柔直功率單元自動(dòng)測(cè)試裝置技術(shù)方案研究

陳建東 陳 濤 張 板 林 寰 廖其艷

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柔直功率單元自動(dòng)測(cè)試裝置技術(shù)方案研究

陳建東1陳 濤1張 板1林 寰1廖其艷2

（1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司汕頭供電局，廣東 汕頭 515041； 2. 榮信匯科電氣技術(shù)有限責(zé)任公司，遼寧 鞍山 114051）

本文針對(duì)傳統(tǒng)的MMC-HVDC功率單元檢修方法復(fù)雜、耗時(shí)較長(zhǎng)等問題，提出了一種基于自動(dòng)測(cè)試和分步測(cè)試為一體的裝置開發(fā)方案，詳細(xì)描述了該方案下各項(xiàng)測(cè)試功能的具體實(shí)現(xiàn)方法。該測(cè)試裝置在面板上集成了相關(guān)按鈕和LED指示燈，通過使能相關(guān)按鈕選擇對(duì)應(yīng)測(cè)試項(xiàng)，測(cè)試數(shù)據(jù)全部由裝置軟件系統(tǒng)進(jìn)行處理，測(cè)試結(jié)果直接通過LED指示燈來顯示，不需要外接示波器和人工數(shù)據(jù)再分析，簡(jiǎn)化了功率單元測(cè)試過程，提高了測(cè)試、檢修效率。

柔性直流輸電；功率單元；檢修；自動(dòng)測(cè)試；分步測(cè)試

目前采用MMC-HVDC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的柔性直流輸電技術(shù)在國內(nèi)外得到了大量的工程應(yīng)用，該技術(shù)采用完全一致的模塊化功率單元，在研發(fā)、制造、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)均壓以及后期維護(hù)上都有著顯著的優(yōu)勢(shì)。

國內(nèi)已投運(yùn)的MMC-HVDC工程有南澳多端柔性直流輸電示范工程[1]、舟山多端柔性直流輸電工程[2]、云南魯西背靠背直流輸電工程。基于MMC- HVDC系統(tǒng)，相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)其系統(tǒng)控制[3]、調(diào)制算法[4]、電容電壓排序算法[5-6]、直流故障特性[7-8]、交流故障特性[9-10]等進(jìn)行了大量的技術(shù)研究，積累了比較全面的技術(shù)方案。實(shí)際工程中各換流站用到的功率單元數(shù)量多達(dá)上千，在投運(yùn)后不可避免地會(huì)出現(xiàn)單元故障現(xiàn)象，單元故障后被旁路，一旦旁路數(shù)目過多，就會(huì)直接導(dǎo)致系統(tǒng)停運(yùn)。在換流站停運(yùn)檢修期間，如何快速對(duì)這些故障的或正常的功率單元進(jìn)行檢測(cè)尤為重要，但目前針對(duì)功率單元測(cè)試的研究還不夠深入。

換流站對(duì)功率單元進(jìn)行檢修時(shí)，傳統(tǒng)做法是：采用手動(dòng)充電設(shè)備給功率單元充電，控制器通過光纖連接到功率單元，用筆記本電腦通過網(wǎng)線連接到控制器，用示波器通過電壓探頭連接到功率單元輸出排和單元電容，需要人工操作充電設(shè)備、人工讀取示波器波形等工作。上述連線以及人工操作，對(duì)操作人員的要求較高，而且設(shè)備比較分散，移動(dòng)不方便，再加上需要人工判斷電容電壓、示波器波形，在測(cè)量多個(gè)功率單元時(shí)耗時(shí)較多，給檢修工作帶來了很大壓力。

本文針對(duì)傳統(tǒng)檢修做法的不足，提出了一種基于自動(dòng)測(cè)試和分步測(cè)試為一體的裝置開發(fā)方案，該裝置在面板上配置了數(shù)碼顯示屏，用以監(jiān)視當(dāng)前功率單元的電容電壓和單元輸出電壓，面板上集成相關(guān)按鈕和LED指示燈，通過使能相關(guān)按鈕選擇對(duì)應(yīng)測(cè)試項(xiàng)，測(cè)試數(shù)據(jù)全部由裝置軟件系統(tǒng)進(jìn)行處理，測(cè)試結(jié)果直接通過LED指示燈來顯示，不需要外接示波器和人工數(shù)據(jù)再分析，極大地簡(jiǎn)化了測(cè)試過程，提高了測(cè)試效率。

