МОДУЛЬ УПРАВЛЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИЕЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
INTERNAL CONVERTER ENERGY CONTROL MODULE

Уровень техники
Настоящее изобретение относится к технической области многоуровневых модульных преобразователей (ММС), обеспечивающих преобразование переменного тока в постоянный и наоборот.
В частности, оно относится к передающим высоковольтным сетям постоянного тока (HVDC), которые используют постоянный ток для передачи электрической энергии и в которых станции содержат многоуровневые модульные преобразователи.
На фиг. 1 схематично показан набор 6 подмодулей многоуровневого модульного преобразователя 10 согласно известному решению. Для трехфазного входного/выходного тока (имеющего три фазы ,  и ) этот преобразователь 10 содержит три преобразующих плеча, которые обозначены индексами ,  и  на различных компонентах на фиг. 1. Каждое преобразующее плечо содержт верхнее полуплечо и нижнее полуплечо (указанные индексами “u” для верхнего и “ℓ” для нижнего), каждое из которых соединяет клемму DC+ или DC- сети электрического питания постоянного тока (DC) с клеммой сети электрического питания переменного тока (AC). В частности, каждое из плеч подсоединено к трем линиям фазы ,  и  сети электрического питания переменного тока. Следует отметить, что термины «плечо» и «полуплечо» переведены на английский язык соответственно как “leg” и “arm”. На фиг. 1 показан набор 6 подмодулей, в котором через каждое полуплечо проходит ток  (где х показывает, является ли полуплечо верхним или нижним, а индекс i указывает на плечо). Кроме того, каждое полуплечо содержит множество подмодулей , управление которыми может просходить в соответствии с требуемым циклом (х показывает, является ли полуплечо верхним или нижним, i указывает на линию фазы, с которой связано полуплечо, и j является номером подмодуля среди подмодулей, последовательно соединенных в полуплече). В данном случае в каждом полуплече показаны только три подмодуля. На практике, каждое нижнее или верхнее полуплечо может содержать число N подмодулей, которое может составлять от нескольких десятков до нескольких сотен. Каждый подмодуль  содержит систему хранения энергии, такую как по меньшей мере один конденсатор и орган управления, чтобы выборочно подсоединять последовательно этот конденсатор между клеммами подмодуля или чтобы его обходить. Подмодулями управляют в соответствии с выбранным циклом, чтобы постепенно менять число элементов хранения энергии, которые соединены последовательно в полуплече преобразователя 10, таким образом, чтобы получать несколько уровней напряжения. Кроме того, на фиг. 1  обозначает напряжение в точках соединения преобразователя с сетью электрического питания постоянного тока, причем эти точки называются англо-саксонским выражением “PCC: Point of Common Coupling”, хорошо известным специалисту в данной области.  обозначает ток в сети электрического питания постоянного тока, тогда как токи ,  и  проходят по трем линиями фазы ,  и . Кроме того, каждое полуплечо содержит катушку индуктивности , и каждая линия фазы содержит катушку индуктивности  и резистор .
На фиг. 2 показан известный подмодуль , принадлежащий к преобразователю, показанному на фиг. 1. В этом подмодуле каждый орган управления содержит первый электронный элемент переключения Т1, такой как биполярный транзистор с изолированным затвором (“IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor” на английском языке), последовательно соединенный с элементом хранения электрической энергии, в данном случае с конденсатором . Этот первый элемент переключения Т1 и этот конденсатор  установлены параллельно со вторым электронным элементом переключения Т2, который тоже является биполярным транзистором с изолированным затвором (IGBT). Этот второй электронный элемент переключения Т2 подсоединен между входной и выходной клеммами подмодуля . Первый и второй элементы переключения Т1 и Т2 связаны, оба, с антипараллельным диодом, показанным на фиг. 2.
Во время работы управление подмодулем может происходить в двух состояниях управления.
В первом состоянии, называемом состоянием “on” или «включенным», первый элемент переключения Т1 и второй элемент переключения Т2 конфигурированы таким образом, чтобы соединять элемент хранения энергии  последовательно с другими подмодулями. Во втором состоянии, называемом “off” или «выключенным», первый элемент переключения Т1 и второй элемент переключения Т2 конфигурированы таким образом, чтобы накоротко замыкать элемент хранения энергии .
m
m
tot
tot
Известно, что каждое полуплечо, имеющее на своих клеммах напряжение v, можно моделировать при помощи моделированного источника напряжения, имеющего на своих клеммах напряжение v, в котором коэффициент заполнения импульса зависит от числа включенных подмодулей, и при помощи моделированного конденсатора C, соединенного с источником напряжения. Это моделирование схематично представлено на фиг. 3, где показаны полуплечо, через которое проходит ток i, и полученная модель. Обратная величина эквивалентной емкости моделированного конденсатора C равна сумме обратных величин емкостей включенных подмодулей, то есть:
где , , …, , …,  обозначают емкость -го конденсатора.
tot
tot
m
tot
tot
Таким образом, напряжение  на клеммах моделированного конденсатора C равно сумме напряжений  на клеммах конденсаторов подмодулей в полуплече (где j составляет от 1 до N и показывает номер конденсатора и, следовательно, подмодуля). Кроме того, через каждый конденсатор C проходит ток i. В настоящей заявке не совсем верно с точки зрения языка C одновременно обозначает моделированный конденсатор и значение его емкости. Контролируя цикл управления подмодулями, чтобы постепенно менять число последовательно включенных элементов хранения энергии, можно уменьшать или увеличивать энергию моделированного конденсатора C и, следовательно, напряжение на клеммах каждого моделированного источника напряжения.
В известных решениях можно найти эквивалентную конфигурацию набора 6 подмодулей преобразователя ММС 10, показанную на фиг. 4. На этой фигуре преобразователь является аналогичным преобразователю, описанному со ссылками на фиг.1, но в котором каждое полуплечо заменено его моделью. Кроме того, каждая линия фазы сети электрического питания переменного тока соответствует току  и напряжению  (индекс i показывает номер плеча).
tot
В данном случае каждый из моделированных источников напряжения имеет на своих клеммах напряжение , и через каждый моделированный конденсатор C проходит ток , а на своих клеммах он имеет напряжение  (где х показывает, является ли полуплечо верхним или нижним, и i указывает на номер плеча). Кроме того, можно отметить, что преобразователь ММС можно разделить на воображаемую переменную часть и воображаемую постоянную часть (на входе или на выходе в зависимости от того, конфигурирован ли преобразователь для преобразования переменной энергии в постоянную или наоборот), где изменение общей энергии, хранящейся в конденсаторах подмодулей, равно разности между мощностью, поступающей в преобразователь, и выходной мощностью.
