Gegenstand der Arbeit sind die Modulation, die Modellbildung und die Energiesymmetrierung von modularen Mehrpunktstromrichtern sowie der Aufbau einer Niederspannungs-Modellanlage zum Test von Regelungsverfahren.
Die entwickelten Modulationsalgorithmen zeichnen sich durch niedrige Schaltfrequenz, geringe Spannungsunsymmetrie der Submodulspannungen, schnelle Berechnung und verbesserte eingeprägte Spannungen aus -- dank einer dynamisch bevorzugten versetzten Taktung. Zur Klassifizierung von Modulationsverfahren wird hier die Unterscheidung von später und früher Submodulauswahl vorgeschlagen. Der vertiefend betrachtete Fall niedriger Submodulzahlen (n<20) erfordert Verfahren mit früher Submodulauswahl, von diesen werden im weiteren fünf Algorithmen entwickelt, implementiert und experimentell erprobt. Eines der entwickelten Modulationsverfahren nutzt den Freiheitsgrad, der durch Aufteilung der Schaltflanken auf zwei Submodule entsteht, zur Verbesserung der eingeprägten Spannung. Die dabei durchgeführte Analyse unsymmetrischer Submodulspannungen erlaubt die sichere Ausnutzung dieses Freiheitsgrads im gesamten Betriebsbereich auch für andere Modulationsverfahren.
Ein bei der Modellbildung der Zweigenergien neu eingenommener Standpunkt führt auf ein Stromrichtermodell, in welchem der Laststrom die Rolle eines zeitabhängigen Parameters annimmt. Das gestattet die getrennte Betrachtung von Stromrichter und Last, was sich vor allem bei der späteren (algebraischen) Parametrierung der Systemgrößen für die planungsbasierte Energieregelung auszahlt.
Das Symmetrierungsproblem der Energieregelung wird mit Hilfe des zuvor hergeleiteten Energiemodells aufgegriffen. Im Unterschied zu bekannten Verfahren werden die Fehlerverstärkungen der Energiefehler-Rückführung unter Berücksichtigung der Kopplungen eingestellt, welche durch gemeinsame Nutzung des Kreisstroms entstehen, was die 10-Prozent-Abklingzeit der Energiefehler um 67 Prozent verringert. Für den Fall ohne Aussteuerung der Gleichtaktspannung konnte außerdem die zeitvariante Fehlerdynamik der Energiefehler-Rückführung in eine zeitinvariante Darstellung transformiert werden und erlaubt damit erstmals globale Stabilitätsaussagen und eine effiziente Optimierung der Polkonstellation.
Eine neuartige planungsbasierte Energieregelung verbessert die Symmetrierung mit Hilfe einer Vorsteuerung, die schon während der Überführungen zu neuen Arbeitsregimes eine Verringerung der Kondensatorspannungsschwankungen erreicht. Der Aufwand der Steuerungsberechnung konnte deutlich reduziert werden, und zwar zum einen durch Aufnahme der vertikalen Energiedifferenz in die vorgegebenen Energien, und zum anderen durch die Konstruktion von Überführungen, deren Parameter vorteilhaft voneinander unabhängige Rollen einnehmen. Bei dieser Aufgabe erlaubt das hergeleitete Stromrichtermodell die bequeme Vorgabe von vier der sechs Stromrichterenergien, sodass nur zwei durch Integration bestimmt werden brauchen, was der bisher niedrigsten bekannten Ordnung für dieses Problem entspricht. Die entwickelte Steuerung reduziert die Kondensatorspannungsschwankungen und entlastet die Energiefehler-Rückführung von der Überführungsaufgabe, wie die für die Messung durchgeführte Implementierung zeigt.
