DE102015011004A1 - Verfahren zur Reduzierung der Verluste in einem modularen Mehrpunktumrichter - Google Patents

Verfahren zur Reduzierung der Verluste in einem modularen Mehrpunktumrichter Download PDF

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Reduzierung der Verluste in einer Stromrichterschaltung mit wenigstens zwei jeweils ein oberes (ZMP) und ein unteres (ZMN) Zweigmodul aufweisenden Phasenmodulen (PM), deren Plusanschlüsse (W1) mit einer positiven Sammelschiene (SP) und deren Minusanschlüsse (W2) mit einer negativen Sammelschiene (SN) elektrisch leitend verbunden sind, wobei ein Verbindungspunkt der beiden elektrisch in Reihe geschalteten Zweige eines Phasenmoduls (PM) einen Wechselspannungsanschluss (L) bildet, wobei jedes Zweigmodul eine Reihenschaltung von zweipoligen Submodulen (SM) aufweist, die jeweils wenigstens einen Energiespeicher und wenigstens zwei leistungselektronische Schalter aufweisen, bei dem ausgehend aus einer vordefinierten Verlustfunktion Zweigstromkomponenten vorausgerechnet werden, die diese Verlustfunktion minimieren. Das Anwenden des Verfahrens erlaubt es, einerseits den Wirkungsgrad vorhandener Umrichter zu erhöhen und andererseits bei der Dimensionierung neuer Umrichter Kompromisse zwischen dem Bauteilaufwand und der Effizienz zu treffen.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erhöhung der Effizienz eines Stromrichters mit wenigstens zwei Phasenmodulen, die jeweils ein oberes und ein unteres jeweils wenigstens zwei in Reihe geschaltete zweipolige Submodule aufweisendes Zweigmodul aufweisen, bei dem eine zusätzliche Zweigstromkomponente derart vorgegeben wird, dass eine vorbestimme Verlustfunktion minimiert wird.
  • Aus der Patentschrift DE 101 03 031 B4 ist ein modularer Mehrpunktumrichter bekannt, der insbesondere in dem Bereich der hohen Leistungen und Spannungen Vorteile gegenüber den anderen Stromrichterschaltungen besitzt. In der 1 ist ein Phasenmodul (PM) einer derartigen Schaltungsanordnung dargestellt. Die Phasenmodule (PM) weisen zwei in Reihe geschaltete Zweigmodule (ZMP) und (ZMN) auf, die ihrerseits aus einer Serienschaltung von zweipoligen Submodulen (SM) bestehen. Eine Klemme (Y2) bzw. (Y1) jedes Zweigmoduls (ZMP) und (ZMN) eines Phasenmoduls (PM) ist mit der Wechselspannungsklemme (L) des entsprechenden Phasenmoduls (PM) und die andere Klemme (Y1) bzw. (Y2) mit der positiven (SP) bzw. negativen (SN) Sammelschiene elektrisch leitend verbunden.
  • In der 2 sind Beispiele der Gestaltung eines Submoduls (SM) mit einem unipolaren Speicherkondensator (C) und mit jeweils eine antiparallele Diode (3, 4, 13, 14, 17, 18) aufweisenden Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) (1, 2, 11, 12, 15, 16) dargestellt. Mit den Submodulschaltungen in den 2a) und b) kann die Spannung USM zwischen den Klemmen X1 und X2 je nach Schalterstellung den Wert null oder gleich der positiven (2a)) Kondensatorspannung UC annehmen. Mit der Schaltung in der 2c) kann die Spannung USM den Wert null oder gleich der positiven sowie der negativen Kondensatorspannung UC annehmen.
