CN104038076B

CN104038076B - 三相九开关组mmc ac-ac变换器及其控制方法

Info

Publication number: CN104038076B
Application number: CN201410119191.3A
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: 2014-03-27
Filing date: 2014-03-27
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2034-03-27
Also published as: CN104038076A

Abstract

本发明提供三相九开关组MMC AC‑AC变换器及其控制方法。本发明的变换器包括三相交流输入电源、交流输入电感组、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第一电容和三相负载；所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂均各自由上开关组、第一电感、中开关组、第二电感、下开关组串联而成；每个开关组均由N个功率开关单元串联而成。该变换器采用载波移相PWM控制，三相交流输入电源变换成线电压为2N+1电平的交流输入，经AC‑AC变换成线电压为2N+1电平的交流输出给负载供电，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，很好的解决了开关管的均压问题，适合高压和大功率场合的应用。

Description

三相九开关组MMC AC-AC变换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及模块组合多电平变换器（MMC）领域，具体涉及一种三相九开关组MMCAC-AC变换器及其控制方法。

背景技术

目前功率变换器正向小型化、高可靠性和低损耗方向发展，在这种趋势下出现两种改进变换器的方向：减少无源器件或者改进变换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。三相九开关AC-AC变换器相对于传统的十二开关AC-AC变换器减少了三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，九开关AC-AC变换器的输出和输入均为三电平，输入与输出交流电流波形比较差。此外，九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，且存在开关管的均压问题，这极大的限制了三相九开关AC-AC变换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变换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变换器的优点，模块组合多电平变换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，模块组合多电平变换器尤其适用于高压直流输电系统应用。然而，当两条不同频率的交流线路的相连时，需要2个MMC变换器，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，提出一种三相九开关组MMC AC-AC变换器及其控制方法。

本发明采用的技术方案是：三相九开关组MMC AC-AC变换器包括三相交流输入电源、交流输入电感组、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第一电容和三相负载；三相交流输入电源包括u相电源、v相电源和w相电源；交流输入电感组包括u相电感、v相电感和w相电感；所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂均各自由上开关组、第一电感、中开关组、第二电感、下开关组串联而成；第一桥臂的上开关组由N个功率开关单元串联而成，第一桥臂的中开关组由N个功率开关单元串联而成，第一桥臂的下开关组由N个功率开关单元串联，第二桥臂的上开关组由N个功率开关单元串联而成，第二桥臂的中开关组由N个功率开关单元串联而成，第二桥臂的下开关组由N个功率开关单元串联而成，第三桥臂的上开关组由N个功率开关单元串联而成，第三桥臂的中开关组由N个功率开关单元串联而成，第三桥臂的下开关组由N个功率开关单元串联而成；三相负载的三端分别与第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的中开关组的下端连接，N为正整数。

第一桥臂的两个电感、第二桥臂的两个电感和第三桥臂的两个电感均由耦合电感替代。

第一桥臂的上开关组的下端与第一桥臂的第一电感的一端连接，第一桥臂的第一电感的另一端与第一桥臂的中开关组的上端连接，第一桥臂的中开关组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下开关组的上端连接；第二桥臂的结构、第三桥臂的结构与第一桥臂的结构完全一致；u相电源的一端与u相电感的一端连接，u相电感的另一端与第一桥臂的中开关组的上端连接，u相电源的另一端与v相电源的一端、w相电源的一端连接，v相电源的另一端与v相电感的一端连接，v相电感的另一端与第二桥臂的中开关组的上端连接，w相电源的另一端与w相电感的一端连接，w相电感的另一端与第三桥臂的中开关组的上端连接；三相负载的三端分别与第一桥臂的中开关组的下端、第二桥臂的中开关组的下端、第三桥臂的中开关组的下端连接；第一桥臂的上开关组的上端与第二桥臂的上开关组的上端、第三桥臂的上开关组的上端、第一电容的正极连接，第一电容的负极与第一桥臂的下开关组的下端、第二桥臂的下开关组的下端、第三桥臂的下开关组的下端、地端连接。

功率开关单元包括第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管和第二电容；其中，第二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、第二电容的负极连接；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。

