(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換するおよびＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換するためのモジュール式マルチレベル電圧コンバータ（２）であって、当該コンバータは、ＤＣ電源ネットワーク（１２０）への接続のためのＤＣ部分（２Ｃ）とＡＣ電源ネットワーク（１１０）への接続のためのＡＣ部分（２Ａ）を備え、当該コンバータは、複数のレグを備え、各レグは、上部アームと下部アームを備え、各アームは、複数のサブモジュールを備え、前記複数のサブモジュールは、各サブモジュール固有の制御部材によって個別に制御可能であり、且つ前記各サブモジュールは、前記サブモジュールの前記制御部材がオン状態であるときに、前記アームに直列に接続可能なキャパシタを備え、各アームは、前記アームに直列に接続されたキャパシタの数に依存するデューティー比に関連するモデル化電圧源としてモデル化することに適し、各モデル化電圧源は、前記アームの合計キャパシタンスに対応するモデル化キャパシタと並列に関連し、当該コンバータは、前記コンバータの前記サブモジュールの前記制御部材を制御することによって各レグの各モデル化キャパシタの端子間の電圧を調整し且つ前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークの間の共通結合点間の電圧を調整するように構成されるコンバータ制御モジュールをさらに備え、
当該コンバータの前記制御モジュールは、調節可能な入力パラメータを有する関数を適用することによって前記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コンバータの内部エネルギーに対する設定点を演算するためのコンピュータ（１０）を備え、前記制御モジュールは、このエネルギー設定点から、前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークの間の前記共通結合点間の前記電圧および各モデル化キャパシタの前記端子間の前記電圧を調整するために使用される各モデル化キャパシタの前記端子間の前記電圧に対する設定点を推定するように構成されるモジュール式マルチレベル電圧コンバータ。
【請求項２】
前記調節可能な入力パラメータは、調節可能な仮想慣性係数ｋＶＩである請求項１に記載のコンバータ。
【請求項３】
前記コンピュータ（１０）は、次の関数
【数１】
0006791964.tif 000058
を使用して当該コンバータに対する前記内部エネルギー設定点
【数２】
0006791964.tif 000059
を演算するように構成され、
ここでは、Ｃｔｏｔは、一本のアームの前記モデル化キャパシタの前記合計キャパシタンスであり、ｖｄｃは、前記ＤＣ電源ネットワークの測定電圧であり、ｖｄｃ０は、当該コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークとの間の前記共通結合点間の前記電圧の公称値であり、且つ
【数３】
0006791964.tif 000060
は、前記コンバータの前記キャパシタに蓄積された前記内部エネルギーの値に対する公称設定点である請求項２に記載のコンバータ。
【請求項４】
前記制御モジュールは、前記コンバータの前記内部エネルギーを調整するためのレギュレータ（２０）を含み、前記レギュレータは、各モデル化キャパシタの前記端子間の前記電圧に対する前記設定点の二乗と前記モデル化キャパシタの前記端子間の前記電圧の二乗の平均との間の比較の結果を入力として有し、且つ当該コンバータの前記キャパシタに対する電力設定点を送出する請求項１から３のいずれか一項に記載のコンバータ。
【請求項５】
前記制御モジュールは、中間の電流変数ｉｄｉｆｆとｉｇｄおよび中間の電圧変数ｖｄｉｆｆとｖｇｄを制御するために変数の変化を実行するように構成され、ｉｄｉｆｆとｖｄｉｆｆは、前記ＤＣ電源ネットワークと関連し且つｉｇｄとｖｇｄは、前記ＡＣ電源ネットワークと関連する請求項１から４のいずれか一項に記載のコンバータ。
【請求項６】
前記制御モジュールは、前記電流ｉｇｄを調整するためのレギュレータ（４０）を含み、前記レギュレータ（４０）は、前記電流ｉｇｄに対応する設定点
【数４】
0006791964.tif 000061
を入力として有する請求項５に記載のコンバータ。
【請求項７】
前記制御モジュールは、前記電流ｉｄｉｆｆを調整するためのレギュレータ（５０）を含み、前記レギュレータ（５０）は、前記電流ｉｄｉｆｆに対応する設定点
【数５】
0006791964.tif 000062
を入力として有する請求項５または６に記載のコンバータ。
【請求項８】
前記制御モジュールは、前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークとの間の前記共通結合点間の前記電圧を調整するためのレギュレータ（３０）を含み、前記レギュレータ（３０）は、前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークとの間の前記共通結合点間の前記電圧に対する設定点の二乗と、前記ＤＣ電源ネットワークから取得される前記共通結合点間の前記電圧の二乗との間の比較の結果を入力として有し、当該コンバータの動作電力に対する設定点を送出する請求項１から７のいずれか一項に記載のコンバータ。
【請求項９】
前記制御モジュールは、前記仮想慣性係数ｋＶＩの値の関数として当該コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークとの間の前記共通結合点間の前記電圧を調整するための前記レギュレータ（３０）のゲインを調節するための部材（１００）を含む請求項２を直接的又は間接的に引用する請求項８に記載のコンバータ。
【請求項１０】
前記制御モジュールは、当該コンバータの前記内部エネルギーを制限するためのリミッターを含み、前記リミッターは、当該コンバータの前記内部エネルギー、前記コンバータの最大内部エネルギーに対する設定点および当該コンバータの最小内部エネルギーに対する設定点を入力として有し、制限電力設定点を送出する請求項１から９のいずれか一項に記載のコンバータ。
【請求項１１】
モジュール式マルチレベル電圧コンバータを制御するための方法であって、前記コンバータは、ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換するおよびＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換するように働き且つＤＣ電源ネットワークへの接続のためのＤＣ部分とＡＣ電源ネットワークへの接続のためのＡＣ部分を含み、前記コンバータは、複数のレグを有し、各レグは、上部アームと下部アームを備え、各アームは、複数のサブモジュールを有し、前記複数のサブモジュールは、前記サブモジュールの制御部材によって個別に制御可能であり且つ前記サブモジュールの前記制御部材がオン状態であるときに、前記アームに直列に接続されるキャパシタを有し、各アームは、前記アームに直列に接続されるキャパシタの数に依存するデューティー比に関連するモデル化電圧源によってモデル化されるのに適し、各モデル化電圧源は、前記アームの合計キャパシタンスに対応するモデル化キャパシタと並列に関連され、当該方法は、前記コンバータの前記サブモジュールの前記制御部材を制御することによって各レグの各モデル化キャパシタの端子間の電圧が調整され且つ前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークとの間の共通結合点間の電圧が調整される前記コンバータのスロー制御をさらに備え、
当該方法は、調節可能な入力パラメータを有する関数を使用することによって前記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コンバータの内部エネルギーに対する設定点を計算することおよび前記コンバータの前記内部エネルギーに対する前記設定点から各モデル化キャパシタの前記端子間の前記電圧に対する設定点を計算することを備え、各モデル化キャパシタの前記端子間の前記電圧に対する前記設定点は、前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークとの間の前記共通結合点間の前記電圧と各モデル化キャパシタの前記端子間の前記電圧を調整するために使用される方法。
【請求項１２】
前記調節可能な入力パラメータは、調節可能な仮想慣性係数ｋＶＩである、コンバータを制御するための請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記コンバータの前記内部エネルギーに対する前記設定点
【数６】
0006791964.tif 000063
は、次の関数：
【数７】
0006791964.tif 000064
から計算され、
