Das Ziel der Arbeit war die Untersuchung eines neuartigen Phasenbausteins mit der Topologie des Dreipunkt – Neutral Point Clamped – Stromrichters mit Spannungszwischenkreis (3L-NPC-VSC) für Windkraftanwendungen. Wichtige Anforderungen an den Phasenbaustein und daraus resultierende Herausforderungen, sowie Lösungen für ausgewählte Teilprobleme werden präsentiert. Um die Vorteile des 3L-NPC-VSC für Hersteller von Windkraftanlagen zugänglich zu machen, ist es sinnvoll, einen neuartigen Phasenbaustein zu entwickeln. Der Phasenbaustein soll einfach in Systeme zu integrieren sein, in denen gegenwärtig Zweipunktstromrichter (2L-VSC) zum Einsatz kommen. Da sich Modulation, Zwischenkreisbalancierung und Kurzschlussschutz vom 2L-VSC unterscheiden, soll der Phasenbaustein diese Herausforderungen eigenständig bewältigen. Die Arbeit beschreibt die Konzeption eines solchen Phasenbausteins und behandelt insbesondere die Modulation, die Zwischenkreisbalancierung und den Kurzschlussschutz des 3L-NPC-VSC. Ein Vergleich verschiedener Modulationsverfahren wurde durchgeführt und die am besten geeigneten Verfahren für die Implementation in den Phasenbaustein ausgewählt. Eine Anforderung war, dass dieser Signale einer übergeordneten Regelung verarbeiten kann, welche für einen 2L-VSC berechnet wurden. Ein Überblick der Zwischenkreisbalancierungsverfahren zeigte, dass nahezu alle den Nachteil einer zusätzlich benötigten Strommessung haben. Die Untersuchung einer neuen an der Professur Leistungselektronik der TU Dresden entwickelten Methode ohne den Bedarf der Strommessung zeigte, dass diese anwendbar ist. Der Algorithmus wurde simuliert, implementiert und experimentell getestet und zeigte gute Resultate. Die Aufgabe eines komplett unabhängigen Kurzschlussschutzes war die schwierigste. Alle möglichen Fehler innerhalb eines Moduls wurden analysiert und kategorisiert. Einige Fehlertypen können innerhalb einer Phase behandelt werden. Entsprechende Algorithmen wurden entwickelt und getestet. Allerdings gibt es Fehlertypen, die nicht durch die Steuerung einer einzelnen Phase behandelt werden können. Eine schnelle Kommunikation zwischen den drei Phasen des Konverters wäre notwendig. Alternativ könnte eine übergeordnete Steuerung diese Fehler behandeln. Zum Schluss wurde ein Demonstrator des Phasenbausteins aufgebaut und experimentell untersucht. Einige Messergebnisse werden gezeigt, um die Funktion zu verifizieren.

Das Ziel der Arbeit war die Untersuchung eines neuartigen Phasenbausteins mit der Topologie des Dreipunkt – Neutral Point Clamped – Stromrichters mit Spannungszwischenkreis (3L-NPC-VSC) für Windkraftanwendungen. Wichtige Anforderungen an den Phasenbaustein und daraus resultierende Herausforderungen, sowie Lösungen für ausgewählte Teilprobleme werden präsentiert. Um die Vorteile des 3L-NPC-VSC für Hersteller von Windkraftanlagen zugänglich zu machen, ist es sinnvoll, einen neuartigen Phasenbaustein zu entwickeln. Der Phasenbaustein soll einfach in Systeme zu integrieren sein, in denen gegenwärtig Zweipunktstromrichter (2L-VSC) zum Einsatz kommen. Da sich Modulation, Zwischenkreisbalancierung und Kurzschlussschutz vom 2L-VSC unterscheiden, soll der Phasenbaustein diese Herausforderungen eigenständig bewältigen. Die Arbeit beschreibt die Konzeption eines solchen Phasenbausteins und behandelt insbesondere die Modulation, die Zwischenkreisbalancierung und den