Modellbildung, Dimensionierung und modellbasierte Regelung des Modularen Mehrpunktstromrichters zur systemoptimalen Betriebsführung von Drehstrommaschinen

Autor: Oberneder, Manuel
Jazyk: němčina
Rok vydání: 2022
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DOI: 10.18445/20220225-120744-0
Popis: Die vorliegende Arbeit thematisiert die Modellbildung und darauf aufbauend die Betriebsführung und Dimensionierung des modularen Mehrpunktstromrichters (M2C) als auch die messtechnische Überprüfung des entwickelten Regelungsverfahrens an einem Prüfstand. Durch die hohe Modularität des M2Cs wird dieser vorrangig für die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung praktisch eingesetzt. Trotz der Restriktionen beim Betrieb mit einer geringen Betriebsfrequenz wird dieser Umrichtertyp aber auch als Antriebsumrichter verwendet. Hier sind vor allem Anwendungen geeignet, welche ein ansteigendes Drehmoment bei gleichzeitiger Erhöhung der Drehzahl fordern. Dies ist beispielsweise für Pumpen- oder Lüfteranwendungen der Fall. Da dazu vor allem auch Windkraftturbinen zählen, welche durch den Energiewandel zunehmend an Bedeutung gewinnen, wird dieser Anwendungsfall in der vorliegenden Arbeit als Beispiel für die Systemdimensionierung angeführt. Die Entwicklung und Analyse der Betriebsstrategien basiert auf einem tiefen Verständnis der Systemeigenschaften. Gegenstand dieser Arbeit ist es deshalb im ersten Schritt ein vollständiges Modell des M2Cs mit einer allgemeinen Lastdefinition zu erarbeiten, mit welchem eine analytische Lösung der Systemgleichungen für den stationären Fall möglich ist. Durch die analytische Ermittlung der einzelnen Lösungsterme wird eine Festlegung von zielspezifischen Auslegungskriterien sowie von optimalen Betriebsstrategien erreicht. Die allgemein verwendeten Formulierungen und die Darstellungen durch Einzelterme können weiterhin die Wirkmechanismen und deren Wechselwirkungen umfassend aufzeigen. Mittels der allgemeinen Lastdefinition wird des Weiteren die Möglichkeit aufgezeigt, ein sättigungsabhängiges Maschinenmodell auf Basis von Finite Elemente Simulationen in die Lösung der Gleichungen zu integrieren. Die Modellgleichungen erlauben ebenfalls eine einfache Vorausberechnung und damit die Optimierung der Spannungsaussteuerung der Zweige, woraus eine höhere Ausnutzung der Kondensatorspannung resultiert. Auf Basis der analytischen Modellbildung wird im Weiteren ein Regelungsverfahren vorgestellt, welches modellbasiert die Eingangsgrößen des Energiereglers festlegt und damit eine hohe Stabilität erreicht. Die Trennung der Umrichter- und Lastregelung führt gleichzeitig zu einer entkoppelten und dynamischen Ansteuerung der Drehstrommaschine. Es handelt sich dabei um eine kaskadierte Regelungsstruktur durch welche höherfrequente Kreisstromformen sowie die Gleichtaktspannung vorgegeben werden können, um eine Minimierung der Kondensatorspannungsbelastung zu erreichen. Die optimierten Zweigströme und die entsprechende Gleichtaktspannung können durch das allgemeine Umrichtermodell vorab ermittelt werden. Die Anwendung der Modellgleichungen wird folglich am Beispiel des elektrischen Triebstrangs für eine Windkraftanlage gezeigt und gleichzeitig darauf hingewiesen, welche Systemoptimierungen möglich sind, wenn die elektrische Drehstrommaschine in den Parameterraum miteinbezogen wird. Im Gegensatz zur numerischen Lösung der Gleichungssysteme bieten die analytischen Lösungen den Vorteil einer geringeren Rechenzeit, wodurch eine aufwendige Systemuntersuchung über den gesamten Betriebsbereich möglich wird. Damit werden die Einzelkomponenten des M2Cs, welche sich aus den Halbleitern, den Kondensatoren und Zweigdrosseln zusammensetzen, möglichst hoch ausgenutzt, um den Komponentenaufwand gering zu halten. Auf Basis von Finite Elemente Simulationen wird die Zweigdrossel im Detail betrachtet, um die Einflüsse von ge- bzw. entkoppelten Zweigdrosseln sowie der entsprechenden Wickelschemata aufzuzeigen. Die Implementierung der Regelungs- und Ansteueralgorithmen in einer Niederspannungsmodellanlage des M2Cs belegt im Weiteren die Gültigkeit der aufgezeigten Modellgleichungen. Außerdem wird die Funktion der Regelungs- und Ansteueralgorithmen für verschiedene Betriebszustände sowohl mit einer Lastdrossel als auch einer Asynchronmaschine validiert.
This thesis deals with the modeling, and based on that, with the control and design of the Modular Multilevel Converter (M2C) as well as the validation of the developed control concept on a test bench. Because of the high modularity, the M2C is mainly used for High-Voltage-Direct-Current applications. Despite the restrictions on low frequency operation, the M2C is used for electrical drive systems as well. For drive applications this converter type is especially suitable for loads with simultaneously increasing torque and speed characteristics. This is e.g. the case for pump and fan applications. Wind turbines, which are gaining popularity due to the challenges of the climate change, are having these characteristics too. Therefore, this application is used as an example for the proposed design strategy. The development and analysis of the operation strategies are based on a fundamental insight in the system behavior. This is the reason why this thesis deals firstly with a full model of the M2C with a generally defined load model which allows for an analytical solution of the system equations for the stationary case. The determination of the respective system terms makes target orientated design criterias and optimized operation strategies possible. Furthermore, the usage of respective expressions leads to a detailed insight in the effects and interaction of the corresponding mechanisms. With the general load definition, it’s possible to integrate a saturation model of the electrical machine into the system equations. In addition, the system model gives the possibility of optimizing the arm voltages, which results in highly utilized arm capacitors. Based on the analytical model, a control scheme is demonstrated which gets the input parameters for the energy controller from the system equations and therefore allows for a high dynamic control of the electric machine. Separating the converter and load control gives the opportunity for a decoupled and dynamic control of the electric machine. This is based on a cascaded control scheme which uses circulating current harmonics and the common mode voltage as an input to minimize voltage ripples on the submodule capacitors. The optimized arm currents and the common mode voltage are determined by the general system model upfront. The application of the system equations is shown on the electrical drivetrain of a wind turbine to demonstrate the possibility of system optimizations by considering the electrical machine in the parameter space. In contrast to a numerical simulation, the analytical approach gives the advantage of saving time and allows consequently for a general investigation on the system level over the entire operating range. With this the specific components of the M2C, which are the semiconductors, the capacitors and the arm inductors, are highly utilized to save costly components. Following, the arm inductors are calculated based on finite element simulations which shows the impact of coupled and decoupled arm inductors and various winding schemes. The implementation of the control and drive algorithms on a low voltage M2C prototype proves the demonstrated solution of the system equations. Despite that the control and drive algorithms are tested for various operation scenarios with an inductive load and an asynchronous machine.
Databáze: OpenAIRE
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