Modellierung und Regelung eines dreistufigen T-Kategorie -Wechselrichters

Wichtigste Erkenntnisse

• Ein T-Kategorie -Strang erreicht drei Spannungspegel mit vier Bauelementen pro Phase, wobei eine gleichmäßige Belastung der Bauelemente zugunsten eines kürzeren Leitungswegs aufgegeben wird.
• Die Drift des Neutralpunkts legt die praktische Regelgrenze fest, und diese wird durch redundante Schaltzustände innerhalb des Modulators korrigiert.
• Die Modellierung der Mittelpunktverzweigung auf Geräteebene ist der Grund dafür, dass die Ergebnisse der dreistufigen Regelung im Labor auf hardware Bestand haben.

Ein T-Kategorie -Wechselrichterzweig erreicht drei Ausgangsspannungspegel mit vier Schaltern pro Phase, und sein bidirektionaler Mittelpunktspfad ist für den größten Teil der Regelungsschwierigkeiten verantwortlich.

Die Topologie sieht einen bidirektionalen Schalter zwischen dem Phasenausgang und dem Mittelpunkt eines geteilten Gleichstromzwischenkreises vor. Dieser Zweig sorgt für einen sauberen Nullzustand, ohne dass die für einen NPC-Zweig erforderlichen Klemmdioden benötigt werden, und weniger Bauelemente im Strompfad bedeuten geringere Leitungsverluste. Der Nachteil dabei ist, dass die Belastung der Bauelemente über den Zweig hinweg nicht gleichmäßig ist.

Netzseitige Wechselrichter stellen diesen Kompromiss auf die härteste Probe. Solarkraftwerke machen 51 % der 86 GW an neuer Großkraftwerkskapazität aus, die Entwickler in den Vereinigten Staaten im Jahr 2026 ans Netz bringen wollen, und fast die gesamte Leistung wird über einen Spannungsquellen-Wechselrichter eingespeist. Die Gewährleistung eines stabilen Verhaltens des Neutralpunkts unter unsymmetrischer Last ist das, was ein funktionierendes Design von einem Modell unterscheidet, das nur auf den ersten Blick richtig aussieht.

Wie ein T-Kategorie -Zweig drei Spannungspegel erzeugt

Eine T-Kategorie -Schaltung erzeugt über vier Schalter positive, null- und negative Ausgangspegel. Das äußere Schalterpaar verbindet die Phase mit der oberen oder unteren Gleichstromschiene. Der bidirektionale Mittelpunktschalter verbindet die Phase mit dem Kondensatoranschluss, sodass der Ausgang in Schritten von einer halben Schiene wechselt.

Nehmen wir eine 800-V-Verbindung, die durch Reihenkondensatoren in zwei 400-V-Hälften aufgeteilt ist. Die äußeren Schalter schwingen die Phase um diesen Verbindungspunkt herum zwischen plus und minus 400 V, während der Mittelpunktzweig sie auf Null hält. Die Wellenform zwischen den Phasen weist dann fünf Pegel auf.

Durch diese Halbierung lassen sich die zusätzlichen Bauteile finanzieren. Die Filterinduktivitäten werden kleiner, der Gleichtakeinfluss sinkt, und damit sinkt auch der dv/dt-Wert, der an den Motorwicklungen anliegt. Außerdem werden Sie feststellen, dass sich das Oberschwingungsspektrum in höhere Frequenzbereiche verlagert, da sich die effektive Ausgangsschaltfrequenz verdoppelt.

Warum der bidirektionale Mittelpunktschalter die Kommutierung erschwert

Der Mittelpunktzweig muss in beide Richtungen sperren und leiten, daher besteht er aus zwei rückwärts geschalteten Bauelementen. Bei jedem Übergang zwischen dem Nullpegel und einem Schienenpegel erfolgt eine Kommutierung zwischen diesem Paar und einem äußeren Schalter, wobei die Stromrichtung bestimmt, welches Bauelement sich ausschaltet.

Bei gängigen Schaltungen werden zwei IGBTs in einer Common-Emitter-Anordnung oder zwei IGBTs mit Sperrfunktion einander gegenüberliegend geschaltet. Bei einer Siliziumkarbid-Schaltung werden häufig zwei MOSFETs Source-zu-Source geschaltet. Jede dieser Optionen wirkt sich auf die Anzahl der Gate-Ansteuerungen, die Isolation und die Rücklaufzeit aus, sodass bei einer Betrachtung des Zweigs als einen einzigen idealen Schalter die Verlustverteilung nicht berücksichtigt wird.

Die Totzeit ist die zweite Komplikation. Bei der Kommutierung zu einer Schiene wird ein Bereich durchlaufen, in dem keines der Bauelemente leitet, und der Strom fließt frei durch eine Diode, deren Einsatz nicht vorgesehen war. Diese kleinen Spannungsfehler summieren sich zu Verzerrungen niedriger Ordnung. Lösen Sie das Problem des Kreuzleitungsschutzes in einem Modell, bevor Sie den Test auf dem Prüfstand durchführen.

