CN105186903B - 一种两电平逆变器的取能电路及其启动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种两电平逆变器的取能电路，该取能电路的数量为2n，且分别并联在两电平逆变器中功率器件的两端；取能电路包括串联的电容器和第二二极管；第二二极管的阳极与功率器件的集电极连接，阴极通过电容器与功率器件的发射极连接；一种两电平逆变器的取能电路的启动控制方法，包括步骤1：设定两电平逆变器的第一触发信号和第二触发信号；骤2：采用第一触发信号和第二触发信号对两电平逆变器进行触发，当触发完成后向两电平逆变器输出PWM控制信号，以启动两电平逆变器正常工作。与现有技术相比，本发明提供的一种两电平逆变器的取能电路及其启动控制方法，缓解了功率模块和取能电路承受电流的应力，能够有效地保护功率模块和取能电路。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种两电平逆变器的取能电路及其启动控制方法。
背景技术
目前柔性直流输电采用IGBT器件换流阀，主要有三种拓扑结构：三相两电平换流拓扑，模块化多电平换流拓扑(MMC)和级联两电平换流拓扑。三相两电平拓扑是目前工程中应用最广泛的电压源换流器拓扑，模块化多电平拓扑可以输出波形品质较高的输出电压波形，拓扑灵活性增强，级联两电平换流拓扑在结构上与模块化多电平换流拓扑相似，即其桥臂主要由多个具有相同结构的两电平换流器子模块串联构成，其主要区别为在通过IGBT模块串联大幅提升子模块可选择的电压等级。子模块电压等级的提高使得换流器可以达到较高的直流电压。
随着全球能源互联网提出，电网架构朝着更高电压等级、更大容量方向发展，采用模块化多电平技术与多个IGBT串联结合的技术路线才能满足未来更高高压等级需求。多个IGBT串联使用时，由于各串联IGBT内部参数以及开通关断驱动脉冲的时间及幅值存在差异，串联器件之间会产生静态及动态电压不均的问题。针对IGBT串联均压问题，必须设计实时控制和保护IGBT模块的驱动控制装置。目前IGBT驱动控制装置供能方式包括：低位送能和高位取能。低位送能即以设备站内配电系统为能源，通过电能变换和高压隔离，为功率模块的控制保护提供电源。但在高压应用场合下，存在外部绝缘和结构安装等问题，设备的体积和造价都很大，一般用于电压相对较低场合。对于高压场合，由于隔离电压高、变压器二次侧回路多，地面送能方式难度较大、经济性较差，通常采用高位取能。高位取能即从回路直流储能元件取得能量。由于换流阀内IGBT功率模块处于较高电位，驱动控制器一般采用高电取能方式供电。现有高位取能方式常见方式有电流取能和电压取能。电流取能通常利用特制的电流互感器(CT)从有电流的线路上感应电压，电压取能通过并联与阻容电路两端结合电压变换电路获取电压，再采用DC-DC变换技术，实现高低压隔离变换，再加以完整可靠的检测电路、反馈电路、保护电路，最终稳定安全为功率模块的控制保护装置提供持续电源。
随着电压等级提高，IGBT驱动控制装置工作环境更加恶劣，电磁环境恶劣，驱动控制装置采用低位送能隔离困难，需要采用高位取能方式。
IGBT功率模块两端承担主电压和快速电压变化，若驱动不能正常工作，否则会损坏器件。此外，IGBT串联均压控制系统需要稳定的低压直流电源。由于取能电源是从功率模块本身主电路部分取能，换流阀工作前开关器件已经承受了一定的主电压，因此如何保障高位取能电源工作前和故障时功率模块的可靠性成为IGBT换流阀的一个关键问题，这样需要提供一种IGBT串联的取能电路及启动控制方法，用于更高电压等级换流阀，减小启动浪涌电流，保护IGBT模块，实现换流阀安全启动。
发明内容
为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种两电平逆变器的取能电路及其启动控制方法。
第一方面，两电平逆变器的取能电路的技术方案是：
所述两电平逆变器包括直流电源UDC，以及串联的上桥臂单元和下桥臂单元；所述上桥臂单元和下桥臂单元均由一个功率模块或由n个串联的功率模块构成，n至少为2；所述直流电源UDC并联在上桥臂单元和下桥臂单元的两端；所述功率模块包括功率器件和第一二极管，所述第一二极管反向并联在功率器件的两端；
若所述上桥臂单元和下桥臂单元由一个功率模块构成，则所述取能电路的数量为2，且分别并联在所述功率器件的两端；
若所述上桥臂单元和下桥臂单元由n个串联的功率模块构成，则所述取能电路的数量为2n，且分别并联在所述功率器件的两端；
所述取能电路包括串联的电容器和第二二极管；所述第二二极管的阳极与所述功率器件的集电极连接，阴极通过所述电容器与功率器件的发射极连接。
优选的，所述取能电路还包括功率模块驱动单元的等效电阻，所述等效电阻并联在电容器两端；
优选的，所述功率器件为IGBT。
第二方面，两电平逆变器的取能电路的启动控制方法的技术方案是：
所述方法包括：
步骤1：设定所述两电平逆变器的第一触发信号和第二触发信号；所述第一触发信号为上桥臂单元中功率器件的触发信号，所述第二触发信号为下桥臂单元中功率器件的触发信号；
步骤2：采用所述第一触发信号和第二触发信号对两电平逆变器进行触发，当触发完成后向两电平逆变器输出PWM控制信号，以启动两电平逆变器正常工作。
优选的，设定所述第一触发信号包括：
设定第一触发信号的触发周期Ts1＝Ton1+Toff1、Ton1为上桥臂单元的导通时间和Toff1为上桥臂单元的截止时间；所述第一触发信号中第i+1个触发周期的导通时间大于第i个触发周期的导通时间，i≥1；
设定所述第二触发信号包括：
设定第二触发信号的触发周期Ts2＝Ton2+Toff2、Ton2为下桥臂单元的导通时间和Toff2为下桥臂单元的截止时间；所述第二触发信号中第i+1个触发周期的导通时间大于第i个触发周期的导通时间，i≥1；
优选的，所述第一触发信号和第二触发信号的参数设定关系为：
所述第二触发信号相对于第一触发信号的延迟时间为或者
与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：
本发明提供的一种两电平逆变器的取能电路及其启动控制方法，通过设定连续变化的债脉冲分别触发两电平逆变器的上下桥臂，控制功率模块正常工作前的导通时间和取能电容的充电速度，延长取能电路的充电时间，降低了两点品高逆变器启动时的充电电流。该软启动方式缓解了功率模块和取能电路承受电流的应力，能够有效地保护功率模块和取能电路。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1：本发明实施例中一种两电平逆变器的取能电路结构示意图；
图2：本发明实施例中两电平逆变器的PWM控制信号启动时取能电容的电流电压示意图；
图3：本发明实施例中取能电路的触发信号示意图；
图4：本发明实施例中触发信号启动时取能电容的电流电压示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明提供的一种基于两电平逆变器的高电位取能电路及其启动控制方法，如图1所示两电平逆变器的结构为：
1、本实施例中该两电平逆变器包括直流电源UDC，以及串联的上桥臂单元和下桥臂单元。其中，
①：上桥臂单元和下桥臂单元均由一个功率模块或由n个串联的功率模块构成，n至少为2；直流电源UDC并联在上桥臂单元和下桥臂单元的两端。
如图1所示，上桥臂单元由功率模块T1～功率模块Tn串联组成，下桥臂单元由功率模块Tn+1～功率模块T2n串联组成。
②：功率模块包括功率器件和第一二极管，第一二极管反向并联在功率器件的两端。
2、取能电路
本实施例中若所述上桥臂单元和下桥臂单元由一个功率模块构成，则所述取能电路的数量为2，且分别并联在所述功率器件的两端；
若所述上桥臂单元和下桥臂单元由n个串联的功率模块构成，则所述取能电路的数量为2n，且分别并联在所述功率器件的两端。其中，
取能电路包括串联的电容器CL、第二二极管DL和功率模块驱动单元的等效电阻RLoad。
第二二极管DL的阳极与功率器件的集电极连接，阴极通过电容器CL与功率器件的发射极连接。等效电阻并联RLoad在电容器CL两端。
本实施例中功率器件为IGBT。当IGBT闭锁时，其集射级将承受直流电压，若集射级电压高于电容器CL两端的电压时，电容器CL将被充电。当IGBT导通时，由于第二二极管DL反偏，电容器CL两端电压将被维持，通过电源处理为IGBT驱动板提供能量，即利用直流电压将高压直流转换为低压直流，为驱动板提供电源。
在两电平逆变器启动前，所有功率模块均为闭锁状态，因此电容器CL两端承担的电压为当上桥臂单元导通时，下桥臂单元将承受直流电源的全部电压，下桥臂单元的电容器CL两端的电压将升高为当下桥臂单元导通时，上桥臂单元将承受直流电源的全部电压，上桥臂单元的电容器CL两端的电压降升高为
当采用PWM控制信号启动两电平逆变器时，由于IGBT的导通时间较长，通常为100μs以上，则另一个桥臂的电容器CL两端的电压会从快速升高至如图2所示，因此会到能电容器CL充电电流过大，极易损坏功率模块。
