DE102020108034B3 - Modular multilevel converter, method for operating modular multilevel converters and computer program - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen modularen Multilevel-Umrichter, der eine elektrische Ausgangsleistung abgibt, die eine Ausgangsspannung und einen Ausgangsstrom umfasst, wobei der Umrichter zur Übertragung der Ausgangsleistung eine Schaltungsanordnung aufweist, diea) wenigstens einen ersten, einen zweiten und einen dritten Umrichterzweig aufweist, wobeib) der erste Umrichterzweig an ein erstes Potential angeschlossen ist,c) der zweite Umrichterzweig an ein zweites Potential angeschlossen ist, das sich von dem ersten Potential unterscheidet, undd) der dritte Umrichterzweig an ein drittes Potential angeschlossen ist, das zwischen dem ersten und dem zweiten Potential liegt, wobeie) der erste, der zweite und der dritte Umrichterzweig an einem Ausgangsanschluss der Schaltungsanordnung, an dem die Ausgangsleistung übertragen wird, miteinander verbunden sind, wobeif) der erste und der zweite Umrichterzweig jeweils als Multilevel-Umrichterzweige ausgebildet sind, in denen jeweils Einzelmodule hintereinandergeschaltet sind.The invention relates to a modular multilevel converter which emits an electrical output power that comprises an output voltage and an output current, the converter having a circuit arrangement for transmitting the output power, which a) has at least a first, a second and a third converter branch, wherebyib) the first converter branch is connected to a first potential, c) the second converter branch is connected to a second potential that differs from the first potential, and d) the third converter branch is connected to a third potential that is between the first and the second potential is, wherebyie) the first, the second and the third converter branch are connected to one another at an output connection of the circuit arrangement at which the output power is transmitted, wherebyif) the first and the second converter branch are each designed as multilevel converter branches, in each of which individual modules hint are connected in series.
Description
Die Erfindung betrifft einen modularen Multilevel-Umrichter, der eine elektrische Ausgangsleistung abgibt, die eine Ausgangsspannung und einen Ausgangsstrom umfasst, wobei der Umrichter zur Übertragung der Ausgangsleistung eine Schaltungsanordnung aufweist, die
- a) wenigstens einen ersten, einen zweiten und einen dritten Umrichterzweig aufweist, wobei
- b) der erste Umrichterzweig an ein erstes Potential angeschlossen ist,
- c) der zweite Umrichterzweig an ein zweites Potential angeschlossen ist, das sich von dem ersten Potential unterscheidet, und
- d) der dritte Umrichterzweig an ein drittes Potential angeschlossen ist, das zwischen dem ersten und dem zweiten Potential liegt, wobei
- e) der erste, der zweite und der dritte Umrichterzweig an einem Ausgangsanschluss der Schaltungsanordnung, an dem die Ausgangsleistung übertragen wird, miteinander verbunden sind, wobei
- f) der erste und der zweite Umrichterzweig jeweils als Multilevel-Umrichterzweige ausgebildet sind, in denen jeweils Einzelmodule hintereinandergeschaltet sind.
- a) has at least a first, a second and a third converter branch, wherein
- b) the first converter branch is connected to a first potential,
- c) the second converter branch is connected to a second potential that differs from the first potential, and
- d) the third converter branch is connected to a third potential which lies between the first and the second potential, wherein
- e) the first, the second and the third converter branch are connected to one another at an output connection of the circuit arrangement at which the output power is transmitted, wherein
- f) the first and second converter branches are each designed as multilevel converter branches in which individual modules are connected in series.
Der dritte Umrichterzweig kann unterschiedlich ausgebildet sein.The third converter branch can be designed differently.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen modularen Multilevel-Umrichters der zuvor genannten Art sowie ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens.The invention also relates to a method for operating such a modular multilevel converter of the aforementioned type and a computer program for carrying out the method.
Das Verfahren basiert dabei auf dem Regelungsverfahren nach [1], bei dem die Zweigströme und Energien aktiv geregelt werden. Das vorgestellte Regelverfahren ist auf die in [2] erstmalig dargestellte MMC-Topologie ohne weiteres anwendbar. Diese Topologie wird von der konventionellen MMC-Topologie abgeleitet, indem zwischen dem Mittelpunkt der Umrichter-Phase und dem Zwischenkreis-Neutralpunkt ein Zweig mit Vollbrückenmodulen ergänzt wird. Mittels der hier vorgeschlagenen Regelung kann dieser zusätzliche mittlere MMC-Zweig durch einen bidirektionalen Schalter ersetzt werden. Somit gelingt es die Vorteile von konventionellen MMC-Topologien (Spannungsskalierbarkeit, Redundanz, kleine Ausgangsspannungsstufen) und den Ausgangsspannungsverlauf des Quasi-Drei-Level-Betriebes zu vereinigen und gleichzeitig die Topologie zu vereinfachen sowie die notwendige Modulkapazität deutlich zu reduzieren. Dies verspricht Verbesserungen bezüglich des Volumens, der Leistungsdichte, des Wirkungsgrades und der Kosten.The procedure is based on the control procedure according to [1], in which the branch currents and energies are actively controlled. The control method presented can be easily applied to the MMC topology shown for the first time in [2]. This topology is derived from the conventional MMC topology by adding a branch with full bridge modules between the midpoint of the converter phase and the intermediate circuit neutral point. By means of the regulation proposed here, this additional middle MMC branch can be replaced by a bidirectional switch. It is thus possible to combine the advantages of conventional MMC topologies (voltage scalability, redundancy, small output voltage levels) and the output voltage curve of quasi-three-level operation, while at the same time simplifying the topology and significantly reducing the required module capacity. This promises improvements in terms of volume, power density, efficiency and costs.
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Stand der TechnikState of the art
In diesem Kapitel werden die Umrichtertopologien und Betriebsmodi vorgestellt, die eine Relevanz für diese Patentanmeldung haben. Zunächst werden Zwei-Punkt-Wechselrichter, Drei-Punkt-Wechselrichter und MMCs im konventionellen Betrieb und im Quasi-Zwei-Level-Betrieb vorgestellt. Daraufhin wird der Quasi-Drei-Level-Betrieb nach [2] präsentiert.This chapter presents the converter topologies and operating modes that are relevant for this patent application. First, two-point inverters, three-point inverters and MMCs in conventional operation and in quasi-two-level operation will be presented. The quasi-three-level operation according to [2] is then presented.
Es wird zusätzlich auf die
Zweipunkt-WechselrichterTwo-point inverter
Der Zweipunkt-Wechselrichter ist der am Häufigsten vorkommende Wechselrichter im Bereich der Niederspannungsanwendung.The two-point inverter is the most common inverter in the field of low-voltage applications.
Der Zweipunkt-Wechselrichter ist in
Redundanz kann nur mit Press-Pack-Schaltern ermöglicht werden, da diese im Fehlerfall in den definierten Kurzschluss übergehen. Die gewünschte sinusförmige Ausgangsspannung wird durch Pulsdauermodulation (PWM) als Kurzzeitmittelwert erreicht. Hierbei ist entweder der obere Schalter oder der untere Schalter zugeschaltet. Es ergibt sich der wie in
Durch diese zweistufige Modulation unterliegen die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom je nach Schaltfrequenz relativ hohen Oberschwingungen, die in elektrischen Maschinen zu zusätzlichen Verlusten führen können. Da die Mittelspannungs-Halbleiterschaltelemente nur mit Schaltfrequenzen von einigen hundert Hertz geschaltet werden können, sind die Oberschwingungen relativ hoch.Due to this two-stage modulation, the output voltage and the output current are subject to relatively high harmonics, depending on the switching frequency, which can lead to additional losses in electrical machines. Since the medium-voltage semiconductor switching elements can only be switched with switching frequencies of a few hundred Hertz, the harmonics are relatively high.
Ebenfalls bedingt durch den zweistufigen Betrieb liegt der Ausgangsspannungssprung bei jedem Schaltvorgang in der Höhe der Eingangsspannung. Dieser Spannungssprung führt bei langen Leitungen zu der elektrischen Maschine zur Wellenreflektion. Hierdurch wird die Isolation der Maschine mit bis zu der zweifachen Eingangsspannung belastet, was die Anforderungen an die Isolationssysteme der Maschine deutlich vergrößert [5]. Diese Probleme haben noch stärkere Bedeutung in Mittelspannungsapplikationen, in denen die Isolationssysteme für die Maschinen bereits sehr anspruchsvoll sind.Also due to the two-stage operation, the output voltage jump with each switching process is the same as the input voltage. In the case of long cables to the electrical machine, this voltage jump leads to wave reflection. As a result, the insulation of the machine is loaded with up to twice the input voltage, which significantly increases the demands on the machine's insulation systems [5]. These problems are even more important in medium voltage applications, in which the isolation systems for the machines are already very demanding.
