（电路与系统专业论文）晶闸管触发控制和多路实时检测系统的研究.pdf

摘要 摘要 在现代的电力系统中，作为转换枢纽的换流阀成为了交直流系统融合的重要 桥梁。一个高性能的换流阀晶闸管监控系统，不仅是换流阀可靠工作的保证，更 是整个电力系统安全运行的保证。 本人主要完成换流阀监控系统中晶闸管触发控制和多路实时检测系统的设 计。在该部分系统的研究中，采用了f p g a 和c p l d 可编程逻辑器件来实现设计 要求。这大大地提高了系统的可靠性、准确性和可维护性。 在文中，作者首先讨论了本课题的背景知识，包括换流阀的总体框架、晶闸 管的触发和检测算法，以及换流阀监控系统的总体结构。接着讨论了晶闸管触发 控制和多路实时检测系统的电路实现算法。最后，说明了晶闸管监控系统的工程 开发和调试过程。今后的工作主要是要从工程应用的角度对晶闸管监控系统进行 完善。 关键词：晶闸管监控系统并行算法实时处理可编程逻辑器件 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h em o d e mp o w e rs y s t e m ，a sab r i d g ef o ra c d c ，c o n v e r t e rv a l v ep l a y sa n i m p o r t a n tr o l e t h y r i s t o rc o n t r o la n dm o n i t o r i n gs y s t e me n s u r en o to n l yar e l i a b l e c o n v e r t e rv a l v e ，b u ta l s ot h es a f eo p e r a t i o no ft h ee n t i r ep o w e rs y s t e m i nt h i ss u b j e c t ， t h et h y r i s t o rc o n t r o la n dm o n i t o r i n gs y s t e mw a sd i s c u s s e d i nt h i ss t u d y , t h y r i s t o rt r i g g e rc o n t r o la n dm u l t i c h a n n e lr e a l - - t i m ed e t e c t i o n s y s t e mi sap a r to ft h ec o n t r o la n dm o n i t o r i n gs y s t e m i nt h i sp a p e r , t h i ss y s t e m i m p l e m e n tb a s e do nf p g a a n dc p l dd e v i c e s t h i ss y s t e mn o to n l yg r e a t l ys i m p l i f i e d t h ee l e c t r o n i cc i r c u i t ，b u ta l s oi m p r o v e dt h ea c c u r a c y ，r e l i a b i l i t ya n dm a i n t a i n a b i l i t yo f t h es y s t e m i nt h i sp a p e r , f i r s t ，t h eb a c k g r o u n dk n o w l e d g eo ft h es u b j e c tw a sd i s c u s s e d , i n c l u d i n gt h ef r a m e w o r ko fc o n v e r t e rv a l v e ，t h ea l g o r i t h mo ft h y r i s t o rt r i g g e ra n d d e t e c t i o n ，t h ef r a m e w o r ko fv a l v ec o n t r o la n dm o n i t o r i n gs y s t e m m e a n w h i l e ，t h e t h y r i s t o rc o n t r o la n dm o n i t o r i n gs y s t e mw a se x p l a i n e d s e c o n d ，t h ea l g o r i t h mo f t h y r i s t o rt r i g g e rc o n t r o la n dm u l t i c h a n n e lr e a l t i m ed e t e c t i o ns y s t e mw a sd i s c u s s e d f i n a l l y , t h ep r o c e s so fs y s t e md e v e l o p m e n ta n dd e b u g g i n gw a se x p l a i n e d i nt h en e x t p h a s eo fw o r k ，t h et h y r i s t o rc o n t r o la n dm o n i t o r i n gs y s t e mn e e d s t ob ei m p r o v e d , f r o m e n g i n e e r i n gp e r s p e c t i v e k e y w o r d ：t h y r i s t o rc o n t r o la n dm o n i t o r i n gs y s t e m r e a lt i m ep r o c e s s p a r a l l e la l g o r i t h mp r o g r a m m a b l el o # cd e v i c e 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：毖垒 日期 问；f 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在l 年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期渊2 f 日期珲：i ：! 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 换流是将交流电变为直流电或将直流电变为交流电的技术。换流阀是实现换 流的电力装置，是直流电力应用中的重要部件。 在现代的电力系统中，交直流电力系统是相互配合的。因此作为交直流转换 枢纽的换流阀，成为了交直流系统融合的重要部分。近年来，高压直流电力系统 快速发展，对换流阀的要求也不断提高。直流电力系统有以下主要特点： ( 1 ) 输电线路造价低，功率损耗小 三相交流线路要用三根导线，而直流线路只用两根导线。另外，由于没有磁 感应损耗和电容感应损耗等问题，直流线路的功率损耗较小。 ( 2 ) 快速的功率调节能力 直流系统能够通过换流站的调控系统，快速的控制输送功率的大小和方向。 另外，还能利用换流站对无功功率进行控制调节。所以，直流系统能够快速的自 调整，以适应电力供需的实时变化。 ( 3 ) 方便实现电网互联 直流系统不存在同步问题，用直流输电线路连接的两个交流系统不需要同步 运行，即两个交流系统可以有各自的电压、频率和相位。这种用直流线路连接交 流电网的方式称为直流背靠背直流工程。 正由于上述优点，在我国的电力建设中，规划了多项直流输电工程。例如西 电东送中，已建成的天一广和贵一广直流输电工程，正在兴建的贵一广第二回直 流输电工程。在电力系统联网方面，已建成投运了西北电网与华北电网联网的灵 宝背靠背直流工程，还有规划了多座直流背靠背联网工程。另外，由于能够对电 力系统的无功功率进行控制调节，换流阀常用于静态无功补偿s v c ( s t a t i cv a t c o m p e n s a t o r ) 设备中。 总之，在上述电力工程中，直流换流技术将会大量地被应用。这同时也对换 流阀提出了较高的设计要求。 实现直流换流功能的主体部分是由晶闸管等电力电子开关组成的阀，但是换 流阀的晶闸管监控系统同样是系统的核心部分。这是由于换流是建立在阀导通和 截止上的一种电能转换。与交流电力的监控系统只在运行状态改变时起作用是不 同的，直流电力的监控系统运行从不间断。因此，一个高性能的换流阀晶闸管监 控系统，不仅是换流阀可靠工作的保证，更是整个电力系统安全运行的保证。本 2 最阑管触发控鬟和多鼹实黠捡溯系统的研究 课题选择换流阀的晶闸管监控系统进行研究，有十分重要的成用价值和研究意义。 1 2 课题研究的历史及现状 在2 0 世纪8 0 年代，随着电力电子技术和现代电网的发展，高压直流换流技 术开始进入活跃期。世纪粥年代以爱，5 0 0 k v 及其以上电箍等级的直流输电系 统技术日渐成熟，并被广泛地应用。在如此高电压等级的直流输电换流站中，换 流阀共有几百个晶闸管在同时工作。晶闸管监控系统之所以能够满足这种苛刻的 监控要求，主要1 归功于这些系统采用了电力电子、计算机和控制理论的新技术。 当前，换流阀晶闸管监控系统的主要技术发展为：信号传送方式的光传输化、用 可编程逻辑器件实现并行处理，使用现场总线进行数据通信等方面。 1 2 1 晶阐管监控系统的信号传送方式 以前，晶闸管的触发和监测系统采用电磁传送方式，即采用脉冲变压器来实 现信号的隔离和传送。但是电磁传输方式抗干扰能力差，易出现误动作的现象。 为了克服该缺点，晶闸管监控系统采用了光传输方式。该传输方式具有电磁传输 不可比拟的优点：有理想的抗电磁干扰性能，利于换流阀和直流电力系统的安全 运行；光电器件的频率响应较高，易予实时的信号传输。嚣前，光电触发与监测 方式己经成为晶闸管阀触发与监测方式的主流。 另外，光触发晶闸管( l t r ，l i g h tt r i g g e r e dt h y r i s t o r ) 技术已十分成熟。u t 能直接被光能量触发导通，在高压侧不需要电触发处理电路。这在很大程度上简 化了触发电路，降低了触发系统的故障率，提高了电力系统运行的可靠性。 由于篱单可靠的光触发通路和实时快速的光电监测反馈通路，基于光触发晶 闻管的换流阀正被广泛使用。本课题正是研究该类系统的触发控制和检测电路。 1 2 2 晶闸管监控系统的并行处理方法 在换流阀中的几百个晶闸管是并行工作的，因此，要求晶闸管触发和监测信 号能被实时并行的处理。在以前，换流阀晶闸管的监控电路只能通过中小规模逻 辑l c 组成并行处理系统。其缺点是监控电路体积大、器件数量多，戬及伴随面来 的可靠性低。由于晶阉管监控系统与具体项匿相关度较高，使用量较少，监控算 法还正在不断地改进和实验中。因此，目前还无法通过设计a s i c 的方式来提高系 统可靠性、减少系统体积和器件用量。 当前，由于可编程逻辑器件能够将大量并行数字逻辑集成在一个芯片中， f p g a 和c p l d 器件已经被广泛的应用。在工业、航空航天和军事等领域的大量应 用中，可编程逻辑器锋已经被证明为具有离可靠性的器件。爰是基于这个原因， 在可靠性要求很高的换流阕晶闻管监控系统中，开始大量使用可编程逻辑器件来 第一章绪论 3 改善系统的性能。本文中，就是利用f p g a 和c p l d 分别来设计晶闸管的触发控 制和实时检测电路。 1 2 3 晶闸管监控系统的信息报告方式 以前，换流阀晶闸管监控系统和其他工业设备一样是独立运行的设备，其内 部的数据信息一般不和外部沟通。仅能通过r s 2 3 2 串口输出一些数据，但其通讯 功能不完善，可靠性和实时性也较差。这种状况在工业界被称为信息孤岛。 当前，先进的现场总线技术能够实现低成本、高可靠性的数据传送。为了消 除信息孤岛，现场总线在各种工业应用中大量的被采用。目前，国外先进的晶 闸管监控系统都包含了现场总线功能，从而实现了晶闸管监控系统实时地将换流 阀的信息报告给上位系统。 1 2 4 国内外的技术差距 目前，在上述的技术革新中，国外技术占领了大部分的应用。而我国的相关 技术基本还停留在旧技术上，新型监控系统仅处于研究的起步阶段。我国已经或 将要建设的直流输电系统中，国外企业占据了大部分的份额。但是，国内电力设 备企业已经开始了相关的研究，例如许继和南瑞等企业在直流电力系统设备的研 究方面有相当的成果。 当前，我国巨大的直流电力设备需求和快速的电力工业发展，为我国自行研 发并应用换流阀晶闸管触发控制和监测系统提供了一个很好的机遇。本课题就是 进行这方面研究工作的尝试。 1 3 课题的主要研究工作 本课题是研究换流阀监控系统中的晶闸管触发控制和监测部分，本文中简称 为换流阀晶闸管监控系统。该系统可以分为三个子系统：晶闸管触发控制系统， 晶闸管状态的多路实时检测系统，阀状态信息处理及传输系统。 1 3 1 晶闸管的触发控制系统 为了保证换流阀可靠正确的运行，阀中全部串联晶闸管必须同时被触发。因 此，换流阀的晶闸管触发系统必须满足下面的要求：触发脉冲必须具备较好的同 时性、一定的前沿陡度和足够的幅度。当换流阀异常关断时，其能够及时补发触 发脉冲，使换流阀重新导通。只有这样才能确保换流阀的安全正常运行。 在截止恢复期，晶闸管处于很脆弱的状态。为了保证晶闸管安全的经历该过 程，触发控制系统要控制晶闸管反向恢复保护电路( r p u ，r e c o v e r yp r o t e c t i o nu n i t ) 工作。 4 品闸管触发控制和多路实时检测系统的研究 1 3 2 晶闸管状态的多路实时检测系统 由于晶闸管本身参数的离散性，晶闸管的导通或截止时刻会有一定差异。这 可能使串联晶闸管承受的电压出现较大差别，严重时将导致晶闸管的损坏，进而 影响换流阀的可靠运行。为了提高换流阀的可靠性，就要实时的掌握晶闸管的运 行状态。这要求晶闸管实时检测电路应当能够完成下述的任务： 检测整个阀的运行状态，包括阀电压过零与电流过零的时刻； 检测各个晶闸管及其电压检测电路板是否损坏( 短路) ，并能够定位故障； 检测是否出现晶闸管后备保护触发动作，并能够定位故障的晶闸管； 发现晶闸管触发光通道的故障，并提供相关定位信息。 1 3 3 阀状态信息处理及传输系统 在晶闸管实时检测系统发现严重的系统故障时，阀状态信息处理系统应当产 生相应的报警信号或直接控制系统跳闸，保护换流阀和整个电力系统的安全。另 外，晶闸管的截止时刻应当实时的报告给极控。通过闭环控制算法，极控将能够 高精确的调节换流阀输入输出功率。 该部分电路还要实时的监视晶闸管触发控制和多路实时检测电路是否工作正 常。如果这两个系统中出现了故障，就要通知极控将晶闸管监控功能切换到备用 的系统上。阀状态传输系统要能够通过现场总线，将状态信息输送到上位计算机 中，实现换流阀状态数据的实时记录和处理。 1 3 4 本文内容及章节安排 本人主要参与完成了换流阀晶闸管触发控制系统和多路实时检测系统的设 计。本文主要阐述这两部分的内容，全文的各章节的安排如下： 在第二章中将讨论本课题的技术背景，包括直流换流阀的总体构架、换流阀 晶闸管触发和检测的算法、换流阀监控系统的总体构架等背景知识。同时说明了 本课题研究的换流阀晶闸管监控系统的电路结构； 在第三到第五章中，将详细的讨论设计算法。在第三章中，本人会讨论换流 阀晶闸管触发控制系统的设计实现；在第四章中，将阐述换流阀晶闸管状态的多 路实时检测系统的电路实现；在第五章中，将说明晶闸管监控系统的工程开发和 调试。 最后，在第六章中我将对于本文的工作进行总结，并展望未来工作的方向。 第二章换流阀品闸管监控系统的构架 5 第二章换流阀晶闸管监控系统的构架 2 1 直流系统换流阀的结构框架 直流系统换流阀构架采用的是三相全波桥式接线。图2 1 是直流输电系统换流 阀的结构示意图。图中，每个晶闸管代表一个阀，阀的相关触发和保护电路、直 流输电线路的保护设备都未画出。 如图2 1 所示，变压器的y 型和型输出分别连接一个三相全波整流桥，从 而形成相差3 0 0 电角度的两个串联6 脉动换流桥。该结构称为1 2 脉动整流逆变桥， 它能非常高效的实现交直流变换。 交 ，换漉阀 z - - l 。 ： j广一r 一l l i i il i 罐 广厂 z - | lk l r - _广l l一一 l l i i i j- - 厂ik一ll i i l i 眺线路；j r1rr i j 。j - l i i i 。 ll ij r1r r ：剧 。7 l 。j 【筛li l i，r1 r l j。j 。j i i r l ij r1r1 - l 。j 。j 两 图2 1 直流输电系统换流阀的结构示意图 在直流输电系统的左右两侧各有一个1 2 脉动换流阀，这是直流输电系统的常 用换流结构，该输电系统能够双向的传输电力。当左侧阀向右侧输送电力时，左 侧换流阀工作在整流模式，而右侧换流阀工作于逆变模式。当输电方向为从右到 左时，左侧工作于逆变模式，右侧工作于整流模式。 换流阀实质上就是一系列串联起来的晶闸管组成的三相整流桥。之所以采用 大量晶闸管串联的结构，主要是因为现在电力电子技术的工艺问题。在目前的半 导体工艺下，虽然光触发晶闸管的耐压能力已经达到8 k v 左右，但是该电压相对 于5 0 0 k v 或更高电压等级的输电系统来说实在太低了。因此，为了满足高电压的 需求，换流阀是由上百个相同的晶闸管串联构成的。例如，在“贵一广 5 0 0 k v 6 晶阑管触发控制和多路实时检测系统的研究 直流输电工程中，每个阀的串联晶阑管就多达7 8 个，一个1 2 脉动阀就使用了9 3 6 个光触发晶闸管。 在实际的工程中，为了方便换流阀的安装和维护，通常将换流阀中串联晶闸 管分成多个组，每组称为一个阀段。每个阀段一般由十几个晶阑管组成，具体的 数量根据实际的工程而定。还是以“贵一广 5 0 0 k v 直流输电工程为例，该工程 将每个阉串联麴晶阉管分为6 个阀段，每个溷段包含1 3 个光触发晶阑管。6 个阀 段串联形成了一个包含7 8 个晶闸管的阀。 2 2 换流阀晶闸管的触发控制 2 。2 1 光触发晶闸管u 腰 光触发晶闸管( l t r ，l i g h t t r i g g e r e d t h y r i s t o r ) 是一种新兴的电力电子器件。 壶于其触发信号为光脉、摔，因而其触发毫路十分简单。磊前，光触发晶阑管的耐 压能力已经达到8 k v ，平均电流可达1 5 0 0 a ，使用寿命约为3 0 年。 对于光触发晶闸管，仅需4 0 m w 的光功率就能保证其可靠的触发。在实际工 程设计中，光触发脉冲是通过光分配器来驱动一个阀段中全部的l i t 同时导通。 2 2 2 晶闸管触发控制的算法 1 2 脉动整流逆变桥就是由两个相差3 0 0 的三相全控桥串联而成的。对于1 2 脉 动桥的触发控制，等同于对两个三相全控桥的联合控制。下面仅就三相全控整流， 逆变桥的控制算法进行说明，1 2 脉动整流逆变桥的控制算法完全相似。 v t l 3v t 5d l c ， z f 么么 广 la h 丫 b负n p 载l u c 一 1 么么么多 v t 4 6 v t 2 电 圈2 2 _ - - 相全控桥式整流疗蓥变电路 三相全控桥由三相半波共阴极组与共阳极组晶间管串联形成，如图2 2 所示。 u d 表示三相全控桥电压的建立方向，屯表示电流的方向，箭头方向为整流工作时 的参考方向。当电路中的负载变为电源时，三相全控桥能够工作在逆变模式。在 第二章换流阀晶闸管监控系统的构架 7 逆变模式中，比j 方向要反转，和图示箭头方向相反，但z 。的方向不变。 三相全控整流逆变桥，在任何时刻都必须有两个晶闸管导通才能形成回路， 并且其中一个晶闸管是共阴极组的，另一个晶闸管是共阳极组的。共阴极组v t l 、 v r 3 、仉的触发脉冲依次差1 2 0 0 ，共阳极组巩、巩、v t 2 也依次差1 2 0 0 。同 相电压的两个晶闸管，即v t l 与v r 4 ，v r 3 与v r r 6 ，v r r 5 与v ，r 2 ，脉冲相差1 8 0 。 如果触发时序错误，将出现短路的现象。 ( 1 ) 三相全控桥的整流算法 当三相全控桥工作在整流状态时，晶闸管的触发控制时序流程见图2 3 。 v 共阴极组：v t l 导通i i ii 共阴极组：v t l 导通 共阳极组：v t 6 导通广- 叫共阳极组：v r 2 导通 输出电压u d = u a bil输出电压u d = u a c 共阴极组：v t 3 导通 共阳极组：v t 4 导通 输出电压u d = u b a 共阴极组：v t 5 导通 共阳极组：v t 4 导通 输出电压u d = u c a l 共阴极组：v t 3 导通 共阳极组：v r 2 导通 输出电压u d = 玑c 共阴极组：v r 5 导通 共阳极组：v t 6 导通 输出电压u d = u c b 图2 3 三相全控整流i 煎变桥的触发控制流程 图中，i 一为三相全控整流桥触发控制的6 个状态。每个状态下，晶闸管的 导通情况都有详细的说明。参见图2 4 ，可以清晰地看到6 个晶闸管的导通顺序。 由于每周期都包含6 次相同的脉动，所以三相全控桥被称为6 脉动桥。 晶闸管的输出电压u 。是通过触发角a 进行控制的。触发角口是指晶闸管从承 受正向电压开始到导通之间的电角度。见图2 4 ：三相全控桥的整流波形图( 触发 角口z3 0 0 时) 。应注意，在三相交流电全控桥中，晶闸管承受正向电压的时刻比 该相的电压过零时刻晚3 0 0 电角度。 三相全控整流桥输出电流连续时，输出电压平均值u 。为： u d 昌专霞口- - 6 u 2 s i n fd ( f ) 观3 埘2c o s a 式( 2 1 ) 。3 3 式中：u ，为交流电源的相电压。 为交流电源的角频率； 晶闸管触发控制和多路实时检测系统的研究 口为触发角： u i i a，f bi i c- 一 d ijl _ r ， 弋j 卅气，j 一陬r 飞i 一| | 。 ； 专 。，71 ； 。 蟛孟 ： i i o ! c bi ! l a bc i 硪，坼 j 。协。 ( )n 尹 b j 、- 1 一 ，、个、，j 、 介。， 7 卜、7 。 i d 2 1卜- 一一 e t d ll 炼 蜘a 气l。鼍。 、i 、， l， 、，了、7 卜，、，7 ，1 ， 、 ， 、 、 ( ) 麟戳篡豢擞玉 图2 4 三相全控桥的整流波形图( 触发角口= 3 0 。时) 输出电流平均值，。为： l = 譬= _ 2 3 4 u 2 c o sa 式( 2 2 )4 尺尺 弋7 式中：尺为负载电阻值； 有上面方程可知，当触发角口增大时，整流电路输出的电压值将减少。这就 是实现可控整流的原因。 ( 2 ) 三相全控桥的逆变算法 逆变是把直流电转变成交流电，是整流的逆过程，是将直流电变换成交流电 回馈电网的过程。其触发控制方法和整流过程一样，图2 3 也是逆变的触发时序流 程。其区别在于，在实现有源逆变时必须使控制角o t 9 0 0 。这时u 。将为负值， 三相全控桥就实现了电能的逆向输出，即将直流电转变为交流电。 无论在整流还是在逆变状态，三相全控桥的电流流向是不会发生改变的。并 且只有在承受正向电压时，晶闸管才能被触发导通。因此在逆变状态下，处于关 断状态的晶闸管承受正向电压的时间比在整流运行时要长。 第二牵换流阀品阕管监控系统的掏架 9 逆变控制算法和整流算法完全是一致的， p = 霭一仪 为了方便计算，定义了逆变熊岁： 式( 2 3 ) 因此，逆变时直流输出电压的平均值u 。为： u d 篁- 2 3 4 u 2c o s l 3式 2 4 j 但是逆变有其要特殊注意的地方。三相全控桥在逆变运行时，如果某个晶阑 管没能触发导通，将使输出的平均电压和直流电动势变成顺向串联。由于逆变电 路的内阻很小，这时将出现极大的短路电流流过晶闻管，这种情况称为逆变失败。 因此，在换流阀的运行中要避免该情况的发生。 ( 3 ) 三相全控桥的旁通模式 旁通模式是三楣全控桥的固一相两个对应晶闻管网时导通，造成横向短路的 一种状态。例如：图2 2 中的v ，n 和v t 4 同时导通。该模式用在换流阀启动和截 止的动态过程中，是种过渡过程。具体细节这里不予讨论。 2 。3 换流阀晶阑管的状态检测 由于换流阕是由大量晶阑管串联同步互作翡，这就容易出现一些特殊的问题。 主要的问题就是各个晶闸管承受的电压分布不均匀、不稳定，即可能某些晶闸管 承受的电压要远高于其它晶闸管。这是由于晶闸管本身参数的离散性，以及寄生 电容的影响。在实际的换流阀中，各个晶闸管都有并联的均压电路，以保证系统 的正常工作。另外，为了增加系统的可靠性，必须对晶闸管的工作状态进行实时 检测。下面就讨论晶阑管的工作状态及检测方法。 2 3 。1 换流阀中串联晶闸管的工作状态 在换流阀的运行过程中，晶闸管可能出现下面四种状态：晶闸管的电压过零、 晶阉管的电流过零、晶阑管的损坏、晶闸管的后备保护触发动作。翁两种状态属 于正常现象，而后面蹰种则是异常的状态。 ( 1 ) 晶闸管的电压过零和电流过零 当晶阐管两端的电压由负变为芷时，标志着该晶阚管能够被正向触发，这个 状态被称为晶闸管电压过零。晶闸管中的电流变为零则标志着晶闸管已经可靠的 截止，该状态被称为晶阉管电流过零。这嚣种状态都是晶闸管工作中应该游现的 正常状态，如果没有出现则说明有故障存在。 为了换流阀的可靠准确工作，就要滥测阀中晶闸管的电压过零和电流过零时 刻。