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DE102016109077A1 - Method for operating a modular multilevel converter - Google Patents

Method for operating a modular multilevel converter Download PDF

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DE102016109077A1
DE102016109077A1 DE102016109077.8A DE102016109077A DE102016109077A1 DE 102016109077 A1 DE102016109077 A1 DE 102016109077A1 DE 102016109077 A DE102016109077 A DE 102016109077A DE 102016109077 A1 DE102016109077 A1 DE 102016109077A1
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DE102016109077.8A
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German (de)
Inventor
Stefan Götz
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Dr Ing HCF Porsche AG
Original Assignee
Dr Ing HCF Porsche AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Multilevelkonverters (10), der a Einzelmodule aufweist, wobei jedes Einzelmodul eine Mehrzahl an Schaltelementen und mindestens einen elektrischen Energiespeicher aufweist, wobei die a Einzelmodule in einer ersten Iterationsebene in mindestens einem Aufteilungsmodus zumindest temporär auf b Blöcke (12, 14, 16) verteilt werden, wobei b < a ist, wobei jeder Block (12, 14, 16) mindestens ein Einzelmodul umfasst und als funktionale Einheit mit mindestens einem weiteren Block (12, 14, 16) verschaltet wird sowie unter Einbeziehung mindestens einer Schnittstelle (18, 20) zu dem mindestens einen weiteren Block (12, 14, 16) gesteuert und geregelt wird, wobei die von einem jeweiligen Block (12, 14, 16) umfassten c Einzelmodule, wobei a > c ≥ 1 ist, in mindestens einer zweiten Iterationsebene, falls c > 1 ist, in mindestens einem weiteren Aufteilungsmodus zumindest temporär auf d Blöcke mit d < c verteilt werden, wobei eine derartige Aufteilung der den jeweiligen Blöcken (12, 14, 16) zugeordneten Einzelmodulen in mehreren Iterationsebenen iterativ weiter fortgeführt wird.The invention relates to a method for operating a multilevel converter (10) having a single modules, wherein each individual module has a plurality of switching elements and at least one electrical energy store, the a single modules in a first iteration level in at least one division mode at least temporarily on b blocks ( 12, 14, 16), where b <a, where each block (12, 14, 16) comprises at least one individual module and is interconnected as a functional unit with at least one further block (12, 14, 16) and with inclusion at least one interface (18, 20) is controlled and regulated to the at least one further block (12, 14, 16), the c individual modules encompassed by a respective block (12, 14, 16), where a> c ≥ 1 in at least one second iteration level, if c> 1, in at least one other division mode at least temporarily distributed to d blocks with d <c, one such Division of the respective blocks (12, 14, 16) associated with individual modules in several iteration levels iteratively continued.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Betreiben eines modularen Multilevelkonverters.The invention relates to a method and a system for operating a modular multilevel converter.

Ein Multilevelkonverter umfasst eine Vielzahl von Einzelmodulen, wobei jedes Einzelmodul einen elektrischen Energiespeicher umfasst, wobei von jedem Einzelmodul ausgehend von dem jeweiligen elektrischen Energiespeicher eine Spannung bereitzustellen ist. Bei einem Betrieb des Multilevelkonverters werden mehrere Einzelmodule zueinander in Reihe und/oder parallel geschaltet, wobei durch den Multilevelkonverter eine aus sämtlichen Einzelmodulen entsprechend ihrer Verschaltung untereinander resultierende Ausgangsspannung bereitzustellen ist.A multilevel converter comprises a plurality of individual modules, each individual module comprising an electrical energy store, wherein a voltage is to be provided by each individual module starting from the respective electrical energy store. During operation of the multilevel converter, a plurality of individual modules are connected to one another in series and / or in parallel, wherein an output voltage resulting from all the individual modules according to their interconnection is to be provided by the multilevel converter.

Ein Verfahren zur Steuerung eines DC/DC-Wandlers ist in der Druckschrift US 2012/0038330 A1 beschrieben. Dabei weist dieser DC/DC-Wandler eine Vielzahl von Brückenschaltungen auf, die periodisch gesteuert werden.A method for controlling a DC / DC converter is in the document US 2012/0038330 A1 described. In this case, this DC / DC converter to a plurality of bridge circuits, which are controlled periodically.

Ein Multilevelkonverter mit einer Vielzahl an Gleichstromquellen ist aus der Druckschrift US 6,088,245 A bekannt. Hierbei ist eine Steuerung vorgesehen, mit der aus einer Ausgangsspannung des Multilevelkonverters unerwünschte Resonanzen gezielt herausgefiltert werden.A multilevel converter with a variety of DC sources is from the document US 6,088,245 A known. In this case, a control is provided with which undesired resonances are specifically filtered out of an output voltage of the multilevel converter.

Ein Verfahren zur Steuerung eines Multilevelkonverters unter Nutzung einer Pulsweitenmodulation ist in der Druckschrift US 2015/0263645 A1 beschrieben. Dabei wird die Pulsweitenmodulation durch Auswahl eines Versorgungssignals unter vielen Versorgungssignalen und durch Vergleich des ausgewählten Versorgungssignals mit einem Referenzsignal erzeugt.A method for controlling a multilevel converter using a pulse width modulation is in the document US 2015/0263645 A1 described. In this case, the pulse width modulation is generated by selecting a supply signal among many supply signals and by comparing the selected supply signal with a reference signal.

In der Druckschrift US 2016/0020628 A1 ist ein modularer Multilevelkonverter beschrieben, der eine Batterie mit drei Phasen aufweist. Außerdem sind jeder Phase zwei Äste mit mehreren Submodulen zugeordnet. Dabei umfasst jedes Submodul eine Halbbrücke und einen Kondensator. Hierbei ist vorgesehen, dass eine Spannung der Batterie und eine Spannung der Kondensatoren unabhängig voneinander gesteuert werden.In the publication US 2016/0020628 A1 a modular multilevel converter is described which has a battery with three phases. In addition, each phase is assigned two branches with several submodules. Each submodule comprises a half-bridge and a capacitor. It is provided that a voltage of the battery and a voltage of the capacitors are controlled independently of each other.

Ein Modulationsverfahren für einen Multilevelkonverter ist aus der Druckschrift WO 2014/166261 A1 bekannt. Hierbei werden Module des Multilevelkonverters gemäß einer fest vorgegebenen Zerlegungsregel in Untergruppen aufgeteilt, wobei dann jede Untergruppe weitgehend eigenständig gesteuert wird. Dadurch wird ein Steuerungsalgorithmus vereinfacht. Ein Ziel der Steuerung ist es, einer zeitlich veränderlichen Spannungsvorgabe im zeitlichen Mittel durch entsprechende Schaltmodulation näherungsweise zu entsprechen. Ferner soll ein Ladungsausgleich zwischen den Modulen realisiert werden. Dazu wird die Spannung aller Modulkondensatoren näherungsweise gleich gehalten. Durch ein geeignetes Zu- und Wegschalten von Modulen wird der elektrische Ladungszu- und -abfluss eines jeden Moduls im Mittel kontrolliert.A modulation method for a multilevel converter is from the document WO 2014/166261 A1 known. In this case, modules of the multilevel converter are subdivided into subgroups according to a predefined decomposition rule, in which case each subgroup is largely independently controlled. This simplifies a control algorithm. One goal of the control is to approximate a time-varying voltage specification in the time average by means of appropriate switching modulation. Furthermore, a charge balance between the modules should be realized. For this purpose, the voltage of all module capacitors is kept approximately the same. By means of a suitable connection and disconnection of modules, the electrical charge inflow and outflow of each module is controlled on average.

Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für einen Multilevelkonverter, der eine Vielzahl von Einzelmodulen umfasst, ein Verfahren zu dessen Betrieb bereitzustellen, wobei die Einzelmodule einem jeweiligen Bedarf entsprechend geschaltet werden und gleichzeitig eine Komplexität zur Evaluierung aller Schaltmöglichkeiten reduziert wird.Against this background, it was an object of the present invention, for a multilevel converter comprising a plurality of individual modules, to provide a method for operating the same, wherein the individual modules are switched according to a respective requirement and, at the same time, a complexity for the evaluation of all switching possibilities is reduced.

Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und dem System gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 10 gelöst. Ausgestaltungen des Verfahrens und des Systems ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung.This object is achieved by the method according to claim 1 and the system according to independent claim 10. Embodiments of the method and the system will become apparent from the dependent claims and the description.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Betreiben eines Multilevelkonverters bzw. Multilevelumrichters, der a Einzelmodule aufweist, vorgesehen, wobei jedes Einzelmodul eine Mehrzahl an Schaltelementen und mindestens einen elektrischen Energiespeicher aufweist. Für den Multilevelkonverter und dessen Einzelmodule ist bzw. sind mindestens ein Aufteilungsmodus, in der Regel mehrere Aufteilungsmodi, vorgesehen. Dabei werden die a Einzelmodule in einer ersten Iterationsebene, d. h. in einem ersten Iterationsschritt, in dem mindestens einen Aufteilungsmodus zumindest temporär auf b Blöcke verteilt bzw. in b Blöcke unterteilt, wobei b < a ist, wobei jeder Block mindestens ein Einzelmodul umfasst und als funktionale Einheit mit mindestens einem weiteren Block verschaltet wird sowie unter Einbeziehung mindestens einer Schnittstelle zu dem mindestens einen weiteren Block kontrolliert und somit gesteuert und/oder geregelt wird. Die von einem jeweiligen Block umfassten c Einzelmodule, wobei a > c ≥ 1 ist, werden in mindestens einer zweiten Iterationsebene, d. h. in mindestens einem zweiten Iterationsschritt, in mindestens einem weiteren Aufteilungsmodus temporär auf d Unterblöcke mit d < c verteilt. In weiterer Ausgestaltung wird eine derartige Aufteilung der den jeweiligen Blöcken zugeordneten und/oder auf die jeweiligen Blöcke verteilten Einzelmodule in mehreren Iterationsebenen iterativ weiter fortgeführt.The method according to the invention is intended for operating a multilevel converter or multilevel converter which has a individual modules, each individual module having a plurality of switching elements and at least one electrical energy store. For the multilevel converter and its individual modules is or at least one division mode, usually several distribution modes, provided. In this case, the a individual modules in a first iteration level, d. H. in a first iteration step, in which at least one division mode is at least temporarily distributed to b blocks or subdivided into b blocks, where b <a, where each block comprises at least one individual module and is interconnected as a functional unit with at least one further block and including controlled at least one interface to the at least one other block and thus controlled and / or regulated. The c individual modules encompassed by a respective block, where a> c ≥ 1, are located in at least one second iteration plane, i. H. in at least one second iteration step, in at least one other split mode, temporarily distributed to d subblocks with d <c. In a further refinement, such a division of the individual modules allocated to the respective blocks and / or distributed to the respective blocks is continued iteratively in a plurality of iteration levels.

