CN110850262B - 基于上行光纤复用传输的功率单元状态监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于上行光纤复用传输的功率单元状态监测方法及装置，将IGBT驱动故障汇总电信号、脉冲型IGBT温度最高点信号和直流母线过压故障信号叠加汇总成故障电信号；将汇总后的故障电信号转换成适合光纤传输的光信号；对从光纤中接收的光信号进行光电转换得到转换后的故障电信号；控制单元通过对转换后的故障电信号进行解码分析，判断是否发生了IGBT故障、直流过压故障和/或光线硬件故障。该方法具有实现简单，不增加硬件成本的基础上实现对功率单元工作状态的全面监测及保护。

Description

基于上行光纤复用传输的功率单元状态监测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于上行光纤复用传输的功率单元状态监测方法及装置，属于功率单元状态监测技术领域。

背景技术

随着近年来新能源及节能减排行业的发展及应用，光伏、风电、储能、变频及轨道交通能量吸收装置的单机功率越做越大，从散热运维考虑，大功率电力电子产品主回路通常采用模组化设计，将功率单元独立出来。功率单元是电力电子产品的重要组成部分，功率单元的可靠性直接决定装置的性能。

目前为了提高功率单元的可靠性，增强其抗扰能力，功率单元与主控单元通常采用光纤通讯的方式，其包括下行光纤和上行光纤。下行光纤用于传输主控单元对功率单元的各组PWM控制信号；上行光纤用于传输功率单元内IGBT的工作状态信号。同时为了更全面的对功率单元进行保护，一般还会在功率单元内部配置温度开关或热敏电阻监测功率单元内部的温度。而温度开关只能简单的进行过温保护，不能用于预判或降容控制；热敏电阻可以连续采集功率单元内IGBT的温度，实现对功率单元温度的精准控制，但其需要增加控制单元的采样通道，同时考虑最恶劣的故障情况，即在IGBT炸裂中，热敏电阻有可能会与主回路的高压端连接，因此为了安全隔离，需要对其温度采样回路采取进行有效的隔离措施，这些措施都无疑的增加了硬件成本。

基于上述原因，需要提出一种新的功率单元工作状态监测方法，在不过多增加硬件成本及实现难度的前提下，实现功率单元内IGBT运行状态、IGBT温度及直流母线过压故障等信息的同时监测。

发明内容

本发明提供了一种基于上行光纤复用传输的功率单元状态监测方法及装置，可以利用原有的功率单元IGBT运行状态监测上行光纤来同时传输温度信息、直流母线过压状态信息及对光纤本身的传输硬件回路进行监测。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于上行光纤复用传输的功率单元状态监测方法，包括步骤：

步骤1，获取功率单元中若干个IGBT输出的IGBT驱动故障、温度原始信号，通过汇总得到IGBT驱动故障汇总电信号，通过比较和转换得到脉冲型IGBT温度最高点信号；获取直流母线过压故障信号，将IGBT驱动故障汇总电信号、脉冲型IGBT温度最高点信号和直流母线过压故障信号叠加汇总成故障电信号；

步骤2，将汇总后的故障电信号转换成适合光纤传输的光信号；

步骤3，对从光纤中接收的光信号进行光电转换得到转换后的故障电信号；

步骤4，控制单元通过对转换后的故障电信号进行解码分析，判断是否发生了IGBT故障、直流过压故障和/或光线硬件故障，同时解码更新功率单元的温度最高值。

进一步的，通过汇总得到IGBT驱动故障汇总电信号，具体为：

对若干个IGBT驱动故障原始信号通过与门进行叠加得到IGBT驱动故障汇总电信号。

进一步的，通过比较和转换得到脉冲型IGBT温度最高点信号，具体为：

对IGBT温度原始信号取温度最大值，将温度最大值通过压频转换电路转换为脉冲型IGBT温度最高点信号。

进一步的，获取直流母线过压故障信号，具体为：通过过压检测电路得到直流母线过压故障信号。

进一步的，所述控制单元为FPGA、CPLD或DSP。

进一步的，所述解码更新功率单元的温度最高值，具体为：

控制单元采集转换后的故障电信号即合成信号，通过记录设定时长1s内的脉冲数n，和式(1)计算出脉冲频率f；根据脉冲频率f推导出热敏电阻两端的电压，根据电压以及功率单元内部热敏电阻采样电路参数推算出热敏电阻的阻值，通过厂家提供的阻值-温度曲线可得相应的温度值，从而解码更新功率单元的温度最高值；

