannung bzw. der dort anliegende Strom durch einen gesteuerten oder ungesteuerten Gleichrichter auf eine definierte Gleichspannung gleichgerichtet. Die Energie wird in einem Speicher zwischengespeichert und schließlich in die gewünschte Ausgangsspannungsform mit der Frequenz f2 wechselgerichtet.In a voltage source inverter, an AC-DC rectifier and a DC-AC inverter are combined. Such a voltage source converter allows the conversion of an input frequency f 1 in the output frequency f 2 and an input amplitude to a desired output amplitude. For this purpose, the voltage applied to the voltage source inverter or the current applied there is rectified by a controlled or uncontrolled rectifier to a defined DC voltage. The energy is latched in a memory and finally reversed to the desired output voltage form at the frequency f 2 .
Alternativ hierzu ist die Ausführung eines Stromzwischenkreis-Umrichters bekannt, bei der eine Drossel als Energiespeicher dient.alternative this is the execution of a power source inverter known, in which a throttle serves as an energy store.
Die Eingangsspannung ist zumeist ein Drei-Phasen-Drehstrom-System mit 50 Hz Grundschwingung. Für andere Energieversorgungsnetze in einigen Teilen der Welt beträgt die Grundschwingungsfrequenz 60 Hz. Die Ausgangsspannung des Umrichters ist ebenfalls meist ein Drei-Phasen-Drehstrom-System mit einer einstellbaren Ausgangsspannung und Ausgangsfrequenz.The Input voltage is usually a three-phase three-phase system with 50 Hz fundamental. For other power grids in some parts of the world the fundamental frequency is 60 Hz. The output voltage of the inverter is also usually one Three-phase three-phase system with an adjustable output voltage and output frequency.
Die heutigen Wechselrichter sind zumeist als Spannungszwischenkreis-Umrichter und als Zwei- oder Drei-Punkt-Wechselrichter ausgeführt. Hierzu sind die Anschlussklemmen einer Gleichspannungsquelle über Schalter wahlweise an jede Phase eines ein- oder mehrphasigen ausgangsseitigen Spannungssystems anschaltbar. Durch Ein- und Ausschalten (wechselseitige Sperrphasen und Leitphasen der Ventile) von selbstgeführten Ventilen können die Spannungen zwischen den Anschlusspunkten des ein- oder mehrphasigen Spannungssystems jeweils den Wert der positiven Gleichspannung oder negativen Gleichspannung annehmen (Zwei-Punkt-Umrichter).The Today's inverters are mostly as voltage source inverter and executed as a two- or three-point inverter. For this purpose, the terminals of a DC voltage source via switches optionally to each phase of a single- or multi-phase output side Voltage system can be connected. By switching on and off (reciprocal Blocking phases and conducting phases of the valves) by self-guided Valves can reduce the voltages between the connection points of the single- or multi-phase voltage system respectively the value of accept positive DC voltage or negative DC voltage (two-point inverter).
Bei Auswahl eines geeigneten Modulationsverfahrens, d. h. einer Regel zum kontrollierten Ein- und Ausschalten der Ventile, kann am Ausgang des Umrichters eine Grundwelle mit verschieden ausgeprägten Oberwellen gemessen werden. Durch optimierte Modulationsverfahren wird der Oberwellengehalt minimiert.at Selection of a suitable modulation method, i. H. a rule for controlled switching on and off of the valves, can at the output of the inverter a fundamental wave with different pronounced harmonics be measured. Through optimized modulation methods, the Harmonic content minimized.
