技术摘要：
一种用于控制电转换器(12)的方法，所述电转换器(12)适于将DC电压(vdc)转换为具有至少两个电压电平的多相电压，所述方法包括：从定子通量参考向量(ψ*s，αβ)来确定调制信号向量(u*abc)；经由脉宽调制从调制信号向量(u*abc)来确定开关模式(54)，所述开关模式(54)包括开  全部
背景技术：
对于电转换器，模型预测控制用于经由基于转换器和所连接的组件(例如电马达、 发电机、电力网等)的模型确定电转换器的将来状态来确定转换器电路的开关状态。 在WO  2015078656  A1中，预先计算的优化脉冲模式利用通过操纵其开关瞬间的模 型预测控制进一步优化。按照这种方式，所产生的电流的谐波含量可被减少。 优化脉冲模式相对于其它调制方法的谐波有益效果在低脉冲数(即，开关频率与 基频之间的比率)下特别高。但是在很高脉冲数和低基频下，优化脉冲模式可能难以计算， 并且可使用许多控制器存储器。基于优化脉冲模式的控制方法通常通过切换到其它控制方 法来解决这个问题。 在EP  2469692  A1中，按照这样的方式来控制电力系统，使得在第二步骤中修改针 对某个第一优化目标已经确定的用于转换器的具有开关时刻的开关序列。确定所产生通量 误差。修改开关时刻，以降低通量误差。 在JAMES  SCOLTOCK等人的论文：“A  Comparison  of  Model  Predictive  Control  Schemes  for  MV  Induction  Motor  Drives”(IEEE  TRANSACTIONS  ON  INDUSTRIAL  INFORMATICS，IEEE  SERVICE  CENTER，NEW  YORK，NY，US，vol .9，no .2，2012年10月10日 (2012-10-10)，第909-919页)中，若干模型预测控制方案与脉宽调制和优化脉冲模式进行 比较。提及的是，共模分量能够被加到参考电压。 在NIKOLAOS  OIKONOMOU等人的论文：“Model  Predictive  Pulse  Pattern  Control  for  the  Five-Level  Active  Neutral-Point-Clamped  Inverter”(IEEE  TRANSACTIONS  ON  INDUSTRY  APPLICATIONS.，vol.49，no.6，2013年5月15日(2013-05-15)， 第2583-2592页)中，描述的是，能够如何根据基频来选择优化脉冲模式以及参考通量值能 够连同优化脉冲模式一起被存储。
技术实现要素：
本发明的目的是要提供一种电转换器，所述电转换器适于在低基频下产生具有低 谐波失真的输出电流。本发明的另外的目的是要提供一种简单且计算要求不太高的模型预 测控制方案，所述模型预测控制方案还可在高脉冲数下使用。 这些目的通过独立权利要求的主题来实现。根据从属权利要求和以下描述，另外 的示范实施例是显而易见的。 本发明的第一方面涉及一种用于控制电转换器的方法。电转换器适于将DC电压转 换为具有至少两个电压电平的多相电压。电转换器可包括具有半导体开关的转换器电路， 所述半导体开关可布置在至少两个(例如三个)相分支中。相分支可并联连接到DC链路，和/ 4 CN 111587529 A 说　明　书 2/18 页 或可适于将DC链路电压或者更一般来说将DC电压转换为AC相电压。每个相分支可适于生成 至少两个电压电平。 例如，相分支可适于生成三个电压电平，例如正DC链路电压、负DC链路电压和中性 点电压。中性点电压可通过拆分DC链路来提供。电转换器可以是中性点钳位转换器。但是一 般来说，还可利用其它类型的转换器来执行该方法。 电转换器可以利用其AC侧连接到电机(例如发电机或马达)，和/或可为这个电机 供应电功率。以下所提及的定子和/或转子通量可表示这个电机的定子和/或转子中的磁通 量。情况也可以是，电转换器利用其AC侧连接到电力网。在这种情况下，还可对电力网定义 虚拟定子和/或虚拟转子通量。 电转换器可以是功率转换器。