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BA – Aufbau von Simulationsmodellen

Aufbau von Simulationsmodellen verschiedener Dreilevel-Umrichtertopologien

Kurzzusammenfassung

Um den Herausforderungen der Energiewende im elektrischen Energieversorgungsnetz zu begegnen, ist es erforderlich, Gleich- und Wechselspannung effizient umzurichten. Gerade bei Batteriespeichersystemen am Versorgungsnetz oder Photovoltaikanlagen werden hierzu häufig Dreipunkt-Umrichter eingesetzt. Diese können den AC-Ausgang mit den beiden Polen des Zwischenkreises und mit dem Zwischenkreismittelpunkt verbinden. Gegenüber dem Zweipunkt-Umrichter wird also eine zusätzliche Spannungsebene bereitgestellt, die es erlaubt den Pegel der Oberschwingungen zu reduzieren. Bei der Auslegung eines solchen Umrichters spielt der Themenkomplex der Verlustleistungsentwicklung eine zentrale Rolle. Zum Einen sind effiziente Schaltungen in der Leistungselektronik generell wünschenswert, zum Anderen führt die Verlustleistung zu Wärmeentwicklung in der Schaltung, die im Betrieb abgeführt werden muss. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Simulationsmodell entwickelt, welches es ermöglicht die entstehenden Durchlass- und Schaltverlustleistungen der einzelnen Halbleiter des Neutral Point Clamped Umrichters und des T-Type Neutral Point Clamped Umrichters in Abhängigkeit der Betriebsparameter wie der Schaltfrequenz, des Leistungsfaktors, des Ausgangsstromes, des Modulationsgrades und der Zwischenkreisspannung zu bestimmen. Im Zuge dessen wurde anhand von Arbeitspunktstudien ein Topologievergleich durchgeführt, um die jeweiligen Stärken und Schwächen der Topologien herauszuarbeiten.

Abstract

Due to the increasing use of renewable energies, the requirement of efficient inverters in the electrical power grid rises. Especially in grid energy storages and photovoltaic-systems there is a wide use of threelevel-inverters, which create three different voltage levels at the ac-output. In this manner the amount of harmonics of the output voltage can be reduced. The losses are a major subject at the design of these inverters. On the one hand efficient circuits are a general objective in power electronics. On the other hand the losses generate heat inside the circuit, which has to be conveyed. In this thesis, a simulation model has been developed to carve out the conduction losses and the switching losses of the Neutral Point Clamped inverter and the T-Type Neutral Point Clamped inverter. Besides a comparison of the losses  of the topologies as a function of the switching frequency, the power factor, the output current, the modulation index and the DC voltage has been done. According to the results the strengths and weaknesses of the inverters have been drawn out.

Bearbeiter: Nikolai Weitz

Betreuer: Andreas Lukaschik (Fraunhofer IISB) – Telefon: 0911-56854-9174; Email: Andreas.Lukaschik@iisb.fraunhofer.de

Für Studienfächer: EEI

Verantwortlicher: Prof. Dr.-Ing. Martin März