WO2022000010A1 - Model-predictive control of a power converter - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a method for regulating a converter, preferably a multi-stage converter, which supplies an electrical load with electrical energy, a switching stage having a number of switching branches being connected to a DC voltage intermediate circuit with at least one capacitor, a plurality of semiconductor switches in each switching branch are connected in series and each switching strand is connected in parallel to the DC voltage intermediate circuit, whereby an output voltage of the converter is generated by switching the semiconductor switch of the switching stage of the converter, and the switching positions of the semiconductor switches of the switching stage to be set as manipulated variables of the control of the converter in each time step of the control can be determined with a model predictive regulation by regulating a cost function as a function of a time curve of at least one in each time step of the regulation the controlled variable of the converter and / or the electrical load, which is dependent on the manipulated variables, is optimized over a predetermined prediction horizon N p > 1 in order to determine the optimal manipulated variables that are set on the semiconductor switches of the switching stage.
- the invention also relates to a converter with model
- An inverter is a power converter that converts direct voltage (DC) from a direct voltage source into single or multi-phase alternating voltage (AC).
- a DC / DC converter is a power converter that converts a direct voltage into another direct voltage.
- the DC voltage to be converted in the converter is usually provided by a DC voltage intermediate circuit which is connected to a DC voltage source.
- the DC voltage source can be an energy store, but also the output of an AC / DC or DC / DC converter.
- the converter can also be implemented as a rectifier for converting an alternating voltage into a direct voltage.
- Such converters use a switching stage with a number of switching strings, for example in the form of half bridges, with semiconductor switches, such as transistors, for conversion.
- the semiconductor switches of the switching stage are controlled in such a way that the desired output voltage of the converter is generated.
- Inverters are used, for example, to operate an electric motor, such as an asynchronous machine, in that the inverter generates the electric drive voltages for the drive windings of the electric motor.
- Rectifiers or DC voltage converters are used, for example, to generate a required DC voltage output voltage, for example in a battery tester to generate an electrical load for a battery, or a battery emulator to simulate a battery.
- a high switching frequency of the semiconductor switches in the switching stage of the inverter is advantageous because it can increase the efficiency of the converter. Fast switching operations of the switching elements can reduce switching losses and enable high switching frequencies.
- semiconductor switches with a large band gap for example based on gallium nitride (GaN) or silicon carbide (SiC), allow high switching frequencies.
- GaN gallium nitride
- SiC silicon carbide
- the shorter switching times increase the loads on the passive electrical switching elements of the converter, such as switching elements in filters, due to the higher steepness of voltage and current edges that occur over time in the voltage and current.
- the electromagnetic emissions of the converter are also increased due to the higher switching frequencies and shorter switching times.
- These disadvantages can be reduced by using special topologies of the inverter, such as multi-stage converters (so-called multi-level converters) or converters with several interleaved strings per phase (so-called interleaved converter).
- Multi-stage converters use topologies that enable more than two voltage levels at the output of each half-bridge of the switching stage.
- Converters with several nested strings per phase use several half bridges per phase of the AC voltage or the DC voltage at the output, which are connected to one another.
- a three-phase converter with six half bridges (two per phase) can be implemented.
- the semiconductor switches of the interconnected half bridges are switched in a time-staggered manner ("nested” or "interleaved”).
- Such topologies are well known.
- the load on the capacitors of the DC voltage intermediate circuit cannot be reduced, especially at high switching frequencies.
- the switching of the semiconductor switching elements in the switching stage is expressed in an alternating component (ripple current) in the current of the DC voltage intermediate circuit.
- This alternating component loads the capacitors of the DC voltage intermediate circuit, which is particularly noticeable in the heating of the capacitors.
- This thermal load limits the performance limit (in terms of the available electrical power) and reduces the service life of the capacitors or makes correspondingly large capacitors necessary.
- the semiconductor switches of the switching stage of the converter can be switched at least once per time step of the regulation of the converter (typically in the 10ps to 100ps range). This results in a limited number of possible switching states of the semiconductor switches of the converter. This limited number of possible switching states can be used for control, for example in a model predictive control with a finite control quantity (Finite Control Set Model Predictive Control (FCS-MPC)).
- FCS-MPC Finite Control Set Model Predictive Control
- a model predictive control (MPC) generally calculates the future optimal temporal progression (usually in discrete time form) of a manipulated variable (also as a vector of several manipulated variables) with which the controlled system (e.g. an electric motor or an electrical load) is calculated in each time step of the control.
- the manipulated variables are, for example, the switching positions of the semiconductor switches of the switching stage of the converter.
- the next future manipulated variable is used to regulate the controlled system and the others are discarded (principle of the receding horizon). This is repeated in every time step of the control.
- a cost function is used as a function of the manipulated variable over the prediction horizon, which is optimized (usually minimized) according to the manipulated variables.
- the cost function can contain various cost terms that evaluate certain control objectives.
- Typical control objectives are a minimal deviation of an actual variable from a target variable (for example a torque of an electric motor or an output voltage), a limitation of the number of switching operations of the semiconductor switching elements or a limitation of the output currents or the deviations of the individual output currents from one another (current balancing).
- a target variable for example a torque of an electric motor or an output voltage
- By optimizing the cost function one obtains the optimal temporal course of the manipulated variable over the prediction horizon.
- An FCS-MPC of a DC / DC converter is described, for example, in WO 2015/154918 A1. With such an FCS-MPC, however, the thermal load on a capacitor of a DC voltage intermediate circuit cannot be reduced.
- the cost function contains a cost term J d (x) which minimizes an alternating component of an electrical intermediate circuit current flowing via the at least one capacitor of the DC voltage intermediate circuit.
- the optimal manipulated variables are therefore the manipulated variables that minimize the value of the cost function.
- the cost function is advantageously optimized in such a way that the associated time profiles of the controlled variables are determined with a prediction model for the various possible time profiles of the manipulated variables over the prediction horizon and the value of the cost function is determined for each of these time profiles of the controlled variable and that from the time Course of the manipulated variable that is assigned to the temporal course of the controlled variable, which minimizes the value of the cost function, the optimal manipulated variables are determined.
- This is particularly advantageous with an FCS-MPC.
- a cost term that minimizes the alternating component is particularly advantageous in connection with a multilevel converter. Due to the more than two voltage levels at the output of a switching section of the switching stage of the converter, there are more degrees of freedom for the regulation, with which the goal of minimizing the AC component can be achieved without impairing the load regulation (i.e. regulation of the output voltage or the output current).
- the additional degrees of freedom result from the fact that there are several switching combinations that lead to the same voltage level (which is required for load control) at the output of a switching section. In this way that switching combination can be selected which is advantageous in terms of minimizing the alternating component. This selection is made by the model predictive control.
- the alternating component of the intermediate circuit current is not a periodic variable, but rather resembles a noise
- the alternating component is advantageously evaluated with a statistical measure for the intermediate circuit current, for example as a variance or a standard deviation of the intermediate circuit current. This can be done easily and with little computing effort.
- the cost function contains, in particular, a further cost term which evaluates a deviation of at least one setpoint variable for a controlled variable from the actual value of the associated controlled variable.
- a further cost term is preferably used in the cost function, which is the differential current as the difference in the electrical currents at the outputs of the Switching branches limited.
- the cost function is the differential current as the difference in the electrical currents at the outputs of the Switching branches limited.
- current balancing can be implemented in order to keep the difference in the string currents in a desired difference band or to minimize it. If a nested choke is used, this can also prevent the nested choke from becoming saturated.
- the differential current can be measured particularly easily with a measuring arrangement in the form of a bridge circuit, in which a first bridge branch with a series connection of two resistors is connected between the outputs of the chokes of the switching sections and a second bridge branch with a series connection of two measuring resistors between the outputs of the chokes of the switching lines is connected, a midpoint between the two resistors of the first bridge branch is connected to a shunt branch of the bridge circuit with a common output terminal between the two measuring resistors of the second bridge branch, and the electrical voltage applied to the two measuring resistors of the first bridge branch, which is proportional to the differential current is measured.
- a further measuring sensor can be connected in the shunt arm of the bridge circuit, which measures an electrical voltage that is proportional to the total current as the sum of the two phase currents. This means that the total current can be measured just as easily at the same time.
- FIGS. 1 to 7 show exemplary, schematic and non-limiting advantageous embodiments of the invention. It shows
- Fig. 1 the basic structure of a converter
- FIG. 2 shows an example of a single-phase converter with nested switching branches
- FIG. 3 shows a nested choke
- a converter 1 as shown schematically in FIG. 1, generally consists of a switching stage 11 with a number n of switching lines SLn, each switching line SLn having a plurality m of semiconductor switches HSnm.
- a switching section SLn is usually designed in the form of a half bridge. At least one switching section SLn is provided for each phase of the output voltage v a.
- the existing switching lines SLn are connected in parallel to a DC voltage intermediate circuit 12, which consists of at least one Intermediate circuit capacitor C dc exists.
- the DC voltage intermediate circuit 12 is applied in parallel to the DC voltage input voltage V dC .
- the DC voltage intermediate circuit 12 arranged a plurality of serially connected intermediate circuit capacitors C dc, so that the input voltage V dC is divided accordingly on the intermediate circuit capacitors C dc.
- the string output voltage v sn which is usually smoothed in a choke L, is tapped between two semiconductor switches HSnm of a switching string SLn (high-side and low-side switch).
- the string output voltage v sn can also be an output voltage v a of the converter 1 at the same time.
- filter circuits (not shown) consisting of electrical components such as resistors, inductors, capacitors in any connection can be provided.
- the semiconductor switches HSnm are regulated by a control unit 13 (only indicated in FIG HSnm can be set so that the output voltage v a assumes a desired value, usually given as a time curve.
- the control unit 13 is therefore given a setpoint value SW of the regulation.
- the setpoint value SW can also depend on the electrical load 2. For example, in the case of an electrical machine, it is customary to specify a torque or a speed of the machine as a setpoint value.
- a time profile of the output voltage v a for example a sinusoidal voltage profile with a specific amplitude and phase (in the case of a polyphase output voltage v a ) or a specific DC voltage, can also be specified.
- FIG. 2 shows a topology of the converter 1 with a plurality of interleaved switching strings SL1, SL2 per phase of the output voltage v a .
- the outputs of the switching lines SL1, SL2 routed via chokes L are connected to one another and form the voltage output of one phase of the converter 1. It can also be provided that the outputs are first connected and then routed via a choke L. In the case of several phases of the output voltage v a , correspondingly more switching branches SLn would be provided, which can also be connected to one another to form nested branches.
- the chokes L of interleaved switching branches SLn can be designed as nested chokes 14, as shown in FIG.
- the individual chokes L are wound with opposing windings on a common core. This allows output voltages v a to be realized with more than two voltage levels, V for example de (if leakage inductances and losses are neglected 2 of the nested choke 14) in a topology as shown in FIG.
- V voltage level
- a multi-stage converter is thus obtained.
- at least two switching branches SLn can also be interleaved with one another via a nested choke 14 according to FIG.
- a multi-stage converter can also be implemented by providing more than two series-connected semiconductor switches HSnm per switching strand SLn, as shown in an exemplary embodiment in the form of a two-phase multi-stage converter in FIG.
- the power converter 1 shown has two switching branches SLn, each with four semiconductor switches HSnm connected in series. Two semiconductor switches HSnm in each case form a switch group, the branch output voltage v sn being tapped between the two switch groups of a switching branch SLn.
- the center point between the semiconductor switches HSnm of a switch group is in each case switched to the zero point between the two intermediate circuit capacitors C dc of the DC voltage intermediate circuit 12 via a diode.
- semiconductor switches such as transistors, can also be provided. This also allows the string output voltage v sn to be three
- a prediction model 3 is implemented in a control unit 13, which shows the course of at least one variable x p to be controlled of the controlled system (hereinafter referred to as a controlled variable), for example a state variable of the converter 1 or the electrical load 2, over a predetermined prediction horizon N p ( k + 1, k + 2, ..., k + N p in discrete time notation).
- the time-discrete time step is denoted by k, whereby according to the usual notation k stands for current values, (k + ...) for future values and (k -%) for past values.
- the time step with which the prediction horizon N p is discretized usually (but not necessarily) coincides with the time step of the regulation, so that the prediction horizon N p specifies how many time steps the regulation is expected to be in the future.
- the controlled variable x p is usually a vector that contains various controlled variables x p that are combined in the vector.
- the controlled variable x p can be dependent on the electrical load 2.
- the controlled variable could be a torque of the electrical machine, or a magnetic stator flux, or also several different variables.
- state variables of the converter 1 can also be used as control variables x p , also in addition to the state variables of the electrical load 2.
- an electrical intermediate circuit current i d flowing in the DC voltage intermediate circuit 12 is used as the control variable x p , as will be explained in more detail below executed.
- the current output variable y (k) of the regulated converter 1 for example an output voltage v a or an output current i a , is available to the prediction model 3.
- the electrical phase currents in the chokes L of a nested choke 14 according to FIG. 3 can also be used as the output variable y (k).
- the output variable y (k) also depends on the prediction model 3.
- the output variable y (k) can also be a vector of different sizes.
- the output variable y (k) is usually measured and is available as a measured value.
- other current state variables x (k) of the converter 1, for example a phase current i sn , and / or the electrical load 2, for example a speed of an electric motor can also be available, for example again in the form of measured values.
- the prediction model 3 determines the controlled variables x p for various input variables u p .
- the input variables u p of a converter 1 are the switching positions S of the semiconductor switches of the switching stage of the converter 1 and thus the manipulated variables of the control.
- the number of possible input variables u p is thus limited by the number of semiconductor switches HSnm of the switching stage. If N denotes the number of possible combinations of switch positions, then, up to N calculated controlled variables x p as a function of the N input values u p (indicated in Figure 5).
- the optimization unit 4 is also supplied with setpoint variables SW of the control system. Which setpoint values SW are required can in turn depend on the design of the converter 1, on the electrical load 2 and / or on the regulation objective and can vary.
- the cost function J is optimized in the optimization unit 4 (usually minimized, but maximization is also possible). This essentially means that the value of the cost function J is determined with all the determined control variables x p.
- the optimal controlled variables x p, opt are those controlled variables x p that result in the minimum (or maximum) value of the cost function J.
- the input variables u p that are assigned to these optimal controlled variables x p, opt are the optimal input variables u opt that are used to control the converter 1. These input variables u ot are set in the next time step (k + 1) of the control with the converter 1.
- the prediction model 3 is used to determine a time profile of the controlled variables x p over the prediction horizon N p , then the value of the cost function J is determined with this time profile. From that temporal course of the controlled variable x p over the prediction horizon N p that yields the smallest (or largest) value of the cost function J, the controlled variable of the temporal course that is closest to the current point in time is used as the optimal controlled variable x p, opt . This again results in the associated optimal input variables u opt.
- the control unit 13, the optimization unit 4 and the prediction model 3 can be implemented as microprocessor-based hardware, for example as a computer or digital signal processor (DSP), on the corresponding software for performing the respective function is carried out.
- the control unit 13, the optimization unit 4 or the prediction model 3 can also be an integrated circuit, for example an application-specific integrated circuit (ASIC) or a field programmable gate array (FPGA), also with a microprocessor.
- ASIC application-specific integrated circuit
- FPGA field programmable gate array
- the control unit 13, the optimization unit 4 and the prediction model 3 can, however, also be implemented as an analog circuit or an analog computer. Mixed forms are also conceivable. It is also possible that different functions are implemented on the same hardware, for example the optimization unit 4 and / or the prediction model 3 as software on the control unit 13, which is implemented as microprocessor-based hardware or an integrated circuit.
- the cost function J (x p ) usually contains at least one cost term Jsw (x P ) in a known manner, which evaluates a deviation of at least one specified target variable SW for a controlled variable x p from the associated controlled variable x p , i.e. from the actual value of the controlled variable x p .
- the actual value can be measured, for example, or can also be calculated by the prediction model 3.
- the deviation can be as simple
- Difference or the amount of the difference can be evaluated, i.e. as a ⁇ norm.
- SW -x ( ⁇ 2 norm).
- Other standards are also possible.
- the cost term Jsw can be the sum of the individual cost terms Jsw at the respective times
- the torque T e of the electric motor or a speed n e of the electric motor can be specified as a setpoint value SW.
- the actual values of the torque or the speed are then determined as controlled variables x p (depending on the possible input variables u p ).
- a stator flux y d can also be used as the setpoint value SW, for example in order to avoid magnetic saturation of the stator teeth.
- the actual values of the stator fluxes would then be determined as a controlled variable x p as a function of the possible input variables u p .
- the cost function J (x p ) contains a cost term J d (x) which evaluates the alternating component i d, A c of the total intermediate circuit current i d flowing in the DC voltage intermediate circuit 12.
- the entire intermediate circuit current is i d composed of the current flowing in the upper and lower branch of the intermediate circuit electricity.
- the intermediate circuit current i d is accordingly the sum of the electrical phase currents i sn taken from the intermediate circuit 12 by the switching branches SLn of the switching stage 11. Because of the high switching frequencies of the semiconductor switches HSnm of the switching stage, the intermediate circuit current i d can also change at high frequencies. This leads to high-frequency recharging processes on the intermediate circuit capacitors C dc and thus to a thermal load on the intermediate circuit capacitors C dc . According to the invention, this alternating component i d, A c should be minimized, which is done with the cost term J d (x) in the cost function J (x p).
- the alternating component i d, A c of the intermediate circuit current i d as a controlled variable x p can of course be evaluated in the most varied of ways.
- a very simple approach would be to evaluate the distance between the maximum and minimum amplitudes of the intermediate circuit current i d , possibly also as an amount or as a square.
- statistical measures can also be used for evaluation.
- a statistical measure is applied to the intermediate circuit current i d, for example a variance or a standard deviation.
- a mean value of the intermediate circuit current i d over time could be used as the expected value and the deviation of the intermediate circuit current i d from the expected value could be assessed, which leads to the variance.
- the standard deviation then results from the square root of the variance.
- Length N d which corresponds to the effective value of the alternating component i d, A c of the intermediate circuit current i d in this time window.
- the prediction model 3 would determine the intermediate circuit current i d as the controlled variable x p .
- the number N d of past current values could be stored in a memory, for example the control unit 13 or the prediction model 3.
- the cost term J d can be the sum of the individual cost terms Jsw at the respective times k + 1,
- J sat to be formulated which is particularly important has shown greater measurement noise to be advantageous.
- the parameter A sat is advantageously chosen large enough that this cost function J sat is heavily included in the value of the cost function J (x p ) if the condition is violated, so that input variables u p that can lead to saturation are reliably excluded.
- a Other links can be used, in particular also a non-linear combination of the cost terms J sat at the respective points in time.
- the differential currents (i si - i S 2) of a converter with several interleaved switching lines, also in the form of a multi-stage converter, i.e. the difference between the switching lines connected via the chokes L of the phase currents i si , i S 2, can be included in a cost term J bai (x) of the cost function J are taken into account, for example for power balancing.
- the difference can in turn in the cost term as a simple difference or as a norm of the difference ( ⁇ -norm or ⁇ 2 -norm)
- the differential currents (i si - i S 2) occur in this cost term J sat. These can advantageously be determined, specifically measured, with a measuring arrangement 15 in the form of a bridge circuit according to FIG.
- a first branch of the bridge connects the outputs of the two chokes L of the nested choke 14 with a series circuit of resistors RMI, RM2. This connection can consist of two symmetrical resistors R M 2 which are connected in series.
- a second bridge branch connects the outputs of the two chokes L of the nested choke 14 via preferably low-resistance measuring resistors R M 3 (usually a few mQ) to a common output terminal BP of the respective phase of the converter 1.
- the measuring resistors R M 3 should have significantly lower resistance values than the Resistances R M 2 of the first bridge branch to ensure that the current in the first bridge branch is negligibly small.
- a compensating factor can be implemented in a higher-level evaluation logic according to the current distribution.
- a voltage sensor MS1 can be switched via the resistors R MI of the first bridge branch, the voltage thus measured being proportional to the differential current (i si - i S 2).
- another voltage sensor MS2 can be used to measure a voltage that is proportional to the total current (i si + i S 2).
- An advantage of this measuring arrangement 15 is that the input voltage ranges of the respective voltage sensors MS1, MS2 can be selected separately for the expected differential or total currents by selecting the resistance values for the resistance values RMI, RM3.
- the measured voltage in the first bridge branch can be over an additional voltage divider can be scaled down via the resistors RMI before it is fed to the voltage sensor MS1.
- Such a measuring arrangement 15 can of course also be used in the case of nested switching branches SL1, SL2 of a converter 1 without nested choke 14 (for example as shown in FIG. 2).
- the individual cost terms of the cost function J (x p ), or just certain cost terms, can also be weighted by a weighting factor A.
- the weighting factor can then be used to give preference to a specific control objective over others, for example a higher control accuracy through a high weighting factor Asw for the cost term Jsw and a low weighting factor A d for the cost term J d , or vice versa.
- the cost function J (x p ) can then be defined, for example, as follows, with optional terms being given in square brackets. Usually, at least the cost function Jsw is also taken into account.
- This cost function J (x p ) is optimized (minimized or maximized), that is, that controlled variable x p is used as the solution of the optimization which gives the optimal (smallest or largest) value of the cost function J (x p ).
- This controlled variable x p is assigned an input variable u p which led to the controlled variable x p .
- This input variable is used as the optimal input variable u opt for the regulation and is used in the next time step (k + 1) in order to control the converter 1 with it.
- boundary conditions g (x p ) can also be taken into account, which are usually formulated as inequalities, for example g (x p ) ⁇ g max.
- the implementation of the optimization will take a certain amount of time, which can also be longer than a time step of the control. This can have the consequence that the determined optimal input variable u opt no longer relates to measured values at time (k), but to previous measured values at time (k-1).
- the controller lags behind the controlled system by one time step. This can have a negative impact on the control quality. Time compensation can therefore be provided.
- the input variable u p (k) at the current point in time (k), which is known, can be used to calculate the predicted controlled variable x p (k + 1) with the prediction model 3.
- the prediction model 3 With this predicted controlled variable x p (k + 1) and the N or up to N Np possible input variables u p (k + 1) that can be applied at the point in time (k + 1), the prediction model 3 can be used resulting N or up to N N Np Controlled variables x p (k + 2) can be determined.
- the optimization can be carried out as described above in order to determine the optimal input variable u ot (k + 1), which is then applied to the converter 1 for the next time step (k + 1).
- the converter 1 in the respective topology and the electrical load 2 are to be mathematically described by system equations, as exemplified by the example of a converter 1 according to FIG. 2 with a nested choke 14 according to FIG. 3 and an asynchronous motor as electrical load 2 is explained.
- the nested choke 14 can be modeled with an equivalent circuit diagram as shown in FIG. 6, with the leakage inductances I_i s , I_2 s known for the choke 14, the known mutual inductance M and the known loss resistances R1, R2. the
- Input voltages vio, V20 can depending on the switch position of the semiconductor switch HSnm die
- the output voltage v a can also assume the value zero.
- a discrete-time formulation of the system equations is required. This can be obtained simply by applying the Euler forward method by adding the differential quotients dx / dt in the system equations by [x (k + 1) -x (k)] / T with the specified sampling time T and the instantaneous values x (t ) can be replaced by x (k).
- another discretization method can also be used. This leads to the following discrete-time system equations.
- system equations are supplemented by the system equations of the electrical load 2. These are well known for generally used electrical loads 2, such as an asynchronous machine.
- the torque T e of an asynchronous machine can be described, for example, with the following system equation in the stator-fixed ab coordinate system.
- the number of pole pairs z p , the mutual inductance M sr , the stator inductivity L s , the rotor inductance L r and the scatter coefficient c are known parameters of the asynchronous machine.
- Y describe the magnetic fluxes in the rotor (index r) and in the stator (index s) in the dotted coordinate system.
- the torque T e of the electric motor is determined from this.
- the magnetic fluxes in the stator and rotor of the asynchronous machine can be given by the following equations, whereby only the discrete-time equations are written.
- the rotor resistance R r is again a known parameter of the asynchronous machine
- T is the sampling time (the not be the same need as the sampling time for the above system equations of the power converter 1)
- oo r is the angular velocity (which can be measured)
- the magnetic fluxes y G , ijJ s in the rotor and stator contain the fluxes in the ab coordinate system , i.e.
- the current i a in the above equations is the winding current (which corresponds to the output currents i a of the phases of the converter 1) in the ab coordinate system and represents the connection of the system equations of the converter 1 and the electrical load 2 here.
- the transformation of the output currents i a of the phases of the converter 1 into the current in the nut- 6 takes place by means of the known Clarke transformation
- the vector of the state variables x p contains, for example, the magnetic fluxes y G , ijJ s and the phase currents i si , i S2 (of course over all phases of the converter 1), both also in the ab coordinate system, and the vector of the output variables y contains that, for example Torque T e of the electric motor and the output currents i a (or the individual phase currents i si , i S2 ).
- the intermediate circuit current i d can of course also be determined from the phase currents i si , i S2, possibly together with the known switching positions of the semiconductor switches HSnm (input variables u p).
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Abstract
Description
Modellprädiktive Regelung eines Stromrichters Model predictive control of a converter
Die gegenständliche Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Stromrichters, vorzugsweise eines Mehrstufenstromrichters, der eine elektrische Last mit elektrischer Energie versorgt, wobei eine Schaltstufe mit einer Anzahl von Schaltsträngen mit einem Gleichspannungszwischenkreis mit zumindest einem Kondensator verbunden wird, wobei in jedem Schaltstrang eine Mehrzahl von Halbleiterschaltern in Serie verschaltet werden und jeder Schaltstrang parallel zum Gleichspannungszwischenkreis geschaltet wird, wobei durch das Schalten der Halbleiterschalter der Schaltstufe des Stromrichters eine Ausgangsspannung des Stromrichters erzeugt wird, und wobei als Stellgrößen der Regelung des Stromrichters in jedem Zeitschritt der Regelung die einzustellenden Schaltstellungen der Halbleiterschalter der Schaltstufe mit einer modellprädiktiven Regelung ermittelt werden, indem in jedem Zeitschritt der Regelung eine Kostenfunktion als Funktion eines zeitlichen Verlaufs von zumindest einer zu regelnden und von den Stellgrößen abhängigen Regelgröße des Stromrichters und/oder der elektrischen Last über einen vorgegebenen Prädiktionshorizont Np>1 optimiert wird, um die optimalen Stellgrößen zu ermitteln, die an den Halbleiterschaltern der Schaltstufe eingestellt werden. Die Erfindung betrifft auch einen Stromrichter mit modellprädiktiver Regelung. The present invention relates to a method for regulating a converter, preferably a multi-stage converter, which supplies an electrical load with electrical energy, a switching stage having a number of switching branches being connected to a DC voltage intermediate circuit with at least one capacitor, a plurality of semiconductor switches in each switching branch are connected in series and each switching strand is connected in parallel to the DC voltage intermediate circuit, whereby an output voltage of the converter is generated by switching the semiconductor switch of the switching stage of the converter, and the switching positions of the semiconductor switches of the switching stage to be set as manipulated variables of the control of the converter in each time step of the control can be determined with a model predictive regulation by regulating a cost function as a function of a time curve of at least one in each time step of the regulation the controlled variable of the converter and / or the electrical load, which is dependent on the manipulated variables, is optimized over a predetermined prediction horizon N p > 1 in order to determine the optimal manipulated variables that are set on the semiconductor switches of the switching stage. The invention also relates to a converter with model predictive control.
Ein Wechselrichter (DC/AC Wandler) ist ein Stromrichter, der Gleichspannung (DC) aus einer Gleichspannungsquelle in eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung (AC) umwandelt. Ein Gleichspannungswandler (DC/DC Wandler) ist ein Stromrichter, der eine Gleichspannung in eine andere Gleichspannung wandelt. Die im Stromrichter zu wandelnde Gleichspannung wird üblicherweise durch einen Gleichspannungszwischenkreis bereitgestellt, die mit einer Gleichspannungsquelle verbunden ist. Die Gleichspannungsquelle kann ein Energiespeicher sein, aber auch der Ausgang eines AC/DC oder DC/DC Wandlers. In einem solchen Fall kann der Stromrichter auch als Gleichrichter zur Umwandlung einer Wechselspannung in eine Gleichspannung realisiert sein. Solche Stromrichter nutzen zur Umwandlung eine Schaltstufe mit einer Anzahl von Schaltsträngen, beispielsweise in Form von Halbbrücken, mit Halbleiterschaltern, wie beispielsweise Transistoren. Die Halbleiterschalter der Schaltstufe werden so angesteuert, dass die gewünschte Ausgangsspannung des Stromrichters erzeugt wird. Wechselrichter werden beispielsweise für den Betrieb eines Elektromotors, wie einer Asynchronmaschine, verwendet, indem der Wechselrichter die elektrischen Antriebsspannungen für die Antriebswicklungen des Elektromotors erzeugt. Gleichrichter oder Gleichspannungswandler werden beispielsweise verwendet, um eine benötigte Gleichspannung Ausgangsspannung zu erzeugen, beispielsweise in einem Batterietester, um eine elektrische Last für eine Batterie zu erzeugen, oder einem Batterieemulator, um eine Batterie nachzubilden. Eine hohe Schaltfrequenz der Halbleiterschalter in der Schaltstufe des Wechselrichters ist vorteilhaft, weil damit der Wirkungsgrad des Stromrichters erhöht werden kann. Schnelle Schaltvorgänge der Schaltelemente können die Schaltverluste reduzieren und ermöglichen hohe Schaltfrequenzen. Insbesondere Halbleiterschalter mit großem Bandabstand, beispielsweise auf Basis von Galliumnitrid (GaN) oder Siliziumcarbid (SiC), erlauben hohe Schaltfrequenzen. Die kürzeren Schaltzeiten erhöhen aber auf der anderen Seite aufgrund der auftretenden höheren Steilheit von Spannungs- und Stromflanken im zeitlichen Verlauf der Spannung und des Stromes die Belastungen auf die passiven elektrischen Schaltelemente des Stromrichters, wie beispielsweise Schaltelemente in Filtern. Auch die elektromagnetischen Emissionen des Stromrichters werden durch die höheren Schaltfrequenzen und kürzeren Schaltzeiten erhöht. Diese Nachteile können durch spezielle Topologien des Wechselrichters, wie beispielsweise durch Mehrstufenstromrichter (sogenannte multi-level Converter) oder durch Stromrichter mit mehreren verschachtelten Strängen pro Phase (sogenannten interleaved Converter) reduziert werden. An inverter (DC / AC converter) is a power converter that converts direct voltage (DC) from a direct voltage source into single or multi-phase alternating voltage (AC). A DC / DC converter is a power converter that converts a direct voltage into another direct voltage. The DC voltage to be converted in the converter is usually provided by a DC voltage intermediate circuit which is connected to a DC voltage source. The DC voltage source can be an energy store, but also the output of an AC / DC or DC / DC converter. In such a case, the converter can also be implemented as a rectifier for converting an alternating voltage into a direct voltage. Such converters use a switching stage with a number of switching strings, for example in the form of half bridges, with semiconductor switches, such as transistors, for conversion. The semiconductor switches of the switching stage are controlled in such a way that the desired output voltage of the converter is generated. Inverters are used, for example, to operate an electric motor, such as an asynchronous machine, in that the inverter generates the electric drive voltages for the drive windings of the electric motor. Rectifiers or DC voltage converters are used, for example, to generate a required DC voltage output voltage, for example in a battery tester to generate an electrical load for a battery, or a battery emulator to simulate a battery. A high switching frequency of the semiconductor switches in the switching stage of the inverter is advantageous because it can increase the efficiency of the converter. Fast switching operations of the switching elements can reduce switching losses and enable high switching frequencies. In particular, semiconductor switches with a large band gap, for example based on gallium nitride (GaN) or silicon carbide (SiC), allow high switching frequencies. On the other hand, however, the shorter switching times increase the loads on the passive electrical switching elements of the converter, such as switching elements in filters, due to the higher steepness of voltage and current edges that occur over time in the voltage and current. The electromagnetic emissions of the converter are also increased due to the higher switching frequencies and shorter switching times. These disadvantages can be reduced by using special topologies of the inverter, such as multi-stage converters (so-called multi-level converters) or converters with several interleaved strings per phase (so-called interleaved converter).
Mehrstufenstromrichter nutzen Topologien, die am Ausgang jeder Halbbrücke der Schaltstufe mehr als zwei Spannungspegel ermöglichen. Stromrichter mit mehreren verschachtelten Strängen pro Phase verwenden mehrere Halbbrücken pro Phase der Wechselspannung oder der Gleichspannung am Ausgang, die miteinander verbunden sind. Beispielsweise kann ein dreiphasiger Stromrichter mit sechs Halbbrücken (zwei pro Phase) realisiert werden. Die Halbleiterschalter der miteinander verbundenen Halbbrücken werden zeitlich versetzte („verschachtelt“ oder „interleaved“) geschaltet. Solche Topologien sind hinreichend bekannt. Multi-stage converters use topologies that enable more than two voltage levels at the output of each half-bridge of the switching stage. Converters with several nested strings per phase use several half bridges per phase of the AC voltage or the DC voltage at the output, which are connected to one another. For example, a three-phase converter with six half bridges (two per phase) can be implemented. The semiconductor switches of the interconnected half bridges are switched in a time-staggered manner ("nested" or "interleaved"). Such topologies are well known.
Mit diesen Topologien kann aber die Belastung der Kondensatoren des Gleichspannungszwischenkreises, insbesondere bei hohen Schaltfrequenzen, nicht reduziert werden. Das Schalten der Halbleiterschaltelemente in der Schaltstufe äußert sich in einem Wechselanteil (ripple current) im Strom des Gleichspannungszwischenkreises. Dieser Wechselanteil belastet die Kondensatoren des Gleichspannungszwischenkreises, was sich insbesondere in einer Erhitzung der Kondensatoren bemerkbar macht. Diese thermische Belastung begrenzt die Leistungsgrenze (in Sinne der verfügbaren elektrischen Leistung) und reduziert die Lebensdauer der Kondensatoren oder macht entsprechend groß dimensionierte Kondensatoren erforderlich. With these topologies, however, the load on the capacitors of the DC voltage intermediate circuit cannot be reduced, especially at high switching frequencies. The switching of the semiconductor switching elements in the switching stage is expressed in an alternating component (ripple current) in the current of the DC voltage intermediate circuit. This alternating component loads the capacitors of the DC voltage intermediate circuit, which is particularly noticeable in the heating of the capacitors. This thermal load limits the performance limit (in terms of the available electrical power) and reduces the service life of the capacitors or makes correspondingly large capacitors necessary.
Die Halbleiterschalter der Schaltstufe des Stromrichters können pro Zeitschritt der Regelung des Stromrichters (typischerweise im 10ps bis 100ps Bereich) zumindest einmal geschaltet werden. Daraus ergeben sich eine begrenzte Anzahl von möglichen Schaltzuständen der Halbleiterschalter des Stromrichters. Diese begrenzte Anzahl von möglichen Schaltzuständen kann zur Regelung ausgenutzt werden, beispielsweise in einer modellprädiktiven Regelung mit endlicher Stellmenge (Finite Control Set Model Predictive Control (FCS-MPC)). Eine modellprädiktive Regelung (model predictive control, MPC) berechnet allgemein in jedem Zeitschritt der Regelung den zukünftigen optimalen zeitlichen Verlauf (üblicherweise in zeitdiskreter Form) einer Stellgröße (auch als Vektor mehrere Stellgrößen) mit der die Regelstrecke (beispielsweise eine Elektromotor oder eine elektrische Last) geregelt wird, über einen vorgegebenen Prädiktionshorizont (was einer gewissen Zeitspanne entspricht) hinweg. Im Fall eines Stromrichters sind die Stellgrößen beispielsweise die Schaltstellungen der Halbleiterschalter der Schaltstufe des Stromrichters. Die jeweils nächste zukünftige Stellgröße wird für die Regelung der Regelstrecke herangezogen und die anderen werden verworfen (Prinzip des zurückweichenden Horizonts (receding horizon)). Das wird in jedem Zeitschritt der Regelung wiederholt. Je länger der Prädiktionshorizont, also je weiter zeitlich in die Zukunft gerechnet wird, umso höher ist die erzielbare Regelgüte, aber umso höher ist der Rechenaufwand, weshalb der mögliche Prädiktionshorizont oftmals auch beschränkt ist. In einer MPC wird eine Kostenfunktion als Funktion der Stellgröße über den Prädiktionshorizont verwendet, die nach den Stellgrößen optimiert (in der Regel minimiert) wird. In der Kostenfunktion können verschiedene Kostenterme enthalten sein, die bestimmte Regelungsziele bewerten. Typische Regelungsziele sind eine minimale Abweichung einer Istgröße von einer Sollgröße (beispielsweise eines Drehmoments eines Elektromotors oder einer Ausgangsspannung), eine Begrenzung der Anzahl der Schalthandlungen der Halbleiterschaltelemente oder eine Begrenzung der Ausgangsströme oder der Abweichungen der einzelnen Ausgangsströme zueinander (Strom Balancing). Durch die Optimierung der Kostenfunktion erhält man den optimalen zeitlichen Verlauf der Stellgröße über den Prädiktionshorizont. Eine FCS-MPC eines DC/DC Wandlers ist beispielsweise in der WO 2015/154918 A1 beschrieben. Mit einer derartigen FCS-MPC kann die thermische Belastung eines Kondensators eines Gleichspannungszwischenkreises aber nicht reduziert werden. The semiconductor switches of the switching stage of the converter can be switched at least once per time step of the regulation of the converter (typically in the 10ps to 100ps range). This results in a limited number of possible switching states of the semiconductor switches of the converter. This limited number of possible switching states can be used for control, for example in a model predictive control with a finite control quantity (Finite Control Set Model Predictive Control (FCS-MPC)). A model predictive control (MPC) generally calculates the future optimal temporal progression (usually in discrete time form) of a manipulated variable (also as a vector of several manipulated variables) with which the controlled system (e.g. an electric motor or an electrical load) is calculated in each time step of the control. is regulated, over a predetermined prediction horizon (which corresponds to a certain period of time). In the case of a converter, the manipulated variables are, for example, the switching positions of the semiconductor switches of the switching stage of the converter. The next future manipulated variable is used to regulate the controlled system and the others are discarded (principle of the receding horizon). This is repeated in every time step of the control. The longer the prediction horizon, i.e. the further into the future, the higher the achievable control quality, but the higher the computational effort, which is why the possible prediction horizon is often limited. In an MPC, a cost function is used as a function of the manipulated variable over the prediction horizon, which is optimized (usually minimized) according to the manipulated variables. The cost function can contain various cost terms that evaluate certain control objectives. Typical control objectives are a minimal deviation of an actual variable from a target variable (for example a torque of an electric motor or an output voltage), a limitation of the number of switching operations of the semiconductor switching elements or a limitation of the output currents or the deviations of the individual output currents from one another (current balancing). By optimizing the cost function, one obtains the optimal temporal course of the manipulated variable over the prediction horizon. An FCS-MPC of a DC / DC converter is described, for example, in WO 2015/154918 A1. With such an FCS-MPC, however, the thermal load on a capacitor of a DC voltage intermediate circuit cannot be reduced.
Es ist eine Aufgabe der gegenständlichen Erfindung, die thermische Belastung eines Kondensators eines Gleichspannungszwischenkreises eines Stromrichters mit einer modellprädiktiven Regelung zu reduzieren. It is an object of the present invention to reduce the thermal load on a capacitor of a DC voltage intermediate circuit of a converter with a model predictive control.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in der Kostenfunktion ein Kostenterm Jd(x ) enthalten ist, der einen Wechselanteil eines über den zumindest einen Kondensator des Gleichspannungszwischenkreises fließenden elektrischen Zwischenkreisstromes minimiert. Die optimalen Stellgrößen sind demzufolge die Stellgrößen die den Wert der Kostenfunktion minimieren. Durch das Minimieren des Wechselanteils des Zwischenkreisstromes kann die Belastung des Zwischenkreiskondensators durch hochfrequente Umladevorgänge reduziert werden. Damit kann die Leistungskapazität des Stromrichters bei gleichen Zwischenkreiskondensatoren erhöht werden, weil die Erwärmung des Zwischenkreiskondensators reduziert wird. Oder es können Zwischenkreiskondensatoren mit kleineren Bauteilwerten eingesetzt werden, was hilft die Kosten und die Baugröße zu reduzieren. This object is achieved according to the invention in that the cost function contains a cost term J d (x) which minimizes an alternating component of an electrical intermediate circuit current flowing via the at least one capacitor of the DC voltage intermediate circuit. The optimal manipulated variables are therefore the manipulated variables that minimize the value of the cost function. By minimizing the AC component of the intermediate circuit current, the load on the intermediate circuit capacitor from high-frequency recharging processes can be reduced. In this way, the power capacity of the converter can be increased with the same intermediate circuit capacitors, because the heating of the intermediate circuit capacitor is reduced. Or it can DC link capacitors with smaller component values are used, which helps to reduce costs and size.
Die Optimierung der Kostenfunktion erfolgt vorteilhafterweise derart, dass mit einem Prädiktionsmodell für die verschiedenen möglichen zeitlichen Verläufe der Stellgrößen über den Prädiktionshorizont die zugehörigen zeitlichen Verläufe der Regelgrößen ermittelt werden und für jeden dieser zeitlichen Verläufe der Regelgröße der Wert der Kostenfunktion ermittelt wird und dass aus dem zeitlichen Verlauf der Stellgröße der dem zeitlichen Verlauf der Regelgröße zugeordnet ist, der den Wert der Kostenfunktion minimiert, die optimale Stellegrößen ermittelt werden. Das ist insbesondere bei einer FCS-MPC vorteilhaft. The cost function is advantageously optimized in such a way that the associated time profiles of the controlled variables are determined with a prediction model for the various possible time profiles of the manipulated variables over the prediction horizon and the value of the cost function is determined for each of these time profiles of the controlled variable and that from the time Course of the manipulated variable that is assigned to the temporal course of the controlled variable, which minimizes the value of the cost function, the optimal manipulated variables are determined. This is particularly advantageous with an FCS-MPC.
Ein den Wechselanteil minimierenden Kostenterm ist insbesondere im Zusammenhang mit einem Multilevelstromrichter vorteilhaft. Aufgrund der mehr als zwei Spannungslevel am Ausgang eines Schaltstranges der Schaltstufe des Stromrichters ergeben sich mehr Freiheitsgrade für die Regelung, womit das Ziel der Minimierung des Wechselanteils erreicht werden kann, ohne die Lastregelung (also die Regelung der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstromes) zu verschlechtern. Die zusätzlichen Freiheitsgrade ergeben sich dabei dadurch, dass es mehrere Schaltkombinationen gibt, die zum gleichen Spannungslevel (das für die Lastregelung benötigt wird) am Ausgang eines Schaltstranges führen. Damit kann diejenige Schaltkombination ausgewählt werden, die hinsichtlich der Minimierung des Wechselanteils vorteilhaft ist. Diese Auswahl wird durch die modellprädiktive Regelung vorgenommen. A cost term that minimizes the alternating component is particularly advantageous in connection with a multilevel converter. Due to the more than two voltage levels at the output of a switching section of the switching stage of the converter, there are more degrees of freedom for the regulation, with which the goal of minimizing the AC component can be achieved without impairing the load regulation (i.e. regulation of the output voltage or the output current). The additional degrees of freedom result from the fact that there are several switching combinations that lead to the same voltage level (which is required for load control) at the output of a switching section. In this way that switching combination can be selected which is advantageous in terms of minimizing the alternating component. This selection is made by the model predictive control.
Nachdem der Wechselanteil des Zwischenkreisstromes keine periodische Größe ist, sondern mehr einem Rauschen ähnelt, wird der Wechselanteil vorteilhafterweise mit einem statistischen Maß für den Zwischenkreisstrom bewertet, beispielsweise als eine Varianz oder eine Standardabweichung des Zwischenkreisstromes. Das lässt sich einfach und mit wenig Rechenaufwand realisieren. Since the alternating component of the intermediate circuit current is not a periodic variable, but rather resembles a noise, the alternating component is advantageously evaluated with a statistical measure for the intermediate circuit current, for example as a variance or a standard deviation of the intermediate circuit current. This can be done easily and with little computing effort.
Es ist vorteilhaft, wenn in der Kostenfunktion weitere Kostenterme berücksichtigt werden, mit denen weitere Regelungsziele verfolgt werden können. Hierbei ist in der Kostenfunktion insbesondere ein weiterer Kostenterm enthalten, der eine Abweichung zumindest einer Sollgröße für eine Regelgröße vom Istwert der zugehörigen Regelgröße bewertet. Damit kann das übliche Regelungsziel, dass zumindest eine bestimmte Regelungsgröße des Stromrichters oder der damit verbundenen elektrischen Last einer vorgegebenen Sollgröße folgt, mit der modellprädiktiven Regelung realisiert werden. It is advantageous if further cost terms are taken into account in the cost function, with which further control objectives can be pursued. In this case, the cost function contains, in particular, a further cost term which evaluates a deviation of at least one setpoint variable for a controlled variable from the actual value of the associated controlled variable. In this way, the usual control objective that at least one specific control variable of the converter or the associated electrical load follows a predetermined setpoint can be achieved with the model predictive control.
In einer Implementierung des Stromrichters mit verschachtelten Schaltsträngen, beispielsweise mittels einer verschachtelten Drossel oder durch das einfache Verbinden der Schaltstränge, wird vorzugsweise ein weiterer Kostenterm in der Kostenfunktion verwendet, der den Differenzstrom als die Differenz der elektrischen Ströme an den Ausgängen der Schaltstränge beschränkt. Damit kann einerseits eine Strom Balancing realisiert werden, um die Differenz der Strangströme in einem gewünschten Differenzband zu halten oder zu minimieren. Bei Verwendung einer verschachtelten Drossel kann damit auch eine Sättigung der verschachtelten Drossel verhindert werden. In an implementation of the converter with nested switching branches, for example by means of a nested choke or by simply connecting the switching branches, a further cost term is preferably used in the cost function, which is the differential current as the difference in the electrical currents at the outputs of the Switching branches limited. In this way, on the one hand, current balancing can be implemented in order to keep the difference in the string currents in a desired difference band or to minimize it. If a nested choke is used, this can also prevent the nested choke from becoming saturated.
Der Differenzstrom kann besonders einfach mit einer Messanordnung in Form einer Brückenschaltung gemessen werden, in der ein erster Brückenzweig mit einer Serienschaltung aus zwei Widerständen zwischen die Ausgänge von Drosseln der Schaltstränge geschaltet ist und ein zweiter Brückenzweig mit einer Serienschaltung aus zwei Messwiderständen zwischen die Ausgänge der Drosseln der Schaltstränge geschaltet ist, ein Mittelpunkt zwischen den beiden Wderständen des ersten Brückenzweiges mit einem Querzweig der Brückenschaltung mit einer gemeinsamen Ausgangsklemme zwischen den beiden Messwiderständen des zweiten Brückenzweiges verbunden ist, und die an den beiden Messwiderständen des ersten Brückenzweiges anliegende elektrische Spannung, die proportional zum Differenzstrom ist, gemessen wird. Zusätzlich kann in einer solchen Messanordnung ein weiterer Messensor in den Querzweig der Brückenschaltung geschaltet sein, der eine elektrische Spannung misst, die proportional zum Summenstrom als Summe der beiden Strangströme ist. Damit kann ebenso einfach gleichzeitig auch der Summenstrom gemessen werden. The differential current can be measured particularly easily with a measuring arrangement in the form of a bridge circuit, in which a first bridge branch with a series connection of two resistors is connected between the outputs of the chokes of the switching sections and a second bridge branch with a series connection of two measuring resistors between the outputs of the chokes of the switching lines is connected, a midpoint between the two resistors of the first bridge branch is connected to a shunt branch of the bridge circuit with a common output terminal between the two measuring resistors of the second bridge branch, and the electrical voltage applied to the two measuring resistors of the first bridge branch, which is proportional to the differential current is measured. In addition, in such a measuring arrangement, a further measuring sensor can be connected in the shunt arm of the bridge circuit, which measures an electrical voltage that is proportional to the total current as the sum of the two phase currents. This means that the total current can be measured just as easily at the same time.
Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 7 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt The present invention is explained in more detail below with reference to FIGS. 1 to 7, which show exemplary, schematic and non-limiting advantageous embodiments of the invention. It shows
Fig.1 den grundsätzlichen Aufbau eines Stromrichters, Fig. 1 the basic structure of a converter,
Fig.2 ein Beispiel eines einphasigen Stromrichters mit verschachtelten Schaltsträngen, Fig.3 eine verschachtelte Drossel, FIG. 2 shows an example of a single-phase converter with nested switching branches, FIG. 3 shows a nested choke,
Fig.4 einen mehrphasigen Mehrstufenstromrichter, 4 shows a multi-phase multi-stage converter,
Fig.5 eine MPC eines Stromrichters, der eine elektrische Last versorgt, 5 shows an MPC of a converter that supplies an electrical load,
Fig.6 ein Ersatzschaltbild einer verschachtelten Drossel und 6 shows an equivalent circuit diagram of a nested choke and
Fig.7 eine Messanordnung zum Messen des Differenzstromes und des7 shows a measuring arrangement for measuring the differential current and the
Summenstromes der Strangströme eines Stromrichters mit verschachteltenTotal current of the phase currents of a converter with nested
Schaltsträngen. Switching lines.
Ein Stromrichter 1, wie schematisch in Fig.1 dargestellt, besteht im Allgemeinen aus einer Schaltstufe 11 mit einer Anzahl n von Schaltsträngen SLn, wobei jeder Schaltstrang SLn eine Mehrzahl m von Halbleiterschaltern HSnm aufweist. Ein Schaltstrang SLn ist üblicherweise in Form einer Halbbrücke ausgebildet. Pro Phase der Ausgangsspannung va ist zumindest ein Schaltstrang SLn vorgesehen. Die vorhandenen Schaltstränge SLn sind parallel zu einem Gleichspannungszwischenkreis 12 geschaltet, der aus zumindest einem Zwischenkreiskondensator Cdc besteht. Der Gleichspannungszwischenkreis 12 liegt parallel an der Gleichspannung Eingangsspannung VdC an. Oftmals sind imA converter 1, as shown schematically in FIG. 1, generally consists of a switching stage 11 with a number n of switching lines SLn, each switching line SLn having a plurality m of semiconductor switches HSnm. A switching section SLn is usually designed in the form of a half bridge. At least one switching section SLn is provided for each phase of the output voltage v a. The existing switching lines SLn are connected in parallel to a DC voltage intermediate circuit 12, which consists of at least one Intermediate circuit capacitor C dc exists. The DC voltage intermediate circuit 12 is applied in parallel to the DC voltage input voltage V dC . Often im
Gleichspannungszwischenkreis 12 mehrere seriell verschaltete Zwischenkreiskondensatoren Cdc angeordnet, sodass sich die Eingangsspannung VdC entsprechend an den Zwischenkreiskondensatoren Cdc aufteilt. Zwischen zwei Halbleiterschalter HSnm eines Schaltstranges SLn (high-side und low-side Schalter) wird die Strangausgangsspannung vsn abgegriffen, die üblicherweise in einer Drossel L geglättet wird. Die Strangausgangsspannung vsn kann aber auch gleichzeitig eine Ausgangsspannung va des Stromrichters 1 sein. Eingangsseitig (vor dem Gleichspannungszwischenkreis 12) und/oder ausgangsseitig (nach der Schaltstufe 11) können noch nicht dargestellte Filterschaltungen bestehend aus elektrischen Bauteilen, wie beispielsweise Widerständen, Induktivitäten, Kapazitäten in beliebiger Verschaltung, vorgesehen sein. DC voltage intermediate circuit 12 arranged a plurality of serially connected intermediate circuit capacitors C dc, so that the input voltage V dC is divided accordingly on the intermediate circuit capacitors C dc. The string output voltage v sn , which is usually smoothed in a choke L, is tapped between two semiconductor switches HSnm of a switching string SLn (high-side and low-side switch). The string output voltage v sn can also be an output voltage v a of the converter 1 at the same time. On the input side (before the DC voltage intermediate circuit 12) and / or on the output side (after the switching stage 11), filter circuits (not shown) consisting of electrical components such as resistors, inductors, capacitors in any connection can be provided.
Zum Regeln der Strangausgangsspannung vsn (und damit der Ausgangsspannung va) werden die Halbleiterschalter HSnm von einer Steuereinheit 13 (in Fig.1 nur angedeutet) geregelt, beispielsweise indem in jedem Zeitschritt der Regelung die Schaltstellungen Snm der Halbleiterschalter HSnm ermittelt und an den Halbleiterschaltern HSnm eingestellt werden, damit die Ausgangsspannung va einem gewünschten Wert, in der Regel als zeitlicher Verlauf vorgegeben, annimmt. Der Steuereinheit 13 wird daher ein Sollwert SW der Regelung vorgegeben. Der Sollwert SW kann dabei auch von der elektrischen Last 2 abhängen. Beispielsweise ist es bei einer elektrischen Maschine üblich ein Drehmoment oder eine Drehzahl der Maschine als Sollwert vorzugeben. Es kann aber auch ein zeitlicher Verlauf der Ausgangsspannung va, beispielsweise ein sinusförmiger Spannungsverlauf mit einer bestimmten Amplitude und Phase (bei einer mehrphasigen Ausgangsspannung va) oder eine bestimmte Gleichspannung, vorgegeben werden. To regulate the string output voltage v sn (and thus the output voltage v a ), the semiconductor switches HSnm are regulated by a control unit 13 (only indicated in FIG HSnm can be set so that the output voltage v a assumes a desired value, usually given as a time curve. The control unit 13 is therefore given a setpoint value SW of the regulation. The setpoint value SW can also depend on the electrical load 2. For example, in the case of an electrical machine, it is customary to specify a torque or a speed of the machine as a setpoint value. However, a time profile of the output voltage v a , for example a sinusoidal voltage profile with a specific amplitude and phase (in the case of a polyphase output voltage v a ) or a specific DC voltage, can also be specified.
In Fig.2 ist eine Topologie des Stromrichters 1 mit mehreren verschachtelten Schaltsträngen SL1, SL2 pro Phase der Ausgangsspannung va dargestellt. Die über Drosseln L geführten Ausgänge der Schaltstränge SL1, SL2 werden miteinander verbunden und bilden den Spannungsausgang einer Phase des Stromrichters 1. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Ausgänge zuerst verbunden werden und dann über eine Drossel L geführt werden. Bei mehreren Phasen der Ausgangsspannung va wären entsprechend mehr Schaltstränge SLn vorgesehen, die ebenso miteinander zu verschachtelten Strängen verbunden sein können.FIG. 2 shows a topology of the converter 1 with a plurality of interleaved switching strings SL1, SL2 per phase of the output voltage v a . The outputs of the switching lines SL1, SL2 routed via chokes L are connected to one another and form the voltage output of one phase of the converter 1. It can also be provided that the outputs are first connected and then routed via a choke L. In the case of several phases of the output voltage v a , correspondingly more switching branches SLn would be provided, which can also be connected to one another to form nested branches.
Die Drosseln L von miteinander verschachtelten Schaltsträngen SLn können als verschachtelte Drosseln 14 ausgeführt sein, wie in Fig.3 dargestellt. Dabei sind die einzelnen Drosseln L mit gegenläufigen Wicklungen auf einen gemeinsamen Kern gewickelt. Damit lassen sich Ausgangsspannungen va mit mehr als zwei Spannungspegeln realisieren, V beispielsweise de (bei Vernachlässigung von Streuinduktivitäten und Verlusten 2 der verschachtelten Drossel 14) in einer Topologie wie in Fig.2 dargestellt. Man erhält damit bei Verwendung einer verschachtelten Drossel 14 mit einer verschachtelten Strangtopologie einen Mehrstufenstromrichter. Pro Phase der Ausgangsspannung va können auch zumindest zwei Schaltstränge SLn über eine verschachtelte Drossel 14 gemäß Fig.3 miteinander verschachtelt werden, womit sich so auch mehrphasige Stromrichter 1 realisieren lassen.The chokes L of interleaved switching branches SLn can be designed as nested chokes 14, as shown in FIG. The individual chokes L are wound with opposing windings on a common core. This allows output voltages v a to be realized with more than two voltage levels, V for example de (if leakage inductances and losses are neglected 2 of the nested choke 14) in a topology as shown in FIG. When using a nested choke 14 with a nested string topology, a multi-stage converter is thus obtained. For each phase of the output voltage v a , at least two switching branches SLn can also be interleaved with one another via a nested choke 14 according to FIG.
Ein Mehrstufenstromrichter kann auch durch das Vorsehen von mehr als zwei in Serie geschalteten Halbleiterschaltern HSnm pro Schaltstrang SLn verwirklicht werden, wie in Fig.4 an einem Ausführungsbeispiel in Form eines zweiphasigen Mehrstufenstromrichters dargestellt. Der dargestellte Stromrichter 1 hat zwei Schaltstränge SLn mit jeweils vier in Serie geschalteten Halbleiterschalter HSnm. Jeweils zwei Halbleiterschalter HSnm bilden eine Schaltergruppe, wobei zwischen den beiden Schaltergruppen eines Schaltstranges SLn die Strangausgangsspannung vsn abgegriffen wird. Der Mittelpunkt zwischen den Halbleiterschaltern HSnm einer Schaltergruppe ist jeweils über eine Diode auf den Nullpunkt zwischen den beiden Zwischenkreiskondensatoren Cdc des Gleichspannungszwischenkreis 12 geschaltet. Anstelle der Dioden können auch Halbleiterschalter, wie Transistoren, vorgesehen sein. Auch damit lassen sich mit der Strangausgangsspannung vsn dreiA multi-stage converter can also be implemented by providing more than two series-connected semiconductor switches HSnm per switching strand SLn, as shown in an exemplary embodiment in the form of a two-phase multi-stage converter in FIG. The power converter 1 shown has two switching branches SLn, each with four semiconductor switches HSnm connected in series. Two semiconductor switches HSnm in each case form a switch group, the branch output voltage v sn being tapped between the two switch groups of a switching branch SLn. The center point between the semiconductor switches HSnm of a switch group is in each case switched to the zero point between the two intermediate circuit capacitors C dc of the DC voltage intermediate circuit 12 via a diode. Instead of the diodes, semiconductor switches, such as transistors, can also be provided. This also allows the string output voltage v sn to be three
Spannungspegel y-j realisieren. Es sind auch Topologien bekannt, die mehr als drei Spannungspegel ermöglichen. Realize voltage level yj. Topologies are also known that have more than allow three voltage levels.
Es sei angemerkt, dass es natürlich eine Vielzahl von Abwandlungen der gezeigten Topologien und weitere mögliche Topologien von Stromrichtern 1 gibt, wobei die konkrete Topologie für die gegenständliche Erfindung nicht wesentlich ist. It should be noted that there are of course a large number of modifications of the topologies shown and other possible topologies of power converters 1, the specific topology not being essential for the present invention.
Mit Fig.5 wird das grundlegende Prinzip einer modellprädiktiven Regelung (MPC) eines Stromrichters 1 , der eine elektrische Last 2 mit elektrischer Energie versorgt, beschrieben. In einer Steuereinheit 13 ist ein Prädiktionsmodell 3 implementiert, das den Verlauf zumindest einer zu regelnden Größe xp des geregelten Systems (in Folge als Regelgröße bezeichnet), beispielsweise eine Zustandsgröße des Stromrichters 1 oder der elektrischen Last 2, über einen vorgegebenen Prädiktionshorizont Np (k+1 , k+2, ... , k+Np in zeitdiskreter Notation) ermittelt. Mit k wird der zeitdiskrete Zeitschritt bezeichnet, wobei gemäß der üblichen Notation k für aktuellen Größen, (k+...) für zukünftige Größen und (k-...) für vergangene Größe steht. Der kleinste Prädiktionshorizont ist Np=1. Der Zeitschritt mit dem der Prädiktionshorizont Np diskretisiert wird stimmt üblicherweise (aber nicht notwendigerweise) mit dem Zeitschritt der Regelung zusammen, sodass durch den Prädiktionshorizont Np angegeben wird, um wieviele Zeitschritt der Regelung in die Zukunft gerechnet wird. Die Regelgröße xp ist üblicherweise ein Vektor, der verschiedene Regelgrößen xp enthält, die im Vektor zusammengefasst werden. The basic principle of a model predictive control (MPC) of a converter 1, which supplies an electrical load 2 with electrical energy, is described with FIG. A prediction model 3 is implemented in a control unit 13, which shows the course of at least one variable x p to be controlled of the controlled system (hereinafter referred to as a controlled variable), for example a state variable of the converter 1 or the electrical load 2, over a predetermined prediction horizon N p ( k + 1, k + 2, ..., k + N p in discrete time notation). The time-discrete time step is denoted by k, whereby according to the usual notation k stands for current values, (k + ...) for future values and (k -...) for past values. The smallest prediction horizon is N p = 1. The time step with which the prediction horizon N p is discretized usually (but not necessarily) coincides with the time step of the regulation, so that the prediction horizon N p specifies how many time steps the regulation is expected to be in the future. The controlled variable x p is usually a vector that contains various controlled variables x p that are combined in the vector.
Die Regelgröße xp kann von der elektrischen Last 2 abhängig sein. Im Beispiel einer elektrischen Maschine (z.B. Asynchronmotor) als elektrische Last könnte die Regelgröße ein Drehmoment der elektrischen Maschine sein, oder ein magnetischer Statorfluss, oder auch mehrere verschiedene Größen. Es können aber auch Zustandsgrößen des Stromrichters 1 als Regelgrößen xp herangezogen werden, auch zusätzlich zu Zustandsgrößen der elektrischen Last 2. Für die gegenständliche Erfindung wird insbesondere ein im Gleichspannungszwischenkreis 12 fließender elektrischer Zwischenkreisstromes id als Regelgröße xp verwendet, wie nachfolgend noch im Detail ausgeführt. The controlled variable x p can be dependent on the electrical load 2. In the example of an electrical machine (eg asynchronous motor) as electrical load, the controlled variable could be a torque of the electrical machine, or a magnetic stator flux, or also several different variables. However, state variables of the converter 1 can also be used as control variables x p , also in addition to the state variables of the electrical load 2. For the present invention, in particular, an electrical intermediate circuit current i d flowing in the DC voltage intermediate circuit 12 is used as the control variable x p , as will be explained in more detail below executed.
Dem Prädiktionsmodell 3 stehen die aktuelle Ausgangsgröße y(k) des geregelten Stromrichters 1, beispielsweise eine Ausgangsspannung va oder ein Ausgangsstrom ia, zur Verfügung. Es können aber auch die elektrischen Strangströme in den Drosseln L einer verschachtelten Drossel 14 nach Fig.3 als Ausgangsgröße y(k) verwendet werden. Die Ausgangsgröße y(k) hängt auch vom Prädiktionsmodell 3 ab. Die Ausgangsgröße y(k) kann auch ein Vektor verschiedener Größen sein. Die Ausgangsgröße y(k) wird üblicherweise gemessen und steht als Messwert zur Verfügung. Daneben können auch noch weitere aktuelle Zustandsgrößen x(k) des Stromrichters 1, beispielsweise ein Strangstrom isn, und/oder der elektrischen Last 2, beispielsweise eine Drehzahl eines Elektromotors, verfügbar sein, beispielsweise wieder im Form von Messwerten. The current output variable y (k) of the regulated converter 1, for example an output voltage v a or an output current i a , is available to the prediction model 3. However, the electrical phase currents in the chokes L of a nested choke 14 according to FIG. 3 can also be used as the output variable y (k). The output variable y (k) also depends on the prediction model 3. The output variable y (k) can also be a vector of different sizes. The output variable y (k) is usually measured and is available as a measured value. In addition, other current state variables x (k) of the converter 1, for example a phase current i sn , and / or the electrical load 2, for example a speed of an electric motor, can also be available, for example again in the form of measured values.
Welche Ausgangsgrößen y(k) und welche Zustandsgrößen x(k) benötigt werden hängt von der Topologie des Stromrichters 1 und von der elektrischen Last 2 ab, und auch von deren mathematischen Modellierung durch das Prädiktionsmodell 3. Which output variables y (k) and which state variables x (k) are required depends on the topology of the converter 1 and on the electrical load 2, and also on their mathematical modeling by the prediction model 3.
Das Prädiktionsmodell 3 ermittelt die Regelgrößen xp für verschiedene Eingangsgrößen up. Die Eingangsgrößen up eines Stromrichters 1 sind die Schaltstellungen S der Halbleiterschalter der Schaltstufe des Stromrichters 1 und damit die Stellgrößen der Regelung. Je nach Topologie des Stromrichters 1 ergibt sich eine bestimmte Anzahl von Halbleiterschaltern HSnm in der Schaltstufe 11 und damit eine endliche mögliche Anzahl von verschiedenen Kombinationen der Schaltstellungen. Damit ist die Anzahl der möglichen Eingangsgrößen up durch die Anzahl der Halbleiterschalter HSnm der Schaltstufe begrenzt. Wenn N die Anzahl der möglichen Kombinationen der Schaltstellungen bezeichnet, dann können bis zu N Regelgrößen xp in Abhängigkeit der N Eingangsgrößen up ermittelt werden (in Fig.5 angedeutet). Es ergeben sich für einen Prädiktionshorizont Np=1 also N Vektoren der Regelgrößen xp, für einen Prädiktionshorizont Np>1 aber schon bis zu NNp mögliche Vektoren der Regelgrößen xp. Daraus ist ersichtlich, dass der Rechenaufwand für die Berechnung der Regelgrößen xp und für die nachfolgende Optimierung mit der Länge des Prädiktionshorizonts Np stark ansteigt. Es ist aber natürlich denkbar, nicht alle mögliche Eingangsgrößen up zu verwenden, sondern die Anzahl N bzw. NNp der möglichen Eingangsgrößen up zu reduzieren, um die mögliche Stellmenge zu verkleinern. The prediction model 3 determines the controlled variables x p for various input variables u p . The input variables u p of a converter 1 are the switching positions S of the semiconductor switches of the switching stage of the converter 1 and thus the manipulated variables of the control. Depending on the topology of the converter 1, there is a certain number of semiconductor switches HSnm in the switching stage 11 and thus a finite possible number of different combinations of the switching positions. The number of possible input variables u p is thus limited by the number of semiconductor switches HSnm of the switching stage. If N denotes the number of possible combinations of switch positions, then, up to N calculated controlled variables x p as a function of the N input values u p (indicated in Figure 5). For a prediction horizon N p = 1 there are thus N vectors of the controlled variables x p , but for a prediction horizon N p > 1 there are already up to N Np possible vectors of the controlled variables x p . From this it can be seen that the computational effort for the calculation of the controlled variables x p and for the subsequent optimization with the length of the Prediction horizon N p rises sharply. However, it is of course conceivable not to use all possible input variables u p , but rather to reduce the number N or N Np of possible input variables u p in order to reduce the possible manipulated quantity.
Beispielsweise könnten aufgrund der Ausführung des Stromrichters 1 bestimmte unzulässige oder unmögliche (was sich aus der konkreten Topologie des Stromrichters 1 und/oder der elektrischen Last 2 ergeben kann) Kombinationen der Schaltstellungen ausgeschlossen sein.For example, due to the design of the converter 1, certain impermissible or impossible combinations of the switch positions (which can result from the specific topology of the converter 1 and / or the electrical load 2) can be excluded.
In einer Ausführung eines dreiphasigen Stromrichters 1, beispielsweise nach Fig.2 (auch mit einer Drossel wie in Fig.3) mit zwei zusätzlichen Phasen, würden sich in jedem Zeitschritt der Regelung N=64 (26) mögliche Kombinationen an Schaltstellungen ergeben und damit ebenso 64 zugehörige mögliche Regelgrößen xp. Bei einem Prädiktionshorizont Np>1 aber schon 64Np mögliche Kombination an Schaltstellungen. In an embodiment of a three-phase converter 1, for example according to FIG. 2 (also with a choke as in FIG. 3) with two additional phases, in each time step of the regulation N = 64 (2 6 ) possible combinations of switching positions would result and thus also 64 associated possible controlled variables x p . With a prediction horizon N p > 1, however, 64 Np possible combinations of switch positions.
In einer Optimiereinheit 4 ist eine Kostenfunktion J implementiert, die eine Funktion des zeitlichen Verlaufs der Regelgrößen xp über den Prädiktionshorizont Np ist, also J(xp). Bei einem Prädiktionshorizont Np=1 reduziert sich der zeitliche Verlauf natürlich auf den nächsten Zeitschritt. Der Optimiereinheit 4 werden auch Sollgrößen SW der Regelung zugeführt. Welche Sollgrößen SW benötigt werden kann wiederum von der Ausführung des Stromrichters 1 , von der elektrischen Last 2 und/oder vom Regelungsziel abhängen und kann variieren. A cost function J is implemented in an optimization unit 4, which is a function of the time course of the controlled variables x p over the prediction horizon N p , that is to say J (x p ). With a prediction horizon N p = 1, the course over time is naturally reduced to the next time step. The optimization unit 4 is also supplied with setpoint variables SW of the control system. Which setpoint values SW are required can in turn depend on the design of the converter 1, on the electrical load 2 and / or on the regulation objective and can vary.
Die Kostenfunktion J wird in der Optimiereinheit 4 optimiert (in der Regel minimiert, aber auch Maximierung möglich). Das bedeutet im Wesentlichen, dass mit allen ermittelten Regelgrößen xp der Wert der Kostenfunktion J bestimmt wird. Die optimalen Regelgrößen xp,opt sind diejenigen Regelgrößen xp, die den minimalen (oder maximalen) Wert der Kostenfunktion J ergeben. Die Eingangsgrößen up, die diesen optimalen Regelgrößen xp,opt zugeordnet sind, sind die optimalen Eingangsgrößen uopt, die zur Regelung des Stromrichters 1 verwendet werden. Diese Eingangsgrößen uo t werden im nächsten Zeitschritt (k+1) der Regelung mit dem Stromrichter 1 eingestellt. The cost function J is optimized in the optimization unit 4 (usually minimized, but maximization is also possible). This essentially means that the value of the cost function J is determined with all the determined control variables x p. The optimal controlled variables x p, opt are those controlled variables x p that result in the minimum (or maximum) value of the cost function J. The input variables u p that are assigned to these optimal controlled variables x p, opt are the optimal input variables u opt that are used to control the converter 1. These input variables u ot are set in the next time step (k + 1) of the control with the converter 1.
Wenn mit dem Prädiktionsmodell 3 ein zeitlicher Verlauf der Regelgrößen xp über den Prädiktionshorizont Np ermittelt wird, dann wird der Wert der Kostenfunktion J mit diesem zeitlichen Verlauf bestimmt. Aus demjenigen zeitlichen Verlauf der Regelgröße xp über den Prädiktionshorizont Np, die den kleinsten (oder größten) Wert der Kostenfunktion J ergibt, wird die dem aktuellen Zeitpunkt zeitlich am nächsten Regelgröße des zeitlichen Verlaufs als optimale Regelgröße xp,opt verwendet. Daraus folgen wieder die zugehörigen optimalen Eingangsgrößen uopt. If the prediction model 3 is used to determine a time profile of the controlled variables x p over the prediction horizon N p , then the value of the cost function J is determined with this time profile. From that temporal course of the controlled variable x p over the prediction horizon N p that yields the smallest (or largest) value of the cost function J, the controlled variable of the temporal course that is closest to the current point in time is used as the optimal controlled variable x p, opt . This again results in the associated optimal input variables u opt.
Die Steuereinheit 13, die Optimiereinheit 4 und das Prädiktionsmodell 3 können als mikroprozessorbasierte Hardware ausgeführt sein, beispielsweise als ein Computer oder Digitaler Signalprozessor (DSP), auf der entsprechenden Software zum Durchführen der jeweiligen Funktion ausgeführt wird. Die Steuereinheit 13, die Optimiereinheit 4 oder das Prädiktionsmodell 3 kann auch eine integrierte Schaltung sein, beispielsweise eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder ein Field Programmable Gate Array (FPGA), auch mit einem Mikroprozessor. Die Steuereinheit 13, die Optimiereinheit 4 und das Prädiktionsmodell 3 können aber auch als analoger Schaltkreis oder analoger Computer implementiert sein. Auch Mischformen sind denkbar. Ebenso ist es möglich, dass verschiedene Funktionen auf derselben Hardware implementiert sind, beispielsweise die Optimiereinheit 4 und/oder das Prädiktionsmodell 3 als Software auf der Steuereinheit 13, die als mikroprozessorbasierte Hardware oder integrierter Schaltkreis ausgeführt ist. The control unit 13, the optimization unit 4 and the prediction model 3 can be implemented as microprocessor-based hardware, for example as a computer or digital signal processor (DSP), on the corresponding software for performing the respective function is carried out. The control unit 13, the optimization unit 4 or the prediction model 3 can also be an integrated circuit, for example an application-specific integrated circuit (ASIC) or a field programmable gate array (FPGA), also with a microprocessor. The control unit 13, the optimization unit 4 and the prediction model 3 can, however, also be implemented as an analog circuit or an analog computer. Mixed forms are also conceivable. It is also possible that different functions are implemented on the same hardware, for example the optimization unit 4 and / or the prediction model 3 as software on the control unit 13, which is implemented as microprocessor-based hardware or an integrated circuit.
Die Kostenfunktion J(xp) enthält in bekannter Weise üblicherweise zumindest einen Kostenterm Jsw(xP), der eine Abweichung zumindest einer vorgegebenen Sollgröße SW für eine Regelgröße xp von der zugehörigen Regelgröße xp, also vom Istwert der Regelgröße xp, bewertet. Der Istwert kann beispielsweise gemessen werden, oder kann auch durch das Prädiktionsmodell 3 berechnet werden. Beispielsweise kann die Abweichung als einfacheThe cost function J (x p ) usually contains at least one cost term Jsw (x P ) in a known manner, which evaluates a deviation of at least one specified target variable SW for a controlled variable x p from the associated controlled variable x p , i.e. from the actual value of the controlled variable x p . The actual value can be measured, for example, or can also be calculated by the prediction model 3. For example, the deviation can be as simple
Differenz oder Betrag der Differenz bewertet werden, also als ^-Norm. Für die Difference or the amount of the difference can be evaluated, i.e. as a ^ norm. For the
Stabilität der Regelung kann es aber vorteilhaft sein, die Abweichung als Quadrat derStability of the regulation, it can be advantageous to express the deviation as the square of the
Differenz ( SW -x (^2-Norm) zu bewerten. Auch andere Normen sind möglich. Difference (SW -x (^ 2 norm). Other standards are also possible.
Wenn die Regelgröße xp über einen Prädiktionshorizont Np>1 vorliegt, dann kann der Kostenterm Jsw als Summe der einzelnen Kostenterme Jsw zu den jeweiligen ZeitpunktenIf the controlled variable x p is present over a prediction horizon N p > 1, then the cost term Jsw can be the sum of the individual cost terms Jsw at the respective times
Np k+1, k+2, ... , k+Np angeschrieben werden, also JSW(X P) = (C R Ϊ) Anstelle einer derartigen einfachen Linearkombination der Kostenterme Jsw zu den jeweiligen Zeitpunkten könnte natürlich auch eine andere Verknüpfung verwendet werden, insbesondere auch eine nichtlineare Kombination der Kostenterme Jsw zu den jeweiligen Zeitpunkten. Np k + 1, k + 2, ..., k + N p, i.e. J SW ( X P ) = ( C R Ϊ ) Instead of such a simple linear combination of the cost terms Jsw at the respective points in time, another link could of course also be used, in particular also a non-linear combination of the cost terms Jsw at the respective points in time.
Im Falle einer elektrischen Maschine als elektrische Last 2 kann beispielsweise das Drehmoment Te des Elektromotors oder eine Drehzahl ne des Elektromotors als Sollwert SW vorgegeben werden. Im Prädiktionsmodell 3 werden dann die Istwerte des Drehmoments oder der Drehzahl als Regelgrößen xp (in Abhängigkeit der möglichen Eingangsgrößen up) ermittelt. Als Sollwert SW kann aber auch ein Statorfluss yd verwendet werden, beispielsweise um eine magnetische Sättigung der Statorzähne zu vermeiden. Im Prädiktionsmodell 3 würden dann entsprechend die Istwerte der Statorflüsse als Regelgröße xp in Abhängigkeit der möglichen Eingangsgrößen up ermittelt. Es können natürlich auch mehrere verschiedene Sollwerte SW vorgegeben und in der Kostenfunktion J(xp), bzw. im Kostenterm Jsw(xP), berücksichtigt werden, beispielsweise als Summe der einzelnen Differenzen in Form der ^-Norm oder ^2-Norm. Die Kostenfunktion J(xp) enthält einen Kostenterm Jd(x ) der den Wechselanteil id,Ac des im Gleichspannungszwischenkreis 12 fließenden gesamten Zwischenkreisstromes id bewertet. Der Zwischenkreisstromes id fließt über die Zwischenkreiskondensatoren Cdc des Gleichspannungszwischenkreises 12. In einer Ausführung nach Fig.2 mit geteiltem Zwischenkreis mit mehreren Zwischenkreiskondensatoren Cdc setzt sich der gesamte Zwischenkreisstrom id aus dem im oberen und unteren Zweig des Zwischenkreises fließenden elektrischen Strom zusammen. Der Zwischenkreisstromes id ist demnach die Summe der durch die Schaltstränge SLn der Schaltstufe 11 aus dem Zwischenkreis 12 entnommenen elektrischen Strangströme isn. Aufgrund der hohen Schaltfrequenzen der Halbleiterschalter HSnm der Schaltstufe kann sich auch der Zwischenkreisstrom id hochfrequent ändern. Das führt zu hochfrequenten Umladevorgängen an den Zwischenkreiskondensatoren Cdc und damit zu einer thermischen Belastung der Zwischenkreiskondensatoren Cdc. Erfindungsgemäß soll dieser Wechselanteil id,Ac minimiert werden, was mit dem Kostenterm Jd(x ) in der Kostenfunktion J(xp) erfolgt. In the case of an electric machine as the electric load 2, for example, the torque T e of the electric motor or a speed n e of the electric motor can be specified as a setpoint value SW. In the prediction model 3, the actual values of the torque or the speed are then determined as controlled variables x p (depending on the possible input variables u p ). However, a stator flux y d can also be used as the setpoint value SW, for example in order to avoid magnetic saturation of the stator teeth. In the prediction model 3, the actual values of the stator fluxes would then be determined as a controlled variable x p as a function of the possible input variables u p . Of course, several different setpoints SW can also be specified and taken into account in the cost function J (x p ) or in the cost term Jsw (x P ), for example as the sum of the individual differences in the form of the ^ norm or ^ 2 norm. The cost function J (x p ) contains a cost term J d (x) which evaluates the alternating component i d, A c of the total intermediate circuit current i d flowing in the DC voltage intermediate circuit 12. The DC link current i d flowing through the DC link capacitors C DC of the DC intermediate circuit 12. In an embodiment according to Figure 2 with split intermediate circuit with a plurality of intermediate circuit capacitors C dc, the entire intermediate circuit current is i d composed of the current flowing in the upper and lower branch of the intermediate circuit electricity. The intermediate circuit current i d is accordingly the sum of the electrical phase currents i sn taken from the intermediate circuit 12 by the switching branches SLn of the switching stage 11. Because of the high switching frequencies of the semiconductor switches HSnm of the switching stage, the intermediate circuit current i d can also change at high frequencies. This leads to high-frequency recharging processes on the intermediate circuit capacitors C dc and thus to a thermal load on the intermediate circuit capacitors C dc . According to the invention, this alternating component i d, A c should be minimized, which is done with the cost term J d (x) in the cost function J (x p).
Der Wechselanteil id,Ac des Zwischenkreisstromes id als Regelgröße xp kann natürlich auf verschiedenste Weise bewertet werden. Eine sehr einfache Herangehensweise wäre den Abstand zwischen maximalen und minimalen Amplituden des Zwischenkreisstromes id zu bewerten, eventuell auch als Betrag oder als Quadrat. Nachdem der Zwischenkreisstrom id keine periodische Größe ist, bieten sich auch statistische Maße zur Bewertung an. Dabei wird auf den Zwischenkreisstrom id ein statistisches Maß angewendet, beispielsweise eine Varianz oder eine Standardabweichung. Als Erwartungswert könnte ein Mittelwert des Zwischenkreisstromes id über die Zeit herangezogen werden und die Abweichung des Zwischenkreisstromes id vom Erwartungswert beurteilt werden, was zur Varianz führt. Die Standardabweichung ergibt sich dann aus der Quadratwurzel der Varianz. The alternating component i d, A c of the intermediate circuit current i d as a controlled variable x p can of course be evaluated in the most varied of ways. A very simple approach would be to evaluate the distance between the maximum and minimum amplitudes of the intermediate circuit current i d , possibly also as an amount or as a square. Since the intermediate circuit current i d is not a periodic variable, statistical measures can also be used for evaluation. A statistical measure is applied to the intermediate circuit current i d, for example a variance or a standard deviation. A mean value of the intermediate circuit current i d over time could be used as the expected value and the deviation of the intermediate circuit current i d from the expected value could be assessed, which leads to the variance. The standard deviation then results from the square root of the variance.
Der Kostenterm Jd(x ) kann dann beispielsweise in der Form The cost term J d (x) can then, for example, in the form
Länge Nd angeschrieben werden, was dem Effektivwert des Wechselanteils id,Ac des Zwischenkreisstromes id im diesem Zeitfenster entspricht. Das Prädiktionsmodell 3 würde dazu den Zwischenkreisstrom id als Regelgröße xp ermitteln. Die Anzahl Nd der vergangenen Stromwerte könnten in einem Speicher, beispielsweise der Steuereinheit 13 oder des Prädiktionsmodells 3. abgelegt sein. Der Mittelwert id,v des Zwischenkreisstromes id kann ebenso über ein gleitendes Zeitfenster der Länge Nv (wobei Nd = Nv sein kann, aber nicht sein muss) ermittelt werden, beispielsweise als j) . Length N d , which corresponds to the effective value of the alternating component i d, A c of the intermediate circuit current i d in this time window. For this purpose, the prediction model 3 would determine the intermediate circuit current i d as the controlled variable x p . The number N d of past current values could be stored in a memory, for example the control unit 13 or the prediction model 3. The mean value i d, v of the intermediate circuit current i d can can also be determined over a sliding time window of length N v (where N d = N v can, but does not have to be), for example as j).
Wenn die Regelgröße xp über einen Prädiktionshorizont Np>1 vorliegt, dann kann der Kostenterm Jd als Summe der einzelnen Kostenterme Jsw zu den jeweiligen Zeitpunkten k+1, If the controlled variable x p is present over a prediction horizon N p > 1, then the cost term J d can be the sum of the individual cost terms Jsw at the respective times k + 1,
Np k+2, k+Np angeschrieben werden, also Jd(xp) = (xp i) Anstelle einer derartigen einfachen Linearkombination der Kostenterme Jd zu den jeweiligen Zeitpunkten könnte natürlich auch eine andere Verknüpfung verwendet werden, insbesondere auch eine beliebige nichtlineare Kombination der Kostenterme Jd zu den jeweiligen Zeitpunkten. Np k + 2, k + N p , i.e. J d (x p ) = (x pi ) Instead of such a simple linear combination of the cost terms J d at the respective points in time, another link could of course also be used, in particular any non-linear combination of the cost terms J d at the respective points in time.
Es können auch noch weitere Kostenterme in der Kostenfunktion J(xp) verwendet werden. In einer Implementierung des Stromrichters 1 mit einer verschachtelten Drossel 14 (Fig.3) kann es zu einer unerwünschten Sättigung im Kern der Drossel 14 kommen, insbesondere dann, wenn die Differenzströme (isi - L2) der über die Drosseln L der verschachtelten Drossel 14 fließenden Ströme zu groß werden. Die Strangströme isi , iS2 sind hierbei die Regelgrößen xp. Daher kann es sich in einer solchen Implementierung vorteilhafterweise anbieten, einen weiteren Kostenterm Jsat(x ) zu verwenden, der die Differenzströme (isi - iS2) beschränkt. Hier ist zu berücksichtigen, dass es für jede Phase des Stromrichters 1 mit einer solchen verschachtelten Drossel 14 eine solche Beschränkung geben kann. Die Beschränkung kann mit der Maximumsnorm = max in der Form formuliert werden, mit einem vergebenen Grenzdifferenzstrom isat, mit dem Sättigung sicher vermieden wird. Alternativ kann der Kostenterm auch in der Form Further cost terms can also be used in the cost function J (x p ). In an implementation of the converter 1 with a nested choke 14 (FIG. 3), undesirable saturation in the core of the choke 14 can occur, in particular if the differential currents (i si - L2) of the nested choke 14 via the chokes L flowing currents become too large. The phase currents i si , i S 2 are the controlled variables x p . In such an implementation, therefore, it may be advantageous to use a further cost term J sat (x) which limits the differential currents (i si − i S 2). It must be taken into account here that there can be such a restriction for each phase of the converter 1 with such a nested choke 14. The restriction can be set with the maximum norm = max formulated in the form are, with an assigned limit differential current i sat , with which saturation is reliably avoided. Alternatively, the cost term can also be in the form
J sat formuliert werden, was sich insbesondere bei stärkerem Messrauschen als vorteilhaft herausgestellt hat. Darin wird der Parameter a vorgegebenen, vorzugsweise kleiner als eins gewählt, beispielsweise a=0,8. Eine aktive Minimierung der Differenzströme wird erreicht, wenn a=0 gesetzt wird, während bei a > 0 der Differenzstrom nur außerhalb des durch isat festgelegten Bandes minimiert wird. Der Parameter Asat wird vorteilhafterweise groß genug gewählt, sodass diese Kostenfunktion Jsat bei Verletzung der Bedingung stark in den Wert der Kostenfunktion J(xp) eingeht, sodass Eingangsgrößen up, die zu einer Sättigung führen können, sicher ausgeschlossen werden.J sat to be formulated, which is particularly important has shown greater measurement noise to be advantageous. The parameter a is specified therein, preferably selected to be less than one, for example a = 0.8. An active minimization of the differential currents is achieved when a = 0 is set, while with a> 0 the differential current is only minimized outside the band defined by i sat. The parameter A sat is advantageously chosen large enough that this cost function J sat is heavily included in the value of the cost function J (x p ) if the condition is violated, so that input variables u p that can lead to saturation are reliably excluded.
Wenn die Regelgröße xp über einen Prädiktionshorizont Np>1 vorliegt, dann kann der Kostenterm Jsat als Summe der einzelnen Kostenterme Jsat zu den jeweiligen Zeitpunkten Np k+1, k+2, k+Np angeschrieben werden, also Jsat{xp) = '^JJsat{xp i) Anstelle einer derartigen einfachen Linearkombination der der Kostenterme Jsat zu den jeweiligen Zeitpunkten könnte natürlich auch eine andere Verknüpfung verwendet werden, insbesondere auch eine nichtlineare Kombination der Kostenterme Jsat zu den jeweiligen Zeitpunkten. If the controlled variable x p is present over a prediction horizon N p > 1, then the cost term J sat can be the sum of the individual cost terms J sat at the respective times Np k + 1, k + 2, k + Np, that is, J sat {x p ) = ' ^ J J sat {x pi ) Instead of such a simple linear combination of the cost terms J sat at the respective times, a Other links can be used, in particular also a non-linear combination of the cost terms J sat at the respective points in time.
Die Differenzströme (isi - iS2) eines Stromrichters mit mehreren verschachtelten Schaltsträngen, auch in Form eines Mehrstufenstromrichters, also die Differenz der über die Drosseln L der Strangströme isi, iS2 der miteinander verbundenen Schaltstränge, können in einem Kostenterm Jbai(x ) der Kostenfunktion J berücksichtigt werden, beispielsweise für ein Strom Balancing. Die Differenz kann im Kostenterm wiederum als einfach Differenz oder als Norm der Differenz (^-Norm oder ^2-Norm) The differential currents (i si - i S 2) of a converter with several interleaved switching lines, also in the form of a multi-stage converter, i.e. the difference between the switching lines connected via the chokes L of the phase currents i si , i S 2, can be included in a cost term J bai (x) of the cost function J are taken into account, for example for power balancing. The difference can in turn in the cost term as a simple difference or as a norm of the difference (^ -norm or ^ 2 -norm)
In diesem Kostenterm Jsat kommen die Differenzströme (isi - iS2) vor. Diese können vorteilhaft mit einer Messanordnung 15 in Form einer Brückenschaltung nach Fig.7 ermittelt, konkret gemessen, werden. The differential currents (i si - i S 2) occur in this cost term J sat. These can advantageously be determined, specifically measured, with a measuring arrangement 15 in the form of a bridge circuit according to FIG.
Ein erster Brückenzweig verbindet die Ausgänge der beiden Drosseln L der verschachtelten Drossel 14 mit einer Serienschaltung aus Widerständen RMI , RM2. Diese Verbindung kann aus zwei symmetrischen Wderständen RM2 bestehen, die in Serie verschaltet sind. Ein zweiter Brückenzweig verbindet die Ausgänge der beiden Drosseln L der verschachtelten Drossel 14 über vorzugsweise niederohmige Messwiderstände RM3 (üblicherweise einige mQ) zu einer gemeinsamen Ausgangsklemme BP der jeweiligen Phase des Stromrichters 1. Die Messwiderstände RM3 sollten wesentlich geringere Widerstandswerte haben als die Wderstände RM2 des ersten Brückenzweigs, um sicherzustellen, dass der Strom im ersten Brückenzweig vernachlässigbar klein ist. Alternativ kann ein kompensierender Faktor gemäß der Stromaufteilung in einer übergeordneten Auswertelogik implementiert werden. In einer solchen Messanordnung 15 kann über die Wderstände RMI des ersten Brückenzweiges ein Spannungssensor MS1 geschaltet werden, wobei die damit gemessene Spannung proportional zum Differenzstrom (isi - iS2) ist. In einem Querzweig, der den Mittelpunkt AP des ersten Brückenzweigs mit der gemeinsamen Ausgangsklemme BP des zweiten Brückenzweigs verbindet, kann ein weiterer Spannungssensor MS2 verwendet werden, um eine Spannung zu messen, die proportional zum Summenstrom (isi + iS2) ist. A first branch of the bridge connects the outputs of the two chokes L of the nested choke 14 with a series circuit of resistors RMI, RM2. This connection can consist of two symmetrical resistors R M 2 which are connected in series. A second bridge branch connects the outputs of the two chokes L of the nested choke 14 via preferably low-resistance measuring resistors R M 3 (usually a few mQ) to a common output terminal BP of the respective phase of the converter 1. The measuring resistors R M 3 should have significantly lower resistance values than the Resistances R M 2 of the first bridge branch to ensure that the current in the first bridge branch is negligibly small. Alternatively, a compensating factor can be implemented in a higher-level evaluation logic according to the current distribution. In such a measuring arrangement 15, a voltage sensor MS1 can be switched via the resistors R MI of the first bridge branch, the voltage thus measured being proportional to the differential current (i si - i S 2). In a shunt arm that connects the midpoint AP of the first bridge arm to the common output terminal BP of the second bridge arm, another voltage sensor MS2 can be used to measure a voltage that is proportional to the total current (i si + i S 2).
Ein Vorteil dieser Messanordnung 15 ist, dass die Eingangsspannungsbereiche der jeweiligen Spannungssensoren MS1 , MS2 durch Auswahl der Wderstandswerte für die Wderstände RMI , RM3 für die erwarteten Differenz- bzw. Summenströme separat ausgewählt werden können. Außerdem kann die gemessene Spannung im ersten Brückenzweig über einen zusätzlichen Spannungsteiler über die Widerstände RMI herunterskaliert werden, bevor sie dem Spannungssensor MS1 zugeführt wird. An advantage of this measuring arrangement 15 is that the input voltage ranges of the respective voltage sensors MS1, MS2 can be selected separately for the expected differential or total currents by selecting the resistance values for the resistance values RMI, RM3. In addition, the measured voltage in the first bridge branch can be over an additional voltage divider can be scaled down via the resistors RMI before it is fed to the voltage sensor MS1.
Eine solche Messanordnung 15 kann natürlich auch bei verschachtelten Schaltsträngen SL1, SL2 eines Stromrichters 1 ohne verschachtelter Drossel 14 (beispielsweise wie in Fig.2 dargestellt) angewendet werden. Such a measuring arrangement 15 can of course also be used in the case of nested switching branches SL1, SL2 of a converter 1 without nested choke 14 (for example as shown in FIG. 2).
Die einzelnen Kostenterme der Kostenfunktion J(xp), oder auch nur gewisse Kostenterme, können auch noch durch einen Wichtungsfaktor A gewichtet werden. Über den Wichtungsfaktor kann dann ein bestimmtes Regelungsziel gegenüber anderen bevorzugt werden, beispielsweise eine höhere Regelungsgenauigkeit durch einen hohen Wichtungsfaktor Asw für den Kostenterm Jsw und einen niedrigen Wichtungsfaktor Ad für den Kostenterm Jd, oder umgekehrt. The individual cost terms of the cost function J (x p ), or just certain cost terms, can also be weighted by a weighting factor A. The weighting factor can then be used to give preference to a specific control objective over others, for example a higher control accuracy through a high weighting factor Asw for the cost term Jsw and a low weighting factor A d for the cost term J d , or vice versa.
Die Kostenfunktion J(xp) kann dann beispielsweise wie folgt definiert sein, wobei optionale Terme in der eckigen Klammer angeführt sind. Üblicherweise wird zumindest die Kostenfunktion Jsw zusätzlich berücksichtigt. The cost function J (x p ) can then be defined, for example, as follows, with optional terms being given in square brackets. Usually, at least the cost function Jsw is also taken into account.
Diese Kostenfunktion J(xp) wird optimiert (minimiert oder maximiert), es wird also diejenige Regelgröße xp als Lösung der Optimierung verwendet, die den optimalen (kleinsten oder größten) Wert der Kostenfunktion J(xp) ergibt. Dieser Regelgröße xp ist eine Eingangsgröße up, die zur Regelgröße xp geführt hat, zugeordnet. Diese Eingangsgröße wird als optimale Eingangsgröße uopt für die Regelung verwendet und im nächsten Zeitschritt (k+1) verwendet, um damit dem Stromrichter 1 anzusteuern. This cost function J (x p ) is optimized (minimized or maximized), that is, that controlled variable x p is used as the solution of the optimization which gives the optimal (smallest or largest) value of the cost function J (x p ). This controlled variable x p is assigned an input variable u p which led to the controlled variable x p . This input variable is used as the optimal input variable u opt for the regulation and is used in the next time step (k + 1) in order to control the converter 1 with it.
In der Optimierung können auch noch Randbedingungen g(xp) berücksichtigt werden, die üblicherweise als Ungleichungen, beispielsweise g(xp) < gmax, formuliert sind. In the optimization, boundary conditions g (x p ) can also be taken into account, which are usually formulated as inequalities, for example g (x p ) <g max.
Die Durchführung der Optimierung wird eine gewisse Zeit in Anspruch nehmen, die auch größer sein kann als ein Zeitschritt der Regelung. Das kann zur Folge haben, dass sich die ermittelte optimale Eingangsgröße uopt nicht mehr auf Messwerte zum Zeitpunkt (k) bezieht, sondern auf vorangegangen Messwerte zum Zeitpunkt (k-1). Der Regler hinkt dem geregelten System um einen Zeitschritt hinterher. Das kann die Regelgüte negativ beeinflussen. Daher kann eine Zeitkompensation vorgesehen sein. The implementation of the optimization will take a certain amount of time, which can also be longer than a time step of the control. This can have the consequence that the determined optimal input variable u opt no longer relates to measured values at time (k), but to previous measured values at time (k-1). The controller lags behind the controlled system by one time step. This can have a negative impact on the control quality. Time compensation can therefore be provided.
Zur zeitkompensation kann die Eingangsgröße up(k) zum aktuellen Zeitpunkt (k), die bekannt ist, verwendet werden, um mit dem Prädiktionsmodell 3 die prädizierte Regelgröße xp(k+1) zu berechnen. Mit dieser prädizierten Regelgröße xp(k+1) und den N bzw. den bis zu NNp möglichen Eingangsgrößen up(k+1), die zum Zeitpunkt (k+1) angelegt werden können, können mit dem Prädiktionsmodell 3 die sich ergebenden N bzw. den bis zu NNp Regelgrößen xp(k+2) ermittelt werden. Mit diesen Regelgrößen xp(k+2) kann die Optimierung wie oben beschrieben durchgeführt werden, um die optimale Eingangsgröße uo t(k+1) zu ermitteln, die dann zum nächsten Zeitschritt (k+1) im Stromrichter 1 angelegt wird. For time compensation, the input variable u p (k) at the current point in time (k), which is known, can be used to calculate the predicted controlled variable x p (k + 1) with the prediction model 3. With this predicted controlled variable x p (k + 1) and the N or up to N Np possible input variables u p (k + 1) that can be applied at the point in time (k + 1), the prediction model 3 can be used resulting N or up to N Np Controlled variables x p (k + 2) can be determined. With these controlled variables x p (k + 2), the optimization can be carried out as described above in order to determine the optimal input variable u ot (k + 1), which is then applied to the converter 1 for the next time step (k + 1).
Für das Prädiktionsmodell 3 sind der Stromrichter 1 in der jeweiligen Topologie und die elektrischen Last 2 durch Systemgleichungen mathematisch zu beschreiben, wie am Beispiel eines Stromrichters 1 nach Fig.2 mit einer verschachtelten Drossel 14 nach Fig.3 und einem Asynchronmotor als elektrische Last 2 beispielhaft erläutert wird. For the prediction model 3, the converter 1 in the respective topology and the electrical load 2 are to be mathematically described by system equations, as exemplified by the example of a converter 1 according to FIG. 2 with a nested choke 14 according to FIG. 3 and an asynchronous motor as electrical load 2 is explained.
Die verschachtelte Drossel 14 kann mit einem Ersatzschaltbild wie in Fig.6 dargestellt modelliert werden, mit den für die Drossel 14 bekannten Streuinduktivitäten I_is, I_2s, der bekannten Gegeninduktivität M und den bekannten Verlustwiderständen R1, R2. DieThe nested choke 14 can be modeled with an equivalent circuit diagram as shown in FIG. 6, with the leakage inductances I_i s , I_2 s known for the choke 14, the known mutual inductance M and the known loss resistances R1, R2. the
Eingangsspannungen vio, V20 können je nach Schaltstellung der Halbleiterschalter HSnm dieInput voltages vio, V20 can depending on the switch position of the semiconductor switch HSnm die
Werte annehmen. Durch Anwendung der Knoten- und Maschenregel erhält man die folgenden Systemgleichungen. Accept values. Applying the knot and mesh rule one obtains the following system equations.
Aus den obigen Systemgleichungen ist ersichtlich, dass die Ausgangsspannung va auch den Wert Null annehmen kann. Für eine Implementierung des Prädiktionsmodells 3 auf einem Mikroprozessor oder einer integrierten Schaltung (ASCI, FPGA) wird eine zeitdiskrete Formulierung der Systemgleichungen benötigt. Diese lässt sich einfach durch Anwenden des Euler-Vorwärts-Verfahrens gewinnen, indem in den Systemgleichungen die Differenzialquotienten dx/dt durch [x(k+1)-x(k)]/T mit der vorgegebenen Abtastzeit T und die Momentanwerte x(t) durch x(k) ersetzt werden. Natürlich kann auch ein anderes Diskretisierungsverfahren verwendet werden. Das führt zu den folgenden zeitdiskreten Systemgleichungen. From the above system equations it can be seen that the output voltage v a can also assume the value zero. For an implementation of the prediction model 3 on a microprocessor or an integrated circuit (ASCI, FPGA), a discrete-time formulation of the system equations is required. This can be obtained simply by applying the Euler forward method by adding the differential quotients dx / dt in the system equations by [x (k + 1) -x (k)] / T with the specified sampling time T and the instantaneous values x (t ) can be replaced by x (k). Of course, another discretization method can also be used. This leads to the following discrete-time system equations.
Die obigen Systemgleichungen ergeben sich natürlich für jede Phase der Ausgangsspannung va, sodass sich für einen dreiphasigen Stromrichter 1 in Summe neun Systemgleichungen ergeben. The above system equations naturally result for each phase of the output voltage v a , so that a total of nine system equations result for a three-phase converter 1.
Die Systemgleichungen werden ergänzt durch die Systemgleichungen der elektrischen Last 2. Diese sind für allgemein verwendete elektrische Lasten 2, wie beispielsweise eine Asynchronmaschine, hinlänglich bekannt. The system equations are supplemented by the system equations of the electrical load 2. These are well known for generally used electrical loads 2, such as an asynchronous machine.
Das Drehmoment Te einer Asynchronmaschine kann beispielsweise mit der folgenden Systemgleichung im statorfesten ab-Koordinatensystem beschrieben werden. The torque T e of an asynchronous machine can be described, for example, with the following system equation in the stator-fixed ab coordinate system.
Darin sind die Anzahl der Polpaare zp, die Gegeninduktivität Msr, die Statorindutkivität Ls, die Rotorinduktivität Lr und die Streukoeffizient c bekannte Parameter der Asynchronmaschine. Y beschreiben die magnetischen Flüsse im Rotor (Index r) und im Stator (Index s) im aß- Koordinatensystem. Daraus wird das Drehmoment Te des Elektromotors ermittelt. Die magnetischen Flüsse im Stator und Rotor der Asynchronmaschine lassen sich durch die folgenden Gleichungen angeben , wobei nur die zeitdiskreten Gleichungen angeschrieben werden. The number of pole pairs z p , the mutual inductance M sr , the stator inductivity L s , the rotor inductance L r and the scatter coefficient c are known parameters of the asynchronous machine. Y describe the magnetic fluxes in the rotor (index r) and in the stator (index s) in the aß coordinate system. The torque T e of the electric motor is determined from this. The magnetic fluxes in the stator and rotor of the asynchronous machine can be given by the following equations, whereby only the discrete-time equations are written.
Darin ist der Rotorwiderstand Rr wieder ein bekannter Parameter der Asynchronmaschine, T die Abtastzeit (die nicht gleich sein muss wie die Abtastzeit für die obigen Systemgleichungen des Stromrichters 1), oor die Winkelgeschwindigkeit (die gemessen werden kann) und die magnetischen Flüsse yG, ijJs im Rotor und Stator enthalten die Flüsse im ab-Koordinatensystem, also yg = \yga und /s = /sa sß^ Der Strom ia in den obigen Gleichungen ist der Wcklungsstrom (der den Ausgangsströmen ia der Phasen des Stromrichters 1 entspricht) im ab-Koordinatensystem und stellt die Verbindung der Systemgleichungen des Stromrichters 1 und der elektrischen Last 2 her. Die Transformation der Ausgangsströme ia der Phasen des Stromrichters 1 in den Strom im aß- 6 Koordinatensystem erfolgt bekanntermaßen mittels der bekannten Clarke-Transformation Therein, the rotor resistance R r is again a known parameter of the asynchronous machine, T is the sampling time (the not be the same need as the sampling time for the above system equations of the power converter 1), oo r is the angular velocity (which can be measured), and the magnetic fluxes y G , ijJ s in the rotor and stator contain the fluxes in the ab coordinate system , i.e. y g = \ y ga and / s = / sa sß ^ The current i a in the above equations is the winding current (which corresponds to the output currents i a of the phases of the converter 1) in the ab coordinate system and represents the connection of the system equations of the converter 1 and the electrical load 2 here. The transformation of the output currents i a of the phases of the converter 1 into the current in the aß- 6 As is known, the coordinate system takes place by means of the known Clarke transformation
Die Systemgleichungen des Stromrichters 1 und der elektrischen Last 2 lassen sich dx (t) The system equations of the converter 1 and the electrical load 2 can be dx (t)
— ~ — = A x (t) + B u (t) kompakter als Zustandsraummodell in der Form dt oder in y(t) = C-xp(t) x (k + l) = (A + l)-T-xn(k) + B-T-un(k) zeitdiskreter Notation in der Form (mit Euler- y(k) = C-T-xp(k ) - ~ - = A x (t) + B u (t) more compact than state space model in the form dt or in y (t) = Cx p (t) x (k + l) = (A + l) -Tx n ( k) + BTu n ( k) discrete-time notation in the form (with Euler- y (k) = CTx p (k)
Vorwärts-Verfahren diskretisiert, wobei auch andere Diskretisierungsverfahren denkbar sind) mit der Einheitsmatrix I und der Abtastzeit T darstellen, wobei sich die System matrizen A, B, C aus der konkreten Modellierung ergeben. Der Vektor der Zustandsgrößen xp enthält beispielsweise die magnetischen Flüsse yG, ijJs und die Strangströme isi , iS2 (natürlich über alle Phasen des Stromrichters 1), beides auch im ab-Koordinatensystem, und der Vektor der Ausgangsgrößen y enthält beispielsweise das Drehmoment Te des Elektromotors und die Ausgangsströme ia (oder auch die einzelnen Strangströme isi , iS2). Aus den Strangströme isi , iS2 gegebenenfalls zusammen mit den bekannten Schaltstellungen der Halbleiterschalter HSnm (Eingangsgrößen up), kann natürlich auch der Zwischenkreisstrom id ermittelt werden. Forward method discretized, other discretization methods are also conceivable) with the unit matrix I and the sampling time T, the system matrices A, B, C result from the concrete modeling. The vector of the state variables x p contains, for example, the magnetic fluxes y G , ijJ s and the phase currents i si , i S2 (of course over all phases of the converter 1), both also in the ab coordinate system, and the vector of the output variables y contains that, for example Torque T e of the electric motor and the output currents i a (or the individual phase currents i si , i S2 ). The intermediate circuit current i d can of course also be determined from the phase currents i si , i S2, possibly together with the known switching positions of the semiconductor switches HSnm (input variables u p).
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Legal Events
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| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 21739911 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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| NENP | Non-entry into the national phase |
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| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 21739911 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |