专利名称：三相模块化多电平换流器及其子模块中igbt开路故障检测容错方法
技术领域：
本发明涉及三相模块化多电平换流器及其子模块中IGBT开路故障检测容错方法，属于电力电子领域。
背景技术：
近年来，模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter, MMC)在高压大功率领域中备受关注。其拓扑结构由多个结构相同的子模块堆叠而成，每个子模块由一个半桥拓扑和一个电容器构成，通过增加子模块数可灵活地扩展到高电压大功率，且其功率元件能工作在较低的开关频率，具备很高的能量转换效率、很小的电压电流尖峰，以及非常低的输出电压谐波含量等优点，使其十分适用于柔性直流输电等高压大功率电能变换的场
入
口 ο模块化多电平换流器的功率元件通常采用性价比高、控制灵活的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，目前应用最为广泛的IGBT是采用压焊引线工艺的键合线型封装，这种封装的IGBT损坏经常是由于引线被电流烧熔后造成的开路。而在模块化多电平换流器内，任一子模块中任一 IGBT的开路故障都会导致整机无法工作。虽然每个IGBT的故障率很低，但在高压大功率时MMC将含有成百上千个IGBT，其故障率大大升高，这就造成MMC换流器的可靠性低、维修成本昂贵。
发明内容
本发明目的是为了 解决现有MMC采用一个半桥拓扑和一个电容器的结构，任一子模块中任一 IGBT的开路故障都会导致整机无法工作，造成MMC的可靠性低、维修成本昂贵的问题，提供了一种三相模块化多电平换流器及其子模块中IGBT开路故障检测容错方法。本发明所述三相模块化多电平换流器，它包括A相上桥臂、A相下桥臂、B相上桥臂、B相下桥臂、C相上桥臂和C相下桥臂，A相上桥臂、A相下桥臂、B相上桥臂、B相下桥臂、C相上桥臂和C相下桥臂构成三相全桥拓扑结构，每个桥臂均由η个子模块和电感器L依次串联构成，η为大于或等于2的正整数；A相上桥臂的正极输出端、B相上桥臂的正极输出端和C相上桥臂的正极输出端相连，并作为三相模块化多电平换流器的正极端；A相下桥臂的负极输出端、B相下桥臂的负极输出端和C相下桥臂的负极输出端相连，并作为三相模块化多电平换流器的负极端；A相上桥臂的电感器L和A相下桥臂的电感器L连接在一起，并接三相交流电源的A相；B相上桥臂的电感器L和B相下桥臂的电感器L连接在一起，并接三相交流电源的B相；
C相上桥臂的电感器L和C相下桥臂的电感器L连接在一起，并接三相交流电源的C相；每个子模块由第一功率单元1、第二功率单元2和电容C组成，第一功率单元I包括第一 IGBT晶体管SI和第二 IGBT晶体管S2 ;第二功率单元2包括第三IGBT晶体管S3和第四IGBT晶体管S4 ；第一 IGBT晶体管SI的集电极同时与第三IGBT晶体管S3的集电极和电容C的一端相连；第一 IGBT晶体管SI的发射极连接第二 IGBT晶体管S2的集电极；第三IGBT晶体管S3的发射极连接第四IGBT晶体管S4的集电极；第二 IGBT晶体管S2的发射极同时与第四IGBT晶体管S4的发射极和电容C的另一端相连，并作为子模块的负极端；第一 IGBT晶体管SI的发射极和第三IGBT晶体管S3的发射极的连接线作为子模块的正极端；第一 IGBT晶体管S1、第二 IGBT晶体管S2、第三IGBT晶体管S3和第四IGBT晶体管S4均为带反并联二极管的IGBT。