本发明公开了一种高压直流断路器的在线检测装置和方法，所述高压直流断路器包括通态支路和限流支路，所述通态支路包括串联的机械开关和通态功率半导体阀，所述限流支路包括限流功率半导体阀，通态功率半导体阀和限流功率半导体阀均设有串联的阀臂，每个阀臂由M个IGBT直接串联组成，M≥2：每个IGBT并联有均压缓冲电路，每个IGBT连接有一个带有IGBT电压检测电路的门极驱动单元GDU，所有的门极驱动单元GDU与在线检测控制器相连，在线检测控制器向门极驱动单元GDU发出控制命令，各门极驱动单元GDU根据命令控制对应的IGBT开通或关断并将检测信息反馈至在线检测控制器，在线检测控制器还用于检测限流支路的电流、通态支路的电流以及机械开关是否异常。
1.一种高压直流断路器的在线检测装置，所述高压直流断路器包括通态支路和限流支路，所述通态支路包括串联的机械开关和通态功率半导体阀，所述限流支路包括限流功率半导体阀，通态功率半导体阀和限流功率半导体阀均设有串联的阀臂，每个阀臂由M个IGBT直接串联组成，M≥2，其特征在于：每个IGBT并联有均压缓冲电路，每个IGBT连接有一个带有IGBT电压检测电路的门极驱动单元GDU，所有的门极驱动单元GDU与在线检测控制器相连，在线检测控制器向门极驱动单元GDU发出控制命令，各门极驱动单元GDU根据命令控制对应的IGBT开通或关断并将检测信息反馈至在线检测控制器，在线检测控制器还用于检测限流支路的电流、通态支路的电流以及机械开关是否异常；
均压缓冲电路包括串联的二极管D和电容C，串联的电阻R1和R2，电阻R1的一端分别与二极管D的正极、IGBT的集电极相连，电阻R1的另一端分别与电阻R2、二极管D的负极相连，二极管D的负极与电容C相连，电阻R2的另一端分别与电容C的另一端、IGBT的发射极相连。
2.根据权利要求1所述的一种高压直流断路器的在线检测装置，其特征在于，所有的门极驱动单元GDU通过光纤通道与在线检测控制器相连。
3.基于权利要求1所述的高压直流断路器的在线检测装置的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、开通限流支路上限流功率半导体阀的所有IGBT；
步骤2、关断通态支路上通态功率半导体阀的所有IGBT；
步骤3、延迟时间Ty，判断通态支路电流是否为0，若为0，则进入步骤4；
步骤4、判断限流支路电流是否为工作电流，若是，则进入步骤5；
步骤5、判断通态支路上每个IGBT的集射极电压VCE是否大于设定参考值VREF0，若否，则判断通态支路对应的IGBT异常；若是，则进入步骤6；
步骤6、关断机械开关，判断机械开关位置节点是否正常，若否，则判断通态支路异常；
步骤7、初始化：令N＝1，设定参考值的下限值VREF1和参考值的上限值VREF2；
步骤8、关断限流支路上IGBTN，其他串联的IGBT仍保持开通状态，经过T1时间后，检测IGBTN的集射极电压VCEN，若VREF1≤VCEN≤VREF2，则判断IGBTN没有短路损坏；若VCEN＜VREF1时，则判断IGBTN已损坏；
步骤9、判断N的值是否等于限流功率半导体阀的IGBT总量，若等于，则结束；否则，令N的值加1并进入步骤8。
4.根据权利要求3所述的高压直流断路器的在线检测装置的检测方法，其特征在于，步骤8中，关断限流支路上IGBTN T1时长后，GDUN重新开通IGBTN，经过T2时间，使IGBTN的电压恢复至正常导通电压值VCESAT，GDUN将IGBTN的检测信息回传至在线检测控制器，在线检测控制器记录IGBTN的具体位置和状态信息。
5.根据权利要求3所述的高压直流断路器的在线检测装置的检测方法，其特征在于，步骤3中，若通态支路电流不为0，则判断通态支路异常。
6.根据权利要求3所述的高压直流断路器的在线检测装置的检测方法，其特征在于，步骤4中，若限流支路电流不为工作电流，则判断限流支路异常。
一种高压直流断路器的在线检测装置和方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种高压直流断路器的在线检测装置和方法。
背景技术
[0002] 随着电力电子技术的发展及进步，在高压、大容量直流断路器应用领域，IGBT特别是压接式IGBT直接串联的方式，具有结构紧凑，控制方法简单等优势，得到了广泛的应用。高压直流断路器是构建多端柔性直流系统的核心装备，能够提高系统运行的经济性和可靠性。
[0003] 高压直流断路器需要在数毫秒内实现换流站与故障点隔离，实现快速将故障切除的功能，一般采用IGBT器件，特别是压接型IGBT器件串联组成高压直流断路器的通态支路和限流支路。为保障系统的可靠运行，需要对高压直流断路器进行在线检测。在检测过程中，既要保证高压直流断路器处于运行状态，还要可以对机械开关、所有IGBT进行检测，并可以快速找出故障点，以及损坏IGBT的具体位置，为后期的检修更换提供可靠的数据支撑，本发明即是基于此考虑而产生。
