发明授权-2021109930699-一种m×n型模块化多电平矩阵变换器的统一控制方法.pdf

(19)国家知识产权局

(12)发明专利

(10)授权公告号CN113676074B
(45)授权公告日2023.01.31
(21)申请号202110993069.9H02M1/088(2006.01)
(22)申请日2021.08.27H02M1/32(2007.01)
H02M1/12(2006.01)
(65)同一申请的已公布的文献号H02J3/38(2006.01)
申请公布号CN113676074AH02J3/36(2006.01)
(43)申请公布日2021.11.19(56)对比文件
(73)专利权人中南大学CN111342646A,2020.06.26
地址410083湖南省长沙市岳麓区麓山南CN112350559A,2021.02.09
路932号JP2011182517A,2011.09.15
(72)发明人熊文静李航林建亨谢诗铭CN106786535A,2017.05.31
但汉兵孙尧粟梅许国CN111740629A,2020.10.02
CN112332426A,2021.02.05
(74)专利代理机构南京众联专利代理有限公司EP2458725A1,2012.05.30
32206CN111262465A,2020.06.09
专利代理师蒋昱
审查员冯昊
(51)Int.Cl.

H02M7/5387(2007.01)权利要求书3页说明书5页附图4页
(54)发明名称
一种m×n型模块化多电平矩阵变换器的统
一控制方法
(57)摘要
针对M3C工作机理复杂，分析与控制方法缺
乏统一性，本发明公开了一种m×n型模块化多电
平矩阵变换器的统一控制方法。所公开的统一控
制方法，首先厘清M3C的能量变换和转移、系统内
部能量交互和均衡、电压升降等物理机理，摒弃
环流的概念，建立以M3C桥臂为中心的统一数学
模型；然后为了提供M3C控制系统的通用性，构建
了以桥臂单元为核心的统一m×nM3C系统控制框
架；最后基于该控制框架，基于模块电容电压脉
动与共模电压、桥臂电流解析数学关系，可获得
基于共模电压和桥臂电流最优组合的模块电容
电压脉动抑制策略，优化系统运行。本发明拟为
M3C拓扑族的控制与分析提供统一的解决办法，
推进M3C的工业化进程。
CN113676074B
CN113676074B权利要求书1/3页

1.一种m×n型模块化多电平矩阵变换器的统一控制方法，包括如下三个步骤，其特征
在于：
S1，M3C物理机理分析并其统一数学模型的建立；
M3C中各拓扑的桥臂形式相同，均由特性严格一致的级联H桥逆变模块和一个滤波电感
组成，桥臂通过不同的方式组合，接入到不同的输入和输出，就构成了应用于不同场合的
M3C拓扑，M3C中各桥臂用于缓冲输入、输出的瞬时脉动功率，认为是有源功率解耦系统；
根据瞬时功率理论得：

式中pij，i＝1,2...m,j＝1,2...n为桥臂瞬时功率，pi和po分别为输入、输出瞬时功率；
首先考虑系统的稳态输入、输出外特性，假设输入、输出电流的稳态值已知，其外部特
性满足基尔霍夫电流定律：

ii1+ii2+…iin＝iai，i∈{1，2，…m}(2)

i1j+i2j+…imj＝ibj，j∈{1，2，·…n}(3)

其中“a”代表输入端，“b”代表输出端，iai为输入电流，ibi为输出电流，ici为连接第i相
输入和第j相输出的桥臂电流；
然后考虑桥臂的内部稳态特性和动态特性，为了保证桥臂电容能量平衡，需满足桥臂
的平均功率为零，即：

其中uij为连接第i相输入和第j相输出的桥臂的输出电压，它可根据桥臂电感的状态方
程来求解：

式中，ucom为输出公共点到输入公共点的电压，也可称为共模电压；当开关频率足够高

时，桥臂电感值做到相当小，认为近似为零，从而得uij＝uai‑ubj‑ucom，表明共模电压可
用于调节桥臂输出电压；
最后考虑系统总电容能量动态方程和桥臂电容能量动态方程，具体如下：
系统总能量动态方程为：

其中uij_k为子模块电容电压，l表示各桥臂单元中H桥逆变模块的个数，Pi为输入功率，

Po为期望输出功率，为所有子模块电容电压平方的平均值之和；

为了保证桥臂间能量平衡，可通过控制桥臂电流来实现，则表示为

2
CN113676074B权利要求书2/3页

式中，桥臂瞬时功率写为pij＝(uai‑ubj‑ucom)iij；
以上为M3C系统的统一数学模型，正常运行工况下，m×nM3C拓扑各桥臂电流稳态值的
一种特殊形式表述为：

满秩3×3M3C各桥臂电流稳态值为；

其中Δiij满足Δii1+Δii2+Δii3＝0,Δi1j+Δi2j+Δi3j＝0，且其均值为0，或者Δiij＝

0，Δiij为不含输入、输出频率成分的周期函数；