DE102022109827A1 - Method and system for target current modulation of a modular multilevel converter - Google Patents
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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
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
Die Druckschrift
In der US-amerikanischen Druckschrift
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,
- • 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,
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
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:
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
Die Idealstromaufteilung wird bspw. in Gleichung (1) dadurch eruiert, indem die anfallenden ohmschen Verluste bei Realisierung möglicher Schaltvektoren
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
Um eine Division durch Null zu verhindern, wird ein Faktor α mit einem Grenzwert alim eingeführt:
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:
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
Am besten werden jeweilige Zielströme itarget durch den Schaltvektor
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.
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.
- ▪ 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.
-
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
In
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
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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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]
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US20210155100A1 (en) | 2018-04-10 | 2021-05-27 | University Of Maryland, College Park | Vehicle on-board charger for bi-directional charging of low/high voltage batteries |
-
2022
- 2022-04-25 DE DE102022109827.3A patent/DE102022109827A1/en active Pending
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