CN112865577A - 一种混合式多电平变流器（hcc）的预充电电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种混合式多电平变流器的预充电电路及其控制方法，属于电力电子技术领域，其包括直流电源，限流电阻，切除开关，混合式多电平变流器和负载；混合式多电平变流器包括直流母线端电容，飞跨电容和四个桥臂；直流电源的正极通过限流电阻与混合式多电平变流器的直流母线端电容的正极相连；直流电源的负极与混合式多电平变流器的直流端电容的负极相连；切除开关与限流电阻并联。本发明提供的混合式多电平变流器的预充电电路，具有成本低廉，易安装的优点；本发明提供的预充电控制方法，实时调节开关状态，使得各电容电压从零开始充电并稳定在额定工作电压值，且具有充电时间短，无冲击大电流的优点，在电力电子领域，具有推广应用价值。

Description

一种混合式多电平变流器(HCC)的预充电电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种混合式多电平变流器(HCC)的预充电电路及其控制方法。

背景技术

混合式多电平变流器(Hybrid Clamped Converter，HCC)是一种新兴的中高压多电平变流器。它由传统的三电平中性点钳位变流器(NPC)和飞跨电容变流器(FC)结合而成，产生四电平相电压的输出。与传统的两/三电平变流器相比，HCC能提供更高的输出电压层数，负载侧电压电流具有更小的谐波的dv/dt冲击。此外，与相同四电平层数的NPC、FC和模块化多电平变流器(MMC)相比，HCC具有最少的器件数目；对比传统五电平中性点钳位变流器(5L-ANPC)，HCC移除了开关器件的串联均压问题；与H桥级联变流器(CHB)相比较，HCC不需要使系统体积庞大笨重的隔离电源。因此，HCC对于中压大容量DC/AC电力变换来说，是一种极具吸引力和竞争力的拓扑结构。

混合式多电平变流器在启动之前，直流母线端电容和飞跨电容电压初始值为零，而HCC所需额定工作电压为直流母线电压的三分之一(V_dc/3)。若不对这些电容进行充电而直接使HCC与直流电源相连并工作，会使HCC产生特别大的电容冲击电流，造成系统的过流甚至烧毁。且现有的方法无法将HCC系统中各电容电压充电至额定电压值，同时充电过程中容易产生极大的冲击电流，为了实现HCC系统电容电压充电从零升压达到额定值，关键在于构建合适的预充电回路和提出合理的控制方法对所有电容充电。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种混合式多电平变流器(HCC)的预充电电路及其控制方法，该发明是一种从直流电源侧对混合式多电平变流器(HCC)进行预充电的预充电电路及其控制方法。

经研究，本发明提供以下技术方案：

1、一种混合式多电平变流器(HCC)的预充电电路，包括直流电源V_dc，限流电阻R₀，切除开关S₀，混合式多电平变流器和负载RL；

所述混合式多电平变流器包括直流母线端电容C_d1、C_d2、C_d3，飞跨电容C_f和四个桥臂；

所述直流母线端电容C_d1、C_d2和C_d3相互串联；

所述直流电源V_dc的正极通过限流电阻R₀与混合式多电平变流器的直流母线端电容C_d1的正极相连；

所述直流电源V_dc的负极与混合式多电平变流器的直流端电容C_d3的负极相连，并可靠接地；

所述切除开关S₀与限流电阻R₀并联；

所述四个桥臂包括四组主开关，即S₁和S′₁，S₂和S′₂，S₃和S′₃，S₄和S′₄；

所述S₁的第一端与直流母线端电容C_d1的正极相连接，第二端连接S′₁的第一端和S₂的第一端；所述S′₁的第一端还与S₂的第一端相连接，第二端连接直流母线端电容C_d1的负极；所述S₂的第二端连接S₃的第一端；所述S₄的第一端连接直流母线端电容C_d3的正极，第二端连接S′₂的第一端和S′₄的第一端；所述S′₄的第二端连接直流母线端电容C_d3的负极；所述S′₂的第二端连接S′₃的第一端；所述S₃的第二端和所述S′₃的第二端均连接负载RL；

所述S₂的第二端和S₃的第一端均连接飞跨电容C_f的正极，所述S′₂的第二端和S′₃的第一端均连接飞跨电容C_f的负极。

优选的，所述负载RL由一个电阻和一个电感串联组成，负载RL电阻的阻值为0.01Ω到500Ω，电感为0.01mH到20mH。

优选的，所述限流电阻R₀的电阻值为50Ω到10kΩ。

优选的，所述直流母线端电容C_d1、C_d2、C_d3和飞跨电容C_f的容值为0.05mF到5mF。

2、上述混合式多电平变流器(HCC)的预充电电路的预充电控制方法，包括以下步骤：

(1)断开切除开关S₀，将限流电阻R₀接入预充电电路，同时将混合式多电平变流器内部所有开关初始驱动信号设置为低电平，直流电源的1/3电压作为额定工作电压U_ref；

(2)给予混合式多电平变流器内部开关S₁、S₂、S′₃一个高电平的驱动信号，其余混合式多电平变流器内部开关均给予低电平的驱动信号，使其处于不导通的状态，接入直流电源，预充电开始，形成两条同时进行充电的回路，回路1为直流电源V_dc，限流电阻R₀和三个串联的直流母线端电容C_d1、C_d2、C_d3组成，回路2为直流电源V_dc，限流电阻R₀，开关S₁、S₂、S′₃、飞跨电容C_f和负载RL组成；

(3)检测飞跨电容电压U_Cf的值，当其达到理论工作电压值的k倍，k取值在100％到110％之间，给予混合式多电平变流器内部开关S₁、S₂、S′₃一个低电平的驱动信号，停止飞跨电容C_f的充电；

(4)检测直流母线端电容电压U_Cd1的值，当其达到额定工作电压的99.99％时，判定此时直流母线端电容充电完成，合上切除开关S₀，切掉限流电阻R₀；

(5)切断限流电阻R₀后，直流母线端电容和直流电源直接并联，实时补偿直流母线端电容电压使之维持在额定工作值。

优选的，所述步骤(3)和(4)中，当飞跨电容C_f和直流母线侧电容充电完成后，恢复采集飞跨电容C_f两端电压的值，将其与额定工作值相比较，判定飞跨电容电压U_Cf是否达到了额定工作值的k倍，k取值在100％到110％之间，未达到，则给予混合式多电平变流器内部开关S₁、S₂、S′₃一个高电平的驱动信号，飞跨电容重新开始充电；当飞跨电容电压U_Cf达到额定工作值的k倍后，则给予S₁、S₂、S′₃低电平驱动信号，充电停止，判定此时飞跨电容电压U_Cf补偿完成。此时，已实现对直流母线电容电压U_Cd1、U_Cd2、U_Cd3动态稳定控制。由于直流母线电容已经与直流电源直接并联，并且C_d1、C_d2、C_d3具有相同容值，U_Cd1、U_Cd2、U_Cd3会自动稳定在直流母线电压的三分之一，即动态稳定在额定电压值V_dc/3。

优选的，所述判定飞跨电容电压U_Cf是否达到了额定工作值的判断依据为U_Cf-k*U_ref≥0，k取值在100％到110％之间，当U_Cf-k*U_ref≥0成立时，则判定飞跨电容电压U_Cf达到额定工作值，当U_Cf-k*U_ref≥0不成立时，即U_Cf-k*U_ref≤0时，则判定飞跨电容电压U_Cf未达到额定工作值。

优选的，在正常使用HCC系统前，当检测到飞跨电容电压U_Cf又有下降时，重复执行上述操作对其充电，从而将飞跨电容电压维持在额定工作值，动态均衡过程中，不断控制开关S₁、S₂、S′₃的状态对飞跨电容电压进行实时补偿。此时，实现了对飞跨电容电压U_Cf的动态稳定控制。当U_Cf低于额定电压值时，会继续给飞跨电容充电，当U_Cf达到额定电压值时，则停止充电。因此，U_Cf可以动态稳定在额定电压值V_dc/3。

