用于高壓直流輸電的變換器的改進或與其有關(guān)的改進的制作方法

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用于高壓直流輸電的變換器的改進或與其有關(guān)的改進的制作方法
【專利摘要】在高壓直流(HVDC)輸電領(lǐng)域中，變換器(10)包括三個變換器臂(12A，12B，12C)，每個對應(yīng)于變換器(10)的相應(yīng)相(A，B，C)，每個在第一與第二DC端子(14，16)之間延伸，每個包括由AC端子(18A，18B，18C)分隔開的第一臂部和第二臂部(12A+，12A?，12B+，12B?，12C+，12C?)。每個臂部(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?)。變換器(10)還包括第一控制器(32)，被編程為選擇性地在一個時刻為一個變換器臂(12A、12B、12C)將其每個臂部(12A+，12A?，12B+，12B?，12C+，12C?)中的鏈?zhǔn)阶儞Q器(24A+，24A?，24B+，24B?，24C+，24C?)操作為同時采用電流導(dǎo)通模式，并由此限定完全導(dǎo)通的變換器臂(12A、12B、12C)，以經(jīng)由每個所述完全導(dǎo)通的變換器臂(12A，12B，12C)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(IDC)。
【專利說明】
用于高壓直流輸電的變換器的改進或與其有關(guān)的改進
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于在高壓直流輸電中使用的變換器。
【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/或海底電纜進行傳輸。這種變換免除了對由電力傳輸介質(zhì)（即傳輸線或電纜)造成的AC電容性載荷效應(yīng)進行補償?shù)男枰?，并且從而降低電線和/或電纜的每公里成本。當(dāng)需要長距離傳輸電力時，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電力之間的每個交界處需要變換器來產(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] 三個變換器臂，每個變換器臂對應(yīng)于所述變換器的相應(yīng)相，每個變換器臂在第一 DC端子與第二DC端子之間延伸，并且每個變換器臂包括由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
[0006] 第一控制器，被編程為選擇性地在一個時刻為一個變換器臂將其每個臂部中的鏈式變換器操作為同時采用電流導(dǎo)通模式，并由此限定完全導(dǎo)通的變換器臂，以經(jīng)由每個所述完全導(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，并且由此允許本發(fā)明的變換器在變換器的整個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，在一個時刻僅具有一個完全導(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有瞬態(tài)循環(huán)電流出現(xiàn)。沒有這種循環(huán)電流允許從每個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源電感器。
[0009] 這種無源電感器在物理上是非常大的，并且因此省略它們允許顯著地減少（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。這進而有助于大大減少變換器站成本。
[0010] 此外，從每個臂部省略無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，并且因此提供了進一步的空間節(jié)省和成本節(jié)省機會。
[0011] 另外，從每個臂部中省略無源電感器允許提高變換器能夠產(chǎn)生的AC電壓的水平，同時允許降低必須提供的AC電流的水平，即單獨的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臂部中的鏈式變換器選擇性地操作為同時采用電流導(dǎo)通模式并由此限定完全導(dǎo)通的變換器臂時，同時為每個其它變換器臂將其一個或兩個臂部中的鏈?zhǔn)阶儞Q器操作為使得一個鏈?zhǔn)阶儞Q器采用電流導(dǎo)通模式并且另一個鏈?zhǔn)阶儞Q器采用電流阻斷模式，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)之前對此電流進行濾波的需要。
[0016] 在HVDC安裝中的任何一種濾波器都對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)選實施例的變換器進一步包括第二控制器，其被編程為：
[0018] (a)為每個變換器臂獲得對應(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，為每個臂部確定該臂部為跟蹤對應(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臂部電流(相對于選擇標(biāo)準(zhǔn)），允許AC和DC電流需求彼此獨立地受到(例如通過更高級別的控制器)控制。
[0021] 這還允許單獨的臂部電流彼此獨立地變化以適應(yīng)通過變換器的不同的電流流動路徑，例如在整個變換器的每個操作周期中，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路徑。
[0022] 此外，第二控制器能夠?qū)崟r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創(chuàng)建表示通過所述變換器的電流流動的等效變換器配置來進行數(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)化來確定每個最優(yōu)臂部電流。
[0025] 可選的，所述第二控制器被編程為通過映射通過所述變換器的可能的電流流動路徑來創(chuàng)建表示通過所述變換器的電流流動的等效變換器配置。
[0026] 映射通過變換器的可能的電流流動路徑有助于第二控制器來定制其提供給本發(fā) 明的變換器的拓撲結(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施加電流權(quán)重到多個臂部所提供的相對電流貢獻來執(zhí)行數(shù)學(xué)優(yōu)化。
[0028] 施加這種權(quán)重允許每個臂部的性能變化使其更加具有適應(yīng)性，同時繼續(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)所述變換器的測量的操作參數(shù)來確定所述或每個權(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，并減輕對變換器的運行的相關(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)明的另一個優(yōu)選實施例中，當(dāng)在特定操作條件下控制所述變換器時，所述第二控制器被編程為通過施加不同的權(quán)重到至少一個臂部來施加權(quán)重，使得所述或每個所述臂部提供與其它臂部不同的貢獻。
[0032] 這種特征允許第二控制器區(qū)分一個臂部和另一個臂部，例如根據(jù)給定的臂部性能如何來進行區(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的電流水平(例如這是因為與該臂部相關(guān)聯(lián)的冷卻運行于較低容量)并且暫時提高由一個或多個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。
[0034] 這也可以用來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)化來確定對應(yīng)的臂部必須貢獻以跟蹤對應(yīng)所需的AC相電流需求波形和所需的DC電流需求的一個或多個最小單獨的臂部電流。
[0036] 確定一個或多個最小單獨的臂部電流減小了每個臂部中的傳導(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)明的一個進一步優(yōu)選的實施例中，所述第二控制器進一步被編程為執(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立變化的單獨的臂部電流。
【附圖說明】
[0039] 現(xiàn)在將參照以下附圖，通過非限制示例的方式來簡要描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，在附圖中：
[0040] 圖1示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的變換器的示意圖；
[0041] 圖2示出變換器的操作周期過程中圖1所示的變換器內(nèi)的鏈?zhǔn)阶儞Q器的電流阻斷模式的優(yōu)選序列；
[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)的部分導(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)示出構(gòu)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。
【具體實施方式】
[0047]根據(jù)本發(fā)明的第一實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包括三個變換器臂12六、128、12(：，其每個對應(yīng)于變換器10的相應(yīng)的相八、 B、C〇
[0049] 每個變換器臂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的對應(yīng)的相A、B、C并且攜帶對應(yīng)的AC相電壓波形(AC voltage phase waveform)VA、VB、Vc〇 [0051 ]每個臂部 124+、124-、128+、128-、120+、12〇包括鏈?zhǔn)阶儞Q器244+、244-、248+、 24B-、24C+、24C-，每個鏈?zhǔn)阶儞Q器包括串聯(lián)連接的一連串模塊26。每個鏈?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] 每個鏈?zhǔn)阶儞Q器244+、24六-、248+、248-、2扣+、24(：-的每個模塊26包括與電容器 (未示出）形式的能量儲存器件并聯(lián)連接的一對開關(guān)元件(未示出），以限定可以提供零電壓或正電壓并且可以在兩個方向上傳導(dǎo)電流的2象限單極模塊26。
[0053] 在使用中，每個鏈?zhǔn)阶儞Q器24六+、24六-、248+、248-、2扣+、24(：-的模塊26的開關(guān)元件被操作為使得每個鏈?zhǔn)阶儞Q器24A+、24A-、24B+、24B-、24C+、24C-能夠提供階梯式可變電壓源。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]通過改變開關(guān)元件的狀態(tài)，每個模塊26的電容器可以被旁路或被插入相應(yīng)的鏈?zhǔn)?變換器 24A+、24A-、24B+、24B-、24C+、24C-。
[0055]當(dāng)開關(guān)元件被配置為在模塊26中形成短路時，每個模塊26的電容器被旁路。這將導(dǎo)致變換器10的對應(yīng)的臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-中的電流通過短路并旁路電容器，因此模塊26能夠提供零電壓。
[0056]當(dāng)該對開關(guān)元件被配置為允許上述電流流入和流出電容器時，每個模塊26的電容器被插入到相應(yīng)的鏈?zhǔn)阶儞Q器244+、244-、248+、248-、2扣+、24(：-。電容器則能夠?qū)ζ鋬Υ?的能量充電或放電以便提供電壓。2象限單極模塊26的單向性質(zhì)意味著電容器可以正向插入模塊26從而提供正電壓。
[0057] 在本發(fā)明的其它實施例（未示出）中，每個鏈?zhǔn)阶儞Q器24A+、24A-、24B+、24B-、24C +、24C-的每個模塊26可以包括與能量儲存器件（例如也是電容器的形式)并聯(lián)連接的兩對開關(guān)元件，以限定可以提供負電壓、零電壓或正電壓并且可以在兩個方向上傳導(dǎo)電流的4象限雙極模塊。在本發(fā)明的又一實施例(未示出）中，一個或多個鏈?zhǔn)阶儞Q器24A+、24A-、24B+、 24B-、24C+、24C-可以包括2象限單極模塊26和4象限雙極模塊的混合。
[0058] 在每一種情況下，通過將每個提供其自身電壓的多個模塊26的電容器插入鏈?zhǔn)阶?換器 24A+、24A-、24B+、24B-、24C+、24C-，可以在每個鏈?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單獨的模塊26可得到的電壓。
[0059] 可以為每個模塊26改變切換操作的時序使得將單獨的模塊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)致在對應(yīng)的AC端子18A、18B、18C處產(chǎn)生電壓波形。例如，可以交錯插入單獨的模塊26的電容器以產(chǎn)生正弦波形。通過調(diào)整鏈?zhǔn)阶儞Q器24A+、24A-、24B+、24B-、24C+、24C-中的每個模塊26的切換操作的時序可以產(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4(：網(wǎng)絡(luò)22與 DC網(wǎng)絡(luò)20之間的電力傳輸。
[0061 ] 除了上述之外，每個鏈?zhǔn)阶儞Q器24A+、24A-、24B+、24B-、24C+、24C-可以選擇性地操作為采用電流導(dǎo)通模式，在電流導(dǎo)通模式中電流能夠在第一方向和第二方向上流過該鏈式變換器。通過調(diào)制其需要提供的臂部電壓￥/^^-^+^-、^-，每個鏈?zhǔn)阶儞Q器24八+、 24A-、24B+、24B-、24C+、24C-可以配置為采用這樣的電流導(dǎo)通模式。
[0062] 每個鏈?zhǔn)阶儞Q器244+、24六-、248+、248-、2扣+、24(：-還可以選擇性地操作為采用電流阻斷模式，在電流阻斷模式中阻止電流在給定方向上流過該鏈?zhǔn)阶儞Q器。通過將其中兩個開關(guān)元件均斷開，每個鏈?zhǔn)阶儞Q器24A+、24A-、24B+、24B-、24C+、24C-可以被配置為采用這樣的電流阻斷模式。
[0063] 在所示的實施例中，每個開關(guān)元件是與反并聯(lián)二極管并聯(lián)連接的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)。
[0064] 在本發(fā)明的其它實施例中（未示出），一個或多個開關(guān)元件可包括不同的半導(dǎo)體器件，諸如場效應(yīng)晶體管、柵極可關(guān)斷晶閘管、注射門極增強型晶閘管、集成門極換向晶體管或另一外部換向半導(dǎo)體開關(guān)（即由一個或多個外部組件關(guān)斷使通過該半導(dǎo)體開關(guān)的電流降至零的半導(dǎo)體開關(guān)）。這些其它外部換向半導(dǎo)體開關(guān)可包括所謂的"強制換向"和"自換向" 半導(dǎo)體開關(guān)。在每個實例中，半導(dǎo)體器件優(yōu)選地與反并聯(lián)二極管并聯(lián)連接。
[0065] 由于上文描述的原因，每個臂部12六+、12六-、128+、128-、120+、12(：-省略了任何形式的物理、無源電感組件，這進而在減少其中結(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。
[0066]除了上述之外，變換器10包括第一控制器32,其被布置為與每個鏈?zhǔn)阶儞Q器24A+、 24A-、24B+、24B-、24C+、24C-操作性通信。
[0067] 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時刻為一個變換器臂12A、12B、12C操作其每個臂部124+、12六-、128+、128-、120+、12(：-中的鏈?zhǔn)阶儞Q 器24六+、24六-、248+、248-、2扣+、24(：-以同時采用電流導(dǎo)通模式，并由此限定完全導(dǎo)通的變換器臂 12A、12B、12C。
[0068] 以這種方式，第一控制器32經(jīng)由每個所述完全導(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I DC(即變換器臂12A、12B、 12C需要跟蹤的DC電流）。
[0069]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、345、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，每個間隔為60度電角度，盡管對于實際的實現(xiàn)目的而言，每個間隔可能為60±1度電角度的范圍，或60±2度電角度的范圍。
[0070]第一控制器32還另外被編程為，在為給定的變換器臂12A、12B、12C選擇性地操作其每個臂部 12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-中的鏈?zhǔn)阶儞Q器 24A+、24A-、24B+、24B-、24C +、24C-以同時采用電流導(dǎo)通模式并由此限定完全導(dǎo)通的變換器臂12A、12B、12C時，來為每個其它的變換器臂12A、12B、12C同時操作其一個或兩個臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、 12C-中的鏈?zhǔn)阶儞Q器24A+、24A-、24B+、24B-、24C+、24C-以使得一個鏈?zhǔn)阶儞Q器24A+、24A-、 248+、248-、2牝+、240采用電流導(dǎo)通模式并且其它鏈?zhǔn)阶儞Q器244+、244-、248+、248-、24〇 +、24C-采用電流阻斷模式，并由此限定部分導(dǎo)通的變換器臂12A、12B、12C。
[0071]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IA、lB、Ie的總和為零。
[0072]圖2示出由第一控制器32實現(xiàn)的一個示例性操作序列，其中特定的鏈?zhǔn)阶儞Q器24A +、244-、248+、248-、2扣+、24(：-被操作為采用電流阻斷模式（而其它244+、244-、248+、248-、 24C+、24C-被操作為采用電流導(dǎo)通模式）。然而，也可執(zhí)行另外的操作序列。
[0073] 在所示的實施例中，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的操作序列。
[0074]更具體而言，在第一間隔3和的過程中，第一控制器32操作第一變換器臂12A的每個臂部12A+、12A-中的鏈?zhǔn)阶儞Q器24A+、24A-以同時采用電流導(dǎo)通模式，并由此限定完全導(dǎo) 通的變頻器臂12A。
[0075]同時，即與上述過程同時地，第一控制器32操作第二變換器臂12B的第一臂部12B+ 中的鏈?zhǔn)阶儞Q器24B+以采用電流阻斷模式，操作二變換器臂12B的第二臂部12B-中的鏈?zhǔn)?變換器24B-以采用電流導(dǎo)通模式，并且由此限定部分導(dǎo)通的變換器臂12B。
[0076] 第一控制器32還同時操作第三變換器臂12C的第一臂部12C+的鏈?zhǔn)阶儞Q器24C+以采用電流導(dǎo)通模式，操作第三變換器臂12C的第二臂部12C-中的鏈?zhǔn)阶儞Q器24C-以采用電流阻斷模式，并由此限定另一個部分導(dǎo)通的變換器臂12C。
[0077] 在第二間隔342的過程中，第一控制器32將第三變換器臂12C的第一臂部12C+中的鏈?zhǔn)阶儞Q器24C+保持在電流導(dǎo)通模式，同時操作第三變換器臂12C的第二臂部12C-中的鏈式變換器24C-也采用電流導(dǎo)通模式，并由此限定完全導(dǎo)通的變換器臂12C。同時，第一控制器32將第一變換器臂12A的第一臂部12A+中的鏈?zhǔn)阶儞Q器24A+保持在電流導(dǎo)通模式中，同時操作第二臂部12A-中的鏈?zhǔn)阶儞Q器24A-以采用電流阻斷模式，并由此限定部分導(dǎo)通的變換器臂12A。同時，第一控制器32還將第二變換器臂12B的第二臂部12B-中的鏈?zhǔn)阶儞Q器 24B-保持在電流導(dǎo)通模式中，并將第二變換器臂12B的第一臂部12B+中的鏈?zhǔn)阶儞Q器24B+ 保持在電流阻斷模式中，以繼續(xù)限定部分導(dǎo)通的變換器臂12B。
[0078] 在第三間隔343的過程中，第一控制器32操作第二變換器臂12B的第一臂部12B+中的鏈?zhǔn)阶儞Q器24B+以采用電流導(dǎo)通模式，并由此與已經(jīng)處于電流導(dǎo)通模式中的第二臂部 12B-中的鏈?zhǔn)阶儞Q器24B--同限定完全導(dǎo)通的變換器臂12B。同時，第一控制器32繼續(xù)將第一變換器臂12A的第一臂部12A+中的鏈?zhǔn)阶儞Q器24A+保持在電流導(dǎo)通模式中并且將第二臂 12A的第二臂部12A-中的鏈?zhǔn)阶儞Q器24A-保持在電流阻斷模式中，以繼續(xù)限定部分導(dǎo)通的變換器臂12A。同時，第一控制器32還將第三變換器臂12C的第二臂部12C-中的鏈?zhǔn)阶儞Q器 24C-保持在電流導(dǎo)通模式，同時操作第三變換器臂12C的第一臂部12C+中的鏈?zhǔn)阶儞Q器24C +以采用電流阻斷模式，從而限定部分導(dǎo)通的變換器臂12C。
[0079]在第四間隔344的過程中，第一控制器32操作第一變換器臂12A的第二臂部12A-中的鏈?zhǔn)阶儞Q器24A-以采用電流導(dǎo)通模式，并由此與已經(jīng)處于電流導(dǎo)通模式中的第一臂部 12A+中的鏈?zhǔn)阶儞Q器24A+-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。
[0080]同時，第一控制器32繼續(xù)將第二變換器臂12B的第一臂部12B+中的鏈?zhǔn)阶儞Q器24B +保持電流導(dǎo)通模式中，同時操作第二變換器臂12B的第二臂部12B-中的鏈?zhǔn)阶儞Q器24B-以采用電流阻斷模式，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I B(即AC相電流Ib)朝向第一AC端子18A引導(dǎo)。
[00811同時，第一控制器32還將第三變換器臂12C的第一臂部12C+中的鏈?zhǔn)阶儞Q器24C+ 保持在電流阻斷模式中并且將第三變換器臂12C的第二臂部12C-中的鏈?zhǔn)阶儞Q器24C-保持在電流導(dǎo)通模式中，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I C(即AC相電流IC)朝向第一 AC端子18A引導(dǎo)。
[0082]上述AC相電流需求波形IB、I沖的每個，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對在第一 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。
[0083] 在第五間隔345的過程中，第一控制器32操作第三變換器臂12C的第一臂部12C+中的鏈?zhǔn)阶儞Q器24C+以采用電流導(dǎo)通模式，并由此與已經(jīng)處于電流導(dǎo)通模式中的第二臂部 12C-中的鏈?zhǔn)阶儞Q器24C--同限定完全導(dǎo)通的變換器臂12C。同時，第一控制器32繼續(xù)將第一變換器臂12A的第二臂部12A-中的鏈?zhǔn)阶儞Q器24A-保持在電流導(dǎo)通模式中，同時操作第一變換器臂12A的第一臂部12A+中的鏈?zhǔn)阶儞Q器24A+以采用電流阻斷模式，從而限定部分導(dǎo)通的變換器臂12A。同時，第一控制器32還將第二變換器臂12B的第一臂部12B+中的鏈?zhǔn)?變換器24B+保持在電流導(dǎo)通模式中，并且將第二變換器臂12B的第二臂部12B-保持在電流阻斷模式中，以繼續(xù)限定部分導(dǎo)通的變換器臂12B。
[0084]在第六也是最后的間隔346的過程中，第一控制器32操作第二變換器臂12B的第二臂部12B-中的鏈?zhǔn)阶儞Q器24B-以采用電流導(dǎo)通方式，并由此與已經(jīng)處于電流導(dǎo)通模式中的第一臂部12B+的鏈?zhǔn)阶儞Q器24B+-同限定完全導(dǎo)通的變換器臂12B。同時，第一控制器32繼續(xù)將第一變換器臂12A的第二臂部12A-中的鏈?zhǔn)阶儞Q器24A-保持在電流導(dǎo)通模式中，并且將第一臂部12A+中的鏈?zhǔn)阶儞Q器24A+保持在電流阻斷模式中，以繼續(xù)限定部分導(dǎo)通的變換器臂12A。同時，第一控制器32還將第三變換器臂12C的第一臂部12C+中的鏈?zhǔn)阶儞Q器24C+ 保持在電流導(dǎo)通模式中，同時操作第三臂部12C的第二臂部12C-中的鏈?zhǔn)阶儞Q器24C-以采用電流阻斷模式，并由此限定部分導(dǎo)通的變換器臂12C。
[0085]由此可見，在變換器10的完整的操作周期36的對應(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的過程中，第一控制器32相繼地限定單個單獨的第一、第二、第三、第四、第五和第六個完全導(dǎo)通的變換器臂12A、12C、12B、 12A、12C、12B。
[0086] 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。雖然在所描述的實施例中第一控制器32和第二控制器38被示出為單獨的項，但是它們可以在本發(fā)明的其它實施例中形成更大的控制器或控制器布置的單獨的零件或單個部分。 [0087]返回到所示的實施例，第二控制器38被編程為：
[0088] (a)為每個變換器臂12A、12B、12C獲得對應(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。，以及每個變換器臂124、128、12(：還需要跟蹤的0(：電流需求 Idc;以及
[0089] (b)執(zhí)行數(shù)學(xué)優(yōu)化，為每個臂部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必須貢獻的最優(yōu)臂部電流IA+、IA-、IB+、I B-、Ic+、Ic-。
[0090] 第二控制器38還進一步被編程以（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。
[0091] 如上所述，第二控制器38被編程為首先為每個變換器臂12A、12B、12C獲得每個變換器臂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。
[0092] 各種AC相電流需求波形1/^1^1。和0(：電流需求1此可以直接從變換器內(nèi)的更高級別的控制器(未示出）獲得，或者從一些其它外部實體獲得?？商娲?，變換器10可以通過執(zhí)行其自己的計算直接獲得之。
[0093] 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)化以為每個臂部124+、124-、128+、128-、120+、12(：-確定臂部12八+、 12八-、128+、128-、120+、12(：-為跟蹤對應(yīng)的所需4(：相電流需求波形^、18、1。和所需的0(：電流需求Idc必須貢獻的最優(yōu)臂部電流Ia+、Ia-、Ib +、Ib-、Ic+、Ic-。
[0094] 第二控制器38被編程為通過創(chuàng)建等效變換器配置100來執(zhí)行這種數(shù)學(xué)優(yōu)化，如圖5 所示，其表示通過本發(fā)明的對應(yīng)的變換器10的電流的流動。
[0095] 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包括三個變換器臂12六、128、12(：，其每個對應(yīng)于本發(fā)明的變換器10的相應(yīng)的相A、B、C。
[0096] 在等效變換器配置100中，每個變換器臂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(：-。每個變換器臂124、128、12(：中的每對第一和第二臂部124+、12八-、 128+、128-、120+、12〇由對應(yīng)的4(：端子184、188、18(：分隔開。
[0097] 等效變換器配置100還表示每個變換器臂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。
[0098]在實踐中，每個變換器臂12A、12B、12C還在變換器10使用中所連接的AC網(wǎng)絡(luò)22的對應(yīng)的AC相電壓波形VA、VB、VC以及變換器10使用中所連接的DC電網(wǎng)20的DC電壓V DC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。
[0099]第二控制器38被編程為創(chuàng)建等效變換器配置100,其通過映射通過變換器10的可能的電流流動路徑表示通過變換器1 〇的電流的流動。
[0100]可以映射通過變換器10的可能的電流流動路徑的一種方式是通過進行等效變換器配置100的基爾霍夫分析以獲得下式：
[0101]
[0102]
[0103]
[0104]
[0105]
[0106] 其中
[0107] 二進制變量炫I表示給定的鏈?zhǔn)阶儞Q器244+、244-、248+、248-、2扣+、24(：-是處于電流導(dǎo)通模式= 還是處于電流阻斷模式
表示變換器10的每個臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-中對應(yīng)的鏈?zhǔn)阶儞Q器24A+、 24八-、248+、248-、2扣+、24(：-的導(dǎo)通模式(其具體由第一控制器32提供給第二控制器38);
[0108] IDC+是第一臂部12A+、12B+、12C+的電流總和，即，如圖3所示；
[0109] IDC-是第二臂部12A-、12B-、12C-的電流總和，即，還如圖3所示；以及
[0110] Idc+ = Idc-= Idc
[0111] 然后，前述方程合并且簡化成
[0112]
[0113]
[0114]
[0115]
[0116]接著，通過以矩陣形式表達后者方程來映射通過變換器10的可能的電流流動路徑，即：
[0117]
[0118] 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路徑的矩陣。
[0119] 然而，也可以使用其它等效變換器配置和對應(yīng)的分析技術(shù)。
[0120] 第二控制器38還被編程為通過施加電流權(quán)重到每個臂部12A+、12A-、12B+、12B-、 12C+、12C-提供的相關(guān)的電流貢獻來執(zhí)行數(shù)學(xué)優(yōu)化。每個臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、 12C-的相應(yīng)的電流權(quán)重根據(jù)變換器10在其操作過程中的測量參數(shù)來確定。可以在所述變換器10的整個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。
[0121]在變換器10的正常操作過程中，相同的電流權(quán)重被施加到每個臂部電流Ia+、Ia-、 Ib+、Ib-、Ic+、Ic- 〇
[0122] 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，不同的電流權(quán)重可以被施加到電流貢獻（即由至少一個臂部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-必須貢獻的最優(yōu)臂部電流 12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-上，以便相對于每個其它臂部的實際電流貢獻減少所述臂部貢獻的實際臂部電流，換作其它臂部彼此情況相同。
[0123] 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)化來確定每個臂部12A+、12A_、 128+、128-、120+、12〇為跟蹤對應(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必須貢獻的最小單獨臂部電流Ia+、Ia-、Ib+、Ib-、Ic+、Ic-。
[0124] 可確定最小單獨臂部電流]^+、]^-、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臂部電流lAhlA^lBhlB^IChIc-的上述單獨的電流權(quán)重的一個方式是通過求解一般形式的非線性優(yōu)化：
[0125]
[0126] 受制于以下形式的等式約束方程：
[0127] A. x = b
[0128] 其中
[0129] JCurrent是待最小化的電流目標(biāo)函數(shù)；
