一种新型ＩＧＢＴ高压串联阀控制与监测系统技术方案

本发明专利技术属于电力系统领域，具体涉及一种新型的ＩＧＢＴ高压串联阀控制监测系统。包括ＩＧＢＴ门极电路、阀控制监测单元及光纤传输系统，ＩＧＢＴ高压串联阀中的每一个绝缘栅双极型晶体管ＩＧＢＴ都有一个独立的ＩＧＢＴ门极电路，每一个ＩＧＢＴ门极电路都通过光纤传输系统中的两条光纤和ＩＧＢＴ阀控制监测单元相连接，上述所有光纤组成光纤传输系统，阀控制监测单元通过光纤传输系统和ＩＧＢＴ门极电路互相发送、接收信号。满足了ＩＧＢＴ开通、关断、电压平衡化控制、阀状态监测等各项功能的需要。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电力系统领域，具体涉及一种新型的IGBT高压串联阀控制监测系统。
技术介绍
20世纪80年代中期出现的半导体电力开关器件——绝缘栅双极型晶体管 IGBTdnsulated Gate Biploar ^Transistor)是一种复合器件，它的输入控制部分为 M0SFET，输出级为双极结型晶体管，兼有MOSFET和电力晶体管的优点高输入阻抗，电压控 制，驱动功率小，开关速度快，工作频率可达10 40kHz，饱和压降低，电压、电流容量较大， 安全工作区较宽。但是IGBT的缺点在于单个IGBT的电压、电流允许值很难再提高，为了应 用于高电压、大功率的领域，通常采用IGBT串联的方法。随着电力电子技术在电力系统中应用的逐步推广，基于IGBT串联均压技术的高 压阀正在成为各种新型大功率电力电子装置的核心部件。例如VSC-HVDC、STATCOM、UPFC 等。在这些场合中，由于串联的IGBT器件运行的频率较高，开关速度较快，很容易在串联的 IGBT器件中产生电压不平衡的情况，而高电压、大功率的应用领域决定了一旦出现严重的 电压不平衡，串联的IGBT将不可避免的出现失效甚至损坏。而串联的IGBT出现断路失效 后，反过来又会损坏这些大功率电力电子装置，造成严重的经济损失。IGBT属于门级电压全控型器件，而传统的晶闸管属于门极电流半控型器件，同时 IGBT高压串联阀的工作频率高达上千赫兹，而晶闸管高压串联阀工作频率一般为50赫兹， 因此IGBT高压串联阀在实现电压和其它参数的平衡化方面存在较大的技术差异，电压平 衡化不能仅仅采用阻尼强迫均压，其电压平衡化需要采用主动调整技术，即调整门极输入 电压，实现电压的平衡化。正是由于以上原因，传统的晶闸管高压串联阀的触发监测系统主要完成晶闸管触 发和状态监测，而没有实现晶闸管均压的功能；而IGBT高压串联阀控制监测系统不仅要完 成IGBT的开通、关断及状态监测功能，还需要完成IGBT级电压平衡化调节，因此，传统的晶 闸管高压串联阀触发监测系统已不能满足IGBT高压串联阀的需要，必须IGBT高压串联阀 的控制监测系统进行重新设计。在通常的测量与控制系统中，控制信号和数据信号一般使用电缆线传输。在强电 磁场环境中，例如高压、大功率的IGBT串联阀中，控制信号和数据很容易受到干扰，严重影 响系统性能。在高共模电压和与强电相关的测量与控制系统中，传统的隔离方法隔离度不 高，强电部分很容易对弱电部分产生干扰，甚至对弱电部分的电路造成损坏，导致系统性能 不稳定。电缆线的传输损耗大，导致传输距离不远，质量大，影响系统机动性等。采用高速 光纤信号传输技术可以很好的解决这些问题。
技术实现思路