Известно, что в преобразователях ММС этого типа внутренняя энергия, хранящаяся в конденсаторах подмодулей, не связана с напряжением сети электрическоого питания постоянного тока. Следовательно, внутреннюю энергию, хранящуюся в коденсаторах преобразователей ММС можно регулировать независимым образом. Это позволяет, в частности, преобразователям ММС способствовать стабильности соответствующих сетей электрического питания постоянного и переменного тока посредством подачи энергии в указанные сети электрического питания или отбора из них энергии.
Таким образом, понятно, что обмен мощностью между сетями электрического питания постоянного и/или переменного тока и преобразователем ММС приводит к увеличению или к уменьшению внутренней энергии, хранящейся в конденсаторах преобразователя.
Внутренняя энергия преобразователя оказывает влияние на стабильность сетей электрического питания постоянного или переменного тока. Кроме того, известно, что общее напряжение конденсаторов преобразователя колеблется по причине обмена мощностью между сетями электрического питания постоянного и переменного тока. Эти колебания могут сказаться на нормальной работе преобразователя при ненадлежащем соблюдении условий его работы. Известные решения не учитывают эти колебания, что может привести к повреждению преобразователя. Следовательно, эти решения не позволяют в полной мере использовать возможности преобразователей ММС с точки зрения управления внутренней энергией преобразователя.
Раскрытие сущности изобретения
Настоящее изобретение призвано предложить многоуровневый модульный преобразователь (ММС), позволяющий решить вышеуказанные проблемы и полностью использовать потенциал преобразователя ММС.
В связи с этим, объектом изобретения является многоуровневый модульный преобразователь, позволяющий преобразовывать переменное напряжение в постоянное напряжение и наоборот и содержащий так называемую постоянную часть, предназначенную для соединения с сетью электрического питания постоянного тока, и так называемую переменную часть, предназначенную для соединения с сетью электрического питания переменного тока, при этом преобразователь содержит множество плеч, при этом каждое плечо содержит верхее полуплечо и нижнее полуплечо, при этом каждое полуплечо содержит множество подмодулей, управляемых индивидуаьно органом управления, предусмотренным для каждого подмодуля, и каждый подмодуль содержит конденсатор, последовательно соединяемый в полуплече, когда орган управления подмодуля находится во включенном состоянии.
Согласно общему отличительному признаку преобразователя, указанный преобразователь содержит модуль управления, выполненный с возможностью регулировать внутреннюю энергию, хранящуюся в конденсаторах подмодулей верхнего или нижнего полуплеча преобразователя, при этом указанный модуль управления выполнен с возможностью ограничивать указанную внутреннюю энергию значением ниже верхнего предела и/или выше нижнего предела, используя параметры, измеренные в сети электрического питания постоянного тока и в сети электрического питания переменного тока, а также заданные значения рабочей мощности преобразователя.
Предпочтительно, но не ограничительно подмодулями управляют при помощи двух биполярных транзисторов с изолированным затвором (IBGT), позволяющих подключать или не подключать последовательно конденсатор указанного подмодуля в соответствующее полуплечо в зависимости от того, необходимо ли перевести подмодуль во включенное состояние “on” или в выключенное состояние “off”.
tot
Каждое полуплечо можно моделировать при помощи моделированного источника напряжения, связанного параллельно с моделированным конденсатором с емкостью C. Сумму напряжений конденсаторов подмодулей одного полуплеча обозначают , и напряжение на клеммах моделированного конденсатора, связанного параллельно с моделированным источником напряжения, равно . Кроме того, моделированный источник напряжения имеет на своих клеммах напряжение , называемое также напряжением, подаваемым в полуплечо, и характеризуется коэффициентом заполнения импульса, зависящим от числа включенных подмодулей.
Предпочтительно коэффициент а заполнения импульса, соответствующий моделированному источнику напряжения, вычисляют при помощи выражения:
где n является числом подмодулей, подключенных в состоянии “on” в соответствующем полуплече, и N является числом подмодулей в полуплече.
Понятно, что указанный нижний предел и/или указанный верхний передел внутренней энергии определяют таким образом, чтобы поддерживать внутреннюю энергию, хранящуюся в конденсаторах подмодулей преобразователя, на уровне, необходимом для нормальной работы указанного преобразователя. Это позволяет избежать повреждения преобразователя и полностью использовать его возможности.
Не выходя за рамки изобретения, модуль управления можно выполнить с возможностью регулирования внутренней энергии только ниже верхнего предела, только выше нижнего предела или между верхним пределом и нижним пределом.
Кроме того, указанный нижний предел и/или указанный верхний предел внутренней энергии можно выбирать таким образом, чтобы учитывать колебания общего напряжения конденсаторов. Таким образом, несмотря на эти неизбежные колебания, модуль управления поддерживает эту внутреннюю энергию выше указанного нижнего предела и/или ниже указанного верхнего предела, чтобы избегать нарушения работы преобразователя.
Предпочтительно нижний предел внутренней энергии определяют по соблюдаемому условию, относящемуся к подаваемому напряжению . Действительно, чтобы обеспечивать нормальную работу преобразователя, подаваемое напряжение  в полуплече физически ограничено суммой напряжений  подмодулей в этом полуплече. Чтобы соблюдать это физическое требование, заданное значение подаваемого напряжения  должно в каждый момент t удовлетворять следующему неравенству:
где  обозначает индекс модуляции .
Модуль управления в соответствии с изобретением позволяет регулировать внутреннюю энергию таким образом, чтобы сохранять это неравенство даже в случае пика колебания общего напряжения конденсаторов.
