一种高效率的晶闸管换流阀组件测试系统及测试方法与流程

本发明涉及高压直流输电晶闸管换流阀试验技术领域，具体涉及一种高效率的晶闸管换流阀组件测试系统。

背景技术：

高压直流输电技术在电力电子、微电子、控制理论和高压理论等技术领域的推动下获得了飞速发展，不断向大容量、高电压趋势发展，特别是高压大功率晶闸管的出现，为直流输电工程的换流器设备开辟了新的途径。换流阀是高压直流输电系统的核心设备，其性能直接影响整个系统的可靠性和稳定性，晶闸管凭借耐压和通流能力上的优势广泛应用在换流器设备中，通过将多个晶闸管元件串联可得到希望的系统输电电压。目前高压直流输电工程的换流器均采用模块化设计，即一个换流阀，由若干晶闸管组件构成，而一个晶闸管组件又包括多个晶闸管级单元。晶闸管级单元是换流阀的最小结构单元，每个晶闸管级又包含晶闸管、晶闸管控制单元和均压阻尼回路。晶闸管控制单元是晶闸管级单元的核心元件，其应该具备从系统回路中完成模块取能，而且除了对晶闸管具有正常触发功能外，还包括了保护触发回路，保障晶闸管在断态时以及反向恢复期内遭受高压脉冲时能被正确触发等功能。

在直流输电工程投运前以及设备检修期间，需要对换流阀的每一个晶闸管级单元进行检测试验，以确保晶闸管电气性能符合设计要求，保证直流输电工程的可靠性和设备的安全。现有的测试技术，均采用市电输入外加隔离变压器的形式产生大约300v左右的工频正弦电压，施加于单级晶闸管单元两端进行试验，而阻抗测试采用了类似电桥测试的方法；一方面，这类测试系统的集成度不够，另一方面，需要对每一级晶闸管单元依次进行测试；以特高压换流站为例，一个换流站包含近三千个晶闸管单元，要完成全部检修工作需要花费大量时间，严重影响了现场检修试验的进度。

随着脉冲功率技术在民用工业各领域的广泛应用，对重复频率纳秒脉冲电源提出了有别于大型脉冲功率装置的新要求，即轻型化、小型化、价格低廉、长寿命和高可靠性。因此，需要发明其他更为高效的测试系统来加快直流输电换流阀现场检修和试验的进度。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种高效率的晶闸管换流阀组件测试系统，该晶闸管换流阀组件测试系统能够同时对换流阀组件内多个晶闸管级单元进行测试，提高了测试效率，降低了工作重复率，解决了现有测试系统只能够对每一级晶闸管单元依次进行测试，效率低下、操作极为繁琐的问题。同时，还提供了一种晶闸管级阻抗、短路、阻抗测试方法。

本发明通过下述技术方案实现：

一种高效率的晶闸管换流阀组件测试系统，包括信号发生模块、信号采集模块、信号处理模块、光通讯控制模块和晶闸管换流阀组件；

所述信号发生模块用于输出频率可变的高压正弦信号，并施加在由n个晶闸管级串联组成的晶闸管换流阀组件两端；

所述信号采集模块用于不同频率下收集换流阀组件中晶闸管级的电压信号组、电流信号，并将电压信号组、电流信号传输给信号处理模块，所述电压信号组为不同频率下对应的各晶闸管两端的峰值电压信号的集合，电流信号为对应频率电压下流经的晶闸管换流阀组件的峰值电流信号；

所述信号处理模块用于将电压信号组、电流信号进行阻抗运算得到阻抗结果；所述信号处理模块和晶闸管换流阀组件通信连接，所述信号处理模块和信号发生模块、信号采集模块均为电性连接；

所述光通讯控制模块用于信号处理模块与晶闸管换流阀组件二者间进行通信控制连接。

信号发生模块包括信号发生器和功率放大器，所述信号发生器和功率放大器电性连接。

信号采集模块包括分布式电压测量单元、电流测量单元和数据采集系统；所述分布式电压测量单元为设置在各个晶闸管级之间的电压分压器，用于测量每个晶闸管级两端的电压，其输入端与晶闸管换流阀组件相连，输出端和数据采集系统相连；电流测量单元用于测量流过晶闸管级的电流，其输出端和数据采集系统相连。

信号处理模块包括中央处理器cpu。

光通讯控制模块包括光电通讯接口和用以通信连接的光纤，光电通讯接口具有ap接口和st接口，光纤通过光电通讯接口的ap接口和st接口用以通信连接光通讯控制模块和晶闸管换流阀组件。光电通讯接口可以兼容ap接口和st接口两种类型的光纤。

晶闸管换流阀组件中n个晶闸管级的晶闸管控制单元之间的连接方式为：上一级晶闸管控制单元的回报光纤接口ip和下一级晶闸管控制单元的触发光线接口fp相连，第一级晶闸管控制单元的触发光纤接口fp和光通讯控制模块的触发光纤相连，第n级晶闸管控制单元的回报光纤接口ip与光通讯控制模块的回报光纤相连；测试时，光通讯控制模块通过触发光线接口fp与晶闸控制单元通信导通，光通讯控制模块通过回报光纤接口ip获得晶闸管控制单元通信并反馈给信号处理模块。

一种晶闸管换流阀组件的测试方法，其阻抗测试包括以下几个步骤：

(1)获取测试信号：不同频率高压正弦激励下，获得晶闸管换流阀组件内各晶闸管两端的电压信号组，并获得流经晶闸管换流阀组件的电流信号组，所述电压信号组为不同频率下对应的各晶闸管两端的峰值电压信号的集合，电流信号组为对应频率电压下流经的晶闸管换流阀组件的峰值电流信号的集合；

(2)处理测试信号：结合光通讯控制模块输出的的触发光纤信号和收集的回报光纤信号，由信号处理模块运用下列公式处理采集的电压电流信号数据组：

upeak(fi)＝ipeak(fi)z(fi)

式中：upeak为峰值电压；ipeak为峰值电流；fi为测试频率，i＝1,2...n，联立计算即可测得晶闸管的阻抗值，将测得的阻抗值和理论阻抗值进行比较判断，即可得到晶闸管换流阀组件的各个晶闸管的状态。

晶闸管换流阀组件测试系统可以应用于晶闸管换流阀组件的阻抗测试、短路测试和低压触发测试。

短路测试主要检测晶闸管级单元中晶闸管是否发生短路或开路。晶闸管级单元短路测试采用频率为50hz的交流电源(通过频率可变的高压正弦激励设置)，施加峰值电压约为350v的工频电压于晶闸管级两端，由与晶闸管级并联的分压器检测得到晶闸管级两端的峰值电压信号，将获得的峰值电压信号与设定的电压阈值比较，如果高于最低电压，实验即通过。同时检测流过晶闸管的电流，判别是否超过了设定的电流阈值，若没有超过，说明存在开路情况，则实验失败。此处的分压器就是分布式测量单元的测量装置之一，分压器并联设置在晶闸管级的两端。

低压触发测试主要检查晶闸管级控制单元的触发功能，确保晶闸管可准确响应触发信号。晶闸管级单元触发测试采用主电路中工频电源作为试验电源(通过频率可变的高压正弦激励设置)，试验系统还包括电子开关、继电器、电压电流检测电路等部分。触发试验采用过零点触发的方式；电子开关控制触发相角；电压电流检测电路位于电子开关与继电器之间，并与cpu相连。本试验通过检测晶闸管两端电压进行晶闸管控制单元触发功能测试，当晶闸管被可靠触发时，其两端电压基本下降为零。对晶闸管级单元施加工频电压，数个工频周期后晶闸管控制单元自行取电结束，处于正常工作状态，晶闸管被触发。

本发明的发明构思在于：将多个晶闸管级的控制单元通过触发光纤接口fp、回报光纤接口ip相连与信号处理模块组成核心测试单元，由外部提供可变频的高压正弦激励，实现阻抗测试、短路测试和低压触发测试。本发明能够同时对阀组件内n个晶闸管级单元进行测试，极大的提高了测试效率，降低了工作重复率。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明能够同时测试换流阀组件中n个晶闸管级的阻抗性能，提高了测试效率，降低了测试重复率。

2、本发明的测试系统简单有效，测试效率为单个晶闸管级测试效率的几何级倍数，测试效率提高显著。

3、本发明还能同时实现n个晶闸管级的短路测试和低压触发测试，对晶闸管级进行全面的电气性能测试。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明的单个晶闸管单元的短路测试图。

图3为本发明的单个晶闸管单元的触发测试图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示，一种高效率的晶闸管换流阀组件测试系统，包括信号发生模块、信号采集模块、信号处理模块、光通讯控制模块和晶闸管换流阀组件；

所述信号发生模块用于输出频率可变的高压正弦信号，并施加在由n个晶闸管级串联组成的晶闸管换流阀组件两端；

所述信号采集模块用于不同频率下收集换流阀组件中晶闸管级的电压信号组、电流信号，并将电压信号组、电流信号传输给信号处理模块，所述电压信号组为不同频率下对应的各晶闸管两端的峰值电压信号的集合，电流信号为对应频率电压下流经的晶闸管换流阀组件的峰值电流信号；

所述信号处理模块用于将电压信号组、电流信号进行阻抗运算得到阻抗结果；所述信号处理模块和晶闸管换流阀组件通信连接，所述信号处理模块和信号发生模块、信号采集模块均为电性连接；

所述光通讯控制模块用于信号处理模块与晶闸管换流阀组件二者间进行通信控制连接。

信号发生模块包括信号发生器和功率放大器，所述信号发生器和功率放大器电性连接。

信号采集模块包括分布式电压测量单元、电流测量单元和数据采集系统；所述分布式电压测量单元为设置在各个晶闸管级之间的电压分压器，用于测量每个晶闸管级两端的电压，其输入端与晶闸管换流阀组件相连，输出端和数据采集系统相连；电流测量单元用于测量流过晶闸管级的电流，其输出端和数据采集系统相连。

信号处理模块包括中央处理器cpu。

光通讯控制模块包括光电通讯接口和用以通信连接的光纤，光电通讯接口具有ap接口和st接口，光纤通过光电通讯接口的ap接口和st接口用以通信连接光通讯控制模块和晶闸管换流阀组件。光电通讯接口可以兼容ap接口和st接口两种类型的光纤。

晶闸管换流阀组件中n个晶闸管级的晶闸管控制单元之间的连接方式为：上一级晶闸管控制单元的回报光纤接口ip和下一级晶闸管控制单元的触发光线接口fp相连，第一级晶闸管控制单元的触发光纤接口fp和光通讯控制模块的触发光纤相连，第n级晶闸管控制单元的回报光纤接口ip与光通讯控制模块的回报光纤相连；测试时，光通讯控制模块通过触发光线接口fp与晶闸控制单元通信导通，光通讯控制模块通过回报光纤接口ip获得晶闸管控制单元通信并反馈给信号处理模块。

实施例2

晶闸管换流阀组件的阻抗性能测试：

1、获取晶闸管换流阀组件中各个晶闸管级单元的电压电流信号：用频率可变的高压正弦激励施加在晶闸管换流阀组件的两端，在不同频率下获得各个频率下对应的各个晶闸管单元的峰值电压和峰值电流，可采用分布式电压测量单元对各个晶闸管单元的峰值电压进行测量，利用电流测量单元对峰值电流进行测量；

2、测试数据处理：由信号处理模块运用下列公式处理采集的电压电流信号数组：

upeak(fi)＝ipeak(fi)z(fi)

式中：upeak为峰值电压；ipeak为峰值电流；fi为测试频率，i＝1,2...n，联立计算即可测得阻抗值，将测得的阻抗值和理论阻抗值进行比较判断，即可得到晶闸管换流阀组件中各个晶闸管级的阻抗状态。

实施例3

如图2所示，短路测试主要检测晶闸管级单元中晶闸管是否发生短路或开路。晶闸管级单元短路测试采用频率为50hz的交流电源(通过频率可变的高压正弦激励设置)，施加峰值电压约为350v的工频电压。通过分压器检测晶闸管两端峰值电压，并与设定的电压阈值进行比较判别，如果高于最低电压，实验即通过。同时检测流过晶闸管的电流，判别是否超过了设定的电流阈值，若没有超过，说明存在开路情况，则实验失败。此处的分压器就是分布式测量单元的测量装置之一，分压器并联设置在各晶闸管级的两端。

实施例4

如图3所示，低压触发测试主要检查晶闸管级控制单元的触发功能，确保晶闸管可准确响应触发信号。晶闸管级单元触发测试采用主电路中工频电源作为试验电源(通过频率可变的高压正弦激励设置)，试验系统还包括电子开关、继电器、电压电流检测电路等部分。触发试验采用过零点触发的方式；电子开关控制触发相角；电压电流检测电路位于电子开关与继电器之间，并与cpu相连。本试验通过检测晶闸管两端电压进行晶闸管控制单元触发功能测试，当晶闸管被可靠触发时，其两端电压基本下降为零。对晶闸管级单元施加工频电压，数个工频周期后晶闸管控制单元自行取电结束，处于正常工作状态，晶闸管被触发。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。