双输出单相六开关组mmc逆变器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了双输出单相六开关组MMC逆变器。本实用新型的逆变器包括直流电源、第一桥臂、第二桥臂、第一负载和第二负载；所述第一桥臂和第二桥臂均由上开关组、中开关组、下开关组和耦合电感串联而成；第一负载的两端分别接到第一桥臂的中开关组和第二桥臂的中开关组的上端，第二负载的两端分别接到第一桥臂的中开关组和第二桥臂的中开关组的下端。该逆变器采用载波移相PWM控制，具有两路2N+1电平的交流输出，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，适合于高压、大功率、双负载的场合。第一桥臂的耦合电感原副边和第二桥臂的耦合电感的原、副边均可由第一电感和第二电感两个独立电感替代。
【专利说明】双输出单相六开关组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，具体涉及一种双输出单相六 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。单相六开关变换器相对于传统的八开关变换器减少了 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，六开关变换器的两路 单相输出均为两电平，输出交流波形比较差。此外，六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，且存在六个开关的均压问题，这极大的限制了单相六开关变换器在 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，提出一种双输出单相六开关组 MMC逆变器。
[0005] 本实用新型采用的技术方案如下。
[0006] 双输出单相六开关组MMC逆变器包括直流电源、第一桥臂、第二桥臂、第一负载和 第二负载；所述第一桥臂和第二桥臂均由上开关组、中开关组、下开关组和耦合电感串联而 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而成，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；第一负载的两端分别接到第一桥臂的中开 关组和第二桥臂的中开关组的上端，第二负载的两端分别接到第一桥臂的中开关组和第二 桥臂的中开关组的下端；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。第一桥臂的耦合电感原副边和第二桥臂的耦合电感的原、副边均可由第一电感和第二 电感两个独立电感替代。
[0007] 进一步地，所述双输出单相六开关组MMC逆变器中，直流电源的正极与第一桥臂 的上开关组的上端、第二桥臂的上开关组的上端连接，直流电源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连接；第一桥臂的上开关组的下端与第一桥臂的 耦合电感的原边的同名端连接，第一桥臂的耦合电感的原边的非同名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耦合电感副边的同名端连接， 第一桥臂的耦合电感副边的非同名端与第一桥臂的开关组的上端连接；第二桥臂的结构与 第一桥臂的结构完全一致；直流电源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、地端连接；第一负载的一端与第一桥臂的中开关组的上端连接，第一负载的 另一端与第二桥臂的中开关组的上端连接，第二负载的一端与第一桥臂的中开关组的下端 连接，第二负载的另一端与第二桥臂的中开关组的下端连接。
[0008] 进一步地，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 和电容。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] 每个开关组的第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的取值为1?N-1。
[0010] 上述逆变器的控制方法包括：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i个功率开关单元、第一桥臂的下开关组的第i个功率开 关单元、第二桥臂的上开关组的第i个功率开关单元和第二桥臂的下开关组的第i个功率 开关单元采用相同三角波作为第i个载波(；，其中i的取值为1?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Ral叠加第一直流偏置RdM作为第一桥臂 的第一调制波R al+RdM，第一桥臂的下开关组采用第二正弦波Rbl叠加第二直流偏置R d()b作为 第一桥臂的第二调制波Rbl+Rd()b，第二桥臂的上开关组采用第三正弦波R a2叠加第一直流偏 置RdM作为第二桥臂的第一调制波Ra2+R dM，第二桥臂的下开关组采用第四正弦波Rb2叠加第 二直流偏置Rd()b作为第二桥臂的第二调制波R b2+Rd()b;第一正弦波Ral与第三正弦波Ra2的频 率相同且相位差为180°，第二正弦波R bl与第四正弦波Rb2的频率相同且相位差为180°。
[0011] 上述控制方法中，第一桥臂的第一调制波Ral+RdM与第i个载波Q通过第一比较 器得到第一桥臂的上开关组的第i个功率开关单元的第二开关管门极的控制电平，当第一 桥臂的第一调制波调制波R al+RdM大于第i个载波Q时，第一比较器输出高电平，当第一桥 臂的第一调制波调制波R al+RdM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 ;第一桥臂的第二调制波Rbl+Rd()b与第i个载波Q通过第二比较器得到第一桥臂 的下开关组的第i个功率开关单元的第二开关管门极的控制电平，当第一桥臂的第二调制 波R bl+Rd()b小于第i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Rbl+R d()b 大于第i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i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i个功率开关单元的第二开 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i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R a2+RdM与第i个载波Q通过第三比 较器得到第二桥臂的上开关组的第i个功率开关单元中第二开关管门极的控制电平，当第 二桥臂的第一调制波R a2+RdM大于第i个载波Q时，第三比较器输出高电平，当第二桥臂的 第一调制波Ra2+RdM小于第i个载波Ci时，第三比较器输出低电平；第二桥臂的第二调制波 Rb2+Rd()b与第i个载波Q通过第四比较器得到第二桥臂下开关组的第i个功率开关单元的 第二开关管门极的控制电平，当第二桥臂的第二调制波R b2+Rd()b小于第i个载波Q时，第四 个比较器输出高电平，当第二桥臂的第二调制波R b2+Rd()b大于第i个载波Q时，第四比较器 输出低电平；第二桥臂的上开关组的第i个功率开关单元中第二开关管门极的控制电平和 第二桥臂下开关组的第i个功率开关单元的第二开关管门极的控制电平通过第二异或门 得到第二桥臂的中开关组的第i个功率开关单元的第二开关管门极的控制电平；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] 双输出单相六开关组MMC逆变器的工作模式包括同频模式（CF模式）和异频模式 (DF模式），CF模式中，第一路输出与第二路输出的电压频率相同，电压幅值不相同；DF模式 中，第一路输出与第二路输出的电压频率和幅值均不同。
[0013] 与现有技术相比，本实用新型具有的优势为：具有两路2N+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。与现有的单相六开关变换器相比较，本实用新型所提供的双输出单相六开关组MMC 逆变器的两路输出均为2N+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 非常有利于双输出单相六开关组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双输出单相六开关组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是本实用新型的双输出单相六开关组MMC逆变器的电路结构图；
[0015] 图2是图1所示的双输出单相六开关组MMC逆变器的功率开关单元的电路结构 图；
[0016] 图3a、图3b是图1所示的双输出单相六开关组MMC逆变器的载波移相PWM控制结 构图；
[0017] 图4a、4b是图1所示的双输出单相六开关组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是双输出单相五电平SS-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] 为进一步阐述本实用新型的内容和特点，以下结合附图对本实用新型的实施进行 具体说明，但本实用新型的实施不限于此。
[0020] 参考图1，本实用新型的双输出单相六开关组MMC逆变器，包括直流电源仏。、第一 桥臂、第二桥臂、第一负载和第二负载；所述第一桥臂和第二桥臂均由上开关组（氏、H 2)、中 开关组％、Μ2)、下开关组（Li、L2)和耦合电感（LH1:L u、LH2:U2)串联而成；第一桥臂的上开 关组氏个功率开关单元（SMH11、SMH12、…、SMH1N)串联而成，第一桥臂的中开关组札 个功率开关单元（SM m11、SMm12、…、SMM1N)串联而成，第一桥臂的下开关组U 个功率开关 单元（SMU1、SMU2、…、SMun)串联而成，第二桥臂的上开关组H 2 SN个功率开关单元（SMH21、 SMH22、…、SMH2N)串联而成，第二桥臂的中开关组M2由N个功率开关单元（SM M21、SMM22、…、 SM^)串联而成，第二桥臂的下开关组L2*N个功率开关单元（SMm、SM^、"·、5Μ_)串联 而成；第一负载的两端分别接到第一桥臂的中开关组（Μ)和第二桥臂的中开关组仏的上端 〇,第二负载的两端分别接到第一桥臂的中开关组札和第二桥臂的中开关组仏的下端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。其中，直流电源Ud。的正 极与第一桥臂的上开关组1的上端〇、第二桥臂的上开关组H 2的上端〇连接，直流电源Ud。 的负极与第一桥臂的下开关组U的下端p、第二桥臂的下开关组L 2的下端p连接；第一桥 臂的上开关组氏的下端p与第一桥臂的耦合电感（Lm:Lu)的原边L m的同名端&连接， 第一桥臂的稱合电感（LH1:LU)的原边L H1的非同名端ai与第一桥臂的中开关组札的上端〇 连接，第一桥臂的中开关组札的下端p与第一桥臂的耦合电感（L H1:LU)副边Lu的同名端 h连接，第一桥臂的耦合电感（LH1:LU)副边Lu的非同名端 Zl与第一桥臂的开关组U的上 端〇连接；第二桥臂的结构与第一桥臂的结构完全一致；直流电源Ud。的负极与第一桥臂的 下开关组U的下端p、第二桥臂的下开关组L 2的下端p、地端η连接；第一负载的一端与第 一桥臂的中开关组札的上端〇连接，第一负载的另一端与第二桥臂的中开关组Μ 2的上端〇 连接，第二负载的一端与第一桥臂的中开关组Α的下端ρ连接，第二负载的另一端与第二 桥臂的中开关组M 2的下端p连接。
[0021] 图2示出图1所示的双输出单相六开关组MMC逆变器的功率开关单元的电路结 构，包括第一开关管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 极与第一二极管〇1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S 2的发射极作为第二输出端。
[0022] 如图1所示，每个开关组的第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的取值为1?N-1。
[0023] 如图1所示，第一负载两端的电压ua和第二负载两端的电压ub为
[0024]
【权利要求】
1. 双输出单相六开关组MMC逆变器，其特征在于：包括直流电源（Ud。)、第一桥臂、第 二桥臂、第一负载和第二负载；所述第一桥臂和第二桥臂均由上开关组（氏、H 2)、中开关组 %為）、下开关组0^丄2)和耦合电感（LH1:L u、LH2:U2)串联而成；第一桥臂的上开关组（?) 由N个功率开关单元（SM H11、SMH12、…、SMH1N)串联而成，第一桥臂的中开关组(MJ由N个功 率开关单元（SM m11、SMm12、…、SMM1N)串联而成，第一桥臂的下开关组（LJ由N个功率开关单 元（SM U1、SMU2、…、SMun)串联而成，第二桥臂的上开关组（H2)由N个功率开关单元（SM H21、 SMH22、…、SMH2N)串联而成，第二桥臂的中开关组（M2)由N个功率开关单元（SMm^SM^、…、 δΜΚΝ)串联而成，第二桥臂的下开关组江2)由N个功率开关单元（SMm、SM^、…、SM m)串 联而成，N为正整数；第一负载的两端分别接到第一桥臂的中开关组(MJ和第二桥臂的中 开关组(M 2)的上端（〇)，第二负载的两端分别接到第一桥臂的中开关组(MJ和第二桥臂的 中开关组(M2)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。
2. 根据权利要求1所述的双输出单相六开关组MMC逆变器，其特征在于：第一桥臂的 耦合电感（lh1 : lu )原边及副边和第二桥臂的耦合电感αΗ2: )的原边及副边均由第一电感 aH1、lH2)和第二电感（lu、κ2)两个独立电感替代。
3. 根据权利要求1所述的双输出单相六开关组MMC逆变器，其特征在于：直流电源 (Ud。）的正极与第一桥臂的上开关组（?)的上端、第二桥臂的上开关组（H 2)的上端连接，直 流电源（ud。）的负极与第一桥臂的下开关组（1^)的下端、第二桥臂的下开关组江 2)的下端 连接；第一桥臂的上开关组（?)的下端与第一桥臂的耦合电感（Lm:Lu)的原边α Η1)的同名 端（Wi)连接，第一桥臂的耦合电感（lh1:lu)的原边α Η1)的非同名端（?)与第一桥臂的中 开关组（Mi)的上端连接，第一桥臂的中开关组(Mi)的下端与第一桥臂的耦合电感（L H1:LU) 副边（Lu)的同名端（bi)连接，第一桥臂的耦合电感（L m:Lu)副边（Lu)的非同名端（Zl)与 第一桥臂的开关组（U)的上端连接；第二桥臂的结构与第一桥臂的结构完全一致；直流电 源（U d。）的负极与第一桥臂的下开关组（1^)的下端、第二桥臂的下开关组江2)的下端、地端 (η)连接；第一负载的一端与第一桥臂的中开关组(MJ的上端连接，第一负载的另一端与第 二桥臂的中开关组(M 2)的上端连接，第二负载的一端与第一桥臂的中开关组(MJ的下端连 接，第二负载的另一端与第二桥臂的中开关组(M 2)的下端连接。
4. 根据权利要求1所述的双输出单相六开关组MMC逆变器，其特征在于：功率开关单 元包括第一开关管（SP、第二开关管（S2)、第一二极管（DP、第二二极管（D 2)和电容（CSM); 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（SJ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（D2)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（S 2)的发射极作为第二输出端。
5. 根据权利要求4所述的双输出单相六开关组MMC逆变器，其特征在于：每个开关组 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 的取值为1~N-1。
【文档编号】H02M7/5395GK203872081SQ201420056656
【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