CN115152139A - 控制级联多电平变换器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种级联多电平变换器。所述变换器包括：多个模块，耦合在一起形成支路，所述模块中的每一个模块包括开关电路和DC链路，所述DC链路用于向所述开关电路提供DC电压。所述变换器还包括：控制器，用于控制每个模块的所述开关电路以在所述支路中产生AC电压；其中，所述控制器用于：为每个模块确定所述模块的所述DC链路的电容器两端的电压；为每个模块确定用于将所述模块的所述DC链路的所述电容器充电到所述模块的参考电压值的参考功率值；根据所述多个模块的所述多个参考功率值确定所述支路中AC电流的公共参考AC电流值；根据所述公共参考AC电流值确定所述支路中AC电压的公共参考AC电压值；使用以下两个值为每个模块确定参考AC电压值：所述公共参考AC电压值和所述模块的所述参考功率值；根据以下两个值生成用于控制每个模块的所述开关电路的脉宽调制信号：所述模块的所述参考AC电压值和所述模块的所述电容器两端的所述电压。

Description

控制级联多电平变换器
技术领域
本发明涉及一种级联多电平变换器以及一种控制级联多电平变换器的方法。
背景技术
级联多电平变换器是一种电力电子器件，用于使用多个低电平DC电压作为输入在输出端提供交流电压电平。级联多电平变换器的一个应用是固态变压器，用于电力传输和配电网，以代替传统的线频变压器用于连接不同的AC电压电平。
级联多电平变换器包括多个逆变器模块，每个模块包括多个电力电子开关，这些开关可操作以通过控制这些开关的开关顺序从DC输入产生AC输出。多个逆变器模块的AC输出级联(即串联)形成支路，使得支路中的AC输出电压由逆变器模块的输出之和合成。每个逆变器模块由单独的DC链路提供DC电压，该DC链路可以耦合到整流器电路的DC电压输出等。这种级联结构具有许多优点。首先，由于各模块的AC输出电压在支路中相加，因此每个模块只需要能够处理相对较低的电压和功率，从而使得能够在中/高压变换器应用中在模块级别使用低压电力电子元件。此外，只需在级联中添加额外的模块，即可相对容易地改善支路中的AC输出信号的电能质量，从而增加可用于合成AC输出信号的不同电压电平的数量，以此降低输出信号中的谐波失真。
然而，级联多电平变换器的上述优点是以增加复杂性为代价的，无论是在电路的拓扑结构方面还是在多个逆变器模块的控制方面。尤其是考虑到控制，需要实现对为各逆变器模块供电的各个DC链路电压的独立控制。例如，DC链路电压的独立控制使得能够在支路中的每个逆变器模块的DC链路中保持等电荷，这可以有利地防止模块超出其工作范围，即使在模块间负载条件和DC链路电容值不相等的情况下也可以防止上述情况。此外，DC链路电压的独立控制还可以有利地允许检测和隔离故障模块，从而使得即使在一个或多个组成模块发生故障的情况下变换器也能够继续工作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种级联多电平变换器，在所述级联多电平变换器中，根据各个DC链路电路的电压的确定控制逆变器级的开关顺序。这可以有利地实现所述DC链路电路的良好动态解耦，允许独立控制各个DC链路电压，和/或便于在单个模块级别上进行故障检测，以及相应地进行模块隔离。
上述和其它目的通过独立权利要求请求保护的特征实现。其它实现方式在从属权利要求、说明书和附图中显而易见。
本发明的第一方面提供了一种级联多电平变换器，所述级联多电平变换器包括：多个模块，耦合在一起形成支路，所述模块中的每一个模块包括开关电路和DC链路，所述DC链路用于向所述开关电路提供DC电压；控制器，用于控制每个模块的所述开关电路以在所述支路中产生AC电压；其中，所述控制器用于：为每个模块确定所述模块的所述DC链路的电容器两端的电压；为每个模块确定用于将所述模块的所述DC链路的所述电容器充电到所述模块的参考电压值的参考功率值；根据所述多个模块的所述多个参考功率值确定所述支路中AC电流的公共参考AC电流值；根据所述公共参考AC电流值确定所述支路中AC电压的公共参考AC电压值；使用以下两个值为每个模块确定参考AC电压值：所述公共参考AC电压值和所述模块的所述参考功率值；根据以下两个值生成用于控制每个模块的所述开关电路的脉宽调制信号：所述模块的所述参考AC电压值和所述模块的所述电容器两端的所述电压。
因此，每个模块的所述开关电路可以由所述控制器控制，以根据所述DC链路提供的所述DC电压输入在所述支路中产生AC电压输出。所述控制器通过生成合适的脉宽调制信号来计算所述开关电路的占空比。所述脉宽调制信号是根据所述AC电压参考值和每个单独DC链路的所述电容器两端的所述确定的电压生成的。在控制所述开关电路时考虑单独确定的DC链路电压有利地实现了所述DC链路电路的良好动态解耦，并允许独立控制所述DC链路电压。此外，确定所述单独的DC链路电压可以有利地在单个模块级别上进行故障检测，从而便于绕过故障模块而不会导致所述整个变换器故障。在本发明中，仅执行单个电流控制任务，认识到通过所述模块中的每一个模块的电流应该相同。换言之，对于所述支路中的所有模块，仅执行单个电流参考和电流控制任务。一个或每个模块的所述开关电路可以通过半桥电路来实现，或者更优选地通过全桥电路来实现。
例如，可以通过使用电压传感器测量所述电容器两端的所述电压来确定每个模块的所述DC链路的所述电容器两端的所述电压。所述变换器的所述控制器可以包括多个设备，每个设备执行各种任务的其中一部分，或者所述任务可以由一个或多个多任务处理设备执行。所述DC链路的所述电容器可以由单个电容器组件形成，或者替代方案可以包括多个串联耦合的电容器，即本文中使用的术语“电容器”应理解为意指“等效电容器”。
在一种实现方式中，每个模块的所述参考电压值可以是存储在所述控制器中的存储器内的预定义值。使用所述参考电压的预定义值，例如所述控制器中的手动定义值集，有利地允许设置针对部署所述变换器的特定应用而优化的参考电压。例如，可以考虑输出AC电压和所述变换器的组件的额定功率来设置所述参考电压值。
在一种实现方式中，每个模块的所述参考功率值可以基于所述模块的所述DC链路的所述电容器两端的所述电压的平方值与所述模块的所述参考电压值之间的差值来确定。由于在确定每个模块的所述参考功率值之前，均会对所述确定的电压值和所述参考电压值求平方值，因此控制回路的输入都与存储在每个DC链路电容器中的能量成线性正比。
在一种实现方式中，所述控制器可以包括参考电流控制设备，用于：接收所述多个模块中每个模块的所述参考功率值，并确定所述公共参考AC电流值。换言之，所述电流控制任务可以由单个设备执行，其中，所述单个设备能够查看所述支路中的所有参考功率值。在同一设备上而不是在多个物理上分布的设备等上执行所有电流控制任务，可以有利地最小化执行不同任务的设备之间的通信延迟。因此，可以减少所述变换器对来自所述控制器的指令的响应延迟，以及所述控制器对所述变换器的操作变化的响应延迟。
在一种实现方式中，所述控制器可以包括多个开关电路控制设备，每个开关电路控制设备用于：接收所述多个模块中的一个模块的所述参考AC电压值，并控制所述模块的所述开关电路。所述多个开关电路控制设备可以分配给各个模块，使得每个设备接收模块的所述参考AC电压值，并计算所述占空比以生成脉宽调制信号，来控制所述模块的所述开关电路。换言之，所述占空比计算由各个控制设备在模块级别执行。这可以有利地降低所述低占空比计算设备和所述模块的所述开关电路之间的通信延迟。因此，可以有利地减少所述变换器对来自所述控制器的指令的响应延迟，以及所述控制器对所述变换器的操作变化的响应延迟。
在一种实现方式中，所述控制器可以用于：根据初始工作模式控制每个模块的所述开关电路；确定所述模块中的每一个模块的功率需求；确定所述模块中的每一个模块是否具有相同符号的功率需求；如果所述模块中的每一个模块具有相同符号的功率需求，则按照所述方法控制每个模块的所述开关电路。换言之，如果所述模块的所述功率需求互不相同，则所述控制器可以根据第一模式操作控制所述模块的所述开关电路。例如，在所述第一操作模式下，可以根据传统的集群式操作模式控制所述开关电路，其中每个DC链路的参考电压在所述控制器中设置为总支路电压的平均值。这可以有利地避免所述开关电路的虚假操作，在所述虚假操作中，所述模块中的一个或多个模块与所述模块中的其它模块具有不同符号的功率需求。
在一种实现方式中，所述控制器还可以用于：将所述模块中的至少一个模块的所述电压与预定义阈值电压进行比较，然后响应于所述模块的所述电压高于或低于所述阈值电压，配置所述模块以在所述支路中形成绕过所述模块的所述DC链路的AC电压通路。所述预定义阈值电压值可以设置为所述模块在所述应用中正常工作所期望的电压值。相应地，如果所述确定的电压与预定义电压值不匹配，则可以推断所述模块本身出现故障，或者为所述模块确定的电压不正确，并绕过所述故障模块。这可以有利地推动即使在一个或多个组成模块出现故障的情况下所述变换器也能够继续工作，从而避免系统的完全故障。例如，可以通过适当配置所述开关电路使得所述支路中的所述AC电压通路绕过所述DC链路，来绕过所述模块的所述DC链路。然而，这种绕过模式依赖于所述开关电路充分可操作以采用所述绕过配置。因此，例如，可能需要提供用于甚至绕过所述模块的所述开关电路的专用装置。所述控制器实际上可以用于：将所述模块中的多个模块(优选地，每个模块)的所述电压与预定义阈值电压进行比较，并为所述多个模块中的每一个模块执行所述绕过操作。相应地，可以容忍所述模块中的每一个模块发生故障，从而提高弹性。
在一种实现方式中，所述模块可以包括继电器，所述继电器可由所述控制器操作以绕过所述模块的所述开关电路，其中，配置所述模块以在所述支路中形成绕过所述模块的所述DC链路的AC电压通路包括：配置所述继电器以绕过所述模块的所述开关电路。提供用于绕过所述模块的所述开关电路的辅助继电器为所述变换器提供了额外的弹性，因为即使在所述开关电路不充分可操作以采用绕过配置的情况下也可以绕过所述模块。具体地，预计继电器在机械上会比所述开关电路的开关更坚固，因此可能比所述开关电路的所述开关更不容易发生故障。因此，在这种实现方式中，即使所述开关电路的所述开关不工作，仍可以有效地绕过所述模块。所述模块中的每一个模块可以优选地包括用于绕过所述模块的所述开关电路的继电器。
在一种实现方式中，所述开关电路中的每一个可以被配置为H桥。H桥电路可以有利地表现出相对简单的控制特性。具体地，H桥电路的多个开关设备可以有利地通过单个公共信号控制。
在一种实现方式中，所述级联多电平变换器包括：多个其它模块，耦合在一起形成其它支路，所述多个其它模块中的每一个模块包括开关电路和DC链路，所述DC链路用于向所述开关电路提供DC电压；控制器，用于控制每个其它模块的所述开关电路以在所述其它支路中产生AC电压，其中，所述其它支路与所述支路平行布置。
换言之，所述多电平变换器可以配置为多相多电平变换器，具有多个支路用于提供多相AC电源。所述变换器甚至可以包括多个其它支路，例如两个其它支路，使得所述变换器适合提供三相AC电源。所述控制器可以用于采用与控制所述支路的所述模块的所述开关电路的相同模式控制所述其它支路的所述开关电路。所述控制器可以包括用于控制所述支路和所述其它支路中的每一个的所述开关电路的公共系统。
在一种实现方式中，所述支路和所述一个或多个其它支路可以具有相同数量的模块。在多相系统中，每个相位提供的功率通常是彼此相同的。采用相同数量的模块来满足每个相位的功率需求，可以有利地简化系统的设计和控制。
在一种实现方式中，每个模块的所述参考功率值可以使用数字滤波器来确定。
在一种实现方式中，所述控制器可以用于：将所述参考功率值与阈值功率值进行比较；如果所述参考功率值超过所述阈值功率值，则执行抗饱和操作。换言之，如果所述DC链路控制器报告了不可行的高功率需求，则可以推断所述DC链路控制器的工作受到损害，因此所述抗饱和操作可以涉及重置所述数字滤波器的存储器。例如，所述阈值功率值可以是存储在所述控制器中的存储器内的预定义值，表示所述特定应用的预期上限功率需求，所述控制器可以用于将每个模块的所述参考功率值与所述阈值进行比较。
本发明的第二方面提供了一种控制级联多电平变换器的方法，所述级联多电平变换器包括：多个模块，耦合在一起形成支路，所述模块中的每一个模块包括开关电路和DC链路，所述DC链路用于向所述开关电路提供DC电压；所述方法包括：为每个模块确定所述模块的所述DC链路的电容器两端的电压；为每个模块确定用于将所述模块的所述DC链路的所述电容器充电到所述模块的参考电压值的参考功率值；根据所述多个模块的所述多个参考功率值确定所述支路中AC电流的公共参考AC电流值；根据所述公共参考AC电流值确定所述支路中AC电压的公共参考AC电压值；使用以下两个值为每个模块确定参考AC电压值：所述公共参考AC电压值和所述模块的所述参考功率值；根据以下两个值生成用于控制每个模块的所述开关电路的脉宽调制信号：所述模块的所述参考AC电压值和所述模块的所述电容器两端的所述电压。
本发明的第三方面提供了一种用于控制级联多电平变换器以在输出支路中产生AC电压的控制器，所述控制器用于：为所述变换器的每个模块确定每个模块的DC链路的电容器两端的电压；为每个模块确定用于将所述模块的所述DC链路的所述电容器充电到所述模块的参考电压值的参考功率值；根据所述多个模块的所述多个参考功率值确定所述支路中AC电流的公共参考AC电流值；根据所述公共参考AC电流值确定所述支路中AC电压的公共参考AC电压值；使用以下两个值为每个模块确定参考AC电压值：所述公共参考AC电压值和所述模块的所述参考功率值；根据以下两个值生成用于控制每个模块的开关电路的脉宽调制信号：所述模块的所述参考AC电压值和所述模块的所述电容器两端的所述电压。
本发明的这些和其它方面将在下文描述的实施例中变得显而易见。
附图说明
为了可以更容易地理解本发明，现在将通过示例结合附图描述本发明的实施例，其中：
图1示意性地示出了包括体现本发明的一个方面的级联H桥(cascaded H-bridge，CHB)多电平变换器的固态变压器的示例；
图2示意性地示出了图1中所示的CHB多电平变换器的逆变器模块，所述逆变器模块包括用于向所述模块的开关电路提供DC电压的DC链路；
图3示意性地示出了图2中所示的逆变器模块的等效电路表示；
图4示意性地示出了用于控制多电平变换器的工作的控制方案的框图；
图5示意性地示出了用于调节每个逆变器模块的DC链路的电压的控制方案的框图；
图6示出了通过图4所示的控制方案实现的模拟DC链路电压特性的图形表示；
图7示出了在故障条件下通过图4所示的控制方案实现的模拟DC链路电压特性的图形表示；
图8示意性地示出了用于调节每个逆变器模块的DC链路的电压的替代控制方案的框图。
具体实施方式
图中示意性地示出了体现本发明的一个方面的级联多电平变换器。
首先参考图1，固态变压器101的输出耦合到三相输电网102，三相输电网102包括用于分别传导“a”、“b”和“c”相电流的电网导体103、104和105。固态变压器101包括多电平变换器107，用于将由初始整流器级的离散输出等提供的多个DC电压源(108、109和110)转变为AC电压，以提供给输电网102。
多电平变换器107包括Q个支路，在该示例中包括三个支路111、112和113，用于分别向电网导体(103、104、105)提供“a”、“b”和“c”相AC电压。因此，在该示例中，多电平变换器107被配置为用于输出三相电流的三相变换器。变换器107的每个支路(111、112、113)在结构上基本相同。因此，为了简洁起见，本文仅详细描述用于向电网导体103提供“a”相电流的支路111，但应当理解的是，基本上相同的说明适用于负责分别向电网导体104和105提供“b”和“c”相电流的支路112和113。
多电平变换器107的支路111包括多个(M个)逆变器模块，例如用114表示的模块1、用115表示的模块2和用116表示的模块M，这些模块的输出串联耦合到公共导体117，使得逆变器模块114至116中的每一个的AC输出电压在导体117上相加。提供控制器118，用于控制支路111中逆变器模块114至116中的每一个的工作。多个逆变器模块114至116在结构上基本相似，除了由于不同组件的不完美公差而导致的几乎不可避免的差异之外，并且以基本上相同的方式工作。同样，为了简洁起见，本文仅详细描述逆变器模块114，但应当理解的是，基本上相同的说明适用于所述支路中其它M个模块中的每一个模块。在该示例中，所述多电平变换器具有三相级联H桥配置。
参考图2和图3，每个逆变器模块(例如逆变器模块114)包括：开关电路，通常如201所示；DC链路电路，通常如202所示，用于从DC源108向所述开关电路提供DC电压；绕过开关电路，通常如204所示，用于绕过所述模块的开关电路201。
开关电路201包括采用H桥配置的多个电力电子开关，在该示例中包括四个电力电子开关205、206、207和208。输出端子(209、210)位于所述H桥开关电路的相对支路上。本领域技术人员将理解，通过适当控制开关205至208的开关顺序，每个模块可以向公共导体117提供三个不同的电压电平+Vdc、-Vdc和0Vdc。因此，通过适当控制所述支路中的所有模块的相对开关顺序，可以在导体117上产生AC电压，所述AC电压的大小为所述M个逆变器模块中的每一个模块的电压输出之和。在该示例中，电力电子开关205至208中的每一个是绝缘栅双极晶体管(insulated-gate bipolar transistor，IGBT)。IGBT具有相对较高的效率、快速的开关能力和较高的额定电压，因此是本申请的优选类型的电力电子开关。然而，本领域技术人员将理解，本发明的实用性不限于任何特定类型的开关，并且在替代实施例中，可以轻松地部署替代电力电子开关来代替IGBT 205至208。
DC链路电路202包括与DC源108串联布置的导体(211、212)，以及与DC源108并联耦合在导体(211、212)之间的DC链路电容器213。因此，电容器213充当缓冲器，用于存储能量以根据需要提供给开关电路201。DC链路电路202还包括电压传感器电路214，电压传感器电路214可操作以测量电容器213两端的电压并将电压测量值提供给控制器118。
绕过开关电路204耦合在开关电路201的输出端子(209、210)之间。绕过开关电路204包括继电器215，继电器215在控制器118的控制下等可操作，以可控地接通和断开绕过开关电路204，从而可控制地绕过模块114的开关电路201。因此，绕过开关电路204可操作以绕过开关电路201并形成用于电流在导体117中流动的替代路径。在开关电路201遇到故障情况时，例如，在开关205至208中的一个或多个发生故障时，可能需要绕过开关电路201，从而将故障开关电路201与导体117隔离。
控制器118耦合到多电平变换器107的Q个支路111至113中的每一个中的M个逆变器模块114至116中的每一个的开关模块201的电力电子开关205至208。因此，控制器118可操作以控制每个模块114的开关电路201，从而控制每个支路111的输出AC电压。在该示例中，控制器118的各种功能由公共或同地计算设备执行，但是应当理解的是，这些功能可以替代地由彼此通信的相互远程计算设备执行。
共同参考图4和图5，使用图1所示的命名法示意性地表示由所述控制器实现的所提出的控制方案。
控制器118执行四个主要控制过程。概括地说，在框401中，计算每个支路的每个模块的参考功率值，所述参考功率值定义每个DC链路将所述DC链路电容器充电到预定义参考电压所需的功率大小；在框402中，为所述变换器的Q个支路中的每一个生成电流参考值，所述电流参考值定义每个模块所需的平均电流；在框403中，为每个模块确定单独的AC电压参考值；在框404中，根据每个模块的所述单独的AC电压参考值和所述模块的所述电容器两端的所述确定的电压，生成用于控制每个模块的所述开关电路的脉宽调制信号。
控制器118的框401表示多个(QxM个)(即所述变换器的支路数Q乘以每个支路中的模块数M)DC链路能量控制器，用于控制存储在多电平变换器107的Q个支路中的每一个的M个逆变器模块中的每一个模块的DC链路的电容器213中的能量。QxM个DC链路能量控制器中的每一个的功能如图5所示。参考图5，每个DC链路能量控制器401的输入包括：QxM个DC链路电压测量值(vdc,q,m矩阵)，所述电压测量值可以使用每个模块114的电压传感器电路214等测量；QxM个DC链路电压的参考值(vref q,m矩阵)；电网电压(eq向量)；AC电流(iq向量)。在该示例中，QxM个DC链路电压的所述参考值(vref q,m矩阵)表示为DC链路能量控制器401的输入。例如，所述电压参考值可以从DC链路能量控制器401外部的控制器118的专用存储器接收。然而，所述参考值也可以在DC链路能量控制器401的内部存储器中预定义。
特别参考图5，在闭环操作之前，对测量的电压信号(vdc,q,m矩阵)和参考电压信号(vref q,m矩阵)求平方值。通过该运算，闭环操作的输入是与存储在所述DC链路电容器中的能量成线性比例的变量，所述变量通过等式Edc＝C/2vdc 2得出，其中C是电容值。
