陳建東 陳 濤 張 板 林 寰 廖其艷

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柔直功率單元自動測試裝置技術方案研究

陳建東1陳 濤1張 板1林 寰1廖其艷2

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

本文針對傳統(tǒng)的MMC-HVDC功率單元檢修方法復雜、耗時較長等問題，提出了一種基于自動測試和分步測試為一體的裝置開發(fā)方案，詳細描述了該方案下各項測試功能的具體實現(xiàn)方法。該測試裝置在面板上集成了相關按鈕和LED指示燈，通過使能相關按鈕選擇對應測試項，測試數(shù)據(jù)全部由裝置軟件系統(tǒng)進行處理，測試結果直接通過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，簡化了功率單元測試過程，提高了測試、檢修效率。

柔性直流輸電；功率單元；檢修；自動測試；分步測試

目前采用MMC-HVDC拓撲結構的柔性直流輸電技術在國內外得到了大量的工程應用，該技術采用完全一致的模塊化功率單元，在研發(fā)、制造、動態(tài)和靜態(tài)均壓以及后期維護上都有著顯著的優(yōu)勢。

國內已投運的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?；贛MC- HVDC系統(tǒng)，相關文獻對其系統(tǒng)控制[3]、調制算法[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]等進行了大量的技術研究，積累了比較全面的技術方案。實際工程中各換流站用到的功率單元數(shù)量多達上千，在投運后不可避免地會出現(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，就會直接導致系統(tǒng)停運。在換流站停運檢修期間，如何快速對這些故障的或正常的功率單元進行檢測尤為重要，但目前針對功率單元測試的研究還不夠深入。

換流站對功率單元進行檢修時，傳統(tǒng)做法是：采用手動充電設備給功率單元充電，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備、人工讀取示波器波形等工作。上述連線以及人工操作，對操作人員的要求較高，而且設備比較分散，移動不方便，再加上需要人工判斷電容電壓、示波器波形，在測量多個功率單元時耗時較多，給檢修工作帶來了很大壓力。

本文針對傳統(tǒng)檢修做法的不足，提出了一種基于自動測試和分步測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)視當前功率單元的電容電壓和單元輸出電壓，面板上集成相關按鈕和LED指示燈，通過使能相關按鈕選擇對應測試項，測試數(shù)據(jù)全部由裝置軟件系統(tǒng)進行處理，測試結果直接通過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，極大地簡化了測試過程，提高了測試效率。

1 功率單元工作機制

1.1 MMC-HVDC拓撲結構[11-12]

MMC-HVDC系統(tǒng)拓撲圖如圖1（a）所示。系統(tǒng)由三相6個橋臂組成，每個橋臂均級聯(lián)個功率單元，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現(xiàn)電容電壓平衡。

功率單元拓撲結構如圖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控制系統(tǒng)下發(fā)的脈沖信號后，經(jīng)過處理再下發(fā)給IGBT的驅動板，由驅動板觸發(fā)IGBT的開通和關斷。

圖1 MMC-HVDC拓撲結構

1.2 功率單元工作機制

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為正。

圖2 功率單元工作機制

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

2）當上管IGBT開通、下管IGBT關斷時，此時子模塊處于投入狀態(tài)，如狀態(tài)2所示。當電流sm＞0時，電流通過D1向電容充電，當電流sm＜0時，電流通過上開關管對電容進行放電。

3）當上管IGBT關斷、下管IGBT開通時，子模塊處于切除狀態(tài)，如狀態(tài)3所示。當電流sm＞0時，電流通過下開關管流出，電流對電容電壓無影響，當電流sm＜0時，電流通過D2流出，電流對電容電壓無影響。

2 功率單元測試裝置技術分析

2.1 技術要求

結合功率單元的拓撲結構和工作機制，測試裝置應滿足的技術要求有[13]：

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

2）功率單元由單元主控板完成相關控制邏輯，單元主控板需要與上層閥控系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)通信，采用的是光纖通信。在測試過程中要能準確的檢測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)進行電容電壓排序算法時，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，該電壓的準確性直接影響到排序算法及保護邏輯，在測試過程中要能準確的判斷出單元主控板采集的電容電壓值是否準確、采樣回路是否正常。

4）功率單元在運行中一旦出現(xiàn)故障，需要及時的從橋臂中旁路掉，在測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、關斷3種工作狀態(tài)，在功率單元充電過程中，需要檢測閉鎖狀態(tài)下上、下IGBT電壓是否平衡，否則會出現(xiàn)直通或單管擊穿的風險，在確保IGBT閉鎖測試通過后，才能進行IGBT的開關和關斷測試[14-15]。

6）裝置需具有自檢能力，測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）為簡化測試流程、提高測試效率，應提供自動測試和分步測試兩種模式。自動測試由裝置自動完成各項目測試，分步測試由操作人員手動選擇需要進行的測試項。

2.2 設計思路

單元主控板與上層閥控系統(tǒng)通信時，會上報功率單元的運行狀態(tài)和故障信息。運行狀態(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驅動故障、取能故障、單元過壓、單元欠壓等。

基于實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，集成充電電源、放電回路、測試按鈕、液晶顯示等功能。

增加可控充電電源板，實現(xiàn)為功率單元充電的功能；增加IO面板，面板上有各功能測試按鈕和各項測試結果指示燈；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為測試裝置設計原理框圖。

圖3 測試裝置設計原理框圖

圖4為測試裝置面板布局圖。

圖4 測試裝置面板布局

圖5為測試裝置與功率單元連接實物圖。

圖5 測試裝置與功率單元連接圖

裝置設計自動測試和分步測試，自動模式下測試裝置自動完成各項試驗，測試結果通過IO面板上對應指示燈顯示。分步模式下，設計各項試驗的使能按鈕，由操作人員手動選擇需要進行的試驗項目。前者可快速檢測功率單元是否存在問題，提高工作效率，后者可對自動模式下已排查出的功率單元再進行詳細測試，以鎖定問題來源，便于檢修。

2.3 技術方案

1）裝置自檢

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

2）充電

測試裝置直流輸出母線連接功率單元電容正、負極，電壓采樣線連接交流輸出排。點擊面板“充電”按鈕，測試裝置開始對功率單元進行充電，在取能電源正常工作前，單元主控板處于未上電狀態(tài)，此時測試裝置會上報取能電源故障和通信故障。當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，單元主控板上報配置完成，并在收到復位命令后，清除相應故障信息。待功率單元充電至預定電壓值時，充電完成，充電階段結束。等待進入下一測試項目。

在充電過程中需要做以下測試：充電時間判斷，用以判斷充電回路是否正常，當充電過慢時系統(tǒng)報“充電故障”；單元閉鎖狀態(tài)判斷，在閉鎖狀態(tài)下上、下IGBT電壓應基本一致，當檢測出單元交流輸出排電壓與電容電壓的一半偏差過大時，系統(tǒng)報“閉鎖狀態(tài)異?！?；單元采樣數(shù)據(jù)誤差判斷，當單元主控板上傳的電容電壓與測試裝置輸出的直流母線電壓偏差過大時，系統(tǒng)報“單元電壓采樣異常”。功率單元在配置完成后，充電過程中如果報出故障信息，系統(tǒng)會上報“功率單元異常”。在上述故障時，測試裝置停止充電并通過內置放電電阻快速給電容器放電，同時面板上的“充電異?！薄ⅰ跋到y(tǒng)異?！敝甘緹舯稽c亮。如果充電過程均正常，“充電正常”、“系統(tǒng)正?！敝甘緹舯稽c亮。

3）運行

在功率單元充電完成后，點擊面板“運行”按鈕，系統(tǒng)開始進入發(fā)波邏輯。系統(tǒng)按照一定的工頻、開關頻率和調制度生成上、下管的脈沖信號。

按照2.2功率單元的工作機制描述，當系統(tǒng)下發(fā)IGBT上管開通信號時，在下個控制周期檢測出單元輸出電壓等于電容電壓，IGBT上管開通正常，反之異常；當系統(tǒng)下發(fā)IGBT下管開通信號時，在一下控制周期檢測出單元輸出電壓為零，IGBT下管開通正常，反之異常。當上下IGBT測試都通過后，裝置面板上“運行正?！?、“系統(tǒng)正?！敝甘緹舯稽c亮，反之“運行異?！?、“系統(tǒng)異常”指示燈被點亮。

4）放電

點擊面板“放電”按鈕，開始進行放電測試邏輯。測試裝置放電有兩種：①通過功率單元電容器并聯(lián)的放電電阻進行放電，稱為慢放；②通過測試裝置內置放電電阻進行放電，稱為快放。在系統(tǒng)沒有故障時，首先采用慢放的方式進行放電，同時利用功率單元采集到的電容電壓值進行放電曲線RC時間常數(shù)計算，當計算出的RC時間常數(shù)與理論值相符時，裝置面板上“放電正?！?、“系統(tǒng)正?！敝甘緹舯稽c亮。當電壓跌落到設定的閾值，或RC時間常數(shù)異常時直接切換到快放。

5）旁路

針對有旁路接觸器的功率單元，檢修時需要利用測試裝置對旁路接觸器進行測試，利用裝置測試旁路功能的簡化邏輯為：當功率單元出現(xiàn)故障時，單元主控板上報該故障信息和旁路請求，測試裝置接收到旁路請求后下發(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，延遲一定時間后，檢測旁路接觸器返回觸點狀態(tài)，以判斷旁路是否成功，并上報測試裝置旁路結果。

6）自動測試

點擊裝置面板“自動測試”按鈕，裝置開始按照上述分步測試的流程自動完成各項測試，不需要操作人員手動干預。

按照上述方案設計的測試裝置實物圖如圖6所示。

圖6 測試裝置實物圖

圖7為測試裝置剛開機時實物圖，開機時所有功能處于鎖止狀態(tài)，面板LED紅燈全亮。

圖7 測試裝置開機實物圖

圖8為測試裝置自檢通過后實物圖，自檢通過后所有測試項的紅燈和綠燈均滅，其中通信狀態(tài)紅燈亮是因為此時測試裝置尚未給功率單元充電，功率單元主控板未達到需要的工作電壓，所以單元與測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 測試裝置自檢通過后實物圖

圖9中，測試裝置面板左側所有LED綠燈亮，表示自動測試通過。

圖9 測試裝置自動測試通過后實物圖

在南澳多端、云南魯西背靠背等直流輸電工程中，該測試裝置得到了多次實際應用，測試過程簡單，測試結果準確，具有很高的實用價值。

3 結論

本文先分析了MMC-HVDC的拓撲結構和功率單元工作機制，在此基礎上提出了一種基于自動測試和分步測試為一體的測試方案，并詳細描述了該方案下各項測試功能的具體實現(xiàn)方法。相比傳統(tǒng)功率單元檢修方案，該方案極大地簡化了檢修過程，提高了檢修的效率，具有很高的實用價值。

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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)有限責任公司科技項目（030500KK52160003）