ここでは、Ｃｔｏｔは、一本のアームの前記モデル化キャパシタの前記合計キャパシタンスであり、ｖｄｃは、前記ＤＣ電源ネットワークの測定電圧であり、ｖｄｃ０は、前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークとの間の前記共通結合点間の前記電圧の公称値であり、且つ
【数８】
0006791964.tif 000065
は、前記コンバータの前記キャパシタに蓄積された前記内部エネルギーの値に対する公称設定点である請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記方法は、前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークとの間の前記共通結合点間の前記電圧に対する設定点の二乗と、前記ＤＣ電源ネットワークから取得される前記共通結合点間の前記電圧の二乗との比較の結果を入力として使用することによって前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークとの間の前記共通結合点間の前記電圧を調整することおよび前記コンバータの動作電力に対する設定点を送出することを含む、コンバータを制御するための請求項１１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記方法は、前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークとの間の前記共通結合点間の前記電圧を、前記仮想慣性係数の値の関数として、調整するためのゲインを調節することを含む、コンバータを制御するための請求項１２、１３、及び、請求項１２を直接的又は間接的に引用する請求項１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
請求項１から１０のいずれか一項に記載のモジュール式マルチレベルコンバータを制御するための制御モジュールであって、当該モジュールは、調節可能な入力パラメータを有する関数を適用することによって前記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コンバータの前記内部エネルギーに対する設定点を演算するための前記コンピュータ（１０）を備え、当該モジュールは、このエネルギー設定点から前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークとの間の前記共通結合点間の前記電圧と各モデル化キャパシタの前記端子間の前記電圧を調整するために使用される各モデル化キャパシタの前記端子間の前記電圧に対する設定点を推定するように構成される制御モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電流（ＡＣ）を直流電流（ＤＣ）に変換するおよび直流電流（ＤＣ）を交流電流（ＡＣ）に変換するためのモジュール式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、電気エネルギーを伝送するためにＤＣを使用する高電圧ＤＣ（ＨＶＤＣ）搬送ネットワークに関し、そこでは、ネットワークのステーションが、モジュール式マルチレベルコンバータを組み込む。
【背景技術】
【０００３】
図１は、先行技術のモジュール式マルチレベルコンバータ２の一組のサブモジュール６を示す図である。三相入力／出力電流（三相φａ、φｂ、及びφｃを有する）に対して、前記コンバータ２は、図１の前記様々なコンポーネントに対する添え字ａ、ｂ、およびｃによって参照される三本の変換レグを有する。各変換レグは、上部アーム及び下部アーム（上部アームに対して添え字「ｕ」、下部アームに対して添え字「Ｉ」によって指し示される）を備え、各アームは、前記ＤＣ電源ネットワークのＤＣ＋またはＤＣ−端子を前記ＡＣ電源ネットワークの端子に接続する。特に、前記レグの各々は、前記ＡＣ電源ネットワークの前記三相ラインφａ、φｂ、またはφｃのうちの一本のラインに接続される。図１は、一組のサブモジュール６を示し、各アームは、望ましい順序で制御されることができる複数のサブモジュールＳＭｘｉｊを備える（ここでは、ｘは、前記アームが上部アームかまたは下部アームかを指し示し、ｉは、レグの数を指し示しかつｊは、前記レグにおける直列の複数の前記サブモジュール中の前記サブモジュールの数を指し示す）。この例では、一本のアーム当たり三個のサブモジュールのみが示されている。実際には、各下部アームまたは上部アームは、数十から数百個の多数Ｎのサブモジュールを有していてもよい。各サブモジュールＳＭｘｉｊは、少なくとも一個のキャパシタのようなエネルギー格納システム、および前記サブモジュールの端子間に選択的に直列に前記キャパシタを接続するためまたは前記キャパシタをバイパスするための制御部材を含む。前記サブモジュールは、複数の電圧レベルを提供するように前記コンバータ２の一本のアームに直列に接続されるエネルギー貯蔵要素の数を漸進的に変化するために選択された順序で制御される。
加えて、図１では、ｖｄｃは、前記コンバータが前記ＤＣ電源ネットワークに接続される前記ポイントでの前記電圧を指定しており、当業者には周知であるように、これらのポイントは、共通結合点（ＰＣＣ）と呼ばれる。ｉｄｃは、前記ＤＣ電源ネットワークにおける前記電流を指定するが、電流ｉｇａ、ｉｇｂ、およびｉｇｃは、これらの三相のラインφａ、φｂ、およびφｃに流れる。加えて、各アームは、インダクタンスＬａｒｍを有し、かつ各相のラインは、インダクタンスＬｆおよび抵抗Ｒｆを含む。
【０００４】
図２は、前記図１のコンバータの一部を形成する従来の技術のサブモジュールＳＭｘｉｊを示す。このサブモジュールにおいて、各制御部材は、電気エネルギー貯蔵要素、具体的には、キャパシタＣＳＭと直列に接続される絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）のような第一の電子スイッチ要素Ｔ１を備える。この第一のスイッチ要素Ｔ１とこのキャパシタＣＳＭは、同様に絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である第二の電子スイッチ要素Ｔ２に並列に接続される。この第二のスイッチ要素Ｔ２は、前記サブモジュールＳＭｘｉｊの入力端子と出力端子の間に接続される。前記第１のスイッチ要素Ｔ１と前記第二のスイッチ要素Ｔ２の各々は、図２に示されるように、逆並列ダイオードを有する。
【０００５】
動作中、前記サブモジュールは、二つの制御状態を占有するように制御されることができる。
【０００６】
「オン状態」と呼ばれる第一の状態において、前記エネルギー貯蔵要素ＣＳＭを他のサブモジュールに直列に接続するように、前記第一のスイッチ要素Ｔ１は開いており且つ前記第二のスイッチ要素Ｔ２は閉じられる。「オフ状態」と呼ばれる前記第二の状態において、前記エネルギー貯蔵要素を短絡するように前記第一のスイッチ要素Ｔ１は閉じられ且つ前記第二のスイッチ要素Ｔ２は開いている。
【０００７】
各アームの端子間電圧ｖｍを有する当該アームは、制御されたサブモジュールの数に依存するデューティー比の、前記各アームの端子間電圧ｖｍを有するモデル化電圧源によって、かつ前記電圧源に接続されたモデル化キャパシタＣｔоｔによってモデル化されることができることが知られている。このモデルは、図３に示されており、図３では、一本のアームと前記結果として生じるモデルが見られることができる。前記モデルキャパシタＣｔоｔの前記キャパシタンスの前記逆数は、下記のように前記制御されたサブモジュールの前記キャパシタンスの前記逆数の合計に等しい。
【数１】
0006791964.tif 000002
ここで、Ｃ１、Ｃ２・・・、ＣＮは、ｊ番目のキャパシタの前記キャパシタンスである。
【０００８】
このように、前記モデル化キャパシタＣｔоｔの前記端子間の前記電圧ｖｃΣは、前記アームの前記サブモジュールの前記キャパシタの前記端子間の前記電圧Ｖｃｊの合計に等しい（ここでは、ｊは、１からＮに進み、前記キャパシタの数、したがって、前記サブモジュールの数を指し示す）。本出願において、かつ言葉の乱用によって、Ｃｔоｔは、前記キャパシタと前記キャパシタのキャパシタンスの両方を指し示す。前記サブモジュールが前記直列に接続されるエネルギー貯蔵要素の数を漸進的に変化させるように制御される前記順序を制御することによって、前記モデル化キャパシタＣｔоｔの前記エネルギー、したがって各モデル化電圧源の前記端子間の前記電圧は、減少または増加されることができる。
【０００９】
従来の技術において、このように、図４に示されるように、前記ＭＭＣのサブモジュールの前記組６に対する等価の構成がある。この図では、前記コンバータは、図１を参照して記載されたものと類似するコンバータであり、かつ各アームは、各アームのモデルで置き換えられている。加えて、各相のラインは、電流ｉｇｉおよび電圧ｖｇｉと関連されている（ｉは、前記レグの数を与える）。
【００１０】