  • Es sind auch andere Submodulschaltungen bekannt, wobei gemeinsam für alle Konfigurationen das Vorhandensein von zwei Klemmen (X1), (X2), wenigstens zwei leistungselektronischen Schaltern und wenigstens einem Energiespeicher ist. Anstatt von IGBT-Schaltern können auch Metall-Oxid-Semiconductor Field-Effekt-Transistoren (MOSFET) bzw. andere aktiv ein- und abschaltbare leistungselektronische Schalter eingesetzt werden. Anstelle von oder zusammen mit den unipolaren Speicherkondensatoren (C) können in ein Submodul (SM) aus galvanischen Zellen oder Doppelschichtkondensatoren bestehende Speichereinheiten mit oder ohne einen zusätzlichen DC/DC-Wandler eingebaut werden. Ein Beispiel dafür ist in der 2d) dargestellt.
  • 3 stellt ein Beispiel der Schaltung gemäß DE 101 03 031 B4 mit drei Phasenmodulen (PM) und zwei einzeln ausgeführten Glättungsdrosseln (GD) pro Phasenmodul dar. Die Glättungsdrosseln eines Phasenmoduls werden manchmal auch an einem Kern gewickelt.
  • Die Verfahren zur Ansteuerung der leistungselektronischen Schalter in den Submodulen (SM) liefern Zeitfunktionen für die Zündimpulse der Submodulschalter, sodass die Spannungen UZM über ein frei wählbares Zeitintervall eine vorbestimmte Spannungs-Zeitfläche bilden, die für die Stromregelung notwendig ist. Eine detaillierte Beschreibung dieses Grundprinzips ist in der Patentschrift DE 10 2005 045 090 B4 zu finden.
  • In der bisher bekannten Literatur zur Steuerung und Regelung der Schaltungsanordnung in der 1 sind Methoden zur Stromregelung und zur Symmetrierung der Zweigenergien beschrieben. Einen Überblick über die Veröffentlichungen auf dem Gebiet liefert die Veröffentlichung „Operation, Control, and Applications of the Modular Multilevel Converter: A Review" von Suman Debnath et. al. in „IEEE Transactions on Power Electronics", Vol. 30, No. 1, January 2015.
  • Ein spezifisches Merkmal der Stromrichterschaltung aus DE 101 03 031 B4 ist der interne Stromkreis, in dem Kreisströme geregelt werden können, die weder Teil des Stromes ID noch des Stromes IL sind. Die Kreisströme werden für die Symmetrierung der Zweigenergien sowie für die Optimierung der Bauteile des Umrichters benutzt.
  • In dem Beitrag „Control of the Modular Multi-Level Converter for Minimized Cell Capacitance" von Stefan F. Engel und Rik W. De Doncker für die „European Conference on Power Electronics and Applications" 2011 (EPE 2011) am 30.08.2011–01.09.2011 in Birmingham, England wurden die Auswirkungen des Kreisstromes auf den Energiehub in den Submodulkondensatoren präsentiert. Der Einfluss des Kreisstromes auf die Gesamteffizienz des Stromrichters wurde in dieser Arbeit sowie in anderen bekannten Veröffentlichungen zu diesem Thema nicht präsentiert.
  • In dem Beitrag „Boosting the Efficiency of Low Voltage Modular Multilevel Converters beyond 99%" für die "Power Conversion Intelligent Motion" Konferenz im Jahre 2013 (PCIM 2013) in Nürnberg, Deutschland wurde der positive Effekt eines Kreisstromes IAC2 mit der doppelten Wechselspannungsfrequenz auf den Wirkungsgrad der Schaltung in der 3 mit Submodulen nach der 2a) als eine Nebenwirkung der Reduzierung des Energiehubes in den Zwischenkreiskondensatoren erwähnt.
  • In der Veröffentlichung „Cascaded Control System of the Modular Multilevel Converter for Feeding Variable-Speed Drives" in "IEEE Transactions on Power Electronics", Volume 30, Issue 1, Jan. 2015 von Johannes Kolb et. al. sind Gleichungen für die zweite Oberschwingung zur Reduzierung des Energiehubes in αβ-Koordinaten gegeben, die in natürlichen Koordinaten für ein Phasenmodul die folgende Form bekommen:
    Figure DE102015011004A1_0002
    mit U ^L und I ^L – als Amplituden der Spannung UL und des Stromes IL und ωL – als Kreisfrequenz der Spannung UL und des Stromes IL sowie t – als Zeit und φL – als Phasenverschiebung zwischen dem Strom IL und der Spannung UL.
  • Der Kreisstrom IAC2 wird den Zweigströmen wie folgt überlagert:
    Figure DE102015011004A1_0003
    wobei P – die Anzahl der Phasenmodule im Umrichter ist. Die Komponenten ID/P und IL/2 sorgen für den Energieaustausch des Umrichters mit dem Gleich- und dem Wechselspannungsnetz. Die Stromkomponente ISYM dient dem Zwecke der Symmetrierung von Zweigenergien nach Methoden aus dem Stand der Technik.
  • Mit einer derartigen Kreisstromvorgabe wird die Effizienz des modularen Mehrpunktumrichters höher, weil die von dem vorgegebenen Kreisstrom verursachte Reduzierung der Verluste in den Submodulkondensatoren (C) größer als die entsprechende Erhöhung der Verluste in den leistungselektronischen Schaltern ist. Ein solcher Kreisstrom liefert allerdings kein absolutes Gesamtverlustminimum. Eine Reduzierung des Energiehubes in den Kondensatoren mittels Kreisstromoberschwingungen bewirkt in manchen Fällen eine Erhöhung der Gesamteffizienz, in anderen aber eine Reduzierung.
  • In den bekannten Veröffentlichungen zum Thema der Verluste und Effizienz der Schaltung aus der 3 wurden nur die Verluste in den leistungselektronischen Schaltern analysiert, wobei die Kreisströme vernachlässigt wurden. Eine genaue Analyse der Auswirkungen des Kreisstromes auf die Gesamteffizienz sowie eine Minimierung der Gesamtverluste in der Schaltungsanordnung ist in der bekannten Literatur nicht präsentiert worden.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die Stromrichterschaltung aus dem Patentdokument DE 101 03 031 B4 einen Zweigstromsollwert vorzugeben, der die Verluste in allen bzw. ausgewählten Bauelementen aller Phasenmodule (PM) minimiert und somit den Wirkungsgrad der Schaltungsanordnung erhöht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
  • Gemäß der Erfindung werden die Verluste in jedem Phasenmodul der Schaltungsanordnung über ein Zeitintervall TMIN als Funktion der Zweigströme bestimmt. Anschließend werden Zweigstromkomponenten IMINP, IMINN ermittelt, die eine Verlustenergiefunktion EVGES über dem gegebenen Zeitintervall TMIN minimieren. Die Übereinstimmung des Kreisstromsoll- und -istwertes wird mit dafür geeigneten Regelstrukturen nach dem Stand der Technik gewährleistet.
  • Die verlustminimierenden Zweigstromkomponenten IMINP, IMINN werden den Zweigströmen eines Phasenmoduls wie folgt überlagert:
    Figure DE102015011004A1_0004
  • Die Zweigstromkomponenten IMINP, IMINN werden erfindungsgemäß so vorgegeben, dass sie nach einem Zeitintervall TW keine Änderungen der Zweigenergien verursachen. Somit erzeugen sie keine bleibenden Energieänderungen in den Zweigen im Gegensatz zu den symmetrierenden Kreisströmen. Außerdem wird erfindungsgemäß bei der Bestimmung der Zweigstromkomponenten IMINP, IMINN sichergestellt, dass sie nur eine Wirkung innerhalb des Umrichters haben und die Ströme ID und IL nicht verzerren. Es wird somit ein umrichterinterner Kreisstrom vorgegeben.
  • Die Ansprüche 2 bis 7 stellen mögliche Komponenten der zu minimierenden Verlustfunktion EVGES dar.
