故障处理装置及系统的制作方法

本实用新型涉及电力电子控制技术领域，尤其涉及一种故障处理装置及系统。

背景技术：

与传统的变流器对比而言，变流器的模块化设计具有更高的可靠性、可维护性、设计灵活性等特点。以模块化逆变器为例，模块化逆变器就是将交流逆变部分作为一个功率单元设计，每台模块化逆变器都由若干个功率单元组成。现有技术中，大多采用数字信号处理器配合复杂可编程逻辑器件，以保证模块化变流器中各功率单元安全、可靠地运行。

然而，上述方式由于时序逻辑功能较弱，且受到复杂可编程逻辑器件资源的限制，导致无法在故障发生时为功率单元提供与故障等级相应的及时、可靠的保护功能，进而使得模块化变流器运行的可靠性和安全性得不到保证。

技术实现要素：

本实用新型实施例的目的在于，提供一种故障处理装置及系统，以实现在故障发生时为模块化变流器的功率单元提供与故障等级相应的及时、可靠的保护功能，进而保证模块化变流器运行的可靠性和安全性。

为实现上述实用新型目的，本实用新型的实施例提供了一种故障处理装置，用于模块化变流器的功率单元，包括：依次连接的数据采集模块、故障判断模块和控制信号生成模块；所述数据采集模块采集所述功率单元的工况数据；所述故障判断模块接收所述工况数据，根据所述工况数据判断所述功率单元是否发生故障，以及在判定功率单元发生故障时，将所述工况数据与预设的工况数据阈值进行比较，确定相应的故障等级；所述控制信号生成模块根据接收到的所述故障等级生成用于指示执行相应故障保护操作的控制信号。

优选地，所述装置还包括：连接在所述数据采集模块和所述故障判断模块之间的数据滤波模块，用于对采集到的所述工况数据进行数据滤波。

优选地，所述装置还包括：与所述故障判断模块相连接的故障报警模块，显示用于表征所述功率单元发生故障的报警信息。

优选地，所述工况数据包括以下至少之一：交流电流、交流电压、直流电流、直流电压、IGBT温度数据以及电抗器温度数据。

优选地，所述故障处理装置为现场可编程逻辑门阵列FPGA或复杂可编程逻辑器件CPLD。

优选地，所述装置还包括：与所述数据采集模块相连接的AD采集电路，与所述故障判断模块相连接的故障采集电路，分别与所述控制信号生成模块相连接的PWM驱动电路和数字量输出模块，以及与所述数字量输出模块相连接的开出电路。

优选地，所述PWM驱动电路在所述故障判断模块判定功率单元发生故障时，接收所述控制信号生成模块发送的用于指示封锁PWM脉冲的第一控制信号。

优选地，所述数字量输出模块在所述故障判断模块判定功率单元发生故障时，根据接收到的所述控制信号生成模块发送的第二控制信号，生成用于指示控制所述开出电路动作的数字量信号。

本实用新型的实施例还提供了一种故障处理系统，用于模块化变流器，所述模块化变流器包括多个功率单元，包括与所述多个功率单元一一对应连接的多个如前述实施例所述的故障处理装置，以及主控系统，所述多个故障处理装置分别与所述主控系统通信连接。

优选地，所述故障处理装置根据所述功率单元的工况数据与预设的工况数据阈值确定故障数据，以及将所述故障数据发送至所述主控系统。

本实用新型实施例提供的故障处理装置及系统，通过为模块化变流器的功率单元配置故障处理装置，其中的数据采集模块采集功率单元的工况数据，故障判断模块根据接收的工况数据判断功率单元是否发生故障，以及在判定功率单元发生故障时，将工况数据与预设的工况数据阈值进行比较，确定相应的故障等级，控制信号生成模块进一步根据接收的故障等级生成用于指示执行相应故障保护操作的控制信号。从而实现了在故障发生时为模块化变流器的功率单元提供与故障等级相应的及时、可靠的保护功能，进而保证了模块化变流器运行的可靠性和安全性。

附图说明

图1为本实用新型实施例一的故障处理装置的结构框图；为方便理解，图中示出了模块化变流器的功率单元；

图2为应用本实用新型实施例一的故障处理装置的光伏发电的逆变系统的结构图；

图3为本实用新型实施例二的故障处理装置的另一结构框图；

图4为本实用新型实施例三的故障处理系统的结构框图；为方便理解，图中示出了模块化变流器的功率单元。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型实施例故障处理装置及系统进行详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

本领域技术人员可以理解，本实用新型实施例中的“第一”、“第二”等术语仅用于区别不同步骤、设备或模块等，既不代表任何特定技术含义，也不表示它们之间的必然逻辑顺序。

实施例一

图1为本实用新型实施例一的故障处理装置的结构框图。参照图1，该故障处理装置120用于模块化变流器的功率单元110，这里，模块化变流器可以为模块化光伏逆变器，但不限于此。包括：依次连接的数据采集模块121、故障判断模块122和控制信号生成模块123；数据采集模块121采集功率单元110的工况数据；故障判断模块122接收工况数据，根据工况数据判断功率单元110是否发生故障，以及在判定功率单元110发生故障时，将工况数据与预设的工况数据阈值进行比较，确定相应的故障等级；控制信号生成模块123根据接收到的故障等级生成用于指示执行相应故障保护操作的控制信号。

