張 波，丘東元，付 堅

（華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州510641）

新型多端高壓變換器拓撲構(gòu)造和分析

張 波，丘東元，付 堅

（華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州510641）

提出一族多端高壓變換器拓撲，分別為多端高壓AC-DC變換器、多端高壓DC-DC變換器、多端高壓DCAC變換器和多端高壓AC-AC變換器。論述了多端高壓變換器拓撲的構(gòu)造原理和主要拓撲結(jié)構(gòu)。研究表明，所提拓撲的顯著優(yōu)點是一個拓撲即可實現(xiàn)多路輸入或多路輸出，大大減少了開關(guān)器件、降低了變換器成本，且輸出多電平電壓、諧波含量少，適用于多端高壓直流輸電、多端交流輸電、多電機高壓變頻驅(qū)動、電力電子變壓器、電能質(zhì)量補償裝置等工業(yè)場合。

多端口；高壓變換器；拓撲；工作原理

引言

隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，作為分布式電源并網(wǎng)的接口，多電平變換器得到了廣泛的應(yīng)用。智能電網(wǎng)的發(fā)電側(cè)、輸電側(cè)和配電側(cè)均有多電平變換器的大量應(yīng)用，未來電網(wǎng)定將會呈現(xiàn)為一個以高性能多電平變換器為構(gòu)架，具有儲能功能，分布式電源高滲透的電力系統(tǒng)。

“多電平變換器”的概念最早于1975年提出［1］，在過去幾十年中得到了快速發(fā)展，大量的多電平變換器拓撲相繼提出。這些多電平變換器拓撲大致分為3類：箝位型、級聯(lián)型和混合型。其中，箝位型包括二極管箝位型［2-3］、電容箝位型［4］、有源中性點箝位型［5］和通用拓撲結(jié)構(gòu)［6］；級聯(lián)型包括級聯(lián)H橋［7］、MMC變換器［8］和混合級聯(lián)型［9］；混合型包括“箝位型+級聯(lián)H橋”［10］和“兩電平變換器+級聯(lián)H橋”［11-13］。多電平變換器一定程度上解決了高壓電能變換問題，但現(xiàn)有拓撲一般都是單端輸入和輸出的，無法滿足需要多輸入多輸出的分布式發(fā)電系統(tǒng)。

為解決變換器多個交流輸入或輸出問題，文獻［14,15］提出了一種多端兩電平變換器，即9開關(guān)變換器。9開關(guān)變換器是由一個6開關(guān)變換器的下橋臂與另一個6開關(guān)變換器的上橋臂共用3個開關(guān)管演變而來，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，每相均由3個開關(guān)管串聯(lián)而成，從中間引出2個交流端。9開關(guān)變換器具有同頻和異頻2種工作模式，即2個交流輸出端可以輸出同頻或不同頻率的交流電壓，適用于具有2個負載的應(yīng)用場合；反之亦然，也可以輸入2個同頻或不同頻率的交流電壓，轉(zhuǎn)換成一個直流電壓輸出。

9開關(guān)變換器的優(yōu)點是顯而易見的，在一定程度上解決了多端變換器的問題，節(jié)省了開關(guān)管，將原來需要12個開關(guān)管的逆變器減少到9個，從而降低成本。但缺點是9開關(guān)變換器的控制變得較為復(fù)雜，兩路交流輸出或輸入的控制存在耦合；仍是兩電平變換器，輸出電壓質(zhì)量較差、開關(guān)頻率高、損耗高。因此，本文在9開關(guān)變換器拓撲基礎(chǔ)上，結(jié)合MMC變換器的級聯(lián)功率單元結(jié)構(gòu) （半橋或H橋子模塊），對9開關(guān)變換器進行改進，提出了一族多端高壓變換器拓撲，分別為多輸入單輸出高壓AC-DC變換器、多輸入多輸出高壓DC-DC變換器、單輸入多輸出高壓DC-AC變換器和多輸入多輸出高壓AC-AC變換器。