本发明提供的混合式多电平变流器(HCC)的预充电电路，在预充电阶段通过控制HCC系统内各开关状态，可直接将单相混合式多电平变换器各电容电压充电至额定工作值附近，预充电控制方法可分为直流母线端电容电压充电控制、飞跨电容电压充电控制和各电容充电完成后对飞跨电容电压的动态均衡控制三部分。

其中，步骤(2)中，直流电源接入电路后，预充电开始，飞跨电容电压迅速上升，同时由于充电回路中限流电阻和负载阻感的存在使得充电电流非常小，判断采集到的飞跨电容电压U_Cf的值，当判定其达到额定工作电压值的k倍后，k取值在100％到110％之间，即U_Cf-k*U_ref≥0，给混合式多电平变流器内部开关S₁、S₂、S₃′低电平的驱动信号，飞跨电容预充电完成，停止充电，此时U_cf略大于

V_dc为直流侧电压。

其中，断开切除开关S₀，断开混合式多电平变流器交流侧线路开关，直流电源接入电路，直流母线端电容电压迅速上升，同时由于充电回路中限流电阻的存在使得充电电流非常小，由于直流母线端三个电容串联，电容电压保持同步，所以只采集直流母线端电容电压U_cd1的值，因其达到99.99％后，充电速度基本不变，判断此时达到额定工作值，即U_cd1-99.99％*U_ref≥0时，认为直流母线端电容充电完成，合上切除开关S₀，切除限流电阻，此时

V_dc为直流侧电压。

对飞跨电容和直流母线端电容充电完成后，开始对飞跨电容电压U_Cf进行采集，在系统正常运行前，实时监测其状态，当电压值有所损耗，降到额定工作值以下时，给混合式多电平变流器内部开关S₁、S₂、S₃′高电平的驱动信号，其余混合式多电平变流器内部开关均给予低电平的驱动信号，对飞跨电容进行充电，补偿其电容电压，当判断飞跨电容电压值达到额定工作值后，给混合式多电平变流器内部开关S₁、S₂、S₃′低电平的驱动信号，停止充电，当检测到飞跨电容电压又有下降时，重复执行上述操作对其充电，从而将飞跨电容电压维持在额定工作值，实现了对飞跨电容电压的均衡控制。

本发明提供的混合式多电平变流器(HCC)的预充电电路的混合式多电平变流器(HCC)检测系统，直流电压源的1/3为额定工作电压U_ref，采集飞跨电容两端的电压信号U_Cf与额定工作电压作差得U_Cf-k*U_ref作为控制混合式多电平变流器中S₁、S₂、S′₃开关状态的输入信号；因为直流母线端的三个电容在预充电过程中电压变化过程一致，因此只采集直流母线端电容C_d1两端的电压信号U_Cd1与额定工作电压做差得U_Cd1-99.99％*U_ref作为控制切断限流电阻的输入信号。

本发明的有益效果在于：

1)本发明提供的混合式多电平变流器(HCC)的预充电电路是一种从直流电源侧对混合式多电平变流器(HCC)进行预充电的预充电电路，包括直流电源、限流电阻和切除开关，直流电源正极通过限流电阻、切除开关与HCC的直流母线端电容正极相连，直流电源负极和混合式多电平变流器的直流母线端电容负极直接相连，限流电阻与切除开关并联，具有设计结构简单，未增加过多外部元件，成本低廉，且易安装，实用性强等优点；

2)本发明提供的混合式多电平变流器(HCC)的预充电控制方法，实时调节开关状态，动态补偿各电容电压，使得在预充电阶段，利用直流侧电压源将HCC系统各电容电压值充电至额定工作值附近，且该方法具有充电时间短，无冲击大电流的优点，提高了系统可靠性，且操作简单易实现，在中压大容量新能源并网，电机驱动以及电力传输等领域，具有推广应用价值。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究，对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

图1是本发明的混合式多电平变流器(HCC)的预充电电路的结构示意图；

图2是本发明的混合式多电平变流器(HCC)的预充电电路的控制方法的流程图；

图3是本发明的混合式多电平变流器(HCC)的预充电电路在预充电过程各电容电压的仿真波形图；

图4是本发明的混合式多电平变流器(HCC)的预充电电路在预充电过程各电容电流的仿真波形图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案、优点和目的更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请的保护范围。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示，一种混合式多电平变流器(HCC)的预充电电路，包括：包括直流电源V_dc，限流电阻R₀，切除开关S₀，混合式多电平变流器和负载RL；

直流电源V_dc，用于提供直流供电电压，电压等级在100V到15kV之间；

混合式多电平变流器包括直流母线端电容C_d1、C_d2、C_d3，飞跨电容C_f和四个桥臂；

直流母线端电容C_d1、C_d2和C_d3相互串联；

直流电源V_dc的正极通过限流电阻R₀与混合式多电平变流器的直流母线端电容C_d1的正极相连；

直流电源V_dc的负极与混合式多电平变流器的直流端电容C_d3的负极相连，并可靠接地；

切除开关S₀与限流电阻R₀并联；限流电阻R₀的电阻值为50Ω到10kΩ；在直流母线端电容达到理想工作电压值后，通过切除开关S₀的闭合，以切除限流电阻R₀并实现与直流电压的并网连接；包含切除开关S₀在内的整个线路的内阻为0.05Ω到0.5Ω；

四个桥臂包括四组主开关，即S₁和S′₁，S₂和S′₂，S₃和S′₃，S₄和S′₄；每个开关可独立控制，但不能同时开通，以避免系统短路事故发生，可产生四电平相电压的输出；电容器C_d1、C_d2、C_d3和C_f的容值为0.05mF到5mF之间；

S₁的第一端与直流母线端电容C_d1的正极相连接，第二端连接S′₁的第一端和S₂的第一端；S′₁的第一端还与S₂的第一端相连接，第二端连接直流母线端电容C_d1的负极；S₂的第二端连接S₃的第一端；S₄的第一端连接直流母线端电容C_d3的正极，第二端连接S′₂的第一端和S′₄的第一端；S′₄的第二端连接直流母线端电容C_d3的负极；S′₂的第二端连接S′₃的第一端；S₃的第二端和S′₃的第二端均连接负载RL；S₂的第二端和S₃的第一端均连接飞跨电容C_f的正极，S′₂的第二端和S′₃的第一端均连接飞跨电容C_f的负极。

负载RL由一个电阻和一个电感串联组成，负载RL电阻的阻值为0.01Ω到500Ω，电感为0.01mH到20mH。

100V到15kV的直流供电电压源V_dc的正极通过50Ω到10kΩ的限流电阻R₀之后，与单相混合式多电平变流器的直流母线端电容C_d1的正极相连，切除开关S₀与限流电阻R₀并联，变流器输出端与由0.01Ω到500Ω电阻和0.01mH到20mH电感串联而成的负载RL相连。

本实施例中的混合式多电平变流器(HCC)的预充电电路的控制方法，对HCC内部电容进行充电，具体步骤如下：

(1)断开切除开关S₀，将限流电阻R₀接入预充电电路，同时将混合式多电平变流器内部所有开关初始驱动信号设置为低电平，直流电压源的1/3电压作为额定工作电压U_ref，即U_ref＝33.3～5K V；

(2)给予混合式多电平变流器内部开关S₁、S₂、S′₃一个高电平的驱动信号，其余混合式多电平变流器内部开关均给予低电平的驱动信号，使其处于不导通的状态，接入100V～15kV直流电源，预充电开始，形成两条同时进行充电的回路，一条回路由100V～15kV直流侧电压源，50Ω～10kΩ的限流电阻和三个串联的0.05mF～5mF直流母线端电容C_d1、C_d2、C_d3组成，即回路1，另一条回路由100V～15kV直流侧电压源、50Ω～10kΩ限流电阻、开关S₁、S₂、S′₃、飞跨电容C_f和负载RL组成，即回路2。直流母线端电容电压U_Cd1、U_Cd2、U_Cd3和飞跨电容电压U_Cf开始上升；

