CN102118101B - 一种结合死区控制的柔性直流换流器触发信号通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种结合死区控制的柔性直流换流器触发信号通信方法，该方法包括步骤：控制器的脉宽调制技术PWM生成器生成触发脉冲信号；生成的触发脉冲信号经过光纤线路输入到控制器发送端口中进行调制；调制后的脉冲信号在光纤线路上传输；IGBT门极单元的接收端口接收光纤线路上传送来的脉冲信号；经IGBT门极单元接收端口生成PWM触发脉冲的复原信号，并输出到光纤线路上传输；驱动电路对IGBT的触发；本发明提供的方案将死区控制功能融合到控制器与IGBT门极单元通信的调制与解调过程中，使控制器在生成PWM信号时无需进行死区算法控制，减轻了控制器的负担，并且使控制器与IGBT门极单元间的接口更加灵活。
Description
技术领域
本发明涉及一种柔性直流输电换流器的控制方法，具体讲涉及一种结合死区控制的柔性直流换流器触发信号通信方法。
背景技术
当前，基于全控型电力电子器件IGBT的各种电力电子电路已经越来越多地应用于电力系统、机车牵引、航空航天等领域。随着电力电子技术及材料、制造工艺的发展，IGBT器件的通流能力也越来越强，使其在直流输电领域也得到重要的发挥空间，直接促进了柔性直流输电技术的诞生和发展。与传统的高压直流输电技术不同，柔性直流输电换流器以由IGBT串联构成的高压换流阀替代了晶闸管串联换流阀，形成了电压源型的柔性直流换流器。柔性直流输电可以实现向远距离的中小型孤立、弱负荷进行供电；可以进行独立、准确、灵活的有功/无功功率控制，提高系统潮流传输的经济性和稳定性；在潮流反转时直流电压极性不变，方便构成多端直流输电系统；在相联系统短路时不增加系统的短路容量，有利于限制短路电流，阻止系统的故障扩散；可以提供无功支持和频率控制，用于风电场和分布式发电等可再生能源并网有着特殊的优势；在相联电网故障后能够提供黑启动电源，加快电网故障后的快速恢复能力；换流站占地面积相对于普通直流大为减小。
柔性直流输电技术丰富的性能优势吸引了众多科研技术人员投入到相关的研究及实践工作中，其灵活的控制性能也使得柔性直流的控制方法和控制装置成为了柔性直流技术的研究热点。在柔性直流的控制中，对换流器的触发控制是一个非常重要的环节。由全控器件IGBT构成的两电平换流器是柔性直流输电技术应用中一种重要的换流器拓扑结构，与基于晶闸管换流器的常规直流输电技术不同，由于IGBT的可控关断性能，柔性直流换流器可以采用脉冲宽度调制技术(PWM)实现对换流器中IGBT的触发控制，使换流器可以在四象限运行，并获得更好的谐波性能。
基于IGBT的两电平三相桥式电路结构已经广泛应用于各种逆变器电路，随着电力电子技术以及IGBT制造工艺的发展进步，将桥臂中的单只IGBT扩展为多只IGBT的串联结构，形成高压大电流的换流阀桥臂，将这种电路拓扑应用到了直流输电领域。
发明内容
本发明的目的是设计一种结合死区控制的柔性直流换流器触发信号通信方法，使控制系统按照一种协议传输IGBT开通关断信息，并将死区控制功能融合到控制器与IGBT门极单元通信的调制与解调过程中，使控制器在生成PWM信号时无需再进行死区算法控制，减轻了控制器的负担，并且使控制器与IGBT门极单元间的接口更加灵活，方便扩展更多的信息交互内容。
本发明采用下述技术方案实现本发明的目的：
一种结合死区控制的柔性直流换流器触发信号通信方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：
A、控制器的脉宽调制技术PWM生成器生成触发脉冲信号；
B、所述生成的触发脉冲信号经过线路输入到控制器发送端口中进行调制；
C、调制后的脉冲信号在光纤线路上传输；
D、IGBT门极单元的接收端口接收所述光纤线路上传送来的脉冲信号；
E、经所述IGBT门极单元接收端口生成PWM触发脉冲的复原信号，并输出到线路上传输；
F、驱动电路对IGBT的触发。
本发明提供的一种优选技术方案是：所述步骤A中，所述控制器的PWM生成器生成柔性直流换流器上下桥臂的触发脉冲PWM信号，所述成柔性直流换流器上下桥臂的触发脉冲PWM信号为反相且不带死区时间的原始触发脉冲PWM信号。
本发明提供的第二优选的技术方案是：所述步骤B中，所述生成的原始触发脉冲PWM信号经过线路1输入到控制器发送端口中，所述控制器发送端口调制后的脉冲信号为按照时间宽度调制的方法对原始触发脉冲PWM信号进行调制的脉冲信号，所述原始触发脉冲PWM信号的上升沿和下降沿被分别调制成了不同时间宽度的脉冲，且上升沿对应的脉冲宽度大于下降沿对应的脉冲宽度。
本发明提供的第三优选的技术方案是：所述步骤C中，所述调制后的脉冲信号在光纤线路2上传输。
本发明提供的第四优选的技术方案是：所述步骤D中，所述IGBT门极单元的接收端口接收所述光纤线路2上传送的脉冲信号。
本发明提供的第五优选的技术方案是：所述步骤E中，经所述IGBT门极单元接收端口将两种不同宽度的脉冲被还原为相应的上升沿和下降沿信息，所述不同宽度的脉冲信号生成触发脉冲PWM的复原信号，并输出到线路3上传输。
本发明提供的第六优选的技术方案是：所述柔性直流换流器由三相六桥臂构成，所述每个桥臂由绝缘栅双极型功率管IGBT串联组成；所述柔性直流换流器的控制为柔性直流换流器脉冲宽度调制技术PWM控制；柔性直流换流器PWM控制系统包括控制器、IGBT门极单元、光纤和柔性直流换流器；所述控制器和IGBT门极单元通过光纤连接，IGBT门极单元用来完成对柔性直流换流器中IGBT元件的触发。
本发明提供的第七优选的技术方案是：所述控制器包括PWM生成器、控制器发送端口和光纤；所述PWM生成器和控制器发送端口通过光纤与IGBT门极单元连接；所述IGBT门极单元包括光纤接收端口和IGBT驱动电路；所述IGBT接收端口和驱动单元通过光纤连接；所述控制器发送端口和IGBT门极单元接收端口中分别设有光发射器和光接收器。
本发明提供的第八优选的技术方案是：所述柔性直流换流器上下桥臂的死区时间为控制器发送端口发送的脉冲信号上升沿对应的脉冲宽度和下降沿对应的脉冲宽度之间的差别。
与现有技术相比，本发明达到的有益效果是：
1.将换流器上下桥臂的PWM触发信号的死区控制融合到了触发脉冲的传输过程中，且无需控制器设计死区控制软件算法，节省了控制器的负担和运行时间；
2.将PWM触发脉冲的开通和关断信号转换为不同时间宽度的脉冲信号进行传输，使控制器与IGBT门极单元间的接口形式更灵活，为增加控制器与IGBT门极单元之间的信息交换数量提供了空间；
3.将PWM信号转换为代表其跳变沿的不同时间宽度的脉冲，由于脉冲宽度很短，因此可以提高通信信息容量和通信效率，降低了通信线路开销和线路损耗；
4.本发明涉及的控制器发送端口和IGBT门极单元接收端口完全由硬件实现，无需控制器参与，减轻了控制器的负担并增加了系统运行可靠性。
附图说明
图1是本发明的柔性直流换流器与控制系统之间的结构框图；
图2是本发明的上下桥臂IGBT门极单元死区时间示意图；
图3是本发明的控制器与IGBT门极单元通信接口的总体硬件构成示意图；
图4是本发明结合死区控制的PWM触发信号通信传输方法的原理图；
图5是本发明控制器中脉宽调制模块逻辑功能图；
图6是本发明IGBT门极单元中脉宽调制模块逻辑功能图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
图1是本发明的柔性直流换流器与控制系统之间的结构框图，对于本发明的柔性直流换流器的PWM控制是控制器将六路PWM触发脉冲发送到柔性直流换流器的六个桥臂，对于柔性直流换流器，每一个桥臂是由多个IGBT串联组成，同步向其中的每一个IGBT发送相同的触发脉冲。在柔性直流输电工程中，由于换流阀处于高电位侧，而控制系统处于低电位侧，因此在控制系统与换流阀每一个IGBT门极单元电路之间通过光纤完成触发脉冲信号的传输。
