双输入单相三开关组mmc整流器及其控制方法
【专利摘要】本发明提供双输入单相三开关组MMC整流器及其控制方法，整流器包括第一交流输入电源、第二交流输入电源、第一电感、第二电感、开关桥臂、第一电容、第二电容、第三电容和一个整流负载；所述开关桥臂由上开关组、中开关组、下开关组、第三电感和第四电感串联而成；上开关组由N个功率开关单元串联而成，中开关组由N个功率开关单元串联而成，下开关组由N个功率开关单元串联而成。本发明采用载波移相PWM控制，2个交流输入电源变换成2路N+1电平的交流输入，整流叠加后给负载供电，且MMC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，解决了开关管的均压问题，适合2个单相交流电源输入、高压和大功率场合的应用。
【专利说明】双输入单相三开关组MMC整流器及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及模块组合多电平变换器(MMC)领域，具体涉及一种双输入单相三开关组MMC整流器及其控制方法。
【背景技术】
[0002]目前功率整流器正向小型化、高可靠性和低损耗方向发展，在这种趋势下出现两种改进整流器的方向:减少无源器件或者改进整流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。单相三开关整流器相对于传统的四开关整流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。此外，三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，且存在三个开关管的均压问题，这极大的限制了单相三开关整流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整流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整流器的优点，模块组合多电平整流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，模块组合多电平整流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整流器，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，提出一种双输入单相三开关组MMC整流器及其控制方法。
[0005]本发明采用的技术方案如下。
[0006]双输入单相三开关组MMC整流器包括第一交流输入电源、第二交流输入电源、第一电感、第二电感、开关桥臂、第一电容、第二电容、第三电容和整流负载；所述开关桥臂由上开关组、中开关组、下开关组、第三电感和第四电感串联而成；上开关组由N个功率开关单元串联而成，中开关组由N个功率开关单元串联而成，下开关组由N个功率开关单元串联而成；第一交流输入电源的两端作为第一路输入，第二交流输入电源的两端作为第二路输入。采用载波移相PWM控制所述整流器中上开关组、中开关组和下开关组的开关管的开通与关断，N为正整数。
[0007]上述的双输入单相三开关组MMC整流器中，所述第三电感和第四电感由耦合电感替代。
[0008]上述的双输入单相三开关组MMC整流器中，所述双输入单相三开关组MMC整流器中，上开关组的下端与第三电感的一端连接，第三电感的另一端与中开关组的上端连接，中开关组的下端与第四电感的一端连接，第四电感的另一端与下开关组的上端连接；第一电容的负极与第二电容的正极连接，第二电容的负极与第三电容的正极连接；第一交流输入电源的一端与中开关组的上端相连，第一交流输入电源的另一端与第一电感的一端连接，第一电感的另一端与第二电容的正极连接，第二交流输入电源的一端与中开关组的下端相连，第二交流输入电源的另一端与第二电感的一端连接，第二电感的另一端第二电容的负极连接；上开关组的上端与第一电容的正极、整流负载的一端连接，整流负载的另一端与下开关组的下端、第三电容的负极、地端连接。
[0009]上述的双输入单相三开关组MMC整流器中，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。
[0010]上述的双输入单相三开关组MMC整流器中，上开关组的第j个功率开关单元的第二输出端与第j+Ι个功率开关单元的第一输出端连接，其中j取值为I?N-1 ;中开关组的第j个功率开关单元的第二输出端与第j+Ι个功率开关单元的第一输出端连接；下开关组的第j个功率开关单元的第二输出端与第j+Ι个功率开关单元的第一输出端连接。
[0011]上述的双输入单相三开关组MMC整流器的控制方法中，采用载波移相PWM控制上开关组、中开关组和下开关组的开关管的开通与关断；上开关组的第j个功率开关单元和下开关组的第j个功率开关单元采用相同三角波作为第j个载波Cp其中j取值为I?N ;N个载波依次滞后相角360° /N ;第一路输入采用第一正弦波Ra叠加取值为1/3的直流偏置作为第一调制波Ra+l/3，第二路输入采用第二正弦波Rb叠加取值为-1/3的直流偏置作为第二调制波Rb_l/3。
[0012]上述控制方法中，第一调制波Ra+l/3与第j个载波Cj通过第一比较器得到上开关组的第j个功率开关单元的第二开关管门极的控制电平，当第一调制波Ra+l/3大于第j个载波Cj时,第一比较器输出高电平，当第一调制波Ra+l/3小于第j个载波Cj时,第一比较器输出低电平，其中j的取值为I?N ;第二调制波Rb_l/3与第j个载波Cj通过第二比较器得到下开关组的第j个功率开关单元的第二开关管门极的控制电平，当第二调制波Rb_l/3小于第j个载波Cj时,第二比较器输出高电平，当第二调制波Rb_l/3大于第j个载波Cj时，第二比较器输出低电平；上开关组的第j个功率开关单元的第二开关管门极的控制电平和下开关组的第j个功率开关单元的第二开关管门极的控制电平通过异或门得到中开关组的第j个功率开关单元中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的第一开关管门极的控制电平。
[0013]双输入单相三开关组MMC整流器的工作模式包括同频工作模式和异频工作模式，同频工作模式中，第一路输入和第二路输入的频率相同，幅值不相同；异频工作模式中，第一路输入和第二路输入的频率和幅值均不相同。
[0014]与现有技术相比，本发明具有的优势为:具有两路交流输入，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，同时能保证整流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。此外，本发明的整流器的任一路输入出现故障均不影响另一路输入及整流器的正常工作，故障冗余性极高。与现有的单相三开关整流器相比较，本发明所提供的双输入单相三开关组MMC整流器的2个交流输入电源变换成2路N+1电平的交流输入，整流叠加后给负载供电。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整流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入单相三开关组MMC整流器在高压和大功率场合的应用。与现有的MMC整流器相比较，本发明所提供的双输入单相三开关组MMC整流器具有两路交流输入，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】
[0015]图1是本发明的双输入单相三开关组MMC整流器的电路结构图；
[0016]图2是本发明的双输入单相三开关组MMC整流器的功率开关单元的电路结构图
[0017]图3是图1所示的双输入单相三开关组MMC整流器的载波移相PWM控制方法的结构图；
[0018]图4a、4b是图1所示的双输入单相三开关组MMC整流器分别工作于同频工作模式和异频工作模式的调制波与载波的关系；
[0019]图5a、5b是双输出入单相五电平三开关组MMC整流器分别工作于同频工作模式和异频工作模式的仿 真波形图。
【具体实施方式】
[0020]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具体实施方案进行具体说明。但本发明的实施不限于此。
[0021 ] 参考图1，本发明的双输入单相三开关组MMC整流器，包括第一交流输入电源ua、第二交流输入电源ub、第一电感La、第二电感Lb、开关桥臂、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和整流负载R ;所述开关桥臂由上开关组H、中开关组M、下开关组L、第三电感Lh和第四电感U串联而成；上开关组H由N个功率开关单元(SMH1、SMH2、…、SMhn)串联而成，中开关组M由N个功率开关单元(SMM1、SMM2、.'SMw)串联而成，下开关组L由N个功率开关单元(SMU、SM& -,SMln)串联而成；第一交流输入电源Ua的两端作为第一路输入，第二交流输入电源Ub的两端作为第二路输入。
[0022]上开关组H的下端P与第三电感Lh的一端连接，第三电感Lh的另一端与中开关组M的上端ο连接，中开关组M的下端与第四电感的一端连接，第四电感U的另一端与下开关组L的上端连接；第一电容仏的负极与第二电容C2的正极连接，第二电容C2的负极与第三电容仏的正极连接；第一交流输入电源Ua的一端与中开关组M的上端相连，第一交流输入电源Ua的另一端与第一电感La的一端连接，第一电感La的另一端与第二电容C2的正极连接，第二交流输入电源Ub的一端与中开关组M的下端相连，第二交流输入电源Ub的另一端与第二电感Lb的一端连接，第二电感Lb的另一端第二电容C2的负极连接；上开关组H的上端与第一电容C1的正极、整流负载R的一端连接，整流负载R的另一端与下开关组L的下端、第三电容C3的负极、地端η连接。
[0023]图2示出图1所示的双输入单相三开关组MMC整流器的功率开关单元的电路结构图。功率开关单元包括第一开关管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。
[0024]如图1所示，上开关组H的第j个功率开关单元SMllj的第二输出端与第j+Ι个功率开关单元SMH(m)的第一输出端连接，其中j取值为I~N-1 ;中开关组M的第j个功率开关单元SMw的第二输出端与第j+Ι个功率开关单元SMM(j+1)的第一输出端连接；下开关组L的第j个功率开关单元SMu的第二输出端与第j+Ι个功率开关单元SM“j+1)的第一输出端连接。
[0025]令第一路输入电压为Wa=t/?COS(M'a/ + ^),第二路输入电压为
% =t/|?eos (W/ +%)，贝 Ij:
[0026]
【权利要求】
