用于高壓直流輸電的變換器的改進(jìn)或與其有關(guān)的改進(jìn)的制作方法
【專利摘要】在高壓直流(HVDC)輸電領(lǐng)域中，變換器(10)包括三個(gè)變換器臂(12A、12B、12C)，每個(gè)對(duì)應(yīng)于變換器(10)的相應(yīng)相(A、B、C)，每個(gè)在第一與第二DC端子(14、16)之間延伸，每個(gè)包括由AC端子(18A、188、180)分隔開的第一臂部和第二臂部(12A+、12A?、12B+、12B?、12C+、12C?)。每個(gè)臂部(12A+、12A?、12B+、12B?、12C+、12C?)包括可操作以提供階梯式可變電壓源的鏈?zhǔn)阶儞Q器(24A+、24A?、24B+、24B?、24C+、24C?)以及用以選擇性地將相應(yīng)臂部(12A+、12A?、128+、128?、12C+、12C?)切換進(jìn)和切換出電路的主開關(guān)元件(Sw1、Sw2、Sw3、Sw4、Sw5、Sw6)。變換器(10)還包括第一控制器(32)，被編程為選擇性地在一個(gè)時(shí)刻為一個(gè)變換器臂(12A、12B、12C)將其每個(gè)臂部(12A+、12A?、12B+、12B?、120+、20?)中的主開關(guān)元件(Sw1、Sw2、Sw3、Sw4、Sw5、Sw6)操作為同時(shí)將第一臂部和第二臂部(12A+、2A?、12B+、128?、120+、120?)均切換進(jìn)電路，并由此限定完全導(dǎo)通的變換器臂(12A、12B、120)，以經(jīng)由每個(gè)所述完全導(dǎo)通的變換器臂(12A、128、120)在所述第一DC端子與所述第二DC端子(14、16)之間相繼地路由DC電流需求(Ipc)。
【專利說(shuō)明】
用于高壓直流輸電的變換器的改進(jìn)或與其有關(guān)的改進(jìn)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于高壓直流輸電的變換器。
【背景技術(shù)】
[0002] 在高壓直流(HVDC)電力傳輸網(wǎng)絡(luò)中，交流(AC)電力通常被變換為直流(DC)電力， 用于經(jīng)由架空線和/或海底電纜進(jìn)行傳輸。這種變換免除了對(duì)由電力傳輸介質(zhì)（即傳輸線或 電纜)造成的AC電容性載荷效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)男枰⑶覐亩档碗娋€和/或電纜的每公里成 本。當(dāng)需要長(zhǎng)距離傳輸電力時(shí)，從AC到DC的變換因而變得有成本效益。
[0003] DC電力與AC電力之間的變換還用于需要互連DC和AC電網(wǎng)的電力傳輸網(wǎng)絡(luò)。在任何 這種電力傳輸網(wǎng)絡(luò)中，在AC電力與DC電力之間的每個(gè)交界處需要變換器來(lái)產(chǎn)生所需的變 換:AC到DC或者DC到AC。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種變換器，用于高壓直流輸電，包括：
[0005] 三個(gè)變換器臂，每個(gè)變換器臂對(duì)應(yīng)于所述變換器的相應(yīng)相，每個(gè)變換器臂在第一 DC端子與第二DC端子之間延伸，并且每個(gè)變換器臂包括由AC端子分隔開的第一臂部和第二 臂部，每個(gè)臂部包括能夠操作以提供階梯式可變電壓源的鏈?zhǔn)阶儞Q器以及用以選擇性地將 相應(yīng)臂部切換進(jìn)和切換出電路的主開關(guān)元件；以及
[0006] 第一控制器，被編程為選擇性地在一個(gè)時(shí)刻為一個(gè)變換器臂將其每個(gè)臂部中的主 開關(guān)元件操作為同時(shí)將第一臂部和第二臂部均切換進(jìn)電路，并由此限定完全導(dǎo)通的變換器 臂，以經(jīng)由每個(gè)所述完全導(dǎo)通的變換器臂在所述第一DC端子與所述第二DC端子之間相繼地 路由DC電流需求。
[0007] 依次經(jīng)由每個(gè)完全導(dǎo)通的變換器臂在第一 DC端子與第二DC端子之間相繼地路由 DC電流需求允許DC電流需求在第一 DC端與第二DC端子之間連續(xù)流動(dòng)，并且由此允許本發(fā)明 的變換器在變換器的整個(gè)操作周期中與在使用中與第一 DC端和第二DC端連接的DC網(wǎng)絡(luò)連 續(xù)地交換電力。
[0008] 同時(shí)，在一個(gè)時(shí)刻僅具有一個(gè)完全導(dǎo)通的變換器臂避免在相應(yīng)的變換器臂之間創(chuàng) 建電流路徑，并且在變換器臂之間沒(méi)有瞬態(tài)循環(huán)電流出現(xiàn)。沒(méi)有這種循環(huán)電流允許從每個(gè) 臂部中去除原本為限制變換器臂之間的上述循環(huán)電流的水平所需要的無(wú)源電感器。
[0009] 這種無(wú)源電感器在物理上是非常大的，并且因此省略它們?cè)试S顯著地減少（例如 大約20%)包括本發(fā)明的變換器的變換器站的整體占地面積。這進(jìn)而有助于大大減少變換 器站成本。
[0010] 此外，從每個(gè)臂部省略無(wú)源電感器也意味著可以將變壓器與變換器直接連接，而 不需要通常大型且昂貴的互連套管，并且因此提供了進(jìn)一步的空間節(jié)省和成本節(jié)省機(jī)會(huì)。
[0011] 另外，從每個(gè)臂部中省略電感器允許提高變換器能夠產(chǎn)生的AC電壓的水平，同時(shí) 允許降低必須提供的AC電流的水平，即單獨(dú)的AC相電流需求波形（AC current demand phase waveform)的水平，并因此提高變換器的效率。
[0012]優(yōu)選地，第一控制器被編程為以大約60度電角度的規(guī)則間隔相繼地限定完全導(dǎo)通 的變換器臂。
[0013] 包括如此編程的第一控制器導(dǎo)致在第一 DC端子與第二DC端子之間路由的DC電流 需求是平滑和連續(xù)的。
[0014] 可選的，所述第一控制器被另外編程為，在為給定變換器臂將其每個(gè)臂部中的主 開關(guān)元件選擇性地操作為同時(shí)將第一臂部和第二臂部均切換進(jìn)電路并由此限定完全導(dǎo)通 的變換器臂時(shí)，同時(shí)為每個(gè)其它變換器臂操作其一個(gè)或兩個(gè)臂部中的主開關(guān)元件以將一單 個(gè)臂部切換進(jìn)電路，并由此限定部分導(dǎo)通的變換器臂以將相應(yīng)的AC相電流需求波形朝向給 定的AC端子引導(dǎo)，從而使得相應(yīng)的AC相電流需求波形之和為零。
[0015] 在給定的AC端子處使得AC相電流需求波形之和為零，即在本發(fā)明的變換器內(nèi)，消 除了在第一 DC端子與第二DC端子之間路由的DC電流需求中包括的任何AC分量，因此避免了 在電流經(jīng)過(guò)其流到在使用中與第一 DC端子和第二DC端子連接的DC網(wǎng)絡(luò)之前對(duì)此電流進(jìn)行 濾波的需要。
[0016] 在HVDC安裝中的任何一種濾波器都對(duì)于最終的變換器站的占地面積具有重大影 響，因此避免了這樣的濾波器是非常有利的。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的變換器進(jìn)一步包括第二控制器，其被編程為：
[0018] (a)為每個(gè)變換器臂獲得對(duì)應(yīng)的變換器臂需要跟蹤的相應(yīng)的AC相電流需求波形， 以及每個(gè)變換器臂還需要跟蹤的DC電流需求；以及
[0019] (b)執(zhí)行數(shù)學(xué)優(yōu)化，為每個(gè)臂部確定該臂部為跟蹤對(duì)應(yīng)的所需AC相電流需求波形 和所需的DC電流需求必須貢獻(xiàn)的最優(yōu)臂部電流。
[0020] 執(zhí)行上述數(shù)學(xué)優(yōu)化，即，從一組可用的替代方案中選擇最佳的單獨(dú)臂部電流(相對(duì) 于選擇標(biāo)準(zhǔn)），允許AC和DC電流需求彼此獨(dú)立地受到(例如通過(guò)更高級(jí)別的控制器)控制。
[0021] 這還允許單獨(dú)臂部電流彼此獨(dú)立地變化以適應(yīng)通過(guò)變換器的不同的電流流動(dòng)路 徑，例如在整個(gè)變換器的每個(gè)操作周期中，由相繼限定完全導(dǎo)通的變換器臂和相應(yīng)的部分 導(dǎo)通的變換器臂所產(chǎn)生的不同的電流流動(dòng)路徑。
[0022] 此外，第二控制器能夠?qū)崟r(shí)執(zhí)行步驟(a)和(b)以便允許本發(fā)明的變換器的穩(wěn)健性 控制。
[0023] 第二控制器可被編程為通過(guò)創(chuàng)建表示通過(guò)所述變換器的電流流動(dòng)的等效變換器 配置來(lái)進(jìn)行數(shù)學(xué)優(yōu)化。
[0024] 以上述方式創(chuàng)建等效變換器配置對(duì)變換器可被控制的方式加上約束條件，并且因 此有助于執(zhí)行數(shù)學(xué)優(yōu)化來(lái)確定每個(gè)最優(yōu)臂部電流。
[0025] 可選的，所述第二控制器被編程為通過(guò)映射通過(guò)所述變換器的可能的電流流動(dòng)路 徑來(lái)創(chuàng)建表示通過(guò)所述變換器的電流流動(dòng)的等效變換器配置。
[0026] 映射通過(guò)變換器的可能的電流流動(dòng)路徑有助于第二控制器來(lái)定制其提供給本發(fā) 明的變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（即結(jié)構(gòu)）的數(shù)學(xué)優(yōu)化。
[0027] 優(yōu)選地，所述第二控制器被編程為通過(guò)施加電流權(quán)重到多個(gè)臂部所提供的相對(duì)電 流貢獻(xiàn)來(lái)執(zhí)行數(shù)學(xué)優(yōu)化。
[0028] 施加這種權(quán)重允許每個(gè)臂部的性能變化使其更加具有適應(yīng)性，同時(shí)繼續(xù)優(yōu)化變換 器作為整體的操作。
[0029] 所述第二控制器可被編程為根據(jù)所述變換器的測(cè)量的操作參數(shù)來(lái)確定所述或每 個(gè)權(quán)重。
[0030] 以上述方式確定權(quán)重允許第二控制器考慮到可能影響變換器的良好運(yùn)行的環(huán)境 因素，并且改變被確定以克服環(huán)境因素的最優(yōu)臂部電流，并減輕對(duì)變換器的運(yùn)行的相關(guān)聯(lián) 的影響。這樣的環(huán)境因素的例子包括一個(gè)臂部中的部件發(fā)熱，或臂部受到部件損壞或故障 使得其性能下降。
[0031] 在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，當(dāng)在特定操作條件下控制所述變換器時(shí)，所述 第二控制器被編程為通過(guò)施加不同的權(quán)重到至少一個(gè)臂部來(lái)施加權(quán)重，使得所述或每個(gè)所 述臂部提供與其它臂部不同的貢獻(xiàn)。
[0032] 這種特征允許第二控制器區(qū)分一個(gè)臂部和另一個(gè)臂部，例如根據(jù)給定的臂部性能 如何來(lái)進(jìn)行區(qū)分。
[0033] 在以下情況下這是有用的，即當(dāng)期望降低由給定臂部貢獻(xiàn)的電流水平(例如這是 因?yàn)榕c該臂部相關(guān)聯(lián)的冷卻運(yùn)行于較低容量)并且暫時(shí)提高由一個(gè)或多個(gè)其它臂部提供的 電流水平以便允許變換器繼續(xù)操作和提供高水平的電力變換時(shí)。
[0034] 這也可以用來(lái)例如在故障或其它損壞降低給定臂部的性能的情況下，減少給定臂 部必須提供的臂部電壓，使得變換器仍然能夠繼續(xù)操作并提供高水平的電力變換。
[0035]優(yōu)選地，所述第二控制器被編程為執(zhí)行數(shù)學(xué)優(yōu)化來(lái)確定對(duì)應(yīng)的臂部必須貢獻(xiàn)以跟 蹤對(duì)應(yīng)所需的AC相電流需求波形和所需的DC電流需求的一個(gè)或多個(gè)最小單獨(dú)臂部電流。
[0036] 確定一個(gè)或多個(gè)最小單獨(dú)臂部電流減小了每個(gè)臂部中的傳導(dǎo)和開關(guān)損耗，這是因 為通常這種損耗是與電流的平方(即I2)成正比的。
[0037] 在本發(fā)明的一個(gè)進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，所述第二控制器進(jìn)一步被編程為執(zhí)行數(shù) 學(xué)優(yōu)化以提供最優(yōu)臂部電壓源。
[0038] 包括如此編程的第二控制器有助于以可能的最有效的方式提供彼此獨(dú)立變化的 單獨(dú)臂部電流。
【附圖說(shuō)明】
[0039] 現(xiàn)在將參照以下附圖，通過(guò)非限制示例的方式來(lái)簡(jiǎn)要描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例， 在附圖中：
[0040] 圖1示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的變換器的示意圖；
[0041] 圖2示出在變換器的操作周期過(guò)程中圖1所示的變換器內(nèi)主開關(guān)元件的優(yōu)選切換 順序；
[0042] 圖3示意性示出圖1所示的變換器的完全導(dǎo)通的變換器臂和相應(yīng)部分導(dǎo)通的變換 器臂的選擇性限定；
[0043] 圖4示出圖1所示的變換器的第二控制器被編程以執(zhí)行的主要步驟的流程圖；
[0044] 圖5示出對(duì)應(yīng)于圖1所示的變換器的等效變換器配置的示意圖；
[0045] 圖6(a)示出另一第二控制器可以被編程以執(zhí)行的主要步驟的流程圖；以及
[0046] 圖6(b)示出形成另一控制器可以被編程以執(zhí)行的主要步驟的一部分的反饋環(huán)路 的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0047]根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的變換器由附圖標(biāo)記10-般性指定，如圖1所示。
[0048] 變換器10包括三個(gè)變換器臂12六、128、12(：，其每個(gè)對(duì)應(yīng)于變換器10的相應(yīng)的相八、 B、C〇
[0049] 每個(gè)變換器臂12A、12B、12C在第一DC端子14與第二DC端子16之間延伸，并且每個(gè) 變換器臂12A、12B、12C包括由AC端子18A、18B、18C分隔開的第一臂部12A+、12B+、12C+和第 二臂部 12A-、12B-、12C-。
[0050] 在使用中，第一DC端子14和第二DC端子16連接到DC網(wǎng)絡(luò)20,第一DC端子14攜帶VDC+ 的電壓并且第二DC端子16攜帶VDC-的電壓，而AC端子18A、18B、18C被連接到三相AC網(wǎng)絡(luò)22的 對(duì)應(yīng)的相A、B、C并且攜帶對(duì)應(yīng)的AC相電壓波形(AC voltage phase waveform)VA、VB、Vc〇 [0051 ]每個(gè)臂部 124+、124-、128+、128-、120+、12〇包括鏈?zhǔn)阶儞Q器244+、244-、248+、 24B-、24C+、24C-，每個(gè)鏈?zhǔn)阶儞Q器包括串聯(lián)連接的一連串模塊26。每個(gè)鏈?zhǔn)阶儞Q器24A+、 24A-、24B+、24B-、24C+、24C-中的模塊 26 的數(shù)量取決于相應(yīng)臂部 12A+、12A-、12B+、12B-、12C +、12C-所需要的額定電壓。
[0052] 每個(gè)鏈?zhǔn)阶儞Q器244+、24六-、248+、248-、2扣+、24(：-的每個(gè)模塊26包括與電容器 (未示出）形式的能量?jī)?chǔ)存器件并聯(lián)連接的兩對(duì)次級(jí)開關(guān)元件(未示出），以限定可以提供負(fù) 電壓、零電壓或正電壓并且可以在兩個(gè)方向上傳導(dǎo)電流的4象限雙極模塊26。
[0053] 在使用中，每個(gè)鏈?zhǔn)阶儞Q器24六+、24六-、248+、248-、2扣+、24(：-的模塊26的次級(jí)開 關(guān)元件被操作為使得每個(gè)鏈?zhǔn)阶儞Q器24A+、24A-、24B+、24B-、24C+、24C-能夠提供階梯式可 變電壓源。次級(jí)開關(guān)元件還有利地在接近AC網(wǎng)絡(luò)22的基頻處切換。
[0054] 通過(guò)改變次級(jí)開關(guān)元件的狀態(tài)，每個(gè)模塊26的電容器可以被旁路或被插入相應(yīng)的 鏈?zhǔn)阶儞Q器 24A+、24A-、24B+、24B-、24C+、24C-。
[0055] 當(dāng)各對(duì)次級(jí)開關(guān)元件被配置為在模塊26中形成短路時(shí)，每個(gè)模塊26的電容器被旁 路。這將導(dǎo)致變換器1 〇的對(duì)應(yīng)的臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-中的電流通過(guò)短路 并旁路電容器，因此模塊26能夠提供零電壓。
[0056] 當(dāng)該對(duì)次級(jí)開關(guān)元件被配置為允許上述電流流入和流出電容器時(shí)，每個(gè)模塊26的 電容器被插入到相應(yīng)的鏈?zhǔn)阶儞Q器244+、24六-、248+、248-、2扣+、24(：-。電容器則能夠?qū)ζ?儲(chǔ)存的能量充電或放電以便提供電壓。4象限雙極模塊26的雙向性質(zhì)意味著電容器可以正 向或反向插入模塊26從而提供正電壓或負(fù)電壓。
[0057]因此，通過(guò)將每個(gè)提供其自身電壓的多個(gè)模塊26的電容器插入鏈?zhǔn)阶儞Q器24A+、 24A-、24B+、24B-、24C+、24C-，可以在每個(gè)鏈?zhǔn)阶儞Q器 24A+、24A-、24B+、24B-、24C+、24C-兩 端建立合成電壓，該合成電壓高于從每個(gè)單獨(dú)的模塊26可得到的電壓。
[0058] 4象限雙極模塊26提供正電壓或負(fù)電壓的能力意味著可以從提供正電壓或負(fù)電壓 的模塊26的組合建立每個(gè)鏈?zhǔn)阶儞Q器24A+、24A-、24B+、24B-、24C+、24C-兩端的電壓。通過(guò) 控制各個(gè)模塊26在提供的正電壓或負(fù)電壓之間交替，單獨(dú)的電容器的能量水平可因此維持 在最佳水平。
[0059 ]可以為每個(gè)模塊26改變切換操作的時(shí)序，使得將單獨(dú)的模塊26的電容器插入鏈?zhǔn)?變換器 244+、244-、248+、248-、240+、24〇和/或從鏈?zhǔn)阶儞Q器244+、244-、248+、248-、24〇+、 24C-旁路，導(dǎo)致在對(duì)應(yīng)的AC端子18A、18B、18C處產(chǎn)生電壓波形。例如，可以交錯(cuò)插入單獨(dú)的 模塊26的電容器以產(chǎn)生正弦波形。通過(guò)調(diào)整鏈?zhǔn)阶儞Q器24A+、24A-、24B+、24B-、24C+、24C-中的每個(gè)模塊26的切換操作的時(shí)序可以產(chǎn)生其它波形形狀。
[0060] 以這種方式，鏈?zhǔn)阶儞Q器244+、24六-、248+、248-、2扣+、24(：-能夠促進(jìn)4(：網(wǎng)絡(luò)22與 DC網(wǎng)絡(luò)20之間的電力傳輸。
[00611除了上述之外，包括4象限雙極模塊26意味著在例如DC網(wǎng)絡(luò)20中的極對(duì)極故障的 情況下可以為每個(gè)鏈?zhǔn)阶儞Q器24A+、24A-、24B+、24B-、24C+、24C-阻斷DC故障電流，這樣的 阻斷是通過(guò)斷開每個(gè)模塊26中的適當(dāng)?shù)拇渭?jí)開關(guān)元件以防止故障電流通過(guò)每個(gè)所述模塊 26流動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
[0062] 每個(gè)臂部124+、124-、128+、128-、120+、12(：-還包括與對(duì)應(yīng)的鏈?zhǔn)阶儞Q器24八+、 24A-、24B+、24B-、24C+、24C-串聯(lián)連接的主開關(guān)元件SW1、Sw4、Sw3、Sw 6、Sw5、Sw2。在使用中，每 個(gè)主開關(guān)元件SW1、Sw 2、Sw3、Sw4、Sw5、Sw6 將相應(yīng)的臂部 12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-選 擇性地切換進(jìn)和切換出變換器10內(nèi)的電路。
[0063]在本發(fā)明的的其它實(shí)施例（未示出）中，取決于每個(gè)臂部12A+、12A-、12B+、12B-、 12C+、12C-所需的額定電壓，每個(gè)主開關(guān)元件可以包括多個(gè)(例如串聯(lián)連接)的開關(guān)元件。 [0064] 此外，在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，在每個(gè)臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-中 每個(gè)主開關(guān)元件Swi、Sw2、Sw3、SW4、Sw5、Sw6與對(duì)應(yīng)的鏈?zhǔn)阶儞Q器24A+、24A-、24B+、24B-、24C +、24C-之間的串聯(lián)連接允許相應(yīng)的主開關(guān)元件SW1、Sw2、Sw3、Sw4、Sw 5、Sw6和對(duì)應(yīng)的鏈?zhǔn)阶儞Q 器244+、244-、248+、248-、2牝+、24(：-以相反順序連接在對(duì)應(yīng)的4(：端子184、188、18(：與相應(yīng) 的第一DC端子14或第二DC端子16之間。
[0065] 在示出的實(shí)施例中，每個(gè)主開關(guān)元件SWI、SW2、SW3、SW4、SW5、SW6和相應(yīng)鏈?zhǔn)阶儞Q器 24八+、244-、248+、248-、2扣+、24(：-中的每個(gè)次級(jí)開關(guān)元件是與反并聯(lián)二極管30并聯(lián)連接的 絕緣柵雙極晶體管（IGBT) 28。
[0066] 在本發(fā)明的其它實(shí)施例(未示出）中，一個(gè)或多個(gè)主開關(guān)元件Swi、Sw2、Sw3、Sw4、Sw5、 Sw6和次級(jí)開關(guān)元件可以包括不同的半導(dǎo)體器件，諸如場(chǎng)效應(yīng)晶體管、柵極可關(guān)斷晶閘管、 注射門極增強(qiáng)型晶體管、集成門極換流晶體管或另一外部換向的半導(dǎo)體開關(guān)（即由一個(gè)或 多個(gè)外部組件關(guān)斷使通過(guò)該半導(dǎo)體開關(guān)的電流降至零的半導(dǎo)體開關(guān)）。這些其它外部換向 的半導(dǎo)體開關(guān)可包括所謂的"強(qiáng)制換向"和"自換向"半導(dǎo)體開關(guān)。在每個(gè)實(shí)例中，半導(dǎo)體器 件優(yōu)選地與反并聯(lián)二極管并聯(lián)連接。
[0067] 由于上文描述的原因，每個(gè)臂部12六+、12六-、128+、128-、120+、12(：-省略了任何形 式的物理、無(wú)源電感組件，這進(jìn)而在減少其中結(jié)合了本發(fā)明的變換器的最終變換器站的整 體占地面積方面提供了顯著的益處。
[0068] 除了上述之外，變換器10包括第一控制器32，其被布置為與每個(gè)主開關(guān)元件SW1、 SW2、SW3、SW4、SW5、SW6操作性通信。
[0069] 第一控制器32是可編程設(shè)備，諸如微控制器，更具體地被編程為在一個(gè)時(shí)刻為一 個(gè)變換器臂12A、12B、12C操作其每個(gè)臂部124+、12六-、128+、128-、120+、12(：-中的主開關(guān)元 件Swi、Sw 2、Sw3、Sw4、Sw5、Sw6，以同時(shí)將第一臂部 12A+、12B+、12C+和第二臂部、12A-、12B-、 12C-均切換進(jìn)電路并且由此限定完全導(dǎo)通的變換器臂12A、12B、12C。
[0070] 以這種方式，第一控制器32經(jīng)由每個(gè)所述完全導(dǎo)通的變換器臂12A、12B、12C在第 一DC端子14和第二DC端子16之間相繼地路由（route)DC電流需求IDC(即變換器臂12A、12B、 12C需要跟蹤的DC電流）。
[0071] 更具體而言，第一控制器32被編程為以大約60度電角度的規(guī)則間隔34^34^343、 344、34 5、346相繼地限定完全導(dǎo)通的變換器臂12六、128、12(：。于是，在理想的情況下，每個(gè)間 隔為60度電角度，盡管對(duì)于實(shí)際的實(shí)現(xiàn)目的而言，每個(gè)間隔可能為60±1度電角度的范圍， 或60±2度電角度的范圍。
[0072] 第一控制器32還另外被編程為，在為給定變換器臂12A、12B、12C選擇性地操作其 每個(gè)臂部 12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-中的主開關(guān)元件 Swi、Sw2、Sw3、Sw4、Sw5、Sw6 以同 時(shí)將第一和第二臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-均切換到電路中并由此限定完全導(dǎo) 通的變換器臂12A、12B、12C時(shí)，來(lái)為每個(gè)其它的變換器臂12A、12B、12C同時(shí)操作其一個(gè)或兩 個(gè)臂部 12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-中的主開關(guān)元件SW1、Sw2、Sw 3、Sw4、Sw5、Sw6 以將單 個(gè)臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-切換進(jìn)電路中，并且由此限定部分導(dǎo)通的變換器 臂12A、12B、12C。
[0073] 以這種方式，第一控制器32被編程為將相應(yīng)的AC相電流需求波形Ia、Ib、Ic(即變換 器10需要跟蹤的相應(yīng)的AC相電流)朝向給定AC端子18A、18B、18C引導(dǎo)，從而使得AC相電流需 求波形I A、lB、Ie的總和為零。
[0074] 圖2示出由第一控制器32實(shí)現(xiàn)的主開關(guān)元件Swi、Sw2、Sw3、Sw4、Sw5、Sw6的一個(gè)示例 性切換順序。然而，也可執(zhí)行另外的切換順序。
[0075] 在示出的實(shí)施例中，第一控制器32使用鎖相環(huán)(phase locked loop，PLL)控制方 案以協(xié)調(diào)AC網(wǎng)絡(luò)22的相應(yīng)的AC相電壓波形VA、VB、Vc的切換順序。
[0076]更具體而言，在第一間隔3和的過(guò)程中，第一控制器32操作第一變換器臂12A的每 個(gè)臂部12A+、12A-中的主開關(guān)元件SW1、Sw4以同時(shí)將第一臂部12A+和第二臂部12A-切換到電 路中，并由此限定完全導(dǎo)通的變頻器臂12A。
[0077]同時(shí)，即與上述過(guò)程同時(shí)地，第一控制器32操作第二變換器臂12B的第二臂部12B-中的主開關(guān)元件SW6以將第二臂部12B-切換進(jìn)電路，并且由此限定部分導(dǎo)通的變換器臂 12B。將第二變換器臂12B的第一臂部12B+中的主開關(guān)元件Sw3保持為切換出電路。
[0078] 第一控制器32還同時(shí)操作第三變換器臂12C的第一臂部12C+的主開關(guān)元件&5以 將第一臂部12C+切換進(jìn)電路，并且由此限定另一個(gè)部分導(dǎo)通的變換器臂12C。將第三變換器 臂12C的第二臂部12C-中的主開關(guān)元件Sw2保持為切換出電路。
[0079] 在第二間隔342的過(guò)程中，第一控制器32保持第三變換器臂12C的第一臂部12C+切 換進(jìn)電路，同時(shí)操作第三變換器臂12C的第二臂部12C-中的主開關(guān)元件Sw2以將第二臂部 12C-切換進(jìn)電路，并由此限定完全導(dǎo)通的變換器臂12C。同時(shí)，第一控制器保持第一變換器 臂12A的第一臂部12A+切換進(jìn)電路，同時(shí)操作第二臂部12A-中的主開關(guān)元件Sw 4以將第二臂 部12A-切換出電路，并由此限定部分導(dǎo)通的變換器臂12A。同時(shí)，第一控制器32還保持第二 變換器臂12B的第二臂部12B-切換進(jìn)電路以繼續(xù)限定部分導(dǎo)通的變換器臂12B。第二變換器 臂12B中的第一臂部12B+中的主開關(guān)元件Sw 3保持切換出電路。
[0080]在第三間隔343的過(guò)程中，第一控制器32操作第二變換器臂12B的第一臂部12B+中 的主開關(guān)元件Sw3,以將第一臂部12B+切換進(jìn)電路，并由此與已經(jīng)切換進(jìn)電路的第二臂部 12B--同限定完全導(dǎo)通的變換器臂12B。同時(shí)，第一控制器32繼續(xù)保持第一變換器臂12A的 第一臂部12A+切換進(jìn)電路，并且保持第一變換器臂12A的第二臂部12A-切換出電路，以繼續(xù) 限定部分導(dǎo)通的變換器臂12A。同時(shí)，第一控制器32還保持第三變換器臂12C的第二臂部 12C-切換進(jìn)電路，同時(shí)操作第三變換器臂12C的第一臂部12C+中的主開關(guān)元件& 5以將第一 臂部12C+切換出電路，從而限定部分導(dǎo)通的變換器臂12C。
[0081] 在第四間隔344的過(guò)程中，第一控制器32操作第一變換器臂12A的第二臂部12A-中 的主開關(guān)元件Sw4以將第二臂部12A-切換進(jìn)電路，并由此與已經(jīng)切換進(jìn)電路的第一臂部12A +-同限定完全導(dǎo)通的變換器臂12A，如圖3以舉例的方式所示。還如圖3所示，上述完全導(dǎo)通 的變換器臂12A在第一 DC端子14和第二DC端子16之間路由DC電流需求IDC。
[0082] 同時(shí)，第一控制器32繼續(xù)保持第二變換器臂12B的第一臂部12B+切換進(jìn)電路，同時(shí) 操作第二變換器臂12B的第二臂部12B-中的主開關(guān)元件Sw 6以將第二臂部12B-切換出電路， 從而限定部分導(dǎo)通的變換器臂12B，還如圖3所示。圖3另外示出部分導(dǎo)通的變換器臂12B，即 其第一臂部12B+將AC相電流需求波形Ib(即AC相電流Ib)朝向第一 AC端子18A引導(dǎo)。
[0083]同時(shí)，第一控制器32還保持第三變換器臂12C的第一臂部12C+切換出電路，并且保 持第三變換器臂12C的第二臂部12C-切換進(jìn)電路，以繼續(xù)限定部分導(dǎo)通的變換器臂12C，再 次如圖3所示。如圖3所示，部分導(dǎo)通的變換器臂12C，即其第二臂部12C-還將AC相電流需求 波形Ic(即AC相電流Ic)朝向第一 AC端子18A引導(dǎo)。
[0084]上述AC相電流需求波形IB、Ic中的每個(gè)，與另一 AC相電流需求波形Ια-起在第一 AC 端子18Α處的總和為零，從而相互抵消使得它們不會(huì)對(duì)在第一 DC端子14和第二DC端子16之 間路由的DC電流需求IDC的質(zhì)量(即平滑度)產(chǎn)生不利影響。
[0085]在第五間隔345的過(guò)程中，第一控制器32操作第三變換器臂12C的第一臂部12C+的 主開關(guān)元件Sw5以將第一臂部12C+切換進(jìn)電路，并由此與已經(jīng)切換進(jìn)電路的第二臂部12C-一同限定完全導(dǎo)通的變換器臂12C。同時(shí)，第一控制器32繼續(xù)保持第一變換器臂12A的第二 臂部12A-切換進(jìn)電路，同時(shí)操作第一變換器臂12A的第一臂部12A+中的主開關(guān)元件S W1以將 第一臂部12A+切換出電路，從而限定部分導(dǎo)通的變換器臂12A。同時(shí)，第一控制器32還保持 第二變換器臂12B的第一臂部12B+切換進(jìn)電路并且保持第二變換器臂12B的第二臂部12B-切換出電路，以繼續(xù)限定部分導(dǎo)通的變換器臂12B。
[0086]在第六也是最后的間隔346的過(guò)程中，第一控制器32操作第二變換器臂12B的第二 臂部12B-中的主開關(guān)元件Sw6以將第二臂部12B-切換進(jìn)電路，并由此與已經(jīng)切換進(jìn)電路的 第一臂部12B+-同限定完全導(dǎo)通的變換器臂12B。同時(shí)，第一控制器32繼續(xù)保持第一變換器 臂12A的第二臂部12A-切換進(jìn)電路并且保持第一臂部12A+切換出電路，以繼續(xù)限定部分導(dǎo) 通的變換器臂12A。同時(shí)，第一控制器32還保持第三變換器臂12C的第一臂部12C+切換進(jìn)電 路，同時(shí)操作第三臂部12C的第二臂部12C-中的主開關(guān)元件Sw 2以將第二臂部12C-切換出電 路，并由此限定部分導(dǎo)通的變換器臂12C。
[0087]由此可見(jiàn)，在變換器10的完整的操作周期36的對(duì)應(yīng)的第一間隔3和、第二間隔342、 第三間隔343、第四間隔344、第五間隔345和第六間隔34 6的過(guò)程中，第一控制器32相繼地限 定單個(gè)單獨(dú)的第一、第二、第三、第四、第五和第六個(gè)完全導(dǎo)通的變換器臂12A、12C、12B、 12A、12C、12B。
[0088] 變換器10還包括第二控制器38,其被布置為與第一控制器32以及每個(gè)鏈?zhǔn)阶儞Q器 24A+、24A-、24B+、24B-、24C+、24C-通信。類似地，第二控制器38是可編程設(shè)備，諸如微控制 器。雖然在所描述的實(shí)施例中第一控制器32和第二控制器38被示出為單獨(dú)的項(xiàng)，但是它們 可以在本發(fā)明的其它實(shí)施例中形成更大的控制器或控制器布置的單獨(dú)的零件或單個(gè)部分。 [0089] 返回到所示的實(shí)施例，第二控制器38被編程為：
[0090] (a)為每個(gè)變換器臂12A、12B、12C獲得對(duì)應(yīng)的變換器臂12A、12B、12C需要跟蹤的相 應(yīng)的AC相電流需求波形1^18、1。，以及每個(gè)變換器臂124、128、12(：還需要跟蹤的0(：電流需求 Idc;以及
[0091] (b)執(zhí)行數(shù)學(xué)優(yōu)化，為每個(gè)臂部124+、124-、128+、128-、120+、12〇確定該臂部12八 +、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-為跟蹤對(duì)應(yīng)的所需AC相電流需求波形Ia、Ib、Ic和所需的DC電 流需求Idc必須貢獻(xiàn)的最優(yōu)臂部電流I A+、IA-、IB+、IB-、Ic+、Ic-。
[0092]第二控制器38還進(jìn)一步被編程以（c)執(zhí)行數(shù)學(xué)優(yōu)化以提供最優(yōu)臂部電壓源VA+、 ￥八-^+^-^+^-，這些主要步驟(&)、（13)和((3)在圖4中的第一流程圖40中示出。
[0093] 如上所述，第二控制器38被編程為首先為每個(gè)變換器臂12A、12B、12C獲得每個(gè)變 換器臂12A、12B、12C所需要跟蹤的相應(yīng)的AC相電流需求波形1^18、1^然后獲得變換器臂 12A、12B、12C還需要跟蹤的DC電流需求I DC。
[0094] 各種AC相電流需求波形Ia、Ib、Ic和DC電流需求IDC可以直接從變換器內(nèi)的更高級(jí)別 的控制器(未示出）獲得，或者從一些其它外部實(shí)體獲得。可替代地，變換器10可以通過(guò)執(zhí)行 其自己的計(jì)算直接獲得之。
[0095] 第二控制器38還被編程為，作為第二步驟(并且如第一流程圖40中的第一處理框 42所示），執(zhí)行數(shù)學(xué)優(yōu)化以為每個(gè)臂部124+、124-、128+、128-、120+、12(：-確定臂部12八+、 12八-、128+、128-、120+、12(：-為跟蹤對(duì)應(yīng)的所需4(：相電流需求波形^、18、1。和所需的0(：電流 需求Idc必須貢獻(xiàn)的最優(yōu)臂部電流Ia+、Ia-、Ib +、Ib-、Ic+、Ic-。
[0096] 第二控制器38被編程為通過(guò)創(chuàng)建等效變換器配置100來(lái)執(zhí)行這種數(shù)學(xué)優(yōu)化，如圖5 所示，其表示通過(guò)本發(fā)明的對(duì)應(yīng)的變換器10的電流的流動(dòng)。
[0097] 等效變換器配置100包括與本發(fā)明的變換器10類似的特征，并且這些類似的特征 共用相同的附圖標(biāo)記。為此，等效變換器配置100包括三個(gè)變換器臂12六、128、12(：，其每個(gè)對(duì) 應(yīng)于本發(fā)明的變換器10的相應(yīng)的相A、B、C。
[0098] 在等效變換器配置100中，每個(gè)變換器臂12A、12B、12C類似地在第一 DC端子14與第 二DC端子16之間延伸，并且每個(gè)變換器臂12A、12B、12C包括第一臂部12A+、12B+、12C+和第 二臂部12六-、128-、12(：-。每個(gè)變換器臂124、128、12(：中的每對(duì)第一和第二臂部124+、12八-、 128+、128-、120+、12〇由對(duì)應(yīng)的4(：端子184、188、18(：分隔開。
[0099] 等效變換器配置100還表示每個(gè)變換器臂12A、12B、12C需要跟蹤(例如盡可能地匹 配)的AC相電流需求波形Ia、Ib、Ic以及變換器臂12A、12B、12C還需要跟蹤的DC電流需求IDC。
[0100] 在實(shí)踐中，每個(gè)變換器臂12A、12B、12C還在變換器10使用中所連接的AC網(wǎng)絡(luò)22的 對(duì)應(yīng)的AC相電壓波形VA、V B、VC以及變換器10使用中所連接的DC電網(wǎng)20的DC電壓VDC的約束條 件內(nèi)操作，因此等效變換器配置1〇〇還可以表示這些元素。
[0101] 第二控制器38被編程為創(chuàng)建等效變換器配置100,其通過(guò)映射通過(guò)變換器10的可 能的電流流動(dòng)路徑表示通過(guò)變換器1 〇的電流的流動(dòng)。
[0102] 可以映射通過(guò)變換器10的可能的電流流動(dòng)路徑的一種方式是通過(guò)進(jìn)行等效變換 器配置100的基爾霍夫分析以獲得下式：
[0103]
[0104]
[0105]
[0106]
[0107]
[0108] 其中
[0109] 二進(jìn)制變量表示給定的臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-是切換進(jìn)電路 = 1):還是切換出電齡
?表示變換器10的每個(gè)臂 部 12Α+、12Α-、12Β+、12Β-、12C+、12C-中對(duì)應(yīng)的主開關(guān)元件 SW1、Sw2、Sw3、Sw4、Sw5、Sw 6 的狀態(tài) (其具體由第一控制器32提供給第二控制器38);
[0110] Idc+是第一臂部12A+、12B+、12C+的電流總和，即，如圖3所示；
[0111] Idc-是第二臂部12A-、12B-、12C-的電流總和，即，還如圖3所示；以及
[0112] Idc+ = Idc- = Idc
[0113] 然后，前述方程合并且簡(jiǎn)化成
[0114]
[0115][0116][0117][0118]接著，通過(guò)以矩陣形式表達(dá)后者方程來(lái)映射通過(guò)變換器10的可能的電流流動(dòng)路 徑，即：
[0119]
[0120] 使得A是映射由臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-提供的可能的電流流動(dòng)路 徑的矩陣。
[0121] 然而，也可以使用其它等效變換器配置和對(duì)應(yīng)的分析技術(shù)。
[0122] 第二控制器38還被編程為通過(guò)施加電流權(quán)重到每個(gè)臂部12A+、12A-、12B+、12B-、 12C+、12C-提供的相關(guān)的電流貢獻(xiàn)來(lái)執(zhí)行數(shù)學(xué)優(yōu)化。每個(gè)臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、 12C-的相應(yīng)的電流權(quán)重根據(jù)變換器10在其操作過(guò)程中的測(cè)量參數(shù)來(lái)確定?？梢栽谒鲎儞Q 器10的整個(gè)操作中確定各種電流權(quán)重，以便例如允許響應(yīng)于變化的環(huán)境條件更新電流權(quán) 重。其結(jié)果是各種電流權(quán)重可以隨著變換器10的操作而變化。
[0123] 在變換器10的正常操作過(guò)程中，相同的電流權(quán)重被施加到每個(gè)臂部電流Ia+、Ia-、 Ib+、Ib-、Ic+、Ic- 〇
[0124] 然而，當(dāng)變換器10在一定條件(例如異常操作條件）下操作時(shí)，不同的電流權(quán)重可 以被施加到電流貢獻(xiàn)（即由至少一個(gè)臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-提供的臂部電 流Ia+、Ia-、Ib+、Ib-、Ic+、Ic-)上。例如，更大的電流權(quán)重可以被施加到特定臂部12A+、12A-、12B +、12B-、12C+、12C-必須貢獻(xiàn)的最優(yōu)臂部電流 12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-上，以便相 對(duì)于每個(gè)其它臂部的實(shí)際電流貢獻(xiàn)減少所述臂部貢獻(xiàn)的實(shí)際臂部電流，換作其它臂部彼此 情況相同。
[0125] 除了前述以外，第二控制器38被編程為執(zhí)行數(shù)學(xué)優(yōu)化來(lái)確定每個(gè)臂部12A+、12A_、 128+、128-、120+、12〇為跟蹤對(duì)應(yīng)的所需4(：相電流需求波形1 ;\、18、1。和所需的0(：電流需求 Idc必須貢獻(xiàn)的最小單獨(dú)臂部電流Ia+、Ia-、Ib+、Ib-、Ic+、Ic-。
[0126] 可確定最小單獨(dú)臂部電流]^+、]^-、18+、18-、1。+、1〇，即上文給出的方程式厶.1 = 13中 X，以及施加到最小單獨(dú)臂部電流lAhlA^lBhlB^IChIc-的上述單獨(dú)的電流權(quán)重的一個(gè)方式 是通過(guò)求解一般形式的非線性優(yōu)化：
[0127]
[0128] 受制于以下形式的等式約束方程：
[0129] A.x = b
[0130] 其中
[0131 ] JCurrent是待最小化的電流目標(biāo)函數(shù)；
[0132] Ψ為在時(shí)間以處的電流權(quán)重；
[0133] f是電流成本函數(shù)，其在所描述的實(shí)施例中包括電流權(quán)重矩陣QI;
[0134] X是[Ια+，Ια-，Ib+，Ib-，Ic+，Ic-]的轉(zhuǎn)置，BP 列矢量體現(xiàn)的[Ια+，Ια-，Ib+，Ib-，Ic+，Ic-];
[0135] to是變換器10的控制的特定時(shí)間段開始的時(shí)間；以及
[0136] 以是變換器10的控制的特定時(shí)間段結(jié)束的時(shí)間。
[0137] 根據(jù)變換器10的測(cè)量操作參數(shù)來(lái)確定電流權(quán)重矩陣如，并且可以在變換器10的整 個(gè)操作過(guò)程中如此確定，使得電流權(quán)重矩陣如可以隨著響應(yīng)于變換器10的操作的改變的所 述變換器10的控制而變化。
[0138] 當(dāng)僅受制于等式約束方程時(shí)，如上所述，拉格朗日（或拉格朗日乘數(shù)的方法)是用 于求解上述非線性優(yōu)化的技術(shù)，以便找到電流目標(biāo)函數(shù)J Current的局部最小值。也可以使用 其它優(yōu)化算法，包括迭代和編程算法來(lái)求解。
[0139] 作為一般的最優(yōu)控制問(wèn)題，上述非線性優(yōu)化可以另外包括一個(gè)或多個(gè)不等式約 束，在這種情況下，可以通過(guò)使用哈密頓的另一方法(龐特里亞金最小值原理)來(lái)求解。 [0140]這樣的不等式約束的一個(gè)例子是：
[0141]
[0142] 其中
[0143] C是映射由臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-提供的可能的最大電流流動(dòng)路 徑的矩陣；以及
[0144] d是表示每個(gè)臂部124+、12六-、128+、128-、120+、12(：-中最大期望電流的矢量。
[0145] 在任一種情況下，也可以通過(guò)求解形式的非線性優(yōu)化來(lái)確定最 小單獨(dú)臂部電流Ia+、Ia-、Ib+、Ib-、Ic+、Ic-〇
[0146] 同時(shí)，如上面提到的，第二控制器38還被編程為執(zhí)行數(shù)學(xué)優(yōu)化來(lái)為每個(gè)臂部12A+、 12八-、128+、128-、120+、12〇提供最優(yōu)臂部電壓源￥4 +^-^+^-、￥^-，以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的數(shù) 學(xué)優(yōu)化的最小臂部電流仏、1^、1^、1^、1^、1^。然而，在本發(fā)明的方法的其它實(shí)施例中，無(wú) 需進(jìn)行臂部電壓源的這樣的數(shù)學(xué)優(yōu)化。
[0147] 第二控制器38被編程為通過(guò)創(chuàng)建表示變換器10中的電壓條件的等效變換器配置 1 〇〇來(lái)執(zhí)行數(shù)學(xué)優(yōu)化，以提供最優(yōu)臂部電壓源VA+、VA-、VB+、V B-、VC+、Vc-。
[0148] 表示等效變換器配置100中描繪的變換器10中的電壓條件附加地包括為每個(gè)臂部 12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-映射臂部電壓源 Va+、Va-、VB+、VB-、VG+、V。-和感性分量。
[0149] 在所描述的實(shí)施例中，每個(gè)臂部電壓源VAhVA-jBhVhH-對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的鏈?zhǔn)?變換器24A+、24A-、24B+、24B-、24C+、24C-，其通過(guò)操作對(duì)應(yīng)的主開關(guān)元件S W1、Sw2、Sw3、SW4、 Sw5、Sw6可切換進(jìn)和切換出對(duì)應(yīng)的臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-。因此，每個(gè)臂部電 壓源Va+、Va-、V B+、VB-、Vc+、Vc-的幅值在零（即相當(dāng)于切換出對(duì)應(yīng)的臂部12A+、12A-、12B+、 12B-、12C+、12C_)與電壓上限之間可變。
[0150] 同時(shí)，等效變換器配置100內(nèi)的每個(gè)臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-的感性 分量表示與實(shí)際變換器10的對(duì)應(yīng)的臂部124+、12六-、128+、128-、120+、12(：-相關(guān)聯(lián)的電感。 這種電感不包括每個(gè)臂部12六+、12六-、128+、128-、120+、12(：-內(nèi)的無(wú)源臂電感器，這是因?yàn)?不再需要無(wú)源臂電感器來(lái)控制變換器臂12A、12B、12C之間的循環(huán)電流的水平。相反，相應(yīng)的 電感采取相電感44A、44B、44C和DC線電感46(其中每個(gè)可以由物理無(wú)源電感組件和變換器 的相關(guān)聯(lián)的電結(jié)構(gòu)內(nèi)的任何雜散電感構(gòu)成）以及對(duì)應(yīng)的臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、 12C-內(nèi)的非常小的剩余雜散電感的形式。
[0151] 每個(gè)臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-的上述感性分量在等效變換器配置 100中被表示為感性電壓部Ua+、Ua-、UB+、UB-、Uc+、Uc-，其由從流過(guò)上述電感（即僅相電感44A、 44B、44C和DC線電感46，其與對(duì)應(yīng)的臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-相關(guān)聯(lián)）的電流 產(chǎn)生的電壓構(gòu)成。
[0152] 在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，表示變換器10中的電壓條件還可以包括映射每個(gè)臂部 12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-的阻性分量。
[0153] 這樣的阻性分量表示與給定的臂部124+、124-、128+、128-、120+、12〇相關(guān)聯(lián)的電 阻，并且類似地可以采取給定的臂部12六+、12六-、128+、128-、120+、12(：-內(nèi)的電阻器的形式 (即臂部電阻），或與給定的臂部124+、12六-、128+、128-、120+、12(：-電關(guān)聯(lián)的電阻的形式(例 如相電阻和/或DC線電阻）。
[0154] 映射臂部電壓源 Va+、Va-、Vb+、Vb-、Vc+、Vc-和感性電壓部Ua+、Ua-、Ub+、Ub-、Uc+、Uc-同樣 類似地包括對(duì)等效變換器配置100進(jìn)行基爾霍夫分析，但是也可以使用其它等效變換器配 置和對(duì)應(yīng)的分析技術(shù)。在應(yīng)用基爾霍夫分析時(shí)獲得以下矩陣形式的等式：
[0158] 即Mv是映射特定的變換器結(jié)構(gòu)內(nèi)的臂部電壓源VA+、VA-、V B+、VB-、Vc+、Vc-的位置的矩 陣；
[0155]
[0156]
[0157]
[0159]
[0160] 即Mu是映射特定的變換器結(jié)構(gòu)內(nèi)的感性電壓部UA+、UA-、UB+、U B-、UC+、UC-的位置的矩 陣；
[0161] VDC是DC電壓，即，第一DC端子14與第二DC端子16之間的電壓差；
[0162] Vab是第一變換器臂12A與第二變換器臂12B之間的電壓差；以及
[0163] VCB是第三變換器臂12C與第二變換器臂12B之間的電壓差。
[0164] 第二控制器38被進(jìn)一步編程為執(zhí)行數(shù)學(xué)優(yōu)化來(lái)為每個(gè)臂部12A+、12A-、12B+、 128-、120+、12(：-提供最優(yōu)臂部電壓源￥和^-^ +^-、^-，其方式是通過(guò)減少給定的臂 部 12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-的實(shí)際測(cè)量的臂部電流I/A+、I /A-、I/B+、I/B-、I/c +、I/c-與所述給定的臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-的對(duì)應(yīng)確定的最優(yōu)臂部電流I A+、IA一、 Ib+、Ib-、Io、Ic-的任何偏差。
