CN107643479A - 一种换流器子模块igbt在线监视及高速故障录波的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种换流器子模块IGBT在线监视及高速故障录波的实现方法。适用于各种模块化多电平换流器系统。监视和录波由子模块主导完成。子模块具有专门的硬件监视电路，对IGBT的控制信号、故障报警等关键信号进行高速采样，并在发生故障时将故障前后一段时间内的采样信息组成监视报文。该报文将保存在子模块上的非易失性存储器件中(可保存多个监视报文)，同时也会实时上送至阀控装置进行录波。通过下发命令的方式，阀控装置可以要求子模块在无故障的情况下产生监视报文，还可以读取子模块存储器件中的历史监视报文。本方法具有采样率高、结构简单的特点，对于监视IGBT工况，分析IGBT故障有较大帮助。

Description

一种换流器子模块IGBT在线监视及高速故障录波的实现方法

技术领域

本发明涉及一种换流器子模块IGBT在线监视及高速故障录波的实现方法，适用于电力电子技术中的各种模块化多电平换流器系统。

背景技术

模块化多电平换流器是柔性直流输电、静止无功补偿等电力电子技术的核心部件。它由几十到上千个相同的子模块根据一定的拓扑结构组成，具有可扩展性强，谐波含量少，开关损耗低等显著优点。在直流输电，新能源发电等领域有着广泛的应用。

IGBT模块(以下简称IGBT)作为一种电压驱动式功率半导体产品，是换流器子模块的核心器件。它的稳定运行是换流器实现能源变换与传输的重要前提(特别是对于没有冗余子模块的换流器系统)。

在实际工程应用中，受到电网及换流器内部诸多干扰因素的影响，子模块的运行工况是较为复杂的，难免会出现IGBT损坏等故障。现有的故障分析方法主要依靠阀控装置主导的故障录波，该录波是收集子模块周期上送的信息得到的。受通信周期的限制，录波的分辨率较低，无法精确记录IGBT开通关断等高速动作，不利于故障分析。因此，实现高速监视及故障录波是很有必要的，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种换流器子模块IGBT在线监视及高速故障录波的实现方法。子模块起主导作用，数据的获取摆脱了通信周期的限制，可以充分利用硬件能力，实现高速监视和故障录波。为IGBT故障分析提供有力支持。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种换流器子模块IGBT在线监视及高速故障录波的实现方法。子模块的处理器(以下以FPGA为例进行说明)通过监视电路或者ADC获取需要监视的采样数据。开关量在IO管脚直接进行高速采样；模拟量使用高速ADC芯片进行采样，再传递给FPGA。数据的分辨率可达微秒级别。

发生故障时，FPGA内部记录下故障前后一段时间的采样数据，并按照一定的帧结构将其组合成一帧监视报文，包含了故障时间、故障原因、开关量采样值、模拟量采样值，校验码等要素。

监视报文将保存在子模块上的非易失性存储器件中(通常使用FLASH，可保存多个监视报文，并循环覆盖)，同时也会实时上送至阀控装置进行录波。监视报文可通过单独的上行通道上送，也可复用已有的上行数据通道。

阀控装置周期性向子模块下发当前时间，子模块依此实现时间同步，并在形成监视报文时记录下故障时间，方便后续查看报文。通过下发命令的方式，阀控装置可要求子模块在无故障的情况下产生监视报文，以记录当前工况。还可要求子模块上送FLASH中存储的历史监视报文(可以指定单个报文，或是所有报文)。

上述监视的开关量和模拟量可围绕IGBT选取，也可推广到其他重要电气信号。具体信号及采样速率均可依实际需求而定。

采用上述方案，子模块在发生故障时会主动产生微秒级别分辨率的故障监视报文，并上送至阀控装置进行录波，同时也会保存在本地FLASH中以备查询。可以为IGBT故障分析提供有力支持。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图

图2是监视报文帧结构示意图

图3是监视报文上送方法示意图

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明的系统结构主要由阀控装置和子模块组成。子模块起主导作用，其主控芯片FPGA实现了获取监视数据、读写FLASH以及与阀控装置双向通信等功能。监视电路是根据被监视信号的特性专门设计的硬件电路，实现对开关量的电气隔离和电平转换。ADC芯片负责模拟量的高速采样。FLASH可以存储多个监视报文。

