CN103762863B - N输入三相3n+3开关组mmc整流器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供N输入三相3N+3开关组MMC整流器及其控制方法。整流器包括N个三相输入交流电源、N个三相交流电感、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和整流负载；第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂均由N+1个开关组和2个电感串联而成；每个开关组均由n个功率开关单元串联而成；第k个三相交流电源的三端作为第k路输入，其中k的取值为1~N。该整流器采用载波移相PWM控制，N个输入交流电源变换成N路2n+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，适合多个三相交流电源输入、高压和大功率场合的应用。

Description

N输入三相3N+3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输入三相3N+3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。三相3N+3开关整流器相对于传统的6N开关整流器减少了3N-3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，3N+3开关整流器的N路三相输入均转换为两电平，输入交流波形比较差。此外，3N+3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3N+3个开关管的均压问题，这极大的限制了三相3N+3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（ModularMultilevelConverter，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条不同频率的三相交流线路的相连时，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输入三相3N+3开关组MMC整流器及其控制方法。

本发明采用的技术方案如下。

N输入三相3N+3开关组MMC整流器包括N个三相输入交流电源、N个三相交流电感、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和负载；所述第一桥臂由N+1个开关组和2个电感串联而成，所述第二桥臂由N+1个开关组和2个电感串联而成，所述第三桥臂由N+1个开关组和2个电感串联而成；第一桥臂的第i个开关组由n个功率开关单元串联而成，第二桥臂的第i个开关组由n个功率开关单元串联而成，第三桥臂的第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个三相输入交流电源的三端作为第k路输入，其中k的取值为1～N，N>2，n为正整数。

上述的N输入三相3N+3开关组MMC整流器中，第一桥臂的两个电感相互耦合，构成一对耦合电感；第二桥臂的两个电感相互耦合，构成一对耦合电感；第三桥臂的两个电感相互耦合，构成一对耦合电感。

上述的N输入三相3N+3开关组MMC整流器中，第一桥臂的第1个开关组的下端与第一桥臂的第一电感的一端连接，第一桥臂中2个电感的第一电感的另一端与第一桥臂的第2个开关组的上端连接；第一桥臂的第i个开关组的下端与第一桥臂的第i+1个开关组的上端的下端与第一桥臂的第二电感的一端连接，第一桥臂的第二电感的另一端与第一桥臂的第N+1个开关组的上端连接；第二桥臂的电路结构、第三桥臂的电路结构与第一桥臂的电路结构完全一致；第k个三相输入交流电源的u相电源的一端与第k个三相输入交流电源的v相电源的一端、第k个三相输入交流电源的w相电源的一端连接，第k个三相输入交流电源的u相电源的另一端与第k个三相交流电感的u相电感的一端连接，第k个三相交流电感的u相电感的另一端与第一桥臂的第k+1个开关组的上端；第k个三相输入交流电源的v相电源的另一端与第k个三相交流电感的v相电感的一端连接，第k个三相交流电感的v相电感的另一端与第二桥臂的第k+1个开关组的上端连接；第k个三相输入交流电源的w相电源的另一端与第k个三相交流电感的w相电感的一端连接，第k个三相交流电感的w相电感的另一端与第三桥臂的第k+1个开关组的上端连接，其中k的取值为1～N-1；第N个三相输入交流电源的u相电源的一端与第N个三相输入交流电源的v相电源的一端、第N个三相输入交流电源的w相电源的一端连接，第N个三相输入交流电源的u相电源的另一端与第N个三相交流电感的u相电感的一端连接，第N个三相交流电感的u相电感的另一端与第一桥臂的第N+1个开关组的下端；第N个三相输入交流电源的v相电源的另一端与第N个三相交流电感的v相电感的一端连接，第N个三相交流电感的v相电感的另一端与第二桥臂的第N+1个开关组的下端连接；第N个三相输入交流电源的w相电源的另一端与第N个三相交流电感的w相电感的一端连接，第N个三相交流电感的w相电感的另一端与第三桥臂的第N+1个开关组的下端连接；第一桥臂的第1个开关组的上端与第二桥臂的第1个开关组的上端、第三桥臂的第1个开关组的上端、负载的一端连接，负载的另一端与第一桥臂的第N+1个开关组的下端、第二桥臂的第N+1个开关组的下端、第三桥臂的第N+1个开关组的下端、地端连接。

