DE102020004752A1

DE102020004752A1 - DC-Modulierendes modulares elektrisches Umrichtersystem und zugehöriges Steuerungsverfahren

Info

Publication number: DE102020004752A1
Application number: DE102020004752.1A
Authority: DE
Inventors: Zhongxi Li; Stefan Goetz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-08-05
Filing date: 2020-08-05
Publication date: 2022-02-10

Abstract

Ein elektrisches Umrichtersystem mit mindestens einem Frontend und einem Backend zur Erhöhung der Ausgangsqualität sowie zur Verringerung des Schaltverlustes und der damit verbundenen Steuerung sind offengelegt. Unter anderem kann das elektrische Umrichtersystem und die zugehörige Steuerung gemäß der offengelegten Erfindung ein- und mehrphasigen Wechselstrom mit Strom- oder Spannungssteuerung erzeugen und findet beispielsweise Anwendung in drehzahlvariablen Antrieben, netzgekoppelten Batterieladegeräten, photovoltaischen Systemen oder Netzspeichern.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren für einen leistungselektronischen Umrichter, wie er in drehzahlvariablen elektrischen Antrieben oder netzgekoppelten Batterieladegeräten, photovoltaischen Systemen oder Netzspeichern verwendet wird.
In batterieelektrischen Fahrzeugen wandeln Motorantriebe die Batterieleistung in eine bestimmte elektrische Form um, wie z. B. dreiphasige Wechselspannung und Strom mit bestimmter Amplitude, Frequenz und Phase, um den Motor effektiv anzutreiben. Motorantriebe bestehen typischerweise aus mindestens zwei Hauptteilen, einer Batteriebank (oft auch als Batteriepack bezeichnet) als Stromquelle und einem elektrischen Hauptwandler (auch als Wechselrichter, Pulswechselrichter, Umrichter oder DC/AC-Wandler bezeichnet). Die Batteriebank besteht aus mehreren Batterien, die in Reihe und parallel fest verdrahtet sind, um genügend Leistung zu liefern. Die von der Batteriebank bereitgestellte elektrische Leistung liegt in Gleichstromform (DC) vor, die dann über den Hauptwandler in Wechselstromform (AC) umgewandelt wird, um schließlich den Motor zu speisen. Der Hauptwandler führt eine solche DC/AC-Wandlung in der Regel über Brückenschaltungen durch, die die Ausgangsklemmen des Wandlers abwechselnd mit dem positiven oder negativen Pol der Gleichspannungsquelle verbinden. In jedem Schaltzustand wählt der Umrichter die Verweildauer so, dass eine bestimmte, vom Motor benötigte Wechselstromwellenform annähernd erreicht wird. Der Stand der Technik dieser Konfiguration ist z. B. in US 8,441,224 B2 beschrieben.
Aus einer solchen Motorantriebskonfiguration ergeben sich mehrere Nachteile: 1) Die Ausgangswechselspannung hat eine niedrige Qualität und eine hohe Verzerrung. Die verzerrte Spannungswellenform belastet die Wicklungsisolation der Motoren; 2) die Batteriebank - die typischerweise aus zahlreichen Batterieeinheiten besteht - erfordert Ausgleichsschaltungen, die normalerweise kompliziert und teuer sind; 3) die Batteriebank muss ständig eine hohe Gleichspannung abgeben, um das Betriebsprofil vollständig abzudecken. Da der DC/AC-Wandler unabhängig von der Echtzeitlast immer mit einer solch hohen Spannung schaltet, bleibt der Energieverlust hoch und belastet das Kühlsystem. Darüber hinaus wird ein Teil des Energieverlustes elektromagnetisch abgestrahlt und erfordert besondere Maßnahmen zur Einhaltung der EMV-Normen.
Die oben genannten Probleme haben ihren Ursprung in der festverdrahteten Batteriebank, das deren Ausgangsgleichspannung unabhängig vom tatsächlichen Betriebszustand nicht gezielt variiert werden kann. Der DC/AC-Wandler arbeitet daher meist unter suboptimalen Bedingungen. Bestehende Lösungen lassen sich wie folgt kategorisieren.
US 8,760,122 B2 , US 2019/0288617 A1 , DE 10 2018 106 307 A1 , JP 2019 165 623 A , und DE 10 2018 109 922 A1 offenbaren die Verwendung modularer Multilevel-Konverter, um die Batteriebank aufzulösen und an jede Batterieeinheit einen Mikro-DC/AC-Wandler anzuschließen. Die Module, die jeweils aus einer Batterieeinheit und einem Mikro-DC/AC-Wandler bestehen, sind zu Strängen verdrahtet, und jeder Strang kann je nach der Schaltkonfiguration der Mikro-DC/AC-Wandler der Module effektiv jede beliebige Wechselstrom-Wellenform erzeugen. Wichtig ist, dass die Anzahl der Modul-Stränge der Anzahl der Phasen des Motors entspricht. In der Leistungselektronik wird eine solche Konfiguration als modularer Mehrpunktwandler oder Multilevel-Konverter bezeichnet. Es besteht keine Notwendigkeit für einen unabhängigen Wandler, da die DC/AC-Wandlung durch die Module ersetzt wird. Die Ausgangswechselspannung ähnelt einer Treppe, wobei jede Stufe einem eingefügten Modul entspricht. Eine solche treppenförmige AC-Wellenform ist eindeutig weniger verzerrt als die von herkömmlichen Motorantrieben erzeugte. Die Mikro-DC/AC-Wandler gewährleisten eine zusätzliche Steuerbarkeit über die Batterieeinheiten und vereinfachen das Batteriemanagement (z. B. Zellausgleich und/oder Batteriemodulausgleich). Eine solche vollständig modulare Konfiguration belastet die Batterien jedoch mit oszillierendem Laststrom, der oft als Welligkeit oder Umlaufstrom bezeichnet wird, was zu erheblichen zusätzlichen Energieverlusten und thermischem Stress führt. Die Konfiguration erfordert auch wesentlich mehr Schaltungskomponenten. Bislang,sind modulare mehrstufige Motorantriebe nur von akademischem Interesse und noch nicht praktisch einsetzbar.