Die Ventile sind meist als Halbleiterventile (MOSFET, IGBT, Thyristoren etc.) ausgeführt. Moderne IGBTs (Bipolar Transistor mit isolierter Gate-Elektrode – Insulated Gate Bipolar Transistor) haben Sperrspannungen bis maximal 6,5 kV. Soll die Leistung eines Umrichters erhöht werden, so muss entweder der Strom oder die Spannung erhöht werden. Häufig wird die Alternative der höheren Spannung gewählt, um dem Nachteil von erhöhtem Materialeinsatz, größeren Kupferquerschnitten, Gewicht u. a. bei großen Strömen zu begegnen. Wenn die Eingangsspannung über die kritische Sperrspannung eines Halbleiterventils hinaus erhöht werden soll, bedarf es einer (Mehrfach-) Serienschaltung von Ventilen oder einer anderen Topologie, die die zu sperrende Zwischenkreisspannung auf mehrere Ventile verteilt. Es existieren auch Kombinationen aus den genannten Alternativen.The Valves are mostly used as semiconductor valves (MOSFET, IGBT, thyristors etc.). Modern IGBTs (bipolar transistor with insulated gate electrode - Insulated Gate Bipolar Transistor) have reverse voltages up to a maximum of 6.5 kV. Should the performance of a Inverter must be increased, so either the electricity or the Voltage can be increased. Often the alternative the higher voltage chosen to the disadvantage of increased material usage, larger copper cross sections, Weight u. a. to meet at large currents. If the input voltage over the critical reverse voltage of a Semiconductor valve is to be increased, it requires a (multiple) series connection of valves or another Topology that sets the intermediate circuit voltage to be blocked to several Distributed valves. There are also combinations of the above Alternatives.
In Multilevel-Umrichtern wird die Verteilung der Zwischenkreisspannung auf mehrere Ventile erreicht. Es existieren zahlreiche Topologien, von denen die „Neutral Point Clamp (NPC)" Topologie, die zurzeit gebräuchlichste ist. Hier ist es möglich, zusätzlich zu der positiven und negativen Gleichspannung den Spannungswert „Null" an den Ausgang des Umrichters zu legen, wodurch mittels geeigneter Modulationsverfahren der Oberwellengehalt am Ausgang erheblich reduziert werden kann. Als weitere gebräuchliche Multilevel-Umrichter können „Capacitor-Clamp-Inverter (CC)" und „modulare H-Brücken-Umrichter (MHB)" genannt werden.In multilevel inverters, the distribution of the intermediate circuit voltage to several valves is achieved. There are numerous topologies, of which the "Neutral Point Clamp (NPC)" topology, currently ge most common is. In this case, it is possible to apply the voltage value "zero" to the output of the converter in addition to the positive and negative DC voltage, whereby the harmonic content at the output can be considerably reduced by means of suitable modulation methods. Inverters (CC) "and" modular H-bridge inverters (MHB) ".
Es besteht ein Bedarf daran, die Anzahl der möglichen Ausgangsstufen von Multilevel-Umrichtern weiter zu erhöhen, um die Ausgangsspannung zu steigern und den Einfluss der Oberwellen am Ausgang weiter zu minimieren. In der NPC- und CC-Topologie führt dies zu Kommutierungsproblemen (niederinduktive Kommutierungszweige) in den einzelnen Zweigen und zu Spannungssymmetrierungsproblemen. Modulare H-Brücken-Umrichter weisen diese Nachteile nicht auf.It There is a need for it, the number of possible output stages from multilevel inverters to further increase the output voltage and to further increase the influence of the harmonics at the output minimize. This leads to NPC and CC topology Commutation problems (low-inductive commutation branches) in the individual branches and voltage balance problems. modular H-bridge inverters do not have these disadvantages.
Multilevel-Umrichter haben den weiteren Vorteil, dass besser verfügbare und kostengünstigere Niederspannungsbauelemente eingesetzt werden können. Modulare Multilevel-Umrichter bestehen aus mehreren jeweils aus einer Spannungsquelle und einer Schalteranordnung gebildeten Modulen, an dessen Ausgang eine positive oder ggf. negative Gleichspannung oder die Spannung „Null" anliegt.Multilevel inverter have the further advantage of being more readily available and cheaper low-voltage components used can be. Modular multilevel inverters consist of a plurality of each of a voltage source and a switch assembly formed modules, at the output of a positive or negative if necessary DC voltage or the voltage "zero" is applied.
Als Spannungsquellen können DC-Spannungsquellen, wie Batterien, Solarzellenanordnung, Brennstoffzellen, etc. eingesetzt werden.When Voltage sources can be DC voltage sources, such as batteries, Solar cell assembly, fuel cells, etc. are used.
