(57)【要約】本発明は、コンバータのアームのサブモジュールのキャパシタに蓄積された内部エネルギーを調整するための制御モジュール（１２）を含むモジュラマルチレベルコンバータ（１０）に関し、この制御モジュールは、ＤＣ電源ネットワーク（１１０）及びＡＣ電源ネットワーク（１２０）上で測定されたパラメータをコンバータの動作電力の設定値と共に使用することによって、内部エネルギーを上限より小さく及び／又は下限より大きくなるように制限するのに適している。【選択図】図６
2019520023.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換、又はその逆の変換を行うモジュラマルチレベル電圧コンバータ（１０）であって、
前記コンバータは、ＤＣ電源ネットワーク（１１０）へ接続するためのＤＣ部分（１０Ａ）と、ＡＣ電源ネットワーク（１２０）へ接続するためのＡＣ部分（１０Ｃ）とを備え、
前記コンバータは、複数の脚を備え、
それぞれの前記脚は、上側アーム及び下側アームを備え、
それぞれのアームは、各サブモジュールに特有の制御部材によって個々に制御可能な複数のサブモジュール（ＳＭxij）を備え、
それぞれのサブモジュールは、各サブモジュールの制御部材が「オン」状態にあるときに前記アーム内に直列に接続可能なキャパシタ（ＣSM）を備え、
前記コンバータは、前記コンバータの上側又は下側アームのサブモジュールのキャパシタ内に蓄積された内部エネルギーを調整するように構成された制御モジュール（１２）を含み、
前記制御モジュールは、コンバータの動作電力の設定値と共にモジュールＤＣ電源ネットワーク及びＡＣ電源ネットワークで測定されるパラメータを使用することによって、前記内部エネルギーを上限より小さく及び／又は下限より大きくなるように制限するのに適していることを特徴とするモジュラマルチレベル電圧コンバータ。
【請求項２】
前記ＤＣ電源ネットワーク及び前記ＡＣ電源ネットワーク上で測定された前記パラメータは、前記ＡＣ電源ネットワーク上で測定された電圧値ｖgと、前記直流電源ネットワーク上で測定された電圧値Ｖdcとを含むことを特徴とする請求項１に記載のコンバータ。
【請求項３】
前記コンバータの動作電力の設定点は、有効ＡＣ電力設定点Ｐ*ac、無効ＡＣ電力設定点Ｑ*ac、及びＤＣ電力設定点Ｐ*dcを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のコンバータ。
【請求項４】
前記制御モジュール（１２）は、前記ＤＣ電源ネットワーク上及び前記ＡＣ電源ネットワーク上で測定された前記パラメータの関数として、また前記コンバータの動作電力の前記設定値の関数として、中間変数を計算するように構成されることを特徴とする請求項２又は３に記載のコンバータ。
【請求項５】
前記中間変数は、定常状態における前記ＤＣ電源ネットワークの電流に対する平衡三相システムにおける一相の寄与を表す等価差動電流変数Ｉdiffを含み、前記等価差動電流変数Ｉdiffは、下記の関数によって決定されることを特徴とする請求項４に記載のコンバータ。  
2019520023.tif 000027
【請求項６】
前記中間変数は、定常状態における前記コンバータの前記ＤＣ部分の前記端子間の電圧を表す等価差動電圧変数Ｖdiffを含み、前記等価差動電圧変数Ｖdiffは、下記の関数によって決定され、Ｒarmは、コンバータのアームにおける抵抗であることを特徴とする請求項５に記載のコンバータ。
2019520023.tif 000028
【請求項７】
前記中間変数は、定常条件下で前記ＡＣ電力供給ネットワークに流れる電流を表す等価中間電流変数Ｉgを含み、前記等価中間電流変数Ｉgは、下記の関数によって決定され、Ｖgは、定常状態におけるＡＣ電源ネットワーク電圧であることを特徴とする請求項４から６のいずれか一項に記載のコンバータ。
2019520023.tif 000029
【請求項８】
前記中間変数は、前記ＡＣ電源ネットワークの電圧ベクトルと前記ＡＣ電源ネットワークに流れる電流のベクトルとの間の位相差のための位相シフト変数θも含むことを特徴とする請求項４から７のいずれか一項に記載のコンバータ。
【請求項９】
前記中間変数は、定常条件下で前記ＡＣ電源ネットワークの電圧ベクトルと、定常条件下で前記コンバータによって合成された等価ＡＣ内部電圧のベクトルとの間の位相差を表す中間角度変数δを含み、前記中間角度変数δは、下記の関数によって決定され、Ｖgは、定常条件下でのＡＣ電源ネットワークの電圧であり、Ｒeqは、アームにおける等価抵抗であり、Ｘeqは、アームにおける等価リアクタンスであることを特徴とする請求項４から８のいずれか一項に記載のコンバータ。
2019520023.tif 000030
【請求項１０】
前記中間変数は、前記関数によって定常条件下で前記コンバータによって合成される等価ＡＣ内部電圧変数Ｖvを含み、前記等価ＡＣ内部電圧変数Ｖvは、下記の関数によって決定され、Ｖgは、定常条件下でのＡＣ電源ネットワークの電圧であり、Ｒeqは、アームにおける等価抵抗であり、Ｘeqは、アームにおける等価リアクタンスであることを特徴とする請求項４から９のいずれか一項に記載のコンバータ。
2019520023.tif 000031
【請求項１１】
前記制御モジュールは、前記コンバータの上アームの前記キャパシタに蓄積された前記内部エネルギーの前記振動成分ＷΣru（ｔ）を、下記の関数によって決定するように構成され、ωは、角周波数であることを特徴とする請求項５から１０のいずれか一項に記載のコンバータ。
2019520023.tif 000032
【請求項１２】
前記制御モジュールは、前記コンバータの上側アームの前記サブモジュールの前記キャパシタに蓄積された前記内部エネルギーの前記振動成分ＷΣLminuを、下記の関数によって決定するように構成され、Ｃtotは、上側アームにおけるキャパシタのキャパシタンスの和であり、上側アームにおける内部エネルギーが下限ＷΣLminuに達する決定された瞬間ｔmであって、
2019520023.tif 000033
この瞬間ｔmは、下記の関数によって得られ、
2019520023.tif 000034
ＡtとＢtは、それぞれ、下記の関数によって得られることを特徴とする請求項５から１０のいずれか一項に記載のコンバータ。
2019520023.tif 000035
【請求項１３】
前記制御モジュールは、前記コンバータの上側アームの前記サブモジュールの前記キャパシタに蓄えられた前記内部エネルギーの上限ＷΣLmaxuを、下記の関数によって決定するように構成され、Ｃtotは、アーム内のキャパシタのキャパシタンスの和であり、ＶsmMaxは、サブモジュール内で許容可能な最大電圧であり、Ｎは、アーム内のサブモジュールの数であり、ｔrは、アーム内の内部エネルギーが上限ＷΣLmaxuに達する所定の瞬間であって、
2019520023.tif 000036
この瞬間ｔrは、下記の関数によって得られることを特徴とする請求項１１又は１２に記載のコンバータ。
2019520023.tif 000037
【請求項１４】
前記制御モジュールは、前記ＡＣ電源ネットワーク上で測定される前記電圧値ｖg、前記ＤＣ電源ネットワーク上で測定される前記電圧値Ｖdc、前記有効ＡＣ電力設定点Ｐ*ac、前記無効ＡＣ電力設定点Ｑ*ac及び前記ＤＣ電力設定点Ｐ*dcの関数として、上側アーム又は下側アームのサブモジュールの前記キャパシタに蓄積される内部エネルギーの前記下限及び前記上限を決定するための決定モジュール（１４）を含む、請求項２及び３に記載のコンバータ。
【請求項１５】
前記制御モジュールは、上限と下限の機能としての内部エネルギー設定点を補正するための補正モジュール（１６）が含まれ、前記機能が、前記制御モジュールによって提供されるように構成されていることを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載のコンバータ。
