DE102016006454A1 - Verfahren zur Reduzierung der Verluste eines modularen Stromrichters in Dreieckkonfiguration - Google Patents

Verfahren zur Reduzierung der Verluste eines modularen Stromrichters in Dreieckkonfiguration Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steigerung des Wirkungsgrades in einer Stromrichterschaltung mit drei Zweigmodulen (ZM), die jeweils wenigstens zwei in Reihe geschaltete zweipolige Submodule (SM) aufweisen, wobei jeder der Submodule (SM) zwei elektrische Anschlüsse (X1) und (X2) aufweist, wobei jeder der Submodule (SM) wenigstens vier leistungselektronische Schalter (LS) sowie wenigstens einen Speicherkondensator (C) aufweist, wobei jeder der Submodule (SM) wenigstens zwei Schalterzustände aufweist, in denen die Spannung zwischen den Anschlüssen (X1) und (X2) jeweils positiv, negativ oder gleich Null ist, wobei die Plusanschlüsse (P1), (P2), (P3) der Zweigmodule (ZM1), (ZM2), (ZM3) jeweils mit den Phasenleitern (L1), (L2), (L3) eines Wechselspannungssystems und jeweils mit den Minusanschlüssen (N3), (N2), (N1) der Zweigmodule (ZM3), (ZM2), (ZM1) elektrisch leitend verbunden sind. Mit diesem Verfahren wird eine Reduzierung der Betriebskosten der Stromrichterschaltung und somit eine Steigerung der Effizienz erzielt. Durch einen geringeren Kühlungsaufwand können ebenfalls die Anschaffungskosten reduziert werden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erhöhung der Effizienz eines modularen Stromrichters in Dreieckkonfiguration (1).
  • Diese Schaltung ist aus der Veröffentlichung von Peng u. A. „A Multilevel Voltage-Source Inverter with Separate DC Sources for Static Var Generation" in „IEEE Transactions on Industry Applications" (Vol. 32 No. 5, Sebtember/October 1996) bekannt. Die Schaltung besteht aus drei Zweigmodulen (ZM), die nach dem Dreieckprinzip miteinander elektrisch verbunden sind, wobei jeder Verbindungspunkt von zwei Zweigmodulen mit einem Phasenleiter eines dreiphasigen Wechselspannungssystems verbunden ist.
  • Ein Zweigmodul umfasst eine Reihenschaltung von wenigstens zwei Submodulen (SM). Beispiele für Submodulausführungen sind in der 2 dargestellt. Insbesondere zeigt 2a) einen Submodul in Vollbrückenschaltung, die in der Veröffentlichung von Peng u. A. beschrieben wurde. Daneben sind viele andere Submodulschaltungen bekannt, die in ihren Eigenschaften, wie zum Beispiel Verluste, Verhalten in Fehlerfällen und Aufbaukosten, verschieden sind. Grundsätzlich können in dem oben genannten Stromrichter jedoch Submodule eingebaut werden, die wenigstens einen Energiespeicher (C) aufweisen, die mithilfe von leistungselektronischen Schaltern (LS) eine bipolare Submodulspannung zwischen den Klemmen (X1) und (X2) stellen können. 2b) zeigt z. B. einen Submodul nach dem Diode-Clamped Prinzip, mit dem der Momentanwert der Submodulspannung positiv, negativ oder gleich Null gestellt werden kann. Weiterhin kann ein modularer Stromrichter in Dreieckkonfiguration, wie andere bekannte modulare Mehrpunkttopologien auch, Batteriespeicher oder Energiequellen in den Submodulen enthalten. Beispielhaft zeigt 2c) einen Vollbrückensubmodul mit integriertem Batteriespeicher (B). Die Integration von Batterien in modulare Multilevelumrichter kann in stark dezentralisierten sowie in Inselnetzen sinnvoll und lukrativ sein. In der Veröffentlichung „Systematic Comparison of Modular Multilevel Converter Topologies for Battery Energy Storage Systems Based on Split Batteries" von Hillers und Biela auf der "17th European Conference on Power Electronics and Applications" (8–10 September 2015) wurde gezeigt, dass ein modularer Mehrpunktumrichter in Dreieckkonfiguration auch für Batteriespeicheranwendungen vorteilhaft ist.
