CN105811742B - 一种mmc阀子模块保护用晶闸管门极触发控制系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种MMC阀子模块保护用晶闸管门极触发控制系统和方法，系统包括数字控制单元、互反信号校对单元和脉冲变压器单元；所述数字控制单元、互反信号校对单元和脉冲变压器单元依次单向连接。本发明提供一种MMC阀子模块保护用晶闸管门极触发控制系统和方法，使得晶闸管在几伏的正向低压下可靠的开通对二极管进行分流保护，同时通过桥臂电流的正反向判断，又可避免晶闸管在承受反向高压时持续对门极触发，使得门极发热、漏电流增大，随着结温的升高而导致晶闸管短路失效的现象发生，确保换流器在需要开通晶闸管保护IGBT时有效可靠。
Description
技术领域
本发明属于电力系统柔性直流输电技术领域，具体涉及一种MMC阀子模块保护用晶闸管门极触发控制系统和方法。
背景技术
随着半控型大功率晶闸管在高压直流输电领域的成功应用，晶闸管在承受正向高压时的门极触发控制技术已趋于成熟。但随着柔性直流模块化多电平技术的发展和工程实践，要求在承受几伏正向低电压下，模块化结构中的保护晶闸管在换流器短路故障和过流故障中能够迅速触发开通，对H半桥下管IGBT二极管进行快速的分流，确保IGBT模块的安全。
模块化多电平换流器(MMC，Modular Multilevel Converter)是一种新型的电压变换电路，它通过将多个子模块级联的方式，可以叠加输出很高的电压，并且还具有输出谐波少、模块化程度高等特点，因而在电力系统中具有广泛的应用前景。
然而传统的光触发晶闸管(LTT，Light Trigger Thyristor)换流阀触发方式由于门极触发波次少、触发能量小，使得保护晶闸管无法在低正向电压下可靠开通。
发明内容
为了解决当前柔性直流输电领域用于保护模块化结构中H半桥下管IGBT模块中二极管的晶闸管触发控制的问题，本发明提供一种MMC阀子模块保护用晶闸管门极触发控制系统和方法，使得晶闸管在几伏的正向低压下可靠的开通对二极管进行分流保护，同时通过桥臂电流的正反向判断，又可避免晶闸管在承受反向高压时持续对门极触发，使得门极发热、漏电流增大，随着结温的升高而导致晶闸管短路失效的现象发生，确保换流器在需要开通晶闸管保护IGBT时有效可靠。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
本发明提供一种MMC阀子模块保护用晶闸管门极触发控制系统，所述系统包括数字控制单元、互反信号校对单元和脉冲变压器单元；所述数字控制单元、互反信号校对单元和脉冲变压器单元依次单向连接。
所述数字控制单元用于对上层检测控制单元中阀基控制器下发的晶闸管触发命令进行解码，并将对称互反脉冲信号输出给所述互反信号校对单元，所述互反信号校对单元用于滤除干扰引起的脉冲变化，防止晶闸管的误触发产生；所述脉冲变压器单元用于提升触发脉冲的能量，保证晶闸管可靠开通。
所述阀基控制器与数字控制单元采用曼侧斯特编码方式进行通信。
所述数字控制单元包括可编程逻辑门阵列和第一外围辅助电路；
所述可编程逻辑门阵列解码阀基控制器下发的晶闸管触发命令，并对其进行解码，之后晶闸管状态控制位与时钟信号通过与门逻辑以及非门逻辑的作用，在第一外围辅助电路的配合下产生对称互反脉冲信号。
所述互反信号校对单元包括与非逻辑电路和第二外围辅助电路；
所述与非逻辑电路与可编程逻辑门阵列输出的对称互反脉冲信号采用电信号连接，在第二外围辅助电路的配合下，与非逻辑电路对接收到的对称互反脉冲信号进行校验并滤除干扰，强化晶闸管的控制脉冲。
所述脉冲变压器单元包括功率脉冲变压器和第三辅助电路；
所述互反信号校与第三辅助电路中三极管的基极相连，晶闸管触发信号低电平有效后，三极管导通，功率脉冲变压器的原边电压感应在副边，生成相应的高电平脉冲信号，用于触发晶闸管门极，进而使其导通。
本发明还提供一种采用MMC阀子模块保护用晶闸管门极触发控制系统对晶闸管门极进行触发控制的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：判断MMC阀子模块的桥臂电流是否过流，若过流则判断晶闸管触发命令下发与否；
步骤2：数字控制单元的可编程逻辑门阵列对阀基控制器下发的晶闸管触发命令进行解码，并将对称互反脉冲信号输出给互反信号校对单元；
步骤3互反信号校对单元中的与非逻辑电路对对称互反脉冲信号进行实时校验对比，滤除干扰引起的脉冲变化，使得晶闸管触发命令更加准确可靠；
步骤4：脉冲变压器单元中的功率脉冲变压器对有效的脉冲信号进行功率提升，之后输出高电平脉冲信号给晶闸管，使其可靠导通。
所述步骤1中，阀基控制器通过MMC阀子模块桥臂上的光电流传感器实时监测MMC阀子模块的桥臂电流和MMC阀子模块的桥臂电流变化率，若MMC阀子模块的桥臂电流或MMC阀子模块的桥臂电流变化率持续增大，则判断为MMC阀子模块的桥臂电流过流，此时通过检测MMC阀子模块的桥臂电流的方向判断晶闸管触发命令下发与否，若MMC阀子模块的桥臂电流方向为反向，表明阀基控制器下发晶闸管触发命令给数字控制单元；若MMC阀子模块的桥臂电流方向由过零点趋于正向，则表明阀基控制器暂停下发晶闸管触发命令给数字控制单元。
所述步骤2中，当MMC阀子模块的桥臂电流为反向时，数字控制单元的可编程逻辑门阵列则对阀基控制器下发的晶闸管触发命令进行解码，并使得晶闸管状态控制位与时钟信号在与门逻辑以及非门逻辑的作用下，产生一对脉宽为20us的对称互反脉冲信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明提供的MMC阀子模块保护用晶闸管门极触发控制系统和方法，在MMC阀出现短路故障需要晶闸管快速开通分流保护H半桥下管IGBT的二极管时，能够有效的在正向低压下可靠快速的触发晶闸管开通分流，提高晶闸管的开通率，提升换流阀子模块单元的可靠性，增加的电流正反向判断机制，更确保了晶闸管本身的安全性。
附图说明
图1是本发明实施例中MMC阀子模块保护用晶闸管门极触发控制系统结构图；
图2是本发明实施例中数字控制单元输出的时长为1s的正向脉冲信号示意图；
图3是本发明实施例中MMC阀子模块保护用晶闸管门极触发控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1，本发明提供一种MMC阀子模块保护用晶闸管门极触发控制系统，所述系统包括数字控制单元、互反信号校对单元和脉冲变压器单元；所述数字控制单元、互反信号校对单元和脉冲变压器单元依次单向连接。
所述数字控制单元用于对上层检测控制单元中阀基控制器(VBC)下发的晶闸管触发命令进行解码，并将对称互反脉冲信号输出给所述互反信号校对单元，所述互反信号校对单元用于滤除干扰引起的脉冲变化，防止晶闸管的误触发产生；所述脉冲变压器单元用于提升触发脉冲的能量，保证晶闸管可靠开通。
所述阀基控制器与数字控制单元采用曼侧斯特编码方式进行通信。
所述数字控制单元包括可编程逻辑门阵列和第一外围辅助电路；
所述可编程逻辑门阵列解码阀基控制器下发的晶闸管触发命令，并对其进行解码，之后晶闸管状态控制位与时钟信号通过与门逻辑以及非门逻辑的作用，在第一外围辅助电路的配合下产生对称互反脉冲信号。
所述互反信号校对单元包括与非逻辑电路和第二外围辅助电路；
所述与非逻辑电路与可编程逻辑门阵列输出的对称互反脉冲信号采用电信号连接，在第二外围辅助电路的配合下，与非逻辑电路对接收到的对称互反脉冲信号进行校验并滤除干扰，强化晶闸管的控制脉冲。
所述脉冲变压器单元包括功率脉冲变压器和第三辅助电路；
所述互反信号校与第三辅助电路中三极管的基极相连，晶闸管触发信号低电平有效后，三极管导通，功率脉冲变压器的原边电压感应在副边，生成相应的高电平脉冲信号，用于触发晶闸管门极，进而使其导通。
