3N+3开关组MMC AC-AC变换器及其控制方法技术

本发明专利技术提供3N+3开关组MMCAC-AC变换器及其控制方法。变换器由N个三相交流输入/输出、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第一电容构成；第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂均由N+1个开关组和两个电感串联而成；每个开关组均由n个功率开关单元串联而成；每个三相感性负载的三端作为每个三相交流输出；N>2，n为正整数。该变换器采用载波移相PWM控制，每个三相交流输出转换为线电压为2n+1电平的交流输入，经AC-AC变换为线电压为2n+1电平的交流输出给负载供电，且MMC功率开关单元中每个开关管承受的电压应力仅为直流电源电压的1/n，解决了开关管的均压问题，适合高压和大功率场合的应用。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供3N+3开关组MMCAC-AC变换器及其控制方法。变换器由N个三相交流输入/输出、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第一电容构成■’第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂均由N+1个开关组和两个电感串联而成；每个开关组均由n个功率开关单元串联而成；每个三相感性负载的三端作为每个三相交流输出；N>2，n为正整数。该变换器采用载波移相PWM控制，每个三相交流输出转换为线电压为2n+l电平的交流输入，经AC-AC变换为线电压为2n+l电平的交流输出给负载供电，且MMC功率开关单元中每个开关管承受的电压应力仅为直流电源电压的1/n，解决了开关管的均压问题，适合高压和大功率场合的应用。【专利说明】3N+3开关组MMC AC-AC变换器及其控制方法
本专利技术涉及模块组合多电平变换器（MMC)领域，具体涉及一种3N+3开关组MMC AC-AC变换器及其控制方法。
技术介绍
目前功率整流器正向小型化、高可靠性和低损耗方向发展，在这种趋势下出现两 种改进整流器的方向：减少无源器件或者改进整流器拓扑结构以减少有源器件作为减少有 源器件方向的新进展。三相3N+3开关AC-AC变换器相对于传统的6N开关变换器减少了 3N-3个开关及相应的驱动电路，在考虑成本与体积的应用中占有一定的优势。然而，3N+3 开关AC-AC变换器的每路输入输出均为三电平，输入输出交流波形比较差。此外，3N+3个开 关中每个开关承受的电压应力为直流母线电压的一半，且存在3N+3个开关管的均压问题， 这极大的限制了三相3N+3开关AC-AC变换器在高压和大功率场合的应用。 近年来，多电平变换技术得到不断推广，并已成功应用在诸如高压直流输电、电力 传动、有源滤波、静止同步补偿等工业领域，目前常见的电压型多电平变换器拓扑大致可分 为箱位型和单元级联型两大类。模块组合多电平变换器（Modular Multilevel Converter, MMC)作为一种新型的多电平拓扑，除了具有传统多电平变换器的优点，模块组合多电平变 换器采用模块化结构设计，便于系统扩容和冗余工作；具有不平衡运行能力、故障穿越和恢 复能力，系统可靠性高；由于具有公共直流母线，模块组合多电平变换器尤其适用于高压直 流输电系统应用。然而，当N条不同频率的三相交流线路的相连时，需要2N个MMC变换器， 这极大的增加了工程成本。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种3N+3开关组MMCAC-AC变 换器及其控制方法。 本专利技术采用的技术方案是：3N+3开关组MMC AC-AC变换器包括N个三相交流输入 /输出、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第一电容；所述三相交流输入/输出为三相交流输 入或三相交流输出，三相交流输出为三相感性负载；所述第一桥臂由N+1个开关组和2个电 感串联而成，所述第二桥臂由N+1个开关组和2个电感串联而成，所述第三桥臂由N+1个开 关组和2个电感串联而成；第一桥臂的第i个开关组由η个功率开关单元串联而成，第二桥 臂的第i个开关组由η个功率开关单元串联而成，第三桥臂的第i个开关组由η个功率开 关单元串联而成，其中i的取值为1?N+1 ;Ν>2, η为正整数。 第一桥臂的两个电感相互耦合，构成一对耦合电感；第二桥臂的两个电感相互耦 合，构成一对稱合电感；第三桥臂的两个电感相互稱合，构成一对稱合电感。 