Dementsprechend eignet sich diese Topologie für Anwendung mit elektrischen Maschinen im Mittelspannungsbereich nicht. Beschränkend ist dabei weniger der Oberschwingungsstrom, der zu etwas erhöhten Verlusten führt, als vielmehr die erhöhte Isolationsbeanspruchung durch Leitungsreflexionen, was zu verfrühten Ausfällen der Maschine führen kann und daher inakzeptabel ist.Accordingly, this topology is not suitable for use with electrical machines in the medium-voltage range. The limiting factor here is not so much the harmonic current, which leads to somewhat increased losses, than the increased stress on the insulation caused by line reflections, which can lead to premature machine failures and is therefore unacceptable.
Deshalb wird häufig am Ausgang des Zwei-Level-Wechselrichters ein zusätzliches Filter installiert, was das gesamte System vergrößert und verteuert.For this reason, an additional filter is often installed at the output of the two-level inverter, which makes the entire system larger and more expensive.
Dreipunkt-WechselrichterThree-point inverter
Mit Drei-Punkt-Wechselrichtern kann die Ausgangsspannung über drei Spannungslevel (Ue/2, 0 V, -Ue/2) moduliert werden, wodurch sich die Oberschwingungseigenschaften der Ausgangssignale verbessern und sich der Ausgangsspannungssprung im Vergleich zum Zwei-Punkt-Wechselrichter halbiert. Somit sinkt die Belastung des Isolationssystems der elektrischen Maschine.With three-point inverters, the output voltage can be modulated over three voltage levels (U e / 2, 0 V, -U e / 2), which improves the harmonic properties of the output signals and halves the output voltage jump compared to the two-point inverter . This reduces the load on the electrical machine's insulation system.
In der Literatur häufig genannte Topologien für Dreipunkt-Wechselrichter sind NPC-Umrichter, Flying-Capacitor-Umrichter und T-Type-Umrichter [5]. Im Folgenden wird beispielhaft der T-Type-Umrichter beschrieben.Topologies frequently mentioned in the literature for three-point inverters are NPC converters, flying capacitor converters and T-type converters [5]. The T-Type converter is described below as an example.
Der Aufbau eines T-Type Wechselrichters ist in
Zur Bildung der drei Ausgangsspannungen wird entweder der obere Schalter, der untere Schalter oder der mittlere Schalter zugeschaltet, während die anderen Schalter sperren. To generate the three output voltages, either the upper switch, the lower switch or the middle switch is switched on, while the other switches block.
Die oberen und unteren Schalter müssen die gesamte Eingangsspannung sperren können. Die mittleren Schalter müssen hingegen die halbe Eingangsspannung sperren können [6]. Für die Spannungsskalierbarkeit können wie beim Zweipunkt-Wechselrichter mehrere Schalter in Reihe geschaltet werden, wobei dieselben Herausforderungen bei der Spannungsaufteilung und der gleichzeitigen Ansteuerung entstehen.The upper and lower switches must be able to block the entire input voltage. The middle switches, on the other hand, must be able to block half the input voltage [6]. For voltage scalability, as with the two-point inverter, several switches can be connected in series, whereby the same challenges arise in terms of voltage distribution and simultaneous control.
Im Vergleich zum Zwei-Punkt-Wechselrichter werden die Oberschwingungseigenschaften der Ausgangssignale verbessert und der Ausgangsspannungssprung wird halbiert. Jedoch erhöht sich die Anzahl an leistungselektronischen Schaltelementen und die Aufgabe der Neutralpunkt-Balancierung kommt hinzu. Bei der Spannungsskalierbarkeit ergeben sich dieselben Herausforderungen wie bei Zweipunkt-Wechselrichtern.Compared to the two-point inverter, the harmonic properties of the output signals are improved and the output voltage jump is halved. However, the number of power electronic switching elements increases and the task of neutral point balancing is added. When it comes to voltage scalability, the same challenges arise as with two-point inverters.
Durch Dreipunkt-Wechselrichter können im Vergleich zum Zweipunkt-Wechselrichter die Oberschwingungsströme deutlich reduziert werden, und die Spannungssprünge am Wechselrichterausgang halbieren sich. Mit modernen Isoliersystemen kann ein Mittelspannungsantrieb somit ohne Filter direkt am Umrichterausgang betrieben werden [7]. Jedoch sind für Motoren mit klassischen Isoliersystemen (also auch mit im Feld vorhandenen Maschinen, die nachträglich mit einem Umrichter ausgestattet werden sollen, sog. Retrofit-Applikation) auch hier Filter zwischen Umrichter und Motor erforderlich.With three-point inverters, the harmonic currents can be reduced significantly compared to two-point inverters, and the voltage jumps at the inverter output are halved. With modern insulation systems, a medium-voltage drive can therefore be operated directly at the converter output without a filter [7]. However, for motors with classic insulation systems (i.e. also with machines in the field that are to be retrofitted with a converter, so-called retrofit application), filters are also required between the converter and the motor.
Oberschwingungen sind hier nicht mehr limitierend, wohl aber die Spannungssprünge in Kombination mit der Motorisolation.Harmonics are no longer limiting here, but the voltage jumps in combination with the motor insulation are.
Modularer Multilevel-UmrichterModular multilevel converter
Der modulare Multilevel-Umrichter (eng: Modular Multilevel Converter (MMC)) [8] ist in
Ein MMC besteht aus mehreren Umrichter-Phasen (typischerweise drei), die mit dem Eingang verbunden sind. Jede dieser Umrichter-Phasen enthält zwei Zweige. Zwischen den Zweigen jeder Umrichter-Phase wird das Ausgangssystem angeschlossen. Die Zweige bestehen aus mehreren nmod Modulen und einer Zweiginduktivität Lz [9]. Wie in [5] dargestellt, können die Induktivitäten miteinander gekoppelt werden.An MMC consists of several inverter phases (typically three) that are connected to the input. Each of these converter phases contains two branches. The output system is connected between the branches of each inverter phase. The branches consist of several n mod modules and a branch inductance L z [9]. As shown in [5], the inductances can be coupled to one another.
Die am Häufigsten verwendeten Module sind Halbbrückenmodule (HB) und Vollbrückenmodule (VB). Diese werden in der
Halbbrückenmodule bestehen aus zwei Schaltern und einem Kondensator. Die Modulspannung Umod kann je nach Schaltzustand entweder 0 V oder die Modulkondensatorspannung UCmod annehmen.Half-bridge modules consist of two switches and a capacitor. The module voltage U mod can assume either 0 V or the module capacitor voltage U Cmod, depending on the switching state.
Vollbrückenmodule bestehen aus zwei zusätzlichen Scheitern, wodurch die Modulspannung 0 V, die positive Modulkondensatorspannung uCmod sowie die negative Modulkondensatorspannung (- uCmod) annehmen kann.Full bridge modules consist of two additional failures, whereby the module voltage can assume 0 V, the positive module capacitor voltage u Cmod and the negative module capacitor voltage (- u Cmod).
Werden wie in
Redundanz kann vergleichsweise leicht implementiert werden, indem mehrere Module in Reihe ergänzt werden und im Fehlerfall die defekten Module überbrückt werden.Redundancy can be implemented comparatively easily by adding several modules in series and bridging the defective modules in the event of a fault.
Die Topologie ist somit im Vergleich zum Zwei-Level-Wechselrichter und Drei-Level-Wechselrichter komplexer und auch die Regelung ist anspruchsvoller. Es muss garantiert, werden, dass die Modulkondensatorspannungen im Betrieb ausgeglichen (balanciert) werden, was in Zweigmodulationsverfahren sichergestellt wird.The topology is therefore more complex compared to the two-level inverter and three-level inverter, and the control is also more demanding. It must be guaranteed that the module capacitor voltages are equalized (balanced) during operation, which is ensured in branch modulation processes.
Zur vereinfachten Beschreibung werden am einphasigen Modell des MMCs die relevanten Größen gekennzeichnet. Der obere Zweig wird im Folgenden als Zweig A und der untere als Zweig B gekennzeichnet. Die Zweigspannung wird mit uz und der Zweigstrom mit iz gekennzeichnet. Die Ausgangsspannung des Umrichters wird mit ua und der Ausgangsstrom mit ia beschrieben.To simplify the description, the relevant variables are marked on the single-phase model of the MMC. The upper branch is referred to below as branch A and the lower branch as branch B. The branch voltage is marked with u z and the branch current with i z . The output voltage of the converter is described with u a and the output current with ia.
Konventioneller Betrieb [10]Conventional operation [10]
Im konventionellen Betrieb wird die Ausgangsspannung feinstufig moduliert. Es ergibt sich dabei beispielhaft die der in
Durch diese feinstufige Modulation ergeben sich geringere Oberschwingungsbelastung der Ausgangsspannung und des Ausgangstromes und ein zusätzliches Filter kann eingespart werden. Ebenfalls ist hierdurch der Spannungssprung an den Ausgangsklemmen im Vergleich zum Zweipunkt-Wechselrichter und Dreipunkt-Wechselrichter reduziert, was zur minimierten Spannungsbeanspruchung der Isolation der elektrischen Maschine führt.This finely graded modulation results in a lower harmonic load on the output voltage and the output current and an additional filter can be saved. This also reduces the voltage jump at the output terminals compared to the two-point inverter and three-point inverter, which leads to a minimized voltage stress on the insulation of the electrical machine.
Während des DC/AC-Betriebs werden dabei Zweigleistungen pz umgesetzt, die mit der einfachen oder doppelten Ausgangskreisfrequenz oszillieren. Dies führt generell zu relativ großen Zweigenergieschwankungen ez, welche in den Modulkondensatoren gepuffert werden müssen. Als Maß kann hierfür das Verhältnis H der in den Modulen gespeicherten Energien zur Scheinleistung des MMC angeführt werden.
Dieses liegt bei MMCs im konventionellen Betrieb bei circa 55 mJ/VA [5]. Dementsprechend müssen die Modulkondensatoren für den konventionellen MMC-Betrieb vergleichsweise sehr groß dimensioniert werden. Folglich stellen die Modulkondensatoren einen großen Teil des Volumens, des Gewichts und der Kosten des Umrichters dar.For MMCs in conventional operation, this is around 55 mJ / VA [5]. Accordingly, the module capacitors for conventional MMC operation must be dimensioned comparatively very large. As a result, the modular capacitors represent a large part of the volume, weight and cost of the converter.
Die Zweigenergieschwankung und damit verbundene zu installierende Modulkondensatorkapazität ist antiproportional zur Ausgangsfrequenz. Damit die Spannungen der Kondensatoren nicht übermäßig steigen, was zur Zerstörung der Leistungshalbleiter in den Modulen führen könnte, müssen im konventionellen Betrieb bei niedrigen Frequenzen nahe Null besondere Betriebsmodi eingesetzt werden. Ein typischer Betriebsmodus ist der „Low-Frequency Mode“ von Korn et al., der in [11] präsentiert worden ist. Obwohl die Energieschwankung in den Kondensatoren durch diesen Betriebsmodus deutlich reduziert wird, führt dieser, wie [12] zeigt, zu einer deutlich erhöhten Strombelastung der Leistungshalbleiter, wenn hohe Ströme bei niedrigen Frequenzen benötigt werden. Dies wirkt sich negativ bei der Dimensionierung und dem Wirkungsgrad aus.The branch energy fluctuation and the associated module capacitor capacity to be installed is inversely proportional to the output frequency. So that the voltages of the capacitors do not rise excessively, which could lead to the destruction of the power semiconductors in the modules, special operating modes must be used in conventional operation at low frequencies close to zero. A typical operating mode is the “low-frequency mode” by Korn et al., Which was presented in [11]. Although the energy fluctuation in the capacitors is significantly reduced by this operating mode, it leads, as [12] shows, to a significantly increased current load on the power semiconductors when high currents are required at low frequencies. This has a negative effect on dimensioning and efficiency.
Quasi-Zweipunkt-PWM-Betrieb [1,5,13-15]Quasi-two-point PWM operation [1,5,13-15]
Beim Quasi-Zweipunkt-PWM-Betrieb (engl.: Quasi 2-Level Operation, Q2L) nach [13] wird der konventionelle MMC aus
Die grundlegende Idee ist, dass der Großteil des Ausgangsstroms immer über den passiven Zweig geleitet werden soll, damit eine möglichst kleine Zweigleistung entsteht und dementsprechend niedrige Werte für Modulkapazitäten benötigt werden.The basic idea is that the majority of the output current should always be routed via the passive branch so that the branch power is as small as possible and accordingly low values are required for module capacities.
Die Aufteilung des Ausgangstromes zwischen den Zweigen wird durch den Phasen-Querstrom iQ (s.
Dafür wird die Sollzweigspannung im aktiven Zweig mithilfe einer hochfrequenten Modulation erzeugt. Sollen aktiver und passiver Zweig wechseln, werden in [1] die Zweigspannungen so gestellt, dass sich der Phasen-Querstrom maximal schnell ändert. Hierfür generieren entweder beide Zweige 0V oder die maximale Zweigspannungsstufe. Dies wird im Folgenden als transienter Übergang bezeichnet.For this purpose, the nominal branch voltage is generated in the active branch using high-frequency modulation. If the active and passive branch should change, the branch voltages are set in [1] so that the phase cross current changes as quickly as possible. For this purpose either both branches generate 0V or the maximum branch voltage level. This is referred to as a transient transition in the following.
Während der transienten Übergänge überlappen sich allerdings hohe Zweigspannungen mit hohen Zweigströmen. Dies führt zu Leistungsspitzen, die von den Kondensatoren gepuffert werden müssen und die Kondensatorspannungen von den gewünschten Sollwertwerten entfernen.During the transient transitions, however, high branch voltages overlap with high branch currents. This leads to power peaks that have to be buffered by the capacitors and remove the capacitor voltages from the desired setpoint values.
Um dies auszugleichen, soll im aktiven Zweig gezielt ein geringer Strom anhand des Phasen-Querstroms eingeprägt werden zur Kompensation des Zweigenergiehubes (Kompensationsstrom). Dies stellt die zweite grundlegende Idee des Quasi-Zwei-Level-PWM-Betriebes dar. Die Höhe des Stromes für die Kompensation wird über einen Zweigenergieregler eingestellt oder prädiktiv berechnet.In order to compensate for this, a small current is to be impressed in the active branch using the phase transverse current in order to compensate for the branch energy swing (compensation current). This represents the second basic idea of the quasi-two-level PWM operation. The level of the current for the compensation is set via a branch energy regulator or is calculated predictively.
Somit können die Zweigenergien innerhalb jeder PWM Periode ausgeregelt werden und die Zweigenergieschwankung ist unabhängig von der Ausgangsfrequenz. Daher ist die zu installierende Modulkapazität deutlich reduziert (um mehr als eine Größenordnung im Vergleich zum konventionellen Betrieb).Thus, the branch energies can be regulated within each PWM period and the branch energy fluctuation is independent of the output frequency. The module capacity to be installed is therefore significantly reduced (by more than an order of magnitude compared to conventional operation).
Es wird eine Wartezeit zwischen dem Zu- und Abschalten der Module innerhalb eines Zweiges implementiert, um weiterhin die kleinen Ausgangsspannungsstufen zu gewährleisten. Somit kann die Spannungssteilheit der Ausgangsspannung begrenzt und die Überspannungen aufgrund von langen Maschinenkabeln deutlich reduziert werden [5].A waiting time is implemented between the switching on and off of the modules within a branch in order to continue to guarantee the low output voltage levels. In this way the rate of rise of the output voltage can be limited and the overvoltages due to long machine cables can be reduced significantly [5].
Der modulare Aufbau, die leicht zu implementierende Redundanz, die Spannungsskalierbarkeit sowie die niedrigen Spannungssprünge der Ausgangsspannung bleiben beim Quasi-Zwei-Level-PWM-Betrieb erhalten. Zusätzlich ermöglicht dieser Betrieb die signifikante Reduzierung der Modulkapazität, was zu einer deutlichen Kostensenkung und Erhöhung der Leistungsdichte führt.The modular structure, the easy-to-implement redundancy, the voltage scalability and the low voltage jumps in the output voltage are retained in the quasi-two-level PWM operation. In addition, this operation enables the module capacity to be significantly reduced, which leads to a significant reduction in costs and an increase in power density.
Der Nachteil besteht im Vergleich zum konventionellen Betrieb im verschlechterten Oberschwingungsspektrum der Ausgangsspannung, welche jedoch bei vielen Maschinen in Kauf genommen werden können, sofern die Frequenz der PWM nicht zu niedrig wird.The disadvantage compared to conventional operation is the worsened harmonic spectrum of the output voltage, which, however, can be accepted in many machines as long as the frequency of the PWM is not too low.
Es ist hier anzumerken, dass es neben dem hier vorgestellten Quasi-Zwei-Level-PWM-Betrieb noch Quasi-Zwei-Level-Betriebe gibt, die die Ströme und Energien nicht aktiv regeln, e.g. [16-20]. Dies führt in der Regel zu zusätzlichen Nachteilen wie höhere Spitzenströme in den Zweigen, stark beeinflusstes Betriebsverhalten durch parasitäre Parameter (z.B. Verluste und Streuinduktivitäten der Verbindungstechnik) und erhöhte Modulkapazitäten.It should be noted here that in addition to the quasi-two-level PWM operation presented here, there are also quasi-two-level operations that do not actively regulate the currents and energies, e.g. [16-20]. This usually leads to additional disadvantages such as higher peak currents in the branches, operating behavior strongly influenced by parasitic parameters (e.g. losses and stray inductances of the connection technology) and increased module capacities.
Modularer Multilevel-Umrichter für den Quasi-Drei-Level-Betrieb [2]Modular multilevel converter for quasi-three-level operation [2]
Der Quasi-Drei-Level-Betrieb für MMCs wurde 2018 erstmalig in [2] vorgestellt und greift die Idee des Quasi-Zwei-Level-Betriebes auf. Hierbei soll die Ausgangsspannung durch die Spannungsstufen Ue/2, 0 V und -Ue/2 moduliert werden, damit die Ausgangsspektren des Umrichters bei gleicher Schaltfrequenz verbessert werden können. Da während des Ausgangsspannungslevels 0 V beide Zweige die halbe Eingangsspannung stellen müssen, wird ein zusätzlicher Zweig notwendig, damit die Möglichkeit besteht, den Ausgangsstrom über einen passiven Zweig zu führen.The quasi-three-level operation for MMCs was presented for the first time in 2018 in [2] and takes up the idea of the quasi-two-level operation. The output voltage is to be modulated by the voltage levels U e / 2, 0 V and -U e / 2 so that the output spectra of the converter can be improved with the same switching frequency. Since both branches have to provide half the input voltage during the output voltage level 0 V, an additional branch is necessary so that there is the possibility of routing the output current via a passive branch.
Die präsentierte Topologie besteht im Zweig A und B einer Umrichter-Phase aus Halbbrückenmodulen und im zusätzlichen mittleren Zweig M (hier: clamped arm) aus Vollbrückenmodulen. Die Topologie wird als „Quasi Three-level Hybrid Modular Multilevel Converter“ eingeführt, wobei „Hybrid“ auf die Verwendung von Halbbrücken- und Vollbrückenmodulen zurückzuführen ist. Bei dieser Topologie entspricht die Anzahl zu installierenden Vollbrückenmodule im mittleren Zweig M der halben Anzahl der zu installierenden Halbbrückenmodule im oberen und unteren Zweig A, B.The presented topology consists of half-bridge modules in branches A and B of a converter phase and full-bridge modules in the additional middle branch M (here: clamped arm). The topology is saved as a “Quasi Three-level Hybrid Modular Multilevel Converter” introduced, whereby “Hybrid” can be traced back to the use of half-bridge and full-bridge modules. With this topology, the number of full bridge modules to be installed in the middle branch M corresponds to half the number of half-bridge modules to be installed in the upper and lower branches A, B.
Um die richtige Ausgangsspannung zu stellen, werden die Zweigspannungen direkt von einem statischen Zustand in den nächsten geschaltet. Dementsprechend werden die Zweigströme nicht aktiv geregelt, sondern schwingen mit dem Schwingkreisverhalten aus zugeschalteten Modulkondensatoren und Zweiginduktivität ein (ähnlich wie am Ende von Kapitel 1.3.2 beschrieben).In order to set the correct output voltage, the branch voltages are switched directly from one static state to the next. Accordingly, the branch currents are not actively regulated, but oscillate with the resonant circuit behavior of connected module capacitors and branch inductance (similar to the one described at the end of Section 1.3.2).
Der Ausgangsspannungsverlauf hat drei statische Ausgangsspannungsniveaus, wie in
Ebenfalls wird bei den Flanken eine Wartezeit zwischen dem Zuschalten bzw. Überbrücken der einzelnen Module implementiert, um die kleinen Ausgangsspannungsstufen zu gewährleisten.A waiting time between the connection or bridging of the individual modules is also implemented for the edges in order to ensure the low output voltage levels.
Da keine Kompensationsströme implementiert sind, werden die Energiehübe aufgrund der transienten Übergänge nicht ausgeregelt, was dazu führt, dass die Modulkondensatorspannungsschwankungsbreite kleiner ist als im konventionellem Betrieb des MMCs, jedoch weiterhin abhängig ist von der Ausgangsfrequenz. Dies ist auch in der folgenden Abbildung zu erkennen.Since no compensation currents are implemented, the energy swings are not regulated due to the transient transitions, which means that the module capacitor voltage fluctuation range is smaller than in conventional operation of the MMC, but still depends on the output frequency. This can also be seen in the following figure.
Weiterhin ist anzumerken, dass die Zweigströme in [2] nicht gezeigt worden sind und es ist zu erwarten, dass deren Spitzenwerte sehr hoch sind.It should also be noted that the branch currents have not been shown in [2] and their peak values are to be expected to be very high.
Erfindunginvention
Gegenüber dem Stand der Technik können die in der Einleitung genannten Verbesserungen und Vorteile durch die in den unabhängigen Ansprüchen dieser Patentanmeldung angegebenen Merkmale realisiert werden.Compared to the prior art, the improvements and advantages mentioned in the introduction can be realized by the features specified in the independent claims of this patent application.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird der modulare Multilevel-Umrichter hinsichtlich seines Aufbaus vereinfacht, indem der dritte Umrichterzweig aus einem bidirektionalen Schalter und einer oder keiner Induktivität besteht. Dementsprechend wird der hardwaremäßige Aufwand für einen dritten Multilevel-Umrichterzweig eingespart und nur eine vergleichsweise einfache Schaltung als dritter Umrichterzweig vorgesehen. Insbesondere gegenüber einem dritten Vollbrückenzweig ergibt sich eine erhebliche Reduzierung des Aufwands.According to one embodiment of the invention, the modular multilevel converter is simplified with regard to its structure in that the third converter branch consists of a bidirectional switch and one or no inductance. Accordingly, the hardware outlay for a third multilevel converter branch is saved and only a comparatively simple circuit is provided as the third converter branch. In particular, compared to a third full bridge branch, there is a considerable reduction in effort.
Der erste und der zweite Umrichterzweig können außer der Reihenschaltung der Einzelmodule noch weitere Bauteile aufweisen, wie z.B. jeweils wenigstens eine in Reihe geschaltete Induktivität. Die Einzelmodule eines Umrichterzweigs können gleichartige Einzelmodule oder unterschiedliche Einzelmodule sein.In addition to the series connection of the individual modules, the first and the second converter branch can also have other components, such as at least one inductance connected in series. The individual modules of a converter branch can be individual modules of the same type or different individual modules.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der bidirektionale Schalter eine Anordnung aus Leistungshalbleiter-Schaltelementen aufweist, die symmetrisch Sperrspannung aufnehmen können und symmetrisch Strom führen können. Auf diese Weise kann der bidirektionale Schalter mit einfachem Aufbau kostengünstig bereitgestellt werden. Zudem können die elektrischen Anforderungen zuverlässig erfüllt werden. Die Anordnung aus Leistungshalbleiter-Schaltelementen kann z.B. antiparallel geschaltete Thyristoren, entgegengesetzt seriengeschaltete IGBT- oder IGCT-Schaltelemente mit antiparallelen Dioden oder eine Kombination daraus aufweisen, insbesondere eine Reihenschaltung, aus solchen Elementen.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the bidirectional switch has an arrangement of power semiconductor switching elements that can symmetrically absorb reverse voltage and symmetrically conduct current. In this way, the bidirectional switch can be provided inexpensively with a simple structure. In addition, the electrical requirements can be reliably met. The arrangement of power semiconductor switching elements can, for example, have anti-parallel connected thyristors, oppositely connected series-connected IGBT or IGCT switching elements with anti-parallel diodes or a combination thereof, in particular a series connection of such elements.