この例では、前記モデル化電圧源の各々は、前記モデル化電圧源の各々の端子間電圧ｖｍｘｉを有し、かつ各モデル化キャパシタＣｔоｔは、前記各モデル化キャパシタＣｔоｔの端子間の電圧ｖｃΣｘｉを有する（ここでは、ｘは、前記アームが上部であるかまたは下部であるかを指し示し、かつｉは、前記レグの数を与える）。前記ＭＭＣを（前記コンバータがＡＣエネルギーをＤＣエネルギーに変換するまたはＤＣエネルギーをＡＣエネルギーに変換するように構成するかによって入力または出力に対して）仮想ＡＣ部分と仮想ＤＣ部分を有するものとして考察することが可能であり、ここでは、前記サブモジュールの前記キャパシタに蓄えられる前記合計エネルギーのばらつきは、前記コンバータに入る前記電力と前記コンバータを出る前記電力の差に等しいことも考察されることができる。
【００１１】
前記ＤＣ電源ネットワークと並列に接続されるステーションキャパシタを有する前記電圧源コンバータ（ＶＳＣ）タイプのコンバータが知られている。そのような並列キャパシタの前記欠点は、前記コンバータを前記ＤＣ電源ネットワークの前記電圧から結合解除させることができないことである。加えて、前記電圧源コンバータ（ＶＳＣ）タイプのコンバータは、許容可能変換信号を得るために多数のフィルタの前記使用を必要としている。
【００１２】
加えて、前記ＤＣ電源ネットワークの前記慣性は、大きなキャパシタンスが前記ＤＣ電源ネットワークの前記慣性を増加するように前記ＤＣ電源ネットワークのキャパシタンスに依存する。このように、前記ネットワークの大きなキャパシタンス、したがって、前記ネットワークの大きな慣性は、前記ＤＣ電源ネットワークが擾乱に良好に耐えることを可能とする。反対に、前記ネットワークの小さなキャパシタンス、したがって、前記ネットワークの小さな慣性は、前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワーク間の接続点間の前記電圧が、より容易にかつより正確に調整されることを可能とする。
【００１３】
しかしながら、ＶＳＣタイプコンバータと異なり、ＭＭＣタイプコンバータは、並列に接続されるステーションキャパシタを有さず、前記ＤＣ電源ネットワークの前記安定性に影響を及ぼし得る。このように、モジュール式マルチレベルコンバータは、前記サブモジュールの前記キャパシタ間の前記合計電圧と前記ＤＣ電源ネットワークの前記電圧との間で結合解除を行う利点を呈する。それにもかかわらず、単に電力を変化することは、前記ＤＣ電源ネットワークの前記電圧の大きなばらつきに繋がり得る。
【００１４】
制御がエネルギーに基づかないＭＭＣタイプコンバータが知られている。そのようなコンバータにおいて、起こり得る電圧差が前記アームの前記キャパシタ間の前記電圧と前記ＤＣ電源ネットワークの前記電圧との間に現れる場合に、前記ＤＣ電源ネットワークの前記入力電力は、前記電圧差を補正するために自動的に変化する。制御は、前記アームの前記キャパシタとのエネルギーの前記交換が前記ＤＣ電源ネットワークの電圧におけるばらつきを追跡するので、追加のレギュレータを必要とせず実行される。
【００１５】
それにもかかわらず、そのタイプのコンバータにおける変数の全てが制御下におかれているわけでなく、これは、前記コンバータの堅牢性の欠陥に繋がる。
【００１６】
制御がエネルギーに基づくコンバータも知られている。特に、（ＰｏｗｅｒＴｅｃｈ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ２０１５でのＳａｍｉｍｉ氏等による）「Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ
ＤＣ  ｂｕｓ  ｖｏｌｔａｇｅ  ｗｉｔｈ  ａ  ｍｏｄｕｌａｒ  ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ」（非特許文献１）と題する文献が知られており、前記ＡＣ部分における電力の転送を制御するため、前記ＤＣ部分における電力の転送を制御するため、および前記コンバータの前記内部エネルギーを制御するためのシステムを有するモジュール式マルチレベルコンバータを記載している。そのようなコンバータは、エネルギーに基づく制御を使用する、すなわち、前記ＤＣ電源ネットワークのおよび前記ＡＣ電源ネットワークの電気変数を制御することは、これら二つのネットワークの前記電力を制御することを可能とする。前記ＤＣ電源ネットワークの前記電力と前記ＡＣ電源ネットワークの前記電力との差は、前記サブモジュールの前記キャパシタに蓄えられる前記エネルギーの減少または増加に繋がる。それにもかかわらず、そのタイプのコンバータは、前記サブモジュールの前記キャパシタの前記端子間の前記電圧と前記ＤＣ電源ネットワークの前記電圧との間で結合解除することに対して害を及ぼす。さらに、前記タイプのコンバータは、効果的にかつリアルタイムで前記ＤＣ電源ネットワークに関する電圧変動に適合することができない。
【００１７】
さらに、既知のコンバータは、特に、前記ＤＣ電源ネットワークの安定性に対する前記寄与に関して、十分に堅牢ではない。
【００１８】
特に、内部エネルギーを制御することは、追加の自由度を構成するが、既存の技術は、前記コンバータの前記内部エネルギーを効果的に調整するための解決策を有さない。
【００１９】
既存の解決策は、前記コンバータの前記内部エネルギーを制御すると共に前記ＤＣネットワークの前記安定性を制御することに関して、ＭＭＣタイプのコンバータの前記キャパシタンスを十分に使用することができない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２０】
【非特許文献１】Ｓａｍｉｍｉ  ｅｔ  ａｌ．「Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ＤＣ  ｂｕｓ  ｖｏｌｔａｇｅ  ｗｉｔｈ  ａ  ｍｏｄｕｌａｒ  ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ」ＰｏｗｅｒＴｅｃｈ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ２０１５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明の目的は、モジュール式マルチレベルコンバータ（ＭＭＣ）を提案することであり、当該モジュール式マルチレベルコンバータは、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コンバータの前記内部エネルギーと、前記ＤＣ電源ネットワークの前記電圧との間のより良好な相互作用を提供することによって前記ＭＭＣの前記ポテンシャルの十分な使用を可能とするコンバータ制御モジュールを有する。本発明のもう１つの利点は、コンバータがＤＣ電源ネットワークの慣性に対してより効果的に動作することができることにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
こうするために、本発明は、ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換するおよびＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換するためのモジュール式マルチレベル電圧コンバータに関し、前記コンバータは、ＤＣ電源ネットワークへの接続のためのＤＣ部分とＡＣ電源ネットワークへの接続のためのＡＣ部分を備え、前記コンバータは、複数のレグを備え、各レグは、上部アームと下部アームを備え、各アームは、複数のサブモジュールを備え、当該複数のサブモジュールは、各サブモジュール固有の制御部材によって個別的に制御可能であり、かつ各サブモジュールは、前記サブモジュールの前記制御部材がオン状態のときに前記アームに直列に接続可能であるキャパシタを備え、各アームは、前記アームに直列に接続されたキャパシタの数に依存するデューティー比に関連するモデル化電圧源としてモデル化するのに適し、各モデル化電圧源は、前記アームの合計キャパシタンスに対応するモデル化キャパシタと並列に関連される。
【００２３】
前記コンバータは、前記コンバータの前記サブモジュールの前記制御部材を制御することによって、各レグの各モデル化キャパシタの前記端子間の前記電圧を調整し且つ前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークとの間の前記共通結合点間の前記電圧を調整するように構成されるコンバータ制御モジュールをさらに備える。
【００２４】
本発明の一般的な特徴によれば、前記コンバータの前記制御モジュールは、調節可能な入力パラメータを適用することによって前記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コンバータの前記内部エネルギーに対する設定点を演算するためのコンピュータを備え、前記制御モジュールは、このエネルギー設定点から前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークとの間の前記共通結合点間の前記電圧と各モデル化キャパシタの前記端子間の前記電圧を調整するために使用される各モデル化キャパシタの前記端子間の前記電圧に対する設定点を推定するように構成される。
【００２５】