上述的N输入三相3N+3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输入三相3N+3开关组MMC整流器中，第一桥臂的第i个开关组的第j个功率开关单元的第二输出端与第一桥臂的第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j取值为1～n-1，i取值为1～N+1；第二桥臂的第i个开关组的第j个功率开关单元的第二输出端与第二桥臂的第i个开关组的第j+1个功率开关单元的第一输出端连接；第三桥臂的第i个开关组的第j个功率开关单元的第二输出端与第三桥臂的第i个开关组的第j+1个功率开关单元的第一输出端连接。

上述的N输入三相3N+3开关组MMC整流器的控制方法中，采用载波移相PWM控制第一桥臂的每个开关组、第二桥臂的每个开关组和第三桥臂的每个开关组的每个开关管的开通与关断，其中i取值为1～N+1；第一桥臂的第i个开关组的第j个功率开关单元、第二桥臂的第i个开关组的第j个功率开关单元和第三桥臂的第i个开关组的第j个功率开关单元均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个三相输入交流电源的第一桥臂的端采用第一桥臂的第k个正弦波R_Suk叠加第k个直流偏置R_dok得到第一桥臂的第k个调制波R_Suk+R_dok，其中k的取值为1～N；第k个负载的第二桥臂的端采用第二桥臂的第k个正弦波R_Svk叠加第k个直流偏置R_dok得到第二桥臂的第k个调制波R_Svk+R_dok；第k个负载的第三桥臂的端采用第三桥臂的第k个正弦波R_Swk叠加第k个直流偏置R_dok得到第三桥臂的第k个调制波R_Swk+R_dok；第一桥臂的第k个正弦波R_Suk、第二桥臂的第k个正弦波R_Svk和第三桥臂的第k个正弦波R_Swk相位依次相差120^°。

上述控制方法中，第一桥臂的第k个调制波R_Suk+R_dok与第j个载波C_j通过第k个比较器，当第一桥臂的第k个调制波R_Suk+R_dok大于第j个载波C_j时，第k个比较器输出高电平，当第一桥臂的第k个调制波R_Suk+R_dok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第一桥臂的第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个异或门得到第一桥臂的第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个非门得到第一桥臂的第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；第二桥臂的第k个调制波R_Svk+R_dok与第j个载波C_j通过第N+k个比较器，当第二桥臂的第k个调制波R_Svk+R_dok大于第j个载波C_j时，第N+k个比较器输出高电平，当第二桥臂的第k个调制波R_Svk+R_dok小于第j个载波C_j时，第N+k个比较器输出低电平，其中k的取值为1～N；第N+1个比较器的输出作为第二桥臂的第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N+k-1个比较器的输出通过第N+k-1个非门，第N+k-1个非门的输出与第N+k个比较器的输出通过第N-1+k-1个异或门得到第二桥臂的第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2*N个比较器的输出通过第2*N个非门得到第二桥臂的第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；第三桥臂的第k个调制波R_Swk+R_dok与第j个载波C_j通过第2*N+k个比较器，当第三桥臂的第k个调制波R_Swk+R_dok大于第j个载波C_j时，第2*N+k个比较器输出高电平，当第三桥臂的第k个调制波R_Swk+R_dok小于第j个载波C_j时，第2*N+k个比较器输出低电平，其中k的取值为1～N；第2*N+1个比较器的输出作为第三桥臂的第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2*N+k-1个比较器的输出通过第2*N+k-1个非门，第2*N+k-1个非门的输出与第2*N+k个比较器的输出通过第2*(N-1)+k-1个异或门得到第三桥臂的第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3*N个比较器的输出通过第3*N个非门得到第三桥臂的第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。

N输入三相3N+3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路三相输入的频率相同，幅值不相同；异频工作模式中，N路三相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路三相输入交流电源均转换为N路线电压为2n+1电平的交流输入，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。与现有的三相3N+3开关整流器相比较，本发明所提供的N输入三相3N+3开关组MMC整流器的N路三相输入交流电源均转换为N路线电压为2n+1电平的交流输入，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输入三相3N+3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输入三相3N+3开关组MMC整流器具有N路三相交流输出，可直接用于N条不同频率的三相交流线路的相连，极大的降低了工程成本。

附图说明

图1是本发明的N输入三相3N+3开关组MMC整流器的电路结构图；

图2是图1所示的N输入三相3N+3开关组MMC整流器的开关功率单元的电路结构图；

图3是图1所示的N输入三相3N+3开关组MMC整流器的载波移相PWM控制结构图；

图4a、4b是三输入三相十二开关组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是三输入三相十二开关组九电平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输入三相3N+3开关组MMC整流器，包括N个三相输入交流电源（u_u1、u_v1、u_w1，u_u2、u_v2、u_w2，…，u_uN、u_vN、u_wN）、N个三相交流电感（L_u1、L_v1、L_w1，L_u2、L_v2、L_w2，…，L_uN、L_vN、L_wN）、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和负载R；所述第一桥臂由N+1个开关组（B_u1、B_u2、…、B_u(N+1)）和2个电感（L_u1、L_u2）串联而成，所述第二桥臂由N+1个开关组（B_v1、B_v2、…、B_v(N+1)）和2个电感（L_v1、L_v2）串联而成，所述第三桥臂由N+1个开关组（B_w1、B_w2、…、B_w(N+1)）和2个电感（L_w1、L_w2）串联而成；第一桥臂的第i个开关组B_ui由n个功率开关单元（SM_Bui1、SM_Bui2、…、SM_Buin）串联而成，第二桥臂的第i个开关组B_vi由n个功率开关单元（SM_Bvi1、SM_Bvi2、…、SM_Bvin）串联而成，第三桥臂的第i个开关组B_wi由n个功率开关单元（SM_Bwi1、SM_Bwi2、…、SM_Bwin）串联而成，其中i的取值为1～N+1；第k个三相输入交流电源的三端作为第k路输入，其中k的取值为1～N，N>2。

第一桥臂的第1个开关组B_u1的下端p与第一桥臂的第一电感L_u1的一端连接，第一桥臂的第一电感L_u1的另一端与第一桥臂的第2个开关组B_u2的上端o连接；第一桥臂的第i个开关组B_ui的下端与第一桥臂的第i+1个开关组B_u(i+1)的上端连接，其中i的取值为2～N-1；第一桥臂的第N个开关组B_uN的下端与第一桥臂的第二电感L_u2的一端连接，第一桥臂的第二电感L_u2的另一端与第一桥臂的第N+1个开关组B_u(N+1)的上端连接；第二桥臂的电路结构、第三桥臂的电路结构与第一桥臂的电路结构完全一致；第k个三相输入交流电源的u相电源u_uk的一端与第k个三相输入交流电源的v相电源u_vk的一端、第k个三相输入交流电源的w相电源u_wk的一端连接，第k个三相输入交流电源的u相电源u_uk的另一端与第k个三相交流电感的u相电感L_uk的一端连接，第k个三相交流电感的u相电感L_uk的另一端与第一桥臂的第k+1个开关组B_u(k+1)的上端；第k个三相输入交流电源的v相电源u_vk的另一端与第k个三相交流电感的v相电感L_vk的一端连接，第k个三相交流电感的v相电感L_vk的另一端与第二桥臂的第k+1个开关组B_v(k+1)的上端连接；第k个三相输入交流电源的w相电源u_wk的另一端与第k个三相交流电感的w相电感L_wk的一端连接，第k个三相交流电感的w相电感L_wk的另一端与第三桥臂的第k+1个开关组B_w(k+1)的上端连接，其中k的取值为1～N-1；第N个三相输入交流电源的u相电源u_uN的一端与第N个三相输入交流电源的v相电源u_vN的一端、第N个三相输入交流电源的w相电源u_wN的一端连接，第N个三相输入交流电源的u相电源u_uN的另一端与第N个三相交流电感的u相电感L_uN的一端连接，第N个三相交流电感的u相电感L_uN的另一端与第一桥臂的第N+1个开关组B_u(N+1)的下端；第N个三相输入交流电源的v相电源u_vN的另一端与第N个三相交流电感的v相电感L_vN的一端连接，第N个三相交流电感的v相电感L_vN的另一端与第二桥臂的第N+1个开关组B_v(N+1)的下端连接；第N个三相输入交流电源的w相电源u_wN的另一端与第N个三相交流电感的w相电感L_wN的一端连接，第N个三相交流电感的w相电感L_wN的另一端与第三桥臂的第N+1个开关组B_w(N+1)的下端连接；第一桥臂的第1个开关组B_u1的上端与第二桥臂的第1个开关组B_v1的上端、第三桥臂的第1个开关组B_w1的上端、负载R的一端连接，负载R的另一端与第一桥臂的第N+1个开关组B_u(N+1)的下端、第二桥臂的第N+1个开关组B_v(N+1)的下端、第三桥臂的第N+1个开关组B_w(N+1)的下端、地端G连接。

图2示出图1所示的N输入三相3N+3开关组MMC整流器的开关功率单元的电路结构图。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，第一桥臂的第i个开关组B_ui的第j个功率开关单元SM_Buij的第二输出端与第一桥臂的第i个开关组B_ui的第j+1个功率开关单元SM_Bui(j+1)的第一输出端连接，其中j取值为1～n-1，i取值为1～N+1；第二桥臂的第i个开关组B_vi的第j个功率开关单元SM_Bvij的第二输出端与第二桥臂的第i个开关组B_vi的第j+1个功率开关单元SM_Bvi(j+1)的第一输出端连接；第三桥臂的第i个开关组B_vi的第j个功率开关单元SM_Bvij的第二输出端与第三桥臂的第i个开关组B_vi的第j+1个功率开关单元SM_Bvi(j+1)的第一输出端连接。

令第k个三相输入交流电源的u相电压源为第k个三相输入交流电源的v相电压源为第k个三相输入交流电源的w相电压源为则：

公式中，U_o为输出电压。

图1所示的N输入三相3N+3开关组MMC整流器采用载波移相PWM控制，如图2所示。

采用载波移相PWM控制第一桥臂的每个开关组B_ui、第二桥臂的每个开关组B_vi和第三桥臂的每个开关组B_wi的每个开关管的开通与关断，其中i取值为1～N+1；第一桥臂的第i个开关组B_ui的第j个功率开关单元SM_Buij、第二桥臂的第i个开关组B_vi的第j个功率开关单元SM_Bvij和第三桥臂的第i个开关组B_wi的第j个功率开关单元SM_Bwij均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个三相输入交流电源的第一桥臂的端a_uk采用第一桥臂的第k个正弦波R_Suk叠加第k个直流偏置R_dok得到第一桥臂的第k个调制波R_Suk+R_dok，其中k的取值为1～N；第k个负载的第二桥臂的端a_vk采用第二桥臂的第k个正弦波R_Svk叠加第k个直流偏置R_dok得到第二桥臂的第k个调制波R_Svk+R_dok；第k个负载的第三桥臂的端a_wk采用第三桥臂的第k个正弦波R_Swk叠加第k个直流偏置R_dok得到第三桥臂的第k个调制波R_Swk+R_dok；第一桥臂的第k个正弦波R_Suk、第二桥臂的第k个正弦波R_Svk和第三桥臂的第k个正弦波R_Swk相位依次相差120°。

第一桥臂的第k个调制波R_Suk+R_dok与第j个载波C_j通过第k个比较器，当第一桥臂的第k个调制波R_Suk+R_dok大于第j个载波C_j时，第k个比较器输出高电平，当第一桥臂的第k个调制波R_Suk+R_dok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第一桥臂的第1个开关组B_u1的第j个功率开关单元SM_Bu1j的第二开关管S₂门极的控制电平S_Bu1j；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个异或门得到第一桥臂的第k个开关组B_uk的第j个功率开关单元SM_Bukj的第二开关管S₂门极的控制电平S_Bukj，其中k的取值为2～N；第N个比较器的输出通过第N个非门得到第一桥臂的第N+1个开关组B_u(N+1)的第j个功率开关单元SM_Bu(N+1)j的第二开关管S₂门极的控制电平S_Bu(N+1)j；第二桥臂的第k个调制波R_Svk+R_dok与第j个载波C_j通过第N+k个比较器，当第二桥臂的第k个调制波R_Svk+R_dok大于第j个载波C_j时，第N+k个比较器输出高电平，当第二桥臂的第k个调制波R_Svk+R_dok小于第j个载波C_j时，第N+k个比较器输出低电平，其中k的取值为1～N；第N+1个比较器的输出作为第二桥臂的第1个开关组B_v1的第j个功率开关单元SM_Bv1j的第二开关管S₂门极的控制电平S_Bv1j；第N+k-1个比较器的输出通过第N+k-1个非门，第N+k-1个非门的输出与第N+k个比较器的输出通过第N-1+k-1个异或门得到第二桥臂的第k个开关组B_vk的第j个功率开关单元SM_Bvkj的第二开关管S₂门极的控制电平S_Bvkj，其中k的取值为2～N；第2*N个比较器的输出通过第2*N个非门得到第二桥臂的第N+1个开关组B_v(N+1)的第j个功率开关单元SM_Bv(N+1)j的第二开关管S₂门极的控制电平S_Bv(N+1)j；第三桥臂的第k个调制波R_Swk+R_dok与第j个载波C_j通过第2*N+k个比较器，当第三桥臂的第k个调制波R_Swk+R_dok大于第j个载波C_j时，第2*N+k个比较器输出高电平，当第三桥臂的第k个调制波R_Swk+R_dok小于第j个载波C_j时，第2*N+k个比较器输出低电平，其中k的取值为1～N；第2*N+1个比较器的输出作为第三桥臂的第1个开关组B_w1的第j个功率开关单元SM_Bw1j的第二开关管S₂门极的控制电平S_Bw1j；第2*N+k-1个比较器的输出通过第2*N+k-1个非门，第2*N+k-1个非门的输出与第2*N+k个比较器的输出通过第2*(N-1)+k-1个异或门得到第三桥臂的第k个开关组B_wk的第j个功率开关单元SM_Bwkj的第二开关管S₂门极的控制电平S_Bwkj，其中k的取值为2～N；第3*N个比较器的输出通过第3*N个非门得到第三桥臂的第N+1个开关组B_w(N+1)的第j个功率开关单元SM_Bw(N+1)j的第二开关管S₂门极的控制电平S_Bw(N+1)j。

