基於igct的中高電壓三電平變換器中安全封脈衝方法
2023-05-24 17:28:41 2
專利名稱：基於igct的中高電壓三電平變換器中安全封脈衝方法
技術領域：
本發明屬於電力電子應用技術領域，適用於基於IGCT的中高壓三電平變換器正常封脈衝停機或者故障保護封脈衝動作，使變換器在封脈衝過程中避免發生橋臂直通、單個器件開關動作時間過短以及單個器件承受全邊直流母線電壓等現象，從而保證開關器件和變換器的安全、正常工作。
背景技術：
自上世紀80年代以來，隨著現代電力電子技術、微電子技術以及控制技術的發展和進步，電力電子變換器得到很大的發展，應用範圍日益廣泛，幾乎涉及到發電、輸電、儲電和用電的所有應用領域。在這些應用中，中高壓大功率變流技術成為變換器主要發展方向之一。在這些變換器中，將高性能的開關器件和變換器的拓撲綜合考慮，成為解決變換器功率等級與開關器件容量和開關頻率之間矛盾的有效手段之一。1996年，集成門極換向晶閘管(IGCT)問世後，因其固有的諸多優點，成為中高壓變換器開關器件的理想選擇之一。美國、德國和瑞士等國家的一些大的電氣公司都相繼推出了基於IGCT的三電平變換器產品。這類變換器的優點之一是，主電路中的每個開關器件只承受一半的直流母線電壓，可以充分利用IGCT的電壓等級，無需動態均壓電路。
但是，將傳統的兩電平變換器或者低壓三電平變換器中的控制方法直接用於基於IGCT的三電平變換器中，在某些特定條件下，將破壞上述的優點，甚至直接造成IGCT器件損壞。尤其在傳統的控制方法中，當發生正常封脈衝停機或者故障保護封脈衝時，一般直接封鎖12個開關器件驅動信號。由於該方法沒有考慮新型IGCT器件的特性以及中高壓三電平變換器的特點，直接用於基於IGCT的中高三電平變換器中，有可能出現橋臂直通、單個器件開關動作時間過短以及單個器件承受全邊直流母線電壓等現象。在一些變換器中，針對橋臂直通和單個開關器件動作時間過短現象採用了一般的死區時間控制和最小脈寬控制等方法。但是都沒有針對單個器件承受全邊直流母線電壓現象採用專用處理方法；更沒有將這三種方法有機結合起來，而這兩點在本發明中做到了。
電力電子器件電力電子技術和設備的基礎，保證電力電子器件的安全、可靠工作，避免器件的損害是電力電子變換器基本條件，除了在變換器機械結構、吸收電路等方面的保障措施外，在變換器控制中加入適當的控制方法也是必要的保障措施之一。
發明內容
本發明是一種應用於變換器中的安全封脈衝方法，主要針對基於IGCT的中高壓三電平變換器，該方法不受變換器原有核心控制策略的限制，可以直接用於逆變電路中12隻IGCT驅動脈衝的管理。使變換器在任何時候進行封脈衝動作時，都能夠避免發生橋臂直通、單個器件開關動作時間過短以及單個器件承受全邊直流母線電壓等現象，從而保證開關器件和變換器的安全、正常工作。並且，該方法可以在原系統硬體或附加的CPLD等數字晶片和電路來實現。以CPLD為控制晶片實現該方法的部分系統結構示意圖如圖1所示，主控板DSP發出的12路驅動信號經過CPLD晶片後變成12路PWM信號用於驅動三電平變換器逆變電路的12個IGCT，同時CPLD晶片接收故障信號，而本發明的安全封脈衝方法可以在CPLD中得到實現。
