3n+3开关组mmcac-ac变换器及其控制方法
【专利摘要】本发明提供3N+3开关组MMCAC-AC变换器及其控制方法。变换器由N个三相交流输入/输出、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第一电容构成■’第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂均由N+1个开关组和两个电感串联而成；每个开关组均由n个功率开关单元串联而成；每个三相感性负载的三端作为每个三相交流输出；N>2，n为正整数。该变换器采用载波移相PWM控制，每个三相交流输出转换为线电压为2n+l电平的交流输入，经AC-AC变换为线电压为2n+l电平的交流输出给负载供电，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，适合高压和大功率场合的应用。
【专利说明】3N+3开关组MMC AC-AC变换器及其控制方法
【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3N+3开关组MMC AC-AC变换器及其控制方法。
【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。三相3N+3开关AC-AC变换器相对于传统的6N开关变换器减少了 3N-3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，3N+3 开关AC-AC变换器的每路输入输出均为三电平，输入输出交流波形比较差。此外，3N+3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3N+3个开关管的均压问题， 这极大的限制了三相3N+3开关AC-AC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N条不同频率的三相交流线路的相连时，需要2N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3N+3开关组MMCAC-AC变 换器及其控制方法。
[0005] 本发明采用的技术方案是：3N+3开关组MMC AC-AC变换器包括N个三相交流输入 /输出、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第一电容；所述三相交流输入/输出为三相交流输 入或三相交流输出，三相交流输出为三相感性负载；所述第一桥臂由N+1个开关组和2个电 感串联而成，所述第二桥臂由N+1个开关组和2个电感串联而成，所述第三桥臂由N+1个开 关组和2个电感串联而成；第一桥臂的第i个开关组由η个功率开关单元串联而成，第二桥 臂的第i个开关组由η个功率开关单元串联而成，第三桥臂的第i个开关组由η个功率开 关单元串联而成，其中i的取值为1?N+1 ;Ν>2, η为正整数。
[0006] 第一桥臂的两个电感相互耦合，构成一对耦合电感；第二桥臂的两个电感相互耦 合，构成一对稱合电感；第三桥臂的两个电感相互稱合，构成一对稱合电感。
[0007] 当第k个三相交流输入/输出为三相交流输入时，该三相交流输入包括u相交流 输入电源、v相交流输入电源、w相交流输入电源、u相交流输出电感、v相交流输出电感和 W相交流输出电感，U相交流输入电源的一端与V相交流输入电源、W相交流输入电源连接， U相交流输入电源的另一端与U相交流输出电感的一端连接，U相交流输入电感的另一端 作为该三相交流输入的端，V相交流输入电源的另一端与V相交流输出电感的一端连接，V 相交流输入电感的另一端作为该三相交流输入的端，W相交流输入电源的另一端与W相交 流输出电感的一端连接，W相交流输入电感的另一端作为该三相交流输入的端，其中k的取 值为1?N ;当第k个三相交流输入/输出为三相感性负载时，该三相感性负载包括u相电 阻、v相电阻、w相电阻、u相交流输出电感、v相交流输出电感和w相交流输出电感，u相电 阻的一端与v相电阻的一端、w相电阻的一端连接，u相电阻的另一端与u相交流输出电感 的一端连接，u相交流输出电感的另一端作为该三相感性负载的端，V相电阻的另一端与V 相交流输出电感的一端连接，V相交流输出电感的另一端作为该三相感性负载的端，W相电 阻的另一端与W相交流输出电感的一端连接，W相交流输出电感的另一端作为该三相感性 负载的端。
