一种电网侧供电混合式多电平变流器的软充电电路及方法

1.本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种电网侧供电混合式多电平变流器的软充电电路及方法。


背景技术：

2.混合式多电平变流器(hybrid clamped converter，hcc)是一种新兴的中高压多电平变流器，能广泛应用于新能源并网，电机驱动和交通电气化等领域。随着工业应用的发展，三电平、四电平和五电平变换器被认为是多电平变换器中工业应用中最有应用前景的拓扑结构。相比于传统的两电平变换器，多电平变换器具有输出电压和电流质量更高、功率开关应力更小、dv/dt更低、效率更高等优点，在中高压电机驱动、高压直流输电、新能源并网和储能等领域中有着广泛的应用。
3.直流母线电容和飞跨电容是混合式多电平变流器中重要的组成部分。在启动之前，直流母线电容和飞跨电容电压初始值为零，然而正常工作时，各电容电压要稳定工作在直流母线电压的三分之一。若直接让直流母线电容和飞跨电容与直流电源相连并工作，不进行任何预充电操作，会使混合式多电平变流器产生非常大的电容冲击电流，造成系统的损坏甚至烧毁。现有的方法无法从电网侧将混合式多电平变流器系统中各电容电压充电至额定工作值。
4.因此，亟需一种合适的充电电路及充电方法，实现从电网侧对混合式多电平变流器系统电容电压充电到额定工作值，同时避免产生冲击电流。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电网侧供电混合式多电平变流器的软充电电路及方法。意在解决现有电路及方法无法从电网侧将混合式多电平变流器系统中各电容电压充电至额定工作值的问题。
6.为达到上述目的，本发明提供了一种电网侧供电混合式多电平变流器的软充电电路，包括交流电源v
ac
、限流电阻r0、电感l0、混合式多电平变流器、负载rl、充电电源切除开关s0和充电限流元件切除开关s1；
7.所述混合式多电平变流器包括直流母线电容c
d1
、c
d2
和c
d3
，飞跨电容c
fa
和c
fb
，以及四个桥臂，所述直流母线电容c
d1
、c
d2
和c
d3
串联；
8.所述四个桥臂包括八组主开关，即s
a1
和s
a2
，s
a3
和s
a6
，s
a4
和s
a5
，s
a7
和s
a8
，s
b1
和s
b2
，s
b3
和s
b6
，s
b4
和s
b5
，s
b7
和s
b8
；
9.所述交流电源v
ac
的第一端与开关s0的第一端相连，所述开关s0的第二端连接限流电阻r0的第一端，所述限流电阻r0的第二端连接电感l0的第一端，所述限流电阻r0与电感l0串联形成负载r0l0，负载r0l0与开关s1并联；所述电感l0的第二端连接s
a1
的第一端和s
a2
的第一端，所述s
a1
的第二端连接s
a3
的第一端，所述s
a3
的第二端连接s
a4
的第一端和s
a5
的第一端，所述s
a4
的第二端连接直流母线电容c
d1
的第一端，所述s
a5
的第二端连接直流母线电容c
d1
的
第二端；所述s
a2
的第二端连接s
a6
的第一端，所述s
a6
的第二端连接s
a7
的第一端和s
a8
的第一端，所述s
a7
的第二端连接直流母线电容c
d3
的第一端，所述s
a8
的第二端连接直流母线电容c
d3
的第二端，所述s
a1
的第二端和s
a3
的第一端均与飞跨电容c
fa
的第一端连接，所述s
a2
的第二端和s
a6
的第一端均与飞跨电容c
fa
的第二端连接；
10.所述交流电源v
ac
的第二端连接s
b1
的第一端和s
b2
的第一端，所述s
b1
的第二端连接s
b3
第一端，所述s
b3
的第二端连接s
b4
的第一端和s
b5
的第一端，所述s
b4
的第二端连接直流母线电容c
d1
的第一端，所述s
b5
的第二端连接直流母线电容c
d1
的第二端；所述s
b2
的第二端连接s
b6
的第一端，所述s
b6
的第二端连接s
b7
的第一端和s
b8
的第一端，所述s
b7
的第二端连接直流母线电容c
d3
的第一端，所述s
b8
的第二端连接直流母线电容c
d3
的第二端，所述s
b1
的第二端和s
b3
的第一端均与飞跨电容c
fb
的第一端连接，所述s
b2
的第二端和s
b6
的第一端均与飞跨电容c
fb
的第二端连接；
11.所述负载rl的第一端连接s