(3)检测飞跨电容电压U_Cf的值，当其达到额定工作电压值的k倍，即33.3～5.25kV后，给予混合式多电平变流器内部开关S₁、S₂、S′₃一个低电平的驱动信号(其余开关依然维持低电平驱动信号)，停止飞跨电容C_f的充电。飞跨电容C_f充电回路(回路2)由于负载RL电感的存在，电流不可突变，电流缓慢增加，当飞跨电容电压U_Cf接近额定工作电压值后，电流缓慢下降至零值；

(4)由于直流母线端三个电容C_d1、C_d2、C_d3串联，在预充电过程中电压变化过程一致，因此只采集直流母线端电容C_d1两端的电压信号U_Cd1，检测直流母线电容电压U_Cd1的值，当其达到额定工作电压[(33.3～5000)×99.99％]V时，则判定此时直流母线端电容充电完成，合上切除开关S₀，切掉限流电阻R₀。

回路1初始接通状态电流I₁最大，随着充电过程的进行，直流母线端电容电压值上升，其与直流侧电源压降减小，使得I₁减小，通过控制限流电阻R₀的大小，即可控制回路1的充电电流峰值，同时由于限流电阻R₀的存在，其上会有一定的分压，直流母线端电容电压无法充电到直流侧电压的100％，而控制方法中判断直流母线端电容电压达到额定工作值的99.99％即认为充电完成，切除限流电阻R₀，此时会有一个小冲击电流

因其数值非常小，对系统影响可忽略不计；

(5)当飞跨电容C_f和直流母线侧电容充电完成后，恢复采集飞跨电容C_f两端电压的值，将其与额定工作值相比较，判定飞跨电容电压U_Cf是否达到了额定工作值，判断依据为U_Cf-k*U_ref≥0是否成立，k的取值在100％到110％之间，若不成立，则给予混合式多电平变流器内部开关S₁、S₂、S′₃一个高电平的驱动信号，飞跨电容器重新开始充电；当飞跨电容电压U_Cf达到额定工作值，即U_Cf-k*U_ref≥0成立，则给予S₁、S₂、S′₃低电平驱动信号，充电停止，判定此时飞跨电容电压U_Cf补偿完成。

在正常使用HCC系统前，当检测到飞跨电容电压U_Cf又有下降时，重复执行上述操作对其充电，从而将飞跨电容电压维持在额定工作值33.3～5000V。动态均衡过程中，不断控制开关S₁、S₂、S′₃状态对飞跨电容电压进行实时补偿；

(6)切断限流电阻R₀后，直流母线侧电容器和直流侧电压源直接并联，实时补偿直流母线端电容器电压使之维持在额定工作值33.3～5000V。

实施例2

如图1所示，一种混合式多电平变流器(HCC)的预充电电路，包括：直流电源V_dc，用于提供直流供电电压，电压等级为6kV；

直流电源V_dc正极接入限流电阻R₀，负极可靠接地；限流电阻R₀的电阻值为2kΩ；

切除开关S₀，与限流电阻R₀并联，在直流母线端电容器达到理想工作电压值后，可靠切除限流电阻R₀并实现与直流电压的并网连接；包含切除开关S₀在内的整个线路的内阻为0.1Ω；

单相混合式多电平变流器，包含四桥臂[八个开关，即S₁(S′₁)、S₂(S′₂)、S₃(S′₃)、S₄(S′₄)]，直流母线端电容(C_d1、C_d2、C_d3)和飞跨电容C_f；其中四组开关S₁(S′₁)、S₂(S′₂)、S₃(S′₃)、S₄(S′₄)为主开关，其中电容器C_d1、C_d2、C_d3和C_f的容值均为500μF；

负载RL由一个电阻和一个电感串联组成，负载RL电阻的阻值为15Ω，电感L为5mH。

6kV的直流供电电压源V_dc的正极通过2kΩ的限流电阻R₀之后，与单相混合式多电平变流器的直流母线端电容C_d1的正极相连，切除开关S₀与限流电阻R₀并联，变流器输出端与由15Ω电阻和5mH电感串联而成的负载RL相连。

