Multilevel-Umrichter für Mittelspannungs

Multilevel-Umrichter für Mittelspannungs

Forschung
Research
Leistungselektronische Systeme
Multilevel-Umrichter für
MittelspannungsAnwendungen
Auf dem Markt sind Hochleistungs IGBT-Module mit 6,5 kV
Blockierspannung verfügbar. Diese ist jedoch noch nicht
ausreichend für Mittelspannungsanwendungen.
Mittelspannungsanwendungen erfordern niedrigen harmonischen Strom, große Leistungen und eine hohe
Zuverlässigkeit. Eine Lösung ist die Verwendung von
Mehrstufentransformatoren. Diese Transformatoren sind
jedoch sehr kostspielig, sehr groß und nicht sehr effizient.
Eine andere Lösung stellen Multi-Level-Umrichter dar. Es
wurden im Wesentlichen bereits drei Topologien vorgestellt.
Dazu gehören der Diode-Clamped Multi-Level-Umrichter
(DCML), der Flying Capacitor Multi-Level-Umrichter (FCML)
und der Cascade-Cell Multi-Level-Umrichter (CCML). In diesem Projekt werden die Verluste, das Volumen, die Kosten
und die Zuverlässigkeit der Topologien verglichen, um die
adäquate Topologie für Mittelspannungsanwendungen auszuwählen.
Power Electronic Systems
Multi-Level Inverters for
Medium-Voltage Applications
On the market, high-power IGBT modules with 6.5 kV maximum blocking voltage are available. However, this voltage
rating is not sufficient for many medium-voltage applications.
Such applications require low harmonic current, large capacity, and high reliability. One solution is the use of multistage transformers. However, these transformers are very
expensive, bulky and not very efficient. Another solution is
based on multi-level inverters. Three main types of multilevel inverters have already been proposed. These are the
diode clamp multi-level inverter (DCML), the flying capacitor
multi-level inverter (FCML) and the cascade cell multi-level
inverter (CCML). In this project, the operation losses, external sizes, costs and redundancy of each topology are compared to choose an adequate topology for medium-voltage
applications.
The results so far indicate that the differences between
topologies are minimal when comparing losses, but costs and
size vary greatly. The CCML offers lowest costs but the power
factor is strictly limited. Hence, CCML can only be applied as
a reactive current source (SVC). Though the cost of FCML is
the second lowest, it is still much higher than that of traditional two-level inverters with multi-stage transformers.
Der Flying Capacitor Multilevel-Umrichter mit ARCP
The Flying Capacitor Multilevel Inverter with ARCP
Im Ergebnis ergeben sich keine großen Unterschiede bezüglich der Verluste. Allerdings gibt es Differenzen in den Kosten
und dem Volumen. Die Kosten des CCML sind am geringsten,
aber der Leistungsfaktor ist stark eingeschränkt. Daher kann
man CCML Umrichter nur als die Blindstromquelle (SVC)
benutzen. Die Kosten des FCMLs sind am zweitniedrigsten,
aber sie sind viel teuer als die klassischen 2-Level-Topologien
mit den Mehrstufentransformatoren.
The cost of FCML depends on the value of the clamping
capacitors. This value is inverse proportional to the switching
frequency. However, high switching frequency causes higher
losses. Thus, a soft-switching technology will be necessary to
compete in prize.
In the next step, FCML with ARCP (Auxiliary Resonant
Commutated Pole) will be realized in order to evaluate current controllability and stability of flying capacitor’s voltage.
Die Kosten des FCMLs sind abhängig von der Kapazität der
„Clamping-Kondensatoren“. Die Kapazität ist indirekt proportional zur Schaltfrequenz, allerdings führt eine hohe Schaltfrequenz zu hohen Verlusten. Daher wird eine weichschaltende Technologie benötigt.
Im nächsten Entwicklungsschritt wird ein FCML-Umrichter
mit ARCP (Auxiliary Resonant Commutated Pole) realisiert,
um Stromregelbarkeit und Spannungsstabilität zu untersuchen.
Kontakt Contact
K. Fujii, [email protected]
02 41/80 969 81