1 功率單元工作機(jī)制

1.1 MMC-HVDC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[11-12]

MMC-HVDC系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1（a）所示。系統(tǒng)由三相6個(gè)橋臂組成，每個(gè)橋臂均級(jí)聯(lián)個(gè)功率單元，通過控制各橋臂投入的功率單元數(shù)和功率單元的電容電壓來輸出預(yù)期的直流電壓和交流輸出電壓。為維持直流電壓穩(wěn)定，每一時(shí)刻各相上下橋臂投入的功率單元數(shù)相等，功率單元間通過排序算法實(shí)現(xiàn)電容電壓平衡。

功率單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。S1、S2為IGBT，D1、D2為反并聯(lián)續(xù)流二極管，為并聯(lián)的直流電容器，K為旁路接觸器，單元采用水冷冷卻。單元控制由單元主控板完成，單元主控板接收上級(jí)控制系統(tǒng)下發(fā)的脈沖信號(hào)后，經(jīng)過處理再下發(fā)給IGBT的驅(qū)動(dòng)板，由驅(qū)動(dòng)板觸發(fā)IGBT的開通和關(guān)斷。

圖1 MMC-HVDC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 功率單元工作機(jī)制

功率單元共有閉鎖、投入、切除3種工作狀態(tài)，如圖2所示。

取電流流入功率單元方向?yàn)檎?/p>

圖2 功率單元工作機(jī)制

1）當(dāng)功率單元上、下IGBT均關(guān)斷時(shí)，子模塊處于閉鎖狀態(tài)，如狀態(tài)1所示。當(dāng)電流sm＞0時(shí)，電流通過D1向電容充電，當(dāng)電流sm＜0時(shí)，電流經(jīng)過D2流出，對(duì)電容電壓無影響，這兩種閉鎖狀態(tài)一般在充電或故障狀態(tài)下使用。

2）當(dāng)上管IGBT開通、下管IGBT關(guān)斷時(shí)，此時(shí)子模塊處于投入狀態(tài)，如狀態(tài)2所示。當(dāng)電流sm＞0時(shí)，電流通過D1向電容充電，當(dāng)電流sm＜0時(shí)，電流通過上開關(guān)管對(duì)電容進(jìn)行放電。

3）當(dāng)上管IGBT關(guān)斷、下管IGBT開通時(shí)，子模塊處于切除狀態(tài)，如狀態(tài)3所示。當(dāng)電流sm＞0時(shí)，電流通過下開關(guān)管流出，電流對(duì)電容電壓無影響，當(dāng)電流sm＜0時(shí)，電流通過D2流出，電流對(duì)電容電壓無影響。

2 功率單元測(cè)試裝置技術(shù)分析

2.1 技術(shù)要求

結(jié)合功率單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作機(jī)制，測(cè)試裝置應(yīng)滿足的技術(shù)要求有[13]：

1）功率單元采用高位自取能供電方式，通過電容器進(jìn)行供電。在測(cè)試時(shí)，首先應(yīng)具備給功率模塊電容器進(jìn)行充、放電的要求，并在此過程中檢測(cè)電容器及放電電阻之間回路是否正常。其次要能檢測(cè)出取能電源是否正常。

2）功率單元由單元主控板完成相關(guān)控制邏輯，單元主控板需要與上層閥控系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，采用的是光纖通信。在測(cè)試過程中要能準(zhǔn)確的檢測(cè)出單元主控板與上層閥控系統(tǒng)之間的通信狀態(tài)。

3）閥控系統(tǒng)進(jìn)行電容電壓排序算法時(shí)，需要采集各功率單元的電容電壓，該電容電壓由單元主控板通過AD采樣回路采集，該電壓的準(zhǔn)確性直接影響到排序算法及保護(hù)邏輯，在測(cè)試過程中要能準(zhǔn)確的判斷出單元主控板采集的電容電壓值是否準(zhǔn)確、采樣回路是否正常。

