Analyse von Wirkungsgradverlusten in Kettenfördersystemen

Gerade in der heutigen Zeit, vor dem Hintergrund steigender globaler Erwärmung, rückt die Energieeffizienz elektrisch angetriebener technischer Systeme immer mehr in den Fokus. So auch im intralogistischen Materialtransport. Der Gesamtwirkungs­grad eines Stetigförderers, also das Verhältnis aus aufgewandter elektrischer Leistung und der Transportleistung, ist dabei von der Effizienz seiner zahlreichen Einzelkomponenten abhängig. Bereits durchgeführte Messungen zeigen, dass dabei vor allem dem Antriebs­system große Bedeutung beikommt. Die in Kettenförderern am häufigsten eingesetzten Antriebe sind Drehstrom-Asynchron-Getriebemotoren. Diese weisen in ihrem Nennlast­bereich zwar gute Wirkungsgrade von über 80% auf, werden im Großteil aller Fälle jedoch im unteren Lastbereich betrieben. Die oft viel zu groß ausgelegten Motoren arbeiten somit mit einem erheblich schlechteren Wirkungsgrad, was zu einem erhöhten Energieverbrauch führt. Der Beitrag befasst sich aus den genannten Gründen mit der Analyse von Wirkungs­gradverlusten am Beispiel von Kettenförderern und geht im Speziellen auf antriebs­technische Komponenten wie Motor, Frequenzumrichter und Getriebe ein. Das Ziel ist die Einordnung dieser Verluste in den Gesamtwirkungsgrad eines Förderers, der u. a. Reibungs- und Hubanteile enthält. Weiterhin werden Schlussfolgerungen und Empfehlungen zur Verbesserung der Effizienz von Kettenförderern diskutiert

Die Kenngröße Kurzschlussleistung in hybriden AC/DC-Energieversorgungssystemen

Diese Arbeit liefert einen umfassenden Überblick über die Anwendungen der Kenngröße Kurzschlussleistung zur Nachbildung und Bewertung von elektrischen Energieversorgungssystemen und untersucht deren Anwendbarkeit für hybride AC/DC-Systeme. Dies kann von Verwendern der Kurzschlussleistung in Forschung und Entwicklung sowie bei der Weiterentwicklung von Netzanschlussbedingungen genutzt werden, um die Verwendung zu prüfen und ggf. zu anderen Untersuchungsmethoden überzugehen. Die wesentlichen identifizierten Anwendungsgebiete für Kurzschlussleistung sind die Nachbildung des Strom-Spannungs-Verhaltens von Energieversorgungssystemen für Netzstudien, die Bewertung von Spannungstrichtern bei Kurzschlüssen, der transienten Stabilität beim Anschluss von Synchronmaschinen an das Übertragungsnetz und des Kleinsignal-Spannungsverhaltens im Betriebspunkt. Die Eignung für diese Anwendungen in hybriden AC/DC-Energieversorgungsnetzen wird diskutiert und nachfolgend mit dynamischen Simulationen eines aggregierten Netzmodells überprüft. Das Netzmodell stellt den Anschluss eines konventionellen Kraftwerks an ein Energieversorgungssystem dar. Das System wird mit unterschiedlichen Anteilen konventioneller und umrichterbasierter Erzeugungsanlagen modelliert. Deren Bemessungsleistungen werden in einem breiten Bereich variiert, um niedrige, realistische und hohe Kurzschlussleistungen zu erzielen. Mit der dynamischen Simulation des Systems wird ermittelt, welche Aussagekraft die Kurzschlussleistung über das Systemverhalten bei Kurzschlüssen und Blindlastsprüngen aufweist. Kernergebnis der Arbeit ist ein Überblick über die Anwendungsgebiete, für welche die Kurzschlussleistung auch in hybriden AC/DC-Energieversorgungsnetzen Anwendung findet. Dies umfasst die Modellierung des Kurzschlussstroms sowie eine grobe Abschätzung der transienten Stabilität. Diese ist positiv mit der Kurzschlussleistung korreliert, ein direkter Rückschluss auf die Systemstabilität ist jedoch nicht möglich. Für die Modellierung des Trägheits- bzw. Winkelverhaltens hybrider AC/DC-Energie-versorgungssysteme, die Ausprägung von Spannungstrichtern sowie die Bewertung des Kleinsignal-Spannungsverhaltens ist die Kurzschlussleistung jedoch nicht geeignet. Die Problematik der Nachbildung der Trägheit von Umrichtern wird erläutert. Für die Nachbildung des Kleinsignal-Spannungsverhaltens sowie die Berechnung von Spannungstrichtern werden Berechnungsvorschriften entwickelt

Ein Beitrag zur Stabilitätsbetrachtung in Umrichter-dominierten Verteilernetzen

Leistungselektronische Komponenten, wie beispielsweise Umrichter, dienen als Schnittstelle zwischen Versorgungsnetz und Einspeisung bzw. Last. Durch den Ausbau der erneuerbaren Energien gewinnen diese immer mehr an Bedeutung. Der Einfluss des Umrichters auf die Stabilität und die Betriebsführung des zukünftigen Verteilernetzes, welcher vor allem durch deren Regelstruktur und deren Regler Parameter bestimmt wird, nimmt dementsprechend stark zu. Um den weiteren Erfolg des Netzbetriebs gewährleisten zu können, ist eine gründliche Untersuchung der Wechselwirkung zwischen den parallel geschalteten Stromrichtern, in Bezug auf von Umrichtern dominierte Verteilernetze, erforderlich. Dabei besteht die Herausforderung darin, dass die numerische Komplexität der Simulation aufgrund der wachsenden Anzahl von Wechselrichtern stark wächst. Dies wird zusätzlich durch eine Nachbildung des überlagerten und untergeordneten Netzwerks verstärkt. Die Dimensionen des Netzes und die große Anzahl von Umrichtern bilden das Dilemma in der Simulation eines von Umrichtern dominierten Verteilernetzes. Bezüglich dessen, widmet sich die vorliegende Arbeit zuerst der Nachbildung eines von Umrichtern dominierten Verteilernetzes und stellt eine neuartige Netzreduktionstechnik vor, die die Netzdynamik bei der Untersuchung der Kleinsignalstabilität, in Form von Übertragungsfunktion durch eine gesteuerte Spannungs- bzw. Stromquelle, in den unter- und überlagerten Netzen übertragen kann. An Hand dieses neuen Simulationsmodells werden die Untersuchungen durchgeführt. Die Wechselwirkung von Umrichtern, sowie anderen Netzelementen wie z.B. Leitern, Verbrauchern und Transformatoren, wie auch unterschiedliche Netztopologien hinsichtlich ihrer Systemstabilität, werden analysiert. Die Untersuchung teilt sich in sogenannte intra- bzw. internet-Bezirke auf. Als Ergebnis dieser Arbeit ist festzuhalten, dass die Systemstabilität im Kleinsignalbereich, mit wachsender Anzahl und Einflussnahme der Umrichter, sinkt. Weiterhin werden im Rahmen dieser Arbeit zwei Stabilisierungsmaßnahmen, zur Betriebsführung eines Wechselrichterverteilnetzes, entwickelt. Die Maßnahme, „Stabilizer“, bietet sich für die Stabilisierung einer Anpassung der Regelstruktur des Umrichters, durch eine spannungsabhängige Zusatzsignalaufprägung zur Verbesserung der Systemeigenschaften bei Anregungen und Störungen, an. Die zweite Maßnahme dient dazu, die Parameter der kaskadierten Regler zu optimieren. Es wird ein dynamisches Konzept zur globalen Optimierung vorgeschlagen und durch Simulation validiert.Power electronic components, such as converters, serve as an interface between the power grid and the energy unit. With the expansion of renewable energy, these are becoming increasingly important. The influence of the inverter on the stability and operation of the future distribution grid will increase accordingly, which is mainly determined by their control structure and their controller parameters. In order to ensure the continued success of grid operation, a thorough investigation of the interaction between the parallel-connected converters in terms of inverter-dominated distribution grid is necessary. The challenge is that the numerical complexity of the simulation grows rapidly due to the growing number of inverters. And this is additionally reinforced by model of the superordinate and subordinate grid, in order to recreate their influence. The dimension of the network and the large number of inverters form the dilemma in the simulation of a converter-dominated distribution network, which cannot be modeled using the standard simulation method at present. Considering these factors, the present work is first devoted to the simulation of an inverter-dominated distribution network, which presents a novel network reduction technique, which can transmit the network dynamics in the study of small signal stability in the form of transfer function by a controlled voltage or current source into the subordinate and superordinate grid. With the help this simulation model, the analysis is carried out, on the interaction of converters as well as to other grid elements like e.g. loads and transformers. The research is divided into so-called intra- or inter- district interactions. As a result of the research, it should be noted that the system stability in the small signal range decreases with an increasing number of inverters. Furthermore, two stabilization measures for the operation of an inverter distribution grid are being developed within the scope of this thesis. The "Stabilizer" measure offers for stabilization an adaptation of the control structure of the converter by a voltage-dependent additional signal impulse to improve the system properties for excitations and disturbances. The second measure is to optimize the parameters of the cascaded controller. A dynamic concept for global optimization is proposed

Optimierter Multilevel-GaN-Umrichter für Niederspannungsindustrieanwendungen

Das große Bauvolumen aktueller industrieller dreiphasiger Zweilevel-Netzumrichter und die damit verbundene geringe Leistungsdichte wird hauptsächlich durch den notwendigen EMV-Filter hervorgerufen. Aktuelle Veröffentlichungen zur Flying-Capacitor-Multilevel-Topologie zeigen das enorme Potential dieser Topologie im Hinblick auf kompakte EMV-Filter und eine damit verbundene hohe Leistungsdichte des gesamten Umrichters. Das Ergebnis dieser Arbeit zeigt, wie der Flying-Capacitor-Multilevel-Umrichter in Kombination mit GaN-Schaltern für Niederspannungsindustrieanwendungen aussehen kann.Das große Bauvolumen aktueller industrieller dreiphasiger Zweilevel-Netzumrichter und die damit verbundene geringe Leistungsdichte wird hauptsächlich durch den notwendigen EMV-Filter hervorgerufen. Aktuelle Veröffentlichungen zur Flying-Capacitor-Multilevel-Topologie zeigen das enorme Potential dieser Topologie im Hinblick auf kompakte EMV-Filter und eine damit verbundene hohe Leistungsdichte des gesamten Umrichters. Das Ergebnis dieser Arbeit zeigt, wie der Flying-Capacitor-Multilevel-Umrichter in Kombination mit GaN-Schaltern für Niederspannungsindustrie-anwendungen aussehen kann. Auf Basis der benötigten Komponenten eines solchen Umrichters wird zunächst eine Monte-Carlo Optimierung angefertigt. Die Ergebnisse dieser Optimierung zeigen einen Bereich für die elektrischen Parameter auf, in welchem eine größtmögliche Leistungsdichte und Effizienz für diesen Umrichter erzielt werden kann. Beruhend auf den Ergebnissen werden unterschiedlichste Hardwareprototypen, startend von der einzelnen Kommutierungszelle bis hin zum dreiphasigen Umrichter, vorgestellt. Untersuchungen an diesen Prototypen zeigen, dass es für die hohen resultierenden Schaltfrequenzen des dargestellten Umrichters noch einige unerforschte Effekte gibt. Diese beruhen zum Teil auf kleinsten parasitären Komponenten der Leiterplatte, oder der verwendeten Bauteile und können die Ausgangskennlinien des Umrichters stark beeinträchtigen. Mittels einer Simulation des Umrichters am Netz wird zudem validiert, dass ein solcher Umrichter mit einem dynamischen geschlossenen Regelkreis, wie er in Zweilevel-Umrichtern eingesetzt wird, betrieben werden kann. Überdies werden die typischen Betriebsbedingungen eines industriellen Umrichters theoretisch betrachtet, simuliert und validiert. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Topologie des Flying-Capacitor-Multilevel-Umrichters in Kombination mit GaN-Schaltern zu einer Verbesserung der Leistungsdichte, der Verluste und der Dynamik jeweils um Faktoren führen kann.The volume of industrial three-phase two level grid connected inverters suffers from large EMI filters which harm the overall power density. Recent publications based on the flying capacitor multilevel topology show the tremendous potential of this topology for compact EMI filters and a high resulting power density of the whole inverter. The results of this work show how such a flying capacitor multilevel inverter could look like for an industrial low voltage application. In the first section of this work the required components and a monte carlo optimization of such an inverter are presented. The outcome of this optimization shows a feasible area of electrical parameters which lead to the highest possible power density and inverter efficiency. Based on these results different hardware prototypes starting from a commutation cell up to a three phase inverter where designed. Investigations at these prototypes show that there are still several unexplored effects for the high resulting switching frequency of these prototypes. These effects are often based on smallest parasitics of the printed circuit board or attached electrical components. These small parasitics can have a huge impact on the output waveform of the inverter. It is also validated by a simulation that it is possible to operate such a grid connected inverter with a dynamic closed loop control used conventional in two level inverters. In addition, the typical operation conditions of an industrial inverter are theoretical investigated, simulated and validated. The results of this work show that the flying capacitor topology in combination with GaN switches could lead to an enhanced power density, reduced losses, and increased dynamic by factors

Grid Integration Aspects of Wind Turbines

Die hier vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit verschiedenen Aspekten der Netzintegration von Windenergieanlagen. Es werden drei für sich geschlossene Aufgabenstellungen betrachtet (Primärregelfähigkeit einer Windenergieanlage, sub-synchrone Wechselwirkungen und Netzintegration eines Windparks). Als Neuerung gegenüber bestehenden Veröffentlichungen sieht das Konzept dieser Arbeit eine gesamtheitliche Darstellung, Untersuchung und Bewertung dieser Aspekte vor. Die gesamtheitliche Darstellung wird ausgehend von der Betrachtung des Einzelverhaltens einer Anlage zum Verbundverhalten von mehreren Anlagen, bis zur Anbindung eines Windparks an das Verbundnetz entwickelt.The presented work covers several areas of the grid integration of wind turbines. Three major aspects primary control capability of a wind turbine, sub-synchronous interactions and grid integration of a wind farm are investigated in detail. The work builds on existing publications and thereby focuses on review, study and evaluation of named separate aspects to integrate it in an overall context. The holistic view is developed through analysis and investigation of individual behavior of a single wind turbine, the combined behavior of several wind turbines, up to the connection of a wind farm to the grid

Diversitäre Redundanz gemischter AC-HGÜ-Netze durch schnelle korrektive Maßnahmen

Vermaschte HGÜ-Netze können zum Aufbau eines dem AC-Netz überlagerten Overlay-Netzes eingesetzt werden. Der Betrieb eines solchen Netzes erfordert eine schnelle Reaktion auf Störungen im AC- und im HGÜ-Netz. Um diese seitens der HGÜ-Umrichter zu ermöglichen, ist ein schnelles Anpassen der Umrichter-Arbeitspunkte erforderlich. Um dem teilweise sehr zeit-kritischen Verlauf solcher Störszenarien zu begegnen, wird ein Verfahren vorgestellt, das eine schnelle Korrektur der Umrichter-Arbeitspunkte ermöglicht. Entsprechend einer Liste möglicher kritischer Betriebsmittelausfälle werden auf zentraler Ebene mittels einer Optimal Power Flow-Berechnung korrektive Umrichter-Arbeitspunkte erstellt und auf lokaler Ebene innerhalb der Umrichter-Steuerung abgelegt. Lokale Messungen ermöglichen die Identifikation von eintretenden kritischen Ausfallszenarien und eine Aktivierung der entsprechend vorberechneten Korrekturmaßnahmen. Auf diese Weise kann der AC-HGÜ-Netzverbund bei Ausfall eines Betriebsmittels durch korrektive Maßnahmen in den (n-1)-sicheren Zustand überführt werden. Der Begriff der Diversitären Redundanz wird an dieser Stelle eingeführt

Fault-tolerant power electronic converters based on three-level NPC topology for application in wind turbine systems

Die dreistufige Neutral Point Clamped (kurz: 3L-NPC) Topologie gilt als vielversprechendster Typ für das elektrische Umrichtersystem in Windenergieanlagen mit hoher Leistung oberhalb von 3MW und kommt dort bereits heutzutage am häufigsten zum Einsatz. Dennoch stellt die im Vergleich zu anderen Topologien geringere Zuverlässigkeit aufgrund fehlender Hardware-Redundanz einen bedeutenden Nachteil dar. Weiterhin ist die Behandlung der Konkurrenzsituation zwischen der Ausbalancierung der für diesen Umrichtertyp charakteristischen Neutralpunktspannung und den Optimierungszielen der Ansteuerverfahren als Herausforderung anzuführen. In dieser Arbeit wird die Ausstattung dieses Umrichtertyps mit der Eigenschaft der Fehlertoleranz gegenüber Fehlern in den Leistungshalbleiter-Ventilen als mögliche Strategie für die Erhöhung der Zuverlässigkeit untersucht. Dabei steht die für Mittelspannungsumrichter typische Presspack-Bauform im Fokus. Für denkbare fehlertolerante Topologien werden die Fehlertoleranz und der Nutzen für die Zuverlässigkeit, der technische Aufwand und die Kosten sowie die Auswirkungen auf den Betrieb analysiert und bewertet. [...] Die Topologie mit 3L-FC-basierter Zusatzhalbbrücke stellt zusätzliche Vorteile in Aussicht, da sie im Normalbetrieb die Möglichkeit bietet, die Aufgabe der Ausbalancierung der Neutralpunktspannung vollständig zu übernehmen. Daher wird zunächst ein geeignetes Ansteuerverfahren entwickelt und in Theorie, Simulation und Praxis mit Hilfe eines selbst konzipierten Laborteststandes näher untersucht. [...] Weiterhin wird der tatsächliche Nutzen der Topologie für den vorliegenden Anwendungsfall analysiert. [...] Als Schlüssel für die Umschaltung zwischen Normal- und Notbetrieb werden weiterhin die Fehlerdetektion, Fehlerisolierung und Rekonfiguration für beide fehlertolerante Topologien in Theorie und Praxisanteilen untersucht. Dabei werden für alle zu tolerierenden Fehler Strategien aufgezeigt, die eine derartige Umschaltung ermöglichen.The three-level Neutral Point Clamped (short: 3L-NPC) topology is considered to be the most promising type of power electronic converter in high power wind turbine systems above 3 MW. In such applications it is already the most frequently used type of converter nowadays. Nevertheless, the reduced reliability due to lack of hardware redundancy in contrast to other topologies is an important disadvantage. Furthermore the competitive situation between the neutral-point voltage balance, which is distinctive to this type of converter, and the objectives of the modulation methods is a challenge. In this work the endowment of this type of power electronic converter with the ability of fault tolerance towards failures in power semiconductor switches is investigated as a strategy to increase the reliability, whereas focus is set on presspack devices, which are typically used for medium voltage converters. The fault tolerance and the benefit in regard to reliability, the technical effort and the costs as well as the impact on operation are analysed and evaluated for possible fault tolerant topologies. [...] The topology with 3L-FC based leg promises additional advantages, since it provides the possibility to completely manage the task of voltage balancing in normal operation mode. Therefore a suitable method to control the converter is developed and analysed by means of theory, simulation and experimental results, which are taken from a selfbuilt laboratory test bench. [...] Afterwards the benefit of this topology is analysed in regard to this specific application. [...] As the key for switching between normal and fault operation mode both topologies are investigated in terms of fault detection, fault isolation and reconfiguration by means of theory and experimental parts. It is shown that there are strategies to change operation mode in case of any fault that is to be tolerated

Vergleichende Untersuchungen von Mehrpunkt-Schaltungstopologien mit zentralem Gleichspannungszwischenkreis für Mittelspannungsanwendungen

