DE102015011004A1 - Method for reducing the losses in a modular multipoint converter - Google Patents

Method for reducing the losses in a modular multipoint converter Download PDF

Info

Publication number
DE102015011004A1
DE102015011004A1 DE102015011004.7A DE102015011004A DE102015011004A1 DE 102015011004 A1 DE102015011004 A1 DE 102015011004A1 DE 102015011004 A DE102015011004 A DE 102015011004A DE 102015011004 A1 DE102015011004 A1 DE 102015011004A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
losses
function
branch
time interval
vges
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102015011004.7A
Other languages
German (de)
Inventor
Andrey Dudin
Uwe Rädel
Jürgen Petzoldt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Ilmenau
Original Assignee
Technische Universitaet Ilmenau
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Ilmenau filed Critical Technische Universitaet Ilmenau
Priority to DE102015011004.7A priority Critical patent/DE102015011004A1/en
Publication of DE102015011004A1 publication Critical patent/DE102015011004A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/4835—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels comprising two or more cells, each including a switchable capacitor, the capacitors having a nominal charge voltage which corresponds to a given fraction of the input voltage, and the capacitors being selectively connected in series to determine the instantaneous output voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/49—Combination of the output voltage waveforms of a plurality of converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048—Circuits or arrangements for reducing losses
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

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 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.From the patent DE 101 03 031 B4 a modular multi-point converter is known, which has advantages over the other power converter circuits, especially in the area of high powers and voltages. In the 1 a phase module (PM) of such a circuit arrangement is shown. The phase modules (PM) have two series-connected branch modules (ZM P ) and (ZM N ), which in turn consist of a series connection of two-pole submodules (SM). One terminal (Y2) or (Y1) of each branch module (ZM P ) and (ZM N ) of one phase module (PM) is connected to the AC terminal (L) of the corresponding phase module (PM) and the other terminal (Y1) or (Y2 ) electrically connected to the positive (SP) and negative (SN) busbar.

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.In the 2 Examples of the design of a submodule (SM) with a unipolar storage capacitor (C) and each having an antiparallel diode ( 3 . 4 . 13 . 14 . 17 . 18 Insulated gate bipolar transistors (IGBT) ( 1 . 2 . 11 . 12 . 15 . 16 ). With the submodule circuits in the 2a) and b) the voltage U SM between the terminals X1 and X2 can be zero or equal to the positive (depending on the switch position). 2a) ) Accept capacitor voltage U C. With the circuit in the 2c) the voltage U SM can assume the value zero or equal to the positive and the negative capacitor voltage U C.

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.There are also other submodule circuits known, wherein common for all configurations, the presence of two terminals (X1), (X2), at least two power electronic switches and at least one energy storage. Instead of IGBT switches, metal oxide semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) or other power electronic switches that can be switched on and off actively can also be used. Instead of or together with the unipolar storage capacitors (C), existing memory units with or without an additional DC / DC converter can be installed in a submodule (SM) of galvanic cells or double-layer capacitors. An example of this is in the 2d) shown.

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. 3 provides an example of the circuit according to DE 101 03 031 B4 with three phase modules (PM) and two individually designed smoothing chokes (GD) per phase module. The smoothing chokes of a phase module are sometimes also wound on a core.

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.The methods for driving the electronic power switches in the submodules (SM) provide timing functions for the ignition pulses of the submodule switches, so that the voltages U ZM over a freely selectable time interval form a predetermined voltage-time surface, which is necessary for the current control. A detailed description of this basic principle is in the patent DE 10 2005 045 090 B4 to find.

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 .In the literature known to date for the control and regulation of the circuit arrangement in the 1 methods for current regulation and symmetrization of the branch energies are described. An overview of the publications in the field provides the publication "Operation, Control, and Applications of the Modular Multilevel Converter: A Review" by 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.A specific feature of the power converter circuit DE 101 03 031 B4 is the internal circuit in which circulating currents can be regulated which are neither part of the current I D nor of the current I L. The circulating currents are used to balance the branch energies and to optimize the components of the inverter.

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 the post "Control of the Modular Multi-Level Converter for Minimized Cell Capacitance" by Stefan F. Engel and Rik W. De Doncker for the "European Conference on Power Electronics and Applications" 2011 (EPE 2011) on 30.08.2011-01.09.2011 in Birmingham, England The effects of the circulating current on the energy swing in the submodule capacitors were presented. The influence of the circulating current on the overall efficiency of the converter has not been presented in this work and in other known publications on this topic.

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 the post "Boosting the Efficiency of Low Voltage Modular Multilevel Converters beyond 99%" for the "Power Conversion Intelligent Motion" conference in 2013 (PCIM 2013) in Nuremberg, Germany was the positive effect of a circular current I AC2 with twice the AC frequency on the efficiency of the circuit in the 3 with submodules after the 2a) mentioned as a side effect of reducing the energy swing in the DC link capacitors.

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. In the publication "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 by Johannes Kolb et. al. equations are given for the second harmonic to reduce the energy swing in αβ coordinates, which in natural coordinates for a phase module have the following form:
Figure DE102015011004A1_0002
With U ^ L and I ^ L - As amplitudes of the voltage U L and the current I L and ω L - as the angular frequency of the voltage U L and the current I L and t - as time and φ L - as a phase shift between the current I L and the voltage U L.

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.The circulating current I AC2 is superimposed on the branch currents as follows:
Figure DE102015011004A1_0003
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 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.In the well-known publications on the subject of losses and efficiency of the circuit from the 3 only the losses in the power electronic switches were analyzed, the circulating currents being neglected. A detailed analysis of the effects of the loop current on the overall efficiency as well as a minimization of the total losses in the circuit arrangement has not been presented in the known literature.

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.The present invention is based on the object, for the power converter circuit of the patent document DE 101 03 031 B4 specify a branch current setpoint that minimizes the losses in all or selected devices of all the phase modules (PM) and thus increases the efficiency of the circuitry.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.This object is achieved with the features of claim 1.

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:

Figure DE102015011004A1_0004
The loss minimizing branch current components I MINP , I MINN are superimposed on the branch currents of a phase module as follows:
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.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.Claims 2 to 7 represent possible components of the loss function E VGES to be minimized.

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 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.If the branch voltages U ZMP , U ZMN a common mode voltage according to the published patent application DE 10 2008 014 898 A1 superimposed, for example, in supersinus modulation or at low operating frequencies, the circulating current component I AC2 no longer provides a minimum of capacitor losses. In this case, the capacitor losses can be minimized according to claim 7.

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 claims 2, 4 and 7 can be calculated in advance for MOSFET switchable modular multi-point converters and in operation from the branch currents I ZMP , I ZMN and voltages U ZMP , U ZMN or from the voltages U D , U L and the currents I D , I L are calculated. This can be implemented with a relatively low software outlay.

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.
Minimizing all loss components of claims 2 to 7 can mean a higher computational effort because, for example
  • - 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

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.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 10103031 B4 [0002, 0005, 0008, 0015] DE 10103031 B4 [0002, 0005, 0008, 0015]
  • DE 102005045090 B4 [0006] DE 102005045090 B4 [0006]
  • DE 102008014898 A1 [0023] DE 102008014898 A1 [0023]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • „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] "Operation, Control, and Applications of the Modular Multilevel Converter: A Review" by 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] "Control of the Modular Multi-Level Converter for Minimized Cell Capacitance" by Stefan F. Engel and Rik W. De Doncker for the "European Conference on Power Electronics and Applications" 2011 (EPE 2011) on 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] "Boosting the Efficiency of Low Voltage Modular Multilevel Converters beyond 99%" for the "Power Conversion Intelligent Motion" Conference in 2013 (PCIM 2013) in Nuremberg, Germany [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] "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 by Johannes Kolb et. al. [0011]

Claims (7)

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.Method for reducing the losses in a power converter circuit having at least two phase modules (PM) each having an upper (ZM P ) and a lower (ZM N ) branch module, their positive terminals (W1) having a positive busbar (SP) and their negative terminals (W2) with a negative busbar (SN) are electrically connected, wherein a connection point of the two electrically connected in series branches (ZM P ) and (ZM N ) of a phase module (PM) forms an AC voltage terminal (L), wherein in the electrical line between the positive busbar (SP) and the upper branch module (ZM P ) electrical current I P is detectable and in the electrical line between the lower branch module (ZM N ) and the negative busbar (SN) electrical current I N is detectable, each branch module ( ZM P ), (ZM N ) comprises a series circuit of two-pole submodules (SM), each having at least one energy storage and at least two leistungsel Having electronic switches, characterized in that for a freely selectable predetermined time interval T MIN - starting from a predetermined mathematical loss energy function E VGES the time profiles of the branch current components I MINP , I MINN calculated or called from a table that the loss energy function E VGES on minimize the selected time interval T MIN , the loss minimizing branch current components I MIN the branch current setpoints I * / P, I * / N be superimposed, with the results of the overlay as new branch current setpoints I * / MINP, I * / MINN - the actual branch current values I P , I N during the time interval T MIN to the corresponding new branch current setpoints I * / MINP, I * / NMINN be regulated, wherein the loss-minimizing branch current components I MINP , I MINN are predetermined such that the caused by them change in the energy content of each branch module (ZM) of all phase modules (PM) of the power converter circuit within an arbitrary, independently of T MIN time interval T W is zero and wherein the loss-minimizing branch current components I MINP , I MINN change neither the current I D nor the currents I L in the electrically connected to the AC terminals L conductors of the AC network. 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.Method according to claim 1, characterized in that the loss energy function E VGES includes a function for the forward losses in all power electronic switches of all the phase modules (PM) over the time interval T MIN . 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.Method according to Claim 1, characterized in that the loss energy function E VGES contains a function for the switching losses of all power electronic switches of all phase modules (PM) over the time interval T MIN . 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.Method according to Claim 1, characterized in that the loss energy function E VGES contains a function for the losses in the electrical lines and possibly in associated current sensors over the time interval T MIN . Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlustenergiefunktion EVGES eine Funktion für die Verluste in den Glättungsdrosseln über das Zeitintervall TMIN enthält.Method according to claim 1, characterized in that the loss energy function E VGES includes a function for the losses in the smoothing chokes over the time interval T MIN . 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.Method according to Claim 1, characterized in that the loss energy function E VGES for operation without a common-mode voltage contains a function for the losses in the electrical stores over the time interval T MIN and at least one function according to Claims 2 to 5. 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.Method according to Claim 1, characterized in that the loss energy function E VGES for operation with a common mode voltage contains a function for the losses in the electrical memories of the submodules over the time interval T MIN .
DE102015011004.7A 2015-08-18 2015-08-18 Method for reducing the losses in a modular multipoint converter Withdrawn DE102015011004A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015011004.7A DE102015011004A1 (en) 2015-08-18 2015-08-18 Method for reducing the losses in a modular multipoint converter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015011004.7A DE102015011004A1 (en) 2015-08-18 2015-08-18 Method for reducing the losses in a modular multipoint converter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102015011004A1 true DE102015011004A1 (en) 2017-02-23