图2是本发明的上下桥臂IGBT门极单元死区时间示意图，在对换流器进行触发控制时，同一相的上下两个桥臂的触发信号不能同时为开通，否则将造成桥臂的直通短路，损坏IGBT器件，在IGBT通过较大电流时，其关断速度将会减慢，在上下桥臂IGBT开关状态交替时可能出现在其中一个桥臂IGBT尚未完全关断时，另一个桥臂的IGBT已经完成开通，这会造成瞬时的过流而使IGBT出现损坏。由于控制器发送端口是同时向换流器上下桥臂的IGBT门极单元启动发送，且向上下桥臂发送的脉冲信号分别对应PWM信号的上升沿和下降沿，其时间宽度不同，因此接收IGBT门极单元端口执行其命令的时刻也自然出现差别，差别时间即两种脉冲信号在时间宽度上的差别，即死区时间。
图3是本发明的控制器与IGBT门极单元通信接口的总体硬件构成示意图，控制器发送端口与IGBT门极单元接收端口之间的信息通道2以光纤作为传输载体，控制器发送端口和IGBT门极单元接收端口中分别设有光发射器和光接收器。光纤连接一方面实现了两个设备间的电气隔离，另一方面，由于光纤上传输的光信号传输损失小，抗干扰性强，且传输延时小，保证了信息传输和IGBT触发的可靠性。控制器发送端口的输入信号为控制器产生的PWM脉冲。控制器发送端口将PWM信号的跳变沿转化成不同时间宽度的脉冲信号之后，通过光纤线路2传输到IGBT门极单元。IGBT门极单元中的接收端口将接收到的信号进行解调，使接收到的信号还原为调制前的形式，并经触发电路完成IGBT的触发控制。
图4是本发明结合死区控制的PWM触发信号通信传输方法的原理图，控制器的PWM生成环节生成的上下桥臂的PWM信号为反相且不带死区时间的触发脉冲信号，不带死区时间的触发脉冲信号通过图3中的线路1输入到控制器发送端口中。控制器发送端口调制后的信号为按照时间宽度调制的方法对原始PWM信号进行处理后并在光纤线路2上传输的信号，其中，原始PWM信号的上升沿和下降沿被分别调制成了不同时间宽度的脉冲，且上升沿对应的脉冲宽度大于下降沿对应的脉冲宽度(假设PWM信号高电平为IGBT开通，PWM信号低电平为IGBT关断)。IGBT门极单元的接收端口接收到光纤线路2上传送来的脉宽信号后，经解调逻辑电路将两种不同宽度的脉冲被还原为了相应的上升沿和下降沿信息，生成了PWM触发脉冲的复原形式，并输出到线路3，通过驱动电路完成对IGBT的触发。还原后的上下桥臂的PWM触发信号在开关交替时出现了延迟，自然形成了死区时间，该时间即分别对应原始PWM信号上升沿和下降沿的脉宽信号的宽度差别。线路1和线路3可以使光纤线路也可以是电信号线路。
控制器发送端口中包含一个脉宽调制模块，用于将不同的待传信号分别调制成为不同时间宽度的脉冲信号，控制器中脉宽调制模块逻辑功能如图5所示。当输入信号跳变沿检测逻辑检测到待传信号的上升沿时，通过定时器使能逻辑启动定时器，并通过输出逻辑使输出端开始输出高电平信号，同时，根据输入的不同信号的跳变沿由定时器阈值选择逻辑生成不同的定时时间，当定时时间到达时，将输出端的高电平拉低，结束脉冲的输出。控制器发送端口中的完全由硬件电路方式实现，无需任何控制器和软件算法协助。
IGBT门极驱动单元的接收端口中包含一个脉宽解调模块，IGBT门极单元中脉宽调制模块逻辑功能如图6所示。调制后的脉宽信号经光纤传输到解调模块中，即IGBT门极单元接收端口，计时器控制逻辑在脉宽信号期间使能计时器进行计时，当输入脉冲信号结束时，结束计时，并使能计时时间判断逻辑，判断该输入信号为哪一种触发控制信号，并通过输出逻辑将其还原为相应的跳变沿信号。IGBT驱动单元中的接收端口完全由硬件电路方式实现，无需任何控制器和软件算法协助。
本发明提供的一种结合死区控制的柔性直流换流器触发信号通信方法，使控制系统按照一种协议传输IGBT开通关断信息，而非直接传输PWM触发脉冲信号，并将死区控制功能融合到控制器与IGBT门极单元通信的调制与解调过程中，一方面使控制器在生成PWM信号时无需再进行死区算法控制，减轻了控制器的负担，另一方面也使双方的接口更加灵活，方便扩展更多的信息交互内容。
最后应该说明的是：结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。
Claims (4)
