Ein Beitrag zum Verhalten Modularer Multilevel Umrichter (MMC) bei Taktsperre

Die vorliegende Dissertation untersucht das elektrische Verhalten eines Modular Multilevel Umrichters während einer Taktsperre. Eine solche Taktsperre wird auch als Blockieren des Konverters bezeichnet. Bei einem Blockiervorgang kann es dazu kommen, dass zum einen der Umrichter an seine Spannungsgrenze und zum anderen die Leistungshalbleiter an die Grenzen ihrer zulässigen Belastung gebracht werden. Diese Arbeit untersucht im Detail unter welchen Umständen und bei welchen Randbedingungen diese Belastungen auftreten.

Im Rahmen der theoretischen Durchdringung folgt eine Fallunterscheidung zwischen unterschiedlichen momentanen Zustandsgrößen des Umrichters zum Blockierzeitpunkt. Die relevanten Fälle werden mithilfe von Schaltungssimulationen untersucht. Dafür werden speziell angepasste Simulationsmodelle, sowohl für den Converter, als auch für die leistungselektronischen Schalter entwickelt. Es wird ein neuer Ansatz, die partielle Taktsperre, als alternative Blockiermethode diskutiert. Sie entlastet die Halbleiter, bringt aber einen gewissen technischen Mehraufwand mit sich.

Anschließend werden die zuvor ermittelten Randbedingungen experimentell nachgestellt. Die Messergebnisse werden dabei im Detail ausgewertet. Es wird der Einfluss verschiedener Zustandsgrößen auf die Halbleiterbelastung gezeigt.

Ein neuer Ansatz dieser Arbeit ist es auch die AC-Kapazität bei Auslegung eines Modular Multilevel Converters zu berücksichtigen. Dies führt im relevanten Worst-Case-Szenario zu erhöhten Halbleiterbeanspruchungen. Müssen diese Beanspruchungen reduziert werden, resultiert im Umkehrschluss eine schlechtere Halbleiterausnutzung im Normalbetrieb.

Es werden mehrere Verfahren zur Entlastung der Halbleiter vorgestellt und messtechnisch untersucht. So kann eine Belastung durch Überspannung bei snappigem Schaltverhalten ausgeschossen werden. Weiterhin wird nachgewiesen, dass kurz leitende Dioden durch ihr Schaltverhalten die Schaltleistung der lang leitenden Dioden reduzieren.

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass ein Worst-Case-Szenario mit erhöhten Halbleiterbeanspruchungen ermittelt wurde. Es ist jedoch, unter Berücksichtigung der entlastenden Thesen, möglich, einen solchen Umrichter wirtschaftlich auszulegen.