Bei den nachfolgenden beschriebenen weiteren Maßnahmen zur Durchführung möglicher Ausführungsformen des Verfahrens werden, je nach Iterationsebene und/oder Iterationstiefe Unterblöcke wie Blöcke behandelt und innerhalb ihrer jeweiligen Iterationsebene allgemein auch als Block bzw. Blöcke bezeichnet. Je nach Definition wird mindestens ein Unterblock, der bei einer Iteration aus einem Block hervorgeht, nachfolgend auch als Block bezeichnet, da es möglich ist, einen Block, der in einer i-ten Iterationsebene gebildet wird, in einer nachfolgenden i + 1-ten Iterationsebene in Unterblöcke und somit in weitere Blöcke aufzuteilen, wobei derartige weitere Blöcke bzw. Unterblöcke in einer nachfolgenden i + 2-ten Iterationsebene wiederum in weitere Unterblöcke bzw. Blöcke aufgeteilt werden können.In the subsequent described further measures for carrying out possible embodiments of the method, depending on the iteration level and / or iteration depth, subblocks are treated as blocks and generally also referred to as blocks or blocks within their respective iteration level. Depending on the definition, at least a sub-block which emerges from a block in an iteration, also referred to below as a block, since it is possible to form a block, which is formed in an i-th iteration plane, in subblocks and thus in a subsequent i + 1-th iteration plane split further blocks, such further blocks or sub-blocks in a subsequent i + 2-th iteration level in turn can be divided into further sub-blocks or blocks.

Bei Betrieb mindestens eines Blocks wird eine aus sämtlichen Einzelmodulen des mindestens einen Blocks resultierende Spannung bereitgestellt, wobei mindestens zwei der Einzelmodule des mindestens einen Blocks zueinander in Reihe und/oder parallel geschaltet werden. Weiterhin ist es möglich, dass jeweils zwei Blöcke über eine Schnittstelle zwischen den Blöcken in einem jeweiligen Aufteilungsmodus miteinander verbunden bzw. verschaltet werden. Letztlich können dadurch mehrere Blöcke in dem jeweiligen Aufteilungsmodus zueinander in Reihe und/oder parallel geschaltet werden. Es ist auch denkbar, dass bei Verschaltung von mehreren Blöcken untereinander mindestens ein Block mittels einer Bypass-Schaltung ”umgangen” wird.When operating at least one block, a voltage resulting from all the individual modules of the at least one block is provided, wherein at least two of the individual modules of the at least one block are connected to each other in series and / or in parallel. Furthermore, it is possible that in each case two blocks are interconnected or interconnected via an interface between the blocks in a respective division mode. Ultimately, this allows multiple blocks in the respective division mode to be connected to each other in series and / or in parallel. It is also conceivable that when interconnecting a plurality of blocks with each other, at least one block is "bypassed" by means of a bypass circuit.

In einem ersten Schritt wird ein Block wie ein Einzelmodul kontrolliert und/oder behandelt. Die Gesamtheit der b Blöcke wird dann als Multilevelkonverter mit b Einzelmodulen verwendet, kontrolliert und/oder geregelt. In einem zweiten Schritt wird jeder Block der in dem ersten Schritt gebildeten b Blöcke selbst wieder als eigenständiger Konverter, bspw. Multilevelkonverter, bzw. Umrichter verwendet, kontrolliert und/oder behandelt. Dadurch können die von einem jeweiligen Block umfassten c Einzelmodule, wobei a > c ≥ 1, wieder, d. h. in einer zweiten Iterationsebene, falls c > 1 ist, gemäß mindestens einem weiteren Aufteilungsmodus zumindest temporär auf d Unterblöcke verteilt bzw. in d Unterblöcke unterteilt werden, wobei d < c ist. Eine derartige Aufteilung von den jeweiligen Blöcken zugeordneten Einzelmodulen kann in mehreren Iterationsebenen iterativ unter Breitstellung der Unterblöcke weiter fortgeführt werden. Die Iterationstiefe kann maximal soweit erhöht werden, bis ein letztlich resultierender Block genau noch ein Einzelmodul umfasst.In a first step, a block is controlled and / or treated like a single module. The entirety of the b blocks is then used, controlled and / or regulated as a multilevel converter with b individual modules. In a second step, each block of the b blocks formed in the first step is again used, controlled and / or treated as an independent converter, for example multilevel converters or inverters. Thereby, the c individual modules included in a respective block, where a> c ≥ 1, again, i. H. in a second iteration level, if c> 1, at least temporarily distributed to d sub-blocks or subdivided into d sub-blocks according to at least one further split mode, where d <c. Such a division of individual modules assigned to the respective blocks can be continued iteratively in several iteration levels while the sub-blocks are provided. The iteration depth can be maximally increased until an ultimately resulting block comprises exactly one individual module.

Ein Kern der Erfindung ist es, dass eine online-optimierende Regelungsstrategie durchgeführt wird, mit der zugleich eine ausgehende Spannung des modularen Multilevelkonverters, Leitungsverluste und Schaltverluste minimiert werden, und wobei die Energiespeicher der Einzelmodule, die je nach vorliegender Iterationsebene und/oder Iterationstiefe auf mehrere Blöcke verteilt und über jeweilige Schnittstellen zwischen den Blöcken miteinander verbunden sind, ausbalanciert werden.A core of the invention is that an online-optimizing control strategy is performed, with the same time an outgoing voltage of the modular Multilevelkonverters, line losses and switching losses are minimized, and wherein the energy storage of the individual modules, depending on the existing iteration level and / or iteration depth on several Blocks are distributed and interconnected via respective interfaces between the blocks, to be balanced.

Weitere Nebenbedingungen, wie bspw. Alterung, Geräuschentwicklung etc., werden in Ausgestaltung ebenfalls berücksichtigt.Other secondary conditions, such as. Aging, noise, etc., are also considered in design.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung lässt sich die Optimierung bzw. Minimierung bspw. als ein mathematisches Suchverfahren beschreiben, das effektiv einen oder mehrere Sätze von Bezugsgrößen mindestens einer Kostenfunktion ermittelt, bei welchen die mindestens eine Kostenfunktion einen kleinsten bekannten Wert annimmt. Dazu kann die Kostenfunktion mehrmals evaluiert oder mathematisch approximiert werden. Verfahren zur systematischen Ermittlung von lokalen und globalen Minima mindestens einer Kostenfunktion sind in hinreichender Weise aus der Literatur bekannt, siehe beispielsweise Bertsekas [ D. P. Bertsekas (2004). Nonlinear programming. Athena Scientific, 2nd edition, Nashua (NH, USA) .] für kontinuierliche Eingangsgrößen sowie Bertismas et al. [ D. Bertsimas, R. Weismantel (2005). Optimization over integers. Dynamic Ideas, Belmont (MA, USA) .] für diskrete Eingangsgrößen, wie sie beispielsweise Modulzustände oder Schalterzustände in der Regel darstellen.In the context of the present invention, the optimization or minimization can, for example, be described as a mathematical search method which effectively determines one or more sets of reference quantities of at least one cost function in which the at least one cost function assumes a smallest known value. For this purpose, the cost function can be evaluated several times or mathematically approximated. Methods for the systematic determination of local and global minima of at least one cost function are well-known in the literature, see for example Bertsekas [ DP Bertsekas (2004). Nonlinear programming. Athena Scientific, 2nd edition, Nashua (NH, USA) .] for continuous input quantities as well as Bertismas et al. [ D. Bertsimas, R. Weismantel (2005). Optimization over integers. Dynamic Ideas, Belmont (MA, USA) .] for discrete input variables, as they usually represent, for example, module states or switch states.

Eine Kostenfunktion stellt hier einen Zusammenhang zwischen einer Kostengröße und einer oder mehreren Bezugsgrößen dar. Das bedeutet, dass durch die Kostenfunktion die verschiedenen Bezugsgrößen zueinander in Relation gesetzt und darüber in eine quantitative Kostengröße umgewandelt werden, die es zu minimieren gilt, um dadurch einen ein vorgegebenes Ziel bestmöglich erfüllenden Satz an Bezugsgrößen zu erhalten.A cost function here represents a connection between a cost variable and one or more reference variables. This means that the cost function sets the different reference quantities relative to one another and then converts them into a quantitative cost variable that is to be minimized, thereby providing a predetermined cost Goal to obtain the best possible set of benchmarks.

Bezugsgrößen sind im vorliegenden Fall bspw. Schalter- und/oder Modulzustände und/oder Schnittstellenzustände von Schnittstellen, die die Blöcke und/oder Unterblöcke verbinden.Reference variables in the present case are, for example, switch and / or module states and / or interface states of interfaces which connect the blocks and / or subblocks.

Eine ”online-Optimierung” kann dabei bspw. als eine Optimierung einer Kostenfunktion in Abhängigkeit von zukünftigen Schalter- und/oder Modulzuständen der Blöcke und/oder Unterblöcke im laufenden Betrieb auf der Basis von Informationen von vergangenen Verläufen mindestens eines elektrischen Stroms und/oder einer elektrischen Spannung oder von diese unmittelbar erzeugenden vergangenen Schalter- und/oder Modulzuständen.An "online optimization" may be, for example, as an optimization of a cost function as a function of future switch and / or module states of the blocks and / or sub-blocks during operation on the basis of information from past progressions of at least one electric current and / or one electrical voltage or from these immediately generating past switch and / or module states.

Ferner kann diese Optimierung auf der Basis von Informationen mindestens einer in einem zeitlichen Kurzzeitdurchschnitt, d. h. in einem kurzen Zeitfenster zu erreichenden Strom- und/oder Spannungsvorgabe erfolgen, wobei die Kostenfunktion mindestens einen Kostenterm umfasst, der bspw. eine Verlustleistung des Multilevelumrichters, die Ladungs- oder Spannungsdifferenz von Modulspeicherungselementen und/oder die Abweichung einer Ausgangsspannung oder eines Ausgangsstroms von der Vorgabe repräsentiert.Furthermore, this optimization can take place on the basis of information of at least one current and / or voltage specification to be achieved in a short time average, the cost function comprising at least one cost term, for example, a power loss of the multilevel converter, the charge or voltage difference of module storage elements and / or the deviation of a Output voltage or an output current represented by the default.

Bei einem Wechsel bzw. Übergang zwischen zwei Aufteilungsmodi des Multilevelkonverters innerhalb einer Iterationsebene wird eine jeweilige Innenkonfiguration eines jeweiligen Blocks, d. h. von mindestens zwei Blöcken der b Blöcke variabel verändert bzw. eingestellt, wobei ein Einzelmodul, das in einem ersten Aufteilungsmodus zunächst einem ersten Block zugeordnet ist, in einem zweiten Aufteilungsmodus diesem entnommen und einem zweiten Block zugeordnet wird, wobei das Einzelmodul von dem ersten Block quasi zu dem weiteren Block ”verschoben” wird, wobei die b Blöcke durch Umgruppierung von Einzelmodulen bei dem Wechsel zwischen den Aufteilungsmodi dynamisch gebildet werden. Je nach Iterationsebene bzw. Iterationstiefe sind die Einzelmodule entsprechend den Blöcken und/oder Unterblöcken zuzuordnen.In a transition between two split modes of the multilevel converter within an iteration level, a respective interior configuration of a respective block, i. H. of at least two blocks of the b blocks are variably adjusted, wherein a single module initially assigned to a first block in a first split mode is extracted therefrom in a second split mode and assigned to a second block, the single block from the first block is "moved" to the other block, where the b blocks are dynamically formed by regrouping individual modules in the switch between the split modes. Depending on the iteration level or iteration depth, the individual modules can be assigned according to the blocks and / or subblocks.

