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

技术特征：
1.一种电网侧供电混合式多电平变流器的软充电电路，其特征在于：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；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；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
；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；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；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。2.根据权利要求1所述的一种电网侧供电混合式多电平变流器的软充电电路，其特征在于：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。3.根据权利要求1所述的一种电网侧供电混合式多电平变流器的软充电电路，其特征在于：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。4.根据权利要求1所述的一种电网侧供电混合式多电平变流器的软充电电路，其特征在于：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。5.一种基于如权利要求1所述的一种电网侧供电混合式多电平变流器的软充电电路的软充电方法，其特征在于，包括以下步骤：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
；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；
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；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；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。6.根据权利要求5所述的一种电网侧供电混合式多电平变流器的软充电方法，其特征在于，所述步骤2中，伏秒面积平衡方法的计算表达式如下：式中，u
o
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；之后通过上述伏秒面积平衡方程，求解出占空比d。7.根据权利要求5所述的一种电网侧供电混合式多电平变流器的软充电方法，其特征在于，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；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；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。8.根据权利要求5所述的一种电网侧供电混合式多电平变流器的软充电方法，其特征在于，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；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；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。9.根据权利要求5所述的一种电网侧供电混合式多电平变流器的软充电方法，其特征在于，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；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
。

技术总结
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及方法，属于电力电子技术领域。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，限流电阻，串联电感，混合式多电平变流器和负载，本发明电网侧供电混合式多电平变流器的软充电电路，所需硬件设备少，安装便捷，成本低廉。本发明还提供了电网侧供电混合式多电平变流器的软充电方法，通过交流电源电压方向调节开关触发脉冲占空比改变充电回路，依次对混合式多电平变流器的飞跨电容和直流母线电容进行充电，并将各电容电压充电至额定工作值，充电过程中无大冲击电流产生，充电时间短，有效保障了电网侧供电混合式多电平变流器系统的安全软启动。多电平变流器系统的安全软启动。多电平变流器系统的安全软启动。


技术研发人员：赵一晖 潘建宇 税清欣 王钰明 王庆林 杜翊豪 唐海博 郭禹伽
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2022.07.29
技术公布日：2022/11/11