变换器控制的改进或与变换器控制有关的改进的制作方法
【专利摘要】在高压直流(HVDC)电力传输网络领域中，一种控制变换器的方法，所述变换器包括对应于变换器的相应相的至少一个变换器臂(12A、12B、12C)，所述或每个变换器臂(12A、12B、12C)在第一DC端子与第二DC端子(14、16)之间延伸，并且包括由AC端子(18A、18B、18C)分隔开的第一臂部和第二臂部(12A+、12A?、12B+、12B?、12C+、12C?)，所述方法包括以下步骤：(a)为所述或每个变换器臂(12A、12B、12C)获得对应变换器臂(12A、12B、12C)需要跟踪的相应的AC相电流需求波形(IA、IB、IC)或所述或每个变换器臂(12A、12B、12C)还需要跟踪的DC电流需求(be)；(b)为每个臂部(12A+、12A?、12B+、12B?、12C+、12C?)确定该臂部(12A+、12A?、12B+、12B?、12C+、12C?)必须贡献以跟踪对应所需的AC相电流需求波形(IA、IB、IC)和所需的DC电流需求(be)的臂部电流(IA+、IA?、IB+、IB?、IC+、IC?)；(c)为每个臂部(12A+、12A?、12B+、12B?、12C+、12C?)提供臂部电压源(VA+、VA?、VB+、VB?、VC+、VC?)以实现对应确定的臂部电流(IA+、IA?、IB+、IB?、IC+、IC?)；以及(d)执行数学优化来确定一个或多个最优臂部电流(IA+、IA?、IB+、IB?、IC+)和/或提供最优臂部电压源(VA+、VA?、VB+、VB?、VC+、VC?)。
【专利说明】
变换器控制的改进或与变换器控制有关的改进
技术领域
[0001 ]本发明设及一种控制变换器的方法W及运样的变换器。
【背景技术】
[0002] 在高压直流化VDC)电力传输网络中，交流(AC)电力通常被变换为直流(DC)电力， 用于经由架空线和/或海底电缆进行传输。运种变换免除了对由电力传输介质（即传输线或 电缆)造成的AC电容性载荷效应进行补偿的需要，并且从而降低电线和/或电缆的每公里成 本。当需要长距离传输电力时，从AC到DC的变换因而变得有成本效益。
[0003] DC电力与AC电力之间的变换还用于需要互连DC和AC电网的电力传输网络。在任何 运种电力传输网络中，在AC电力与DC电力之间的每个交界处需要变换器来产生所需的变 换:AC到DC或者DC到AC。
【发明内容】
[0004] 根据本发明的第一方面，提供了一种控制变换器的方法，所述变换器包括对应于 所述变换器的相应相的至少一个变换器臂，所述或每个变换器臂在第一 DC端子与第二DC端 子之间延伸，并且包括由AC端子分隔开的第一臂部和第二臂部，所述方法包括W下步骤：
[0005] (a)为所述或每个变换器臂获得对应变换器臂需要跟踪的相应的AC相电流需求波 形W及所述或每个变换器臂还需要跟踪的DC电流需求；
[0006] (b)为每个臂部确定该臂部必须贡献W跟踪对应所需的AC相电流需求波形和所需 的DC电流需求的臂部电流；
[0007] (C)为每个臂部提供臂部电压源W实现对应确定的臂部电流;W及
[000引（d)执行数学优化来确定一个或多个最优臂部电流和/或提供最优臂部电压源。
[0009] 执行上述数学优化步骤的一个或另一个，即从一组可能的替选值中选择最佳单独 臂部电流和/或最佳单独臂部电压源(相对于选定的标准），允许例如通过更高级别的控制 器彼此独立地控制AC和DC电流需求。
[0010] 它还允许每个臂部的性能变化在变换器作为一个整体的操作中得到适应。
[0011] 例如，在臂部电流的情况下，控制变换器的常规方法考虑各个臂部使其具有彼此 相等的性能特性，其结果是各个臂部始终被控制为每个提供相同、相等的电流贡献，而无论 给定臂部的操作性能是否有任何变化。
[0012] 同时，相对于臂部电压源，本发明的方法允许例如如果给定的臂部遭受降低其电 压供给性能的损坏，则该臂部提供减小的臂部电压源，而变换器继续运行。
[0013] 优选地，执行数学优化包括:创建表示通过所述变换器的电流流动和/或所述变换 器中的电压条件的对应一个的等效变换器配置。
[0014] W上述方式创建等效变换器配置强加该变换器可W被控制的方式的约束条件，并 且因此有助于执行数学优化来确定所述或每个最优臂部电流和/或提供最优臂部电压源。
[0015] 在本发明的优选实施例中，创建表示通过所述变换器的电流流动的等效变换器配 置包括:映射通过所述变换器的可能的电流流动路径，并且创建表示所述变换器中的电压 条件的等效变换器配置包括:为每个臂部映射所述臂部电压源和感性分量。
