CN100444509C - 一种三电平变流器闭锁时消除器件过电压的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种三电平变流器(IGBT)闭锁时消除器件过压的控制方法，所述三电平变流器具有附加的缓冲吸收电路，该方法包括：实施闭锁一个电流关断时间后，先封锁外侧IGBT(S11、S14、S21、S24)的脉冲，内侧IGBT(S12、S13、S22、S23)脉冲保持不变；经过一个死区时间后，根据闭锁时脉冲状态和闭锁前一个脉冲状态，关掉内侧的某一个IGBT；延续一个续流时间后，实时检测逆变桥电流是否超过某个阈值，一旦检测到电流超过了阈值，则立刻将所有IGBT全部闭锁；如果电流没有超过上述阈值，则继续保持前面状态预定时间后，将所有IGBT全部闭锁。

Description

一种三电平变流器闭锁时消除器件过电压的控制方法

技术领域

本发明属于电力系统柔性输配电、电力电子和用户电力技术领域。

背景技术

中点箝位式(NPC)三电平变流器由于其自身结构的优点被广泛地应用于电力电子领域。在实际工程应用当中，由于主电路杂散电感的存在，三电平变流器IGBT正常关断过程中存在显著的过电压问题，这个问题通常采用在主电路上添加缓冲吸收电路的方法解决。当装置发生故障时，变流器经常采用封锁触发脉冲的方法，闭锁IGBT元件以对其进行保护，并使装置在故障排除后能够尽快地恢复运行。然而，由于三电平变流器和缓冲电路的特殊结构，当脉冲闭锁后，内外元件往往出现不均压现象，内部元件会承受非常高的过电压，严重时可导致IGBT损坏，整个装置无法运行。

发明内容

本发明提出了一种实际工程应用中，能够切实可行消除IGBT关断时过电压问题的缓冲吸收电路，并同时提出一种消除闭锁IGBT过电压问题的闭锁方法。

本发明公开了一种三电平变流器(IGBT)闭锁时消除器件过压的控制方法，所述三电平变流器具有附加的缓冲吸收电路，根据本发明，当装置发生故障变流器采用封锁触发脉冲时，闭锁IGBT的具体步骤如下：

实施闭锁一个电流关断时间后，先封锁外侧IGBT(S11、S14、S21、S24)的脉冲，内侧IGBT(S12、S13、S22、S23)脉冲保持不变；

经过一个死区时间后，根据闭锁时脉冲状态和闭锁前一个脉冲状态，关掉内侧的某一个IGBT；

延续一个续流时间后，实时检测逆变桥电流是否超过某个阈值，一旦检测到电流超过了阈值，则立刻将所有IGBT全部闭锁；

如果电流没有超过上述阈值，则继续保持前面状态一段时间后，将所有IGBT全部闭锁。

附图说明

图1是单相桥三电平逆变器的主电路原理图。

图2是添加了典型缓冲吸收电路的三电平逆变器主电路原理图。

具体实施方式

图1显示了常规的单相桥三电平逆变器的主电路原理路。图1中，包括左桥臂[S11 S12 S13 S14]以及右桥臂[S21 S22 S23 S24]。其中，Vdc表示三电平变流器正负母线间总直流电压，+Vdc/2、-Vdc/2分别表示直流正负母线电压，Vo表示三电平变流器交流侧电压。

图2是添加了本发明的缓冲吸收电路的三电平逆变器主电路原理图。缓冲电路的主要作用是：在开关器件关断瞬间，电流迅速降低，di/dt很大，由于电路上存在杂散电感，于是会感应产生一个相当大的电压，这种过电压会降低装置效率，严重时影响器件安全(过压)；添加缓冲吸收电路，目的是将电流关断时产生的过压能量吸收掉，提高器件安全性，提高装置效率。

目前普遍存在的问题是，添加了缓冲吸收电路后，虽然吸收了器件的“关断过电压”，却会在变流器脉冲封锁时以及封锁后，出现多种过电压情况(如内外器件分压不均、稳态整流过压等)，危害性非常大。

根据本发明，提出了一种缓冲吸收电路结构，即图2虚线部分所示，能够起到良好的吸收“关断过电压”的作用，同时还能通过一种“闭锁策略”，使得装置在脉冲闭锁时以及脉冲闭锁后，没有任何器件过压问题产生。

图2的虚线部分是本发明使用的“缓冲吸收电路”结构图；与变流器主电路直接连接。

根据本发明，当装置发生故障变流器采用封锁触发脉冲时，闭锁IGBT的具体步骤如下：

1)实施闭锁一个电流关断时间(约6μs)后，先封锁外侧IGBT(S11、S14、S21、S24)的脉冲，内侧IGBT(S12、S13、S22、S23)脉冲保持不变；

2)再经过一个死区时间(约9μs)后，根据闭锁时脉冲状态和闭锁前一个脉冲状态，关掉内侧的某一个IGBT；关断依据如下(对于单个桥臂，如[S11 S12 S13S14]，导通用1表示，关断用0表示)：

如闭锁时，IGBT状态是[1100]，则随后后IGBT状态应为[0100]；

如闭锁时，IGBT状态是[0011]，则随后IGBT状态应为[0010]；

如闭锁时，IGBT状态是[0110]，再考察闭锁前一个控制周期，IGBT的状态，如果是[1100]，则随后IGBT状态应为[0100]；如果是[0011]，则随后IGBT状态应为[0010]；

3)延续一个续流时间(时间长度估算可参考公式(1)，如100μs)后，实时检测变流器电流是否超过某个阈值，一旦检测到电流超过了阈值，则立刻将所有IGBT全部闭锁；其中，该阈值一般定义为变流器过流保护的电流门限值，“电流门限值”主要由应用装置的保护整定值确定，比如开关器件的最大电流值等。

$\mathrm{\ΔT}\≈\frac{L\·i\left(t\right)}{V_o\left(t\right)-V_{\mathrm{dc}}}---\left(1\right)$

其中，L为续流回路电抗值，i(t)为闭锁时刻变流器电流瞬时值，Vo(t)为闭锁时刻变流器交流电压瞬时值，Vdc为变流器直流侧电压。

4)如果电流没有超过上述阈值，则继续保持前面状态一段时间后，将所有IGBT全部闭锁；该时间长度最小值的估算可参考公式(1)，其中i(t)应为最大的工作电流(或更大)，以保证电流确实截止，数量级约为毫秒级。

如上所述，结合缓冲吸收电路，根据本发明的脉冲封锁的策略步骤，逐步将所有开关器件闭锁，而不产生任何过压。

优点和效果

本发明原理简单、有效，不需要对DSTATCOM进行主电路结构上的修改，即能解决三电平变流器主电路结构上的IGBT关断过电压吸收问题，同时避免该结构电路在闭锁时和闭锁后产生的过电压危险。

由这种原理得到的实际DSTATCOM应用装置，经过实际运行测试，没有出现关断、续流、电压重分配、稳态整流四种典型IGBT器件过电压情况，效果显著。

Claims (7)

1、一种三电平变流器IGBT闭锁时消除器件过压的控制方法，所述三电平变流器具有附加的缓冲吸收电路，该方法包括：

第一步：实施闭锁一个电流关断时间后，先封锁外侧IGBT(S11、S14、S21、S24)的脉冲，内侧IGBT(S12、S13、S22、S23)脉冲保持不变；

第二步：经过一个死区时间后，根据闭锁时脉冲状态和闭锁前一个脉冲状态，关掉内侧的任何一个IGBT；

第三步：延续一个续流时间后，实时检测逆变桥电流是否超过阈值，一旦检测到电流超过了阈值，则立刻将所有IGBT全部闭锁；

第四步：如果电流没有超过上述阈值，则继续保持前面状态预定时间后，将所有IGBT全部闭锁。

2、如权利要求1的控制方法，其中第二步进一步包括：

对于单个桥臂[S11 S12 S13 S14]，导通用1表示，关断用0表示，则：

当闭锁时，IGBT状态是[1100]，则随后IGBT状态应为[0100]；

当闭锁时，IGBT状态是[0011]，则随后IGBT状态应为[0010]；

当闭锁时，IGBT状态是[0110]，再考察闭锁前一个控制周期，IGBT的状态

如果是[1100]，则随后IGBT状态应为[0100]；如果是[0011]，则随后IGBT状态应为[0010]。

3、如权利要求1的控制方法，其中第三步的续流时间的长度由三电平逆变器主电路结构决定的续流电流变化速率确定；

所述阈值定义为变流器过流保护的电流门限值。

4、如权利要求1的控制方法，其中第四步所述的预定时间的长度由装置正常运行的额定电流大小，以及三电平逆变器主电路影响的续流电流变化速率共同决定，时间长度为毫秒级。

5、如权利要求1至4中任一权利要求所述的控制方法，所述关断时间为6μs。

6、如权利要求1至4中任一权利要求所述的控制方法，所述死区时间为9μs。

7、如权利要求1至4中任一权利要求所述的控制方法，所述续流时间为100μs。

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