DE102016109077A1

DE102016109077A1 - Verfahren zum Betreiben eines modularen Multilevelkonverters

Info

Publication number: DE102016109077A1
Application number: DE102016109077.8A
Authority: DE
Inventors: Stefan Götz
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2016-05-18
Filing date: 2016-05-18
Publication date: 2017-11-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Multilevelkonverters (10), der a Einzelmodule aufweist, wobei jedes Einzelmodul eine Mehrzahl an Schaltelementen und mindestens einen elektrischen Energiespeicher aufweist, wobei die a Einzelmodule in einer ersten Iterationsebene in mindestens einem Aufteilungsmodus zumindest temporär auf b Blöcke (12, 14, 16) verteilt werden, wobei b < a ist, wobei jeder Block (12, 14, 16) mindestens ein Einzelmodul umfasst und als funktionale Einheit mit mindestens einem weiteren Block (12, 14, 16) verschaltet wird sowie unter Einbeziehung mindestens einer Schnittstelle (18, 20) zu dem mindestens einen weiteren Block (12, 14, 16) gesteuert und geregelt wird, wobei die von einem jeweiligen Block (12, 14, 16) umfassten c Einzelmodule, wobei a > c ≥ 1 ist, in mindestens einer zweiten Iterationsebene, falls c > 1 ist, in mindestens einem weiteren Aufteilungsmodus zumindest temporär auf d Blöcke mit d < c verteilt werden, wobei eine derartige Aufteilung der den jeweiligen Blöcken (12, 14, 16) zugeordneten Einzelmodulen in mehreren Iterationsebenen iterativ weiter fortgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Betreiben eines modularen Multilevelkonverters.
Ein Multilevelkonverter umfasst eine Vielzahl von Einzelmodulen, wobei jedes Einzelmodul einen elektrischen Energiespeicher umfasst, wobei von jedem Einzelmodul ausgehend von dem jeweiligen elektrischen Energiespeicher eine Spannung bereitzustellen ist. Bei einem Betrieb des Multilevelkonverters werden mehrere Einzelmodule zueinander in Reihe und/oder parallel geschaltet, wobei durch den Multilevelkonverter eine aus sämtlichen Einzelmodulen entsprechend ihrer Verschaltung untereinander resultierende Ausgangsspannung bereitzustellen ist.
Ein Verfahren zur Steuerung eines DC/DC-Wandlers ist in der Druckschrift US 2012/0038330 A1 beschrieben. Dabei weist dieser DC/DC-Wandler eine Vielzahl von Brückenschaltungen auf, die periodisch gesteuert werden.
Ein Multilevelkonverter mit einer Vielzahl an Gleichstromquellen ist aus der Druckschrift US 6,088,245 A bekannt. Hierbei ist eine Steuerung vorgesehen, mit der aus einer Ausgangsspannung des Multilevelkonverters unerwünschte Resonanzen gezielt herausgefiltert werden.
Ein Verfahren zur Steuerung eines Multilevelkonverters unter Nutzung einer Pulsweitenmodulation ist in der Druckschrift US 2015/0263645 A1 beschrieben. Dabei wird die Pulsweitenmodulation durch Auswahl eines Versorgungssignals unter vielen Versorgungssignalen und durch Vergleich des ausgewählten Versorgungssignals mit einem Referenzsignal erzeugt.
In der Druckschrift US 2016/0020628 A1 ist ein modularer Multilevelkonverter beschrieben, der eine Batterie mit drei Phasen aufweist. Außerdem sind jeder Phase zwei Äste mit mehreren Submodulen zugeordnet. Dabei umfasst jedes Submodul eine Halbbrücke und einen Kondensator. Hierbei ist vorgesehen, dass eine Spannung der Batterie und eine Spannung der Kondensatoren unabhängig voneinander gesteuert werden.
Ein Modulationsverfahren für einen Multilevelkonverter ist aus der Druckschrift WO 2014/166261 A1 bekannt. Hierbei werden Module des Multilevelkonverters gemäß einer fest vorgegebenen Zerlegungsregel in Untergruppen aufgeteilt, wobei dann jede Untergruppe weitgehend eigenständig gesteuert wird. Dadurch wird ein Steuerungsalgorithmus vereinfacht. Ein Ziel der Steuerung ist es, einer zeitlich veränderlichen Spannungsvorgabe im zeitlichen Mittel durch entsprechende Schaltmodulation näherungsweise zu entsprechen. Ferner soll ein Ladungsausgleich zwischen den Modulen realisiert werden. Dazu wird die Spannung aller Modulkondensatoren näherungsweise gleich gehalten. Durch ein geeignetes Zu- und Wegschalten von Modulen wird der elektrische Ladungszu- und -abfluss eines jeden Moduls im Mittel kontrolliert.
Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für einen Multilevelkonverter, der eine Vielzahl von Einzelmodulen umfasst, ein Verfahren zu dessen Betrieb bereitzustellen, wobei die Einzelmodule einem jeweiligen Bedarf entsprechend geschaltet werden und gleichzeitig eine Komplexität zur Evaluierung aller Schaltmöglichkeiten reduziert wird.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und dem System gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 10 gelöst. Ausgestaltungen des Verfahrens und des Systems ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Betreiben eines Multilevelkonverters bzw. Multilevelumrichters, der a Einzelmodule aufweist, vorgesehen, wobei jedes Einzelmodul eine Mehrzahl an Schaltelementen und mindestens einen elektrischen Energiespeicher aufweist. Für den Multilevelkonverter und dessen Einzelmodule ist bzw. sind mindestens ein Aufteilungsmodus, in der Regel mehrere Aufteilungsmodi, vorgesehen. Dabei werden die a Einzelmodule in einer ersten Iterationsebene, d. h. in einem ersten Iterationsschritt, in dem mindestens einen Aufteilungsmodus zumindest temporär auf b Blöcke verteilt bzw. in b Blöcke unterteilt, wobei b < a ist, wobei jeder Block mindestens ein Einzelmodul umfasst und als funktionale Einheit mit mindestens einem weiteren Block verschaltet wird sowie unter Einbeziehung mindestens einer Schnittstelle zu dem mindestens einen weiteren Block kontrolliert und somit gesteuert und/oder geregelt wird. Die von einem jeweiligen Block umfassten c Einzelmodule, wobei a > c ≥ 1 ist, werden in mindestens einer zweiten Iterationsebene, d. h. in mindestens einem zweiten Iterationsschritt, in mindestens einem weiteren Aufteilungsmodus temporär auf d Unterblöcke mit d < c verteilt. In weiterer Ausgestaltung wird eine derartige Aufteilung der den jeweiligen Blöcken zugeordneten und/oder auf die jeweiligen Blöcke verteilten Einzelmodule in mehreren Iterationsebenen iterativ weiter fortgeführt.
