CN103063888A - 一种mmc阀过流关断试验的触发时序系统及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MMC阀过流关断试验的触发时序系统及其试验方法，系统包括上位机、试验控制器和过流关断试验装置；上位机通过CAN总线和试验控制器通信，用于监视子模块试验状态、设置试验方式和试验参数以及操作试验过程；试验控制器通过CAN总线和上位机通信，并生成子模块过流试验的触发时序脉冲；试验控制器和试品阀的子模块控制器之间采用光纤通信，每一个子模块控制器和试验控制器之间的通信光纤为两根，通信协议采用HDLC通信方式；子模块控制器负责根据试验控制器发送过来的控制命令，控制子模块中IGBT的开通和关断。本发明使子模块的IGBT子模块同时触发，以验证子模块是否具有识别出当前处于直通状态并闭锁子模块，从而保证子模块本身的安全性。

Description

一种MMC阀过流关断试验的触发时序系统及其试验方法

技术领域

本发明涉及过流试验的触发时序设备，具体涉及一种MMC阀过流关断试验的触发时序系统及其试验方法。

背景技术

在大功率电力电子领域，电力电子设备在应用于电力系统中需要进行行业指定的试验项目，模块化多电平方式的柔性直流输电换流阀由功率子模块组成，功率子模块的型式试验项目需要进行过流试验，以保证子模块在发生误触发过流时设备可以安全运行。

功率子模块为半桥式拓扑结构，结构图如图1所示，功率子模块由两个IGBT（S1和S2）、一个电容器以及子模块控制板组成。功率子模块的IGBT包括四种触发组合，（1）S1和S2都处于关断状态；（2）S1开通，S2关断；（3）S1关断，S2开通；（4）S1和S2都处于开通状态。其中第四种状态将使子模块处于过流状态，从而造成电容器短路，因此子模块设计过程中必须保证在出现第（4）种状态时，子模块能够自我识别出这种状态并闭锁S1和S2，保证子模块不出现短路直通的状态，从而保证子模块的安全运行。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种MMC阀过流关断试验的触发时序系统及其试验方法，该装置使子模块的IGBT子模块同时触发，以验证子模块是否具有识别出当前处于直通状态并闭锁子模块，从而保证子模块本身的安全性。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种MMC阀过流关断试验的触发时序系统，其改进之处在于，所述系统包括上位机、试验控制器和过流关断试验装置；

所述上位机通过CAN总线和试验控制器通信，通信速率为1Mbps，用于监视子模块试验状态、设置试验方式和试验参数以及操作试验过程；

所述试验控制器通过CAN总线和上位机通信，接收上位机下发的试验方式和试验参数，根据试验要求生成子模块过流试验的触发时序脉冲；

所述试验控制器和过流关断试验装置中试品阀的子模块控制器之间采用光纤通信，每一个子模块控制器和试验控制器之间的通信光纤为两根，一根为发送光纤；另一根为接收光纤，通信协议采用HDLC通信方式，协议为IEC60044-8；

所述子模块控制器负责根据试验控制器发送过来的控制命令，控制子模块中IGBT模块的开通和关断。

其中，所述过流关断试验装置包括过试品阀、负载回路、充电电源和控制器；所述试品阀、负载回路和充电电源依次连接；所述试验控制器用于控制试品阀和负载回路。

其中，所述试品阀包括串联的第一子模块和第二子模块；

所述第一子模块包括IGBT模块T₁₁、IGBT模块T₁₂、晶闸管T₁和电容C_SM1；所述IGBT模块T₁₁和所述IGBT模块T₁₂串联后与所述电容C_SM1并联，所述晶闸管T₁和所述IGBT模块T₁₂并联；

第二子模块包括IGBT模块T₂₁、IGBT模块T₂₂、晶闸管T₂和电容C_SM2；所述IGBT模块T₂₁和所述IGBT模块T₂₂串联后与所述电容C_SM2并联，所述晶闸管T₂和所述IGBT模块T₂₂并联；

串联的IGBT模块T₁₁和IGBT模块T₁₂的中间点引出端子，为第一子模块的高压输出端A₁₁；

串联的IGBT模块T₂₁和IGBT模块T₂₂的中间点和所述IGBT模块T₁₂连接，并引出端子，为第二子模块高压输出端A₂₁；

所述电容C_SM2的正极引出端子，为第二子模块电容高压端A₁₂；

所述电容C_SM2的负极引出端子，为第二子模块低压输出端A₂₂；

所述IGBT模块T₁₁、IGBT模块T₁₂、IGBT模块T₂₁和IGBT模块T₂₂均包括反并联的二极管和IGBT器件。

其中，所述负载回路包括切换开关K_T1、切换开关K_T2、负载支路I和负载支路II；

所述负载支路I与负载支路II并联后两端引出端子，分别为B₁和B₂；端子B₁和B₂分别接切换开关K_T1和切换开关K_T2；所述切换开关K_T1选择第一子模块的高压输出端A₁₁或第二子模块电容高压端A₂₁；所述切换开关K_T2选择第二子模块高压输出端A₁₂或第二子模块低压输出端A₂₂。

其中，所述负载支路I包括串联的开关K₁和负载电抗器L₁；

所述负载支路II包括串联的开关K₂和负载电抗器L₂。

其中，所述充电电源与负载支路I并联，其正极与切换开关K_T1连接，负极接地后与所述第二子模块低压输出端A₂₂连接。

本发明基于另一目的提供的一种MMC阀过流关断试验的触发时序系统的试验方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：

（1）根据选择的试验方式选择试验装置的接线方式，装置接线完毕后，上位机设置对应的试验方式和试验参数；

（2）将试品阀和负载回路分别与充电电源连接，为试品阀充电；

（3）试验控制器进入试验脉冲发生阶段，根据设定的试验方式和接线方式产生触发脉冲；

（4）闭合试品阀放电开关，使试品阀中的电容放电，试验结束。

其中，所述步骤（2）中，将试品阀和负载回路分别与充电电源连接，为试品阀充电包括：将切换开关K_T1与试品阀第一子模块的高压输出端连接，切换开关K_T2与试品阀第二子模块的低压输出端连接，投入充电回路，给试品阀的第一子模块和第二子模块充电，直至试验要求电压后断开所述切换开关K_T1和所述切换开关K_T2。

其中，所述步骤（3）中，试验方式和接线方式选择试品阀为试验对象，并将负载回路的切换开关对应改动，试验方式和接线方式包括：

①若试验对象为所述试品阀的第一子模块上管IGBT模块T₁₁，切换开关K_T1使端子B₁与试品阀第一子模块的电容高压端A₁₁连接，切换开关K_T2使端子B₂与试品阀第二子模块的高压输出端A₂₁连接；触发脉冲对第二子模块上管IGBT模块T₁₁触发；

②若试验对象为所述试品阀的第二子模块下管IGBT模块T₂₂，切换开关K_T1使端子B₁与试品阀第二子模块高压输出端A₁₂连接，切换开关K_T2使端子B₂与试品阀第二子模块低压输出端A₂₁连接；触发脉冲对第二子模块下管IGBT模块T₂₂触发；

③若试验对象为所述试品阀的第一个子模块下管IGBT模块T₁₂和第二子模块上管IGBT模块T₂₁，切换开关K_T1使端子B₁与试品阀第一子模块的高压输出端A₁₁连接，切换开关K_T2使端子B₂与试品阀第二子模块低压输出端A₂₂连接；触发脉冲对第一个子模块下管IGBT模块T₁₂和第二子模块上管IGBT模块T₂₁触发。

其中，所述步骤（3）中，所述试验控制器根据步骤（2）中的试验方式和接线方式产生所需的触发脉冲；生成的触发脉冲根据下述脉冲宽度设定：

<1>试验对象为单个IGBT模块，进行单波次试验时，触发脉冲为单个脉冲，其脉冲宽度为10ms；

<2>试验对象为单个IGBT模块，进行多波次试验时，触发脉冲为多个脉冲，其脉冲宽度为1ms，脉冲间隔时间为1~10ms；

<3>试验对象为两个IGBT模块，进行单波次试验或多波次试验时，触发脉冲为多个脉冲，其脉冲宽度为10ms，脉冲间隔时间为20~100ms。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

1、本发明设计的触发时序系统通过分层设计了试验控制器，实现了过流试验装置所要求的试验脉冲产生。为MMC换流阀的子模块提供了可靠的过流型式试验手段。

2、通过试验控制器负责完成试验脉冲的产生，本触发时序系统通过试验电路的不同连接方式可以满足对子模块多种试验。控制器可有效的选择不同的试验方式，分别对子模块的上管IGBT和下管IGBT进行试验，并可以对多个模块的进行过流试验。