其半导体开关可适于开关超过10A的电流和/或超过 1000V的电压。 电转换器可包括控制器，该控制器执行该方法。例如，该方法可在每个取样时刻来 执行。 按照本发明的实施例，该方法包括：从定子通量参考向量来确定调制信号向量。定 子通量参考向量可通过外控制环来提供，该外控制环基于测量并且基于参考速度和/或参 考频率来确定定子通量参考向量。 调制信号向量是指示将要由转换器所生成的输出电压的信号。例如，调制信号向 量可以是通过对定子通量参考向量求微分所确定的归一化电压向量。 本发明还可适用于电网侧转换器，即，定子通量向量可以是虚拟定子通量向量。而 且，转子通量向量可以是虚拟转子通量向量。例如，在转换器为电力网供电的情况下，定子 通量向量可以是虚拟转换器通量向量，以及转子通量向量可以是可在公共耦合点(PCC)处 所定义的电网通量向量。 必须注意，在这里以及在下文中，向量可以是具有两个或三个分量的量。 按照本发明的实施例，该方法还包括：经由脉宽调制从调制信号向量来确定开关 模式，开关模式包括开关转变序列，其中开关转变定义开关位置和转变时刻，在所述开关位 置处将转换器的相从一个电压电平切换到另一个电压电平，以及在所述转变时刻，切换转 换器的所述相。 调制信号向量可指示将要生成的实际输出电压。连同实际频率和/或实际速度一 起，调制信号向量的移动可被外推为将来，并且从其中可确定将来开关序列的序列。例如， 外推的调制信号向量的分量的轨迹可与一个或多个载波信号(所述载波信号可以是具有载 波频率的三角信号)进行比较。可利用脉宽调制从轨迹和(一个或多个)载波信号来确定开 关转变。例如，轨迹与载波信号的交叉点可确定开关时刻，和/或交叉的方向可确定在开关 时刻是升高还是降低电压电平。 必须注意，这些计算全部可在取样时间间隔(即，两个取样时刻之间的时间)期间 联机执行，和/或可按数字方式执行。 按照本发明的实施例，该方法还包括：通过从定子通量参考向量中减去估计的定 子通量向量(所述估计的定子通量向量从电转换器中的测量来估计)来确定定子通量误差。 估计的定子通量向量可通过外控制环来提供。定子通量参考向量与估计的定子通量向量的 差或者差的幅值可被看作是误差，所述误差可通过该方法的下列步骤和/或利用模型预测 5 CN 111587529 A 说　明　书 3/18 页 控制来最小化。 按照本发明的实施例，该方法还包括：通过移动开关模式的开关转变的转变时刻 来修改开关模式，使得定子通量误差被最小化。转变时刻可在时间上向前和向后移动，使得 修改开关模式，所述开关模式通过脉宽调制来生成。可移动转变时刻，使得修改的开关模式 产生定子通量，所述定子通量更接近定子通量参考。按照这种方式，与未修改的开关模式相 比，修改的开关模式可引起针对高阶谐波的更低幅度。 情况可能是，对开关时刻的移动存在约束。例如，一相或全部相中的开关转变的顺 序可能不被改变。 此外，情况可能是，未修改的开关模式(所述未修改的开关模式例如将会产生零长 度的脉冲)中包括附加开关时刻。在优化之后，这些脉冲可具有非零长度，并且可促成定子 通量误差的补偿。 可通过求解二次规划、通过使服从约束的目标函数最小化等来联机执行开关模式 的优化。 按照本发明的实施例，该方法还包括：将修改的开关模式的至少一部分应用于电 转换器。开关转变可被转化为电转换器的半导体开关的开关时间和开关状态。可生成用于 半导体开关的对应选通信号。 情况可能是，开关模式和/或修改的开关模式比取样时间间隔要长。在这种情况 下，只有开关模式的一部分可被转换为开关时间和开关状态。 按照本发明的实施例，定子通量校正被定义为电压电平差和时间差的乘积的总 和，开关转变的电压电平差是开关转变之前和之后的电压电平的差，以及时间差是被移动 与未修改的转变时刻之间的差。可每相或者对于全部相来确定这个定子通量校正。可优化 开关模式，使得定子通量校正至少部分补偿定子通量误差。可通过移动转变时刻来优化定 子通量校正，使得定子通量校正等于定子通量误差。 按照本发明的实施例，在预测时域(prediction  horizon)内在每个取样时刻定期 确定开关模式。预测时域可比连续取样时刻之间的差要长。