本发明涉及高电压直流(HVDC)电力输送领域。更特别地，本发明涉及DC/DC转换器装置的非线性控制。
背景技术：
：目前在大量的电力网络工程中都在研究可再生能量的大规模生产，这些工程中的能量源与消耗体相距几十甚至几百千米。有建议使用风能或潮汐能以产生离岸发电场，从而得益于有利的气流或洋流以及更大的可用面积。目前通过位于广阔的荒漠地区中的太阳能发电厂来利用光电能。这些发电厂或发电场由大量的能量源(风力涡轮机、潮汐发电机、太阳能板)以及相关的电力电子设备构成。这样的发电厂的电力电子设备通常经由使用交变电流(AC)的三相线被连接到远程电力分配网络。然而，最新发展旨在使用HVDC线代替AC线。术语“高电压”指的是大于10千伏(kV)的电压。通过使用高电压直流线得到很多的优点。这些优点包括：仅需要两个导体而不是针对AC的三个导体；DC电力传输线中的容性电流非常小；高电压的使用可以减小电缆传输的电流，并由此减小由于焦耳(Joule)效应导致的传输线中的损耗；以及HVDC的使用消除了在使用多个AC源时遇到的同步问题。此外，已知对于离岸发电厂而言，只有HVDC线能够被用于超过60千米(km)的海底连接。图1a为当能量源为风力发电场时使用HVDC传输线的电力网络的框图。网络1由风力发电场类型的能量源10组成，能量源10在取决于风的强度的功率水平上以低电压传递三相AC。电力网络1包括AC/DC转换器或整流器20，以及低电压DC/高电压DC转换器30。转换器20和30被安装在风力发电场附近的水下平台中。AC/DC转换器20将能量源10所提供的三相AC电压转换为单相DC电压。DC/DC转换器30将来自整流器20的输出端的低电压DC转换为高电压DC，从而将其注入HVDC电缆40，例如，长度为几百千米的电缆。这些电缆被连接到基于海岸的DC/AC转换器50(或换流器)，从而使得可以将电力以三相AC形式提供给电力分配网络60。图1b为当能量源为太阳能发电厂时使用HVDC传输线的电力网络的框图。图1b和1a中所述的具有相同附图标记的网络的各个组件具有相同的功能并因而不再赘述以求简明。在图1b中，网络1由太阳能发电厂类型的能量源10'组成，该来源以取决于太阳光总量的功率水平传递低电压DC。电力网络1包括一DC/DC转换器20'(及其控制装置)，该DC/DC转换器20'实时地实现用于太阳能发电厂的最大功率点跟踪(MPPT)技术。DC/DC转换器30将DC/DC转换器20'输出端的低电压DC转换为高电压DC。在图1a和1b所示的视图中，转换器30是双向的。该特性是基本的，因为该特性使得动态能量存储能够实现，从而为电力分配网络60传递恒定电力，而不考虑能量源提供的电力的变化并且不考虑能量需求的变化。因此，存储电池组70a、70b被分别放置在DC/DC转换器30的低电压侧和高电压侧以实现动态能量存储。转换器30的双向特点被进一步用于对所述存储电池组进行充电。当电源为太阳能发电厂类型时，存储电池组70a还被用于实时地实现最大功率点跟踪技术。应当注意到，目前进行的有些研究旨在设计出一种能够从多个能量源接收电力的双向DC/DC转换器30，从而通过HVDC电缆40将电力总量转移到电力分配网络60。该研究尝试利用可再生能量源的互补性。图1c为当能量源包括例如彼此相距几千米远的太阳能发电厂和风力发电场时使用HVDC传输线的电力网络1的框图。图1c、1b和1a中所述的具有相同附图标记的网络的各个组件具有相同的功能并因而不再赘述以求简明。在网络1中，DC/DC转换器从多个能量源接收低电压DC并且将高电压转移到电力分配网络60。能够想到针对双向DC/DC转换器的各种拓扑结构，以实施低电压DC/高电压DC转换器30的功能。双有源桥(DAB)拓扑最近成为了深度研究的主题，因为它使得软切换技术能够得以实现(也被称为自发切换)并且因为它对杂散电感不敏感。此外，该拓扑结构使用一在低电压与高电压之间有利地提供隔离的变压器。最后，DAB拓扑的优点在于使得可以实现基于使用任意占空比的调制技术，从而减小变压器的无功功率以及切换损耗。可以使用零电压切换(ZVS)或零电流切换(ZCS)来操作开关以减小切换损耗。图2中示出了DAB拓扑中的DC/DC转换器的一个示例。该DC/DC转换器包括被对称地安装并且被变压器21所隔离的两个双向DC/AC转换器20a、20b，该变压器21包括有初级21a、次级21b以及漏电感21c。举例来说，变压器21基于单一磁芯，该单一磁芯在芯的两个分支中具有线圈。一个双向DC/AC转换器20a连接到初级21a的端子，同时另一双向DC/AC转换器20b连接到次级21b的端子。变压器的变压系数m大于或等于1，以使得连接到次级的端子处的双向DC/AC转换器20b被称为“高电压转换器”。与之相反，另一个双向DC/AC转换器被称为“低电压转换器”20a。如果DAB拓扑DC/DC转换器被整合到图1a或1b的图中，则低电压转换器20a连接到整流器20或者DC/DC转换器20'的输出端并且在其端子处具有电压Vin，而高电压转换器20b连接到HVDC线40并且在其端子处具有电压Vout。高电压转换器20b和低电压转换器20a中的每个都包含多个单相桥式配置的开关。因此，低电压转换器20a包括四个开关J1、J2、J3和J4以及一个电容器C1。开关J1和J3位于第一臂中，而开关J2和J4位于第二臂中。谐振电容器C1在桥的输入端与第一臂并联连接。初级21a通过开关J1和J3之间的第一节点以及开关J2和J4之间的第二节点连接到低电压转换器20a。高电压转换器20b包括四个开关J5、J6、J7和J8以及一个电容器C2。开关J5和J7位于第二臂中，而开关J6和J8位于第一臂中。谐振电容器C2与第一臂并联连接。次级20b通过开关J6和J8之间的第一节点以及开关J5和J7之间的第二节点连接到高电压转换器20b。开关J1、J2、J3、J4、J5、J6、J7和J8为传统的双向场效应晶体管(FET)。开关的双向性以及变压器21的使用赋予DAB拓扑DC/DC转换器双向特性。变压器的大小为L的漏电感21c在切换周期T期间作为低电压DC/AC转换器20a与高电压DC/AC转换器之间的能量转移部件。为此，还可以在初级与低电压转换器20a之间串联连接或并联连接一个线圈。DAB拓扑DC/DC转换器的开关借助于控制电路进行控制。当DAB拓扑DC/DC转换器被用于将电力从低电压转换器20a转移到高电压转换器20b时，对低电压转换器的开关J1、J2、J3和J4进行控制以在切换周期T期间将低电压转换器20a的端子处的电压Vin转换为初级21a处的AC电压V'in。低电压DC/AC转换器中的电流i1因此为正。对高电压转换器20b的开关进行控制以在相同的切换周期T期间将次级21b的端子处的AC电压V'out转换为高电压转换器20b的端子处的DC电压Vout。应当理解的是，在DAB拓扑DC/DC转换器被用于将电力从高电压转换器20b传递到低电压转换器20a时操作是对称的。在此情况下，低电压DC/AC转换器中的电流i1为负。上述DAB拓扑DC/DC转换器无法使得电力通过HVDC线从多个可再生能量源转移到电力分配网络。此外，在HVDC电力网络中整合DAB拓扑DC/DC转换器受到其在低功率和高功率下的低效率的限制。作为说明，当DAB拓扑DC/DC转换器被用于转移大约1兆瓦(MW)的电力时，低电压转换器20a在其端子处具有大约1000伏特(V)的电压以及1000安培(A)的电流，并且高电压转换器20b在其端子处具有大约10000V的电压以及100A的电流。因此，对于至少1MW的电力转移，DC/AC转换器的开关必须经受非常高的电压。这要求所选择的晶体管具有非常高的阻断电压以减小DC/DC转换器的开关的导通损耗。然而，目前使用碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)技术或者SiC结型场效应晶体管(JFET)技术的特定晶体管模型所达到的阻断电压大约为1.2kV。然而，SiC技术的发展已经见到SiCMOSFET和SiCJFET中的阻断电压分别明显增大到10kV和6.5kV。然而，这些数值仍然差强人意并且使得DAB拓扑无法用于在高电压DC/AC转换器输出端处具有大约几十千伏的电压的DC/DC转换而不存在损坏晶体管的风险。因此，对于超过一兆瓦(1MW)的电力转移，DAB拓扑DC/DC转换器的转换效率很低。此外，针对电源理论上可以提供的最大功率来标定晶体管的尺寸。然而，电源提供的功率取决于外界条件(风力、洋流、太阳光量)，并且该功率大部分时间都小于理论最大值。晶体管因此具有相当大的切换损耗，该切换损耗降低了DAB拓扑DC/DC转换器的效率。现有技术中想到的对于将DAB拓扑用于大功率DC/DC转换器的一个解决方案是制作多级DC/DC转换器，其中n个相似的DAB转换器并-串放置，其中n≥2。术语“相似”在此意味着各个级中每一个的电子元件都相同。更加确切地，图3示出了一个两级DC/DC转换器30″的视图，其中每一级对应于一个参照图2所述的DAB拓扑双向DC/DC转换器30'。在该图中，多级转换器接收电压Vin以及电流iin-total。在输出端，多级转换器产生电压Vout-total和电流iOUT。两级的DC/AC低电压转换器的输入端串联连接，以使得每一级接收相同的电压Vin和等于的电流iin。每一级都作为一个电压提升器，因为每一级都对低电压DC/AC转换器处接收的输入电压Vin乘以转换系数m，其中，m>1。在每一级的高电压DC/AC转换器的输出端处的电压因而为Vout＝m.Vin。每一级的高电压DC/AC转换器的输出端都并联连接，以使得在电流下获得多级转换器的输出端处的电压Vout-total＝m.n.Vin。这样的配置的优点在于，转换器输出端处的电压Vout-total等于n级中每一级的输出端处的电压Vout的总和。通过适当地选择数值n和转换系数m，可以得到高电压Vout-total，同时对每一级的高电压DC/AC转换器和低电压DC/AC转换器各自的开关所要经受的最大电压或最大电流进行限制。因而可以使用商业上已经可用的晶体管。更加确切地，对n和m的值进行选择以便对每一级中的切换损耗和导通损耗进行限制并且降低晶体管击穿的风险。最后一点对于应用到离岸风力发电场的水下电力电子设备是特别有利的，应当明白在需要进行修理的情况下是非常难于到达该电力电子设备的。相比之下，在使用诸如可再生能量源之类的非线性电压源以DC电流传送很高电力的背景下，可以保证对这样的双向DAB拓扑多级DC/DC转换器进行强健控制的控制系统目前尚不存在。DAB转换器的控制必须确保DC/DC转换非常稳定，这是确保参照图1a、1b和1c所述的电力网路的整体稳定性的必要条件。例如，如Mura等人在IEEE中的题目为“StabilityAnalysisofHigh-PowerDCGrids”(大功率DC电网的稳定性分析)的论文所述，不稳定的来源是来自于转换器的电子元件的不平衡、失真以及其它干扰。因此，参照图1a、1b和1c，使用脉冲宽度调制(PWM)类型的调制技术进行控制的AC/DC转换器20或DC/AC转换器50除将导通谐波除DC注入元件之外还可将其注入网络中。之后可能出现振荡导致谐振以及DC/DC转换中的稳定性的问题。本发明的一个目的在于提供一种双向多级DC/DC转换器及其非线性控制，适合于在至少一个能量源与一电力分配网路之间转移电力。