变换系统及控制方法与流程

变换系统及控制方法
1.本技术要求于2020年08月14日提交中国专利局、申请号为202010816482.3、申请名称为“变换系统及控制方法”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本技术中。
技术领域
2.本技术涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种变换系统及控制方法。


背景技术：

3.电力电子变换器是一种采用电力电子器件实现电能转换的器件，链式变换器包括多个输入端串联的电力电子变换器(以下称为功率变换器)，由于链式变换器的模块化程度高、可扩展性能好，广泛应用于电力装置，例如：固态变压器(electronic power transformer，简称：ept)、静止无功补偿器(static var compensator，简称：svc)和中高电压大功率逆变器。
4.链式变换系统一般采用集中式控制或者局部集中式控制，集中式控制由中央控制器采集输入端信号和各个功率变换器的输出端信号，进行运算并向各个功率变换器输出脉冲调制信号(pulse width modulation，简称：pwm)，控制各功率变换器工作。局部集中式控制设有中央控制器和多个本地控制器，一个本地控制器控制一个功率变换器，由中央控制器采集输入端信号和各个功率变换器的输出端信号，进行运算并输出中间控制量，每个本地控制器根据中间控制变量和对应功率变换器的输出端信号生成pwm信号。
5.然而，不论集中式控制还是局部集中式控制，都设置有中央控制器控制，若中央控制器出现故障，链式变换器无法继续工作，可靠性低。


技术实现要素：

6.本技术提供一种变换系统及控制方法，旨在解决现有技术中的上述问题。
7.第一方面，本技术提供一种变换系统，包括：
8.n个功率变换器，每个功率变换器包括第一端和第二端，n个功率变换器的第一端电性串联耦接，以及
9.n个控制器，与n个功率变换器一一对应，每个控制器接收对应的功率变换器的第一端电流和第二端电压，
10.其中，至少(n-1)个控制器中的每个控制器均接收仅反映变换系统中其他m个功率变换器第二端电压的邻居直流电压信号，并根据邻居直流电压信号、对应的功率变换器的第一端电流和第二端电压，生成用于控制对应的功率变换器第一端电压的控制信号，n≥3，1≤m≤(n-2)，m和n为整数。
11.第二方面，本技术提供一种用于控制变换系统的控制方法，变换系统包括：
12.n个功率变换器，每个功率变换器包括第一端和第二端，n个功率变换器的第一端电性串联耦接，以及
13.n个控制器，与n个功率变换器一一对应，每个控制器接收对应的功率变换器的第一端电流和第二端电压；
14.控制方法包括：
15.s1、至少(n-1)个控制器中的每个控制器均接收变换系统中仅反映其他m个功率变换器第二端电压的邻居直流电压信号；以及
16.s2、至少(n-1)个控制器中的每个控制器根据邻居直流电压信号、对应的功率变换器的第一端电流和第二端电压，生成用于控制对应的功率变换器第一端电压的控制信号，
17.其中，n≥3，1≤m≤(n-2)，m和n为整数。
18.本技术提供一种变换系统及控制方法，包括n个功率变换器和n个控制器，n个控制器与n个功率变换器一一对应，每个控制器除了能够接收对应的功率变换器的第一端电流和第二端电压之外，还可以接收仅反映变换系统中其他m个功率变换器第二端电压的邻居直流电压信号，并根据接收后的信号对相应的功率变换器进行电压控制。相较于现有技术，本技术采用全分布式控制，为每个功率变换器设置相应的控制器，无需设置集中控制器，当部分控制器出现故障时，剩余控制器可以继续工作，可靠性更高。另外，每个控制器仅接收相邻功率变换器的电压信号，可以大大减少控制器之间连线数量，进一步提高变换系统的可靠性性。此外，没有集中控制器，实现模块化设计，利于变换系统的扩展。
附图说明
19.图1为现有技术中链式变换器采用集中式控制的结构示意图；
20.图2为现有技术中链式变换器采用局部集中式控制的结构示意图；
21.图3a为本技术提供的变换系统的一种主电路结构示意图；
22.图3b为本技术提供的变换系统的另一种主电路结构示意图；
23.图4为本技术实施例一提供的变换系统的结构示意图；
24.图5为本技术实施例二提供的具有单向环型网式信息传输结构的变换系统的结构示意图；
25.图6为本技术实施例二提供的具有双向环型网式信息传输结构的变换系统的结构示意图；
26.图7为本技术实施例三提供的具有链式生成树信息传输结构的变换系统的结构示意图；
27.图8为本技术实施例三提供的具有广播式生成树信息传输结构的变换系统的结构示意图；
28.图9为本技术实施例四提供的一种指令生成单元的控制原理示意图；
29.图10为本技术实施例四提供的另一种指令生成单元的控制原理示意图；
30.图11为本技术实施例五提供的另一种指令生成单元的部分控制原理示意图；
31.图12为本技术实施例五提供的一种差模电压环的控制原理示意图；
32.图13为本技术实施例五提供的另一种差模电压环的控制原理示意图；
33.图14为本技术实施例五提供的另一种差模电压环的控制原理示意图；
34.图15为本技术实施例六提供的控制方法的流程示意图；
35.图16为本技术提供的变换系统中各个功率变换器的桥臂电压、直流链电容的电压
以及第一端电流的示意图；
36.图17为本技术提供的变换系统中各个功率变换器的桥臂电压的差模分量、直流链电容的电压的差模分量的示意图；
37.图18为对比实施例的均压效果示意图；
38.图19为本技术实施例的均压效果示意图；
39.图20为本技术实施例中各个控制器的pwm载波示意图；
40.图21为本技术实施例五提供的另一种指令生成单元的部分控制原理示意图。
具体实施方式
41.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术中的附图，对本技术中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本技术保护的范围。
42.电力电子变换器是一种采用电力电子器件实现电能转换的器件，链式变换系统包括多个输入端串联的电力电子变换器(以下称为功率变换器)。由于链式变换系统的模块化程度高、可扩展性能好，因此被广泛应用于电力装置，例如：固态变压器(electronic power transformer，简称：ept)、静止无功补偿器(static var compensator，简称：svc)和中高电压大功率逆变器。
43.如图1和图2所示，在现有技术中，链式变换系统一般采用集中式控制或者局部集中式控制，集中式控制由中央控制器采集链式变换系统的输入端信号(输入电压vg和输入电流ig)和各个功率变换器的输出端信号(v
dc1
,v
dc2
,
…
,v
dcn
)，进行运算并向各个功率变换器输出脉冲调制信号(pulse width modulation，简称：pwm)，调制各功率变换器的输入电压(v
b1
,v
b2
,
…
,v
bn
)。局部集中式控制设有中央控制器和多个本地控制器，一个本地控制器控制一个功率变换器，由中央控制器采集输入端信号和各个功率变换器的输出端信号，进行运算并输出中间控制量，每个单元控制器根据中间控制变量和对应功率变换器的输出端信号生成pwm信号，pwm信号用于控制各功率变换器工作。
44.然而，不论集中式控制还是局部集中式控制，都设置有中央控制器控制，若中央控制器出现故障，链式变换器无法继续工作，可靠性低。
45.为解决现有技术中的上述问题，本技术提出了一种基于完全分布式的变换系统及其控制方法。该变换系统中无需使用集中控制器，仅为每个功率变换器配置对应的控制器，而且每个控制器仅需接收其他部分功率变换器的输出端直流电压。因此降低各个功率变换器之间的连线数量，进而可以提高链式变换系统的可靠性。
46.图4为本技术实施例一提供的变换系统的结构示意图。图4中的变换系统包括n个功率变换器和n个控制器。
47.其中，每个功率变换器包括第一端和第二端，n个功率变换器的第一端电性串联耦接，构成变换系统的主电路。n≥3，且n为正整数。
48.其中一种链式变换系统主电路结构如图3a所示，链式变换系统包括多个输入端串联的功率变换器，每个功率变换器的输出与负载(图中以r1至rn示出)连接。每个功率变换器包括h桥和电容，电容并联在h桥的直流端，h桥的交流侧作为功率变换器的交流侧，h桥的直
流侧作为功率变换器的直流侧。h桥中两桥臂的中点形成的端口为功率变换器的第一端，桥臂与电容并联形成的端口为功率变换器的第二端。当具有该结构的链式变换器用于与交流电源连接时，功率变换器的第一端作为输入端，功率变换器的第二端作为输出端。当链式变换器用于与直流电源连接时，功率变换器的第一端作为输出端，功率变换器的第二端作为输入端。
49.另一种链式变换系统主电路结构如图3b所示，每个功率变换器包括单个桥臂和电容，电容与桥臂并联，桥臂中点和桥臂一端构成功率变换器的第一端，桥臂两端构成功率变换器的第二端。该结构的链式变换系统仅能用于直流电源。当功率变换器的第一端作为输入端时，功率变换器的第二端作为输出端。当功率变换器的第二端作为输入端时，功率变换器的第一端作为输出端。
50.n个控制器与n个功率变换器一一对应，每个控制器接收对应的功率变换器的第一端电流和第二端电压。至少(n-1)个控制器中的每个控制器均接收仅反映变换系统中其他m个功率变换器第二端电压的邻居直流电压信号，1≤m≤(n-2)，且m为正整数。
51.也就是存在两种情况：第一种情况是，每个控制器都能接收邻居直流电压信号，并且接收对应的功率变换器的第一端电流和第二端电压。也就是在第一种情况中，每个控制器仅能获得剩余n-1个功率变换器中部分功率变换器的第二端电压(即邻居直流电压信号)，不能获得剩余n-1个功率变换器中全部功率变换器的第二端电压。
52.相应地，每个控制器的工作原理为：根据邻居直流电压信号、对应的功率变换器的第一端电流和第二端电压生成用于控制对应的功率变换器第一端电压的控制信号，进而实现对每个功率变换器的电压控制。
53.第二种情况是，(n-1)个控制器中的每个控制器均接收邻居直流电压信号，并且接收对应的功率变换器的第一端电流和第二端电压。剩余一个控制器仅接收对应的功率变换器的第一端电流和第二端电压。
54.在第二种情况中，在(n-1)个控制器中，每个控制器仅能获得剩余(n-1)个功率变换器中部分功率变换器的第二端电压(即邻居直流电压信号)，不能获得剩余(n-1)个功率变换器中全部功率变换器的第二端电压。
55.相应地，(n-1)个控制器中的每个控制器的工作原理为：根据邻居直流电压信号、对应的功率变换器的第一端电流和第二端电压生成控制信号，该控制信号用于控制对应的功率变换器第一端电压。剩余的第1个控制器根据对应的功率变换器的第一端电流和第二端电压生成用于控制对应的功率变换器第一端电压的控制信号。
56.在本技术实施例提供的变换系统中，采用全分布式控制，为每个功率变换器设置相应的控制器，无需设置集中控制器，当部分控制器出现故障时，剩余控制器可以继续工作，可靠性更高。另外，每个控制器仅接收相邻功率变换器的电压信号，无需获得其他所有功率变换器的电压信号，可以大大减少控制器之间连线数量以及控制器之间数据数量，进一步提高变换系统的可靠性。
57.下面继续描述本技术实施例二提供的变换系统，实施例二描述符合上述第一种情况的变换系统结构。
58.在实施例二中，n个控制器之间的信息传输结构为平衡图，例如单向环型网或者双向环型网。也就是各个控制器之间采用无领导模式通信。每个控制器作为平衡图中一个节
点，第1到第n个控制器分别对应节点1到节点n。对每个节点来说，流入节点的信息和流出节点的信息个数相等。
59.图5中n个控制器之间的信息传输结构为单向环型网，n个控制器依次连接，构成一个环。控制器之间的信号单向流动。节点1接收节点n发送的第n个功率变换器的第二端电压，也向节点2发送第1个功率变换器的第二端电压。节点1接收到的邻居直流电压信号中仅包含第n个功率变换器的电压信号，发送的信号中仅包含第1个功率变换器的电压信号。因此流入节点1的信息和流出节点1的信息个数都是1，所以节点1是一个平衡节点，依次类推，单向环型网中每个节点都是平衡节点。
60.图6中n个控制器之间的信息传输结构为双向环型网，n个控制器依次连接，构成一个环。控制器之间的信号双向流动。节点1接收节点n发送的第n个功率变换器的第二端电压和节点2发送的第2个功率变换器的第二端电压，向节点2和节点n发送第1个功率变换器的第二端电压。流入和流出节点1的信息个数都是2，节点1是一个平衡节点，依次类推，双向环型网中每个节点都是平衡节点。
61.需要说明的是，这里所指的信息传输结构不一定与硬件通信接线图一致，下面以硬件接线结构都是单向环型网络为例说明，节点n将自身的信息发给节点1，同时节点n将节点n-1发给它的信息再转发给节点1，那么节点1所收到的信息个数是2，此时，节点1也必须把自身的信息发给两个不同的节点才能形成平衡图，例如其中一个发给节点2，另一个经节点2转发给节点3，也就是当硬件接线结构都是单向环型网络，当前节点可以接收其他所有节点对应的功率转换器的第二端电压，也可以仅接收相邻节点对应的功率转换器的第二端电压，并不受控制器的硬件接线结构限制。
62.当n个控制器之间的信息传输结构为平衡图时，每个控制器都能接收邻居直流电压信号，并且接收对应的功率变换器的第一端电流和第二端电压。每个控制器均根据邻居直流电压信号、对应的功率变换器的第一端电流和第二端电压生成用于控制对应的功率变换器第一端电压的控制信号。
63.下面说明本技术实施例的工作原理：n个控制器之间的信息传输结构为平衡图，每个控制器都能接收邻居直流电压信号，并且接收对应的功率变换器的第一端电流和第二端电压。再根据接收到的上述信息生成控制信号，控制每个功率变换器的第一端电压，实现在完全分布式控制下变换系统的正常工作。
64.在本技术实施例提供的变换系统中，n个控制器之间的信息传输结构为平衡图，每个控制器都能接收反应其他控制器的电压的邻居直流电压信号，可以既接收到足够多的控制器的电压信息，同时又简化控制器之间连线关系。
65.下面继续描述本技术实施例三提供的变换系统，实施例三描述符合上述第二种情况的变换系统结构。
66.与实施例二不同之处在于，n个控制器之间的信息传输结构为生成树。也就是各个控制器之间采用领导-跟随模式通信。每个控制器作为生成树中一个节点，第一到第n个控制器分别对应节点1到节点n。在生成树中，从根节点出发能够连通所有剩余节点，生成树的根节点设定为领导(英文表示为leader)节点，其它节点设定为跟随(英文表示为follower)节点。
67.其中，n个控制器之间的信息传输结构为生成树时，n个控制器之间的信息传输结
构可以为链式或广播式。
68.图7中n个控制器之间的信息传输结构满足链式生成树，n个控制器之间依次连接，且不构成一个环，控制器之间的信号单向流动，也就是信号从根节点向下游节点流动。将没有信号流入的第一节点作为根节点。由于没有信号流入，根节点对应的控制器仅接收对应的功率变换器的第一端电流和第二端电压。剩余节点对应的控制器能接收邻居直流电压信号，并且接收对应的功率变换器的第一端电流和第二端电压。该邻居直流电压信号仅能反应处于上游节点的控制器对应的功率变换器的第二端电压。
69.图8中n个控制器之间的信息传输结构为广播式生成树，根节点对应的控制器与剩余(n-1)个控制器连接，根节点对应的控制器与其他控制器之间信号流动方向为单向，根节点对应的控制器仅接收对应的功率变换器的第一端电流和第二端电压。剩余节点对应的控制能接收邻居直流电压信号和对应的功率变换器的第一端电流和第二端电压。该邻居直流电压信号仅能反应根节点对应的功率变换器的第二端电压。
70.相应地，根节点对应的控制器根据对应的功率变换器的第一端电流和第二端电压生成用于控制对应的功率变换器第一端电压的控制信号。剩余节点根据邻居直流电压信号、对应的功率变换器的第一端电流和第二端电压生成用于控制对应的功率变换器第一端电压的控制信号。
71.在本技术实施例中，n个控制器之间的信息传输结构为生成树，除根节点之外的控制器都能接收邻居直流电压信号，并且接收对应的功率变换器的第一端电流和第二端电压。再根据接收到的上述信息生成控制信号，控制每个功率变换器的第一端电压。根节点则根据对应的功率变换器的第一端电流和第二端电压生成控制信息，控制根节点对应的功率变换器的第一端电压，实现在完全分布式控制下变换系统的正常工作。
72.在本技术实施例提供的变换系统中，n个控制器之间的信息传输结构为生成树，每个节点接收上游节点发送的邻居直流电压信号，可以减少控制器之间数据传输量，并简化控制器之间连线关系。
73.下面继续描述本技术实施例四提供的变换系统200，该系统包括n个功率变换器201和n个控制器202。
74.其中，每个功率变换器包括第一端和第二端，n个功率变换器的第一端电性串联耦接，构成变换系统的主电路。n≥3，且n为正整数。
75.n个控制器与n个功率变换器一一对应，每个控制器接收对应的功率变换器的第一端电流和第二端电压。至少(n-1)个控制器中的每个控制器均接收仅反映变换系统中其他m个功率变换器第二端电压的邻居直流电压信号，1≤m≤(n-2)，且m为正整数。
76.下面分别分析变换系统的稳定问题和电压均衡问题。
77.继续参考图3a，每个h桥为一个功率变换器。图中，功率变换器的第一端作为输入端，功率变换器的第二端作为输出端。ig为电网电流，亦即功率变换器的第一端电流，vg为电网电压，l为滤波电感，ci为第i个功率变换器的直流链(dc-link)电容，v
dci
为第i个功率变换器的直流链电压，亦即第i个功率变换器的第二端电压，v
bi
为第i个功率变换器的桥臂电压，亦即第i个功率变换器的第一端电压，i
dci
为第i个功率变换器的直流输出电流，亦即第i个功率变换器的第二端电流，pi为第i个功率变换器的直流侧输出功率，亦即第i个功率变换器的第二端功率。
78.当各功率变换器输出功率一致，电容电压一致，桥臂电压一致时，各功率变换器的输入均等的分摊电网电压。
79.根据电路可知如下单元功率平衡方程(1)：
[0080][0081]
其中：ei为第i个功率变换器的直流链电容的能量，
[0082]
可对公式(1)作如下共模和差模分解，上面n个方程求和并除以n可得共模功率平衡方程
[0083][0084]
其中，为直流链平均能量，为桥臂电压的共模分量，为输出功率共模分量。
[0085]
将公式(1)中n个方程分别减去共模方程可得如下差模功率平衡方程(3)：
[0086][0087]
其中，e
difi
＝e
i-e
com
为直流链差模能量，v
bdifi
＝v
bi-v
bcom
为第一端电压的差模分量，p
difi
＝p
i-p
com
为输出功率差模分量。
[0088]
包含网侧电流状态的共模电路方程如下式(4)所示：
[0089][0090]
转换系统能正常工作的前提是以上方程能达到稳态，即桥臂吸收的共模功率与输出的共模功率平衡，桥臂吸收的差模功率与输出的差模功率平衡。
[0091]
根据上式(4)，利用v
bcom
可以控制电网电流，从而控制流入所有功率变换器的总功率或共模功率。根据公式(3)可知，利用v
bdifi
可以控制差模功率。由于直流链电压反映了直流链电容的能量，可以通过直流链电压的闭环反馈控制来实现电路的稳定工作。
[0092]
级联h桥采用功率变换器串联应对中高压场合，每个功率变换器器件的电压应力由各自的直流链电压决定，为了防止单元过压，需要将n个直流链电压控成一致，这就是直流链均压问题，它是级联h桥控制的主要挑战。利用v
bdifi
可以控制差模功率，结合直流链电压的闭环馈实现直流链电压均衡。
[0093]
基于上述功率稳定问题和电压均衡问题分析，结合实施例一中两种情况，分别介绍控制器的控制原理。
[0094]
针对第一种情况，将n个控制器标记为(n-1)个控制器和第1个控制器，下面分别介
绍(n-1)个控制器和第1个控制器的具体控制原理。
[0095]
(n-1)个控制器中的每个控制器包括计算单元、指令生成单元以及调制单元。其中，计算单元用于根据邻居直流电压信号和对应的功率变换器的第二端电压计算得到局部共模信号。指令生成单元用于根据局部共模信号、对应的功率变换器的第一端电流和第二端电压生成控制指令，调制单元用于对控制指令进行调制处理生成控制信号。
[0096]
优选地，调制单元用于对控制指令进行载波移相调制生成控制信号，在通过对控制指令进行载波移相调制生成控制信号时，采用完全分布式控制可以减少各个功率变换器中加载延时，进而提高控制带宽。
[0097]
其中，计算单元对对应的功率变换器的第二端电压和m个其它功率变换器的第二端电压进行加权平均得到局部共模信号。由于每个控制器仅能获得剩余(n-1)个功率变换器中部分功率变换器的第二端电压，不能获得剩余(n-1)个功率变换器中全部功率变换器的第二端电压。相较于根据n个功率变换器的第二端电压计算得到共模信号，此处至多根据(n-1)个功率变换器的第二端电压计算得到局部共模信号。由于此处采用局部共模信号，无需获得其他全部功率变换器的电压，无需由中央控制器采集全部功率变换器的第二端电压，再根据全部功率变换器的第二端电压计算共模信号，使得本技术提供的变换器可以采用完全分布式控制。
[0098]
更具体地，根据如下公式计算得到局部共模信号：
[0099][0100]
其中，v
dccomi
表示局部共模信号，neb(i)表示节点i的邻居，也就是从节点i接收到的邻居直流电压信号中解析出来的电压对应节点，也就是若节点i收到节点j的信息，则称节点j为节点i的邻居。
[0101]
在公式(5)中，ρi为加权系数，ρi＞0，ρj＞0，优选ni为邻居个数。
[0102]
下面以链式生成树的传输结构和广播式生成树的传输结构为例说明得到局部共模信号过程。
[0103]
在链式生成树的传输结构中，节点1作为根节点，节点2到节点n作为跟随节点。每个跟随节点的紧邻的上游节点(i-1)为邻居节点，对于第2到第n个控制器，根据如下公式计算局部共模信号：
[0104][0105]
在广播式生成树的传输结构中，节点1作为根节点，节点2到节点n作为跟随节点。节点1作为节点2到节点n的邻居节点，对于跟随节点，根据如下公式计算局部共模信号：
[0106][0107]
在链式生成树和广播式生成树的传输结构中，第1个控制器包括指令生成单元和调制单元。第1个控制器对应跟节点。其中，第1个控制器中的指令生成单元用于根据对应的