Kurzschlussschutz des 3L-NPC-VSC. Ein Vergleich verschiedener Modulationsverfahren wurde durchgeführt und die am besten geeigneten Verfahren für die Implementation in den Phasenbaustein ausgewählt. Eine Anforderung war, dass dieser Signale einer übergeordneten Regelung verarbeiten kann, welche für einen 2L-VSC berechnet wurden. Ein Überblick der Zwischenkreisbalancierungsverfahren zeigte, dass nahezu alle den Nachteil einer zusätzlich benötigten Strommessung haben. Die Untersuchung einer neuen an der Professur Leistungselektronik der TU Dresden entwickelten Methode ohne den Bedarf der Strommessung zeigte, dass diese anwendbar ist. Der Algorithmus wurde simuliert, implementiert und experimentell getestet und zeigte gute Resultate. Die Aufgabe eines komplett unabhängigen Kurzschlussschutzes war die schwierigste. Alle möglichen Fehler innerhalb eines Moduls wurden analysiert und kategorisiert. Einige Fehlertypen können innerhalb einer Phase behandelt werden. Entsprechende Algorithmen wurden entwickelt und getestet. Allerdings gibt es Fehlertypen, die nicht durch die Steuerung einer einzelnen Phase behandelt werden können. Eine schnelle Kommunikation zwischen den drei Phasen des Konverters wäre notwendig. Alternativ könnte eine übergeordnete Steuerung diese Fehler behandeln. Zum Schluss wurde ein Demonstrator des Phasenbausteins aufgebaut und experimentell untersucht. Einige Messergebnisse werden gezeigt, um die Funktion zu verifizieren.:1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Zielstellung 1.3 Inhalt der Arbeit 2 Stromrichter für Windkraftanlagen 2.1 Stand der Technik 2.1.1 Zweipunktstromrichter mit Spannungszwischenkreis 2.1.2 Dreipunkt-Neutral-Point-Clamped-Stromrichter mit Spannungszwischenkreis 2.1.3 Kommerziell verfügbare Stromrichter für WKA 2.2 Vollumrichterlösung mit erhöhter Ausgangsspannung 2.2.1 Motivation und Anforderungen 2.2.2 Vereinfachter Vergleich von Zwei- und Dreipunktstromrichtern 2.3 Herausforderungen bei der Realisierung des 3L-NPC-VSC 3 Struktur und Funktion eines neuartigen 3L-NPC-Phasenbausteins 3.1 Struktur und Schnittstellen 3.1.1 Stand der Technik für 3L-NPC Phasenbausteine 3.1.2 Neuartiger 3L-NPC-VSC-Phasenbaustein 3.2 Realisierung 3.2.1 Anforderungen 3.2.2 Technische Realisierung 3.3 Experimentelle Verifikation 3.3.1 Versuchsstand 3.3.2 Messergebnisse 4 Modulation und Zwischenkreisbalancierung eines 3L-NPC-VSC 4.1 Modulationsarten im Überblick 4.1.1 Trägerbasierte Modulation für den 3L-NPC-VSC 4.2 Ausgewählte Modulation für den neuartigen Phasenbaustein 4.2.1 Zweipunktraumzeigermodulation in einem Trägerband 2L-SVM 4.2.2 Dreipunktraumzeigermodulation 3L-SVM 4.3 Stand der Technik bei Zwischenkreisbalancierungsverfahren 4.4 Die direkte Totzeitregelung zur Zwischenkreisbalancierung 4.4.1 Theoretische Grundlagen 4.4.2 Simulative Verifikation der direkten Totzeitregelung 4.4.3 Experimentelle Verifikation der DDTC 5 Kurzschlussschutz eines 3L-NPC-VSC-Phasenbausteins 5.1 Versuchsstand I5.2 Kurzschlussfehler einer 3L-NPC-VSC-Phase 5.2.1 Kategorisierung der Kurzschlüsse 5.2.2 Untersuchte Bauteilfehler innerhalb einer 3L-NPC-VSC-Phase 5.3 Kurzschlussbehandlungsmethoden 5.3.1 Stand der Technik 5.3.2 Schutzmaßnahmen für 3L-NPC-VSC 5.4 Analyse von Kurzschlüssen und Ableitung von Behandlungsmaßnahmen 5.4.1 Fehler eines äußeren IGBTs 5.4.2 Fehler eines inneren IGBTs 5.4.3 Fehler einer Clampdiode 5.5 Maßnahmen zur sicheren Behandlung von Kurzschlüssen in 3L-NPC-VSC 6 Zusammenfassung

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einem detaillierten Vergleich von Mehrpunkt-Schaltungstopologien mit zentralem Gleichspannungszwischenkreis für den Einsatz in Mittelspannungsanwendungen. Im Rahmen dieser Untersuchungen wird die 3-Level Neutral Point Clamped Spannungswechselrichter Schaltungstopologie (3L-NPC VSC) sowohl mit Multilevel Flying Capacitor (FLC) als auch mit Multilevel Stacked Multicell (SMC) Schaltungstopologien verglichen, wobei unter Verwendung von aktuell verfügbaren IGBT-Modulen Stromrichterausgangsspannungen von 2.3 kV, 4.16 kV und 6.6 kV betrachtet werden. Neben der grundlegenden Funktionsweise wird die Auslegung der aktiven Leistungshalbleiter und der passiven Energiespeicher (Zwischenkreiskondensatoren, Flying Capacitors) für die untersuchten Stromrichtertopologien dargestellt. Unter Berücksichtigung verschiedener Modulationsverfahren und Schaltfrequenzen werden Kennwerte für den Oberschwingungsgehalt in der Ausgangsspannung und dem Ausgangsstrom vergleichend evaluiert. Die installierte Schalterleistungen, die Halbleiterausnutzungsfaktoren, die Stromrichterverlustleistungen sowie die Verlustleistungsverteilungen werden für die betrachteten Stromrichtertopologien detailliert gegenübergestellt und bewertet.:Inhaltsverzeichnis Liste der Variablen i Liste der Abkürzungen v 1 Einleitung 1 2 Überblick von Mittelspannungsstromrichtertopologien und Leistungshalbleitern 3 2.1 Mittelspannungsumrichtertopologien 3 2.2 Leistungshalbleiter 8 3 Aufbau und Funktion von Mittelspannungsstromrichtertopologien 10 3.1 Neutral Point Clamped Stromrichter (NPC) 10 3.1.1 3-Level Neutral Point Clamped Stromrichter (3L-NPC) 10 3.1.2 Mehrstufige NPC-Umrichter 21 3.2 Flying Capacitor Stromrichter (FLC) 23 3.2.1 3-Level Flying Capacitor Stromrichter (3L-FLC) 23 3.2.2 4-Level Flying Capacitor-Stromrichter (4L-FLC) 33 3.2.3 Mehrstufige Flying Capacitor-Stromrichter (NL-FLC) 39 3.3 Stacked Multicell Stromrichter (SMC) 43 3.3.1 5L-Stacked Multicell Stromrichter (5L-SMC) 43 3.3.2 N-Level Stacked Multicell Umrichter (NL-SMC) 51 4 Modellierung und Auslegung der Stromrichter 59 4.1 Verlustmodell 59 4.1.1 Sperrschichttemperaturen 64 4.2 Auslegung der Leistungshalbleiter 65 4.2.1 Stromauslegung 67 4.2.2 Worst-Case Arbeitspunkte 69 4.3 Auslegung der Zwischenkreiskondensatoren 75 4.3.1 Spannungszwischenkreis 76 4.3.2 Lastseitige Strombelastung und resultierende Spannungswelligkeit im Spannungszwischenkreis 77 4.3.3 Abhängigkeit der Strombelastung und der Spannungswelligkeit im Spannungszwischenkreis vom Frequenzverhältnis mf 95 4.3.4 Netzseitige Zwischenkreiseinspeisung 97 4.3.4.1 Zwischenkreiseinspeisung mit idealisiertem Transformatormodell 98 4.3.4.2 Zwischenkreiseinspeisung mit erweitertem Transformatormodell 101 4.3.5 Simulation des Gesamtsystems 104 4.4 Auslegung der Flying Capacitors 107 4.4.1 Strombelastung der Flying Capacitors 109 4.4.2 Spannungswelligkeit über den Flying Capacitors 113 4.4.3 Abhängigkeit der Spannungswelligkeit der Flying Capacitors vom Frequenzverhältnis mf 124 4.4.4 Auswirkung der Spannungswelligkeit der Flying Capacitors auf die Ausgangsspannungen 126 5 Vergleich der Stromrichtertopologien 129 5.1 Daten für den Stromrichtervergleich 129 5.2 Basis des Vergleiches 132 5.3 Vergleich für einen 2,3 kV Mittelspannungsstromrichter 134 5.3.1 Vergleich