DE102022109827A1 - Method and system for target current modulation of a modular multilevel converter - Google Patents

Method and system for target current modulation of a modular multilevel converter Download PDF

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Eduard Specht
Tobias Merz
Nils Hellmann
Oliver Steiner
Harald Schöffler
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Dr Ing HCF Porsche AG
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Dr Ing HCF Porsche AG
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines modularen Multilevelumrichters für eine Last, bspw. einen Traktionsmotor eines Fahrzeuges. Basierend auf zu jedem Schalttakt von einer Regelung bereitgestellten Sollspannungsleveln (105) und einem Phasenwinkel der Motorphasenströme (106) wird einerseits eine effizienzoptimierte Idealstromaufteilung (210) ermittelt, andererseits unter zusätzlicher Berücksichtigung von Ladezuständen der einzelnen Module eine ladezustandsausgleichende Offsetstromfestlegung (220) ermittelt. Durch Aufsummieren der effizienzoptimierten Idealstromaufteilung (210) und der ladezustandsausgleichenden Offsetstromfestlegung (220) wird eine Zielmodulstromaufteilung (240) ermittelt, und auf Grundlage der Zielmodulstromaufteilung (240) werden Schaltbefehle (109) zur Ansteuerung des Multilevelumrichters ermittelt. Zusätzlich wird ein System beansprucht, welches eine Ausführung des Verfahrens erlaubt.The invention relates to a method for controlling a modular multilevel converter for a load, for example a traction motor of a vehicle. Based on setpoint voltage levels (105) provided by a controller for each switching cycle and a phase angle of the motor phase currents (106), an efficiency-optimized ideal current distribution (210) is determined on the one hand, and an offset current specification (220) that compensates for the state of charge of the individual modules is determined on the other hand, taking into account the state of charge of the individual modules. A target module current distribution (240) is determined by summing up the efficiency-optimized ideal current distribution (210) and the state of charge balancing offset current determination (220), and switching commands (109) for controlling the multilevel converter are determined on the basis of the target module current distribution (240). In addition, a system is claimed which allows the method to be carried out.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines modularen Multilevelumrichters für eine Wechselstromlast. Ferner wird ein Steuerungssystem beansprucht, welches eine Ausführung des Verfahrens erlaubt.The present invention relates to a method for controlling a modular multilevel converter for an AC load. Furthermore, a control system is claimed which allows the method to be carried out.

Ein modularer Multilevelumrichter bzw. Multilevelkonverter ist eine Anordnung mehrerer elektrisch verbundener Module, die jeweils mindestens einen Energiespeicher und mehrere Halbleiterschalter zu einer dynamischen Verschaltung der Energiespeicher zwischen den Modulen aufweisen. Durch die Verschaltung kann aus einer Gleichspannung der Energiespeicher eine Wechselspannung bspw. zum Betreiben einer elektrischen Maschine erzeugt werden. Als Beispiel ist der von R. Marquardt in der Druckschrift US 2018/0109202 beschriebene modulare Multilevelumrichter zu nennen, welcher auch als MMC oder M2C abgekürzt wird.A modular multilevel converter or multilevel converter is an arrangement of several electrically connected modules, each of which has at least one energy store and several semiconductor switches for dynamic interconnection of the energy stores between the modules. Due to the interconnection, an alternating voltage can be generated from a direct voltage of the energy store, for example for operating an electrical machine. An example is that of R. Marquardt in the reference US2018/0109202 to name the modular multilevel converter described, which is also abbreviated as MMC or M2C.

Eine spezielle Weiterentwicklung des MMC stellt der modulare Multilevel-Seriell-Parallel-Umrichter dar, bspw. offenbart in „Goetz, S.M.; Peterchev, A.V.; Weyh, T., „Modular Multilevel Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control,“ Power Electronics, IEEE Transactions on , vol.30, no.1, pp.203,215, 2015. doi: 10.1 109/TPEL.2014.2310225. Dieser wird auch als MMSPC oder M2SPC bezeichnet und weist gegenüber dem MMC die Fähigkeit auf, die Energiespeicher der Module auch parallel verschalten zu können. Auch der M2SPC erzeugt Spannungsdifferenzen zwischen mindestens zwei Anschlussterminals, bspw. eines Energienetzes oder eines Traktionssystems eines Elektroautos, durch eine Konfiguration der elektrischen Verschaltung von Energiespeichern in den Modulen und durch eine Schaltmodulation zwischen Schaltzuständen. Dadurch ist es möglich, zur Erzeugung der gewünschten Ausgangsspannung eine Vielzahl von Zwischenzuständen zu bilden. A special further development of the MMC is the modular multilevel serial-parallel converter, e.g. disclosed in “Goetz, SM; Peterchev, A.V.; Weyh, T., "Modular Multilevel Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control," Power Electronics, IEEE Transactions on , vol.30, no.1, pp.203,215, 2015. doi: 10.1 109/TPEL.2014.2310225 . This is also referred to as MMSPC or M2SPC and, compared to the MMC, has the ability to also connect the energy stores of the modules in parallel. The M2SPC also generates voltage differences between at least two connection terminals, e.g. an energy network or a traction system of an electric car, by configuring the electrical interconnection of energy storage devices in the modules and by switching modulation between switching states. This makes it possible to form a large number of intermediate states in order to generate the desired output voltage.

Problematisch ist, aus der Vielzahl der möglichen Schaltzustände diejenigen herauszufinden, welche bzgl. vorgegebener Kriterien, wie bspw. eine die Energiespeicher schonende Leistungsentnahme, eine optimale Lösung darstellen. Zudem muss zu jedem Schalttakt, also in Realzeit, diese Lösung vorliegen.It is problematic to find out from the large number of possible switching states those which represent an optimal solution with regard to predetermined criteria, such as, for example, power consumption that protects the energy store. In addition, this solution must be available for each switching cycle, i.e. in real time.

Die Druckschrift DE 10 2011 075 429 A1 beschreibt ein batterieelektrisches KFZ-Antriebssystem mit mehreren Batteriemodulen, einem elektrischen Traktionsmotor und einem Multilevel-Umrichter. Der Multilevel-Umrichter kann dergestalt angesteuert werden, dass eine gleichmäßige Entladung der Batteriemodule stattfindet.The pamphlet DE 10 2011 075 429 A1 describes a battery-electric motor vehicle drive system with several battery modules, an electric traction motor and a multilevel converter. The multilevel converter can be controlled in such a way that the battery modules are discharged evenly.

Die Druckschrift DE 10 2016 125 720 A1 offenbart ein modulares Energiespeicher-Umrichtersystem mit einer Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, Schalter in Abhängigkeit von einem aktuellen Ladezustand von Speicherelementen anzusteuern. Damit können vor einem Parallelschalten der Speicherelemente die Spannungen oder Ladezustände der Speichermodule angeglichen werden.The pamphlet DE 10 2016 125 720 A1 discloses a modular energy storage converter system with a control device that is set up to control switches depending on a current state of charge of storage elements. The voltages or states of charge of the memory modules can thus be matched before the memory elements are connected in parallel.

In der US-amerikanischen Druckschrift US 2021/0155100 A1 wird ein Verfahren zur Vorhersage von Phasenverschiebungen von Strömen auf einer Primär- und einer Sekundärseite des Umrichters beschrieben. Verluste in der Leistungselektronik lassen sich dadurch minimieren.In the US publication U.S. 2021/0155100 A1 describes a method for predicting phase shifts of currents on a primary and a secondary side of the converter. Losses in the power electronics can be minimized in this way.

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren für die Ansteuerung eines modularen Multilevelumrichters zur Verfügung zu stellen, welches in Echtzeit gemäß vorgegebener Optimierungskriterien einen jeweiligen Schaltzustand für die Module des modularen Multilevelumrichters generiert. Ferner soll ein System beansprucht werden, welches eine Ausführung des Verfahrens erlaubt.Against this background, it is an object of the present invention to provide a method for controlling a modular multilevel converter, which generates a respective switching state for the modules of the modular multilevel converter in real time according to predetermined optimization criteria. Furthermore, a system is to be claimed which allows the method to be carried out.

Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren für eine Zielstrom-Modulation eines modularen Multilevelumrichters vorgeschlagen, bei dem der modulare Multilevelumrichter eine Mehrzahl von Modulen aufweist und von einer Steuerung gesteuert wird. Jedes Modul der Mehrzahl von Modulen weist mindestens zwei steuerbare Schalter und mindestens einen Energiespeicher auf. Durch Aneinanderreihung der Module wird mindestens ein Strang gebildet. Durch den mindestens einen Strang wird eine jeweilige Phase für eine elektrische Last gebildet. Durch die Steuerung wird zu jedem Schalttakt ein jeweiliger Schaltbefehl, welcher alle einzustellenden Schaltzustände der Module umfasst, bereitgestellt und an die Mehrzahl von Modulen übermittelt. Durch den jeweiligen Schaltbefehl stellt sich ein jeweiliger Strom in dem jeweiligen Modul der Mehrzahl von Modulen ein, wobei dem Schaltbefehl ein zu realisierender Zielstrom vorgegeben wird, wobei der jeweilige Zielstrom durch die Steuerung basierend auf einer Sollstromvorgabe berechnet wird, indem

  • • von einer Regelung taktsynchron zu einem Schalttakt des modularen Multilevelumrichters die Sollstromvorgabe als Sollspannungslevel für die mindestens eine Phase und ein Phasenwinkel bereitgestellt werden und von der Steuerung verlustminimale Idealströme zu einer Idealstromaufteilung berechnet werden,
  • • zusätzlich zu der Sollstromvorgabe ein Ladezustand für jedes Modul herangezogen wird und daraus für einen Ladezustandsausgleich innerhalb der Mehrzahl an Modulen lastbasierte Offsetströme zu einer Offsetstromaufteilung bzw. Offsetstromfestlegung berechnet werden,
  • • Idealstromaufteilung und Offsetstromfestlegung aufsummiert und mittels vorgegebener Sättigungswerte begrenzt werden, wodurch die jeweiligen Zielströme in einer Zielstromaufteilung gebildet werden,
und wobei mittels einer Kostenfunktion diejenigen Schaltzustände der Mehrzahl an Modulen, welche die Zielstromaufteilung mit einer geringsten Abweichung realisieren, bestimmt werden und damit der jeweilige Schaltbefehl pro Schalttakt gebildet wird.A method for target current modulation of a modular multilevel converter is proposed in order to solve the above-mentioned task, in which the modular multilevel converter has a plurality of modules and is controlled by a controller. Each module of the plurality of modules has at least two controllable switches and at least one energy store. At least one strand is formed by lining up the modules. A respective phase for an electrical load is formed by the at least one strand. For each switching cycle, the controller provides a respective switching command, which includes all the switching states of the modules that are to be set, and transmits it to the plurality of modules. The respective switching command results in a respective current in the respective module of the plurality of modules, with the switching command being specified a target current to be implemented, with the respective target current being calculated by the controller based on a target current specification by
  • • the target current specification as a target voltage level for at least one phase and a phase angle is provided by a controller synchronously with a switching cycle of the modular multilevel converter, and ideal currents with minimal losses are calculated by the controller for an ideal current distribution,
  • • In addition to the target current specification, a state of charge is used for each module and from this for a state of charge equalization inner half the plurality of modules load-based offset currents are calculated to an offset current distribution or offset current definition,
  • • Ideal current distribution and offset current definition are summed up and limited using specified saturation values, whereby the respective target currents are formed in a target current distribution,
and wherein those switching states of the plurality of modules which implement the target current distribution with the smallest deviation are determined by means of a cost function, and the respective switching command per switching cycle is thus formed.

Bei der elektrischen Last kann es sich sowohl um eine elektrische Maschine, bspw. eine Traktionsmaschine eines Elektrofahrzeugs, als auch um ein Stromnetz, bspw. um ein Drehstromnetz, handeln. Der sich in den jeweiligen Modulen aufgrund des jeweiligen Schaltzustandes einstellende Strom ist von der Last abhängig.The electrical load can be both an electrical machine, for example a traction machine of an electric vehicle, and a power grid, for example a three-phase grid. The current that occurs in the respective modules based on the respective switching status depends on the load.

Falls es der Steuerung nicht möglich ist, ein den kompletten Multilevelkonverter umschließendes System in Echtzeit zu berechnen, bspw. weil eine verwendete Recheneinheit ein zu geringe Rechenleistung aufweist, werden in einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vor Inbetriebnahme der Steuerung für jede Kombination aus mindestens einem Sollspannungslevel und einem Phasenwinkel alle möglichen Schaltzustände, welche die jeweilige Kombination realisieren, eruiert, jeweilig zu erwartende ohmsche Verluste berechnet und nur Schaltzustände mit minimalen Verlusten zu der jeweiligen Kombination in einem Kennfeld abgespeichert. Der Phasenwinkel ergibt sich dabei aus der der Regelung aktuell vorliegenden Messungen der in der elektrischen Last, bspw. der Traktionsmaschine, fließenden Phasenströme. Um Ressourcen zu sparen genügt es, unter Ausnutzung von Symmetrien jeweilige Schaltzustände nur für eine Phase und einen Winkelbereich von 0° bis 90° zu berechnen. Ein kompletter Verlauf kann dann durch vertikales Spiegeln bzw. horizontales Spiegeln mit anschließender Verschiebung um 180° gewonnen werden. Denkbar ist aber auch, über einen gesamten Winkelbereich von 0° bis 360° abzuspeichern.If it is not possible for the controller to calculate a system enclosing the entire multilevel converter in real time, e.g. because a computing unit used has too little computing power, in an advantageous embodiment of the method according to the invention, before the controller is put into operation, at least one setpoint voltage level is determined for each combination and a phase angle, all possible switching states that implement the respective combination are determined, the ohmic losses to be expected are calculated and only switching states with minimal losses for the respective combination are stored in a characteristic map. In this case, the phase angle results from the measurements of the phase currents flowing in the electrical load, for example the traction machine, currently available to the controller. In order to save resources, it is sufficient to use symmetries to calculate the respective switching states for just one phase and an angular range from 0° to 90°. A complete course can then be obtained by vertical mirroring or horizontal mirroring with subsequent shifting by 180°. However, it is also conceivable to store over an entire angle range from 0° to 360°.

Das Kennfeld weist eine Zahl an Dimensionen auf, welche der Zahl an Phasen plus einer Dimension für den Phasenwinkel entspricht. Bei einem für eine Traktionsmaschine gewöhnlich benötigten Drehstrom liegen drei Phasen und dementsprechend ein vierdimensionales Kennfeld vor. Das Kennfeld kann auch als Lookup-Tabelle, abgekürzt LUT, bezeichnet werden.The map has a number of dimensions equal to the number of phases plus one dimension for the phase angle. With a three-phase current that is usually required for a traction machine, there are three phases and, accordingly, a four-dimensional characteristic diagram. The map can also be referred to as a lookup table, abbreviated LUT.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Sättigungswerte bzw. Grenzwerte zu zahlenmäßig größeren Werten hin durch technische Obergrenzen beschränkt, wodurch das jeweilige Modul bzw. der Energiespeicher des jeweiligen Moduls nicht überlastet wird. Zu zahlenmäßig kleineren Werten hin werden die Sättigungswerte auf den Nullwert begrenzt, wodurch die jeweiligen Module nur entlastet werden können, da Schaltzustände, welche zu einer Aufladung führen würden, von der Kostenfunktion bestraft werden. Anhand einer Strombelastbarkeit der Energiespeicher (Laden/Entladen) erfolgt eine Begrenzung zu einem minimalen Stromwert imin und einem maximalen Stromwert imax der Zielströme itarget.In one embodiment of the method according to the invention, the saturation values or limit values are limited towards numerically larger values by technical upper limits, as a result of which the respective module or the energy store of the respective module is not overloaded. Toward numerically smaller values, the saturation values are limited to the zero value, which means that the respective modules can only be relieved, since switching states that would lead to charging are penalized by the cost function. A limitation to a minimum current value i min and a maximum current value i max of the target currents i target ensues on the basis of the current carrying capacity of the energy stores (charging/discharging).

In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden bei der Berechnung des jeweiligen Zielstromes zusätzlich bei einem Vorliegen eines rekuperativen Zustands negative Werte zugelassen. Dadurch werden die Module auf Grundlage einer Abschätzung einer elektrischen Leistung der elektrischen Maschine gezielt aufgeladen. Dabei basiert die Abschätzung auf einer gemessenen Maschinendrehzahl und der Sollstromvorgabe. Durch eine solche Rekuperationserkennung wird die Zielstromaufteilung in Abhängigkeit eines aktuell vorliegenden rekuperativen Zustands begrenzt.In another embodiment of the method according to the invention, negative values are additionally permitted when calculating the respective target current if a recuperative state is present. As a result, the modules are charged in a targeted manner on the basis of an estimate of an electrical power output from the electrical machine. The estimate is based on a measured engine speed and the target current specification. Such a recuperation detection limits the target current distribution depending on a currently existing recuperative state.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Sättigungswerte im laufenden Betrieb dynamisch angepasst.In a further embodiment of the method according to the invention, the saturation values are dynamically adjusted during operation.

In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei der Berechnung des jeweiligen Zielstromes zusätzlich ein Gleichtaktspannungslevel, Englisch als „common mode voltage“ (CMV) bezeichnet, aufgeprägt.In yet another embodiment of the method according to the invention, a common mode voltage level, known as “common mode voltage” (CMV), is additionally applied when calculating the respective target current.