需要说明的是，工况数据可包括，但不限于以下至少之一：交流电流、交流电压、直流电流、直流电压、IGBT温度数据以及电抗器温度数据。

以下结合图2对本实施例的故障处理装置进行详细说明。

图2以光伏发电的逆变系统为例，参照图2，主电路的结构具体包括依次连接的PV阵列、直流开关S1、直流侧支撑电容C、模块化光伏逆变器、交流开关S2、变压器和电网。

为了更好地理解本实用新型实施例，以下对涉及的关键技术名词和关键部件进行解释说明。脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)是指通过一组周期固定、占空比可变的波形，控制逆变器中的IGBT工作。PWM脉冲就是前述一组周期固定、占空比可变的波形。如图2所示的直流开关S1和交流开关S2是光伏发电的逆变系统中重要的电路保护器件。通常，在逆变系统发生故障时，通过封锁PWM脉冲、断开直流开关S1和交流开关S2等措施，来保障逆变系统运行的可靠性和安全性。

在具体的实现方式中，故障判断模块122获得工况数据后，根据工况数据确定故障等级。当判断出的故障等级为I级时，I级的故障状况如IGBT过温、IGBT电流过大、交直流侧短路等，会对模块化变流器产生破坏性的不可恢复的影响，因此，需要在封锁PWM脉冲的同时断开直流开关S1和交流开关S2；当判断出的故障等级为II级时，II级的故障状况如交流过流、过压、欠压，影响比较严重，此时需要封锁PWM脉冲，防止产生更加严重的后果，但无需断开直流开关S1和交流开关S2；当判断出的故障等级为III级时，III级的故障状况如交流侧的电压电流判断出功率单元未投入使用等，无需封锁PWM脉冲以及断开直流开关S1和交流开关S2，仅报警提示即可。上述故障分级方式使得功率单元的故障保护灵活性更高。由此，控制信号生成模块123根据故障等级生成用于指示执行相应故障保护操作的控制信号，例如，生成用于指示执行封锁PWM脉冲的控制信号。再比如，生成用于指示执行断开直流开关S1和交流开关S2的控制信号。

本实用新型实施例的故障处理装置，通过数据采集模块121为故障判断模块122的故障判断及确定故障等级的处理提供数据基础，控制信号生成模块123根据故障判断模块122确定的故障等级生成用于指示执行相应故障保护操作的控制信号，从而实现了在故障发生时为模块化变流器的功率单元提供与故障等级相应的及时、可靠的保护功能，进而保证了模块化变流器运行的可靠性和安全性。

在上述实施例的基础上，如图1所示，进一步地，该故障处理装置还可以包括：连接在数据采集模块121和故障判断模块122之间的数据滤波模块124，用于对采集到的工况数据进行数据滤波。

更进一步地，该故障处理装置还包括：与故障判断模块122相连接的故障报警模块125，显示用于表征功率单元发生故障的报警信息。

优选地，故障处理装置为现场可编程逻辑门阵列FPGA或复杂可编程逻辑器件CPLD。在实际应用中，FPGA由于其并行运算以及流水线处理的特点，具有处理速度更快的优势。另外，FPGA内部可实现快速傅氏变换(Fast Fourier Transformation，FFT)等功能，从而快速计算各次谐波含量。相比之下，现有技术中的主控系统的CPU采样率太低，不能实现谐波超标报警功能。

此外，本实施例不对FPGA以及CPLD的型号做具体限定。需要说明的是，本申请是利用了FPGA或者CPLD的常规处理功能，本申请的核心在于故障处理装置内部的框架结构，以及多个功率单元和与多个功率单元一一对应连接的故障处理装置组成的整个架构。

由此，本实用新型实施例的故障处理装置，还具有如下技术效果：

一方面，在本实施例中，采集到的工况数据通过数据滤波模块124进行经过滤波后才进行故障判断，使得该故障处理装置具有较强的抗干扰能力；

另一方面，通过故障报警模块125实现报警功能，便于工程维护人员获知发生故障的功率单元，以进行及时地维修及故障恢复等相关工作；

再一方面，故障处理装置通过FPGA或CPLD实现，在故障发生时，FPGA不经过主控系统的CPU，第一时间主动执行故障保护动作，如封锁脉冲何断开交直流开关。从而进一步为功率单元提供全面、快速、可靠的保护功能。

实施例二

图3为本实用新型实施例二的故障处理装置的另一结构框图。与图1所示装置实施例相比，图3中增加了AD采集电路210、故障采集电路220、PWM驱动电路230、数字量输出模块240和开出电路250。