Aus
Bei den in dem zitierten Dokument offenbarten modularen Umrichtern werden zur Realisierung der Steuerung die Modulspannungen als konstant betrachtet. Insbesondere bei gleichgerichteten Wechsel- oder Drehstromsystemen müssen die Modulkondensatoren eine große Kapazität haben, um die von der Regelung oder Steuerung erwarteten nahezu konstanten Modulspannungen zu erreichen, da die entnommene Leistung mit doppelter Ausgangsfrequenz pulsiert.at become the modular inverters disclosed in the cited document to realize the control the module voltages as constant considered. Especially with rectified AC or three-phase systems The module capacitors have a large capacity have to close to those expected by the control or regulation To achieve constant module voltages, since the power removed with double output frequency pulses.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten mehrstufigen Spannungsumrichter zu schaffen, der ohne großen materiellen Mehraufwand eine verbesserte Qualität der Ausgangsspannung aufweist.outgoing It is an object of the present invention to provide an improved to create multistage voltage converter, without big Material overhead improved quality of the output voltage having.
Die Aufgabe wird mit dem mehrstufigen Spannungsumrichter der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Steuereinheit zur Ermittlung der aus detektierten aktuell bereitgestellten Spannungen der Gleichspannungsenergiespeicher mit dem Schaltnetzwerk erreichbaren Spannungsniveaus der Ausgangsspannung und zur Ansteuerung des Schaltnetzwerkes in Abhängigkeit von den ermittelten erreichbaren Spannungsniveaus eingerichtet ist.The Task becomes with the multilevel voltage converter of the beginning mentioned type achieved in that the control unit for Determining the detected currently provided voltages reach the DC energy storage with the switching network Voltage levels of the output voltage and to control the switching network depending on the determined achievable voltage levels is set up.
Durch diese jeweils aktuell durchgeführte Auswertung der durch Kombination der über die Zeit zumindest leicht variierenden Spannungen der Gleichspannungsenergiespeicher erreichbaren Spannungsniveaus und Auswahl eines Schaltzustandes in Abhängigkeit von diesen aktuell erreichbaren Spannungsniveaus kann die Variation der Spannungsniveaus zur Steuerung genutzt werden, die sich durch die über die Zeit auftretenden Spannungsschwankungen der Gleichspannungsenergiespeicher ergibt. Im Unterschied zu den bislang bekannten Verfahren werden somit die unterschiedlichen und zeitlich variierenden Ausgangsspannungen der Module (Gleichspannungsenergiespeicher) als Parameter der Steuerung genutzt.By this respectively currently carried out evaluation of by Combination of at least slightly varying over time Voltages of the DC energy storage achievable voltage levels and Selection of a switching state as a function of these currently achievable voltage levels, the variation of the voltage levels be used for the control, which is through the over the Time occurring voltage fluctuations of the DC energy storage results. In contrast to the previously known methods thus the different and time varying output voltages the modules (DC energy storage) as parameters of the controller used.
Anstelle der theoretisch möglichen, idealisiert angenommenen konstanten Spannung der einzelnen Module werden erfindungsgemäß die tatsächlichen Ausgangsspannungen der Module in der Modulation berücksichtigt. Hierzu werden die Modulspannungen erfasst und verarbeitet, um zu einer gewünschten Sollspannung des mehrstufigen Spannungsumrichters den entsprechenden Schaltzustand zu suchen.Instead of the theoretically possible, ideally assumed constant Voltage of the individual modules according to the invention actual output voltages of the modules in the modulation considered. For this purpose, the module voltages are recorded and processed to a desired setpoint voltage of multistage voltage converter the corresponding switching state to search.
