Способ, устройство и система распределенного управления подмодулями
Использование – в области электротехники. Технический результат – повышение качества балансировки напряжений между подмодулями. Заявлены способ, устройство и система распределенного управления подмодулями. Подмодули каждого плеча моста преобразовательного вентиля сгруппированы. Каждая группа соответствует одному контроллеру на основе вентиля. Устройство управления верхнего уровня вычисляет вес каждой группы в соответствии с током плеча моста, средним напряжением нормальных подмодулей в каждой группе и количеством нормальных подмодулей в каждой группе; вычисляет, в соответствии с количеством подмодулей, которые должны быть входными в соответствующем мосте, количество подмодулей, являющихся входными в каждой группе, и передает это количество контроллеру на основе вентиля. Контроллер на основе вентиля работает в соответствии с технологией балансировки напряжения и способом коммутации, которые известны из уровня техники. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к области силовой электроники и, в частности, к способу, устройству и системе распределенного управления подмодулями.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
С развитием технологий силовой электроники технология гибкой передачи энергии постоянным током (DC), основанная на модульном многоуровневом преобразователе, привлекает чрезвычайно широкое внимание и широко применяется. Для плеч моста этой топологии базовые функциональные блоки располагают каскадом и избегают прямого последовательного соединения большого количества переключающих элементов, без такой проблемы как согласованность управления, значительно снижая тем самым технические препятствия для передачи энергии постоянным током. Однако поскольку в такой топологии энергия рассеивается и хранится в конденсаторах подмодулей плеч моста, одной из проблем реализации состоит в том как быстро реализовать во время работы сбалансированное управление напряжениями конденсаторов подмодулей.
В настоящее время при балансировке напряжений между подмодулями обычно используется способ задания последовательности и коммутации напряжений конденсаторов подмодулей. Однако когда в плечах моста имеется излишнее количество подмодулей, значительная часть времени расходуется в алгоритме задания последовательности и чрезмерно высок коэффициент нагрузки контроллера на основе вентиля, причем поскольку количество (количество звеньев) подмодулей должно расти в соответствии с увеличением уровня напряжения, экспоненциально возрастает время, расходуемое в алгоритме задания последовательности.
С другой стороны, поскольку каждый подмодуль должен сообщаться с контроллером на основе вентиля, количество коммуникационных интерфейсов между контроллерами на основе вентиля и подмодулями увеличивается по мере увеличения количества звеньев. При этом расширение аппаратной части может привести к значительному увеличению затрат и продолжительности разработки, что препятствует распространению контроллера на основе вентиля.
В патенте № CN 201210451946 предложен "Способ управления группировкой и балансировкой напряжений подмодулей модульного многоуровневого преобразователя". В этом изобретении подмодули группируются поровну, вычисляется общее напряжение каждой группы и вычисляется коэффициент равновесия энергии для каждой группы, на основании чего вычисляется количество подмодулей, которые должны быть входными в каждой группе. Такой алгоритм требует группировки подмодулей поровну без учета таких ситуаций, как неисправность или байпас, происходящих в подмодулях во время работы и могущих привести к динамическому изменению количества нормальных подмодулей. Кроме того, способ, в котором коэффициент равновесия энергии каждой группы вычисляется с использованием общего напряжения каждой группы, может привести к отклонению напряжений подмодулей, когда нормальные подмодули в каждой группе сильно различаются по количеству, и может, вероятно, привести к тому, что вычисленное количество входных подмодулей будет больше количества нормальных подмодулей.
Таким образом, необходимо получить технически реализуемое решение, позволяющее уменьшить коэффициент нагрузки контроллера на основе вентиля, расширить функции контроллера на основе вентиля и обеспечить превосходный результат с точки зрения балансировки напряжений между подмодулями.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническая проблема
Настоящее изобретение направлено на создание способа, устройства и системы распределенного управления подмодулями, которые позволяют избежать увеличения коэффициента нагрузки контроллера на основе вентиля вследствие увеличения количества звеньев, избежать увеличения затрат и продолжительности разработки вследствие расширения аппаратной части контроллера на основе вентиля, и обеспечить превосходный результат с точки зрения балансировки напряжений между подмодулями.
Техническое решение
Согласно изобретению для достижения вышеуказанной цели созданы следующие технические решения.
Способ распределенного управления подмодулями, отличающийся тем, что все подмодули каждого плеча моста преобразовательного вентиля группируют в М групп, где М≥1, причем все подмодули включают в себя неисправные подмодули и нормальные подмодули, соответствующие подмодули в каждой группе равны или неравны по количеству, при этом обеспечивают возможность динамического изменения количества нормальных подмодулей в каждой группе, причем каждая группа соответствует одному контроллеру на основе вентиля, каждый контроллер на основе вентиля работает по отдельности, контроллер верхнего уровня передает количество входных подмодулей контроллеру на основе вентиля, при этом количество входных подмодулей вычисляют следующим образом:
(1) находят, посредством каждого контроллера на основе вентиля, среднее напряжение 
нормальных подмодулей, управляемых контроллером на основе вентиля, подсчитывают количество 
нормальных подмодулей и отправляют среднее напряжение и количество контроллеру верхнего уровня;
(2) получают, посредством контроллера верхнего уровня, ток Iarm плеча моста и определяют направление;
(3) находят, посредством контроллера верхнего уровня, вес Вi каждого управляемого контроллера на основе вентиля в соответствии со средним напряжением 
нормальных подмодулей, управляемых каждым контроллером на основе вентиля, количеством 
нормальных подмодулей и направлением тока плеча моста, причем когда ток плеча моста идет в направлении заряда, 
, а когда ток плеча моста идет в направлении разряда, 
; и
(4) вычисляют, посредством контроллера верхнего уровня, в соответствии с общим количеством 
подмодулей, которые должны быть входными в соответствующем плече моста, и весом Вi каждого контроллера на основе вентиля, количество 
подмодулей, являющихся входными в каждом контроллере на основе вентиля, где round - это функция округления.
В приведенном выше решении контроллер верхнего уровня управляет одним или более плечами моста преобразовательного вентиля.
В приведенном выше решении нормальные подмодули представляют собой подмодули, которые могут участвовать в нормальном переключении.
В приведенном выше решении неисправные подмодули включают в себя подмодули, которые находятся в байпасном состоянии и в запертом состоянии, и свободный канал на башне преобразовательного вентиля.
В приведенном выше решении значение индекса i для всех переменных находится в диапазоне от 1 до М.
В приведенном выше решении направление заряда на этапе 3) относится к направлению тока плеча моста, когда напряжение подмодуля повышается, а направление разряда относится к направлению тока плеча моста, когда напряжение подмодуля падает.
Также согласно настоящему изобретению создано устройство распределенного управления подмодулями, включающее в себя блок определения направления, блок нахождения веса, блок переключения выбора, блок вычисления входа плеча моста и блок вычисления входа контроллера на основе вентиля, при этом
блок определения направления конфигурирован для определения направления в соответствии с полученным током Iarm плеча моста;
блок нахождения веса конфигурирован для нахождения веса Вi каждого управляемого контроллера на основе вентиля в соответствии со средним напряжением 
нормальных подмодулей, управляемых каждым контроллером на основе вентиля, количеством 
нормальных подмодулей и направлением тока плеча моста, причем когда ток плеча моста идет в направлении заряда, 
, а когда ток плеча моста идет в направлении разряда, 
;
блок переключения выбора конфигурирован для выбора веса Bi управляемого контроллера на основе вентиля в соответствии с результатом определения блока определения направления и для вывода веса в блок вычисления входа контроллера на основе вентиля; и
блок вычисления входа контроллера на основе вентиля конфигурирован для вычисления, в соответствии с весом Вi и общим количеством 
, вычисленным блоком вычисления входа плеча моста, подмодулей, которые должны быть входными в соответствующем плече моста, количества 
подмодулей, являющихся входными в каждом контроллере на основе вентиля, где round - это функция округления.
Согласно настоящему изобретению также создана система распределенного управления подмодулями, включающая в себя преобразовательный вентиль, контроллер верхнего уровня и контроллер на основе вентиля, причем все подмодули каждого плеча моста преобразовательного вентиля сгруппированы в М групп, где М≥1, все подмодули включают в себя неисправные подмодули и нормальные подмодули, соответствующие подмодули в каждой группе равны или неравны по количеству, при этом обеспечена возможность динамического изменения количества нормальных подмодулей в каждой группе, каждая группа соответствует одному контроллеру на основе вентиля, каждый контроллер на основе вентиля выполнен с возможностью работать по отдельности; при этом контроллер верхнего уровня включает в себя устройство распределенного управления подмодулями согласно п. 7 формулы изобретения и конфигурирован для вычисления количества входных подмодулей и передачи этого количества контроллеру на основе вентиля.
Технический результат
За счет использования приведенных выше решений, созданных согласно настоящему изобретению достигаются следующих полезные эффекты:
1) значительно уменьшается коэффициент нагрузки контроллера на основе вентиля и улучшается надежность контроллера на основе вентиля;
2) устраняется необходимость расширения аппаратной части контроллера на основе вентиля, что сокращает продолжительность разработки и затраты на разработку;
3) информация о среднем напряжении подмодулей в каждой группе включена в вес, благодаря чему можно обеспечить хорошую балансировку напряжения между группами; и
4) информация о количестве нормальных подмодулей в каждой группе включена в вес, благодаря чему можно обеспечить, что вычисленное количество подмодулей, являющихся входными в каждой группе, не превышает количество нормальных подмодулей в группе.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 является схемой структуры распределенного управления подмодулями, где VBC обозначает контроллер на основе вентиля, a SM обозначает подмодуль;
фиг. 2 является принципиальной схемой логики распределенного управления подмодулями;
фиг. 3 является принципиальной структурной схемой устройства распределенного управления подмодулями согласно настоящему изобретению.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее технические решения согласно настоящему изобретению подробно описаны со ссылками на прилагаемые чертежи и частные варианты осуществления.
В способе распределенного управления подмодулями все подмодули каждого плеча моста преобразовательного вентиля группируются в М групп, где М≥1, при этом все подмодули включают в себя неисправные подмодули и нормальные подмодули, соответствующие подмодули в каждой группе могут быть равными или неравными по количеству, при этом обеспечивается возможность динамического изменения количества нормальных подмодулей в каждой группе, каждая группа соответствует одному контроллеру на основе вентиля, каждый контроллер на основе вентиля работает по отдельности, контроллер верхнего уровня передает количество входных подмодулей контроллеру на основе вентиля, при этом количество входных подмодулей вычисляют следующим образом:
(1) находят, посредством каждого контроллера на основе вентиля, среднее напряжение 
нормальных подмодулей, управляемых контроллером на основе вентиля, подсчитывают количество 
нормальных подмодулей и отправляют среднее напряжение и количество контроллеру верхнего уровня;
(2) получают, посредством контроллера верхнего уровня, ток Iarm плеча моста и определяют направление;
3) находят, посредством контроллера верхнего уровня, вес Вi каждого управляемого контроллера на основе вентиля в соответствии со средним напряжением 
нормальных подмодулей, управляемых каждым контроллером на основе вентиля, количеством 
нормальных подмодулей и направлением тока плеча моста, причем когда ток плеча моста идет в направлении заряда, 
, а когда ток плеча моста идет в направлении разряда, 
; и
(4) вычисляют, посредством контроллера верхнего уровня, в соответствии с общим количеством 
подмодулей, которые должны быть входными в соответствующем плече моста, и весом Вi каждого контроллера на основе вентиля, количество 
подмодулей, являющихся входными в каждом контроллере на основе вентиля, где round - это функция округления.
Контроллер верхнего уровня способен управлять одним или более плечами моста преобразовательного вентиля.
Нормальные подмодули представляют собой подмодули, способные участвовать в нормальном переключении.
Неисправные подмодули включают в себя подмодули, которые находятся в байпасном состоянии и в запертом состоянии, и свободный канал на башне преобразовательного вентиля.
Значение индекса i для всех переменных находится в диапазоне от 1 до М.
Направление заряда относится к направлению тока плеча моста, когда напряжение подмодуля повышается, а направление разряда относится к направлению тока плеча моста, когда напряжение подмодуля падает.
В настоящем изобретении дополнительно заявлено устройство распределенного управления подмодулями, включающее в себя, как показано на фиг. 3, блок определения направления, блок нахождения веса, блок переключения выбора, блок вычисления входа плеча моста и блок вычисления входа контроллера на основе вентиля, при этом блок определения направления конфигурирован для определения направления в соответствии с полученным током Iarm плеча моста;
блок нахождения веса конфигурирован для нахождения веса Bi каждого управляемого контроллера на основе вентиля в соответствии со средним напряжением 
нормальных подмодулей, управляемых каждым контроллером на основе вентиля, количеством 
нормальных подмодулей и направлением тока плеча моста, причем, когда ток плеча моста идет в направлении заряда, 
, и когда ток плеча моста идет в направлении разряда, 
;
блок переключения выбора конфигурирован для выбора веса Bi управляемого контроллера на основе вентиля в соответствии с результатом определения блока определения направления и для вывода веса в блок вычисления входа контроллера на основе вентиля; и
блок вычисления входа контроллера на основе вентиля конфигурирован для вычисления, в соответствии с весом Bi и общим количеством 
вычисленным блоком вычисления входа плеча моста, подмодулей, которые должны быть входными в соответствующем плече моста, количества 
подмодулей, являющихся входными в каждом контроллере на основе вентиля, где round - функция округления.
Также согласно настоящему изобретению создана система распределенного управления подмодулями, включающая в себя преобразовательный вентиль, контроллер верхнего уровня и контроллер на основе вентиля, причем все подмодули каждого плеча моста преобразовательного вентиля сгруппированы в М групп, где М≥1, все подмодули включают в себя неисправные подмодули и нормальные подмодули, соответствующие подмодули в каждой группе равны или неравны по количеству, причем обеспечена возможность динамического изменения количества нормальных подмодулей в каждой группе, каждая группа соответствует одному контроллеру на основе вентиля и контроллер на основе вентиля выполнен с возможностью работать по отдельности; при этом контроллер верхнего уровня включает в себя устройство распределенного управления подмодулями согласно настоящему изобретению и конфигурирован для вычисления количества входных подмодулей и передачи этого количества контроллеру на основе вентиля.
В приведенном выше описании осуществления изобретения раскрыта лишь техническая сущность изобретения, поэтому оно не предназначено для ограничения объема правовой охраны настоящего изобретения. Любые модификации, выполненные на основе раскрытых здесь технических решений и в соответствии с технической сущностью настоящего изобретения, должны включаться в объем правовой охраны настоящего изобретения.
1. Способ распределенного управления подмодулями, в котором все подмодули каждого плеча моста преобразовательного вентиля группируют в М групп, где М≥1, причем все подмодули содержат неисправные подмодули и нормальные подмодули, причем соответствующие подмодули в каждой группе равны или неравны по количеству, обеспечивают возможность динамического изменения количества нормальных подмодулей в каждой группе, причем каждая группа соответствует одному контроллеру на основе вентиля, каждый контроллер на основе вентиля работает по отдельности, контроллер верхнего уровня передает количество входных подмодулей контроллеру на основе вентиля, при этом количество входных подмодулей вычисляют следующим образом:
(1) находят, посредством каждого контроллера на основе вентиля, среднее напряжение 
нормальных подмодулей, управляемых контроллером на основе вентиля, подсчитывают количество 
нормальных подмодулей и отправляют среднее напряжение и количество контроллеру верхнего уровня;
(2) получают, посредством контроллера верхнего уровня, ток Iarm плеча моста и определяют направление;
(3) находят, посредством контроллера верхнего уровня, вес Вi каждого управляемого контроллера на основе вентиля в соответствии со средним напряжением 
нормальных подмодулей, управляемых каждым контроллером на основе вентиля, количеством нормальных подмодулей и направлением тока плеча моста, причем когда ток плеча моста идет в направлении заряда, 
, а когда ток плеча моста идет в направлении разряда, 
; и
(4) вычисляют, посредством контроллера верхнего уровня, в соответствии с общим количеством 
подмодулей, которые должны быть входными в соответствующем плече моста, и весом Вi каждого контроллера на основе вентиля, количество 
подмодулей, являющихся входными в каждом контроллере на основе вентиля, где round - это функция округления.
2. Способ распределенного управления подмодулями по п. 1, в котором контроллер верхнего уровня управляет одним или более плечами моста.
3. Способ распределенного управления подмодулями по п. 1, в котором нормальные подмодули представляют собой подмодули, которые могут участвовать в нормальном переключении.
4. Способ распределенного управления подмодулями по п. 1, в котором неисправные подмодули содержат подмодули, находящиеся в байпасном состоянии и в запертом состоянии, и свободный канал на башне преобразовательного вентиля.
5. Способ распределенного управления подмодулями по п. 1, в котором значение индекса i для всех переменных находится в диапазоне от 1 до М.
6. Способ распределенного управления подмодулями по п. 1, в котором направление заряда на этапе (3) относится к направлению тока плеча моста, когда напряжение подмодуля повышается, при этом направление разряда относится к направлению тока плеча моста, когда напряжение подмодуля падает.
7. Устройство распределенного управления подмодулями, содержащее блок определения направления, блок нахождения веса, блок переключения выбора, блок вычисления входа плеча моста и блок вычисления входа контроллера на основе вентиля, при этом
блок определения направления конфигурирован для определения направления в соответствии с полученным током Iarm плеча моста;
блок нахождения веса конфигурирован для нахождения веса Вi каждого управляемого контроллера на основе вентиля в соответствии со средним напряжением нормальных подмодулей, управляемых каждым контроллером на основе вентиля, количеством 
нормальных подмодулей и направлением тока плеча моста, причем когда ток плеча моста идет в направлении заряда, 
, а когда ток плеча моста идет в направлении разряда, 
;
блок переключения выбора конфигурирован для выбора веса Вi управляемого контроллера на основе вентиля в соответствии с результатом определения блока определения направления и для вывода веса в блок вычисления входа контроллера на основе вентиля; и
блок вычисления входа контроллера на основе вентиля конфигурирован для вычисления, в соответствии с весом Вi и общим количеством , вычисленным блоком вычисления входа плеча моста, подмодулей, которые должны быть входными в соответствующем плече моста, количества 
подмодулей, являющихся входными в каждом контроллере на основе вентиля, где round - это функция округления.
8. Система распределенного управления подмодулями, содержащая преобразовательный вентиль, контроллер верхнего уровня и контроллер на основе вентиля, причем все подмодули каждого плеча моста преобразовательного вентиля сгруппированы в М групп, где М≥1, все подмодули содержат неисправные подмодули и нормальные подмодули, соответствующие подмодули в каждой группе равны или неравны по количеству, при этом обеспечена возможность динамического изменения количества нормальных подмодулей в каждой группе, каждая группа соответствует одному контроллеру на основе вентиля и каждый контроллер на основе вентиля выполнен с возможностью работать по отдельности; при этом контроллер верхнего уровня содержит устройство распределенного управления подмодулями по п. 7 и конфигурирован для вычисления количества входных подмодулей и передачи этого количества контроллеру на основе вентиля.
