一种MMC子模块的故障保护方法及系统

一种mmc子模块的故障保护方法及系统
技术领域
1.本发明属于电力电子技术领域，特别涉及一种mmc子模块的故障保护方法及系统。


背景技术：

2.直流输电技术因其电能质量好、传输容量大、系统稳定性高、便于分布式能源接入等优点得到了广泛的关注。换流器是直流输电技术的核心部件，其性能直接影响直流输电技术能否大规模推广应用。子模块化多电平变流器(modular multilevel converter，mmc)由于凭借其电能质量高、可靠性好、输出波形品质高、功率损耗低等突出优势，在直流输电技术中具有良好的应用前景。目前mmc的主要功率开关器件采用绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，igbt)，其具有易于驱动、峰值电流容量大、自关断和开关频率高等特点，尽管igbt优势突出，但是相比电流型器件，仍然存在通态压降大、可靠性低和制造成本高等问题，具有很多改进的空间。相比igbt，集成门极换流晶闸管(integrated gate-commutated thyristor，igct)具有更低的通态压降、更高的可靠性以及更低的制造成本，并且结构紧凑、具有更高的阻断电压和通流能力，有望显著改进电压控制型器件在高压大容量柔性直流输电mmc换流阀应用中的表现性能。
3.但是，igct器件不同于igbt，不具有退饱和效应，其故障电流关断能力远小于igbt，因此，在igct器件应用在mmc子模块中时，一个igct器件关断失效后，一旦其相对的另一个igct器件开通，将产生无法关断的100ka级故障浪涌电流，破坏子模块，造成更大损失。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提供一种mmc子模块的故障保护方法及系统，能够在任意一个igct器件关断失效后，防止子模块产生浪涌电流破坏子模块。
5.一种mmc子模块的故障保护方法，包括以下步骤：控制单元向子模块的igct器件发送关断指令或开通指令；igct器件根据控制单元的关断指令执行关断，并判断自身关断状态，关断失败后向控制单元发送关断失败信号；控制单元接收关断失败信号后，闭锁子模块；子模块闭锁后，关断失败的igct器件对自身进行故障确定，并将故障确定结果发送给控制单元；控制单元接收故障确定结果，并根据故障确定结果将子模块旁路或解除子模块闭锁。
6.进一步的，igct器件判断自身关断状态包括以下步骤：igct器件监测关断后的自身阳极电流，如果自身阳极电流不下降，则确定关断失败。
7.进一步的，关断失败的igct器件对自身进行故障确定包括以下步骤：关断失败的igct器件在关断失败第一设定时间后，根据自身门极和阴极电压确定关断失败原因为检测干扰或igct器件故障；若确定关断失败的igct器件的关断失败原因为检测干扰，关断失败的igct器件驱动自身进行自检，确定自身正常或故障。
8.进一步的，若确定关断失败的igct器件的关断失败原因为检测干扰，关断失败的igct器件驱动自身进行自检，确定自身正常或故障具体为：关断失败的igct器件驱动自身进行一次开通触发，开通持续第二设定时间后关断，若开通和关断过程正常，则确定关断失败的igct器件正常，若开通或关断过程中出现异常信号，则确定关断失败的igct器件故障。
9.进一步的，第二设定时间大于等于igct器件标称最短开通时间。
10.进一步的，控制单元接收故障确定结果，并根据故障确定结果将子模块旁路或解除子模块闭锁具体为：若控制单元接收到关断失败的igct器件故障确定信号，控制单元控制子模块的旁路开关闭合，将子模块旁路；若控制单元接收到故障解除信号，控制单元控制子模块恢复正常运行状态。
11.进一步的，mmc子模块的故障保护方法还包括步骤：阀级控制系统向控制单元发送投切指令，控制单元接收投切指令，并根据投切指令生成关断指令或开通指令。
12.进一步的，mmc子模块的故障保护方法还包括步骤：控制单元将子模块的故障确定结果发送给阀级控制系统。
13.进一步的，子模块为半桥模块、全桥模块或箝位桥模块。
14.本发明实施例还提供一种mmc子模块的故障保护系统，包括控制单元和子模块，子模块包括多个igct器件；控制单元，用于向子模块的igct器件发送关断指令或开通指令；igct器件，用于根据控制单元的关断指令执行关断，并判断自身关断状态，关断失败后向控制单元发送关断失败信号；控制单元，还用于接收关断失败信号后，闭锁子模块；关断失败的igct器件，用于子模块闭锁后，对自身进行故障确定，并将故障确定结果发送给控制单元；控制单元，还用于接收故障确定结果，并根据故障确定结果将子模块旁路或解除子模块闭锁。
15.进一步的，关断失败的igct器件具体用于：关断失败的igct器件在关断失败第一设定时间后，根据自身门极和阴极电压确定关断失败原因为检测干扰或igct器件故障；若确定关断失败的igct器件的关断失败原因为检测干扰，关断失败的igct器件驱动自身进行自检，确定自身正常或故障。
16.进一步的，若确定关断失败的igct器件的关断失败原因为检测干扰，关断失败的igct器件驱动自身进行自检，确定自身正常或故障具体为：关断失败的igct器件驱动自身进行一次开通触发，开通持续第二设定时间后关断，若开通和关断过程正常，则确定关断失败的igct器件正常，若开通或关断过程中出现异常信号，则确定关断失败的igct器件故障。
17.进一步的，mmc子模块的故障保护系统还包括：阀级控制系统，用于向控制单元发送投切指令，还用于接收控制单元发送的子模块的故障确定结果。
18.进一步的，子模块为半桥模块、全桥模块或箝位桥模块。
19.本发明的有益效果：1.本发明在侦测到igct器件关断失效时，及时闭锁子模块，杜绝另一个igct器件
开通，有效防止故障蔓延。
20.2.本发明能通过自检测的方式判断故障是否为干扰引起的误报，降低子模块误报故障几率，延长换流阀检修周期。
21.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1示出了根据本发明实施例的一种mmc子模块的故障保护系统信号传递链路图；图2示出了根据本发明实施例的一种mmc子模块的故障保护方法的流程示意图。
具体实施方式
24.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.本发明提供一种mmc子模块的故障保护方法及系统，针对mmc应用中，一个igct器件关断失效后，能够及时闭锁模块，杜绝与其相对的igct器件开通，有效防止故障蔓延。并且能通过自检测的方式判断故障是否为干扰引起的误报，降低误报故障几率，延长换流阀检修周期。
26.为便于对本技术实施例的理解，下面对igct器件进行简单介绍：集成门极换流晶闸管（igct）是一种用于大容量电力电子装置的新型开关器件，主要由封装在管壳内部的gct芯片和集成在管壳外部的驱动构成。igct驱动主要承担的功能为接受上层控制系统的通信信号，并将其转换为用于开通和关断gct芯片的电压电流信号。
27.本发明实施例的一种mmc子模块的故障保护方法及系统，适用于以igct为全控器件的半桥模块、全桥模块、箝位桥模块等。
28.请参阅图1，图1示出了根据本发明实施例的一种mmc子模块的故障保护系统信号传递链路图。
29.一种mmc子模块的故障保护系统，包括子模块和控制单元，子模块包括多个igct器件和旁路开关，多个igct器件的门极驱动通过光纤与控制单元通信连接，控制单元还与旁路开关连接。
30.控制单元，用于向igct器件发送关断指令或开通指令。
31.igct器件，用于根据控制单元的关断指令执行关断，并判断自身关断状态，关断失败后向控制单元发送关断失败信号。
32.控制单元，还用于接收关断失败信号后，闭锁子模块。
33.关断失败的igct器件，用于子模块闭锁后，对自身进行故障确定，并将故障确定结果发送给控制单元。
34.控制单元，还用于接收故障确定结果，并根据故障确定结果控制旁路开关闭合或解除子模块闭锁。
35.示例的，控制单元为就地控制板，使用就地控制板能够控制一个或者多个igct器件。
36.示例的，子模块包括电解电容、电感ls、电阻rs、电容cs、第一二极管d1、第二二极管d2和第三二极管ds，第一igct器件t1、第二igct器件t2和旁路开关。
37.其中，电解电容正极与电感ls第一端、电阻rs第一端连接，电感ls第二端与第三二极管ds阳极、第一igct器件t1阳极、第一二极管d1阴极连接，第三二极管ds阴极与电阻rs第二端、电容cs第一端连接，电容cs第二端与电解电容负极、第二igct器件t2阴极、第二二极管d2阳极和旁路开关第一端连接，第一igct器件t1阴极与第一二极管d1阳极、第二igct器件t2阳极、第二二极管d2阴极和旁路开关第二端连接。
38.就地控制板通过光纤与第一igct器件t1的门极驱动、第二igct器件t2的门极驱动连接。
39.就地控制板用于控制旁路开关的通断，以及接收第一igct器件t1和第二igct器件t2的阳极电流信号以及门阴极电压信号，同时其可以闭锁第一igct器件t1和第二igct器件t2。
40.需要说明的是，本发明实施例的子模块为igct器件为全控器件的一个示例性说明。
41.进一步的，在将子模块应用于换流阀时，mmc子模块的故障保护系统还包括阀级控制系统，阀级控制系统通过光纤与控制单元连接。
42.阀级控制系统，用于向控制单元发送投切指令。
43.控制单元还用于接收投切指令，并根据控制指令控制igct器件关断或开通；还用于将子模块的故障确定结果发送给阀级控制系统。
44.请参阅图2，图2示出了根据本发明实施例的一种mmc子模块的故障保护方法的流程示意图。
45.本发明实施例还提供一种mmc子模块的故障保护方法，包括以下步骤：s1、控制单元向igct器件发送关断指令或开通指令。
46.s2、igct器件根据控制单元的关断指令执行关断，igct器件判断自身关断状态，关断失败后向控制单元发送关断失败信号。
47.具体的，igct器件判断自身关断状态包括以下步骤：igct器件监测关断后的自身阳极电流，如果自身阳极电流不下降，则确定关断失败。
48.示例的，监测关断后的igct器件阳极电流可以通过在igct器件阳极设置电流线圈，或在igct器件门极驱动检测关断回路压降，具体实施为现有技术，不再赘述。
49.需要说明的是，igct器件关断后，其阳极应当不再具有电流，若经过关断时间后，仍然能够检测到该igct器件的阳极存在电流，则说明该igct器件呈短路状态，此时则能够确定igct器件关断失败，igct器件可以通过光纤将关断失败信号回报至控制单元。
50.s3、控制单元接收关断失败信号后，闭锁子模块。
51.具体的，闭锁子模块为控制单元不再向子模块中任一个igct器件发送开通指令。
52.控制单元收到igct器件关断失败信号，不再触发与其相对的igct器件开通，从而避免电容经一个关断失败的igct器件（呈短路状态）和新开通的igct器件短路，引起故障浪涌电流。
53.s4、子模块闭锁后，关断失败的igct器件对自身进行故障确定，并将故障确定结果发送给控制单元。
54.具体的，关断失败的igct器件对自身进行故障确定包括以下步骤：s41、关断失败的igct器件在关断失败第一设定时间后，根据自身门极和阴极电压确定关断失败原因为检测干扰或igct器件故障。
55.第一设定时间可以适应性设定，预留第一设定时间是为了提供给门阴极电压下降的时间，从而避免短时间测试，导致测试数值不够准确的情况。
56.示例的，第一设定时间为10ms，关断失败的igct器件在关断失败第一设定时间后，对自身门极和阴极电压进行检测，若电压绝对值高于故障阈值，则确定关断失败为检测干扰，若电压绝对值低于故障阈值，则确定自身故障。
57.需要说明的是，由于电流检测易于出现干扰，需要对igct器件关断失败的原因进行进一步确定，以避免故障误报。若关断失败的原因为igct器件关断功能失效，则igct器件芯片内部短路，igct驱动的关断电容组会经过短路芯片放电，使得门极和阴极电压绝对值不断下降，因此一段时间后将低于故障阈值。该信号更加稳定，适合于进行故障确定。若低于故障阈值，则可以确定芯片已损坏。
58.s42、若确定关断失败的igct器件的关断失败原因为检测干扰，关断失败的igct器件驱动自身进行自检，确定自身正常或故障。
59.示例的，关断失败的igct器件驱动自身进行一次开通触发，开通持续第二设定时间后关断，若开通和关断过程正常，则确定关断失败的igct器件正常，若开通或关断过程中出现异常信号，则确定关断失败的igct器件故障。
60.具体的，第二设定时间大于等于igct器件标称最短开通时间，示例的，第二设定时间为100us。
61.需要说明的是，当门阴极电压的绝对值高于上述故障阈值时，有可能在检测igct器件的关断状态时出现了误差或干扰，还有可能是igct器件损坏后处于高阻态。此时就需要进一步的确定，以排除igct器件虽已损坏，但损坏后处于高阻态这一情况，驱动关断电容组放电缓慢的情况。
62.在确定关断失败原因为检测干扰的基础上，关断失败的igct器件对自身再进行一次开通和关断，时长大于等于igct器件标称最短开通时间，以降低对换流阀运行的影响。若开通关断均正常，则确定igct器件的关断失败信号属于误报。在这一过程中，由于子模块处于闭锁状态，子模块中其余igct器件处于关断状态，不会引起电容短路的大故障电流。
63.s5、控制单元接收故障确定结果，并根据故障确定结果将子模块旁路或解除子模块闭锁。
64.具体的，关断失败的igct器件通过光纤向控制单元发送igct器件故障确定信号或故障解除信号。
65.若控制单元接收到关断失败的igct器件故障确定信号，控制单元控制旁路开关闭合，将子模块旁路。若控制单元接收到故障解除信号，控制单元控制子模块恢复正常运行状态。
66.进一步的，一种mmc子模块的故障保护方法在步骤s1之前还包括以下步骤：s0、阀级控制系统向控制单元发送投切指令，控制单元接收投切指令，并根据投切指令生成关断指令或开通指令。
67.进一步的，一种mmc子模块的故障保护方法在步骤s5之后还包括以下步骤：s6、控制单元将子模块的故障确定结果发送给阀级控制系统。
68.需要说明的是，本技术实施例的子模块的死区应不低于igct器件关断延时、igct器件故障确定延时和控制单元故障判断延时，以确保关断失败后能及时闭锁模块，子模块的死区指的是正常工作状态下一个igct器件关断到另一个igct器件开通的延时。
69.为便于对本技术实施例的理解，以子模块第一igct器件t1关断失败为例，对本技术公开的故障保护方法进行更加详细的说明。
70.阀级控制系统向控制单元发送投切指令，控制单元接收投切指令，并根据控制指令控制子模块中的第一igct器件t1关断，第一igct器件t1的阳极电流不下降，第一igct器件t1通过光纤将关断失败信号发送给控制单元，控制单元接收到第一igct器件t1关断失败信号后，立即闭锁子模块，即不再在死区后触发第二igct器件t2开通。
71.考虑第一igct器件t1内部延迟，第一igct器件t1在关断失败第一设定时间后，对自身门极和阴极电压进行检测，若电压异常，确定自身故障，将故障确定结果发送给控制单元，控制单元控制旁路开关闭合以旁路子模块并将故障确定结果发送给阀级控制系统。
72.第一igct器件t1在关断失败第一设定时间后，对自身门极和阴极电压进行检测，若电压正常，第一igct器件t1自行进行短时触发，并进行触发全过程故障检测，若确定开通触发过程正常，则确定第一igct器件t1无故障，认定故障误报，控制单元解除子模块闭锁状态。若第一igct器件t1开通触发过程确定异常，则确定自身故障，将故障确定结果发送给控制单元，控制单元控制旁路开关闭合以旁路子模块并将故障确定结果发送给阀级控制系统。
73.本发明实施例的mmc子模块的故障保护方法，基于对igct器件的控制实现，对于子模块以igct器件为全控器件均适用，例如，以igct器件为全控器件的半桥模块、全桥模块或箝位桥模块。
74.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。