專利名稱：用于控制電氣轉(zhuǎn)換器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功率電子學領(lǐng)域。具體地說，本發(fā)明涉及用于控制轉(zhuǎn)換器的方法、程序單元、計算機可讀介質(zhì)和控制器。另外，本發(fā)明涉及轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
為了控制多相電氣機器，可使用多級轉(zhuǎn)換器，其對于每個相包括相模塊，根據(jù)相模塊的設(shè)計生成若干不同輸出電壓。例如，兩級相模塊生成兩個輸出電壓(+Udd 0)，并且三級相模塊生成三個輸出電壓(+Uio 0，-Udc)。相模塊可包括多個電氣開關(guān)，通常是功率半導(dǎo)體開關(guān)，其根據(jù)開關(guān)模式或開關(guān)狀態(tài)生成相應(yīng)相的輸出電壓，開關(guān)模式或開關(guān)狀態(tài)描述相模塊的哪些開關(guān)導(dǎo)電(導(dǎo)通)以及哪些開關(guān)阻塞(斷開)。對于生成這些開關(guān)模式存在多種可能性，即調(diào)制方法。例如，可以用優(yōu)化脈沖模式(OPP)的概念確定開關(guān)模式。用優(yōu)化脈沖模式，馬達的操作可基于預(yù)先計算的開關(guān)模式，其實現(xiàn)了某一最小化目標，諸如消除馬達電流的某些諧波或最小化馬達電流的總諧波失真。然而，當馬達速度或電壓幅度或二者降到某一閾值以下時，優(yōu)化的脈沖模式所需的脈沖數(shù)量如此高以致它可能變成被禁止的。此外，在馬達速度和/或電壓的這種低值，當相比其它方法、諸如脈寬調(diào)制(PWM)時，使用優(yōu)化的脈沖模式不提供馬達電流的總諧波失真的產(chǎn)生值方面的優(yōu)點。由此，在低馬達速度和/或電壓的情況下，可使用脈寬調(diào)制(PWM)的概念。這里，例如，可通過在相比AC輸出電壓的基頻具有高頻的可能輸出電壓之間開關(guān)來控制必須饋送到電氣機器的調(diào)制循環(huán)上的輸出電壓的平均值。另一種可能性是使用直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)的概念，其中當相應(yīng)變量誤差達到其上限或下限時，估計并控制馬達的狀態(tài)(例如轉(zhuǎn)矩和磁通)，以通過開關(guān)停留在它們的滯帶內(nèi)。當任何調(diào)制方法用于操作轉(zhuǎn)換器時，具體地說對于具有5級拓撲的轉(zhuǎn)換器，關(guān)鍵挑戰(zhàn)出現(xiàn)了 在平衡轉(zhuǎn)換器內(nèi)部電壓(例如中性點電位、浮動電容器電壓)的同時重新產(chǎn)生所需輸出電壓的實際轉(zhuǎn)換器開關(guān)模式的恰當選擇。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是更好地平衡由脈寬調(diào)制方法控制的電氣轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部狀態(tài)。這個目的由獨立權(quán)利要求的主題實現(xiàn)。根據(jù)從屬權(quán)利要求和如下描述另外的示范實施例是顯然的。本發(fā)明的第一方面涉及用于控制轉(zhuǎn)換器的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一實施例，所述轉(zhuǎn)換器適合于通過如下操作來生成至少兩個相的AC電流對于每個相輸出不同電壓電平，其中所述不同電壓電平取決于所述轉(zhuǎn)換器的開關(guān)狀態(tài)。例如，轉(zhuǎn)換器可用于給電氣馬達供電，用于將發(fā)電機連接到電網(wǎng)，用于互連兩個電網(wǎng)。轉(zhuǎn)換器可以是直接轉(zhuǎn)換器或間接轉(zhuǎn)換器。為了生成每個相的電壓電平，轉(zhuǎn)換器可對于每個受控相包括相模塊，相模塊包括生成所述相的輸出電壓的開關(guān)。通常，轉(zhuǎn)換器的相模塊可具有等效設(shè)計。輸出電壓電平取決于開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)(每個開關(guān)的打開/閉合)。由于可在轉(zhuǎn)換器中固有可用的冗余，相模塊的開關(guān)的不同開關(guān)狀態(tài)可生成相同電壓電平。根據(jù)本發(fā)明的一實施例，該方法包括如下步驟
(a)通過如下操作生成電壓矢量的第一序列，每個電壓矢量包括每個相的電壓電平生成每個相的參考波形；確定第一序列的每個電壓矢量的相的所述電壓電平，該確定是通過從所述相的相應(yīng)參考波形導(dǎo)出所述電壓電平。
電壓矢量可包括每個相的電壓電平。當電壓矢量被應(yīng)用到轉(zhuǎn)換器時，每個相模塊的開關(guān)必須被開關(guān)，使得相應(yīng)相的電壓矢量的電壓電平由相應(yīng)相模塊輸出。電壓矢量的序列可包括電壓矢量集合，所述電壓矢量集合可由轉(zhuǎn)換器在連續(xù)時刻輸出以生成每個相的調(diào)制輸出電壓。在步驟(a)，通過所謂基于載波的脈寬調(diào)制(CB-PWM)確定第一開關(guān)序列。在這種情況下，通過使載波波形和參考波形相交來導(dǎo)出開關(guān)實例。開關(guān)瞬間可包括電壓電平和開關(guān)時間。附加地，開關(guān)瞬間可包括導(dǎo)致該電壓電平的相模塊的開關(guān)狀態(tài)。對于每個相，參考波形可以是應(yīng)該由相應(yīng)相模塊平均輸出的波形?？苫陬l率、轉(zhuǎn)矩或其它變量確定參考波形以便使馬達滿足某些要求。載波波形通常是具有比參考波形更聞頻率的周期波形。例如，載波波形可具有范圍在200 ii s到1000 ii s的周期。為了導(dǎo)出每個相的開關(guān)瞬間，載波波形與參考波形相交，并且相交點確定開關(guān)瞬間的開關(guān)時間。開關(guān)瞬間的電壓電平，即應(yīng)該應(yīng)用到相應(yīng)相模塊的電壓電平，也可從載波波形在相交點的斜率和在相交點的電壓幅度導(dǎo)出。從在同一開關(guān)時間的開關(guān)瞬間，可以形成在該開關(guān)時間的電壓矢量。時間順序電壓矢量然后可形成第一開關(guān)序列。根據(jù)本發(fā)明的一實施例，該方法包括如下步驟
(b)通過如下操作確定電壓矢量的等效序列集合計算所述電壓矢量序列的每個電壓矢量的電壓電平差，所述電壓電平差是所述電壓矢量的電壓電平差；確定具有相等電壓差的等效電壓矢量；通過用所述等效電壓矢量替換第一序列中的至少一個電壓矢量來生成等效序列。在步驟(b)，所謂的多相冗余用于生成等效序列，即當序列被應(yīng)用到馬達時，在馬達中生成相同電流的序列。(當序列被應(yīng)用到馬達時，序列的電壓矢量被連續(xù)應(yīng)用到轉(zhuǎn)換器。在應(yīng)用電壓矢量之后，在應(yīng)用下一電壓矢量之前，控制器等待預(yù)定義時間(這可由開關(guān)時間定義)。必須要理解，序列通常不應(yīng)用到馬達，而是用于估計或模擬轉(zhuǎn)換器或馬達的行為以便導(dǎo)出必須被優(yōu)化的值。因為不是在馬達端子的電位相對于轉(zhuǎn)換器中性點之間的電壓差，而是馬達端子之間的電壓差在馬達中生成電流，所以在相之間具有相等電壓差的兩個電壓矢量將在馬達中生成相同電流。由此，可確定序列的所有電壓矢量的電壓差，并且可使用具有相等電壓差的等效電壓矢量生成等效序列。例如，等效電壓矢量可存儲在查找表中。為了得到所有可能等效序列，可在第一序列中替換等效電壓矢量的所有可能組
口 o必須注意，所謂的一相冗余也可用于生成等效序列。一相冗余是指多級轉(zhuǎn)換器模塊的不同開關(guān)狀態(tài)可生成相同輸出電壓電平的事實。在這種情況下，必須向每個電壓電平指配開關(guān)狀態(tài)。由此，這些序列包括相模塊 的開關(guān)狀態(tài)。根據(jù)本發(fā)明的一實施例，該方法包括如下步驟
(C)從所述等效序列集合中選擇一個序列，當所述序列被應(yīng)用于所述轉(zhuǎn)換器時，所述序列優(yōu)化所述轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部狀態(tài)。在步驟(C)，對于所有等效序列，當相應(yīng)序列將被應(yīng)用到轉(zhuǎn)換器時，估計轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部狀態(tài)。例如，可以計算中性點電位或電容器電位。然后，選擇具有最優(yōu)內(nèi)部狀態(tài)的序列。根據(jù)本發(fā)明的一實施例，在步驟(C)，所述序列選擇成使得所述轉(zhuǎn)換器的至少一個如下內(nèi)部狀態(tài)得到優(yōu)化中性點電位位于預(yù)定義界限內(nèi)；最小化開關(guān)損耗和/或開關(guān)頻率；最小化共模電壓和/或所述共模電壓的變化；內(nèi)部狀態(tài)與預(yù)定義內(nèi)部狀態(tài)的平均偏差最小。根據(jù)本發(fā)明的一實施例，在步驟(C)通過如下操作選擇所述序列通過將序列應(yīng)用于轉(zhuǎn)換器的模型來估計轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部狀態(tài)(或內(nèi)部狀態(tài)相對于時間的發(fā)展)；選擇具有最優(yōu)估計內(nèi)部狀態(tài)的序列。根據(jù)本發(fā)明的一實施例，該方法包括如下步驟
(d)將所選擇序列的第一電壓矢量應(yīng)用于所述轉(zhuǎn)換器。在步驟(d)，不是整個所選擇的序列，而僅是序列的第一電壓矢量被應(yīng)用到轉(zhuǎn)換器。根據(jù)本發(fā)明的一實施例，基于參考分布圖和最大振幅中的至少一項生成參考波形。參考分布圖可以是周期函數(shù)，例如正弦函數(shù)。還可添加更高階周期性導(dǎo)數(shù)(periodic deviation)。例如,參考分布圖sin(x)+sin(3x)可具有最大化應(yīng)用到馬達的功率轉(zhuǎn)換器DC鏈路電壓的利用率的優(yōu)點。參考分布圖可包括存儲在查找表中的離散值的集
八
口 o參考時間可用于定義參考波形在參考分布圖周期內(nèi)的哪個位置開始。這可取決于必須為其計算參考波形的相應(yīng)相的當前角位置。最大振幅可定義參考波形的最大值。最大振幅可基于轉(zhuǎn)換器連接到的馬達的調(diào)制指數(shù)。調(diào)制指數(shù)可涉及應(yīng)該被應(yīng)用到馬達并可從馬達模型、馬達的轉(zhuǎn)矩和角速度導(dǎo)出的電壓最大振幅。每個相的參考波形可基于轉(zhuǎn)換器連接到的電機的模型。對于該電機存在多個額定值轉(zhuǎn)矩、定子磁通、轉(zhuǎn)子磁通和定子電流。參考波形必須選擇成使得滿足這些額定值。根據(jù)本發(fā)明的一實施例，在方法的步驟(a)，通過將所述參考波形與具有周期性正斜率和負斜率的至少一個載波波形相交來從所述參考波形中導(dǎo)出相的電壓電平。如已經(jīng)說明的，從參考波形與載波波形的相交，可導(dǎo)出開關(guān)瞬間的開關(guān)時間和電壓電平。
根據(jù)本發(fā)明的一實施例，相的每個電壓電平都與時刻或時間點相關(guān)，其中時刻可以是載波波形與參考波形相交的時刻。相的每個導(dǎo)出電壓電平可與某一時刻相關(guān)。如果載波波形與參考波形相交，則生成該相的新電壓電平。新電壓電平與相交的時刻相關(guān)。通過該方法可在預(yù)定將來時段生成(或預(yù)測)所有相的所有電壓電平。在已經(jīng)生成預(yù)定時段的所有電壓電平之后，與一個時刻相關(guān)的電壓電平被收集成電壓矢量。如果在一時刻，僅某一相而不是所有相的電壓電平存在，則具有缺失相的在該時刻維持的電壓值的電壓矢量可被插入到該電壓矢量中。用這種方式，電壓矢量可與時刻、即其電壓電平的時刻相關(guān)。可根據(jù)按它們的時刻排序的電壓矢量生成電壓矢量序列。根據(jù)本發(fā)明的一實施例，至少一個載波波形覆蓋所述轉(zhuǎn)換器的較低電壓電平與較 高(連續(xù))電壓電平之間的間隔；轉(zhuǎn)換器(并且具體地說是相模塊)可適合于生成N個電壓電平。由此，可生成N-I個載波波形。例如，如果轉(zhuǎn)換器具有電壓電平{_1，0，1}，則可存在兩個載波波形，一個覆蓋-I到0，并且一個覆蓋0到I。對于5級轉(zhuǎn)換器，可存在4個載波波形。根據(jù)本發(fā)明的一實施例，如果所述參考波形與所述載波波形的正斜率相交則所述電壓電平設(shè)置成較低電壓電平，并且如果所述參考波形與所述載波波形的負斜率相交則所述電壓電平設(shè)置成較高電壓電平。每個正斜率可以在載波周期的第一半上，并且每個負斜率可以在該載波周期的第二半上。用這種方式，當參考波形在兩個電壓電平之間時，創(chuàng)建交變開關(guān)瞬間，其創(chuàng)建與參考波形相同的平均電壓。例如，以正斜率，所述載波波形可從所述較低電壓電平線性增加到所述較高電壓電平，并且以負斜率，所述載波波形可從所述較高電壓電平線性減小到所述較低電壓電平。由此，載波波形可以是、形(A)函數(shù)，該函數(shù)的最小值可以是第一(較低)電壓電平，并且該函數(shù)的最大值可以是第二(所述一個較高)電壓電平。在載波函數(shù)僅具有直線段的情況下，交點的計算可以是直截了當?shù)摹８鶕?jù)本發(fā)明的一實施例，當所述參考波形與兩個載波波形之間的電壓電平相交時，從所述參考波形導(dǎo)出相的附加電壓電平，其中如果所述參考波形在相交瞬間增加，則相的所述附加電壓電平設(shè)置成下一較高電壓電平，并且如果所述參考波形在相交瞬間減小，貝U相的所述附加電壓電平設(shè)置成下一較低電壓電平。作為所有電壓電平，相的所述附加電壓電平也與時刻相關(guān)，其中所述時刻是所述參考波形與兩個載波波形之間的電壓電平相交的時刻。根據(jù)本發(fā)明的一實施例，所述參考波形包括電壓值序列，每個電壓值與時刻相關(guān)。這些時刻可對應(yīng)于載波斜率反轉(zhuǎn)的時刻。參考波形可以是離散曲線。每個電壓值可與瞬間或時間點相關(guān)。連續(xù)電壓值可間隔開所謂的載波周期的一半。當計算載波波形與所述參考波形之間的交點時，可在所述電壓值之間內(nèi)插所述參考波形。例如，第一電壓與連續(xù)的第二電壓值之間的所述參考波形可作為第一電壓值被內(nèi)插。在此情況下，參考波形可被看作階躍函數(shù)。備選地，所述參考波形可被線性內(nèi)插在第一電壓值與連續(xù)的第二電壓值之間。本發(fā)明的另外方面涉及用于控制轉(zhuǎn)換器的程序單元(計算機程序)，其當由至少一個處理器執(zhí)行時適合于執(zhí)行如在上面和下面所描述的方法步驟。例如，處理器可以是控制器的處理器。本發(fā)明的另外方面涉及計算機可讀介質(zhì)，在其中存儲程序單元。計算機可讀介質(zhì)可以是軟盤、硬盤、USB (通用串行總線)存儲裝置、RAM(隨機存取存儲器)、R0M(只讀存儲器)、EPR0M(可擦除可編程只讀存儲器)或閃存。計算機可讀介質(zhì)還可以是數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，例如因特網(wǎng)，其允許下載程序代碼。還有可能用FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)實現(xiàn)該方法。本發(fā)明的另外方面涉及用于控制轉(zhuǎn)換器的控制器，其適合于執(zhí)行如在上面和下面所描述的方法?？刂破骺砂ㄌ幚砥骱途哂幸谔幚砥魃蠄?zhí)行的程序單元的存儲器。備選 地，控制器可包括FPGA。本發(fā)明的另外方面涉及轉(zhuǎn)換器。根據(jù)本發(fā)明的一實施例，轉(zhuǎn)換器包括具有開關(guān)的轉(zhuǎn)換器電路，所述轉(zhuǎn)換器電路適合于生成至少兩個相的輸出電壓，所述輸出電壓對應(yīng)于由所述開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)生成的不同電壓電平。轉(zhuǎn)換器電路可包括上面提到的用于生成輸出電壓的相模塊。根據(jù)本發(fā)明的一實施例，轉(zhuǎn)換器包括用于控制開關(guān)的控制器，控制器適合于執(zhí)行如在上面和下面所描述的方法。在上面和下面所描述的方法是通用的，并且可應(yīng)用于由基于載波的脈寬調(diào)制技術(shù)控制的多級轉(zhuǎn)換器的任何設(shè)置，對于其而言，將來開關(guān)事件的預(yù)測可應(yīng)用于可預(yù)測內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)功能。總的來說，提出一種用于預(yù)測多相多級轉(zhuǎn)換器的脈寬調(diào)制開關(guān)序列的方法。用第一預(yù)測開關(guān)序列，由于多相冗余而確定等效開關(guān)序列。從等效開關(guān)序列中選擇相對于預(yù)定義優(yōu)化目標最優(yōu)的一個開關(guān)序列。將所選擇的開關(guān)序列用于控制轉(zhuǎn)換器。必須理解，在上面和下面所描述的方法特征可以是在上面和下面所描述的裝置特征。如果技術(shù)上可能但未明確提到，則在上面和下面描述的本發(fā)明的實施例的組合也可以是方法和裝置的實施例。本發(fā)明的這些和其它方面根據(jù)后面描述的實施例將顯而易見，并參考這些實施例闡明。


下文將參考在附圖中例證的示范實施例更詳細地說明本發(fā)明的主題。圖I示意性示出了根據(jù)本發(fā)明一實施例具有轉(zhuǎn)換器的馬達系統(tǒng)。圖2示意性示出了根據(jù)本發(fā)明一實施例的相模塊。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一實施例具有轉(zhuǎn)換器的電壓矢量的圖解。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一實施例用于控制轉(zhuǎn)換器的方法的流程圖。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明一實施例用于預(yù)測電壓矢量的第一序列的方法的流程圖。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明一實施例具有參考波形的示例的圖解。圖7示出了根據(jù)本發(fā)明一實施例具有參考波形的另外示例的圖解。圖8示出了根據(jù)本發(fā)明一實施例具有縮放和移位的參考波形的圖解。
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明一實施例具有附加電壓電平的輸出電壓波形的圖解。圖10示出了具有預(yù)測方法結(jié)果的四個圖解。在附圖標記列表中以概況形式列出了附圖中所用的附圖標記及它們的意義。原則上，附圖中相同的部分設(shè)置有相同的附圖標記。
具體實施例方式圖I示出了具有三相馬達12和帶有轉(zhuǎn)換器電路14的轉(zhuǎn)換器的馬達系統(tǒng)10。轉(zhuǎn)換器電路14包括要提供給馬達的每個相P1、P2、P3的相模塊16。每一個相模塊16都具有連接到馬達12的相應(yīng)相PU P2、P3的輸出端18和可用于將相模塊16接地的輸出端20。正常情況下，終端20留著懸浮，以便充當虛擬地。在輸出端18與20之間，每個相模塊16適合于生成相應(yīng)輸出AC電壓Upl、Up2、Up3。每一個相模塊還具有兩個輸入端22、24，它們連接 到單獨的DC供電電壓Udco馬達系統(tǒng)10還包括變壓器23，變壓器23給3個二極管整流器25提供AC電流。例如，變壓器23在次級側(cè)上可具有三相或六相連接。二極管整流器25可以是用于生成供電電壓Udc的6或12-脈沖整流器。馬達系統(tǒng)可以是中壓系統(tǒng)，即供電電壓Udc可以在IkV與50kV之間的范圍中。轉(zhuǎn)換器還包括控制器26，控制器26適合于接收控制信號(像來自馬達12的相電流)，并通過向相模塊發(fā)送或應(yīng)用開關(guān)狀態(tài)命令，即通過在相模塊中將開關(guān)接通或斷開，來控制轉(zhuǎn)換器電路14。根據(jù)接收的控制信號，控制器26估計馬達的內(nèi)部狀態(tài)，像定子磁通、轉(zhuǎn)子磁通和電磁轉(zhuǎn)矩。在這些量的幫助下，控制器26計算期望的相電壓Upl、Up2、Up3。圖2示出了相模塊16的可能設(shè)計，其適合于生成5個不同輸出電壓Upl。用三個此類相模塊16，轉(zhuǎn)換器變成了提供相電壓Upl、Up2、Up3的5級轉(zhuǎn)換器。對于ABB的ACS 5000轉(zhuǎn)換器拓撲使用單相模塊16。相模塊16包括在輸入端22與24之間串聯(lián)連接有兩個電容器30、32的DC鏈路28。在兩個電容器30、32之間，定義相模塊的中性點34。相模塊16還包括第一反相器電路36和第二反相器電路38。反相器電路36、38中的每個都包括四個功率半導(dǎo)體開關(guān)40，它們串聯(lián)連接。兩個開關(guān)系列的端部跨DC鏈路28并聯(lián)連接并并聯(lián)連接到輸入端22、24。在反相器電路36、38中每個的第一與第二開關(guān)40之間和在第三與第四開關(guān)40之間，存在到相模塊的中性點34的連接。輸出端18連接在反相器電路38的第二與第三開關(guān)40之間。輸出端20連接在反相器電路36的第二與第三開關(guān)40之間。相模塊16適合于在輸出端18、20之間生成5個不同電壓電平。通過將輸出端18、20連接到輸入端22 (具有正電位U+)、輸入端24 (具有負電位U」或中性點34 (具有中性點電位U0)來生成這些電壓電平。這些連接由控制器26生成，其根據(jù)相模塊的開關(guān)狀態(tài)打開和閉合開關(guān)40。在高馬達速度，控制器26根據(jù)優(yōu)化的脈沖模式(OPP)方法計算開關(guān)狀態(tài)，其依賴于預(yù)先計算一組脈沖模式(其可編碼為電壓矢量序列)，它們表示轉(zhuǎn)換器需要在穩(wěn)態(tài)提供給馬達的電壓，使得滿足某一最小標準。這些脈沖模式存儲在查找表中。在馬達操作期間，控制器26根據(jù)操作條件從這些表中讀取應(yīng)該應(yīng)用到馬達12的脈沖模式。然而，包含在OPP中并從查找表中讀取的僅有的信息是角位置(即時刻)和需要應(yīng)用到馬達相端子PU P2、P3的電壓電平(例如每個相模塊16的-VDC、-VDC/2、0、VDC/2、VDC)。在低馬達速度，控制器26根據(jù)在上面和下面所說明的基于載波的脈寬調(diào)制(CB-PWM)方法計算開關(guān)狀態(tài)。在這個操作區(qū)域(低馬達速度)，因為高載波頻率與基頻比，所以CB-PWM可能是有利的。具體地說，控制器26通過執(zhí)行如在上面和下面所說明的控制方法來確定相模塊16的開關(guān)狀態(tài)。相對于OPP方法的考慮還適用于CB-PWM方法。當操作常規(guī)兩級轉(zhuǎn)換器時，每個可能的相電壓對應(yīng)于可產(chǎn)生它的獨特開關(guān)組合(開關(guān)狀態(tài))，在所需電壓與對應(yīng)的開關(guān)位置之間創(chuàng)建一對一映射。然而，對于多級轉(zhuǎn)換器，情況并非如此，其中存在所謂單相和三相冗余。
具體地說，術(shù)語單相冗余描述其中一個相模塊的兩個(或更多)不同開關(guān)狀態(tài)的可用性，兩個(或更多)不同開關(guān)狀態(tài)產(chǎn)生相同相電壓(例如Upl)但對中性點電位Utl或?qū)Ω与娙萜麟妷壕哂邢喾从绊懭绻粋€配置增大該電壓，則另一個(對于相同電流)降低它。相對于圖2，可通過將18連接到22并將20連接到34或?qū)?8連接到34并將20連接到24來實現(xiàn)相同相電壓(Upl)。對于正電流，第一選項將降低中性點電位Utl，而第二選項將(對于相同電流)增大它。一般采用單相冗余來平衡內(nèi)部轉(zhuǎn)換器電壓，因為它們?yōu)榭蓪?nèi)部電壓調(diào)控到期望方向的調(diào)制方案所需的相電壓提供備選。圖3示出了具有五級轉(zhuǎn)換器、諸如14的可能電壓矢量42的圖解。在電壓矢量42的每個圓圈內(nèi)，給出三個數(shù)，指示電壓矢量的三個電壓電平。例如，電壓矢量42包括對應(yīng)于Up1=-Udc/2, Up2=Udc和Up3=-Udc的三個相模塊的輸出的電壓電平_1、2、-2。電壓矢量42可由(-1 2 -2)描述。可從圖解中導(dǎo)出，僅電壓矢量42具有電壓差-3=-1-(+2)和4=2-(-2)。圖3還示出了包括電壓矢量(I 0 2)、(2 0 2)、(2 0 I)和(2 0 0)的開關(guān)序列44和包括電壓矢量(0 -I I)、(I -I 1),(0 -2 -I)和(I -I -I)的等效開關(guān)序列。例如，兩個開關(guān)序列44、46的第一電壓矢量(I 0 2)和(0 -I I)具有相同電壓差I(lǐng)和_2。術(shù)語三相冗余是指輸出電壓Upl、Up2、Up3之間電壓差中的冗余，即可組合不同相電壓以給馬達端子P1、P2、P3提供相同線間電壓的情況。由于馬達的所有電氣量都取決于線間電壓而不是各個相電壓Upl、Up2、Up3，因此存在更大數(shù)量(相比單相情況)的冗余開關(guān)位置。這些開關(guān)位置在機器端子P1、P2、P3生成相等的線間電壓。這在圖3中示出了，其中可觀察到單相電壓的不同組合可如何生成相同線間電壓(電壓差)由此還有a ^平面上的相同電壓矢量。由此，在多級轉(zhuǎn)換器(相比兩級轉(zhuǎn)換器情況)中，在相電壓Upl、Up2、Up3與對應(yīng)相模塊開關(guān)狀態(tài)之間由于單相冗余并且在線間電壓(電壓差)與總轉(zhuǎn)換器開關(guān)狀態(tài)之間由于三相冗余而都不存在一對一映射。這暗示，當OPP或CB-PWM需要電壓時，可能需要算法以(從存在的許多選項中)判定實現(xiàn)由OPP或CB-PWM請求的電壓的適當開關(guān)位置，同時平衡轉(zhuǎn)換器內(nèi)部量，并此外降低其開關(guān)損耗，降低其開關(guān)頻率，最小化共模電壓值等。圖4示出了用于控制轉(zhuǎn)換器的方法的流程圖。在步驟S10，生成電壓矢量的第一序列。根據(jù)馬達速度，從OPP模式或者用下面詳細描述的生成基于CB-PWM的序列的算法生成該序列。在這兩種情況下，可根據(jù)馬達系統(tǒng)10的操作條件(諸如載荷轉(zhuǎn)矩、速度、馬達電流等)確定該序列。例如，所生成的序列是圖3中示出的序列44。在步驟S12，對于所生成的(第一)序列的每個電壓矢量，確定具有相等電壓差的等效電壓矢量。例如，對于該序列的第一電壓矢量(I O 2)，這些將是電壓矢量(-1 -2 0)和(0 -I I)。這可在查找表的幫助下進行，查找表原則上存儲圖3所示的信息。然后，通過用等效電壓矢量替換第一序列的電壓矢量來生成等效序列的所有可能組合。這些序列之一將是序列46。另外，為了使用一級冗余，在每個等效序列中，每個電壓矢量的每個電壓電平是用生成該電壓電平的開關(guān)狀態(tài)補充的。從該序列中，通過用等效開關(guān)狀態(tài)(即生成該相的相同電壓電平的開關(guān)狀態(tài))替換開關(guān)狀態(tài)來導(dǎo)出具有相等電壓矢量但具有不同開關(guān)狀態(tài)的等效序列。在步驟S14，對于在步驟S12生成的等效序列集合中的每個序列，估計由該序列定義的開關(guān)對轉(zhuǎn)換器的影響。具體地說，在如下積分的幫助下計算每個相模塊16的中性點電位U0的變化
