[发明专利]三相九开关组MMC AC-AC变换器及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及模块组合多电平变换器（MMC）领域，具体涉及一种三相九开关组MMC AC-AC变换器及其控制方法。 

背景技术

目前功率变换器正向小型化、高可靠性和低损耗方向发展，在这种趋势下出现两种改进变换器的方向：减少无源器件或者改进变换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。三相九开关AC-AC变换器相对于传统的十二开关AC-AC变换器减少了三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，九开关AC-AC变换器的输出和输入均为三电平，输入与输出交流电流波形比较差。此外，九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，且存在开关管的均压问题，这极大的限制了三相九开关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，当两条不同频率的交流线路的相连时，需要2个MMC变换器，这极大的增加了工程成本。 

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种三相九开关组MMC AC-AC变换器及其控制方法。 

本发明采用的技术方案是：三相九开关组MMC AC-AC变换器包括三相交流输入电源、交流输入电感组、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第一电容和三相负载；三相交流输入电源包括u相电源、v相电源和w相电源；交流输入电感组包括u相电感、v相电感和w相电感；所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂均各自由上开关组、第一电感、中开关组、第二电感、下开关组串联而成；第一桥臂的上开关组由N个功率开关单元串联而成，第一桥臂的中开关组由N个功率开关单元串联而成，第一桥臂的下开关组由N个功率开关单元串联，第二桥臂的上开关组由N个功率开关单元串联而成，第二桥臂的中开关组由N个功率开关单元串联而成，第二桥臂的下开关组由N个功率开关单元串联而成，第三桥臂的上开关组由N个功率开关单元串联而成，第三桥臂的中开关组由N个功率开关单元串联而成，第三桥臂的下开关组由N个功率开关单元串联而成；三相负载的三端分别与第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的中开关组的下端连接，N为正整数。 

第一桥臂的两个电感、第二桥臂的两个电感和第三桥臂的两个电感均由耦合电感替代。 

第一桥臂的上开关组的下端与第一桥臂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中开关组的上端连接，第一桥臂的中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下开关组的上端连接；第二桥臂的结构、第三桥臂的结构与第一桥臂的结构完全一致；u相电源的一端与u相电感的一端连接，u相电感的另一端与第一桥臂的中开关组的上端连接，u相电源的另一端与v相电源的一端、w相电源的一端连接，v相电源的另一端与v相电感的一端连接，v相电感的另一端与第二桥臂的中开关组的上端连接，w相电源的另一端与w相电感的一端连接，w相电感的另一端与第三桥臂的中开关组的上端连接；三相负载的三端分别与第一桥臂的中开关组的下端、第二桥臂的中开关组的下端、第三桥臂的中开关组的下端连接；第一桥臂的上开关组的上端与第二桥臂的上开关组的上端、第三桥臂的上开关组的上端、第一电容的正极连接，第一电容的负极与第一桥臂的下开关组的下端、第二桥臂的下开关组的下端、第三桥臂的下开关组的下端、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。 

每个开关组的第j个功率开关单元的第二输出端与第j+1个功率开关单元的第一输出端连接，其中j的取值为1～N-1。