[0001] 本发明属于电力电子交交变换器技术领域，具体地说是一种基于MMC的多相‑多相直接式交交变换器及其控制方法。

[0002] 随着电力电子变换器技术的发展，高压大容量交交变换器在新能源并网发电、远距离输电等领域的应用愈发广泛，尤其是在异步电网互联、海上风电送出、铁路牵引供电、大功率变频调速等场景下，为了实现经济性和技术性的提高，电能变换环节对电压的幅值、频率、相位、相数等都有着新的需求，亟待研究变换灵活、可拓展性强、性能优良的交交变换器新拓扑。

[0003] 目前，高压大容量交交变换器主要分为间接式和直接式两种拓扑类型。间接式交交变换器由两个背靠背的模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter, MMC）构成，中间直流环节使得两侧交流系统能够完全解耦，但是该拓扑的子模块用量多、成本高。直接式交交变换器的拓扑以模块化多电平矩阵变换器（Modular Multilevel Matrix Converter, M3C）为主，每一个桥臂都直接与两侧交流系统连接，在三相‑三相变换时，子模块用量比背靠背MMC减少25%，随着电压等级和变换容量的增加，子模块的成本仍然较高。有研究提出Hexverter拓扑、Y型拓扑，三相‑三相变换时，子模块用量比背靠背MMC减少50%，但是这些拓扑的多桥臂之间耦合强、控制复杂、扩展性差，难以适用实际应用中情况多变的电能变换需求。

[0004] 因此，研究低子模块用量、扩展性好、变换灵活的新型交交变换器拓扑具有重要意义。

[0022] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0023] 如图1所示，本发明是一种基于MMC的多相‑多相直接式交交变换器，由一个模块化多电平变换器和N个单相三绕组变压器组成，所述交交变换器输入侧与m相的第一交流系统连接，第一交流系统包含a, b, c,…, m相；交交变换器输出侧与N相的第二交流系统连接，第二交流系统包含A, B, C, …, N相。第一交流系统和第二交流系统的相数满足m≥2，N≥1。

[0024] 所述模块化多电平变换器包含X个相单元，每个相单元的上桥臂和下桥臂结构相同，均包含串联的多个全桥子模块和一个桥臂电感；输入侧有m个端口，与第一交流系统连接，每个输入侧端口与至少一个相单元的中点连接；输出侧有2N个端口，X个相单元的上桥臂并联组成N个输出侧端口，X个相单元的下桥臂并联组成N个输出侧端口，每对输出侧端口与至少一个相单元两端连接。

[0025] 所述模块化多电平变换器的第i个输入侧端口与Yi个相单元连接，其中Yi≥1，i=a, b, c,…, m；模块化多电平变换器的第j对输出侧端口与Zj个相单元连接，其中Zj≥1，j=A, B, C,…, N。相单元的总数量X≥m，X≥N，且满足：。
所述单相三绕组变压器包含第一绕组、第二绕组和第三绕组，变比为KT:1:1，N个单相三绕组变压器的第一绕组分别和第二交流系统的N相连接，第二绕组与所述模块化多电平变换器上桥臂的N个输出侧端口连接，第三绕组与所述模块化多电平变换器下桥臂的N个输出侧端口连接。第一绕组的同名端和第二交流系统的第j相连接，另一端接地；第二绕组的同名端和模块化多电平变换器上桥臂的第i个输出侧端口连接，另一端接地；第三绕组的同名端和模块化多电平变换器下桥臂的第i个输出侧端口连接，另一端接地。

[0026] 所述的模块化多电平变换器，第k个相单元上桥臂参考电压utopk和下桥臂参考电压ubtmk的表达式为：

[0027] 其中，ui是桥臂参考电压的差模分量，i=a, b, c,…, m，uj是桥臂参考电压的共模分量，j=A, B, C,…, N。k的范围可以写为k=(1,2,…,Ya),(Ya+1,Ya+2,…,Ya+Yb),…, (X‑Ym+1,X‑Ym+2,…,X)，k的范围也可以写为k=(1,2,…,ZA),(ZA+1,ZA+2,…,ZA+ZB),…, (X‑ZN+1,X‑ZN+2, …,X)。

[0028] 忽略桥臂电感上的压降时，第k个相单元桥臂参考电压的差模分量ui和共模分量uj的表达式为：

[0029] 其中，U1对应第一交流系统相电压幅值，U2对应第二交流系统相电压幅值，ω1是第一交流系统角频率，ω2是第二交流系统角频率，θi是第一交流系统移相角，i=a, b, c,…, m，θj是第二交流系统移相角，j=A, B, C,…, N。第一交流系统各相电压的相位θi需要满足所有电压相量的和等于0，第二交流系统各相电压的相位则无此限制。

[0030]

[0031] 所述模块化多电平变换器的桥臂电流分量可分为三个部分：输入侧分量ii、输出侧分量ij、环流分量icirk。参照图1中的电流正方向，以第k个相单元为例，第k个相单元与输入侧a相、输出侧A相相连，三个电流分量与上下桥臂电流的关系为：

