六開關(guān)組mmc混合變換器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供六開關(guān)組MMC混合變換器。變換器包括交流輸入電源、交流輸入電感、第一直流電源、第一直流輸入電感、第二直流電源、第二直流輸入電感、第一橋臂、第二橋臂和負(fù)載；所述第一橋臂和第二橋臂均由上開關(guān)組、中開關(guān)組、下開關(guān)組、第一橋臂電感、第二橋臂電感串聯(lián)而成；每個(gè)開關(guān)組均由N個(gè)功率開關(guān)單元串聯(lián)而成；N為正整數(shù)。該變換器采用載波移相PWM控制，交流輸入電源轉(zhuǎn)換成2N+1電平的交流輸入，直流輸入電源轉(zhuǎn)換成多電平，經(jīng)變換器變換成直流輸出后給負(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，很好的解決了開關(guān)管的均壓?jiǎn)栴}，適合分布式發(fā)電直接接入高壓直流輸電的應(yīng)用。
【專利說(shuō)明】六開關(guān)組MMC混合變換器
【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，具體涉及一種六開關(guān)組MMC混合變換器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著分布式發(fā)電和高壓直流輸電的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的低壓直流電源和低壓交流電源直接接入高壓直流電網(wǎng)中。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(shì)下出現(xiàn)兩種改進(jìn)變換器的方向:減少無(wú)源器件或者改進(jìn)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。單相六開關(guān)變換器可以將直流電源與交流電源直接與直流電源連接，單相六開關(guān)變換器相對(duì)于傳統(tǒng)的八開關(guān)變換器減少了兩個(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，六開關(guān)變換器的單相輸入交流轉(zhuǎn)換為三電平。此外，六個(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，且存在六個(gè)開關(guān)的均壓?jiǎn)栴}，這極大的限制了單相六開關(guān)變換器在高壓和大功率場(chǎng)合的應(yīng)用。
[0003]近年來(lái)，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變換器拓?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)多電平變換器的優(yōu)點(diǎn)，模塊組合多電平變換器采用模塊化結(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，模塊組合多電平變換器尤其適用于高壓直流輸電系統(tǒng)應(yīng)用。然而，當(dāng)多個(gè)直流電源和交流電源通過MMC變換器接入電網(wǎng)時(shí)，需要多套MMC變換器，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，提出一種六開關(guān)組MMC混合變換器。
[0005]本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是:
[0006]六開關(guān)組MMC混合變換器，包括交流輸入電源、交流輸入電感、第一直流電源、第一直流輸入電感、第二直流電源、第二直流輸入電感、第一橋臂、第二橋臂和負(fù)載；所述第一橋臂和第二橋臂均各自由上開關(guān)組、中開關(guān)組、下開關(guān)組、第一橋臂電感、第二橋臂電感串聯(lián)而成；第一橋臂的上開關(guān)組由N個(gè)功率開關(guān)單元串聯(lián)而成，第一橋臂的中開關(guān)組由N個(gè)功率開關(guān)單元串聯(lián)而成，第一橋臂的下開關(guān)組由N個(gè)功率開關(guān)單元串聯(lián)而成，第二橋臂的上開關(guān)組由N個(gè)功率開關(guān)單元串聯(lián)而成，第二橋臂的中開關(guān)組由N個(gè)功率開關(guān)單元串聯(lián)而成，第二橋臂的下開關(guān)組由N個(gè)功率開關(guān)單元串聯(lián)而成；N為正整數(shù)。
[0007]進(jìn)一步地，所述第一橋臂的第一橋臂電感和第二橋臂電感由耦合電感替代，第二橋臂的第一橋臂電感和第二橋臂電感由耦合電感替代。
