CN105119472A - 模块化多电平变换器故障保护及故障检测方法 - Google Patents

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Abstract

为了解决现有技术中的问题，本发明提出了一种模块化多电平变换器故障保护方法，通过构建模块化多电平变换器故障保护电路，在模块单元SM的第一开关管和第二开关管两端分别并联第一压敏电阻和第二压敏电阻，针对二极管d开路故障进行保护，能够可靠的保护模块化多电平变换器中的模块单元。同时提出了一种模块化多电平变换器故障检测方法，通过检测每个SM中的电容<i>Csm</i>的电压<i>uc</i>，如果<i>uc</i>小于设定值<i>uref</i>并且保持时间<i>Δ</i><i>tu</i>，则判断该电容<i>Csm</i>所属的SM出现故障，该方法能够快速的定位发生故障的SM。

Description

模块化多电平变换器故障保护及故障检测方法
技术领域
本发明涉及直流输电技术领域，尤其涉及一种模块化多电平变换器故障保护及故障检测方法。
背景技术
模块化多电平变换器（MMC）的基本功能是实现直流变交流或者交流变直流。MMC可以应用于高压直流传输（HVDC）、静止同步补偿器（STATCOM）、电机驱动、储能领域等。近年来尤其适用于高压直流传输系统。
附图1给出了三相的模块化多电平变换器（MMC）的结构图。三相的MMC分别由相A、相B、以及相C组成，每相分别由上桥臂和下桥臂组成。每个桥臂由n个串联连接的子模块（SM）和一个桥臂电感组成。附图2给出了SM的电路。每个SM分别由2个绝缘栅双极型晶体管（T t 和T b ），2个反向并联的二极管（d t 和d b ），以及一个电容（C sm ）组成。通常在高压直流传输系统的应用中，每个MMC桥臂可能配备了200多个SM模块。
而每个SM模块有一些电力电子元器件组成。这些电力电子元器件均有可能发生故障。但是这些SM故障都应该及时的发现并被切除，而不应该影响MMC的正常运行。通常绝缘栅双极型晶体管T的开路故障、绝缘栅双极型晶体管T的短路故障、二极管d的短路故障对MMC的影响不大，可以很容易的检测以及诊断。但是二极管d的开路故障对MMC的影响很大。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提出了一种模块化多电平变换器故障保护及故障检测方法，通过构建模块化多电平变换器故障保护电路，针对二极管d开路故障进行保护和检测，能够可靠的保护模块化多电平变换器中的模块单元，并且能够快速的定位发生故障的模块单元。
本发明通过以下技术方案实现：
一种模块化多电平变换器故障保护电路，所述模块化多电平变换器包括多个模块单元SM；所述故障保护电路包括SM电路、第一压敏电阻和第二压敏电阻；其中，所述第一压敏电阻并联在所述SM的第一开关管和第一二极管的两端，所述第二压敏电阻并联在所述SM的第二开关管和第二二极管的两端。
作为本发明的进一步改进，所述模块单元SM电路包括第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、电容；其中，所述第一开关管的集电极通过电容与所述第二开关管的发射极相连，所述第二开关管的集电极与所述第一开关管的发射极相连；所述第一开关管的发射极与所述第一二极管的正极相连，所述第一开关管的集电极与所述第一二极管的负极相连；所述第二开关管的发射极与所述第二二极管的正极相连，所述第二开关管的集电极与所述第二二极管的负极相连。
作为本发明的进一步改进，所述第一压敏电阻的一端与所述第一开关管的集电极相连，所述第一压敏电阻的另一端与所述第一开关管的发射极相连；所述第二压敏电阻的一端与所述第二开关管的集电极相连，所述第二压敏电阻的另一端与所述第二开关管的发射极相连。
本发明的另一方面，提供了一种模块化多电平变换器故障保护方法，所述模块化多电平变换器包括多个模块单元SM，在所述SM的第一开关管和第二开关管两端分别并联第一压敏电阻和第二压敏电阻；当所述SM中的二极管开路故障时，二极管两端出现较高的电压，并且此电压超过该二极管两端所连接的压敏电阻的限定值，此时压敏电阻导通，电流经过压敏电阻，压敏电阻旁路掉其所连接的二极管。
本发明的另一方面，提供了一种模块化多电平变换器故障检测方法，所述方法包括：检测每个SM中的电容C sm 的电压u c ；如果u c 小于设定值u ref 并且保持时间Δt u ，则判断该电容C sm 所属的SM出现故障。
附图说明
图1是三相的模块化多电平变换器（MMC）的结构图；
图2是模块单元（SM）的电路图；
图3是本发明的MMC中的SM故障保护电路原理图；
图4是本发明的MMC中的SM故障检测流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
由于MMC包含了大量的SM模块，每个SM模块都有可能出现内部的故障。比如，晶体管故障T、二极管故障d、电容C sm 故障等等。这些故障都有可能影响MMC的运行。在二极管出现开路故障的时候，电路中的电流在某个运行模式会无法流通，此桥臂在开路的二极管两端就会出现开路故障，因而在故障的二极管两端会引起一个非常高的电压，此电压会烧坏SM，甚至周围的SM。因此，二极管d开路故障对MMC的伤害最大，可靠的保护以及故障检测是必备的。
当二极管发生开路故障情况下，在这个二极管所在的SM内，其T t /d t 以及T b /d b 两端均都可能会出现较高的电压。此电压等级远远超过它们正常情况下的电压。因而，这个SM就可能会发生损坏。此损坏可能会引起附近其他SM的连锁损坏。附图3所示是的本发明的模块单元SM中二极管开路故障保护电路，包括现有技术中的模块单元SM以及第一压敏电阻VR t 和第二压敏电阻VR b ，VR t 和VR b 并联在T t /d t 和T b /d b 两端。
模块单元SM电路包括第一开关管T t 、第二开关管T b 、第一二极管d t 、第二二极管d b 、电容C sm 。其中，所述第一开关管的集电极通过电容C sm 与所述第二开关管的发射极相连，所述第二开关管的集电极与所述第一开关管的发射极相连；所述第一开关管的发射极与所述第一二极管的正极相连，所述第一开关管的集电极与所述第一二极管的负极相连；所述第二开关管的发射极与所述第二二极管的正极相连，所述第二开关管的集电极与所述第二二极管的负极相连。
所述第一压敏电阻的一端与所述第一开关管的集电极相连，所述第一压敏电阻的另一端与所述第一开关管的发射极相连；所述第二压敏电阻的一端与所述第二开关管的集电极相连，所述第二压敏电阻的另一端与所述第二开关管的发射极相连。由于压敏电阻在正常运行时，其电阻阻值很大，近似于开路。当压敏电阻两端电压超过其限定值时，此时其阻值很小，近似于短路。因此，当二极管故障时，T t /d t 或者T b /d b 两端出现较高的电压，并且此电压超过压敏电阻的限定值，压敏电阻会导通，此时电流经过压敏电阻，压敏电阻会旁路掉其所连接的T/d。结果，T/d两端的电压被限定住，不会出现很高的电压，因此，不会损坏该SM，也不会损坏其他的SM。
当二极管d开路故障发生，压敏电阻就会导通来阻止出现的高压。由于压敏电阻的导通，电容C sm 和压敏电阻构成了放电电路，电容C sm 就会放电。此时，电容C sm 的电压减小。就是说，故障SM内部的电容电压也会减小。
本发明据此提出了相应的故障检测方法，如附图4所示，检测每个SM中的电容C sm 的电压u c ，如果u c 小于设定值u ref 并且保持时间Δt u ，则判断该电容C sm 所属的SM出现故障。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种模块化多电平变换器故障保护电路，所述模块化多电平变换器包括多个模块单元SM；其特征在于：所述故障保护电路包括SM电路、第一压敏电阻和第二压敏电阻；其中，所述第一压敏电阻并联在所述SM的第一开关管和第一二极管的两端，所述第二压敏电阻并联在所述SM的第二开关管和第二二极管的两端。
2.根据权利要求1所述的故障保护电路，其特征在于：所述模块单元SM电路包括第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、电容；其中，所述第一开关管的集电极通过电容与所述第二开关管的发射极相连，所述第二开关管的集电极与所述第一开关管的发射极相连；所述第一开关管的发射极与所述第一二极管的正极相连，所述第一开关管的集电极与所述第一二极管的负极相连；所述第二开关管的发射极与所述第二二极管的正极相连，所述第二开关管的集电极与所述第二二极管的负极相连。
3.根据权利要求2所述的故障保护电路，其特征在于：所述第一压敏电阻的一端与所述第一开关管的集电极相连，所述第一压敏电阻的另一端与所述第一开关管的发射极相连；所述第二压敏电阻的一端与所述第二开关管的集电极相连，所述第二压敏电阻的另一端与所述第二开关管的发射极相连。
4.一种模块化多电平变换器故障保护方法，所述模块化多电平变换器包括多个模块单元SM，其特征在于：所述方法包括在所述SM的第一开关管和第二开关管两端分别并联第一压敏电阻和第二压敏电阻；当所述SM中的二极管开路故障时，二极管两端出现较高的电压，并且此电压超过该二极管两端所连接的压敏电阻的限定值，此时压敏电阻导通，电流经过压敏电阻，压敏电阻旁路掉其所连接的二极管。
5.一种模块化多电平变换器故障检测方法，其特征在于：所述方法基于如权利要求1-3任一项所述的故障保护电路，所述方法包括：检测每个SM中的电容C sm 的电压u c ；如果u c 小于设定值u ref 并且保持时间Δt u ，则判断该电容C sm 所属的SM出现故障。
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