控制兩級的模塊化轉(zhuǎn)換器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于控制模塊化轉(zhuǎn)換器的方法、用于控制模塊化轉(zhuǎn)換器的控制器以及 具有這種控制器的模塊化轉(zhuǎn)換器。
【背景技術(shù)】
[0002] 模塊化轉(zhuǎn)換器并且特別是模塊化多級轉(zhuǎn)換器（M2LC)用于合成要提供給負(fù)載（例 如電機(jī)或電力網(wǎng)）的電壓。模塊化轉(zhuǎn)換器的模塊化結(jié)構(gòu)提供多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，例如模塊性、可縮放 性、高輸出電壓和低輸出電流失真。
[0003] 實(shí)現(xiàn)模塊化轉(zhuǎn)換器的閉環(huán)控制的一種標(biāo)準(zhǔn)方式是將控制問題分為兩個(gè)分級的上 和下級或?qū)?。上第一級可基于采用調(diào)制器的向量控制。向量控制方案可工作在dq參考幀。 通過操縱電壓參考（其被輸入到調(diào)制器），可實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流的閉環(huán)控制。例如，基于載波的 脈寬調(diào)制（PWM)或空間向量調(diào)制（SVM)可用于調(diào)制器中。轉(zhuǎn)換器支路中的循環(huán)電流和/或 能量平衡可通過添加附加控制回路來解決。
[0004] 下控制級利用轉(zhuǎn)換器級中的冗余度（即，產(chǎn)生相同線間電壓的開關(guān)狀態(tài)的編組）， 以便平衡電容器電壓。電容器電壓可按照其電壓值的升序/降序來分類。對于充電電流， 可首先選擇最有最低電壓的電容器，以及相反地，對放電電流可優(yōu)先考慮具有最高電壓的 電容器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的可以是簡化模塊化轉(zhuǎn)換器的控制器的形成，以便提供模塊化轉(zhuǎn)換器 的控制目標(biāo)中的更大靈活性，使模塊化轉(zhuǎn)換器的開關(guān)損耗為最小，和/或使模塊化轉(zhuǎn)換器 的控制器的響應(yīng)時(shí)間為最小。
[0006] 這些目的通過獨(dú)立權(quán)利要求的主題來實(shí)現(xiàn)。通過從屬權(quán)利要求和以下描述，其他 示范實(shí)施例是顯而易見的。
[0007] 本發(fā)明的一個(gè)方面涉及一種用于控制模塊化轉(zhuǎn)換器的方法。
[0008] 模塊化轉(zhuǎn)換器包括多個(gè)轉(zhuǎn)換器模塊，其可包括半導(dǎo)體開關(guān)和至少一個(gè)電容器。模 塊化轉(zhuǎn)換器適合于將至少一個(gè)輸入電壓轉(zhuǎn)換為要提供給負(fù)載的至少一個(gè)輸出電壓。例如， 模塊化轉(zhuǎn)換器可將電網(wǎng)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)、例如電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)連接，或者可互連兩個(gè)電力網(wǎng)。模 塊化轉(zhuǎn)換器可以是模塊化多級轉(zhuǎn)換器。模塊化轉(zhuǎn)換器可以是AC-DC轉(zhuǎn)換器、DC-AC轉(zhuǎn)換器 或者AC-AC轉(zhuǎn)換器。
[0009] 按照本發(fā)明的一實(shí)施例，用于控制轉(zhuǎn)換器的方法包括下列步驟：接收控制輸入?yún)?考向量、控制輸入向量和控制輸入?yún)?shù)向量；在第一控制級（或?qū)樱┲袕目刂戚斎雲(yún)⒖枷?量、控制輸入向量和控制輸入?yún)?shù)向量來確定控制輸出參考向量；以及在另外的控制級或 控制層中通過從控制輸出向量生成開關(guān)信號來控制轉(zhuǎn)換器模塊。不同控制級或控制層可在 不同控制器中實(shí)現(xiàn)。
[0010] 該控制方法可取代如上所述的向量控制方案。控制輸入?yún)⒖枷蛄浚?，輸入到?一控制級的參考向量）可以是電流參考向量，以及控制輸入向量可以是實(shí)際電流向量，其 可能從模塊化轉(zhuǎn)換器中的實(shí)際電流和/或電壓已經(jīng)估計(jì)或測量。
[0011] 必須注意，向量可以僅包含一個(gè)條目，即，向量可以僅包括某個(gè)值。但是，向量可包 含至少兩個(gè)條目。
