Das Projekt „Integration von Systemdienstleistungen in einen neuartigen Windkraftkonverter mit erhöhtem Wirkungsgrad“ wurde im Rahmen des deutschen Konsortiums „Next Generation Wind Converters for a more efficient operation and the provision of extended grid services“ durchgeführt. Zu dem Konsortium gehörten der Halbleiterhersteller Semikron, der ein neuartiges Modulationsschema lieferte, sowie weitere Industrie- und Forschungspartner, die Hardware, Simulationswerkzeuge und Feldtestanlagen beisteuerten. Die Arbeit wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie finanziert und erstreckte sich über mehrere Jahre. Sie gipfelte in der Inbetriebnahme eines Netzdemonstrators, der Hilfsdienste wie Voltage Ride-Through und Frequenzreaktion bereitstellen konnte.
Technisch gesehen konzentrierten sich die Bemühungen auf einen dreiphasigen, aktiven, neutralpunktgeklemmten (3L-ANPC) Konverter, der eine hohe Leistung liefern kann und gleichzeitig eine schnelle Stromregelung und eine geringe Stromwelligkeit bietet. Die Architektur des Konverters, die als M2C bezeichnet wird, erfordert eine große Anzahl von Komponenten und eine ausgeklügelte Steuerstrategie, die die Durchsetzung der Symmetrie, die Strom- und Spannungsregelung und den Resonanzbetrieb umfasst. Im Vergleich zu anderen Topologien erreicht der M2C die geringste Stromwelligkeit (außer bei verschachtelten Synchronwandlern mit einem Tastverhältnis von 1/3, 1/2 oder 2/3) und eine sehr schnelle Stromantwort. Der Konverter ist nicht isoliert, hält aber auch kein festes Potential aufrecht und seine Leistung wird durch einen Nulldurchgang in jeder Schaltperiode begrenzt, was bei Wechselstromvariablen eine hohe Restwelligkeit verursacht.
Eine Schlüsselinnovation war die Verwendung beider Neutralpunktschalter (N-Pfad) während des Nullzustands des Konverters. Das Modulationsschema von Semikron vermeidet eine lange Kommutierung, indem es den zweiten N-Pfad nach einer kontrollierten Totzeit einschaltet und so den Laststrom und die damit verbundenen Leitungsverluste auf mehrere IGBTs und Dioden aufteilt. Die Stromkurven aus der Simulation zeigen eine deutliche Reduzierung der Spitzenströme bei der Doppel-N-Pfad-Modulation im Vergleich zur herkömmlichen Hochfrequenz-Niederfrequenz (HFLF) PWM. Tabelle 7 in dem Bericht dokumentiert, wie sich der Modulationsindex, der Ausgangsstrom und der Leistungsfaktor für verschiedene Betriebspunkte wie Normalbetrieb, Frequenzänderungsereignisse (RoCoF), Phasenwinkelsprünge, Niederspannungs-Ride-Through (LVRT), Hochspannungs-Ride-Through (HVRT) und Kurzschlussbedingungen ändern. Die Doppel-N-Pfad-Strategie ist am effektivsten bei niedriger Ausgangsspannung, niedrigem Leistungsfaktor und hohem Strom, wo die Dauer des Nullzustands am längsten ist.
Das Simulationsmodell (Abbildung 18) verwendet einen analytischen Ausdruck für die Schaltverluste, der auf Messdaten des GAP 3-Moduls basiert. Die Sperrschichttemperaturen der IGBTs und Dioden wurden für eine Reihe von Bedingungen berechnet: Ausgangsspannung bei 10 % des Nennwerts, Laststrom bis zu 2700 A und variierender cos φ. Die Ergebnisse (Abbildung 19) zeigen eine deutliche Reduzierung der Spitzentemperaturen für die inneren Bauteile, wenn die Doppel-N-Pfad-Modulation angewendet wird. Es wurde festgestellt, dass sich die Leitungsverluste auf die beiden N-Pfade aufteilen, wodurch sich der Gesamtverlust jedes Bauelements verringert; die Schaltverluste änderten sich nur geringfügig. Der Gesamtphasenverlust war am geringsten, wenn der Konverter bei niedriger Spannung, niedrigem Leistungsfaktor und hohem Strom betrieben wurde, was die erwarteten Effizienzgewinne bestätigt.
Die Analyse ergab auch, dass sich der Strom im Null-Zustand über 100-150 µs aufteilt. Wenn die Einschaltzeit kürzer ist, ist der Vorteil des Doppel-N-Pfads begrenzt. Daher wurde die Schaltfrequenz auf maximal 6 kHz begrenzt, um eine angemessene Stromaufteilung zu gewährleisten. Diese Frequenzbegrenzung schafft ein Gleichgewicht zwischen der Notwendigkeit einer schnellen dynamischen Reaktion und den thermischen und verlustbedingten Vorteilen des Doppel-N-Pfads.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Projekt gezeigt hat, dass ein 3L-ANPC-Wandler, der mit einem Dual-N-Pfad-Modulationsschema ausgestattet ist, eine niedrige Stromwelligkeit, eine schnelle Stromregelung und reduzierte Leitungsverluste erreichen kann, insbesondere bei Betriebspunkten mit niedrigen Spannungen und hohen Strömen. Die Zusammenarbeit zwischen Semikron und den Konsortialpartnern, die durch Bundesmittel unterstützt wurde, führte zu einem Demonstrator, der in der Lage ist, fortschrittliche Netzdienstleistungen zu erbringen und gleichzeitig die Effizienz der Konverter zu verbessern.