Untersuchung von verschiedenen Ansteuerungsstrategien für dreiphasige ANPC Batterie- und Solarwechselrichter mit SiC-Halbleiterschaltelementen

  • In der vorliegenden Masterarbeit wurden verschiedene Ansteuerungsstrategien für den Betrieb von dreiphasigen Active-Neutral-Point-Clamped- (ANPC) Mittelspannungs-Netzumrichtern mit Siliziumkarbid (SiC) Halbleiterschaltelementen untersucht. Durch die Vielzahl an aktiven Schaltelementen können bei der ANPC-Topologie zur Modellierung des gewünschten Ausgangssignals zahlreiche unterschiedliche Ansteuerungsstrategien eingesetzt werden. Je nach gewählter Ansteuerungsstrategie können so unter anderem die Faktoren Schalt- und Durchlassverluste, Wirkungsgrad, Verlustverteilung, Schalter- und Ausgangsschaltfrequenz, der Oberschwingungsanteil des Ausgangssignals, sowie die maximale Spannungsbelastung der Halbleiter beeinflusst werden. Neben der elektrotechnischen Beschreibung der aktuell eingesetzten Umrichter-Technologien wurden in dieser Arbeit primär aus aktuellen Veröffentlichungen und Dissertationen verschiedene Möglichkeiten für die Ansteuerung von ANPC-Umrichter zusammengetragen und insgesamt sieben Sinus-Pulsweiten-Modulationsstrategien (S-PWM) im Detail untersucht. Hierbei wurde für jede vorgestellte Modulationsstrategie das Grundfunktionsprinzip aufgezeigt und analysiert, sowie die sich daraus ergebenden Vor- und Nachteile herausgearbeitet. Anschließend wurden alle vorgestellten S-PWM-Strategien in der Schaltungssimulationssoftware PLECS implementiert und diese in verschiedenen Betriebszuständen simuliert. Die Simulation ergab, dass sich bei der ANPC-ALD-Strategie eine bestmögliche Verlustverteilung zwischen den Halbleiterelementen einstellt, bei der ANPC-OOZS-Strategie die geringsten Durchlassverluste entstehen und bei den Strategien ANPC-DF, -12, -R2:1 und -SSLD im Bereich der Nulldurchgänge des Ausgangssignals an den inneren Halbleitern kurzzeitige kritische Überspannungen auftreten. Bei den Strategien ANPC-11-Sync, -ALD und -OOZS treten dagegen keine Überspannungen an den Halbleitern auf. Ausgehend von diesen Simulationsergebnissen wurden die Strategien ANPC-DF, -ALD und -OOZS für den potentiellen Einsatz in Mittelspannungsumrichtern ausgewählt, auf einem FPGA-Board implementiert und damit eine geeignete Niederspannungstestplattform in Betrieb genommen. Durch praktische Messungen auf dieser Testplattform konnten die Simulationsergebnisse in einem ersten Schritt verifiziert werden. Sowohl das erstellte Simulationsmodell als auch die in Betrieb genommene Testplattform können somit zukünftig für weitere Untersuchungen im Bereich der ANPC-Umrichter-Ansteuerungsstrategien eingesetzt werden.
  • This master thesis investigates different modulation strategies for three-phase Active-Neutral-Point-Clamped (ANPC) medium voltage converters with silicon carbide (SiC) semiconductor switching elements. Because of the large number of active switching elements in the ANPC topology many different modulation strategies were developed to generate the predefined Inverter output signal. Depending on the selected modulation strategy, the factors switching and conduction losses, efficiency, loss distribution, breaker and output switching frequency, the total harmonic distortion of the output signal and the maximum voltage stress of the semiconductors can be influenced. Apart from the electrical description of the currently used converter technologies, this thesis primarily collected from the latest publications and dissertations various possibilities of modulation strategies to control ANPC inverters and examined a total of seven sinus pulse width modulation strategies (S-PWM) in detail. For each of the presented modulation strategies the core principle is described, analysed and shown in a unified visualization. Based on those investigations the resulting advantages and disadvantages of every modulation strategy were deduced. Subsequently, all presented S-PWM strategies were implemented in the electrical circuit simulation software PLECS and were simulated in different operating states. The results of the simulations led to the following observations: the strategy ANPC-ALD achieves the best result of power distribution between all included semiconductor elements, the ANPC-OOZS strategy achieves the lowest conduction losses and the strategies ANPC-DF, -12, -R2:1 and –SSLD generate while the zero crossing of the output signal critical short overvoltages on the inner semiconductors. Simultaneously the ANPC-11-Sync, -ALD and -OOZS strategies do not produce such overvoltages. Based on these simulation results and for the potential use in medium-voltage converters, the strategies ANPC-DF, -ALD and -OOZS were selected, implemented on an FPGA board and take into operation on a low-voltage test platform. With practical measurements on this test platform the simulation results could be verified in a first step. In future the created simulation model and the running test platform can be used for additional investigations in the field of ANPC inverter modulation strategies.
Metadaten
Author:Michael Troost
URN:urn:nbn:de:bsz:fn1-opus4-63146
Advisor:Ute Diemar
Document Type:Master's Thesis
Language:German
Year of Completion:2019
Granting Institution:Hochschule Furtwangen
Date of final exam:2019/08/31
Release Date:2020/03/10
Tag:Modulationsstrategien; Parasitäre Kapazitäten; Wechselrichter-Topologien
Active neutral-point-clamped (ANPC); Field programmable gate array (FPGA)
Pagenumber:133
Degree Program:WPI - Wirtschaftingenieurwesen - Product Innovation
Open Access:Frei verfügbar
Licence (German):License LogoEs gilt das UrhG