CN109067160A - 一种网侧预充电的软开关变流器的启动方法 - Google Patents

一种网侧预充电的软开关变流器的启动方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种网侧预充电的软开关变流器的启动方法。在软开关变流器的谐振电感上串联一个辅助启动电路，通过主启动电路和辅助启动电路的参数设计和时序控制实现对箝位电容进行预充电,使得箝位电容电压预充电到实现软开关所需电压值，然后开启软开关变流器PWM调制驱动信号。本发明结构简单，实现方便，既保证了软开关变流器启动时的软开关，大幅减小启动时的电压应力，又无需附加辅助控制电源给箝位电容充电，也无需附加预充电驱动脉冲序列给箝位电容充电。

Description

一种网侧预充电的软开关变流器的启动方法
技术领域
本发明涉及一种网侧预充电的变流器启动方法，尤其是一种网侧预充电的软开关变流器启动方法。
背景技术
整流器和逆变器广泛应用于新能源并网发电的电力电子装置中，复合有源箝位技术可以实现器件的零电压开关，提升变流器工作频率和功率密度以及电能转换效率。但是软开关变流器按传统方法启动时，由于箝位电容电压初始值为零，导致启动阶段的软开关条件无法满足。以至于功率器件会承受很高的电压应力。从而可能引起器件损坏而导致变流器故障。针对在直流侧进行预充电的逆变器的应用场合，已经有提出了一种软开关单相逆变器的启动方法。该方法也适用于在交流侧进行预充电的变流器的应用场合，但是需要附加一路辅助电源和需要加入辅助的驱动脉冲充电序列。
发明内容
本发明的目的是提供一种网侧预充电的软开关变流器的启动方法，解决网侧电源给直流侧进行充电启动时的软开关电压应力问题。
本发明采用的技术方案是：
在软开关变流器的主电路的谐振电感支路中串联一个辅助启动电路，通过主启动电路和辅助启动电路的参数设计和时序控制实现对箝位电容进行预充电至软开关实现所需电压值，然后开启软开关变流器PWM调制驱动信号。
所述的辅助启动电路包括辅助启动电阻Ra和辅助短路控制开关K3，辅助启动电阻Ra的一端和谐振电感Lr连接,辅助启动电阻Ra的另一端和辅管Sa连接,辅助短路控制开关K3并联连接于辅助启动电阻Ra的两端。
所述的辅助启动电路中辅助启动电阻Ra的值具体为Ra＝R·Vc0/Vgm，其中R为主启动电路中的启动电阻阻值，Vc0为实现软开关所需的箝位电容Cc两端的预充电电压值，Vgm为电网电压的峰值。
所述的主启动电路和辅助启动电路的控制时序为：初始状态为开关K1，K2，K3都处于断开状态，启动时首先闭合K2，然后在K2确认闭合后且直流侧电压vdc电压稳定后再闭合K1，最后在K1确认闭合后断开K2，闭合K3。
所述的开启软开关变流器PWM调制驱动信号的首个开关周期的脉冲辅管占空比的获得方法是通过检测箝位电容电压或者通过检测电网电压估算箝位电容电压(基于公式Vc0＝Ra·Vgm/R)后，再计算获得。
本发明的有益效果如下：
本发明结构简单，实现方便，既实现了软开关变流器启动时的软开关，大幅减小启动时的电压应力，又无需附加辅助控制电源给箝位电容充电，也无需附加预充电驱动脉冲序列给箝位电容充电。
附图说明
图1是本发明所应用的复合有源箝位变流器电路结构图。
图2是本发明构成的一种网侧预充电的软开关变流器的启动方法原理图。
图3是本发明的一种网侧预充电的软开关变流器的启动方法的时序图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明所应用的复合有源箝位变流器，既可以是单相复合有源箝位的软开关电路，也可以是三相复合有源箝位的软开关电路。以单相为例，其主电路2包括直流侧电容Cdc，构成全桥桥臂的主开关管S1，S2，S3，S4，全桥桥臂中点串联的输出滤波电感L1，L2，在直流侧电容Cdc和全桥桥臂之间接入了辅助开关管Sa和箝位电容Cc串联构成的串联支路，并在该串联支路两端并联了谐振电感Lr。在电网与主电路之间串接有主启动电路6，主启动电路由启动电阻R、开关K2串联后与开关K1并联构成。
本发明的网侧预充电的软开关变流器的启动方法包括：在软开关变流器的主电路2的谐振电感Lr203支路中串联一个辅助启动电路1，通过主启动电路6和辅助启动电路1的参数设计和时序控制实现对箝位电容202进行预充电至软开关实现所需电压值，然后开启软开关变流器PWM调制驱动信号。
如图2所示,辅助启动电路1包括辅助启动电阻Ra 101和辅助短路控制开关K3 102，辅助启动电阻Ra 101的一端和谐振电感Lr 203连接于节点3,辅助启动电阻Ra 101的另一端和辅管Sa 201连接于节点4,辅助短路控制开关K3 102并联连接于辅助启动电阻Ra 101的两端。通过电网电压5,主启动电路6和辅助启动电路1的时序控制对箝位电容Cc 202进行预充电。
辅助启动电阻Ra 101的值具体为Ra＝R·Vc0/Vgm，其中R为主启动电路6中的启动电阻R 601的阻值，Vc0为实现软开关所需的箝位电容Cc 202两端的预充电电压值，Vgm为电网电压5的峰值。
主启动电路6和辅助启动电路1的控制时序为：初始状态为开关K1 602，K2 603，K3102都处于断开状态，启动时首先闭合K2 603，然后在K2 603确认闭合后且直流侧电压vdc电压稳定后再闭合K1 602，最后在K1 602确认闭合后断开K2 603，闭合K3 102。
开启软开关变流器PWM调制驱动信号的首个开关周期的脉冲辅管占空比701可以通过检测电网电压估算箝位电容电压模块8和首个开关周期软开关驱动脉冲产生模块计算获得,具体的计算方法可参见"A ZVS Grid-Connected Full-Bridge Inverter With aNovel ZVS SPWM Scheme,"IEEE Transactions on Power Electronics,vol.31,pp.3626-3638,2016。
本发明的工作原理过程如下：
参考图3所示，对以复合有源箝位单相变流器为例在本发明所设计的启动时序控制下的充电启动波形进行说明。K1，K2，K3为三个开关的开关状态信号，高电平表示开通，低电平表示关断，vdc为直流侧电压的波形，vcc为箝位电容电压两端波形，ig为并网侧电流波形。
阶段一(t0-t1)：变流器启动前，即t0时刻前，开关K1 602，K2 603，K3 102都处于断开状态，主开关器件204～207都处于关断状态，变流器启动时，在t0时刻首先闭合开关K2603,，此时电网电压vg通过主启动电阻R，输出滤波电感L1，L2，主开关管和辅助开关管内的反并联二极管，谐振电感Lr和辅助启动电阻Ra给直流侧电容Cdc和箝位电容Cc充电。由于实际电路中给直流侧电容Cdc充电的时间常数远小于给箝位电容Cc充电的时间常数。因此箝位电容Cc上先充得由电网电压峰值，启动电阻R和辅助启动电阻Ra决定的预充电压值。此阶段在t1时刻当箝位电容Cc上充到时结束。其中R为主启动电路6中的启动电阻601，Vc0为实现软开关所需的箝位电容202两端的预充电电压值，Vgm为电网电压5的峰值，Ra为辅助启动电阻101。
阶段二(t1-t2)：t1时刻，变流器箝位电容Cc充电结束，之后，电网电压vg通过启动电阻R，输出滤波电感L1，L2，主开关管内的反并联二极管，谐振电感Lr，辅助启动电阻Ra给直流侧电容Cdc充电。直到t2时刻vdc充电到电网电压峰值结束。
阶段三(t2-t3)：此阶段为保持状态，直到t3时刻，开关K1 602闭合来短路主启动电阻R，由于开关K1 602闭合前电路已经趋于稳态，iLr＝ig＝0，因此vdc和vcc继续保持维持t2时刻电压值。
阶段四(t3-t4)：在确保开关K1 602闭合后，就可以在此阶段的其它任意时刻闭合开关K3 102和断开开关K2 603。例如可以在如图3中的t4时刻进行动作。
阶段五(t4-t5)：在确保开关K3 102已经闭合和开关K2 603已经断开后，就可以在t5时刻开启软开关PWM脉冲。开启软开关PWM脉冲时首先通过702连接701输出首个开关周期软开关驱动脉冲。然后通过702连接703输出正常运行时的软开关驱动脉冲。
本发明的设计思想：针对在网侧启动的变流器应用场合，利用电网的能量给实现软开关所需的箝位电容充电。由于原有源箝位电路的谐振电感取值较小，因此通过加入辅助启动电阻来实现对箝位电容预充电电压的控制。并通过设计辅助短路开关的控制时序以应用于实际电路中。本发明结构简单，实现方便，既实现了软开关变流器启动时的软开关，大幅减小启动时的电压应力，又无需附加辅助的电源给箝位电容充电，也无需附加预充电驱动脉冲序列给箝位电容充电。

