title: Ein innovatives Regelungskonzept zum optimierten Betrieb von Modularen Multilevel-Umrichtern
Creators: name: Ruccius, Benjamin
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2025
Subjects: subject: Modularer Multilevel-Umrichter, MMC, M2C, Regelung, Leistungselektronik, Kalman-Filter, Beobachter

description: In der vorliegenden Arbeit wird ein innovatives Regelungskonzept zum optimierten Betrieb von Modularen Multilevel-Umrichtern (MMC, bzw. M2C) dargestellt. Die Topologie des MMC wird im Mittelspannungs-Bereich, beispielsweise als Motorumrichter und im Hochspannungs-Bereich, unter anderem in Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen (HGÜ) eingesetzt. Die Vorteile dieser Topologie sind unter anderem die einfache Skalierbarkeit, die einfache Gewährleistung der Redundanz und die sehr gute Ausgangsspannungsqualität. Weiterhin können im Vergleich zu anderen Topologien mit weniger Ausgangsspannungsstufen, Halbleiterschalter mit geringerer Sperrspannung verwendet werden. Ein Nachteil ist der hohe Aufwand für die Spannungsmessungen der Kondensatorspannungen sowie für die Kommunikation zwischen der zentralen Regelungshardware und den einzelnen Submodulen. Neuartige Verfahren, die diese Nachteile verringern, werden in der vorliegenden Arbeit vorgestellt und simulativ und experimentell untersucht, sodass die Funktionsweisen der Innovationen verifiziert werden können. Die Versuche wurden an einem Niederspannungs-MMC durchgeführt. Das Ziel dieser neuartigen Verfahren ist es zum einen den Hardwareaufwand zu reduzieren und zum anderen die Verlustleistung des Umrichters zu verringern. Die Reduktion des Hardwareaufwands wird durch die signifikante Verringerung der Anforderungen an die Kommunikation zwischen den einzelnen Submodulen und eine geringere Anzahl an Kondensatorspannungsmessungen erreicht. Es werden verschiedene Verfahren, die auf dem Einsatz eines Kalman-Filters basieren um die Kondensatorspannungsmessungen zu schätzen, vorgestellt. Die Kondensatorspannungsmessungen in den Submodulen können, bei einem der vorgestellten Verfahren, entfallen. Die Korrektur der Schätzungen der Kondensatorspannungen erfolgt dabei mit Hilfe der Auswertung der Zweigspannungsmessungen. Der Mess- und Kommunikationsaufwand kann durch den Einsatz des innovativen Verfahrens signifikant verringert werden, sodass beispielsweise im Versuchsaufbau die Anzahl der Spannungsmessungen von 34 auf 10 reduziert werden kann. Weiterhin wird ein Ausblick auf eine Erweiterung des Verfahrens der Kondensatorspannungsschätzung mit Hilfe eines Kalman-Filters gegeben. Durch diese Erweiterung wird eine Kapazitätsschätzung der einzelnen Submodulkondensatoren implementiert und somit eine vorausschauendeWartung (Predictive Maintenance) ermöglicht. Durch eine neuartige Erweiterung des Regelungskonzepts, welches auf der Anwendung eines Störgrößenbeobachters basiert, der in seiner Funktionalität einem Notch Filter entspricht, werden die innerhalb des Umrichters wirkenden Kreisstromanteile und somit auch die Verlustleistung des Umrichters reduziert. Aus den Simulationsergebnissen folgt, dass der Effektivwert des Kreisstroms im betrachteten Betriebspunkt durch den Einsatz eines Störgrößenbeobachters um ca. 56% reduziert werden kann. Dies führt zu einer Reduktion des Effektivwerts des resultierenden Zweigstroms um ca. 4%.
description: This thesis presents an innovative control concept for the optimized operation of modular multilevel converters (MMC or M2C). The topology of the MMC is used in the mediumvoltage range, for example as a motor inverter, and in the high-voltage range, for instance in high-voltage direct current (HVDC) transmissions. The advantages of the topology include the simple scalability, the simple guarantee of redundancy and the excellent output voltage quality. Furthermore, compared to other topologies with fewer output voltage stages, semiconductor switches with a lower reverse voltage can be used. A disadvantage is the high effort required for measuring the capacitor voltages and for communication between the central control hardware and the individual submodules. Novel approaches that reduce these disadvantages are presented in this paper and investigated in simulations and experiments so that the functionality of the innovations is verified. The tests were carried out on a low-voltage MMC. The aim of the new methods presented in this thesis is to reduce the hardware requirements and to reduce the power loss of the inverter. The reduction in hardware complexity is achieved by significantly reducing the communication requirements between the individual submodules and a lower number of capacitor voltage measurements. Various methods based on the use of a Kalman filter to estimate the capacitor voltage measurements are presented. The capacitor voltage measurements in the submodules can be eliminated in one of the methods presented. The correction of the capacitor voltage estimations is carried out by evaluating the arm voltage measurements. The measurement and communication effort can be significantly reduced by using the innovative method, so that the number of voltage measurements can be reduced from 34 to 10 in the test setup. Furthermore, an outlook is given on an extension of the capacitor voltage estimation method using a Kalman filter. The extension implements a capacitance estimation of the individual submodule capacitors and thus enables predictive maintenance. A novel improvement to the control concept based on the use of a disturbance observer with the same functionality as a notch filter reduces the circulating current components acting within the inverter and therefore also the power loss of the inverter. The simulation results show that the root mean square value of the circulating current at the operating point under consideration can be reduced by approximately 56% by using a disturbance observer. This leads to a reduction in the effective value of the resulting arm current by approximately 4%.