例如，只有比预测时域要短的修 改的开关模式的一部分(例如连续取样时刻之间的差)可应用于电转换器。换言之，该方法 可在可比取样时间间隔要长的预测时域内预测电转换器和/或供电的电机的将来行为。在 每个取样时刻，可确定在多于取样时间间隔内的将来行为。 按照本发明的实施例，通过下列在预测时域内确定开关模式的开关转变：通过以 实际角频率将αβ0坐标系中的调制信号向量旋转到将来样本的时刻来在预测时域内确定调 制信号向量的相应将来样本；以及当载波信号在将来样本的时间间隔期间越过将来样本的 值时，生成开关转变。将来样本可确定调制信号随时间的轨迹和/或函数。可通过将调制信 号向量的分量外推为将来而确定将来样本。这可通过例如利用克拉克变换将调制信号向量 转化到αβ0坐标系中进行。此后，可以以实际角频率(所述实际角频率可从实际速度和/或实 际频率来确定)将调制信号向量旋转到将来样本的时刻。这个旋转可以将αβ分量旋转了实 际角频率乘以将来样本的时刻。因此，可假定的是，调制信号向量以恒定角频率在旋转。在 那个旋转之后，旋转的调制信号向量可变换回到其中提供它的系统(例如abc系统)中。这个 返回变换可利用逆克拉克变换来执行。 载波信号可表示为三角信号，以及可确定调制信号向量的外推分量的轨迹与载波 6 CN 111587529 A 说　明　书 4/18 页 信号的相交。例如，轨迹可以是随时间的步进(或分段常数)轨迹，其值在将来样本的时刻从 将来样本的值来确定。每个交叉可确定针对开关转变的开关时刻。根据交叉的方向，可确定 电压电平在相交处是增加还是降低。 按照本发明的实施例，定子通量参考向量是αβ0坐标系中的三分量向量。定子通量 参考向量的0分量可用于控制中性点电位。而且，定子通量误差可以是αβ0坐标系中的三分 量向量。 按照本发明的实施例，共模分量被加到调制信号向量。共模分量可以是调制信号 向量的相分量的总和。利用这个共模分量，可影响电转换器的输出电压，而没有改变输出电 流，假定负载的星形点浮动。这对于影响电转换器的另外优化目标和/或对于符合电转换器 的物理限制可以是有益的。 按照本发明的实施例，当从定子通量参考向量的幅值所确定的调制指数小于阈值 时，共模分量至少是调制指数加上最小脉冲宽度除以载波信号的载波间隔长度，使得通过 利用载波信号的脉宽调制所生成的脉冲的脉冲长度比最小脉冲宽度要长。 调制指数可指示实际输出电压的幅值相对于可能最大输出电压(例如由DC链路所 提供的(一半)DC电压)的比率。当调制指数相当小时，可必需确保脉冲长度(即具有非零输 出电压电平的开关模式的间隔)比最小脉冲长度要长。这个最小脉冲长度可对应于最小时 间，在所述最小时间内半导体开关在它们可被关断之前必须保持在接通状态中。 按照本发明的实施例，利用滞环控制器来控制共模分量，该滞环控制器在中性点 电位大于最大值时将共模分量设置为第一值，而在共模分量小于最小值时将共模分量设置 为第二值。第二值相对于第一值可具有相反符号，例如负第一值。第一值可在功率流的方向 上，所述功率流在电动操作中可以为正而在生成模式中可以为负。 例如，在当调制指数高于阈值时的情况下，共模分量可用于控制拆分DC链路的中 性点电位。由于共模分量可增加和/或降低中性点电位，所以可通过每次超过限度时反转中 性点电位来将中性点电位控制成保持在限度之内。 按照本发明的实施例，从参考角和参考幅值来确定通量参考向量。参考角和参考 幅值可通过外控制环来提供，该外控制环从参考速度和/或参考频率以及由电转换器所供 应的电机中的电流和/或电压的可选测量来确定它们。 按照本发明的实施例，从基频和最大容许开关频率来确定开关模式的脉冲数。脉 冲数可以是最大容许开关频率和被舍入到最接近下整数的基频的比率。基频可基于针对电 转换器的参考速度和/或参考频率。脉冲数可确定在脉冲数小于或等于阈值时可被使用的 针对优化脉冲模式的脉冲的数量。 按照本发明的实施例，当脉冲数超过阈值时，利用(例如基于载波的)脉宽调制来 确定开关模式，并且否则从优化脉冲模式的表来确定开关模式。 一般来说，对于低脉冲数(即，小于或等于阈值)，优化脉冲模式可用作开关模式， 而对于高脉冲数，可使用(例如基于载波的)脉宽调制开关模式，如上文和下文所述。