一种直流输电功率模块电容故障保护方法及功率模块与流程

1.本发明涉及高压直流输电技术领域，特别涉及一种直流输电功率模块电容故障保护方法及功率模块。


背景技术：

2.在高压直流输电领域，换流站的可靠性非常重要。为了保证换流站的可靠性，需要检测其中功率模块的各种可能故障，并通过旁路开关切除故障模块。其中的核心技术涉及：如何检测功率模块的可能故障，以及如果旁路开关拒动时，如何确保故障模块不影响换流站整体的持续运行。现有的功率模块故障检测方案中，包括了检测功率模块内部：igbt及其驱动故障、取能电源故障、单元控制板通讯故障、模块电容内部压力异常、模块电容电压过压/欠压故障，如公开号为cn 107516872a的中国专利公开的一种mmc换流阀子模块正向过电压保护电路等。而旁路开关拒动时的保护方法，包括了并联晶闸管(如公开号为cn 110829811a的中国专利公开的一种mmc功率模块过压保护电路及多级旁路方法)、不对称钳位设计(如公开号为cn 110380387a的中国专利公开的一种功率模块的故障保护电路)。
3.但是现有方法中对功率模块电容故障的保护仅仅包括了：过压、欠压、内部压力异常。当个别功率模块电容内部发生介质击穿自愈失败并爆裂时，有可能出现换流站系统能量持续进入故障电容，而电容电压处于正常范围内、电容压力检测传感器损坏而无法提供故障信息。如果对这种情况不做处理，将导致故障电容持续喷出高温电弧，并很快导致周边功率模块故障，并最终导致换流站停运。


技术实现要素：

4.为了解决背景技术提出的技术问题，本发明提供一种直流输电功率模块电容故障保护方法及功率模块，考虑功率模块电容击穿后，总是出现能量持续进入故障电容并转换为热和喷出的电弧；而对于正常运行功率模块，持续进入电容的能量平均为0，电容的总能量基本保持恒定，本发明的方案能够在此情况下对功率模块进行检测和控制，确保故障功率模块不影响换流站运行。
5.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
6.一种直流输电功率模块电容故障保护方法，包括如下步骤：
7.1)持续监测进入功率模块电容的累积能量，所述进入功率模块电容的累积能量称为预期电容能量e
co
，
8.2)将预期电容能量e
co
与通过功率模块的电容电压反馈计算出的实际电容能量e
cf
进行比较；
9.3)当预期电容能量e
co
与实际电容能量e
cf
的差值大于设定阈值e
thr
时，触发功率模块旁路开关对故障功率模块进行切除；
10.4)切除功率模块后继续监测预期电容能量e
co
，如果经过预定时间t
thr
后，预期电容能量e
co
与实际电容能量e
cf
的差值依然大于设定阈值e
thr
，则对故障功率模块执行触发igbt
直通，以确保故障功率模块不再影响换流站运行。
11.进一步地，实际电容能量e
cf
通过检测到的电容电压v
cf
按照公式进行计算得到，c1为功率模块的电容容值。
12.进一步地，所述的预期电容能量e
co
的计算是通过对检测到的功率模块的电容电压v
cf
和电容电流i
cf
的乘积进行累计得到，而考虑到系统的测量必然存在误差，为了避免误差影响保护的正确性，引入实际电容能量e
cf
的负反馈：
[0013][0014]
其中，k1为预设的常数，这样，可以采用任何一种数值积分方法，计算得到预期电容能量e
co
。
[0015]
进一步地，所述的功率模块的电容电流i
cf
，通过以下几种方法之一得到：
[0016]
1)在功率模块中采用电流传感器直接检测功率模块中的电容电流i
cf
，并发送给单元主控板；
[0017]
2)在功率模块中采用电流传感器直接测量桥臂电流i
arm
，并发送给单元主控板，然后单元主控板根据功率模块当前状态计算电容电流i
cf
；
[0018]
3)在阀控到功率模块单元主控板的下行通讯中加入桥臂电流i
arm
，然后单元主控板根据功率模块当前状态计算电容电流i
cf
。
[0019]
进一步地，当所述功率模块为半桥功率模块时，功率模块的电容电流i
cf
为：
[0020]
当功率模块的上igbtt1开通时，令i
cf
＝i
arm
；
[0021]
当功率模块的下igbtt2开通时，令i
cf
＝0；
[0022]
当功率模块的上igbtt1和下igbtt2均关断时，令i
cf
＝|i
arm
|。
[0023]
进一步地，当所述功率模块为全桥功率模块时，功率模块的电容电流i
cf
为：
[0024]
当功率模块的第一igbtt1和第四igbtt4开通时，令i
cf
＝i
arm
；
[0025]
当功率模块的第二igbtt2和第三igbtt3开通时，令i
cf
＝-i
arm
；
[0026]
当功率模块的第一igbtt1和第三igbtt3开通时，令i
cf
＝0；
[0027]
当功率模块的第二igbtt1和第四igbtt4开通时，令i
cf
＝0；
[0028]
当功率模块的第一igbtt1、第二igbtt2、第三igbt t3、第四igbtt4均关断时，令i
cf
＝|i
arm
|。
[0029]
进一步地，设定阈值e
thr
的取值应确保在正常功率模块中，不因为采样误差导致电容故障保护误动。
[0030]
进一步地，当所述功率模块为半桥功率模块或全桥功率模块时，触发igbt直通的流程为：
[0031]
a、持续触发上igbt t1和下igbt t2，直到出现igbt驱动故障；
[0032]
b、暂停40～60μs时间，停止触发上igbt t1和下igbt t2；
[0033]
c、转到步骤a继续执行。
[0034]
进一步地，当所述功率模块为全桥功率模块时，触发igbt直通的流程也可以为：
[0035]
a、持续触发第三igbt t3和第四igbt t4，直到出现igbt驱动故障；
[0036]
b、暂停40～60μs时间，停止触发第三igbt t3和第四igbt t4；
[0037]
c、转到步骤a继续执行。
[0038]
本发明还提供一种直流输电功率模块，包括半桥或全桥的功率模块以及功率模块主控板，所述的功率模块主控板接收阀控指令，持续监测进入功率模块的电容电压v
cf
和电容电流i
cf
，还监测桥臂电流i
arm
，运行前述的方法，对半桥或全桥的功率模块中的igbt以及旁路开关进行触发控制，使功率模块在出现能量持续进入故障电容并转换为热和喷出的电弧时，确保故障功率模块不影响换流站运行。
[0039]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0040]
本发明考虑功率模块电容击穿后，总是出现能量持续进入故障电容并转换为热和喷出的电弧；而对于正常运行功率模块，持续进入电容的能量平均为0，电容的总能量基本保持恒定。本发明提出一种直流输电功率模块电容故障保护方法，所述故障保护方法持续监测进入功率模块电容的累积能量，并与通过电容电压反馈计算出的实际电容能量e
cf
进行比较，当预期电容能量e
co
明显超过实际电容能量e
cf
时，触发功率模块旁路开关对故障功率模块进行切除；切除功率模块后继续监测预期电容能量e
co
，如果经过预定时间t
thr
后，预期电容能量e
co
依然明显超过实际电容能量e
cf
，对故障功率模块执行触发igbt直通，以确保故障功率模块不再影响换流站运行。
附图说明
[0041]
图1为现有技术的用于高压直流输电的半桥功率模块；
[0042]
图2为现有技术的用于高压直流输电的全桥功率模块；
[0043]
图3为本发明针对半桥功率模块通过阀控下发桥臂电流的示意图；
[0044]
图4为本发明针对全桥功率模块通过阀控下发桥臂电流的示意图；
[0045]
图5为本发明针对半桥功率模块加入电流传感器直接测量电容电流的示意图；
[0046]
图6为本发明针对全桥功率模块加入电流传感器直接测量电容电流的示意图；
[0047]
图7为本发明针对半桥功率模块加入电流传感器直接测量桥臂电流的示意图；
[0048]
图8为本发明针对全桥功率模块加入电流传感器直接测量桥臂电流的示意图；
[0049]
图9为本发明基于电容电压反馈、电容电流计算预期电容能量并判断是否执行保护的逻辑框图；
[0050]
图10为本发明执行功率模块保护的动作流程图；
[0051]
图11为本发明执行触发igbt直通的动作流程图。
具体实施方式
[0052]
以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。
[0053]
如图1-2所示，高压直流输电系统中，柔直换流器包括6个桥臂，每个桥臂都是由功率模块串联而成，其中包括半桥功率模块和全桥功率模块，图1所示为半桥功率模块，图2所示为全桥功率模块。功率模块与阀控系统通过光纤相连，从阀控系统接收调制命令，然后执行调制命令，对其中的igbt进行触发，并反馈单元状态给阀控系统。半桥功率模块中包括2个igbt，全桥功率模块中包括4个igbt。功率模块中都包括了：电容c1、单元控制板(即功率模块主控板)、分压电路，其中分压电路对电容c1的电压进行分压，并连接单元控制板。单元控制板对分压后的电压进行采样，从而得到当前的电容电压。
[0054]
本发明提出一种直流输电功率模块电容故障保护方法，所述故障保护方法包括如下步骤：
[0055]
1)持续监测进入功率模块电容的累积能量，所述进入功率模块电容的累积能量称为预期电容能量e
co
，
[0056]
2)将预期电容能量e
co
与通过功率模块的电容电压反馈计算出的实际电容能量e
cf
进行比较；
[0057]
3)当预期电容能量e
co
明显超过实际电容能量e
cf
时，触发功率模块旁路开关对故障功率模块进行切除；
[0058]
4)切除功率模块后继续监测预期电容能量e
co
，如果经过预定时间t
thr
后，预期电容能量e
co
依然明显超过实际电容能量e
cf
，则对故障功率模块执行触发igbt直通，以确保故障功率模块不再影响换流站运行。
[0059]
其中实际电容能量e
cf
通过检测到的电容电压
vcf
按照公式进行计算得到。
[0060]
为了计算预期电容能量e
co
，需要知道电容电流i
cf
。考虑到阀控系统中通常有桥臂电流的实时采样值，可以在阀控到功率模块单元主控板的下行通讯中加入桥臂电流i
arm
，如图3和图4所示，然后单元主控板根据功率模块当前状态计算电容电流i
cf
；也可以在功率模块中采用电流传感器直接检测功率模块中的电容电流i
cf
，如图5和图6所示，并发送给单元主控板；或者可以在在功率模块中采用电流传感器直接测量桥臂电流i
arm
，如图7和图8所示，并发送给单元主控板，然后单元主控板根据功率模块当前状态计算电容电流i
cf
。
[0061]
当功率模块为半桥功率模块时，基于功率模块当前状态和桥臂电流，计算电容电流i
cf
的方法如下；
[0062]
当功率模块的上igbtt1开通时，令i
cf
＝i
arm
；
[0063]
当功率模块的下igbtt2开通时，令i
cf
＝0；
[0064]
当功率模块的上igbtt1和下igbtt2均关断时，令i
cf
＝|i
arm
|。
[0065]
当所述功率模块为全桥功率模块时，基于功率模块当前状态计算电容电流i
cf
的方法如下：
[0066]
当功率模块的第一igbtt1和第四igbtt4开通时，令i
cf
＝i
arm
；
[0067]
当功率模块的第二igbtt2和第三igbtt3开通时，令i
cf
＝-i
arm
；
[0068]
当功率模块的第一igbtt1和第三igbtt3开通时，令i
cf
＝0；
[0069]
当功率模块的第二igbtt1和第四igbtt4开通时，令i
cf
＝0；
[0070]
当功率模块的第一igbtt1、第二igbtt2、第三igbt t3、第四igbtt4均关断时，令i
cf
＝|i
arm
|。
[0071]
其中的预期电容能量e
co
计算通过对检测到的电容电压v
cf
、电容电流i
cf
的乘积进行累计得到，而考虑到系统的测量必然存在误差，为了避免误差影响保护的正确性，引入实际电容能量e
cf
的负反馈：
[0072][0073]
其中，k1为预设的常数。这样，可以采用任何一种数值积分方法，计算得到预期电
容能量e
co
，比如可以采用最简单的前向欧拉积分法。以前向欧拉法为例，预期电容能量e
co
的计算方法如下：
[0074]eco,n+1
＝e
co,n
+(v
cf
·icf-k1
·
(e
co-e
cf
))
·
δt
[0075]
其中：
[0076]eco,n+1
为当前控制周期的预期电容能量e
co
值；
[0077]eco,n
为前一控制周期的预期电容能量e
co
值；
[0078]
δt为控制周期。
[0079]
k1的取值可以按照收敛时间常数进行设计：当采样信号误差为0时，e
co
应按照典型0.1s—1s的时间常数逼近e
cf
，典型取值为k1＝1—10。
[0080]
为了判断预期电容能量e
co
是否明显超过实际电容能量e
cf
，引入预先设定的阈值e
thr
。判断依据是：e
co-e
cf
》e
thr
。
[0081]ethr
的取值应确保在正常功率模块中，不因为采样误差导致电容故障保护误动，典型取值为：其中v
cn
为电容额定运行状态电压。
[0082]
图9为本发明实施例的基于电容电压反馈、电容电流计算预期电容能量并判断是否执行保护的逻辑框图。
[0083]
如图10所示，触发功率模块旁路开关对故障功率模块进行切除经过预定时间t
thr
后，如果预期电容能量e
co
依然明显超过实际电容能量e
cf
，表明旁路开关拒动了，这时应该对故障功率模块执行触发igbt直通。其中t
thr
的取值应保证不会因为采样误差导致误判旁路开关拒动，典型取值为：t
thr
＝1/k1。
[0084]
考虑到典型igbt驱动板在igbt直通短路时会自主进行保护，因此，如图11所示，触发igbt直通的流程为(半桥功率模块或全桥模块时)：
[0085]
a、持续触发igbt t1和t2，直到出现igbt驱动故障；
[0086]
b、暂停50μs时间，停止触发igbt t1和t2；
[0087]
c、转到步骤a继续执行。
[0088]
如果是全桥功率模块，触发igbt直通的流程还可以是：
[0089]
a、持续触发igbt t3和t4，直到出现igbt驱动故障；
[0090]
b、暂停50μs时间，停止触发igbt t3和t4；
[0091]
c、转到步骤a继续执行。
[0092]
本发明还提供一种直流输电功率模块，包括半桥或全桥的功率模块以及功率模块主控板(单元控制板)，硬件结构如图1-8中的任意一种，特别之处在于，所述的功率模块主控板(单元控制板)接收阀控指令，持续监测进入功率模块的电容电压v
cf
和电容电流i
cf
，还监测桥臂电流i
arm
，运行前述的方法，对半桥或全桥的功率模块中的igbt以及旁路开关进行触发控制，使功率模块在出现能量持续进入故障电容并转换为热和喷出的电弧时，确保故障功率模块不影响换流站运行。
[0093]
以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。