CN105811375B - 一种可控电压源型子模块保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可控电压源型子模块保护方法，包括设置保护定值、温度采样及计算、所述子模块进行警告或保护动作。所述方法通过测量子模块关键位置的温度和基于热路模型反演的电力电子器件内部结温，获得子模块关键位置和部件的热应力状态；通过合理设定保护定值，实现可控电压源型子模块过热故障的保护。
Description
技术领域：
本发明涉及一种模块保护方法，更具体涉及一种可控电压源型子模块保护方法。
背景技术：
用于高压直流输电的电压源换流器使用全控型电力电子器件，包括IGBT、IGCT和GTO等。与传统基于晶闸管的电流源换流器有着本质的区别。电压源换流器凭借其灵活的可控性，对电网条件的鲁棒性，自身系统的紧凑性，设计施工的方便性及环保性，特别适合异步电网连接、无源/孤立负荷供电，城市配电网扩建改造，连接风能、太阳能等新能源发电的电源等应用场合。
发展至今，用于电压源换流器的换流阀主要可以分为两个基本类型：开关型换流阀和可控电压源型换流阀。早期的电压源换流器主要使用开关型换流阀，这些阀仅用作可控开关，仅有两种工作状态：开通和关断。目前，主流的电压源换流器均使用可控电压源型换流阀，这类换流阀使用标准化的子模块按照一定拓扑连接构成，通过输出高电平数的阶梯电压波有效逼近正弦电压。对于可控电压源型换流阀所使用的子模块，一般包含全控型器件、储能电容器和其它必要辅件。
电压源换流器运行过程中可能因为发生交流系统故障、遭受雷击、过负荷运行和直流短路等情况而承受异常作用应力。因此，需要进行专门设计以保护子模块在出现上述异常应力时不发生损毁。专利号为201110007920.2的名称为“一种模块化多电平换流器子模块控制保护方法”的专利和公开号为CN 103730880的名称为“一种适用于MMC柔性直流子模块过压控制保护方法”的专利申请，公布了目前子模块过压故障的主要保护方法。通过检测储能电容器的电压以实现过压保护。在公开发表的“电压源换相HVDC站内交流母线故障特性及保护配合”(杨杰等.电压源换相HVDC站内交流母线故障特性及保护配合.中国电机工程学报，30卷16期，2010)中介绍了目前子模块过流故障的主要保护方法。通过检测换流器桥臂电流并使用序分量分解实现过流保护。从物理机理考虑，对可控电压源型子模块起决定作用的故障类型主要包括过压故障、过流故障和过热故障。上述技术未针对子模块过热故障进行必要考虑，运行中子模块存在发生过热击穿的问题。
发明内容：
本发明的目的是提供一种可控电压源型子模块保护方法，所述方法有效避免可控电压源型子模块出现热击穿，从而提升用于高压直流输电的电压源换流器的工作安全性和可靠性。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种可控电压源型子模块保护方法，所述子模块包括二次板卡、全控型电力电子器件和储能电容器；所述方法包括：
设置所述子模块的保护定值；
所述子模块的温度采样和计算；
所述子模块进行警告或保护动作。
本发明提供的一种可控电压源型子模块保护方法，所述设置所述子模块的保护定值包括：
设置采样时间间隔Δt；
设置二次板卡温度保护定值；
设置所述全控型电力电子器件结温保护定值；
设置全控型电力电子器件热阻Rth；
设置全控型电力电子器件热容Cth。
本发明提供的一种可控电压源型子模块保护方法，采样时间间隔Δt的单位为微秒，间隔为1～1000微秒。
本发明提供的另一优选的一种可控电压源型子模块保护方法，所述二次板卡温度保护定值包括报警值T20和闭锁值T22；
所述报警值T20设置为二次板卡最高运行温度上增加5℃；
所述闭锁值T22应设置为二次板卡最高运行温度上增加10℃。
