一种半波交替AC-AC换流器拓扑及其控制方法

本发明涉及供电电力系统，特别是涉及一种半波交替ac-ac换流器拓扑及其控制方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、模块化多电平矩阵变换器(modular multilevel matrix converter,m3c)，以子模块(submodule,sm)作为基本功率单元，采用级联的全桥子模块构成三相九桥臂，拓扑结构如图1所示，相较于三相六桥臂背靠背系统，m3c节省了3个桥臂，结构更紧凑，且具有输出电压质量高、等效开关频率低以及可拓展性强等特点，是高压大容量交-交变频器拓扑研究的重要发展方向。

3、随着电压等级和输送功率的提升，采用大量子模块级联的m3c拓扑至少存在以下问题：

4、(1)m3c通过三相九桥臂结构使两个不同频率的交流系统直接相连，每个桥臂实现从输入端三相交流电压到输出端三相交流电压的变换，且这个变换包含了三相电压幅值的变换和三相电压频率的变换，桥臂电压和电流均含有异频分量。那么，m3c每个桥臂的输出电压最大值约为两个不同频率交流系统的相电压峰值之和，也就是m3c每个桥臂需要承受两个交流系统的相电压峰值之和，从而致使桥臂中级联的子模块数目成倍增加，增大换流器的成本且利用率低、损耗大，运行效率与经济性较低，限制其工程应用。

5、(2)由于m3c通过三相九桥臂结构使两个不同频率的交流系统直接相连，那么两侧交流系统的异频能量在桥臂中直接耦合，导致m3c系统具有强非线性、强耦合性，且环流流通路径复杂，控制自由度较大。

6、(3)m3c各个桥臂中子模块电容电压的波动导致桥臂间电压存在差异，并且存在于桥臂间的电流流通通路致使环流产生，由于m3c系统结构复杂，环流路径不仅存在于桥臂之间，还通过输入端与输出端存在相与相之间，然而一般情况下m3c运行并不需要环流的存在，故通常需要额外的环流抑制策略将环流抑制到零。

7、(4)m3c的电容电压均衡控制包括总电容电压均衡控制、桥臂间电容电压均衡控制以及桥臂内的子模块间电容电压均衡控制三个部分，控制系统层级较多；且由于两侧交流系统经桥臂直接相连，在系统稳定运行时，m3c桥臂功率的频谱复杂，子模块电容电流和纹波电压中存在不同频率的纹波分量且数学关系复杂，致使其均压控制，特别是桥臂间的均压控制难度增大。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了一种半波交替ac-ac换流器拓扑及其控制方法，在两个不同频率的交流系统之间通过滤波电感互联，实现两侧交流系统的频率隔离，引入半波整形开关组，由变频半波生成模块输出阶梯正弦半波，经半波整形开关组的整形操作后，实现完整的交流侧相电压正弦波的输出。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种半波交替ac-ac换流器拓扑，包括：三个结构相同且并联连接的相单元电路，每个相单元电路包括结构对称的输入侧变换器和输出侧变换器，输入侧变换器和输出侧变换器分别连接不同频率的交流系统；

4、所述输入侧变换器和输出侧变换器均包括半波整形开关组和变频半波生成模块，所述半波整形开关组包括正极端、负极端和交流输出端，所述变频半波生成模块的一端连接至正极端，且通过滤波电感连接至另一侧的正极端，变频半波生成模块的另一端连接至负极端，通过负极端连接至另一侧的负极端，变频半波生成模块的两端连接至交流输出端，通过交流输出端连接至交流系统；

5、每侧变换器的变频半波生成模块基于所连接交流系统的频率输出对应频率的阶梯正弦半波，在每个半波时间段内，半波整形开关组对阶梯正弦半波进行平移和翻转操作后得到整形半波，基于一个周期内的整形半波得到完整的交流侧相电压正弦波。

