Konzipierung, Optimierung und Realisierung eineshocheffizienten dreistufigen Niederspannungsstromrichtersfür MW-Windenergieanlagen

Benkendorff, Berthold

Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Optimierung eines kompakten hocheffizienten dreistufigen Niederspannungsstromrichter mit hoher Ausgangsspannung für den Einsatz in Megawatt-Windenergieanlagen. Darüber hinaus wird speziell für das entwickelte dreistufige Phasenmodul des Stromrichters eine kompakte und niederinduktive dreistufige Treiberansteuerung entwickelt, die den sicheren Betrieb des Stromrichters auch bei hoher Leistung garantiert. Die Anhebung der Phasenausgangsspannung für Niederspannungssysteme von typischerweise 690V auf 950V bietet eindeutige Vorteile, die in der Arbeit aufgezeigt werden. Durch den Einsatz der dreistufigen Neutral-Point-Clamped-Topologie ist es möglich, die geforderte erhöhte Ausgangsspannung von kleiner 1000V zu realisieren und dabei die typischerweise schalt- und durchlassverlustarmen 1200V-Leistungshalbleiter der Niederspannungsklasse zu verwenden, um so eine erforderliche Zwischenkreisspannung von 1500V zur Verfügung stellen zu können. Durch die richtige Wahl der U_CEsat-E_off-Trade-Off-Charakteristik der schaltbaren Leistungshalbleiter lassen sich unterschiedliche Modulvarianten für den netz- und generatorseitgen Betrieb des Stromrichters konzipieren, die einen weiteren starken Einfluss auf die Systemperformance haben. In Kombination mit der Untersuchungsmethode des Bauleitungsvergleiches kann die Auslegung der Leistungshalbleiterchips weiter optimiert werden, um den Wirkungsgrad des Systems zu verbessern. Die finale Inbetriebnahme des dreistufigen Neutral-Point-Clamped-Stromrichters erfolgt unter Anwendung der Leistungsvermessung bei zirkulierender Leistung. Das Verfahren wird dabei entsprechend auf das vorhandene Laborequipment und den Prüfstand adaptiert, sodass der entwickelte und im Labor aufgebaute dreistufige Neutral-Point-Clamped-Niederspannungsstromrichter bei einer Ausgangsleistung von mehr als 800kW in Betrieb genommen wird.

The objective of this work is the design, the optimization and the realization of a highly efficient three-phase low-voltage inverter with a high output voltage for the use in megawatt wind turbines. In a compact design, a low-inductive and highly efficient inverter is built up. In addition, for the specific developed phase module a compact and low-inductive three-level driver is developed, to guarantee a safe operation of the inverter, even at high power. The increase of the phase output voltage for low-voltage systems of typically 690V up to 950V offers clear advantages. With the use of the three-level Neutral-Point-Clamped topology it is still possible, to increase the AC output voltage up to 1000V and using at the same time low-voltage low-loss power semiconductors with 1200V and provide a required DC-link voltage of 1500V. With the right choice of the U_CEsat-E_off-trade-off-characteristics of the switchable power semiconductors different module variants can be developed, which have a strong influence on the performance of the system. In combination with the semiconductor power rating method the design of the power semiconductor chips can be further optimized, to reduce the switching and conduction losses and thus to improve the efficiency of the system. The final commissioning and evaluation of the three-level Neutral-Point-Clamped-inverter is carried out by using the circulating power measurement method. The method is applied according to the laboratory’s equipment and the test rig. So the developed and in the laboratory built up three-level low-voltage Neutral-Point-Clamped-inverter has been put into operation with an output-power of more than 800kW.

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Benkendorff, Berthold: Konzipierung, Optimierung und Realisierung eineshocheffizienten dreistufigen Niederspannungsstromrichtersfür MW-Windenergieanlagen. 2017.

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