[0032] 其中，ia表示输入侧a相端口的电流；iA表示输出侧A相端口的电流；itopk表示第k个相单元的上桥臂电流；ibtmk表示第k个相单元的下桥臂电流；输入侧的a相端口与Ya个相单元连接，输出侧的A相端口与ZA个相单元连接。

[0033] 输入侧分量ii属于桥臂电流的差模分量，输出侧分量ij、环流分量icirk都属于桥臂电流的共模分量。环流分量icirk的计算方式为桥臂电流的共模分量减去输出侧分量ij后剩余的部分。

[0034] 那么桥臂电流各分量的动态方程为：

[0035] 其中，L是桥臂电感，ua表示输入侧a相端口的电压，uA表示输出侧A相端口的电压。

[0036] 选取桥臂电流中的输入分量、输出分量、环流分量作为状态变量设计交交变换器的控制策略，注意并非选取所有的电流分量，因为部分电流分量满足基尔霍夫电流定律，它们并不是相互独立的。选取桥臂电压作为控制量，那么输入侧第一交流系统的电压、输出侧第二交流系统的电压均可以视作干扰量，通过控制桥臂电压实现桥臂电流各分量的解耦控制。

[0037] 模块化多电平变换器的桥臂由全桥模块串联组成，单个桥臂内部的子模块电容电压平衡通过调制环节解决。在变换器控制的层面，还需要保证各桥臂中电容电压之和稳定，根据其涉及的动态过程的范围不同可以分为两类控制：一是对变换器电容电压均值的控制，涉及变换器在输入侧端口和输出侧端口之间的功率平衡；二是使得各桥臂电容电压均值一致的控制，涉及在变换器内部交换各桥臂的能量。

[0038] 如图2所示，每个桥臂与输入侧第一交流系统和输出侧第二交流系统相连，所以桥臂电流中包含输入侧分量和输出侧分量；当不同桥臂相连时，桥臂电流中还包含环流分量。选取桥臂电流中的输入侧分量、输出侧分量和环流分量作为状态变量设计控制策略，将基于桥臂电流分量的控制策略分为外环控制和内环控制两个部分，内环控制利用桥臂电压解耦变换分别对桥臂电流的输入侧分量、输出侧分量和环流分量进行控制，其中输入侧分量和输出侧分量各有电压控制和电流控制两种模式，根据具体需要选择相应的控制模式；环流分量只有电流控制一种模式；当内环控制采用交流电压控制时，不需要外环控制；当内环控制采用交流电流控制时，外环控制采用有功类控制或无功类控制。

[0039] 对于输入侧分量或输出侧分量的外环控制，有功类控制采用电容电压均值控制或有功功率控制，无功类控制采用无功功率控制；对于环流分量的外环控制，有功类控制采用桥臂间平衡控制，无功类控制令环流电流的q轴无功分量参考值为0。

[0040] 应用例如图3所示，m=3，N=3，第一交流系统和第二交流系统都是三相系统，有三个单相三绕组变压器。X=3，模块化多电平变换器有三个相单元，Ya=Yb=Yc=1，ZA=ZB=ZC=1，各相单元的连接方式如图3所示。图4是该应用例下基于MMC的三相‑三相直接式交交变换器输入侧和输出侧的电压仿真波形图，第一交流系统电压频率f1=50Hz、电压幅值U1=1kV、初始相位θa=0°，第二交流系统电压频率f2=20Hz、电压幅值U2=0.7kV、初始相位θA=10°，第一交流系统和第二交流系统均三相对称，各相互差120°。此时，六个桥臂电压可以近似表示为：
。

[0041] 如图5所示，m=3，N=1，第一交流系统是三相系统，第二交流系统是单相系统，有一个单相三绕组变压器。X=3，模块化多电平变换器有三个相单元，Ya=Yb=Yc=1，ZA=3，各相单元的连接方式如图5所示。图6是该应用例下基于MMC的三相‑单相直接式交交变换器输入侧和输出侧的电压仿真波形图，第一交流系统电压频率f1=50Hz、电压幅值U1=1kV、初始相位θa=0°，第二交流系统电压频率f2=20Hz、电压幅值U2=1.2kV、初始相位θA=30°，第一交流系统三相对称，各相互差120°，第二交流系统的初始相位θA可任意设置。此时，六个桥臂电压可以近似表示为：
。

[0042] 如图7所示，m=3，N=1，第一交流系统是三相系统，第二交流系统是两相系统，有两个单相三绕组变压器。X=4，模块化多电平变换器有三个相单元，Ya=2，Yb=Yc=1，ZA=ZB=2，各相单元的连接方式如图7所示。图8是该应用例下基于MMC的三相‑两相直接式交交变换器输入侧和输出侧的电压仿真波形图，第一交流系统电压频率f1=50Hz、电压幅值U1=1kV、初始相位θa=0°，第二交流系统电压频率f2=20Hz、电压幅值U2=1kV、初始相位θA=0°，第一交流系统三相对称，各相互差120°，第二交流系统的两相正交，两相互差90°。此时，六个桥臂电压可以近似表示为：。

[0043] 上述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。