CN116169644A - 一种具有冗余功能的功率单元及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有冗余功能的功率单元及控制方法，本发明设计了具备旁路机构、旁路机构控制保护装置和驱动保护装置的功率单元，通过旁路机构控制保护装置、驱动保护装置和主控保护装置进行功率模块故障检测，控制功率模块IGBT关断和旁路机构闭合，实现功率单元的冗余功能，可快速切除电力电子设备中的故障功率单元，提升电力电子设备运行可靠性和稳定性。

Description

一种具有冗余功能的功率单元及控制方法

技术领域

本发明涉及一种具有冗余功能的功率单元及控制方法，属于电力电子技术领域。

背景技术

随着电气化程度的提高、科学技术的支撑和相关政策的推动，电力系统逐步向“高比例可再生能源”和“高比例电力电子设备”的“双高”方向发展。绝大多数可再生能源通过电力电子接口并网，推动了电力电子设备在电源侧的广泛应用。同时，配网侧分布式电源及储能装置经电力电子变换器接入配电网，负荷侧轨道交通、电动汽车、变频/调频等负荷也采用电力电子接口，使得电力系统“源-网-荷”各部分电力电子化程度不断加深。随着传统电力系统向新型电力系统发展，“双高”特性将更为显著，在新型电力系统“双高”背景下，电力系统的不确定性、时变性、非线性及复杂性增强，对电力系统的安全稳定运行有很大的影响。在这种情况下，新型电力系统中的电力电子设备就要具备较强的可靠性和稳定性。

为了提高电力电子设备的可靠性和稳定性，电力电子设备中的核心组成部分即功率单元应具有快速、可靠的冗余功能，但是目前还没有相应的结构。

发明内容

本发明提供了一种具有冗余功能的功率单元及控制方法，解决了背景技术中披露的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种具有冗余功能的功率单元，所述功率单元外接主控保护装置，包括功率模块、旁路机构、旁路机构控制保护装置和驱动保护装置；

旁路机构控制保护装置：对功率模块进行直流过压和交流过压检测，并将检测结果发送给驱动保护装置；当接收到驱动保护装置发送的闭合指令，控制旁路机构闭合，旁路功率模块；

驱动保护装置：当功率模块直流过压、功率模块交流过压、检测出功率模块驱动故障、检测出功率模块过温、检测出驱动保护装置欠压、或接收到主控保护装置发送的关断指令，控制功率模块的所有IGBT关断，延迟预设时间后向旁路机构控制保护装置发送闭合指令；其中，主控保护装置在检测到功率模块其他故障时，向驱动保护装置发送关断指令；其他故障为出功率模块除了驱动故障、过温和欠压以外的任一故障。

旁路机构包括旁路开关和旁路晶闸管，旁路开关和旁路晶闸管均并接在功率模块的输入端。

旁路机构控制保护装置内置取能模块，取能模块向旁路开关输送控制电压；

旁路开关包括二极管D1、二极管D2、开关K1、电容C1、电阻R1、接触器KM、电容C2、电阻R2、端口XT-1、端口XT-3、端口XT-4、端口XT-6；端口XT-1和端口XT-3分别连接取能模块的正输出端和负输出端，端口XT-1和电阻R1的一端之间依次串联二极管D1和开关K1，电容C1与开关K1并联，电阻R1的另一端分别连接二极管D2的负极、电阻R2的的一端，端口XT-3连接端口XT-4和电阻R2的另一端，电容C2与电阻R2并联，二极管D2的正极连接端口XT-6，接触器KM的线圈侧与二极管D2并联，接触器KM的触头侧的并接在功率模块的输入端。

旁路机构控制保护装置还接收电容C2两端的电压，通过电容C2两端的电压对控制闭合后的旁路机构状态进行检测，并将检测结果发送给驱动保护装置，若状态检测异常，驱动保护装置向旁路机构控制保护装置重新发送闭合指令。

功率模块为半桥、全桥或H桥结构。

功率单元通过阀基电子装置外接主控保护装置。

一种具有冗余功能的功率单元控制方法，所述功率单元为上述的功率单元，所述方法包括第一保护方法、第二保护方法和第三保护方法；

第一保护方法包括：

旁路机构控制保护装置对功率模块进行直流过压和交流过压检测，并将检测结果发送给驱动保护装置；

若功率模块直流过压或功率模块交流过压，驱动保护装置控制功率模块的所有IGBT关断，延迟预设时间后向旁路机构控制保护装置发送闭合指令；

旁路机构控制保护装置接收驱动保护装置发送的闭合指令，控制旁路机构闭合，旁路功率模块；

第二保护方法包括：

驱动保护装置对功率模块进行驱动故障、过温检测，对自身进行欠压检测；

若功率模块驱动故障、功率模块过温或自身欠压，驱动保护装置控制功率模块的所有IGBT关断，延迟预设时间后向旁路机构控制保护装置发送闭合指令；

旁路机构控制保护装置接收驱动保护装置发送的闭合指令，控制旁路机构闭合，旁路功率模块；

第三保护方法包括：

若主控保护装置检测到功率模块其他故障，主控保护装置向驱动保护装置发送关断指令；

驱动保护装置接收关断指令，控制功率模块的所有IGBT关断，延迟预设时间后向旁路机构控制保护装置发送闭合指令；

旁路机构控制保护装置接收驱动保护装置发送的闭合指令，控制旁路机构闭合，旁路功率模块。

在第一保护方法、第二保护方法和第三保护方法中，旁路机构控制保护装置对控制闭合后的旁路机构状态进行检测，并将检测结果发送给驱动保护装置，若状态检测异常，驱动保护装置向旁路机构控制保护装置重新发送闭合指令。

本发明所达到的有益效果：本发明设计了具备旁路机构、旁路机构控制保护装置和驱动保护装置的功率单元，通过旁路机构控制保护装置、驱动保护装置和主控保护装置进行功率模块故障检测，控制功率模块IGBT关断和旁路机构闭合，实现功率单元的冗余功能，可快速切除电力电子设备中的故障功率单元，提升电力电子设备运行可靠性和稳定性。

附图说明

图1为功率单元的示意图；

图2为半桥结构的功率模块示意图；

图3为全桥或H桥结构的功率模块示意图；

图4为旁路开关内部电气控制图；

图5（a）为旁路开关直流过压保护时的旁路机构响应时间实测波形；

图5（b）为旁路开关交流过压保护时的旁路机构响应时间实测波形；

图5（c）为旁路晶闸管交流过压保护时的旁路机构响应时间实测波形；

图5（d）为顶层保护时的旁路机构响应时间实测波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种具有冗余功能的功率单元，包括功率模块、旁路机构、旁路机构控制保护装置SCU和驱动保护装置GDU；驱动保护装置GDU依次外接阀基电子装置VCU和主控保护装置。

旁路机构控制保护装置：对功率模块进行直流过压和交流过压检测，并将检测结果发送给驱动保护装置；当接收到驱动保护装置发送的闭合指令，控制旁路机构闭合，旁路功率模块；

驱动保护装置：当功率模块直流过压、功率模块交流过压、检测出功率模块驱动故障、检测出功率模块过温、检测出驱动保护装置欠压、或接收到主控保护装置发送的关断指令，控制功率模块的所有IGBT关断，延迟预设时间后向旁路机构控制保护装置发送闭合指令；其中，主控保护装置在检测到功率模块其他故障时，向驱动保护装置发送关断指令；其他故障为出功率模块除了驱动故障、过温和欠压以外的任一故障。