  • Es ist mathematisch nachweisbar, dass der Strom IAC2 im Betrieb ohne überlagerte Common-Mode Spannung die Effektivströme der Submodulkondensatoren (C) und somit auch deren ohmsche Verluste minimiert.
  • Dadurch, dass bei der erfindungsgemäßen Ermittlung der Kreisstromkomponente IMIN als Verlustfunktion EVGES die Summe von Verlustkomponenten in verschiedenen Bauelementen minimiert wird, kann durch die Zweigstromkomponenten IMINP, IMINN eine höhere Zunahme des Wirkungsgrades erreicht werden als mit dem in dem Beitrag „Boosting the Efficiency of Low Voltage Modular Multilevel Converters beyond 99%” beschriebenen Kreisstrom IAC2.
  • Wird den Zweigspannungen UZMP, UZMN eine Common-Mode Spannung gemäß der Offenlegungsschrift DE 10 2008 014 898 A1 überlagert, zum Beispiel bei Supersinusmodulation oder bei niedrigen Betriebsfrequenzen, liefert die Kreisstromkomponente IAC2 kein Minimum der Kondensatorverluste mehr. In diesem Fall lassen sich die Kondensatorverluste gemäß dem Anspruch 7 minimieren.
  • Die Zweigstromkomponenten IMINP, IMINN für die Minimierung der Summe der in den Ansprüchen 2, 4 und 7 erläuterten Verlustkomponenten können vor allem für modulare Mehrpunktumrichter mit MOSFET-Schaltern im Vorfeld berechnet und im Betrieb aus den Zweigströmen IZMP, IZMN und -spannungen UZMP, UZMN bzw. aus den Spannungen UD, UL und den Strömen ID, IL berechnet werden. Dies kann mit einem relativ geringen softwaretechnischen Aufwand implementiert werden.
  • Das Minimieren aller Verlustkomponenten aus den Ansprüchen 2 bis 7 kann einen höheren Rechenaufwand bedeuten, weil zum Beispiel
    • – die Schaltverluste als eine nichtlineare Funktion dargestellt werden,
    • – erweiterte Funktionen für die Durchlassverluste der IGBT-Schalter und die Glättungsdrosselverluste nichtlinear sind,
    • – die Durchlassverluste von vielen Schaltertypen bei wechselnden Schalterstromvorzeichen nichtlinear sind.
  • Somit kann die Minimierung einer erweiterten Verlustfunktion mit Verlustanteilen in vielen verschiedenen Bauelementen komplexere Rechensysteme erfordern, als der beschriebene Ansatz und ist für die Umrichter mit höheren Leistungen und Spannungen besser geeignet.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10103031 B4 [0002, 0005, 0008, 0015]
    • DE 102005045090 B4 [0006]
    • DE 102008014898 A1 [0023]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • „Operation, Control, and Applications of the Modular Multilevel Converter: A Review” von Suman Debnath et. al. in „IEEE Transactions on Power Electronics”, Vol. 30, No. 1, January 2015 [0007]
    • „Control of the Modular Multi-Level Converter for Minimized Cell Capacitance” von Stefan F. Engel und Rik W. De Doncker für die „European Conference on Power Electronics and Applications” 2011 (EPE 2011) am 30.08.2011–01.09.2011 in Birmingham, England [0009]
    • „Boosting the Efficiency of Low Voltage Modular Multilevel Converters beyond 99%” für die ”Power Conversion Intelligent Motion” Konferenz im Jahre 2013 (PCIM 2013) in Nürnberg, Deutschland [0010]
    • „Cascaded Control System of the Modular Multilevel Converter for Feeding Variable-Speed Drives” in ”IEEE Transactions on Power Electronics”, Volume 30, Issue 1, Jan. 2015 von Johannes Kolb et. al. [0011]

Claims (7)