bei verschiedenen Schaltfrequenzen 134 5.3.2 Vergleich bei maximaler Trägerfrequenz 142 5.4 Vergleich für einen 4,16 kV Mittelspannungsstromrichter 146 5.4.1 Vergleich bei verschiedenen Schaltfrequenzen 146 5.4.2 Vergleich bei maximaler Trägerfrequenz 153 5.5 Vergleich für einen 6,6 kV Mittelspannungsstromrichter 156 5.5.1 Vergleich bei verschiedenen Schaltfrequenzen 156 5.5.2 Vergleich bei maximaler Trägerfrequenz 162 5.6 Vergleich von 2,3 kV, 4,16 kV und 6,6 kV Mittelspannungsstromrichtern 165 5.6.1 Vergleich bei identischer installierter Schalterleistung SS 165 5.6.2 Vergleich bei einer identischen Ausgangsleistung 167 6 Zusammenfassung und Bewertung 171 Anhang 175 A. Halbleiterverlustmodell 175 Referenzen 177 / The thesis deals with a detailed comparison of voltage source converter topologies with a central dc-link energy storage device for medium voltage applications. The Three-Level Neutral Point Clamped Voltage Source Converter (3L-NPC VSC) is compared with multilevel Flying Capacitor (FLC) and Stacked Multicell (SMC) Voltage Source Converters (VSC) for output voltages of 2.3 kV, 4.16 kV and 6.6 kV by using state-of-the-art 6.5 kV, 3.3 kV, 4.5 kV and 1.7kV IGBTs. The fundamental functionality of the investigated converter topologies as well as the design of the power semiconductors and of the energy storage devices (Flying Capacitors and Dc-Link capacitors) is described. The installed switch power, converter losses, the semiconductor loss distribution, modulation strategies and the harmonic spectra are compared in detail.:Inhaltsverzeichnis Liste der Variablen i Liste der Abkürzungen v 1 Einleitung 1 2 Überblick von Mittelspannungsstromrichtertopologien und Leistungshalbleitern 3 2.1 Mittelspannungsumrichtertopologien 3 2.2 Leistungshalbleiter 8 3 Aufbau und Funktion von Mittelspannungsstromrichtertopologien 10 3.1 Neutral Point Clamped Stromrichter (NPC) 10 3.1.1 3-Level Neutral Point Clamped Stromrichter (3L-NPC) 10 3.1.2 Mehrstufige NPC-Umrichter 21 3.2 Flying Capacitor Stromrichter (FLC) 23 3.2.1 3-Level Flying Capacitor Stromrichter (3L-FLC) 23 3.2.2 4-Level Flying Capacitor-Stromrichter (4L-FLC) 33 3.2.3 Mehrstufige Flying Capacitor-Stromrichter (NL-FLC) 39 3.3 Stacked Multicell Stromrichter (SMC) 43 3.3.1 5L-Stacked Multicell Stromrichter (5L-SMC) 43 3.3.2 N-Level Stacked Multicell Umrichter (NL-SMC) 51 4 Modellierung und Auslegung der Stromrichter 59 4.1 Verlustmodell 59 4.1.1 Sperrschichttemperaturen 64 4.2 Auslegung der Leistungshalbleiter 65 4.2.1 Stromauslegung 67 4.2.2 Worst-Case Arbeitspunkte 69 4.3 Auslegung der Zwischenkreiskondensatoren 75 4.3.1 Spannungszwischenkreis 76 4.3.2 Lastseitige Strombelastung und resultierende Spannungswelligkeit im Spannungszwischenkreis 77 4.3.3 Abhängigkeit der Strombelastung und der Spannungswelligkeit im Spannungszwischenkreis vom Frequenzverhältnis mf 95 4.3.4 Netzseitige Zwischenkreiseinspeisung 97 4.3.4.1 Zwischenkreiseinspeisung mit idealisiertem Transformatormodell 98 4.3.4.2 Zwischenkreiseinspeisung mit erweitertem Transformatormodell 101 4.3.5 Simulation des Gesamtsystems 104 4.4 Auslegung der Flying Capacitors 107 4.4.1 Strombelastung der Flying Capacitors 109 4.4.2 Spannungswelligkeit über den Flying Capacitors 113 4.4.3 Abhängigkeit der Spannungswelligkeit der Flying Capacitors vom Frequenzverhältnis mf 124 4.4.4 Auswirkung der Spannungswelligkeit der Flying Capacitors auf