CN113556032B - 一种电力电子变压器功率单元的启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电力电子变压器功率单元的启动方法，具体为：当第一H桥电路具备解锁条件时，解锁第一H桥电路的驱动脉冲；通过电力电子变压器功率单元的控制器，检测并等待，直至第二H桥电路满足解锁条件；解锁第二H桥电路；通过电力电子变压器功率单元的控制器，调节第一H桥电路和第二H桥电路的驱动脉冲信号，使电路运行至稳态。本发明能够考虑到电力电子变压器功率单元两侧电路分别带电和启动速度不同步等问题，在高压隔离应用场合，解决其启动困难的问题。

Description

一种电力电子变压器功率单元的启动方法

技术领域

本发明属于电力电子应用领域，尤其涉及一种电力电子变压器功率单元的启动方法。

背景技术

电力电子变压器已应用于交直流混合配电网、新能源发电、机车牵引等领域，相对于传统的工频变压器而言，由于采用了高频电力电子技术，变压器的重量和体积都大大减小，同时可以实现更灵活的电压变换和能量传输功能。在高压直流变换场合，受开关管器件应力和成本的影响，电力电子变压器多采用ISOP、ISOS结构或基于MMC背靠背结构的电能变换装置实现。

在基于ISOP、ISOS结构的电力电子变压器中，电力电子变压器功率单元广泛采用了具备隔离功能的双H桥电路，包括基于移相控制技术的双有全桥电路和基于谐振工作原理的CLLC电路。然而，与低压应用的双H桥电路不同，在上述应用中，双H桥电路采用的高频隔离变压器，需要具备更高的电压隔离能力，一般达到数十kV等级，因此，高频隔离变压器两侧的H桥电路也往往需要较高的电压隔离应力。

目前一种可行的办法是，将两个H桥电路两侧的供电电路分开，则相应的两个H桥电路无直接电气连接，这样也给两个电路的启动带来了难题。当一侧的H桥电路带电时，另一侧H桥电路是不带电的，两侧的驱动脉冲也无法同时发出。

现有专利CN108880264A、CN107317473A和CN107104588A等均描述了几种可以适用于双H桥电路的启动方案，但均未能考虑到上述应用中两侧H桥分侧带电解锁的问题。特别的，被充电一侧H桥电路，由于上电速度慢，其电容电压无法实时检测传送值解锁侧H桥电路，若不能加以适当方法处理，则必然存在启动过压冲击的风险。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术中在启动时存在过压冲击等问题，本发明提供了一种电力电子变压器功率单元的启动方法。

技术方案：本发明提供了一种电力电子变压器功率单元的启动方法，该功率单元包括第一、二H桥电路，具体包括如下步骤：

步骤1：当第一H桥电路满足解锁条件时，则解锁第一H桥电路，即利用脉冲驱动电路给第一H桥电路发送驱动脉冲；所述解锁条件为：解锁的H桥电路带电，且给该H桥电路发送驱动脉冲的驱动电路的驱动脉冲可解锁状态信号与预设的有效驱动脉冲可解锁状态信号相同；

步骤2：循环检测第二H桥电路是否满足解锁条件，若是则停止检测，并解锁第二H桥电路，转步骤3；否则继续检测，记循环检测的总时间为T；

步骤3：调节第一H桥电路和第二H桥电路的驱动脉冲信号，使电力电子变压器功率单元运行至稳态。

进一步的，所述H桥电路的结构为A型或B型，所述A型为在H桥电路中，两个桥臂均为两个串联连接的开关管；所述B型为在H桥电路中，一个桥臂为两个串联连接的开关管，另一个桥臂为两个串联连接的电容；串联开关管的中点以及串联电容的中点构成该H桥电路的交流侧。

进一步的，所述步骤2中，当第一、二H桥电路均为A型H桥电路时，第一H桥在循环检测时的状态为：将循环检测的总时间T，随机分成n个时间段，n为大于等于2的正整数，在第i个时间段，第一H桥电路中两桥臂的上下管的驱动始终互补，同时第一H桥电路两桥臂的上管占空比相等为Di；且0≤Di≤0.5，i＝1，2，3，…n；循环检测停止后占空比为Dn，第二H桥电路中两桥臂的上下管的驱动始终互补，同时第二H桥电路两桥臂的上管占空比相等为Dx；且0≤Dx≤0.5。

进一步的，所述步骤3中，电力电子变压器功率单元运行至稳态时，将Dn调节至Dst1，Dx调节至Dst2；且Di≤Dst1≤0.5，Dx≤Dst2≤0.5。

进一步的，所述步骤2中，所述第一、二H桥电路均为A型H桥电路时，第一H桥在循环检测时的状态为：将循环检测的总时间T，随机分成n个时间段，n为大于等于2的正整数，在第i个时间段时，第一H桥电路中两桥臂中的上下管的驱动始终互补，所有开关管占空比为0.5，且第一H桥电路的两桥臂中的上管的驱动相位差占空比为di，且0≤di≤0.5；循环检测停止后驱动相位差占空比为dn，第二H桥电路中两桥臂中的上下管的驱动始终互补，且第二H桥电路的所有开关管占空比为0.5，第二H桥电路的两个桥臂中的上管的驱动相位差占空比为dx；且0≤dx≤0.5。

进一步的，所述步骤3中，电力电子变压器功率单元运行至稳态时，将dn调节至dst1，dx调节至dst2；且di≤dst1≤0.5，dx≤dst2≤0.5。

进一步的，所述步骤2中，所述第一、二H桥电路其中任意一个H桥为B型H桥电路时，按如下解锁方式执行循环检测：将循环检测的总时间T，随机分成n个时间段，n为大于等于2的正整数，在第i个时间段时，第一H桥电路中两个串联连接的开关管，其上下管的驱动占空比幅值相等为D_di，相位相差180°，且0≤D_di≤0.5；循环检测停止后为D_dn，第二H桥电路两个串联连接的开关管，其上下管的驱动占空比幅值相等为D_dx，相位相差180°，且0≤D_dx≤0.5；

进一步的，所述步骤3中，电力电子变压器功率单元运行至稳态时，将D_dn调节至D_dst1，第D_dx调节至D_dst2；且D_di≤D_dst1≤0.5，D_dx≤D_dst2≤0.5。

进一步的，所述该功率单元还包括一个磁性元件和一个谐振元件；所述第一H桥电路、磁性元件、谐振元件、第二H桥电路依次串联。

进一步的，所述磁性元件为高频变压器，所述谐振元件为LC谐振支路。

有益效果：

(1)本发明充分考虑了电力电子变压器功率单元采用隔离型双H桥电路后，两侧H桥分开充电、供电的问题。

(2)相比现有的启动方式中，一般均通过设置固定软启动占空比，而后逐步放大至稳态运行占空比的方案，本发明通过设置循环等待时间状态，并且设置了不同软启动占空比状态交替的方法，以配合另一侧H电路的启动，避免可能出现的充电电压不够或充电电压过高损坏电路的情况。

(3)应用于本发明的DAB电路和隔离LC谐振电路，能够在较高电压等级下实现隔离功能，应用于基于ISOP和ISOS结构的电力电子变压器。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为A型H桥电路结构图；

图4为B型H桥电路结构图；

图5为第一H桥在第一状态时S1～S4开关管的驱动脉冲启动波形示意图；

图6为第一H桥在第二状态时S1～S4开关管的驱动脉冲启动波形示意图；

图7为B型H桥电路启动驱动脉冲波形示意图；

图8为隔离型CLLC电路结构示意图；

图9为传统双有源桥电路示意图；

图10为输出电压和第一H桥交流脉冲波形图。

附图说明：10：第一H桥电路、20：第二H桥电路、30：磁性元件、40：谐振元件、501：第一控制器、502：第二控制器、60：通信线路。

具体实施方式

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

本实施例提供一种电力电子变压器功率单元的启动方法，所述电力电子变压器功率单元的启动方法要求该功率单元至少包含两个H桥电路；记为第一H桥电路和第二H桥电路；

所述电力电子变压器功率单元的启动方法要求该功率单元至少包含一个控制器；

如图1所示，所述电力电子变压器功率单元的启动方法的具体步骤如下：

步骤1：第一H桥电路带电、且给该H桥电路发送驱动脉冲的驱动电路的驱动脉冲可解锁状态信号与预设的有效驱动脉冲可解锁状态信号一致，则解锁第一H桥电路；本实施例预设的有效驱动脉冲可解锁状态信号为高电平；

步骤2：通过所述电力电子变压器功率单元的控制器，等待并检测第二H桥电路是否可解锁，若是则停止检测，并解锁第二H桥电路后转步骤3；否则继续检测，记循环检测的总时间为T；