Предпочтительно также верхний передел внутренней энергии определяют на основании предела напряжения элементов переключения подмодулей. Действительно, чтобы обеспечивать нормальную работу преобразователя, напряжение конденсатора  подмодуля должно быть в каждый момент t ниже максимального напряжения , соответствующего пределу напряжения элементов переключения указанного подмодуля, соответственно:
и, следовательно:
В частности, этот предел напряжения элементов переключения имеет запас надежности, называемый безопасным пределом напряжения.
Когда внутренняя энергия достигает верхнего предела или нижнего предела, модуль управления корректирует внутреннюю энергию, чтобы привести ее соответственно ниже верхнего предела или выше нижнего предела.
Используя параметры, измеряемые в сети электрического питания постоянного тока и в сети электрического питания переменного тока, модуль управления определяет нижний предел и/или верхний предел внутренней энергии, адаптируясь к состоянию сетей электрического питания постоянного и переменного тока. Понятно, что нижний предел и/или верхний предел не являются фиксированными и меняются вместе с состоянием сетей электрического питания.
Предпочтительно, но не ограничительно, эти параметры измеряют в реальном времени в сетях электрического питания, благодаря чему регулирование нижнего предела и/или верхнего предела автоматически происходит в реальном времени, их адаптация к состоянию сетей электрического питания постоянного и переменного тока происходит в каждый момент. Этот предпочтительный вариант выполнения позволяет, в частности, повысить точность определяемого(ых) предела/пределов и снизить риски повреждения преобразователя.
Кроме того, использование заданных значений рабочей мощности преобразователя позволяет учитывать также рабочие точки преобразователя, чтобы определять нижний предел и/или верхний предел. Это позволяет лучше контролировать внутреннюю энергию и емкости хранения указанной внутренней энергии преобразователя, благодаря чему в большей степени используется потенциал преобразователя ММС.
Предпочтительно указанные параметры, измеряемые в сети электрического питания постоянного тока и в сети электрического питания переменного тока, включают в себя значение напряжения , измеряемое в сети электрического питания переменного тока, и значение напряжения , измеряемое в сети электрического питания постоянного тока.  и  характеризуют рабочее состояние соответственно сети электрического питания переменного тока и сети электрического питания постоянного тока.
Предпочтительно заданные значения рабочей мощности преобразователя включают в себя заданное значение активной переменной мощности , заданное значение реактивной переменной мощности  и заданное значение постоянной мощности . Эти заданные значения отображают рабочие точки преобразователя с точки зрения мощности.
Предпочтительно модуль управления выполнен с возможностью вычислять промежуточные переменные в зависимости от указанных параметров, измеряемых в сети электрического питания постоянного тока и в сети электрического питания переменного тока, а также в зависимости от указанных заданных значений рабочей мощности преобразователя. Не ограничительно, математический анализ позволяет определять математические отношения, связывающие указанные промежуточные переменные с указанными параметрами и с указанными заданными значениями мощности. Предпочтительно, чтобы упростить математический анализ, считается, что модуль управления является достаточно быстрым контуром управления, чтобы в приближении определять, что заданные значения равны связанным с ними реальным значениям.
Предпочтительно промежуточные переменные включают в себя эквивалентную переменную дифференциального тока , отображающую участие фазы сбалансированной трехфазной системы в токе сети электрического питания постоянного тока в установившихся условиях и определяемую при помощи функции:
Предпочтительно промежуточные переменные включают в себя эквивалентную переменную дифференциального напряжения , отображающую напряжение на клеммах постоянной части преобразователя в установившихся условиях и определяемую при помощи функции:
где  является сопротивлением в полуплече преобразователя.
Предпочтительно промежуточные переменные включают в себя эквивалентную промежуточную переменную тока , отображающую ток, циркулирующий в сети электрического питания переменного тока в установившихся условиях и определяемую при помощи функции:
где  является напряжением сети электрического питания переменного тока в установившихся условиях.
Предпочтительно промежуточные переменные включают в себя эквивалентную переменную смещения фазы  между вектором напряжения сети электрического питания переменного тока и вектором тока, проходящего в направлении сети электрического питания переменного тока. Кроме того,  можно определить как:
Предпочтительно промежуточные переменные включают в себя промежуточную угловую переменную , отображающую смещение фазы между вектором напряжения сети электрического питания переменного тока в установившихся условиях и вектором эквивалентного внутреннего переменного напряжения, синтезируемого преобразователем в установившихся условиях, при этом  определяют при помощи функции:
где  является напряжением сети электрического питания переменного тока в установившихся условиях,  является эквивалентным сопротивлением в полуплече, и  является эквивалентным реактивным сопротивлением в полуплече.
Не ограничительно можно записать и , где  и  соответственно обозначают индуктивность и сопротивление в полуплече, а  и  соответственно обозначают индуктивность и сопротивление в линии фазы, и  является круговой частотой.
Предпочтительно промежуточные переменные включают в себя эквивалентную переменную внутреннего переменного напряжения , синтезируемого преобразователем в установившихся условиях, которую определяют при помощи функции:
где  является напряжением сети электрического питания переменного тока в установившихся условиях,  является эквивалентным сопротивлением в полуплече, и  является эквивалентным реактивным сопротивлением в полуплече.
Согласно предпочтительному отличительному признаку изобретения, модуль управления выполнен с возможностью определять колебательную составляющую внутренней энергии , хранящейся в конденсаторах верхнего полуплеча преобразователя при помощи функции:
где  является круговой частотой. Эта колебательная составляющая внутренней энергии отображает собственные колебания общего напряжения конденсаторов верхнего полуплеча преобразователя и, следовательно, внутренней энергии, хранящейся в указанных конденсаторах. Причиной этих колебаний являются обмены мощностью между сетями электрического питания постоянного и переменного тока и преобразователем.
Кроме того, внутреннюю энергию в верхнем полуплече можно выразить как сумму колебательной составляющей  внутренней энергии в этом верхнем полуплече и среднего значения во времени внутренней энергии в этом полуплече.
В варианте модуль управления выполнен с возможностью определять колебательную составляющую  внутренней энергии, хранящейся в конденсаторах нижнего полуплеча преобразователя, при помощи функции:
Предпочтительно модуль управления выполнен с возможностью определять нижний предел  внутренней энергии, хранящейся в конденсаторах подмодулей верхнего полуплеча преобразователя, при помощи функции:
где  является суммой емкостей конденсаторов в верхнем полуплече и где  является определенным моментом, в который внутренняя энергия в верхнем полуплече достигает нижнего предела , и этот момент получают при помощи формулы:
при:
В варианте модуль управления выполнен с возможностью определять нижний предел  внутренней энергии, хранящейся в конденсаторах подмодулей нижнего полуплеча преобразователя. Выражение указанного нижнего предела  можно определить, используя симметрию между верхним и нижним полуплечами. В этом выражении значение условий идентично значению условий, относящихся к верхнему полуплечу.
Не выходя за рамки изобретения, нижний предел внутренней энергии, хранящейся в конденсаторах верхнего или нижнего полуплеча, можно определить при помощи подхода, учитывающего наиболее неблагоприятную конфигурацию, достигаемую в момент , при которой проверяется следующее равенство:
В этой неблагоприятной конфигурации внутренняя энергия в верхнем или нижнем полуплече достигает указанного нижнего предела.
Предпочтительно модуль управления выполнен с возможностью определять верхний предел  внутренней энергии, хранящейся в конденсаторах подмодулей верхнего полуплеча преобразователя, при помощи функции:
где  является суммой емкостей конденсаторов в полуплече,  является допустимым максимальным напряжением подмодуля, N является числом подмодулей в полуплече, и где  является определенным моментом, в который внутренняя энергия в полуплече достигает верхнего предела , и этот момент получают при помощи формулы:
В варианте модуль управления выполнен с возможностью определять верхний предел  внутренней энергии, хранящейся в конденсаторах подмодулей нижнего полуплеча преобразователя. В данном случае выражение указанного верхнего предела  можно тоже определить, используя симметрию между верхним и нижним полуплечами. В этом выражении значение условий идентично значению условий, относящихся к верхнему полуплечу.
Не выходя за рамки изобретения, верхний предел внутренней энергии, хранящейся в конденсаторах нижнего или верхнего полуплеча, определяют при помощи подхода, учитывающего наиболее неблагоприятную конфигурацию, достигаемую в момент , при которой проверяется следующее равенство:
В этой неблагоприятной конфигурации внутренняя энергия в верхнем или нижнем полуплече достигает указанного верхнего предела внутренней энергии.
Предпочтительно модуль управления содержит модуль определения указанного нижнего предела и указанного верхнего предела внутренней энергии, хранящейся в конденсаторах подмодулей верхнего или нижнего полуплеча, в зависимости от указанного значения напряжения , измеренного в сети электрического питания переменного тока, от указанного значения , измеренного в сети электрического питания постоянного тока, от указанного заданного значения активной переменной мощности , от указанного заданного значения реактивной переменной мощности  и от указанного заданного значения постоянной мощности .
Благодаря модулю определения, происходит автоматическое регулирование, предпочтительно в реальном времени, нижнего предела и/или верхнего предела внутренней энергии в зависимости от состояния сетей электрического питания.
Предпочтительно модуль управления содержит модуль коррекции заданного значения внутренней энергии в зависимости от указанного верхнего предела и от указанного нижнего предела, выдаваемых модулем управления. В данном случае предпочтительно получают заданное значение внутренней энергии, адаптированное к условиям сети и обеспечивающее нормальную работу преобразователя. Эта коррекция заданного значения внутренней энергии, хранящейся в конденсаторах, позволяет улучшить управление внутренней энергией, а также улучшить управление емкостью хранения энергии преобразователя.
Понятно, что, если заданное значение внутренней энергии на входе модуля коррекции не переходит указанный нижний предел или указанный верхний предел, указанное заданное значение внутренней энергии не изменяют. В этом случае модуль коррекции выдает на выходе заданное значение внутренней энергии, идентичное заданному значению, полученному на входе.
С другой стороны, если заданное значение внутренней энергии ниже указанного нижнего предела или выше указанного верхнего предела, модуль коррекции корректирует заданное значение таким образом, чтобы оно было выше нижнего предела или ниже верхнего предела.
Согласно предпочтительному отличительному признаку изобретения, модуль управления содержит регулятор внутренней энергии преобразователя, получающий на входе заданное значение внутренней энергии преобразователя и выдающий на выходе заданное значение мощности для конденсаторов указанного преобразователя. Этот регулятор внутренней энергии позволяет регулировать внутреннюю энергию, хранящуюся в конденсаторах верхнего или нижнего полуплеча преобразователя, приводя ее к ее заданному значению.
Не ограничительно, заданное значение внутренней энергии можно получать от модуля коррекции. Благодаря регулятору внутренней энергии, можно автоматически регулировать напряжение на клеммах каждого моделированного конденсатора и эффективно управлять энергией, хранящейся в конденсаторах.
Предпочтительно модуль управления содержит регулятор мощности в точках соединения преобразователя с сетью АС, получающий на входе заданное значение активной переменной мощности  и заданное значение реактивной переменной мощности  и выдающий на выходе заданное значение переменного тока  и заданное значение переменного тока . Заданное значение переменного тока  связано с заданным значением переменной мощности , тогда как заданное значение переменного тока связано с заданным значением реактивной переменной мощности . Этот регулятор осуществляет так называемое медленное регулирование мощности в точках соединения преобразователя с сетью АС.
Предпочтительно модуль управления содержит регулятор мощности в точках соединения преобразователя с сетью DС, получающий на входе заданное значение постоянной мощности  и выдающий заданное значение дифференциального тока . Этот регулятор осуществляет так называемое медленное регулирование мощности в точках соединения преобразователя с сетью DC.
Предпочтительно модуль управления содержит регулятор переменного тока  сети электрического питания переменного тока, получающий на входе заданное значение переменного тока  и заданное значение переменного тока , связанные с переменным током , и выдающий на выходе заданное значение эквивалентного внутреннего переменного напряжения .  является током, проходящим в сети электрического питания переменного тока. Регулирование переменного тока  соответствует регулированию передачи переменной мощности на выходе или на входе в зависимости от конфигурации преобразователя. Этот регулятор осуществляет так называемое быстрое регулирование переменного тока .