[0016] 为每个臂部映射通过变换器的可能的电流流动路径和/或映射臂部电压源和感性 分量都有助于为给定变换器拓扑结构（即给定变换器结构)定制控制方法。
[0017] 可选的，所述变换器包括多个变换器臂，并且执行数学优化包括W下中的对应一 个:施加电流权重到由多个臂部所提供的相对电流贡献和/或施加电压权重到由每个臂部 电压源提供的相对电压贡献。
[0018] 施加运种权重允许每个臂部性能的变化在继续优化变换器作为一个整体操作的 同时得W适应。
[0019] 所述方法的另一个优选实施例包括根据所述变换器的测量的操作参数来确定所 述或每个权重。
[0020] 用W上述方式确定权重允许所述方法考虑到可能影响变换器的健康运行的环境 因素，并改变被确定的最优臂部电流和/或所提供的最优臂部电压源，W便克服环境因素和 减轻对变换器的操作的相关联的影响。运样的环境因素的例子包括一个臂部中的部件发 热，或臂部受到部件损坏或故障使得其性能下降。
[0021] 优选地，当在特定操作条件下控制所述变换器时，施加权重包括施加不同的权重 到至少一个臂部，使得所述或每个被施加不同的权重的臂部提供与其它臂部不同的贡献。
[0022] 运样的步骤允许所述方法区分一个臂部和另一个臂部，例如根据给定的臂部的性 能如何来进行区分。
[0023] 在W下情况下运是有用的，即当期望降低由给定臂部贡献的电流水平(例如运是 因为与该臂部相关联的冷却运行于较低容量)并且暂时提高由一个或多个其它臂部提供的 电流水平W便允许变换器继续操作和提供高水平的电力变换时。
[0024] 运也可W用来例如在故障或其它损坏降低给定臂部的性能的情况下，减少给定臂 部必须提供的臂部电压，使得变换器仍然能够继续操作并提供高水平的电力变换。
[0025] 在本发明的进一步优选实施例中，为每个臂部执行数学优化W提供最优臂部电压 源包括:减少给定臂部的实际测量的臂部电流与为该所述给定臂部对应确定的臂部电流的 任何偏差。
[0026] 减少给定臂部的实际测量的臂部电流与为该所述给定臂部对应确定的臂部电流 的任何偏差有利地将反馈引入所述变换器的控制，运有助于确保所述变换器继续W优化方 式运行。
[0027] 可选地，减少实际测量的臂部电流与对应确定的臂部电流的任何偏差的步骤包 括:为对应臂部计算感性电压部。
[0028] 计算对应臂部的感性电压部减少所述变换器中未知电压条件的数量，并且因此有 助于执行数学优化W提供最优臂部电压源。
[0029] 本发明的方法可W进一步包括:修改所计算的感性电压部W驱使所述实际测量的 臂部电流跟随所述对应确定的臂部电流。
[0030] 运样的步骤提供使得实际测量的臂部电流有利地跟踪对应确定的臂部电流的方 便的手段，并且因此有助于维持变换器的最优性能。
[0031] 优选地，本发明的方法包括:执行数学优化来确定对应臂部必须贡献W跟踪对应 所需的AC相电流需求波形和所需的DC电流需求的一个或多个最小单独臂部电流，和/或提 供最小单独臂部电压源W实现对应确定的臂部电流。
[0032] 确定一个或多个最小单独臂部电流减小了每个臂部中的传导损耗和开关损耗，运 是因为通常运些损耗是与电流的平方(即I2)成正比的。
[0033] 同时，为每个臂部确定最小单独臂部电压源有助于减少变换器引起的扰乱的程度 并且因此进一步有助于维持其最优运行。
[0034] 在控制变换器的一个优选的方法中，包括:执行数学优化仅为确定一个或多个最 优臂部电流，为每个臂部提供臂部电压源W实现对应确定的臂部电流可W包括:应用控制 算法W通过每个对应确定的臂部电流直接建立最优臂部电压源。
[0035] 运种直接建立最优臂部电压源减少与控制变换器相关联的计算工作量和开销，并 且也有助于在控制器不确定性和建模误差方面提高本发明的方法的稳健性。
[0036] 根据本发明的第二个方面，提供了一种变换器，包括对应于所述变换器的相应相 的至少一个变换器臂，所述或每个变换器臂在第一DC端子与第二DC端子之间延伸，并且包 括由AC端子分隔开的第一臂部和第二臂部，所述变换器还包括控制器，所述控制器被配置 为：
[0037] (a)为所述或每个变换器臂获得对应变换器臂需要跟踪的相应的AC相电流需求波 形W及所述或每个变换器臂还需要跟踪的DC电流需求；
[0038] (b)为每个臂部确定该臂部必须贡献W跟踪对应所需的AC相电流需求波形和所需 的DC电流需求的臂部电流；
[0039] (C)为每个臂部提供臂部电压源W实现对应确定的臂部电流;W及
[0040] (d)执行数学优化来确定一个或多个最优臂部电流和/或提供最优臂部电压源。
[0041] 本发明的变换器也具有根据本发明的用于控制变换器的方法的对应特征相关联 的优点。
【附图说明】
[0042] 现在将参照W下附图，通过非限制示例的方式来简要描述本发明的优选实施例， 在附图中：
[0043] 图1(a)示出说明根据控制变换器的本发明的第一种方法中主要步骤的流程图；
[0044] 图1(b)示出说明根据控制变换器的本发明的第二种方法中主要步骤的流程图；
[0045] 图2示出等效变换器配置的示意图；
[0046] 图3(a)示出在变换器的控制过程中对变换器内两个臂部提供的电流贡献施加不 同的电流权重的结果；
[0047] 图3(b)示出W图3(a)中所示的方式如何在臂部电流彼此不同时控制变换器W维 持所需的AC相电流需求波形；
[0048] 图3(c)示出W图3(a)中所示的方式如何在臂部电流彼此不同时控制变换器W维 持所需的DC电流需求值;W及
[0049] 图4示出形成图1(b)中示出的方法的一部分的反馈环路的示意图。
【具体实施方式】
[0050] 图1(a)中所示的第一流程图30中示出根据控制变换器的本发明的第一实施例的 方法主要步骤。
[0051] 本发明的第一种方法适用于任何变换器拓扑结构，即具有任何特定结构的变换 器。然而，W举例的方式，与具有=个变换器臂的=相变换器相联系进行描述，其中每个变 换器臂对应于S相中的一相。每个变换器臂在第一 DC端子与第二DC端子之间延伸并且包括 由AC端子分隔开的第一臂部和第二臂部。
[0052] 第一种方法包括:第一步骤，为每个变换器臂获得每个变换器臂需要跟踪的相应 的AC相电流需求波形（AC current demand地ase waveform) Ia、Ib、Ic,并且获得变换器臂 还需要跟踪的DC电流需求Idc。
[00对各种AC相电流需求波形Ia、Ib、Ic和DC电流需求Id河W直接从特定变换器结构内的 更高级控制器获得或从一些其它外部实体获得。可替代地，特定变换器结构可W通过执行 其自己的计算直接获得之。
[0054] 第一种方法还包括:第二步骤(如第一流程图30中的第一处理框20所示），为每个 臂部确定该臂部必须贡献W跟踪对应所需的A讨目电流需求波形Ia、Ib、Ic和所需的DC电流需 求Idc的臂部电流。
[0055] 更具体地说，本发明的第一种方法包括:执行数学优化来确定若干最优臂部电流。
[0056] 执行运样的数学优化包括:创建等效变换器配置10,其表示通过对应的S相变换 器结构的电流流动，如图2所示。
[0057] 等效变换器配置10包括=个变换器臂124、128、12(：，其每个对应于所述方法意图 控制的对应=相变换器结构的相应的第一、第二和第=相。在本发明的其它实施例中，被控 制的变换器结构可具有=相更少或更多的相，并且因此具有不同相称数量的对应变换器 臂。在运些情况下，等效变换器配置同样具有不同对应数量的变换器臂。
[005引在所示的等效变换器配置10中，每个变换器臂12A、12B、12C在第一 DC端子14和第 二DC端子16之间延伸，并且每个变换器臂12A、12B、12C包括第一臂部12A+、12B+、12C+和第 二臂部124-、128-、120。每个变换器臂124、128、12(：中的每对第一臂部124+、128+、12〔+和 第二臂部12A-、12B-、12C-由对应的AC端子18A、18B、18C分隔开。
[0059] 等效变换器配置10还表示每个变换器臂12A、12B、12C需要跟踪（例如尽可能地匹 配)的相应的AC相电流需求波形Ia、Ib、Ic和变换器臂12A、12B、12C还需要跟踪的DC电流需求 Idc。
[0060] 在实践中，每个变换器臂12A、12B、12C还必须在对应的AC相电压波形(AC VOl^ge phase wave化rm)VA、VB、VcW及DC电压Vdc(通常对应于特定变换器结构所连接的相应的AC和 DC电网的值)的约束条件内操作，并且因此等效变换器配置10也表示运些元素。
[0061] 通过改变归因于上述各种电路元素的每个的值，可W使得等效变换器配置10反映 任何特定变换器结构，并且从而使得本发明的第一种方法控制所述特定变换器结构。还应 当理解，等效变换器配置可具有=相更少或更多的相，并且因此同样应当理解的是，本发明 的第一种方法还能够控制特定的非=相变换器结构。
[0062] 创建表示通过对应的=相变换器结构的电流流动的等效变换器配置10还包括:映 射通过特定变换器结构的可能的电流流动路径。
[0063] 映射通过特定变换器结构的可能的电流流动路径的一种方式是通过对等效变换 器配置10进行基尔霍夫分析W获得W下等式：
[0064] Ia=Ia+-Ia- [00化]Ib=Ib+-Ib-
[0066] Ic=Ic+-Ic-
[0067] Idc = Ia++Ib+Ic+
[0068] 々夫巨W 46晚再《才棄化;寺化竺才_邮.
[0069]
[0070] 使得A是映射由臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-提供的可能的电流流动路 径的矩阵。
[0071] 取决于本发明的方法控制的任何变换器的特定变换器结构，矩阵A可W采取不同 的形式。它也可W另外包括状态的详细信息，例如变换器内任何开关的"开(on)" = 1，或"关 (OffT=O,其可能会根据它们的开关状态影响任何特定时间的可用电流流动路径。
[0072] 此外，其它等效变换器配置和对应的分析技术也是可能的。
[0073] 取决于本发明的第一种方法控制的变换器的特定结构，一个或多个臂部电流可W 根据其余臂部电流进行数学优化。换句话说，当每个其余臂部电流可彼此独立地确定时，可 W根据每个其余独立臂部电流自动建立所述或每个从属臂部电流。
[0074] 在描述第一种方法所联系的示例性=相变换器中，可独立确定六个臂部电流中的 五个，因此可W进行数学优化，而第六个臂部电流将根据其它五个数学优化后的臂部电流 自动跟随。其结果是，在所示示例性第一种方法中，执行描述数学优化W确定五个最优臂部 电流。
[0075] 例如，在图2中所示的等效变换器配置10中，进一步基尔霍夫分析可W用于获得W 下等式：
[0076] Ic-=(Ia++Ib++Ic+)-(Ia-+Ib-)
[0077] 因此，Ic-被限定为从属臂部电流，因为一旦每个其余独立最优臂部电流Ia+、Ia-、 Ib+、Ib-、Ic+使用上述数学优化得W确定，Ic-会变为已知（即可W自动计算出）。
[0078] 应该理解的是，取决于所执行的基尔霍夫分析，一个或其它臂部电流Ia+、Ia-、Ib+、 Ib-、Ic+可W替代性地被限定为从属臂部电流。此外，另一个等效变换器配置(未示出）可表 示得到取决于其余臂部电流的两个或更多个臂部电流的特定变换器结构。
[0079] 作为上述分析的结果，在所描述的示例性实施例中，通过执行数学优化来确定五 个独立最优臂部电流14+、14-、山、18-、如，而一旦每个独立最优臂部电流14+、14-、山、山、山 通过执行所述数学优化已被确定，第六个从属臂部电流Ic-则自动跟随，例如通过等效电路 分析和相关计算实现。
[0080] 在任何情况下，上述数学优化步骤还包括:将电流权重施加到由每个臂部12A+、 12八-、128+、128-、12〔+、12(：-提供的相对电流贡献。根据被控制的特定变换器结构的测量的 操作参数来确定每个臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-的相应电流权重。在所述变换 器的整个操作中可W确定各种电流权重，W便允许更新电流权重，例如响应于变化的环境 条件进行更新。其结果是，各种电流权重可W随着变换器受到控制而变化。
[0081] 例如，在所述特定变换器结构的正常操作过程中，相同的电流权重被施加到每个 臂部电流14+、14-、山、16-、如、山。然而，当在某些操作条件下（例如异常操作条件下)控制所 述特定变换器结构时，不同的电流权重被施加给由至少一个臂部12A+、12A-、12B+、12B-、 12C+、12C-提供的电流贡献，即臂部电流Ia+、Ia-、Ib+、Ib-、Ic+、Ic-。
[0082] 图3(a)示出特定变换器结构的给定的操作时间段(即0.03秒与0.06秒之间），在运 段时间内更大的电流权重被施加到第二变换器臂12B的每个臂部12B+U2B-必须贡献的最 优臂部电流Ib+、Ib-上。相对于每个其它臂部124+、124-、12〔+、12(：-的实际电流贡献（即测量 到的臂部电流贡献1'4+、1'4-、1'化、1'[-)，运样的电流权重减少每个臂部128+、128-贡献的实 际臂部电流(即测量到的臂部电流Ib+、Ib-)，换作其它臂部彼此情况相同。
[0083] 除了前述，第一种方法包括:执行数学优化来确定每个独立臂部12A+、12A-、12B+、 12B-、12C+必须贡献W便跟踪对应所需的AC相电流需求波形Ia、Ib、Ic和所需的DC电流需求 Idc的最小单独臂部电流Ia+、Ia-、Ib+、Ib-、Ic+。
[0084] 可W确定最小单独臂部电流IA+、IA-、IB+、IB-、Ic+，即上文给出的方程式A.X = b中X (注意，一旦已经执行数学优化来确定独立的最小臂部电流Ia+、Ia-、Ib+、Ib-、Ic+第六从属臂 部电流Ic-将自动跟随）W及施加到最小单独臂部电流iA+aA-jB+aB-ac+的上述单独的电流 权重的一种方式是通过求解一般形式的非线性优化：
[0085]
[0086] 受制于W下形式的等式约束方程：
[0087] A.x = b
[0088] 其中
[0089] Jcurrent是待最小化的电流目标函数；
[0090] W为在时间ti处的电流权重；
[0091] f是电流成本函数，其在所描述的实施例中包括电流权重矩阵QI;
[OOW] X是[Ia+，Ia-，Ib+，Ib-，Ih，Ic-]的转置，即列矢量体现的[Ia+，Ia-，Ib+，Ib-，Ih，Ic-];
[0093] to是特定变换器机构的控制的特定时间段开始的时间；W及
[0094] ti是特定变换器机构的控制的特定时间段结束的时间。
[00M]根据变换器的测量操作参数来确定电流权重矩阵化，并且可W在特定变换器结构 的整个操作过程中如此确定，使得电流权重矩阵化可W响应于变换器的操作的改变随着变 换器的控制而变化。