发明内容
[0004] 针对上述问题，本发明提供一种高压直流断路器的在线检测装置和方法，通过对高压直流断路器中通态支路和限流支路的电流检测、机械开关位置节点的检测、IGBT集射极电压的检测，判断两个支路中有无IGBT、机械开关断路、短路，可以快速找出故障点，以及损坏IGBT的具体位置，为后期的检修更换提供可靠的数据支撑。
[0005] 为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
[0006] 一种高压直流断路器的在线检测装置，所述高压直流断路器包括通态支路和限流支路，所述通态支路包括串联的机械开关和通态功率半导体阀，所述限流支路包括限流功率半导体阀，通态功率半导体阀和限流功率半导体阀均设有串联的阀臂，每个阀臂由M个IGBT直接串联组成，M≥2：
[0007] 每个IGBT并联有均压缓冲电路，每个IGBT连接有一个带有IGBT电压检测电路的门极驱动单元GDU，所有的门极驱动单元GDU与在线检测控制器相连，在线检测控制器向门极驱动单元GDU发出控制命令，各门极驱动单元GDU根据命令控制对应的IGBT开通或关断并将检测信息反馈至在线检测控制器，在线检测控制器还用于检测限流支路的电流、通态支路的电流以及机械开关是否异常。
[0008] 优选，均压缓冲电路包括串联的二极管D和电容C，串联的电阻R1和R2，电阻R1的一端分别与二极管D的正极、IGBT的集电极相连，电阻R1的另一端分别与电阻R2、二极管D的负极相连，二极管D的负极与电容C相连，电阻R2的另一端分别与电容C的另一端、IGBT的发射极相连。
[0009] 相应的，一种高压直流断路器的在线检测方法，包括如下步骤：
[0010] 步骤1、开通限流支路上限流功率半导体阀的所有IGBT；
[0011] 步骤2、关断通态支路上通态功率半导体阀的所有IGBT；
[0012] 步骤3、延迟时间Ty，判断通态支路电流是否为0，若为0，则进入步骤4；
[0013] 步骤4、判断限流支路电流是否为工作电流，若是，则进入步骤5；
[0014] 步骤5、判断通态支路上每个IGBT的集射极电压VCE是否大于设定参考值VREF0，若否，则判断通态支路对应的IGBT异常；若是，则进入步骤6；
[0015] 步骤6、关断机械开关，判断机械开关位置节点是否正常，若否，则判断通态支路异常；若是，则进入步骤7；
[0016] 步骤7、初始化：令N＝1，设定参考值的下限值VREF1和参考值的上限值VREF2；
[0017] 步骤8、关断限流支路上IGBTN，其他串联的IGBT仍保持开通状态，经过T1时间后，检测IGBTN的集射极电压VCEN，若VREF1≤VCEN≤VREF2，则判断IGBTN没有短路损坏；若VCEN＜VREF1时，则判断IGBTN已损坏；
[0018] 步骤9、判断N的值是否等于限流功率半导体阀的IGBT总量，若等于，则结束；否则，令N的值加1并进入步骤8。
[0019] 优选，步骤8中，关断限流支路上IGBTN T1时长后，GDUN重新开通IGBTN，经过T2时间，使IGBTN的电压恢复至正常导通电压值VCESAT，GDUN将IGBTN的检测信息回传至在线检测控制器，在线检测控制器记录IGBTN的具体位置和状态信息。
[0020] 本发明的有益效果是：
[0021] 采用上述检测装置和方法，在高压直流断路器运行状态下，可检测通态支路和限流支路上所有串联的IGBT。在线检测控制器详细记录每个IGBT的状态信息和具体位置，为后续的停电检修提供数据支撑。
附图说明
[0022] 图1是本发明高压直流断路器的拓扑结构示意图；
[0023] 图2是本发明一种高压直流断路器的在线检测装置的部分结构示意图；
[0024] 图3是本发明高压直流断路器在线检测控制装置与检测控制对象连接示意图；
[0025] 图4是本发明GDU上IGBT电压检测电路示意图；
[0026] 图5是本发明在线检测控制装置控制时序逻辑示意图；
[0027] 图6是本发明一种高压直流断路器的在线检测方法的流程图；
[0028] 图7是本发明RCD均压缓冲电路图。
具体实施方式
[0029] 下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
[0030] 如图1-7所示，一种高压直流断路器的在线检测装置，所述高压直流断路器包括并联的通态支路和限流支路，所述通态支路包括串联的机械开关和通态功率半导体阀，所述限流支路包括限流功率半导体阀，通态功率半导体阀和限流功率半导体阀均设有串联的阀臂，每个阀臂由M个IGBT直接串联组成，M≥2。正常工作时，电流IC流过通态支路，一般的，限流支路的IGBT数量远大于通态支路的IGBT数量。
