一種高位取能電源故障保護方法

2023-05-30 01:42:11

專利名稱：一種高位取能電源故障保護方法
技術領域：
本發明涉及一種電源的保護方法，具體講涉及一種用高壓/特高壓大功率管IGBT 換流閥的高位取能電源的故障保護方法。
背景技術：
對於電力系統中高壓/特高壓換流器，IGBT換流閥得到越來越多的應用，由於換 流閥中各功率模塊電位不同且處於較高電位，必須要解決功率模塊控制器的高電位可靠供 電問題。目前常見的有低壓送能和高壓取能兩類。低壓送能即從將地電位電源經過高壓隔 離後給功率模塊控制器供電，存在外部絕緣和結構安裝等問題，設備的體積和造價都很大， 一般用於電壓相對較低場合。對於電壓較高場合，通常採用高電位取能，即從功率模塊主電 路部分取能給控制電路供電。現有高位取能方式於高壓取能中常見的電流取能和電壓取能。電流取能通常利用 特製的電流互感器(CT)從有電流的線路上感應電壓，通過處理後供電；電壓取能通過並聯 於阻容電路兩端結合電壓變換電路進行取能供電。絕緣柵雙極型電晶體(Insulated Gate BipolarTransistor, IGBT)對取能電源供電有著極高的要求。器件主功率極兩端可靠承擔 高主電壓和快速電壓變化率要求觸發板必須帶電正常工作，否則會損壞開關器件。由於取 能電源是從功率模塊本身主電路部分取能，電源工作前開關器件必定已承受了一定的主電 壓，因此如何保障高位取能電源工作前和故障時功率模塊可靠性成為基於IGBT高壓/特高 壓換流閥的一個關鍵問題。

發明內容
本發明的目的是提供一種高位取能電源故障保護方法，本方法在常規電源控制保 護之外添加了與功率模塊其他部分相關聯保護，有效實施取能電源輸出失電故障及輸出帶 電故障時高壓IGBT換流閥保護。本發明採用下述技術方案實現本發明的目的—種高位取能電源故障保護方法，其改進之處在於，所述方法包括下述步驟A、取能電源從直流側電容獲取能量，分別為上、下管IGBT驅動和中控單元提供電 源；B、進行故障監測；C、進行失電故障處理；D、進行帶電故障處理；所述故障監測包括輸入電壓幅值和電壓上升變換率du/dt監測和三路輸電電壓 幅值監測；所述失電故障處理是指在功率模塊啟動失敗時，電源無輸出，功率模塊控制器失 電所實施的關聯保護；所述帶電故障處理是指電源已有輸出電壓，功率模塊帶電工作期間， 發生電源故障所實施的關聯保護。
本發明提供的一種優選的技術方案是所述步驟A中，所述取能電源採用DC電壓 取能，輸入電壓Vi取自於直流側儲能電容兩端，所述取能電源包括兩級DC/DC變換和電源 控制保護單元，分別給模塊控制器上、下管IGBT驅動及中控單元提供電源。本發明提供的第二種優選的技術方案是所述步驟B中，所述進行故障監測是監 測輸入電壓幅值和電壓上升變換率du/dt和三路輸電電壓幅值。本發明提供的第三種優選的技術方案是所述步驟C中，所述進行失電故障處理 是進行啟動無輸出和啟動輸入電壓上升變換率du/dt過高處理。本發明提供的第四種優選的技術方案是所述步驟D中，所述進行帶電故障處理 是進行輸出故障和單路驅動輸出故障帶電故障處理。與現有技術相比，本發明達到的有益效果是本發明提供的一種高位取能電源故障保護方法，在功率模塊控制失電不能工作的 情況，通過取能電源實施功率模塊有效保護，提高了 IGBT換流閥整體可靠性；不影響常規 電源保護設計，單獨增加本發明提出的電源關聯保護；電源關聯保護直接對功率模塊元件 保護，不經過功率模塊控制器通信處理保護，保護方法實施快速。


圖1是模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Coverter, MMC)結構框圖；圖2是功率模塊結構框圖；圖3是取能電源關聯保護方法示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做進一步的詳細說明。圖1是模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Coverter,MMC)結構框圖，MMC 由上、下兩個橋臂的IGBT換流閥組成，換流閥一端連接至直流側P或N端，另一端連接只交 流側AC。換流閥由功率模塊PM(Power Module)級聯而成，每個功率模塊兩個功率端子Npx 和Nnx相連，每個功率模塊的控制Rx和狀態反饋Tx匯總於閥基控制器以實現整個換流閥 的協調控制、狀態監測和保護。圖2是功率模塊結構框圖，功率模塊由一次電路、控制器和高位取能電源三部分 組成。一次電路包括上、下管IGBT組成的半橋電力電子單元、旁路單元和儲能電容組 成。控制器由用於協調控制一次電路的中控單元和上、下管IGBT的驅動。高位取能電源採用DC (Direct Current)電壓取能，輸入電壓Vi取自於直流側儲 能電容兩端，包括兩級直流/直流DC/DC變換和電源控制保護單元，兩級變換拓撲可採用單 管反激、單管正激、雙管正激、雙管反激以及三電平拓撲結構。其中第一級變換輸出Vm為電 源控制保護單元的供電電源，以保證第二級變換輸出，即電源輸出電壓側發生故障時仍能 反饋故障告警信號給功率模塊控制器；第二級變換輸出三路Vol、Vo2和Vo3分別給功率模 塊PM的控制器、上、下管IGBT驅動和中控單元供電。本發明的取能電源控制保護在常規控制保護的基礎上增加了與功率模塊相關聯的故障保護，取能電源關聯保護方法如圖3所示，取能電源關聯故障保護包括故障監測、失 電故障處理模塊、帶電故障處理模塊和保護輸出。故障監測包括輸入電壓幅值和電壓上升 變換率du/dt監測，以及三路輸電電壓幅值監測，根據監測信號可判斷出關聯故障。失電故障處理是指在功率模塊啟動失敗時，電源無輸出，功率模塊控制器失電，此 時應實施失電故障處理，避免故障範圍擴大，隔離故障功率模塊，保證整個閥不受影響持續 運行。失電故障處理的故障有以下兩種情況(1)啟動無輸出在功率單元啟動充電階段，實時監測輸入和輸出電壓，當輸入電 壓已達取能電源啟動電壓，而電源無輸出，則取能故障，閉合旁路單元Byl^ass，停止充電， 避免下管IGBT和儲能電容過壓損害，同時隔離功率模塊，換流閥其餘功率模塊繼續保持工 作。(2)啟動輸入du/dt過高在功率單元啟動充電階段，實時監測輸入和輸出電壓， 在電源有輸出之前，若充電du/dt大於保護值，則閉合旁路單元Byl^ass，停止充電，避免下 管IGBT由於輸入du/dt過高而損壞。帶電故障處理是指電源已有輸出電壓，功率模塊帶電工作期間，發生電源故障所 實施的關聯保護。其處理的故障有以下兩種情況(1)輸出故障功率模塊中控單元供電故障，或上、下管IGBT驅動供電同時故障， 則發出故障告警信號給中控單元，以實施功率模塊閉鎖(BLOCK)和旁路(ByPass)保護。(2)單路驅動輸出故障僅有上、下管IGBT驅動，其中一路IGBT電源輸出故障，則 閉鎖電源另一路IGBT驅動供電輸出，使上、下管IGBT欠壓閉鎖(BLOCK)，避免供電失常的管 IGBT由於另一隻管IGBT切換所造成過高du/dt而損壞。本發明提供的一種高位取能電源故障保護方法結合功率模塊故障的取能電源故 障監測和保護，解決IGBT驅動電路失電帶來的問題。最後應該說明的是結合上述實施例僅說明本發明的技術方案而非對其限制。所 屬領域的普通技術人員應當理解到本領域技術人員可以對本發明的具體實施方式
進行修 改或者等同替換，但這些修改或變更均在申請待批的權利要求保護範圍之中。
權利要求
1.一種高位取能電源故障保護方法，其特徵在於，所述方法包括下述步驟A、取能電源從直流側電容獲取能量，分別為上、下管IGBT驅動和中控單元提供電源；B、監測故障；C、處理失電故障；D、處理帶電故障；所述故障監測包括輸入電壓幅值和電壓上升變換率du/dt監測和三路輸電電壓幅值 監測；所述失電故障處理是指在功率模塊啟動失敗時，電源無輸出，功率模塊控制器失電所 實施的關聯保護；所述帶電故障處理是指電源已有輸出電壓，功率模塊帶電工作期間，發生 電源故障所實施的關聯保護。
2.如權利要求1所述的一種高位取能電源故障保護方法，其特徵在於，所述步驟A中， 所述取能電源採用DC電壓取能，輸入電壓Vi取自於直流側儲能電容兩端；所述取能電源包 括兩級DC/DC變換和電源控制保護單元，分別給模塊控制器上、下管IGBT驅動及中控單元 提供電源。
3.如權利要求1所述的一種高位取能電源故障保護方法，其特徵在於，所述步驟B中， 所述進行故障監測是監測輸入電壓幅值和電壓上升變換率du/dt和三路輸電電壓幅值。
4.如權利要求1所述的一種高位取能電源故障保護方法，其特徵在於，所述步驟C中， 所述進行失電故障處理是進行啟動無輸出和啟動輸入電壓上升變換率du/dt的過高處理。
5.如權利要求1所述的一種高位取能電源故障保護方法，其特徵在於，所述步驟D中， 所述進行帶電故障處理是進行輸出故障和單路驅動輸出故障帶電故障處理。
全文摘要
本發明涉及一種高位取能電源的故障保護方法，該方法包括下述步驟取能電源從直流側電容獲取能量，分別為上、下管IGBT驅動和中控單元提供電源；監測故障；處理失電故障；處理帶電故障；故障監測包括輸入電壓幅值和電壓上升變換率du/dt監測和三路輸電電壓幅值監測；失電故障處理是指在功率模塊啟動失敗時，電源無輸出，功率模塊控制器失電所實施的關聯保護；帶電故障處理是指電源已有輸出電壓，功率模塊帶電工作期間，發生電源故障所實施的關聯保護；本發明提供的方案在常規電源控制保護之外添加了與功率模塊其他部分相關聯保護，有效實施取能電源輸出失電故障及輸出帶電故障時高壓IGBT換流閥保護。
文檔編號H02M1/32GK102097926SQ20111000798
公開日2011年6月15日 申請日期2011年1月14日 優先權日2011年1月14日
發明者呂錚, 易榮, 楊波, 湯廣福, 謝敏華 申請人:中國電力科學研究院