Der modulare Multilevel-Umrichter, nachfolgend auch kurz Umrichter genannt, kann an drei voneinander unabhängige Eingangspotentiale (erstes, zweites und drittes Eingangspotential) angeschlossen sein. Das dritte Eingangspotential kann auch aus dem ersten und dem zweiten Eingangspotential gebildet werden, z.B. durch einen kapazitiven Spannungsteiler. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das dritte Potential durch eine Schaltungsanordnung bereitgestellt ist, die einen ersten Kondensator, der mit einem ersten Anschluss an das erste Potential und einem zweiten Anschluss an das dritte Potential angeschlossen ist, und einen zweiten Kondensator, der mit einem ersten Anschluss an das zweite Potential und einem zweiten Anschluss an das dritte Potential angeschlossen ist, aufweist.The modular multilevel converter, hereinafter also referred to as converter for short, can be connected to three mutually independent input potentials (first, second and third input potential). The third input potential can also be formed from the first and the second input potential, e.g. by means of a capacitive voltage divider. According to an advantageous embodiment of the invention it is provided that the third potential is provided by a circuit arrangement that has a first capacitor, which is connected to the first potential with a first terminal and a second terminal to the third potential, and a second capacitor, which is connected with a first connection to the second potential and a second connection to the third potential.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass jedes Einzelmodul eine mit Modulanschlüssen des Einzelmoduls verbundene Schaltungsanordnung aus mindestens zwei internen Schaltelementen und einem Modulkondensator aufweist. Dabei können die Einzelmodule als Halbbrücken-Module oder als Vollbrücken-Module ausgebildet sein. Im Fall von Halbbrücken-Modulen kann die Modulausgangsspannung den Wert 0 Volt oder positive Modulkondensatorspannung annehmen. Im Fall von Vollbrücken-Modulen kann die Modulausgangsspannung den Wert 0 Volt oder positive oder negative Modulkondensatorspannung annehmen.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that each individual module has a circuit arrangement connected to module connections of the individual module and made up of at least two internal Having switching elements and a module capacitor. The individual modules can be designed as half-bridge modules or as full-bridge modules. In the case of half-bridge modules, the module output voltage can assume the
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schaltelemente eines Einzelmoduls so angeordnet sind, dass wahlweise die positive Spannung des Modulkondensators an die Modulanschlüsse gelegt werden kann oder die Modulanschlüsse direkt miteinander verbunden werden können.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the switching elements of an individual module are arranged such that either the positive voltage of the module capacitor can be applied to the module connections or the module connections can be connected directly to one another.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schaltelemente so angeordnet sind, dass wahlweise die positive Spannung des Modulkondensators oder die negative Spannung des Modulkondensators an die Modulklemmen gelegt werden kann oder die Modulklemmen direkt miteinander verbunden werden können.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the switching elements are arranged so that either the positive voltage of the module capacitor or the negative voltage of the module capacitor can be applied to the module terminals or the module terminals can be connected directly to one another.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines modularen Multilevel-Umrichters, der wie eingangs erwähnt ausgebildet ist. Dabei kann der dritte Umrichterzweig entweder als Multilevel-Umrichterzweig mit mehreren hintereinander geschalteten Einzelmodulen ausgebildet sein oder aus einem bidirektionalen Schalter und einer oder keiner Induktivität bestehen. Dabei wird eine Regelung des Betriebs des Umrichters durchgeführt, die wenigstens eine Regelungsstrategie A mit folgenden Merkmalen aufweist:
- h) die Stromstärke des Ausgangsstromes wird durch ein Modulationsverfahren der Ausgangsspannung geregelt, wobei einer der Umrichterzweige als passiver Umrichterzweig betrieben ist, bei dem jeweils zwischen den Modulklemmen jedes Einzelmoduls, wenn es ein Multilevel-Umrichterzweig ist, oder am bidirektionalen Schalter keine Spannung anliegt und durch den der Ausgangsstrom fließt,
- i) in allen Multilevel-Umrichterzweigen sowie im geschlossenem bidirektionalem Schalter werden Ströme geregelt, die zur Kompensation von Energieschwankungen der Modulkondensatoren in den Multilevel-Umrichterzweigen dienen, durch ein Modulationsverfahren des Multilevel-Umrichterzweigs oder der Multilevel-Umrichterzweige, durch die der Ausgangsstrom nicht fließt und die somit aktive Umrichterzweige sind.
- h) the amperage of the output current is regulated by a modulation process of the output voltage, whereby one of the converter branches is operated as a passive converter branch, in which no voltage is applied between the module terminals of each individual module, if it is a multilevel converter branch, or at the bidirectional switch and through which the output current flows,
- i) In all multilevel converter branches as well as in the closed bidirectional switch, currents are regulated, which serve to compensate for energy fluctuations in the module capacitors in the multilevel converter branches, by a modulation method of the multilevel converter branch or the multilevel converter branches, through which the output current does not flow and which are therefore active converter branches.
Für die Regelung der Zweigströme werden diese gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung gemessen und mit Soll-Werten verglichen.For the regulation of the branch currents, these are measured according to an advantageous embodiment of the invention and compared with target values.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Modulationsverfahren des aktiven Umrichterzweigs oder der aktiven Umrichterzweige mit einer Frequenz durchgeführt wird, die höher ist als eine Pulsdauermodulationsfrequenz, mit der die Ausgangsspannung synthetisiert wird. Durch eine solche relativ hochfrequente Modulationsfrequenz im aktiven Umrichterzweig oder den aktiven Umrichterzweigen kann die gewünschte Regelung besonders genau durchgeführt werden. Geht man davon aus, dass die Ausgangsspannung eine Wechselspannung mit einer Grundfrequenz ist, beispielsweise 50 Hz, wird die Ausgangsspannung im Quasi-Drei-Level-Betrieb, in dem der Umrichter betrieben wird, mit einer Pulsdauermodulationsfrequenz durchgeführt, die wenigstens doppelt so hoch wie die Grundfrequenz ist. Die Frequenz, mit der das Modulationsverfahren des aktiven Umrichterzweigs oder der aktiven Umrichterzweige durchgeführt wird, kann z.B. wenigstens doppelt so hoch wie die Pulsdauermodulationsfrequenz sein, mit der die Ausgangsspannung synthetisiert wird.According to an advantageous embodiment of the invention it is provided that the modulation method of the active converter branch or the active converter branches is carried out with a frequency which is higher than a pulse duration modulation frequency with which the output voltage is synthesized. With such a relatively high-frequency modulation frequency in the active converter branch or the active converter branches, the desired regulation can be carried out particularly precisely. Assuming that the output voltage is an alternating voltage with a basic frequency, for example 50 Hz, the output voltage in quasi-three-level mode, in which the converter is operated, is carried out with a pulse duration modulation frequency that is at least twice as high as the Fundamental frequency is. The frequency with which the modulation method of the active converter branch or the active converter branches is carried out can, for example, be at least twice as high as the pulse duration modulation frequency with which the output voltage is synthesized.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Regelung des Betriebs des Umrichters zusätzlich wenigstens eine Regelungsstrategie B aufweist, bei der durch die Einzelmodule in den Multilevel-Umrichterzweigen eine schnellstmögliche Änderung der Ströme in den Umrichterzweigen verursacht wird.According to an advantageous embodiment of the invention it is provided that the control of the operation of the converter additionally has at least one control strategy B in which the fastest possible change in the currents in the converter branches is caused by the individual modules in the multilevel converter branches.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Regelung des Betriebs des Umrichters zwischen den wenigstens zwei Regelungsstrategien A und B wechselt.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the control of the operation of the converter alternates between the at least two control strategies A and B.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass von Regelungsstrategie A zu Regelungsstrategie B gewechselt wird, wenn die Modulation der Ausgangsspannung einen Wechsel des passiven Umrichterzweiges vorgibt.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that a change is made from control strategy A to control strategy B when the modulation of the output voltage specifies a change in the passive converter branch.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass von Regelungsstrategie B zu Regelungsstrategie A gewechselt wird, wenn der Ausgangsstrom durch den von der Ausgangsmodulation vorgegebenen passiven Umrichterzweig fließt. Hierdurch können die Sollwerte der Regelung besonders gut erreicht werden.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that a change is made from control strategy B to control strategy A when the output current flows through the passive converter branch specified by the output modulation. In this way, the setpoint values of the regulation can be achieved particularly well.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einzelmodule steuerbare Schalter aufweisen, wobei zwischen dem Wechsel der Schaltstellung der Schalter in den Multilevel-Umrichterzweigen eine Wartezeit abgewartet wird. Dementsprechend werden die Einzelmodule zeitlich zueinander versetzt geschaltet. Auf diese Weise kann ein steilflankig trapezförmiger oder treppenförmiger Verlauf der Ausgangsspannung erzeugt werden. Somit kann die Spannungssteilheit der Ausgangsspannung begrenzt und die Überspannungen aufgrund von langen Maschinenkabeln deutlich reduziert werden.According to an advantageous embodiment of the invention it is provided that the individual modules have controllable switches, a waiting time between the change of the switch position of the switches in the multilevel converter branches. Accordingly, the individual modules are switched with a time offset from one another. In this way, a steep, trapezoidal or stepped profile of the output voltage can be generated. In this way, the rate of rise of the output voltage can be limited and the overvoltages due to long machine cables can be significantly reduced.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Fall, dass der Umrichterzweig, der den bidirektionalen Schalter aufweist, vom aktiven zum passiven Umrichterzweig wechseln soll, die Multilevel-Umrichterzweige die Spannung so verändern, dass am bidirektionalem Schalter eine Spannung von ungefähr 0 Volt anliegt und anschließend der bidirektionale Schalter geschlossen wird, bevor Regelungsstrategie B angewendet wird. Auf diese Weise wird insbesondere die Variante des Umrichters, bei der ein Umrichterzweig den bidirektionalen Schalter aufweist, so geschaltet, dass unerwünschte Spannungssprünge in der Ausgangsspannung vermieden oder zumindest reduziert werden.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that in the event that the converter branch that has the bidirectional switch is to change from the active to the passive converter branch, the multilevel converter branches change the voltage so that a voltage of approximately 0 Volt is applied and then the bidirectional switch is closed before control strategy B is applied. In this way, in particular the variant of the converter in which one converter branch has the bidirectional switch is switched in such a way that undesired voltage jumps in the output voltage are avoided or at least reduced.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Fall, dass der Umrichterzweig, der den bidirektionalen Schalter aufweist, vom passiven zum aktiven Umrichterzweig wechseln soll, und der Strom durch diesen Umrichterzweig nahe 0 Ampere ist, die Multilevel-Umrichterzweige die Spannung so verändern, dass sich die Spannung an dem bidirektionalen Schalter maximal um eine Modulkondensatorspannung von 0 Volt unterscheidet, wenn er geöffnet wäre, und der bidirektionaler Schalter anschließend bei einem Strom von ungefähr 0 Ampere öffnet, bevor Regelungsstrategie A angewendet wird. Auf diese Weise kann der Umrichterzweig, der den bidirektionalen Schalter aufweist, besonders schonend geschaltet werden. Insbesondere können Spannungsspitzen aufgrund induktiver Stromänderungen vermieden werden.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that in the event that the converter branch, which has the bidirectional switch, is to change from the passive to the active converter branch and the current through this converter branch is close to 0 amperes, the multilevel converter branches adjust the voltage as follows change so that the voltage at the bidirectional switch differs by a maximum of a module capacitor voltage of 0 volts if it were open, and the bidirectional switch then opens at a current of approximately 0 amperes before control strategy A is applied. In this way, the converter branch, which has the bidirectional switch, can be switched particularly gently. In particular, voltage peaks due to inductive current changes can be avoided.
