N输入单相n+1开关组mmc整流器及其控制方法
【专利摘要】本发明提供N输入单相N+1开关组MMC整流器及其控制方法。逆变器包括N个交流输入电源、N个交流电感、电容桥臂、开关桥臂和一个整流负载；所述电容桥臂由N+1个电容串联而成，开关桥臂由N+1个开关组、第一电感和第二电感串联而成；开关桥臂的第i个开关组由n个功率开关单元串联而成，其中i的取值为1~N+1；第k个交流电源的两端作为第k路输入，其中k的取值为1~N。本发明采用载波移相PWM控制，N个输入交流电源变换成N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，适合多交流电源输入、高压和大功率场合的应用。
【专利说明】N输入单相N+1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N输入单相N+1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N+1开关整流器相对于传统的2N开关整流器减少了 N-1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，N+1开关整流器的两路单相输入均转换为两电平，输入交流波形比较差。此外，N+1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N+1个开关管的均压问题，这极大的限制了单相N+1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N条不同频率的交流线路的相连时，需要2N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N输入单相N+1开关组MMC整流器及其控制方法。
[0005]本发明采用的技术方案实现。
[0006]N输入单相N+1开关组MMC整流器包括N个交流输入电源、N个电感交流电感、电容桥臂、开关桥臂和负载；所述电容桥臂由N+1个电容串联而成，所述开关桥臂由N+1个开关组、第一电感和第二电感串联而成；开关桥臂的第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I~N+1 ;第1^个交流输入电源的两端作为第k路输入，其中k的取值为I~N，N>2，n为正整数。
[0007]上述的N输入单相N+1开关组MMC整流器中，第一电感和第二电感相互耦合，构成一对稱合电感。
[0008]上述的N输入单相N+1开关组MMC整流器中，所述N输入单相N+1开关组MMC整流器中，开关桥臂的第I个开关组的下端与第一电感的一端连接，第一电感的另一端与开关桥臂的第2个开关组的上端连接；开关桥臂的第i个开关组的下端与开关桥臂的第i+1开关组的上端连接，其中i的取值为2~N-1 ;开关桥臂的第N个开关组的下端与第二电感的一端连接，第二电感的另一端与开关桥臂的第N+1个开关组的上端连接；电容桥臂的第i个电容的负极与电容桥臂的第i+Ι电容的正极连接，其中i的取值为I?N;第k个交流输入电源的一端与开关桥臂的第k+Ι个开关组的上端连接，第k个交流输入电源的一端与第k个交流电感的一端连接，第k个交流电感的另一端与电容桥臂的第k+Ι个电容的正极连接，其中k的取值为I?N-1 ;第N个交流输入电源的一端与开关桥臂的第N个开关组的下端连接，第N个交流输入电源的另一端与第N个交流电感的一端连接，第N个交流电感的另一端与电容桥臂的第N电容的负极连接；开关桥臂的第I个开关组的上端与电容桥臂的第I个电容的正极、负载的一端连接，负载的另一端与开关桥臂的第N+1开关组的下端、电容桥臂的第N+1电容的负极、地端连接。
[0009]上述的N输入单相N+1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N输入单相N+1开关组MMC整流器中，开关桥臂的第i个开关组的第j个功率开关单元的第二输出端与开关桥臂的第i个开关组的第j+Ι个功率开关单元的第一输出端连接，其中i取值为I?N+l，j取值为I?n-1。
[0011]上述的N输入单相N+1开关组MMC整流器的控制方法中，采用载波移相PWM控制开关桥臂的每个开关组的开关管的开通与关断；开关桥臂的每个开关组的第j个功率开关单元采用相同三角波作为第j个载波Cj，其中j的取值为I?η ;n个载波依次滞后相角360° /n ;第k个交流输入电源采用第k个正弦波Rsk叠加第k个直流偏置l-2k/(N+l)得到第k个调制波Rsk+l_2k/ (N+1)，其中k的取值为I?N。