Hierbei ist vorgesehen, dass eine Schaltrate zum Ändern einer Zuordnung und/oder Gruppierung des Einzelmoduls eines jeweiligen Blocks bei dem Wechsel zwischen den Aufteilungsmodi um mindestens eine Größenordnung größer als eine Schaltrate des Einzelmoduls innerhalb eines jeweiligen Blocks ist. Das bedeutet, dass eine Zuordnung eines Einzelmoduls zu einem Block seltener variiert wird als eine Umschaltung des Einzelmoduls, d. h. eine Änderung der Schaltkonfiguration der von dem Einzelmodul umfassten Schaltelemente innerhalb des jeweiligen Blocks erfolgt.It is provided that a switching rate for changing an assignment and / or grouping of the individual module of a respective block in the change between the division modes by at least an order of magnitude greater than a switching rate of the individual module within a respective block. This means that an assignment of a single module to a block is varied less frequently than a switching of the single module, ie. H. there is a change in the switching configuration of the switching elements comprised by the individual module within the respective block.

Außerdem ist es möglich, dass ein Zustand mindestens eines Einzelmoduls in einem Block derart gewählt wird, dass eine optimale Lösung von lokalen, d. h. dem Block zugeordneten Ziel- bzw. Kostenfunktionen und Randbedingungen gegeben ist. Die Randbedingungen werden bspw. als Zwangsbedingungen dazu verwendet, um eine Anzahl an Lösungen zum Schalten der Blöcke sowie einer Zuordnung von Einzelmodulen zu den Blöcken durch Eliminieren zahlreicher nicht relevanter, zueinander alternativer Lösungen zügig zu beschränken. Hierbei werden Ziel- bzw. Kostenfunktionen zur Ermittlung bester alternativer Lösungen evaluiert.Moreover, it is possible that a state of at least one single module in a block is chosen such that an optimal solution of local, i. H. given the block associated target or cost functions and constraints. The constraints are, for example, used as constraints to quickly limit a number of solutions for switching the blocks as well as assigning individual modules to the blocks by eliminating numerous non-relevant, mutually alternative solutions. Goal or cost functions are evaluated to determine best alternative solutions.

Ein derartiger dynamischer Wechsel zwischen Aufteilungsmodi der a Einzelmodule auf die b Blöcke in einer quasi höchsten Iterationsebene kann entsprechend iterativ in dem voranstehend genannten iterativen Prozess dann auch entsprechend wieder für jeden einzelnen der b Blöcke in einer darunter liegenden Iterationsebene durchgeführt werden. Das heißt, dass die c Einzelmodule eines jeweiligen Blocks der b Blöcke gemäß verschiedener zeitlich aufeinanderfolgender Aufteilungsmodi auf die d Unterblöcke auch wieder dynamisch aufgeteilt werden. Entsprechend kann in weiter darunterliegenden Iterationsebenen verfahren werden. Der dynamische Wechsel zwischen den Aufteilungsmodi einer Iterationsebene muss dabei unter den verschiedenen Iterationsebenen, d. h. in der Regel von der höchsten zur tiefsten Iterationsebene hin, abgestimmt werden.Such a dynamic change between distribution modes of the a single modules on the b blocks in a quasi-highest iteration level can be performed correspondingly iteratively in the above-mentioned iterative process then again corresponding to each of the b blocks in an underlying iteration level. That is, the c individual modules of a respective block of the b blocks are also dynamically divided again according to different time-sequential division modes on the d sub-blocks. Correspondingly, it is possible to proceed in lower iteration levels. The dynamic change between the splitting modes of an iteration layer must take place under the different iteration levels, ie. H. usually from the highest to the lowest iteration level.

Weiterhin ist es möglich, dass mindestens ein Block nach einem Optimierungsalgorithmus aktiviert und/oder eingestellt wird, wobei auch eine Kombination von Einzelmodulen zum Bilden des mindestens einen Blocks berücksichtigt wird.Furthermore, it is possible for at least one block to be activated and / or adjusted according to an optimization algorithm, wherein a combination of individual modules for forming the at least one block is also taken into account.

Das erfindungsgemäße System ist zum Betreiben eines modularen Multilevelkonverters ausgebildet, der a Einzelmodule aufweist, wobei jedes Einzelmodul eine Mehrzahl an Schaltelementen und mindestens einen elektrischen Energiespeicher aufweist. Das System umfasst ein Kontrollgerät, das dazu ausgebildet ist, die a Einzelmodule in einer ersten Iterationsebene in mindestens einem Aufteilungsmodus, der für den Multilevelkonverter und dessen Einzelmodule vorgesehen ist, zumindest temporär auf b Blöcke zu verteilen, wobei b < a ist, wobei jeder Block mindestens ein Einzelmodul umfasst und von dem Kontrollgerät als funktionale Einheit mit mindestens einem weiteren Block zu verschalten sowie unter Einbeziehung mindestens einer Schnittstelle zu dem mindestens einen weiteren Block zu kontrollieren und demnach zu steuern und/oder zu regeln ist. In der Regel ist das Kontrollgerät dazu konfiguriert, die a Einzelmodule in zeitlich aufeinanderfolgenden Aufteilungsmodi jeweils zumindest temporär auf die b Blöcke zu verteilen. Ferner sind die von einem jeweiligen Block umfassten c Einzelmodule, wobei a > c ≥ 1 ist, in mindestens einer zweiten Iterationsebene, falls c > 1 ist, in mindestens einem weiteren Aufteilungsmodus temporär auf d Unterblöcke mit d < c zu verteilen. In Ausgestaltung ist eine derartige Aufteilung der den jeweiligen Blöcken zugeordneten c Einzelmodule in mehreren Iterationsebenen iterativ weiter fortzuführen.The system according to the invention is designed to operate a modular multilevel converter which has a single modules, each individual module having a plurality of switching elements and at least one electrical energy store. The system includes a controller adapted to at least temporarily distribute the a single modules in a first iteration level in at least one partition mode provided for the multilevel converter and its individual modules to b blocks, where b <a, where each block comprises at least one individual module and connect the control unit as a functional unit with at least one other block and to control at least one interface to the at least one further block and therefore to control and / or to regulate. In general, the control device is configured to distribute the a single modules in time-sequential division modes at least temporarily to the b blocks. Furthermore, the c individual modules included in a respective block, where a> c ≥ 1, in at least one second iteration level, if c> 1, are to be temporarily distributed to d subblocks with d <c in at least one further division mode. In a refinement, such a division of the individual modules assigned to the respective blocks is to be continued iteratively in a plurality of iteration levels.

Üblicherweise ist mit dem Kontrollgerät mindestens ein Schritt des voranstehend vorgestellten Verfahrens zu kontrollieren.Usually, at least one step of the method presented above is to be checked with the control device.

Durch Zusammenfassen von Einzelmodulen zu Blöcken in einem jeweils vorgesehenen Aufteilungsmodus können eine Komplexität und eine benötigte Rechenzeit zur Evaluierung von Möglichkeiten einer Verschaltung bei einem Betrieb des Multilevelkonverters in einem Schalttakt des Multilevelkonverters reduziert werden, da die Möglichkeiten der Verschaltung durch Betrachtung von Blöcken von Einzelmodulen nicht in dem Maße exponentiell ansteigt wie es bei Betrachtung der Einzelmodule selbst der Fall ist. Bei Betrachtung der Einzelmodule ist der exponentielle Anstieg an Möglichkeiten von Verschaltungen aufgrund einer multiplikativen Kombination von Zuständen jedes Einzelmoduls bspw. durch eine enge physikalische und logisch-funktionale Kopplung der Einzelmodule gegeben. Dabei kann eine Zustandsänderung eines Einzelmoduls die Wirkung eines Zustands eines anderen Einzelmoduls umkehren. Der erfindungsgemäße Gedanke beruht auf der Erkenntnis, dass der Gewinn hinsichtlich mindestens einer selbst gestellten Zielfunktion, und somit ggf. mehrerer Zielfunktionen, insbesondere bei Zielen mit kurz- und mittelfristigem Zeithorizont, wie bspw. einer bestimmten Ausgangsspannung, mit der Anzahl der Einzelmodule und somit der Größe des Multilevelkonverters abnimmt und der Multilevelkonverter somit einem typischen Verhalten eines abnehmenden Grenzprodukts folgt.By combining individual modules into blocks in a distribution mode provided in each case, a complexity and a required computing time for evaluating possibilities of interconnection in an operation of the multilevel converter in a switching clock of the multilevel converter can be reduced because the possibilities of interconnection by viewing blocks of individual modules not in the extent exponentially increases as it is the case when looking at the individual modules themselves. When considering the individual modules, the exponential increase in possibilities of interconnections due to a multiplicative combination of states of each individual module is, for example, due to given a close physical and logical-functional coupling of the individual modules. In this case, a state change of a single module can reverse the effect of a state of another single module. The idea according to the invention is based on the finding that the gain in terms of at least one self-set target function, and thus possibly more target functions, especially for targets with a short and medium time horizon, such as a certain output voltage, with the number of individual modules and thus the Size of the multilevel converter decreases and the multilevel converter thus follows a typical behavior of a decreasing marginal product.

Durch Einsatz des Verfahrens ist es möglich, auch Ziele mit einem kurzfristigen oder mittelfristigen Zeithorizont unter Nutzung von selbstgestellten Zielfunktionen zufriedenstellend einzustellen, wobei als ein mögliches Ziel bspw. eine bestimmte ausgehende Spannung zu erreichen und/oder ein Schaltverlust von Einzelmodulen zu reduzieren ist. Weiterhin ist es möglich, dass Ziele mit einem langfristigen Zeithorizont, wobei bspw. Energiespeicher balanciert werden, wobei eine Größe des Zeithorizonts von einer Kapazität eines jeweiligen Energiespeichers abhängt, durch einen dynamischen Wechsel bzw. Austausch von Einzelmodulen zwischen einzelnen Blöcken als Untergruppierungen und von Grenzen zwischen einzelnen Blöcken bei einem Wechsel zwischen zwei Aufteilungsmodi erreicht werden.By using the method, it is also possible to satisfactorily set goals with a short-term or medium-term time horizon using self-set target functions, where as a possible target, for example, to reach a certain outgoing voltage and / or to reduce a switching loss of individual modules. Furthermore, it is possible that goals with a long-term time horizon, for example, energy storage are balanced, with a size of the time horizon depends on a capacity of a respective energy storage, by a dynamic exchange of individual modules between blocks as subgroups and boundaries between individual blocks when switching between two split modes.

Dabei wird der gesamte modulare Multilevelkonverter zumindest teilweise in Blöcke unterteilt, wobei jeder Block wie ein eigener Konverter bzw. Umrichter behandelt und gesteuert wird. Eine Unterteilung des Multilevelkonverters in die einzelnen Blöcke wird hierbei durch Zuordnung von Einzelmodulen zu den Blöcken in dem jeweiligen Aufteilungsmodus umgesetzt. Hierdurch ist u. a. eine ansonsten exponentielle Steigerung einer Komplexität auch bei steigender Anzahl an Einzelmodulen und somit an Schaltelementen zu reduzieren.In this case, the entire modular multilevel converter is at least partially subdivided into blocks, wherein each block is treated and controlled like a separate converter or converter. A subdivision of the multilevel converter into the individual blocks is implemented by assigning individual modules to the blocks in the respective division mode. This is u. a. To reduce an otherwise exponential increase in complexity even with increasing number of individual modules and thus to switching elements.

Die einzelnen Blöcke werden intern betrachtet und in dem jeweiligen Aufteilungsmodus wie weitgehend einzelne Konverter unter Einbeziehung einer Verbindung der Blöcke über Schnittstellen zueinander unter Berücksichtigung eines jeweils vorgesehenen Algorithmus gesteuert und/oder geregelt.The individual blocks are considered internally and controlled and / or regulated in the respective division mode as largely individual converters, including a connection of the blocks via interfaces to each other taking into account a respectively provided algorithm.

