Hochdynamischer Stromrichter in Hybridstruktur

Endres, Julian GND

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit einer Stromrichtertopologie, deren Ziel es ist, Stromoberschwingungen, resultierend aus der schaltenden Betriebsweise, durch eine AC- und DC-seitige Parallelschaltung zweier verschiedener Stromrichter aktiv zu kompensieren und so den Aufwand für passive Bauteile zu reduzieren. Der Hauptstromrichter führt den eigentlichen Laststrom und ein Zusatzstromrichter lediglich den die Oberschwingungen ausgleichenden Strom. Dadurch wird für ihn nur eine minimale zusätzliche Halbleiter-Chipfläche zur aktiven Filterung benötigt. Zunächst werden die Grundlagen zur Modellierung der Wechselspannungsseite von dreiphasigen Stromrichtern hergeleitet. Dabei wird im weiteren Verlauf detailliert auf die Parallelschaltung von zwei Stromrichtern eingegangen was in einer anschaulichen geometrischen Darstellung mündet. Eine Literaturrecherche gibt einen genauen Überblick über aktuelle Ansätze zur Reduzierung von Oberschwingungen in stromrichtergespeisten Elektroenergiesystemen. Ihr zufolge greift die Arbeit die gegenwärtigen Trends in der Leistungselektronik auf und untersucht ein neuartiges Verfahren zur aktiven Filterung von Verzerrungsströmen im Zeitbereich. In einer dreistufigen theoretischen Betrachtung wird zunächst anhand eines idealen Modells die grundlegende Dimensionierung der Bauteile geklärt. Im weiteren Verlauf wird das Modell sukzessive an realitätsnahe Bedingungen angepasst, wodurch typische leistungselektronische Störeinflüsse Berücksichtigung finden, die im Rahmen einer Simulation quantifiziert werden. Die Regelung des Zusatzstromrichters basiert auf einer Raumzeigermodulation mit einem vorgeschalteten idealen Zustandsregler, der die genaue Kenntnis der Last und eine beachtliche Anzahl an Messgrößen erfordert. Da dieser Umstand für die praktische Umsetzung eine erhebliche Hürde darstellt, wird ein direktes Stromregelverfahren vorgestellt, welches dank seiner hohen Dynamik ohne Kenntnisse der Lastparameter auskommt. Ein praktischer Versuchsaufbau in IGBT und SiC Technologie bestätigt grundsätzlich die theoretischen Aussagen, wobei aufgrund der >100 kHz Schaltfrequenz des Zusatzstromrichters parasitäre Einflüsse das Ergebnis überlagern. Im Rahmen eines Vergleichs kann der praktische Nutzen der Stromrichtertopologie bestätigt werden. Ein Ausblick zeigt, wie der Aussteuerbereich bei Auftrennung der DC-Kreise erweitert werden kann.

This thesis investigates an inverter topology, the aim of which is to actively compensate the current harmonics, resulting from the switched mode operation, thus reducing the effort for passive components. The system consists of two inverters, connected in parallel on the AC- and DC-side, using an unequal load sharing. The main inverter carries the fundamental load current, whereas the auxiliary inverter is only used to compensate the ripple current. This requires only a low power capacity and a small semiconductor chip area for active filtering. After deriving the basics for modelling the AC-side of a three-phase inverter, a detailed discussion follows concerning the parallel connection of two inverters. Finally, a three-dimensional geometric approach is presented for descriptive representation of fully decoupled models. A literature review gives a detailed overview of current approaches used to reduce current harmonics in inverter driven electro-energy systems. The thesis deals with prevailing power electronic trends and investigates a novel method for actively filtering distortion currents in the time domain. By means of a three-stage theoretical study, the basic dimensioning of the passive components is firstly clarified on the basis of an ideal model. The model is successively adapted to more realistic conditions, whereby typical power electronics related disturbances like switching losses or time delays are taken into account. Simulations are qualifying these effects. The control of the auxiliary inverter initially uses a space vector modulation with an ideal state space controller. It requires accurate information of the load parameters and a considerable number of measuring probes. Since this represents a significant obstacle for practical implementation, a direct current control algorithm is presented working without the need of knowing any load parameters, thanks to its high dynamic of the control loop. An experimental set-up using IGBT- and SiC-technology confirms the theoretical statements of the thesis. However, some parasitic effects due to the switching frequency of >100 kHz are interfering with the measurement results. The measurements confirm both the performance of the system as well as the potential operating range. An outlook on a system with disconnected DC-sides shows how the operating range may further be extended.

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Endres, Julian: Hochdynamischer Stromrichter in Hybridstruktur. Ilmenau 2018.

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