技术实现要素：该目的通过一种包括n个转换级的多级DC/DC转换器来达到，n大于或等于2，其特征在于，所述转换器适合于以双向方式在至少一个单独DC电压源与一DC电压网络源之间转移电力，所述网络源的电压大于所述单独电源中的每个的电压，所述转换级中的每个包括：转换器模块，适合于以双向方式在首先所述单独DC电压源之一与其次所述DC电压网络源之间转移电力，所述转换器模块包括一具有初级绕组和次级绕组以及漏电感的变压器，所述变压器的变压系数大于1，所述模块进一步包括第一转换器和第二转换器，所述转换器中的每个在单相桥式配置中包括多个栅极受控双向开关用于将DC电压转换为AC电压，所述第一转换器被连接到所述初级的端子，所述第二转换器被连接到所述次级的端子，所述初级在其端子处具有第一AC电压并且所述次级在其端子处具有第二AC电压，所述第一转换器在其端子处具有由单独电源给予该单独电源所连接的端子的第一DC电压，并且所述第二转换器在其端子处具有所述网络源给予的第二DC电压；以及在所述级的每个中皆相同的控制模块，所述控制模块被连接到所述转换器模块的开关的栅极处以在切换周期T期间对所述开关的切换状态进行控制，所述控制模块将所述第一转换器中的电流的值与参考电流进行比较，并且被配置为对因通过切换所述开关而在所述变压器的所述初级处的AC电压与和次级处的AC电压之间引起的相位偏移依据所述比较的结果进行调整，从而对所述转换器模块所输送的电力进行调整；所述多个级的第二转换器被并联设置，在所述第二转换器的输出处的n个电压的总和等于网络源的电压。较优地，至少两个转换器模块被连接到同一单独电压源。根据本发明，参考电流的值由CPU模块传送到所述n个控制模块中的每个。有利地，本发明的转换器包括至少一个备用级，所述备用模块的控制模块的参考电流的值为零。附图说明通过阅读参照附图对本发明的优选实施例进行的描述，本发明的其它特点和优点得到体现，在这些附图中：图1a如上所述为当能量源为风力发电场时使用HVDC传输线的电力网络的框图；图1b如上所述为当能量源为太阳能发电厂时使用HVDC传输线的电力网络的框图；图1c如上所述为当能量源为风力发电场以及太阳能发电厂时使用HVDC传输线的电力网络的框图；图2如上所述为DAB拓扑结构的DC/DC转换器的电路图；以及图3如上所述为DAB拓扑结构的多级DC/DC转换器的电路图。具体实施方式构成本发明基础的理念为设计一种用于HVDC应用的双向DC/DC多级转换系统，该系统使用DC/DC转换器模块以及独立的控制模块。本发明的转换系统被设计为并入电力网络中，从而(以双向方式)将一个或更多的低电压DC转换为适用于经由HVDC线输送到电力分配网络的高电压DC。本发明的多级转换器的模块化提供了一种即插即用型的方法，因为DC/DC多级转换器的每一级都独立于其它级，并且为了对一级进行安装或卸载所需执行的干预/参数设定因此达到最小。此外，级控制的独立性使得可以在不对本发明的多级DC/DC转换器的稳定性造成影响的情况下禁用/激活某一级。更加准确地，参照图1a、1b、1c和图2对本发明的DC/DC多级转换器进行描述。多级DC/DC转换器适合于以双向方式在至少一个单独的DC电压源以及单一的DC电压网络源之间输送电力。网络源的端子处的电压大于单独的电压源的端子处的电压。参照图1a、1b和1c，网络源可以包括存储元件70b和电力分配网络60，电力分配网络60经由HVDC电缆40和转换器50连接到多级DC/DC转换器。因此，DC网络源能够从多级DC/DC转换器接收一个DC电压，但是还能够向多级DC/DC转换器提供一个DC电压。参照图1a、1b和1c，单独的DC电压源可以包括存储元件70a和能量源10、10'以及能量源的提供一个低电压DC的电力电子设备。单独的DC源则能够从多级DC/DC转换器接收一个DC电压，但是还能够向多级DC/DC转换器提供一个DC电压。举例来说，能量源是诸如风力发电厂、潮汐能发电站甚至是太阳能发电厂之类的可再生能量源。DC电压的单独电源还可以是用于存储电力的元件。多级DC/DC转换器包括n级，其中n≥2。每一级都以相同方式配置并且包括转换器模块和控制器模块。转换器模块包括参照图2所述的DAB拓扑DC/DC转换器。转换器模块适合于以双向方式在单独DC电压源中其所连接的那一个与DC电压网络源之间输送电力。第k级的(1<k≤n)转换器模块的低电压DC/AC转换器20a连接到变压器21的初级21a的端子并且在该端子处具有第一DC电压Vin-k，单独电源将该第一DC电压Vin-k给予所连接的端子。第k级的(1<k≤n)转换器模块的高电压DC/AC转换器20b连接到次级21b的端子并且在该端子处具有第二DC电压Vout。第k级的(1<k≤n)转换器模块的变压系数m大于或等于1。较优地，选择m以使其满足其中，Vin-max为单独电源所能提供给该单独电源所连接的第k级转换器模块的最大DC电压。对于m的数值选择使得可以在高电压DC/AC转换器20b的开关J5、J6、J7和J8中实现零电压切换技术。在本发明中，n个转换器模块中的全部高电压DC/AC转换器20b并联连接，以使得高电压DC/AC转换器20b的n个输出电压的总和Vout等于网络源所提供的电压Vout-total。因此，当电力从单独电压源转移到网络源时，本发明的多级DC/DC转换器使得可以从一个或更多单独电压源处得到一个高电压Vout-total。此外，当电力在相反方向上转移时，本发明的多级DC/DC转换器使得可以从传送电压Vout-total的单一电源来为单独电压源中的每一个提供DC电压。由此可以通过网络的存储元件来实现动态能量存储。较优地，每个转换器模块的尺寸取决于该转换器模块所连接的单独电压源。因此，一个转换器模块的部件和变压器的选择可以不同于另一个转换器模块。在本发明的一个实施例中，多级DC/DC转换器的n级中至少两级具有相同的单独电压源，以减小施加于该至少两级转换器的各自的开关J1、J2、J3、J4、J5、J6、J7和J8上的尺寸约束。这些模块中实现的转换效率因此通过减少切换过程中的损耗以及减少晶体管导通损耗来提高。具有相同的单独电压源的多个级的低电压DC/AC转换器因此串联连接。优选地，具有相同的单独电压源的转换器模块的部件相类似。在本发明中，每一级包括专用于该级的转换器模块的控制模块。“专用于”意味着该控制模块仅连接到一个转换器模块。更加确切地，控制器模块连接到转换器模块的开关J1、J2、J3、J4、J5、J6、J7和J8的栅极以控制开关的切换状态。控制模块确保转换器模块的健壮的非线性控制以在HVDC网络中对多级转换器进行优化利用，同时使得转换为双向的。在控制模块的结构方面以及对于其中所实现的控制算法而言，每一级中的控制模块都类似。因此，控制算法仅针对单级实施使得转换器模块的实现变得简单，这是因为多级DC/DC转换器被设计为在各个级中具有相同的模块这一事实使得对其它级的控制也相同，这些相同的模块从控制的观点而言是独立的。转换模块的开关是电压控制的，并且举例来说，这些开关是MOSFET、JFET甚至是IGBT型晶体管。对控制算法进行开发以使得控制模块向转换器模块发送一个设定点，以使得转换器模块的低电压DC/AC转换器20a中的电流值i1等于参考电流值，记作im1-ref。所发送的设定点是转换器模块的变压器的初级21a处的AC电压，记作V'in，与次级21b处的AC电压，记作V'out之间的相位偏移d。这两个AC电压之间在切换周期T上的相位偏移通过依据i1与im1-ref之间的比较结果对转换器模块的开关进行切换来得到，对开关进行切换的方式便于对转换器模块所输送的电力进行调整。参考电流im1-ref的符号可以引导电力流动，同时其值对所输送的电力水平进行调整。更加确切地，并且对于多级DC/DC转换器的一级而言，如果im1-ref>0，则电力转移从单独电源朝向网络源进行。如果im1-ref<0,则电力转移从网络源朝向单独电源进行。当im1-ref为零时，则该级被禁用。电流i1值的不稳定性尤其可能来自于由单独电压源和/或由网络源提供的电压的不平衡或者波动，甚至来自于切换损耗。属于每级的参考电流值im1-ref通过中央处理单元(CPU)模块传递到每个控制模块。较优地，用于对具有相同的单独电压源的转换器模块进行控制的控制模块接收相同的参考电流值。以下就用于本发明的一个优选实施例中的转换器模块的开关的一个示例调制方案对控制算法的设计进行说明。调制图的实现使得在切换周期T期间漏电感的端子处的平均电流为零，以此方式消除变压器以及电感的短路和过载现象。下述调制方案仅以示例方式给出，并且本发明中实现的算法的设计原理对于其它调制方案有效。转换器模块的整体动态特性借助于状态空间平均建模技术进行分析。为了实现所述技术，转换器模块的建模将每个开关的导通电阻考虑在内以考虑晶体管J1、J2、J3、J4、J5、J6、J7和J8的导通下的损耗。此外，单一类型的晶体管被用于低电压DC/AC转换器20a的开关J1、J2、J3和J4以及单一类型的晶体管被用于高电压DC/AC转换器20b的开关J5、J6、J7和J8。因此，导通电阻RDSon1与每个开关J1、J2、J3和J4串联连接，并且导通电阻RDSon2与每个开关J5、J6、J7和J8串联连接。当电力转移从转换器模块的低电压转换器20a指向高电压转换器20b时，初级21a接收一个AC电压V'in并且变压器21将电压V'in变换为次级21b处的电压V'out，其中V'in<V'out。在此情况下，d>0并且以下在表1中给出开关的状态，其中，术语“导通”指的是开关有电流流过的状态，并且术语“关断”指的是开关的阻断状态。间隔J1J2J3J4J5J6J7J8[0,d.T]导通关断关断导通关断导通导通关断[d.T,T/2]导通关断关断导通导通关断关断导通[T/2,(1/2+d).T]关断导通导通关断导通关断关断导通[(1/2+d).T,T]关断导通导通关断关断导通导通关断表1当电力转移从转换器模块的高电压转换器20b指向低电压转换器20a时，次级21b接收一个AC电压V'out并且变压器21将电压V'out变换为初级21a处的电压V'in，其中V'in<V'out。在此情况下，d<0并且以下在表2中给出开关的状态：间隔J1J2J3J4J5J6J7J8[0,|d|.T]导通关断关断导通导通关断关断导通[|d|.T,T/2]导通关断关断导通关断导通导通关断[T/2,(1/2+|d|).T]关断导通导通关断关断导通导通关断[(1/2+|d|).T,T]关断导通导通关断导通关断关断导通表2在切换周期T内实现转换器模块的状态空间平均建模。以下示出，在该时间T内，低电压DC/AC转换器中的平均电流im1由具有常系数的一阶线性微分系统来支配，使得：其中，用于控制转换器模块的控制算法借助于Lyapunov(李亚普诺夫)的稳定性理论来实现。所选择的严格为正的Lyapunov能量函数如下：其中，Eim1＝(im1-im1-ref)为调节误差。根据Lyapunov的理论，函数Qim1的稳定性对于以下条件稳定：假定：其中，im1≥0并且im1≥0。用于确保转换模块稳定的充分条件是选择αiL>0且βiL>0。数值αiL和βiL尤其取决于转换器模块的电子部件并且通过计算机模拟进行估算。已经表明，每个控制模块中实现的控制算法由下式给出：其中，若im1-ref<0，则S1＝0且S2＝1；若im1-ref>0，则S1＝1且S2＝0；若im1-ref＝0，则S1＝0且S2＝0该算法通过控制模块的逻辑电路来实现。CPU模块包括通信模块以便与网络的运营者通信。较优地，网络运营者提供一待给予控制模块的参考电流。在一个变型中，CPU模块是一个独立模块，该独立模块根据网络运营者所提供的待转移的电力对施加到控制模块上的参考电流进行计算。DC/DC多级转换器中的一级在im1-ref≠0时能够被立即激活，或者当im1-ref＝0时能够被禁用。尤其是，该特点使得可以依据所要转移的电力水平来调适DC/DC多级转换器。有利地，本发明的多级转换器包括至少一个备用或后备级。备用级是使得其中的转换器模块的开关仅在网络运营者的命令下进行切换的一级。尤其可以激活该备用级以代替要禁用的某缺陷级。当本发明的转换器系统被安装在明显难以接近的水下平台上时，备用级的安装则格外有利。本发明的转换器的模块化，尤其是对于每一级的单一和独立的控制，则避免了维护干预，并且各个级很容易被远程激活或禁用。有利地，本发明的转换器包括大约20％的备用模块。当前第1页1 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