CN109444621A - 一种大功率npc三电平逆变器功率模块电流在线检测方法 - Google Patents

一种大功率npc三电平逆变器功率模块电流在线检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种大功率NPC三电平逆变器功率模块电流在线检测方法，包括以下步骤：步骤一，检测每相正、负母线与负载电流，以及正、负母线电流变化速率；步骤二，统计单相电路存在的电流路径；步骤三，根据单相负载电流方向，建立单相拓扑中正、负母线和负载电流与4个IGBT模块和2个钳位二极管模块电流的关系模型；步骤四，将短路故障进行分类并统计单相电路可能发生的短路电流路径；步骤五，检测短路电流，根据检测电流的突变特性，建立短路电流路径识别规则；该检测方法简单，能够精确得出每个模块的开关瞬态电流，同时在逆变器发生短路故障时，检测系统能够迅速识别故障线路，提高短路故障诊断效率。

Description

一种大功率NPC三电平逆变器功率模块电流在线检测方法
技术领域
本发明涉及电力电子器件检测领域，尤其涉及一种大功率NPC三电平逆变器功率模块电流在线检测方法。
背景技术
NPC三电平拓扑是目前大功率逆变系统中应用非常广泛的拓扑结构，其较为复杂的控制算法和拓扑结构增加了功率模块可靠运行的难度。在系统调试时，通常仅检测负载输出电压和电流来观察系统的运行状态，却忽略了对系统内部功率模块的检测，不利于准确评估系统运行的可靠性。功率模块的电流提供了开关瞬态过冲和振荡特性，可用来评估功率模块工作状况，是功率模块的重要参数，因而有必要对其电流进行在线检测。传统的电流检测方法是对功率模块进行单独检测，然而NPC型三电平单相拓扑共有4个IGBT模块和2个钳位二极管模块共6个功率模块，若同时对三相拓扑的每个功率模块进行独立检测，则共需要18个电流检测单元，无疑增加了系统检测的成本。
此外系统短路故障是影响系统可靠性的重要因素，当系统发生短路故障时，短路故障引发的二次故障时常会增加系统故障诊断的难度，传统的短路检测方法仅是对短路进行快速保护，并不能对短路状态进行检测，因而当短路保护电路出现问题导致较为严重的破坏性故障时，很难快速的找出引发短路故障的原因。
发明内容
本发明目的在于提供一种大功率NPC三电平逆变器功率模块电流在线检测方法，旨在解决上述问题，本发明既能够减少电流检测单元，又能够精确的将每个模块电流计算出来，当发生短路故障时，本发明能够检测短路电流并准确判断发生短路故障的电流路径。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种大功率NPC三电平逆变器功率模块电流在线检测方法，包括以下步骤：
步骤一，检测每相正、负母线与负载电流，以及正、负母线电流变化速率；
步骤二，统计单相电路存在的电流路径；
步骤三，根据单相负载电流方向，建立单相拓扑中正、负母线和负载电流与4个IGBT模块和2个钳位二极管模块电流的关系模型；
步骤四，将短路故障进行分类并统计单相电路可能发生的短路电流路径；
步骤五，检测短路电流，根据检测电流的突变特性，建立短路电流路径识别规则。
所述步骤一中，为了能够得到精确功率模块开关瞬态电流，需要采用高测量带宽的罗氏线圈及其传感电路进行电流和电流变化速率的检测；因为三相负载电流之和为零，为减少电流检测单元，仅需测量任意两相负载电流，另一相的负载电流为其他两相负载电流之和的负数。
所述步骤二中，由于NPC三电平拓扑三相对称，仅对一相分析即可，以A相拓扑为例进行分析。单相电路的电流路径有6种，分别为路径1～路径6。其中路径1为电流从正母线流过第一IGBT模块T1，第二IGBT模块T2和负载LA；所述的路径2为电流从零母线流过第一钳位二极管模块D1，第二IGBT模块T2和负载LA；所述的路径3为电流从负母线流过第四IGBT 模块T4的反并联二极管，第三IGBT模块T3的反并联二极管和负载LA；所述的路径4为电流从负载LA流过第三IGBT模块T3，第二钳位二极管模块D2到达零母线；所述的路径5为电流从负载LA流过第三IGBT模块T3，第四IGBT模块T4到达负母线；所述的路径6为电流从负载LA流过第二IGBT模块T2的反并联二极管，第一IGBT模块T1的反并联二极管到达负母线。
所述步骤三中，当负载电流IL为正方向，即IL>0时，电流会流过的路径为路径1、路径2 和路径3，单相正母线电流I+、负母线电流I-和负载电流IL与第一IGBT模块T1电流IT1、第二IGBT模块T2电流IT2、第三IGBT模块T3电流IT3、第四IGBT模块T4电流IT4、第一钳位二极管模块D1电流ID1和第二钳位二极管模块D2电流ID2的关系为：
第一IGBT模块T1：在路径1、路径2和路径3中，始终是IT1＝I+；
第二IGBT模块T2：在路径1和路径2中，IT2＝IL、I-＝0，在路径3中，IT2＝0、I-＝-IL；
第三IGBT模块T3和第四IGBT模块T4：在路径1、路径2和路径3中，始终是IT3＝IT4＝I-；
第一钳位二极管模块D1：在路径1中，ID1＝0、I+＝IL、I-＝0，在路径2中，ID1＝IL、I+＝I-＝0，在路径3中，ID1＝0、I+＝0、I-＝-IL；
第二钳位二极管模块D2：在路径1、路径2和路径3中，始终是ID2＝0。
所述步骤三中，当负载电流IL为负方向，即IL<0时，电流会流过的路径为路径4、路径5 和路径6，单相正母线电流I+、负母线电流I-和负载电流IL与第一IGBT模块T1电流IT1、第二IGBT模块T2电流IT2、第三IGBT模块T3电流IT3、第四IGBT模块T4电流IT4、第一钳位二极管模块D1电流ID1和第二钳位二极管模块D2电流ID2的关系为：
第一IGBT模块T1和第二IGBT模块T2：在路径1、路径2和路径3中，始终是IT1＝IT2＝I+；
第三IGBT模块T3：在路径4和路径5中，IT3＝-IL，I+＝0，在路径6中，IT3＝0，I+＝IL；
第四IGBT模块T4：在路径4、路径5和路径6中，始终是IT4＝I-；
第一钳位二极管模块D1：在路径4、路径5和路径6中，始终是ID1＝0；
第二钳位二极管模块D2：在路径4中，ID2＝-IL、I+＝I-＝0，在路径5中，ID2＝0、I+＝0、I-＝-IL，在路径6中，ID1＝0、I+＝IL、I-＝0。
所述步骤三中，单相IGBT模块和钳位二极管模块电流为：
其他两相模块电流也可据此方法计算。
所述步骤四中，短路故障分为桥臂间短路和桥臂内短路。其中，
桥臂间短路是指负载发生短路故障，有4种电流路径，分别为路径1，路径2，路径4和路径5。
桥臂内短路是指单相桥臂内模块错误动作或被击穿导通使得电流不通过负载直接流向母线，有5种电流路径，分别为路径7，路径8，路径9，路径10和路径11。
所述步骤五中，桥臂内短路电流路径中，路径7为电流从正母线流过第一IGBT模块T1，第二IGBT模块T2，第三IGBT模块T3和第二钳位二极管D2。路径8为电流从正母线流过第一IGBT模块T1和第一钳位二极管D1。路径9为电流从零母线流过第一钳位二极管D1，第二IGBT模块T2，第三IGBT模块T3和第四IGBT模块T4。路径10为电流从零母线流过第二钳位二极管D2和第四IGBT模块T4。路径11为电流从正母线流过第一IGBT模块T1，第二 IGBT模块T2，第三IGBT模块T3和第四IGBT模块T4。