用所述積分可計算每一個電容器30、32上的電壓U。C對應(yīng)于DC鏈路28的電容器30、32的電容，并且/(f丨對應(yīng)于流到相應(yīng)電容器30、32的電流。電流■取決于在開關(guān)序列中編碼的相模塊16的開關(guān)狀態(tài)以及相應(yīng)相的馬達電流?？捎民R達12的模型計算馬達電流，或者在相應(yīng)相的馬達電流基本上由其基本模式確定的假設(shè)下可用簡單的正弦函數(shù)估計馬達電流。時間Tl和T2由開關(guān)序列確定，其還包括開關(guān)必須被應(yīng)用于轉(zhuǎn)換器時的時間。在步驟S16，選擇對于其而言所有相的中性點電位U0都位于預(yù)定義界限內(nèi)的序列。在步驟S18，對于在步驟S16中選擇的每個序列，估計開關(guān)損耗。在此之后，具有最小開關(guān)損耗的序列被選擇為最優(yōu)序列。備選地或附加地，另外的優(yōu)化標準可以是開關(guān)頻率或共模電壓等。在步驟S20，最優(yōu)序列的第一電壓矢量被應(yīng)用到轉(zhuǎn)換器。在應(yīng)用下一電壓矢量之前，再次執(zhí)行步驟S12到S18，以確定新的最優(yōu)序列，例如由于轉(zhuǎn)矩、載荷或馬達電流的改變，新的最優(yōu)序列可偏離先前確定的最優(yōu)序列。本文描述的用于優(yōu)化轉(zhuǎn)換器內(nèi)部狀態(tài)的方法不產(chǎn)生增大開關(guān)損耗的附加換向，并且不干擾由脈寬調(diào)制器命令的諧波伏特-秒平衡。因此，電壓和電流的諧波失真不增大。該方法允許容易地適應(yīng)于不同的多級轉(zhuǎn)換器情況。當將該優(yōu)化方法用于PWM時，預(yù)測的將來轉(zhuǎn)換器開關(guān)瞬間允許平衡轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部電壓(中性點電位、浮動電容器電壓)，同時滿足規(guī)定目標(降低的開關(guān)損耗，作為一個示例)。用0PP，預(yù)測的將來開關(guān)瞬間(即電壓矢量的第一序列)可能已經(jīng)存在于控制器26中。當控制器26使用PWM時，具體地說，包括用于控制轉(zhuǎn)換器的CB-PWM調(diào)制器(在FPGA中編程，作為一個示例)，對于優(yōu)化方法可能不存在將來轉(zhuǎn)換器開關(guān)瞬間，因為CB-PWM調(diào)制器僅可計算下一所需開關(guān)瞬間。由此，應(yīng)用CB-PWM的一個困難可在于如下事實將來開關(guān)瞬間對于OPP未預(yù)先確定。為了與CB-PWM調(diào)制器一起使用該方法，可根據(jù)如下算法以有效方式在線預(yù)先計算即將到來的開關(guān)瞬間，實時計算接下來多個開關(guān)瞬間的在線方法。圖5示出了用于生成基于CB-PWM的電壓矢量序列的方法或算法的流程圖，其可在用于生成電壓矢量的第一序列的圖4的方法步驟S12中執(zhí)行。該方法可被看作用于預(yù)測多級轉(zhuǎn)換器的可預(yù)測內(nèi)部電壓平衡算法的CB-PWM開關(guān)瞬間的計算方法。該方法可基于參考波形的不對稱采樣。在步驟S30，計算每個相的參考波形50和載波斜率54。將參考圖6和圖7說明這個步驟。圖6示出了 2級轉(zhuǎn)換器的具有參考波形50和載波波形52的縮放的圖解。為了簡化所需計算，參考波形50和載波波形52縮放成使得峰峰基值為I。具體地說，兩個波形50、52僅包括-0.5與0.5之間的值。該圖解示出了兩個波形50、52相對于時間(以秒為單位)的發(fā)展。圖6的參考波形50可用如下等式生成
權(quán)利要求
1.一種用于控制轉(zhuǎn)換器的方法， 其中所述轉(zhuǎn)換器適合于通過對于每個相輸出不同電壓電平來生成至少兩個相的AC電流，其中所述不同電壓電平取決于所述轉(zhuǎn)換器的開關(guān)狀態(tài)，所述方法包括 (a)通過如下操作生成電壓矢量的第一序列(44)，每個電壓矢量包括每個相的電壓電平 生成每個相的參考波形(50)； 通過如下操作來確定所述第一序列的每個電壓矢量的相的所述電壓電平從所述相的相應(yīng)參考波形(50)中導(dǎo)出所述電壓電平； (b)通過如下操作確定電壓矢量的等效序列集合(46) 計算所述電壓矢量序列(44)的每個電壓矢量的電壓電平差，所述電壓電平差是所述電壓矢量的電壓電平差； 確定具有相等電壓差的等效電壓矢量； 通過用所述等效電壓矢量替換所述第一序列(44)中的至少一個電壓矢量來生成等效序列(46)； (C)從所述等效序列集合中選擇一個序列，當所述序列被應(yīng)用于所述轉(zhuǎn)換器時，所述序列優(yōu)化所述轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部狀態(tài)； (d)將所選擇序列的第一電壓矢量應(yīng)用于所述轉(zhuǎn)換器。
2.如權(quán)利要求I所述的方法， 其中基于參考分布圖、參考時間和最大振幅中的至少一項生成所述參考波形(50)。