上述结构中设计了具备旁路机构、旁路机构控制保护装置和驱动保护装置的功率单元，通过旁路机构控制保护装置、驱动保护装置和主控保护装置进行功率模块故障检测，控制功率模块IGBT关断和旁路机构闭合，实现功率单元的冗余功能，可快速切除电力电子设备中的故障功率单元，提升电力电子设备运行可靠性和稳定性

上述功率模块的拓扑结构可以为半桥（件图2）、全桥或H桥结构（见图3），具有较强的通用性和实用性，可适用于不同拓扑结构如MMC、H桥级联的电力电子设备。

旁路机构控制保护装置SCU具体用以：

1）高压自取能：即SCU内置取能模块，从功率模块中支撑电容（如图2或图3中的C）两端进行取能，供给旁路机构；

2）直流过压检测、交流过压检测：即SCU内置直流过压检测模块、交流过压检测模块，获取功率模块的直流电压和交流电压，判断电压是否超过对应的阈值，若超过，则表示过压；

3）状态信号反馈：对控制闭合后的旁路机构状态进行检测，将检测结果反馈给驱动保护装置GDU；

4）逻辑控制：接收驱动保护装置GDU的指令，控制旁路机构。

旁路机构控制保护装置SCU的主要功能可表述为：对功率模块进行直流过压和交流过压检测，并将检测结果发送给驱动保护装置；当接收到驱动保护装置发送的闭合指令，控制旁路机构闭合，旁路功率模块；对控制闭合后的旁路机构状态进行检测，并将检测结果发送给驱动保护装置。

旁路机构包括旁路开关和旁路晶闸管，旁路开关和旁路晶闸管均并接在功率模块的输入端。

旁路开关的控制电路如图4所示，包括二极管D1、二极管D2、开关K1、电容C1、电阻R1、接触器KM、电容C2、电阻R2、端口XT-1、端口XT-3、端口XT-4、端口XT-6、端口XT7和端口XT9。

端口XT-1和端口XT-3分别连接取能模块的正输出端和负输出端，端口XT-1和电阻R1的一端之间依次串联二极管D1和开关K1（这是控制旁路开关通电的开关），电容C1与开关K1并联，电阻R1的另一端分别连接二极管D2的负极、电阻R2的的一端，端口XT-3连接端口XT-4和电阻R2的另一端，电容C2与电阻R2并联，二极管D2的正极连接端口XT-6，接触器KM的线圈侧与二极管D2并联，接触器KM的触头侧并接在功率模块的输入端，端口XT7和端口XT9分别连接在电容C2的两端。

电路中端口XT-1和端口XT-3为取能端口，端口XT-4和端口XT-6为旁路机构控制保护装置SCU控制信号的输入端口，端口XT7和端口XT9为电容C2电压获取端口，旁路机构控制保护装置SCU通过检测电容C2两端的电压来确定旁路开关控制电压是否达到可靠得操作电压。

当控制信号为高电平时，端口XT-4和端口XT-6闭合，接触器KM的线圈被施加正向电压，接触器KM的触头侧由“分”状态变为“合”状态，辅助触点则由常开状态变为常闭状态，经旁路机构控制保护装置(SCU)上传至阀基电子装置(VCU)，阀基电子装置(VCU)再通过光纤上传至主控保护装置。

驱动保护装置GDU具体用以：

1）驱动故障、过温、欠压检测：即GDU内置驱动故障检测模块、过温检测模块、欠压检测模块，检测功率模块是否驱动故障，检测功率模块是否过温，检测驱动保护装置是否欠压；

2）逻辑控制：当功率模块直流过压、功率模块交流过压、检测出功率模块驱动故障、检测出功率模块过温、检测出驱动保护装置欠压、或接收到主控保护装置发送的关断指令，控制功率模块的所有IGBT关断，延迟预设时间后向旁路机构控制保护装置发送闭合指令；若状态检测异常，向旁路机构控制保护装置重新发送闭合指令。

驱动保护装置的主要功能可表述为：当功率模块直流过压、功率模块交流过压、检测出功率模块驱动故障、检测出功率模块过温、检测出驱动保护装置欠压、或接收到主控保护装置发送的关断指令，控制功率模块的所有IGBT关断，延迟预设时间后向旁路机构控制保护装置发送闭合指令；若状态检测异常，向旁路机构控制保护装置重新发送闭合指令。

这里的阀基电子装置VCU主要实现主控保护装置和驱动保护装置之间的信号传递。主控保护装置接收功率模块的直流电压、IGBT温度、旁路机构状态等信息，在检测到功率模块其他故障时，向驱动保护装置发送关断指令。

本发明提供了的具有冗余功能的功率单元，可同时兼容MMC拓扑、H桥级联型拓扑的电力电子设备，如柔性直流配电网AC/DC变流器中的半桥结构MMC子模块和全桥结构MMC子模块、级联型电能质量治理设备或高压岸电电源等设备中H桥结构的功率模块，冗余功能实现方法简单、可靠、快速，满足电力电子设备冗余功能要求，从而提高电力电子设备的可靠性和稳定性。

基于相同的技术方案，本发明还公开了上述结构的控制方法，具体包括第一保护方法、第二保护方法和第三保护方法；其中，第一种和第二种为本地保护方法，第三为顶层保护方法。

第一保护方法包括：

11）旁路机构控制保护装置对功率模块进行直流过压和交流过压检测，并将检测结果发送给驱动保护装置。

12）若功率模块直流过压或功率模块交流过压，驱动保护装置控制功率模块的所有IGBT关断，延迟预设时间后向旁路机构控制保护装置发送闭合指令。

超过直流电压保护阈值Vdc_th，见图5（a），超过交流电压保护阈值Vac_th，见图5（b）。

13）旁路机构控制保护装置接收驱动保护装置发送的闭合指令，控制旁路机构闭合，旁路功率模块。

具体控制旁路开关和旁路晶闸管，旁路晶闸管在200us内导通，见图5（c），旁路开关在4ms由分位变为合位。

第二保护方法包括：

21）驱动保护装置对功率模块进行驱动故障、过温检测，对自身进行欠压检测。

22）若功率模块驱动故障、功率模块过温或自身欠压，驱动保护装置控制功率模块的所有IGBT关断，延迟预设时间后向旁路机构控制保护装置发送闭合指令。

23）旁路机构控制保护装置接收驱动保护装置发送的闭合指令，控制旁路机构闭合，旁路功率模块。

具体控制旁路开关和旁路晶闸管，旁路晶闸管在200us内导通，旁路开关在4ms由分位变为合位。

第三保护方法包括：

31）若主控保护装置检测到功率模块其他故障如过流等，主控保护装置向驱动保护装置发送关断指令，见图5（d）。

32）驱动保护装置接收关断指令，控制功率模块的所有IGBT关断，延迟预设时间后向旁路机构控制保护装置发送闭合指令。

33）旁路机构控制保护装置接收驱动保护装置发送的闭合指令，控制旁路机构闭合，旁路功率模块。

在第一保护方法、第二保护方法和第三保护方法中，旁路机构控制保护装置对控制闭合后的旁路机构状态进行检测，并将检测结果发送给驱动保护装置，若状态检测异常，驱动保护装置向旁路机构控制保护装置重新发送闭合指令，确保旁路机构可靠动作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种具有冗余功能的功率单元，所述功率单元外接主控保护装置，其特征在于，包括功率模块、旁路机构、旁路机构控制保护装置和驱动保护装置；

旁路机构控制保护装置：对功率模块进行直流过压和交流过压检测，并将检测结果发送给驱动保护装置；当接收到驱动保护装置发送的闭合指令，控制旁路机构闭合，旁路功率模块；

驱动保护装置：当功率模块直流过压、功率模块交流过压、检测出功率模块驱动故障、检测出功率模块过温、检测出驱动保护装置欠压、或接收到主控保护装置发送的关断指令，控制功率模块的所有IGBT关断，延迟预设时间后向旁路机构控制保护装置发送闭合指令；其中，主控保护装置在检测到功率模块其他故障时，向驱动保护装置发送关断指令；其他故障为功率模块除了驱动故障、过温和欠压以外的任一故障。

2.根据权利要求1所述的一种具有冗余功能的功率单元，其特征在于，旁路机构包括旁路开关和旁路晶闸管，旁路开关和旁路晶闸管均并接在功率模块的输入端。

3.根据权利要求2所述的一种具有冗余功能的功率单元，其特征在于，旁路机构控制保护装置内置取能模块，取能模块向旁路开关输送控制电压；

旁路开关包括二极管D1、二极管D2、开关K1、电容C1、电阻R1、接触器KM、电容C2、电阻R2、端口XT-1、端口XT-3、端口XT-4、端口XT-6；端口XT-1和端口XT-3分别连接取能模块的正输出端和负输出端，端口XT-1和电阻R1的一端之间依次串联二极管D1和开关K1，电容C1与开关K1并联，电阻R1的另一端分别连接二极管D2的负极、电阻R2的的一端，端口XT-3连接端口XT-4和电阻R2的另一端，电容C2与电阻R2并联，二极管D2的正极连接端口XT-6，接触器KM的线圈侧与二极管D2并联，接触器KM的触头侧的并接在功率模块的输入端。

4.根据权利要求3所述的一种具有冗余功能的功率单元，其特征在于，旁路机构控制保护装置还接收电容C2两端的电压，通过电容C2两端的电压对控制闭合后的旁路机构状态进行检测，并将检测结果发送给驱动保护装置，若状态检测异常，驱动保护装置向旁路机构控制保护装置重新发送闭合指令。

5.根据权利要求1所述的一种具有冗余功能的功率单元，其特征在于，功率模块为半桥、全桥或H桥结构。

6.根据权利要求1所述的一种具有冗余功能的功率单元，其特征在于，功率单元通过阀基电子装置外接主控保护装置。

7.一种具有冗余功能的功率单元控制方法，其特征在于，所述功率单元为权利要求2~6任一项所述的功率单元，所述方法包括第一保护方法、第二保护方法和第三保护方法；

第一保护方法包括：

旁路机构控制保护装置对功率模块进行直流过压和交流过压检测，并将检测结果发送给驱动保护装置；

若功率模块直流过压或功率模块交流过压，驱动保护装置控制功率模块的所有IGBT关断，延迟预设时间后向旁路机构控制保护装置发送闭合指令；

旁路机构控制保护装置接收驱动保护装置发送的闭合指令，控制旁路机构闭合，旁路功率模块；

第二保护方法包括：

驱动保护装置对功率模块进行驱动故障、过温检测，对自身进行欠压检测；

若功率模块驱动故障、功率模块过温或自身欠压，驱动保护装置控制功率模块的所有IGBT关断，延迟预设时间后向旁路机构控制保护装置发送闭合指令；

旁路机构控制保护装置接收驱动保护装置发送的闭合指令，控制旁路机构闭合，旁路功率模块；

第三保护方法包括：

若主控保护装置检测到功率模块其他故障，主控保护装置向驱动保护装置发送关断指令；

驱动保护装置接收关断指令，控制功率模块的所有IGBT关断，延迟预设时间后向旁路机构控制保护装置发送闭合指令；

旁路机构控制保护装置接收驱动保护装置发送的闭合指令，控制旁路机构闭合，旁路功率模块。

8.根据权利要求7所述的一种具有冗余功能的功率单元，其特征在于，在第一保护方法、第二保护方法和第三保护方法中，旁路机构控制保护装置对控制闭合后的旁路机构状态进行检测，并将检测结果发送给驱动保护装置，若状态检测异常，驱动保护装置向旁路机构控制保护装置重新发送闭合指令。

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