雙輸入單相三開關(guān)組mmc整流器及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供雙輸入單相三開關(guān)組MMC整流器及其控制方法，整流器包括第一交流輸入電源、第二交流輸入電源、第一電感、第二電感、開關(guān)橋臂、第一電容、第二電容、第三電容和一個整流負(fù)載；所述開關(guān)橋臂由上開關(guān)組、中開關(guān)組、下開關(guān)組、第三電感和第四電感串聯(lián)而成；上開關(guān)組由N個功率開關(guān)單元串聯(lián)而成，中開關(guān)組由N個功率開關(guān)單元串聯(lián)而成，下開關(guān)組由N個功率開關(guān)單元串聯(lián)而成。本發(fā)明采用載波移相PWM控制，2個交流輸入電源變換成2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)管的均壓問題，適合2個單相交流電源輸入、高壓和大功率場合的應(yīng)用。
【專利說明】雙輸入單相三開關(guān)組MMC整流器及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及模塊組合多電平變換器(MMC)領(lǐng)域，具體涉及一種雙輸入單相三開關(guān)組MMC整流器及其控制方法。
【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。單相三開關(guān)整流器相對于傳統(tǒng)的四開關(guān)整流器減少了一個開關(guān)及相應(yīng)的驅(qū)動電路，在考慮成本與體積的應(yīng)用中占有一定的優(yōu)勢。此外，三個開關(guān)中每個開關(guān)承受的電壓應(yīng)力為直流母線電壓的一半，且存在三個開關(guān)管的均壓問題，這極大的限制了單相三開關(guān)整流器在高壓和大功率場合的應(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、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壜?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)洌司哂袀鹘y(tǒng)多電平整流器的優(yōu)點，模塊組合多電平整流器采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，便于系統(tǒng)擴(kuò)容和冗余工作；具有不平衡運行能力、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)兩條不同頻率的交流線路的相連時，需要2個MMC整流器，這極大的增加了工程成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種雙輸入單相三開關(guān)組MMC整流器及其控制方法。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下。
[0006]雙輸入單相三開關(guān)組MMC整流器包括第一交流輸入電源、第二交流輸入電源、第一電感、第二電感、開關(guān)橋臂、第一電容、第二電容、第三電容和整流負(fù)載；所述開關(guān)橋臂由上開關(guān)組、中開關(guān)組、下開關(guān)組、第三電感和第四電感串聯(lián)而成；上開關(guān)組由N個功率開關(guān)單元串聯(lián)而成，中開關(guān)組由N個功率開關(guān)單元串聯(lián)而成，下開關(guān)組由N個功率開關(guān)單元串聯(lián)而成；第一交流輸入電源的兩端作為第一路輸入，第二交流輸入電源的兩端作為第二路輸入。采用載波移相PWM控制所述整流器中上開關(guān)組、中開關(guān)組和下開關(guān)組的開關(guān)管的開通與關(guān)斷，N為正整數(shù)。
[0007]上述的雙輸入單相三開關(guān)組MMC整流器中，所述第三電感和第四電感由耦合電感替代。
[0008]上述的雙輸入單相三開關(guān)組MMC整流器中，所述雙輸入單相三開關(guān)組MMC整流器中，上開關(guān)組的下端與第三電感的一端連接，第三電感的另一端與中開關(guān)組的上端連接，中開關(guān)組的下端與第四電感的一端連接，第四電感的另一端與下開關(guān)組的上端連接；第一電容的負(fù)極與第二電容的正極連接，第二電容的負(fù)極與第三電容的正極連接；第一交流輸入電源的一端與中開關(guān)組的上端相連，第一交流輸入電源的另一端與第一電感的一端連接，第一電感的另一端與第二電容的正極連接，第二交流輸入電源的一端與中開關(guān)組的下端相連，第二交流輸入電源的另一端與第二電感的一端連接，第二電感的另一端第二電容的負(fù)極連接；上開關(guān)組的上端與第一電容的正極、整流負(fù)載的一端連接，整流負(fù)載的另一端與下開關(guān)組的下端、第三電容的負(fù)極、地端連接。