In ähnlicher Weise beschreibt die wissenschaftliche Publikation Li et al. 2019 [Z. Li, R. Lizana, S. M. Lukic, A. V. Peterchev, and S. M. Goetz, „Current Injection Methods for Ripple-Current Suppression in Delta-Configured Split-Battery Energy Storage.“ IEEE Trans. Power Electron., vol. 34, no. 8, pp. 7411-7421, 2019, doi: 10.1109/TPEL.2018.2879613] eine Methode für batterieintegrierte modulare Multilevel-Konverter zur Reduzierung des oszillierenden Laststroms.
US 9,502,960 B2 sowie die wissenschaftlichen Publikationen Goetz et al. 2016 [S. M. Goetz, Z. Li, X. Liang, C. Zhang, S. M. Lukic, and A. V. Peterchev, „Control of modular multilevel converter with parallel connectivity-Application to battery systems.“ IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 32, no. 11, 8381-8392, 2016, doi: 10.1109/TPEL.2016.2645884] und Li et al. 2018 [Z. Li, R. Lizana, S. Sha, Z. Yu, A. V. Peterchev, and S. M. Goetz. „Module implementation and modulation strategy for sensorless balancing in modular multilevel converters.“ IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 34, no. 9, pp. 8405-8416, 2018, doi: 10.1109/TPEL.2018.2886147] legen verschiedene Modulschaltungstopologien.
US 7,764,044 B2 , US 7,279,855 B2 , EP 1,881,596 A1 und die wissenschaftliche Publikation Okamura, Masaki 2003 [Okamura, Masaki. „Development of hybrid electric drive system using a boost converter.“ EVS-20 November, 2003 (2003)] beschreiben die Verwendung einer DC/DC-Stufe zwischen der Batteriebank und dem DC/AC-Wandler. Die DC/DC-Stufe in der Mitte nimmt als Eingang die Gleichspannung der Batteriebank auf und gibt eine geregelte Gleichspannung für den DC/AC-Wandler aus. Die geregelte Gleichspannung kann dynamisch an unterschiedliche Motordrehzahlen angepasst werden, z. B. durch Absenken der Spannung bei niedrigen Drehzahlen. Durch eine solche Konfiguration wird die elektrische Belastung des DC/AC-Wandlers und des Motors gemildert. Die DC/DC-Stufe entkoppelt auch die Konstruktion der Batteriebank und des DC/AC-Wandlers.
Die wissenschaftliche Publikation Tekwani und Manilal 2017 [P. N. Tekwani and P. V. Manilal, „Novel approach employing buck-boost converter as DC-link modulator and inverter as ACchopper for induction motor drive applications: An alternative to conventional AC-DC-AC scheme.“ in IEEE International Symposium on Industrial Electronics, vol. 26, pp. 793-800, 2017, doi: 10.1109/ISIE.2017.8001347] beschreibt und analysiert eine relevante DC/DC-Stufe, eine Methode zur Steuerung und Peripherie für einen Motorantrieb.
Die wissenschaftliche Publikation Hsu et al. 2010 [J. S. Hsu, C. W. Ayers, and C. L. Coomer, „Report on Toyota/Prius motor design and manufacturing assessment.“ Oak Ridge Natl. Lab., p. 14, 2010, ORNL/TM-2004/137] beschreiben einen elektrischen Fahrzeugantriebsstrang, der eine DC/DC-Stufe implementiert. Die Primärseite der DC/DC-Stufe arbeitet jedoch konstant mit der vollen Spannung der Batteriebank, während sie den gesamten Strom leitet. Mit anderen Worten, die reduzierte Schaltbeanspruchung des DC/AC-Wandlers wird auf Kosten zusätzlicher Komponenten und damit höherer Leitungsverluste auf die DC/DC-Stufe übertragen. Darüber hinaus sind auch große magnetische Komponenten für die DC/DC-Stufe erforderlich, was zu unerwünschten Kompromissen zwischen Gewicht und Wirkungsgrad führt. Schließlich ist ein Batteriemanagementsystem nach wie vor obligatorisch.
Diese dem Fachmann bekannten Lösungen schlugen eine Reihe von Verbesserungen vor, wie z. B. die Qualität der Wellenform und ein besseres Batteriemanagement gegenüber der vorherrschenden einfachen Technologie zu Kosten von mehr Komponenten und/oder geringerer Effizienz. Die hier offengelegte Erfindung erreicht die Vorzüge dieser bekannten Lösungen und mildert gleichzeitig die unerwünschten Nachteile.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung umfasst beispielsweise mindestens eine rekonfigurierbare Batteriebank, vorteilhaft modularisiert, und einen DC/AC-Wandler. Ein erfindungsgemäßes Verfahren betreibt sowohl die rekonfigurierbare Batteriebank als auch den Wechselrichter unter ihren optimalen Bedingungen. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung umfasst mindestens eine Reihe von Modulen und mindestens einen DC/AC-Wandler. Jedes Modul umfasst mindestens ein Energiespeicherelement und mindestens zwei Leistungsschalter. Die mindestens zwei Leistungsschalter können einen Mikro-DC/AC-Wandler bilden.
Im Gegensatz zum kanonischen zweiteiligen Motorantrieb, d. h. einer fest verdrahteten Batteriebank und einem DC/AC-Wechselrichter, behält die Erfindung den DC/AC-Wandler bei, modularisiert aber die Batteriebank. Im Gegensatz zu modularen Multilevelantriebsinvertern verwendet die Erfindung ähnliche elektrische Module, kann aber nur einen Modulstrang realisieren, was entscheidend ist, um den großen, niederfrequenten Welligkeitsstrom in den Batterien zu eliminieren. Die rekonfigurierbare Batteriebank gibt vorzugsweise nur Spannungen einer Polarität ab, beispielsweise positive Spannungen.
Backend
Die rekonfigurierbare Batteriebank, im Folgenden als Backend bezeichnet, besteht aus einer Vielzahl von Modulen. Jedes Modul umfasst mindestens eine Energiespeichereinheit, mindestens zwei Leistungsschalter und mindestens zwei elektrische Anschlüsse. Die mindestens zwei Leistungsschalter können einen Mikro-DC/AC-Wandler bilden. Der Energiespeicher kann eine Batterieeinheit sein, die aus mindestens einer Batteriezelle, einem oder mehreren Kondensatoren oder Kombinationen davon besteht. Der Mikro-Gleichstrom/Wechselstromwandler kann die Anschlüsse des Energiespeichers dynamisch mit den elektrischen Ausgangsanschlüssen des Moduls verdrahten und so unterschiedliche Spannungen nach außen hin effektiv darstellen. Beispiele für Schaltelemente sind Transistoren, wie Feldeffekttransistoren (FET), bipolare Transistoren und bipolare Transistoren mit isoliertem Gate (IGBT). Weitere Konfigurationen können den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung entnommen werden.
M2Cs (Modular Multilevel Converter), M2SPCs (Modular Multilevel Serial-Parallel Converter) und Switched-Capacitör-Wandler verwenden als Grundstruktur im Allgemeinen eine Verkettung ähnlicher Teilschaltungen, die durch weitere Elemente ergänzt werden können, z. B. seriell benachbarte Schaltungen, parallel zur Grundstruktur verlaufende Schaltungen oder Schaltungselemente, die verschiedene Knoten der Grundstruktur verbinden. In diesem Fall muss der Teil der Schaltung, der mindestens einmal wiederholt wird, im Folgenden Modul oder Einzelmodul genannt, ohne Einschränkung der Allgemeinheit, nicht strukturell identisch wiederholt werden, sondern hat funktionelle Ähnlichkeit. Solche topologischen Module können auch strukturelle oder physikalische Module bilden, die die Herstellbarkeit verbessern. Zwei Module weisen in der Regel bereits eine solche Ähnlichkeit auf, wenn beide mindestens zwei so genannte Schaltungsfunktionen oder Schaltungszustände desselben Typs darstellen können. Zudem muss die Implementierung der Energiespeicher in den Modulen nicht identisch sein. So ist es beispielsweise möglich, im Backend einige Module zu haben, die nur Kondensatoren enthalten und sich beispielsweise als Filter verhalten, während die anderen Module Batterieeinheiten enthalten und sich als Stromquellen verhalten.
Als Module im Backend können alle bekannten Modulschaltungen (sogenannte Mikrotopologien oder Modultopologien) modularer Konverter, zum Beispiel modulare Multilevel-Konverter wie der M2C oder der M2SPC und Switched-Capacitor-Konverter, verwendet werden. Bevorzugte Modultypen sind Zwei-Quadranten-Module des M2C (oft auch Chopper-Module genannt, im Folgenden kurz M2C-2q), Vier-Quadranten-Module des M2C (im Folgenden kurz M2C-4q genannt), kurzschlussgeschützte M2C-Module (im Folgenden kurz 4q-KGM2C genannt), Vier-Quadranten-Module des M2SPC (im folgenden kurz M2SPC-4q genannt), Zwei-Quadranten-Module des M2SPC (im folgenden kurz M2SPC-2q genannt), Marx-Konverter-Module (im folgenden kurz MaM genannt) und verschiedene Switched-Capacitor-Module.
Die Backend-Module werden zu einem Strang verkettet. Die beiden äußersten Klemmen bilden. ein differentielles DC-Paar, während die Klemmen zwischen den Modulen abgegriffen werden können, um jegliche Zusatzelektronik und Nebenaggregate beispielsweise bei niedrigerer Spannung zu versorgen;
Frontend
Der DC/AC-Hauptwandler (im folgenden Frontend genannt) besteht aus einer Vielzahl von Schaltelementen, mindestens zwei elektrischen Gleichstromanschlüssen unterschiedlicher Polarität und einer Vielzahl von elektrischen Wechselstromanschlüssen. Die AC-Klemmen sind mit dem Motor verbunden. Die Schaltelemente können so gesteuert werden, dass die Wechselstromanschlüsse dynamisch mit den Gleichstromanschlüssen verdrahtet werden, wodurch dem Motor effektiv jegliche Wechselspannung zugeführt werden. Wechselspannung, Wechselstrom und AC betreffen hier beliebige Phasenzahlen und somit ferner auch Drehspannung bzw. Drehstrom.
Die Funktion des Frontend-Umrichters ähnelt der von kanonischen Motorantrieben, d. h. elektrische Leistung von der Gleichstrom- in die Wechselstromform umzuwandeln. Daher können alle dem Fachmann bekannten DC/AC-Wandler als Frontend verwendet werden. Mögliche Implementierungen sind zweistufige Mehrphasenumrichter, dreistufige Umrichter mit Neutralpunktklemmung (neutral-point-clamped inverter) und die M2C-Makrotopologie nach Marquardt.
Das Backend und das Frontend können entweder direkt verbunden sein, wobei die beiden äußersten Anschlüsse des Backends mit den DC-Eingangsanschlüssen des Frontends verbunden sind; oder über ein optionales Tiefpassfilter verbunden sein, wobei das Filter mindestens ein passives Schaltungselement wie einen Kondensator oder eine Induktivität umfasst. Eine bevorzugte Ausführungsform des Filters besteht aus einer Induktivität und einem Kondensator (L-C-Filter).