但由于晶闸管的离散性，同一个阀中各个串联晶闸管的电压过零( 或电流过 零) 时刻均有定差异。如果等待所有晶闸管都达到电压过零( 或电流过零) 时， 1 0 晶闸管触发控制和多路实时检测系统的研究 则无法快速报告该信息。 因此，在具体的工程中规定了一个设定值，当串联晶闸管电压过零数量达到 该值时，将判定阀在该时刻能够被正向触发，称为阀电压过零。同样的，有另一 个设定值用于判定阀是否已经可靠截止，称为阀电流过零。另外，为了换流阀功 率调节的需要，还要将阀电流过零信号输出到上位的极控中。 ( 2 ) 晶闸管的损坏 当换流阀中的晶闸管损坏时，该损坏的晶闸管表现为短路状态。即该晶闸管 两端压降始终为零，已经失去了电力开关的作用。损坏的晶闸管将使整个阀的耐 压能力下降，这有可能导致阀的整体损坏，这是绝对不允许的。 因此，在换流阀系统设计时，每个阀的串联晶闸管都有一定数量的冗余。以 保证当晶闸管损坏数量少于冗余度时，不会影响整个阀的耐压能力。但过多的冗 余晶闸管也将影响换流阀的正常工作，在实际的工程中，冗余数一般为3 5 个。 ( 3 ) 晶闸管的后备保护触发动作 在一个阀上串联的全部晶闸管必须在同一时刻被触发。但是当某个晶闸管的 触发电路或光通道损坏时，由于串联的其它晶闸管已经导通，这个没有被触发的 晶闸管将被高压击穿。 为了解决这个问题，现在的高压晶闸管内部都集成了b o d ( b r e a ko v e rd i o d e ) 部件。该部件的主要功能是当晶闸管的正向电压高于某一个值时，b o d 器件就直 接触发该晶闸管正向导通。有了b o d 部件的存在，当上面情况发生时，晶闸管将 被高压自动触发导通，从而保护了晶闸管不被击穿。因此b o d 部件是一种后备的 触发保障机制。 晶闸管b o d 部件的动作延迟了整个阀的导通时间。当过多的b o d 动作时， 换流阀将损耗大量的能量，影响换流阀的安全。另外，该延时还将影响换流阀对 输出电压的调控能力。所以晶闸管的后备保护触发动作被认为是一种异常的工作 状态，其发生的数量应当得到控制。 2 3 2 晶闸管工作状态的检测 上面所述的晶闸管四种工作状态，都可以通过检测晶闸管两端电压来识别的。 晶闸管的电压过零就是表示电压由负变为正的过程。而晶闸管的电流过零则 等价于晶闸管两端建立负电压的过程，即电压由正变为负。当晶闸管损坏时，晶 闸管两端的电压将不发生变化，基本恒定为零。当晶闸管后备保护触发动作时， 晶闸管两端会暂时经过一个不正常的高压过程，具体的高压值要根据b o d 部件的 参数来确定。 因此，只要检测晶闸管两端电压是否变为正电压、是否变为负电压、是否有 过高的电压出现三种情况即可。当某个晶闸管的以上三种情况都不发生时，就认 第二章换流阀晶闸管监控系统的构架 为晶闸管两端电压不变化了，即该晶闸管已经损坏。在实际的工程中，有单独的 电路来完成该功能。该电路称为t v m ( t h y r i s t o rv o l t a g em o n i t o r i n g ，晶闸管电压 检测) 板，详细的内容见2 4 2 节的内容。 总之，检测晶闸管的工作状态，只要监测晶闸管两端的电压变化即可。 2 4 换流阀监控系统的总体构架 换流阀监控系统是一个复杂的系统，如第一章所述，本文讨论的是晶闸管监 控系统。本节介绍整个换流阀监控系统的总体构架，讨论包括晶闸管监控系统在 内的多层系统。本节的目的是描述换流阀晶闸管监控系统的设计背景，下面内容 中，只讨论与本课题设计相关的内容。 2 4 1 换流阀监控系统的层次结构 换流阀监控系统涉及到多个学科的内容，需要多方面的设计人员参与。例如： 晶闸管的电压检测部分要涉及到电气工程、模拟电子技术方面的内容。晶闸管的 触发和监测部分，则涉及到模拟数字系统的多方面知识。而上位计算机监控系统 则要使用软件开发方面的技术，同时要有电力调度算法的人员参与设计。另外， 换流阀监控系统的调试则要同电力系统工作人员协调完成。 因此，换流阀监控系统采用层次化进行设计，使不同领域的设计人员集中工 作，提高开发效率，降低开发风险。分层结构同时可以提高系统运行的可靠性。 当某个环节发生故障时，其影响可以限制到一定范围。 换流阀监控系统的分为四个层次，级别从低到高的划分如下： ( 1 ) 高压侧的晶闸管触发和电压检测板 该部分位于整个换流阀监控系统的最底层，是直接实现晶闸管触发控制和电 压检测的系统。 由于本课题针对于光触发晶闸管u t 系统，因此无需在高压侧安装触发电路 板，只需设计相关的光纤通道即可。但是，如果要控制一般的电触发晶闸管，就 必须包含该部分电路。 换流器中每一个晶闸管都对应有一个电压检测电路。该电路的功能是检测晶 闸管两端的电压，并输出电压过零、电流过零和后备触发动作三种光脉冲信号。 ( 2 ) 换流阀晶闸管监控系统 这是本课题的研究内容。该系统承上启下，实现上位系统的控制要求，并实 时的监控下层系统。同时，将换流阀的状态数据汇总报告给上位系统。 其触发控制部分的功能为：根据极控设备发出的阀导通要求，通过实际的触 发信号来实现。