[0009]上述的雙輸入單相三開關(guān)組MMC整流器中，功率開關(guān)單元包括第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第一二極管、第二二極管和電容。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]上述的雙輸入單相三開關(guān)組MMC整流器中，上開關(guān)組的第j個功率開關(guān)單元的第二輸出端與第j+Ι個功率開關(guān)單元的第一輸出端連接，其中j取值為I?N-1 ;中開關(guān)組的第j個功率開關(guān)單元的第二輸出端與第j+Ι個功率開關(guān)單元的第一輸出端連接；下開關(guān)組的第j個功率開關(guān)單元的第二輸出端與第j+Ι個功率開關(guān)單元的第一輸出端連接。
[0011]上述的雙輸入單相三開關(guān)組MMC整流器的控制方法中，采用載波移相PWM控制上開關(guān)組、中開關(guān)組和下開關(guān)組的開關(guān)管的開通與關(guān)斷；上開關(guān)組的第j個功率開關(guān)單元和下開關(guān)組的第j個功率開關(guān)單元采用相同三角波作為第j個載波Cp其中j取值為I?N ;N個載波依次滯后相角360° /N ;第一路輸入采用第一正弦波Ra疊加取值為1/3的直流偏置作為第一調(diào)制波Ra+l/3，第二路輸入采用第二正弦波Rb疊加取值為-1/3的直流偏置作為第二調(diào)制波Rb_l/3。
[0012]上述控制方法中，第一調(diào)制波Ra+l/3與第j個載波Cj通過第一比較器得到上開關(guān)組的第j個功率開關(guān)單元的第二開關(guān)管門極的控制電平，當(dāng)?shù)谝徽{(diào)制波Ra+l/3大于第j個載波Cj時,第一比較器輸出高電平，當(dāng)?shù)谝徽{(diào)制波Ra+l/3小于第j個載波Cj時,第一比較器輸出低電平，其中j的取值為I?N ;第二調(diào)制波Rb_l/3與第j個載波Cj通過第二比較器得到下開關(guān)組的第j個功率開關(guān)單元的第二開關(guān)管門極的控制電平，當(dāng)?shù)诙{(diào)制波Rb_l/3小于第j個載波Cj時,第二比較器輸出高電平，當(dāng)?shù)诙{(diào)制波Rb_l/3大于第j個載波Cj時，第二比較器輸出低電平；上開關(guān)組的第j個功率開關(guān)單元的第二開關(guān)管門極的控制電平和下開關(guān)組的第j個功率開關(guān)單元的第二開關(guān)管門極的控制電平通過異或門得到中開關(guān)組的第j個功率開關(guān)單元中第二開關(guān)管門極的控制電平；每個開關(guān)組的每個功率開關(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)單元的第一開關(guān)管門極的控制電平。
[0013]雙輸入單相三開關(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，第一路輸入和第二路輸入的頻率相同，幅值不相同；異頻工作模式中，第一路輸入和第二路輸入的頻率和幅值均不相同。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的優(yōu)勢為:具有兩路交流輸入，功率開關(guān)單元中每個開關(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)管的均壓問題。此外，本發(fā)明的整流器的任一路輸入出現(xiàn)故障均不影響另一路輸入及整流器的正常工作，故障冗余性極高。與現(xiàn)有的單相三開關(guān)整流器相比較，本發(fā)明所提供的雙輸入單相三開關(guān)組MMC整流器的2個交流輸入電源變換成2路N+1電平的交流輸入，整流疊加后給負(fù)載供電。此外，每個開關(guān)管的承受的電壓應(yīng)力僅為直流母線電壓的1/N，且本發(fā)明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)管的均壓問題，這將非常有利于雙輸入單相三開關(guān)組MMC整流器在高壓和大功率場合的應(yīng)用。與現(xiàn)有的MMC整流器相比較，本發(fā)明所提供的雙輸入單相三開關(guān)組MMC整流器具有兩路交流輸入，可直接用于兩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是本發(fā)明的雙輸入單相三開關(guān)組MMC整流器的電路結(jié)構(gòu)圖；
[0016]圖2是本發(fā)明的雙輸入單相三開關(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所示的雙輸入單相三開關(guān)組MMC整流器的載波移相PWM控制方法的結(jié)構(gòu)圖；
[0018]圖4a、4b是圖1所示的雙輸入單相三開關(guān)組MMC整流器分別工作于同頻工作模式和異頻工作模式的調(diào)制波與載波的關(guān)系；
[0019]圖5a、5b是雙輸出入單相五電平三開關(guān)組MMC整流器分別工作于同頻工作模式和異頻工作模式的仿 真波形圖。
【具體實施方式】
[0020]為進(jìn)一步闡述本發(fā)明的內(nèi)容和特點，以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方案進(jìn)行具體說明。但本發(fā)明的實施不限于此。
[0021 ] 參考圖1，本發(fā)明的雙輸入單相三開關(guān)組MMC整流器，包括第一交流輸入電源ua、第二交流輸入電源ub、第一電感La、第二電感Lb、開關(guān)橋臂、第一電容C1、第二電容C2、第三電容C3和整流負(fù)載R ;所述開關(guān)橋臂由上開關(guān)組H、中開關(guān)組M、下開關(guān)組L、第三電感Lh和第四電感U串聯(lián)而成；上開關(guān)組H由N個功率開關(guān)單元(SMH1、SMH2、…、SMhn)串聯(lián)而成，中開關(guān)組M由N個功率開關(guān)單元(SMM1、SMM2、.'SMw)串聯(lián)而成，下開關(guān)組L由N個功率開關(guān)單元(SMU、SM& -,SMln)串聯(lián)而成；第一交流輸入電源Ua的兩端作為第一路輸入，第二交流輸入電源Ub的兩端作為第二路輸入。
[0022]上開關(guān)組H的下端P與第三電感Lh的一端連接，第三電感Lh的另一端與中開關(guān)組M的上端ο連接，中開關(guān)組M的下端與第四電感的一端連接，第四電感U的另一端與下開關(guān)組L的上端連接；第一電容仏的負(fù)極與第二電容C2的正極連接，第二電容C2的負(fù)極與第三電容仏的正極連接；第一交流輸入電源Ua的一端與中開關(guān)組M的上端相連，第一交流輸入電源Ua的另一端與第一電感La的一端連接，第一電感La的另一端與第二電容C2的正極連接，第二交流輸入電源Ub的一端與中開關(guān)組M的下端相連，第二交流輸入電源Ub的另一端與第二電感Lb的一端連接，第二電感Lb的另一端第二電容C2的負(fù)極連接；上開關(guān)組H的上端與第一電容C1的正極、整流負(fù)載R的一端連接，整流負(fù)載R的另一端與下開關(guān)組L的下端、第三電容C3的負(fù)極、地端η連接。
[0023]圖2示出圖1所示的雙輸入單相三開關(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)單元包括第一開關(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;其中，電容Csm的正極與第一開關(guān)管集電極、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，上開關(guān)組H的第j個功率開關(guān)單元SMllj的第二輸出端與第j+Ι個功率開關(guān)單元SMH(m)的第一輸出端連接，其中j取值為I~N-1 ;中開關(guān)組M的第j個功率開關(guān)單元SMw的第二輸出端與第j+Ι個功率開關(guān)單元SMM(j+1)的第一輸出端連接；下開關(guān)組L的第j個功率開關(guān)單元SMu的第二輸出端與第j+Ι個功率開關(guān)單元SM“j+1)的第一輸出端連接。
[0025]令第一路輸入電壓為Wa=t/?COS(M'a/ + ^),第二路輸入電壓為
% =t/|?eos (W/ +%)，貝 Ij:
[0026]
【權(quán)利要求】
1.雙輸入單相三開關(guān)組MMC整流器，其特征在于:包括第一交流輸入電源(化)、第二交流輸入電源(? )、第一電感(Za)、第二電感(4)、開關(guān)橋臂、第一電容(G)、第二電容(G)、第三電容沁)和整流負(fù)載0?);所述開關(guān)橋臂由上開關(guān)組(H)、第三電感(&)、中開關(guān)組(M)、第四電感(Zz)和下開關(guān)組(L)串聯(lián)而成；上開關(guān)組(H)由N個功率開關(guān)單元(SMH1、SMh2,…、SMhn)串聯(lián)而成，中開關(guān)組(M)由N個功率開關(guān)單元(SMm1、SMm2,…、SMmn)串聯(lián)而成，下開關(guān)組(L)由N個功率開關(guān)單元(SMU、SM& -,SMln)串聯(lián)而成；第一交流輸入電源(《3)的兩端作為第一路輸入，第二交流輸入電源(?)的兩端作為第二路輸入；N為正整數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙輸入單相三開關(guān)組MMC整流器，其特征在于:第三電感(4)和第四電感(A)由耦合電感(ZyZz)替代。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙輸入單相三開關(guān)組MMC整流器，其特征在于:上開關(guān)組(H)的下端與第三電感(D的一端連接，第三電感的另一端與中開關(guān)組(M)的上端連接，中開關(guān)組(M)的下端與第四電感(Zz)的一端連接，第四電感(Zz)的另一端與下開關(guān)組(L)的上端連接；第一電容(G)的負(fù)極與第二電容(G)的正極連接，第二電容(G)的負(fù)極與第三電容(G)的正極連接；第一交流輸入電源("3)的一端與中開關(guān)組(M)的上端相連，第一交流輸入電源(《a)的另一端與第一電感(A3)的一端連接，第一電感(Za)的另一端與第二電容(G)的正極連接，第二交流輸入電源(?)的一端與中開關(guān)組(M)的下端相連，第二交流輸入電源(?)的另一端與第二電感(忍)的一端連接，第二電感(4)的另一端第二電容(G)的負(fù)極連接；上開關(guān)組(H)的上端與第一電容(G)的正極、整流負(fù)載0?)的一端連接，整流負(fù)載0?)的另一端與下開關(guān)組(L)的下端、第三電容(G)的負(fù)極、地端(/?)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙輸入單相三開關(guān)組MMC整流器，其特征在于:功率開關(guān)單元包括第一開關(guān)管(?)、第二開關(guān)管(?)、第一二極管(4)、第二二極管(4)和電容(G#);其中，電容(G#)的正極與第一開關(guān)管(?)的集電極、第一二極管(久)的陰極連接，第一開關(guān)管(?)的發(fā)射極與第一二極管(A)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所述的雙輸入單相三開關(guān)組MMC整流器，其特征在于:上開關(guān)組(H)的第j個功率開關(guān)單元(SMHj)的第二輸出端與第j+Ι個功率開關(guān)單元(SMH(j+1))的第一輸出端連接，其中j取值為fN-Ι ;中開關(guān)組(M)的第j個功率開關(guān)單元(SMw)的第二輸出端與第j+Ι個功率開關(guān)單元(SMm㈨))的第一輸出端連接；下開關(guān)組(L)的第j個功率開關(guān)單元(SMlj)的第二輸出端與第j+Ι個功率開關(guān)單元(SM“j+1))的第一輸出端連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙輸入單相三開關(guān)組MMC整流器，其特征在于: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，第一路輸入和第二路輸入的頻率相同，幅值不相同；異頻工作模式中，第一路輸入和第二路輸入的頻率和幅值均不相同。
7.用于權(quán)利要求1所述的雙輸入單相三開關(guān)組MMC整流器的控制方法，其特征在于:采用載波移相PWM控制上開關(guān)組(H)、中開關(guān)組(M)和下開關(guān)組(L)的開關(guān)管的開通與關(guān)斷；上開關(guān)組(H)的第j個 功率開關(guān)單元(SMiu)和下開關(guān)組(L)的第j個功率開關(guān)單元(SMu)采用相同三角波作為第j個載波?.，其中j取值為1、;N個載波(G、C2、…、Cn)依次滯后相角360° /N ;第一路輸入米用第一正弦波/Pa疊加取值為1/3的直流偏置作為第一調(diào)制波兄+1/3，第二路輸入采用第二正弦波慫疊加取值為-1/3的直流偏置作為第二調(diào)制波Rb-H
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制方法，其特征在于:第一調(diào)制波兄+1/3與第j個載波?.通過第一比較器得到上開關(guān)組(H)的第j個功率開關(guān)單元(SMHj)的第二開關(guān)管(?)門極的控制電平(?;.)，當(dāng)?shù)谝徽{(diào)制波兄+1/3大于第j個載波?.時，第一比較器輸出高電平，當(dāng)?shù)谝徽{(diào)制波兄+1/3小于第j個載波?.時，第一比較器輸出低電平，其中j的取值為1、;第二調(diào)制波慫-1/3與第j個載波?.通過第二比較器得到下開關(guān)組(L)的第j個功率開關(guān)單元(SMlj)的第二開關(guān)管(?)門極的控制電平(5y)，當(dāng)?shù)诙{(diào)制波慫-1/3小于第j個載波?.時，第二比較器輸出高電平，當(dāng)?shù)诙{(diào)制波慫-1/3大于第j個載波?.時，第二比較器輸出低電平；上開關(guān)組(H)的第j個功率開關(guān)單元(SMiu)的第二開關(guān)管(?)門極的控制電平(snj;.)和下開關(guān)組(L)的第j個功率開關(guān)單元(SMu)的第二開關(guān)管(?)門極的控制電平(5L)通過異或門得到中開關(guān)組(M)的第j個功率開關(guān)單元(SMw)中第二開關(guān)管(?)門極的控制電平(Snj;.);每個開關(guān)組的每個功率開關(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)單元的第一開關(guān)管(?)門極的控制電平。
【文檔編號】H02M7/219GK103986353SQ201410043022
【公開日】2014年8月13日 申請日期: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, 丘東元 申請人:華南理工大學(xué)