6、作为可选择的实施方式，不同频率的交流系统通过滤波电感互联，以实现不同频率的交流系统的功率耦合和频率隔离。

7、作为可选择的实施方式，所述阶梯正弦半波以所连接交流系统的频率的2倍进行周期性波动。

8、作为可选择的实施方式，根据相电压正弦参考波，控制半波整形开关组的通断状态，以在不同运行模式下对阶梯正弦半波进行整形。

9、作为可选择的实施方式，所述半波整形开关组包括依次串联的第二开关、第一开关、第三开关和第四开关；

10、第二开关的一端与第一开关的一端连接，第一开关和第二开关的连接点连接变频半波生成模块的一端，第二开关的另一端作为正极端，通过滤波电感连接至另一侧的正极端；

11、第四开关的一端与第三开关的一端连接，第三开关和第四开关的连接点连接变频半波生成模块的另一端，第四开关的另一端作为负极端，连接至另一侧的负极端；

12、第一开关和第三开关的连接点作为交流输出端，变频半波生成模块通过交流输出端连接至交流系统。

13、作为可选择的实施方式，当相电压正弦参考波为正时，第一开关和第四开关关断，第二开关和第三开关导通，交流电流流通至正极端，此时为运行模式i；

14、当相电压正弦参考波为负时，第一开关和第四开关导通，第二开关和第三开关关断，交流电流流通至负极端，此时为运行模式ii。

15、作为可选择的实施方式，每种运行模式下的半波整形开关组分为两组，每组开关的通断信号一致，两组开关交替互补导通，通断频率为所连接交流系统的频率，每组开关每工频周期内的导通角均为π。

16、作为可选择的实施方式，在运行模式i下，将阶梯正弦半波向下平移udc/2至坐标轴，并向上翻转得到交流相电压正半波；

17、在运行模式ii下，将阶梯正弦半波向下平移udc/2至坐标轴，得到交流相电压负半波；udc为直流母线电压；

18、在一个周期内，基于交流相电压正半波和交流相电压负半波得到完整的交流侧相电压正弦波。

19、第二方面，本发明提供一种半波交替ac-ac换流器拓扑的控制方法，采用第一方面所述的半波交替ac-ac换流器拓扑，包括：

20、不同频率的交流系统通过滤波电感互联，每侧变换器的变频半波生成模块基于所连接交流系统的频率输出对应频率的阶梯正弦半波；

21、在每个半波时间段内，根据相电压正弦参考波，控制半波整形开关组的通断状态，以在不同运行模式下，由半波整形开关组对阶梯正弦半波进行平移和翻转操作后得到整形半波，基于一个周期内的整形半波得到完整的交流侧相电压正弦波。

22、作为可选择的实施方式，每种运行模式下的半波整形开关组分为两组，每组开关的通断信号一致，两组开关交替互补导通，通断频率为所连接交流系统的频率，每组开关每工频周期内的导通角均为π；

23、当相电压正弦参考波为正时，将阶梯正弦半波向下平移udc/2至坐标轴，并向上翻转得到交流相电压正半波；

24、当相电压正弦参考波为负时，将阶梯正弦半波向下平移udc/2至坐标轴，得到交流相电压负半波；udc为直流母线电压；

25、在一个周期内，基于交流相电压正半波和交流相电压负半波得到完整的交流侧相电压正弦波。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

27、本发明提出一种半波交替ac-ac换流器拓扑及其控制方法，每个相单元电路的两端分别连接不同工作频率的交流系统，且在两个交流系统之间通过滤波电感互联，实现两侧交流系统的频率隔离，避免两侧交流系统的功率直接在桥臂中耦合，以实现不同工作频率的交流系统的功率弱耦合；同样通过滤波电感的频率隔离，每个变频半波生成模块的功率频率单一，仅为该侧交流系统的频率，子模块电容电流和纹波电压成分相较于现有m3c的数学关系简单，极大降低均压控制难度。

28、本发明提出一种半波交替ac-ac换流器拓扑及其控制方法，每个相单元电路内部分为结构对称的输入侧变换器和输出侧变换器，用于分别承担对应输入侧和输出侧的交流系统的能量，故每个相单元电路的输入侧变换器和输出侧变换器仅需工作在所连接的交流系统的对应频率下，将对应频率下的交流功率整形为含有脉动纹波的直流功率，仅需实现各自对应侧交流系统的电压输出即可。

29、本发明提出一种半波交替ac-ac换流器拓扑及其控制方法，引入半波整形开关组，由变频半波生成模块输出阶梯正弦半波，经半波整形开关组的整形操作后，可实现完整的交流侧相电压正弦波的输出；因此，相较于现有m3c每个桥臂中级联子模块需输出两侧交流系统相电压峰值叠加电压，本发明的变频半波生成模块仅需输出一侧交流系统相电压的半波形式，极大减少子模块的数量，实现交-交换流器的轻量化设计。

30、本发明提出一种半波交替ac-ac换流器拓扑及其控制方法，通过控制输入侧变换器和输出侧变换器中半波整形开关组的通断状态，将对应侧交流系统的三相交流相电流整形为含有脉动纹波的直流电流，并经公共直流端的滤波电感滤波后，实现两侧交流系统的频率隔离；虽然变频半波生成模块组会存在差异较小的电容电压波动，但由于半波整形开关组的交替导通，拓扑内部不存在变频半波生成模块组之间的电流流通通路，故而不会有环流产生。

31、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。