如图3，本发明还提供一种采用MMC阀子模块保护用晶闸管门极触发控制系统对晶闸管门极进行触发控制的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：判断MMC阀子模块的桥臂电流是否过流，若过流则判断晶闸管触发命令下发与否；
步骤2：数字控制单元的可编程逻辑门阵列对阀基控制器下发的晶闸管触发命令进行解码，并将对称互反脉冲信号输出给互反信号校对单元；
步骤3互反信号校对单元中的与非逻辑电路对对称互反脉冲信号进行实时校验对比，滤除干扰引起的脉冲变化，使得晶闸管触发命令更加准确可靠；
步骤4：脉冲变压器单元中的功率脉冲变压器对有效的脉冲信号进行功率提升，之后输出高电平脉冲信号给晶闸管，使其可靠导通。
所述步骤1中，阀基控制器通过MMC阀子模块桥臂上的光电流传感器实时监测MMC阀子模块的桥臂电流和MMC阀子模块的桥臂电流变化率，若MMC阀子模块的桥臂电流或MMC阀子模块的桥臂电流变化率持续增大，则判断为MMC阀子模块的桥臂电流过流，此时通过检测MMC阀子模块的桥臂电流的方向判断晶闸管触发命令下发与否，若MMC阀子模块的桥臂电流方向为反向，表明阀基控制器下发晶闸管触发命令给数字控制单元；若MMC阀子模块的桥臂电流方向由过零点趋于正向，则表明阀基控制器暂停下发晶闸管触发命令给数字控制单元。
所述步骤2中，当MMC阀子模块的桥臂电流为反向时，数字控制单元的可编程逻辑门阵列则对阀基控制器下发的晶闸管触发命令进行解码，并使得晶闸管状态控制位与时钟信号在与门逻辑以及非门逻辑的作用下，产生一对脉宽为20us的对称互反脉冲信号。
本发明中，当阀基控制器在监测到桥臂过流故障发生并同时快速进行了桥臂电流方向的判断后。若电流方向为反向，则阀基控制器下发晶闸管触发命令至数字控制单元的可编程逻辑门阵列通过一系列顺序流程使得晶闸管触发开通；若电流方向由过零点趋于正向则数字控制单元的可编程逻辑门阵列停止产生有效的触发脉冲。当可编程逻辑门阵列在接收到阀基控制器下发的保护用晶闸管工作的光信号命令后，可编程逻辑门阵列对协议规定的曼彻斯特编码进行准确的解读，输出晶闸管有效的对称互反脉冲控制命令，其输出方式分别为一个时长为1s的正向脉宽20us，占空比为10％；另一个时长为1s的负向脉宽20us，占空比为90％，这对对称互反脉冲，送给互反信号校对单元。然后互反校对单元采用与非关系对两通道脉冲群进行等位置的对比校对，剔除由于干扰引起的不对称脉冲，最终该单元输出一个负脉宽为20us，占空比为90％的电脉冲信号群。最后这个负脉冲群在PNP三极管的基极输入，再通过脉冲变压器原边与副边的匝数比例关系，使得副边的输出脉冲信号能量得到提升，具有较强的晶闸管触发驱动能力，同时由于功率脉冲变压器副边与原边分别为控制器的高压和低压部分，因此脉冲变压器也具有电气隔离作用，防止高电压进入低压控制部分损坏触发控制器。
与传统LTT阀的模拟光电信号相比，新型的保护晶闸管门极触发控制方法采用周期性、大能量的数字光电信号。其通过VBC与子模块控制器(SMC，Sub Module Controller)之间的曼彻斯特编码方式进行光命令的传输，最终由VBC根据子模块实际存在的故障类型确定保护晶闸管的触发开通，以保护IGBT的健全。
本发明采用数字光电技术实现保护晶闸管的强制触发方式。触发方式中采用以下几个关键技术手段：
①互反信号的抗干扰技术；
②隔离脉冲变压器的高电压隔离和能量放大技术；
③依据桥臂电流方向实现正向低压的强制触发和反向停止触发的自判断技术。
实施例
本发明提供的MMC换流阀子模块保护用晶闸管门极触发控制系统和方法，成功的在±320kV/1000MW的MMC换流阀子模块保护晶闸管的触发控制回路中成功应用，并得到真实的试验验证。试验时，IGBT处于闭锁状态，依据系统仿真及分析，在子模块H半桥的下管IGBT的续流二极管上施加电流峰值为12.5kA的衰减短路故障电流，过电流周期为20ms，持续时间100ms，保护用晶闸管在正向2.0V左右的低压下，成功采用该触发控制系统和方式开通分流，分流比例为94.5％，起到可靠保护IGBT的作用。晶闸管可靠分流的试验数据如表1：
