CN107070277B - 有源中点箝位五电平变流器交流侧充电软启动电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种有源中点箝位五电平变流器交流侧充电软启动电路及方法，包括：三相交流电源，限流电阻，与限流电阻并联的第一开关，与限流电阻串联的第二开关，以及上母线电容Cup、下母线电容Cdown；通过主开关的闭合，对飞跨电容和母线电容同时充电；飞跨电容电压达到设定值后，对母线电容单独充电。本发明利用三相交流电源给变流器中的电容充电，结构简单，控制方便，增加的辅助支路较少；实现安全可靠高效的软启动。所述软启动方法不会影响主电路在正常工况下的工作，且辅助器件仅存在于三相电源与桥臂之间，不仅适用于三相三线制的ANPC逆变器电路，而且适用于三相四线制的ANPC逆变器电路和两相ANPC桥臂的H桥电路。

Description

有源中点箝位五电平变流器交流侧充电软启动电路及方法
技术领域
本发明涉及一种适用于有源中点箝位五电平(ANPC-5L)变流器的交流侧充电的软启动方法，尤其是一种安全可靠高效的交流侧充电的软启动电路和方法。
背景技术
有源中点箝位五电平(ANPC-5L)三相变流器，其电路如图1所示，其每相桥臂由十二个有反并联二极管的主开关管(S1、S2、S3、S4、两个S5、两个S6、两个S7、两个S8)和一个飞跨电容(Cf)构成。这种三相五电平变流器能够实现并网发电功能，也可以带负载独立运行和驱动电机，而且电路中主开关管的电压应力均为母线电压的四分之一。但是，电路中存在较多的电容，包括母线电容和飞跨电容，在电容建压策略方面有着较大的困难，既不能产生很大的充电电流，又不能增大主开关管的电压应力。
经检索，公开号为202261005U的中国专利申请，该实用新型提供了一种ANPC五电平变流器的预充电电路，包括整流部分、限流部分和分压部分，三相不可控整流得到的电压，通过限流电阻给母线电容和飞跨电容充电，并根据大电阻的分压比为母线电容和飞跨电容充电值设定值。该实用新型解决了该变流器拓扑结构直接充电造成的过电流问题，并将电容器电压充至设定值。但是该专利提出的软启动策略主要目的只是在于解决该拓扑直接充电造成的过电流问题，因此并不是安全可靠高效的软启动，而且适用性不强，不能同时适用于两相ANPC桥臂的H桥电路、三相三线制/三相四线制的ANPC电路。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供适用于有源中点箝位五电平(ANPC-5L)变流器的交流侧充电的软启动电路和方法，不仅适用于三相三线制的ANPC逆变器电路，而且适用于三相四线制的ANPC逆变器电路和两相ANPC桥臂的H桥电路。
根据本发明的一个方面，提供一种有源中点箝位五电平变流器交流侧充电软启动电路，包括：三相交流电源，限流电阻，与限流电阻并联的第一开关，与限流电阻串联的第二开关，以及上母线电容Cup、下母线电容Cdown；其中：
所述限流电阻至少两个，所述第一开关数量与所述限流电阻数量相同，其中一个所述限流电阻与一个所述第一开关并联；所述第二开关数量为3个，连接于所述三相交流电源的三相与所述有源中点箝位五电平变流器的单相桥臂之间；所述有源中点箝位五电平变流器的单相桥臂同时连接到所述上母线电容CUP、所述下母线电容CDOWN之间；
一个所述限流电阻经与其串联的一个所述第二开关连接到所述有源中点箝位五电平变流器中任一单相桥臂；每个所述限流电阻与所述三相交流电源之间设置一个输出滤波电感L。
进一步的，所述有源中点箝位五电平变流器单相桥臂包括：十二个具有反并联二极管的主开关和一个飞跨电容Cf，所述十二个具有反并联二极管的主开关管分别为：一个主开关管S1、一个主开关管S2、一个主开关管S3、一个主开关管S4、两个主开关管S5、两个主开关管S6、两个主开关管S7、两个主开关管S8，其中：两个主开关管S5、一个主开关管S3、一个主开关管S1、一个主开关管S2、一个主开关管S4、两个主开关管S8依次串联后与上母线电容CUP、下母线电容CDOWN并联，在主开关管S1、S2的连接点引出单相桥臂的交流出线，两个主开关管S6、两个主开关管S7依次串联后与主开关管S3、S1、S2、S4串联成的整体并联，主开关管S6、S7的连接点与上母线电容CUP、下母线电容CDOWN的连接点相连，飞跨电容Cf与主开关管S1、S2串联成的整体并联。