Claims (6)

1.一种网侧预充电的软开关变流器的启动方法，其特征在于，在软开关变流器的主电路(2)的谐振电感(203)支路中串联一个辅助启动电路(1)，通过主启动电路(6)和辅助启动电路(1)的参数设计和时序控制实现对箝位电容(202)进行预充电,使得箝位电容电压预充电到实现软开关所需电压值，然后开启软开关变流器PWM调制驱动信号。
2.根据权利要求1所述的一种网侧预充电的软开关变流器的启动方法，其特征在于：所述的辅助启动电路(1)包括辅助启动电阻Ra(101)和辅助短路控制开关K3(102)，辅助启动电阻Ra(101)的一端和谐振电感(203)连接于节点(3),辅助启动电阻Ra(101)的另一端和辅管(201)连接于节点(4),辅助短路控制开关K3(102)并联连接于辅助启动电阻Ra(101)的两端。
3.根据权利要求2所述的一种网侧预充电的软开关变流器的启动方法，其特征在于：所述的辅助启动电路(1)中辅助启动电阻Ra(101)的值具体为Ra＝R·Vc0/Vgm，其中R为主启动电路(6)中的启动电阻(601)阻值，Vc0为实现软开关所需的箝位电容Cc(202)两端的预充电电压值，Vgm为电网电压vg(5)的峰值。
4.根据权利要求2所述的一种网侧预充电的软开关变流器的启动方法，其特征在于：所述的主启动电路(6)和辅助启动电路(1)的控制时序为：初始状态为开关K1(602)，K2(603)，K3(102)都处于断开状态，启动时首先闭合K2(603)，然后在K2(603)确认闭合后再闭合K1(602)，最后在K1(602)确认闭合后断开K2(603)，闭合K3(102)。
5.根据权利要求1所述的一种网侧预充电的软开关变流器的启动方法，其特征在于：所述的开启软开关变流器PWM调制驱动信号的首个开关周期的脉冲辅管占空比的获得方法是通过检测箝位电容电压或者通过检测电网电压估算箝位电容电压后，再计算获得。
6.根据权利要求1所述的一种网侧预充电的软开关变流器的启动方法，其特征在于：所述的启动方法的变流器主电路既可以是单相复合有源箝位的软开关电路，也可以是三相复合有源箝位的软开关电路。
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