每个开关组的第j个功率开关单元的第二输出端与第j+1个功率开关单元的第一输出端连接，其中j的取值为1～N-1。

上述变换器的控制方法是，采用载波移相PWM控制每个开关组的开关管的开通与关断；第一桥臂的上开关组的第j个功率开关单元、第一桥臂的下开关组的第j个功率开关单元、第二桥臂的上开关组的第j个功率开关单元、第二桥臂的下开关组的第j个功率开关单元、第三桥臂的上开关组的第j个功率开关单元和第三桥臂的下开关组的第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；第一桥臂的上开关组采用第一正弦波R_iu叠加第一直流偏置R_doi作为第一桥臂的第一调制波R_iu+R_doi，第一桥臂的下开关组采用第二正弦波R_ou叠加第二直流偏置R_doo作为第一桥臂的第二调制波R_ou+R_doo，第二桥臂的上开关组采用第三正弦波R_iv叠加第一直流偏置R_doi作为第二桥臂的第一调制波R_iv+R_doi，第二桥臂的下开关组采用第四正弦波R_ov叠加第二直流偏置R_doo作为第二桥臂的第二调制波R_ov+R_doo，第三桥臂的上开关组采用第五正弦波R_iw叠加第一直流偏置R_doi作为第三桥臂的第一调制波R_iw+R_doi，第三桥臂的下开关组采用第六正弦波R_ow叠加第二直流偏置R_doo作为第三桥臂的第二调制波R_ow+R_doo。

第一桥臂的第一调制波R_iu+R_doi与第j个载波C_j通过第一比较器得到第一桥臂的上开关组的第j个功率开关单元的第二开关管门极的控制电平，当第一桥臂的第一调制波R_iu+R_doi大于第j个载波C_j时，第一比较器输出高电平，当第一桥臂的第一调制波R_iu+R_doi小于第j个载波C_j时，第一比较器输出低电平，其中j的取值为1～N；第一桥臂的第二调制波R_ou+R_doo与第j个载波C_j通过第二比较器得到第一桥臂的下开关组的第j个功率开关单元中第二开关管门极的控制电平，当第一桥臂的第二调制波R_ou+R_doo小于第j个载波C_j时，第二比较器输出高电平，当第一桥臂的第二调制波R_ou+R_doo大于第j个载波C_j时，第二比较器输出低电平；第一桥臂的上开关组的第j个功率开关单元的第二开关管门极的控制电平和第一桥臂的下开关组的第j个功率开关单元中第二开关管门极的控制电平通过第一异或门，得到第一桥臂的中开关组的第j个功率开关单元中第二开关管门极的控制电平；第二桥臂的第一调制波R_iv+R_doi与第j个载波C_j通过第三比较器得到第二桥臂的上开关组的第j个功率开关单元中第二开关管门极的控制电平，当第二桥臂的第一调制波R_iv+R_doi大于第j个载波C_j时，第三比较器输出高电平，当第二桥臂的第一调制波R_iv+R_doi小于第j个载波C_j时，第三比较器输出低电平；第二桥臂的第二调制波R_ov+R_doo与第j个载波C_j通过第四比较器得到第二桥臂的下开关组的第j个功率开关单元中第二开关管门极的控制电平，当第二桥臂的第二调制波R_ov+R_doo小于第j个载波C_j，第四比较器输出高电平，当第二桥臂的第二调制波R_ov+R_doo大于第j个载波C_j，第四比较器输出低电平；第二桥臂的上开关组的第j个功率开关单元中第二开关管门极的控制电平和第二桥臂的下开关组的第j个功率开关单元中第二开关管门极的控制电平通过第二异或门，得到第二个桥臂的中开关组的第j个功率开关单元中第二开关管门极的控制电平；第三桥臂的第一调制波R_iw+R_doi与第j个载波C_j通过第五比较器得到第三桥臂的上开关组的第j个功率开关单元中第二开关管门极的控制电平，当第三桥臂的第一调制波R_iw+R_doi大于第j个载波C_j，第五比较器输出高电平，当第三桥臂的第一调制波R_iw+R_doi小于第j个载波C_j，第五比较器输出低电平；第三桥臂的第二调制波R_ow+R_doo与第j个载波C_j通过第六比较器得到第三桥臂的下开关组的第j个功率开关单元中第二开关管门极的控制电平，当第三桥臂的第二调制波R_ow+R_doo小于第j个载波C_j，第六比较器输出高电平，当第三桥臂的第二调制波R_ow+R_doo大于第j个载波C_j，第六比较器输出低电平；第三桥臂的上开关组的第j个功率开关单元中第二开关管门极的控制电平和第三桥臂的下开关组的第j个功率开关单元中第二开关管门极的控制电平通过第三异或门，得到第三桥臂的中开关组的第j个功率开关单元中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。