Während im Stand der Technik eine CMV oftmals durch eine Harmonische einer elektrischen Grundschwingung (in Phase mit einer Phasenspannung oder einem Phasenstrom) gebildet wird und für gewöhnlich Teil einer Modulation ist, um einen Aussteuerbereich zu vergrößern, kennt das erfindungsgemäße Verfahren eine so definierte CMV nicht und ist bei der Aufprägung des Gleichspannungslevels technisch nicht an eine Schwingungsform gebunden. Vielmehr werden bei der erfindungsgemäßen Berechnung der Idealstromaufteilung für ein gefordertes Sollspannungslevel auch Kombinationen mit möglichen zusätzlichen Gleichtaktspannungsleveln berücksichtigt, ohne den Aussteuerbereich zu limitieren.While in the prior art a CMV is often formed by a harmonic of an electrical fundamental (in phase with a phase voltage or a phase current) and is usually part of a modulation in order to increase a dynamic range, the method according to the invention does not know a CMV defined in this way and is not technically tied to a vibration form when impressing the DC voltage level. Rather, combinations with possible additional common-mode voltage levels are also taken into account in the calculation according to the invention of the ideal current distribution for a required target voltage level, without limiting the modulation range.

In einer noch weiter fortgesetzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden bei der Kostenfunktion bei allen Schaltzuständen alle aufprägbaren Gleichtaktspannungslevel mitberücksichtigt.In an even further developed embodiment of the method according to the invention, all common-mode voltage levels that can be impressed are also taken into account in the cost function for all switching states.

In einer fortgesetzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden direkt die Zielströme der jeweiligen Module vorgegeben.In a continued embodiment of the method according to the invention, the target currents of the respective modules are specified directly.

In einer fortgesetzt weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden alle möglichen Zielströme zu einem Schalttakt, welcher dem aktuellen Schalttakt nachfolgt, berechnet und in der Kostenfunktion mitberücksichtigt. Damit sind vorteilhaft weitere die ohmschen Verluste reduzierende Maßnahmen möglich. So kann bspw. eine Verschiebung eines Sternpunktes den Aussteuergrad einer Phase verkleinern, wodurch mehr Module parallel verschaltet werden können. Fließt in dieser Phase gerade ein hoher Strom, so ergeben sich daraus vorteilhaft geringere ohmsche Verluste.In a continued further embodiment of the method according to the invention, all possible target currents are calculated for a switching clock which follows the current switching clock and also taken into account in the cost function. Further measures reducing the ohmic losses are thus advantageously possible. For example, a shift in a star point can reduce the modulation factor of a phase, which means that more modules can be connected in parallel. If a high current is currently flowing in this phase, this advantageously results in lower ohmic losses.

In einer fortgesetzt noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden bei im Kennfeld gespeicherten gleichwertigen Schaltzuständen mit sich gleichenden minimalen Verlusten ein Mittelwert der damit einhergehenden Modulströme berechnet oder eine willkürliche Auswahl eines dieser gleichwertigen Schaltzustände getroffen.In a continued yet further embodiment of the method according to the invention, an average value of the associated module currents is calculated for equivalent switching states stored in the characteristics map with identical minimum losses, or an arbitrary selection of one of these equivalent switching states is made.

In einer weiter fortgesetzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf Grundlage einer Sollstromvorgabe, welche durch eine Phasen- bzw. Netzstrom-Vorgabe vorgegeben wird, das Sollspannungslevel durch eine PI-Regelung und einer anschließenden Delta-Sigma-Modulation gebildet. Das erfindungsgemäße Verfahren ist darüber hinaus in der Lage, mit jeglicher Regler/Modulator-Kombination ausgeführt zu werden, solange als Eingangsgröße eine Sollspannung vorliegt.In a further developed embodiment of the method according to the invention, the target voltage level is formed by PI control and subsequent delta-sigma modulation on the basis of a target current specification, which is specified by a phase or mains current specification. The method according to the invention is also capable of being carried out with any regulator/modulator combination, as long as a setpoint voltage is present as the input variable.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf einem modularen Multilevelumrichter mit mindestens einer Phase ausführbar. Im Folgenden wird ohne Einschränkung anderer Möglichkeiten der Ausführung auf Multilevelumrichtern bzw. Multilevelumrichtern anderen Typs ein modularer Multilevel-Seriell-Parallel-Umrichter, abgekürzt MMSPC, mit drei Strängen und entsprechend drei Phasen betrachtet. Eine komplette formale MMSPC-Beschreibung findet sich in „Optimizing Utilization of an MMSPC with Model Predictive Control“, T. Merz, C. Korte, E. Specht, M. Hiller, 2020, IEEE 21st Workshop on Control and Modeling for Power Electronics (COMPEL): Aalborg, Denmark, November 9-12, 2020, At.Nr. 9265803, Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE); doi:10.1 109/COMPEL49091.2020.9265803. Mit Hilfe dieser Beschreibung können anhand von systeminhärenten Widerständen, Phasenströmen und Spannungsleveln resultierende Modulströme für alle Schaltmöglichkeiten während einem laufenden Betrieb berechnet werden, oder, bei zu geringer Rechenleistung der Steuerung, auch vorausberechnet werden. Dies wird zur Erstellung des Kennfeldes herangezogen.The method according to the invention can be carried out on a modular multilevel converter with at least one phase. A modular multilevel serial-parallel converter, abbreviated MMSPC, with three strands and correspondingly three phases is considered below without restricting other possibilities of implementation on multilevel converters or multilevel converters of another type. A complete formal MMSPC description can be found in "Optimizing Utilization of an MMSPC with Model Predictive Control", T. Merz, C. Korte, E. Specht, M. Hiller, 2020, IEEE 21st Workshop on Control and Modeling for Power Electronics ( COMPEL): Aalborg, Denmark, November 9-12, 2020, At.Nr. 9265803, Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE); doi:10.1 109/COMPEL49091.2020.9265803. With the help of this description, the resulting module currents for all switching options can be calculated during ongoing operation using system-inherent resistances, phase currents and voltage levels, or, if the computing power of the control is too low, they can also be calculated in advance. This is used to create the map.

Basierend auf einer exakten Netzwerkanalyse des betrachteten modularen Multilevelumrichters, wie bspw. durch die voranstehend zitierte MMSPC-Beschreibung, und der dadurch bereitstellbaren Kennfelder mit verlustminimierten Schaltzuständen, bewirkt das erfindungsgemäße Verfahren zu jedem Schalttakt des Multilevelumrichters eine effizienzoptimierte Zielstromvorgabe mit gleichzeitig aktivem Ausgleich der Ladezustände der Energiespeicher in den Modulen. Zusätzlich ist es möglich, unter Ausnutzung der Aufprägung von Gleichspannungsleveln auch einen phasenübergreifenden Ladezustandsausgleich durchzuführen und die Effizienz zu erhöhen, in dem der Aussteuergrad in Phasen mit hoher Stromamplitude zusammen mit den damit verbundenen ohmschen Verlusten reduziert wird.Based on an exact network analysis of the modular multilevel converter under consideration, such as the MMSPC description cited above, and the characteristics maps that can be provided as a result with switching states that minimize losses, the method according to the invention causes an efficiency-optimized target current specification for each switching cycle of the multilevel converter with simultaneous active balancing of the state of charge of the energy storage devices in the modules. In addition, it is possible to use the imprint of DC voltage levels to carry out a phase-spanning state of charge equalization and to increase efficiency by reducing the modulation factor in phases with a high current amplitude together with the associated ohmic losses.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird bspw. auf einer Signalverarbeitungsebene des MMSPC implementiert und zwischen der Regelung und einem Bussystem zur Übermittlung des jeweiligen Schaltbefehls an die Module des MMSPCs ausgeführt. Es befindet sich damit zwischen einem Modulator (Bereitstellung Sollspannungslevel) und dem MMSPC als Stellglied. Als Eingangsgrößen werden diskrete Sollspannungslevel lvlout,uvw je Phase (U, V, W) auf Grundlage der Sollströme bzw. d/q-Sollströme (id,sp, iq,sp), aktuell gemessene Phasenströme iph,uvw, eine Motordrehzahl n und aktuelle Ladezustände SoC der einzelnen Module benötigt bzw. von der Regelung bereitgestellt. Intern arbeitet das erfindungsgemäße Verfahren mit jeweiligen auf die einzelnen Module bezogenen Zielströmen (engl. target currents) als Rechnungsgrößen. Als Ausgabegröße dient ein Schaltvektor s

Figure DE102022109827A1_0001
mit den Schaltbefehlen (s1, s2, s3) der drei Phasen. Einen Einfluss auf Vorgaben von Phase-Phase-Spannungen am Ausgang des Umrichters hat das erfindungsgemäße Verfahren jedoch nicht. Es besteht somit kein Eingriff in die eigentliche Maschinenregelung.The method according to the invention is implemented, for example, on a signal processing level of the MMSPC and is carried out between the controller and a bus system for transmitting the respective switching command to the modules of the MMSPC. It is therefore located between a modulator (provision of target voltage level) and the MMSPC as an actuator. Discrete target voltage levels lvl out,uvw per phase (U, V, W) based on the target currents or d/q target currents (i d,sp , i q,sp ), currently measured phase currents i ph,uvw , a Engine speed n and current state of charge SoC of the individual modules required or provided by the control. Internally, the method according to the invention works with the respective target currents related to the individual modules as calculation variables. A switching vector is used as the output variable s
Figure DE102022109827A1_0001
with the switching commands (s 1 , s 2 , s 3 ) of the three phases. However, the method according to the invention does not have any influence on specifications for phase-phase voltages at the output of the converter. There is therefore no intervention in the actual machine control.

