CN102130612A - 一种模拟mmc子模块的集成控制子模块板 - Google Patents

一种模拟mmc子模块的集成控制子模块板 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用以模拟大容量模块化多电平电压源换流器(Multi-levelModularConverte)的动态模拟试验用的子模块电路板，电路板上用同一个数字控制其控制多个按照指数方法缩小参数的MMC换流器子模块，子模块之间为串联关系：每个MMC换流器子模块包括主电路(有电容器及与其并联的上下串联结构的两只IGBT、与下IGBT并联的旁路开关、用于保护IGBT和电容的与下IGBT并联的晶闸管)、IGBT和晶闸管驱动电路、电容电压采样电路、电路板隔离电源、多个子模块共用同一块控制和编解码芯片、光纤通道。

Description

一种模拟MMC子模块的集成控制子模块板
技术领域
本发明属于电力电子领域，涉及一种模拟多电平电压源换流器MMC子模块的集成控制子模块板。
背景技术
目前应用于柔性直流输电的电压源换流器分为两种：一种是基于大功率IGBT串联技术的两电平或三电平换流器，一种是采用高压子模块级联技术的模块化多电平电压源换流器(MMC-VSC)。
对于后者，其三相换流器由六个桥臂构成，每个桥臂由多个级联高压子模块构成。而每个高压子模块使用电力电容器作为可投入或切除的单个直流电压源(可达1.2kV)，两只大功率IGBT串联作为投切开关，电容器的正极连接上管IGBT的源极，负极连接下IGBT的发射极。下管IGBT的源极和发射极分别由端子母排引出，作为模块的输出端子。晶闸管与下管IGBT反向并联，在电流过大时触发导通以保护IGBT。
可见在电容器电压稳定时，由控制脉冲分别控制上下管IGBT的通断，即可控制高压子模块电容投入桥臂或旁路。多个子模块级联连接构成电压源换流器的桥臂时，根据不同的调制算法，可以调制出多个电平阶梯。尤其当调制波为工频基波且级联模块数较多时，在其一相的上下桥臂中点可调制出接近正弦的单相电压源。
由于这种换流器结构控制算法较复杂，针对接入系统不同的运行状态，其换流器的控制和保护策略需要试验装置进行验证。
现有的换流器试验装置主要有两种：第一种是全尺寸的高压子模块，以较少的数量构成桥臂；另一种是按照某种比例缩小具有单独数字处理器的单个低压子模块。
第一种由于采用工程用的高压模块，其电压等级高、体积大，且模块较少，调制出的阶梯波谐波大，波形较差，主要用于模块电气特性和兼容性的验证。
第二种降低了电压等级，增加了单个桥臂级联的模块数，但由于各模块具有独立的控制器，控制时序匹配较差，且现有的实验装置中，各模块之间仍然采用线缆连接，体积难以缩小，成本较高。
发明内容
本发明提供了一种用于模块化多电平电压源换流器阀试验用的低压集成子模块板，包括子模块控制器即逻辑电路部分(SMC)、子模块主电路部分与通信电路部分。其特征在于该PCB板通过电位隔离和集中控制，将模块化多电平换流器的桥臂部分--即级联的多个IGBT控制投切的电容器，及其共用的数字控制器和通信电路，集成于一块标准尺寸的PCB板。其特征是每个模块板的控制器控制着该板上多个级联的低压子模块，每个子模块包括各自上下串联的开关器件IGBT、与各对IGBT并联作为直流电源的的电容器。
本发明的一种模拟多电平电压源换流器MMC子模块的集成控制子模块板，其特征在于：
该多子模块板卡为PCB板；
一个机箱内可集成5-20个子模块板卡，板卡之间的主电路和电源回路通过机箱的背板总线进行连接，结构紧凑，可引出多个检测点；
所述主电路包括两个串联的绝缘栅双极型功率管IGBT、电容器、旁路开关和晶闸管；
所述每个多子模块板卡上集成N个使用共用数字控制器的、但子模块主电路相互独立的、按等惯性指数比例缩小的多电平电压源换流器MMC子模块，其中N为自然数；
所述每个板卡的多个MMC子模块共用同一个数字控制芯片、编解码电路、光纤通道；
所述每个板卡的多个MMC子模块共用一个AD采样芯片；
所述每个MMC子模块的主电路之间为级联关系，主电路之间通过板卡上的PCB走线进行连接；
所述每个MMC子模块主电路的结构为：
多个模块于同一板卡上级联的结构，多电平电压源换流器的电路板集成多个等效缩小的多电平电压源换流器MMC子模块，所述子模块的主电路中：两个串联的带反并联二极管的绝缘栅双极型功率管IGBT，所述绝缘栅双极型功率管IGBT可用低压金氧半场效晶体管MOSFET代替，作为可投入可切除的有极性电解电容器，两个串联的IGBT中的上IGBT的发射极连接下IGBT的源极，并联电容器的正极连接上IGBT的集电极，负极连接下IGBT的发射极，均压电阻与并联电容并联，所述多个子模块同时投入串联回路时，相同阻值的电阻也为串联，起着均衡模块电压的作用；
所述子模块与外部电路的连接从所述下IGBT的正负极分别引出；
所述主电路的上下两个IGBT脉冲为互锁关系，电容电压稳定时，如果给上IGBT发送开通指令，下IGBT则关断，则从外部电路看，子模块电压为电容电压；如果给上IGBT发送关断指令，则下IGBT导通，从外部电路看，子模块电压为接近于零，于是子模块在串联电路中的电平可任意控制为零或电容电压；
还具有子模块电压检测电路，测量的是每个电容的端电压，子模块电压检测电路检测电容电压并传给电路板上多个子模块共用的数字处理器，运行中子模块的电容由IGBT控制是否将其串入电路的桥臂；
所述主电路中的晶闸管的作用是保护IGBT；
所述旁路开关的作用是当子模块出现故障时，能够将该子模块从大量的串联模块中旁路，同时保持其他模块的电流通路；
所述多个子模块共用的数字控制芯片和解码芯片对多个串联子模块的电容电压值进行整理，并将其与各个IGBT驱动芯片反馈的状态一起编码后，通过光纤通道送给上层控制系统；光纤通道还负责将上层控制系统确定的各个子模块的IGBT、晶闸管和旁路开关的开通/闭锁指令送至子模块电路板。
其中，子模块板集成了多个级联的子模块，每个子模块由小型低压元器件组成，每个低压元件的参数是通过精确的算法，在时间常数上等同于大容量的柔性直流输电用MMC模块，每个电路板上可继承1至N个不等的串联子模块，其中N为自然数。
其中，多个逻辑上独立的子模块采用同一个多通道电压采样电路和数字处理器，即同一个采样电路检测多个子模块的电容电压，完成AD转换后送给PCB板上的数字处理器，该数字处理器按照自己的逻辑处理，或者通过通信接口和上级控制器通信后，再根据上级命令对各子模块进行开关元件控制、工作状态监测和保护。
其中，多个子模块板采用一个直流开关电源供电，该电源进入不同板卡后，再经过不同的开关电源模块为不同的子模块供电，同一子模块的上下IGBT之间也采取相互隔离的电源模块进行供电。
其中，所述电源模块是24V的开关电源模块，每个电路板上具有多个隔离的电源模块，负责控制芯片、驱动芯片、采样芯片和电路损耗的供电。
本发明的有益效果是：
本发明的集成子模块板可满足MMC低压试验换流阀对大量子模块级联的要求，在一块PCB板卡上集成了单个处理器控制的多个子模块，故通信和控制脉冲一致性好；再通过串联不同的PCB板数，可搭建不同级联模块数的低压试验换流器，。此外，本发明也首次解决了多个模块的隔离供电问题，是最有效率的供电方式。并且：
1.本发明的MMC换流阀试验用集成子模块板设计成熟，具有高可靠性和电磁兼容性；
2.本发明的集成子模块板采用一块数字处理器控制该板卡上的多个子模块，时序一致性好，且减少了昂贵的数字控制器；
