Gemittelte Modelle und deren Regelung für dreiphasige modulare Mehrpunktstromrichter

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Albrecht Gensior
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 420450342

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Modulare Mehrpunktstromrichter haben sich in energietechnischen Anwendungen etabliert, die im Bereich der Mittel- oder Hochspannung angesiedelt sind und werden bspw. für Hochspannungsgleichstromübertragungen eingesetzt. Die zu Grunde liegende leistungselektronische Topologie lässt sich durch mathematische Modelle beschreiben, die sich in ihren Eigenschaften deutlich von denen anderer Konvertertopologien unterscheiden. Dies ist auch damit verbunden, dass der Steuerungs- und Regelungsentwurf deutlich schwieriger ist. Eine besondere Herausforderung stellt dabei das Problem dar, die Energien zwischen den Zweigen zu symmetrieren und dabei gleichzeitig eine Last zu bedienen. Die Schwierigkeit dabei resultiert aus einem Stellgrößendefizit, das sich in einem langsameren zeitlichen Kontext auflösen lässt, indem das mittlere Verhalten des Systems über einen längeren Zeitraum betrachtet und dafür ein neues mathematisches Modell abgeleitet wird. Diese Vorgehensweise hat sich zwar in der Praxis bewährt, jedoch stand eine methodische Absicherung dieser Vorgehensweise aus. Diese wissenschaftliche Lücke konnte durch das Forschungsprojekt geschlossen werden, indem Methoden der singulären Störungsrechnung Verwendung fanden. Um die Modellbildungsmethodik zu erproben, wurden mehrere Einsatzszenarien untersucht und es fanden Untersuchungen statt, um den Gültigkeitsbereich der Aussagen abzuschätzen. Die abgeleiteten Modelle bildeten den Ausgangspunkt zum Einen für einen modellbasierten Steuerungs- und Regelungsentwurf und zum Anderen für die Untersuchung stationärer Arbeitsregimes. Hinsichtlich beider Aspekte konnte gezeigt werden, dass interessante Entwurfsfreiheiten bestehen, die technisch ausgenutzt werden können. Die entwickelten methodischen Werkzeuge habe sich als geeignet erwiesen, diese Potenziale auszuschöpfen. Ein Großteil der Projektergebnisse wurde durch experimentelle Tests untermauert, die an einem Niederspannungs-Versuchsaufbau durchgeführt wurden. Obwohl im Rahmen des Projekts nahezu ausschließlich eine Topologie betrachtet wurde, lässt sich die Modellbildungs- und Entwurfsmethodik auch für andere leistungselektronische Schaltungen nutzen, in denen quasi-periodische Arbeitsregimes auftreten, wie bspw. weitere zellbasierte Stromrichtertopologien.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• matlab scripts for MMC Pareto optimization. Technische Universität Dresden.
  Lopez, Mario & Fehr, Hendrik
  
• Energy-Balancing of a Modular Multilevel Converter with Pulsed DC Load Using an Online Trajectory Planning Algorithm. 2021 23rd European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'21 ECCE Europe), P.1-P.10. IEEE.
  Gui, Qiuye; Fehr, Hendrik & Gensior, Albrecht
  
• matlab scripts: mmc periodic signal model. Open Access. Juli 2021.
  Fehr, H.
  
• Modeling and Energy Balancing Control of Modular Multilevel Converters Using Perturbation Theory for Quasi-Periodic Systems. IEEE Transactions on Power Electronics, 36(2), 2201-2217.
  Gensior, Albrecht & Fehr, Hendrik
  
• Pareto Frontier of the Arm Energy Ripple and the Conduction Losses of a Modular Multilevel Converter. Energies, 14(2), 392.
  Lopez, Mario; Fehr, Hendrik; Perez, Marcelo A. & Gensior, Albrecht
  
• MMC Stationary Operating Regimes in Case of Periodic Power Demand on the DC Side. IEEE Transactions on Power Electronics, 37(7), 7640-7651.
  Fehr, Hendrik & Gensior, Albrecht
  
• Modellbildung und Regelung leistungselektronischer Systeme unter Verwendung nichtlinearer Entwurfsverfahren. Habilitationsschrift. Shaker, 2022
  Gensior, A.
  
• „Stability Assessment and Optimization of MMC Energy Balancing for Drive Applications at Standstill Using an Averaging Approach“. In: 24th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE’22 ECCE Europe). 2022.
  Gui, Q., H. Fehr & A. Gensior
  
• Optimized Stationary Operating Regime and Common-Mode Voltage Design for Modular Multilevel Converters in Drive Applications at High Frequency. 2023 25th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'23 ECCE Europe), 1-10. IEEE.
  Gui, Qiuye; Fehr, Hendrik & Gensior, Albrecht
  
• Energy Control of Modular Multilevel Converters for Drive Applications at Low Frequency Using General Averaging. IEEE Transactions on Power Electronics, 39(5), 5239-5256.
  Gui, Qiuye; Fehr, Hendrik & Gensior, Albrecht