Da die betriebsmäßig auftretenden Spannungsschwankungen gezielt verwendet werden, können diese ohnehin vorhandenen Schwankungen größer bemessen werden, als bei herkömmlichen Umrichtern, ohne den Betrieb des Umrichters zu stören. Dies hat den Vorteil, dass insbesondere die Kondensatoren der Module kleiner dimensioniert werden können, was Vorteile im Volumen, Kosten, Gewicht, Fehlerbeanspruchung etc. mit sich bringt.There the operational voltage fluctuations can be used specifically, these can be present anyway Variations are greater than conventional Inverters without disturbing the operation of the inverter. This has the advantage that in particular the capacitors of the modules smaller can be dimensioned, which has advantages in volume, cost, Weight, error stress etc. brings with it.
Vorzugsweise ist der mehrstufige Spannungsumrichter zum Einsatz in einem einoder mehrphasigen Spannungssystem, vorzugsweise in einem dreiphasigen Spannungssystem, eingerichtet. Dabei ist das Schaltnetzwerk so ausgestaltet, dass es ausgangsseitig eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung in das Spannungssystem, z. B. ein Wechselspannungsnetz, einspeisen bzw. Energie mit einem solchen austauschen kann.Preferably is the multi-stage voltage converter for use in a single or multiphase voltage system, preferably in a three-phase Voltage system, set up. The switching network is designed in this way that it has a single or multi-phase AC voltage on the output side in the voltage system, z. B. an alternating voltage network, feed or can exchange energy with such.
Vorzugsweise ist für jede Phase des Wechselspannungsnetzes eine Mehrzahl von Gleichspannungsenergiespeichern mit zugeordneten Schalteranordnungen in Reihe geschaltet. Die Schaltanordnung der einzelnen Module bilden dann zusammen das Schaltnetzwerk, das durch die Steuereinheit in geeigneter Weise in Abhängigkeit von den tatsächlichen Gleichspannungen der Gleichspannungsenergiespeicher angesteuert wird.Preferably is a plurality for each phase of the AC voltage network of DC voltage energy storage with associated switch arrangements connected in series. The switching arrangement of the individual modules form then together the switching network that is controlled by the control unit appropriate manner depending on the actual DC voltages of the DC energy storage is controlled.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Nennspannungen der Mehrzahl von Gleichspannungsenergiespeicher gleich groß. Die einzelnen Module der mehrstufigen Spannungsumrichter sind somit in ihren Bemessungsgrößen Strom und Spannung gleich. Dies bietet Vorteile bei der Herstellung und der Ersatzteilhaltung.In a preferred embodiment, the rated voltages the same amount of DC energy storage. The individual modules of the multistage voltage converter are thus in their design variables current and voltage equal. This offers advantages in the production and spare parts inventory.
Ein oben beschriebener mehrstufiger Umrichter bildet zusammen mit den Gleichspannungsenergiespeichern eine Anordnung. Als Gleichspannungsquellen können in an sich bekannter Weise Batterien, Solarzellenanordnungen, Brennstoffzellen, Kondensatoren oder ähnliches eingesetzt werden.One The multi-stage inverter described above forms together with the DC voltage energy store an arrangement. As DC voltage sources can in a conventional manner batteries, solar cell assemblies, Fuel cells, capacitors or the like used become.
Die Anordnung hat zudem vorzugsweise eine mit der Steuereinheit verbundene Spannungsdetektionseinheit zur Detektion der von den Gleichspannungsenergiespeichern jeweils aktuell bereitgestellten Spannungen.The Arrangement also preferably has a connected to the control unit Voltage detection unit for detecting the DC voltage energy storage currently provided voltages.
Die Aufgabe wird weiterhin mit dem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst durch die Schritte
- – Detektieren der von den mit dem Schaltnetzwerk verbundenen Gleichspannungsenergiespeichern jeweils aktuell bereitgestellten Spannungen,
- – Ermitteln der aus den detektierten aktuell bereitgestellten Spannungen mit dem Schaltnetzwerk erreichbaren Spannungsniveaus der Ausgangsspannung und
- – Ansteuern des Schaltnetzwerkes in Abhängigkeit von den ermittelten erreichbaren Spannungsniveaus.
- Detecting the DC voltage energy stores connected to the switching network, in each case currently provided voltages,
- Determining the voltage levels of the output voltage which can be reached from the detected currently provided voltages with the switching network;
- - Control of the switching network as a function of the determined achievable voltage levels.
