双输出单相六开关组mmc逆变器及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了双输出单相六开关组MMC逆变器及其控制方法。本发明的逆变器包括直流电源、第一桥臂、第二桥臂、第一负载和第二负载；所述第一桥臂和第二桥臂均由上开关组、中开关组、下开关组和耦合电感串联而成；第一负载的两端分别接到第一桥臂的中开关组和第二桥臂的中开关组的上端，第二负载的两端分别接到第一桥臂的中开关组和第二桥臂的中开关组的下端。该逆变器采用载波移相PWM控制，具有两路2N+1电平的交流输出，功率开关单元中每个开关管承受的电压应力仅为直流电源电压的1/N，适合于高压、大功率、双负载的场合。第一桥臂的耦合电感原副边和第二桥臂的耦合电感的原、副边均可由第一电感和第二电感两个独立电感替代。
【专利说明】双输出单相六开关组MMC逆变器及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及模块组合多电平(MMC)变换器领域，具体涉及一种双输出单相六开关组MMC逆变器及其控制方法。
【背景技术】
[0002]目前功率变换器正向小型化、高可靠性和低损耗方向发展，在这种趋势下出现两种改进变换器的方向:减少无源器件或者改进变换器拓扑结构以减少有源器件作为减少有源器件方向的新进展。单相六开关变换器相对于传统的八开关变换器减少了一个开关及相应的驱动电路，在考虑成本与体积的应用中占有一定的优势。然而，六开关变换器的两路单相输出均为两电平，输出交流波形比较差。此外，六个开关中每个开关承受的电压应力为直流母线电压的一半，且存在六个开关的均压问题，这极大的限制了单相六开关变换器在高压和大功率场合的应用。
[0003]近年来，多电平变换技术得到不断推广，并已成功应用在诸如高压直流输电、电力传动、有源滤波、静止同步补偿等工业领域，目前常见的电压型多电平变换器拓扑大致可分为箱位型和单元级联型两大类。模块组合多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)作为一种新型的多电平拓扑，除了具有传统多电平变换器的优点，模块组合多电平变换器采用模块化结构设计，便于系统扩容和冗余工作；具有不平衡运行能力、故障穿越和恢复能力，系统可靠性高；由于具有公共直流母线，模块组合多电平变换器尤其适用于高压直流输电系统应用。然而，当两条不同频率的交流线路的相连时，需要2个MMC变换器，这极大的增加了工程成本。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种双输出单相六开关组MMC逆变器及其控制方法。
[0005]本发明采用的技术方案如下。
[0006]双输出单相六开关组MMC逆变器包括直流电源、第一桥臂、第二桥臂、第一负载和第二负载；所述第一桥臂和第二桥臂均由上开关组、中开关组、下开关组和耦合电感串联而成；第一桥臂的上开关组由N个功率开关单元串联而成，第一桥臂的中开关组由N个功率开关单元串联而成，第一桥臂的下开关组由N个功率开关单元串联而成，第二桥臂的上开关组由N个功率开关单元串联而成，第二桥臂的中开关组由N个功率开关单元串联而成，第二桥臂的下开关组由N个功率开关单元串联而成；第一负载的两端分别接到第一桥臂的中开关组和第二桥臂的中开关组的上端，第二负载的两端分别接到第一桥臂的中开关组和第二桥臂的中开关组的下端；第一负载的两端作为第一路输出，第二负载的两端作为第二路输出。第一桥臂的耦合电感原副边和第二桥臂的耦合电感的原、副边均可由第一电感和第二电感两个独立电感替代。
[0007]进一步地，所述双输出单相六开关组MMC逆变器中，直流电源的正极与第一桥臂的上开关组的上端、第二桥臂的上开关组的上端连接，直流电源的负极与第一桥臂的下开关组的下端、第二桥臂的下开关组的下端连接；第一桥臂的上开关组的下端与第一桥臂的耦合电感的原边的同名端连接，第一桥臂的耦合电感的原边的非同名端与第一桥臂的中开关组的上端连接，第一桥臂的中开关组的下端与第一桥臂的耦合电感副边的同名端连接，第一桥臂的耦合电感副边的非同名端与第一桥臂的开关组的上端连接；第二桥臂的结构与第一桥臂的结构完全一致；直流电源的负极与第一桥臂的下开关组的下端、第二桥臂的下开关组的下端、地端连接；第一负载的一端与第一桥臂的中开关组的上端连接，第一负载的另一端与第二桥臂的中开关组的上端连接，第二负载的一端与第一桥臂的中开关组的下端连接，第二负载的另一端与第二桥臂的中开关组的下端连接。
[0008]进一步地，功率开关单元包括第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管和电容。其中，电容的正极与第一开关管的集电极、第一二极管的阴极连接，第一开关管的发射极与第一二极管的阳极、第二开关管的集电极、第二二极管的阴极连接，第二开关管的发射极与第二二极管的阳极、电容的负极连接；第二开关管的集电极作为第一输出端，第二开关管的发射极作为第二输出端。
[0009]每个开关组的第i个功率开关单元的第二输出端与第i + Ι个功率开关单元的第一输出端连接，其中i的取值为I?N-1。
[0010]上述逆变器的控制方法包括:采用载波移相PWM控制每个开关组的开关管的开通与关断；第一桥臂的上开关组的第i个功率开关单元、第一桥臂的下开关组的第i个功率开关单元、第二桥臂的上开关组的第i个功率开关单元和第二桥臂的下开关组的第i个功率开关单元采用相同三角波作为第i个载波Ci，其中i的取值为I?N ;N个载波依次滞后相角360° /N ;第一桥臂的上开关组米用第一正弦波Ral叠加第一直流偏置Rdtja作为第一桥臂的第一调制波Ral+RdM，第一桥臂的下开关组采用第二正弦波Rbl叠加第二直流偏置Rdtjb作为第一桥臂的第二调制波Rbl+Rd()b，第二桥臂的上开关组采用第三正弦波Ra2叠加第一直流偏置Rdtja作为第二桥臂的第一调制波Ra2+RdM，第二桥臂的下开关组采用第四正弦波Rb2叠加第二直流偏置Rdtjb作为第二桥臂的第二调制波Rb2+Rd()b;第一正弦波Ral与第三正弦波Ra2的频率相同且相位差为180°，第二正弦波Rbl与第四正弦波Rb2的频率相同且相位差为180°。
[0011]上述控制方法中，第一桥臂的第一调制波Ral+RdM与第i个载波Ci通过第一比较器得到第一桥臂的上开关组的第i个功率开关单元的第二开关管门极的控制电平，当第一桥臂的第一调制波调制波Ral+RdM大于第i个载波Ci时，第一比较器输出高电平，当第一桥臂的第一调制波调制波Ral+RdM小于第i个载波Ci时，第一比较器输出低电平，其中i的取值为I?N ;第一桥臂的第二调制波Rbl+Rd()b与第i个载波Ci通过第二比较器得到第一桥臂的下开关组的第i个功率开关单元的第二开关管门极的控制电平，当第一桥臂的第二调制波Rm+R-小于第i个载波Ci时，第二比较器输出高电平，当第一桥臂的第二调制波Rbl+Rd()b大于第i个载波Ci时，第二比较器输出低电平；第一桥臂的上开关组的第i个功率开关单元的第二开关管门极的控制电平和第一桥臂的下开关组的第i个功率开关单元的第二开关管门极的控制电平通过第一异或门得到第一桥臂的中开关组的第i个功率开关单元中第二开关管门极的控制电平；第二桥臂的第一调制波Ra2+RdM与第i个载波Ci通过第三比较器得到第二桥臂的上开关组的第i个功率开关单元中第二开关管门极的控制电平，当第二桥臂的第一调制波Ra2+RdM大于第i个载波Ci时，第三比较器输出高电平，当第二桥臂的第一调制波Ra2+RdM小于第i个载波Ci时，第三比较器输出低电平；第二桥臂的第二调制波Rb2+Rdob与第i个载波Ci通过第四比较器得到第二桥臂下开关组的第i个功率开关单元的第二开关管门极的控制电平，当第二桥臂的第二调制波Rb2+Rd()b小于第i个载波Ci时，第四个比较器输出高电平，当第二桥臂的第二调制波Rb2+Rd()b大于第i个载波Ci时，第四比较器输出低电平；第二桥臂的上开关组的第i个功率开关单元中第二开关管门极的控制电平和第二桥臂下开关组的第i个功率开关单元的第二开关管门极的控制电平通过第二异或门得到第二桥臂的中开关组的第i个功率开关单元的第二开关管门极的控制电平；每个开关组的每个功率开关单元中第二开关管门极的控制电平反相后得到该功率开关单元中第一开关管门极的控制电平。
[0012]双输出单相六开关组MMC逆变器的工作模式包括同频模式(CF模式)和异频模式(DF模式)，CF模式中，第一路输出与第二路输出的电压频率相同，电压幅值不相同；DF模式中，第一路输出与第二路输出的电压频率和幅值均不同。
[0013]与现有技术相比，本发明具有的优势为:具有两路2N+1电平交流输出，输出电流波形质量很高，功率开关单元中每个开关管承受的电压应力仅为直流母线电压的1/N，同时能保证变换器工作过程中所有开关管承受的电压相等，很好的解决了开关管的均压问题。与现有的单相六开关变换器相比较，本发明所提供的双输出单相六开关组MMC逆变器的两路输出均为2N+1电平交流输出，输出交流波形的质量有了极大的提高。此外，每个开关管的承受的电压应力仅为直流母线电压的1/N，且本发明所提供的控制方法使变换器工作过程中所有开关管承受的电压相等，很好的解决了开关管的均压问题，这将非常有利于双输出单相六开关组MMC逆变器在高压和大功率场合的应用。与现有的MMC变换器相比较，本发明所提供的双输出单相六开关组MMC逆变器具有两路交流输出，可直接用于两条不同频率的交流线路的相连，极大的降低了工程成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本发明的双输出单相六开关组MMC逆变器的电路结构图；
[0015]图2是图1所示的双输出单相六开关组MMC逆变器的功率开关单元的电路结构图；
[0016]图3是图1所示的双输出单相六开关组MMC逆变器的载波移相PWM控制结构图；
[0017]图4a、4b是图1所示的双输出单相六开关组MMC逆变器分别工作于CF模式和DF模式下的调制波；
[0018]图5a、5b是双输出单相五电平SS-MMC逆变器工作于CF模式和DF模式的仿真波形图。
【具体实施方式】
[0019]为进一步阐述本发明的内容和特点，以下结合附图对本发明的实施进行具体说明，但本发明的实施不限于此。
[0020]参考图1，本发明的双输出单相六开关组MMC逆变器，包括直流电源Ud。、第一桥臂、第二桥臂、第一负载和第二负载；所述第一桥臂和第二桥臂均由上开关组(民、H2)、中开关组(Μ。