Neue Betriebsmodi von modularen Stromrichtern mit modulierter Ausgangsspannung und stark verminderter Modulkapazität - II

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Axel Mertens
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung seit 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 324166923

Die im auslaufenden Projektzeitraum validierte Betriebsweise von Modular Multilevel Converters (MMC) mit einer Quasi-2-Level-(Q2L-)PWM und geregelten Zweigströmen ermöglicht eine drastische Verringerung der modulinternen Kapazitäten auf wenige Prozent einer üblichen Dimensionierung. Dies ist ein entscheidender Vorteil für Kosten, Volumen und Gewicht. Gleichzeitig werden viele Vorteile der MMC beibehalten, wie Skalierbarkeit, Redundanz, Verwendung preisgünstiger Niederspannungs-Bauelemente in den Modulen usw. Insbesondere bleiben auch die Sprünge der Ausgangsspannung und die zugehörigen Steilheiten auf die Werte eines Moduls begrenzt, was in elektrischen Antrieben mit langen Motorzuleitungen bzgl. der Isolationsbemessung und der Gefahr von Lagerströmen von Bedeutung ist. Nachteilig sind beim Q2L-MMC noch die gegenüber MMC erhöhten Verzerrungen der Ausgangsspannungen und -ströme, die in etwa den Verhältnissen in konventionellen Zweipunkt-Wechselrichtern entspricht. Hier setzt das beantragte Folgeprojekt an. Das Konzept soll auf Quasi-n-level-MMC mit einer niedrigen Anzahl von genutzten Spannungsniveaus erweitert werden, die bzgl. Verzerrungen bessere Eigenschaften aufweisen. Bereits im laufenden Vorhaben konnte das Konzept mit geregelten Zweigströmen auf einen Quasi-3-Level- (Q3L)-MMC übertragen und in Simulationen validiert werden. Darüber hinaus konnte ein Q3L-Betrieb mit einer aufwandsärmeren hybriden Umrichter-Topologie dargestellt werden. Andererseits konnte das Konzept auf den modularen Matrix-Multilevel-Umrichter (MMMC) übertragen werden. Darauf aufbauend wird im beantragten Folgeprojekt angestrebt, die genannten Varianten incl. Q3L-MMMC experimentell zu validieren, bevor eine Erweiterung und Verallgemeinerung des Konzeptes auf n-Level-Umrichter erfolgt. Im Labor soll dabei ein hybrider Q5L-MMC realisiert werden. Bei den hybriden Varianten ist neben den bereits erwähnten Topologie-Konzepten noch ein weiterer Ansatz attraktiv, der bisher noch nicht eingehend untersucht wurde. Dieser neue Ansatz bietet viele potentielle Vorteile, auch gegenüber konventionellen Multilevel-Umrichtern. Im Rahmen des beantragten Vorhabens soll auch dieses innovative Konzept erforscht, evaluiert und eingeordnet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen