無直流偏置的雙輸出單相三開關(guān)組mmc逆變器的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種無直流偏置的雙輸出單相三開關(guān)組MMC逆變器。所述逆變器包括直流電源、第一電容、第二電容、第三電容、開關(guān)橋臂、第一負(fù)載和第二負(fù)載；所述開關(guān)橋臂由上開關(guān)組、中開關(guān)組、下開關(guān)組和耦合電感串聯(lián)而成；上開關(guān)組、中開關(guān)組和下開關(guān)組分別由N個功率開關(guān)單元串聯(lián)而成；第一負(fù)載的一端接到第一電容、第二電容的中點，第一負(fù)載的另一端接到中開關(guān)組的上端；第二負(fù)載的一端接到第二電容、第三電容的中點，第二負(fù)載的另一端接到中開關(guān)組的下端。該逆變器采用載波移相PWM控制，可以輸出兩路無直流偏置的N+1電平交流電壓，適合于高壓、大功率、雙負(fù)載的場合。所述逆變器中耦合電感可由兩個獨立電感替代。
【專利說明】無直流偏置的雙輸出單相三開關(guān)組MMC逆變器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及模塊組合多電平（MMC)變換器領(lǐng)域，具體涉及一種無直流偏置的 雙輸出單相三開關(guān)組MMC逆變器。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前功率變換器正向小型化、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)變換器的方向：減少無源器件或者改進(jìn)變換器拓?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)變換器相對于傳統(tǒng)的四開關(guān)變換器減少了 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。然而，三開關(guān)變換器的兩路 單相輸出均為兩電平，輸出交流波形比較差。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)變換器 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變換器拓?fù)浯笾驴煞?為箱位型和單元級聯(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)多電平變換器的優(yōu)點，模塊組合多電平變 換器采用模塊化結(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，模塊組合多電平變換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變換器，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雙輸出 單相三開關(guān)組MMC逆變器。
[0005] 本實用新型采用的技術(shù)方案如下。
[0006] 無直流偏置的雙輸出單相三開關(guān)組MMC逆變器包括直流電源、第一電容、第二電 容、第三電容、開關(guān)橋臂、第一負(fù)載和第二負(fù)載；所述開關(guān)橋臂由上開關(guān)組、中開關(guān)組、下開 關(guān)組和耦合電感串聯(lián)而；上開關(guān)組由N個功率開關(guān)單元串聯(lián)而成成，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；第一負(fù)載的一端接到第一電容、 第二電容的中點，第一負(fù)載的另一端接到中開關(guān)組的上端；第二負(fù)載的一端接到第二電容、 第三電容的中點，第二負(fù)載的另一端接到中開關(guān)組的下端；第一負(fù)載的兩端作為第一路輸 出，第二負(fù)載的兩端作為第二路輸出；第一電容、第二電容和第三電容的電壓均為U dc;/3。奉禹 合電感的原副邊由第一電感和第二電感兩個獨立電感替代。采用載波移相PWM控制所述變 換器中上開關(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。
