CN109901039A - 一种换流阀晶闸管均压元件测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种换流阀晶闸管均压元件测试装置及方法，所述装置包括测试信号源模块、采集处理模块和元件参数计算模块，其中，测试信号源模块的正极输出端和负极输出端分别对应的连接到晶闸管级的正极输入端和负极输入端，采集处理模块的正极输入端和负极输入端分别对应的连接到晶闸管级的正极输出端和负极输出端，采集处理模块的输出端连接到元件参数计算模块的输入端，测试信号源用于产生直流和不同频率交流的测试电压，将该电压信号施加于晶闸管级两端，即可测量晶闸管均压回路在特定频率下的电压、电流值，之后通过牛顿拉夫逊算法，以求解出均压元件参数值。与现有技术相比，本发明的测试时间短，测试流程简单，能有效提高测试效率。

Description

一种换流阀晶闸管均压元件测试装置及方法

技术领域

本发明涉及直流输电技术领域，尤其是涉及一种换流阀晶闸管均压元件测试装置及方法。

背景技术

在直流输电工程中，换流阀的功能是实现电能交直流转换，是换流站的核心设备，被喻为换流站“心脏”。为实现期望直流电压的输出，考虑到单个晶闸管耐压水平有限，换流阀一般采用多级晶闸管串联结构，同时还要考虑晶闸管元件的故障率和冗余度，以此来设计换流阀中晶闸管元件的数量，因此实际工程中晶闸管级单元的数量极为庞大，根据统计，国内一个换流站内晶闸管的数量在2000～3000只。

晶闸管级回路是构成换流阀模块的最基本单元，它由阻尼回路、直流均压回路、晶闸管等组成。阻尼回路的作用是保证串联晶闸管间的电压分布均匀，由阻尼电阻、阻尼电容和直流均压电阻组成，阻尼回路与饱和电抗器一起作用，以限制晶闸管电压在极快暂态电压下的上升率，在每个换流器运行周期里，阻尼回路会经受数次电压阶跃变化，因此会产生很大的功率耗散，其健康水平直接关系到换流阀是否可以稳定运行，对直流输电的安全运行具有重要意义。因此，阻尼回路元件参数的准确测试极其重要，但是由于单个换流站就有上千个晶闸管级，检修时开展阻尼回路参数测量工作巨大。

根据换流阀检修相关的国家标准要求，需要定期测量均压元件参数值，传统的对晶闸管级均压元件的测试方法比较单一，大多采用万用表、电容桥等测试仪器直接测试晶闸管级的阻尼电阻、阻尼电容、直流均压电阻等。该方法需要断开晶闸管级电气连接，测试过程复杂繁琐、测试时间长、测试效率低，且该方法无法提供激励源，不能反映晶闸管级在实际运行过程中的工况。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种换流阀晶闸管均压元件测试装置及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种换流阀晶闸管均压元件测试装置，包括测试信号源模块、采集处理模块和元件参数计算模块，所述测试信号源模块的正极输出端和负极输出端分别对应的连接到待测晶闸管级的正极输入端和负极输入端，所述采集处理模块的正极输入端和负极输入端分别对应的连接到待测晶闸管级的正极输出端和负极输出端，所述采集处理模块的输出端连接到所述元件参数计算模块的输入端；

所述测试信号源模块用于产生测试电压信号并将该测试电压输出给晶闸管级；

所述采集处理模块用于采集晶闸管级的电压和电流信号，并将采集到的电压和电流信号进行处理之后传输给所述元件参数计算模块；

所述元件参数计算模块用于计算并输出晶闸管级的均压元件参数值。

优选的，所述测试电压信号施加在晶闸管级的阳极散热器和阴极散热器上。

优选的，所述测试电压信号包括一路直流电压信号和多路不同频率的交流电压信号。

优选的，所述测试信号源模块包括控制信号发生器、正弦波发生器、功率放大器、隔离变压器和整流器，所述控制信号发生器的输出端连接到所述正弦波发生器的输入端，所述正弦波发生器的输出端连接到所述功率放大器的输入端，所述功率放大器的输出端分别连接到所述隔离变压器的输入端、所述整流器的输入端；