参照图3，本实施例所示的故障处理装置还可以包括：与数据采集模块121相连接的AD采集电路210，与故障判断模块122相连接的故障采集电路220，分别与控制信号生成模块123相连接的PWM驱动电路230和数字量输出模块240，以及与数字量输出模块240相连接的开出电路250。

在具体的实现方式中，模块化变流器正常运行过程中，故障处理装置120中的AD采集电路210接收内部控制信号，AD采集电路210包括AD芯片，上述内部控制信号是用于驱动AD芯片执行AD数据采样操作的信号，并将采集到的AD数据反馈给数据采集模块121。这里的AD数据即是前述实施例一中所述的工况数据，故障判断模块122根据工况数据判断功率单元是否发生故障，以及确定发生故障时相应的故障等级，前述实施例一已对上述内容进行了详细说明，在此不做赘述。

进一步地，PWM驱动电路230可在故障判断模块122判定功率单元发生故障时，接收控制信号生成模块123发送的用于指示封锁PWM脉冲的第一控制信号。

更进一步地，数字量输出模块240可在故障判断模块122判定功率单元发生故障时，根据接收到的控制信号生成模块123发送的第二控制信号，生成用于指示控制开出电路250动作的数字量信号。

在发生故障时，以故障等级为I级为例，此时需要执行在封锁PWM脉冲的同时断开交直流开关的故障保护操作。相应地，PWM驱动电路230接收控制信号生成模块123发送的用于指示封锁PWM脉冲的第一控制信号。数字量输出模块240接收控制信号生成模块123发送的用于指示控制开出电路250动作的第二控制信号，并根据第二控制信号生成相应的数字量信号。在实际应用中，数字量输出模块240包括数字量输出芯片，开出电路250包括电源、继电器等开关驱动器件，数字量输出模块240利用数字量输出芯片发送生成的数字量信号，上述数字量信号通常采用“0”或者“1”。例如，开出电路250接收到数字量信号“0”之后，通过其内部的开关驱动器件驱动交直流开关断开。

此外，故障采集电路220会向故障判断模块122发送其它故障信号。例如，其他故障信号可以是用于表征环境温度报警的故障信号，当环境温度超过变流器的额定工作温度范围时，故障采集电路220会向故障判断模块122发送这种故障信号。再比如，其他故障信号还可以是用于表征太阳能电池板绝缘阻抗过低的故障信号。

本实用新型实施例的故障处理装置，通过与数据采集模块121、故障判断模块122和控制信号生成模块123协同工作的AD采集电路210、故障采集电路220、PWM驱动电路230、数字量输出模块240和开出电路250的外围电路及芯片，从而实现了在故障发生时为模块化变流器的功率单元提供与故障等级相应的及时、可靠的保护功能。

实施例三

图4为本实用新型实施例三的故障处理系统的结构框图。参照图4，该故障处理系统应用于模块化变流器，模块化变流器包括多个功率单元110，该故障处理系统包括与多个功率单元110一一对应连接的多个如前述实施例一或实施例二所述的故障处理装置120，以及主控系统130，多个故障处理装置120分别与主控系统130通信连接。

其中，故障处理装置120与主控系统130的CPU之间的实时通信可采用光纤通信技术，但不限于此。若采用光纤通信，可以通过一收一发两根光纤实现，光纤使用50M光纤模块，信号频率为24MHz。

具体地，当故障发生时，故障处理装置120可根据功率单元110的工况数据与预设的工况数据阈值确定故障数据，以及将故障数据发送至主控系统130。待故障恢复后，故障处理装置120向主控系统130发送用于表征功率单元故障解除的信号，相应地，主控系统130的CPU发出故障复位命令，故障处理装置120接收该故障复位命令，并做出相应的处理。这里，上述相应的处理就是解除在故障发生时做出的故障保护操作。举例来说，假设故障发生时封锁PWM脉冲的同时断开交直流开关，那么接收到故障复位命令后，故障处理装置120就需要执行开通PWM脉冲以及闭合交直流开关的操作。具体的，结合图4和图3，开通PWM脉冲操作需要由主控系统130发送控制信号到控制生成模块123，通过控制生成模块123指示PWM驱动电路230开通PWM脉冲。

本实用新型实施例的故障处理系统，通过为每个模块化变流器的功率单元配置一个故障处理装置，该故障处理装置仅处理与其对应的功率单元的故障情况，执行故障保护操作，不会影响其他功率单元的工作。从而能够提供模块化变流器的冗余保护功能，同时，极大地提高了模块化变流器的冗余性和可靠性。并且，通过多个故障处理装置分别与主控系统通信连接，在任一功率单元故障后，与故障的功率单元相应的故障处理装置向主控系统发送故障数据，待故障恢复后，主控系统又能够向其发送故障复位命令，使得故障处理装置执行相应操作，保证了故障恢复后的功率单元继续正常运行。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。