CN110999052A - 配备有用于管理交流部分中的功率的模块的转换器 - Google Patents

配备有用于管理交流部分中的功率的模块的转换器 Download PDF

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戴晶
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Abstract

本发明涉及配备有控制模块(20)的多级模块化转换器(10)，该控制模块包括用于计算转换器的内部命令设置点的计算机(22)和用于确定要传输到交流供电网络(110)的功率设置点的能量管理模块(24)，该控制模块被配置为根据内部命令设置点和要传输到交流供电网络的功率设置点，调节转换器与直流供电网络(120)的连接点处的电压以及每个建模的电容器的端子处的电压。

Description

配备有用于管理交流部分中的功率的模块的转换器
背景技术
本发明涉及多端高压直流(HVDC)的传送装置(transport installation)的技术领域，其中，站点集成了多级模块化转换器(MMC)。
图1示意性地示出了根据现有技术的多级模块化转换器10的子模块的组12。对于三相输入/输出电流(包括三相
Figure BDA0002357801100000011
和
Figure BDA0002357801100000012
)，该转换器10包括三个转换支路，这三个转换支路由图1的不同部件上的索引a、b和c来表示。
每个转换支路均包括上臂和下臂(上臂由索引“u”表示，下臂由索引“l”表示)，上臂和下臂的每一个将直流供电网络(DC)的端子DC+或DC-连接到交流电力网络(AC)的端子。特别地，每个支路连接到交流电力网络的三相线
Figure BDA0002357801100000015
和
Figure BDA0002357801100000016
之一。图1示出了12个子模块的组，其中，电流ixi通过每个臂(其中，x表示臂是上臂还是下臂，索引i表示支路)。而且，每个臂包含可以根据优选顺序而控制的多个子模块SMxij(其中，x表示臂是上臂还是下臂，i表示臂所连接的相线，j是臂中串联的子模块中子模块的编号)。这里，仅在臂中示出了三个子模块。实际上，每个下臂或上臂可以包含N个子模块，范围从几十个到几百个。
每个子模块SMxij包括功率存储系统，例如至少一个电容器和控制部件，该控制部件用于选择性地将该电容器串联连接在子模块的端子之间或绕过子模块的端子。根据选定的顺序对子模块进行控制，以使功率存储元件的数量逐渐变化，这些功率存储元件串联连接在转换器10的臂中，以提供若干个电压电平。同样，在图1中，Vdc表示转换器与直流供电网络的连接点处的电压，idc表示直流供电网络的电流，而电流iga、igb和igc经过三相线
Figure BDA0002357801100000013
和
Figure BDA0002357801100000014
而且，每个臂具有电感Larm，并且每个相线包括电感Lf和电阻Rf。
图2示出了属于图1的转换器10的子模块SMxij。该子模块SMxij在其端子处具有电压vSM。在该子模块中，每个控制部件都包括第一电子开关元件T1，例如串联连接到一个电功率存储元件(这里是电容器CSM)的绝缘栅双极晶体管(IGBT)。该第一开关元件T1和该电容器CSM平行于第二电子开关元件T2安装，第二电子开关元件T2也是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。该第二电子开关元件T2耦合在子模块SMxij的输入端子和输出端子之间。第一和第二开关元件T1和T2都连接到图2所示的反并联二极管。
在运行时，可以在两个控制状态下控制子模块。
在第一状态，即所谓的“接通”或受控状态下，第一开关元件T1和第二开关元件T2被配置为将功率存储元件CSM与其他子模块串联连接。在第二状态，即所谓的“断开”或非受控状态下，第一开关元件T1和第二开关元件T2被配置为使功率存储元件CSM短路。
已知的是，在其端子处具有电压Vm的每个臂可以通过建模的电压源和连接到该电压源的建模的电容器Ctot进行建模，该建模的电压源在其端子处具有电压vm，其占空比取决于受控子模块的数量。此建模在图3中示出，其中示出了臂和所得到的建模，其中电流i经过该臂。Ctot是臂中的等效电容，使得臂的等效电容Ctot的倒数等于该臂中受控的子模块的电容的倒数之和，根据：
Figure BDA0002357801100000021
其中，C1、C2、…、Cj、…、CN是臂中的第j个电容器的电容。
因此，建模电容器Ctot的端子处的电压vc∑等于臂中子模块的电容器的端子处的电压Vcj之和(其中，j的范围为1到N，表示电容器的编号，并因此表示子模块的编号)。而且，电流im经过每个建模电容器Ctot。在本申请中，Ctot宽松地指示建模电容器及其电容值两者。通过控制子模块的控制顺序，以使串联连接的功率存储元件的数量逐渐变化，可以降低或升高建模电容器Ctot的能量，因此可以降低或升高每个建模电压源的端子处的电压。
因此，现有技术公开了图4所示的转换器MMC 10的子模块组的等效配置。在该图中，转换器是类似于参考图1描述的转换器，并且其中，每个臂已经被其建模所替代。而且，交流电力网络的每条相线连接到电流igi和电压vgi(索引i表示支路的编号)。
这里，每个建模电压源在其端子处包括电压vmxi，电流imxi经过每个建模电容器Ctot，并且在其端子处包括电压vc∑xi(其中，x表示臂是上臂还是下臂，i表示支路的编号)。还可以看出，能够将转换器MMC划分为虚(imaginary)交流部分和虚直流部分(在输入或输出处，根据转换器被配置为将交流能量转换为直流能量还是相反的将直流能量转换为交流能量)，其中，存储在子模块的电容器中的总能量的变化等于进入转换器的功率与离开的功率之差。
已知“电压源转换器”类型的转换器(本领域技术人员熟悉其缩写“VSC”)，其具有与直流供电网络并联连接的站电容器(station capacitor)。这种并联电容器的缺点在于，它不允许转换器与直流供电网络的电压断开。而且，这种类型的转换器需要利用许多过滤器来获得合适的转换信号。
另外，直流供电网络的惯性取决于其电容，使得大电容增加了直流供电网络的惯性。因此，网络的大电容以及因此的相当大的惯性使其最好地抵抗任何中断。相反，低网络电容以及因此的低惯性更容易且更精确地调节在转换器与直流供电网络的连接点处的电压。
与电压源转换器类型的转换器相比，MMC转换器不包括并联连接的并且会影响直流供电网络的稳定性的站电容器。因此，多级模块化转换器的优势在于，可在子模块电容器的总电压与直流供电网络的电压之间断开。然而，简单的功率变化会导致直流供电网络的电压的很大变化。
已知MMC转换器的控制不是基于能量的(非基于能量的控制)。在这些转换器中，当在臂的电容器的电压与直流供电网络的电压之间出现任何电压偏差时，输入的直流供电网络的功率自动变化以校正所述电压偏差。该控制无需额外的调节器而执行，因为与臂的电容器的能量交换遵循直流供电网络上电压的变化。
但是，此类转换器的所有变量不受控制，这通过转换器缺乏鲁棒性而表现出来。
具有基于能量的控制的转换器也是已知的。特别地，已知标题为“利用模块化多级转换器进行直流母线电压的控制(Control of DC bus voltage with a ModularMultilevel Converter)”的文献(Samimi等人，PowerTech Conference，2015)，该文献介绍了一种多级模块化转换器，包括在交流部分的区域中的功率传递、在直流部分的区域中的功率传递以及转换器的内部能量的控制系统。这种类型的转换器利用基于能量的控制(“基于能量的控制”)来控制直流和交流供电网络中电流的变量，控制这两个相应网络的功率。直流供电网络和交流供电网络的功率之间的差异导致子模块的电容器中存储的能量减少或增加。但是，这种类型的转换器有损子模块的电容器端子处的电压与直流供电网络的电压之间的断开。而且，它不能有效地并且实时地适应直流供电网络上的电压波动。
这些已知的转换器不够鲁棒，特别是在对直流供电网络的稳定性的贡献方面。这些现有的方案在控制转换器的内部能量连同控制网络DC的稳定性方面并未充分利用MMC转换器的能力。
诸如在文献FR1557501中描述的转换器也是已知的。这种类型的多级模块化转换器的行为等同于与直流供电网络并联放置的虚拟电容器的行为。调节该转换器的内部能量可以使虚拟电容器的电容实际上发生变化。优点是能够作用于直流供电网络，并有助于其稳定性，同时保持子模块电容器的总电压与所述网络的电压之间的断开。
文献FR1557501的方案的缺点在于，这种类型的转换器涉及使用大量中间变量的许多计算步骤。而且，内部能量的调节被证明为实现起来是时间长且复杂，并且在资源方面是昂贵的。而且，在直流供电网络上存在中断时，根据现有技术控制这种转换器的内部能量变得特别困难，甚至是不可能的。
发明内容
本发明的目的是提出一种配备有转换器的控制模块的多级模块化转换器(MMC)，其允许容易地调节转换器的内部能量。另一个目的是提供一种更鲁棒的转换器，用于尽管在直流供电网络上存在中断仍有效地调节转换器的内部能量。
为此，本发明涉及一种多级模块化电压转换器，用于将交流电压转换为直流电压以及相反地将直流电压转换为交流电压，该多级模块化电压转换器包括所谓的直流部分和所谓的交流部分，所谓的直流部分旨在连接至直流供电网络，所谓的交流部分旨在连接到交流供电网络，该转换器包括多个支路，每个支路包括上臂和下臂，每个臂包括多个子模块，这些子模块可以通过特定于每个子模块的控制部件而单独控制，并且每个子模块包括电容器，当子模块的控制部件处于受控状态时，该电容器可串联连接在臂中，每个臂可以由建模的电压源来建模，该建模的电压源关联于取决于臂中串联放置的电容器的数量的占空比，每个建模的电压源并联连接到对应于臂的总电容的建模的电容器。
转换器还包括转换器的控制模块，该转换器的控制模块包括通过应用具有可调输入参数的函数的转换器的内部命令设置点的计算机。
根据转换器的一般特征，转换器的控制模块还包括能量管理模块，被配置为根据每个建模的电容器的端子处的电压来传送工作功率设置点，该工作功率设置点用于确定将被传输到交流供电网络的功率设置点，该控制模块被配置为根据内部命令设置点和将被传输到交流供电网络的功率设置点来调节转换器与直流供电网络的连接点处的电压以及每个建模的电容器的端子处的电压。
可以在内部能量的调节操作期间的任意时间设置计算机的可调输入参数，并且可由用户容易地完成。内部命令设置点可以关联于不同类型的幅度。以非限制性的方式，内部命令设置点可以是内部功率设置点，甚至可以是电流设置点。计算机计算的内部命令设置点取决于输入参数。同样，用户可以直接对转换器的内部命令设置点进行操作，并相应地调节转换器与直流供电网络的连接点处的电压和每个建模的电容器的端子处的电压。
用户还可以根据直流供电网络上的中断来调节输入参数，以使其稳定。
以非限制性方式，多级模块化转换器(其控制模块配备了这种计算机)表现得和与直流供电网络并行布置的虚拟电容器的行为相同。调节计算机的可调输入参数使得虚拟电容器的电容实际上发生变化。优点是能够作用于直流供电网络，同时保持子模块电容器的总电压与直流供电网络的电压之间的断开。
与真正地与直流供电网络并联放置的电容器相比，虚拟电容器没有成本，并且不会劣化。特别地，根据本发明的可调虚拟电容器可以具有非常高的电容值，这对于真正的电容器实际上是不可能的。
优选地，子模块通过两个绝缘栅双极晶体管(IGBT)来控制，以便根据子模块是要被控制在受控的“接通”状态还是要被控制在非受控的“断开”状态来将所述子模块的电容器串联放置或不串联放置在相关联的臂中。
每个臂可以通过与电容为Ctot的建模的电容器并联的建模的电压源来建模。臂的子模块的电容器的电压总和记为vc∑，以使与建模电压源并联的关联的建模电容器的端子处的电压为vcΣ。
优选地，关联于建模电压源的占空比α根据以下表达式计算：
Figure BDA0002357801100000061
其中，n是关联的臂中关联于“接通”状态的子模块的数量，N是臂中的子模块的数量。
而且，由于本发明，能量管理模块提供要被传输到交流供电网络的功率设置点
Figure BDA0002357801100000062
因此从该设置点链接(link)每个建模电容器的端子处的电压。而且，该模块通过出现在所述转换器的交替部分上而有助于调节转换器的内部能量。能量管理模块的优点是免除了直流供电网络上的或转换器直流部分中的中断。实际上，能量管理模块允许调节转换器交流部分中的功率，而与直流部分中的中断无关。因此提高了转换器的鲁棒性。
调节转换器与直流供电网络的连接点处的电压以及在每个建模电容器的端子处的电压两者还可以作用于直流供电网络的稳定性。这包含在直流供电网络上突然出现的并且可能导致所述网络上的电压发生相当大的变化的任何功率中断。
有利地，计算机被配置为通过应用导函数(derived function)和过滤函数来计算内部命令设置点。优点在于这种过滤函数的应用消耗很少的计算资源。而且，过滤免去了测量噪声，该噪声在转换器被控制时会损坏转换器。
优选地，过滤函数是一阶滤波器，允许更有效地测量全部要被滤除的噪声。
有利地，可调输入参数是可调虚拟惯性系数kVC。此外，修改该参数kVC实际上等于修改虚拟电容器的电容，因此有助于直流供电网络的稳定性。优点是在控制转换器MMC的内部能量时提出额外的自由度。特别地，虚拟电容器的电容可以采用非常高的值而没有额外的实质限制。
根据第一变型，内部命令设置点是内部功率设置点
Figure BDA0002357801100000071
在这种配置中，在功率方面控制转换器。优点在于，计算机直接提供功率设置点，如在现有技术的文献中的情况那样，这尤其是省去了转换器内部能量的设置点的中间计算步骤。因此，确定该内部功率设置点很容易，调节内部能量也很容易。
以一种特别有利的方式，计算机被配置为根据以下函数计算转换器的内部功率设置点
Figure BDA0002357801100000072
Figure BDA0002357801100000073
其中，Ceq＝6Ctot，Ctot是建模电容器的臂中的总电容，vdc是转换器与直流供电网络的连接点处的电压，τ是时间常数。分子处的s表示导函数，过滤函数由
Figure BDA0002357801100000074
组成。
可以理解，虚拟电容器的电容CVC表示为：
CVC＝6CtotkVC
优选地，内部功率设置点
Figure BDA0002357801100000075
用于确定要传输到直流供电网络的功率设置点
Figure BDA0002357801100000076
通过确定该功率，记为
Figure BDA0002357801100000077
可以理解的是，计算机通过出现在所述转换器的直流部分上，有助于调节转换器的内部功率，因此有助于调节转换器的内部能量。优点在于在交流供电网络上或转换器的交流部分中发生中断的情况下，计算机通过在转换器的直流部分中提供内部功率设置点而始终调节转换器与直流供电网络的连接点处的电压以及每个建模电容器的端子处的电压。因此，保留了先前描述的虚拟电容稳定直流供电网络的效果。因此提高了转换器的鲁棒性。
根据第二变型，内部命令设置点是内部电流设置点
Figure BDA0002357801100000078
在这种配置中，在电流方面控制转换器。
以有利的方式，计算机被配置为根据以下函数计算内部电流设置点
Figure BDA0002357801100000079
Figure BDA00023578011000000710
其中，Ceq＝6Ctot，Ctot是建模电容器的臂中的总电容，vdc是转换器与直流供电网络连接点处的电压，τ是时间常数。
优选地，内部电流设置点
Figure BDA0002357801100000081
被用于确定要被传输到直流供电网络的电流设置点
Figure BDA0002357801100000082
通过确定该电流设置点
Figure BDA0002357801100000083
可以理解，计算机通过出现在所述转换器的直流部分上，有助于调节电流，因此有助于调节转换器的内部能量。
因此，即使在交流供电网络上或转换器的交流部分中有任何中断，仍保留了先前描述的虚拟电容稳定直流供电网络的效果。因此提高了转换器的鲁棒性。
在具体的实施例中，能量管理模块在输入处接收在每个建模电容器的端子处的电压设置点的平方与在建模电容器的端子处的电压的平方的平均值之间的比较结果。因此，能量管理模块从该电压的设置点值链接每个建模电容器的端子处的电压的平方。特别地，每个建模电容器的端子处的电压设置点
Figure BDA0002357801100000084
表示为：
Figure BDA0002357801100000085
其中，
Figure BDA0002357801100000086
是任意选择的内部能量的设置点。
优选地，控制模块被配置为改变变量以控制电流idiff和igd以及电压vdiff和vgd中的中间变量，其中，idiff和vdiff关联于直流供电网络，igd和vgd关联于交流供电网络。
以非限制性方式，在将直流能量转换为交流能量的转换器的情况下，这些变量以以下形式表示转换器内部能量中的变化：
Figure BDA0002357801100000087
特别地，该表达式反映了转换器MMC划分为：在输入处的虚(imaginary)直流部分，该虚直流部分连接到直流网络，并且与对应于直流部分的功率的项
Figure BDA0002357801100000088
相关联；在输出处的虚交流部分，该虚交流部分连接到交流网络，并且与对应于交流部分的功率的项igdvgd相关联。
有利地，控制模块包括电流igd的调节器，该调节器在输入处具有与电流igd相对应的设置点
Figure BDA0002357801100000089
调节器通过使电流igd趋向于其设置点
Figure BDA00023578011000000810
来链接电流igd。调节变量igd等于根据转换器的配置调节输入或输出处的交流功率的传递。
以有利的方式，控制模块包括电流idiff的调节器，该调节器在输入处具有与电流idiff相对应的设置点
Figure BDA0002357801100000091
调节器通过使电流idiff趋向于其设置点
Figure BDA0002357801100000092
来链接电流idiff。调节变量idiff等于根据转换器的配置调节输入或输出处的直流功率的传递。
以非限制性方式，变量igd和idiff可以被独立控制。可以理解，调节idiff和igd分别调节输入的和输出的功率的传递，并相应地控制存储在子模块的电容器中的转换器的内部能量。
优选地，控制模块包括在转换器与直流供电网络的连接点处的电压调节器，该电压调节器被配置为根据转换器与直流供电网络的连接点处的电压设置点和在所述直流供电网络上收集的转换器与直流供电网络的连接点处的电压值来确定用于调节所述转换器的直流电压的功率设置点。该调节器的优点在于其可以通过使转换器与直流供电网络连接点处的电压的值趋向于转换器与直流供电网络连接点处的电压设置点
Figure BDA0002357801100000093
来链接转换器与直流供电网络连接点处的电压vdc。
本发明还涉及多级模块化电压转换器的控制过程，该转换器将交流电压转换为直流电压以及相反地将直流电压转换为交流电压，并且包括旨在连接至直流供电网络的所谓的直流部分和旨在连接至交流供电网络的所谓的交流部分，转换器包括多个支路，每个支路包括上臂和下臂，每个臂包括多个子模块，这些子模块可以通过子模块的控制部件而单独控制，并且包括在子模块的控制部件的受控状态下串联连接在臂中的电容器，每个臂可以由建模的电压源来建模，该建模的电压源关联于取决于臂中串联放置的电容器的数量的占空比，每个建模的电压源并联连接到对应于臂的总电容的建模的电容器，该过程还包括通过应用具有可调输入参数的函数来计算转换器的内部功率设置点，该过程包括：
·根据每个建模的电容器的端子处的电压确定工作功率设置点的步骤；
·根据工作功率设置点确定要传输到交流供电网络的功率设置点的步骤；以及
·根据所述内部功率设置点和要传输到交流供电网络的所述功率设置点，调节转换器与直流供电网络的连接点处的电压以及每个建模的电容器的端子处的电压的步骤。
有利地，可调输入参数是可调虚拟惯性系数kVC。
本发明还涉及一种用于诸如以上所述的多级模块化转换器的控制模块，该控制模块包括通过应用具有可调输入参数的函数的转换器的内部命令设置点的计算机，该控制模块还包括能量管理模块，被配置为根据每个建模的电容器的端子处的电压传送工作功率设置点，该工作功率设置点被用于确定要传输到交流供电网络的功率设置点，该控制模块被配置为根据内部命令设置点和要传输到交流供电网络的功率设置点，调节转换器与直流供电网络的连接点处的电压以及每个建模的电容器端子处的电压。
附图说明
从以下参考附图通过非限制性示例给出的本发明实施例的描述，将会更清楚地理解本发明，其中：
-已经描述的图1示出了根据现有技术的三相多级模块化转换器；
-已经描述的图2示出了根据现有技术的多级模块化转换器的子模块；
-已经描述的图3示出了根据现有技术的等效于MMC转换器的臂的电路；
-已经描述的图4示出了根据现有技术的多级模块化转换器的等效配置；
-图5示出了根据本发明的多级模块化转换器的等效示意表示；
-图6示出了根据本发明的配备有控制模块的多级模块化转换器的第一实施例；
-图7示出了图6的转换器的计算机；
-图8示出了对于现有技术的转换器，直流供电网络和交流供电网络的功率响应于中断的变化；
-图9示出了对于根据本发明的转换器，直流供电网络和交流供电网络的功率响应于中断的变化；
-图10示出了对于现有技术的转换器，内部能量响应于所述中断的变化；
-图11示出了对于根据本发明的转换器，内部能量响应于所述中断的变化；
-图12示出了根据本发明的配备有控制模块的多级模块化转换器的第二实施例；以及
-图13示出了图12的转换器的计算机。
具体实施方式
本发明涉及配备有控制模块的多级模块化转换器，其等效行为的电路在图5中示出。以非限制性方式，该图示出了将直流功率转换为交流功率的MMC转换器10。在该示例中，显而易见的是，该转换器10包括在图的左侧部分中的连接到交流电力网络110的交流部分10A。该图的右侧部分示出了转换器10包括连接到直流供电网络120的直流部分10C。
可以看出，具有可调电容的虚拟电容器CVI(为了简洁起见，宽松地提出，将使用相同的附图标记表示电容器及其电容)与直流供电网络120并联连接。虚拟意味着该电容器并未物理地植入转换器10中，转换器10仅包括子模块的电容器。相反，根据本发明的控制模块实现了与配备有该虚拟电容器的转换器相似的转换器操作：调节虚拟惯性系数kVC，其未在图5中出现，并且是可调的参数，提高直流供电网络120的稳定性，并且转换器的行为类似于其中可调电容的虚拟电容器CVI与直流供电网络120并联放置的转换器的行为。
图5的图还示出了转换器10与直流供电网络120和交流供电网络110之间的电力传输。以这种方式，Pl是来自直流供应网络的其他站点的功率，并且象征着直流网络上的功率的突然中断，Pdc是从直流供电网络120提取的功率，Pac是传输到交流供电网络110的功率，PC是由直流供电网络120的电容Cdc吸收的功率，PW可以被认为是由虚拟电容器CVI吸收的功率。同样，vdc是在转换器与直流供电网络的连接点处的电压。ig是交流供电网络的电流，而idc是直流供电网络的电流。
在根据本发明的转换器MMC 10中，与现有技术的转换器MMC相比，直流供电网络120的剩余功率，表示为PW，被虚拟电容器CVI吸收并允许转换器将内部能量W∑存储在子模块的电容器中。
图6的示例示出了根据本发明的配备有控制模块20的多级模块化转换器10的第一实施例。在该示例中，在功率方面控制转换器。通过以闭环链接，转换器MMC 10被配置为调节在转换器与直流供电网络120的连接点处的电压vdc和每个建模的电容器的端子处的电压vc∑。
控制模块20包括计算机22，该计算机被配置为计算臂的子模块的电容器的内部功率设置点
Figure BDA0002357801100000121
该内部功率设置点
Figure BDA0002357801100000122
是根据在计算机22输入处的可调虚拟惯性系数kVC以及根据转换器与直流供电网络120的连接点处的电压vdc的标称值的平方计算的。
在图7中示出了功率设置点
Figure BDA0002357801100000123
的计算机22的示例。该图示出了所述内部功率设置点
Figure BDA0002357801100000124
是根据以下公式确定的：
Figure BDA0002357801100000125
其中，Ceq＝6Ctot，Ctot是建模的电容器的臂中的总电容，vdc是转换器与直流供电网络的连接点处的电压，τ是时间常数。分子处的s表示导函数，过滤函数由
Figure BDA0002357801100000126
组成。
特别地，根据本发明的控制模块20省去了在现有技术中执行的用于确定内部能量的设置点的中间步骤。
所述内部功率设置点
Figure BDA0002357801100000127
用于确定要传输到直流供电网络的功率设置点
Figure BDA0002357801100000128
可以理解的是计算机22通过出现在所述转换器的直流部分10C上而有助于调节转换器10的内部功率，因此有助于调节转换器10的内部能量。优点在于在交流供电网络110上或转换器的交流部分10A中发生中断的情况下，计算机22通过在转换器的直流部分中提供要传输到直流供电网络的功率设置点
Figure BDA0002357801100000129
而始终调节在转换器与直流供电网络的连接点处的电压vdc以及每个建模电容器的端子处的电压vc∑。
而且，转换器10的控制模块20还包括功率管理模块24，其被配置为传送工作功率设置点
Figure BDA00023578011000001210
功率管理模块24在输入处接收在每个建模电容器的端子处的电压设置点
Figure BDA00023578011000001211
的平方与在建模的电容器的端子处的电压的平方(也被平方)的平均值之间的比较。在不脱离本发明的范围的情况下，可以以不同方式计算平均值。在图6所示的非限制性示例中，平均值计算为每个臂中建模电容器的电压的平方的总和除以六(转换器包括六个臂)。
每个建模电容器的端子处的电压设置点
Figure BDA00023578011000001212
表示为：
Figure BDA00023578011000001213
因此，任意地固定地从转换器的内部能量的设置点
Figure BDA00023578011000001214
获得每个建模电容器的端子处的所述电压设置点
Figure BDA00023578011000001215
所述工作功率设置点
Figure BDA0002357801100000131
用于确定要传输到交流供电网络110的功率设置点
Figure BDA0002357801100000132
可以理解的是，模块24通过出现在所述转换器的交流部分10A上而允许管理转换器10的内部能量。优点在于，即使在直流供电网络120上或转换器10的直流部分10C中存在中断的情况下，功率管理模块24通过在转换器10的交流部分中提供要传输到交流供电网络的功率设置点
Figure BDA0002357801100000133
也有效地调节在转换器与直流供电网络120的连接点处的电压vdc以及每个建模电容器的端子处的电压vc∑。
图6还示出了控制模块20包括在转换器与直流供电网络120的连接点处的电压调节器26，在该电压调节器26的输入端具有转换器10与直流供电网络120的连接点处的电压设置点
Figure BDA0002357801100000134
的平方与在直流供电网络上收集的值vdc的平方之间的比较的结果。在转换器与直流供电网络120的连接点处的电压调节器26传送用于调节所述转换器10的直流电压的功率设置点
Figure BDA0002357801100000135
然后，将用于调节所述转换器的直流电压的功率设置点
Figure BDA0002357801100000136
与工作功率设置点
Figure BDA0002357801100000137
进行比较以确定要传输到交流供电网络110的功率设置点
Figure BDA0002357801100000138
类似地，将内部功率设置点
Figure BDA0002357801100000139
与用于调节所述转换器的直流电压的功率设置点
Figure BDA00023578011000001310
进行比较，以确定要传输到直流供电网络的功率设置点
Figure BDA00023578011000001311
而且，控制模块20包括在输入处具有设置点
Figure BDA00023578011000001312
的交流电流
Figure BDA00023578011000001313
的调节器28和在输入处具有设置点
Figure BDA00023578011000001314
的电流idiff的调节器30。
根据图3，已知能够通过并联连接到建模的电容器的建模的电压源对臂的子模块进行建模，以使建模的电压源在其端子处具有电压vmxi(其中，x表示臂是上臂还是下臂，i表示支路)。电流调节器28和30借助于控制算法(“BCA：平衡控制算法”)通过调制构件32和两个平衡构件34a和34b传递在变量的改变之后使用的电压设置点
Figure BDA00023578011000001315
和
Figure BDA00023578011000001316
用于调节建模电压源的端子处的电压vmxi。这控制或不控制臂的子模块。因此，控制在建模电容器的端子处的电压vc∑xi以及在转换器与直流供电网络的连接点处的电压vdc。
因此，使虚拟惯性系数kVC在计算机的输入处变化可以直接影响直流供电网络的电压vdc和该直流供电网络的惯性。
图6的图示出了用于控制转换器的有功功率的控制。以非限制性的方式，可以与有功功率的控制并行地提供无功功率的控制，而与“虚拟电容器”的效果无关。
图8至图11示出了根据本发明的配备有控制模块20的多级模块化转换器10的行为的模拟的结果，尤其是通过功率控制的模拟的结果。在该模拟中，已经创建了测试系统，其中，转换器的直流部分连接到理想的直流电源，模拟直流供电网络120，而转换器的交流部分连接到交流电源，模拟交流供电网络110。将功率梯队(power echelon)施加到模拟的直流网络上，模拟所述直流供电网络上的中断。
图8对于现有技术的转换器，以虚线示出了交流电力网络的功率Pac响应于施加的中断的变化，并且以实线示出了直流供电网络的功率Pdc响应于施加的中断的变化。直流供电网络的功率Pdc的这种变化反映了“虚拟电容”的效果，该转换器具有等同于与直流供电网络并联布置的虚拟电容器的行为的行为。图9示出了根据本发明的转换器的相同幅度。
图8和9公开了在直流供电网络上存在中断的情况下，对于现有技术的转换器和根据本发明的转换器，直流供电网络的功率Pdc的变化是一致的。因此，根据本发明的转换器产生“虚拟电容”效果，并且被理解为与直流供电网络并联布置的虚拟电容器。
图10示出了响应于施加的中断，现有技术的转换器的子模块的电容器中存储的内部能量的变化。
图11示出了响应于施加的中断，根据本发明的转换器的子模块的电容器中存储的内部能量的变化。
显然的是，由于根据本发明的转换器，能量被最佳地调节，并且它不会像现有技术中那样突然且陡然增加。特别地，由于本发明，转换器的内部能量趋于更迅速地朝向其标称值。因此，由于根据本发明的控制模块，特别是由于能量管理模块，转换器的内部能量得到最佳控制。实际上，后者发生在转换器的交流部分中，并且尽管直流供电网络上存在中断，也有效地控制转换器的内部能量。
图12示出了根据本发明的转换器10’的第二实施例，其配备有根据本发明的控制模块20’。在该示例中，在电流方面控制转换器。如在图6的示例中，控制模块包括功率管理模块24’，其被配置为传递工作功率设置点
Figure BDA0002357801100000151
它还包括交流电流igd的调节器28’、调制构件32’和两个平衡构件34a’和34b’。
在该实施例中，控制模块20’包括计算机22’，其被配置为计算臂的子模块的电容器的内部电流设置点
Figure BDA0002357801100000152
在图13中示出了这样的计算机。从该图中可以明显看出，内部电流设置点
Figure BDA0002357801100000153
是根据在计算机22'的输入处的可调虚拟惯性系数kVC和在转换器与直流供电网络120的连接点处的电压vdc的标称值计算的。该计算机22'还执行导函数和一阶过滤器。
控制模块20'还包括在转换器与直流供电网络120的连接点处的电压的调节器26'，其在输入处接收在转换器10与直流供电网络120的连接点处的电压设置点
Figure BDA0002357801100000154
与在直流供电网络上收集的值vdc之间的比较结果。调节器26′传递用于调节所述转换器10的直流电压的功率设置点
Figure BDA0002357801100000155
附加地，控制模块20'包括除法器模块36，用于将所述功率
Figure BDA0002357801100000156
除以在转换器与直流供电网络120的连接点处的电压vdc的标称值，从而确定电流工作设置点
Figure BDA0002357801100000157
然后将所述电流工作设置点
Figure BDA0002357801100000158
与内部电流设置点
Figure BDA0002357801100000159
进行比较，以确定要传输到直流供电网络的电流设置点
Figure BDA00023578011000001510

Claims (17)

1.一种多级模块化电压转换器(10,10')，用于将交流电压转换为直流电压以及相反地将直流电压转换为交流电压，包括：旨在连接至直流供电网络(120)的所谓的直流部分(10C)和旨在连接到交流供电网络(110)的所谓的交流部分(10A)，所述转换器包括多个支路，每个支路包括上臂和下臂，每个臂包括多个子模块，通过特定于每个子模块的控制部件可单独控制所述多个子模块，并且每个子模块包括电容器，当子模块的控制部件处于受控状态时，所述电容器可串联连接在臂中，每个臂能够由建模的电压源来建模，该建模的电压源关联于取决于臂中串联放置的电容器的数量的占空比，每个建模的电压源并联连接到对应于臂的总电容的建模的电容器，所述转换器还包括转换器的控制模块(20,20')，所述转换器的控制模块(20,20')包括通过应用具有可调输入参数的函数的转换器的内部命令设置点
Figure FDA0002357801090000011
的计算机(22,22')，
其特征在于，所述转换器的控制模块还包括能量管理模块(24，24')，被配置为根据每个建模电容器的端子处的电压来传送工作功率设置点
Figure FDA0002357801090000012
所述工作功率设置点用于确定将被传输到交流供电网络的功率设置点
Figure FDA0002357801090000013
所述控制模块被配置为根据所述内部命令设置点和将被传输到交流供电网络的功率设置点来调节在所述转换器与直流供电网络的连接点处的电压以及在每个建模的电容器的端子处的电压。
2.根据权利要求1所述的转换器，其中，所述计算机(22)被配置为通过应用导函数和过滤函数来计算所述内部命令设置点
Figure FDA0002357801090000014
3.根据权利要求1或2中任一项所述的转换器，其中，所述可调输入参数是可调虚拟惯性系数kVC。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的转换器，其中，所述内部命令设置点是内部功率设置点
Figure FDA0002357801090000015
