CN104218819B

CN104218819B - 3n+3开关组mmc ac-ac变换器及其控制方法

Info

Publication number: CN104218819B
Application number: CN201410310249.2A
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: 2014-10-20
Publication date: 2018-09-14
Anticipated expiration: 2034-10-20
Also published as: CN104218819A

Abstract

本发明提供3N+3开关组MMC AC‑AC变换器及其控制方法。变换器由N个三相交流输入/输出、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第一电容构成；第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂均由N+1个开关组和两个电感串联而成；每个开关组均由n个功率开关单元串联而成；每个三相感性负载的三端作为每个三相交流输出；N>2，n为正整数。该变换器采用载波移相PWM控制，每个三相交流输出转换为线电压为2n+1电平的交流输入，经AC‑AC变换为线电压为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，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

3N+3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3N+3开关组MMC AC-AC变换器及其控制方法。

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AC-AC变换器相对于传统的6N开关变换器减少了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AC-AC变换器的每路输入输出均为三电平，输入输出交流波形比较差。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N条不同频率的三相交流线路的相连时，需要2N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3N+3开关组MMCAC-AC变换器及其控制方法。

本发明采用的技术方案是：3N+3开关组MMC AC-AC变换器包括N个三相交流输入/输出、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第一电容；所述三相交流输入/输出为三相交流输入或三相交流输出，三相交流输出为三相感性负载；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；N>2，n为正整数。

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。

当第k个三相交流输入/输出为三相交流输入时，该三相交流输入包括u相交流输入电源、v相交流输入电源、w相交流输入电源、u相交流输出电感、v相交流输出电感和w相交流输出电感，u相交流输入电源的一端与v相交流输入电源、w相交流输入电源连接，u相交流输入电源的另一端与u相交流输出电感的一端连接，u相交流输入电感的另一端作为该三相交流输入的端，v相交流输入电源的另一端与v相交流输出电感的一端连接，v相交流输入电感的另一端作为该三相交流输入的端，w相交流输入电源的另一端与w相交流输出电感的一端连接，w相交流输入电感的另一端作为该三相交流输入的端，其中k的取值为1～N；当第k个三相交流输入/输出为三相感性负载时，该三相感性负载包括u相电阻、v相电阻、w相电阻、u相交流输出电感、v相交流输出电感和w相交流输出电感，u相电阻的一端与v相电阻的一端、w相电阻的一端连接，u相电阻的另一端与u相交流输出电感的一端连接，u相交流输出电感的另一端作为该三相感性负载的端，v相电阻的另一端与v相交流输出电感的一端连接，v相交流输出电感的另一端作为该三相感性负载的端，w相电阻的另一端与w相交流输出电感的一端连接，w相交流输出电感的另一端作为该三相感性负载的端。

第一桥臂的第1个开关组的下端与第一桥臂中2个电感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个开关组的上端连接，其中i的取值为2～N-1；第一桥臂的第N个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个三相交流输入/输出的三端分别与第一桥臂的第k+1个开关组的上端、第二桥臂的第k+1个开关组的上端、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个三相交流输入/输出的三端与第一桥臂的第N+1个开关组的下端、第二桥臂的第N+1个开关组的下端连接、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、第一电容的正极连接，第一电容的负极与第一桥臂的第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。

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。

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。

上述变换器的控制方法是：采用载波移相PWM控制每个开关管的开通与关断；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个三相交流输入/输出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个三相交流输入/输出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个三相交流输入/输出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°。

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。

3N+3开关组MMC AC-AC变换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路三相交流输入或三相交流输出的频率相同，幅值不相同；异频工作模式中，N路三相交流输入或三相交流输出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：每路交流输入均转换为线电压为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，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3N+3开关AC-AC变换器相比较，本发明所提供的3N+3开关组MMC AC-AC变换器的N路三相交流输入或三相交流输出的线电压均为2n+1电平，且每个开关管的承受的电压应力仅为直流母线电压的1/n，很好的解决了开关管的均压问题，这将非常有利于3N+3开关组MMCAC-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3N+3开关组MMC AC-AC变换器具有N路三相交流输入或三相交流输出，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3N+3开关组MMC AC-AC变换器的电路结构图；

图2a、2b分别是图1所示的3N+3开关组MMC AC-AC变换器的三相交流输入与三相感性负载的电路结构图；

图3是图1所示的3N+3开关组MMC AC-AC变换器的开关功率单元的电路结构图；

图4a～图4c是图1所示的3N+3开关组MMC AC-AC变换器的载波移相PWM控制结构图；

图5a、5b是十二开关组MMC AC-AC变换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6a、6b是十二开关组九电平MMC AC-AC变换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3N+3开关组MMC AC-AC变换器，包括N个三相交流输入/输出、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第一电容C₁；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；每个三相感性负载的三端作为每个三相交流输出；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个三相交流输入/输出的三端分别与第一桥臂的第k+1个开关组B_u(k+1)的上端、第二桥臂的第k+1个开关组B_v(k+1)的上端、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个三相交流输入/输出的三端与第一桥臂的第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)的下端连接、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、第一电容C₁的正极连接，第一电容C₁的负极与第一桥臂的第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。

当第k个三相交流输入/输出为三相交流输入时，该三相交流输入包括u相交流输入电源u_uk、v相交流输入电源u_vk、w相交流输入电源u_wk、u相交流输出电感L_iuk、v相交流输出电感L_ivk和w相交流输出电感L_iwk，u相交流输入电源u_uk的一端与v相交流输入电源u_vk、w相交流输入电源u_wk连接，u相交流输入电源u_uk的另一端与u相交流输出电感L_iuk的一端连接，u相交流输入电感L_iuk的另一端作为该三相交流输入的端a_uk，v相交流输入电源v_vk的另一端与v相交流输出电感L_ivk的一端连接，v相交流输入电感L_ivk的另一端作为该三相交流输入的端a_vk，w相交流输入电源w_wk的另一端与w相交流输出电感L_iwk的一端连接，w相交流输入电感L_iwk的另一端作为该三相交流输入的端a_wk，如图2a所示，其中k的取值为1～N；当第k个三相交流输入/输出为三相感性负载时，该三相感性负载包括u相电阻R_uk、v相电阻R_vk、w相电阻R_wk、u相交流输出电感L_ouk、v相交流输出电感L_ovk和w相交流输出电感L_owk，u相电阻R_uk的一端与v相电阻R_vk的一端、w相电阻R_wk的一端连接，u相电阻R_uk的另一端与u相交流输出电感L_ouk的一端连接，u相交流输出电感L_ouk的另一端作为该三相感性负载的端a_uk，v相电阻R_vk的另一端与v相交流输出电感L_ovk的一端连接，v相交流输出电感L_ovk的另一端作为该三相感性负载的端a_vk，w相电阻R_wk的另一端与w相交流输出电感L_owk的一端连接，w相交流输出电感L_owk的另一端作为该三相感性负载的端a_wk，如图2b所示。

图3示出图1所示的3N+3开关组MMC AC-AC变换器的开关功率单元的电路结构图。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和电容C_SM。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个三相交流输入或三相交流输出的u相电压源为第k个三相交流输入或三相交流输出的v相电压源为第k个三相交流输入或三相交流输出的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3N+3开关组MMC AC-AC变换器采用载波移相PWM控制，如图4a～图4c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个三相交流输入/输出的第一桥臂的端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个三相交流输入/输出的第二桥臂的端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个三相交流输入/输出的第三桥臂的端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。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。

以十二开关组MMC AC-AC变换器(N＝3)为例，包括两个三相交流输入和一个三相交流输出，图5a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_do2、第一桥臂的第3个调制波R_Su3+R_do3与第j个载波C_j的关系。从图5a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5b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_do2、第一桥臂的第3个调制波R_Su3+R_do3与第j个载波C_j的关系。从图5b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_do2、第二桥臂的第3个调制波R_Sv3+R_do3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_do2、第一桥臂的第3个调制波R_Su3+R_do3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_do2、第三桥臂的第3个调制波R_Sw3+R_do3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_do2、第一桥臂的第3个调制波R_Su3+R_do3与第j个载波C_j的关系完全相同。

以十二开关组九电平MMC AC-AC变换器(N＝3，n＝4)为例，包括两个三相交流输入和一个三相交流输出。图6a为其工作于同频工作模式的仿真波形图，依次是第1个三相交流输入的3个相电压(u_Su1、u_Sv1、u_Sw1)、第1个三相交流输入转换后的3个线电压(u_Suv1、u_Svw1、u_Swu1)、第2个三相交流输入的3个相电压(u_Su2、u_Sv2、u_Sw2)、第2个三相交流输入转换后的3个线电压(u_Suv2、u_Svw2、u_Swu2)、三相交流输出的3个线电压(u_Luv3、u_Lvw3、u_Lwu3)、三相交流输出的3个线电流(i_Lu3、i_Lv3、i_Lw3)，从图6a可见第1个三相交流输入、第2个三相交流输入和三相交流输出的频率相同，幅值不相同；图6b为其工作于异频工作模式的仿真波形图，依次是第1个三相交流输入的3个相电压(u_Su1、u_Sv1、u_Sw1)、第1个三相交流输入转换后的3个线电压(u_Suv1、u_Svw1、u_Swu1)、第2个三相交流输入的3个相电压(u_Su2、u_Sv2、u_Sw2)、第2个三相交流输入转换后的3个线电压(u_Suv2、u_Svw2、u_Swu2)、三相交流输出的3个线电压(u_Luv3、u_Lvw3、u_Lwu3)、三相交流输出的3个线电流(i_Lu3、i_Lv3、i_Lw3)，从图6a可见第1个三相交流输入、第2个三相交流输入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

1.3N+3开关组MMC AC-AC变换器，其特征在于：包括N个三相交流输入/输出、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第一电容（C ₁）；所述三相交流输入/输出为三相交流输入或三相交流输出，三相交流输出为三相感性负载；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；N>2，n为正整数；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；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个三相交流输入/输出的三端分别与第一桥臂的第k+1个开关组（B_u(k+1)）的上端、第二桥臂的第k+1个开关组（B_v(k+1)）的上端、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个三相交流输入/输出的三端与第一桥臂的第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)）的下端连接、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、第一电容（C ₁）的正极连接，第一电容（C ₁）的负极与第一桥臂的第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；

功率开关单元包括第一开关管（S ₁）、第二开关管（S ₂）、第一二极管（D ₁）、第二二极管（D ₂）和第二电容（C _SM），其中，第二电容（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、第二电容（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；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。

2.根据权利要求1所述的3N+3开关组MMC AC-AC变换器，其特征在于：当第k个三相交流输入/输出为三相交流输入时，该三相交流输入包括u相交流输入电源（u _uk）、v相交流输入电源（u _vk）、w相交流输入电源（u _wk）、u相交流输出电感（L _ouk）、v相交流输出电感（L _ovk）和w相交流输出电感（L _owk），u相交流输入电源（u _uk）的一端与v相交流输入电源（u _vk）、w相交流输入电源（u _wk）连接，u相交流输入电源（u _uk）的另一端与u相交流输出电感（L _ouk）的一端连接，u相交流输入电感（L _iuk）的另一端作为该三相交流输入的端（a _uk），v相交流输入电源（v _vk）的另一端与v相交流输出电感（L _ovk）的一端连接，v相交流输入电感（L _ivk）的另一端作为该三相交流输入的端（a _vk），w相交流输入电源（w _wk）的另一端与w相交流输出电感（L _owk）的一端连接，w相交流输入电感（L _iwk）的另一端作为该三相交流输入的端（a _wk），其中k的取值为1~N；当第k个三相交流输入/输出为三相感性负载时，该三相感性负载包括u相电阻（R _uk）、v相电阻（R _vk）、w相电阻（R _wk）、u相交流输出电感（L _ouk）、v相交流输出电感（L _ovk）和w相交流输出电感（L _owk），u相电阻（R _uk）的一端与v相电阻（R _vk）的一端、w相电阻（R _wk）的一端连接，u相电阻（R _uk）的另一端与u相交流输出电感（L _ouk）的一端连接，u相交流输出电感（L _ouk）的另一端作为该三相感性负载的a _uk端，v相电阻（R _vk）的另一端与v相交流输出电感（L _ovk）的一端连接，v相交流输出电感（L _ovk）的另一端作为该三相感性负载的a _vk端，w相电阻（R _wk）的另一端与w相交流输出电感（L _owk）的一端连接，w相交流输出电感（L _owk）的另一端作为该三相感性负载的a _wk端。

3.根据权利要求1所述的3N+3开关组MMC AC-AC变换器，其特征在于：变换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路三相交流输入或三相交流输出的频率相同，幅值不相同；异频工作模式中，N路三相交流输入或三相交流输出的频率和幅值均不同。

4.用于权利要求1所述的3N+3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（C ₁、C ₂、…、C _n）依次滞后相角360°/n；第k个三相交流输入/输出的第一桥臂的端（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个三相交流输入/输出的第二桥臂的端（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个三相交流输入/输出的第三桥臂的端（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°。

5.根据权利要求4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（S ₂）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（S ₂）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（S ₂）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（S ₂）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（S ₂）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（S ₂）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（S ₂）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（S ₂）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（S ₂）门极的控制电平（S _Bw(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。