用于控制电转换器的方法、计算机程序和控制器、电转换器和计算机可读介质与流程
本发明涉及大功率电子领域。具体地，本发明涉及用于控制电转换器的方法、计算机程序和控制器、电转换器和可以存储计算机程序的计算机可读介质。
背景技术：
1、优化脉冲图案(opps)涉及特定的脉冲宽度调制方法。离线计算和优化脉冲图案可以被使用于调制电转换器中的半导体开关。基于实际速度和磁通参考(例如由外部控制回路提供)，控制器可以确定最适合的离线计算的脉冲图案，然后该图案可以应用于电转换器的半导体开关。离线计算的优化脉冲图案可以使给定开关频率的总电流失真最小化。
2、当电转换器被使用于驱动电机时，电机的定子线圈中的谐波损耗可能与电流失真成比例，而功率逆变器的开关损耗可能与开关频率有关。在并网转换器设置中，可能会对转换器可能注入电网的电压和电流失真施加严格的标准。传统上，仅可能在由非常慢的控制环路驱动的调制器中使用优化脉冲图案。当改变运行点时，这可能导致非常长的暂态过程和电流的谐波偏移。
3、ep 2 469 692 a1描述了控制方法，该方法通过实时操纵预先计算的优化脉冲图案的开关时刻，结合了直接转矩控制和优化脉冲图案的优点，从而实现快速闭环控制。这种所谓的模型预测脉冲图案控制器(mp3c)可以统一处理内部电流控制环路和调制器的任务。mp3c可控制磁通矢量，在电转换器驱动电机的情况下，其通常是电机的定子磁通链矢量。对于并网转换器，虚拟转换器磁通可以构成磁通矢量。
4、mp3c在瞬变期间实现了短响应时间，并且很好地抑制了干扰。在稳态运行条件下，由于使用了优化脉冲图案，可以获取每个开关频率的谐波电流失真的接近最优的比率。与最先进的轨迹控制器相比，mp3c可以提供两个优势。首先，重建基本量可能不需要复杂的观测器结构。相反，可以通过以规则的采样间隔对电流和dc链路电压进行采样来直接估计作为受控变量的磁通空间矢量。第二，通过制定最优控制问题和使用滚动时域策略，可以大幅降低对磁通观测器噪声的敏感性。
5、在瞬变运行期间，诸如参考阶梯或斜坡变化、大干扰和故障，受控变量(诸如电流、电磁转矩和磁通链)通常需要以阶梯形式变化，或者它们可能必须遵循陡峭的斜坡。示例可能包括高性能驱动中的快速扭矩步骤和低电压穿越运行中的功率步骤。
6、在mp3c中，闭环控制可以通过实时修改优化脉冲图案的开关转换的开关时刻来实现。更具体地说，开关转换在时间上被修改，使得磁通误差可以在未来的时刻被消除。请注意的是在优化脉冲图案中，开关转换在时间上分布不均匀。在非常低的开关频率下，两次开关转换之间可能会出现较长的时间间隔。当在该时间间隔开始时应用参考步骤时，在受控变量开始变化之前可能会经过相当长的时间，从而导致初始时间延迟较长，并且还会延长沉淀时间。
7、一旦受控变量开始变化，例如，瞬变响应可能缓慢并且明显较慢于当使用无差拍控制或直接转矩控制时。缓慢的响应通常是由于缺少合适的电压矢量，该电压矢量以最大速度并在确保尽可能最快地补偿转矩或电流误差的方向上移动受控磁通矢量。为了确保在瞬变过程中有非常快速的瞬变响应，可能需要将至少一个相连接至转换器的dc链路上轨或下轨。例如，在低电压穿越设置中，这可能意味着在瞬变的大部分时间期间，将至少一个相的电压从其最大值反向至其最小值，反之亦然。
8、与缓慢的瞬变响应行为直接相关的是瞬变期间的电流偏移问题。当为了消除磁通误差而在时间上移动的开关转换在较长的时间间隔内扩展时，可能会发生这种偏移。这可能会降低磁通矢量从其当前位置到其新的期望位置不沿最短路径移动的风险。相反，磁通矢量可能暂时偏离该路径，超过其标称值。这可能相当于大电流，可能导致过流跳闸。
9、在准稳态运行条件下，运行点和/或逆变器电压发生微小变化时，也会出现相关问题。具体而言，dc链路电压的波动、电机定子绕组或电网阻抗的电阻性电压降以及不同脉冲图案之间的转换，如果未妥善解决，可能会导致mp3c的闭环性能下降。
10、尤其是在优化脉冲图案的开关转换呈现不均匀的时间分布的情况下，并且当使用非常低的开关频率时，由于缺少合适的开关转换，这些磁通误差可能无法及时得到解决。因此，可能会产生较大的磁通误差，这些误差会累积并持续相当长的时间，导致对优化脉冲图案的最佳磁通轨迹的跟踪不佳。这可能会对电流的总谐波失真产生不利影响。
11、关于上述问题，ep 2 891 241 b1描述了将mp3c用于驱动系统的方法，该方法已被证明是调节转子速度的可靠方法。特别是，ep 2 891241b1描述了对实时计算的opp线开关时刻的操纵。然而，为了实现这一点，该方法，尤其是mp3c，依赖于对机器类型及其参数的了解，以及对转子磁通的准确在线估算。因此，为了能够使用mp3c，必须了解机器类型及其参数，并对转子磁通进行准确的在线估算。因此，在生产用于控制电机的控制器时，必须知道机器类型及其参数。因此，不可能生产和/或编程可适用于不同机器类型的通用控制器，其中在生产和/或分别编程控制器时，这些不同机器类型中的至少一些是未知的。此外，某些机器参数在转换器驱动系统调试时可能未知或不可用，和/或可能随时间变化。另外在线准确估算转子磁通可能需要大量处理资源和/或相对较长的时间。
技术实现思路
1、本发明的目的是克服上述问题。特别地，本发明的目的是提供控制用于驱动电机的电转换器的方法，其中该方法可以在不了解电机的机器类型及其参数的情况下执行，其中该方法快速调试，其中该方法仅需要很少的处理资源，和/或其中该方法可以快速执行。此外，本发明的目的是提供对应的计算机程序、用于控制电转换器的对应的控制器、对应的电转换器和对应的计算机可读介质。
2、这些目的通过独立权利要求的主题实现。根据从属权利要求和以下描述，进一步的示例性实施例是显而易见的。
3、一方面涉及控制用于驱动电机的电转换器的方法。电转换器可以是逆变器或有源整流器。它可以是间接或直接转换器。具体而言，转换器可以是适于转换100a和/或1000v以上电流的大功率转换器。电机可以是电动机或发电机，或者其可以在第一运行图案下作为电机运行，在第二运行图案下作为发电机运行。
4、根据本发明的实施例，该方法包括以下步骤：根据电转换器中的至少一个测量来估计定子磁通矢量；根据参考定子角频率确定电转换器的优化脉冲图案；根据参考定子角频率确定定子磁通矢量的参考定子角度；根据优化脉冲图案和参考定子角度确定参考定子磁通矢量；确定参考定子磁通矢量和所估计的定子磁通矢量之间的差；修改优化脉冲图案的开关时刻，使得差异最小化；以及将修改后的优化脉冲图案的至少一部分应用于电转换器。
5、这使得人们能够在不知道电机的机器类型及其参数的情况下驱动电机。此外，无需对转子磁通进行在线估算。因此，在生产用于执行该方法的控制器时，不必知道机器类型及其参数。因此，上述方法使得人们能够生产和/或编程可用于不同机器类型的通用控制器，其中这些不同机器类型中的至少一些在控制器的生产和/或编程时是未知的。另外，在线准确估算转子磁通不需要大量处理资源和/或相对较长的处理时间。
6、上述方法提供了无模型标量脉冲图案控制(mf-sppc)方案。mf-sppc方案可以是标量闭环控制方案，其通过在瞬变事件期间以及在包括电力转换器和电机的电力系统的dc链路电压存在干扰的情况下将定子磁通的大小调节至其参考值、参考定子磁通大小来实现电机的速度控制。该任务可在给定和/或预定的参考定子角频率(或速度)下完成。通过调整参考定子角频率，也可以调整转子角速度的稳定状态值。在电机为感应电机的情况下，由于电机的转子和定子之间的滑动，在稳定状态下，转子角速度将仅接近参考定子角频率。在永磁同步电机(pmsm)的情况下，由于转子和定子磁场的同步性，转子角速度最终将在稳定状态下收敛至参考定子角频率。在调整角度定子频率时，可能需要特别注意不要使pmsm失去同步。在此背景下，mf-sppc方案可被视为基于opps的裸骨控制方案，该方案不依赖于机器类型及其参数的任何知识来实现其控制目标。
7、定子磁通矢量可称为定子磁通链矢量。
8、根据实施例，参考定子角度通过对参考定子角频率进行积分被确定。参考定子角度可以由比例积分(pi)控制器确定，该控制器接收参考定子角频率作为输入。
9、根据实施例，优化脉冲图案根据参考定子磁通大小被确定。在标称运行期间，参考定子磁通大小可以被设置为“1”。低于1的值可用于以超过其弱磁点的速度运行的感应电机，即所谓的弱磁。基本成分可以确定优化脉冲图案的调制指数。
10、根据实施例，优化脉冲图案根据调制指数和/或最大允许开关频率被确定。根据参考定子磁通大小确定调制指数。最大允许开关频率可以预先确定，例如通过经验确定，例如由电转换器和/或控制器的制造商确定。
11、根据实施例，电转换器中的至少一次测量包括测量电转换器的定子电压。根据定子电压可以估计定子磁通矢量。