所述控制信号发生器用于产生设定频率的控制信号；

所述正弦波发生器用于产生设定频率的交流信号；

所述功率放大器用于放大交流信号；

所述隔离变压器用于抑制交流信号中的高频杂波；

所述整流器用于将交流信号转化为直流信号。

优选的，所述功率放大器包括主级功率放大管、第一次级功率放大管和第二次级功率放大管，采用主从并联模式。

优选的，所述采集处理模块包括依次相连接的信号采集单元、差分处理单元、滤波放大单元、真有效值转换单元和A/D转换单元，

所述信号采集单元用于采集晶闸管级电压信号和电流信号；

所述差分处理单元用于减少晶闸管级电压和电流信号中的共模信号干扰；

所述滤波放大单元用于对高频干扰信号做滤波处理以及信号放大；

所述真有效值转换单元用于将交流信号转换为对应的有效值直流信号；

所述A/D转换单元用于将模拟信号转换为数字信号。

一种采用所述的换流阀晶闸管均压元件测试装置的方法，包括：

步骤1，生成测试电压：测试信号源输出一路直流测试电压和多路设定频率的交流测试电压；

步骤2，加载测试电压：将所述步骤1中的直流测试电压和多路设定频率的交流测试电压依次加载在晶闸管上；

步骤3，采集处理晶闸管级电压和电流信号：采集处理模块依次采集不同测试电压下的晶闸管级电压和电流信号，之后分别对采集到的信号依次进行差分处理、滤波放大、真有效值转换和A/D转换，最终输出多个数字信号；

步骤4，计算均压元件参数：利用牛顿拉夫逊算法，由元件参数计算模块计算并输出阻尼电阻、阻尼电容和直流均压电阻的参数值。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明具有测试激励源，能反映晶闸管级在实际测试过程中的运行工况。

二、本发明在进行测试时无需断开晶闸管级电气连接，且能同时输出一路直流测试电压和多路不同频率的交流测试电压，减少了测试时间，简化了测试流程，提高了测试效率。

三、本发明基于牛顿拉夫逊算法，能同时保证对晶闸管级均压元件参数值计算的速度和准确性。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图；

图2为实施例中测试信号源模块的结构示意图；

图3为实施例中采集处理模块的结构示意图；

图4为实施例的测试接线图；

图5为本发明的方法流程示意图；

图6为实施例中晶闸管级阻尼回路电路图；

图示中，10为测试信号源模块，20为采集处理模块，30为元件参数计算模块，40为晶闸管级，101为控制信号发生器，102为正弦波发生器，103为功率放大器，1031为主级功率放大管，1032为第一次级功率放大管，1033为第二次级功率放大管，104为隔离变压器，105为整流器，201为信号采集单元，202为差分处理单元，203为滤波放大单元，204为真有效值转换单元，205为A/D转换单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种换流阀晶闸管均压元件测试装置，包括测试信号源模块10、采集处理模块20和元件参数计算模块30，测试信号源模块10的正极输出端和负极输出端分别对应的连接到晶闸管级40的正极输入端和负极输入端，测试信号源模块10用于产生测试电压信号并将该测试电压输出给晶闸管级；

采集处理模块20的正极输入端和负极输入端分别对应的连接到晶闸管级40的正极输出端和负极输出端，采集处理模块20的输出端连接到元件参数计算模块30的输入端，采集处理模块20用于采集晶闸管级的电压和电流信号，并将采集到的电压和电流信号进行处理之后传输给所述元件参数计算模块30，元件参数计算模块30用于计算并输出晶闸管级40的均压元件参数值。

本实施例中，测试电压信号包括一路直流电压信号DC和五路不同频率的交流电压信号，其中，五路交流信号的频率分别为150Hz、400Hz、1000Hz、3000Hz、10000Hz。如图4所示，测试电压信号施加在晶闸管级的阳极散热器和阴极散热器上，图2和图3所示分别为测试信号源模块10和采集处理模块20的结构示意图，

图2中，测试信号源模块10包括控制信号发生器101、正弦波发生器102、功率放大器103、隔离变压器104和整流器105，控制信号发生器101的输出端连接到正弦波发生器102的输入端，控制信号发生器101用于产生设定频率的控制信号，正弦波发生器102的输出端连接到功率放大器103的输入端，正弦波发生器用于产生设定频率的交流信号，功率放大器用于放大交流信号，功率放大器103的输出端分别连接到隔离变压器104的输入端、整流器105的输入端，隔离变压器用于抑制交流信号中的高频杂波，整流器用于将交流信号转化为直流信号。其中，功率放大器103由主级功率放大管1031、第一次级功率放大管1032和第二次级功率放大管1033组成，采用主从并联模式，即主芯片从输入到输出的全部电路都在工作，其余两个从芯片前级部分被屏蔽，只有后级的功率输出部分在工作。