预充电控制方法判据中的k值取1.05。

本实施例中的混合式多电平变流器(HCC)的预充电电路的控制方法，对HCC内部电容进行充电，具体步骤如下：

(1)断开切除开关S₀，将限流电阻R₀接入预充电电路，同时将混合式多电平变流器内部所有开关初始驱动信号设置为低电平，直流电压源的1/3电压作为额定工作电压U_ref，即U_ref＝2000V；

(2)给予混合式多电平变流器内部开关S₁、S₂、S′₃一个高电平的驱动信号，其余混合式多电平变流器内部开关均给予低电平的驱动信号，使其处于不导通的状态，接入6000V直流电源，预充电开始，形成两条同时进行充电的回路，一条回路由6000V直流侧电压源，2kΩ限流电阻和三个串联的500μF直流母线端电容C_d1、C_d2、C_d3组成，即回路1，另一条回路由6000V直流侧电压源、2kΩ限流电阻、开关S₁、S₂、S′₃、飞跨电容C_f和负载RL组成，即回路2。直流母线端电容电压U_Cd1、U_Cd2、U_Cd3和飞跨电容电压U_Cf开始上升；

(3)检测飞跨电容电压U_Cf的值，当其达到额定工作电压值的1.05倍，即2100V后，给予混合式多电平变流器内部开关S₁、S₂、S′₃一个低电平的驱动信号(其余开关依然维持低电平驱动信号)，停止飞跨电容C_f的充电。飞跨电容C_f充电回路(回路2)由于负载RL电感的存在，电流不可突变，电流缓慢增加，当飞跨电容电压U_Cf接近额定工作电压值后，电流缓慢下降至零值；

(4)由于直流母线端三个电容C_d1、C_d2、C_d3串联，在预充电过程中电压变化过程一致，因此只采集直流母线端电容C_d1两端的电压信号U_Cd1，检测直流母线电容电压U_Cd1的值，当其达到额定工作电压(2000×99.99％)V时，则判定此时直流母线端电容充电完成，合上切除开关S₀，切掉限流电阻R₀。

回路1初始接通状态电流I₁最大，此时电流

此后，随着充电过程的进行，直流母线端电容电压值上升，其与直流侧电源压降减小，使得I₁减小，通过控制限流电阻R₀的大小，即可控制回路1的充电电流峰值，同时由于限流电阻R₀的存在，其上会有一定的分压，直流母线端电容电压无法充电到直流侧电压的100％，而控制方法中判断直流母线端电容电压达到额定工作值的99.99％即认为充电完成，切除限流电阻R₀，此时会有一个小冲击电流

因其数值非常小，对系统影响可忽略不计；

(5)当飞跨电容C_f和直流母线侧电容充电完成后，恢复采集飞跨电容C_f两端电压的值，将其与额定工作值相比较，判定飞跨电容电压U_Cf是否达到了额定工作值，判断依据为U_Cf-1.05*U_ref≥0是否成立，若不成立，则给予混合式多电平变流器内部开关S₁、S₂、S′₃一个高电平的驱动信号，飞跨电容器重新开始充电；当飞跨电容电压U_Cf达到额定工作值，即U_Cf-1.05*U_ref≥0成立，则给予S₁、S₂、S′₃低电平驱动信号，充电停止，判定此时飞跨电容电压U_Cf补偿完成。

在正常使用HCC系统前，当检测到飞跨电容电压U_Cf又有下降时，重复执行上述操作对其充电，从而将飞跨电容电压维持在额定工作值2000V。动态均衡过程中，不断控制开关S₁、S₂、S′₃状态对飞跨电容电压进行实时补偿；

