CN104396136B - 控制模块化转换器 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

控制模块化转换器
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。
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。
根据本发明的实施例，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。
根据本发明的实施例，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。
根据本发明的实施例，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。
根据本发明的实施例，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。
根据本发明的另外的实施例，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。
根据本发明的实施例，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。
根据本发明的实施例，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。
根据本发明的实施例，方法进一步包括以下步骤：取消选择这样的候选序列，对其的未来模块电压未保持在预定义界限内。模块电压也可约束在预定义界限。此外，可容许候选序列的数量可减少，对其必须评估成本函数。
根据本发明的实施例，每个转换器模块包括模块电容器。特别地，模块化多级转换器可包括转换器模块，其具有适于将能量存储在转换器模块中的电容器。利用方法预测和优化的模块电压可以是模块电容器上的电容器电压。
根据本发明的实施例，开关序列包括与转换器开关状态关联的开关步骤，在该开关步骤中在使转换器切换到关联的转换器开关状态时预测转换器的未来电流；和/或开关序列包括外推步骤，其中负载电流在至少一个时间步骤上外推直到它违反对于负载电流的界限。一般，开关序列可包括多个步骤，其是开关步骤或外推步骤。
由方法确定的开关序列的集可通过使用S（“开关”）和E（“扩展”、“外推”）的概念而建立，从而形成开关域。开关域可包括S和E步骤的任何组合。外推步骤可例如使用线性或二次外推或具有二次插值的预测而近似。高阶近似也是可能的。开关和扩展的概念实现长预测域，并且因此实现更好的稳态性能，同时使用短开关域，从而确保计算负担被阻止。开关域可由元素S和E的任意序列组成。
根据本发明的实施例，未来电流轨迹基于转换器的第一内部模型而预测。未来模块电压可基于转换器的第二内部模型而预测，该第二内部模型取决于第一内部模型。这两个内部模型可以是转换器的状态空间模型。第一模型可捕捉电流的演变，其包括负载和循环电流，而第二模型可捕捉电容器电压的演变。第二模型可采用它基于第一模型所预测的值这样的方式而取决于第一模型。例如，两个模型可表达为矩阵等式和/或可以是线性模型。
第一模型可基于未来电流、实际电流、实际内部电压和开关状态之间的线性等式。
第二模型可基于未来内部电压、实际内部电压、实际电流和开关状态之间的线性等式。
根据本发明的实施例，方法进一步包括以下步骤：通过绕过转换器模块来改变转换器拓扑；以及使第一和/或第二模型适应于改变的转换器拓扑。可实时监视转换器的转换器模块。如果模块失效并且它的端子必须短路来绕过它，可用的转换器模块的数量自动更新并且相应地调整控制器的内部预测模型。方法可考虑到一个或一些转换器模块短路并且仅使用开关状态/序列，其在转换器的物理限制内补偿这些短路转换器模块。
本发明的另外的方面涉及计算机程序，其在处理器上执行时适于执行如在上文中和下面描述的方法的步骤。例如，计算机程序可在模块化转换器的控制器的处理器中执行。
本发明的另外的方面涉及计算机可读介质，这样的计算机程序存储在其中。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（可擦除可编程只读存储器）。计算机可读介质还可以是数据通信网络，例如因特网，其允许下载程序代码。
本发明的另外的方面涉及用于控制模块化转换器的控制器，其中该控制器适于执行如在上文中和下面描述的方法的步骤。提出的控制器可在瞬态（例如加电或掉电或故障）期间实现非常快的电流响应。这与聚焦在稳态操作上并且因此在瞬态期间是非常慢的方法形成对比。电容器电压可保持更接近它们的参考，即可更好地平衡。与使用PWM或SVM的方法相比，开关频率可以减少。
例如，控制器包括DSP和/或FPGA，在其中实现方法。
本发明的另外的方面涉及具有多个转换器模块的模块化转换器，这些转换器模块每个具有电容器；和适于执行如在上文中和下面描述的方法的步骤的控制器。
例如，模块化转换器是模块化多级（M2LC）转换器，其可具有带串联连接的至少两个转换器模块的至少一个转换器臂。一般，方法可用于任何M2LC控制问题。它可在每臂具有几个模块的M2LC转换器中使用。它能适用于所有M2LC应用，其包括变速驱动器、高电压直流传输、柔性AC传输系统、静态同步补偿器、对于电池能量存储系统或PV模块的电网-接口、牵引应用等。控制方案是高度灵活的，从而允许人们合并和解决不同的控制目的和操作要求。
本发明的这些和其他方面从下文描述的实施例将是明显的并且将参考它们来解释。
附图说明
本发明的主题将在下列正文中参考在附图中图示的示范性实施例更加详细地说明。
图1示意地示出根据本发明的实施例的模块化转换器。
图2示意地示出图1的转换器的转换器模块。
图3示出根据本发明的实施例对于用于控制模块化转换器的方法的流程图。
图4示出根据本发明的实施例的电流轨迹。
图5示意地示出根据本发明的实施例的控制器。
图6示意地示出根据本发明的另外的实施例的模块化转换器。
图7示意地示出对于图6的转换器的转换器模块。
图8示意地示出根据本发明的另外的实施例的模块化转换器。
图9示意地示出根据本发明的另外的实施例的模块化转换器。
图10示意地示出根据本发明的另外的实施例的模块化转换器。
图11示意地示出根据本发明的另外的实施例的模块化转换器。
图12示意地示出根据本发明的另外的实施例的模块化转换器。
图13示意地示出根据本发明的另外的实施例的模块化转换器。
原则上，相同的部件在图中提供有相同的标号。
具体实施方式
对于模块化转换器的拓扑和内部模型
图1示出每转换器臂14具有两个转换器模块12的DC-AC模块化多级转换器10的拓扑。图1的实施例示出M=3个转换器相位16，每个包括上和下转换器臂14。然而，必须理解在上文中和下面描述的方法的实施例可应用于这样的转换器，其每转换器臂14具有任意数量的转换器模块12并且具有任意数量的转换器相位16。
如果转换器10每转换器臂14具有N=2个转换器模块12和三个转换器相位16，转换器具有总共6N=12个转换器模块。通过引用这些模块。
除两个转换器模块12外，每个臂14还包括对传导损耗建模的电阻器R和与转换器模块12串联连接的臂电感器L。
转换器相位16的两个转换器臂14与对于负载18的连接点A、B、C串联连接，该负载18可以是三相负载。转换器相位16中的每个经由连接点E和D而与DC电压供应20并联连接。DC电压供应20包括DC供应电感器Ldc和电阻器Rdc，其分别对寄生电感和电阻建模。由DC电压供应20的DC链路电压驱动的电流称为DC链路电流idc。
在图1中示出的转换器10相对于供应接地（节点N）在它的输出端子Va、Vb、Vc处提供三个电压水平，、0、。输出端子Va、Vb、Vc连接到负载18。在图1中示出的负载18通过与负载电阻器Rl和电网电压Vg,p串联的负载电感器Ll而建模。
图2示出对于图1的转换器的转换器模块12。该转换器模块12包括两个功率半导体开关Spq,T和Spq,B，其与电容器Cpq串联和并联连接。转换器模块12像具有电容器Cpq的斩波器单元一样起作用。转换器模块12具有两个开关状态upq∈{0,1}，其中1意指电容器Cpq连接在电路中（即开关Spq,T接通），并且0意指电容器从电路断开（即开关Spq,T关断）。开关Spq,T、Spq,B的操作彼此互补。电容器Rcap与电容器Cpq并联连接来对电容器Cpq的泄漏电流建模。
转换器模块12具有两个功率连接器21、22，其充当转换器模块的输入以及输出。除功率连接器21、22外，转换器模块可具有另外的连接，用于控制转换器模块、用于诊断目的和其他控制目的。功率转换器21、22可以通过功率半导体开关而短路或连接到电容器。
每个转换器模块的两个功率连接器21、22也称为输入。此外，电容器Cpq的电压Vc,pq称为模块电压以及电容器电压Vc,pq。
方法的实施例在下文对于每臂具有N=2个模块和M=3个相位的三级M2LC转换器10的特定情况描述。在后续章节中，方法被一般化。
对于负载电流在相位a、b和c的输出等式如下：
在相位a、b和c中限定循环电流的等式如下：
转换器10的两个内部模型从这些等式得到来预测臂电流ipP、ipN和电容器电压Vc,pq。臂电流ipP、ipN的状态等式通过围绕五个电路网应用基尔霍夫电压定律而得到。
第一模型的状态向量是并且它的输入向量是开关状态并且电网电压和跨转换器的输入端子的DC电压 。负载电流构成第一模型的输出向量。注意xi和yi中的指数i指臂电流。
第一离散时间模型如下：
模型矩阵Ai、Bi1、Bi2和Ci可从上文的等式并且通过对转换器10的拓扑应用基尔霍夫定律而得到。
根据转换器模型12的开关状态和臂电流ipP、ipN的极性对电容器Cpq充电或放电。电容器电压Vc,pq的状态等式可以通过应用基尔霍夫电流定律而得到。
向量既是第二模型的状态xc向量又是输出yc向量。第二离散时间模型如下：
模型矩阵Ac、Bc和Cc的定义可从上文的等式并且通过对转换器10的拓扑应用基尔霍夫定律而得到。
控制方法
图3示出对于用于控制转换器10的方法的流程图。
在可选步骤110中，确定一个转换器模块12是否必须被绕过，例如在故障的情况下。在该情况下，第一和第二模型适应于改变的转换器拓扑。此外，在未来，可仅选择这样的开关序列，其不依赖已经被绕过的转换器模块。在步骤102中，在时间步骤k处，转换器的可能未来开关序列基于实际转换器开关状态u(k-1)而枚举。例如，未来开关序列包括可容许开关状态u(k)，转换器10可在时间步骤k处开关。一般，开关序列可包括一个或多个未来的开关状态u(k)、u(k+1)…。
在步骤104中，基于实际内部电流和实际内部电压对每个开关序列预测未来电流轨迹。例如，用“SE”方案确定电流轨迹，即在第一步骤中，基于第一模型对时间步骤k+1预测未来电流，以及在第二步骤中，未来电流外推到后来的时间步骤。
必须注意可使用其他开关序列，例如“SSE”、“SESE”、“SSESE”或“SESESE”。
上文提到的内部电流是转换器10的内部电流，例如DC链路电流idc、循环电流icir,p和/或臂电流ipP、ipN。上文提到的内部电压是转换器10的内部电压，例如DC电压供应20的DC链路电压Vdc、它的连接点A、B、C处的相位电压Va、Vb、Vc和/或每个转换器模块12的模块电压或电容器电压Vc,pq。
图4示出对于相位a（顶部）的负载电流ia和对于相位b（底部）的负载电流ib的电流轨迹。作为示例，对于相位a和b，在图4中仅示出jmax=216个预测负载电流轨迹中的三个。
给出在时间步骤k处的臂电流ipP、ipN和电容器电压Vc,pq，对于所有jmax=216个可能开关序列使用第一模型来在时间步骤k+1处预测负载电流ip。这实现“SE”方案的第一部分S。
在步骤106中，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。
例如，候选序列（其中）基于预测负载电流ip(k+1)而确定，其中舍去那些开关序列，对于其的负载电流ip(k+1)违反k+1处的界限。在这里，候选序列是产生在界限内部的电流轨迹或它们的违反随时间减小的那些开关序列。
作为示例，在图4中，界限由是围绕参考电流iref,p的可允许纹波带的一半的偏离值δ限定。注意δ是调整电流失真的设计参数。
负载电流的TDD可以通过调整纹波δ而控制。在总需求失真（TDD）与δ带之间存在线性关系，其中TDD是负载电流谐波失真的度量。
对于电流轨迹的负载电流纹波ir,p(k+1)可通过从对于所有开关序列的正弦参考iref,p扣除预测的负载电流ip(k+1)而对每个相位确定（），其中iref,p是未来负载电流参考。
在图4的示例中，开关序列30a不是候选序列，因为对于相位a和b两者，在时间步骤k+1处，相应的负载电流轨迹违反上界限。对于第二序列30b，k+1处的电流ip将对于相位a保持在它的界限外部，但它的违反从k到k+1减小，从而使得它为候选序列。在选择第三开关序列30c时，k+1处的预测负载电流ip预测为在滞后界限内，从而使得它成为候选序列。
在步骤108中，对于开关序列的电流在至少一个时间步骤上外推直到它违反对于相应电流的界限。
例如，候选轨迹是从时间步骤k+1向前线性外推直到它们违反预定义界限。这可实现“SE”方案的第二部分E。该外推的长度Nj可以采样期TS的倍数来表示。例如，对于时间步骤k+1处的开关序列30b，在时间步骤k+N2处需要新的开关事件之前，负载电流轨迹可以保持在对于N2=min(Na2,Nb2,Nc2)的长度的界限内。
在步骤110中，对于每个候选序列的未来模块电压基于实际模块电压、相应候选序列和候选（开关）序列的预测电流轨迹而预测。例如，对于所有预定候选序列，电容器电压Vc,pq使用第二状态-空间模型来预测。电容器电压Vc,pq然后对于在步骤108中确定的时间步骤的数量而外推。时间步骤k+Nj（）处的电容器电压Vc,pq可指示为端子电容器电压Vc,pq(k+Nj)。
必须注意步骤110可包括在步骤102、104、106或108中。
可选地，可取消选择这样的候选序列，对于其的未来模块电压未保持在预定义界限内。与电流类似，可对模块电压（例如电容器电压Vc,pq）限定界限，并且候选序列可约束在具有在这些界限内的模块电压的开关序列。
在步骤110中，对每个候选序列评估成本函数。成本函数的可能实施例将在下文给出。采用这样的方式，每个候选序列与用成本函数计算的成本值关联。
在步骤112中，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。选择具有最小成本（即，具有最小成本值）的开关序列并且它的第一开关状态在时间步骤k处实现。
滚动时域策略可通过在下一个采样时刻重复步骤100至112而实现。例如，采样期TS（即两个步骤之间的时间）可以是25μs。
控制器
图5示出系统38，其具有适于执行图3的方法的控制器40。
控制器40经由两个A/D变换器42、44接收第一模型xi(k)的状态向量和第二内部模型xc(k)的状态向量，这两个A/D变换器42、44从转换器10接收对应的测量值xi(t)和xc(t)。此外，偏移值δ和参考电流iref,p是对于控制器40的外部参数。
控制器40从这些输入产生下一个开关状态u(k)，其直接应用于转换器10的开关。
状态向量xi(k)和xc(k)是到臂电流预测模块46的输入，该臂电流预测模块46预测对于下一个时间步骤k+1的状态向量xi(k+1)（其包括臂电流ipP、ipN）。
状态向量xi(k)和xc(k)是到电压预测模块48的输入，该电压预测模块48预测对于下一个时间步骤k+1的状态向量xc(k+1)（即，电容器电压Vc,pq）。
从状态向量xi(k+1)，由循环电流模块50预测循环电流icir,p(k+1)和由电流纹波模块52预测负载电流纹波ir,p(k+1)。
候选、外推和成本函数评估模块54接收状态向量xc(k+1)、循环电流icir,p(k+1)和负载电流纹波ir,p(k+1)并且借助于偏移值δ和参考电流iref,p确定成本cj的集。
模块46、48、50、52、54另外接收可能的未来开关状态u(k)（其用于确定模块的相应输出）的集。
可能的未来开关状态u(k)的集由枚举模块56从之前的开关状态u(k-1)确定，其对于一个时间步骤可存储在中间存储中。
最小成本和开关选择模块接收成本cj的集、选择具有最小成本的候选序列并且产生要应用于转换器10的下一个开关状态u(k)。
成本函数
作为第一示例，给出最后的开关状态u(k-1)，可对所有候选序列评估下列成本函数
其中，
成本函数中的第一项基于两个连续转换器开关状态之间的开关操作的数量。第一项惩罚在预测域上打折扣的开关转换的数量，从而允许人们使开关投入最小化。这通过使开关转换的数量除以预测开关轨迹的总长度（其包括外推段）而评估。
成本函数中的第二项基于转换器臂14（其包括串联连接的至少两个转换器模块12）的转换器模块12的模块电压之间的差。第二项用于分别使上臂14和下臂14内的电容器电压中的差最小化。
成本函数中的第三项基于模块电压与供应电压之间的差。第三项使端子电容器电压与一半的供应电压之间的差最小化。它对电容器电压的平均值设置参考并且使围绕该参考值的纹波最小化。在这里，λ1、λ2和λ3是加权系数。
重要的是注意没有第二项的成本函数可导致不对称的电容器电压波形。在该情况下，第三项将只控制电容器电压的平均并且电容器电压的纹波可以更高。
对成本函数存在可能的添加和修改。之前呈现的成本函数可增广以通过使用下列项而实现对电容器电压的更严格控制：
其中，
第二成本函数中的第一和第二项与在第一成本函数中呈现的相同。
第二成本函数的第三项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的第二转换器臂的模块电压和之间的差。第二成本函数的第三项使顶臂与底臂之间的电容器电压的端子平均值中的差最小化。
第二成本函数的第四项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。第四项使所有三个相位中电容器电压的平均值中的差最小化。
另一个可能的第三成本函数（其平衡电容器电压并且减少循环电流）在下文呈现：
第三成本函数中的第一和第二项与在第一成本函数中呈现的相同。
第三成本函数的第三项基于转换器中的循环电流。它使端子循环电流（即，预测域末端处线性外推的循环电流）最小化。
必须理解不同的成本函数的不同项可彼此混合来产生成本函数的另外的实施例。
一般化到具有N个臂模块和M个相位的转换器
在考虑具有任意数量的臂模块N和任何数量的相位M的M2LC拓扑时，模型的向量和矩阵的维数改变，但控制方法一般保持相同。
具体地，在考虑N个臂模块（而不是N=2）和M=3个相位（如之前的）时，出现下列改变：
修改的开关状态向量是
第一系统的系统矩阵Ai、Bi1、Bi2和Ci相应地改变。
电容器电压的修改向量是
第二系统的系统矩阵Ac、Bc和Cc相应地改变。
要对于‘SE’方案考虑的开关序列的总数量是jmax，其在N增加时增加。
在评估成本函数时，相应地修改成本函数中向量的维数（其包括u、Vcdiff和VcNom）。这同样适用于备选成本函数公式。
在考虑任意M（不同于三的相位数量）时，控制算法保持不变；仅系统矩阵jmax和成本函数中向量的维数改变。这些改变与上文详述的对于任意N（每臂的模块数量）的那些相似。
一般化到其他拓扑
控制方法能适用于模块化转换器和模块化多级转换器，其每臂具有任意数量N个模块12和任意数量M个相位16。
在下面示出对于模块化转换器的不同拓扑，其可通过如上文描述的方法的实施例来控制。
这些拓扑可分组成下列的组和子组：
●双星拓扑：
○DC-AC。对于N=2个臂模块和M=3个相位的示例在图1中示出。
○AC-DC。它可具有与在图1中示出的DC-AC转换器相同的拓扑，但其中标准功率流从AC到DC，即有源整流器。
●（单）星和（单）delta拓扑，如在图10和11中示出的。
●AC-AC拓扑：
○三相AC到三相AC：参见图6，其中一个模块可如在图7中示出的那样表示
○单相AC到单相AC
○单相AC到三相AC
○六边形变换器：参见图8
●DC-DC拓扑：参见图9和12
●双模块化多级转换器：参见图13
提出的控制方法的实施例能适用于所有拓扑。在下面示出的所有转换器可具有控制器40，其适于执行如上文描述的方法。控制概念保持不变。仅系统矩阵jmax和成本函数中的向量维数可必须适应于特定拓扑。
图6示出具有九个转换器臂14的AC-AC模块化多级转换器10a。转换器10具有连接到三相AC系统62的三相输入60和连接到三相AC机或负载18的三相输出64。
臂14采用每个臂14连接到三相输入60的一个输入相和三相输出64的一个输出相这样的方式连接。臂14可分组成三个臂14的组，其形成转换器10的子转换器66、68。
转换器10a的三个行中的每个形成单相AC到三相AC子转换器66。子转换器66的三个臂14与相应的输入相星型连接。
转换器10a的三个列中的每个形成三相AC到单相AC子转换器68。子转换器68的三个臂14与相应的输出相星型连接。
在图1中示出的模块化转换器10的转换器臂14包括转换器模块12，其具有所谓的单极单元，这些单极单元包括两个开关。模块12也叫作斩波器模块。
在图6中示出的模块化转换器10a的臂14包括转换器模块12a，其与所谓的单极单元串联连接。模块12a也叫作桥模块。
具有带四个开关的单极单元的这样的转换器模块12a在图7中示出。转换器模块12仅提供单向功率流，而转换器模块12a允许双向功率流。对于DC-AC和AC-DC拓扑，可使用两个类型的模块12、12a。对于所有其他拓扑，通常使用桥转换器模块12a。
在图7中示出的转换器模块12a与在图2中示出的转换器模块12相比具有扩展功能性。转换器模块12a具有两个功率连接器21、22，其起到转换器模块12a的输入以及输出的作用。除功率连接器21、22外，转换器模块可具有另外的连接，用于为了诊断目的和其他控制目的来控制转换器模块12a。功率连接器21、22可以通过功率半导体开关而短路或连接到电容器。与在图2中示出的转换器模块12相比，在图7中示出的转换器模块12a允许使电容器的正极连接到功率连接器21、22之一。
每个转换器模块的两个功率连接器21、22称为输入。此外，电容器的电压称为模块电压或电容器电压。
图8示出对于直接AC-AC模块化转换器（所谓的六边形变换器10b）的另一个拓扑，其包括具有串联连接的转换器模块12的六个转换器臂14。转换器模块12包括双极单元。
六边形变换器10b使第一三相系统62与第二三相系统18互连。第一系统62和第二系统18的每个相连接到两个臂14之间的连接点，使得第一系统62和第二系统18的相位在围绕转换器臂14的环行进时交替。
图9示出模块化DC-DC转换器10c，其包括有源整流器70，该有源整流器70可视为模块化DC-AC子转换器70和AC-DC子转换器72，它们通过变换器74而互连。两个子转换器70、72都具有与图1的转换器10的拓扑类似的拓扑。然而，子转换器70、72中的每个仅具有两个相位16。
图10示出模块化转换器10d，其连接到多相电力线76。转换器10d具有转换器臂14，其连接到电力线76的相位中的每个。在另一端，转换器臂14星型连接。
图11示出模块化转换器10e，其也连接到多相电力线76。然而，转换器臂14与电力线76的相位delta连接，即，每个转换器臂14直接连接到两个不同的相位。
模块化转换器10d和10e的转换器臂14包括具有双极单元的串联连接的转换器模块12a。
模块化转换器10d和10e可在STATCOM中使用。
图12示出具有DC-DC拓扑的模块化转换器10f。转换器10包括一个臂14，其具有串联连接的转换器模块12a。多个DC源80（例如电池）与每个转换器模块12a并联连接。臂14的末端连接到DC源82。
模块化转换器10d可用于对电池存储单元中的电池充电和放电。
图13示出具有DC-AC双拓扑的模块化转换器10g。DC源90连接到一个相位16，其包括两个转换器臂14。转换器臂中的每个具有并联连接的两个转换器模块12c。一个臂14的转换器模块12c共享共同电容器92。
在转换器10、10a至10f中，转换器模块串联连接以便使电压增加。在模块化转换器10g，模块并联连接来实现更高的额定电流。
在上文的示例和实施例中，转换器模块描述为具有电容器。也可以使用例如电池、燃料电池或光伏电池等不同的能量存储或能源来代替电容器。除描述的电容器外，也可以安装这样的能源或能量存储。对于这样的情况，电容器电压Vc,pq也必须泛化成模块电压Vc,pq。
尽管本发明已经在附图和前述描述中详细地图示和描述，这样的图示和描述要认为是说明性或示范性的而不是限制性的；本发明不限于公开的实施例。对公开的实施例的其他变化形式可以被本领域内技术人员在从对附图、公开和附上的权利要求的学习来实践要求保护的本发明中所理解和实现。在权利要求中，单词“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“a”或“an”不排除多数。单个处理器或控制器或其他单元可满足在权利要求中列举的若干项目的功能。某些措施在互相不同的从属权利要求中陈述的少数事实不指示这些措施的组合无法被有利地使用。在权利要求中的任何标号不应该解释为限制范围。

Claims (13)

1.一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.如权利要求1或2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.如权利要求1或2所述的方法，
其中所述成本函数基于对于相位（16）的第一转换器臂（14）的模块电压和与对于相同相位（16）或不同相位（16）的第二转换器臂（14）的模块电压和之间的差。
6.如权利要求1或2所述的方法，
其中所述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。
7.如权利要求1或2所述的方法，进一步包括以下步骤：
取消选择这样的候选序列，对其的未来模块电压未保持在预定义界限内。
8.如权利要求1或2所述的方法，
其中每个转换器模块（12）包括模块电容器；和/或
其中所述模块电压是模块电容器上的电容器电压。
9.如权利要求1或2所述的方法，
其中开关序列包括与转换器开关状态关联的开关步骤，在所述开关步骤中预测所述转换器的未来电流用于使所述转换器切换到关联的转换器开关状态；和/或
其中开关序列包括外推步骤，其中电流在至少一个时间步骤上外推直到它违反对于所述电流的界限。
10.如权利要求1或2所述的方法，
其中所述未来电流轨迹基于所述转换器的第一内部模型而预测，和/或
其中所述未来模块电压基于所述转换器的第二内部模型而预测，所述第二内部模型取决于所述第一内部模型。
11.如权利要求1或2所述的方法，进一步包括以下步骤：
通过绕过转换器模块（12）来改变所述转换器拓扑；
使所述第一和/或所述第二模型适应于改变的转换器拓扑。
12.一种用于控制模块化转换器（10）的控制器（40），其中所述控制器适于执行权利要求1至11中的一项所述的方法的步骤。
13.一种模块化转换器（10），包括：
多个转换器模块（12），每个具有电容器；以及
如权利要求12所述的控制器（40）。
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