[0007] 上述的無直流偏置的雙輸出單相三開關(guān)組MMC逆變器中，所述無直流偏置的雙輸 出單相三開關(guān)組MMC逆變器中，直流電源的正極與第一電容的正極、上開關(guān)組的上端連接， 上開關(guān)組的下端與耦合電感原邊的同名端連接，耦合電感原邊的非同名端與中開關(guān)組的 上端連接，中開關(guān)組的下端與耦合電感副邊的同名端連接，耦合電感副邊的非同名端與下 開關(guān)組的上端連接，下開關(guān)組的下端與第三電容的負(fù)極、直流電源的負(fù)極、地端連接，第三 電容的正極與第二電容的負(fù)極連接，第二電容的正極與第一電容的負(fù)極連接；第一負(fù)載的 一端與中開關(guān)組的上端相連，第一負(fù)載的另一端與第二電容的正極連接，第二負(fù)載的一端 與中開關(guān)組的下端相連，b路負(fù)載的另一端與第二電容的負(fù)極連接。
[0008] 上述的無直流偏置的雙輸出單相三開關(guān)組MMC逆變器中，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。
[0009] 上述的無直流偏置的雙輸出單相三開關(guān)組MMC逆變器中，上開關(guān)組的第i個功率 開關(guān)單元的第二輸出端與第i+ι個功率開關(guān)單元的第一輸出端連接，其中i取值為1? N-1 ;中開關(guān)組的第i個功率開關(guān)單元的第二輸出端與第i+Ι個功率開關(guān)單元的第一輸出端 連接；下開關(guān)組的第i個功率開關(guān)單元的第二輸出端與第i+Ι個功率開關(guān)單元的第一輸出 端連接。
[0010] 上述的無直流偏置的雙輸出單相三開關(guān)組MMC逆變器的控制方法中，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i個功率 開關(guān)單元和下開關(guān)組的第i個功率開關(guān)單元采用相同三角波作為第i個載波Q，其中i取 值為1?N ;N個載波依次滯后相角360° /N ;第一路輸出采用正弦波疊加取值為1/3的直 流偏置作為第一調(diào)制波艮+1/3,第二路輸出采用正弦波疊加取值為1/3的直流偏置作為第 二調(diào)制波R b_l/3。
[0011] 上述控制方法中，第一調(diào)制波Ra+l/3與第i個載波Q通過第一比較器得到上開關(guān) 組的第i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R a+l/3大于第i個 載波Q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i個載波Q時，第一比較 器輸出低電平，其中i的取值為1?N ;第二調(diào)制波Rb-l/3與第i個載波Q通過第二比較 器得到下開關(guān)組的第i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)制波調(diào)制 波R b-l/3小于第i個載波Q時，第二比較器輸出高電平，當(dāng)?shù)诙{(diào)制波調(diào)制波Rb-l/3大于 第i個載波Q時，第二比較器輸出低電平；上開關(guān)組的第i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i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i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。
[0012] 無直流偏置的雙輸出單相三開關(guān)組MMC逆變器的工作模式包括同頻工作模式（CF 模式）和異頻工作模式（DF模式），CF模式中，第一路輸出和第二路輸出的頻率相同，幅值 不相同；DF模式中，第一路輸出和第二路輸出的頻率和幅值均不相同。
[0013] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有的優(yōu)勢為：具有兩路N+1電平交流輸出，輸出 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， 同時能保證變換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)有的單相三開關(guān)變換器相比較，本實用新型所提供的無直流偏置的雙輸出單相三 開關(guān)組MMC逆變器的兩路輸出均為N+1電平交流輸出，輸出交流波形的質(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 控制方法使變換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，這將非常有利于無直流偏置的雙輸出單相三開關(guān)組MMC逆變器在高壓和大功率場合的 應(yīng)用。與現(xiàn)有的MMC變換器相比較，本實用新型所提供的無直流偏置的雙輸出單相三開關(guān) 組MMC逆變器具有兩路交流輸出，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】
