CN112868174A - 借助于开关表以及其连续后台优化来控制模块式多点串并转换器(mmspc) - Google Patents

借助于开关表以及其连续后台优化来控制模块式多点串并转换器(mmspc) Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于多电平转换器的开关状态的控制器(300)的方法，在该方法中该控制器被分为实时部分(320)和离线部分(310)，其中在该实时部分中通过调制器(322)对于每个时间步幅为相应的电压要求(324)指定相应的电压等级(325)，并且关于该相应的电压等级通过调度器(323)在第一开关表中获取所有开关的相应的开关状态，并且将该相应的开关状态作为控制信号(302)转发给该多电平转换器的所有开关，其中在该离线部分中通过优化器(311)以连续的序列根据成本函数来计算最优的第二开关表(312，313)，其中在计算结束之后所计算的第二开关表替代该第一开关表并且此时变为第一开关表。

Description

借助于开关表以及其连续后台优化来控制模块式多点串并转 换器(MMSPC)
技术领域
本发明涉及一种用于控制总开关状态的方法，即控制多电平转换器、尤其模块式多电平转换器的所有开关的开关状态的方法。此外，要求保护一种用于实现这种开关控制的系统。
背景技术
为了从直流电压获得具有预定频率的交流电压，在少数(多数情况下两个至三个)级别之间用少数的功率开关连接常规功率电子装置中的输入电压和输出电压，以便在平均值中获得所希望的大小。与之相反，现代的多电平转换器根据以下方案来工作：通过经由多个电子开关连接的储能器(例如电容器或能量电池单元)的动态可变配置来产生交流电压。在此基本上可以使用比在常规功率电子装置的情况下更多的电子开关(例如功率半导体开关)，由此可以以非常细分的级别或电压等级构成多个可实现的总开关状态以及与之相关联的多电平转换器的输出电压。同时存在用不同的总开关状态来实现同一个电压等级的高自由度，其中多电平转换器的控制器必须在任意时间给所有开关指定明确的状态。
理论上，多电平转换器的相应构造方式可以借助于单独模块来定义，例如在本申请人的文件DE 10 2015 112 512 A1中所展示的。依据单独模块所包含的开关元件的电路布置，可以与附加连接的相同构造的单独模块无关地实现与同样被包含的储能器的连接方式相关的所有开关状态。
在此意义上重要的中央多电平转换器是模块化多电平转换器MMSPC，由S.M.Goetz,A.V.Peterchev和T.Weyh,"Modular Multilevel Converter With Series andParallel Module Connectivity:Topology and Control[具有串联和并联模块连接性的模块化多电平转换器：拓扑和控制]"，IEEE Transactions on Power Electronics，vol.30,no.1,pp.203-215,Jan.2015还有在文件US 9,502,960 B2以及DE 10 2016 112250A1中描述。这种模块化多电平转换器相对于(例如由R.Marquardt在文件DE 101 030301 A1中描述的并且本发明同样可应用于其上的)常规模块化多电平转换器的独特之处在于存在附加的并联状态，由此在一个串中的MMSPC可以产生模块集成式储能器的几乎任意的电串并电路构型并且可以动态地改变该电路构型。另外，大多数情况下还可以使用绕过状态，即所谓的旁通，以便绕过模块的储能器。一般而言，在模块式多电平转换器的情况下，模块开关状态(即单独模块的开关的开关状态)可以根据下列清单明确地描述：并联、串联、旁通、断开。一种应用是模块式多相多电平转换器，其中分别将多个模块布置在一个串中，其中相应的串然后提供多相交流电压的一个相应的相。
模块式多电平转换器的控制器的基本问题是高自由度，也就是说首先构成相同电压的大量不同的开关状态或模块状态。模块状态的整体确定了多电平转换器的输出电压。为了多电平转换器的运行，电路控制器的控制装置(即所谓的调度器)必须在任何时间点确定并主动控制所有模块的状态。对所有模块的所有开关的如此的状态获取和指定以介于1kHz与1MHz之间的采样频率进行，对应于每秒1000至1百万次。
从现有技术中已知用于选择相应的模块状态以生成所希望的电压的各种方法。其中一种方法包括使用所谓的查找表或开关表，在该查找表或开关表中确定了待切换的模块状态，这带来了低计算工作量和实现简单的优点。文件WO 2015/193439 A1例如为此描述了一种多相电流变换器，在对其操控时可以应用开关表。在此类方法中不利的是，开关表只在一定的时间点(如果有的话)提供优化的连接方式。由于在相应模块中的单独能量电池单元或储能器的放电不同，对于在多电平转换器的输出端处相应所希望的电压等级，总是产生新的最优开关状态，并且根据一次性构成并存储的开关表指定的总开关状态随着运行时间的增加越来越远离最优的总开关状态。
在此优选一种在线优化方法，该方法根据多电平转换器的所有储能器的当前状态和/或其他可设想的附加条件(例如储能器的均匀放电)来获得数学上的优化。为了获得真正的数学上的优化，理论上必须计算所有可能的开关状态(例如在每个模块具有至少五个开关状态的10MMSPC型模块的情况下，总计5^10个并且由此每个时间步幅接近10^7(等于1千万)个可能的开关状态)并且相对彼此进行权衡。然后必须计算未来的一定数量的时间步幅，以便在此方面找到最佳解。在M个时间步幅的情况下将为(5^10)^M种可能性。单是两个时间步幅的计算就已经有约10^21种可能性，远超出高性能计算机的范围(每秒10^15次运算)。因此，迄今已有方法中没有一种能够处理这种巨大的计算工作量。相反，启发式方法虽然可以(依据复杂度)在线求解，但是这些解总是与最优的总开关状态还有一定距离。
发明内容
在此背景下，本发明的目的在于提供一种用于多电平转换器的所有开关的开关状态的控制器的方法，该方法在线地(也就是说在多电平转换器运行时实时地)关于相应的电压要求根据预定的附加条件计算多电平转换器的相应的最优总开关状态并且提供多电平转换器的控制器。另外，应提供一种对应的系统，该系统被配置为用于实施该方法。
为了实现上述目的，提供了一种用于多电平转换器的总开关状态的控制器的方法，在该方法中该多电平转换器具有至少一个模块，在该方法中该至少一个模块具有：在第一侧上的至少一个端子和在第二侧上的至少一个端子、至少两个能够控制的开关以及至少一个储能器。在一个实施方式中，在该第一侧上的该至少一个端子与在该第二侧上的该至少一个端子之间的第一连接中该至少一个储能器与该至少两个能够控制的开关中的第一开关串联布置，并且在该第一侧上的该至少一个端子与在该第二侧上的该至少一个端子之间的第二连接中布置有该至少两个能够控制的开关中的第二开关。通过这个实施方式可以在该至少一个模块的第一端子与第二端子之间串联连接该储能器，或者可以绕过该储能器，或者可以完全中断导电。在另一个实施方式中，该至少一个模块在该第一侧上具有至少两个端子并且在该第二侧上具有至少两个端子。该至少一个储能器直接布置在第一侧或第二侧的该至少两个端子之间，该至少两个能够控制的开关中的第一开关布置在第一侧上的第一端子与第二侧上的第一端子之间，并且该至少两个能够控制的开关中的第二开关布置在第一侧上的第二端子与第二侧上的第二端子之间。通过这个实施方式可以在该至少两个开关在闭合状态时将该至少一个模块的储能器与其他模块并联地连接，其中通过其他的开关状态还可以实现串联连接或绕过该储能器。在本发明的方法中，将多电平转换器的控制器分成实时部分和离线部分。在下文中实时尤其理解为，必然需要对应的控制器部分作为用于产生进行控制所需的总开关状态的控制循环的一部分，并且因此绝不允许超过最大处理时间，以免延迟总开关状态的产生。相反，离线尤其是指以下控制器部分：这些控制器部分无须具有固定已知的最大处理持续时间和/或比实时部分明显更慢、例如至少慢10倍、优选至少慢100倍地运行，并且因此例如与实时部分的处理并发地和/或异步地运行。在每个时间步幅中，在实时部分中通过调制器为相应的电压要求指定相应的电压等级，并且通过调度器在第一开关表中关于相应的电压等级获取多电平转换器的所有开关的相应的总开关状态并且将相应的总开关状态作为控制信号转发给所有开关。在离线部分中通过优化器以连续的序列计算第二开关表，该第二开关表为相应的电压等级指配相应的总开关状态。第二开关表以使成本函数最小化为依据得出，其中该成本函数至少参考该多电平转换器的所有储能器的均匀放电和/或参考最小开关损耗和/或最小导通损耗和/或这些储能器中的最小损耗和/或最小总损耗来评估由该多个模块的预定的相应模块开关状态构成的总开关状态。最后，优化器提供多电平转换器的所有储能器的当前充电状态。
在一个时间点，第一开关表和第二开关表可以是彼此不同或相同的。
在根据本发明方法的一个实施方式中，在该实时部分中在该第一开关表中获取所有开关的相应的总状态，并且在该离线部分中通过优化器以连续的序列计算该第二开关表，其中在一个时间点该第一开关表和该第二开关表能够是彼此不同的。在计算结束之后所计算的第二开关表被用来替代该第一开关表并且从此以后用作该第一开关表，然后由该优化器开始计算新的第二开关表。
本发明的方法可以使用多个开关表，类似于所谓的影子内存方案，在该方法中该实时部分用一个或多个表工作，然而该离线部分或异步部分用其他的表工作，并且在某一时间点交换这些表，例如简单地通过切换实施本发明方法的系统的计算单元中的存储器地址。
然而，替代地，离线部分理论上还可以直接对该实时部分的开关表工作，然而为了保持一致性应尽可能总是交换至少一个总状态条目。实时部分仅读取式地访问这至少一个第一开关表。
本发明的方法通过将优化问题从控制器的实时部分(此前根据现有技术在其中实施开关技术上的方法)的调制器外移到离线部分(在其中优化器借助成本函数来寻找最佳的第二开关表)中实现了所提出的目的。由此，调制器可以维持其必要的高速度，以与调度器一起根据在多电平转换器中所提供的第一开关表调用总开关状态，该总开关状态的结果是多电平转换器的与相应电压要求相对应的输出电压。在此期间与之并行地实施优化，其中在为此所需的计算相应结束之后为调度器提供新的第一开关表，也就相当于将在用于由多电平转换器形成的相应电压等级的相应总开关状态中的连接方式重新参数化。然后，基于这个第一开关表，调度器在进一步运行中选择用于多电平转换器的总开关状态。
参数化或者第一开关表或第二开关表(分别还被称为查找表)将相应模块中的开关位置的组合指定给在N个模块的情况下大多数(2N+1)在多电平转换器的输出端形成电压等级中的每一个电压等级。相应模块的相应模块开关状态基本上总是关于包括在相应模块中的储能器如何与多电平转换器的其他储能器连接。对于由调制器量化且转交给调度器的电压等级，调度器从第一开关表中寻找通过相应模块开关状态定义或可以定义的总开关状态。于是，在具有八个开关的示例性模块的情况下(见图1和相关的说明)总共确定五个模块开关状态，对于这些模块开关状态而言，这八个开关占据在表1中详述的开关位置。模块开关状态为：“s+”表示用正极性串联连接，“s-”表示用负极性串联连接，“p”表示并联连接，“b+”表示用正极性旁通并且“b-”表示用负极性旁通。在此，正极性或负极性表示在模块的第一侧上的两个端子以何种极性接通模块的第二侧上的两个端子。在旁通或绕过模块的情况下，这也就相当于经由模块的布置在半桥中的开关的高侧连接(还称为下模块汇流排，可以认为与储能器的负端子电连接)或者低侧连接(还称为上模块汇流排，可以认为与储能器的正端子电连接)的导通方式。对此的另外的说明在关于图1的附图说明中进行。
表1：模块开关状态s+、s-、p、b+、b-以及来自图1的八个开关S1至S8的相应开关位置。
Figure BDA0003023645420000061
优化器与调度器无关地进行计算并且与调度器同时或并行地计算新的第二开关表并且在此考虑系统的当前状态，以便通过使成本函数最小化来实现至少一个以数学方式描述的目标。例如，对于模块之间的电荷平衡的目标，也就是说在长运行持续时间上所有模块或所有包括在相应模块中的储能器尽可能放出或接收相同的电荷，相应模块或包括在其中的相应储能器的当前电荷状态是有意义的，由此优化器可以判定，哪个模块应放出或接收特别多的功率并且这个模块例如优选应在运行中被设置为用于串联连接“s+”还是“s-”。
优化器优选使用数值优化方法来获取新的第二开关表。为此，有利地将优化问题表达为数学问题，其中待最小化的成本函数具有至少一个项，在该项中该至少一个目标在数学上被表达为距离和/或总大小，其中当该距离和/或总大小变得最优时正好接近或实现目标。大多数情况下最优应理解为最小。如果可能将总大小最大化，则这个数学最大化可以通过与-1相乘而倒推出最小化。还可以向其中加入某些边界条件。另外，还可以将与附加目标相对应的附加项(在适当时设有相应的缩放系数)在数学上与该至少一个项结合。优化器现在例如对于可以通过多电平转换器相应产生的电压等级来计算与成本函数的相应最小值相对应的总开关状态并且将这个总开关状态存储在第二开关表中。在某些情况下可能的是，多个总开关状态促成成本函数的相同的最小值并且同样存储在第二开关表中。总开关状态在此对应于多电平转换器的所有开关的开关位置的整体或所有如下模块开关状态的整体：这些模块开关状态可被设定或已被设定为用于提供所希望的预定的电压等级。相应的开关表(也就是说第一开关表以及第二开关表)由此为每个电压等级指定至少一个总开关状态或者为每个模块指定至少一个模块开关状态。确切地说在将当前确定的第二开关表转存到第一开关表时，由于调度器仅读取式地访问第一开关表，但优化器有利地仅写入式地访问，所以调度器以及优化器可以在没有更大同步耗费的情况下异步并行地运行。
在本发明方法的一个实施方式中，该第一开关表在预定的时间跨度之后被新计算的第二开关表替代。这意味着，不是优化器完成计算新的第二开关表就马上覆写第一开关表，而是只有在预定的时间跨度逝去之后才覆写第一开关表。这个预定的时间跨度例如可以通过固定的时间区间构成，但是该时间跨度还可以由随机数生成器任意地构成。另外，该时间跨度可以由可能受限的计算基数资源来确定，和/或由为调度器提供改进的第一开关表的必要性来构成。
可以将对多电平转换器的所有储能器的当前充电状态的评分计入成本函数中，其主要任务是尽可能均匀地设计相应储能器的放电。由此，有利地将总放电容量最大化并且还总体上延长相应储能器的使用寿命。替代于此或与此共同地，可以通过对损耗的评分来构成对成本函数的贡献，例如通过在半导体中的开关损耗和/或在单独模块与相邻模块并联连接的情况下的欧姆损耗和/或通过储能器和/或半导体(导通损耗)中的欧姆损耗所产生的。用于在此方面优化第二开关表(并且由此为稍后的第一开关表)的说明在更下文中进行。
在本发明方法的另一个实施方式中，多个模块串联连接成至少一个串，通过该至少一个串构成交流电压的相应的相。这些相应的串可以在相应的串起点处经由双重的中性点连接。在其相应的串终点处，终止相应串的相应模块在其端子处短接到其相应的第二侧上并且同样在那里构成用于运行多相电极或交流电网设备的相应相。多相电极例如可以驱动电动车辆。
如上文提及的，带有八个开关的示例模块具有五种不同的模块开关状态。如果多个此类示例模块组合成串，例如分别由六个示例模块总共组合成三个串，则在相应串中分别最后的示例模块仅具有四个模块开关状态，因为在此情况下模块开关状态“s-”和“b-”生成相同的开关状态。因此，对于在每个串六个模块的示例中的每个串或每个相获得了5^5*4＝12500个不同的开关状态。如果相应的串在其相应的串起点处连接到双重中性点，则这三个相不再彼此独立并且对于用示例模块组装的多电平转换器而言获得总共12500^3个可能的模块开关状态。然而，不是这些示例模块之间的所有的连接方式的组合都是有意义的。例如将同时具有模块开关状态“s+”或“s-”的相邻示例模块彼此连接就是无意义的。因此在下文中说明了如何将所有可能的模块开关状态的整体减少到在相应串中彼此相连的模块的可实现模块开关状态的较小集合。
为了降低损耗，有利的是将相应的串划分成彼此并联连接的模块的大组并且避免旁通。因此，在本发明方法的又一个实施方式中，由所有可能的模块开关状态的整体构成由如下模块开关状态形成的相关联的或可关联的模块开关状态：这些模块开关状态能够从在基础开关状态中的所有模块的并联连接产生。但是这并不限制以下可能性：将模块开关状态的基本上所有组合可能性都用于优化。但是如果仅使用由并联连接产生的那些模块开关状态，则由此用于相邻模块的基础开关状态为并联模块开关状态“p”。如从关于图2的说明中看出的，存在N-1个负电压等级和N个正电压等级l，其中l∈(-N+1,...,N)。为了获得所希望的电压等级l，必须串联连接l个模块。在正电压等级的情况下所有可能的模块开关状态数nl≥0在此由下式给出：
Figure BDA0003023645420000081
并且在负电压等级的情况下所有可能的模块开关状态数nl<0为
Figure BDA0003023645420000082
对于可实现的电压等级的所有可能的模块开关状态总数n总在此由下式给出
Figure BDA0003023645420000083
如果一个模块有故障，则对于这个模块而言不再能实现并联模块开关状态并且被旁通“b+”或“b-”替代。但是这没有减少串内的可能的模块开关状态的总数n总。
在一个串中布置有N＝6个模块的情况下，例如在图2中的三相多电平转换器的情况下，可实现的模块开关状态的总数n总＝95。所有这些模块开关装置存储在(n总×N)的矩阵A中，其中
A＝(amj)其中amj∈{s+，s-，p，b+，b-}。 (4)
矩阵A被构造成使得在相应的一排或一行m中对于一个串的所有j∈{1，...，N}个模块列出相应的模块开关状态组。然后在相应的一列j中存在对于该串的第j个模块的模块开关状态。仅存储在矩阵A中的模块开关状态可供继续优化第二开关表，也就是说使成本函数最小化。
在本发明方法的另一个实施方式中，总成本函数由该成本函数和关于来自下表的至少一个状态参量的至少一个附加条件构成：电流波纹系数，该多电平转换器的效率，相应储能器的老化，电磁兼容性，无失真的电流/电压曲线，相应模块的模块温度，相应模块的温度变化(模块温度根据时间的一阶导数)、尤其作为关于相应模块负载的结论，开关故障，导通损耗，失效安全性、尤其为了使失效安全性最大化而对某些模块的针对性保护，对单独模块的已知缺点或不同限值的平衡，由该多电平转换器驱动的电机的转速，输出频率，电网频率，相电流。其他的状态参量(关于这些状态参量可以构成用于成本函数的其他附加条件)是可设想的。
来自上述清单的子集或组合形成了附加条件，使得首先所有模块应具有相同的模块温度并且其次电流波纹系数应最小。相应模块的单独的模块温度t(单位为[K])由相应模块处的相应的温度传感器通知优化器。对于具有K＝3个串，k∈{a，b，c}，并且N＝6个模块，每第k个串j∈{1，...，N}的三相多电平转换器的示例，所有模块温度的整体产生了(K×N)的矩阵T，其中
T＝(tkj)其中tkj∈[230，340] 。(5)
电流波纹系数取决于相应的相电流Ik(单位为[A])，其中对于此示例得到K＝3个串
I＝(Ik)其中Ik∈[-200，200]并且k∈{a，b，c}。 (6)除了这两个附加条件，可以考虑上文提及的损耗降低作为第三个附加条件，从该第三个附加条件得到在等式(4)中用矩阵A给出的模块开关状态。最后，根据本发明，将多电平转换器的所有储能器的均匀放电计入成本函数中，在此将其简称为SOC，表示英文“state of Charge(电荷状态)”(无单位，以％给出)，其中在此对于上文提及的示例也得到了(K×N)的矩阵
SOC＝(sockj)其中sockj∈[0，100]。 (7)
所有这些参量通过总成本函数G(SOC,T,I,A)组合在一起。
作为仅仅专注于多电平转换器的所有N总＝K*N个储能器的均匀放电的简单算法的示例，得到了具有关于相应模块i的模块电流Ii以及关于相应模块i的充电状态soci的以下成本函数：
Figure BDA0003023645420000101
其中
Figure BDA0003023645420000102
在等式(8)中对成本函数的优化有利地产生了第二开关表，该第二开关表有助于使充电状态高于平均充电状态soc平均的那些模块放电，而使充电状态低于soc平均的那些模块充电。
作为仅仅专注于多电平转换器的效率的简单算法的另外示例，得到了具有关于相应模块i的模块电流Ii的以下成本函数：
Figure BDA0003023645420000103
证实在模块式多电平转换器的情况下，例如如图1中所描述的相应模块，有利地通过相邻模块的并联连接降低了欧姆损耗。因此，可以通过使相应的平方模块电流Ii 2最小化来使这个模块式多电平转换器的效率最大化，该模块电流与欧姆损耗成正比。
在本发明方法的再另一实施方式中，关于计入该相应的至少一个附加条件中并且仅在其自身的相应时间段之内改变的相应状态参量，只有在相应时间段逝去之后才重新计算在该总成本函数中的相关联的项。由此，根据本发明在计算总成本函数G时考虑到，相应的状态参量在时间中不同地变化。因为有些状态参量(例如模块温度或充电状态)比优化器需要用于计算新的第二开关表的时间更缓慢地变化，所以当在相应的时间段逝去之后已经产生变化时，才需要再次重新在优化器中分析相关联的附加条件。例如，由于多电平转换器的储能器的高热容和高电容，模块温度以及充电状态仅缓慢变化并且关于一秒的时间段将几乎没有显著变化。因此，在这个时间段之内无须为了优化总成本函数而重新计算在此方面的项。相反，流过相应模块的电流在由开关频率预定的时间段之内发生变化并且取决于相应的相电流。因此，在例如一秒的时间段之内，优化器的用于上述示例的总成本函数G(SOC,T,I,A)的当前解空间受到当前温度T当前和当前充电状态SOC当前的固定值的限制。待由优化器在这个时间段中执行的优化(也就是说关于模块开关状态A的变化来寻找总成本函数G(SOC当前,T当前,I,A)的最小值，这些模块开关状态是关于最小开关损耗从所有可能的开关状态中预先选择的)因此有利地受限于相电流I：
时间段(I，A)＝G(SOC当前，T当前，I，A)。 (10)
当每个开关步骤仅使最多一个模块改变其模块开关状态时，则关于开关损耗的优化正好是最大的。如果仅将一个相电流的电流方向计入优化算法中，优化算法可以被限制成必须判定是选择高一个电压等级还是低一个电压等级以及判定与之相对应的相电流是正还是负。所有这些情况加在一起导致如下结果：对于串的模块的n总个模块开关状态存在正好一个最优的后续模块开关状态组，该组取决于所要求的输出电压和相电流的方向。然后，对于前文所述的示例，取决于模块开关状态来估算沿着位于串中的模块的相电流分布并且根据等式(10)计算总成本函数G时间段(I,A)。作为随后的下一个开关步骤，将优化总成本函数的四个最优的模块开关状态指定给相应的模块开关状态，其中这些最优的开关状态相应地取决于电压等级和电流方向。相应的四个最优的模块开关状态组以其在矩阵A中的相应行数m∈{1,2,...,n总}记录在(n总×2×2)的矩阵B中，该矩阵通过下式给出
B＝(shpq)其中shpq∈{1，2，，n总} 。(11)
这个矩阵B的一排h∈{1,2,...,n总}形成了对于一个相应相的所有模块的当前模块开关状态或其在矩阵A中的行位置。当所要求的电压等级l低于当前电压等级时，选择下标p＝1，否则选择p＝2。在负的相电流的情况下，选择下标q＝1，否则选择下标q＝2。作为示例，应观察当前的模块开关状态组40，也就是说在矩阵A中的第40行，具有串的相应模块的n＝6个模块开关状态，电压要求应低于当前输出电压并且相电流的当前电流方向为正。于是，在矩阵B中选择条目s40，1，2。用于此示例的这三个相的相应矩阵Ba、Bb、Bc与矩阵A一起形成了第二开关表或者在转存到调度器之后形成了第一开关表，根据该开关表来控制多电平转换器。
依据优化问题的任务设置，矩阵B或在三相的情况下相应矩阵Ba、Bb、Bc的上述尺寸确定(对于上述示例作为(n总×2×2)的矩阵而产生)可以进行适配。虽然对于上述示例而言仅观察电流方向或相应相电流的仅一个符号就是足够的，但还可以设想更复杂的划分方式。于是，对于相电流的示例而言，可能得到在等式(11)中的用下标k表示的维度扩展。划分例如可以根据电流幅值来进行。对应地，例如可以使用小于-150A、-150A至-100A、-100A至-50A、-50A至0A、0A至50A、50A至100A、100A至150A以及大于150A的划分方式。在本发明的意义上，在范围上的替代的划分方式同样是可设想的。
对于上文说明的三相多电平转换器的示例而言，实施本发明方法的优化算法例如可以作为三相多电平转换器的控制器的一部分在
Figure BDA0003023645420000121
芯片上实现，该芯片具有带有可编程
Figure BDA0003023645420000122
逻辑的双核
Figure BDA0003023645420000123
处理器。如还在图3中说明的，调度器或开关控制器实施在可编程的逻辑上，而与之并行地，优化算法在
Figure BDA0003023645420000124
上实施。所需的参数(在此为温度和充电状态)通过AXI全界面传输到
Figure BDA0003023645420000125
后者将下一个最优的模块开关状态或其在矩阵A中的行号存储在这三个(在上述示例中每个相a、b或c一个)矩阵Ba、Bb、Bc中并且将其与矩阵A一起作为新的第二开关表发送给可编程逻辑上的调度器。此时的这个第一开关表定期被此时相应地重新计算或优化的第二开关表覆写，然而在比调度器工作的时间尺度大得多的时间尺度上。调度器由此免除了任何另外的计算负载并且只需要取决于所要求的电压等级(la、lb、lc)和相电流(Ia、Ib、Ic)来选择相应的下一个总开关状态(shpq)a、(shpq)b、(shpq)c。于是，对于每个相a、b、c的选择的相应结果Sa、Sb、Sc是矩阵A的相应的一行以及存储在其中的模块开关状态。开关控制器和优化算法的并行执行由此允许快速的开关频率，例如在kHz或更高的量级上，因为最优开关表的计算异步地进行并且还在更大的时间尺度、例如在赫兹量级上运行。
但是还可设想的是，实施本发明方法的优化算法和开关控制器在没有其他逻辑(如现场可编程门阵列(FPGA)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)等)的情况下在共用的数字信号处理器(DSP)上实现。在此情况下，调度器作为信号处理器上惯用的顺序的过程以固定的有实时能力的调度作用来运行，也就是说具有有保证的最大延迟和有保证的最大绝限，从而维持例如电网调节或机器调节的预定的最小速率或反应时间。对电网调节或机器调节以及对调度器的调用例如经由相应的中断来进行。与此并行地，作为另外的过程或线程几乎独立地以长得多的期限或绝限或者根本无期限或绝限地运行优化。由于调度器对第一开关表仅读取式访问，而优化算法对第一开关表暂时写入式或复制式访问，所以大体上可以实现这两个过程或线程的随意分离。同一个处理器(在适当时具有多个核心)可以在调度器或施加给实时部分的其他过程(例如电网调节或机器调节)暂停时实施优化算法，而不影响调度器或这些其他过程。调度器例如可以形成为依赖输入值从存储器中纯粹地读取对应的下一个模块开关状态并且直接将其转交给处理器的I/O单元。
在本发明方法的另一个实施方式中，通过映射由该调制器提供的相应电压等级来访问该第一开关表的行，该行具有根据相应电压等级分别待在该多电平转换器中设定的模块开关状态，其中该行还可以用作接纳该开关表的存储器中引用该行内容的地址。用于映射的另一个参数可以例如为电流方向。当没有可以任选地可编程的专用逻辑可供使用时，将到达调度器的输入参量直接转化为用于在第一开关表中定位模块开关状态的寻址指令是有利的。映射通过逐位的逻辑操作、逐位的链构成、加和和/或求差和/或乘以二的倍数和/或除以二的倍数来进行。以此方式可以通过简单的算术运算来形成对所输出的模块开关状态的地址的计算，该算术运算不需要浮点计算单元或复杂的跳跃操作(Sprungoperationen)，因为在通过本发明方法提供的映射中这些输入参量自身优选构成在第一开关表中的地址或行。此类地址构成的示例在表2中说明。
表2：用于从电流方向和由调制器提供的电流等级作为输入参量构成地址以访问第一开关表中的对应行的示例。地址或行直接从当前总开关状态与由输入参量(在此为电压要求和电流方向)组合成的位的组合构成，其中对于在计算单元的存储器之内的直接跳跃，再加上存储器内部的第一开关表的位置的开始处的起点地址。
Figure BDA0003023645420000141
在本发明方法的另一个实施方式中，当存在多电平转换器的多个替代的总开关状态时，调度器根据预定的规则进行选择。这种选择例如是随机的或根据确定性的规则。此类的确定性规则例如可以为，严格根据此前的使用频率进行选择。
在本发明方法的仍另一个实施方式中，在该实时部分中在运行时在该调制器之前布置机器调节器，该机器调节器根据连接到该多电平转换器的电机的实际相电流与所希望相电流之间的差来向该调制器施加预设值。实时部分中机器调节器的确切布置方式从图3得出。替代地，当多电平转换器作为交流电网设备工作时，在此还可以涉及一种用于交流电网调节的设备。但是如果由多电平转换器驱动电机，则应通过机器调节器对扭矩要求或转速要求做出预设。
在本发明方法的另一个实施方式中，通过该调制器根据下列清单实施至少一种开关调制：产生PWM，ΣΔ调制，最近电压等级调制，脉冲密度调制，频谱调节。在此涉及从现有技术中已知的用于开关调制的方法。通过本发明方法的一种实施方式可以在不受优化算法影响的情况下实施在实时部分中的调制器的此类开关调制。
此外要求保护一种用于多电平转换器的总开关状态的控制器的系统，在该系统中该多电平转换器具有至少一个模块。该至少一个模块具有：在第一侧上的至少一个端子和在第二侧上的至少一个端子、至少两个能够控制的开关以及至少一个储能器。在第一设计方案中，在该第一侧上的该至少一个端子与在该第二侧上的该至少一个端子之间的第一连接中该至少一个储能器与该至少两个能够控制的开关中的第一开关串联布置，并且在该第一侧上的该至少一个端子与在该第二侧上的该至少一个端子之间的第二连接中布置有该至少两个能够控制的开关中的第二开关。通过这个实施方式可以在该至少一个模块的第一端子与第二端子之间串联连接该储能器，或者可以绕过该储能器，或者可以完全中断导电。在第二设计方案中，该至少一个模块在该第一侧上具有至少两个端子并且在该第二侧上具有至少两个端子。该至少一个储能器直接布置在第一侧或第二侧的该至少两个端子之间，并且该至少两个能够控制的开关中的第一开关布置在第一侧上的第一端子与第二侧上的第一端子之间。该至少两个能够控制的开关中的第二开关布置在第一侧上的第二端子与第二侧上的第二端子之间。在本发明的系统中，该控制器被分为实时模块和离线模块，其中该实时模块具有至少一个调制器和调度器。该调制器对于每个时间步幅为电压要求指定相应的电压等级。该调度器关于该相应的电压等级在第一开关表中获取所有开关的相应的总开关状态并且将该相应的总开关状态作为控制信号转发给所有开关。该离线模块包括优化器，其中该优化器以连续的序列根据成本函数来计算第二开关表。该成本函数参考该多电平转换器的所有储能器的均匀放电来评估由多个预定的模块开关状态构成的总开关状态，其中应将该多电平转换器的所有储能器的当前充电状态连续地提供给该优化器。该系统为此提供了用于该实时模块和该离线模块的至少一个相应的计算单元。
在本发明系统的另外的设计方案中，在该实时模块中该调制器被形成为在该第一开关表中获取所有开关的相应的总状态，在该离线模块中该优化器被形成为以连续的序列计算该第二开关表，其中该第一开关表和该第二开关表能够是彼此不同的，其中在计算结束之后应所计算的第二开关表应被用来替代该第一开关表并且从此以后用作该第一开关表，并且应由该优化器开始计算新的第二开关表。
在本发明系统的仍另外的设计方案中，由所有可能的模块开关状态的整体构成由如下模块开关状态形成的预定模块开关状态：这些模块开关状态能够由基础开关状态的该多个模块中的所有模块的并联连接出发而产生。
在本发明系统的另外的设计方案中，该系统另外具有至少一个传感器，该至少一个传感器与总系统的至少一个状态参量相关联，在该系统中该总系统包括该多电平转换器、该多电平转换器的总开关状态的控制器以及抽取该多电平转换器的输出电压的电子耗电器，其中借助于由该至少一个传感器提供的测量参量中的至少一个测量参量关于该至少一个状态参量构成了对于该成本函数的附加条件并且由此与该成本函数一起产生了总成本函数，并且其中该至少一个状态参量由下表得出：电流波纹系数，该多电平转换器的效率，相应储能器的老化，电磁兼容性，无失真的电流/电压曲线，相应模块的模块温度，相应模块的温度变化(模块温度根据时间的一阶导数)、尤其作为关于模块负载的结论，开关故障，导通损耗，失效安全性、尤其为了使失效安全性最大化而对某些模块的针对性保护，对单独模块的已知缺点或不同限值的平衡，由该多电平转换器驱动的电机的转速，输出频率，电网频率，相电流。
在本发明系统的仍另外的设计方案中，该系统的实时模块另外具有机器调节器，该机器调节器被设计为根据电机的实际相电流与所希望相电流之间的差来向该调制器施加预设值。
最后要求保护配备有本发明系统的模块式多电平转换器，该多电平转换器被设计为实施本发明的方法，并且在该多电平转换器中相应的模块具有至少四个开关(在没有并联连接的情况下对于多电平转换器而言是足够的)并且在一个优选的设计方案中具有八个开关(对应于具有并联连接的多电平转换器)。在具有至少四个开关的本发明多电平转换器中，在每一侧上布置有至少一个半桥。在具有八个开关的本发明多电平转换器中，由该八个开关相应地布置成四个半桥，其中在一个相应的模块中前两个半桥与在该第一侧上的该至少两个端子并联连接，后两个半桥与在该右侧上的该至少两个端子并联连接，并且在该相应的模块的该第一侧上和该第二侧上的相应半桥的相应的低侧(英文所称的low-side)开关与高侧(英文所称的high-side)开关之间存在电连接。