当第k个三相交流输入/输出为三相交流输入时，该三相交流输入包括u相交流 输入电源、v相交流输入电源、w相交流输入电源、u相交流输出电感、v相交流输出电感和 W相交流输出电感，U相交流输入电源的一端与V相交流输入电源、W相交流输入电源连接， U相交流输入电源的另一端与U相交流输出电感的一端连接，U相交流输入电感的另一端 作为该三相交流输入的端，V相交流输入电源的另一端与V相交流输出电感的一端连接，V 相交流输入电感的另一端作为该三相交流输入的端，W相交流输入电源的另一端与W相交 流输出电感的一端连接，W相交流输入电感的另一端作为该三相交流输入的端，其中k的取 值为1?N ;当第k个三相交流输入/输出为三相感性负载时，该三相感性负载包括u相电 阻、v相电阻、w相电阻、u相交流输出电感、v相交流输出电感和w相交流输出电感，u相电 阻的一端与v相电阻的一端、w相电阻的一端连接，u相电阻的另一端与u相交流输出电感 的一端连接，u相交流输出电感的另一端作为该三相感性负载的端，V相电阻的另一端与V 相交流输出电感的一端连接，V相交流输出电感的另一端作为该三相感性负载的端，W相电 阻的另一端与W相交流输出电感的一端连接，W相交流输出电感的另一端作为该三相感性 负载的端。 第一桥臂的第1个开关组的下端与第一桥臂中2个电感的第一电感的一端连接， 第一桥臂的第一电感的另一端与第一桥臂的第2个开关组的上端连接；第一桥臂的第i个 开关组的下端与第一桥臂的第i+Ι个开关组的上端连接，其中i的取值为2?N-1 ;第一桥 臂的第N个开关组的下端与第一桥臂的第二电感的一端连接，第一桥臂的第二电感的另一 端与第一桥臂的第N+1个开关组的上端连接；第二桥臂的电路结构、第三桥臂的电路结构 与第一桥臂的电路结构完全一致；第k个三相交流输入/输出的三端分别与第一桥臂的第 k+Ι个开关组的上端、第二桥臂的第k+Ι个开关组的上端、第三桥臂的第k+Ι个开关组的上 端连接，其中k的取值为1?N-1 ;第N个三相交流输入/输出的三端与第一桥臂的第N+1 个开关组的下端、第二桥臂的第N+1个开关组的下端连接、第三桥臂的第N+1个开关组的下 端连接；第一桥臂的第1个开关组的上端与第二桥臂的第1个开关组的上端、第三桥臂的第 1个开关组的上端、第一电容的正极连接，第一电容的负极与第一桥臂的第N+1个开关组的 下端、第二桥臂的第N+1个开关组的下端、第三桥臂的第N+1个开关组的下端、地端连接。 功率开关单元包括第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管和第二电 容。其中，第二电容的正极与第一开关管的集电极、第一二极管的阴极连接，第一开关管的 发射极与第一二极管的阳极、第二开关管的集电极、第二二极管的阴极连接，第二开关管的 发射极与第二二极管的阳极、第二电容的负极连接；第二开关管的集电极作为第一输出端， 第二开关管的发射极作为第二输出端。 第一桥臂的第i个开关组的第j个功率开关单元的第二输出端与第一桥臂的第i 个开关组的第j+1个功率开关单元的第一输出端连接，其中j取值为1?n-1，i取值为1? N+1 ;第二桥臂的第i个开关组的第j个功率开关单元的第二输出端与第二桥臂的第i个开 关组的第j+Ι个功率开关单元的第一输出端连接；第三桥臂的第i个开关组的第j个功率 开关单元的第二输出端与第三桥臂的第i个开关组的第j+Ι个功率开关单元的第一输出端 连接。 上述变换器的控制方法是：采用载波移相PWM控制每个开关管的开通与关断；第 一桥臂的第i个开关组的第j个功率开关单元、第二桥臂的第i个开关组的第j个功率开 关单元和第三桥臂的第i个开关组的第j个功率开关单元均采用相同三角波作为第j个载 波Cj，其中j的取值为1?η ;n个载波依本文档来自技高网...

【技术保护点】
3N+3开关组MMC AC‑AC变换器，其特征在于：包括N个三相交流输入/输出、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第一电容（C1）；所述三相交流输入/输出为三相交流输入或三相交流输出，三相交流输出为三相感性负载；所述第一桥臂由N+1个开关组（Bu1、Bu2、…、Bu(N+1)）和2个电感（Lu1、Lu2）串联而成，所述第二桥臂由N+1个开关组（Bv1、Bv2、…、Bv(N+1)）和2个电感（Lv1、Lv2）串联而成，所述第三桥臂由N+1个开关组（Bw1、Bw2、…、Bw(N+1)）和2个电感（Lw1、Lw2）串联而成；第一桥臂的第i个开关组（Bui）由n个功率开关单元（SMBui1、SMBui2、…、SMBuin）串联而成，第二桥臂的第i个开关组（Bvi）由n个功率开关单元（SMBvi1、SMBvi2、…、SMBvin）串联而成，第三桥臂的第i个开关组（Bwi）由n个功率开关单元（SMBwi1、SMBwi2、…、SMBwin）串联而成，其中i的取值为1~N+1；N>2，n为正整数。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张波，付坚，丘东元，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44