Flying Capacitor Multilevel Inverter

Vorlesung
Umwandlung Elektrischer Energie mit
Leistungselektronik
Multilevel Inverters
Mehrpunkt-Wechselrichter
Prof. Dr.-Ing. Ralph Kennel
Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme
und Leistungselektronik
ralph.kennel@tum.de
MULTILEVEL INVERTERS
(Mehrpunkt-Wechselrichter)
 am Umrichterausgang können
mehr als 2 Spannungsniveaus realisiert werden
 Anwendungen
 (sinusförmige) Ausgangsspannungen können besser
(mit weniger Oberschwingungen) realisiert werden
 die Spannungsbelastung
jedes einzelnen Leistungshalbleiters ist geringer
 3 wesentliche Topologien
 Diode-clamped Multilevel Inverter (DCMI)
 Flying Capacitor Multilevel Inverter (FCI)
 Cascaded Multilevel Inverter (CMI)
Dreipunktwechselrichter
UZ


UZ
2


0
3
L1




Feinere Stufung der Ausgangsspannung
Verringerung der Stromwelligkeit oder
Reduktion der Pulsfrequenz
Halbierung der Spannungsbelastung der
Halbleiterschalter
 Einsatzbereich ca. 10 MW, 3.3 kV
(Siemens, Simovert ML2, Walzwerktechnik)
 IGCT Schalter
Quelle : Dr.-Ing. Olaf Simon, SEW Eurodrive
Diode Clamped Multilevel Inverter
(DCMI)
V1
S1
D1
S2
D2
S3
D3
S4
D4
VDC/4
V2
Dc1
Dc4
VDC/4
V
D
C
Dc2
V3
Vo
VDC/4
V4
Dc3
Dc6
Dc5
S5
D5
S6
D6
S7
D7
S8
D8
VDC/4
V5
Diode Clamped Multilevel Inverter
(DCMI)
 die Anzahl der (in Serie) eingeschalteten Leistungshalbleiter
ist in jedem Schaltzustand (n-1)
Power device
Output Phase Voltage (Vo)
V1
V2
V3
V4
V5
S1
1
0
0
0
0
S2
1
1
0
0
0
S3
1
1
1
0
0
S4
1
1
1
1
0
S5
0
1
1
1
1
S6
0
0
1
1
1
S7
0
0
0
1
1
S8
0
0
0
0
1
index
Diode Clamped Multilevel Inverter
(DCMI)
 weit verbreiteter Spezialfall:
NPC Neutral Point Clamped (3-level) Inverter
 grundsätzliche Struktur
 die Zwischenkreisspannungn wird
durch mehrere in Serie geschaltete Kapazitäten aufgeteilt
 ein DCMI mit n unterschiedlichen Ausgangsspannungslevels
benötigt (n-1) in Serie geschaltete Kapazitäten im Zwischenkreis
 grundsätzliches Verhalten
 die Ausgangsspannung kann
jedes durch die Zwischenkreis-Kondensatoren festgelegte
Spannungsniveau annehmen
 die Spannung über jedem Kondensator beträgt VDC/(n-1)
 die verkettete Ausgangsspannung
kann (2n-1) unterschiedliche Spannungslevels annehmen
Diode Clamped Multilevel Inverter
(DCMI)
 Bei einigen PWM Verfahren kann es zu Instabilitäten
bei der gleichmäßigen Verteilung der Zwischenkreisspannung
über die Zwischenkreiskondensatoren kommen (Balancing)
 der Mittelwert des Stroms in die inneren Knoten des Zwischenkreises
ist innerhalb eines PWM Zyklus nicht unbedingt Null
 bei Raumzeigermodulation und induktiver Last
ist dieses Problem von untergeordneter Bedeutung
 Problemlösung
 angepasste PWM-Verfahren - Nutzung der Nullzeiger ...
... zur Regelung der Kondensatorspannungen (Balancing)
Mehrpunktumrichter (Multi Level)




Noch feinere Stufung der Ausgangsspannung
Verringerung der Stromwelligkeit oder
Reduktion der Pulsfrequenz
Drittelung der Spannungsbelastung der
Halbleiterschalter
 Einsatzbereich ca. 2 MW, 6 kV
(CONVERTEAM / ALSTOM, SYMPHONY)
 IGBT 4500 V
8
Quelle : Dr.-Ing. Olaf Simon, SEW Eurodrive
Steuerung eines Mehrpunktumrichters
 Schaltvarianten für 2/3 Ausgangsspannung
 Entladung des „fliegenden“ Kondensators
 Balance der Kondensatoren durch
Schaltalternativen 1:1:1
CONVERTEAM (ALSTOM)
9
Quelle : Dr.-Ing. Olaf Simon, SEW Eurodrive
Flying Capacitor Multilevel Inverter
(FCI)
VDC
3VDC/4
VDC/2
S1
D1
S2
D2
S3
D3
S4
D4
Vo
VDC/4
S5
D5
S6
D6
S7
D7
S8
D8
Flying Capacitor Multilevel Inverter
(FCI)
mögliche Spannungsraumzeiger
Flying Capacitor Multilevel Inverter
(FCI)
 die Anzahl der benötigten Dioden
ist deutlich geringer als beim DCMI
 das Potential der (“fliegenden”) Kapazitäten
verschiebt sich gegenüber dem Bezugspotential (Masse)
 die gleichmäßige Verteilung der Zwischenkreisspannung
über die Zwischenkreiskondensatoren (Balancing)
ist beim FCI unproblematisch
Flying Capacitor Multilevel Inverter
(FCI)
 In Verbindung mit einer ausreichenden Stufenzahl
sowie dem passenden PWM-Verfahren
kann der Oberschwingungsgehalt der Ausgangsspannung
niedrig genug sein,
um zusätzliche Filter zu vermeiden
 die Schaltperioden (duty cycles) und Schaltfrequenzen
der einzelnen Leistungshalbleiter sind unterschiedlich
 man benötigt zusätzliche Vorkehrungen/Strategien
zum Laden der Zwischenkreiskondensatoren
Cascaded Multilevel Inverter (CMI)
S11
S21
VDC
Vm1
S31
Vphase (Vo)
S41
Module 1
S12
S22
VDC
Vm2
S32
S42
Module 2
S1h
S2h
Vmh
VDC
S3h
Module h
S4h
0
Cascaded Multilevel Inverter (CMI)
 wird auch als
kaskadierter Mehrpunktwechselrichter
mit getrennten Gleichstromzwischenkreisen
oder als seriengeschaltete Wechselrichterbrücke bezeichnet
 einfacher und modularer Aufbau
 erfordert die geringste Anzahl von Bauelementen
 erfordert mehrere gegeneinander isolierte Gleichspannungszwischenkreise
Mehrpunktwechselrichter
Vergleich der notwendigen Leistungshalbleiter pro Ausgangsphase
(Annahme : alle Leistungshalbleiter haben die gleiche Nennspannung,
nicht jedoch notwendigerweise den gleichen Nennstrom
Umrichtertyp
DCMI
FCI
CMI
aktive Halbleiterschalter
(n – 1) * 2
(n – 1) * 2
(n – 1) * 2
Leistungsdioden
(n – 1) * 2
(n – 1) * 2
(n – 1) * 2
„Clamping“-Dioden
(n – 1) * (n – 2)
0
0
Zwischenkreiskondensatoren
(n – 1)
(n – 1)
(n – 1) / 2
„Balancing“-Kondensatoren
0
(n – 1) * (n – 2) / 2
0