[发明专利]控制模块化转换器

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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。

本发明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。