Bei den nachfolgenden beschriebenen weiteren Maßnahmen zur Durchführung möglicher Ausführungsformen des Verfahrens werden, je nach Iterationsebene und/oder Iterationstiefe Unterblöcke wie Blöcke behandelt und innerhalb ihrer jeweiligen Iterationsebene allgemein auch als Block bzw. Blöcke bezeichnet. Je nach Definition wird mindestens ein Unterblock, der bei einer Iteration aus einem Block hervorgeht, nachfolgend auch als Block bezeichnet, da es möglich ist, einen Block, der in einer i-ten Iterationsebene gebildet wird, in einer nachfolgenden i + 1-ten Iterationsebene in Unterblöcke und somit in weitere Blöcke aufzuteilen, wobei derartige weitere Blöcke bzw. Unterblöcke in einer nachfolgenden i + 2-ten Iterationsebene wiederum in weitere Unterblöcke bzw. Blöcke aufgeteilt werden können.
Bei Betrieb mindestens eines Blocks wird eine aus sämtlichen Einzelmodulen des mindestens einen Blocks resultierende Spannung bereitgestellt, wobei mindestens zwei der Einzelmodule des mindestens einen Blocks zueinander in Reihe und/oder parallel geschaltet werden. Weiterhin ist es möglich, dass jeweils zwei Blöcke über eine Schnittstelle zwischen den Blöcken in einem jeweiligen Aufteilungsmodus miteinander verbunden bzw. verschaltet werden. Letztlich können dadurch mehrere Blöcke in dem jeweiligen Aufteilungsmodus zueinander in Reihe und/oder parallel geschaltet werden. Es ist auch denkbar, dass bei Verschaltung von mehreren Blöcken untereinander mindestens ein Block mittels einer Bypass-Schaltung ”umgangen” wird.
In einem ersten Schritt wird ein Block wie ein Einzelmodul kontrolliert und/oder behandelt. Die Gesamtheit der b Blöcke wird dann als Multilevelkonverter mit b Einzelmodulen verwendet, kontrolliert und/oder geregelt. In einem zweiten Schritt wird jeder Block der in dem ersten Schritt gebildeten b Blöcke selbst wieder als eigenständiger Konverter, bspw. Multilevelkonverter, bzw. Umrichter verwendet, kontrolliert und/oder behandelt. Dadurch können die von einem jeweiligen Block umfassten c Einzelmodule, wobei a > c ≥ 1, wieder, d. h. in einer zweiten Iterationsebene, falls c > 1 ist, gemäß mindestens einem weiteren Aufteilungsmodus zumindest temporär auf d Unterblöcke verteilt bzw. in d Unterblöcke unterteilt werden, wobei d < c ist. Eine derartige Aufteilung von den jeweiligen Blöcken zugeordneten Einzelmodulen kann in mehreren Iterationsebenen iterativ unter Breitstellung der Unterblöcke weiter fortgeführt werden. Die Iterationstiefe kann maximal soweit erhöht werden, bis ein letztlich resultierender Block genau noch ein Einzelmodul umfasst.
Ein Kern der Erfindung ist es, dass eine online-optimierende Regelungsstrategie durchgeführt wird, mit der zugleich eine ausgehende Spannung des modularen Multilevelkonverters, Leitungsverluste und Schaltverluste minimiert werden, und wobei die Energiespeicher der Einzelmodule, die je nach vorliegender Iterationsebene und/oder Iterationstiefe auf mehrere Blöcke verteilt und über jeweilige Schnittstellen zwischen den Blöcken miteinander verbunden sind, ausbalanciert werden.
Weitere Nebenbedingungen, wie bspw. Alterung, Geräuschentwicklung etc., werden in Ausgestaltung ebenfalls berücksichtigt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung lässt sich die Optimierung bzw. Minimierung bspw. als ein mathematisches Suchverfahren beschreiben, das effektiv einen oder mehrere Sätze von Bezugsgrößen mindestens einer Kostenfunktion ermittelt, bei welchen die mindestens eine Kostenfunktion einen kleinsten bekannten Wert annimmt. Dazu kann die Kostenfunktion mehrmals evaluiert oder mathematisch approximiert werden. Verfahren zur systematischen Ermittlung von lokalen und globalen Minima mindestens einer Kostenfunktion sind in hinreichender Weise aus der Literatur bekannt, siehe beispielsweise Bertsekas [D. P. Bertsekas (2004). Nonlinear programming. Athena Scientific, 2nd edition, Nashua (NH, USA).] für kontinuierliche Eingangsgrößen sowie Bertismas et al. [D. Bertsimas, R. Weismantel (2005). Optimization over integers. Dynamic Ideas, Belmont (MA, USA).] für diskrete Eingangsgrößen, wie sie beispielsweise Modulzustände oder Schalterzustände in der Regel darstellen.
Eine Kostenfunktion stellt hier einen Zusammenhang zwischen einer Kostengröße und einer oder mehreren Bezugsgrößen dar. Das bedeutet, dass durch die Kostenfunktion die verschiedenen Bezugsgrößen zueinander in Relation gesetzt und darüber in eine quantitative Kostengröße umgewandelt werden, die es zu minimieren gilt, um dadurch einen ein vorgegebenes Ziel bestmöglich erfüllenden Satz an Bezugsgrößen zu erhalten.
Bezugsgrößen sind im vorliegenden Fall bspw. Schalter- und/oder Modulzustände und/oder Schnittstellenzustände von Schnittstellen, die die Blöcke und/oder Unterblöcke verbinden.
Eine ”online-Optimierung” kann dabei bspw. als eine Optimierung einer Kostenfunktion in Abhängigkeit von zukünftigen Schalter- und/oder Modulzuständen der Blöcke und/oder Unterblöcke im laufenden Betrieb auf der Basis von Informationen von vergangenen Verläufen mindestens eines elektrischen Stroms und/oder einer elektrischen Spannung oder von diese unmittelbar erzeugenden vergangenen Schalter- und/oder Modulzuständen.
Ferner kann diese Optimierung auf der Basis von Informationen mindestens einer in einem zeitlichen Kurzzeitdurchschnitt, d. h. in einem kurzen Zeitfenster zu erreichenden Strom- und/oder Spannungsvorgabe erfolgen, wobei die Kostenfunktion mindestens einen Kostenterm umfasst, der bspw. eine Verlustleistung des Multilevelumrichters, die Ladungs- oder Spannungsdifferenz von Modulspeicherungselementen und/oder die Abweichung einer Ausgangsspannung oder eines Ausgangsstroms von der Vorgabe repräsentiert.
Bei einem Wechsel bzw. Übergang zwischen zwei Aufteilungsmodi des Multilevelkonverters innerhalb einer Iterationsebene wird eine jeweilige Innenkonfiguration eines jeweiligen Blocks, d. h. von mindestens zwei Blöcken der b Blöcke variabel verändert bzw. eingestellt, wobei ein Einzelmodul, das in einem ersten Aufteilungsmodus zunächst einem ersten Block zugeordnet ist, in einem zweiten Aufteilungsmodus diesem entnommen und einem zweiten Block zugeordnet wird, wobei das Einzelmodul von dem ersten Block quasi zu dem weiteren Block ”verschoben” wird, wobei die b Blöcke durch Umgruppierung von Einzelmodulen bei dem Wechsel zwischen den Aufteilungsmodi dynamisch gebildet werden. Je nach Iterationsebene bzw. Iterationstiefe sind die Einzelmodule entsprechend den Blöcken und/oder Unterblöcken zuzuordnen.
Hierbei ist vorgesehen, dass eine Schaltrate zum Ändern einer Zuordnung und/oder Gruppierung des Einzelmoduls eines jeweiligen Blocks bei dem Wechsel zwischen den Aufteilungsmodi um mindestens eine Größenordnung größer als eine Schaltrate des Einzelmoduls innerhalb eines jeweiligen Blocks ist. Das bedeutet, dass eine Zuordnung eines Einzelmoduls zu einem Block seltener variiert wird als eine Umschaltung des Einzelmoduls, d. h. eine Änderung der Schaltkonfiguration der von dem Einzelmodul umfassten Schaltelemente innerhalb des jeweiligen Blocks erfolgt.
Außerdem ist es möglich, dass ein Zustand mindestens eines Einzelmoduls in einem Block derart gewählt wird, dass eine optimale Lösung von lokalen, d. h. dem Block zugeordneten Ziel- bzw. Kostenfunktionen und Randbedingungen gegeben ist. Die Randbedingungen werden bspw. als Zwangsbedingungen dazu verwendet, um eine Anzahl an Lösungen zum Schalten der Blöcke sowie einer Zuordnung von Einzelmodulen zu den Blöcken durch Eliminieren zahlreicher nicht relevanter, zueinander alternativer Lösungen zügig zu beschränken. Hierbei werden Ziel- bzw. Kostenfunktionen zur Ermittlung bester alternativer Lösungen evaluiert.
Ein derartiger dynamischer Wechsel zwischen Aufteilungsmodi der a Einzelmodule auf die b Blöcke in einer quasi höchsten Iterationsebene kann entsprechend iterativ in dem voranstehend genannten iterativen Prozess dann auch entsprechend wieder für jeden einzelnen der b Blöcke in einer darunter liegenden Iterationsebene durchgeführt werden. Das heißt, dass die c Einzelmodule eines jeweiligen Blocks der b Blöcke gemäß verschiedener zeitlich aufeinanderfolgender Aufteilungsmodi auf die d Unterblöcke auch wieder dynamisch aufgeteilt werden. Entsprechend kann in weiter darunterliegenden Iterationsebenen verfahren werden. Der dynamische Wechsel zwischen den Aufteilungsmodi einer Iterationsebene muss dabei unter den verschiedenen Iterationsebenen, d. h. in der Regel von der höchsten zur tiefsten Iterationsebene hin, abgestimmt werden.
Weiterhin ist es möglich, dass mindestens ein Block nach einem Optimierungsalgorithmus aktiviert und/oder eingestellt wird, wobei auch eine Kombination von Einzelmodulen zum Bilden des mindestens einen Blocks berücksichtigt wird.
Das erfindungsgemäße System ist zum Betreiben eines modularen Multilevelkonverters ausgebildet, der a Einzelmodule aufweist, wobei jedes Einzelmodul eine Mehrzahl an Schaltelementen und mindestens einen elektrischen Energiespeicher aufweist. Das System umfasst ein Kontrollgerät, das dazu ausgebildet ist, die a Einzelmodule in einer ersten Iterationsebene in mindestens einem Aufteilungsmodus, der für den Multilevelkonverter und dessen Einzelmodule vorgesehen ist, zumindest temporär auf b Blöcke zu verteilen, wobei b < a ist, wobei jeder Block mindestens ein Einzelmodul umfasst und von dem Kontrollgerät als funktionale Einheit mit mindestens einem weiteren Block zu verschalten sowie unter Einbeziehung mindestens einer Schnittstelle zu dem mindestens einen weiteren Block zu kontrollieren und demnach zu steuern und/oder zu regeln ist. In der Regel ist das Kontrollgerät dazu konfiguriert, die a Einzelmodule in zeitlich aufeinanderfolgenden Aufteilungsmodi jeweils zumindest temporär auf die b Blöcke zu verteilen. Ferner sind die von einem jeweiligen Block umfassten c Einzelmodule, wobei a > c ≥ 1 ist, in mindestens einer zweiten Iterationsebene, falls c > 1 ist, in mindestens einem weiteren Aufteilungsmodus temporär auf d Unterblöcke mit d < c zu verteilen. In Ausgestaltung ist eine derartige Aufteilung der den jeweiligen Blöcken zugeordneten c Einzelmodule in mehreren Iterationsebenen iterativ weiter fortzuführen.
Üblicherweise ist mit dem Kontrollgerät mindestens ein Schritt des voranstehend vorgestellten Verfahrens zu kontrollieren.
Durch Zusammenfassen von Einzelmodulen zu Blöcken in einem jeweils vorgesehenen Aufteilungsmodus können eine Komplexität und eine benötigte Rechenzeit zur Evaluierung von Möglichkeiten einer Verschaltung bei einem Betrieb des Multilevelkonverters in einem Schalttakt des Multilevelkonverters reduziert werden, da die Möglichkeiten der Verschaltung durch Betrachtung von Blöcken von Einzelmodulen nicht in dem Maße exponentiell ansteigt wie es bei Betrachtung der Einzelmodule selbst der Fall ist. Bei Betrachtung der Einzelmodule ist der exponentielle Anstieg an Möglichkeiten von Verschaltungen aufgrund einer multiplikativen Kombination von Zuständen jedes Einzelmoduls bspw. durch eine enge physikalische und logisch-funktionale Kopplung der Einzelmodule gegeben. Dabei kann eine Zustandsänderung eines Einzelmoduls die Wirkung eines Zustands eines anderen Einzelmoduls umkehren. Der erfindungsgemäße Gedanke beruht auf der Erkenntnis, dass der Gewinn hinsichtlich mindestens einer selbst gestellten Zielfunktion, und somit ggf. mehrerer Zielfunktionen, insbesondere bei Zielen mit kurz- und mittelfristigem Zeithorizont, wie bspw. einer bestimmten Ausgangsspannung, mit der Anzahl der Einzelmodule und somit der Größe des Multilevelkonverters abnimmt und der Multilevelkonverter somit einem typischen Verhalten eines abnehmenden Grenzprodukts folgt.
Durch Einsatz des Verfahrens ist es möglich, auch Ziele mit einem kurzfristigen oder mittelfristigen Zeithorizont unter Nutzung von selbstgestellten Zielfunktionen zufriedenstellend einzustellen, wobei als ein mögliches Ziel bspw. eine bestimmte ausgehende Spannung zu erreichen und/oder ein Schaltverlust von Einzelmodulen zu reduzieren ist. Weiterhin ist es möglich, dass Ziele mit einem langfristigen Zeithorizont, wobei bspw. Energiespeicher balanciert werden, wobei eine Größe des Zeithorizonts von einer Kapazität eines jeweiligen Energiespeichers abhängt, durch einen dynamischen Wechsel bzw. Austausch von Einzelmodulen zwischen einzelnen Blöcken als Untergruppierungen und von Grenzen zwischen einzelnen Blöcken bei einem Wechsel zwischen zwei Aufteilungsmodi erreicht werden.