所述三相模块化多电平换流器的子模块中IGBT开路故障检测容错方法，该方法包括以下步骤:步骤一、每个子模块中的四个IGBT的驱动信号为SI栅极驱动脉冲ugl、S2栅极驱动脉冲ug2、S3栅极驱动脉冲 Ug3和S4栅极驱动脉冲ug4，ugl的高电平持续时间为Trari, Ug3的高电平持续时间为Tm_3，Tmri=Tmrf,ug2的高电平持续时间为Tm_2，Ug4的高电平持续时间为Tm_4，Ton_2=Ton_4,ugl和Ug3的低电平持续时间为Tm_2+2 Δ T，Δ T为单个IGBT的独立工作时间，Ug2和Ug4的低电平持续时间为U2 Δ T，Ug3 较 Ugl 延后Λ T, Ug4 较 Ug2 延后Λ T,Ugl的上升沿对应Ug4的下降沿，Ug2的上升沿对应Ug3的下降沿；步骤二、在子模块的每个IGBT的独立工作时间Λ T内，采集该子模块的输出电压Ua,并判断Ua与理论值是否相等；若所述Ua与理论值不等时，即可判定该IGBT发生了开路故障，执行步骤三；若所述Ua与理论值相等时，即可判定该IGBT无开路故障，返回执行步骤二 ；步骤三、判断与步骤二所述开路故障IGBT并联的IGBT是否有开路故障，如果并联的IGBT有开路故障，则封锁三相模块化多电平换流器中所有IGBT的驱动信号，系统进入停机保护状态；如果并联的IGBT没有开路故障，执行步骤四，步骤四、封锁该开路故障IGBT的驱动信号，同时将与其并联的IGBT的驱动脉冲的高电平持续时间增加Λ Τ，从而保证Ua电压波形不变，三相模块化多电平换流器仍能继续工作；然后执行步骤五；步骤五、发出故障指示信号，以便维护人员进行维修更换，更换有开路故障的IGBT后，返回执行步骤一。
本发明的优点:本发明与传统的模块化多电平变换器相比，在原来的半桥功率单元的基础上又并联了一个相同的功率单元，通过检测子模块的输出电压和一定的移相控制即可快速定位出发生开路故障的IGBT，并且换流器可在任何子模块中任何一个IGBT发生开路故障时继续容错运行，解决了传统模块化多电平换流器可靠性低、经常需要停机维修的问题。此外，功率单元并联的形式减小了 IGBT的电流应力，同时能够降低其导通损耗，提高MMC电能变换的效率。
图1是本发明所述三相模块化多电平换流器的拓扑结构图；图2是本发明所述三相模块化多电平换流器的子模块拓扑结构图；图3是本发明的子模块各IGBT的驱动信号分配图；图4至图7是子模块中不同IGBT开路的状态图；图8是检测出S1开路故障后子模块各IGBT的驱动信号分配图。
具体实施例方式具体实施方式
一:下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述三相模块化多电平换流器及其子模块中IGBT开路故障检测容错方法，它包括A相上桥臂、A相下桥臂、B相上桥臂、B相下桥臂、C相上桥臂和C相下桥臂，A相上桥臂、A相下桥臂、B相上桥臂、B相下桥臂、C相上桥臂和C相下桥臂构成三相全桥拓扑结构，每个桥臂均由η个子模块和电感器L依次串联构成，η为大于或等于2的正整数； A相上桥臂的正极输出端、B相上桥臂的正极输出端和C相上桥臂的正极输出端相连，并作为三相模块化多电平换流器的正极端；A相下桥臂的负极输出端、B相下桥臂的负极输出端和C相下桥臂的负极输出端相连，并作为三相模块化多电平换流器的负极端；A相上桥臂的电感器L和A相下桥臂的电感器L连接在一起，并接三相交流电源的A相；B相上桥臂的电感器L和B相下桥臂的电感器L连接在一起，并接三相交流电源的B相；C相上桥臂的电感器L和C相下桥臂的电感器L连接在一起，并接三相交流电源的C相；每个子模块由第一功率单元1、第二功率单元2和电容C组成，第一功率单元I包括第一 IGBT晶体管SI和第二 IGBT晶体管S2 ;第二功率单元2包括第三IGBT晶体管S3和第四IGBT晶体管S4 ；第一 IGBT晶体管SI的集电极同时与第三IGBT晶体管S3的集电极和电容C的一端相连；第一 IGBT晶体管SI的发射极连接第二 IGBT晶体管S2的集电极；第三IGBT晶体管S3的发射极连接第四IGBT晶体管S4的集电极；第二 IGBT晶体管S2的发射极同时与第四IGBT晶体管S4的发射极和电容C的另一端相连，并作为子模块的负极端；第一 IGBT晶体管SI的发射极和第三IGBT晶体管S3的发射极的连接线作为子模块的正极端；第一 IGBT晶体管S1、第二 IGBT晶体管S2、第三IGBT晶体管S3和第四IGBT晶体管S4均为带反并联二极管的IGBT。第一功率单元I和第二功率单元2并联，每个功率单元均是由两个IGBT串联构成的半桥结构。
具体实施方式
二:下面结合图3至图8说明本实施方式，实施方式一所述三相模块化多电平换流器的子模块中IGBT开路故障检测容错方法，该方法包括以下步骤:步骤一、每个子模块中的四个IGBT的驱动信号为SI栅极驱动脉冲ugl、S2栅极驱动脉冲ug2、S3栅极驱动脉冲Ug3和S4栅极驱动脉冲ug4，ugl的高电平持续时间为Trari, Ug3的高电平持续时间为Tm_3，Tmri=Tmrf,ug2的高电平持续时间为Tm_2，Ug4的高电平持续时间为Tm_4，Ton_2=Ton_4,ugl和Ug3的低电平持续时间为Tm_2+2 Δ T，Δ T为单个I GBT的独立工作时间，Ug2和Ug4的低电平持续时间为U2 Δ T，Ug3 较 Ugl 延后Λ T, Ug4 较 Ug2 延后Λ T,Ugl的上升沿对应Ug4的下降沿，Ug2的上升沿对应Ug3的下降沿；步骤二、在子模块的每个IGBT的独立工作时间Λ T内，采集该子模块的输出电压Ua,并判断Ua与理论值是否相等；若所述Ua与理论值不等时，即可判定该IGBT发生了开路故障，执行步骤三；若所述Ua与理论值相等时，即可判定该IGBT无开路故障，返回执行步骤二 ；步骤三、判断与步骤二所述开路故障IGBT并联的IGBT是否有开路故障，如果并联的IGBT有开路故障，则封锁三相模块化多电平换流器中所有IGBT的驱动信号，系统进入停机保护状态；如果并联的IGBT没有开路故障，执行步骤四，步骤四、封锁该开路故障IGBT的驱动信号，同时将与其并联的IGBT的驱动脉冲的高电平持续时间增加△ Τ，从而保证Ua电压波形不变，三相模块化多电平换流器仍能继续工作；然后执行步骤五；步骤五、发出故障指示信号，以便维护人员进行维修更换，更换有开路故障的IGBT后，返回执行步骤一。如图3所示，在子模块功率单元驱动信号分配图中，信号Ua为子模块的输出电压波形，其中Tm_A为控制系统发出的有效脉冲宽度，也即一个开关周期内Ua等于电容器电压Uc的时间，IrffI为Ua等于O的时间，则S1与S3的导通时间Λ T，S2与S4的导通时间Δ T (由于死区时间占整个开关周期的比例很小，故这里将其忽略)。从而在一个开关周期中，每个IGBT都存在一个AT的独立工作时间，即在此时间内整个子模块中仅该IGBT处在开通状态。此外，由于时间AT相比整个开关周期很短，所以两个功率单元大部分时间是在共同承载电流，降低了每个功率单元的电流应力，并保证了较低的导通损耗。
针对子模块结构为半桥拓扑的模块化多电平换流器，根据当前的驱动信号与桥臂电流iA的方向(规定电流、流出子模块为其正方向)，输出电压Ua有如表I所示的几种工作情况:表IIGBT开路故障检测机制
权利要求
1.三相模块化多电平换流器，其特征在于，它包括A相上桥臂、A相下桥臂、B相上桥臂、B相下桥臂、C相上桥臂和C相下桥臂， A相上桥臂、A相下桥臂、B相上桥臂、B相下桥臂、C相上桥臂和C相下桥臂构成三相全桥拓扑结构，每个桥臂均由n个子模块和电感器L依次串联构成，n为大于或等于2的正整数； A相上桥臂的正极输出端、B相上桥臂的正极输出端和C相上桥臂的正极输出端相连，并作为三相模块化多电平换流器的正极端； A相下桥臂的 负极输出端、B相下桥臂的负极输出端和C相下桥臂的负极输出端相连，并作为三相模块化多电平换流器的负极端； A相上桥臂的电感器L和A相下桥臂的电感器L连接在一起，并接三相交流电源的A相； B相上桥臂的电感器L和B相下桥臂的电感器L连接在一起，并接三相交流电源的B相； C相上桥臂的电感器L和C相下桥臂的电感器L连接在一起，并接三相交流电源的C相； 