一种用于柔直功率模块的旁路开关测试装置及测试方法与流程

1.本发明属于柔直功率模块的旁路开关测试技术领域，具体涉及特别是涉及一种用于柔性直流输电系统中，功率模块的旁路开关测试。


背景技术：

2.模块化多电平电压源换流器高压直流输电(modular multilevel converter based hvdc，mmc-hvdc)技术是一种新型的电压源换流器直流输电技术，已被广泛应用于新能源并网、非同步联网和多端直流输电等领域。
3.mmc换流阀每桥臂由多个子模块串联构成，每个子模块都设计有旁路功能，在换流阀运行期间出现个别功率模块故障后，确保此故障模块快速旁路隔离，避免故障进一步扩大影响整个换流阀系统的运行。基于此需求，每个功率模块都配置了一套旁路开关设备，一个换流站通常由几千台的旁路开关，其可靠性是整个换流阀系统稳定运行的保障。
4.传统对于旁路开关检测设备，偏向于实际应用方面，主要是旁路开关是否合闸、合闸时间是否满足快速可靠旁路的需求，但对于旁路开关在耐压、高压脉冲、接触阻抗等方面仍需要进一步加强，提高旁路开关检测的全面。同时，一个换流站有几千台的旁路开关，如此庞大的数量，检测手段的简洁性和高效性也是工程的实际需求。
5.所以需要结合柔直换流阀需求、旁路开关的特性，研究一种旁路开关测试方法是解决目前所存在问题的关键。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种用于柔直功率模块的旁路开关测试装置及测试方法，实现旁路开关的多量连续测量。
7.为达到上述目的，本发明一种用于柔直功率模块的旁路开关测试装置，包括主控制系统、直流电源、耐压测试模块、高压脉冲dv/dt模块、状态测量模块、接触电阻测试模块、充电回路和旁路触发模块；直流电源、耐压测试模块、高压脉冲dv/dt模块、状态测量模块、接触电阻测试模块和旁路触发模块均与主控制系统连接，主控制系统用于为直流电源、耐压测试模块、高压脉冲dv/dt模块、状态测量模块、接触电阻测试模块和旁路触发模块提供逻辑控制指令；直流电源与充电回路连接，用于为充电回路中的储能电容进行直流充电；耐压测试模块与旁路开关的主触点连接，用于检测旁路开关的原副边绝缘耐压；高压脉冲dv/dt模块与旁路开关的主触点连接，用于检测旁路开关的脉冲耐受能力；状态测量模块与旁路开关的主触点、辅助触点连接，用于检测旁路开关的合闸状态、合闸时间；接触电阻测试模块与旁路开关的主触点连接，用于检测旁路开关合闸后，主触点的合闸阻抗状态；旁路触发模块与触发开关连接，为旁路开关的合闸提供驱动指令。
8.进一步的，高压脉冲dv/dt模块包括dsp控制板、启动回路、可调变压器t1、整流模块和脉冲转换模块；dsp控制板与启动回路、可调变压器以及脉冲转换模块连接；启动回路与可调变压器、整流模块串联，使交流电源变换为高压直流电源，脉冲转换模块并联在高压
直流电源两端。
9.进一步的，启动回路包括开关k1、开关k2和电阻r0，开关k2和电阻串联形成串联支路，开关k1与串联支路并联。
10.进一步的，脉冲转换模块由多个相同的半桥拓扑模块串联。
11.进一步的，高压脉冲dv/dt模块输出端串联有限流电阻r4。
12.进一步的，状态测量模块与旁路开关的主触点以及辅助触点连接，通过i/o接口采集触点开关的主触点合闸时间t1、辅助触点合闸时间t2、弹跳时间t3，并将测量参数上传至主控制系统。
13.进一步的，充电回路包括串联成回路的限流电阻r1、储能电容c1和分离开关s3。
14.基于上述的测试装置的用于柔直功率模块的旁路开关测试方法，包括以下步骤：
15.步骤1、在主控制系统设置测试参数；
16.步骤2、启动耐压测试模块，测试合格进行下一步，不合格则测试结束；
17.步骤3、关闭耐压测试模块，启动高压脉冲dv/dt模块进行高压脉冲测试，测试合格进行下一步，不合格则结束测试；
18.步骤4、关闭高压脉冲dv/dt模块，启动直流电源，为储能电容充电，检测储能电容电压达到设定值，电压稳定后关闭高压直流电源；
19.步骤5、启动旁路触发模块，控制开关合闸后，电容器通过励磁线圈形成合闸力，旁路开关机构动作，主触点和辅助触点动作；
20.步骤6、启动状态测量模块，测量主触点合闸时间、弹跳时间、辅助触点合闸时间，数据上传至主控制系统；
21.步骤7、启动接触电阻测试模块，测试主触点合闸后的接触电阻，判断其合闸可靠性；
22.步骤8、保存测试结果，测试结束。
23.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
24.本发明可方便简洁的连接在旁路开关机构上，能够有效触发旁路开关闭合，全面测试旁路开关的耐压、高压脉冲dv/dt、合闸状态、合闸时间、接触电阻等关键特性，测试项目全面，简单易操作，测试效率高，提高旁路开关可靠性，为柔直换流阀功率模块的运行奠定保障基础。
25.本发明所述的测试方法，对功率模块的旁路开关进行全自动控制操作，按照严格的耐压、高压脉冲、合闸、阻抗测试顺控逻辑开展，各环节采集测试数据进行标准比对判断，减少返工测试；通过控制操作台可以根据测试需求，对测试电压、测试频率、测试电压变化率、测试时间等参数进行设定，满足各工况测试条件，减少人员多台设备单独设定操作，提高测试效率，测试数据及结果自动生产报告，具有自动化顺控操作、测试项目全面、自动判断及生产报告等优点，适合批量化旁路开关高效测试。
26.进一步的，高压脉冲dv/dt模块包括dsp控制板、启动回路、可调变压器t1、整流模块和脉冲转换模块；所述dsp控制板与启动回路、可调变压器以及脉冲转换模块连接；所述启动回路与可调变压器、整流模块串联，使交流电源变换为高压直流电源，所述脉冲转换模块并联在高压直流电源两端；dsp控制板与主控制系统连接，根据测试需求通过主控制系统后台设定参数，对输出电压、输出频率、脉冲占空比和试时间进行调整，dsp控制板对可调变
压器和脉冲转换模块进行升压和控制脉冲控制，满足测试需求。
27.进一步的，脉冲转换模块由多个相同的半桥拓扑模块串联，所有半桥拓扑模块输出电压之和大于脉冲转换模块的最高输出电压，即使半桥拓扑模块串联阻抗差异性带来电压偏差，脉冲转换模块的输出电压也能满足要求。
28.进一步的，高压脉冲dv/dt模块输出端串联有用于限制旁路开关击穿短路后的电流发限流电阻，提高测试装置的安全性。
附图说明
29.图1是旁路开关测试装置原理图；
30.图2是柔直功率模块电路图；
31.图3是高压脉冲dv/dt模块原理图；
32.图4是旁路开关测试方法流程图。
具体实施方式
33.为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
34.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
35.参照图1，一种用于柔直功率模块的旁路开关测试装置，包括主控制系统、直流电源、耐压测试模块、高压脉冲dv/dt模块、状态测量模块、接触电阻测试模块、充电回路和旁路触发模块。直流电源、耐压测试模块、高压脉冲dv/dt模块、状态测量模块、接触电阻测试模块和旁路触发模块均与主控制系统连接。
36.参照图2，所述柔直功率模块为柔性直流输电换流阀用的功率子模块，包括开关管t1开关管t2、开关管t1的反并联二极管d1、开关管t2的反并联二极管d2、电容器c、放电电阻r、旁路开关s，其中开关管t1与开关管t2串联，串联连接点为功率模块的正输出端，电容负极为负输出端。
37.耐压测试模块与旁路开关的主触点s1连接，进行交流电压10kv、输出频率50hz、测试时间1分钟的测试，用于检测旁路开关的原、副边绝缘耐压情况；耐压测试模块选用供电
电压220v，输出最高电压10kv，输出频率50hz，可选用南京恩泰制造，型号et2671a，配置有rs232串行通讯接口，用于耐压测试模块与主控制系统通讯，读取检测结果，包含输出电压、输出频率、测试电流、测试时间。
38.高压脉冲dv/dt模块与旁路开关的主触点s1连接，进行脉冲电压9kv、最大电压变化率8kv/us、测试频率200hz、脉冲占空比80％、测试时间10分钟测试，用于检测旁路开关的脉冲耐受能力。
39.如图3所示，高压脉冲dv/dt模块包括dsp控制板、启动回路、可调变压器t1、整流模块、脉冲转换模块、电流传感器ct和电压传感器pt；启动回路与可调变压器、整流模块串联，使交流电源变换为高压直流电源，输出最高电压9kv，启动充电时间10s；启动回路包括开关k1、开关k2和电阻r0，开关k2和电阻串联形成串联支路，开关k1与串联支路并联形成启动回路；脉冲转换模块并联在高压直流电源两端，脉冲转换模块由3套相同的半桥拓扑模块串联，每个半桥拓扑模块可满足3.5kv电压运行，满足半桥拓扑模块串联阻抗差异性带来的电压偏差；高压脉冲dv/dt模块输出串联有限流电阻r4，用于限制旁路开关击穿短路后的电流，输出端点a2与旁路开关的主触点s1连接第一端a1连接，输出端点b2与旁路开关的主触点s1连接第二端b1连接，输出连接有电流传感器ct和电压传感器pt，用于检测输出电流和输出电压。dsp控制板与启动回路、可调变压器、脉冲转换模块、电流传感器反馈信息、电压传感器反馈信号连接，提供启动回路、可调变压器、脉冲转换模块、电流传感器和电压传感器的逻辑控制指令。
