一种五电平功率模块的制作方法

1.本发明涉及高压设备技术领域，特别是涉及一种五电平功率模块。


背景技术：

2.随着电力电子技术在电力系统中的广泛应用，链式静止无功发生器(svg)做为新一代高压大容量无功补偿设备已逐步替代传统无功补偿装置，其具备无功连续可调、响应速度快、功率密度高等诸多优点；现已广泛应用于输配电、新能源发电、工矿业领域，可以起到提高电网功率因数、稳定系统电压、改善电能质量的作用，有益于整个电网系统的稳定。
3.链式静止无功发生器(svg)的功率变换系统一般采用级联h桥拓扑电路实现。在实际工程中为了便于设计、生产，h桥逆变电路被设计成功率模块，每相换流链由一定数量的h桥功率模块组成，因此h桥功率模块是svg成套设备中的关键部件。随着svg产品发展日益成熟，用户对svg成套设备可靠性和成本提出了更高的要求。
4.通过对现有h桥功率模块的电路原理和控制方法调研，目前h桥功率模块的设计及控制方法主要采取以下两种方式：第一种如图1所示，由单个h桥逆变电路及其模块控制器、电源、旁路开关、散热器构成一个独立功率模块；第二种如图2所示，将两个h桥逆变器电路及其各自独立的控制单元、电源、散热器、旁路开关通过结构上合二为一的方式构成二合一功率模块。
5.上述两种方案在对功率模块的控制方法上，均采用功率模块与主控系统通过光纤一对一通信，每个h桥功率模块独立接收主控系统命令和反馈运行状态；主控系统根据每个功率模块的运行状态实时调整控制指令和调制信号，从而控制svg输出的无功功率。
6.虽然上述方案2相比方案1已采取了一些电气和结构上的设计优化，能够在一定程度上降低成本，但两种功率模块中的取能电源、模块控制器、与主控系统通信方式并未从根本上进行改进；在大规模工程化应用中，仍存在功率模块可靠性低、成本高的问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种五电平功率模块，用以解决现有功率模块存在的可靠性低、成本高的问题。
8.为解决上述技术问题，本发明提供了一种五电平功率模块，包括两个h桥逆变电路，每个h桥逆变电路配置有对应的igbt驱动单元，还包括一个模块控制器和一个取能电源，两个h桥逆变电路级联，模块控制器与各igbt驱动单元连接，用于接收主控系统下发的两个h桥逆变电路控制信号并解析为两组控制信号，并将两组控制信号发送给igbt驱动单元进而控制h桥逆变电路工作，同时将两个h桥逆变电路上传的反馈信号合并为一路信号上传至主控系统；取能电源包括两路输入和一路输出，两路输入分别连接到两个h桥逆变电路的母线电容上，一路输出连接模块控制器，用于将两个h桥逆变电路的母线电容上的高电压转换成低电压提供给模块控制器。
9.有益效果：本发明的五电平功率模块中仅用一个模块控制器就能够将两个h桥逆
变电路上传的反馈信号合并为一路信号上传至主控系统，使得主控系统与功率模块之间的控制信号通过一组光纤实现通信，而且与现有的功率模块相比，降低了设备整体成本；取能电源的两路输入采用冗余取电控制，将两个h桥逆变电路的母线电容上的高电压转换成低电压提供给模块控制器，不仅能够确保模块控制器正常工作的可靠性，而且进一步降低了设备整体成本。
10.进一步地，igbt驱动单元包括有电平转换电路和驱动状态检测电路，其中，电平转换电路用于将模块控制器下发的脉冲指令转换为直接控制igbt模块开通和关断的脉冲，驱动状态检测电路用于监测igbt模块和自身的工作状态并反馈至模块控制器。
11.有益效果：通过利用igbt驱动单元中设置的电平转换电路将控制信号转换为控制igbt开通和关断的脉冲指令，能够可靠地对igbt模块进行控制；驱动状态检测电路通过检测igbt模块和自身的工作状态，能够及时发现故障并进行保护。
12.进一步地，模块控制器包括相互连接的检测电路和ic模块，其中，检测电路用于检测h桥逆变电路状态以及模块控制器内部的故障，并将两个h桥逆变电路的状态及故障信息发送给ic模块；ic模块用于将获取到的两个h桥逆变电路的状态及故障信息上传至主控系统。
13.有益效果：通过利用模块控制器中设置的检测电路检测h桥逆变电路状态以及模块控制器内部的故障，能够及时发现故障，从而通过ic模块上传给主控系统，有利于主控系统及时调整控制策略，提升设备整体运行可靠性和安全性。
14.进一步地，模块控制器还包括有电压采样电路，用于采集两个h桥逆变电路中的电容电压并发送给ic模块，ic模块以此对两个h桥逆变电路的工作状态进行控制和保护。
15.有益效果：通过利用模块控制器中设置的电压采样电路采集两个h桥逆变电路中的电容电压，能够让ic模块更精准地控制模块控制器工作，提升设备整体工作性能。
16.进一步地，还配置有散热器，散热器为双面水冷散热器，散热器安装在两个h桥逆变电路之间，且两个h桥逆变电路分别安装在散热器的两个面上，用于将igbt模块运行时产生的热量带走。
17.有益效果：本发明仅用一台双面水冷散热器就能够带走两个h桥逆变电路中的igbt模块产生的热量，不仅能够确保igbt模块正常工作，而且节省了空间和成本。
18.进一步地，模块控制器还包括有温度采样电路，分别与两个h桥逆变电路和ic模块相连，用于采集两个h桥逆变电路的中igbt模块温度，然后由ic模块根据获取到的温度控制冷却系统工作同时对igbt模块进行过温保护。
19.有益效果：通过利用模块控制器中设置的温度采样电路采集h桥逆变电路的温度，能够让ic模块更精准控制冷却系统工作，同时对igbt模块进行过温保护，提高整个功率模块的工作性能和使用寿命。
20.进一步地，还配置有旁路开关，旁路开关包括一组主触头，主触头并联在五电平功率模块的输入端和输出端，并由模块控制器控制，当模块控制器检测到任一一个h桥逆变电路或来自模块控制器内部的故障时，均主动触发旁路开关合闸并将合闸状态反馈给模块控制器。
21.有益效果：功率模块中旁路开关的设置，能够在模块控制器检测到任一一个h桥逆变电路或来自模块控制器内部的故障时，通过控制旁路开关来实现对整个五电平功率模块
的保护。
附图说明
22.图1是单h桥功率模块原理示意图；
23.图2是二合一h桥功率模块原理示意图；
24.图3是本发明的级联h桥五电平功率模块原理示意图；
25.图4是本发明的五电平功率模块在svg系统启动阶段的控制方法流程图；
26.图5是本发明的五电平功率模块在svg系统运行阶段的控制方法流程图。
具体实施方式
27.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明技术原理及实际应用进行进一步详细说明。
28.五电平功率模块实施例：
29.本发明五电平功率模块的主要特点是，由两个级联的h桥逆变电路及其igbt驱动单元共用一个模块控制器、一个取能电源、一个旁路开关、一个散热器。本实施例仅用一个模块控制器就能够将两个级联的h桥逆变电路上传的反馈信号合并为一路信号上传至主控系统，也就是主控系统与功率模块间的控制信号通过一组光纤通信实现，使得整个功率模块的控制性能并没有因关键元器件的减少而受到影响，反而因为元器件减少提升了可靠性，而且降低了设备整体成本；取能电源的两路输入采用冗余取电控制，将两个h桥逆变电路的母线电容上的高电压转换成低电压提供给模块控制器，不仅能够确保模块控制器正常工作的可靠性，而且进一步降低了设备整体成本。
30.本实施例的五电平功率模块原理示意图，如图3所示，包括两个级联的h桥逆变电路、两个igbt驱动单元、模块控制器、取能电源、旁路开关、散热器。
31.五电平功率模块包括两个h桥逆变电路，两个h桥逆变电路具有相同主电路拓扑，通过第一个h桥逆变电路的输出与第二个逆变电路的输入相连构成级联拓扑。单个h桥逆变电路由igbt模块、igbt驱动单元、电容组、均压电阻构成。其功能为执行模块控制器来的控制命令，输出五电平pwm波。
32.igbt驱动单元包括驱动电源、电平转换电路、驱动状态检测电路；驱动单元电路原边与副边采用磁隔离设计方式，起到隔离干扰和电气绝缘目的。电平转换电路用于将模块控制器下发的脉冲指令转换为直接控制igbt的开通和关断脉冲，驱动状态检测电路用于检测igbt和驱动电源工作状态并反馈至模块控制器。
33.模块控制器包括一个集成电路(ic模块)，以及分别与ic模块相连的两路电压采样电路、两路温度采样电路、检测电路、一路通信电路和一路控制电源。其中两路电压采样电路和两路温度采样电路均使用隔离运算放大器进行隔离设计，起到隔离干扰和电气绝缘目的。模块控制器与各igbt驱动单元连接，用于接收主控系统下发的两个h桥逆变电路控制指令，同时将两个h桥逆变电路上传的反馈信号合并为一路信号上传至主控系统。
34.检测电路用于检测h桥逆变电路状态以及模块控制器内部的故障，并将两个h桥逆变电路的状态及故障信息发送给ic模块；ic模块用于将获取到的两个h桥逆变电路的状态及故障信息上传至主控系统。
35.两路温度采样电路分别与两个h桥逆变电路相连，用于采集两个h桥逆变电路中igbt模块的温度并发送给ic模块，然后由ic模块根据获取到的温度值控制冷却系统工作并进行保护。
36.两路电压采样电路分别与两个h桥逆变电路中电容正负极相连，用于采集两个h桥逆变电路中的电容电压并发送给ic模块，然后由ic模块根据获取到的电容电压值控制模块控制器工作并对两个h桥逆变电路进行过电压保护。
37.取能电源包括两路输入和一路输出，两路输入之间通过磁隔离方式进行隔离设计，有效隔离干扰和进行电气绝缘，具备冗余取能功能，两路输入分别连接到两个h桥逆变电路的母线电容上，分别用于从两个h桥逆变电路的母线电容上取能；一路输出连接到模块控制器。取能电源主要用于将两个h桥逆变电路的母线电容上的高电压转换成低电压提供给模块控制器。
38.旁路开关包括一个合闸线圈、一组主触头、一对辅助触点。旁路开关可根据用户需求进行选择性配置，当功率模块配置旁路开关时，主触头并联在五电平功率模块的输入端和输出端，并由模块控制器控制，若模块控制器检测到任一一个h桥逆变电路或来自模块控制器内部的严重故障，均可主动触发旁路开关合闸并将合闸状态反馈给模块控制器，合闸后旁路开关自保持，可靠旁路功率模块，提升svg成套设备运行可靠性。
39.散热器为双面水冷散热器，散热器安装在两个h桥逆变电路之间，且两个h桥逆变电路分别安装在散热器的两个面上，用于将igbt模块运行时产生的热量带走。
40.主控系统是指能够按照外部输入指令和电网实时状态控制svg输出无功功率和实现系统层故障保护的装置。在svg启动和运行阶段，实时根据模块运行状态、电网信息、外部输入指令调整模块控制信号，以控制svg精确输出无功功率。
41.光纤通信是指主控系统与功率模块间的通信信道，主要实现主控系统和功率模块间的控制和反馈信息传递以及电气隔离作用。
42.本实施例的主控系统将两个h桥逆变电路控制信号下发至模块控制器，经模块控制器解析后转化为两组控制信号用于控制h桥逆变电路工作；两个h桥逆变电路的反馈信号先上传至模块控制器，模块控制器将两个h桥逆变电路状态及信息合并为一路信号并上传主控系统，相比传统通信控制方式，减少一组通信信道，有效降低成本。在svg系统启动和运行阶段通过主控系统对功率模块状态的实时监控，针对故障旁路功率模块数量以及自身冗余模块配置数量，实时进行功率模块调制信号和控制信号更新，保证svg在功率模块冗余耗尽前均可正常启动和运行，进一步提升设备可靠性。
43.本实施例提供了五电平功率模块分别在启动阶段和运行阶段的控制方法，该种控制方法可以兼容功率模块配置旁路开关和不配置旁路开关两种类型，使得控制方法的通用性得到有效提升。
44.在svg启动前，根据svg系统配置情况预先设置功率模块故障冗余数量。当五电平功率模块配置旁路开关时，设置功率模块故障冗余数量n≥1；当五电平功率模块不配置旁路开关时，设置功率模块故障冗余数量n＝0。
45.五电平功率模块在svg系统启动阶段的控制方法，如图4所示，具体步骤如下：
46.五电平功率模块在svg系统启动阶段通过电网向换流链上所有功率模块自然充电，当h桥逆变电路中电容电压达到取能电源正常工作条件后，模块控制器开始正常工作；
若在自然充电过程中取能电源其中一路输入异常，可通过另外一路输入保证取能电源正常工作，有效避免因电源取能故障导致的黑模块问题，从而提升启动阶段设备可靠性。
47.模块控制器正常工作后，检测各自模块内部是否存在故障及其故障类型，当故障条件满足闭合旁路开关条件时，模块控制器主动发出闭合旁路开关指令，将两个h桥逆变电路从换流链中切除，同时将故障信息及模块旁路开关状态上传给主控系统；若功率模块不配置旁路开关时，仅将故障信息上传至主控系统。
48.主控系统在收到故障模块上传的故障信息后，将故障信息上传至人机界面，同时判断每相换流链中故障功率模块总数是否大于功率模块故障冗余数设置值，若故障功率模块数量大于功率模块故障冗余数设置值，主控系统直接执行停机指令；若故障功率模块数量小于或等于功率模块故障冗余数设置值，主控系统将故障模块状态信息清零，根据非故障功率模块的个数更新控制指令和调制信号，svg继续按照启动流程正常投运。
49.五电平功率模块在svg系统运行阶段的控制方法，如图5所示，具体步骤如下：
50.五电平功率模块检测在运行阶段，模块控制器实时监测功率模块运行状态并上传至主控系统。当功率模块发生故障且故障类型满足闭合旁路开关条件时，模块控制器首先闭锁两个h桥逆变电路驱动脉冲，然后主动闭合旁路开关将两个h桥逆变电路从svg系统链接中旁路，同时将故障信息及模块旁路开关状态上传给主控系统；若功率模块不配置旁路开关时，闭锁两个h桥逆变电路的驱动脉冲，并将故障信息上传至主控系统。
51.主控系统在收到故障模块上传的故障信息后，将故障信息上传至人机界面，同时判断每相换流链中故障功率模块总数是否大于功率模块故障冗余数设置值，若故障功率模块数量大于功率模块故障冗余数设置值，主控系统直接执行停机指令；若故障功率模块数量小于或等于功率模块故障冗余数设置值，主控系统将故障模块状态信息清零，并根据非故障功率模块的个数更新控制指令和调制信号，svg继续保持正常运行。