Der Hauptunterschied zwischen T-Kategorie - und NPC-Wechselrichterzweigen

Der Hauptunterschied zwischen einem T-Kategorie -Zweig und einem mit Neutralpunkt geklemmten Zweig (NPC-Zweig) liegt darin, wo die Sperrspannung liegt. Ein NPC-Zweig verteilt die volle Schienenspannung auf zwei in Reihe geschaltete Bauelemente und klemmt den Übergang mit Dioden ab. Ein T-Kategorie -Zweig behält zwei Außenschalter mit voller Spannung bei und leitet den Nullzustand über einen Zweig mit niedrigerer Spannung weiter.

Zählt man die Leitungswege, wird der Unterschied deutlich. Auf dem Nullpegel leitet ein NPC-Zweig den Strom durch zwei in Reihe geschaltete Schalter sowie eine Klemmdiode, während ein T-Kategorie -Zweig die beiden Bauelemente des Mittelpunktszweigs nutzt. Auf Schienenpegel nutzt der T-Kategorie -Zweig ein Bauelement.

Der Übergangspunkt ist wichtiger als jede einzelne Verlustzahl. NPC hat ab etwa 1 kV die Nase vorn, da T-Kategorie -Außenbauelemente ab diesem Wert eine Sperrfunktion benötigen, die kostspielig ist. Unterhalb dieses Wertes hat der T-Kategorie -Zweig in der Regel die Nase vorn, was die Gesamtverluste angeht.

Wie sich die Spannungsbelastung auf T-Kategorie -Bauelemente verteilt

Die Belastung verteilt sich konstruktionsbedingt ungleichmäßig. Die beiden äußeren Schalter unterbrechen die gesamte Verbindungsspannung und sind den harten Schaltvorgängen ausgesetzt, während das mittlere Schalterpaar die Hälfte der Verbindung unter wesentlich sanfteren Bedingungen unterbricht. Die thermische Auslegung muss dieser Asymmetrie Rechnung tragen.

Ein Mittelpunktpaar mit einer Nennspannung von 650 V unter einem Außenpaar mit einer Nennspannung von 1200 V ist eine übliche Stückliste für eine 800-V-Verbindung. Die äußeren Bauelemente nehmen die Schaltverluste bei jedem Spannungswechsel auf, sodass ihre Sperrschichttemperatur mit steigender Frequenz ansteigt. Die Mittelpunktbauelemente leiten länger, daher spielt der Durchlasswiderstand dort eine größere Rolle.

Daraus ergeben sich zwei Konsequenzen. Der Aufbau des Kühlkörpers ist nicht mehr symmetrisch, da sich der heißeste Chip nicht in der Mitte des Moduls befindet. Die Derating-Kurven sind nun topologiespezifisch, da eine höhere Schaltfrequenz die äußeren Bauelemente belastet, während ein höherer Strom den Zweig belastet. Eine pauschale Verlustangabe führt zu einer falschen Dimensionierung der Kühlung.

„Die Anordnung der Kühlkörper ist nicht mehr symmetrisch, da sich der heißeste Chip nicht in der Mitte des Moduls befindet.“

Was verursacht eine Spannungsdrift am Neutralpunkt bei T-Kategorie -Wechselrichtern?

Die Neutralpunktdrift entsteht durch ungleichmäßige Ladungsströme, die in den Gleichstromkreis ein- und aus ihm ausströmen. Jedes Mal, wenn ein Strang im Nullzustand ist, fließt Phasenstrom in den Mittelpunkt des Kondensators hinein oder aus ihm heraus. Diese Beiträge heben sich über einen Grundzyklus hinweg selten gegenseitig auf, sodass sich der eine Kondensator auflädt, während sich der andere entlädt.

Betreibt man einen dreiphasigen T-Kategorie -Wechselrichter bei einem Leistungsfaktor von 1, so liegt der Mittelwert des Mittelpunktsstroms nahe Null. Senkt man den Leistungsfaktor oder speist man Blindstrom zur Netzunterstützung ein, so hebt sich der Mittelwert nicht mehr gegenseitig auf. Die Kondensatorspannungen driften auseinander, bis die Ausgangspegel ihre Symmetrie verlieren.

Die Korrektur erfolgt in der Regel im Modulator. Redundante Schaltzustände bieten zwei Möglichkeiten, denselben Ausgangsvektor zu erzeugen, die sich jedoch gegensätzlich auf den Übergang auswirken. Daher wählt ein Ausgleichsglied den Zustand aus, der die Kondensatorspannungen wieder aufeinander zu bringt. Größere Verbindungskondensatoren verlangsamen die Drift und verschaffen Zeit. Wenn dieses Gleichgewicht nicht stimmt, kommt es zu einer Welligkeit, die sich nicht kontrollieren lässt.

