N輸出單相n+1開關(guān)組mmc逆變器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供N輸出單相N+1開關(guān)組MMC逆變器。所述逆變器包括直流電源、電容橋臂、開關(guān)橋臂和N個(gè)負(fù)載，電容橋臂由N+1個(gè)電容串聯(lián)而成，開關(guān)橋臂由N+1個(gè)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(gè)開關(guān)組由n個(gè)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(gè)負(fù)載的一端接到電容橋臂的第k+1個(gè)電容的正極，第k個(gè)負(fù)載的另一端接到開關(guān)橋臂的第k+1個(gè)開關(guān)組的上端，其中k的取值為1~N-1；第N個(gè)負(fù)載的一端接到電容橋臂的第N+1個(gè)電容的正極，第N個(gè)負(fù)載的另一端接到開關(guān)橋臂的第N+1個(gè)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

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型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。

【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(shì)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(duì)于傳統(tǒng)的2N開關(guān)變換器減少了 N-1個(gè)開 關(guān)及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，在考慮成本與體積的應(yīng)用中占有一定的優(yōu)勢(shì)。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(gè)開關(guān)中每個(gè)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(gè)開關(guān)管的均壓?jiǎn)栴}，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(chǎng)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(dòng)、有源濾波、靜止同步補(bǔ)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?為箱位型和單元級(jí)聯(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(diǎn)，模塊組合多電平變 換器采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，便于系統(tǒng)擴(kuò)容和冗余工作；具有不平衡運(yùn)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(shí)，需要2N個(gè)MMC變換器，這極 大的增加了工程成本。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0004] 本實(shí)用新型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。
[0005] 本實(shí)用新型通過如下技術(shù)方案實(shí)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(gè)負(fù) 載；所述電容橋臂由N+1個(gè)電容串聯(lián)而成，所述開關(guān)橋臂由N+1個(gè)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(gè)開關(guān)組由η個(gè)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(gè)負(fù)載的一端接到電容橋臂的第k+Ι個(gè)電容的正極，第k個(gè)負(fù)載的另一端接 到開關(guān)橋臂的第k+Ι個(gè)開關(guān)組的上端，其中k的取值為1?N-1 ;第N個(gè)負(fù)載的一端接到電 容橋臂的第N+1個(gè)電容的正極，第N個(gè)負(fù)載的另一端接到開關(guān)橋臂的第N+1個(gè)開關(guān)組的下 端；第k個(gè)負(fù)載的兩端作為第k路輸出，其中k的取值為1?N;電容橋臂的每個(gè)電容的電 壓均為U dc/(N+1)。第一電感和第二電感相互耦合，構(gòu)成一對(duì)耦合電感。Ν>2, η為正整數(shù)。
[0007] 所述Ν輸出單相Ν+1開關(guān)組MMC逆變器中，直流電源的正極與電容橋臂的第1個(gè) 電容、開關(guān)橋臂的第1個(gè)開關(guān)組的上端連接；開關(guān)橋臂的第1個(gè)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(gè)開關(guān)組的上端連接；開關(guān)橋臂的第i個(gè)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-l ;開關(guān)橋臂的 第N個(gè)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(gè)開 關(guān)組的上端連接；電容橋臂的第i個(gè)電容的負(fù)極與電容橋臂的第i+Ι電容的正極連接，其中 i的取值為1?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(gè)負(fù)載的一端與開關(guān)橋臂的第k+Ι個(gè)開關(guān)組的上端連接，第k 個(gè)負(fù)載的的另一端與電容橋臂的第k+1個(gè)電容的正極連接，其中k的取值為1?N-1 ;第N 個(gè)負(fù)載的一端與開關(guān)橋臂的第N個(gè)開關(guān)組的下端連接，第N個(gè)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(gè)開關(guān)組的第j個(gè)功率開關(guān)單元的第二輸出端與開關(guān)橋臂的第i 個(gè)開關(guān)組的第j+1個(gè)功率開關(guān)單元的第一輸出端連接，其中j取值為1?n-1，i取值為1? N+1。
[0010] 上述逆變器中：采用載波移相PWM控制開關(guān)橋臂的每個(gè)開關(guān)組的開關(guān)管的開通與 關(guān)斷；開關(guān)橋臂的每個(gè)開關(guān)組的第j個(gè)功率開關(guān)單元采用相同三角波作為第j個(gè)載波，其 中j的取值為1?η ;n個(gè)載波依次滯后相角360° /η ;第k個(gè)負(fù)載采用第k個(gè)正弦波R&疊 加第k個(gè)直流偏置1-2V(N+1)得到第k個(gè)調(diào)制波I^+ljkAN+l)，其中k的取值為1?N。
[0011] 第k個(gè)調(diào)制波Ι^+1-2ν(Ν+1)與第j個(gè)載波通過第k個(gè)比較器，當(dāng)?shù)趉個(gè)調(diào)制波 Ru+lIkAN+l)大于第j個(gè)載波Cj時(shí)，第k個(gè)比較器輸出高電平，當(dāng)?shù)趉個(gè)調(diào)制波L+Hk/ (N+1)小于第j個(gè)載波Cj時(shí)，第k個(gè)比較器輸出低電平，其中k的取值為1?N ;第1個(gè)比 較器的輸出作為開關(guān)橋臂的第1個(gè)開關(guān)組的第j個(gè)功率開關(guān)單元的第二開關(guān)管門極的控制 電平；第k-Ι個(gè)比較器的輸出通過第k-Ι個(gè)非門，第k-Ι個(gè)非門的輸出與第k個(gè)比較器的輸 出通過第k-Ι個(gè)異或門得到開關(guān)橋臂的第k個(gè)開關(guān)組的第j個(gè)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(gè)比較器的輸出通過第N個(gè)非門得到開關(guān)橋 臂的第N+1個(gè)開關(guān)組的第j個(gè)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，本實(shí)用新型具有的優(yōu)勢(shì)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(gè)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(shí)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?jiǎn)?題。與現(xiàn)有的單相N+1開關(guān)變換器相比較，本實(shí)用新型所提供的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(gè)開關(guān)管的承受的電壓應(yīng)力僅為直流母線電壓的1/n，且本實(shí)用新型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?jiǎn)栴}，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(chǎng)合的應(yīng)用。與現(xiàn)有的MMC變 換器相比較，本實(shí)用新型所提供的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是本實(shí)用新型的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(shí)施方式】
[0019] 為進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型的內(nèi)容和特點(diǎn)，以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施 進(jìn)行說明，但本實(shí)用新型的實(shí)施和保護(hù)不限于此。
[0020] 參考圖1，本實(shí)用新型的N輸出單相N+1開關(guān)組MMC逆變器，包括直流電源Ud。、電 容橋臂、開關(guān)橋臂和N個(gè)負(fù)載；所述電容橋臂由N+1個(gè)電容（Cp C2、…、CN+1)串聯(lián)而成，所 述開關(guān)橋臂由N+1個(gè)開關(guān)組（BpB2、…、B N+1)、第一電感U和第二電感L2串聯(lián)而成；開關(guān)橋 臂的第i個(gè)開關(guān)組&由η個(gè)功率開關(guān)單元（SM Bil、SMBi2、…、SMBin)串聯(lián)而成，其中i的取值 為1?N+1 ;第k個(gè)負(fù)載的一端接到電容橋臂的第k+Ι個(gè)電容Ck+1的正極，第k個(gè)負(fù)載的另 一端接到開關(guān)橋臂的第k+Ι個(gè)開關(guān)組B k+1的上端〇,其中k的取值為1?N-1 ;第N個(gè)負(fù)載 的一端接到電容橋臂的第N+1個(gè)電容CN+1的正極，第N個(gè)負(fù)載的另一端接到開關(guān)橋臂的第 N+1個(gè)開關(guān)組的下端p ;第k個(gè)負(fù)載的兩端作為第k路輸出，其中k的取值為1?N ;電容橋 臂的每個(gè)電容Q的電壓均為Udc/(N+1)。Ν>2, η為正整數(shù)。
[0021] 直流電源仏。的正極與電容橋臂的第1個(gè)電容q、開關(guān)橋臂的第1個(gè)開關(guān)組&的 上端〇連接；開關(guān)橋臂的第1個(gè)開關(guān)組&的下端p與第一電感Q的一端連接，第一電感Q 的另一端與開關(guān)橋臂的第2個(gè)開關(guān)組B2的上端〇連接；開關(guān)橋臂的第i個(gè)開關(guān)組&的下 端P與開關(guān)橋臂的第i+Ι開關(guān)組B i+1的上端〇連接，其中i的取值為2?N-1 ;開關(guān)橋臂的 第N個(gè)開關(guān)組BN的下端p與第二電感L2的一端連接，第二電感L 2的另一端與開關(guān)橋臂的 第N+1個(gè)開關(guān)組BN+1的上端〇連接；電容橋臂的第i個(gè)電容Q的負(fù)極與電容橋臂的第i+1 電容C i+1的正極連接，其中i的取值為1?N ;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B N+1的下端p和地端G連接；第k個(gè)負(fù)載的一端與 