N输出单相2n+2开关组mmc逆变器及其控制方法
【专利摘要】本发明提供N输出单相2N+2开关组MMC逆变器及其控制方法。所述逆变器包括直流电源、第一桥臂、第二桥臂和N个负载；所述两个桥臂均由N+1个开关组和2个电感串联而成，每个桥臂的每个开关组均由n个功率开关单元串联而成；第k个负载的两端分别与两个桥臂的第k+1个开关组的上端连接，其中k的取值为1~N-1；第N个负载的两端分别与两个桥臂的第N个开关组的下端连接。该逆变器采用载波移相PWM控制，具有N路2n+1电平的交流输出，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。每个桥臂中两个电感均可相互耦合，构成一对耦合电感。
【专利说明】N输出单相2N+2开关组MMC逆变器及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及模块组合多电平(MMC)变换器领域，具体涉及一种N输出单相2N+2开关组MMC逆变器及其控制方法。
【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2N+2开关变换器相对于传统的4N开关变换器减少了 2N-2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，2N+2开关变换器的N路单相输出均为两电平，输出交流波形比较差。此外，2N+2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2N+2个开关管的均压问题，这极大的限制了单相2N+2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N条不同频率的交流线路的相连时，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，提出一种无直流偏置的N输出单相2N+2开关组MMC逆变器及其控制方法。
[0005]本发明的目的通过如下技术方案实现。
[0006]N输出单相2N+2开关组MMC逆变器包括直流电源、第一桥臂、第二桥臂和N个负载；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；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，其中i的取值为I~N+1 ;第1^个负载的两端分别与第一桥臂的第k+Ι个开关组的上端和第二桥臂的第k+Ι个开关组的上端连接，其中k的取值为I~N-1 ;第N个负载的两端分别接到第一桥臂的第N个开关组的下端和第二桥臂的第N个开关组的下端；第k个负载的两端作为第k路输出，其中k的取值为I~N。第一桥臂的两个电感相互稱合，构成一对稱合电感；第二桥臂的两个电感相互稱合，构成一对率禹合电感。N>2，n为正整数。
[0007]所述N输出单相2N+2开关组MMC逆变器中，直流电源的正极与第一桥臂的第I个开关组的上端、第二桥臂的第I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个电感的一端连接，第一桥臂的第I个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2个电感的一端连接，第一桥臂的第2个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与第一桥臂的电路结构完全一致；第k个负载的两端分别与第一桥臂的第k+Ι个开关组的上端和第二桥臂的第k+Ι个开关组的上端连接，其中k的取值为I~N-1 ;第N个负载的两端分别接到第一桥臂的第N个开关组的下端。
[0008]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]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+Ι个功率开关单元的第一输出端连接，其中j取值为I~n-1，i取值为I~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一桥臂的第i个开关组的第j+Ι个功率开关单元的第一输出端连接。
[0010]所述控制方法采用载波移相PWM控制第一桥臂的每个开关组和第二桥臂的每个开关组的每个开关管的开通与关断，其中i取值为I~N+1 ;第一桥臂的第i个开关组的第j个功率开关单元和第二桥臂的第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C」，其中j的取值为I~η ;n个载波依次滞后相角360° /n ;第k个负载的第一桥臂的端采用第一桥臂的第k个正弦波Rw叠加第k个直流偏置Rdtjk得到第一桥臂的第k个调制波I^k+Rd()k，其中k的取值为I~N ;第k个负载的第二桥臂的端采用第二桥臂的第k个正弦波Rlm叠加第k个直流偏置Rdtjk得到第二桥臂的第k个调制波URdtjk ;第一桥臂的第k个正弦波Iak和第二桥臂的第k个正弦波Ru3k相位相差180°。
`[0011 ] 第一桥臂的第k个调制波&ak+Rd()k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I^ak+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URdtjk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第一桥臂的第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Ru^Rdtjk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Ru^Rdtjk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IW+R-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I~N ;第N+1个比较器的输出作为第二桥臂的第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；第奸1^-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。
[0012]所述N输出单相2N+2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，N路输出的频率相同，幅值不相同；DF模式中，N路输出的频率和幅值均不同。
[0013]与现有技术相比，本发明具有的优势为:具有N路2n+l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2N+2开关变换器相比较，本发明所提供的N输出单相2N+2开关组MMC逆变器的N路输出均为2n+l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，且本发明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N输出单相2N+2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，本发明所提供的N输出单相2N+2开关组MMC逆变器具有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】
[0014]图1是本发明的N输出单相2N+2开关组MMC逆变器的电路结构图；
[0015]图2是图1所示的N输出单相2N+2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N输出单相2N+2开关组MMC逆变器的载波移相PWM控制结构图；
[0017]图4a、4b是三输出单相八开关组九电平MMC逆变器分别工作于CF模式和DF模式下的调制波；`
[0018]图5a、5b是三输出单相八开关组九电平MMC逆变器工作于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。
[0020]参考图1，本发明的N输出单相2N+2开关组MMC逆变器，包括直流电源Ud。、第一桥臂、第二桥臂和N个负载；所述第一桥臂由N+1个开关组(Βμ、B02,…、Btl0w))和2个电感(Lc^Lci2)串联而成，所述第二桥臂由Ν+1个开关组(Βη、Β12、…、Β1(Ν+1))和2个电感(LQ1、L02)串联而成；第一桥臂的第i个开关组Bcii由η个功率开关单元(SMbm1、SMbm2、SMeoin)串联而成，第二桥臂的第i个开关组Bli由η个功率开关单元SMBm、SMBli2、-,SMmin串联而成，其中i的取值为I~N+1 ;第k个负载的两端分别与第一桥臂的第k+Ι个开关组Bckw)的上端ο和第二桥臂的第k+Ι个开关组B1(k+1)的上端ο连接，其中k的取值为I~N-1 ;第N个负载的两端分别接到第一桥臂的第N个开关组Bcin的下端P和第二桥臂的第N个开关组Bin的下端p^k个负载的两端作为第k路输出，其中k的取值为I~N，Ν>2, η为正整数。
[0021]直流电源Udc的正极与第一桥臂的第I个开关组的上端O、第二桥臂的第I个开关组的上端ο连接；第一桥臂的第I个开关组Btll的下端P与第一桥臂的第I个电感Ltll的一端连接，第一桥臂的第I个电感Ltll的另一端与第一桥臂的第2个开关组Btl2的上端ο连接；第一桥臂的第i个开关组Btli的下端P与第一桥臂的第i+Ι个开关组Bckw)的上端ο连接，其中i的取值为2~N-1 ;第一桥臂的第N个开关组Bcin的下端P与第一桥臂的第2个电感L02的一端连接，第一桥臂的第2个电感Ltl2的另一端与第一桥臂的第N+1个开关组的上端ο连接；第二桥臂的电路结构与第一桥臂的电路结构完全一致;第k个负载的两端分别与第一桥臂的第k+Ι个开关组Bckw)的上端ο和第二桥臂的第k+Ι个开关组B1(k+1)的上端ο连接，其中k的取值为I~N-1 ;第N个负载的两端分别接到第一桥臂的第N个开关组Bon的下端P。
[0022]图2示出图1所示的N输出单相2N+2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。
[0023]如图1所示，第一桥臂的第i个开关组Btli的第j个功率开关单元SMbciu的第二输出端与第一桥臂的第i个开关组Btli的第j+Ι个功率开关单元SMbm?+1)的第一输出端连接，其中j取值为I~n-1，i取值为I~N+1 ;第二桥臂的第i个开关组Bli的第j个功率开关单元SMbiu的第二输出端与第一桥臂的第i个开关组Bli的第j+Ι个功率开关单元SMBli(j+1)的第一输出端连接。
[0024]如图1所示，第k路输出的电压为:
【权利要求】
1.输出单相2奸2开关组MMC逆变器，其特征在于:包括直流电源(Ud。)、第一桥臂、第二桥臂和N个负载；所述第一桥臂由N+1个开关组(Bc^ Bc^…、Β_+1))和2个电感串联而成，所述第二桥臂由Ν+1个开关组(Bn、B12,…、Β1(Ν+1))和2个电感串联而成；第一桥臂的第i个开关组(Btli)由η个功率开关单元(SMBCIil、SMBCIi2、…、SM_)串联而成，第二桥臂的第i个开关组(Bli)由η个功率开关单元(SMBm、SMBli2、->SMBlin)串联而成，其中i的取值为Ν+1 ;第1^个负载的两端分别与第一桥臂的第k+Ι个开关组(Bckm))的上端(ο)和第二桥臂的第k+Ι个开关组(B1(k+1))的上端(ο)连接，其中k的取值为fN-Ι ;第N个负载的两端分别接到第一桥臂的第N个开关组(Bcin)的下端(P)和第二桥臂的第N个开关组(Bin)的下端(P);第k个负载的两端作为第k路输出，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输出单相2Ν+2开关组MMC逆变器，其特征在于:第一桥臂的两个电感(Ltll和Ltl2)相互稱合,构成一对稱合电感；第二桥臂的两个电感(L11和L12)相互率禹合，构成一对稱合电感。
