CN110829811A - 一种mmc功率模块过压保护电路及多级旁路方法 - Google Patents

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胡雨龙
周竞宇
刘坤
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国建宝
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Abstract

本发明公开了一种MMC功率模块过压保护电路及多级旁路方法，该电路包括旁路开关，其并接在MMC功率模块的两端；当所述MMC功率模块的电容电压超出设定安全值时，旁路开关闭合，使得MMC功率模块旁路；晶闸管，其并接在MMC功率模块的两端；当所述晶闸管因过压被击穿时，形成可靠短路通路，使得MMC功率模块旁路，MMC功率模块的电容停止充电；所述晶闸管的被击穿电压值大于设定安全值小于MMC功率模块的IGBT的额定电压值。本发明通过设置了旁路开关和晶闸管双重保险，保证功率模块的IGBT不受控，功率模块被持续充电时，功率模块被可靠旁路，IGBT和电容不发生爆炸，不对其余功率模块造成影响，不影响MMC换流阀柔直系统的继续运行，提升系统可靠性。

Description

一种MMC功率模块过压保护电路及多级旁路方法
技术领域
本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种MMC功率模块过压保护电路及多级旁路方法。
背景技术
随着大功率柔性直流输电技术的发展，模块化多电平换流阀(ModularMultilevel Converter，MMC)被越来越多的应用到工程上，其具有开关频率低，损耗小、控制灵活等优点。该种形式换流阀每个桥臂有上百个功率模块串联，每个功率模块可以采用全桥结构或半桥结构，当由于取能电源或主控板发生故障，功率模块变成不可控状态时，运行中的电容会被持续充电，电容持续充电电流将会导致电容电压超出其耐受范围，最终电容器会发生绝缘击穿，内部汽化致电容器膨胀，甚至可能发生爆炸，对周围设备形成巨大危害。
发明内容
为了解决现有MMC功率模块运行中的电容可能会被持续充电的问题，本发明实施例提供了一种MMC功率模块过压保护电路及多级旁路方法，以杜绝MMC功率模块电容被持续充电的现象发生。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
第一方面，本发明实施例提供了一种MMC功率模块过压保护电路，包括：
旁路开关，其并接在MMC功率模块的两端；当所述MMC功率模块的电容电压超出设定安全值时，旁路开关闭合，使得MMC功率模块旁路；
晶闸管，其并接在MMC功率模块的两端；当所述晶闸管因过压被击穿时，形成可靠短路通路，使得MMC功率模块旁路，MMC功率模块的电容停止充电；所述晶闸管的被击穿电压值大于设定安全值小于MMC功率模块的IGBT的额定电压值。
第二方面，本发明实例提供了一种MMC功率模块过压多级旁路方法，包括：
在MMC功率模块的两端分别并接旁路开关和晶闸管；
第一道旁路：将电压采样回路检测到的MMC功率模块电容两端的电压值传输至主控板，由主控板判断电容两端的电压值是否达到达到第一道过压设定值V1，若达到，主控板则发送信号触发旁路开关，使MMC功率模块旁路；
第二道旁路：在由于主控板故障导致第一道过压旁路失效后，通过两路硬件过压检测回路直接进行电容两端电压检测与第二道过压设定值V2比较，当两路硬件过压检测回路所检测到的电压值均大于第二道过压设定值V2时，才发送信号触发旁路开关，使MMC功率模块旁路；
第三道旁路：在第一、第二道过压旁路方法均失效后，电容电压超过晶闸管的被击穿电压值V3时，晶闸管被击穿，功率模块旁路；
其中，V1<V2<V3。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
本发明通过设置了旁路开关和晶闸管双重保险，保证功率模块的IGBT不受控，功率模块被持续充电时，功率模块被可靠旁路，IGBT和电容不发生爆炸，不对其余功率模块造成影响，不影响MMC换流阀柔直系统的继续运行，提升系统可靠性。
附图说明
图1为MMC功率模块过压保护电路应用于全桥功率模块的示意图；
图2为MMC功率模块过压保护电路应用于半桥桥功率模块的示意图；
图3为MMC功率模块过压多级旁路方法的流程图；
图4为MMC功率模块过压多级旁路方法的控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例1：
本实例提供的MMC功率模块过压保护电路主要包括旁路开关K和晶闸管T。其中，该旁路开关K并接在MMC功率模块的两端；当该MMC功率模块的电容C电压超出设定安全值时，旁路开关闭合，使得MMC功率模块旁路，电容C停止充电，从而有效地杜绝了电容C持续充电的现象发生，保证安全。
当旁路开关K不能及时闭合时，由于晶闸管T也是并接在MMC功率模块的两端中的，当电容C持续充电时，其电压不断升高，一旦电压达到晶闸管T的被击穿电压值时，晶闸管因过压被击穿时，形成可靠短路通路，使得MMC功率模块旁路，MMC功率模块的电容停止充电；当然晶闸管的被击穿电压值大于设定安全值小于MMC功率模块的IGBT的额定电压值，以防止防止IGBT先于晶闸管被击穿。
作为本实例的一种优选，上述的晶闸管T为门极短接晶闸管，由于其是直接门极短接，无需触发回路，电压达到击穿值自动击穿，为后备旁路，可靠性更高。
如图1所示，当MMC功率模块为全桥功率模块时，该晶闸管采用两个晶闸管反并联的双向晶闸管；如图2所以，当当MMC功率模块为全桥功率模块且用在整流侧时则选择用双向旁路晶闸管，用在逆变侧时则采用单向旁路晶闸管，以进一步地提高经济性和安全性。
实施例2：
本实施例提供的MMC功率模块过压多级旁路方法首先在MMC功率模块的两端分别并接旁路开关K和晶闸管T，然后采用三级旁路的方法，第一级旁路由主控板中的软件经运算触发旁路开关K，第二级旁路由硬件比对电路出口作用于旁路开关K，第三级后备旁路采用硬击穿型晶闸管并联在功率模块两端，晶闸管门极短接，三级旁路方法的一次硬件配置见图1或2所示。当主动板故障，旁路开关拒动，电容电压升高到后备保护值时，并联的旁路晶闸管因过压被击穿，形成可靠短路通路，使功率模块旁路，其余功率模块不受影响，系统可靠运行。如图3所示，功率模块设三道过压旁路分别为：
第一道旁路：主控板通过电压采样回路检测到电容电压达到第一道过压设定值V1时，通过写入FPGA中的软件判定，发送信号触发旁路开关，使功率模块旁路。
第二道旁路：在由于主控板故障导致第一道过压旁路失效后，电容电压达到第二道过压设定值V2时，通过两路硬件过压检测回路直接进行电容两端电压与设定值比较，两路硬件压检测回路同时发送触发信号之后才能触发旁路开关，使功率模块旁路。
第三道旁路，在第一、第二道过压旁路方法均失效后，电容电压达到达到第三段后备保护设定值V3时，功率模块并联的晶闸管不需要额外的控制电路，直接被击穿，实现可靠旁路。
如图4所示，为具体的旁路控制原理图，所述硬件过压检测回路设置为两路，为了防止一路过压检测误触发，提高旁路可靠性，两路硬件过压检测回路同时判定过压才经与门出口发出旁路触发信号。
所述旁路开关触发回路为两路，为了提高触发可靠性，防止一路触发回路失效，任意一路触发回路接收到触发命令皆能触发旁路开关。
所述第一或第二道过压旁路开关触发动作之后，辅助触点也动作，动作信号经检测回路传回控制板，控制板经回报光纤上传至阀控装置。
所述三道旁路的电压设定值关系为V1<V2<V3，只有当旁路开关拒动之后，第三道过压旁路晶闸管才会被直接击穿，旁路掉功率模块。
所述第三道旁路方法旁路晶闸管门极短接，不需要额外加触发回路，防止因出发回路失效导致可靠性降低，当电压超过晶闸管击穿值时，晶闸管被击穿，形成可靠通路。
所述第三道旁路方法旁路晶闸管，应选择击穿值应大于第二段旁路设定值，但也要小于IGBT的额定电压值，防止IGBT先于晶闸管被击穿。
所述第三道旁路方法旁路晶闸管，全桥功率模块时采用两个晶闸管反并联的双向晶闸管，半桥功率模块用在整流侧时选择用双向旁路晶闸管，用在逆变侧时可采用单向旁路晶闸管。
所述第三道旁路方法旁路晶闸管无需控制回路和取能回路，可靠性高，作为功率模块的最后一道旁路，能可靠旁路功率模块。
所述第三道旁路方法旁路晶闸管由于具有长期可靠通流特性，可以在系统不停运状态下坚持到下一次检修时再更换，提高柔直系统可用性和可靠性。
由此可见，本实施例提供的MMC功率模块过压多级旁路方法与现有技术相比，具有如下技术优势：
1、通过设置三道旁路，大大提高了功率模块旁路的可靠性，避免因功率模块未可靠旁路而造成的柔直系统停运。
2、通过设置两路电压硬件检测回路，用与门出口，防止单一硬件检测回路误动作导致旁路开关合闸。
3、通过设置两路旁路开关触发回路，触发信号都接到旁路开关上，任何一路触发回路接收到触发信号，都可触发旁路开关，提高了旁路动作的可靠性
4、第三道旁路晶闸管直接门极短接，无需触发回路，电压达到击穿值自动击穿，最为后备旁路，可靠性更高。
通过以上措施，保证功率模块的IGBT不受控，功率模块被持续充电时，功率模块被可靠旁路，IGBT和电容不发生爆炸，不对其余功率模块造成影响，不影响MMC换流阀柔直系统的继续运行，提升系统可靠性。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种MMC功率模块过压保护电路，其特征在于，包括：
旁路开关，其并接在MMC功率模块的两端；当所述MMC功率模块的电容电压超出设定安全值时，旁路开关闭合，使得MMC功率模块旁路；
晶闸管，其并接在MMC功率模块的两端；当所述晶闸管因过压被击穿时，形成可靠短路通路，使得MMC功率模块旁路，MMC功率模块的电容停止充电；所述晶闸管的被击穿电压值大于所述设定安全值而小于MMC功率模块的IGBT的额定电压值。
2.如权利要求1所述的MMC功率模块过压保护电路，其特征在于，所述晶闸管为门极短接晶闸管。
3.如权利要求2所述的MMC功率模块过压保护电路，其特征在于，当所述MMC功率模块为全桥功率模块时，所述晶闸管采用两个晶闸管反并联的双向晶闸管。
4.如权利要求2所述的MMC功率模块过压保护电路，其特征在于，当所述MMC功率模块为全桥功率模块且用在整流侧时则选择用双向旁路晶闸管，用在逆变侧时则采用单向旁路晶闸管。
5.一种MMC功率模块过压多级旁路方法，其特征在于，包括：
在MMC功率模块的两端分别并接旁路开关和晶闸管；
第一道旁路：将电压采样回路检测到的MMC功率模块电容两端的电压值传输至主控板，由主控板判断电容两端的电压值是否达到达到第一道过压设定值V1，若达到，主控板则发送信号触发旁路开关，使MMC功率模块旁路；
第二道旁路：在由于主控板故障导致第一道过压旁路失效后，通过两路硬件过压检测回路直接进行电容两端电压检测与第二道过压设定值V2比较，当两路硬件过压检测回路所检测到的电压值均大于第二道过压设定值V2时，才发送信号触发旁路开关，使MMC功率模块旁路；
第三道旁路：在第一、第二道过压旁路方法均失效后，电容电压超过晶闸管的被击穿电压值V3时，晶闸管被击穿，功率模块旁路；
其中，V1<V2<V3<MMC功率模块的IGBT的额定电压值。
6.如权利要求5所述的MMC功率模块过压多级旁路方法，其特征在于，所述晶闸管为门极短接晶闸管。
7.如权利要求6所述的MMC功率模块过压多级旁路方法，其特征在于，当所述MMC功率模块为全桥功率模块时，所述晶闸管采用两个晶闸管反并联的双向晶闸管。
8.如权利要求6所述的MMC功率模块过压多级旁路方法，其特征在于，当所述MMC功率模块为全桥功率模块且用在整流侧时则选择用双向旁路晶闸管，用在逆变侧时则采用单向旁路晶闸管。
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