控制模块化转换器制造技术

用于控制具有多个转换器模块（12）的模块化转换器（10）的方法包括以下步骤：基于实际转换器开关状态选择转换器（10）的可能的未来开关序列，其中开关序列是具有至少一个转换器开关状态的一系列转换器开关状态并且转换器开关状态包括转换器模块的开关状态；基于实际内部电流和实际内部电压对于每个开关序列预测未来电流轨迹；从开关序列确定候选序列，其中候选序列是具有遵守关于参考电流的预定义界限的电流轨迹的开关序列，或在违反预定义界限时使所述电流移动更接近这样的预定义界限；基于相应候选序列的电流轨迹和实际模块电压对于每个候选序列预测未来模块电压；评估对于每个候选序列的成本函数，其中成本函数基于开关序列的转换器开关状态、未来模块电压和/或未来电流；以及选择下一个转换器开关状态作为具有最小成本的候选序列的第一转换器开关状态。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于控制模块化转换器的方法、用于控制模块化转换器的控制器和模块化转换器。
技术介绍
电转换器（特别地，中和高压领域中的）用于将具有第一频率和第一电压的第一电流转换成具有第二频率和第二电压的第二电流。已知许多类型的转换器，例如用于将AC转换到AC、AC转换到DC、DC转换到AC和DC转换到DC。通常，转换器包括用于在内部开关电流来产生期望的输出电流的高功率半导体。在模块化转换器中，这些功率半导体分布在转换器模块之中，这些转换器模块还可包括另外的部件，像对于半导体的控制器或用于将能量存储在转换器模块中的电容器。例如，M2LC拓扑已经在中和高压应用两者中变得普遍。M2LC转换器或模块化多级转换器包括转换器臂，其具有串联连接用于产生多级输出电压的转换器模块。在M2LC转换器中，转换器模块自身每个包括电容器。对M2LC转换器实现闭环控制的标准方法是将控制问题分成两个等级层。上层基于利用调制器的向量控制。向量控制方案在以某一角速度旋转的正交参考系中操作。通过操纵对调制器的电压参考，可以实现负载电流的闭环控制。典型地，基于载体的脉宽调制（PWM）或空间向量调制（SVM）用作调制器。转换器臂内的循环电流和/或能量平衡可通过添加额外的控制环而解决。下控制层利用转换器状态（例如，产生相同的线间电压的开关状态的组，和/或产生相同臂电压的开关状态的组）中的冗余以便平衡电容器电压。电容器电压按它们电压值的升/降序分类。对于充电电流，首先选择具有最低电压的电容器，并且相反，对于放电电流优选具有最高电压的电容器。<br>
技术实现思路
本专利技术的目的是提供用于控制模块化控制器的备选解决方案、减少模块化转换器的开关损耗、平衡电容器电压以及减少模块化转换器的输入和输出电流中的谐波。本专利技术的另外的目的是在稳态期间以及瞬态操作条件期间提供具有良好性能的控制方案。这些目的由独立权利要求的主题实现。另外的示范性实施例从从属权利要求和下列描述显而易见。本专利技术的方面涉及用于控制具有多个转换器模块的模块化转换器的方法。转换器模块可包括多个功率半导体并且可选地包括电容器或更一般地能量存储和/或能源。例如，功率半导体采用模块中的每个中的两个功率连接器在第一开关状态可短路并且在第二开关状态可连接到能量存储和/或能源这样的方式互连。方法包括以下步骤：选择可能的未来开关序列、对于每个开关序列预测未来电流轨迹、从开关序列确定候选序列、对于每个候选序列预测未来模块电压、评估对于每个候选序列的成本函数以及基于成本函数的结果选择下一个转换器开关状态。基于实际转换器开关状态选择转换器的可能未来开关序列，其中开关序列是具有至少一个转换器开关状态的一系列转换器开关状态并且转换器开关状态包括转换器模块的开关状态。对于每个开关序列的未来电流轨迹基于模块化转换器的实际内部电流以及模块化转换器的实际内部电压来预测。电流轨迹可以是负载电流、臂电流或循环电流的轨迹。在未来可对超过一个时间步骤预测未来电流轨迹。例如，实际内部电流包括臂电流和/或DC链路电流和/或循环电流，实际内部电压可包括相位电压和/或臂电压和/或DC链路电压。例如，基于转换器的内部状态-空间模型，对所有可容许开关序列预测例如负载电流、循环电流和/或电容器电压等关键系统变量的轨迹。候选序列从开关序列确定使得候选序列是具有遵守关于参考电流的预定义界限的电流轨迹的开关序列，或在违反预定义界限时使电流轨迹移动更接近该预定义界限。例如，负载电流可保持在围绕它的正弦参考的对称界限内。电流的总谐波失真可通过改变预定义界限的宽度而调整。总谐波失真与界限宽度之间的关系通常有效地是线性的。确定使负载电流保持在它们的界限内或使它们移动更接近界限（在违反界限时）的开关序列并且这些开关序列叫作候选。外推或扩展这些候选轨迹直到满足某一标准，例如滞后界限的违反。这时，可以考虑新的开关向量并且可以执行另一个外推步骤，等。对于每个候选序列的未来模块电压基于相应候选序列的电流轨迹和实际模块电压来预测。例如，从预测的电流和开关状态可计算转换器模块的输出之间和/或跨转换器模块的电容器的电压。对每个候选序列评估成本函数。成本函数基于开关序列的转换器开关状态、未来模块电压和/或未来电流。例如，成本函数的值可基于开关状态之间的开关数量和/或由开关序列的开关引起的开关损耗。一般，成本函数可包括预测的短期开关频率（或开关损耗）、电流界限的违反、电容器电压与它们参考的偏离、臂内电容器电压之间的失配，等。未来电流可以是对电流轨迹确定的内部电流和/或可以是未来负载电流。下一个转换器开关状态选为具有最小成本的候选序列的第一转换器开关状态。使成本函数最小化产生最佳开关向量。根据所谓的滚动时域策略，在下一个采样时刻，可获得新的测量或估计并且上文描述的优化过程可在移位时域内重复。利用所述方法，直接操纵开关状态。不需要中间级，例如调制器。方法以在线优化过程为特征以在不使用调制级的情况下确定未来控制输入以直接控制负载电流，并且提供很大的灵活性来应对各种系统目的。方法可在仅具有单个控制环的控制器中实现，同时考虑的电流保持在围绕它们参考的上下界限内。方法具有以下优势：在没有调制级的情况下的直接电流控制、负载电流的固定和控制纹波以及瞬态期间非常短的响应时间。在稳态，期望的权衡可由成本函数中的权重设置。此外，电容器电压可围绕它们的标称电压而平衡。在该情况下，存储在转换器中的能量可被控制，转换器模块的电压可同样受到抑制，臂电流可被优化，循环电流可减少，并且传导损耗降低。在稳态操作条件和对于指定负载电流失真，可实现最低可能开关频率。根据本专利技术的实施例，每个转换器模块具有确切两个功率连接器，其在半导体的第一开关状态短路并且在半导体的第二开关状态连接到能量存储和/或能源。根据本专利技术的实施例，成本函数基于两个连续转换器开关状态之间开关操作的数量。采用这样的方式，开关操作的数量可减少或最小化。根据本专利技术的实施例，成本函数基于转换器臂（其包括串联连接的至少两个转换器模块）的转换器模块的模块电压之间的差。采用这样的方式，电容器电压之间的差可最小化。根据本专利技术的实施例，成本函数基于模块电压与转换器输入处的供应电压之间的差。采用这样的方式，可对相位电压设置参考值并且围绕参考值的纹波可减少。根据本专利技术的另外的实施例，成本函数基于模块电压与转换器的供应电压除以每臂的模块数量之间的差。采用这样的方式，可对相位电压设置参考值并且围绕参考值的纹波可减少。根据本专利技术的实施例，成本函数基于对于相位的第一转换器臂的模块电压和与对于相同相位或不同相位的第二转换器臂的模块电压和之间的差。采用这样的方式，不同转换器臂的电容器电压中的不平衡可最小化。根据本专利技术的实施例，成本函数基于第一相位的模块电压和与第二相位的模块电压和之间的差。采用这样的方式，不同转换器相位的电容器电压中的不平衡可最小化。根据本专利技术的实施例，方法进一步包括以下步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于控制具有多个转换器模块（12）的模块化转换器（10）的方法，每个转换器模块（12）包括两个功率连接器、功率半导体和能量存储和/或能源，其中所述功率连接器在所述半导体的第一开关状态中短路并且在所述半导体的第二开关状态中连接到所述能量存储和/或能源，所述方法包括以下步骤：基于实际转换器开关状态选择所述转换器（10）的可能的未来开关序列，其中开关序列是具有至少一个转换器开关状态的一系列转换器开关状态并且转换器开关状态包括所述转换器模块的开关状态；基于实际内部电流和实际内部电压对于每个开关序列预测未来电流轨迹；从所述开关序列确定候选序列，其中候选序列是具有遵守关于参考电流的预定义界限的电流轨迹的开关序列，或在违反预定义界限时使所述电流轨迹移动更接近所述预定义界限；基于相应候选序列的电流轨迹和实际模块电压对于每个候选序列预测未来模块电压；评估对于每个候选序列的成本函数，其中所述成本函数基于所述开关序列的转换器开关状态、所述未来模块电压和/或未来电流；选择下一个转换器开关状态作为具有最小成本的候选序列的第一转换器开关状态。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.07.06 EP 12175409.7;2012.08.03 EP 12179163.61. 一种用于控制具有多个转换器模块（12）的模块化转换器（10）的方法，每个转换器模块（12）包括两个功率连接器、功率半导体和能量存储和/或能源，其中所述功率连接器在所述半导体的第一开关状态中短路并且在所述半导体的第二开关状态中连接到所述能量存储和/或能源，
所述方法包括以下步骤：
基于实际转换器开关状态选择所述转换器（10）的可能的未来开关序列，其中开关序列是具有至少一个转换器开关状态的一系列转换器开关状态并且转换器开关状态包括所述转换器模块的开关状态；
基于实际内部电流和实际内部电压对于每个开关序列预测未来电流轨迹；
从所述开关序列确定候选序列，其中候选序列是具有遵守关于参考电流的预定义界限的电流轨迹的开关序列，或在违反预定义界限时使所述电流轨迹移动更接近所述预定义界限；
基于相应候选序列的电流轨迹和实际模块电压对于每个候选序列预测未来模块电压；
评估对于每个候选序列的成本函数，其中所述成本函数基于所述开关序列的转换器开关状态、所述未来模块电压和/或未来电流；
选择下一个转换器开关状态作为具有最小成本的候选序列的第一转换器开关状态。
2. 如权利要求1所述的方法，
其中所述成本函数基于两个连续转换器开关状态之间的开关操作的数量。
3. 如权利要求1或2所述的方法，
其中所述成本函数基于转换器臂（14）的转换器模块（12）的模块电压之间的差，所述转换器臂（14）包括串联连接的至少两个转换器模块。
4. 如前述权利要求中的一项所述的方法，
其中所述成本函数基于模块电压与所述转换器（10）的输入处的供应电压之间的差。
5. 如前述权利要求中的一项所述的方法，
其中所述成本函数基于对于相位（16...

【专利技术属性】
技术研发人员：B辛格里亚，T格耶，
申请(专利权)人：ABB技术有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH