CN109149911B - 功率模块及其并联装置、变流器以及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种功率模块及其并联装置、变流器以及控制方法，其中，功率模块包括一个及以上IGBT单元以及与IGBT单元连接的控制单元，控制单元连接输入光纤和输出光纤，输入光纤用于接收来自上游功率模块的光信号，输出光纤用于向下游功率模块输出光信号；控制单元，用于根据监测到的IGBT单元的运行状态和/或输入光纤中的光信号的状态，控制向输出光纤中输出的光信号的状态和/或控制IGBT单元的运行状态。以此，可将当前功率模块、上游功率模块的运行状态(尤其是故障状态)，通过输出光纤及时传递给下游功率模块，以实现对其他功率模块的及时保护，保证其他功率模块的安全运行。

Description

功率模块及其并联装置、变流器以及控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电领域，尤其涉及一种功率模块及其并联装置、变流器以及控制方法。

背景技术

在风力发电设备中，风电变流器是不可缺少的能量转换单元，其功能是将风机在自然风的作用下发出电压频率、幅值不稳定的电能转换为频率、幅值稳定、符合电网要求的电能后并入电网。风电变流器，主要包括功率模块和变流器控制器，其中，功率模块是风电变流器的核心功率部件，其主要是通过内部控制单元来驱动功率半导体器件IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)单元的开关来完成风电变流器的逆变、整流、制动等功能；而变流器控制器，则用于控制功率模块。

随着风电变流器功率等级的提高以及功率模块单体容量的限制，需要将多个功率模块的功率输出并联起来形成并联功率模块，以满足风电变流器的功率需求。

在现有技术中，各个功率模块通过光纤与变流器控制器连接，如果功率模块没有故障，则向变流器控制器正常发送光信号，也就是说光纤中有光，而当出现故障时，就停止光信号传输。

现有技术的模式中，如果功率模块发生故障会先通过光纤通知变流器控制器，变流器控制器本身处理大量的控制任务，当发现功率模块发生故障时，需要一定的处理时间，并且还需要通过与功率模块的通信线路通知其他功率模块或者对其他功率模块发送控制信号。在这样的机制下，必然存在一定的时间延迟，一旦出现紧急故障，变流器控制器无法及时通知全部功率模块，可能会导致在某一功率模块出现紧急故障的情况下，不能及时对其他功率模块采取保护措施的问题，进而影响整个并联功率模块的安全运行；另一方面，只要发生故障都采用一样的保护措施，没有对故障类型进行区分，更没有针对不同故障类型而执行不同的保护措施，也就是说，上述保护机制较为粗略且不具针对性。

发明内容

本发明提供了一种功率模块及其并联装置、变流器以及控制方法，可对功率模块的运行状态进行及时传递，提高功率模块的安全性。

为达到上述目的，本申请的实施例采用如下技术方案：

第一方面，提供了一种功率模块，包括：一个及以上IGBT单元以及与所述IGBT单元连接的控制单元，

所述控制单元连接输入光纤和输出光纤，所述输入光纤用于接收来自上游功率模块的光信号，所述输出光纤用于向下游功率模块输出光信号，

所述控制单元，用于对所述IGBT单元的运行状态进行监测，并根据所述IGBT单元的运行状态和/或所述输入光纤中的光信号的状态，控制向所述输出光纤中输出的光信号的状态和/或控制所述IGBT单元的运行状态。

所述控制单元通过上行光纤和下行光纤连接于变流器控制器，所述控制单元，还用于通过所述上行光纤向所述变流器控制器发送包含所述IGBT单元的故障状态信息的上行光信号，以及通过所述下行光纤接收来自所述变流器控制器的包含对IGBT单元的脉冲控制信号的下行光信号，并根据所述脉冲控制信号对所述IGBT单元进行驱动控制。

第二方面，提供了一种功率模块的并联装置，包括第一方面中的功率模块，所述多个功率模块的功率输出端并联连接，所述多个功率模块中的控制单元通过光纤依次连接，形成光纤环路，且上游功率模块的输出光纤作为下游功率模块的输入光纤。

第三方面，提供了一种变流器，包括变流器控制器和第二方面的功率模块的并联装置，所述功率模块中的控制单元与所述变流器控制器相连接。

第四方面，提供了一种应用于第一方面中功率模块的控制方法，包括：

所述功率模块的控制单元对IGBT单元的运行状态进行监测；

根据所述IGBT单元的运行状态和/或所述输入光纤中的光信号的状态，控制向所述输出光纤中输出的光信号的状态和/或控制所述IGBT单元的运行状态。

第五方面，提供了应用于第三方面中变流器的控制方法，包括：

所述变流器中各个功率模块的控制单元通过上行光纤向所述变流器控制器发送包含IGBT单元的故障状态信息的上行光信号，所述故障状态信息包括紧急故障信息、温度信息、电压信息、电流信息中的一个或任意多个；

变流器控制器根据从上行光信号提取到的故障状态信息判定功率模块的故障类型，并根据故障类型通过下行光纤向功率模块的控制单元发送相应的包括对IGBT单元的脉冲控制信号的下行光信号，以便所述控制单元根据所述脉冲控制信号对所述IGBT单元进行驱动控制。

本发明提供的功率模块、功率模块的并联装置及相应的控制方法，功率模块中的控制单元在监测IGBT单元的运行状态的同时，还根据IGBT单元的运行状态和/或上游输入光纤的光信号状态，控制通过输出光纤向下游功率模块的控制单元所传递的光信号状态，当多个功率模块通过输入光纤和输出光纤的连接形成环路拓扑结构时，能够将一个功率模块中的运行状态迅速向下游功率模块进行传递，尤其在将多个功率模块并联使用且任一功率模块发生紧急故障的情况下，通过该保护机制可实现对其他功率模块的及时保护，进而保证其他功率模块的安全运行。

本发明提供的变流器以及相应的控制方法，在前面的功率模块和功率模块的并联装置的基础上，还增加了与变流器控制器通信连接的上行光纤和下行光纤，形成了各个功率模块与变流器控制之间的中心拓扑结构，从而各个功率模块的控制单元能够将自身功率模块中的故障状态信息上报给变流器控制器，由变流器控制器进行分析以确定故障类型后，通过脉冲控制信号对各个功率模块进行相应的驱动控制。这样的中心拓扑结构和上述的环形拓扑结构能够形成有效的互补机制，从而对各个功率模块进行有效的驱动控制。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例一中功率模块的结构示意图；

图2为本发明实施例一中功率模块与变流器控制器连接的结构示意图；

图3为本发明实施例二中功率模块的并联装置的结构示意图；

图4为本发明实施例二中功率模块的并联装置与变流器控制器连接的结构示意图；

图5为本发明实施例三中变流器的结构示意图；

图6为本发明实施例三中变流器控制器的故障判断及处理的流程示意图；

图7为本发明实施例四中功率模块的控制方法流程示意图；

图8为本发明实施例五中变流器的控制方法流程示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

下面通过实施例来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

如图1所示，为本发明实施例一的功率模块的结构示意图，功率模块10可包括一个及以上IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)单元11，及与IGBT单元11连接的控制单元12(可包括用于存储和执行程序的闪存模块(FLASH)和处理模块(CPU)等)。

在本实施例中，功率模块10可应用于风电变流器中，控制单元12可通过驱动IGBT单元11的开关来完成风电变流器的逆变、整流、制动等功能。

在实际应用中，为了满足风电变流器的大功率需求，常常需要将多个功率模块的功率输出端并联起来使用，在本实施例中，可将多个功率模块的直流正极、直流负极、交流输出端并联到一起，在该并联结构中，相对于当前功率模块，其具有与其连接的上游功率模块以及下游功率模块。基于此，控制单元12可连接有输入光纤和输出光纤，输入光纤可用于接收来自上游功率模块的光信号，输出光纤可用于向下游功率模块输出光信号。

控制单元12，可用于对IGBT单元11的运行状态进行监测，并根据IGBT单元11的运行状态和/或输入光纤中的光信号的状态，控制向输出光纤中输出的光信号的状态和/或控制IGBT单元11的运行状态。

在本实施例中，IGBT单元11的运行状态可包括紧急故障状态、一般故障状态以及正常运行状态。

其中，紧急故障可包括IGBT单元的短路故障(比如，由于IGBT单元正常工作时其电压处于饱和区，因此可通过IGBT单元的电压是否退出饱和区判定是否发生短路故障)、控制单元的欠压故障(比如通过控制单元的电压是否低于预置电压阈值来判定)等。紧急故障可以理解为会对当前功率模块中的IGBT单元以及其他并联的其他功率模块中的IGBT单元迅速地造成较大破坏的故障。

关于一般故障，可理解为紧急故障以外的故障，可等待接收控制信号再进行相应的应对处理。在本实施例中，一般故障可包括过温故障(与功率模块温度相关的故障)、过压故障(与功率模块压力相关的故障)、过流故障(与功率模块电流相关的故障)等。

需要说明的是，紧急故障和一般故障的划分并不限于上述的划分模式，上述所列举出的各个故障仅为示例性说明。在实际应用中，可以根据功率模块器件的不同性能以及不同的安全级别要求等，灵活地去定义紧急故障和一般故障。例如，在过温故障中，如果温度超过正常温度阈值，认为是一般故障，但是，如果温度突然上升到一个超过正常温度阈值几倍的温度时，则可以认为是紧急故障。

其中，在本发明实施例中，一般故障状态不会反映到输入光纤和输出光纤的信号中，也就是说，输入光纤和输出光纤中的信号主要是用来传递紧急故障状态和正常运行状态这两种情况的。