三相九开关组MMC AC-AC变换器的工作模式包括同频模式和异频模式，同频模式中，三相交流输入电源和三相交流输出的频率相同，幅值不相同；异频模式中，三相交流输入电源和三相交流输出的频率和幅值均不相同。

与现有技术相比，本发明具有的优势为：三相交流输入电源转换为线电压为2N+1电平的三相交流输入，经AC-AC变换成线电压为2N+1电平的三相交流输出给负载供电，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，同时能保证变换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。与现有的三相九开关AC-AC变换器相比较，本发明所提供的三相九开关组MMC AC-AC变换器的三相交流输入与输出的线电压均为2N+1电平。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变换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，这将非常有利于三相九开关组MMC AC-AC变换器在高压和大功率场合的应用。与现有的MMC变换器相比较，本发明所提供的三相九开关组MMC AC-AC变换器仅需要9个开关组即可实现两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是本发明的三相九开关组MMC AC-AC变换器的电路结构图；

图2是图1所示的三相九开关组MMC AC-AC变换器的功率开关单元的电路结构图；

图3是图1所示的三相九开关组MMC AC-AC变换器的载波移相PWM控制结构图；

图4a、4b是图1所示的三相九开关组MMC AC-AC变换器分别工作于CF模式和DF模式下的调制波；

图5a、5b是三相九开关组九电平MMC AC-AC变换器工作于同频模式和异频模式下的仿真波形图。

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，本发明的三相九开关组MMC AC-AC变换器，包括三相交流输入电源、交流输入电感组、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第一电容C₁和三相负载；三相交流输入电源包括u相电源u_ui、v相电源u_vi和w相电源u_wi；交流输入电感组包括u相电感L_ui、v相电感L_vi和w相电感L_wi；所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂均各自由上开关组、第一电感、中开关组、第二电感、下开关组串联而成；第一桥臂的上开关组H_u由N个功率开关单元（SM_Hu1、SM_Hu2、…、SM_HuN）串联而成，第一桥臂的中开关组M_u由N个功率开关单元（SM_Mu1、SM_Mu2、…、SM_MuN）串联而成，第一桥臂的下开关组L_u由N个功率开关单元（SM_Lu1、SM_Lu2、…、SM_LuN）串联，第二桥臂的上开关组H_v由N个功率开关单元（SM_Hv1、SM_Hv2、…、SM_HvN）串联而成，第二桥臂的中开关组M_v由N个功率开关单元（SM_Mv1、SM_Mv2、…、SM_MvN）串联而成，第二桥臂的下开关组L_v由N个功率开关单元（SM_Lv1、SM_Lv2、…、SM_LvN）串联而成，第三桥臂的上开关组H_w由N个功率开关单元（SM_Hw1、SM_Hw2、…、SM_HwN）串联而成，第三桥臂的中开关组M_w由N个功率开关单元（SM_Mw1、SM_Mw2、…、SM_MwN）串联而成，第三桥臂的下开关组L_w由N个功率开关单元（SM_Lw1、SM_Lw2、…、SM_LwN）串联而成；三相负载的三端为三相交流输出，N为正整数。

第一桥臂的上开关组H_u的下端p与第一桥臂的第一电感L_Hu的一端连接，第一桥臂的第一电感L_Hu的另一端与第一桥臂的中开关组M_u的上端o连接，第一桥臂的中开关组M_u的下端与第一桥臂的第二电感L_Lu的一端连接，第一桥臂的第二电感L_Lu的另一端与第一桥臂的下开关组L_u的上端连接；第二桥臂的结构、第三桥臂的结构与第一桥臂的结构完全一致；u相电源u_ui的一端与u相电感L_ui的一端连接，u相电感L_ui的另一端与第一桥臂的中开关组M_u的上端连接，u相电源u_ui的另一端与v相电源u_vi的一端、w相电源u_wi的一端连接，v相电源u_vi的另一端与v相电感L_vi的一端连接，v相电感L_vi的另一端与第二桥臂的中开关组M_v的上端连接，w相电源u_wi的另一端与w相电感L_wi的一端连接，w相电感L_wi的另一端与第三桥臂的中开关组M_w的上端连接；三相负载的三端分别与第一桥臂的中开关组M_u的下端、第二桥臂的中开关组M_v的下端、第三桥臂的中开关组M_w的下端连接；第一桥臂的上开关组H_u的上端与第二桥臂的上开关组H_u的上端、第三桥臂的上开关组H_u的上端、第一电容C₁的正极连接，第一电容C₁的负极与第一桥臂的下开关组L_u的下端、第二桥臂的下开关组L_v的下端、第三桥臂的下开关组L_w的下端、地端n连接。

