劉隆晨，汪萬平，蘇明虹，張 鵬，唐世雄

(國網(wǎng)四川省電力公司 a.電力科學(xué)研究院，b.特高壓宜賓管理處，成都 610072)

近年來，我國特高壓直流輸電工程建設(shè)發(fā)展迅速，換流站逐年增多[1]，為滿足換流站運維迫切需要，急需發(fā)展直流輸電晶閘管換流閥設(shè)備的現(xiàn)場綜合檢測技術(shù).換流閥是直流輸電核心設(shè)備，而晶閘管級是換流閥最基本的電氣單元[2].為了確保閥晶閘管級各項電氣性能，防止晶閘管級故障可能導(dǎo)致的換相失敗等系統(tǒng)性風(fēng)險[3]，滿足換流閥設(shè)備及直流電網(wǎng)安全運行的需要，設(shè)備運維單位有必要定期對換流閥晶閘管級單元開展現(xiàn)場例行測試[4]，而換流閥晶閘管級的阻抗參數(shù)是衡量換流閥能否安全、可靠運行的關(guān)鍵指標(biāo)之一.

為了確保晶閘管級均壓阻尼回路工作于正常阻抗范圍內(nèi)，在換流閥晶閘管級例行試驗時開展阻抗檢測是必要的.目前，少數(shù)國際知名換流閥制造廠商開發(fā)了用于晶閘管換流閥現(xiàn)場電氣檢測的測試系統(tǒng)[5-6]，如ABB、西門子、阿爾斯通等.但這些測試設(shè)備普遍存在著功能單一、兼容性差等問題，尤其是阻抗測量偏差較大，在現(xiàn)場容易受到外部試驗回路的影響，且達(dá)不到高精度測量的要求[7].國內(nèi)對于換流閥晶閘管級單元的例行檢測關(guān)鍵技術(shù)并未掌握，對于換流閥綜合檢測技術(shù)研究與設(shè)備研制尚處于初級階段[8-9]，少見晶閘管級阻抗測試的相關(guān)文獻(xiàn)報道.

本文采用STM32F4ZGT6控制器實現(xiàn)5路高精度參考電阻自動切換，據(jù)此設(shè)計了一種晶閘管級均壓阻尼回路阻抗測試方法及系統(tǒng)，為換流閥晶閘管級阻抗檢測與現(xiàn)場應(yīng)用奠定了基礎(chǔ).該型阻抗檢測系統(tǒng)的處理器基于Cortex M4內(nèi)核，可以進(jìn)行浮點運算，數(shù)據(jù)處理更方便；STM32F4ZGT6的數(shù)模轉(zhuǎn)換速度快(最快可達(dá)0.41 μs)、定時器功能強(qiáng)大、IO口支持復(fù)用功能、USART和SPI通信速度更快，處理速度可滿足現(xiàn)場應(yīng)用要求，且兼具低功耗等優(yōu)點.檢測系統(tǒng)具有高速模擬量輸出通道，可輸出不同頻率的低壓交流信號作為測試信號源；利用高速模擬量采集通道，采集被測回路的電壓值.根據(jù)采集數(shù)據(jù)，計算被測阻抗的模值，最終實現(xiàn)對換流閥晶閘管級均壓阻尼回路的快速精確檢測.

1 系統(tǒng)原理與架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計原理

在晶閘管級阻抗試驗中，只需要測量其阻抗的模值，試驗一般采用伏安法進(jìn)行測量，該方法簡易可行.通過測量待測試品兩端的電壓和流過的電流，即可得到試品的阻抗模值.

本文設(shè)計的阻抗測量系統(tǒng)使用AD9850模塊產(chǎn)生頻率可調(diào)的正弦信號(帶寬0～40 MHz，分辨率可達(dá)0.029 1 Hz)，將待測試品與已知電阻串聯(lián)，分別測量待測試品和已知電阻上的電壓，最后求解出待測試品的阻抗模值.

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

阻抗測試系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，主要包括高頻正弦信號產(chǎn)生模塊(DDS)、高精度基準(zhǔn)電阻選擇切換模塊、電壓信號調(diào)理采集模塊和STM32控制模塊.高頻正弦DDS模塊可以產(chǎn)生頻率可調(diào)的正弦信號，以滿足測量不同頻率下阻抗模值的現(xiàn)場試驗要求.基準(zhǔn)電阻模塊采用精度為0.1%的電阻，考慮到該系統(tǒng)的阻抗測量量程要求為5～5 000 Ω，基準(zhǔn)電阻設(shè)置為5檔：5、20、100、500和1 000 Ω，以保證待測試品與基準(zhǔn)電阻上的原始電壓信號幅值不會過小，從而達(dá)到減小噪聲信號干擾的目的.電壓信號調(diào)理采集模塊主要包括：三運放放大電路和AD637有效值轉(zhuǎn)換芯片.STM32控制系統(tǒng)主要包括STM32F4ZGT6最小系統(tǒng)，以實現(xiàn)量程的自動選擇，即參考電阻連接開關(guān)的切換、信號的采集和計算.

圖1 阻抗測試系統(tǒng)架構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 高頻正弦信號發(fā)生模塊

為確保輸出的正弦高頻信號平滑無畸變，系統(tǒng)采用AD9850直接頻率合成器，外接125 MHz時鐘，通過軟件配置可實現(xiàn)單路模擬量的高速輸出，并保證良好的單調(diào)性.控制采用Corte-M4內(nèi)核STM32F407ZGT6，其外部IO配置靈活，可直接對AD9850進(jìn)行控制.AD9850工作電壓為5 V，輸出信號為單極性模擬信號，信號范圍為0～500 mV.設(shè)置高通濾波電路，濾除直流分量，將AD9850輸出的單極性正弦信號調(diào)整為正弦交流信號.

2.2 電壓信號調(diào)理模塊

電壓信號調(diào)理模塊由三運放放大電路構(gòu)成，該運放電路將信號放大，進(jìn)而提高信噪比和精確度，以便后續(xù)電路能采集到可靠的電壓值.

圖2所示為三運放差分放大電路.圖2中，U1A和U2A兩個同相輸入的運算放大器并聯(lián)組成前端輸入級，再與U3A差分運算放大器串聯(lián)構(gòu)成三運放放大電路.其中，前端輸入級運放主要用于增加電路的輸入阻抗，該電路具有如下顯著特點：差模信號按差模增益放大，且遠(yuǎn)高于共模成分(噪聲)，其增益由電阻R25、R26、R27和R28決定.

圖2 三運放差分放大電路

放大電路在使用過程中，需要注意上、下橋臂的對稱性，即運算放大器、電容和電阻等組件參數(shù)的一致性和精確度.其中，電阻R25、R26、R27和R28直接決定了放大器增益，而放大增益的一致性會直接影響測量結(jié)果的精確度，因此，需盡量保證上、下橋臂的放大增益相等.本文設(shè)計選用了精度為0.1%的精密電阻，以保證上、下橋臂的對稱性，放大增益設(shè)置為5倍.

2.3 電壓信號采集模塊

由于STM32系統(tǒng)不能直接處理交流信號，因此需要將交流信號的有效值信息轉(zhuǎn)化成直流電平信號，方便A/D采集和進(jìn)一步處理.電壓信號采集模塊采用有效值轉(zhuǎn)換芯片AD637將正弦電壓信號轉(zhuǎn)換成其有效值，以直流電平的形式輸出給MCU，MCU再通過A/D采樣得到待測試品和已知電阻的電壓信號.

AD637芯片具有精度高、帶寬大等特點，其有效識別精度為0.000 1 V、最大非線性為0.02%、有效輸入值為0～2 V.AD637可保證測量誤差不超過0.5 mV，只有被測信號有效值遠(yuǎn)小于1 V時，才會出現(xiàn)較大的測量誤差.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括：高頻正弦波基本參數(shù)配置軟件、AD采樣軟件和STM32阻抗計算算法軟件設(shè)計，系統(tǒng)阻抗測量流程如圖3所示.其中，STM32主要完成DAC、ADC驅(qū)動程序和控制功能，STM32控制輸出已知頻率正弦波的對應(yīng)代碼至AD9850.通過AD637采集阻尼回路的電壓值，并將該數(shù)據(jù)回傳給STM32處理器作進(jìn)一步計算.系統(tǒng)各基準(zhǔn)電阻對應(yīng)的阻抗測量量程如表1所示.

表1 各個基準(zhǔn)電阻測量量程

4 測試結(jié)果與分析

4.1 測試結(jié)果

按圖3所示的測量流程開展阻抗模擬測試，試驗選取部分特定頻率測量標(biāo)準(zhǔn)電阻試品，將測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值比對，計算系統(tǒng)測量誤差.不同頻率(100 Hz～200 kHz)與不同電阻值(1 Ω～10 kΩ)條件下的阻抗測試結(jié)果如圖4所示.由圖4所示結(jié)果可看出，在100 Hz～200 kHz頻率范圍內(nèi)，5 Ω～10 kΩ電阻測量可滿足誤差小于5%的要求.為了準(zhǔn)確掌握換流閥的電氣狀態(tài)，在工程現(xiàn)場開展閥晶閘管級阻抗測試時，一般要求測量誤差不可大于5%，將阻抗測量誤差小于5%的區(qū)域連接起來，即可認(rèn)為在此區(qū)域內(nèi)的任意點(對應(yīng)的頻率與阻值)均能滿足高精度測量要求.

圖3 阻抗測量程序流程圖

圖4 不同頻率下電阻試品測量結(jié)果

搭建電阻(36 Ω)與電容(1.27 μF)的串聯(lián)試品，用作閥晶閘管級阻尼回路模型[10].阻抗測試系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)電橋的測量結(jié)果如表2所示，考慮到在不同頻率下實際電容值和標(biāo)定值存在差異，將系統(tǒng)測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)電橋測量結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)相對誤差小于2.5%，測量精度滿足要求.