3.根据权利要求1所述的N输出单相2Ν+2开关组MMC逆变器，其特征在于:直流电源(Udc)的正极与第一桥臂的第I个开关组的上端(O)、第二桥臂的第I个开关组的上端(ο)连接；第一桥臂的第I个开关组(Btll)的下端(P)与第一桥臂的第I个电感(Ltll)的一端连接，第一桥臂的第I个电感(Ltll)的另一端与第一桥臂的第2个开关组(Btl2)的上端(ο)连接；第一桥臂的第i个开关组(Btli)的下端(P)与第一桥臂的第i+Ι个开关组(Bckw))的上端(ο)连接，其中i的取值为2~N-1 ;第一桥臂的第N个开关组(Bcin)的下端(P)与第一桥臂的第2个电感(Ltl2)的一端连接，第一桥臂的第2个电感(Ltl2)的另一端与第一桥臂的第N+1个开关组(Btl0w))的上端(ο)连接；第二桥臂的电路结构与第一桥臂的电路结构完全一致；第k个负载的两端分别与第一桥臂的第k+Ι个开关组(Btl0rt))的上端(ο)和第二桥臂的第k+Ι个开关组(B1(k+1))的上端(ο)连接，其中k的取值为fN-Ι ;第N个负载的两端分别接到第一桥臂的第N个开关组(Bcin)的下端(P)。
4.根据权利要求1所述的N输出单相2N+2开关组MMC逆变器，其特征在于:功率开关单元由第一开关管(S1X第二开关管(S2)、第一二极管(D1X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。
5.根据权利要求1所述的N输出单相2N+2开关组MMC逆变器，其特征在于:第一桥臂的第i个开关组(Btli)的第j个功率开关单元(SMbciuM^第二输出端与第一桥臂的第i个开关组(Btli)的第j+Ι个功率开关单元(SMbm(w))的第一输出端连接，其中j取值为fn-1，i取值为fN+Ι ;第二桥臂的第i个开关组(Bli)的第j个功率开关单元(SMbiu)的第二输出端与第一桥臂的第i个开关组(Bli)的第j+Ι个功率开关单元(SMB1m+1))的第一输出端连接。
6.根据权利要求1所述的N输出单相2N+2开关组MMC逆变器，其特征在于:所述逆变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，N路输出的频率相同，幅值不相同；异频工作模式中，N路输出的频率和幅值均不同。
7.用于权利要求1所述的N输出单相2N+2开关组MMC逆变器的控制方法，其特征在于:采用载波移相PWM控制第一桥臂的每个开关组(Btli)和第二桥臂的每个开关组(Bli)的每个开关管的开通与关断，其中i取值为fN+Ι ;第一桥臂的第i个开关组(Btli)的第j个功率开关单元(SMbciu)和第二桥臂的第i个开关组(Bli)的第j个功率开关单元(SMbiu)均采用相同三角波作为第j个载波C」，其中j的取值为fn ；n个载波(C。C2,…、Cn)依次滞后相角360° /n ;第1^个负载的第一桥臂的端(ak)采用第一桥臂的第k个正弦波I^ak叠加第k个直流偏置Rdtjk得到第一桥臂的第k个调制波&ak+Rd()k，其中k的取值为1、；第k个负载的第二桥臂的端(bk)采用第二桥臂的第k个正弦波Ru3k叠加第k个直流偏置Rdtjk得到第二桥臂的第k个调制波Rud^Rdtjk;第一桥臂的第k个正弦波Iak和第二桥臂的第k个正弦波Riik相位相差180°。
8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于:第一桥臂的第k个调制波&ak+Rd()k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&ak+Rd()k大于第j个载波Cj时，第k个比较器输出高电平，当第一桥臂的第k个调制波I^ak+Rd()k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第一桥臂的第I个开关组(Btll)的第j个功率开关单元(SMbciu)的第二开关管(S2)门极的控制电平(Sbciu)；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个异或门得到第一桥臂的第k个开关组(Btlk)的第j个功率开关单元(SMbciw)的第二开关管(S2)门极的控制电平(S_)，其中k的取值为2、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(Btl0w))的第j个功率开关单元(SMBCI(N+1)j)的第二开关管(S2)门极的控制电平(S_+lh_);第二桥臂的第k个调制波IW+R-与第j个载波Cj通过第N+k个比较器，当第二桥臂的第k个调制波IW+R-大于第j个载波Cj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Ru^Rdtjk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I个开关组(B11)的第j个功率开关单元(SMmj)的第二开关管(S2)门极的控制电平(SBllj);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(Blk)的第j个功率开关单元(SMbiw)的第二开关管(S2)门极的控制电平(SBlkj)，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(B1(N+1))的第j个功率开关单元(SMB1(N+1)j)的第二开关管(S2)门极的控制电平(`Sbi (n+1) j)。
【文档编号】H02M7/12GK103762862SQ201410042826
【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