表1
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 (7)
1.一种MMC阀子模块保护用晶闸管门极触发控制系统，其特征在于：所述系统包括数字控制单元、互反信号校对单元和脉冲变压器单元；所述数字控制单元、互反信号校对单元和脉冲变压器单元依次单向连接；
所述数字控制单元用于对上层检测控制单元中阀基控制器下发的晶闸管触发命令进行解码，并将对称互反脉冲信号输出给所述互反信号校对单元，所述互反信号校对单元用于滤除干扰引起的脉冲变化，防止晶闸管的误触发产生；所述脉冲变压器单元用于提升触发脉冲的能量，保证晶闸管可靠开通；
所述数字控制单元包括可编程逻辑门阵列和第一外围辅助电路；
所述可编程逻辑门阵列解码阀基控制器下发的晶闸管触发命令，并对其进行解码，之后晶闸管状态控制位与时钟信号通过与门逻辑以及非门逻辑的作用，在第一外围辅助电路的配合下产生对称互反脉冲信号。
2.根据权利要求1所述的MMC阀子模块保护用晶闸管门极触发控制系统，其特征在于：所述阀基控制器与数字控制单元采用曼侧斯特编码方式进行通信。
3.根据权利要求1所述的MMC阀子模块保护用晶闸管门极触发控制系统，其特征在于：所述互反信号校对单元包括与非逻辑电路和第二外围辅助电路；
所述与非逻辑电路与对称互反脉冲信号采用电信号连接，在第二外围辅助电路的配合下，与非逻辑电路对接收到的对称互反脉冲信号进行校验并滤除干扰，强化晶闸管的控制脉冲。
4.根据权利要求1所述的MMC阀子模块保护用晶闸管门极触发控制系统，其特征在于：所述脉冲变压器单元包括功率脉冲变压器和第三辅助电路；
所述互反信号校与第三辅助电路中三极管的基极相连，晶闸管触发信号低电平有效后，三极管导通，功率脉冲变压器的原边电压感应在副边，生成相应的高电平脉冲信号，用于触发晶闸管门极，进而使其导通。
5.一种采用权利要求1所述的MMC阀子模块保护用晶闸管门极触发控制系统对晶闸管门极进行触发控制的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1：判断MMC阀子模块的桥臂电流是否过流，若过流则判断晶闸管触发命令下发与否；
步骤2：数字控制单元的可编程逻辑门阵列对阀基控制器下发的晶闸管触发命令进行解码，并将对称互反脉冲信号输出给互反信号校对单元；
步骤3互反信号校对单元中的与非逻辑电路对对称互反脉冲信号进行实时校验对比，滤除干扰引起的脉冲变化，使得晶闸管触发命令更加准确可靠；
步骤4：脉冲变压器单元中的功率脉冲变压器对有效的脉冲信号进行功率提升，之后输出高电平脉冲信号给晶闸管，使其可靠导通。
6.根据权利要求5所述的MMC阀子模块保护用晶闸管门极触发控制方法，其特征在于：所述步骤1中，阀基控制器通过MMC阀子模块桥臂上的光电流传感器实时监测MMC阀子模块的桥臂电流和MMC阀子模块的桥臂电流变化率，若MMC阀子模块的桥臂电流或MMC阀子模块的桥臂电流变化率持续增大，则判断为MMC阀子模块的桥臂电流过流，此时通过检测MMC阀子模块的桥臂电流的方向判断晶闸管触发命令下发与否，若MMC阀子模块的桥臂电流方向为反向，表明阀基控制器下发晶闸管触发命令给数字控制单元；若MMC阀子模块的桥臂电流方向由过零点趋于正向，则表明阀基控制器暂停下发晶闸管触发命令给数字控制单元。
7.根据权利要求5所述的MMC阀子模块保护用晶闸管门极触发控制方法，其特征在于：所述步骤2中，当MMC阀子模块的桥臂电流为反向时，数字控制单元的可编程逻辑门阵列则对阀基控制器下发的晶闸管触发命令进行解码，并使得晶闸管状态控制位与时钟信号在与门逻辑以及非门逻辑的作用下，产生一对脉宽为20us的对称互反脉冲信号。
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