表2 不同頻率下晶閘管級試品阻抗測量結(jié)果

4.2 誤差分析

阻抗測試系統(tǒng)的測量誤差除了來自于各模塊自身的測量誤差外，還與開關(guān)導(dǎo)通電阻和測量夾具、導(dǎo)線雜散參數(shù)[11]等因素有關(guān).試驗開關(guān)選用的是SRD-5VDC-SL-C型繼電器，其標(biāo)稱導(dǎo)通電阻的最大值為100 mΩ.考慮測量回路的雜散參數(shù)時，阻抗測量的等效電路如圖5所示.圖5中，Rs為夾具和導(dǎo)線電阻，Ls為夾具和導(dǎo)線電感，Co為夾具開路雜散電容，Go為夾具開路電導(dǎo)，Zx-measure為實驗測量值，Zx-real為真實阻抗值.

圖5 阻抗測量等效電路圖

阻抗測試時可通過測量圖中參數(shù)對結(jié)果進(jìn)行如下補(bǔ)償，即夾具短接測量殘余阻抗Zs=Rs+jωLs；夾具開路測量雜散導(dǎo)納Yo=Go+jωCo.利用Zs和Yo校正Zx-measure可得

針對開關(guān)存在導(dǎo)通電阻的問題，一般可在系統(tǒng)軟件中進(jìn)行修正(即將基準(zhǔn)電阻的阻值加上導(dǎo)通電阻)，也可以采用兩組開關(guān)聯(lián)動的方式，以達(dá)到補(bǔ)償開關(guān)導(dǎo)通電阻的目的.采用此方法補(bǔ)償測量誤差，可有效提高測量精度，但由于增加了開關(guān)數(shù)量，控制電路結(jié)構(gòu)將更為復(fù)雜.

5 系統(tǒng)應(yīng)用

將研制的換流閥晶閘管級阻抗測試系統(tǒng)應(yīng)用于特高壓宜賓換流站極Ⅰ高、低端閥廳許繼HVTV2000-800/5000E型換流閥晶閘管級阻抗檢測試驗，該型換流閥晶閘管級的測試電路圖如圖6所示.其由單個晶閘管及其控制單元TCU、散熱器和均壓阻尼電路組成.R11～R16、C1和C2為晶閘管級阻尼回路(R11～R16=50 Ω，C1=4.4 μF，C2=4.4 μF)；R41、R42為晶閘管級的均壓回路(R41=R42=44 kΩ)；R3、C3為控制單元TCU的取能回路(R3=440 Ω、C3=1.23 μF).

圖6 晶閘管級阻抗測試電路圖

阻抗測試主要用于考核閥晶閘管級均壓阻尼回路有無損壞、短路或開路.晶閘管級在不同頻率下，表現(xiàn)出不同的阻抗特征.根據(jù)特定頻率下阻抗測量值與標(biāo)準(zhǔn)值的比對，即可判斷晶閘管級均壓阻尼電路狀態(tài).阻抗測試系統(tǒng)的正弦發(fā)生器作為試驗電源，先后輸出頻率分別為110 Hz、6 kHz的低壓正弦波形，施加于晶閘管級兩端.系統(tǒng)自動測量對應(yīng)頻率下晶閘管兩端電壓的峰值及流過的電流，計算得到相應(yīng)頻率的阻抗.

晶閘管級阻抗測試系統(tǒng)現(xiàn)場試驗波形如圖7所示.將阻抗測量值與標(biāo)準(zhǔn)閾值比較發(fā)現(xiàn)，其相對偏差在允許范圍內(nèi).本文采用的換流閥晶閘管級阻抗標(biāo)準(zhǔn)閾值來源于換流閥生產(chǎn)廠家的設(shè)計值，考慮到系統(tǒng)測量存在誤差，一般給出閥晶閘管級阻抗的正常范圍.該型換流閥要求晶閘管級阻抗正常范圍為：660～730 Ω(頻率110 Hz)和26～36 Ω(頻率6 kHz).測量結(jié)果表明：測試頻率為110、6 000 Hz時，晶閘管級測試阻抗分別為687、30 Ω，滿足工程應(yīng)用要求.

圖7 晶閘管級阻抗測試波形

6 結(jié) 論

為了滿足特高壓換流閥晶閘管級現(xiàn)場阻抗高精度測試要求，本文采用STM32F407ZGT6高速控制器，基于5路高精度參考電阻自動切換架構(gòu)，研制了一種換流閥晶閘管級阻抗快速檢測系統(tǒng)，其由高頻正弦信號發(fā)生模塊、電壓信號調(diào)理與采集模塊、STM32控制模塊和系統(tǒng)軟件等部分組成.經(jīng)實際檢測驗證與現(xiàn)場結(jié)果對比表明，該系統(tǒng)的阻抗測試精度高于95%，能夠應(yīng)用于換流閥晶閘管級均壓阻尼回路阻抗值的精確檢測，滿足超特高壓換流閥現(xiàn)場試驗的實際需要.考慮到直流輸電換流閥設(shè)備現(xiàn)場檢測的迫切需求，該測試方法與檢測系統(tǒng)具有工程實用價值和廣泛的技術(shù)通用性，對其他任意阻抗測試裝置的設(shè)計也具有積極的參考意義.