前記コンピュータの前記入力パラメータは、前記ユーザによって何時でも容易に調整されることができる。前記コンバータの前記内部エネルギーに対する前記設定点が、前記入力パラメータに依存するので、前記ユーザは前記内部エネルギーが前記ＤＣ電源ネットワークの前記安定性に寄与する前記度合いに直接的に作用することが可能である。
【００２６】
このように、前記ユーザは、前記ＤＣ電源ネットワークに対する擾乱の関数として前記入力パラメータを調節でき、必要に応じて、前記ネットワークの前記慣性を増加または減少できる。
【００２７】
非制限方法で、そのようなコンピュータを備える制御モジュールを有する前記モジュール式マルチレベルコンバータの前記電源ネットワークへの寄与は、前記ＤＣ電源ネットワークと並列に接続された仮想キャパシタの寄与と同等である。前記コンピュータの前記調節可能な入力パラメータを調節することによって、前記仮想キャパシタの前記キャパシタンスを仮想的に変化することが可能である。前記利点は、前記サブモジュールの前記キャパシタの前記合計電圧と前記ＤＣ電源ネットワークの前記電圧との間の結合解除を維持しながら、前記ＤＣ電源ネットワークに作用できることである。
【００２８】
前記ＤＣ電源ネットワークと並列に実際に接続されるキャパシタとは異なり、前記ネットワークを安定化させる前記仮想キャパシタは、無料であり且つ劣化され得ない。特に、前記調節可能仮想キャパシタは、実際のキャパシタでは物理的に不可能な非常に高いキャパシタンス値を獲得できる。
【００２９】
「Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ＤＣ  ｂｕｓ  ｖｏｌｔａｇｅ  ｗｉｔｈ  ａ  ｍｏｄｕｌａｒ  ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ」と題する前記文献の前記ＭＭＣとは異なり、前記仮想キャパシタの前記キャパシタンスは、前記調節可能なパラメータによって調節されることができる。具体的には、前記従来の技術の文献において、前記コンバータは、六個のキャパシタが前記ＤＣ電源ネットワークと並列に接続されたが、これらのキャパシタの前記キャパシタンスの値が調整されることができないものとして挙動する。このように、本発明の前記コンバータは、前記サブモジュールの前記キャパシタの前記端子間の前記電圧と前記ＤＣ電源ネットワークの前記電圧との間のより良好な結合解除を提供する。さらに、前記ＤＣ電源ネットワークに関する電圧の変動に適合することがリアルタイムで可能とされる。
【００３０】
前記サブモジュールは、前記サブモジュールをオン状態にすることが望ましいかまたはオフ状態にすることが望ましいかによって、前記サブモジュールの前記キャパシタが前記関連するアームに直列に接続されることを可能にするまたは接続されないことを可能にする二つの絶縁グリッドバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）によって制御されることが好ましい。
【００３１】
各アームは、キャパシタンスＣｔоｔのモデル化キャパシタと並列に接続されるモデル化電圧源によってモデル化されることができる。一本のアームの前記サブモジュールの前記キャパシタ間の前記電圧の合計は、前記モデル化電源と並列に接続される前記モデル化キャパシタの前記端子間の前記電圧がｖｃΣであるように、ｖｃΣと書かれる。
【００３２】
前記モデル化電圧源と関連するデューティー比αは、次の式を使用して計算されることが好ましく、
【数２】
0006791964.tif 000003
ここでは、ｎは、前記関連するアームにおける前記オン状態で接続されるサブモジュールの数であり、Ｎは、前記アームのサブモジュールの数である。
【００３３】
前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークとの間の前記共通結合点間の前記電圧と各モデル化キャパシタの前記端子間の前記電圧を共に調整することによって、したがって、前記コンバータの前記内部エネルギーを調整することによって、前記ＤＣ電源ネットワークの前記安定性に作用することができる。
【００３４】
これによって、前記ＤＣ電源ネットワークに突然現われ、且つ前記ネットワークの前記電圧における大きなばらつきに繋がり得る潜在的な電力擾乱を含むことが可能とされる。
【００３５】
非制限方法で、前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークの間の前記共通結合点間の前記電圧のおよび各モデル化キャパシタの前記端子間の前記電圧の合同調整は、特に前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークとの間の前記共通結合点間の前記電圧に対する設定点での設定点値によってこれらの大きさの閉ループサーボ制御によって実行されることができる。前記制御モジュールは、制御するために使用され且つ非常に短い切り替え時間を提供する他の制御モジュールに対比して「スロー」と言われることができる。
【００３６】
加えて、各モデル化キャパシタの前記端子間の前記電圧に対する前記設定点
【数３】
0006791964.tif 000004
は、二乗されると、次の式
【数４】
0006791964.tif 000005
を使用して前記ユーザによって送出されるように前記内部エネルギーに対する前記設定点
【数５】
0006791964.tif 000006
に比例する。
【００３７】
前記コンバータの前記内部エネルギーに対する前記設定点、したがって、各キャパシタの前記端子間の前記電圧に対する前記設定点は、二乗されると、前記ＤＣ電源ネットワークの前記電圧をおよび各モデル化キャパシタの前記端子間の前記電圧をサーボ制御することを可能とする。
【００３８】
前記調節可能な入力パラメータは、調節可能な仮想慣性係数ｋＶＩであることが好都合である。このように、ｋＶＩを変更することは、前記仮想キャパシタの前記キャパシタンスの前記大きさを仮想的に変更すること、したがって、前記ＤＣ電源ネットワークの前記安定性に寄与することになる。前記利点は、前記ＭＭＣの前記内部エネルギーの前記制御における追加の自由度を提供することである。前記仮想キャパシタの前記キャパシタンスは、特に、非常に高い値を取ることができ、これは、追加のハードウェアの制約を必要としない。
【００３９】
前記コンピュータは、次の関数
【数６】
0006791964.tif 000007
を使用して前記コンバータに対する前記内部エネルギー設定点
【数７】
0006791964.tif 000008
を演算するように構成されることが好ましく、
ここで、Ｃｔоｔは、前記モデル化キャパシタの合計キャパシタンスであり、ｖｄｃは、前記ＤＣ電源ネットワークの測定電圧であり、ｖｄｃ０は、前記ＤＣ電源ネットワークの前記電圧の前記公称値であり、且つ
【数８】
0006791964.tif 000009
は、前記コンバータの前記キャパシタに蓄えられた前記内部エネルギーの値に対する公称設定点である。
【００４０】
前記仮想キャパシタの前記キャパシタンスＣＶＩは、以下のように表される。
【数９】
0006791964.tif 000010
【００４１】
加えて、前記
【数１０】
0006791964.tif 000011
項は、電圧擾乱から結果として生じる前記ＤＣ電源ネットワークに関する電圧差を表す。
このように、前記調節可能な仮想慣性係数ｋＶＩに作用することによって、前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークの間の前記共通結合点間の前記電圧のばらつきに作用することが可能であることが観察されることができる。
【００４２】
前記制御モジュールは、前記コンバータの前記内部エネルギーを調整するためのレギュレータを含み、前記レギュレータは、入力として、各モデル化キャパシタの前記端子間の前記電圧に対する前記設定点の二乗と前記モデル化キャパシタの前記端子間の前記電圧の二乗の平均との間の前記比較の結果を有し、前記コンバータの前記キャパシタに対する電力の設定点を送出することが好ましい。
【００４３】
このように、前記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前記端子間の前記電圧に対する設定点値の二乗に基づいて、前記電圧をサーボ制御することが可能である。各モデル化キャパシタの前記端子間の前記電圧の二乗は、前記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コンバータの前記内部エネルギーに比例するので、このように、各モデル化キャパシタの前記端子間の前記電圧は、前記コンピュータによって供給される、前記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コンバータの前記内部エネルギーに対する前記設定点に基づいてサーボ制御される。
【００４４】
前記制御モジュールは、中間電流変数ｉｄｉｆｆ、ｉｇｄおよび中間電圧変数ｖｄｉｆｆ、ｖｇｄを制御するために変数の変化を実行するように構成されることが好適であり、ここで、ｉｄｉｆｆとｖｄｉｆｆは、前記ＤＣ電源ネットワークに関連され、かつｉｇｄとｖｇｄは、前記ＡＣ電源ネットワークに関連される。