Ein jeweiliger Algorithmus wird hierbei jeweils innerhalb eines Blocks angewendet, der mehrere Einzelmodule umfasst. Außerdem ist es möglich, mehrere Blöcke bei dem Wechsel zwischen Aufteilungsmodi je nach Definition als Teilblöcke bzw. Unterblöcke zu einem übergeordneten Block zusammenzufassen. Dabei werden innerhalb eines jeweiligen Blocks Zustände der Einzelmodule derart gewählt, dass eine optimale Lösung von lokalen, d. h. dem jeweiligen Block zugeordneten Zielfunktionen und Randbedingungen gegeben ist. Derartige Randbedingungen werden als Zwangsbedingungen verwendet, um eine Anzahl an Lösungen durch Eliminieren zahlreicher nicht relevanter alternativer Lösungen zügig zu beschränken. Zur vollständigen Optimierung wird verwiesen auf Goetz, Peterchev, Weyh (2014): Modular Multilevel Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control. IEEE Transactions on Power Electronics, 30(1): 203 ff . Hierbei ist auch ein heuristischer Algorithmus zum Eliminieren der möglichen Lösungen zu verwenden, siehe Glinka, Marquardt (2005): A New AC/AC Multilevel Converter Family. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 52(3): 662 ff. ; Goetz, Li et al. Control of Modular Multilevel Converter with Parallel Connectivity .A respective algorithm is used here in each case within a block which comprises a plurality of individual modules. It is also possible to combine several blocks in the change between distribution modes depending on the definition as sub-blocks or sub-blocks to a parent block. In this case, states of the individual modules are selected within a respective block such that an optimal solution of local, that is, the respective block associated target functions and constraints is given. Such constraints are used as constraints to quickly limit a number of solutions by eliminating many non-relevant alternative solutions. For full optimization reference is made to Goetz, Peterchev, Weyh (2014): Modular Multilevel Converter With Series and Parallel Modules Connectivity: Topology and Control. IEEE Transactions on Power Electronics, 30 (1): 203 ff , In this case, a heuristic algorithm for eliminating the possible solutions should also be used, see Glinka, Marquardt (2005): A New AC / AC Multilevel Converter Family. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 52 (3): 662 ff. ; Goetz, Li et al. Control of Modular Multilevel Converter with Parallel Connectivity ,

Weiterhin werden jedem Block, der je nach Definition sowie abhängig von einem jeweiligen Aufteilungsmodus selbst mehrere Blöcke und/oder Einzelmodule umfassen kann, makroskopische Eigenschaften zugeordnet, die denen eines Einzelmoduls gleichen. Hierbei entspricht eine Ladung eines Blocks einer Summe der Ladungen sämtlicher darin enthaltener Einzelmodule. Die Spannung des Blocks ergibt sich je nachdem, wie die Einzelmodule innerhalb des Blocks zueinander in Reihe und/oder parallel geschaltet sind, unter Berücksichtigung der Kirchhoffschen Regel. Entsprechend ergibt sich auch ein elektrischer Widerstand des Blocks als Ursache für Leitungsverluste nach der Kirchhoffschen Regel aus den einzelnen Widerständen der Einzelmodule.Furthermore, each block, which depending on the definition and depending on a particular division mode itself may comprise a plurality of blocks and / or individual modules, assigned macroscopic properties that are similar to those of a single module. Here, a charge of a block corresponds to a sum of the charges of all the individual modules contained therein. The voltage of the block depends on how the individual modules within the block are connected to each other in series and / or in parallel, taking into account the Kirchhoff's rule. Correspondingly, an electrical resistance of the block results as a cause of line losses according to Kirchhoff's rule from the individual resistances of the individual modules.

Das Verfahren ist für einen modularen Multilevelkonverter (MMC), bspw. einen Multilevelkonverter mit serieller und paralleler Konnektivität (MMSPC), bei dem dessen Einzelmodule unabhängig von einer Bildung von Blöcken zueinander in Reihe sowie parallel zu schalten und somit zu verbinden sind, durchführbar. Dabei ist es möglich, dass ein derartiger Multilevelkonverter Halbbrückenmodule oder Vollbrückenmodule als Einzelmodule umfasst.The method is feasible for a modular multilevel converter (MMC), for example a multilevel converter with serial and parallel connectivity (MMSPC), in which its individual modules can be connected in series as well as in parallel, and thus connected, independently of one another. It is possible that such a multilevel converter comprises half-bridge modules or full-bridge modules as individual modules.

Durch Zusammenfassen von Einzelmodulen zu Blöcken innerhalb des Multilevelkonverters sind für diesen unterschiedliche Zustände einzustellen, wobei der Multilevelkonverter in einem jeweiligen Zustand eine bestimmte Eigenschaft aufweist, die bspw. über einen Wert der ausgehenden Spannung des Multilevelkonverters definiert ist.By combining individual modules into blocks within the multilevel converter, different states must be set for the latter, with the multilevel converter having a specific property in a respective state, which is defined, for example, via a value of the outgoing voltage of the multilevel converter.

Generell wird ein jeweiliger Zustand durch eine eindeutige Schalterposition der Schaltelemente der Einzelmodule erzeugt. Hierbei ist es auch möglich, dass der Multilevelkonverter unterschiedliche Zustände aufweist, bei denen dessen ausgehende Spannung jeweils denselben Wert aufweist, wobei der Multilevelkonverter jedoch weitere andere physikalische Eigenschaften aufweisen kann. Dabei lässt sich dieselbe ausgehende Spannung mit diversen unterschiedlichen Konfigurationen der Schaltelemente erzeugen. Allerdings weisen die Konfigurationen der Schaltelemente auch bei derselben ausgehenden Spannung deutliche Unterschiede in anderen physikalischen Eigenschaften, bspw. hinsichtlich eines Leitungsverlusts oder Schaltverlusts, auf. Dabei hängen Leitungsverluste oder Schaltverluste weniger von einem aktuellen Zustand des Multilevelkonverters, sondern von einem vorherigen Zustand ab, wobei die Leitungs- und Schaltverluste durch Wechsel zwischen den beiden Zuständen erzeugt werden. Dies hängt bspw. von einer Anzahl an Schaltelementen ab, die zu invertieren sind, um von dem vorhergehenden Zustand zu dem neuen bzw. aktuellen Zustand zu gelangen. Als weitere physikalische Eigenschaften sind hier eine Veränderung der Ladung sowie ein Auseinanderdriften von Ladungszuständen in den Energiespeichern, bspw. in Zwischenkreiskondensatoren oder Modulenergiespeichern, zu berücksichtigen. Außerdem sind weiterhin eine unterschiedliche Erwärmung von Einzelmodulen sowie deren unterschiedliche Alterung zu berücksichtigen.Generally, a respective state is generated by a unique switch position of the switching elements of the individual modules. In this case, it is also possible for the multilevel converter to have different states in which its outgoing voltage has the same value in each case, but the multilevel converter can have further other physical properties. there The same outgoing voltage can be generated with various different configurations of the switching elements. However, even with the same outgoing voltage, the configurations of the switching elements have significant differences in other physical properties, for example in terms of line loss or switching loss. Line losses or switching losses depend less on a current state of the multilevel converter, but on a previous state, the line and switching losses are generated by changing between the two states. This depends, for example, on a number of switching elements which are to be inverted in order to move from the previous state to the new or current state. As a further physical properties here are a change in the charge and a drifting apart of charge states in the energy storage, eg. In DC link capacitors or module energy storage, to take into account. Furthermore, a different heating of individual modules as well as their different aging must be taken into account.

Durch Zusammenfassen von Einzelmodulen zu Blöcken innerhalb des Multilevelkonverters wird jedoch eine ansonsten hohe Anzahl von Freiheitsgraden für Schaltmöglichkeiten reduziert. Falls die insgesamt a Einzelmodule x Schaltelemente aufweisen, ergeben sich bei einem herkömmlichen Betrieb des Multilevelkonverters bis zu 2x Schaltzustände. Durch Zusammenfassen von Einzelmodulen und somit auch von Schaltelementen innerhalb von Blöcken ist jedoch die Anzahl von Schaltzuständen stark reduziert. Somit ergibt sich u. a., dass eine Rechenzeit des Kontrollgeräts zum Evaluieren der Schaltzustände reduziert wird. Im Rahmen des Verfahrens ist eine analytische Wahl eines nächsten Schaltzustands durch dezidiertes Evaluieren aller alternativen Schaltzustände möglich.By combining individual modules into blocks within the multilevel converter, however, an otherwise high number of degrees of freedom for switching options is reduced. If the total of a single modules have x switching elements, resulting in a conventional operation of the multilevel converter up to 2 x switching states. By combining individual modules and thus also of switching elements within blocks, however, the number of switching states is greatly reduced. Thus, inter alia, it results that a computing time of the control device for evaluating the switching states is reduced. Within the scope of the method, an analytical selection of a next switching state by dedicated evaluation of all alternative switching states is possible.

Das vorliegende Verfahren ermöglicht sowohl eine Variierung der Blöcke je nach gewähltem Aufteilungsmodus innerhalb ein und derselben Iterationsebene als auch eine weitere iterative Aufteilung der Blöcke in weitere Iterationsebenen gemäß entsprechend gewählter Aufteilungsmodi. Eine derartige iterative Zerlegung von Blöcken kann soweit fortgeführt werden, bis ein Block lediglich nur noch ein Einzelmodul umfasst. Im Gegensatz dazu ist aus dem Stand der Technik wie beispielsweise aus WO 2014/166261 A1 lediglich eine fixe Zerlegung eines Modulstrangs in Untergruppen bekannt, wobei die Zerlegung ferner nur eine Hierarchieebene kennt. Bei den Modulen handelt es sich dabei um sogenannte Halbbrücken- oder Chopper-Module, die lediglich eine dynamische Serienschaltung einer Polarität erlauben. Eine Verwendung von jedweden Module mit paralleler Konnektivität ist dem Stand der Technik jedoch nicht zu entnehmen. Gemäß dem genannten Stand der Technik werden keine Schnittstellen bei den betrachteten Untergruppen berücksichtigt, da dies auch bei den sehr einfachen dort betrachteten Modultopologien nicht notwendig ist, da lediglich eine serielle Schnittstelle zwischen Untergruppen besteht und diese Schnittstellen nicht vom Zustand benachbarter Module abhängen. Die von den Teilgruppen erzeugten Spannungen können dabei ohne Einschränkung summiert werden, um die Gesamtspannung zu ermitteln. Im Gegensatz dazu werden gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die Schnittstellen zwischen den Blöcken berücksichtigt, so dass auch eine Möglichkeit eines Wechsels zwischen einer parallelen und einer seriellen Konnektivität gegeben ist, so dass auch ein in vielen Fällen vorteilhafter paralleler Schaltzustand zwischen den Blöcken erlaubt ist. Um dabei dann eine Steuerung oder Regelung der individuellen Blöcke zu ermöglichen, werden die Schnittstellen zwischen den Blöcken behandelt und festgelegt.The present method allows for both a variation of blocks depending on the selected split mode within one and the same iteration level, as well as a further iterative division of the blocks into further iteration levels according to appropriately selected split modes. Such an iterative decomposition of blocks can be continued until a block comprises only a single module. In contrast, it is known from the prior art such as WO 2014/166261 A1 only a fixed decomposition of a module string in subgroups known, the decomposition also knows only one hierarchy level. The modules are so-called half-bridge or chopper modules, which allow only a dynamic series connection of one polarity. However, use of any modules with parallel connectivity is not apparent from the prior art. According to the cited prior art, no interfaces are considered in the considered subgroups, since this is not necessary even in the very simple module topologies considered there, since there is only one serial interface between subgroups and these interfaces do not depend on the state of adjacent modules. The voltages generated by the subgroups can be summed up without restriction in order to determine the total voltage. In contrast, according to the inventive method, the interfaces between the blocks are taken into account, so that there is also a possibility of a change between a parallel and a serial connectivity, so that a more advantageous parallel switching state between the blocks is allowed. In order to then enable control or regulation of the individual blocks, the interfaces between the blocks are treated and fixed.

Das Verfahren ist in möglicher Ausgestaltung für jeden modularen Multilevelkonverter, bspw. den MMSPC, mit unterschiedlichen Topologien bzw. Strukturen zu verwenden, wobei ein Wechsel zwischen einer parallelen und einer seriellen bzw. einer seriellen und parallelen Konnektivität zwischen Einzelmodulen und/oder Blöcken möglich ist. Die Schnittstellen werden zwischen Blöcken bzw. Untergruppen behandelt und festgelegt, um die Steuerung oder Regelung der individuellen Blöcke zu ermöglichen. Das ungewollte Aufeinandertreffen eines parallelen Schaltzustandes eines Einzelmoduls einer Schnittstelle zwischen zwei Blöcken und eines seriellen Schaltzustands des entsprechend anderen Einzelmoduls der Schnittstelle sowie ein möglicherweise daraus resultierender Kurzschluss mindestens eines Kondensators werden hier verhindert.The method is to be used in a possible embodiment for each modular Multilevelkonverter, for example. The MMSPC, with different topologies or structures, with a change between a parallel and a serial or a serial and parallel connectivity between individual modules and / or blocks is possible. The interfaces are handled and defined between blocks or subgroups to allow the control or regulation of the individual blocks. The unwanted collision of a parallel switching state of a single module of an interface between two blocks and a serial switching state of the corresponding other single module of the interface and a possibly resulting short circuit of at least one capacitor are prevented here.

Es ist denkbar, zwischen zwei der b Blöcke für ein bestimmtes Zeitintervall eine parallele Schnittstelle zu vereinbaren oder zentral anzuweisen. Alternativ kann für eine bestimmte Schnittstelle eine serielle Schnittstelle oder eine Bypass-Schnittstelle, die für die meisten Topologien an der Schnittstelle äquivalent behandelbar ist, zeitweise festgelegt werden. ”Zeitweise” bedeutet dabei ”für nur sehr kurze Zeit”, beispielsweise für einen oder wenige Berechnungstakt/e einer Steuerung, oder auch ”für längere Zeit”, beispielsweise für einen wesentlichen Anteil eines dominanten spektralen Anteils eines Verlaufs eines zu erzeugenden Stroms oder einer zu erzeugenden Spannung, in der Regel über eine Grundwelle. Im letzteren Fall sind bspw. mindestens 10% einer Periodendauer der Berechnungstakte gemeint, um beispielsweise gerade bei niedrigen Spannungen, d. h. um den Nulldurchgang eines sinusförmigen Verlaufs herum, vorzugsweise parallele Schnittstellen und somit Verbindungen zwischen Blöcken festzulegen, da zu diesem Zeitpunkt abhängig von einer jeweiligen Topologie bzw. Struktur weniger Einzelmodule in Serie benötigt werden und somit für eine serielle Verbindung zur Verfügung stehen, wobei mit steigender Spannung und insbesondere im Scheitel der Spannung vermehrt serielle Schnittstellen als Verbindungen festzulegen sind.It is conceivable to arrange or centrally instruct a parallel interface between two of the b blocks for a specific time interval. Alternatively, for a particular interface, a serial interface or a bypass interface, which is equivalent treatable at the interface for most topologies, may be temporarily set. "Temporally" here means "for only a very short time", for example for one or a few calculation clock / s of a control, or also "for a longer time", for example for a significant proportion of a dominant spectral component of a profile of a current to be generated or to generating voltage, usually via a fundamental wave. In the latter case, for example, at least 10% of a period of the calculation clocks are meant, for example, just at low voltages, ie around the zero crossing of a sinusoidal curve around, preferably parallel interfaces and thus establish connections between blocks, since at this time depending on a respective Topology or structure fewer individual modules are needed in series and thus are available for a serial connection, with increasing voltage and especially at the apex of the voltage more serial interfaces are defined as compounds.

Ferner können Schnittstellen zu den jeweiligen benachbarten Blöcken, die jeder Block zur Steuerung und/oder Regelung der ihm zugehörigen Einzelmodule oder weiterer Blöcke höherer Ordnung benötigt, abhängig von der aktuellen Spannungsamplitude durch eine zentrale Steuerung bzw. der erfindungsgemäß vorgesehenen Kontrolleinheit festgelegt werden. Es ist auch möglich, dass die Schnittstellen von den jeweiligen Blöcken zugehörigen Steuerungen, d. h. bei dedizierten Steuerungselektroniken je Block festgelegt werden. Ferner ist es denkbar, dass Steuerungsinstanzen, d. h. Softwareinstanzen oder Hardwareanteile einer Steuerungshardware zweier benachbarter Blöcke untereinander durch Austausch von elektronischen Informationen die Schnittstellen vereinbaren. Bei ersterer zentraler Zuweisung kann eine Anzahl an seriellen Schnittstellen beispielsweise näherungsweise proportional zur Anzahl der vorhandenen Schnittstellen multipliziert mit einer angeforderten Referenzspannung geteilt durch eine maximal erzeugbare Spannung bzw. Nennscheitelspannung ermittelt werden. Eine in diesem Schritt notwendige Quantisierung kann durch Rundung oder auch durch jedes bekannte Pulsweitenmodulationsverfahren, beispielsweise Sinus-Dreieck-Modulation, Sigma-Delta-Modulation etc., erfolgen.Furthermore, interfaces to the respective neighboring blocks, which each block requires for controlling and / or regulating the individual modules or other higher-order blocks associated with it, can be defined by a central controller or the control unit provided according to the invention, depending on the current voltage amplitude. It is also possible that the interfaces of the respective blocks associated controls, d. H. be set at dedicated control electronics per block. Furthermore, it is conceivable that control entities, i. H. Softwareinstance or hardware parts of a control hardware of two adjacent blocks with each other by exchanging electronic information, the interfaces agree. In the case of the first central assignment, a number of serial interfaces, for example, approximately proportional to the number of existing interfaces multiplied by a requested reference voltage divided by a maximum voltage or rated peak voltage can be determined. A quantization necessary in this step can be done by rounding or by any known pulse width modulation method, for example sine-delta modulation, sigma-delta modulation, etc.

Alternativ kann bei gleichmäßiger Aufteilung eines Strangs des modularen Multilevelkonverters in Blöcke und einer gleichmäßigen Aufteilung einer Referenzspannung Vref auf b Blöcke mit einer jeweiligen Spannung Vref, i = Vref/b für einen i-ten Block auch die zugehörige Steuerung jedes Blocks selbst auf der Basis der von dem Block angeforderten Spannung Vref, i nach einer festen, beispielsweise einer jeder Spannung einen eindeutigen Schnittstellenzustand zuweisenden Regel erfolgen. Da diese Regeln für jeden Block gleich sind und ferner auch eine Referenzspannung für jeden Block gleich ist, muss keine weitere Kommunikation zwischen zwei benachbarten Blöcken erfolgen, damit beide Blöcke die korrekte Annahme über den zu wählenden Schnittstellenzustand treffen. Statt einer gleichen Aufteilung der Referenzspannung und einer identischen Zuweisung von Spannungen in Schnittstellenzustände kann ferner auch eine ungleichmäßige Aufteilung der Referenzspannung auf die Blöcke erfolgen, wenn eine jeweilige Zuweisungsfunktion von zu wählenden Schnittstellenfunktionen so ausgeprägt ist, dass trotzdem zwei benachbarte Blöcke mit der ihnen jeweils zugewiesenen Referenzspannung zu jedem Zeitpunkt denselben Schnittstellenzustand für ihre gemeinsame Schnittstelle annehmen.Alternatively, by evenly dividing a string of the modular multilevel converter into blocks and evenly dividing a reference voltage Vref into b blocks having a respective voltage Vref, i = Vref / b for an ith block, the associated control of each block itself can also be based on Voltage Vref, i requested by the block may occur after a fixed rule, for example a rule assigning a unique interface state to each voltage. Since these rules are the same for each block and furthermore a reference voltage is the same for each block, there is no need for further communication between two adjacent blocks so that both blocks make the correct assumption about the interface state to be selected. In addition, instead of an equal distribution of the reference voltage and an identical assignment of voltages in interface states, an uneven distribution of the reference voltage to the blocks can take place if a respective assignment function of interface functions to be selected is so pronounced that nevertheless two adjacent blocks are assigned their respective assigned reference voltage at any time adopt the same interface state for their common interface.

Mit dem Verfahren ist ein Ausgleich einer Vielzahl von Zielen möglich, wie sie beispielsweise im voranstehend erwähnten Artikel von Goetz et al. (2014) beschrieben sind. Hierbei wird eine dynamische Erzeugung von Blöcken und damit von wechselnden Orten von jeweiligen Schnittstellen zwischen den Blöcken sowie eine Zuordnung von Einzelmodulen zu unterschiedlichen Blöcken zum Ausgleich von Regelzielen über Grenzen von Blöcken hinweg beschrieben. Eine dynamische Bildung der Blöcke kann im Takt einer Modulation der Schaltzustände oder deutlich langsamer erfolgen.With the method, a compensation of a plurality of goals is possible, as for example in the above-mentioned Article by Goetz et al. (2014) are described. In this case, a dynamic generation of blocks and thus of changing locations of respective interfaces between the blocks as well as an assignment of individual modules to different blocks for balancing rule targets across boundaries of blocks is described. A dynamic formation of the blocks can be done in time with a modulation of the switching states or much slower.

Bei einer Anwendung des Verfahrens ist eine Komplexitätsverringerung in der Steuerung, bspw. bei einer modellprädiktiven Regelung mit einer online-Optimierung von Zielen zu erreichen, die ansonsten eine mit einer Anzahl an Einzelmodulen exponentiell steigende Komplexität und Rechenzeit hervorrufen würde. Dies steht in substantiellem Gegensatz zu einer Anwendung der Lesnicar-Glinka-Marquardt-Heuristik zum Ausgleich einer Ladung von Kondensatoren, wie sie bspw. in Glinka M. and Marquardt R. (2005). A new AC/AC multilevel converter family. IEEE Transactions on Industrial Electronics, S2 (3): 662–669 und Lesnicar A. and Marquardt R. (2003). An innovative modular multilevel converter topology suitable for a wide power range. Proceedings of the IEEE Power Tech Conference 2003,3 beschrieben ist.In one application of the method, a complexity reduction in the control, for example, in a model predictive control with an online optimization of goals to achieve that would otherwise cause a exponentially increasing with a number of individual modules complexity and computational time. This is in substantial contrast to an application of the Lesnicar-Glinka-Marquardt heuristic to compensate for a charge of capacitors, such as those in Glinka M. and Marquardt R. (2005). A new AC / AC multilevel converter family. IEEE Transactions on Industrial Electronics, S2 (3): 662-669 and Lesnicar A. and Marquardt R. (2003). An innovative modular multilevel converter topology suitable for a wide power range. Proceedings of the IEEE Power Tech Conference 2003,3 is described.

