N輸出單相n+1開關(guān)組mmc逆變器及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供N輸出單相N+1開關(guān)組MMC逆變器及控制方法。所述逆變器包括直流電源、電容橋臂、開關(guān)橋臂和N個負(fù)載，電容橋臂由N+1個電容串聯(lián)而成，開關(guān)橋臂由N+1個開關(guān)組、第一電感和第二電感串聯(lián)而成；開關(guān)橋臂的第i個開關(guān)組由n個功率開關(guān)單元串聯(lián)而成，其中i的取值為1~N+1；第k個負(fù)載的一端接到電容橋臂的第k+1個電容的正極，第k個負(fù)載的另一端接到開關(guān)橋臂的第k+1個開關(guān)組的上端，其中k的取值為1~N-1；第N個負(fù)載的一端接到電容橋臂的第N+1個電容的正極，第N個負(fù)載的另一端接到開關(guān)橋臂的第N+1個開關(guān)組的下端。該逆變器采用載波移相PWM控制，逆可以輸出N路n+1電平交流電壓。
【專利說明】N輸出單相N+1開關(guān)組MMC逆變器及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及模塊組合多電平(MMC)變換器領(lǐng)域，具體涉及一種N輸出單相N+1開關(guān)組MMC逆變器及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前功率變換器正向小型化、高可靠性和低損耗方向發(fā)展，在這種趨勢下出現(xiàn)兩種改進(jìn)變換器的方向:減少無源器件或者改進(jìn)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以減少有源器件作為減少有源器件方向的新進(jìn)展。單相N+1開關(guān)變換器相對于傳統(tǒng)的2N開關(guān)變換器減少了 N-1個開關(guān)及相應(yīng)的驅(qū)動電路，在考慮成本與體積的應(yīng)用中占有一定的優(yōu)勢。然而，N+1開關(guān)變換器的兩路單相輸出均為兩電平，輸出交流波形比較差。此外，N+1個開關(guān)中每個開關(guān)承受的電壓應(yīng)力為直流母線電壓的一半，且存在N+1個開關(guān)管的均壓問題，這極大的限制了單相N+1開關(guān)變換器在高壓和大功率場合的應(yīng)用。
[0003]近年來，多電平變換技術(shù)得到不斷推廣，并已成功應(yīng)用在諸如高壓直流輸電、電力傳動、有源濾波、靜止同步補償?shù)裙I(yè)領(lǐng)域，目前常見的電壓型多電平變換器拓?fù)浯笾驴煞譃橄湮恍秃蛦卧壜?lián)型兩大類。模塊組合多電平變換器(Modular Multilevel Converter,MMC)作為一種新型的多電平拓?fù)?，除了具有傳統(tǒng)多電平變換器的優(yōu)點，模塊組合多電平變換器采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，便于系統(tǒng)擴(kuò)容和冗余工作；具有不平衡運行能力、故障穿越和恢復(fù)能力，系統(tǒng)可靠性高；由于具有公共直流母線，模塊組合多電平變換器尤其適用于高壓直流輸電系統(tǒng)應(yīng)用。然而，當(dāng)N條不同頻率的交流線路的相連時，需要2N個MMC變換器，這極大的增加了工程成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種N輸出單相N+1開關(guān)組MMC逆變器及其控制方法。
[0005]本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)。
[0006]N輸出單相N+1開關(guān)組MMC逆變器，包括直流電源、電容橋臂、開關(guān)橋臂和N個負(fù)載；所述電容橋臂由N+1個電容串聯(lián)而成，所述開關(guān)橋臂由N+1個開關(guān)組、第一電感和第二電感串聯(lián)而成；開關(guān)橋臂的第i個開關(guān)組由n個功率開關(guān)單元串聯(lián)而成，其中i的取值為I?N+1 ;第k個負(fù)載的一端接到電容橋臂的第k+1個電容的正極，第k個負(fù)載的另一端接到開關(guān)橋臂的第k+1個開關(guān)組的上端，其中k的取值為I?N-1 ;第N個負(fù)載的一端接到電容橋臂的第N+1個電容的正極，第N個負(fù)載的另一端接到開關(guān)橋臂的第N+1個開關(guān)組的下端；第k個負(fù)載的兩端作為第k路輸出，其中k的取值為I?N ;電容橋臂的每個電容的電壓均為Ude/(N+1)。第一電感和第二電感相互耦合，構(gòu)成一對耦合電感。N>2，n為正整數(shù)。
[0007]所述N輸出單相N+1開關(guān)組MMC逆變器中，直流電源的正極與電容橋臂的第I個電容、開關(guān)橋臂的第I個開關(guān)組的上端連接；開關(guān)橋臂的第I個開關(guān)組的下端與第一電感的一端連接，第一電感的另一端與開關(guān)橋臂的第2個開關(guān)組的上端連接；開關(guān)橋臂的第i個開關(guān)組的下端與開關(guān)橋臂的第i+1開關(guān)組的上端連接，其中i的取值為2~N-1 ;開關(guān)橋臂的第N個開關(guān)組的下端與第二電感的一端連接，第二電感的另一端與開關(guān)橋臂的第N+1個開關(guān)組的上端連接；電容橋臂的第i個電容的負(fù)極與電容橋臂的第i+1電容的正極連接，其中i的取值為I~N ;直流電源的負(fù)極與電容橋臂的第N+1電容的負(fù)極、開關(guān)橋臂的第N+1開關(guān)組的下端和地端連接；第k個負(fù)載的一端與開關(guān)橋臂的第k+1個開關(guān)組的上端連接，第k個負(fù)載的的另一端與電容橋臂的第k+1個電容的正極連接，其中k的取值為I~N-1 ;第N個負(fù)載的一端與開關(guān)橋臂的第N個開關(guān)組的下端連接，第N個負(fù)載的另一端與電容橋臂的第N電容的負(fù)極連接。
[0008]功率開關(guān)單元由第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第一二極管、第二二極管和電容構(gòu)成。其中，電容的正極與第一開關(guān)管的集電極、第一二極管的陰極連接，第一開關(guān)管的發(fā)射極與第一二極管的陽極、第二開關(guān)管的集電極、第二二極管的陰極連接，第二開關(guān)管的發(fā)射極與第二二極管的陽極、電容的負(fù)極連接；第二開關(guān)管的集電極作為第一輸出端，第二開關(guān)管的發(fā)射極作為第二輸出端。
[0009]開關(guān)橋臂的第i個開關(guān)組的第j個功率開關(guān)單元的第二輸出端與開關(guān)橋臂的第i個開關(guān)組的第j+1個功率開關(guān)單元的第一輸出端連接，其中j取值為I~n-1，i取值為I~N+1。
[0010]上述逆變器的控制方法是:采用載波移相PWM控制開關(guān)橋臂的每個開關(guān)組的開關(guān)管的開通與關(guān)斷；開關(guān)橋臂的每個開關(guān)組的第j個功率開關(guān)單元采用相同三角波作為第j個載波Cj,其中j的取值為I~n ;n個載波依次滯后相角360° /n ;第1^個負(fù)載采用第k個正弦波Rut疊加第k個 直流偏置l-2k/ (N+1)得到第k個調(diào)制波Ru+Hk/ (N+1)，其中k的取值為I~N。
[0011]第k個調(diào)制波Ru+Hk/ (N+1)與第j個載波Cj通過第k個比較器，當(dāng)?shù)趉個調(diào)制波RLk+l-2k/ (N+1)大于第j個載波Cj時，第k個比較器輸出高電平，當(dāng)?shù)趉個調(diào)制波RWHk/(N+1)小于第j個載波Cj時，第k個比較器輸出低電平，其中k的取值為I~N ;第I個比較器的輸出作為開關(guān)橋臂的第I個開關(guān)組的第j個功率開關(guān)單元的第二開關(guān)管門極的控制電平；第k-1個比較器的輸出通過第k-1個非門，第k-1個非門的輸出與第k個比較器的輸出通過第k-1個異或門得到開關(guān)橋臂的第k個開關(guān)組的第j個功率開關(guān)單元的第二開關(guān)管門極的控制電平，其中k的取值為2~N ;第N個比較器的輸出通過第N個非門得到開關(guān)橋臂的第N+1個開關(guān)組的第j個功率開關(guān)單元的第二開關(guān)管門極的控制電平。