1.双输入单相三开关组MMC整流器，其特征在于:包括第一交流输入电源(化)、第二交流输入电源(? )、第一电感(Za)、第二电感(4)、开关桥臂、第一电容(G)、第二电容(G)、第三电容沁)和整流负载0?);所述开关桥臂由上开关组(H)、第三电感(&)、中开关组(M)、第四电感(Zz)和下开关组(L)串联而成；上开关组(H)由N个功率开关单元(SMH1、SMh2,…、SMhn)串联而成，中开关组(M)由N个功率开关单元(SMm1、SMm2,…、SMmn)串联而成，下开关组(L)由N个功率开关单元(SMU、SM& -,SMln)串联而成；第一交流输入电源(《3)的两端作为第一路输入，第二交流输入电源(?)的两端作为第二路输入；N为正整数。
2.根据权利要求1所述的双输入单相三开关组MMC整流器，其特征在于:第三电感(4)和第四电感(A)由耦合电感(ZyZz)替代。
3.根据权利要求1所述的双输入单相三开关组MMC整流器，其特征在于:上开关组(H)的下端与第三电感(D的一端连接，第三电感的另一端与中开关组(M)的上端连接，中开关组(M)的下端与第四电感(Zz)的一端连接，第四电感(Zz)的另一端与下开关组(L)的上端连接；第一电容(G)的负极与第二电容(G)的正极连接，第二电容(G)的负极与第三电容(G)的正极连接；第一交流输入电源("3)的一端与中开关组(M)的上端相连，第一交流输入电源(《a)的另一端与第一电感(A3)的一端连接，第一电感(Za)的另一端与第二电容(G)的正极连接，第二交流输入电源(?)的一端与中开关组(M)的下端相连，第二交流输入电源(?)的另一端与第二电感(忍)的一端连接，第二电感(4)的另一端第二电容(G)的负极连接；上开关组(H)的上端与第一电容(G)的正极、整流负载0?)的一端连接，整流负载0?)的另一端与下开关组(L)的下端、第三电容(G)的负极、地端(/?)连接。
4.根据权利要求1所述的双输入单相三开关组MMC整流器，其特征在于:功率开关单元包括第一开关管(?)、第二开关管(?)、第一二极管(4)、第二二极管(4)和电容(G#);其中，电容(G#)的正极与第一开关管(?)的集电极、第一二极管(久)的阴极连接，第一开关管(?)的发射极与第一二极管(A)的阳极、第二开关管(?)的集电极、第二二极管(4)的阴极连接，第二开关管(?)的发射极与第二二极管(4)的阳极、电容(G#)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。
5.根据权利要求1所述的双输入单相三开关组MMC整流器，其特征在于:上开关组(H)的第j个功率开关单元(SMHj)的第二输出端与第j+Ι个功率开关单元(SMH(j+1))的第一输出端连接，其中j取值为fN-Ι ;中开关组(M)的第j个功率开关单元(SMw)的第二输出端与第j+Ι个功率开关单元(SMm㈨))的第一输出端连接；下开关组(L)的第j个功率开关单元(SMlj)的第二输出端与第j+Ι个功率开关单元(SM“j+1))的第一输出端连接。
6.根据权利要求1所述的双输入单相三开关组MMC整流器，其特征在于:工作模式包括同频工作模式和异频工作模式，同频工作模式中，第一路输入和第二路输入的频率相同，幅值不相同；异频工作模式中，第一路输入和第二路输入的频率和幅值均不相同。
7.用于权利要求1所述的双输入单相三开关组MMC整流器的控制方法，其特征在于:采用载波移相PWM控制上开关组(H)、中开关组(M)和下开关组(L)的开关管的开通与关断；上开关组(H)的第j个 功率开关单元(SMiu)和下开关组(L)的第j个功率开关单元(SMu)采用相同三角波作为第j个载波?.，其中j取值为1、;N个载波(G、C2、…、Cn)依次滞后相角360° /N ;第一路输入米用第一正弦波/Pa叠加取值为1/3的直流偏置作为第一调制波兄+1/3，第二路输入采用第二正弦波怂叠加取值为-1/3的直流偏置作为第二调制波Rb-H
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于:第一调制波兄+1/3与第j个载波?.通过第一比较器得到上开关组(H)的第j个功率开关单元(SMHj)的第二开关管(?)门极的控制电平(?;.)，当第一调制波兄+1/3大于第j个载波?.时，第一比较器输出高电平，当第一调制波兄+1/3小于第j个载波?.时，第一比较器输出低电平，其中j的取值为1、;第二调制波怂-1/3与第j个载波?.通过第二比较器得到下开关组(L)的第j个功率开关单元(SMlj)的第二开关管(?)门极的控制电平(5y)，当第二调制波怂-1/3小于第j个载波?.时，第二比较器输出高电平，当第二调制波怂-1/3大于第j个载波?.时，第二比较器输出低电平；上开关组(H)的第j个功率开关单元(SMiu)的第二开关管(?)门极的控制电平(snj;.)和下开关组(L)的第j个功率开关单元(SMu)的第二开关管(?)门极的控制电平(5L)通过异或门得到中开关组(M)的第j个功率开关单元(SMw)中第二开关管(?)门极的控制电平(Snj;.);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的第一开关管(?)门极的控制电平。
【文档编号】H02M7/219GK103986353SQ201410043022
【公开日】2014年8月13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