Simulation eines dreiphasigen Modular Multilevel Converters (MMC)

Systemübersicht

Was ist ein Modular Multilevel Converter (MMC)?

Ein MMC ist eine mehrstufige Leistungskonverter-Topologie, die aus mehreren Submodulen pro Phase besteht. Diese Architektur bietet:

• Hochspannungsbetrieb mit modularer Skalierbarkeit für ein breites Anwendungsspektrum.
• Reduzierte Oberwellenanteile und verbesserte Leistungsqualität.
• Erhöhte Redundanz und Fehlertoleranz zursSteigerung der Gesamtsystemzuverlässigkeit.
  

Zweck der Simulation

Die Simulation wurde entwickelt, um:

• die Funktionsprinzipien eines dreiphasigen MMC darzustellen.
  
• Validierung Spannungsbalancierung und die Regelung der Kondensatorladung zu validieren..
• Effizienz ,, Oberwellenverhaltenund dynamische Reaktionen unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen zu analysieren.

Hauptmerkmale des dreiphasigen Modular Multilevel Converters

1. Skalierbare mehrstufige Spannungserzeugung

• Nutzt mehrere Submodule pro Phase zur Erzeugung einer fein abgestuften Spannungswellenform.
• Unterstützt Hochspannungsanwendungen ohne die Notwendigkeit großer Hochtransformatoren
• Ermöglicht eine einfache Erweiterung durch zusätzliche Submodule und bietet dadurch hohe Anpassungsfähigkeit.
  

HIL/PHIL-Vorteil: Echtzeit-Tests validieren die Balancierungsleistung der Submodule unter variierenden Netz- und Lastbedingungen.

2. Hervorragende Leistungsqualität mit geringer harmonischer Verzerrung (THD)

• Der mehrstufige Ausgang reduziert Oberwellen im Vergleich zu konventionellen Zwei- und Drei-Level-Konvertern erheblich.
• Verbesserte Wellenformqualität erhöht die Netzkonformität und reduziert den Bedarf an Filtern.

 HIL/PHIL-Vorteil: Integrierte Oberwellenanalyse während der Simulation gewährleistet die Einhaltung strenger Netzrichtlinien.

3. Fehlertoleranter und redundanter Betrieb

• Das modulare Design ermöglicht den Weiterbetrieb auch bei Ausfall einzelner Submodule.
• Intelligente Bypass- und Rekonfigurationsstrategien erhalten die Ausgangsqualität während Fehlerzuständen.

HIL/PHIL-Vorteil: Kontrollierte Fehlerinjektion in Echtzeit ermöglicht eine robuste Validierung von Schutzalgorithmen.

4. Bidirektionale Leistungsflussfähigkeit

• Unterstützt sowohl Gleichrichtung (AC–DC) als auch Wechselrichtung (DC–AC).
• Ermöglicht regeneratives Bremsen, Energierückgewinnung und dynamische Netzunterstützung.
  

5. Flexible Tests von Modulationsstrategien

• Kompatibel mit Nearest Level Control (NLC),, Phase-Shifted PWMund modellprädiktiven Regelungsverfahren
• Ermöglicht den Vergleich von Effizienz, dynamischem Verhalten und Rechenaufwand verschiedener Regelungstechniken.

HIL/PHIL-Vorteil: Die Leistung der Regelungsstrategien kann in Echtzeit validiert werden, bevor Hardware implementiert wird.

Simulationsziele

Diese Simulation ermöglicht die Bewertung von:

• der Leistung von Modulationsstrategien wie Phase-Shifted PWM und Nearest Level Control (NLC),.
• der Spannungs- und Strombalancierung zwischen den Submodulen.
• der Effizienz unter unterschiedlichen Last- und Netzbedingungen.
• dem dynamischen Verhalten bei Netzstörungen und Fehlerfällen.

HIL/PHIL-Vorteil: Ergebnisse aus der Simulation lassen sich nahtlos auf Hardwaretests übertragen und gewährleisten praxisnahe Umsetzbarkeit.