【００４５】
前記中間電流変数ｉｄｉｆｆおよびｉｇｄは、独立して制御されることができる。
【００４６】
非制限方法で、ＤＣエネルギーをＡＣエネルギーに変換するためのコンバータに対して、これらの変数によって、前記コンバータの前記内部エネルギーのばらつきが以下のように表されることが可能とされる。
【数１１】
0006791964.tif 000012
【００４７】
この式は、特に、前記ＭＭＣを前記ＤＣネットワークに接続され且つ前記ＤＣ部分の前記電力に対応する前記
【数１２】
0006791964.tif 000013
項と関連する入力仮想ＤＣ部分と前記ＡＣネットワークに接続され且つ前記ＡＣ部分の前記電力に対応する前記ｉｇｄｖｇｄ項と関連する出力ＡＣ仮想部分に細分割することを表す。
【００４８】
前記制御モジュールは、前記電流ｉｇｄに対応する設定点
【数１３】
0006791964.tif 000014
を入力として有する、前記電流ｉｇｄを調整するためのレギュレータを含むことが好ましい。前記レギュレータは、前記電流ｉｇｄを前記電流ｉｇｄの設定点
【数１４】
0006791964.tif 000015
に向かわせることによって前記電流ｉｇｄをサーボ制御する。前記変数ｉｇｄの前記調整は、前記コンバータの前記構成に依存する入力または出力ＡＣ電力の転送を調整することになる。
【００４９】
前記制御モジュールは、前記電流ｉｄｉｆｆに対応する設定点
【数１５】
0006791964.tif 000016
を入力として有する、前記電流ｉｄｉｆｆを調整するためのレギュレータを有する。前記レギュレータは、前記電流ｉｄｉｆｆを前記電流ｉｄｉｆｆの設定点
【数１６】
0006791964.tif 000017
に向けさせることによって前記電流ｉｄｉｆｆをサーボ制御する。前記変数ｉｄｉｆｆを調整することは、前記コンバータの前記構成に依存して入力または出力ＤＣ電力の転送を制御することになる。
【００５０】
非制限方法で、前記変数ｉｇｄとｉｄｉｆｆは、独立して制御されてもよい。このように、ｉｇｄとｉｄｉｆｆを調整することは、電力の入力転送および出力転送を調整する、したがって、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コンバータの前記内部エネルギーを制御することを可能とする。
【００５１】
本発明の特に有利な態様によれば、前記制御モジュールは、前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークの間の前記共通結合点間の前記電圧を調整するためのレギュレータを含み、前記レギュレータは、前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークの間の前記共通結合点間の前記電圧に対する設定点の二乗と、前記ＤＣ電源ネットワークから取得される前記共通結合点間の前記電圧の二乗との間の比較の結果を入力として有し、前記コンバータの前記動作電力に対する設定点を送出する。
【００５２】
このように、このレギュレータによって、前記電圧ｖｄｃ値の二乗を、前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークの間の前記共通結合点間の前記電圧に対する前記設定点
【数１７】
0006791964.tif 000018
の二乗に向けさせることによって、前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークの間の前記共通結合点間の前記電圧ｖｄｃをサーボ制御することが可能である。
【００５３】
前記制御モジュールは、前記仮想慣性係数ｋＶＩの前記値の関数として、前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークの前記共通結合点間の電圧を調整するための前記レギュレータの前記ゲインを調節するための部材を含むことが好ましい。具体的には、前記仮想エネルギー係数ｋＶＩが、前記ＤＣ電源ネットワークの前記安定性への前記コンバータの前記内部エネルギーの寄与の度合いを変更するように調節される時に、前記ＭＭＣの前記全体の慣性が変更される。これは、前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークの間の前記共通結合点間の前記電圧を調整する前記レギュレータの前記動作を妨害するとの前記結果を有する。
【００５４】
特に、前記仮想慣性係数の前記調節は、前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークの間の前記共通結合点間の前記電圧を調整するための前記レギュレータと関連する前記時間定数τを変更することの結果を有する。このように、前記電圧レギュレータの前記ゲインを調節するための前記部材は、前記電圧レギュレータを較正するように、前記時間定数におけるおよび前記仮想慣性係数ｋＶＩを変更することの結果として起こる前記電圧レギュレータの前記ゲインにおける前記変化を補正することを可能とする。
【００５５】
加えて、前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークの間の前記共通結合点間の前記電圧を調整するための前記レギュレータの前記ゲインを調節する前記部材は、ｋＶＩに対して行われる変更の関数として前記ゲインをリアルタイムで調節するように前記仮想慣性係数ｋＶＩを入力として受け取る。
【００５６】
前記制御モジュールは、前記コンバータの前記内部エネルギーを制限するためのリミッターを含み、前記リミッターは、前記コンバータの前記内部エネルギー、前記コンバータの前記最大内部エネルギーに対する設定点、および前記コンバータの前記最小内部エネルギーに対する設定点を入力として有し、制限電力設定点を送出することが好都合である。
【００５７】
前記利点は、前記オペレータによって定義されるように、前記コンバータの前記内部エネルギー設定点に対する前記最大値
【数１８】
0006791964.tif 000019
と前記内部エネルギー設定点に対する前記最小値
【数１９】
0006791964.tif 000020
の間の前記コンバータの前記内部エネルギーを含むことができることである。これらの最大設定点と最小設定点との間に前記コンバータの前記内部エネルギーを保つことによって、特に、前記トランジスタのような前記電子スイッチ要素に対する保護が提供される。この保護が無い場合、前記スイッチ要素は、前記サブモジュールの前記キャパシタの前記端子間の過剰な電圧によって脅かされる可能性が有り、他方、前記サブモジュールの前記キャパシタの前記端子間の小さ過ぎる電圧が前記ＭＭＣの前記動作に対して害を与える可能性が有る。
【００５８】
特に、前記リミッターによって送出される前記制限電力設定点は、前記ＡＣ電源ネットワークに対する前記電力設定点を得るために、前記コンバータに対する前記動作電力設定点に追加され、それによって、前記コンバータの内部エネルギーの前記レベルを調整する。それにもかかわらず、前記制限電力は、エネルギー制御に対する擾乱として現れる。それは、たとえば、積分補正器を使用して、前記内部エネルギー設定点
【数２０】
0006791964.tif 000021
を演算するための前記コンピュータに供給される、前記コンバータの前記キャパシタに蓄えられた前記エネルギーの前記値に対する前記公称設定点を補正することが必要であるためである。
【００５９】
本発明は、モジュール式マルチレベル電圧コンバータを制御する方法も提供し、前記コンバータは、ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換するおよびＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換するように働き、ＤＣ電源ネットワークへの接続のためのＤＣ部分およびＡＣ電源ネットワークへの接続のためのＡＣ部分を含み、前記コンバータは、複数のレグを有し、各レグは、上部アームおよび下部アームを備え、各アームは、複数のサブモジュールを有し、前記複数のサブモジュールは、前記サブモジュールの制御部材によって個々に制御可能であり且つ前記サブモジュールの前記制御部材がオン状態にある時に前記アームに直列に接続されるキャパシタを備え、各アームは、前記アームに直列に接続されたキャパシタの数に依存するデューティー比と関連するモデル化電圧源によってモデル化されるのに適し、各モデル化電圧源は、前記アームの合計キャパシタンスに対応するモデル化キャパシタと並列に関連し、前記方法は、前記コンバータの前記サブモジュールの前記制御部材を制御することによって各レグの各モデル化キャパシタの前記端子間の前記電圧が調整され且つ前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークとの間の前記共通結合点間の前記電圧が調整される前記コンバータのスロー制御をさらに備える。
【００６０】