[0165] 第二控制器38還被進(jìn)一步編程以為每個(gè)臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-計(jì) 算感性電壓部11\+、1^-、1^+、1^-、1^+、1]〇。此計(jì)算基于對(duì)應(yīng)確定的最優(yōu)臂部電流]^+、]^-、18+、18-、 Ic+、Ic-以及與對(duì)應(yīng)臂部12六+、12六-、128+、128-、120+、12(：-相關(guān)聯(lián)的電感。
[0166] 此后，計(jì)算出的感性電壓部UA+、UA-、UB+、UB-、U C+、Uc-被修改，以驅(qū)使實(shí)際測(cè)量的臂部 電流I%+、I'-、I^+、Fb-、疒c+、lV跟隨對(duì)應(yīng)確定的最優(yōu)臂部電流Ia+、Ia-、Ib+、Ib-、Ic+、Ic-。
[0167] 這種測(cè)量和修改需要提供閉環(huán)控制的反饋環(huán)路的形式，如圖4中所示的第一流程 圖40中的第二處理框48示意性示出的。反饋環(huán)路還可以包括前饋元件，其尋求為一個(gè)或多 個(gè)感性電壓部1^ +、1^、1^、1^、說(shuō)+、1^預(yù)測(cè)期望的未來(lái)值，以便提高閉環(huán)控制的性能。
[0168] 如第一流程圖40中的第三處理框50所示，在執(zhí)行上述數(shù)學(xué)優(yōu)化以提供最優(yōu)臂部電 壓源Va+、Va-、VB+、V B-、H-時(shí)利用每個(gè)臂部12六+、12六-、128+、128-、120+、12(：-的計(jì)算出的 感性電壓部Ua+、Ua-、Ub+、Ub-、Uc+、Uc-。
[0169] 這種數(shù)學(xué)優(yōu)化還包括施加電壓權(quán)重到由每個(gè)臂部電壓源VA+、VA-、V B+、VB-、VC+、VC^ 供的相對(duì)的電壓的貢獻(xiàn)。根據(jù)變換器10的測(cè)量的操作參數(shù)來(lái)確定電壓權(quán)重，并且可以在所 述變換器10的整個(gè)操作過(guò)程中如此確定。電壓權(quán)重的這種可能的重復(fù)確定允許在例如改變 環(huán)境條件過(guò)程中變換器操作的持續(xù)優(yōu)化。
[0170] 例如，在所述特定變換器結(jié)構(gòu)的正常操作過(guò)程中，相同的電壓權(quán)重被施加到每個(gè) 臂部 12厶+、12厶-、128+、128-、120+、12(：-的臂部電壓源￥4+、￥4-、￥8+、￥8-、^。-。
[0171] 然而，在例如異常操作條件過(guò)程中，不同的電壓權(quán)重可以被施加到一個(gè)或多個(gè)臂 部 12厶+、12厶-、128+、128-、120+、12(：-的臂部電壓源￥4+、￥4-^+^-、￥。 +、￥。-，以進(jìn)一步減輕例 如異常操作條件的影響。
[0172] 更具體地，第二控制器38被編程為執(zhí)行數(shù)學(xué)優(yōu)化以為每個(gè)臂部12A+、12A-、12B+、 12B-、12C+、12C-提供最優(yōu)臂部電壓源V A+、VA-、VB+、VB-、VG+、V G-，其方式是通過(guò)為每個(gè)臂部12A +、12六-、128+、128-、120+、12(：-確定實(shí)現(xiàn)先前確定的對(duì)應(yīng)的最小臂部電流^+、^、18 +、18-、 Ic+、Ic-所需的最小單獨(dú)臂部電壓源Va+、Va-、Vb+、Vb-、Vc +、Vc-。
[0173] 可以確定最小單獨(dú)臂部電壓源Va+、Va-、VB+、VB-、Vc+、Vc-(即給定臂部12A+、12A_、12B +、12B-、12C+、12C-內(nèi)的可變電壓源必須提供的最小電壓水平)和施加給其的上述單獨(dú)的電 壓權(quán)重的一種方式是通過(guò)求解x(其中X為^ +力-^+力-，1，1]的轉(zhuǎn)置），一般形式的非 線性優(yōu)化如下：
[0174]
[0175] 受限于以下形式的等式約束方程Mv · x = b，其中b為已知，
[0176]
[0177] 并且其中
[0178] ^也^是待最小化的電壓目標(biāo)函數(shù)；
[0179] Ψ是時(shí)間以處的電壓權(quán)重；
[0180] f是在所描述的實(shí)施例中包括電壓權(quán)重矩陣Qv的電壓成本函數(shù)；
[0181] to是變換器10的控制的特定時(shí)間段開始的時(shí)間；以及
[0182] 以是變換器10的控制的特定時(shí)間段結(jié)束的時(shí)間。
[0183] 類似地，根據(jù)變換器10的測(cè)量的操作參數(shù)確定電壓權(quán)重矩陣Qv，并且可以在變換 器10的整個(gè)操作過(guò)程中如此確定。因此，它也可以隨所述變換器10的控制而改變。
[0184] 求解上述非線性優(yōu)化也可以受限于以下形式的不等式方程：
[0185] C.x^d
[0186] 其中
[0187] C是映射臂部124+、12六-、128+、128-、120+、12(：-中的可能的最大臂部電壓源的位 置的矩陣；以及
[0188] d是表示每個(gè)臂部124+、12六-、128+、128-、120+、12(：-中的最大期望電壓的矢量。
[0189] 替代性第二控制器(未示出），其可替代地包含在變換器10中，類似地被編程為：
[0190] (a)為每個(gè)變換器臂12A、12B、12C獲得對(duì)應(yīng)的變換器臂12A、12B、12C需要跟蹤的相 應(yīng)的AC相電流需求波形Ia、Ib、I C以及每個(gè)變換器臂12A、12B、12C也需要跟蹤的DC電流需求 Idc;以及
[0191] (b)為每個(gè)臂部124+、124-、128+、128-、120+、12〇執(zhí)行數(shù)學(xué)優(yōu)化以確定該臂部12八 +、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-必須貢獻(xiàn)以跟蹤對(duì)應(yīng)的所需AC相電流需求波形Ia、Ib、Ic和所 需的DC電流需求I DC的最優(yōu)臂部電流Ia+、Ia-、Ib+、Ib-、IC+、IC-。
[0192] 圖6(a)所示的第二流程圖60中的第一處理框42再次類似地示出前述步驟。
[0193] 然而，此后，替代性的第二控制器被編程為應(yīng)用控制算法來(lái)從每個(gè)對(duì)應(yīng)確定的最 小臂部電流]^+、]^-、18+、18-、1。+、1〇直接建立最優(yōu)臂部電壓源^^+、^^-、￥8+、￥8-、￥。+、￥〇，即如第 二流程圖60中單個(gè)第四處理框62所示。
[0194] 應(yīng)用這樣的控制算法包括為給定臂部124+、124-、128+、128-、120+、12(：-從對(duì)應(yīng)所 確定的最小臂部電流Ia+、Ia-、Ib+、Ib-、Ic+、Ic-中減去所述給定臂部12A+、12A-、12B+、12B-、 12C+、12C-的實(shí)際測(cè)量的臂部電流1%+、1'-Jb+JV JVc-的任何偏差。
[0195] 可以從對(duì)應(yīng)所確定的最小臂部電流lAhlA^lBhIhIchIc-中減去并且優(yōu)選地消除 所述給定臂部12厶+、12厶-、128+、128-、120+、12(：-的實(shí)際測(cè)量的臂部電流1%+、1、-、1 /^、1 %-、疒c+、疒c-的偏差的一種方式是建立如圖6(b)示意性所示的反饋環(huán)路70。
[0196] 在所示的實(shí)施例中，反饋環(huán)路70比較相應(yīng)的實(shí)際測(cè)量的臂部電流1、+、1、-、1%+、 ^-、^.、^-與對(duì)應(yīng)的確定的最小臂部電流^^-上+上-上+上^并且計(jì)算對(duì)應(yīng)的臂部 誤差6^^-、拙 +、|、漢+、^。然后，反饋環(huán)路70將校正系數(shù)1(應(yīng)用到每個(gè)臂部誤差^+、以-、 eB+、eB-、ec+、ec-，由此直接建立對(duì)應(yīng)的臂部電壓源Va+、Va-、VB+、V B-、Vc+、Vc-，這是將誤差eA+、 θα-、θβ+、θβ-、eo、ec-向零驅(qū)使所需要的。
[0197] 校正系數(shù)K可以采取控制系統(tǒng)矩陣的形式，諸如增益矩陣(未示出），其設(shè)定單獨(dú)的 校正系數(shù)，與每個(gè)臂部誤差eA+、e A-、eB+、eB-、ec+、ec-相乘(例如，在增益矩陣的情況下），以建 立對(duì)應(yīng)的臂部電壓源Va+、Va-、Vb+、Vb-、Vc+、Vc-。
[0198] 可以建立這樣的單獨(dú)的校正因子的一種方式是通過(guò)創(chuàng)建表示處于控制之下的特 定三相變換器結(jié)構(gòu)的電壓條件的等效變換器配置，并且此后考慮這樣的等效變換器配置的 動(dòng)態(tài)。