4）功率單元在運(yùn)行中一旦出現(xiàn)故障，需要及時(shí)的從橋臂中旁路掉，在測(cè)試過程中需要判斷旁路接觸器是否正常，單元主控板旁路邏輯是否正確。

5）功率單元的工作狀態(tài)由IGBT決定，IGBT包括閉鎖、開通、關(guān)斷3種工作狀態(tài)，在功率單元充電過程中，需要檢測(cè)閉鎖狀態(tài)下上、下IGBT電壓是否平衡，否則會(huì)出現(xiàn)直通或單管擊穿的風(fēng)險(xiǎn)，在確保IGBT閉鎖測(cè)試通過后，才能進(jìn)行IGBT的開關(guān)和關(guān)斷測(cè)試[14-15]。

6）裝置需具有自檢能力，測(cè)試前通過自檢判斷自身電源回路、充放電回路、采樣回路、監(jiān)視系統(tǒng)等是否正常。

7）為簡(jiǎn)化測(cè)試流程、提高測(cè)試效率，應(yīng)提供自動(dòng)測(cè)試和分步測(cè)試兩種模式。自動(dòng)測(cè)試由裝置自動(dòng)完成各項(xiàng)目測(cè)試，分步測(cè)試由操作人員手動(dòng)選擇需要進(jìn)行的測(cè)試項(xiàng)。

2.2 設(shè)計(jì)思路

單元主控板與上層閥控系統(tǒng)通信時(shí)，會(huì)上報(bào)功率單元的運(yùn)行狀態(tài)和故障信息。運(yùn)行狀態(tài)包含IGBT的解、閉鎖狀態(tài)，旁路接觸器返回的狀態(tài)等，故障信息包含功率單元的通信故障、IGBT驅(qū)動(dòng)故障、取能故障、單元過壓、單元欠壓等。

基于實(shí)際單元主控板與閥控系統(tǒng)通信協(xié)議為前提，以控制器和各功能板卡為基礎(chǔ)，集成充電電源、放電回路、測(cè)試按鈕、液晶顯示等功能。

增加可控充電電源板，實(shí)現(xiàn)為功率單元充電的功能；增加IO面板，面板上有各功能測(cè)試按鈕和各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果指示燈；增加高電壓隔離采樣電路和數(shù)碼顯示電路，分別替代示波器探頭和示波器屏幕，用來顯示充電回路輸出電流、裝置輸出電壓和單元輸出電壓。

圖3為測(cè)試裝置設(shè)計(jì)原理框圖。

圖3 測(cè)試裝置設(shè)計(jì)原理框圖

圖4為測(cè)試裝置面板布局圖。

圖4 測(cè)試裝置面板布局

圖5為測(cè)試裝置與功率單元連接實(shí)物圖。

圖5 測(cè)試裝置與功率單元連接圖

裝置設(shè)計(jì)自動(dòng)測(cè)試和分步測(cè)試，自動(dòng)模式下測(cè)試裝置自動(dòng)完成各項(xiàng)試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果通過IO面板上對(duì)應(yīng)指示燈顯示。分步模式下，設(shè)計(jì)各項(xiàng)試驗(yàn)的使能按鈕，由操作人員手動(dòng)選擇需要進(jìn)行的試驗(yàn)項(xiàng)目。前者可快速檢測(cè)功率單元是否存在問題，提高工作效率，后者可對(duì)自動(dòng)模式下已排查出的功率單元再進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試，以鎖定問題來源，便于檢修。

2.3 技術(shù)方案

1）裝置自檢

利用測(cè)試裝置給功率單元充電前，裝置首先需要進(jìn)行自檢測(cè)試。在不連接功率單元情況下，點(diǎn)擊“充電”按鈕，裝置充電至800V，數(shù)碼管顯示交流輸出電壓為400V。點(diǎn)擊“放電”按鈕，利用自身放電回路進(jìn)行放電，數(shù)碼管顯示交流輸出電壓為0。

