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

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Axel Mertens
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 254417319

Modulare Multilevel-Umrichter sind aus einer Anzahl von Modulen aufgebaut, die jeweils aus Leistungshalbleitern und einem Kondensator bestehen; eine Leistungseinspeisung in die Module erfolgt in der Regel nicht. Die ausgangsseitige Serienschaltung einer Vielzahl solcher Module 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.Im Rahmen des Projekts "Mehrphasige modulare Multilevel-Direktumrichter mit reduzierter Zweiganzahl – ein systematischer Ansatz für eine Klasse von modularen Multilevel-Umrichtern" erfolgt eine systematische und einheitliche Betrachtung modularer Multilevel-Umrichter. Zu den untersuchten Umrichtern gehören voll besetzte nxm-Matrix-Topologien sowie symmetrisch reduzierte Varianten dieser. Im Fall der voll besetzten nxm-Matrix-Topologien verbindet der Umrichter ein n-Leiter System mit einem m-Leiter System, wobei sich zwischen jedem Leiter des einen Systems und jedem Leiter des anderen Systems ein Zweig des modularen Multilevel-Umrichters befindet. Bei symmetrisch reduzierten nxm-Matrix-Topologien wird eine Anzahl an Zweigen entfernt, so dass eine symmetrische Anordnung entsteht. Aus dem Projekt resultierte ein neuartiger, verallgemeinerter Regelungsansatz, welcher auf die eben genannten modularen Multilevel-Topologien anwendbar ist.Beim hier beantragten Projekt handelt es sich um das dazugehörige Folgeprojekt, welches diesen Regelungsansatz für besondere Arbeitspunkte, unsymmetrische Systeme und für unsymmetrisch reduzierte Topologien erweitern soll. Zu den besonderen Arbeitspunkten, welche eine besondere Herausforderung für modulare Multilevel-Umrichter darstellen, gehört beispielsweise der Betrieb mit gleichen Frequenzen der beiden mit dem Umrichter verbundenen Systeme. Ebenso soll der verallgemeinerte Regelungsansatz für unsymmetrische Systeme erweitert werden, um beispielsweise auch bei Netzfehlern eine funktionierende Zweigenergieregelung sicherzustellen. Eine Erweiterung auf unsymmetrisch reduzierte Topologien ermöglicht den Betrieb von vollständigen Topologien als unsymmetrisch reduzierte Variante dieser im Zweigfehlerfall.Damit vervollständigt dieses Folgeprojekt die bisher durchgeführten Analysen und den entwickelten Regelungsansatz. Die verallgemeinerte Betrachtung und Regelung wird damit für alle Topologien und für alle relevanten Arbeitspunkte gültig.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen