Regelungs- und Steuerungsverfahren für vielphasige Direkt-Umrichter
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Ausgangsfragestellung der Untersuchungen zielt ab auf eine mögliche Verbesserung der Effizienz von Turbinen-Generatorsätzen. Dies soll durch eine variable Drehzahl des Generators erreicht werden. Da der Generator hierdurch nicht mehr starr am Netz betrieben werden kann, ist ein Umrichter zur Frequenzanpassung erforderlich. Um eine Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades zu realisieren, muss der Effizienzgewinn des Generators die Verluste des zusätzlich benötigen Umrichters übersteigen, weshalb ein vielphasiger Direktumrichter mit Thyristoren für diese Aufgabe ausgewählt wurde. Zudem kann der Turbinen-Generatorsatz hierdurch sowohl für ein 50 Hz- wie auch für ein 60 Hz-Energieversorgungsnetz eingesetzt werden, während bei normalen Turbosätzen jeweils speziell angepasste Maschinen erforderlich sind. Nachteil dieses Umrichterkonzeptes ist, dass ein aufwändiges Regelungsverfahren erforderlich ist. Im Rahmen dieses Projektes wurde daher die Einsatzmöglichkeit sowie die Performanz einer direkten Modellprädiktiven Regelung für den vielphasigen Direktumrichter untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die direkte Modellprädiktive Regelung in der Lage ist, das Regelungsproblem des vielphasigen Direktumrichters zu lösen. Anhand von Simulationsergebnissen wurde gezeigt, dass die Kommutierungszahl sogar um einen Faktor 2 im Vergleich zu dem auf 27 Phasen erweiterten Standard-Regelungsverfahren reduziert werden konnte. Da die Schalt- bzw. Kommutierungsverluste erheblichen Einfluss auf den Wirkungsgrad des Umrichters haben, können die Umrichterverluste reduziert rechnen. Ein weiterer Vorteil der MPC gegenüber dem Standard- Regelungsverfahren ist das einfach zu verstehende Funktionsprinzip. Um das Schaltverhalten der Thyristoren entsprechend zu berücksichtigen, sind jedoch zahlreiche Modifikationen des standardmäßigen direkten MPC-Ansatzes erforderlich. Hierdurch kommt es in einigen Arbeitspunkten – insbesondere bei geringer Leistung, bei der sich die Kommutierungsvorgänge besonders stark bemerkbar machen – zu deutlichen Performanzeinbußen. Während die harmonische Verzerrung bei höheren Leistungen trotz halber Kommutierungszahl auf dem Niveau des Standard- Regelungsverfahrens gehalten werden kann, steigt die THD insbesondere bei geringen Leistungen (unterhalb von 35 kW am Modell-Versuchsstand) bei der MPC deutlich an. Obwohl bereits direkte Modellprädiktive Regelungen echtzeitfähig implementiert werden konnten, war das MPC-Verfahren für den hier verwendeten Direktumrichter nicht echtzeitfähig ausführbar. Grund hierfür ist der deutlich höhere Rechenaufwand des modifizierten Verfahrens, da sowohl die Anzahl der möglichen Umschaltvorgänge angestiegen ist, als auch die Kommutierungsmöglichkeit und das Umschaltverhalten im Prädiktionsmodell nachgebildet werden muss. Der Programmcode konnte jedoch trotzdem auf der Zielhardware implementiert und ausgeführt werden. Hierbei wurde ermittelt, dass eine Rechenbeschleunigung von mindestens Faktor 12 für eine echtzeitfähige Implementierung erforderlich wäre. Im Gegensatz zur direkten MPR konnte das auf 27 Phasen erweiterte Standard-Regelungsverfahren jedoch erfolgreich am Prüfstand in Betrieb genommen werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Efficiency Optimized Model Predictive Torque Control for IPMSM. IEEE International Energy Conference (Energycon 2014), Dubrovnik, Kroatien, 2014
Leuer, M., Rüting, A., Böcker, J.
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Real-Time Implementation of an Online Model Predictive Control for IPMSM Using Parallel Computing on FPGA. International Power Electronics Conference – ECCE Asia – (IPEC 2014), Hiroshima, Japan, 2014
Leuer, M., Böcker, J.
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Voltage Utilization in Model Predictive Control for IPMSM. IEEE International Conference on Power Electronics, Drives and Energy Systems (PEDES 2014), Mumbai, Indien, 2014
Leuer, M., Böcker, J.
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Direct Model Predictive Control Strategy for Thyristor Matrix Converters. 3rd Symposium on Precictive Control of Electrical Drives and Power Electronics (Precede 2015), Valparaiso, Chile, 2015
Leuer, M., Lönneker, M., Böcker, J.
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Self-Optimizing Model Predictive Direct Torque Control for Electrical Drives. 24th IEEE International Symposium on Industrial Electronics (ISIE 2015), Rio de Janeiro, Brazil, 2015
Leuer, M., Böcker, J.
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Model Predictive Control Strategy for Multi-Phase Thyristor Matrix Converters – Advantages, Problems and Solutions. 18th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE2016), Karlsruhe, Germany, 2016
Leuer, M., Lönneker, M., Böcker, J.