Zu jedem Schalttakt wird anhand der geforderten diskreten Sollspannungslevel lvlout,uvw und der anhand des Phasenwinkel ableitbaren aktuellen Zusammensetzung der Phasenströme iph,uvw eine optimale Idealstromaufteilung ieffizienz bestimmt: i effizienz = ƒ i , effizienz ( l v l out ,uvw , i ph ,uvw )

Figure DE102022109827A1_0002
For each switching cycle, an optimal ideal current distribution i efficiency is determined based on the required discrete target voltage level lvl out,uvw and the current composition of the phase currents i ph,uvw that can be derived from the phase angle: i efficiency = ƒ i , efficiency ( l v l out ,and many more , i Ph ,and many more )
Figure DE102022109827A1_0002

Dabei wird auf minimale ohmsche Verluste sowohl in den Schaltern bzw. Halbleiterschaltern als auch den Energiespeichern hin optimiert. Hierbei werden alle Freiheitsgrade insbesondere einer Nullspannung ausgenutzt. Die ohmschen Verluste Pv,R berechnen sich nach P v , R = R ph ,u   i ph ,u 2 + R ph ,v   i ph , v 2 + R ph ,w   i ph ,w 2

Figure DE102022109827A1_0003
aus Ersatzwiderständen in dem Strang mit jeweiliger Phase Rph sowie den jeweiligen Phasenströmen zph,uvw. Bei Gleichung (2) gilt die Annahme, dass die einzelnen Energiespeicher einen identischen Ladezustand aufweisen und somit bei einem Parallelschalten keine Ausgleichströme fließen. Ausgleichströme belasten die Batterien zusätzlich und führen somit zu weiteren Verlusten.In this case, minimal ohmic losses are optimized both in the switches or semiconductor switches and in the energy stores. In this case, all degrees of freedom, in particular a zero voltage, are used. The ohmic losses P v,R are recalculated P v , R = R Ph ,u i Ph ,u 2 + R Ph , v i Ph , v 2 + R Ph , w i Ph , w 2
Figure DE102022109827A1_0003
from equivalent resistances in the strand with the respective phase R ph and the respective phase currents z ph,uvw . Equation (2) is based on the assumption that the individual energy stores have an identical state of charge and therefore no equalizing currents flow when connected in parallel. Compensating currents put additional strain on the batteries and thus lead to further losses.

Die Idealstromaufteilung wird bspw. in Gleichung (1) dadurch eruiert, indem die anfallenden ohmschen Verluste bei Realisierung möglicher Schaltvektoren s

Figure DE102022109827A1_0004
für alle nachfolgenden Spannungslevel mittels Gleichung (2) vorausberechnet werden und unter diesen dann die Schaltvektoren mit den minimalen ohmschen Verlusten ausgewählt werden. Oft finden sich dabei mehrere Schaltkombinationen, welche rechnerisch die gleichen bzw. annähernd gleichen minimalen Verluste mit sich bringen. Für die Idealstromaufteilung ieffienz werden dann bspw. die Mittelwerte der jeweiligen Modulströme anhand von Permutationen möglicher Schaltvektoren mit minimalen Verlusten berechnet.The ideal current distribution is determined, for example, in Equation (1) by considering the ohmic losses that occur when implementing possible switching vectors s
Figure DE102022109827A1_0004
can be precalculated for all subsequent voltage levels using equation (2) and the switching vectors with the minimum ohmic losses can then be selected from these. There are often several switching combinations that mathematically result in the same or almost the same minimal losses. For example, the mean values of the respective module currents are then calculated for the ideal current distribution i efficiency using permutations of possible switching vectors with minimal losses.

Ziel der Offsetstromfestlegung ist, die Ladezustände der Energiespeicher der Module aneinander aktiv anzugleichen, auch als Englisch Balancing bezeichnet, wodurch vorteilhaft eine gleichmäßige Entladung, dementsprechend eine gleichmäßige Belastung der Energiespeicher und damit letztlich deren höhere Lebensdauer und Energieausnutzung bewirkt wird. Verfolgt wird dieses Ziel dadurch, weniger geladene Energiespeicher zu entlasten und stärker geladene Energiespeicher stärker zu belasten. Die Be- oder Entlastung wird über die Offsetströme ioffset abgebildet. Ein positiver Offsetstrom begünstigt Schaltzustände, welche die Belastung der entsprechenden Energiespeicher erhöhen, während ein negativer Offsetstrom Schaltzustände begünstigt, welche die Belastung reduzieren. Im folgenden Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Effizienzströme der Idealstromaufteilung ieffizienz dann mit den Offsetströmen ioffset in einem Zielstromberechnungsschritt, Englisch als „Target Current Calculation“-(TCC)-Block bezeichnet, kombiniert.The aim of determining the offset current is to actively align the states of charge of the energy stores of the modules with one another, also referred to as English balancing, which advantageously results in an even discharge, correspondingly an even load on the energy stores and thus ultimately their longer service life and energy utilization. This goal is pursued by relieving less charged energy storage devices and charging more heavily charged energy storage devices. The loading or unloading is mapped via the offset currents i offset . A positive offset current favors switching states that increase the load on the corresponding energy store, while a negative offset current favors switching states that reduce the load. In the following method step of the method according to the invention, efficiency currents of the ideal current distribution i efficiency are then combined with the offset currents i offset in a target current calculation step, known as the “Target Current Calculation” (TCC) block.

Denkbar ist aber auch, dass alternativ oder zusätzlich zu dem Ziel eines Ausgleichs von Ladezuständen als ein weiteres Ziel eine gleichmäßige thermische Belastung angestrebt wird, bspw. an Hand einer in den jeweiligen Modulen gemessenen Temperatur. Auch ist bei der Entlastung eines Moduls eine Vorgabe des diesbezüglichen Zielstroms von 0 A denkbar, anstatt einen nur im Vergleich mit Zielströmen in anderen Modulen geringeren Wert zu wählen. Sollte ein (betragsmäßig kleiner) Rippelstrom gewünscht sein, wird dieser durch Steuerung eines Wechselanteils jeweiliger Offsetströme erhalten. Im Fall kleiner Rippelströme kann auch der Modulstrom aus dem vorangegangenen Modulationsschritt als Zielstrom verwendet werden. Weiter ist auch denkbar, als Kriterien für die Offsetstromfestlegung einen „State-of-Energy“ (SoE) oder einen „State-of-Health“ (SoH) heranzuziehen.However, it is also conceivable that, as an alternative or in addition to the goal of balancing states of charge, a further goal is a uniform thermal load, for example based on a temperature measured in the respective modules. When relieving a module, it is also conceivable to specify the relevant target current of 0 A instead of choosing a value that is lower than the target currents in other modules. If a ripple current (smaller in terms of amount) is desired, this is obtained by controlling an alternating component of the respective offset currents. In the case of small ripple currents, the module current from the previous modulation step can also be used as the target current. It is also conceivable to use a “state of energy” (SoE) or a “state of health” (SoH) as criteria for defining the offset current.

