N輸入單相n+1開關(guān)組mmc整流器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供N輸入單相N+1開關(guān)組MMC整流器。逆變器包括N個(gè)交流輸入電源、N個(gè)交流電感、電容橋臂、開關(guān)橋臂和一個(gè)整流負(fù)載；所述電容橋臂由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)交流電源的兩端作為第k路輸入，其中k的取值為1~N。本實(shí)用新型采用載波移相PWM控制，N個(gè)輸入交流電源變換成N路n+1電平的交流輸入，整流疊加后給負(fù)載供電，且MMC功率開關(guān)單元中每個(gè)開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力僅為直流電源電壓的1/n，解決了開關(guān)管的均壓?jiǎn)栴}，適合多交流電源輸入、高壓和大功率場(chǎng)合的應(yīng)用。
【專利說明】N輸入單相N+1開關(guān)組MMC整流器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及模塊組合多電平變換器(MMC)領(lǐng)域，具體涉及一種N輸入單相N+1開關(guān)組MMC整流器。
【背景技術(shù)】
[0002]目前功率整流器正向小型化、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)整流器的方向:減少無源器件或者改進(jìn)整流器拓?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)整流器相對(duì)于傳統(tǒng)的2N開關(guān)整流器減少了 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)整流器的兩路單相輸入均轉(zhuǎn)換為兩電平，輸入交流波形比較差。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)整流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整流器拓?fù)浯笾驴煞譃橄湮恍秃蛦卧?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)多電平整流器的優(yōu)點(diǎn)，模塊組合多電平整流器采用模塊化結(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，模塊組合多電平整流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整流器，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輸入單相N+1開關(guān)組MMC整流器。
[0005]本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。
[0006]N輸入單相N+1開關(guān)組MMC整流器包括N個(gè)交流輸入電源、N個(gè)電感交流電感、電容橋臂、開關(guān)橋臂和負(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I~N+1 ;第1^個(gè)交流輸入電源的兩端作為第k路輸入，其中k的取值為I~N，N>2，n為正整數(shù)。
[0007]上述的N輸入單相N+1開關(guān)組MMC整流器中，第一電感和第二電感相互耦合，構(gòu)成一對(duì)稱合電感。
[0008]上述的N輸入單相N+1開關(guān)組MMC整流器中，所述N輸入單相N+1開關(guān)組MMC整流器中，開關(guān)橋臂的第I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-1 ;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I?N;第k個(gè)交流輸入電源的一端與開關(guān)橋臂的第k+Ι個(gè)開關(guān)組的上端連接，第k個(gè)交流輸入電源的一端與第k個(gè)交流電感的一端連接，第k個(gè)交流電感的另一端與電容橋臂的第k+Ι個(gè)電容的正極連接，其中k的取值為I?N-1 ;第N個(gè)交流輸入電源的一端與開關(guān)橋臂的第N個(gè)開關(guān)組的下端連接，第N個(gè)交流輸入電源的另一端與第N個(gè)交流電感的一端連接，第N個(gè)交流電感的另一端與電容橋臂的第N電容的負(fù)極連接；開關(guān)橋臂的第I個(gè)開關(guān)組的上端與電容橋臂的第I個(gè)電容的正極、負(fù)載的一端連接，負(fù)載的另一端與開關(guān)橋臂的第N+1開關(guān)組的下端、電容橋臂的第N+1電容的負(fù)極、地端連接。
[0009]上述的N輸入單相N+1開關(guān)組MMC整流器中，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。
[0010]上述的N輸入單相N+1開關(guān)組MMC整流器中，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+Ι個(gè)功率開關(guān)單元的第一輸出端連接，其中i取值為I?N+l，j取值為I?n-1。
[0011]上述的N輸入單相N+1開關(guān)組MMC整流器的控制方法中，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Cj，其中j的取值為I?η ;n個(gè)載波依次滯后相角360° /n ;第k個(gè)交流輸入電源采用第k個(gè)正弦波Rsk疊加第k個(gè)直流偏置l-2k/(N+l)得到第k個(gè)調(diào)制波Rsk+l_2k/ (N+1)，其中k的取值為I?N。
[0012]上述控制方法中，第k個(gè)調(diào)制波Rsk+1_2k/(N+1)與第j個(gè)載波Cj通過第k個(gè)比較器，當(dāng)?shù)趉個(gè)調(diào)制波Rsk+l-2k/(N+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Rsk+l_2k/ (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I?N ;第I個(gè)比較器的輸出作為開關(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-1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；每個(gè)開關(guān)組的每個(gè)功率開關(guān)單元中第二開關(guān)管門極的控制電平反相后得到該功率開關(guān)單元中第一開關(guān)管門極的控制電平。
[0013]所述N輸入單相N+1開關(guān)組MMC整流器的工作模式包括同頻工作模式和異頻工作模式，同頻工作模式中，N路輸入的頻率相同，幅值不相同；異頻工作模式中，N路輸入的頻率和幅值均不同。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有的優(yōu)勢(shì)為:N路單相交流輸入電源均轉(zhuǎn)換為N路n+1電平交流輸入，輸入電流波形質(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)能保證整流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}。與現(xiàn)有的單相N+1開關(guān)整流器相比較，本實(shí)用新型所提供的N輸入單相N+1開關(guān)組MMC整流器的N路單相交流輸入電源均轉(zhuǎn)換為N路n+1電平交流輸入，輸入交流波形的質(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整流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輸入單相N+1開關(guān)組MMC整流器在高壓和大功率場(chǎng)合的應(yīng)用。與現(xiàn)有的MMC整流器相比較，本實(shí)用新型所提供的N輸入單相N+1開關(guān)組MMC整流器具有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】
[0015]圖1是本實(shí)用新型的N輸入單相N+1開關(guān)組MMC整流器的電路結(jié)構(gòu)圖；
[0016]圖2是圖1所示的N輸入單相N+1開關(guān)組MMC整流器的功率開關(guān)單元的電路結(jié)構(gòu)圖；
[0017]圖3是圖1所示的N輸入單相N+1開關(guān)組MMC整流器的載波移相PWM控制結(jié)構(gòu)圖；
[0018]圖4a、4b是三輸出單相四開關(guān)組MMC逆變器分別工作于同頻工作模式和異頻工作模式下的調(diào)制波；
[0019]圖5a、5b分別三輸出單相四開關(guān)組MMC逆變器工作于同頻工作模式和異頻工作模式的仿真波形圖。
【具體實(shí)施方式】 [0020]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)施方案進(jìn)行具體說明。但本實(shí)用新型的實(shí)施不限于此。
[0021]參考圖1，本實(shí)用新型的N輸入單相N+1開關(guān)組MMC整流器，包括N個(gè)交流輸入電源(us1、us2、…、usn)、N個(gè)電感交流電感(LS1、LS2、…、Lsn)、電容橋臂、開關(guān)橋臂和負(fù)載R ;所述電容橋臂由N+1個(gè)電容(Q、C2,…、CN+1)串聯(lián)而成，所述開關(guān)橋臂由N+1個(gè)開關(guān)組(B。B2、…、BN+1)、第一電感L1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Bi由η個(gè)功率開關(guān)單元(SMBil、SMBi2、…、SMBin)串聯(lián)而成，其中i的取值為I~N+1 ;第1^個(gè)交流輸入電源Usk的兩端作為第k路輸入，其中k的取值為I~N，N>2。
[0022]開關(guān)橋臂的第I個(gè)開關(guān)組B1的下端P與第一電感L1的一端連接，第一電感L1的另一端與開關(guān)橋臂的第2個(gè)開關(guān)組B2的上端ο連接；開關(guān)橋臂的第i個(gè)開關(guān)組Bi的下端與開關(guān)橋臂的第i+Ι開關(guān)組Bi+1的上端連接，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的下端與第二電感L2的一端連接，第二電感L2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I~N;第k個(gè)交流輸入電源Usk的一端與開關(guān)橋臂的第k+Ι個(gè)開關(guān)組Bk+1的上端連接,第k個(gè)交流輸入電源Usk的一端與第k個(gè)交流電感Lsk的一端連接,第k個(gè)交流電感Lsk的另一端與電容橋臂的第k+Ι個(gè)電容Ck+1的正極連接，其中k的取值為I~N-1 ;第N個(gè)交流輸入電源uSN的一端與開關(guān)橋臂的第N個(gè)開關(guān)組Bn的下端連接，第N個(gè)交流輸入電源Usn的另一端與第N個(gè)交流電感Lsn的一端連接，第N個(gè)交流電感Lsn的另一端與電容橋臂的第N電容Cn的負(fù)極連接；開關(guān)橋臂的第I個(gè)開關(guān)組B1的上端與電容橋臂的第I個(gè)電容C1的正極、負(fù)載R的一端連接，負(fù)載R的另一端與開關(guān)橋臂的第N+1開關(guān)組Bn+1的下端、電容橋臂的第N+1電容Cnh的負(fù)極、地端G連接。
[0023]圖2示出圖1所示的N輸入單相N+1開關(guān)組MMC整流器的功率開關(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S1、第二開關(guān)管S2、第一二極管D1、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S1的集電極、第一二極管D1的陰極連接,第一開關(guān)管S1的發(fā)射極與第一二極管D1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S2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。
[0024]如圖1所示，開關(guān)橋臂的第i個(gè)開關(guān)組(Bi)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(Bi)的第j+Ι個(gè)功率開關(guān)單元(SMBm+1))的第一輸出端連接，其中i取值為I~N+l，j取值為I~n-1。
[0025]令第k路交流輸入電源為
【權(quán)利要求】
1.N輸入單相N+1開關(guān)組MMC整流器，其特征在于:包括N個(gè)交流輸入電源(％,、〖&、...、?ι)、Ν個(gè)交流電感(47、^、一、4#)、電容橋臂、開關(guān)橋臂和負(fù)載0?);所述電容橋臂由Ν+1個(gè)電容(G、G、…、‘)串聯(lián)而成，所述開關(guān)橋臂由N+1個(gè)開關(guān)組汍』2、…、BN+1)、第一電感(Z7)和第二電感(4)串聯(lián)而成；開關(guān)橋臂的第i個(gè)開關(guān)組(Bi)由η個(gè)功率開關(guān)單元(SMBil、SMBi2、…、SMBin)串聯(lián)而成，其中i的取值為1、+1 ;第k個(gè)交流輸入電源(?,)的兩端作為第k路輸入，其中k的取值為1、，Ν>2, η為正整數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的N輸入單相Ν+1開關(guān)組MMC整流器，其特征在于:第一電感(L1)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N輸入單相Ν+1開關(guān)組MMC整流器，其特征在于:開關(guān)橋臂的第I個(gè)開關(guān)組(B1)的下端(P)與第一電感(Z7)的一端連接,第一電感(Z7)的另一端與開關(guān)橋臂的第2個(gè)開關(guān)組(B2)的上端(ο)連接；開關(guān)橋臂的第i個(gè)開關(guān)組(Bi)的下端與開關(guān)橋臂的第i+Ι開關(guān)組(Bi+1)的上端連接，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)的下端與第二電感(4)的一端連接，第二電感(4)的另一端與開關(guān)橋臂的第N+1個(gè)開關(guān)組(BN+1)的上端連接；電容橋臂的第i個(gè)電容(G)的負(fù)極與電容橋臂的第i+Ι電容(Cm)的正極連接，其中i的取值為1、個(gè)交流輸入電源(?)的一端與開關(guān)橋臂的第k+Ι個(gè)開關(guān)組(Bk+1)的上端連接，第k個(gè)交流輸入電源(Msk)的一端與第k個(gè)交流電感Usk)的一端連接，第k個(gè)交流電感(Am)的另一端與電容橋臂的第k+Ι個(gè)電容(仏7)的正極連接,其中k的取值為fN-1 ;第N個(gè)交流輸入電源(％#)的一端與開關(guān)橋臂的第N個(gè)開關(guān)組(Bn)的下端連接，第N個(gè)交流輸入電源(％#)的另一端與第N個(gè)交流電感(Aw)的一端連接,第N個(gè)交流電感(Aw)的另一端與電容橋臂的第N電容(Q)的負(fù)極連接；開關(guān)橋臂的第I個(gè)開關(guān)組(B1)的上端與電容橋臂的第I個(gè)電容(G)的正極、負(fù)載0?)的一端連接，負(fù)載0?)的另一端與開關(guān)橋臂的第Ν+1開關(guān)組(Βν+1)的下端、電容橋臂的第Ν+1電容(‘)的負(fù)極、地端(O連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述 的N輸入單相Ν+1開關(guān)組MMC整流器，其特征在于: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(4)、第二二極管(4)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(A)的陰極連接，第一開關(guān)管(?)的發(fā)射極與第一二極管(久)的陽極、第二開關(guān)管(?)的集電極、第二二極管(4)的陰極連接，第二開關(guān)管(?)的發(fā)射極與第二二極管(4)的陽極、電容(G#)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。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的N輸入單相N+1開關(guān)組MMC整流器，其特征在于:開關(guān)橋臂的第i個(gè)開關(guān)組(Bi)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(Bi)的第j+Ι個(gè)功率開關(guān)單元(SMB&+1))的第一輸出端連接，其中i取值為fN+1，j取值為I n-1。
【文檔編號(hào)】H02M7/23GK203691274SQ201420056437
【公開日】2014年7月2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)