双输入三相九开关组mmc整流器的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供双输入三相九开关组MMC整流器。本实用新型的整流器包括两个三相电压源、两组三相电感、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和一个整流负载；所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂均由上开关组、中开关组、下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。该整流器采用载波移相PWM控制，2个输入交流电源变换成三相2N+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，很好的解决了开关管的均压问题，适合2个三相交流电源输入、高压和大功率场合的应用。
【专利说明】双输入三相九开关组MMC整流器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及模块组合多电平变换器(MMC)领域，具体涉及一种双输入三相九开关组MMC整流器。
【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。三相九开关整流器相对于传统的十二开关整流器减少了三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，九开关整流器的两路三相输入均为两电平，输入交流电流波形比较差。此外，九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，且存在开关管的均压问题，这极大的限制了三相九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。
实用新型内容
[0004]本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种双输入三相九开关组MMC整流器。
[0005]本实用新型采用的技术方案如下。
[0006]双输入三相九开关组MMC整流器包括第一三相电压源、第二三相电压源、第一组电感、第二组电感、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和负载；第一三相电压源包括第一 u相电压源、第一 V相电压源和第一 W相电压源；第二三相电压源包括第二 U相电压源、第二 V相电压源和第二 W相电压源；第一组电感包括第一 U相电感、第一 V相电感和第一 W相电感；第二组电感包括第二 U相电感、第二 V相电感和第二 W相电感；所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂均各自由上开关组、第一电感、中开关组、第二电感、下开关组串联而成；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，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，第三桥臂的上开关组由N个功率开关单元串联而成，第三桥臂的中开关组由N个功率开关单元串联而成，第三桥臂的下开关组由N个功率开关单元串联而成；第一 U相电压源、第一 V相电压源和第一 W相电压源作为第一路三相输入，第二 U相电压源、第二 V相电压源和第二 W相电压源作为第二路三相输入，N为正整数。
[0007]上述的双输入三相九开关组MMC整流器中，第一桥臂的两个电感、第二桥臂的两个电感和第三桥臂的两个电感均由耦合电感替代。
[0008]上述的双输入三相九开关组MMC整流器中，第一桥臂的上开关组的下端与第一桥臂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下开关组的上端连接；第二桥臂的结构、第三桥臂的结构与第一桥臂的结构完全一致；第一 U相电压源的一端与第一 U相电感的一端连接，第一 U相电感的另一端与第一桥臂的中开关组的上端连接，第一 U相电压源的另一端与第一 V相电压源的一端、第一 W相电压源的一端连接,第一 V相电压源的另一端与第一 V相电感的一端连接，第一 V相电感的另一端与第二桥臂的中开关组的上端连接，第一 W相电压源的另一端与第一 W相电感的一端连接，第一 