Mathematisch lässt sich die zusätzliche Be- oder Entlastung bspw. durch einen P-Regler abbilden, welcher formal als u ( t ) = K p e p m ( t )

Figure DE102022109827A1_0005
beschrieben wird. Dabei ist epm(t) ein Fehler zum Schaltzeitpunkt t, welcher eine jeweilige Abweichung des SoC vom arithmetischen Mittel aller Ladezustände S o C ¯
Figure DE102022109827A1_0006
darstellt. e p m = S o C p m S o C ¯ ,
Figure DE102022109827A1_0007
wobei Index p und Index m ein jeweiliges Modul im Strang p an Position m bezeichnet. Das arithmetische Mittel aller Ladezustände S o C
Figure DE102022109827A1_0008
berechnet sich aus S o C = 1 3 n ph p = 1 3 m = 1 n p h S o C p m ,
Figure DE102022109827A1_0009
wobei nph eine Zahl von Modulen im jeweiligen Strang p darstellt. Um einen Wertebereich bei einer Implementierung klein zu halten, wird eine dynamische Verstärkung, vergleichbar mit einer Normierung eingesetzt. Es erfolgt eine Division durch eine mittlere absolute Abweichung vom arithmetischen Mittel aller Ladezustände d S o C ¯ ( S o C ) ,
Figure DE102022109827A1_0010
d S o C ¯ ( S o C ) = 1 3 n ph p = 1 3 m = 1 n p h | S o C p m S o C ¯ | .
Figure DE102022109827A1_0011
Mathematically, the additional loading or unloading can be represented, for example, by a P controller, which is formally defined as and ( t ) = K p e p m ( t )
Figure DE102022109827A1_0005
is described. In this case, e pm (t) is an error at switching time t, which is a respective deviation of the SoC from the arithmetic mean of all states of charge S O C ¯
Figure DE102022109827A1_0006
represents. e p m = S O C p m S O C ¯ ,
Figure DE102022109827A1_0007
where index p and index m designate a respective module in string p at position m. The arithmetic mean of all states of charge S O C
Figure DE102022109827A1_0008
calculates itself S O C = 1 3 n Ph p = 1 3 m = 1 n p H S O C p m ,
Figure DE102022109827A1_0009
where n ph represents a number of modules in the respective string p. In order to keep a range of values small in an implementation, a dynamic amplification, comparable to normalization, is used. It is divided by a mean absolute deviation from the arithmetic mean of all states of charge i.e S O C ¯ ( S O C ) ,
Figure DE102022109827A1_0010
i.e S O C ¯ ( S O C ) = 1 3 n Ph p = 1 3 m = 1 n p H | S O C p m S O C ¯ | .
Figure DE102022109827A1_0011

Um eine Division durch Null zu verhindern, wird ein Faktor α mit einem Grenzwert alim eingeführt: a = { d S o C ¯ ,  f u ¨ d S o C ¯ ( S o C ) > a l i m a l i m   ,  f u ¨ d S o C ¯ ( S o C ) a l i m .

Figure DE102022109827A1_0012
To prevent division by zero, a factor α with a limit a lim is introduced: a = { i.e S O C ¯ , f and ¨ right i.e S O C ¯ ( S O C ) > a l i m a l i m , f and ¨ right i.e S O C ¯ ( S O C ) a l i m .
Figure DE102022109827A1_0012

Der Faktor α relativiert die Abweichung der SoCs und nutzt hierfür die mittlere absolute Abweichung vom arithmetischen Mittel. Gleichzeitig kann über den Grenzwert alim eingestellt werden, ab wann die Ladezustände ausreichend angeglichen sind und der Einfluss des Balancing reduziert wird.The factor α puts the deviation of the SoCs into perspective and uses the mean absolute deviation from the arithmetic mean for this purpose. At the same time, the limit value a lim can be used to set when the states of charge are sufficiently adjusted and the influence of balancing is reduced.

Um nun aus der auf diese Weise erhaltenen normierten Abweichung wiederum einen Strom bzw. Offsetstrom zu erhalten, erfolgt eine Multiplikation mit einer Zeigerlänge des Sollstromzeigers in d/q-Koordinaten, woraus sich eine vollständige Berechnung des Offsetstroms ioffset,pm ergibt: i offset , p m = 1 a ( S o C p m S o C ¯ ) i q , soll 2 + i d ,soll 2 G bal .

Figure DE102022109827A1_0013
In order to obtain a current or offset current from the normalized deviation obtained in this way, a multiplication by is carried out a pointer length of the setpoint current pointer in d/q coordinates, which results in a complete calculation of the offset current i offset,pm : i offset , p m = 1 a ( S O C p m S O C ¯ ) i q , should 2 + i i.e ,should 2 G bal .
Figure DE102022109827A1_0013

Der Faktor Gbal im Nenner bestimmt eine Stärke bzw. eine Aggressivität des Balancings. Je kleiner der Faktor, desto dominanter wird das Balancing im Vergleich zur Effizienzoptimierung. Durch heuristische Experimente ergaben sich bei einem System mit drei Phasen, p=3, und je fünf Modulen, nph=5, für einen Wert von Gbal =4 die besten Ergebnisse.The factor G bal in the denominator determines the strength or aggressiveness of the balancing. The smaller the factor, the more dominant balancing becomes compared to efficiency optimization. Through heuristic experiments, the best results were obtained for a system with three phases, p=3, and five modules each, n ph =5, for a value of G bal =4.

Da der Offsetstrom mittels der voranstehenden Gleichungen berechnet wird, spricht man bei der Offsetstromfestlegung auch von einer Offsetstromdefinition.Since the offset current is calculated using the above equations, the definition of the offset current is also referred to as an offset current definition.

Erfindungsgemäß wird bei der Rekuperationserkennung überprüft, ob in einem aktuellen Arbeitspunkt generatorisch gebremst und dabei auch Energie zurückgewonnen werden kann. Dazu wird anhand von Maschinengleichungen, aus der gemessenen Drehzahl n und den d/q-Sollströmen id,sp, iq,sp eine elektrische Leistung PMotor,el der elektrischen Maschine unter Beachtung der ohmschen Verluste in den Motorwicklungen abgeschätzt. Ist die elektrische Leistung PMotor,el negativ, wird von einem rekuperativen Arbeitspunkt ausgegangen. Diese binäre Information (PMotor,el negativ ja/nein) wird dann in dem TCC-Block verarbeitet, so dass bspw. in einem motorischen Betrieb stärker entladene Energiespeicher durch Entlastung an weniger stark entladene Energiespeicher angeglichen werden. Nur in einem rückspeisenden bzw. rekuperativen Betrieb der elektrischen Maschine werden die Energiespeicher gezielt aufgeladen. Liegt keine Rekuperation vor, werden die Zielströme nach unten auf 0 A begrenzt und aktives Laden wird vermieden, um vorteilhaft unnötige ohmsche Verluste beim aktiven Umladen der Energiespeicher zu vermeiden.According to the invention, during the recuperation detection, a check is made as to whether regenerative braking can be performed at a current operating point and energy can also be recovered in the process. For this purpose, an electrical power P Motor,el of the electrical machine is estimated using machine equations, from the measured speed n and the d/q setpoint currents i d,sp , i q,sp , taking into account the ohmic losses in the motor windings. If the electrical power P Motor,el is negative, a recuperative operating point is assumed. This binary information (P Motor,el negative yes/no) is then processed in the TCC block, so that, for example, in motor operation, more heavily discharged energy stores are adjusted to less heavily discharged energy stores by unloading them. The energy stores are charged in a targeted manner only when the electric machine is operated in a regenerative or recuperative manner. If there is no recuperation, the target currents are limited below to 0 A and active charging is avoided in order to advantageously avoid unnecessary ohmic losses when actively recharging the energy store.

Die Zielströme itarget werden aus den Eingangsgrößen zum TCC-Block bestimmt. Erfindungsgemäß werden Idealstromaufteilung und Offsetstromfestlegung aufsummiert und dann mittels einer variablen Sättigung begrenzt. Variable Sättigung bedeutet in diesem Kontext, dass die jeweils gültigen Grenzwerte variabel sind und im Betrieb entsprechend angepasst werden. Solche Grenzen sind insbesondere vom Zustand des Energiespeichers, also Temperatur und Ladezustand (SoC), abhängige, maximale Lade- und Entladeströme.The target currents i target are determined from the inputs to the TCC block. According to the invention, ideal current distribution and offset current definition are summed up and then limited by means of variable saturation. In this context, variable saturation means that the applicable limit values are variable and are adjusted accordingly during operation. Such limits are, in particular, maximum charging and discharging currents dependent on the state of the energy store, ie temperature and state of charge (SoC).

Zusätzlich zu der dynamischen Unterscheidung kommen feste Grenzen imin und imax entsprechend einer Stromtragfähigkeit der Energiespeicher hinzu. Die Begrenzung der Zielströme itarget erfolgt zum Schutz der Energiespeicher, wobei sowohl Entlade- als auch Ladeströme begrenzt werden. Tatsächlich fließende Modulströme können jedoch trotz dieser Begrenzung betragsmäßig größer ausfallen, da die Umsetzung der Zielströme anhand der Kostenfunktion erfolgt. Typischerweise ist die Grenze der Ladeströme betragsmäßig geringer, als das jeweilige Modul laut technischer Angaben, bspw. gemäß einem Datenblatt, zulässt. Eine variable Begrenzung der Ladeströme, in Abhängigkeit vom aktuellen SoC, ist ebenso denkbar. Dabei könnte eine Dynamic Charge Acceptance, abgekürzt DCA, der Energiespeicher beachtet werden. Die DCA beschreibt in Relation zur Speicherkapazität inwieweit ein Energiespeicher in der Lage ist, elektrische Ladung aufzunehmen. Dies ist von Temperatur, dem aktuellen Ladezustand aber auch einer Belastungshistorie des Energiespeichers abhängig.In addition to the dynamic distinction, there are fixed limits i min and i max according to the current carrying capacity of the energy storage. The target currents i target are limited to protect the energy stores, with both discharging and charging currents being limited. However, despite this limitation, module currents that actually flow can be larger in terms of amount, since the implementation of the target currents is based on the cost function. Typically, the limit of the charging currents is lower than the respective module allows according to the technical information, e.g. according to a data sheet. A variable limitation of the charging currents, depending on the current SoC, is also conceivable. A Dynamic Charge Acceptance, abbreviated DCA, of the energy storage could be considered. In relation to the storage capacity, the DCA describes the extent to which an energy storage device is able to absorb an electrical charge. This depends on the temperature, the current state of charge, but also a load history of the energy storage device.

