控制ac/dc转换器的系统和方法【专利摘要】本发明涉及用MMC拓扑控制功率转换器(1)。对转换器的输入是分支电压U1…U6。通过四种类型的主电压的线性组合(12)来得到这些电压：DC主电压UDC1、AC主电压UAC1和UAC2、内部主电压UM/1和UM/2和相对主电压UMR1。AC和DC主电压被分别用于控制与AC和DC电路或连接到转换器的网交换的功率并且保持控制转换器中存储的总能量。相对主电压用于控制独立电路之间的相对电压。内部主电压用于完全控制转换器分支中存储的能量的平衡。这是通过选择各主电压的AC和DC分量的值来实现的。【专利说明】控制AC/DC转换器的系统和方法
技术领域：
[0001]本发明属于电力领域。更具体地，本发明涉及允许在高压下在AC线和DC线之间交换有功功率和无功功率的MMC(模块化多电平转换器）。特别地，本发明涉及用于控制此转换器的方法和系统。【
背景技术：
】[0002]AntonLesnicar和RanierMarquardt在诸如"AnInnovativeModularMultilevelConverterTopologySuitableforaWidePowerRang"和"Anewmodularvoltagesourceinvertertopology"（都追溯至2003年）的各种文章中，已经公开了模块化多电平转换器的拓扑以及其控制的最基本方案。这两篇文章彼此非常类似。它们提出了MMC拓扑并且表现出可如何控制转换器向AC电路和DC电路提供任何电压组合。在这些文章中，DC电路是2节点DC网并且AC电路是三相AC网。根据这些文章，使用输出电压状态空间的4个量纲来控制转换器:针对DC电压的1个、针对AC网电压的2个和针对AC电路和DC电路之间的共模电压的1个。然而，由于转换器包括6个分支，因此状态空间调制的量纲的总数是6个。未使用的分支对应于文章中没有考虑的转换器中的内环。[0003]尽管文章提到蓄能器能量平衡的构思，但它只声明了单独保持分支上平衡的方式。分支的电容器中的能量可变得过高，而其他分支的电容器中的能量变得过低。变得必须进行分支平衡控制。还可增强针对分开的分支描述的电容器平衡方法，以减少各模块整流的次数的量。[0004]专利申请W02008/067784尝试通过除了DC电压、AC网电压和不平衡电压(或共模电压)之外还使用更多电压中间值来解决这个问题。这些新的中间值由nm个分支电压和nm平衡电压组成。这五种电压中间值中的每个合乎目的。AC网电压控制与AC网交换的电流。DC电压控制转换器中的总能量。理论上，它还将控制与DC网交换的电流，但由于能量守恒原理，导致不可以一次性控制AC电流、DC电流和总能量。使用分支电压来控制经过这些分支的电流。再次，这会与AC和DC电流冲突。使用不平衡电压来控制DC电路和AC电路之间的相对电压，也就是说，AC共模电压减去DC共模电压。最后，使用平衡电压来控制模块蓄能器的平衡。根据专利申请，由于分支电压已经可控制平衡蓄能器的电流，因此可省略最后这些电压。[0005]可注意，在这些效果之间存在某些冲突。如果例如选择分支电压值来控制通过各分支的电流，则AC电流和DC电流也将受这些分支电压值影响。这主要是因为中间电压的数量大于自由度的总数而出现的。由于中间值过多而引起的其他问题是不同调节器之间的干扰效应。由于调节器独立输出的数量大于自由度的数量，因此可预料到有负面效应(诸如，PI调节器快速饱和、相抵触的调节器输出值或不必要高的中间分支电压）。[0006]当这种类型的两个转换器用于高电压直流传输(HVDC传输)时，由于通过调节转换器所交换功率的同一电压来调节各个转换器上的总能量，因此出现另一个冲突。在这种情况下，将期望的是，通过AC连接交换功率来调节这个能量。[0007]最后，没有给出关于分支能量如何相互平衡的说明。尽管存在加上平衡电流参考或者计算中间平衡电压的选项，但没有关于如何选择这些电流或电压的信息。典型的线性调节器没有保障将实现的能量平衡并且使用这些调节器将由于电流协作而导致对AC输出电流和DC输出电流产生不期望的效应。仍然需要用于平衡这些分支能量的一般方法。【
发明内容】[0008]将期望控制转换器与DC电路和AC电流交换的功率并且平衡其分支中的能量，而没有暴露出不便。本发明使用分支电压和能量的更好去耦来解决这些问题。[0009]提议的方法和系统被设计成控制模块化多电平转换器(MMC)。此设备包括m个DC节点和n个AC节点(m多2且n多2)，其中，在DC节点和AC节点的各组合之间形成分支。各分支包括串联连接的电感和两个或更多个模块(也被称为单元）。各模块包括蓄能器(诸如，电容器或电池）、以及能够连接和断开串联的蓄能器和分支的一个或更多个可控半导体。[0010]这些m个DC节点和n个AC节点中的一些或全部通过端子连接到外部DC和/或AC电路或网。可存在任何数量的未连接节点。另外，端子可连接到没有相互共用任何节点的不同AC或DC电路。尽管存在其中外部AC电路和DC电路共用地节点的MMC，但本发明优选地旨在用于其中DC电路没有与转换器外部的AC电路共用任何节点的MMC。这样，当在AC电路和DC电路之间存在电流隔离时，转换器可工作。[0011]如同之前的技术发展水平，本发明选择用于各分支的参考电压山至!]?并且将必要的蓄能器连接到分支，使得各分支模块的总输出电压达到所述分支参考电压。然而，提议的选择分支参考电压的方式不同于之前的技术发展水平。[0012]根据本发明，得到分支参考电压UiSlU乍为其主分量UmSlW的线性变换。分支参考电压的这些主分量（下文中被称为主电压）是不同基准下这些分支参考电压的表示。因此，它们涵盖单一得到分支参考电压的必要且充分的信息。在其上表达主电压的基础是通过上述线性变换来定义的。在这个基础中，各类型的主电压只影响一种类型的电流，或根本不影响电流。使用高达四种类型的主电压：内部主电压、DC主电压、AC主电压和相对主电压。[0013]内部主电压被定义成，使得它们取决于内部主能量值。这些内部主能量值是分支能量值的独立线性组合并且其中没有一个与所有分支能量值之和成正比。因此，它们描述了分支能量值之间的差异(分支能量不平衡）。[0014]将定义的其他主电压可取决于分支能量之和，而非它们的差异。[0015]还公开了基于在分支之间传递的多个内部主有功功率值来有利地计算分支参考电压。[0016]这种方法的结果是，本发明能够平衡分支的能量，而不影响转换器所连接的网或电路。[0017]优选地使用中央控制结构。各分支的所有模块优选地与分支控制装置通信。所述分支控制装置可与不止一个分支关联，但优选地与分支中与它关联的所有模块通信。所有分支控制装置与中央控制单元通信。对于具有数量足够低的多个模块的转换器，分支控制装置和中央控制单元可都实现在同一物理装置(诸如，DSP或FPGA)上。然而，这个装置单独将表现为中央处理单元和分支控制装置的组合，从而独立地执行各个部分的职责。【附图说明】[0018]以下是附图的基本描述。在本发明的【具体实施方式】中提供这个完整描述。[0019]图1示出转换器的经典形式(m=2且n=3)。所有节点通过端子(：1、02^1^2和厶3连接到外部电路。[0020]图2示出模块的已知的拓扑。[0021]图3示出分支与分支控制装置通信的模块的方案。[0022]图4示出与模块和中央控制单元通信的分支控制装置的方案。在这种情况下，每个分支控制装置正用于控制两个分支，而非仅仅一个分支。[0023]图5示出在中央控制单元中发生的主要处理的简化方案。注意的是，各框代表处理或操作而非装置。[0024]图6示出中央控制单元中发生的处理的更详细方案。[0025]图7和图8示出当选择内部主电压时可应用的两种可能的控制方案。[0026]图9至图11示出用于估计内部主功率值的三种不同方式。[0027]图12示出提议的用于使用DC主电压调节DC功率的控制方案。[0028]图13示出提议的用于使用AC主电压调节AC功率的控制方案。[0029]图14示出如何根据总存储能量和发送的功率参考来选择与DC电路和AC电路交换的功率的参考。[0030]图15示出用于使用相对主电压来调节AC电路和DC电路之间的电压的可能的闭环控制结构。【具体实施方式】[0031]结合附图，进一步详述本发明的实施例的一些示例。这些示例以例证方式简单示出并且将不被视为本发明范围的限制。[0032]首先，呈现实施例如何工作的总体图。分支控制装置4接收至少对应分支模块的蓄能器3的电压的度量。对于对应分支的各模块2,分支控制装置4可接收或计算蓄能器3的能量。使用这个信息，对于各关联分支，分支控制装置4计算取决于分支的至少一个模块上存储的能量的分支能量值￡1至￡_。分支能量值可取决于不止一个模块上存储的能量，但它不必取决于分支的所有模块的能量。这造成了优于之前计算分支能量值作为模块的所有电压或能量之和的方法的优点，因为运算更快。[0033]中央控制单元5接收对应于所有分支的分支能量值￡1至￡_并且确定各分支的分支参考电压山至1^。此后，中央控制单元5将各分支参考电压发送到对应的分支控制单元4。最后，分支控制单元为各分支选择要调节的分支模块2的电压分配。（随后描述的)这个分配可按使模块能量平衡和整流的半导体数量最佳这样的方式进行。[0034]根据实施例，中央控制单元5得到分支参考电压山至1^作为以上提到的主电压UM1至Ufcn的线性变换。有利地，主电压的数量与分支的数量相同，从而确保可使用所有自由度。有利地，上述线性变换可以是正交变换（即，正确或不正确的旋转），从而确保主电压之间没有协作。[0035]使用四种类型的主电压，各类型在应用线性正交变换之后对转换器产生不同效应。根据不同目的，选择各类型的主电压，使得在各种控制目标之间没有冲突。这四种类型的主电压是：[0036]?内部主电压:UMI1、UM『_这些电压对通过转换器的内环循环的电流（内部电流）产生效应，但它们没有影响与外部电路交换的任何电流或功率。选择它们的值以控制在分支之间流动的功率，使得分支能量值变得平衡。[0037]?DC主电压:Umdi、Umd2…这些只是影响转换器与外部DC电路交换的功率的DC主电压。选择它们的值来控制此功率。[0038]?AC主电压:Umai、Uma2…这些只是影响转换器与外部AC电路交换的功率的AC主电压。选择它们的值来控制此功率。[0039]?相对主电压:Umri、Umr2…这些电压不影响任何电流。替代地，它们控制属于不同隔离电路的节点之间的相对电压。就此而言，认为任何未连接节点是与所有其他电路隔离的其自身的外部电路。如果外部电路上相对于另一个外部电路必须有一定共模电压，则可使用这些相对主电压来提供该共模电压。[0040]并非需要使用所有主电压。