该电路要触发串联的全部u t 同一时刻导通，还要在阀异常断流 1 2 晶闸管触发控制和多路实时检测系统的研究 时补发脉冲，使阀重新导通。 其状态监测部分功能为：接收晶闸管电压检测板输出的晶闸管电压过零、电 流过零和后备保护触发动作三种光脉冲信号。对阀中所有晶闸管的状态进行判别 处理后，产生相关的阀状态信息。并将该信息用于本级的控制电路使用，并传输 到上位系统中。 ( 3 ) 换流站级的监控系统 换流站级的控制任务为计算和产生换流的触发角信号。其基本控制算法有： 定电流控制、定关断裕度角控制、定直流电压控制。另外，还要进行各种限制性 的控制，如触发角范围的限制、直流电压范围的限制、直流电流范围的限制，以 及换流阀闭锁和解锁顺序控制。换流站级的监测任务为接收换流阀晶闸管监控电 路输出的状态信号，记录并处理运行中的各种问题。 在换流阀监控系统中，上述功能是通过极控( p o l ec o n t r 0 1 ) 和站控( s t a t i o n c o n t r 0 1 ) 完成的，相关内容在2 4 3 小节中进行详细说明。 ( 4 ) 换流站的调度系统 调度系统是换流阀的最高监控层次，其主要是配合电力系统的调度，进行换 流站的控制工作，报告相关的运行信息。其包括与电力调度中心联系，接收调度 中心的控制指令，上报有关运行信息，向调度中心发出紧急功率支援等功能。该 部分不是本文的主要内容，这里不予详细说明。 2 4 2 晶闸管电压检测电路 晶闸管电压检测( t v m ，t h y r i s m rv o l t a g em o n i t o r i n g ) 电路的功能为：确保 每个晶闸管分配到相同的直流电压，监视晶闸管两端的压降，输出晶闸管电压过 零、电流过零、后备保护触发动作三种状态信号。 由于晶闸管处于强电场环境，而一般的数字模拟i c 都无法在如此高的电场环 境下可靠工作。因此，t v m 电路全部由电阻、电容等离散器件构成，内部不使用 集成电路。另外，晶闸管电压监控电路均并联有一个缓冲电路，以防止干扰信号 侵入。因此，t v m 电路有很强的抗干扰性，能够在高压环境中可靠的工作。 t v m 电路使用的电能取自于晶闸管两端的电压，其优点是无需单独供电。但 是当换流阀的电压太低或不稳定时，t v m 电路将无法正常工作。 t v m 电路将三种晶闸管状态信号利用不同的脉冲宽度来表示，通过光信号的 方式输出。具体的说：当晶闸管两端的电压超过正阈值电压时，t v m 将产生一个 脉宽为6 s 的光脉冲；当低于负阈值电压时，产生一个脉宽为2 s 的光脉冲；当 监测到b o d 动作时，它将会产生一个脉宽为1 2 b t s 的光脉冲。 换流阀晶闸管状态检测系统将接收t v m 产生的光脉冲，并分析得出晶闸管的 状态。并通过这些信号分析出：晶闸管的阻断能力( 是否损坏) 、能否被触发、是 第二章换流阀品闸管监控系统的构架 1 3 否电流过零、是否发生内部b o d 保护触发动作。 2 4 3 换流站的极控和站控 虽然这部分系统并非本课题的研究内容，但是由于极控和站控与晶闸管监控 系统的设计密切相关，下面对极控和站控的内容进行简单说明。 极控( p o l ec o n t r 0 1 ) 设备是整个换流站系统的控制核心，极控的控制性能直 接决定着直流系统的各种响应特性以及功率的稳定性。极控的功能包括：功率电 流控制、过负荷限制、1 2 脉动阀的控制、无功控制等基本控制，还能够完成保护 性监控功能和自诊断功能。换流阀监控系统的冗余设备切换也是通过极控来实现 的。在第三章中，将详细的讨论极控对换流阀晶闸管触发控制系统的控制。 站控( s t a t i o nc o n t r 0 1 ) 设备主要包括控制和监视、顺序控制等功能。与本课 题设计相关的内容为控制和监视功能，主要涉及到现场总线的通信问题。该功能 主要是完成信息的采集、汇总和上传工作。被采集的信息包括以下内容t 所有一 次设备的运行状态、回路的运行参数，换流阀的内部事件等。 实际工程中，极控和站控均为冗余的双重化配置。当发生设备故障时，两个 系统之间可以自动地进行切换，或由运行人员手动进行系统切换。 2 4 4 换流阀晶闸管监控系统的电路框架 本节讨论换流阀晶闸管监控系统的组成构件。由于本系统是针对光触发晶闸 管设计的，而目前国内使用的u t 器件主要是由西门子公司提供。因此，换流阀 晶闸管监控系统的设计框架就参考了西门子公司的模式，图2 5 为灵宝背靠背工程 中换流阀晶闸管监控系统的构架图。 图2 5 灵宝背靠背工程中西i 、j 子的换流阀晶闸管监控系统构架图 1 4 晶闸管触发控制和多路实时检测系统的研究 换流阀晶闸管监控系统包括：晶闸管控制和监视板、光接收板、光发射板、 r p u - i 接口板和编程板五个部分。整个系统都采用了冗余设计。 ( 1 ) 晶闸管控制和监视板( t c & m ，t h y r i s t o rc o n t r o la n dm o n i t o r i n g ) 该电路板是系统的核心，其完成换流阀晶闸管监控系统的核心功能。其包含 两大单元电路：晶闸管控制单元和晶闸管监视单元。 