M3C的控制方法及终端设备

技术领域

本发明属于变换器技术领域，尤其涉及一种M3C的控制方法及终端设备。

背景技术

M3C(modular multilevel matrix converters，模块化多电平矩阵变换器)的拓扑结构如图1所示。M3C的主要结构是一种新型的H桥级联式矩阵变换器，三相输入和三相输出之间具有3×3的9个桥臂连接的结构，各个桥臂的电路参数相等，且相互对称独立。M3C作为基于电力电子器件的新型变频器，用于海上低频输电的换流站的核心设备，即高压低频的电流转换为高压工频的电流并入电网。M3C与传统的晶体管和半控型器件的变频器具有变频更自由，不局限于工频的倍数，而且产生的纹波很少等优势。

目前，有多种对M3C的控制方法，但是，现有的对M3C的控制方法均比较复杂。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种M3C的控制方法及终端设备，以解决现有技术对M3C的控制方法比较复杂的问题。

本发明实施例的第一方面提供了一种M3C的控制方法，M3C包括3个子变换器，每个子变换器包括3个桥臂，每个桥臂包括多个H桥；M3C的控制方法包括：

针对每个子变换器的每个桥臂，获取桥臂的每个H桥的电容电压；

针对每个子变换器的每个桥臂，确定桥臂的期望电压，并根据桥臂的期望电压和桥臂的每个H桥的电容电压控制桥臂的每个H桥的通断。

本发明实施例的第二方面提供了一种M3C的控制装置，M3C包括3个子变换器，每个子变换器包括3个桥臂，每个桥臂包括多个H桥；

M3C的控制装置包括：

获取模块，用于针对每个子变换器的每个桥臂，获取桥臂的每个H桥的电容电压；

控制模块，用于针对每个子变换器的每个桥臂，确定桥臂的期望电压，并根据桥臂的期望电压和桥臂的每个H桥的电容电压控制桥臂的每个H桥的通断。

本发明实施例的第三方面提供了一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现如第一方面所述M3C的控制方法的步骤。

本发明实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被一个或多个处理器执行时实现如第一方面所述M3C的控制方法的步骤。

本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本发明实施例通过针对每个子变换器的每个桥臂，获取桥臂的每个H桥的电容电压；针对每个子变换器的每个桥臂，确定桥臂的期望电压，并根据桥臂的期望电压和桥臂的每个H桥的电容电压控制桥臂的每个H桥的通断，来对M3C进行控制，控制方法比较简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是M3C的拓扑结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的M3C的控制方法的实现流程示意图；

图3是本发明一实施例提供的子变换器的拓扑结构示意图；

图4是本发明一实施例提供的确定桥臂的期望电压的示意图；

图5是本发明一实施例提供的确定桥臂的输出电压参考值的示意图；

图6是本发明一实施例提供的确定桥臂的输入电压参考值的示意图；

图7是本发明一实施例提供的子变换器的水平平衡控制的示意图；

图8是本发明一实施例提供的子变换器的垂直平衡控制的示意图；

图9是本发明一实施例提供的桥臂电容电压不平衡量与平均值计算的示意图；

图10是本发明一实施例提供的M3C的控制装置的示意图；

图11是本发明一实施例提供的终端设备的示意框图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

图2是本发明一实施例提供的M3C的控制方法的实现流程示意图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。本发明实施例的执行主体可以是终端设备。

参见图1，M3C包括3个子变换器，每个子变换器包括3个桥臂，每个桥臂包括多个H桥。

参见图2，该方法可以包括以下步骤：

S101：针对每个子变换器的每个桥臂，获取桥臂的每个H桥的电容电压。

S102：针对每个子变换器的每个桥臂，确定桥臂的期望电压，并根据桥臂的期望电压和桥臂的每个H桥的电容电压控制桥臂的每个H桥的通断。

图1中，3个子变换器分别为subconverter 1、subconverter 2和subconverter3；cell为H桥。图1为带有桥臂电感的M3C拓扑，因为电感的作用，每个桥臂可以被视为可控电流源，桥臂两端连接着两个三相系统。连接到同一输出节点或输入点的三个桥臂所组成的结构称为子变换器，为方便分析将M3C划分为图示的三个子变换器。M3C的三个子变换器的每个桥臂均为N个H桥级联形成的静止同步补偿器，并连接到一个中心点。将M3C拓扑中两个连接点N

图3中忽略了输入侧电感L

其中，i

将输入电流和输出电流转换到αβ0坐标，i

T

由上式可知，输出电流i

其中，L为桥臂电感；L

将上述电压回路表达式进行αβ0变换后得到：

通过上述公式可以得到输出电流表达式：

根据上述公式可以通过调节各桥臂的电感控制输入电流，调节负载电感控制输出电流。对于另外两个子变换器公式同样成立，因此可以在αβ0坐标系内控制输出电流i

M3C桥臂中包含N个级联的H桥单元，每个单元都带有储能电容。储能电容不提供能量，因此桥臂只能传送无功功率，并且桥臂能量需要维持一个恒定的平均值。稳态时一个桥臂的瞬时功率为：

其中，U

在本发明的一个实施例中，上述根据桥臂的期望电压和桥臂的每个H桥的电容电压控制桥臂的每个H桥的通断，包括：

对桥臂的每个H桥的电容电压进行排序，得到排序后的电容电压；

计算排序后的电容电压的前M个电容电压的和与前M+1个电容电压的和；

若桥臂的期望电压位于前M个电容电压的和与前M+1个电容电压的和之间，则控制前M个电容电压分别对应的H桥均导通，控制第M+2至N个电容电压分别对应的H桥均断开，并根据桥臂的期望电压和第M+2至N个电容电压确定第M+1个电容电压对应的H桥的控制信号的占空比，根据占空比控制第M+1个电容电压对应的H桥的通断；其中，N为桥臂的H桥的数量，1≤M<。

在本发明的一个实施例中，上述根据桥臂的期望电压和第M+2至N个电容电压确定第M+1个电容电压对应的H桥的控制信号的占空比，包括：

根据

其中，u

具体地，每个桥臂的桥臂电压是由H桥的电容电压叠加产生，每个子变换器可以由一个调制模块控制每个桥臂的电压大小。

当桥臂的电压与电流同向时，将桥臂的每个H桥的电容电压按照升序进行排序，得到排序后的电容电压；当桥臂的电压与电流反向时，将桥臂的每个H桥的电容电压按照降序进行排序，得到排序后的电容电压。其中，电压与电流同向是指电流从桥臂高电压一端流入桥臂。

为了让H桥电容电压叠加后正好等于桥臂的期望电压，因此，需要根据桥臂的期望电压控制各个H桥的通断，使H桥电容在电路上表现为参与桥臂电压建立与不参与电压建立，并在逻辑上将参与建立电压表示为1，不参与表示为0。

具体地，设置M初始值为1，计算前M个电容电压的和与前M+1个电容电压的和；若桥臂的期望电压未位于前M个电容电压的和与前M+1个电容电压的和之间，则M加1，继续计算前M个电容电压的和与前M+1个电容电压的和，直至桥臂的期望电压位于前M个电容电压的和与前M+1个电容电压的和之间。此时，可以确定排序后的电容电压中的前M个电容电压分别对应的H桥均导通，第M+2至N个电容电压分别对应的H桥均断开，并通过控制第M+1个电容电压对应的H桥的控制信号的占空比，来控制第M+1个电容电压的接入情况，从而让H桥电容电压叠加后正好等于桥臂的期望电压。其中，该占空比的计算公式见上式。

接入电压较小的电容时，输入桥臂的电流给接入的电容充电，不参与电压建立的电容电压不变；当接入电压较大的电容时，输入桥臂的电流与桥臂电压方向相反，给接入的电容反向充电，使其电压降低。因此，使用上述方法可以维持桥臂H桥之间的电压平衡。

在本发明的一个实施例中，上述确定桥臂的期望电压，包括：

获取桥臂的输入电压值；

获取M3C的三相输出电流值，根据M3C的三相输出电流值确定桥臂的输出电压参考值；

获取桥臂所属子变换器的三相输入电流和M3C的输入电流参考值，并根据桥臂所属子变换器的三相输入电流和M3C的输入电流参考值确定桥臂的输入电压参考值；

获取目标电压参考值；

根据桥臂的输入电压值、桥臂的输出电压参考值、桥臂的输入电压参考值和目标电压参考值，确定桥臂的期望电压。

在本发明的一个实施例中，上述根据桥臂的输入电压值、桥臂的输出电压参考值、桥臂的输入电压参考值和目标电压参考值，确定桥臂的期望电压，包括：

将桥臂的输入电压值依次减去桥臂的输出电压参考值、桥臂的输入电压参考值和目标电压参考值，得到桥臂的期望电压。

具体地，参见图4，图4示出了第一子变换器的各个桥臂的期望电压的计算过程。第一子变换器subconverter 1包括三个桥臂，分别为arm11、arm21和arm31，u

参见图4，根据每个桥臂的输入电压值、输出电压参考值、输入电压参考值和目标电压参考值，可以确定桥臂的期望电压。

上述根据M3C的三相输出电流值确定桥臂的输出电压参考值的具体过程可以参见图5。如图5所示，对M3C的三相输出电流值i

三相输出电流i

获取桥臂所属子变换器的三相输入电流和M3C的输入电流参考值，并根据桥臂所属子变换器的三相输入电流和M3C的输入电流参考值确定桥臂的输入电压参考值的具体过程参见图6。

图6中，三个子变换器的输入电流由三个控制器独立控制，首先转换到αβ0坐标后再通过比例控制器控制。控制器所需的输入量为：桥臂所属子变换器的三相输入电流和M3C的输入电流参考值。子变换器的三相输入电流，即子变换器包含的每个桥臂的输入电流为i

具体地，正序输入d轴参考电流值

负序输入d轴参考电流值

子变换器的三相输入电流变换成αβ0坐标得到i

如图6所示，

图8示出了子变换器的垂直平衡控制的示意图。在垂直平衡控制环节同时产生了图4中计算桥臂期望电压的第四个分量三相输出电压和

其中，图7和图8中，filter表示滤波器，滤波器后面的方框表示PI控制器。

水平平衡控制和垂直平衡控制是针对桥臂电压进行的控制，过程为将九臂电压使用两次αβ解耦变换后，得到平均值u

变换后得到如下四类不平衡量：

(1)u

(2)u

(3)u

(4)u

双αβ0解耦变换方法用来控制M3C的优点是在变换器稳态运行时平均能量控制只需要控制直流分量。在变换器达到平衡的过程中，只有少量频率为输入频率f

由上述描述可知，本发明实施例通过针对每个子变换器的每个桥臂，获取桥臂的每个H桥的电容电压；针对每个子变换器的每个桥臂，确定桥臂的期望电压，并根据桥臂的期望电压和桥臂的每个H桥的电容电压控制桥臂的每个H桥的通断，来对M3C进行控制，控制方法比较简单。

需要说明的是，本发明实施例中所述的电压值可以是电压信号，电流值可以是电流信号，参考值可以是参考信号。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

对应于上述M3C的控制方法，本发明一实施例还提供了一种M3C的控制装置，具有与上述M3C的控制方法同样的有益效果。图9是本发明一实施例提供的M3C的控制装置的示意框图，为了便于说明，仅示出与本发明实施例相关的部分。

在本发明实施例中，M3C包括3个子变换器，每个子变换器包括3个桥臂，每个桥臂包括多个H桥；M3C的控制装置30可以包括获取模块301和控制模块302。

其中，获取模块301，用于针对每个子变换器的每个桥臂，获取桥臂的每个H桥的电容电压；

控制模块302，用于针对每个子变换器的每个桥臂，确定桥臂的期望电压，并根据桥臂的期望电压和桥臂的每个H桥的电容电压控制桥臂的每个H桥的通断。

可选地，控制模块302还用于：

对桥臂的每个H桥的电容电压进行排序，得到排序后的电容电压；

计算排序后的电容电压的前M个电容电压的和与前M+1个电容电压的和；

若桥臂的期望电压位于前M个电容电压的和与前M+1个电容电压的和之间，则控制前M个电容电压分别对应的H桥均导通，控制第M+2至N个电容电压分别对应的H桥均断开，并根据桥臂的期望电压和第M+2至N个电容电压确定第M+1个电容电压对应的H桥的控制信号的占空比，根据占空比控制第M+1个电容电压对应的H桥的通断；其中，N为桥臂的H桥的数量，1≤M

可选地，控制模块302还用于：

根据

其中，u

可选地，控制模块302还用于：

获取桥臂的输入电压值；

获取M3C的三相输出电流值，根据M3C的三相输出电流值确定桥臂的输出电压参考值；

获取桥臂所属子变换器的三相输入电流和M3C的输入电流参考值，并根据桥臂所属子变换器的三相输入电流和M3C的输入电流参考值确定桥臂的输入电压参考值；

获取目标电压参考值；

根据桥臂的输入电压值、桥臂的输出电压参考值、桥臂的输入电压参考值和目标电压参考值，确定桥臂的期望电压。

可选地，控制模块302还用于：

将桥臂的输入电压值依次减去桥臂的输出电压参考值、桥臂的输入电压参考值和目标电压参考值，得到桥臂的期望电压。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述M3C的控制装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述装置中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

图10是本发明一实施例提供的终端设备的示意框图。如图10所示，该实施例的终端设备40包括：一个或多个处理器401、存储器402以及存储在所述存储器402中并可在所述处理器401上运行的计算机程序403。所述处理器401执行所述计算机程序403时实现上述各个M3C的控制方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤S101至S102。或者，所述处理器401执行所述计算机程序403时实现上述M3C的控制装置实施例中各模块/单元的功能，例如图9所示模块301至302的功能。

示例性地，所述计算机程序403可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器402中，并由所述处理器401执行，以完成本申请。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序403在所述终端设备40中的执行过程。例如，所述计算机程序403可以被分割成获取模块和控制模块，各模块具体功能如下：

第一确定模块，用于确定低频侧电压参考值和工频侧电压参考值；

获取模块，用于针对每个子变换器的每个桥臂，获取桥臂的每个H桥的电容电压；

控制模块，用于针对每个子变换器的每个桥臂，确定桥臂的期望电压，并根据桥臂的期望电压和桥臂的每个H桥的电容电压控制桥臂的每个H桥的通断。

其它模块或者单元可参照图9所示的实施例中的描述，在此不再赘述。

所述终端设备40可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备40包括但不仅限于处理器401、存储器402。本领域技术人员可以理解，图10仅仅是终端设备40的一个示例，并不构成对终端设备40的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述终端设备40还可以包括输入设备、输出设备、网络接入设备、总线等。

所述处理器401可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

所述存储器402可以是所述终端设备40的内部存储单元，例如终端设备40的硬盘或内存。所述存储器402也可以是所述终端设备40的外部存储设备，例如所述终端设备40上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器402还可以既包括终端设备40的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器402用于存储所述计算机程序403以及所述终端设备40所需的其他程序和数据。所述存储器402还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的M3C的控制装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的M3C的控制装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。