基于优化脉冲图案的电转换器的控制的制作方法

本发明涉及高功率转换器的控制的领域。特别地，本发明涉及用于基于优化脉冲图案而操作电转换器的方法和控制器。此外，本发明涉及由此种方法和/或控制器控制的转换器系统。

背景技术：

高功率电转换器用于将不同振幅和频率的电压(例如AC和DC电压)转换成另一电压。在此类转换器中，半导体开关根据由控制器确定的特定图案进行切换以实现电压转换。

用来控制此种转换器的一个可能性是预计算的优化脉冲图案(optimized pulse pattern)(OPP)，其可用来对转换器的电流和电压的谱进行整形。传统基于OPP的方法依赖外部控制环来提供用来读取离线计算的切换角的调制指数参考。这些切换角随后被直接应用到半导体开关。

此种方法可具有若干缺陷。例如，由于慢的调制指数控制环，动态性能可以是差的。而且，在改变调制指数时，OPP角可不得不慢慢改变，即，几乎是连续的。平滑OPP角的必要性大大限制了在操作范围内可实现的电流和电压谱。

因此，在EP 2469692 A1中，基于模型预测控制，修改了优化脉冲图案。预计算的OPP切换角被在线修改以便遵循磁链轨迹(flux trajectory)。此模型预测控制方法可解决上面提及的两个问题，并且可很好地适合用于机器侧应用。

然而，对于电网侧应用，可以优选的是可直接控制电流。在用于电网侧的基于磁链的方法中，电流参考可必须被变换成电压参考，并且随后随着时间的过去被积分以生成磁链参考。以这样的方式，生成电压参考可要求很好地了解电网电压和阻抗及在电网与转换器之间互连的变压器的参数。

与在电网侧上基于磁链的控制有关的另一问题可以是通过对电压参考进行积分来生成磁链参考能够在发生电压振幅的突然改变时造成持续偏离中心的磁链轨迹。例如，对于电网电压骤降，情况便是如此。

EP 0504449 A1涉及用于电转换器的控制方法，其中基于电压参考来修改OPP。

Lacynsky T.等人所著“Modulation Error Control for Medium Voltage Drives with LC-Filters and Syn-chronous Optimal Pulse Width Modula-tion”(INDUSTRY APPLICATIONS SOCIETY ANNUAL MEETING,2008.IAS'08.IEEE,IEEE,PISCATAWAY,NJ,USA,2008年10月5日)涉及了一种模拟，并且描述了通过消除不合需要的谐波，可优化预计算的优化脉冲图案(在第3页上的“Definition and Calculation of Modulation Error”章节)。调制误差可基于优化问题的分析解决方案(在第4页上的“Modulation Error Control by the LQR Controller””)被校正，或者直接通过最小化能量函数(在第4页上的“Modulation Error control by the Ljapunow Controller”)被校正。

技术实现要素：

本发明的目的是要提供用于电转换器的简单、快速和可靠的控制方法。本发明的另外目的是要提供特别适合用于电网侧控制器的控制方法。

这些目的通过独立权利要求的主题而得以实现。根据从属权利要求和下面的描述，另外示范实施例是显而易见的。

本发明的方面涉及用于操作电转换器的方法。方法可在控制器中的硬件和/或软件中实现。

根据本发明的实施例，方法包括：从用于电转换器的基波电压参考中确定优化脉冲图案，其中优化脉冲图案从第一查找表中确定，并且包括在预定义的切换时刻改变的离散电压振幅值；基于第二查找表，从基波电压参考中确定谐波含量参考，其中谐波含量参考是从电转换器的电流的频谱确定的谐波电流参考，或者谐波含量参考是通过应用一阶频率滤波器到电压而确定的滤波电压参考，在优化脉冲图案被应用到电转换器时，所述电流或电压被生成；通过从谐波含量参考减去电转换器的估计和/或滤波输出电压和/或估计的输出电流来从谐波含量参考中确定谐波含量误差；通过对切换时刻进行时移来修改优化脉冲图案，使得基波电压参考和/或电流参考(根据其可确定基波电压参考)被跟踪，并且谐波含量误差通过时移的切换时刻被校正；以及应用修改的优化脉冲图案到电转换器的半导体开关。

方法基于两个查找表。

在第一查找表中，存储优化脉冲图案。可已离线计算这些优化脉冲图案(其可被视为参考电压图案)。基于例如可作为电压幅值和频率提供的基波电压参考，选择一个电压参考图案。

在第二查找表中，存储谐波含量参考。这些谐波含量参考在特定优化脉冲图案被应用到转换器时为电转换器的行为建模。而且，可已离线计算谐波含量参考。例如，转换器的模型可已被用来为特定优化脉冲图案计算谐波含量参考。以这样的方式，没有必要在线评估转换器的模型以确定转换器中特定量(例如输出/输入电压/电流)的谐波含量。

谐波含量参考可作为在查找表中的时间点/值对被存储在查找表中。谐波含量参考的轨迹的中间点可以通过内插从此时间点/值对中确定。

根据谐波含量参考，通过比较谐波含量参考和转换器的估计的输出值(例如估计和/或滤波输出电压和/或电流)来确定谐波含量误差。估计的输出值可从在电气系统中的测量直接或间接计算。

不得不注意的是，谐波含量参考和/或谐波含量误差可以是离散时间轨迹，即，可提供为在离散时间点的值。此外，这两个量可取决于(up to)预测时域来提供，其例如可以是在将来的时刻的具体数量。

此外，谐波含量参考可指基波频率和指从优化脉冲图案中确定的电压信号的更高阶谐波的频率。也可以有可能的是，基波频率不是谐波含量参考的一部分。通常，在本上下文中的谐波含量可指可由转换器实现的信号。信号的基波分量可由要求的基波电压/电流参考提供，并且剩余分量(和/或谐波)可基于优化脉冲图案来确定。

随后，谐波含量误差用来以这样的方式修改电压参考图案，以致于校正谐波含量误差。换而言之，电压参考图案被修改，使得受控的滤波电压和/或电流的基波分量的误差被最小化，并且由转换器生成的实际谐波含量根据优化脉冲图案被整形。电压参考图案以这样的方式被修改，以致于在时间上移动指示何时输出电压不得不切换到另一电平的时刻。

通过该方法，可确保通过保持变量集在给定范围内，转换器安全且可靠地操作，它紧密地跟进与有功和无功功率有关的任意电参考，并且它根据预计算的电压参考图案，产生确定性的电压和电流谱。此外，可简单地安装和调试此种方法。即，只不太多的工作是必需的以便定制方法或对应控制器到具体电气系统。

根据本发明的实施例，通过最小化成本函数，校正谐波含量误差，成本函数包括在谐波含量误差中的二次项和在切换时刻的时移中的二次项。与处罚变得太大的时移的项一起，可最小化也间接取决于来自时移的估计的值的谐波含量误差。

根据本发明的实施例，在预测时域结束的时间窗口中应用时移。为最小化谐波含量误差，控制器可只对取决于预定义的预测时域的时移进行修改。成本函数可基于在预测时域结束时的谐波含量误差，即，可在预测时域结束时被评估。

根据本发明的实施例，受制于切换时刻的顺序不改变的约束，最小化成本函数。电压参考图案(优化脉冲图案)可已相对于诸如损失的其它目的被优化。为保持电压参考图案的这些属性，也可有益的是保持切换时刻的顺序。电压参考图案不应在修改后失去其通式。

根据本发明的实施例，通过解二次规划来最小化成本函数。此二次规划可在控制器中在线求解。也有可能在分析上在线解此二次规划和在控制器中实现所得到的等式。通过这些等式，可基于优化脉冲图案和谐波含量误差，计算时移。

根据本发明的实施例，方法还包括：从基波电流参考(例如，由外部控制环提供)和估计的电网电压中确定基波电压参考。通过该方法，有可能直接控制电转换器的电流。这对于通常经由电网电流而不是经由磁链控制的有源整流器是有益的。

根据本发明，谐波含量参考是从转换器的电流的频谱中确定的谐波电流参考，其在电压参考图案被应用到转换器时被生成。例如，可离线模拟转换器，并且可计算在应用具体电压参考图案时生成的电流。从此电流中，可确定(例如，通过离散傅立叶变换)频谱。电流的更高阶贡献(contribution)(无基波频率分量)可保存在按基波分量编入索引的第二查找表中。更高阶贡献可被视为在基波分量上的波纹。

在线地，即，在转换器的操作期间，可从第二查找表中读取更高阶贡献，并且将其加上基波电流参考。随后，通过减去例如从测量中确定的估计的电流，可确定误差。

总之，通过加上两个分量：基波分量(作为电流参考)和波纹或谐波分量，可在线计算最佳电流轨迹(作为谐波含量参考)。基波分量可通过某一外环(例如DC链路电压控制环)提供。波纹分量可由第二查找表和由电网阻抗提供。在实际的估计电流与最佳电流轨迹之间的差随后可用来校正优化脉冲图案的切换时刻。注意，在此情况下，无需在电流环中具有外部控制器。这可简化调试工作，可增大解决方案的鲁棒性，并且可增大控制器带宽。

此外，以这样的方式，控制器可沿最佳轨迹(而不是磁链轨迹)直接调节电流。

也要注意的是，在电流中的基波和谐波含量可作为单个量处理。由于不要求用来分隔基波和谐波含量的特殊滤波器和规程，因此，这可简化实现。

根据本发明，谐波含量参考是通过应用一阶频率滤波器到电压来确定的滤波电压参考，电压在应用优化脉冲图案到转换器时被生成。也有可能使谐波含量分析基于转换器电压。

例如，可离线模拟转换器，并且可计算在应用具体电压参考图案时生成的电压。随后，可通过一阶频率滤波器对此电压进行滤波以提取电压的谐波含量。滤波电压随后可被存储在第二查找表中。

根据本发明的实施例，谐波含量误差是滤波电压参考与估计的滤波电压的差，其中通过在线应用一阶频率滤波器到电转换器的估计的输出电压，确定估计的滤波电压。

在线地，可例如基于基波电压参考，从第二查找表中读取谐波含量参考。此外，通过应用与离线应用到滤波电压参考相同的一阶滤波器到可从在转换器中的测量确定的实际的估计电压，可确定实际的估计滤波电压。随后，可将滤波电压参考和估计的滤波电压的差用作谐波含量误差。

根据本发明的实施例，从基波电流参考和由诸如PI控制器的外部控制器提供的误差中确定基波电压参考。在谐波含量参考和谐波含量误差基于滤波电压时，可能必需通过外部控制器来校正基波电压参考，外部控制器基于在基波电流参考与估计的输出电流之间的差，确定与基波电压的偏离。

注意，以基于电流的谐波含量参考的方法可不需要外部控制器和用于电流控制的对应控制环。由于甚至在存在电网电压扰动的情况下，所得到的快速控制环也允许DC链路电压保持在更严格的范围内，因此，这可以是有益的。这导致更安全和更鲁棒的操作和更少的跳闸事件。由于调谐参数的更少数量，它也降低了调试的时间和复杂性。

根据本发明的实施例，已通过电转换器的模型离线计算在第一查找表中的优化脉冲图案。如已经提及的，受制于诸如最小化损失的具体优化目的，优化脉冲图案可以是已离线计算的(常规)优化脉冲图案。

根据本发明的实施例，已从应用到电转换器的模型的对应优化脉冲图案中离线计算在第二查找表中的优化脉冲图案。通过分析在应用对应优化脉冲图案到转换器时产生的电压和/或电流的谐波含量，可计算谐波含量参考。此分析可通过离线模拟转换器来进行。

本发明的另外方面涉及用于电转换器的控制器，所述控制器适用于根据如上面和下面所述的方法来控制电转换器。

例如，控制器可包括处理器和计算机程序，计算机程序在由处理器运行时执行方法。也可以有可能的是，方法至少部分在硬件中实现，例如在FPGA和/或DSP中实现。

第一和第二查找表可被存储在控制器的存储器中。

本发明的另外方面涉及转换器系统，其包括电转换器和此种控制器。电转换器可适用于将AC电压转换成DC电压和/或反之亦然。电转换器可包括由用于控制电压的控制器控制的半导体开关。

根据本发明的方面，电转换器是用于将AC输入电压转换成DC输出电压的有源整流器。也有可能在反向模式中操作转换器，在该模式中，来自DC链路的能量被供应到AC电网中。例如，电转换器可连接到AC电网，并且可向DC链路供应其DC输出电压。控制器可测量在电力网中的电压和/或电流，并且可基于这些测量而控制DC链路电压的生成。

通过该方法，通过使用优化脉冲图案的切换时刻的快速闭环校正机制，可基于通用优化脉冲图案来控制在电网侧上的电流误差。这又允许使用具体设计用于诸如为电压谱整形和/或最小化切换损失的具体目的的优化脉冲图案。为电压谱整形以适合电力网标准可特别受关注，因为电转换器可满足标准的要求而不使用滤波器，这可降低电转换器的成本和大小。

此外，通过描述的控制方法/控制器，转换器系统由于快速跟踪电流参考和又确保DC链路的电压电平保持在范围内的能力而对诸如电压骤降的电网事件可以是更鲁棒的。可预期由于电网电压的扰动而造成的跳闸次数被降低。

另外，提议的方法可降低驱动调试的成本，因为它不要求在多个情况下已显得麻烦的电流控制器参数的调谐。

而且，由于转换器系统可符合电网标准而不要求滤波器，因此，其可更便宜地产生。由于提议的方法降低了对电压参考图案的平滑度的要求，允许计算电压参考图案以便符合电网标准和/或适合具体要求，因此，这是有可能的。

必须理解的是，如在上面和在下面所述的方法的特征可以是如在上面和在下面所述的转换器系统和/或控制器的特征，以及反之亦然。

从下文描述的实施例，本发明的这些和其它方面将是显而易见的，并且将参照下文描述的实施例，阐明本发明的这些和其它方面。

附图说明

参照在附图中图示的示范实施例，在下文中更详细解释本发明的主题。

图1以示意图方式示出根据本发明的实施例的转换器系统。

图2示出图示了优化脉冲图案的简图。

图3以示意图方式示出根据本发明的实施例的控制器。

图4示出图示了在图3的控制器中使用的谐波含量参考的简图。

图5以示意图方式示出根据本发明的另外实施例的控制器。

图6示出图示了在图5的控制器中使用的另外谐波含量参考的简图。

图7示出图示了在图5的控制器中使用的滤波函数的简图。

在附图中使用的参考符号和它们的含义采用总结形式列在参考符号列表中。原则上，在图中相同的部件提供有相同的参考符号。

具体实施方式

图1以示意图方式示出具有将电力网14与DC链路16互连的电转换器12的转换器系统10。因此，转换器系统10可被视为有源整流器。电力网14的三个相提供AC电压υg，其经由滤波器和/或变压器被供应到转换器12，该转换器将三相AC电压υg变换成供应到DC链路16的DC电压，如在图1中所示，该DC链路可以是在两个DC链路电容器Cdc之间具有中性点的对分式DC链路(split DC link)。

图1另外示出将在下文中使用并且在下面表格中列出的一些变量。

转换器系统10还包括控制(切换)电转换器12的半导体开关的控制器20。如下面详细所述，控制器20适用于修改优化脉冲图案，使得电压和/或电流的基波分量被跟踪，并且三相AC电压的谐波含量(所述谐波将由电转换器10生成)根据优化脉冲图案被整形。

图2图示了优化脉冲图案22的示例。优化脉冲图案为用于要由转换器12输出的每个脉冲的电压电平建模。在切换时刻24，相的电压电平不得不切换到另一电平。通常，切换时刻24作为切换角提供，其不得不基于实际频率的周期长度被转换到切换时刻。

从优化脉冲图案22中，可确定时间相关电压参考其可被转化成要应用到转换器12的切换命令。

图3示出了基于电流控制的控制器20的实施例。控制器20接收基波电流参考并且提供电压参考/输出电压v(t)(基于修改的优化脉冲图案22)，其可用于确定要应用到电转换器12的切换状态。

在基波参考电压估计框/步骤26中，控制器从所预期的基波电流参考和估计的电网电压vg(t)中确定实值参考转换器电压例如，外部控制环可提供用于所预期的基波电流的参考。

实值电压参考可以以下面的方式从所预期的基波电流和电网电压(估计)vg(t)中获得

其中R＝Rg+Rc，并且L＝Lg+Lc是在电网电压源与转换器端子之间的总串联电阻和电感。注意，可假设电网电压是理想的基波电压源，即，

在最佳电压参考确定框/步骤28中，从基波参考电压中确定最佳电压参考最佳电压参考基于从在控制器20中存储的第一查找表30中读取的最佳脉冲图案24。

相对于图2，在表30中的优化脉冲图案22可与其对应电压电平一起以切换时刻/角24形式被存储，其按基波参考电压编入索引。随后，可从这些存储的值中重构最佳电压参考

可离线计算最佳电压参考或对应优化脉冲图案22，以优化诸如总谐波失真(THD)的具体目标函数和/或为电压的谱含量整形以适合一些要求，例如电网标准。在闭环操作中，实值电压参考可用作要在表格30中读取优化电压参考的索引。

在谐波含量确定框32中，从基波参考电压中确定谐波电流参考

从基波参考电压中确定的最佳电压参考具有离散振幅值，在最佳电压参考将被直接应用到转换器12时，这些离散振幅值导致对转换器电流的更高阶贡献。此谐波含量可被离线计算，并且可被存储在第二查找表34中。例如，可通过最佳电压参考来模拟系统10的模型，并且可分析生成的电流。

特别地，在串联电阻器-电感器电路内应用最佳电压参考时，所得到的电流是电压的低通滤波版本。可减去所得到的电流的基波分量的幅值以获得谐波电流参考这样做是因为转换器电流的基波分量的幅值也取决于电网电压vg(t)，该电压是先验未知的，并且因此不能用来计算谐波电流参考的离线轨迹。

可使用傅立叶级数，获得谐波电流参考的轨迹。假设an和bn(n＝1、2、…、∞)是描述的傅立叶系数，即，

其中和分别是存储的最佳电压的基波和谐波含量，并且T是基波分量的周期。注意到，在(2)中，用于谐波含量的求和以n＝2开始，因此，排除了基波分量。

对应于谐波含量的电流在被应用到RL串联电路时通过下式给出

其中和是通过阻抗Zn＝R+jwnL调制的傅立叶系数，即，

其中并且Re(x)和Im(x)分别是x的实部和虚部。

的轨迹可被离线计算，并且被存储在控制器20的存储器中在相对于基波参考电压编入索引的查找表34中。在闭环操作中，实值电压参考可用作在谐波电流参考中读取的索引。

图4图示了用于具体基波参考电压的谐波电流参考的轨迹的示例。在固定αβ-参考坐标系中提供谐波电流参考并且可为时间t的具体值存储它。在回读时，可内插缺值。可能重要的是存储在中出现切换转变时至少用于t的值的轨迹，即至少在对应优化脉冲图案22的切换时刻22的轨迹。也可能重要的是存储只在周期的一小部分期间的轨迹，并且利用轨迹的对称性，重构完全轨迹。

在框/步骤32后，将基波电流参考加到谐波电流参考以确定最佳电流参考即

通过从最佳电流参考中减去测量/估计的电流i(t)来计算电流误差形式的谐波含量误差，即

测量/估计的电流i(t)可从控制器20的估计框36中提供，其基于在系统10中的实际测量，确定电流i(t)。

例如，框38表示基于在转换器12的输出上的电压参考v(t)和实际电压vc(t)，在电压电平命令之间的映射。框40表示负载的模型/建模。

框36、38、40可以不是控制器20的一部分。

在修改框/步骤42中，通过修改优化脉冲图案22的切换时刻/角24和/或最佳电流参考校正电流误差以便遵循所预期的电流。可对最佳电压参考的切换时刻22(或优化脉冲图案22)进行稍微时移(在时间t上向前或向后)以校正电流跟踪误差

可以以筋疲力尽的(dead beat)方式执行框/步骤42。例如，可应用时移到最佳参考电压并且可确定对应电流校正。在电流校正至少部分均衡电流误差时，迄今的已知确定的时移可用作通过另外时移进行的进一步校正的基础。可执行此迭代优化，直至预定义的时间已用完(筋疲力尽)。

也有可能的是使用二次规划的解，执行最佳电压参考和/或优化脉冲图案22的修改。假设是在abc坐标系中在时间t+W的测量/估计的电流误差，W>0是所预期的预测时域，Na、Nb和Nc是在预测时域内用于每个相的切换转变的次数，并且Δta，j，Δtb，j，Δc，j＝1，...，N是在窗口t到t+W内计划的切割时刻的改变，即

其中是由OPP给出的离线最佳切换时间，并且ta,j是由闭环控制器计算的实际切换时间。此外，定义向量

将目标函数J定义为

其中Q是处罚切换时刻中的改变的正定矩阵。

注意，也取决于Δt，因为在应用修改的优化脉冲图案时，电流误差基于转换器12的行为，即，估计的电流i(t)。

计算切换角中的改变的优化问题通过下式给出

受制于

此二次问题可离线解决，并且用于Δt的解的所得到的等式可在控制器20中在框42中实现。

图5示出了也基于电流控制的控制器20的实施例。类似于图3中的控制器20，图5中的控制器接收基波电流参考并且提供电压参考v(t)(修改的优化脉冲图案22)，其可用于确定要应用到电转换器12的切换状态。

与图3的控制器20相反，根据以下等式确定基波电压参考

其中最后(和附加)的项反馈电流误差。从基波电流参考中减去测量/估计的电流i(t)，并且将结果输入诸如PI控制器的控制器44，以计及外控制环中的电流误差。随后，将控制器的结果加到由框/步骤26提供的(基本)基波电压参考，以确定(校正的)基波电压参考

类似于图3，随后在框/步骤28中从第一查找表30中确定优化脉冲图案22和最佳电压参考

在图5中，在框32和42中的谐波含量校正确定和校正基于滤波电压。

特别地，谐波含量确定框/步骤32确定采取滤波电压形式的谐波含量参考。滤波电压被存储在控制器34中的第二查找表34中。

图6图示了用于具体基波参考电压的滤波电压的轨迹的示例。可在固定αβ-参考坐标系中提供滤波电压并且可为时间t的具体值存储它。在回读时，可内插缺值。滤波电压的轨迹可被离线计算，并且被存储在控制器20的存储器中在相对于基波参考电压编入索引的查找表34中。

例如，可使用应用到最佳电压参考的一阶滤波器，离线计算滤波电压。

图7示出了用于一阶滤波器的Bode简图。在低频率，Bode响应可以是幅值一和几乎零相移，即，滤波电压可被理解为用于低频率的电压。在高频率，Bode响应可类似于积分器的响应，即，滤波电压可被理解为用于高频率的磁链。

返回到图5，从滤波电压中，通过从滤波电压中减去测量/估计的电压ψ(t)来将滤波电压误差计算为谐波含量误差。ψ(t)对应于与在(12)中相同的一阶滤波器46被应用到的输出电压参考v(t)，即，

修改框/步骤42随后可通过类似于图3的那样修改优化脉冲图案22的切换时刻/角24，校正/均衡电压误差

原则上，在图5的方法中，电流反馈被转到控制环的早期级(early stage)，即，参考生成部分，并且改变内部环以操纵在滤波电压中的误差

虽然本发明已在图形和前面描述中图示和详细描述，但这样的说明和描述要被视为是说明性或示范性的且不是限制性的；本发明不限于公开的实施例。根据研究图形、公开和随附权利要求，通过实践要求保护本发明的并且在本领域中熟练的技术人员能够理解和实现对公开实施例的其它变化。在权利要求中，单词“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或控制器或其它单元可满足权利要求所述的若干项的功能。仅仅某些措施在相互不同的从属权利要求中叙述的事实不至少这些措施的组合不能有利地使用。权利要求中的任何参考符号不应视为限制范围。

参考符号列表

10 转换器系统

12 电转换器

14 电力网

16 DC链路

18 滤波器/变压器

20 控制器

υg 电网电压

Lg 电网电感

Rg 电网电阻

ia(t) 电网电流

DC链路电流

DC链路电压

Cdc DC链路电容器

22 优化脉冲图案

24 切换时刻

26 基波参考电压估计框/步骤

28 最佳参考电压估计框/步骤

30 查找表

32 谐波含量确定框/步骤

34 查找表

基波电流参考

基波电压参考

最佳电压参考

v(t) 修改的最佳脉冲图案，电压参考

谐波电流参考

最佳电流参考

电流误差

i(t) 测量/估计的电流

36 电流估计框/步骤

38 转换框/步骤

40 负载建模框/步骤

42 修改框/步骤

44 控制器

46 频率滤波器

滤波电压

滤波电压误差

ψ(t) 测量/估计的电压。