本发明的其他优点和设计方案从说明书和附图得出。
不言而喻，在不脱离本发明范围的情况下，以上提到的这些特征以及仍将在以下说明的特征不仅能够在相应给出的组合中使用，而且还可以在其他组合中或者单独地使用。
附图说明
将概括并一般性地描述附图，相同的部件与相同的附图标记相关联。
图1示意性示出根据现有技术的模块式多电平转换器的模块的电路。
图2示意性示出关于根据现有技术的模块式三相多电平转换器的电路。
图3示意性示出在本发明方法的一个实施方式中用于根据本发明将多电平转换器的控制器划分成实时部分和离线部分的框图。
图4示意性示出在本发明方法的一个实施方式中用于调度器的输入和输出参量的框图。
图5示意性示出在本发明方法的一个实施方式中用于优化器的框图。
图6示意性示出在本发明系统的一个设计方案中硬件的物理构造。
图7示意性示出在本发明系统的另一个设计方案中数字信号处理器分成单元的划分方式。
图8示意性示出在本发明方法的一个实施方式中在借助于将到达调度器的输入参量映射到第一开关表的一行上来进行地址构成时的流程。
图9示意性示出在本发明方法的一个实施方式中在借助于将到达调度器的输入参量映射到第一开关表的一行上来进行另一种地址构成时的流程。
具体实施方式
在图1中示意性示出根据现有技术具有串并连接可能性的模块式多电平转换器的模块100的电路。布置有四个半桥、一个储能器109和一个电容器110，这些半桥分别具有两个开关“S1”101和“S2”102或“S3”103和“S4”104或“S5”105和“S6”106或“S7”107和“S8”108。相应的开关101、102、103、104、105、106、107、108通过带有固有存在的体二极管的MOSFET的开关符号展示。两个半桥101、102和105、106或103、104和107、108分别在其相应的低压侧开关102和106或104和108与相关的高压侧开关101和105或103和107之间彼此相连。模块100具有两个在此左侧的第一端子111和112以及两个在此右侧的端子113和114。依据相应的模块开关状态，即依据在同一时间点模块100的开关的开关状态，模块100或储能器109可以与其他相同构造的模块连接，以便于是促成储能器109的串联连接或并联连接或绕过储能器。第一模块开关状态(标示为“s+”以表示用正极性串联连接)通过开关101和106以及开关103和108的串联连接而构成。第二模块开关状态(标示为“s-”以表示用负极性串联连接)通过开关102和105以及开关104和107的串联连接而构成。第三模块开关状态(标示为“p”以表示并联连接)通过开关101和105以及开关104和108的串联连接而构成。第四模块开关状态(标示为“b+”以表示通过低压侧上的开关旁通或绕过模块)通过开关102和106以及开关104和108的串联连接而构成。第五模块开关状态(标示为“b-”以表示通过高压侧上的开关旁通或绕过模块)通过开关101和105以及开关103和107的串联连接而构成。在表1中详述了模块100之内具有相应开关位置的所有模块开关状态。
在图2中示意性示出关于根据现有技术的模块式三相多电平转换器200的电路。这三个相中的每一个分别用图1的构造类型的六个模块100构成。第一相由具有模块211、212、213、214、215、216的第一串210构成，第二相由具有模块221、222、223、224、225、226的第二串220构成，并且第三相由具有模块231、232、233、234、235、236的第三串230构成。相应的串起点由模块211、221、231构成，相应的串终点由模块216、226、236构成。在相应串210、220、230的相应串终点处构成的这三个相驱动电机202，该电机例如可以为电动车辆的牵引电动机。在相应串210、220、230的相应串起点处，模块211、221和231经由双重的中性点201相连。如果一个相应串210、220、230的所有六个模块100串联“s+”连接，则相应串210、220、230中的相应储能器109构成串联电路并且获得六倍的模块电压。于是，在每个相的模块数为N时，可以获得模块电压N倍的相电压。每个相分别将最后的模块216、226、236短接，因此不允许这些模块216、226、236在并联的模块开关状态“p”下连接，以避免这个模块216、226、236的相应储能器109的短接。这个最后的模块216、226、236的基础状态总是由模块开关状态“b-”构成，该模块开关状态对应于模块开关状态“s-”。因此，通过模块式多电平转换器200总是只能形成N-1个负电压步幅。在另一侧上，相应模块211、221、231的储能器109经由双重的中性点201基本上并联连接。由此在串210、220、230中产生这三个相的相互依赖性。与通过旁通或绕过所有模块100而设定的零值一起，在多电平转换器中有N个模块的情况下产生了可形成的电压等级数量L
L ＝ N + (N -1) + 1 ＝ 2 N。 (1)
在图3中示意性示出在本发明方法的一个实施方式中用于根据本发明将多电平转换器的控制器划分成离线部分310和实时部分320的框图300。离线部分310包括优化器311，该优化器在硬件技术上可以实施在
Figure BDA0003023645420000191
处理器上。可以在硬件技术上与离线部分310分开地实施在可编程逻辑上的实时部分320包括调制器322和调度器323以及任选的机器调节器321。优化器311例如从相应的传感器获取关于相应储能器的充电状态301、或者还有关于相应模块温度302、或者还有关于开关故障303的测量参量作为输入。对于相应的电压等级，在优化器上运行的优化算法从所有可能的模块开关状态的整体中寻找如下的模块开关状态：为了使损耗最小化，这些模块开关状态可以由从基础开口状态出发的所有模块的并联连接产生，并且对于每个串j单独地将其写成矩阵Aj 313。优化算法借助于成本函数(例如等式(10))对于相应矩阵Aj 313的这些模块开关状态进一步寻找分别最佳的(包括串j的每个模块的)下一组用于该串的模块开关状态并且将其在矩阵Aj 313中的行号写成(n总×2×2)矩阵Bj 312中。取决于所设的电压以及电流方向将矩阵Aj 313中的行号存储在矩阵Bj 312的一个元素中。因为只考察向上或向下分别一个电压等级的变化或者向上或向下一个电流等级的变化，所以产生了2×2的尺寸。在扩展与电流有关的尺寸时，矩阵Bj312可能也扩展。矩阵Aj 313和Bj 312构成第二开关表，该第二开关表与实时部分中的过程异步地提供给调度器323作为第一开关表。优化算法因此无须具有实时性，这有利地保护了资源。在实时部分320中可以任选地布置机器调节器321，该机器调节器例如从相应的传感器获得关于所连接的电机304的转速或关于单独的相电流305的测量参量作为输入。如果将多电平转换器作为交流电网设备使用，则测量参量可以为电网频率而非转速304。机器调节器321连续地将相应参量的实际值与额定值进行比较并且对于每个串a、b、c分开地对调制器322施加与相应差值相对应的电压要求(v* a，v* b，v* c)324。调制器322执行开关调制，该开关调制例如通过脉冲宽度调制PWM或者ΣΔ调制或者最近电压等级调制或者脉冲密度调制或者频谱调节或者其他可设想的调制来实现，并且将由此产生的量化的电压等级(Ia,Ib,Ic)325作为待形成的输出电压传输给调度器323。调度器最后在第一开关表中为相应传输的电压等级获取相应的模块开关状态组(Sa，Sb，Sc)306并且将其发送给多电平转换器以便实施。
在图4中示意性示出了在本发明方法的一个实施方式中关于输入参量401、402、403、420和作为调度器410的输出参量的待由多电平转换器实现的总开关状态404的框图400。输入参量401、402、403、420为调度器410呈现了例如新的电压要求401，该电压要求已经被量化为由多电平转换器的这些模块形成的电压等级和/或存在电流要求402。此外，考虑到在开关表中先前实现过的总开关状态403。调度器在纯读取过程405中查询第一开关表420，在该第一开关表中为相应的所希望的电压等级保存了相关联的模块开关状态。为了更好的优化结果或为了匹配当前的总开关状态，可以向第一开关表420中添加更多的维度，这些维度例如已经对不同的电流幅值和/或电流方向进行了优化。另外，在给定的电压要求下对最佳的下一个总开关状态的选择还可以参考最后存在的总开关状态403，因为例如有利的是，为了避免开关损耗，从这个最后存在的总开关状态403出发改变尽可能少的模块开关状态以达到新的总开关状态404。对应地，第一开关表可以扩展出其他的维度。这些维度之一例如可以通过相应的电流来给出，对于该相应的电流某些模块开关状态被接通，例如对于0A的电流具有初始状态“所有模块开关状态设为旁通”，对于0A的电流具有初始状态“所有模块开关状态设为旁通，除了串联连接的相应串终点处的模块”，或者对于500A的电流具有初始状态“所有模块开关状态设为串联连接”等等。理论上可以对于所有可设想的附加条件来扩展第一开关表的维度设定，只要可用的计算时间和/或存储空间允许。