5.根据权利要求4所述的转换器，其中，所述计算机(22)被配置为根据以下函数来计算转换器的内部功率设置点
Figure FDA0002357801090000016
Figure FDA0002357801090000017
其中，Ceq＝6Ctot，Ctot是建模的电容器的臂中的总电容，vdc是在转换器与直流供电网络的连接点处的电压，τ是时间常数。
6.根据权利要求4或5所述的转换器，其中，所述内部功率设置点
Figure FDA0002357801090000021
用于确定要传输到直流供电网络(120)的功率设置点
Figure FDA0002357801090000022
7.根据权利要求1至3中任一项所述的转换器，其中，所述内部命令设置点是内部电流设置点
Figure FDA0002357801090000023
8.根据权利要求7所述的转换器，其中，所述计算机(22′)被配置为根据以下函数来计算内部电流设置点
Figure FDA0002357801090000024
Figure FDA0002357801090000025
其中，Ceq＝6Ctot，Ctot是建模的电容器的臂中的总电容，vdc是在转换器与直流供电网络连接点处的电压，τ是时间常数。
9.根据权利要求7或8所述的转换器，其中，所述内部电流设置点
Figure FDA0002357801090000026
用于确定要传输到直流供电网络(120)的电流设置点
Figure FDA0002357801090000027
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的转换器，其中，所述能量管理模块(24，24′)在输入处接收在每个建模的电容器的端子处的电压设置点的平方与在建模的电容器的端子处的电压的平方的平均值之间的比较结果。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的转换器，其中，所述控制模块(20，20′)被配置为改变变量，以控制电流idiff和igd以及电压vdiff和vgd的中间变量，其中，idiff和vdiff与直流供电网络(120)有关，igd和vgd与交流供电网络(110)有关。
12.根据权利要求11所述的转换器，其中，所述控制模块包括电流igd的调节器(28，28′)，其在输入处具有与电流igd相对应的设置点
Figure FDA0002357801090000028
13.根据权利要求11或12所述的转换器，其中，所述控制模块包括电流idiff的调节器(30，30’)，其在输入处具有与电流idiff相对应的设置点
Figure FDA0002357801090000029
14.根据权利要求1至13中任一项所述的转换器，其中，所述控制模块包括在转换器(10，10′)与直流供电网络(120)的连接点处的电压的调节器(26，26′)，被配置为根据在转换器与直流供电网络的连接点处的电压设置点和在所述直流供电网络上收集的转换器与直流供电网络的连接点处的电压值来确定用于调节所述转换器的直流电压的功率设置点
Figure FDA0002357801090000031
15.一种多级模块化电压转换器(10，10′)的控制过程，所述转换器将交流电压转换为直流电压以及相反地将直流电压转换为交流电压，并且包括：旨在连接至直流供电网络(120)的所谓的直流部分(10C)和旨在连接到交流供电网络(110)的所谓的交流部分(10A)，所述转换器包括多个支路，每个支路包括上臂和下臂，每个臂包括多个子模块，通过子模块的控制部件可单独控制所述多个子模块，并且每个臂包括在子模块的控制部件的受控状态下串联连接在臂中的电容器，每个臂能够由建模的电压源来建模，该建模的电压源关联于取决于臂中串联放置的电容器的数量的占空比，每个建模的电压源并联连接到对应于臂的总电容的建模的电容器，所述过程还包括通过应用具有可调输入参数的函数来计算转换器的内部功率设置点，
其特征在于，包括：
·根据每个建模的电容器的端子处的电压确定工作功率设置点的步骤；
·根据工作功率设置点确定要传输到交流供电网络的功率设置点的步骤；以及
·根据所述内部功率设置点和要传输到交流供电网络的所述功率设置点，调节转换器与直流供电网络的连接点处的电压以及每个建模的电容器的端子处的电压的步骤。
16.根据权利要求15所述的转换器的控制过程，其中，所述可调输入参数是可调虚拟惯性系数kVC。
17.一种根据权利要求1至14中任一项所述的多级模块化转换器(10,10')的控制模块(20,20')，包括通过应用具有可调输入参数的函数的转换器的内部命令设置点的计算机(22,22')，所述控制模块还包括能量管理模块(24,24')，被配置为根据每个建模的电容器的端子处的电压传送工作功率设置点，所述工作功率设置点被用于确定要传输到交流供电网络(110)的功率设置点，所述控制模块被配置为根据内部命令设置点和要传输到交流供电网络的功率设置点，调节在转换器与直流供电网络(120)的连接点处的电压以及每个建模的电容器的端子处的电压。
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