CN111262266A - 一种mmc功率模块旁路开关拒动后备保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MMC功率模块旁路开关拒动后备保护方法，当功率模块发生旁路开关拒动、电压升至过压检测电路板阈值时，过压检测电路板向相邻正常的功率模块的功率器件控制及驱动板发送请求触发本功率模块旁路指令，功率器件控制及驱动板收到指令后，触发故障功率模块对应的开关模块使之形成旁路通道，其中，当故障功率模块为全桥功率模块时，对应的开关模块为T2和T4或者T1和T3，当故障功率模块为半桥功率模块时，对应的开关模块为T2。本发明可实现功率模块的可靠旁路，消除了旁路开关拒动后出现的设备损坏，直流系统停运等运行风险。

Description

一种MMC功率模块旁路开关拒动后备保护方法
技术领域
本发明涉及柔性直流输电技术，具体涉及一种MMC功率模块旁路开关拒动后备保护方法。
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，桥臂电流将持续对功率模块电容进行充电，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。但功率模块旁路开关的可靠闭合受到功率模块控制板、旁路开关驱动板、取能电源等二次控制板是否正常和旁路开关本体是否正常等诸多因素的影响，存在相当的可能性发生旁路开关拒动故障，一旦功率模块故障而不能及时旁路，将会造成功率器件IGBT和回路内其他设备因承受严重过压而损坏，引发直流系统停运等严重故障。针对旁路开关拒动，目前普遍采取的办法是在旁路开关两端并联一旁路晶闸管，当功率模块电压升高至一定值时将旁路晶闸管击穿，但此办法存在旁路晶闸管击穿电压不稳定，无法十分可靠先于IGBT器件击穿，保护可靠性欠缺，且晶闸管击穿时会产生较大的冲击应力甚至爆裂，对周围设备安全造成巨大威胁。可见，该方法仍然是以牺牲破坏设备(旁路晶闸管)来实现，保护效果不理想，一旦发生旁路开关拒动故障，仍将不可避免的造成设备损坏，甚至直流系统停运等严重情况。
发明内容
为解决功率模块故障、旁路开关拒动，造成IGBT等贵重设备因承受过压而损坏，甚至引发直流系统停运等问题，本发明提供一种MMC功率模块旁路开关拒动后备保护方法，可实现功率模块的可靠旁路，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MMC功率模块旁路开关拒动后备保护方法，所述的功率模块包括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C，半桥功率模块包括2个开关模块T1-T2和电容C，每个功率模块均配套有功率器件控制及驱动板，每个功率模块均设置有用于检测功率模块电压的过压检测电路板，各功率模块的过压检测电路板均与相邻功率模块的功率器件控制及驱动板通信连接，各功率模块的功率器件控制及驱动板均与相邻功率模块的开关模块通信连接；所述的后备保护方法为：
当功率模块发生旁路开关拒动、电压升至过压检测电路板阈值时，过压检测电路板向相邻正常的功率模块的功率器件控制及驱动板发送请求触发本功率模块旁路指令，功率器件控制及驱动板收到指令后，触发故障功率模块对应的开关模块使之形成旁路通道，其中，当故障功率模块为全桥功率模块时，对应的开关模块为T2和T4或者T1和T3，当故障功率模块为半桥功率模块时，对应的开关模块为T2。
进一步地，所述的过压检测电路板为无源纯硬件过压检测电路板，并联在电容C的两端。
本发明的功率模块旁路开关拒动后备旁路方法，通过将相邻功率模块的控制及驱动交叉连接，形成互为备用冗余结构，通过过压检测电路板下发旁路指令，可有效防范MMC功率模块旁路开关拒动造成功率器件损坏，直流系统停运等潜在风险，避免功率模块旁路开关拒动后出现的设备严重损坏等较大经济损失，消除单一功率模块原件故障造成直流系统停运隐患，使功率模块旁路具备了后备保护，进一步提升了故障模块运行的安全可靠性。
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为功率模块在触发相应的IGBT器件开通后可以形成天然的旁路通道的示意图；
图4为本发明实施例提供的后备保护方法的工作原理图，图中以两个相邻的半桥功率模块为例，且省略掉了其余相邻的功率模块。
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。
如图3所示，功率模块在触发相应的IGBT器件开通后可以形成天然的旁路通道，例如全桥功率模块同时触发开关模块T2和T4(或者同时触发T1、T3)的功率器件，半桥功率模块触发开关模块T2的功率器件，即可形成天然的旁路通道，可有效避免功率模块因旁路开关拒动造成功率模块被持续充电。
鉴于上述原理，如图4所示，本实施例提出一种新的功率模块旁路开关拒动后备保护控制方法，通过光纤将相邻功率模块的功率器件控制及驱动板交叉连接，形成互为备用冗余结构，每一功率模块设置一块无源纯硬件过压检测电路板，不依赖于外部供电条件，可靠性极高，在功率模块发生旁路开关拒动后，电压被持续充高，此时，过压检测电路板作为旁路开关后备保护，当电压升至过压检测阈值时，过压检测电路板将发出触发信号，通过光纤将本模块旁路状态请求信号送至相邻正常功率模块，相邻功率模块的功率器件控制及驱动板接收信号后，立即下发并保持故障功率模块的T2(全桥则为T2和T4，或者T1和T3)开通信号，故障功率模块在旁路开关拒动的情况下依靠自身的控制依然能被可靠旁路。
可见，功率模块故障后优先通过旁路开关进行旁路，当旁路开关旁路不成功后，依靠本发明提出的后备控制方法可实现功率模块的可靠旁路，消除了旁路开关拒动后出现的设备损坏，直流系统停运等运行风险。
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MMC功率模块旁路开关拒动后备保护方法，所述的功率模块包括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C，半桥功率模块包括2个开关模块T1-T2和电容C，每个功率模块均配套有功率器件控制及驱动板，其特征在于：每个功率模块均设置有用于检测功率模块电压的过压检测电路板，各功率模块的过压检测电路板均与相邻功率模块的功率器件控制及驱动板通信连接，各功率模块的功率器件控制及驱动板均与相邻功率模块的开关模块通信连接；所述的后备保护方法为：
当功率模块发生旁路开关拒动、电压升至过压检测电路板阈值时，过压检测电路板向相邻正常的功率模块的功率器件控制及驱动板发送请求触发本功率模块旁路指令，功率器件控制及驱动板收到指令后，触发故障功率模块对应的开关模块使之形成旁路通道，其中，当故障功率模块为全桥功率模块时，对应的开关模块为T2和T4或者T1和T3，当故障功率模块为半桥功率模块时，对应的开关模块为T2。
2.根据权利要求1所述的一种MMC功率模块旁路开关拒动后备保护方法，其特征在于：所述的过压检测电路板为无源纯硬件过压检测电路板，并联在电容C的两端。
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