Mehrphasige modulare Multilevel-Direktumrichter mit reduzierter Zweiganzahl - ein systematischer Ansatz für eine Klasse von modularen Multilevel-Umrichtern

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Axel Mertens
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 254417319

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Modulare Multilevel-Umrichter ermöglichen eine Leistungsumformung zwischen zwei Systemen unterschiedlicher Spannung, Frequenz und Phasenzahl. Zielanwendungen liegen im oberen bis höchsten Leistungsbereich, wobei die Möglichkeit zur Serienschaltung vieler Module genutzt wird. Diese Umrichter sind somit leicht skalierbar und können für mittlere bis sehr hohe Spannungen konfiguriert werden. Die Modulanzahl beeinflusst die Anzahl der Spannungsstufen, was zu geringem Filterbedarf und oberschwingungsarmen Ausgangsspannungen führt. Bekannte Vertreter dieser Klasse von Umrichtern sind der „Modular Multilevel Converter“ (M2C) und der „Modular Multilevel Matrix Converter“ (M3C). Dieses Vorhaben zielte auf einen allgemeinen Regelungsansatz für eine Klasse solcher Umrichter zur Regelung der Energiegehalte der einzelnen Zweige, wozu eine unterlagerte Regelung der Ströme genutzt wird. Dabei ist die Phasenanzahl jedes der angeschlossenen Systeme eine natürliche Zahl. In der ersten Projektphase ist es gelungen, einen allgemeinen, auf der Topologie der Schaltung basierenden Ansatz zur Beschreibung und zur Identifikation der Regelungs- Freiheitsgrade zu finden. Auf dieser Basis konnte ein allgemein formulierter Regelungsansatz gefunden werden, wobei systematische Verfahren zur Findung der entsprechenden Systemmatrizen angegeben werden konnten. Zusätzlich gelang es, einen Ansatz zur Optimierung für den Fall zu finden, dass mehr Freiheitsgrade zur Verfügung stehen als für die Regelung erforderlich. Damit konnten die aus der Literatur bekannten Verfahren zur Regelung des M3C vereinheitlicht und gleichzeitig verbessert werden. Die Validierung erfolgte in einem maßstäblich verkleinerten Versuchsaufbau an mehreren verschiedenen Topologien sowie in Simulationen mit bis zu 5 Phasen in einem System. In der zweiten Projektphase wurden Ergänzungen an dem Regelungskonzept vorgenommen, um Betriebsmodi für singuläre Betriebspunkte in das Konzept aufzunehmen. Wichtigstes Ergebnis ist hier, dass die Ansätze auch in regulären Betriebspunkten genutzt werden können, um gleichzeitig die Verluste und die Spannungsschwankungen der Modulkondensatoren zu reduzieren. Darüber hinaus wurden Verfahren zum Umgang mit unsymmetrischen Spannungen der angeschlossenen Systeme, für die Regelung bei Ausfall eines oder mehrerer Zweige (reduzierte Topologien), sowie zur gleichzeitigen Verwendung von Strömen und Spannungen als Freiheitsgrade der Regelung erarbeitet und untersucht. Die Ziele des Vorhabens konnten in beiden Phasen vollständig erreicht und teilweise übertroffen werden. Die entsprechenden Veröffentlichungen werden hervorragend rezipiert.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Current control and branch energy balancing of the Modular Multilevel Matrix Converter. 2015 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE) (2015, 9), 6360-6367. IEEE.
  Karwatzki, Dennis; Baruschka, Lennart; Kucka, Jakub & Mertens, Axel
  
• Branch energy balancing with a generalised control concept for modular multilevel topologies — Using the example of the modular multilevel converter. 2016 18th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'16 ECCE Europe) (2016, 9), 1-10. IEEE.
  Karwatzki, Dennis; Baruschka, Lennart; Dokus, Marc; Kucka, Jakub & Mertens, Axel
  
• Control approach for a class of modular multilevel converter topologies. 2016 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE) (2016, 9), 1-9. IEEE.
  Karwatzki, Dennis & Mertens, Axel
  
• Control of a three-phase to five-phase modular multilevel matrix converter based on a generalized control concept. 2017 19th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'17 ECCE Europe), 57(2017, 9),P.1-P.10. IEEE.
  Karwatzki, Dennis; Dokus, Marc & Mertens, Axel
  
• „Analyse und Regelung einer Klasse von modularen Multilevelumrichter-Topologien“, Dissertation, 2017
  Karwatzki, D.
  
• Generalized Control Approach for a Class of Modular Multilevel Converter Topologies. IEEE Transactions on Power Electronics, 33(4), 2888-2900.
  Karwatzki, Dennis & Mertens, Axel
  
• Optimization of the Low-Frequency Mode for Modular Multilevel Converters Based On Frequency Domain Analysis. 2019 21st European Conference on Power Electronics and Applications (EPE '19 ECCE Europe) (2019, 9). IEEE.
  Dierks, Rebecca; Kucka, Jakub & Mertens, Axel
  
• Using Both the Circulating Currents and the Common-Mode Voltage for the Branch Energy Control of Modular Multilevel Converters. 2020 22nd European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'20 ECCE Europe), 114(2020, 9),P.1-P.10. IEEE.
  Dierks, Rebecca; Kucka, Jakub & Mertens, Axel
  
• Validation of an Extended Loss-Optimised Branch Energy Control for Modular Multilevel Converters under Unbalanced Grid Conditions. IECON 2021 – 47th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (2021, 10, 13). IEEE.
  Dierks, Rebecca & Mertens, Axel
  
• „Novel Operation Mode of the Modular Multilevel Matrix Converter based on a Dimensioning Algorithm,“ in 2022 24th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'22 ECCE Europe), Hanover, Germany, 2022
  Mertens, R. & Dierks A.
  
• Reduced 8-Branch Modular Multilevel Matrix Converter with an Operating Point Optimised Control Strategy in a Branch Failure Event. 2023 25th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'23 ECCE Europe) (2023, 9, 4), 1-9. IEEE.
  Himker, Rebecca & Mertens, Axel