模塊化多電平轉(zhuǎn)換器的聯(lián)網(wǎng)控制的制作方法

本發(fā)明涉及用于控制模塊化多電平轉(zhuǎn)換器的方法和控制器以及模塊化多電平轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

模塊化多電平轉(zhuǎn)換器包括多個(gè)轉(zhuǎn)換器單元，其串聯(lián)連接在轉(zhuǎn)換器的每個(gè)分支中。每個(gè)轉(zhuǎn)換器單元包括電容器和半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，用于將電容器連接到分支或者用于將它從其中斷開(kāi)。

由于轉(zhuǎn)換器單元的串聯(lián)連接，模塊化多電平轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)高于大約6 kV AC的常用上限閾值(其通常是其他功率轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞淖畲箢~定電壓)的AC/DC和DC/AC電壓轉(zhuǎn)換。模塊化多電平轉(zhuǎn)換器的額定電壓可達(dá)到高達(dá)20 kV的電壓。因此，模塊化多電平轉(zhuǎn)換器不要求變壓器或者復(fù)雜緩沖電路。此外，由于轉(zhuǎn)換功率可經(jīng)由電壓增加來(lái)增加，所以模塊化多電平轉(zhuǎn)換器的效率可上升到99%。

由于模塊化多電平轉(zhuǎn)換器(其通常包括每相兩個(gè)分支)的每相包括多個(gè)轉(zhuǎn)換器單元，所以可產(chǎn)生多個(gè)電平的輸出電壓波形。隨著轉(zhuǎn)換器單元計(jì)數(shù)增加，輸出電壓波形的質(zhì)量也增加，從而允許更好的近似正弦電壓波形。具有輸出電壓和電流的低輸出諧波失真的操作是對(duì)大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用的要求，如由各種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、例如IEEE 519-1992和IEC 61000-3-6所規(guī)定。

模塊化多電平轉(zhuǎn)換器的串聯(lián)連接轉(zhuǎn)換器單元可具有相對(duì)低額定電壓、例如1 kV，并且所有轉(zhuǎn)換器單元可以是相同的。因此，可使用降低電壓阻塞能力的廉價(jià)半導(dǎo)體裝置、例如1.7-kV IGBT。模塊化還實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)，因?yàn)槿哂噢D(zhuǎn)換器單元可以以低成本來(lái)添加。

模塊化多電平轉(zhuǎn)換器的模塊化結(jié)構(gòu)和高電壓能力、在低切換頻率的操作使它對(duì)于高功率中等電壓工業(yè)應(yīng)用是理想的。但是，這些優(yōu)點(diǎn)伴隨控制要求(其在非平凡控制解決方案轉(zhuǎn)化成保證轉(zhuǎn)換器的正確操作)的增加復(fù)雜度發(fā)生。

模塊化多電平轉(zhuǎn)換器通常通過(guò)控制環(huán)的級(jí)聯(lián)來(lái)控制：外功率控制環(huán)通過(guò)采用基于PI的分離電流控制器來(lái)跟蹤有功和無(wú)功功率的給定參考電流。電流控制器提供調(diào)制器和內(nèi)平衡控制環(huán)的適當(dāng)電壓參考，其使用轉(zhuǎn)換器狀態(tài)中的冗余度來(lái)平衡電容器電壓。可優(yōu)先化具有最低電容器電壓的轉(zhuǎn)換器單元用于充電，而具有最高電壓電平的轉(zhuǎn)換器單元選擇用于放電電流。

模塊化多電平轉(zhuǎn)換器的控制器通常位于隨轉(zhuǎn)換器在物理上定位，并且與傳感器和致動(dòng)器硬連線(xiàn)，從而增加重量以及容納轉(zhuǎn)換器板所需的空間，并且限制控制器的計(jì)算能力。

專(zhuān)利申請(qǐng)EP 2515453 A1公開(kāi)一種用于由布置在轉(zhuǎn)換器室中并且包括功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)或閥的多個(gè)可能相同的轉(zhuǎn)換器模塊所制成的功率電子轉(zhuǎn)換器的通信系統(tǒng)。主干網(wǎng)絡(luò)攜帶單個(gè)、主要、中央或更高級(jí)轉(zhuǎn)換器控制器與布置和/或安裝在不同轉(zhuǎn)換器室中的多個(gè)本地或更低級(jí)模塊控制器之間的通信信號(hào)。主干網(wǎng)絡(luò)包含光纖，其能夠支持高數(shù)據(jù)速率，并且能夠耐受大電壓。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

模型預(yù)測(cè)控制提供控制模塊化拓?fù)浞矫娴囊幌盗幸嫣?。但是，?jì)算負(fù)載仍然可限制這種技術(shù)的適用性。克服隨系統(tǒng)在物理上定位的控制器的限制的一種策略是要遠(yuǎn)程控制轉(zhuǎn)換器。但是，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)包括新的復(fù)雜問(wèn)題集，因?yàn)榭刂破髋c轉(zhuǎn)換器之間的瞬時(shí)和完善信號(hào)可能不可取得?？刂破髋c轉(zhuǎn)換器之間的通信媒介可引入時(shí)變延遲以及可能的隨機(jī)性質(zhì)、分組丟失和帶寬限制。所有這些可使轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的可取得控制性能降級(jí)，并且能夠甚至可能使過(guò)程不穩(wěn)定。

