一种多电平光伏并网变换器故障在线识别系统的制作方法

本实用新型属于多电平光伏并网变换器技术领域，尤其是一种多电平光伏并网变换器故障在线识别系统。

背景技术：

随着电力电子能量变换领域(如功率变换器和电机传动等)中绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的广泛应用，IGBT模块的可靠性变得越来越重要。究其原因，主要有以下两点：(1)IGBT模块是电力电子系统实现换流的最重要部件，因而其工作的条件比较恶劣，且较容易发生故障；(2)在大功率电力电子变换器中，功率器件、系统和设备的体积将变得越来越紧凑，这使得不断增加单位功率密度的系统的散热问题变得日益突出。因而，电力电子系统热性能的研究已经成为了亟待解决的问题。以往大部分的研究成果主要倾向于研究如何提高系统的功率密度，而研究功率器件或者电力电子系统的发热和散热问题较少。所以，不难得出以下结论，电力电子系统的工作性能的优劣既与其拓扑结构的形式和控制策略的选择等因素有关，又与其功率器件或系统的热性能有关。如何对多电平光伏并网变换器内的功率器件进行实时故障在线监测是目前迫切需要解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目地在于克服现有技术的不足，提出一种多电平光伏并网变换器故障在线识别系统，解决对多电平光伏并网变换器进行实时故障在线监测问题。

本实用新型解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种多电平光伏并网变换器故障在线识别系统，其特征在于：包括系统控制器、栅极电压监测模块、集-射极电压/电流监测模块、底板温度采样模块、栅极驱动与保护模块；所述栅极电压监测模块、集-射极电压/电流监测模块、底板温度采样模块的输入端与多电平光伏并网变换器相连接并分别采集绝缘栅双极型晶体管(IGBT)栅极电压、集-射极电压/电流和底板温度，所述栅极电压监测模块、集-射极电压/电流监测模块、底板温度采样模块的输出端与系统控制器模数转换模块相连接，所述系统控制器输出控制信号给栅极驱动与保护模块，所述栅极驱动与保护模块与多电平光伏并网变换器相连接。

所述系统控制器内置有信号处理与故障诊断模块以及与信号处理与故障诊断模块相连接的第一模数转换模块、第二模数转换模块、第三模数转换模块、控制信号输出模块；所述第一模数转换模块、第二模数转换模块、第三模数转换模块分别与栅极电压监测模块、集-射极电压/电流监测模块、底板温度采样模块相连接，所述控制信号输出模块与栅极驱动与保护模块相连接。

所述栅极电压监测模块包括电阻R26、电阻R27、电阻R28、电阻R29、电阻R48、电阻R53、电阻R102、二极管V11、二极管V12、二极管V32、二极管V36、电容C9、电容C37以及运算放大器N1A、运算放大器N1B，其中，电容C37与电阻R102并联连接，电容C37一端接多电平光伏并网变换器的IGBT模块的发射极和运算放大器N1A的同相端，并共同接地；电容C37另一端接IGBT模块的栅极和电阻R27的一端；电阻R27另一端接运算放大器N1A的反相端；两个运算放大器的供电端连接到电源+V2、-V2电源上；运算放大器N1A的反相端与输出端之间串联电阻R28；运算放大器N1A的输出端与运算放大器N1B的反相端之间串联R29；运算放大器N1B的同相端接地；二极管V12的阳极和电阻R26的一端接运算放大器N1B的反相端，电阻R26的另一端接二极管V11的阴极，二极管V12的阴极与二极管V11的阳极共同接于运算放大器N1B的输出端；电阻R48的一端接二极管V11的阴极，另一端接二极管V32的阴极；二极管V32的阳极接地，电容C9与二极管V32并联连接；二极管V36的阴极接电源+V1A，二极管V36阳极接于二极管V32的阴极和电阻R53的一端；电阻R53的另一端接系统控制器的第一模数转换模块。

所述集-射极电压/电流监测模块包括电阻R134、电阻R135、电阻R141、电阻R142、电阻R143、电阻R144、电阻R145、电阻R155、电阻R166、电阻R168、电阻R241、电阻R242、电阻R243、电阻R244、电阻R245、二极管V7、二极管V8、二极管V17、二极管V18，电容C48、电容C49以及运算放大器N7A、运算放大器N7B；电阻R141、电阻R142、电阻R143、电阻R144、电阻R145串联连接，该串联电路一端接多电平光伏并网变换器的IGBT集电极，另一端接运算放大器N7B的反相端；电阻R241、电阻R242、电阻R243、电阻R244、电阻R245串联连接，该串联电路一端接多电平光伏并网变换器的IGBT发射极，另一端接运算放大器N7B的同相端；二极管V7、二极管V8反并联接于运算放大器N7B的同相端和反相端之间；两个运算放大器的供电端连接到+V2、-V2电源上；电阻R134一端接地，另一端接运算放大器N7B的同相端；运算放大器N7B的反相端与输出端之间串联电阻R135；运算放大器N7B的输出端与运算放大器N7A的反相端之间串联电阻R155；运算放大器N7A的同相端接地；运算放大器N7A的反相端与输出端之间串联电阻R166，且电容C48与电阻R166并联连接；电阻R168一端接运算放大器N7A的输出端，另一端接二极管V18的阴极；二极管V18的阳极接地，电容C49与二极管V18并联连接；二极管V17的阴极接电源+V1A，二极管V17阳极接于二极管V18的阴极及系统控制器的第二模数转换模块。

所述底板温度采样模块包括电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16以及运算放大器N2A、运算放大器N2B，电阻R10一端接多电平光伏并网变换器的IGBT底板NTC温度传感器，电阻R11一端接参考电压信号，电阻R10和电阻R11的另一端共同接于运算放大器N2A的反相端；电阻R12一端接地，另一端接运算放大器N2A的同相端；两个运算放大器的供电端连接到V+、V-电源上，运算放大器N2A的反相端与输出端之间串联电阻R13；运算放大器N2A的输出端与运算放大器N2B的反相端之间串联电阻R15；电阻R14一端接地，另一端接运算放大器N2B的同相端；运算放大器N2B的反相端与输出端之间串联电阻R16；运算放大器N2B的输出端接系统控制器的第三模数转换模块。

所述栅极驱动与保护模块包括电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24和运算放大器N3，电阻R20一端接到运算放大器N3的反向输入端，另一端连接到参考电压；电阻R23的一端连接到运算放大器N3的反向输入端，另一端接地；电阻R21一端接系统控制器输出信号，另一端接运算放大器N3的正向输入端；运算放大器N3供电端连接到V+、V-电源上，运算放大器N3的输出端接于电阻R22和电阻R24的一端，电阻R22的另一端接N3的正电源V+输入端，电阻R24的另一端接地，电阻R24的调压端接多电平光伏并网变换器的IGBT模块的栅极。

所述系统控制器还与上位机相连接并将多电平光伏并网变换器故障状态监测信息传输给上位机。

本实用新型的优点和积极效果是：

1、本实用新型的故障在线识别系统通过栅极电压监测模块、集-射极电压/电流监测模块、底板温度采样模块能够实时采集多电平光伏并网变换器内IGBT功率模块的状态参数，快速准确在线识别功率器件的故障状态并进行处理，保证了多电平光伏并网变换器地安全稳定运行。

2、通过转换为以IGBT功率半导体模块外部可测的电信号为监测对象，充分利用电信号的快速性和准确性，实现对多电平光伏并网变换器内功率器件故障程度进行在线识别。

3、该故障在线识别系统是以PWM脉宽调制策略为基础的，对于开关控制的功率半导体器件具有通用性，具有可商业化利用的前景。

4、本实用新型还可以将实时在线监测的结果传送给上位机实现远程监测功能，方便了远程监控人员的使用。

附图说明

图1是本实用新型的多电平光伏并网变换器故障在线识别系统连接图；

图2是现有多电平光伏并网变换器拓扑图；

图3是栅极电压监测模块电路图；

图4是集-射极电压/电流监测模块电路图；

图5是底板温度采样模块电路图；

图6是栅极驱动与保护模块电路图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型实施例做进一步详述。

一种多电平光伏并网变换器故障在线识别系统，是针对图2所示的现有多电平光伏并网变换器进行实时故障在线监测。

如图1所示，多电平光伏并网变换器故障在线识别系统包括系统控制器、栅极电压监测模块、集-射极电压/电流监测模块、底板温度采样模块、栅极驱动与保护模块和上位机。所述系统控制器内置有信号处理与故障诊断模块以及与信号处理与故障诊断模块相连接的第一模数转换模块、第二模数转换模块、第三模数转换模块、控制信号输出模块；所述栅极电压监测模块由栅极电压同步采样电路及第一信号调理模块连接构成，所述集-射极电压/电流监测模块由集-射极电压/电流同步采用电路及第二信号调理模块连接构成，所述底板温度采样模块由IGBT模块底板温度采样电路、温度变送模块及第三信号调理模块连接构成，所述栅极驱动与保护模块由驱动信号触发与封锁电路及第四信号调理电路连接构成。所述栅极电压监测模块、集-射极电压/电流监测模块、底板温度采样模块的输入端与多电平光伏并网变换器相连接分别采集绝缘栅双极型晶体管(IGBT)栅极电压、集-射极电压/电流和底板温度并经信号调理电路后传送给系统控制器，系统控制器分别通过第一模数转换器、第二模数转换器、第三模数转换器对采集的栅极电压、集-射极电压/电流和底板温度进行转换并由信号处理与故障诊断模块进行判断，并通过控制信号输出模块输出控制信号给栅极驱动与保护模块，该驱动信号触发与封锁电路通过第四信号调理电路相连接，第四信号调理电路对输出控制信号进行调理后，由驱动信号触发与封锁电路向多电平光伏并网变换器发送。

在本故障在线识别系统中，多电平光伏并网变换器中的功率器件参数通过栅极电压同步采样电路、集-射极电压/电流同步采样电路、IGBT模块底板温度采样电路进行获取，然后经由三个信号调理模块进行信号的预处理，分别输入到系统控制器的三个模数转换模块，最终经过信号处理与故障诊断模块后，进行在线功率器件的损耗计算和结温估算，并利用控制信号输出模块和栅极驱动与保护模块对功率器件进行实时调节和控制，同时可以实时将功率器件的状态通过上位机进行在线监测。

在本实施例中，栅极电压监测模块具体电路如图3所示，包括电阻R26、电阻R27、电阻R28、电阻R29、电阻R48、电阻R53、电阻R102、二极管V11、二极管V12、二极管V32、二极管V36、电容C9、电容C37以及运算放大器N1A、运算放大器N1B(采用TL082芯片)，其中，电容C37与电阻R102并联连接，电容C37一端接多电平光伏并网变换器的IGBT模块的发射极和运算放大器N1A的同相端，并共同接地；电容C37另一端接IGBT模块的栅极和电阻R27的一端；电阻R27另一端接运算放大器N1A的反相端；两个运算放大器的供电端连接到电源+V2、-V2电源上；运算放大器N1A的反相端与输出端之间串联电阻R28；运算放大器N1A的输出端与运算放大器N1B的反相端之间串联R29；运算放大器N1B的同相端接地；二极管V12的阳极和电阻R26的一端接运算放大器N1B的反相端，电阻R26的另一端接二极管V11的阴极，二极管V12的阴极与二极管V11的阳极共同接于运算放大器N1B的输出端；电阻R48的一端接二极管V11的阴极，另一端接二极管V32的阴极；二极管V32的阳极接地，电容C9与二极管V32并联连接；二极管V36的阴极接电源+V1A，二极管V36阳极接于二极管V32的阴极和电阻R53的一端；电阻R53的另一端接系统控制器的第一模数转换模块。

在本实施例中，集-射极电压/电流监测模块具体电路如图4所示，包括电阻R134、电阻R135、电阻R141、电阻R142、电阻R143、电阻R144、电阻R145、电阻R155、电阻R166、电阻R168、电阻R241、电阻R242、电阻R243、电阻R244、电阻R245、二极管V7、二极管V8、二极管V17、二极管V18，电容C48、电容C49以及运算放大器N7A、运算放大器N7B(采用TL082芯片)；电阻R141、电阻R142、电阻R143、电阻R144、电阻R145串联连接，该串联电路一端接多电平光伏并网变换器的IGBT集电极，另一端接运算放大器N7B的反相端；电阻R241、电阻R242、电阻R243、电阻R244、电阻R245串联连接，该串联电路一端接多电平光伏并网变换器的IGBT发射极，另一端接运算放大器N7B的同相端；二极管V7、二极管V8反并联接于运算放大器N7B的同相端和反相端之间；两个运算放大器的供电端连接到+V2、-V2电源上；电阻R134一端接地，另一端接运算放大器N7B的同相端；运算放大器N7B的反相端与输出端之间串联电阻R135；运算放大器N7B的输出端与运算放大器N7A的反相端之间串联电阻R155；运算放大器N7A的同相端接地；运算放大器N7A的反相端与输出端之间串联电阻R166，且电容C48与电阻R166并联连接；电阻R168一端接运算放大器N7A的输出端，另一端接二极管V18的阴极；二极管V18的阳极接地，电容C49与二极管V18并联连接；二极管V17的阴极接电源+V1A，二极管V17阳极接于二极管V18的阴极及系统控制器的第二模数转换模块。

在本实施例中，底板温度采样模块具体电路如图5所示，包括电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16以及运算放大器N2A、运算放大器N2B，电阻R10一端接多电平光伏并网变换器的IGBT底板NTC温度传感器，电阻R11一端接参考电压信号，电阻R10和电阻R11的另一端共同接于运算放大器N2A的反相端；电阻R12一端接地，另一端接运算放大器N2A的同相端；两个运算放大器的供电端连接到V+、V-电源上，运算放大器N2A的反相端与输出端之间串联电阻R13；运算放大器N2A的输出端与运算放大器N2B的反相端之间串联电阻R15；电阻R14一端接地，另一端接运算放大器N2B的同相端；运算放大器N2B的反相端与输出端之间串联电阻R16；运算放大器N2B的输出端接系统控制器的第三模数转换模块。

在本实施例中，栅极驱动与保护模块具体电路如图6所示，包括电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24和运算放大器N3，电阻R20一端接到运算放大器N3的反向输入端，另一端连接到参考电压；电阻R23的一端连接到运算放大器N3的反向输入端，另一端接地；电阻R21一端接系统控制器输出信号，另一端接运算放大器N3的正向输入端；运算放大器N3供电端连接到V+、V-电源上，运算放大器N3的输出端接于电阻R22和电阻R24的一端，电阻R22的另一端接N3的正电源V+输入端，电阻R24的另一端接地，电阻R24的调压端接多电平光伏并网变换器的IGBT模块的栅极。

需要强调的是，本实用新型所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本实用新型并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本实用新型的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本实用新型保护的范围。