用于控制多級轉(zhuǎn)換器的方法和裝置的制造方法【
技術(shù)領(lǐng)域：
】[0001]本文描述的實(shí)施例大體上涉及功率電子轉(zhuǎn)換器的控制并且特別涉及控制多級轉(zhuǎn)換器來平衡跨多級轉(zhuǎn)換器的子模塊的能量存儲的電壓。【
背景技術(shù)：
】[0002]模塊化多級轉(zhuǎn)換器（M2C)是電壓源轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，其可用于高壓高功率?yīng)用中的AC/DC和DC/AC轉(zhuǎn)換。典型模塊化多級轉(zhuǎn)換器的每個(gè)相腳具有若干串聯(lián)連接的轉(zhuǎn)換器單元和兩個(gè)電感器。這些轉(zhuǎn)換器單元（叫作子模塊）大體上用配備有DC電容器的半橋來控制。串聯(lián)連接的子模塊的每個(gè)鏈稱為一個(gè)臂。使AC端子連接到正DC端子的臂稱為上臂。相似地，使AC端子連接到負(fù)DC極的臂稱為下臂。采用電容器中的存儲能量隨時(shí)間保持恒定這樣的方式控制轉(zhuǎn)換器。這意指電容器充當(dāng)電壓源，其可以在臂中插入或被繞過。AC和DC端子處的電壓然后可以通過改變每個(gè)臂中插入的子模塊的數(shù)量來控制。[0003]為了確保每個(gè)子模塊中的存儲能量隨時(shí)間基本上保持恒定，可使用電容器電壓平衡策略。一個(gè)可能的技術(shù)方案是使用常規(guī)多級脈寬調(diào)制（PWM)方法，例如相移載波，并且然后憑借對于每個(gè)子模塊的反饋控制器來控制能量水平。該方法的示例在2009年7月IEEETransactionsonPowerElectronics第24卷第7期中發(fā)布的MakotoHagiwara和HirofumiAkagi的文章"ControlandExperimentofPulsewidth-ModulatedModularMultilevelConverters(脈寬調(diào)制模塊化多級轉(zhuǎn)換器的控制和實(shí)驗(yàn))"中呈現(xiàn)。存儲的能量也可以通過使脈沖模式在子模塊之間輪換而隨時(shí)間保持恒定，如在2012年8月IEEETransactionsonPowerElectronics第27卷第8期中發(fā)布的lives,K.；Antonopoulos,A.;Norrga,S.;Nee,Η·的文章"ANewModulationMethodfortheModularMultilevelConverterAllowingFundamentalSwitchingFrequency(用于允許基礎(chǔ)開關(guān)頻率的模塊化多級轉(zhuǎn)換器的新調(diào)制方法)"中描述的。再另一個(gè)可能的技術(shù)方案是使用分類算法，其基于電流符號來選擇插入或繞過哪個(gè)子模塊，如在2003年6月23-26日意大利博洛尼亞的2003IEEE博洛尼亞電力技術(shù)會議議程中發(fā)布的A.Lesnicar和R.Marquardt的文章"AnInnovativeModularMultilevelConverterTopoologySuitableforaWidePowerRange(適合于寬功率范圍的創(chuàng)新模塊化多級轉(zhuǎn)換器拓?fù)?"中描述的。即，如果要插入一個(gè)子模塊并且電流是正的，插入具有最低電壓的子模塊。如果電流是負(fù)的，插入具有最高電壓的子模塊。相似地，如果要繞過一個(gè)子模塊，如果電流是正的則繞過具有最高電壓的子模塊。如果電流是負(fù)的，繞過具有最低電壓的子模塊。[0004]然而，使用上文提到的分類算法來模擬模塊化多級轉(zhuǎn)換器中的電容器電壓紋波示出，盡管電容器電壓隨時(shí)間保持恒定，電壓紋波的最大偏離與電荷在子模塊之間均勻分布時(shí)的情況相比可以是相當(dāng)大的。因此將對允許電壓紋波減少的電容器電壓平衡的備選方法感興趣?！?br/>發(fā)明內(nèi)容】[0005]目標(biāo)是提供允許控制多級轉(zhuǎn)換器來平衡子模塊能量存儲的電壓的方法。[0006]上文闡述的目標(biāo)憑借根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的方法、控制裝置和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)。[0007]第一實(shí)施例提供用于控制多級轉(zhuǎn)換器以用于轉(zhuǎn)換電流的方法。該多級轉(zhuǎn)換器包括控制裝置，用于控制轉(zhuǎn)換器的操作來實(shí)現(xiàn)請求的操作條件。多級轉(zhuǎn)換器進(jìn)一步包括多個(gè)相臂，其具有串聯(lián)連接的子模塊的鏈。每個(gè)子模塊包括能量存儲并且每個(gè)子模塊設(shè)置成由控制裝置控制以選擇性地在相臂中插入或被繞過。方法包括根據(jù)調(diào)制方案和請求的操作條件、憑借控制裝置來控制子模塊的插入和繞過的步驟。該控制步驟包括平衡一定時(shí)間間隔期間能量存儲的電壓。該平衡牽涉分別計(jì)算在跟著的時(shí)間間隔結(jié)束時(shí)的能量存儲的預(yù)測最終電壓。該預(yù)測最終電壓基于相應(yīng)能量存儲中存儲的初始電荷量和預(yù)測在該時(shí)間間隔期間通過相應(yīng)能量存儲的電荷量(其基于請求的操作條件和調(diào)制方案來預(yù)測)而計(jì)算。能量存儲電壓的平衡還牽涉基于能量存儲的預(yù)測最終電壓的比較來選擇在該時(shí)間間隔期間插入或繞過相臂的哪個(gè)子模塊。此外，能量存儲電壓的平衡牽涉根據(jù)做出在該時(shí)間間隔期間插入或繞過哪個(gè)子模塊的任何選擇來更新預(yù)測最終電壓。[0008]第二實(shí)施例提供用于控制多級轉(zhuǎn)換器以用于轉(zhuǎn)換電流的控制裝置。該控制裝置包括處理器和用于將控制信號傳達(dá)到多級轉(zhuǎn)換器的子模塊的接口?？刂蒲b置配置成促使在控制裝置操作成控制多級轉(zhuǎn)換器時(shí)實(shí)施根據(jù)上文提到的第一實(shí)施例的方法。[0009]第三實(shí)施例提供存儲在計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)上并且可執(zhí)行的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。該計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品包括軟件代碼部分，在由用于控制多級轉(zhuǎn)換器的控制裝置的處理器執(zhí)行時(shí)用于促使以實(shí)施根據(jù)上文提到的第一實(shí)施例的方法。[0010]該公開的實(shí)施例中的一些的優(yōu)勢是能量存儲的電壓紋波的減少以及與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的一些電壓平衡策略相比可以實(shí)現(xiàn)減少的開關(guān)頻率。減少的電壓紋波和開關(guān)頻率允許減少子模塊能量存儲的尺寸和成本和多級轉(zhuǎn)換器的更低開關(guān)損耗。[0011]該公開的實(shí)施例中的一些的另一個(gè)優(yōu)勢是根據(jù)預(yù)編程的調(diào)制方案的電壓平衡是可能的。[0012]本發(fā)明的實(shí)施例的另外的優(yōu)勢和特征將在結(jié)合圖閱讀下列詳細(xì)描述時(shí)變得明顯?！靖綀D說明】[0013]圖1是圖示其中可使用該公開的實(shí)施例的模塊化多級轉(zhuǎn)換器的示意圖。[0014]圖2是圖示在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的分類算法用于電容器電壓平衡的情況下模塊化多級轉(zhuǎn)換器的相臂的5個(gè)不同子模塊的模擬電容器電壓紋波的圖。[0015]圖3是圖示用于控制多級轉(zhuǎn)換器來平衡能量存儲的電壓的方法的實(shí)施例的流程圖。[0016]圖4是圖示如何限定充電期的圖。[0017]圖5是三個(gè)圖的示意圖示，其圖示能量存儲電壓平衡情景的示例。[0018]圖6是圖示在根據(jù)公開實(shí)施例的分類算法用于電容器電壓平衡的情況下模塊化多級轉(zhuǎn)換器的相臂的5個(gè)不同子模塊的模擬電容器電壓紋波的圖?！揪唧w實(shí)施方式】[0019]該公開的實(shí)施例現(xiàn)在將在下文參考附圖（其中示出不同的示例實(shí)施例）更充分地描述。提供這些示范性實(shí)施例使得本公開將是徹底和完整的并且不是為了限制的目的。在圖中，類似的參考符號指代類似的元件。[0020]圖1是圖示其中可使用該公開的示例實(shí)施例的模塊化多級轉(zhuǎn)換器10的示意框圖。在圖1中僅圖示與用于理解本文呈現(xiàn)的不同實(shí)施例相關(guān)的轉(zhuǎn)換器10的那些部件。轉(zhuǎn)換器10可作為電力傳輸系統(tǒng)中的整流器或逆變器而提供。轉(zhuǎn)換器10在這里包括采用在兩個(gè)DC端子1和2之間并聯(lián)連接以用于連接到DC傳輸系統(tǒng)的相臂形式的一組分支。在這里給出的示例中，存在三個(gè)這樣的分支或相腳PL1、PL2和PL3以便能夠連接到三相AC傳輸系統(tǒng)。然而，應(yīng)認(rèn)識到作為備選方案，可存在例如兩個(gè)相腳或甚至一個(gè)相腳。每個(gè)相腳PL1、PL2、PL3具有第一和第二端點(diǎn)。在圖1中描繪的那類轉(zhuǎn)換器中，所有相腳PL1、PL2、PL3的第一端點(diǎn)連接到第一DC端子1，而第二端點(diǎn)連接到第二DC端子2。[0021]轉(zhuǎn)換器10的每個(gè)相腳PL1、PL2、PL3進(jìn)一步包括相臂12a-f。每個(gè)相腳PL1、PL2、?13包括上相臂12&、12(3、126和下相臂1213、12(1、12￡。在上下相臂相遇的結(jié)處，提供有八〇端子3a、3b、3c。在這里，每個(gè)相臂此外包括一個(gè)電感器L，其連接到對應(yīng)的AC端子3a、3b、3c〇[0022]相臂12a_f全部包括子模塊13,其用于形成AC電壓。子模塊13典型地在相臂中串聯(lián)或級聯(lián)連接。[0023]在本示例中，在每個(gè)相臂12a_f中明確圖示有三個(gè)子模塊13。然而，本文描述的實(shí)施例不限于任何特定數(shù)量的子模塊。在每個(gè)相臂12a_f中尤其在高壓直流（HVDC)應(yīng)用中具有多得多的子模塊，這通常是有利的。還可以看到，相腳的子模塊具有圍繞AC端子對稱提供的優(yōu)勢。[0024]此外，存在控制裝置11，其配置成控制子模塊13。相臂中每個(gè)子模塊的控制通常通過對子模塊提供控制信號而進(jìn)行，這些控制信號控制該子模塊對由轉(zhuǎn)換器10提供的AC波形的貢獻(xiàn)。通過控制子模塊13的開關(guān)14,不同的子模塊可在相臂12a-f中插入或被繞過。開關(guān)14可例如憑借絕緣柵雙極晶體管（IGBT)來實(shí)現(xiàn)。在這里，控制裝置11控制子模塊13用于將AC電力轉(zhuǎn)換成DC電當(dāng)前第1頁1 2