[0012]上述控制方法中，第k个调制波Rsk+1_2k/(N+1)与第j个载波Cj通过第k个比较器，当第k个调制波Rsk+l-2k/(N+l)大于第j个载波Cj时，第k个比较器输出高电平，当第k个调制波Rsk+l_2k/ (N+1)小于第j个载波Cj时，第k个比较器输出低电平，其中k的取值为I?N ;第I个比较器的输出作为开关桥臂的第I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个异或门得到开关桥臂的第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个非门得到开关桥臂的第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；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。
[0013]所述N输入单相N+1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，N路输入的频率相同，幅值不相同；异频工作模式中，N路输入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:N路单相交流输入电源均转换为N路n+1电平交流输入，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。与现有的单相N+1开关整流器相比较，本发明所提供的N输入单相N+1开关组MMC整流器的N路单相交流输入电源均转换为N路n+1电平交流输入，输入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N输入单相N+1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N输入单相N+1开关组MMC整流器具有N路交流输出，可直接用于N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N输入单相N+1开关组MMC整流器的电路结构图；
[0016]图2是图1所示的N输入单相N+1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N输入单相N+1开关组MMC整流器的载波移相PWM控制结构图；
[0018]图4a、4b是三输出单相四开关组MMC逆变器分别工作于同频工作模式和异频工作模式下的调制波；
[0019]图5a、5b分别三输出单相四开关组MMC逆变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】
[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N输入单相N+1开关组MMC整流器，包括N个交流输入电源(us1、us2、--?>usn)>N个电感交流电感(Ls1、Ls2、…、Lsn)、电容桥臂、开关桥臂和负载R ;所述电容桥臂由N+1个电容(C1、C2、…、CN+1)串联而成，所述开关桥臂由N+1个开关组(BpB2、…、BN+1)、第一电感1^和第二电感L2串联而成；开关桥臂的第i个开关组Bi由η个功率开关单元(SMBil、SMBi2、…、SMBin)串联而成，其中i的取值为I~N+1 ;第1^个交流输入电源Usk的两端作为第k路输入，其中k的取值为I~N，N>2。
[0022]开关桥臂的第I个开关组B1的下端P与第一电感L1的一端连接，第一电感L1的另一端与开关桥臂的第2个开关组B2的上端ο连接；开关桥臂的第i个开关组Bi的下端与开关桥臂的第i+Ι开关组Bi+1的上端连接，其中i的取值为2~N-1 ;开关桥臂的第N个开关组Bn的下端与第二电感L2的一端连接，第二电感L2的另一端与开关桥臂的第N+1个开关组Bn+1的上端连接；电容桥臂的第i个电容Ci的负极与电容桥臂的第i+Ι电容Ci+1的正极连接，其中i的取值为I~N;第k个交流输入电源Usk的一端与开关桥臂的第k+Ι个开关组Bk+1的上端连接,第k个交流输入电源Usk的一端与第k个交流电感Lsk的一端连接,第k个交流电感Lsk的另一端与电容桥臂的第k+Ι个电容Ck+1的正极连接，其中k的取值为I~N-1 ;第N个交流输入电源uSN的一端与开关桥臂的第N个开关组Bn的下端连接，第N个交流输入电源Usn的另一端与第N个交流电感Lsn的一端连接，第N个交流电感Lsn的另一端与电容桥臂的第N电容Cn的负极连接；开关桥臂的第I个开关组B1的上端与电容桥臂的第I个电容C1的正极、负载R的一端连接，负载R的另一端与开关桥臂的第N+1开关组Bn+1的下端、电容桥臂的第N+1电容Cnh的负极、地端G连接。
[0023]图2示出图1所示的N输入单相N+1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，开关桥臂的第i个开关组(Bi)的第j个功率开关单元(SMbu)的第二输出端与开关桥臂的第i个开关组(Bi)的第j+Ι个功率开关单元(SMBm+1))的第一输出端连接，其中i取值为I~N+l，j取值为I~n-1。
[0025]令第k路交流输入电源为
【权利要求】
1.N输入单相N+1开关组MMC整流器，其特征在于:包括N个交流输入电源(％,、〖&、...、?ι)、Ν个交流电感(47、^、一、4#)、电容桥臂、开关桥臂和负载0?);所述电容桥臂由Ν+1个电容(G、G、…、‘)串联而成，所述开关桥臂由N+1个开关组汍』2、…、BN+1)、第一电感(Z7)和第二电感(4)串联而成；开关桥臂的第i个开关组(Bi)由η个功率开关单元(SMBil、SMBi2、…、SMBin)串联而成，其中i的取值为1、+1 ;第k个交流输入电源(?,)的两端作为第k路输入，其中k的取值为1、，Ν>2, η为正整数。
2.根据权利要求1所述的N输入单相Ν+1开关组MMC整流器，其特征在于:第一电感(L1)和第二电感(L2)相互耦合，构成一对耦合电感。
3.根据权利要求1所述的N输入单相Ν+1开关组MMC整流器，其特征在于:开关桥臂的第I个开关组(B1)的下端(P)与第一电感(Z7)的一端连接,第一电感(Z7)的另一端与开关桥臂的第2个开关组(B2)的上端(ο)连接；开关桥臂的第i个开关组(Bi)的下端与开关桥臂的第i+Ι开关组(Bi+1)的上端连接，其中i的取值为2~N-1 ;开关桥臂的第N个开关组(Bn)的下端与第二电感(4)的一端连接，第二电感(4)的另一端与开关桥臂的第N+1个开关组(BN+1)的上端连接；电容桥臂的第i个电容(G)的负极与电容桥臂的第i+Ι电容(Cm)的正极连接，其中i的取值为1、个交流输入电源(?)的一端与开关桥臂的第k+Ι个开关组(Bk+1)的上端连接，第k个交流输入电源(Msk)的一端与第k个交流电感Usk)的一端连接，第k个交流电感(Am)的另一端与电容桥臂的第k+Ι个电容(仏7)的正极连接,其中k的取值为fN-1 ;第N个交流输入电源(％#)的一端与开关桥臂的第N个开关组(Bn)的下端连接，第N个交流输入电源(％#)的另一端与第N个交流电感(Aw)的一端连接,第N个交流电感(Aw)的另一端与电容桥臂的第N电容(Q)的负极连接；开关桥臂的第I个开关组(B1)的上端与电容桥臂的第I个电容(G)的正极、负载0?)的一端连接，负载0?)的另一端与开关桥臂的第Ν+1开关组(Βν+1)的下端、电容桥臂的第Ν+1电容(‘)的负极、地端(O连接。
4.根据权利要求1 所述的N输入单相Ν+1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(4)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(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N输入单相N+1开关组MMC整流器，其特征在于:开关桥臂的第i个开关组(Bi)的第j个功率开关单元(SMbu)的第二输出端与开关桥臂的第i个开关组(Bi)的第j+Ι个功率开关单元(SMB&+1))的第一输出端连接，其中i取值为fN+1，j取值为I n-1。
6.根据权利要求1所述的N输入单相N+1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，N路输入的频率相同，幅值不相同；异频工作模式中，N路输入的频率和幅值均不同。
7.用于权利要求1所述的N输入单相N+1开关组MMC整流器的控制方法，其特征在于:采用载波移相PWM控制开关桥臂的每个开关组(Bi)的开关管的开通与关断，其中i取值为rΝ+1 ;开关桥臂的每个开关组(Bi)的第j个功率开关单元(SMbu)采用相同三角波作为第j个载波?.，其中j的取值为fn ；n个载波W;、…、6；)依次滞后相角360° /n ;第k个交流输入电源(?,)采用第k个正弦波叠加第k个直流偏置l-2k/(N+l)得到第k个调制波/^+l_2k/(N+l)，其中k的取值为I~N。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于:第k个调制波7^+l-2k/(N+l)与第j个载波Cj通过第k个比较器，当第k个调制波/?a+l-2k/ (N+1)大于第j个载波?.时，第k个比较器输出高电平，当第k个调制波/^+1-2k/(N+i)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I个比较器的输出作为开关桥臂的第I个开关组(B1)的第j个功率开关单元(SMbu)的第二开关管(S2)门极的控制电平(5~);第k-Ι个比较器的输出通过第k-Ι个非门，第k-1个非门的输出与第k个比较器的输出通过第k-Ι个异或门得到开关桥臂的第k个开关组(Bk)的第j个功率开关单元(SMbw)的第二开关管(?)门极的控制电平(5~)，其中k的取值为2、；第N个比较器的输出通过第N个非门得到开关桥臂的第N+1个开关组(Bn+1)的第j个功率开关单元(SMB(N+1)j)的第二开关管(?)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。
【文档编号】H02M7/12GK103762860SQ201410042775
【公开日】2014年4月30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