在图5中示意性示出在本发明方法的一个实施方式中用于优化器510的框图500。优化器510对于多个电流等级来计算所有可以由模块开关状态产生的电压级别并且在此承担主要计算负载。但是由于优化器在硬件技术上实施在自身的计算单元上，所以它不影响调度器的实施过程，该调度器基于现有的(第一)开关表来工作，直至调度器从优化器510获得其新计算的(第二)开关表520。优化器510依据成本函数对于每个总开关状态寻找优化的模块开关状态并且将其通过存储过程502写在第二开关表520中。总开关状态可以有利地通过尽可能多的测量参量来定义，其中仅可用的计算时间和/或存储空间构成限制。这些测量参量构成对优化器510的输入501并且例如从以下清单中得出：充电状态，故障状态，模块之间的物理差异，调制度，相角cosΦ，电气频率，漏电流和/或来自单独模块的其他电流抽取。
在图6中示意性示出在本发明系统的一个设计方案中硬件的物理构造600，该构造表明划分成两个物理上分开的计算单元。带有优化器的离线部分602实施在微控制器或微处理器或数字信号处理器(DSP)或基于ALU的计算架构或其组合上。带有至少一个调制器和调度器的实时部分606实施在任选地可编程的逻辑电路上，例如FPGA(现场可编程门阵列)或者CPLD(复杂可编程逻辑器件)或门阵列或PLA(可编程逻辑阵列)。离线部分602以及实时部分606都访问容纳第一开关表和第二开关表的共用的存储器604，其中离线部分602的访问是写入式的，而实时部分606的访问是读取式的。如果第一开关表和第二开关表的尺寸被确定为更大，在此可以涉及动态存储器。替代于此，尤其在第一开关表和第二开关表的尺寸被确定为较小时，可以涉及快速静态存储器，例如基于触发器(Flip-Flop)的存储器或向量寄存器。通过控制总线将用于下一个开关步骤的相应模块开关状态传输612到多电平转换器处。在多电平转换器的相应模块608处布置有至少一个相应的电流传感器614。任选地，在相应模块608处还可以布置其他的传感器，例如相应的温度传感器或相应的模块电压传感器。相应的传感器614将其测量参量610作为传感器信号(作为单独信号或者以经由总线、例如控制总线的物理返回通道汇总的方式)相应地传输到离线部分602和实时部分606处。
在图7中示意性示出在本发明系统的另一个设计方案中数字信号处理器(DSP)700分成单元的划分方式。DSP 700包括至少一个CPU核心706、RAM存储器704、闪存存储器708、周边总线控制器710(例如I2C的SPI)、GPIO多路复用器712、DMA控制器714、硬件PI调节器716和调度器718。这些单元之间的通信经由存储器总线702进行。实施本发明方法的优化算法和开关控制器在没有其他逻辑(如现场可编程门阵列(FPGA)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)等)的情况下在共用的数字信号处理器700上实现。在此情况下，调度器作为信号处理器700上惯用的顺序的过程以固定的有实时能力的调度作用来运行，也就是说具有有保证的最大延迟和有保证的最大绝限，从而维持例如电网调节或机器调节的预定的最小速率或反应时间。对电网调节或机器调节以及对调度器的调用例如经由相应的中断来进行。与此并行地，作为另外的过程或线程几乎独立地以长得多的期限或绝限或者根本无期限或绝限地运行优化。由于调度器对第一开关表仅读取式访问，而优化算法对第一开关表暂时写入式或复制式访问，所以大体上可以实现这两个过程或线程的随意分离。同一个处理器(在适当时具有多个核心)可以在调度器或施加给实时部分的其他过程(例如电网调节或机器调节)暂停时实施优化算法，而不影响调度器或这些其他过程。调度器例如可以形成为依赖输入值从存储器中纯粹地读取对应的下一个模块开关状态并且直接将其转交给处理器的I/O单元。在优化拆分之后剩余的调度部分相对较少并且要求低。主要任务在于，每当调制器提供新的输入参量时，从带有第一开关表的存储器704、708中得到与所提供的输入参量(例如所要求的电压等级或简化地说只是相差一个级别的电压升高或降低以及例如电流方向)相关联或最接近的单独模块的模块开关状态值并且将其转交给I/O单元，以便直接地或优选经由总线向模块发送分别与之相关联的模块开关状态。出于简易性，调度器可以被设置在处理器的专用硬件单元中，该硬件单元在没有CPU核心706帮助的情况下实现调度任务。专用单元为此必须通过内部处理器总线702对带有第一开关表的存储器704、708以及对I/O单元(例如GPIO 712)或周边总线单元710进行访问。CPU核心706可以对应地执行调节、调制和优化。
在图8中示意性示出了在根据本发明方法的一个实施方式中在进行地址构成时的流程800，在该地址构成中，借助于输入参量801、802、803的映射引用了调度器的包括总开关状态的存储器区域的存储器地址，其中应取决于输入参量优化模块开关状态以及由此总开关状态。通过当前总开关状态与其他输入参量的组合构成的存储器地址不是原样保存的，而是已经用其二进制值构成了对具有下一个总开关状态的存储器地址的引用。即，例如当前总开关状态可以作为位组合用作第一输入参量801，其中第一输入参量与在下文中示例性说明的其他输入参量802和803构成存储器地址，该存储器地址优选地被排序，也就是说根据其二进制大小列出。第二输入参量802例如可以通过由调制器提供的量化的电压等级构成，其中当当前电压等级应提高一个级别时第二输入参量为位值“1”，而当当前电压等级应降低一个级别时第二输入参量具有位值“0”。第三输入参量803例如可以通过在下一个开关步骤中所要求的电流方向构成，其中当电流方向从模块的第一侧向第二侧走向时第三输入参量为位值“1”，而当电流方向从模块的第二侧向第一侧走向时第三输入参量具有位值“0”。但是，对于任意数量的其他输入参量、优选对于快速变化的输入参量而言，输入参量803也应完全通用。在位链接模块810中，这三个输入参量被组合成位的并置。在结合模块812中，将该并置与存储器单元大小结合，也就是说与存储单独的总系统状态(即多电平转换器的所有模块状态)所需的存储器空间的大小(以单位[字节]计)结合。最后在加法模块814中再加上存储器之内第一开关表的位置的开始处的起点地址。结果806用作直接的跳跃地址，以便在多电平转换器上实现来自第一开关表的下一个总开关状态。
在图9中示意性示出在本发明方法的一个实施方式中在借助于将到达调度器的输入参量922、802、803映射到第一开关表的一行上来进行另一种地址构成时的流程900。与图8相比，第一输入参量922为量化的电压要求，该电压要求被调制器920以绝对值的方式或相对于上一个电压要求的方式编码。到达调制器920的输入是例如由电网调节器或机器调节器910传输的非量化的(例如连续的)电压要求912。使用相对电压要求允许控制，从当前总开关状态出发，下一个总开关状态存在多少个电压步幅。由于优化的巨大计算工作量，在此还可以非常高效地已经预先减少待检验的可能性的数量。在快速开关调制时大多数情况下仅需要少量的开关步骤。仅在经常的跳跃性电压变化时需要较大的改变。经常的较大的电压步幅还产生了提高的开关损耗，因为必须迅速接通多个模块，而仅改变一个电压等级可以通过仅变换一个或少量模块状态来进行。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于多电平转换器的开关状态的控制器(300，600)的方法，在该方法中该多电平转换器(200)具有多个模块(100)，在该方法中该多个模块中的每个模块具有：在第一侧上的至少一个端子和在第二侧上的至少一个端子、至少两个能够控制的开关以及至少一个储能器，在该方法中在该第一侧上的该至少一个端子与在该第二侧上的该至少一个端子之间的第一连接中该至少一个储能器与该至少两个能够控制的开关中的第一开关串联布置，并且在该第一侧上的该至少一个端子与在该第二侧上的该至少一个端子之间的第二连接中布置有该至少两个能够控制的开关中的第二开关，在该方法中该控制器(300)被分为实时部分(320，606)和离线部分(310，602)，其中在该实时部分中通过调制器(322)对于每个时间步幅为相应的电压要求(324)指定相应的电压等级(325)，并且关于该相应的电压等级通过调度器(323，410)在第一开关表(420)中获取所有开关的相应的总开关状态，并且将该相应的总开关状态作为控制信号(306，404)转发给所有开关，其中在该离线部分中通过优化器(311，510)以连续的序列计算第二开关表(312，313，520)，该第二开关表以使成本函数最小化为依据而得出，其中该成本函数至少参考该多电平转换器的所有储能器(109)的均匀放电和/或最小导通损耗和/或这些储能器中的最小损耗和/或最小总损耗来评估由该多个模块的预定的相应模块开关状态构成的总开关状态，其中将该多电平转换器的所有储能器的当前充电状态连续地提供给该优化器，并且其中通过映射至少由该调制器(920)提供的电压等级(922)来访问该第一开关表(420)的具有待在该多电平转换器中实施的模块开关状态的行(806)，其中该行用作在计算单元的接纳该开关表(420)的存储器中引用该行内容的地址。