In diesem Zusammenhang ermöglicht das Verfahren eine iterative Zerlegung des modularen Multilevelkonverters in einzelne Blöcke, wobei mit jeder Zerlegung angepasste individuelle Optimierungs- und/oder Regelungsziele zuzuweisen und gleichzeitig die Komplexität, d. h. insbesondere die Zahl der Zustandsalternativen, zu verringern und das exponentielle Wachstum der möglichen Zustände abzuschwächen oder zu unterbinden ist.In this context, the method allows an iterative decomposition of the modular multilevel converter into individual blocks, assigning customized optimization and / or control objectives with each decomposition while preserving the complexity, ie. H. In particular, the number of state alternatives to reduce and to attenuate or prevent the exponential growth of the possible states.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.

Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination indicated, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben.The invention is schematically illustrated by means of embodiments in the drawings and will be described schematically and in detail with reference to the drawings.

1 zeigt in schematischer Darstellung Details eines ersten Beispiels eines modularen Multilevelkonverters und ein Diagramm mit einem Verlauf einer Spannung dieses modularen Multilevelkonverters. 1 shows a schematic representation of details of a first example of a modular Multilevelkonverters and a diagram with a waveform of a voltage of this modular Multilevelkonverters.

2 zeigt in schematischer Darstellung Details eines zweiten Beispiels eines modularen Multilevelkonverters bei Durchführung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. 2 shows a schematic representation of details of a second example of a modular Multilevelkonverters when performing a first embodiment of the method according to the invention.

3 zeigt in schematischer Darstellung Details des zweiten Beispiels des modularen Multilevelkonverters bei Durchführung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. 3 shows a schematic representation of details of the second example of the modular Multilevelkonverter in carrying out a second embodiment of the method according to the invention.

4 zeigt in schematischer Darstellung weitere Details des zweiten Beispiels des modularen Multilevelkonverters bei Durchführung einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. 4 shows a schematic representation of further details of the second example of the modular Multilevelkonverters when performing a third embodiment of the method according to the invention.

Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Gleichen Komponenten sind dieselben Bezugsziffern zugeordnet.The figures are described coherently and comprehensively. Same components are assigned the same reference numerals.

Der in 1a im Detail dargestellte Multilevelkonverter 2 umfasst einen ersten Zweig mit einem ersten Strang, entlang dem hier mehrere Einzelmodule M(1), M(2), ...,M(i), in Reihe geschaltet sind. Dazu parallel ist ein zweiter Strang geschaltet, der mehrere in Reihe geschaltete Einzelmodule M(j+1), M(j+2), ..., M(k) umfasst. Außerdem umfasst dieser modulare Multikonverter 2 einen zweiten Zweig mit einem ersten Strang, entlang dem mehrere Einzelmodule M(i+1), M(i+2), ..., M(j) geschaltet sind. In einem dazu parallel geschalteten weiteren Strang sind mehrere Einzelmodule M(k+1), M(k+2), ..., M(N) in Reihe geschaltet.The in 1a detailed multilevel converter 2 comprises a first branch with a first strand along which a plurality of individual modules M (1) , M (2) , ..., M (i) are connected in series. For this purpose, a second string is connected in parallel, which comprises a plurality of series-connected individual modules M (j + 1) , M (j + 2) , ..., M (k) . In addition, this modular multi-converter includes 2 a second branch with a first strand, along which a plurality of individual modules M (i + 1) , M (i + 2) , ..., M (j) are connected. In a parallel connected to another strand several individual modules M (k + 1) , M (k + 2) , ..., M (N) are connected in series.

Bei einem Betrieb des Multilevelkonverters 2 sind mehrere Einzelmodule einem jeweiligen Bedarf gerecht parallel oder in Reihe zu schalten. Dabei ist durch Schalten der Einzelmodule, wie das Diagramm aus 1b zeigt, eine Spannung mit verschiedenen Niveaus bzw. Levels einzustellen, wobei die einzelnen Niveaus davon abhängen, wie viele Einzelmodule aktiv sind, d. h. nicht durch eine Bypass-Schaltung umgangen werden, und wie diese relativ zueinander in Reihe oder parallel geschaltet sind.During operation of the multilevel converter 2 If several individual modules are required, they can be connected in parallel or in series. It is characterized by switching the individual modules, such as the diagram 1b Figure 4 shows a voltage with different levels, the individual levels depending on how many individual modules are active, ie not bypassed by a bypass circuit, and how they are connected in series or in parallel relative to each other.

Das in den 2 und 3 dargestellte Beispiel des zweiten modularen Multilevelkonverters 10 umfasst hier u. a. mehrere, hier 13, Einzelmodule M(1), M(2), M(3), M(4), M(5), M(6), M(7), M(8), M(9), M(10), M(11), M(12), M(13), wobei sämtliche genannten Einzelmodule hier in Reihe geschaltet sind. Bei Durchführung der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Einzelmodule des Multilevelkonverters 10 in einem ersten Aufteilungsmodus in drei Blöcke 12, 14, 16 aufgeteilt. Dabei umfasst ein erster Block 12 die in Reihe geschalteten Einzelmodule M(1), M(2), M(3), M(4), M(5). Ein zweiter Block 14 umfasst die in Reihe geschalteten Einzelmodule M(6), M(7), M(8), M(9). Weiterhin umfasst ein dritter Block 16 die Einzelmodule M(10), M(11), M(12), M(13), die ebenfalls in Reihe geschaltet sind. Der erste Block 12 und der zweite Block 14 sind hierbei über eine erste Schnittstelle 18 miteinander verbunden. Der zweite Block 14 und der dritte Block 16 sind über eine zweite Schnittstelle 20 miteinander verbunden.That in the 2 and 3 illustrated example of the second modular Multilevelkonverters 10 here includes several, here 13, single modules M (1) , M (2) , M (3) , M (4) , M (5) , M (6) , M (7) , M (8) , M (9) , M (10) , M (11) , M (12) , M (13) , all said individual modules being connected in series here. When carrying out the first embodiment of the method according to the invention, the individual modules of the multilevel converter 10 in a first split mode into three blocks 12 . 14 . 16 divided up. This includes a first block 12 the series-connected individual modules M (1) , M (2) , M (3) , M (4) , M (5) . A second block 14 comprises the series-connected individual modules M (6) , M (7) , M (8) , M (9) . Furthermore, a third block comprises 16 the individual modules M (10) , M (11) , M (12) , M (13) , which are also connected in series. The first block 12 and the second block 14 are here via a first interface 18 connected with each other. The second block 14 and the third block 16 are via a second interface 20 connected with each other.

Dabei werden die Einzelmodule in dem ersten Aufteilungsmodus unter Berücksichtigung eines zu erreichenden Ziels, bspw. einem zu erreichenden Wert einer physikalischen Größe, wie einer Spannung des gesamten Multilevelkonverters 10, den einzelnen Blöcken 12, 14, 16 zugeordnet. Es wird festgelegt, welchen Beitrag jeder Block 12, 14, 16 zu dem zu erreichenden Ziel leistet, bspw. welchen Anteil an der ausgehenden Spannung, welchen Innenwiderstand etc. Außerdem werden die Schnittstellen 18, 20 zwischen den Blöcken 12, 14, 16 festgelegt. Falls von dem Multilevelkonverter 10 bspw. eine Spannung von 1000 V bereitzustellen ist, ist dies durch serielles Schalten von zehn Blöcken, wobei jeder Block 100 V bereitstellt, zu erreichen. Es ist jedoch auch möglich, die Einzelmodule in zehn 500 V Blöcke aufzuteilen, über die wiederum eine ausgehende Spannung von 1000 V einzustellen ist, wobei dabei dann andere Schnittstellenzustände zu verwenden sind.In this case, the individual modules in the first division mode, taking into account a target to be achieved, for example, to be reached a value of a physical quantity, such as a voltage of the entire Multilevelkonverters 10 , the individual blocks 12 . 14 . 16 assigned. It determines what contribution each block 12 . 14 . 16 to the target to be achieved, for example, what share of the outgoing voltage, which internal resistance, etc. In addition, the interfaces 18 . 20 between the blocks 12 . 14 . 16 established. If from the multilevel converter 10 for example, to provide a voltage of 1000 V, this is achieved by serially switching ten blocks, each block providing 100V. However, it is also possible to divide the individual modules into ten 500 V blocks, which in turn is to be set to an outgoing voltage of 1000 V, in which case other interface states are to be used.

In einem ersten Schritt der Ausführungsform des Verfahrens werden die einzelnen Blöcke 12, 14, 16 wie Einzelmodule mit variabler Innenkonfiguration behandelt. Hierbei ist es möglich, bekannte Regelungs- und Optimierungsverfahren, die ansonsten auf eine Gesamtheit sämtlicher individueller Einzelmodule anzuwenden sind, auf die nunmehr bereitgestellten Blöcke 12, 14, 16 anzuwenden. Sich hierbei ergebende Zustände der Schnittstellen 18, 20 und Eigenschaften der Blöcke 12, 14, 16 werden bei einer Iteration zur Ermittlung der Zustände der Einzelmodule in jedem Block 12, 14, 16 weitergereicht. Hierbei ist vorgesehen, dass jeder Block 12, 14, 16 mit Vorgaben für die Schnittstellen 18, 20 und unter Berücksichtigung von Parametern für eine Teilnahme an Gesamtzielen für sich separat behandelt und optimiert wird, wodurch eine Anzahl an kombinatorischen Möglichkeiten zum Verschalten der Einzelmodule verringert wird, da nunmehr lediglich eine geringere Anzahl an Blöcken 12, 14, 16 zu verschalten ist. Somit wird insgesamt eine Anzahl an alternativen Schaltzuständen durch Berücksichtigung der einzelnen Blöcke 12, 14, 16 statt durch Berücksichtigung sämtlicher Einzelmodule reduziert.In a first step of the embodiment of the method, the individual blocks 12 . 14 . 16 how to handle single modules with variable interior configuration. In this case, it is possible to apply known control and optimization methods which are otherwise applicable to a totality of all individual individual modules to the blocks now provided 12 . 14 . 16 apply. Resulting states of the interfaces 18 . 20 and properties of the blocks 12 . 14 . 16 are used in an iteration to determine the states of the individual modules in each block 12 . 14 . 16 passed on. It is provided that each block 12 . 14 . 16 with specifications for the interfaces 18 . 20 and separately treated and optimized taking into account parameters for participation in overall goals, thereby reducing a number of combinatorial possibilities for interconnecting the individual modules, since now only a smaller number of blocks 12 . 14 . 16 is to interconnect. Thus, a total of a number of alternative switching states by taking into account the individual blocks 12 . 14 . 16 reduced by taking into account all individual modules.

Der Anstieg der Zustandsalternativen steigt dadurch nicht mehr exponentiell sondern je nach Aufteilungsmodus zwischen schwach exponentiell und der Ordnung a·log(a) bei insgesamt a Einzelmodulen.As a result, the rise in state alternatives no longer increases exponentially, but according to each Distribution mode between weakly exponential and the order a · log (a) for a total of a single modules.

