无直流偏置的双输出单相三开关组mmc逆变器的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供一种无直流偏置的双输出单相三开关组MMC逆变器。所述逆变器包括直流电源、第一电容、第二电容、第三电容、开关桥臂、第一负载和第二负载；所述开关桥臂由上开关组、中开关组、下开关组和耦合电感串联而成；上开关组、中开关组和下开关组分别由N个功率开关单元串联而成；第一负载的一端接到第一电容、第二电容的中点，第一负载的另一端接到中开关组的上端；第二负载的一端接到第二电容、第三电容的中点，第二负载的另一端接到中开关组的下端。该逆变器采用载波移相PWM控制，可以输出两路无直流偏置的N+1电平交流电压，适合于高压、大功率、双负载的场合。所述逆变器中耦合电感可由两个独立电感替代。
【专利说明】无直流偏置的双输出单相三开关组MMC逆变器
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及模块组合多电平（MMC)变换器领域，具体涉及一种无直流偏置的 双输出单相三开关组MMC逆变器。
【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。单相三开关变换器相对于传统的四开关变换器减少了 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，三开关变换器的两路 单相输出均为两电平，输出交流波形比较差。此外，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。 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，提出一种无直流偏置的双输出 单相三开关组MMC逆变器。
[0005] 本实用新型采用的技术方案如下。
[0006] 无直流偏置的双输出单相三开关组MMC逆变器包括直流电源、第一电容、第二电 容、第三电容、开关桥臂、第一负载和第二负载；所述开关桥臂由上开关组、中开关组、下开 关组和耦合电感串联而；上开关组由N个功率开关单元串联而成成，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；第一负载的一端接到第一电容、 第二电容的中点，第一负载的另一端接到中开关组的上端；第二负载的一端接到第二电容、 第三电容的中点，第二负载的另一端接到中开关组的下端；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；第一电容、第二电容和第三电容的电压均为U dc;/3。奉禹 合电感的原副边由第一电感和第二电感两个独立电感替代。采用载波移相PWM控制所述变 换器中上开关组、中开关组和下开关组的开关管的开通与关断。
[0007] 上述的无直流偏置的双输出单相三开关组MMC逆变器中，所述无直流偏置的双输 出单相三开关组MMC逆变器中，直流电源的正极与第一电容的正极、上开关组的上端连接， 上开关组的下端与耦合电感原边的同名端连接，耦合电感原边的非同名端与中开关组的 上端连接，中开关组的下端与耦合电感副边的同名端连接，耦合电感副边的非同名端与下 开关组的上端连接，下开关组的下端与第三电容的负极、直流电源的负极、地端连接，第三 电容的正极与第二电容的负极连接，第二电容的正极与第一电容的负极连接；第一负载的 一端与中开关组的上端相连，第一负载的另一端与第二电容的正极连接，第二负载的一端 与中开关组的下端相连，b路负载的另一端与第二电容的负极连接。
[0008] 上述的无直流偏置的双输出单相三开关组MMC逆变器中，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。
[0009] 上述的无直流偏置的双输出单相三开关组MMC逆变器中，上开关组的第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取值为1? N-1 ;中开关组的第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；下开关组的第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。
[0010] 上述的无直流偏置的双输出单相三开关组MMC逆变器的控制方法中，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i个功率 开关单元和下开关组的第i个功率开关单元采用相同三角波作为第i个载波Q，其中i取 值为1?N ;N个载波依次滞后相角360° /N ;第一路输出采用正弦波叠加取值为1/3的直 流偏置作为第一调制波艮+1/3,第二路输出采用正弦波叠加取值为1/3的直流偏置作为第 二调制波R b_l/3。
