CN104584414B - 控制两级的模块化转换器 - Google Patents

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Abstract

模块化转换器包括适合于将输入电压转换为要提供给负载(16)的输出电压的多个转换器模块(22)。一种用于控制模块化转换器(10)的方法包括下列步骤：接收控制输入参考向量(48)、控制输入向量(50)和控制输入参数向量(51)；在第一控制级(42)中从控制输入参考向量(48)、控制输入向量(50)和控制输入参数向量(51)来确定控制输出参考向量(52)；以及在另外的控制级(46)中通过基于控制输出向量(52)生成开关信号(56)来控制转换器模块(22)。控制输出参考向量(52)通过下列步骤来确定：采用模块化转换器(10)的预测模型(80)来预测模块化转换器(10)的至少一个将来状态(96)，其中预测模型(80)适合于基于转换器的实际状态(94)、包括模块化转换器(10)的电流值和/或电压值的模块化转换器(10)的状态来计算模块化转换器(10)的将来状态；相对目标函数来优化至少一个将来状态(96)，其中目标函数基于与转换器模块(22)的开关成本关联的成本值；以及从将来状态(96)来确定控制输出参考向量(52)。

Description

控制两级的模块化转换器
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以及具有这种控制器的模块化转换器。
背景技术
模块化转换器并且特别是模块化多级转换器(M2LC)用于合成要提供给负载(例如电机或电力网)的电压。模块化转换器的模块化结构提供多个优点，例如模块性、可缩放性、高输出电压和低输出电流失真。
实现模块化转换器的闭环控制的一种标准方式是将控制问题分为两个分级的上和下级或层。上第一级可基于采用调制器的向量控制。向量控制方案可工作在dq参考帧。通过操纵电压参考(其被输入到调制器)，可实现负载电流的闭环控制。例如，基于载波的脉宽调制(PWM)或空间向量调制(SVM)可用于调制器中。转换器支路中的循环电流和/或能量平衡可通过添加附加控制回路来解决。
下控制级利用转换器级中的冗余度(即，产生相同线间电压的开关状态的编组)，以便平衡电容器电压。电容器电压可按照其电压值的升序/降序来分类。对于充电电流，可首先选择最有最低电压的电容器，以及相反地，对放电电流可优先考虑具有最高电压的电容器。
发明内容
本发明的目的可以是简化模块化转换器的控制器的形成，以便提供模块化转换器的控制目标中的更大灵活性，使模块化转换器的开关损耗为最小，和/或使模块化转换器的控制器的响应时间为最小。
这些目的通过独立权利要求的主题来实现。通过从属权利要求和以下描述，其他示范实施例是显而易见的。
本发明的一个方面涉及一种用于控制模块化转换器的方法。
模块化转换器包括多个转换器模块，其可包括半导体开关和至少一个电容器。模块化转换器适合于将至少一个输入电压转换为要提供给负载的至少一个输出电压。例如，模块化转换器可将电网与旋转电机、例如电动机或发电机连接，或者可互连两个电力网。模块化转换器可以是模块化多级转换器。模块化转换器可以是AC-DC转换器、DC-AC转换器或者AC-AC转换器。
按照本发明的一实施例，用于控制转换器的方法包括下列步骤：接收控制输入参考向量、控制输入向量和控制输入参数向量；在第一控制级(或层)中从控制输入参考向量、控制输入向量和控制输入参数向量来确定控制输出参考向量；以及在另外的控制级或控制层中通过从控制输出向量生成开关信号来控制转换器模块。不同控制级或控制层可在不同控制器中实现。
该控制方法可取代如上所述的向量控制方案。控制输入参考向量(即，输入到第一控制级的参考向量)可以是电流参考向量，以及控制输入向量可以是实际电流向量，其可能从模块化转换器中的实际电流和/或电压已经估计或测量。
必须注意，向量可以仅包含一个条目，即，向量可以仅包括某个值。但是，向量可包含至少两个条目。
控制输出参考向量(即，从第一控制级所输出的参考向量)可以是电压参考向量，其被输入到下一控制级(其可以是调制器)。换言之，由第一控制级所操纵的变量可以是调制器的实值(电压)参考。
按照本发明的一实施例，控制输出参考向量通过下列步骤来确定：采用转换器的预测模型来预测模块化转换器的至少一个将来状态；相对目标函数来优化至少一个将来状态；以及从将来状态来确定控制输出参考向量。
概括来说，第一控制级适合于预测模块化转换器(和可选的负载)的内部状态向量以及控制输出参考向量的演进，并且适合于优化控制输出参考向量，使得将来状态或者其子集接近控制输入参考，并且实现其他控制目标、例如最小开关工作量或者将某些变量保持在某些限制之内。这样，可确定下一个控制输出参考向量，从其中能够得出下一个开关状态。
预测模型可以是模块化转换器和可选的负载的数学模型，其在第一控制级中实现。预测模型可适合于基于转换器的实际状态来计算转换器的将来状态。模块化转换器的(实际和/或将来)状态可包括模块化转换器的电流值和/或电压值。实际状态可包括控制输入向量和控制输入参数向量。将来状态可包括控制输入向量和控制输入参数向量的演进。
必须注意，预测模型的预测时域（prediction horizon）无需是一个时间步，而可具有任何长度。预测模型可允许第一级使用任何长度的预测时域来预测控制动作的***响应。该模型可采取状态-空间形式来给出。
模块化转换器的状态可以是与模块化转换器(和可选的负载)中的电流和/或电压的演进相关的量的任何向量。转换器的状态或状态向量可包括上和下支路电流和/或电压和DC链路电流和/或电压、输出电流和/或电压以及循环电流中的至少一个。实际时间步的所有这些电压和/或电流可在模块化转换器中测量，或者可从其他量来估计。这些电压和/或电流可用于确定、估计和/或计算模块化转换器的将来状态。
目标函数可以是在第一控制级所实现的实值的标量函数。目标函数可处罚时间步的控制输入参考向量与这个时间步的控制输入向量的预测演进之间的差。目标函数可基于与转换器模块的开关成本关联的成本值。这样，标量值或性能指标与预测控制动作和对应预测***响应关联。例如，可使用对操纵所命令支路电压的惩罚以及对预测电流误差(例如，输入电流参考向量与输入电流向量的预测演进之间的差)的惩罚。
第一级可相对限制和预测模型的时间上的动态演进使目标函数为最小。
概括来说，在第一级，可预测模块化转换器的动态，这可产生控制动作的最佳序列。
该方法的所有控制级可在模块化转换器的控制器中实现。控制器可适合于操纵模块化转换器的支路电压，使得可实现如下控制目标：
与控制输入向量关联的电流可沿其给定参考(与控制输入参考向量关联)来调节。例如，可存在待调节的五个电流，假定具有负载的三相模块化转换器，其星形点没有连接到地。这五个电流可以是五个支路电流(第六支路电流取决于其他五个电流)或者两个负载电流加上三个循环电流。
在包括负载电流参考的阶跃变化并且在存在外部扰动的瞬态工作条件期间，可实现极短电流响应时间。
可施加和满足对电流的限制，例如对支路、负载、循环和DC链路电流的上限和速率限制。此外，对每个相臂，上和下命令支路电压之和可小于DC链路电压。可施加例如与负载有关的对电压和电流的附加限制。
按照本发明的一实施例，控制输入参考向量是电流参考向量，以及控制输入向量是实际电流向量。控制输入参数向量可以是实际电压向量、即实际确定和/或测量的电压值的向量。控制输出参考向量可以是电压参考向量。该控制方法可以是通过操纵(支路)电压来控制电流的方法。
按照本发明的一实施例，对将来的多个时间步、即对于具有超过一个时间步的长度的预测时域，来预测将来状态或将来状态向量的序列。可从与下一个时间步关联的下一个将来状态，例如通过求解基本数学优化问题(其可以是二次程序(QP))，来确定控制输出参考向量。此外，滚动时域（receding horizon）策略可用于确定下一个时间步的下一个控制动作。这可意味着，只有控制动作的最佳序列的第一元素被实现、即用于驱动转换器模块的开关。在下一个时间步，可得到新测量，并且可对移位预测时域再次求解优化问题。
按照本发明的一实施例，预测模型基于将某个时间步的电压和/或电流与下一个时间步的电压和/或电流相关的线性方程。例如，方程可从模块化转换器的拓扑和基尔霍夫定律来得出。
按照本发明的一实施例，预测模型包括转换器模块的模型和负载的模型。例如，预测模型可对转换器模块的电容器来建模，并且可适合于预测电容器电压的演进。预测模型可包括负载的模型，并且可适合预测负荷(电网)电压的演进。包括AC机器、具有滤波器的负载、具有长电缆的负载、具有变压器的负载等的高阶负载***的模型可包含在预测模型中。
按照本发明的一个实施例，该方法还包括下列步骤：通过借助于实际电流和/或例如实际控制输出向量、实际控制输入参考向量和实际控制输入向量以预测下一个时间步的电流和/或电压、例如控制输入参考向量和控制输入向量，来补偿控制输出参考向量的确定所引起的时间延迟。下一个控制动作的计算通常花费一个时间步的时间的大部分。通过开始采用对下一个时间步所预测的电压和/或电流的预测，可计算控制输出参考向量，使得在已经开始预测的时间应用控制动作(即，开关命令)。
按照本发明的一实施例，目标函数使控制输出参考向量的演进随时间的变化为最小。例如，在控制输出参考向量包括电压的情况下，目标函数使这些电压的演进随时间的电压变化为最小。例如，目标函数可包括某个项，其中将范数应用于两个连续控制输出参考向量之间的差。
按照本发明的一实施例，目标函数基于二次范数。这样，电流和/或电压向量的分量可按不同方式来加权。例如，控制输入向量可包括支路电流和循环电流，其可采用不同权重来加权。在这种情况下，求解预测模型可引起二次编程问题。
按照本发明的一实施例，目标函数基于线性范数。在这种情况下，求解预测模型可引起线性编程问题，其可快速求解。
按照本发明的一个实施例，该方法还包括下列步骤：采用调制器在第二控制级中从控制输出参考向量来确定电压向量；以及在第三控制级中通过从电压向量生成开关信号，来控制转换器模块。控制方法可应用于具有调制器的模块化AC-DC、DC-AC和AC-AC转换器中。
按照本发明的一个实施例，该方法还包括下列步骤：通过从舍入控制输出参考向量生成开关信号，来控制转换器模块。输入到第三控制级的电压参考向量可通过仅舍入输出参考向量(例如电压参考向量)来生成。这样，开关信号可无需调制器而直接从输出参考向量来生成。
对于模块化多级转换器，每个支路的转换器模块的数量可以很高。总支路电压可定义为连接到支路的模块电容器的电容器电压之和，其然后可近似为实值而不是离散的。
在这种模块化多级转换器中，模块化多级转换器的各转换器模块包括两个电源连接器、至少两个功率半导体和电容器，其中电源连接器在功率半导体的第一开关状态中短接，并且在功率半导体的第二开关状态中连接到电容器。
在模块化多级转换器的支路中，转换器模块通过其电源连接器串联连接。
按照本发明的一个实施例，该方法还包括下列步骤：检测具有故障的转换器模块；短接所检测的转换器模块；以及从预测模型中去除短接的转换器模型。该控制方法可在模块化转换器的拓扑发生变化时使用预测模型的自动重新配置。
例如，可实时地监测模块化转换器的转换器模块和/或负载。如果转换器模块出故障并且其端子被短接以使它旁路，则可自动更新可用的转换器模块的数量，并且可相应地调整控制器的内部预测模型。因此，控制方法可考虑一些模块可能被短接的事实，并且可使用开关动作，其在转换器的物理限制之内补偿这些短接模块。类似地，如果故障、扰动和/或不平衡等在负载处发生，则预测模型也相应地更新，并且控制器对此进行补偿。
本发明的另一方面涉及一种用于控制模块化转换器的控制器，其适合执行控制方法的第一级。
例如，控制方法可在包括DSP、FPGA、CPU和处理器核心的任何计算硬件上实现。控制方法的另一级也可在独立控制器中实现。
按照本发明的一实施例，该控制器适合执行下列步骤：采用模块化转换器的预测模型来预测模块化转换器的至少一个将来状态，其中预测模型适合于基于转换器的实际状态、包括模块化转换器和/或负载的电流值和/或电压值的模块化转换器的状态来计算模块化转换器的将来状态；相对目标函数来优化至少一个将来状态，具体服从预测模型的限制和动态演进，其中目标函数基于与模块化转换器的转换器模块的开关成本或开关工作量关联的成本值；以及从将来状态来确定控制输出参考向量。
本发明的另一方面涉及一种计算机程序，其在由处理器运行时适合执行控制器适合执行的方法的步骤和/或如上文和下文所述的方法的步骤。本发明的另一方面涉及一种其上存储这种计算机程序的计算机可读介质。
计算机可读介质可以是软盘、硬盘、USB(通用串行总线)存储装置、RAM(随机存取存储器)、ROM(只读存储器)和EPROM(电可擦可编程只读存储器)。计算机可读介质也可以是允许下载程序代码的数据通信网络、如因特网。
本发明的另一方面涉及一种用于为负载提供电压和/或电流的模块化转换器。
按照本发明的一实施例，该转换器包括：多个转换器模块，其中包括半导体开关和电容器；第一控制器，如用于执行如上文和下文所述的控制方法的第一级，第一控制器生成控制输出参考向量；以及另外的控制器，用于基于控制输出参考向量来生成转换器模块的开关信号。
按照本发明的一实施例，模块化转换器是模块化多级转换器。
必须理解，如上文和下文所述的方法的特征可以是如上文和下文所述的控制器和/或模块化转换器的特征。
概括来说，描述用于控制模块化转换器的方法和控制器，其可使用模型预测控制(MPC)的概念。该控制器可被看作是模型预测电流控制器(MPCC)，其可适合于通过操纵总(连续取值)支路电压、围绕其给定参考来调节支路、相位和/或循环电流。上电流限制以及速率限制可通过MPC方法来解决。电流参考可由外环来提供。调制器可用来将支路电压命令转化成整数，其表示被接通的每支路的模块数量。后续平衡方法可用来围绕其参考来保持电容器电压，以及判定被接通和关断的单独模块。
所提出的MPC方法可用来解决每个转换器支路具有大量转换器模块的模块化多级转换器的电流控制问题。控制器可在瞬变期间达到极短响应时间，并且可以仅要求适度计算能力。MPC方法可用来为驱动AC旋转机器的模块化多级转换器提供快速转矩控制。
该方法可用于模块化多级转换器的所有应用，包括变速驱动器、高压直流传输、灵活AC传输***、静态同步补偿器、电池能量存储***或光伏模块的电网接口、牵引应用等。该控制方法极为灵活，从而允许结合和针对不同控制目标和操作要求。
通过参照以下所述实施例进行的说明，本发明的这些方面及其他方面将会显而易见。
附图说明
下文中将参照附图示出的示范实施例更详细地说明本发明的主题。
图1示意示出按照本发明的一实施例的模块化转换器。
图2示意示出按照本发明的一实施例的模块化转换器的转换器模块。
图3示意示出按照本发明的一实施例的模块化转换器的控制器。
图4示出按照本发明的一实施例、用于控制模块化转换器的方法的流程图。
图5示意示出按照本发明的一实施例的预测模型。
图6示出按照本发明的一实施例、具有控制动作的序列和预测输出序列的简图。
大体上，附图中，相同部件提供有相同参考标号。
具体实施方式
图1示意示出模块化转换器10，其中具有将DC链路14与有源三相电阻-电感(RL)负载16互连的三个转换器相臂12。相臂12的每个包括上和下支路20，其将DC链路14的正极和负极侧与负载16的一相互连。模块化转换器10是模块化多级转换器，其中每支路20具有n=2个串联连接的转换器模块22。
一般来说，模块化转换器10可包括p∈{a,b,c}和q∈{1,2,…n}的转换器模块22Mpq，其中n每个相臂12的转换器模块22的数量。模块化转换器10每个相臂12可包括任何数量的转换器模块22。各支路20包括n/2个模块22、对导电损耗建模的电阻器R以及支路电感器L。
示出DC链路14，其中具有DC电源电感器Ldc和电阻器Rdc，其分别对寄生电感和电阻建模。模块化转换器10可在其输出端子24 Vp (p∈{a,b,c})的每个相对电源地26 N提供n+1个电压电平。输出端子24连接到负载16，其包括与负载电阻器Rl和电网电压Vg,p串联的负载电感器Ll。
图2示出模块化转换器10的转换器模块22或转换器单元22。转换器模块包括串联连接的两个半导体开关28，其并联连接到续流二极管30以及电容器32。还有可能将续流二极管的功能性结合到半导体开关中。
各转换器模块22充当具有电容器32 Cpq的削波器单元。各转换器模块22具有两个开关状态upq∈{0,1}，其中1表示电容器连接到支路20，即，上开关28 Spq,T接通。两个开关28的操作彼此互补。电阻器Rcap示为与电容器32并联，以便对电容器32的泄漏电流建模。
因此，各转换器模块22包括两个电源连接器、至少两个半导体28和电容器32，其中电源连接器在半导体的第一开关状态中短接，以及在半导体28的第二开关状态中连接到电容器。
图3示意示出模块化转换器10的控制器40。控制器40包括三个控制器级42、44、46，即，上(电流)控制器42、调制器44和下(平衡)控制器46。
将参照图4来说明控制器40的操作，图4示出用于控制模块化转换器10的流程图。
在步骤60，控制器42接收采取电流参考向量48 i*的形式的控制器输入参考向量48、采取电流向量50 i的形式的控制器输入向量50以及采取参数向量51 vp的形式的控制器输入参数向量51。例如，电流向量50包括在模块化转换器10的电路中测量的或者从转换器10的电路中测量的其他量所估计的一个或多个实际电流。
在步骤62、64、66，控制器42从控制输入参考向量48、控制输入向量50和控制输入参数向量51来确定采取电压参考向量52的形式的控制输出参考向量52。下面将更详细说明步骤60、62、64。
在步骤68，电压向量54从控制输出向量52来得出。例如，可选调制器44可执行脉宽调制方法或空间向量调制方法，以用于从电压参考向量52来生成电压向量54。
备选地，电压向量54可基于控制输出向量52的舍入来确定。例如，对于每支路20的充分大数量的转换器模块22，调制器44可由简单舍入方案来取代。这种舍入方案可将实值支路电压舍入成与被接通的每支路20的转换器模块22的数量对应的整数。
在步骤70，平衡控制器46通过从电压向量54生成开关28的开关或选通信号56，来直接控制转换器模块22。
图5示出模块化转换器10的预测模型80，其在步骤62用来预测模块化转换器10的将来状态。
一般来说，预测模型80可对模块化转换器10的电路的一部分和负载16来建模。例如，通过基尔霍夫定律，可从转换器10的电路得出方程，其提供预测模型80的一部分。
此外，一个支路20的转换器模块22可被视作电压源82，其必须由控制器40来调节。
例如，对于图1所示的拓扑，相a、b和c中的负载电流的输出方程如下：
定义相a、b和c中的循环电流的方程如下：
,
这些状态方程可通过围绕图1所示的电路的五个电路网格应用基尔霍夫电压定律来得出。注意，这些方程与一个支路20中的转换器模块22的数量无关。
预测模型80的模型状态向量包括相臂a和b的上支路电流ibp、ibN以及DC链路电流idc。
预测模型80的模型输入向量包括六个支路电压vaP、vaN、vbP、vbN、vcP、vcN，其假定为实值。
负载16的三相电网电压vga、vgb、vgc和DC链路电压vdc构成预测模型80的参数向量。
模型输出向量y具有五个元素。一个选择是使用两个负载电流ia和ib或者iα和iβ、即静止垂直坐标系中表示的负载电流连同三个循环电流icir,a、icir,b、icir,c。模型输出向量y的备选选择是使用模型状态向量x的五个支路电流。
一般来说，模块化转换器10的状态可采用支路电流iaP、iaN、ibP、ibN、icP、icN、支路电压vaP、vaN、vbP、vbN、vcP、vcN、DC链路电流idc、DC链路电压vdc、输出电流ia、ib、ic以及负载16的电网电压vga、vgb、vgc来建模。但是，这些量相互无关。
图6示出模块化转换器10的状态随时间t(其在右边示出)的演进。图6在y轴的左边示出以往90以及在y轴的右边示出预测时域92。
例如，预测模型80可使用具有离散时间步k的离散时间状态-空间表示。然后从时间步k的实际状态94，预测时间步k+1至k+N的将来状态96的序列，其中N是预测时域92的长度。
具体来说，图6示意示出时间步k至k+N-1的模型输出向量y的预测序列98和模型输入向量u的预测序列100。
对于图1和图5所示的拓扑，能够得出下列形式的预测模型80。注意，B1矩阵是时变的，因为它包括支路模块22的电容器32的电压。
这个模型假定电容器32的电压在预测时域92的时帧之内呈现细小变化。
但是，如果预测时域92较长和/或电容器32较小，则对电容器32的电压变化显式建模会是有益的。这可通过相加支路20的电容器电压之和以扩展模型状态向量x进行。所产生预测模型80具有一阶。
通过将两个状态vgα和bgβ加入模型状态向量x，并且通过对电网电压向量的旋转(其旋转速度与电网频率成比例)进行建模，电网电压的演进可包含在预测模型80中。
一般来说，预测模型80适合于基于模块化转换器的实际状态94来计算模块化转换器10的将来状态96。
必须注意，预测模型80可在不同坐标系(包括abc、αβ或dq或者其组合)中公式化。
在步骤64，预测将来状态96相对目标函数来优化。必须注意，通过对矩阵方程、其他限制和目标函数所定义的数学编程问题进行数值求解，可在一个操作中执行步骤62和64。
目标函数将标量性能指标与不同预测情形关联，即，目标函数是模块化转换器10的状态和控制动作的实值函数。
通常，目标函数包括对跟踪误差和控制工作量(的变化)对预测时域N的预测演进的惩罚。
注意，在以上定义的模型中，y*表示时变电流参考向量。矩阵Q和R构成对电流误差和所操纵变量的变化的惩罚矩阵。
具体来说，目标函数基于时间步l的控制输入参考向量48与时间步l的控制输入向量50的演进之间的差。另外，目标函数通过使时间步l与时间步l-1的模型输入向量u之间的差为最小，来优化与转换器模块10的开关成本关联的成本值。
使目标函数为最小，服从从时间步k直到k+N-1的预测模型80的演进。此外，也可包含对x和y中包含的电流的限制以及对u的限制。能够考虑上和下限制以及速率限制。由于状态-空间模型是线性的，所以成本函数是二次的并且限制是线性的，所产生的优化问题是所谓的二次程序(QP)。例如通过使用活动集方法或快速梯度搜索方法，QP能够以不同方式来公式化和求解。
优化步骤64的结果是在时间步k的最佳模型控制输入的序列100。
在步骤66，控制器42通过获取在时间步k的第一模型输入向量u的第一元素u(k)，从将来控制动作的序列100来确定控制输出参考向量52。第一元素u(k)是输出参考向量52。
只有最佳控制输入的序列100的第一元素u(k)在时间步k来实现，并且发送给控制器44。在下一个时间步k+1，得到新测量(或估计)，并且可对移位预测时域92再次求解优化问题。所谓的滚动时域策略提供反馈，并且确保控制器42对参数不定性是健壮的。
下面说明控制方法的其他实施例：
可补偿通过控制输出参考向量52的计算所引起的时间延迟。这个时间延迟通常相当于一个取样间隔的长度。通过使用最后一个控制输入和时间步k的模型状态向量x(k)，可预测时间步k+1的模型状态向量x(k+1)，对其求解预测模型80。
在步骤64，例如基于绝对值和/或最大值，可使用(分段)线性(而不是二次)成本函数，从而引起线性程序(LP)而不是QP。
在步骤62，可添加附加控制环路。例如，在步骤62，可监测故障、模块损失、电压暂降、负载不平衡、扰动和/或电网(或负载)不对称性等的发生。如果检测到故障或者不对称性，则控制器42调整其控制动作，以便在物理极限之内适应这个事件，从而提供自动控制器重新配置。例如，将预测模型80更新到新拓扑，从而考虑故障或者不对称性。
在对预测模型80建模时，可考虑高阶负荷***16，包括AC机器、具有变压器的电网以及具有滤波器的负载。为了针对这类高阶***，可相应地扩大预测模型80、模型状态向量x、参数向量vp和输出向量y。
虽然在附图和以上描述中详细示出和描述了本发明，但是这种图示和描述被认为是说明性或示范性而不是限制性的；本发明并不局限于所公开的实施例。通过研究附图、本公开和所附权利要求书，对所公开的实施例的其他变更是本领域的技术人员能够理解和实施的，并且实施要求保护的本发明。在权利要求书中，词语“包括”并不排除其他元件或步骤，以及不定冠词“一”、“一个”并不排除多个。单个处理器或控制器或者其他单元可完成权利要求书中所述的若干项的功能。在互不相同的从属权利要求中陈述某些量度的事实并不表示这些量度的组合不能用于产生良好效果。权利要求书中的任何参考标号不应当被理解为限制范围。

Claims (15)

1.一种用于控制模块化转换器(10)的方法，
所述模块化转换器包括适合于将输入电压转换为要提供给负载(16)的输出电压的多个转换器模块(22)，
所述方法包括下列步骤：
接收控制输入参考向量(48)、控制输入向量(50)和控制输入参数向量(51)；
在第一控制级(42)中从所述控制输入参考向量(48)、所述控制输入向量(50)和所述控制输入参数向量(51)来确定控制输出参考向量(52)；以及
在另外的控制级(46)中的通过基于所述控制输出参考向量(52)生成开关信号(56)，来控制所述转换器模块(22)；
其中所述控制输出参考向量(52)通过下列步骤来确定：
采用所述模块化转换器(10)的预测模型(80)来预测所述模块化转换器(10)的至少一个将来状态(96)，其中所述预测模型(80)适合于基于所述转换器的实际状态(94)、包括所述模块化转换器(10)的电流值和/或电压值的所述模块化转换器(10)的状态来计算所述模块化转换器(10)的所述将来状态；
相对目标函数来优化所述至少一个将来状态(96)，其中所述目标函数基于与所述转换器模块(22)的开关成本关联的成本值；以及
从所述将来状态(96)来确定所述控制输出参考向量(52)。
2.如权利要求1所述的方法，其中，由所述方法所控制的所述模块化转换器(10)是模块化多级转换器，其中所述模块化多级转换器的各转换器模块包括两个电源连接器、至少两个功率半导体(28)和电容器(32)，所述电源连接器在所述功率半导体(28)的第一开关状态中短接，以及在所述功率半导体(28)的第二开关状态中连接到所述电容器(32)。
3.如权利要求1所述的方法，还包括下列步骤：
采用调制器(44)在第二控制级中从所述控制输出参考向量(52)来确定电压向量(54)；
在第三控制级(46)中通过从所述电压向量(54)生成开关信号(56)，来控制所述转换器模块(22)。
4.如权利要求1至3中的任一项所述的方法，
其中，所述控制输入参考向量是电流参考向量(48)，所述控制输入向量是实际电流向量(50)，并且所述控制输入参数向量是实际电压向量(51)；和/或
所述控制输出参考向量是电压参考向量(52)。
5.如权利要求1至3中的任一项所述的方法，
其中，对将来的多个时间步预测将来状态的序列(96)；
所述控制输出参考向量(52)从与下一个时间步关联的下一个将来状态来确定。
6.如权利要求1至3中的任一项所述的方法，
其中，所述预测模型(80)基于将时间步的电压和/或电流与下一个时间步的电压和/或电流相关的线性方程。
7.如权利要求1-3中的任一项所述的方法，
其中，所述预测模型(80)包括转换器模块(22)的模型和/或所述负载(16)的模型。
8.如权利要求1-3中的任一项所述的方法，还包括下列步骤：
通过借助于实际电压和/或电流以预测下一个时间步的电流，来补偿由所述控制输出参考向量(52)的确定所引起的时间延迟。
9.如权利要求1-3中的任一项所述的方法，
其中，所述目标函数使所述控制输出参考向量(52)的演进的变化为最小。
10.如权利要求1-3中的任一项所述的方法，
其中，所述目标函数基于向量范数。
11.如权利要求1-3中的任一项所述的方法，
其中，所述目标函数基于二次和/或线性范数。
12.如权利要求1-3中的任一项所述的方法，还包括下列步骤：
通过从舍入控制输出参考向量(52)生成开关信号(56)，来控制所述转换器模块(22)。
13.如权利要求1-3中的任一项所述的方法，还包括下列步骤：
检测具有故障的转换器模块(22)；
短接所述所检测的转换器模块(22)；
从所述预测模型中去除所述短接的转换器模块(22)。
14.一种用于为负载(16)提供电压的模块化转换器(10)，所述模块化转换器(10)包括：
多个转换器模块(22)，包括半导体开关(28)和电容器(32)；
第一控制器，作为如权利要求13所述的第一控制级，所述第一控制器生成控制输出参考向量；
另外的控制器，作为如权利要求13所述的另外的控制级，用于基于所述控制输出参考向量来生成所述转换器模块的开关信号。
15.如权利要求14所述的模块化转换器(10)，
其中，所述模块化转换器是模块化多级转换器。
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Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012216469A1 (de) * 2012-09-14 2014-03-20 Robert Bosch Gmbh Energieversorgungssystem und Verfahren zum Ansteuern von Koppeleinrichtungen einer Energiespeichereinrichtung
WO2015136552A2 (en) * 2014-03-12 2015-09-17 Indian Institute Of Technology Bombay A modular multilevel converter (mmc) sub-module structure for reducing switching losses
AT513776B1 (de) 2014-04-08 2015-09-15 Avl List Gmbh Verfahren und Regler zur modellprädiktiven Regelung eines mehrphasigen DC/DC-Wandlers
EP2978122A1 (en) 2014-07-22 2016-01-27 ABB Technology AG Model predictive control of a modular multilevel converter
US9515574B2 (en) 2014-11-17 2016-12-06 General Electric Company Modular embedded multi-level converter with midpoint balancing
GB2545445A (en) * 2015-12-16 2017-06-21 General Electric Technology Gmbh Voltage balancing of voltage source converters
FR3054754B1 (fr) * 2016-08-01 2020-02-21 Supergrid Institute Procede de controle d'un convertisseur modulaire multi-niveaux
US10530275B2 (en) * 2016-10-21 2020-01-07 Abb Schweiz Ag Control of DC-to-AC modular multilevel converter
RU2644397C1 (ru) * 2016-11-21 2018-02-12 Общество с ограниченной ответственностью "Системы Постоянного Тока" Способ подавления паразитного синфазного тока утечки в трехфазном преобразователе
JP6437164B1 (ja) * 2017-03-03 2018-12-12 三菱電機株式会社 電力変換装置、および通信方法
EP3496261B1 (en) * 2017-12-07 2023-11-22 ABB Schweiz AG Control and modulation of a converter
EP3614218B1 (en) 2018-08-22 2022-04-06 Technische Hochschule Nuernberg Georg-Simon-Ohm Cascaded continuous and finite model predictive control for mechatronic systems
EP3614552B1 (en) * 2018-08-24 2021-05-19 General Electric Technology GmbH Voltage source converter
CN110492516B (zh) * 2019-07-29 2020-07-14 南方电网科学研究院有限责任公司 一种特高压多端柔性直流输电换流站***及其控制方法
EP3780366A1 (en) * 2019-08-13 2021-02-17 Vestas Wind Systems A/S Dc chopper for mmc cell with integrated chopper resistor
EP4131766A4 (en) * 2020-03-30 2023-05-03 Mitsubishi Electric Corporation POWER CONVERTER
EP4145696A1 (de) * 2021-09-02 2023-03-08 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Stromrichter sowie verfahren zu dessen betrieb
CN114710055B (zh) * 2022-04-26 2022-10-28 南京理工大学 基于有限集单矢量的两并联功率变流器模型预测控制方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101682253A (zh) * 2007-05-29 2010-03-24 国立大学法人长崎大学 预测控制***
CN101710797A (zh) * 2009-12-07 2010-05-19 哈尔滨工业大学 Z源型并网逆变器的电流预测无差拍控制方法及其控制装置
EP2348627A1 (de) * 2010-01-25 2011-07-27 ABB Research Ltd. Wandlerschaltung sowie Verfahren zum Betreiben einer mehrstufigen Wandlerschaltung

Family Cites Families (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3034275A1 (de) * 1980-09-11 1982-04-22 Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München Vorrichtung zum ermitteln der parameterwerte fuer staenderwiderstand, hauptinduktivitaet und streuinduktivitaet einer asynchronmaschine
US5619406A (en) * 1995-06-16 1997-04-08 Wisconsin Alumni Research Foundation Modulator for resonant link converters
JP3426939B2 (ja) * 1997-10-30 2003-07-14 株式会社東芝 自励式電流形電力変換装置の制御装置
CN100334801C (zh) * 2000-12-07 2007-08-29 株式会社安川电机 中性点钳位式脉宽调制逆变器装置
US20020195986A1 (en) * 2001-03-26 2002-12-26 Siemens Aktiengesellschaft Method and apparatus for connecting a converter to an asynchronous machine
DE10135286B4 (de) * 2001-07-19 2006-04-27 Siemens Ag Verfahren und Vorrichtung zur Überbrückung von kurzzeitigen Netzausfällen bei einem Matrixumrichter
CA2517579A1 (en) 2002-02-28 2003-09-04 Zetacon Corporation Predictive control system and method
US7148669B2 (en) * 2004-02-02 2006-12-12 The Regents Of The University Of Colorado, A Body Corporate Predictive digital current controllers for switching power converters
US7558089B2 (en) * 2005-12-13 2009-07-07 Advanced Energy Conversion, Llc Method and apparatus for space vector modulation in multi-level inverters
DE102005060354A1 (de) * 2005-12-16 2007-06-21 Siemens Ag Modulares Umrichtersystem
WO2008067784A1 (de) * 2006-12-08 2008-06-12 Siemens Aktiengesellschaft Steuerung eines modularen stromrichters mit verteilten energiespeichern
US8144489B2 (en) * 2006-12-08 2012-03-27 Siemens Aktiengesellschaft Production of a real power equilibrium of the phase modules of a converter
US7969756B1 (en) * 2007-04-16 2011-06-28 Lockheed Martin Corporation Real-time switching regulator monitor