[0014] 圖1是本實用新型的無直流偏置的雙輸出單相三開關(guān)組MMC逆變器的電路結(jié)構(gòu) 圖；
[0015] 圖2是本實用新型的無直流偏置的雙輸出單相三開關(guān)組MMC逆變器的功率開關(guān)單 元的電路結(jié)構(gòu)圖；
[0016] 圖3是圖1所示的無直流偏置的雙輸出單相三開關(guān)組MMC逆變器的載波移相PWM 控制方法的結(jié)構(gòu)圖；
[0017] 圖4a、4b是圖1所示的無直流偏置的雙輸出單相三開關(guān)組MMC逆變器分別工作于 CF模式和DF模式的調(diào)制波與載波的關(guān)系；
[0018] 圖5a、5b是無直流偏置的雙輸出單相五電平三開關(guān)組MMC逆變器分別工作于CF 模式和DF模式的仿真波形圖。

【具體實施方式】
[0019] 為進(jìn)一步闡述本實用新型的內(nèi)容和特點，以下結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施 進(jìn)行說明，但本實用新型的實施不限于此。
[0020] 參考圖1，本實用新型的無直流偏置的雙輸出單相三開關(guān)組MMC逆變器，包括直流 電源u d。、第一電容q、第二電容c2、第三電容c3、開關(guān)橋臂、第一負(fù)載和第二負(fù)載；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和耦合電感（L H:LJ串聯(lián)而成；上開關(guān)組Η由N 個功率開關(guān)單元（SMm、SMH2、…、SM。串聯(lián)而成，中開關(guān)組Μ由Ν個功率開關(guān)單元（SM m1、 SMK、"·、5Μμ)串聯(lián)而成，下開關(guān)組L由N個功率開關(guān)單元（SMu、SMw "·、5Μμ)串聯(lián)而成； 第一負(fù)載的一端接到第一電容(^、第二電容C2的中點，第一負(fù)載的另一端接到中開關(guān)組Μ的 上端〇 ;第二負(fù)載的一端接到第二電容C2、第三電容C3的中點，第二負(fù)載的另一端接到中開 關(guān)組Μ的下端p ;第一負(fù)載的兩端作為第一路輸出，第二負(fù)載的兩端作為第二路輸出；第一 電容Q、第二電容C2和第三電容C 3的電壓均為Udc;/3。其中，直流電源Ud。的正極與第一電 容Q的正極、上開關(guān)組Η的上端〇連接，上開關(guān)組Η的下端p與耦合電感（L H: LJ原邊LH的 同名端w連接，耦合電感（LH:LJ原邊LH的非同名端a與中開關(guān)組Μ的上端〇連接，中開關(guān) 組Μ的下端ρ與耦合電感（L H:K)副邊k的同名端b連接，耦合電感（LH:LJ副邊k的非同 名端z與下開關(guān)組L的上端〇連接，下開關(guān)組L的下端p與第三電容C 3的負(fù)極、直流電源 Ud。的負(fù)極、地端η連接，第三電容C3的正極與第二電容C2的負(fù)極連接，第二電容C 2的正極 與第一電容Cl的負(fù)極連接；第一負(fù)載的一端與中開關(guān)組Μ的上端〇相連，第一負(fù)載的另一 端與第二電容c2的正極連接，第二負(fù)載的一端與中開關(guān)組Μ的下端p相連，b路負(fù)載的另一 端與第二電容C2的負(fù)極連接。
[0021] 圖2示出圖1所示的無直流偏置的雙輸出單相三開關(guān)組MMC逆變器的功率開關(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Si、第二開關(guān)管S 2、第一二極管Di、第二二極 管D2和電容CSM。其中，電容C SM的正極與第一開關(guān)管Si的集電極、第一二極管Di的陰極連 接，第一開關(guān)管Si的發(fā)射極與第一二極管Di的陽極、第二開關(guān)管S 2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C SM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。
[0022] 如圖1所示，上開關(guān)組Η的第i個功率開關(guān)單元SMm的第二輸出端與第i+Ι個功 率開關(guān)單元SM H(i+1)的第一輸出端連接，其中i取值為1?N-1 ;中開關(guān)組Μ的第i個功率開 關(guān)單元SMMi的第二輸出端與第i+Ι個功率開關(guān)單元SMM(i+1)的第一輸出端連接；下開關(guān)組L 的第i個功率開關(guān)單元SMU的第二輸出端與第i+Ι個功率開關(guān)單元SMUi+1)的第一輸出端 連接。
[0023] 如圖1所示，第一負(fù)載和第二負(fù)載的兩端電壓分別為：
[0024]

【權(quán)利要求】
1. 無直流偏置的雙輸出單相三開關(guān)組MMC逆變器，其特征在于：包括直流電源（Ud。)、 第一電容（Q)、第二電容（c 2)、第三電容（c3)、開關(guān)橋臂、第一負(fù)載和第二負(fù)載；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)和耦合電感串聯(lián)而成；上開關(guān)組（H)由N個 功率開關(guān)單元（SM H1、SMH2、…、SMhn)串聯(lián)而成，中開關(guān)組(M)由N個功率開關(guān)單元（SMm1、 SMK、…、SMW)串聯(lián)而成，下開關(guān)組（L)由N個功率開關(guān)單元（SMU、SM l2、…、SMm)串聯(lián)而 成，N為正整數(shù)；第一負(fù)載的一端接到第一電容（Q)、第二電容（C 2)的中點，第一負(fù)載的另一 端接到中開關(guān)組(M)的上端（〇);第二負(fù)載的一端接到第二電容（C2)、第三電容（C 3)的中點， 第二負(fù)載的另一端接到中開關(guān)組(M)的下端（p);第一負(fù)載的兩端作為第一路輸出，第二負(fù) 載的兩端作為第二路輸出；第一電容（Q)、第二電容（C 2)和第三電容（C3)的電壓均為Udc;/3， Ud。為直流電源的電壓。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無直流偏置的雙輸出單相三開關(guān)組MMC逆變器，其特征在于： 耦合電感的原邊及副邊由第一電感αΗ)和第二電感（Lj兩個獨立電感替代。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無直流偏置的雙輸出單相三開關(guān)組MMC逆變器，其特征在于： 直流電源（Ud。）的正極與第一電容（CJ的正極、上開關(guān)組（Η)的上端連接，上開關(guān)組（Η)的 下端與耦合電感原邊的同名端（w)連接，耦合電感原邊的非同名端（a)與中開關(guān)組（M)的上 端連接，中開關(guān)組(Μ)的下端與耦合電感副邊（L)的同名端（b )連接，耦合電感副邊的非同 名端（z)與下開關(guān)組（L)的上端連接，下開關(guān)組（L)的下端與第三電容（C3)的負(fù)極、直流電 源（U d。）的負(fù)極、地端（η)連接，第三電容（C3)的正極與第二電容（C2)的負(fù)極連接，第二電容 (C 2)的正極與第一電容（CJ的負(fù)極連接；第一負(fù)載的一端與中開關(guān)組(M)的上端相連，第一 負(fù)載的另一端與第二電容（C 2)的正極連接，第二負(fù)載的一端與中開關(guān)組（M)的下端相連，b 路負(fù)載的另一端與第二電容（C2)的負(fù)極連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無直流偏置的雙輸出單相三開關(guān)組MMC逆變器，其特征在于： 功率開關(guān)單元由第一開關(guān)管（SP、第二開關(guān)管（S2)、第一二極管（DJ、第二二極管（D2)和電 容（C SM)構(gòu)成；其中，電容（CSM)的正極與第一開關(guān)管（SJ的集電極、第一二極管（DJ的陰極 連接，第一開關(guān)管（S〇的發(fā)射極與第一二極管（DJ的陽極、第二開關(guān)管（S 2)的集電極、第 二二極管（?)的陰極連接，第二開關(guān)管（S2)的發(fā)射極與第二二極管（D 2)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。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無直流偏置的雙輸出單相三開關(guān)組MMC逆變器，其特征在于： 上開關(guān)組（H)的第i個功率開關(guān)單元（SMm)的第二輸出端與第i+Ι個功率開關(guān)單元（SMH(i+1)) 的第一輸出端連接，其中i取值為1~N-1 ;中開關(guān)組(Μ)的第i個功率開關(guān)單元（SMMi)的第 二輸出端與第i+Ι個功率開關(guān)單元（SMM(i+1))的第一輸出端連接；下開關(guān)組（L)的第i個功 率開關(guān)單元（SM U)的第二輸出端與第i+Ι個功率開關(guān)單元（SMUi+1))的第一輸出端連接。
【文檔編號】H02M7/537GK203872080SQ201420056605
【公開日】2014年10月8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)