Figurenliste
Weitere Vorteile und Verfeinerungen der Erfindung sind in der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen zu finden.
Die oben zusammengefassten und im Folgenden zu beschreibenden Merkmale können nicht nur in den jeweils gegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder allein verwendet werden, ohne vom Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

1 zeigt schematische Darstellungen von drei elektrischen Umrichtersystemen nach dem Stand der Technik:
- 1a (nach US 8.441.224 B2 ) zeigt ein gebräuchliches elektrisches Umrichtersystem für Motorantriebe, bei dem eine fest verdrahtete Batteriebank eine feste Gleichspannung liefert, die einen DC/AC-Wechselrichter speist und schließlich die Last antreibt.
- 1b (nach US 7.279.855 B2 ) zeigt ein elektrisches Umrichtersystem, das der Vorrichtung in 1a ähnlich ist, jedoch mit einer DC/DC-Stufe, die zwischen der Batteriebank und dem DC/AC-Wechselrichter eingefügt ist.
- 1c-d(nach US 8.760.122 B2 und US 20190288617 A1 ) zeigen ein elektrisches, Umrichtersystem, das hauptsächlich aus elektrischen Modulen besteht. Die Module bilden Stränge, die die elektrische Last direkt speisen.
2a-b illustrieren verschiedene Ausführungsformen der Erfindung.
3a-h veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen des Backends unter Verwendung verschiedener Module.
4 zeigt mehrere Ausführungsformen des Filters.
5 zeigt mehrere Verkörperungen des erfindungsgemäßen Frontends.
6-7 veranschaulichen Reglerstrukturen der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Vorrichtung
2a zeigt ein elektrisches Umrichtersystem 200 gemäß der Erfindung. Die elektrische Last 211, z. B. ein AC- oder Drehstrommotor, wird an mindestens zwei Wechselstromanschlüsse 210 von mindestens einem Frontend 500 angeschlossen. Die Energieversorgung des elektrischen Umrichtersystems wird von mindestens einem Backend 300 zur Verfügung gestellt, das mindestens einem, vorzugsweise genau einem, Strang aus mehreren Modulen 310 umfasst. Die Module 310 umfassen jeweils mindestens ein Energiespeicherelement 312 und 313. Die Ausgangsspannungen, gemessen an den Wechselstromanschlüssen 210, werden gemeinsam vom Backend 300 und vom Frontend 500 synthetisiert. Zwischen dem Backend und dem Frontend kann optional ein Filter 400 zur Entkopplung der elektrischen Schalttransienten implementiert werden. Ein oder mehrere Hilfsgleichstromanschlüsse 220 können zwischen zwei beliebigen benachbarten Modulen 310 im Backend 300 abgegriffen werden. Optionale Hilfsgleichstromanschlüsse 220 können im Backend 300 abgegriffen werden, um elektrische Hilfsenergie bspw. für Nebenverbraucher bereitzustellen.
Die Module 310 können einen bestimmten Teil der Strom-Spannungs-Ebene abdecken. Wenn ein Modul zwei Quadranten dieser Ebene abdecken kann, z. B. weil es nur positive sowie Nullspannung und Ströme mit beiden Polaritäten erzeugen kann, kann es Energie absorbieren und abgeben und wird als Zwei-Quadranten-Modul bezeichnet. Wenn es zusätzlich Spannungen beider Polaritäten und Ströme beider Richtungen erzeugen kann, wird es als Vier-Quadranten-Modul bezeichnet. Andere Kombinationen von Quadranten oder Teilbereichen der Strom-Spannungs-Ebene sind ebenfalls möglich.
2b zeigt eine Verkörperung des elektrischen Umrichtersystems 200, modifiziert im Hinblick auf den Filter 400 und das Frontend 500.
3a zeigt das Backend 300, das als Energieversorgung für das elektrische Umrichtersystem 200 dient. Das Backend 300 enthält eine positive Gleichstromschiene 230 und eine negative Gleichstromschiene 250, an die der Rest des elektrischen Umrichtersystems 200 angeschlossen ist. Das Backend 300 basiert in erster Linie auf einem Strang von mehreren Modulen 310. Die Module 310 sind über eine Verbindung 320 miteinander verbunden, die vorzugsweise aus einer einfachen elektrischen Leiter besteht. Die Module 310 können durch verschiedene Topologien , verkörpert werden, die, ungemischt oder in Kombination miteinander, das Backend 300 bilden. Typische Modultopologien mit der Einzelleiterverbindung 320 sind in 3b und 3c detailliert dargestellt.
3b-c zeigt mehrere Alternativen für die Module 310a-c. Jedes Modul enthält mehrere Leistungsschalter 316, einen passiven Filter 312 und/oder einen Energiespeicher 313. Der Energiespeicher 313 kann durch mindestens eine Batterie realisiert werden, mit der das Modul aktive Leistung bereitstellen kann. Ohne den Energiespeicher kann das Modul als aktiver Filter in Reihe zu den anderen Modulen dienen. Für das elektrische Wandlersystem 200 enthält mindestens ein Modul eine Batterie.
Bei der Analyse von DC/AC-Wandlern wie z. B. den Modulen 310a-c ist es üblich, jeweils zwei Leistungsschalter 316 in Reihe zu schalten und so eine sogenannte Halbbrücke 311 zu bilden (3b). Die beiden äußersten Anschlüsse einer Halbbrücke 311 werden mit dem mindestens einen Energiespeicher 312, 313 verbunden. Die mittlere Klemme 314, 315 stellt den Ausgang der Halbbrücke 311 zur Verfügung. Die beiden Leistungsschalter 316 von Halbbrücken werden typischerweise komplementär ein- und ausgeschaltet.
In einem Modul 310 verbinden die Kombinationen von EIN- und AUS-Zuständen der Schalter 316 effektiv den mindestens einen Energiespeicher 312 und/oder 313 mit den mittleren Klemmen 314, 315 in unterschiedlichen Polaritäten. Jede dieser zeitlichen Schaltkombinationen wird als ein Zustand eines Moduls bezeichnet. Die Modulausführungsform 310a, die zwei Halbbrücken aufweist, kann im positiven Zustand 310a1, im negativen Zustand 310a2 und in mindestens einem Überbrückungszustand 310a3 konfiguriert werden. Modul 310a ist also ein Vier-Quadranten-Modul. Die Modulausführungsform 310b(310c), die nur eine Halbbrücke 311 aufweist, kann in einem polarisierten Zustand 310b1(310c1) und einem Bypass-Zustand 310b2(310c2) konfiguriert werden. Bei den Modulausführungsformen 310b und 310c handelt es sich um Zweiquadrantenmodule.
3d zeigt eine Variante von 3a, die eine zweiadrige Verbindung 330 zwischen zwei benachbarten Modulen 310 aufweist. Die Zwei-Leiter-Verbindung 330 ermöglicht es dem Backend 300, eine breitere Palette von Modulen zu verwenden, wie z. B. vorteilhaft die in 3e-g vorgestellten seriellen/parallelen Module 310d-f. Dementsprechend nimmt die Verbindung in der Nähe der Hilfsgleichstromanschlüsse 220 verschiedene Konfigurationen an, die in 3h detailliert dargestellt sind.
3e-g zeigen verschiedene Serien/parallele Module 310d-f. Ähnlich wie die Module 310a-c umfasst jedes Serien-/Parallelmodul mindestens einen Energiespeicher 312, 313 sowie eine Vielzahl von Leistungsschaltern 316. Im Unterschied zu den Modulen 310a-c in 3b-c umfassen die Serien-/Parallelmodule 310d-f mehr Halbbrücken, bieten aber im Vergleich zu den Modulen 310a-c die gleichen Betriebsquadranten. Die zusätzlichen Halbbrücken der seriellen/parallelen Module erfordern eine Zwei-Leiter-Verbindung 330 und ermöglichen parallele Modulzustände 310d1, 310e1, 310f1, bei denen der mindestens eine Energiespeicher vorübergehend parallel zu den Energiespeichern der anderen Module geschaltet werden kann. Die Module 310d-f werden über die Klemmen 314a-b, 315a-b miteinander verbunden, wie in 3e-g dargestellt.
Das Serien-/Parallelmodul 310d besteht aus vier Halbbrücken 311 oder acht Leistungsschaltern 316, die einen Vierquadrantenbetrieb ermöglichen, bei dem zwischen den Klemmenpaaren 314a-b und 315b-c zwischen zwei Polaritäten umgeschaltet werden kann, dargestellt als Zustände 310d2 und 310d3. Zustand 310d1 ist einer der parallelen Zustände, die von Modul 310d angeboten werden. Modul 310e arbeitet in zwei Quadranten der Strom-Spannungs-Ebene und ermöglicht einen parallelen Zustand 310e1 und einen polarisierten Zustand 310e2. Die anderen Varianten der Serien-/Parallelschaltungen sind ebenfalls möglich. Ein Beispiel ist das Modul 310f, das funktionell mit dem Modul 310e identisch ist, obwohl es nur mindestens einen Energiespeicher 312, 313 und drei unabhängige Leistungsschalter 316, d. h. weniger Transistoren, enthält.
3h zeigt alternative elektrische Konfigurationen der Verbindung 340 von 3d.
4 zeigt mehrere Ausführungsformen für ein Filter 400. Die Ausführungsform 400a ist ein L-C-Filter, das aus einer Induktivität und einem Kondensator besteht und zur Dämpfung von Schwingungen zwischen dem Backend 300 und dem Frontend 500 verwendet wird. Die Ausführungsform 400b besteht nur aus einem Kondensator 403, der physisch in der Nähe des Frontends 500 angeordnet ist, um die Schalttransienten zu absorbieren. Das alternative Filter 400c ist lediglich ein Draht, der das Backend 300 und das Frontend 500 direkt verbindet.
5 zeigt eine Verkörperung des Frontends 500. Die Ausführungsform 500a besteht aus mehreren Halbbrücken 510a-c, die jeweils zwei in Reihe geschaltete Leistungsschalter 316 enthalten. Die beiden äußersten Anschlüsse jeder Halbbrücke sind mit der positiven Gleichstromschiene 240 und der negativen Gleichstromschiene 250 verbunden. Durch Wechsel der Schaltzustände können die drei Halbbrücken 510a-c Wechselspannungen zwischen den Klemmen 210a-c erzeugen und so den Motor antreiben.
Betrieb
6 zeigt eine Reglerstruktur 600 für das elektrische Umrichtersystem 200. Die Reglerstruktur beginnt mit den AC-Spannungsreferenzen 611, die von einer übergeordneten Motorsteuerung 610 berechnet wurden. In einer Ausführungsform umfasst die Reglerstruktur 600 mindestens einen Backend-Regler 620 und mindestens einen Frontend-Regler 630. Mindestens eine und typischerweise mindestens drei AC-Spannungsreferenzen 611 werden in dieser Ausführungsform durch mindestens einen Backend-Regler 620 - der die Schaltsignale 621 für das mindestens eine Backend 300 erzeugt - und durch den mindestens einen Frontend-Controller 630 gebildet, der die Schaltsignale 631 für das mindestens eine Frontend 500 erzeugt. Es gibt bestimmte Freiheitsgrade bei der Aufteilung der mindestens einen Wechselspannungsreferenz zwischen dem mindestens einen Backend-Controller 620 und dem mindestens einen Frontend-Controller 630. Diese Steuerungsfreiheit kann zur Optimierung des Schaltverlustes und der Ausgangsqualität genutzt werden. In einer anderen Ausführungsform sind Backend-Regler 620 und Frontend-Regler 630 vereint.
Alternativ kann auch zumindest eine rotierende Vektorreferenz, beispielsweise vom mindestens einen Backened-Regler 620 gemäß der Raumzeigerdarstellung gebildet werden, die anschließend in zumindest zwei Anteile aufgeteilt wird, zumindest eine erste davon für den Backend-Regler 620 und zumindest eine zweite davon für den Frontend-Regler 630.
Bei DC/AC-Wandlern wie z. B. dem Frontend 500 wird das Verhältnis zwischen seiner Spitzen-Ausgangswechselspannung - gemessen über die AC-Klemmen 210 - und der mindestens einen Eingangsgleichstrom-Zwischenkreisspannung 622 als DC-Zwischenkreis-Ausnutzungsgrad bezeichnet, der in der Regel 100 %nicht überschreiten kann. Die meisten elektrischen Umrichtersysteme begrenzen die AC-Ausgangsspannungen unter die DC-Zwischenkreisspannung, um Ausgangsverzerrungen (Übermodulation) zu vermeiden. Eine solche Einstellung führt zu hochfrequenten Schaltvorgängen an allen Leistungsschaltern des Frontend-Wandlers und erzeugt hohe Verluste. Bei dieser Erfindung wird dagegen die mindestens eine Zwischenkreisspannung 622 variiert, um den Zwischenkreisausnutzungsgrad auf genau 100 % oder nahe daran zu fixieren. Durch das Arbeiten bei nahezu 100 % (z. B. > 95 %) des DC-Zwischenkreisausnutzungsverhältnisses wird ein großer Teil der Schaltvorgänge in dem mindestens einen Front-End 500 eingespart und die Schaltverluste stark reduziert, ohne die Ausgangsqualität zu beeinträchtigen. Eine solche Betriebsart ist in 6a dargestellt.
6a zeigt eine Ausführungsform des Regelungsrahmens 600 für einen Drehstrommotor. In der Ausführungsform 600a umfasst der Backend-Controller 620 mindestens einen Zwischenkreisspannungsregler 623 und mindestens einen Scheduler 624. Eine Verkörperung des mindestens einen Zwischenkreisspannungsreglers 623a stellt die mindestens eine Zwischenkreisspannung 622 so ein, dass das Zwischenkreis-Nutzungsverhältnis in Bezug auf die Wechselspannungsreferenzen 611 immer 100 % beträgt. Für M-Phasensysteme mit den AC-Referenzspannungen v_Φ1, v_Φ2, ..., v_ΦM kann eine solche Zwischenkreisspannung 622 berechnet werden durch $v_{DC} = max {v_{ϕ 1}, v_{ϕ 2},..., v_{ϕ M}} - min {v_{ϕ 1}, v_{ϕ 2},..., v_{ϕ M}} .$
Der Spannungssollwert v_DC enthält die 2M-te Oberwellenfrequenz und höhere Frequenzen. Diese Frequenzen sind im Allgemeinen zu hoch, um mit einstufigen DC/DC-Wandlern realisiert werden zu können, aber mit dem mindestens einen Backend 300 der Erfindung mühelos erreicht werden kann. Schließlich wird die mindestens eine DC-Zwischenkreisspannung 622 durch mindestens einen Scheduler 700 erreicht, der den Modulen 310 Schaltzustände zuweist.
Bei v_DC gibt es einen großen Freiheitsgrad bei der Zuordnung der Schaltzustände zu den Modulen 310, mit denen verschiedene Ziele wie Hilfsgleichspannung und Batteriemanagement erreicht werden können. Der Spannungssollwert am Hilfsgleichspannungsanschluss 220, v_aux, kann durch die Untermodulkette M(^k+1) -M^(N) bereitgestellt werden, während die restlichen v_DC-v_aux durch M⁽¹) ^_M^(k) bereitgestellt werden. Umgekehrt kann der Spannungsbefehl auch bis auf Modulebene feinkörnig sein, wodurch das Batteriemanagement erreicht wird. Beispielsweise können während des Betriebs einige Module (z. B. eingebaute Energiespeicherelemente wie Batterien) stärker entladen werden als der Rest. Diesen Ausreißermodulen muss befohlen werden, weniger (mehr) Spannung zu erzeugen, wenn das elektrische Wandlersystem 200 entladen (geladen) wird. Sobald die Verteilung der Spannungsbefehle entschieden ist, gibt es zahlreiche Methoden, um die Spannungsbefehle in die Modulschaltzustände zu übersetzen (wie z. B. Li et al. (2019) [Z. Li, S. M. Goetz, et al. , „Module Implementation and Modulation Strategy for Sensorless Balancing in Modular Multilevel Converters“, in IEEE Transactions on Power Electronics, Bd. 34, Nr. 9, S. 8405-8416, Sept. 2019, doi: 10.1109/TPEL.2018.2886147.] und Goetz et al. (2017) [S. M. Goetz, Z. Li, et al., „Control of Modular Multilevel Converter With Parallel Connectivity-Application to Battery Systems,“ in IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 32, No. 11, S. 8381-8392, Nov. 2017, doi: 10.1109/TPEL.2016.2645884.]), die hier durch Verweis aufgenommen wurden, dem Fachmann bekannt sind, und hier nicht weiter erläutert werden.
In Verbindung mit der oben definierten Zwischenkreisspannungsregelung werden die AC-Referenzspannungen 611 von der mindestens einen Frontend-Spannungsregelung 632 nach mindestens einem sogenannten Tastverhältnis von $m_{ϕ k} = \frac{v_{ϕ k} - min {v_{ϕ 1}, v_{ϕ 2},..., v_{ϕ M}}}{max {v_{ϕ 1}, v_{ϕ 2},..., v_{ϕ M}} - min {v_{ϕ 1}, v_{ϕ 2},..., v_{ϕ M}}} .$
Die resultierenden Modulationsreferenzen werden an die mindestens eine Modulationsstufe 800 gesendet, um in Transistor-Schaltsignale umgewandelt zu werden. Hier können die meisten Modulationsmethoden verwendet werden, einschließlich.der Pulsweitenmodulation mit Dreiecksträgern, beispielsweise nach US 5,473,530 A . Kurz gesagt, die AC-Referenz beschreibt den zeitlichen Anteil der Einschaltzeit des/der Leistungsschalter(s) der entsprechenden Phase. Wenn die Referenz nach der obigen Formel unter der Bedingung von (1.1) berechnet wird, verbringt die Referenz 2/M Zeitanteil entweder in 0 (Minimum) oder 100 % (Maximum), wobei keine Schaltvorgänge für die entsprechenden Schalter des Frontend-Wandlers stattfinden. Bei drei Phasen ist sie vorzugsweise mindestens ein Drittel der Zeit auf ihrem Maximalpegel (z. B. > 95 %, vorzugsweise 100 %). 6b visualisiert die Verkörperung 600a mit Hilfe mehrerer Wellenformen.
7 illustriert den Scheduler 700 zur Steuerung des Backend 300. Zusätzlich zur Erzeugung der erforderlichen Zwischenkreisspannung 622 kann der Scheduler 700 die großen Freiheitsgrade im Backend 300 nutzen, um die Batterien zu steuern, wie z. B. den Ladezustandsausgleich, die Verzögerung des Filters 400 zu kompensieren und die Versorgung von Hilfslasten bzw. Nebenaggregaten zu steuern oder zu regeln. Die Ausführung dieser zusätzlichen Aufgaben erfordert jeweils die Informationen der Batteriezustände 701, der Motorlasten 702 und der Hilfslasten 703. Um die Eingänge 622, 701, 702, 703 in die Schaltsignale 621 umzuwandeln, könnten verschiedene Steuermethoden implementiert werden. 7a zeigt eine Verkörperung des Schedulers 700a, bei der die Eingänge 622, 701, 702, 703 über die Referenzberechnung 710 in Modulationsreferenzen 711 umgewandelt werden, bevor sie an die Modulation 720 gesendet werden, in der die Schaltsignale 621 bestimmt werden.
In einer Ausführungsform des Steuerverfahrens für ein elektrisches Umrichtersystem mit mindestens einem Frontend, das mindestens einen DC/AC-Wandler umfasst, und mit mindestens einem Backend, das mindestens zwei Module mit jeweils mindestens einem Energiespeicherelement und mindestens zwei Leistungsschaltern umfasst, umfasst das Steuerverfahren folgende Schritte:

mindestens eine Wechselspannungsreferenz wird in mindestens einen ersten und mindestens einen zweiten Beitrag aufgeteilt, von denen der mindestens eine erste Beitrag als Spannungsreferenz an das mindestens eine Backend und der mindestens eine zweite Beitrag als Spannungsreferenz an das mindestens eine Frontend gesendet wird.

In einer weiteren Ausführungsform des Steuerverfahrens ist der Zeitdurchschnitt des mindestens einen zweiten Beitrags null und der Zeitdurchschnitt des mindestens einen ersten Beitrags ungleich null.
In einer weiteren Ausführungsform des Steuerverfahrens gilt mindestens eine der Wechselspannungsreferenzen für ein M-Phasensystem und der mindestens eine zweite Beitrag wird so gesteuert oder geregelt, dass er eine erste Frequenzkomponente enthält, und wird der mindestens eine erste Beitrag so gesteuert oder geregelt, dass er eine Frequenz enthält, die zumindest das Doppelte der ersten Frequenz beträgt.
In einer weiteren Ausführungsform des Steuerverfahrens wird der mindestens eine erste Beitrag so gesteuert oder geregelt, dass er mehrere Frequenzen enthält, jede ein anderes geradzahliges Vielfaches der ersten Frequenz, und die Spannungsamplitude jeder zweiten Frequenz so gesteuert, dass das Verhältnis der Zwischenkreisspannungsausnutzung für das Frontend effektiv auf mehr als 95% gebracht wird.
In einer weiteren Ausführungsform des Steuerverfahrens wird der mindestens eine erste Beitrag so gesteuert oder geregelt, dass er die Differenz der maximalen Spannung an den M-Phasen-Wechselstrom-Referenzspannungen des mindestens einen M-Phasensystems und der minimalen Spannung an den M-Phasen-Wechselstrom-Referenzspannungen des mindestens einen M-Phasensystems zu jedem Zeitpunkt ist.
In einer weiteren Ausführungsform des Steuerverfahrens wird der mindestens eine zweite Beitrag durch mindestens M Differenzen der jeweiligen M Wechselspannungsreferenzen, die in der mindestens einen Wechselspannungsreferenz enthalten sind, und der Differenz der maximalen Spannung an den M-Phasen-Wechselspannungsreferenzspannungen des mindestens einen M-Phasensystems und der minimalen Spannung an den M-Phasen-Wechselspannungsreferenzspannungen des mindestens einen M-Phasensystems zu jedem Zeitpunkt gebildet.