Ein Parametervergleich der aufgebauten Modellanlage mit typischen Mittelspannungs-M2Cs belegt die besonders gute Nachbildung der für die Energieregelung relevanten Verhältnisse im Vergleich zu anderen Modellanlagen.:I Untersuchungen zum M2C
1 Einleitung
2 Modulationsverfahren
2.1 Einleitung
2.2 Modulationsverfahren der Modellanlage
2.2.1 Eigenschaften der Modulation der Modellanlage
2.2.2 Algorithmus 1
2.2.3 Algorithmus 2
2.2.4 Algorithmus 3
2.2.5 Algorithmus 4
2.2.6 Besonderheiten bei Modulation mit zwei taktenden Modulen
2.2.7 Algorithmus 5
2.3 Vergleich der Algorithmen
2.3.1 Schaltfrequenz
2.3.2 Symmetrierung
2.3.3 Eingeprägte Spannung
2.3.4 Spektrum der Gleich- und Wechselspannung
2.3.5 Rechenzeit
2.4 Zusammenfassung
3 Modellbildung
3.1 Modellierung der Submodule und deren Reihenschaltung
3.2 Simulationsmodell zur Berücksichtigung eines unsymmetrischen Aufbaus
3.3 Modellbildung für den Regelungsentwurf
3.3.1 Anwendung von Ersatzsubmodulen für den Regelungsentwurf
3.3.2 Überblick zum weiteren Vorgehen
3.3.3 Vereinfachungen bei symmetrischem Aufbau
3.3.4 Dreiphasige und einphasige Betrachtung mittels Stromquellenlast
3.3.5 Transformation in Summe und Differenzen
3.3.6 Transformation in Energien
3.3.7 Energiegrößen für die dreiphasige Schaltung
3.4 Stationäre Lösungen der dreiphasigen Schaltung
3.4.1 Kreisstromfreier Betrieb ohne Gleichtaktspannung
3.4.2 Kreisstromfreier Betrieb mit triplen harmonic injection
3.4.3 Betrieb mit zweiter Harmonischer im Kreisstrom
3.4.4 Betrieb ohne Auslenkung der komplexen Summenenergie
3.4.5 Vergleich zweier Kreisstromformen zur Reduktion der Spannungsschwankung
3.5 Zusammenfassung der Eigenschaften des Modells und der Herleitung
4 Beiträge zur Regelung eines M2Cs
4.1 Überblick über Symmetrierungslösungen
4.2 Rückführung der Energiefehler auf den Kreisstrom
4.2.1 Fehlerdynamik
4.2.2 Einstellung der Fehlerverstärkungen bei vernachlässigter Kopplung
4.2.3 Simulation der Fehlerdynamik und des gesamten Stromrichters
4.2.4 Einstellung der Fehlerverstärkungen anhand von Eigenwerten
4.2.5 Einstellung der Fehlerverstärkungen bei Aussteuerung der Gleichtaktspannung
4.2.6 Anpassung der Einstellungen an veränderte Parameter
4.2.7 Zusammenfassung der untersuchten Einstellungen
4.3 Planungsbasierte Optimierung der Symmetrierung
4.3.1 Grundidee
4.3.2 Berechnung der Systemgrößen
4.3.3 Trajektorienplanung für die Last
4.3.4 Trajektorienplanung für den M2C
4.3.5 Berechnung des verbleibenden Parameters
4.3.6 Verbesserung des Verlaufs der Gleichtaktspannung
4.3.7 Messergebnisse
4.3.8 Zusammenfassung
5 Zusammenfassung des ersten Teils
II Modellanlage mit M2C
6 Eigenschaften der Modellanlage
6.1 Besonderheiten beim Test von Regelungsverfahren
6.2 Schutzfunktionen
6.3 Dimensionierung der Komponenten
6.3.1 Berechnung des Energiehubs der Kondensatoren
6.3.2 Einfluss der Induktivität der Zweigdrossel
6.3.3 Dimensionierung der Zweigdrossel
6.3.4 Abschätzung und Simulation der ohmschen Verluste und der Halbleiterverluste
6.3.5 Verluste der Submodulkondensatoren
6.3.6 Entwärmung der Leistungshalbleiter
6.3.7 Berechnung der mindestens notwendigen Gleichspannung
6.3.8 Berechnung der maximal bereitzustellenden Zweigspannung
6.4 Vergleich von Modellanlagen mit Mittelspannungs-M2Cs
7 Zusammenfassung des zweiten Teils / The thesis deals with the modulation, the modeling and the energy balancing of modular multilevel converters as well as the construction of a low-voltage test bench for the experimental evaluation.
The proposed modulation algorithms offer low switching frequency, small cell voltage imbalance, fast calculation, and improved injected voltages thanks to the idea of inherited polarity. In order to classify modular multilevel converter modulation schemes a distinction between early and late cell selection is proposed. The further investigation focuses on modulation for a small number of cells per arm (n<20) for which early selection is advantageous. Five such methods are developed, implemented and tested experimentally on a test bench. The injected voltage was improved by exploiting a degree of freedom that arises when the positive and negative edges are assigned to two cells instead of one cell. A corresponding analysis of the inherent deviations between the cell voltages enables reliable exploitation of the degree of freedom without endangering correct termination of the algorithm.
The proposed arm energy modeling results in a converter model that incorporates the load current as time varying parameter and enables a beneficial separation of converter model and load model that eases trajectory planning for both.
The energy balancing problem of modular multilevel converters is tackled by means of the derived arm energy model. In comparison to known approaches, the tuning scheme takes into account the coupling caused by the different circulating current frequency components and reduces the 10 percent decay-time by 67 percent.
In case of zero common mode voltage a transformation of the time-variant error dynamics of the energy balancing feedback into a time-invariant form enables global stability proof and efficient eigenvalue optimization.
A novel energy balancing approach based on trajectory planning and feed-forward circulating current enables a balanced operation even during transfers between operating regimes. In contrast to the classic approach of specifying circulating current components and common-mode voltage, four out of six (transformed) arm energies are specified in order to identify balanced transfers between operating regimes.
The calculation cost for obtaining consistent energy references has been reduced by specifying candidate trajectories even for the vertical difference energy, and by
using candidate trajectories whose parameters are responsible for independent tasks. Thus, only two energies remain that need to be determined via integration during the planning procedure. This is the lowest known order of the system to be integrated. As a benefit of this approach, no balancing error remains, i.e. the task of the balancing feedback is reduced to compensating parameter uncertainties and disturbances. The proposed energy references improve the cell voltage balance and relieves the feedback based energy balancing from the large signal transfer task.
