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Modulare Multilevel-Umrichter
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Neue Schaltungen, Systeme und Steuerverfahren

Modulare Multilevel-Umrichter

Technologie für Mittelspannungs-Gleichstromanwendungen

DC/DC-Wandler auf Basis eines Scott-Mittelfrequenztransformators
DC/DC-Wandler auf Basis eines Scott-Mittelfrequenztransformators

Aufgrund der begrenzten Spannungssperrfähigkeit handelsüblicher Halbleiterbauelemente dienen monolithische Multilevel-Umrichter seit fast vierzig Jahren als Arbeitspferd für verschiedene Mittelspannungsanwendungen (z. B. 1 kVac–36 kVac). Typische Umrichterstrukturen wie „Neutral Point Clamped“ (NPC), „Cascaded H-Bridge“ (CHB), „Flying Capacitor“ (FC) und deren Varianten lieferten eine bessere Ausgangswechselspannung mit weniger Filterbedarf als herkömmliche zweistufige Umrichter und eigneten sich dadurch für Multi-Megawatt-Anwendungen sowohl im Versorgungssektor als auch in der Industrie. Diese Strukturen erlaubten jedoch keine einfache Erhöhung der Ausgangsspannung, sowohl aufgrund von Beschränkungen der Halbleitertechnik als auch aus Gründen der internen Umrichtersteuerung. Diese Umrichter brachten zwar das Bausteinkonzept der „Power Electronics Building Blocks“ (PEBB) voran, waren jedoch im Sinne der Spannungsskalierbarkeit nicht tatsächlich modular.

Mit der Erfindung des modularen Multilevel-Konverters (Modular Multilevel Converter, MMC) vor fast zwanzig Jahren wurden neue Möglichkeiten geschaffen, um auf einfache Weise hohe und ultrahohe Ausgangswechselspannungen zu realisieren, die dank einer hohen Zahl von Spannungsstufen eine nahezu sinusförmige Wellenform aufweisen. Wie der Name erkennen lässt, wird dieser Umrichter aus Grundbausteinen (Submodulen) zusammengesetzt (ähnlich wie der „Cascaded H-Bridge“-Umrichter, aber ohne dass eine externe Versorgung der Submodule erforderlich ist). Die Technologie wurde recht schnell kommerzialisiert und hat ihren Platz in der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) und einigen industriellen Frequenzumrichteranwendungen gefunden.

DC/DC-Wandler auf Basis eines Scott-Mittelfrequenztransformators

Modularer AC/DC-Umrichter mit galvanischer Trennung
Modularer AC/DC-Umrichter mit galvanischer Trennung

In den letzten Jahren lässt sich ein immer größer werdendes Interesse an Mittelspannungs-Gleichstromanwendungen (MVDC, z. B. ±1,5 kVdc–±50 kVdc) beobachten, das hauptsächlich darauf zurückzuführen ist, dass weitere Möglichkeiten der Energiegewinnung und ‑verteilung untersucht werden müssen.  Typische Beispiele finden sich im Bereich erneuerbare Energiequellen oder in speziellen Installationen wie beispielsweise Stromverteilungsnetzen auf Schiffen.

Genau in diesem Bereich bietet der MMC ein hohes Maß an Flexibilität bei der Realisierung einer effizienten elektrischen Energiewandlung. Zwei Beispiele, die in [1]–[2] ausführlich untersucht wurden, werden vorgestellt und zeigen die neuartigen Topologien der Leistungselektronik, die die Skalierbarkeit des MMC-Umrichters erfolgreich nutzen, um die Anforderungen der jeweiligen Anwendung zu erfüllen. In beiden Fällen ermöglicht es die weitreichende Integration von magnetischen Strukturen in den MMC, unterstützt durch geeignete Regelalgorithmen, den Anforderungen der MVDC-Anwendung auf effiziente Weise gerecht zu werden.

Da unser Bedarf an elektrischer Energie weiter steigt, werden sich unsere Energiesysteme verändern; es wird davon ausgegangen, dass in den entsprechenden Anwendungsbereichen MVDC-Stromverteilungsnetze entstehen werden, die sich auf die neuen Energiewandlungstechnologien stützen können.

Modularer AC/DC-Umrichter mit galvanischer Trennung

[1] S. Milovanovic, D. Dujic: „High Power DC-DC Converter Utilizing Scott Transformer Connection“, IET Journal on Electric Power Applications, Bd. 13, Ausg. 10, S. 1441–1452, 2019.
[2] A. Christe, D. Dujic: „Galvanically isolated modular converter“, IET Journal on Power Electronics, Bd. 9, Ausg. 12, S. 2318–2328, 2016.

"Es wird prognostiziert, dass in den entsprechenden Anwendungsbereichen MVDC-Stromverteilungsnetze entstehen werden."

Prof. Dr. Drazen Dujic

Tags

  • Leistungselektronik für Stromnetze
  • Hochleistungsumrichter
  • Leistungselektronische Wandlersysteme, Umrichtertechnik

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