Das als Maß zur Ansteuerung des Schaltnetzwerkes genutzte erreichbare Spannungsniveau kann durch Auswählen eines am nächsten zu einem gewünschten Spannungsniveau kommenden Spannungswertes aus den erreichbaren Spannungsniveaus ermittelt werden. Dies kann z. B. zeitdiskret erfolgen. Denkbar ist aber auch, oberhalb und unterhalb eines gewünschten Spannungsniveaus liegende (benachbarte oder weiter entfernte) erreichbare Spannungsniveaus auszuwählen, Die Ansteuerung des Schaltnetzwerkes erfolgt dann unter Berücksichtigung der ausgewählten Spannungsniveaus zeitlich hintereinander einander im Zeitmultiplex, um das gewünschte Spannungsniveau möglichst genau zu erreichen.The achievable as a measure for controlling the switching network achievable Voltage level can be selected by selecting one closest to a desired voltage level coming voltage value be determined from the achievable voltage levels. This can z. B. time-discrete. It is also conceivable, above and below a desired voltage level (adjacent or farther) to select attainable voltage levels, The control of the switching network is then taking into account the selected voltage levels one behind the other time-multiplexed to the desired voltage level to reach as accurately as possible.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.advantageous Embodiments are described in the subclaims.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:The The invention will be described below with reference to the accompanying drawings exemplified in more detail. Show it:
Jedes
der Module stellt eine Ausgangsspannung UA1,
UA2 ..., UAn; UB1, UB2, ... UBn; UC1, UC2,... UCn in Abhängigkeit
von der jeweiligen Stellung der Schalter der zugeordneten Schalteranordnungen
SA1, SA2 ... SAnI; SB1, SB2 ... SBn, SC1,
SC2 ... SCn und der jeweiligen Gleichspannung der UAd1,
UAd2 ..., UAdn;
UBD1, UBD2 ...,
UBDn; UCd1, UCd2 ..., UCdn der
jeweiligen Gleichspannungsquelle
Der
Zustand Smodul der Schalteranordnung bestimmt
die Ausgangsspannung UA des Moduls. Jedem Zustand
Smodul ist ein interner Schalterzustand
zugeordnet, der die gewünschte Ausgangsspannung UA in den Klemmen des Moduls realisiert. Die
möglichen Schalterzustände sind wie folgt:
Die Ausgangsspannung Ua des Moduls berechnet sich somit aus der aktuellen Spannung Ud der Spannungsquelle und dem Modulzustand Smodul.The output voltage U a of the module is thus calculated from the current voltage U d of the voltage source and the module state S modul .
Die
jeweilige Phasenspannung U1, U2,
U3 kann nun aus der Summe der einzelnen
Modulausgangsspannungen UA1, UA2 ...,
UAn; UB1, UB2 ..., UBn; UC1, UC2 ..., UCn wie folgt berechnet werden:
Die Modulspannungen UYdx müssen nicht identisch sein. Die Spannungen unterliegen einer natürlichen Spannungsschwankung. Andererseits kann auch gezielt Einfluss auf die einzelnen Modulspannungen genommen werden, um eine gewünschte Anzahl und Höhe von Ausgangsspannungsstufen realisieren zu können.The module voltages U Ydx need not be identical. The voltages are subject to a natural voltage fluctuation. On the other hand, it is also possible to selectively influence the individual module voltages in order to be able to realize a desired number and level of output voltage levels.
