CN104218791A - 用于控制多电平变换器的方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于控制多电平变换器的方法,包括:检测子模块的调制状态值和电流方向；通过一个子模块,为输出波形的每个周期指定切换平均次数,其中指定切换平均次数的步骤包括:根据处于ON状态还是OFF状态对子模块分组；比较之前ON状态子模块的数量与OFF状态子模块的数量以获取其间的差值,并且改变与差值同样数量的状态；在充电状态下比较与预定值一样多的有高电压的ON状态子模块和有低电压值的OFF状态子模块,当ON状态子模块的值更高时,改变比较的ON状态子模块和OFF状态子模块的状态；在放电状态下比较与预定值一样多的有低电压的ON状态子模块和有高电压值的OFF状态子模块,当OFF状态子模块的值更高时,改变比较的ON状态子模块和OFF状态子模块的状态。

Description

用于控制多电平变换器的方法
技术领域
根据本公开示例性实施例的教导主要地涉及一种用于控制变换器的方法，并且更特别地涉及一种用于控制多电平变换器的方法。
背景技术
在现有技术的多电平变换器系统中使用考虑电压平衡的门切换方案。在现有技术的电压平衡中，按照电压电平的顺序来排列在调制期间输入的信息和从臂内的每一个子模块输出的电容器电压信息。使用按照这一方式所处理的信息来选择子模块。具体地，采用这样一种机制：其中，根据相应臂的电流信息来选择具有最高电压或最低电压的子模块。
根据现有技术中的电压平衡，首先确定有多少个子模块输出ON信号，然后确定一个臂中的哪个子模块将处于ON状态。这时，执行互相比较各个子模块的电压值并且排列经比较的电压值的排序操作，使得同等地分配子模块的电压。由于处于ON状态的子模块根据臂电流方向而充电和放电，所以根据充电和放电来选择子模块，并且在所选择的子模块中实现充电或放电。
发明内容
本公开在于提供一种被配置为增加效率的用于控制多电平变换器的方法。
在本公开的一个一般方案中，提供了一种用于控制多电平变换器的方法，该方法包括：
检测子模块的调制状态值和电流方向；并且
通过一个子模块，为输出波形的每一个周期指定切换的平均次数，其中，
指定切换的平均次数的步骤包括：
根据是处于ON状态还是处于OFF状态来对子模块分组；
比较之前ON状态的子模块的数量与OFF状态的子模块的数量以获取其之间的差值，并且改变与所述差值一样多的数量的状态；
在充电状态下比较与预定值一样多的具有高电压的ON状态的子模块和具有低电压值的OFF状态的子模块，并且当ON状态的子模块的值更高时，改变所比较的ON状态的子模块和OFF状态的子模块的状态；以及
在放电状态下比较与预定值一样多的具有低电压的ON状态的子模块和具有高电压值的OFF状态的子模块，并且当OFF状态的子模块的值更高时，改变所比较的ON状态的子模块和OFF状态的子模块的状态。
优选地，但非必须地，比较之前ON状态的子模块的数量与OFF状态的子模块的数量以获取其之间的差值并且改变与差值一样多的数量的状态的步骤可以包括：当之前ON状态的子模块的数量大于OFF状态的子模块的数量时，将与差值一样多的数量的OFF状态的子模块改变为ON状态的子模块。
优选地，但非必须地，比较之前ON状态的子模块的数量与OFF状态的子模块的数量以获取其之间的差值并且改变与差值一样多的数量的状态的步骤可以包括：当之前ON状态的子模块的数量小于OFF状态的子模块的数量时，将与差值一样多的数量的ON状态的子模块改变为OFF状态的子模块。
优选地，但非必须地，比较之前ON状态的子模块的数量与OFF状态的子模块的数量以获取其之间的差值并且改变与差值一样多的数量的状态的步骤可以包括：当之前ON状态的子模块的数量小于OFF状态的子模块的数量时，将与差值一样多的数量的ON状态的子模块改变为OFF状态的子模块。
优选地，但非必须地，将OFF状态的子模块改变为ON状态的子模块的步骤可以包括：响应于电流方向，在充电期间的具有最低电压的子模块中改变ON状态的子模块，并且响应于电流方向，在放电期间的具有最高电压的子模块中改变ON状态的子模块。
优选地，但非必须地，将OFF状态的子模块改变为ON状态的子模块的步骤可以包括：响应于电流方向，在充电期间的具有高电压的子模块中将子模块改变为ON状态，并且响应于电流方向，在放电期间的具有最低电压的子模块中将子模块改变为OFF状态。
优选地，但非必须地，充电状态下的预定值和放电状态下的预定值可以是相同的值。
本公开的有益效果
根据本公开的示例性实施例的用于控制多电平变换器的方法具有的有益效果在于：切换在一个子模块上不是集中地执行而是均匀地执行，以最佳地使用开关装置和电容器，由此能够通过多电平变换器的最佳设计来降低产品单价。
另一有益效果在于，切换在每一个子模块上均匀地执行从而允许均匀地增加切换的次数，而不是简单地平均增加切换的次数，由此能够预期地延长多电平变换器的寿命。
再一有益效果在于，用于控制的数字处理器中的排列部分的代码能够简单地由根据本公开当前提出的方法来替换，无需涉及单独硬件的安装和形状改变的额外花费。
附图说明
图1为图示出根据本公开的用于控制多电平变换器的方法的框图。
图2和图3为图示出用于控制图1中所图示的电压平衡部分的方法的框图。
图4和图5为图示出根据本公开的示例性实施例的用于控制多电平变换器的方法的框图。
具体实施方式
此后将参照所附附图更全面地描述各种示例性实施例，其中示出了某些示例性实施例。但是，本发明构思可以具体化为众多不同的形式并且不应该将其解释为限制到这里给出的示例性实施例。相反，所描述的方案旨在包括落入本公开的范围和新颖构思内的所有这样的变化、修正以及变形。
本公开涉及一种在多电平变换器中使用的考虑电压平衡的切换方案，特别地涉及一种用于减少对于基频的一个周期的方案所需的计算工作量的方法。本公开可以应用到使用多电平变换器的所有功率电子器件，以及使用功率电子器件的电子设备。特别地，本公开对于使用多个子模块的大容量功率器件来说更有用。本公开可以通过多电平变换器的功率平衡方案中的改变而简单地成为所选择功率器件的具体容量中的标准之一。即，对一个周期中子模块的切换次数的任意调整，能够选择性地减少用于每一个子模块的电容容量。
图1是图示出根据本公开的用于控制多电平变换器的方法的框图。
参见图1，监控控制器100生成参考信号，并且中央控制器230控制子模块以允许每一个子模块应用门信号。门信号的双向通信由变换器柜(converter cubicle)300来产生，变换器柜300为各个子模块的实质上的集合。监控控制器100包括反馈控制器110、有效功率控制器120以及无效功率控制器130。中央控制器230包括调制控制器231和电压平衡控制器232。变换器柜300包括多个子模块310和臂电流测量器320。
被提供用于解释本公开的图2是图示出用于控制多电平变换器的方法的流程图，并且更特别地，是电压平衡部分的流程图。
参见图2，用于控制电压平衡的方法包括：确定满足ON条件的子模块的数量(S10)；响应于电压值来对子模块排序(S20)；当电流值为正的(S30-是)时选择最小的电压(S40)；以及当电流值为负的(S30-否)时选择最大的电压(S50)。根据上述公开内容，在响应于电压值而对子模块排序的步骤S20中消耗最多的时间。在用于大容量功率器件的基于模块的多电平变换器的情况下，一个臂由150～200个子模块形成。数字处理步骤被分为四个部分，包括：将子模块的电压值转换为数字值的处理；排列子模块的经转换的值的处理；响应于电流方向来选择子模块的处理；以及应用到所选择的子模块的门信号的处理。
中央控制器230使用由子模块310……拥有的每一个电容的电压值来生成门信号，其中，门信号主要通过子模块310……处的每一个电容器的电压值的算术比较(排序算法)来确定。特别地，通过使用来自调制控制器231的信号和通过每一个子模块的算术比较(排序算法)而排序的值的信息，响应于电流方向而作出关于是选择具有最小电容器电压的子模块310……还是选择具有最大电容器电压的子模块的判定(S30)。
被提供用于解释本公开的图3是图示出用于控制多电平变换器的方法的流程图，并且更特别地是电压平衡部分的流程图。
首先，确定在时刻(t-△t)的门信号(S105)，由此能够知晓子模块在刚刚之前的状态。即，能够知晓子模块在刚刚之前的ON/OFF状态。当知晓了每一个子模块的ON/OFF状态时，将子模块分为子模块的ON状态或OFF状态(121-2,121-3)，由此能够很快地实现子模块的控制。
其后，获取分别被分为ON状态和OFF状态的子模块的数量的总数(121-1，121-4)。即，使用之前的门信号105来确定ON状态的子模块的数量和OFF状态的子模块的数量。接着，从ON状态的子模块中确定具有最高电压的子模块和具有最低电压的子模块。以类似的方式，从OFF状态的子模块中确定具有最高电压的子模块和具有最低电压的子模块。
当使用用于每一个周期的子模块的一次切换的电压平衡技术时，使用在过去的采样时间的门信号来划分对应于ON状态的子模块的集合和对应于OFF状态的子模块的集合。可以通过对应于ON状态的子模块的和与对应于OFF状态的子模块的和来计算所划分的集合。
根据图1、2和3中所图示出的用于控制多电平变换器的方法的电压平衡技术，示出了直接生成每一个子模块的门信号的步骤。电压平衡技术是中央控制器中最重要的控制部分之一，其可以通过排序算法来实现。但是，问题在于，根据排序算法，在一个周期内发生了太多次的切换。为了解决该问题，并且如图3中所图示出的，以及为了最大化多电平变换器的优点，可以通过划分ON状态集合和OFF状态集合来确定其中发生当前切换的子模块，使得对于每一个周期发生一次切换。
在如图1和图2中所图示出的用于控制多电平变换器的方法中，仅使用排序算法的电压平衡技术是仅基于每一个子模块的电容器电压。因而，问题在于不能调整对于每一个周期的一个子模块中的切换次数，从而由于存在太多次数而产生由每一个子模块引起的切换损耗并且不能利用多电平变换器的优点。即，基于一个子模块，每一个周期可能发生20次切换，这会造成太多的热损失并且影响开关装置的寿命。
基于一个子模块允许每一个周期发生一次切换的方法是如图3中所图示出的划分成ON状态组和OFF状态组的确定方法。但是，存在另一问题：因为子模块的切换发生一次并且子模块中的电容器电压的充电和放电也仅发生一次，所以需要高容量。此外，开关装置由于较少的切换损耗而不能被最佳地使用。
本公开涉及通过多电平变换器的电压平衡来实现的切换技术。如同使用切换平衡技术中的排序算法，主要通过子模块中的电压直接比较方法来作出门信号的确定。但是，子模块中的电容器的容量能够通过排序方法来确定，其中，当针对每一个周期确定一个子模块切换时能够容易地作出多电平变换器的制造标准。本公开在于提供用于确定由一个子模块针对每一个周期执行的切换次数的算法，由此能够设计出一种系统以满足制造者的需求。
图4和图5是图示出根据本公开的示例性实施例的用于控制多电平变换器的方法的框图，其中图4图示出多电平变换器的初始化并且图5图示出在多电平变换器的操作期间可能产生的各种情况下如何控制。
参见图4，根据本公开的示例性实施例的用于控制多电平变换器的方法不同于通过分别以ON状态和OFF状态排序来对臂模块中的所有子模块进行的排序。该方法被划分成将对应于On_状态(On_state)的组排序的步骤(S330)和将对应于Off_状态(Off_state)的组排序的步骤(S340)。
首先，确定在时刻(t-△t)的门信号305，由此能够知晓子模块在刚刚之前的状态。即，能够知晓子模块在刚刚之前的ON/OFF状态。当知晓了每一个子模块的ON/OFF状态时，将子模块分成子模块的ON状态或者OFF状态(321-2,321-3)，由此能够很快地实现子模块的控制。
其后，获取分别被分为ON状态和OFF状态的子模块的数量的总数(321-1,321-4)。即，使用以前的门信号305来确定ON状态的子模块的数量和OFF状态的子模块的数量。接着，对ON状态的子模块进行排序，并且对OFF状态的子模块进行排序(S330，S340)。
继续参见图5，基于当前调制状态值Diff和电流方向i，根据本公开的示例性实施例的用于控制多电平变换器的方法可以主要被划分成四种类型。调制状态值Diff可以通过以下方式来获取。
首先，获取将要拥有ON状态的子模块的数量{t(n)处的ON条件门}，并且一旦获取了将要拥有ON状态的子模块的数量，就从中推导出以前具有ON状态的子模块的计算数量。状态值Diff成为用于确定将要控制多少个子模块的状态的基础，并且如果将要具有ON状态的子模块的数量大于以前ON状态的子模块的数量，则状态值Diff是正的，并且如果将要拥有ON状态的子模块的数量小于以前ON状态的子模块的数量，则状态值Diff为负的。当处于充电状态时电流方向i为正的，并且当处于放电状态时电流方向i为负的。
第一情形是ON状态的子模块的数量已经增加并且子模块在充电状态(①)，第二情形是ON状态的子模块的数量已经增加但是子模块在放电状态(②)，第三情形是ON状态的子模块的数量已经减少并且子模块在充电状态(③)，以及第四情形是ON状态的子模块的数量已经减少但是子模块在放电状态(④)。
在多电平变换器的操作期间仅可以选择四个状态中的一个。即，可以取决于状态值和电流方向这两个变量(Diff，i)来选择四个状态之一，其中在当前状态接通或者关断子模块的步骤被指示为“⑤”，并且强制改变ON状态组和OFF状态组的子模块的状态的后续步骤被指示为“⑥”。
如图5中所图示出的，如果子模块处于充电状态，并且如果ON状态组的子模块在电压方面大于OFF状态组的子模块，则改变两个子模块的状态(⑦)。如果子模块处于放电状态，并且如果ON状态组的子模块在电压方面小于OFF状态组的子模块，则改变两个子模块的状态(⑧)。
首先，根据本公开的示例性实施例的多电平变换器通过划分为“ON状态”和“OFF状态”而不是通过对一个臂中的所有子模块排序的方法，来存储当前的门状态，通过其能够减少计算量并且能够限制对于每一个周期的子模块的切换次数，这并非因为子模块的总数的数据处理，而是因为划分成两个状态组的数据处理。
在当由于调制而使处于ON状态的子模块的数量大于过去的数量时的情况下，即在当状态值为正的(Diff>0)时的情况下，在OFF状态组中进行与绝对值(Diff)一样多的数量的接通。此时，响应于电流方向，在充电期间具有最低电压的子模块中和在放电期间具有最高电压的子模块中进行“接通”。如果状态为负的(Diff<0)，则关断ON状态组的子模块，其中在充电期间具有最高电压的子模块中和在放电期间具有最低电压的子模块中进行关断。这些是对于一个子模块在每一个周期能够发生一次切换的算法。
如制造者所期望的将要改变的值可以被确定从而提高切换。即，制造者确定一个子模块对于一个周期还能发生切换多少次的值。如果当前状态是处于充电状态，则在与将要改变的数量一样多的、ON状态组的具有高电压值的子模块与OFF状态组的具有低电压值的子模块之间进行比较，并且如果ON状态组高于OFF状态组，则改变两个子模块的状态，并且如果为负的，则维持当前状态。
进一步，如果当前状态是处于放电状态，则在ON状态组的具有低电压值的子模块与OFF状态组的具有高电压值的子模块之间作出比较，并且如果OFF状态组高于ON状态组，则改变两个组之间的两个子模块的状态，并且如果为负的，则维持当前状态。
如从上文所显而易见的，当多电平变换器为控制器时，能够调整对于每一个周期的子模块的切换次数。当子模块中的电容器的容量被确定时，切换的次数是重要的因素。尽管电容器的容量可以随着每一个周期发生的切换次数变得更高而减小，但是每一个开关装置(例如，IGBT)处的损耗量可能增加，使得适当地确定切换的次数是重要的。
根据本公开的示例性实施例的用于控制多电平变换器的方法的有益之处在于，切换在一个子模块上不是集中地发生而是均匀地发生，使得能最佳地使用开关装置和电容器，由此能够通过多电平变换器的最佳设计来减少产品单价。
根据本公开的示例性实施例的用于控制多电平变换器的方法的有益之处还在于，每一个子模块的切换均匀地实现为不是简单地增加切换的次数而是允许均匀地改变切换的次数，由此能够达到延长多电平变换器的寿命的预期效果。
根据本公开的示例性实施例的用于控制多电平变换器的方法的有益之处进一步在于，不需要额外的成本用于单独的硬件改变和/或形状改变，因为用于控制的数字处理器的排序部分的代码能够简单地由本公开所提出的方法来替换。
尽管已经结合之前的实施例和益处详细描述了本公开，但是权利要求书的界限和范围内的众多替代、修正以及变形对本领域技术人员而言将是显而易见的。因此，应该理解的是，以上描述的实施例不受之前描述的任意细节限制，除非另外规定，而是应该在如所附权利要求书所定义的范围内进行更宽泛地解释。

Claims (6)

1.一种用于控制多电平变换器的方法，该方法包括：
检测子模块的调制状态值和电流方向；并且
通过一个子模块，为输出波形的每一个周期指定切换的平均次数，其中，
指定切换的平均次数的步骤包括：
根据是处于ON状态还是处于OFF状态来对子模块分组；
比较之前ON状态的子模块的数量与OFF状态的子模块的数量以获取其之间的差值，并且改变与所述差值一样多的数量的状态；
在充电状态下比较与预定值一样多的具有高电压的ON状态的子模块和具有低电压值的OFF状态的子模块，并且当ON状态的子模块的值更高时，改变所比较的ON状态的子模块和OFF状态的子模块的状态；以及
在放电状态下比较与预定值一样多的具有低电压的ON状态的子模块和具有高电压值的OFF状态的子模块，并且当OFF状态的子模块的值更高时，改变所比较的ON状态的子模块和OFF状态的子模块的状态。
2.如权利要求1所述的方法，其中比较之前ON状态的子模块的数量与OFF状态的子模块的数量以获取其之间的差值并且改变与差值一样多的数量的状态的步骤包括：当之前ON状态的子模块的数量大于OFF状态的子模块的数量时，将与差值一样多的数量的OFF状态的子模块改变为ON状态的子模块。
3.如权利要求1所述的方法，其中比较之前ON状态的子模块的数量与OFF状态的子模块的数量以获取其之间的差值并且改变与差值一样多的数量的状态的步骤包括：当之前ON状态的子模块的数量小于OFF状态的子模块的数量时，将与差值一样多的数量的ON状态的子模块改变为OFF状态的子模块。
4.如权利要求2所述的方法，其中比较之前ON状态的子模块的数量与OFF状态的子模块的数量以获取其之间的差值并且改变与差值一样多的数量的状态的步骤包括：当之前ON状态的子模块的数量小于OFF状态的子模块的数量时，将与差值一样多的数量的ON状态的子模块改变为OFF状态的子模块。
5.如权利要求3所述的方法，其中将OFF状态的子模块改变为ON状态的子模块的步骤包括：响应于电流方向，在充电期间的具有高电压的子模块中将子模块改变为ON状态，并且响应于电流方向，在放电期间的具有最低电压的子模块中将子模块改变为OFF状态。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中充电状态下的预定值和放电状态下的预定值为相同的值。
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