Предпочтительно модуль управления содержит регулятор дифференциального тока , получающий на входе заданное значение дифференциального тока , связанное с дифференциальным током , и выдающий на выходе заданное значение дифференциального напряжения . Регулирование дифференциального тока  равнозначно регулированию передачи постоянной мощности на выходе или на входе в зависимости от конфигурации преобразователя. Этот регулятор осуществляет так называемое быстрое регулирование дифференциального тока , при этом  характеризует дифференциальный ток сети электрического питания постоянного тока.
Объектом изобретения является также способ управления многоуровневым модульным преобразователем напряжения, при этом преобразователь позволяет преобразовывать переменное напряжение в постоянное напряжение и наоборот и содержит так называемую постоянную часть, предназначенную для соединения с сетью электрического питания постоянного тока, и так называемую переменную часть, предназначенную для соединения с сетью электрического питания переменного тока, при этом преобразователь содержит множество плеч, при этом каждое плечо содержит верхнее полуплечо и нижнее полуплечо, при этом каждое полуплечо содержит множество подмодулей, управляемых индивидуально органом управления, предусмотренным для каждого подмодуля, и каждый подмодуль содержит конденсатор, последовательно соединяемый в полуплече, когда орган управления находится во включенном состоянии.
Согласно отличительному признаку, способ содержит этап регулирования внутренней энергии, хранящейся в конденсаторах подмодулей верхнего или нижнего полуплеча преобразователя, на котором указанную внутреннюю энергию ограничивают значением ниже верхнего предела и/или значением выше нижнего предела, используя параметры, измеряемые в сети электрического питания постоянного тока и в сети электрического питания переменного тока, а также заданные здачения рабочей мощности преобразователя.
Предпочтительно способ управления содержит определение указанного нижнего предела и указанного верхнего предела внутренней энергии, хранящейся в конденсаторах подмодулей верхнего или нижнего полуплеча преобразователя, в зависимости от параметров, измеряемых в сети электрического питания постоянного тока и в сети электрического питания переменного тока, а также от заданных значений рабочей мощности преобразователя.
Предпочтительно способ управления содержит коррекцию заданного значения внутренней энергии в зависимости от указанного верхнего предела и от указанного нижнего предела.
Предпочтительно способ управления содержит регулирование внутренней энергии преобразователя, используя на входе заданное значение внутренней энергии преобразователя и выдавая заданное значение мощности для конденсаторов указанного преобразователя.
Предпочтительно способ управления содержит регулирование мощности в точках соединения преобразователя с сетью АС, используя на входе заданное значение активной переменной мощности  и заданное значение реактивной переменной мощности  и выдавая заданное значение переменного тока  и заданное значение переменного тока .
Предпочтительно способ управления содержит регулирование мощности в точках соединения преобразователя с сетью DС, используя на входе заданное значение постоянной мощности  и выдавая заданное значение дифференциального тока .
Предпочтительно способ управления содержит регулирование переменного тока , используя на входе заданное значение переменного тока  и заданное значение переменного тока , связанные с переменным током , и выдавая на выходе заданное значение эквивалентного внутреннего переменного напряжения .
Предпочтительно способ управления содержит регулирование дифференциального тока , используя на входе заданное значение дифференциального тока , связанное с дифференциальным током , и выдавая на выходе заданное значение переменного напряжения .
Не выходя за рамки изобретения, этот способ контроля можно осуществлять при помощи описанного выше преобразователя во всех, даже предпочтительных вариантах выполнения.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет более понятно из нижеследующего описания варианта выполнения изобретения, представленного в качестве не ограничительного примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 (уже описана) - известный многоуровневый модульный трехфазный преобразователь.
Фиг. 2 (уже описана) - подмодуль известного многоуровневого модульного преобразователя.
Фиг. 3 (уже описана) - эквивалентная схема полуплеча известного преобразователя ММС.
Фиг. 4 (уже описана) - эквивалентная конфигурация известного многоуровневого модульного преобразователя.
Фиг. 5 - эквивалентный и схематичный вид заявленного многоуровневого модульного преобразователя.
Фиг. 6 - заявленный многоуровневый модульный преобразователь, содержащий модуль управления.
Фиг. 7 - модуль определения верхнего предела и нижнего предела внутренней энергии, хранящейся в полуплече преобразователя, показанного на фиг. 6.
Фиг. 8 - первое моделирование, при котором изменяют напряжение сети электрического питания постоянного тока.
Фиг. 9А - изменение, для первой системы, внутренней энергии вблизи нижнего предела заявленного преобразователя, содержащего модуль управления, в ответ на изменение напряжения, показанное на фиг. 8.
Фиг. 9В - изменение индекса модуляции заявленного преобразователя первой системы, показанной на фиг. 9А.
Фиг. 10А - изменение, для второй системы, внутренней энергии вблизи нижнего предела известного преобразователя ММС, не содержащего модуля управления, в ответ на изменение напряжения, показанное на фиг. 8.
Фиг. 10В - изменение индекса модуляции известного преобразователя второй системы, показанной на фиг. 10А.
Фиг. 11 - второе моделирование, при котором изменяют активную переменную мощность.
Фиг. 12А - изменение, для первой системы, внутренней энергии вблизи верхнего предела заявленного преобразователя, содержащего модуль управления, в ответ на изменение мощности, показанное на фиг. 11.
Фиг. 12В - изменение напряжения конденсатора подмодуля заявленного преобразователя первой системы, показанной на фиг. 12А.
Фиг. 13А - изменение, для второй системы, внутренней энергии вблизи верхнего предела известного преобразователя ММС, не содержащего модуля управления, в ответ на изменение мощности, показанное на фиг. 11.
Фиг. 13В - изменение напряжения конденсатора подмодуля известного преобразователя второй системы, показанной на фиг. 13А.
Осуществление изобретения
Вариант выполнения изобретения, представленный на фиг. 6, относится к многоуровневому модульному преобразователю 10, содержащему модуль 12 управления. Эквивалентная схема поведения заявленного преобразователя 10 в однофазной модели показана на фиг. 5. На этой фиг. 5 модуль управления не показан. Однофазная модель позволяет также упростить условные обозначения и схемы. На этой фигуре не ограничительно показан преобразователь ММС 10, преобразующий энергию постоянного тока в энергию переменного тока.
В этом примере можно отметить, что преобразователь 10 содержит постоянную часть 10А, соединенную с сетью 110 электрического питания переменного тока, в левой части схемы. В правой части схемы видно, что преобразователь 10 содержит переменную часть 10С, соединенную с сетью 120 электрического питания переменного тока. На фиг. 5  и  обозначают соответственно катушку индуктивности и резистор в полуплече,  и  обозначают соответственно катушку индуктивности и резистор в линии фазы.  обозначает дифференциальный ток, проходящий в сети электрического питания постоянного тока, и  обозначает дифференциальное напряжение на клеммах постоянной части преобразователя.  обозначает переменный ток, проходящий в сети электрического питания переменного тока, и  обозначает эквивалентное внутреннее переменное напряжение.  обозначает напряжение сети электрического питания переменного тока, и  обозначает напряжение сети электрического питания постоянного тока. Кроме того, можно отметить, что мощность, обмениваемая между сетью 110 электрического питания постоянного тока и преобразователем 10, обозначена  и что мощность, обмениваемая между преобразователем 10 и сетью 120 электрического питания переменного тока, обозначена .
На фиг. 6 показан заявленный многоуровневый модульный преобразователь 10, содержащий блок 11 преобразования и модуль 12 управления. Этот модуль 12 управления представляет собой контур управления и выполнен с возможностью регулирования внутренней энергии, хранящейся в конденсаторах подмодулей  верхнего или нижнего полуплеча преобразователя. В не ограничительном примере, представленном на фиг. 6, модуль 12 управления выполнен также с возможностью ограничивать внутреннюю энергию, хранящуюся в конденсаторах верхнего или нижнего полуплеча преобразователя, значением ниже верхнего предела  и выше нижнего предела . Таким образом, модуль управления позволяет поддерживать внутреннюю энергию между указанным верхним пределом  и указанным нижним пределом , что обеспечивает нормальную работу указанного преобразователя 10 без риска его повреждения.
Как можно отметить на фиг. 6, модуль 12 управления дополнительно содержит модуль 14 определения указанного нижнего предела  и указанного верхнего предела  внутренней энергии преобразователя. Этот модуль 14 определения получает на входе значение напряжения , измеренное в сети 120 электрического питания переменного тока, значение напряжения , измеренное в сети 110 электрического питания постоянного тока, заданное значение активной переменной мощности , заданное значение реактивной переменной мощности  и заданное значение постоянной мощности . Понятно, что нижний предел  и верхний предел  не являются фиксированными и меняются вместе с состоянием сетей электрического питания.
g
dc
Предпочтительно, но не ограничительно измерение значений напряжения v и V происходит в реальном времени, поэтому значения  и  регулируются автоматически в реальном времени и адаптируются к состоянию сетей электрического питания в каждый момент. Работа модуля 14 определения будет описана подробно ниже.
На фиг. 6 можно также отметить, что модуль 12 управления содержит модуль 16 коррекции. В этом не ограничительном примере этот модуль 16 коррекции использует на входе заданное значение внутренней энергии , хранящейся в конденсаторах полуплеча преобразователя 10, а также нижний предел  и верхний предел  внутренней энергии, выдаваемые модулем 14 определения. Модуль 16 коррекции выдает на выходе скорректированное заданное значение внутренней энергии .
Если заданное значение  внутренней энергии на входе модуля 16 коррекции не переходит указанный нижний предел  или указанный верхний предел , то указанное заданное значение  внутренней энергии не меняется. В этом случае модуль 16 коррекции выдает на выходе заданное значение  внутренней энергии, идентичное получаемому на входе заданному значению  внутренней энергии. С другой стороны, если заданное значение  внутренней энергии ниже указанного нижнего предела  или выше указанного верхнего предела , модуль 16 коррекции корректирует заданное значение  внутренней энергии таким образом, чтобы выдавать на выходе скорректированное заданное значение  внутренней энергии выше нижнего предела или ниже верхнего предела.
Показанный на фиг. 6 модуль 12 управления содержит также регулятор 18 внутренней энергии преобразователя 10. Этот регулятор 18 внутренней энергии преобразователя выдает заданное значение мощности  для конденсаторов преобразователя 10, определяемое на основании скорректированного заданного значения  внутренней энергии, поступающего от модуля 16 коррекции. Следовательно, внутренняя энергия преобразователя, хранящаяся в конденсаторах, регулируется предпочтительно в реальном времени при помощи скорректированного заданного значения  внутренней энергии, предпочтительно тоже в реальном времени.
Можно также отметить, что в этом примере модуль 10 управления содержит регулятор 20 мощности в точках соединения преобразователя с сетью АС. Этот регулятор 20 мощности в точках соединения преобразователя с сетью АС получает на входе заданное значение активной переменной мощности  и заданное значение реактивной переменной мощности  и выдает заданное значение переменного тока  и заданное значение переменного тока .
Не ограничительно модуль 10 управления содержит регулятор 22 переменного тока  сети 120 электрического питания переменного тока, получая на входе заданное значение переменного тока  и заданное значение переменного тока , выдаваемые регулятором 20 мощности в точках соединения преобразователя с сетью АС. Этот регулятор 22 переменного тока  выдает на выходе в направлении преобразователя ММС 10 заданное значение  эквивалентного внутреннего переменного напряжения.
Кроме того, в примере, показанном на фиг. 6, заданное значение активной переменной мощности , используемое на входе модуля 14 определения, сравнивают также и добавляют к заданному значению мощности , поступающему от регулятора 18 внутренней энергии преобразователя 10. В результате этого сравнения получают заданное значение постоянной мощности , поступающее на вход регулятора 24 мощности в точках соединения преобразователя с сетью DС. Этот регулятор 24 мощности в точках соединения преобразователя с сетью DС выдает заданное значение дифференциального тока , при этом  является диффренециальным током сети электрического питания постоянного тока.
Не ограничительно модуль 10 контроля содержит регулятор 26 дифференциального тока , получающий на входе заданного значение дифференциального тока , связанное с дифференциальным током , выдаваемое регулятором 24 мощности в точках соединения преобразователя 10 с сетью DС. Регулятор 26 дифференциального тока  выдает на выходе в направлении преобразователя ММС 10 заданное значение дифференциального напряжения .
g
dc
На фиг. 7 представлена работа модуля 14 определения нижнего предела  и верхнего предела  внутренней энергии преобразователя 10. Не ограничительно этот модуль 14 определения содержит вычислительный блок 28, позволяющий вычислять промежуточные переменные на основании входных переменных, каковыми являются значение напряжения v, измеренное в сети электрического питания переменного тока, значение напряжения V, измеренное в сети электрического питания постоянного тока, заданное значение активной переменной мощности , заданное значение реактивной переменной мощности  и заданное значение постоянной мощности , а также на основании известных и связанных с преобразователем 10 параметров состояния.
В этом примере эта параметры состояния включают в себя индуктивность  в полуплече, индуктивность  и сопротивление  в линии фазы, емкость  конденсаторов в полуплече, при этом каждый конденсатор предпочтительно имеет одинаковую емкость, допустимое максимальное напряжение  подмодуля, число  подмодулей в полуплече и сопротивление  биполярных транзисторов с изолированным затвором, образующих элементы Т1 и Т2 переключения каждого подмодуля.
Не ограничительно промежуточные переменные включают в себя, в частности, эквивалентную переменную дифференциального тока , характеризующую ток, проходящий в сети электрического питания постоянного тока в однофазной модели преобразователя в установившихся условиях, эквивалентную переменную дифференциального напряжения , характеризующую напряжение в установившихся условиях на клеммах постоянной части преобразователя в указанной модели, эквивалентную переменную внутреннего переменного напряжения  в установившихся условиях в указанной однофазной модели преобразователя и эквивалентную промежуточную переменную тока , характеризующую ток, проходящий в направлении сети электрического питания переменного тока в этой однофазной модели преобразователя, тоже в установившихся условиях.
Промежуточные переменные включают в себя также круговую частоту ω, переменную смещения фазы θ между вектором напряжения сети электрического питания переменного тока и вектором тока, проходящего в направлении сети электрического питания переменного тока. Кроме того, промежуточные перменные включают в себя промежуточную угловую переменную δ, характеризующую смещение фазы между вектором напряжения сети электрического питания переменного тока и вектором эквивалентного внутреннего переменного напряжения .
На основании этих промежуточных переменных модуль 14 определения может определить момент , в который конфигурация является наиболее неблагоприятной для преобразователя 10 и в который внутренняя энергия полуплеча достигает нижнего предела  внутренней энергии. В этот момент  напряжение , подаваемое в полуплечо, равно сумме напряжений  подмодулей в этом полуплече. Модуль 14 определения выполнен также с возможностью определять момент , в который конфигурация является наиболее неблагоприятной для преобразователя и в который внутренняя энергия полуплеча достигает верхнего предела  внутренней энергии.
Модуль 14 определения выполнен также с возможностью определять колебательную составляющую внутренней энергии , хранящейся в конденсаторах подмодулей верхнего полуплеча преобразователя. Не выходя за рамки изобретения, модуль 14 определения может также определять колебательную составляющую внутренней энергии , хранящейся в конденсаторах подмодулей нижнего полуплеча преобразователя. На основании колебательной составляющей  внутренней энергии, моментов  и  и определенных промежуточных переменных модуль 14 определения может также определять нижний предел  и верхний предел  внутренней энергии.
Фиг. 8-13В иллюстрируют два моделирования управления внутренней энергией, хранящейся в конденсаторах полуплеча преобразователя. На этих фигурах для большей ясности величины мощности, энергии и напряжения, за исключением напряжения конденсатора подмодуля, указаны в относительных единицах (p.u.), тогда как время указано в секундах.
В частности, на фиг. 8-10В представлено первое моделирование, показывающее поведение двух систем, когда уровень внутренней энергии находится вблизи нижнего предела . На фиг. 11-13В представлено второе моделирование, показывающее поведение двух систем, когда уровень внутренней энергии находится вблизи верхнего предела .
В первом моделировании, показанном на фиг. 8-10В, сравнивают, в частности, поведение двух систем. Первая система, поведение которой показано кривыми на фиг. 9А и 9В, представляет собой заявленный многоуровневый модульный преобразователь, содержащий модуль управления внутренней энергией. Вторая система, поведение которой показано кривыми на фиг. 109А и 10В, представляет собой известный многоуровневый модульный преобразователь, не содержащий модуля управления внутренней энергией. Следовательно, внутренняя энергия второй системы не регулируется.
На фиг. 8 показано заданное для целей моделирования изменение напряжения  сети электрического питания постоянного тока в зависимости от времени. Сначала напряжение  повышают, начиная с момента  и до момента , затем напряжение  понижают от момента  до момента .
ac
ac
На фиг. 9А показано изменение средней величины внутренней энергии, хранящейся в конденсаторах полуплеча заявленного преобразователя 10, для первой системы в ответ на изменение напряжения на фиг. 8. На этой фигуре кривая а показывает изменение нижнего предела  внутренней энергии в зависимости от времени. Как было указано выше, этот предел определяет модуль 12 управления и, в частности, модуль 14 определения. Отмечается, что этот нижний предел  следует за изменением напряжения V сети электрического питания постоянного тока. V является параметром, значительно влияющим на нижний предел , поэтому, меняя этот параметр, можно легко следовать изменению внутренней энергии, хранящейся в конденсаторах полуплеча преобразователя 10. Таким образом, нижний предел  увеличивается от момента  до момента , затем он уменьшается от момента  до момента .
В примере на фиг. 9А средняя величина внутренней энергии преобразователя, показанная кривой b, поддерживается в первоначальном контрольном значении. Когда этот уровень внутренней энергии приближается к нижнему пределу , модуль управления регулирует внутреннюю энергию таким образом, чтобы поддерживать этот уровень выше указанного нижнего предела.
dc
m
dc
dc
m
На фиг. 9В показано изменение индекса модуляции m для этой первой системы в ответ на изменение напряжения V сети электрического питания постоянного тока, показанное на фиг. 8. Известно, что напряжение v, подаваемое в полуплечо, пропорционаьно напряжению V сети электрического питания постоянного тока. Поэтому повышение напряжения V предполагает повышение подаваемого напряжения v, приводящее к увеличению индекса модуляции m. В примере на фиг. 9В, поскольку внутреннюю энергию преобразователя регулируют при помощи модуля управления, индекс модуляции m остается меньше 1, и проверяется следующее неравенство:
Следовательно, это позволяет обеспечивать нормальную работу.
На фиг. 10В для второй системы показано изменение средней величины внутренней энергии, хранящейся в конденсаторах полуплеча известного преобразователя, в ответ на изменение напряжения, показанное на фиг. 8.
v
Кривая а показывает изменение нижнего предела  внутренней энергии, определенного при помощи модуля управления первой системы. Отмечается, что внутренняя энергия преобразователя, средняя величина которой показана кривой b’, не регулируется, поэтому уровень этой внутренней энергии остается постоянным и оказывается ниже нижнего предела  в момент t.
v
На фиг. 10В показано изменение индекса модуляции m для этой второй системы. Посколкьу известный преобразователь не содержит модуля управления, и внутренняя энергия преобразователя не регулируется, индекс модуляции m не регулируется и превышает 1, поэтому, начиная с момента t, больше не проверяется следующее неравенство:
Нормальная работа преобразователя не обеспечивается, и появляется риск повреждения преобразователя.
Таким образом, понятно, что, кроме определения нижнего предела , адаптируемого к состоянию сети, модуль 12 управления заявленного преобразователя 10, используемый в не ограничительном примере моделирования, представленном на фиг. 9А и 9В, позволяет поддерживать внутреннюю энергию в значении выше указанного нижнего предела . Это позволяет поддерживать индекс модуляции ниже 1 и обеспечивать нормальную работу преобразователя.
Далее со ссылками на фиг. 11-13В будут представлены результаты второго моделирования поведения преобразователя, когда уровень внутренней энергии находится близко к верхнему пределу . В этом втором моделировании тоже сравнивают поведение двух систем. Здесь тоже первая система, поведение которой показано кривыми на фиг. 12А и 12В, представляет собой заявленный многоуровневый модульный преобразователь, содержащий модуль управления внутренней энергии. Вторая система, поведение которой показано кривыми на фиг. 13А и 13В, представляет собой известный многоуровневый модульный преобразователь, не содержащий модуля управления внутренней энергии. Следовательно, внутренняя энергия второй системы не регулируется.
Кривая с на фиг. 11 показывает поддерживаемую постоянной реактивную переменную мощность , тогда как кривая  показывает активную переменную мощность  в зависимости от времени. Эти мощности являются мощностями, передаваемыми между преобразователем и сетью электрического питания переменного тока. Для целей моделирования активную переменную мощность  сначала увеличивают с момента  до момента , затем мощность  уменьшают с момента  до момента .
ас
ac
На фиг. 12А показано изменение внутренней энергии, хранящейся в конденсаторах полуплеча заявленного преобразователя, для первой системы в ответ на изменение мощности на фиг. 11. На этой фигуре кривая е показывает изменение верхнего предела  внутренней энергии. Как было указано выше, этот верхний предел в реальном времени определяет модуль управления. Отмечается, что этот верхний предел изменяется противоположно активной переменной мощности Р. Р является параметром, значительно влияющим на верхний предел , поэтому, меняя этот параметр, можно легко следовать изменению внутренней энергии, хранящейся в конденсаторах полуплеча преобразователя 10. Таким образом, верхний предел  уменьшается от момента  до момента , затем он увеличивается от момента  до момента .
В примере на фиг. 12А, средняя величина внутренней энергии преобразователя первой системы, показанная кривой f, поддерживается в первоначальном контрольном значении. Когда уровень внутренней энергии приближается к верхнему пределу , модуль управления регулирует указанную внутреннюю энергию таким образом, чтобы поддерживать уровень внутренней энергии ниже указанного верхнего предела.
c
ac
4
c
Кривая g на фиг. 12В показывает изменение напряжения v конденсатора подмодуля первой системы в зависимости от времени в ответ на изменение мощности, показанное на фиг. 11. Увеличение активной мощности P и, следовательно, обмены мощностью между преобразователем и сетью электрического питания переменного тока выражаются увеличением в момент t амплитуды колебаний напряжения v конденсатора.
c
cMax
c
c
cMax
Следует напомнить, что, чтобы не повредить подмодуль и чтобы обеспечивать нормальную работу преобразователя, напряжение v конденсатора должно быть ниже максимального напряжения v, соответствующего пределу напряжения элементов переключения указанного подмодуля. В примере на фиг. 12В, поскольку при помощи модуля управления регулируют внутреннюю энергию преобразователя первой системы, напряжение v конденсатора регулируется и ограничено сверху, поэтому напряжение v, показанное кривой g, всегда остается ниже предела напряжения v элементов переключения, показанного кривой h.
Таким образом, обеспечивается нормальная работа преобразователя, и устраняется риск повреждения подмодуля.
На фиг. 13А показано изменение, в ответ на изменение мощности, показанное на фиг. 11, внутренней энергии, хранящейся в конденсаторах полуплеча преобразователя второй системы, причем этот преобразователь не содержит модуля управления. Кривая е показывает изменение верхнего предела  внутренней энергии, определяемого при помощи модуля управления первой системы.
u
На этой фиг. 13А отмечается, что уровень внутренней энергии преобразователя, показанный кривой f’, не регулируется, поэтому этот уровень внутренней энергии остается постоянным и становится выше верхнего предела  в момент t.
c
c
c
cMax
u
Кривая g’ на фиг. 13В показывает изменение напряжения v конденсатора подмодуля второй системы в зависимости от времени в ответ на изменение мощности, показанное на фиг. 11. В этом примере, поскольку преобразователь второй системы не содержит модуля управления внутренней энергией, то внутренняя энергия преобразователя второй системы не регулируется. Таким образом, напряжение v конденсатора не регулируется, поэтому напряжение v становится выше предела напряжения v элементов переключения, показанного кривой h, начиная с момента t.
Появляется риск повреждения подмодуля, и нормальная работа преобразователя не обеспечивается.
c
cMax
Понятно, что, кроме определения верхнего предела  внутренней энергии, адаптируемого к состоянию сети, модуль 12 управления заявленного преобразователя 10, используемый в не ограничительном примере моделирования, представленном на фиг. 12А и 12В, позволяет поддерживать внутреннюю энергию в значении ниже указанного верхнего предела . Это позволяет поддерживать напряжение v ниже предела напряжения v элементов переключения.