三级型交直流电力电子变压器直流母线电容预充电方法

摘要

一种三级型交直流电力电子变压器直流母线电容预充电方法，在充电过程中，首先断开设备与交直流配电网的连接，在不同控制周期内，高压侧各相变换器轮换选择投入相应数量的功率模块PM，使其同时输出50％占空比的高频方波电压，且低压直流侧各相变换器SM输出同频同相方波电压，然后在低压侧通过控制辅助充电设备，经由电容C

说明书

技术领域

本发明涉及一种交直流电力电子变压器直流母线电容预充电方法。

背景技术

未来智能电网要求电气设备智能化和电气性能优越化，如高供电质量、便于可再生能源发电接入等。配电网是电网的重要组成部分，在配电网中，配电变压器是应用最普遍的一类设备，我国配电变压器的年产量约占所有变压器年产量的1/3。因此，配电变压器的性能关乎未来智能电网的性能，而传统变压器远满足不了未来智能电网的高供电质量和智能化的要求。

电力电子变压器也称固态变压器或能量路由器，与传统变压器相比，电力电子变压器不仅具有电压等级变换和电气隔离功能，而且能够实现潮流双向流动、电能质量控制、装置自动保护、不同电压等级的交直流端口能量双向流动。因此，电力电子变压器是智能电网、能源互联网及未来交直流互联电网的重要组成部分，承担着未来电网电能变换和处理的任务。

目前，已在10kV或者更高电压等级应用的交直流电力电子变压器，从交流输入到直流输出经过多级电能变化单元，严重影响了系统运行效率，同时众多的电能变换器导致系统结构复杂，造价高且可靠性低。为解决上述问题，专利CN108092518A和CN107171578A，提出一种三级型交直流电力电子变压器，该类变换器从交流输入到直流输出所需电能变换单元级数少，且功率密度较高。

电力电子变压器在正常运行前，首先需要对高、低压侧直流母线电容进行充电，现有的充电方法可利用高压交流电网为直流母线电容充电，如专利CN108696165A,CN103973094B，操作实施较为方便，且技术相对成熟，但无法将母线电容电压充至额定值，且需要高压等级的充电电阻和断路器，另外，充电电阻和断路器体积庞大价格昂贵，同时从高压侧的预充电操作也增加了充电过程中的危险性。对于三级型交直流电力电子变压器，利用高压交流电网充电的方法依然存在母线电容电压无法充至额定值、充电设备体积大价格高、危险性大等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺点，提出一种适用于三级型交直流电力电子变压器直流母线电容预充电方法。本发明在低压侧利用充电辅助电路来为各级直流母线电容充电，控制方式相对简单，且高压侧和低压侧直流母线电容电压能够均衡充至额定值。

应用本发明的三级型交直流电力电子变压器第一高频隔离变压器TF₁，第二高频隔离变压器TF₂和第三高频隔离变压器TF₃为界，分为高压交流和低压直流两部分，和外接三相高压交流电网A，B和C相电气连接的部分为高压侧，和低压直流P和N端电气连接的部分为低压侧。所述的第一高频隔离变压器TF₁，第二高频隔离变压器TF₂和第三高频隔离变压器TF₃结构相同，参数相同。

高压侧交流侧A相滤波电感L_ga的一端连接至高压交流侧A相变换器第一功率模块PM₁的交流输出端子a，B相滤波电感L_gb的一端连接至高压交流侧B相变换器第一功率模块PM₁的交流输出端子a，C相滤波电感L_gc的一端连接至对应高压交流侧C相变换器第一功率模块PM₁的交流输出端子a，高压交流侧A相滤波电感L_ga，B相滤波电感L_gb和C相滤波电感L_gc的另外一端通过三相高压交流接触器S1分别连接至高压交流侧A、B和C相电网。