Dabei wird der gesamte modulare Multilevelkonverter zumindest teilweise in Blöcke unterteilt, wobei jeder Block wie ein eigener Konverter bzw. Umrichter behandelt und gesteuert wird. Eine Unterteilung des Multilevelkonverters in die einzelnen Blöcke wird hierbei durch Zuordnung von Einzelmodulen zu den Blöcken in dem jeweiligen Aufteilungsmodus umgesetzt. Hierdurch ist u. a. eine ansonsten exponentielle Steigerung einer Komplexität auch bei steigender Anzahl an Einzelmodulen und somit an Schaltelementen zu reduzieren.
Die einzelnen Blöcke werden intern betrachtet und in dem jeweiligen Aufteilungsmodus wie weitgehend einzelne Konverter unter Einbeziehung einer Verbindung der Blöcke über Schnittstellen zueinander unter Berücksichtigung eines jeweils vorgesehenen Algorithmus gesteuert und/oder geregelt.
Ein jeweiliger Algorithmus wird hierbei jeweils innerhalb eines Blocks angewendet, der mehrere Einzelmodule umfasst. Außerdem ist es möglich, mehrere Blöcke bei dem Wechsel zwischen Aufteilungsmodi je nach Definition als Teilblöcke bzw. Unterblöcke zu einem übergeordneten Block zusammenzufassen. Dabei werden innerhalb eines jeweiligen Blocks Zustände der Einzelmodule derart gewählt, dass eine optimale Lösung von lokalen, d. h. dem jeweiligen Block zugeordneten Zielfunktionen und Randbedingungen gegeben ist. Derartige Randbedingungen werden als Zwangsbedingungen verwendet, um eine Anzahl an Lösungen durch Eliminieren zahlreicher nicht relevanter alternativer Lösungen zügig zu beschränken. Zur vollständigen Optimierung wird verwiesen auf Goetz, Peterchev, Weyh (2014): Modular Multilevel Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control. IEEE Transactions on Power Electronics, 30(1): 203 ff. Hierbei ist auch ein heuristischer Algorithmus zum Eliminieren der möglichen Lösungen zu verwenden, siehe Glinka, Marquardt (2005): A New AC/AC Multilevel Converter Family. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 52(3): 662 ff.; Goetz, Li et al. Control of Modular Multilevel Converter with Parallel Connectivity.
Weiterhin werden jedem Block, der je nach Definition sowie abhängig von einem jeweiligen Aufteilungsmodus selbst mehrere Blöcke und/oder Einzelmodule umfassen kann, makroskopische Eigenschaften zugeordnet, die denen eines Einzelmoduls gleichen. Hierbei entspricht eine Ladung eines Blocks einer Summe der Ladungen sämtlicher darin enthaltener Einzelmodule. Die Spannung des Blocks ergibt sich je nachdem, wie die Einzelmodule innerhalb des Blocks zueinander in Reihe und/oder parallel geschaltet sind, unter Berücksichtigung der Kirchhoffschen Regel. Entsprechend ergibt sich auch ein elektrischer Widerstand des Blocks als Ursache für Leitungsverluste nach der Kirchhoffschen Regel aus den einzelnen Widerständen der Einzelmodule.
Das Verfahren ist für einen modularen Multilevelkonverter (MMC), bspw. einen Multilevelkonverter mit serieller und paralleler Konnektivität (MMSPC), bei dem dessen Einzelmodule unabhängig von einer Bildung von Blöcken zueinander in Reihe sowie parallel zu schalten und somit zu verbinden sind, durchführbar. Dabei ist es möglich, dass ein derartiger Multilevelkonverter Halbbrückenmodule oder Vollbrückenmodule als Einzelmodule umfasst.
Durch Zusammenfassen von Einzelmodulen zu Blöcken innerhalb des Multilevelkonverters sind für diesen unterschiedliche Zustände einzustellen, wobei der Multilevelkonverter in einem jeweiligen Zustand eine bestimmte Eigenschaft aufweist, die bspw. über einen Wert der ausgehenden Spannung des Multilevelkonverters definiert ist.
Generell wird ein jeweiliger Zustand durch eine eindeutige Schalterposition der Schaltelemente der Einzelmodule erzeugt. Hierbei ist es auch möglich, dass der Multilevelkonverter unterschiedliche Zustände aufweist, bei denen dessen ausgehende Spannung jeweils denselben Wert aufweist, wobei der Multilevelkonverter jedoch weitere andere physikalische Eigenschaften aufweisen kann. Dabei lässt sich dieselbe ausgehende Spannung mit diversen unterschiedlichen Konfigurationen der Schaltelemente erzeugen. Allerdings weisen die Konfigurationen der Schaltelemente auch bei derselben ausgehenden Spannung deutliche Unterschiede in anderen physikalischen Eigenschaften, bspw. hinsichtlich eines Leitungsverlusts oder Schaltverlusts, auf. Dabei hängen Leitungsverluste oder Schaltverluste weniger von einem aktuellen Zustand des Multilevelkonverters, sondern von einem vorherigen Zustand ab, wobei die Leitungs- und Schaltverluste durch Wechsel zwischen den beiden Zuständen erzeugt werden. Dies hängt bspw. von einer Anzahl an Schaltelementen ab, die zu invertieren sind, um von dem vorhergehenden Zustand zu dem neuen bzw. aktuellen Zustand zu gelangen. Als weitere physikalische Eigenschaften sind hier eine Veränderung der Ladung sowie ein Auseinanderdriften von Ladungszuständen in den Energiespeichern, bspw. in Zwischenkreiskondensatoren oder Modulenergiespeichern, zu berücksichtigen. Außerdem sind weiterhin eine unterschiedliche Erwärmung von Einzelmodulen sowie deren unterschiedliche Alterung zu berücksichtigen.
Durch Zusammenfassen von Einzelmodulen zu Blöcken innerhalb des Multilevelkonverters wird jedoch eine ansonsten hohe Anzahl von Freiheitsgraden für Schaltmöglichkeiten reduziert. Falls die insgesamt a Einzelmodule x Schaltelemente aufweisen, ergeben sich bei einem herkömmlichen Betrieb des Multilevelkonverters bis zu 2^x Schaltzustände. Durch Zusammenfassen von Einzelmodulen und somit auch von Schaltelementen innerhalb von Blöcken ist jedoch die Anzahl von Schaltzuständen stark reduziert. Somit ergibt sich u. a., dass eine Rechenzeit des Kontrollgeräts zum Evaluieren der Schaltzustände reduziert wird. Im Rahmen des Verfahrens ist eine analytische Wahl eines nächsten Schaltzustands durch dezidiertes Evaluieren aller alternativen Schaltzustände möglich.
Das vorliegende Verfahren ermöglicht sowohl eine Variierung der Blöcke je nach gewähltem Aufteilungsmodus innerhalb ein und derselben Iterationsebene als auch eine weitere iterative Aufteilung der Blöcke in weitere Iterationsebenen gemäß entsprechend gewählter Aufteilungsmodi. Eine derartige iterative Zerlegung von Blöcken kann soweit fortgeführt werden, bis ein Block lediglich nur noch ein Einzelmodul umfasst. Im Gegensatz dazu ist aus dem Stand der Technik wie beispielsweise aus WO 2014/166261 A1 lediglich eine fixe Zerlegung eines Modulstrangs in Untergruppen bekannt, wobei die Zerlegung ferner nur eine Hierarchieebene kennt. Bei den Modulen handelt es sich dabei um sogenannte Halbbrücken- oder Chopper-Module, die lediglich eine dynamische Serienschaltung einer Polarität erlauben. Eine Verwendung von jedweden Module mit paralleler Konnektivität ist dem Stand der Technik jedoch nicht zu entnehmen. Gemäß dem genannten Stand der Technik werden keine Schnittstellen bei den betrachteten Untergruppen berücksichtigt, da dies auch bei den sehr einfachen dort betrachteten Modultopologien nicht notwendig ist, da lediglich eine serielle Schnittstelle zwischen Untergruppen besteht und diese Schnittstellen nicht vom Zustand benachbarter Module abhängen. Die von den Teilgruppen erzeugten Spannungen können dabei ohne Einschränkung summiert werden, um die Gesamtspannung zu ermitteln. Im Gegensatz dazu werden gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die Schnittstellen zwischen den Blöcken berücksichtigt, so dass auch eine Möglichkeit eines Wechsels zwischen einer parallelen und einer seriellen Konnektivität gegeben ist, so dass auch ein in vielen Fällen vorteilhafter paralleler Schaltzustand zwischen den Blöcken erlaubt ist. Um dabei dann eine Steuerung oder Regelung der individuellen Blöcke zu ermöglichen, werden die Schnittstellen zwischen den Blöcken behandelt und festgelegt.
Das Verfahren ist in möglicher Ausgestaltung für jeden modularen Multilevelkonverter, bspw. den MMSPC, mit unterschiedlichen Topologien bzw. Strukturen zu verwenden, wobei ein Wechsel zwischen einer parallelen und einer seriellen bzw. einer seriellen und parallelen Konnektivität zwischen Einzelmodulen und/oder Blöcken möglich ist. Die Schnittstellen werden zwischen Blöcken bzw. Untergruppen behandelt und festgelegt, um die Steuerung oder Regelung der individuellen Blöcke zu ermöglichen. Das ungewollte Aufeinandertreffen eines parallelen Schaltzustandes eines Einzelmoduls einer Schnittstelle zwischen zwei Blöcken und eines seriellen Schaltzustands des entsprechend anderen Einzelmoduls der Schnittstelle sowie ein möglicherweise daraus resultierender Kurzschluss mindestens eines Kondensators werden hier verhindert.
Es ist denkbar, zwischen zwei der b Blöcke für ein bestimmtes Zeitintervall eine parallele Schnittstelle zu vereinbaren oder zentral anzuweisen. Alternativ kann für eine bestimmte Schnittstelle eine serielle Schnittstelle oder eine Bypass-Schnittstelle, die für die meisten Topologien an der Schnittstelle äquivalent behandelbar ist, zeitweise festgelegt werden. ”Zeitweise” bedeutet dabei ”für nur sehr kurze Zeit”, beispielsweise für einen oder wenige Berechnungstakt/e einer Steuerung, oder auch ”für längere Zeit”, beispielsweise für einen wesentlichen Anteil eines dominanten spektralen Anteils eines Verlaufs eines zu erzeugenden Stroms oder einer zu erzeugenden Spannung, in der Regel über eine Grundwelle. Im letzteren Fall sind bspw. mindestens 10% einer Periodendauer der Berechnungstakte gemeint, um beispielsweise gerade bei niedrigen Spannungen, d. h. um den Nulldurchgang eines sinusförmigen Verlaufs herum, vorzugsweise parallele Schnittstellen und somit Verbindungen zwischen Blöcken festzulegen, da zu diesem Zeitpunkt abhängig von einer jeweiligen Topologie bzw. Struktur weniger Einzelmodule in Serie benötigt werden und somit für eine serielle Verbindung zur Verfügung stehen, wobei mit steigender Spannung und insbesondere im Scheitel der Spannung vermehrt serielle Schnittstellen als Verbindungen festzulegen sind.
Ferner können Schnittstellen zu den jeweiligen benachbarten Blöcken, die jeder Block zur Steuerung und/oder Regelung der ihm zugehörigen Einzelmodule oder weiterer Blöcke höherer Ordnung benötigt, abhängig von der aktuellen Spannungsamplitude durch eine zentrale Steuerung bzw. der erfindungsgemäß vorgesehenen Kontrolleinheit festgelegt werden. Es ist auch möglich, dass die Schnittstellen von den jeweiligen Blöcken zugehörigen Steuerungen, d. h. bei dedizierten Steuerungselektroniken je Block festgelegt werden. Ferner ist es denkbar, dass Steuerungsinstanzen, d. h. Softwareinstanzen oder Hardwareanteile einer Steuerungshardware zweier benachbarter Blöcke untereinander durch Austausch von elektronischen Informationen die Schnittstellen vereinbaren. Bei ersterer zentraler Zuweisung kann eine Anzahl an seriellen Schnittstellen beispielsweise näherungsweise proportional zur Anzahl der vorhandenen Schnittstellen multipliziert mit einer angeforderten Referenzspannung geteilt durch eine maximal erzeugbare Spannung bzw. Nennscheitelspannung ermittelt werden. Eine in diesem Schritt notwendige Quantisierung kann durch Rundung oder auch durch jedes bekannte Pulsweitenmodulationsverfahren, beispielsweise Sinus-Dreieck-Modulation, Sigma-Delta-Modulation etc., erfolgen.
Alternativ kann bei gleichmäßiger Aufteilung eines Strangs des modularen Multilevelkonverters in Blöcke und einer gleichmäßigen Aufteilung einer Referenzspannung Vref auf b Blöcke mit einer jeweiligen Spannung Vref, i = Vref/b für einen i-ten Block auch die zugehörige Steuerung jedes Blocks selbst auf der Basis der von dem Block angeforderten Spannung Vref, i nach einer festen, beispielsweise einer jeder Spannung einen eindeutigen Schnittstellenzustand zuweisenden Regel erfolgen. Da diese Regeln für jeden Block gleich sind und ferner auch eine Referenzspannung für jeden Block gleich ist, muss keine weitere Kommunikation zwischen zwei benachbarten Blöcken erfolgen, damit beide Blöcke die korrekte Annahme über den zu wählenden Schnittstellenzustand treffen. Statt einer gleichen Aufteilung der Referenzspannung und einer identischen Zuweisung von Spannungen in Schnittstellenzustände kann ferner auch eine ungleichmäßige Aufteilung der Referenzspannung auf die Blöcke erfolgen, wenn eine jeweilige Zuweisungsfunktion von zu wählenden Schnittstellenfunktionen so ausgeprägt ist, dass trotzdem zwei benachbarte Blöcke mit der ihnen jeweils zugewiesenen Referenzspannung zu jedem Zeitpunkt denselben Schnittstellenzustand für ihre gemeinsame Schnittstelle annehmen.
Mit dem Verfahren ist ein Ausgleich einer Vielzahl von Zielen möglich, wie sie beispielsweise im voranstehend erwähnten Artikel von Goetz et al. (2014) beschrieben sind. Hierbei wird eine dynamische Erzeugung von Blöcken und damit von wechselnden Orten von jeweiligen Schnittstellen zwischen den Blöcken sowie eine Zuordnung von Einzelmodulen zu unterschiedlichen Blöcken zum Ausgleich von Regelzielen über Grenzen von Blöcken hinweg beschrieben. Eine dynamische Bildung der Blöcke kann im Takt einer Modulation der Schaltzustände oder deutlich langsamer erfolgen.
Bei einer Anwendung des Verfahrens ist eine Komplexitätsverringerung in der Steuerung, bspw. bei einer modellprädiktiven Regelung mit einer online-Optimierung von Zielen zu erreichen, die ansonsten eine mit einer Anzahl an Einzelmodulen exponentiell steigende Komplexität und Rechenzeit hervorrufen würde. Dies steht in substantiellem Gegensatz zu einer Anwendung der Lesnicar-Glinka-Marquardt-Heuristik zum Ausgleich einer Ladung von Kondensatoren, wie sie bspw. in Glinka M. and Marquardt R. (2005). A new AC/AC multilevel converter family. IEEE Transactions on Industrial Electronics, S2 (3): 662–669 und Lesnicar A. and Marquardt R. (2003). An innovative modular multilevel converter topology suitable for a wide power range. Proceedings of the IEEE Power Tech Conference 2003,3 beschrieben ist.
In diesem Zusammenhang ermöglicht das Verfahren eine iterative Zerlegung des modularen Multilevelkonverters in einzelne Blöcke, wobei mit jeder Zerlegung angepasste individuelle Optimierungs- und/oder Regelungsziele zuzuweisen und gleichzeitig die Komplexität, d. h. insbesondere die Zahl der Zustandsalternativen, zu verringern und das exponentielle Wachstum der möglichen Zustände abzuschwächen oder zu unterbinden ist.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben.
1 zeigt in schematischer Darstellung Details eines ersten Beispiels eines modularen Multilevelkonverters und ein Diagramm mit einem Verlauf einer Spannung dieses modularen Multilevelkonverters.
2 zeigt in schematischer Darstellung Details eines zweiten Beispiels eines modularen Multilevelkonverters bei Durchführung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
3 zeigt in schematischer Darstellung Details des zweiten Beispiels des modularen Multilevelkonverters bei Durchführung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
4 zeigt in schematischer Darstellung weitere Details des zweiten Beispiels des modularen Multilevelkonverters bei Durchführung einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Gleichen Komponenten sind dieselben Bezugsziffern zugeordnet.
Der in 1a im Detail dargestellte Multilevelkonverter 2 umfasst einen ersten Zweig mit einem ersten Strang, entlang dem hier mehrere Einzelmodule M⁽¹⁾, M⁽²⁾, ...,M⁽ⁱ⁾, in Reihe geschaltet sind. Dazu parallel ist ein zweiter Strang geschaltet, der mehrere in Reihe geschaltete Einzelmodule M^(j+1), M^(j+2), ..., M^(k) umfasst. Außerdem umfasst dieser modulare Multikonverter 2 einen zweiten Zweig mit einem ersten Strang, entlang dem mehrere Einzelmodule M⁽ⁱ⁺¹⁾, M⁽ⁱ⁺²⁾, ..., M^(j) geschaltet sind. In einem dazu parallel geschalteten weiteren Strang sind mehrere Einzelmodule M^(k+1), M^(k+2), ..., M^(N) in Reihe geschaltet.
Bei einem Betrieb des Multilevelkonverters 2 sind mehrere Einzelmodule einem jeweiligen Bedarf gerecht parallel oder in Reihe zu schalten. Dabei ist durch Schalten der Einzelmodule, wie das Diagramm aus 1b zeigt, eine Spannung mit verschiedenen Niveaus bzw. Levels einzustellen, wobei die einzelnen Niveaus davon abhängen, wie viele Einzelmodule aktiv sind, d. h. nicht durch eine Bypass-Schaltung umgangen werden, und wie diese relativ zueinander in Reihe oder parallel geschaltet sind.
Das in den 2 und 3 dargestellte Beispiel des zweiten modularen Multilevelkonverters 10 umfasst hier u. a. mehrere, hier 13, Einzelmodule M⁽¹⁾, M⁽²⁾, M⁽³⁾, M⁽⁴⁾, M⁽⁵⁾, M⁽⁶⁾, M⁽⁷⁾, M⁽⁸⁾, M⁽⁹⁾, M⁽¹⁰⁾, M⁽¹¹⁾, M⁽¹²⁾, M⁽¹³⁾, wobei sämtliche genannten Einzelmodule hier in Reihe geschaltet sind. Bei Durchführung der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Einzelmodule des Multilevelkonverters 10 in einem ersten Aufteilungsmodus in drei Blöcke 12, 14, 16 aufgeteilt. Dabei umfasst ein erster Block 12 die in Reihe geschalteten Einzelmodule M⁽¹⁾, M⁽²⁾, M⁽³⁾, M⁽⁴⁾, M⁽⁵⁾. Ein zweiter Block 14 umfasst die in Reihe geschalteten Einzelmodule M⁽⁶⁾, M⁽⁷⁾, M⁽⁸⁾, M⁽⁹⁾. Weiterhin umfasst ein dritter Block 16 die Einzelmodule M⁽¹⁰⁾, M⁽¹¹⁾, M⁽¹²⁾, M⁽¹³⁾, die ebenfalls in Reihe geschaltet sind. Der erste Block 12 und der zweite Block 14 sind hierbei über eine erste Schnittstelle 18 miteinander verbunden. Der zweite Block 14 und der dritte Block 16 sind über eine zweite Schnittstelle 20 miteinander verbunden.
Dabei werden die Einzelmodule in dem ersten Aufteilungsmodus unter Berücksichtigung eines zu erreichenden Ziels, bspw. einem zu erreichenden Wert einer physikalischen Größe, wie einer Spannung des gesamten Multilevelkonverters 10, den einzelnen Blöcken 12, 14, 16 zugeordnet. Es wird festgelegt, welchen Beitrag jeder Block 12, 14, 16 zu dem zu erreichenden Ziel leistet, bspw. welchen Anteil an der ausgehenden Spannung, welchen Innenwiderstand etc. Außerdem werden die Schnittstellen 18, 20 zwischen den Blöcken 12, 14, 16 festgelegt. Falls von dem Multilevelkonverter 10 bspw. eine Spannung von 1000 V bereitzustellen ist, ist dies durch serielles Schalten von zehn Blöcken, wobei jeder Block 100 V bereitstellt, zu erreichen. Es ist jedoch auch möglich, die Einzelmodule in zehn 500 V Blöcke aufzuteilen, über die wiederum eine ausgehende Spannung von 1000 V einzustellen ist, wobei dabei dann andere Schnittstellenzustände zu verwenden sind.
