具有参考跟踪的模型预测控制的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及功率转换器的领域。特别地，本发明涉及用于控制电转换器的方法和 控制器、电转换器和包括电转换器的电系统。
【背景技术】
[0002] 功率转换器在广泛的应用中使用，其包括变速驱动器、电网连接的功率转换器和 DC到DC转换器。存在用于控制电转换器的若干基本方法。一个这样的方法是用于切换功 率转换器的带有参考跟踪的电流控制，其中控制器旨在沿指定电流参考轨迹调节转换器电 流。
[0003] 在功率电子器件和电驱动系统中效率是关键方面。为了减少损失，使用半导体开 关并且功率转换器控制变量可被离散赋值。然而，这可增加这些系统的复杂性并且可使得 切换功率转换器的控制变得本身就困难。评估切换策略对感兴趣变量(例如电流和转矩)的 影响可变得非常有意义。
[0004] 对于功率转换器的传统控制方法包括具有脉宽调制的PI控制器、基于滞后的方 法和各种采样数据控制算法，其中检查下一个采样时刻操纵变量的影响。后面的方法包括 例如无差拍控制和直接转矩控制。
[0005] 另一个策略是模型预测控制（MPC)，其对工业过程控制具有很大影响并且还找到 其进入切换功率转换器的控制的途径。MPC可在多种拓扑和操作条件下使用，它的灵活性源 于合适的成本函数的在线优化。特别地，直接MPC(也叫作有限集MPC)方法可在一个计算 阶段中处理电流控制和调制问题。在瞬态事件期间，与无差拍控制中的一个相似，MPC实现 非常高的动态性能。特别地，因为传统上在由非常慢的控制环驱动的调制器中仅可能使用 优化脉冲模式（〇PP)，MPC的瞬态性能可远远优于利用0PP所典型实现的。
[0006] 通常，如果使用更长的预测限度（horizons)，MPC定式化可给出更好的性能。遗憾 地，因为可能的切换序列的数量随着限度长度增加呈指数增长，对于功率转换器的控制具 有长限度的直接MPC在计算上可富有挑战，或甚至不可行。从而，枚举可仅能适用于以少量 切换序列为特征的MPC问题。穷举对于可由具有四个或以上预测限度的直接MPC产生的数 千个序列的问题可不切实际。例如，对于具有长度五的预测限度，假设三级转换器，切换序 列的数量可共计1.4*10 7。
【发明内容】
[0007] 本发明的目标是降低电转换器的切换成本，来提高电转换器的效率，并且在瞬态 事件期间实现非常快的动态响应。
[0008]该目标由独立权利要求的主题实现。另外的示范性实施例从从属权利要求和下列 描述显而易见。
[0009] 本发明的方面涉及用于控制电转换器的方法。例如，该方法(其可以是完全在控制 器中实现的算法）可适应于控制包括电转换器的系统，当机器变速运行时，该电转换器对电 机(例如感应马达）供电。
[0010] 一般，电转换器可包括多个半导体开关，其中电转换器适应于通过切换多个半导 体开关而从输入电压生成多级输出电压。
[0011] 方法可直接能适用于AC驱动设置中的机器侧转换器以及电网侧转换器两者。方 法能适用于许多转换器拓扑，像DC到AC转换器、AC到DC转换器、具有DC链路的间接AC到 AC转换器和直接AC到AC转换器。
[0012] 电转换器可以是两级或多级转换器（即，具有至少两个输出级的转换器)，并且方 法可用于这样的具有非常高数量的电压水平的转换器。对于具有超过两个输出级的电转换 器的示例可以是M2LC(模块化多级）转换器。
[0013] 例如，电转换器可以是三级中性点钳位电压源转换器。
[0014] 根据本发明的实施例，方法包括以下步骤：接收参考电量和实际电量；从实际电 量确定电转换器的未来电量的序列；基于未来电量的序列确定最大成本值；迭代地确定对 于电转换器的最佳切换序列，其中切换序列包括对于电转换器的半导体开关的未来切换状 态的序列；以及选择最佳切换序列的第一切换状态作为要应用于电转换器的半导体开关的 下一个切换状态。
[0015] 一般，电转换器的控制设置适应于借助于滚动限度(其中从实际量计算未来切换 状态)来进行最佳的下一个切换状态的预测。例如，限度可具有两个、三个或以上的时间步。
[0016] 参考和/或实际电量可包括参考和/或实际电流、参考和/或实际通量、参考和/ 或实际电压、参考和/或实际转矩、参考和/或实际功率和/或参考和/或实际速度中的至 少一个。所有这些量(其在多相转换器的情况下可以是矢量)可从测量电转换器和/或与电 转换器互连的机器和/或滤波器中的电流和/或电压和/或转矩确定。例如，可测量转换 器的输出电流并且通量和/或功率或速度可从电流计算。
[0017] 类似地，未来电量可包括连接到电转换器的电机的未来电流、未来电压、未来转矩 和未来通量中的至少一个。这些量可从电转换器和/或连接到转换器的机器(或一般，包括 电转换器和像滤波器、变压器等另外的部件的电系统）的模型预测。
[0018] 相似地，未来电量可包括连接到电转换器的电部件(例如电滤波器或变压器）的未 来电流、未来电压、未来(虚拟)通量中的至少一个。这些量可从电转换器和/或连接到转换 器的电部件的模型预测。
[0019] 特别地，最佳切换序列通过以下而迭代地确定：通过使可能的切换状态附加到切 换序列来扩展切换序列；基于未来电量的序列利用成本函数确定对于扩展切换序列的成本 值；以及在成本值高于最大成本值时丢弃扩展切换序列。也就是说，由控制器预测的所有切 换序列可通过迭代地扩展已经计算(更短）的切换序列（其被认为是可能的候选序列）而生 成。每当扩展切换序列时，方法测试扩展序列的成本值是否小于成本值，其可以是现任最佳 结果(其在迭代期间被重新计算)。如果不是这样的情况，丢弃扩展序列。
[0020] 对要成为候选序列的序列的测试可视为基于球形译码。利用球形译码，迭代地考 虑候选序列，其在具有指定半径、以无约束最佳结果为中心的球体内。
[0021] 如稍后将解释的，由于直接MPC优化问题的特定结构，找到候选序列可非常有效 地进行。特别地，在每个步骤仅需要对一维问题求解的意义上，可通过采用相继方式行进来 找到解。这可导致非常快的解，从而使得使用具有更长预测限度的直接MPC是可能的。采 用这样的方式，可使用具有更简单处理器的更简单控制器。
[0022] 因为球形译码可允许对具有长预测限度的MPC问题求解，这可产生每切换频率低 的电流总谐波失真（THD)。如测试示出的，对于指定切换频率的电流THD可与利用优化脉冲 模式所典型实现的相似。然而，同时，与无差评控制和直接转矩控制中的一个类似，瞬态响 应时间可是非常快的。
[0023]测试还示出使用比一更长的预测限度可提供明显的性能效益。特别地，在稳态操 作，电流失真和/或切换频率与限度一直接MPC相比可大大减少。
[0024] 由于MPC问题的形式，成本函数可采用非常有益的方式定式化。
[0025] 根据本发明的实施例，成本函数基于具有三角矩阵(其乘以扩展切换序列）的矩阵 方程的范数(或范数的平方)。采用这样的方式，通过以仅具有一个行的矩阵(其对一个变量 求解）的行开始来相继对MPC问题求解并且利用每个另外的行来对另外一个变量求解是可 能的。
[0026] 根据本发明的实施例，三角矩阵被离线计算并且仅取决于电转换器的拓扑。因为 三角矩阵可仅取决于转换器的拓扑(例如，相位的数量、相位的结构、dc链路电压，等)，在迭 代之前计算三角矩阵(在控制器外部的极端情况下）并且将三角矩阵存储在控制器中，这是 可能的。
[0027] 根据本发明的实施例，成本函数基于无约束解与乘以扩展切换序列的三角矩阵之 间的差异。无约束解可在迭代确定最佳切换序列之前从未来电量确定。
[0028]必须注意对切换状态和切换序列存在约束。例如，切换状态可被赋整数值(因为开 关可仅具有状态开和关)。此外，切换状态在两个连续时间步之间改变超过一，这可是不可 能的。
[0029] 在没有这些约束的情况下，可相当容易地对MPC问题求解，这导致无约束解(其可 以是被赋浮点值)。无约束解可用作用于确定确切最佳(受约束)解的起始点。特别地，可假 设最佳解在以无约束解为中心的指定半径的球体内。
[0030] 根据本发明的实施例，最大成本值利用应用于猜测的切换序列的成本函数基于在 之前的时间步处确定的最佳切换序列而确定。算法可随着对解作出第一猜测而进一步加 速。因为在之前的时间步处，利用滚动限度，已经确定几乎(多至一个时间步)到达当前步的 限度的最佳序列，并且因为可假设电转换器的实际量(例如实际电流）仅少量改变，第一猜 测可基于之前的时间步的最佳切换序列。
[0031] 根据本发明的实施例，为了扩展切换序列，仅附加切换状态，其导致其中相电压向 上或向下切换仅一个步的扩展切换序列。同样通过扩展切换序列，可仅选择服从约束的切 换序列。
[0032] 根据本发明的实施例，在每个时间步处执行迭代。控制器可具有固定内部时间步 长(或采样间隔)，并且方法可在每个时间步处执行（即，未来量的预测、最佳序列的迭代和 选择)。未来电量的序列可在实际时间步处开始并且可高达时间步的限度地确定。未来电 量的序列可基于对实际时间步确定和/或测量的实际量。
[0033]未来切换状态序列（其被迭代地确定）也可从实际时间步处开始并且可对多至预 测限度的时间步数量而确定。
[0034]本发明的另外的方面涉及用于控制电转换器的控制器。例如，控制器可以是电转 换器的控制设置的一部分。控制器可适应于执行如在上文和下文解释的方法。方法至少部 分在FPGA (其是控制器的部分）上的硬件中实现，这可是可能的。然而，方法在硬件中实现 并且在处理器(其是控制器的部分）上执行，这也可是可能的。
[0035] 本发明的另外的方面涉及如在上文和下文描述的电转换器。该电转换器可包括如 在上文和下文描述的控制器。
[0036] 本发明的另外的方面涉及电系统，其包括这样的电转换器和由电转换器供电的电 负载，例如电马达。备选地或另外，负载可以是任何种类的旋转电机和/或电网，其经由电 转换器连接到另外的电网。此