[发明专利]一种适用于多模块串并联系统的模块电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于多模块串并联系统的模块电路，属于电力系统技术领域。

背景技术

近年来，以全控型开关器件(如门极可关断晶闸管GTO，绝缘栅双极型晶体管IGBT等)为基础的新一代电网技术取得了不断的发展。与此同时现代社会对电力的需求急剧增加，电力系统的规模也在不断的增长。而全控型器件是由掺杂了特殊杂质的半导体材料制成的，其最大可耐受电压与最大可流过电流均有一定限制。此外，多个全控型开关器件在串联或者并联时的均压与均流问题是一个学术难题，至今仍未有很好的解决办法。为了解决全控型器件电压与电流等级不足的问题，采用多模块串联或者并联的解决方案非常普遍。常见的诸如应用于静止无功补偿器(STATCOM)的级联H桥变换器(CHB)，应用于柔性交流输电(FACTS)与柔性直流输电(VSC-HVDC)领域的模块化多电平变换器(MMC)，以及很有前景的应用于直流配电系统的固态变压器(SST)。

多模块串并联的设计方案避免了开关器件的直接串并联，成功解决了开关器件功率等级与电网功率等级之间差异巨大的矛盾。并且，这种模块化的系统结构也为冗余容错的设计带来了方便。但是大量的模块串并联也使得整个系统的控制构架变得非常复杂，同时整个系统各个部分之间的通信机构也变得非常庞大。

针对上述问题，学术界与工业界提出了很多解决方案。比较值得关注的一点是吸取集成电路的设计思想，将功率电路、控制电路与通信电路按一定的结构集成于同一块PCB电路板中。这种设计方案无需单独设计控制电路与通信电路，简化了系统结构。并且，将模块级的控制任务，诸如电压的采样，过压过流等故障的处理，甚至是开关信号的调制交由模块自身的控制电路完成，解放了系统主控制器，使其得以专注于系统级的控制任务，如人机交互、有功功率与无功功率的控制等。

遗憾的是，这些设计方案大多数仍只关注模块电路自身，而模块与上层控制器之间的通信机构仍然比较复杂。比较突出的问题是所用通信光纤较多，且单根光纤的潜能并未得到充分利用。针对这一问题，部分学者提出了光纤时分复用的办法，成功的用两根光纤实现了单个模块与上层控制器间的通信。但是，这些设计方案采用专门设计的复杂的复用电路来对不同信号进行整合，增加了模块的设计难度。此外，多模块串并联系统一般用在高压大功率的场合，工作环境电磁干扰严重，这种复用电路容易受到干扰从而出现差错甚至不能工作，因此也不利于系统可靠性的提升。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的结构复杂、可靠性较低等技术问题，而提出了一种适用于多模块串并联系统的模块电路，它以一块功能强大的数字信号处理器为核心控制电路，通过数字信号处理器进行各种信号的调理与整合，从而简化模块自身的设计，简化了模块与上层控制器之间通信机构的设计，抗干扰能力较强，可靠性较高。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，所述的多模块串并联系统主要包括级联H桥变换器、模块化多电平变换器以及固态变压器；所述的模块电路包括一块集成有主功率电路、控制电路和通信电路的PCB电路板；

所述的主功率电路是但不限于全H桥电路、半H桥电路或双有源桥式变换器中的一种电力电子电路拓扑；

所述的控制电路包括一块数字信号处理器、采样电路、驱动电路以及保护电路；所述控制电路通过光耦芯片和电压霍尔传感器与所述的主功率电路实现电气隔离；

所述的通信电路包括一个光纤发送器、一个光纤接收器以及相关的边沿调理芯片，该通信电路通过两根通信光纤与上层控制器相连；其中所述的光纤发送器用于模块电路向上层控制器发送“模块信息”；所述的光纤接收器用于模块电路接收上层控制器向模块电路发送“控制命令”。

本发明所述“模块信息”的值包括模块的电压与工作状态，所述数字信号处理器将所述模块的电压与工作状态整合为两帧8位数字信号，并采用串行通信接口发送给上层控制器；

所述的两帧8位数字信号的定义为：

第一帧数字信号的低四位为模块状态信息，第一帧数字信号的高四位为电压低四位信息，第二帧数字信号为电压高八位信息；

所述的模块状态信息的定义为：

B0001表示模块处于等待上层控制器发送命令状态；B0010表示模块处于正常工作状态；B1011表示模块处于停机状态；B1101表示模块处于过电流保护状态；B1100表示模块处于过电压保护状态；B1111与B1110表示主功率电路有开关管发生了故障。

本发明所述的“控制命令”包括驱动脉冲、停机指令和唤醒指令；所述的数字信号处理器鉴别所述的“控制命令”；