一种用于模块化多电平换流器子模块的检测装置及方法与流程

本发明涉及输配电技术领域，具体是一种用于模块化多电平换流器子模块的检测装置及方法。

背景技术：

近年来，我国大力推进高压直流输电技术的工程应用，其中柔性直流输电技术作为一项新兴技术凭借着高度可控性等技术优势代表着目前高压直流输电技术发展的未来。

目前，柔性直流输电工程换流单元主要采用模块化多电平换流拓扑(MMC)，并且主要由半桥子模块构建而成。以我国为例，目前在运柔性直流输电工程MMC全部采用半桥子模块构建。

MMC的优势在于可以降低对换流单元中半导体开关器件(目前主要为IGBT)开关同步性和均压的要求，但缺点在于大幅增加了半导体开关器件的使用量，即子模块数量庞大。目前，MMC子模块的检测工作尚未形成标准规范，主要采用供货厂家提供的检测设备，分别对单个MMC子模块进行检测，存在工作量大、效率低、检测范围覆盖不全的问题。因此，有必要对MMC子模块的检测方法进行研究。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于模块化多电平换流器子模块的检测装置及方法，解决了目前MMC子模块检测工作存在的工作量大、效率低、检测范围覆盖不全的问题，能够有效降低MMC子模块检测工作量和覆盖MMC子模块的主要功率器件。

本发明的目的是以下技术方案实现的：

一种用于模块化多电平换流器子模块的检测装置，用于与检测装置至少一个MMC子模块系统连接，所述检测装置包括中央处理器及与中央处理器连接的半桥模块电路；所述MMC子模块系统包括子模块控制板及与子模块控制板连接的MMC子模块；所述MMC子模块系统为至少两个时相互串接，检测装置的中央处理器与每个MMC子模块系统中的子模块控制板连接；所述MMC子模块中具有与子模块控制板连接的旁路开关，子模块控制板通过开闭旁路开关实现对应MMC子模块与半桥模块电路的连通或断开。

进一步的，所述半桥模块电路包括直流电源VCC、电阻R1、电容C1、电源开关K1、两个绝缘栅双极型晶体管IGBTa和IGBTb、负载开关K2、电阻R2，直流电源VCC与电阻R1串接后接在电容C1两端，IGBTa和IGBTb串接后接在电容C1两端，电源开关K1连接在电容C1的一端与IGBTa的集电极之间，IGBTa和IGBTb的串联节点通过负载开关K2与电阻R2的一端连接，中央处理器11与电源开关K1的控制端、IGBTa和IGBTb的基极以及负载开关K2的控制端连接，中央处理器11向电源开关K1发出电源开关信号、向IGBTa和IGBTb发出第一开关管开关信号、向负载开关K2发出负载开关信号以执行相应地开闭动作。

进一步的，所述MMC子模块包括两个绝缘栅双极型晶体管IGBT1、IGBT2、电阻R、电容C、旁路开关K、晶闸管SCR，电阻R和电容C并联连接，IGBT1与IGBT2串接后与电阻R和电容C并联，IGBT1与IGBT2串接后与电阻R和电容C并联所形成支路的一端与电源开关K1连接，另一端与IGBT1与IGBT2的串联节点之间设置并联连接的旁路开关K和晶闸管SCR，且IGBT1与IGBT2的串联节点与电阻R2的另一端连接，子模块控制板与旁路开关K的控制端、IGBT1与IGBT2基极连接，子模块控制板向旁路开关K发出旁路开关信号、向GBT1与IGBT2发出第二开关管开关信号以执行相应地开闭动作。

进一步的，IGBTa的发射极与IGBTb的集电极连接。

进一步的，IGBT1的发射极与IGBT2的集电极连接。

一种用于模块化多电平换流器子模块的检测方法，使用上述检测装置进行，所述方法包括如下步骤：

步骤一，按照试验接线，构建所述检测装置；

步骤二，检测MMC子模块的电容器容量与旁路开关的闭合断开能力；

步骤三，合上负载开关K2，通过构造单相逆变桥式电路，对MMC子模块IGBT的开关能力进行检测；

步骤四，检测MMC子模块电阻器阻值；

步骤五，测试结束，拆线。

进一步的，其中步骤二，检测MMC子模块的电容器容量与旁路开关的闭合断开能力具体步骤为：

(1)通过中央处理器发电源开关信号给电源开关K1以及控制子模块2～n的子模块控制板发旁路开关信号给旁路开关K，以合上电源开关K1、子模块2～n的旁路开关K，实现对子模块1的电容C进行充电、计算容量，检测子模块2～n的旁路开关K闭合能力；

(2)通过中央处理器向负载开关K2发出负载开关信号、向IGBTa的基极发出开关信号以及控制子模块1、2的子模块控制板发旁路开关信号给旁路开关K，以合上负载开关K2、子模块1的旁路开关K、导通IGBTa、断开子模块2的旁路开关K，对子模块2的电容C进行充电、计算容量，检测子模块1的旁路开关K闭合能力、子模块2的旁路开关K断开能力；

(3)按照步骤(2)循环操作，对子模块3～n的电容C进行充电、计算容量，检测子模块3～n的旁路开关K断开能力；

(4)断开子模块1的旁路开关K，检测子模块1的旁路开关K断开能力；

(5)断开子模块2～n-1的旁路开关K、关断IGBTa。

进一步的，其中步骤三，检测MMC子模块IGBT开关能力具体步骤为：

控制IGBTa与子模块1～n的IGBT2开通、关断信号相同，IGBTb与子模块1～n的IGBT1开通、关断信号相同，并且取IGBTa、IGBTb的开通、关断信号相反，检测子模块1～n的IGBT开关能力；

关断IGBTa、IGBTb、子模块1～n的IGBT，恢复子模块状态，为下一步骤做准备。

进一步的，其中步骤四，检测MMC子模块电阻器阻值具体步骤为：

(1)断开电源开关K1、合上子模块2～n的旁路开关K、导通IGBTb、开通子模块1的IGBT1，对子模块1电容器进行放电、计算电阻器阻值；

(2)断开子模块1的IGBT1、子模块2的旁路开关、合上子模块1的旁路开关、开通子模块2的IGBT1，对子模块2电容器进行放电、计算电阻器阻值；

(3)按照步骤(2)循环操作，对子模块3～n电容器进行放电、计算电阻器阻值；

(4)断开子模块2～n-1的旁路开关、关断IGBTb。

本发明解决了目前MMC子模块检测过程中一次只能检测一个子模块的问题，而且通过中央处理器和子模块控制板发出各种开关信号(例如电源开关信号、开关管开关信号、负载开关信号、旁路开关信号)实现一次检测多个子模块，例如MMC子模块的电容器容量与旁路开关的闭合断开能力、IGBT开关能力、电阻器阻值等功能，使工作效率大大提高。

附图说明

图1为模块化多电平换流器半桥子模块拓扑结构示意图；

图2为本发明模块化多电平换流器子模块检测控制原理示意图；

图3为本发明模块化多电平换流器子模块检测典型接线示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

以半桥子模块为例进行说明，如图1所示，模块化多电平换流器半桥子模块由半导体开关器件IGBT(含反向续流二极管)、电阻器、电容器、旁路开关、晶闸管共同组成。本发明的检测范围为IGBT、电阻器、电容器、旁路开关，本发明也适用于全桥子模块的检测。

如图2所示，本发明通过中央处理器CPU对检测装置本身和子模块控制板发出开关信号、接收反馈信号，实现对子模块的检测。

如图3所示，本发明实施例提供一种用于模块化多电平换流器子模块的检测装置10，所述检测装置10用于与至少一个MMC子模块系统20连接，本实施例以多个MMC子模块系统20为例进行说明。

所述检测装置10包括中央处理器11及与中央处理器11连接的半桥模块电路，所述半桥模块电路包括直流电源VCC、电阻R1、电容C1、电源开关K1、两个绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor)IGBTa和IGBTb、负载开关K2、电阻R2(作为负载)，其中直流电源VCC与电阻R1串接后接在电容C1两端，IGBTa和IGBTb串接(IGBTa的发射极与IGBTb的集电极连接)后接在电容C1两端，电源开关K1连接在电容C1的一端与IGBTa的集电极之间，IGBTa和IGBTb的串联节点(IGBTa的发射极、IGBTb的集电极)通过负载开关K2与电阻R2的一端连接；

中央处理器11与电源开关K1的控制端、IGBTa和IGBTb的基极以及负载开关K2的控制端连接，中央处理器11向电源开关K1发出电源开关信号、向IGBTa和IGBTb发出第一开关管开关信号、向负载开关K2发出负载开关信号以执行相应地开闭动作。

所述MMC子模块系统20包括子模块控制板21及与子模块控制板21连接的MMC子模块，所述MMC子模块包括两个绝缘栅双极型晶体管(IGBT1、IGBT2)、电阻R、电容C、旁路开关K、晶闸管SCR，电阻R和电容C并联连接，IGBT1与IGBT2串接(IGBT1的发射极与IGBT2的集电极连接)后与电阻R和电容C并联(IGBT1的集电极和IGBT2的发射极接在电阻R和电容C并联支路的两端)，IGBT1与IGBT2串接后与电阻R和电容C并联所形成支路的一端与电源开关K1连接，另一端与IGBT1与IGBT2的串联节点之间设置并联连接的旁路开关K和晶闸管SCR，且IGBT1与IGBT2的串联节点与电阻R2的另一端连接。

子模块控制板21与旁路开关K的控制端、IGBT1与IGBT2基极连接，子模块控制板21向旁路开关K发出旁路开关信号、向GBT1与IGBT2发出第二开关管开关信号以执行相应地开闭动作。

所述至少一个MMC子模块系统20相互串接，检测装置10的中央处理器11与每个MMC子模块系统20中的子模块控制板21连接。

基于上述系统，本发明实施例还一种用于模块化多电平换流器子模块的检测装置及方法，包括如下步骤：

步骤一，按照试验接线，构建如图3所示检测装置；

步骤二，检测MMC子模块的电容器容量与旁路开关的闭合断开能力；

步骤三，检测MMC子模块的IGBT开关能力(合上负载开关K2，通过构造单相逆变桥式电路，对MMC子模块IGBT的开关能力进行检测)；

步骤四，检测MMC子模块电阻器阻值；

步骤五，测试结束，拆线。

其中步骤二，检测MMC子模块的电容器容量与旁路开关的闭合断开能力具体步骤为：

(1)通过中央处理器11发电源开关信号给电源开关K1以及控制子模块2～n的子模块控制板21发旁路开关信号给旁路开关K，以合上电源开关K1、子模块2～n的旁路开关K，实现对子模块1的电容C进行充电、计算容量，检测子模块2～n的旁路开关K闭合能力；

(2)通过中央处理器11向负载开关K2发出负载开关信号、向IGBTa的基极发出开关信号以及控制子模块1、2的子模块控制板21发旁路开关信号给旁路开关K，以合上负载开关K2、子模块1的旁路开关K、导通IGBTa、断开子模块2的旁路开关K，对子模块2的电容C进行充电、计算容量，检测子模块1的旁路开关K闭合能力、子模块2的旁路开关K断开能力；

(3)按照步骤(2)循环操作，对子模块3～n的电容C进行充电、计算容量，检测子模块3～n的旁路开关K断开能力；

(4)断开子模块1的旁路开关K，检测子模块1的旁路开关K断开能力；

(5)断开子模块2～n-1的旁路开关K、关断IGBTa。

步骤二合上电源开关K1，通过控制子模块中旁路开关K的闭合和断开，实现对单一子模块电容器的轮流充电，检测了旁路开关K的闭合断开能力。通过步骤二，将所有子模块的旁路开关K都闭合、断开一次，判标准是如果试验没有按计划进行，就说明存在问题，可以通过查阅反馈记录查看问题子模块。

检测MMC子模块的电容器容量的原理如下：

忽略电源内阻，依据电容充电时间常数τ＝R1×C，在电容充电过程中选出多个采样点，记录各采样点时间及电压，并在10τ处进行记录，如(0.5τ，U1)、(τ，U2)、(1.5τ，U3)、(2τ，U4)、(10τ，U5)。

依据电容充电公式△t＝R1×C×ln[(U0-U1)/(U0-U2)]，其中U0为电容额定电压值，即U5，△t＝t2-t1，可得电容器容量计算公式：C＝△t/(R1×ln[(U0-U1)/(U0-U2)])。

分别计算各相邻采样点之间时间段分别对应的电容值C1、C2、C3，取平均值得到C＝(C1+C2+C3)/3。

其中步骤三，检测MMC子模块IGBT开关能力具体步骤为：

控制IGBTa与子模块1～n的IGBT2开通、关断信号相同，IGBTb与子模块1～n的IGBT1开通、关断信号相同，并且取IGBTa、IGBTb的开通、关断信号相反，检测子模块1～n的IGBT开关能力。

关断IGBTa、IGBTb、子模块1～n的IGBT，恢复子模块状态，为下一步骤做准备。

其中步骤四，检测MMC子模块电阻器阻值具体步骤为：

(1)断开电源开关K1、合上子模块2～n的旁路开关K、导通IGBTb、开通子模块1的IGBT1，对子模块1电容器进行放电、计算电阻器阻值。

(2)断开子模块1的IGBT1、子模块2的旁路开关、合上子模块1的旁路开关、开通子模块2的IGBT1，对子模块2电容器进行放电、计算电阻器阻值。

(3)按照步骤(2)循环操作，对子模块3～n电容器进行放电、计算电阻器阻值。

(4)断开子模块2～n-1的旁路开关、关断IGBTb。

断开电源开关K1，通过控制子模块旁路开关的闭合和断开，实现对单一子模块电容器的轮流放电。

在电容放电过程中，依据时间常数依次选取多个采样点，记录各采样点时间及电压，如(0.5τ，U1)、(τ，U2)、(1.5τ，U3)、(2τ，U4)，

依据电容放电公式△t＝R//R2×C×ln[(U0/U1)-(U0/U2)]，可得电阻阻值计算公式：R//R2＝△t/(C×ln[(U0/U1)-(U0/U2)])，

分别计算出各相邻采样点之间时间段分别对应的电阻值Ra、Rb、Rc，取平均值得到R//R2＝(Ra+Rb+Rc)/3。

已知R2，可得R。

本发明解决了目前MMC子模块检测存在的工作量大、效率低、检测范围覆盖不全的问题，能够有效降低MMC子模块检测工作量和覆盖MMC子模块的主要功率器件。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。