本发明提供的再一优选的一种可控电压源型子模块保护方法，所述结温保护定值包括报警值T30和闭锁值T32；
所述报警值T30设置为全控型电力电子器件最高运行温度上增加10℃；
所述闭锁值T32设置为全控型电力电子器件最高运行温度上增加20℃。
本发明提供的又一优选的一种可控电压源型子模块保护方法，所述所述子模块的温度采样和计算包括：
采集t时刻二次板卡温度T2(t)；
采集t时刻全控型电力电子器件的外壳温度T1(t)；
采集t时刻全控型电力电子器件的电压U3(t)；
采集t时刻全控型电力电子器件的电流I3(t)；
计算t时刻全控型电力电子器件的损耗Ploss(t)；
计算t时刻全控型电力电子器件的结温T3(t)。
本发明提供的又一优选的一种可控电压源型子模块保护方法，其特征在于：所述t时刻二次板卡温度T2(t)和t时刻全控型电力电子器件的外壳温度T1(t)均通过热电偶法测量。
本发明提供的又一优选的一种可控电压源型子模块保护方法，所述t时刻全控型电力电子器件的损耗Ploss(t)根据逐步迭代法计算并通过下式确定：
其中，U(t)为t时刻全控型电力电子器件的电压，I(t)为t时刻全控型电力电子器件的电流，U(t-Δt)为t-Δt时刻全控型电力电子器件的电压，I(t-Δt)为t-Δt时刻全控型电力电子器件的电流，Δt为采样时间间隔。
本发明提供的又一优选的一种可控电压源型子模块保护方法，所述t时刻全控型电力电子器件的结温T3(t)根据逐步迭代法计算并通过下式确定：
其中，Rth为全控型电力电子器件热阻，Cth为全控型电力电子器件热容，K(t)为t时刻全控型电力电子器件历史热阻，K(t-Δt)为t-Δt时刻全控型电力电子历史热阻，T3(t-Δt)为t-Δt时刻全控型电力电子器件的结温，Δt为采样时间间隔。
本发明提供的又一优选的一种可控电压源型子模块保护方法，通过比较t时刻二次板卡温度T2(t)与二次板卡温度保护定值和比较t时刻全控型电力电子器件的结温T3(t)与全控型电力电子器件结温保护定值对所述子模块进行警告或保护动作。
本发明提供的又一优选的一种可控电压源型子模块保护方法，所述警告和保护动作分别为报警和闭锁子模块。
本发明提供的又一优选的一种可控电压源型子模块保护方法，
当满足下式时发出报警：T2(t)>T20
其中，T20为二次板卡温度保护定值的报警值；
当满足下式时闭锁子模块：T2(t)>T22
其中，T22为二次板卡温度保护定值的闭锁值。
本发明提供的又一优选的一种可控电压源型子模块保护方法，
当满足下式时发出报警：
T3(t)>T30
其中，T30为结温保护定值的报警值；
当满足下式时闭锁子模块：
T3(t)>T32
其中，T32为结温保护定值的闭锁值。
和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果
1、本发明的方法基于测量的可控电压源型子模块关键位置的温度，同时通过热路模型反演电力电子器件的内部结温，获得了子模块关键位置和部件的热应力状态；
2、本发明的方法通过合理设定保护定值并与子模块中关键位置和部件的温度进行比较，实现了可控电压源型子模块过热故障的保护；
3、本发明的方法有效避免了热击穿的发生，提升了可控电压源型子模块的可靠性和可用率；
4、本发明的方法提高了高压直流输电的安全运行。
附图说明
图1为本发明提供的典型的基于IGBT的半桥子模块电气图；
图2为本发明提供的典型的基于IGBT的半桥子模块结构图；
图3为本发明实施例中可控电压源型子模块保护方法的流程图；
图4为本发明实施例中基于热电偶测量二次板卡温度的示意图；
图5为本发明实施例中基于热电偶测量IGBT模块壳温的示意图；
图6为本发明实施例中子模块二次板卡运行温度曲线；
图7为本发明实施例中子模块IGBT模块壳温曲线；
图8为本发明实施例中子模块IGBT模块损耗曲线；
图9为本发明实施例中子模块IGBT模块结温曲线；
1-半桥子模块，2-二次板卡，3-IGBT模块，4-放电电阻，5-直流电容器，6-二次板卡小室，7-IGBT小室，8-热电偶，9-母排，10-散热器。
具体实施方式
下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。
实施例1：
如图1-9所示，本例的发明提供了一种可控电压源型子模块保护方法。本发明的方法通过测量子模块关键位置的温度，同时通过热路模型反演电力电子器件的内部结温，从而获得子模块关键位置和部件的热应力状态；通过合理设定保护定值并与子模块中关键位置和部件的温度进行比较，实现了可控电压源型子模块过热故障的保护。
本发明提供的一种典型的基于IGBT器件的半桥子模块。该半桥子模块1的电气图如附图1所示，其中包含了二次板卡2、IGBT模块3、放电电阻4和直流电容器5。其中，IGBT模块3和二次板卡2是所述半桥子模块承受温度应力的关键位置。IGBT模块3的集射极击穿电压为3300V，直流集电极电流为1200A。二次板卡2的输入电压信号，幅值为15V，输出光信号。
本发明提供的一种典型的基于IGBT器件的半桥子模块。该半桥子模块1的结构图如附图2所示，其中，二次板卡2安装在二次板卡小室6内，IGBT模块3安装在IGBT小室7内。直流电容器5安装在子模块的后部，通过母排9与IGBT小室7中的IGBT相连接。
本发明实施例中提供的可控电压源型子模块保护方法的流程图如附图3所示。具体包括以下步骤：
一、设置保护定值
1.1设置采样时间间隔Δt；
步骤1.1中，采样时间间隔Δt的单位为μs，典型值为1～1000μs。采样时间间隔的减小可以有效提高保护方法的灵敏度，但不利方面是增大了系统传输数据和处理数据的难度。
1.2设置二次板卡温度保护定值，包括报警值T20、闭锁值T22；
步骤1.2中，二次板卡温度保护定值的单位为℃；
步骤1.2中，典型的报警值T20应设置为二次板卡最高运行温度上增加5℃；
步骤1.2中，典型的闭锁值T22应设置为二次板卡最高运行温度上增加10℃。
1.3设置全控型电力电子器件结温保护定值，包括报警值T30、闭锁值T32；
步骤1.3中，全控型电力电子器件结温保护定值的单位为℃；
步骤1.3中，典型报警值T30应设置为全控型电力电子器件最高运行温度上增加10℃；
步骤1.3中，典型闭锁值T32应设置为全控型电力电子器件最高运行温度上增加20℃。
1.4设置全控型电力电子器件热阻Rth；
步骤1.4中，全控型电力电子器件热阻Rth的单位为K/W；
步骤1.4中，推荐通过测量确定热阻数值，相关测量技术属已有成熟技术，如典型的测量方法包括间接测量法和直接测量法。
1.5设置全控型电力电子器件热容Cth；
步骤1.5中，全控型电力电子器件热容Cth的单位为J/K；
步骤1.5中，推荐通过测量确定热容数值，相关测量技术属已有成熟技术，如典型的测量方法包括间接测量法和直接测量法。
二、温度采样及计算
2.1采集t时刻二次板卡温度T2(t)；
步骤2.1中，二次板卡温度T2的单位为℃；
步骤2.1中，温度测量的典型方法包括热电偶法；
2.2采集t时刻全控型电力电子器件的外壳温度T1(t)；
步骤2.2中，全控型电力电子器件的外壳温度T1的单位为℃；
步骤2.2中，温度测量的典型方法包括热电偶法；
2.3采集t时刻全控型电力电子器件的电压U3(t)；
步骤2.3中，全控型电力电子器件的电压U3的单位为V；
2.4采集t时刻全控型电力电子器件的电流I3(t)；
步骤2.4中，全控型电力电子器件的电流I3的单位为A；
2.5计算t时刻全控型电力电子器件的损耗Ploss(t)；
步骤2.5中，全控型电力电子器件的损耗Ploss的单位为W；
步骤2.5中，全控型电力电子器件的损耗Ploss根据逐步迭代法计算，当前时刻t的损耗Ploss(t)需要基于t时刻和t-Δt时刻全控型电力电子器件的电压和电流，按照式①计算：
