CN110011555A - 一种二极管钳位三电平变换器直流侧电容的充电控制方法 - Google Patents

一种二极管钳位三电平变换器直流侧电容的充电控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二极管钳位三电平变换器直流侧电容的充电控制方法，考虑到利用变换器自身整流充电无法使直流侧电压达到指定的值，可以通过各开关管的开关组合使连接电抗器进行充放电对直流侧电容进行升压。该方法在变换器完成整流充电后，使各桥臂的第一、第四开关管始终关断，第二、第三开关管在导通的时候对连接电抗器进行充电，在关断的时候连接电抗器放电对直流侧电容进行充电使直流侧电压得到提升。

Description

一种二极管钳位三电平变换器直流侧电容的充电控制方法
技术领域
本发明属于电力电子变换器领域，具体涉及一种二极管钳位三电平变换器直流侧电容的充电控制方法。
背景技术
多电平变换器相对于传统的两电平变换器，具有控制方式灵活、输出电压谐波含量低、经济性好、效率高和适用于高压大功率输出等优势。因而，多电平变换器被广泛应用于电能质量治理、高压大功率交流电机变频调速和直流输电等领域。
二极管钳位多电平变换器是开发最早的一类多电平变换器，该多电平变换器电路拓扑简单，控制方法多样，在实现高压大功率的同时，降低了对器件开关一致性的需求，减小了电压应力，提高了可靠性，输出电压谐波含量较少。
三相桥式不可控整流电路在空载时直流侧电容电压最大可充电至交流侧相电压有效值的2.45倍，所以直流侧电容电压仅靠整流进行充电无法达到需要的指定值。为保证二极管钳位多电平变换器的正常运行，必须在整流充电后对直流侧电容进行升压。
为实现直流侧电容的升压，通常可以通过额外的附加电路或者改变电路拓扑来实现，但是其经济性和可靠性都不好。因此，提供一种二极管钳位三电平变换器直流侧电容的充电控制方法是非常有必要的。
发明内容
本发明要解决的技术问题：变换器通过自身整流充电无法使直流侧电容的电压达到指定值，可以通过各开关管的开关组合使连接电抗器进行充放电对直流侧电容进行升压。
本发明采用的技术方案为：一种二极管钳位三电平变换器直流侧电容的充电控制方法，其实施步骤如下：
步骤1)、首先闭合预充电开关通过充电电阻进行预充电，可以有效减小其充电电流，此时主电路为单相桥式不可控整流电路；
步骤2)、待预充电完成，断开预充电开关，合上主开关，此时主电路为三相桥式不可控整流电路；
步骤3)、通过给开关管触发脉冲使连接电抗器周期性的进行充放电，连接电抗器充电后的电压泵升作用可以对二极管钳位三电平变换器直流侧电容进行升压。
其中，升压状态下包括的两个工作模式分别为：
储能模式：二极管钳位三电平变换器各桥臂的第一、第四开关管关断，第二、第三开关管导通，交流侧电源对连接电抗器进行充电储能。
升压模式：二极管钳位三电平变换器各桥臂的第一、第二、第三和第四开关管全部关断，连接电抗器通过各开关管的反并联二极管放电对直流侧电容进行充电使直流侧电压得到提升。
本发明方案带来的有益效果：
能够有效的对二极管钳位三电平变换器的直流侧电容进行充电，该方法在对直流侧电容整流充电后继续进行升压，升压过程仅通过给开关管触发脉冲即可实现，并不需要依赖额外的附加电路，其可靠性高，经济性好，实现方法简单。此外，还可以通过改变触发脉冲的占空比来控制升压速度，灵活性好，工程应用价值高。
附图说明
图1为二极管钳位三电平变换器的拓扑结构图；
图2为合预充电开关后的主电路结构图；
图3为合主开关后的主电路结构图；
图4为升压触发脉冲生成图；
图5为升压原理图；
图6为采取升压策略后的直流侧电压波形；
具体实施方式
下面将结合附图1至附图6，对本发明的具体实施方法作进一步说明。
图1所示为二极管钳位三电平变换器的电路拓扑。其中，C1和C2为直流侧上下端电容器，T1x、T2x、T3x和T4x分别为X(X＝a、b、c)相的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，D1x、D2x、D3x和D4x为相应开关管的反并联二极管，D5x和D6x为X(X＝a、b、c)相的钳位二极管，La、Lb和Lc为三相连接电抗器，K2a、K2b和K2c为三相主开关，K1a和K1c为充电开关，Ra和Rc为充电电阻，usa、usb和usc为交流侧三相电源。
本实施方法所述的一种二极管钳位三电平变换器直流侧电容的充电控制方法，通过给开关管触发脉冲使连接电抗器周期性的进行充放电，连接电抗器充电后的电压泵升作用可以对二极管钳位三电平变换器直流侧电容进行升压。
该方法具体包括以下步骤：
步骤一：首先选取任意两相构成单相桥式不可控整流电路对直流侧电容进行预充电。例如图1中选取的是A、C两相，将预充电开关K1a和K1c合上，由反并联二极管D1a、D2a、D3a、D4a、D1c、D2c、D3c和D4c构成单相桥式不可控整流电路，通过充电电阻Ra和Rc对直流侧电容进行预充电。图2所示为合预充电开关后的主电路结构。
步骤二：待预充电完成，将图1中的预充电开关K1a和K1c断开，主开关K2a、K2b和K2c合上，由反并联二极管D1a、D2a、D3a、D4a、D1b、D2b、D3b、D4b、D1c、D2c、D3c和D4c构成三相桥式不可控整流电路，对直流侧电容继续充电。图3所示为合主开关后的主电路结构。
步骤三：由图4所示，各桥臂的第二开关管(T2a、T2b、T2c)和第三开关管(T3a、T3b、T3c)的触发信号由三角载波和值为x的常数作比较生成。其中，三角载波的幅值变化范围为0～y，常数x的取值范围为0<x<y。当三角载波幅值大于x时输出高电平，各桥臂的第二开关管(T2a、T2b、T2c)和第三开关管(T3a、T3b、T3c)导通。当三角载波幅值小于x时输出低电平，第二开关管(T2a、T2b、T2c)和第三开关管(T3a、T3b、T3c)关断。各桥臂的第一开关管(T1a、T1b、T1c)和第四开关管(T4a、T4b、T4c)不给触发信号，始终保持关断。
通过改变步骤三中常数x的值，可以调节直流侧电容的升压速度。x在0～y的范围内取值越小，升压速度越快。
以A相为例，在图4开关状态下的两种工作模式如图5所示。储能模式下，第一开关管T1a和第四开关管T4a关断，第二开关管T2a和第三开关管T3a导通，通过钳位二极管D5a、D6a对连接电抗器La进行充电。升压模式下，第一开关管T1a、第二开关管T2a、第三开关管T3a和第四开关管T4a全部关断，连接电抗器La通过反并联二极管D1a、D2a、D3a和D4a对直流侧电容进行充电。
为验证该充电控制方法的效果，在MATLAB/Simulink中进行了仿真验证，在0s时合上预充电开关，0.5s时合上主开关，1s时进行升压，1.5s时结束升压完成整个充电流程。图6所示为x＝0.8，y＝1时的直流侧电压波形，于1.5s达到指定值1000V并保持稳定，可以看出升压效果很好。

Claims (2)

1.一种二极管钳位三电平变换器直流侧电容的充电控制方法，其特征在于：实施步骤如下：
步骤1)、首先闭合预充电开关通过充电电阻进行预充电，可以有效减小其充电电流，此时主电路为单相桥式不可控整流电路；
步骤2)、待预充电完成，断开预充电开关，合上主开关，此时主电路为三相桥式不可控整流电路；
步骤3)、通过给开关管触发脉冲使连接电抗器周期性的进行充放电，连接电抗器充电后的电压泵升作用可以对二极管钳位三电平变换器直流侧电容进行升压。
2.根据权利要求1所述的基于二极管钳位三电平变换器直流侧电容的充电控制方法，其特征在于：升压状态下包括的两个工作模式分别为：
储能模式：二极管钳位三电平变换器各桥臂的第一、第四开关管关断，第二、第三开关管导通，交流侧电源对连接电抗器进行充电储能；
升压模式：二极管钳位三电平变换器各桥臂的第一、第二、第三和第四开关管全部关断，连接电抗器通过各开关管的反并联二极管放电对直流侧电容进行充电使直流侧电压得到提升。
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