特徴的方法では、前記方法は、調節可能な入力パラメータを有する関数を使用して前記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コンバータの前記内部エネルギーに対する設定点を計算すること、および前記コンバータの前記内部エネルギーに対する前記設定点から各モデル化キャパシタの前記端子間の前記電圧に対する設定点を計算することを備え、各モデル化コンバータの前記端子間の前記電圧に対する前記設定点は、前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークとの間の前記共通結合点間の前記電圧と各モデル化キャパシタの前記端子間の前記電圧を調整するために使用される。
【００６１】
一変形例では、前記調節可能な入力パラメータは、調節可能な仮想慣性係数ｋＶＩである。
【００６２】
一変形例では、前記コンバータの前記内部エネルギーに対する前記設定点
【数２１】
0006791964.tif 000022
は、以下の関数から計算される。
【数２２】
0006791964.tif 000023
ここで、Ｃｔоｔは、一本のアームにおける前記モデル化キャパシタの前記合計キャパシタンスであり、ｖｄｃは、前記ＤＣ電源ネットワークの前記測定電圧であり、ｖｄｃ０は、前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークとの間の前記共通結合点間の前記電圧の前記公称値であり、かつ
【数２３】
0006791964.tif 000024
は、前記コンバータの前記キャパシタに蓄えられた前記内部エネルギーの値に対する公称設定点である。
【００６３】
一変形例では、当該制御方法は、前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークとの間の前記共通結合点間の前記電圧に対する設定点の二乗と、前記ＤＣ電源ネットワークから取得される前記共通結合点間の前記電圧の二乗との比較の結果を入力として使用して前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークとの間の前記共通結合点間の前記電圧を調整することと、前記コンバータの前記動作電力に対する設定点を送出することを含む。
【００６４】
一変形例では、当該制御方法は、前記仮想慣性係数の前記値の関数として、前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークとの間の前記共通結合点間の前記電圧を調整するための前記ゲインを調節することを含む。
【００６５】
本方法は、前記コンバータの様々な前述の実施形態を使用することを可能とする。
【００６６】
本発明は、上で定義されたようにモジュール式マルチレベルコンバータのための制御モジュールも提供し、前記制御モジュールは、調節可能な入力パラメータを有する関数を適用することによって、前記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コンバータに対する内部エネルギー設定点を演算するためのコンピュータを含む。加えて、前記制御モジュールは、前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークとの間の前記共通結合点間の前記電圧と各モデル化キャパシタの前記端子間の前記電圧を調整するために使用される各モデル化キャパシタの前記端子間の前記電圧に対する設定点をこのエネルギー設定点から推定するように構成される。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
本発明は、本発明に対する非制限例として与えられる本発明の一実施形態の以下の記載を添付の図面を参照して読むことでより良好に理解されることができる。
【図１】上述されており、従来の技術の三相モジュール式マルチレベルコンバータを示す。
【図２】上述されており、従来の技術のモジュール式マルチレベルコンバータのサブモジュールを示す。
【図３】上述されており、従来の技術のＭＭＣのアームに対する等価回路を示す。
【図４】上述されており、従来の技術のモジュール式マルチレベルコンバータと同等の構成を示す。
【図５】本発明のモジュール式マルチレベルコンバータと同等の概略図である。
【図６】本発明の制御モジュールを備えるモジュール式マルチレベルコンバータを示す。
【図７】前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークとの間の前記共通結合点間の前記電圧を調整するための前記レギュレータを調節するための例の実施を示す。
【図８】前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークとの間の前記共通結合点間の前記電圧を調整するための前記レギュレータを調節するための単純化ループを示す。
【図９Ａ】本発明の前記コンバータの前記動作をシミュレートするためのＡＣネットワークに与えられる電力ステップを示す。
【図９Ｂ】ｋＶＩの異なる値に対する時間の関数として前記ＡＣネットワークへの電力ステップへのＤＣネットワークの電圧応答を示す。
【図９Ｃ】ｋＶＩの異なる値に対する時間の関数として前記ＡＣネットワークへの電力ステップに応答してのコンバータの前記合計エネルギーにおけるばらつきを示す。
【図９Ｄ】ｋＶＩの異なる値に対する時間の関数としてＡＣネットワークへの電力ステップに対するＤＣネットワークの前記電力応答を示す。
【図１０Ａ】仮想キャパシタンスを有する本発明のＭＭＣにある第一のシミュレーションシステムのためのおよび前記ＤＣネットワークと並列に実キャパシタを有する従来の技術のコンバータにある第二のシミュレーションシステムのためのＤＣネットワークの前記電圧応答を示す。
【図１０Ｂ】前記二つのシミュレーションシステムのための前記コンバータの前記合計エネルギーにおける前記ばらつきを示す。
【図１０Ｃ】前記二つのシミュレーションシステムのための前記ＡＣネットワークへの前記電力応答を示す。
【図１０Ｄ】前記二つのシミュレーションシステムのための前記ＤＣネットワークへの前記電力応答を示す。
【図１１】前記制御モジュールが前記コンバータの前記内部エネルギーを制限するためのリミッターを備える本発明のＭＭＣを示す。
【発明を実施するための形態】
【００６８】
本発明は、制御モジュールを有するモジュール式マルチレベルコンバータに関し、同等の挙動の回路が図５に示されている。非制限方法で、この図は、ＤＣエネルギーをＡＣエネルギーに変換するためのＭＭＣ２を示している。この例では、前記コンバータ２は、前記図の前記左手側に前記ＡＣ電源ネットワーク１１０に接続されたＡＣ部分２Ａを有することが気付かれるべきである。前記図の前記右手側には、前記コンバータ２が前記ＤＣ電源ネットワーク１２０に接続されたＤＣ部分２Ｃを有することが見られる。調節可能なキャパシタンスＣＶＩの仮想キャパシタＣＶＩ（言葉の乱用によっておよび単純化のために、同じ表記が前記キャパシタと前記キャパシタのキャパシタンスの両方を指し示すために使用される）が前記ＤＣ電源ネットワーク２Ｃと並列に関連付けられることが見られる。
前記用語「仮想」は、このキャパシタが前記コンバータにおいて物理的に存在しないことを意味するために使用される。対照的に、本発明の前記制御モジュールは、前記仮想キャパシタを有するコンバータによって得られる可能性がある動作と類似である前記コンバータの動作を得ることを可能とし、前記仮想キャパシタＣＶＩは、前記コンバータ２のおよび本発明の前記コンバータ２の制御モジュール４の挙動を表す。具体的には、仮想慣性係数ｋＶＩを調整することによって、前記ＤＣ電源ネットワーク１２０の前記安定性が向上され且つ前記コンバータの前記挙動は、調節可能なキャパシタンスＣＶＩの仮想キャパシタＣＶＩが前記ＤＣ電源ネットワーク１２０と並列に接続されるコンバータの前記挙動と類似する。
【００６９】
図５の線図は、前記コンバータ２と前記ＤＣ電源ネットワーク１２０とＡＣ電源ネットワーク１１０との間の電力の転送も示している。このように、Ｐｌは、前記ＤＣ電源ネットワークの他のステーションから入ってくる前記電力であり、前記ＤＣネットワークへの突然の電力擾乱をシンボル化しており、Ｐｄｃは、前記ＤＣ電源ネットワーク１２０から抽出された前記電力であり、Ｐａｃは、前記ＡＣ電源ネットワーク１１０へ伝送された前記電力であり、Ｐｃは、前記ＤＣ電源ネットワーク１２０の前記キャパシタンスＣｄｃによって吸収された前記電力であり、Ｐｍは、前記コンバータ２の前記動作電力であり、且つＰｗは、調節可能なキャパシタンスＣＶＩの前記仮想キャパシタＣＶＩによって吸収された前記電力であると考えられることができる。加えて、Ｖｄｃは、前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークとの間の前記共通結合点間の前記電圧である。
【００７０】
本発明の前記ＭＭＣ２において、かつ前記従来の技術のＭＭＣとは異なり、Ｐｗと書かれる、前記ＤＣ電源ネットワーク１２０からの余剰の電力は、前記仮想コンバータＣＶＩによって吸収され、前記コンバータが前記内部エネルギーＷΣを蓄えることを可能とする。
【００７１】
図６の前記例は、本発明の制御モジュール４を有するモジュール式マルチレベルコンバータ２を示す。前記ＭＭＣは、前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワーク１２０の間の前記共通結合点間の前記電圧ｖｄｃおよび各モデル化キャパシタの前記端子間の前記電圧ｖｃΣを調整するために閉ループサーボ制御を使用するように構成される。
【００７２】
前記制御モジュール４は、調節可能な仮想慣性係数ｋＶＩ、前記コンバータの前記キャパシタに蓄えられた前記エネルギーの前記値に対する公称設定値
【数２４】
0006791964.tif 000025
、前記ＤＣ電源ネットワークの測定電圧ｖｄｃ、および前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークの間の前記共通結合間の前記電圧に対する公称値ｖｄｃ０に基づいて前記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る前記コンバータ２に対する内部エネルギー設定点
【数２５】
0006791964.tif 000026
を計算するコンピュータ１０を含む。
【００７３】
図５の線図から、
【数２６】
0006791964.tif 000027
であることが見られ、ここで、Ｗｄｃは、前記ＤＣ電源ネットワークの前記エネルギーである。
【００７４】
図５をさらに参照すると、ＰｍがＰａｃに等しいと仮定すると、
【数２７】
0006791964.tif 000028
であることも見られ、ここで、Ｃｔｏｔは、一本のアームの前記モデル化キャパシタの前記キャパシタンスである。
【００７５】
上記二つの式を組み合わせることによって、以下の式が得られる。
【数２８】
0006791964.tif 000029
【００７６】
この式は、前記ＭＭＣの前記内部エネルギーＷΣを制御することによって、前記ＤＣ電源ネットワークの前記キャパシタンスＣｄｃと前記アームの前記サブモジュールの前記キャパシタとの間に前記電力Ｐｌ−Ｐｍを分配することができることを特に示す。
【００７７】
前記コンピュータは、関数：
【数２９】
0006791964.tif 000030
を使用して前記適切な内部エネルギー設定点
【数３０】
0006791964.tif 000031
を計算することを可能とする。
【００７８】
前記コンバータの前記内部エネルギー設定点
【数３１】
0006791964.tif 000032
は、各モデル化キャパシタの前記端子間の前記電圧に対する設定点
【数３２】
0006791964.tif 000033
を供給することを可能とする。各モデル化キャパシタの前記端子間の前記電圧に対するこの設定点
【数３３】
0006791964.tif 000034
の二乗は、それ自体前記モデル化キャパシタの前記端子間の前記電圧の二乗の平均と比較される。
【００７９】
本発明を少しも超えることがなく、前記平均は、いかなる方法で計算されてもよい。図６に示される非制限例では、前記平均は、各アームの前記モデル化キャパシタの前記電圧の二乗の合計が（前記コンバータは、６本のアームを有するので）６で割られたものとして計算される。前記比較は、前記コンバータ２の前記キャパシタに対する電力設定点
【数３４】
0006791964.tif 000035
を送出する、前記コンバータの内部エネルギーレギュレータ２０に供給される。
【００８０】
加えて、前記エネルギーの調整が十分に速いと仮定すると、
【数３５】
0006791964.tif 000036
または実際には、
【数３６】
0006791964.tif 000037
が得られる。
【００８１】
このように、以下の式において前記仮想慣性係数ｋＶＩを表すことが可能である。
【数３７】
0006791964.tif 000038
【００８２】
この式は、前記仮想エネルギー係数ｋＶＩを調整することによって、前記仮想キャパシタンスＣＶＩの前記値を変更することが可能である。
【００８３】
図６において、前記制御モジュール４は、前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワーク１２０の間の前記共通結合点間の前記電圧を調整するためのレギュレータ３０を含み、前記レギュレータ３０は、前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークの間の前記共通結合点間の電圧
【数３８】
0006791964.tif 000039
に対する前記設定点の二乗と前記ＤＣ電源ネットワークから取得される前記共通結合点間の前記電圧ｖｄｃの二乗の比較の結果を入力として有する。前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワーク１２０の間の前記共通結合点間の前記電圧を調整するための前記レギュレータ３０は、前記コンバータ２に対する動作電力設定点
【数３９】
0006791964.tif 000040
を送出する。
【００８４】
加えて、前記制御モジュール４は、設定点
【数４０】
0006791964.tif 000041
を入力として有するＡＣ電流ｉｇｄを調整するためのレギュレータ４０と、設定点
【数４１】
0006791964.tif 000042
を入力として有する前記電流ｉｄｉｆｆを調整するためのレギュレータ５０を有する。
【００８５】
図３から、夫々のモデル化電圧源によって一本のアームの前記サブモジュールをモデル化することが可能であり、各モデル化電圧源は、前記モデル化電源が前記モデル化電源の端子間の電圧ｖｍｘｉ（ここで、ｘは、前記アームが上部アームであるか下部アームであるかを指し示し且つｉは、前記レグを指し示す）を有するように、モデル化キャパシタと並列な関係にあることが知られる。前記電流レギュレータ４０および５０は、変数の変化に続いて、前記モデル化電源の前記端子間の前記電圧ｖｍｘｉを送出するために、モジュレータ部材６０および平衡制御アルゴリズム（ＢＣＡ）を使用する二つの平衡部材７０ａと７０ｂによって使用される電圧設定点
【数４２】
0006791964.tif 000043
と、
【数４３】
0006791964.tif 000044
を送出する。これによって、前記アームの前記サブモジュールをオンまたはオフへの切り替えが可能とされる。これによって、前記モデル化キャパシタの前記端子間の前記電圧ｖｃΣｘｉおよび前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークとの間の前記共通結合点間の前記電圧ｖｄｃも制御される。
【００８６】
このように、前記コンピュータに入力された前記仮想慣性係数ｋＶＩを変化することによって、前記ＤＣ電源ネットワークの前記電圧ｖｄｃと前記ＤＣ電源ネットワークの前記慣性に直接影響を及ぼすことが可能である。
【００８７】
この非制限例では、前記制御モジュール４は、前記仮想慣性係数の前記値ｋＶＩの関数として前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワーク１２０の間の前記共通結合点間の前記電圧を調整するための前記レギュレータの前記ゲインを調節するための部材１００をも有する。簡単化のために、この部材は、この部材が前記制御モジュール４に含まれるとしても、前記制御モジュール４の外側にあるとして示される。
【００８８】
図７は、ｖｄｃとＷΣに対する前記サーボ制御ループに比例積分（ＰＩ）補正器を使用することによって前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワークの間の前記共通結合点間の前記電圧ｖｄｃを調整するための前記レギュレータを調節する例を示す。この非制限例では、前記ＰＩ補正器は、従来の極配置法によって調節される。
【００８９】
この回路は、電流ｉｄｉｆｆとｉｇｄを夫々の設定点
【数４４】
0006791964.tif 000045
と、
【数４５】
0006791964.tif 000046
に向けて調整するためのループ４２と５２を特に有する。
【００９０】
簡単化することによって、ＰＩ補正器を使用する、前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワーク１２０の間の前記共通結合点間の前記電圧の前記レギュレータの調節によって、前記コンバータと前記ＤＣ電源ネットワーク１２０の間の前記共通結合点間の前記電圧を調整するための前記ループの同等の表示を得ることができる。そのような表示は、図８に与えられる。
【００９１】
図９Ａから図９Ｄは、本発明の制御モジュール４を有するモジュール式マルチレベルコンバータ２の挙動のシミュレーション、特に電力を制御することによるシミュレーションの結果を示す。このシミュレーションにおいて、前記コンバータの前記ＤＣ部分が理想的なＤＣ電源に接続されて、ＤＣ電源ネットワーク１２０をシミュレートし、他方、前記コンバータの前記ＡＣ部分がＡＣ電源に接続されて、ＡＣ電源ネットワーク１１０をシミュレートする、テストシステムが生成される。次に、電力ステップは、前記シミュレートされたＡＣネットワークに与えられ、前記仮想慣性係数ｋＶＩが変化され、且つ前記システムの他の大きさの結果が観察される。