[0199] 更具體地，相對(duì)于上述實(shí)施例，可通過(guò)創(chuàng)建在圖5所示的等效變換器配置100和在 等效變換器配置100中為每個(gè)臂部124+、12六-、128+、128-、120+、12(：-映射臂部電壓源￥八 +、 Va-、VB+、VB-、和感性分量來(lái)實(shí)現(xiàn)前述步驟。
[0200] 此后這樣的映射可以包括進(jìn)行等效變換器配置100的基爾霍夫分析(盡管其它等 效變換器配置和對(duì)應(yīng)的分析技術(shù)也是可能的），應(yīng)用基爾霍夫電流和電壓定律來(lái)將等效變 換器配置100的動(dòng)態(tài)描述為：
[0201]
[0202] 其中
[0203] v是[Va+，Va-，Vb+，Vb-，Vc+，Vc-]的轉(zhuǎn)置；
[0204] M是映射每個(gè)臂部的感性分量并且更具體地映射與每個(gè)臂部相關(guān)聯(lián)的相電感和DC 線電感中每個(gè)的耦合電感矩陣，例如：
[0205]
[0206] I是[工'/^^-"'^^-^~疒^勺轉(zhuǎn)置舊表示實(shí)際測(cè)量的臂部電流疒/^工 Vb+JVc+JV的電流矢量的轉(zhuǎn)置；
[0207] N是映射特定變換器結(jié)構(gòu)內(nèi)的各種輸入電壓的位置的輸入電壓矩陣，例如
[0208]
[0209] ξ為表不外部干擾的輸入電壓矢量，例如
[0210]
[0211] 其中
[0212] VDC是DC電壓，即，第一DC端子14與第二DC端子16之間的電壓差；
[0213] Vab是第一變換器臂12A與第二變換器臂12B之間的電壓差；以及 [0214] VCB是第三變換器臂12C與第二變換器臂12B之間的電壓差。
[0215]以這種方式，當(dāng)考慮一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)的臂部電壓源VA+、VA-、V B+、VB-、Vc+、Vc-中的改 變會(huì)對(duì)例如實(shí)際測(cè)量的臂部電流iV^A-^BhlV^ChlV有什么影響時(shí)，進(jìn)行前述基 爾霍夫分析使得可以考慮關(guān)于變換器10的所有上述提到的因素，即，Μ，Ι，Ν，ξ。這種能力賦 予替代性的第二控制器抵抗控制器不確定性和建模誤差的穩(wěn)健性。
[0216] 而且，其結(jié)果是，隨后可以通過(guò)考慮需要對(duì)給定的單獨(dú)的臂部電壓源VA+、V A-、VB+、 Vb-、VC+、VC-進(jìn)行哪些改變以建立每個(gè)單獨(dú)的校正因子，以有利地改變由處于控制之下的變 換器?ο提供的對(duì)應(yīng)臂部電流，即對(duì)應(yīng)的實(shí)際測(cè)量臂部電流 便將實(shí)際測(cè)量臂部電流1%+、1//1-、1/8 +、1/^、1/〇+、1/&朝向確定的最小臂部電流1/ 1+、1/1-、1^、 IB-、Ic+、Ic-驅(qū)使，即以便將對(duì)應(yīng)的臂部誤差eA+、eA-、eB+、e B-、ec+、ec-朝向零驅(qū)使。
[0217] 一旦已經(jīng)為變換器10建立這樣的單獨(dú)的校正因子（例如在最初的設(shè)計(jì)和調(diào)試階 段），通常沒(méi)有必要再次確定它們。結(jié)果，反饋環(huán)路70涉及最小計(jì)算工作量，這是因?yàn)樵诿總€(gè) 周期僅需要用已經(jīng)確定的對(duì)應(yīng)的單獨(dú)校正系數(shù)乘以給定的臂部誤差θα+、θα-、θβ+、θβ-、ec+、ec-即可。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種變換器，用于高壓直流輸電，包括： 三個(gè)變換器臂，每個(gè)變換器臂對(duì)應(yīng)于所述變換器的相應(yīng)相，每個(gè)變換器臂在第一 DC端 子與第二DC端子之間延伸，并且每個(gè)變換器臂包括由AC端子分隔開的第一臂部和第二臂 部，每個(gè)臂部包括能夠操作以提供階梯式可變電壓源的鏈?zhǔn)阶儞Q器以及用以選擇性地將相 應(yīng)臂部切換進(jìn)和切換出電路的主開關(guān)元件；以及 第一控制器，被編程為選擇性地在一個(gè)時(shí)刻為一個(gè)變換器臂將其每個(gè)臂部中的主開關(guān) 元件操作為同時(shí)將第一臂部和第二臂部均切換進(jìn)電路，并由此限定完全導(dǎo)通的變換器臂， 以經(jīng)由每個(gè)所述完全導(dǎo)通的變換器臂在所述第一 DC端子與所述第二DC端子之間相繼地路 由DC電流需求。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變換器，其中所述第一控制器被編程為以大約60度電角度的 規(guī)則間隔相繼地限定完全導(dǎo)通的變換器臂。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的變換器，其中所述第一控制器被另外編程為，在 為給定變換器臂將其每個(gè)臂部中的主開關(guān)元件選擇性地操作為同時(shí)將第一臂部和第二臂 部均切換進(jìn)電路并由此限定完全導(dǎo)通的變換器臂時(shí)，同時(shí)為每個(gè)其它變換器臂操作其一個(gè) 或兩個(gè)臂部中的主開關(guān)元件以將一單個(gè)臂部切換進(jìn)電路，并由此限定部分導(dǎo)通的變換器臂 以將相應(yīng)的AC相電流需求波形朝向給定的AC端子引導(dǎo)，從而使得相應(yīng)的AC相電流需求波形 之和為零。4. 根據(jù)任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的變換器，還包括第二控制器，其被編程為： (a) 為每個(gè)變換器臂獲得對(duì)應(yīng)的變換器臂需要跟蹤的相應(yīng)的AC相電流需求波形，以及 每個(gè)變換器臂還需要跟蹤的DC電流需求；以及 (b) 執(zhí)行數(shù)學(xué)優(yōu)化，為每個(gè)臂部確定該臂部為跟蹤對(duì)應(yīng)的所需AC相電流需求波形和所 需的DC電流需求必須貢獻(xiàn)的最優(yōu)臂部電流。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的變換器，其中所述第二控制器被編程為通過(guò)創(chuàng)建表示通過(guò)所 述變換器的電流流動(dòng)的等效變換器配置來(lái)進(jìn)行數(shù)學(xué)優(yōu)化。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的變換器，其中所述第二控制器被編程為通過(guò)映射通過(guò)所述變 換器的可能的電流流動(dòng)路徑來(lái)創(chuàng)建表示通過(guò)所述變換器的電流流動(dòng)的等效變換器配置。7. 根據(jù)權(quán)利要求4至6中任一項(xiàng)所述的變換器，其中所述第二控制器被編程為通過(guò)施加 電流權(quán)重到多個(gè)臂部所提供的相對(duì)電流貢獻(xiàn)來(lái)執(zhí)行數(shù)學(xué)優(yōu)化。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的變換器，其中所述第二控制器被編程為根據(jù)所述變換器的測(cè) 量的操作參數(shù)來(lái)確定所述或每個(gè)權(quán)重。9. 根據(jù)權(quán)利要求7或權(quán)利要求8所述的變換器，其中當(dāng)在特定操作條件下控制所述變換 器時(shí)，所述第二控制器被編程為通過(guò)施加不同的權(quán)重到至少一個(gè)臂部來(lái)施加權(quán)重，使得所 述或每個(gè)所述臂部提供與其它臂部不同的貢獻(xiàn)。10. 根據(jù)權(quán)利要求4至9中任一項(xiàng)所述的變換器，其中所述第二控制器被編程為執(zhí)行數(shù) 學(xué)優(yōu)化來(lái)確定對(duì)應(yīng)的臂部必須貢獻(xiàn)以跟蹤對(duì)應(yīng)所需的AC相電流需求波形和所需的DC電流 需求的一個(gè)或多個(gè)最小單獨(dú)臂部電流。11. 根據(jù)權(quán)利要求4至10中任一項(xiàng)所述的變換器，其中所述第二控制器進(jìn)一步被編程為 執(zhí)行數(shù)學(xué)優(yōu)化以提供最優(yōu)臂部電壓源。
【文檔編號(hào)】H02M7/483GK105993124SQ201480075215
【公開日】2016年10月5日
【申請(qǐng)日】2014年12月12日
【發(fā)明人】O·F·賈西姆, F·J·莫雷諾穆諾茲, M·M·克勞德梅蘭, T·C·格林, K·戴克
【申請(qǐng)人】通用電氣技術(shù)有限公司