高压交流侧各相变换器均由N个功率模块PM级联构成，N的取值范围为3～10。每个功率模块由模块化H桥变换器组成，且每个变换器中集成了高压侧直流母线电容C_H。单个功率模块中，高压侧直流母线电容C_H、开关T₁-T₄、二极管D₁-D₄、开关T₁与开关T₂的公共连接点是交流输出端子a，开关T₃与开关T₄的公共连接点是交流输出端子b，开关T₁和开关T₃的集电极均连接到高压侧直流母线电容C_H的正极，开关T₂和开关T₄的发射极均连接到高压侧直流母线电容C_H的负极，开关T_x的集电极与二极管D_x阴极连接在一起，开关T_x的发射极与二极管D_x阳极连接在一起，此处的x＝1,2,3,4。每个功率模块的交流输出端子b和相邻功率模块的交流输出端子a连接。高压交流侧A相，B相和C相变换器第N功率模块PM_N的交流输出端子b连接至三级型交直流电力电子变压器星接点M。

第一低频交流阻隔电容C_LFB1、第二低频交流阻隔电容C_LFB2和第三低频交流阻隔电容C_LFB3分别连接高压交流侧各相变换器和第一高频隔离变压器TF₁，第二高频隔离变压器TF₂和第三高频隔离变压器TF₃。第一低频交流阻隔电容C_LFB1、第二低频交流阻隔电容C_LFB2和第三低频交流阻隔电容C_LFB3的参数和结构均相同。第一低频交流阻隔电容C_LFB1的一端对应连接至高压交流侧A相变换器第一功率模块PM₁的交流输出端子a，第二低频交流阻隔电容C_LFB2的一端对应连接至高压交流侧B相变换器第一功率模块PM₁的交流输出端子a，第三低频交流阻隔电容C_LFB3的一端对应连接至高压交流侧C相变换器第一功率模块PM₁的交流输出端子a，第一低频交流阻隔电容C_LFB1的另一端连接至第一高频隔离变压器TF₁的高压侧绕组c，第二低频交流阻隔电容C_LFB2的另一端连接至第二高频隔离变压器TF₂的高压侧绕组c，第三低频交流阻隔电容C_LFB3的另一端连接至第三高频隔离变压器TF₃的高压侧绕组c。另外，高频变压器高压侧绕组d连接至星接点M。

低压直流侧第一功率模块SM₁的交流侧输出端子g和h连接至第一高频隔离变压器TF₁低压侧绕组端子e和f，第二功率模块SM₂的交流侧输出端子g和h连接至第二隔离变压器TF₂低压侧绕组端子e和f，第三功率模块SM₃的交流侧输出端子g和h，连接至第三高频隔离变压器TF₃低压侧绕组端子e和f。低压直流侧每个功率模块采用模块化H桥变换器，且每个变换器中集成了低压侧直流母线电容C_L，开关M₁与M₂的公共连接点是交流输出端子g，开关M₃与开关M₄的公共连接点是交流输出端子h，开关M₁和开关M₃的集电极均连接到低压侧直流母线电容C_L的正极，开关M₂和开关M₄的发射极均连接到低压侧直流母线电容C_L的负极，开关M_x的集电极与二极管Q_x阴极连接在一起，开关M_x的发射极与二极管Q_x阳极连接在一起，此处的x＝1,2,3,4。各低压侧功率模块母线电容C_L的正极连接后通过低压直流短路器S2接至低压直流电网正极端子P。各低压侧功率模块母线电容C_L的负极连接后，通过低压直流短路器S2连接至低压直流电网负极端子R。

应用本发明的低压辅助充电设备通过三相低压交流接触器S3连接至低压交流A、B和C相电网。三相低压交流接触器S3的另外一端连接至升压变压器TF4的低压侧绕组端子L1、L2和L3，升压变压器TF4的高压侧绕组端子H1连接第一充电电阻R1后连接至三相不可控整流桥的输入端子a1，升压变压器TF4的高压侧绕组端子H2连接第二充电电阻R2后连接至三相不可控整流桥的输入端子b1，升压变压器TF4的高压侧绕组端子H3连接第三充电电阻R3后连接至三相不可控整流桥的输入端子c1。三相旁路开关S4的一端分别连接至升压变压器TF4的高压侧绕组端子H1、H2和H3，三相旁路开关S4的另一端分别连接至三相不可控整流桥的输入端子A1、B1和C1。三相不可控整流桥输出端子X连接吸收电容C₁的正极X1，之后连接至三级型交直流电力电子变压器低压直流侧第三功率模块SM₃低压侧直流母线电容C_L的正极；三相不可控整流桥输出端子Y连接吸收电容C₁的负极Y1后，连接至三级型交直流电力电子变压器低压直流侧第三功率模块SM₃的低压侧直流母线电容C_L的负极。

本发明三级型交直流电力电子变压器直流母线电容预充电方法的步骤如下：

1)断开三相高压交流侧接触器S1、低压直流侧断路器S2和辅助充电设备中的三相低压交流接触器S3和三相旁路开关S4；

2)解锁高压交流侧A相、B相和C相变换器中的级联功率模块PM₁至PM_N的开关管，以及低压直流侧功率模块SM₁，SM₂和SM₃的开关管。在连续且循环的W个控制周期Tc内，按照从小到大的编号顺序，选择高压交流侧各相变换器的k个功率模块投入，k小于等于高压交流侧A相、B相和C相变换器中级联功率模块数量N。使高压交流侧各相变换器的k个功率模块同时输出50％占空比的高频方波电压u_square，在前0.5控制周期T_C内，导通k个功率模块中的开关管T₁和开关管T₄，在后0.5控制周期T_C内，导通k个功率模块的开关管T₂和T₃，其余N-k个功率模块处于切除状态。在整个控制周期Tc内，导通开关管T₂和开关管T₄，且低压直流侧功率模块SM₁，SM₂和SM₃输出同频同相方波电压，在前0.5控制周期T_C内，导通低压直流侧功率模块SM₁，SM₂和SM₃的开关管M₁和开关管M₄，在后0.5控制周期T_C内，导通低压直流侧功率模块SM₁，SM₂和SM₃的开关管M₂和开关管M₃。

3)闭合三相低压交流接触器S3，在此过程中，保持高压侧功率模块开关管和低压侧的功率模块开关管处于解锁状态。待高压交流侧各相变换器功率模块PM₁至PM_N的直流母线电容C_H电压和低压直流侧功率模块SM₁，SM₂和SM₃的直流母线电容C_L电压达到稳定时，闭合三相旁路开关S4，使高压交流侧各相变换器功率模块PM₁至PM_N的直流母线电容C_H电压升至额定值U_H，低压直流侧功率模块SM₁，SM₂和SM₃的直流母线电容C_L电压升至额定值U_L。

4)待高压侧功率模块的直流母线电容电压和低压侧功率模块的直流母线电容电压均升至额定值后，断开三相低压交流接触器S3和三相旁路开关S4，充电结束。

所述的高压侧直流母线电容C_H为高压交流侧各相变换器所有功率模块的母线电容；所述的低压侧直流母线电容C_L为低压直流侧功率模块SM₁，SM₂，SM₃的母线电容。

所述步骤2)中，每次每相投入的功率模块数量k的计算公式为：

其中，k_TF为三级型交直流电力电子变压器的第一高频变压器TF₁，第二高频变压器TF₂和第三高频变压器TF₃的原边绕组和副边绕组的匝数比，U_L为低压侧直流母线电容电压额定值，U_H为高压侧直流母线电容电压额定值。

所述步骤2)中的控制周期Tc为：

其中，L_res为三级型交直流电力电子变压器的第一高频变压器TF₁，第二高频变压器TF₂和第三高频变压器TF₃的副边绕组短路时测量的原边绕组电感值，C_res为三级型交直流电力电子变压器中的第一低频交流阻隔电容C_LFB1，第二低频交流阻隔电容C_LFB2和第三低频交流阻隔电容C_LFB3的容值。

所述步骤2)中的高频方波电压u_square的工作频率f_square的值为：

其中，Tc为预充电过程中高压侧变换器功率模块开关管和低压侧变换器功率模块开关管的控制周期。

所述步骤2)中，高压交流侧各相变换器中功率模块投入方式如下：

a)对高压交流侧A，B和C相变换器中的N个功率模块PM₁至PM_N编号，从A，B和C相高压交流网侧至高压交流侧变换器星接点M，各相变换器中N个功率模块PM₁至PM_N模块编号依次为TM₁至TM_N。

b)在W个控制周期Tc内，W的个数和高压交流侧各相变换器中的功率模块数量N相同，每个控制周期投入一次功率模块。对高压交流侧A，B和C相变换器的N个功率模块PM₁至PM_N分次投入，投入的次数和高压交流侧各相变换器中的功率模块数量N相同，每次每相都投入k个功率模块，按照TM₁至TM_N的编号从小到大的顺序，循环选择高压交流侧A，B和C相变换器各相的k个功率模块投入。相邻两次投入的K个功率模块中，在后投入的K个功率模块中，第一个模块的编号比在先投入的K个功率模块中第一个模块的编号大1，即在K＝5，N的取值范围为10，10个控制周期Tc内，第一次投入编号为TM₁～TM₅的功率模块，第二次投入编号为TM₂～TM₆的功率模块，第三次投入编号为TM₃～TM₇的功率模块，第四次投入编号为TM₄～TM₈的功率模块，第五次投入编号为TM₅～TM₉的功率模块，第六次投入编号为TM₆～TM₁₀的功率模块。当最后一个功率模块TM₁₀投入后，再从编号为TM₁的第一个模块投入，如此循环，即第七次投入编号为TM₇～TM₁,的功率模块，第八次投入编号为TM₈～TM₂的功率模块，第九次投入编号为TM₉～TM₃的功率模块，第十次投入编号为TM₁₀～TM₄的功率模块，共投入10次。

3)以W个控制周期Tc为循环控制时间重复上述步骤a)和步骤b)，直至高压侧和低压侧的功率模块直流母线电容充电完成。

本发明所述充电方式通过从低压直流侧给各功率模块直流母线电容充电，且在充电过程中，高压侧和低压侧各相功率模块输出50％占空比同频同相位高频方波，充电电流可通过高频变压器TF₁，TF₂和TF的漏感和低频交流阻隔电容C_LFB1、C_LFB2和C_LFB3形成的谐振网络为各功率模块的直流母线电容充电，同时，采用本发明控制方式，无需采集各功率模块的直流母线电压和高频变压器电流进行排序选择轮换投入方式，而以事先设定的投入方式进行控制，操作简单，可使高压侧和低压侧各相功率模块的开关管工作在零电流状态，进一步减小系统在充电的时的开关损耗。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

与现有的从高压交流侧预充电技术相比，本发明的三级型交直流电力电子变压器预充电方法，避免了因高压交流侧电压等级高导致充电设备体积庞大，风险较高的问题；系统采用开环控制，控制方式相对较为简单，预充电电流冲击小；高压侧和低压侧直流母线电容电压均可充至额定工况运行值，从而使设备在并入交流电网时网侧电流冲击小。

附图说明

图1为应用本发明的三级型交直流电力电子变压器和低压辅助充电设备结构示意图；

图2为本发明实施例中高压交流侧A相变换器所有功率模块交流侧输出电压u_ab仿真波形；

图3为本发明实施例中低压直流侧A相功率模块SM₁交流侧输出电压u_ab仿真波形；

图4为本发明实施例中第一高频变压器TF₁原边绕组充电电流仿真波形；

图5为本发明实施例中高压交流侧A相变换器所有功率模块直流母线电容电压仿真波形；

图6为本发明实施例中低压直流侧各相变换器SM₁直流母线电容电压仿真波形；

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

应用本发明的三级型交直流电力电子变压器如图1所示。以第一高频隔离变压器TF₁，第二高频隔离变压器TF₂和第三高频隔离变压器TF₃为界，分为高压交流和低压直流两部分，和外接三相高压交流电网A，B和C相电气连接的部分为高压侧，和低压直流P和R端电气连接的部分为低压侧。所述的第一高频隔离变压器TF₁，第二高频隔离变压器TF₂和第三高频隔离变压器TF₃结构相同，参数相同。

高压侧交流侧A相滤波电感L_ga的一端连接至高压交流侧A相变换器第一功率模块PM₁的交流输出端子a，B相滤波电感L_gb的一端连接至高压交流侧B相变换器第一功率模块PM₁的交流输出端子a，C相滤波电感L_gc的一端连接至对应高压交流侧C相变换器第一功率模块PM₁的交流输出端子a，高压交流侧A相滤波电感L_ga，B相滤波电感L_gb和C相滤波电感L_gc的另外一端通过三相高压交流接触器S1分别连接至高压交流侧A、B和C相电网。

高压交流侧各相变换器均由N个功率模块PM级联构成，N的取值范围为3～10。每个功率模块由模块化H桥变换器组成，且每个变换器中集成了高压侧直流母线电容C_H。单个功率模块中，高压侧直流母线电容C_H、开关T₁-T₄、二极管D₁-D₄、开关T₁与开关T₂的公共连接点是交流输出端子a，开关T₃与开关T₄的公共连接点是交流输出端子b，开关T₁和开关T₃的集电极均连接到高压侧直流母线电容C_H的正极，开关T₂和开关T₄的发射极均连接到高压侧直流母线电容C_H的负极，开关T_x的集电极与二极管D_x阴极连接在一起，开关T_x的发射极与二极管D_x阳极连接在一起，此处的x＝1,2,3,4。每个功率模块的交流输出端子b和相邻功率模块的交流输出端子a连接。高压交流侧A相，B相和C相变换器第N功率模块PM_N的交流输出端子b连接至三级型交直流电力电子变压器星接点M。

第一低频交流阻隔电容C_LFB1、第二低频交流阻隔电容C_LFB2和第三低频交流阻隔电容C_LFB3分别连接高压交流侧各相变换器和第一高频隔离变压器TF₁，第二高频隔离变压器TF₂和第三高频隔离变压器TF₃。第一低频交流阻隔电容C_LFB1、第二低频交流阻隔电容C_LFB2和第三低频交流阻隔电容C_LFB3的参数和结构均相同。第一低频交流阻隔电容C_LFB1的一端对应连接至高压交流侧A相变换器第一功率模块PM₁的交流输出端子a，第二低频交流阻隔电容C_LFB2的一端对应连接至高压交流侧B相变换器第一功率模块PM₁的交流输出端子a，第三低频交流阻隔电容C_LFB3的一端对应连接至高压交流侧C相变换器第一功率模块PM₁的交流输出端子a，第一低频交流阻隔电容C_LFB1的另一端连接至第一高频隔离变压器TF₁的高压侧绕组c，第二低频交流阻隔电容C_LFB2的另一端连接至第二高频隔离变压器TF₂的高压侧绕组c，第三低频交流阻隔电容C_LFB3的另一端连接至第三高频隔离变压器TF₃的高压侧绕组c。另外，高频变压器高压侧绕组d连接至星接点M。

低压直流侧第一功率模块SM₁的交流侧输出端子g和h连接至第一高频隔离变压器TF₁低压侧绕组端子e和f，第二功率模块SM₂的交流侧输出端子g和h连接至第二隔离变压器TF₂低压侧绕组端子e和f，第三功率模块SM₃的交流侧输出端子g和h，连接至第三高频隔离变压器TF₃低压侧绕组端子e和f。低压直流侧每个功率模块采用模块化H桥变换器，且每个变换器中集成了低压侧直流母线电容C_L，开关M₁与M₂的公共连接点是交流输出端子g，开关M₃与开关M₄的公共连接点是交流输出端子h，开关M₁和开关M₃的集电极均连接到低压侧母线电容C_L的正极，开关M₂和开关M₄的发射极均连接到低压侧直流母线电容C_L的负极，开关M_x的集电极与二极管Q_x阴极连接在一起，开关M_x的发射极与二极管Q_x阳极连接在一起，此处的x＝1,2,3,4。各低压侧功率模块母线电容C_L的正极连接后通过低压直流短路器S2接至低压直流电网正极端子P。各低压侧功率模块母线电容C_L负极连接后通过低压直流短路器S2接至低压直流电网负极端子R。

应用本发明的低压辅助充电设备通过三相低压交流接触器S3连接至低压交流A、B和C相电网。三相低压交流接触器S3的另外一端连接至升压变压器TF4的低压侧绕组端子L1、L2和L3，升压变压器TF4的高压侧绕组端子H1连接第一充电电阻R1后连接至三相不可控整流桥的输入端子a1，升压变压器TF4的高压侧绕组端子H2连接第二充电电阻R2后连接至三相不可控整流桥的输入端子b1，升压变压器TF4的高压侧绕组端子H3连接第三充电电阻R3后连接至三相不可控整流桥的输入端子c1。三相旁路开关S4的一端分别连接至升压变压器TF4的高压侧绕组端子H1、H2和H3，三相旁路开关S4的另一端分别连接至三相不可控整流桥的输入端子A1、B1和C1。三相不可控整流桥输出端子X连接吸收电容C₁的正极X1，之后连接至三级型交直流电力电子变压器低压直流侧第三功率模块SM₃低压侧直流母线电容C_L的正极；三相不可控整流桥输出端子Y连接吸收电容C₁的负极Y1后连接至三级型交直流电力电子变压器低压直流侧第三功率模块SM₃的低压侧直流母线电容C_L的负极。

本发明三级型交直流电力电子变压器各功率模块直流母线电容预充电方法的步骤如下：

1)断开三相高压交流侧接触器S1、低压直流侧断路器S2和辅助充电设备中的三相低压交流接触器S3和三相旁路开关S4；

2)解锁高压交流侧A相、B相和C相变换器中级联功率模块PM₁至PM_N的开关管，以及低压直流侧功率模块SM₁，SM₂和SM₃的开关管。在连续且循环的W个控制周期Tc内，按照从小到大的编号顺序，选择高压交流侧各相变换器的k个功率模块投入，k小于等于高压交流侧A相、B相和C相变换器中级联功率模块数量N。使高压交流侧各相变换器的k个功率模块同时输出50％占空比的高频方波电压u_square，在前0.5控制周期T_C内，导通k个功率模块中的开关管T₁和开关管T₄，在后0.5控制周期T_C内，导通k个功率模块的开关管T₂和T₃，其余N-k个功率模块处于切除状态。在整个控制周期Tc内，导通开关管T₂和开关管T₄，且低压直流侧功率模块SM₁，SM₂和SM₃输出同频同相方波电压，在前0.5控制周期T_C内，导通低压直流侧功率模块SM₁，SM₂和SM₃的开关管M₁和开关管M₄，在后0.5控制周期T_C内，导通低压直流侧功率模块SM₁，SM₂和SM₃的开关管M₂和开关管M₃。

3)闭合三相低压交流接触器S3，在此过程中，保持高压侧功率模块开关管和低压侧的功率模块开关管处于解锁状态。待高压交流侧各相变换器功率模块PM₁至PM_N和低压直流侧功率模块SM₁，SM₂和SM₃的直流母线电容电压达到稳定时，闭合三相旁路开关S4，使高压交流侧各相变换器功率模块PM₁至PM_N的直流母线电容电压升至额定值U_H，低压直流侧功率模块SM₁，SM₂和SM₃的直流母线电容电压升至额定值U_L。

4)待高压侧功率模块的直流母线电容电压和低压侧功率模块的直流母线电容电压均升至额定值后，断开三相低压交流接触器S3和三相旁路开关S4，充电结束。

所述步骤2)中，每组确定投入k个功率模块，k的计算公式为：

其中，k_TF为三级型交直流电力电子变压器的第一高频变压器TF₁，第二高频变压器TF₂和第三高频变压器TF₃的原边绕组和副边绕组的匝数比，U_L为低压侧直流母线电容电压额定值，U_H为高压侧直流母线电容电压额定值。

所述步骤2)中的控制周期Tc为：

其中，L_res为三级型交直流电力电子变压器的第一高频变压器TF₁，第二高频变压器TF₂和第三高频变压器TF₃的副边绕组短路时测量的原边绕组电感值，C_res为三级型交直流电力电子变压器中的第一低频交流阻隔电容C_LFB1，第二低频交流阻隔电容C_LFB2和第三低频交流阻隔电容C_LFB3的容值。

所述步骤2)中的高频方波电压u_square的工作频率f_square的值为：

其中，Tc为预充电过程中高压侧变换器功率模块开关管和低压侧变换器功率模块开关管的控制周期。

所述步骤2)中，高压交流侧各相变换器中功率模块投入方式如下：

1)对高压交流侧A，B和C相变换器中的N个功率模块PM₁至PM_N编号，从A，B和C相高压交流网侧至高压交流侧变换器星接点M，各相变换器中N个功率模块PM₁至PM_N模块编号依次为TM₁至TM_N。

2)在W个控制周期Tc内，W的个数和高压交流侧各相变换器中的功率模块数量N相同，每个控制周期投入一次功率模块。对高压交流侧A，B和C相变换器的N个功率模块PM₁至PM_N分次投入，投入的次数和高压交流侧各相变换器中的功率模块数量N相同，每次投入k个功率模块，按照TM₁至TM_N的编号从小到大的顺序选择高压交流侧A，B和C相变换器各相的k个功率模块投入。相邻两次投入的K个功率模块中，在后投入的K个功率模块中，第一个模块的编号比在先投入的K个功率模块中第一个模块的编号大1，即假如K＝5，N的取值范围为10，10个控制周期Tc内，第一次投入编号为TM₁～TM₅的功率模块，第二次投入编号为TM₂～TM₆的功率模块，第三次投入编号为TM₃～TM₇的功率模块，第四次投入编号为TM₄～TM₈的功率模块，第五次投入编号为TM₅～TM₉的功率模块，第六次投入编号为TM₆～TM₁₀的功率模块。当最后一个功率模块TM₁₀投入后，从第一个编号为TM₁的模块投入，如此循环，即第七次投入编号为TM₇～TM_1,的功率模块，第八次投入编号为TM₈～TM₂的功率模块，第九次投入编号为TM₉～TM₃的功率模块，第十次投入编号为TM₁₀～TM₄的功率模块，共投入10次。

3)以W个控制周期Tc为循环控制时间重复上述步骤，直至高、低压侧的功率模块直流母线电容充电完成。

所述三级型交直流电力电子变压器电路拓扑如图1所示，本发明的实施例中预充电系统的参数如下：

三相高压交流侧线电压有效值：10kV；

桥臂滤波电感L_ga，L_gb和L_gc：15mH；

高压交流侧各相级联功率模块PM数量N：5；

高压交流侧各相变换器功率模块中高压侧直流母线电容C_H：4mF；

高压侧直流母线电容额定电压U_H：1900V；

低频交流阻隔电容C_LFB1，C_LFB2和C_LFB3的容值C_res：44.37μF；

高频变压器TF₁、TF₂和TF₃副边短路，原边测量电感值L_res：22.84μH；

高频变压器TF₁、TF₂和TF₃变比k_TF：2.53；

谐振频率：5kHz；

低压侧直流侧功率模块SM₁、SM₂和SM₃低压侧直流母线电容C_L：3mF；

低压直流母线电容额定电压U_L：750V；

升压变压器TF₄变比：1.4；

三相旁路电阻R1、R2和R3的阻值：10Ω；

吸收电容C₁的容值：1600μF；

低压侧辅助充电电路交流线电压有效值：380V；

本发明三级型交直流电力电子变压器直流母线电容预充电方法的步骤如下：

1)断开三相高压交流侧接触器S1、低压直流侧断路器S2和辅助充电设备中的三相低压交流接触器S3和三相旁路开关S4；

2)解锁高压交流侧A相、B相和C相变换器中级联功率模块PM₁至PM₅的开关管，以及低压直流侧功率模块SM₁，SM₂和SM₃的开关管。在连续且循环的W个控制周期Tc内，按照从小到大的编号顺序，选择高压交流侧各相变换器的k个功率模块投入，k小于等于高压交流侧A相、B相和C相变换器中级联功率模块数量N。使高压交流侧各相变换器的k个功率模块同时输出50％占空比的高频方波电压u_square，在前0.5控制周期T_C内，导通k个功率模块中的开关管T₁和开关管T₄，在后0.5控制周期T_C内，导通k个功率模块的开关管T₂和T₃，其余N-k个功率模块处于切除状态。在整个控制周期Tc内，导通开关管T₂和开关管T₄，且低压直流侧功率模块SM₁，SM₂和SM₃输出同频同相方波电压，在前0.5控制周期T_C内，导通低压直流侧功率模块SM₁，SM₂和SM₃的开关管M₁和开关管M₄，在后0.5控制周期T_C内，导通低压直流侧功率模块SM₁，SM₂和SM₃的开关管M₂和开关管M₃。