图2示出图1所示三相九开关组MMC AC-AC变换器的功率开关单元的电路结构。功率开关单元包括第一开关管S₁、第二开关管S₂、第一二极管D₁、第二二极管D₂和第二电容C_SM；其中，第二电容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、第二电容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，每个开关组的第j个功率开关单元的第二输出端与第j+1个功率开关单元的第一输出端连接，其中j的取值为1～N-1。

令u相电源为v相电源为w相电源为三相交流输出的u相电压源为三相交流输出的v相电压源为三相交流输出的w相电压源为则：

公式中，U_C1为第一电容C₁的电压。

图1所示的三相九开关组MMC AC-AC变换器采用载波移相PWM控制，如图3所示。

第一桥臂的上开关组H_u的第j个功率开关单元SM_Huj、第一桥臂的下开关组L_u的第j个功率开关单元SM_Luj、第二桥臂的上开关组H_v的第j个功率开关单元SM_Hvj、第二桥臂的下开关组L_v的第j个功率开关单元SM_Lvj、第三桥臂的上开关组H_w的第j个功率开关单元SM_Hwj和第三桥臂的下开关组L_w的第j个功率开关单元SM_Lwj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；第一桥臂的上开关组H_u采用第一正弦波R_iu叠加第一直流偏置R_doi作为第一桥臂的第一调制波R_iu+R_doi，第一桥臂的下开关组L_u采用第二正弦波R_ou叠加第二直流偏置R_doo作为第一桥臂的第二调制波R_ou+R_doo，第二桥臂的上开关组H_v采用第三正弦波 R_iv叠加第一直流偏置R_doi作为第二桥臂的第一调制波R_iv+R_doi，第二桥臂的下开关组L_v采用第四正弦波R_ov叠加第二直流偏置R_doo作为第二桥臂的第二调制波R_ov+R_doo，第三桥臂的上开关组H_w采用第五正弦波R_iw叠加第一直流偏置R_doi作为第三桥臂的第一调制波R_iw+R_doi，第三桥臂的下开关组L_w采用第六正弦波R_ow叠加第二直流偏置R_doo作为第三桥臂的第二调制波R_ow+R_doo。