1.一种结合死区控制的柔性直流换流器触发信号通信方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
A、控制器的脉宽调制技术PWM生成器生成触发脉冲信号；
B、所述生成的触发脉冲信号经过线路输入到控制器发送端口中进行调制；
C、调制后的脉冲信号在光纤线路上传输；
D、IGBT门极单元的接收端口接收所述光纤线路上传送来的脉冲信号；
E、经所述IGBT门极单元的接收端口生成PWM触发脉冲的复原信号，并输出到线路上传输；
F、驱动电路对IGBT的触发；
所述步骤A中，所述控制器的PWM生成器生成柔性直流换流器上下桥臂的触发脉冲PWM信号，所述成柔性直流换流器上下桥臂的触发脉冲PWM信号为反相且不带死区时间的原始触发脉冲PWM信号；
所述步骤B中，所述生成的原始触发脉冲PWM信号经过第一线路（1）输入到控制器发送端口中，所述控制器发送端口调制后的脉冲信号为按照时间宽度调制的方法对原始触发脉冲PWM信号进行调制的脉冲信号，所述原始触发脉冲PWM信号的上升沿和下降沿被分别调制成了不同时间宽度的脉冲，且上升沿对应的脉冲宽度大于下降沿对应的脉冲宽度；
所述步骤C中，所述调制后的脉冲信号在光纤线路（2）上传输；
所述步骤D中，所述IGBT门极单元的接收端口接收所述光纤线路（2）上传送的脉冲信号；
所述步骤E中，经所述IGBT门极单元接收端口将两种不同宽度的脉冲被还原为相应的上升沿和下降沿信息，所述不同宽度的脉冲信号生成触发脉冲PWM的复原信号，并输出到第二线路（3）上传输。
2.如权利要求1所述的一种结合死区控制的柔性直流换流器触发信号通信方法，其特征在于，所述柔性直流换流器由三相六桥臂构成，所述每个桥臂由绝缘栅双极型功率管IGBT串联组成；所述柔性直流换流器的控制为柔性直流换流器脉冲宽度调制技术PWM控制；柔性直流换流器PWM控制系统包括控制器、IGBT门极单元、光纤和柔性直流换流器；所述控制器和IGBT门极单元通过光纤连接，IGBT门极单元用来完成对柔性直流换流器中IGBT元件的触发。
3. 如权利要求2所述的一种结合死区控制的柔性直流换流器触发信号通信方法，其特征在于，所述控制器包括PWM生成器、控制器发送端口和光纤；所述PWM生成器和控制器发送端口通过光纤连接，所述控制器发送端口与IGBT门极单元通过光纤连接；所述IGBT门极单元包括接收端口和驱动电路；所述接收端口和驱动电路通过光纤连接；所述控制器发送端口和接收端口中分别设有光发射器和光接收器。
4. 如权利要求1所述的一种结合死区控制的柔性直流换流器触发信号通信方法，其特征在于，所述柔性直流换流器上下桥臂的死区时间为控制器发送端口发送的脉冲信号上升沿对应的脉冲宽度和下降沿对应的脉冲宽度之间的差别。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: STATE ELECTRIC NET CROP. Effective date: 20130509 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20130509 Address after: 100192 Beijing city Haidian District Qinghe small Camp Road No. 15 Applicant after: China Electric Power Research Institute Applicant after: State Grid Corporation of China Address before: 100192 Beijing city Haidian District Qinghe small Camp Road No. 15 Applicant before: China Electric Power Research Institute |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |