九开关组mmc混合变换器的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供九开关组MMC混合变换器。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、第一直流电源、第一直流输入电感、第二直流电源、第二直流输入电感、第三直流电源、第三直流输入电感第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和负载。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，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，适合分布式发电直接接入高压直流输电的应用。
【专利说明】九开关组MMC混合变换器
【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，具体涉及一种九开关组MMC混合变换器。
【背景技术】
[0002]随着分布式发电和高压直流输电的不断发展，越来越多的低压直流电源和低压交流电源直接接入高压直流电网中。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。三相九开关变换器可以将直流电源与交流电源直接与直流电源连接，三相九开关变换器相对于传统的十二开关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，九开关变换器的单相输入交流转换为三电平。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，且存在九个开关的均压问题，这极大的限制了三相九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，当多个直流电源和交流电源通过MMC变换器接入电网时，需要多套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，提出一种九开关组MMC混合变换器。
[0005]本实用新型采用的技术方案是:
[0006]九开关组MMC混合变换器，包括三相交流输入电源、交流输入电感组、第一直流电源、第一直流输入电感、第二直流电源、第二直流输入电感、第三直流电源、第三直流输入电感第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和负载；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、第一桥臂电感、中开关组、第二桥臂电感、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；N为正整数。
[0007]进一步地，所述第一桥臂的两个桥臂电感、第二桥臂的两个桥臂电感和第三桥臂的两个桥臂电感均各自由耦合电感替代。
[0008]进一步地，所述第一桥臂的上开关组的下端与第一桥臂的第一桥臂电感的一端连接，第一桥臂的第一桥臂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桥臂电感的一端连接，第一桥臂的第二桥臂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；第一直流电源的正极与第一直流输入电感的一端连接，第一直流输入电感的另一端与第一桥臂的中开关组下端连接；第二直流电源的正极与第二直流输入电感的一端连接，第二直流输入电感的另一端与第二桥臂的中开关组下端连接；第三直流电源的正极与第三直流输入电感的一端连接，第三直流输入电感的另一端与第三桥臂的中开关组下端连接；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、负载的一端连接；负载的另一端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。
[0009]进一步地，所述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。
[0010]进一步地，所述每个开关组的第j个功率开关单元的第二输出端与第j+i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。
[0011]上述九开关组MMC混合变换器，可采用载波移相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Cp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Raeu叠加直流偏置Rd。作为第一桥臂的第一调制波R_+Rd。，第一桥臂的下开关组采用常数值作为第一桥臂的第二调制波Rdca，第二桥臂的上开关组采用第二正弦波Raev叠加直流偏置Rd。作为第二桥臂的第一调制波Rac;v+Rd。，第二桥臂的下开关组采用常数值作为第二桥臂的第二调制波Rde2，第三桥臂的上开关组采用第三正弦波Rarat叠加直流偏置Rd。作为第三桥臂的第一调制波Rarat+Rd。，第三桥臂的下开关组采用常数值作为第三桥臂的第二调制波Rde3;第一正弦波R_、第二正弦波Raev和第三正弦波Rarat的频率相同且相位差为120°，第一桥臂的第二调制波Rdcl、第二桥臂的第二调制波Rtk2、第三桥臂的第二调制波Rtk3的大小相同。
[0012]第一桥臂的第一调制波R_+Rd。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Racu+Rdo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Rac;u+Rd。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Rtkl与第j个载波&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Rtkl小于第j个载波&时，第二比较器输出高电平，当第一桥臂的第二调制波Rtkl大于第j个载波Cj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RaCT+Rd。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RaCT+Rd。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Raev+Rd。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Rtk2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Rtk2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Rtk2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R_+Rd。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Rarat+Rd。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Racw+Rdo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Rde3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Rde3小于第j个载波Cp第六比较器输出高电平，当第三桥臂的第二调制波Rde3大于第j个载波Cj，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。
[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电平的交流输入；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变换器相比较，本实用新型所提供的九开关组MMC混合变换器的三相交流输入电源转换为线电压为2N+1电平的交流输入。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，这将非常有利于九开关组MMC混合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九开关组MMC混合变换器仅使用六组开关将两个直流电源和一个交流电源接入直流电网，极大的降低了工程成本。【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本实用新型的九开关组MMC混合变换器的电路结构图；
[0015]图2是图1所示的九开关组MMC混合变换器的功率开关单元的电路结构图；