[0130] Ψ為在時間以處的電流權(quán)重；
[0131] f是電流成本函數(shù)，其在所描述的實施例中包括電流權(quán)重矩陣QI;
[0132] 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-];
[0133] to是變換器10的控制的特定時間段開始的時間；以及
[0134] 以是變換器10的控制的特定時間段結(jié)束的時間。
[0135] 根據(jù)變換器10的測量操作參數(shù)來確定電流權(quán)重矩陣如，并且可以在變換器10的整個操作過程中如此確定，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。
[0136] 當(dāng)僅受制于等式約束方程時，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求解。
[0137] 作為一般的最優(yōu)控制問題，上述非線性優(yōu)化可以另外包括一個或多個不等式約束，在這種情況下，可以通過使用哈密頓的另一方法(龐特里亞金最小值原理)來求解。
[0138] 這樣的不等式約束的一個例子是：
[0139]
[0140] 其中
[0141] 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路徑的矩陣；以及
[0142] d是表示每個臂部124+、12六-、128+、128-、120+、12(：-中最大期望電流的矢量。
[0143] 在任一種情況下，也可以通過求f:式的非線性優(yōu)化來確定最小單獨臂部電流Ia+、Ia-、Ib+、Ib-、Ic+、Ic-〇
[0144] 同時，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)化來為每個臂部12A+、 12八-、128+、128-、120+、12〇提供最優(yōu)臂部電壓源￥4 +^-^+^-、￥^-，以實現(xiàn)對應(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)明的方法的其它實施例中，無需進行臂部電壓源的這樣的數(shù)學(xué)優(yōu)化。
[0145] 第二控制器38被編程為通過創(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-。
[0146] 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。
[0147] 在所描述的實施例中，每個臂部電壓源VAhVhVBhVhVchVc-對應(yīng)于相應(yīng)的鏈?zhǔn)?變換器244+、24六-、248+、248-、2扣+、24(：-，因此幅值在零與電壓上限之間可變。
[0148] 同時，等效變換器配置100內(nèi)的每個臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-的感性分量表示與實際變換器10的對應(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臂部12六+、12六-、128+、128-、120+、12(：-內(nèi)的無源臂電感器，這是因為不再需要無源臂電感器來控制變換器臂12A、12B、12C之間的循環(huán)電流的水平。
[0149] 相反，相應(yīng)的電感采取相電感44A、44B、44C和DC線電感46(其中每個可以由物理無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）以及對應(yīng)的臂部12A+、 12八-、128+、128-、120+、12(：-內(nèi)的非常小的剩余雜散電感的形式。相電感444、448,44(：和0〇線電感46足夠大，以提供必要的控制要求，即，以在變換器10的操作過程中限制任何故障電流并控制對應(yīng)的臂部電流Ia +、Ia-、Ib+、Ib-、Ic+、Ic-。
[0150] 同時，每個臂部124+、124-、128+、128-、120+、12(：-的上述感性分量在等效變換器配置1〇〇中被表示為感性電壓部1^ +、1^、1^+、1^、說+、1^，其由從流過上述電感（即僅相電感 44A、44B、44C 和DC線電感46，其與對應(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。
[0151] 在本發(fā)明的其它實施例中，表示變換器10中的電壓條件還可以包括映射每個臂部 12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-的阻性分量。
[0152] 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）。
[0153 ]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-同樣類似地包括對等效變換器配置100進行基爾霍夫分析，但是也可以使用其它等效變換器配置和對應(yīng)的分析技術(shù)。在應(yīng)用基爾霍夫分析時獲得以下矩陣形式的等式：
[0157] 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-、VB+、V B-、Vc+、Vc-的位置的矩陣；
[0154]
[0155]
[0156]
[0158]
[0159] 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；
[0160] 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；
[0161] 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
[0162] VCB是第三變換器臂12C與第二變換器臂12B之間的電壓差。
[0163] 第二控制器38被進一步編程為執(zhí)行數(shù)學(xué)優(yōu)化來為每個臂部12A+、12A-、12B+、 128-、120+、12(：-提供最優(yōu)臂部電壓源￥和^-^ +^-、^-，其方式是通過減少給定的臂部 12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-的實際測量的臂部電流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。
[0164] 第二控制器38還被進一步編程以為每個臂部12A+、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-計算感性電壓部11\+、1^-、1^+、1^-、1^+、1]〇。此計算基于對應(yīng)確定的最優(yōu)臂部電流]^+、]^-、18+、18-、 Ic+、Ic-以及與對應(yīng)臂部12六+、12六-、128+、128-、120+、12(：-相關(guān)聯(lián)的電感。