a4
的第二端和s
b4
的第二端，所述负载rl的第二端连接s
a8
的第二端和s
b8
的第二端。
12.进一步，所述限流电阻r0的电阻值为0.01ω～10kω，所述串联电感l0的电感值为0.1mh～50mh。
13.进一步，所述负载rl包括串联的电阻r和电感l，所述电阻r的电阻值为0.01ω～50000ω，所述电感l的电感值为0.01mh～50mh。
14.进一步，所述直流母线电容c
d1
、c
d2
、c
d3
以及飞跨电容c
fa
、c
fb
的容值为0.01mf～50mf。
15.本发明还提供了一种电网侧供电混合式多电平变流器的软充电方法，包括以下步骤：
16.1)将混合式多电平变流器内部开关的初始驱动信号全部设为低电平，闭合开关s0，断开开关s1，接入交流电源v
ac
；
17.2)通过伏秒面积平衡方法计算出将飞跨电容c
fa
和c
fb
充电到额定工作电压u
ref
的开关占空比，以及将直流母线电容c
d1
、c
d2
和c
d3
充电到额定工作电压u
ref
的开关占空比；
18.3)利用步骤2计算出的开关占空比控制混合式多电平变流器内部的开关，切换电路的运行状态，从而对直流母线电容c
d1
、c
d2
和c
d3
以及飞跨电容c
fa
和c
fb
充电；
19.4)检测飞跨电容c
fa
和c
fb
两端的电压值，当飞跨电容c
fa
和c
fb
的电压均达到额定工作电压u
ref
时，控制混合式多电平变流器内部的开关，停止对飞跨电容c
fa
和c
fb
充电，加速对直流母线电容c
d1
、c
d2
和c
d3
充电；
20.5)检测直流母线电容c
d1
、c
d2
和c
d3
两端的电压值，当直流母线电容c
d1
、c
d2
和c
d3
的电压值均达到额定工作电压u
ref
时，将混合式多电平变流器内部开关的驱动信号全部设为低电平，使混合式多电平变流器处于关断状态，之后闭合开关s1，断开开关s0，即完成软充电回路的预充电。
21.进一步，所述步骤2中，伏秒面积平衡方法的计算表达式如下：
[0022][0023]
式中，uo为输出电压，即电容两端电压；u
in
为输入电源电压，t为触发开关的周期，r0为电路中的限流电阻，i
l1
和i
l2
为步骤(3)中两种电路状态下流经电感l的电流值，d为占空
比；
[0024]
之后通过上述伏秒面积平衡方程，求解出占空比d。
[0025]
进一步，所述步骤3中，基于步骤2计算出的开关占空比，混合式多电平变流器内部的开关有两种状态：状态a和状态b，混合式多电平变流器内部的开关在两种状态间切换；
[0026]
状态a：当电源电压在正半轴时，将混合式多电平变流器内部开关s
a2
、s
a3
、s
a4
、s
a6
、s
a8
、s
b1
、s
b3
、s
b4
、s
b6
和s
b8
的驱动信号设为高电平，其余开关s
a1
、s
a5
、s
a7
、s
b2
、s
b3
、s
b5
和s
b7
的驱动信号设为低电平；当电源电压在负半轴时，将混合式多电平变流器内部开关s
a1
、s
a3
、s
a4
、s
a6
、s
a8
、s
b2
、s
b3
、s
b4
、s
b6
、s
b8
的驱动信号设为高电平，其余开关s
a2
、s
a5
、s
a7
、s
b1
、s
b5
和s
b7
的驱动信号设为低电平；
[0027]
状态b：将混合式多电平变流器内部开关s
a2
、s
a6
、s
a8
、s
b2
、s
b6
和s
b8
的驱动信号设为高电平，其余开关s
a1
、s
a3
、s
a4
、s
a5
、s
a7
、s
b1
、s
b3
、s
b4
、s
b5
和s
b7
的驱动信号设为低电平。
[0028]
进一步，所述步骤4中，基于步骤2计算出的开关占空比，加速对直流母线电容c
d1
、c
d2
和c
d3
充电时，混合式多电平变流器内部的开关有两种状态：状态c和状态d，混合式多电平变流器内部的开关在两种状态间切换；
[0029]
状态c：当电源电压在正半轴时，将混合式多电平变流器内部开关s
a2
、s
a6
、s
a8
、s
b1
、s
b3
、s
b4
的驱动信号设为高电平，其余开关s
a1
、s
a3
、s
a4
、s
a5
、s
a7
、s
b2
，s
b5
、s
b6
、s
b7
和s
b8
的驱动信号设为低电平；当电源电压在负半轴时，将混合式多电平变流器内部开关s
a1
、s
a3
、s
a4
、s
b2
、s
b6
、s
b8
的驱动信号设为高电平，其余开关均给予低电平的驱动信号；
[0030]
状态d：给予混合式多电平变流器内部开关s
a2
、s
a6
、s
a8
、s
b2
、s
b6
、s
b8
一个高电平的驱动信号，其余开关s
a1
、s
a3
、s
a4
、s
a5
、s
a7
、s
b1
、s
b3
、s
b4
、s
b5
和s
b7
的驱动信号设为低电平。
[0031]
进一步，所述步骤5中，当飞跨电容c
fa
、c
fb
和直流母线电容c
d1
、c
d2
、c
d3
充电完成后，恢复飞跨电容和直流母线电容两端的电压，检测恢复后的飞跨电容电压是否达到额定工作电压u
ref
，若未达到，则重复步骤4，重新对飞跨电容充电，若恢复后的飞跨电容电压达到额定工作电压u
ref
，则判定飞跨电容电压补偿完成；
[0032]
飞跨电容电压补偿完成后，检测恢复后的直流母线电容电压是否达到额定工作电压u
ref
，若未达到，则调整开关占空比，对直流母线电容充电或放电，从而使直流母线电容电压达到额定工作电压u
ref
。
[0033]
本发明的有益效果在于：
[0034]
1)本发明提供了一种电网侧供电混合式多电平变流器的软充电电路是一种从交流电源侧对混合式多电平变流器进行预充电的装置，包括交流电源、限流电阻和串联电感，交流电源与限流电阻和串联电感串联，从混合式多电平变流器的交流侧接入，负载rl与直流母线电容并联，本发明的软充电电路不改变混合式多电平变流器的原本结构且不添加其他元件，具有设计结构简单、成本低廉、安装简单、实用性强等优点。
[0035]
2)本发明提供了一种电网侧供电混合式多电平变流器的软充电方法，通过实时调节开关触发脉冲占空比，动态补偿各电容电压，利用交流侧电压源将混合式多电平变流器系统各电容充电至额定工作值附近，本发明的控制方法操作简单、充电迅速、无大冲击电流，在电机驱动和交通电气化等领域，具有推广应用价值。
[0036]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究，对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可
以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0037]
图1为本发明一种电网侧供电混合式多电平变流器的软充电电路的结构示意图；
[0038]
图2本发明一种电网侧供电混合式多电平变流器的软充电电路的控制方法的流程图；
[0039]
图3为本实施例电网侧供电混合式多电平变流器预充电过程中各电源电压及电容电压的仿真波形图。
具体实施方式
[0040]
为使本发明的技术方案、优点和目的更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术的保护范围。
[0041]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0042]
如图1所示，一种电网侧供电混合式多电平变流器的软充电电路，包括交流电源v
ac
、限流电阻r0、电感l0、混合式多电平变流器、负载rl、充电电源切除开关s0和充电限流元件切除开关s1，本实施例中：交流电源v
ac
＝220sin(100πt)v，限流电阻r0＝9ω，串联电感l0＝5mh。
[0043]
混合式多电平变流器包括直流母线电容c
d1
、c
d2
和c
d3
，飞跨电容c
fa
和c
fb
，以及四个桥臂，直流母线电容c
d1
、c
d2
和c
d3
串联；本实施例中：直流母线电容c
d1
、c
d2
和c
d3
以及飞跨电容c
fa
和c
fb
的容值均为0.05mf。
[0044]
正常接入电网运行时，整个线路的内阻为0.05ω。
[0045]
四个桥臂包括八组主开关，即s
a1
和s
a2
，s
a3
和s
a6
，s
a4
和s
a5
，s
a7
和s
a8
，s
b1
和s
b2
，s
b3
和s
b6
，s
b4
和s
b5
，s
b7
和s
b8
；每个开关可独立控制，但不能同时开通，s
a4
和s
a7
的开关状态相同，可产生四电平相电压的输出。
[0046]
交流电源v
ac
的第一端与开关s0的第一端相连，开关s0的第二端连接限流电阻r0的第一端，限流电阻r0的第二端连接电感l0的第一端，限流电阻r0与电感l0串联形成负载r0l0，负载r0l0与开关s1并联；电感l0的第二端连接s
a1
的第一端和s
a2
的第一端，s
a1
的第二端连接s
a3
的第一端，s
a3
的第二端连接s
a4
的第一端和s
a5
的第一端，s
a4
的第二端连接直流母线电容c
d1
的第一端，s
a5
的第二端连接直流母线电容c
d1
的第二端；s
a2
的第二端连接s
a6
的第一端，s
a6
的第二端连接s
a7
的第一端和s
a8
的第一端，s
a7
的第二端连接直流母线电容c
d3
的第一端，s
a8
的第二端连接直流母线电容c
d3
的第二端，s
a1
的第二端和s
a3
的第一端均与飞跨电容c
fa
的第一端连接，s
a2
的第二端和s
a6
的第一端均与飞跨电容c
fa
的第二端连接；
[0047]
交流电源v
ac
的第二端连接s
b1
的第一端和s
b2
的第一端，s
b1
的第二端连接s
b3
第一端，s
b3
的第二端连接s
b4
的第一端和s
b5
的第一端，s
b4
的第二端连接直流母线电容c
d1
的第一端，s
b5
的第二端连接直流母线电容c
d1
的第二端；s
b2
的第二端连接s
b6
的第一端，s
b6
的第二端连接s
b7
的第一端和s
b8
的第一端，s
b7
的第二端连接直流母线电容c
d3
的第一端，s
b8
的第二端
连接直流母线电容c
d3
的第二端，s
b1
的第二端和s
b3
的第一端均与飞跨电容c
fb
的第一端连接，s
b2
的第二端和s
b6
的第一端均与飞跨电容c
fb
的第二端连接。
[0048]
负载rl包括串联的电阻r和电感l，电阻r＝10kω，电感为0.1mh。
[0049]
负载rl的第一端连接s
a4
的第二端和s
b4
的第二端，负载rl的第二端连接s
a8
的第二端和s
b8
的第二端。
[0050]
本发明还提供了一种电网侧供电混合式多电平变流器的软充电方法，包括以下步骤：
[0051]
1)将混合式多电平变流器内部开关的初始驱动信号全部设为低电平，闭合开关s0，断开开关s1，接入交流电源v
ac
。
[0052]
2)通过伏秒面积平衡方法计算出将飞跨电容c
fa
和c
fb
充电到额定工作电压u
ref
的开关占空比，以及将直流母线电容c
d1
、c
d2
和c
d3
充电到额定工作电压u
ref
的开关占空比，本实施例u
ref
＝500v。
[0053]
步骤2中，伏秒面积平衡方法的计算表达式如下：
[0054][0055]
式中，uo为输出电压，即电容两端电压；u
in
为输入电源电压，t为触发开关的周期，r0为电路中的限流电阻，i
l1
和i
l2
为步骤(3)中两种电路状态下流经电感l的电流值，d为占空比；
[0056]
之后通过上述伏秒面积平衡方程，求解出占空比d。
[0057]
3)利用步骤2计算出的开关占空比控制混合式多电平变流器内部的开关，切换电路的运行状态，从而对直流母线电容c
d1
、c
d2
和c
d3
以及飞跨电容c
fa
和c
fb
充电。
[0058]
步骤3中，基于步骤2计算出的开关占空比，混合式多电平变流器内部的开关有两种状态：状态a和状态b，混合式多电平变流器内部的开关在a、b两种状态间切换。
[0059]
状态a：当电源电压在正半轴时，将混合式多电平变流器内部开关s
a2
、s
a3
、s
a4
、s
a6
、s
a8
、s
b1
、s
b3
、s
b4
、s
b6
和s
b8
的驱动信号设为高电平，其余开关s
a1
、s
a5
、s
a7
、s
b2
、s
b3
、s
b5
和s
b7
的驱动信号设为低电平，使其处于不导通的状态；当电源电压在负半轴时，将混合式多电平变流器内部开关s
a1
、s
a3
、s
a4
、s
a6
、s
a8
、s
b2
、s
b3
、s
b4
、s
b6
、s
b8
的驱动信号设为高电平，其余开关s
a2
、s
a5
、s
a7
、s
b1
、s
b5
和s
b7
的驱动信号设为低电平，使其处于不导通的状态；
[0060]
状态b：将混合式多电平变流器内部开关s
a2
、s
a6
、s
a8
、s
b2
、s
b6
和s
b8
的驱动信号设为高电平，其余开关s
a1
、s
a3
、s
a4
、s
a5
、s
a7
、s
b1
、s
b3
、s
b4
、s
b5
和s
b7
的驱动信号设为低电平，使其处于不导通的状态。
