三相九开关组mmc ac-ac变换器的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供三相九开关组MMC?AC-AC变换器。本实用新型的变换器包括三相交流输入电源、交流输入电感组、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第一电容和三相负载；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；每个开关组均由N个功率开关单元串联而成。该变换器采用载波移相PWM控制，三相交流输入电源变换成线电压为2N+1电平的交流输入，经AC-AC变换成线电压为2N+1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，很好的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】三相九开关组圖C AC-AC变换器
【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，具体涉及一种三相九开关组MMC AC-AC变换器。
【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。三相九开关AC-AC变换器相对于传统的十二开关AC-AC变换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AC-AC变换器的输出和输入均为三电平，输入与输出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，提出一种三相九开关组MMCAC-AC变换器。
[0005]本实用新型采用的技术方案是:三相九开关组MMC AC-AC变换器包括三相交流输入电源、交流输入电感组、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第一电容和三相负载；三相交流输入电源包括U相电源、V相电源和W相电源；交流输入电感组包括U相电感、V相电感和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；三相负载的三端分别与第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的中开关组的下端连接，N为正整数。
[0006]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。
[0007]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；u相电源的一端与u相电感的一端连接，u相电感的另一端与第一桥臂的中开关组的上端连接，u相电源的另一端与V相电源的一端、W相电源的一端连接,V相电源的另一端与V相电感的一端连接，V相电感的另一端与第二桥臂的中开关组的上端连接，W相电源的另一端与W相电感的一端连接，W相电感的另一端与第三桥臂的中开关组的上端连接；三相负载的三端分别与第一桥臂的中开关组的下端、第二桥臂的中开关组的下端、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、第一电容的正极连接，第一电容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、第三桥臂的下开关组的下端、地端连接。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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C」，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米用第一正弦波Riu叠加第一直流偏置Rdtji作为第一桥臂的第一调制波Riu+Rd()i，第一桥臂的下开关组采用第二正弦波Rtju叠加第二直流偏置Rdoo作为第一桥臂的第二调制波IC+Rd。。，第二桥臂的上开关组采用第三正弦波Riv叠加第一直流偏置Rdtji作为第二桥臂的第一调制波Riv+Rd()i，第二桥臂的下开关组采用第四正弦波Rot叠加第二直流偏置Rdoo作为第二桥臂的第二调制波ROT+Rd。。，第三桥臂的上开关组采用第五正弦波Riw叠加第一直流偏置Rdtji作为第三桥臂的第一调制波Riw+Rd()i，第三桥臂的下开关组采用第六正弦波Rmt叠加第二直流偏置Rdoo作为第三桥臂的第二调制波R?+Rd。。。
[0011]第一桥臂的第一调制波Riu+Rd()i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RiU+Rdoi大于第j个载波Cj时，第一比较器输出高电平，当第一桥臂的第一调制波RiU+Rdt5i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R?+Rd。。与第j个载波G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Rw+Rd。。小于第j个载波q时，第二比较器输出高电平，当第一桥臂的第二调制波iC+Rd。。大于第j个载波q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，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Riv+Rd()i与第j个载波Cj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Riv+Rd()i大于第j个载波Cj时，第三比较器输出高电平，当第二桥臂的第一调制波Riv+Rd()i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ROT+Rd。。与第j个载波Cj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ROT+Rd。。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ROT+Rd。。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，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Riw+Rd()i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Riw+Rd()i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Riw+Rd()i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R?+Rd。。与第j个载波&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R?+Rd。。小于第j个载波Cj，第六比较器输出高电平，当第三桥臂的第二调制波R?+Rd。。大于第j个载波Cp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，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。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]三相九开关组MMC AC-AC变换器的工作模式包括同频模式和异频模式，同频模式中，三相交流输入电源和三相交流输出的频率相同，幅值不相同；异频模式中，三相交流输入电源和三相交流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:三相交流输入电源转换为线电压为2N+1电平的三相交流输入，经AC-AC变换成线电压为2N+1电平的三相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。与现有的三相九开关AC-AC变换器相比较，本实用新型所提供的三相九开关组MMC AC-AC变换器的三相交流输入与输出的线电压均为2N+1电平。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，这将非常有利于三相九开关组MMC AC-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，本实用新型所提供的三相九开关组MMC AC-AC变换器仅需要9个开关组即可实现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是本实用新型的三相九开关组丽C AC-AC变换器的电路结构图；
[0015]图2是图1所示的三相九开关组MMC AC-AC变换器的功率开关单元的电路结构图；
[0016]图3是图1所示的三相九开关组MMC AC-AC变换器的载波移相PWM控制结构图；
[0017]图4a、4b是图1所示的三相九开关组MMC AC-AC变换器分别工作于CF模式和DF模式下的调制波；
[0018]图5a、5b是三相九开关组九电平MMC AC-AC变换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】
[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方案进行具体说明。但本实用新型的实施不限于此。
[0020]参考图1，本实用新型的三相九开关组MMC AC-AC变换器，包括三相交流输入电源、交流输入电感组、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第一电容C1和三相负载；三相交流输入电源包括u相电源Uu1、V相电源Uvi和w相电源Uwi ;交流输入电感组包括u相电感Lu1、V相电感Lvi和W相电感Lwi ;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(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；三相负载的三端为三相交流输出，N为正整数。
[0021]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；u相电源Uui的一端与u相电感Lui的一端连接，u相电感Lui的另一端与第一桥臂的中开关组Mu的上端连接，u相电源Uui的另一端与V相电源Uvi的一端、w相电源Uwi的一端连接，V相电源Uvi的另一端与V相电感Lvi的一端连接，V相电感Lvi的另一端与第二桥臂的中开关组Mv的上端连接，w相电源Uwi的另一端与w相电感Lwi的一端连接，w相电感Lwi的另一端与第三桥臂的中开关组Mw的上端连接；三相负载的三端分别与第一桥臂的中开关组Mu的下端、第二桥臂的中开关组Mv的下端、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、第一电容仏的正极连接，第一电容C1的负极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。[0022]图2示出图1所示三相九开关组MMC AC-AC变换器的功率开关单元的电路结构。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和第二电容Csm ;其中，第二电容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、第二电容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。
[0023]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。
[0024]令u 相电源为 W,,+ ，V 相电源为 μ =Gcos(w/ + %-120°)，w 相电源为II,, = Ui cos(w,_i + φ? +120°)，三相交流输出的u相电压源为uU0 = U0 cos (η./ + φο)，三相交流输出的V相电压源为Uvo = U,, cos (η;/ + φο-\20°)，三相交流输出的w相电压源为
Ka = U0 cos(w0i + % +120。)，则:
【权利要求】
1.三相九开关组MMCAC-AC变换器，其特征在于:包括三相交流输入电源、交流输入电感组、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第一电容(C1)和三相负载；三相交流输入电源包括u相电源(《?,.)、V相电源(--.)和w相电源(--.);交流输入电感组包括u相电感(Zui)、V相电感(Z?.)和w相电感(Ziri);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、…、SMm)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'…、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、SMm、-,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、SMta2、-,SMlwn)串联而成；三相负载的三端分别与第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的中开关组的下端连接，N为正整数。
2.根据权利要求1所述的三相九开关组MMCAC-AC变换器，其特征在于:第一桥臂的两个电感(4、Zz?)、第二桥臂的两个电感(‘、&)和第三桥臂的两个电感(4、Zzir)均各自由耦合电感替代。
3.根据权利要求1所述的三相九开关组MMCAC-AC变换器，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(&?)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(Zzu)的一端连接，第一桥臂的第二电感(Ζζ?)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；U相电源的一端与U相电感(Zui)的一端连接，U相电感(Zui)的另一端与第一桥臂的中开关组(Mu)的上端连接，u相电源(‘)的另一端与V相电源(《?.)的一端、w相电源(‘.)的一端连接，V相电源(--.)的另一端与V相电感(Ζ?.)的一端连接，V相电感(Ζ?.)的另一端与第二桥臂的中开关组(Mv)的上端连接，w相电源(--.)的另一端与w相电感(Ζ?.)的一端连接，w相电感(Ziri)的另一端与第三桥臂的中开关组(Mw)的上端连接；三相负载的三端分别与第一桥臂的中开关组(Mu)的下端、第二桥臂的中开关组(Mv)的下端、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、第一电容(C1)的正极连接，第一电容(C1)的负极与第一桥臂的下开关组(Lu)的下端、第二桥臂的下开关组(1^)的下端、第三桥臂的下开关组(Lw)的下端、地端(/?)连接。
4.根据权利要求1所述的三相九开关组MMCAC-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(Α)、第二二极管(久)和第二电容(Gr);其中，第二电容(G#)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(S1)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(.D2)的阴极连接，第二开关管(?)的发射极与第二二极管(久)的阳极、第二电容(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所述的三相九开关组MMC AC-AC变换器，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-Ν-1。
【文档编号】H02M5/458GK203827192SQ201420143723
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年3月27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