Verlustleistungsreduktion von modularen Multilevel-Umrichtern für die Hochspannungs-Gleichstromübertragung mittels modellprädiktiver Regelung

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung, Implementierung und Erprobung eines zweistufigen modellprädiktiven Regelungskonzeptes (MPC) zur Reduktion der Verlustleistung modularer Multilevel-Umrichter (MMC) für die Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ). Die erste Stufe des Regelungskonzeptes stellt einen klassischen MPC mit weitem Prädiktionshorizont dar. In der umfangreichen mathematischen Modellierung des MMC werden speziell auf den Regelungsansatz ausgelegte Differentialgleichungen hergeleitet, die durch analytische Linearisierung von typischerweise auftretenden Nichtlinearitäten befreit werden. Dies ermöglicht die Formulierung eines streng konvexen quadratischen Optimierungsproblems mit linearen Nebenbedingungen, das effizient gelöst werden kann. Maßnahmen zur Reduktion der Verlustleistung sind bereits auf dieser Abstraktionsebene integriert. Die zweite Stufe beschreibt ein als Optimierung ausgeführtes Modulationsverfahren zur Erzeugung der Schaltbefehle der Submodule. Basierend auf einem linearen Prozessmodell wird zur Reduktion der Schaltverluste ein besonders effizient lösbares Rucksackproblem formuliert. Das Optimierungsproblem verwendet die vorhergesagten Strom- und Spannungsverläufe des MPC der ersten Stufe, um die Spannungsänderungen der sich auf- und entladenden Submodulkondensatoren vorherzusagen und darauf aufbauend die optimalen Schaltbefehle mit den jeweiligen Ein- und Ausschaltzeitpunkten zu bestimmen. Ziel ist es, die Schaltfrequenzen und damit die Schaltverluste zu reduzieren, indem der Ausnutzungsgrad der Hardware erhöht wird. Im Gegensatz zu konventionellen Regelungsverfahren werden die Kondensatorspannungen nicht in einem engen Spannungsband gehalten, sondern können sich innerhalb ihrer Betriebsgrenzen frei bewegen. Das entwickelte Verfahren wird anhand von Simulationen validiert und hinsichtlich verschiedener Betriebspunkte des MMC einschließlich auftretender Netzfehler analysiert und bewertet. Zur Überprüfung der Echtzeitfähigkeit werden die beiden Stufen des modellprädiktiven Regelungsverfahrens auf einem Evaluierungsboard mit digitalem Signalprozessor ausgeführt.