CN103762860A

CN103762860A - N输入单相n+1开关组mmc整流器及其控制方法

Info

Publication number: CN103762860A
Application number: CN201410042775.5A
Authority: CN
Inventors: 张波; 付坚; 丘东元
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2014-01-28
Filing date: 2014-01-28
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2034-01-28
Also published as: CN103762860B

Abstract

本发明提供N输入单相N+1开关组MMC整流器及其控制方法。逆变器包括N个交流输入电源、N个交流电感、电容桥臂、开关桥臂和一个整流负载；所述电容桥臂由N+1个电容串联而成，开关桥臂由N+1个开关组、第一电感和第二电感串联而成；开关桥臂的第i个开关组由n个功率开关单元串联而成，其中i的取值为1~N+1；第k个交流电源的两端作为第k路输入，其中k的取值为1~N。本发明采用载波移相PWM控制，N个输入交流电源变换成N路n+1电平的交流输入，整流叠加后给负载供电，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，解决了开关管的均压问题，适合多交流电源输入、高压和大功率场合的应用。

Description

N输入单相N+1开关组MMC整流器及其控制方法

技术领域

本发明涉及模块组合多电平变换器（MMC）领域，具体涉及一种N输入单相N+1开关组MMC整流器及其控制方法。

背景技术

目前功率整流器正向小型化、高可靠性和低损耗方向发展，在这种趋势下出现两种改进整流器的方向：减少无源器件或者改进整流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N+1开关整流器相对于传统的2N开关整流器减少了N-1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，N+1开关整流器的两路单相输入均转换为两电平，输入交流波形比较差。此外，N+1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N+1个开关管的均压问题，这极大的限制了单相N+1开关整流器在高压和大功率场合的应用。

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整流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整流器的优点，模块组合多电平整流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，模块组合多电平整流器尤其适用于高压直流输电系统应用。然而，当N条不同频率的交流线路的相连时，需要2N个MMC整流器，这极大的增加了工程成本。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种N输入单相N+1开关组MMC整流器及其控制方法。

本发明采用的技术方案实现。

N输入单相N+1开关组MMC整流器包括N个交流输入电源、N个电感交流电感、电容桥臂、开关桥臂和负载；所述电容桥臂由N+1个电容串联而成，所述开关桥臂由N+1个开关组、第一电感和第二电感串联而成；开关桥臂的第i个开关组由n个功率开关单元串联而成，其中i的取值为1～N+1；第k个交流输入电源的两端作为第k路输入，其中k的取值为1～N，N>2，n为正整数。

上述的N输入单相N+1开关组MMC整流器中，第一电感和第二电感相互耦合，构成一对耦合电感。

上述的N输入单相N+1开关组MMC整流器中，所述N输入单相N+1开关组MMC整流器中，开关桥臂的第1个开关组的下端与第一电感的一端连接，第一电感的另一端与开关桥臂的第2个开关组的上端连接；开关桥臂的第i个开关组的下端与开关桥臂的第i+1开关组的上端连接，其中i的取值为2～N-1；开关桥臂的第N个开关组的下端与第二电感的一端连接，第二电感的另一端与开关桥臂的第N+1个开关组的上端连接；电容桥臂的第i个电容的负极与电容桥臂的第i+1电容的正极连接，其中i的取值为1～N；第k个交流输入电源的一端与开关桥臂的第k+1个开关组的上端连接，第k个交流输入电源的一端与第k个交流电感的一端连接，第k个交流电感的另一端与电容桥臂的第k+1个电容的正极连接，其中k的取值为1～N-1；第N个交流输入电源的一端与开关桥臂的第N个开关组的下端连接，第N个交流输入电源的另一端与第N个交流电感的一端连接，第N个交流电感的另一端与电容桥臂的第N电容的负极连接；开关桥臂的第1个开关组的上端与电容桥臂的第1个电容的正极、负载的一端连接，负载的另一端与开关桥臂的第N+1开关组的下端、电容桥臂的第N+1电容的负极、地端连接。

上述的N输入单相N+1开关组MMC整流器中，功率开关单元由第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管和电容构成。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。