当发生桥臂间短路时，短路电流为IL；当I+与IL同时检测到正向短路电流时，短路电流流过路径1；当仅IL检测到正向大电流时，短路电流流过路径2；当仅IL检测到反向大电流时，短路电流流过路径4；当I-检测到正向大电流且IL检测到反向大电流时，短路电流流过路径5。
当发生桥臂内短路时，由于短路电流远大于负载电流，可以忽略负载电流对检测电流的影响。当仅I+检测到正向短路电流时，短路电流为I+，且当短路电流变化率较小时，短路电流流过路径7，而当短路电流变化率较大时，短路电流流过路径8；当仅I-检测到正向短路电流时，短路电流为I-，且短路电流变化率较小时，短路电流流过路径9，而当短路电流变化率较大时，短路电流流过路径10；当I+和I-同时检测到短路电流时，短路电流流过路径11，短路电流设为I+。
相比于传统功率模块电流检测的方法，本发明的优势在于，本发明是通过检测单相正、负母线和负载电流，建立与功率模块电流之间的关系模型，来计算出每个IGBT模块和钳位二极管模块的电流，能够减少电流检测单元数量，降低系统检测成本；相比于将电流检测单元安装在功率模块上的方法，本发明仅需在正、负母线和负载上安装电流检测单元，拆装更为方便，无需将功率模块从系统中拆下安装电流检测单元；当发生短路故障时，能够快速检测短路电流并且识别短路电流路径，提供了更多的短路故障信息，有助于对短路故障原因进行快速判断。
附图说明
以下将结合附图对本发明作进一步说明：
图1为本发明电流检测单元安放位置示意图；
图2-1—图2-6为本发明大功率NPC三电平逆变器单相电流路径；
图3-1—图3-5为本发明大功率NPC三电平逆变器单相桥臂内短路电流路径。
具体实施方式：
为了能够更清楚地理解本发明内容，下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细描述。
实施例1：参见图1-图3，一种大功率NPC三电平逆变器功率模块电流在线检测方法，包括以下步骤：
步骤一，检测每相正、负母线电流与负载电流，以及正、负母线电流变化速率；
为了能够精确测量功率模块开关瞬态时的电流高频变化，电流检测单元采用罗氏线圈电流传感器。图1为电流检测单元的安放位置，其中测量单元Q1、Q2和Q3分别测量每相的正母线电流，测量单元Q4、Q5和Q6分别测量每相的负母线电流，测量单元Q7和Q8分别测量A相和C相负载电流，为减少电流检测单元，仅需测量任意两相负载电流，另一相的负载电流为其他两相负载电流之和的负数，即B相负载电流为A相和C相负载电流之和的负数。
步骤二，统计单相电路存在的电流路径；
由于NPC三电平拓扑三相对称，仅对一相分析即可，以A相拓扑为例进行分析。A相电流路径有6种，如图2所示，分别为路径1、路径2、路径3、路径4、路径5和路径6。其中，路径1为电流从正母线流过第一IGBT模块T1，第二IGBT模块T2和负载LA；所述的路径2 为电流从零母线流过第一钳位二极管模块D1，第二IGBT模块T2和负载LA；所述的路径3为电流从负母线流过第四IGBT模块T4的反并联二极管，第三IGBT模块T3的反并联二极管和负载LA；所述的路径4为电流从负载LA流过第三IGBT模块T3，第二钳位二极管模块D2到达零母线；所述的路径5为电流从负载LA流过第三IGBT模块T3，第四IGBT模块T4到达负母线；所述的路径6为电流从负载LA流过第二IGBT模块T2的反并联二极管，第一IGBT模块T1的反并联二极管到达负母线。
步骤三，根据单相负载电流方向，建立单相正、负母线和负载电流与4个IGBT模块和2 个钳位二极管模块电流的关系模型；
当负载电流IL为正方向，即IL>0时，电流会流过的路径为路径1、路径2和路径3，单相正母线电流I+、负母线电流I-和负载电流IL与第一IGBT模块T1电流IT1、第二IGBT模块T2电流IT2、第三IGBT模块T3电流IT3、第四IGBT模块T4电流IT4、第一钳位二极管模块D1电流ID1和第二钳位二极管模块D2电流ID2的关系为：
第一IGBT模块T1：在路径1、路径2和路径3中，始终是IT1＝I+；
第二IGBT模块T2：在路径1和路径2中，IT2＝IL、I-＝0，在路径3中，IT2＝0、I-＝-IL；
第三IGBT模块T3和第四IGBT模块T4：在路径1、路径2和路径3中，始终是IT3＝IT4＝I-；
第一钳位二极管模块D1：在路径1中，ID1＝0、I+＝IL、I-＝0，在路径2中，ID1＝IL、I+＝I-＝0，在路径3中，ID1＝0、I+＝0、I-＝-IL；
第二钳位二极管模块D2：在路径1、路径2和路径3中，始终是ID2＝0。
当负载电流IL为负方向，即IL<0时，电流会流过的路径为路径4、路径5和路径6，单相正母线电流I+、负母线电流I-和负载电流IL与第一IGBT模块T1电流IT1、第二IGBT模块T2电流IT2、第三IGBT模块T3电流IT3、第四IGBT模块T4电流IT4、第一钳位二极管模块D1电流ID1和第二钳位二极管模块D2电流ID2的关系为：
第一IGBT模块T1和第二IGBT模块T2：在路径1、路径2和路径3中，始终是IT1＝IT2＝I+；
第三IGBT模块T3：在路径4和路径5中，IT3＝-IL，I+＝0，在路径6中，IT3＝0，I+＝IL；
第四IGBT模块T4：在路径4、路径5和路径6中，始终是IT4＝I-；
第一钳位二极管模块D1：在路径4、路径5和路径6中，始终是ID1＝0；
第二钳位二极管模块D2：在路径4中，ID2＝-IL、I+＝I-＝0，在路径5中，ID2＝0、I+＝0、I-＝-IL，在路径6中，ID2＝0、I+＝IL、I-＝0。
根据上述分析，得出检测电流I+、I-和IL与IGBT模块和钳位二极管模块电流IT1、IT2、IT3、 IT4、ID1和ID2的关系模型为：
同理可计算出另外两相各模块的工作电流。
步骤四，将短路故障进行分类并统计单相电路可能发生的短路电流路径；
当发生短路故障时，部分电流检测单元的电流会短时间快速上升至远高于正常电流的短路电流，由此可以判断是否发生短路电流，短路故障分为桥臂间短路和桥臂内短路。其中，
桥臂间短路是指负载发生短路故障，有4种短路电流路径，分别为路径1，路径2，路径4 和路径5。
桥臂内短路是指单相桥臂内模块错误动作或被击穿导通使得电流不通过负载直接流向母线，有5种短路电流路径，如图3所示，分别为路径7，路径8，路径9，路径10和路径11。
桥臂内短路电流路径中，路径7为电流从正母线流过第一IGBT模块T1，第二IGBT模块 T2，第三IGBT模块T3和第二钳位二极管D2。路径8为电流从正母线流过第一IGBT模块T1和第一钳位二极管D1。路径9为电流从零母线流过第一钳位二极管D1，第二IGBT模块T2，第三IGBT模块T3和第四IGBT模块T4。路径10为电流从零母线流过第二钳位二极管D2和第四IGBT模块T4。路径11为电流从正母线流过第一IGBT模块T1，第二IGBT模块T2，第三IGBT模块T3和第四IGBT模块T4。
步骤五，检测短路电流，根据检测电流的突变特性，建立短路电流路径识别规则。
当发生桥臂间短路时，由于所有短路路径都流过负载因而短路电流为IL；当I+与IL同时检测到正向短路电流时，短路电流流过路径1；当仅IL检测到正向大电流时，短路电流流过路径2；当仅IL检测到反向大电流时，短路电流流过路径4；当I-检测到正向大电流且IL检测到反向大电流时，短路电流流过路径5。
当发生桥臂内短路时，由于短路电流远大于负载电流，可以忽略负载电流对检测电流的影响。当仅I+检测到正向短路电流时，短路电流为I+，且当短路电流变化率较小时，短路电流流过路径7，而当短路电流变化率较大时，短路电流流过路径8；当仅I-检测到正向短路电流时，短路电流为I-，且短路电流变化率较小时，短路电流流过路径9，而当短路电流变化率较大时，短路电流流过路径10；当I+和I-同时检测到短路电流时，短路电流流过路径11，短路电流设为I+。
在本实施例中，电流检测单元中的罗氏线圈电流传感器包括罗氏线圈部分和复合式积分电路部分，其中罗氏线圈能够检测电流变化速率，被用于短路电流路径的识别，复合式积分电路将电流变化速率信号还原为电流信号。各模块工作电流的计算可根据式子(1)所示的关系模型搭建由运算放大器组成的加减运算模拟电路，或者将电流检测单元检测到的模拟信号通过 AD芯片转换为数字信号后，采用FPGA进行加减运算。
可采用比较电路以快速判别正、负母线和负载处的电流是否为短路电流，通过将电流检测单元的电流信号以及罗氏线圈在正、负母线检测到的电流变化率信号与设置的参数进行比较，根据比较结果判别短路路径。
需要说明的是上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上做出的等同替换或者替代均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种大功率NPC三电平逆变器功率模块电流在线检测方法，其特征在于，所述检测方法包括以下步骤：
步骤一，检测每相正、负母线与负载电流，以及正、负母线电流变化速率；
步骤二，统计单相电路存在的电流路径；
步骤三，根据单相负载电流方向，建立单相拓扑中正、负母线和负载电流与4个IGBT模块和2个钳位二极管模块电流的关系模型；
步骤四，将短路故障进行分类并统计单相电路可能发生的短路电流路径；
步骤五，检测短路电流，根据检测电流的突变特性，建立短路电流路径识别规则。
2.根据权利要求1所述的一种大功率NPC三电平逆变器功率模块电流在线检测方法，其特征在于，所述步骤一中，采用高测量带宽的罗氏线圈及其传感电路进行电流和电流变化速率的检测。
3.根据权利要求2所述的一种大功率NPC三电平逆变器功率模块电流在线检测方法，其特征在于，所述步骤一中，仅需测量任意两相负载电流，另一相的负载电流为其他两相负载电流之和的负数。
4.根据权利要求3所述的一种大功率NPC三电平逆变器功率模块电流在线检测方法，其特征在于，所述步骤二中，单相电路存在电流路径有6种，分别为路径1、路径2、路径3、路径4、路径5和路径6，其中，路径1为电流从正母线流过第一IGBT模块T1，第二IGBT模块T2和负载LA；所述的路径2为电流从零母线流过第一钳位二极管模块D1，第二IGBT模块T2和负载LA；所述的路径3为电流从负母线流过第四IGBT模块T4的反并联二极管，第三IGBT模块T3的反并联二极管和负载LA；所述的路径4为电流从负载LA流过第三IGBT模块T3，第二钳位二极管模块D2到达零母线；所述的路径5为电流从负载LA流过第三IGBT模块T3，第四IGBT模块T4到达负母线；所述的路径6为电流从负载LA流过第二IGBT模块T2的反并联二极管，第一IGBT模块T1的反并联二极管到达负母线。
5.根据权利要求4所述的一种大功率NPC三电平逆变器功率模块电流在线检测方法，其特征在于，所述步骤三根据单相负载电流方向，建立单相正、负母线和负载电流与4个IGBT模块和2个钳位二极管模块电流的关系模型，具体如下，
