技术领域
[0001] 本
发明涉及电
力设备故障检测技术领域，具体是模块化多电平换流阀子模块IGBT故障检测系统及方法。
背景技术
[0002] 近年来柔性直流输电系统快速发展，柔直换流阀采用模块化多电平子模块
串联的结构形式，子模块的可靠性对于系统至关重要——如果子模块发生
短路故障，其余子模块电力
应力增加，严重将导致连
锁反应；如果子模块发生开路故障，子模块不能在正常的工作模式下运行，会导致桥臂产生较大的环流。因此，模块化多电平的故障监测对调整控制方式减少故障提高可靠性以及停电检修具有重要的意义。
[0003] 子模块中的核心部件IGBT是最为脆弱的部分，按照IGBT故障发生的
位置，一般可以分为芯片以及封装两个层面的故障，IGBT芯片通常因为电气过应力、闩锁效应或是
过热而导致击穿短路；最常见的封装故障常常发生在键合线与芯片的连接，造成开路。
[0004] 目前研究多针对封装层面的故障，通过检测封装引线状态、封装热阻的变化实现IGBT封装故障的检测，这些方法需要测量实时测量子模块
电压、
电流，并采用小波奇异熵、卡尔曼滤波、滑模观测器等
算法进行数据分析、辨识故障。一个柔直换流阀包含数量可观的子模块数，其检测数据量庞大，对
数据处理带来巨大压力；算法的复杂度给系统带来沉重的计算负荷。
[0005] 另一方面，针对芯
片层面的研究主要围绕着芯片
结温的检测展开。传统的方法通过改造IGBT嵌入
传感器，抑或是采用红外摄像仪测量壳温粗略估测芯片结温，这些方法具有易于在线的优势，但是存在改造IGBT成本高、以及测量准确度低的问题；新的热敏感电参数结温提取法，克服了需要改造IGBT以及测量准确度的问题，但此法往往需要外加电源，而且对电源要求高，对系统侵入性较高；同时热敏感电参数结温提取法对测量
精度要求高，对于换流阀众多子模块其数据流量压力巨大。
[0006] 现行的子模块故障检测方法存在算法复杂，测量量众多，系统侵入性高等问题。
发明内容
[0007] 本发明的目的是解决
现有技术中存在的问题。
[0008] 为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，模块化多电平换流阀子模块IGBT故障检测系统，主要包括自取能系统、脉冲发生系统、触发控制系统、故障检测系统和
数据处理系统。
[0009] 所述自取能系统和模块化多电平换流阀子模块的储能电容C0并联。储能电容C0对自取能系统放电。
[0010] 所述自取能系统向脉冲发生系统供电。
[0011] 进一步，所述自取能系统包括串联的电容Cdiv1和电容Cdiv2。
[0012] 所述触发控制系统根据数据处理系统的故障类型
信号产生
控制信号，并发送至脉冲发生系统，从而控制脉冲发生系统产生的脉冲参数。
[0013] 进一步，所述脉冲激励宽度范围为[10ns，1000ns]，
频率范围为[1Hz，1000Hz]，输出最大幅值为10kV。
[0014] 进一步，所述触发控制系统向脉冲发生系统发送控制信号。其中，控制信号IN1控制
开关SW1的通断，控制信号IN2控制开关SW2的通断，控制信号IN3控制开关SW5的通断，控制信号IN4控制开关SW6的通断，控制信号OUT1控制开关SW3的通断，控制信号OUT2控制开关SW4的通断，控制信号OUT3控制开关SW7的通断，控制信号OUT4控制开关SW8的通断，控制信号Signal1_1、…、控制信号Signal1_n控制
半导体开关管S1_1、…、
半导体开关管S1_n的通断，控制信号Signal2_1、…、控制信号Signal2_(2n)控制半导体开关管S2_1、…、半导体开关管S2_2n的通断，Signal3_1、…、Signal3_n控制半导体开关S3_1、…、半导体开关管S3_n的通断，控制信号Signal4_1、…、控制信号Signal4_(2n)控制半导体开关管S4_1、…、半导体开关管S4_2n的通断。
[0015] 当控制信号IN1控制开关SW1闭合，控制信号IN2控制开关SW2断开时，脉冲发生系统I通过脉冲形成线TL1和脉冲形成线TL2形成脉冲。控制信号OUT1控制开关SW3闭合，控制信号OUT2控制开关SW4断开，脉冲发生系统I输出脉冲形成线TL1和脉冲形成线TL2形成的脉冲。脉冲发生系统I输入端通过
电阻R1对脉冲形成线TL1和脉冲形成线TL2充电，脉冲发生系统I接收触发控制系统的控制信号Signal1_1、…、控制信号Signal1_n控制半导体开关管S1_1、…、半导体开关管S1_n导通，从而通过开关SW3向输出端口输出脉冲。
[0016] 当控制信号IN1控制开关SW1断开，控制信号IN2控制开关SW2闭合时，脉冲发生系统I通过电容C1、…、电容Cn形成脉冲。控制信号OUT1控制开关SW3断开，控制信号OUT2控制开关SW4闭合，脉冲发生系统I输出电容C1、…、电容Cn形成的脉冲。脉冲发生系统I输入端通过器件Z1、…、器件Zn对电容C1、…、电容Cn充电，脉冲发生系统I接收触发控制系统的控制信号Signal2_1、…、控制信号Signal2_n控制半导体开关管S2_1、…、半导体开关管S2_n导通，脉冲发生系统I接收触发控制系统的控制信号Signal2_(n+1)、…、控制信号Signal2_2n控制半导体开关管S2_(n+1)、…、半导体开关管S2_2n关断，从而通过开关SW4向输出端口输出脉冲。
[0017] 当控制信号IN3控制开关SW5闭合，控制信号IN4控制开关SW6断开时，脉冲发生系统II通过脉冲形成线TL3和脉冲形成线TL4形成脉冲。控制信号OUT3控制开关SW7闭合，控制信号OUT4控制开关SW8断开，脉冲发生系统II输出脉冲形成线TL3和脉冲形成线TL4形成的脉冲。脉冲发生系统II输入端通过电阻R2对脉冲形成线TL3和脉冲形成线TL4充电，脉冲发生系统II接收触发控制系统的控制信号Signal3_1、…、控制信号Signal3_n控制半导体开关管S3_1、…、半导体开关管S3_n导通，从而通过开关SW7向输出端口输出脉冲。
[0018] 当控制信号IN3控制开关SW5断开，控制信号IN4控制开关SW6闭合时，脉冲发生系统II通过电容C(n+1)、…、电容C2n形成脉冲。控制信号OUT3控制开关SW7断开，控制信号OUT4控制开关SW8闭合，脉冲发生系统II输出电容C(n+1)、…、电容C2n形成的脉冲。脉冲发生系统I输入端通过器件Z(n+1)、…、器件Z2n对电容C(n+1)、…、电容C2n充电，脉冲发生系统II接收触发控制系统的控制信号Signal3_1、…、控制信号Signal3_n控制半导体开关管S3_1、…、半导体开关管S3_n导通，脉冲发生系统II接收触发控制系统的控制信号Signal4_(n+1)、…、控制信号Signal4_2n控制半导体开关管S4_(n+1)、…、半导体开关管S4_2n关断，从而通过开关SW8向输出端口输出脉冲。
[0019] 所述脉冲发生系统产生脉冲，并发送至模块化多电平换流阀子模块IGBT。
[0020] 进一步，所述脉冲发生系统包括脉冲发生系统I和脉冲发生系统II。
[0021] 脉冲发生系统I和电容Cdiv1并联。脉冲发生系统II和电容Cdiv2并联。
[0023] 记脉冲发生系统I的输入端分别为a端和b端，输出端分别为d端和e端。
[0024] a端依次串联开关SW1、电阻R1、脉冲形成线TL1、脉冲形成线TL2和开关SW3后接入e端。
[0025] a端依次串联开关SW1、电阻R1、脉冲形成线TL1和开关SW3后接入d端。
[0026] a端依次串联开关SW1和电阻R1后连接半导体开关管S1_1的漏极。
[0027] 半导体开关管S1_i的源极串联半导体开关管S1_(i+1)的漏极。
[0028] i＝1,2，…，n-1。
[0029] 半导体开关管S1_n的源极串联脉冲形成线TL1。
[0030] 半导体开关管S1_1、…、半导体开关管S1_n的栅极和触发控制系统信号连接。
[0031] b端依次串联开关SW1和脉冲形成线TL1。
[0032] b端依次串联开关SW1和半导体开关管S1_n的源极。
[0033] a端依次串联开关SW2、器件Z1、…、器件Zn后串联半导体开关管S2_n的漏极。
[0034] a端依次串联开关SW2、器件Z1、…、器件Zj、电容Cj后接入半导体开关管S2_j的源极。j＝1,2，…，n。
[0035] a端依次串联开关SW2、器件Z1、电容C1和开关SW4后接入d端。
[0036] b端串联半导体开关管S2_(n+1)的源极。
[0037] 半导体开关管S2_(n+j)的漏极串联半导体开关管S2_j的源极。
[0038] 半导体开关管S2_j的漏极串联器件Zj与器件Zj+1相连的一端。
[0039] 半导体开关管S2_2n的漏极串联开关SW4后接入e端。
[0040] 半导体开关管S2_1、…、半导体开关管S2_2n的栅极和触发控制系统信号连接。
[0041] 所述脉冲发生系统II的电路结构如下：
[0042] 记脉冲发生系统II的输入端分别为f端和g端，输出端分别为h端和k端。
[0043] f端依次串联开关SW5、电阻R2、脉冲形成线TL3、脉冲形成线TL4和开关SW7后接入k端。
[0044] f端依次串联开关SW5、电阻R2、脉冲形成线TL3和开关SW7后接入h端。
[0045] f端依次串联开关SW5和电阻R2后连接半导体开关管S3_1的漏极。
[0046] 半导体开关管S3_i的源极串联半导体开关管S3_(i+1)的漏极。
[0047] i＝1,2，…，n-1。
[0048] 半导体开关管S3_n的源极串联脉冲形成线TL3。
[0049] 半导体开关管S3_1、…、半导体开关管S3_n的栅极和触发控制系统信号连接。
[0050] g端依次串联开关SW5和脉冲形成线TL3。
[0051] g端依次串联开关SW5和半导体开关管S3_n的源极。
[0052] f端依次串联开关SW6、器件Z(n+1)、…、器件Z2n后串联半导体开关管S4_n的漏极。
[0053] f端依次串联开关SW6、器件Z(n+1)、…、器件Zm、电容Cm后接入半导体开关管S4_j的源极。m＝n,n+1，…，m。
[0054] f端依次串联开关SW6、器件Z(n+1)、电容C(n+1)和开关SW8后接入h端。
[0055] g端串联半导体开关管S4_(n+1)的源极。
[0056] 半导体开关管S4_(n+j)的漏极串联半导体开关管S4_j的源极。
[0057] 半导体开关管S4_j的漏极串联器件Z(n+m)与器件Z(n+m+1)相连的一端。
[0058] 半导体开关管S4_2n的漏极串联开关SW8后接入k端。
[0059] 半导体开关管S4_1、…、半导体开关管S4_2n的栅极和触发控制系统信号连接。
[0060] 进一步，所述器件Z1、…、器件Z2n为电阻、电感或半导体
二极管。
[0061] 所述故障检测系统采集模块化多电平子换流阀子模块IGBT
门极在脉冲激励下耦合的响应信号Uk，并发送至数据处理系统。
[0062] 进一步，所述故障检测系统包括过压保护单元、信号采集单元和滤波单元。
[0063] 所述过压保护单元保护信号采集装置、滤波单元、数据处理系统和触发控制系统不受模块化多电平换流阀子模块IGBT门极耦合过电压冲击。
[0064] 所述信号采集单元采集模块化多电平子换流阀子模块IGBT门极在脉冲激励下耦合的响应信号Uk。
[0065] 所述滤波单元对响应信号进行滤波，并将滤波后的响应信号Uk发送至数据处理系统。
[0066] 所述IGBT模块包括上桥臂IGBT T1和下桥臂IGBT T2。
[0067] 所述数据处理系统对响应信号Uk进行处理，判断得到故障类型。
[0068] 所述数据处理系统根据故障类型产生故障类型信号，并发送至触发控制系统。
[0069] 进一步，数据处理系统对响应信号Uk进行处理，判断故障类型的主要步骤如下：
[0070] 1)数据处理系统接收k时刻和k+1时刻的响应信号Uk和Uk+1。k初始值为0。
[0071] 2)计算平均响应电压uk，即：
[0072]
[0073] 式中，ΔT为时间。
[0074] '
[0075] 3)判断平均响应电压uk是否小于
阈值ε1，若是，则令电压Uj＝Uk，并进入步骤4。若否，则令k+k+1,并返回步骤1。
[0076] 4)判断k>N是否成立，若不成立，则令k+k+1,并返回步骤1。若成立，则进入步骤5。
[0077] 5)计算平均电压 即：
[0078]
[0079] 6)判断平均电压 是否小于阈值ε2，若是，则判断模块化多电平换流阀子模块IGBT为短路故障。若否，则进入步骤7。
[0080] 7)判断 是否成立，若不成立，则判断模块化多电平换流阀子模块IGBT无故障，若成立，则判断模块化多电平换流阀子模块IGBT为开路故障。
[0081] 基于模块化多电平换流阀子模块IGBT故障检测系统的方法，主要包括以下步骤：
[0082] 1)自取能系统为脉冲发生系统供电。脉冲发生系统产生脉冲，并发送至模块化多电平换流阀子模块IGBT。
[0083] 2)故障检测系统采集模块化多电平子换流阀子模块IGBT门极在脉冲激励下耦合的响应信号Uk，并发送至数据处理系统。
[0084] 3)所述数据处理系统对响应信号Uk进行处理，判断得到故障类型。
[0085] 所述数据处理系统根据故障类型产生故障类型信号，并发送至触发控制系统。
[0086] 4)所述触发控制系统根据数据处理系统的故障类型信号产生控制信号，并发送至脉冲发生系统，从而控制脉冲发生系统产生的脉冲参数，并返回步骤1，继续对模块化多电平换流阀子模块IGBT故障进行检测。
[0087] 本发明的技术效果是毋庸置疑的。本发明提出了一种能够带电运行，检测方法简单，能够与系统高度整合的带电故障检测装置。
[0088] 本发明具有以下效果：
[0089] 1)整个装置包含自取能系统，取能于子模块本身的储能电容，不需要额外电源，减小了装置成本，同时减轻了系统的复杂度。
[0090] 2)故障检测装置包含脉冲发生系统，独立于子模块主回路，减小了对系统的侵入性。
[0091] 3)故障检测装置并联与驱动系统，可以直接嵌入驱动系统，能够实现带电检测。
[0092] 4)本发明通过自取能系统从子模块储能电容取能，解决了缺少外部电源的问题；故障检测系统与子模块驱动系统并联，共享控制端口数据，实现与系统的高度整合，对系统没有侵入性；故障检测系统只需要电压数据，数据处理量小。
附图说明
[0093] 图1为本发明基于脉冲耦合响应的模块化多电平换流阀子模块IGBT故障检测装置与模块化多电平换流阀子模块连接图；
[0094] 图2为模块化多电平换流阀子模块示意图；
[0095] 图3为自取能系统原理图；
[0096] 图4为脉冲发生系统I原理图；
[0097] 图5为脉冲发生系统II原理图；
[0098] 图6为故障检测系统原理图；
[0099] 图7为基于脉冲耦合响应的模块化多电平换流阀子模块故障检测装置工作时脉冲发生系统I工作状态示意图I；
[0100] 图8为基于脉冲耦合响应的模块化多电平换流阀子模块故障检测装置工作时脉冲发生系统I工作状态示意图II；
[0101] 图9为基于脉冲耦合响应的模块化多电平换流阀子模块故障检测装置工作时脉冲发生系统II工作状态示意图I；
[0102] 图10为基于脉冲耦合响应的模块化多电平换流阀子模块故障检测装置工作时脉冲发生系统II工作状态示意图II；
[0103] 图11为IGBT等效二端口网络；
[0105] 图13为本发明所述方法运用于一个1200V/60A IGBT模块的实验时域响应
波形；
[0106] 图14为本发明所述方法运用于一个1200V/60A IGBT模块的实验
频谱响应波形。
具体实施方式
[0107] 下面结合
实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
[0108] 实施例1：
[0109] 参见图1至图12，模块化多电平换流阀子模块IGBT故障检测系统，主要包括自取能系统、脉冲发生系统、触发控制系统、故障检测系统和数据处理系统。
[0110] 所述自取能系统和模块化多电平换流阀子模块的储能电容C0并联。储能电容C0对自取能系统放电。
[0111] 需要说明的是，模块化多电平换流阀子模块包含但不限于如图2所示的半桥拓扑结构，还应当包含全桥拓扑、混合拓扑等其他变种拓扑结构。
[0112] 子模块储能电容C0容值一般在百微法至几毫法之间，为减小取能电容对储能电容的影响，选取Cdiv1＝Cdiv2＝10μF。
[0113] 所述自取能系统向脉冲发生系统供电。
[0114] 进一步，所述自取能系统包括串联的电容Cdiv1和电容Cdiv2。
[0115] 所述触发控制系统根据数据处理系统的故障类型信号产生控制信号，并发送至脉冲发生系统，从而控制脉冲发生系统产生的脉冲参数。
[0116] 进一步，所述脉冲激励宽度范围为[10ns，1000ns]，
频率范围为[1Hz，1000Hz]，输出最大幅值为10kV。
[0117] 进一步，所述触发控制系统向脉冲发生系统发送控制信号。其中，控制信号IN1控制开关SW1的通断，控制信号IN2控制开关SW2的通断，控制信号IN3控制开关SW5的通断，控制信号IN4控制开关SW6的通断，控制信号OUT1控制开关SW3的通断，控制信号OUT2控制开关SW4的通断，控制信号OUT3控制开关SW7的通断，控制信号OUT4控制开关SW8的通断，控制信号Signal1_1、…、控制信号Signal1_n控制半导体开关管S1_1、…、半导体开关管S1_n的通断，控制信号Signal2_1、…、控制信号Signal2_(2n)控制半导体开关管S2_1、…、半导体开关管S2_2n的通断，Signal3_1、…、Signal3_n控制半导体开关S3_1、…、半导体开关管S3_n的通断，控制信号Signal4_1、…、控制信号Signal4_(2n)控制半导体开关管S4_1、…、半导体开关管S4_2n的通断。
[0118] 当控制信号IN1控制开关SW1闭合，控制信号IN2控制开关SW2断开时，脉冲发生系统I通过脉冲形成线TL1和脉冲形成线TL2形成脉冲。控制信号OUT1控制开关SW3闭合，控制信号OUT2控制开关SW4断开，脉冲发生系统I输出脉冲形成线TL1和脉冲形成线TL2形成的脉冲。脉冲发生系统I输入端通过电阻R1对脉冲形成线TL1和脉冲形成线TL2充电，脉冲发生系统I接收触发控制系统的控制信号Signal1_1、…、控制信号Signal1_n控制半导体开关管S1_1、…、半导体开关管S1_n导通，从而通过开关SW3向输出端口输出脉冲。当控制信号IN1控制开关SW1断开，控制信号IN2控制开关SW2闭合时，脉冲发生系统I通过电容C1、…、电容Cn形成脉冲。控制信号OUT1控制开关SW3断开，控制信号OUT2控制开关SW4闭合，脉冲发生系统I输出电容C1、…、电容Cn形成的脉冲。脉冲发生系统I输入端通过器件Z1、…、器件Zn对电容C1、…、电容Cn充电，脉冲发生系统I接收触发控制系统的控制信号Signal2_1、…、控制信号Signal2_n控制半导体开关管S2_1、…、半导体开关管S2_n导通，脉冲发生系统I接收触发控制系统的控制信号Signal2_(n+1)、…、控制信号Signal2_2n控制半导体开关管S2_(n+1)、…、半导体开关管S2_2n关断，从而通过开关SW4向输出端口输出脉冲。
[0119] 当控制信号IN3控制开关SW5闭合，控制信号IN4控制开关SW6断开时，脉冲发生系统II通过脉冲形成线TL3和脉冲形成线TL4形成脉冲。控制信号OUT3控制开关SW7闭合，控制信号OUT4控制开关SW8断开，脉冲发生系统II输出脉冲形成线TL3和脉冲形成线TL4形成的脉冲。脉冲发生系统II输入端通过电阻R2对脉冲形成线TL3和脉冲形成线TL4充电，脉冲发生系统II接收触发控制系统的控制信号Signal3_1、…、控制信号Signal3_n控制半导体开关管S3_1、…、半导体开关管S3_n导通，从而通过开关SW7向输出端口输出脉冲。
[0120] 当控制信号IN3控制开关SW5断开，控制信号IN4控制开关SW6闭合时，脉冲发生系统II通过电容C(n+1)、…、电容C2n形成脉冲。控制信号OUT3控制开关SW7断开，控制信号OUT4控制开关SW8闭合，脉冲发生系统II输出电容C(n+1)、…、电容C2n形成的脉冲。脉冲发生系统I输入端通过器件Z(n+1)、…、器件Z2n对电容C(n+1)、…、电容C2n充电，脉冲发生系统II接收触发控制系统的控制信号Signal3_1、…、控制信号Signal3_n控制半导体开关管S3_1、…、半导体开关管S3_n导通，脉冲发生系统II接收触发控制系统的控制信号Signal4_(n+1)、…、控制信号Signal4_2n控制半导体开关管S4_(n+1)、…、半导体开关管S4_2n关断，从而通过开关SW8向输出端口输出脉冲。
[0121] 所述脉冲发生系统产生脉冲，并发送至模块化多电平换流阀子模块IGBT。
[0122] 进一步，所述脉冲发生系统包括脉冲发生系统I和脉冲发生系统II。
[0123] 脉冲发生系统I和电容Cdiv1并联。脉冲发生系统II和电容Cdiv2并联。
[0124] 所述脉冲发生系统I的电路结构如下：
[0125] 记脉冲发生系统I的输入端分别为a端和b端，输出端分别为d端和e端。
[0126] a端依次串联开关SW1、电阻R1、脉冲形成线TL1、脉冲形成线TL2和开关SW3后接入e端。
[0127] a端依次串联开关SW1、电阻R1、脉冲形成线TL1和开关SW3后接入d端。
[0128] a端依次串联开关SW1和电阻R1后连接半导体开关管S1_1的漏极。
[0129] 半导体开关管S1_i的源极串联半导体开关管S1_(i+1)的漏极。
[0130] i＝1,2，…，n-1。
[0131] 半导体开关管S1_n的源极串联脉冲形成线TL1。
[0132] 半导体开关管S1_1、…、半导体开关管S1_n的栅极和触发控制系统信号连接。
[0133] b端依次串联开关SW1和脉冲形成线TL1。
[0134] b端依次串联开关SW1和半导体开关管S1_n的源极。
[0135] a端依次串联开关SW2、器件Z1、…、器件Zn后串联半导体开关管S2_n的漏极。
[0136] a端依次串联开关SW2、器件Z1、…、器件Zj、电容Cj后接入半导体开关管S2_j的源极。j＝1,2，…，n。
[0137] a端依次串联开关SW2、器件Z1、电容C1和开关SW4后接入d端。
[0138] b端串联半导体开关管S2_(n+1)的源极。
[0139] 半导体开关管S2_(n+j)的漏极串联半导体开关管S2_j的源极。
[0140] 半导体开关管S2_j的漏极串联器件Zj与器件Zj+1相连的一端。
[0141] 半导体开关管S2_2n的漏极串联开关SW4后接入e端。
[0142] 半导体开关管S2_1、…、半导体开关管S2_2n的栅极和触发控制系统信号连接。
[0143] 所述脉冲发生系统II的电路结构如下：
[0144] 记脉冲发生系统II的输入端分别为f端和g端，输出端分别为h端和k端。
[0145] f端依次串联开关SW5、电阻R2、脉冲形成线TL3、脉冲形成线TL4和开关SW7后接入k端。
[0146] f端依次串联开关SW5、电阻R2、脉冲形成线TL3和开关SW7后接入h端。
[0147] f端依次串联开关SW5和电阻R2后连接半导体开关管S3_1的漏极。
[0148] 半导体开关管S3_i的源极串联半导体开关管S3_(i+1)的漏极。
[0149] i＝1,2，…，n-1。
[0150] 半导体开关管S3_n的源极串联脉冲形成线TL3。
[0151] 半导体开关管S3_1、…、半导体开关管S3_n的栅极和触发控制系统信号连接。
[0152] g端依次串联开关SW5和脉冲形成线TL3。
[0153] g端依次串联开关SW5和半导体开关管S3_n的源极。
[0154] f端依次串联开关SW6、器件Z(n+1)、…、器件Z2n后串联半导体开关管S4_n的漏极。
[0155] f端依次串联开关SW6、器件Z(n+1)、…、器件Zm、电容Cm后接入半导体开关管S4_j的源极。m＝n,n+1，…，m。
[0156] f端依次串联开关SW6、器件Z(n+1)、电容C(n+1)和开关SW8后接入h端。
[0157] g端串联半导体开关管S4_(n+1)的源极。
[0158] 半导体开关管S4_(n+j)的漏极串联半导体开关管S4_j的源极。
[0159] 半导体开关管S4_j的漏极串联器件Z(n+m)与器件Z(n+m+1)相连的一端。
[0160] 半导体开关管S4_2n的漏极串联开关SW8后接入k端。
[0161] 半导体开关管S4_1、…、半导体开关管S4_2n的栅极和触发控制系统信号连接。
[0162] 进一步，所述器件Z1、…、器件Z2n为电阻、电感或半导
体二极管。
[0163] 所述故障检测系统采集模块化多电平子换流阀子模块IGBT门极在脉冲激励下耦合的响应信号Uk，并发送至数据处理系统。
[0164] 进一步，所述故障检测系统包括过压保护单元、信号采集单元和滤波单元。
[0165] 进一步，所述过压保护包括但不局限于
齐纳二极管。
[0166] 进一步，所述信号采集装置的通道数不少于2个，
采样率不低于200MS/s，采样位数不低于12bit。
[0167] 进一步，所述数据处理系统包括型号为DSP28335或者更高规格的DSP芯片，包含但不限于晶振、电阻、电容、电感、二极管等外围电路，供电电源等。
[0168] 进一步，所述控制触发系统包括型号为ALTERA Cyclone IV系列或更高规格的FPGA芯片，包含但不限于晶振、电阻、电容、电感、二极管等外围电路，供电电源等。
[0169] 所述过压保护单元保护信号采集装置、滤波单元、数据处理系统和触发控制系统不受模块化多电平换流阀子模块IGBT门极耦合过电压冲击。
[0170] 所述信号采集单元采集模块化多电平子换流阀子模块IGBT门极在脉冲激励下耦合的响应信号Uk。
[0171] 所述滤波单元对响应信号进行滤波，并将滤波后的响应信号Uk发送至数据处理系统。
[0172] 所述IGBT模块包括上桥臂IGBT T1和下桥臂IGBT T2。
[0173] 所述数据处理系统对响应信号Uk进行处理，判断得到故障类型。
[0174] 所述数据处理系统根据故障类型产生故障类型信号，并发送至触发控制系统。
[0175] 进一步，数据处理系统对响应信号Uk进行处理，判断故障类型的主要步骤如下：
[0176] 1)数据处理系统接收k时刻和k+1时刻的响应信号Uk和Uk+1。k初始值为0。
[0177] 2)计算平均响应电压uk，即：
[0178]
[0179] 式中，ΔT为时间。
[0180] 3)判断平均响应电压uk是否小于阈值ε1，若是，则令电压U′j＝Uk，并进入步骤4。若否，则令k+k+1,并返回步骤1。
[0181] 4)判断k>N是否成立，若不成立，则令k+k+1,并返回步骤1。若成立，则进入步骤5。N为总响应时刻。j为响应序号。
[0182] 5)计算平均电压 即：
[0183]
[0184] 式中，Nj为响应次数，j为响应序号，电压U′j为平均响应电压满足阈值ε1所对应的k时刻响应电压。
[0185] 6)判断平均电压 是否小于阈值ε2，若是，则判断模块化多电平换流阀子模块IGBT为短路故障。若否，则进入步骤7。
[0186] 7)判断 是否成立，若不成立，则判断模块化多电平换流阀子模块IGBT无故障，若成立，则判断模块化多电平换流阀子模块IGBT为开路故障。ε3为故障判断阈值。
[0187] 实施例2：
[0188] 参见图13和图14，基于模块化多电平换流阀子模块IGBT故障检测系统的方法，主要包括以下步骤：
[0189] 1)自取能系统为脉冲发生系统供电。脉冲发生系统产生脉冲，并发送至模块化多电平换流阀子模块IGBT。
[0190] 2)故障检测系统采集模块化多电平子换流阀子模块IGBT门极在脉冲激励下耦合的响应信号Uk，并发送至数据处理系统。
[0191] 3)所述数据处理系统对响应信号Uk进行处理，判断得到故障类型。
[0192] 所述数据处理系统根据故障类型产生故障类型信号，并发送至触发控制系统。
[0193] 4)所述触发控制系统根据数据处理系统的故障类型信号产生控制信号，并发送至脉冲发生系统，从而控制脉冲发生系统产生的脉冲参数，并返回步骤1，继续对模块化多电平换流阀子模块IGBT故障进行检测。
[0194] 实施例3：
[0195] 模块化多电平换流阀子模块IGBT故障检测系统，主要包括自取能系统、脉冲发生系统、触发控制系统、故障检测系统和数据处理系统；
[0196] 所述自取能系统和模块化多电平换流阀子模块的储能电容C0并联；储能电容C0对自取能系统放电；
[0197] 所述自取能系统向脉冲发生系统供电；
[0198] 所述触发控制系统根据数据处理系统的故障类型信号产生控制信号，并发送至脉冲发生系统，从而控制脉冲发生系统产生的脉冲参数；
[0199] 所述脉冲发生系统产生脉冲，并发送至模块化多电平换流阀子模块IGBT；
[0200] 所述故障检测系统采集模块化多电平子换流阀子模块IGBT门极在脉冲激励下耦合的响应信号Uk，并发送至数据处理系统；
[0201] 所述数据处理系统对响应信号Uk进行处理，判断得到故障类型；
[0202] 所述数据处理系统根据故障类型产生故障类型信号，并发送至触发控制系统。
[0203] 实施例4：
[0204] 模块化多电平换流阀子模块IGBT故障检测系统，主要结构见实施例3，其中，所述脉冲发生系统包括脉冲发生系统I和脉冲发生系统II。
[0205] 脉冲发生系统I和电容Cdiv1并联。脉冲发生系统II和电容Cdiv2并联。
[0206] 所述脉冲发生系统I的电路结构如下：
[0207] 记脉冲发生系统I的输入端分别为a端和b端，输出端分别为d端和e端。
[0208] a端依次串联开关SW1、电阻R1、脉冲形成线TL1、脉冲形成线TL2和开关SW3后接入e端。
[0209] a端依次串联开关SW1、电阻R1、脉冲形成线TL1和开关SW3后接入d端。
[0210] a端依次串联开关SW1和电阻R1后连接半导体开关管S1_1的漏极。
[0211] 半导体开关管S1_i的源极串联半导体开关管S1_(i+1)的漏极。i＝1,2，…，n-1。
[0212] 半导体开关管S1_n的源极串联脉冲形成线TL1。
[0213] 半导体开关管S1_1、…、半导体开关管S1_n的栅极和触发控制系统信号连接。
[0214] b端依次串联开关SW1和脉冲形成线TL1。
[0215] b端依次串联开关SW1和半导体开关管S1_n的源极。
[0216] a端依次串联开关SW2、器件Z1、…、器件Zn后串联半导体开关管S2_n的漏极。
[0217] a端依次串联开关SW2、器件Z1、…、器件Zj、电容Cj后接入半导体开关管S2_j的源极。j＝1,2，…，n。
[0218] a端依次串联开关SW2、器件Z1、电容C1和开关SW4后接入d端。
[0219] b端串联半导体开关管S2_(n+1)的源极。
[0220] 半导体开关管S2_(n+j)的漏极串联半导体开关管S2_j的源极。
[0221] 半导体开关管S2_j的漏极串联器件Zj与器件Zj+1相连的一端。
[0222] 半导体开关管S2_2n的漏极串联开关SW4后接入e端。
[0223] 半导体开关管S2_1、…、半导体开关管S2_2n的栅极和触发控制系统信号连接。
[0224] 所述脉冲发生系统II的电路结构如下：
[0225] 记脉冲发生系统II的输入端分别为f端和g端，输出端分别为h端和k端。
[0226] f端依次串联开关SW5、电阻R2、脉冲形成线TL3、脉冲形成线TL4和开关SW7后接入k端。
[0227] f端依次串联开关SW5、电阻R2、脉冲形成线TL3和开关SW7后接入h端。
[0228] f端依次串联开关SW5和电阻R2后连接半导体开关管S3_1的漏极。
[0229] 半导体开关管S3_i的源极串联半导体开关管S3_(i+1)的漏极。i＝1,2，…，n-1。
[0230] 半导体开关管S3_n的源极串联脉冲形成线TL3。
[0231] 半导体开关管S3_1、…、半导体开关管S3_n的栅极和触发控制系统信号连接。
[0232] g端依次串联开关SW5和脉冲形成线TL3。
[0233] g端依次串联开关SW5和半导体开关管S3_n的源极。
[0234] f端依次串联开关SW6、器件Z(n+1)、…、器件Z2n后串联半导体开关管S4_n的漏极。
[0235] f端依次串联开关SW6、器件Z(n+1)、…、器件Zm、电容Cm后接入半导体开关管S4_j的源极。m＝n,n+1，…，m。
[0236] f端依次串联开关SW6、器件Z(n+1)、电容C(n+1)和开关SW8后接入h端。
[0237] g端串联半导体开关管S4_(n+1)的源极。
[0238] 半导体开关管S4_(n+j)的漏极串联半导体开关管S4_j的源极。
[0239] 半导体开关管S4_j的漏极串联器件Z(n+m)与器件Z(n+m+1)相连的一端。
[0240] 半导体开关管S4_2n的漏极串联开关SW8后接入k端。
[0241] 半导体开关管S4_1、…、半导体开关管S4_2n的栅极和触发控制系统信号连接。
[0242] 进一步，所述器件Z1、…、器件Z2n为电阻、电感或半导体二极管。
[0243] 实施例5：
[0244] 模块化多电平换流阀子模块IGBT故障检测系统，主要结构见实施例3，其中，所述触发控制系统向脉冲发生系统发送控制信号。其中，控制信号IN1控制开关SW1的通断，控制信号IN2控制开关SW2的通断，控制信号IN3控制开关SW5的通断，控制信号IN4控制开关SW6的通断，控制信号OUT1控制开关SW3的通断，控制信号OUT2控制开关SW4的通断，控制信号OUT3控制开关SW7的通断，控制信号OUT4控制开关SW8的通断，控制信号Signal1_1、…、控制信号Signal1_n控制半导体开关管S1_1、…、半导体开关管S1_n的通断，控制信号Signal2_1、…、控制信号Signal2_(2n)控制半导体开关管S2_1、…、半导体开关管S2_2n的通断，Signal3_1、…、Signal3_n控制半导体开关S3_1、…、半导体开关管S3_n的通断，控制信号Signal4_1、…、控制信号Signal4_(2n)控制半导体开关管S4_1、…、半导体开关管S4_2n的通断。
[0245] 当控制信号IN1控制开关SW1闭合，控制信号IN2控制开关SW2断开时，脉冲发生系统I通过脉冲形成线TL1和脉冲形成线TL2形成脉冲。控制信号OUT1控制开关SW3闭合，控制信号OUT2控制开关SW4断开，脉冲发生系统I输出脉冲形成线TL1和脉冲形成线TL2形成的脉冲。脉冲发生系统I输入端通过电阻R1对脉冲形成线TL1和脉冲形成线TL2充电，脉冲发生系统I接收触发控制系统的控制信号Signal1_1、…、控制信号Signal1_n控制半导体开关管S1_1、…、半导体开关管S1_n导通，从而通过开关SW3向输出端口输出脉冲。当控制信号IN1控制开关SW1断开，控制信号IN2控制开关SW2闭合时，脉冲发生系统I通过电容C1、…、电容Cn形成脉冲。控制信号OUT1控制开关SW3断开，控制信号OUT2控制开关SW4闭合，脉冲发生系统I输出电容C1、…、电容Cn形成的脉冲。脉冲发生系统I输入端通过器件Z1、…、器件Zn对电容C1、…、电容Cn充电，脉冲发生系统I接收触发控制系统的控制信号Signal2_1、…、控制信号Signal2_n控制半导体开关管S2_1、…、半导体开关管S2_n导通，脉冲发生系统I接收触发控制系统的控制信号Signal2_(n+1)、…、控制信号Signal2_2n控制半导体开关管S2_(n+1)、…、半导体开关管S2_2n关断，从而通过开关SW4向输出端口输出脉冲。
[0246] 当控制信号IN3控制开关SW5闭合，控制信号IN4控制开关SW6断开时，脉冲发生系统II通过脉冲形成线TL3和脉冲形成线TL4形成脉冲。控制信号OUT3控制开关SW7闭合，控制信号OUT4控制开关SW8断开，脉冲发生系统II输出脉冲形成线TL3和脉冲形成线TL4形成的脉冲。脉冲发生系统II输入端通过电阻R2对脉冲形成线TL3和脉冲形成线TL4充电，脉冲发生系统II接收触发控制系统的控制信号Signal3_1、…、控制信号Signal3_n控制半导体开关管S3_1、…、半导体开关管S3_n导通，从而通过开关SW7向输出端口输出脉冲。
[0247] 当控制信号IN3控制开关SW5断开，控制信号IN4控制开关SW6闭合时，脉冲发生系统II通过电容C(n+1)、…、电容C2n形成脉冲。控制信号OUT3控制开关SW7断开，控制信号OUT4控制开关SW8闭合，脉冲发生系统II输出电容C(n+1)、…、电容C2n形成的脉冲。脉冲发生系统I输入端通过器件Z(n+1)、…、器件Z2n对电容C(n+1)、…、电容C2n充电，脉冲发生系统II接收触发控制系统的控制信号Signal3_1、…、控制信号Signal3_n控制半导体开关管S3_1、…、半导体开关管S3_n导通，脉冲发生系统II接收触发控制系统的控制信号Signal4_(n+1)、…、控制信号Signal4_2n控制半导体开关管S4_(n+1)、…、半导体开关管S4_2n关断，从而通过开关SW8向输出端口输出脉冲。
[0248] 实施例6：
[0249] 模块化多电平换流阀子模块IGBT故障检测系统，主要结构见实施例3，其中，数据处理系统对响应信号Uk进行处理，判断故障类型的主要步骤如下：
[0250] 1)数据处理系统接收k时刻和k+1时刻的响应信号Uk和Uk+1。k初始值为0。
[0251] 2)计算平均响应电压uk，即：
[0252]
[0253] 式中，ΔT为时间。
[0254] 3)判断平均响应电压uk是否小于阈值ε1，若是，则令电压U′j＝Uk，并进入步骤4。若否，则令k+k+1,并返回步骤1。
[0255] 4)判断k>N是否成立，若不成立，则令k+k+1,并返回步骤1。若成立，则进入步骤5。
[0256] 5)计算平均电压 即：
[0257]
[0258] 6)判断平均电压 是否小于阈值ε2，若是，则判断模块化多电平换流阀子模块IGBT为短路故障。若否，则进入步骤7。
[0259] 7)判断 是否成立，若不成立，则判断模块化多电平换流阀子模块IGBT无故障，若成立，则判断模块化多电平换流阀子模块IGBT为开路故障。