上述的N输入单相N+1开关组MMC整流器中，开关桥臂的第i个开关组的第j个功率开关单元的第二输出端与开关桥臂的第i个开关组的第j+1个功率开关单元的第一输出端连接，其中i取值为1～N+1，j取值为1～n-1。

上述的N输入单相N+1开关组MMC整流器的控制方法中，采用载波移相PWM控制开关桥臂的每个开关组的开关管的开通与关断；开关桥臂的每个开关组的第j个功率开关单元采用相同三角波作为第j个载波C_j，其中j的取值为1～n；n个载波依次滞后相角360°/n；第k个交流输入电源采用第k个正弦波R_Sk叠加第k个直流偏置1-2k/(N+1)得到第k个调制波R_Sk+1-2k/(N+1)，其中k的取值为1～N。

上述控制方法中，第k个调制波R_Sk+1-2k/(N+1)与第j个载波C_j通过第k个比较器，当第k个调制波R_Sk+1-2k/(N+1)大于第j个载波C_j时，第k个比较器输出高电平，当第k个调制波R_Sk+1-2k/(N+1)小于第j个载波C_j时，第k个比较器输出低电平，其中k的取值为1～N；第1个比较器的输出作为开关桥臂的第1个开关组的第j个功率开关单元的第二开关管门极的控制电平；第k-1个比较器的输出通过第k-1个非门，第k-1个非门的输出与第k个比较器的输出通过第k-1个异或门得到开关桥臂的第k个开关组的第j个功率开关单元的第二开关管门极的控制电平，其中k的取值为2～N；第N个比较器的输出通过第N个非门得到开关桥臂的第N+1个开关组的第j个功率开关单元的第二开关管门极的控制电平；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。

所述N输入单相N+1开关组MMC整流器的工作模式包括同频工作模式和异频工作模式，同频工作模式中，N路输入的频率相同，幅值不相同；异频工作模式中，N路输入的频率和幅值均不同。

与现有技术相比，本发明具有的优势为：N路单相交流输入电源均转换为N路n+1电平交流输入，输入电流波形质量很高，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，同时能保证整流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N+1开关整流器相比较，本发明所提供的N输入单相N+1开关组MMC整流器的N路单相交流输入电源均转换为N路n+1电平交流输入，输入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，且本发明所提供的控制方法使整流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N输入单相N+1开关组MMC整流器在高压和大功率场合的应用。与现有的MMC整流器相比较，本发明所提供的N输入单相N+1开关组MMC整流器具有N路交流输出，可直接用于N条不同频率的交流线路的相连，极大的降低了工程成本。

附图说明

图1是本发明的N输入单相N+1开关组MMC整流器的电路结构图；

图2是图1所示的N输入单相N+1开关组MMC整流器的功率开关单元的电路结构图；

图3是图1所示的N输入单相N+1开关组MMC整流器的载波移相PWM控制结构图；

图4a、4b是三输出单相四开关组MMC逆变器分别工作于同频工作模式和异频工作模式下的调制波；

图5a、5b分别三输出单相四开关组MMC逆变器工作于同频工作模式和异频工作模式的仿真波形图。

具体实施方式

为进一步阐述本发明的内容和特点，以下结合附图对本发明的具体实施方案进行具体说明。但本发明的实施不限于此。

参考图1，本发明的N输入单相N+1开关组MMC整流器，包括N个交流输入电源（u_S1、u_S2、…、u_SN）、N个电感交流电感（L_S1、L_S2、…、L_SN）、电容桥臂、开关桥臂和负载R；所述电容桥臂由N+1个电容（C₁、C₂、…、C_N+1）串联而成，所述开关桥臂由N+1个开关组（B₁、B₂、…、B_N+1）、第一电感L₁和第二电感L₂串联而成；开关桥臂的第i个开关组B_i由n个功率开关单元（SM_Bi1、SM_Bi2、…、SM_Bin）串联而成，其中i的取值为1～N+1；第k个交流输入电源u_Sk的两端作为第k路输入，其中k的取值为1～N，N>2。

开关桥臂的第1个开关组B₁的下端p与第一电感L₁的一端连接，第一电感L₁的另一端与开关桥臂的第2个开关组B₂的上端o连接；开关桥臂的第i个开关组B_i的下端与开关桥臂的第i+1开关组B_i+1的上端连接，其中i的取值为2～N-1；开关桥臂的第N个开关组B_N的下端与第二电感L₂的一端连接，第二电感L₂的另一端与开关桥臂的第N+1个开关组B_N+1的上端连接；电容桥臂的第i个电容C_i的负极与电容桥臂的第i+1电容C_i+1的正极连接，其中i的取值为1～N；第k个交流输入电源u_Sk的一端与开关桥臂的第k+1个开关组B_k+1的上端连接，第k个交流输入电源u_Sk的一端与第k个交流电感L_Sk的一端连接，第k个交流电感L_Sk的另一端与电容桥臂的第k+1个电容C_k+1的正极连接，其中k的取值为1～N-1；第N个交流输入电源u_SN的一端与开关桥臂的第N个开关组B_N的下端连接，第N个交流输入电源u_SN的另一端与第N个交流电感L_SN的一端连接，第N个交流电感L_SN的另一端与电容桥臂的第N电容C_N的负极连接；开关桥臂的第1个开关组B₁的上端与电容桥臂的第1个电容C₁的正极、负载R的一端连接，负载R的另一端与开关桥臂的第N+1开关组B_N+1的下端、电容桥臂的第N+1电容C_N+1的负极、地端G连接。

图2示出图1所示的N输入单相N+1开关组MMC整流器的功率开关单元的电路结构图，功率开关单元由第一开关管S₁、第二开关管S₂、第一二极管D₁、第二二极管D₂和电容C_SM构成。其中，电容C_SM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C_SM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。

如图1所示，开关桥臂的第i个开关组（B_i）的第j个功率开关单元（SM_Bij）的第二输出端与开关桥臂的第i个开关组（B_i）的第j+1个功率开关单元（SM_Bi(j+1)）的第一输出端连接，其中i取值为1～N+1，j取值为1～n-1。

令第k路交流输入电源为

则：

公式中，U_o为输出电压。

图1所示的N输入单相N+1开关组MMC整流器采用载波移相PWM控制，如图3所示。

开关桥臂的每个开关组B_i的第j个功率开关单元SM_Bij采用相同三角波作为第j个载波C_j，其中j的取值为1～n；n个载波（C₁、C₂、…、C_n）依次滞后相角360°/n；第k个交流输入电源u_Sk采用第k个正弦波R_Sk叠加第k个直流偏置1-2k/(N+1)得到第k个调制波R_Sk+1-2k/(N+1)，其中k的取值为1～N。

第k个调制波R_Sk+1-2k/(N+1)与第j个载波C_j通过第k个比较器，当第k个调制波R_Sk+1-2k/(N+1)大于第j个载波C_j时，第k个比较器输出高电平，当第k个调制波R_Sk+1-2k/(N+1)小于第j个载波C_j时，第k个比较器输出低电平，其中k的取值为1～N；第1个比较器的输出作为开关桥臂的第1个开关组B₁的第j个功率开关单元SM_B1j的第二开关管S₂门极的控制电平S_B1j；第k-1个比较器的输出通过第k-1个非门，第k-1个非门的输出与第k个比较器的输出通过第k-1个异或门得到开关桥臂的第k个开关组B_k的第j个功率开关单元SM_Bkj的第二开关管S₂门极的控制电平S_Bkj，其中k的取值为2～N；第N个比较器的输出通过第N个非门得到开关桥臂的第N+1个开关组B_N+1的第j个功率开关单元SM_B(N+1)j的第二开关管S₂门极的控制电平S_B(N+1)j；每个开关组的每个功率开关单元中第二开关管S₂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S₁门极的控制电平。

