DE102009043599B4 - Method of operating a modular multilevel inverter and multilevel inverter - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betreiben eines modularen Multilevel-Umrichters (1), der in seinen Zweigen (Zp1, Zp2, Zp3; Zn1, Zn2, Zn3) jeweils mehrere in Reihe geschaltete Submodule (SM) mit jeweils einem Gleichspannungskondensator (Csub) aufweist, wobei die Spannungen an den Gleichspannungskondensatoren (Csub) jedes Zweiges (Zp1, Zp2, Zp3; Zn1, Zn2, Zn3) unter Bildung jeweils einer Kondensatorsummenspannung erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass • zur Ermittlung des Gleichanteils der Kondensatorsummenspannungen jeweils ein Parameter-Schätzer (Lsp1, Lsp2, Lsp3; Lsn1, Lsn2, Lsn3) unter Verwendung eines Schwingungsmodells uc(t) für die Zwischenkreisenergiewerte uc(t) = A0 + Ak1·cos(kωt) + Ak2·sin(kωt) für k = 1 bis nverwendet wird, • in dem A0 den Gleichanteil der Zwischenkreisenergiewerte und Ak1 und Ak2 weitere Parameter des Schwingungsmodells sowie ω die Kreisfrequenz eines mit dem Umrichter (1) verbundenen Wechselspannungsnetzes angibt.Method for operating a modular multilevel converter (1), which has in its branches (Zp1, Zp2, Zp3, Zn1, Zn2, Zn3) in each case a plurality of series-connected submodules (SM) each having a DC capacitor (Csub), the voltages are detected at the DC capacitors (Csub) of each branch (Zp1, Zp2, Zp3, Zn1, Zn2, Zn3), forming respectively one capacitor sum voltage, characterized in that a parameter estimator (Lsp1, Lsp2, L5) is used to determine the DC component of the capacitor sum voltages. Lsp3; Lsn1, Lsn2, Lsn3) is used for k = 1 to n using a vibronic model uc (t) for the intermediate circuit energy values uc (t) = A0 + Ak1 * cos (kωt) + Ak2 * sin (kωt) A0 indicates the DC component of the intermediate circuit energy values and Ak1 and Ak2 further parameters of the vibration model and ω indicates the angular frequency of an AC voltage network connected to the converter (1).
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines modularen Multilevel-Umrichters, der in seinen Zweigen jeweils mehrere in Reihe geschaltete Submodule mit jeweils einem Gleichspannungskondensator aufweist.The invention relates to a method for operating a modular multilevel converter, which in each case has a plurality of submodules connected in series, each with a DC capacitor, in its branches.
Ein modularer Multilevel-Umrichter dieser Art ist in einem Aufsatz von R. Marquardt und A. Lesnicar „New Concept for High Voltage-Modular Multilevel Converter” beschrieben, veröffentlicht in „PESC 2004 Conference Aachen”, 2004. Bei einem solchen Umrichter ist die Zwischenkreisenergie zu regeln und die Energie in den Zweigen des Umrichters zu balancieren.A modular multilevel inverter of this type is described in an article by R. Marquardt and A. Lesnicar "New Concept for High Voltage Modular Multilevel Converter" published in "PESC 2004 Conference Aachen", 2004. In such a converter, the DC link energy is to regulate and to balance the energy in the branches of the inverter.
Im Aufsatz „On Dynamics and Voltage Control of the Modular Multilevel Converter” von Antonopoulos, Ängquist und Nee, veröffentlicht auf der Konferenz ”Power Electronics and Applications” in, 2009 ist ebenfalls ein modularer Multilevel-Umrichter der oben genannten Art offenbart, bei dem die Summenspannungen aller Kondensatoren eines Phasenmoduls ermittelt werden. Zudem wird in diesem Aufsatz die Möglichkeit erwähnt, die Gesamtenergie durch einen Gesamtenergieregler zu schätzen.In the article "On Dynamics and Voltage Control of the Modular Multilevel Converter" by Antonopoulos, Ängquist and Nee, published at the conference "Power Electronics and Applications", 2009, a modular multilevel inverter of the above type is also disclosed, in which the Sum voltages of all capacitors of a phase module can be determined. In addition, this article mentions the possibility of estimating the total energy by means of a total energy regulator.