[0011] 上述控制方法中，第一调制波Ra+l/3与第i个载波Q通过第一比较器得到上开关 组的第i个功率开关单元的第二开关管门极的控制电平，当第一调制波R a+l/3大于第i个 载波Q时，第一比较器输出高电平，当第一调制波Ra+l/3小于第i个载波Q时，第一比较 器输出低电平，其中i的取值为1?N ;第二调制波Rb-l/3与第i个载波Q通过第二比较 器得到下开关组的第i个功率开关单元的第二开关管门极的控制电平，当第二调制波调制 波R b-l/3小于第i个载波Q时，第二比较器输出高电平，当第二调制波调制波Rb-l/3大于 第i个载波Q时，第二比较器输出低电平；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异 或门得到中开关组的第i个功率开关单元中第二开关管门极的控制电平；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。
[0012] 无直流偏置的双输出单相三开关组MMC逆变器的工作模式包括同频工作模式（CF 模式）和异频工作模式（DF模式），CF模式中，第一路输出和第二路输出的频率相同，幅值 不相同；DF模式中，第一路输出和第二路输出的频率和幅值均不相同。
[0013] 与现有技术相比，本实用新型具有的优势为：具有两路N+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。与现有的单相三开关变换器相比较，本实用新型所提供的无直流偏置的双输出单相三 开关组MMC逆变器的两路输出均为N+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，且本实用新型所提供的 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，这将非常有利于无直流偏置的双输出单相三开关组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，本实用新型所提供的无直流偏置的双输出单相三开关 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是本实用新型的无直流偏置的双输出单相三开关组MMC逆变器的电路结构 图；
[0015] 图2是本实用新型的无直流偏置的双输出单相三开关组MMC逆变器的功率开关单 元的电路结构图；
[0016] 图3是图1所示的无直流偏置的双输出单相三开关组MMC逆变器的载波移相PWM 控制方法的结构图；
[0017] 图4a、4b是图1所示的无直流偏置的双输出单相三开关组MMC逆变器分别工作于 CF模式和DF模式的调制波与载波的关系；
[0018] 图5a、5b是无直流偏置的双输出单相五电平三开关组MMC逆变器分别工作于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 进行说明，但本实用新型的实施不限于此。
[0020] 参考图1，本实用新型的无直流偏置的双输出单相三开关组MMC逆变器，包括直流 电源u d。、第一电容q、第二电容c2、第三电容c3、开关桥臂、第一负载和第二负载；所述开关 桥臂由上开关组H、中开关组M、下开关组L和耦合电感（L H:LJ串联而成；上开关组Η由N 个功率开关单元（SMm、SMH2、…、SM。串联而成，中开关组Μ由Ν个功率开关单元（SM m1、 SMK、"·、5Μμ)串联而成，下开关组L由N个功率开关单元（SMu、SMw "·、5Μμ)串联而成； 第一负载的一端接到第一电容(^、第二电容C2的中点，第一负载的另一端接到中开关组Μ的 上端〇 ;第二负载的一端接到第二电容C2、第三电容C3的中点，第二负载的另一端接到中开 关组Μ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；第一 电容Q、第二电容C2和第三电容C 3的电压均为Udc;/3。其中，直流电源Ud。的正极与第一电 容Q的正极、上开关组Η的上端〇连接，上开关组Η的下端p与耦合电感（L H: LJ原边LH的 同名端w连接，耦合电感（LH:LJ原边LH的非同名端a与中开关组Μ的上端〇连接，中开关 组Μ的下端ρ与耦合电感（L H:K)副边k的同名端b连接，耦合电感（LH:LJ副边k的非同 名端z与下开关组L的上端〇连接，下开关组L的下端p与第三电容C 3的负极、直流电源 Ud。的负极、地端η连接，第三电容C3的正极与第二电容C2的负极连接，第二电容C 2的正极 与第一电容Cl的负极连接；第一负载的一端与中开关组Μ的上端〇相连，第一负载的另一 端与第二电容c2的正极连接，第二负载的一端与中开关组Μ的下端p相连，b路负载的另一 端与第二电容C2的负极连接。
[0021] 图2示出图1所示的无直流偏置的双输出单相三开关组MMC逆变器的功率开关单 元的电路结构图。功率开关单元由第一开关管Si、第二开关管S 2、第一二极管Di、第二二极 管D2和电容CSM。其中，电容C SM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Si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D2的阳极、电容C SM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，上开关组Η的第i个功率开关单元SMm的第二输出端与第i+Ι个功 率开关单元SM H(i+1)的第一输出端连接，其中i取值为1?N-1 ;中开关组Μ的第i个功率开 关单元SMMi的第二输出端与第i+Ι个功率开关单元SMM(i+1)的第一输出端连接；下开关组L 的第i个功率开关单元SMU的第二输出端与第i+Ι个功率开关单元SMUi+1)的第一输出端 连接。
[0023] 如图1所示，第一负载和第二负载的两端电压分别为：
[0024]
【权利要求】
1. 无直流偏置的双输出单相三开关组MMC逆变器，其特征在于：包括直流电源（Ud。)、 第一电容（Q)、第二电容（c 2)、第三电容（c3)、开关桥臂、第一负载和第二负载；所述开关桥 臂由上开关组（H)、中开关组（M)、下开关组（L)和耦合电感串联而成；上开关组（H)由N个 功率开关单元（SM H1、SMH2、…、SMhn)串联而成，中开关组(M)由N个功率开关单元（SMm1、 SMK、…、SMW)串联而成，下开关组（L)由N个功率开关单元（SMU、SM l2、…、SMm)串联而 成，N为正整数；第一负载的一端接到第一电容（Q)、第二电容（C 2)的中点，第一负载的另一 端接到中开关组(M)的上端（〇);第二负载的一端接到第二电容（C2)、第三电容（C 3)的中点， 第二负载的另一端接到中开关组(M)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；第一电容（Q)、第二电容（C 2)和第三电容（C3)的电压均为Udc;/3， Ud。为直流电源的电压。
2. 根据权利要求1所述的无直流偏置的双输出单相三开关组MMC逆变器，其特征在于： 耦合电感的原边及副边由第一电感αΗ)和第二电感（Lj两个独立电感替代。
3. 根据权利要求1所述的无直流偏置的双输出单相三开关组MMC逆变器，其特征在于： 直流电源（Ud。）的正极与第一电容（CJ的正极、上开关组（Η)的上端连接，上开关组（Η)的 下端与耦合电感原边的同名端（w)连接，耦合电感原边的非同名端（a)与中开关组（M)的上 端连接，中开关组(Μ)的下端与耦合电感副边（L)的同名端（b )连接，耦合电感副边的非同 名端（z)与下开关组（L)的上端连接，下开关组（L)的下端与第三电容（C3)的负极、直流电 源（U d。）的负极、地端（η)连接，第三电容（C3)的正极与第二电容（C2)的负极连接，第二电容 (C 2)的正极与第一电容（CJ的负极连接；第一负载的一端与中开关组(M)的上端相连，第一 负载的另一端与第二电容（C 2)的正极连接，第二负载的一端与中开关组（M)的下端相连，b 路负载的另一端与第二电容（C2)的负极连接。
4. 根据权利要求1所述的无直流偏置的双输出单相三开关组MMC逆变器，其特征在于： 功率开关单元由第一开关管（SP、第二开关管（S2)、第一二极管（DJ、第二二极管（D2)和电 容（C SM)构成；其中，电容（CSM)的正极与第一开关管（SJ的集电极、第一二极管（DJ的阴极 连接，第一开关管（S〇的发射极与第一二极管（DJ的阳极、第二开关管（S 2)的集电极、第 二二极管（?)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（S2)的发射极作为第 二输出端。
5. 根据权利要求1所述的无直流偏置的双输出单相三开关组MMC逆变器，其特征在于： 上开关组（H)的第i个功率开关单元（SMm)的第二输出端与第i+Ι个功率开关单元（SMH(i+1)) 的第一输出端连接，其中i取值为1~N-1 ;中开关组(Μ)的第i个功率开关单元（SMMi)的第 二输出端与第i+Ι个功率开关单元（SMM(i+1))的第一输出端连接；下开关组（L)的第i个功 率开关单元（SM U)的第二输出端与第i+Ι个功率开关单元（SMUi+1))的第一输出端连接。
【文档编号】H02M7/537GK203872080SQ201420056605
【公开日】2014年10月8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