2）充電

測(cè)試裝置直流輸出母線連接功率單元電容正、負(fù)極，電壓采樣線連接交流輸出排。點(diǎn)擊面板“充電”按鈕，測(cè)試裝置開始對(duì)功率單元進(jìn)行充電，在取能電源正常工作前，單元主控板處于未上電狀態(tài)，此時(shí)測(cè)試裝置會(huì)上報(bào)取能電源故障和通信故障。當(dāng)取能電源正常工作后，單元主控板得電，控制系統(tǒng)開始給單元主控板下發(fā)配置命令，配置完成后，單元主控板上報(bào)配置完成，并在收到復(fù)位命令后，清除相應(yīng)故障信息。待功率單元充電至預(yù)定電壓值時(shí)，充電完成，充電階段結(jié)束。等待進(jìn)入下一測(cè)試項(xiàng)目。

在充電過程中需要做以下測(cè)試：充電時(shí)間判斷，用以判斷充電回路是否正常，當(dāng)充電過慢時(shí)系統(tǒng)報(bào)“充電故障”；單元閉鎖狀態(tài)判斷，在閉鎖狀態(tài)下上、下IGBT電壓應(yīng)基本一致，當(dāng)檢測(cè)出單元交流輸出排電壓與電容電壓的一半偏差過大時(shí)，系統(tǒng)報(bào)“閉鎖狀態(tài)異常”；單元采樣數(shù)據(jù)誤差判斷，當(dāng)單元主控板上傳的電容電壓與測(cè)試裝置輸出的直流母線電壓偏差過大時(shí)，系統(tǒng)報(bào)“單元電壓采樣異常”。功率單元在配置完成后，充電過程中如果報(bào)出故障信息，系統(tǒng)會(huì)上報(bào)“功率單元異常”。在上述故障時(shí)，測(cè)試裝置停止充電并通過內(nèi)置放電電阻快速給電容器放電，同時(shí)面板上的“充電異常”、“系統(tǒng)異常”指示燈被點(diǎn)亮。如果充電過程均正常，“充電正常”、“系統(tǒng)正常”指示燈被點(diǎn)亮。

3）運(yùn)行

在功率單元充電完成后，點(diǎn)擊面板“運(yùn)行”按鈕，系統(tǒng)開始進(jìn)入發(fā)波邏輯。系統(tǒng)按照一定的工頻、開關(guān)頻率和調(diào)制度生成上、下管的脈沖信號(hào)。

按照2.2功率單元的工作機(jī)制描述，當(dāng)系統(tǒng)下發(fā)IGBT上管開通信號(hào)時(shí)，在下個(gè)控制周期檢測(cè)出單元輸出電壓等于電容電壓，IGBT上管開通正常，反之異常；當(dāng)系統(tǒng)下發(fā)IGBT下管開通信號(hào)時(shí)，在一下控制周期檢測(cè)出單元輸出電壓為零，IGBT下管開通正常，反之異常。當(dāng)上下IGBT測(cè)試都通過后，裝置面板上“運(yùn)行正常”、“系統(tǒng)正常”指示燈被點(diǎn)亮，反之“運(yùn)行異常”、“系統(tǒng)異常”指示燈被點(diǎn)亮。

4）放電

點(diǎn)擊面板“放電”按鈕，開始進(jìn)行放電測(cè)試邏輯。測(cè)試裝置放電有兩種：①通過功率單元電容器并聯(lián)的放電電阻進(jìn)行放電，稱為慢放；②通過測(cè)試裝置內(nèi)置放電電阻進(jìn)行放電，稱為快放。在系統(tǒng)沒有故障時(shí)，首先采用慢放的方式進(jìn)行放電，同時(shí)利用功率單元采集到的電容電壓值進(jìn)行放電曲線RC時(shí)間常數(shù)計(jì)算，當(dāng)計(jì)算出的RC時(shí)間常數(shù)與理論值相符時(shí)，裝置面板上“放電正常”、“系統(tǒng)正常”指示燈被點(diǎn)亮。當(dāng)電壓跌落到設(shè)定的閾值，或RC時(shí)間常數(shù)異常時(shí)直接切換到快放。

5）旁路

針對(duì)有旁路接觸器的功率單元，檢修時(shí)需要利用測(cè)試裝置對(duì)旁路接觸器進(jìn)行測(cè)試，利用裝置測(cè)試旁路功能的簡(jiǎn)化邏輯為：當(dāng)功率單元出現(xiàn)故障時(shí)，單元主控板上報(bào)該故障信息和旁路請(qǐng)求，測(cè)試裝置接收到旁路請(qǐng)求后下發(fā)旁路命令，單元主控板收到旁路命令后給旁路觸發(fā)板下發(fā)旁路命令，延遲一定時(shí)間后，檢測(cè)旁路接觸器返回觸點(diǎn)狀態(tài)，以判斷旁路是否成功，并上報(bào)測(cè)試裝置旁路結(jié)果。

6）自動(dòng)測(cè)試

點(diǎn)擊裝置面板“自動(dòng)測(cè)試”按鈕，裝置開始按照上述分步測(cè)試的流程自動(dòng)完成各項(xiàng)測(cè)試，不需要操作人員手動(dòng)干預(yù)。

按照上述方案設(shè)計(jì)的測(cè)試裝置實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 測(cè)試裝置實(shí)物圖

圖7為測(cè)試裝置剛開機(jī)時(shí)實(shí)物圖，開機(jī)時(shí)所有功能處于鎖止?fàn)顟B(tài)，面板LED紅燈全亮。

圖7 測(cè)試裝置開機(jī)實(shí)物圖

圖8為測(cè)試裝置自檢通過后實(shí)物圖，自檢通過后所有測(cè)試項(xiàng)的紅燈和綠燈均滅，其中通信狀態(tài)紅燈亮是因?yàn)榇藭r(shí)測(cè)試裝置尚未給功率單元充電，功率單元主控板未達(dá)到需要的工作電壓，所以單元與測(cè)試裝置之間的通信處于中斷的狀態(tài)。待通信建立后，通信狀態(tài)紅燈滅，綠燈亮。

圖8 測(cè)試裝置自檢通過后實(shí)物圖

圖9中，測(cè)試裝置面板左側(cè)所有LED綠燈亮，表示自動(dòng)測(cè)試通過。

圖9 測(cè)試裝置自動(dòng)測(cè)試通過后實(shí)物圖

在南澳多端、云南魯西背靠背等直流輸電工程中，該測(cè)試裝置得到了多次實(shí)際應(yīng)用，測(cè)試過程簡(jiǎn)單，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié)論

本文先分析了MMC-HVDC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和功率單元工作機(jī)制，在此基礎(chǔ)上提出了一種基于自動(dòng)測(cè)試和分步測(cè)試為一體的測(cè)試方案，并詳細(xì)描述了該方案下各項(xiàng)測(cè)試功能的具體實(shí)現(xiàn)方法。相比傳統(tǒng)功率單元檢修方案，該方案極大地簡(jiǎn)化了檢修過程，提高了檢修的效率，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

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Technical program research on MMC-HVDC power module automatic test device

Chen Jiandong1Chen Tao1Zhang Ban1Lin Huan1Liao Qiyan2

(1. Shantou Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid, Shantou, Guangdong 515041; 2. Rongxin Huiko Electric Technology Co., Ltd, Anshan, Liaoning 114051)

In MMC-HVDC systems, traditional test methods of power module are complex and time-consuming, for these questions, this article proposes an improved scheme based on automatic test and step by step test, and illustrats various test functions detailly. The relevant buttons and LED indicators are installed on the device and the corresponding test items are selected through the relevant buttons. The test data are processed by the software system, and the test results are shown directly by the LED indicator light, without external oscilloscope and manual analysis data, the scheme simplifies the power module testing process and improves the testing and maintenance efficiency.

HVDC; power module; maintain; automatic test; step by step test

2018-04-03

陳建東（1966-），男，廣東澄海人，碩士研究生，工程師，主要從事變電管理工作。

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目（030500KK52160003）