控制兩級的模塊化轉換器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于控制模塊化轉換器的方法、用于控制模塊化轉換器的控制器以及 具有這種控制器的模塊化轉換器。
【背景技術】
[0002] 模塊化轉換器并且特別是模塊化多級轉換器（M2LC)用于合成要提供給負載（例 如電機或電力網(wǎng)）的電壓。模塊化轉換器的模塊化結構提供多個優(yōu)點，例如模塊性、可縮放 性、高輸出電壓和低輸出電流失真。
[0003] 實現(xiàn)模塊化轉換器的閉環(huán)控制的一種標準方式是將控制問題分為兩個分級的上 和下級或層。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），可實現(xiàn)負載電流的閉環(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] 下控制級利用轉換器級中的冗余度（即，產(chǎn)生相同線間電壓的開關狀態(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換器的控制器的形成，以便提供模塊化轉換器 的控制目標中的更大靈活性，使模塊化轉換器的開關損耗為最小，和/或使模塊化轉換器 的控制器的響應時間為最小。
[0006] 這些目的通過獨立權利要求的主題來實現(xiàn)。通過從屬權利要求和以下描述，其他 示范實施例是顯而易見的。
[0007] 本發(fā)明的一個方面涉及一種用于控制模塊化轉換器的方法。
[0008] 模塊化轉換器包括多個轉換器模塊，其可包括半導體開關和至少一個電容器。模 塊化轉換器適合于將至少一個輸入電壓轉換為要提供給負載的至少一個輸出電壓。例如， 模塊化轉換器可將電網(wǎng)與旋轉電機、例如電動機或發(fā)電機連接，或者可互連兩個電力網(wǎng)。模 塊化轉換器可以是模塊化多級轉換器。模塊化轉換器可以是AC-DC轉換器、DC-AC轉換器 或者AC-AC轉換器。
[0009] 按照本發(fā)明的一實施例，用于控制轉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（或層）中從控制輸入?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信號來控制轉換器模塊。不同控制級或控制層可在 不同控制器中實現(xiàn)。
[0010] 該控制方法可取代如上所述的向量控制方案?？刂戚斎?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際電流向量，其 可能從模塊化轉換器中的實際電流和/或電壓已經(jīng)估計或測量。
[0011] 必須注意，向量可以僅包含一個條目，即，向量可以僅包括某個值。但是，向量可包 含至少兩個條目。
[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) 制器的實值（電壓）參考。
[0013] 按照本發(fā)明的一實施例，控制輸出參考向量通過下列步驟來確定：采用轉換器的 預測模型來預測模塊化轉換器的至少一個將來狀態(tài)；相對目標函數(shù)來優(yōu)化至少一個將來狀 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測模塊化轉換器（和可選的負載）的內(nèi)部狀態(tài)向 量以及控制輸出參考向量的演進，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?，并且實現(xiàn)其他控制目標、例如最小開關工作量或者將某些變量 保持在某些限制之內(nèi)。這樣，可確定下一個控制輸出參考向量，從其中能夠得出下一個開關 狀態(tài)。
[0015] 預測模型可以是模塊化轉換器和可選的負載的數(shù)學模型，其在第一控制級中實 現(xiàn)。預測模型可適合于基于轉換器的實際狀態(tài)來計算轉換器的將來狀態(tài)。模塊化轉換器的 (實際和/或將來）狀態(tài)可包括模塊化轉換器的電流值和/或電壓值。實際狀態(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。
[0016] 必須注意，預測模型的預測時域（prediction horizon)無需是一個時間步，而可 具有任何長度。預測模型可允許第一級使用任何長度的預測時域來預測控制動作的系統(tǒng)響 應。該模型可采取狀態(tài)-空間形式來給出。
[0017] 模塊化轉換器的狀態(tài)可以是與模塊化轉換器（和可選的負載）中的電流和/或電 壓的演進相關的量的任何向量。轉換器的狀態(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。實際時間 步的所有這些電壓和/或電流可在模塊化轉換器中測量，或者可從其他量來估計。這些電 壓和/或電流可用于確定、估計和/或計算模塊化轉換器的將來狀態(tài)。
[0018] 目標函數(shù)可以是在第一控制級所實現(xiàn)的實值的標量函數(shù)。目標函數(shù)可處罰時間步 的控制輸入?yún)⒖枷蛄颗c這個時間步的控制輸入向量的預測演進之間的差。目標函數(shù)可基于 與轉換器模塊的開關成本關聯(lián)的成本值。這樣，標量值或性能指標與預測控制動作和對應 預測系統(tǒng)響應關聯(lián)。例如，可使用對操縱所命令支路電壓的懲罰以及對預測電流誤差（例 如，輸入電流參考向量與輸入電流向量的預測演進之間的差）的懲罰。
[0019] 第一級可相對限制和預測模型的時間上的動態(tài)演進使目標函數(shù)為最小。
[0020] 概括來說，在第一級，可預測模塊化轉換器的動態(tài)，這可產(chǎn)生控制動作的最佳序 列。
[0021] 該方法的所有控制級可在模塊化轉換器的控制器中實現(xiàn)?？刂破骺蛇m合于操縱模 塊化轉換器的支路電壓，使得可實現(xiàn)如下控制目標： 與控制輸入向量關聯(lián)的電流可沿其給定參考（與控制輸入?yún)⒖枷蛄筷P聯(lián)）來調(diào)節(jié)。 例如，可存在待調(diào)節(jié)的五個電流，假定具有負載的三相模塊化轉換器，其星形點沒有連接到 地。這五個電流可以是五個支路電流（第六支路電流取決于其他五個電流）或者兩個負載 電流加上三個循環(huán)電流。
[0022] 在包括負載電流參考的階躍變化并且在存在外部擾動的瞬態(tài)工作條件期間，可實 現(xiàn)極短電流響應時間。
[0023] 可施加和滿足對電流的限制，例如對支路、負載、循環(huán)和DC鏈路電流的上限和速 率限制。此外，對每個相臂，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 負載有關的對電壓和電流的附加限制。
[0024] 按照本發(fā)明的一實施例，控制輸入?yún)⒖枷蛄渴请娏鲄⒖枷蛄?，以及控制輸入向?是實際電流向量?？刂戚斎?yún)?shù)向量可以是實際電壓向量、即實際確定和/或測量的電壓 值的向量?？刂戚敵鰠⒖枷蛄靠梢允请妷簠⒖枷蛄?。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)明的一實施例，對將來的多個時間步、即對于具有超過一個時間步的長 度的預測時域，來預測將來狀態(tài)或將來狀態(tài)向量的序列?？蓮呐c下一個時間步關聯(lián)的下一 個將來狀態(tài)，例如通過求解基本數(shù)學優(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，滾動時域（receding horizon)策略可用于確定下一個時間步的下一個控 制動作。這可意味著，只有控制動作的最佳序列的第一元素被實現(xiàn)、即用于驅動轉換器模塊 的開關。在下一個時間步，可得到新測量，并且可對移位預測時域再次求解優(yōu)化問題。
[0026] 按照本發(fā)明的一實施例，預測模型基于將某個時間步的電壓和/或電流與下一個 時間步的電壓和/或電流相關的線性方程。例如，方程可從模塊化轉換器的拓撲和基爾霍 夫定律來得出。
[0027] 按照本發(fā)明的一實施例，預測模型包括轉換器模塊的模型和負載的模型。例如，預 測模型可對轉換器模塊的電容器來建模，并且可適合于預測電容器電壓的演進。預測模型 可包括負載的模型，并且可適合預測負荷（電網(wǎng)）電壓的演進。包括AC機器、具有濾波器 的負載、具有長電纜的負載、具有變壓器的負載等的高階負載系統(tǒng)的模型可包含在預測模 型中。
[0028] 按照本發(fā)明的一個實施例，該方法還包括下列步驟：通過借助于實際電流和/或 例如實際控制輸出向量、實際控制輸入?yún)⒖枷蛄亢蛯嶋H控制輸入向量以預測下一個時間步 的電流和/或電壓、例如控制輸入?yún)⒖枷蛄亢涂刂戚斎胂蛄?，來補償控制輸出參考向量的 確定所引起的時間延遲。下一個控制動作的計算通?；ㄙM一個時間步的時間的大部分。通 過開始采用對下一個時間步所預測的電壓和/或電流的預測，可計算控制輸出參考向量， 使得在已經(jīng)開始預測的時間應用控制動作（即，開關命令）。
[0029] 按照本發(fā)明的一實施例，目標函數(shù)使控制輸