W相电感的另一端与第三桥臂的中开关组的上端连接;第二 U相电压源的一端与第二 U相电感的一端连接，第二 U相电感的另一端与第一桥臂的中开关组的下端连接，第二 U相电压源的另一端与第二 V相电压源的一端、第二 W相电压源的一端连接，第二 V相电压源的另一端与第二 V相电感的一端连接，第二 V相电感的另一端与第二桥臂的中开关组的下端连接，第二 W相电压源的另一端与第二 W相电感的一端连接,第二 W相电感的另一端与第三桥臂的中开关组的下端连接；第一桥臂的上开关组的上端与第二桥臂的上开关组的上端、第三桥臂的上开关组的上端、负载的一端连接，负载的另一端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、第三桥臂的下开关组的下端、地端连接。
[0009]上述的双输入三相九开关组MMC整流器中，功率开关单元由第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管和电容构成；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]上述的双输入三相九开关组MMC整流器中，每个开关组的第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的取值为I?N-1。
[0011]上述的双输入三相九开关组MMC整流器的控制方法中，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j个功率开关单元、第一桥臂的下开关组的第j个功率开关单元、第二桥臂的上开关组的第j个功率开关单元、第二桥臂的下开关组的第j个功率开关单元、第三桥臂的上开关组的第j个功率开关单元和第三桥臂的下开关组的第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采用第一正弦波Rau叠加第一直流偏置Rdtja作为第一桥臂的第一调制波Rau+RdM，第一桥臂的下开关组采用第二正弦波Rbu叠加第二直流偏置Rdtjb作为第一桥臂的第二调制波Rbu+Rd()b，第二桥臂的上开关组采用第三正弦波Rav叠加第一直流偏置Rdra作为第二桥臂的第一调制波Rav+RdM，第二桥臂的下开关组采用第四正弦波Rbv叠加第二直流偏置Rdtjb作为第二桥臂的第二调制波Rbv+Rd()b，第三桥臂的上开关组采用第五正弦波Raw叠加第一直流偏置Rdtja作为第三桥臂的第一调制波Raw+RdM，第三桥臂的下开关组采用第六正弦波Rbw叠加第二直流偏置Rdtjb作为第三桥臂的第二调制波Rbw+Rdob ο
[0012]上述控制方法中，第一桥臂的第一调制波Rau+RdM与第j个载波Cj通过第一比较器得到第一桥臂的上开关组的第j个功率开关单元的第二开关管门极的控制电平，当第一桥臂的第一调制波Rau+RdM大于第j个载波&时，第一比较器输出高电平，当第一桥臂的第一调制波Rau+RdM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I~N ;第一桥臂的第二调制波Rbu+Rd()b与第j个载波&通过第二比较器得到第一桥臂的下开关组的第j个功率开关单元中第二开关管门极的控制电平，当第一桥臂的第二调制波Rbu+Rd()b小于第j个载波&时，第二比较器输出高电平，当第一桥臂的第二调制波Rbu+Rd()b大于第j个载波G时，第二比较器输出低电平；第一桥臂的上开关组的第j个功率开关单元的第二开关管门极的控制电平和第一桥臂的下开关组的第j个功率开关单元中第二开关管门极的控制电平通过第一异或门307，得到第一桥臂的中开关组的第j个功率开关单元中第二开关管门极的控制电平；第二桥臂的第一调制波Rav+RdM与第j个载波&通过第三比较器得到第二桥臂的上开关组的第j个功率开关单元中第二开关管门极的控制电平，当第二桥臂的第一调制波Rav+RdM大于第j个载波&时，第三比较器输出高电平，当第二桥臂的第一调制波Rav+Rdoa小于第j个载波Cj时，第三比较器输出低电平；第二桥臂的第二调制波Rbv+Rd()b与第j个载波G通过第四比较器得到第二桥臂的下开关组的第j个功率开关单元中第二开关管门极的控制电平，当第二桥臂的第二调制波Rbv+Rd()b小于第j个载波Cj，第四比较器输出高电平，当第二桥臂的第二调制波Rbv+Rd()b大于第j个载波Cj，第四比较器输出低电平；第二桥臂的上开关组的第j个功率开关单元中第二开关管门极的控制电平和第二桥臂的下开关组的第j个功率开关单元中第二开关管门极的控制电平通过第二异或门308，得到第二个桥臂的中开关组的第j个功率开关单元中第二开关管门极的控制电平；第三桥臂的第一调制波Raw+RdM与第j个载波Cj通过第五比较器得到第三桥臂的上开关组的第j个功率开关单元中第二开关管门极的控制电平，当第三桥臂的第一调制波Raw+RdM大于第j个载波Cj,第五比较器输出高电 