Analyse und Minimierung der Verluste im modularen Multilevelumrichter

Dudin, Andrey

Diese Arbeit befasst sich mit der Wirkung der internen Kreisströme auf die Effizienz des modularen Multilevelumrichters (MMC). Aus internationalen Veröffentlichungen sind simulative und experimentelle Ergebnisse bekannt, die sich für verschiedene Dimensionierungen unterscheiden. Das Ziel der Arbeit ist das Formulieren eines verallgemeinerten Verfahrens, welches die Bestimmung des verlustoptimalen Kreisstromes für einen pulsweitenmodulierten MMC in jedem Arbeitspunkt und mit beliebigem Design erlaubt. Weiterhin wird die Frage behandelt, von welchen Stromrichtereigenschaften das Optimierungspotential abhängt. Der Ansatz für die Effizienzoptimierung ist, eine Gesamtverlustfunktion des Stromrichters zu definieren und die stromrichterinternen Ströme so einzuspeisen, dass diese Funktion minimiert wird. Die Verlustfunktion wird zu einer verallgemeinerten Form gebracht, sodass die Eigenschaften der IGBT- und MOSFET-Schalter berücksichtigt werden können. Das beschriebene Verlustmodell auf Basis des Mittelwertansatzes ist für pulsweitenmodulierte Schaltungen einsetzbar. Nach der Bildung eines Verlustmodells und einer Analyse der Gesamtverlustfunktion werden verschiedene Minimierungsverfahren erprobt und ein Optimierungsalgorithmus zum Einsatz ausgesucht. Der direkte, simplexbasierte Nelder-Mead-Algorithmus hat in allen Betriebspunkten eine gute Genauigkeit, Konvergenzgeschwindigkeit und Stabilität gezeigt. Aus diesem Ergebnis zusammen mit den diskutierten Funktionseigenschaften folgt, dass direkte Suchalgorithmen für die Lösung der gestellten Aufgabe im Allgemeinen besser geeignet sind, als gradientenbasierte Verfahren. Die analytische Optimierung für einen verallgemeinerten Fall hat sich als zu zeitintensiv und zustandsspezifisch bewiesen und wurde nicht weiterverfolgt. Bei den simulationstechnischen Untersuchungen wurden die Implementierbarkeit des Optimierungsansatzes und die erwarteten Verlustersparnisse bestätigt. Die Effizienzoptimierung wurde an Stromrichtern mit verschiedenen Modulationsverfahren und Verlusteigenschaften erprobt. Für die meisten untersuchten Fälle gilt: je höher die Verluste vor der Optimierung, desto höher die Verlustersparnis danach. Konverter mit SiC-MOSFETs passen allerdings in diese Faustregel nicht aufgrund der nahezu identischen Verlusteigenschaften bei positivem und negativem Schalterstrom.

This work analyses the effect of the internal circulating current on the efficiency of the modular multilevel converter. The known results from the international literature have shown the potential of the loss optimization by circulating current injection on single case studies. The objective of this work is to describe a generalized optimization approach that can be applied to a pulse-width-modulated converter of each design. Furthermore, the interconnections between the converter parameters and the loss optimization potential are studied. The loss optimization approach includes derivation and minimization of the converter total loss function of the circulating current. The total loss function is derived in a generalized form in or-der to allow for using IGBT and MOSFET switches. The loss model described in this work is applicable to pulse-width modulated converters. After the loss model is derived, a thorough analysis of the total loss function is performed. Then, different numerical algorithms are tested for the loss minimization. The best results were reached with the Nelder-Mead algorithm which is a direct search, simplex-based method. Is has shown both good convergence rate and stability. This result along with the loss function properties allow to state that direct search methods are advantageous for a generalized converter loss function. Since analytical optimization is case- and state-specific and demands much analytical effort, it was not considered as a method feasible for practical implementation. The implementation of the numerical minimization methods was studied on simulation models. The expected loss reduction has been shown for medium voltage converters with IGBT and MOSFET switches with two different modulation methods. In the most cases the loss reduction was proportional to the per unit loss values. However, not for the converters with SiC-MOSFETs due to the almost identical loss characteristics of the switches at positive and negative switch currents.

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Dudin, Andrey: Analyse und Minimierung der Verluste im modularen Multilevelumrichter. Ilmenau 2018.

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