2.6计算t时刻全控型电力电子器件的结温T3(t)；
步骤2.6中，全控型电力电子器件的结温T3的单位为℃；
步骤2.6中，全控型电力电子器件的结温根据逐步迭代法计算，当前时刻t的结温需要基于t时刻的损耗Ploss(t)、t-Δt时刻的损耗Ploss(t-Δt)和结温T3(t-Δt)，按照式②计算：
三、温度比较
3.1比较t时刻二次板卡温度T2(t)与二次板卡温度保护定值，并根据比较结果做出报警或闭锁；
步骤3.1中，当满足式③时发出报警；
T2(t)>T20 ③
步骤3.1中，当满足式④时闭锁子模块。
T2(t)>T22 ④
3.2比较t时刻全控型电力电子器件的结温T3(t)与全控型电力电子器件结温保护定值，并根据比较结果做出报警或闭锁；
步骤3.2中，当满足式⑤时发出报警；
T3(t)>T30 ⑤
步骤3.2中，当满足式⑥时闭锁子模块。
T3(t)>T32 ⑥
本发明实施例中，IGBT模块的工作频率约100Hz。综合考虑提高保护方法的灵敏度和系统传输数据和处理数据的难度，设置采样时间间隔Δt为100μs。
本发明实施例中使用成熟的热电偶技术测量二次板卡2的温度，热电偶8安装在二次板卡小室6内，如附图4所示。
本发明实施例中，子模块工作时实测二次板卡2最高运行温度为52℃，设置二次板卡2温度报警值T20为57℃、闭锁值T22为62℃；
本发明实施中使用成熟的热电偶技术测量IGBT模块3的外壳温度，热电偶8安装在IGBT小室7内，布置于IGBT模块3的散热器10表面。
本发明实施例中，子模块工作时实测IGBT模块3外壳的最高运行温度为72℃，根据式②计算可得IGBT模块3最高运行结温为92℃，设置IGBT模块3结温报警值T30为102℃、闭锁值T32为112℃。
本发明实施例中，基于实测结果，设置IGBT模块3的热阻Rth为0.0185K/W，热容Cth为32.4J/K。
本发明实施例中，需要子模块进行过负荷运行。测量的子模块二次板卡运行温度曲线如附图6所示，在120s时刻起子模块进入过负荷运行状态，二次板卡运行温度随即升高，最高值为55℃，但认为超过报警值57℃和闭锁值62℃。
本发明实施例中，测量子模块IGBT模块壳温曲线如附图7所示，在子模块进入过负荷运行状态后，IGBT模块壳温随即升高。
本发明实施例中，根据式①计算的IGBT模块的损耗随时间变化关系如附图8所示，120s后进入过负荷运行状态且IGBT模块的损耗显著提升。
本发明实施例中，根据式②计算的子模块中IGBT模块的结温运行曲线如附图9所示。IGBT模块稳态最高运行结温为92℃。120s后子模块进入过负荷运行状态，在127s时IGBT模块最高运行结温为112℃，触发闭锁动作，随后子模块结温逐渐降低，有效避免了IGBT模块的热击穿，提升了子模块工作的安全性。
需要指出的是本发明所提供的最佳实施例是基于可控电压源型半桥子模块，本方法同样适用于可控电压源型全桥子模块和其它型式的可控电压源型子模块。
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，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：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，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (12)
1.一种可控电压源型子模块保护方法，所述子模块包括二次板卡、全控型电力电子器件和储能电容器；其特征在于：所述方法包括：
设置所述子模块的保护定值；
所述子模块的温度采样和计算；
所述子模块进行警告或保护动作；
所述设置所述子模块的保护定值包括：
设置采样时间间隔Δt；
设置二次板卡温度保护定值；
设置所述全控型电力电子器件结温保护定值；
设置全控型电力电子器件热阻Rth；
设置全控型电力电子器件热容Cth。
2.如权利要求1所述所述的一种可控电压源型子模块保护方法，其特征在于：采样时间间隔Δt的单位为微秒，间隔为1～1000微秒。
3.如权利要求1所述的一种可控电压源型子模块保护方法，其特征在于：所述二次板卡温度保护定值包括报警值T20和闭锁值T22；
所述报警值T20设置为二次板卡最高运行温度上增加5℃；
所述闭锁值T22应设置为二次板卡最高运行温度上增加10℃。
4.如权利要求1所述的一种可控电压源型子模块保护方法，其特征在于：所述结温保护定值包括报警值T30和闭锁值T32；
所述报警值T30设置为全控型电力电子器件最高运行温度上增加10℃；
所述闭锁值T32设置为全控型电力电子器件最高运行温度上增加20℃。
5.如权利要求1所述的一种可控电压源型子模块保护方法，其特征在于：所述子模块的温度采样和计算包括：
采集t时刻二次板卡温度T2(t)；
采集t时刻全控型电力电子器件的外壳温度T1(t)；
采集t时刻全控型电力电子器件的电压U3(t)；
采集t时刻全控型电力电子器件的电流I3(t)；
计算t时刻全控型电力电子器件的损耗Ploss(t)；
计算t时刻全控型电力电子器件的结温T3(t)。
6.如权利要求5所述的一种可控电压源型子模块保护方法，其特征在于：所述t时刻二次板卡温度T2(t)和t时刻全控型电力电子器件的外壳温度T1(t)均通过热电偶法测量。
7.如权利要求5所述的一种可控电压源型子模块保护方法，其特征在于：所述t时刻全控型电力电子器件的损耗Ploss(t)根据逐步迭代法计算并通过下式确定：
其中，U(t)为t时刻全控型电力电子器件的电压，I(t)为t时刻全控型电力电子器件的电流，U(t-Δt)为t-Δt时刻全控型电力电子器件的电压，I(t-Δt)为t-Δt时刻全控型电力电子器件的电流，Δt为采样时间间隔。
8.如权利要求5所述的一种可控电压源型子模块保护方法，其特征在于：所述t时刻全控型电力电子器件的结温T3(t)根据逐步迭代法计算并通过下式确定：
其中，Rth为全控型电力电子器件热阻，Cth为全控型电力电子器件热容，K(t)为t时刻全控型电力电子器件历史热阻，K(t-Δt)为t-Δt时刻全控型电力电子历史热阻，T3(t-Δt)为t-Δt时刻全控型电力电子器件的结温，Δt为采样时间间隔。
9.如权利要求5所述的一种可控电压源型子模块保护方法，其特征在于：通过比较t时刻二次板卡温度T2(t)与二次板卡温度保护定值和比较t时刻全控型电力电子器件的结温T3(t)与全控型电力电子器件结温保护定值对所述子模块进行警告或保护动作。
10.如权利要求1所述的一种可控电压源型子模块保护方法，其特征在于：所述警告和保护动作分别为报警和闭锁子模块。
11.如权利要求9所述的一种可控电压源型子模块保护方法，其特征在于：
当满足下式时发出报警：
T2(t)>T20
其中，T20为二次板卡温度保护定值的报警值；
当满足式下式时闭锁子模块：
T2(t)>T22
其中，T22为二次板卡温度保护定值的闭锁值。
12.如权利要求9所述的一种可控电压源型子模块保护方法，其特征在于：
当满足下式时发出报警：
T3(t)>T30
其中，T30为结温保护定值的报警值；
当满足下式时闭锁子模块：
T3(t)>T32
其中，T32为结温保护定值的闭锁值。
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2014
- 2014-12-31 CN CN201410854182.9A patent/CN105811375B/zh active Active
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