所述控制方法可以保证所述逆变器的开关桥臂在每一时刻有n个功率开关单元的输出电压u_SM=E，N*n个功率开关单元的输出电压u_SM=0，即满足

其中u_Bj为开关桥臂的第j个开关组的输出电压，E为开关桥臂的每个开关组的每个功率开关单元的电容C_SM的电压，且有E=U_o/n，即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，同时能保证整流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。

以三输入单相四开关组MMC整流器为例，图4a示出其工作于同频工作模式下第1个调制波R_S1+1/2、第2个调制波R_S2、第3个调制波R_S3-1/2与第j个载波C_j的关系。从图4a可以看出，第1个正弦波R_S1、第2个正弦波R_S2和第3个正弦波R_S3的频率相同，幅值不相同。图4b示出其工作于异频工作模式下第1个调制波R_S1+1/2、第2个调制波R_S2、第3个调制波R_S3-1/2与第j个载波C_j的关系。从图4b可以看出，第1个正弦波R_S1、第2个正弦波R_S2和第3个正弦波R_S3的频率和幅值均不相同。

图5a为三输入单相四开关组五电平MMC整流器（N=3，n=4）工作于同频工作模式的仿真波形图，依次第1个交流输入电源电压u_S1、第1个交流输入电源提供的输入u_SS1、第2个交流输入电源电压u_S2、第2个交流输入电源提供的输入u_SS2、第3个交流输入电源电压u_S3、第3个交流输入电源提供的输入u_SS3、输出电压U_o，从图5a可见第1个交流输入电源电压、第2个交流输入电源电压和第3个交流输入电源电压的频率相同，第1个交流输入电源电压、第2个交流输入电源电压和第3个交流输入电源电压的幅值不相同；图5b为三输入单相四开关组五电平MMC整流器工作于异频工作模式的仿真波形图，依次是依次第1个交流输入电源电压u_S1、第1个交流输入电源提供的输入u_SS1、第2个交流输入电源电压u_S2、第2个交流输入电源提供的输入u_SS2、第3个交流输入电源电压u_S3、第3个交流输入电源提供的输入u_SS3、输出电压U_o，从图5b可见第1个交流输入电源电压、第2个交流输入电源电压和第3个交流输入电源电压的频率和幅值均不相同。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.N输入单相N+1开关组MMC整流器，其特征在于：包括N个交流输入电源（u _S1、u _S2、…、u _SN）、N个交流电感（L _S1、L _S2、…、L _SN）、电容桥臂、开关桥臂和负载（R）；所述电容桥臂由N+1个电容（C ₁、C ₂、…、C _N+1）串联而成，所述开关桥臂由N+1个开关组（B₁、B₂、…、B_N+1）、第一电感（L ₁）和第二电感（L ₂）串联而成；开关桥臂的第i个开关组（B_i）由n个功率开关单元（SM_Bi1、SM_Bi2、…、SM_Bin）串联而成，其中i的取值为1~N+1；第k个交流输入电源（u _Sk）的两端作为第k路输入，其中k的取值为1~N，N>2，n为正整数。

2.根据权利要求1所述的N输入单相N+1开关组MMC整流器，其特征在于：第一电感（L₁）和第二电感（L₂）相互耦合，构成一对耦合电感。

3.根据权利要求1所述的N输入单相N+1开关组MMC整流器，其特征在于：开关桥臂的第1个开关组（B₁）的下端（p）与第一电感（L ₁）的一端连接，第一电感（L ₁）的另一端与开关桥臂的第2个开关组（B₂）的上端（o）连接；开关桥臂的第i个开关组（B_i）的下端与开关桥臂的第i+1开关组（B_i+1）的上端连接，其中i的取值为2~N-1；开关桥臂的第N个开关组（B_N）的下端与第二电感（L ₂）的一端连接，第二电感（L ₂）的另一端与开关桥臂的第N+1个开关组（B_N+1）的上端连接；电容桥臂的第i个电容（C _i）的负极与电容桥臂的第i+1电容（C _i+1）的正极连接，其中i的取值为1~N；第k个交流输入电源（u _Sk）的一端与开关桥臂的第k+1个开关组（B_k+1）的上端连接，第k个交流输入电源（u _Sk）的一端与第k个交流电感（L _Sk）的一端连接，第k个交流电感（L _Sk）的另一端与电容桥臂的第k+1个电容（C _k+1）的正极连接，其中k的取值为1~N-1；第N个交流输入电源（u _SN）的一端与开关桥臂的第N个开关组（B_N）的下端连接，第N个交流输入电源（u _SN）的另一端与第N个交流电感（L _SN）的一端连接，第N个交流电感（L _SN）的另一端与电容桥臂的第N电容（C _N）的负极连接；开关桥臂的第1个开关组（B₁）的上端与电容桥臂的第1个电容（C ₁）的正极、负载（R）的一端连接，负载（R）的另一端与开关桥臂的第N+1开关组（B_N+1）的下端、电容桥臂的第N+1电容（C _N+1）的负极、地端（G）连接。

4.根据权利要求1所述的N输入单相N+1开关组MMC整流器，其特征在于：功率开关单元由第一开关管（S ₁）、第二开关管（S ₂）、第一二极管（D ₁）、第二二极管（D ₂）和电容（C _SM）构成；其中，电容（C _SM）的正极与第一开关管（S ₁）的集电极、第一二极管（D ₁）的阴极连接，第一开关管（S ₁）的发射极与第一二极管（D ₁）的阳极、第二开关管（S ₂）的集电极、第二二极管（D ₂）的阴极连接，第二开关管（S ₂）的发射极与第二二极管（D ₂）的阳极、电容（C _SM）的负极连接；第二开关管（S ₂）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1所述的N输入单相N+1开关组MMC整流器，其特征在于：开关桥臂的第i个开关组（B_i）的第j个功率开关单元（SM_Bij）的第二输出端与开关桥臂的第i个开关组（B_i）的第j+1个功率开关单元（SM_Bi(j+1)）的第一输出端连接，其中i取值为1~N+1，j取值为1~n-1。

6.根据权利要求1所述的N输入单相N+1开关组MMC整流器，其特征在于：工作模式包括同频工作模式和异频工作模式，同频工作模式中，N路输入的频率相同，幅值不相同；异频工作模式中，N路输入的频率和幅值均不同。

7.用于权利要求1所述的N输入单相N+1开关组MMC整流器的控制方法，其特征在于：采用载波移相PWM控制开关桥臂的每个开关组（B_i）的开关管的开通与关断，其中i取值为1~N+1；开关桥臂的每个开关组（B_i）的第j个功率开关单元（SM_Bij）采用相同三角波作为第j个载波C _j，其中j的取值为1~n；n个载波（C ₁、C ₂、…、C _n）依次滞后相角360°/n；第k个交流输入电源（u _Sk）采用第k个正弦波R _Sk叠加第k个直流偏置1-2k/(N+1)得到第k个调制波R _Sk+1-2k/(N+1)，其中k的取值为1~N。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：第k个调制波R _Sk+1-2k/(N+1)与第j个载波C _j通过第k个比较器，当第k个调制波R _Sk+1-2k/(N+1)大于第j个载波C _j时，第k个比较器输出高电平，当第k个调制波R _Sk+1-2k/(N+1)小于第j个载波C _j时，第k个比较器输出低电平，其中k的取值为1~N；第1个比较器的输出作为开关桥臂的第1个开关组（B₁）的第j个功率开关单元（SM_B1j）的第二开关管（S₂）门极的控制电平（S _B1j）；第k-1个比较器的输出通过第k-1个非门，第k-1个非门的输出与第k个比较器的输出通过第k-1个异或门得到开关桥臂的第k个开关组（B_k）的第j个功率开关单元（SM_Bkj）的第二开关管（S ₂）门极的控制电平（S _Bkj），其中k的取值为2~N；第N个比较器的输出通过第N个非门得到开关桥臂的第N+1个开关组（B_N+1）的第j个功率开关单元（SM_B(N+1)j）的第二开关管（S ₂）门极的控制电平（S _B(N+1)j）；每个开关组的每个功率开关单元中第二开关管（S ₂）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（S ₁）门极的控制电平。