Gemittelte Modelle und deren Regelung für dreiphasige modulare Mehrpunktstromrichter

Laufzeit: 1.5.2019 - 31.12.2023

Das Projekt wird durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen einer Sachbeihilfe gefördert (DFG-GEPRIS) und beschäftigt sich mit Modellbildungsmethoden für zellbasierte Stromrichter, wie bspw. die im englischen Sprachraum als modular multilevel converter (MMC) bekannte Schaltung.

Ähnlich wie dies auch bei anderen leistungselektronischen Systemen der Fall ist, lässt sich auch für modulare Mehrpunktstromrichter beobachten, dass sich die den Prozess beschreibenden Größen innerhalb stark unterschiedlicher zeitlicher Horizonte ändern, so dass man häufig von "schnell" und "langsam" veränderlichen Größen spricht. Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, für den Steuerungs- und Regelungsentwurf nur den jeweils relevanten zeitlichen Kontext herauszugreifen und dabei einerseits die Dynamik "schneller" veränderlicher Größen zu vernachlässigen und andererseits "langsamer" veränderliche Größen als konstant aufzufassen. Um einen modellbasierten Entwurf von Steuerungs- und Regelungsalgorithmen zu ermöglichen, benötigt man also Modelle, die das jeweils charakteristische Verhalten im gewählten zeitlichen Kontext zu beschreiben in der Lage sind. Diese Problemstellung steht im Zentrum des vorliegenden Projekts. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Modellierung des Verhaltens der mittleren in den Zweigen gespeicherten Energie, was für zellbasierte Topologien besonders herausfordernd ist, da die Zweigenergien selbst in stationären Arbeitsregimes nicht konstant sind.

Ein weiterer Schwerpunkt des Projekts liegt im Entwurf und in der praktischen Erprobung von modellbasierten Steuerungs- und Regelungsverfahren für modulare Mehrpunktstromrichter.

Die interaktive Visualisierung entstand 2023 im Rahmen des Forschungspraktikums von Herrn Alexander Döge mit freundlicher Unterstützung von Gunther Kreuzberger vom Fachgebiet Virtuelle Welten und Digitale Spiele der TU Ilmenau.

[1] Gui, Q., Fehr, H., Gensior, A.: "Energy Control of Modular Multilevel Converters for Drive Applications at Low Frequency Using General Averaging" in IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 39(5), 2024, DOI: 10.1109/tpel.2024.3360000

[2] Gui, Q., Fehr, H., Gensior, A.: "Optimized Stationary Operating Regime and Common-Mode Voltage Design for Modular Multilevel Converters in Drive Applications at High Frequency" in 25th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'23 ECCE Europe), 2023, DOI: 10.23919/EPE23ECCEEurope58414.2023.10264464

[3] Gui, Q., Fehr, H., Gensior, A.: "Stability Assessment and Optimization of MMC Energy Balancing for Drive Applications at Standstill Using an Averaging Approach" in 24th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'22 ECCE Europe), 2022, ieeexplore.org

[4] Fehr, H., Gensior, A.: "MMC Stationary Operating Regimes in Case of Periodic Power Demand on the DC Side" in IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 37(7), 2022, DOI: 10.1109/tpel.2022.3143318

[5] Gensior, A., Fehr, H.: "Modeling and Energy Balancing Control of Modular Multilevel Converters Using Perturbation Theory for Quasi-Periodic Systems" in IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 36(2), 2021, DOI: 10.1109/tpel.2020.3008317

[6] Lopez, M., Fehr, H., Perez, M., Gensior, A.: "Pareto Frontier of the Arm Energy Ripple and the Conduction Losses of a Modular Multilevel Converter" in energies, Vol. 14(2), 2021, DOI: 10.3390/en14020392

[7] Lopez, M., Fehr, H.: "Matlab Scripts for MMC Pareto Optimization", Technische Universität Dresden, DOI: 10.25368/2020.125