(6)切断限流电阻R₀后，直流母线侧电容器和直流侧电压源直接并联，实时补偿直流母线端电容器电压使之维持在额定工作值2000V。

图2为本发明的混合式多电平变流器(HCC)的预充电电路的控制方法的流程图。

由图2可知，本发明可实现对混合式多电平变流器内直流母线端电容器和飞跨电容器的可靠充电，在切断限流电阻中不会产生大的系统冲击电流；充电完成后，直流母线电容器和飞跨电容器两端电压会动态稳定在额定电压值附近。

图3为使用本发明的混合式多电平变流器(HCC)的预充电电路和控制方法时，单相混合式多电平变流器的预充电过程各电容电压的仿真波形图。

从图3中分析可知：1)飞跨电容经过0.55s，电压值从0迅速充电至1.05倍的额定工作值，即2100V；2)三个直流母线电容保持同步充电，经过3.48s，电压值从0迅速充电至额定工作值2000V左右；3)充电完成后，对各电容电压进行实时监测和补偿，各电容电压维持在理想工作电压2000V。整个充电过程在4s内完成，从而证明了本发明的混合式多电平变流器(HCC)的预充电电路及其控制方法能快速可靠的实现HCC内部电容充电至额定工作值。

图4为使用本发明的混合式多电平变流器(HCC)的预充电电路和控制方法时，单相混合式多电平变流器的预充电过程各电容电流仿真波形图。

从图4中分析可知：1)由于电感的存在，飞跨电容电流不能突变，飞跨电容电流在充电开始后由0A上升到2.2A，随后随着充电过程的进行，到0.55s充电完成电流下降为0A，整体充电电流较小；2)直流母线端电容电流在充电开始后由最大值3A缓慢下降，随后随着充电过程的进行，到0.55s后飞跨电容充电完成，直流母线端电容充电速度加快，其与直流侧压降减小，电流减小速度加快，到3.48s充电完成，切除限流电阻有一个6A的小冲击电流，因其数值较小在系统允许范围内，对系统是安全的；3)充电完成后，对各电容电压进行实时监测，控制开关S₁、S₂、S′₃状态对各电容电压进行实时补偿；4)母线开始充电时电流最大，随着充电过程的进行，母线电流逐渐减小，0.55s飞跨电容充电完成后，母线电流下降速度变快，到3.48s充电完成，切除限流电阻有一个6A的小冲击电流。从而证明了本发明的混合式多电平变流器(HCC)的预充电电路及其控制方法，在对混合式多电平变流器内部电容充电呈现了充电电流小并且充电迅速的优点。

综上所述，本发明提供的混合式多电平变流器(HCC)的预充电电路，未增加过多外部元件，成本低廉，且易安装，实用性强；本发明提供的混合式多电平变流器(HCC)的预充电控制方法，实时调节开关状态，动态补偿各电容电压，使得各电容电压维持在额定工作电压值，且该方法具有充电时间短，无冲击大电流的优点，提高了系统可靠性，在中压大容量新能源并网，电机驱动以及电力传输等领域，具有推广应用价值。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。

Claims (8)

1.一种混合式多电平变流器(HCC)的预充电电路，其特征在于，包括直流电源V_dc，限流电阻R₀，切除开关S₀，混合式多电平变流器和负载RL；

所述混合式多电平变流器包括直流母线端电容C_d1、C_d2、C_d3，飞跨电容C_f和四个桥臂；

所述直流母线端电容C_d1、C_d2和C_d3相互串联；

所述直流电源V_dc的正极通过限流电阻R₀与混合式多电平变流器的直流母线端电容C_d1的正极相连；

所述直流电源V_dc的负极与混合式多电平变流器的直流端电容C_d3的负极相连，并可靠接地；

所述切除开关S₀与限流电阻R₀并联；

所述四个桥臂包括四组主开关，即S₁和S′₁，S₂和S′₂，S₃和S′₃，S₄和S′₄；

所述S₁的第一端与直流母线端电容C_d1的正极相连接，第二端连接S′₁的第一端和S₂的第一端；所述S′₁的第一端还与S₂的第一端相连接，第二端连接直流母线端电容C_d1的负极；所述S₂的第二端连接S₃的第一端；所述S₄的第一端连接直流母线端电容C_d3的正极，第二端连接S′₂的第一端和S′₄的第一端；所述S′₄的第二端连接直流母线端电容C_d3的负极；所述S′₂的第二端连接S′₃的第一端；所述S₃的第二端和所述S′₃的第二端均连接负载RL；

所述S₂的第二端和S₃的第一端均连接飞跨电容C_f的正极，所述S′₂的第二端和S′₃的第一端均连接飞跨电容C_f的负极。

2.根据权利要求1所述混合式多电平变流器(HCC)的预充电电路，其特征在于，所述负载RL由一个电阻和一个电感串联组成，负载RL电阻的阻值为0.01Ω到500Ω，电感为0.01mH到20mH。

3.根据权利要求1所述混合式多电平变流器(HCC)的预充电电路，其特征在于，所述限流电阻R₀的电阻值为50Ω到10kΩ。

4.根据权利要求1所述混合式多电平变流器(HCC)的预充电电路，其特征在于，所述直流母线端电容C_d1、C_d2、C_d3和飞跨电容C_f的容值为0.05mF到5mF。

5.如权利要求1至权利要求4任一所述混合式多电平变流器(HCC)的预充电电路的预充电控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)断开切除开关S₀，将限流电阻R₀接入预充电电路，同时将混合式多电平变流器内部所有开关初始驱动信号设置为低电平，直流电源的1/3电压作为额定工作电压U_ref；

(2)给予混合式多电平变流器内部开关S₁、S₂、S′₃一个高电平的驱动信号，其余混合式多电平变流器内部开关均给予低电平的驱动信号，使其处于不导通的状态，接入直流电源，预充电开始，形成两条同时进行充电的回路，回路1为直流电源V_dc，限流电阻R₀和三个串联的直流母线端电容C_d1、C_d2、C_d3组成，回路2为直流电源V_dc，限流电阻R₀，开关S₁、S₂、S′₃、飞跨电容C_f和负载RL组成；

(3)检测飞跨电容电压U_Cf的值，当其达到额定工作电压值的k倍，k取值在100％到110％之间，给予混合式多电平变流器内部开关S₁、S₂、S′₃一个低电平的驱动信号，停止飞跨电容C_f的充电；

(4)检测直流母线端电容电压U_Cd1的值，当其达到额定工作电压的99.99％时，判定此时直流母线端电容充电完成，合上切除开关S₀，切掉限流电阻R₀；

(5)切断限流电阻R₀后，直流母线端电容和直流电源直接并联，实时补偿直流母线端电容电压使之维持在额定工作值。

6.根据权利要求5所述预充电控制方法，其特征在于，所述步骤(3)和(4)中，当飞跨电容C_f和直流母线侧电容充电完成后，恢复采集飞跨电容C_f两端电压的值，将其与额定工作值相比较，判定飞跨电容电压U_Cf是否达到了额定工作值的k倍，k取值在100％到110％之间，未达到，则给予混合式多电平变流器内部开关S₁、S₂、S′₃一个高电平的驱动信号，飞跨电容重新开始充电；当飞跨电容电压U_Cf达到额定工作值的k倍后，则给予S₁、S₂、S′₃氐电平驱动信号，充电停止，判定此时飞跨电容电压U_Cf补偿完成。

7.根据权利要求6所述预充电控制方法，其特征在于，所述判定飞跨电容电压U_Cf是否达到了额定工作值的判断依据为U_Cf-k*U_ref≥0，k取值在100％到110％之间，当U_Cf-k*U_ref≥0成立时，则判定飞跨电容电压U_Cf达到额定工作值，当U_Cf-k*U_ref≥0不成立时，即U_Cf-k*U_ref≤0时，则判定飞跨电容电压U_Cf未达到额定工作值。

8.根据权利要求7所述预充电控制方法，其特征在于，在正常使用HCC系统前，当检测到飞跨电容电压U_Cf又有下降时，重复执行上述操作对其充电，从而将飞跨电容电压维持在额定工作值，动态均衡过程中，不断控制开关S₁、S₂、S′₃的状态对飞跨电容电压进行实时补偿。

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