Modulation Method for Multilevel Converter

Autor: Thielmann, Malte
Přispěvatelé: Schumacher, Walter, Henke, Markus
Jazyk: němčina
Rok vydání: 2022
Předmět:
Popis: Durch die immer stärker werdenden Forderungen nach effizienten und emissionsarmen Antriebslösungen, schreitet die Elektrifizierung des Verkehrssektors voran. Zur Steigerung der Reichweite eines Elektrofahrzeugs wird der Wirkungsgrad des gesamten Antriebsstranges stetig optimiert. Da gerade bei großen Zwischenkreisspannungen die Verwendung eines Multilevel-Wechselrichters zu geringeren Schaltverlusten und Rippelströmen führt, werden diese vermehrt eingesetzt. Diesen Vorteilen steht die Notwendigkeit einer Balancierung der Spannungslevel als Nachteil gegenüber. Das Gesamtsystem aus Antriebsmaschine und Multilevel-Wechselrichter weist aufgrund des diskret umschaltenden Wechselrichters sowohl eine kontinuierliche als auch eine diskrete Systemdynamik auf. Da das diskrete Verhalten einen signifikanten Einfluss auf die in den Signalen enthaltenen Rauschanteile hat, ist es für eine detaillierte Systemanalyse ratsam das diskrete Verhalten möglichst genau in der Modellierung abzubilden. Die bereits existierenden Modulationsverfahren für Multilevel-Wechselrichter betrachten nur bedingt das diskrete Verhalten des zu regelnden Systems. Einer Beschreibung des Systems durch Methoden der Regelungstechnik geht meist die Vernachlässigung oder Näherung des diskreten Verhaltens durch entsprechende Modelle voraus. Eine Möglichkeit die gesamte Systemdynamik zu berücksichtigen, ist die Theorie der schaltenden Systeme. Der Fokus der oben genannten Arbeit liegt auf der Anwendung dieser Theorie zur Modellierung des Systems aus Antriebsmaschine und Multilevel-Wechselrichter. Basierend auf dem so modellierten System wird ein Hysterese-basiertes Stromregelverfahren entwickelt, welches neben dem Erreichen und Folgen einer Stromreferenztrajektorie die Balancierung der Spannungslevel des Multilevel-Wechselrichters gewährleistet. Neben diesen Hauptforderungen werden zudem die Schaltfrequenz nach oben und die Mindesteinschaltdauer der schaltenden Bauelemente nach unten begrenzt. Das vorgestellte Verfahren wird innerhalb einer Simulationsumgebung durch Vorgabe einer Stromreferenztrajektorie und eines Drehzahlprofils hinsichtlich Regelgüte, Stromrippel und Schaltfrequenzverhalten evaluiert. Aufgrund der weiten Verbreitung der beiden Bauformen wird als Antriebsmaschine eine permanenterregte Synchronmaschine und als Multilevel-Wechselrichter ein neutral point clamped t type 3 level converter verwendet.
Due to the increasing demand for efficient and low-emission drive solutions, the electrification of the transport sector is advancing. To increase the range of an electric vehicle, the efficiency of the entire drive train is constantly being optimized. Since the application of a multilevel converter leads to lower switching losses and ripple currents, especially with large DC link voltages, they are increasingly implemented. These advantages are countered by the necessity of balancing the voltage levels as a disadvantage. The overall system of drive machine and multilevel converter exhibits both continuous and discrete system dynamics due to the discrete switching converter. Since the discrete behavior has a significant influence on the noise components contained in the signals, it is advisable for a detailed system analysis to represent the discrete behavior as accurately as possible in the modeling. The already existing modulation methods for multilevel converters only consider the discrete behavior of the controlled system to a limited extent. A description of the system by methods of control engineering is usually preceded by the neglect or approximation of the discrete behavior by corresponding models. One possibility to consider the whole system dynamics is the theory of switched systems. The focus of the above work is on applying this theory to model the system of drive machine and multilevel converter. Based on the system modeled in this way, a hysteresis-based current control method is developed which, in addition to achieving and following a current reference trajectory, ensures the balancing of the voltage levels of the multilevel converter. In addition to these main requirements, the switching frequency is also upper bounded and the minimum duty cycle of the switching devices is lower bounded. The presented method is evaluated within a simulation environment by prescribing a current reference trajectory and a speed profile with respect to control performance, current ripple and switching frequency behavior. Due to the widespread use of the two designs, a permanent magnet synchronous machine is used as the drive machine and a neutral point clamped t type 3 level converter is used as the multilevel converter.
Databáze: OpenAIRE
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