[0016]图3是图1所示的九开关组MMC混合变换器的载波移相PWM控制结构图；
[0017]图4是图1所示的九开关组MMC混合变换器第一桥臂的第一调制波和第二调制波与载波的关系；
[0018]图5是九开关组MMC混合变换器的仿真波形图。
【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，本实用新型的九开关组MMC混合变换器，包括三相交流输入电源、交流输入电感组、第一直流电源udc;1、第一直流输入电感Ldcl、第二直流电源udc;2、第二直流输入电感Lde2、第三直流电源Ude3、第三直流输入电感Lde3第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和负载R ；三相交流输入电源包括U相电源Uac;u、V相电源Uac;v和W相电源Ua? ;交流输入电感组包括U相电感L_、V相电感Laev和W相电感Larat ;所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂均各自由上开关组、第一桥臂电感、中开关组、第二桥臂电感、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、…、SMsm)串联而成，第一桥臂的下开关组Lu由N个功率开关单元(SMlu1,SMlu2,…、SMm)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,…、SMm)串联而成，第二桥臂的下开关组Lv由N个功率开关单元(SMm、SMlv2,…、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(SMm、SMlw2,…、SMm)串联而成；N为正整数。
[0021]第一桥臂的上开关组Hu的下端P与第一桥臂的第一桥臂电感Lhu的一端连接，第一桥臂的第一桥臂电感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桥臂电感Lui的一端连接，第一桥臂的第二桥臂电感Llu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Uacm的一端与u相电感Lacm的一端连接，u相电感Lacm的另一端与第一桥臂的中开关组Mu的上端连接，u相电源u_的另一端与V相电源uac;v的一端、W相电源Uarat的一端连接，V相电源Uaev的另一端与V相电感Laev的一端连接，V相电感Lacv的另一端与第二桥臂的中开关组Mv的上端连接，w相电源ua?的另一端与w相电感La?的一端连接，w相电感Larat的另一端与第三桥臂的中开关组Mw的上端连接；第一直流电源Udcl的正极与第一直流输入电感Ltkl的一端连接,第一直流输入电感Ltkl的另一端与第一桥臂的中开关组Mu下端连接；第二直流电源Utk2的正极与第二直流输入电感Ltk2的一端连接，第二直流输入电感Ltk2的另一端与第二桥臂的中开关组Mv下端连接；第三直流电源udc;3的正极与第三直流输入电感Lde3的一端连接，第三直流输入电感Lde3的另一端与第三桥臂的中开关组Mw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Hv的上端、第三桥臂的上开关组Hw的上端、负载R的一端连接；负载R的另一端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所示九开关组MMC混合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和电容Csm ;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，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相输入电源为cos(u:,,/ + d )，V相输入电源为Wat,, = Uuccos{wJ + (pM -120。)，W 相输入电源为W卿cos(wa￡i + %c +120。)，第一直流
电源的电压为Udel = Udel，第二直流电源的电压为Ude2 = Ude2，第三直流电源的电压为Ude3 =
UJ:
【权利要求】
1.九开关组MMC混合变换器，其特征在于:包括三相交流输入电源、交流输入电感组、第一直流电源(《&)、第一直流输入电感(Z&1)、第二直流电源&&2)、第二直流输入电感(‘2)、第三直流电源(士,3)、第三直流输入电感(Ζ&3)第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和负载0?);三相交流输入电源包括U相电源(?_)、ν相电源(?_)和W相电源(?3?);交流输入电感组包括U相电感(Ζ_)、V相电感(Ζ_)和W相电感(4?);所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂均各自由上开关组、第一桥臂电感、中开关组、第二桥臂电感、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(SMlu1、SMlu2、…、SMm)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、SMlv2,.'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(1^)由N个功率开关单元(SMM、SMta2、…、SMm)串联而成；N为正整数。
2.根据权利要求1所述的九开关组MMC混合变换器，其特征在于:第一桥臂的两个桥臂电感aHu、4)、第二桥臂的两个桥臂电感aHv、Llv)和第三桥臂的两个桥臂电感αΗν、lLw)均各自由耦合电感替代。
3.根据权利要求1所述的九开关组MMC混合变换器，其特征在于:第一桥臂的上开关组(Hu)的下端(P)与第一桥臂的第一桥臂电感(Zjlfc)的一端连接,第一桥臂的第一桥臂电感(Im)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桥臂电感(Zzu)的一端连接，第一桥臂的第二桥臂电感(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(Macu)的一端与u相电感(Zara)的一端连接，u相电感(Zara)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(?3?)的一端连接，V相电源(?_)的另一端与V相电感(Z3ct)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(Waor)的另一端与w相电感(Zaor)的一端连接，w相电感(Z3ot)的另一端与第三桥臂的中开关组(Mw)的上端连接；第一直流电源(Wifcl)的正极与第一直流输入电感(Zifcl)的一端连接，第一直流输入电感(Ζ&1)的另一端与第一桥臂的中开关组(Mu)下端连接；第二直流电源(《&2)的正极与第二直流输入电感Udc2)的一端连接，第二直流输入电感Udc2)的另一端与第二桥臂的中开关组(Mv)下端连接；第三直流电源(士,3)的正极与第三直流输入电感(Ζ&3)的一端连接，第三直流输入电感(Ζ&3)的另一端与第三桥臂的中开关组(Mw)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(Hv)的上端、第三桥臂的上开关组(Hw)的上端、负载0?)的一端连接；负载0?)的另一端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(1^)的下端、地端(/?)连接。
4.根据权利要求1所述的九开关组MMC混合变换器，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)和电容(Gr);其中，电容iCSM)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(兄)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(久)的阴极连接，第二开关管(?)的发射极与第二二极管(久)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所述的九开关组MMC混合变换器，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I~ N-1。
【文档编号】H02M7/12GK203827206SQ201420162312
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年4月3日 优先权日:2014年4月3日
【发明者】张波, 付坚, 丘东元 申请人:华南理工大学