die Ausgangsspannungen 126 5 Vergleich der Stromrichtertopologien 129 5.1 Daten für den Stromrichtervergleich 129 5.2 Basis des Vergleiches 132 5.3 Vergleich für einen 2,3 kV Mittelspannungsstromrichter 134 5.3.1 Vergleich bei verschiedenen Schaltfrequenzen 134 5.3.2 Vergleich bei maximaler Trägerfrequenz 142 5.4 Vergleich für einen 4,16 kV Mittelspannungsstromrichter 146 5.4.1 Vergleich bei verschiedenen Schaltfrequenzen 146 5.4.2 Vergleich bei maximaler Trägerfrequenz 153 5.5 Vergleich für einen 6,6 kV Mittelspannungsstromrichter 156 5.5.1 Vergleich bei verschiedenen Schaltfrequenzen 156 5.5.2 Vergleich bei maximaler Trägerfrequenz 162 5.6 Vergleich von 2,3 kV, 4,16 kV und 6,6 kV Mittelspannungsstromrichtern 165 5.6.1 Vergleich bei identischer installierter Schalterleistung SS 165 5.6.2 Vergleich bei einer identischen Ausgangsleistung 167 6 Zusammenfassung und Bewertung 171 Anhang 175 A. Halbleiterverlustmodell 175 Referenzen 177

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Three-level diode-clamped inverter is being widely used these days. Extensive research has been carried out on pulse width modulation (PWM) strategies for a three-level inverter. The most widely used PWM strategies are sine-triangle pulse width modulation (SPWM) and centered space vector pulse width modulation (CSVPWM). The influence of these PWM strategies on the DC-link capacitor current and voltage ripple is studied in this thesis. The sizing of the DC capacitor depends on value of the maximum RMS current flowing through it. In this work, an analytical expression for capacitor RMS current is derived as a function of operating conditions like modulation index, power factor angle of the load and peak load current. The worst case current stress on the capacitor is evaluated using the analytical expression. The capacitor RMS current is found to be the same in SPWM and CSVPWM schemes. The analytical expression is validated through simulations and experiments on a 3kVA MOSFET based three-level inverter. Harmonic analysis of the capacitor current is helpful in better evaluation of capacitor power loss. Therefore, harmonic analysis of the capacitor current is carried out, using the techniques of geometric wall model and double Fourier integral for SPWM and CSVPWM schemes. The theoretical predictions are validated through experiments. The capacitor RMS current is divided into low-frequency RMS current (where low frequency component is defined as a component whose frequency is less than half the switching frequency) and high-frequency RMS current. The capacitor voltage ripple is estimated analytically for SPWM and CSVPWM schemes, using the low-frequency and high-frequency capacitor RMS current. The voltage ripples due to SPWM and CSVPWM schemes are compared. It is found that the voltage ripple with SPWM is higher than that with CSVPWM. A simplified method to estimate the capacitor power loss, without the requirement of FFT analysis of capacitor current, is proposed. The results from this simplified method agree reasonably well with the results from the detailed method. A space vector based modulation scheme is proposed, which reduces the capacitor RMS current at high power factor angles. However, the proposed method leads to higher total harmonic distortion (THD) than CSVPWM. Simulation and experimental results, comparing CSVPWM and the proposed PWM, are presented.