本發明的特徵在於所述方法是在一個CPLD晶片中實現的，該CPLD晶片從一個用DSP構成的主控板輸出端接收12路PWM驅動脈衝後，再經光纖驅動電路向由12個IGCT構成的三電平變換器逆變電路發出12路PWM驅動信號；在當主控板發出的PWM信號為100110011001或CPLD晶片的故障標誌有效時，該CPLD晶片依次按以下步驟實現所述的封脈衝方法步驟1初始化，在該CPLD晶片中設置以下參數數組PWMu[]、PWMv[]、PWMw[]，對應於所述逆變電路三個橋臂U、V、W中IGCT的控制信號，「1」表示讓該IGCT導通，「0」表示讓該IGCT阻斷；死區時間，用tdead表示，代表一個橋臂互鎖兩個IGCT驅動信號同為關斷狀態的時間，取30～50μs；通態最小脈寬時間，用tonmin表示，代表同一個IGCT驅動信號維持導通的最小時間，取20～30μs；阻態最小脈寬時間，同toffmin表示，代表同一個IGCT驅動信號維持阻斷狀態的最小時間，取80～130μs；相應於各數組的死區時間計時器、通態最小脈寬時間計時器、阻態最小脈寬時間計時器、過渡脈衝控制時間計時器的標誌位和故障標誌位；步驟2該CPLD晶片從主控板接收12路PWM驅動信號和故障狀態的數據；步驟3該CPLD晶片判斷所述主控板發出的12路PWM驅動信號是否為『100110011001』或者CPLD晶片的故障狀態標誌為有效，若不是，則判斷結果為不封脈衝，執行步驟4；若是，則執行步驟7；步驟4CPLD晶片根據主控板輸出的12路PWM驅動信號對數組PWMu[]、PWMv[]、PWMw[]賦值；步驟5CPLD晶片按以下狀態情況，區別進行死區和最小脈寬處理狀態5.1，當某一個數組的狀態變為
或
時，相應於該數組的死區時間計時器開始計時；狀態5.2，當某一個數組中的某個數值發生從「0」向「1」的狀態變化時，相應於該數組的通態最小脈寬時間計時器開始計時；狀態5.3，當某一個數組中的某個數值發生從「1」向「0」的狀態變化時，相應於該數組的阻態最小脈寬時間計時器開始計時；步驟6各計時器的數值小於對應的計時器設定值的時間內，對應的CPLD晶片輸出的PWM驅動信號維持原狀態，否則，CPLD晶片輸出的PWM驅動信號與主控板輸入CPLD晶片的信號相同，返回步驟2；步驟7CPLD執行過渡脈衝控制流程在封脈衝時，過渡脈衝控制時間計時器開始計時，並把數組PWMu[]、PWMv[]、PWMw[]全部賦值為
，然後執行步驟5和步驟6，一直到過渡脈衝時間計時器的數值達到通態最小脈寬時間tonmin時，把所述數組全部賦值為
並回到步驟2，其中，所述的過渡脈衝即所述晶片CPLD輸出的三電平變換器逆變電路的PWM驅動信號。
實驗證明從封脈衝決定開始，本發明可以在175μs內完成逆變電路中所有12個IGCT的安全關斷，而不發生橋臂直通、單個器件開關動作時間過短以及單個器件承受全邊直流母線電壓等現象。
圖1.以CPLD為控制晶片實現該方法的部分系統結構示意圖；圖2.本發明控制程序流程示意圖；圖3.單個IGCT承受全邊母線電壓現象的原理圖；圖4.單個IGCT承受全邊母線電壓現象的試驗波形。
具體實施例方式
本發明是一種將死區時間控制、最小脈寬控制和過渡脈衝控制三者有機結合的安全封脈衝方法。該方法的控制流程示意圖如圖2所示。為說明方便，採用「1」和「0」來表示IGCT驅動信號的狀態，「1」表示讓IGCT導通，該方法包括以下步驟1.在變換器控制上電時，控制算法進行初始化，設置數組PWMu[]、PWMv[]、PWMw[]、死區時間tdead、通態最小脈寬時間tonmin、阻態最小脈寬時間toffmin以及相應的計時器和故障標誌位。其中，死區時間指的是一個橋臂互鎖兩個IGCT驅動信號同為關斷狀態的時間，其取值根據所選IGCT器件特性的死區時間要求和所選用吸收電路(包括di/dt吸收電路和dv/dt吸收電路)的穩定過程時間常數來確定，取兩者中的較大者，一般選取30-50μs，最小脈寬為同一IGCT驅動信號維持導通或維持阻斷狀態的最小時間，分為通態最小脈寬和阻態最小脈寬，通態最小脈寬根據所選IGCT器件特性的通態最小脈寬要求來確定，一般為20-30μs，阻態最小脈寬根據所選IGCT器件最小脈寬要求、吸收電路的穩定過程時間常數和死區時間共同來確定，取IGCT的通態最小脈寬加兩倍的死區時間的總值和IGCT阻態最小脈寬要求值兩者中的大者，一般為80-130μs；
2.當系統完成初始化進行正常工作時，在主控板發出正常PWM時，本控制方法將主控板的12路PWM信號每4個為一組賦值給PWMu[]、PWMv[]、PWMw[](對應著逆變電路控制三個橋臂IGCT的控制信號)，然後進行「死區和最小脈寬處理流程」當某一個數組的狀態變為
或者
時，相應的死區時間計時器開始計時，而當某一數組中某個數值發生從「0」間「1」變化時，相應的最小通態時間計時器開始計時，當某一數組中某個數值發生從「1」向「0」變化時，相應的最小阻態時間計時器開始計時，在各計時器數值小於對應的設定值的時間內，對應的CPLD輸出的PWM信號不隨著主控板輸入CPLD的信號改變，而是維持原狀態，除此之外，CPLD輸出的PWM信號與主控板輸入CPLD的信號相同。該處理流程稱為「死區和最小脈寬處理流程」；3.而當主控板發出PWM信號為「100110011001」或CPLD的故障標誌為有效時，則系統需要進行封脈衝處理，進行本發明中的「過渡脈衝控制流程」過渡脈衝控制計時器開始計時，將數組PWMu[]、PWMv[]、PWMw[]全部賦值為
，然後進行「死區和最小脈寬處理流程」，過渡脈衝控制時間計時器數值大於最小通態時間tonmin時，將數組PWMu[]、PWMv[]、PWMw[]全部賦值為
，然後再進行「死區和最小脈寬處理流程」。
上述步驟和關鍵參數確定具有以下特徵1.死區時間確定根據IGCT器件特性以及吸收電路參數，可以避免橋臂直通現象的發生。
2.最小脈寬的確定根據IGCT器件特性、吸收電路參數和死區綜合確定，可以避免單個開關器件由於連續動作時間過短而造成器件或者吸收電路器件的損壞。
3.在封脈衝過程中使用了過渡脈衝控制，即封脈衝方法步驟中的第3步，可以避免直接封脈衝造成的單個IGCT承受全邊母線電壓而造成損壞。
4.將上述三種控制進行了綜合考慮，做到同時避免三種損壞現象。
5.除了脈衝信號，該方法不需要附加的變換器狀態識別；6.該方法只在輸出驅動脈衝控制中使用，可以很容易在原有系統硬體上或者在附加的CPLD上實現，實現簡單，可靠性高。
理論分析和實驗結果證明本方面的安全封脈衝方法，使變換器在任何時候進行封脈衝動作時，都能夠避免發生橋臂直通、單個器件開關動作時間過短以及單個器件承受全邊直流母線電壓等現象。
圖1是以CPLD為控制晶片實現該方法的部分系統結構示意圖，採用CPLD為控制晶片或者採用系統原有的硬體系統很容易實現本發明控制方法。
圖2是本發明控制程序流程示意圖，其中封脈衝的判斷、死區和最小脈寬處理流程和過渡脈衝控制流程在發明內容的控制方法步驟中有詳細的說明。
圖3是單個IGCT承受全邊母線電壓現象的原理圖，對於三電平變換器逆變電路一個橋臂來說，如果不考慮死區段的情況，則有6種穩定運行的狀態，對於封脈衝後的穩定運行狀態有2種，在圖3全都列舉出來。對於傳統的、普通的封脈衝方式的情況來說，則為(a)、(b)和(c)中的任一狀態到(d)狀態切換過程，比如當封脈衝前橋臂的狀態為1(a)狀態，即橋臂輸出電流為流出方向，橋臂中IGCT即Tu1、Tu2、Tu3、Tu4狀態為「1100」狀態，此時進行封脈衝動作，橋臂IGCT狀態為「0000」狀態，但輸出電流在續流二極體的作用下繼續為流出狀態，則變為1(d)狀態。作如下假設即在狀態切換的過程中，輸出電流的方向不變，即1和2類狀態不會交叉。一般認為狀態切換的時間為μs級，而輸出電路中的電感約為mH級，電阻為Ω級，則輸出迴路的變化時間常數為ms級，此假設是可以接受的。對於1(a)→1(d)和2(c)→2(d)的切換過程，可以看出，這兩個切換相當於三電平橋臂運行在兩電平串聯IGCT模式，在沒有動態均勻電路的情況下，控制信號的同步性嚴重影響兩串聯IGCT的關斷電壓。
圖4是單個IGCT承受全邊母線電壓現象的試驗波形。在一個MVA級的基於IGCT的三電平變換器中，將直流母線全邊電壓調至500V左右，負載為1.1kW/380V電機空載，其穩態運行時的最大電流約小於10A，在這種極其安全的小電機配置下進行了傳統的封脈衝試驗，採用相同型號的電壓探頭同時測取U相第一和第二個IGCT的兩端電壓(UT1和UT2)，經過多次的試驗，捕捉到了圖3中1a→1d的情況。試驗中，直流母線基本平衡，上、下半邊母線電壓的差小於10V，而在該過程中，第二個IGCT關斷的時候幾乎承受了全部的母線電壓，並持續了0.1ms。如果上述實驗在額定母線電壓和額定負載下進行，則在直流母線電壓幾乎沒有發生偏置的情況下，也可能會造成第二個IGCT承受全邊母線電壓而損害。
避免該情況的措施就是防止在封脈衝的過程中出現1a→1d和2c→2d的切換過程，從圖3中可以發現，如論輸出電流方向如何，從1b和2b進入1d和2d的狀態都是安全的。本發明方法中，在真正封脈衝的時候，先將所有的橋臂的狀態調整為b狀態(即0110狀態)，從而做到不需要判斷電流方向就能安全進入封脈衝狀態(即0000狀態)。這就是針對封脈衝過程的單個IGCT承受全邊母線電壓，而在本發明中採用的過渡脈衝控制，在本發明中還將該過渡脈衝控制與死區時間控制和最小脈寬控制有機結合在一起。如果選取死區時間tdead為40μs，通態最小脈寬tonmin為25μs，阻態最小脈寬toffmin為100μs，IGCT的關斷時間(從關斷驅動信號使能開始到IGCT真正關斷)的時間為10μs，則本發明封脈衝過程執行的最大時間為tmax＝tdead+tonmin+toffmin+toff＝40μs+25μs+100μs+10μs＝175μs其中，toff是IGCT的關斷時間。所以，採用本發明的安全封脈衝方法，可以保證從封脈衝決定開始，在175μs內完成所有逆變電路中12個IGCT的安全關斷，而不存在橋臂直通、單個器件開關動作時間過短以及單個器件承受全邊直流母線電壓等現象。
權利要求
1.基於IGCT的中高壓三電平變換器中安全封脈衝方法，其特徵在於所述方法是在一個CPLD晶片中實現的，該CPLD晶片從一個用DSP構成的主控板輸出端接收12路PWM驅動脈衝後，再經光纖驅動電路向由12個IGCT構成的三電平變換器逆變電路發出12路PWM驅動信號；在當主控板發出的PWM信號為100110011001或CPLD晶片的故障標誌有效時，該CPLD晶片依次按以下步驟實現所述的封脈衝方法步驟1初始化，在該CPLD晶片中設置以下參數數組PWMu[]、PWMv[]、PWMw[]，對應於所述逆變電路三個橋臂U、V、W中IGCT的控制信號，「1」表示讓該IGCT導通，「0」表示讓該IGCT阻斷；死區時間，用tdead表示，代表一個橋臂互鎖兩個IGCT驅動信號同為關斷狀態的時間，取30～50μs；通態最小脈寬時間，用tonmin表示，代表同一個IGCT驅動信號維持導通的最小時間，取20～30μs；阻態最小脈寬時間，同toffmin表示，代表同一個IGCT驅動信號維持阻斷狀態的最小時間，取80～130μs；相應於各數組的死區時間計時器、通態最小脈寬時間計時器、阻態最小脈寬時間計時器、過渡脈衝控制時間計時器的標誌位和故障標誌位；步驟2該CPLD晶片從主控板接收12路PWM驅動信號和故障狀態的數據；步驟3該CPLD晶片判斷所述主控板發出的12路PWM驅動信號是否為『100110011001』或者CPLD晶片的故障狀態標誌為有效，若不是，則判斷結果為不封脈衝，執行步驟4；若是，則執行步驟7；步驟4CPLD晶片根據主控板輸出的12路PWM驅動信號對數組PWMu[]、PWMv[]、PWMw[]賦值；步驟5CPLD晶片按以下狀態情況，區別進行死區和最小脈寬處理狀態5.1，當某一個數組的狀態變為
或
時，相應於該數組的死區時間計時器開始計時；狀態5.2，當某一個數組中的某個數值發生從「0」向「1」的狀態變化時，相應於該數組的通態最小脈寬時間計時器開始計時；狀態5.3，當某一個數組中的某個數值發生從「1」向「0」的狀態變化時，相應於該數組的阻態最小脈寬時間計時器開始計時；步驟6各計時器的數值小於對應的計時器設定值的時間內，對應的CPLD晶片輸出的PWM驅動信號維持原狀態，否則，CPLD晶片輸出的PWM驅動信號與主控板輸入CPLD晶片的信號相同，返回步驟2；步驟7CPLD執行過渡脈衝控制流程在封脈衝時，過渡脈衝控制時間計時器開始計時，並把數組PWMu[]、PWMv[]、PWMw[]全部賦值為
，然後執行步驟5和步驟6，一直到過渡脈衝時間計時器的數值達到通態最小脈寬時間tonmin時，把所述數組全部賦值為
並回到步驟2，其中，所述的過渡脈衝即所述晶片CPLD輸出的三電平變換器逆變電路的PWM驅動信號。
全文摘要
本發明屬於IGCT中高壓三電平變換器技術領域，其特徵在於在主控板與IGCT中高壓三電平變換器之間接入一個CPLD晶片和與該晶片相串接的光纖驅動電路，用一個CPLD晶片把死區時間控制、最小脈寬控制和過渡脈衝控制三種方法有機結合起來，使該變換器在封脈衝過程中同時避免發生橋臂直通、單個器件開關動作時間過短以及單個器件承受全邊直流母線電壓等現象，保證開關器件和變換器的安全、正常工作。本發明還依據IGCT器件特性、吸收電路參數來確定死區時間以及通態和阻態最小脈寬時間的設定值，使其同時滿足IGCT和吸收電路中器件工作的要求，具有易於實現、可靠性高的優點。
文檔編號H02H7/10GK1747273SQ20051008634
公開日2006年3月15日 申請日期2005年9月2日 優先權日2005年9月2日
發明者袁立強, 崔志良, 張懷晟, 白華, 楊志, 趙爭鳴 申請人:清華大學, 國電南京自動化股份有限公司