  • Modulare Mehrpunktumrichter haben deutliche wirtschaftliche Vorteile in Netzen mit Spannungen ab einigen Kilovolt und bei Leistungen von mehreren Megawatt. Je höher die Leistung des Stromrichters, umso wichtiger ist es, die Effizienz so hoch wie möglich zu halten, weil sie auf die Betriebskosten direkten Einfluss hat. Eine höhere Effizienz ist mit der Erhöhung des Aufwandes für die Elemente des Starkstromkreises verbunden, wobei der Kühlungsaufwand reduziert wird.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Wirkungsgrad eines Stromrichters mit mathematischen und regelungstechnischen Mitteln zu erhöhen. Dabei kann die Stromrichterkonstruktion entweder unverändert bleiben oder, falls das erfindungsgemäße Verfahren in der Konstruktionsphase berücksichtigt wird, zur Reduzierung der Anschaffungskosten angepasst werden.
  • Die Realisierung des Verfahrens ist in dem vorliegenden Anspruch 1 beschrieben. Danach wird eine Verlustfunktion EV in Betracht gezogen, in der die Zweigstromkomponente Imin als unabhängige Variable definiert ist. Für jeden Zeitpunkt bzw. Zeitabschnitt kann ein Wert bzw. Zeitverlauf für Imin bestimmt werden, der die Funktion EV minimiert. Je nach Typ der leistungselektronischen Schalter und anderer Komponenten des Mehrpunktumrichters/Stromrichters sowie der Rechenarchitektur des Stromrichters ist es sinnvoll, die Werte von Imin mittels vorprogrammierter analytischer Gleichungen bzw. mit iterativen Verfahren zu bestimmen oder aus einer vorausberechneten Look-up Tabelle im Speicher für den entsprechenden Arbeitspunkt aufzurufen. Die verlustminimierende Zweigstromkomponente Imin wird dabei so definiert, dass die Ströme in den Stromrichteranschlüssen IA1, IA2 und IA3 von Imin nicht beeinflusst werden. Somit bleibt die ursprüngliche Stromrichterfunktion komplett erhalten.
  • Die Ansprüche 2 bis 5 beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Verlustfunktion EV. Für eine Steigerung der Gesamteffizienz werden alle Verlustkomponenten in der Funktion berücksichtigt. Soll aber zum Beispiel aufgrund von Kühlungsbetrachtungen nur die Erwärmung der leistungselektronischen Schalter reduziert werden, dann führt lediglich die Minimierung der dazugehörigen Verlustkomponenten zu einem geringeren Aufwand für die Kühlung dieser Schalter, obwohl die Gesamtverluste nicht auf dem Minimum sind. Ähnlich kann vorgegangen werden, falls die Submodulkondensatoren (oder andere Elemente) schlechte Verlusteigenschaften oder nur begrenzte Kühlungsmöglichkeiten aufweisen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • 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.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Peng u. A. „A Multilevel Voltage-Source Inverter with Separate DC Sources for Static Var Generation” in „IEEE Transactions on Industry Applications” (Vol. 32 No. 5, Sebtember/October 1996) [0002]
    • „Systematic Comparison of Modular Multilevel Converter Topologies for Battery Energy Storage Systems Based on Split Batteries” von Hillers und Biela auf der ”17th European Conference on Power Electronics and Applications” (8–10 September 2015) [0003]

Claims (5)