步骤3：通过所述电力电子变压器功率单元的控制器，调节第一H桥电路和第二H桥电路的驱动动脉冲信号，使电力电子变压器功率单元运行至稳态。

所述启动方法还要求电力电子变压器功率单元包含一个磁性元件和一个谐振元件；磁性元件和谐振元件串联连接后，再连接两个H桥的交流侧；

所述启动方法还要求电力电子变压器功率单元至少包含两个控制器，其中一个控制第一H桥电路，另一个控制第二H桥电路；两个控制器之间包含一条通信线路；若包含三个控制器，其中一个控制第一H桥电路，另一个控制第二H桥电路；两个控制器均与第三控制器进行连接；

如附图2所示，展示了包含两个控制器的双H桥电路结构示意图。图中，组件10表示第一H桥电路，组件20表示第二H桥电路，组件30表示磁性元件，组件40表示谐振元件；组件501和组件502分别表示第一、二控制器，组件60表示通信线路；

所述H桥的结构为A型或B型；所述A型为常规的四开关管H桥电路，如图3所示，为一个典型全桥电路，S1～S4是该全桥电路的四个开关管；如图4所示，所述B型为在H桥电路中，一个桥臂为两个串联连接的开关管S5、S6，另一个桥臂为两个串联连接的电容；串联开关管的中点以及串联电容的中点构成该H桥电路的交流侧；所述串联开关管的中点/串联电容的中点为两个开关管/两个电容相互连接处。

将循环检测的总时间T，随机分成n个时间段，n为大于等于2的正整数。

第一、二H桥均为A型结构时，第一H桥在循环检测时可以有两种状态：

第一状态：在第i个时间段，第一H桥电路的四个开关管上下管的驱动始终互补，同时第一H桥电路两桥臂的上管占空比相等为Di；且0≤Di≤0.5，i＝1，2，3，…n；循环检测停止后占空比为Dn，解锁第二H桥电路；第二H桥电路的四个开关管上下管的驱动始终互补，同时第二H桥电路两桥臂的上管占空比相等为Dx；且0≤Dx≤0。

如附图5所示，为全桥电路满足上述启动要求时，S1～S4开关管的驱动脉冲示意图。

第二状态：在第i个时间段时，第一H桥电路的四个开关管上下管的驱动始终互补，所有开关管占空比为0.5，且第一H桥电路的两个桥臂上管的驱动相位差占空比为di，且0≤di≤0.5；循环检测停止后相位差占空比为dn，同时解锁第二H桥电路；第二H桥电路的四个开关管上下管的驱动始终互补，且所有开关管占空比为0.5；第二H桥电路的两个桥臂上管的驱动相位差占空比为dx；且0≤dx≤0.5。如附图6所示，为全桥电路中，S1～S4开关管的驱动脉冲示意图。相位差占空比表示两个驱动开通时刻相位相差角度与360°比值。

所述第一、二H桥电路其中任意一个H桥为B型H桥电路时：

在第i个时间段时，第一H桥电路中两个串联连接的开关管，其上下管的驱动占空比幅值相等为D_di，相位相差180°，且0≤D_di≤0.5；循环检测停止后为D_dn，同时解锁第二H桥电路；第二H桥电路两个串联连接的开关管，其上下管的驱动占空比幅值相等为D_dx，相位相差180°，且0≤D_dx≤0.5；如附图7所示，为采用一个典型的电容和半桥构成的桥式电路时，S5和S6启动时驱动示意图；

所述本实施例提供的启动方法，还可以应用于第一H桥、磁性元件、谐振元件、第二H桥依次串联的电力电子变压器功率单元；所述磁性元件为高频变压器，谐振元件为LC谐振支，即电力电子变压器功率单元为隔离型LC谐振变换器；如附图8所示，为典型的隔离型CLLC电路结构示意图。

所述磁性元件为高频变压器，谐振元件为高频电感，即电力电子变压器功率单元为双有源桥变换器；如附图9所示，为典型的双有源桥电路结构示意图。

为定量说明本实施例的调节原理，在典型双有源桥电路上进行了仿真测试。

在启动电压不变，设计参数确定的一个双有源桥电路上，可以对本实施例进行验证，

在本实验中，目标启动电压750V。如附图10所示，展示了本实施例的启动方式下，输出电压和第一H桥交流脉冲波形图。图中，U_o表示第二H桥电路的直流输出电压。

从图中可以看到，输出电压由0V逐步变化至750V并最终稳定在750V的启动过程。

至此可根据本专利可以设计一个基于隔离双H桥电路的电力电子变压器功率单元的启动过程。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (10)

1.一种电力电子变压器功率单元的启动方法，该功率单元包括第一、二H桥电路，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤1：当第一H桥电路满足解锁条件时，则解锁第一H桥电路，即利用脉冲驱动电路给第一H桥电路发送驱动脉冲；所述解锁条件为：解锁的H桥电路带电，且给该H桥电路发送驱动脉冲的驱动电路的驱动脉冲可解锁状态信号与预设的有效驱动脉冲可解锁状态信号相同；

步骤2：循环检测第二H桥电路是否满足解锁条件，若是则停止检测，并解锁第二H桥电路，转步骤3；否则继续检测，记循环检测的总时间为T；

步骤3：调节第一H桥电路和第二H桥电路的驱动脉冲信号，使电力电子变压器功率单元运行至稳态。

2.根据权利要求1所述的一种电力电子变压器功率单元的启动方法，其特征在于，所述H桥电路的结构为A型或B型，所述A型为在H桥电路中，两个桥臂均为两个串联连接的开关管；所述B型为在H桥电路中，一个桥臂为两个串联连接的开关管，另一个桥臂为两个串联连接的电容；串联开关管的中点以及串联电容的中点构成该H桥电路的交流侧。

3.根据权利要求2所述的一种电力电子变压器功率单元的启动方法，其特征在于，所述步骤2中，当第一、二H桥电路均为A型H桥电路时，第一H桥在循环检测时的状态为：将循环检测的总时间T，随机分成n个时间段，n为大于等于2的正整数，在第i个时间段，第一H桥电路中两桥臂的上下管的驱动始终互补，同时第一H桥电路两桥臂的上管占空比相等为Di；且0≤Di≤0.5，i＝1，2，3，…n；循环检测停止后占空比为Dn，第二H桥电路中两桥臂的上下管的驱动始终互补，同时第二H桥电路两桥臂的上管占空比相等为Dx；且0≤Dx≤0.5。

4.根据权利要求3所述的一种电力电子变压器功率单元的启动方法，其特征在于，所述步骤3中，电力电子变压器功率单元运行至稳态时，将Dn调节至Dst1，Dx调节至Dst2；且Di≤Dst1≤0.5，Dx≤Dst2≤0.5。

5.根据权利要求2所述的一种电力电子变压器功率单元的启动方法，其特征在于，所述步骤2中，所述第一、二H桥电路均为A型H桥电路时，第一H桥在循环检测时的状态为：将循环检测的总时间T，随机分成n个时间段，n为大于等于2的正整数，在第i个时间段时，第一H桥电路中两桥臂中的上下管的驱动始终互补，所有开关管占空比为0.5，且第一H桥电路的两桥臂中的上管的驱动相位差占空比为di，且0≤di≤0.5；循环检测停止后驱动相位差占空比为dn，第二H桥电路中两桥臂中的上下管的驱动始终互补，且第二H桥电路的所有开关管占空比为0.5，第二H桥电路的两个桥臂中的上管的驱动相位差占空比为dx；且0≤dx≤0.5。

6.根据权利要求5所述的一种电力电子变压器功率单元的启动方法，其特征在于，所述步骤3中，电力电子变压器功率单元运行至稳态时，将dn调节至dst1，dx调节至dst2；且di≤dst1≤0.5，dx≤dst2≤0.5。

7.根据权利要求2所述的一种电力电子变压器功率单元的启动方法，其特征在于，所述步骤2中，所述第一、二H桥电路其中任意一个H桥为B型H桥电路时，按如下解锁方式执行循环检测：将循环检测的总时间T，随机分成n个时间段，n为大于等于2的正整数，在第i个时间段时，第一H桥电路中两个串联连接的开关管，其上下管的驱动占空比幅值相等为D_di，相位相差180°，且0≤D_di≤0.5；循环检测停止后为D_dn，第二H桥电路两个串联连接的开关管，其上下管的驱动占空比幅值相等为D_dx，相位相差180°，且0≤D_dx≤0.5。

8.根据权利要求7所述的一种电力电子变压器功率单元的启动方法，其特征在于，所述步骤3中，电力电子变压器功率单元运行至稳态时，将D_dn调节至D_dst1，第D_dx调节至D_dst2；且D_di≤D_dst1≤0.5，D_dx≤D_dst2≤0.5。

9.根据权利要求1所述的一种电力电子变压器功率单元的启动方法，其特征在于，所述该功率单元还包括一个磁性元件和一个谐振元件；所述第一H桥电路、磁性元件、谐振元件、第二H桥电路依次串联。

10.根据权利要求9所述的一种电力电子变压器功率单元的启动方法，其特征在于，所述磁性元件为高频变压器，所述谐振元件为LC谐振支路。

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