f＝1/n； (1)。

进一步的，所述控制单元通过对转换后的故障电信号进行解码分析，判断是否发生IGBT驱动故障、直流过压故障和/或光线硬件故障，具体过程为：

步骤1，计算低电平持续时间T_LOW，如果T_LOW大于T0，判断功率单元发生故障，启动故障计时器FAULT_CNT，并停止温度信息的解码更新；

步骤2，若转换后的故障电信号低电平持续时间FAULT_CNT大于T2或者故障电信号变高电平时，故障计数器FAULT_CNT停止计数，并按如下判断故障类型：

1)低电平持续时间FAULT_CNT小于T1，则判断发生IGBT驱动故障；

2)低电平持续时间FAULT_CNT大于T1并且小于T2，则判断发生功率单元直流母线过压故障；

3)低电平持续时间FAULT_CNT大于T2，则判断发生光纤硬件故障。

一种基于上行光纤复用传输的功率单元状态监测装置，包括：

信号叠加模块，用于获取功率单元中若干个IGBT输出的IGBT驱动故障、温度原始信号，通过汇总得到IGBT驱动故障汇总电信号，通过比较和转换得到脉冲型IGBT温度最高点信号；获取直流母线过压故障信号，将IGBT驱动故障汇总电信号、脉冲型IGBT温度最高点信号和直流母线过压故障信号叠加汇总成故障电信号；

电转光处理模块，用于将汇总后的故障电信号转换成适合光纤传输的光信号；

光电接收处理模块，用于对从光纤中接收的光信号进行光电转换得到转换后的故障电信号；

控制单元，用于通过对转换后的故障电信号进行解码分析，判断是否发生了IGBT故障、直流过压故障和/或光线硬件故障，同时解码更新功率单元的温度最高值。

进一步的，

对若干个IGBT驱动故障原始信号通过与门进行叠加得到IGBT驱动故障汇总电信号；

对IGBT温度原始信号取温度最大值，将温度最大值通过压频转换电路转换为脉冲型IGBT温度最高点信号；

获取直流母线过压故障信号，具体为：通过过压检测电路得到直流母线过压故障信号。

本发明的有益效果是：用单路上行光纤实现了对功率单元内部所有状态信息的监测，及所有检测回路与控制***高可靠的有效隔离，同时也避免了光纤传输温度信息的误解读。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中监测方法实现的整体框图。

图2为本发明具体实施方式中几种信息的典型波形图。

图3为本发明具体实施方式中光纤信息解码逻辑图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明作进一步说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1：

如图1所示，一种基于上行光纤复用传输的功率单元状态监测方法，包括步骤：

步骤1，获取功率单元中若干个IGBT输出的IGBT驱动故障、IGBT温度原始信号，对所有IGBT驱动故障通过与门进行叠加得到IGBT驱动故障汇总电信号，对IGBT温度原始信号取温度最大值，将温度最大值通过压频转换电路转换为对应脉冲型IGBT温度最高点信号；通过过压检测电路得到直流母线过压故障信号，将IGBT驱动故障汇总电信号、脉冲型IGBT温度最高点信号和直流母线过压故障信号叠加汇总成故障电信号后发送给电转光处理模块；

步骤2，通过电转光处理模块将汇总后的故障电信号转换成适合光纤传输的光信号后通过光纤进行传输；

步骤3，通过光电接收处理模块对接收的光信号进行光电转换得到转换后的故障电信号；

步骤4，控制单元通过对故障电信号进行解码分析，判断是否发生IGBT故障、直流过压故障和/或光线硬件故障，同时解码更新功率单元的温度最高值。

同时解码更新功率单元的温度最高值，具体为：

控制单元采集转换后的故障电信号即合成信号，通过记录设定时长1s内的脉冲数n，和式(1)计算出脉冲频率f；根据脉冲频率f推导出热敏电阻两端的电压，根据电压以及功率单元内部热敏电阻采样电路参数可推算出热敏电阻的阻值，通过厂家提供的阻值-温度曲线可得相应的温度值，从而解码更新功率单元的温度最高值；

f＝1/n； (1)。

如图3所示，对故障电信号ERR进行解码分析，具体步骤包括：

步骤1，计算低电平持续时间T_LOW，如果T_LOW大于T0(例如取T0＝0.1ms)，首先置功率单元故障标志位，启动故障计时器FAULT_CNT，并停止温度信息的解码更新；

步骤2，若转换后的故障电信号低电平持续时间FAULT_CNT大于T2或者故障电信号变高电平时，故障计数器FAULT_CNT停止计数，并按如下判断故障类型：

1)低电平持续时间FAULT_CNT小于T1(例如取T1＝100ms)，则置IGBT驱动故障标志；

2)低电平持续时间FAULT_CNT大于T1并且小于T2(例如取T2＝1000ms)，则置功率单元直流母线过压故障；

3)低电平持续时间FAULT_CNT大于T2，则置光纤故障。

实施例2：

一种基于上行光纤复用传输的功率单元状态监测装置，包括：

信号叠加模块，用于获取功率单元中若干个IGBT输出的IGBT驱动故障、温度原始信号，通过汇总得到IGBT驱动故障汇总电信号，通过比较和转换得到脉冲型IGBT温度最高点信号；获取直流母线过压故障信号，将IGBT驱动故障汇总电信号、脉冲型IGBT温度最高点信号和直流母线过压故障信号叠加汇总成故障电信号；

电转光处理模块，用于将汇总后的故障电信号转换成适合光纤传输的光信号；

光电接收处理模块，用于对从光纤中接收的光信号进行光电转换得到转换后的故障电信号；

控制单元，用于通过对转换后的故障电信号进行解码分析，判断是否发生了IGBT故障、直流过压故障和/或光线硬件故障，同时解码更新功率单元的温度最高值。

进一步的，所述控制单元为FPGA、CPLD或DSP。

进一步的，对若干个IGBT驱动故障原始信号通过与门进行叠加得到IGBT驱动故障汇总电信号；

对IGBT温度原始信号取温度最大值，将温度最大值通过压频转换电路转换为脉冲型IGBT温度最高点信号；

获取直流母线过压故障信号，具体为：通过过压检测电路得到直流母线过压故障信号。

同时解码更新功率单元的温度最高值，具体为：

控制单元采集转换后的故障电信号即合成信号，通过记录设定时长1s内的脉冲数n，和式(1)计算出脉冲频率f；根据脉冲频率f推导出热敏电阻两端的电压，根据电压以及功率单元内部热敏电阻采样电路参数可推算出热敏电阻的阻值，通过厂家提供的阻值-温度曲线可得相应的温度值，从而解码更新功率单元的温度最高值；

f＝1/n； (1)。

如图3所示，对故障电信号ERR进行解码分析，具体步骤包括：

步骤1，计算低电平持续时间T_LOW，如果T_LOW大于T0(例如取T0＝0.1ms)，首先置功率单元故障标志位，启动故障计时器FAULT_CNT，并停止温度信息的解码更新；

步骤2，若转换后的故障电信号低电平持续时间FAULT_CNT大于T2或者故障电信号变高电平时，故障计数器FAULT_CNT停止计数，并按如下判断故障类型：

1)低电平持续时间FAULT_CNT小于T1(例如取T1＝100ms)，则置IGBT驱动故障标志；

2)低电平持续时间FAULT_CNT大于T1并且小于T2(例如取T2＝1000ms)，则置功率单元直流母线过压故障；

3)低电平持续时间FAULT_CNT大于T2，则置光纤故障。

本发明需要辨识的几种信息的典型波形如下图2所示：

1)功率单元IGBT内NTC温度最高点信号，为15-100kHz的有效频率信号；

2)IGBT驱动故障汇总信号，为90ms低电平的重复信号，如图2所示；

3)光纤故障，指由光纤损坏、光强不够引起的故障，其特点主要是不可恢复故障，及故障后，其持续时间长；

4)直流母线过压故障，由于功率单元直流侧电压变化是大惯性环节，且直流过压保护设置有滞环，通过实际测量一般其故障持续时间在0.3-3s；

综上所述，采取本发明基于上行光纤复合传输的功率单元工作状态监测方法及装置，在不过多增加装置控制硬件成本的前提下，实现了对功率单元内部所有状态信息的监测，及所有检测回路与控制***高可靠的有效隔离，同时也避免了光纤传输温度信息的误解读。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种基于上行光纤复用传输的功率单元状态监测方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1，获取功率单元中若干个 IGBT输出的IGBT驱动故障、温度原始信号，通过汇总得到IGBT驱动故障汇总电信号，通过比较和转换得到脉冲型IGBT温度最高点信号；获取直流母线过压故障信号，将IGBT驱动故障汇总电信号、脉冲型IGBT温度最高点信号和直流母线过压故障信号叠加汇总成故障电信号；

步骤2，将汇总后的故障电信号转换成适合光纤传输的光信号；

步骤3，对从光纤中接收的光信号进行光电转换得到转换后的故障电信号；

步骤4，控制单元通过对转换后的故障电信号进行解码分析，判断是否发生了IGBT故障、直流过压故障和/或光线硬件故障，同时解码更新功率单元的温度最高值；

所述解码更新功率单元的温度最高值，具体为：

控制单元采集转换后的故障电信号即合成信号，通过记录设定时长1s内的脉冲数n，和式（1）计算出脉冲频率f；根据脉冲频率f推导出热敏电阻两端的电压，根据电压以及功率单元内部热敏电阻采样电路参数推算出热敏电阻的阻值，通过厂家提供的阻值-温度曲线可得相应的温度值，从而解码更新功率单元的温度最高值；

f = 1/n （1）。

2.根据权利要求1所述的一种基于上行光纤复用传输的功率单元状态监测方法，其特征在于：通过汇总得到IGBT驱动故障汇总电信号，具体为：

对若干个IGBT驱动故障原始信号通过与门进行叠加得到IGBT驱动故障汇总电信号。

3.根据权利要求1所述的一种基于上行光纤复用传输的功率单元状态监测方法，其特征在于，通过比较和转换得到脉冲型IGBT温度最高点信号，具体为：

对IGBT温度原始信号取温度最大值，将温度最大值通过压频转换电路转换为脉冲型IGBT温度最高点信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于上行光纤复用传输的功率单元状态监测方法，其特征在于：获取直流母线过压故障信号，具体为：通过过压检测电路得到直流母线过压故障信号。

5.根据权利要求1所述的一种基于上行光纤复用传输的功率单元状态监测方法，其特征在于：所述控制单元为FPGA、CPLD或DSP。

6.根据权利要求1所述的一种基于上行光纤复用传输的功率单元状态监测方法，其特征在于：所述控制单元通过对转换后的故障电信号进行解码分析，判断是否发生IGBT驱动故障、直流过压故障和/或光线硬件故障，具体过程为：

步骤1，计算低电平持续时间T_LOW，如果T_LOW大于T0，判断功率单元发生故障，启动故障计时器FAULT_CNT，并停止温度信息的解码更新；

步骤2，若转换后的故障电信号低电平持续时间FAULT_CNT大于T2或者故障电信号变高电平时，故障计数器FAULT_CNT停止计数，并按如下判断故障类型：

1）低电平持续时间FAULT_CNT小于T1，则判断发生IGBT驱动故障；

2）低电平持续时间FAULT_CNT大于T1并且小于T2，则判断发生功率单元直流母线过压故障；

3）低电平持续时间FAULT_CNT大于T2，则判断发生光纤硬件故障。

7.一种基于上行光纤复用传输的功率单元状态监测装置，其特征在于，包括：

信号叠加模块，用于获取功率单元中若干个 IGBT输出的IGBT驱动故障、温度原始信号，通过汇总得到IGBT驱动故障汇总电信号，通过比较和转换得到脉冲型IGBT温度最高点信号；获取直流母线过压故障信号，将IGBT驱动故障汇总电信号、脉冲型IGBT温度最高点信号和直流母线过压故障信号叠加汇总成故障电信号；

电转光处理模块，用于将汇总后的故障电信号转换成适合光纤传输的光信号；

光电接收处理模块，用于对从光纤中接收的光信号进行光电转换得到转换后的故障电信号；

控制单元，用于通过对转换后的故障电信号进行解码分析，判断是否发生了IGBT故障、直流过压故障和/或光线硬件故障，同时解码更新功率单元的温度最高值；

所述解码更新功率单元的温度最高值具体为：

控制单元采集转换后的故障电信号即合成信号，通过记录设定时长1s内的脉冲数n，和式（1）计算出脉冲频率f；根据脉冲频率f推导出热敏电阻两端的电压，根据电压以及功率单元内部热敏电阻采样电路参数推算出热敏电阻的阻值，通过厂家提供的阻值-温度曲线可得相应的温度值，从而解码更新功率单元的温度最高值；

f = 1/n （1）。

8.根据权利要求7所述的一种基于上行光纤复用传输的功率单元状态监测装置，其特征在于：

对若干个IGBT驱动故障原始信号通过与门进行叠加得到IGBT驱动故障汇总电信号；

对IGBT温度原始信号取温度最大值，将温度最大值通过压频转换电路转换为脉冲型IGBT温度最高点信号；

获取直流母线过压故障信号，具体为：通过过压检测电路得到直流母线过压故障信号。

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