[实用新型]一种提升MMC功率模块旁路安全可靠性的控制系统

说明书

本实用新型公开了一种提升MMC功率模块旁路安全可靠性的控制系统，包括功率模块单元控制板、功率器件驱动板和旁路开关驱动板，旁路开关驱动板上设置有触发开关、储能电容和旁路开关合闸驱动线圈，触发开关、储能电容和旁路开关合闸驱动线圈依次连接构成旁路开关驱动回路，所述旁路开关驱动回路还包括高速光电器件，高速光电器件与功率器件驱动板通信连接，当旁路开关驱动回路导通时，高速光电器件启动，向功率器件驱动板发送闭锁IGBT信号。本实用新型可以消除功率模块的IGBT在导通状态下闭合旁路开关的潜在风险，避免造成功率器件及其他设备严重损坏等较大经济损失问题，确保了故障模块安全可靠旁路。

技术领域

本实用新型涉及柔性直流输电技术，具体涉及一种提升MMC功率模块旁路安全可靠性的控制系统。

背景技术

柔性直流输电技术相比于常规直流输电技术因其不需无功补偿，没有换相失败问题，有功无功调节便捷，谐波水平低，适合构成多端直流系统等优点，使柔性直流输电相关技术得到了迅速发展，柔性直流输电工程建设如火如荼，其中以基于MMC(模块化多电平换流器) 拓扑结构的柔性直流输电系统最具代表性和技术优势。

如图1所示，MMC由六个桥臂构成，其中每个桥臂由N个功率模块(又称子模块)级联和一个串联电抗器构成，典型的功率模块按结构不同分为全桥功率模块和半桥功率模块。全桥功率模块包括4个开关模块T1-T4和电容，半桥功率模块包括2个开关模块T1-T2和电容，开关模块则由一个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和一个二极管反并联组成，详细构造均为现有技术，在此不再赘述。功率模块一旦发生故障、不可控(IGBT全闭锁)等情况，不论全桥模块还是半桥模块，在阀组运行状态下，桥臂电流将持续对电容进行充电，具体如图2A至图2D所示。持续的充电电流将会导致电容电压急剧升高，超出其耐受范围，最终电容发生绝缘击穿、内部汽化等直接导致电容膨胀，引发爆炸，对系统运行和周围设备形成巨大危害。为避免单一功率模块故障导致整个MMC停运，须设置功率模块旁路开关S，功率模块故障时通过旁路开关可靠闭合而退出运行，不影响其余功率模块的正常运行。另一方面，功率模块内的功率器件IGBT等原件造价高昂，为避免设备的进一步损坏造成较大经济损失，也需要功率模块出现故障时可靠旁路。

功率模块故障旁路策略是各功率模块生产厂商的重要研究内容，目前功率模块故障旁路策略已较为完备，但缺乏对旁路开关合闸时机与功率模块内功率器件IGBT导通状态的研究，如两者配合不当，可能引起严重的后果。如图3A和图3B所示，全桥功率模块的T1或T3、半桥功率模块的T1在触发导通的状态下旁路开关合闸，将造成功率模块的电容通过旁路开关形成短路回路，造成电容瞬时放电，形成的巨大放电电流会造成功率器件IGBT及回路其他设备严重损坏。

目前缺乏相关有效的控制措施来防范此类情况的发生。为更好的说明该问题，首先对功率模块的控制结构进行简要介绍。以全桥功率模块为例，典型的控制结构图如图4所示。功率模块单元控制板向上负责与阀控系统通信，接收阀控系统控制信号并向阀控系统反馈功率模块状态信息，同时向功率器件驱动板、旁路开关驱动板发送控制信号，接收反馈信号。板卡间通信均通过光纤通信，具有抗干扰能力强，传输延时小等特点。旁路开关驱动板的工作原理如图5所示，包括两个并联的触发开关T、储能电容C和旁路开关合闸驱动线圈L，触发开关T可采用上述的开关模块，一个触发开关T与功率模块单元控制板通信连接，用于接收旁路开关合闸控制信号，另一个触发开关T用于接收其他原因造成的旁路开关合闸控制信号。旁路开关驱动回路接收到外部触发信号后(可能为主动控制触发或其他原因造成的误触发)回路导通，储能电容C快速放电，放电电流励磁旁路开关合闸驱动线圈L，驱动其旁侧的旁路开关S完成合闸。

引起功率模块旁路开关闭合的原因主要有：

(1)功率模块故障，由控制系统主动下发旁路开关合闸命令。

柔性直流工程中普遍采用的策略是，功率模块故障后控制系统同时下发功率模块闭锁信号(功率模块内所有可控功率器件IGBT均闭锁)和旁路开关合闸命令。

(2)旁路开关本身故障，导致旁路开关误合。