Nichtlineare modellbasierte Regelung modularer Mehrpunktstromrichter

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Albrecht Gensior
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 278909121

• Erstellungsjahr: 2020

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Forschungsprojekt hatte zum Ziel, moderne Verfahren der Regelungstechnik auf die als Modularer Mehrpunktstromrichter (MMC) bekannte Topologie anzuwenden. Im Zentrum stand dabei die Symmetrierung der Energien in endlicher Zeit, also ohne die sonst häufig verwendete Nutzung bestimmter Harmonischer der Netzgrößen, die zu einem asymptotischen Verhalten führt. Um das Symmetrierungsproblem innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls zu lösen, wurde von der Möglichkeit Gebrauch gemacht, das nominelle Verhalten des Systems im Rahmen einer Trajektorienplanung vorab festzulegen. Eine Besonderheit der im Projekt betrachteten Problemstellung bestand dabei darin, dass der Laststrom nicht zur Balancierung zur Verfügung steht. Durch diese Einschränkung entsteht im Allgemeinen eine interne Dynamik, die die Entwicklung planungsbasierter Verfahren deutlich erschwert. Im Rahmen des Projekts wurden Beiträge dazu geleistet, wie es trotzdem möglich ist, Trajektorien so zu planen, dass alle Energien in endlicher Zeit ein gewünschtes Regime erreichen. Wesentliches Ergebnis des Projekts ist die Entwicklung echtzeitfähiger Planungsverfahren sowie deren Einbindung in ein Regelungskonzept. Dies erfolgte durch die Aufschaltung der nominellen Kreisströme bzw. ggf. der Gleichtaktspannung, wodurch ein Balancierungsregler von der Überführungsaufgabe entlastet werden kann. Die Verfahren wurden an einer Modellanlage umfassend experimentell erprobt. Darüber hinaus wurden Beiträge zur Modellbildung der Topologie sowie zu Modulationsverfahren geleistet. Eines der im Projekt entwickelten Modulationsverfahren für MMC mit wenig Submodulen zeichnet sich dadurch aus, dass für die Modulation eine Entwurfsfreiheit dazu genutzt wird, die Welligkeit des gleichspannungsseitigen Stroms zu reduzieren. Außerdem wurden Methoden untersucht, den Spannungsfehler bei der Modulation, der durch das Laden bzw. Entladen der Kondensatoren im Zusammenhang mit der Verzögerung zwischen Spannungsmessung und Ausgabe der Stellgrößen entsteht, zu kompensieren. Auch diese Arbeitsergebnisse wurden experimentell abgesichert.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• „Experimental evaluation of PWM-methods for modular multilevel converters“. In: Proc. EPE’16 ECCE Europe. Karlsruhe, Sep. 2016
  Fehr, H., A. Gensior und S. Bernet
  
• „Improved energy balancing for modular multilevel converters by optimized feed-forward circulating currents and common mode voltage“. In: Proc. EPE’17 ECCE Europe. Warschau, Polen, Sep. 2017
  Fehr, H. und A. Gensior
  
• „Reducing the modulation voltage error in MMCs by considering the capacitor voltage change within one PWM cycle for improved current control“. In: Proc. EPE’17 ECCE Europe. Warschau, Polen, Sep. 2017
  Middeke, M., H. Fehr und A. Gensior
  
• „Improved energy balancing of grid-side modular multilevel converters by optimized feedforward circulating currents and common-mode voltage“. In: IEEE Trans. Power Electron. 33.12 (Dez. 2018), S. 10903–10913
  Fehr, H. und A. Gensior
  
• „Beiträge zur Modulation, Modellbildung und Energieregelung von modularen Mehrpunktstromrichtern (M2C)“. Technische Universität Dresden, 2019
  Fehr, H.
  
• „Eigenvalue optimization of the energy balancing feedback for modular multilevel converters“. In: IEEE Trans. Power Electron. 34.11 (Nov. 2019), S. 11482–11495
  Fehr, H. und A. Gensior
  
• „Model-based circulating current references for MMC cell voltage ripple reduction and loss-equivalent arm current assessment“. In: Proc. EPE’19 ECCE Europe. Genua, Italien, Sep. 2019
  Fehr, H. und A. Gensior
  
• „Energy-balancing of a modular multilevel converter using an online trajectory planning algorithm“. In: Proc. EPE’20 ECCE Europe. Lyon, Frankreich, Sep. 2020
  Gui, Q., J. L. Gnärig, H. Fehr und A. Gensior
  
• „Online trajectory planning during low-voltage FRT of a modular multilevel converter“. In: Proc. EPE’20 ECCE Europe. Lyon, Frankreich, Sep. 2020
  Fehr, H. und A. Gensior