The LC-circuit of the cell capacitors and the arm inductor of the low-voltage test bench features a similar resonant frequency as reported for typical medium-voltage designs as a survey of other low-voltage test benches reveal.:I Untersuchungen zum M2C
1 Einleitung
2 Modulationsverfahren
2.1 Einleitung
2.2 Modulationsverfahren der Modellanlage
2.2.1 Eigenschaften der Modulation der Modellanlage
2.2.2 Algorithmus 1
2.2.3 Algorithmus 2
2.2.4 Algorithmus 3
2.2.5 Algorithmus 4
2.2.6 Besonderheiten bei Modulation mit zwei taktenden Modulen
2.2.7 Algorithmus 5
2.3 Vergleich der Algorithmen
2.3.1 Schaltfrequenz
2.3.2 Symmetrierung
2.3.3 Eingeprägte Spannung
2.3.4 Spektrum der Gleich- und Wechselspannung
2.3.5 Rechenzeit
2.4 Zusammenfassung
3 Modellbildung
3.1 Modellierung der Submodule und deren Reihenschaltung
3.2 Simulationsmodell zur Berücksichtigung eines unsymmetrischen Aufbaus
3.3 Modellbildung für den Regelungsentwurf
3.3.1 Anwendung von Ersatzsubmodulen für den Regelungsentwurf
3.3.2 Überblick zum weiteren Vorgehen
3.3.3 Vereinfachungen bei symmetrischem Aufbau
3.3.4 Dreiphasige und einphasige Betrachtung mittels Stromquellenlast
3.3.5 Transformation in Summe und Differenzen
3.3.6 Transformation in Energien
3.3.7 Energiegrößen für die dreiphasige Schaltung
3.4 Stationäre Lösungen der dreiphasigen Schaltung
3.4.1 Kreisstromfreier Betrieb ohne Gleichtaktspannung
3.4.2 Kreisstromfreier Betrieb mit triplen harmonic injection
3.4.3 Betrieb mit zweiter Harmonischer im Kreisstrom
3.4.4 Betrieb ohne Auslenkung der komplexen Summenenergie
3.4.5 Vergleich zweier Kreisstromformen zur Reduktion der Spannungsschwankung
3.5 Zusammenfassung der Eigenschaften des Modells und der Herleitung
4 Beiträge zur Regelung eines M2Cs
4.1 Überblick über Symmetrierungslösungen
4.2 Rückführung der Energiefehler auf den Kreisstrom
4.2.1 Fehlerdynamik
4.2.2 Einstellung der Fehlerverstärkungen bei vernachlässigter Kopplung
4.2.3 Simulation der Fehlerdynamik und des gesamten Stromrichters
4.2.4 Einstellung der Fehlerverstärkungen anhand von Eigenwerten
4.2.5 Einstellung der Fehlerverstärkungen bei Aussteuerung der Gleichtaktspannung
4.2.6 Anpassung der Einstellungen an veränderte Parameter
4.2.7 Zusammenfassung der untersuchten Einstellungen
4.3 Planungsbasierte Optimierung der Symmetrierung
4.3.1 Grundidee
4.3.2 Berechnung der Systemgrößen
4.3.3 Trajektorienplanung für die Last
4.3.4 Trajektorienplanung für den M2C
4.3.5 Berechnung des verbleibenden Parameters
4.3.6 Verbesserung des Verlaufs der Gleichtaktspannung
4.3.7 Messergebnisse
4.3.8 Zusammenfassung
5 Zusammenfassung des ersten Teils
II Modellanlage mit M2C
6 Eigenschaften der Modellanlage
6.1 Besonderheiten beim Test von Regelungsverfahren
6.2 Schutzfunktionen
6.3 Dimensionierung der Komponenten
6.3.1 Berechnung des Energiehubs der Kondensatoren
6.3.2 Einfluss der Induktivität der Zweigdrossel
6.3.3 Dimensionierung der Zweigdrossel
6.3.4 Abschätzung und Simulation der ohmschen Verluste und der Halbleiterverluste
6.3.5 Verluste der Submodulkondensatoren
6.3.6 Entwärmung der Leistungshalbleiter
6.3.7 Berechnung der mindestens notwendigen Gleichspannung
6.3.8 Berechnung der maximal bereitzustellenden Zweigspannung
6.4 Vergleich von Modellanlagen mit Mittelspannungs-M2Cs
7 Zusammenfassung des zweiten Teils
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:72513 |
| Date | 23 October 2020 |
| Creators | Fehr, Hendrik |
| Contributors | Bernet, Steffen, Braun, Michael, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | info:eu-repo/grantAgreement/Bundesministerium für Bildung und Forschung/Leistungselektronik zur Energieeffizienz-Steigerung (LES)/FKZ 16N10702//Mittelspannnugsumrichter auf der Basis einer neuartigen Schaltungstopologie (M2C) für die Einspeisung elektrischer Energie in Versorgungsnetze - Teilvorhaben: Auslegung und Regelungsentwurf eines M2C |
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