孫海峰，劉曉倩

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003)

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柔性直流換流站關(guān)鍵設(shè)備寬頻模型

孫海峰，劉曉倩

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003)

摘要：為研究柔性直流換流閥正常運行時產(chǎn)生的電磁騷擾的傳播規(guī)律及其對換流站內(nèi)的二次設(shè)備和周圍的無線電臺站的影響，基于黑箱理論，以點對點阻抗模型(NIF)為基礎(chǔ)，利用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量了三相設(shè)備在外部端子不同的連接方式下的端口阻抗，根據(jù)測量的端口阻抗參數(shù)與NIF模型中虛擬阻抗的關(guān)系得到三相設(shè)備的寬頻模型(頻帶范圍100 kHz~50 MHz)。以華北電力大學(xué)新能源實驗室VSC-HVDC換流系統(tǒng)為實驗平臺，對換流站內(nèi)的三相設(shè)備變壓器、EMI濾波器、換相電抗器進行建模。將建立的模型根據(jù)實際系統(tǒng)互相連接，模擬了整個交流系統(tǒng)對高頻信號的衰減特性，為換流站的電磁干擾預(yù)測和電磁兼容提供可靠依據(jù)，并通過實驗測量與仿真結(jié)果對比證明了本文方法和模型的有效性。

關(guān)鍵詞：柔性直流輸電(VSC-HVDC)；換流站；三相設(shè)備；寬頻模型；阻抗測量

0引言

基于電壓源型換流器的柔性直流輸電作為一種新型的直流輸電技術(shù)正日趨受到人們的重視，相對于傳統(tǒng)的高壓直流輸電系統(tǒng)，柔性直流輸電運行方式更靈活、系統(tǒng)的可控性更好，可以向弱交流系統(tǒng)甚至無源系統(tǒng)送電，非常適合應(yīng)用于弱系統(tǒng)或孤島供電、可再生能源等分布式發(fā)電并網(wǎng)、異步交流電網(wǎng)互聯(lián)以及城市電網(wǎng)供電等領(lǐng)域[1]。

柔性直流換流系統(tǒng)主要由絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)換流閥系統(tǒng)、換流變壓器、電抗器、電容器及濾波器等構(gòu)成。換流閥IGBT在高頻開關(guān)中會產(chǎn)生遠大于傳統(tǒng)高壓直流系統(tǒng)的高頻信號，甚至可達數(shù)十兆赫茲[2-3]。該高頻信號一方面通過聯(lián)結(jié)變壓器和換相電抗器分別在交流側(cè)和直流側(cè)形成傳導(dǎo)電磁騷擾，另一方面通過IGBT本體、整流或逆變回路和導(dǎo)線向空間輻射電磁能量，形成空間電磁輻射騷擾，不僅能夠影響換流系統(tǒng)的正常工作，還可能會對換流站內(nèi)的通訊設(shè)備、保護與控制系統(tǒng)、計算機和載波系統(tǒng)以及換流站附近的無線電臺站等產(chǎn)生影響。因此，建立柔性直流換流系統(tǒng) IGBT 換流閥及其關(guān)鍵設(shè)備(如換流變壓器、電抗器、EMI濾波器等)的寬頻模型是研究傳導(dǎo)電磁騷擾沿線傳播規(guī)律以及空間輻射電磁騷擾的分布特性，提出相應(yīng)的濾波及屏蔽措施的前提條件。

近年來關(guān)于設(shè)備寬頻建模的方法已有一定的研究成果，這些建模方法大體分為兩類一類是傳統(tǒng)等效電路模型[4]，另一類是黑箱模型[5-14]。黑箱模型又可以分為兩類，一類是通過測量設(shè)備的阻抗或散射參數(shù)，借助網(wǎng)絡(luò)綜合等方法得到由集中參數(shù)元件R、L、C表示的設(shè)備寬頻模型，文獻[5-10]以此建立了包括互感器、單相變壓器、高壓直流輸電換流站等設(shè)備的寬頻模型，但是對于三相設(shè)備而言，如果采用該方法得到的模型可能會包含有多至上百個元件，這樣所建立的模型會產(chǎn)生較大的誤差。另一類是頻變阻抗表示的數(shù)學(xué)模型，這種建模方法不需要了解元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)而且可以很好地表示設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)，文獻[11-14]采用這種方法建立變壓器模型頻帶范圍在1 MHz的范圍內(nèi)，不完全適用于柔性直流系統(tǒng)中，但是這種黑箱方法簡單有效，因此，本文以實驗室的VSC-HVDC系統(tǒng)為平臺，采用第二類黑箱模型，建立了此換流系統(tǒng)中各個關(guān)鍵設(shè)備的寬頻(100 kHz~30 MHz)模型。通過實驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對比驗證了該模型的正確性。

1三相設(shè)備的寬頻建模方法

電力系統(tǒng)中的設(shè)備都可以由頻變阻抗或?qū)Ъ{組成的模型來表示，所以對設(shè)備阻抗(或?qū)Ъ{)特性的測量尤為重要。對于具有多端子的設(shè)備，可以通過外部端子不同的連接方式來獲得其端口參數(shù)。NIF模型是一種能夠較為有效地反映多端口設(shè)備特性的模型，其基本的建模思想是從設(shè)備所有外部端子出發(fā)，將設(shè)備內(nèi)部所有耦合全部體現(xiàn)在端子與端子間的阻抗(或?qū)Ъ{)參數(shù)上[15]。

一個具有n個端子的無源設(shè)備的NIF模型，它的每對端子之間都有一個頻變阻抗或?qū)Ъ{連接，假設(shè)導(dǎo)納數(shù)(NIF模型的支路數(shù))為m，則模型端子數(shù)n與支路數(shù)m的關(guān)系可由式(1)得到

(1)

一臺六端子的三相設(shè)備可以等效為一個六端子的NIF模型，如圖1所示，字母A,B,C以及a,b,c分別表示設(shè)備一次、二次側(cè)三個端子。顯然，對于六端子的三相設(shè)備而言由15個點對點頻變導(dǎo)納組成，這些導(dǎo)納參數(shù)由網(wǎng)絡(luò)分析儀測量得到的端口阻抗推導(dǎo)得出。

圖1　三相設(shè)備的NIF模型Fig.1　NIF model of the there-phase device

每一對節(jié)點之間的導(dǎo)納Yi(f)都可以通過聯(lián)立系統(tǒng)的方程來求解，這個方程組中測量得到的端口導(dǎo)納Yd為已知量，點對點的導(dǎo)納Yn為未知量，兩者之間通過關(guān)聯(lián)矩陣C聯(lián)系起來如式(2)所示。可以用驅(qū)動點的導(dǎo)納矩陣乘以關(guān)聯(lián)陣的逆矩陣得到點對點導(dǎo)納參數(shù)，如式(3)所示，式中m表示支路數(shù)，n表示端子數(shù)。

(2)

(3)

一般而言，具有m條支路模型需要有m個方程來求解，求解方程的復(fù)雜程度依賴于端口阻抗的測量方法。例如，對于圖1所示的三相設(shè)備而言，當我們采取不同的外部接線方式下進行測量時，BC端口間的導(dǎo)納與各支路導(dǎo)納之間關(guān)系的復(fù)雜程度不同，圖2(a)為B接網(wǎng)絡(luò)分析儀正極，其余端子均接地時，B與C之間的導(dǎo)納Ya，表達式如式(4)所示，圖2(b)為B接正極，A開路時，B與C之間的導(dǎo)納Yb其表達式如式(5)所示。

(4)

(5)

圖2　BC端口間的導(dǎo)納Fig.2　Admittance of the BC port

由上述可知，如果測量時有端點開路時，求解過程較為復(fù)雜，為了保證用簡單的線性方程來求點對點導(dǎo)納時，在測量接線時讓設(shè)備中沒有開路端子，且盡可能多的端子接地來降低方程的復(fù)雜性。表1中列出了三相設(shè)備以c為參考點的接線方式，E表示接到網(wǎng)絡(luò)分析儀的正極，G表示接地。第一種接線方式對應(yīng)的測量示意圖如3所示,其中N代表網(wǎng)絡(luò)分析儀。

表1　三相設(shè)備阻抗測量接線方式

圖3　接線示意圖Fig.3　Wiring schematics

因為如圖1所示的三相設(shè)備具有15條支路，其支路編號如圖示，因此關(guān)聯(lián)矩陣C是一個15行15列的矩陣，它的元素如式(6)所示。矩陣C的每一行與表1中的每一種測量方式相對應(yīng)。

(6)

為了驗證模型的正確性，采用了其他的測量方式來獲得端口導(dǎo)納，其接線示意圖如圖4(a)~(d)所示，其中N為網(wǎng)絡(luò)分析儀，然后利用前面計算得到的點對點導(dǎo)納推導(dǎo)得出在這種測量方式下的端口導(dǎo)納，用仿真計算值與實驗測量值對比，看二者是否吻合。