[0061]
4)检测飞跨电容c
fa
和c
fb
两端的电压值，当飞跨电容c
fa
和c
fb
的电压均达到额定工作电压u
ref
时，控制混合式多电平变流器内部的开关，停止对飞跨电容c
fa
和c
fb
充电，加速对直流母线电容c
d1
、c
d2
和c
d3
充电。
[0062]
步骤4中，基于步骤2计算出的开关占空比，加速对直流母线电容c
d1
、c
d2
和c
d3
充电时，混合式多电平变流器内部的开关有两种状态：状态c和状态d，混合式多电平变流器内部的开关在c、d两种状态间切换。
[0063]
状态c：当电源电压在正半轴时，将混合式多电平变流器内部开关s
a2
、s
a6
、s
a8
、s
b1
、s
b3
、s
b4
的驱动信号设为高电平，其余开关s
a1
、s
a3
、s
a4
、s
a5
、s
a7
、s
b2
，s
b5
、s
b6
、s
b7
和s
b8
的驱动信
号设为低电平，使其处于不导通的状态；当电源电压在负半轴时，将混合式多电平变流器内部开关s
a1
、s
a3
、s
a4
、s
b2
、s
b6
、s
b8
的驱动信号设为高电平，其余开关均给予低电平的驱动信号，使其处于不导通的状态；
[0064]
状态d：给予混合式多电平变流器内部开关s
a2
、s
a6
、s
a8
、s
b2
、s
b6
、s
b8
一个高电平的驱动信号，其余开关s
a1
、s
a3
、s
a4
、s
a5
、s
a7
、s
b1
、s
b3
、s
b4
、s
b5
和s
b7
的驱动信号设为低电平，使其处于不导通的状态。
[0065]
5)检测直流母线电容c
d1
、c
d2
和c
d3
两端的电压值，当直流母线电容c
d1
、c
d2
和c
d3
的电压值均达到额定工作电压u
ref
时，将混合式多电平变流器内部开关的驱动信号全部设为低电平，使混合式多电平变流器处于关断状态，之后调整占空比，重复上述操作，使飞跨电容c
fa
、c
fb
和直流母线电容c
d1
、c
d2
、c
d3
两端的始终维持在500v；最后闭合开关s1，断开开关s0，即完成软充电回路的预充电。
[0066]
步骤5中，当飞跨电容c
fa
、c
fb
和直流母线电容c
d1
、c
d2
、c
d3
充电完成后，恢复飞跨电容和直流母线电容两端的电压，检测恢复后的飞跨电容电压是否达到额定工作电压u
ref
，若未达到，则重复步骤4，重新对飞跨电容充电，若恢复后的飞跨电容电压达到额定工作电压u
ref
，则判定飞跨电容电压补偿完成；
[0067]
飞跨电容电压补偿完成后，检测恢复后的直流母线电容电压是否达到额定工作电压u
ref
，若未达到，则调整开关占空比，对直流母线电容充电或放电，从而使直流母线电容电压达到额定工作电压u
ref
。
[0068]
本发明可实现对混合式多电平变流器内直流母线电容器和飞跨电容器的可靠充电，在切断限流电阻中不会产生大的系统冲击电流；充电完成后，直流母线电容器和飞跨电容器两端电压会动态稳定在额定电压值附近。
[0069]
图2为使用本发明电网侧供电混合式多电平变流器的软充电方法时，混合式多电平变流器预充电过程中各电源电压及电容电压的仿真波形图。
[0070]
从图2中分析可知：1)电源电压幅值为220v，频率为50hz；2)飞跨电容经过0.236s，电压值从0迅速充电至额定工作值，即500v；3)三个直流母线电容保持同步充电，经过3.427s，电压值从0迅速充电至额定工作值500v左右；4)充电完成后，对各电容电压进行实时监测和补偿，各电容电压维持在理想工作电压500v。整个充电过程在4s内完成，从而证明了本发明电网侧供电混合式多电平变流器的软充电电路及其方法能快速可靠的实现混合式多电平变流器内部电容充电至额定工作值。
[0071]
综上所述，本发明提供的电网侧供电混合式多电平变流器的软充电电路，不改变原本电路结构，不添加外部元件，成本低廉，且易安装，实用性强；本发明提供的电网侧供电混合式多电平变流器的软充电方法，能实时调节开关触发脉冲占空比，动态补偿各电容电压，使得各电容电压维持在额定工作电压值，本发明方法具有充电迅速、无大冲击电流、操作简单的优点，使之在中压大容量新能源并网、电机驱动以及交通电气化等领域，有更大的推广应用价值。
[0072]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。