DE102015011004A1 - Method for reducing the losses in a modular multipoint converter - Google Patents
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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.The invention relates to methods for reducing the losses in a power converter circuit having at least two phase modules (PM) each having an upper (ZMP) and a lower (ZMN) branch module, their plus terminals (W1) having a positive busbar (SP) and their minus terminals (W2) are electrically connected to a negative bus bar (SN), wherein a connection point of the two electrically connected branches of a phase module (PM) forms an AC terminal (L), each branch module having a series connection of two-pole submodules (SM), each having at least one energy storage and at least two power electronic switches, are anticipated starting from a predefined loss function branch current components that minimize this loss function. Applying the method makes it possible, on the one hand, to increase the efficiency of existing converters and, on the other hand, to make compromises between the component outlay and the efficiency when dimensioning new converters.
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.The invention relates to a method for increasing the efficiency of a power converter having at least two phase modules, each having an upper and a lower at least two in-line two-pole submodules exhibiting branch module, in which an additional branch current component is set such that a predetermined loss function is minimized.
Aus der Patentschrift
In der
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
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
In der bisher bekannten Literatur zur Steuerung und Regelung der Schaltungsanordnung in der
Ein spezifisches Merkmal der Stromrichterschaltung aus
In dem Beitrag
In dem Beitrag
In der Veröffentlichung
Der Kreisstrom IAC2 wird den Zweigströmen wie folgt überlagert: 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.The circulating current I AC2 is superimposed on the branch currents as follows: where P - is the number of phase modules in the inverter. The components I D / P and I L / 2 provide the energy exchange of the inverter with the DC and AC mains. The current component I SYM serves the purpose of balancing branch energies by methods from the prior art.
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.With such a loop current bias, the efficiency of the modular multipoint inverter becomes higher because the reduction in losses in the submodule capacitors (C) caused by the given loop current is greater than the corresponding increase in losses in the power electronic switches. However, such a circulating current does not provide an absolute total loss minimum. A reduction in the energy swing in the capacitors by means of circulating current harmonics causes in some cases an increase in the overall efficiency, in others, however, a reduction.
In den bekannten Veröffentlichungen zum Thema der Verluste und Effizienz der Schaltung aus der
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die Stromrichterschaltung aus dem Patentdokument
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.This object is achieved with the features of
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.According to the invention, the losses in each phase module of the circuit are determined over a time interval T MIN as a function of the branch currents. Subsequently, branch current components I MINP , I MINN are determined which minimize a loss energy function E VGES over the given time interval T MIN . The compliance of the circulating current setpoint and actual value is ensured by suitable control structures according to the prior art.
Die verlustminimierenden Zweigstromkomponenten IMINP, IMINN werden den Zweigströmen eines Phasenmoduls wie folgt überlagert: The loss minimizing branch current components I MINP , I MINN are superimposed on the branch currents of a phase module as follows:
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.According to the invention , the branch current components I MINP , I MINN are predetermined such that they do not cause any changes in the branch energies after a time interval T W. Thus, they do not produce permanent energy changes in the branches as opposed to the balancing circulating currents. In addition, according to the invention, when determining the branch current components I MINP , I MINN it is ensured that they have only an effect within the converter and do not distort the currents I D and I L. Thus, an inverter-internal circulating current is specified.
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.It is mathematically verifiable that the current I AC2 in operation without superimposed common-mode voltage, the RMS currents of Submodule capacitors (C) and thus their ohmic losses minimized.
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.Due to the fact that the sum of loss components in different components is minimized in the inventive determination of the circulating current component I MIN as loss function E VGES , a higher increase in the efficiency can be achieved by the branch current components I MINP , I MINN than with the contribution in the article "Boosting the Efficiency of Low Voltage Modular Multilevel Converters beyond 99% "described circulating current I AC2 .
Wird den Zweigspannungen UZMP, UZMN eine Common-Mode Spannung gemäß der Offenlegungsschrift
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.The branch current components I MINP , I MINN for minimizing the sum of the loss components explained in
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.
- - the switching losses are represented as a non-linear function,
- - extended functions for the forward losses of the IGBT switches and the smoothing reactor losses are non-linear,
- - The on-state losses of many types of switches are non-linear with changing switch current signs.
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.Thus, minimizing an extended loss function with loss components in many different devices may require more complex computing systems than the approach described, and is more suitable for the higher power and voltage converters.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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Issue 1, Jan. 2015 by Johannes Kolb et. al. [0011]
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