  1. Verfahren zur Reduzierung der Verluste in einer Stromrichterschaltung mit wenigstens zwei jeweils ein oberes (ZMP) und ein unteres (ZMN) Zweigmodul aufweisenden Phasenmodulen (PM), deren Plusanschlüsse (W1) mit einer positiven Sammelschiene (SP) und deren Minusanschlüsse (W2) mit einer negativen Sammelschiene (SN) elektrisch leitend verbunden sind, wobei ein Verbindungspunkt der beiden elektrisch in Reihe geschalteten Zweige (ZMP) und (ZMN) eines Phasenmoduls (PM) einen Wechselspannungsanschluss (L) bildet, wobei in der elektrischen Leitung zwischen der positiven Sammelschiene (SP) und dem oberen Zweigmodul (ZMP) elektrischer Strom IP nachweisbar ist und in der elektrischen Leitung zwischen dem unteren Zweigmodul (ZMN) und der negativen Sammelschiene (SN) elektrischer Strom IN nachweisbar ist, wobei jedes Zweigmodul (ZMP), (ZMN) eine Reihenschaltung von zweipoligen Submodulen (SM) aufweist, die jeweils wenigstens einen Energiespeicher und wenigstens zwei leistungselektronische Schalter aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass für ein frei wählbares vorbestimmtes Zeitintervall TMIN – ausgehend aus einer vorbestimmten mathematischen Verlustenergiefunktion EVGES die zeitlichen Verläufe der Zweigstromkomponenten IMINP, IMINN berechnet bzw. aus einer Tabelle aufgerufen werden, die die Verlustenergiefunktion EVGES über das gewählte Zeitintervall TMIN minimieren, – die verlustminimierenden Zweigstromkomponenten IMIN den Zweigstromsollwerten I * / P, I * / N überlagert werden, wobei die Ergebnisse der Überlagerung als neue Zweigstromsollwerte I * / MINP, I * / MINN vorgegeben werden, – die Zweigstromistwerte IP, IN während des Zeitintervalls TMIN auf die entsprechenden neuen Zweigstromsollwerte I * / MINP, I * / NMINN geregelt werden, wobei die verlustminimierenden Zweigstromkomponenten IMINP, IMINN derart vorgegeben werden, dass die von ihnen verursachte Änderung des Energieinhaltes eines jeden Zweigmoduls (ZM) aller Phasenmodule (PM) der Stromrichterschaltung innerhalb eines frei wählbaren, von TMIN unabhängig vorbestimmten Zeitintervalls TW null ist und wobei die verlustminimierenden Zweigstromkomponenten IMINP, IMINN weder den Strom ID noch die Ströme IL in den mit den Wechselspannungsanschlüssen L elektrisch leitend verbundenen Leitern des Wechselspannungsnetzes ändern.
  2. Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlustenergiefunktion EVGES eine Funktion für die Durchlassverluste in allen leistungselektronischen Schaltern aller Phasenmodule (PM) über das Zeitintervall TMIN enthält.
  3. Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlustenergiefunktion EVGES eine Funktion für die Schaltverluste aller leistungselektronischer Schalter aller Phasenmodule (PM) über das Zeitintervall TMIN enthält.
  4. Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlustenergiefunktion EVGES eine Funktion für die Verluste in den elektrischen Leitungen und ggf. in dazugehörigen Stromsensoren über das Zeitintervall TMIN enthält.
  5. Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlustenergiefunktion EVGES eine Funktion für die Verluste in den Glättungsdrosseln über das Zeitintervall TMIN enthält.
  6. Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlustenergiefunktion EVGES für den Betrieb ohne eine Common-Mode-Spannung eine Funktion für die Verluste in den elektrischen Speichern über das Zeitintervall TMIN sowie wenigstens eine Funktion nach den Ansprüchen 2 bis 5 enthält.
  7. Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlustenergiefunktion EVGES für den Betrieb mit einer Common-Mode-Spannung eine Funktion für die Verluste in den elektrischen Speichern der Submodule über das Zeitintervall TMIN enthält.
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