3、通过设置试验参数和波形方式，试验装置可以产生不同宽度和不同波次的触发脉冲，有效的检验子模块在复杂运行工况下子模块设计的安全性能。

附图说明

图1是MMC阀的子模块结构图；

图2是本发明提供的MMC阀过流关断试验的触发时序系统结构图；

A₁₁端为第一子模块高压输出端；A₂₁端为第二子模块高压输出端；A₁₂端为第二子模块电容高压端；A₂₂端为第二子模块低压输出端；C_SM1、C_SM1分别为第一子模块和第二子模块的电容；T₁和T₂分别为第一子模块和第二子模块的晶闸管；T₁₁、T₁₂为第一子模块的IGBT模块、T₂₁、T₂₂为第二子模块的IGBT模块；K_T1、K_T2为切换开关；K₁、K₂分别为负载支路I和负载支路II的开关；L₁、L₂分别为负载支路I和负载支路II的负载电抗器；E为充电电源；

图3是本发明提供的单波次试验方式IGBT的触发脉冲图；

图4是本发明提供的多波次试验方式脉冲图；

图5是本发明提供的多摸块试验方式脉冲图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明提供的一种MMC阀过流关断试验的触发时序系统结构图如图2所示，MMC阀过流关断试验的触发时序系统由上位机、试验控制器以及过流关断试验装置中试品阀的子模块控制器组成；所述上位机通过CAN总线和试验控制器通信，通信速率为1Mbps，用于监视子模块试验状态、设置试验方式和试验参数以及操作试验过程；

所述试验控制器通过CAN总线和上位机通信，接收上位机下发的试验方式和试验参数，根据试验要求生成子模块过流试验的触发时序脉冲；

所述试验控制器和过流关断试验装置中试品阀的子模块控制器之间采用光纤通信，每一个子模块控制器和试验控制器之间的通信光纤为两根，一根为发送光纤；另一根为接收光纤，通信协议采用HDLC通信方式，协议为IEC60044-8；

所述子模块控制器负责根据试验控制器发送过来的控制命令，控制子模块中IGBT模块的开通和关断。

过流关断试验装置包括过试品阀、负载回路、充电电源和控制器；所述试品阀、负载回路和充电电源依次连接；所述试验控制器用于控制试品阀和负载回路。

试品阀包括串联的第一子模块和第二子模块；所述第一子模块包括IGBT模块T₁₁、IGBT模块T₁₂、晶闸管T₁和电容C_SM1；所述IGBT模块T₁₁和所述IGBT模块T₁₂串联后与所述电容C_SM1并联，所述晶闸管T₁和所述IGBT模块T₁₂并联；

第二子模块包括IGBT模块T₂₁、IGBT模块T₂₂、晶闸管T₂和电容C_SM2；所述IGBT模块T₂₁和所述IGBT模块T₂₂串联后与所述电容C_SM2并联，所述晶闸管T₂和所述IGBT模块T₂₂并联；串联的IGBT模块T₁₁和IGBT模块T₁₂的中间点引出端子，为第一子模块的高压输出端A₁₁；串联的IGBT模块T₂₁和IGBT模块T₂₂的中间点和所述IGBT模块T₁₂连接，并引出端子，为第二子模块高压输出端A₂₁；

所述电容C_SM2的正极引出端子，为第二子模块电容高压端A₁₂；

所述电容C_SM2的负极引出端子，为第二子模块低压输出端A₂₂；

所述IGBT模块T₁₁、IGBT模块T₁₂、IGBT模块T₂₁和IGBT模块T₂₂均包括反并联的二极管和IGBT器件。

负载回路包括切换开关K_T1、切换开关K_T2、负载支路I和负载支路II；负载支路I与负载支路II并联后两端引出端子，分别为B₁和B₂；端子B₁和B₂分别接切换开关K_T1和切换开关K_T2；所述切换开关K_T1选择第一子模块的高压输出端A₁₁或第二子模块电容高压端A₂₁；所述切换开关K_T2选择第二子模块高压输出端A₁₂或第二子模块低压输出端A₂₂。

负载支路I包括串联的开关K₁和负载电抗器L₁；负载支路II包括串联的开关K₂和负载电抗器L₂。

本发明还提供了MMC阀过流关断试验的触发时序系统的试验方法，包括下述步骤：

（1）根据选择的试验方式选择试验装置的接线方式，装置接线完毕后，上位机设置对应的试验方式和试验参数。

（2）将试品阀和负载回路分别与充电电源连接，为试品阀充电；将试品阀和负载回路分别与充电电源连接，为试品阀充电包括：将切换开关K_T1与试品阀第一子模块的高压输出端连接，切换开关K_T2与试品阀第二子模块的低压输出端连接，投入充电回路，给试品阀的第一子模块和第二子模块充电，直至试验要求电压后断开所述切换开关K_T1和所述切换开关K_T2。

