Regelungs- und Steuerungsverfahren für vielphasige Direkt-Umrichter

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Joachim Böcker
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 245152336

Turbinen-Generator-Sätze zur Stromerzeugung im Leistungsbereich mehrerer 100 MW sind typischerweise starr mit dem elektrischen Netz verbunden, was wegen der dadurch bedingten festen Turbinendrehzahl zu einem ungünstigen Wirkungsgrad der Turbine bei Teillast führt. Ließe sich die Drehzahl verändern, könnte der Wirkungsgrad im Teillastbereich um bis zu 25 % gesteigert werden. Für diesen Zweck kommen Matrix- oder Direktumrichter in Betracht, die den Turbinen-Generator-Satz frequenzelastisch mit dem Stromnetz koppeln. Im Bereich sehr großer Leistungen werden Thyristor-Umrichter aufgrund ihrer Robustheit und geringen Schalt- und Durchlassverluste bevorzugt. Der dreiphasige Standard-Direktumrichter lässt sich aber nur bis zu Frequenzverhältnissen zwischen Generator und Netz bis höchstens 1:3 einsetzen, was hier nicht gegeben ist. Wird aber die Zahl der Phasen vergrößert (z. B. auf N = 27), bleiben die Verzerrungen im akzeptablen Rahmen. Das derzeit bekannte Steuerungsverfahren für einen solchen vielphasigen Direktumrichter ist vom Standard-Umrichter abgeleitet und benötigt eine recht große Zahl von Kommutierungen, was aber der angestrebten Wirkungsgrad-Steigerung entgegenläuft. Ein Vorschlag zur Verringerung der Kommutierungs¬frequenz und somit der Verluste ist zwar bekannt, jedoch hat dieser andere Nachteile wie eine größere harmonische Verzerrung. Ziel dieses Vorhabens ist es, die Steuerung und Regelung dieser Stromrichterkonzeption zu verbessern, um einerseits mit einer geringen Zahl von Kommutierungen auszukommen und auf diese Weise die Verluste zu minimieren, andererseits aber andere Optimierungsziele wie die gesamt harmonische Verzerrung (THD) und die Ausnutzung der Generatorspannung zu berücksichtigen. Methodischer Ansatz ist die Anwendung der Raumzeigerdarstellung auf die Problemstellung, was sich anscheinend wegen der sehr großen Zahl der zu beherrschenden Zustände (bei N = 27 Phasen => N^3 = 19683 Zustände), die sich außerdem zeitlich ändern, und der beim fremdgeführten Umrichter nicht freizügig auslösbaren Kommutierungen bislang nicht etabliert hat. Die Anwendung einer direkten Stromregelung in rotorfesten Koordinaten mittels Modellprädiktiver Regelung (MPR) verspricht, diese komplexe Aufgabe zu lösen. Hierbei wird die Trajektorie des Stromzeigers durch direkte Auswahl passender Schaltzustände möglichst nah an der Solltrajektorie geführt. Die Auswahl des Schaltzustands durch die MPR erfolgt anhand einer Gewichtungsfunktion mit Berücksichtigung der Regelabweichung, der Änderungsrate der prädizierten Regelgröße (welche etwa proportional zur THD ist) und der Kommutierungsspannung. Auf diese Weise sollten die Schaltverluste voraussichtlich auf ca. die Hälfte reduziert werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen