Gemeinschaftsmodus-Elektromagnetische Störungsminderung für Festkörper-Transformatoren

     Dieser Artikel schließt diese Lücke, indem er eine umfassende Übersicht über gängige Gleichstrom-Verbindungs-Mehrstufige Umrichter (MLCs) bietet, die ihre topologische Entwicklung, Merkmale, Topologie-Vergleiche, Modulationstechniken, Steuerungsstrategien und industrielle Anwendungsbereiche abdecken. Darüber hinaus werden zukünftige Perspektiven und Empfehlungen diskutiert, um Forschern und Ingenieuren ein besseres Verständnis der potenziellen Anwendungen und Vorteile dieser Umrichter zu vermitteln.

1. Einleitung.

     Betrachtet man die wesentlichen Entwicklungsstufen von MLCs, lassen sich die bestehenden MLC-Topologien in einige Familien einteilen, wie in der folgenden Abbildung gezeigt. Die erste Familie umfasst CHB-basierte Topologien und zeichnet sich durch hohe Modularität und eine optimale Anzahl von Leistungsschaltern für Ausgangsniveaus aus [31]. Allerdings sind mehrere getrennte Gleichstromquellen erforderlich, was den Einsatz voluminöser Isolations-transformer notwendig macht oder deren Anwendbarkeit auf Bereiche mit mehreren getrennten Gleichstromquellen beschränkt. Darüber hinaus stellt das ungleiche Leistungsmanagement zwischen den kaskadierten Leistungszellen eine der häufigen Herausforderungen in dieser Familie dar. Die zweite Familie umfasst NPC-basierte Topologien wie 3L-NPC und 3L-T2C-Umrichter. Diese Umrichter zeichnen sich durch robuste Leistungsschaltkreise und einfache Schutzmechanismen aus. Jedoch ist das Gleichgewicht des Gleichstromverbinders eine wesentliche Anforderung im Steuerungskonzept dieser Topologien. FC-basierte Topologien verwenden Kondensatoren als Spannungsblockierkomponenten, um die Anzahl der Niveaus zu erhöhen, und bilden eine MLC-Familie, die durch hohe Flexibilität, hohe Redundanz und fehlertolerantes Betrieb gekennzeichnet ist. Hybrid-MLCs bestehen aus grundlegenden Zellen konventioneller Topologien und kombinieren daher mehrere Vorteile klassischer MLCs mit der Fähigkeit, eine hohe Anzahl von Niveaus zu erzeugen. MMC-Topologien stellen eine MLC-Familie dar, die einen Durchbruch für Hochspannungsanwendungen darstellt, dank ihrer hohen Effizienz und Modularität.

2. Gängige Gleichstrom-Verbindungstopologien.

   Die dreistufige aktive NPC (ANPC)-Struktur konnte das Problem der Leistungsverlustverteilung durch die Verwendung zweier verschiedener Modulationstechniken, bekannt als Modulationsmuster I und II, lösen. Dabei werden die beiden Blockdioden durch zwei aktive Schalter ersetzt, um die Stromflussrichtung in Nullzuständen zu steuern. Modulationsmuster I führt dazu, dass die meisten Schaltverluste in den äußeren Schaltern jedes Beines auftreten, während Muster II die Schaltverluste auf die inneren Schalter verlagert. Die FC-Kategorie umfasst Topologien, die FCs ohne einen blockierten Neutralpunkt einsetzen und daher das Problem des Gleichstromverbindegleichgewichts nicht aufwerfen. In diesen Topologien werden FCs verwendet, um die Gleichstromquellen zu ersetzen und Spannungsniveaus zu erzeugen. Im Allgemeinen ermöglicht die Modularität dieser Familie die Erzeugung vergleichsweise höherer Niveaus im Vergleich zur NPC-Familie. Zudem sind Flexibilität, fehlertoleranter Betrieb und verbesserte Verlustverteilung zwischen den Schaltern markante Merkmale dieser Topologien. Hybride Mehrstufige Umrichter (HMLCs) kombinieren mehrere grundlegende Topologien, um die jeweiligen Vorteile zu nutzen und einige ihrer Einschränkungen zu überwinden. Hauptsächlich können hybride Topologien die Spannungsausgleichsfähigkeiten sowohl für Gleichstromverbindungen als auch für FCs und die Verlustverteilung über Schalter verbessern, während sie die Anzahl der erforderlichen aktiven und passiven Komponenten im Vergleich zu NPC- und FC-Topologien reduzieren.

3. Modulation und Steuerung.

    Eine Klassifizierung der wichtigsten Steuerungstechniken für Mehrstufige Umrichter ist in der unten stehenden Abbildung dargestellt. Wie beim Zweistufen-Umrichter besteht die kaskadierte Steuerungsstruktur in der Regel aus äußeren und inneren Steuerungsstufen sowie dem Modulatorblock. Obwohl die inneren und äußeren Schleifen bei Zweistufen- und Mehrstufigen Umrichtern ähnlich sind, muss der Modulatorblock, der hauptsächlich für skalare und feldorientierte Steuerung (FOC) benötigt wird, an die höhere Anzahl der Stufen angepasst werden. In diesem Abschnitt wird zunächst eine Übersicht über die am häufigsten verwendeten sowie fortschrittlichen Modulatoren präsentiert. Auch werden die Steuerungstechniken, die keinen separaten Modulator erfordern, detaillierter untersucht.

4. Industrielle Anwendungen.

    Historisch gesehen zeichnen sich CHB-Umrichter durch ihre Modularität, Fehlertoleranz und die Fähigkeit aus, durch Kaskadierung von Zellen eine hohe Anzahl von Spannungsniveaus zu erzeugen. Allerdings begrenzt die Notwendigkeit mehrerer getrennter Gleichstromquellen (Rechtecksteller+Transformator aus Sicht der Industrie) ihre Anwendbarkeit für einen weiten Bereich von Leistungsgraden. Tatsächlich werden CHB-Umrichter hauptsächlich in Hochleistungsanwendungen (von Hunderten von Kilowatt bis Megawatt) eingesetzt, wo es keine geeigneten Komponenten für solche Leistungsgrade gibt. Auf der anderen Seite zeichnen sich gängige Gleichstrom-Verbindungstopologien durch die Verwendung einer einzigen Gleichstromquelle aus, was sie zu einer guten Alternative in verschiedenen Anwendungen wie 3-Phasen-Industriesystemen macht. Tatsächlich können sie in vielen Konfigurationen eingesetzt werden, wie 3-Beine-3-Leiter, 3-Beine-4-Leiter und 4-Beine-4-Leiter in Motortreibern, PV-Umrichtern, schnellen DC-Ladegeräten usw.

Quelle: IEEE Xplore

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