3.如以上權(quán)利要求中任一項所述的方法， 其中在步驟(a)中，通過將所述參考波形(50)與具有周期性正斜率和負斜率的至少一個載波波形(52)相交來從所述參考波形(50)中導(dǎo)出相的電壓電平； 其中所述至少一個載波波形(52)覆蓋所述轉(zhuǎn)換器的較低電壓電平與較高電壓電平之間的間隔； 其中如果所述參考波形(50)與所述載波波形(52)的正斜率相交則所述電壓電平設(shè)置成所述較低電壓電平，并且如果所述參考波形(50)與所述載波波形(52)的負斜率相交則所述電壓電平設(shè)置成所述較高電壓電平。
4.如權(quán)利要求3所述的方法， 其中相的每個電壓電平與時刻相關(guān)， 其中所述時刻是所述載波波形(52)與所述參考波形(50)相交的時刻。
5.如權(quán)利要求3或4所述的方法， 其中以所述正斜率所述載波波形(52)從所述較低電壓電平線性增加到所述較高電壓電平， 其中以所述負斜率所述載波波形(52)從所述較高電壓電平線性減小到所述較低電壓電平。
6.如權(quán)利要求3至5中任一項所述的方法， 其中當所述參考波形(50)與兩個載波波形(52)之間的電壓電平相交時，從所述參考波形(50)導(dǎo)出相的附加電壓電平(64a)， 其中如果所述參考波形(50)在相交點增加，則相的所述附加電壓電平(64a)設(shè)置成下一較高電壓電平，并且如果所述參考波形(50)在相交點減小，則相的所述附加電壓電平設(shè)置成下一較低電壓電平。
7.如權(quán)利要求6所述的方法， 其中相的所述附加電壓電平(64a)與時刻相關(guān)， 其中所述時刻是所述參考波形(50)與兩個載波波形(52)之間的電壓電平相交的時刻。
8.如權(quán)利要求3至7中任一項所述的方法， 其中所述參考波形(50)包括電壓值序列，每個電壓值與時刻相關(guān)， 其中當計算載波波形(52)與所述參考波形(50)之間的交點時，所述參考波形(50)內(nèi)插在所述電壓值之間。
9.如權(quán)利要求8所述的方法， 其中第一電壓與連續(xù)的第二電壓值之間的所述參考波形(50)作為所述第一電壓值被內(nèi)插；或者 其中所述參考波形被線性內(nèi)插在第一電壓值與連續(xù)的第二電壓值之間。
10.如以上權(quán)利要求中任一項所述的方法， 其中在步驟(C)，通過如下操作選擇所述序列 通過將所述序列應(yīng)用于所述轉(zhuǎn)換器的模型來估計所述轉(zhuǎn)換器的所述內(nèi)部狀態(tài)； 選擇具有最優(yōu)估計內(nèi)部狀態(tài)的序列。
11.如以上權(quán)利要求中任一項所述的方法， 其中在步驟(C)，所述序列選擇成使得所述轉(zhuǎn)換器的至少一個如下內(nèi)部狀態(tài)得到優(yōu)化 中性點電位(Utl)位于預(yù)定義界限內(nèi)； 最小化開關(guān)損耗和/或開關(guān)頻率； 最小化共模電壓和/或所述共模電壓的變化； 內(nèi)部狀態(tài)與預(yù)定義內(nèi)部狀態(tài)的平均偏差最小。
12.一種用于控制轉(zhuǎn)換器的程序單元，所述程序單元當由至少一個處理器執(zhí)行時適合于執(zhí)行如權(quán)利要求I至12中任一項所述的方法的步驟。
13.一種計算機可讀介質(zhì)，其中存儲如權(quán)利要求13所述的程序單元。
14.一種用于控制轉(zhuǎn)換器的控制器(26)， 其中所述控制器適合于執(zhí)行如權(quán)利要求I至11中任一項所述的方法。
15.—種轉(zhuǎn)換器,包括 具有開關(guān)(40)的轉(zhuǎn)換器電路(14)，所述轉(zhuǎn)換器電路(14)適合于生成至少兩個相的輸出電壓，所述輸出電壓對應(yīng)于由所述開關(guān)(40)的開關(guān)狀態(tài)生成的不同電壓電平； 用于控制所述開關(guān)(40)的控制器(26)，所述控制器(26)適合于執(zhí)行如權(quán)利要求I至12中任一項所述的方法。
全文摘要
提出一種預(yù)測多相多級轉(zhuǎn)換器的脈寬調(diào)制開關(guān)序列的方法。用第一預(yù)測開關(guān)序列，由于多相冗余而確定等效開關(guān)序列。從等效開關(guān)序列中選擇相對于預(yù)定義優(yōu)化目標最優(yōu)的一個開關(guān)序列。使用選擇的開關(guān)序列開關(guān)轉(zhuǎn)換器。
文檔編號G05B13/04GK102804583SQ201080065687
公開日2012年11月28日 申請日期2010年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月25日
發(fā)明者F.基伊弗多夫, N.愛科諾莫, G.帕帕福蒂奧, T.格耶 申請人:Abb研究有限公司