可仅仅选择其中一些是无效的，并进行省略。一旦已经针对各主电压选择了值，就用对应的线性变换来得到分支参考电压山至1]_。[0041]第一类型：内部主电压[0042]这种类型是关键。内部主电压仅仅是依靠分支能量值不平衡计算出的内部主电压。使用内部主电压Urn、UMI2???来控制在分支之间流动的功率，最终平衡分支的能量。提议的选择这些内部主电压的步骤包括：[0043]1.得到mn-1个内部主能量值Emii、Emi2…作为不与所有分支能量值之和成正比的分支能量值￡1至￡_的独立线性组合；[0044]2.测量mn-1个内部主有功功率值Pmii、Pmi2…即正在分支之间传递的净有功功率的表不；[0045]3.使用调节器根据内部主能量值Emii、Emi2…来选择内部主有功功率值的导数值的参考P'Mllref、P'MI2ref."[0046]4.针对内部主有功功率值Pmii、Pmi2…选择主内部电压Umii、Umi2…以根据它们导数值卩'1?11、？'1?12的参考来演变。[0047]当针对第一步骤得到内部主能量值Emii、Emi2…时，可过滤这些或分支能量值Ei至Emn。特别地，提议消除，或至少减轻这些值在外部AC电路的频率下的任何振荡。内部主能量值是主能量值不平衡的表示。[0048]当针对第二步骤测量内部主有功功率值Pmii、Pmi2…时，还可以测量任何内部主无功功率值Qm1、Qm2…这些值代表通过转换器分支周期性循环但平均而言没有从一个分支传递到另一个的能量的量。提议三种方式来测量内部主功率值。[0049]提议的最简单方式包括计算内部主有功功率值作为内部主能量值的导数值。在这种情况下，可使用过滤器以衰减与AC电路的频率对应的分量。这种方式本身没有得到内部主无功功率值，因为这些值没有产生通过分支的任何净能量流。[0050]提议的第二种方式包括以下步骤：[0051]?测量内部主电流Imi、Im2."[0052]?过滤内部电流，以得到其DC分量和AC分量，以及[0053]?应用将内部电流DC和AC分量与它们生成的内部主功率值相关的线性变换。[0054]可通过得到内部电路的各分量在分支之间生成的平均功率流通过分析来演绎上述线性变换。这可通过将一定时间段期间的对应分支电流和电压的乘积求积分来实现。为此目的，可忽略感应电压。这种方式既得到内部主有功功率值Pmii、PMI2…和内部主无功功率值QM1、QM2…然而，使用过滤器仍然使控制器可对导数做出反应的速度降低。[0055]提议的第三种方式包括以下步骤：[0056]?使用内部主功率值的最近已知值和最近计算出的它们导数值的参考P'MIlref、P'MI2ref…、Q'Mllref、Q'MI2ref…来估计新内部主功率值PmI1、PmI2…、Qmi、Qm2~[0057]?测量内部主电流Imi、Im2…以及[0058]?通过将估计的各内部主功率值与取决于测得的至少一个内部电流和将根据该估计对应于同一电流的值之差的项相加，校正这些估计。[0059]这种方式使用过滤器将忽略的信息，得到所有内部主功率值PMn、PMi2…、QM1、QM2…，从而允许调节器比之前更快速地反应。然而，这需要每个控制周期解决更复杂的数学问题。因此，这种方法适于快速微处理器。[0060]提议的第二方式和第三方式都需要测量转换器的内部主电流IM1、IM2…可通过测量分支电流^至〗?并且应用线性变换来得到这些电流。此线性变换与将内部主电压与分支电压相关的线性变换相同。[0061]当针对主内部有功功率导数值？'[?11、？'[?12选择参考时，针对内部主电压选择的第三步骤，提议两种可能的控制结构。第一种控制结构包括级联控制方案。在第一回路，各内部主能量值EMI1、EM2…被作为输入提供给独立调节器(诸如，P或PI调节器），该独立调节器的输出用作对应内部主有功功率值的参考PMIlref、PMI2ref…。然后，在第二回路，内部主有功功率值PM1、PM2…中的每个及其参考被提供到独立调节器(诸如，另一个P或PI调节器），其输出是所述内部主有功功率导数值的参考？'1?1^、？'1?12^"。可供选择地，控制方案可以是直接的，每个内部主功率只有一个控制回路。在这种情况下，各主内部能量Emii、Em2…被作为输入提供到独立调节器(诸如，P、PI或PID调节器），其输出直接是所述内部主(有功)功率导数值的参考P'MIlref、P'MI2re「_0[0062]任一种方式中，如果意图控制内部主无功功率值Qmi、Qm2…，则其中每个连同其参考被供应到调节器。调节器输出是对应的内部主无功功率导数值的参考Q'Mlref、Q'M2ref…如果不意图控制这些值，则可省略它们并且让转换器的任何寄生电阻耗散它们的效应。[0063]最后，提议的选择内部主电压Umh、UMir??控制内部主功率值演进的方式（第四步骤)包括均形成具有至少一个DC分量和两个AC分量的内部主电压，这些分量中的一个相对于另一个偏移90°AC分量频率与AC外部电路频率相同。[0064]UMii=aiiC〇s(?t)+biisin(?t)+cii[0065]00分量〇11、(^12-和4(]分量&11、1311、&12、1312-的幅值都被确定为实际内部主功率值Pmii、Pmi2…和内部主功率导数值的参考P'Mllref、P'MI2ref…的线性函数。