WO2009016113A1 (en) * 2007-07-27 2009-02-05 Abb Research Ltd Controlling a power system
US7710082B2 (en) * 2007-10-18 2010-05-04 Instituto Potosino De Investigacion Cientifica Y Technologica (Ipicyt) Controller for the three-phase cascade multilevel converter used as shunt active filter in unbalanced operation with guaranteed capacitors voltages balance
TW201041404A (en) * 2009-03-06 2010-11-16 Sony Corp Image processing device and method
DE102009043598A1 (de) * 2009-09-25 2011-04-21 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum Regeln eines Umrichters und Anordnung zur Regelung eines Umrichters
US8837185B2 (en) * 2010-02-11 2014-09-16 Siemens Aktiengesellschaft Control of a modular converter having distributed energy stores with the aid of an observer for the currents and an estimating unit for the intermediate circuit energy
JP5146478B2 (ja) * 2010-03-18 2013-02-20 株式会社デンソー 回転機の制御装置
CN103069707A (zh) * 2010-09-24 2013-04-24 富士电机株式会社 功率转换器及其控制方法
EP2671297B1 (de) * 2011-02-01 2018-05-02 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum beseitigen eines fehlers an einer hochspannungs-gleichstromleitung, anlage zum übertragen eines elektrischen stromes über eine hochspannungs-gleichstromleitung und umrichter
EP2740209A1 (en) * 2011-08-02 2014-06-11 Power-One Italy S.p.a. Method for balancing capacitors in an inverter description
ES2616032T3 (es) * 2011-09-26 2017-06-09 Daikin Industries, Ltd. Procedimiento de control de convertidor de potencia
GB201120640D0 (en) * 2011-11-30 2012-01-11 Univ Birmingham Power converter
JP5894777B2 (ja) * 2011-12-07 2016-03-30 株式会社日立製作所 電力変換装置
KR101621994B1 (ko) * 2011-12-30 2016-05-17 엘에스산전 주식회사 회생형 고압 인버터의 제어장치
EP2634909B1 (en) * 2012-03-02 2017-02-15 ABB Research Ltd. Method for controlling a grid-connected boost-buck full-bridge current-source inverter cascade for photovoltaic applications and device
KR101410731B1 (ko) * 2013-02-13 2014-06-24 한국전기연구원 고압직류송전용 모듈형 멀티레벨 컨버터의 순환전류 억제 방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101682253A (zh) * 2007-05-29 2010-03-24 国立大学法人长崎大学 预测控制***
CN101710797A (zh) * 2009-12-07 2010-05-19 哈尔滨工业大学 Z源型并网逆变器的电流预测无差拍控制方法及其控制装置
EP2348627A1 (de) * 2010-01-25 2011-07-27 ABB Research Ltd. Wandlerschaltung sowie Verfahren zum Betreiben einer mehrstufigen Wandlerschaltung

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