第一桥臂的第一调制波R_iu+R_doi与第j个载波C_j通过第一比较器301得到第一桥臂的上开关组H_u的第j个功率开关单元SM_Huj的第二开关管S₂门极的控制电平S_Huj，当第一桥臂的第一调制波R_iu+R_doi大于第j个载波C_j时，第一比较器输出高电平，当第一桥臂的第一调制波R_iu+R_doi小于第j个载波C_j时，第一比较器输出低电平，其中j的取值为1～N；第一桥臂的第二调制波R_ou+R_doo与第j个载波C_j通过第二比较器302得到第一桥臂的下开关组L_u的第j个功率开关单元SM_Luj中第二开关管S₂门极的控制电平S_Luj，当第一桥臂的第二调制波R_ou+R_doo小于第j个载波C_j时，第二比较器输出高电平，当第一桥臂的第二调制波R_ou+R_doo大于第j个载波C_j时，第二比较器输出低电平；第一桥臂的上开关组H_u的第j个功率开关单元SM_Huj的第二开关管S₂门极的控制电平S_Huj和第一桥臂的下开关组L_u的第j个功率开关单元SM_Luj中第二开关管S₂门极的控制电平S_Luj通过第一异或门307，得到第一桥臂的中开关组M_u的第j个功率开关单元SM_Muj中第二开关管S₂门极的控制电平S_Muj；第二桥臂的第一调制波R_iv+R_doi与第j个载波C_j通过第三比较器303得到第二桥臂的上开关组H_v的第j个功率开关单元SM_Hvj中第二开关管S₂门极的控制电平S_Hvj，当第二桥臂的第一调制波R_iv+R_doi大于第j个载波C_j时，第三比较器输出高电平，当第二桥臂的第一调制波R_iv+R_doi小于第j个载波C_j时，第三比较器输出低电平；第二桥臂的第二调制波R_ov+R_doo与第j个载波C_j通过第四比较器304得到第二桥臂的下开关组L_v的第j个功率开关单元SM_Lvj中第二开关管S₂门极的控制电平S_Lvj，当第二桥臂的第二调制波R_ov+R_doo小于第j个载波C_j，第四比较器输出高电平，当第二桥臂的第二调制波R_ov+R_doo大于第j个载波C_j，第四比较器输出低电平；第二桥臂的上开关组H_v的第j个功率开关单元SM_Hvj中第二开关管S₂门极的控制电平S_Hvj和第二桥臂的下开关组L_v的第j个功率开关单元SM_Lvj中第二开关管S₂门极的控制电平S_Lvj通过第二异或门308，得到第二个桥臂的中开关组M_v的第j个功率开关单元SM_Mvj中第二开关管S₂门极的控制电平S_Mvj；第三桥臂的第一调制波R_iw+R_doi与第j个载波C_j通过第五比较器305得到第三桥臂的上开关组H_w的第j个功率开关单元SM_Hwj中第二开关管S₂门极的控制电平S_Hwj，当第三桥臂的第一调制波R_iw+R_doi大于第j个载波C_j，第五比较器输出高电平，当第三桥臂的第一调制波R_iw+R_doi小于第j个载波C_j，第五比较器输出低电平；第三桥臂的第二调制波R_ow+R_doo与第j个载波C_j通过第六比较306器得到第三桥臂的下开关组L_w的第j个功率开关单元SM_Lwj中第二开关管S₂门极的控制电平S_Lwj，当第三桥臂的第二调制波R_ow+R_doo小于第j个载波C_j，第六比较器输出高电平，当第三桥臂的第二调制波R_ow+R_doo大于第j个载波C_j，第六比较器输出低电平；第三桥臂的上开关组H_w的第j个功率开关单元SM_Hwj中第二开关管S₂门极的控制电平S_Hwj和第三桥臂的下开关组L_w 的第j个功率开关单元SM_Lwj中第二开关管S₂门极的控制电平S_Lwj通过第三异或门309，得到第三桥臂的中开关组M_w的第j个功率开关单元SM_Mwj中第二开关管S₂门极的控制电平S_Mwj。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变换器的第一桥臂的上开关组H_u、第一桥臂的中开关组M_u和第一桥臂的下开关组L_u在每一时刻共有N个功率开关单元的输出电压u_SM=E，共有2N个功率开关单元的输出电压u_SM=0，即满足u_Hu+u_Mu+u_Lu=U_C1；保证第二桥臂的上开关组H_v、第二桥臂的中开关组M_v和第二桥臂的下开关组L_v在每一时刻共有N个功率开关单元的输出电压u_SM=E，共有2N个功率开关单元的输出电压u_SM=0，即满足u_Hv+u_Mv+u_Lv=U_C1；保证第三桥臂的上开关组H_w、第三桥臂的中开关组M_w和第三桥臂的下开关组L_w在每一时刻共有N个功率开关单元的输出电压u_SM=E，共有2N个功率开关单元的输出电压u_SM=0，即满足u_Hw+u_Mw+u_Lw=U_C1；其中u_Hu、u_Hv、u_Hw分别为第一桥臂的上开关组H_u、第二桥臂的上开关组H_v和第三桥臂的上开关组H_w的输出电压，u_Mu、u_Mv、u_Mw分别为第一桥臂的中开关组M_u、第二桥臂的中开关组M_v和第三桥臂的中开关组M_w的输出电压，u_Lu、u_Lv、u_Lw分别为第一桥臂的下开关组L_u、第二桥臂的下开关组L_v和第三桥臂的下开关组L_w的输出电压，E为每个开关组的每个功率开关单元中第二电容C_SM的电压，且有E=U_C1/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，同时能保证变换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。