  1. Verfahren zur Reduzierung der Verluste eines modularen Stromrichters (1) mit drei Zweigmodulen (ZM), die jeweils wenigstens zwei in Reihe geschaltete zweipolige Submodule (SM) aufweisen, wobei jeder der Submodule (SM) zwei elektrische Anschlüsse (X1) und (X2) aufweist, wobei jeder der Submodule (SM) wenigstens vier leistungselektronische Schalter (LS) und wenigstens einen Energiespeicher (C) aufweist, wobei jeder der Submodule (SM) wenigstens zwei Schalterzustände aufweist, in denen die Spannung zwischen den Anschlüssen (X1) und (X2) jeweils positiv, negativ oder gleich Null ist, wobei die Plusanschlüsse (P1), (P2), (P3) der Zweigmodule (ZM1), (ZM2), (ZM3) jeweils mit den Phasenleitern (L1), (L2), (L3) eines Wechselspannungssystems und jeweils mit den Minusanschlüssen (N3), (N2), (N1) der Zweigmodule (ZM3), (ZM2), (ZM1) elektrisch leitend verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass für ein frei wählbares vorbestimmtes Zeitintervall bzw. einen Zeitpunkt TMIN – ausgehend von einer vorausbestimmten mathematischen Verlustenergiefunktion EV der zeitliche Verlauf bzw. der Wert einer verlustminimierenden Zweigstromkomponente Imin berechnet bzw. aus einem gespeicherten Datensatz aufgerufen wird, der die Verlustenergiefunktion EV über das gewählte Zeitintervall bzw. Zeitpunkt TMIN minimiert, – die Verlustenergiefunktion EV die Strom- und Spannungswerte in den Zweigmodulen (ZM) enthält, die aus dem Betrieb des Stromrichters über dem Zeitintervall bzw. in dem Zeitpunkt TMIN resultieren, – die Verlustenergiefunktion EV eine bzw. mehrere Funktionen für die Verluste in frei wählbaren Komponenten des Stromrichters enthält, – die verlustminimierende Zweigstromkomponente Imin den Zweigstromsollwerten I * / ZM12, I * / ZM23, I * / ZM31 überlagert wird, wobei die Ergebnisse der Überlagerung als neue Zweigstromsollwerte I * / ZM12MIN, I * / ZM23MIN, I * / ZM31MIN vorgegeben werden, – die Zweigstromistwerte IZM12, IZM23, IZM31 während des Zeitintervalls TMIN auf die entsprechenden neuen Zweigstromsollwerte I * / ZM12MIN, I * / ZM23MIN, I * / ZM31MIN geregelt werden, wobei die verlustminimierende Zweigstromkomponente Imin derart vorgegeben wird, dass die Ströme IA1, IA1, IA3 in den elektrischen Leitungen zwischen den Phasenleitern (L1), (L2), (L3) und den Plusanschlüssen (P1), (P2), (P3) der Zweigmodule (ZM) nicht geändert werden.
  2. Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlustenergiefunktion EV eine Funktion für die Verluste in allen leistungselektronischen Schaltern (LS) aller Zweigmodule (ZM) über das Zeitintervall bzw. in dem Zeitpunkt TMIN enthält.
  3. Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlustenergiefunktion EV eine Funktion für die Verluste in den Verschienungselementen und Kontaktübergängen sowie in den Stromsensoren des Stromrichters über das Zeitintervall bzw. in dem Zeitpunkt TMIN enthält.
  4. Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlustenergiefunktion EV eine Funktion für die Verluste in den elektrischen Speichern (C) der Submodule (SM) über das Zeitintervall bzw. in dem Zeitpunkt TMIN enthält.
  5. Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Zweigmodulen (ZM), die zusätzlich zu den Submodulen (SM) eine reihengeschaltete Glättungsdrossel (GD) aufweisen, (3) die Verlustenergiefunktion EV eine Funktion für die Verluste in den Glättungsdrosseln (GD) über das Zeitintervall bzw. in dem Zeitpunkt TMIN enthält.
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DE102015011004A1 (de) * 2015-08-18 2017-02-23 Technische Universität Ilmenau Verfahren zur Reduzierung der Verluste in einem modularen Mehrpunktumrichter

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