Ein
einphasiger Aufbau mit n-Modulen hat insgesamt 3n unterschiedliche
Schaltzustände. Für drei Module sind somit 27
Schaltzustände verfügbar. Bei identischen konstanten
Zwischenkreisspannungen können maximal 2·n + 1
unterschiedliche Phasenspannungen U1 vom
Umrichter
Der zeitliche Verlauf der Gleichspannung Ud(t) der Gleichspannungsquelle eines Moduls ist abhängig von der Realisierung der Spannungsquelle, der Last und anderen Parametern. Wenn zum Beispiel der zeitliche Verlauf der Ausgangsspannung Ud(t) einer Batterie betrachtet wird, so ist diese meist über ein kurzes Zeitintervall betrachtet als konstant anzunehmen. Über einen längeren Zeitraum betrachtet wird sich die Batteriespannung durch kontinuierliche Energieentnahme reduzieren. Für den Fall, dass als Energiequelle ein Kondensator benutzt wird, der ständig über ein gleichgerichtetes Wechsel- oder Drehspannungssystem gespeist wird, ist eine Spannungswelligkeit von z. B. der doppelten oder sechsfachen speisenden Frequenz zu beobachten. Weiterhin ist wegen der einphasigen Energieentnahme eine Schwankung mit doppelter Ausgangsfrequenz zu beobachten. Über einen langen Zeitraum betrachtet wird sich die Modulspannung in Abhängigkeit der speisenden Spannung und der Last ändern, z. B. bei einer Schwankung der Netzspannung. Der Betrag der Spannungswelligkeit hängt in diesem Fall natürlich von der Größe des Kondensators ab. Ähnliche Betrachtungen können bei den übrigen Energiequellen, wie Brennstoffzelle, Solarzelle, etc. gemacht werden.The time profile of the DC voltage U d (t) of the DC voltage source of a module is dependent on the realization of the voltage source, the load and other parameters. If, for example, the time profile of the output voltage U d (t) of a battery is considered, this is usually over a short time tervall considered to be constant. Over a longer period of time, the battery voltage will be reduced by continuous energy extraction. In the event that a capacitor is used as the energy source, which is constantly fed via a rectified AC or three-phase voltage system, a voltage ripple of z. B. the double or six times feeding frequency to watch. Furthermore, a fluctuation with double output frequency can be observed because of the single-phase energy extraction. Considered over a long period of time, the module voltage will change depending on the feeding voltage and the load, e.g. B. at a fluctuation of the mains voltage. The amount of voltage ripple in this case, of course, depends on the size of the capacitor. Similar considerations may be made in the other energy sources such as fuel cell, solar cell, etc.
Durch die Auswertung der zeitlichen Schwankungen der Gleichspannungen UAdi, UBdi, UCdi der Module und Nutzung derselben als Einflussgröße zur Ansteuerung des Schaltnetzwerkes werden die tatsächlichen möglichen Ausgangsspannungen in der Modulation berücksichtigt und nicht nur die theoretisch möglichen mit einer idealisiert angenommenen konstanten Spannung. Die aktuell zu einem Zeitpunkt vorliegenden Gleichspannungen UAdi, UBdi, UCdi mit i = 1, ..., n werden erfasst und mit Hilfe an sich bekannter Optimierungsverfahren verarbeitet, um anhand dieser Gleichspannungen zu einer gewünschten Sollspannung den entsprechenden Schaltzustand des Schaltnetzwerkes zu suchen.By evaluating the temporal fluctuations of the DC voltages U Adi , U Bdi , U Cdi of the modules and using them as an influencing variable for driving the switching network, the actual possible output voltages are taken into account in the modulation and not only the theoretically possible with an idealized assumed constant voltage. The present at a time DC voltages U Adi , U Bdi , U Cdi with i = 1, ..., n are detected and processed by means of known per se optimization method to use these DC voltages to a desired setpoint voltage to the corresponding switching state of the switching network search.
Es können aber auch Spannungsunterschiede derselben Größenordnung gezielt eingestellt werden, um eine verbesserte Ausgangsspannungsform bzw. eine geringere Schaltfrequenz zu ermöglichen.It but also voltage differences of the same order of magnitude be adjusted specifically to an improved output voltage form or to allow a lower switching frequency.
Die Faktoren 1,1, 1 und 0,92 sind somit die Abweichungen der tatsächlichen Gleichspannungen von den definierten Nennspannungen UDC der Gleichspannungsquellen.The factors 1,1, 1 and 0, 92 are thus the deviations of the actual DC voltages from the defined nominal voltages U DC of the DC voltage sources.