这些函数使得当被应用时，内部主功率值根据其导数值的参考来演进。[0066]第二类型:DC主电压[0067]使用DC主电压Umdi、Umd2…来控制与外部DC电路交换的功率。提议的选择DC主电压的方式包括以下步骤：[0068]1.测量与各独立0(：网交换的功率?1?敗-"[0069]2.将这些测量值及其参考供应到独立调节器，其输出是对应DC功率导数值的参考P'Dlref、P'D2ref."[0070]3.针对DC功率值PD1、PD2…选择DC主电压，以根据其导数值的参考来演进。[0071]针对第三步骤，提议通过至少DC分量CD1、CD2…来形成各DC主电压，DC分量CD1、CD2-"是DC网功率导数值的参考的线性函数。这些线性函数可包括取决于DC端子电压的前馈值。所得的DC主电压使得当被应用时，DC网功率值根据其导数值的参考来演进。[0072]第三类型:AC主电压[0073]使用AC主电压Umai、Uma2…来控制与外部AC电路交换的有功功率Pa和无功功率Qa。提议的选择AC主电压的方式包括以下步骤：[0074]1.测量与各独立AC网交换的有功功率和无功功率Pai、Qai、Pa2、Qa2~[0075]2.将这些测量值及其参考供应到独立调节器，其输出是对应AC有功功率导数值和无功功率导数值？'41、〇'41、？'42、〇'^_的参考；[0076]3.针对AC有功功率值和无功功率值Pai、Qai、PA2、QA2…选择AC主电压，以根据其导数值的参考来演进。[0077]针对第三步骤，提议通过至少两个AC分量形成各AC主电压;这些分量中的一个相对于另一个偏移90°。它们的频率与外部AC电路频率相同。[0078]UMAi=aAiC〇s(?t)+bAisin(?t)[0079]各分量aA1、bA1、aA2、bAr??的幅值是实际有功功率值和无功功率值及其导数值的参考的线性函数。这些线性函数可包括取决于AC端子电压的前馈值。所得的AC主电压使得当被应用时，AC网功率值根据其导数值的参考来演进。[0080]根据有利的进一步发展，选择DC和AC有功功率的参考PDlrrf、PD2re5f_PAlrrf、PA2rf，使得转换器中的总能量得以保持。选择它们的提议包括以下步骤：[0081]?得到与所有分支能量值￡1至￡?之和成正比的总能量值Etotal[0082]?将此总能量值Etotal连同其参考提供到调节器(诸如，P或PI调节器）；[0083]?得到转换器吸收功率的参考?如作为调节器的输出；[0084]?根据吸收功率参考，选择针对DC或AC有功功率的参考PDlref、PD2ref…PAlref、PA2ref…中的至少一个。[0085]特别地，如果转换器连接到两个或更多个外部的线路，则提议得到DC和AC有功功率参考作为吸收功率参考Pabs和转换器意图在电路之间发送的功率Prefl、Prefr??的线性组合。通过调节线性关系的某些系数KPD1、KPD2…和Kpai、Kpa2…，可以选择将如何通过外部DC和AC电路来分配吸收功率参考。这允许用只从某些电路吸收的功率来控制总存储能量。控制此分配的可能性可具有取决于应用的优点。例如，当转换器用于高电压直流传输(HVDC传输)时，可以用与AC电路交换的功率来调节转换器中累积的总能量，使得与DC电路交换的功率不受扰动。[0086]第四类型：相对主电压[0087]相对主电压用于控制彼此断开连接的电路之间的电压。这样，可以保持没有连接到地的电路中的线-地电压。另一个应用是将共模电压与三次谐波相加来增大转换器可在三相AC电网中调节的电压。为了控制这些电压，以与主电压相同的基础表达提供的共模电压的参考。然后，选择各相对主电压与其对应参考的值相同。如果这个开环控制方案证实是不充分的，则可使用一组调节器(诸如，具有前馈的比例控制器）。调节器接收用与主电压相同的基础表达的实际共模电压其参考。使用这些调节器的输出作为相对主电压。注意的是，即使用调节器，最重要的项也将是前馈值。[0088]在中央控制单元5已经选择了四种类型的主电压（内部主电压、DC主电压、AC主电压和相对主电压）的期望值之后，它计算分支参考电压山至1^作为上述正交变换。然后，将这些电压参考从中央控制单元5发送到其相应的分支控制装置4。[0089]为了保持分支中的能量平衡，各分支控制装置4周期性排序关联的一个分支(或多个分支)的模块2。这个排序是根据排序函数F的值进行的，排序函数F的值取决于分支电流、模块存储能量、（可选的)从最近切换时间段或上次排序模块起模块蓄能器已经连接到分支的时间量。分支控制装置4将必要信号发送到对应分支模块2,以将一些模块的蓄能器3连接到分支。选择要连接的蓄能器是具有函数F的最高值的蓄能器。选择要连接到分支的蓄能器3的数量使得它们的组合电压尽可能接近对应的分支参考电压山至1^。可在所选择模块中的一些上采用脉宽调制(PWM)，以得到较接近分支参考电压的电压。[0090]有利地，让排序函数F取决于模块蓄能器是否连接到分支（和它们已经连接的时间)有助于减少模块2整流的次数的量。由于还考虑到电流，因此当电流高时，能量平衡可被视为更重要，而当电流低时，减少整流更重要。[0091]当评价模块蓄能器能量时，技术人员可理解，如果蓄能器是电容器，则其电压的平方是其能量的可能值，而如果它们是电池，则荷电状态(S0C)是更佳值。当两种或更多种类型的蓄能器正被组合时，可针对各类型使用不同的函数。这允许为不同类型的蓄能器的能量偏差赋予不同权重。[0092]根据有利的进一步发展，可考虑能量值相对于用户定义的参考的偏差，而非仅仅累积的能量。这允许用户选择各蓄能器上的不同的能量水平。在这种情况下，用户针对各蓄能器提供能量参考并且总能量参考ETQmRef在内部被计算为用组成单元表达的所有这些能量值之和。有利地，这允许用户选择每次哪些电池进行充电和放电以保留电池健康状态(S0H)〇[0093]根据有利的进一步发展，由于按极大依赖于模块能量的函数的值来排序模块，因此可根据当被排序时占用特定位置的模块中的仅仅一些的能量值，选择分支能量值￡:至Emn。还可以选择分支能量值作为每当排序模块时随机选择的模块蓄能器上存储的能量。一旦已经选择了分支能量值，它们被发送到中央控制单元5,以用于方法的下一个循环。[0094]下文中，对附图进行特定说明。[0095]图1示出转换器1的可能拓扑。在这种情况下，转换器包括2个DC节点和3个AC节点。转换器通过端子连接到一个DC电路和一个AC电路。各DC节点通过端子(C1，C2)连接到DC电路，各AC节点通过端子(A1，A2，A3)连接到AC电路。AC电路和DC电路不共用任何节点，甚至不共用地节点。如果转换器需要与相互连接的AC电路和DC电路一起使用，则可在转换器和AC电路之间添加变压器。[0096]在各DC节点和各AC节点之间形成分支。各分支包括电感L和一系列模块2。图2示出已知的这些模块的拓扑。这些模块中的每个包括蓄能器3。图2中示出的模块的蓄能器是电容器，但还可以使用电池。还可以将模块与不同类型的蓄能器组合。[0097]图3示出分支控制装置4与分支的所有模块2通信的简化方案。分支控制装置接收模块的电压并且返回模块必需的信号以调节指定的电压。[0098]如图4中所示，分支控制装置4正用于每两个分支，尽管原本可以每个分支使用一个分支控制装置。对于这个示例，分支控制装置是FPGA。如果一个FPGA单独不能够管理整个分支，则相互连接的多个FPGA可构成分支控制装置4。所有分支控制装置还与中央控制单元5通信。特别地，这个通信包括将各分支的分支能量值￡1至￡6从分支控制装置发送到中央控制单元和将各分支的分支参考电压山至1]6从中央控制单元发送到对应的分支控制装置。出于这个示例，中央控制单元5是微处理器或微控制器。[0099]各分支控制装置4周期性接收与关联的分支模块蓄能器3对应的电压的度量以及通过所述分支循环的电流的度量。用这个数据，分支控制装置计算关联分支的蓄能器上存储的能量。此后，各分支控制装置评价关联分支的各模块的某个排序函数F并且根据得到的结果来排序各关联分支的模块:在各分支上，具有所述函数的最高结果的模块被编索引为第一;具有次高结果的模块是第二，以此类推。排序函数F主要取决于模块蓄能器中存储的能量(Ea)，但它也可取决于其他变量(诸如，所述能量的参考(EARrf)、前一时间段期间蓄能器连接到分支的时间量(Ton)或通过分支循环的电流(I)。此函数的可能表达式如下：[0100]F=I?(Ea-EaRef)+K?Ton[0101]其中，K是恒定参数。[0102]一旦已经排序了模块，就根据在被排序之后占用特定位置的模块的蓄能器中存储的能量，选择分支能量值￡1至&。特别地，对于这个示例，分支能量值是与分配的中值和上下四分位数对应的蓄能器上存储的能量之和。这样，例如，如果每个分支包括35个模块，则分支能量值将是与已经被编索引为第九、第十八、第二十七的模块对应的能量值之和。还将可以使用伪随机数字生成器来随机选择任何数字的分支模块并且选择分支能量值作为它们存储的能量之和。在得到分支能量值之后，这些被发送到中央控制单元5。[0103]图5示出在中央控制单元5上发生的主要处理的方案。中央控制单元接收分支能量值E连同分支电流I和DC和AC电路的电压V的度量。应用正交线性变换12来得到主能量值Em、外部电路主电压Vm和主电流Im。这些主要值仅仅是测得值的线性组合。然后，使用这些值通过对应处理(分别地，6、7、8、9)来得到内部主电压(Umii和Umi2)、DC主电压(Umdi)、AC主电压(Umai和Uma2)和相对主电压(Umri)。一旦已经得到所有六个主电压，就应用正交线性变换12，以将这些主电压转化成分支参考电压山至1]6。[0104]图6是同一情况的更详细表示。它示出如何得到必要数据来计算各个主电压。向分支能量值￡1至&应用正交线性变换12,以得到主能量值。这些主能量值中的一个是与分支能量值之和成正比的总能量值ETcitai。剩余的主能量值是内部主能量值Emu至Emi5。向分支电流1:至16应用同一线性变换12,以得到主电流。这些主电流中的两个是内部主电流Imu和Imi2。为了得到外部电路主电压，还向AC和DC电路的电压应用线性变换12。其中的一个是只取决于DC电路电压的DC电路主电压VMD1，其他中的两个是只取决于AC电路电压的AC电路主电压Vmai和Vma2,并且最后一个是取决于AC电路和DC电路的共模电压的外部相对主电压Vmri。[0105]向内部主能量值(Emu至Emi5)应用过滤处理13,以减轻它们的AC分量。使用内部主电流(Imii和Imi2)和过滤后的内部主能量值(EMiifii至EMi5fii)来计算内部主电压Umii和Umi2(在处理6中）。使用总能量值Etotal来选择随后当计算DC和AC主电压Umdi、Umai和Uma2时(在处理7和8中）使用的DC和AC功率参考PDlref和PAiref(在处理10中）。最后，当计算DC、AC和相对主电压Umi、UMAi、UMA2和Umri时(在处理7、8和9中），使用外部电路主电压作为前馈。[0106]图7和图8示出如何使用内部主电压来控制内部主能量值Emii至EMI5。在图7中，将过滤后的各内部主能量值EMI1fil至EMI5fil供应到其输出是对应的内部主有功功率的导数值P'm至P'MI5的参考的独立调节器17。对于这个示例，调节器是PI或PID调节器，选择内部主有功功率导数值以保持接收到的过滤后的内部主能量值尽可能接近特定参考。在图8中，通过级联控制结构来得到这些内部主功率导数参考：将过滤后的各内部主能量值EMIlfil至EMI5fil供应到调节器17，调节器17选择对应的内部主有功功率值的参考P'Mllref至[0107]P'MI5ref以保持接收到的过滤后的内部主能量值尽可能接近参考。然后，将这些内部主有功功率参数中的每个连同实际内部主有功功率值的度量提供到另一个调节器17。在这种情况下，所有调节器都是PI控制器。这些调节器的输出是对应的内部主功率值p'fm至?'_的导数值的参考。不管控制结构是直接的（如图7中所示)还是通过级联的（如图8中一样），总是以同一方式控制内部主无功功率值:将各内部主无功功率值Qmii的度量连同其参考QMIlref提供到调节器17。调节器的输出是所述内部主无功功率值的导数值的参考Q'MIlref。内部主无功功率值不需要被调节，这是可选的。[0108]在得到内部主功率导数参考之后，针对内部主功率值选择内部主电压Umii和Umi2，以根据所选择的导数参考来演进。内部主电压均构造有DC分量和两个AC分量，这些分量中的一个相对于另一个偏移90°。得到DC分量Cii和Ci2和AC分量aii、bii、ai2和bi2的幅值作为内部主功率值和其导数参考的线性函数11。这些函数可取决于其他参数(诸如，特征AC或DC电压(线间AC电压和标称DC电压）、AC电路频率或电感值）。技术人员将理解，由于AC电路的a和0电压分量的相位相互偏移90°并且它们的频率与AC电路频率相同，因此当构造AC主电压时，它们可取代图7和图8中示出的正弦和余弦函数。AC分量的幅值只需要分别与a和0电压分量相乘并且酌情缩放。[0109]为了执行上述方法，需要知道内部主功率值PMI1至PMI5(如期望，QMI1)。因为不可瞬时测量这些功率值，所以这表现出问题。图9至图11表现出测量这些值的三种方式。图9中示出的方案是基于内部主功率值的定义:正在分支之间传递净有功功率。由于内部主能量值表现出分支中存储的能量的差异，因此其导数值表现出正在分支之间传递的功率。根据提议的这种方法，向过滤后的内部主能量值Emmu至EMI5fll应用数字导数处理16，以得到内部主有功功率值Pmii至Pmis。这样不得到内部主无功功率值Qmii。[0110]图10中不出的方案是基于内部主功率值Pmii、Pmi2、Pmi3、Pmm、Pmi5和Qmii和内部电流DC和AC分量Ial、Ibl、Icl、Ia2、Ib2和Ic2之间的关系。提议的得到内部主功率的方式包括两个操作：[0111]?向内部主电流应用过滤处理13，以识别它们的DC和AC分量Ial、Ibl、Icl、Ia2、Ib2和Ic2以及[0112]?得到内部主功率值?"11^12^13^14^15和(^11作为所述电流分量的线性函数11〇[0113]图11中提议的方案是基于内部主功率值?《1、?《2、?《3、?《4、?《5和0?1和内部电流IMI1和IMI2的瞬时值之间的关系。由于内部电流的数量少于内部主功率值的数量，因此可只一次测量这些值的一些组合。然而，由于调节器提供所有内部主功率值的导数值的参考，因此容易估计各内部主功率值的瞬时值。提议这样做的方式包括两个操作：[0114]?例如，使用基于用之前已知主功率值集合进行的方法，使用Euler方法或Runge-Kutta，通过内部主功率值的导数值的参考P'Miiref、P'MI2ref、P'MI3ref、P'MI4ref、P'MI5ref和Q'MIlref的数值积分14,得到内部主功率值的估计值fwl、4^2、PM/1、和Am以及[0115]?根据可使用内部电流Im和IMI2测得的这些值的组合，向估计值应用校正15。[0116]校正可包括用使用算术工具(诸如，拉格朗日乘数)可能存在的限制来求解最小二乘问题。更简单且更稳定的(但更慢的)校正估计值的方式包括以下步骤：[0117]?计算将对应于估计值的内部电流，[0118]?将这些电流与实际内部主电流Im和1(?12进行比较并且计算差异，以及[0119]?将估计的内部主功率值&"、&2、4^、^4、4?和：4^减去与所述差异的梯度成正比的值的集合。[0120]这样，误差越取决于内部主功率值，越将修改其估计值。这类似于LMS算法，但它考虑到先验信息。如果与外部电路交换的功率没有均匀分配于这些分支，则在估计14和/或校正15中考虑该功率。[0121]图12示出如何使用DC主电压仏仍来控制转换器与DC外部电路PD1交换的功率。调节器17(诸如，PI控制器)被供应与DC电路交换的功率的参考和实际值(分别地，PDlref和PD1)。调节器返回交换的功率导数值P'Dlref的参考。然后，得到DC电压分量CD1作为这个参考的线性函数11。添加DC电路主电压Vmi作为前馈项。使用该结果作为DC主电压Umi。[0122]类似地，图13示出如何使用AC主电压Umai和Uma2来控制与AC电路交换的有功功率和无功功率。与AC电路交换的有功功率和无功功率的参考和实际值(PMrehPAhQMredPQM^被供应到两个独立调节器17(诸如，PI)。调节器返回交换的有功和无功功率导数值(P'Alref和Q'Airrf)的参考。然后，各AC主电压Umai和Uma2由两个AC分量构成，其中一个的相位相对于另一个偏移90°，得到这两个AC分量的幅值aAl、bAl、aA2和bA2作为上述参考(P'Alref和Q'Alref)和与AC电路交换的实际有功和无功功率(Pa^PQm)的线性函数11。添加AC电路主电压Vma4PVMA2作为前馈项。尽管将是可能的，但在这个示例中，不控制反向序列。[0123]如图6中所示，选择将与AC和DC电路交换的功率的参考，以调节转换器中存储的总能量。在图14中详述这个调节处理10。首先，将总能量值ETcitai提供到调节器17(例如，PI控制器）。根据分支能量值￡1至&是否是根据其期望值用模块累积能量或用所述能量的导数来计算的，还可将总能量值ETcital的参考提供到调节器。调节器返回吸收的功率参考PAbsRef。根据两个之前构造的系数KPDdPKPA1将这个吸收的功率参考分配到外部电路之中。技术人员理解，这些系数中只有一定比例负责分配，因此，将它们二者成正比增大恰好等同于增大调节器17的增益。一旦已经选择了分配，将用户选择的功率参考Pref与各电路吸收的功率参考相加或者将各电路吸收的功率参考减去功率参考Prrf。这个参考代表有多少功率从DC电路发送到AC电路(或反之亦然）。所得的外部电路功率PDlrrf和PAlrrf的参考是一致的，因为它们确实将一定量的功率从一个电路传递到另一个并且吸收保持转换器存储能量所必需的功率。此外，用户可选择分配系数中的一个，使其无效，使得该电路的功率参考与用户提供的功率参考相符。例如，如果这个转换器连接到HVDC传输线和相对刚性的AC网，则用户可选择KPD1，使其为〇,并且选择KpA1，使其为1，使得转换器通过只与网交换功率来保持其能量。这样，HVDC传输线电压将不受扰动。[0124]选择相对主电压Umri，以保持代表电路之间的相对电压的外部相对主电压Vmri。例如，如果AC和DC电路的共模电压旨在是相同的，则可选择相对主电压，使其无效。否则，可仅仅用合适比例将所期望的相对电压VMRlref作为主相对电压施加。这个开环方案应该证实是不充分的，可如图15中所示地施加闭环控制结构。在这种情况下，将外部相对主功率电压VMR1连同所期望的参考提供到调节器17(在这种情况下，具有前馈的PI调节器）。在比例分量校正任何可能导数的同时，调节器的前馈分量提供快速响应。[0125]一旦已经计算出六个主电压Umii、Umi2、Umdi、Umai、Uma2和Umri，就得到分支参考电压Ui至U6作为主电压的正交线性变换12。然后，中央控制单元5将各分支参考电压发送到对应的分支控制装置4。[0126]在分支控制装置4接收到分支参考电压之后，它们命令关联模块来调节接收到的分支电压。如之前描述的，根据排序函数F的值来周期性排序各分支的模块，排序函数F取决于模块中累积的能量的量、分支电流和前一占空比。如果预期能量不平衡，则排序函数F可取决于能量偏差，而非蓄能器上存储的实际能量。总分支参考电压的调节被分配到模块之中，使得属于其排序函数F的值较高的模块的蓄能器连接到分支。如有必要，在控制周期前，可选择连接或断开一个模块。[0127]附图标记：[0128]1转换器[0129]2模块[0130]3蓄能器[0131]4分支控制装置[0132]5中央控制单元[0133]6选择内部主电压的分支能量控制处理[0134]7选择DC主电压的DC功率控制处理[0135]8选择AC主电压的AC功率控制处理[0136]9选择相对主电压的电路相对电压控制处理[0137]10总能量调节处理[0138]11线性函数[0139]12正交线性变换[0140]13过滤处理[0141]14通过数值积分执行的估计处理[0142]15校正处理[0143]16数值导数[0144]17线性调节器(诸如，P、PI或PID调节器）【主权项】1.一种用于控制具有多个分支的AC/DC转换器的系统，在AC节点和DC节点之间形成分支，所述分支包括电感和串联连接的多个模块，模块包括能断开连接的蓄能器(3)，其中，所述系统包括：-多个分支控制装置(4)，每个分支控制装置(4)被构造成得到至少一个分支的多个蓄能器上存储的能量，所述分支控制装置(4)被进一步构造成确定分支能量值(EfEmn)，所示分支能量值取决于所述分支的一个模块的至少一个蓄能器能量；-中央控制单元(5)，被构造成接收多个分支的分支能量值(EfEmn)，所述中央控制单元(5)被进一步构造成提供针对所述多个控制装置(4)的分支参考电压(U^Umn);其特征在于：所述中央控制单元(5)被构造成通过向多个主电压(UfUfcn)应用线性变换来计算所述分支参考电压(Ur"Umn)，其中，所述多个主电压中的至少一个是内部主电压(UmI1、UmI2)，所述内部主电压对通过所述转换器在内部循环的电流有影响而对将被交换的外部功率没有影响，以及所述控制装置(4)被进一步构造成选择至少一个将断开连接的蓄能器(3)，以修改所述多个分支模块的总输出电压，使得所述分支参考电压(UfUmn)和至少一个分支中的多个模块的总输出电压之差低于阈值。2.根据权利要求1所述的系统，其中，向所述多个主电压(UfUfcn)应用的用于计算所述分支参考电压(UfUmn)的线性变换是正交的。3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述主电压还包括负责与DC外部电路交换功率的至少一个DC主电压(Udci)、负责与AC外部电路交换功率的至少一个AC主电压(Uaci)和/或至少一个对任何电流都没有影响的相对主电压Umri。4.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，通过所述中央控制单元(5)计算所述分支参考电压(UfUmn)包括确定在分支之间传递的多个内部主有功功率(Ρμπ、Ρμι2)。5.根据权利要求4所述的系统，其中，确定多个内部主有功功率(Pmii、Pmi2)包括计算内部主能量值他11112)的导数化'|\111』'|\112)〇6.根据权利要求4所述的系统，其中，确定多个内部主有功功率(Ρμιι、Ρμι2)包括测量多个内部主电流(Imii、Ιμι2)并且得到所述内部主电流(Imii、Ιμι2)的AC分量和DC分量。7.根据权利要求4所述的系统，其中，确定多个内部主有功功率(Pmii、Pmi2)包括考虑其之前的值连同其对应的其导数值的之前的参考(P'MIlref、P'MI2ref)并且测量多个内部主电流(Imii、IMI2)〇8.根据权利要求4所述的系统，其中，所述系统还包括针对多个内部主有功功率(Pmii…PMImn)选择多个内部主电压（UMIfUMImn)，以根据所述内部主功率的导数值的多个参考(P'MIlref、P'MI2ref)来演变。9.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述控制装置(4)被构造成根据以下标准中的至少一个将多个蓄能器(3)与多个模块连接或断开连接：-所述分支电流，-在前一切换时间段期间所述蓄能器被连接的时间，-在前一切换时间段期间所述蓄能器被断开连接的时间，-所述蓄能器上存储的能量，或者-它们的组合。10.-种控制具有多个分支的转换器的方法，在AC节点和DC节点之间形成分支，所述分支包括电感和串联连接的多个模块，模块包括能断开连接的蓄能器(3)，其中，所述系统包括：-测量至少一个分支的多个蓄能器上存储的能量，-确定分支能量值(E1-Emn),所述分支能量值取决于所述分支的一个模块的至少一个蓄能器能量；-通过向多个主电压(UwUfcn)应用正交线性变换，基于所述分支能量来计算分支参考电压(Ur"Umn)，其中，所述主电压中的至少一个是内部主电压(UmI1、UmI2)，所述内部主电压对通过所述转换器在内部循环的电流有影响而对将交换的外部功率没有影响，以及-选择至少一个将断开连接的蓄能器(3)，以修改所述多个分支模块的总输出电压，使得所述分支参考电压和至少一个分支的多个模块的总输出电压之差低于阈值。11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述多个主电压(UfUmn)的线性变换是正交的。12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，计算所述分支参考电压(Ur^Umn)包括确定在分支之间传递的多个内部主有功功率(Pmii、Pmi2)。13.根据权利要求12所述的方法，其中，确定多个内部主有功功率(Ρμπ、Ρμι2)包括计算内部主能量他11112)的导数化'|\111』'|\112)〇14.根据权利要求12所述的方法，其中，确定多个内部主有功功率(Ρμπ、Ρμι2)包括测量多个内部主电流(Imii、Ιμι2)并且得到所述内部主电流(Imii、Ιμι2)的AC分量和DC分量。15.根据权利要求12所述的方法，其中，确定多个内部主有功功率(Ρμπ、Ρμι2)包括考虑其之前的值连同其对应的其导数值的之前参考(P'MIlref、P'MI2ref)并且测量多个内部主电流(Imii、ImI2)O16.根据权利要求12至15中的任一项所述的方法，其中，所述方法还包括针对多个内部主有功功率(PMIl-PMImn)选择多个内部主电压(UMIfUMImn)，以根据所述内部主功率的导数值的多个参考(P'MIlref、P'MI2ref)来演变。17.根据权利要求10至16中的任一项所述的方法，其中，所述方法还包括通过根据排序函数(F)的值排序所述模块(2)来平衡至少一个分支中的能量，所述排序函数(F)的值取决于所述分支电流、所述蓄能器(3)存储的能量和/或所述蓄能器(3)在前一时间间隔期间被连接到所述分支的时间。【文档编号】H02M7/483GK105960755SQ201480074852【公开日】2016年9月21日【申请日】2014年2月4日【发明人】L·加尔文加西亚-皮瑞,F·J·科德西达姆诺兹,J·M·卡拉斯科索利斯,E·加尔瓦迪兹【申请人】绿色能源技术有限公司