Technische Beschreibung

Systemkonfiguration

• Eingang: Dreiphasige AC- oder DC-Versorgung (abhängig vom AC-DC- oder DC-AC-Betrieb).
• Ausgang: Geregelte dreiphasige AC- oder DC-Spannung für HVDC-, Motorantriebs- oder Netzanwendungen.
• Leistungsstufe: Mehrere Submodule pro Phase (Halbbrücken- oder Vollbrückenzellen mit Kondensatoren und Schaltelementen).

Regelungsmethodik

• Modulationstechniken: Nearest Level Control (NLC), Phase-Shifted PWM oder modellprädiktive Regelung.
• Spannungsbalancierung: Sicherstellung gleicher Kondensatorspannungen über alle Submodule hinweg.
• Fehlermanagement: Erkennung und Kompensation von Submodulausfällen.

HIL/PHIL-Vorteil: Validierung der Regelungslogik und Feinabstimmung der Parameter mithilfe von Echtzeit-HIL-Tests vor der Hardwareimplementierung.

Vorteile der MMC-Simulation

• Höherer Wirkungsgrad: Reduzierte Schaltverluste und verbesserte Wellenformqualität.
• Skalierbarkeit: Die modulare Struktur ermöglicht eine Erweiterung für Anwendungen mit höheren Spannungen.
• Verbesserte Leistungsqualität: Geringere THD und optimierte Wellenformsynthese.

HIL/PHIL-Vorteil: Jede Funktion kann über den gesamten Entwicklungszyklus hinweg getestet werden (RCP → HIL → PHIL) unter Verwendung der Plattformen von Impedyme.

Anwendungen der Modular Multilevel Converter (MMC) Simulation

Die Modular Multilevel Converter ist eine äußerst vielseitige Leistungskonvertertechnologie, die zuverlässige, effiziente und skalierbare Lösungen in zahlreichen Branchen ermöglicht. Diese Simulation unterstützt die Bewertung der MMC-Leistung in unterschiedlichen realen Anwendungen:

1. HVDC-Übertragungssysteme

• Hochspannungs-AC–DC- und DC–AC-Umwandlung für die Fernübertragung elektrischer Energie.
  
• Minimiert Übertragungsverluste und gewährleistet gleichzeitig einen stabilen und effizienten Betrieb.

2. Flexible AC Transmission Systems (FACTS)

• STATCOM (Static Synchronous Compensator): Liefert Blindleistungskompensation zur Verbesserung der Spannungsstabilität und Leistungsqualität in Übertragungsnetzen.
  
• UPFC (Unified Power Flow Controller): Ermöglicht eine präzise Steuerung des Leistungsflusses und erhöht die Netzstabilität sowie die betriebliche Flexibilität.

3. Elektrische Traktions- und Bahnsysteme

• Bahnelektrifizierung: Effiziente AC–DC- und DC–AC-Wandlung für elektrische Züge und Straßenbahnen, einschließlich regenerativem Bremsen und reduziertem Energieverbrauch.
  
• Hochgeschwindigkeitsbahnen: Bietet hohe Leistungsdichte und Systemzuverlässigkeit zur Erfüllung der Anforderungen moderner Hochgeschwindigkeitsnetze.

4. Marine- und Offshore-Energiesysteme

• Schiffsbordnetze: Ermöglicht eine effiziente und emissionsarme Leistungsumwandlung für elektrische Antriebssysteme von Schiffen.
  
• Offshore-Öl- und Gasplattformen: Gewährleistet eine zuverlässige und effiziente Energieverteilung in anspruchsvollen maritimen Umgebungen.

5. Integration erneuerbarer Energien

• Ermöglicht die Netzanbindung von Offshore-Windparks und großskaligen Solarkraftwerken.
  
• Verbessert die Netzqualität und unterstützt die Einhaltung von Netzanschlussrichtlinien für erneuerbare Energien.

6. Industrielle Hochleistungsantriebe

• Hochleistungsfähige, drehzahlvariable Antriebe für Anwendungen in der Schwerindustrie.
  
• Verbesserte Drehmoment- und Drehzahlregelung bei reduzierten Oberschwingungen.

 HIL/PHIL-Vorteil:: In all diesen Anwendungen stellt die Echtzeit-Emulation sicher, dass Simulationsergebnisse nahtlos auf Hardware übertragbar sind, wodurch die Entwicklung beschleunigt und gleichzeitig Risiken reduziert werden.