Optimale Betriebsführung des modularen Multilevelumrichters als Antriebsumrichter
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Modulare Multilevelumrichter (MMC) bieten zahlreiche Vorteile gegenüber anderen Mehrstufenwechselrichtern: einfache Skalierbarkeit mit identischen Modulen, Einsatz von konventionellen Niederspannungsbauteilen für Hochspannungsumrichter, Wegfall von potentialgetrennten Einspeisungen, einfache Realisierbarkeit hoher Redundanz, etc. Dieses Forschungsprojekt liefert entscheidende Beiträge für den Betrieb von MMCs in Antriebssystemen, damit dessen Vorteile in diesem Gebiet nutzbar gemacht werden. Dazu wurden für den frequenzvariablen Betrieb von Drehstrommaschinen entsprechende Steuerverfahren zur Symmetrierung der in den einzelnen Zellen gespeicherten Energien hergeleitet. Dieser Ansatz wurde durch ein Symmetrierverfahren erweitert, um einen Betrieb bis hinunter zur Frequenz Null zu ermöglichen. Aus diesem Ansatz wurde ein ganzheitliches Regelkonzept entworfen und in Simulationen verifiziert. Für die Untersuchung in der Realität wurden zwei Prototypen für den Niederspannungsbereich entwickelt und in Betrieb genommen. Neben dem motorseitigen MMC wurde über die Antragstellung hinaus ein netzseitiger MMC aufgebaut und zur DC-seitigen Kopplung in Betrieb genommen. Mit ihnen wurde der Betrieb von Drehstrommaschinen an MMCs über deren gesamten Frequenzbereich erfolgreich nachgewiesen. Die Messergebnisse zeigen die Funktionsfähigkeit und Robustheit des entworfenen Regelverfahrens. Ein Vergleich mit den Berechnungen und Simulationen zeigt eine sehr gute Übereinstimmung. Somit lassen sich dieses Konzept sowie alle weiteren Erkenntnisse problemlos auf Antriebssysteme in allen Leistungsklassen übertragen und anwenden. Darüber hinaus dienen die im Rahmen des Projekts gewonnenen wissenschaftlichen Ergebnis als Basis zahlreicher weitere Forschungsprojekte und Produktentwicklungen im Bereich der Modularen Multilevelumrichter. Mit dem Niederspannungs-Prototyp wurde gezeigt, dass Umrichter auf Basis der MMC-Topologie äußerst effizient arbeiten und somit elektrische Energie verlustarm umsetzen können. Damit ist auch bewiesen, dass die Modularen Multilevelumrichter für zahlreiche weitere Anwendungsbereiche auf Niederspannungsniveau geeignet sind. Die beiden Konferenzbeiträge zur „PCIM Europe“ 2011 und 2012, welche im Rahmen des geförderten Projekts entstanden sind, wurden jeweils mit dem „Young Engineer Award“ ausgezeichnet (Ausgabe 02/2012 des Magazins „elektronik-Journal“).
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- A novel control scheme for low frequency operation of the modular multilevel converter; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Power Quality. PCIM Europe 2011
J. Kolb, F. Kammerer, M. Braun
- Straight forward vector control of the Modular Multilevel Converter for feeding three-phase machines over their complete frequency range; IE- CON 2011 - 37th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society, Melbourne
J. Kolb, F. Kammerer, M. Braun
- Dimensioning and Design of a Modular Multilevel Converter for Drive Applications; EPE-PEMC 2012 ECCE Europe, Novi Sad, Serbia
J. Kolb, F. Kammerer, M. Braun
- Operating performance of Modular Multilevel Converters in drive applications; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Power Quality. PCIM Europe 2012
J. Kolb, F. Kammerer, M. Braun