在这方面应当理解的是，例如，由于电容器组件的容差，可能无法准确知道C的实际值。然而，在所提出的闭环运算模式中，该误差不成问题，因为C/2项包含在闭环运算Kqm(kTs)的环路增益中，并且平方值w＝vdc(t)2或数学上等效于vdc(t)2的变量是受控变量。因此，这种反馈线性化技术按需计算每个DC链路将所述DC链路电容器充电到参考电压(vref q,m矩阵)所需的功率。
每个DC链路控制器401的输出为参考功率值。该参考功率值被框402用于参考电流产生和电流控制，并被框403用于单独的参考AC电压计算。
接下来，参考框402，在第一步中，构造每个支路的电流参考值，即将支路中工作模块的所有单独的功率参考值相加，以获得通过Pref q得出的总支路功率需求。随后，通过以下等式计算有功电流幅值：|iref q|＝Gq Pref q/|eF|，其中，Gq是增益因子，|eF|是AC电网电压的幅值。在实践中，选择Gq＝2，因为在稳态下，每个支路的功率为Pq(dc)＝|iq||eF|/2。
接下来，将电流幅值乘以与同一支路中电压的基波分量同相的正弦信号，如锁相环(phase-locked loop，PLL)框405所定义。该信号的角度可以用许多等效形式定义，例如，(i)Q个单独的单相同步算法可以独立同步，或者(ii)使用跟踪正主分量dq-PLL的同步技术。该运算的结果是AC参考电流iref q的向量，该向量馈入电流控制回路。用于执行相同功能的各种合适的替代PLL同步方法为本领域技术人员所熟知。AC电网电压的幅值|eF|也可以通过PLL估计。
因此，电流控制器框402用作闭环控制器，所述闭环控制器旨在遵循其电流参考值(单相/多相系统中的参考值Q＝1、2、3、……)。每个支路定义的控制动作变量是总AC支路电压vq参考值。电流控制回路可以可选地使用将电网电压定义为前馈的信息。
通过闭环控制算法计算出vq参考值后，将该值除以pref q，从而产生定义每个模块的反向平均电流的变量(iref q,m)-1。应当理解的是，(iref q,m)-1值与整个支路电压成正比，但与该电压在模块之间的共享方式完全无关。因此，这有利地提供了支路的模块之间的自然动态解耦作用。
接下来参考框403，还使用每个模块所需的功率为PWM框404计算参考AC电压值。
单独的电压参考值根据所述反向平均电流变量和每个模块的单独功率需求获得，其中，所述反向平均电流变量对于同一支路中的所有模块是公共的。然后，通过以下等式得出每个模块的电压参考值：vref q,m＝(iref q,m)-1pref q,m。然后，在模块级别使用vref q,m设置模块电压，作为PWM输入。以矩阵形式表示为vref dc,q,m的DC链路电压通常用于计算模块的占空比，即AC电压参考值除以DC链路电压，这得出归一化的占空比，从而避免电路中的任何交叉耦合。也就是说，通过这种方法，每个模块只使用自己的DC链路电压值。
该运算考虑到每个DC链路负载所需的功率与AC电压成正比，电流对于支路中的所有模块都是公共的，因此为DC链路提供所需功率的唯一自由度是通过在模块级别上作用于AC电压参考值。
最后参考框406，所提出的变换器操作可以称为“主动共享操作”，因为模块电压是实时功耗的函数。然而，应当理解的是，这种操作模式仅在同一支路的所有模块具有相同符号的功率需求(即，支路的所有模块全部需要正输入功率，或者全部需要负输入功率)的情况下才是可行的。
这定义了启用图4所示的控制方案的必要条件。在实践中，这个条件在系统的正常运行中得到满足，因为在理想条件下，所有模块的大小被设定为平均分摊DC电源侧可用的总功率。然而，在实践中，系统的运行可能会偏离理想运行，因此系统应该能够适应这种偏差。
因此，在框406中，对每个模块的功率需求进行比较，以确定每个模块是否具有相同符号的功率需求。如果确定是肯定的，即如果模块全部具有相同符号的功率需求，则框404使用每个模块的电压参考值vref q,m生成脉宽调制信号。相反，如果确定模块的功率需求没有相同符号，即如果一个模块需要正功率，另一个模块需要负功率，则每个模块的电压参考值vref q,m被代表总支路电压平均值的值替代，即通过函数vref q/M设置，其中M是支路中的模块数，从而避免变换器的虚假操作。
图6示出了图1所示的多电平变换器的模拟结果，其中，Q＝3且M＝12。
在该模拟中，每个DC链路电容的参考工作值设置为1000伏，并且电容值在标称电容值的20％容差内随机分配。连接负载时，在T＝1秒时，所述负载的消耗随机分配20％的容差。
在初始操作周期内，从T＝0秒到T＝1秒，模拟预充电、第一次激活PWM控制器和停用主动共享的轻负载操作的初始顺序。在随后的操作周期中，从T＝1秒开始，在满载条件下激活主动共享操作模式。如所观察到的，在启用主动共享条件的情况下，实现了DC链路电压之间的平均零误差。因此，该模拟证明了当启用主动共享操作模式时变换器的快速稳健适应。
图7示出了图1所示的多电平变换器的模拟结果，使用与图6所示的模拟相同的参数。
在该第二次模拟中，在轻负载操作的初始周期之后，在T＝0.5秒时，连接负载并启用主动共享操作模式，其中，在所述轻负载操作中，DC链路电压控制器参考值设置为vref q/M，即所述参考值是总支路电压的平均值。如所观察到的，在启动主动共享操作模式时，DC链路电压误差迅速趋于零，在大约T＝0.6秒时达到零。在大约T＝0.6秒时，模拟故障条件，在所述故障条件下，模块M＝1的电压传感器报告0伏测量值，从而导致关联DC链路控制器的故障操作。所述故障条件的后果是：导致DC链路控制器要求高于阈值的功耗，以对模块M＝1的DC链路电容器充电。
控制器118可操作以响应所述故障条件来执行绕过操作，在所述绕过操作中，模块114的开关电路201被绕过。在该示例中，所述绕过操作通过以下方式实现：闭合绕过开关电路的继电器215，从而在故障模块的开关电路周围的支路中形成电流短路。可以观察到，故障模块的DC链路电容器随后放电，其余M-1个模块的工作不受影响。因此，从系统对模块M＝1的故障的响应可以看出，每个模块的工作与支路中其它模块的工作高度分离。
图8示出了考虑多任务的DC链路能量控制器的实现方式，在该实现方式中考虑了两个不同的控制样本Ts1和Ts2，其中Ts1<Ts2。
应当理解的是，多个(QxM个)DC链路控制器401的数字控制器实现的性质允许在不同物理设备之间共享不同的控制任务。然而，这种任务共享可能会导致不同设备之间的通信延迟，进而导致控制系统的延迟。因此，在实践中，可能需要由具有同一支路中所有功率参考值的信息的设备执行电流控制任务。然而，占空比计算可以在模块级别执行。由于避免了不同设备之间的通信，因此在模块级别执行占空比计算可能相对更快。
虽然本发明及其优点已详细描述，但是应当理解，在不脱离所附权利要求书界定的本发明的精神和范围的情况下，可以作出各种改变、替代和更改。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且“一”或“一个”不排除多个。

Claims (15)

1.一种级联多电平变换器，其特征在于，包括：多个模块，耦合在一起形成支路，所述模块中的每一个模块包括开关电路和DC链路，所述DC链路用于向所述开关电路提供DC电压；控制器，用于控制每个模块的所述开关电路以在所述支路中产生AC电压；其中，所述控制器用于：
为每个模块确定所述模块的所述DC链路的电容器两端的电压；
为每个模块确定用于将所述模块的所述DC链路的所述电容器充电到所述模块的参考电压值的参考功率值；
根据所述多个模块的所述多个参考功率值确定所述支路中AC电流的公共参考AC电流值；
根据所述公共参考AC电流值确定所述支路中AC电压的公共参考AC电压值；
使用以下两个值为每个模块确定参考AC电压值：所述公共参考AC电压值和所述模块的所述参考功率值；
根据以下两个值生成用于控制每个模块的所述开关电路的脉宽调制信号：所述模块的所述参考AC电压值和所述模块的所述电容器两端的所述电压。
2.根据权利要求1所述的级联多电平变换器，其特征在于，每个模块的所述参考电压值是存储在所述控制器中的存储器内的预定义值。
3.根据权利要求1或2所述的级联多电平变换器，其特征在于，每个模块的所述参考功率值是基于所述模块的所述DC链路的所述电容器两端的所述电压的平方值与所述模块的所述参考电压值之间的差值确定的。