上述测试信号源模块10的工作原理为：控制信号发生器101输出所需频率的控制信号给正弦波发生器102产生正弦波信号，功率放大器103对该正弦波信号进行放大，经由隔离变压器104输出20V的交流测试信号，另外由整流器105输出一路直流测试信号。其中，正弦波发生器102采用精密高频波形产生器MAX038，能产生准确的高频正弦波，输出频率可以通过调整电流电压或电阻来分别地控制，所需的输出波形可由在A0和A1输入端设置适当的代码来选择；功率放大器103采用大功率高电压DMOS管TDA7293，为提高输出功率，功率放大器件并联三只功放管，采用主从模式工作；整流器105采用全波整流方式；为提高使用安全性和抑制高频杂波，将功率放大器103输出的交流电压接入隔离变压器104，变压器二次输出电压可直接施加于晶闸管级两端。

图3中，采集处理模块20包括依次相连接的信号采集单元201、差分处理单元202、滤波放大单元203、真有效值转换单元204和A/D转换单元205，信号采集单元201用于采集晶闸管级电压信号和电流信号，差分处理单元202用于减少晶闸管级电压和电流信号中的共模信号干扰，滤波放大单元203用于对高频干扰信号做滤波处理以及信号放大，真有效值转换单元204用于将交流信号转换为对应的有效值直流信号，A/D转换单元205用于将模拟信号转换为数字信号。

上述采集处理模块20的工作原理为：信号采集单元201将采集到的晶闸管级电压和电流信号输入差分处理单元202，以减少共模信号的干扰。差分处理单元202输出信号接入滤波放大单元203，以进行高频干扰滤波处理及信号放大。由于测试电压信号包括一路直流电压和五种不同频率的交流电压，因此采用真有效值转换方式，将输入的多种频率的测试电压信号统一转换为对应的有效值直流信号。真有效值转换单元204输出的直流信号输入到A/D转换单元205，由A/D转换单元205的每个通道的AD进行同步采样，将每一路模拟信号转换为数字信号。

如图5所示，一种换流阀晶闸管均压元件测试方法，包括：

步骤1，生成测试电压：测试信号源10输出一路直流测试电压和多路设定频率的交流测试电压；

步骤2，加载测试电压：将所述步骤1中的直流测试电压和多路设定频率的交流测试电压依次加载在晶闸管上；

步骤3，采集处理晶闸管级电压和电流信号：采集处理模块20依次采集不同测试电压下的晶闸管级电压和电流信号，之后分别对采集到的信号依次进行差分处理、滤波放大、真有效值转换和A/D转换，最终输出多个数字信号；

步骤4，计算均压元件参数：利用牛顿拉夫逊算法，由元件参数计算模块30计算并输出阻尼电阻、阻尼电容和直流均压电阻的参数值。

本实施例中的阻尼回路电路如图6所示，电容C1为第1支路，电容C2串联电阻R2构成第2支路，电容C3串联电阻R3构成第3支路，电阻R4为第4支路，根据欧姆定律，有方程式：

其中ω＝2πf，电压、电流为可测量，电阻、电容为未知量。

由于容抗跟随频率变化，式(1)中有6个未知数(直流回路作为一个参数)，可以在阀组件两端加6次不同频率的测试信号，采用牛顿拉夫逊算法迭代求解，也就是将非线性方程式的求解过程变成反复地对相应的线性方程式进行求解的过程。

具体求解过程为：第1、2、3支路的导纳为：

其中取A₁＝ω(C₁C₂+C₁C₃)，

A₂＝ω²C₁C₂C₃(R₂+R₃)，

A₃＝ω(R₂C₂C₃+R₃C₂C₃+R₁C₁C₂+R₃C₃C₃)，

A₄＝(ω²R₂R₃C₁C₂C₃-C₁-C₂-C₃)。

则第1、2、3、4支路的总导纳为：

其中G₄＝1/R₄，因为I²＝|Y|²U²，所以可以构造等式：

给定频率为零，则可以获得给定初始值C₁，C₂，C₃，R₂，R₃和5个不同频率下的电压电流值，若满足等式(4)说明初始值即为待求值，若等式不满足，求雅克比矩阵：

根据F＝YKB·ΔC，求修正量，利用迭代思想最终求得满足等式条件的C₁，C₂，C₃，R₂，R₃。

附：本算法为牛顿拉夫逊法，根据迭代的思想设立初始值C⁽⁰)，将初始值代入等式(4)，若满足|F⁽ⁿ⁾|＜ε，则程序结束，若不满足则根据F(C)＝-YKB·ΔC⁽ⁿ⁾，获得修正量ΔC⁽ⁿ⁾，C⁽ⁿ⁺¹⁾＝C⁽ⁿ⁾+ΔC⁽ⁿ⁾，直到最终满足等式结束。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种换流阀晶闸管均压元件测试装置，其特征在于，包括测试信号源模块、采集处理模块和元件参数计算模块，所述测试信号源模块的正极输出端和负极输出端分别对应的连接到待测晶闸管级的正极输入端和负极输入端，所述采集处理模块的正极输入端和负极输入端分别对应的连接到待测晶闸管级的正极输出端和负极输出端，所述采集处理模块的输出端连接到所述元件参数计算模块的输入端；

所述测试信号源模块用于产生测试电压信号并将该测试电压输出给晶闸管级；

所述采集处理模块用于采集晶闸管级的电压和电流信号，并将采集到的电压和电流信号进行处理之后传输给所述元件参数计算模块；

所述元件参数计算模块用于计算并输出晶闸管级的均压元件参数值。

2.根据权利要求1所述的一种换流阀晶闸管均压元件测试装置，其特征在于，所述测试电压信号施加在晶闸管级的阳极散热器和阴极散热器上。

3.根据权利要求1所述的一种换流阀晶闸管均压元件测试装置，其特征在于，所述测试电压信号包括一路直流电压信号和多路不同频率的交流电压信号。

4.根据权利要求1所述的一种换流阀晶闸管均压元件测试装置，其特征在于，所述测试信号源模块包括控制信号发生器、正弦波发生器、功率放大器、隔离变压器和整流器，所述控制信号发生器的输出端连接到所述正弦波发生器的输入端，所述正弦波发生器的输出端连接到所述功率放大器的输入端，所述功率放大器的输出端分别连接到所述隔离变压器的输入端、所述整流器的输入端；

所述控制信号发生器用于产生设定频率的控制信号；

所述正弦波发生器用于产生设定频率的交流信号；

所述功率放大器用于放大交流信号；

所述隔离变压器用于抑制交流信号中的高频杂波；

所述整流器用于将交流信号转化为直流信号。

5.根据权利要求4所述的一种换流阀晶闸管均压元件测试装置，其特征在于，所述功率放大器包括主级功率放大管、第一次级功率放大管和第二次级功率放大管，采用主从并联模式。

6.根据权利要求1所述的一种换流阀晶闸管均压元件测试装置，其特征在于，所述采集处理模块包括依次相连接的信号采集单元、差分处理单元、滤波放大单元、真有效值转换单元和A/D转换单元，

所述信号采集单元用于采集晶闸管级电压信号和电流信号；

所述差分处理单元用于减少晶闸管级电压和电流信号中的共模信号干扰；

所述滤波放大单元用于对高频干扰信号做滤波处理以及信号放大；

所述真有效值转换单元用于将交流信号转换为对应的有效值直流信号；

所述A/D转换单元用于将模拟信号转换为数字信号。

7.一种采用权利要求1所述的换流阀晶闸管均压元件测试装置的方法，其特征在于，包括：

步骤1，生成测试电压：测试信号源输出一路直流测试电压和多路设定频率的交流测试电压；

步骤2，加载测试电压：将所述步骤1中的直流测试电压和多路设定频率的交流测试电压依次加载在晶闸管上；

步骤3，采集处理晶闸管级电压和电流信号：采集处理模块依次采集不同测试电压下的晶闸管级电压和电流信号，之后分别对采集到的信号依次进行差分处理、滤波放大、真有效值转换和A/D转换，最终输出多个数字信号；

步骤4，计算均压元件参数：利用牛顿拉夫逊算法，由元件参数计算模块计算并输出阻尼电阻、阻尼电容和直流均压电阻的参数值。