Grundsätze von Parameterschätzverfahren sind beispielsweise aus dem Lehrbuch von Heinz Unbehauen „Regelungstechnik III, Identifikation, Adaption, Optimierung”, 3. Auflage, 1988, Vieweg-Verlag, bekannt.Principles of parameter estimation methods are known, for example, from the textbook by Heinz Unbehauen "Control Engineering III, Identification, Adaptation, Optimization", 3rd edition, 1988, Vieweg-Verlag.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen modularen Multilevel-Umrichter so zu betreiben, dass die Regelung der Zwischenkreisenergie und das Balancieren der Zweige des Umrichters gut und schnell erfolgen können.The invention has for its object to operate a modular multilevel inverter so that the control of the DC link energy and the balancing of the branches of the inverter can be done well and quickly.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden bei einem modularen Multilevel-Umrichter der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß die Spannungen an den Gleichspannungskondensatoren jedes Zweiges unter Bildung jeweils einer Kondensatorsummenspannung erfasst, und es wird zur Ermittlung des Gleichanteils der Kondensatorsummenspannungen jeweils ein Parameter-Schätzer unter Verwendung eines Schwingungsmodells für die Zwischenkreisenergiewerte
in dem A0 den Gleichanteil der Zwischenkreisenergiewerte und Ak1 und Ak2 weitere Parameter des Schwingungsmodells sowie ω die Kreisfrequenz eines mit dem Umrichter verbundenen Wechselspannungsnetzes angibt.To solve this problem, according to the invention, the voltages across the DC capacitors of each branch are detected in a modular multilevel inverter of the type specified in each case a capacitor sum voltage, and it is to determine the DC component of the capacitor sum voltages each have a parameter estimator using a vibration model for DC energy values
in which A 0 indicates the DC component of the intermediate circuit energy values and A k1 and A k2 specify further parameters of the vibration model and ω indicates the angular frequency of an AC voltage network connected to the converter.
Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass bei ihm der Gleichanteil der Kondensatorsummenspannungen infolge des Einsatzes des Parameter-Schätzers schnell ermittelt werden kann, was zu einem guten Regelverhalten des Umrichters führt. Zur Regelung der Zwischenkreisenergie und zum Balancieren der Zweige des Umrichters ist nämlich der Gleichanteil der Kondensatorsummenspannungen erforderlich. Wird dieser Gleichanteil exakt und schnell bestimmt, dann ist dadurch auch das Regelverhalten des Umrichters insgesamt gut. Erfolgt die Regelung des Umrichters digital, was bevorzugt wird, dann lässt sich erfindungsgemäß erreichen, dass der Gleichanteil jeweils zum aktuellen Abtastzeitpunkt vorliegt oder sogar für den folgenden Abtastpunkt bereits vorausgeschätzt vorliegt.The essential advantage of the method according to the invention is that it allows the DC component of the capacitor sum voltages to be determined quickly as a result of the use of the parameter estimator, which leads to a good control behavior of the converter. In order to control the DC link energy and to balance the branches of the converter, the DC component of the capacitor sum voltages is required. If this DC component is determined exactly and quickly, the overall control behavior of the converter is also good. If the control of the converter is digital, which is preferred, then according to the invention it can be achieved that the DC component is present in each case at the current sampling instant or even predicted for the following sampling point.
Bevorzugt angewendet werden Parameter-Schätzer, die einen rekursiven Algorithmus benutzen. Zu derartigen Algorithmen gehören der rekursive Least-Square-Algorithmus, der rekursive erweiterte Least-Square-Algorithmus, die rekursive Methode der Hilfsvariablen (instrumental variables), die rekursive Prediction-error-Methode und die rekursive Maximum-Likelihood-Methode bzw. Algorithmus.Preferably, parameter estimators using a recursive algorithm are used. Such algorithms include the recursive least squares algorithm, the recursive extended least squares algorithm, the recursive method of the auxiliary variables (instrumental variables), the recursive prediction error method and the recursive maximum likelihood method or algorithm.
Besonders schnell lässt sich der Gleichanteil der Zwischenkreisenergiewerte ermitteln, wenn als Schätzer ein Least-Square-Schätzer mit einem Schwingungsmodell für die Zwischenkreisenergiewerte
in dem A0 den Gleichanteil der Zwischenkreisenergiewerte und A11 bis A22 weitere Parameter des Schwingungsmodells sowie ω die Kreisfrequenz eines mit dem Umrichter (
in the A 0, the DC component of the intermediate circuit energy values and A 11 to A 22 further parameters of the vibration model and ω the angular frequency of one with the inverter (
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann mit Parametern unterschiedlicher Art geschätzt werden. Dabei ist es zur Erzeilung einer hohen Genauigkeit vorteilhaft, wenn ein Schwingungsmodell mit zeitabhängigen Parametern A0(t) bis A22(t) verwendet wird.In the method according to the invention can be estimated with parameters of different types. In order to achieve high accuracy, it is advantageous if a vibration model with time-dependent parameters A 0 (t) to A 22 (t) is used.