【請求項１６】
前記制御モジュールは、前記コンバータの内部エネルギーを調整し、前記コンバータの内部エネルギー設定値を入力として有し、前記コンバータの前記キャパシタの電力設定値を送出するレギュレータ（１８）を含むことを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載のコンバータ。
【請求項１７】
前記制御モジュールは、前記コンバータと前記ＡＣネットワークとの間の接続点における電力を調整し、入力として有効ＡＣ電力設定点Ｐ*ac及び無効ＡＣ電力設定点Ｑ*acを有し、ＡＣ電流設定点ｉ*gd及びＡＣ電流設定点ｉ*gqを送出するためのレギュレータ（２０）を含む、請求項１から１６のいずれか一項に記載のコンバータ。
【請求項１８】
前記制御モジュールは、前記コンバータと前記ＤＣネットワークとの間の接続点における電力を調整し、入力としてＤＣ電力設定点Ｐ*dcを有し、差動電流設定点ｉ*diffを送出するためのレギュレータ（２４）を含む、請求項１から１７のいずれか一項に記載のコンバータ。
【請求項１９】
前記制御モジュールは、前記ＡＣ電源ネットワークの前記ＡＣ電流ｉgを調整し、前記ＡＣ電流ｉgに関連するＡＣ電流設定点ｉ*gd及びＡＣ電流設定点ｉ*gqを入力として有し、等価ＡＣ内部電圧設定点ｖ*vを出力として供給するためのレギュレータ（２２）を含む、請求項１から１８のいずれか一項に記載のコンバータ。
【請求項２０】
前記制御モジュールは、前記差動電流ｉdiffを調整し、入力として前記差動電流ｉdiffに関連する差動電流設定点ｉ*diffを有し、出力として差動電圧設定点ｖ*diffを供給するレギュレータ（２６）を含む、請求項１から１９のいずれか一項に記載のコンバータ。
【請求項２１】
ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換、又はその逆の変換を行うモジュラマルチレベル電圧コンバータ（１０）の制御方法であって、
前記コンバータは、ＤＣ電源ネットワークへ接続するためのＤＣ部分と、ＡＣ電源ネットワークへ接続するためのＡＣ部分とを備え、
前記コンバータは、複数の脚を備え、
それぞれの前記脚は、上側アーム及び下側アームを備え、
それぞれのアームは、各サブモジュールに特有の制御部材によって個々に制御可能な複数のサブモジュールを備え、
それぞれのサブモジュールは、各サブモジュールの制御部材が「オン」状態にあるときに、前記アーム内に直列に接続可能なキャパシタを備え、
前記コンバータは、前記コンバータの上側又は下側アームのサブモジュールのキャパシタに蓄積された内部エネルギーを調整するステップを含み、
前記内部エネルギーは、ＤＣ電源ネットワーク及びＡＣ電源ネットワーク上で測定されたパラメータを、コンバータの動作電力の設定値と共に使用することによって、上限より小さく及び／又は下限より大きくなるように制限されることを特徴とするモジュラマルチレベル電圧コンバータの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流（ＡＣ）を直流（ＤＣ）に変換し、その逆に変換するモジュラマルチレベルコンバータ（ＭＭＣ）の技術分野に関する。
【０００２】
より正確には、本発明は、電力を伝送するためにＤＣを使用したステーションがモジュラマルチレベルコンバータを組み込まれた高電圧直流（ＨＶＤＣ）搬送ネットワークに関する。
【背景技術】
【０００３】
図１において、先行技術のモジュラマルチレベルコンバータ１０のサブモジュールセット６を示す図を見ることができる。三相入力／出力（三相φａ、φｂ及びφｃを有する）の場合、コンバータ１０は、図１の様々な構成要素に対する添え字ａ、ｂ、及びｃによって参照される３つの変換脚を有する。各変換脚は、上側アーム及び下側アーム（上側の指標は「ｕ」、下側の指標「ｌ」によって指定される）を備え、それぞれ、ＤＣ電源ネットワークの端子ＤＣ＋又はＤＣ−をＡＣ電源ネットワークの端子に接続する。特に、各変換脚は、三相ラインφａ、φｂ及びφｃのうちの一つと、ＡＣ電源ネットワークとに接続される。図１は、各アームが電流ｉxiを流すサブモジュールセット６を示す（ｘによってアームが上側か下側かを指し、指標ｉが脚を指している）。また、各アームは、所望のシーケンスで制御され得る複数のサブモジュールＳＭxij（ｘはアームが上側か下側かを指し、ｉはアームが関連付けられる相ラインを指し、ｊはアーム内の直列のサブモジュールの中からのサブモジュールの番号である）を含む。この例では、１つのアームにつき３つのサブモジュールのみが示されている。実際には、それぞれ上側アーム又は下側アームは、数十から数百の範囲内でＮ個のサブモジュールを有していてもよい。それぞれのサブモジュールＳＭxijは、サブモジュールの端子間にキャパシタを選択的に直列に接続する、又はそれをバイパスするための制御部材を有する少なくとも１つのキャパシタのようなエネルギー蓄積システムを含む。サブモジュールは、複数の電圧レベルを供給するために、コンバータ１０のアームに直列に接続されるエネルギー蓄積素子の数を徐々に変化させるように選択されるシーケンスで制御される。また、図１において、ＶdcはコンバータがＤＣ電源ネットワークに接続される点の両端の電圧を示し、これらの点は「共通結合点」（ＰＣＣ）として当業者に知られている。ｉdcはＤＣ電源ネットワークの電流を示し、同時に電流ｉga，ｉgb及びｉgcは、三相ラインφａ、φｂ及びφｃによって運ばれる。また、各アームは、インダクタンスＬarmを有し、それぞれの位相ラインφａ、φｂ及びφｃは、インダクタンスＬfと抵抗Ｒfを有する。
【０００４】
図２は、図１のコンバータ１０の一部を構成する先行技術のサブモジュールＳＭxijを示す。このサブモジュールでは、各制御部材は、電気エネルギー蓄積素子、具体的にはキャパシタＣSMと直列に接続された絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などの第１の電子スイッチ素子Ｔ１を含む。この第１のスイッチ素子Ｔ１とこのキャパシタＣSMは、同様にＩＧＢＴである第２の電子スイッチ素子Ｔ２と並列に接続される。この第２の電子スイッチ素子Ｔ２は、サブモジュールＳＭxijの入力端子と出力端子の間に接続される。図２に示すように、第１のスイッチ素子Ｔ１と第２のスイッチ素子Ｔ２の両方が、それぞれの逆並列のダイオードによって接続されている。
【０００５】
動作において、サブモジュールは、２つの制御状態を占有するように制御され得る。
【０００６】
「オン」状態と称される第１の状態において、第１のスイッチ素子Ｔ１及び第２のスイッチ素子Ｔ２は、エネルギー蓄積素子ＣSMを他のサブモジュールと直列に接続するように構成される。「オフ」状態と称される第２の状態において、第１のスイッチ素子Ｔ１及び第２のスイッチ素子Ｔ２は、エネルギー蓄積素子ＣSMを短絡するように構成される。
【０００７】
端子間に電圧ｖmを有する各アームは、オンであるサブモジュールの数に依存するデューティファクタを有する端子間に電圧Ｖmを有するモデル化された電圧源と、電圧源に接続されたモデル化されたキャパシタＣtotによってモデル化できることが知られている。このモデルは、図３に図式的に示され、ここで、得られたモデルと共に電流ｉを通すアームが見られる。モデル化されたキャパシタＣtotの等価キャパシタンスの逆数は、オンであるモジュールのキャパシタンスの逆数の和に等しく、次のようになる。
【数１】
2019520023.tif 000003
ここで、Ｃ1、Ｃ2、・・・、Ｃj、・・・、ＣNは、ｊ番目のキャパシタの容量である。
【０００８】
このように、モデル化されたキャパシタＣtotの端子間の電圧ｖcΣは、アーム内のサブモジュールのキャパシタの端子間の電圧ｖcjの合計に等しい（ｊは１〜Ｎの範囲にあり、キャパシタの数、すなわち、サブモジュールの数を与える）。また、各キャパシタＣtotは、電流ｉmを流す。本出願では、適当でない言葉の使い方ではあるが、Ｃtotはモデル化されたキャパシタ及びそのキャパシタンスの両方を指す。エネルギー蓄積素子の数が徐々に変化させるように直列に接続されたサブモジュールのオン／オフをシーケンス制御することによって、モデル化されたキャパシタＣtotのエネルギー、すなわち、それぞれのモデル化された電圧源の端子間の電圧を減少又は増加させることできる。
【０００９】
先行技術においては、図４に示すようなＭＭＣ１０のサブモジュールのセット６に相当する構成が見出されている。この図では、コンバータは、図１を参照して説明したコンバータに類似したコンバータであり、各アームをそのモデルによって置き換えられたものである。また、ＡＣ電源ネットワークの各相ラインは、電流ｉgi及び電圧ｖgiに関連付けられる（ここで、指標ｉは、脚の数を指す）。
【００１０】
この例では、それぞれのモデル化された電圧源は、その端子間に電圧ｖmxiを有し、それぞれのモデル化されたキャパシタＣtotは、電流ｉmxiを通し、その端子間に電圧ｖcΣxiを有する（ここで、ｘはアームが上側か下側かを指し、ｉは脚の数を指す）。また、ＭＭＣを仮想的なＡＣ部分と仮想的なＤＣ部分（入力端子又は出力端子において、コンバータがＡＣエネルギーをＤＣエネルギーに変換するように構成されるか、又はその逆になるかに応じて）に細分化することが可能であり、サブモジュールのキャパシタに蓄えられる総エネルギーの変動は、コンバータに入力する電力とコンバータから出力する電力との間の差に等しい。
【００１１】
このタイプのＭＭＣでは、サブモジュールのキャパシタに蓄えられた内部エネルギーが、ＤＣ電源ネットワークの電圧から切り離されることが知られている。これにより、ＭＭＣのキャパシタに蓄えられた内部エネルギーを独立して調整することができる。これは、特に、ＭＭＣが、電源ネットワークへ、又は電源ネットワークからエネルギーを伝送又は抽出することによって、関連するＤＣ及びＡＣ電源ネットワークの安定化に寄与することを可能にする。
【００１２】
従って、ＤＣ及び／又はＡＣ電源ネットワークとＭＭＣとの間の電力の交換は、コンバータのキャパシタに蓄積される内部エネルギーの増加又は減少につながることが理解できる。
【００１３】
コンバータの内部エネルギーは、ＤＣ及びＡＣ電源ネットワークの安定性に影響を及ぼす。また、ＤＣ及びＡＣ電源ネットワークとの間の電力の交換の結果として、コンバータのキャパシタの総電圧が発振を引き起してしまうことが知られている。これらの発振は、コンバータの動作制約に従わないことによって、コンバータの適切な動作を脅かす結果を有する。先行技術の解決策は、これらの発振については考慮に入れられておらず、それによってコンバータを損傷する危険性がある。これらの解決策は、コンバータの内部エネルギーの制御に関してＭＭＣの能力を十分に利用することを可能にしない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は、上述の問題を解決し、ＭＭＣのポテンシャルを十分に利用することが可能なモジュラマルチレベルコンバータ（ＭＭＣ）を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
これを行うために、本発明は、ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換するための、及びその逆のコンバータであって、ＡＣ電源ネットワークに接続するためのＤＣ部分と、ＡＣ電源ネットワークに接続するためのＡＣ部分とを備え、コンバータは、複数の脚を備え、それぞれの脚は、上側アーム及び下側アームを備え、それぞれのアームは、各サブモジュールに特有の制御部材によって個々に制御可能な複数のサブモジュールを備え、それぞれのサブモジュールが、各サブモジュールの制御部材が「オン」状態にあるときにアーム内で直列に接続可能なキャパシタを備えることを特徴とするモジュラマルチレベル電圧コンバータを提供する。
【００１６】
コンバータの一般的な特徴によれば、コンバータは、コンバータの上側アーム又は下側アームのサブモジュールのキャパシタに蓄えられた内部エネルギーを調整するように構成された制御モジュールを含み、制御モジュールは、ＤＣ電源ネットワーク及びＡＣ電源ネットワーク上で測定されたパラメータをコンバータの動作電力の設定値と共に使用することによって、内部エネルギーを上限より小さく及び／又は下限より大きくなるように制限するのに適している。
【００１７】
好ましくは、非限定的に、サブモジュールは、サブモジュールを「オン」状態又は「オフ」状態に置くことが望まれるかどうかに応じて、サブモジュールのキャパシタを関連するアームと直列に接続するかしないかのように働く２つの絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）によって制御される。
【００１８】
各アームは、キャパシタンスのモデル化されたキャパシタＣtotと並列に関連付けられたモデル化された電圧源によってモデル化することができる。アームのサブモジュールのキャパシタの電圧の合計は、モデル化された電圧源と並列に接続されたモデル化されたキャパシタの端子間の電圧はｖcΣに等しくなるようにｖcΣと書き込まれる。さらに、モデル化された電圧源は、アームに挿入されている「挿入（ｉｎｓｅｒｔｅｄ）」電圧とも呼ばれるその端子間の電圧ｖmを有し、制御されたサブモジュールの数に依存するデューティファクタによって特徴付けられる。
【００１９】
好ましくは、モデル化された電圧源に関連するデューティファクタαは、次式から計算される。
【数２】
2019520023.tif 000004
ここで、ｎは、関連するアームにおける「オン」状態のサブモジュールの数であり、Ｎは、アームにおけるサブモジュールの数である。
【００２０】
内部エネルギーの上記下限及び／又は上限は、コンバータのサブモジュールのキャパシタに蓄えられた内部エネルギーを、コンバータの適切な動作に適したレベルに保つように決定されることが理解できる。これは、コンバータの損傷を回避するのに役立ち、コンバータの能力を完全に利用することを可能にする。
【００２１】
本発明の範囲を逸脱することなく、制御モジュールは、内部エネルギーを、上限未満にのみ、下限を超えてのみ、又は実際に上限と下限との間に調節するように構成されてもよい。
【００２２】
また、内部エネルギーの下限及び／又は上限は、キャパシタの合計電圧における変動を考慮するように選択することができる。従って、これらの避けられない変動であるにもかかわらず、内部エネルギーは、コンバータの動作が妨げられないように、制御モジュールによって下限より上及び／又は上限より下になるように維持される。
【００２３】
好ましくは、内部エネルギーの下限は、挿入された電圧Ｖmに関して満たすべき条件から決定される。特に、コンバータの適切な動作を保証するために、アームに挿入される挿入電圧Ｖmは、そのアーム内のサブモジュールの電圧の合計ｖcΣによって物理的に制限される。従って、この物理的制約を満たすために、挿入された電圧設定点ｖ*mは、すべての瞬間ｔにおいて、以下の不等式を満たさなければならない。
【数３】
2019520023.tif 000005
ここで、ｖ*m（ｔ）／ｖcΣ（ｔ）は変調指数ｍを指定する。
【００２４】
本発明の制御モジュールは、キャパシタの全電圧に対する振動ピークの場合でさえ、この不等式に適合するように内部エネルギーを調整することを可能にする。
【００２５】
また、好ましくは、内部エネルギーの上限は、サブモジュールのスイッチ素子の電圧限界から決定される。特に、コンバータの適切な動作を保証するために、サブモジュールのキャパシタにかかる電圧ｖcjは、各瞬間ｔにおいて、次式によって与えられるように、サブモジュールのスイッチ素子の電圧限界に対応する最大電圧ｖcMax未満でなければならない。
【数４】
2019520023.tif 000006
及び、次のようになる。
【数５】
2019520023.tif 000007
【００２６】
特に、スイッチ素子に対するこの電圧限界は、「安全電圧限界（ｓａｆｅ  ｖｏｌｔａｇｅ  ｌｉｍｉｔ）」と呼ばれる安全マージンを与える。
【００２７】
内部エネルギーが上限又は下限に達すると、制御モジュールは、内部エネルギーをそれぞれ上限未満又は下限を超えるように戻すように補正する。
【００２８】
ＤＣ電源ネットワーク及びＡＣ電源ネットワーク上で測定されたパラメータを使用することにより、制御モジュールは、ＤＣ電源ネットワーク及びＡＣ電源ネットワークの状態にそれ自体を適合させることによって、内部エネルギーの下限及び／又は上限を決定する。下限及び／又は上限は一定ではなく、電源ネットワークの状態によって変化することが理解できる。
【００２９】
好ましくは、非限定的に、これらのパラメータは、下限及び／又は上限がリアルタイムでサーボ制御され、各瞬間における電源ネットワークの状態に適合されるように、電源ネットワーク上でリアルタイムで測定される。この好ましい実施形態の利点は、決定された限界の精度を特に改善し、それによってコンバータを損傷する危険性を低減することである。
【００３０】
また、コンバータの動作電力設定値を使用することにより、同様に、コンバータの動作点を考慮して、下限及び／又は上限を決定することが可能になる。このようにして、内部エネルギー及び内部エネルギーを貯蔵するコンバータの能力がより良好に制御され、それによってＭＭＣのポテンシャルをより多く利用する。
【００３１】
有利な態様では、ＤＣ電源ネットワーク及びＡＣ電源ネットワーク上で測定されるパラメータは、ＡＣ電源ネットワーク上で測定される電圧値ｖg及びＤＣ電源ネットワーク上で測定される電圧値Ｖdcを含む。ｖgとＶdcは、ＡＣ電源回路ネットワーク及びＤＣ電源回路ネットワークの動作状態をそれぞれ表す。
【００３２】
好ましくは、コンバータの動作電力の設定点は、有効ＡＣ電力設定点Ｐ*ac、無効ＡＣ電力設定点Ｑ*ac、及びＤＣ電力設定点Ｐ*dcを含む。設定点は、電力に関してコンバータの動作点を表す。
【００３３】
有利な態様では、制御モジュールは、ＤＣ電源ネットワーク上及びＡＣ電源ネットワーク上で測定されたパラメータの関数として、またコンバータの動作電力の設定値の関数として、中間変数を計算するように構成される。非限定的な方法では、数学的分析を使用して、中間変数をパラメータ及び電力設定点に関連付ける数学的関係を決定することができる。好ましくは、数学的分析を簡略化するために、制御モジュールは、設定点が関連付けられる実数値を近似するのに十分に速い制御ループであると仮定する。
【００３４】
有利には、中間変数は、定常条件下でのＤＣ電源ネットワークの電流に対する平衡三相システムにおける一相の寄与を表す等価差動電流変数Ｉdiffを含み、これは、以下の関数によって決定される。
【数６】
2019520023.tif 000008
【００３５】
好ましくは、中間変数は等価差動電圧変数Ｖdiffを含み、この等価差動電圧変数は、定常状態におけるコンバータのＤＣ部分の端子間の電圧を表し、関数によって決定される。
【数７】
2019520023.tif 000009
ここで、Ｒarmは、コンバータのアームにおける抵抗である。
【００３６】
有利な態様では、中間変数は、定常条件下でＡＣ電力供給ネットワークに流れる電流を表す等価中間電流変数Ｉgを含む。
【数８】
2019520023.tif 000010
ここで、Ｖgは、定常状態におけるＡＣ電源ネットワークの電圧を表す。
【００３７】
好ましくは、中間変数は、ＡＣ電源ネットワークの電圧ベクトルとＡＣ電源ネットワークに流れる電流のベクトルとの間の位相差に対する位相変数θも含む。また、θは、以下から決定することができる。
【数９】
2019520023.tif 000011
【数１０】
2019520023.tif 000012
【００３８】
有利には、中間変数は、定常条件下でのＡＣ電源ネットワークの電圧ベクトルと、定常条件下でのコンバータによって合成された等価ＡＣ内部電圧のベクトルとの間の位相差を表す中間角度変数δを含み、δは、以下の関数によって決定される。
【数１１】
2019520023.tif 000013
ここで、Ｖgは、定常条件下でのＡＣ電源ネットワークの電圧であり、Ｒeqは、アームにおける等価抵抗であり、Ｘeqは、アームにおける等価リアクタンスである。
【００３９】
非限定的な方法で、我々は、Ｒeq＝Ｒｆ＋Ｒarm／２とＸeq＝Ｘf＋Ｘarm／２＝ωＬf＋ωＬarm／２と記載し、ここで、Ｌarm及びＲarmを指定し、一方で、ＬfとＲfは、位相ライン内のインダクタンス及び抵抗をそれぞれ示し、ωは、角周波数である。
【００４０】
好ましくは、中間変数は、定常条件下で以下の関数によってコンバータによって合成される等価ＡＣ内部電圧変数Ｖvを含む。
【数１２】
2019520023.tif 000014
ここで、Ｖgは、は、定常条件下でのＡＣ電源ネットワークの電圧であり、Ｒeqは、アームにおける等価抵抗であり、Ｘeqは、アームにおける等価リアクタンスである。
【００４１】
本発明の特に有利な態様において、制御モジュールは、コンバータの上アームのキャパシタに蓄えられた内部エネルギーの振動成分ＷΣru（ｔ）を以下の関数によって決定するように構成される。
【数１３】
2019520023.tif 000015
ここで、ωは角周波数である。内部エネルギーのこの振動成分は、コンバータの上側アームのキャパシタの全電圧の、従ってキャパシタに蓄積された内部エネルギーの固有振動を表す。これらの振動は、ＤＣ及びＡＣ電源ネットワークとコンバータとの間の電力交換によって引き起こされる。
【００４２】
また、上腕における内部エネルギーは、その上腕における内部エネルギーの振動成分ＷΣru（ｔ）と、その腕における内部エネルギーの経時的平均との和として表すことができる。
【００４３】
変形例では、制御モジュールは、以下の関数によって、コンバータの上アームのキャパシタに蓄積された内部エネルギーの振動成分ＷΣru（ｔ）を決定するように構成される。
【数１４】
2019520023.tif 000016
【００４４】
有利な態様では、制御モジュールは、コンバータの上側アームのサブモジュールのキャパシタに蓄積された内部エネルギーの振動成分ＷΣLminuを、以下の関数によって決定するように構成される。
【数１５】
2019520023.tif 000017
ここで、Ｃtotは、上側アームにおけるキャパシタのキャパシタンスの和であり、ｔm上側アームにおける内部エネルギーが下限ＷΣLminuに達する決定された瞬間であり、この瞬間は、次式によって得られる。
【数１６】
2019520023.tif 000018
であって、ＡtとＢtは、以下である。
【数１７】
2019520023.tif 000019
【数１８】
2019520023.tif 000020
【００４５】
変形例では、制御モジュールは、コンバータの下側アームのサブモジュールのキャパシタに蓄積された内部エネルギーの下限ＷΣLminlを決定するように構成される。当該下限ＷΣLminlに関する式は、上アームと下アームとの間の対称性を使用することによって決定することができる。この式では、制約の値は、上腕に適用される制約の値と同一である。
【００４６】
本発明の範囲を逸脱することなく、上側アーム又は下側アームのキャパシタに蓄積される内部エネルギーの下限は、瞬間ｔmに到達する最も好ましくない構成を考慮するアプローチを使用することによって決定することができ、このアプローチでは、以下の式が満たされる。
【数１９】
