N輸入單相2n+2開關(guān)組mmc整流器的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供N輸入單相2N+2開關(guān)組MMC整流器。整流器包括N個交流輸入電源、N個交流電感、第一橋臂、第二橋臂和一個整流輸出端負(fù)載；所述第一橋臂和第二橋臂均由N+1個開關(guān)組和2個電感串聯(lián)而成；第一橋臂和第二橋臂中的第i個開關(guān)組均由n個功率開關(guān)單元串聯(lián)而成，i的取值為1~N+1；第k個交流電源的兩端作為第k路輸入，其中k的取值為1~N，N>2。該整流器采用載波移相PWM控制，N個輸入交流電源變換成N路2n+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，適合多交流電源輸入、高壓和大功率場合的應(yīng)用。
【專利說明】N輸入單相2N+2開關(guān)組MMC整流器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實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2N+2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2N+2開關(guān)整流器相對于傳統(tǒng)的4N開關(guān)整流器減少了 2N-2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。然而，2N+2開關(guān)整流器的N路單相輸入均轉(zhuǎn)換為兩電平，輸入交流波形比較差。此外，2N+2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2N+2個開關(guān)管的均壓問題，這極大的限制了單相2N+2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)?，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，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，需要2N個MMC整流器，這極大的增加了工程成本。
實用新型內(nèi)容
[0004]本實用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種無直流偏置的N輸入單相2N+2開關(guān)組MMC整流器。
[0005]本實用新型采用的技術(shù)方案如下。
[0006]N輸入單相2N+2開關(guān)組MMC整流器包括N個交流輸入電源、N個交流電感、第一橋臂、第二橋臂和負(fù)載；所述第一橋臂由N+1個開關(guān)組和2個電感串聯(lián)而成，所述第二橋臂由N+1個開關(guān)組和2個電感串聯(lián)而成；第一橋臂的第i個開關(guān)組由η個功率開關(guān)單元串聯(lián)而成，第二橋臂的第i個開關(guān)組由η個功率開關(guān)單元串聯(lián)而成，其中i的取值為I?N+1 ;第k個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，Ν>2, η為正整數(shù)。
[0007]上述的N輸入單相2Ν+2開關(guān)組MMC整流器中，第一橋臂的兩個電感相互耦合，構(gòu)成一對稱合電感；第二橋臂的兩個電感相互稱合，構(gòu)成一對稱合電感。
[0008]上述的N輸入單相2Ν+2開關(guān)組MMC整流器中，所述N輸入單相2Ν+2開關(guān)組MMC整流器中，第一橋臂的第I個開關(guān)組的下端與第一橋臂中2個電感的第一電感的一端連接，第一橋臂的第一電感的另一端與第一橋臂的第2個開關(guān)組的上端連接；第一橋臂的第i個開關(guān)組的下端與第一橋臂的第i+Ι個開關(guān)組的上端連接，其中i的取值為2?N-1 ;第一橋臂的第N個開關(guān)組的下端與第一橋臂的第二電感的一端連接，第一橋臂的第二電感的另一端與第一橋臂的第N+1個開關(guān)組的上端連接；第二橋臂的電路結(jié)構(gòu)與第一橋臂的電路結(jié)構(gòu)完全一致；第k個交流輸入電源的一端與第一橋臂的第k+Ι個開關(guān)組的上端連接，第k個交流輸入電源的另一端與第k個交流電感的一端連接，第k個交流電感的另一端與第二橋臂的第k+Ι個開關(guān)組的上端連接，其中k的取值為I~N-1 ;第N個交流輸入電源的一端與第一橋臂的第N個開關(guān)組的下端連接，第N個交流輸入電源的另一端與第N個交流電感的一端連接，第N個交流電感的另一端與第二橋臂的第N個開關(guān)組的下端連接；第一橋臂的第I個開關(guān)組的上端與第二橋臂的第I個開關(guān)組的上端、負(fù)載的一端連接，負(fù)載的另一端與第一橋臂的第N個開關(guān)組的下端、第二橋臂的第N個開關(guān)組的下端、地端連接。
[0009]上述的N輸入單相2N+2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2N+2開關(guān)組MMC整流器中，第一橋臂的第i個開關(guān)組的第j個功率開關(guān)單元的第二輸出端與第一橋臂的第i個開關(guān)組的第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，i取值為I~N+1 ;第二橋臂的第i個開關(guān)組的第j個功率開關(guān)單元的第二輸出端與第一橋臂的第i個開關(guān)組的第j+Ι個功率開關(guān)單元的第一輸出端連接。
[0011]上述的N輸入單相2N+2開關(guān)組MMC整流器的控制方法中，采用載波移相PWM控制第一橋臂的每個開關(guān)組和第二橋臂的每個開關(guān)組的每個開關(guān)管的開通與關(guān)斷；第一橋臂的第i個開關(guān)組(Btli)的第j個功率開關(guān)單元(SMbciu)和第二橋臂的第i個開關(guān)組(Bli)的第j個功率開關(guān)單元(SMbiu)均采用相同三角波作為第j個載波Cp其中j的取值為I~η ;n個載波(C1X2'…、Cn)依次滯后相角360° /n ;第k個交流輸入電源(Usk)的第一橋臂的端(ak)采用第一橋臂的第k個正弦波Rsak疊加第k個直流偏置Rdtjk得到第一橋臂的第k個調(diào)制波RSak+Rd。,，其中k的取值為I~N ;第k個交流輸入電源Usk)的第二橋臂的端(bk)采用第二橋臂的第k個正弦波Rsbk疊加第k個直流偏置Rdtjk得到第二橋臂的第k個調(diào)制波Rsbk+Rdok;第一橋臂的第k個正弦波Rsak和第二橋臂的第k個正弦波Rsbk相位相差180°。
[0012]上述控制方法中，第一橋臂的第k個調(diào)制波RSak+Rd()k與第j個載波Cj通過第k個比較器，當(dāng)?shù)谝粯虮鄣牡趉個調(diào)制波RSak+Rd。,大于第j個載波Cj時，第k個比較器輸出高電平，當(dāng)?shù)谝粯虮鄣牡趉個調(diào)制波RSak+Rd。,小于第j個載波Cj時，第k個比較器輸出低電平，其中k的取值為I~N ;第I個比較器的輸出作為第一橋臂的第I個開關(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；第k-Ι個比較器的輸出通過第k-Ι個非門，第k-1個非門的輸出與第k個比較器的輸出通過第k-Ι個異或門得到第一橋臂的第k個開關(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，其中k的取值為2~N ;第N個比較器的輸出通過第N個非門得到第一橋臂的第N+1個開關(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；第二橋臂的第k個調(diào)制波Rsbk+Rd()k與第j個載波&通過第N+k個比較器，當(dāng)?shù)诙虮鄣牡趉個調(diào)制波Rsbk+Rd。,大于第 j個載波Cj時，第N+k個比較器輸出高電平，當(dāng)?shù)诙虮鄣牡趉個調(diào)制波Rsbk+Rd。,小于第j個載波&時，第N+k個比較器輸出低電平，其中k的取值為I~N ;第N+1個比較器的輸出作為第二橋臂的第I個開關(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；第奸1^-1個比較器的輸出通過第Ν+k-l個非門，第N+k-1個非門的輸出與第N+k個比較器的輸出通過第N-1+k-l個異或門得到第二橋臂的第k個開關(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，其中k的取值為2~N ;第2*N個比較器的輸出通過第2*N個非門得到第二橋臂的第N+1個開關(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。
[0013]所述N輸入單相2N+2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，本實用新型具有的優(yōu)勢為:N路三相交流輸入電源均轉(zhuǎn)換為N路2n+l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。與現(xiàn)有的單相2N+2開關(guān)整流器相比較，本實用新型所提供的N輸入單相2N+2開關(guān)組MMC整流器的N路三相交流輸入電源均轉(zhuǎn)換為N路2n+l電平交流輸入，輸入交流電流波形的質(zhì)量有了極大的提高。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，且本實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)管的均壓問題，這將非常有利于N輸入單相2N+2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，本實用新型所提供的N輸入單相2N+2開關(guān)組MMC整流器具有N路交流輸入，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是本實用新型的N輸入單相2N+2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2N+2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2N+2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是三輸入單相八開關(guān)組MMC整流器分別工作于同頻工作模式和異頻工作模式下的調(diào)制波；
[0019]圖5a、5b是三輸入單相八開關(guān)組九電平MMC整流器工作于同頻工作模式和異頻工作模式的仿真波形圖。
【具體實施方式】
[0020]為進(jìn)一步闡述本實用新型的內(nèi)容和特點(diǎn)，以下結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施方案進(jìn)行說明，但本實用新型的實施和保護(hù)不限于此。
[0021]參考圖1，本實用新型的N輸入單相2N+2開關(guān)組MMC整流器，包括N個交流輸入電源(us1、us2、…、usn)、N個交流電感(LS1、LS2、…、Lsn)、第一橋臂、第二橋臂和負(fù)載R ;所述第一橋臂由N+1個開關(guān)組(BQ1、BQ2、…、Bq_)和2個電感(Lc^Lci2)串聯(lián)而成，所述第二橋臂由N+1個開關(guān)組(Bn、B12、…、B1(N+1))和2個電感(Ln、L12)串聯(lián)而成；第一橋臂的第i個開關(guān)組(Btli)由η個功率開關(guān)單元(SMBCIil、SMBCIi2、…、SM_)串聯(lián)而成，第二橋臂的第i個開關(guān)組Bli由η個功率開關(guān)單元(SMBlil、SMBli2、…、SMBlin)串聯(lián)而成，其中i的取值為I~N+1 ;第k個交流輸入電源Usk的兩端作為第k路輸入,其中k的取值為I~N，N>2。
[0022]第一橋臂的第I個開關(guān)組Btll的下端P與第一橋臂的第一電感Ltll的一端連接，第一橋臂的第一電感Ltll的另一端與第一橋臂的第2個開關(guān)組Btl2的上端ο連接；第一橋臂的第i個開關(guān)組Btli的下端與第一橋臂的第i+Ι個開關(guān)組Bckw)的上端連接，其中i的取值為2~N-1 ;第一橋臂的第N個開關(guān)組Bcin的下端與第一橋臂的第二電感Ltl2的一端連接，第一橋臂的第二電感Ltl2的另一端與第一橋臂的第N+1個開關(guān)組Btl0w)的上端連接；第二橋臂的電路結(jié)構(gòu)與第一橋臂的電路結(jié)構(gòu)完全一致；第1^個交流輸入電源Usk的一端與第一橋臂的第k+Ι個開關(guān)組Btl0rt)的上端連接,第k個交流輸入電源Usk的另一端與第k個交流電感Lsk的一端連接，第k個交流電感Lsk的另一端與第二橋臂的第k+Ι個開關(guān)組B1(k+1)的上端連接，其中k的取值為I~N-1 ;第N個交流輸入電源uSN的一端與第一橋臂的第N個開關(guān)組Bcin的下端連接，第N個交流輸入電源uSN的另一端與第N個交流電感Lsn的一端連接,第N個交流電感Lsn的另一端與第二橋臂的第N個開關(guān)組Bin的下端連接；第一橋臂的第I個開關(guān)組B01的上端與第二橋臂的第I個開關(guān)組B11的上端、負(fù)載R的一端連接，負(fù)載R的另一端與第一橋臂的第N個開關(guān)組Bcin的下端、第二橋臂的第N個開關(guān)組Bin的下端、地端G連接。
[0023]圖2示出圖1所示的N輸入單相2N+2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，第一橋臂的第i個開關(guān)組Btli的第j個功率開關(guān)單元SMbciu的第二輸出端與第一橋臂的第i個開關(guān)組Btli的第j+Ι個功率開關(guān)單元SMbm?+1)的第一輸出端連接，其中j取值為I~n-1，i取值為I~N+1 ;第二橋臂的第i個開關(guān)組Bli的第j個功率開關(guān)單元SMbiu的第二輸出端與第一橋臂的第i個開關(guān)組Bli的第j+Ι個功率開關(guān)單元SMBli(j+1)的第一輸出端連接。
[0025]令第k路交流輸入電源
【權(quán)利要求】
1.N輸入單相2N+2開關(guān)組MMC整流器，其特征在于:包括N個交流輸入電源(知、uS2、…、--#)、Ν個交流電感(47、4、…、4#)、第一橋臂、第二橋臂和負(fù)載(/?);所述第一橋臂由N+1個開關(guān)組(Btll、Btl2、…、BQ(N+1))和2個電感(‘、‘)串聯(lián)而成，所述第二橋臂由N+1個開關(guān)組(Bn、B12、…、B1(N+1))和2個電感(ZW、U串聯(lián)而成；第一橋臂的第i個開關(guān)組(Btli)由η個功率開關(guān)單元(SMBCIil、SMBCIi2、…、SMB(lin)串聯(lián)而成，第二橋臂的第i個開關(guān)組(Bli)由η個功率開關(guān)單元(SMBm、SMBli2、-,SMmin)串聯(lián)而成，其中i的取值為fN+Ι ;第1^個交流輸入電源(?,)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2Ν+2開關(guān)組MMC整流器，其特征在于:第一橋臂的兩個電感(‘、L02)相互耦合，構(gòu)成一對耦合電感；第二橋臂的兩個電感(Zw、L12)相互耦合，構(gòu)成一對稱合電感。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的N輸入單相2N+2開關(guān)組MMC整流器，其特征在于:第一橋臂的第I個開關(guān)組(Btll)的下端(P)與第一橋臂中2個電感的第一電感(Zw)的一端連接，第一橋臂的第一電感(Au)的另一端與第一橋臂的第2個開關(guān)組(Btl2)的上端(ο)連接；第一橋臂的第i個開關(guān)組(Btli)的下端與第一橋臂的第i+Ι個開關(guān)組(Bckw))的上端連接，其中i的取值為2~N-1 ;第一橋臂的第N個開關(guān)組(Bcin)的下端與第一橋臂的第二電感(Zfli)的一端連接，第一橋臂的第二電感(^)的另一端與第一橋臂的第N+1個開關(guān)組(Β_+1))的上端連接；第二橋臂的電路結(jié)構(gòu)與第一橋臂的電路結(jié)構(gòu)完全一致；第k個交流輸入電源(Oa)的一端與第一橋臂的第k+1個開關(guān)組(Bckw))的上端連接，第k個交流輸入電源(?,)的另一端與第k個交流電感(A?)的一端連接，第k個交流電感(Za)的另一端與第二橋臂的第k+1個開關(guān)組(B1(k+1))的上端連接，其中k的取值為fN-1 個交流輸入電源(&)的一端與第一橋臂的第N個開關(guān)組(Bcin)的下端連接，第N個交流輸入電源(％#)的另一端與第N個交流電感(Aw)的一端連接，第N個交流電感(Aw)的另一端與第二橋臂的第N個開關(guān)組(Bin)的下端連接；第一橋臂的第I個開關(guān)組(Btll)的上端與第二橋臂的第I個開關(guān)組(B11)的上端、負(fù)載0?)的一端連接，負(fù)載0?)的另一端與第一橋臂的第N個開關(guān)組(Bcin)的下端、第二橋臂的第N個開關(guān)組(Bin)的下端、地端(O連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的N輸入單相2N+2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(S1)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2N+2開關(guān)組MMC整流器，其特征在于:第一橋臂的第i個開關(guān)組(Btli)的第j個功率開關(guān)單元(SMbciuM^第二輸出端與第一橋臂的第i個開關(guān)組(Btli)的第j+Ι個功率開關(guān)單元(SMbm(w))的第一輸出端連接，其中j取值為fn-1，i取值為fN+Ι ;第二橋臂的第i個開關(guān)組(Bli)的第j個功率開關(guān)單元(SMbiu)的第二輸出端與第一橋臂的第i個開關(guān)組(Bli)的第j+Ι個功率開關(guān)單元(SMB1m+1))的第一輸出端連接。
【文檔編號】H02M7/12GK203722493SQ201420055697
【公開日】2014年7月16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)