[0165] 此后，計算出的感性電壓部UA+、UA-、UB+、UB-、U C+、UC-被修改，以驅(qū)使實際測量的臂部電流I%+、I'-、I^+、Fb-、疒C+、IV跟隨對應(yīng)確定的最優(yōu)臂部電流Ia+、Ia-、Ib+、Ib-、Ic+、Ic-。
[0166] 這種測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，其尋求為一個或多個感性電壓部1^ +、1^、1^、1^、說+、1^預(yù)測期望的未來值，以便提高閉環(huán)控制的性能。
[0167] 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-時利用每個臂部12六+、12六-、128+、128-、120+、12(：-的計算出的感性電壓部Ua+、Ua-、Ub+、Ub-、Uc+、Uc-。
[0168] 這種數(shù)學(xué)優(yōu)化還包括施加電壓權(quán)重到由每個臂部電壓源VAhVhVBhVhVchVc-提供的相對的電壓的貢獻。根據(jù)變換器10的測量的操作參數(shù)來確定電壓權(quán)重，并且可以在所述變換器10的整個操作過程中如此確定。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)境條件過程中變換器操作的持續(xù)優(yōu)化。
[0169] 例如，在所述特定變換器結(jié)構(gòu)的正常操作過程中，相同的電壓權(quán)重被施加到每個臂部 12厶+、12厶-、128+、128-、120+、12(：-的臂部電壓源￥4+、￥4-、￥8+、￥8-、^。-。
[0170]然而，在例如異常操作條件過程中，不同的電壓權(quán)重可以被施加到一個或多個臂部 12厶+、12厶-、128+、128-、120+、12(：-的臂部電壓源￥4+、￥4-^+^-、￥。 +、￥。-，以進一步減輕例如異常操作條件的影響。
[0171] 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-，其方式是通過為每個臂部12A +、12六-、128+、128-、120+、12(：-確定實現(xiàn)先前確定的對應(yīng)的最小臂部電流^+、^、18 +、18-、 Ic+、Ic-所需的最小單獨臂部電壓源Va+、Va-、Vb+、Vb-、Vc +、Vc-。
[0172] 可以確定最小單獨臂部電壓源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的電壓權(quán)重的一種方式是通過求解x(其中X為^+力-^+^-，1，1]的轉(zhuǎn)置），一般形式的非線性優(yōu)化如下：
[0173]
[0174] 受限于以下形式的等式約束方程Mv.x = b，其中b為已知，
[0175]
[0176] 并且其中
[0177] 上也^是待最小化的電壓目標(biāo)函數(shù)；
[0178] Ψ是時間ti處的電壓權(quán)重；
[0179] f是在所描述的實施例中包括電壓權(quán)重矩陣Qv的電壓成本函數(shù)；
[0180] to是變換器10的控制的特定時間段開始的時間；以及 [0181 ]以是變換器10的控制的特定時間段結(jié)束的時間。
[0182] 類似地，根據(jù)變換器10的測量的操作參數(shù)確定電壓權(quán)重矩陣Qv，并且可以在變換器10的整個操作過程中如此確定。因此，它也可以隨所述變換器10的控制而改變。
[0183] 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：
[0184] C.x^d
[0185] 其中
[0186] 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
[0187] d是表示每個臂部124+、12六-、128+、128-、120+、12(：-中的最大期望電壓的矢量。
[0188] 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：
[0189] (a)為每個變換器臂12A、12B、12C獲得對應(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以及每個變換器臂12A、12B、12C也需要跟蹤的DC電流需求 Idc;以及
[0190] (b)為每個臂部124+、12六-、128+、128-、120+、12(：-執(zhí)行數(shù)學(xué)優(yōu)化以確定該臂部12八 +、12A-、12B+、12B-、12C+、12C-必須貢獻以跟蹤對應(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-。
[0191] 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。
[0192] 然而，此后，替代性的第二控制器被編程為應(yīng)用控制算法來從每個對應(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中單個第四處理框62所示。
[0193] 應(yīng)用這樣的控制算法包括為給定臂部124+、12六-、128+、128-、120+、12(：-從對應(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-的實際測量的臂部電流1%+、1'-Jb+JV JVc-的任何偏差。
[0194] 可以從對應(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(：-的實際測量的臂部電流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。
[0195] 在所示的實施例中，反饋環(huán)路70比較相應(yīng)的實際測量的臂部電流1、+、1、-、1%+、 ^-、^.、^-與對應(yīng)的確定的最小臂部電流^^-上+上-上+上^并且計算對應(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)用到每個臂部誤差^+、以-、 eB+、eB-、ec+、ec-，由此直接建立對應(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。
[0196] 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)定單獨的校正系數(shù)，與每個臂部誤差eA+、e A-、eB+、eB-、ec+、ec-相乘(例如，在增益矩陣的情況下），以建立對應(yīng)的臂部電壓源Va+、Va-、Vb+、Vb-、Vc+、Vc-。