平，当第三桥臂的第一调制波Raw+RdM小于第j个载波Cj，第五比较器输出低电平；第三桥臂的第二调制波Rbw+Rd()b与第j个载波Cj通过第六比较器得到第三桥臂的下开关组的第j个功率开关单元中第二开关管门极的控制电平，当第三桥臂的第二调制波1+R-小于第j个载波第六比较器输出高电平，当第三桥臂的第二调制波Rbw+Rd()b大于第j个载波?.，第六比较器输出低电平；第三桥臂的上开关组的第j个功率开关单元中第二开关管门极的控制电平和第三桥臂的下开关组的第j个功率开关单元中第二开关管门极的控制电平通过第三异或门309，得到第三桥臂的中开关组的第j个功率开关单元中第二开关管门极的控制电平。
[0013]双输入三相九开关组MMC整流器的工作模式包括同频模式和异频模式，同频模式中，第一路输出和第二路输出的频率相同，幅值不相同；异频模式中，第一路输出和第二路输出的频率和幅值均不相同。
[0014]与现有技术相比，本实用新型具有的优势为:两路三相交流输入电源均转换为两路线电压为2N+1电平的三相交流输入，输入电流波形质量很高，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。与现有的三相九开关整流器相比较，本实用新型所提供的双输入三相九开关组MMC整流器的两路三相交流输入电源均转换为两路线电压为2N+1电平的三相交流输入，输入交流电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，且本实用新型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三相九开关组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，本实用新型所提供的双输入三相九开关组MMC整流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】
[0015]图1是本实用新型的双输入三相九开关组MMC整流器的电路结构图；
[0016]图2是图1所示的双输入三相九开关组MMC整流器的功率开关单元的电路结构图；
[0017]图3是图1所示的双输入三相九开关组MMC整流器的载波移相PWM控制结构图；
[0018]图4a、4b是图1所示的双输入三相九开关组MMC整流器分别工作于CF模式和DF模式下的调制波；
[0019]图5a、5b是双输入三相九开关组九电平MMC整流器工作于同频模式和异频模式下的仿真波形图。
【具体实施方式】
[0020]为进一步阐 述本实用新型的内容和特点，以下结合附图对本实用新型的具体实施方案进行说明，但本实用新型的实施不限于此。
[0021]参考图1，本实用新型的双输入三相九开关组MMC整流器，包括第一 u相电压源Uua、第一 V相电压源Uva、第一 W相电压源Uwa、第一 u相电感Lua、第一 V相电感Lva、第一 W相电感Lwa、第二 u相电压源uub、第二 V相电压源Uvb、第二 w相电压源Uwb、第二 u相电感Lub、第
二V相电感Lvb、第二 w相电感Lwb、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和负载R ;所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂均由上开关组(Hu、Hv、Hw)、中开关组(Mu、Mv、Mw)、下开关组(Lu、Lv、Lw)和两个电感αΗι1、ι^αΗν、κν，ι^、ι^)串联而成；第一桥臂的上开关组Hu由N个功率开关单元(SMHu1、SMhu2,…、SMhun)串联而成，第一桥臂的中开关组Mu由N个功率开关单元(SMMu1、SMmu2,…、SMmun)串联而成，第一桥臂的下开关组Lu由N个功率开关单元(SMuil、SMlu2,…、SMlun)串联，第二桥臂的上开关组Hv由N个功率开关单元(SMHv1、SMHv2、…、SMhvn)串联而成，第二桥臂的中开关组Mv由N个功率开关单元(SMMv1、SMMv2、…、SMmvn)串联而成，第二桥臂的下开关组Lv由N个功率开关单元(SMm、SMw、-,SMlvn)串联而成，第三桥臂的上开关组Hw由N个功率开关单元(SMhw1、SMhw2、SMhwn)串联而成，第三桥臂的中开关组Mw由N个功率开关单元(SMMw1、SMmw2,…、SMmwn)串联而成，第三桥臂的下开关组Lw由N个功率开关单元(SMlw1 >SMlw2>…、SMm)串联而成；第一 u相电压源Uua、第一 v相电压源Uva和第一 w相电压源Uwa作为第一路三相输入，第二 u相电压源uub、第二 V相电压源Uvb和第二 w相电压源Uwb作为第二路三相输入。
[0022]第一桥臂的上开关组Hu的下端P与第一桥臂的第一电感Lhu的一端连接，第一桥臂的第一电感Lhu的另一端与第一桥臂的中开关组Mu的上端ο连接，第一桥臂的中开关组Mu的下端与第一桥臂的第二电感Lui的一端连接，第一桥臂的第二电感Lui的另一端与第一桥臂的下开关组Lu的上端连接；第二桥臂的结构、第三桥臂的结构与第一桥臂的结构完全一致；第一 U相电压源Uua的一端与第一 u相电感Lua的一端连接,第一 u相电感Lua的另一端与第一桥臂的中开关组Mu的上端连接，第一 u相电压源Uua的另一端与第一 V相电压源Uva的一端、第一 W相电压源Uwa的一端连接,第一 V相电压源Uva的另一端与第一 V相电感Lva的一端连接，第一 V相电感Lva的另一端与第二桥臂的中开关组Mv的上端连接，第一 w相电压源Uwa的另一端与第一 W相电感Lwa的一端连接,第一 W相电感Lwa的另一端与第三桥臂的中开关组Mw的上端连接；第二 u相电压源Uub的一端与第二 u相电感Lub的一端连接，第二u相电感Lub的另一端与第一桥臂的中开关组Mu的下端连接，第二 u相电压源Uub的另一端与第二 V相电压源Uvb的一端、第二 w相电压源Uwb的一端连接，第二 V相电压源Uvb的另一端与第二 V相电感Lvb的一端连接，第二 V相电感Lvb的另一端与第二桥臂的中开关组Mv的下端连接，第二 W相电压源Uwb的另一端与第二 W相电感Lwb的一端连接,第二 W相电感Lwb的另一端与第三桥臂的中开关组Mw的下端连接；第一桥臂的上开关组Hu的上端与第二桥臂的上开关组Hu的上端、第三桥臂的上开关组Hu的上端、负载R的一端连接，负载R的另一端与第一桥臂的下开关组Lu的下端、第二桥臂的下开关组Lv的下端、第三桥臂的下开关组Lw的下端、地端η连接。
[0023]图2示出图1所示双输入三相九开关组MMC整流器的功率开关单元的电路结构。功率开关单元由第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2和电容Csm构成；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。 [0024]如图1所示，每个开关组的第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的取值为I~N-1。
[0025]令第一 u相电压源为=R cos(u:;/+ ?)，第一 V相电压源为Uva =^acos(TV/ + ^-120°)，第一 w 相电压源为 Wiru =t/ucos(w/ + %+120°)，第二 u 相电压源力~=cos(Wj + %)，第二 V 相电压源为 Uvb = Ub cos(u’z>/ + (Pb -120°)，第二 w 相电压源为 uwb = Uh cos(u;J + φ,, -f 120°)，则:
[0026]
【权利要求】
1.双输入三相九开关组MMC整流器，其特征在于:包括第一三相电压源、第二三相电压源、第一组电感、第二组电感、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和负载0?);第一三相电压源包括第一 U相电压源(‘)、第一 V相电压源(K3)和第一 W相电压源(‘);第二三相电压源包括第二 U相电压源(?)、第二 V相电压源(~A)和第二 W相电压源(?);第一组电感包括第一 U相电感(Z?3)、第一 V相电感(Zra)和第一 W相电感(Zira);第二组电感包括第二 u相电感(Z?A)、第二 V相电感(Zka)和第二 w相电感(Z-);所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂均各自由上开关组、第一电感、中开关组、第二电感、下开关组串联而成；第一桥臂的上开关组(Hu)由N个功率开关单元(SMhu1、SMhu2,…、SMhun)串联而成，第一桥臂的中开关组(Mu)由N个功率开关单元(SMMu1、SMMu2、…、SMmun)串联而成，第一桥臂的下开关组(Lu)由N个功率开关单元(SMu^SMui2'…、SMm)串联，第二桥臂的上开关组(Hv)由N个功率开关单元(SMHv1、SMhv2,…、SMhvn)串联而成，第二桥臂的中开关组(Mv)由N个功率开关单元(SMMv1、SMMv2、…、SMmvn)串联而成，第二桥臂的下开关组(以)由N个功率开关单元(SMw、SMlv2,…、SMlvn)串联而成，第三桥臂的上开关组(Hw)由N个功率开关单元(SMhw1、SMhw2,…、SMm)串联而成，第三桥臂的中开关组(Mw)由N个功率开关单元(SMMw1、SMMw2、…、SMmwn)串联而成，第三桥臂的下开关组(Lw)由N个功率开关单元(SMm、SMlw2,…、SMlwn)串联而成；第一 u相电压源(--3)、第一 V相电压源(％3)和第一 w相电压源(％3)作为第一路三相输入，第二 u相电压源(MuH V相电压源(％Α)和第二 w相电压源(％Α)作为第二路三相输入，N为正整数。
2.根据权利要求1所述的双输入三相九开关组MMC整流器，其特征在于:第一桥臂的两个电感aHu、zz?)、第二桥臂的两个电感aHv、lLv)和第三桥臂的两个电感uHw、lLw)均由耦合电感替代。
3.根据权利要求1所述的双输入三相九开关组MMC整流器，其特征在于:第一桥臂的上开关组(Hu)的下端 (P)与第一桥臂的第一电感(&?)的一端连接，第一桥臂的第一电感(4?)的另一端与第一桥臂的中开关组(Mu)的上端(ο)连接，第一桥臂的中开关组(Mu)的下端与第一桥臂的第二电感(4?)的一端连接，第一桥臂的第二电感(匕?)的另一端与第一桥臂的下开关组(Lu)的上端连接；第二桥臂的结构、第三桥臂的结构与第一桥臂的结构完全一致；第一 U相电压源(--3)的一端与第一 u相电感(Zua)的一端连接,第一 u相电感(Zua)的另一端与第一桥臂的中开关组(Mu)的上端连接，第一 u相电压源(--3)的另一端与第一 V相电压源(‘)的一端、第一 w相电压源(‘)的一端连接，第一 V相电压源(‘)的另一端与第一V相电感(Zra)的一端连接,第一 V相电感(Zra)的另一端与第二桥臂的中开关组(Mv)的上端连接，第一 w相电压源(‘)的另一端与第一 w相电感(Zira)的一端连接,第一 w相电感UfJ的另一端与第三桥臂的中开关组(Mw)的上端连接；第二 u相电压源(--Α)的一端与第二u相电感(Ζ?Α)的一端连接，第二 u相电感(4J的另一端与第一桥臂的中开关组(Mu)的下端连接，第二 u相电压源(％A)的另一端与第二 V相电压源(~Α)的一端、第二 w相电压源(.Urb)的一端连接，第二 V相电压源(Mvb)的另一端与第二 V相电感(Zka)的一端连接,第二 V相电感(Zka)的另一端与第二桥臂的中开关组(Mv)的下端连接，第二 W相电压源(^a)的另一端与第二 W相电感(Zifa)的一端连接,第二 W相电感(Zifa)的另一端与第三桥臂的中开关组(Mw)的下端连接；第一桥臂的上开关组(Hu)的上端与第二桥臂的上开关组(Hu)的上端、第三桥臂的上开关组(Hu)的上端、负载0?)的一端连接，负载0?)的另一端与第一桥臂的下开关组(Lu)的下端、第二桥臂的下开关组(以)的下端、第三桥臂的下开关组(1^)的下端、地端(μ )连接。
4.根据权利要求1所述的双输入三相九开关组MMC整流器，其特征在于:功率开关单元由第一开关管(?)、第二开关管(?)、第一二极管(4)、第二二极管(見)和电容(G#)构成；其中，电容(G#)的正极与第一开关管(?)的集电极、第一二极管(A)的阴极连接，第一开关管(?)的发射极与第一二极管(久)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所述的双输入三相九开关组MMC整流器，其特征在于:每个开关组的第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的取值为1、-1。
【文档编号】H02M7/217GK203691273SQ201420055817
【公开日】2014年7月2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