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einem detaillierten Vergleich von Mehrpunkt-Schaltungstopologien mit zentralem Gleichspannungszwischenkreis für den Einsatz in Mittelspannungsanwendungen. Im Rahmen dieser Untersuchungen wird die 3-Level Neutral Point Clamped Spannungswechselrichter Schaltungstopologie (3L-NPC VSC) sowohl mit Multilevel Flying Capacitor (FLC) als auch mit Multilevel Stacked Multicell (SMC) Schaltungstopologien verglichen, wobei unter Verwendung von aktuell verfügbaren IGBT-Modulen Stromrichterausgangsspannungen von 2.3 kV, 4.16 kV und 6.6 kV betrachtet werden. Neben der grundlegenden Funktionsweise wird die Auslegung der aktiven Leistungshalbleiter und der passiven Energiespeicher (Zwischenkreiskondensatoren, Flying Capacitors) für die untersuchten Stromrichtertopologien dargestellt. Unter Berücksichtigung verschiedener Modulationsverfahren und Schaltfrequenzen werden Kennwerte für den Oberschwingungsgehalt in der Ausgangsspannung und dem Ausgangsstrom vergleichend evaluiert. Die installierte Schalterleistungen, die Halbleiterausnutzungsfaktoren, die Stromrichterverlustleistungen sowie die Verlustleistungsverteilungen werden für die betrachteten Stromrichtertopologien detailliert gegenübergestellt und bewertet.:Inhaltsverzeichnis Liste der Variablen i Liste der Abkürzungen v 1 Einleitung 1 2 Überblick von Mittelspannungsstromrichtertopologien und Leistungshalbleitern 3 2.1 Mittelspannungsumrichtertopologien 3 2.2 Leistungshalbleiter 8 3 Aufbau und Funktion von Mittelspannungsstromrichtertopologien 10 3.1 Neutral Point Clamped Stromrichter (NPC) 10 3.1.1 3-Level Neutral Point Clamped Stromrichter (3L-NPC) 10 3.1.2 Mehrstufige NPC-Umrichter 21 3.2 Flying Capacitor Stromrichter (FLC) 23 3.2.1 3-Level Flying Capacitor Stromrichter (3L-FLC) 23 3.2.2 4-Level Flying Capacitor-Stromrichter (4L-FLC) 33 3.2.3 Mehrstufige Flying Capacitor-Stromrichter (NL-FLC) 39 3.3 Stacked Multicell Stromrichter (SMC) 43 3.3.1 5L-Stacked Multicell Stromrichter (5L-SMC) 43 3.3.2 N-Level Stacked Multicell Umrichter (NL-SMC) 51 4 Modellierung und Auslegung der Stromrichter 59 4.1 Verlustmodell 59 4.1.1 Sperrschichttemperaturen 64 4.2 Auslegung der Leistungshalbleiter 65 4.2.1 Stromauslegung 67 4.2.2 Worst-Case Arbeitspunkte 69 4.3 Auslegung der Zwischenkreiskondensatoren 75 4.3.1 Spannungszwischenkreis 76 4.3.2 Lastseitige Strombelastung und resultierende Spannungswelligkeit im Spannungszwischenkreis 77 4.3.3 Abhängigkeit der Strombelastung und der Spannungswelligkeit im Spannungszwischenkreis vom Frequenzverhältnis mf 95 4.3.4 Netzseitige Zwischenkreiseinspeisung 97 4.3.4.1 Zwischenkreiseinspeisung mit idealisiertem Transformatormodell 98 4.3.4.2 Zwischenkreiseinspeisung mit erweitertem Transformatormodell 101 4.3.5 Simulation des Gesamtsystems 104 4.4 Auslegung der Flying Capacitors 107 4.4.1 Strombelastung der Flying Capacitors 109 4.4.2 Spannungswelligkeit über den Flying Capacitors 113 4.4.3 Abhängigkeit der Spannungswelligkeit der Flying Capacitors vom Frequenzverhältnis mf 124 4.4.4 Auswirkung der Spannungswelligkeit der Flying Capacitors auf die Ausgangsspannungen 126 5 Vergleich der Stromrichtertopologien 129 5.1 Daten für den Stromrichtervergleich 129 5.2 Basis des Vergleiches 132 5.3 Vergleich für einen 2,3 kV Mittelspannungsstromrichter 134 5.3.1 Vergleich bei verschiedenen Schaltfrequenzen 134 5.3.2 Vergleich bei maximaler Trägerfrequenz 142 5.4 Vergleich für einen 4,16 kV Mittelspannungsstromrichter 146 5.4.1 Vergleich bei verschiedenen Schaltfrequenzen 146 5.4.2 Vergleich bei maximaler Trägerfrequenz 153 5.5 Vergleich für einen 6,6 kV Mittelspannungsstromrichter 156 5.5.1 Vergleich bei verschiedenen Schaltfrequenzen 156 5.5.2 Vergleich bei maximaler Trägerfrequenz 162 5.6 Vergleich von 2,3 kV, 4,16 kV und 6,6 kV Mittelspannungsstromrichtern 165 5.6.1 Vergleich bei identischer installierter Schalterleistung SS 165 5.6.2 Vergleich bei einer identischen Ausgangsleistung 167 6 Zusammenfassung und Bewertung 171 Anhang 175 A. Halbleiterverlustmodell 175 Referenzen 177The thesis deals with a detailed comparison of voltage source converter topologies with a central dc-link energy storage device for medium voltage applications. The Three-Level Neutral Point Clamped Voltage Source Converter (3L-NPC VSC) is compared with multilevel Flying Capacitor (FLC) and Stacked Multicell (SMC) Voltage Source Converters (VSC) for output voltages of 2.3 kV, 4.16 kV and 6.6 kV by using state-of-the-art 6.5 kV, 3.3 kV, 4.5 kV and 1.7kV IGBTs. The fundamental functionality of the investigated converter topologies as well as the design of the power semiconductors and of the energy storage devices (Flying Capacitors and Dc-Link capacitors) is described. The installed switch power, converter losses, the semiconductor loss distribution, modulation strategies and the harmonic spectra are compared in detail.:Inhaltsverzeichnis Liste der Variablen i Liste der Abkürzungen v 1 Einleitung 1 2 Überblick von Mittelspannungsstromrichtertopologien und Leistungshalbleitern 3 2.1 Mittelspannungsumrichtertopologien 3 2.2 Leistungshalbleiter 8 3 Aufbau und Funktion von Mittelspannungsstromrichtertopologien 10 3.1 Neutral Point Clamped Stromrichter (NPC) 10 3.1.1 3-Level Neutral Point Clamped Stromrichter (3L-NPC) 10 3.1.2 Mehrstufige NPC-Umrichter 21 3.2 Flying Capacitor Stromrichter (FLC) 23 3.2.1 3-Level Flying Capacitor Stromrichter (3L-FLC) 23 3.2.2 4-Level Flying Capacitor-Stromrichter (4L-FLC) 33 3.2.3 Mehrstufige Flying Capacitor-Stromrichter (NL-FLC) 39 3.3 Stacked Multicell Stromrichter (SMC) 43 3.3.1 5L-Stacked Multicell Stromrichter (5L-SMC) 43 3.3.2 N-Level Stacked Multicell Umrichter (NL-SMC) 51 4 Modellierung und Auslegung der Stromrichter 59 4.1 Verlustmodell 59 4.1.1 Sperrschichttemperaturen 64 4.2 Auslegung der Leistungshalbleiter 65 4.2.1 Stromauslegung 67 4.2.2 Worst-Case Arbeitspunkte 69 4.3 Auslegung der Zwischenkreiskondensatoren 75 4.3.1 Spannungszwischenkreis 76 4.3.2 Lastseitige Strombelastung und resultierende Spannungswelligkeit im Spannungszwischenkreis 77 4.3.3 Abhängigkeit der Strombelastung und der Spannungswelligkeit im Spannungszwischenkreis vom Frequenzverhältnis mf 95 4.3.4 Netzseitige Zwischenkreiseinspeisung 97 4.3.4.1 Zwischenkreiseinspeisung mit idealisiertem Transformatormodell 98 4.3.4.2 Zwischenkreiseinspeisung mit erweitertem Transformatormodell 101 4.3.5 Simulation des Gesamtsystems 104 4.4 Auslegung der Flying Capacitors 107 4.4.1 Strombelastung der Flying Capacitors 109 4.4.2 Spannungswelligkeit über den Flying Capacitors 113 4.4.3 Abhängigkeit der Spannungswelligkeit der Flying Capacitors vom Frequenzverhältnis mf 124 4.4.4 Auswirkung der Spannungswelligkeit der Flying Capacitors auf die Ausgangsspannungen 126 5 Vergleich der Stromrichtertopologien 129 5.1 Daten für den Stromrichtervergleich 129 5.2 Basis des Vergleiches 132 5.3 Vergleich für einen 2,3 kV Mittelspannungsstromrichter 134 5.3.1 Vergleich bei verschiedenen Schaltfrequenzen 134 5.3.2 Vergleich bei maximaler Trägerfrequenz 142 5.4 Vergleich für einen 4,16 kV Mittelspannungsstromrichter 146 5.4.1 Vergleich bei verschiedenen Schaltfrequenzen 146 5.4.2 Vergleich bei maximaler Trägerfrequenz 153 5.5 Vergleich für einen 6,6 kV Mittelspannungsstromrichter 156 5.5.1 Vergleich bei verschiedenen Schaltfrequenzen 156 5.5.2 Vergleich bei maximaler Trägerfrequenz 162 5.6 Vergleich von 2,3 kV, 4,16 kV und 6,6 kV Mittelspannungsstromrichtern 165 5.6.1 Vergleich bei identischer installierter Schalterleistung SS 165 5.6.2 Vergleich bei einer identischen Ausgangsleistung 167 6 Zusammenfassung und Bewertung 171 Anhang 175 A. Halbleiterverlustmodell 175 Referenzen 17