根据本发明的另一个方面，提供一种有源中点箝位五电平变流器交流侧充电软启动方法，包括以下步骤：
步骤S01：上母线电容CUP、下母线电容CDOWN的电压均为零，飞跨电容Cfa、Cfb、Cfc的电压也为零，所述第一开关、所述第二开关均断开，有源中点箝位五电平变流器处于停机状态；此时，闭合所述有源中点箝位五电平变流器中单相桥臂的主开关管S3、S4、S5、S8，并闭合第二开关，由三相交流电源通过所述限流电阻给上母线电容CUP、下母线电容CDOWN和飞跨电容充电；
步骤S02：当飞跨电容电压达到设定值E，其中E表示总母线电压设定值的四分之一，断开所述有源中点箝位五电平变流器中单相桥臂的主开关管S3、S4、S5、S8，并闭合所述有源中点箝位五电平变流器中单相桥臂的主开关管S7，由三相交流电源通过所述限流电阻给上母线电容CUP充电；
步骤S03：当上母线电容CUP电压达到设定值2E，即母线电压的二分之一时，断开所述有源中点箝位五电平变流器中单相桥臂的主开关管S7，并闭合所述有源中点箝位五电平变流器中单相桥臂的主开关管S6，由三相交流电源通过所述限流电阻给下母线电容CDOWN充电；
步骤S04：当下母线电容CDOWN电压达到设定值2E，即母线电压的二分之一时，断开所述有源中点箝位五电平变流器中单相桥臂的主开关管S6，并闭合第一开关，软启动过程完成，所述有源中点箝位五电平变流器处于待机状态。
优选地，所述方法利用所述有源中点箝位五电平变流器中单相桥臂的主开关管S3、S4、S5、S8将飞跨电容与上母线电容CUP、下母线电容CDOWN并联，使飞跨电容和上母线电容CUP、下母线电容CDOWN同时由三相交流电源充电。
优选地，所述方法通过对所述有源中点箝位五电平变流器中单相桥臂的主开关管S6、S7的控制，实现飞跨电容电压优先于上母线电容CUP、下母线电容CDOWN电压达到其设定值，保证所述有源中点箝位五电平变流器中单相桥臂的所有主开关管的电压应力均不高于母线电压的四分之一。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明有源中点箝位五电平(ANPC-5L)变流器的交流侧充电的软启动方法，仅需要六个附加开关K1、K2、K3、K4、K5、K6和三个附加电阻R1、R2、R3，附加电路极为简单；
同时，本发明将每相的主开关管S3、S4、S5、S8、S6、S7作为软启动的一部分，并保留了每相桥臂的完整独立性，实现飞跨电容电压优先于母线电容电压达到其设定值，保证各主开关的电压应力均不高于母线电压的四分之一，实现安全可靠高效的软启动；
最后，本发明提出的软启动方法，不仅适用于三相三线制的ANPC逆变器电路，而且适用于三相四线制的ANPC逆变器电路和两相ANPC桥臂的H桥电路。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为现有的三相ANPC逆变器电路图；
图2为本发明一实施例软启动电路的电路图；
图3为本发明另一实施例软启动电路的电路图；
图4为本发明一优选实施例的软启动方法步骤示意图；
图5为本发明一优选实施例的在软启动过程中的控制脉冲时序和电容电压波形图；
图6～图10为本发明一优选实施例的在软启动过程中各阶段的工作等效电路图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图2所示，一种适用于有源中点箝位五电平(ANPC-5L)变流器的交流侧充电的软启动电路，包括：三相交流电源，限流电阻R1、R2、R3，与限流电阻R1、R2、R3分别并联的开关K1、K2、K3，与限流电阻R1、R2、R3分别串联的开关K4、K5、K6，上母线电容Cup、下母线电容Cdown；
有源中点箝位五电平(ANPC-5L)变流器三相a、b、c中每一相电路包括：由十二个具有反并联二极管的主开关(S1、S2、S3、S4、两个S5、两个S6、两个S7、两个S8)和一个飞跨电容Cf组成的有源中点箝位五电平单相桥臂，以及三个分别接在限流电阻R1、R2、R3与三相交流电源之间的输出滤波电感L。如图中所示，十二个具有反并联二极管的主开关、电容中，其中下标包含a的，表示a相电路中元器件；下标包含b的，表示b相电路中元器件；下标包含c的，表示c相电路中元器件。
在图2所示实施例中，所述的限流电阻R1、R2、R3分别与开关K1、K2、K3并联，限流电阻R1、R2、R3的一端与三个输出滤波电感L相连、另一端与对应的有源中点箝位五电平单相桥臂的输出端相连。
如图3所示，在另一优选实施例中，其他结构与图2相同，区别在于限流电阻和开关的设置，所述的限流电阻R1、R2分别与开关K1、K2并联，限流电阻R1、R2的一端与输出滤波电感L相连、另一端与对应的有源中点箝位五电平单相桥臂的输出端相连。
如图4所示，一种适用于有源中点箝位五电平(ANPC-5L)变流器的交流侧充电的软启动方法，包括以下步骤：
步骤S01：上母线电容CUP、下母线电容CDOWN的电压均为零，飞跨电容Cfa、Cfb、Cfc的电压也为零，开关K1、K2、K3、K4、K5、K6均断开，ANPC有源中点箝位五电平三相变流器处于停机状态；此时，闭合每相的主开关管S3、S4、S5、S8，并闭合开关K4、K5、K6，由三相交流电源通过限流电阻R1、R2、R3给上母线电容CUP、下母线电容CDOWN和飞跨电容Cfa、Cfb、Cfc充电；
步骤S02：当飞跨电容Cfa、Cfb、Cfc电压达到设定值E(E表示总母线电压设定值的四分之一，下同)，即母线电压的四分之一时，断开每相的主开关管S3、S4、S5、S8，并闭合每相的主开关管S7，由三相交流电源通过限流电阻R1、R2、R3给上母线电容CUP充电；
步骤S03：当上母线电容CUP电压达到设定值2E，即母线电压的二分之一时，断开每相的主开关管S7，并闭合每相的主开关管S6，由三相交流电源通过限流电阻R1、R2、R3给下母线电容CDOWN充电；
步骤S04：当下母线电容CDOWN电压达到设定值2E，即母线电压的二分之一时，断开每相的主开关管S6，并闭合开关K1、K2、K3，软启动过程完成，ANPC有源中点箝位五电平三相变流器处于待机状态。
对于适用于有源中点箝位五电平(ANPC-5L)变流器的交流侧充电的软启动方法，软启动过程中的控制脉冲时序和电容电压波形，如图5所示；
其中：
阶段1(t0-t1):
如图6所示，上母线电容CUP、下母线电容CDOWN的电压均为零，飞跨电容Cfa的电压也为零，开关K1、K2、K3、K4、K5、K6均断开，ANPC有源中点箝位五电平三相变流器处于停机状态。
阶段2(t1-t2):
如图7所示，闭合每相的主开关管S3、S4、S5、S8(具体是图7中的Sa3、Sa4、Sa5、Sa8，Sb3、Sb4、Sb5、Sb8，Sc3、Sc4、Sc5、Sc8)，并闭合开关K4、K5、K6，由三相交流电源通过限流电阻R1、R2、R3给上母线电容CUP、下母线电容CDOWN和飞跨电容Cfa、Cfb、Cfc充电，直至飞跨电容Cfa、Cfb、Cfc电压达到设定值E(E表示总母线电压设定值的四分之一，下同)，即母线电压的四分之一。
阶段3(t2-t3):
如图8所示，断开每相的主开关管S3、S4、S5、S8(具体是Sa3、Sa4、Sa5、Sa8，Sb3、Sb4、Sb5、Sb8，Sc3、Sc4、Sc5、Sc8)，并闭合每相的主开关管S7(具体是Sa7、Sb7、Sc7)，由三相交流电源通过限流电阻R1、R2、R3给上母线电容CUP充电，直至上母线电容CUP电压达到设定值2E，即母线电压的二分之一。
阶段4(t3-t4):
如图9所示，断开每相的主开关管S7(具体是Sa7、Sb7、Sc7)，并闭合每相的主开关管S6(具体是Sa6、Sb6、Sc6)，由三相交流电源通过限流电阻R1、R2、R3给下母线电容CDOWN充电，直至下母线电容CDOWN电压达到设定值2E，即母线电压的二分之一。
阶段5(t4-t5):
如图10所示，断开每相的主开关管S6(具体是Sa6、Sb6、Sc6)，并闭合开关K1、K2、K3，ANPC有源中点箝位五电平三相变流器处于待机状态。
对于图3所示的实施例，其具体实施与上述图2所示实施例类似，对于本领域技术人员来说，在上述描述基础上，是很容易理解的，此处不再详述。
基于上述实施例，本发明所述的适用于有源中点箝位五电平(ANPC-5L)变流器的交流侧充电的软启动技术，利用三相交流电源给变流器中的电容充电，结构简单，控制方便，增加的辅助支路较少，附加电路极为简单；最多仅需要六个附加开关K1、K2、K3、K4、K5、K6和三个附加电阻R1、R2、R3；