在具体实现时，如果IGBT单元11出现紧急故障或者输入光纤中的光信号为无光状态，则控制单元12停止向输出光纤中输出光信号，并关断IGBT单元，以使得输出光纤中光信号的状态为无光状态。

也就是说，控制单元12使输出光纤中的光信号为无光状态需满足如下任一条件：第一，当前功率模块的IGBT单元出现了紧急故障；第二，通过输入光纤接收到了来自上游功率模块的无光状态的光信号，并以此判定上游功率模块发生了紧急故障。

由于紧急故障会导致整个变流器的电压或者电流的突变，不仅对发生紧急故障的功率模块中的IGBT单元产生较大影响，也会对其他功率模块中的IGBT产生影响，因此，为了避免损坏其他功率模块中的IGBT单元，无论是当前功率模块出现了紧急故障，还是上游功率模块出现了紧急故障，控制单元12都会关断当前功率模块中的IGBT单元，以对当前功率模块中的IGBT单元进行有效保护。通过上述机制可以看出，在多个功率模块通过光纤成环形的情况下，只要有一个功率模块出现紧急情况，将会使得全部功率模块迅速关闭IGBT单元，从而对各个功率模块中的IGBT单元进行有效保护。

另外，如果输入光纤中的光信号为有光状态并且IGBT单元11处于正常运行状态，则控制单元12向输出光纤中输出光信号，以使得输出光纤中光信号的状态为有光状态，也就是说，控制单元12使输出光纤中的光信号为有光状态需满足如下两个条件：第一，通过输入光纤接收到了来自上游功率模块的有光状态的光信号，并以此判定上游功率模块为正常运行状态；第二，当前功率模块的IGBT单元处于正常运行状态。

在本实施例中，控制单元12中可包括预置的光识别电路及光纤收发芯片，基于此，可通过光识别电路来识别输入光纤中光信号的状态。

当识别结果是输入光纤中光信号为无光状态，则可通过光纤收发芯片将光信号转换为低电平的电信号，通过低电平的电信号判定上游功率模块为紧急故障状态，再通过光纤收发芯片将低电平的电信号转换为无光状态的光信号，然后停止向输出光纤中输出光信号。

当识别结果是输入光纤中光信号为有光状态，则可通过光纤收发芯片将光信号转换为高电平的电信号，通过高电平的电信号判定上游功率模块为正常运行状态，再通过光纤收发芯片将高电平的电信号转换为有光状态的光信号，然后将光信号通过输出光纤输出。

需要说明的是，在本发明实施例中，上述输入光纤和输出光纤中有光和无光所代表的含义，可以根据实际应用而灵活定义，例如，可以将有光状态定义为紧急故障状态，而将无光状态定义为正常运行状态，这样的定义方式与上述方式是等同的。

其中，可选用现有光纤收发芯片实现上述功能，比如，Broadcom(博通)公司制造的型号为HFBR-1521、HFBR-2521等的光纤收发芯片。

根据本实施例中的功率模块，可将当前功率模块、上游功率模块的运行状态，通过输出光纤及时传递给下游功率模块，尤其在将多个功率模块并联使用且任一功率模块发生紧急故障的情况下，通过该保护机制可实现对其他功率模块的及时保护，进而保证其他功率模块的安全运行。

参看图2所示的功率模块与变流器控制器连接的结构示意图，在本实施例中，功率模块10还可通过光纤连接于变流器控制20，由于光纤传输的单向性，控制单元12可通过上行光纤和下行光纤连接于变流器控制器20。

控制单元12，可用于通过上行光纤向变流器控制器20发送包含IGBT单元11的故障状态信息的上行光信号，以及通过下行光纤接收来自变流器控制器20的包含对IGBT单元11的脉冲控制信号的下行光信号，并根据接收到的脉冲控制信号(比如PWM信号，Pulse WidthModulation信号)对IGBT单元11进行驱动控制。这里所述的故障状态信息，可以包括用于判断发生紧急故障的紧急故障信息，以及用于判断发生一般故障中包括的过温故障的温度信息、过压故障的电压信息、过流故障的电流信息等。因此，所述故障状态包括了前面提及的紧急故障状态及一般故障状态，在本发明实施例中，紧急故障以外的故障都可以称为一般故障。

如前面所介绍的，对于任何一个功率模块，其故障状态会通过两条光纤链路来向外发出，其中一条光纤链路为由上行光纤和下行光纤构成的链路一，这条链路会将详细的故障状态(包括紧急故障和一般故障)上报给变流器控制器，然后变流器控制器在通过下行光纤对各个功率单元进行驱动控制。另一条光纤链路为由输入光纤和输出光纤构成的链路二，这条链路保证了在出现紧急故障的情况下，及时将发生紧急故障的情况通知给下游的功率模块，以便下游的功率模块采取紧急处理措施。

链路一相对于链路二在紧急故障的处理上存在一定的延迟。在出现紧急故障的情况下，如果链路二不出现传输问题，链路二会迅速触发各个功率模块及时关断IGBT单元，而链路一是为了确保在链路二出现问题的情况下，也能够处理紧急故障，对于紧急故障来说，相当于有两级的处理措施，充分保障了变流器的安全性。此外，链路一会传输针对一般故障的控制信号，从而对功率单元进行更多的故障控制处理。

实施例二

以下实施例二是对由如实施例一中的功率模块所组成的并联装置进行介绍，在本实施例中，该功率模块的并联装置，可包括多个如上述实施例一中的功率模块10，可将多个功率模块10的功率输出端并联连接，多个功率模块10中的控制单元12可通过光纤依次连接以形成光纤环路，且上游功率模块的输出光纤可作为下游功率模块的输入光纤。

在一种实现方式中，如图3所示，多个功率模块10(比如，包括第一功率模块，第二功率模块，第三功率模块)的功率输出端并联连接，第一、第二、第三功率模块10中的控制单元12可通过光纤依次连接，也就是，第一功率模块10的控制单元12与第二功率模块10的控制单元12通过光纤连接，且第一功率模块10的输出光纤可作为第二功率模块10的输入光纤；第二功率模块10的控制单元12与第三功率模块10的控制单元12通过光纤连接，且第二功率模块10的输出光纤可作为第三功率模块10的输入光纤；第三功率模块10的控制单元12与第一功率模块10的控制单元12通过光纤连接，且第三功率模块10的输出光纤可作为第一功率模块10的输入光纤，以形成由各功率模块连接组成的环形拓扑结构(对应于实施例一中提到的链路二)。

基于该环形拓扑结构，可实现将当前功率模块、上游功率模块的运行状态，通过输出光纤及时传递给下游功率模块，以在该结构中的任一功率模块发生紧急故障的情况下，及时对其他功率模块采取保护措施，进而保证该结构中其他功率模块的安全运行。

在另一种实现方式中，如图4所示，在上述环形拓扑结构的基础上，各功率模块10的控制单元12还可通过光纤连接于变流器控制器20，也就是，第一、第二、第三功率模块10的控制单元12分别通过上行光纤和下行光纤连接于变流控制器20，以形成由各功率模块与变流器控制器组成的中心式拓扑结构(对应于实施例一提到的链路一)。

关于上述链路一及链路二配合使用以实现对功率模块紧急故障进行处理的相关内容，可参见实施例一中的介绍。

关于并联装置中的各功率模块的结构及工作机制，在实施例一种已经进行了详细的介绍，因此，相关的内容可参见实施例一，在此不再赘述。

实施例三

以下实施例三是对一种变流器进行介绍，参看图5，在本实施例中，变流器50可包括如实施例二中的功率模块的并联装置和变流器控制器20，其中，功率模块的并联装置为多个功率模块10的功率输出端(比如包括直流正极、直流负极、交流输出端)并联连接，多个功率模块10中的控制单元11通过光纤依次连接以形成光纤环路，且上游功率模块的输出光纤作为下游功率模块的输入光纤。

而且，控制单元12与变流器控制器20相连接，在本实施例中，控制单元12可通过上行光纤和下行光纤连接于变流器控制器20，基于此，控制单元12，还可用于通过上行光纤向变流器控制器发送包含IGBT单元的故障状态信息的上行光信号，以及通过下行光纤接收来自变流器控制器的包含对IGBT单元的脉冲控制信号的下行光信号，并根据接收到的脉冲控制信号对IGBT单元进行驱动控制。

根据本实施例提供的变流器，可包括如实施例二中图4所示的并联装置及变流器控制器，既包括由各功率模块连接组成的环形拓扑结构(对应于实施例一中的链路二)，又包括由各功率模块与变流器控制器组成的中心式拓扑结构(对应于实施例一中的链路一)。关于上述链路一及链路二配合使用以实现对功率模块紧急故障进行处理的相关内容，可参见实施例一中的介绍。

在本实施例中，针对现有技术中对功率模块的保护机制较为粗略且不具针对性(也即只要发功率生故障，变流器控制器都采用一样的保护措施)的问题进行改进，在该变流器中，基于上述中心式拓扑结构，变流器控制器可根据接收到的上行光信号中包含的多种信息进行故障判定并对根据故障类型采取不同的保护措施，实现方式可参见图6及下文介绍。

需要说明的是，功率模块的故障可分为紧急故障(对应于实施例一中提到的紧急故障)和一般故障(比如紧急故障之外的其他故障，可根据来自变流器控制器的控制信号采取相应的处理)。

