五电平变流器直流侧充电软启动电路及方法与流程

本发明涉及一种直流侧充电软启动技术，具体地，涉及一种适用于新型五电平变流器直流侧充电软启动电路及方法，是一种安全可靠高效的直流侧充电软启动电路及方法。

背景技术：

现有一种五电平变流器，其电路如图1所示，该五电平逆变器主要由三个电容、两个二极管和八个全控型开关管组成。这种单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。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。尤其在正常运行中主开关管s5和s7的电压应力为母线电压的四分之三，相比于其余的主开关管其电压应力较大，若没有合适的软启动策略而直接投入运行，则主开关管s5和s7在运行的前几个周期的电压应力将近似等于母线电压，这两个主开关管很可能由于电压过高而击穿。

经检索，公开号为cn202261005u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。

上述专利申请(cn202261005u)中提出的软启动电路，其主要目的在于解决anpc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，不能同时适用于单相五电平逆变器电路、三相三线制、三相四线制的五电平逆变器电路的软启动。

目前尚无针对五电平变流器软启动的技术说明或报道，也尚未收集到国内外与之相关的资料。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于五电平变流器直流侧充电软启动电路和方法，利用直流侧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，能够实现安全可靠高效的软启动。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种五电平变流器直流侧充电软启动电路，包括：开关k1、开关k2、限流电阻r1、分压电阻r2、分压电阻r3、上母线电容cup、下母线电容cdown以及五电平变流器单相桥臂；其中：

开关k2的一端连接直流侧电源，限流电阻r1的一端连接开关k2的另一端，限流电阻r1的另一端与上母线电容cup的上端相连或者与下母线电容cdown的下端相连，开关k2与限流电阻r1串联后与开关k1并联，分压电阻r2和分压电阻r3分别与上母线电容cup和下母线电容cdown并联，五电平电路单相桥臂的三端输入分别与上母线电容cup的上端、上母线电容cup的下端及下母线电容cdown的上端、下母线电容cdown的下端相连。

优选地，所述五电平变流器单相桥臂为一个或多个。

优选地，所述五电平变流器单相桥臂拓扑结构为：直流侧分别与上母线电容cup的上端和下母线电容cdown的下端连接，靠近交流侧一端设有一个悬浮电容cf；直流侧的正负极分别通过主开关管s5和主开关管s7与悬浮电容的正负极相连；直流侧中点处分别通过全控开关管s6、全控开关管s8、逆阻型全控开关管s4、逆阻型全控开关管s3以及两个二极管与悬浮电容cf的正负极相连；悬浮电容cf的正负极与交流侧输出之间分别通过全控型开关管s1、全控型开关管s2相连。

优选地，所述主开关管s5和主开关管s7均为全控型开关管。

优选地，还包括输出滤波电感l，所述五电平变流器单相桥臂的输出端与输出滤波电感l相连。

根据本发明的另一个方面，提供了一种上述五电平变流器直流侧充电软启动电路的软启动方法，包括以下步骤：

步骤s01：上母线电容cup和下母线电容cdown均为零，悬浮电容cf电压为零，开关k1和开关k2均断开，五电平变流器处于停机状态；此时，闭合主开关管s5和主开关管s7，并闭合开关k2，由直流侧电源通过限流电阻r1给上母线电容cup、下母线电容cdown和悬浮电容cf充电，分压电阻r2和分压电阻r3均衡上母线电容cup和下母线电容cdown电压；

步骤s02：当悬浮电容cf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，断开主开关管s5和主开关管s7，由直流侧电源通过限流电阻r1给上母线电容cup和下母线电容cdown充电，分压电阻r2和分压电阻r3均衡上母线电容cup和下母线电容cdown电压；

步骤s03：当上母线电容cup和下母线电容cdown电压达到设定值2e，即母线电压的二分之一时，闭合开关k1，五电平变流器处于待机状态。

优选地，通过主开关管s5和主开关管s7将悬浮电容cf与上母线电容cup和下母线电容cdown并联，使悬浮电容cf与上母线电容cup和下母线电容cdown同时由直流侧电源充电。

优选地，通过对主开关管s5和主开关管s7的控制，实现悬浮电容cf电压优先于上母线电容cup和下母线电容cdown电压达到其设定值，使主开关管s5和主开关管s7的电压应力不高于母线电压的四分之三，全控型开关管s1、全控型开关管s2、逆阻型全控开关管s3、逆阻型全控开关管s4、全控开关管s6、全控开关管s8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：

本发明提出的适用于五电平变流器直流侧充电软启动技术(电路及方法)，仅需两个附加开关k1、k2和三个附加电阻r1、r2、r3，附加电路极为简单。

本发明提出的五电平变流器直流侧充电软启动技术(电路及方法)，将开关管s3、s4、s5、s8作为软启动的一部分，并保留了anpc有源中点箝位五电平单相桥臂的完整独立性，实现飞跨电容电压优先于上母线电容、下母线电容电压达到其设定值，使主开关管s5、s7的电压应力不高于母线电压的四分之三，开关管s1、s2、s3、s4、s6、s8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。

本发明提出的五电平变流器直流侧充电软启动方法不仅适用于单相五电平变流器电路，而且适用于三相三线制、三相四线制的五电平变流器电路。

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为现有的单相五电平变流器电路拓扑图；

图2为本发明一优选实施例的直流侧充电软启动电路拓扑图；

图3为本发明另一优选实施例的直流侧充电软启动电路拓扑图；

图4为本发明一优选实施例的软启动方法的步骤示意图；

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9分别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；其中，图6为阶段1(t0-t1):，图7为阶段2(t1-t2)，图8为阶段3(t2-t3)，图9为阶段4(t3-t4)。

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。

本发明实施例提供了一种五电平变流器直流侧充电软启动电路，包括：开关k1、开关k2，限流电阻r1，分压电阻r2、r3，上母线电容cup，下母线电容cdown，以及有源中点箝位五电平变流器单相桥臂；其中：

开关k2的一端连接直流侧电源，限流电阻r1的一端连接开关k2的另一端，限流电阻r1的另一端与上母线电容cup的上端相连或者与下母线电容cdown的下端相连，开关k2与限流电阻r1串联后与开关k1并联，分压电阻r2、r3与上母线电容cup、下母线电容cdown分别并联，源中点箝位五电平电路单相桥臂的三端输入分别与上母线电容cup的上端、上母线电容cup的下端即下母线电容cdown的上端、下母线电容cdown的下端相连。

进一步的，还包括输出滤波电感l，所述有源中点箝位五电平变流器单相桥臂的输出端与输出滤波电感l相连。

进一步的，所述新型五电平变流器的拓扑结构为：直流侧有两个电容串联，靠近交流侧有一个悬浮电容；直流侧的正负极分别通过一个全控型开关管与悬浮电容的正负极相连；直流侧中点处通过两个全控开关管和两个逆阻型全控开关管和两个二极管与悬浮电容的正负极相连；悬浮电容的正负极与交流侧输出之间分别通过一个全控型开关管相连。

本发明实施例还提供五电平变流器直流侧充电软启动电路的电软启动方法，包括以下步骤：

步骤s01：上母线电容cup、下母线电容cdown均为零，悬浮电容cf电压也为零，开关k1、k2均断开，有源中点箝位五电平单相变流器处于停机状态；此时，闭合主开关管s5、s7，并闭合开关k2，由直流侧电源通过限流电阻r1给上母线电容cup、下母线电容cdown和悬浮电容cf充电，分压电阻r2、r3均衡上母线电容cup、下母线电容cdown电压；

步骤s02：当悬浮电容cf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，断开主开关管s5、s7，由直流侧电源通过限流电阻r1给上母线电容cup、下母线电容cdown充电，分压电阻r2、r3均衡上母线电容cup、下母线电容cdown电压；

步骤s03：当上母线电容cup、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，闭合开关k1，该五电平单相变流器处于待机状态。

进一步的，所述方法通过主开关管s5、s7将悬浮电容cf与上母线电容cup、下母线电容cdown并联，使悬浮电容cf与上母线电容cup、下母线电容cdown同时由直流侧电源充电。

进一步的，所述方法通过对主开关管s5、s7的控制，实现悬浮电容cf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，使各主开关管s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7、s8的电压应力均不高于母线电压的四分之一。

下面结合附图对本发明上述实施例的技术方案进一步详细描述。

如图2所示，本发明上述实施例中，提供了一种适用于图1所示五电平变流器的直流侧充电软启动电路，通过在有源中点箝位五电平变流器单相桥臂上增加两个附加开关k1、k2和三个附加电阻r1、r2、r3，所述电路包括：直流侧电源dc，与直流侧电源dc相连的开关k2，接在开关k2与上母线电容cup之间的限流电阻r1，与串联的限流电阻r1和开关k2并联的开关k1，上母线电容cup，下母线电容cdown，两个与上母线电容cup、下母线电容cdown分别并联的相同大阻值的分压电阻r2、r3，由一个悬浮电容cf，六个二极管和八个全控型开关管组成的五电平变流器单相桥臂，以及接在五电平变流器单相桥臂输出端与交流电网或者负载之间的输出滤波电感l。

数个所述五电平变流器单相桥臂在直流母线侧相连得到多相多线制五电平变流器；单个所述五电平变流器单相桥臂即为单相变流器。数个单相桥臂的电路连接方式与一个单相桥臂的电路连接方式相同，此处不再赘述。

在一优选实施例中，所述的限流电阻r1与开关k2串联后再与开关k1并联，限流电阻r1的一端与开关k2相连，限流电阻r1的另一端与上母线电容cup的上端相连，五电平变流器单相桥臂的三端输入分别与上母线电容cup的上端、上母线电容cup的下端(即下母线电容cdown的上端)和下母线电容cdown的下端相连，五电平变流器单相桥臂的输出端与输出滤波电感l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与开关k2串联后再与开关k1并联，限流电阻r1的一端与开关k2相连，限流电阻r1的另一端与下母线电容cdown的下端相连，五电平变流器单相桥臂的三端输入分别与上母线电容cup的上端、上母线电容cup的下端(即下母线电容cdown的上端)和下母线电容cdown的下端相连，五电平变流器单相桥臂的输出端与输出滤波电感l相连。

如图4所示，提供了一种针对五电平变流器直流侧充电软启动电路的软启动方法，包括以下步骤：

步骤s01：上母线电容cup、下母线电容cdown均为零，悬浮电容cf电压也为零，开关k1、k2均断开，五电平单相变流器处于停机状态；此时，闭合主开关管s5、s7，并闭合开关k2，由直流侧电源通过限流电阻r1给上母线电容cup、下母线电容cdown和悬浮电容cf充电，分压电阻r2、r3均衡上母线电容cup、下母线电容cdown电压；

步骤s02：当悬浮电容cf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，断开主开关管s5、s7，由直流侧电源通过限流电阻r1给上母线电容cup、下母线电容cdown充电，分压电阻r2、r3均衡上母线电容cup、下母线电容cdown电压；

步骤s03：当上母线电容cup、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，闭合开关k1，五电平单相变流器处于待机状态。

数个单相桥臂的电路软启动方法与一个单相桥臂的电路软启动方法相同，此处不再赘述。

在一实施例中，对于适用于该五电平变流器的直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均为零，悬浮电容cf电压也为零，开关k1、k2均断开，五电平单相变流器处于停机状态。

阶段2(t1-t2):

如图7所示，闭合主开关管s5、s7，并闭合开关k2，由直流侧电源通过限流电阻r1给上母线电容cup、下母线电容cdown和悬浮电容cf充电，分压电阻r2、r3均衡上母线电容cup、下母线电容cdown电压，直至悬浮电容cf的电压达到设定值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，断开主开关管s5、s7，由直流侧电源通过限流电阻r1给上母线电容cup、下母线电容cdown充电，分压电阻r2、r3均衡上母线电容cup、下母线电容cdown电压，直至上母线电容cup、下母线电容cdown的电压达到设定值2e，即母线电压的二分之一。

阶段4(t3-t4):

如图9所示，闭合开关k1，电容建压完成，五电平单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，不再详述。

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。