3、本实施例中两电平逆变器取能电路的启动控制方法，在两电平逆变器的PWM控制信号启动前，通过设定个连续变化的窄脉冲分别触发导通上桥臂单元和下桥臂单元。具体步骤为：
(1)设定两电平逆变器的第一触发信号和第二触发信号。其中，
如图3所示，第一触发信号为上桥臂单元中功率器件的触发信号；第二触发信号为下桥臂单元中功率器件的触发信号。
①：设定第一触发信号包括：
设定第一触发信号的触发周期Ts1＝Ton1+Toff1。其中，
Ton1为上桥臂单元的导通时间，Toff1为上桥臂单元的截止时间。
第一触发信号中第i+1个触发周期的导通时间大于第i个触发周期的导通时间，i≥1。
②：设定第二触发信号包括：
设定第二触发信号的触发周期Ts2＝Ton2+Toff2。其中，
Ton2为下桥臂单元的导通时间，Toff2为下桥臂单元的截止时间。
第二触发信号中第i+1个触发周期的导通时间大于第i个触发周期的导通时间，i≥1。
第一触发信号和第二触发信号的参数设定关系为：
第二触发信号相对于第一触发信号的延迟时间为或者
本实施例中对着电容器CL两端的电压逐渐上升，导通时间逐渐增加。电容器CL的电容值依据两电平逆变器的驱动个控制装置的功率和故障维持时间决定，因此该电容器CL的电容值是提前预置的。同时，由于IGBT短路耐受时间及第二二极管的额定电流限制，导通时间不能超过10μs。
(2)采用第一触发信号和第二触发信号对两电平逆变器进行触发，当触发完成后向两电平逆变器输出PWM控制信号，以启动两电平逆变器正常工作。
本实施例中采用连续窄脉冲触发导通生桥臂单元和下桥臂单元，从而控制IGBT正常工作前的导通时间和电容器CL的充电速度，其中电容器CL两端的电压和电流波形如图4所示。由于电容器CL两端的电压和电流初值为零，初始阶段脉冲宽度较窄，为了兼顾充电电流大小和充电速度，窄脉冲的宽度逐渐增加，保证了取能电路的充电时间，并降低了PWM控制信号启动两电平逆变器时的充电电流。本发明提供的软启动方式缓解了IGBT及其取能电路承受电流的应力，能够有效地保护IGBT和取能电路。
最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
Claims (3)
1.一种两电平逆变器的取能电路，所述两电平逆变器包括直流电源UDC，以及串联的上桥臂单元和下桥臂单元；所述上桥臂单元和下桥臂单元均由一个功率模块或由n个串联的功率模块构成，n至少为2；所述直流电源UDC并联在上桥臂单元和下桥臂单元的两端；所述功率模块包括功率器件和第一二极管，所述第一二极管反向并联在功率器件的两端；其特征在于，
若所述上桥臂单元和下桥臂单元由一个功率模块构成，则所述取能电路的数量为2，且分别并联在所述功率器件的两端，一个取能电路对应一个功率器件；
若所述上桥臂单元和下桥臂单元分别由n个串联的功率模块构成，则所述取能电路的数量为2n，且分别并联在所述功率器件的两端，一个取能电路对应一个功率器件；
所述取能电路包括串联的电容器和第二二极管；所述第二二极管的阳极与所述功率器件的集电极连接，阴极通过所述电容器与功率器件的发射极连接；
所述取能电路还包括功率模块驱动单元的等效电阻，所述等效电阻并联在电容器两端；
所述的两电平逆变器的取能电路所采用的启动控制方法，包括：
步骤1：设定所述两电平逆变器的第一触发信号和第二触发信号；所述第一触发信号为上桥臂单元中功率器件的触发信号，所述第二触发信号为下桥臂单元中功率器件的触发信号；
步骤2：采用所述第一触发信号和第二触发信号对两电平逆变器进行触发，当触发完成后向两电平逆变器输出PWM控制信号，以启动两电平逆变器正常工作；设定所述第一触发信号包括：
设定第一触发信号的触发周期Ts1＝Ton1+Toff1、Ton1为上桥臂单元的导通时间和Toff1为上桥臂单元的截止时间；所述第一触发信号中第i+1个触发周期的导通时间大于第i个触发周期的导通时间，i≥1；
设定所述第二触发信号包括：
设定第二触发信号的触发周期Ts2＝Ton2+Toff2、Ton2为下桥臂单元的导通时间和Toff2为下桥臂单元的截止时间；所述第二触发信号中第i+1个触发周期的导通时间大于第i个触发周期的导通时间，i≥1。
2.如权利要求1所述的一种两电平逆变器的取能电路，其特征在于，所述功率器件为IGBT。
3.如权利要求1所述的一种两电平逆变器的取能电路，其特征在于，所述第一触发信号和第二触发信号的参数设定关系为：
所述第二触发信号相对于第一触发信号的延迟时间为或者
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