本發(fā)明的一個(gè)目的是要提供一種用于不可靠通信下的模塊化多電平轉(zhuǎn)換器的更靈活和更準(zhǔn)確模型預(yù)測(cè)控制計(jì)劃。

這個(gè)目的通過(guò)獨(dú)立權(quán)利要求的主題來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)從屬權(quán)利要求和下面描述，另外示范實(shí)施例是顯而易見(jiàn)的。

本發(fā)明的第一方面涉及一種用于控制轉(zhuǎn)換器的方法，該轉(zhuǎn)換器可以是模塊化多電平轉(zhuǎn)換器、即具有多個(gè)轉(zhuǎn)換器單元的轉(zhuǎn)換器，每個(gè)單元具有半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)和電容器。一般來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)換器可以是電氣裝置，其適合將第一AC或DC電流轉(zhuǎn)換為第二不同的AC或DC電流，即，具有不同電壓和/或頻率的電流。

按照本發(fā)明的實(shí)施例，該方法包括下列步驟：從轉(zhuǎn)換器收集控制輸入變量；經(jīng)由第一通信媒介向轉(zhuǎn)換器的控制器傳送控制輸入變量；在控制器中基于轉(zhuǎn)換器的模型來(lái)確定轉(zhuǎn)換器的實(shí)際狀態(tài)和至少一個(gè)輸出變量；經(jīng)由第二通信媒介向轉(zhuǎn)換器傳送控制輸出變量用于控制轉(zhuǎn)換器；其中轉(zhuǎn)換器的模型考慮（account for）第一和/或第二通信媒介。

例如，該方法可在遠(yuǎn)程控制器(即，與轉(zhuǎn)換器單元空間分離的控制器)中實(shí)現(xiàn)，遠(yuǎn)程控制器經(jīng)由對(duì)所傳送數(shù)據(jù)具有顯著影響的通信媒體與轉(zhuǎn)換器單元進(jìn)行通信。必須理解，實(shí)現(xiàn)該方法的控制器可以是更大控制器或控制系統(tǒng)的一部分，即，可以是分布式內(nèi)環(huán)控制器。例如，轉(zhuǎn)換器可包括具有高計(jì)算能力的集中遠(yuǎn)程控制器部分或外環(huán)控制器以及位于轉(zhuǎn)換器單元處或者包括這類(lèi)單元的模塊處的分布式本地控制器部分或內(nèi)環(huán)控制器。

可由轉(zhuǎn)換器處的傳感器來(lái)收集的與轉(zhuǎn)換器相關(guān)的測(cè)量(例如電容器電壓、單元電壓、分支電流和/或相位電流)可經(jīng)由第一通信媒介傳送給控制器?？刂破魈幚磉@些控制輸入變量，并且生成控制輸出變量，比如例如將要直接應(yīng)用到轉(zhuǎn)換器單元的切換狀態(tài)或者門(mén)信號(hào)或者將要傳送給另外控制器部分或內(nèi)環(huán)控制器的參考電壓和/或電流?？刂破魇褂冒ㄞD(zhuǎn)換器的模型以及另外包括用于傳送控制數(shù)據(jù)的通信媒體的模型的系統(tǒng)的模型。用于轉(zhuǎn)換器的這種模型通常采取一個(gè)或多個(gè)數(shù)學(xué)方程(其例如基于轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浜臀锢硇袨?的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用系統(tǒng)的模型，轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)也可確定，其例如可包括負(fù)載電流和循環(huán)電流。

通信媒介/媒體的模型也可采用數(shù)學(xué)方程來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而對(duì)時(shí)間延遲、數(shù)據(jù)的量化和/或數(shù)據(jù)的丟失進(jìn)行建模。

按照本發(fā)明的實(shí)施例，模型考慮用于在第一和/或第二通信媒介中傳送數(shù)據(jù)的時(shí)間延遲。例如，由傳感器所收集的測(cè)量數(shù)據(jù)由控制器在遲于測(cè)量時(shí)間的時(shí)間點(diǎn)來(lái)接收?？刂破骺稍跁r(shí)間中回移實(shí)際接收的輸入控制變量，使得它們以其正確測(cè)量時(shí)間來(lái)輸入到模型。此外，控制器可考慮用于向單元或者向內(nèi)環(huán)控制器傳送控制輸出變量的時(shí)間，使得它們?cè)谒鼈円驯挥?jì)算用于的時(shí)間點(diǎn)在單元和內(nèi)環(huán)控制器處接收。

按照本發(fā)明的實(shí)施例，模型考慮恒定時(shí)間延遲。例如，第一和/或第二通信媒介的時(shí)間延遲可在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段來(lái)測(cè)量。在此情況下，通信媒介的時(shí)間延遲是變化的，控制器可考慮平均恒定時(shí)間延遲。該模型還可考慮時(shí)變延遲(已知和未知的)。

按照本發(fā)明的實(shí)施例，第一和/或第二通信媒介的實(shí)際時(shí)間延遲通過(guò)控制器來(lái)確定。例如，當(dāng)控制輸入變量隨數(shù)據(jù)包來(lái)傳送時(shí)，這些數(shù)據(jù)包可采用控制輸入變量的測(cè)量時(shí)間和/或采用發(fā)送時(shí)間來(lái)加時(shí)間戳。這些時(shí)間戳可由控制器用于確定時(shí)間延遲。

按照本發(fā)明的實(shí)施例，模型考慮在第一和/或第二通信媒介中的數(shù)據(jù)丟失。在此情況下，通信媒介基于可丟棄數(shù)據(jù)包的協(xié)議(例如因特網(wǎng)協(xié)議或無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議)可能是并非全部所發(fā)送控制輸入和/或輸出變量都被接收?？刂破骺赏ㄟ^(guò)外推數(shù)據(jù)或者通過(guò)發(fā)送比所需的要多的數(shù)據(jù)(如果將會(huì)不存在數(shù)據(jù)丟失的話(huà))來(lái)考慮這個(gè)。

按照本發(fā)明的實(shí)施例，如果數(shù)據(jù)值在第一通信媒介中丟失，則丟失控制輸入值從轉(zhuǎn)換器的模型來(lái)估計(jì)。例如，控制方法可基于預(yù)測(cè)方法(例如模型預(yù)測(cè)控制)，以便在將來(lái)時(shí)刻得到輸入行為和控制效果，從而補(bǔ)償控制器應(yīng)用中的延遲和信息丟失。當(dāng)實(shí)際控制變量丟失時(shí)，模型可采用可用于從已經(jīng)接收的以往控制輸入值來(lái)預(yù)測(cè)實(shí)際控制輸入變量的方程來(lái)補(bǔ)充。

按照本發(fā)明的實(shí)施例，將來(lái)的多于一個(gè)時(shí)間步（time step）的控制輸出變量從轉(zhuǎn)換器的模型來(lái)預(yù)測(cè)；其中如果控制輸出變量在第二通信媒介中丟失，則在先前時(shí)間步期間所傳送的控制輸出變量用于控制轉(zhuǎn)換器?？墒褂蒙杀葘?lái)的一個(gè)時(shí)間步要長(zhǎng)的預(yù)測(cè)范圍（horizon）的控制方法，以及完整預(yù)測(cè)范圍可傳送給轉(zhuǎn)換器單元或者下一個(gè)內(nèi)環(huán)控制器，其可在實(shí)際預(yù)測(cè)范圍丟失時(shí)使用以往預(yù)測(cè)范圍的實(shí)際時(shí)間步。

按照本發(fā)明的實(shí)施例，模型考慮在第一和/或第二通信媒介中的數(shù)據(jù)值的量化?？刂戚斎牒?或控制輸出變量的一般持續(xù)數(shù)據(jù)值在被取樣、數(shù)字化和/或壓縮（compress）用于經(jīng)由通信媒介的傳送時(shí)可被量化。例如，[-1, 1]中的數(shù)據(jù)值可映射到11個(gè)值-1.0、0.8、…、0.0、0.2、…1.0。數(shù)據(jù)的區(qū)間到單個(gè)值的這個(gè)映射可由轉(zhuǎn)換器來(lái)考慮。例如，轉(zhuǎn)換器可以?xún)H生成僅具有量化值的控制輸出變量。這種量化可以是具有對(duì)轉(zhuǎn)換器的模型添加約束的模型。

按照本發(fā)明的實(shí)施例，第一和/或第二通信媒介包括數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。例如，第一和/或第二通信媒介可基于以太網(wǎng)，或者一般基于以傳送數(shù)據(jù)包為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。

按照本發(fā)明的實(shí)施例，第一和/或第二通信媒介包括無(wú)線(xiàn)通信媒介。備選地或另外地，轉(zhuǎn)換器的電力線(xiàn)用作第一和/或第二通信媒介。在這些情況下，可節(jié)省布線(xiàn)和/或電流隔離。

本發(fā)明的另外方面涉及用于轉(zhuǎn)換器的控制器，其適合于執(zhí)行如在上面中和在下面中所述的方法。例如，該方法可在包含DSP和FPGA的任何計(jì)算硬件上實(shí)現(xiàn)。

按照本發(fā)明的實(shí)施例，控制器適合于：接收經(jīng)由第一通信媒介已經(jīng)傳送給控制器的控制輸入變量；基于轉(zhuǎn)換器的模型來(lái)確定轉(zhuǎn)換器的實(shí)際狀態(tài)和至少一個(gè)控制輸出變量；以及經(jīng)由第二通信媒介向另外控制器和/或轉(zhuǎn)換器傳送控制輸出變量；其中轉(zhuǎn)換器的模型包括第一和/或第二通信媒介的模型。

例如，控制器可適合于穩(wěn)定循環(huán)電流并且平衡電容器電壓，同時(shí)考慮用于傳送控制數(shù)據(jù)的通信媒體的時(shí)間延遲、量化和分組丟失?？刂破骺蛇h(yuǎn)離轉(zhuǎn)換器或者甚至遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)換器的車(chē)間（plant）來(lái)實(shí)現(xiàn)?？刂破饕部梢允窃谵D(zhuǎn)換器單元和/或轉(zhuǎn)換器的模塊之間變位（dislocate）的控制系統(tǒng)的一部分。

按照本發(fā)明的實(shí)施例，控制器是集中控制器，直接經(jīng)由第一通信媒介從轉(zhuǎn)換器來(lái)接收控制輸入變量，并且經(jīng)由第二通信媒介直接向轉(zhuǎn)換器應(yīng)用控制輸出變量。

按照本發(fā)明的實(shí)施例，控制器包括至少兩個(gè)級(jí)聯(lián)控制器；其中第一外環(huán)控制器接收控制輸入變量，確定控制輸出變量，并且向第二內(nèi)環(huán)控制器發(fā)送控制輸出變量。例如，第一外環(huán)控制器可位于遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)換器，并且可提供高計(jì)算能力，以及第二內(nèi)環(huán)控制器可配置在轉(zhuǎn)換器單元中或者轉(zhuǎn)換器模塊中。例如，第一外環(huán)控制器可以是用于功率和/或電流控制的集中控制器。第二內(nèi)環(huán)控制器是用于電壓調(diào)制和/或電容器平衡的本地控制器。

本發(fā)明的另外方面涉及一種模塊化多電平轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，其包括模塊化多電平轉(zhuǎn)換器（其具有串聯(lián)連接在具有兩個(gè)分支的至少一相中的多個(gè)轉(zhuǎn)換器單元）、如在上面中和在下面中所述的控制器、用于向控制器傳送控制輸入變量的第一通信媒介；和/或用于向轉(zhuǎn)換器單元(其可包括本地控制器)傳送控制輸出變量的第二通信媒介。此外，該系統(tǒng)可包括用于收集控制輸入變量的傳感器。

必須理解，如在上面中和在下面中所述的方法的特征可以是如在上面中和在下面中所述的系統(tǒng)和控制器的特征。

從在下文中所述的實(shí)施例，本發(fā)明的這些方面及其他方面將會(huì)顯而易見(jiàn)，并且參照在下文中所述的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的這些方面及其他方面進(jìn)行說(shuō)明。

附圖說(shuō)明

在下文將參照附圖圖示的示范實(shí)施例更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的主題。

圖1示意示出按照本發(fā)明的實(shí)施例的模塊化多電平轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)。

圖2示意示出經(jīng)由通信媒體連接到遠(yuǎn)程控制器的圖1的模塊化多電平轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的布置。

圖3示出按照本發(fā)明的實(shí)施例、用于控制模塊化多電平轉(zhuǎn)換器的方法的流程圖。

圖4示意示出按照本發(fā)明的另外實(shí)施例的模塊化多電平轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)及其控制環(huán)以及它們之間的通信媒體。

圖5示意示出按照本發(fā)明的另外實(shí)施例的模塊化多電平轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)及其控制環(huán)以及它們之間的通信媒體。

圖6示意示出按照本發(fā)明的另外實(shí)施例、具有布置在兩個(gè)室中的多個(gè)轉(zhuǎn)換器模塊的模塊化多電平轉(zhuǎn)換器。

大體上，附圖中，相同部件提供有相同參考符號(hào)。

具體實(shí)施方式

圖1示意示出包括模塊化多電平轉(zhuǎn)換器12及其控制器14的系統(tǒng)10。

作為特定示例，模塊化多電平轉(zhuǎn)換器12包括多個(gè)轉(zhuǎn)換器單元16，其中每個(gè)包括可屬于電解或薄膜類(lèi)型的開(kāi)關(guān)18和電容器20。轉(zhuǎn)換器單元16串聯(lián)連接以形成分支21，其在連接到DC－鏈路22的一側(cè)上以及在連接到轉(zhuǎn)換器12的相位輸出24的另一側(cè)上。采用開(kāi)關(guān)18(其通常包括高功率半導(dǎo)體)，充當(dāng)DC電壓的存儲(chǔ)元件的電容器20可被旁路或者插入到相應(yīng)分支21中。將分支21中的電容器20插入/旁路允許在相位輸出24處施加各種電壓電平。

通過(guò)切換開(kāi)關(guān)，轉(zhuǎn)換器12適合于將DC鏈路處的DC電壓轉(zhuǎn)換成相位輸出24的每個(gè)處的AC電壓。模塊化多電平轉(zhuǎn)換器的相位輸出24可連接到功率網(wǎng)(有源前端操作)或者連接到負(fù)載(功率逆變器應(yīng)用)。

存在模塊化多電平轉(zhuǎn)換器的其他可能的轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，例如直接轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，其適合于將AC電壓直接轉(zhuǎn)換為另一個(gè)AC電壓。

此外，系統(tǒng)10包括控制器12(例如基于DSP或FPGA)，其從轉(zhuǎn)換器12并且可選地從轉(zhuǎn)換器所連接的另一個(gè)電力系統(tǒng)來(lái)接收輸入控制變量26。

例如，控制輸入變量可通過(guò)電流和/或電壓傳感器測(cè)量單元電容器20、分支21、DC鏈路、相位24或轉(zhuǎn)換器所連接到的電網(wǎng)處的相應(yīng)量來(lái)生成。通過(guò)附連到驅(qū)動(dòng)(其由轉(zhuǎn)換器來(lái)驅(qū)動(dòng))的轉(zhuǎn)矩和/或速度傳感器來(lái)生成其他控制輸入變量。

從控制輸入變量，轉(zhuǎn)換器生成控制輸出變量28，其例如可以是用于下一個(gè)時(shí)間步的開(kāi)關(guān)18的切換狀態(tài)。

模塊化多電平轉(zhuǎn)換器12的控制器14的控制目標(biāo)通常是要跟蹤作為有功/無(wú)功功率控制的控制輸入變量的給定有功/無(wú)功參考電流，同時(shí)將轉(zhuǎn)換器單元16的電容器電壓保持在其標(biāo)稱(chēng)值。

相位電流(作為控制輸入變量26)通常周期地測(cè)量并且控制到其設(shè)置點(diǎn)值。

電容器16的每個(gè)的電壓可控制在參考值附近，其等于向轉(zhuǎn)換器12饋送的DC鏈路22的電壓除以分支(半相)21中的轉(zhuǎn)換器單元16的數(shù)量。

此外，可控制轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部電氣量、例如分支能量。

模塊化多電平轉(zhuǎn)換器12的特性特征是其相位的每個(gè)具有兩個(gè)分支21。相位輸出24是兩個(gè)相鄰分支21的共同連接點(diǎn)。要求相位的兩個(gè)分支21之間的能量交換，以便允許電流可在相位輸出24處產(chǎn)生。相位的分支21之間的能量交換可被控制，使得生成預(yù)期電流分量，而對(duì)轉(zhuǎn)換器單元16的功率半導(dǎo)體施加應(yīng)力的電流諧波可最小化。這個(gè)目標(biāo)有時(shí)被引用為“循環(huán)電流的控制”。

控制器14可基于模型預(yù)測(cè)控制方案，其中轉(zhuǎn)換器12的數(shù)學(xué)模型30用于從控制輸入變量26來(lái)預(yù)測(cè)控制輸出變量28，同時(shí)考慮控制目標(biāo)。

一般來(lái)說(shuō)，模塊化多電平轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)10的動(dòng)態(tài)可分解為兩個(gè)主要?jiǎng)討B(tài)：無(wú)功元件、電感器和電容器20的‘慢’動(dòng)態(tài)，以及半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)18的‘快’動(dòng)態(tài)。這可實(shí)現(xiàn)慢動(dòng)態(tài)的上層控制(其在給定預(yù)期電流負(fù)載的情況下定義單元電容器20上的預(yù)期電壓)與快動(dòng)態(tài)的下層控制(其在給定單元電容器電壓20的預(yù)期值的情況下確定切換位置，以取得電壓并且保證不同單元之間的平衡)之間的分離。

模塊化多電平轉(zhuǎn)換器12的慢動(dòng)態(tài)的一般表示可以是不可控控制輸入變量v(例如源電壓，參見(jiàn)下面方程)中的非線(xiàn)性時(shí)變模型仿射。這種模型30可通過(guò)下式來(lái)描述

，

其中狀態(tài)向量x取決于各個(gè)組合中的變量、電流和電壓的特定選擇?？刂戚敵鲎兞縰可包含電容器20的電壓向量，以及外源輸入v可以是DC鏈路電壓。將要控制的控制輸入變量y可以是負(fù)載電流和循環(huán)電流。

‘快’層可以是混合模型，其中開(kāi)關(guān)18的分立開(kāi)關(guān)位置可確定電容器20的電壓值。

在這種情況下，控制目標(biāo)通常是要提供預(yù)期負(fù)載電流，同時(shí)保存循環(huán)電流的可接受值(其定義為相位電流的線(xiàn)性組合)。

如圖2所示，控制器14經(jīng)由第一通信媒介32和第二通信媒介34在通信上連接到轉(zhuǎn)換器12。通過(guò)變量y所指示的控制輸入變量26(其在轉(zhuǎn)換器12(或者連接到轉(zhuǎn)換器12的系統(tǒng))處獲取)經(jīng)由第一通信媒介32傳送給控制器14。由于通過(guò)第一通信媒介對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸，控制輸入變量y可按照某種方式來(lái)改變，其通過(guò)函數(shù)N來(lái)指示。類(lèi)似地，通過(guò)u所指示的控制輸出變量28可通過(guò)第二通信媒介34來(lái)改變，其再次通過(guò)函數(shù)N來(lái)指示。

通信媒體32、34可以是例如無(wú)線(xiàn)或接線(xiàn)范圍（wire－bound）通信網(wǎng)絡(luò)。轉(zhuǎn)換器12的電功率導(dǎo)體也可能用作通信媒體32、34。

在每一個(gè)基于模型的控制中，模型30的精度在確定控制器14的性能中起關(guān)鍵作用。當(dāng)控制器14遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)時(shí)，性能可受到所使用通信媒體32、34的性質(zhì)嚴(yán)重影響。具體來(lái)說(shuō)，例如當(dāng)丟棄通信分組時(shí)，通信媒體32可導(dǎo)致量化和取樣影響、延遲和/或信息丟失。

通信媒體32、34的這些影響可包含到控制器14的模型30中。

具體來(lái)說(shuō)，通信媒介32、34可如下建模：設(shè)s(t)為跨通信媒介32、34所發(fā)送的信號(hào)，即，諸如負(fù)載電流、參考電流、循環(huán)電流或電容器電壓的變量26、28?？杉俣墒褂脷w一化值，使得s定義在[-1 1]中。

信號(hào)s(t)則可因經(jīng)由通信媒介32、34的傳送而作如下處理：

它可被取樣并且延遲非恒定或恒定時(shí)間T，從而導(dǎo)致s(t-T)。

它可被量化，從而導(dǎo)致q(S(t-T))，其中q是量化器算子（quantizer operator），定義為。量化誤差E和范圍R>0可被定義，使得。

最后，信號(hào)信息的一部分可能丟失?？啥x二進(jìn)制變量θ，其可以是確定性的或者隨機(jī)的，因?yàn)棣?0(數(shù)據(jù)丟失)和θ=1(數(shù)據(jù)被接收)。所接收信號(hào)則為。

考慮由通信媒介32、34所引入的影響，考慮影響的模型30可由下式來(lái)表示

，

其中是控制輸出變量28，其在經(jīng)由通信媒介34所處理之后應(yīng)用于轉(zhuǎn)換器12。

按另一種方式公式化，控制器14可通過(guò)下式表示為狀態(tài)x、控制輸入變量y和外源輸入變量v的值的函數(shù)F

。

一般來(lái)說(shuō)，完整控制器14可使用下列方式的一個(gè)或多個(gè)來(lái)設(shè)計(jì)。在攝動(dòng)方式中，信號(hào)量化和延遲可建模為誤差，以及可設(shè)計(jì)“健壯”控制器。在模型方式中，模型可用來(lái)重構(gòu)原始信號(hào)，以及控制器可基于這個(gè)估計(jì)來(lái)設(shè)計(jì)。在預(yù)測(cè)方式中，延遲可通過(guò)使用預(yù)測(cè)技術(shù)來(lái)補(bǔ)償。

圖3示出用于控制模塊化多電平轉(zhuǎn)換器12的方法的流程圖。

在步驟40中，在轉(zhuǎn)換器處以及在與轉(zhuǎn)換器相關(guān)的其他系統(tǒng)處收集控制輸入變量26。例如，電傳感器可收集來(lái)自轉(zhuǎn)換器以及轉(zhuǎn)換器所連接的電網(wǎng)的電氣數(shù)據(jù)。其他傳感器可收集機(jī)械數(shù)據(jù)，例如由轉(zhuǎn)換器12所供應(yīng)的驅(qū)動(dòng)的速度或轉(zhuǎn)矩。

在步驟42中，所收集數(shù)據(jù)經(jīng)由第一通信媒介32作為控制輸入變量26傳送給控制器14。

在步驟44中，控制器14如上所述基于轉(zhuǎn)換器12的模型30來(lái)確定轉(zhuǎn)換器12的實(shí)際狀態(tài)和至少一個(gè)控制輸出變量28。

模型30可考慮用于在第一和/或第二通信媒介32、34中傳送數(shù)據(jù)的時(shí)間延遲。

例如，模型30可知道恒定時(shí)間延遲，其例如可在控制器的測(cè)試階段中已測(cè)量。所接收控制輸入變量可移位這個(gè)恒定時(shí)間延遲，和/或所生成控制輸出變量可按照使得考慮用于將它們發(fā)送給轉(zhuǎn)換器14的恒定時(shí)間延遲的方式來(lái)預(yù)測(cè)。

此外，控制器12可確定第一和/或第二通信媒介32、34的非恒定時(shí)間延遲。例如，經(jīng)由第一和/或第二通信媒介32、34所傳送的數(shù)據(jù)在被發(fā)送時(shí)可被加時(shí)間戳，以及控制器可通過(guò)將時(shí)間戳與接收數(shù)據(jù)的時(shí)間進(jìn)行比較來(lái)確定時(shí)間延遲。所接收控制輸入變量可移位實(shí)際非恒定時(shí)間延遲。對(duì)于所傳送控制輸出變量28，時(shí)間延遲可從先前時(shí)間延遲來(lái)預(yù)測(cè)，以及所生成控制輸出變量28可按照使得考慮用于將它們發(fā)送給轉(zhuǎn)換器14的預(yù)測(cè)時(shí)間延遲的方式來(lái)預(yù)測(cè)。

另外地或備選地，模型30可考慮第一和/或第二通信媒介32、34中的數(shù)據(jù)丟失。例如，如果數(shù)據(jù)值在第一通信媒介32中丟失，則丟失的控制輸入值26可從轉(zhuǎn)換器12的模型30來(lái)估計(jì)。換言之，如果實(shí)際測(cè)量/收集的控制輸入值26是可用的，則它們用于評(píng)估模型，并且否則它們從存在的其他變量、例如從先前接收的控制輸入值26來(lái)預(yù)測(cè)/估計(jì)。

另外地或備選地，模型30可考慮第一和/或第二通信媒介32、34中的數(shù)據(jù)值的量化。例如，模型30可考慮所接收控制輸入值26可包含量化誤差，和/或所傳送控制輸出值僅可具有量化值。例如，量化控制輸出變量28的可能值可被認(rèn)為是對(duì)控制輸出變量的約束。

在步驟46中，控制輸出變量28經(jīng)由第二通信媒介34傳送給轉(zhuǎn)換器12?？刂戚敵鲎兞?8可包括開(kāi)關(guān)18的切換狀態(tài)，或者可包括控制值(例如相位電壓)，其被輸入到另外控制器(其從所接收控制值來(lái)確定切換狀態(tài))。

系統(tǒng)10還可考慮第二通信媒介34中的數(shù)據(jù)丟失。例如，用于將來(lái)的多于一個(gè)時(shí)間步的控制輸出變量28可從轉(zhuǎn)換器1的模型30來(lái)預(yù)測(cè)。如果控制輸出變量28在第二通信媒介34中丟失，則在先前時(shí)間步期間已經(jīng)傳送的控制輸出變量28(其也包含實(shí)際時(shí)間步的預(yù)測(cè))可用于控制轉(zhuǎn)換器12。

最后，將切換狀態(tài)應(yīng)用于轉(zhuǎn)換器單元16的開(kāi)關(guān)18。

在下面圖4至圖6中，示出控制器拓?fù)涞膶?shí)施例，其適合于實(shí)現(xiàn)如上所述的方法。

一般來(lái)說(shuō)，控制策略可以是集中的，其中實(shí)現(xiàn)單個(gè)控制器以生成作為控制輸出變量的轉(zhuǎn)換器單元的門(mén)信號(hào)命令(切換狀態(tài))，或者可以是分散的，其中可為至少平衡控制的任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)本地控制器。在兩種情況下，從控制器到轉(zhuǎn)換器或者轉(zhuǎn)換器單元16之間的通信可經(jīng)由通信媒體32、34來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖4示出遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)換器12實(shí)現(xiàn)的集中控制器14，其執(zhí)行全部控制任務(wù)，即，它直接經(jīng)由第一通信媒介32來(lái)接收控制輸入變量26的值，確定作為控制輸出變量28的開(kāi)關(guān)18的切換狀態(tài)，并且經(jīng)由第二通信媒介34直接向轉(zhuǎn)換器12應(yīng)用切換狀態(tài)。這將實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大計(jì)算平臺(tái)上的模型預(yù)測(cè)控制器的實(shí)現(xiàn)，該計(jì)算平臺(tái)適合計(jì)算的復(fù)雜度，并且沒(méi)有經(jīng)歷隨轉(zhuǎn)換器定位或者接近轉(zhuǎn)換器定位的控制器的空間限制和環(huán)境暴露(污垢、振動(dòng)、電壓)。網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)控制考慮可在通信網(wǎng)絡(luò)中對(duì)這種遠(yuǎn)程控制器位置發(fā)生的通信問(wèn)題，例如時(shí)間延遲、數(shù)據(jù)丟失或數(shù)據(jù)量化。

具體來(lái)說(shuō)，圖4所示的控制器14包括功率更高級(jí)或外環(huán)控制器50以及更低級(jí)或內(nèi)環(huán)控制器52(均遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)換器12)。功率控制器50接收作為控制輸入變量26的測(cè)量分支電流、測(cè)量電容器電壓和測(cè)量相位電壓。此外，功率控制器50接收參考功率54，并且從控制輸入變量26和參考功率54來(lái)確定作為中間參考變量56（其被輸入到內(nèi)環(huán)控制器52）的參考電容器電壓、參考單元電壓和/或參考循環(huán)電流，內(nèi)環(huán)控制器52確定作為控制輸出變量28的轉(zhuǎn)換器單元的切換狀態(tài)或者門(mén)信號(hào)。

圖4所示的拓?fù)淇捎糜诰哂写罅?例如多于500)轉(zhuǎn)換器單元16的轉(zhuǎn)換器12，其可需要具有高計(jì)算能力的控制器14。當(dāng)使用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)作為通信媒體32、34時(shí)，控制器14可以是遠(yuǎn)程控制器14。數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)32可把來(lái)自傳感器的測(cè)量傳送給控制器14，以及控制可考慮數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)32中的延遲、量化和/或丟失。數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)34可把來(lái)自控制器14的切換狀態(tài)或者門(mén)信號(hào)28傳送給轉(zhuǎn)換器單元16，以及控制器14可考慮數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)34中的已知固定延遲。

圖5示出具有控制器14的系統(tǒng)10，控制器14具有帶級(jí)聯(lián)控制器51、51’、53、53’的拓?fù)?。功率控制?1接收作為控制輸入變量26的測(cè)量分支電流、測(cè)量電容器電壓和測(cè)量相位電壓。此外，功率控制器51接收參考功率54，并且從控制輸入變量26和參考功率54來(lái)確定作為第一中間參考變量56’(其被輸入到電流控制器51’)的參考負(fù)載電流和參考循環(huán)電流。電流控制器確定作為第二中間參考變量56”的參考單元或電容器電壓。參考電容器電壓經(jīng)由通信媒體34傳送給調(diào)制器53，其確定作為第三中間參考變量56’”的參考相位電壓。將參考相位電壓輸入到平衡控制器53’，其確定作為轉(zhuǎn)換器單元的控制輸出變量28的切換狀態(tài)或者門(mén)信號(hào)。

功率控制器51和電流控制器51’遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)換器12來(lái)定位，而調(diào)制器53和平衡控制器53’與轉(zhuǎn)換器12一起配置。測(cè)量信號(hào)、例如電流和電壓可作為控制輸入變量26經(jīng)由無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)32從本地傳感器發(fā)送給控制器51?？刂破鞑糠?1、51’在具有所要求的計(jì)算能力的遠(yuǎn)程單元上實(shí)現(xiàn)。第二中間參考變量56”、即調(diào)制器和平衡控制器的單元或電容器電壓參考然后經(jīng)由無(wú)線(xiàn)通信媒介34從電流控制器51’發(fā)送給調(diào)制器53?？刂戚敵鲎兞?8最終經(jīng)由本地基于線(xiàn)路的通信部件發(fā)送給轉(zhuǎn)換器12。

在前文中，遠(yuǎn)程功率和電流控制器51、51’是用于慢系統(tǒng)動(dòng)態(tài)并且實(shí)現(xiàn)外、優(yōu)選地是模型預(yù)測(cè)控制環(huán)的更高級(jí)控制器50的一部分，而多個(gè)分散調(diào)制器和平衡控制器53、53’是用于快系統(tǒng)動(dòng)態(tài)并且實(shí)現(xiàn)內(nèi)控制環(huán)的更低級(jí)室、模塊或單元控制器52的一部分。更高級(jí)與更低級(jí)控制之間的交互以由第二通信媒體34所支持的速率發(fā)生。上級(jí)控制器50遠(yuǎn)離功率傳導(dǎo)轉(zhuǎn)換器部分(以超過(guò)1 kV的電壓)位于某個(gè)中央站中。上級(jí)控制器50優(yōu)選地位于清潔無(wú)振動(dòng)并且易于訪(fǎng)問(wèn)空間中，并且以地或大地電位連接到冷卻系統(tǒng)。上級(jí)控制可在一個(gè)計(jì)算機(jī)上或者在若干計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)，從而向分布在現(xiàn)場(chǎng)中的若干轉(zhuǎn)換器提供控制輸入。上級(jí)控制可包含轉(zhuǎn)換器的網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)控制NMPC，其中模型關(guān)于（respective of）任何缺點(diǎn)例如時(shí)間延遲、數(shù)據(jù)丟失或數(shù)據(jù)量化，其可在互連更高級(jí)轉(zhuǎn)換器控制器50和多個(gè)本地更低級(jí)室、模塊或單元控制器52的通信媒體34中發(fā)生。

圖6示意示出具有在其每個(gè)中安裝了多個(gè)轉(zhuǎn)換器模塊17的兩個(gè)室13、13’的模塊化功率電子轉(zhuǎn)換器。在本說(shuō)明書(shū)的上下文中，術(shù)語(yǔ)室指明具有支承框架以及專(zhuān)用室殼體和功率供應(yīng)的轉(zhuǎn)換器的可分離部分。轉(zhuǎn)換器模塊17包括具有功率電子半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)或閥的一至四個(gè)轉(zhuǎn)換器單元，該開(kāi)關(guān)或閥適合切換轉(zhuǎn)換器分支的功率導(dǎo)體(未示出)中以超過(guò)1 kV的電壓流動(dòng)的大電流。主干通信網(wǎng)絡(luò)3攜帶更高級(jí)轉(zhuǎn)換器控制器50與多個(gè)本地更低級(jí)室、模塊或單元控制器52之間的通信信號(hào)。更高級(jí)轉(zhuǎn)換器控制器50布置在包括模塊的室13、13’外部，即，在單獨(dú)室中或者以其他方式遠(yuǎn)離本地控制器。主干通信網(wǎng)絡(luò)3包含無(wú)線(xiàn)或基于功率導(dǎo)體的類(lèi)型的通信媒體32和34。

雖然在附圖和前文描述中詳細(xì)圖示和描述了本發(fā)明，但是這種圖示和描述要被認(rèn)為是說(shuō)明性或示范性而不是限制性的；本發(fā)明并不局限于所公開(kāi)的實(shí)施例。

從研究附圖、本公開(kāi)和所附權(quán)利要求書(shū)，對(duì)所公開(kāi)的實(shí)施例的其他變更是本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解和實(shí)現(xiàn)，并且實(shí)施要求保護(hù)的本發(fā)明。在權(quán)利要求書(shū)中，詞語(yǔ)“包括”并不排除其他元件或步驟，以及不定冠詞“一”或“一個(gè)”并不排除多數(shù)。單個(gè)處理器或控制器或者其他單元可完成權(quán)利要求書(shū)中所陳述的若干項(xiàng)的功能。在互不相同的從屬權(quán)利要求中陳述某些措施的事實(shí)并不指示這些措施的組合不能有利地使用。權(quán)利要求書(shū)中的任何參考標(biāo)號(hào)不應(yīng)當(dāng)被理解為限制范圍。