功率变换器的第一端电流和第二端电压生成控制指令。调制单元用于对控制指令进行调制处理生成控制信号。
[0108]
下面分别介绍(n-1)个控制器和第1个控制器中指令生成单元的具体控制原理。当n个控制器之间传输结构为生成树时，跟随节点的控制原理图参考图9。根节点的控制原理图参考图10。
[0109]
更具体地，如图9所示，(n-1)个控制器中的指令生成单元包括共模电压环、电流环和差模电压环。共模电压环用于根据局部共模信号v
dccomi
和预设电压参考值v
dcref
生成给定信号i
dref
。电流环用于根据预设电流参考值i
qref
、给定信号i
dref
和对应的功率变换器的第一端电流ig生成共模指令v
bcomi
。差模电压环用于根据局部共模信号v
dccomi
、对应的功率变换器的第二端电压v
dci
和第一端电流ig生成差模指令v
bdifi
。指令合成单元用于对共模指令v
bcomi
和差模指令v
bdifi
进行运算并生成控制指令v
bi
。
[0110]
如图10所示，第1个控制器中的指令生成单元也包括共模电压环、电流环和差模电压环。共模电压环用于根据对应的功率变换器的第二端电压v
dci
和预设电压参考值v
dcref
生成给定信号i
dref
。电流环用于根据预设电流参考值i
qref
、给定信号i
dref
和对应的功率变换器的第一端电流ig生成共模指令v
bcomi
。差模电压环用于根据对应的功率变换器的第二端电压v
dci
和第一端电流ig生成差模指令v
bdifi
。指令合成单元用于对共模指令v
bcomi
和差模指令v
bdifi
进行运算并生成控制指令v
bi
。
[0111]
针对第二种情况每个控制器的具体控制原理与第一种情况中(n-1)个控制器的具体控制原理相同，可以参考图9。
[0112]
下面以信息传输结构为单向环型和双向环型这两种平衡图为例说明得到局部共模信号的过程。
[0113]
n个控制器之间的信息传输结构为单向环型，也就是节点中没有根节点。每个节点的紧邻的上游节点(i-1)为邻居节点，则根据如下公式计算局部共模信号：
[0114][0115]
n个控制器之间的信息传输结构为双向环型，每个节点的紧邻的上游节点(i-1)和下游节点(i 1)为邻居节点，则根据如下公式计算局部共模信号：
[0116][0117]
在本技术实施例中，每个控制器根据对应功率变换器的第二端电压和不超过(n-2)个的其他功率变换器的第二端电压，计算得到局部共模电压信号，再根据局部共模电压信号、对应功率变换器的第二端电压和第一端电流生成对应控制指令，无需由中央控制器采集全部功率变换器的第二端电压以获得共模电压信号，使得本技术实施例提供的变换系统可以实现完全分布式控制。
[0118]
下面继续描述本技术实施例五提供的变换系统200。该系统包括n个功率变换器201和n个控制器202。
[0119]
实施例五在实施例四基础之上，进一步描述指令生成单元的具体控制原理。如图11所示，共模电压环根据局部共模信号v
dccomi
、预设电压参考值v
dcref
和对应的功率变换器第
一端的有功电流前馈量生成给定信号i
dref
。根据有功电流前馈量生成给定信号，可以提高负载突变时的动态响应。电流环用于根据预设电流参考值i
qref
、给定信号i
dref
和对应的功率变换器的第一端电流ig生成共模指令v
bcomi
。
[0120]
其中，共模电压环包括第一减法器、比例单元和第一加法器。第一减法器用于将预设电压参考值v
dcref
减去局部共模信号v
dccomi
得到第四中间变量。比例单元用于将第四中间变量进行比例控制得到第五中间变量。第一加法器用于将第五中间变量和对应的功率变换器的有功电流前馈量if相加得到预设电流参考值i
dref
。
[0121]
其中，电流环包括第一乘法器、第二乘法器、第二减法器、第三减法器、第四减法器和比例准谐振控制器。第一乘法器用于将给定信号i
dref
和电网电压的相位的余弦相乘，得到第六中间变量。第二乘法器用于对预设电流参考值i
qref
和电网电压的相位的正弦相乘，得到第七中间变量。第二减法器用于将第六中间变量减去第七中间变量，得到第八中间变量i
ref
。第三减法器用于将对应的功率变换器的第一端电流ig减去第八中间变量i
ref
，得到第九中间变量。比例准谐振控制器用于对第九中间变量进行比例准谐振控制得到第十中间变量。第四减法器还用于将电网电压前馈量v
fg
减去第十中间变量得到共模指令v
bcomi
。
[0122]
由于每个控制器都采用电流环，而电路的电流只有一个，不能使得每个控制器都实现无静差控制，因此，电流环采用比例准谐振控制器(proportional quasi-resonant，简称：pqr)。
[0123]
其中，根据功率变换器的直流侧(第二端)的平均功率和交流侧(第一端)的电压幅值得到功率变换器第一端的有功电流前馈量，也就是根据如下公式(10)计算该有功电流前馈量。
[0124][0125]
其中，if表示有功电流前馈量，i
dccomi
表示直流链电容的电流的共模分量，v
dci
表示直流链电容的电压，v
gm
表示电网提供的交流电压幅值。
[0126]
其中，电网电压前馈量根据如下公式计算：
[0127][0128]
其中，m表示接收到邻居直流电压的数量，vg表示电网提供的交流电压。
[0129]
如图21所示，在一实施例中，还可以在图11所示的共模电压环基础上增加协调积分环节。更具体地，共模电压环根据局部共模信号v
dccomi
、预设电压参考值v
dcref
、本地积分信号和对应的功率变换器第一端的有功电流前馈量生成给定信号i
dref
。电流环用于根据预设电流参考值i
qref
、给定信号i
dref
和对应的功率变换器的第一端电流ig生成共模指令v
bcomi
。
[0130]
其中，共模电压环包括第一减法器、第一比例单元、第二比例单元、第六减法器、第三比例单元、第一加法器、第三加法器以及积分单元。第一减法器用于将预设电压参考值v
dcref
减去局部共模信号v
dccomi
得到第四中间变量。第一比例单元用于根据第一比例系数对第四中间变量进行比例控制得到第五中间变量。第二比例单元用于根据第二比例系数对第四中间变量进行比例控制得到第十一中间变量。第六减法器用于将局部共模积分信号int
comi
减去本地积分信号inti得到积分误差。第三比例单元用于根据第三比例系数对积分
误差进行比例控制得到第十二中间变量。第三加法器用于将第十二中间变量和第十一中间变量相加后得到第十三中间变量。积分单元用于对第十三中间变量进行积分控制后得到本地积分信号inti。第一加法器用于将第五中间变量、对应的功率变换器的有功电流前馈量以及本地积分信号相加得到预设电流参考值。
[0131]
其中，局部共模积分信号是对其他m个控制器中的共模电压环产生的本地积分信号和当前控制器中共模电压环产生的本地积分信号进行加权平均获得的，其他m个控制器是当前控制器的邻居控制器。
[0132]
电流环的结构同图11所示的共模电压环相同，此处不再赘述。
[0133]
通过在共模电压环上加上协调积分环节，可以消除共模电压环的稳态误差，从而提升控制器的控制准确性，提升变换系统的性能。
[0134]
下面以不同传输结构为例说明得到局部共模积分信号的过程。
[0135]
在链式生成树的传输结构中，节点1作为根节点，节点2到节点n作为跟随节点。每个跟随节点的紧邻的上游节点(i-1)为邻居节点，对于第2到第n个控制器，根据如下公式计算局部共模积分信号：
[0136][0137]
在广播式生成树的传输结构中，节点1作为根节点，节点2到节点n作为跟随节点。节点1作为节点2到节点n的邻居节点，对于跟随节点，根据如下公式计算局部共模积分信号：
[0138][0139]
在平衡图式的传输结构中，n个控制器之间的传输结构为单向环型，也就是节点中没有根节点。每个节点的紧邻的上游节点(i-1)为邻居节点，每个节点根据如下公式计算局部共模积分信号：
[0140][0141]
在平衡图式的传输结构中，n个控制器之间的信息传输结构为双向环型，每个节点的紧邻的上游节点(i-1)和下游节点(i 1)为邻居节点，每个节点根据如下公式计算局部共模积分信号：
[0142][0143]
如图12所示，差模电压环根据局部共模信号v
dccomi
、对应的功率变换器的第二端电压v
dci
、第一端电流ig和对应的功率变换器的差模电压前馈量vf生成差模指令v
bdifi
。其中，差模电压环具体包括：第五减法器、比例单元、电流方向判断单元以及第二加法器。
[0144]
第五减法器用于将局部共模信号v
dccomi
减去对应的功率变换器的第二端电压v
dci
并得到第一中间变量。比例单元用于将第一中间变量和比例系数kd相乘并得到第二中间变量。电流方向判断单元用于根据对应的功率变换器的第一端电流ig的方向得到中间数值，
并将中间数值和第二中间变量相乘得到第三中间变量。第二加法器用于将第三中间变量和对应的功率变换器差模电压前馈量相加得到差模指令。
[0145]
需要说明的是，可以不考虑差模电压前馈量，直接将第三中间变量作为差模指令输出。
[0146]
其中，根据直流侧(第二端)的差模功率和交流侧(第一端)电流幅值计算得到差模电压前馈量，具体根据如下公式计算差模电压前馈量：
[0147][0148]
其中，vf表示差模电压前馈量，i
dcdif
表示直流链电容的电流的差模分量，i
dcdifi
＝i
dci-i
dccomi
，i
dci
表示第i个功率变换器中直流链电容的电流，i
dccomi
为共模直流输出电流，其计算方式与共模电压一样，i
gm
表示所述对应的功率变换器第一端的电流幅值。
[0149]
其中，电流方向判断单元根据如下公式得到中间数值：
[0150][0151]
其中，电流方向判断单元根据如下公式得到第三中间变量：
[0152]
vz＝-kdv
dcdifi
sign(ig)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)
[0153]
其中，vz表示第三中间变量，v
dcdifi
＝v
dci-v
dccomi
，v
dcdifi
表示第i个功率变换器中直流链电容的电压的差模分量，kd表示比例系数。
[0154]
局部差模电压环是控制器中比较重要环节，涉及到变换系统中各个直流链电容的电压均衡。下面以单向环型通信的无领导模式为例说明局部差模电压环中比例控制参数的设计方法。
[0155]
首先，建立均压的数学模型
[0156][0157][0158][0159]
其中，l
ll
为laplace矩阵，与控制器之间通信架构有关，i
gm
为交流侧电流幅值，v
dc0
为直流链电容的电压额定值，c为直流链电容的电容值。
[0160]
然后，求出laplace矩阵l
ll
的特征值如下：
[0161]
[0162]
变换系统均压环稳定等价于如下n个开环传递函数对应的单位负反馈系数稳定。
[0163][0164]
于是，求得比例系数kd的稳定性范围如下：
[0165][0166]
其中，kd表示比例系数，τ表示通信时间间隔，i
gm
表示对应的功率变换器第一端的电流幅值，v
dc0
表示对应的功率变换器第二端电压的额定值，c表示对应的功率变换器中电容的电容量。优选地，
[0167]
由上述公式可知，通信延时越大，稳定性范围越小，功率变换器数量越多，稳定性范围越小，但随功率变换器个数增大的变化不明显。kd的取值应在稳定性范围中，具体由动态响应速度和稳定性折中设计。
[0168]
如图13所示，差模电压环还可以采用如下控制原理：减法器将局部共模信号v
dccomi
减去对应的功率变换器的第二端电压v
dci
并得到第一中间变量。比例单元将第一中间变量和比例系数kd相乘并得到第二中间变量。再由加法器将第二中间变量与对应的功率变换器的差模电压前馈量vf相加后，再次经过后级比例单元得到差模指令。其中，差模电压前馈量vf可以根据公式(16)计算得到。后级比例单元的比例系数是随着功率变换器的第一端电流变化的，具体为公式(25)中所示：
[0169][0170]
其中，k
t
表示后级比例单元的比例系数。
[0171]
作为可选方案，如图14所示，差模电压环还可以采用如下控制原理：减法器将局部共模信号v
dccomi
减去对应的功率变换器的第二端电压v
dci
并得到第一中间变量。比例单元将第一中间变量和比例系数kd相乘并得到第二中间变量。第二中间变量再次经过后级比例单元后，与对应的功率变换器差模电压前馈量vf相加后得到差模指令。后级比例单元的比例系数根据公式(25)确定。
[0172]
其中，图14中所示差模电压前馈量vf可以根据如下公式(26)计算得到。
[0173][0174]
在本技术实施例提供的变换系统中，为解决各变换器电流无法独立自由控制的问题，一方面在局部共模电压环中采用局部共模电压反馈，而不是每个变换器自身的电压，这样一定程度上使得各局部共模电压环的输出基本一致。另一方面，电流环采用有静差的控制器，例如比例控制、比例准谐振控制器等。不采用比例积分、比例谐振等完全消除静差的控制器。使得电流给定和电流反馈可以有一定的误差，以应对各变换器局部共模电压环输
出略有差异时，使各变换器的电流控制不会产生冲突。
[0175]
如图15所示，本技术实施例六还提供用于控制变换系统的控制方法，其中，变换控制系统结构参考上述实施例中描述。该控制方法包括：
[0176]
s1、至少(n-1)个控制器中的每个控制器均接收变换系统中仅反映其他m个功率变换器第二端电压的邻居直流电压信号。
[0177]
其中，n≥3，1≤m≤(n-2)，m和n为整数。也就是至少(n-1)个控制器中每个控制器仅能获得剩余(n-1)个功率变换器中部分功率变换器的第二端电压，不能获得剩余(n-1)个功率变换器中全部功率变换器的第二端电压。
[0178]
s2、至少(n-1)个控制器中的每个控制器根据邻居直流电压信号、对应的功率变换器的第一端电流和第二端电压，生成用于控制对应的功率变换器第一端电压的控制信号。
[0179]
其中，至少(n-1)个控制器中的每个控制器从邻居直流电压信号中解析出其他m个功率变换器第二端电压，并根据其他m个功率变换器第二端电压、对应的功率变换器的第一端电流和第二端电压生成控制信号，该控制信号用于控制对应的功率变换器第一端电压。
[0180]
在本技术实施例提供的控制方法中，每个控制器无需获得剩余所有功率变换器的电压，可以大大减少控制器之间连线数量以及控制器之间数据数量，进一步提高变换系统的可靠性性。
[0181]
本技术实施例七还提供用于控制变换系统的控制方法，其中，变换控制系统结构参考上述实施例中描述。该控制方法包括：
[0182]
s10、至少(n-1)个控制器中的每个控制器均接收变换系统中仅反映其他m个功率变换器第二端电压的邻居直流电压信号。
[0183]
其中，该步骤已经在s1中详细说明，此处不再赘述。
[0184]
s20、至少(n-1)个控制器中的每个控制器根据邻居直流电压信号、对应的功率变换器的第一端电流和第二端电压，生成用于控制对应的功率变换器第一端电压的控制信号。
[0185]
其中，生成控制信号过程具体包括s11至s13。
[0186]
s11、根据邻居直流电压信号和对应的功率变换器的第二端电压，计算得到局部共模信号。
[0187]
其中，对m个其它功率变换器的第二端电压和对应的功率变换器的第二端电压进行加权平均得到局部共模信号。优选地，每个第二端电压的权重值相等，且为1/n。
[0188]
每个控制器仅能获得剩余(n-1)个功率变换器中部分功率变换器的第二端电压，不能获得剩余n-1个功率变换器中全部功率变换器的第二端电压。相较于根据n个功率变换器的第二端电压计算得到共模信号，此处至多根据(n-1)个功率变换器的第二端电压计算得到局部共模信号。
[0189]
s12、根据局部共模信号、对应的功率变换器的第一端电流和第二端电压生成控制指令。
[0190]
其中，生成控制指令过程具体包括s121至s124。
[0191]
s121、根据局部共模信号和预设电压参考值生成给定信号。
[0192]
其中，将预设电压参考值减去局部共模信号后进行比例控制，再将比例控制结果与对应的功率变换器的第一端有功电流前馈量叠加得到给定信号i
dref
。
[0193]
在一实施例中，s21具体包括如下步骤。将预设电压参考值减去局部共模信号得到第四中间变量。根据第一比例系数对第四中间变量进行比例控制得到第五中间变量。根据第二比例系数对第四中间变量进行比例控制得到第十一中间变量。将局部共模积分信号减去本地积分信号得到积分误差。根据第三比例系数对积分误差进行比例控制得到第十二中间变量。将第十二中间变量和第十一中间变量相加后得到第十三中间变量。对第十三中间变量进行积分控制后得到本地积分信号。将第五中间变量、对应的功率变换器的有功电流前馈量以及本地积分信号相加得到给定信号i