12、根据实施例，优化脉冲图案包括在转换器的不同开关状态之间的开关时刻处的一系列开关转换。从存储在执行上述方法的控制器中的优化脉冲图案表中加载优化脉冲图案。可以相对于调制指数来索引优化脉冲图案表。可选地，可以相对于最大开关频率来索引优化脉冲图案表。对于表中的每个优化脉冲图案，可以存储开关时刻处的开关转换。可选地，对于表中的每个优化脉冲图案，可以存储参考定子磁通。
13、另一方面涉及计算机程序，当在处理器(例如控制器的处理器)上执行时，该计算机程序适用于执行上述方法的步骤。
14、另一方面涉及存储计算机程序的计算机可读介质。计算机可读介质可以是软盘、硬盘、usb(通用串行总线)存储设备、随机存取存储器、只读存储器和可擦除可编程只读存储器。计算机可读介质也可以是允许下载程序代码的数据通信网络，例如互联网。
15、另一方面涉及用于控制电转换器的控制器，其适于执行上述方法的步骤。例如，控制方法，即上述方法，可以在任何计算硬件上实现，包括dsps、fpgas、微控制器、cpu、gpu、多核平台及其组合。特别地，控制器可以包括存储上述计算机程序的存储器，并且可以包括用于执行计算机程序的处理器。
16、另一方面涉及电转换器，包括多个半导体开关和上述适于控制电转换器的半导体开关的控制器。该转换器可以是任何多级功率转换器，例如二级转换器、三级转换器、中点箝位三级转换器、飞跨电容四级转换器、五级转换器、级联h桥五级转换器、模块化多级转换器等。
17、电转换器可用于机器侧和/或电网侧。例如，在机器侧的情况下，控制器可以沿着预定的最佳轨迹控制电机的定子磁通矢量。电转换器和电机之间可能存在带电感和电容元件的正弦滤波器和/或长电缆。受控变量可包括电磁转矩和/或定子磁通矢量的大小。在电网侧的情况下，电转换器可通过正弦滤波器和/或变压器连接至电网。通过操纵转换器开关，可以沿给定轨迹控制电转换器的虚拟磁通矢量。受控变量可包括有功和/或无功功率和/或转换器电流和/或虚拟转换器磁通。
18、必须理解的是，上文和下文所述的方法的特征可以是上文和下文所述的计算机程序、计算机可读介质、控制器和/或电转换器的特征。
19、参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并得到阐明。
技术特征：
1.一种控制用于驱动电机(18)的电转换器(12)的方法，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其中
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中
4.根据权利要求3所述的方法，
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中
7.一种计算机程序，所述计算机程序在处理器上被执行时适用于执行根据权利要求1至6中任一项所述的方法的步骤。
8.一种计算机可读介质，其中存储根据权利要求7所述的计算机程序。
9.一种控制器(20)，用于控制适用于执行根据权利要求1至6中任一项所述的方法的步骤的电转换器(12)。
10.一种电转换器(12)，包括：
技术总结
一种用于控制用于驱动电机(18)的电转换器(12)的方法包括以下步骤：根据电转换器(12)中的至少一个测量来估计定子磁通矢量(Ψ<subgt;S</subgt;)；根据参考定子角频率(ω<subgt;S</subgt;*)来确定用于电转换器(12)的优化脉冲图案(OPP)；根据参考定子角频率(ω<subgt;S</subgt;*)来确定定子磁通矢量(Ψ<subgt;S</subgt;)的参考定子角度(θ<subgt;S</subgt;*)；根据优化脉冲图案(OPP)和参考定子角度(θ<subgt;S</subgt;*)来确定参考定子磁通矢量(Ψ<subgt;S</subgt;*)；确定参考定子磁通矢量(Ψ<subgt;S</subgt;*)与所估计的定子磁通矢量(Ψ<subgt;S</subgt;)之间的差；修改优化脉冲图案(OPP)的开关时刻，使得差最小化；以及将修改后的优化脉冲图案(OPP)的至少一部分应用于电转换器(12)。
技术研发人员：乔治斯·达里维亚纳基斯,托比亚斯·盖尔,彼得·穆申斯基,扬尼斯·特索马斯
受保护的技术使用者：ABB瑞士股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23