所述控制方法可以保证所述整流器的每个桥臂在每一时刻有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 $\underset{i=1}{\overset{N+1}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{\mathrm{Bui}}=U_o,\underset{i=1}{\overset{N+1}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{\mathrm{Bvi}}=U_o$ 和 $\underset{i=1}{\overset{N+1}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{\mathrm{Bwi}}=U_o,$ 其中u_Bui为第一桥臂的第i个开关组的输出电压，u_Bvi为第二桥臂的第i个开关组的输出电压，u_Bwi为第三桥臂的第i个开关组的输出电压，E为每个功率开关单元中电容C_SM上的电压，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。

以三输入三相十二开关组MMC逆变器为例，图4a示出其工作于同频工作模式下第一桥臂的第1个调制波R_Su1+R_do1、第一桥臂的第2个调制波R_Su2+R_do1、第一桥臂的第3个调制波R_Su3+R_do1与第j个载波C_j的关系。从图4a可以看出，第一桥臂的第1个正弦波R_Su1、第一桥臂的第2个正弦波R_Su2和第一桥臂的第3个正弦波R_Su3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一桥臂的第1个调制波R_Su1+R_do1、第一桥臂的第2个调制波R_Su2+R_do1、第一桥臂的第3个调制波R_Su3+R_do1与第j个载波C_j的关系。从图4b可以看出，第一桥臂的第1个正弦波R_Su1、第一桥臂的第2个正弦波R_Su2和第一桥臂的第3个正弦波R_Su3的频率和幅值均不相同。第二桥臂的第1个调制波R_Sv1+R_do1、第二桥臂的第2个调制波R_Sv2+R_do1、第二桥臂的第3个调制波R_Sv3+R_do1与第j个载波C_j的关系和第一桥臂的第1个调制波R_Su1+R_do1、第一桥臂的第2个调制波R_Su2+R_do1、第一桥臂的第3个调制波R_Su3+R_do1与第j个载波C_j的关系完全相同；第三桥臂的第1个调制波R_Sw1+R_do1、第三桥臂的第2个调制波R_Sw2+R_do1、第三桥臂的第3个调制波R_Sw3+R_do1与第j个载波C_j的关系和第一桥臂的的第1个调制波R_Su1+R_do1、第一桥臂的第2个调制波R_Su2+R_do1、第一桥臂的第3个调制波R_Su3+R_do1与第j个载波C_j的关系完全相同。

图5a为三输入三相十二开关组九电平MMC整流器（N=3，n=4）工作于同频工作模式的仿真波形图，依次是第1个三相输入交流电源的3个相电压（u_u1、u_v1、u_w1）、第1个三相输入交流电源提供的3个线电压（u_uv1、u_vw1、u_wu1）、第2个三相输入交流电源的3个相电压（u_u2、u_v2、u_w2）、第2个三相输入交流电源提供的3个线电压（u_uv2、u_vw2、u_wu2）、第3个三相输入交流电源的3个相电压（u_u3、u_v3、u_w3）、第3个三相输入交流电源提供的3个线电压（u_uv3、u_vw3、u_wu3）、输出电压U_o，从图5a可见第1个三相输入交流电源的3个相电压（u_u1、u_v1、u_w1）、第2个三相输入交流电源的3个相电压（u_u2、u_v2、u_w2）和第3个三相输入交流电源的3个相电压（u_u3、u_v3、u_w3）的频率相同，幅值不相同；图5b为三输入三相十二开关组九电平MMC整流器工作于异频工作模式的仿真波形图，依次是第1个三相输入交流电源的3个相电压（u_u1、u_v1、u_w1）、第1个三相输入交流电源提供的3个线电压（u_uv1、u_vw1、u_wu1）、第2个三相输入交流电源的3个相电压（u_u2、u_v2、u_w2）、第2个三相输入交流电源提供的3个线电压（u_uv2、u_vw2、u_wu2）、第3个三相输入交流电源的3个相电压（u_u3、u_v3、u_w3）、第3个三相输入交流电源提供的3个线电压（u_uv3、u_vw3、u_wu3）、输出电压U_o，从图5a可见第1个三相输入交流电源的3个相电压（u_u1、u_v1、u_w1）、第2个三相输入交流电源的3个相电压（u_u2、u_v2、u_w2）和第3个三相输入交流电源的3个相电压（u_u3、u_v3、u_w3）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 (8)

1.N输入三相3N+3开关组MMC整流器，其特征在于：包括N个三相输入交流电源（u_u1、u_v1、u_w1，u_u2、u_v2、u_w2，…，u_uN、u_vN、u_wN）、N个三相交流电感（L_u1、L_v1、L_w1，L_u2、L_v2、L_w2，…，L_uN、L_vN、L_wN）、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和负载（R）；所述第一桥臂由N+1个开关组（B_u1、B_u2、…、B_u(N+1)）和2个电感（L_u1、L_u2）串联而成，所述第二桥臂由N+1个开关组（B_v1、B_v2、…、B_v(N+1)）和2个电感（L_v1、L_v2）串联而成，所述第三桥臂由N+1个开关组（B_w1、B_w2、…、B_w(N+1)）和2个电感（L_w1、L_w2）串联而成；第一桥臂的第i个开关组（B_ui）由n个功率开关单元（SM_Bui1、SM_Bui2、…、SM_Buin）串联而成，第二桥臂的第i个开关组（B_vi）由n个功率开关单元（SM_Bvi1、SM_Bvi2、…、SM_Bvin）串联而成，第三桥臂的第i个开关组（B_wi）由n个功率开关单元（SM_Bwi1、SM_Bwi2、…、SM_Bwin）串联而成，其中i的取值为1~N+1；第k个三相输入交流电源的三端作为第k路输入，其中k的取值为1~N，N>2，n为正整数；第一桥臂的第1个开关组（B_u1）的下端（p）与第一桥臂中2个电感的第一电感（L_u1）的一端连接，第一桥臂的第一电感（L_u1）的另一端与第一桥臂的第2个开关组（B_u2）的上端（o）连接；第一桥臂的第i个开关组（B_ui）的下端与第一桥臂的第i+1个开关组（B_u(i+1)）的上端连接，其中i的取值为2~N-1；第一桥臂的第N个开关组（B_uN）的下端与第一桥臂的第二电感（L_u2）的一端连接，第一桥臂的第二电感（L_u2）的另一端与第一桥臂的第N+1个开关组（B_u(N+1)）的上端连接；第二桥臂的电路结构、第三桥臂的电路结构与第一桥臂的电路结构完全一致；第k个三相输入交流电源的u相电源（u_uk）的一端与第k个三相输入交流电源的v相电源（u_vk）的一端、第k个三相输入交流电源的w相电源（u_wk）的一端连接，第k个三相输入交流电源的u相电源（u_uk）的另一端与第k个三相交流电感的u相电感（L_uk）的一端连接，第k个三相交流电感的u相电感（L_uk）的另一端与第一桥臂的第k+1个开关组（B_u(k+1)）的上端连接；第k个三相输入交流电源的v相电源（u_vk）的另一端与第k个三相交流电感的v相电感（L_vk）的一端连接，第k个三相交流电感的v相电感（L_vk）的另一端与第二桥臂的第k+1个开关组（B_v(k+1)）的上端连接；第k个三相输入交流电源的w相电源（u_wk）的另一端与第k个三相交流电感的w相电感（L_wk）的一端连接，第k个三相交流电感的w相电感（L_wk）的另一端与第三桥臂的第k+1个开关组（B_w(k+1)）的上端连接，其中k的取值为1~N-1；第N个三相输入交流电源的u相电源（u_uN）的一端与第N个三相输入交流电源的v相电源（u_vN）的一端、第N个三相输入交流电源的w相电源（u_wN）的一端连接，第N个三相输入交流电源的u相电源（u_uN）的另一端与第N个三相交流电感的u相电感（L_uN）的一端连接，第N个三相交流电感的u相电感（L_uN）的另一端与第一桥臂的第N个开关组（B_u(N)）的下端连接；第N个三相输入交流电源的v相电源（u_vN）的另一端与第N个三相交流电感的v相电感（L_vN）的一端连接，第N个三相交流电感的v相电感（L_vN）的另一端与第二桥臂的第N个开关组（B_v(N)）的下端连接；第N个三相输入交流电源的w相电源（u_wN）的另一端与第N个三相交流电感的w相电感（L_wN）的一端连接，第N个三相交流电感的w相电感（L_wN）的另一端与第三桥臂的第N个开关组（B_w(N)）的下端连接；第一桥臂的第1个开关组（B_u1）的上端与第二桥臂的第1个开关组（B_v1）的上端、第三桥臂的第1个开关组（B_w1）的上端、负载（R）的一端连接，负载（R）的另一端与第一桥臂的第N+1个开关组（B_u(N+1)）的下端、第二桥臂的第N+1个开关组（B_v(N+1)）的下端、第三桥臂的第N+1个开关组（B_w(N+1)）的下端、地端（G）连接。

2.根据权利要求1所述的N输入三相3N+3开关组MMC整流器，其特征在于：第一桥臂的两个电感（L_u1、L_u2）相互耦合，构成一对耦合电感；第二桥臂的两个电感（L_v1、L_v2）相互耦合，构成一对耦合电感；第三桥臂的两个电感（L_w1、L_w2）相互耦合，构成一对耦合电感。

3.根据权利要求1所述的N输入三相3N+3开关组MMC整流器，其特征在于：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。

4.根据权利要求1所述的N输入三相3N+3开关组MMC整流器，其特征在于：第一桥臂的第i个开关组（B_ui）的第j个功率开关单元（SM_Buij）的第二输出端与第一桥臂的第i个开关组（B_ui）的第j+1个功率开关单元（SM_Bui(j+1)）的第一输出端连接，其中j取值为1~n-1，i取值为1~N+1；第二桥臂的第i个开关组（B_vi）的第j个功率开关单元（SM_Bvij）的第二输出端与第二桥臂的第i个开关组（B_vi）的第j+1个功率开关单元（SM_Bvi(j+1)）的第一输出端连接；第三桥臂的第i个开关组（B_vi）的第j个功率开关单元（SM_Bvij）的第二输出端与第三桥臂的第i个开关组（B_vi）的第j+1个功率开关单元（SM_Bvi(j+1)）的第一输出端连接。

5.根据权利要求1所述的N输入三相3N+3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路三相输入的频率相同，幅值不相同；异频工作模式中，N路三相输入的频率和幅值均不同。

6.用于权利要求1、2、4或5所述的N输入三相3N+3开关组MMC整流器的控制方法，其特征在于：采用载波移相PWM控制第一桥臂的第i个开关组（B_ui）、第二桥臂的第i个开关组（B_vi）和第三桥臂的第i个开关组（B_wi）的每个开关管的开通与关断，其中i取值为1~N+1；第一桥臂的第i个开关组（B_ui）的第j个功率开关单元（SM_Buij）、第二桥臂的第i个开关组（B_vi）的第j个功率开关单元（SM_Bvij）和第三桥臂的第i个开关组（B_wi）的第j个功率开关单元（SM_Bwij）均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个三相输入交流电源的第一桥臂的端（a_uk）采用第一桥臂的第k个正弦波R_Suk叠加第k个直流偏置R_dok得到第一桥臂的第k个调制波R_Suk+R_dok，其中k的取值为1~N；第k个三相输入交流电源的第二桥臂的端（a_vk）采用第二桥臂的第k个正弦波R_Svk叠加第k个直流偏置R_dok得到第二桥臂的第k个调制波R_Svk+R_dok；第k个三相输入交流电源的第三桥臂的端（a_wk）采用第三桥臂的第k个正弦波R_Swk叠加第k个直流偏置R_dok得到第三桥臂的第k个调制波R_Swk+R_dok；第一桥臂的第k个正弦波R_Suk、第二桥臂的第k个正弦波R_Svk和第三桥臂的第k个正弦波R_Swk相位依次相差120°。

7.用于权利要求3所述的N输入三相3N+3开关组MMC整流器的控制方法，其特征在于：采用载波移相PWM控制第一桥臂的第i个开关组（B_ui）、第二桥臂的第i个开关组（B_vi）和第三桥臂的第i个开关组（B_wi）的每个开关管的开通与关断，其中i取值为1~N+1；第一桥臂的第i个开关组（B_ui）的第j个功率开关单元（SM_Buij）、第二桥臂的第i个开关组（B_vi）的第j个功率开关单元（SM_Bvij）和第三桥臂的第i个开关组（B_wi）的第j个功率开关单元（SM_Bwij）均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个三相输入交流电源的第一桥臂的端（a_uk）采用第一桥臂的第k个正弦波R_Suk叠加第k个直流偏置R_dok得到第一桥臂的第k个调制波R_Suk+R_dok，其中k的取值为1~N；第k个三相输入交流电源的第二桥臂的端（a_vk）采用第二桥臂的第k个正弦波R_Svk叠加第k个直流偏置R_dok得到第二桥臂的第k个调制波R_Svk+R_dok；第k个三相输入交流电源的第三桥臂的端（a_wk）采用第三桥臂的第k个正弦波R_Swk叠加第k个直流偏置R_dok得到第三桥臂的第k个调制波R_Swk+R_dok；第一桥臂的第k个正弦波R_Suk、第二桥臂的第k个正弦波R_Svk和第三桥臂的第k个正弦波R_Swk相位依次相差120°。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：第一桥臂的第k个调制波R_Suk+R_dok与第j个载波C_j通过第k个比较器，当第一桥臂的第k个调制波R_Suk+R_dok大于第j个载波C_j时，第k个比较器输出高电平，当第一桥臂的第k个调制波R_Suk+R_dok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第一桥臂的第1个开关组（B_u1）的第j个功率开关单元（SM_Bu1j）的第二开关管（S₂）门极的控制电平（S_Bu1j）；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个异或门得到第一桥臂的第k个开关组（B_uk）的第j个功率开关单元（SM_Bukj）的第二开关管（S₂）门极的控制电平（S_Bukj），其中k的取值为2~N；第N个比较器的输出通过第N个非门得到第一桥臂的第N+1个开关组（B_u(N+1)）的第j个功率开关单元（SM_Bu(N+1)j）的第二开关管（S₂）门极的控制电平（S_Bu(N+1)j）；第二桥臂的第k个调制波R_Svk+R_dok与第j个载波C_j通过第N+k个比较器，当第二桥臂的第k个调制波R_Svk+R_dok大于第j个载波C_j时，第N+k个比较器输出高电平，当第二桥臂的第k个调制波R_Svk+R_dok小于第j个载波C_j时，第N+k个比较器输出低电平，其中k的取值为1~N；第N+1个比较器的输出作为第二桥臂的第1个开关组（B_v1）的第j个功率开关单元（SM_Bv1j）的第二开关管（S₂）门极的控制电平（S_Bv1j）；第N+k-1个比较器的输出通过第N+k-1个非门，第N+k-1个非门的输出与第N+k个比较器的输出通过第N+k-1个异或门得到第二桥臂的第k个开关组（B_vk）的第j个功率开关单元（SM_Bvkj）的第二开关管（S₂）门极的控制电平（S_Bvkj），其中k的取值为2~N；第2*N个比较器的输出通过第2*N个非门得到第二桥臂的第N+1个开关组（B_v(N+1)）的第j个功率开关单元（SM_Bv(N+1)j）的第二开关管（S₂）门极的控制电平（S_Bv(N+1)j）；第三桥臂的第k个调制波R_Swk+R_dok与第j个载波C_j通过第2*N+k个比较器，当第三桥臂的第k个调制波R_Swk+R_dok大于第j个载波C_j时，第2*N+k个比较器输出高电平，当第三桥臂的第k个调制波R_Swk+R_dok小于第j个载波C_j时，第2*N+k个比较器输出低电平，其中k的取值为1~N；第2*N+1个比较器的输出作为第三桥臂的第1个开关组（B_w1）的第j个功率开关单元（SM_Bw1j）的第二开关管（S₂）门极的控制电平（S_Bw1j）；第2*N+k-1个比较器的输出通过第2*N+k-1个非门，第2*N+k-1个非门的输出与第2*N+k个比较器的输出通过第2*N+k-1个异或门得到第三桥臂的第k个开关组（B_wk）的第j个功率开关单元（SM_Bwkj）的第二开关管（S₂）门极的控制电平（S_Bwkj），其中k的取值为2~N；第3*N个比较器的输出通过第3*N个非门得到第三桥臂的第N+1个开关组（B_w(N+1)）的第j个功率开关单元（SM_Bw(N+1)j）的第二开关管（S₂）门极的控制电平（S_Bw(N+1)j）。