控制電轉(zhuǎn)換器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于控制電轉(zhuǎn)換器的方法和控制器以及電轉(zhuǎn)換器。
【背景技術(shù)】
[0002] 電轉(zhuǎn)換器用于將具有第一頻率的第一電流(例如，DC電流或AC電流）轉(zhuǎn)換成具有 另外的頻率的第二電流，例如另外的DC或AC電流。
[0003] 特別地，電力電子轉(zhuǎn)換器(其可連接到電機或可互連到電網(wǎng)）通常包括大量功率半 導體，必須開關(guān)和控制這些功率半導體來生成期望的輸出電流。除參考量與實際確定量(例 如通量（flux)和轉(zhuǎn)矩）之間的差異的最小化外，控制的重要目標可以是控制器的短響應(yīng)時 間、生成的電流的低諧波失真和低開關(guān)損耗。
[0004] 這些目標中的一些或全部可公式化為目標函數(shù)，其接收電轉(zhuǎn)換器的可能未來狀態(tài) 作為輸入變量并且輸出必須被最小化以達到上文提到的目標的成本值。
[0005] 未來狀態(tài)(例如，其包括未來開關(guān)序列、未來電流、未來電壓，等）然后可用于確定 應(yīng)用于轉(zhuǎn)換器的下一個開關(guān)狀態(tài)。
[0006] 作為示例，考慮模型預(yù)測脈沖模式控制（MP3C)，其在EP2 469 692A1中更詳細 描述。MP3C是基于模型預(yù)測控制（MPC)的方法，其結(jié)合直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC)和優(yōu)化脈沖模 式（0PP)這兩個經(jīng)典且良好確立的用于在中壓驅(qū)動應(yīng)用中控制馬達的轉(zhuǎn)矩和通量的方法的 優(yōu)點。結(jié)果可以是控制和調(diào)制策略，其產(chǎn)生瞬態(tài)期間非常短的響應(yīng)時間、干擾快速抑制和由 于使用0PP而引起的在穩(wěn)態(tài)操作每開關(guān)頻率的諧波電流失真的近最優(yōu)比率。方法可能適用 于連接到電機以及電網(wǎng)的電力電子轉(zhuǎn)換器。
[0007] MP3C從使用預(yù)先計算的優(yōu)化脈沖模式(其可在線適配以便在瞬態(tài)期間實現(xiàn)最佳性 能）繼承它的低諧波電流失真。采用它的原始形式，方法需要在每一個采樣時刻二次規(guī)劃 (QP)的解來確定預(yù)先計算的脈沖模式的開關(guān)時刻的必需校正。然而，標準QP求解器通常具 有高的計算要求。
[0008]MP3C只是需要優(yōu)化問題的準瞬時解的一個示例。另一個應(yīng)用示例可以是控制電力 電子轉(zhuǎn)換器，其中控制器計算調(diào)制指數(shù)。這可用具有外電壓控制環(huán)和內(nèi)電流控制環(huán)(兩者都 基于MPC)的控制器級聯(lián)實現(xiàn)。電流控制器可需要QP的解而電壓控制器可對多項式優(yōu)化問 題求解。
[0009]聯(lián)合 2009 年第 28 屆ChineseControlConference召開的 2009 年Decisionand Control(CDC/CCC2009)、2010 年第 48 屆 IEEE會議議程第 7387-7393 頁、S.Richter,C. N.Jones和M.Morari的文章"Real-timeinput-constrainedMPCusingfastgradient methods(使用快速梯度法的實時輸入約束MPC)"示出用于對一類目標函數(shù)計算最佳成本 值的快速梯度法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目標是提供具有短響應(yīng)時間的控制器和控制方法，其產(chǎn)生低諧波失真并 且生成低開關(guān)損耗。
[0011] 該目標由獨立權(quán)利要求的主旨實現(xiàn)。另外的示范性實施例從從屬權(quán)利要求和下列 描述顯而易見。
[0012] 本發(fā)明的方面涉及用于控制電轉(zhuǎn)換器(例如中壓轉(zhuǎn)換器，其可以是DC到AC、AC到 DC或AC到AC轉(zhuǎn)換器）的方法。該方法可在電轉(zhuǎn)換器的控制器中實現(xiàn)，例如FPGA或DSP。 電轉(zhuǎn)換器可以是包括電轉(zhuǎn)換器和電機(例如電動馬達或發(fā)電機）的系統(tǒng)的部分。然而，電轉(zhuǎn) 換器還可使第一電網(wǎng)與第二電網(wǎng)連接。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，方法包括以下步驟：接收電轉(zhuǎn)換器的實際電量和參考量； 基于實際電量和參考量通過使目標函數(shù)最小化來確定電轉(zhuǎn)換器的至少一個可能未來狀態(tài) (或多個可能未來狀態(tài)）；以及從電轉(zhuǎn)換器的可能未來狀態(tài)確定對于電轉(zhuǎn)換器的下一個開關(guān) 狀態(tài)。
[0014] 控制方法可以是環(huán)控制法，其可使一個或多個實際電量(例如，實際輸出電流、實 際輸出電壓、實際通量和/或?qū)嶋H轉(zhuǎn)矩)和參考量(例如，參考輸出電流、參考輸出電壓、參考 通量、參考實際轉(zhuǎn)矩）之間的差異最小化，該一個或多個實際電量可被測量或從測量的量間 接確定。
[0015] 此外，控制方法可如上文描述的那樣使另外的控制目標最小化。所有控制目標可 在目標函數(shù)中編碼，該目標函數(shù)將像預(yù)測狀態(tài)和輸入的量作為優(yōu)化變量映射到成本值。電 量可以是實際和參考量和轉(zhuǎn)換器和/或系統(tǒng)的未來狀態(tài)的另外的量，其例如可包括半導體 開關(guān)的未來電壓、電流、通量、轉(zhuǎn)矩、開關(guān)狀態(tài)，等。
[0016]目標函數(shù)和/或未來狀態(tài)可基于可從電轉(zhuǎn)換器和/或整個電系統(tǒng)的設(shè)置得到的物 理模型。
[0017] 在每個控制周期中，控制方法通過選擇服從具有最佳(例如，最低）成本值的目標 函數(shù)的未來狀態(tài)而確定對于電轉(zhuǎn)換器的半導體開關(guān)的下一個開關(guān)狀態(tài)。
[0018]目標函數(shù)通過以下而迭代優(yōu)化：基于關(guān)于優(yōu)化變量計算目標函數(shù)的梯度來計算優(yōu) 化的無約束優(yōu)化變量；以及通過將無約束優(yōu)化變量投影在約束上而計算對于下一個迭代步 驟的優(yōu)化變量。例如，目標函數(shù)可用如在Richter等人的文章中描述的快速梯度法來計算。
[0019] 梯度和/或投影的計算在超過一個計算單元中并行執(zhí)行。計算單元可以是FPGA 的單元或部分或多核處理器的核。多核處理器可在一個芯片上包括超過一個處理器或可在 不同芯片上包括若干處理器。
[0020] 例如，梯度的計算可在超過一個計算單元中并行執(zhí)行。備選地或另外，梯度的計算 可與投影并行執(zhí)行。梯度的計算和/或投影可在并行線程中執(zhí)行和/或可流水線化。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，迭代進一步包括：將優(yōu)化變量分成組，使得每組優(yōu)化變量能 與其他組分開投影。電量可關(guān)于電轉(zhuǎn)換器的電相位分組和/或分成物理相似或相等量，例 如分成電流、電壓、開關(guān)狀態(tài)、通量等。此外，分組可關(guān)于投影進行，使得每個組可獨立于彼 此或彼此分開投影。分組還可關(guān)于用于計算梯度的矩陣的子矩陣來進行，其中這些子矩陣 大致上獨立于彼此(即，在子矩陣外部可僅存在很少的矩陣條目）。
[0022] 可使用控制器的若干計算單元對于每個組并行執(zhí)行無約束優(yōu)化變量的梯度和/ 或投影的計算。采用這樣的方式，計算單元之間的互通信可幾乎不是必需的。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，優(yōu)化無約束優(yōu)化變量通過將目標函數(shù)的負和/或適當定標 的梯度添加到優(yōu)化變量來計算。也就是說，優(yōu)化變量可通過在反梯度方向朝最佳步進而優(yōu) 化。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的實施例，迭代包括通過定標因子來對約束優(yōu)化變量定標。例如，投影 (即，約束）優(yōu)化的優(yōu)化變量與之前的迭代步驟的優(yōu)化變量之間的差異可通過定標因子來定 標，以調(diào)整優(yōu)化的優(yōu)化變量的計算，如下文描述的。定標可在控制器的超過一個計算單元中 執(zhí)行。定標可與梯度計算和投影中的至少一個并行執(zhí)行。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的實施例，目標函數(shù)的梯度包括矩陣乘以優(yōu)化變量的向量。在目標函 數(shù)構(gòu)成二次規(guī)劃問題時情況可以是這樣。
[0026]根據(jù)本發(fā)明的實施例，矩陣的列的條目與優(yōu)化變量的相乘在超過一個計算單元中 并行執(zhí)行。這可適合于在FPGA中執(zhí)行迭代，因為計算可通過對矩陣的每個列并行執(zhí)行計算 而流水化。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的實施例，矩陣的行的條目與優(yōu)化變量的相乘在超過一個計算單元中 并行執(zhí)行。這可適合于在不同線程中并行執(zhí)行迭代，因為可僅存在很少的線程間通信。<