[0197] 可以建立這樣的單獨的校正因子的一種方式是通過創(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態(tài)。
[0198] 更具體地，相對于上述實施例，可通過創(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-、和感性分量來實現(xiàn)前述步驟。
[0199] 此后這樣的映射可以包括進行等效變換器配置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將等效變換器配置100的動態(tài)描述為：
[0200]
[0201 ] 其中
[0202] v是[Va+，Va-，Vb+，Vb-，Vc+，Vc-]的轉(zhuǎn)置；
[0203] M是映射每個臂部的感性分量并且更具體地映射與每個臂部相關(guān)聯(lián)的相電感和DC 線電感中每個的耦合電感矩陣，例如：
[0204]
[0205] I是[工'/^工'/^工'^工~-"'~匕-通轉(zhuǎn)置舊表示實際測量的臂部電流疒/^工 'A-、I' B+、I' B-、/ C+、I' C-的電流矢量的轉(zhuǎn)置；
[0206] 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
[0207] - Ζ
咔 J;
[0208] ξ為表不外部干擾的輸入電壓矢量，例如
[0209]
[0210] 其中
[0211 ] 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；
[0212] 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 [0213] VCB是第三變換器臂12C與第二變換器臂12B之間的電壓差。
[0214]以這種方式，當(dāng)考慮一個或多個單獨的臂部電壓源VA+jA^VBhVB^Vc+Jc-中的改變會對例如實際測量的臂部電流1%+、1%-、1%+、1/^、1\ +、1\-有什么影響時，進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。
[0215] 而且，其結(jié)果是，隨后可以通過考慮需要對給定的單獨的臂部電壓源VA+、VA-、VB+、 Vb-、VC+、VC-進行哪些改變以建立每個單獨的校正因子，以有利地改變由處于控制之下的變換器?ο提供的對應(yīng)臂部電流，即對應(yīng)的實際測量臂部電流便將實際測量臂部電流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，即以便將對應(yīng)的臂部誤差eA+、eA-、eB+、e B-、ec+、ec-朝向零驅(qū)使。
[0216] 一旦已經(jīng)為變換器10建立這樣的單獨的校正因子（例如在最初的設(shè)計和調(diào)試階段），通常沒有必要再次確定它們。結(jié)果，反饋環(huán)路70涉及最小計算工作量，這是因為在每個周期僅需要用已經(jīng)確定的對應(yīng)的單獨校正系數(shù)乘以給定的臂部誤差θα+、θα-、θβ+、θβ-、ec+、ec-即可。
【主權(quán)項】
1. 一種變換器，用于高壓直流輸電，包括：三個變換器臂，每個變換器臂對應(yīng)于所述變換器的相應(yīng)相，每個變換器臂在第一 DC端子與第二DC端子之間延伸，并且每個變換器臂包括由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;以及第一控制器，被編程為選擇性地在一個時刻為一個變換器臂將其每個臂部中的鏈?zhǔn)阶?換器操作為同時采用電流導(dǎo)通模式，并由此限定完全導(dǎo)通的變換器臂，以經(jīng)由每個所述完全導(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臂部中的鏈?zhǔn)阶儞Q器選擇性地操作為同時采用電流導(dǎo)通模式并由此限定完全導(dǎo)通的變換器臂時，同時為每個其它變換器臂將其一個或兩個臂部中的鏈?zhǔn)?變換器操作為使得一個鏈?zhǔn)阶儞Q器采用電流導(dǎo)通模式并且另一個鏈?zhǔn)阶儞Q器采用電流阻斷模式，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) 為每個變換器臂獲得對應(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，為每個臂部確定該臂部為跟蹤對應(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創(chuàng)建表示通過所述變換器的電流流動的等效變換器配置來進行數(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映射通過所述變換器的可能的電流流動路徑來創(chuàng)建表示通過所述變換器的電流流動的等效變換器配置。7. 根據(jù)權(quán)利要求4至6中任一項所述的變換器，其中所述第二控制器被編程為通過施加電流權(quán)重到多個臂部所提供的相對電流貢獻來執(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)所述變換器的測量的操作參數(shù)來確定所述或每個權(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，所述第二控制器被編程為通過施加不同的權(quán)重到至少一個臂部來施加權(quán)重，使得所述或每個所述臂部提供與其它臂部不同的貢獻。10. 根據(jù)權(quán)利要求4至9中任一項所述的變換器，其中所述第二控制器被編程為執(zhí)行數(shù) 學(xué)優(yōu)化來確定對應(yīng)的臂部必須貢獻以跟蹤對應(yīng)所需的AC相電流需求波形和所需的DC電流需求的一個或多個最小單獨的臂部電流。11. 根據(jù)權(quán)利要求4至10中任一項所述的變換器，其中所述第二控制器進一步被編程為執(zhí)行數(shù)學(xué)優(yōu)化以提供最優(yōu)臂部電壓源。
【文檔編號】H02M7/483GK105993121SQ201480075214
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2014年12月12日
【發(fā)明人】O·F·賈西姆, F·J·莫雷諾穆諾茲, K·戴克
【申請人】通用電氣技術(shù)有限公司

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