圖4　模型驗證接線方式Fig.4　Wiring schematics to validate model

2換流站內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備的寬頻模型

本文基于華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室的柔性直流系統(tǒng)，對系統(tǒng)內(nèi)的三相設(shè)備(EMI濾波器、變壓器、電抗器)進行阻抗的測量與分析，實驗室內(nèi)的三相設(shè)備的實物圖如下圖5(a)~(c)所示。

文中選用網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent 4395A對各設(shè)備進行阻抗的測量，網(wǎng)絡(luò)分析儀可測量的阻抗頻帶范圍在100 kHz~500 MHz的范圍內(nèi)，由于柔性直流輸電系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁騷擾頻率在150 kHz~30 MHz,所以在阻抗測量時選用的頻帶范圍為100 kHz~50 MHz，以便于以后用于電磁騷擾的分析中。

圖5　三相設(shè)備實物圖Fig.5　Three-phase equipment realy picture

2.1三相變壓器

采用前文介紹的三相設(shè)備的寬頻建模方法對變壓器建模，首先用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量得到阻抗值轉(zhuǎn)換為導(dǎo)納，再根據(jù)式(3)計算出點對點導(dǎo)納，這里不再一一列出各個測量方式下的端口阻抗的幅頻和相頻特性曲線，只給出了按圖4(a)和(b)兩種接線方式下測量與計算得到的幅頻、相頻特性曲線對比圖，如圖6所示。

圖6　實驗與仿真對比Fig.6　Comparison between experimental and simulation results

圖6(a)和(b)分別為按圖4(a)接線時的幅頻特性和相頻特性曲線，圖6(c)和(d)分別為按圖4(b)接線時的幅頻特性和相頻特性曲線，從圖中可以看出在關(guān)心的頻段范圍內(nèi)，兩種測量方式下的變壓器幅頻、相頻特性吻合度都很高，證明了所建立變壓器模型的正確性。

2.2換相電抗器

將電抗器按圖4(c)和(d)兩種測量方式下的端口導(dǎo)納得到的的幅頻相頻特性與仿真計算值進行比較，圖7(a)和(b)分別為第一種連接方式下的幅頻與相頻特性曲線，圖7(c)和(d)分別為第二種連接方式下的幅頻與相頻特性曲線，從對比圖中可以看出在150 kHz~30 MHz的范圍內(nèi)吻合度較好，模型具有高度的準確性。

圖7　實驗與仿真對比Fig.7　Comparison between experimental and simulation results

2.3三相EMI濾波器

與變壓器類似，給出了濾波器的實驗與仿真結(jié)果對比圖。圖8(a)和(b)分別為在圖4(a)接線方式下的幅頻與相頻特性曲線，圖8(c)和(d)分別為在在圖4(b)接線方式下的幅頻與相頻特性曲線。圖中大部分頻段范圍內(nèi)是吻合的，在個別頻段范圍有一定的偏差，這是由于實驗中人為因素的影響，造成某一次測量的不精確，但是從全頻段范圍看，圖8中各曲線的計算值與測量值有相同的變化趨勢，不會對傳導(dǎo)電磁騷擾研究造成影響，因此本文所建立的濾波器模型正確有效。

圖8　實驗與仿真對比Fig.8　Comparison between experimental and simulation results

3換流站關(guān)鍵設(shè)備對電磁騷擾的衰減特性

在實際的系統(tǒng)中，由換流閥產(chǎn)生的傳導(dǎo)電磁騷擾會沿著三相電抗器、變壓器、EMI濾波器傳播到交流電網(wǎng)中，為研究傳導(dǎo)電磁騷擾的分布規(guī)律，有必要研究各個關(guān)鍵設(shè)備對高頻信號的衰減作用。將得到的各三相設(shè)備的模型按照實際系統(tǒng)互相連接起來，這樣整個交流系統(tǒng)相當于12個節(jié)點NIF模型，如下圖9所示。若以EMI濾波器的C點為參考點，在節(jié)點9，10,11處施加頻帶范圍內(nèi)幅值為1的電流信號，在點對點導(dǎo)納已知的情況下，可以很快的得到節(jié)點導(dǎo)納陣[15]，從而用節(jié)點電壓法方便的求得各個節(jié)點處的電壓，由于具有相似性，只選取節(jié)點1,3,6,9四個關(guān)鍵點的電壓進行比較分析，如圖10所示。從圖中可以看出節(jié)點9處的高頻電壓信號在經(jīng)過這些設(shè)備后有明顯的衰減。

圖9　換流站交流系統(tǒng)模型Fig.9　AC part of VSC-HVDC station NIF model

圖10　關(guān)鍵節(jié)點的電壓頻譜Fig.10　Voltage-frequency spectrum of key nodes

為了更直觀地看出各個設(shè)備對高頻信號的影響，給出了各個設(shè)備兩端傳導(dǎo)電壓水平的對比圖。從圖11中可以看出傳導(dǎo)電壓在通過三相電抗器后，在600 kHz~9 MHz的范圍內(nèi)有明顯的衰減，表2給出了此頻帶范圍內(nèi)電抗器前后各典型頻點上傳導(dǎo)電壓騷擾水平及其衰減水平。從表中可知電抗器在刺頻帶范圍內(nèi)，傳導(dǎo)電壓騷擾水平衰減4.83~20.5 dB。在更高頻段9~11 MHz也有一定的衰減作用，但效果不是很明顯，故不再給出具體的數(shù)值。

圖12為變壓器兩側(cè)的電壓頻譜，從圖中看出在100 kHz~5 MHz頻帶范圍內(nèi)傳導(dǎo)電壓有大幅度的衰減，表3給出了具體的衰減范圍和衰減特征，由各典型頻點的電壓水平可知，變壓器可將傳導(dǎo)電壓衰減-1.37 dB~64.776 dB。

圖11　電抗器兩側(cè)的電壓頻譜Fig.11　Voltage-frequency spectrum of reactor both sides

濾波器兩側(cè)的的電壓頻譜如圖13所示，圖中顯示終端開路狀態(tài)下，濾波器對3~10 MHz的高頻信號有衰減作用，具體的頻點處的衰減范圍見表4。由表可知，濾波器前后，3~10 MHz頻段的電壓衰減0.11~19.95 dB。

表2　電抗器的衰減特性

圖12　變壓器兩側(cè)的電壓頻譜Fig.12　Voltage-frequency spectrum of transformer both sides

表3　變壓器的衰減特性

圖13　EMI濾波器兩側(cè)的電壓頻譜Fig.13　Voltage-frequency spectrum of EMI filter both sides

表4　EMI濾波器的衰減特性

由以上分析可知，由于電抗器與變壓器的高阻抗特性以及寄生電容的存在，傳導(dǎo)電壓在經(jīng)過電抗器與變壓器后有明顯的衰減。尤其是經(jīng)過變壓器后，高頻信號的衰減幅度更大，最高衰減水平可達64 dB，這是因為變壓器原副邊無直接的電氣連接，內(nèi)部電磁特性更加復(fù)雜所導(dǎo)致的。濾波器兩端電壓變化不大，只是對3~10 MHz頻段的電壓衰減0.11~19.95 dB。

4結(jié)論

(1)本文測量了換流站交流系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備(變壓器、EMI濾波器、換流電抗器)的端口阻抗，依據(jù)測量的數(shù)據(jù)采用黑箱理論和點對點阻抗模型建立了各關(guān)鍵設(shè)備的頻域阻抗模型；將建立的模型根據(jù)實際的系統(tǒng)互連，研究了各關(guān)鍵設(shè)備對高頻信號的衰減作用。

(2)通過仿真結(jié)果與測量實驗結(jié)果的對比證明了本文方法和模型的有效性，本文所建立的模型可為后續(xù)研究VSC-HVDC的傳導(dǎo)與輻射電磁干擾奠定理論基礎(chǔ)并提供依據(jù)。

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Wide-band Model of Critical Equipment in VSC-HVDC Converter Stations

SUN Haifeng，LIU Xiaoqian

(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

Abstract:In order to study the propagation and effect on secondary equipment and radio stations of high-frequency electromagnetic interference generated by converter valve during normal operation, this paper measured the three-phase device port impedance when external terminal under different connections and then established the wide-band model of three-phase devices (frequency range 100 kHz~50 MHz) by using black box theory and NIF model. The high-frequency model of transformer, EMI filter and reactor were established based on the VSC-HVDC experimental platform of New Energy Laboratory in North China Electric Power University. Besides, the entire AC system transmission configuration to obtain their attenuation of frequency signal by interconnecting the model above is simulated according to the actual system. It provides a reliable basis for the prediction of EMI and EMC. The comparison between the measured results and calculated results prove the superiority of this method and model.

Key words：VSC-HVDC; converter station; three-phase equipment; wide-band model; impedance measurement

作者簡介：孫海峰(1980-)，男，副教授，研究方向為電工理論與新技術(shù)，電力系統(tǒng)電磁兼容；劉曉倩(1989-)，女，碩士研究生，研究方向為電工理論與新技術(shù)，電力系統(tǒng)電磁兼容。

中圖分類號：TM154

文獻標識碼：A

文章編號：1007-2691(2016)01-0014-07

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51207054)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(13MS75).

收稿日期：2015-05-14.

doi:10.3969/j.ISSN.1007-2691.2016.01.03