In einem ersten Schritt der Ausführungsform des Verfahrens werden die einzelnen Blöcke 12, 14, 16 wie Einzelmodule mit variabler Innenkonfiguration behandelt. Hierbei ist es möglich, bekannte Regelungs- und Optimierungsverfahren, die ansonsten auf eine Gesamtheit sämtlicher individueller Einzelmodule anzuwenden sind, auf die nunmehr bereitgestellten Blöcke 12, 14, 16 anzuwenden. Sich hierbei ergebende Zustände der Schnittstellen 18, 20 und Eigenschaften der Blöcke 12, 14, 16 werden bei einer Iteration zur Ermittlung der Zustände der Einzelmodule in jedem Block 12, 14, 16 weitergereicht. Hierbei ist vorgesehen, dass jeder Block 12, 14, 16 mit Vorgaben für die Schnittstellen 18, 20 und unter Berücksichtigung von Parametern für eine Teilnahme an Gesamtzielen für sich separat behandelt und optimiert wird, wodurch eine Anzahl an kombinatorischen Möglichkeiten zum Verschalten der Einzelmodule verringert wird, da nunmehr lediglich eine geringere Anzahl an Blöcken 12, 14, 16 zu verschalten ist. Somit wird insgesamt eine Anzahl an alternativen Schaltzuständen durch Berücksichtigung der einzelnen Blöcke 12, 14, 16 statt durch Berücksichtigung sämtlicher Einzelmodule reduziert.
Der Anstieg der Zustandsalternativen steigt dadurch nicht mehr exponentiell sondern je nach Aufteilungsmodus zwischen schwach exponentiell und der Ordnung a·log(a) bei insgesamt a Einzelmodulen.
Bei der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die in 3 schematisch dargestellten Blöcke 12, 14, 16 ausgehend von dem ersten Aufteilungsmodus in einem weiteren Iterationsschritt gemäß einem weiteren Aufteilungsmodus selbst wieder in weitere Blöcke 22, 24, 26, 28, 30, 32 unterteilt, wobei in dem weiteren Aufteilungsmodus ausgehend von Block 12 ein erster weiterer Block 22 die Einzelmodule M⁽¹⁾, M⁽²⁾ und ein zweiter weiterer Block 24 die Einzelmodule M⁽³⁾, M⁽⁴⁾, M⁽⁵⁾ umfasst, wobei ausgehend von Block 14 ein dritter weiterer Block 26 die Einzelmodule M⁽⁶⁾, M⁽⁷⁾ und ein vierter weiterer Block 28 die Einzelmodule M⁽⁸⁾, M⁽⁹⁾ umfasst, und wobei ausgehend von Block 16 ein fünfter weiterer Block 30 die Einzelmodule M⁽¹⁰⁾, M⁽¹¹⁾ und ein sechster weiterer Block 32 die Einzelmodule M⁽¹²⁾, M⁽¹³⁾ umfasst. Durch Aufteilen der ursprünglichen Blöcke 12, 14, 16 in die weiteren Blöcke 22, 24, 26, 28, 30, 32 ist eine bessere Balance sowie eine möglichst geringe Anzahl an alternativen Gesamtzuständen zu erreichen, wobei hierfür eine Iterationstiefe erhöht wird.
Dabei werden die ursprünglichen b Blöcke 12, 14, 16 beim Übergang von dem ersten zu dem weiteren Aufteilungsmodus, d. h. beim Übergang der ersten Iterationsebene in die zweite Iterationsebene in die weiteren Blöcke 22, 24, 26, 28, 30, 32 zerlegt, bevor nach weiteren Schritten letztendlich eigentliche Zustände der Einzelmodule eines jeweiligen Blocks in einer untersten Iterationsebene festgelegt werden. Bei einer gleichmäßigen Teilung eines ursprünglichen Blocks 12, 14, 16 in mehrere Unterblöcke werden die ursprünglichen Blöcke 12, 14, 16 in eine größere Anzahl an weiteren Blöcken 22, 24, 26, 28, 30, 32 bzw. Unterblöcken unterteilt. Bei den Ausführungsformen des Verfahrens wird zwar die Anzahl der Einzelmodule konstant gehalten, aber aufgrund einer Veränderung der Anzahl an Blöcken bei dem Übergang zwischen den jeweils zwei Aufteilungsmodi mit unterschiedlichen Iterationstiefen wird eine Anzahl an Zuständen reduziert.
Die 2 und 3 zeigen weiterhin ein Kontrollgerät 40, das dem Multilevelkonverter 10 zugeordnet und dazu ausgebildet ist, die Einzelmodule je nach vorgesehenem Aufteilungsmodus einem jeweiligen Block 12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32 zuzuordnen und mindestens einen Schritt einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zu steuern. Dabei ist dieses Kontrollgerät 40 als Komponente einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems vorgesehen.
In den 2 und 3 sind zwei aufeinanderfolgende bzw. übereinanderliegende Iterationsebenen gezeigt. In einer ersten Iterationsebene werden die hier 13 Einzelmodule des Multilevelkonverters 10, wie in 2 gezeigt, auf hier drei Blöcke 12, 14, 16 aufgeteilt. In einer zweiten Iterationsebene werden die drei Blöcke 12, 14, 16 jeweils auf zwei Blöcke 22, 24 bzw. 26, 28 bzw. 30, 32 aufgeteilt, wobei in der zweiten Iterationsebene sechs Blöcke 22, 24, 26, 28, 30, 32 bereitgestellt werden.
Bei einem Beispiel einer gleichmäßigen Aufteilung mit jeweils d Unterblöcken je Block von insgesamt b Blöcken werden in einer ersten Iterationsebene a Einzelmodule auf b Blöcke mit je a/b Einzelmodulen aufgeteilt, die in einer zweiten Iterationsebene wiederum auf b Unterblöcke mit je a/b² Einzelmodulen aufgeteilt werden. Die Aufteilung beläuft sich in einer i-ten Iterationsebene folglich auf bⁱ Blöcke mit je a/bⁱ Einzelmodulen, insgesamt bⁱ·a/bⁱ = a Einzelmodule. Während sich die Gesamtzahl der Einzelmodule korrekterweise nicht ändert, sinkt die Zahl der Gesamtzustände allerdings stark. Wenn z die Anzahl möglicher Zustände je Einzelmodul ist, bspw. z = 5 Zustände für einen MMSPC, liegen durch die durchgeführte iterative Aufteilung der a Einzelmodule in b Blöcke statt z^a Zuständen nur noch
Zustände vor.
Bei der dritten Ausführungsform des Verfahrens werden, wie 4 schematisch zeigt, die im ersten Aufteilungsmodus vorliegenden ursprünglichen Blöcke 12, 14, 16 umstrukturiert und hierbei in ein und derselben Iterationsebene gemäß einem zweiten Aufteilungsmodus in neue, weitere Blöcke 34, 36, 38 aufgeteilt. Dabei ist beim Übergang zwischen den Aufteilungsmodi vorgesehen, dass ein fünftes Einzelmodul M⁽⁵⁾ des ersten ursprünglichen Blocks 12 aus diesem entfernt und dem zweiten ursprünglichen Block 14 hinzugefügt wird. Dabei resultiert aus dem ersten ursprünglichen Block 12 gemäß dem ersten Aufteilungsmodus im nachfolgenden zweiten Aufteilungsmodus in derselben Iterationsebene ein weiterer Block 34 und aus dem zweiten ursprünglichen Block 14 gemäß dem ersten Aufteilungsmodus ein weiterer Block 36 im nachfolgenden zweiten Aufteilungsmodus derselben Iterationsebene. Der dritte ursprüngliche Block 16 wird hierbei in einen weiteren Block 38 überführt, wobei diese beiden Blöcke 16, 38 jedoch in beiden Aufteilungsmodi gleich aufgebaut sind.
So ist es möglich, Einzelmodule zwischen einzelnen Blöcken 12, 14, 16 auszutauschen und die Blöcke 12, 14, 16 durch dynamisches Bilden der Blöcke 12, 14, 16 auszugleichen. Somit wird eine Zugehörigkeit von Einzelmodulen zu Blöcken 12, 14, 16 regelmäßig variiert, wodurch bspw. Ziele mit mittel- und längerfristigen Zeitskalen auszugleichen sind. Dies betrifft bspw. einen Ausgleich der elektrischen Ladung. Üblicherweise wird die Ladung der Energiespeicher der Einzelmodule innerhalb eines Blocks 12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38 durch eine entsprechende Regelung ausgeglichen. Im Rahmen des Verfahrens ist es nunmehr möglich, einen Transport und somit einen Ausgleich der Ladung zwischen den Blöcken 12, 14, 16 bzw. 34, 36, 38 durch regelmäßig gezielten oder zweckhaft zufälligen Austausch von Einzelmodulen einzelner Blöcke in einer Iterationsebene bspw. von den Blöcken 12, 14, 16 zu den Blöcken 34, 36, 38 untereinander zu erreichen. Hinsichtlich einer Erwärmung und/oder Alterung der Einzelmodule sind diese durch Bildung der Blöcke 12, 14, 16 bzw. 34, 36, 38 gleichmäßig zu steuern. Aufgrund einer zufälligen Durchmischung einer Zuordnung und damit auch einer Aufgabe der Blöcke 12, 14, 16 bzw. 34, 36, 38 ist für die Einzelmodule eine gleichmäßige Erwärmung sowie Abnutzung und/oder Alterung zu erreichen. Eine Zeitbasis einer Änderung einer Gruppierung der Einzelmodule zu Blöcken 12, 14, 16 bzw. 34, 36, 38 ist mindestens eine Größenordnung größer als eine Schaltrate der Einzelmodule innerhalb eines Blocks 12, 14, 16 bzw. 34, 36, 38.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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Zitierte Nicht-Patentliteratur

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D. Bertsimas, R. Weismantel (2005). Optimization over integers. Dynamic Ideas, Belmont (MA, USA) [0016]
Goetz, Peterchev, Weyh (2014): Modular Multilevel Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control. IEEE Transactions on Power Electronics, 30(1): 203 ff [0032]
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Claims

Verfahren zum Betreiben eines Multilevelkonverters (2, 10), der a Einzelmodule aufweist, wobei jedes Einzelmodul eine Mehrzahl an Schaltelementen und mindestens einen elektrischen Energiespeicher aufweist, wobei die a Einzelmodule in einer ersten Iterationsebene in mindestens einem Aufteilungsmodus zumindest temporär auf b Blöcke verteilt werden, wobei b < a ist, wobei jeder Block (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) mindestens ein Einzelmodul umfasst und als funktionale Einheit mit mindestens einem weiteren Block (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) verschaltet wird sowie unter Einbeziehung mindestens einer Schnittstelle (18, 20) zu dem mindestens einen weiteren Block (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) gesteuert und geregelt wird, wobei die von einem jeweiligen Block (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) umfassten c Einzelmodule, wobei a > c ≥ 1 ist, in mindestens einer zweiten Iterationsebene, falls c > 1, in mindestens einem weiteren Aufteilungsmodus zumindest temporär auf d Blöcke mit d < c verteilt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Aufteilung der den jeweiligen Blöcken (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) zugeordneten Einzelmodule in mehreren Iterationsebenen iterativ weiter fortgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem mindestens ein Block (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) wie ein eigenständiger Konverter kontrolliert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 2, bei dem eine online-optimierende Regelungsstrategie durchgeführt wird, mit der zugleich eine ausgehende Spannung des modularen Multilevelkonverters (2, 10) geregelt wird, Leitungsverluste und Schaltverluste minimiert werden, und Energiespeicher, die auf mehrere Blöcke (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) verteilt und über die mindestens eine Schnittstelle (18, 20) verbunden sind, ausbalanciert werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem eine Innenkonfiguration eines jeweiligen Blocks (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) variabel eingestellt wird, wobei ein Einzelmodul, das in einem ersten Aufteilungsmodus zunächst einem ersten Block (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) zugeordnet ist, diesem entnommen und in einem zweiten Aufteilungsmodus einem zweiten Block (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) zugeordnet wird, wobei das Einzelmodul bei einem Wechsel zwischen den Aufteilungsmodi zwischen zwei Blöcken (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) verschoben wird, wobei die Blöcke (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) durch Umgruppierung von Einzelmodulen dynamisch gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem eine Schaltrate zum Ändern einer Zuordnung des Einzelmoduls zu den beiden Blöcken (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) bei dem Wechsel zwischen den Aufteilungsmodi um mindestens eine Größenordnung größer als eine Schaltrate des Einzelmoduls innerhalb eines jeweiligen Blocks (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) ist, so dass eine Zuordnung eines Einzelmoduls zu einem Block (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) seltener als eine Schaltung innerhalb des Einzelmoduls innerhalb des jeweiligen Blocks (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) variiert wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem ein Zustand mindestens eines Einzelmoduls in einem Block (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) derart gewählt wird, dass eine optimale Lösung von lokalen Zielfunktionen und Randbedingungen gegeben ist.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Randbedingungen dazu verwendet werden, eine Anzahl an Lösungen durch Eliminieren zahlreicher nicht relevanter Lösungen zügig zu beschränken.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem Zielfunktionen zur Ermittlung bester alternativer Lösungen evaluiert werden.
System zum Betreiben eines modularen Multilevelkonverters (2, 10), der a Einzelmodule aufweist, wobei jedes Einzelmodul eine Mehrzahl an Schaltelementen und mindestens einen elektrischen Energiespeicher aufweist, wobei das System ein Kontrollgerät (40) aufweist, das dazu ausgebildet ist, die a Einzelmodule in einer ersten Iterationsebene in mindestens einem Aufteilungsmodus zumindest temporär auf b Blöcke (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) zu verteilen, wobei b < a ist, wobei jeder Block (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) mindestens ein Einzelmodul umfasst und von dem Kontrollgerät als funktionale Einheit mit mindestens einem weiteren Block (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) zu verschalten sowie unter Einbeziehung mindestens einer Schnittstelle zu dem mindestens einen weiteren Block (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) zu steuern und zu regeln ist, wobei die von einem jeweiligen Block (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) umfassten c Einzelmodule, wobei a > c ≥ 1 ist, in mindestens einer zweiten Iterationsebene, falls c > 1, in mindestens einem weiteren Aufteilungsmodus zumindest temporär auf d Blöcke mit d < c zu verteilen sind.
System nach Anspruch 10, bei dem das Kontrollgerät dazu konfiguriert ist, eine derartige Aufteilung der den jeweiligen Blöcken (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) zugeordneten Einzelmodule in mehreren Iterationsebenen iterativ weiter fortzuführen.
System nach Anspruch 10 oder 11, bei dem mit dem Kontrollgerät (40) mindestens ein Schritt eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zu kontrollieren ist.