1 多端高壓變換器拓撲構(gòu)造原理

1.1 MMC變換器的構(gòu)造原理

MMC變換器拓撲如圖2所示。其構(gòu)造原理十分巧妙，即在原有兩電平變換器基礎(chǔ)上，將每個橋臂的上下開關(guān)管用多個半橋子模塊或全橋子模塊串聯(lián)替代，從而將輸入高壓通過半橋子模塊或全橋子模塊中的電容分壓，使得IGBT在較低電壓下工作，實現(xiàn)串聯(lián)均壓。

由于MMC變換器拓撲結(jié)構(gòu)高度模塊化，便于系統(tǒng)擴容、系統(tǒng)維護和冗余設(shè)計，且無需集中電容或其他無源濾波元件進行直流側(cè)濾波，故此提高了系統(tǒng)可靠性，降低了系統(tǒng)成本。此外MMC可實現(xiàn)公共直流母線電壓的有源控制，且公共直流母線電壓和電流連續(xù)可調(diào)，特別適用于柔性直流輸電系統(tǒng)［16,17］。

圖1 9開關(guān)變換器Fig.1 Nine-switch converter

圖2 MMC變換器拓撲Fig.2 Topology of MMC converter

1.2 多端高壓變換器的構(gòu)造

基于MMC變換器拓撲的構(gòu)造方法，本文提出多端高壓變換器的構(gòu)造原理。以圖1中的9開關(guān)變換器為例，將多個半橋子模塊或全橋子模塊串聯(lián)替代9開關(guān)變換器中的開關(guān)管，就得到一個適用高壓輸入，同時又實現(xiàn)了2個交流輸出的兩端高壓變換器［18］，如圖3所示。

圖3 兩端高壓變換器及單相等效電路Fig.3 Dual-terminal high-voltage converter and its single-phase equivalent circuit

該兩端高壓變換器在采用半橋子模塊時，半橋子模塊每個IGBT兩端最大直流電壓UH為

式中，Udc為直流側(cè)電壓。

兩個交流側(cè)輸出電壓峰值Uj1、Uj2（j=a，b，c）分別為

式中，m1、m2分別為2個交流輸出的調(diào)制比。

為了驗證所提兩端高壓變換器及其波形調(diào)制的正確性，在Matlab/Simulink中搭建電路模型，仿真參數(shù)如表1所示。

表1 兩端高壓變換器的仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of dual-terminal high-Voltage converter

圖4分別為同頻輸出模式和異頻輸出模式時的兩路交流電壓、電流仿真波形。由圖4可見，輸出電壓是一個多電平正弦交流電。

圖4 兩端高壓變換器的輸出電壓和電流Fig.4 Output voltages and currents of the dual-terminal high-voltage converter

2 多端高壓變換器拓撲族

2.1 多端高壓AC-DC變換器

圖5是構(gòu)造得到的多端高壓AC-DC變換器，圖5（a）是N端單相交流輸入的AC-DC變換器［19］；圖5（b）是N端三相交流輸入的AC-DC變換器［20］。每個橋臂由N+1個開關(guān)組和2個電感串聯(lián)而成，每個開關(guān)組則由n個半橋或全橋子模塊串聯(lián)構(gòu)成。

該變換器采用載波移相PWM控制，N個單相或三相輸入交流電源變換成N路2n+1電平的交流輸入，整流疊加后給直流負載，每個開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力僅為輸出直流電壓的1/n。

圖5 多端高壓AC-DC變換器Fig.5 Multi-terminal high-voltage AC-DC converter

2.2 多端高壓DC-DC變換器

圖6是構(gòu)造的多端高壓DC-DC變換器，其中，圖6（a）是2端直流輸入的DC-DC變換器［21］，圖6（b）是3端直流輸入的DC-DC變換器［22］。每個橋臂由3個開關(guān)組和2個電感串聯(lián)而成，每個開關(guān)組則由n個半橋或全橋子模塊串聯(lián)構(gòu)成。

該變換器采用載波移相PWM控制，以單相或三相交流輸入電源變換成2n+1電平為中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，將2端或3端直流變換為1路直流給負載，每個開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力僅為輸出直流電壓的1/n。

圖6 多端高壓DC-DC變換器Fig.6 Multi-terminal high-voltage DC-DC converter

2.3 多端高壓DC-AC變換器

圖7是構(gòu)造得到的多端高壓DC-AC變換器，其中圖7（a）是N端單相交流輸出的DC-AC變換器［23］，圖 7（b）是 N端三相交流輸出的DC-AC變換器［24］。每個橋臂均由N+1個開關(guān)組和2個電感串聯(lián)而成，每個開關(guān)組則由n個半橋或全橋子模塊串聯(lián)構(gòu)成。

該變換器采用載波移相PWM控制，直流輸入電源變換成N路2n+1電平的交流輸出，供給N路交流負載，每個開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力僅為直流電源電壓的1/n。

圖7 多端高壓DC-AC變換器Fig.7 Multi-terminal high-voltage DC-AC converter

2.4 多端高壓AC-AC變換器

圖8是構(gòu)造得到的多端高壓AC-AC變換器，其中，圖8（a）是單相M端輸入和L端輸出的ACAC變換器［25］，圖8（b）是三相M端輸入和L端輸出的AC-AC變換器［26］，其中N=M+L，N＞2。每個橋臂均由N+1個開關(guān)組和2個電感串聯(lián)而成，每個開關(guān)組則由n個半橋或全橋子模塊串聯(lián)構(gòu)成。

該變換器采用載波移相PWM控制，M路輸入交流電源變換成2n+1電平的交流輸出，供給L路交流負載，每個開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力僅為直流側(cè)電壓的1/n。

圖8 多端高壓AC-AC變換器Fig.8 Multi-terminal high-voltage AC-AC converter

3 結(jié)語

基于MMC變換器的構(gòu)造方法以及9開關(guān)變換器的結(jié)構(gòu)，本文提出了系列多端高壓變換器拓撲，它們可以實現(xiàn)多路輸入或多路輸出高壓AC-DC變換、高壓DC-DC變換、高壓DC-AC變換和高壓AC-AC變換。該類多端高壓變換器將需要多個變換器完成的功能用一個變換器實現(xiàn)，大大減少了開關(guān)器件，對于大容量高壓變換裝置的成本控制尤其具有明顯的實際意義；此外輸出多電平電壓、諧波含量少，結(jié)構(gòu)緊湊，體積減小，易于分布式電力系統(tǒng)的發(fā)展。

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［24］張波，付堅，丘東元.N輸出三相3N+3開關(guān)組MMC逆變器.中國，ZL201420056637.8［P］.2014-07-02. Zhang Bo,Fu Jian,Qiu Dongyuan.Single-phase 3N+3 Switching Groups MMC Inverter with N-output.China,ZL 201420056637.8［P］.2014-07-02.（in Chinese）.

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［26］張波，付堅，丘東元.3N+3開關(guān)組MMC AC-AC變換器.中國，ZL201420144429.3［P］.2014-09-10. Zhang Bo,Fu Jian,Qiu Dongyuan,3N+3 Switching Groups MMC AC-AC Converter.China,ZL2014 20144429.3［P］. 2014-09-10.（in Chinese）

Topology and Analysis of Novel Multi-terminal High-voltage Converters

ZHANG Bo,QIU Dongyuan,FU Jian
（School of Electric Power,South China University of Technology,Guangzhou 510641,China）

A series of novel multi-terminal high-voltage converters are proposed in this paper,including AC-DC converter,DC-DC converter,DC-AC converter and AC-AC converter.The construction principle and some primary topologies of multi-terminal high-voltage converter are introduced.It is concluded that only one converter is needed to realize multiple inputs or outputs by using the proposed multi-terminal high-voltage converter.As a result,the switching components and cost can be reduced obviously.With the advantage of multiple level and low harmonics,the proposed converters can be applied in multi-terminal HVDC system,multi-terminal AC system,multi-motor high-voltage variablefrequency driver,power electronic transformer,power quality compensation devices and so on.

multi-terminal;high-voltage converter;topology;operating principle.

10.13234/j.issn.2095-2805.2015.6.69

：TM 46

：A

2015-06-12