Multilevel-Kaskadenumrichter mit einem

Multilevel-Kaskadenumrichter mit einem bidirektionalen
DC-DC-Wandler zur Anwendung in einem
Batteriespeichersystem
T. Lahlou, H.-G. Herzog, A.W. Ebentheuer, M. Herzog
Das Forschungsprojekt EEBatt
Das Fachgebiet Energiewandlungstechnik beschäftigt sich u.a. mit der Entwicklung von leistungselektronischen Komponenten für die Anbindung eines
dezentralen Speichers an ein Niederspannungsnetz. Diese Anbindung kann über eine neuartige Speichertopologie erfolgen. Die batterieintegrierte
Multilevel-Umrichter-Topologie bzw. der kaskadierte Multilevelumrichter stellt eine neue Technologie für hocheffiziente Energiespeicher dar, braucht
weniger Bauraum und benötigt dank der niedrigeren Schaltfrequenzen und mehreren Spannungsstufen kleinere Leistungsfilter.
Physikalische Simulation in Simscape
PI-Regler
LFilter
Idq_Soll
+
PWM
Stecke
Idq_Is t
-
Idc
T1
D1
IBatt
T3
D3 T5
Abb. 2: Stromregelkreis für den kaskadierten Multilevelumrichter
D5
Phase 3
Udc
Cdc
L
UBatt
CB
T2
D2
T4
D4 T6
D6
Phase 2
Submodul 2
Nach einer Streckenidentifikation gemäß Abb. 2 ergibt sich für den offenen sowie
geschlossenen Regelkreis:
1
2
kp
2Td
1
Gol ( s ) 

und Gcl ( s ) 
1
1
R f T f s (1  sTd )
2
s  s 2
Td
2Td
Die Vektorregelung ermöglicht eine entkoppelte Regelung des Wirk- und Blindstroms.
Abb. 3 veranschaulicht diese Regelung mit den entsprechenden Transformationen. In
Abb. 4 sind die Ergebnisse der erstellten Simulation mit verschiedenen
Sollwirkleistungen dargestellt.
Submodul 3
Submodul 4
Submodul 5
id_Soll
+-
Submodul 6
++
uq
PI-Regler
iq_Soll
Submodul 7
+-
dq
θ
++
abc
ud
PI-Regler
Abb. 1: Aufbau des kaskadierten Multilevelumrichters mit einem bidirektionalen
DC-DC-Wandler zur Anwendung in einem Batteriespeichersystem
iq_Ist
Inverse Transf.
id_Ist
αβ
dq
αβ
θ
Abb. 1 zeigt den ausgewählten kaskadierten Multilevelumrichter mit
einem bidirektionalen DC-DC-Wandler zur Anwendung in einem
Batteriespeichersystem. Die ersten Simulationen zu dieser
Topologie sind in MATLAB und Simulink durchgeführt. Im Anschluss
erfolgt eine Umsetzung und Validierung in Hardware.
DC-AC
converter
PWM
abc
Park Transf.
Ia
Ib
Ic
Clarke Transf.
• Vorteile der Topologie
dq
αβ
θ
 Einstellbare Zwischenkreisspannung in jedem Submodul
 Modularer Aufbau
Ua
Ub
Uc
αβ
θ
abc
Clarke und Park Transf.
Netz
 Einsatz von Batteriemodulen unterschiedlicher Technologie
 Submodulspannung
unabhängig
vom
Ladezustand
der
Batterie
• Nachteile der Topologie
Abb. 3: Vektorregelung des kaskadierten Multilevelumrichters
Simulationsergebnisse
Sollwirkleistung in p.u.
 Wirkungsgrad des DC/DC-Wandlers v.a. im Teillastbetrieb
1.5
PSoll in p.u.
1
 Hochfrequent schaltende Elemente in jedem Submodul
 Zusätzliche Komponenten und Bauraum erforderlich
-0.5
 Verlustbestimmung einzelner Komponenten
 Untersuchungen zur Verlustreduzierung
• Ziel
 Aufbau eines Batteriespeichers auf Basis eines kaskadierten
Multilevelumrichters mit hoher Effizienz
UL1 und UCHB1 in p.u.
und
-1.5
Umrichter- und Netzspannung in p.u.
1.5
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
Phasenstrom in p.u.
1.5
1
IL1 in p.u.
 Physikalisches Verhalten der Leistungselektronik
Regelung-
0
-1
• Simulationsbasierte Bewertung mit MATLAB und Simulink
 Untersuchung
verschiedener
Modulationsverfahren
0.5
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
0
0.05
0.1
0.15
0.2
t in ms
Abb. 4: Simulationsergebnisse zum aufgebauten kaskadierten Multilevelumrichter
Förderung durch
Bayerisches Staatsministerium für
Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie
M
ln
0.25