2019520023.tif 000021
【００４７】
この好ましくない構成では、上アーム又は下アームの内部エネルギーは下限に達する。
【００４８】
有利には、制御モジュールは、コンバータの上側アームのサブモジュールのキャパシタに蓄えられた内部エネルギーの上限ＷΣLmaxuを、以下の関数によって決定するように構成される。
【数２０】
2019520023.tif 000022
ここで、Ｃtotは、アーム内のキャパシタのキャパシタンスの和であり、ＶsmMaxは、サブモジュール内で許容可能な最大電圧であり、Ｎは、アーム内のサブモジュールの数であり、ここで、ｔrは、アーム内の内部エネルギーが上限ＷΣLmaxuに達する所定の瞬間であり、この瞬間は、次式によって得られる。
【数２１】
2019520023.tif 000023
【００４９】
変形例では、制御モジュールは、コンバータの下側アームのサブモジュールのキャパシタに蓄積された内部エネルギーの下限ＷΣLmaxlを決定するように構成される。再び、当該下限ＷΣLmaxlに関する式は、上アームと下アームとの間の対称性を使用することによって決定することができる。この式では、制約の値は、上腕に適用される制約の値と同一である。
【００５０】
本発明の範囲を逸脱することなく、上側又は下側アームのサブモジュールのキャパシタに蓄積される内部エネルギーの下限は、瞬間ｔrに到達する最も好ましくない構成を考慮するアプローチを使用することによって決定することができ、その場合、以下の式が満たされる。
【数２２】
2019520023.tif 000024
【００５１】
この好ましくない構成では、上アーム又は下アームの内部エネルギーは、内部エネルギーの上限に達する。
【００５２】
好ましくは、制御モジュールは、ＡＣ電源ネットワーク上で測定される電圧値ｖg、ＤＣ電源ネットワーク上で測定される電圧値Ｖdc、有効ＡＣ電力設定点Ｐ*ac、無効ＡＣ電力設定点Ｘ*ac、及びＤＣ電力設定点Ｐ*dcの関数として、上アーム又は下アームのサブモジュールのキャパシタに蓄積される内部エネルギーの下限及び上限を決定するための決定モジュールを含む。
【００５３】
決定モジュールによって、内部エネルギーの下限及び／又は上限が、好ましくはリアルタイムで、電源ネットワークの状態の関数としてサーボ制御される。
【００５４】
また好ましくは、制御モジュールは、制御モジュールによって供給されるように、上限及び下限の関数として内部エネルギー設定値を補正するための補正モジュールを含む。１つの利点は、ネットワークの状態に適合され、コンバータの適切な動作を保証する内部エネルギー設定点を得ることである。キャパシタに蓄えられた内部エネルギーの設定値のこの補正は、内部エネルギーの制御を改善し、コンバータのエネルギー蓄積能力の管理をさらに改善するのに役立つ。
【００５５】
従って、補正モジュールへの内部エネルギー設定値入力が下限又は上限を超えない限り、内部エネルギー設定値は変更されないことが理解できる。次いで、補正モジュールは、入力として受信された設定値と同一である内部エネルギー設定値を出力として供給する。
【００５６】
対照的に、内部エネルギー設定点が下限より低いか、又は上限より高い場合、補正モジュールは、設定点が下限より高いか、又は上限より低くなるように設定点を補正する。
【００５７】
本発明の特に有利な態様では、制御モジュールは、コンバータの内部エネルギーを調整し、入力としてコンバータの内部エネルギー設定値を有し、コンバータのキャパシタの電力設定値を供給するためのレギュレータを含む。この内部エネルギーレギュレータは、コンバータの上アーム又は下アームのキャパシタに蓄えられた内部エネルギーを、コンバータをその設定値に向かわせることによって調整する働きをする。
【００５８】
非限定的な方法では、内部エネルギー設定点は、補正モジュールによって供給されてもよい。従って、内部エネルギーレギュレータによって、各モデル化キャパシタの端子間の電圧をサーボ制御し、それによってキャパシタに蓄積されたエネルギーを効果的に制御することが可能である。
【００５９】
好ましくは、制御モジュールは、入力として有効ＡＣ電力設定点Ｐ*ac及び無効ＡＣ電力設定点Ｑ*acを有し、ＡＣ電流設定点ｉ*gd及びＡＣ電流設定点ｉ*gqを送出する、コンバータとＡＣネットワークとの間の接続点における電力を調整するためのレギュレータを含む。ＡＣ電流設定点ｉ*gdは有効ＡＣ電力設定点Ｐ*acに関連付けられ、ＡＣ電流設定点ｉ*gqは無効ＡＣ電力設定点Ｑ*acに関連付けられる。このレギュレータは、コンバータとＡＣネットワークとの間の接続点における電力のいわゆる「低速（ｓｌｏｗ）」調整を実施する。
【００６０】
好ましくは、制御モジュールは、コンバータとＤＣネットワークとの間の接続点における電力を調整し、入力としてＤＣ電力設定点Ｐ*dcを有し、差動電流設定点ｉ*diffを供給するためのレギュレータを含む。このレギュレータは、コンバータとＤＣネットワークとの間の接続点における電力のいわゆる「低速（ｓｌｏｗ）」調整を実施する。
【００６１】
また好ましくは、制御モジュールは、ＡＣ電源ネットワークのＡＣ電流ｉgを調整し、ＡＣ電流に関連するＡＣ電流設定点ｉ*gd及びＡＣ電流設定点ｉ*gqを入力として有し、ＡＣ電源ネットワークを流れる電流ｉgである等価ＡＣ内部電圧設定点ｖ*vを出力として供給するためのレギュレータを含む。ｉgは、ＡＣ電源ネットワークを流れる電流である。ＡＣ電流ｉgを調節することは、コンバータの構成に応じて、入り又は出て行くＡＣ電力の転送を調節することになる。このレギュレータは、ＡＣ電流ｉgのいわゆる「高速（ｆａｓｔ）」調整を実施する。
【００６２】
有利には、制御モジュールは、差動電流ｉdiffを調整し、入力として差動電流ｉdiffに関連する差動電流設定点ｉ*diffを有し、出力として差動電圧設定点ｖ*diffを供給するためのレギュレータを含む。差動電流ｉdiffを調整することは、コンバータの構成に応じて、入力又は出力ＤＣ電力の転送を調整することになる。このレギュレータは、差動電流ｉdiffのいわゆる「高速（ｆａｓｔ）」調整を実施し、ここで、ｉdiffは、ＤＣ電源ネットワークの差動電流を表す。
【００６３】
また、本発明は、ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換し、その逆の変換を行うモジュラマルチレベル電圧コンバータを制御する方法であって、コンバータが、ＤＣ電源ネットワークに接続するためのＤＣ部分と、ＡＣ電源ネットワークに接続するためのＡＣ部分とを備え、コンバータが、複数の脚部を備え、それぞれの脚部が、上側アーム及び下側アームを備え、それぞれのアームは、各サブモジュールに特有の制御部材によって個々に制御可能な複数のサブモジュールを備え、それぞれのサブモジュールは、各サブモジュールの制御部材が「オン」状態にあるときに、アーム内で直列に接続可能なキャパシタを備える構成に適用される方法を提供する。
【００６４】
特徴的な態様では、本方法は、コンバータの上側アーム又は下側アームのサブモジュールのキャパシタに蓄積された内部エネルギーを調整するステップを含み、内部エネルギーは、ＤＣ電源ネットワーク及びＡＣ電源ネットワーク上で測定されたパラメータを、コンバータの動作電力の設定値と共に使用することによって、上限より小さく及び／又は下限よりも大きくなるように制限される。
【００６５】
好ましくは、制御方法は、ＤＣ電源ネットワーク上及びＡＣ電源ネットワーク上で測定されたパラメータの関数として、またコンバータの動作電力設定値の関数として、コンバータの上側アーム又は下側アームのサブモジュールのキャパシタに蓄積された内部エネルギーの下限及び上限を決定することを含む。
【００６６】
好ましくは、制御方法は、上限及び下限の関数として内部エネルギー設定値を補正することを含む。
【００６７】
また、好ましくは、制御方法は、コンバータの内部エネルギーを調整するステップと、コンバータの内部エネルギー設定値を入力として使用するステップと、コンバータのキャパシタの電力設定値を供給するステップとを含む。
【００６８】
有利な態様では、制御方法は、入力として有効ＡＣ電力設定点Ｐ*ac及び無効ＡＣ電力設定点Ｑ*acを使用し、ＡＣ電流設定点ｉ*gd及びＡＣ電流設定点ｉ*gqを送達することによって、コンバータとＡＣネットワークとの間の接続点における電力を調整することを含む。
【００６９】
有利には、制御方法は、入力としてＤＣ電力設定点Ｐ*dcを使用し、差動電流設定点ｉ*diffを供給することによって、コンバータとＤＣネットワークとの間の接続点における電力を調整することを含む。
【００７０】
好ましくは、制御方法は、ＡＣ電流ｉgに関連するＡＣ電流設定点ｉ*gd及びＡＣ電流設定点ｉ*gqを入力として使用し、等価ＡＣ内部電圧設定点ｖ*vを出力として供給することによってＡＣ電流ｉgを調整することを含む。
【００７１】
好ましくは、制御方法は、差動電流ｉdiffに関連する差動電流設定点ｉ*diffを入力として使用して差動電流ｉdiffを調整し、差動電圧設定点ｖ*diffを出力として供給することを含む。
【００７２】
本発明の範囲を逸脱することなく、制御方法は、その好ましい実施形態を含むその実施形態のすべてにおいて上記で定義されたようなコンバータによって実行され得る。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
本発明は、添付の図面を参照して、非限定的な例として与えられる本発明の実施形態の以下の説明を読むことによって、より良く理解され得る。
【００７４】
【図１】先行技術の三相モジュラマルチレベルコンバータを示す。
【図２】先行技術のモジュラマルチレベルコンバーターのサブモジュールを示す。
【図３】先行技術のMMCのアームの等価回路を示す。
【図４】先行技術のモジュラマルチレベルコンバータの等価な構成を示す。
【図５】本発明のモジュラマルチレベルコンバータの等価図式表現である。
【図６】制御モジュールを含む、本発明のモジュラマルチレベルコンバータを示す。
【図７】図６のコンバータのアームに蓄えられた内部エネルギーの上限及び下限を決定するためのモジュールを示す。
【図８】ＤＣ電源ネットワークの電圧が変化する第１のシミュレーション結果を示す。
【図９Ａ】第１のシステムについて、内部エネルギーが、制御モジュールを含む本発明のコンバータの下限近くで、図８に示される電圧変化に応答して、どのように変化するかを示す。
【図９Ｂ】図９Ａの第１のシステムの本発明のコンバータにおいて変調指数がどのように変化するかを示す。
【図１０Ａ】第２のシステムについて、内部エネルギーが、制御モジュールを含まない先行技術のＭＭＣの下限近くで、図８の電圧変化に応答して、どのように変化するかを示す。
【図１０Ｂ】図１０Ａの第２のシステムの先行技術のコンバータにおいて変調指数がどのように変化するかを示す。
【図１１】有効ＡＣ電力を変化させる第２のシミュレーション結果を示す。
【図１２Ａ】第１のシステムについて、内部エネルギーが、制御モジュールを含む本発明のコンバータの上限近くで、図１１に示される電力変化に応答して、どのように変化するかを示す。
【図１２Ｂ】図１２Ａの第１のシステムにおける本発明のコンバータのサブモジュール内のキャパシタについて、電圧がどのように変化するかを示す。
【図１３Ａ】第２のシステムについて、内部エネルギーが、制御モジュールを含まない先行技術のＭＭＣの上限近くでどのように変化するか、及び図１１の電力変化に応答して変化するかを示す。
【図１３Ｂ】図１３Ａの第２のシステムにおける先行技術のコンバータのサブモジュールのキャパシタについて、電圧がどのように変化するかを示す。
【発明を実施するための形態】
【００７５】
図６に示す本発明の実施形態は、制御モジュール１２を含むモジュラマルチレベルコンバータ１０に関する。図５は、本発明のコンバータ１０の挙動を表す等価回路を単相モデルで示す。図５では、制御モジュールを示していない。単相モデルを使用することは、表記及び図を単純化するのに役立つ。この図では、非限定的に、ＤＣエネルギーをＡＣエネルギーに変換するＭＭＣ１０を見ることができる。
【００７６】
この例では、コンバータ１０は、図の左側部分においてＤＣ電源ネットワーク１１０に接続されたＤＣ部分１０Ａを有することが分かる。図の右側部分では、コンバータ１０がＡＣ電源ネットワーク１２０に接続されたＡＣ部分１０Ｃを有することが分かる。図５において、ＬarmとＲarmは、アームにおけるインダクタンス及び抵抗をそれぞれ示し、ＬfとＲfは、位相ラインにおけるインダクタンス及び抵抗をそれぞれ示す。ｉdiffは、ＤＣ電源ネットワークを通過する差動電流を示し、ｖdiffは、コンバータのＤＣ部分の端子間の差動電圧を示す。ｉgは、ＡＣ電源ネットワークを通過する電流を示し、Ｖvは、コンバータのＡＣ部分の端子間の等価ＡＣ内部電圧を示す。ｖgは、ＡＣ電源ネットワークの電圧、Ｖdcは、ＤＣ電源ネットワークの電圧を示す。また、ＤＣ電源ネットワーク１１０とコンバータ１０との間で交換される電力は、Ｐdcと書かれており、コンバータ１０とＡＣ電源ネットワーク１２０との間で交換される電力は、Ｐacと書かれていることが分かる。
【００７７】
図６は、コンバータユニット１１及び制御モジュール１２を備える本発明のモジュラマルチレベルコンバータ１０を示す。制御モジュール１２は、制御ループ内にあり、コンバータの上側アーム又は下側アームのサブモジュールＳＭxijのキャパシタ内に蓄積された内部エネルギーを調整するように構成されている。図６の非限定的な例では、制御モジュール１２はまた、コンバータの上アーム又は下アームのキャパシタに蓄えられた内部エネルギーを上限ＷΣLmaxより小さく、かつ下限ＷΣLminより大きく制限するのに適している。制御モジュールは、上限ＷΣLmaxと下限ＷΣLminとの間に内部エネルギーを保持するように機能し、それによって、コンバータ１０を損傷する危険性なしに、コンバータ１０の適切な動作を確実にする。
【００７８】
図６の例から分かるように、制御モジュール１２はまた、コンバータの内部エネルギーの下限ＷΣLmin及び上限ＷΣLmaxを決定する決定モジュール１４を含む。この決定モジュール１４は、入力として、ＡＣ電源ネットワーク１２０上で測定される電圧値ｖg、ＤＣ電源ネットワーク１１０上で測定される電圧値Ｖdc、有効ＡＣ電力設定点Ｐ*ac、無効ＡＣ電力設定点Ｑ*ac、及びＤＣ電力設定点Ｐ*dcを受信する。下限ＷΣLminと上限ＷΣLmaxは一定ではなく、電源ネットワークの状態によって異なることがわかる。
【００７９】
好ましくは、非限定的であるが、電圧値ｖg及びＶdcはリアルタイムで測定され、ＷΣLmaxやＷΣLminのような値は、リアルタイムでサーボ制御され、常に電源ネットワークの状態に適合される。決定モジュール１４の動作については、後に詳述する。
【００８０】
図６では、制御モジュール１２が補正モジュール１６を含むことも分かる。この非限定的な例では、補正モジュール１６は、入力として、コンバータ１０のアームのキャパシタに蓄積されたエネルギーの内部エネルギー設定点ＷΣ*を、決定モジュール１４によって供給される内部エネルギーの下限ＷΣLmin及び上限ＷΣLmaxと共に使用する。補正モジュール１６は、補正された内部エネルギー設定点ＷΣ*´を出力として送出する。
【００８１】
補正モジュール１６への内部エネルギー設定点ＷΣ*入力が下限ＷΣLmin、又は上限ＷΣLmaxを超えない限り、内部エネルギー設定点ＷΣ*は変更されない。次いで、補正モジュール１６は、入力として受け取る内部エネルギー設定点ＷΣ*と同一の内部エネルギー設定点ＷΣ*´を出力として送出する。対照的に、内部エネルギー設定点ＷΣ*が下限ＷΣLminより低いか、又は上限ＷΣLmaxより高い場合、補正モジュール１６は、下限より高いか、又は上限より低い補正された内部エネルギー設定点ＷΣ*´を出力として送出するように、内部エネルギー設定点ＷΣ*を補正する。