每个子模块由第一功率单元1、第二功率单元2和电容C组成，第一功率单元I包括第一 IGBT晶体管SI和第二 IGBT晶体管S2 ;第二功率单元2包括第三IGBT晶体管S3和第四IGBT晶体管S4 ； 第一 IGBT晶体管SI的集电极同时与第三IGBT晶体管S3的集电极和电容C的一端相连； 第一 IGBT晶体管SI的发射极连接第二 IGBT晶体管S2的集电极； 第三IGBT晶体管S3的发射极连接第四IGBT晶体管S4的集电极； 第二 IGBT晶体管S2的发射极同时与第四IGBT晶体管S4的发射极和电容C的另一端相连，并作为子模块的负极端； 第一 IGBT晶体管SI的发射极和第三IGBT晶体管S3的发射极的连接线作为子模块的正极端； 第一 IGBT晶体管S1、第二 IGBT晶体管S2、第三IGBT晶体管S3和第四IGBT晶体管S4均为带反并联二极管的IGBT。
2.权利要求1所述三相模块化多电平换流器的子模块中IGBT开路故障检测容错方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 步骤一、每个子模块中的四个IGBT的驱动信号为SI栅极驱动脉冲ugl、S2栅极驱动脉冲ug2、S3栅极驱动脉冲Ug3和S4栅极驱动脉冲ug4， Ugl的高电平持续时间为Trari, Ug3的高电平持续时间为Tm_3，Tmri=Trarf, ug2的高电平持续时间为Tm_2，ug4的高电平持续时间为Tm_4，Ton_2=Ton_4, Ugl和ug3的低电平持续时间为Tm_2+2 A T， A T为单个IGBT的独立工作时间， Ug2和Ug4的低电平持续时间为T^+2 A T， ug3较Ugl延后A T, ug4较ug2延后A T, Ugl的上升沿对应Ug4的下降沿，Ug2的上升沿对应Ug3的下降沿；步骤二、在子模块的每个IGBT的独立工作时间Λ T内，采集该子模块的输出电压UA，并判断Ua与理论值是否相等； 若所述Ua与理论值不等时，即可判定该IGBT发生了开路故障，执行步骤三； 若所述Ua与理论值相等时，即可判定该IGBT无开路故障，返回执行步骤二 ； 步骤三、判断与步骤二所述开路故障IGBT并联的IGBT是否有开路故障， 如果并联的IGBT有开路故障，则封锁三相模块化多电平换流器中所有IGBT的驱动信号，系统进入停机保护状态； 如果并联的IGBT没有开路故障，执行步骤四， 步骤四、封锁该开路故障IGBT的驱动信号，同时将与其并联的IGBT的驱动脉冲的高电平持续时间增加AT，从而保证Ua电压波形不变，三相模块化多电平换流器仍能继续工作；然后执行步骤五； 步骤五、发出故障指示信号，以便维护人员进行维修更换，更换有开路故障的IGBT后，返回执行步骤一。
3.根据权利要求2所述 三相模块化多电平换流器的子模块中IGBT开路故障检测容错方法，其特征在于，Λ T=IzlOTrari Ι/δΤ。^。
全文摘要
三相模块化多电平换流器及其子模块中IGBT开路故障检测容错方法，属于电力电子领域，本发明为为了解决现有MMC发生开路故障都会导致整机无法工作的问题。本发明在换流器每个子模块中采用两个半桥功率单元相并联的方法，通过测量子模块的输出电压UA，同时对两个半桥功率单元中的IGBT施加一定的移相控制，最多只需半个交流周期即可定位出发生开路故障的IGBT，并且模块化多电平换流器可在任何子模块中任何一个IGBT发生开路故障时继续容错运行，解决了传统模块化多电平换流器可靠性低、经常需要停机维修的问题。此外，功率单元并联工作的形式能够降低IGBT的导通损耗，提高变换器电能变换的效率。
文档编号G01R31/02GK103248255SQ20131019850
公开日2013年8月14日 申请日期2013年5月24日 优先权日2013年5月24日
发明者徐殿国, 李彬彬, 杨荣峰, 高强 申请人:哈尔滨工业大学