Zur Erzielung einer relativ einfach durchführbaren Schätzung ist es ferner vorteilhaft, wenn die Zeitabhängigkeit der Parameter durch eine lineare Funktion oder eine Exponentialfunktion vorgegeben wird.To achieve a relatively simple feasible estimate, it is also advantageous if the time dependence of the parameters is given by a linear function or an exponential function.
Besonders einfach, jedoch ggf. unter Inkaufnahme einer größeren Ungenauigkeit lässt das erfindungsgemäße Verfahren mit einem Schwingungsmodell mit zeitlich konstanten Parametern A0 bis A22 durchführen. Stimmt das Modell gut mit dem wirklichen Signal überein, arbeitet das Verfahren auch mit dem einfachen Modell genau.Particularly simple, but possibly at the cost of greater inaccuracy leaves the inventive method with a vibration model with temporally constant parameters A 0 to A 22nd carry out. If the model agrees well with the real signal, the procedure works well with the simple model.
Die Erfindung betrifft ferner einen modularen Multilevel-Umrichter, der in seinen Zweigen jeweils mehrere in Reihe geschaltete Submodule mit jeweils einem Gleichspannungskondensator aufweist, und stellt sich die Aufgabe, einen solchen Umrichter so auszubilden, dass er sich durch ein gutes Regelverhalten auszeichnet.The invention further relates to a modular multilevel converter, which in each case has a plurality of series-connected submodules each having a DC capacitor in its branches, and has set itself the task of designing such a converter so that it is distinguished by good control behavior.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist an einen modularen Multilevel-Umrichter der oben wieder gegebenen Art erfindungsgemäß an die Gleichspannungskondensatoren der einzelnen Submodulen jedes Zweiges jeweils eine Summierschaltung zur Bildung jeweils einer Kondensatorsummenspannung aus den Spannungen an den Gleichspannungskondensatoren der Submodule angeschlossen, und jeder Summierschaltung ist jeweils ein Paramter-Schätzer nachgeordnet, der das Schwingungsmodell
Ein solchermaßen erfindungsgemäß ausgestalteter modularer Multilevel-Umrichter zeichnet sich durch ein gutes Regelverhalten aus, weil mit ihm der Gleichanteil der Kondensatorsummenspannungen schnell erfasst werden kann.Such a modular multilevel converter configured in accordance with the invention is characterized by good control behavior because it allows the DC component of the capacitor sum voltages to be detected quickly.
Der Einfachheit halber kann der modulare Multilevel-Umrichter auch ein Schwingungsmodell
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung ist inFor further explanation of the invention is in
Der in
So weist gemäß
Wie
Jedem Parameter-Schätzer Lsp1 bis Lsn3, bei dem es sich beispielsweise um einen Least-Square-Schätzer handeln kann, ist im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ein Schwingungsmodell vorgegeben, das sich durch folgende Gleichung mathematisch beschreiben lässt:
In dieser Gleichung geben A0(t) den Gleichanteil der Kondensatorsummenspannung uc(t) und A11(t) bis A12(t) weitere Parameter des Schwingungsmodells an; ω bezeichnet die Kreisfrequenz des mit dem modularen Multilevel-Umrichters verbundenen Wechselspannungsnetzes N. Der besseren Übersichtlichkeit halber ist in der
Bei dem durch die obige Gleichung beschriebenen Schwingungsmodell werden von den Parameter-Schätzern Lsp1 bis Lsn3 zeitabhängige Parameter A0(t) bis A22(t) benutzt, womit man bei transienten Vorgängern, die den Verlauf A(t) haben, eine höhere Geschwindigkeit bzw. Genauigkeit erzielen kann; allerdings ist dies auch relativ aufwendig. Als Zeitabhängigkeit kann beispielsweise eine lineare Funktion oder eine Exponentialfunktion gewählt werden.In the vibration model described by the above equation, time-dependent parameters A 0 (t) to A 22 (t) are used by the parameter estimators Lsp1 to Lsn3, thus giving a higher velocity to transient predecessors having the gradient A (t) or accuracy; However, this is also relatively expensive. As time dependence, for example, a linear function or an exponential function can be selected.
In den Parameter-Schätzern Lsp1 bis Lsn3 werden rekursiv die oben angegebenen Parameter A0(t) bis A4(t) berechnet, so dass an den Ausgängen der Parameter-Schätzer Lsp1 bis Lsn3 jeweils diese Parameter abgegriffen werden können. Einer in der
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