Durch
die oben beschriebenen Effekte, wie Entladung von Kondensatoren,
Batterien, etc. sind zu einem anderen Zeitpunkt t2 andere
Gleichspannungen UAdx der Gleichspannungsquellen
Die
zum Zeitpunkt t2 erreuchbaren Niveuas der
Ausgangsspannung sind in
In Abhängigkeit der gewünschten Ausgangsspannung kann nun zu jedem Zeitpunkt t mit der Information der tatsächlichen Gleichspannungen UAi, UBi, UCi der Module der gewünschte Schaltzustand für jedes Modul und somit für jeden Schalter bestimmt werden.Depending on the desired output voltage, the desired switching state for each module and thus for each switch can now be determined at any instant t with the information of the actual DC voltages U Ai , U Bi , U Ci of the modules.
Die Ansteuerung des Schaltnetzwerkes kann einen konstanten Schaltzustand während eines Abtastinterwalls vorsehen. Nachdem die aktuellen Gleichspannungen der Gleichspannungsquellen gemessen und ein realisierbarer Phasenspannungsvektor gebildet wurde, wird der Phasenspannungsvektor mit allen 3n Schaltzuständen kombiniert bzw. multipliziert, um alle realisierbaren Ausgangsspannungen jeder Phase des Spannungsumrichters zu berechnen. Das Ergebnis ist ein Vektor für jede Phase, der alle möglichen Ausgangsspannungen enthält. Um den korrespondierenden Schaltzustand für eine gegebene Ausgangsspannung zu erhalten, wird der geeignete Schaltzustand für jede Schalteranordnung der Module mit Hilfe einer Tabelle bestimmt. Um die Transistorzustände für die einzelnen Schalteranordnungen zu erhalten, wird eine weitere Tabelle genutzt.The driving of the switching network can provide a constant switching state during a sampling interval. After the current DC voltages of the DC voltage sources have been measured and a realizable phase voltage vector has been formed, the phase voltage vector is combined or multiplied with all 3 n switching states in order to calculate all realizable output voltages of each phase of the voltage converter. The result is a vector for each phase containing all possible output voltages. In order to obtain the corresponding switching state for a given output voltage, the suitable switching state for each switch arrangement of the modules will be described by means of a table Right. To obtain the transistor states for the individual switch arrangements, another table is used.
Zur Ansteuerung des Schaltnetzwerkes z. B. ist es aber auch denkbar, eine Pulsweitenmodulation zu nutzen. Hierzu werden zwei Ausgangsspannungspegel der aktuell realisierbaren Ausgangsspannungen ausgewertet, die am nächsten an die Referenzspannung kommen. Die Spannungspegel werden an den Ausgang geschaltet. Zu Beginn eines jeden Schaltzyklusses der Länge 1/fC wird der Ausgang auf den oberen Spannungspegel Vab geschaltet. Später wird bei einer Zeit tPWM die Ausgangsspannung auf den unteren Spannungspegel Vlow geschaltet. Der Schaltzeitpunkt tpwm kann mit der folgenden Gleichung in Abhängigkeit von der Schaltfrequenz fC, den Spannungspegel Vab, Vlow und der Referenzspannung VRef berechnet werden.To control the switching network z. B. but it is also conceivable to use a pulse width modulation. For this purpose, two output voltage levels of the currently realizable output voltages are evaluated, which come closest to the reference voltage. The voltage levels are switched to the output. At the beginning of each switching cycle of length 1 / f C , the output is switched to the upper voltage level V off . Later, at a time t PWM, the output voltage is switched to the lower voltage level V low . The switching time t pwm can be determined by the following equation depending on the switching frequency f C , the voltage level V ab , V low and the reference voltage V Ref are calculated.
Das
hier vorgestellte Steuerverfahren kann auch auf Topologien nach
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Simple On-line Step Pulse PWM Method for Unbalanced Voltag Sources in Cascade Multilevel Inverters Nguyen-Van Nho, Hong-Hee Lee, Nguyen-Dinh Tuyen, Phan Quoc Dzung, Strategic Technology, the 1st International Forum on 18-20 Oct. 2006, Page(s): 43-46 * |
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