開關(guān)橋臂的第k+Ι個(gè)開關(guān)組Bk+1的上端〇連接，第k個(gè)負(fù)載的的另一端與電容橋臂的第k+1 個(gè)電容C k+1的正極連接，其中k的取值為1?N-1 ;第N個(gè)負(fù)載的一端與開關(guān)橋臂的第N個(gè) 開關(guān)組BN的下端p連接，第N個(gè)負(fù)載的另一端與電容橋臂的第N電容C N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Si、第二開關(guān)管S 2、第一二極管Di、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Si的集電極、第一二極管Di的陰極連接，第一 開關(guān)管Si的發(fā)射極與第一二極管Di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S 2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(gè)開關(guān)組&的第j個(gè)功率開關(guān)單元SMBU的第二輸出 端與開關(guān)橋臂的第i個(gè)開關(guān)組&的第j+Ι個(gè)功率開關(guān)單元SM Bm+1)的第一輸出端連接，其 中j取值為1?n-1，i取值為1?N+1。
[0024] k路輸出電壓為：
[0025]

【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(gè)負(fù)載；所述電容橋臂由N+1個(gè)電容（Ci、C 2、…、CN+1)串聯(lián)而成，所述開關(guān)橋臂由 N+1個(gè)開關(guān)組（BpB2、…、BN+1)、第一電感0^)和第二電感（L2)串聯(lián)而成；開關(guān)橋臂的第i個(gè) 開關(guān)組（BJ由η個(gè)功率開關(guān)單元（SM Bil、SMBi2、…、SMBin)串聯(lián)而成，其中i的取值為1~N+1 ; 第k個(gè)負(fù)載的一端接到電容橋臂的第k+1個(gè)電容（Ck+1)的正極，第k個(gè)負(fù)載的另一端接到開 關(guān)橋臂的第k+Ι個(gè)開關(guān)組（B k+1)的上端（〇)，其中k的取值為1~N-1 ;第N個(gè)負(fù)載的一端接到 電容橋臂的第N+1個(gè)電容（CN+1)的正極，第N個(gè)負(fù)載的另一端接到開關(guān)橋臂的第N+1個(gè)開關(guān) 組的下端（P);第k個(gè)負(fù)載的兩端作為第k路輸出，其中k的取值為ΓΝ ;電容橋臂的每個(gè)電 容（CJ的電壓均為Udc/(N+1)，Ν>2, η為正整數(shù)，Ud。為直流電源的電壓。
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 (U)和第二電感（L2)相互耦合，構(gòu)成一對(duì)耦合電感。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的Ν輸出單相Ν+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1個(gè)電容（Q)、開關(guān)橋臂的第1個(gè)開關(guān)組（BJ的上端（〇)連接； 開關(guān)橋臂的第1個(gè)開關(guān)組（BJ的下端（p)與第一電感（LJ的一端連接，第一電感（LJ的另 一端與開關(guān)橋臂的第2個(gè)開關(guān)組（B 2)的上端（〇)連接；開關(guān)橋臂的第i個(gè)開關(guān)組（BP的下 端（P)與開關(guān)橋臂的第i+Ι開關(guān)組（Bi+1)的上端（〇)連接，其中i的取值為2~N-1 ;開關(guān)橋 臂的第n個(gè)開關(guān)組（bn )的下端（p)與第二電感α2)的一端連接，第二電感α2)的另一端與 開關(guān)橋臂的第Ν+1個(gè)開關(guān)組（Β Ν+1)的上端（0)連接；電容橋臂的第i個(gè)電容（Ci)的負(fù)極與 電容橋臂的第i+Ι電容（Ci+1)的正極連接，其中i的取值為1、;直流電源（U d。）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（B N+1)的下端（p)和地端（G) 連接；第k個(gè)負(fù)載的一端與開關(guān)橋臂的第k+Ι個(gè)開關(guān)組（Bk+1)的上端（〇)連接，第k個(gè)負(fù)載 的的另一端與電容橋臂的第k+Ι個(gè)電容（C k+1)的正極連接，其中k的取值為1~N-1 ;第N個(gè) 負(fù)載的一端與開關(guān)橋臂的第N個(gè)開關(guān)組（BN)的下端（p)連接，第N個(gè)負(fù)載的另一端與電容 橋臂的第N電容（C N)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（SJ、第二開關(guān)管（S 2)、第一二極管（DJ、第二二極管（D2)和電容（CSM)構(gòu) 成，其中，電容（C SM)的正極與第一開關(guān)管（SJ的集電極、第一二極管（DJ的陰極連接，第一 開關(guān)管（SJ的發(fā)射極與第一二極管（DJ的陽極、第二開關(guān)管（S 2)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（D 2)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（S 2)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(gè)開關(guān)組（BP的第j個(gè)功率開關(guān)單元（SM Bip的第二輸出端與開關(guān)橋臂的第i個(gè)開 關(guān)組（BJ的第j+Ι個(gè)功率開關(guān)單元（SMBi(j+1))的第一輸出端連接，其中j取值為l~n-l，i取 值為ΓΝ+1。
【文檔編號(hào)】H02M7/5387GK203872078SQ201420056440
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)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(jiān), 丘東元 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)