3.本发明的集成子模块板大大降低了独立子模块之间连接端子造成的损耗；
4.本发明的继承子模块所用等惯性指数方法、等时间常数法对大容量MMC模块进行缩小模拟，该模拟方法精确，可直接用于验证控制系统特性。
5.本发明的多个子模块板之间采用标准机箱背板走线的方式，主电路和电源均采用背板走线，且引出所有测试点，便于按装调试。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是本发明电路板的详细功能示意图，在一块集成子模块板卡上，采用一个数字控制器，控制多个等模比缩小的MMC子模块。
图2是多个子模块板卡通过机箱背板总线进行级联、形成桥臂的拓扑，且由独立的开关电源板为该桥臂上的多个子模块板卡供电。
图3是一块板卡上的数字处理器按照控制策略，并行地对该板上所有子模块进行检测和控制。
附图4是多个集成子模块板卡通过背板构成子模块机箱的拓扑，各子模块板卡的供电电源由背板总线端子提供，板卡之间的电路连接也通过背板总线端子实现。
具体实施方式
如附图1所示为本发明装置的功能示意图，在一块集成子模块板卡上，集成多个子模块，子模块的数量根据板卡的尺寸可以进行调整，如一个2U高度的标准PCB可以集成约2个子模块，6U板卡可集成6-8个子模块。
集成子模块板的特征是其在功能上主要分成四部分：
第一是级联子模块部分，即桥臂电压形成部分和桥臂电流通路。每个子模块可提供直流电压源。当某个子模块上管IGBT关断而下管开通时，该子模块不提供直流电压，桥臂电流从下管IGBT或反并联二极管流通，电容被旁路；当某个子模块下管IGBT关断而上管开通时，电容被投入串联桥臂，桥臂电流流经电容、上IGBT或上二极管，该子模块提供直流电压。
每个子模块的结构如图1右侧所示，主要构成包括带反并联二极管的IGBT模块(可以用MOSFET代替)(S1、S2)、储能电容(C)、并联电阻(R)、供电单元、散热器(图中未画出)、保护用晶闸管(SCR)、旁路开关(K)等。
第二部分是检测和控制器部分，主要由数字处理器(可能为单片机、CPLD、FPGA、DSP等)、电容电压检测和模块板状态检测、开关元件驱动部分组成。
第三部分是通信部分，处理器完成板卡和电压状态的汇总，编码后与上级控制器进行信息交互，并接受来自上级的指令以对本板进行控制。通信方式包括多种形式。
第四部分是供电部分和接口部分，多个板卡以同一个开关电源提供板用电。
本发明发明包括的子模块连接方式并不仅包括图1所示的形式，只要在物理上属于多个模块于同一板卡上级联的结构均属于申请保护范围。
如附图2所示，多个子模块板卡通过机箱背板总线进行级联，形成桥臂，且由独立的开关电源板为该桥臂上的多个子模块板卡供电。而试验换流器与交直流系统交换能量的电流与板用电电源无关，相互独立。
如附图3所示，其特性是一块板卡上的数字处理器按照控制策略，并行地对该板上所有子模块进行检测和控制。某些元件的驱动电路同时还具有回报元件状态的功能，该功能通过向数字处理器的回报而实现。
如附图4所示，本发明申请还包括多个集成子模块板卡通过背板构成子模块机箱的拓扑，此拓扑的特征是各子模块板卡的供电电源由背板总线端子，板卡之间的电路连接也通过背板总线端子实现。其优点是提供了紧凑化、模块化的连接方式，更重要的是避免了大量接线端子带来的损耗和组装困难。
此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。

Claims (5)

1.一种模拟多电平电压源换流器MMC子模块的集成控制子模块板，其特征在于
该多子模块板卡为PCB板；
一个机箱内可集成5-20个子模块板卡，板卡之间的主电路和电源回路通过机箱的背板总线进行连接，结构紧凑，可引出多个检测点；
所述主电路包括两个串联的绝缘栅双极型功率管IGBT、电容器、旁路开关和晶闸管；
所述每个多子模块板卡上集成N个使用共用数字控制器的、但子模块主电路相互独立的、按等惯性指数比例缩小的多电平电压源换流器MMC子模块，其中N为自然数；
所述每个板卡的多个MMC子模块共用同一个数字控制芯片、编解码电路、光纤通道；
所述每个板卡的多个MMC子模块共用一个AD采样芯片；
所述每个MMC子模块的主电路之间为级联关系，主电路之间通过板卡上的PCB走线进行连接；
所述每个MMC子模块主电路的结构为：
多个模块于同一板卡上级联的结构，多电平电压源换流器的电路板集成多个等效缩小的多电平电压源换流器MMC子模块，所述子模块的主电路中：两个串联的带反并联二极管的绝缘栅双极型功率管IGBT，所述绝缘栅双极型功率管IGBT可用低压金氧半场效晶体管MOSFET代替，作为可投入可切除的有极性电解电容器，两个串联的IGBT中的上IGBT的发射极连接下IGBT的源极，并联电容器的正极连接上IGBT的集电极，负极连接下IGBT的发射极，均压电阻与并联电容并联，所述多个子模块同时投入串联回路时，相同阻值的电阻也为串联，起着均衡模块电压的作用；
所述子模块与外部电路的连接从所述下IGBT的正负极分别引出；
所述主电路的上下两个IGBT脉冲为互锁关系，电容电压稳定时，如果给上IGBT发送开通指令，下IGBT则关断，则从外部电路看，子模块电压为电容电压；如果给上IGBT发送关断指令，则下IGBT导通，从外部电路看，子模块电压为接近于零，于是子模块在串联电路中的电平可任意控制为零或电容电压；
还具有子模块电压检测电路，测量的是每个电容的端电压，子模块电压检测电路检测电容电压并传给电路板上多个子模块共用的数字处理器，运行中子模块的电容由IGBT控制是否将其串入电路的桥臂；
所述主电路中的晶闸管的作用是保护IGBT；
所述旁路开关的作用是当子模块出现故障时，能够将该子模块从大量的串联模块中旁路，同时保持其他模块的电流通路；
所述多个子模块共用的数字控制芯片和解码芯片对多个串联子模块的电容电压值进行整理，并将其与各个IGBT驱动芯片反馈的状态一起编码后，通过光纤通道送给上层控制系统；光纤通道还负责将上层控制系统确定的各个子模块的IGBT、晶闸管和旁路开关的开通/闭锁指令送至子模块电路板。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于子模块板集成了多个级联的子模块，每个子模块由小型低压元器件组成，每个低压元件的参数是通过精确的算法，在时间常数上等同于大容量的柔性直流输电用MMC模块，每个电路板上可继承1至N个不等的串联子模块，其中N为自然数。
3.根据权利要求1-2中任一所述的装置，其特征在于多个逻辑上独立的子模块采用同一个多通道电压采样电路和数字处理器，即同一个采样电路检测多个子模块的电容电压，完成AD转换后送给PCB板上的数字处理器，该数字处理器按照自己的逻辑处理，或者通过通信接口和上级控制器通信后，再根据上级命令对各子模块进行开关元件控制、工作状态监测和保护。
4.根据权利3所述的装置，其特征在于多个子模块板采用一个直流开关电源供电，该电源进入不同板卡后，再经过不同的开关电源模块为不同的子模块供电，同一子模块的上下IGBT之间也采取相互隔离的电源模块进行供电。
5.根据权利4所述的装置，其特征在于所述电源模块是24V的开关电源模块，每个电路板上具有多个隔离的电源模块，负责控制芯片、驱动芯片、采样芯片和电路损耗的供电。
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