M2)、下开关组(U、L2)和耦合电感(LH1:LU、Lh2:Ll2)串联而成；第一桥臂的上开关组H1由N个功率开关单元(SMH11、SMh12,…、SMhin)串联而成，第一桥臂的中开关组M1由N个功率开关单元(SMm11、SMm12,…、SMmin)串联而成，第一桥臂的下开关组L1由N个功率开关单元(SMU1、SMU2、…、SMun)串联而成，第二桥臂的上开关组H2由N个功率开关单元(SMh21、SMh22,…、SMh2n)串联而成，第二桥臂的中开关组仏由N个功率开关单元(SMm21、SMm22,…、SMm2n)串联而成，第二桥臂的下开关组L2由N个功率开关单元(SMm、SMl22,…、SMl2n)串联而成；第一负载的两端分别接到第一桥臂的中开关组(M1)和第二桥臂的中开关组M2的上端O，第二负载的两端分别接到第一桥臂的中开关组M1和第二桥臂的中开关组M2的下端P ;第一负载的两端作为第一路输出，第二负载的两端作为第二路输出。其中，直流电源Ud。的正极与第一桥臂的上开关组H1的上端O、第二桥臂的上开关组H2的上端ο连接，直流电源Udc的负极与第一桥臂的下开关组L1的下端P、第二桥臂的下开关组L2的下端P连接；第一桥臂的上开关组H1的下端P与第一桥臂的耦合电感(Lh1:Lu)的原边Lm的同名端W1连接，第一桥臂的耦合电感(Lh1:Lu)的原边Lm的非同名端与第一桥臂的中开关组M1的上端ο连接，第一桥臂的中开关组M1的下端P与第一桥臂的耦合电感(LH1:LU)副边Lu的同名端匕连接，第一桥臂的耦合电感(Lm:Lu)副边Lu的非同名端Z1与第一桥臂的开关组L1的上端ο连接；第二桥臂的结构与第一桥臂的结构完全一致；直流电源Udc的负极与第一桥臂的下开关组L1的下端P、第二桥臂的下开关组L2的下端p、地端η连接；第一负载的一端与第一桥臂的中开关组M1的上端ο连接，第一负载的另一端与第二桥臂的中开关组M2的上端ο连接，第二负载的一端与第一桥臂的中开关组M1的下端P连接，第二负载的另一端与第二桥臂的中开关组M2的下端P连接。
[0021]图2示出图1所示的双输出单相六开关组MMC逆变器的功率开关单元的电路结构，包括第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2和电容CSM。其中，电容Csm的正极与第一开关管S1的集电极、第一二极管D1的阴极连接，第一开关管S1的发射极与第一二极管D1的阳极、第二开关管S2的集电极、第二二极管D2的阴极连接，第二开关管S2的发射极与第二二极管D2的阳极、电容Csm的负极连接；第二开关管S2的集电极作为第一输出端，第二开关管S2的发射极作为第二输出端。
[0022]如图1所示，每个开关组的第i个功率开关单元的第二输出端与第i+Ι个功率开关单元的第一输出端连接，其中i的取值为I~N-1。
[0023]如图1所示，第一负载两端的电压Ua和第二负载两端的电压Ub为
【权利要求】
1.双输出单相六开关组MMC逆变器，其特征在于:包括直流电源(Ud。)、第一桥臂、第二桥臂、第一负载和第二负载；所述第一桥臂和第二桥臂均由上开关组(民、H2)、中开关组%為)、下开关组(L^L2)和耦合电感(Lh1:Lu、LH2:Ll2)串联而成；第一桥臂的上开关组(H1)由N个功率开关单元(SMH11、SMH12、…、SMhin)串联而成，第一桥臂的中开关组(M1)由N个功率开关单元(SMm11、SMm12、…、SMmin)串联而成，第一桥臂的下开关组(L1)由N个功率开关单元(SMU1、SMU2、…、SMun)串联而成，第二桥臂的上开关组(H2)由N个功率开关单元(SMh21、SMh22,…、SMh2n)串联而成，第二桥臂的中开关组(M2)由N个功率开关单元(SMm^SMm22'…、SMm2n)串联而成，第二桥臂的下开关组化2)由N个功率开关单元(SMm、SMl22,…、SMl2n)串联而成；第一负载的两端分别接到第一桥臂的中开关组(M1)和第二桥臂的中开关组(M2)的上端(O)，第二负载的两端分别接到第一桥臂的中开关组(M1)和第二桥臂的中开关组(M2)的下端(P);第一负载的两端作为第一路输出，第二负载的两端作为第二路输出。
2.根据权利要求1所述的双输出单相六开关组MMC逆变器，其特征在于:第一桥臂的耦合电感(Lh1: Lli )原边及副边和第二桥臂的耦合电感(Lh2: Ll2 )的原边及副边均由第一电感(Lm、Lh2)和第二电感(Lu、Ll2)两个独立电感替代。
3.根据权利要求1所述的双输出单相六开关组MMC逆变器，其特征在于:直流电源(Udc)的正极与第一桥臂的上开关组(H1)的上端、第二桥臂的上开关组(H2)的上端连接，直流电源(Ud。)的负极与第一桥臂的下开关组(1^)的下端、第二桥臂的下开关组化2)的下端连接；第一桥臂的上开关组(H1)的下端与第一桥臂的耦合电感(Lm:Lu)的原边(Lm)的同名端(W1)连接，第一桥臂的耦合电感(LH1:LU)的原边(Lhi)的非同名端U1)与第一桥臂的中开关组(M1)的上端连接，第一桥臂的中开关组(M1)的`下端与第一桥臂的耦合电感(LH1:LU)副边(Lu)的同名端(M连接，第一桥臂的耦合电感(Lm:Lu)副边(Lu)的非同名端(Z1)与第一桥臂的开关组(L1)的上端连接；第二桥臂的结构与第一桥臂的结构完全一致；直流电源(Ud。)的负极与第一桥臂的下开关组(1^)的下端、第二桥臂的下开关组化2)的下端、地端(η)连接；第一负载的一端与第一桥臂的中开关组(M1)的上端连接，第一负载的另一端与第二桥臂的中开关组(M2)的上端连接，第二负载的一端与第一桥臂的中开关组(M1)的下端连接，第二负载的另一端与第二桥臂的中开关组(M2)的下端连接。
4.根据权利要求1所述的双输出单相六开关组MMC逆变器，其特征在于:功率开关单元包括第一开关管(S1X第二开关管(S2)、第一二极管(D1X第二二极管(D2)和电容(Csm)；其中，电容(Csm)的正极与第一开关管(S1)的集电极、第一二极管(D1)的阴极连接，第一开关管(S1)的发射极与第一二极管(D1)的阳极、第二开关管(S2)的集电极、第二二极管(D2)的阴极连接，第二开关管(S2)的发射极与第二二极管(D2)的阳极、电容(Csm)的负极连接；第二开关管(S2)的集电极作为第一输出端，第二开关管(S2)的发射极作为第二输出端。
5.根据权利要求4所述的双输出单相六开关组MMC逆变器，其特征在于:每个开关组的第i个功率开关单元的第二输出端与第i+Ι个功率开关单元的第一输出端连接，其中i的取值为1、-1。
6.根据权利要求1所述的双输出单相六开关组MMC逆变器，其特征在于:工作模式包括同频模式和异频模式，同频模式中，第一路输出与第二路输出的电压频率相同，电压幅值不相同；异频模式中，第一路输出与第二路输出的电压频率和幅值均不同。
7.用于权利要求1所述的双输出单相六开关组MMC逆变器的控制方法，其特征在于:采用载波移相PWM控制每个开关组的开关管的开通与关断；第一桥臂的上开关组(H1)的第i个功率开关单元(SMm)、第一桥臂的下开关组(L1)的第i个功率开关单元(SMUi)、第二桥臂的上开关组(H2)的第i个功率开关单元(SM112i)和第二桥臂的下开关组化2)的第i个功率开关单元(SMm)采用相同三角波作为第i个载波Ci，其中i的取值为1、;N个载波(CpC2、…、CN)依次滞后相角360° /N ;第一桥臂的上开关组(H1)采用第一正弦波(Ral)叠加第一直流偏置(Rdra)作为第一桥臂的第一调制波(Ral+RdM)，第一桥臂的下开关组(L1)采用第二正弦波(Rbl)叠加第二直流偏置(Rdtjb)作为第一桥臂的第二调制波(Rbl+Rd()b)，第二桥臂的上开关组(H2)采用第三正弦波(Ra2)叠加第一直流偏置(Rdtja)作为第二桥臂的第一调制波(Ra2+RdM)，第二桥臂的下开关组(L2)采用第四正弦波(Rb2)叠加第二直流偏置(Rdtjb)作为第二桥臂的第二调制波(Rb2+Rd(A);第一正弦波(Ral)与第三正弦波(Ra2)的频率相同且相位差为180°，第二正弦波(Rbl)与第四正弦波(Rb2)的频率相同且相位差为180°。
8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于:第一桥臂的第一调制波(Ral+RdM)与第i个载波Ci通过第一比较器得到第一桥臂的上开关组(H1)的第i个功率开关单元(SMmi)的第二开关管(S2)门极的控制电平(SHli)，当第一桥臂的第一调制波调制波(Ral+RdM)大于第i个载波Ci时，第一比较器输出高电平，当第一桥臂的第一调制波调制波(Ral+RdM)小于第i个载波Ci时，第一比较器输出低电平，其中i的取值为1、；第一桥臂的第二调制波(Rbl+R-)与第i个载波Ci通过第二比较器得到第一桥臂的下开关组(L1)的第i个功率开关单元(SMui)的第二开关管(S2)门极的控制电平(SUi)，当第一桥臂的第二调制波(Rbl+Rd()b)小于第i个载波Ci时，第二比较器输出高电平，当第一桥臂的第二调制波(Rbl+Rd()b)大于第i个载波Ci时，第二比较器输出低电平；第一桥臂的上开关组(H1)的第i个功率开关单元(SMmi)的第二开关管(S2)门极的控制电平(Smi)和第一桥臂的下开关组(L1)的第i个功率开关单元(SMui)的第二开关管(S2)门极的控制电平(Sui)通过第一异或门得到第一桥臂的中开关组(M1)的第i个功率开关单元(SMmi)中第二开关管(S2)门极的控制电平(Smi)；第二桥臂的第一调制波(Ra2+RdM)与第i个载波Ci通过第三比较器得到第二桥臂的上开关组(H2)的第i个功率开关单元(SM112i)中第二开关管(S2)门极的控制电平(SH2i)，当第二桥臂的第一调制波(Ra2+RdM)·大于第i个载波Ci时，第三比较器输出高电平，当第二桥臂的第一调制波(Ra2+RdM)小于第i个载波Ci时，第三比较器输出低电平；第二桥臂的第二调制波(Rb2+Rdob)与第i个载波Ci通过第四比较器得到第二桥臂下开关组(L2)的第i个功率开关单元(SMl21 )的第二开关管(S2)门极的控制电平(Sm )，当第二桥臂的第二调制波(Rb2+Rd()b)小于第i个载波Ci时，第四个比较器输出高电平，当第二桥臂的第二调制波(Rb2+Rd()b)大于第i个载波Ci时，第四比较器输出低电平；第二桥臂的上开关组(H2)的第i个功率开关单元(SM112i)中第二开关管(S2)门极的控制电平(SH2i)和第二桥臂下开关组(L2)的第i个功率开关单元(SMl21 )的第二开关管(S2)门极的控制电平(SL2i)通过第二异或门得到第二桥臂的中开关组(M2)的第i个功率开关单元(SMM2i)的第二开关管(S2)门极的控制电平(Ssei)；每个开关组的每个功率开关单元中第二开关管(S2)门极的控制电平反相后得到该功率开关单元中第一开关管(S1)门极的控制电平。
【文档编号】H02M7/5395GK103825488SQ201410042070
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年1月28日 优先权日:2014年1月28日
【发明者】张波, 付坚, 丘东元 申请人:华南理工大学