Family

ID=57960967

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102015011004.7A Withdrawn DE102015011004A1 (en) 2015-08-18 2015-08-18 Method for reducing the losses in a modular multipoint converter

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102015011004A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016006454A1 (en) * 2016-05-24 2017-11-30 Technische Universität Ilmenau Method for reducing the losses of a modular converter in delta configuration

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005045090B4 (en) 2005-09-21 2007-08-30 Siemens Ag Method for controlling a multiphase power converter with distributed energy storage
DE102008014898A1 (en) 2008-03-19 2009-09-24 Siemens Aktiengesellschaft Method for controlling a multiphase power converter with distributed energy stores at low output frequencies
DE10103031B4 (en) 2001-01-24 2011-12-01 Siemens Ag Converter circuit with distributed energy storage and method for controlling such a converter circuit

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10103031B4 (en) 2001-01-24 2011-12-01 Siemens Ag Converter circuit with distributed energy storage and method for controlling such a converter circuit
DE102005045090B4 (en) 2005-09-21 2007-08-30 Siemens Ag Method for controlling a multiphase power converter with distributed energy storage
DE102008014898A1 (en) 2008-03-19 2009-09-24 Siemens Aktiengesellschaft Method for controlling a multiphase power converter with distributed energy stores at low output frequencies

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
„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
„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.
„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
„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
QINGRUI TU; ZHENG XU; JING ZHANGCirculating current suppressing controller in modular multilevel converterIECON 2010 - 36th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics SocietyJahr: 2010Seiten: 3198 - 3202, DOI: 10.1109/IECON.2010.5675048 *
STEFAN P. ENGEL; RIK W. DE DONCKERControl of the Modular Multi-Level Converter for minimized cell capacitanceStefan P. Engel; Rik W. De DonckerPower Electronics and Applications (EPE 2011), Proceedings of the 2011-14th European Conference onYear: 2011Pages: 1 - 10 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016006454A1 (en) * 2016-05-24 2017-11-30 Technische Universität Ilmenau Method for reducing the losses of a modular converter in delta configuration

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2432109B1 (en) Modular switch for an electric converter, electric converter and method for operating an electric converter
DE102008036811B4 (en) Redundancy control method of a multi-phase power converter with distributed energy storage
EP0660498B1 (en) Device and method for transforming three-phase AC current into DC current
DE102012202173A1 (en) Method for operating a multiphase, modular multilevel converter
DE102006016502A1 (en) inverter
EP2107672A1 (en) Three-phase inverter without connection between the neutral conductor of the grid and the mid-point of the intermediate circuit
DE112010003664T5 (en) Power conversion device
DE102019106485B4 (en) Weissach rectifier arrangement
DE112013006680T5 (en) Three-phase voltage conversion device
DE10153738B4 (en) Rectifier circuit and method for its control
WO2014206704A1 (en) Converter assembly having multi-step converters connected in parallel and method for controlling said multi-step converters
DE112016004632T5 (en) Control of paralleled power devices
DE102012214666A1 (en) Three-phase multipoint power converter
DE102018208264A1 (en) Configurable AC charging device
DE102006016501A1 (en) Power semiconductor module e.g. insulated gate bipolar transistor six pack, for use in condenser less voltage link frequency converter, has one connection pin connected with negative direct current cable using additional cable
DE102015011004A1 (en) Method for reducing the losses in a modular multipoint converter
DE3035305C2 (en) Inverter circuit for a three-phase synchronous motor
DE102008050765A1 (en) Inverter arrangement for feeding photovoltaic energy into a public grid
WO2020043304A1 (en) Method for operating a power converter
AT513991B1 (en) Method for controlling an inverter and inverter
DE102015008369A1 (en) Circuit arrangement for the bidirectional coupling of a DC voltage system with a plurality of AC systems and method for controlling such a circuit arrangement
EP3485564B1 (en) Method for operating a multi-phase multi-stage converter
EP3682539B1 (en) Method for operating a multi-phase multi-stage power converter and a corresponding multi-phase multi-stage power converter
AT522723B1 (en) Bidirectional buck converter
EP2958225A2 (en) Method for operating an intermediate voltage circuit having modular multi-stage inverter

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee