CN106105008B - 控制4象限轨道馈电转换器中的变压器参数的估计 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制尤其是轨道车辆的功率转换器(6)的至少第一开关电路(7a)的方法，其中，所述第一开关电路(7a)的AC端子电连接至第一供电电路，所述第一供电电路包括至少一个电感元件，基于所述第一供电电路的动态电流‑电压‑模型来确定与所述第一供电电路的自感有关的和/或与所述第一供电电路的至少一个互感有关的至少一个参数以及与所述第一供电电路的电阻有关的至少一个参数，根据所确定的参数来控制所述功率转换器的所述第一开关电路(7a)。

Description

控制4象限轨道馈电转换器中的变压器参数的估计
技术领域
本发明涉及用于控制尤其是轨道车辆的功率转换器的至少第一开关电路的一种方法、一种控制仪器以及一种电路布置。
背景技术
使用电压源逆变器(VSI：voltage source inverters)是人所公知的，所述电压源逆变器是切换的功率转换器用来在DC(直流)电压源与AC(交流)-或-DC-负载之间单向或双向传输电能。
所有电压控制的电压源逆变器以基本上类似的方式运行：例如变压器、电感线圈或任何其他能量存储元件的能量存储元件被用作中间能量存储元件。能量转移是通过生成能够在能量存储元件两端产生电势差的开关顺序而实现的。
控制目标通常是调节VSI的输出电压或输出电流以跟随一个参考值。这例如在1993年的工业电子、控制与仪器仪表国际会议(Int.Conference on IndustrialElectronics,Control and Instrumentation)的会议记录中L.Malesani等人的“PWMCurrent Control Techniques of Voltage Source Converters–A Survey”中被公开。该文件还公开了一种反馈控制方法。
还为人所知的是基于模型的预测控制，其例如在2007年的IEEE工业电子期刊54(1)中J.Rodriguez等人的“Predictive current control of a voltage sourceinverter”中被公开。
然而，尤其是对于大功率应用，以上两种方法均不能完全令人满意，因为例如具有额定功率大于500kW的大功率逆变器通常在同步模式下以例如低至六倍于基波频率的相对较低的开关频率运行，以保持低的开关损耗。然而，低的开关频率也意味着在一个周期内可进行相对较少数量的控制动作。这通常会导致性能下降。另外，例如用于机车应用的典型的大功率应用，具有有着大量的磁耦合的绕组(例如5至8个)的变压器。获得准确的适合于预测控制的第一原理模型是困难的。因此，控制容限被减小并且在较低级别的能量传输下控制器达到了的运行的最大限度。功率部件的制造公差和传感器的老化效应进一步加剧了问题。
这些问题通常会导致控制器性能的下降。降低的性能可例如导致无功电流的过渡生成，这进而需要进行额外补偿。附加地，转换器可能无法递送额定功率。
DE 197 11534 A1公开了一种用于控制整流器的DC电压的方法。所述整流器的AC端子通过变压器被连接至AC电压源。另外，在整流器的DC端子处提供有DC电压。整流器被设计为四象限斩波器并且每个引脚包括至少一个可控阀。用来控制所述可控阀的控制电压根据具有放置于下的电流控制的电压控制确定，进一步根据与电源电压成比例的信号与计算的变压器模型电压之间的差值确定，其中，所述变压器模型电压是使用更新过的变压器参数计算的。在该文献中，考虑的是频域变压器模型，其使用从变压器端子处的电压和电流的离散傅里叶变换得到的信息而被更新。所述变压器模型仅根据基波分量而被更新且忽略掉由于谐波产生的影响。所提出的方法不能用于暂态的建模，所述暂态例如由不同的变压器绕组的非对称负载而引起。另外，该文献中公开的方法的重要方面是对所估计的参数在时间上的平均。从信号处理文献中已知，当使用平均的方法作为低通滤波器时，它具有许多不利的性质。它可例如由于非正常值和测量噪声而给出错误的结果。
发明内容
本发明的目标是提供用于控制尤其是轨道车辆的功率转换器的至少第一开关电路的一种方法、一种控制仪器和一种电路，其使得能够快速并且精确地控制稳态以及暂态下的开关电路。
本发明的主要思想是使用被连接至开关电路的AC(交流)端子的供电电路的动态电流-电压-模型来确定至少一个参数，其中，根据所述至少一个参数来控制功率转换器的至少一个开关电路。
提出了一种用于控制功率转换器的至少第一开关电路的方法。所述功率转换器尤其是轨道车辆的功率转换器。例如，功率转换器可被用来将电能从电压源传输至中间电路和/或从中间电路传输至电压源，所述电压源例如通过悬链线或接触线提供。功率转换器可以是电压控制的逆变器。
第一开关电路的AC端子被电连接至第一供电电路，尤其是连接至第一供电电路的一个端子。所述第一开关电路可包括至少一个开关元件，例如尤其是IGBT或MOSFET的晶体管。优选地，第一开关电路可由开关腿提供，其中，所述开关腿包括两个开关元件的串联连接。第一开关电路的AC端子在这种情况下可由所述串联连接的中央片提供。
第一供电电路表示至少一个电元件电布置在前述的电力供给电压源与第一开关电路的AC端子之间的布置和/或将前述的电力供给电压源与第一开关电路的AC端子电连接的布置。这意味着所述第一供电电路可包括一个或一个以上的电元件。特别地，第一供电电路可由变压器的次级绕组提供。这将在下文中进行解释。
第一供电电路包括至少一个电感元件。当然可能的是第一供电电路还附加地包括一个或一个以上的电容和/或电阻元件。
第一供电电路可以是AC耦合电路的一部分或子电路，其中，所述AC耦合电路可包括多个供电电路，并且如果适用，则还可包括不同于供电电路的其他子电路。AC耦合电路可表示电布置在电力供给电压源与功率转换器的AC端子之间的电路布置和/或将电力供给电压源与功率转换器的AC端子电连接的电路布置。
根据本发明，至少一个参数是基于第一供电电路的动态电流-电压-模型而确定的。模型和控制中的待估计的参数的个数(因而精度)可随着应用要求而增加。动态电流-电压-模型可允许至少为第一供电电路电流和第一供电电路电压的时间过程建模，即为第一供电电路电流和第一供电电路电压随时间的变化建模。第一供电电路电流表示流过第一供电电路的电流，即在第一供电电路的端子之间流动的电流。第一供电电路电压表示第一供电电路的端子之间下降的电压。
通过使用动态电流-电压-模型，可确定期望的精度下暂态以及稳态下的至少第一供电电路电流和第一供电电路电压。特别地，动态电流-电压-模型允许时域确定第一供电电路电流和第一供电电路电压。
这使得能够考虑第一供电电路电流和第一供电电路电压中的周期分量以及暂态分量用于确定参数。
基于动态电流-电压-模型确定的参数可以是与第一供电电路的自感有关的参数。替代地或附加地，所述参数可与第一供电电路的至少一个互感有关。替代地或附加地，所述参数可与第一供电电路的电阻有关。也可附加地或替代地根据第一供电电路的电容来确定所述参数。替代地或附加地，可根据至少一个运行条件，例如温度和/或连接至功率转换器的负载来确定所述参数。基于动态电流-电压-模型而确定的参数有可能是，即等于或符合第一供电电路的自感和/或至少一个互感和/或电阻和/或电容。
此外，至少一个其他参数可与电阻有关。另外，至少一个其他参数可与电容和/或与至少一个运行条件有关。
替代地，电容、自感、至少一个互感和/或电阻可以是待确定的参数中的部分参数或部分信息。在这种情况下，至少使用另一个参数或信息以确定所述参数。
也有可能的是所述至少一个参数是动态电流-电压-模型的模型参数或与所述模型参数中的一个或一个以上有关。
当然可能的是确定一个以上的参数，其中，所述参数彼此不同，每个参数与第一供电电路的自感和/或互感和/或电容和/或电阻有关。
根据所述至少一个参数来控制功率转换器的第一开关电路。如下文中将解释的，可使用所述至少一个参数确定用于控制开关电路的至少一个控制参数。例如有可能的是根据所述至少一个参数来控制在第一开关电路的至少一个DC端子处提供的电压和/或电流。特别地，可基于所述至少一个控制参数来确定至少一个开关元件的开关时刻。
特别地，基于第一供电电路的动态电流-电压-模型来确定至少一个参数，即与第一供电电路的自感有关的第一参数。替代地或附加地，所述至少一个参数，即第一参数与第一供电电路的至少一个互感有关。
另外，基于第一供电电路的动态电流-电压-模型来确定至少一个参数，即与第一供电电路的电阻有关的至少一个其他参数。
当然可能的是基于第一供电电路的动态电流-电压-模型来确定一个或一个以上附加的参数，例如与饱和、电容和/或前述的量中的一种有关的参数。
功率转换器的第一开关电路根据确定的参数，尤其是根据所述第一参数和所述至少一个其他参数而被控制。考虑除第一供电电路的自感和/或互感之外的电阻有利地提供了非常高的控制质量。
对至少第一供电电路的所述动态电流-电压-模型的应用有利地允许快速并且精确地确定在第一供电电路的任何运行状态下，尤其是暂态以及稳态下的参数。这转而使得能够对第一开关电路更加精确的控制，尤其是对在第一开关电路的DC端子处提供的电压和/或电流的更精确的控制。因此，提高了整体的控制动态性，同时降低了无功功率的生成。
所述至少一个参数，尤其是所述第一参数和所述至少一个其他参数可连续地被确定，或以确定的尤其是高的重复速率被确定。因此，动态电流-电压-模型是第一供电电路的适应性模型和电特征的变化，尤其是电容和/或电感和/或电阻的变化以及传感器参数的变动，其中，传感器被用来确定第一供电电路或AC耦合电路的电变量，例如电压或电流可被考虑在内。
所提出的方法还使得能够考虑第一开关电路的电元件的制造公差和老化效应以及用于确定电变量(例如第一开关电路或AC耦合电路中的电压和/或电流)的传感器的制造公差和老化效应。因此，所提出的控制方法可自动适应于每个单独的装置，使得控制器具有更高的容限和更好的性能。
在另一个实施例中，功率转换器包括一个以上的开关电路，其中，每个开关电路被电连接至供电电路。有可能将第一开关电路连接至第一供电电路的第一端子，其中，将另一个开关电路连接至第一供电电路的第二端子。替代地，可将所述另一个开关电路连接至另一个供电电路的端子。
特别地，功率转换器可包括偶数个开关电路，其中，两个开关电路分别连接至一个供电电路的不同端子。然而，也有可能的是功率转换器包括奇数个开关电路。
可根据第一开关电路的所描述的实施例设计每个开关电路。可根据第一供电电路的所描述的实施例设计每个供电电路。特别地，每个供电电路可包括至少一个电感元件。不同的供电电路的电感元件可彼此电隔离。每个开关电路的一个DC端子可分别电连接至同一电势，例如电连接至共同的电线或共同的电势。
然而，所有不同的供电电路可以是同一AC耦合电路的一部分。如下文将解释的，每个供电电路可由变压器的次级绕组提供。变压器的初级绕组因此被电感耦合至所有供电电路，并且所有供电电路彼此电感耦合。在这种情况下，基于动态电流-电压-模型而确定的参数优选与每个供电电路的电感元件之间的至少一个互感等有关。
在一个优选的实施例中，第一供电电路是变压器的一部分或由变压器提供。特别地，第一供电电路可由变压器的次级绕组提供。在多个供电电路的情况下，每个供电电路可由变压器的次级绕组提供，其中，所述变压器可包括多个次级绕组。前述的动态电流-电压-模型允许确定变压器的所有电流和/或电压，尤其是次级绕组和初级绕组的电流和/或电压。
在这种情况下，前述的AC耦合电路可至少部分地，优选全部地由变压器提供。
对每个单独变压器绕组的参数的估计确保了简单却精确的可用于预测控制的模型。特别地，可精确补偿由非对称荷载、制造公差、温度效应等等产生的影响。
在另一个实施例中，确定了第一供电电路的有效电阻和/或有效电感。附加地或替代地，可确定第一供电电路的有效电容。有效电阻和/或有效电感均可提供参数，其中，根据所述参数来控制第一开关电路。
特别地，与第一供电电路的自感和/或至少一个互感有关的参数，即所述第一参数可被称为有效电感。与第一供电电路的电阻有关的参数，即所述至少一个其他参数可被称为有效电阻。所述有效电感和有效电阻将在下文中被进一步详细描述。
有效电阻可表示第一供电电路的端子之间的电网或电路的电阻。所述电网可包括除第一供电电路以外的至少一个其他电元件，尤其是AC耦合电路的至少一个其他供电电路的和/或至少一个其他子电路的一个或一个以上的电元件，尤其是初级绕组的一个或一个以上的电元件，其中，所述至少一个其他电元件，尤其是它的诸如电阻和电感的电特征被转换至第一供电电路的一侧。这意味着第一供电电路的端子之间的电网的有效电阻可与第一供电电路的电阻有关，并且还附加地与尤其是AC耦合电路的其他电元件或子电路的电阻有关。有效电阻可被认作是在第一供电电路的端子之间提供的电阻，特别是其中，AC耦合电路的至少一个其他供电电路和/或至少一个其他子电路被转换至第一供电电路的一侧。
相应地，有效电感可表示第一供电电路的端子之间的所述电网或所述电路的电感。端子之间的所述有效电感可与第一供电电路的自感有关，并且附加地与第一供电电路与其他电元件、尤其是AC耦合电路的至少一个其他供电电路和/或至少一个其他子电路的一个或一个以上的电元件之间的至少一个互感有关。有效电感可被认作是第一供电电路的端子之间的电感，特别是其中，AC耦合电路的至少一个其他供电电路和/或至少一个其他子电路被转换至第一供电电路的一侧。相应地，有效电容表示第一供电电路的端子之间的电网或电路的电容。
在第一供电电路由变压器的次级绕组提供的情况下，有效电阻可与变压器的初级绕组的电阻以及所有其余次级绕组的被转换至第一供电电路的电阻有关。有效电感可与第一供电电路的自感和第一供电电路、变压器的剩余的次级绕组与初级绕组之间的互感有关。
在与第一供电电路电流的值有关的第一个量和与第一供电电路电流的一阶导数的值有关的第二个量的总和中，有效电阻可例如表示第一供电电路电流的值的倍数，有效电感可表示第一供电电路电流的一阶导数的值的倍数。所述总和可相等于AC耦合电路的至少一个其他供电电路的端子或至少一个其他子电路的端子之间下降的电压、与第一供电电路的端子之间下降的电压之间的差值，所述第一供电电路的端子之间下降的电压根据第一供电电路电流确定。
如果提供一个以上的供电电路，那么可确定所有的或所选择的供电电路的有效电阻和/或有效电感。
在另一个实施例中，基于动态电流-电压-模型来确定估计的第一供电电路电压，其中，至少一个参数，尤其是第一参数和至少一个其他参数通过使得估计的第一供电电路电压与测量的第一供电电路电压之间的偏差最小化而被确定。
测量电压表示从至少一个传感装置，例如电压传感器的输出信号直接或间接确定的电压。如将在下文解释的，可根据第一供电电路电流、第一供电电路电流的电流变化、第一供电电路的电阻、第一供电电路的自感和第一供电电路与其他电路之间的互感来估计所估计的第一供电电路电压。在这种情况下，可能需要还根据其他电路的，尤其是其他次级和初级绕组的电路电流以及电路电流的变化来确定估计的第一供电电路电压。
在这种情况下，所述参数可以是优化问题的变量，其中，估计的第一供电电路电压与测量的第一供电电路电压之间的偏差，尤其是就差值或差的平方而言，是优化问题的成本函数。可在多个相继的时刻确定所述偏差，这有利地能够提供容易求解的用于线性方程系统的多个方程。
替代地，基于动态电流-电压-模型来确定估计的第一供电电路和估计的其他电压。所述其他电压可以是AC耦合电路的另一个供电电路的电压或另一个子电路的电压，尤其是变压器的初级绕组电压。所述其他电压可表示前述的AC耦合电路中的电压，其中，所述其他电压不同于第一供电电路电压。特别地，所述其他电压可以是跨过另一供电电路的电压，例如跨过变压器的至少部分提供AC耦合电路的另一次级绕组或初级绕组的电压。
至少一个参数，尤其是第一参数和至少一个其他参数通过使得估计的第一供电电路电压与估计的其他电压之间的偏差最小化而被确定。如果供电电路作为变压器的次级绕组提供，那么已知的变压器的初级绕组与次级绕组之间的匝数比可被用来确定所述参数。所提出的确定方法尤其适用于次级绕组具有相同的匝数的情况。
对每个单独变压器绕组的参数的估计确保了简单却精确的可用于预测控制的模型。特别地，可精确补偿由于非对称负载、制造容差、温度影响等等而产生的影响。
在一个优选的实施例中，基于动态电流-电压-模型来确定第一和第二项。所述第一项是估计的第一供电电路电压与估计的其他电压之间的差值。
所述第二项是测量的第一供电电路电压与测量的其他电压之间的差值，所述测量的其他电压例如相应于或与所述估计的其他电压有关。可例如从至少一个传感装置的输出信号直接或间接确定第一供电电路电压和其他电压。
所述其他电压也可以是通过动态电流-电压-模型估计的电压。特别地，第一供电电路电压可以是跨过变压器的次级绕组的电压，其中所述其他电压是跨过变压器的初级绕组的电压。替代地，所述其他电压可以是跨过变压器的任何其他次级绕组的电压。
所述至少一个参数，尤其是第一参数和至少一个其他参数通过使得第一和第二项之间的偏差最小化而被确定。估计的第一供电电路电压与估计的其他电压之间的差值可根据所述至少一个参数来确定，尤其是根据前述的有效电阻和/或有效电感来确定。当然可能的是根据所述至少一个参数来确定估计的第一供电电路电压，随后根据所述至少一个参数以及此时的所述估计的第一供电电路电压与所述估计的其他电压之间的差值来确定所述估计的其他电压。
第一和第二项之间的偏差，尤其是差的平方可提供优化问题的成本函数，其中，所述至少一个参数可以是所述优化问题的变量。可在多个相继的时刻确定所述偏差，这有利地能够提供容易求解的用于线性方程系统的多个方程。这种优化问题可例如通过最小二乘法求解，使得能够有利地可仅使用代数运算进行简单明确地确定所述至少一个参数。
变压器可具有一个以上的次级绕组，其中，对每个次级绕组均确定至少一个参数。在这种情况下，可根据各自的参数来控制连接至每个次级绕组的开关电路。
在另一个优选的实施例中，测量第一供电电路电流、第一供电电路电流的电流变化以及第一供电电路电压。特别地，可从至少一个传感装置，尤其是电压传感器和/或电流传感器的输出信号直接或间接确定电流、电流变化以及电压。所述至少一个参数，尤其是所述第一参数和所述至少一个其他参数根据至少测量的第一供电电路电流、测量的第一供电电路电流的电流变化以及测量的第一供电电路电压来被确定。
在这种情况下，可使用第一供电电路或AC耦合电路中的电流和/或电压的测量值来确定所述至少一个参数。特别是如果第一供电电路是变压器的一部分，可能需要附加地测量其他电路的电流和电压，尤其是变压器的其他供电电路的和/或初级绕组的电流和电压来确定所述至少一个参数。
测量的第一供电电路电流、测量的第一供电电路电流的电流变化以及测量的第一供电电路电压可表示在第一供电电路中或在第一供电电路处物理上出现的电流、电流变化和/或电压。
这有利地能够基于测量结果来确定所述至少一个参数。因此，所述至少一个参数可连续地或顺序地被更新。特别地，可在确定所述至少一个参数期间考虑至少第一供电电路和/或至少一个传感装置的电特征的变化。
因此，对第一开关电路的控制总是基于至少第一供电电路的实际电性质或特征，这进而提高了控制质量。所提出的方法可在第一供电电路的每个运行状态下执行，并且特别地不需要稳态的运行。
在一个优选的实施例中，根据所述至少一个参数，尤其是根据所述第一参数和所述至少一个其他参数来确定用于控制第一开关电路的DC端子处的电压和/或电流的至少一个控制参数。所述至少一个控制参数表示用来控制开关电路的DC端子处的电压和/或电流的参数。特别地，所述控制参数可以是参考电压和/或参考电流。这有利地允许考虑在控制第一开关电路期间，所述至少一个参数的变化所反映出的第一供电电路的电特征的变化。
在另一个实施例中，根据所述至少一个参数，尤其是根据所述第一参数和所述至少一个其他参数来确定第一供电电路电压和/或第一供电电路电流的理想值。所述理想值表示在假设正确的动态电流-电压-模型，尤其是被正确地参数化的动态电流-电压-模型的情况下，在第一开关电路的AC端子处理想情况下所提供的第一供电电路电压的值。
在这种情况下，可基于第一供电电路电压和/或第一供电电路电流的理想值来控制第一开关电路以提供在第一开关电路的DC端子处的期望的电压和/或电流。
在另一个实施例中，确定在第一开关电路的DC端子处或跨过DC端子的期望的参考电压，其中，特别是附加地根据所述期望的参考电压来确定第一供电电路电压和/或第一供电电路电流的理想值。
替代地或附加地，确定在第一开关电路的至少一个DC端子处的期望的参考电流，其中，特别是附加地根据所述期望的参考电流来确定第一供电电路电压和/或第一供电电路电流的理想值。
这有利地使得能够更好地例如更快并且更精确地控制DC端子处的电压和/或电流。
在另一个实施例中，确定第一开关电路的DC端子处的期望的参考电压与DC端子处的实际电压，例如测量电压之间的偏差。进一步地，根据所述偏差来确定期望的第一供电电路电流，其中，根据所述期望的第一供电电路电流和所述至少一个参数，尤其是根据第一参数和所述至少一个其他参数来确定第一供电电路电压的理想值。
特别地，可使用动态电流-电压-模型确定要在第一开关电路的AC端子处提供的理想电压或电势，使得能够提供期望的第一供电电路电流，其中，所述期望的第一供电电路电流可例如是用来减小DC端子处的期望的参考电压与DC端子处的实际电压之间的偏差的电流。
特别地，然后可基于第一供电电路电压的所述理想值来控制第一开关电路。
在另一个实施例中，基于第一供电电路电压和/或第一供电电路电流的理想值来确定第一开关电路的至少一个开关元件的开关时刻。
另外，前述的对所述至少一个参数的确定，尤其是对所述第一参数和所述至少一个其他参数的确定也可被称为模型识别部分。附加地，前述的对所述至少一个控制参数的确定也可被称为控制确定部分。所提出的方法有利地允许同时地进行模型识别部分和控制确定部分或顺序地从模型识别部分进行至控制确定部分，其中，所述控制确定部分是基于所述模型识别部分的结果。由于所述模型识别允许为第一开关电路的动态的尤其是暂态以及稳态的行为建模，因此有利地提高了控制性能。
进一步提出的是用于控制尤其是轨道车辆的功率转换器的至少第一开关电路的控制仪器。第一开关电路的AC端子连接至第一供电电路，尤其是连接至第一供电电路的一个端子。第一供电电路包括至少一个电感元件。
根据本发明，可基于第一供电电路的动态电流-电压-模型，通过控制仪器，尤其是通过控制仪器的控制单元来确定与第一供电电路的自感有关的和/或与第一供电电路的至少一个互感有关的和/或与第一供电电路的电阻有关的参数。附加地或替代地，可根据第一供电电路的电容来确定所述参数。可根据至少一个参数通过控制仪器来控制功率转换器的第一开关电路。
特别地，可基于第一供电电路的动态电流-电压-模型通过控制仪器来确定与第一供电电路的自感有关的和/或与第一供电电路的至少一个互感有关的至少一个参数以及与第一供电电路的电阻有关的至少一个参数，其中，可根据所确定的参数通过控制仪器来控制功率转换器的第一开关电路。
控制仪器可尤其包括控制单元，其中，可基于动态电流-电压-模型通过控制单元来确定所述至少一个参数。
因此，所提出的控制仪器被设计成使得可使用控制仪器来执行根据本发明中描述的实施例中的一个实施例的方法。
此外，所提出的控制仪器可包括至少一种装置用于确定第一供电电路电流、至少一种装置用于确定供电电路电流的电流变化和/或至少一种装置用于确定第一供电电路电压。所述至少一种装置可尤其被设计为传感装置，尤其是被设计为电压传感器和/或电流传感器。
因此，有利地提出了允许执行根据前述实施例中的一个实施例的方法的控制仪器。
进一步提出的是电路布置，其中，所述电路布置包括尤其是轨道车辆的功率转换器的至少第一开关电路。另外，电路布置包括第一供电电路，其中，第一开关电路的AC端子电连接至第一供电电路，尤其是电连接至第一供电电路的端子。第一供电电路包括至少一个电感元件。
根据本发明，电路布置包括至少一个根据本发明中描述的实施例的控制仪器。
在另一个实施例中，电路布置包括变压器，其中，第一供电电路提供变压器的一部分，尤其是变压器的次级绕组。
附图说明
将参照附图来说明本发明。
图1所提出的电路布置的电路原理图，以及
图2模型识别和控制确定部分的示意性框图。
具体实施方式
图1示出电路布置1的电路原理图，所述电路布置1包括由初级绕组2、第一次级绕组3和第二次级绕组4组成的变压器。初级绕组2被电连接至提供供给电压的AC供给电压源5。所述供给电压源5可例如由悬链线提供。进一步示出的是初级绕组电流I1。供给电压相应于初级绕组电压V1。
变压器提供AC耦合电路，其电布置在电力供给电压源5与功率转换器6之间并且将电力供给电压源5和功率转换器6连接起来。功率转换器6包括第一开关电路7a、第二开关电路7b、第三开关电路7c和第四开关电路7d。第一次级绕组3的第一端子电连接至第一开关电路7a的AC端子。第一次级绕组3的第二端子电连接至第二开关电路7b的AC端子。
第一和第二开关电路7a、7b的第一DC端子可被称为高电势端子并且被连接至共同的高电势相线。第一和第二开关电路7a、7b的第二DC端子可被称为低电势端子并且被连接至共同的低电势相线。这意味着相应的DC端子，例如相应的高电势端子或相应的低电势端子并联连接。功率转换器6的中间电路的第一电容器C1可布置在高电势相线与低电势相线之间。
进一步示出的是第一次级绕组电流I2和第一次级绕组电压V2。第一次级绕组电压V2在第一和第二开关电路7a、7b的AC端子之间下降。
第一次级绕组3提供第一供电电路，其中，第一供电电路包括至少一个电感元件，尤其是次级绕组，并且被连接至第一开关电路7a的AC端子。
以类似方式，第三和第四开关电路7c、7d的AC端子分别连接至第二次级绕组4的第一和第二端子。特别地，第二次级绕组4的第一端子连接至电开关电路7c的AC端子，第二次级绕组4的第二端子连接至第四开关电路7d的AC端子。
进一步示出的是第二次级绕组电流I3和第二次级绕组电压V3。第三和第四开关电路7c、7d的第一DC端子被连接至另一高电势相线，以及第二DC端子被连接至另一低电势相线。第二电容器C2，其可例如是功率转换器6的另一中间电路的电容器，被布置在另外的第一和第二相线之间。
进一步示出的是中间电路电压VC1、VC2，其跨过电容器C1、C2下降，因此分别相应于第一和第二开关电路7a、7b以及第三和第四开关电路7c、7d的DC端子之间提供的电压。
图2示出所提出的布置的示意性框图。示出的是用于感测初级绕组电压V1的第一电压传感器8。进一步示出的是第二电压传感器9用于感测在第一和第二开关电路7a、7b的DC端子之间下降的中间电路电压VC1。进一步示出的是控制单元10，其提供中间电路电压VC1的参考值VC1_des。
第二控制单元11确定第一次级绕组电流I2的期望值I2des，其中，通过使得参考值VC1_des与测量的中间电路电压VC1之间的偏差最小化，例如使之为0来确定所述期望值I2des。期望值I2des被提供至第三控制单元12。
另外，初级绕组电压V1被提供至第三控制单元12。根据初级绕组电压V1、期望的第一次级绕组电流I2des和第一次级绕组电流I2的电流变化，还附加地根据第一次级绕组3的有效电阻R[]和有效电感L[]，第三控制单元12确定理想的第一次级绕组电压V2i。
根据所述理想的第一次级绕组电压V2i，脉冲宽度调制单元13确定脉冲P，例如确定第一和第二开关电路7a、7b的开关元件的开关时刻。因此，第一和第二开关电路7a、7b的开关元件被控制使得第一和第二开关电路7a、7b的DC端子之间提供的电压被驱动朝向期望的参考值VC1_des。
通过使用变压器的动态电流-电压-模型，第三控制单元12确定第一次级绕组3的前述的有效电感L[]和有效电阻R[]。
变压器的这种动态电流-电压-模型可被表达为Vi＝Ii×Ri+Li×dIi/dt+∑n k＝1,k≠i(mik x dIk/dt)，i＝1,…,n 公式1，
其中，Vi是第i绕组的估计的绕组电压，Ii是第i绕组的绕组电流，Ri是第i绕组的绕组电阻，Li是第i绕组的自感，mik是磁耦合系数，即第i绕组与第k绕组之间的互感，Ik是第k绕组的绕组电流，n表示初级和次级绕组的个数，在此情况下是3。使用公式1可估计初级绕组2、第一次级绕组3和第二次级绕组4的估计的绕组电压V1、V2、V3。
如果例如使用电压传感器附加地测量绕组电压V1、V2、V3，那么偏差可被确定为ei＝Vi–Vim＝(Ii×Ri+Li×dIi/dt+∑n k＝1,k≠i(mik×dIk/dt))–Vim 公式2
其中，Vim是第i绕组的测量绕组电压。可确定参数Ri、Li、mik，例如如果公式2中的偏差被平方，那么可通过使得在预定的时间间隔中的偏差ei的平方被最小化来确定参数Ri、Li、mik。例如，可在预定的时间间隔期间在预定数目的采样时刻来测量绕组电压Vim。
然后，对于每个时刻，可确定被平方的根据公式1的误差ei，其中，可通过使得所有时刻的误差ei的平方的和最小化来确定参数Ri、Li、mik。
该优化问题可进一步被简化。如果已知初级绕组2与第一次级绕组3的匝数的匝数比以及初级绕组2与第二次级绕组4的匝数的匝数比，那么估计的初级绕组电压V1与估计的第一次级绕组电压V2之间的差值可被确定为V1–V2＝[(R1×k2–R2)×I2]+[L1×k2–L2+(1–k2)×m12+k2/k3×(m13–m23)]×dI2/dt＝R[]×I2+L[]×dI2/dt 公式3
其中，k2是初级绕组2的匝数与第一次级绕组3的匝数之间的匝数比，k3是初级绕组2的匝数与第二次级绕组4的匝数之间的匝数比。这有利地使得能够根据单个等式来确定参数R1、R2、L1、L2、m12、m13、m23，从而简化了对所述参数的确定。
R[]表示前述的有效电阻，并且等于[(R1×k2–R2)]。L[]表示有效电感并且等于L1×k2–L2+(1–k2)×m12+k2/k3×(m13–m23)。术语R[]表示从第一次级绕组3处看的变压器的电阻。相应地，术语L[]表示变压器的从第一次级绕组3处看的变压器的电感。第一和第二测量绕组电压V1m、V2m之间的偏差现在可被表达为
e＝V1m–V2m–(R[]×I2+L[]×dI2/dt) 公式4。
如果绕组电压中的一个或两者的测量值V1m、V2m不可得，那么所述绕组电压V1、V2的参考值，尤其是例如由控制单元确定的第一次级绕组电压的理想值V2i可被用来确定所述偏差。
如参考公式2所描述的，可通过使得在预定的时间间隔上的误差e的平方最小化来确定参数R[]、L[]。
还可能的是离散所述优化问题。公式4的表达可以离散形式通过以下提供
V1m,t–V2m,t＝R[]×I2m,t+L[]×d I2m,t/dt 公式5，
其中，R[]和L[]是预定的有效电阻和有效电感，d I2m,t/dt等于
d I2m,t/dt＝(I2m,t-1–I2m,t+1)/(2×Δt) 公式6。
Vim,t是在时刻t测量的第i绕组的绕组电压，Iim,t是在时刻t测量的通过第i绕组的绕组电流，Δt是采样速率。如果在多个采样时刻t处确定公式5中的绕组电压V1m,t、V2m,t和第一次级绕组3的绕组电流I2m,t，那么可提供一组线性方程，其中，参数R[]、L[]可作为该组线性方程的解被确定。该组线性方程的解可例如通过最小二乘法而被确定。
一旦通过使用动态电流-电压-模型确定了参数R[]、L[]，那么可使用同一动态电流-电压-模型来确定理想的第一次级绕组电压V2i。如果测量了初级绕组电压V1m和第一次级绕组电流I2m，并且例如通过公式6确定了第一次级绕组电流的电流变化dI2/dt，那么理想的第一次级绕组电压V2i可被确定为
V2i＝V1m–(R[]×I2m+L[]×dI2m/dt) 公式7。
如图2中示出的，该理想的第一次级绕组电压V2i可被用来确定第一和第二开关电路7a、7b的例如成开关元件的开关时刻的形式的脉冲。

Claims (37)

1.一种用于控制功率转换器(6)的至少第一开关电路(7a)的方法，其中，所述第一开关电路(7a)的AC端子电连接至包括多个电路的AC耦合电路的第一供电电路，所述第一供电电路包括至少一个电感元件，
其特征在于，
基于所述第一供电电路的动态电流-电压-模型来确定与所述第一供电电路的自感相关且与所述第一供电电路的至少一个互感相关的至少一个参数以及与所述第一供电电路的电阻相关的至少一个参数，其中，根据所确定的参数来控制所述功率转换器(6)的所述第一开关电路(7a)，确定所述第一供电电路的有效电阻和/或有效电感，所述有效电阻与第一供电电路的电阻以及与AC耦合电路的至少一个其他电路的另一个电元件的电阻相关，所述有效电感与第一供电电路的自感以及与第一供电电路与AC耦合电路的至少一个其他电路的另一个电元件之间的互感相关。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述功率转换器(6)包括一个以上的开关电路(7a、7b、7c、7d)，其中，每个开关电路(7a、7b、7c、7d)均电连接至供电电路。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一供电电路是变压器的一部分或由变压器提供。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，所述功率转换器(6)是轨道车辆的功率转换器。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，确定所述第一供电电路的有效电阻和/或有效电感。
6.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，基于动态电流-电压-模型来确定估计的第一供电电路电压，其中，通过使得估计的第一供电电路电压与测量的第一供电电路电压之间的偏差最小化来确定所述参数。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，基于动态电流-电压-模型来确定估计的第一供电电路电压，其中，通过使得估计的第一供电电路电压与测量的第一供电电路电压之间的偏差最小化来确定所述参数。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，基于动态电流-电压-模型来确定估计的第一供电电路电压，其中，通过使得估计的第一供电电路电压与测量的第一供电电路电压之间的偏差最小化来确定所述参数。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，基于动态电流-电压-模型来确定估计的第一供电电路电压，其中，通过使得估计的第一供电电路电压与测量的第一供电电路电压之间的偏差最小化来确定所述参数。
10.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，基于所述动态电流-电压-模型来确定第一和第二项，其中，所述第一项是估计的第一供电电路电压与估计的其他电压之间的差值，所述第二项是测量的第一供电电路电压与测量的其他电压之间的差值，通过使得所述第一与第二项之间的偏差最小化来确定所述参数。
11.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，基于所述动态电流-电压-模型来确定第一和第二项，其中，所述第一项是估计的第一供电电路电压与估计的其他电压之间的差值，所述第二项是测量的第一供电电路电压与测量的其他电压之间的差值，通过使得所述第一与第二项之间的偏差最小化来确定所述参数。
12.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，基于所述动态电流-电压-模型来确定第一和第二项，其中，所述第一项是估计的第一供电电路电压与估计的其他电压之间的差值，所述第二项是测量的第一供电电路电压与测量的其他电压之间的差值，通过使得所述第一与第二项之间的偏差最小化来确定所述参数。
13.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，基于所述动态电流-电压-模型来确定第一和第二项，其中，所述第一项是估计的第一供电电路电压与估计的其他电压之间的差值，所述第二项是测量的第一供电电路电压与测量的其他电压之间的差值，通过使得所述第一与第二项之间的偏差最小化来确定所述参数。
14.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，至少测量第一供电电路电流、所述第一供电电路电流的电流变化以及第一供电电路电压，其中，根据至少测量的第一供电电路电流、测量的所述第一供电电路电流的电流变化以及测量的第一供电电路电压来确定所述参数。
15.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，至少测量第一供电电路电流、所述第一供电电路电流的电流变化以及第一供电电路电压，其中，根据至少测量的第一供电电路电流、测量的所述第一供电电路电流的电流变化以及测量的第一供电电路电压来确定所述参数。
16.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，至少测量第一供电电路电流、所述第一供电电路电流的电流变化以及第一供电电路电压，其中，根据至少测量的第一供电电路电流、测量的所述第一供电电路电流的电流变化以及测量的第一供电电路电压来确定所述参数。
17.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，至少测量第一供电电路电流、所述第一供电电路电流的电流变化以及第一供电电路电压，其中，根据至少测量的第一供电电路电流、测量的所述第一供电电路电流的电流变化以及测量的第一供电电路电压来确定所述参数。
18.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，至少测量第一供电电路电流、所述第一供电电路电流的电流变化以及第一供电电路电压，其中，根据至少测量的第一供电电路电流、测量的所述第一供电电路电流的电流变化以及测量的第一供电电路电压来确定所述参数。
19.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，至少测量第一供电电路电流、所述第一供电电路电流的电流变化以及第一供电电路电压，其中，根据至少测量的第一供电电路电流、测量的所述第一供电电路电流的电流变化以及测量的第一供电电路电压来确定所述参数。
20.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，根据所述参数来确定用于控制所述第一开关电路(7a)的DC端子处的电压(VC1)和/或电流的至少一个控制参数。
21.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述参数来确定用于控制所述第一开关电路(7a)的DC端子处的电压(VC1)和/或电流的至少一个控制参数。
22.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述参数来确定用于控制所述第一开关电路(7a)的DC端子处的电压(VC1)和/或电流的至少一个控制参数。
23.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据所述参数来确定用于控制所述第一开关电路(7a)的DC端子处的电压(VC1)和/或电流的至少一个控制参数。
24.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述参数来确定用于控制所述第一开关电路(7a)的DC端子处的电压(VC1)和/或电流的至少一个控制参数。
25.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，根据所述参数来确定用于控制所述第一开关电路(7a)的DC端子处的电压(VC1)和/或电流的至少一个控制参数。
26.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，根据所述参数来确定用于控制所述第一开关电路(7a)的DC端子处的电压(VC1)和/或电流的至少一个控制参数。
27.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，根据所述参数来确定所述第一供电电路电压的和/或所述第一供电电路电流的理想值。
28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，确定所述第一开关电路(7a)的所述DC端子处的期望的参考电压(VC1_des)，其中，根据所述第一开关电路(7a)的至少一个DC端子处的所述期望的参考电压(VC1_des)和/或期望的参考电流来确定所述第一供电电路电压的和/或所述第一供电电路电流的所述理想值，根据所述期望的参考电流来确定所述第一供电电路电压的和/或所述第一供电电路电流的所述理想值。
29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，确定所述第一开关电路(7a)的所述DC端子处的期望的参考电压(VC1_des)与所述DC端子处的实际电压(VC1)之间的偏差，其中，根据所述偏差来确定期望的第一供电电路电流，根据所述期望的第一供电电路电流和所述参数来确定所述第一供电电路电压的所述理想值。
30.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，根据所述第一供电电路电压的和/或所述第一供电电路电流的所述理想值来确定所述第一开关电路(7a)的至少一个开关元件的开关时刻。
31.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，根据所述第一供电电路电压的和/或所述第一供电电路电流的所述理想值来确定所述第一开关电路(7a)的至少一个开关元件的开关时刻。
32.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，根据所述第一供电电路电压的和/或所述第一供电电路电流的所述理想值来确定所述第一开关电路(7a)的至少一个开关元件的开关时刻。
33.一种用于控制功率转换器(6)的至少第一开关电路(7a)的控制仪器，其中，所述第一开关电路(7a)的AC端子电连接至包括多个电路的AC耦合电路的第一供电电路，所述第一供电电路包括至少一个电感元件，
其特征在于，
能够基于所述第一供电电路的动态电流-电压-模型通过所述控制仪器来确定与所述第一供电电路的自感有关且与所述第一供电电路的至少一个互感有关的至少一个参数以及与所述第一供电电路的电阻有关的至少一个参数，其中，能够根据所确定的参数通过所述控制仪器来控制所述功率转换器(6)的所述第一开关电路(7a)，确定所述第一供电电路的有效电阻和/或有效电感，所述有效电阻与第一供电电路的电阻以及与AC耦合电路的至少一个其他电路的另一个电元件的电阻相关，所述有效电感与第一供电电路的自感以及与第一供电电路与AC耦合电路的至少一个其他电路的另一个电元件之间的互感相关。
34.根据权利要求33所述的控制仪器，其特征在于，所述功率转换器(6)是轨道车辆的功率转换器。
35.一种电路布置，其中，所述电路布置包括功率转换器(6)的至少第一开关元件(7a)以及第一供电电路，其中，所述第一开关电路(7a)的AC端子电连接至第一供电电路，所述第一供电电路包括至少一个电感元件，
其特征在于，
所述电路布置包括至少一个根据权利要求33或34所述的控制仪器。
36.根据权利要求35所述的电路布置，其特征在于，所述电路布置包括变压器，其中，所述第一供电电路提供所述变压器的一部分。
37.根据权利要求35或36所述的电路布置，其特征在于，所述功率转换器(6)是轨道车辆的功率转换器。
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