【００９２】
図９Ａに見られるように、前記曲線Ｉは、前記ＡＣ電力を前記ＡＣ電力の初期のゼロ値に戻すことに先立って、０．１秒の間前記シミュレートされたＡＣ電力ネットワークに与えられた単位当り（ｐｕ）の０．０３の電力ステップを表す。この挙動は、前記ＭＭＣ２からのアクティブ電力の前記ＡＣ電源ネットワーク１１０への転送をシミュレートする。
【００９３】
ｋＶＩの異なる値に対する前記シミュレートされたＤＣネットワークの前記電圧応答が図９Ｂに示されている。これらの曲線の各々は、前記曲線ａ、ｂ、ｃ、ｄ、およびｅが０、０．５、１、２、および３に等しい夫々の値を有するｋＶＩに対応するように、ｋＶＩの値に対応する。ｋＶＩのより大きな値に対して、前記シミュレートされたＤＣネットワークにおけるばらつきはより小さいことが気付かれることができる。これは、ｋＶＩを増加することによって、前記コンバータの前記慣性が増加され、それによって、前記ＤＣネットワークが前記擾乱をより良好に含み且つ前記ＤＣネットワークの前記電圧を安定化することを可能とするので、本発明の前記原理に合致する。
【００９４】
図９Ｃは、ｋＶＩの幾つかの値に対する前記コンバータの前記合計エネルギーにおけるばらつきを示す。前記曲線ｇ、ｈ、ｉ、ｊ、およびｋは、０、０．５、１、２、および３に等しい夫々の値を有するｋＶＩに対応する。前記仮想慣性係数ｋＶＩを増加することによって、前記仮想キャパシタンスの前記値が増加され、それによって、前記コンバータの前記寄与が増加し且つより多くのエネルギーが前記仮想キャパシタから抽出されることを意味する。このように、前記コンバータの前記エネルギーの前記寄与におけるこの増加は、前記仮想慣性係数を増加する時に、前記コンバータの前記合計エネルギーの低下に繋がる。
【００９５】
この結果は、図９Ｄに示されることができ、図９Ｄは、電力が前記仮想慣性係数ｋＶＩに対する値の関数として前記シミュレートされたＤＣネットワークに関して如何に変化するかを示す。この例では、前記曲線ｍ、ｎ、о、ｐ、およびｑは、０、０．５、１、２、および３に等しい夫々の値を有するｋＶＩに対応する。前記仮想慣性係数ｋＶＩが増加すると、前記シミュレートされたＡＣネットワークにおける電力の前記ばらつきの前記シミュレートされたＤＣネットワークの前記電力へのインパクトが減少される。特に、より少ないエネルギーが前記ＤＣ電源ネットワークの前記キャパシタから抽出される。これは、より多くのエネルギーが前記仮想キャパシタから抽出される事実に起因する。前記仮想キャパシタンスは、前記ＤＣ電源ネットワークの前記慣性を安定化し且つ向上するように働く。
【００９６】
図１０Ａから図１０Ｄは、前記コンバータと前記ＤＣネットワークとの間の前記共通結合点間の前記電圧を制御することによるシミュレーションを示し、ここでは、二つのシステムの前記挙動が比較される。前記第一のシステムは、上記シミュレーションにおけるように構成される本発明のモジュール式マルチレベルコンバータで構成される。前記仮想慣性係数は、ｋＶＩ＝１であるように調節され且つ設定される。前記第二のシステムは、前記ＤＣ部分が同様に理想的なＤＣ電源に接続される、一方、前記コンバータの前記ＡＣ部分が前記ＡＣ電源に接続される従来の技術のＭＭＣよりなる。この第二のシステムにおいて、実キャパシタは、前記シミュレートされたＤＣネットワークに並列に接続される。この実キャパシタの前記キャパシタンスの前記値は、前記第一のシステムの前記仮想キャパシタＣＶＩの前記キャパシタンスに等しいように選択される。このように、前記比較は、仮想キャパシタＣＶＩの前記影響とシミュレートされたＤＣネットワークに並列な、ＭＭＣと関連される実キャパシタの前記影響との間である。
【００９７】
電力擾乱ステップは、図１０Ｄに破線の曲線ｚで示されることができるように、両システムに前記ＤＣ電源によって与えられる。
【００９８】
図１０Ａにおいて、曲線ｒとsは、前記第一のシステムと前記第二のシステムに対する前記シミュレートされたＤＣネットワークの前記電圧の前記ばらつきを夫々表す。前記シミュレートされたＤＣネットワークの前記電圧の前記ばらつきは両システムに対して同じであることが見られる。
【００９９】
これらのシステムは、前記実キャパシタンスと前記仮想キャパシタンスの前記値が等しいように構成されるので、前記シミュレートされたＡＣネットワークの前記電力応答は、両システムに対して同じである。図１０Ｃにおいて、この応答は、前記曲線ｖによって表され、他方、前記曲線ｗは、前記シミュレートされたＤＣネットワークへの前記電力擾乱ステップを表す。
【０１００】
曲線ｔによって、図１０Ｂは、前記仮想キャパシタに蓄えられた前記エネルギーを表す、仮想キャパシタンスを有する前記第一のシステムの前記合計エネルギーの増加を示す。
対照的に、前記曲線ｕによって表される前記第二のシステムにおいて、このコンバータに対して、前記シミュレートされたＤＣネットワークへの内部エネルギーの寄与がないと考えれば、前記合計エネルギーにばらつきが観察されることができない。
【０１０１】
図１０Ｄにおいて、曲線ｙとｘは、前記第一のシステムと前記第二のシステムに対する前記シミュレートされたＤＣネットワーク電力を夫々表し、仮想キャパシタンスの前記存在は、前記曲線ｚによって表されるように、前記シミュレートされたネットワークへの電力擾乱への前記電力応答を向上すると見られることができる。このように、前記擾乱は、前記シミュレートされたＤＣネットワークへのインパクトを減少し、前記ＤＣネットワークの前記電力がより良好に制御される。
【０１０２】
本発明の前記コンバータの変形例が図１１に示されており、そこでは、前記制御モジュールは、前記コンバータの前記内部エネルギーＷΣ、前記コンバータに対する最大内部エネルギー設定点
【数４６】
0006791964.tif 000047
および前記コンバータに対する最小内部エネルギー設定点
【数４７】
0006791964.tif 000048
を入力として受け取るエネルギーリミッター８０を含む。前記エネルギーリミッター８０は、制限電力ＰＥＬと関連する制限電力設定点
【数４８】
0006791964.tif 000049
を送出する。このエネルギーリミッターは、前記コンバータに対する前記最大内部エネルギー設定点値と前記最小内部エネルギー設定点値との間に前記内部エネルギーＷΣに対する境界を置く。
【０１０３】
前記制限電力ＰＥＬは、前記エネルギー制御への擾乱として現れる。このように、前記コンバータの前記キャパシタに蓄えられた前記エネルギーに対する前記値の前記公称設定点
【数４９】
0006791964.tif 000050
は、前記キャパシタに蓄えられた前記エネルギーの前記値に対する補正された公称設定点
【数５０】
0006791964.tif 000051
で前記内部エネルギー設定点を演算するための前記コンピュータを提供するように補正される。
【０１０４】
これは、
【数５１】
0006791964.tif 000052
であるように
【数５２】
0006791964.tif 000053
を与える。
【０１０５】
さらに、前記キャパシタに蓄えられた前記エネルギーの前記値に対する前記補正された公称設定点
【数５３】
0006791964.tif 000054
は、以下のように表される。
【数５４】
0006791964.tif 000055
【０１０６】
上記式において置換をすることによって、
【数５５】
0006791964.tif 000056
すなわち、
【数５６】
0006791964.tif 000057
が得られる。
【０１０７】
このように、前記エネルギーリミッター８０は、前記最大内部エネルギー制限と前記最小内部エネルギー制限内では前記コンバータの前記挙動を変更しない。前記コンバータの前記挙動は、調節可能なキャパシタンスＣＶＩの仮想キャパシタＣＶＩが前記ＤＣ電源ネットワーク１２０に並列に接続されるコンバータの前記挙動に類似している。
【図１】
0006791964.tif 000066
【図２】
0006791964.tif 000067
【図３】
0006791964.tif 000068
【図４】
0006791964.tif 000069
【図５】
0006791964.tif 000070
【図６】
0006791964.tif 000071
【図７】
0006791964.tif 000072
【図８】
0006791964.tif 000073
【図９Ａ】
0006791964.tif 000074
【図９Ｂ】
0006791964.tif 000075
【図９Ｃ】
0006791964.tif 000076
【図９Ｄ】
0006791964.tif 000077
【図１０Ａ】
0006791964.tif 000078
【図１０Ｂ】
0006791964.tif 000079
【図１０Ｃ】
0006791964.tif 000080
【図１０Ｄ】
0006791964.tif 000081
【図１１】
0006791964.tif 000082