Fehlertolerante Frequenzumrichter auf Basis der dreistufigen NPC-Topologie für den Einsatz in Windenergieanlagen

Böttcher, Matthias

Die dreistufige Neutral Point Clamped (kurz: 3L-NPC) Topologie gilt als vielversprechendster Typ für das elektrische Umrichtersystem in Windenergieanlagen mit hoher Leistung oberhalb von 3MW und kommt dort bereits heutzutage am häufigsten zum Einsatz. Dennoch stellt die im Vergleich zu anderen Topologien geringere Zuverlässigkeit aufgrund fehlender Hardware-Redundanz einen bedeutenden Nachteil dar. Weiterhin ist die Behandlung der Konkurrenzsituation zwischen der Ausbalancierung der für diesen Umrichtertyp charakteristischen Neutralpunktspannung und den Optimierungszielen der Ansteuerverfahren als Herausforderung anzuführen. In dieser Arbeit wird die Ausstattung dieses Umrichtertyps mit der Eigenschaft der Fehlertoleranz gegenüber Fehlern in den Leistungshalbleiter-Ventilen als mögliche Strategie für die Erhöhung der Zuverlässigkeit untersucht. Dabei steht die für Mittelspannungsumrichter typische Presspack-Bauform im Fokus. Für denkbare fehlertolerante Topologien werden die Fehlertoleranz und der Nutzen für die Zuverlässigkeit, der technische Aufwand und die Kosten sowie die Auswirkungen auf den Betrieb analysiert und bewertet. [...] Die Topologie mit 3L-FC-basierter Zusatzhalbbrücke stellt zusätzliche Vorteile in Aussicht, da sie im Normalbetrieb die Möglichkeit bietet, die Aufgabe der Ausbalancierung der Neutralpunktspannung vollständig zu übernehmen. Daher wird zunächst ein geeignetes Ansteuerverfahren entwickelt und in Theorie, Simulation und Praxis mit Hilfe eines selbst konzipierten Laborteststandes näher untersucht. [...] Weiterhin wird der tatsächliche Nutzen der Topologie für den vorliegenden Anwendungsfall analysiert. [...] Als Schlüssel für die Umschaltung zwischen Normal- und Notbetrieb werden weiterhin die Fehlerdetektion, Fehlerisolierung und Rekonfiguration für beide fehlertolerante Topologien in Theorie und Praxisanteilen untersucht. Dabei werden für alle zu tolerierenden Fehler Strategien aufgezeigt, die eine derartige Umschaltung ermöglichen.

The three-level Neutral Point Clamped (short: 3L-NPC) topology is considered to be the most promising type of power electronic converter in high power wind turbine systems above 3 MW. In such applications it is already the most frequently used type of converter nowadays. Nevertheless, the reduced reliability due to lack of hardware redundancy in contrast to other topologies is an important disadvantage. Furthermore the competitive situation between the neutral-point voltage balance, which is distinctive to this type of converter, and the objectives of the modulation methods is a challenge. In this work the endowment of this type of power electronic converter with the ability of fault tolerance towards failures in power semiconductor switches is investigated as a strategy to increase the reliability, whereas focus is set on presspack devices, which are typically used for medium voltage converters. The fault tolerance and the benefit in regard to reliability, the technical effort and the costs as well as the impact on operation are analysed and evaluated for possible fault tolerant topologies. [...] The topology with 3L-FC based leg promises additional advantages, since it provides the possibility to completely manage the task of voltage balancing in normal operation mode. Therefore a suitable method to control the converter is developed and analysed by means of theory, simulation and experimental results, which are taken from a selfbuilt laboratory test bench. [...] Afterwards the benefit of this topology is analysed in regard to this specific application. [...] As the key for switching between normal and fault operation mode both topologies are investigated in terms of fault detection, fault isolation and reconfiguration by means of theory and experimental parts. It is shown that there are strategies to change operation mode in case of any fault that is to be tolerated.

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Böttcher, Matthias: Fehlertolerante Frequenzumrichter auf Basis der dreistufigen NPC-Topologie für den Einsatz in Windenergieanlagen.

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