在具体实现时，一般故障可包括过温故障(与功率模块温度相关的故障)、过压故障(与功率模块压力相关的故障)、过流故障(与功率模块电流相关的故障)等。

其中，过温故障可分为两个级别的过温故障，可对应为需要告警的过温故障及需要停止工作的过温故障；过压故障可对应为需要停止工作的过压故障；过流故障也可分为两个级别的过温故障，可对应为需要告警的过流故障及需要停止工作的过流故障。

针对紧急故障，在具体实现时，上行光信号中的故障状态信息可包括紧急故障信息，基于此，变流器控制器在通过各条上行光纤接收到各功率模块的上行光信号后，在从任一功率模块的上行光信号中的故障状态信息提取到紧急故障信息时，可判定该功率模块出现紧急故障，并可通过各条下行光纤向所有功率模块的控制单元发送关断IGBT单元的脉冲控制信号，以便各功率模块停止工作。

也就是说，当并联的功率模块中任一功率模块发生紧急故障时，需要所有功率模块停止工作，根据需要进行停机检修等，以确保所有功率模块的安全运行。

针对过温故障，在具体实现时，上行光信号中的故障状态信息可包括温度信息，基于此，变流器控制器在通过各条上行光纤接收到各功率模块的上行光信号后，判定从任一功率模块的上行光信号中的故障状态信息提取到的温度信息高于预置温度告警阈值时，该功率模块为存在需要告警的过温故障，则可通过各条下行光纤向所有功率模块的控制单元发送以低于预置功率运行的脉冲控制信号，以便各功率模块降额运行。

也就是说，当并联的功率模块中任一功率模块的温度高于预置温度告警阈值时，需要告警，且所有功率模块都要降额运行。比如，在两个功率模块并联的情况下，其共同承担2MW(兆瓦)的功率，当任一功率模块的温度高于预置温度告警阈值时，两个功率模块都需要以低于预置功率运行，比如以原功率60％的功率运行，则每个功率模块都需要以2MW×60％/2＝0.6MW继续运行，并可发出告警，以提示功率模块可能出现问题，可据此对各功率模块进行检修，以保证各功率模块的安全运行。

此外，当变流器控制器在通过各条上行光纤接收到各功率模块的上行光信号后，判定从任一功率模块的上行光信号中的故障状态信息提取到的温度信息高于预置温度保护阈值时，该功率模块为存在需要停止工作的过温故障，则可通过各条下行光纤向所有功率模块的控制单元发送关断IGBT单元的脉冲控制信号，以便各功率模块停止工作。

也就是说，当并联的功率模块中任一功率模块高于预置温度保护阈值时，需要所有功率模块停止工作，根据需要进行停机检修等，以确保所有功率模块的安全运行，在本实施例中，所述预置温度告警阈值小于所述预置温度保护阈值。

针对过压故障，在具体实现时，上行光信号中的故障状态信息可包括电压信息，基于此，变流器控制器在通过各条上行光纤接收到各功率模块的上行光信号后，判定从任一功率模块的上行光信号中的故障状态信息提取到的电压信息高于预置电压保护阈值时，该功率模块为存在需要停止工作的过压故障，则可通过各条下行光纤向所有功率模块的控制单元发送关断IGBT单元的脉冲控制信号，以便各功率模块停止工作。

在实际应用中，IGBT单元是对电压变化很敏感的器件，在IGBT单元的开通与关断过程中可能存在电压尖峰，因此对于施加于IGBT单元正负两端的直流母线电压是有要求，超过预定的安全电压，则需要对IGBT单元进行保护，上述预置电压保护阈值可为留有一定裕量的电压保护值，因此，当电压值超过上述预置电压保护阈值可不判定为紧急故障，而作为一般故障处理。

也就是说，当并联的功率模块中任一功率模块高于预置电压保护阈值时，需要所有功率模块停止工作，根据需要进行停机检修等，以确保所有功率模块的安全运行。

针对过流故障，在具体实现时，上行光信号中的故障状态信息可包括电流信息，基于此，变流控制器在通过各条上行光纤接收到各功率模块的上行光信号后，在各功率模块的上行光信号中的故障状态信息提取到的电流信息判定各功率模块之间电流的均衡程度超过预置均衡保护值时，所有功率模块为存在需要告警的过流故障，则可通过各条下行光纤向所有功率模块的控制单元发送以低于预置电流值运行的控制信号，以便各功率模块降额运行。

也就是说，当并联的功率模块之间的电流均衡程度超过预置均衡保护值时，所有功率模块降额运行。比如，在两个功率模块并联的情况下，两个功率模块的电流值分别为I1、I2，可通过将(I1+I2)/2得到平均电流值，然后用I1、I2分别减去该平均电流值并折算成百分比，以得到该两个功率模块的均衡程度，可将该两个功率模块的均衡程度超过预置均衡保护值时，两个功率模块都需要以低于预置电流值运行，比如以原电流值60％的电流值继续运行，并可发出告警，以提示功率模块可能出现问题，比如散热阻塞等，可据此对各功率模块进行检修，保证各功率模块的安全运行。

此外，当变流器控制器在通过各条上行光纤接收到各功率模块的上行光信号后，判定从任一功率模块的上行光信号中的故障状态信息提取到的电流信息高于预置电流保护阈值时，该功率模块为存在需要停止工作的过流故障，则通过各条下行光纤向所有功率模块的控制单元发送关断IGBT的脉冲控制信号，以便各功率模块停止工作。

也就是说，当并联的功率模块中任一功率模块的电流高于预置电流保护阈值时，需要所有功率模块停止工作，根据需要进行停机检修等，以确保所有功率模块的安全运行，在本实施例中，所述预置均衡保护值小于预置电流保护阈值。

在本实施例中，变流器控制器可根据接收到的上行光信号中的故障状态信息包含的紧急故障信息、温度信息、电压信息、电流信息等进行故障判定，并在判定出功率模块出现紧急故障及一般故障(过温故障、过压故障、过流故障)时，对功率模块采取与故障类型相应的保护措施，一方面，可对故障进行分类，以便于后续故障分析等；另一方面，可根据不同故障类型作出不同程度的响应，比如降额工作、停止工作等保护措施，以此，可保证该故障处理机制更精确且更有针对性，可以最大程度发挥功率模块的使用时间及使用效率，进而提高变流器的使用时间及使用效率。

在另一实施例的变流器中，基于环形拓扑结构，如果所述IGBT单元出现紧急故障或者所述输入光纤中的光信号为无光状态，则停止向所述功率模块的输出光纤中输出光信号，如果所述输入光纤中的光信号为有光状态并且所述IGBT单元处于正常运行状态，则向所述输出光纤中输出光信号。以此，可实现将当前功率模块、上游功率模块的运行状态，通过输出光纤及时传递给下游功率模块，以在该结构中的任一功率模块发生紧急故障的情况下，及时对其他功率模块采取保护措施，进而保证该结构中其他功率模块的安全运行。

关于并联装置中各功率模块的结构及工作机制，在实施例一中已经进行了详细的介绍，因此，相关的内容可参见实施例一，在此不再赘述。

实施例四

以下实施例四是对实施例一中功率模块的控制方法进行介绍。

如图7所示，该方法包括如下步骤：

S710，功率模块的控制单元对IGBT单元的运行状态进行监测；

S720，根据IGBT单元的运行状态和/或输入光纤中的光信号的状态，控制向输出光纤中输出的光信号的状态和/或控制IGBT单元的运行状态。

在具体实现时，S720可具体包括：

如果所述IGBT单元出现紧急故障或者所述输入光纤中的光信号为无光状态，则停止向所述输出光纤中输出光信号，并关断所述IGBT单元；

如果所述输入光纤中的光信号为有光状态并且所述IGBT单元处于正常运行状态，则向所述输出光纤中输出光信号。

以此，基于该环形拓扑结构，可实现将当前功率模块、上游功率模块的运行状态，通过输出光纤及时传递给下游功率模块，以在该结构中的任一功率模块发生紧急故障的情况下，及时对其他功率模块采取保护措施，进而保证该结构中其他功率模块的安全运行。

关于并联装置中各功率模块的结构及工作机制，在实施例一种已经进行了详细的介绍，因此，相关的内容可参见实施例一，在此不再赘述。

实施例五

以下实施例五是对实施例三中变流器的控制方法进行介绍。

如图8所示，该方法包括如下步骤：

S810，变流器中各个功率模块的控制单元通过上行光纤向变流器控制器发送包含IGBT单元的故障状态信息的上行光信号，所述故障状态信息包括紧急故障信息、温度信息、电压信息、电流信息中的一个或任意多个；

S820，变流器控制器根据从上行光信号提取到的故障状态信息判定功率模块的故障类型，并根据故障类型通过所述下行光纤向功率模块的控制单元发送相应的包括对IGBT单元的脉冲控制信号的下行光信号，以便所述控制单元根据所述脉冲控制信号对所述IGBT单元进行驱动控制。

本实施例的控制方法，主要是针对现有技术中对功率模块的保护机制较为粗略且不具针对性(也即只要发功率生故障，变流器控制器都采用一样的保护措施)的问题进行改进。

通过本实施例的控制方法，在上述中心式拓扑结构的基础上，变流器控制器可根据接收到的上行光信号中的故障状态信息所包含的多种信息进行故障判定并对根据故障类型采取不同的保护措施。

需要说明的是，功率模块的故障可分为紧急故障(对应于实施例一中提到的紧急故障)和一般故障(比如紧急故障之外的其他故障，可根据来自变流器控制器的控制信号采取相应的处理)。

在具体实现时，一般故障可包括过温故障(与功率模块温度相关的故障)、过压故障(与功率模块压力相关的故障)、过流故障(与功率模块电流相关的故障)等。

其中，过温故障可分为两个级别的过温故障，可对应为需要告警的过温故障及需要停止工作的过温故障；过压故障可对应为需要停止工作的过压故障；过流故障也可分为两个级别的过温故障，可对应为需要告警的过流故障及需要停止工作的过流故障。

在本实施中，针对紧急故障，在具体实现时，所述变流器控制器可根据从上行光信号中的故障状态信息提取到的紧急故障信息判定任一功率模块为发生紧急故障时，通过各条下行光纤向所有功率模块的控制单元发送关断IGBT单元的脉冲控制信号。

针对过温故障，在具体实现时所述变流器控制器根据从上行光信号的故障状态信息中提取到的温度信息判定任一功率模块的温度高于预置温度告警阈值时，通过各条下行光纤向所有功率模块的控制单元发送以低于预置功率运行的脉冲控制信号；或

根据从上行光信号中的故障状态信息提取到的温度信息判定任一功率模块的温度高于预置温度保护阈值时，通过各条下行光纤向所有功率模块的控制单元发送关断IGBT单元的脉冲控制信号，所述预置温度告警阈值小于所述预置温度保护阈值。

针对过压故障，在具体实现时所述变流器控制器根据从上行信号中的故障状态信息提取到的电压信息判定任一功率模块的电压高于预置电压保护阈值时，通过各条下行光纤向所有功率模块的控制单元发送关断IGBT单元的脉冲控制信号。

针对过流故障，在具体实现时，

所述变流控制器根据从上行光信号的故障状态信息中提取的电流信息判定各功率模块之间电流的均衡程度超过预置均衡保护值时，通过各条下行光纤向所有功率模块的控制单元发送以低于预置电流值运行的控制信号；或

根据从上行光信号中的故障状态信息提取到的电流信息判定任一功率模块的电流高于预置电流保护阈值时，通过各条下行光纤向所有功率模块的控制单元发送关断IGBT的脉冲控制信号；所述预置均衡保护值小于预置电流保护阈值。

在本实施例中，变流器控制器可根据接收到的上行光信号中的故障状态信息包含的紧急故障信息、温度信息、电压信息、电流信息等进行故障判定，并在判定出功率模块出现紧急故障及一般故障(过温故障、过压故障、过流故障)时，对功率模块采取与故障类型相应的保护措施，一方面，可对故障进行分类，以便于后续故障分析等；另一方面，可根据不同故障类型作出不同程度的响应，比如降额工作、停止工作等保护措施，以此，可保证该故障处理机制更精确且更有针对性，可以最大程度发挥功率模块的使用时间及使用效率，进而提高变流器的使用时间及使用效率。

关于变流器控制器对于功率模块的故障判定及保护，在实施例三中已经进行了详细的介绍，因此，相关内容可参见实施例三，在此不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种功率模块，其特征在于，包括：一个及以上IGBT单元以及与所述IGBT单元连接的控制单元，

所述控制单元连接输入光纤和输出光纤，所述输入光纤用于接收来自上游功率模块的光信号，所述输出光纤用于向下游功率模块输出光信号，

所述控制单元，用于对所述IGBT单元的运行状态进行监测，并根据所述IGBT单元的运行状态和/或所述输入光纤中的光信号的状态，控制向所述输出光纤中输出的光信号的状态和/或控制所述IGBT单元的运行状态，

根据所述IGBT单元的运行状态和/或所述输入光纤中的光信号的状态，控制向所述输出光纤中输出的光信号的状态和/或控制所述IGBT单元的运行状态，包括：

如果所述IGBT单元出现紧急故障或者所述输入光纤中的光信号为无光状态，则停止向所述输出光纤中输出光信号，并关断所述IGBT单元；

如果所述输入光纤中的光信号为有光状态并且所述IGBT单元处于正常运行状态，则向所述输出光纤中输出光信号。

2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述控制单元通过上行光纤和下行光纤连接于变流器控制器，

所述控制单元，所述控制单元，用于对所述IGBT单元的运行状态进行监测，并根据所述IGBT单元的运行状态和/或所述输入光纤中的光信号的状态，控制向所述输出光纤中输出的光信号的状态和/或控制所述IGBT单元的运行状态。

3.一种功率模块的并联装置，其特征在于，包括多个如权利要求1或2任一所述的功率模块，所述多个功率模块的功率输出端并联连接，所述多个功率模块中的控制单元通过光纤依次连接，形成光纤环路，且上游功率模块的输出光纤作为下游功率模块的输入光纤。

4.一种变流器，其特征在于，包括变流器控制器和如权利要求3所述的功率模块的并联装置，所述功率模块中的控制单元与所述变流器控制器相连接。

5.根据权利要求4所述的变流器，其特征在于，所述控制单元通过上行光纤和下行光纤连接于所述变流器控制器，所述控制单元通过所述上行光纤向所述变流器控制器发送包含IGBT单元的故障状态信息的上行光信号，以及通过所述下行光纤接收来自所述变流器控制器的包含对IGBT单元的脉冲控制信号的下行光信号；

其中，所述上行光信号中的故障状态信息包括紧急故障信息，

所述变流器控制器，用于根据从上行光信号中提取到的紧急故障信息判定任一功率模块发生紧急故障时，通过各条下行光纤向所有功率模块的控制单元发送关断IGBT单元的脉冲控制信号；

或者，

所述上行光信号中的故障状态信息包括温度信息，

所述变流器控制器，用于根据从上行光信号中提取到的温度信息判定任一功率模块的温度高于预置温度告警阈值时，通过各条下行光纤向所有功率模块的控制单元发送以低于预置功率运行的脉冲控制信号；或，

用于根据从上行光信号中提取到的温度信息判定任一功率模块的温度高于预置温度保护阈值时，通过各条下行光纤向所有功率模块的控制单元发送关断IGBT单元的脉冲控制信号；所述预置温度告警阈值小于所述预置温度保护阈值；

或者，

所述上行光信号中的故障状态信息包括电压信息，

所述变流器控制器，用于根据从上行光信号中提取到的电压信息判定任一功率模块的电压高于预置电压保护阈值时，通过各条下行光纤向所有功率模块的控制单元发送关断IGBT单元的脉冲控制信号；

或者，

所述上行光信号中的故障状态信息包括电流信息，

所述变流器控制器，用于根据从上行光信号中提取的电流信息判定各功率模块之间电流的均衡程度超过预置均衡保护值时，通过各条下行光纤向所有功率模块的控制单元发送以低于预置电流值运行的脉冲控制信号；或用于根据从上行光信号中提取到的电流信息判定任一功率模块的电流高于预置电流保护阈值时，通过各条下行光纤向所有功率模块的控制单元发送关断IGBT的脉冲控制信号；所述预置均衡保护值小于预置电流保护阈值。

6.一种功率模块的控制方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1的功率模块，所述方法包括：

所述功率模块的控制单元对IGBT单元的运行状态进行监测；

根据所述IGBT单元的运行状态和/或所述输入光纤中的光信号的状态，控制向所述输出光纤中输出的光信号的状态和/或控制所述IGBT单元的运行状态。

7.一种变流器的控制方法，其特征在于，所述方法基于权利要求4所述的变流器，所述方法包括：

所述变流器中各个功率模块的控制单元通过上行光纤向所述变流器控制器发送包含IGBT单元的故障状态信息的上行光信号，所述故障状态信息包括紧急故障信息、温度信息、电压信息、电流信息中的一个或任意多个；

变流器控制器根据从上行光信号提取到的故障状态信息判定功率模块的故障类型，并根据故障类型通过下行光纤向功率模块的控制单元发送相应的包括对IGBT单元的脉冲控制信号的下行光信号，以便所述控制单元根据所述脉冲控制信号对所述IGBT单元进行驱动控制。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述变流器控制器根据从上行光信号提取到的故障状态信息判定功率模块的故障类型，并根据故障类型通过所述下行光纤向功率模块的控制单元发送相应的包括对IGBT单元的脉冲控制信号的下行光信号，包括：

所述变流器控制器根据从上行光信号中提取到的紧急故障信息判定任一功率模块为发生紧急故障时，通过各条下行光纤向所有功率模块的控制单元发送关断IGBT单元的脉冲控制信号；

或者，

所述变流器控制器根据从上行光信号中提取到的温度信息判定任一功率模块的温度高于预置温度告警阈值时，通过各条下行光纤向所有功率模块的控制单元发送以低于预置功率运行的脉冲控制信号；或

根据从上行光信号中提取到的温度信息判定任一功率模块的温度高于预置温度保护阈值时，通过各条下行光纤向所有功率模块的控制单元发送关断IGBT单元的脉冲控制信号；所述预置温度告警阈值小于所述预置温度保护阈值；

或者，

所述变流器控制器根据从上行信号中提取到的电压信息判定任一功率模块的电压高于预置电压保护阈值时，通过各条下行光纤向所有功率模块的控制单元发送关断IGBT单元的脉冲控制信号；

或者，

所述变流器控制器根据从上行光信号中提取的电流信息判定各功率模块之间电流的均衡程度超过预置均衡保护值时，通过各条下行光纤向所有功率模块的控制单元发送以低于预置电流值运行的控制信号；或

根据从上行光信号中提取到的电流信息判定任一功率模块的电流高于预置电流保护阈值时，通过各条下行光纤向所有功率模块的控制单元发送关断IGBT的脉冲控制信号；所述预置均衡保护值小于预置电流保护阈值。

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