2.根据权利要求1所述的方法，在该方法中在该实时部分中在该第一开关表中获取所有开关的相应的总状态，并且在该离线部分中通过优化器以连续的序列计算该第二开关表，其中在一个时间点该第一开关表和该第二开关表能够是彼此不同的，其中在计算结束之后所计算的第二开关表替代该第一开关表并且从此以后用作第一开关表，并且由该优化器开始计算新的第二开关表。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，在该方法中由所有可能的模块开关状态的整体构成由如下模块开关状态形成的预定模块开关状态：这些模块开关状态能够由基础开关状态的该多个模块中的所有模块的并联连接出发而产生。
4.根据以上权利要求之一所述的方法，在该方法中该多个模块中的多个模块(211，212，213，214，215，216，221，222，223，224，225，226，231，232，233，234，235，236)串联连接成至少一个串(210，220，230)，通过该至少一个串构成交流电压的相应的相。
5.根据以上权利要求之一所述的方法，在该方法中该第一开关表(323)在预定的时间跨度之后被新计算的第二开关表(312，313)替代。
6.根据以上权利要求之一所述的方法，在该方法中总成本函数由该成本函数和关于来自下表的至少一个状态参量的至少一个附加条件(301，302，303，801，802，803)构成：电流波纹系数，该多电平转换器的效率，该多电平转换器的储能器的老化，电磁兼容性，无失真的电流/电压曲线，相应模块的模块温度，该模块的温度变化，开关故障，导通损耗，失效安全性、尤其为了使失效安全性最大化而对该多个模块中的某些模块的针对性保护，对该多个模块中的单独模块的已知缺点或不同限值的平衡，由该多电平转换器驱动的电机的转速，输出频率，电网频率，相电流。
7.根据权利要求6所述的方法，在该方法中，关于计入该成本函数或相应的至少一个附加条件中并且仅在其自身的相应时间段之内改变的相应状态参量，只有在相应时间段逝去之后才重新计算在该总成本函数中的相关联的项。
8.根据以上权利要求之一所述的方法，在该方法中，当存在该多电平转换器的多个替代性的总开关状态时，该调度器(323)根据预定的规则进行选择。
9.根据以上权利要求之一所述的方法，在该方法中在该实时部分(320)中在运行时在该调制器(322)之前布置机器调节器(321)，该机器调节器根据连接到该多电平转换器的电机(202)的实际相电流与所希望相电流之间的差来向该调制器(322)施加预设值。
10.根据以上权利要求之一所述的方法，在该方法中通过该调制器(322)根据下列清单实施至少一种开关调制：产生PWM，ΣΔ调制，最近电压等级调制，脉冲密度调制，频谱调节。
11.一种用于多电平转换器的总开关状态的控制器(300，600)的系统，在该系统中该多电平转换器具有多个模块(100)，在该系统中每个模块具有：在第一侧上的至少一个端子和在第二侧上的至少一个端子、至少两个能够控制的开关以及至少一个储能器，在该系统中在该第一侧上的该至少一个端子与在该第二侧上的该至少一个端子之间的第一连接中该至少一个储能器与该至少两个能够控制的开关中的第一开关串联布置，并且在该第一侧上的该至少一个端子与在该第二侧上的该至少一个端子之间的第二连接中布置有该至少两个能够控制的开关中的第二开关，在该系统中该控制器被分为实时模块(320，606)和离线模块(310，602)，其中该实时模块具有至少一个调制器(322)和调度器(323，410)，其中该调制器被形成为对于每个时间步幅为相应的电压要求指定相应的电压等级(325)，并且该调度器被设计为关于该相应的电压等级在第一开关表(420)中获取所有开关的相应的总开关状态并且将该相应的总开关状态作为控制信号转发给所有开关的控制器，在该系统中该离线模块具有优化器(311，510)，其中该优化器被设计为通过使成本函数最小化以连续的序列计算第二开关表(312，313，520)，其中该成本函数参考该多电平转换器的所有储能器(109)的均匀放电和/或最小导通损耗和/或这些储能器中的最小损耗和/或最小总损耗来评估由该多个模块的预定的相应模块开关状态构成的总开关状态，其中应将该多电平转换器的所有储能器的当前充电状态连续地提供给该优化器，并且其中该系统被配置为通过映射至少由该调制器(920)提供的电压等级(922)来访问该第一开关表(420)的具有待在该多电平转换器中实施的模块开关状态的行(806)，其中该行包含在计算单元的接纳该开关表(420)的存储器中引用该行内容的地址。
12.根据权利要求11所述的系统，在该系统中在该实时模块中该调制器被形成为在该第一开关表中获取所有开关的相应的总状态，并且在该离线模块中该优化器被形成为以连续的序列计算该第二开关表，其中在一个时间点该第一开关表和该第二开关表能够是彼此不同的，其中在计算结束之后所计算的第二开关表替代该第一开关表并且从此以后应用作第一开关表，并且应由该优化器开始计算新的第二开关表。
13.根据权利要求11或权利要求12所述的系统，在该系统中由所有可能的模块开关状态的整体构成由如下模块开关状态形成的预定模块开关状态：这些模块开关状态能够由基础开关状态的该多个模块中的所有模块的并联连接出发而产生。
14.根据权利要求11至13之一所述的系统，该系统另外具有至少一个传感器(614)，该至少一个传感器与总系统的至少一个状态参量相关联，在该系统中该总系统包括该多电平转换器、该多电平转换器的所有开关的控制器以及抽取该多电平转换器的输出电压的电子耗电器，其中借助于由该至少一个传感器提供的测量参量中的至少一个测量参量关于该至少一个状态参量构成了对于该成本函数的附加条件(301，302，303，801，802，803)并且由此与该成本函数一起产生了总成本函数，并且其中该至少一个状态参量由下表得出：电流波纹系数，该多电平转换器的效率，该多电平转换器的储能器的老化，电磁兼容性，无失真的电流/电压曲线，相应模块的模块温度，开关故障，导通损耗，失效安全性、尤其为了使失效安全性最大化而对该多个模块中的某些模块的针对性保护，对该多个模块中的单独模块的已知缺点或不同限值的平衡，由该多电平转换器驱动的电机的转速，输出频率，电网频率，相电流。
15.根据权利要求11至14之一所述的系统，在该系统中该实时模块另外具有机器调节器(321)，该机器调节器被设计为根据连接到该多电平转换器的电机(202)的实际相电流与所希望相电流(305)之间的差来向该调制器施加预设值。
16.一种模块式多电平转换器(200)，该多电平转换器包括根据权利要求11至15之一所述的系统并且被配置为用于实施根据权利要求1至10之一所述的方法，并且在该多电平转换器中一个相应的模块(100)具有八个开关(101，102，103，104，105，106，107，108)，其中由该八个开关相应地布置成四个半桥，其中在一个相应的模块中前两个半桥与在该第一侧上的该至少两个端子(111，112)并联连接，后两个半桥与在该右侧上的该至少两个端子(113，114)并联连接，并且在该相应的模块的该第一侧上和该第二侧上的相应半桥的相应的低侧开关与高侧开关之间存在电连接。

Claims (17)

1.一种用于多电平转换器的开关状态的控制器(300，600)的方法，在该方法中该多电平转换器(200)具有多个模块(100)，在该方法中该多个模块中的每个模块具有：在第一侧上的至少一个端子和在第二侧上的至少一个端子、至少两个能够控制的开关以及至少一个储能器，在该方法中在该第一侧上的该至少一个端子与在该第二侧上的该至少一个端子之间的第一连接中该至少一个储能器与该至少两个能够控制的开关中的第一开关串联布置，并且在该第一侧上的该至少一个端子与在该第二侧上的该至少一个端子之间的第二连接中布置有该至少两个能够控制的开关中的第二开关，在该方法中该控制器(300)被分为实时部分(320，606)和离线部分(310，602)，其中在该实时部分中通过调制器(322)对于每个时间步幅为相应的电压要求(324)指定相应的电压等级(325)，并且关于该相应的电压等级通过调度器(323，410)在第一开关表(420)中获取所有开关的相应的总开关状态，并且将该相应的总开关状态作为控制信号(306，404)转发给所有开关，其中在该离线部分中通过优化器(311，510)以连续的序列计算第二开关表(312，313，520)，该第二开关表以使成本函数最小化为依据而得出，其中该成本函数至少参考该多电平转换器的所有储能器(109)的均匀放电和/或最小导通损耗和/或这些储能器中的最小损耗和/或最小总损耗来评估由该多个模块的预定的相应模块开关状态构成的总开关状态，并且其中将该多电平转换器的所有储能器的当前充电状态连续地提供给该优化器。
2.根据权利要求1所述的方法，在该方法中在该实时部分中在该第一开关表中获取所有开关的相应的总状态，并且在该离线部分中通过优化器以连续的序列计算该第二开关表，其中在一个时间点该第一开关表和该第二开关表能够是彼此不同的，其中在计算结束之后所计算的第二开关表替代该第一开关表并且从此以后用作第一开关表，并且由该优化器开始计算新的第二开关表。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，在该方法中由所有可能的模块开关状态的整体构成由如下模块开关状态形成的预定模块开关状态：这些模块开关状态能够由基础开关状态的该多个模块中的所有模块的并联连接出发而产生。
4.根据以上权利要求之一所述的方法，在该方法中该多个模块中的多个模块(211，212，213，214，215，216，221，222，223，224，225，226，231，232，233，234，235，236)串联连接成至少一个串(210，220，230)，通过该至少一个串构成交流电压的相应的相。
5.根据以上权利要求之一所述的方法，在该方法中该第一开关表(323)在预定的时间跨度之后被新计算的第二开关表(312，313)替代。
6.根据以上权利要求之一所述的方法，在该方法中总成本函数由该成本函数和关于来自下表的至少一个状态参量的至少一个附加条件(301，302，303，801，802，803)构成：电流波纹系数，该多电平转换器的效率，该多电平转换器的储能器的老化，电磁兼容性，无失真的电流/电压曲线，相应模块的模块温度，该模块的温度变化，开关故障，导通损耗，失效安全性、尤其为了使失效安全性最大化而对该多个模块中的某些模块的针对性保护，对该多个模块中的单独模块的已知缺点或不同限值的平衡，由该多电平转换器驱动的电机的转速，输出频率，电网频率，相电流。
7.根据权利要求6所述的方法，在该方法中，关于计入该成本函数或相应的至少一个附加条件中并且仅在其自身的相应时间段之内改变的相应状态参量，只有在相应时间段逝去之后才重新计算在该总成本函数中的相关联的项。
8.根据以上权利要求之一所述的方法，在该方法中，通过映射至少由该调制器(920)提供的电压等级(922)来访问该第一开关表的具有待在该多电平转换器中实施的模块开关状态的行(806)。
9.根据以上权利要求之一所述的方法，在该方法中，当存在该多电平转换器的多个替代性的总开关状态时，该调度器(323)根据预定的规则进行选择。
10.根据以上权利要求之一所述的方法，在该方法中在该实时部分(320)中在运行时在该调制器(322)之前布置机器调节器(321)，该机器调节器根据连接到该多电平转换器的电机(202)的实际相电流与所希望相电流之间的差来向该调制器(322)施加预设值。
11.根据以上权利要求之一所述的方法，在该方法中通过该调制器(322)根据下列清单实施至少一种开关调制：产生PWM，ΣΔ调制，最近电压等级调制，脉冲密度调制，频谱调节。
12.一种用于多电平转换器的总开关状态的控制器(300，600)的系统，在该系统中该多电平转换器具有多个模块(100)，在该系统中每个模块具有：在第一侧上的至少一个端子和在第二侧上的至少一个端子、至少两个能够控制的开关以及至少一个储能器，在该系统中在该第一侧上的该至少一个端子与在该第二侧上的该至少一个端子之间的第一连接中该至少一个储能器与该至少两个能够控制的开关中的第一开关串联布置，并且在该第一侧上的该至少一个端子与在该第二侧上的该至少一个端子之间的第二连接中布置有该至少两个能够控制的开关中的第二开关，在该系统中该控制器被分为实时模块(320，606)和离线模块(310，602)，其中该实时模块具有至少一个调制器(322)和调度器(323，410)，其中该调制器被形成为对于每个时间步幅为相应的电压要求指定相应的电压等级(325)，并且该调度器被设计为关于该相应的电压等级在第一开关表(420)中获取所有开关的相应的总开关状态并且将该相应的总开关状态作为控制信号转发给所有开关的控制器，在该系统中该离线模块具有优化器(311，510)，其中该优化器被设计为通过使成本函数最小化以连续的序列计算第二开关表(312，313，520)，其中该成本函数参考该多电平转换器的所有储能器(109)的均匀放电和/或最小导通损耗和/或这些储能器中的最小损耗和/或最小总损耗来评估由该多个模块的预定的相应模块开关状态构成的总开关状态，其中应将该多电平转换器的所有储能器的当前充电状态连续地提供给该优化器。
13.根据权利要求12所述的系统，在该系统中在该实时模块中该调制器被形成为在该第一开关表中获取所有开关的相应的总状态，并且在该离线模块中该优化器被形成为以连续的序列计算该第二开关表，其中在一个时间点该第一开关表和该第二开关表能够是彼此不同的，其中在计算结束之后所计算的第二开关表替代该第一开关表并且从此以后应用作第一开关表，并且应由该优化器开始计算新的第二开关表。
14.根据权利要求12或权利要求13所述的系统，在该系统中由所有可能的模块开关状态的整体构成由如下模块开关状态形成的预定模块开关状态：这些模块开关状态能够由基础开关状态的该多个模块中的所有模块的并联连接出发而产生。
15.根据权利要求12至14之一所述的系统，该系统另外具有至少一个传感器(614)，该至少一个传感器与总系统的至少一个状态参量相关联，在该系统中该总系统包括该多电平转换器、该多电平转换器的所有开关的控制器以及抽取该多电平转换器的输出电压的电子耗电器，其中借助于由该至少一个传感器提供的测量参量中的至少一个测量参量关于该至少一个状态参量构成了对于该成本函数的附加条件(301，302，303，801，802，803)并且由此与该成本函数一起产生了总成本函数，并且其中该至少一个状态参量由下表得出：电流波纹系数，该多电平转换器的效率，该多电平转换器的储能器的老化，电磁兼容性，无失真的电流/电压曲线，相应模块的模块温度，开关故障，导通损耗，失效安全性、尤其为了使失效安全性最大化而对该多个模块中的某些模块的针对性保护，对该多个模块中的单独模块的已知缺点或不同限值的平衡，由该多电平转换器驱动的电机的转速，输出频率，电网频率，相电流。
16.根据权利要求12至15之一所述的系统，在该系统中该实时模块另外具有机器调节器(321)，该机器调节器被设计为根据连接到该多电平转换器的电机(202)的实际相电流与所希望相电流(305)之间的差来向该调制器施加预设值。
17.一种模块式多电平转换器(200)，该多电平转换器包括根据权利要求12至16之一所述的系统并且被配置为用于实施根据权利要求1至11之一所述的方法，并且在该多电平转换器中一个相应的模块(100)具有八个开关(101，102，103，104，105，106，107，108)，其中由该八个开关相应地布置成四个半桥，其中在一个相应的模块中前两个半桥与在该第一侧上的该至少两个端子(111，112)并联连接，后两个半桥与在该右侧上的该至少两个端子(113，114)并联连接，并且在该相应的模块的该第一侧上和该第二侧上的相应半桥的相应的低侧开关与高侧开关之间存在电连接。
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