（3）试验控制器进入试验脉冲发生阶段，根据设定的试验方式和接线方式产生触发脉冲；

试验方式和接线方式选择试品阀为试验对象，并将负载回路的切换开关对应改动，试验方式和接线方式包括：

①若试验对象为所述试品阀的第一子模块上管IGBT模块T₁₁，切换开关K_T1使端子B₁与试品阀第一子模块的电容高压端A₁₁连接，切换开关K_T2使端子B₂与试品阀第二子模块的高压输出端A₂₁连接；触发脉冲对第二子模块上管IGBT模块T₁₁触发；

②若试验对象为所述试品阀的第二子模块下管IGBT模块T₂₂，切换开关K_T1使端子B₁与试品阀第二子模块高压输出端A₁₂连接，切换开关K_T2使端子B₂与试品阀第二子模块低压输出端A₂₁连接；触发脉冲对第二子模块下管IGBT模块T₂₂触发；

③若试验对象为所述试品阀的第一个子模块下管IGBT模块T₁₂和第二子模块上管IGBT模块T₂₁，切换开关K_T1使端子B₁与试品阀第一子模块的高压输出端A₁₁连接，切换开关K_T2使端子B₂与试品阀第二子模块低压输出端A₂₂连接；触发脉冲对第一个子模块下管IGBT模块T₁₂和第二子模块上管IGBT模块T₂₁触发。

试验控制器根据步骤（2）中的试验方式和接线方式产生所需的触发脉冲；生成的触发脉冲根据下述脉冲宽度设定：

<1>试验对象为单个IGBT模块，进行单波次试验时，触发脉冲为单个脉冲，其脉冲宽度为10ms；如图3所示，为单波次试验方式IGBT的触发脉冲图，其横轴为时间（t），纵轴为开关量的幅值，即0和1。

<2>试验对象为单个IGBT模块，进行多波次试验时，触发脉冲为多个脉冲，其脉冲宽度为1ms，脉冲间隔时间为1~10ms；如图4所示，为多波次试验方式脉冲图，其横轴为时间（t），纵轴为开关量的幅值，即0和1。

<3>试验对象为两个IGBT模块，进行单波次试验或多波次试验时，触发脉冲为多个脉冲，其脉冲宽度为10ms，脉冲间隔时间为20~100ms。如图5所示，为多摸块试验方式脉冲图，其横轴为时间（t），纵轴为开关量的幅值，即0和1。

（4）闭合试品阀放电开关，使试品阀中的电容放电，试验结束。

本发明设计的试验电路用于子模块过流试验的试验触发机制，用于对子模块的相关指标进行测试，可以选择的单模块方式、双模块（多模块）方式进行试验，同时可以选择单脉冲和多脉冲触发模式。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种MMC阀过流关断试验的触发时序系统，其特征在于，所述系统包括上位机、试验控制器和过流关断试验装置；

所述上位机通过CAN总线和试验控制器通信，通信速率为1Mbps，用于监视子模块试验状态、设置试验方式和试验参数以及操作试验过程；

所述试验控制器通过CAN总线和上位机通信，接收上位机下发的试验方式和试验参数，根据试验要求生成子模块过流试验的触发时序脉冲；

所述试验控制器和过流关断试验装置中试品阀的子模块控制器之间采用光纤通信，每一个子模块控制器和试验控制器之间的通信光纤为两根，一根为发送光纤；另一根为接收光纤，通信协议采用HDLC通信方式，协议为IEC60044-8；

所述子模块控制器负责根据试验控制器发送过来的控制命令，控制子模块中IGBT模块的开通和关断。

2.如权利要求1所述的触发时序系统，其特征在于，所述过流关断试验装置包括过试品阀、负载回路、充电电源和控制器；所述试品阀、负载回路和充电电源依次连接；所述试验控制器用于控制试品阀和负载回路。

3.如权利要求1所述的触发时序系统，其特征在于，所述试品阀包括串联的第一子模块和第二子模块；

所述第一子模块包括IGBT模块T₁₁、IGBT模块T₁₂、晶闸管T₁和电容C_SM1；所述IGBT模块T₁₁和所述IGBT模块T₁₂串联后与所述电容C_SM1并联，所述晶闸管T₁和所述IGBT模块T₁₂并联；

第二子模块包括IGBT模块T₂₁、IGBT模块T₂₂、晶闸管T₂和电容C_SM2；所述IGBT模块T₂₁和所述IGBT模块T₂₂串联后与所述电容C_SM2并联，所述晶闸管T₂和所述IGBT模块T₂₂并联；

串联的IGBT模块T₁₁和IGBT模块T₁₂的中间点引出端子，为第一子模块的高压输出端A₁₁；

串联的IGBT模块T₂₁和IGBT模块T₂₂的中间点和所述IGBT模块T₁₂连接，并引出端子，为第二子模块高压输出端A₂₁；

所述电容C_SM2的正极引出端子，为第二子模块电容高压端A₁₂；

所述电容C_SM2的负极引出端子，为第二子模块低压输出端A₂₂；

所述IGBT模块T₁₁、IGBT模块T₁₂、IGBT模块T₂₁和IGBT模块T₂₂均包括反并联的二极管和IGBT器件。

4.如权利要求2所述的触发时序系统，其特征在于，所述负载回路包括切换开关K_T1、切换开关K_T2、负载支路I和负载支路II；

所述负载支路I与负载支路II并联后两端引出端子，分别为B₁和B₂；端子B₁和B₂分别接切换开关K_T1和切换开关K_T2；所述切换开关K_T1选择第一子模块的高压输出端A₁₁或第二子模块电容高压端A₂₁；所述切换开关K_T2选择第二子模块高压输出端A₁₂或第二子模块低压输出端A₂₂。

5.如权利要求4所述的触发时序系统，其特征在于，所述负载支路I包括串联的开关K₁和负载电抗器L₁；

所述负载支路II包括串联的开关K₂和负载电抗器L₂。

6.如权利要求2所述的触发时序系统，其特征在于，所述充电电源与负载支路I并联，其正极与切换开关K_T1连接，负极接地后与所述第二子模块低压输出端A₂₂连接。

7.一种MMC阀过流关断试验的触发时序系统的试验方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

（1）根据选择的试验方式选择试验装置的接线方式，装置接线完毕后，上位机设置对应的试验方式和试验参数；

（2）将试品阀和负载回路分别与充电电源连接，为试品阀充电；

（3）试验控制器进入试验脉冲发生阶段，根据设定的试验方式和接线方式产生触发脉冲；

（4）闭合试品阀放电开关，使试品阀中的电容放电，试验结束。

8.如权利要求7所述的试验方法，其特征在于，所述步骤（2）中，将试品阀和负载回路分别与充电电源连接，为试品阀充电包括：将切换开关K_T1与试品阀第一子模块的高压输出端连接，切换开关K_T2与试品阀第二子模块的低压输出端连接，投入充电回路，给试品阀的第一子模块和第二子模块充电，直至试验要求电压后断开所述切换开关K_T1和所述切换开关K_T2。

9.如权利要求7所述的试验方法，其特征在于，所述步骤（3）中，试验方式和接线方式选择试品阀为试验对象，并将负载回路的切换开关对应改动，试验方式和接线方式包括：

①若试验对象为所述试品阀的第一子模块上管IGBT模块T₁₁，切换开关K_T1使端子B₁与试品阀第一子模块的电容高压端A₁₁连接，切换开关K_T2使端子B₂与试品阀第二子模块的高压输出端A₂₁连接；触发脉冲对第二子模块上管IGBT模块T₁₁触发；

②若试验对象为所述试品阀的第二子模块下管IGBT模块T₂₂，切换开关K_T1使端子B₁与试品阀第二子模块高压输出端A₁₂连接，切换开关K_T2使端子B₂与试品阀第二子模块低压输出端A₂₁连接；触发脉冲对第二子模块下管IGBT模块T₂₂触发；

③若试验对象为所述试品阀的第一个子模块下管IGBT模块T₁₂和第二子模块上管IGBT模块T₂₁，切换开关K_T1使端子B₁与试品阀第一子模块的高压输出端A₁₁连接，切换开关K_T2使端子B₂与试品阀第二子模块低压输出端A₂₂连接；触发脉冲对第一个子模块下管IGBT模块T₁₂和第二子模块上管IGBT模块T₂₁触发。

10.如权利要求7所述的试验方法，其特征在于，所述步骤（3）中，所述试验控制器根据步骤（2）中的试验方式和接线方式产生所需的触发脉冲；生成的触发脉冲根据下述脉冲宽度设定：

<1>试验对象为单个IGBT模块，进行单波次试验时，触发脉冲为单个脉冲，其脉冲宽度为10ms；

<2>试验对象为单个IGBT模块，进行多波次试验时，触发脉冲为多个脉冲，其脉冲宽度为1ms，脉冲间隔时间为1~10ms；

<3>试验对象为两个IGBT模块，进行单波次试验或多波次试验时，触发脉冲为多个脉冲，其脉冲宽度为10ms，脉冲间隔时间为20~100ms。

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