当负载电流IL为正方向，即IL>0时，电流会流过的路径为路径1、路径2和路径3，单相正母线电流I+、负母线电流I-和负载电流IL与第一IGBT模块T1电流IT1、第二IGBT模块T2电流IT2、第三IGBT模块T3电流IT3、第四IGBT模块T4电流IT4、第一钳位二极管模块D1电流ID1和第二钳位二极管模块D2电流ID2的关系为：
第一IGBT模块T1：在路径1、路径2和路径3中，始终是IT1=I+；
第二IGBT模块T2：在路径1和路径2中，IT1=IL、I-=0，在路径3中，IT1=0、I-=-IL；
第三IGBT模块T3和第四IGBT模块T4：在路径1、路径2和路径3中，始终是IT3=IT4=I-；
第一钳位二极管模块D1：在路径1中，ID1=0、I+=IL、I-=0，在路径2中，ID1=IL、I+=I-=0，在路径3中，ID1=0、I+=0、I-=-IL；
第二钳位二极管模块D2：在路径1、路径2和路径3中，始终是ID2=0；
当负载电流IL为负方向，即IL<0时，电流会流过的路径为路径4、路径5和路径6，单相正母线电流I+、负母线电流I-和负载电流IL与第一IGBT模块T1电流IT1、第二IGBT模块T2电流IT2、第三IGBT模块T3电流IT3、第四IGBT模块T4电流IT4、第一钳位二极管模块D1电流ID1和第二钳位二极管模块D2电流ID2的关系为：
第一IGBT模块T1和第二IGBT模块T2：在路径1、路径2和路径3中，始终是IT1=IT2=I+；
第三IGBT模块T3：在路径4和路径5中，IT3=-IL，I+=0，在路径6中，IT3=0，I+=IL；
第四IGBT模块T4：在路径4、路径5和路径6中，始终是IT4=I-；
第一钳位二极管模块D1：在路径4、路径5和路径6中，始终是ID1=0；
第二钳位二极管模块D2：在路径4中，ID2=-IL、I+=I-=0，在路径5中，ID2=0、I+=0、I-=-IL，在路径6中，ID2=0、I+=IL、I-=0；
根据上述分析，得出检测电流I+、I-和IL与IGBT模块和钳位二极管模块电流IT1、IT2、IT3、IT4、ID1和ID2的关系模型为：
（1）。
6.根据权利要求5所示的一种大功率NPC三电平逆变器功率模块电流在线检测方法，其特征在于，所述步骤四中，短路故障分为桥臂间短路和桥臂内短路,其中，
桥臂间短路有4种短路电流路径，分别为路径1，路径2，路径4和路径5。
桥臂内短路有5种短路电流路径，分别为路径7，路径8，路径9，路径10和路径11。
7.根据权利要求6所述的一种大功率NPC三电平逆变器功率模块电流在线检测方法，其特征在于，所述步骤五中，所述短路电流路径识别规则为桥臂间短路电流路径，短路电流为IL；当I+与IL同时检测到正向短路电流时，短路电流流过路径1；当仅IL检测到正向大电流时，短路电流流过路径2；当仅IL检测到反向大电流时，短路电流流过路径4；当I-检测到正向大电流且IL检测到反向大电流时，短路电流流过路径5；
桥臂内短路电流路径，当仅I+检测到正向短路电流时，短路电流为I+，且当短路电流变化率较小时，短路电流流过路径7，而当短路电流变化率较大时，短路电流流过路径8；当仅I-检测到正向短路电流时，短路电流为I-，且短路电流变化率较小时，短路电流流过路径9，而当短路电流变化率较大时，短路电流流过路径10；当I+和I-同时检测到短路电流时，短路电流流过路径11，短路电流设为I+。
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