Das zuvor erwähnte Verfahren kann vorteilhaft durch ein Computerprogramm ausgeführt werden, indem das Computerprogramm auf einem Rechner ausgeführt wird. Beispielsweise kann es sich um einen Rechner einer Steuerungseinrichtung des Umrichters handeln.The aforementioned method can advantageously be carried out by a computer program in that the computer program is carried out on a computer. For example, it can be a computer of a control device of the converter.
Dementsprechend betrifft die Erfindung auch einen modularen Multilevel-Umrichter der eingangs genannten Art, bei dem der dritte Umrichterzweig entweder als Multilevel-Umrichterzweig mit mehreren hintereinander geschalteten Einzelmodulen ausgebildet ist oder aus einem bidirektionalen Schalter und einer oder keiner Induktivität besteht. Zusätzlich weist die Schaltungsanordnung wenigstens eine Steuerungseinrichtung auf, die zur Ansteuerung der Leistungshalbleiter der Umrichterzweige eingerichtet ist. Die Steuerungseinrichtung ist zur Durchführung eines Verfahrens der zuvor erwähnten Art eingerichtet, beispielsweise durch Ausführung eines Computerprogramms auf einem Rechner der Steuerungseinrichtung.Accordingly, the invention also relates to a modular multilevel converter of the type mentioned at the outset, in which the third converter branch is designed either as a multilevel converter branch with several individual modules connected in series or consists of a bidirectional switch and one or no inductance. In addition, the circuit arrangement has at least one control device which is set up to control the power semiconductors of the converter branches. The control device is set up to carry out a method of the aforementioned type, for example by executing a computer program on a computer of the control device.
Wie oben bereits erwähnt, kann der bidirektionale Schalter eine Anordnung aus Leistungshalbleiter-Schaltelementen aufweist, die symmetrisch Sperrspannung aufnehmen können und symmetrisch Strom führen können.As already mentioned above, the bidirectional switch can have an arrangement of power semiconductor switching elements that can symmetrically absorb reverse voltage and symmetrically conduct current.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das dritte Potential durch eine Schaltungsanordnung bereitgestellt ist, die einen ersten Kondensator, der mit einem ersten Anschluss an das erste Potential und einem zweiten Anschluss an das dritte Potential angeschlossen ist, und einen zweiten Kondensator, der mit einem ersten Anschluss an das zweite Potential und einem zweiten Anschluss an das dritte Potential angeschlossen ist, aufweist.According to an advantageous embodiment of the invention it is provided that the third potential is provided by a circuit arrangement that has a first capacitor, which is connected to the first potential with a first terminal and a second terminal to the third potential, and a second capacitor, which is connected with a first connection to the second potential and a second connection to the third potential.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der dritte Umrichterzweig in der Ausgestaltung als Multilevel-Umrichterzweig Einzelmodule aufweist, die eine mit Modulanschlüssen des Einzelmoduls verbundene Schaltungsanordnung aus mindestens vier internen Schaltelementen und einem Modulkondensator haben. Die Einzelmodule können als Vollbrückenmodule ausgebildet sein.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the third converter branch in the form of a multilevel converter branch has individual modules which have a circuit arrangement connected to module connections of the individual module and made up of at least four internal switching elements and a module capacitor. The individual modules can be designed as full bridge modules.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schaltelemente so angeordnet sind, dass wahlweise die positive Spannung des Modulkondensators oder die negative Spannung des Modulkondensators an die Modulklemmen gelegt werden kann oder die Modulklemmen direkt miteinander verbunden werden können.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the switching elements are arranged so that either the positive voltage of the module capacitor or the negative voltage of the module capacitor can be applied to the module terminals or the module terminals can be connected directly to one another.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist unter dem unbestimmten Begriff „ein“ kein Zahlwort zu verstehen. Wenn also z.B. von einem Bauteil die Rede ist, so ist dies im Sinne von „mindestens einem Bauteil“ zu interpretieren. Soweit Winkelangaben in Grad gemacht werden, beziehen sich diese auf ein Kreismaß von 360 Grad (360°). Soweit ein Rechner erwähnt ist, kann dieser dazu eingerichtet sein, ein Computerprogramm, z.B. im Sinne von Software, auszuführen. Der Rechner kann als handelsüblicher Computer ausgebildet sein, z.B. als PC, Laptop, Notebook, Tablet oder Smartphone, oder als Mikroprozessor, Mikrocontroller oder FPGA, oder als Kombination aus solchen Elementen. Soweit eine Regelung erwähnt ist, unterscheidet sich eine Regelung von einer Steuerung dadurch, dass eine Regelung eine Rückführung oder Rückkopplung gemessener oder interner Werte aufweist, mit der die erzeugten Ausgabewerte der Regelung wiederum im Sinne eines geschlossenen Regelkreises beeinflusst werden. Bei einer Steuerung erfolgt ein reines Steuern einer Größe ohne eine solche Rückführung oder Rückkopplung.In the context of the present invention, the indefinite term “a” is not to be understood as a numerical word. If, for example, a component is mentioned, this is to be interpreted in the sense of “at least one component”. As far as angles are given in degrees, these refer to a circle of 360 degrees (360 °). As far as a computer is mentioned, it can be set up to execute a computer program, for example in the sense of software. The computer can be designed as a commercially available computer, for example as a PC, laptop, notebook, tablet or smartphone, or as a microprocessor, microcontroller or FPGA, or as a combination of such elements. As far as regulation is mentioned, regulation differs from open-loop control in that regulation has a feedback or feedback of measured or internal values with which the generated output values of the regulation are in turn influenced in the sense of a closed control loop. In the case of a control, a variable is simply controlled without such feedback or feedback.
AusführungsbeispieleEmbodiments
Im Folgenden werden mögliche Ausführungsbeispiele_des neuen Regelungsverfahrens für den Quasi-Drei-Level-Betrieb eines MMCs präsentiert. Es kann auf die in [2] dargestellte Topologie mit bestimmten Vorteilen angewendet werden. Darauf aufbauend wird gezeigt, wie mithilfe von Vorsteuerungen die Vollbrückenmodule aus Zweig M durch einen bidirektionalen Schalter ersetzt werden können, was eine zusätzliche vorteilhafte Innovation darstellt.In the following, possible exemplary embodiments of the new control method for the quasi-three-level operation of an MMC are presented. It can be applied to the topology shown in [2] with certain advantages. Building on this, it is shown how the full bridge modules from branch M can be replaced by a bidirectional switch with the help of pilot controls, which is an additional advantageous innovation.
Ausführungsbeispiele für RegelungsverfahrenEmbodiments for control methods
Im Gegensatz zu dem Regelungsverfahren aus [2] wird vorgeschlagen, alle Energien und alle Ströme des Umrichters ähnlich wie bei dem Quasi-Zwei-Level-PWM-Betrieb [1] zu regeln. Dies kann zum einen die Spitzenwerte der Zweigströme reduzieren und zum anderen zu kleineren Modulkondensatoren führen, was die Belastung und Kosten der Module wesentlich reduziert.In contrast to the control method from [2], it is proposed to control all energies and all currents of the converter in a similar way to the quasi-two-level PWM operation [1]. On the one hand, this can reduce the peak values of the branch currents and, on the other hand, lead to smaller module capacitors, which significantly reduces the load and costs of the modules.
Für die Regelung wird beispielhaft eine kaskadierte Regelungsstruktur nach
Im Grundsatz wird der Ausgangsstrom ia über die modulierte Ausgangsspannung geregelt. Dazu wird von einer übergeordneten Regelung, die in
Wie beim Quasi-Zwei-Level-PWM-Betrieb, soll der Ausgangstrom größtenteils über den Zweig fließen, dessen Spannung 0 V beträgt (passiver Zweig), damit in diesem Zweig eine möglichst kleine Zweigleistung entsteht und sich die Modulkondensatorspannungen nur wenig ändern.As with quasi-two-level PWM operation, the output current should mostly flow through the branch whose voltage is 0 V (passive branch), so that the branch power is as small as possible in this branch and the module capacitor voltages change only slightly.
Die Zweigströme werden über zwei Kreisströme geregelt. Kreisstrom ik1 ist ein Superpositionsstrom, der durch die Zweige A und M fließt. Kreisstrom ik2 ist ein Superpositionsstrom, der durch die Zweige B und M fließt. Dies ist ebenfalls in
Die Stromregelung wird dabei in einem Zustandsautomaten implementiert, welcher zwischen den statischen und den transienten Zuständen unterscheidet. Dieser Zustandsautomat ist beispielhaft in
In den statischen Zuständen werden die Kreisströme mit einer hochfrequenten Modulation der Sollzweigspannungen in den aktiven Zweigen geregelt.In the static states, the circulating currents are regulated with a high-frequency modulation of the nominal branch voltages in the active branches.
Wechseln die Zustände A, B oder M, werden die Zweigspannungen so gestellt, dass die Kreisströme schnellst möglich ihren neuen Sollwert, passend für den kommenden Zustand, erreichen. Da sich ein Kreisstrom um die Hälfte des anderen Kreisstromes ändern muss, beinhaltet die Erfindung zwei mögliche Varianten:
- 1. Simultane Transienten: Beide Kreisströme ändern sich gleichzeitig jedoch unterschiedlich stark.
- 2. Sequentielle Transienten: Beide Kreisströme ändern sich maximal schnell jedoch zeitlich versetzt.
- 1. Simultaneous transients: Both circular currents change at the same time, however, to different degrees.
- 2. Sequential transients: Both circular currents change as quickly as possible, but staggered in time.
Zur Beschreibung dieser transienten Übergänge werden die Tabelle 2-1 und die Tabelle 2-2 angeführt. Beim Übergang der Zustände A ↔ M stellen Zweig A oder Zweig M ihr maximales bzw. minimales Spannungslevel in Abhängigkeit davon, welcher Kreisstrom sinken und welcher steigen soll. Beim Übergang der Zustände B ↔ M stellen Zweig B oder M ihr maximales bzw. minimales Spannungslevel in Abhängigkeit davon, welcher Kreisstrom sinken und welcher steigen soll (siehe Tabelle 2-1 und Tabelle 2-2).Table 2-1 and Table 2-2 are given to describe these transient transitions. When the states A ↔ M transition, branch A or branch M set their maximum or minimum voltage level depending on which circulating current should decrease and which should increase. When the states B ↔ M transition, branch B or M set their maximum or minimum voltage level depending on which circulating current is to decrease and which is to increase (see Table 2-1 and Table 2-2).
Bei den simultanen Transienten stellt der Zweig, der nicht zwischen aktiven und passiven Zweig wechselt, die halbe Eingangsspannung (s. Tabelle 2-1). Bei den sequentiellen Transienten wechselt dieser Zweig nach der halben transienten Zeitdauer zwischen der Eingangsspannung und 0 V (siehe Tabelle 2-2). Tabelle 2- 1: Simultane Transienten
Bei diesen Übergängen sind gleichzeitig hohe Zweigspannung und hohe Zweigströme aktiv und verursachen hierdurch Zweigleistungsspitzen, ähnlich wie beim Quasi-Zwei-Level-PWM-Betrieb von MMCs. Um die durch diese Kommutierungsvorgänge verursachten Energiehübe auszuregeln, werden den aktiven Zweigen mithilfe der Kreisströme Kompensationsströme eingeprägt. Diese können durch einen Energieregler oder prädiktiv berechnet werden.In these transitions, high branch voltage and high branch currents are active at the same time and thus cause branch power peaks, similar to the quasi-two-level PWM operation of MMCs. In order to regulate the energy swings caused by these commutation processes, compensation currents are impressed on the active branches with the aid of the circulating currents. These can be calculated by an energy regulator or predictively.
Dadurch wird die Zweigenergieschwankung unabhängig von der Ausgangsfrequenz und signifikant reduziert. Somit können die Modulkapazitäten deutlich kleiner dimensioniert werden.This reduces the branch energy fluctuation independently of the output frequency and significantly. Thus, the module capacities can be dimensioned significantly smaller.
Mithilfe der Modulbalancierungseinheiten werden die Module eines Zweiges balanciert. Ebenso ist hier die Wartezeit zwischen dem Zuschalten und Überbrücken der Module implementiert. Somit ändern sich die Zweigspannungen innerhalb einer kurzen Zeit maximal um die Höhe einer Modulkondensatorspannung. Folglich ist auch der Ausgangsspannungssprung reduziert.The modules of a branch are balanced with the help of the module balancing units. The waiting time between connecting and bridging the modules is also implemented here. Thus, the branch voltages change within a short time by a maximum of the magnitude of a module capacitor voltage. As a result, the output voltage jump is also reduced.
Die Regelung kann auf die in [2] dargestellte Topologie angewandt werden. Dabei werden die Kompensationsströme izA,komp izB,komp und izM.komp eingeführt zum Ausregeln der Modulkondensatorspannungen im Zweig A, B und M.The control can be applied to the topology shown in [2]. In this case, the compensation currents i GR, comp i example, comp and i zM.komp introduced to compensate the module capacitor voltages in branch A, B and M.
Die
Der Detailausschnitt der Ausgangsspannung aus
Ausführungsbeispiele für neue hybride MMC-Topologie für den Quasi-Drei-Level-Betrieb und die Vorsteuerung hierfürExemplary embodiments of the new hybrid MMC topology for quasi-three-level operation and the precontrol for this
Mit einer hier vorgestellten Vorsteuerung und der Regelung aus dem letzten Kapitel ist es möglich, den mittleren Vollbrückenzweig durch einen einfachen leistungselektronischen bidirektionalen Schalter zu ersetzen. Der Aufwand für den Zweig M wird dadurch stark reduziert.With a pre-control presented here and the regulation from the last chapter, it is possible to replace the middle full bridge branch with a simple power electronic bidirectional switch. The effort for branch M is greatly reduced as a result.
Ersetzt man die Vollbrücken im Zweig M durch einen bidirektionalen Schalter, wird die Kompensation des mittleren Zweiges M überflüssig und die Energieregelung vereinfacht sich. Ist der Schalter im Zweig M offen, werden die Zweigströme über den Phasen-Querstrom ähnlich wie beim Quasi-Zwei-Level-PWM-Betrieb geregelt. Ist der Schalter geschlossen, werden die Zweigströme über die Kreisströme im und im ähnlich wie im oben beschriebenen Quasi-Drei-Level-Betrieb geregelt. Soll der Zweig M aus einem schaltenden Element bestehen, stellen sich jedoch zwei wesentliche neue Herausforderungen:
- 1) Abschalten des induktiven Zweigstromes izM: Wird der Schalter geöffnet, muss der Strom im mittleren Zweig 0 A betragen, da sonst die induktive Stromänderung eine Spannungsspitze hervorrufen würde, was den Schalter beschädigen könnte.
- 2) Kleine Spannungsstufen an den Ausgangsklemmen: Ist der Schalter im mittleren Zweig zugeschaltet, entspricht die
Ausgangsspannung 0 V. Ist der Schalter geöffnet, entspricht die Ausgangsspannung der halben Differenz der Zweigspannungen B und A. Dies würde ohne zusätzliche Vorsteuerung beim Abschalten und Zuschalten des mittleren Schalters zu erhöhten Spannungssprüngen an den Ausgangsklemmen führen.
- 1) Switching off the inductive branch current i zM: If the switch is opened, the current in the middle branch must be 0 A, otherwise the inductive current change would cause a voltage spike, which could damage the switch.
- 2) Small voltage levels at the output terminals: If the switch in the middle branch is switched on, the output voltage corresponds to 0 V. If the switch is open, the output voltage corresponds to half the difference between branch voltages B and A. This would be done without additional pre-control when switching off and on the middle branch Switch lead to increased voltage jumps at the output terminals.
Um die erste Anforderung zu erfüllen, werden beispielsweise Leistungshalbleiterschalter gewählt, die im Nulldurchgang des Stromes izM automatisch beginnen zu sperren. Hierfür werden zwei folgende Möglichkeiten vorgestellt.
Es ist anzumerken, dass die mittleren Zweige sowohl ohne (wie hier dargestellt) als auch mit Induktivitäten ausgeführt werden können. Diese Varianten sind ebenfalls Bestandteil der Erfindung.It should be noted that the middle branches can be implemented both without (as shown here) and with inductances. These variants are also part of the invention.
Um die zweite Anforderung zu bewältigen, wird beispielsweise eine Vorsteuerung in der Regelung implementiert. Diese wird am Beispiel der simultanen Transienten beim Übergang der Zustände A↔M (
Übergang der Zustände A→M (
- (1) Zustand A: Der Ausgangsstrom fließt größtenteils über den Zweig A. Der Kompensationsstrom izB,komp wird zum Ausregeln der Zweigenergiedifferenz im Zweig B genutzt.(1) State A: Most of the output current flows through branch A. The compensation current i, for example , comp is used to compensate for the difference in branch energy in branch B.
- (2) Die Ausgangsspannung wird gezielt zu 0 V gefahren. Hierfür müssen Zweigspannungen in den Zweigen A und B auf Ue/2 gestellt werden. Der Schalter Sm ist geöffnet.(2) The output voltage is specifically driven to 0 V. For this purpose, branch voltages in branches A and B must be set to U e / 2. The switch Sm is open.
- (3) Der Schalter Sm wird geschlossen. Anschließend werden die Zweigspannungen nach den Vorschriften der simultanen bzw. sequentiellen Transienten geändert, um die Zweigstrome an ihre Sollwerte zu führen.(3) The switch S m is closed. The branch voltages are then changed according to the regulations of the simultaneous or sequential transients in order to lead the branch currents to their setpoints.
- (4) Zustand M: Der Schalter Sm ist geschlossen. Der Ausgangsstrom fließt größtenteils über den Zweig M. Die Kompensationsströme izA,komp und izB,komp werden zum Ausregeln der Zweigenergiedifferenz im Zweig A und B genutzt.(4) State M: The switch S m is closed. Most of the output current flows through branch M. The compensation currents i zA, komp and i, for example , komp are used to compensate for the branch energy difference in branch A and B.
Übergang der Zustände M→A (
- (1) Zustand M: Der Schalter Sm ist geschlossen. Der Ausgangsstrom fließt größtenteils über den Zweig M. Die Kompensationsströme izA,komp und izB,komp werden zum Ausregeln der Zweigenergiedifferenz im Zweig A und B genutzt.
- (2) Der Schalter Sm ist geschlossen und die Zweigspannungen in den Zweigen A und B werden entsprechend der Vorschriften für die simultanen oder sequentiellen Transienten geändert.
- (3) Der Strom izM ist nahe 0 A. Die Zweigspannungen in den Zweigen A und B stellen Ue/2 ± uCmod. Somit ändern sich die Zweigströme nur noch langsam. Wenn izM = 0 A erreicht und somit der Thyristor (Variante a) bzw. die in Reihe geschaltete Diode (Variante b) sperrt, ändert sich die Ausgangsspannung maximal um eine Modulspannungsstufe. Sind die Zweigströme in den Zweigen A und B noch relativ weit von ihren Sollwerten entfernt, kann anschließend wie bei den transienten Übergängen im Quasi-Zwei-Level-PWM-Betrieb die Überlappung der vollen Zweigspannung oder 0 V genutzt werden.
- (4) Zustand A: Da der Strom izM = 0 A entspricht, sperrt der Thyristor (Variante a) bzw. der IGBT kann nun geöffnet werden (Variante b). Der Ausgangsstrom fließt größtenteils über den Zweig A. Der Kompensationsstrom izB,komp wird zum Ausregeln der Zweigenergiedifferenz im Zweig B genutzt.
- (1) State M: The switch S m is closed. Most of the output current flows through branch M. The compensation currents i zA, komp and i, for example , komp are used to compensate for the branch energy difference in branch A and B.
- (2) The switch S m is closed and the branch voltages in branches A and B are changed according to the regulations for the simultaneous or sequential transients.
- (3) The current i zM is close to 0 A. The branch voltages in branches A and B represent Ue / 2 ± u Cmod . Thus the branch currents change only slowly. When i zM = 0 A and thus the thyristor (variant a) or the series-connected diode (variant b) blocks, the output voltage changes by a maximum of one module voltage level. If the branch currents in branches A and B are still relatively far from their setpoints, the overlap of the full branch voltage or 0 V can then be used, as with the transient transitions in quasi-two-level PWM operation.
- (4) State A: Since the current i zM = 0 A, the thyristor blocks (variant a) or the IGBT can now be opened (variant b). Most of the output current flows through branch A. The compensation current i, for example , comp is used to compensate for the branch energy difference in branch B.
Mit diesem Verfahren wird der Schalter im Zweig M also mit zero-current-switching betrieben und die Schaltspannungen liegt entweder bei 0 V oder in Höhe einer Modulkondensatorspannung. Dementsprechend sind die Schaltverluste äußerst gering und der Schalter im Zweig M wird nicht stark belastet.With this method, the switch in branch M is operated with zero-current switching and the switching voltage is either 0 V or a module capacitor voltage. Accordingly, the switching losses are extremely low and the switch in branch M is not heavily loaded.
Die Spannungsskalierbarkeit im mittleren Zweig bleibt erhalten, da durch die niedrigen Schaltspannungen die Herausforderung der gleichmäßigen Spannungsaufteilung beim Zu- und Abschalten mehrerer in Reihe geschalteten Schaltelementen entfällt.The voltage scalability in the middle branch is retained, as the low switching voltages mean that the challenge of even voltage distribution when connecting and disconnecting several switching elements connected in series is eliminated.
Redundanz kann bei in Reihe geschalteten Press-Pack-Schaltern gewährt werden, da diese im Fehlerfall in einen definierten Kurzschluss übergehen.Redundancy can be guaranteed with press-pack switches connected in series, as these switch to a defined short circuit in the event of a fault.
In dem Fall, dass der gesamte mittlere Zweig M ausfällt und in einen offenen Zustand übergeht, kann die Topologie im Quasi-Zwei-Level-Betrieb weiter betrieben werden.In the event that the entire middle branch M fails and goes into an open state, the topology can continue to be operated in quasi-two-level operation.
Wie aus
ÜbersichtOverview
In diesem Dokument sind zwei Innovationen vorgestellt worden:
- 1) Neuartige Regelung für die Drei-Level-MMC-Topologie aus [2]
- 2) Vereinfachung der Drei-Level-MMC-Topologie aus [2] und eine Erweiterung der Steuerung hierfür
- 1) New type of regulation for the three-level MMC topology from [2]
- 2) Simplification of the three-level MMC topology from [2] and an extension of the control for this
Der erste Punkt wurde in Kapitel 2.1 beschrieben. Die neuartige Regelung verspricht eine bessere Kontrolle über die Energien und Ströme des Umrichters. Dementsprechend besteht die Möglichkeit, die Spitzenströme in den Zweigen zu reduzieren und die Kondensatoren um Faktor 10 kleiner auszulegen, was bereits durch Simulationen nachgewiesen worden ist. Der zusätzliche Aufwand ist eine schnellere Messung der Zweigströme und eine kompliziertere Implementierung der Regelung, die sich aber beide nicht signifikant auf die Gesamtkosten auswirken.The first point was described in Chapter 2.1. The new type of regulation promises better control over the energies and currents of the converter. Accordingly, it is possible to reduce the peak currents in the branches and to make the capacitors smaller by a factor of 10, which has already been proven by simulations. The additional effort is a faster measurement of the branch currents and a more complicated implementation of the control, both of which do not, however, have a significant effect on the total costs.
Der zweite Punkt wurde in Abschnitt 2.2 beschrieben. Wenn die Drei-Level-MMC-Topologie aus [2] mit der Regelung aus Abschnitt 2.1 geregelt wird, kann diese vereinfacht werden, indem der mittlere Vollbrückenzweig durch einen bidirektionalen Schalter ersetzt wird. Dieser Schalter kann z.B. auf Thyristoren, IGBTs oder auch IGCTs basieren. Wenn diese neuartige Topologie mit entsprechender Steuerung kombiniert wird, bestehen keine Nachteile gegenüber der originalen Topologie aus [2]. Gleichzeitig sind die Erwartungen bezüglich der Kosten und Verluste verbessert. Dies liegt an den folgenden Punkten:
- - Die Anzahl von Schaltelementen im mittleren Zweig M ist reduziert und deren Ansteuerung ist vereinfacht, da alle gleichzeitig und nicht versetzt angesteuert werden müssen.
- - Es werden keine Kondensatoren in mittleren Zweig M benötigt. Diese müssen nicht mehr balanciert werden und deren Spannungen müssen nicht mehr gemessen werden.
- - Die Schalter im mittleren Zweig M können für niedrige Durchlassverluste optimiert werden, da diese immer bei niedrigen Spannung sowie bei 0 A ein- und ausgeschaltet werden und dementsprechend auch keine Schaltverluste verursachen.
- - The number of switching elements in the middle branch M is reduced and their control is simplified, since all must be controlled simultaneously and not offset.
- - No capacitors are required in the middle branch M. These no longer have to be balanced and their tensions no longer have to be measured.
- - The switches in the middle branch M can be optimized for low on-state losses, since they are always switched on and off at low voltage and 0 A and accordingly do not cause any switching losses.
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