因此， 在两种情况下均可使用相同外控制环和/或相同开关模式优化器。 优化脉冲模式可已被脱机优化，并且可具有下列的优点：它们可引起比(例如基于 载波的)脉宽调制开关模式要低的总谐波失真。但是，对于高脉冲数，可能难以存储大优化 脉冲模式和/或脱机确定它们。 7 CN 111587529 A 说　明　书 5/18 页 脉宽调制开关模式可用来将基于优化脉冲模式的控制方法扩展到高脉冲数。脉宽 调制开关模式可联机生成，并且可作为优化脉冲模式来馈送到相同开关模式优化器。例如 在变速驱动器中，这个扩展可使开关模式优化(所述开关模式优化移动开关时刻)可适用于 全部操作点，其范围从停顿操作到高速下的磁场削弱。 按照本发明的实施例，优化脉冲模式在表中根据脉冲数和调制指数来索引。与脉 宽调制开关模式相反，从这两个量而不是从定子通量参考和/或调制信号向量来确定优化 脉冲模式。脉冲数和调制指数可通过外控制环来提供。 按照本发明的实施例，在当优化脉冲模式用作开关模式时的情况下，从优化脉冲 模式来确定定子通量参考向量。可通过对优化开关模式的电压波形求积分来确定定子通量 参考。为了执行积分，可需要可通过外控制环所提供的通量参考角和参考幅值。 本发明的另外的方面涉及一种计算机程序，该计算机程序当在处理器上被执行时 适于执行如上文和下文所述的方法的步骤。例如，电转换器的控制器可提供这种处理器，以 及该方法通过控制器中运行的软件来执行。但是也许还有可能的是，该方法至少部分以软 件的形式来实现。例如，方法的至少部分可通过FPGA和/或DSP来执行。 本发明的另外的方面涉及一种计算机可读介质，在所述计算机可读介质上存储这 种计算机程序。计算机可读介质可以是软盘、硬盘、USB(通用串行总线)存储装置、RAM(随机 存取存储器)、ROM(只读存储器)、EPROM(电可擦可编程只读存储器)或FLASH存储器。计算机 可读介质也可以是允许下载程序代码的数据通信网络(例如因特网)。一般来说，计算机可 读介质可以是非暂时或暂时介质。 本发明的另外的方面涉及一种用于控制电转换器的控制器，所述控制器适于执行 如上文和下文所述的方法的步骤。如已所述，这种控制器可包括运行软件的处理器，所述软 件执行该方法。此外，控制器可包括至少部分实现该方法的FPGA和/或DSP。 本发明的另外的方面涉及一种电转换器，该电转换器包括：转换器电路，其适于将 DC电压转换为具有至少两个电压电平的多相电压；以及这种控制器，其适于控制转换器电 路的半导体开关。 必须理解，如上文和下文所述的方法的特征可以是如上文和下文所述的计算机程 序、计算机可读介质和电转换器的特征，并且反之亦然。 本发明的这些方面及其它方面根据以下所述实施例将是显而易见的，并且参照以 下所述实施例进行说明。 附图说明 下文中将参照附图中图示的示范实施例更详细地说明本发明的主题。 图1示意示出按照本发明的实施例的具有电转换器的转换器系统。 图2示出图示按照本发明的实施例的控制器和控制方法的简图。 图3示出图示图2的控制器和控制方法的一部分的简图。 图4示出图示图2的控制器和控制方法的一部分的简图。 图5示出图示图2的控制方法中使用的共模控制器的简图。 图6示出关于对于调制信号向量和开关位置向量的示例的简图。 图7示出关于图2的控制方法中使用的开关模式的示例的简图。 8 CN 111587529 A 说　明　书 6/18 页 图8示出指示在图2的控制方法中可如何确定开关转变的简图。 图9示出指示在图2的控制方法中可如何确定附加开关转变的简图。 图10示出指示在图2的控制方法中可如何移动开关转变的简图。 图11示出图示图2的控制方法中使用的滚动时域(receding  horizon)的简图。 图12a至图12d示出关于通过图2的方法在正常速度操作期间所产生的调制信号、 电压、通量和电流的简图。 图13a至图13d示出关于通过图2的方法在低速操作期间所产生的调制信号、电压、 通量和电流的简图。 图14a和图14b示出如由图2的方法所执行的从优化脉冲模式到基于载波的脉宽调 制脉冲模式的改变期间的通量参考和所生成的开关模式。 大体上，在附图中，相同部件提供有相同参考符号。