同时，本发明将每相的主开关管S3、S4、S5、S8、S6、S7作为软启动的一部分，并保留了每相桥臂的完整独立性，实现飞跨电容电压优先于母线电容电压达到其设定值，保证各主开关的电压应力均不高于母线电压的四分之一，实现安全可靠高效的软启动；
最后，本发明不仅适用于三相三线制的ANPC逆变器电路，而且适用于三相四线制的ANPC逆变器电路和两相ANPC桥臂的H桥电路。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (3)

1.一种基于有源中点箝位五电平变流器交流侧充电软启动电路的有源中点箝位五电平变流器交流侧充电软启动方法，其特征在于，所述电路，包括：三相交流电源，限流电阻，与限流电阻并联的第一开关，与限流电阻串联的第二开关，以及上母线电容Cup、下母线电容Cdown；其中：
所述限流电阻至少两个，所述第一开关数量与所述限流电阻数量相同，其中一个所述限流电阻与一个所述第一开关并联；所述第二开关数量为3个，连接于所述三相交流电源的三相与所述有源中点箝位五电平变流器的单相桥臂之间；所述有源中点箝位五电平变流器的单相桥臂同时连接到所述上母线电容CUP、所述下母线电容CDOWN之间；
一个所述限流电阻经与其串联的一个所述第二开关连接到所述有源中点箝位五电平变流器中任一单相桥臂；每个所述限流电阻与所述三相交流电源之间设置一个输出滤波电感L；
所述有源中点箝位五电平变流器单相桥臂包括：十二个具有反并联二极管的主开关和一个飞跨电容Cf，所述十二个具有反并联二极管的主开关管分别为：一个主开关管S1、一个主开关管S2、一个主开关管S3、一个主开关管S4、两个主开关管S5、两个主开关管S6、两个主开关管S7、两个主开关管S8，其中：两个主开关管S5、一个主开关管S3、一个主开关管S1、一个主开关管S2、一个主开关管S4、两个主开关管S8依次串联后与上母线电容CUP、下母线电容CDOWN并联，在主开关管S1、S2的连接点引出单相桥臂的交流出线，两个主开关管S6、两个主开关管S7依次串联后与主开关管S3、S1、S2、S4串联成的整体并联，主开关管S6、S7的连接点与上母线电容CUP、下母线电容CDOWN的连接点相连，飞跨电容Cf与主开关管S1、S2串联成的整体并联；
所述方法包括以下步骤：
步骤S01：上母线电容CUP、下母线电容CDOWN的电压均为零，飞跨电容Cfa、Cfb、Cfc的电压也为零，所述第一开关、所述第二开关均断开，有源中点箝位五电平变流器处于停机状态；此时，闭合所述有源中点箝位五电平变流器中单相桥臂的主开关管S3、S4、S5、S8，并闭合第二开关，由三相交流电源通过所述限流电阻给上母线电容CUP、下母线电容CDOWN和飞跨电容充电；
步骤S02：当飞跨电容电压达到设定值E，其中E表示总母线电压设定值的四分之一，断开所述有源中点箝位五电平变流器中单相桥臂的主开关管S3、S4、S5、S8，并闭合所述有源中点箝位五电平变流器中单相桥臂的主开关管S7，由三相交流电源通过所述限流电阻给上母线电容CUP充电；
步骤S03：当上母线电容CUP电压达到设定值2E，即母线电压的二分之一时，断开所述有源中点箝位五电平变流器中单相桥臂的主开关管S7，并闭合所述有源中点箝位五电平变流器中单相桥臂的主开关管S6，由三相交流电源通过所述限流电阻给下母线电容CDOWN充电；
步骤S04：当下母线电容CDOWN电压达到设定值2E，即母线电压的二分之一时，断开所述有源中点箝位五电平变流器中单相桥臂的主开关管S6，并闭合第一开关，软启动过程完成，所述有源中点箝位五电平变流器处于待机状态。
2.根据权利要求1所述的有源中点箝位五电平变流器交流侧充电软启动方法，其特征在于：所述方法利用所述有源中点箝位五电平变流器中单相桥臂的主开关管S3、S4、S5、S8将飞跨电容与上母线电容CUP、下母线电容CDOWN并联，使飞跨电容和上母线电容CUP、下母线电容CDOWN同时由三相交流电源充电。
3.根据权利要求1或2所述的有源中点箝位五电平变流器交流侧充电软启动方法，其特征在于：所述方法通过对所述有源中点箝位五电平变流器中单相桥臂的主开关管S6、S7的控制，实现飞跨电容电压优先于上母线电容CUP、下母线电容CDOWN电压达到其设定值，保证所述有源中点箝位五电平变流器中单相桥臂的所有主开关管的电压应力均不高于母线电压的四分之一。
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