图4a示出三相九开关组MMC AC-AC变换器工作于同频模式下第一桥臂的第一调制波R_iu+R_doi、第一桥臂的第二调制波R_ou+R_doo与第j个载波C_j的关系。从图4a可以看出，第一桥臂的第一正弦波R_iu和第二桥臂的第二正弦波R_ou的电压频率相同，且第一桥臂的第一正弦波R_iu和第二桥臂的第二正弦波R_ou的电压幅值最大均为1，其中j的取值为1～N。图4b示出三相九开关组MMCAC-AC变换器工作于异频模式下第一桥臂的第一调制波R_iu+R_doi、第一桥臂的第二调制波R_ou+R_doo与第j个载波C_j的关系。从图4b可以看出，第一桥臂的第一正弦波R_iu和第二桥臂的第二正弦波R_ou的电压频率不相同，且第一桥臂的第一正弦波R_iu和第二桥臂的第二正弦波R_ou的电压幅值的最大值的和为1/2。第二桥臂的第一调制波R_iv+R_doi、第三桥臂的第一调制波R_iw+R_doi和第一桥臂的第一调制波R_iu+R_doi与第j个载波C_j的关系完全相同，第二桥臂的第二调制波R_ov+R_doo、第三桥臂的第二调制波R_ow+R_doo和第一桥臂的第二调制波R_o1+R_doo与第j个载波C_j的关系完全相同。

图5a为双输入三相九开关组九电平MMC AC-AC变换器（N=4）工作于同频模式的仿真波形图，依次u相电源u_ui、v相电源u_vi、w相电源u_wi、三相交流输入电源转变后的三个多电平线电压（u_uvi、u_vwi、u_wui）、三相交流输出的三个多电平线电压（u_uvo、u_vwo、u_wuo）、u相交流输出电流i_uo、v相交流输出电流i_vo、w相交流输出电流i_wo，从图5a可见三相交流输入电源和三相交流输出的频率相同，幅值不相同；图5b为双输入三相九开关组九电平MMC AC-AC变换器工作于异频模式的仿真波形图，依次是u相电源u_ui、v相电源u_vi、w相电源u_wi、三相交流输入电源转变后的三个多电平线电压（u_uvi、u_vwi、u_wui）、三相交流输出的三个多电平线电压（u_uvo、u_vwo、u_wuo）、u相交流输出电流i_uo、v相交流输出电流i_vo、w相交流输出电流i_wo，从图5b可见三相交流输入电源和三相交流输出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

1.三相九开关组MMC AC-AC变换器，其特征在于：包括三相交流输入电源、交流输入电感组、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第一电容（C₁）和三相负载；三相交流输入电源包括u相电源（u_ui）、v相电源（u_vi）和w相电源（u_wi）；交流输入电感组包括u相电感（L_ui）、v相电感（L_vi）和w相电感（L_wi）；所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂均各自由上开关组、第一电感、中开关组、第二电感、下开关组串联而成；第一桥臂的上开关组（H_u）由N个功率开关单元（SM_Hu1、SM_Hu2、…、SM_HuN）串联而成，第一桥臂的中开关组（M_u）由N个功率开关单元（SM_Mu1、SM_Mu2、…、SM_MuN）串联而成，第一桥臂的下开关组（L_u）由N个功率开关单元（SM_Lu1、SM_Lu2、…、SM_LuN）串联，第二桥臂的上开关组（H_v）由N个功率开关单元（SM_Hv1、SM_Hv2、…、SM_HvN）串联而成，第二桥臂的中开关组（M_v）由N个功率开关单元（SM_Mv1、SM_Mv2、…、SM_MvN）串联而成，第二桥臂的下开关组（L_v）由N个功率开关单元（SM_Lv1、SM_Lv2、…、SM_LvN）串联而成，第三桥臂的上开关组（H_w）由N个功率开关单元（SM_Hw1、SM_Hw2、…、SM_HwN）串联而成，第三桥臂的中开关组（M_w）由N个功率开关单元（SM_Mw1、SM_Mw2、…、SM_MwN）串联而成，第三桥臂的下开关组（L_w）由N个功率开关单元（SM_Lw1、SM_Lw2、…、SM_LwN）串联而成；三相负载的三端分别与第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的中开关组的下端连接，N为正整数；

第一桥臂的上开关组（H_u）的下端（p）与第一桥臂的第一电感（L_Hu）的一端连接，第一桥臂的第一电感（L_Hu）的另一端与第一桥臂的中开关组（M_u）的上端（o）连接，第一桥臂的中开关组（M_u）的下端与第一桥臂的第二电感（L_Lu）的一端连接，第一桥臂的第二电感（L_Lu）的另一端与第一桥臂的下开关组（L_u）的上端连接；第二桥臂的结构、第三桥臂的结构与第一桥臂的结构完全一致；u相电源（u_ui）的一端与u相电感（L_ui）的一端连接， u相电感（L_ui）的另一端与第一桥臂的中开关组（M_u）的上端连接，u相电源（u_ui）的另一端与v相电源（u_vi）的一端、w相电源（u_wi）的一端连接，v相电源（u_vi）的另一端与v相电感（L_vi）的一端连接， v相电感（L_vi）的另一端与第二桥臂的中开关组（M_v）的上端连接，w相电源（u_wi）的另一端与w相电感（L_wi）的一端连接， w相电感（L_wi）的另一端与第三桥臂的中开关组（M_w）的上端连接；三相负载的三端分别与第一桥臂的中开关组（M_u）的下端、第二桥臂的中开关组（M_v）的下端、第三桥臂的中开关组（M_w）的下端连接；第一桥臂的上开关组（H_u）的上端与第二桥臂的上开关组（H_u）的上端、第三桥臂的上开关组（H_u）的上端、第一电容（C₁）的正极连接，第一电容（C₁）的负极与第一桥臂的下开关组（L_u）的下端、第二桥臂的下开关组（L_v）的下端、第三桥臂的下开关组（L_w）的下端、地端（n）连接。

2.根据权利要求1所述的三相九开关组MMC AC-AC变换器，其特征在于：第一桥臂的两个电感（L_Hu、L_Lu）、第二桥臂的两个电感（L_Hv、L_Lv）和第三桥臂的两个电感（L_Hw、L_Lw）均各自由耦合电感替代。

3.根据权利要求1所述的三相九开关组MMC AC-AC变换器，其特征在于： 4. 根据权利要求1所述的三相九开关组MMC AC-AC变换器，其特征在于：功率开关单元包括第一开关管（S₁）、第二开关管（S₂）、第一二极管（D₁）、第二二极管（D₂）和第二电容（C_SM）；其中，第二电容（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、第二电容（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所述的三相九开关组MMC AC-AC变换器，其特征在于：每个开关组的第j个功率开关单元的第二输出端与第j+1个功率开关单元的第一输出端连接，其中j的取值为1~N-1。

5.根据权利要求1所述的三相九开关组MMC AC-AC变换器，其特征在于：工作模式包括同频模式和异频模式，同频模式中，三相交流输入电源和三相交流输出的频率相同，幅值不相同；异频模式中，三相交流输入电源和三相交流输出的频率和幅值均不相同。