4.根据上述权利要求中任一项所述的级联多电平变换器，其特征在于，所述控制器包括参考电流控制设备，用于：接收所述多个模块中每个模块的所述参考功率值，并确定所述公共参考AC电流值。
5.根据上述权利要求中任一项所述的级联多电平变换器，其特征在于，所述控制器包括多个开关电路控制设备，每个开关电路控制设备用于：接收所述多个模块中的一个模块的所述参考AC电压值，并控制所述模块的所述开关电路。
6.根据上述权利要求中任一项所述的级联多电平变换器，其特征在于，所述控制器用于：
根据初始工作模式控制每个模块的所述开关电路；
确定所述模块中的每一个模块的功率需求；
确定所述模块中的每一个模块是否具有相同符号的功率需求；
如果所述模块中的每一个模块具有相同符号的功率需求，则按照所述方法控制每个模块的所述开关电路。
7.根据上述权利要求中任一项所述的级联多电平变换器，其特征在于，所述控制器还用于：将所述模块中的至少一个模块的所述电压与预定义阈值电压进行比较，然后响应于所述模块的所述电压高于或低于所述阈值电压，配置所述模块以在所述支路中形成绕过所述模块的所述DC链路的AC电压通路。
8.根据权利要求7所述的级联多电平变换器，其特征在于，所述模块还包括继电器，所述继电器可由所述控制器操作以绕过所述模块的所述开关电路，其中，配置所述模块以在所述支路中形成绕过所述模块的所述DC链路的AC电压通路包括：配置所述继电器以绕过所述模块的所述开关电路。
9.根据上述权利要求中任一项所述的级联多电平变换器，其特征在于，所述开关电路中的每一个被配置为H桥。
10.根据上述权利要求中任一项所述的级联多电平变换器，其特征在于，包括：多个其它模块，耦合在一起形成其它支路，所述多个其它模块中的每一个模块包括开关电路和DC链路，所述DC链路用于向所述开关电路提供DC电压；控制器，用于控制每个其它模块的所述开关电路以在所述其它支路中产生AC电压，其中，所述其它支路与所述支路平行布置。
11.根据权利要求10所述的级联多电平变换器，其特征在于，所述支路和所述一个或多个其它支路具有相同数量的模块。
12.根据上述权利要求中任一项所述的级联多电平变换器，其特征在于，每个模块的所述参考功率值是使用数字滤波器确定的。
13.根据权利要求12所述的级联多电平变换器，其特征在于，所述控制器用于：将所述参考功率值与阈值功率值进行比较；如果所述参考功率值超过所述阈值功率值，则执行抗饱和操作。
14.一种控制级联多电平变换器的方法，其特征在于，所述级联多电平变换器包括：多个模块，耦合在一起形成支路，所述模块中的每一个模块包括开关电路和DC链路，所述DC链路用于向所述开关电路提供DC电压；所述方法包括：
为每个模块确定所述模块的所述DC链路的电容器两端的电压；
为每个模块确定用于将所述模块的所述DC链路的所述电容器充电到所述模块的参考电压值的参考功率值；
根据所述多个模块的所述多个参考功率值确定所述支路中AC电流的公共参考AC电流值；
根据所述公共参考AC电流值确定所述支路中AC电压的公共参考AC电压值；
使用以下两个值为每个模块确定参考AC电压值：所述公共参考AC电压值和所述模块的所述参考功率值；
根据以下两个值生成用于控制每个模块的所述开关电路的脉宽调制信号：所述模块的所述参考AC电压值和所述模块的所述电容器两端的所述电压。
15.一种用于控制级联多电平变换器以在输出支路中产生AC电压的控制器，其特征在于，所述控制器用于：
为所述变换器的每个模块确定每个模块的DC链路的电容器两端的电压；
为每个模块确定用于将所述模块的所述DC链路的所述电容器充电到所述模块的参考电压值的参考功率值；
根据所述多个模块的所述多个参考功率值确定所述支路中AC电流的公共参考AC电流值；
根据所述公共参考AC电流值确定所述支路中AC电压的公共参考AC电压值；
使用以下两个值为每个模块确定参考AC电压值：所述公共参考AC电压值和所述模块的所述参考功率值；
根据以下两个值生成用于控制每个模块的开关电路的脉宽调制信号：所述模块的所述参考AC电压值和所述模块的所述电容器两端的所述电压。
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