本专利技术提供了一种新型的IGBT高压串联阀控制监测系统方案，满足了 IGBT开通、 关断、电压平衡化控制、阀状态监测等各项功能的需要，采用双通道光纤传输系统，为IGBT串联应用的实用化指出了一条崭新的技术路径。IGBT高压串联阀控制监测系统框图如图1所示，它包括IGBT门极电路，阀控制监 测单元及光纤传输系统三部分组成。本专利技术的一种绝缘栅双极型晶体管IGBT高压串联阀控制监测系统，包括IGBT门 极电路、阀控制监测单元及光纤传输系统，IGBT高压串联阀中的每一个绝缘栅双极型晶体 管IGBT都有一个独立的IGBT门极电路，每一个IGBT门极电路都通过光纤传输系统中的两 条光纤和IGBT阀控制监测单元相连接，上述所有光纤组成光纤传输系统，阀控制监测单元 通过光纤传输系统和IGBT门极电路互相发送、接收信号；所述每个IGBT的门极电路与控制监测单元之间用两条光纤通道实现信息交互， 这两条光纤通道为高速数字信号传输通道，一条高速数字信号光纤通道用于门极电路工作 状态实时监测，另一条高速数字信号光纤通道用于向门极电路发送开通和关断命令；IGBT门极控制电路及其外围电路包括外围电路和门极电路；所述外围电路包括电容、电阻和集电极电压嵌位电路；分别用于实现动态、静态均 压和集电极过电压保护，同时还和门极电路配合实现取能和动态电压测量的功能；所述IGBT的门极电路包括IGBT/ 二极管级电压检测单元，取能单元，门极电路 工作状态检测单元，门极状态输出单元，故障处理单元，人工设置参考电压功能单元，开通/ 关断命令处理单元和门极控制驱动单元，所述取能单元从阻尼回路中量取电能，供门极电 路工作，所述门极电压嵌位单元用于实现门极过电压保护，所述门极控制驱动单元向IGBT 门极发送电压触发信号，实现IGBT的触发、关断，IGBT级电压检测单元对IGBT级电压监测， 若监测到故障，则发送给故障处理单元，故障处理单元实现包括过电压保护性开通、过电流 保护性关断的功能，人工设置参考电压单元实现人工设置IGBT级集-射极参考电压功能， 它通过光纤接收来自控制监测单元的IGBT触发与关断命令，另一方面，向控制监测单元返 回门极电路和IGBT级工作状态编码。其中，阀控制监测系统包括以下功能单元门极电路状态输入单元、IGBT开通和 关断命令产生单元、IGBT开通和关断命令分配单元、IGBT开通和关断命令输出单元.解码 电路、IGBT开通和关断命令分配单元、IGBT阀控状态监测单元及IGBT阀控状态处理单元， 用于完成以下的功能(1)门极电路状态检测单元接收来自门极单元的工作状态编码信号，对门极电路 及IGBT级的工作状态实时监测；(2)接收来自上级控制保护系统的命令，处理后形成每个阀的开通和关断命令，并 通过光纤传输系统分配输出至每个IGBT级，触发IGBT ；(3)实时向上级控制保护单元传送IGBT高压串联阀和阀控制保护单元的状态。本专利技术的有益效果是1、本专利技术的IGBT高压串联阀触发监测系统整体方案完备；2、本专利技术的门极电路和阀控制监测单元功能设计完备；3、本专利技术的系统采用双通道光纤系统实现IGBT级运行监控。附图说明图1为IGBT高压串联阀控制监测系统总体方案的结构示意图；4图2为IGBT门极电路功能框图及其外围电路的结构示意图；图3为IGBT高压串联阀控制监测单元功能框图示意图。具体实施例方式IGBT高压串联阀控制监测系统框图如图1所示，它主要包括IGBT门极电路，阀控 制监测单元及光纤传输系统三部分。每个IGBT的门极电路与控制监测单元之间用两条光纤通道实现信息交互，这两 条光纤通道为高速数字信号传输通道。一条高速数字信号光纤通道用于门极电路工作状态 实时监测，另一条高速数字信号光纤通道用于向门极电路发送开通和关断命令。IGBT门极控制电路及其外围电路如图2所示，包括外围电路和门极电路。IGBT的外围电路包括电容、电阻和集电极电压嵌位电路，分别用于实现动态、静态 均压和集电极过电压保护，同时还和门极电路配合实现取能和动态电压测量的功能。IGBT的门极电路内部包括IGBT/ 二极管级电压检测单元，取能单元，门极电路工 作状态检测单元，门极状态输出单元，故障处理单元，人工设置参考电压功能单元，开通/ 关断命令处理单元和门极控制驱动单元，连接方式如图2所示，所述取能单元从阻尼回路 中量取电能，供门极电路工作，所述门极电压嵌位单元用于实现门极过电压保护，所述门极 控制驱动单元向IGBT门极发送电压触发信号，实现IGBT的触发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种绝缘栅双极型晶体管ＩＧＢＴ高压串联阀控制监测系统，其特征在于：包括ＩＧＢＴ门极电路、阀控制监测单元及光纤传输系统，ＩＧＢＴ高压串联阀中的每一个绝缘栅双极型晶体管ＩＧＢＴ都有一个独立的ＩＧＢＴ门极电路，每一个ＩＧＢＴ门极电路都通过光纤传输系统中的两条光纤和ＩＧＢＴ阀控制监测单元相连接，上述所有光纤组成光纤传输系统，阀控制监测单元通过光纤传输系统和ＩＧＢＴ门极电路互相发送、接收信号；所述每个ＩＧＢＴ的门极电路与控制监测单元之间用两条光纤通道实现信息交互，这两条光纤通道为高速数字信号传输通道，一条高速数字信号光纤通道用于门极电路工作状态实时监测，另一条高速数字信号光纤通道用于向门极电路发送开通和关断命令；ＩＧＢＴ门极控制电路及其外围电路包括：外围电路和门极电路；所述外围电路包括电容、电阻和集电极电压嵌位电路；分别用于实现动态、静态均压和集电极过电压保护，同时还和门极电路配合实现取能和动态电压测量的功能；所述ＩＧＢＴ的门极电路包括：ＩＧＢＴ／二极管级电压检测单元，取能单元，门极电路工作状态检测单元，门极状态输出单元，故障处理单元，人工设置参考电压功能单元，开通／关断命令处理单元和门极控制驱动单元，所述取能单元从阻尼回路中量取电能，供门极电路工作，所述门极电压嵌位单元用于实现门极过电压保护，所述门极控制驱动单元向ＩＧＢＴ门极发送电压触发信号，实现ＩＧＢＴ的触发、关断，ＩＧＢＴ级电压检测单元对ＩＧＢＴ级电压监测，若监测到故障，则发送给故障处理单元，故障处理单元实现包括过电压保护性开通、过电流保护性关断的功能，人工设置参考电压单元实现人工设置ＩＧＢＴ级集－射极参考电压功能，它通过光纤接收来自控制监测单元的ＩＧＢＴ触发与关断命令，另一方面，向控制监测单元返回门极电路和ＩＧＢＴ级工作状态编码。...

【技术特征摘要】
1.一种绝缘栅双极型晶体管IGBT高压串联阀控制监测系统，其特征在于包括IGBT门极电路、阀控制监测单元及光纤传输系统，IGBT高压串联阀中的每一个绝 缘栅双极型晶体管IGBT都有一个独立的IGBT门极电路，每一个IGBT门极电路都通过光纤 传输系统中的两条光纤和IGBT阀控制监测单元相连接，上述所有光纤组成光纤传输系统， 阀控制监测单元通过光纤传输系统和IGBT门极电路互相发送、接收信号；所述每个IGBT的门极电路与控制监测单元之间用两条光纤通道实现信息交互，这两 条光纤通道为高速数字信号传输通道，一条高速数字信号光纤通道用于门极电路工作状态 实时监测，另一条高速数字信号光纤通道用于向门极电路发送开通和关断命令；IGBT门极控制电路及其外围电路包括外围电路和门极电路；所述外围电路包括电容、电阻和集电极电压嵌位电路；分别用于实现动态、静态均压和 集电极过电压保护，同时还和门极电路配合实现取能和动态电压测量的功能；所述IGBT的门极电路包括IGBT/二极管级电压检测单元，取能单元，门极电路工作状 态检测单元，门极状态输出单元，故障处理单元，人工设置参考电压功能单元，开通/关断 命令处理单元和门极控制驱动单元，所述取能单元从阻尼回路中量取电能，供门极电路工 作，...

【专利技术属性】
技术研发人员：温家良，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]