CN105981287A - 变换器控制的改进或与变换器控制有关的改进 - Google Patents

Abstract

在高压直流(HVDC)电力传输网络领域中，一种控制变换器的方法，所述变换器包括对应于变换器的相应相的至少一个变换器臂(12A、12B、12C)，所述或每个变换器臂(12A、12B、12C)在第一DC端子与第二DC端子(14、16)之间延伸，并且包括由AC端子(18A、18B、18C)分隔开的第一臂部和第二臂部(12A+、12A‑、12B+、12B‑、12C+、12C‑)，所述方法包括以下步骤：(a)为所述或每个变换器臂(12A、12B、12C)获得对应变换器臂(12A、12B、12C)需要跟踪的相应的AC相电流需求波形(I_A、I_B、I_C)或所述或每个变换器臂(12A、12B、12C)还需要跟踪的DC电流需求(be)；(b)为每个臂部(12A+、12A‑、12B+、12B‑、12C+、12C‑)确定该臂部(12A+、12A‑、12B+、12B‑、12C+、12C‑)必须贡献以跟踪对应所需的AC相电流需求波形(I_A、I_B、I_C)和所需的DC电流需求(be)的臂部电流(I_A+、I_A‑、I_B+、I_B‑、I_C+、I_C‑)；(c)为每个臂部(12A+、12A‑、12B+、12B‑、12C+、12C‑)提供臂部电压源(V_A+、V_A‑、V_B+、V_B‑、V_C+、V_C‑)以实现对应确定的臂部电流(I_A+、I_A‑、I_B+、I_B‑、I_C+、I_C‑)；以及(d)执行数学优化来确定一个或多个最优臂部电流(I_A+、I_A‑、I_B+、I_B‑、I_C+)和/或提供最优臂部电压源(V_A+、V_A‑、V_B+、V_B‑、V_C+、V_C‑)。

Description

变换器控制的改进或与变换器控制有关的改进

技术领域

本发明涉及一种控制变换器的方法以及这样的变换器。

背景技术

在高压直流(HVDC)电力传输网络中，交流(AC)电力通常被变换为直流(DC)电力，用于经由架空线和/或海底电缆进行传输。这种变换免除了对由电力传输介质(即传输线或电缆)造成的AC电容性载荷效应进行补偿的需要，并且从而降低电线和/或电缆的每公里成本。当需要长距离传输电力时，从AC到DC的变换因而变得有成本效益。

DC电力与AC电力之间的变换还用于需要互连DC和AC电网的电力传输网络。在任何这种电力传输网络中，在AC电力与DC电力之间的每个交界处需要变换器来产生所需的变换：AC到DC或者DC到AC。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种控制变换器的方法，所述变换器包括对应于所述变换器的相应相的至少一个变换器臂，所述或每个变换器臂在第一DC端子与第二DC端子之间延伸，并且包括由AC端子分隔开的第一臂部和第二臂部，所述方法包括以下步骤：

(a)为所述或每个变换器臂获得对应变换器臂需要跟踪的相应的AC相电流需求波形以及所述或每个变换器臂还需要跟踪的DC电流需求；

(b)为每个臂部确定该臂部必须贡献以跟踪对应所需的AC相电流需求波形和所需的DC电流需求的臂部电流；

(c)为每个臂部提供臂部电压源以实现对应确定的臂部电流；以及

(d)执行数学优化来确定一个或多个最优臂部电流和/或提供最优臂部电压源。

执行上述数学优化步骤的一个或另一个，即从一组可能的替选值中选择最佳单独臂部电流和/或最佳单独臂部电压源(相对于选定的标准)，允许例如通过更高级别的控制器彼此独立地控制AC和DC电流需求。

它还允许每个臂部的性能变化在变换器作为一个整体的操作中得到适应。

例如，在臂部电流的情况下，控制变换器的常规方法考虑各个臂部使其具有彼此相等的性能特性，其结果是各个臂部始终被控制为每个提供相同、相等的电流贡献，而无论给定臂部的操作性能是否有任何变化。

同时，相对于臂部电压源，本发明的方法允许例如如果给定的臂部遭受降低其电压供给性能的损坏，则该臂部提供减小的臂部电压源，而变换器继续运行。

优选地，执行数学优化包括：创建表示通过所述变换器的电流流动和/或所述变换器中的电压条件的对应一个的等效变换器配置。

以上述方式创建等效变换器配置强加该变换器可以被控制的方式的约束条件，并且因此有助于执行数学优化来确定所述或每个最优臂部电流和/或提供最优臂部电压源。

在本发明的优选实施例中，创建表示通过所述变换器的电流流动的等效变换器配置包括：映射通过所述变换器的可能的电流流动路径，并且创建表示所述变换器中的电压条件的等效变换器配置包括：为每个臂部映射所述臂部电压源和感性分量。

为每个臂部映射通过变换器的可能的电流流动路径和/或映射臂部电压源和感性分量都有助于为给定变换器拓扑结构(即给定变换器结构)定制控制方法。

可选的，所述变换器包括多个变换器臂，并且执行数学优化包括以下中的对应一个：施加电流权重到由多个臂部所提供的相对电流贡献和/或施加电压权重到由每个臂部电压源提供的相对电压贡献。

施加这种权重允许每个臂部性能的变化在继续优化变换器作为一个整体操作的同时得以适应。

所述方法的另一个优选实施例包括根据所述变换器的测量的操作参数来确定所述或每个权重。

用以上述方式确定权重允许所述方法考虑到可能影响变换器的健康运行的环境因素，并改变被确定的最优臂部电流和/或所提供的最优臂部电压源，以便克服环境因素和减轻对变换器的操作的相关联的影响。这样的环境因素的例子包括一个臂部中的部件发热，或臂部受到部件损坏或故障使得其性能下降。

优选地，当在特定操作条件下控制所述变换器时，施加权重包括施加不同的权重到至少一个臂部，使得所述或每个被施加不同的权重的臂部提供与其它臂部不同的贡献。

这样的步骤允许所述方法区分一个臂部和另一个臂部，例如根据给定的臂部的性能如何来进行区分。

在以下情况下这是有用的，即当期望降低由给定臂部贡献的电流水平(例如这是因为与该臂部相关联的冷却运行于较低容量)并且暂时提高由一个或多个其它臂部提供的电流水平以便允许变换器继续操作和提供高水平的电力变换时。

这也可以用来例如在故障或其它损坏降低给定臂部的性能的情况下，减少给定臂部必须提供的臂部电压，使得变换器仍然能够继续操作并提供高水平的电力变换。

在本发明的进一步优选实施例中，为每个臂部执行数学优化以提供最优臂部电压源包括：减少给定臂部的实际测量的臂部电流与为该所述给定臂部对应确定的臂部电流的任何偏差。

减少给定臂部的实际测量的臂部电流与为该所述给定臂部对应确定的臂部电流的任何偏差有利地将反馈引入所述变换器的控制，这有助于确保所述变换器继续以优化方式运行。

可选地，减少实际测量的臂部电流与对应确定的臂部电流的任何偏差的步骤包括：为对应臂部计算感性电压部。

计算对应臂部的感性电压部减少所述变换器中未知电压条件的数量，并且因此有助于执行数学优化以提供最优臂部电压源。

本发明的方法可以进一步包括：修改所计算的感性电压部以驱使所述实际测量的臂部电流跟随所述对应确定的臂部电流。

这样的步骤提供使得实际测量的臂部电流有利地跟踪对应确定的臂部电流的方便的手段，并且因此有助于维持变换器的最优性能。

优选地，本发明的方法包括：执行数学优化来确定对应臂部必须贡献以跟踪对应所需的AC相电流需求波形和所需的DC电流需求的一个或多个最小单独臂部电流，和/或提供最小单独臂部电压源以实现对应确定的臂部电流。

确定一个或多个最小单独臂部电流减小了每个臂部中的传导损耗和开关损耗，这是因为通常这些损耗是与电流的平方(即I²)成正比的。

同时，为每个臂部确定最小单独臂部电压源有助于减少变换器引起的扰乱的程度并且因此进一步有助于维持其最优运行。

在控制变换器的一个优选的方法中，包括：执行数学优化仅为确定一个或多个最优臂部电流，为每个臂部提供臂部电压源以实现对应确定的臂部电流可以包括：应用控制算法以通过每个对应确定的臂部电流直接建立最优臂部电压源。

这种直接建立最优臂部电压源减少与控制变换器相关联的计算工作量和开销，并且也有助于在控制器不确定性和建模误差方面提高本发明的方法的稳健性。

根据本发明的第二个方面，提供了一种变换器，包括对应于所述变换器的相应相的至少一个变换器臂，所述或每个变换器臂在第一DC端子与第二DC端子之间延伸，并且包括由AC端子分隔开的第一臂部和第二臂部，所述变换器还包括控制器，所述控制器被配置为：

(a)为所述或每个变换器臂获得对应变换器臂需要跟踪的相应的AC相电流需求波形以及所述或每个变换器臂还需要跟踪的DC电流需求；

(b)为每个臂部确定该臂部必须贡献以跟踪对应所需的AC相电流需求波形和所需的DC电流需求的臂部电流；

(c)为每个臂部提供臂部电压源以实现对应确定的臂部电流；以及

(d)执行数学优化来确定一个或多个最优臂部电流和/或提供最优臂部电压源。

本发明的变换器也具有根据本发明的用于控制变换器的方法的对应特征相关联的优点。

附图说明

现在将参照以下附图，通过非限制示例的方式来简要描述本发明的优选实施例，在附图中：

图1(a)示出说明根据控制变换器的本发明的第一种方法中主要步骤的流程图；

图1(b)示出说明根据控制变换器的本发明的第二种方法中主要步骤的流程图；

图2示出等效变换器配置的示意图；

图3(a)示出在变换器的控制过程中对变换器内两个臂部提供的电流贡献施加不同的电流权重的结果；

图3(b)示出以图3(a)中所示的方式如何在臂部电流彼此不同时控制变换器以维持所需的AC相电流需求波形；

图3(c)示出以图3(a)中所示的方式如何在臂部电流彼此不同时控制变换器以维持所需的DC电流需求值；以及

图4示出形成图1(b)中示出的方法的一部分的反馈环路的示意图。

具体实施方式

图1(a)中所示的第一流程图30中示出根据控制变换器的本发明的第一实施例的方法主要步骤。

本发明的第一种方法适用于任何变换器拓扑结构，即具有任何特定结构的变换器。然而，以举例的方式，与具有三个变换器臂的三相变换器相联系进行描述，其中每个变换器臂对应于三相中的一相。每个变换器臂在第一DC端子与第二DC端子之间延伸并且包括由AC端子分隔开的第一臂部和第二臂部。

第一种方法包括：第一步骤，为每个变换器臂获得每个变换器臂需要跟踪的相应的AC相电流需求波形(AC current demand phase waveform)I_A、I_B、I_C，并且获得变换器臂还需要跟踪的DC电流需求I_DC。

各种AC相电流需求波形I_A、I_B、I_C和DC电流需求I_DC可以直接从特定变换器结构内的更高级控制器获得或从一些其它外部实体获得。可替代地，特定变换器结构可以通过执行其自己的计算直接获得之。

第一种方法还包括：第二步骤(如第一流程图30中的第一处理框20所示)，为每个臂部确定该臂部必须贡献以跟踪对应所需的AC相电流需求波形I_A、I_B、I_C和所需的DC电流需求I_DC的臂部电流。

更具体地说，本发明的第一种方法包括：执行数学优化来确定若干最优臂部电流。

执行这样的数学优化包括：创建等效变换器配置10，其表示通过对应的三相变换器结构的电流流动，如图2所示。

等效变换器配置10包括三个变换器臂12A、12B、12C，其每个对应于所述方法意图控制的对应三相变换器结构的相应的第一、第二和第三相。在本发明的其它实施例中，被控制的变换器结构可具有三相更少或更多的相，并且因此具有不同相称数量的对应变换器臂。在这些情况下，等效变换器配置同样具有不同对应数量的变换器臂。

在所示的等效变换器配置10中，每个变换器臂12A、12B、12C在第一DC端子14和第二DC端子16之间延伸，并且每个变换器臂12A、12B、12C包括第一臂部12A+、12B+、12C+和第二臂部12A-、12B-、12C-。每个变换器臂12A、12B、12C中的每对第一臂部12A+、12B+、12C+和第二臂部12A-、12B-、12C-由对应的AC端子18A、18B、18C分隔开。

等效变换器配置10还表示每个变换器臂12A、12B、12C需要跟踪(例如尽可能地匹配)的相应的AC相电流需求波形I_A、I_B、I_C和变换器臂12A、12B、12C还需要跟踪的DC电流需求I_DC。

在实践中，每个变换器臂12A、12B、12C还必须在对应的AC相电压波形(AC voltage phase waveform)V_A、V_B、V_C以及DC电压V_DC(通常对应于特定变换器结构所连接的相应的AC和DC电网的值)的约束条件内操作，并且因此等效变换器配置10也表示这些元素。

通过改变归因于上述各种电路元素的每个的值，可以使得等效变换器配置10反映任何特定变换器结构，并且从而使得本发明的第一种方法控制所述特定变换器结构。还应当理解，等效变换器配置可具有三相更少或更多的相，并且因此同样应当理解的是，本发明的第一种方法还能够控制特定的非三相变换器结构。

创建表示通过对应的三相变换器结构的电流流动的等效变换器配置10还包括：映射通过特定变换器结构的可能的电流流动路径。

映射通过特定变换器结构的可能的电流流动路径的一种方式是通过对等效变换器配置10进行基尔霍夫分析以获得以下等式：

I_A＝I_A+-I_A-

I_B＝I_B+-I_B-

I_C＝I_C+-I_C-

I_DC＝I_A++I_B+I_C+

然后以矩阵形式表达这些等式，即：

使得A是映射由臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-提供的可能的电流流动路径的矩阵。

取决于本发明的方法控制的任何变换器的特定变换器结构，矩阵A可以采取不同的形式。它也可以另外包括状态的详细信息，例如变换器内任何开关的“开(on)”＝1，或“关(off)”＝0，其可能会根据它们的开关状态影响任何特定时间的可用电流流动路径。

此外，其它等效变换器配置和对应的分析技术也是可能的。

取决于本发明的第一种方法控制的变换器的特定结构，一个或多个臂部电流可以根据其余臂部电流进行数学优化。换句话说，当每个其余臂部电流可彼此独立地确定时，可以根据每个其余独立臂部电流自动建立所述或每个从属臂部电流。

在描述第一种方法所联系的示例性三相变换器中，可独立确定六个臂部电流中的五个，因此可以进行数学优化，而第六个臂部电流将根据其它五个数学优化后的臂部电流自动跟随。其结果是，在所示示例性第一种方法中，执行描述数学优化以确定五个最优臂部电流。

例如，在图2中所示的等效变换器配置10中，进一步基尔霍夫分析可以用于获得以下等式：

I_C-＝(I_A++I_B++I_C+)-(I_A-+I_B-)

因此，I_C-被限定为从属臂部电流，因为一旦每个其余独立最优臂部电流I_A+、I_A-、I_B+、I_B-、I_C+使用上述数学优化得以确定，I_C-会变为已知(即可以自动计算出)。

应该理解的是，取决于所执行的基尔霍夫分析，一个或其它臂部电流I_A+、I_A-、I_B+、I_B-、I_C+可以替代性地被限定为从属臂部电流。此外，另一个等效变换器配置(未示出)可表示得到取决于其余臂部电流的两个或更多个臂部电流的特定变换器结构。

作为上述分析的结果，在所描述的示例性实施例中，通过执行数学优化来确定五个独立最优臂部电流I_A+、I_A-、I_B+、I_B-、I_C+，而一旦每个独立最优臂部电流I_A+、I_A-、I_B+、I_B-、I_C+通过执行所述数学优化已被确定，第六个从属臂部电流I_C-则自动跟随，例如通过等效电路分析和相关计算实现。

在任何情况下，上述数学优化步骤还包括：将电流权重施加到由每个臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-提供的相对电流贡献。根据被控制的特定变换器结构的测量的操作参数来确定每个臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-的相应电流权重。在所述变换器的整个操作中可以确定各种电流权重，以便允许更新电流权重，例如响应于变化的环境条件进行更新。其结果是，各种电流权重可以随着变换器受到控制而变化。

例如，在所述特定变换器结构的正常操作过程中，相同的电流权重被施加到每个臂部电流I_A+、I_A-、I_B+、I_B-、I_C+、I_C-。然而，当在某些操作条件下(例如异常操作条件下)控制所述特定变换器结构时，不同的电流权重被施加给由至少一个臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-提供的电流贡献，即臂部电流I_A+、I_A-、I_B+、I_B-、I_C+、I_C-。

图3(a)示出特定变换器结构的给定的操作时间段(即0.03秒与0.06秒之间)，在这段时间内更大的电流权重被施加到第二变换器臂12B的每个臂部12B+、12B-必须贡献的最优臂部电流I_B+、I_B-上。相对于每个其它臂部12A+、12A-、12C+、12C-的实际电流贡献(即测量到的臂部电流贡献I’_A+、I’_A-、I’_C+、I’_C-)，这样的电流权重减少每个臂部12B+、12B-贡献的实际臂部电流(即测量到的臂部电流I_B+、I_B-)，换作其它臂部彼此情况相同。

除了前述，第一种方法包括：执行数学优化来确定每个独立臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+必须贡献以便跟踪对应所需的AC相电流需求波形I_A、I_B、I_C和所需的DC电流需求I_DC的最小单独臂部电流I_A+、I_A-、I_B+、I_B-、I_C+。

可以确定最小单独臂部电流I_A+、I_A-、I_B+、I_B-、I_C+，即上文给出的方程式A.x＝b中x(注意，一旦已经执行数学优化来确定独立的最小臂部电流I_A+、I_A-、I_B+、I_B-、I_C+第六从属臂部电流I_C-将自动跟随)以及施加到最小单独臂部电流I_A+、I_A-、I_B+、I_B-、I_C+的上述单独的电流权重的一种方式是通过求解一般形式的非线性优化：

$\underset{x}{\min }{J}_{Current}=\mathrm{\Ψ}\left(x\right(t_1\left)\right)+{\∫}_{t_0}^{t_1}f\left(x\right(t),t)dt$

受制于以下形式的等式约束方程：

A.x＝b

其中

J_Current是待最小化的电流目标函数；

Ψ为在时间t₁处的电流权重；

f是电流成本函数，其在所描述的实施例中包括电流权重矩阵QI；

x是[I_A+,I_A-,I_B+,I_B-,I_C+,I_C-]的转置，即列矢量体现的[I_A+,I_A-,I_B+,I_B-,I_C+,I_C-]；

t₀是特定变换器机构的控制的特定时间段开始的时间；以及

t₁是特定变换器机构的控制的特定时间段结束的时间。

根据变换器的测量操作参数来确定电流权重矩阵Q_I，并且可以在特定变换器结构的整个操作过程中如此确定，使得电流权重矩阵Q_I可以响应于变换器的操作的改变随着变换器的控制而变化。

当仅受制于等式约束方程时，如上所述，拉格朗日(或拉格朗日乘数的方法)是用于求解上述非线性优化以便找到电流目标函数J_Current的局部最小值的技术。也可以使用其它优化算法，包括迭代和编程算法来求解。

作为一般的最优控制问题，上述非线性优化可以另外包括一个或多个不等式约束，在这种情况下，可以通过使用哈密顿的另一方法(庞特里亚金最小值原理)来求解。

这样的不等式约束的一个例子是：

其中

C是映射由臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-提供的可能的最大电流流动路径的矩阵；以及

d是表示每个臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-中最大期望电流的矢量。

在任一种情况下，也可以通过求解形式的非线性优化来确定最小单独臂部电流I_A+、I_A-、I_B+、I_B-、I_C+、I_C-。

同时，本发明的第一种方法包括：第三步骤，为每个臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-提供臂部电压源以实现对应的数学优化的最小臂部电流I_A+、I_A-、I_B+、I_B-、I_C+和关联的从属臂部电流I_C-。

更具体地说，本发明的第一种方法包括：执行数学优化以提供最优臂部电压源。然而，在本发明的方法的其它实施例中，无需进行臂部电压源的这种数学优化。此外，在本发明的方法的更进一步的实施例中，可以进行执行数学优化以提供最优臂部电压源的随后步骤而不先执行数学优化来确定一个或多个最优臂部电流，即，其可以基于常规方式确定的臂部电流进行。

在任何情况下，执行数学优化以提供最优臂部电压源包括：创建表示变换器中电压条件的等效变换器配置，即，包括创建图2所示的等效三相变换器配置10。

表示等效变换器配置10中描绘的特定三相变换器结构中的电压条件还包括：为每个臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-映射臂部电压源V_A+、V_A-、V_B+、V_B-、V_C+、V_C-和感性分量。

每个臂部电压源V_A+、V_A-、V_B+、V_B-、V_C+、V_C-可以在幅值上是固定的，并且可切换入和切换出对应的臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-，或在图2中所示的等效变换器配置10中所描绘的特定变换器结构中的情况下，幅值可在零(即相当于被切换出对应的臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-)和电压上限之间是可变的。

同时，每个臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-的感性分量表示与对应的臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-相关联的电感。这种电感可以采取给定的臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-内的电感器的形式，即臂部电感，或与给定的臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-电关联的杂散电感的形式，例如相电感和/或DC线电感。

联系本发明的第一种方法，每个臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-的感性分量在等效变换器配置10中被表示为感性电压部U_A+、U_A-、U_B+、U_B-、U_C+、U_C-，其由从流过与对应的臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-相关联的上述电感的电流产生的电压构成。

以这种方式，也可以使得等效变换器配置10通过改变归因于各个臂部电压源和感性电压部元素的中每个的值来反映特定变换器结构。

在本发明的其它实施例中，表示特定三相变换器结构中的电压条件还可以包括：映射每个臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-的阻性分量。

这样的阻性分量表示与给定的臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-相关联的电阻，并且类似地可以采取给定的臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-内的电阻器的形式(即臂部电阻)，或与给定的臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-电关联的电阻的形式(例如相电阻和/或DC线电阻)。

映射臂部电压源V_A+、V_A-、V_B+、V_B-、V_C+、V_C-和感性电压部U_A+、U_A-、U_B+、U_B-、U_C+、U_C-同样类似地包括对等效变换器配置10进行基尔霍夫分析，但是也可以使用其它等效变换器配置和对应的分析技术。在应用基尔霍夫分析时获得以下矩阵形式的等式：

$M_V\·\left(\begin{array}{c}{V}_{A+}\\ V_{A-}\\ V_{B+}\\ V_{B-}\\ V_{C+}\\ V_{C-}\end{array}\right)-M_U\·\left(\begin{array}{c}{U}_{A+}\\ U_{A-}\\ U_{B+}\\ U_{B-}\\ U_{C+}\\ U_{C-}\\ V_{DC}\\ V_{AB}\\ V_{CB}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right)$

其中

$M_V=\left(\begin{array}{cccccc}1& 1& -1& -1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 1& -1& -1\\ 0& 0& 0& 0& 1& 1\\ 1& 0& -1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& -1& 0\end{array}\right)$

即M_V是映射特定变换器结构内的臂部电压源V_A+、V_A-、V_B+、V_B-、V_C+、V_C-的位置的矩阵；

$M_U=\left(\begin{array}{ccccccccc}1& -1& -1& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& -1& -1& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& -1& -1& 0& 0\\ 1& 0& -1& 0& 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 1& 0& -1& 0& 0& 0& 1\end{array}\right)$

即M_U是映射特定的变换器结构内的感性电压部U_A+、U_A-、U_B+、U_B-、U_C+、U_C-的位置的矩阵；

V_DC是DC电压，即，第一DC端子14与第二DC端子16之间的电压差；

V_AB是第一变换器臂12A与第二变换器臂12B之间的电压差；以及

V_CB是第三变换器臂12C与第二变换器臂12B之间的电压差。

取决于本发明的方法控制的任何变换器的特定变换器结构，一个或多个M_V和/或M_U矩阵可采取不同的形式。

在本发明的第一种方法中，执行数学优化来为每个臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-提供最优臂部电压源V_A+、V_A-、V_B+、V_B-、V_C+、V_C-包括：减少给定独立臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+的实际测量的臂部电流I′_A+、I′_A-、I′_B+、I′_B-、I′_C+与所述给定的臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+的对应确定的最优臂部电流I_A+、I_A-、I_B+、I_B-、I_C+的任何偏差。

控制特定三相变换器结构的第一种方法还包括：为每个臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-计算感性电压部U_A+、U_A-、U_B+、U_B-、U_C+、U_C-。此计算基于对应确定的最优臂部电流I_A+、I_A-、I_B+、I_B-、I_C+和从属臂部电流I_C-以及与对应臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-相关联的电感。

此后，计算出的感性电压部U_A+、U_A-、U_B+、U_B-、U_C+、U_C-被修改，以驱使实际测量的臂部电流I′_A+、I′_A-、I′_B+、I′_B-、I′_C+跟随对应确定的最优臂部电流I_A+、I_A-、I_B+、I_B-、I_C+。

这种测量和修改采取提供闭环控制的反馈环路的形式，如第一流程图30中第二框22示意性示出的。反馈环路还可以包括前馈元件，其寻求为一个或多个感性电压部U_A+、U_A-、U_B+、U_B-、U_C+、U_C-预测期望的未来值，以便提高闭环控制的性能。

在执行上述数学优化以提供最优臂部电压源V_A+、V_A-、V_B+、V_B-、V_C+、V_C-时利用每个臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-的计算出的感性电压部U_A+、U_A-、U_B+、U_B-、U_C+、U_C-，如第一流程图30中第三处理框24所示。

这种数学优化还包括施加电压权重到由每个臂部电压源V_A+、V_A-、V_B+、V_B-、V_C+、V_C-提供的相对的电压的贡献。根据被控制的特定变换器结构的测量的操作参数来确定电压权重，并且可以在所述变换器的整个操作过程中如此确定。电压权重的这种可能的重复确定允许在例如改变环境条件过程中变换器操作的持续优化。

例如，在所述特定变换器结构的正常操作过程中，相同的电压权重被施加到每个臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-的臂部电压源V_A+、V_A-、V_B+、V_B-、V_C+、V_C-。

然而，在例如异常操作条件过程中，不同的电压权重可以被施加到一个或多个臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-的臂部电压源V_A+、V_A-、V_B+、V_B-、V_C+、V_C-，以进一步减轻例如异常操作条件的影响。

更具体而言，在本发明的第一种方法中，执行数学优化来为每个臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-提供最优臂部电压源V_A+、V_A-、V_B+、V_B-、V_C+、V_C-包括：为每个臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-确定实现先前确定的对应的最小臂部电流I_A+、I_A-、I_B+、I_B-、I_C+、I_C-所需的最小单独臂部电压源V_A+、V_A-、V_B+、V_B-、V_C+、V_C-。

可以确定最小单独臂部电压源V_A+、V_A-、V_B+、V_B-、V_C+、V_C-(即给定臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-内的可变电压源必须提供的最小电压水平)和施加给其的上述单独的电压权重的一种方式是通过求解x(其中x为[V_A+,V_A-,V_B+,V_B-,V_C+,V_C-]的转置)，一般形式的非线性优化如下：

$\underset{x}{\min }{J}_{Voltage}=\mathrm{\Ψ}\left(x\right(t_1\left)\right)+{\∫}_{t_0}^{t_1}f\left(x\right(t),t)dt$

受限于以下形式的等式约束方程M_V.x＝b，其中b为已知，

并且其中

J_Voltage是待最小化的电压目标函数；

Ψ是时间t₁处的电压权重；

f是在本发明的第一方法中包括电压权重矩阵Q_V的电压成本函数；

t₀是特定变换器结构的控制的特定时间段开始的时间；以及

t₁是特定变换器结构的控制的特定时间段结束的时间。

类似地，根据变换器的测量的操作参数来确定电压权重矩阵Q_V，并且可以在特定变换器结构的整个操作过程中如此确定。因此，它也可以随所述变换器的控制而改变。

求解上述非线性优化也可以受限于以下形式的不等式方程：

C.x≤d

其中

C是映射臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-中的可能的最大臂部电压源的位置的矩阵；以及

d是表示每个臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-中的最大期望电压的矢量。

如图3(b)和图3(c)所示，控制特定变换器结构的上述第一种方法允许，例如，在由第二变换器臂12B贡献的实际测量的臂部电流I’_B+、I’_B-与由第一变换器臂12A和第三变换器臂12C贡献的实际测量的臂部电流I’_A+、I’_A-、I’_C+、I’_C-不同的整个时间段中，由变换器臂12A、12B、12C如所需地持续跟踪期望的AC相电流需求波形I_A、I_B、I_C和期望的DC电流需求水平I_DC。

图1(b)中所示的第二流程图40示出根据控制变换器的本发明的第二实施例的方法主要步骤。

本发明的第二种方法类似于本发明的第一种方法，并且同样地适用于任何变换器拓扑结构，即具有任何特定结构的变换器。以举例的方式，本发明的第二种方法仍然结合图2中所示的等效变换器配置10中所描绘的特定三相变换器结构的其控制描述。

第二种方法包括与第一种方法的第一步骤相同的第一步骤，即，为每个变换器臂12A、12B、12C获得对应的变换器臂12A、12B、12C需要跟踪的相应的AC相电流需求波形I_A、I_B、I_C，并且获得变换器臂12A、12B、12C还需要跟踪的DC电流需求I_DC。

第二种方法还包括与第一种方法相同的第二步骤，如类似地由第二流程图40的第一处理框20所示。于是，本发明的第二方法的第二步骤也包括：执行数学优化以确定每个对应臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+必须贡献以跟踪对应的所需AC相电流需求波形I_A、I_B、I_C和所需的DC电流需求I_DC的五个独立的最小臂部电流I_A+、I_A-、I_B+、I_B-、I_C+。

在第二种方法中，以与第一种方法相关联的完全相同的方式执行这样的数学优化，即，如上所述。

本发明的第二种方法还包括：第三步骤，为每个臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-提供臂部电压源V_A+、V_A-、V_B+、V_B-、V_C+、V_C-来实现先前确定的对应的最小臂部电流I_A+、I_A-、I_B+、I_B-、I_C+。

更具体地说，本发明的第二种方法包括：第三步骤，应用控制算法以从每个对应确定的最小臂部电流I_A+、I_A-、I_B+、I_B-、I_C+直接建立最优臂部电压源V_A+、V_A-、V_B+、V_B-、V_C+、V_C-，如第二流程图40中的单个第四框26所示。

应用这样的控制算法包括：减少给定的独立臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+的实际测量的臂部电流I′_A+、I′_A-、I′_B+、I′_B-、I′_C+与所述给定的臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+的对应确定的最小臂部电流I_A+、I_A-、I_B+、I_B-、I_C+的任何偏差。

可以从对应确定的最小臂部电流I_A+、I_A-、I_B+、I_B-、I_C+中减去并且优选地消除给定的独立臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-的实际测量的臂部电流I′_A+、I′_A-、I′_B+、I′_B-、I′_C+、I′_C-的偏差的一种方式是建立如图4示意性所示的反馈环路50。

在所示的实施例中，反馈环路50比较相应的实际测量的臂部电流I′_A+、I′_A-、I′_B+、I′_B-、I′_C+与对应确定的最小臂部电流I_A+、I_A-、I_B+、I_B-、I_C+，并且计算对应的臂部误差e_A+、e_A-、e_B+、e_B-、e_C+。然后，反馈环路50将校正系数K应用到每个臂部误差e_A+、e_A-、e_B+、e_B-、e_C+，由此直接建立对应的臂部电压源V_A+、V_A-、V_B+、V_B-、V_C+、V_C-，这是将误差e_A+、e_A-、e_B+、e_B-、e_C+向零驱使所需要的。

校正系数K可以采取控制系统矩阵的形式，诸如增益矩阵(未示出)，其设定单独的校正系数，与每个臂部误差e_A+、e_A-、e_B+、e_B-、e_C+相乘(例如，在增益矩阵的情况下)，以建立对应的臂部电压源V_A+、V_A-、V_B+、V_B-、V_C+、V_C—。

可以建立这样的单独的校正因子的一种方式是通过创建表示处于控制之下的特定三相变换器结构的电压条件的等效变换器配置，并且此后考虑这样的等效变换器配置的动态。

更具体地，相对于上述实施例，可通过创建在图2所示的等效变换器配置10和为每个臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-映射臂部电压源V_A+、V_A-、V_B+、V_B-、V_C+、V_C-和感性分量来实现前述步骤。

此后这样的映射可以包括进行等效变换器配置10的基尔霍夫分析(尽管其它等效变换器配置和对应的分析技术也是可能的)，应用基尔霍夫电流和电压定律来将等效变换器配置10的动态描述为：

$v=M\frac{dI}{dt}+N\mathrm{\ξ}$

其中

v是[V_A+,V_A-,V_B+,V_B-,V_C+,V_C-]的转置；

M是映射每个臂部的感性分量并且更具体地映射与每个臂部相关联的单独臂部、相电感和DC线电感中每个的耦合电感矩阵，例如：

$M={10}^{-3}\left(\begin{array}{ccccc}6& -2& 1& 0& 1\\ -1& 5& 1& 0& 1\\ 1& 0& 6& -2& 1\\ 1& 0& -1& 5& 1\\ -1& 2& -1& 2& 4\\ 6& -5& 6& -5& 4\end{array}\right)$

I是[I’_A+,I’_A-,I’_B+,I’_B-,I’_C+]的转置，即表示实际测量的独立臂部电流I′_A+、I′_A-、I′_B+、I′_B-、I′_C+的电流矢量的转置；

N是映射特定变换器结构内的各种输入电压的位置的输入电压矩阵，例如

以及

ξ为表示外部干扰的输入电压矢量，例如

$\mathrm{\ξ}=\left[\begin{array}{c}{V}_{DC}\\ V_{AB}\\ V_{CB}\end{array}\right]$

其中

V_DC是DC电压，即，第一DC端子14与第二DC端子16之间的电压差；

V_AB是第一变换器臂12A与第二变换器臂12B之间的电压差；以及

V_CB是第三变换器臂12C与第二变换器臂12B之间的电压差。

取决于本发明的方法控制的任何变换器的特定变换器结构，并且取决于哪个(些)臂部被选择为从属于其它臂部，一个或多个M和N矩阵可以类似地采取不同的形式。

以这种方式，当考虑一个或多个单独的臂部电压源V_A+、V_A-、V_B+、V_B-、V_C+、V_C-中的改变会对例如由特定变换器结构产生的实际测量的臂部电流I′_A+、I′_A-、I′_B+、I′_B-、I′_C+有什么影响时，进行前述基尔霍夫分析使得可以考虑关于特定变换器结构的所有上述提到的因素，即，M，I，N，ξ。这种能力赋予本发明的第二种方法抵抗控制器不确定性和建模误差的鲁棒性。

而且，其结果是，随后可以通过考虑需要对给定的单独的臂部电压源V_A+、V_A-、V_B+、V_B-、V_C+、V_C-进行哪些改变以建立每个单独的校正因子，以有利地改变由处于控制之下的特定变换器结构提供的对应臂部电流，即对应的实际测量臂部电流I′_A+、I′_A-、I′_B+、I′_B-、I′_C+，以便将实际测量臂部电流I′_A+、I′_A-、I′_B+、I′_B-、I′_C+朝向确定的最小臂部电流I_A+、I_A-、I_B+、I_B-、I_C+驱使，即以便将对应的臂部误差e_A+、e_A-、e_B+、e_B-、e_C+朝向零驱使。

一旦已经为特定变换器结构建立这样的单独的校正因子(例如在变换器设计和调试阶段)，通常没有必要再次确定它们。结果，反馈环路50涉及最小计算工作量，这是因为在每个周期仅需要用已经确定的对应的单独校正系数乘以给定的臂部误差e_A+、e_A-、e_B+、e_B-、e_C+即可。

Claims (12)

1.一种控制变换器的方法，所述变换器包括对应于所述变换器的相应相的至少一个变换器臂，所述或每个变换器臂在第一DC端子与第二DC端子之间延伸，并且包括由AC端子分隔开的第一臂部和第二臂部，所述方法包括以下步骤：

(a)为所述或每个变换器臂获得对应变换器臂需要跟踪的相应的AC相电流需求波形以及所述或每个变换器臂还需要跟踪的DC电流需求；

(b)为每个臂部确定该臂部必须贡献以跟踪对应所需的AC相电流需求波形和所需的DC电流需求的臂部电流；

(c)为每个臂部提供臂部电压源以实现对应确定的臂部电流；以及

(d)执行数学优化来确定一个或多个最优臂部电流和/或提供最优臂部电压源。

2.根据权利要求1所述的控制变换器的方法，其中执行数学优化包括：创建表示通过所述变换器的电流流动和/或所述变换器中的电压条件的对应一个的等效变换器配置。

3.根据权利要求2所述的控制变换器的方法，其中创建表示通过所述变换器的电流流动的等效变换器配置包括：映射通过所述变换器的可能的电流流动路径，并且其中，创建表示所述变换器中的电压条件的等效变换器配置包括：为每个臂部映射所述臂部电压源和感性分量。

4.根据任一项前述权利要求所述的控制变换器的方法，其中所述变换器包括多个变换器臂，并且其中执行数学优化包括以下中的对应一个：施加电流权重到由多个臂部所提供的相对电流贡献和/或施加电压权重到由每个臂部电压源提供的相对电压贡献。

5.根据权利要求4所述的控制变换器的方法，其中根据所述变换器的测量的操作参数来确定所述或每个权重。

6.根据权利要求4或权利要求5所述的控制变换器的方法，其中当在特定操作条件下控制所述变换器时，施加权重包括施加不同的权重到至少一个臂部，使得所述或每个被施加不同的权重的臂部提供与其它臂部不同的贡献。

7.根据任一项前述权利要求所述的控制变换器的方法，其中为每个臂部执行数学优化以提供最优臂部电压源包括：减少给定臂部的实际测量的臂部电流与为该所述给定臂部对应确定的臂部电流的任何偏差。

8.根据权利要求7所述的控制变换器的方法，其中减少实际测量的臂部电流与对应确定的臂部电流的任何偏差包括：为对应臂部计算感性电压部。

9.根据权利要求8所述的控制变换器的方法，还包括：修改所计算的感性电压部以驱使所述实际测量的臂部电流跟随所述对应确定的臂部电流。

10.根据任一项前述权利要求所述的控制变换器的方法，包括：执行数学优化来确定对应臂部必须贡献以跟踪对应所需的AC相电流需求波形和所需的DC电流需求的一个或多个最小单独臂部电流，和/或提供最小单独臂部电压源以实现对应确定的臂部电流。

11.根据任一项前述权利要求所述的控制变换器的方法，包括：执行数学优化仅为确定一个或多个最优臂部电流，其中为每个臂部提供臂部电压源以实现对应确定的臂部电流包括：应用控制算法以通过每个对应确定的臂部电流直接建立最优臂部电压源。

12.一种变换器，包括对应于所述变换器的相应相的至少一个变换器臂，所述或每个变换器臂在第一DC端子与第二DC端子之间延伸，并且包括由AC端子分隔开的第一臂部和第二臂部，所述变换器还包括控制器，所述控制器被配置为：

(a)为所述或每个变换器臂获得对应变换器臂需要跟踪的相应的AC相电流需求波形以及所述或每个变换器臂还需要跟踪的DC电流需求；

(b)为每个臂部确定该臂部必须贡献以跟踪对应所需的AC相电流需求波形和所需的DC电流需求的臂部电流；

(c)为每个臂部提供臂部电压源以实现对应确定的臂部电流；以及

(d)执行数学优化来确定一个或多个最优臂部电流和/或提供最优臂部电压源。