dref
。其中，局部共模积分信号是对其他m个控制器中的共模电压环产生的本地积分信号和当前控制器中共模电压环产生的本地积分信号进行加权平均获得的，其他m个控制器为当前控制器的邻居控制器。
[0194]
s122、根据局部共模信号、对应的功率变换器的第二端电压和第一端电流生成差模指令。
[0195]
其中，将局部共模信号v
dccomi
减去对应的功率变换器的第二端电压v
dci
后进行比例控制，并根据比例控制后结果与根据对应的功率变换器的第一端电流ig方向得到系数相乘，将相乘后的结果和对应的功率变换器差模电压前馈量相加得到差模指令。
[0196]
s123、根据预设电流参考值、给定信号和对应的功率变换器的第一端电流生成共模指令。
[0197]
其中，生成共模指令具体包括：根据预设电流参考值i
qref
和给定信号i
dref
得到电流参考值i
ref
，将电流参考值i
ref
与对应的功率变换器的第一端电流相减后，进行比例准谐振控制，再将进行比例准谐振控制后的结果与对应的功率变换器的第一端电压的1/m进行相减，得到共模指令。
[0198]
s124、对共模指令和差模指令进行运算并生成控制指令。
[0199]
s13、对控制指令进行调制处理生成控制信号。
[0200]
其中，对控制指令进行载波移相调制生成控制信号。
[0201]
在本技术实施例提供的控制方法中，由于采用局部共模信号，无需获得其他功率变换器的电压，无需由中央控制器采集全部功率变换器的电压，再根据全部功率变换器的电压计算共模信号，使得本技术提供的变换器可以采用完全分布式控制。
[0202]
下面结合具体实施例重点描述本技术实施例提供的变换系统以及控制方法有益效果。
[0203]
以信息传输结构为单向环型网为例，3个功率变换器级联。如图16和图17所示，在0.2s之前，各功率变换器负载电流均为3a，在0.2s后，第2个功率变换器负载变为2a，第3个功率变换器负载电流变为4a。仿真得到的直流链电容电压(功率变换器的第二端电压)、桥臂电压(功率变换器的第一端电压)、电网电流(功率变换器的第一端电流)波形分别如图16所示。桥臂电压的波形与直流链电容电压及电流之间满足差模控制方程式所对应的关系，例如，在0.2s到0.21s之间时间段里，电流符号为正，桥臂电压的差模分量和直流链电容电压差模分量满足比例关系。
[0204]
在3个功率变换器级联的部分分布式的变换系统中，集中控制器向各个单元控制器发送共模电压信号，通信延时影响控制带宽。通信延时变大时，控制带宽只能降低，控制性能下降，响应变慢。如图18所示，直流链电容电压波形，采用的控制周期为100μs，直流链电容电压给定值为1580v。当通信延时200μs时，部分分布式的电压动态响应变慢，收敛时间
大于0.03s，静差变大，偏离1580v很大。
[0205]
而本技术中提供的完全分布式的变换系统中，局部共模电压环、电流环以及局部差模电压环均在每个功率变换器对应的控制器中实现，不受通信延时的影响，通信延时仅能影响差模均压环的控制速度。如图19所示，直流链电容电压波形，偏离1580v较小，收敛时间小于0.025s，与图18相比，显然具有更好的动态响应，具有更小的静差。
[0206]
变换系统通常采用载波移相方式形成较高的等效开关频率，进而根据控制指令生成控制信号。例如：每个功率变换器的开关频率为f，n个功率变换器的等效开关频率可达2nf。若采用集中式控制中，则集中控制器需要控制频率为2nf才能达到每个功率变换器以控制频率f进行控制的效果。随着功率变换器开关频率提高或功率变换器数目的增多，集中式控制需要越来越短的控制周期。集中式控制器理想的控制周期teq为功率变换器开关周期的1/(2n)，难以应对高频化的需求。
[0207]
如图20所示，每个三角波表示对应功率变换器的装载信号，每个功率变换器都只能在自己的载波过零点装载控制输出，若采用集中控制，只有第1个功率变换器能立即装载，其它功率变换器都自能在各自的载波过零处才能装载，集中式控制的平均控制延时达到tc2 tf/2，tc2为共模电压环的控制计算时间，tf为载波周期。若采用完全分布式控制，每个功率变换器都在自己的载波过零点之前计算控制量，再装载调制，能降低电流环控制延时，分布式的控制延时仅为tc1 tf/2，tc1为电流环的控制计算时间。通过降低电流环控制延时可以提高带宽，例如：当tc1＝tf/2，则由于延时的降低，控制带宽可提高30％以上。
[0208]
总之，本发明提供一种完全分布式控制的变换系统，无需高性能高成本的集中控制器，使得变换系统控制彻底模块化，可灵活配置变换系统中功率变换器个数，以应对不同的电压等级，具有很好的扩展性。相比集中式控制方案，减少了控制器的单点失效风险。相比现有的集中式控制或部分分布式控制方案，分布式控制降低了对通信延时的要求，可以降低通信成本。分布式控制采用就地控制，大大降低了对芯片运算能力的要求，尤其是应用在载波移相模式下，可大幅度提高电流环和共模电压环的响应速度。另外，本发明采用局部信息替代全局信息，只需要接收到邻居功率变换器的电压，则可以进行控制，而无需接收到所有其它功率变换器的电压，因此降低了对通信带宽的需求。
[0209]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本技术进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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技术各实施例技术方案的范围。