[0012] 控制輸出參考向量（即，從第一控制級所輸出的參考向量）可以是電壓參考向量， 其被輸入到下一控制級（其可以是調(diào)制器）。換言之，由第一控制級所操縱的變量可以是調(diào) 制器的實(shí)值（電壓）參考。
[0013] 按照本發(fā)明的一實(shí)施例，控制輸出參考向量通過下列步驟來確定：采用轉(zhuǎn)換器的 預(yù)測模型來預(yù)測模塊化轉(zhuǎn)換器的至少一個(gè)將來狀態(tài)；相對目標(biāo)函數(shù)來優(yōu)化至少一個(gè)將來狀 態(tài)；以及從將來狀態(tài)來確定控制輸出參考向量。
[0014] 概括來說，第一控制級適合于預(yù)測模塊化轉(zhuǎn)換器（和可選的負(fù)載）的內(nèi)部狀態(tài)向 量以及控制輸出參考向量的演進(jìn)，并且適合于優(yōu)化控制輸出參考向量，使得將來狀態(tài)或者 其子集接近控制輸入?yún)⒖?，并且?shí)現(xiàn)其他控制目標(biāo)、例如最小開關(guān)工作量或者將某些變量 保持在某些限制之內(nèi)。這樣，可確定下一個(gè)控制輸出參考向量，從其中能夠得出下一個(gè)開關(guān) 狀態(tài)。
[0015] 預(yù)測模型可以是模塊化轉(zhuǎn)換器和可選的負(fù)載的數(shù)學(xué)模型，其在第一控制級中實(shí) 現(xiàn)。預(yù)測模型可適合于基于轉(zhuǎn)換器的實(shí)際狀態(tài)來計(jì)算轉(zhuǎn)換器的將來狀態(tài)。模塊化轉(zhuǎn)換器的 (實(shí)際和/或?qū)恚顟B(tài)可包括模塊化轉(zhuǎn)換器的電流值和/或電壓值。實(shí)際狀態(tài)可包括控 制輸入向量和控制輸入?yún)?shù)向量。將來狀態(tài)可包括控制輸入向量和控制輸入?yún)?shù)向量的演 進(jìn)。
[0016] 必須注意，預(yù)測模型的預(yù)測時(shí)域（prediction horizon)無需是一個(gè)時(shí)間步，而可 具有任何長度。預(yù)測模型可允許第一級使用任何長度的預(yù)測時(shí)域來預(yù)測控制動(dòng)作的系統(tǒng)響 應(yīng)。該模型可采取狀態(tài)-空間形式來給出。
[0017] 模塊化轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)可以是與模塊化轉(zhuǎn)換器（和可選的負(fù)載）中的電流和/或電 壓的演進(jìn)相關(guān)的量的任何向量。轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)或狀態(tài)向量可包括上和下支路電流和/或電 壓和DC鏈路電流和/或電壓、輸出電流和/或電壓以及循環(huán)電流中的至少一個(gè)。實(shí)際時(shí)間 步的所有這些電壓和/或電流可在模塊化轉(zhuǎn)換器中測量，或者可從其他量來估計(jì)。這些電 壓和/或電流可用于確定、估計(jì)和/或計(jì)算模塊化轉(zhuǎn)換器的將來狀態(tài)。
[0018] 目標(biāo)函數(shù)可以是在第一控制級所實(shí)現(xiàn)的實(shí)值的標(biāo)量函數(shù)。目標(biāo)函數(shù)可處罰時(shí)間步 的控制輸入?yún)⒖枷蛄颗c這個(gè)時(shí)間步的控制輸入向量的預(yù)測演進(jìn)之間的差。目標(biāo)函數(shù)可基于 與轉(zhuǎn)換器模塊的開關(guān)成本關(guān)聯(lián)的成本值。這樣，標(biāo)量值或性能指標(biāo)與預(yù)測控制動(dòng)作和對應(yīng) 預(yù)測系統(tǒng)響應(yīng)關(guān)聯(lián)。例如，可使用對操縱所命令支路電壓的懲罰以及對預(yù)測電流誤差（例 如，輸入電流參考向量與輸入電流向量的預(yù)測演進(jìn)之間的差）的懲罰。
[0019] 第一級可相對限制和預(yù)測模型的時(shí)間上的動(dòng)態(tài)演進(jìn)使目標(biāo)函數(shù)為最小。
[0020] 概括來說，在第一級，可預(yù)測模塊化轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)，這可產(chǎn)生控制動(dòng)作的最佳序 列。
[0021] 該方法的所有控制級可在模塊化轉(zhuǎn)換器的控制器中實(shí)現(xiàn)?？刂破骺蛇m合于操縱模 塊化轉(zhuǎn)換器的支路電壓，使得可實(shí)現(xiàn)如下控制目標(biāo)： 與控制輸入向量關(guān)聯(lián)的電流可沿其給定參考（與控制輸入?yún)⒖枷蛄筷P(guān)聯(lián)）來調(diào)節(jié)。 例如，可存在待調(diào)節(jié)的五個(gè)電流，假定具有負(fù)載的三相模塊化轉(zhuǎn)換器，其星形點(diǎn)沒有連接到 地。這五個(gè)電流可以是五個(gè)支路電流（第六支路電流取決于其他五個(gè)電流）或者兩個(gè)負(fù)載 電流加上三個(gè)循環(huán)電流。
[0022] 在包括負(fù)載電流參考的階躍變化并且在存在外部擾動(dòng)的瞬態(tài)工作條件期間，可實(shí) 現(xiàn)極短電流響應(yīng)時(shí)間。
[0023] 可施加和滿足對電流的限制，例如對支路、負(fù)載、循環(huán)和DC鏈路電流的上限和速 率限制。此外，對每個(gè)相臂，上和下命令支路電壓之和可小于DC鏈路電壓。可施加例如與 負(fù)載有關(guān)的對電壓和電流的附加限制。
[0024] 按照本發(fā)明的一實(shí)施例，控制輸入?yún)⒖枷蛄渴请娏鲄⒖枷蛄?，以及控制輸入向?是實(shí)際電流向量?？刂戚斎?yún)?shù)向量可以是實(shí)際電壓向量、即實(shí)際確定和/或測量的電壓 值的向量。控制輸出參考向量可以是電壓參考向量。該控制方法可以是通過操縱（支路） 電壓來控制電流的方法。
[0025] 按照本發(fā)明的一實(shí)施例，對將來的多個(gè)時(shí)間步、即對于具有超過一個(gè)時(shí)間步的長 度的預(yù)測時(shí)域，來預(yù)測將來狀態(tài)或?qū)頎顟B(tài)向量的序列。可從與下一個(gè)時(shí)間步關(guān)聯(lián)的下一 個(gè)將來狀態(tài)，例如通過求解基本數(shù)學(xué)優(yōu)化問題（其可以是二次程序（QP))，來確定控制輸出 參考向量。此外，滾動(dòng)時(shí)域（receding horizon)策略可用于確定下一個(gè)時(shí)間步的下一個(gè)控 制動(dòng)作。這可意味著，只有控制動(dòng)作的最佳序列的第一元素被實(shí)現(xiàn)、即用于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換器模塊 的開關(guān)。在下一個(gè)時(shí)間步，可得到新測量，并且可對移位預(yù)測時(shí)域再次求解優(yōu)化問題。
[0026] 按照本發(fā)明的一實(shí)施例，預(yù)測模型基于將某個(gè)時(shí)間步的電壓和/或電流與下一個(gè) 時(shí)間步的電壓和/或電流相關(guān)的線性方程。例如，方程可從模塊化轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浜突鶢柣?夫定律來得出。
[0027] 按照本發(fā)明的一實(shí)施例，預(yù)測模型包括轉(zhuǎn)換器模塊的模型和負(fù)載的模型。例如，預(yù) 測模型可對轉(zhuǎn)換器模塊的電容器來建模，并且可適合于預(yù)測電容器電壓的演進(jìn)。預(yù)測模型 可包括負(fù)載的模型，并且可適合預(yù)測負(fù)荷（電網(wǎng)）電壓的演進(jìn)。包括AC機(jī)器、具有濾波器 的負(fù)載、具有長電纜的負(fù)載、具有變壓器的負(fù)載等的高階負(fù)載系統(tǒng)的模型可包含在預(yù)測模 型中。
[0028] 按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該方法還包括下列步驟：通過借助于實(shí)際電流和/或 例如實(shí)際控制輸出向量、實(shí)際控制輸入?yún)⒖枷蛄亢蛯?shí)際控制輸入向量以預(yù)測下一個(gè)時(shí)間步 的電流和/或電壓、例如控制輸入?yún)⒖枷蛄亢涂刂戚斎胂蛄?，來補(bǔ)償控制輸出參考向量的 確定所引起的時(shí)間延遲。下一個(gè)控制動(dòng)作的計(jì)算通?；ㄙM(fèi)一個(gè)時(shí)間步的時(shí)間的大部分。通 過開始采用對下一個(gè)時(shí)間步所預(yù)測的電壓和/或電流的預(yù)測，可計(jì)算控制輸出參考向量， 使得在已經(jīng)開始預(yù)測的時(shí)間應(yīng)用控制動(dòng)作（即，開關(guān)命令）。
[0029] 按照本發(fā)明的一實(shí)施例，目標(biāo)函數(shù)使控制輸