【００８２】
図６の制御モジュール１２はまた、コンバータ１０の内部エネルギーを調整するためのレギュレータ１８を含む。コンバータの内部エネルギーを調整するためのこのレギュレータ１８は、補正モジュールによって供給される補正された内部エネルギー設定点ＷΣ*´から決定されるように、コンバータ１０のキャパシタのための電力設定点Ｐ*wを供給する。従って、キャパシタに蓄えられるコンバータの内部エネルギーは、好ましくは同様に好ましくはリアルタイムで補正された内部エネルギー設定点ＷΣ*´によって、好ましくはリアルタイムで調整される。
【００８３】
また、この例では、制御モジュール１０は、コンバータとＡＣネットワークとの間の接続点における電力を調整するためのレギュレータ２０を含むことが分かる。コンバータとＡＣネットワークとの間の接続点における電力を調整するこのレギュレータ２０は、有効ＡＣ電力設定点Ｐ*ac及び無効ＡＣ電力設定点Ｑ*acを入力として受信し、ＡＣ電流設定点ｉ*gd及びｉ*gqを送出する。
【００８４】
非限定的な方法では、制御モジュール１０は、ＡＣ電源ネットワーク１２０のＡＣ電流ｉgを調整するレギュレータ２２を含み、レギュレータ２２は、入力として、コンバータとＡＣネットワークとの間の接続点における電力を調整するために、レギュレータ２０によって供給されるＡＣ電流設定点ｉ*gd及びｉ*gqを受信する。ＡＣ電流ｉgを調整するこのレギュレータ２２は、ＭＭＣ１０に対して等価ＡＣ内部電圧設定点ｖ*vを出力として供給する。
【００８５】
さらに、図６の例では、決定モジュール１４への入力として使用される有効ＡＣ電力設定点Ｐ*acも、コンバータ１０の内部エネルギーを調整するために、レギュレータ１８からの電力設定点Ｐ*wと比較され、加算される。この比較の結果、ＤＣ電力設定点Ｐ*dcが、コンバータとＤＣネットワークとの間の接続点における電力を調整するためのレギュレータ２４への入力として供給される。コンバータとＤＣネットワークとの間の接続点における電力を調整するこのレギュレータ２４は、ＤＣ電源ネットワークの差動電流ｉdiffを表す差動電流設定点ｉ*diffを送出する。
【００８６】
さらに非限定的に、制御モジュール１０は、差動電流ｉdiffを調整し、コンバータ１０とＤＣ電源ネットワーク１１０との間の接続点における電力を調整するためにレギュレータ２４によって供給される差動電流ｉdiffに関連する差動電流設定点ｉ*diffを入力として受信するためのレギュレータ２６を含む。差動電流ｉdiffを調整するためのレギュレータ２６は、出力としてＭＭＣ１０に差動電圧設定点ｖ*diffを供給する。
【００８７】
図７は、コンバータ１０の内部エネルギーの下限ＷΣLmin及び上限ＷΣLmaxを決定するための決定モジュール１４の動作を示す。非限定的な方法では、決定モジュール１４は、ＡＣ電源ネットワーク上で測定された電圧の値ｖg、ＤＣ電源ネットワーク上で測定された電圧の値Ｖdc、有効ＡＣ電力設定点Ｐ*ac、無効ＡＣ電力設定点Ｑ*ac、及びＤＣ電力設定点Ｐ*dcによって構成される入力変数から、ならびにコンバータ１０にとって既知であり、特定の状態パラメータのセットから、中間変数を計算するための計算ユニット２８を含む。
【００８８】
この例では、状態パラメータは、アームのインダクタンスＬarm、位相線のインダクタンスＬf及び抵抗Ｒf、アームのキャパシタのキャパシタンスＣ、好ましくは同一のキャパシタンスのキャパシタ、サブモジュールに許容可能な最大電圧ＶsmMax、アームのサブモジュールの数Ｎ、及び各サブモジュールのスイッチ素子Ｔ１及びＴ２を構成する絶縁ゲートバイポーラトランジスタの抵抗ＲIGBTを含む。
【００８９】
非限定的に、中間変数は、定常条件下でコンバータの単相モデルにおいてＤＣ電源ネットワークを通って流れる電流を表す等価差動電流変数Ｉdiffと、定常条件下でコンバータのＤＣ部分の端子における定常条件下でのモデルにおける電圧を表す等価差動電圧変数Ｖdiffと、定常条件下でのコンバータの単相モデルにおける等価ＡＣ内部電圧変数Ｖvと、同様に定常条件下でのコンバータの単相モデルにおけるＡＣ電源ネットワークに流れる電流を表す等価中間電流変数Ｉgとを含む。
【００９０】
中間変数はまた、角周波数ω、ＡＣ電源ネットワークの電圧ベクトルとＡＣ電源ネットワークに流れる電流のベクトルとの間の位相差に対する位相変数θを含む。中間変数は、ＡＣ電源ネットワークの電圧ベクトルと等価ＡＣ内部電圧ベクトルＶvとの間の位相差を表す中間角度変数δも含む。
【００９１】
これらの中間変数に基づいて、決定モジュール１４は、構成がコンバータ１０にとっては最も好ましくない、アーム内の内部エネルギーが内部エネルギーの下限ＷΣLminに達する瞬間ｔmを決定するのに適している。この瞬間ｔmに、アームに挿入される電圧ｖmは、そのアーム内のサブモジュールの電圧の合計ｖcΣに等しい。また、決定モジュール１４は、構成がコンバータにとって最も好ましくなく、アーム内の内部エネルギーが内部エネルギーの上限ＷΣLmaxに達する瞬間ｔrを決定するのに適している。
【００９２】
決定モジュール１４は、コンバータの上側アームのサブモジュールのキャパシタに蓄積された内部エネルギーの振動成分ＷΣru（ｔ）を決定するのにも適している。本発明の範囲を逸脱することなく、決定モジュール１４は、コンバータの下側アームのサブモジュールのキャパシタに蓄積された内部エネルギーの振動成分ＷΣrl（ｔ）を決定するのにも適している。内部エネルギーの振動成分ＷΣru（ｔ）、瞬間ｔrとｔm、及び決定された中間変数から出発して、決定モジュール１４は、内部エネルギーの下限ＷΣLmin及び上限ＷΣLmaxを決定するのに適している。
【００９３】
図８〜図１３Ｂは、コンバータのアームのキャパシタに蓄積された内部エネルギーを制御する２つのシミュレーションを示す。これらの図では、より明確にするために、サブモジュールのキャパシタの両端の電圧は別として、電力、エネルギー、及び電圧の大きさは、単位当たりのシステム［p．u．］を使用して与えられ、時間は秒で表される。
【００９４】
特に、図８〜図１０Ｂは、内部エネルギーレベルが下限ＷΣLmin近傍にあるときの２つの系の挙動を明らかにする第１のシミュレーションを示す。図１１〜図１３Ｂは、内部エネルギーレベルが上限ＷΣLmax付近にある場合の２つの系の挙動を明らかにする第２のシミュレーションを示す。
【００９５】
第１のシミュレーションでは、図８〜図１０Ｂに示すように、２つのシステムの挙動を比較する。図９Ａ及び９Ｂの曲線によって示される挙動の第１のシステムは、内部エネルギー制御モジュールを含む、本発明のモジュラマルチレベルコンバータからなる。図１０Ａ及び図１０Ｂの曲線によって示される挙動の第２のシステムは、内部エネルギー制御モジュールのない先行技術のモジュラマルチレベルコンバータからなる。従って、第２のシステムの内部エネルギーは調整されない。
【００９６】
図８は、ＤＣ電源ネットワークの電圧Ｖdcにおける時間の関数としての変化を示し、これはシミュレーションの必要性に対して課される。電圧Ｖdcは、最初に、瞬間ｔ0から瞬間ｔ1への増加を受け、次いで、電圧Ｖdcは、瞬間ｔ2から瞬間ｔ3へ減少する。
【００９７】
図９Ａは、図８の電圧変化に応答した第１のシステムについて、本発明のコンバータ１０のアームのキャパシタに蓄積された内部エネルギーの平均の変化を示し、この図において、曲線ａは、時間の関数としての内部エネルギーの下限ＷΣLminの変化を表す。上記から分かるように、この限界は、制御モジュール１２によって、より詳細には決定モジュール１４によって決定される。この下限ＷΣLminは、ＤＣ電源ネットワークの電圧Ｖdcの変動に追従することが分かる。Ｖdcは、下限ＷΣLminに著しい影響を与えるパラメータであり、このパラメータを変化させることによって、コンバータ１０のアームのキャパシタに蓄積された内部エネルギーの変化を追跡することが容易である。従って、下限ＷΣLminは、瞬間ｔ0から瞬間ｔ1に増加し、次いで瞬間ｔ2から瞬間ｔ3に減少する。
【００９８】
図９Ａの例では、曲線ｂによって表されるコンバータの内部エネルギーの平均は、初期基準値に維持される。この内部エネルギーレベルが下限ＷΣLminに近づくと、制御モジュールは、このレベルを下限より上に保つように内部エネルギーを調節する。
【００９９】
図９Ｂは、図８に示したＤＣ電源回路ネットワークの電圧Ｖdcの変化に対する、この第１のシステムにおける変調指数ｍの変化を示したものであり、アームに挿入される電圧はＤＣ電源回路ネットワークの電圧Ｖdcに比例することが知られている。従って、電圧Ｖdcの増加は、挿入される電圧ｖmの増加を意味し、それによって変調指数ｍの増加をもたらす。図９Ｂの例では、コンバータの内部エネルギーが制御モジュールによって調整されている状態で、変調指数ｍは、以下の不等式に当てはまるように、１未満に維持される。
【数２３】
2019520023.tif 000025
【０１００】
従って、コンバータの適切な動作が保証される。
【０１０１】
図１０Ａにおいて、図８の電圧変化に応答して、先行技術のコンバータのアームのキャパシタに蓄積された内部エネルギーの平均の、第２のシステムに対する変化が見られる。
【０１０２】
曲線ａは、第１のシステムの制御モジュールによって決定された、内部エネルギーの下限ＷΣLminの変化を示す。曲線ｂ´によってプロットされるように、コンバータの内部エネルギーの平均は、この内部エネルギーのレベルが一定のままであり、瞬間ｔvに下限ＷΣLminを下回るように調整されないことが分かる。
【０１０３】
図１０Ｂは、第２のシステムの変調指数ｍの変化を示す。先行技術のコンバータは制御モジュールを有さず、コンバータの内部エネルギーは調整されないので、変調指数ｍは調整されず、１を超え、瞬間ｔvから次の不等式がもはや当てはまらない。
【数２４】
2019520023.tif 000026
【０１０４】
コンバータの適切な動作はもはや保証されず、コンバータが損傷する危険性がある。
【０１０５】
従って、ネットワークの状態に適合された下限ＷΣLminを決定することに加えて、図９Ａ及び９Ｂの非限定的なシミュレーション例で使用されるような本発明のコンバータ１０の制御モジュール１２は、内部エネルギーを下限ＷΣLminを超えて維持するように働くことが理解され得る。これは、変調指数を１未満に保ち、コンバータが適切に動作することを保証する。
【０１０６】
内部エネルギーレベルが上限ＷΣLmaxに近い場合の、コンバータの挙動の第２のシミュレーションの結果を、図１１〜図１３Ｂを参照して説明する。この第２のシミュレーションでは、２つのシステムの挙動を同様に比較する。再び、図１２Ａ及び１２Ｂにおける曲線によって示される挙動の第１のシステムは、内部エネルギー制御モジュールを含む本発明のモジュラマルチレベルコンバータからなる。図１３Ａ及び１３Ｂの曲線によって示される挙動の第２のシステムは、内部エネルギー制御モジュールのない先行技術のモジュラマルチレベルコンバータからなる。従って、第２のシステムの内部エネルギーは調整されない。
【０１０７】
図１１の曲線ｃは、一定に保たれる無効ＡＣ電力Ｑacを示し、曲線ｄは、時間の関数としての有効ＡＣ電力Ｐacを示す。これらの電力は、コンバータとＡＣ電源ネットワークとの間で伝達される電力である。シミュレーションの目的のために、有効ＡＣ電力Ｐacは、最初に瞬間ｔ4から瞬間ｔ5への増加を受け、次いで、電力Ｐacは、瞬間ｔ6から瞬間ｔ7へ減少する。
【０１０８】
図１２Ａは、図１１の電力変化に応答した第１のシステムについて、本発明のコンバータのアームのキャパシタに蓄積された内部エネルギーの平均値の変化を示し、この図において、曲線ｅは、内部エネルギーの上限ＷΣLmaxの変化を表す。上述したように、この限界は、制御モジュールによってリアルタイムで決定される。この上限ＷΣLmaxは、有効ＡＣ電力Ｐacと反対に変化することが分かる。Ｐacは、上限ＷΣLmaxに著しい影響を与えるパラメータであり、このパラメータを変化させることによって、コンバータ１０のアームのキャパシタに蓄積された内部エネルギーの変化を追跡することが容易である。従って、上限ＷΣLmaxは、瞬間ｔ4から瞬間ｔ5に減少し、次いで瞬間ｔ6から瞬間ｔ7に増加する。
【０１０９】
図１２Ａの例では、曲線ｆによって表される、第１のシステムのコンバータの内部エネルギーの平均は、初期基準値に維持される。内部エネルギーのレベルが上限ＷΣLmaxに近づくと、制御モジュールは、内部エネルギーのレベルを上限未満に維持するように内部エネルギーを調整する。
【０１１０】
図１２Ｂの曲線ｇは、図１１の電力変化に応答した、時間の関数としての第１のシステムのサブモジュールのキャパシタ電圧ｖcの変化を示す。有効電力Ｐacの増加、従ってコンバータとＡＣ電源ネットワークとの間の電力交換の増加は、瞬間ｔ4にキャパシタ電圧ｖcの振動の振幅の増加をもたらす。
【０１１１】
サブモジュールの損傷を回避し、コンバータの適切な動作を保証するために、キャパシタ電圧ｖcは、サブモジュールのスイッチ素子の電圧限界に対応する最大電圧ｖcMax未満でなければならないことを思い起こすべきである。図１２Ｂの例では、第１のシステムのコンバータの内部エネルギーが制御モジュールによって調整されるので、キャパシタ電圧Ｖcは、曲線ｇによって表されるような電圧ｖcが、曲線ｈによって表されるようなスイッチ素子の電圧限界ｖcMaxよりも常に低いままであるように、調整され、ピーク制限される。
【０１１２】
従って、コンバータの適切な動作が保証され、サブモジュールが損傷する危険はない。
【０１１３】
図１３Ａは、図１１の電力変化に応答して、制御モジュールを含まない第２のシステムのコンバータのアームのキャパシタに蓄えられた内部エネルギーの変化を示す。曲線ｅは、第１のシステムの制御モジュールによって決定された、内部エネルギーの上限ＷΣLmaxの変化を示す。
【０１１４】
この図１３Ａにおいて、曲線ｆによって表されるコンバータの内部エネルギーのレベルは、内部エネルギーのこのレベルが一定のままであり、瞬間ｔuに上限ＷΣLmaxを超えて通過するように調整されないことが分かる。
【０１１５】
図１３Ｂの曲線ｇ´は、図１１の電力変化に応答した、時間の関数としての第２のシステムのサブモジュールのキャパシタの電圧ｖcの変化を示す。この例では、第２のシステムのコンバータは内部エネルギー制御モジュールを有していないので、第２のシステムのコンバータの内部エネルギーは調整されない。また、キャパシタ電圧ｖcは、瞬間ｔuから曲線ｈによって表されるように、電圧ｖcがスイッチ素子の電圧限界ｖcMaxよりも大きくなるように調整されない。
【０１１６】
サブモジュールは損傷を受ける危険があり、従ってコンバータの適切な動作はもはや保証されない。
【０１１７】
従って、ネットワークの状態に適合される内部エネルギーの上限ＷΣLmaxを決定することに加えて、図１２Ａ及び１２Ｂの非限定的なシミュレーション例で使用されるような、本発明のコンバータ１０の制御モジュール１２は、内部エネルギーを上限ＷΣLmax未満に維持する働きをすることが理解され得る。これにより、電圧ｖcはスイッチ素子の電圧限界ｖcMax以下に保たれる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【国際調査報告】
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