Mittels der Kostenfunktion wird derjenige Schaltvektor s

Figure DE102022109827A1_0014
welcher die Zielströme am besten realisieren kann, ausgewählt und anschließend ausgegeben. Dazu werden anhand eines modellprädiktiven Ansatzes, bspw. aus voranstehend zitierter MMSPC-Beschreibung entnommen, für eine Auswahl an möglichen Folgezuständen auf den aktuellen Schaltzustand die Modulströme imod,pm vorausberechnet und entsprechende Werte der Kostenfunktion Jals eine quadratische Abweichung von den Zielströmen itarget bestimmt: J = p = 1 3 m = 1 n p h ( i t a r g e t , p m i m o d , p m ) 2 .
Figure DE102022109827A1_0015
Using the cost function, that switching vector s
Figure DE102022109827A1_0014
which can best realize the target streams is selected and then output. For this purpose, using a model-predictive approach, e.g. taken from the MMSPC description cited above, the module currents i mod,pm are precalculated for a selection of possible subsequent states on the current switching state and corresponding values of the cost function J are determined as a quadratic deviation from the target currents i target : J = p = 1 3 m = 1 n p H ( i t a right G e t , p m i m O i.e , p m ) 2 .
Figure DE102022109827A1_0015

Am besten werden jeweilige Zielströme itarget durch den Schaltvektor s

Figure DE102022109827A1_0016
mit einem kleinsten Wert J in Gleichung (9) realisiert, worauf dieser Schaltvektor s
Figure DE102022109827A1_0017
an die jeweiligen Module übermittelt wird. Während des Betriebes führt das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft zu einem Angleichen der Ladezustände bei gleichzeitig effizientem Betrieb des Umrichters. Wenn die Ladezustände komplett angeglichen sind, dann ist die Effizienzoptimierung dominant und Verluste werden minimiert.The respective target currents i target are best achieved by the switching vector s
Figure DE102022109827A1_0016
with a smallest value J in equation (9), whereupon this switching vector s
Figure DE102022109827A1_0017
is transmitted to the respective modules. During operation, the method according to the invention advantageously leads to an adjustment of the charge states with simultaneous efficient operation of the converter. If the states of charge are completely equal, then the efficiency optimization is dominant and losses are minimized.

Alternativ ist denkbar, anstatt Fehlerquadrate in Gleichung (9) zu bilden, mittels einem Delta-Sigma-Verfahren über Abweichung zwischen umgesetzten Istströmen und den Zielströmen aufzuintegrieren und zum nächsten Schalttakt zu berücksichtigen. i D S , p m = i target , p m i mod ,opt , p m .

Figure DE102022109827A1_0018
Alternatively, instead of forming error squares in equation (9), it is conceivable to use a delta-sigma method to integrate the deviation between the converted actual currents and the target currents and to take this into account for the next switching cycle. i D S , p m = i target , p m i model ,opt , p m .
Figure DE102022109827A1_0018

Erfindungsgemäß findet eine Vorausberechnung von Modulströmen in Echtzeit bzw. zu jedem Schaltakt des Multilevelumrichters statt.According to the invention, module currents are precalculated in real time or for each switching cycle of the multilevel converter.

Ferner wird ein System für eine Zielstrom-Modulation eines modularen Multilevelumrichters beansprucht, bei dem das System eine elektrische Last, eine Maschinenregelung, einen modularen Multilevelumrichter mit einer Mehrzahl von Modulen und mit einer Steuerung umfasst, wobei jedes Modul der Mehrzahl von Modulen mindestens zwei steuerbare Schalter und mindestens einen Energiespeicher aufweist, wobei durch Aneinanderreihung der Module mindestens ein Strang gebildet ist und durch den mindestens einen Strang eine jeweilige Phase für die elektrische Last gebildet ist, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, zu jedem Schalttakt einen jeweiligen Schaltbefehl, welcher alle einzustellenden Schaltzustände der Module umfasst und sich dadurch ein jeweiliger Strom in dem jeweiligen Modul der Mehrzahl von Modulen einstellt, wobei dem Schaltbefehl ein zu realisierender Zielstrom vorgegeben ist, bereitzustellen und an die Mehrzahl von Modulen zu übermitteln, und dazu

  • ▪ den jeweiligen Zielstrom basierend auf einer Sollstromvorgabe zu berechnen, indem
    • • von der Regelung taktsynchron zu einem Schalttakt des modularen Multilevelumrichters die Sollstromvorgabe als Sollspannungslevel für die mindestens eine Phase und ein Phasenwinkel bereitgestellt werden und von der Steuerung verlustminimale Idealströme zu einer Idealstromaufteilung berechnet werden,
    • • zusätzlich zu der Sollstromvorgabe ein Ladezustand für jedes Modul herangezogen wird und daraus für einen Ladezustandsausgleich innerhalb der Mehrzahl an Modulen lastbasierte Offsetströme zu einer Offsetstromfestlegung berechnet werden,
    • • Idealstromaufteilung und Offsetstromfestlegung aufsummiert und mittels vorgegebener Sättigungswerte begrenzt werden, wodurch die jeweiligen Zielströme in einer Zielstromaufteilung gebildet werden,
  • ▪ und mittels einer Kostenfunktion diejenigen Schaltzustände der Mehrzahl an Modulen, welche die Zielstromaufteilung mit einer geringsten Abweichung realisieren, zu bestimmen und damit den jeweiligen Schaltbefehl pro Schalttakt zu bilden.
Furthermore, a system for a target current modulation of a modular multilevel converter is claimed, in which the system comprises an electrical load, a machine control, a modular multilevel converter with a plurality of modules and with a controller, each module of the plurality of modules having at least two controllable switches and has at least one energy store, at least one phase being formed by arranging the modules in a row and a respective phase for the electrical load being formed by the at least one phase, the controller being configured to send a respective switching command for each switching cycle, which includes all switching states to be set of the modules and thereby adjusts a respective current in the respective module of the plurality of modules, wherein the switching command is specified to provide a target current to be realized and to transmit to the plurality of modules, and to
  • ▪ calculate the respective target current based on a target current specification by
    • • the setpoint current specification as a setpoint voltage level for at least one phase and one phase angle is provided by the control synchronously with a switching cycle of the modular multilevel converter and the controller calculates ideal currents with minimal losses for an ideal current distribution,
    • • in addition to the target current specification, a state of charge is used for each module and load-based offset currents are calculated from this for state of charge equalization within the plurality of modules to determine an offset current,
    • • Ideal current distribution and offset current definition are summed up and limited using specified saturation values, whereby the respective target currents are formed in a target current distribution,
  • ▪ and using a cost function to determine those switching states of the plurality of modules that implement the target current distribution with the smallest deviation and thus form the respective switching command per switching cycle.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems ist das System dazu konfiguriert, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen.In one embodiment of the system according to the invention, the system is configured to carry out a method according to the invention.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and refinements of the invention result from the description and the attached drawing.

Es versteht sich, dass die voranstehend genannten 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.It goes without saying that the features mentioned above can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.

Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.

  • 1 zeigt ein Ablaufschema zur Zielstrommodulation in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 2 zeigt ein Berechnungsschema zur Zielstrommodulation in der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
The figures are described in a coherent and comprehensive manner, and the same reference symbols are assigned to the same components.
  • 1 shows a flowchart for target current modulation in an embodiment of the method according to the invention.
  • 2 shows a calculation scheme for target current modulation in the embodiment of the method according to the invention.

