专利名称：一种高位取能电源故障保护方法
技术领域：
本发明涉及一种电源的保护方法，具体讲涉及一种用高压/特高压大功率管IGBT 换流阀的高位取能电源的故障保护方法。
背景技术：
对于电力系统中高压/特高压换流器，IGBT换流阀得到越来越多的应用，由于换 流阀中各功率模块电位不同且处于较高电位，必须要解决功率模块控制器的高电位可靠供 电问题。目前常见的有低压送能和高压取能两类。低压送能即从将地电位电源经过高压隔 离后给功率模块控制器供电，存在外部绝缘和结构安装等问题，设备的体积和造价都很大， 一般用于电压相对较低场合。对于电压较高场合，通常采用高电位取能，即从功率模块主电 路部分取能给控制电路供电。现有高位取能方式于高压取能中常见的电流取能和电压取能。电流取能通常利用 特制的电流互感器(CT)从有电流的线路上感应电压，通过处理后供电；电压取能通过并联 于阻容电路两端结合电压变换电路进行取能供电。绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor, IGBT)对取能电源供电有着极高的要求。器件主功率极两端可靠承担 高主电压和快速电压变化率要求触发板必须带电正常工作，否则会损坏开关器件。由于取 能电源是从功率模块本身主电路部分取能，电源工作前开关器件必定已承受了一定的主电 压，因此如何保障高位取能电源工作前和故障时功率模块可靠性成为基于IGBT高压/特高 压换流阀的一个关键问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种高位取能电源故障保护方法，本方法在常规电源控制保 护之外添加了与功率模块其他部分相关联保护，有效实施取能电源输出失电故障及输出带 电故障时高压IGBT换流阀保护。本发明采用下述技术方案实现本发明的目的—种高位取能电源故障保护方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤A、取能电源从直流侧电容获取能量，分别为上、下管IGBT驱动和中控单元提供电 源；B、进行故障监测；C、进行失电故障处理；D、进行带电故障处理；所述故障监测包括输入电压幅值和电压上升变换率du/dt监测和三路输电电压 幅值监测；所述失电故障处理是指在功率模块启动失败时，电源无输出，功率模块控制器失 电所实施的关联保护；所述带电故障处理是指电源已有输出电压，功率模块带电工作期间， 发生电源故障所实施的关联保护。
本发明提供的一种优选的技术方案是所述步骤A中，所述取能电源采用DC电压 取能，输入电压Vi取自于直流侧储能电容两端，所述取能电源包括两级DC/DC变换和电源 控制保护单元，分别给模块控制器上、下管IGBT驱动及中控单元提供电源。本发明提供的第二种优选的技术方案是所述步骤B中，所述进行故障监测是监 测输入电压幅值和电压上升变换率du/dt和三路输电电压幅值。本发明提供的第三种优选的技术方案是所述步骤C中，所述进行失电故障处理 是进行启动无输出和启动输入电压上升变换率du/dt过高处理。本发明提供的第四种优选的技术方案是所述步骤D中，所述进行带电故障处理 是进行输出故障和单路驱动输出故障带电故障处理。与现有技术相比，本发明达到的有益效果是本发明提供的一种高位取能电源故障保护方法，在功率模块控制失电不能工作的 情况，通过取能电源实施功率模块有效保护，提高了 IGBT换流阀整体可靠性；不影响常规 电源保护设计，单独增加本发明提出的电源关联保护；电源关联保护直接对功率模块元件 保护，不经过功率模块控制器通信处理保护，保护方法实施快速。
图1是模块化多电平换流器(Modular Multilevel Coverter, MMC)结构框图；图2是功率模块结构框图；图3是取能电源关联保护方法示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
做进一步的详细说明。图1是模块化多电平换流器(Modular Multilevel Coverter,MMC)结构框图，MMC 由上、下两个桥臂的IGBT换流阀组成，换流阀一端连接至直流侧P或N端，另一端连接只交 流侧AC。换流阀由功率模块PM(Power Module)级联而成，每个功率模块两个功率端子Npx 和Nnx相连，每个功率模块的控制Rx和状态反馈Tx汇总于阀基控制器以实现整个换流阀 的协调控制、状态监测和保护。图2是功率模块结构框图，功率模块由一次电路、控制器和高位取能电源三部分 组成。一次电路包括上、下管IGBT组成的半桥电力电子单元、旁路单元和储能电容组 成。控制器由用于协调控制一次电路的中控单元和上、下管IGBT的驱动。高位取能电源采用DC (Direct Current)电压取能，输入电压Vi取自于直流侧储 能电容两端，包括两级直流/直流DC/DC变换和电源控制保护单元，两级变换拓扑可采用单 管反激、单管正激、双管正激、双管反激以及三电平拓扑结构。其中第一级变换输出Vm为电 源控制保护单元的供电电源，以保证第二级变换输出，即电源输出电压侧发生故障时仍能 反馈故障告警信号给功率模块控制器；第二级变换输出三路Vol、Vo2和Vo3分别给功率模 块PM的控制器、上、下管IGBT驱动和中控单元供电。本发明的取能电源控制保护在常规控制保护的基础上增加了与功率模块相关联的故障保护，取能电源关联保护方法如图3所示，取能电源关联故障保护包括故障监测、失 电故障处理模块、带电故障处理模块和保护输出。故障监测包括输入电压幅值和电压上升 变换率du/dt监测，以及三路输电电压幅值监测，根据监测信号可判断出关联故障。失电故障处理是指在功率模块启动失败时，电源无输出，功率模块控制器失电，此 时应实施失电故障处理，避免故障范围扩大，隔离故障功率模块，保证整个阀不受影响持续 运行。失电故障处理的故障有以下两种情况(1)启动无输出在功率单元启动充电阶段，实时监测输入和输出电压，当输入电 压已达取能电源启动电压，而电源无输出，则取能故障，闭合旁路单元Byl^ass，停止充电， 避免下管IGBT和储能电容过压损害，同时隔离功率模块，换流阀其余功率模块继续保持工 作。(2)启动输入du/dt过高在功率单元启动充电阶段，实时监测输入和输出电压， 在电源有输出之前，若充电du/dt大于保护值，则闭合旁路单元Byl^ass，停止充电，避免下 管IGBT由于输入du/dt过高而损坏。带电故障处理是指电源已有输出电压，功率模块带电工作期间，发生电源故障所 实施的关联保护。其处理的故障有以下两种情况(1)输出故障功率模块中控单元供电故障，或上、下管IGBT驱动供电同时故障， 则发出故障告警信号给中控单元，以实施功率模块闭锁(BLOCK)和旁路(ByPass)保护。(2)单路驱动输出故障仅有上、下管IGBT驱动，其中一路IGBT电源输出故障，则 闭锁电源另一路IGBT驱动供电输出，使上、下管IGBT欠压闭锁(BLOCK)，避免供电失常的管 IGBT由于另一只管IGBT切换所造成过高du/dt而损坏。本发明提供的一种高位取能电源故障保护方法结合功率模块故障的取能电源故 障监测和保护，解决IGBT驱动电路失电带来的问题。最后应该说明的是结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所 属领域的普通技术人员应当理解到本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式
进行修 改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。
权利要求
1.一种高位取能电源故障保护方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤A、取能电源从直流侧电容获取能量，分别为上、下管IGBT驱动和中控单元提供电源；B、监测故障；C、处理失电故障；D、处理带电故障；所述故障监测包括输入电压幅值和电压上升变换率du/dt监测和三路输电电压幅值 监测；所述失电故障处理是指在功率模块启动失败时，电源无输出，功率模块控制器失电所 实施的关联保护；所述带电故障处理是指电源已有输出电压，功率模块带电工作期间，发生 电源故障所实施的关联保护。
2.如权利要求1所述的一种高位取能电源故障保护方法，其特征在于，所述步骤A中， 所述取能电源采用DC电压取能，输入电压Vi取自于直流侧储能电容两端；所述取能电源包 括两级DC/DC变换和电源控制保护单元，分别给模块控制器上、下管IGBT驱动及中控单元 提供电源。
3.如权利要求1所述的一种高位取能电源故障保护方法，其特征在于，所述步骤B中， 所述进行故障监测是监测输入电压幅值和电压上升变换率du/dt和三路输电电压幅值。
4.如权利要求1所述的一种高位取能电源故障保护方法，其特征在于，所述步骤C中， 所述进行失电故障处理是进行启动无输出和启动输入电压上升变换率du/dt的过高处理。
5.如权利要求1所述的一种高位取能电源故障保护方法，其特征在于，所述步骤D中， 所述进行带电故障处理是进行输出故障和单路驱动输出故障带电故障处理。
全文摘要
本发明涉及一种高位取能电源的故障保护方法，该方法包括下述步骤取能电源从直流侧电容获取能量，分别为上、下管IGBT驱动和中控单元提供电源；监测故障；处理失电故障；处理带电故障；故障监测包括输入电压幅值和电压上升变换率du/dt监测和三路输电电压幅值监测；失电故障处理是指在功率模块启动失败时，电源无输出，功率模块控制器失电所实施的关联保护；带电故障处理是指电源已有输出电压，功率模块带电工作期间，发生电源故障所实施的关联保护；本发明提供的方案在常规电源控制保护之外添加了与功率模块其他部分相关联保护，有效实施取能电源输出失电故障及输出带电故障时高压IGBT换流阀保护。
文档编号H02M1/32GK102097926SQ20111000798
公开日2011年6月15日 申请日期2011年1月14日 优先权日2011年1月14日
发明者吕铮, 易荣, 杨波, 汤广福, 谢敏华 申请人:中国电力科学研究院