CN102237672A - 用于保护多电平变换器的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明名称是“用于保护多电平变换器的系统和方法”。三电平中性点箝位(NPC)变换器(78)包括多个相支路，每个相支路具有至少两个内开关装置(50，52，150，152，250，252)、至少两个外开关装置(48，54，148，154，248，254)、至少两个箝位二极管(56，58，156，158，256，258)和保护电路(80)。内组件故障感测电路(102)在保护电路(80)中用于检测内开关装置(50)或箝位二极管中的任一个中的故障状况。保护电路(80)还包括选通信号生成电路(106)，它配置成为邻近出故障的内开关装置(50)或箝位二极管的相应外开关装置(48)生成接通信号。
Description
技术领域
一般来说，本发明涉及中性点箝位(NPC)或二极管箝位多电平变换器，更具体来说，涉及用于保护多电平变换器的方法。
背景技术
二极管箝位多电平变换器一般用于如变速驱动器(VSD)系统之类的大功率工业应用中，或者用于如太阳能(或光伏)或风力发电系统之类的能量转换应用中。多电平变换器通过通常从电容器电压源得到的若干电压电平来合成正弦电压。三电平变换器包括串联的两个电容器电压。三电平变换器的各相支路具有串联的四个开关装置以及箝制到电容器中心点的两个二极管。
多电平变换器中的开关装置在短路状况期间受到高的电和热应力。例如，如果在开关装置内因电应力或过电流状况而存在大功耗，则开关装置过热，并且可能受到热击穿。一旦开关装置被击穿或破坏，在没有保护措施的情况下，连锁反应可能发生，并且引起变换器桥内的其它开关装置的破坏。用于保护变换器桥的一些技术包括采用缓冲电路或消弧电路。但是，附加硬件的使用是高成本且复杂的解决方案。
因此，希望提供解决上述问题的方法和系统。
发明内容
根据本发明的一个实施例，提供一种三电平中性点箝位(NPC)变换器。三电平NPC变换器包括多个相支路，每个相支路具有至少两个内开关装置、至少两个外开关装置以及至少两个箝位二极管和保护电路。保护电路包括内组件故障感测电路，用以检测内开关装置或箝位二极管中的任一个中的故障状况。在保护电路中还采用选通信号生成电路为邻近出故障的内开关装置或箝位二极管的相应外开关装置生成接通信号。
根据本发明的另一个实施例，提供一种保护三电平电力变换器的方法，所述三电平电力变换器包括DC链路电容器以及包含开关装置的相支路，并且连接到电力网。该方法包括：通过经由网络阻抗使电力网短路，并且断开所述开关装置中的至少一些开关装置，来阻止至少一个DC链路电容器充电。
根据本发明的又一个实施例，提供一种用于三电平NPC变换器的保护电路，所述三电平NPC变换器包括多个相支路，每个相支路具有至少两个内开关装置、至少两个外开关装置以及至少两个箝位二极管。保护电路包括内组件故障感测电路，用以检测内开关装置或箝位二极管中的任一个中的故障状况。保护电路还包括选通信号生成电路，它为邻近出故障的内开关装置或箝位二极管的相应外开关装置生成接通信号，以及为三电平NPC变换器中的其余开关装置生成断开信号。
附图说明
当参照附图阅读以下详细描述时，会更好地理解本发明的这些及其它特征、方面和优点，附图中，相似的符号在附图中通篇表示相似的部分，其中：
图1是常规中性点箝位多电平变换器的一个相支路的电路图和输出波形；
图2是连接到电力网的三相三电平NPC变换器的电路图，示出在半导体故障短路的情况下的电流通路；
图3是根据本发明的一个实施例、连接到电力网的三相三电平NPC变换器的电路图，示出配备保护电路时的不同电流通路；
图4是根据本发明的一个实施例、具有保护电路、连接到单相电源的单相三电平NPC变换器的电路图；以及
图5是根据本发明的一个实施例的保护电路的框图。
具体实施方式
正如下面详细论述的，本发明的实施例使多电平变换器能够采用保护方案将直流(DC)电变换为交流(AC)电。对于三电平中性点箝位(NPC)变换器，当内开关装置(图1的18或20)或者箝位二极管(图1的24或26)出故障时，存在关键故障模式。在这种状况下，DC链路的一半，即图1中的V1或V2，被充电到机器的峰值线间电压或者电网侧电压。这个值通常高于开关装置和电容器的最大容许阻止电压。因此，这将使附加开关装置、特别是连接到相同DC母线的相支路中的开关装置在最初开关装置出故障之后出故障。本发明的保护方案提供一种适当的控制逻辑，它使用现有半导体开关来保护连接到相同DC母线的相支路中的开关装置。
