CN215186076U - 一种柔性直流输电系统功率模块的在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种柔性直流输电系统功率模块的在线监测装置，属于柔性直流输电技术领域。包括：主控模块、上位机和功率模块控制板卡；上位机与通信板电连接，光纤板通过光纤与功率模块控制板连接，主控板分别与通信板和光纤板电连接；其中，光纤板接收功率模块控制板卡的状态信号数据，主控板将功率模块控制板卡的状态信号和操作信号输出至上位机，上位机显示功率模块控制板卡中功率模块的状态信号和操作信号。本实用新型通过监测并显示当前的运行条件和状态数据等信息，能够实现对存在异常的功率器件的在线监测，进而能够及时反馈并对其进行检修维护，避免因功率器件损坏造成更大范围的换流阀设备损坏，提高系统的运行可靠性。

Description

一种柔性直流输电系统功率模块的在线监测装置

技术领域

本实用新型属于柔性直流输电技术领域，具体涉及一种柔性直流输电系统功率模块的在线监测装置。

背景技术

柔性直流输电技术是新一代的高压直流输电技术，具有有功功率和无功功率的独立控制，控制方式更加可靠灵活，潮流反转迅速，易于构建多端直流系统或直流电网等优点。它一般采用模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)拓扑，一般由6个桥臂构成。基于MMC的一个柔性直流输电换流站使用的功率模块数量少则几百，多则几千，IGBT数量更是要在功率模块的数量上要翻倍或更多。目前换流阀运行和检修是被动式，模块故障被动更换、设备故障被动停运，欠缺智能化、主动式的换流阀深度管理和维护系统。

通常检修时只是针对故障模块进行更换，对其他存在隐患的模块并不能及时预防处理。因此，功率模块的在线监测系统至关重要，它可以实时计算功率模块的运行数据，预测器件的寿命、故障等重要信息，达到提前预防故障发生的效果。目前，国内外对IGBT、电容的老化与状态监测有了一定的研究成果，但是对柔直换流阀功率模块的在线监测技术的报道还较少。不同于传统的换流器，柔直换流阀的功率模块具有数目多、散热器与水路分布复杂、开关频率低等特点，其老化机理和状态监测较为复杂。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种柔性直流输电系统功率模块的在线监测装置，使得运行人员能够提前发现存在潜在故障的功率模块，对其进行检修维护。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

本实用新型公开了一种柔性直流输电系统功率模块的在线监测装置，包括：主控模块、上位机和功率模块控制板卡；其中，主控模块包含主控板、光纤板和通信板；上位机与通信板电连接，光纤板通过光纤与功率模块控制板连接，主控板分别与通信板和光纤板电连接；其中，光纤板接收功率模块控制板卡的状态信号，主控板将功率模块控制板卡的状态信号和操作信号输出至上位机，上位机显示功率模块控制板卡中功率模块的状态信号和操作信号。

优选地，通讯板由ARM芯片和FPGA芯片组成，ARM芯片嵌入设置于FPGA芯片。

进一步优选地，FPGA芯片与主控板通过LVDS背板通信总线连接。

优选地，主控板包括FPGA芯片，FPGA芯片与DSP芯片连接。

进一步优选地，DSP芯片与FPGA芯片通过PCIE总线连接。

进一步优选地，DSP芯片上并行连接有FLASH存储器和DDR3存储器。

优选地，上位机与通信板通过以太网通信网线连接。

优选地，主控板通过LVDS背板通信总线与通信板连接；主控板通过LVDS背板通信总线与光纤板连接。

优选地，光纤板通过光纤端子接收功率模块控制板卡中功率模块的状态信号。

优选地，功率模块控制板卡用于对功率模块控制板卡中的功率器件进行开关控制。

优选地，功率模块控制板卡用于上传功率器件的状态信号到光纤板。

优选地，所述柔性直流输电系统功率模块的在线监测装置适用于电压等级从±10kV到±800kV，传输容量从5MW到5GW的多场景组网、配电、输电系统。

优选地，主控板、光纤板和通信板外部设有主控机箱。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益的技术效果:

本实用新型公开了一种柔性直流输电系统功率模块的在线监测装置，硬件系统包括主控单元、上位机、功率模块控制板卡几部分，主控模块包括主控板、光纤板和通信板。其中，通过功率模块控制板卡对功率器件的运行数据(电压、电流、脉冲信息、状态字)进行采集，光纤板通过光纤端子接收功率模块控制板卡的数据。光纤板将功率模块控制板卡的数据发送给主控板，通过主控板实现功率器件的电压、损耗、结温、寿命数据进行计算。主控板通过LVDS总线将监测、运算得到的数据传送给通信板，通信板与上位机进行通信。通过上位机来显示功率器件的电压、损耗、结温、寿命、运行状态数据，能够实现功率器件关键数据的实时性在线监测。因此，本实用新型所述一种柔性直流输电系统功率模块的在线监测装置，通过监测并显示当前的运行条件和状态数据等信息，能够实现对存在异常的功率器件的在线监测，进而能够及时反馈并对其进行检修维护，避免因功率器件损坏造成更大范围的换流阀设备损坏，提高系统的运行可靠性。

附图说明

图1为本实用新型某一实施例提供的柔性直流输电系统换流阀拓扑图；

图2为本实用新型某一实施例提供的功率模块结构图；

图3为本实用新型某一实施例中柔性直流输电系统功率模块的在线监测装置的硬件拓扑结构图；

图4为本实用新型某一实施例中柔性直流输电系统功率模块的在线监测装置的主控板硬件结构图；

图5为本实用新型某一实施例中柔性直流输电系统功率模块的在线监测装置的功率模块采样数据框图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本实用新型进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步说明：

图3为本实用新型所述柔性直流输电系统功率模块的在线监测装置的某一具体实施例中，构成的硬件拓扑结构图。参见该硬件拓扑结构图中所示，本实用新型所述一种柔性直流输电系统功率模块的在线监测装置，其硬件系统包括主控模块、上位机、功率模块控制板卡等几部分，其中主控模块包括主控板、光纤板和通信板，主控板、光纤板和通信板外部设置有主控机箱。上位机主要用来显示功率模块控制板卡的状态、损耗、结温、寿命预测等数据，上位机与通信板通过以太网通信网线进行连接。光纤板通过光纤与功率模块控制板卡连接。主控机箱又包含主控板、光纤板、通信板，其中光纤板视模块数目可以增减，每块光纤板可采集6块功率模块控制板卡(PMC板)的数据，功率模块控制板卡每个模块一块。主控板的作用是执行结温计算、寿命预测等；光纤板的作用是收集功率模块板卡的数据；通信板的作用是与后台上位机通信。功率模块控制板卡PMC板的作用是功率模块的控制保护与模拟量采样。其中，通讯板由ARM芯片和FPGA芯片组成，ARM芯片嵌入设置于FPGA芯片；FPGA芯片与主控板之间通过LVDS背板通信总线进行通信连接。主控板用于接收光纤板的数据，进行功率模块控制板卡的结温、损耗、寿命预测、故障预测等；该主控板由DSP芯片与FPGA芯片组成，DSP芯片与FPGA芯片连接。光纤板通过LVDS背板通信总线与主控板通信连接，通过光纤端子接收功率模块控制板卡(PMC板)的电压、脉冲、状态等数据。功率模块控制板卡(PMC板)用于接收脉冲指令、对功率模块控制板卡中的功率器件进行开关控制，同时上传功率器件的状态信号到所述柔性直流输电系统功率模块的在线监测装置的光纤板。

具体地，在本实用新型的某一具体实施方式中，图4为本实用新型所述柔性直流输电系统功率模块的在线监测装置的主控板硬件结构图。主控板由DSP芯片与FPGA芯片组成，还包含有FLASH存储器、DDR3存储器、PCIE总线，以及光纤模块、以太网、IO接口、LVDS总线。其中，DSP芯片与FPGA芯片通过PCIE总线连接；DSP芯片的外部接口包括以太网、FLASH存储器、DDR3存储器；FPGA芯片的外部接口包括FLASH存储器、光纤模块、IO接口、LVDS背板通信总线。

具体地，在本实用新型的某一具体实施方式中，DSP芯片采用主频为1.25GHz的高性能C6655系列DSP芯片，能在50μs以内实现结温计算、寿命预测、故障预测等核心算法功能。

本实用新型所述的柔性直流输电系统功率模块的在线监测装置，适用于电压等级从±10kV到±800kV，传输容量从5MW到5GW的多场景组网、配电、输电系统。

本实用新型所述的柔性直流输电系统功率模块的在线监测装置的工作流程及工作原理示例如下：

工作流程：

1)、上层在线监测系统控制器进行功率模块数据的采样，包括电容电压，脉冲信息，散热器温度，开关频率，桥臂电流等数据。

2)、当功率模块通信中断时，对功率模块的通信故障进行判断：如果存在通信故障，则停止计算结温；反之无故障，则进入故障诊断系统，进行参数初始化，包括热阻参数，故障报警阈值的估算，进行结温计算、故障预测、寿命预测计算，该程序执行周期为100μs。