[0008] 第一桥臂的第1个开关组的下端与第一桥臂中2个电感的第一电感的一端连接， 第一桥臂的第一电感的另一端与第一桥臂的第2个开关组的上端连接；第一桥臂的第i个 开关组的下端与第一桥臂的第i+Ι个开关组的上端连接，其中i的取值为2?N-1 ;第一桥 臂的第N个开关组的下端与第一桥臂的第二电感的一端连接，第一桥臂的第二电感的另一 端与第一桥臂的第N+1个开关组的上端连接；第二桥臂的电路结构、第三桥臂的电路结构 与第一桥臂的电路结构完全一致；第k个三相交流输入/输出的三端分别与第一桥臂的第 k+Ι个开关组的上端、第二桥臂的第k+Ι个开关组的上端、第三桥臂的第k+Ι个开关组的上 端连接，其中k的取值为1?N-1 ;第N个三相交流输入/输出的三端与第一桥臂的第N+1 个开关组的下端、第二桥臂的第N+1个开关组的下端连接、第三桥臂的第N+1个开关组的下 端连接；第一桥臂的第1个开关组的上端与第二桥臂的第1个开关组的上端、第三桥臂的第 1个开关组的上端、第一电容的正极连接，第一电容的负极与第一桥臂的第N+1个开关组的 下端、第二桥臂的第N+1个开关组的下端、第三桥臂的第N+1个开关组的下端、地端连接。
[0009] 功率开关单元包括第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管和第二电 容。其中，第二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、第二电容的负极连接；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] 第一桥臂的第i个开关组的第j个功率开关单元的第二输出端与第一桥臂的第i 个开关组的第j+1个功率开关单元的第一输出端连接，其中j取值为1?n-1，i取值为1? N+1 ;第二桥臂的第i个开关组的第j个功率开关单元的第二输出端与第二桥臂的第i个开 关组的第j+Ι个功率开关单元的第一输出端连接；第三桥臂的第i个开关组的第j个功率 开关单元的第二输出端与第三桥臂的第i个开关组的第j+Ι个功率开关单元的第一输出端 连接。
[0011] 上述变换器的控制方法是：采用载波移相PWM控制每个开关管的开通与关断；第 一桥臂的第i个开关组的第j个功率开关单元、第二桥臂的第i个开关组的第j个功率开 关单元和第三桥臂的第i个开关组的第j个功率开关单元均采用相同三角波作为第j个载 波Cj，其中j的取值为1?η ;n个载波依次滞后相角360° /η ;第k个三相交流输入/输出 的第一桥臂的端采用第一桥臂的第k个正弦波Rsuk叠加第k个直流偏置R dA得到第一桥臂 的第k个调制波RSuk+RdA，其中k的取值为1?N ;第k个三相交流输入/输出的第二桥臂的 端采用第二桥臂的第k个正弦波RSvk叠加第k个直流偏置RdA得到第二桥臂的第k个调制 波R SA+RdA ;第k个三相交流输入/输出的第三桥臂的端采用第三桥臂的第k个正弦波RSwk 叠加第k个直流偏置RdA得到第三桥臂的第k个调制波RSwk+RdA ;第一桥臂的第k个正弦波 RSuk、第二桥臂的第k个正弦波RSvk和第三桥臂的第k个正弦波RSwk相位依次相差120°。
[0012] 第一桥臂的第k个调制波RSuk+RdA与第j个载波Cj通过第k个比较器，当第一桥臂 的第k个调制波R suk+Rd()k大于第j个载波&时，第k个比较器输出高电平，当第一桥臂的第 k个调制波RSuk+RdA小于第j个载波&时，第k个比较器输出低电平，其中k的取值为1? N ;第1个比较器的输出作为第一桥臂的第1个开关组的第j个功率开关单元的第二开关管 门极的控制电平；第k-Ι个比较器的输出通过第k-Ι个非门，第k-Ι个非门的输出与第k个 比较器的输出通过第k-Ι个异或门得到第一桥臂的第k个开关组的第j个功率开关单元的 第二开关管门极的控制电平，其中k的取值为2?N ;第N个比较器的输出通过第N个非门 得到第一桥臂的第N+1个开关组的第j个功率开关单元的第二开关管门极的控制电平；第 二桥臂的第k个调制波R Svk+Rd()k与第j个载波&通过第N+k个比较器，当第二桥臂的第k 个调制波RSvk+Rd()k大于第j个载波&时，第N+k个比较器输出高电平，当第二桥臂的第k个 调制波R Svk+Rd()k小于第j个载波Cj时，第N+k个比较器输出低电平，其中k的取值为1?N ; 第N+1个比较器的输出作为第二桥臂的第1个开关组的第j个功率开关单元的第二开关管 门极的控制电平；第Ν+k-l个比较器的输出通过第Ν+k-l个非门，第Ν+k-l个非门的输出与 第N+k个比较器的输出通过第N-1+k-l个异或门得到第二桥臂的第k个开关组的第j个功 率开关单元的第二开关管门极的控制电平，其中k的取值为2?N ;第2*N个比较器的输出 通过第2*N个非门得到第二桥臂的第N+1个开关组的第j个功率开关单元的第二开关管门 极的控制电平；第三桥臂的第k个调制波R Swk+RdA与第j个载波通过第2*N+k个比较器， 当第三桥臂的第k个调制波RSwk+R d()k大于第j个载波时，第2*N+k个比较器输出高电平， 当第三桥臂的第k个调制波RSwk+R d()k小于第j个载波时，第2*N+k个比较器输出低电平， 其中k的取值为1?N ;第2*N+1个比较器的输出作为第三桥臂的第1个开关组的第j个功 率开关单元的第二开关管门极的控制电平；第2*N+k-l个比较器的输出通过第2*N+k-l个 非门，第2*N+k-l个非门的输出与第2*N+k个比较器的输出通过第2*(N-l)+k-l个异或门 得到第三桥臂的第k个开关组的第j个功率开关单元的第二开关管门极的控制电平，其中 k的取值为2?N ;第3*N个比较器的输出通过第3*N个非门得到第三桥臂的第N+1个开关 组的第j个功率开关单元的第二开关管门极的控制电平。
[0013] 3N+3开关组MMC AC-AC变换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，N路三相交流输入或三相交流输出的频率相同，幅值不相同；异频工作模 式中，N路三相交流输入或三相交流输出的频率和幅值均不同。
[0014] 与现有技术相比，本发明具有的优势为：每路交流输入均转换为线电压为2n+l电 平的交流输入，经AC-AC变换成线电压为2n+l电平的交流输出给负载供电，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。与现有的三相3N+3开关 AC-AC变换器相比较，本发明所提供的3N+3开关组MMC AC-AC变换器的N路三相交流输入 或三相交流输出的线电压均为2n+l电平，且每个开关管的承受的电压应力仅为直流母线 电压的1/n，很好的解决了开关管的均压问题，这将非常有利于3N+3开关组MMCAC-AC变换 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3N+3开关组 MMC AC-AC变换器具有N路三相交流输入或三相交流输出，可直接用于N条不同频率的三相 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3N+3开关组MMC AC-AC变换器的电路结构图；
[0016] 图2a、2b分别是图1所示的3N+3开关组MMC AC-AC变换器的三相交流输入与三 相感性负载的电路结构图；
[0017] 图3是图1所示的3N+3开关组MMC AC-AC变换器的开关功率单元的电路结构 图；
[0018] 图4a?图4c是图1所示的3N+3开关组MMC AC-AC变换器的载波移相PWM控制 结构图；
[0019] 图5a、5b是十二开关组MMC AC-AC变换器分别工作于同频工作模式和异频工作模 式下的调制波；
[0020] 图6a、6b是十二开关组九电平MMC AC-AC变换器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】
[0021] 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。
[0022] 参考图1，本发明的3N+3开关组MMC AC-AC变换器，包括N个三相交流输入/输出、 第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第一电容Q ;所述第一桥臂由N+1个开关组（Bul、Bu2、…、 Bu_)和2个电感（Lul、Lu2)串联而成，所述第二桥臂由N+1个开关组（B vl、Bv2、…、Bv_)和 2个电感（Lvl、L v2)串联而成，所述第三桥臂由N+1个开关组（Bwl、Bw2、…、BW(N+1))和2个电 感（L wl、Lw2)串联而成；第一桥臂的第i个开关组Bui由η个功率开关单元（SM Buil、SMBui2、…、 SMBuin)串联而成,第二桥臂的第i个开关组Bvi由η个功率开关单元（SMBvil、SM Bvi2、…、SMBvin) 串联而成，第三桥臂的第i个开关组Bwi由η个功率开关单元（SM Bwil、SMBwi2、…、SMBwin)串 联而成，其中i的取值为1?N+1 ;每个三相感性负载的三端作为每个三相交流输出；N>2， η为正整数。
[0023] 第一桥臂的第1个开关组Bul的下端ρ与第一桥臂中2个电感的第一电感L ul的一 端连接，第一桥臂的第一电感LU1的另一端与第一桥臂的第2个开关组L的上端〇连接； 第一桥臂的第i个开关组B ui的下端与第一桥臂的第i+Ι个开关组（Bu(i+1))的上端连接，其 中i的取值为2?N-1 ;第一桥臂的第N个开关组的下端与第一桥臂的第二电感k的 一端连接，第一桥臂的第二电感U的另一端与第一桥臂的第N+1个开关组B U(N+1)的上端连 接；第二桥臂的电路结构、第三桥臂的电路结构与第一桥臂的电路结构完全一致；第k个三 相交流输入/输出的三端分别与第一桥臂的第k+Ι个开关组B u(k+1)的上端、第二桥臂的第 k+Ι个开关组Bv(k+1)的上端、第三桥臂的第k+Ι个开关组Bw(k+1)的上端连接，其中k的取值为 1?N-1 ;第N个三相交流输入/输出的三端与第一桥臂的第N+1个开关组BU(N+1)的下端、 第二桥臂的第N+1个开关组BV(N+1)的下端连接、第三桥臂的第N+1个开关组BW(N+1)的下端连 接；第一桥臂的第1个开关组BU1的上端与第二桥臂的第1个开关组Bvl的上端、第三桥臂的 第1个开关组B wl的上端、第一电容Q的正极连接，第一电容Q的负极与第一桥臂的第N+1 个开关组BU(N+1)的下端、第二桥臂的第N+1个开关组B V(N+1)的下端、第三桥臂的第N+1个开 关组BW(N+1)的下端、地端G连接。
[0024] 当第k个三相交流输入/输出为三相交流输入时，该三相交流输入包括u相交流 输入电源U uk、v相交流输入电源uvk、w相交流输入电源uwk、u相交流输出电感L iuk、v相交流 输出电感Livk和w相交流输出电感Liwk，u相交流输入电源 Uuk的一端与v相交流输入电源 Uvk、w相交流输入电源uwk连接,u相交流输入电源ιιΛ的另一端与u相交流输出电感L iuk的 一端连接，u相交流输入电感Liuk的另一端作为该三相交流输入的端a^，v相交流输入电源 vvk的另一端与v相交流输出电感Livk的一端连接,v相交流输入电感Livk的另一端作为该三 相交流输入的端a vk, w相交流输入电源wwk的另一端与w相交流输出电感Liwk的一端连接， w相交流输入电感Liwk的另一端作为该三相交流输入的端awk，如图2a所示，其中k的取值 为1?N ;当第k个三相交流输入/输出为三相感性负载时，该三相感性负载包括u相电阻 I、v相电阻Rvk、w相电阻Rwk、u相交流输出电感L^、v相交流输出电感LOTk和w相交流输 出电感LOTk，u相电阻Ruk的一端与v相电阻Rvk的一端、w相电阻R wk的一端连接，u相电阻 Ruk的另一端与u相交流输出电感的一端连接，u相交流输出电感的另一端作为该 三相感性负载的端auk, v相电阻Rvk的另一端与v相交流输出电感LOTk的一端连接，v相交 流输出电感L OTk的另一端作为该三相感性负载的端avk，w相电阻Rwk的另一端与w相交流输 出电感L" k的一端连接，w相交流输出电感L"k的另一端作为该三相感性负载的端awk，如图 2b所示。