图1示出常规中性点箝位(NPC)或二极管箝位三电平变换器的一个支路或一相的示意图10及其输出波形12。三电平变换器的一个支路14包括四个开关装置16、18、20和22以及两个二极管24和26。输入电压V1和V2被控制成各具有等于Vdc/2的电压，其中Vdc是总DC链路电压。电压V3是相对DC链路30的中心点28所测量的相A输出电压。开关装置16与开关装置20互补，使得当开关装置16导通时，开关装置20不导通，反之亦然。类似地，开关装置18和22是互补的。
在操作中，NPC三电平变换器的各支路具有三个开关阶段。在第一开关阶段，开关装置16和18接通，而开关装置20和22断开。假定稳定操作，V1＝V2＝Vdc/2，并且V3变成Vdc/2。在第二开关阶段，开关装置18和20接通，而开关装置16和22断开。在这一阶段，V3等于0。在第三开关阶段，开关装置16和18断开，而开关装置20和22接通。这使V3变成-Vdc/2，如波形12中所示。因此，能够看到，相电压V3具有三种电平Vdc/2、-Vdc/2和0。当组合NPC三相变换器的全部三个支路时，则所得到的线间电压具有5个电平，即Vdc、Vdc/2、0、-Vdc/2和-Vdc。图1的三电平变换器14可增加到任何电平，这取决于电路拓扑以及电路中的开关装置和二极管的数量。随着变换器中的电平数量增加，变换器的输出波形接近纯正弦波，从而得到输出电压中的较低谐波。
图2示出连接到电力网60的三相三电平NPC变换器42的电路图40。NPC变换器42包括具有顶电容器44和底电容器46的分裂DC链路以及各与不同的相关联的三个支路。如前面所述，变换器42的各相包括两个外开关装置和两个内开关装置，例如，分别是用于相C的外开关装置48和54以及内开关装置50和52、用于相B的外开关装置148和154以及内开关装置150和152、用于相A的外开关装置248和254以及内开关装置250和252。此外，各支路包括用于相C的两个箝位二极管56和58、用于相B的两个箝位二极管156和158以及用于相A的两个箝位二极管256和258。NPC变换器42连接到电力网60。在一个实施例中，NPC变换器42可通过变压器或电网阻抗70、72和74连接到电力网60。在另一个实施例中，不是连接到电力网，而是NPC变换器可连接到诸如电动机或发电机之类的负载(未示出)。
在正常操作期间，NPC变换器42将输入DC电变换成输出AC电，并且将其传递给电网或负载。在一个实施例中，对NPC变换器输入的DC电可由诸如光伏电池、燃料电池或蓄电池源之类的电源(未示出)来提供。电容器44和46则分别被充电到等于Vdc/2的电压V1、V2，其中Vdc是额定DC链路电压。
在一个实施例中，NPC变换器42还能够作为有源整流器来操作，以便将AC电变换成DC电。在另一个实施例中，利用具有公共DC母线的两个NPC变换器的背对背连接。在这个实施例中，第一NPC变换器将AC电变换成公共DC母线的电力，以及第二NPC变换器将DC电变换成AC电。这个实施例用于将具有某个电压和频率的AC电变换成具有不同电压和/或频率的第二AC电。可能的应用是变换来自变速电源(例如风轮机或小型水电站)的AC电，以供固定频率的AC电力网使用。
图2还示出变换器42中的故障状况，其中相C的内开关装置50故障短路(由参考标号62表示)。此状况可作为诸如例如内开关装置50的热击穿、内开关装置50的电压击穿、因宇宙射线引起的故障以及因开关装置的不良制造引起的故障之类的出现的结果而发生。当检测到开关装置50的击穿时，阻止到其余开关装置的开关脉冲，即，其余开关装置被断开。但是，由于存在电力网60，所以顶开关装置的续流二极管149、151、249和251保持导通。相A和相B电流分别通过续流二极管149、151和249、251进入顶电容器44，并且来自顶电容器44的输出电流通过箝位二极管56和短路的开关装置50进入相C。因此，顶电容器44通过三相电流通路64、66和68充电到电网侧的峰值线间电压或者机器侧电压。峰值线间电压可高达顶电容器44的标称工作电压(Vdc/2)的两倍，它高于NPC变换器中使用的开关装置和电容器的最大容许阻止电压。由于其余开关装置观测到高于其阻止电压的电压，所以这些状况引起连接到公共DC母线的所有相支路(即，不仅仅是具有出故障的内开关的相支路)中的其它开关装置的过电压状况和故障。
图3示出根据本发明的一个实施例、具有桥保护电路80的三相三电平NPC变换器78。应当指出，即使针对三相变换器来说明保护电路，它也能用于不同类型的变换器，其中一个示例包括单相变换器。在操作中，该电路检测内开关装置50、52、150、152、250和252以及箝位二极管56、58、156、158、256和258的故障。在检测到装置或箝位二极管其中之一的故障时，该电路向相应相邻外开关装置发送选通信号以接通该装置，并且向NPC变换器的其余内和外开关装置发送选通信号以断开那些开关装置。例如，如果该电路检测到内开关装置50或箝位二极管56故障短路，则它发送接通邻近外开关装置48的选通信号以及断开其余开关装置52、54、148、150、152、154、248、250、252和254的选通信号。应当指出，本文所述的开关装置可包括例如，诸如IGBT、IGCT、MCT、MTO和MOSFET之类的装置。这类装置可由任何适当的半导体材料(其中硅和碳化硅是两个非限制性的示例)来制造。
在一个实施例中，除了以上所述的那些之外，桥保护电路80可使用其它测量结果和逻辑信号来检测故障模式并且确定保护策略。作为一个示例，其它测量结果可包括相电流测量结果、相电压测量结果和DC母线电压测量结果。
开关装置的上述开关通过电网阻抗70、72和74、相B的续流二极管149和151、相C的续流二极管249和251、外开关装置48以及短路的内开关装置50使电力网终端或负载终端短路。从图3可看到，新的相电流82、84和86没有经过顶电容器44，因此不对它充电。因此，顶电容器44没有被充电到高于其额定值、即Vdc/2的电压。这个控制操作防止连接到相同DC母线的相支路(除了已经出故障的相支路之外)因过电压引起的故障。例如，对于图3，相A和相B在相C出故障的情况下会受到保护。应当指出，出故障的内开关装置50和邻近的外开关装置48将承载短路电流Isc，而其它开关装置148、150、248和250仅承载短路电流的一半，即Isc/2。短路电流的值取决于电网阻抗70、72和74。在某些实施例中，短路电流Isc可高于开关装置的额定电流。由于相邻开关装置48承载电流Isc，所以邻近的开关装置48可因过电流或过热状况而出故障。但是，NPC变换器的相支路(各包括四个开关装置和两个二极管)一般各作为单个单元来封装，使得如果该单元中的四个开关装置或两个二极管中的任一个出故障，则更换整个单元。因此，即使开关装置48在开关装置50出故障之后出故障，这种故障也不会引起任何增加的成本。因此，避免顶电容器44的过充电产生对其余相支路中的开关装置的保护。
图4示出根据本发明的一个实施例、具有桥保护电路202的单相三电平NPC变换器200。NPC变换器200包括两个相支路，其中包括用于左支路的外开关装置210、216和用于右支路的外开关装置222、236，以及用于左支路的内开关装置212、214和用于右支路的内开关装置228、232。NPC变换器200还包括用于各支路的两个箝位二极管，即，用于左支路的箝位二极管218、220和用于右支路的箝位二极管224、234。在正常操作期间，单相电压源204同等地对DC链路电容器206和208充电。但是，当如内开关装置212之类的内组件故障短路(由参考标号205表示)时，在没有保护电路202的情况下，电容器206充电到单相交流(AC)电压的峰值。由于峰值单相AC电压通常高于NPC变换器中使用的开关装置的最大容许阻止电压，所以这些开关装置的故障可因过电压而发生。
当桥保护电路202检测到内组件、即内开关装置或箝位二极管的故障时，它向邻近的外开关装置提供接通选通信号以及向其余开关装置提供断开选通信号。因此，在当前情况下，桥保护电路202为开关装置210提供接通信号，以及为其余开关装置214、216、222、228、232和236提供断开选通信号。这种状况使单相电压源204短路，并且短路电流流经相阻抗238和240、续流二极管226和230以及开关装置210和212。因此，顶电容器206没有充电到高于其额定电压的电压。
图5示出根据本发明的一个实施例的桥保护电路100。电路输入可包括相电流测量结果101、相电压测量结果105、DC链路电压测量结果103以及来自用于各种开关装置的各种门驱动电路的反馈信号。电路100包括内组件故障感测电路102、外开关装置确定电路104和选通信号生成电路106。应当指出，即使桥保护电路100的各种组件被作为电路列出，它们也能够是处理电路程序或算法的一部分。在一个实施例中，电路100是正常状况期间采用的NPC变换器的现有处理电路的一部分。
当内组件之一、如内开关装置或箝位二极管故障短路时，内组件故障感测电路102生成信号。例如，如果图3的开关装置50故障短路，则电路102生成指示其故障的信号，并且将该信号传递给外开关装置确定电路104。电路104则确定哪一个外开关装置与出故障的内开关装置相邻。在一个实施例中，代替外开关装置确定电路104，软件可编程为对于内开关装置和箝位二极管中每一个存储邻近的外开关装置。对于本例，电路104确定开关装置48是与出故障的开关装置50邻近的外开关装置，然后将这个信息传送给选通信号生成电路106。选通信号生成电路则向邻近的外开关装置50提供接通信号，以及向其余开关装置52、54、148、150、152、154、248、250、252和254提供断开信号。
所提出方案的优点之一在于，它在内开关装置或箝位二极管其中之一已经出故障时防止整个NPC变换器桥出故障，而无需附加硬件。
虽然本文仅说明和描述了本发明的某些特征，但是本领域的技术人员会想到许多修改和变更。因此要理解，所附权利要求意在涵盖落入本发明的真实精神之内的所有这类修改和变更。
元件列表
10 常规中性点箝位(NPC)三电平变换器的一个支路的示意图
12 常规NPC三电平变换器的输出波形
14 NPC三电平变换器的一个支路
16，18，20，22 开关装置
24，26 二极管
28 DC链路的中心点
30 DC链路
40 连接到电力网的三相三电平NPC变换器的电路图
42 三相三电平NPC变换器
44 顶电容器
46 底电容器
48，54，148，154，248，254 外开关装置
50，52，150，152，250，252 内开关装置
56，58，156，158，256，258 箝位二极管
60 电力网
70，72，74 电网阻抗
62 短路表示
64，66，68 相电流通路
149，151，249，251 续流二极管
78 三电平NPC变换器
80 桥保护电路
82，84，86 新的相电流通路
200 单相三电平NPC变换器
202 桥保护电路
204 单相电压源
206，208 DC链路电容器
210，216，222，236 外开关装置
212，214，228，232 内开关装置
218，220，224，234 箝位二极管
205 短路表示
226，230 续流二极管
238，240 链路阻抗
100 桥保护电路
101 相电流测量结果
105 相电压测量结果
103 DC链路电压测量结果
107 来自门驱动电路的反馈信号
102 内组件故障感测电路
104 外开关装置确定电路
106 选通信号生成电路
Claims (10)
1.一种三电平中性点箝位(NPC)变换器(78)，包括：
多个相支路，每个相支路具有至少两个内开关装置(50，52，150，152，250，252)、至少两个外开关装置(48，54，148，154，248，254)和至少两个箝位二极管(56，58，156，158，256，258)；以及
保护电路(80)，其中包括：
内组件故障感测电路(102)，用来检测所述内开关装置(50)或箝位二极管中的任一个中的故障状况，
选通信号生成电路(106)，配置成为邻近出故障的内开关装置(50)或者出故障的箝位二极管的相应外开关装置(48)生成接通信号。
2.如权利要求1所述的三电平NPC变换器，其中，在检测到所述故障状况时，所述选通信号生成电路还配置成为所述三电平NPC变换器中的其余开关装置生成断开信号。
3.如权利要求1所述的三电平NPC变换器，其中，所述三电平变换器包括单相三电平变换器(200)。
4.如权利要求1所述的三电平NPC变换器，其中，所述三电平变换器包括三相三电平变换器(78)。
5.如权利要求1所述的三电平NPC变换器，其中，所述内开关装置和外开关装置选自IGBT、IGCT、MCT、MTO和MOSFET。
6.一种保护三电平电力变换器(78)的方法，所述三电平电力变换器(78)包括DC链路电容器(44，46)以及包含开关装置(50，52，150，152，250，252，48，54，148，154，248，254)的相支路，并且连接到电力网(60)，所述方法包括：
通过经由网络阻抗(70，72，74)使所述电力网(60)短路，并且断开所述开关装置中的至少一些开关装置，来阻止至少一个DC链路电容器(78)充电。
7.如权利要求6所述的方法，其中，阻止包括接通所述三电平变换器的出故障的内组件的邻近外开关装置。
8.如权利要求7所述的方法，还包括断开所述三电平变换器中的其余开关装置。
9.一种用于三电平中性点箝位(NPC)变换器(78)的保护电路，所述三电平NPC变换器(78)包括多个相支路，每个相支路具有至少两个内开关装置(50，52，150，152，250，252)、至少两个外开关装置(48，54，148，154，248，254)和至少两个箝位二极管(56，58，156，158，256，258)，所述保护电路(80)包括：
内组件故障感测电路(102)，用来检测所述内开关装置(50)或箝位二极管中的任一个中的故障状况；
选通信号生成电路(106)，配置成为邻近出故障的内开关装置(50)或者出故障的箝位二极管的相应外开关装置(48)生成接通信号，以及为所述三电平NPC变换器中的其余开关装置生成断开信号。
10.如权利要求9所述的保护电路，其中，所述内开关装置和外开关装置选自IGBT、IGCT、MCT、MTO和MOSFET。
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