Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1678
Main Title: Investigation and Comparison of Multi-Level Converters for Medium Voltage Applications
Translated Title: Untersuchung und Vergleich von Multi-Level Stromrichtern für Mittelspannungsanwendungen
Author(s): Fazel, Seyed Saeed
Advisor(s): Bernet, Steffen
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: In den letzten Jahren wurde besonderes Augenmerk auf die Weiterentwicklung von Multi-Level Stromrichtern im Mittelspannungsbereich gelegt. Bisher gibt es noch keinen detaillierten quantitativen Vergleich der verschiedenen Multi-Level Stromrichtertopologien. In der vorliegenden Dissertation wird zunächst der aktuelle Stand der Technik der verschiedenen Stromrichtertopologien vorgestellt. Dabei wird der 2L-VSC und 3L-NPC VSC sowie verschiedene Multi-Level Stromrichtertopologien wie der 3L-FLC VSC, 4L-FLC VSC, 5L-, 7L-, 9L- und 11L-SC2LHB VSCs auf der Basis aktueller IGBT-Module (mit Sperrspannungen von 1.7kV, 2.5kV, 3.3kV, 4.5kV und 6.5kV) untersucht und die Ergebnisse miteinander verglichen. Die Dissertation gliedert sich dabei in sieben Kapitel: Auf die Einleitung folgt in Kapitel 2 ein Überblick über Mittelspannungsstromrichter einschließlich der verwendeten Mittelspannungshalbleiter und der verwendeten Modulationsverfahren. In Kapitel 3 werden die verschiedenen Multi-Level Stromrichtertopologien vorgestellt. Die Dimensionierung der Leistungshalbleiter, der Zwischenkreiskondensatoren und der Transformatoren werden in Kapitel 4 beschrieben. Die grundlegenden Stromrichterdaten und Arbeitspunkte für den Vergleich einschließlich der verwendeten IGBT-Module, der Modulationsverfahren und der Schaltfrequenzen werden in Kapitel 5 festgelegt. In Kapitel 6 werden die Stromrichterverluste, die Leistungshalbleiterverlustverteilung, der Wirkungsgrad des Stromrichters, das harmonische Spektrum der Ausgangsspannung und die installierte Schalterleistung der verschiedenen Stromrichtertopologien miteinander verglichen. In Kapitel 7 werden wesentliche Ergebnisse zusammengefasst. Der 3L-NPC VSC ist eine konkurrenzfähige und weit verbreitete Stromrichtertopologie, die in einem weiten Schaltfrequenzbereich effizient arbeiten kann (z. B. fC ≤ 1500Hz). Ein einfacher Transformator, ein kleiner Zwischenkreiskondensator und die mögliche Verwendung in einer Common-DC-bus Konfiguration sind Vorteile dieser Topologie. Durch die schwierige Spannungssymmetrisierung der Zwischenkreiskondensatoren und die hohe Spannungsbeanspruchung der Clampdioden bei größeren Levelanzahlen, wird der Stromrichter im Allgemeinen nur bis zu einer Levelanzahl von 3 verwendet wird. Die Flying-Capacitor-Topologie (FLC) hat verschiedene Vorteile gegenüber der NPC-Topologie. Es werden beispielsweise keine Clampdioden benötigt. Die gleichmäßige Leistungshalbleiterverlustverteilung sowie die hohe resultierende Frequenz des erstem Trägerbandes im Ausgangsspannunkspektrum sind die Ursache dafür, dass diese Topologie vorteilhaft bei Antrieben mit hoher Drehzahl oder Anwendungen, bei denen ein sehr kleiner Stromrippel benötigt wird (z. B. Teststände), eingesetzt werden kann. Allerdings ist der Kondensatoraufwand beim FLC für niedrige und mittlere Schaltfrequenzen deutlich größer als bei der NPC-Topologie. Deshalb ist die FLC-Topologie für diesen Schaltfrequenzbereich (f1Cb ≤ 1500-1800Hz) nicht konkurrenzfähig. Die SC2LHB VSC Topologie hat erhebliche Vorteile gegenüber den oben diskutierten Topologien besonders im mittleren und hohen Leistungsbereich für Antriebe. Die Anzahl der Level in der Ausgangsspannung kann einfach durch die Änderung der in Reihe geschalteten H-Brücken Zellen realisiert werden. Es werden keine zusätzlichen Clampdioden oder Regelungsverfahren zur Spannungsbalancierung der Zwischenkreiskondensatoren wie bei der NPC-Topologie und FLC-Topologie benötigt. Ferner kann in dieser Topologie ein kostengünstiges, redundantes Design ermöglich werden. Die Möglichkeit der Erzeugung einer großen Anzahl von Ausgangsspannungsstufen sowie einer großen resultierenden Schaltfrequenz der Ausgangsspannung bei gleichzeitiger Verwendung von Niederspannungsleistungshalbleitern (1.7kV Modulen) stellen einen weiteren zentralen Vorteil dieser Topologie dar. Allerdings sind die hohe Anzahl von Leistungshalbleitern, die Verwendung eines komplexen Transformators sowie der verhältnismäßig hohe Kondensatoraufwand Nachteile dieser Topologie. Insgesamt ist der SC2LHB VSC eine attraktive Topologie im Mittelspannungsbereich insbesondere für Anwendungen mit hohen Schaltfrequenzen oder größer Ausgangsspannungen (> 4.16kV). Um die Anzahl an separaten Gleichspannungsversorgungen für Hochspannungs- und Hochleistungsanwendungen zu reduzieren, kann der SC2LHB modifiziert werden. Dabei wird die herkömmliche 2L-H-Brücke durch eine 3L-H-Brücke (SC3LHB VSC) ersetzt. Durch diese Maßnahme kann bei gleicher Stufenanzahl in der Ausgangsspannung der Transformatoraufwand deutlich reduziert werden. Gegenwärtig wird diese modifizierte Topologie in der Industrie noch nicht verwendet.
The development of new high power semiconductors such as 3.3kV, 4.5kV, and 6.5kV Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs), and 4.5kV to 5.5kV Integrated Gate Commutated Thyristors (IGCTs), and improved converter designs have led to a drastic increase of the market share of Pulse-Width-Modulated (PWM) controlled Voltage Source Converters (VSC). Despite a price reduction of Gate Turn-Off Thyristors (GTOs) by a factor of two to three over the last five years, also conventional GTO Voltage Source Converters and Current Source Converters (CSC) are increasingly replaced by PWM Voltage Source Converters with IGCTs or IGBTs in traction and industry applications. Today the two-level Voltage Source Converter (2L-VSC) applying IGBTs is clearly the dominating converter topology in traction applications (low, medium, and high power propulsion) and the three-level Neutral Point Clamped Voltage Source Converter (3L-NPC VSC) is mostly applied in industrial medium voltage converters. The 2L-VSC and the 3L-NPC VSC offer technical advantages like a simple power part, a low component count, and straightforward protection and modulation schemes. On the other hand, the hard-switching transients of the power semiconductors at high commutation voltage cause high switching losses and a poor harmonic spectrum which produces additional losses in the machine. Further problems are created by over-voltages in cables and machines as well as bearing currents due to the steep-switching transients. Multi-level converters (MLCs) have been receiving attention in the recent years and have been proposed as the best choice in a wide variety of medium voltage (MV) applications. They enable a commutation at substantially reduced voltages and an improved harmonic spectrum without a series connection of devices, which is the main advantage of a multi-level structure. Other advantages of these topologies are better output voltage quality, reduced electromagnetic interference (EMI) problems, and lower overall losses in some cases. However, today they have a limited commercial impact due to their disadvantages such as high control complexity and increased power semiconductor count compared to the 2L-VSC and the 3L-NPC VSC. There is a large variety of power semiconductors (e.g. IGBTs, GTOs, IGCTs) and converter topologies (e.g. 2L-VSC, 3L-NPC VSC, 3L-FLC VSC, 4L-FLC VSC, and SCHB VSCs). However, today there is no comparative analysis of the different converter topologies. Therefore, the objective of this thesis is a detailed comparison of state-of-the-art 2L-VSC, 3L-NPC VSC, and different multi-level VSCs (e.g. 3L-FLC VSC, 4L-FLC VSC, 5L-, 7L-, and 9L-SC2LHB VSCs) for medium voltage converters. On the basis of the application requirements, different ML converter structures are designed, simulated, and evaluated. The development of design tools based on state-of-the-art converters and semiconductors, which enable the dimensioning of power semiconductors, dc link capacitors, and transformers; are one major part of this thesis. Finally, the amount of active and passive components, the modulation, losses, and efficiency of aforementioned converters are calculated and compared. The thesis is arranged in seven main chapters: This introduction is followed by an overview of medium voltage converter topologies, including medium voltage power semiconductors and modulations in chapter 2. Chapter 3 presents the basic structure and function of voltage source converter topologies. Based on the requirements for MV applications, advantages and disadvantages of the topologies are discussed. One of the main parts of this thesis is the modelling and simulation of the different multi-level converters. The dimensioning and design of power semiconductors, dc link capacitors, and isolation transformers are developed in chapter 4. The basic converter data for a converter comparison, including the IGBTs, modulation, switching frequency, and state of the art are described in chapter 5. The comparison of the different converter topologies is performed in chapter 6 for 3L-NPC VSC, 3L-FLC VSC, 4L-FLC VSC, and 5L-, 7L-, 9L-, and 11L-SCHB VSCs on the basis of the state-of-the-art 1.7kV, 2.5kV, 3.3kV, 4.5kV, and 6.5kV IGBTs for 2.3kV, 3.3kV, 4.16kV, and 6kV medium voltage converters. As a result, the converter losses, the semiconductor loss distribution, the converter efficiency, harmonic spectrum analysis, and the installed switch power of the different converter topologies are compared in this chapter. Finally, the conclusion and discussion are presented in chapter 7.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-16493
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1975
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1678
Exam Date: 23-Aug-2007
Issue Date: 14-Sep-2007
Date Available: 14-Sep-2007
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Mittelspannung
Stromrichter
Untersuchung
Vergleich
Comparison
Investigation
Medium Voltage
Multi-Level Converter
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 4 Elektrotechnik und Informatik » Institut für Energie- und Automatisierungstechnik » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Dokument_36.pdf4.11 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.