[0025] 图3示出图1所示的3N+3开关组MMC AC-AC变换器的开关功率单元的电路结构 图。功率开关单元包括第一开关管Si、第二开关管S2、第一二极管Di、第二二极管D 2和电容 CSM。其中，电容CSM的正极与第一开关管Si的集电极、第一二极管Di的阴极连接，第一开关 管&的发射极与第一二极管Di的阳极、第二开关管S 2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D 2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S 2的发射极作为第二输出端。
[0026] 如图1所示，第一桥臂的第i个开关组Bui的第j个功率开关单元SM__的第二输 出端与第一桥臂的第i个开关组B ui的第j+Ι个功率开关单元SMBum+1)的第一输出端连接， 其中j取值为1?n-1，i取值为1?N+1 ;第二桥臂的第i个开关组Bvi的第j个功率开关 单元SMBvU的第二输出端与第二桥臂的第i个开关组B vi的第j+Ι个功率开关单元SMBvi(j+1) 的第一输出端连接；第三桥臂的第i个开关组Bvi的第j个功率开关单元SMBvij的第二输出 端与第三桥臂的第i个开关组B vi的第j+Ι个功率开关单元SMBvm+1)的第一输出端连接。
[0027] 令第k个三相交流输入或三相交流输出的u相电压源为= K c〇s(u)/ +灼），第 k个三相交流输入或三相交流输出的v相电压源为、=cos(Wi-? + % -120°)，第k个三相 交流输入或三相交流输出的w相电压源为= cos^v,-? + % +120°)，则：
[0028]
【权利要求】
1. 3N+3开关组MMC AC-AC变换器，其特征在于：包括N个三相交流输入/输出、第一 桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第一电容（G);所述三相交流输入/输出为三相交流输入或三 相交流输出，三相交流输出为三相感性负载；所述第一桥臂由N+1个开关组（B ul、Bu2、…、 Bu_)和2个电感(4i、42)串联而成，所述第二桥臂由N+1个开关组（Bvl、B v2、…、Bv_)和 2个电感(Ζκ1、〇串联而成，所述第三桥臂由N+1个开关组（B wl、Bw2、…、BW(N+1))和2个电感 (、、&)串联而成；第一桥臂的第i个开关组（B ui)由η个功率开关单元（SMBuil、SMBui2、…、 SMBuin)串联而成，第二桥臂的第i个开关组（Bvi)由η个功率开关单元（SMBvil、SM Bvi2、…、 SMBvin)串联而成，第三桥臂的第i个开关组（Bwi)由η个功率开关单元（SMBwil、SM Bwi2、…、 SMBwin)串联而成，其中i的取值为1~Ν+1 ;Ν>2, η为正整数。
2. 根据权利要求1所述的3Ν+3开关组MMC AC-AC变换器，其特征在于：第一桥臂的两 个电感(zul、z"2)相互稱合，构成一对稱合电感；第二桥臂的两个电感(ZvZd)相互稱合，构 成一对稱合电感；第三桥臂的两个电感(ZwZu)相互稱合，构成一对稱合电感。
3. 根据权利要求1所述的3N+3开关组MMC AC-AC变换器，其特征在于：第一桥臂的第 1个开关组（Bul)的下端（p)与第一桥臂中2个电感的第一电感(Z ul)的一端连接，第一桥 臂的第一电感(Zul)的另一端与第一桥臂的第2个开关组（B u2)的上端（〇)连接；第一桥臂 的第i个开关组（Bui)的下端与第一桥臂的第i+Ι个开关组（B u(i+1))的上端连接，其中i的 取值为2~N-1 ;第一桥臂的第N个开关组（B_)的下端与第一桥臂的第二电感(Z@)的一端 连接，第一桥臂的第二电感(4^)的另一端与第一桥臂的第N+1个开关组（B U(N+1))的上端连 接；第二桥臂的电路结构、第三桥臂的电路结构与第一桥臂的电路结构完全一致；第k个三 相交流输入/输出的三端分别与第一桥臂的第k+Ι个开关组（B u(k+1))的上端、第二桥臂的第 k+Ι个开关组（Bv(k+1))的上端、第三桥臂的第k+Ι个开关组（Bw(k+1))的上端连接，其中k的取 值为fN-Ι ;第N个三相交流输入/输出的三端与第一桥臂的第N+1个开关组（BU(N+1))的下 端、第二桥臂的第N+1个开关组（B V(N+1))的下端连接、第三桥臂的第N+1个开关组（BW(N+1))的 下端连接；第一桥臂的第1个开关组（B ul)的上端与第二桥臂的第1个开关组（Bvl)的上端、 第三桥臂的第1个开关组（B wl)的上端、第一电容(6；)的正极连接，第一电容(q)的负极与 第一桥臂的第N+1个开关组（BU(N+1))的下端、第二桥臂的第N+1个开关组（B V(N+1))的下端、第 三桥臂的第N+1个开关组（BW(N+1))的下端、地端（0连接。