晶闸管控制( t c ，t h y r i s t o rc o n t r 0 1 ) 单元负责产生触发脉冲，经光发射板转 换成光信号后触发对应阀。同时，在晶闸管电流过零的时刻，晶闸管控制单元将 产生r p u 触发信号，该信号通过r p u 接口板转换成光信号输出。 晶闸管监视( t h y r i s t o rm o n i t o r i n g ) 单元负责处理晶闸管的各种状态，并通过 现场总线将汇总信息报告给站控。其处理的晶闸管状态信号是光接收板预处理输 出后的信号。当晶闸管监视单元发现换流阀出现故障时，它将根据故障的类型产 生相应的报告或直接跳闸。 晶闸管控制和监视板是双冗余系统结构，由极控设备来实现切换控制。 ( 2 ) 光接收( l i g h tr e c e i v e r ) 电路板 光接收板的主要功能为：并行接收1 6 路光脉冲输入信号，在汇总整个阀段的 状态信息后，输出状态信息到t c & m 板中。光接收板的输入通道和阀段相对应， 并在单电路板上实现双冗余系统。 ( 3 ) 光发射电路板 光发射板通过激光单元( l a s e ru n i t ) 将晶闸管触发脉冲转换为光信号，通过 光纤触发整个阀段的全部晶闸管。光发射电路板采用三保二的冗余系统，即 每个阀段由三个光脉冲来触发，只要有两个信号就可以驱动该阀段导通。 ( 4 ) r p u ( r e c o v e r y p r o t e c t i o n u n i t ) 接口板 在截止恢复期，晶闸管处于很脆弱的状态。为了保证晶闸管安全的经历该过 程，要使用晶闸管的恢复保护电路( r e c o v e r yp r o t e c t i o nu n i t ) 。r p u 接口板是完成 将r p u 触发脉冲转换光信号，并通过光纤触发r p u 的电路板。整个r p u 接口电 路板也是采用双冗余系统设计。 ( 5 ) 编程板 编程板是系统的辅助电路板，其作用是对光接收板进行程序的维护和更新。 该电路板也是采用双冗余系统设计。 第三鬻晶闸管触发控制系统的设计 1 5 第三章晶闸管触发控制系统的设计 晶闸管触发控制系统是晶闸管控制和监视( t c m ) 电路板中的一部分功能， 其设计方法在本章中讨论。 3 1 晶闸管触发控制系统的极控接口 晶闸管触发控制系统要在极控的控割下，进行摆关触发操作。由于本课题是 基于西门子公司妇_ r 器件的换流阀，所以，相关接口要与蹰门子的设备兼容。图 3 1 是灵宝背靠背直流工程中，谫门子的极控接口信号图。 图3 。l 灵宝背靠背直漉工程的极控接翻信号( 西门予公司接口) 换流阀晶闸管监控系统被舔门子公司称为v b e ( 阀基电子设备，v a l v eb a s e e l e c t r o n i c s ) 柜，该名称来源于该电子设备的放置位置。 在图3 1 中显示了双冗余系统下，极控( p o l ec o n t r 0 1 ) 与晶闸管监控系统的接 墨信号。两个系统的切换由极控中的切换逻辑( c h a n g eo v e rl o g i c ) 控制实现。上 下两个系统为互斥的冗余系统，两系统的信号定义完全相阅。 具体的接口信号定义如下( 输入信号表示信号是从极控到t c & m ，输出信号 表示信号是从t c & m 到极控) ： ( 1 ) 触发控制信号( f c s ，f i r i n gc o n t r o l s i g n a l s ) 输入信号： 1 2 个触发控制信号( f c s ) 同1 2 脉动换流阀一一对应。其分为两组，每组六 1 6 晶闸管舷发控制和多路实时检测系统的研究 个，分别与y 桥和桥对应。y 桥的6 个信号( f c sy l f c s _ y 6 ) 依次相差6 0 。 电角度，桥的6 个信号( f c s d 1 一f c s _ d 6 ) 也是依次相差6 0 。电角度。y 桥和 桥错开3 0 。电角度。 每个信号的周期为工频5 0 h z ，占空比为3 3 。3 ，即持续阀的整个导通周期 ( 1 2 0 。电角度) 。f c s 信号的上升沿小于1 s 。波形见图3 2 。 。? 图3 2 触发控制信号( f c s ) 信号波形 ( 2 ) 电流过零信号( e o c ，e n do fc u r r e n t ) 输出信号： 1 2 个电流过零信号( e o c ) 也是同1 2 脉动换流阀一一对应，同样按y 桥和 桥分成两组。e o c 信号输出的脉冲宽度为1 3 0 1 t s 3 0 k t s ，上升沿小于1 岭。e o c 信号的波形如图3 3 所示。 2 图3 3 电漉过零信号( e 。c ) 信号波形 ( 3 ) 系统使能信号( s y s t e ma c t 和s y s t e mp a s ) 输入信号： 当s y s t e ma c f ( s y s t e ma c t i v e ) 有效时，表示当翦的晶阉管监控系统拥宥 控制权；当s y s t e mp a s ( s y s t e mp a s s i v e ) 有效时，表示当前的晶闸管监控系统 系统处于热