Logo Leibniz Universität Hannover
Logo: Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik/Leibniz Universität Hannover
Logo Leibniz Universität Hannover
Logo: Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik/Leibniz Universität Hannover
  • Zielgruppen
  • Suche
 

Mehrphasige modulare Multilevel-Direktumrichter mit reduzierter Zweiganzahl - ein systematischer Ansatz für eine Klasse von modularen Multilevel-Umrichtern (Multilevel-Umrichter)

Leitung:Prof. Dr-Ing. Axel Mertens
Bearbeitung:Dennis Karwatzki
Laufzeit:01.09.2014 - 01.10.2017
Förderung durch:DFG

Modulare Multilevel-Umrichter sind aus einer Anzahl von Modulen aufgebaut, die jeweils aus Leistungshalbleitern und einem Kondensator bestehen; eine Leistungseinspeisung erfolgt in der Regel nicht. Die ausgangsseitige Serienschaltung einer Vielzahl von solchen Modulen ermöglicht die Synthese fein diskretisierter Spannungsverläufe. Dies erlaubt den Bau von Umrichtersystemen zur transformatorlosen Anbindung an das Mittelspannungsnetz. Die Herausforderung besteht in der Regelung des Energiegehalts der Modulkondensatoren; durch eine geeignete Betriebsweise müssen die Kondensatorspannungen in Grenzen gehalten werden. Während die Aufteilung der Spannung auf die in Serie geschalteten Module eines Zweiges leicht sichergestellt werden kann, ist die Regelung des gesamten Energieinhalts eines Zweiges oft nur mit Hilfe von zusätzlichen Kreisströmen oder Gleichtaktspannungen möglich. Diese Zweigenergieregelung stellt die schwierigste Aufgabe dar. Für die Verknüpfung von zwei dreiphasigen Systemen sind derzeit drei Topologien geläufig: Der aus der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung bekannte Modulare Multilevel Converter (M²LC), der Modulare Multilevel Matrix Converter (M²MC) sowie der Hexverter, der 2011 am Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik (IAL) der Leibniz Universität Hannover erstmals genauer untersucht wurde. Der Hexverter kann als ein um drei Zweige reduzierter Matrix-Umrichter aufgefasst werden. Beide Konzepte arbeiten als Direktumrichter, d.h. ohne eine Zwischenstufe, wohingegen der M²LC einen Gleichspannungs-Zwischenkreis aufweist. Während der M²LC mit Halbbrückenmodulen arbeiten kann, sind die Direktumrichter mit Vollbrücken aus Leistungshalbleitern auszustatten. Dafür benötigen sie eine weitaus geringere Modulanzahl und kleinere Kondensatoren.

In diesem Projekt wird das Konzept des Matrixumrichters auf mehrphasige Systeme verallgemeinert. Anwendungen sind z.B. Mehrphasenmotoren oder Systeme mit belastbarem Sternpunkt. Neben den voll besetzten nxm-Matrix-Topologien sollen dabei reduzierte Varianten mit geringerer Zweiganzahl aufgefunden und untersucht werden. Bereits während der Untersuchung des Hexverters wurde am IAL ein Vorgehen entwickelt, das die systematische Aufstellung von Freiheitsgraden als Regeleingriff für die Zweigenergieregelung erlaubt. Anhand einer Verallgemeinerung dieser Vorgehensweise sollen die neuen Topologien untersucht und ihre betriebspunktabhängige Belastung ermittelt werden, um dafür jeweils eine Zweigenergieregelung und die Betriebsgrenzen in Abhängigkeit der Bauteiledimensionierung angeben zu können. Der Erkenntnisgewinn liegt neben der Auffindung neuer, zusätzlicher Topologien in einer verallgemeinerten Methodik zur Analyse und zur Erstellung der Zweigenergieregelung für die Klasse der modularen Multilevel-Direktumrichter. Weiterhin entstehen Strategien zum Weiterbetrieb solcher Umrichter unter Ausfall ganzer Zweige, während heute nur einzelne Module eines Zweiges ausfallen dürfen.

Übersicht