3)、数据采集：散热器输入温度计算，将采样数据进行提取，并考虑到误差补偿，得到优化后的散热器温度。

4)、执行器件的进行各功率器件的损耗、开关频率计算，包括IGBT、二极管的各种损耗数据计算。

5)、根据散热器温度，功率器件的损耗，热阻参数等数据，实时计算各功率器件的结温。

6)、根据器件的结温、电流参数等数据，实时计算各个功率器件的循环功率次数，也即寿命参数预测。

7)、根据器件的结温、开关频率、损耗、寿命等数据预测功率器件是否处于失效状态，也即故障报警预测。

8)、将计算好的各结温、故障预测、寿命预测数据上送给在线监测后台显示，刷新速率<1s。

工作原理：

本实用新型所述的柔性直流输电系统功率模块的在线监测装置，其能够实现的包括模拟量提取、特征数据提取、器件健康状态评估、上位机显示。通过计算功率模块的电压、电流、损耗、结温、寿命等状态变量，创建数据库并完成功率模块的在线监测。

本实用新型所述柔性直流输电系统功率模块的在线监测装置，对于功率器件损耗的计算需要采集电容电压、电流、脉冲信息这些数据量。

本实用新型所述的IGBT的寿命预测方法如下。

传统的Lesit模型包含2个变量ΔT_j和T_m。采用了IGBT的加速寿命模型，结温温差ΔT_j和平均结温T_m是决定IGBT寿命预测模型的重要参数，如下所示：

可见，对于功率器件寿命的计算需要采集结温、温差、功率器件的特征参数这些数据量。

下面结合附图和对本实用新型的监测对象做进一步说明：

图1为本实用新型某一具体实施例的监测对象——柔性直流输电换流阀的拓扑图，交流电压源经软启动电阻BRK、变压器T与换流阀进行连接，单个换流阀由六个桥臂组成，根据交流电压源的电压等级，每个桥臂由几十至几百个功率模块组成。图2为本实用新型某一具体实施例中柔性直流输电换流阀的功率模块结构图，包括一次回路与二次回路；功率模块中，C为电容，R为均压电阻，K1为旁路开关，K2为具备自爆旁路功能的旁路晶闸管，T1和T2均为IGBT器件，D1和D2均为二极管器件，PMC为功率模块控制板，功率模块额定电压2100V。图5为具体实施例的中在线监测装置的功率模块采样系统图。选用测温光纤对散热器的外壳进行测温，每个功率模块需要对2块散热器(散热板1和散热板2)进行壳温采样；测温光纤的测试结果汇总到测量单元，测量单元是1块独立的采样板卡。

以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柔性直流输电系统功率模块的在线监测装置，其特征在于，包括：主控模块、上位机和功率模块控制板卡；其中，主控模块包含主控板、光纤板和通信板；

光纤板通过光纤与功率模块控制板连接，光纤板用于接收功率模块控制板卡的状态信号；

主控板分别与通信板和光纤板电连接，主控板用于接收功率模块控制板卡的状态信号，并输出针对功率模块控制板卡的状态信号和操作信号；

上位机与通信板电连接，上位机用于显示功率模块控制板卡的状态信号和操作信号。

2.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统功率模块的在线监测装置，其特征在于，通讯板由ARM芯片和FPGA芯片组成，ARM芯片嵌入设置于FPGA芯片。

3.根据权利要求2所述的一种柔性直流输电系统功率模块的在线监测装置，其特征在于，FPGA芯片与主控板通过LVDS背板通信总线连接。

4.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统功率模块的在线监测装置，其特征在于，主控板包括FPGA芯片，FPGA芯片与DSP芯片连接。

5.根据权利要求4所述的一种柔性直流输电系统功率模块的在线监测装置，其特征在于，DSP芯片与FPGA芯片通过PCIE总线连接。

6.根据权利要求4所述的一种柔性直流输电系统功率模块的在线监测装置，其特征在于，DSP芯片上并行连接有FLASH存储器和DDR3存储器。

7.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统功率模块的在线监测装置，其特征在于，上位机与通信板通过以太网通信网线连接。

8.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统功率模块的在线监测装置，其特征在于，功率模块控制板卡用于上传功率器件的状态信号到光纤板。

9.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统功率模块的在线监测装置，其特征在于，所述柔性直流输电系统功率模块的在线监测装置适用于电压等级从±10kV到±800kV，传输容量从5MW到5GW的多场景组网、配电、输电系统。

10.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统功率模块的在线监测装置，其特征在于，主控板、光纤板和通信板外部设有主控机箱。

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