In einer weiteren Ausführungsform des Steuerverfahrens wandelt mindestens ein Frontend-Modulator den mindestens einen zweiten Beitrag in mindestens ein AC-Tastverhältnis um und sendet das mindestens eine AC-Tastverhältnis an mindestens eine Phase des mindestens einen Frontends, so dass das mindestens eine AC-Tastverhältnis den zeitlichen Anteil der Einschaltzeit des/der Leistungsschalter(s) der mindestens einen Phase beschreibt, und bei dem das zeitliche Maximum des mindestens einen Tastverhältnisses 95 % übersteigt und bei dem das zeitliche Minimum des mindestens einen Tastverhältnisses unter 5 % bleibt.
In einer weiteren Ausführungsform des Steuerverfahrens übersteigt das mindestens eine AC-Tastverhältnis für mindestens ein Drittel der Zeit 95 %.
In einer weiteren Ausführungsform des Steuerverfahrens sind das zeitliche Maximum des mindestens einen AC-Tastverhältnisses gleich 100 % und das zeitliche Minimum des mindestens einen AC-Tastverhältnisses gleich 0%.
In einer weiteren Ausführungsform des Steuerverfahrens umfasst das Verfahren ferner mindestens einen Backend-Modulator, der den mindestens einen ersten Beitrag in mindestens einen DC-Tastgrad umwandelt und den mindestens einen DC-Tastgrad an mindestens ein Backend sendet, und wobei der mindestens eine Backend-Modulator als Eingangssignale die Echtzeitzustände mindestens eines Energiespeicherelements, mindestens einer elektrischen Last und mindestens einer Hilfslast empfängt, um gleichzeitig mindestens ein Batteriemanagement, eine Vorwärtssteuerung der Zwischenkreis-Gleichspannung und eine Hilfsstromversorgung durchzuführen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8441224 B2 [0002, 0022]
US 8760122 B2 [0005, 0022]
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DE 102018106307 A1 [0005]
JP 2019165623 A [0005]
DE 102018109922 A1 [0005]
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US 7764044 B2 [0008]
US 7279855 B2 [0008, 0022]
EP 1881596 A1 [0008]
US 20190288617 A1 [0022]
US 5473530 A [0043]

Claims

Elektrisches Umrichtersystem mit mindestens einem Frontend und mindestens einem Backend, wobei - jedes Frontend mindestens einen DC/AC-Wandler umfasst; jeder der mindestens einen DC/AC-Wandler umfassend mindestens zwei elektrische Anschlüsse, mit denen das Backend verbunden ist, eine Mehrzahl von Wechselstromanschlüssen, mit denen die elektrische Last verbunden ist, und eine Mehrzahl von Leistungsschaltern; wobei jeder der Leistungsschalter elektrisch so geschlossen oder geöffnet werden kann, dass jeder der Wechselstromanschlüsse mit einem der mindestens zwei elektrischen Anschlüsse der Eingangsseite des Frontends verbunden werden kann; - jedes Backend mindestens zwei Module umfasst und jedes Modul mindestens zwei mittlere Anschlüsse, mindestens ein Energiespeicherelement und mindestens zwei Leistungsschalter umfasst, wobei die mindestens zwei Leistungsschalter so elektrisch geschlossen oder geöffnet werden können, dass die mindestens zwei Module in Reihe geschaltet werden können, so dass die mindestens einen Energiespeicherelemente jedes der mindestens zwei Module elektrisch in Reihe geschaltet sind, oder parallel geschaltet werden können, so dass die mindestens einen Energiespeicherelemente jedes der mindestens zwei Module elektrisch parallel geschaltet sind, und überbrückt werden können, so dass mindestens eines der Energiespeicherelemente überbrückt wird.
Elektrisches Umrichtersystem nach Anspruch 1, wobei das Backend aus seriellen/parallelen Modulen, Halbbrückenmodulen oder Vollbrückenmodulen zusammengesetzt ist.
Elektrisches Umrichtersystem nach Anspruch 1, bei dem das Backend aus einer Mischung aus seriellen/parallelen Modulen, Halbbrückenmodulen und Vollbrückenmodulen besteht.
Elektrisches Umrichtersystem nach Anspruch 1, bei dem mindestens eines der Module im Backend Kondensatoren als Energiespeicherelemente verwendet und die übrigen Module mindestens eine Batterie als Energiespeicherelement aufweisen.
Elektrisches Umrichtersystem nach Anspruch 1, bei dem die Energiespeicherelemente in den Backend-Modulen mit unterschiedlichen Nennspannungen arbeiten.
Elektrisches Umrichtersystem nach Anspruch 1, bei dem mindestens ein zusätzlicher elektrischer Anschluss vom Backend abgegriffen wird. Der mindestens eine zusätzliche elektrische Anschluss ist entweder mit einem Energiespeicherelement oder an einer Verbindung zwischen zwei benachbarten Modulen des Backends verbunden.
Elektrisches Umrichtersystem nach Anspruch 1, bei dem ein L-C-Filter zwischen dem Backend und dem Frontend eingefügt ist.
Elektrisches Umrichtersystem nach Anspruch 1, bei dem ein Kondensator zwischen dem Backend und dem Frontend eingefügt ist.
Elektrisches Umrichtersystem nach Anspruch 1, bei dem das Frontend mit drei Halbbrücken ausgeführt ist, die einen zweistufigen dreiphasigen Wechselrichter bilden.
Steuerverfahren für ein elektrisches Umrichtersystem mit mindestens einem Frontend, das mindestens einen DC/AC-Wandler umfasst, und mit mindestens einem Backend, das mindestens zwei Module mit jeweils mindestens einem Energiespeicherelement und mindestens zwei Leistungsschaltern umfasst, wobei das Steuerverfahren umfasst: mindestens eine Wechselspannungsreferenz wird in mindestens einen ersten und mindestens einen zweiten Beitrag aufgeteilt, von denen der mindestens eine erste Beitrag als Spannungsreferenz an das mindestens eine Backend und der mindestens eine zweite Beitrag als Spannungsreferenz an das mindestens eine Frontend gesendet wird.