[0096] 当仅受制于等式约束方程时，如上所述，拉格朗日（或拉格朗日乘数的方法)是用 于求解上述非线性优化W便找到电流目标函数Jcurrent的局部最小值的技术。也可W使用其 它优化算法，包括迭代和编程算法来求解。
[0097] 作为一般的最优控制问题，上述非线性优化可W另外包括一个或多个不等式约 束，在运种情况下，可W通过使用哈密顿的另一方法(庞特里亚金最小值原理)来求解。
[0098] 运样的不等式约束的一个例子是：
[0099]
[0100] 其中
[0101] C是映射由臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-提供的可能的最大电流流动路 径的矩阵；W及
[0102] d是表示每个臂部12A+、12A-、12化、12B-、12C+、12C-中最大期望电流的矢量。
[0103] 在任一种情况下，也可W通过求館
形式的非线性优化来确定最小 单独臂部电流 Ia+、Ia-、Ib+、Ib-、Ic+、Ic-。
[0104] 同时，本发明的第一种方法包括:第S步骤，为每个臂部12A+、12A-、12B+、12B-、 12C+、12C-提供臂部电压源W实现对应的数学优化的最小臂部电流1知、14-、山、扣、如和关 联的从属臂部电流Ic-。
[0105] 更具体地说，本发明的第一种方法包括:执行数学优化W提供最优臂部电压源。然 而，在本发明的方法的其它实施例中，无需进行臂部电压源的运种数学优化。此外，在本发 明的方法的更进一步的实施例中，可W进行执行数学优化W提供最优臂部电压源的随后步 骤而不先执行数学优化来确定一个或多个最优臂部电流，即，其可W基于常规方式确定的 臂部电流进行。
[0106] 在任何情况下，执行数学优化W提供最优臂部电压源包括:创建表示变换器中电 压条件的等效变换器配置，即，包括创建图2所示的等效=相变换器配置10。
[0107] 表示等效变换器配置10中描绘的特定=相变换器结构中的电压条件还包括:为每 个臂部 12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-映射臂部电压源 Va+、Va-、Vb+、Vb-、Vc+、Vc-和感性分 量。
[010引每个臂部电压源Va+、Va-、Vb+、Vb-、Vc+、Vc-可W在幅值上是固定的，并且可切换入和 切换出对应的臂部12A+、12A-、12化、128-、12〔+、12(：-，或在图2中所示的等效变换器配置10 中所描绘的特定变换器结构中的情况下，幅值可在零(即相当于被切换出对应的臂部12A+、 12A-、1215+、12B-、12C+、12C-)和电压上限之间是可变的。
[0109] 同时，每个臂部124+、124-、128+、128-、12〔+、12(：-的感性分量表示与对应的臂部 12八+、124-、128+、128-、12〔+、12(：-相关联的电感。运种电感可^采取给定的臂部12八+、 12八-、128+、128-、12〔+、12(：-内的电感器的形式，即臂部电感，或与给定的臂部124+、12八-、 12化、12B-、12C+、12C-电关联的杂散电感的形式，例如相电感和/或DC线电感。
[0110] 联系本发明的第一种方法，每个臂部124+、124-、128+、128-、12〔+、12(：-的感性分 量在等效变换器配置10中被表示为感性电压部114+、1]4-、机+、机-、化+、化-，其由从流过与对应 的臂部12A+、12A-、12化、12B-、12C+、12C-相关联的上述电感的电流产生的电压构成。
[0111] W运种方式，也可W使得等效变换器配置10通过改变归因于各个臂部电压源和感 性电压部元素的中每个的值来反映特定变换器结构。
[0112] 在本发明的其它实施例中，表示特定=相变换器结构中的电压条件还可W包括： 映射每个臂部12A+、12A-、12化、12B-、12C+、12C-的阻性分量。
[0113] 运样的阻性分量表示与给定的臂部12A+、12A-、12化、12B-、12C+、12C-相关联的电 阻，并且类似地可W采取给定的臂部124+、124-、128+、128-、12〔+、12(：-内的电阻器的形式 (即臂部电阻），或与给定的臂部124+、124-、128+、128-、12〔+、12(：-电关联的电阻的形式(例 如相电阻和/或DC线电阻）。
[0114] 映射臂部电压源￥4+、￥4-、￥6+、￥6-、￥。+、￥。-和感性电压部114+、1]4-、机+、机-、化+、化-同样 类似地包括对等效变换器配置10进行基尔霍夫分析，但是也可W使用其它等效变换器配置 和对应的A析巧犬。在府巧某化霍夫A析时巧得W下矩阵形式的等式：
[0115]
[0116]
[0117]
[011引即Mv是映射特定变换器结构内的臂部电压源￥4+、￥4-、￥8+、￥8-、￥0+、￥0-的位置的矩 阵；
[0119]
[0120] 即Mu巧映奶符足的雙巧帯结例内的恐巧巧比部山+、114-、机+、化-、化+、化-的位置的矩 阵；
[0121 ] Vdc是DC电压，即，第一DC端子14与第二DC端子16之间的电压差；
[0122] Vab是第一变换器臂12A与第二变换器臂12B之间的电压差；W及
[0123] Vcb是第S变换器臂12C与第二变换器臂12B之间的电压差。
[0124] 取决于本发明的方法控制的任何变换器的特定变换器结构，一个或多个Mv和/或Mu 矩阵可采取不同的形式。
[01巧]在本发明的第一种方法中，执行数学优化来为每个臂部12A+、12A-、12B+、12B-、 12C+、12C-提供最优臂部电压源Va+、Va-、Vb+、Vb-、Vc+、Vc-包括:减少给定独立臂部12A+、12A-、 128+、128-、12〔+的实际测量的臂部电流1%+、1/4-、1/8+、1/8-、1/。+与所述给定的臂部12八+、 12八-、12化、128-、12〔+的对应确定的最优臂部电流14+、14-、山、18-、如的任何偏差。
[01%]控制特定S相变换器结构的第一种方法还包括：为每个臂部12A+、12A-、12B+、 128-、12〔+、12(：-计算感性电压部1]4+、1]4-、机+、机-、化+、化-。此计算基于对应确定的最优臂部 电流14+、14-、山、18-、如和从属臂部电流1。-^及与对应臂部124+、124-、128+、128-、12〔+、 12C-相关联的电感。
[0127] 此后，计算出的感性电压部Ua+、Ua-、Ub+、Ub-、化+、Uc-被修改，W驱使实际测量的臂部 电流1%+、1/4-、1/8+、1/8-、1/。+跟随对应确定的最优臂部电流14+、14-、18+、18-山+。
[0128] 运种测量和修改采取提供闭环控制的反馈环路的形式，如第一流程图30中第二框 22示意性示出的。反馈环路还可W包括前馈元件，其寻求为一个或多个感性电压部Ua+、Ua-、 化+、化-、此+、化-预测期望的未来值，从便提高闭环控制的性能。
[0129] 在执行上述数学优化W提供最优臂部电压源￥4+、￥4-、￥6+、￥6-、￥^+、￥^-时利用每个臂 部 12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-的计算出的感性电压部UA+、UA-、UB+、UB-、化+、Uc-，如第一 流程图30中第=处理框24所示。
[0130] 运种数学优化还包括施加电压权重到由每个臂部电压源￥4+、￥&-、￥8+、￥8-、￥〇+、￥〇-提 供的相对的电压的贡献。根据被控制的特定变换器结构的测量的操作参数来确定电压权 重，并且可W在所述变换器的整个操作过程中如此确定。电压权重的运种可能的重复确定 允许在例如改变环境条件过程中变换器操作的持续优化。
[0131] 例如，在所述特定变换器结构的正常操作过程中，相同的电压权重被施加到每个 臂部 124+、124-、128+、128-、12〔+、120的臂部电压源￥4+、￥4-、￥6+、￥6-、￥。+、￥。-。
[0132] 然而，在例如异常操作条件过程中，不同的电压权重可W被施加到一个或多个臂 部 124+、124-、128+、128-、12〔+、120的臂部电压源￥4+、￥4-、￥6+、￥6-、￥打、￥。-，^进一步减轻例 如异常操作条件的影响。
[0133] 更具体而言，在本发明的第一种方法中，执行数学优化来为每个臂部12A+、12A-、 128+、128-、12〔+、12(：-提供最优臂部电压源￥4+、￥4-、￥8+、￥8-、￥。+、￥。-包括:为每个臂部12八+、 12八-、128+、128-、12〔+、12(：-确定实现先前确定的对应的最小臂部电流14+、14-、山、18-、山、 Ic-所需的最小单独臂部电压源Va+、Va-、Vb+、Vb-、Vc+、Vc-。
[0134] 可W确定最小单独臂部电压源￥4+、￥4-、￥8+、￥8-、￥。+、￥。-(即给定臂部124+、124-、126 +、128-、12〔+、12(：-内的可变电压源必须提供的最小电压水平)和施加给其的上述单独的电 压权重的一种方式是通过求解x(其中X为[Va+, Va-, Vb+, Vb-, Vc+, Vc-]的转置），一般形式的非 线性优化如下，
[0135]
[0136] 受限于W下形式的等式约束方程Mv.x = b，其中b为已知，
[013引升且共中
[0137]
[0139] JVoltage是待最小化的电压目标函数；
[0140] W是时间tl处的电压权重；
[0141] f是在本发明的第一方法中包括电压权重矩阵斯的电压成本函数；
[0142] to是特定变换器结构的控制的特定时间段开始的时间；W及
[0143] ti是特定变换器结构的控制的特定时间段结束的时间。
[0144] 类似地，根据变换器的测量的操作参数来确定电压权重矩阵斯，并且可W在特定 变换器结构的整个操作过程中如此确定。因此，它也可W随所述变换器的控制而改变。
[0145] 求解上述非线性优化也可W受限于W下形式的不等式方程：
[0146] C.x《d
[0147] 其中
[0148] C是映射臂部124+、124-、128+、128-、12〔+、12(：-中的可能的最大臂部电压源的位 置的矩阵；W及
[0149] d是表示每个臂部12A+、12A-、12化、12B-、12C+、12C-中的最大期望电压的矢量。
[0150] 如图3(b)和图3(c)所示，控制特定变换器结构的上述第一种方法允许，例如，在由 第二变换器臂12B贡献的实际测量的臂部电流I'B+aV与由第一变换器臂12A和第S变换 器臂12C贡献的实际测量的臂部电流1'4+、1'4-、1^、1'0-不同的整个时间段中，由变换器臂 12八、128、12(：如所需地持续跟踪期望的4(：相电流需求波形14、18、1巧日期望的0(：电流需求水 平 Idc。
[0151] 图1(b)中所示的第二流程图40示出根据控制变换器的本发明的第二实施例的方 法主要步骤。
[0152] 本发明的第二种方法类似于本发明的第一种方法，并且同样地适用于任何变换器 拓扑结构，即具有任何特定结构的变换器。W举例的方式，本发明的第二种方法仍然结合图 2中所示的等效变换器配置10中所描绘的特定=相变换器结构的其控制描述。
[0153] 第二种方法包括与第一种方法的第一步骤相同的第一步骤，即，为每个变换器臂 12八、128、12(：获得对应的变换器臂124、128、12(：需要跟踪的相应的4(：相电流需求波形14、18、 Ic,并且获得变换器臂12A、12B、12C还需要跟踪的DC电流需求Idc。
[0154] 第二种方法还包括与第一种方法相同的第二步骤，如类似地由第二流程图40的第 一处理框20所示。于是，本发明的第二方法的第二步骤也包括:执行数学优化W确定每个对 应臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+必须贡献W跟踪对应的所需AC相电流需求波形IA、IB、IC 和所需的DC电流需求Idc的五个独立的最小臂部电流Ia+、Ia-、Ib+、Ib-、Ic+。
[0155] 在第二种方法中，W与第一种方法相关联的完全相同的方式执行运样的数学优 化，即，如上所述。
[0156] 本发明的第二种方法还包括:第S步骤，为每个臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、 12C-提供臂部电压源￥4+、￥4-、￥8+、￥8-、￥[+、￥[-来实现先前确定的对应的最小臂部电流14+、 Ia-'Ib+'Ib-'Ic+O
[0157] 更具体地说，本发明的第二种方法包括:第=步骤，应用控制算法W从每个对应确 定的最小臂部电流14+、14-、山、18-、如直接建立最优臂部电压源￥4+、￥4-、￥8+、￥8-、￥。+、￥。-，如 第二流程图40中的单个第四框26所示。
[0158] 应用运样的控制算法包括:减少给定的独立臂部124+、124-、128+、128-、12〔+的实 际测量的臂部电流1'4+、1%-、1'8+、1'8-、1'。+与所述给定的臂部124+、124-、12化、128-、12〔+ 的对应确定的最小臂部电流14+、14-、山、18-、如的任何偏差。
[0159] 可W从对应确定的最小臂部电流lA+jA-aB+jB-Jc+中减去并且优选地消除给定 的独立臂部 124+、124-、128+、128-、12〔+、12(：-的实际测量的臂部电流1'4+、1'4-、1'6+、1'8-、 C+的偏差的一种方式是建立如图4示意性所示的反馈环路50。
[0160] 在所示的实施例中，反馈环路50比较相应的实际测量的臂部电流I^A+J/A-J/B+、 1/8-、1/[+与对应确定的最小臂部电流14+、14-、16+、16-、如，并且计算对应的臂部误差日4+、64-、 郎+、GB-、ec+。然后，反馈环路50将校正系数K应用到每个臂部误差GA+、GA-、郎+、GB-、船，由此直 接建立对应的臂部电压源Va+、Va-、Vb+、Vb-、Vc+、Vc-，运是将误差GA+、GA-、6B+、6B-、ec+向零驱使 所需要的。
[0161] 校正系数K可W采取控制系统矩阵的形式，诸如增益矩阵(未示出），其设定单独的 校正系数，与每个臂部误差eA+、eA-、eB+、eB-、ec+相乘(例如，在增益矩阵的情况下），W建立对 应的臂部电压源 Va+、Va-、Vb+、Vb-、Vc+、Vc-。
[0162] 可W建立运样的单独的校正因子的一种方式是通过创建表示处于控制之下的特 定=相变换器结构的电压条件的等效变换器配置，并且此后考虑运样的等效变换器配置的 动态。
[0163] 更具体地，相对于上述实施例，可通过创建在图2所示的等效变换器配置10和为每 个臂部 12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-映射臂部电压源 Va+、Va-、Vb+、Vb-、Vc+、Vc-和感性分 量来实现前述步骤。
[0164] 此后运样的映射可W包括进行等效变换器配置10的基尔霍夫分析(尽管其它等效 变换器配置和对应的分析技术也是可能的），应用基尔霍夫电流和电压定律来将等效变换 器配置10的动态描述为：
[01 化]
[0166] 其中
[0167] V是[Va+，Va-，Vb+，Vb-，Vc+，Vc-]的转置；
[0168] M是映射每个臂部的感性分量并且更具体地映射与每个臂部相关联的单独臂部、 相电感和DC线电感中每个的禪合电感矩阵，例如：
[0169]
[0170] I是[1'4+，1'4-，1'8+，1'8-，1'。+]的转置，即表示实际测量的独立臂部电流1^、1/4-、 I/b+、IV、I/c+的电流矢量的转置；
[0171] N是映射特定变换器结构内的各种输入电压的位置的输入电压矩阵，例如
[0172]
W及
[0173] I为表不外部干犹的输入电压矢量，例如
[0174]
[0175] 其中
[0176] Vdc是DC电压，即，第一DC端子14与第二DC端子16之间的电压差；
[0177] Vab是第一变换器臂12A与第二变换器臂12B之间的电压差；W及
[0178] Vcb是第S变换器臂12C与第二变换器臂12B之间的电压差。
[0179] 取决于本发明的方法控制的任何变换器的特定变换器结构，并且取决于哪个(些） 臂部被选择为从属于其它臂部，一个或多个M和N矩阵可W类似地采取不同的形式。