Auswahl eines Modulationsverfahrens für einen T-Kategorie -Wechselrichter

Die Modulation bestimmt die Schaltverluste, den Oberschwingungsanteil und den Grad der Kontrolle, den man über den Neutralpunkt behält. Die pegelverschobene Träger-PWM ist einfach und liefert vorhersagbare Spektren. Bei der Raumvektormodulation werden die redundanten Zustände direkt offengelegt, was den Ausgleich der Übergänge vereinfacht, allerdings auf Kosten des Rechenaufwands.

Fünf Faktoren entscheiden in der Regel über die Wahl.

• Schaltverlustbudget, da bei diskontinuierlichen Verfahren jede Phase für 120 Grad begrenzt wird.
• Die Autorität des neutralen Punktes hängt davon ab, inwieweit ein Schema eine redundante Zustandsauswahl zulässt.
• Oberschwingungsverhalten nahe der Filter-Eckfrequenz, gemessen anhand Ihres Netzkodex.
• Gleichtaktspannung, die bei Motorströmen und transformatorlosen Solaranlagen eine Rolle spielt.
• Ausführungszeit des Reglers, da prädiktive Verfahren bei jedem Abtastzeitpunkt jeden möglichen Zustand auswerten.

Die modellprädiktive Regelung hat sich bei T-Kategorie -Beinen durchgesetzt, da eine Kostenfunktion sowohl die Stromnachführung als auch den Kondensatorausgleich gleichzeitig berücksichtigt. Jeder Zustand wird anhand seiner tatsächlichen Auswirkung bewertet und nicht anhand eines gemittelten Modells. Der Nachteil ist eine variable Schaltfrequenz und eine so hohe Last, dass ein FPGA erforderlich ist.

Simulation des Verhaltens des T-Kategorie -Mittelpunkts in Echtzeit

Bei der Echtzeitsimulation eines T-Kategorie -Zweigs muss der Mittelpunktzweig als zwei separate Komponenten mit jeweils eigenen Leitungszuständen behandelt werden. Gemittelte Modelle verbergen die Kommutierungsdetails, auf die die Regelungsmaßnahmen abgestellt sind, sodass ein Verhalten, das anhand eines gemittelten Systems validiert wurde, nicht mit hardware übereinstimmt.

Die Effizienzreserven sprechen für diese Genauigkeit. Ein 2,2-kW-Prototyp mit einem T-Kategorie -Schaltkreis aus Siliziumkarbid erreichte bei 20 kHz einen Wirkungsgrad von 99,29 % gegenüber 98,43 % bei einem zweistufigen Referenzmodell, wobei die Verzerrung von 3,11 % auf 1,36 % sank. Derart geringe Reserven ergeben sich nur, wenn das Modell die Verluste für jedes einzelne Bauelement berücksichtigt. OPAL-RT berechnet den T-Kategorie -Zweig auf einem FPGA in Zeitschritten im Submikrosekundenbereich, sodass ein zu testender Regler genau die Kommutierungssequenz durchläuft, die er auf dem „ hardware “ vorfinden wird.

Hardware Im Regelkreis Tests zeigt sich, wo der Nutzen liegt. Sie können den Produktionsregler mit einem Anlagenmodell ansteuern, das Kondensatortoleranz, Totzeit und unsymmetrische Netzbedingungen berücksichtigt, und dann beobachten, wie der Ausgleichsregelkreis mit voller Geschwindigkeit reagiert. Fehlerfälle, die im Laborversuch kostspielig sind, lassen sich im Modell sicher durchspielen.

„So geringe Margen ergeben sich nur, wenn das Modell die Verluste für jedes einzelne Gerät berücksichtigt.“

Wo sich die T-Kategorie -Kontrolldisziplin im Labor zeigt

Der Erfolg oder Misserfolg von T-Kategorie -Entwürfen hängt von den Details der Verzweigung am Mittelpunkt ab. Geräteauswahl, Totzeit, Kondensatordimensionierung und der Ausgleichsausdruck wirken alle auf denselben Knoten ein, und keiner dieser Faktoren lässt sich isoliert anpassen. Teams, die diese Aspekte als ein einziges Problem betrachten, sind schneller fertig.

Dieses Muster wiederholt sich projektübergreifend. Ein Team, das seinen Regelkreis anhand einer durchschnittlichen Anlage validiert, besteht den Simulationslauf, jagt dann aber wochenlang auf dem Prüfstand Harmonische niedriger Ordnung, weil das Modell niemals das Ladungsungleichgewicht erzeugt hat, das „ hardware “ erzeugt. Ein Team, das den Zweig löst, findet dieses Problem innerhalb einer Woche.

Erst durch die sorgfältige Modellierung des Mittelpunktspfads lassen sich dreistufige Regelkonzepte anhand der tatsächlich gezeichneten Topologie überprüfen, und genau aus diesem Grund baut OPAL-RT den T-Kategorie -Zweig auf Geräteebene auf und nicht als gemittelten Block. Diese Vorgehensweise erleichtert die Entwurfsarbeit zwar nicht, sorgt aber dafür, dass Ihre Laborergebnisse aussagekräftig sind.