[发明专利]2N+2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2N+2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。单相2N+2开关AC-AC变换器相对于传统的4N开关AC-AC变换器减少了2N-2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，2N+2开关AC-AC变换器的N路单相输入或输出均为三电平，输入输出交流波形比较差。此外，2N+2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2N+2个开关管的均压问题，这极大的限制了单相2N+2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。 

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2N+2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：2N+2开关组MMC AC-AC变换器包括N个输入/输出、第一桥臂、第二桥臂和第一电容；所述输入/输出为输入或输出，输入是交流输入，输出是感性负载；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；第一桥臂的第i个开关组由n个功率开关单元串联而成，第二桥臂的第i个开关组由n个功率开关单元串联而成，其中i的取值为1～N+1；N>2，n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，构成一对耦合电感。 

所述2N+2开关组MMC AC-AC变换器中，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+1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 与第一桥臂的电路结构完全一致；第k个输入/输出的两端分别与第一桥臂的第k+1个开关组的上端、第二桥臂的第k+1个开关组的上端连接，其中k的取值为1～N-1；第N个输入/输出的两端分别与第一桥臂的第N个开关组的下端、第二桥臂的第N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、第一电容的正极连接，第一电容的负极与第一桥臂的第N个开关组的下端、第二桥臂的第N个开关组的下端、地端连接。 

当第k个输入/输出为交流输入时，该交流输入由交流输入电源与输入电感构成，交流输入电源的一端与输入电感的一端连接，交流输入电源的另一端作为该交流输入的一端，输入电感的另一端作为该交流输入的另一端，其中k的值为1～N；当第k个输入/输出为感性负载时，该感性负载由输出电阻与输出电感构成，输出电阻的一端与输出电感的一端连接，输出电阻的另一端作为该感性负载的一端，输出电感的另一端作为该感性负载的另一端。 

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。