In 1 wird ein Ablaufschema 100 zur Zielstrommodulation 130 in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Für jedes MMSPC-Modul in einem Strang mit Phase U 141, Phase V 142 und Phase W 143 wird in einer Zielstrommodulation 130 ein Zielstrom itarget berechnet. Die Zielstrommodulation 130 ist auf Signalflussebene hinter einer Regelung mit einem PI-Regler 110 und einem Delta-Sigma-Modulator 120 und vor einem Bus zur Schaltbefehlverteilung 140 angeordnet. Zunächst werden eine q-Komponente Sollstrom iq,soll 101 und eine d-Komponente Sollstrom id,soll 102 mittels des PI-Reglers 110 zu einer q-Komponente Sollspannung uq 103 und einer d-Komponente Sollspannung ud 104 umgewandelt und anschließend mittels des Delta-Sigma-Modulators 120 als ein Sollspannungslevel lvlout,uvw (bezeichnet lvlo"t,", lvlout,v, lvlout,w )105 der Zielstrommodulation 130 zugeführt. Weitere Eingangsgrößen zur Zielstrommodulation 130 sind ebenfalls die q-Komponente Sollstrom iq,soll 101 und d-Komponente Sollstrom id,soll 102, Phasenströme iph,uvw 106, (Rotor-)Drehzahl n 107, und alle Ladezustände SoCs 108 der Energiespeicher. Als Ausgangsgröße stellt die Zielstrommodulation 130 einen Schaltbefehl 109 bereit.In 1 a flowchart 100 for target current modulation 130 is shown in an embodiment of the method according to the invention. A target current i target is calculated in a target current modulation 130 for each MMSPC module in a line with phase U 141 , phase V 142 and phase W 143 . The target current modulation 130 is arranged at the signal flow level after a regulation with a PI controller 110 and a delta-sigma modulator 120 and before a bus for switching command distribution 140 . First, a q-component setpoint current i q,setpoint 101 and a d-component setpoint current i d,setpoint 102 are converted by the PI controller 110 to a q-component setpoint voltage u q 103 and a d-component setpoint voltage u d 104 and then supplied to the target current modulation 130 by means of the delta-sigma modulator 120 as a desired voltage level lvl out,uvw (designated lvl o" t,", lvl out,v , lvl out,w ). Other input variables for target current modulation 130 are also the q component target current i q,target 101 and d component target current i d,target 102, phase currents i ph,uvw 106, (rotor) speed n 107, and all charge states SoCs 108 of the energy storage . The target current modulation 130 provides a switching command 109 as an output variable.

In 2 wird ein Berechnungsschema 200 zur Zielstrommodulation in der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Eine Modulation des Zielstromes itarget setzt sich aus einer Idealstromaufteilung 210, einer Offsetstromfestlegung 220, und einer Rekuperationserkennung 230 zusammen. Der Ausgangspunkt ist dabei immer die maximale Effizienz. Zu jedem Zeitpunkt wird bei der Idealstromaufteilung 210 mit Eingangsgrößen Sollspannungslevel lvlout,uvw 105 und Phasenströme iph,uvw 106 eine aus Sicht der Effizienz optimale Idealstromaufteilung 210 ieffizienz über alle Module bestimmt und einer Berechnung der Zielstromaufteilung 240, Englisch „Target Current Calculation“ (TCC), zugeführt. Bei dieser Idealstromaufteilung fallen die geringsten ohmschen Verluste im Umrichter und den Energiespeichern an. Zum Ausgleich von Ladezuständen dient die Berechnung der Offsetstromfestlegung 220 mit den Eingangsgrößen Ladezustände SoCs 108, q-Komponente Sollstrom zq,Soll 101 und der d-Komponente Sollstrom id,soll 102. Die daraus gewonnene Offsetstromverteilung 220 ioffset wird ebenfalls der Berechnung der Zielstromaufteilung 240 zugeführt. Je nachdem ob ein jeweiliger Offsetstrom positiv oder negativ ist, kann eine Belastung der einzelnen Batteriezellen erhöht oder verringert werden. Die Rekuperationserkennung 230 bestimmt aus den Eingangsgrößen Drehzahl n 107, q-Komponente Sollstrom iq,Soll 101 und d-Komponente Sollstrom id,soll 102, ob im aktuellen Arbeitspunkt rekuperativ gebremst wird, und leitet diese Information an die Berechnung der Zielstromaufteilung 240 weiter, was dort dazu führt, dass jeweilige negative Offsetströme ohne vorliegende Rekuperation auf den Nullwert gesetzt werden. Bei der Berechnung der Zielstromaufteilung 240 wird aus ieffizienz und ioffset der Zielstrom itarget bzw. die Zielstromaufteilung 245 erzeugt. Schließlich wird mittels einer Kostenfunktion 250 ein Schaltvektor s ,

Figure DE102022109827A1_0019
welcher die angestrebten Zielströme am besten realisieren kann, bestimmt und als Schaltbefehl 109 ausgegeben.In 2 a calculation scheme 200 for target current modulation in the embodiment of the method according to the invention is shown. A modulation of the target current i target is made up of an ideal current distribution 210 , an offset current determination 220 and a recuperation detection 230 . The starting point is always maximum efficiency. At any point in time, with the ideal current distribution 210 with input variables target voltage level lvl out,uvw 105 and phase currents i ph,uvw 106, an ideal current distribution 210 i efficiency that is optimal from the point of view of efficiency is determined across all modules and a calculation of the target current distribution 240, “Target Current Calculation” (TCC). With this ideal current distribution, the lowest ohmic losses occur in the converter and the energy storage devices. The calculation of the offset current definition 220 with the input variables charge states SoCs 108, q-component target current z q,target 101 and the d-component target current i d,target 102 is used to compensate for charging states. The offset current distribution 220 i offset obtained from this is also used to calculate the Target current sharing 240 supplied. Depending on whether a respective offset current is positive or negative, a load on the individual battery cells can be increased or decreased. The recuperation detection 230 determines from the input variables speed n 107, q-component setpoint current i q,setpoint 101 and d-component setpoint current i d,setpoint 102 whether recuperative braking is taking place at the current operating point and forwards this information to the calculation of the target current distribution 240 , which leads there to the fact that the respective negative offset currents are set to the zero value without any recuperation. When calculating the target current distribution 240, the target current i target or the target current distribution 245 is generated from i efficiency and i offset . Finally, using a cost function 250, a switching vector s ,
Figure DE102022109827A1_0019
which can best realize the desired target currents is determined and output as a switching command 109.

BezugszeichenlisteReference List

100100
Ablaufschema zur ZielstrommodulationFlow chart for target current modulation
101101
q-Komponente Sollstrom iq,soll q-component set current i q,set
102102
d-Komponente Sollstrom id,soll d-component set current i d,set
103103
q-Komponente Sollspannung uq q-component set voltage u q
104104
d-Komponente Sollspannung ud d-component target voltage u d
105105
Sollspannungslevel lvlout,uvw Target voltage level lvl out, etc
106106
Phasenströme iph,uvw, phase currents i ph,uvw,
107107
Drehzahl nspeed n
108108
Ladezustände SoCsState of charge SoCs
109109
Schaltbefehlswitching command
110110
PI-ReglerPI controller
120120
Modulatormodulator
130130
Zielstrommodulationtarget current modulation
140140
Schaltbefehlverteilungswitching command distribution
141141
Multilevelumrichter Strang für Phase UMultilevel converter string for phase U
142142
Multilevelumrichter Strang für Phase VMultilevel converter string for phase V
143143
Multilevelumrichter Strang für Phase WMultilevel converter string for phase W
200200
Schema ZielstrommodulationScheme target current modulation
210210
Idealstromaufteilungideal current sharing
220220
Offsetstromfestlegungoffset current setting
230230
Rekuperationserkennungregeneration detection
240240
Zielstromaufteilungtarget current sharing
245245
Zielstromtarget current
250250
Kostenfunktioncost function

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • US 20180109202 [0002]US20180109202 [0002]
  • DE 102011075429 A1 [0005]DE 102011075429 A1 [0005]
  • DE 102016125720 A1 [0006]DE 102016125720 A1 [0006]
  • US 20210155100 A1 [0007]US20210155100A1 [0007]

Claims (11)