40.高压脉冲dv/dt模块的dsp控制板与外部的主控制系统连接，可根据测试需求通过主控制系统后台设定参数，对输出电压、输出频率、脉冲占空比、测试时间参数进行调整，dsp控制板对可调变压器和脉冲转换模块进行升压和控制脉冲控制，满足测试需求。高压脉冲dv/dt模块选用供电电压220v，最高输出电压10kv，最大电压变化率8kv/us，最高输出频率1khz、最高脉冲占空比90％。
41.状态测量模块与旁路开关的主触点s1、辅助触点s2连接，通过i/o接口采集触点开关的主触点合闸时间t1、辅助触点合闸时间t2、弹跳时间t3，用于检测旁路开关的合闸状态、合闸时间；状态测量模块选用供电电压220v，功率30w，输出24v，测量参数上传至主控制系统。
42.接触电阻测试模块与旁路开关的主触点连接，用于检测旁路开关合闸后，主触点的合闸回路电阻参数；接触电阻测试模块选用电流电压法测量方法，供电电压220v，功率500w，最大输出电流200a，测量范围5uω～20mω，可选用武汉国电西高电气有限公司制造，型号gdhl-200，用于耐压测试模块与主控制系统通讯，读取检测结果，包含测试电阻、测试时间。所述主控制系统是测试装置的核心，其与直流电源、耐压测试模块、高压脉冲dv/dt模块、状态测量模块、接触电阻测试模块和旁路触发模块连接，为直流电源、耐压测试模块、高压脉冲dv/dt模块、状态测量模块、接触电阻测试模块和旁路触发模块提供逻辑控制指令，并进行交互通讯，实时收集测试数据进行判定。
43.直流电源由外部交流供电，内部转换为直流可调电压，最高电压可达到1000v，其与充电回路连接，为储能电容c1进行直流充电；高压电源的供电电压为220v，功率1kw，输出最高电压1000v。
44.充电回路包括限流电阻r1、储能电容c1和分离开关s3，三者形成串联回路；试品旁
路开关包含励磁线圈、主触点、辅助触点及连接机构，励磁线圈与控制开关串联，并联在储能电容两端。
45.旁路触发模块与控制开关连接，为旁路开关的合闸提供驱动指令。
46.参见图4，柔直功率模块的旁路开关测试方法为：
47.1)、试验人员办理上电操作票，为旁路开关测试装置供电，确保设备正常带电。
48.2)、试验人员在主控制系统设置测试参数并保存，测试参数包括：耐压测试电压ut1、耐压测试时间t1、高压脉测试电压ut2、高压脉冲测试时间t2、高压脉冲dv/dt变化值m、高压脉冲开关频率k、储能电容电压uc。
49.3)、启动试验，主控制系统启动耐压测试模块，使被测开关两端电压升高至ut1，对旁路开关进行耐压测试，耐压测试合格进行下一步，不合格则结束，并进行检查。
50.4)、主控制系统关闭耐压测试模块，启动高压脉冲dv/dt模块，输出加载在试品开关的测试电压ut2、高压脉冲测试时间t2、高压脉冲dv/dt变化值m、高压脉冲开关频率k，检测试品开关的漏电流、端口电压波形，测试合格进行下一步，不合格则结束测试，并进行检查。
51.5)、主控制系统关闭高压脉冲dv/dt模块，启动直流电源，为储能电容c1充电，检测储能电容电压达到设定的储能电容电压uc，uc根据试品开关的励磁线圈阻抗、励磁电流确定，电压稳定后关闭高压直流电源。
52.6)、主控制系统启动旁路触发模块和状态测量模块，下发控制开关指令，控制开关合闸后，储能电容c1通过励磁线圈km1形成合闸力，旁路开关机构动作，主触点和辅助触点动作。测量主触点合闸时间ta、弹跳时间tb、辅助触点合闸时间tc，并上传至主控制系统。
53.7)、主控制系统启动接触电阻测试模块，测试主触点合闸后的接触电阻值r，主控制系统判断接触电阻值是否合格，判断试品开关的合闸可靠性。
54.8)、主控制系统复位所有指令至初始状态，保存测试结果，测试结束。
55.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。