3)闭合三相低压交流接触器S3，在此过程中，保持高压侧功率模块开关管和低压侧的功率模块开关管处于解锁状态。待高压交流侧各相变换器功率模块PM₁至PM_N和低压直流侧功率模块SM₁，SM₂和SM₃的直流母线电容电压达到稳定时，闭合三相旁路开关S4，使高压交流侧各相变换器功率模块PM₁至PM₅的直流母线电容电压升至额定值U_H，低压直流侧功率模块SM₁，SM₂和SM₃的直流母线电容电压升至额定值U_L。

4)待高压侧功率模块的直流母线电容电压和低压侧功率模块的直流母线电容电压均升至额定值后，断开三相低压交流接触器S3和三相旁路开关S4，充电结束。

根据公式(1)，每组确定投入k个功率模块，k的计算公式为：

其中，k_TF为三级型交直流电力电子变压器的第一高频变压器TF₁，第二高频变压器TF₂和第三高频变压器TF₃的原边绕组和副边绕组的匝数比，U_L为低压侧直流母线电容电压额定值，U_H为高压侧直流母线电容电压额定值。根据实施例参数，计算可得控制周期k＝1。

根据公式(2)，可计算出预充电过程中高、低压侧变换器功率模块开关管控制周期Tc的值：

其中，L_res为三级型交直流电力电子变压器的第一高频变压器TF₁，第二高频变压器TF₂和第三高频变压器TF₃的副边绕组短路时测量的原边绕组电感值，C_res为三级型交直流电力电子变压器中的第一低频交流阻隔电容C_LFB1，第二低频交流阻隔电容C_LFB2和第三低频交流阻隔电容C_LFB3的容值。根据实施例参数，计算可得控制周期Tc＝200μs。

根据公式(3)，可计算出预充电过程中高频方波u_square的工作频率f_square的值：

其中，Tc为预充电过程中高压侧变换器功率模块开关管和低压侧变换器功率模块开关管的控制周期。根据公式(2)计算结果，计算可得高频方波u_square的工作频率f_square＝5kHz。

所述步骤2)中，高压交流侧各相变换器中功率模块投入方式如下：

1)对高压交流侧A，B和C相变换器中的N个功率模块PM₁至PM₅编号，从A，B和C相高压交流网侧至高压交流侧变换器星接点M，各相变换器中N个功率模块PM₁至PM₅模块编号依次为TM₁至TM₅。

2)在5个控制周期Tc内，每个控制周期投入一次功率模块。对高压交流侧A，B和C相变换器的5个功率模块PM₁至PM₅分次投入，每次投入1个功率模块，在5个控制周期Tc内，第一次投入编号为TM₁的功率模块，第二次投入编号为TM₂的功率模块，第三次投入编号为TM₃的功率模块，第四次投入编号为TM₄的功率模块，第五次投入编号为TM₅的功率模块。

3)以5个控制周期Tc为循环控制时间重复上述步骤，直至高、低压侧的功率模块直流母线电容充电完成。

图2为本发明实施例中高压交流侧A相变换器所有功率模块输出电压仿真波形，从波形中可以看出，每个控制周期Tc为200μs，在单独一个控制周期内高压交流侧A相变换器中仅有一个功率模块输出50％占空比高频方波电压u_square，其余五个功率模块均输出0电压，且每1ms为一次循环控制时间。

图3为本发明实施例中低压直流侧第一功率模块SM₁输出电压仿真波形，从波形中可以看出，在连续不同的控制周期Tc内，低压直流侧功率模块持续输出与高压侧同频同相的高频方波电压。

图4为本发明实施例中第一高频变压器TF₁原边绕组充电电流仿真波形，从仿真波形中不难发现，充电电流处于下降的趋势，最终稳定到零电流，且在整个充电过程中，并未出现较大的电流冲击。

图5和图6分别为本发明实施例中A相高压交流侧各相变换器所有功率模块PM直流母线电容电压和低压直流侧第一功率模块SM₁直流母线电容电压仿真波形。图中可以在0-15s阶段高、低侧直流母线电容电压均平稳上升至稳定状态，当在15s时系统旁路开关闭合，高、低侧直流母线电容电压持续上升至额定电压。则且达到稳态时交流高压交流侧各相变换器所有功率模块中的直流母线电容电压较为均衡地维持在额定值。