[0008]進(jìn)一步地，所述第一橋臂的上開關(guān)組的下端與第一橋臂的第一橋臂電感的一端連接，第一橋臂的第一橋臂電感的另一端與第一橋臂的中開關(guān)組的上端連接，第一橋臂的中開關(guān)組的下端與第一橋臂的第二橋臂電感的一端連接，第一橋臂的第二橋臂電感的另一端與第一橋臂的下開關(guān)組的上端連接；第二橋臂的結(jié)構(gòu)與第一橋臂的結(jié)構(gòu)完全一致；交流輸入電源的一端與第一橋臂的中開關(guān)組的上端連接，交流輸入電源的一端與交流輸入電感的一端連接，交流輸入電感的另一端與第二橋臂的中開關(guān)組的上端連接；第一直流電源的正極與第一直流輸入電感的一端連接，第一直流輸入電感的另一端與第一橋臂的中開關(guān)組的下端連接；第二直流電源的正極與第二直流輸入電感的一端連接，第二直流輸入電感的另一端與第二橋臂的中開關(guān)組的下端連接；第一橋臂的上開關(guān)組的上端與第二橋臂的上開關(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下開關(guān)組的下端、第二橋臂的下開關(guān)組的下端、地端連接。
[0009]進(jìn)一步地，所述功率開關(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(yáng)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(yáng)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]進(jìn)一步地，所述每個(gè)開關(guān)組的第j個(gè)功率開關(guān)單元的第二輸出端與第j+i個(gè)功率開關(guān)單元的第一輸出端連接，其中j的取值為I?N-1。
[0011]上述的六開關(guān)組MMC混合變換器，可采用載波移相PWM控制每個(gè)開關(guān)組的開關(guān)管的開通與關(guān)斷；第一橋臂的上開關(guān)組的第j個(gè)功率開關(guān)單元、第一橋臂的下開關(guān)組的第j個(gè)功率開關(guān)單元、第二橋臂的上開關(guān)組的第j個(gè)功率開關(guān)單元和第二橋臂的下開關(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Cp其中j的取值為I?N #個(gè)載波依次滯后相角360° /N ;第一橋臂的上開關(guān)組米用第一正弦波Rael疊加直流偏置Rd。作為第一橋臂的第一調(diào)制波Rac;1+Rd。，第一橋臂的下開關(guān)組采用常數(shù)值作為第一橋臂的第二調(diào)制波Rtkl，第二橋臂的上開關(guān)組采用第二正弦波Rae2疊加直流偏置Rd。作為第二橋臂的第一調(diào)制波Rac；2+Rd。，第二橋臂的下開關(guān)組采用常數(shù)值作為第二橋臂的第二調(diào)制波&。2;第一正弦波Racl與第二正弦波Rae2的頻率相同且相位差為180°，第一橋臂的第二調(diào)制波Rdel與第二橋臂的第二調(diào)制波Rtk2的大小相同。
[0012]第一橋臂的第一調(diào)制波Rac;1+Rd。與第j個(gè)載波Cj通過第一比較器得到第一橋臂的上開關(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，當(dāng)?shù)谝粯虮鄣牡谝徽{(diào)制波Racl+Rdo大于第j個(gè)載波Cj時(shí)，第一比較器輸出高電平，當(dāng)?shù)谝粯虮鄣牡谝徽{(diào)制波Rac;1+Rd。小于第j個(gè)載波時(shí)，第一比較器輸出低電平，其中j的取值為I?N ;第一橋臂的第二調(diào)制波Rtkl與第j個(gè)載波&通過第二比較器得到第一橋臂的下開關(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，當(dāng)?shù)谝粯虮鄣牡诙{(diào)制波Rtkl小于第j個(gè)載波&時(shí)，第二比較器輸出高電平，當(dāng)?shù)谝粯虮鄣牡诙{(diào)制波Rtkl大于第j個(gè)載波Cj時(shí),第二比較器輸出低電平；第一橋臂的上開關(guān)組的第j個(gè)功率開關(guān)單元的第二開關(guān)管門極的控制電平和第一橋臂的下開關(guān)組的第j個(gè)功率開關(guān)單元的第二開關(guān)管門極的控制電平通過第一異或門得到第一橋臂的中開關(guān)組的第j個(gè)功率開關(guān)單元中第二開關(guān)管門極的控制電平；第二橋臂的第一調(diào)制波Rae2+Rd。與第j個(gè)載波Cj通過第三比較器得到第二橋臂的上開關(guān)組的第j個(gè)功率開關(guān)單元中第二開關(guān)管門極的控制電平，當(dāng)?shù)诙虮鄣牡谝徽{(diào)制波Rac;2+Rd。大于第j個(gè)載波Cj時(shí)，第三比較器輸出高電平，當(dāng)?shù)诙虮鄣牡谝徽{(diào)制波Rae2+Rd。小于第j個(gè)載波Cj時(shí)，第三比較器輸出低電平；第二橋臂的第二調(diào)制波Rtk2與第j個(gè)載波Cj通過第四比較器得到第二橋臂下開關(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，當(dāng)?shù)诙虮鄣牡诙{(diào)制波Rtk2小于第.?個(gè)載波Cj時(shí)，第四個(gè)比較器輸出高電平，當(dāng)?shù)诙虮鄣牡诙{(diào)制波Rtk2大于第j個(gè)載波Cj時(shí)，第四比較器輸出低電平；第二橋臂的上開關(guān)組的第j個(gè)功率開關(guān)單元中第二開關(guān)管門極的控制電平和第二橋臂下開關(guān)組的第j個(gè)功率開關(guān)單元的第二開關(guān)管門極的控制電平通過第二異或門得到第二橋臂的中開關(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]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有的優(yōu)勢(shì)為:單相交流輸入電源轉(zhuǎn)換為2N+1電平的交流輸入；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?jiǎn)栴}。與現(xiàn)有的單相六開關(guān)變換器相比較，本實(shí)用新型所提供的六開關(guān)組MMC混合變換器的單相交流輸入電源轉(zhuǎn)換為2N+1電平的交流輸入。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?jiǎn)栴}，這將非常有利于六開關(guān)組MMC混合變換器在高壓和大功率場(chǎng)合的應(yīng)用。與現(xiàn)有的MMC變換器相比較，本實(shí)用新型所提供的六開關(guān)組MMC混合變換器僅使用六組開關(guān)將兩個(gè)直流電源和一個(gè)交流電源接入直流電網(wǎng)，極大的降低了工程成本。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是本實(shí)用新型的六開關(guān)組MMC混合變換器的電路結(jié)構(gòu)圖；
[0015]圖2是圖1所示 六開關(guān)組MMC混合變換器的功率開關(guān)單元的電路結(jié)構(gòu)圖；
[0016]圖3是圖1所示六開關(guān)組MMC混合變換器的載波移相PWM控制結(jié)構(gòu)圖；
[0017]圖4是圖1所示的六開關(guān)組MMC混合變換器第一橋臂的第一調(diào)制波和第二調(diào)制波與載波的關(guān)系；
[0018]圖5是六開關(guān)組MMC混合變換器的仿真波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]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(shuō)明。但本實(shí)用新型的實(shí)施不限于此。
[0020]參考圖1，本實(shí)用新型的六開關(guān)組MMC混合變換器，包括交流輸入電源Ua。、交流輸入電感La。、第一直流電源Udca、第一直流輸入電感Ldcl、第二直流電源udc;2、第二直流輸入電感Ltk2、第一橋臂、第二橋臂和負(fù)載R ;所述第一橋臂和第二橋臂均各自由上開關(guān)組(HpH2X中開關(guān)組(Μ。M2)、下開關(guān)組(U、L2)、第一橋臂電感(Lm、LH2)、第二橋臂電感(Lu、Ll2)串聯(lián)而成；第一橋臂的上開關(guān)組H1由N個(gè)功率開關(guān)單元(SMhi1、SMh12,…、SMhin)串聯(lián)而成，第一橋臂的中開關(guān)組M1由N個(gè)功率開關(guān)單元(SMm11、SMm12、…、SMmin)串聯(lián)而成，第一橋臂的下開關(guān)組L1由N個(gè)功率開關(guān)單元(SMU1、SMU2、…、SMun)串聯(lián)而成，第二橋臂的上開關(guān)SH2由N個(gè)功率開關(guān)單元(SMH21、SMH22、…、SMh2n)串聯(lián)而成，第二橋臂的中開關(guān)組M2由N個(gè)功率開關(guān)單元(SMm21、SMm22、…、SMm2n)串聯(lián)而成，第二橋臂的下開關(guān)組L2由N個(gè)功率開關(guān)單元(SMm、SMl22,…、SM_)串聯(lián)而成；N為正整數(shù)。
[0021]第一橋臂的上開關(guān)組H1的下端P與第一橋臂的第一橋臂電感Lhi的一端連接，第一橋臂的第一橋臂電感Lm的另一端與第一橋臂的中開關(guān)組M1的上端連接，第一橋臂的中開關(guān)組M1的下端與第一橋臂的第二橋臂電感Lu的一端連接，第一橋臂的第二橋臂電感Lu的另一端與第一橋臂的下開關(guān)組L1的上端連接；第二橋臂的結(jié)構(gòu)與第一橋臂的結(jié)構(gòu)完全一致；交流輸入電源ua。的一端與第一橋臂的中開關(guān)組M1的上端連接，交流輸入電源ua。的一端與交流輸入電感La。的一端連接，交流輸入電感La。的另一端與第二橋臂的中開關(guān)組M2的上端連接；第一直流電源Udel的正極與第一直流輸入電感Ldel的一端連接,第一直流輸入電感Ldcl的另一端與第一橋臂的中開關(guān)組M1的下端連接；第二直流電源udc;2的正極與第二直流輸入電感Ltk2的一端連接，第二直流輸入電感Ltk2的另一端與第二橋臂的中開關(guān)組M2的下端連接；第一橋臂的上開關(guān)組H1的上端與第二橋臂的上開關(guān)組H2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下開關(guān)組L1的下端、第二橋臂的下開關(guān)組L2的下端、地端η連接。
[0022]圖2示出圖1所示的六開關(guān)組MMC混合變換器的功率開關(guān)單元的電路結(jié)構(gòu)，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(yáng)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(yáng)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。
[0023]如圖1所示，每個(gè)開關(guān)組的第j個(gè)功率開關(guān)單元的第二輸出端與第j+Ι個(gè)功率開關(guān)單元的第一輸出端連接，其中j的取值為I~N-1。
[0024]令交流輸入電源為
【權(quán)利要求】
1.六開關(guān)組MMC混合變換器，其特征在于:包括交流輸入電源(‘)、交流輸入電感(4ε)、第一直流電源("&)、第一直流輸入電感第二直流電源、第二直流輸入電感(Ζ&2)、第一橋臂、第二橋臂和負(fù)載0?);所述第一橋臂和第二橋臂均各自由上開關(guān)組(故、H2)、中開關(guān)組％為)、下開關(guān)組(1^山)、第一橋臂電感(‘、‘)、第二橋臂電感(ZZ1、ZZ2)串聯(lián)而成；第一橋臂的上開關(guān)組(H1)由N個(gè)功率開關(guān)單元(SMm1、SMm2,…、SMhin)串聯(lián)而成，第一橋臂的中開關(guān)組(M1)由N個(gè)功率開關(guān)單元(SMm11、SMm12、…、SMmin)串聯(lián)而成，第一橋臂的下開關(guān)組(L1)由N個(gè)功率開關(guān)單元(SMU1、SMU2、…、SMun)串聯(lián)而成，第二橋臂的上開關(guān)組(H2)由N個(gè)功率開關(guān)單元(SMH21、SMH22、…、SMh2n)串聯(lián)而成，第二橋臂的中開關(guān)組(M2)由N個(gè)功率開關(guān)單元(SM.、SMM22、…、SMm2n)串聯(lián)而成，第二橋臂的下開關(guān)組(L2)由N個(gè)功率開關(guān)單元(SMm、SMm、SMl2n)串聯(lián)而成；N為正整數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的六開關(guān)組MMC混合變換器，其特征在于:第一橋臂的第一橋臂電感(An)和第二橋臂電感(A1)由耦合電感替代，第二橋臂的第一橋臂電感(Z52)和第二橋臂電感(A2)由耦合電感替代。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的六開關(guān)組MMC混合變換器，其特征在于:第一橋臂的上開關(guān)組(H1)的下端(/?)與第一橋臂的第一橋臂電感(Zj51)的一端連接,第一橋臂的第一橋臂電感(An)的另一端與第一橋臂的中開關(guān)組(M1)的上端連接，第一橋臂的中開關(guān)組(M1)的下端與第一橋臂的第二橋臂電感(Zzi)的一端連接，第一橋臂的第二橋臂電感(Zzi)的另一端與第一橋臂的下開關(guān)組(L1)的上端連接；第二橋臂的結(jié)構(gòu)與第一橋臂的結(jié)構(gòu)完全一致；交流輸入電源(《%)的一端與第一橋臂的中開關(guān)組(M1)的上端連接，交流輸入電源(《%)的一端與交流輸入電感(4J的一端連接，交流輸入電感(4J的另一端與第二橋臂的中開關(guān)組(M2)的上端連接；第一直流電源(《&1)的正極與第一直流輸入電感(Ζ&1)的一端連接，第一直流輸入電感(Ζ&1)的另一端與第一橋臂的中開關(guān)組(M1)的下端連接；第二直流電源(《&2)的正極與第二直流輸入 電感(Ζ&2)的一端連接，第二直流輸入電感(Ζ&2)的另一端與第二橋臂的中開關(guān)組(M2)的下端連接；第一橋臂的上開關(guān)組(H1)的上端與第二橋臂的上開關(guān)組(H2)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下開關(guān)組(L1)的下端、第二橋臂的下開關(guān)組化2)的下端、地端(/?)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的六開關(guān)組MMC混合變換器，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(Α)、第二二極管(久)和電容(Gr);其中，電容iCSM)的正極與第一開關(guān)管(兄)的集電極、第一二極管(A)的陰極連接，第一開關(guān)管(兄)的發(fā)射極與第一二極管(A)的陽(yáng)極、第二開關(guān)管(?)的集電極、第二二極管(久)的陰極連接，第二開關(guān)管(?)的發(fā)射極與第二二極管(久)的陽(yáng)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所述的六開關(guān)組MMC混合變換器，其特征在于:每個(gè)開關(guān)組的第j個(gè)功率開關(guān)單元的第二輸出端與第j+Ι個(gè)功率開關(guān)單元的第一輸出端連接，其中j的取值為I~N-1。
【文檔編號(hào)】H02M7/219GK203827209SQ201420162341
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年4月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月3日
【發(fā)明者】張波, 付堅(jiān), 丘東元 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)