Verfahren für eine Zielstrom-Modulation eines modularen Multilevelumrichters, bei dem der modulare Multilevelumrichter eine Mehrzahl von Modulen aufweist und von einer Steuerung gesteuert wird, bei dem jedes Modul der Mehrzahl von Modulen mindestens zwei steuerbare Schalter und mindestens einen Energiespeicher aufweist, wobei durch Aneinanderreihung der Module mindestens ein Strang (141, 142, 143) gebildet wird und durch den mindestens einen Strang (141, 142, 143) eine jeweilige Phase für eine elektrische Last gebildet wird, wobei durch die Steuerung zu jedem Schalttakt ein jeweiliger Schaltbefehl (109), welcher alle einzustellenden Schaltzustände der Module umfasst, bereitgestellt und an die Mehrzahl von Modulen übermittelt wird, wobei sich durch den jeweiligen Schaltbefehl (109) ein jeweiliger Strom in dem jeweiligen Modul der Mehrzahl von Modulen einstellt, wobei dem Schaltbefehl ein zu realisierender Zielstrom (245) vorgegeben wird, wobei der jeweilige Zielstrom (245) durch die Steuerung basierend auf einer Sollstromvorgabe (101, 102) berechnet wird, indem • von einer Regelung taktsynchron zu einem Schalttakt des modularen Multilevelumrichters die Sollstromvorgabe (101, 102) als Sollspannungslevel (105) für die mindestens eine Phase und ein Phasenwinkel bereitgestellt werden und von der Steuerung verlustminimale Idealströme zu einer Idealstromaufteilung (210) berechnet werden, • zusätzlich zu der Sollstromvorgabe ein Ladezustand für jedes Modul herangezogen wird und daraus für einen Ladezustandsausgleich innerhalb der Mehrzahl an Modulen lastbasierte Offsetströme zu einer Offsetstromfestlegung (220) berechnet werden, • Idealstromaufteilung (210) und Offsetstromfestlegung (220) aufsummiert und mittels vorgegebener Sättigungswerte begrenzt werden, wodurch die jeweiligen Zielströme (245) in einer Zielstromaufteilung (240) gebildet werden, und wobei mittels einer Kostenfunktion (250) diejenigen Schaltzustände der Mehrzahl an Modulen, welche die Zielstromaufteilung (240) mit einer geringsten Abweichung realisieren, bestimmt werden und damit der jeweilige Schaltbefehl (109) pro Schalttakt gebildet wird.Method for a target current modulation of a modular multilevel converter, in which the modular multilevel converter has a plurality of modules and is controlled by a controller, in which each module of the plurality of modules has at least two controllable switches and at least one energy store, by lining up the modules at least one phase (141, 142, 143) is formed and a respective phase for an electrical load is formed by the at least one phase (141, 142, 143), with the controller issuing a respective switching command (109) for each switching cycle, which includes all switching states of the modules to be set, is provided and transmitted to the plurality of modules, with the respective switching command (109) setting a respective current in the respective module of the plurality of modules, with the switching command specifying a target current (245) to be implemented is, wherein the respective target current (245) by the controller based on a target current specification (101, 102) is calculated by • the target current specification (101, 102) is provided as a target voltage level (105) for the at least one phase and one phase angle by a controller synchronous with a switching clock of the modular multilevel converter and the controller calculates ideal currents with minimal losses for an ideal current distribution (210), • in addition to the target current specification, a state of charge is used for each module and load-based offset currents are calculated from this for state of charge equalization within the plurality of modules for an offset current definition (220), • Ideal current distribution (210) and offset current determination (220) are summed up and limited using predetermined saturation values, whereby the respective target currents (245) are formed in a target current distribution (240), and using a cost function (250) those switching states of the plurality of modules which implement the target current distribution (240) with the smallest deviation, be determined and thus the respective switching command (109) per switching cycle is formed. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Sättigungswerte zu zahlenmäßig größeren Werten hin durch technische Obergrenzen beschränkt werden und zu zahlenmäßig kleineren Werten hin auf den Nullwert begrenzt werden.procedure after claim 1 , where the saturation values are constrained towards numerically larger values by technical upper limits and towards numerically smaller values are limited to the zero value. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei bei der Berechnung des jeweiligen Zielstromes (245) zusätzlich bei einem Vorliegen eines rekuperativen Zustands (230) negative Werte zugelassen werden, wodurch die Module auf Grundlage einer Abschätzung einer elektrischen Leistung der elektrischen Maschine basierend auf einer gemessenen Drehzahl (107) und der Sollstromvorgabe gezielt aufgeladen werden.Method according to one of the preceding claims, wherein when calculating the respective target current (245), negative values are also permitted if a recuperative state (230) is present, whereby the modules are based on an estimate of an electrical power of the electrical machine based on a measured speed (107) and the setpoint current specification are charged in a targeted manner. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Sättigungswerte im laufenden Betrieb angepasst werden.Method according to one of the preceding claims, wherein the saturation values are adjusted during operation. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei bei der Berechnung des jeweiligen Zielstromes (245) zusätzlich ein Gleichtaktspannungslevel aufgeprägt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein a common-mode voltage level is additionally applied when calculating the respective target current (245). Verfahren nach Anspruch 5, wobei bei der Kostenfunktion (250) bei allen Schaltzuständen alle aufprägbaren Gleichtaktspannungslevel mitberücksichtigt werden.procedure after claim 5 , with all common-mode voltage levels that can be impressed being taken into account in the cost function (250) for all switching states. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei alle möglichen Zielströme (245) zu einem Schalttakt, welcher dem aktuellen Schalttakt nachfolgt, berechnet werden und in der Kostenfunktion (250) mitberücksichtigt werden.Method according to one of the preceding claims, wherein all possible target currents (245) are calculated for a switching clock which follows the current switching clock and are also taken into account in the cost function (250). Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei bei im Kennfeld gespeicherten gleichwertigen Schaltzuständen mit sich gleichenden minimalen Verlusten ein Mittelwert der damit einhergehenden Modulströme berechnet wird oder eine willkürliche Auswahl eines dieser gleichwertigen Schaltzustände getroffen wird.Method according to one of the preceding claims, wherein in the case of equivalent switching states with equal minimum losses stored in the characteristics map, a mean value of the associated module currents is calculated or an arbitrary selection of one of these equivalent switching states is made. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei auf Grundlage der Sollstromvorgabe (101, 102) das Sollspannungslevel (105) durch eine PI-Regelung (110) und einer anschließenden Delta-Sigma-Modulation (120) gebildet wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the target voltage level (105) is formed by PI control (110) and subsequent delta-sigma modulation (120) on the basis of the target current specification (101, 102). System für eine Zielstrom-Modulation eines modularen Multilevelumrichters, bei dem das System eine elektrische Last, eine Maschinenregelung, einen modularen Multilevelumrichter mit einer Mehrzahl von Modulen und mit einer Steuerung umfasst, wobei jedes Modul der Mehrzahl von Modulen mindestens zwei steuerbare Schalter und mindestens einen Energiespeicher aufweist, wobei durch Aneinanderreihung der Module mindestens ein Strang (141, 142, 143) gebildet ist und durch den mindestens einen Strang (141, 142, 143) eine jeweilige Phase für die elektrische Last gebildet ist, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, zu jedem Schalttakt einen jeweiligen Schaltbefehl (109), welcher alle einzustellenden Schaltzustände der Module umfasst und sich dadurch ein jeweiliger Strom in dem jeweiligen Modul der Mehrzahl von Modulen einstellt, wobei dem jeweiligen Schaltbefehl (109) ein zu realisierender Zielstrom (245) vorgegeben ist, bereitzustellen und an die Mehrzahl von Modulen zu übermitteln, und dazu ▪ den jeweiligen Zielstrom (245) basierend auf einer Sollstromvorgabe zu berechnen, indem • von der Regelung taktsynchron zu einem Schalttakt des modularen Multilevelumrichters die Sollstromvorgabe (101, 102) als Sollspannungslevel (105) für die mindestens eine Phase und ein Phasenwinkel bereitgestellt werden und von der Steuerung verlustminimale Idealströme zu einer Idealstromaufteilung (210) berechnet werden, • zusätzlich zu der Sollstromvorgabe ein Ladezustand für jedes Modul herangezogen wird und daraus für einen Ladezustandsausgleich innerhalb der Mehrzahl an Modulen lastbasierte Offsetströme zu einer Offsetstromfestlegung (220) berechnet werden, • Idealstromaufteilung (210) und Offsetstromfestlegung (220) aufsummiert und mittels vorgegebener Sättigungswerte begrenzt werden, wodurch die jeweiligen Zielströme (245) in einer Zielstromaufteilung (240) gebildet werden, • und mittels einer Kostenfunktion (250) diejenigen Schaltzustände der Mehrzahl an Modulen, welche die Zielstromaufteilung (240) mit einer geringsten Abweichung realisieren, bestimmt werden und damit den jeweiligen Schaltbefehl (109) pro Schalttakt zu bilden.System for a target current modulation of a modular multilevel converter, in which the system comprises an electrical load, a machine control, a modular multilevel converter with a plurality of modules and with a controller, each module of the plurality of modules having at least two controllable switches and at least one energy store wherein at least one strand (141, 142, 143) is formed by arranging the modules in a row and a respective phase for the electrical load is formed by the at least one strand (141, 142, 143), the controller being configured to provide a respective switching command (109) for each switching cycle, which includes all the switching states of the modules to be set, and as a result a respective current is set in the respective module of the plurality of modules, a target current (245) to be implemented being specified for the respective switching command (109). and transmit to the plurality of modules, and to ▪ calculate the respective target current (245) based on a target current specification by • the target current specification (101, 102) as a target voltage level (105) for the at least one phase and a phase angle being provided by the control synchronously with a switching cycle of the modular multilevel converter and by of the controller, loss-minimum ideal currents are calculated for an ideal current distribution (210), • in addition to the target current specification, a state of charge for each module is used and from this load-based offset currents are calculated for a state of charge equalization within the plurality of modules for an offset current definition (220), • ideal current distribution (210 ) and offset current determination (220) are summed up and limited by means of predetermined saturation values, whereby the respective target currents (245) are formed in a target current distribution (240), • and by means of a cost function (250) those switching states of the plurality of modules that the target current distribution (240 ) with the smallest deviation, can be determined and thus form the respective switching command (109) per switching cycle. System nach Anspruch 10, wobei das System dazu konfiguriert ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9 auszuführen.system after claim 10 , wherein the system is configured to perform a method according to any one of claims 2 until 9 to execute.
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