[0180] W运种方式，当考虑一个或多个单独的臂部电压源￥4+、￥&-、￥8+、￥8-、￥〇+、￥〇-中的改 变会对例如由特定变换器结构产生的实际测量的臂部电流i/A+aVaVaVj/c+有什么 影响时，进行前述基尔霍夫分析使得可W考虑关于特定变换器结构的所有上述提到的因 素，即，M，I，N，C。运种能力赋予本发明的第二种方法抵抗控制器不确定性和建模误差的鲁 棒性。
[0181] 而且，其结果是，随后可W通过考虑需要对给定的单独的臂部电压源Va+、Va-、Vb+、 Vb-、Vc+、Vc-进行哪些改变W建立每个单独的校正因子，W有利地改变由处于控制之下的特 定变换器结构提供的对应臂部电流，即对应的实际测量臂部电流A+A-B+ W便将实际测量臂部电流1^、1%-、1^+、1^、1^+朝向确定的最小臂部电流14+、14-、山、 Ib-、Io驱使，即W便将对应的臂部误差GA+、GA-、6B+、6B-、eo朝向零驱使。
[0182] 一旦已经为特定变换器结构建立运样的单独的校正因子(例如在变换器设计和调 试阶段），通常没有必要再次确定它们。结果，反馈环路50设及最小计算工作量，运是因为在 每个周期仅需要用已经确定的对应的单独校正系数乘W给定的臂部误差eA+、eA-、eB+、eB-、 ec+即可。
【主权项】
1. 一种控制变换器的方法，所述变换器包括对应于所述变换器的相应相的至少一个变 换器臂，所述或每个变换器臂在第一DC端子与第二DC端子之间延伸，并且包括由AC端子分 隔开的第一臂部和第二臂部，所述方法包括以下步骤： (a) 为所述或每个变换器臂获得对应变换器臂需要跟踪的相应的AC相电流需求波形以 及所述或每个变换器臂还需要跟踪的DC电流需求； (b) 为每个臂部确定该臂部必须贡献以跟踪对应所需的AC相电流需求波形和所需的DC 电流需求的臂部电流； (c) 为每个臂部提供臂部电压源以实现对应确定的臂部电流；以及 (d) 执行数学优化来确定一个或多个最优臂部电流和/或提供最优臂部电压源。2. 根据权利要求1所述的控制变换器的方法，其中执行数学优化包括:创建表示通过所 述变换器的电流流动和/或所述变换器中的电压条件的对应一个的等效变换器配置。3. 根据权利要求2所述的控制变换器的方法，其中创建表示通过所述变换器的电流流 动的等效变换器配置包括:映射通过所述变换器的可能的电流流动路径，并且其中，创建表 示所述变换器中的电压条件的等效变换器配置包括:为每个臂部映射所述臂部电压源和感 性分量。4. 根据任一项前述权利要求所述的控制变换器的方法，其中所述变换器包括多个变换 器臂，并且其中执行数学优化包括以下中的对应一个:施加电流权重到由多个臂部所提供 的相对电流贡献和/或施加电压权重到由每个臂部电压源提供的相对电压贡献。5. 根据权利要求4所述的控制变换器的方法，其中根据所述变换器的测量的操作参数 来确定所述或每个权重。6. 根据权利要求4或权利要求5所述的控制变换器的方法，其中当在特定操作条件下控 制所述变换器时，施加权重包括施加不同的权重到至少一个臂部，使得所述或每个被施加 不同的权重的臂部提供与其它臂部不同的贡献。7. 根据任一项前述权利要求所述的控制变换器的方法，其中为每个臂部执行数学优化 以提供最优臂部电压源包括:减少给定臂部的实际测量的臂部电流与为该所述给定臂部对 应确定的臂部电流的任何偏差。8. 根据权利要求7所述的控制变换器的方法，其中减少实际测量的臂部电流与对应确 定的臂部电流的任何偏差包括:为对应臂部计算感性电压部。9. 根据权利要求8所述的控制变换器的方法，还包括:修改所计算的感性电压部以驱使 所述实际测量的臂部电流跟随所述对应确定的臂部电流。10. 根据任一项前述权利要求所述的控制变换器的方法，包括:执行数学优化来确定对 应臂部必须贡献以跟踪对应所需的AC相电流需求波形和所需的DC电流需求的一个或多个 最小单独臂部电流，和/或提供最小单独臂部电压源以实现对应确定的臂部电流。11. 根据任一项前述权利要求所述的控制变换器的方法，包括:执行数学优化仅为确定 一个或多个最优臂部电流，其中为每个臂部提供臂部电压源以实现对应确定的臂部电流包 括:应用控制算法以通过每个对应确定的臂部电流直接建立最优臂部电压源。12. -种变换器，包括对应于所述变换器的相应相的至少一个变换器臂，所述或每个变 换器臂在第一 DC端子与第二DC端子之间延伸，并且包括由AC端子分隔开的第一臂部和第二 臂部，所述变换器还包括控制器，所述控制器被配置为： (a) 为所述或每个变换器臂获得对应变换器臂需要跟踪的相应的AC相电流需求波形以 及所述或每个变换器臂还需要跟踪的DC电流需求； (b) 为每个臂部确定该臂部必须贡献以跟踪对应所需的AC相电流需求波形和所需的DC 电流需求的臂部电流； (c) 为每个臂部提供臂部电压源以实现对应确定的臂部电流；以及 (d) 执行数学优化来确定一个或多个最优臂部电流和/或提供最优臂部电压源。
【文档编号】H02M7/483GK105981287SQ201480075213
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2014年12月12日
【发明人】S·费克里亚所, M·M·克劳德梅兰, T·C·格林, K·戴克, F·J·莫雷诺穆诺兹, O·F·贾西姆, M·巴扎尔甘
【申请人】通用电气技术有限公司