FPGA通过监视电路或者ADC获取需要监视的采样数据。开关量在IO管脚直接获取，利用内部高速时钟进行采样，分辨率可达微秒级别甚至更高。模拟量从ADC获取，分辨率可达微秒级别。监视的开关量和模拟量可围绕IGBT选取，也可推广到其他重要电气信号。具体信号及采样速率依实际需求而定。

如图2所示，是监视报文的帧结构示意图。监视报文的产生有两种方式，一种是发生故障时由子模块主动产生监视报文，另一种是由阀控装置下发命令，子模块在无故障的情况下产生监视报文。这两种方式都会触发子模块以故障时刻(当前时刻)为中心，记录下前后一段时间的采样数据，并按照一定的帧结构将其组合成一帧监视报文，包含了故障时间、故障原因、开关量采样值、模拟量采样值，校验码等要素。

阀控装置周期性向子模块下发当前时间，子模块依此实现时间同步，并在形成监视报文时记录下故障时间，方便后续查看报文。

常规的监视及录波方法是由阀控装置主导，收集子模块周期上送的信息进行录波。受通信周期的限制，录波数据的分辨率一般在百微秒级别。本发明中由子模块主导，摆脱了通信周期的限制，充分利用硬件能力，实现微秒级别的监视和故障录波。

如图3所示，是监视报文上送方法示意图。监视报文的上送有两种方式，一种是子模块主动上送，另一种是由阀控装置下发命令，调取FLASH中的历史报文。具体来说，FPGA生成监视报文后，将保存在子模块上的FLASH中(FLASH可保存多个监视报文，并循环覆盖)，同时实时上送至阀控装置进行录波。在系统空闲时，阀控装置可通过下发命令的方式要求子模块上送FLASH中存储的历史监视报文，可以指定单个报文，或是所有报文。

监视报文可通过单独的上行通道上送，也可复用已有的上行数据通道。

综上，本发明一种换流器子模块IGBT在线监视及高速故障录波的实现方法，具有如下特点：

第一，监视和录波由子模块主导完成。数据的获取摆脱了通信周期的限制，可以充分利用硬件能力，实现高速监视和故障录波。为故障分析提供有力支持。

第二，系统结构简单，监视报文的上送可复用已有的上行数据通道。

第三，子模块可以存储多个监视报文，以备查看。

以上仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种换流器子模块IGBT在线监视及高速故障录波的实现方法，其特征在于：由子模块主导完成监视和录波，

所述子模块的FPGA获取需要监视的采样数据，对开关量在IO管脚直接进行高速采样，对模拟量使用高速ADC芯片进行采样。

2.如权利要求1所述的一种换流器子模块IGBT在线监视及高速故障录波的实现方法，其特征在于：子模块的FPGA获取需要监视的采样数据的途径包括通过监视电路获取或者通过ADC芯片获取。

3.如权利要求2所述的一种换流器子模块IGBT在线监视及高速故障录波的实现方法，其特征在于：所述监视电路根据被监视信号的特性对应设计，实现对开关量的电气隔离和电平转换。

4.如权利要求2所述的一种换流器子模块IGBT在线监视及高速故障录波的实现方法，其特征在于：子模块记录下故障前后一段时间的采样数据，并将其组合成一帧监视报文，所述监视报文的要素包括故障时间、故障原因、开关量采样值、模拟量采样值，校验码；

或者，在无故障情况下，由阀控装置通过下发命令的方式要求子模块产生监视报文，记录当前工况。

5.如权利要求4所述的一种换流器子模块IGBT在线监视及高速故障录波的实现方法，其特征在于：所述阀控装置周期性向子模块下发当前时间，子模块依此实现时间同步，并在形成监视报文时记录下故障时间。

6.如权利要求1至5中任意一项所述的一种换流器子模块IGBT在线监视及高速故障录波的实现方法，其特征在于：所述子模块中设置非易失性存储器件用以存储监视报文，并且，子模块将监视报文上送至阀控装置进行录波。

7.如权利要求6所述的一种换流器子模块IGBT在线监视及高速故障录波的实现方法，其特征在于：阀控装置通过下发命令的方式要求子模块上送存储器件中的历史监视报文，上送指定的单个报文，或者上送所有报文。

8.如权利要求1至7中任意一项所述的一种换流器子模块IGBT在线监视及高速故障录波的实现方法，其特征在于：所述监视的开关量和模拟量围绕IGBT选取。