[0012]所述N輸出單相N+1開關(guān)組MMC逆變器的工作模式包括同頻工作模式(CF模式)和異頻工作模式(DF模式)，CF模式中，N路輸出的頻率相同，幅值不相同；DF模式中，N路輸出的頻率和幅值均不同。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的優(yōu)勢為:具有N路n+1電平交流輸出，輸出電流波形質(zhì)量很高，功率開關(guān)單元中每個開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力僅為直流母線電壓的1/n，同時能保證變換器工作過程中所有開關(guān)管承受的電壓相等，很好的解決了開關(guān)管的均壓問題。與現(xiàn)有的單相N+1開關(guān)變換器相比較，本發(fā)明所提供的N輸出單相N+1開關(guān)組MMC逆變器的N路輸出均為n+1電平交流輸出，輸出交流波形的質(zhì)量有了極大的提高。此外，每個開關(guān)管的承受的電壓應(yīng)力僅為直流母線電壓的1/n，且本發(fā)明所提供的控制方法使變換器工作過程中所有開關(guān)管承受的電壓相等，很好的解決了開關(guān)管的均壓問題，這將非常有利于N輸出單相N+1開關(guān)組MMC逆變器在高壓和大功率場合的應(yīng)用。與現(xiàn)有的MMC變換器相比較，本發(fā)明所提供的N輸出單相N+1開關(guān)組MMC逆變器具有N路交流輸出，可直接用于N條不同頻率的交流線路的相連，極大的降低了工程成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明的N輸出單相N+1開關(guān)組MMC逆變器的電路結(jié)構(gòu)圖；
[0015]圖2是圖1所示的N輸出單相N+1開關(guān)組MMC逆變器的功率開關(guān)單元的電路結(jié)構(gòu)圖；
[0016]圖3是圖1所示的N輸出單相N+1開關(guān)組MMC逆變器的載波移相PWM控制結(jié)構(gòu)圖；
[0017]圖4a、4b是三輸出單相四開關(guān)組MMC逆變器分別工作于CF模式和DF模式下的調(diào)制波；
[0018]圖5a、5b分別是三輸出單相四開關(guān)組MMC逆變器工作于CF模式和DF模式的仿真波形圖。
【具體實施方式】
[0019]為進(jìn)一步闡述本發(fā)明的內(nèi)容和特點，以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施進(jìn)行說明，但本發(fā)明的實施和保護(hù)不限于此。
[0020]參考圖1，本發(fā)明的N輸出單相N+1開關(guān)組麗C逆變器，包括直流電源Ud。、電容橋臂、開關(guān)橋臂和N個負(fù)載；所述電容橋臂由N+1個電容(C1X2'…、CN+1)串聯(lián)而成，所述開關(guān)橋臂由N+1個開關(guān)組(B1、B2`、…、BN+1)、第一電感L1和第二電感L2串聯(lián)而成；開關(guān)橋臂的第i個開關(guān)組&由n個功率開關(guān)單元(SMBil、SMm2、--?> SMein)串聯(lián)而成，其中i的取值為I~N+1 ;第1^個負(fù)載的一端接到電容橋臂的第k+1個電容Ck+1的正極，第k個負(fù)載的另一端接到開關(guān)橋臂的第k+1個開關(guān)組Bk+1的上端O，其中k的取值為I~N-1 ;第N個負(fù)載的一端接到電容橋臂的第N+1個電容CN+1的正極，第N個負(fù)載的另一端接到開關(guān)橋臂的第N+1個開關(guān)組的下端P ;第k個負(fù)載的兩端作為第k路輸出，其中k的取值為I~N ;電容橋臂的每個電容Ci的電壓均為Ude/(N+1)。N>2，n為正整數(shù)。
[0021]直流電源Ud。的正極與電容橋臂的第I個電容C1、開關(guān)橋臂的第I個開關(guān)組B1的上端O連接；開關(guān)橋臂的第I個開關(guān)組B1的下端p與第一電感L1的一端連接，第一電感L1的另一端與開關(guān)橋臂的第2個開關(guān)組B2的上端O連接；開關(guān)橋臂的第i個開關(guān)組Bi的下端P與開關(guān)橋臂的第i+1開關(guān)組Bi+1的上端O連接，其中i的取值為2~N-1 ;開關(guān)橋臂的第N個開關(guān)組Bn的下端p與第二電感L2的一端連接，第二電感L2的另一端與開關(guān)橋臂的第N+1個開關(guān)組Bn+1的上端O連接；電容橋臂的第i個電容Ci的負(fù)極與電容橋臂的第i+1電容Ci+1的正極連接，其中i的取值為I~N ;直流電源Udc的負(fù)極與電容橋臂的第N+1電容CN+1的負(fù)極、開關(guān)橋臂的第N+1開關(guān)組Bn+1的下端p和地端G連接；第k個負(fù)載的一端與開關(guān)橋臂的第k+1個開關(guān)組Bk+1的上端O連接，第k個負(fù)載的的另一端與電容橋臂的第k+1個電容Ck+1的正極連接，其中k的取值為I~N-1 ;第N個負(fù)載的一端與開關(guān)橋臂的第N個開關(guān)組Bn的下端p連接，第N個負(fù)載的另一端與電容橋臂的第N電容Cn的負(fù)極連接。
[0022]圖2示出圖1所示的N輸出單相N+1開關(guān)組MMC逆變器的功率開關(guān)單元的電路結(jié)構(gòu)圖，功率開關(guān)單元由第一開關(guān)管S1、第二開關(guān)管S2、第一二極管D1、第二二極管D2和電容Csm構(gòu)成。其中，電容Csm的正極與第一開關(guān)管S1的集電極、第一二極管D1的陰極連接,第一開關(guān)管S1的發(fā)射極與第一二極管D1的陽極、第二開關(guān)管S2的集電極、第二二極管D2的陰極連接，第二開關(guān)管S2的發(fā)射極與第二二極管D2的陽極、電容Csm的負(fù)極連接；第二開關(guān)管S2的集電極作為第一輸出端，第二開關(guān)管S2的發(fā)射極作為第二輸出端。
[0023]如圖1所示，開關(guān)橋臂的第i個開關(guān)組Bi的第j個功率開關(guān)單元SMBij的第二輸出端與開關(guān)橋臂的第i個開關(guān)組Bi的第j+1個功率開關(guān)單元SMm。+1)的第一輸出端連接，其中j取值為I~n-1，i取值為I~N+1。
[0024]k路輸出電壓為:
【權(quán)利要求】
1.N輸出單相N+1開關(guān)組MMC逆變器，其特征在于:包括直流電源(Ud。)、電容橋臂、開關(guān)橋臂和N個負(fù)載；所述電容橋臂由N+1個電容(C1、C2、...、CN+1)串聯(lián)而成，所述開關(guān)橋臂由N+1個開關(guān)組(B1、B2、…、BN+1)、第一電感(1^)和第二電感(L2)串聯(lián)而成；開關(guān)橋臂的第i個開關(guān)組(Bi)由n個功率開關(guān)單元(SMBil、SMBi2、-,SMmn)串聯(lián)而成，其中i的取值為1~N+1 ；第k個負(fù)載的一端接到電容橋臂的第k+1個電容(Ck+1)的正極，第k個負(fù)載的另一端接到開關(guān)橋臂的第k+1個開關(guān)組(Bk+1)的上端(O)，其中k的取值為fN-1 ;第N個負(fù)載的一端接到電容橋臂的第N+1個電容(CN+1)的正極，第N個負(fù)載的另一端接到開關(guān)橋臂的第N+1個開關(guān)組的下端(P);第k個負(fù)載的兩端作為第k路輸出，其中k的取值為1、；電容橋臂的每個電容(Ci)的電壓均為Udc/(N+1)，N>2，n為正整數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的N輸出單相N+1開關(guān)組MMC逆變器，其特征在于:第一電感(L1)和第二電感(L2)相互耦合，構(gòu)成一對耦合電感。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的N輸出單相N+1開關(guān)組MMC逆變器，其特征在于:直流電源(Ud。)的正極與電容橋臂的第I個電容(C1X開關(guān)橋臂的第I個開關(guān)組(B1)的上端(0)連接；開關(guān)橋臂的第I個開關(guān)組(B1)的下端(p)與第一電感(L1)的一端連接，第一電感(L1)的另一端與開關(guān)橋臂的第2個開關(guān)組(B2)的上端(0)連接；開關(guān)橋臂的第i個開關(guān)組(Bi)的下端(P)與開關(guān)橋臂的第i+1開關(guān)組(Bi+1)的上端(0)連接，其中i的取值為2~N-1 ;開關(guān)橋臂的第N個開關(guān)組(Bn)的下端(p)與第二電感(L2)的一端連接，第二電感(L2)的另一端與開關(guān)橋臂的第N+1個開關(guān)組(Bn+1)的上端(0)連接；電容橋臂的第i個電容(Ci)的負(fù)極與電容橋臂的第i+1電容(Ci+1)的正極連接，其中i的取值為1、;直流電源(Ud。)的負(fù)極與電容橋臂的第N+1電容(CN+1)的負(fù)極、開關(guān)橋臂的第N+1開關(guān)組(Bn+1)的下端(p)和地端(G)連接；第k個負(fù)載的一端與開關(guān)橋臂的第k+1個開關(guān)組(Bk+1)的上端(0)連接，第k個負(fù)載的的另一端與電容橋臂的第k+1個電容(Ck+1)的正極連接，其中k的取值為1~N-1 ;第N個負(fù)載的一端 開關(guān)橋臂的第N個開關(guān)組(Bn)的下端(p)連接，第N個負(fù)載的另一端與電容橋臂的第N電容(Cn)的負(fù)極連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的N輸出單相N+1開關(guān)組MMC逆變器，其特征在于:功率開關(guān)單元由第一開關(guān)管(S1X第二開關(guān)管(S2)、第一二極管(D1X第二二極管(D2)和電容(Csm)構(gòu)成，其中，電容(Csm)的正極與第一開關(guān)管(S1)的集電極、第一二極管(D1)的陰極連接，第一開關(guān)管(S1)的發(fā)射極與第一二極管(D1)的陽極、第二開關(guān)管(S2)的集電極、第二二極管(D2)的陰極連接，第二開關(guān)管(S2)的發(fā)射極與第二二極管(D2)的陽極、電容(Csm)的負(fù)極連接；第二開關(guān)管(S2)的集電極作為第一輸出端，第二開關(guān)管(S2)的發(fā)射極作為第二輸出端。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的N輸出單相N+1開關(guān)組MMC逆變器，其特征在于:開關(guān)橋臂的第i個開關(guān)組(Bi)的第j個功率開關(guān)單元(SMbu)的第二輸出端與開關(guān)橋臂的第i個開關(guān)組(Bi)的第j+1個功率開關(guān)單元(SMBi(j+1))的第一輸出端連接，其中j取值為fn-l，i取值為1、+1。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的N輸出單相N+1開關(guān)組MMC逆變器，其特征在于:所述逆變器的工作模式包括同頻工作模式和異頻工作模式，同頻工作模式中，N路輸出的頻率相同，幅值不相同；異頻工作模式中，N路輸出的頻率和幅值均不同。
7.用于權(quán)利要求1所述的N輸出單相N+1開關(guān)組MMC逆變器的控制方法，其特征在于:采用載波移相PWM控制開關(guān)橋臂的每個開關(guān)組(Bi)的開關(guān)管的開通與關(guān)斷，其中i取值為rN+1 ;開關(guān)橋臂的每個開關(guān)組(Bi)的第j個功率開關(guān)單元(SMbu)采用相同三角波作為第j個載波C」，其中j的取值為fn ；n個載波(C1X2'…、Cn)依次滯后相角360° /n ;第k個負(fù)載采用第k個正弦波Rut疊加第k個直流偏置l-2k/ (N+1)得到第k個調(diào)制波Ru+Hk/(N+1)，其中k的取值為1、。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制方法，其特征在于:第k個調(diào)制波RJUk/(N+1)與第j個載波Cj通過第k個比較器，當(dāng)?shù)趉個調(diào)制波RWHk/ (N+1)大于第j個載波Cj時，第k個比較器輸出高電平，當(dāng)?shù)趉個調(diào)制波RWHk/ (N+1)小于第j個載波&時，第k個比較器輸出低電平，其中k的取值為1、；第I個比較器的輸出作為開關(guān)橋臂的第I個開關(guān)組(B1)的第j個功率開關(guān)單元(SMbu)的第二開關(guān)管(S2)門極的控制電平(Sbu);第k-1個比較器的輸出通過第k-1個非門，第k-1個非門的輸出與第k個比較器的輸出通過第k-1個異或門得到開關(guān)橋臂的第k個開關(guān)組(Bk)的第j個功率開關(guān)單元(SMbw)的第二開關(guān)管(S2)門極的控制電平(SBkj)，其中k的取值為2、；第N個比較器的輸出通過第N個非門得到開關(guān)橋臂的第N+1個開關(guān)組(Bn+1)的第j個功率開關(guān)單元(SMB(N+1)j)的第二開關(guān)管(S2)門極的控制電平(SB (N+1)`j)。
【文檔編號】H02M7/483GK103780116SQ201410042873
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月28日
【發(fā)明者】張波, 付堅, 丘東元 申請人:華南理工大學(xué)