Bei der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die in 3 schematisch dargestellten Blöcke 12, 14, 16 ausgehend von dem ersten Aufteilungsmodus in einem weiteren Iterationsschritt gemäß einem weiteren Aufteilungsmodus selbst wieder in weitere Blöcke 22, 24, 26, 28, 30, 32 unterteilt, wobei in dem weiteren Aufteilungsmodus ausgehend von Block 12 ein erster weiterer Block 22 die Einzelmodule M(1), M(2) und ein zweiter weiterer Block 24 die Einzelmodule M(3), M(4), M(5) umfasst, wobei ausgehend von Block 14 ein dritter weiterer Block 26 die Einzelmodule M(6), M(7) und ein vierter weiterer Block 28 die Einzelmodule M(8), M(9) umfasst, und wobei ausgehend von Block 16 ein fünfter weiterer Block 30 die Einzelmodule M(10), M(11) und ein sechster weiterer Block 32 die Einzelmodule M(12), M(13) umfasst. Durch Aufteilen der ursprünglichen Blöcke 12, 14, 16 in die weiteren Blöcke 22, 24, 26, 28, 30, 32 ist eine bessere Balance sowie eine möglichst geringe Anzahl an alternativen Gesamtzuständen zu erreichen, wobei hierfür eine Iterationstiefe erhöht wird.In the second embodiment of the method according to the invention are in 3 schematically illustrated blocks 12 . 14 . 16 starting from the first division mode in a further iteration step according to another division mode itself again in other blocks 22 . 24 . 26 . 28 . 30 . 32 subdivided, in the further division mode starting from block 12 a first further block 22 the individual modules M (1) , M (2) and a second additional block 24 comprising the individual modules M (3) , M (4) , M (5) , starting from block 14 a third block 26 the individual modules M (6) , M (7) and a fourth further block 28 comprising the individual modules M (8) , M (9) , and starting from block 16 a fifth block further 30 the individual modules M (10) , M (11) and a sixth further block 32 comprising the individual modules M (12) , M (13) . By dividing the original blocks 12 . 14 . 16 in the other blocks 22 . 24 . 26 . 28 . 30 . 32 A better balance and the lowest possible number of alternative overall states is to be achieved, whereby an iteration depth is increased for this purpose.

Dabei werden die ursprünglichen b Blöcke 12, 14, 16 beim Übergang von dem ersten zu dem weiteren Aufteilungsmodus, d. h. beim Übergang der ersten Iterationsebene in die zweite Iterationsebene in die weiteren Blöcke 22, 24, 26, 28, 30, 32 zerlegt, bevor nach weiteren Schritten letztendlich eigentliche Zustände der Einzelmodule eines jeweiligen Blocks in einer untersten Iterationsebene festgelegt werden. Bei einer gleichmäßigen Teilung eines ursprünglichen Blocks 12, 14, 16 in mehrere Unterblöcke werden die ursprünglichen Blöcke 12, 14, 16 in eine größere Anzahl an weiteren Blöcken 22, 24, 26, 28, 30, 32 bzw. Unterblöcken unterteilt. Bei den Ausführungsformen des Verfahrens wird zwar die Anzahl der Einzelmodule konstant gehalten, aber aufgrund einer Veränderung der Anzahl an Blöcken bei dem Übergang zwischen den jeweils zwei Aufteilungsmodi mit unterschiedlichen Iterationstiefen wird eine Anzahl an Zuständen reduziert.This will be the original b blocks 12 . 14 . 16 in the transition from the first to the further division mode, ie when the first iteration level in the second iteration level in the other blocks 22 . 24 . 26 . 28 . 30 . 32 decomposes before finally determining, after further steps, actual states of the individual modules of a respective block in a lowest iteration level. With an even division of an original block 12 . 14 . 16 into several subblocks become the original blocks 12 . 14 . 16 into a larger number of additional blocks 22 . 24 . 26 . 28 . 30 . 32 or sub-blocks divided. Although the number of individual modules is kept constant in the embodiments of the method, a number of states are reduced due to a change in the number of blocks in the transition between the two distribution modes with different iteration depths.

Die 2 und 3 zeigen weiterhin ein Kontrollgerät 40, das dem Multilevelkonverter 10 zugeordnet und dazu ausgebildet ist, die Einzelmodule je nach vorgesehenem Aufteilungsmodus einem jeweiligen Block 12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32 zuzuordnen und mindestens einen Schritt einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zu steuern. Dabei ist dieses Kontrollgerät 40 als Komponente einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems vorgesehen.The 2 and 3 continue to show a recording device 40 that the multilevel converter 10 assigned and adapted to the individual modules depending on the intended distribution mode a respective block 12 . 14 . 16 . 22 . 24 . 26 . 28 . 30 . 32 to assign and control at least one step of an embodiment of the method according to the invention. Here is this control device 40 as a component of an embodiment of the system according to the invention.

In den 2 und 3 sind zwei aufeinanderfolgende bzw. übereinanderliegende Iterationsebenen gezeigt. In einer ersten Iterationsebene werden die hier 13 Einzelmodule des Multilevelkonverters 10, wie in 2 gezeigt, auf hier drei Blöcke 12, 14, 16 aufgeteilt. In einer zweiten Iterationsebene werden die drei Blöcke 12, 14, 16 jeweils auf zwei Blöcke 22, 24 bzw. 26, 28 bzw. 30, 32 aufgeteilt, wobei in der zweiten Iterationsebene sechs Blöcke 22, 24, 26, 28, 30, 32 bereitgestellt werden.In the 2 and 3 two consecutive or superposed iterations are shown. In a first iteration level, here are 13 individual modules of the multilevel converter 10 , as in 2 shown on here three blocks 12 . 14 . 16 divided up. In a second iteration level, the three blocks become 12 . 14 . 16 each on two blocks 22 . 24 respectively. 26 . 28 respectively. 30 . 32 split, where in the second iteration level six blocks 22 . 24 . 26 . 28 . 30 . 32 to be provided.

Bei einem Beispiel einer gleichmäßigen Aufteilung mit jeweils d Unterblöcken je Block von insgesamt b Blöcken werden in einer ersten Iterationsebene a Einzelmodule auf b Blöcke mit je a/b Einzelmodulen aufgeteilt, die in einer zweiten Iterationsebene wiederum auf b Unterblöcke mit je a/b2 Einzelmodulen aufgeteilt werden. Die Aufteilung beläuft sich in einer i-ten Iterationsebene folglich auf bi Blöcke mit je a/bi Einzelmodulen, insgesamt bi·a/bi = a Einzelmodule. Während sich die Gesamtzahl der Einzelmodule korrekterweise nicht ändert, sinkt die Zahl der Gesamtzustände allerdings stark. Wenn z die Anzahl möglicher Zustände je Einzelmodul ist, bspw. z = 5 Zustände für einen MMSPC, liegen durch die durchgeführte iterative Aufteilung der a Einzelmodule in b Blöcke statt za Zuständen nur noch

Figure DE102016109077A1_0002
Zustände vor.In an example of a uniform division with in each case d subblocks per block of a total of b blocks, in a first iteration level a individual modules are divided into b blocks with a / b individual modules, which in turn are subblocks with a / b 2 individual modules in a second iteration level be split. The distribution amounts in an i-th iteration consequently to b i blocks with a / b i individual modules, a total of b i · a / b i = a single module. While the total number of individual modules does not change correctly, the number of overall states decreases considerably. If z is the number of possible states per individual module, for example z = 5 states for an MMSPC, the carried out iterative division of the a individual modules into b blocks instead of z a states only
Figure DE102016109077A1_0002
Conditions before.

Bei der dritten Ausführungsform des Verfahrens werden, wie 4 schematisch zeigt, die im ersten Aufteilungsmodus vorliegenden ursprünglichen Blöcke 12, 14, 16 umstrukturiert und hierbei in ein und derselben Iterationsebene gemäß einem zweiten Aufteilungsmodus in neue, weitere Blöcke 34, 36, 38 aufgeteilt. Dabei ist beim Übergang zwischen den Aufteilungsmodi vorgesehen, dass ein fünftes Einzelmodul M(5) des ersten ursprünglichen Blocks 12 aus diesem entfernt und dem zweiten ursprünglichen Block 14 hinzugefügt wird. Dabei resultiert aus dem ersten ursprünglichen Block 12 gemäß dem ersten Aufteilungsmodus im nachfolgenden zweiten Aufteilungsmodus in derselben Iterationsebene ein weiterer Block 34 und aus dem zweiten ursprünglichen Block 14 gemäß dem ersten Aufteilungsmodus ein weiterer Block 36 im nachfolgenden zweiten Aufteilungsmodus derselben Iterationsebene. Der dritte ursprüngliche Block 16 wird hierbei in einen weiteren Block 38 überführt, wobei diese beiden Blöcke 16, 38 jedoch in beiden Aufteilungsmodi gleich aufgebaut sind.In the third embodiment of the method, as 4 schematically shows the original blocks present in the first division mode 12 . 14 . 16 restructured and here in one and the same iteration level according to a second division mode into new, additional blocks 34 . 36 . 38 divided up. It is provided at the transition between the division modes that a fifth individual module M (5) of the first original block 12 removed from this and the second original block 14 will be added. This results from the first original block 12 according to the first division mode in the subsequent second division mode in the same iteration level another block 34 and from the second original block 14 according to the first division mode another block 36 in the subsequent second split mode of the same iteration level. The third original block 16 this is in another block 38 transferred, these two blocks 16 . 38 however, they are the same in both distribution modes.

So ist es möglich, Einzelmodule zwischen einzelnen Blöcken 12, 14, 16 auszutauschen und die Blöcke 12, 14, 16 durch dynamisches Bilden der Blöcke 12, 14, 16 auszugleichen. Somit wird eine Zugehörigkeit von Einzelmodulen zu Blöcken 12, 14, 16 regelmäßig variiert, wodurch bspw. Ziele mit mittel- und längerfristigen Zeitskalen auszugleichen sind. Dies betrifft bspw. einen Ausgleich der elektrischen Ladung. Üblicherweise wird die Ladung der Energiespeicher der Einzelmodule innerhalb eines Blocks 12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38 durch eine entsprechende Regelung ausgeglichen. Im Rahmen des Verfahrens ist es nunmehr möglich, einen Transport und somit einen Ausgleich der Ladung zwischen den Blöcken 12, 14, 16 bzw. 34, 36, 38 durch regelmäßig gezielten oder zweckhaft zufälligen Austausch von Einzelmodulen einzelner Blöcke in einer Iterationsebene bspw. von den Blöcken 12, 14, 16 zu den Blöcken 34, 36, 38 untereinander zu erreichen. Hinsichtlich einer Erwärmung und/oder Alterung der Einzelmodule sind diese durch Bildung der Blöcke 12, 14, 16 bzw. 34, 36, 38 gleichmäßig zu steuern. Aufgrund einer zufälligen Durchmischung einer Zuordnung und damit auch einer Aufgabe der Blöcke 12, 14, 16 bzw. 34, 36, 38 ist für die Einzelmodule eine gleichmäßige Erwärmung sowie Abnutzung und/oder Alterung zu erreichen. Eine Zeitbasis einer Änderung einer Gruppierung der Einzelmodule zu Blöcken 12, 14, 16 bzw. 34, 36, 38 ist mindestens eine Größenordnung größer als eine Schaltrate der Einzelmodule innerhalb eines Blocks 12, 14, 16 bzw. 34, 36, 38.So it is possible to single modules between individual blocks 12 . 14 . 16 exchange and the blocks 12 . 14 . 16 by dynamically forming the blocks 12 . 14 . 16 compensate. Thus, an affiliation of individual modules to blocks 12 . 14 . 16 varies regularly, for example, which aims to compensate for medium and long-term time scales. This concerns, for example, a compensation of the electrical Charge. Usually, the charge of the energy storage of the individual modules within a block 12 . 14 . 16 . 22 . 24 . 26 . 28 . 30 . 32 . 34 . 36 . 38 compensated by an appropriate regulation. As part of the process, it is now possible to transport and thus a balance of the charge between the blocks 12 . 14 . 16 respectively. 34 . 36 . 38 by regularly targeted or purposefully random exchange of individual modules of individual blocks in an iteration level, for example. Of the blocks 12 . 14 . 16 to the blocks 34 . 36 . 38 to reach each other. With regard to heating and / or aging of the individual modules, these are formed by forming the blocks 12 . 14 . 16 respectively. 34 . 36 . 38 to control evenly. Due to a random mixing of an assignment and thus also a task of the blocks 12 . 14 . 16 respectively. 34 . 36 . 38 For the individual modules uniform heating, wear and / or aging can be achieved. A timebase of changing a grouping of the individual modules into blocks 12 . 14 . 16 respectively. 34 . 36 . 38 is at least one order of magnitude greater than a switching rate of the individual modules within a block 12 . 14 . 16 respectively. 34 . 36 . 38 ,

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Claims (12)

Verfahren zum Betreiben eines Multilevelkonverters (2, 10), der a Einzelmodule aufweist, wobei jedes Einzelmodul eine Mehrzahl an Schaltelementen und mindestens einen elektrischen Energiespeicher aufweist, wobei die a Einzelmodule in einer ersten Iterationsebene in mindestens einem Aufteilungsmodus zumindest temporär auf b Blöcke verteilt werden, wobei b < a ist, wobei jeder Block (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) mindestens ein Einzelmodul umfasst und als funktionale Einheit mit mindestens einem weiteren Block (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) verschaltet wird sowie unter Einbeziehung mindestens einer Schnittstelle (18, 20) zu dem mindestens einen weiteren Block (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) gesteuert und geregelt wird, wobei die von einem jeweiligen Block (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) umfassten c Einzelmodule, wobei a > c ≥ 1 ist, in mindestens einer zweiten Iterationsebene, falls c > 1, in mindestens einem weiteren Aufteilungsmodus zumindest temporär auf d Blöcke mit d < c verteilt werden.Method for operating a multilevel converter ( 2 . 10 ), comprising a single modules, each individual module having a plurality of switching elements and at least one electrical energy store, wherein the a individual modules are at least temporarily distributed in a first iteration level in at least one division mode to b blocks, where b <a, where each block ( 12 . 14 . 16 . 22 . 24 . 26 . 28 . 30 . 32 . 34 . 36 . 38 ) comprises at least one individual module and as a functional unit with at least one further block ( 12 . 14 . 16 . 22 . 24 . 26 . 28 . 30 . 32 . 34 . 36 . 38 ) and at least one interface ( 18 . 20 ) to the at least one further block ( 12 . 14 . 16 . 22 . 24 . 26 . 28 . 30 . 32 . 34 . 36 . 38 ) and controlled by a respective block ( 12 . 14 . 16 . 22 . 24 . 26 . 28 . 30 . 32 . 34 . 36 . 38 ) comprise c individual modules, where a> c ≥ 1, in at least one second iteration level, if c> 1, in at least one other division mode at least temporarily distributed to d blocks with d <c. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Aufteilung der den jeweiligen Blöcken (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) zugeordneten Einzelmodule in mehreren Iterationsebenen iterativ weiter fortgeführt wird.Method according to Claim 1, in which a division of the respective blocks ( 12 . 14 . 16 . 22 . 24 . 26 . 28 . 30 . 32 . 34 . 36 . 38 ) assigned individual modules in several iteration levels iteratively continues. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem mindestens ein Block (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) wie ein eigenständiger Konverter kontrolliert wird.Method according to Claim 1 or 2, in which at least one block ( 12 . 14 . 16 . 22 . 24 . 26 . 28 . 30 . 32 . 34 . 36 . 38 ) how a stand-alone converter is controlled. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 2, bei dem eine online-optimierende Regelungsstrategie durchgeführt wird, mit der zugleich eine ausgehende Spannung des modularen Multilevelkonverters (2, 10) geregelt wird, Leitungsverluste und Schaltverluste minimiert werden, und Energiespeicher, die auf mehrere Blöcke (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) verteilt und über die mindestens eine Schnittstelle (18, 20) verbunden sind, ausbalanciert werden.Method according to Claim 1, 2 or 2, in which an online-optimizing control strategy is carried out, with which at the same time an outgoing voltage of the modular multilevel converter ( 2 . 10 ), line losses and switching losses are minimized, and energy storage, which is spread over several blocks ( 12 . 14 . 16 . 22 . 24 . 26 . 28 . 30 . 32 . 34 . 36 . 38 ) and via the at least one interface ( 18 . 20 ) are balanced. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem eine Innenkonfiguration eines jeweiligen Blocks (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) variabel eingestellt wird, wobei ein Einzelmodul, das in einem ersten Aufteilungsmodus zunächst einem ersten Block (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) zugeordnet ist, diesem entnommen und in einem zweiten Aufteilungsmodus einem zweiten Block (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) zugeordnet wird, wobei das Einzelmodul bei einem Wechsel zwischen den Aufteilungsmodi zwischen zwei Blöcken (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) verschoben wird, wobei die Blöcke (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) durch Umgruppierung von Einzelmodulen dynamisch gebildet werden.Method according to one of the preceding claims, in which an internal configuration of a respective block ( 12 . 14 . 16 . 22 . 24 . 26 . 28 . 30 . 32 . 34 . 36 . 38 ) is variably set, wherein a single module, which in a first division mode first a first block ( 12 . 14 . 16 . 22 . 24 . 26 . 28 . 30 . 32 . 34 . 36 . 38 ) is taken from this and in a second division mode a second block ( 12 . 14 . 16 . 22 . 24 . 26 . 28 . 30 . 32 . 34 . 36 . 38 ), where the single module switches between the split modes between two blocks ( 12 . 14 . 16 . 22 . 24 . 26 . 28 . 30 . 32 . 34 . 36 . 38 ), the blocks ( 12 . 14 . 16 . 22 . 24 . 26 . 28 . 30 . 32 . 34 . 36 . 38 ) are formed dynamically by regrouping of individual modules. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem eine Schaltrate zum Ändern einer Zuordnung des Einzelmoduls zu den beiden Blöcken (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) bei dem Wechsel zwischen den Aufteilungsmodi um mindestens eine Größenordnung größer als eine Schaltrate des Einzelmoduls innerhalb eines jeweiligen Blocks (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) ist, so dass eine Zuordnung eines Einzelmoduls zu einem Block (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) seltener als eine Schaltung innerhalb des Einzelmoduls innerhalb des jeweiligen Blocks (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) variiert wird.Method according to Claim 5, in which a switching rate for changing an assignment of the individual module to the two blocks ( 12 . 14 . 16 . 22 . 24 . 26 . 28 . 30 . 32 . 34 . 36 . 38 ) at the change between the splitting modes by at least an order of magnitude greater than a switching rate of the single module within a respective block ( 12 . 14 . 16 . 22 . 24 . 26 . 28 . 30 . 32 . 34 . 36 . 38 ), so that an assignment of a single module to a block ( 12 . 14 . 16 . 22 . 24 . 26 . 28 . 30 . 32 . 34 . 36 . 38 ) less than one circuit within the single module within each block ( 12 . 14 . 16 . 22 . 24 . 26 . 28 . 30 . 32 . 34 . 36 . 38 ) is varied. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem ein Zustand mindestens eines Einzelmoduls in einem Block (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) derart gewählt wird, dass eine optimale Lösung von lokalen Zielfunktionen und Randbedingungen gegeben ist.Method according to one of the preceding claims, in which a state of at least one individual module in a block ( 12 . 14 . 16 . 22 . 24 . 26 . 28 . 30 . 32 . 34 . 36 . 38 ) is chosen such that an optimal solution of local target functions and constraints is given. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Randbedingungen dazu verwendet werden, eine Anzahl an Lösungen durch Eliminieren zahlreicher nicht relevanter Lösungen zügig zu beschränken.The method of claim 7, wherein the constraints are used to quickly limit a number of solutions by eliminating many non-relevant solutions. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem Zielfunktionen zur Ermittlung bester alternativer Lösungen evaluiert werden.Method according to Claim 7 or 8, in which objective functions for determining best alternative solutions are evaluated. System zum Betreiben eines modularen Multilevelkonverters (2, 10), der a Einzelmodule aufweist, wobei jedes Einzelmodul eine Mehrzahl an Schaltelementen und mindestens einen elektrischen Energiespeicher aufweist, wobei das System ein Kontrollgerät (40) aufweist, das dazu ausgebildet ist, die a Einzelmodule in einer ersten Iterationsebene in mindestens einem Aufteilungsmodus zumindest temporär auf b Blöcke (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) zu verteilen, wobei b < a ist, wobei jeder Block (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) mindestens ein Einzelmodul umfasst und von dem Kontrollgerät als funktionale Einheit mit mindestens einem weiteren Block (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) zu verschalten sowie unter Einbeziehung mindestens einer Schnittstelle zu dem mindestens einen weiteren Block (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) zu steuern und zu regeln ist, wobei die von einem jeweiligen Block (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) umfassten c Einzelmodule, wobei a > c ≥ 1 ist, in mindestens einer zweiten Iterationsebene, falls c > 1, in mindestens einem weiteren Aufteilungsmodus zumindest temporär auf d Blöcke mit d < c zu verteilen sind.System for operating a modular multilevel converter ( 2 . 10 ), which has a single modules, wherein each individual module has a plurality of switching elements and at least one electrical energy store, wherein the system is a control device ( 40 ), which is adapted to at least temporarily block the a individual modules in a first iteration level in at least one division mode to b blocks ( 12 . 14 . 16 . 22 . 24 . 26 . 28 . 30 . 32 . 34 . 36 . 38 ), where b <a, where each block ( 12 . 14 . 16 . 22 . 24 . 26 . 28 . 30 . 32 . 34 . 36 . 38 ) comprises at least one individual module and of the control device as a functional unit with at least one further block ( 12 . 14 . 16 . 22 . 24 . 26 . 28 . 30 . 32 . 34 . 36 . 38 ) and at least one interface to the at least one further block ( 12 . 14 . 16 . 22 . 24 . 26 . 28 . 30 . 32 . 34 . 36 . 38 ) is to control and regulate, whereby from of a respective block ( 12 . 14 . 16 . 22 . 24 . 26 . 28 . 30 . 32 . 34 . 36 . 38 ) comprised c individual modules, where a> c ≥ 1, in at least one second iteration level, if c> 1, in at least one other division mode at least temporarily to be distributed to d blocks with d <c. System nach Anspruch 10, bei dem das Kontrollgerät dazu konfiguriert ist, eine derartige Aufteilung der den jeweiligen Blöcken (12, 14, 16, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) zugeordneten Einzelmodule in mehreren Iterationsebenen iterativ weiter fortzuführen.The system of claim 10, wherein the controller is configured to have one Division of the respective blocks ( 12 . 14 . 16 . 22 . 24 . 26 . 28 . 30 . 32 . 34 . 36 . 38 ) assigned individual modules in several iteration levels continue iteratively. System nach Anspruch 10 oder 11, bei dem mit dem Kontrollgerät (40) mindestens ein Schritt eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zu kontrollieren ist.System according to claim 10 or 11, in which with the control device ( 40 ) at least one step of a method according to one of claims 1 to 9 is to control.
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