[0031] 高压直流断路器的在线检测装置包括均压缓冲电路RCD、门极驱动单元GDU和在线检测控制器，如图2所示，每个IGBT并联有均压缓冲电路，每个IGBT连接有一个带有IGBT电压检测电路的门极驱动单元GDU，所有的门极驱动单元GDU与在线检测控制器相连，比如，所有的门极驱动单元GDU通过光纤通道与在线检测控制器相连。
[0032] 在线检测控制器向门极驱动单元GDU发出控制命令，各门极驱动单元GDU根据命令控制对应的IGBT开通或关断并将检测信息反馈至在线检测控制器。如图3所示，在线检测控制器还用于检测限流支路的电流、通态支路的电流以及机械开关是否异常。
[0033] 如图7所示，一种均压缓冲电路，包括串联的二极管D和电容C，串联的电阻R1和R2，电阻R1的一端分别与二极管D的正极、IGBT的集电极相连，电阻R1的另一端分别与电阻R2、二极管D的负极相连，二极管D的负极与电容C相连，电阻R2的另一端分别与电容C的另一端、IGBT的发射极相连。
[0034] 对应的，如图6所示，一种高压直流断路器的在线检测方法，在线检测控制器发出控制命令给IGBT驱动单元GDU，开通限流支路上的所有IGBT，然后关闭通态功率半导体阀上的所有IGBT，原来流过高压直流断路器通态支路上的电流IC，转移至限流支路上。在线检测控制器检测通态支路和限流支路上的电流，当检测到通态支路上的电流为0，限流支路上的电流与高压直流断路器的工作电流一致时，再对高压直流断路器各个支路进行检测。具体包括如下步骤：
[0035] 步骤1、开通限流支路上限流功率半导体阀的所有IGBT；
[0036] 步骤2、关断通态支路上通态功率半导体阀的所有IGBT；
[0037] 步骤3、延迟时间Ty，判断通态支路电流是否为0，若为0，则进入步骤4；
[0038] 步骤4、判断限流支路电流是否为工作电流，若是，则进入步骤5；
[0039] 步骤5、由于限流支路的IGBT数量远大于通态支路的IGBT，在限流支路流过电流IC时，在高压直流断路器两端，即通态功率半导体阀上串联的每个IGBT上产生电压差，带有IGBT电压检测电路的门极驱动单元GDU检测通态支路上每个IGBT的集射极电压，判断通态支路上每个IGBT的集射极电压VCE是否大于设定参考值VREF0，若否，则判断通态支路对应的IGBT异常；若是，则判断该IGBT正常，则进入步骤6；
[0040] 步骤6、在线检测控制器发出控制命令给机械开关，关断机械开关，通过对机械开关位置节点的检查，判断机械开关位置节点是否正常，若否，则判断通态支路异常；若是，则进入步骤7；
[0041] 步骤7、初始化：令N＝1，设定参考值的下限值VREF1和参考值的上限值VREF2；
[0042] 步骤8、如图4和5所示，在线检测控制器发出控制命令给限流支路的IGBTN驱动单元GDUN，关断限流支路上IGBTN，其他串联的IGBT仍保持开通状态，经过T1时间后，此段时间内，IGBT检测电流IC由IGBTN转向流入与IGBTN并联的均压缓冲电路，使均压缓冲电路在T1时间内不断充电，电压升高至VCEN。检测IGBTN的集射极电压VCEN，若VREF1≤VCEN≤VREF2，则判断IGBTN没有短路损坏；若VCEN＜VREF1时，则判断IGBTN已损坏；
[0043] 步骤9、判断N的值是否等于限流功率半导体阀的IGBT总量，若等于，则结束；否则，令N的值加1并进入步骤8，直至所有的限流支路上IGBT均检测完毕。
[0044] 优选，步骤8中，关断限流支路上IGBTN T1时长后，GDUN重新开通IGBTN，经过T2时间，再次确认IGBTN两端的电压，当VCEN电压降至IGBT的饱和压降VCESAT后(即IGBTN的电压恢复至正常导通电压值VCESAT)，认为IGBTN处于开通状态，GDUN将IGBTN的检测信息回传至在线检测控制器，在线检测控制器记录IGBTN的具体位置和状态信息。在线检测控制器在T2时刻后，经过一段时间延迟TD(TD可为0)，再依照上述描述的方法检测IGBTN+1。
[0045] 在线检测控制器根据门极驱动单元GDU反馈的状态信息，判断IGBTN是否存在异常，如状态信息中包含IGBTN的故障信息，则判断IGBTN存在异常，如状态信息中没有IGBTN的故障信息，则判断IGBTN正常，并按照检测IGBTN的方式，逐个检测剩余的IGBT，记录所有IGBT的检测状态信息、异常IGBT的具体位置等。
[0046] 上述步骤3中，若通态支路电流不为0，则判断通态支路异常。步骤4中，若限流支路电流不为工作电流，则判断限流支路异常。
[0047] 采用上述检测装置和方法，在高压直流断路器运行状态下，可检测通态支路和限流支路上所有串联的IGBT。在线检测控制器详细记录每个IGBT的状态信息和具体位置，为后续的停电检修提供数据支撑。
[0048] 以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