4. 根据权利要求1所述的3N+3开关组MMC AC-AC变换器，其特征在于：当第k个三相交 流输入/输出为三相交流输入时，该三相交流输入包括u相交流输入电源相交流输 入电源(《J、w相交流输入电源（y ri)、u相交流输出电感(Zi;A)、v相交流输出电感和 W相交流输出电感(Zi(ri)，U相交流输入电源（W&)的一端与V相交流输入电源（wrf)、w相交 流输入电源（?)连接，U相交流输入电源（?)的另一端与u相交流输出电感的一端 连接，u相交流输入电感(Z^)的另一端作为该三相交流输入的端(^)，v相交流输入电源 (t·^)的另一端与v相交流输出电感(4>i)的一端连接，v相交流输入电感的另一端作 为该三相交流输入的端(a rf)，w相交流输入电源(>#)的另一端与w相交流输出电感 的一端连接，w相交流输入电感的另一端作为该三相交流输入的端(a#)，其中k的取 值为1、；当第k个三相交流输入/输出为三相感性负载时，该三相感性负载包括u相电阻 (〇、v相电阻(〇、w相电阻(〇、u相交流输出电感(Z^)、v相交流输出电感(U和 w相交流输出电感(ZOTi)，u相电阻(〇的一端与ν相电阻(〇的一端、w相电阻(〇的 一端连接，U相电阻(t)的另一端与u相交流输出电感(Ζ^)的一端连接,u相交流输出电 感的另一端作为该三相感性负载的端Gi)，V相电阻的另一端与V相交流输出 电感的一端连接，V相交流输出电感的另一端作为该三相感性负载的端(<^)， W相电阻(7?ri)的另一端与W相交流输出电感(ZOTi)的一端连接,W相交流输出电感的 另一端作为该三相感性负载的端(七*)。
5. 根据权利要求1所述的3N+3开关组MMC AC-AC变换器，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(A)、第二二极管(久）和第二电容 (G #)，其中，第二电容（CSM)的正极与第一开关管(兄）的集电极、第一二极管(A)的阴极连 接，第一开关管(A)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(A)的阴极连接，第二开关管(?)的发射极与第二二极管(A)的阳极、第二电容(Qr) 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。
6. 根据权利要求1所述的3Ν+3开关组MMC AC-AC变换器，其特征在于：第一桥臂的第 i个开关组（Bui)的第j个功率开关单元（SMBuip的第二输出端与第一桥臂的第i个开关组 (B ui)的第j+Ι个功率开关单元（SMBui(j+1))的第一输出端连接，其中j取值为l~n-l，i取值 为1~N+1 ;第二桥臂的第i个开关组（Bvi)的第j个功率开关单元（SMBvip的第二输出端与 第二桥臂的第i个开关组（B vi)的第j+Ι个功率开关单元（SMBvm+1))的第一输出端连接；第 三桥臂的第i个开关组（B vi)的第j个功率开关单元（SMBvij)的第二输出端与第三桥臂的第 i个开关组（Bvi)的第j+Ι个功率开关单元（SMBvi(j+1))的第一输出端连接。
7. 根据权利要求1所述的3N+3开关组MMC AC-AC变换器，其特征在于：变换器的工作 模式包括同频工作模式和异频工作模式，同频工作模式中，N路三相交流输入或三相交流输 出的频率相同，幅值不相同；异频工作模式中，N路三相交流输入或三相交流输出的频率和 幅值均不同。
8. 用于权利要求1所述的3N+3开关组MMC AC-AC变换器的控制方法，其特征在于：采 用载波移相PWM控制第一桥臂的每个开关组（Bui)、第二桥臂的每个开关组（B vi)和第三桥臂 的每个开关组（Bwi)的每个开关管的开通与关断，其中i取值为1~N+1 ;第一桥臂的第i个开 关组（Bui)的第j个功率开关单元（SMBuip、第二桥臂的第i个开关组（B vi)的第j个功率开 关单元（SMBvip和第三桥臂的第i个开关组（Bwi)的第j个功率开关单元（SM Bwip均采用相 同三角波作为第j个载波?.，其中j的取值为广η ;n个载波（q、Q、…、〇依次滞后相角 360° /η ;第k个三相交流输入/输出的第一桥臂的端(?^)米用第一桥臂的第k个正弦波 叠加第k个直流偏置7?^得到第一桥臂的第k个调制波其中k的取值为1、； 第k个三相交流输入/输出的第二桥臂的端(七,）采用第二桥臂的第k个正弦波&Λ叠加 第k个直流偏置7?^得到第二桥臂的第k个调制波/Pg+7?^ ;第k个三相交流输入/输出的 第三桥臂的端(arf)采用第三桥臂的第k个正弦波&叠加第k个直流偏置7?^得到第三桥 臂的第k个调制波;第一桥臂的第k个正弦波7?^、第二桥臂的第k个正弦波和 第三桥臂的第k个正弦波相位依次相差120°。
9. 根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于：第一桥臂的第k个调制波7?^+7?^与 第j个载波?.通过第k个比较器，当第一桥臂的第k个调制波大于第j个载波?. 时，第k个比较器输出高电平，当第一桥臂的第k个调制波小于第j个载波?.时， 第k个比较器输出低电平，其中k的取值为1、；第1个比较器的输出作为第一桥臂的第1 个开关组（Bul)的第j个功率开关单元（SMBuU)的第二开关管(?)门极的控制电平(&^.); 第k-Ι个比较器的输出通过第k-Ι个非门，第k-Ι个非门的输出与第k个比较器的输出通 过第k-Ι个异或门得到第一桥臂的第k个开关组（B uk)的第j个功率开关单元（SMBuW)的第 二开关管(?)门极的控制电平(&_.)，其中k的取值为2、；第N个比较器的输出通过第N 个非门得到第一桥臂的第N+1个开关组（BU(N+1))的第j个功率开关单元（SMBu(N+lh_)的第二 开关管(?)门极的控制电平(知^ +&);第二桥臂的第k个调制波与第j个载波?. 通过第N+k个比较器，当第二桥臂的第k个调制波u/t:大于第j个载波?.时，第N+k个 比较器输出高电平，当第二桥臂的第k个调制波小于第j个载波?.时，第N+k个比 较器输出低电平，其中k的取值为1、;第N+1个比较器的输出作为第二桥臂的第1个开关 组（B vl)的第j个功率开关单元（SMBvlj)的第二开关管(?)门极的控制电平(5^,);第N+k-1 个比较器的输出通过第Ν+k-l个非门，第Ν+k-l个非门的输出与第N+k个比较器的输出通 过第N-1+k-l个异或门得到第二桥臂的第k个开关组（B vk)的第j个功率开关单元（SMBvkj) 的第二开关管(?)门极的控制电平(&#)，其中k的取值为2、;第2*N个比较器的输出通 过第2*N个非门得到第二桥臂的第N+1个开关组（B v_)的第j个功率开关单元（SMBv(N+1)j) 的第二开关管(?)门极的控制电平;第三桥臂的第k个调制波与第j个 载波?.通过第2*N+k个比较器，当第三桥臂的第k个调制波大于第j个载波?.时， 第2*N+k个比较器输出高电平，当第三桥臂的第k个调制波U/t:小于第j个载波?.时， 第2*N+k个比较器输出低电平，其中k的取值为1、；第2*Ν+1个比较器的输出作为第三桥 臂的第1个开关组（B wl)的第j个功率开关单元（SMBwU)的第二开关管(?)门极的控制电 平（5^.);第2*N+k-l个比较器的输出通过第2*N+k-l个非门，第2*N+k-l个非门的输出与 第2*N+k个比较器的输出通过第2* (N-l)+k-l个异或门得到第三桥臂的第k个开关组（Bwk) 的第j个功率开关单元（SMBwW)的第二开关管(?)门极的控制电平(5^.)，其中k的取值为 2、；第3*N个比较器的输出通过第3*N个非门得到第三桥臂的第N+1个开关组（B w_)的 第j个功率开关单元（SMBw(N+1)j)的第二开关管(?)门极的控制电平(心##)，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（兄）门极的控制电平。
【文档编号】H02M5/458GK104218819SQ201410310249
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年10月20日 优先权日:2014年3月27日
【发明者】张波, 付坚, 丘东元 申请人:华南理工大学