6.用于权利要求1所述的三相九开关组MMC AC-AC变换器的控制方法，其特征在于：采用载波移相PWM控制每个开关组的开关管的开通与关断；第一桥臂的上开关组（H_u）的第j个功率开关单元（SM_Huj）、第一桥臂的下开关组（L_u）的第j个功率开关单元（SM_Luj）、第二桥臂的上开关组（H_v）的第j个功率开关单元（SM_Hvj）、第二桥臂的下开关组（L_v）的第j个功率开关单元（SM_Lvj）、第三桥臂的上开关组（H_w）的第j个功率开关单元（SM_Hwj）和第三桥臂的下开关组（L_w）的第j个功率开关单元（SM_Lwj）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；第一桥臂的上开关组（H_u）采用第一正弦波R_iu叠加第一直流偏置R_doi作为第一桥臂的第一调制波R_iu+R_doi，第一桥臂的下开关组（L_u）采用第二正弦波R_ou叠加第二直流偏置R_doo作为第一桥臂的第二调制波R_ou+R_doo，第二桥臂的上开关组（H_v）采用第三正弦波R_iv叠加第一直流偏置R_doi作为第二桥臂的第一调制波R_iv+R_doi，第二桥臂的下开关组（L_v）采用第四正弦波R_ov叠加第二直流偏置R_doo作为第二桥臂的第二调制波R_ov+R_doo，第三桥臂的上开关组（H_w）采用第五正弦波R_iw叠加第一直流偏置R_doi作为第三桥臂的第一调制波R_iw+R_doi，第三桥臂的下开关组（L_w）采用第六正弦波R_ow叠加第二直流偏置R_doo作为第三桥臂的第二调制波R_ow+R_doo。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：第一桥臂的第一调制波R_iu+R_doi与第j个载波C_j通过第一比较器得到第一桥臂的上开关组（H_u）的第j个功率开关单元（SM_Huj）的第二开关管（S₂）门极的控制电平（S_Huj），当第一桥臂的第一调制波R_iu+R_doi大于第j个载波C_j时，第一比较器输出高电平，当第一桥臂的第一调制波R_iu+R_doi小于第j个载波C_j时，第一比较器输出低电平，其中j的取值为1~N；第一桥臂的第二调制波R_ou+R_doo与第j个载波C_j通过第二比较器得到第一桥臂的下开关组（L_u）的第j个功率开关单元（SM_Luj）中第二开关管（S₂）门极的控制电平（S_Luj），当第一桥臂的第二调制波R_ou+R_doo小于第j个载波C_j时，第二比较器输出高电平，当第一桥臂的第二调制波R_ou+R_doo大于第j个载波C_j时，第二比较器输出低电平；第一桥臂的上开关组（H_u）的第j个功率开关单元（SM_Huj）的第二开关管（S₂）门极的控制电平（S_Huj）和第一桥臂的下开关组（L_u）的第j个功率开关单元（SM_Luj）中第二开关管（S₂）门极的控制电平（S_Luj）通过第一异或门，得到第一桥臂的中开关组（M_u）的第j个功率开关单元（SM_Muj）中第二开关管（S₂）门极的控制电平（S_Muj）；第二桥臂的第一调制波R_iv+R_doi与第j个载波C_j通过第三比较器得到第二桥臂的上开关组（H_v）的第j个功率开关单元（SM_Hvj）中第二开关管（S₂）门极的控制电平（S_Hvj），当第二桥臂的第一调制波R_iv+R_doi大于第j个载波C_j时，第三比较器输出高电平，当第二桥臂的第一调制波R_iv+R_doi小于第j个载波C_j时，第三比较器输出低电平；第二桥臂的第二调制波R_ov+R_doo与第j个载波C_j通过第四比较器得到第二桥臂的下开关组（L_v）的第j个功率开关单元（SM_Lvj）中第二开关管（S₂）门极的控制电平（S_Lvj），当第二桥臂的第二调制波R_ov+R_doo小于第j个载波C_j，第四比较器输出高电平，当第二桥臂的第二调制波R_ov+R_doo大于第j个载波C_j，第四比较器输出低电平；第二桥臂的上开关组（H_v）的第j个功率开关单元（SM_Hvj）中第二开关管（S₂）门极的控制电平（S_Hvj）和第二桥臂的下开关组（L_v）的第j个功率开关单元（SM_Lvj）中第二开关管（S₂）门极的控制电平（S_Lvj）通过第二异或门，得到第二个桥臂的中开关组（M_v）的第j个功率开关单元（SM_Mvj）中第二开关管（S₂）门极的控制电平（S_Mvj）；第三桥臂的第一调制波R_iw+R_doi与第j个载波C_j通过第五比较器得到第三桥臂的上开关组（H_w）的第j个功率开关单元（SM_Hwj）中第二开关管（S₂）门极的控制电平（S_Hwj），当第三桥臂的第一调制波R_iw+R_doi大于第j个载波C_j，第五比较器输出高电平，当第三桥臂的第一调制波R_iw+R_doi小于第j个载波C_j，第五比较器输出低电平；第三桥臂的第二调制波R_ow+R_doo与第j个载波C_j通过第六比较器得到第三桥臂的下开关组（L_w）的第j个功率开关单元（SM_Lwj）中第二开关管（S₂）门极的控制电平（S_Lwj），当第三桥臂的第二调制波R_ow+R_doo小于第j个载波C_j，第六比较器输出高电平，当第三桥臂的第二调制波R_ow+R_doo大于第j个载波C_j，第六比较器输出低电平；第三桥臂的上开关组（H_w）的第j个功率开关单元（SM_Hwj）中第二开关管（S₂）门极的控制电平（S_Hwj）和第三桥臂的下开关组（L_w）的第j个功率开关单元（SM_Lwj）中第二开关管（S₂）门极的控制电平（S_Lwj）通过第三异或门，得到第三桥臂的中开关组（M_w）的第j个功率开关单元（SM_Mwj）中第二开关管（S₂）门极的控制电平（S_Mwj），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。