CN110504825A - 一种提升mmc功率模块旁路安全可靠性的控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提升MMC功率模块旁路安全可靠性的控制系统，包括功率模块单元控制板、功率器件驱动板和旁路开关驱动板，旁路开关驱动板上设置有触发开关、储能电容和旁路开关合闸驱动线圈，触发开关、储能电容和旁路开关合闸驱动线圈依次连接构成旁路开关驱动回路，所述旁路开关驱动回路还包括高速光电器件，高速光电器件与功率器件驱动板通信连接，当旁路开关驱动回路导通时，高速光电器件启动，向功率器件驱动板发送闭锁IGBT信号。本发明可以消除功率模块的IGBT在导通状态下闭合旁路开关的潜在风险，避免造成功率器件及其他设备严重损坏等较大经济损失问题，确保了故障模块安全可靠旁路。
Description
技术领域
本发明涉及柔性直流输电技术，具体涉及一种提升MMC功率模块旁路安全可靠性的控制系统。
背景技术
柔性直流输电技术相比于常规直流输电技术因其不需无功补偿，没有换相失败问题，有功无功调节便捷，谐波水平低，适合构成多端直流系统等优点，使柔性直流输电相关技术得到了迅速发展，柔性直流输电工程建设如火如荼，其中以基于MMC(模块化多电平换流器)拓扑结构的柔性直流输电系统最具代表性和技术优势。
如图1所示，MMC由六个桥臂构成，其中每个桥臂由N个功率模块(又称子模块)级联和一个串联电抗器构成，典型的功率模块按结构不同分为全桥功率模块和半桥功率模块。全桥功率模块包括4个开关模块T1-T4和电容，半桥功率模块包括2个开关模块T1-T2和电容，开关模块则由一个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和一个二极管反并联组成，详细构造均为现有技术，在此不再赘述。功率模块一旦发生故障、不可控(IGBT全闭锁)等情况，不论全桥模块还是半桥模块，在阀组运行状态下，桥臂电流将持续对电容进行充电，具体如图2所示。持续的充电电流将会导致电容电压急剧升高，超出其耐受范围，最终电容发生绝缘击穿、内部汽化等直接导致电容膨胀，引发爆炸，对系统运行和周围设备形成巨大危害。为避免单一功率模块故障导致整个MMC停运，须设置功率模块旁路开关S，功率模块故障时通过旁路开关可靠闭合而退出运行，不影响其余功率模块的正常运行。另一方面，功率模块内的功率器件IGBT等原件造价高昂，为避免设备的进一步损坏造成较大经济损失，也需要功率模块出现故障时可靠旁路。
功率模块故障旁路策略是各功率模块生产厂商的重要研究内容，目前功率模块故障旁路策略已较为完备，但缺乏对旁路开关合闸时机与功率模块内功率器件IGBT导通状态的研究，如两者配合不当，可能引起严重的后果。如图3所示，全桥功率模块的T1或T3、半桥功率模块的T1在触发导通的状态下旁路开关合闸，将造成功率模块的电容通过旁路开关形成短路回路，造成电容瞬时放电，形成的巨大放电电流会造成功率器件IGBT及回路其他设备严重损坏。
目前缺乏相关有效的控制措施来防范此类情况的发生。为更好的说明该问题，首先对功率模块的控制结构进行简要介绍。以全桥功率模块为例，典型的控制结构图如图4所示。功率模块单元控制板向上负责与阀控系统通信，接收阀控系统控制信号并向阀控系统反馈功率模块状态信息，同时向功率器件驱动板、旁路开关驱动板发送控制信号，接收反馈信号。板卡间通信均通过光纤通信，具有抗干扰能力强，传输延时小等特点。旁路开关驱动板的工作原理如图5所示，包括两个并联的触发开关T、储能电容C和旁路开关合闸驱动线圈L，触发开关T可采用上述的开关模块，一个触发开关T与功率模块单元控制板通信连接，用于接收旁路开关合闸控制信号，另一个触发开关T用于接收其他原因造成的旁路开关合闸控制信号。旁路开关驱动回路接收到外部触发信号后(可能为主动控制触发或其他原因造成的误触发)回路导通，储能电容C快速放电，放电电流励磁旁路开关合闸驱动线圈L，驱动其旁侧的旁路开关S完成合闸。
引起功率模块旁路开关闭合的原因主要有：
(1)功率模块故障，由控制系统主动下发旁路开关合闸命令。
柔性直流工程中普遍采用的策略是，功率模块故障后控制系统同时下发功率模块闭锁信号(功率模块内所有可控功率器件IGBT均闭锁)和旁路开关合闸命令。
(2)旁路开关本身故障，导致旁路开关误合。
在以往的任何工程中开关设备在运行过程中均存在误合、误分的可能性，功率模块的旁路开关同样存在误合的风险。
结合图4的功率模块控制结构图及图5的旁路开关触发原理可知，上述(1)情况下控制系统同时下发功率模块闭锁信号和旁路开关合闸命令，如因某种原因旁路开关合闸命令先于闭锁命令执行，会造成如图3所示的电容短路放电的危险状态；上述(2)情况下，如IGBT正处于导通状态下发生旁路开关误合，也会发生上述危险情况。
发明内容
为解决功率模块旁路开关在功率模块投入时合闸，造成功率模块电容被短路放电造成功率器件IGBT及回路其他设备严重损坏的问题，本发明提供一种提升MMC功率模块旁路安全可靠性的控制系统，对旁路开关驱动回路和功率模块控制结构进行改进，确保不论何种原因引起的旁路开关驱动回路触发，均可以实现IGBT在旁路开关合闸前闭锁，确保功率模块安全可靠旁路，避免因IGBT等贵重设备损坏造成的较大经济损失。
为实现以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种提升MMC功率模块旁路安全可靠性的控制系统，包括与阀控系统通信连接的功率模块单元控制板、与功率模块的IGBT通信连接的功率器件驱动板、用于驱动功率模块的旁路开关开合的旁路开关驱动板，功率器件驱动板和旁路开关驱动板均与功率模块单元控制板通信连接，旁路开关驱动板上设置有触发开关、储能电容和旁路开关合闸驱动线圈，触发开关、储能电容和旁路开关合闸驱动线圈依次连接构成旁路开关驱动回路，当触发开关接收到触发信号后，旁路开关驱动回路导通，储能电容快速放电，放电电流励磁旁路开关合闸驱动线圈，驱动旁路开关完成合闸，所述旁路开关驱动回路还包括与旁路开关合闸驱动线圈串接的高速光电器件，高速光电器件与功率器件驱动板通信连接，当旁路开关驱动回路导通时，高速光电器件启动，向功率器件驱动板发送闭锁IGBT信号。
进一步地，所述的高速光电器件为高速光电耦合器。
本发明在旁路开关的驱动电路串接一个高速光电器件，在旁路开关驱动回路触发时，高速光电器件启动，发出旁路开关驱动回路动作光信号，经通信光纤向功率器件驱动板发送闭锁IGBT信号，功率器件驱动板接收到闭锁信号后闭锁IGBT，从而消除了IGBT在导通状态下闭合旁路开关的潜在风险，避免造成功率器件及其他设备严重损坏等较大经济损失问题，确保了故障模块安全可靠旁路。
附图说明
图1为MMC模块化多电平换流器拓扑图；
图2为功率模块发生故障、不可控(IGBT全闭锁)等情况时，在阀组运行状态下，桥臂电流对电容进行充电的示意图；
图3为全桥功率模块T1、半桥功率模块T1在触发导通的状态下旁路开关合闸，功率模块电容C通过旁路开关形成短路回路，电容进行瞬时放电的示意图；
图4为现有技术的全桥功率模块的控制结构图；
图5为现有技术的旁路开关驱动板的工作原理图；
图6为本发明的旁路开关驱动板的工作原理图；
图7为本发明的全桥功率模块的控制结构图；
图8为本发明的半桥功率模块的控制结构图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
从上文的描述可知，旁路开关本体在任何情况下的合闸均离不开驱动回路的触发(可能为主动控制的正常触发或其他原因引起的误触发)。因此，本发明利用此特性对旁路开关驱动回路和功率模块控制结构进行改进，提出了一种提升MMC功率模块旁路安全可靠性的控制系统，如图6至图8所示，在旁路开关驱动回路中串接一个高速光电器件，该高速光电器件优选高速光电耦合器，在旁路开关驱动回路触发时，该触发既可以是功率模块单元控制板发出的正常触发，也可以是其他原因造成的误触发，储能电容C放电，同时激发旁路开关合闸驱动线圈L和高速光电器件，高速光电器件发出旁路开关驱动回路动作光信号，经放大后通过通信光纤向功率器件驱动板发送闭锁IGBT信号，功率器件驱动板接收到闭锁信号后闭锁IGBT。
其原理在于：旁路开关驱动回路属于电磁激发，通过励磁旁路开关合闸驱动线圈来带动旁路开关主触头闭合，主触头闭合属于机械动作过程，持续时间(线圈励磁和触头闭合)均属于ms级，目前国内主流厂商旁路开关动作时间普遍在5ms左右。而高速光电器件其动作时间和光纤信号传输时间均可达到μs级别，由此可以确保不论何种原因引起的旁路开关驱动回路触发，均可以实现IGBT在旁路开关合闸前闭锁，确保功率模块安全可靠旁路。
其中，全桥功率模块中仅编号为T1和T3的功率器件，半桥功率模块中编号为T1的功率器件存在此类风险，所以以上控制措施仅对存在风险的功率器件采用。
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。
Claims (2)
1.一种提升MMC功率模块旁路安全可靠性的控制系统，包括与阀控系统通信连接的功率模块单元控制板、与功率模块的IGBT通信连接的功率器件驱动板、用于驱动功率模块的旁路开关开合的旁路开关驱动板，功率器件驱动板和旁路开关驱动板均与功率模块单元控制板通信连接，旁路开关驱动板上设置有触发开关、储能电容和旁路开关合闸驱动线圈，触发开关、储能电容和旁路开关合闸驱动线圈依次连接构成旁路开关驱动回路，当触发开关接收到触发信号后，旁路开关驱动回路导通，储能电容快速放电，放电电流励磁旁路开关合闸驱动线圈，驱动旁路开关完成合闸，其特征在于：所述旁路开关驱动回路还包括与旁路开关合闸驱动线圈串接的高速光电器件，高速光电器件与功率器件驱动板通信连接，当旁路开关驱动回路导通时，高速光电器件启动，向功率器件驱动板发送闭锁IGBT信号。
2.根据权利要求1所述的一种提升MMC功率模块旁路安全可靠性的控制系统，其特征在于：所述的高速光电器件为高速光电耦合器。
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