Modular High-Current Variable-Voltage Rectifiers

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Joachim Böcker
• Subject Area: Electrical Energy Systems, Power Management, Power Electronics, Electrical Machines and Drives ; Electronic Semiconductors, Components and Circuits, Integrated Systems, Sensor Technology, Theoretical Electrical Engineering
• Term: from 2016 to 2021
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 314461654

• Final Report Year: 2021

Final Report Abstract

Im Rahmen des Projekts sollte untersucht werden, wie ein modularer Konverter für Hochstrom-Anwendungen, beispielsweise für die Wasserstoffelektrolyse, vorteilhaft konzeptioniert, dimensioniert und aufgebaut werden sollte. Im ersten Schritt wurden unterschiedliche Topologien verglichen. Die ursprünglich geplante sechs-Arm MMC-2-Topologie konnte hinsichtlich Performanz und Aufwand durch den dreiarmigen MMC-3 deutlich verbessert werden. Durch diesen Schritt wurde sowohl die Modulanzahl halbiert als auch die Möglichkeit gegeben, die Zwischenkreisspannung jedes Moduls im Bereich von 600V bis 770V anzupassen, um den Konverter möglichst in Resonanz zu betreiben. Für die Auslegung wurden numerische Simulationen verwendet, um die stationären Stromund Spannungsverläufe für alle Arbeitspunkte zu ermitteln. Zusätzlich wurde eine Parametervariation des LLCs durchgeführt und schließlich diejenigen Parameter gewählt, die sowohl bei Volllast keine unzulässig hohen Verluste aufweisen, als auch einen hohen mittleren Gesamtwirkungsgrad gewährleisten. Ein Modul des aus insgesamt 90 Modulen bestehenden Gesamtumrichters wurde im Labor aufgebaut und getestet. Der resultierende gemessene Wirkungsgrad des LLC-Resonanzwandlers stimmt mit dem berechneten Wert gut überein (0.2% Abweichung) und beträgt im Resonanzfall über 98%. Die Verluste in den AC/DC Stufen und den Elektrolytkondensatoren reduzieren den Systemwirkungsgrad des MMC-3 auf näherungsweise 97%. Der Wirkungsgrad eines konventionellen Umrichters ist mit 98% zwar höher als der des MMC-3, doch die harmonische Verzerrung des Netzstroms unter Volllast beträgt nur 1,25%. Beim konventionellen CRPF (12-Pulse Diode Rectifier followed by Chopper) liegt diese bei näherungsweise 8% [Sol:15]. Zusätzlich beträgt der Leistungsfaktor beim MMC-3 stets 1. Beim CRPF ist der Leistungsfaktor lastabhängig und beträgt nur unter Volllast 0,97. Das Bauvolumen wurde um 50% gegenüber dem konventionellen Umrichter reduziert. Dies ist vor allem auf den Einsatz von Mittelfrequenz-Transformatoren zurückzuführen. Die Projektziele hinsichtlich Bauvolumen, harmonischer Stromverzerrungen und Leistungsfaktor wurden vollständig erreicht.

Publications

• High power factor high-current variable-voltage rectifiers, Dissertation, Paderborn University, Germany, 2015
  J. Solanki
  
• MMC-Topology for High-Current and Low-Voltage Applications with Minimal Number of Submodules, Reduced Switching and Capacitor Losses. PCIM Europe, Nürnberg, Deutschland, 2019
  R. Unruh, F. Schafmeister, N. Fröhleke, J. Böcker
  
• 1-MW Full-Bridge MMC for High-Current Low-Voltage (100V-400V) DC-Applications. PCIM Europe, Nürnberg, Deutschland, 2020
  R. Unruh, F. Schafmeister, N. Fröhleke, J. Böcker
  
• 11kW, 70kHz LLC Converter Design with Adaptive Input Voltage for 98% Efficiency in an MMC. IEEE 21st Workshop on Control and Modeling for Power Electronics (COMPEL), 2020
  R. Unruh, F. Schafmeister, J. Böcker
  
• Evaluation of MMCs for High-Power Low-Voltage DC-Applications in Combination with the Module LLC-Design. 22nd European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'20 ECCE Europe), 2020
  R. Unruh, F. Schafmeister, J. Böcker