高压直流换流站单相阀塔电磁辐射仿真及实验

王慧娟,张卫东,王 伟

(1.华北电力大学 电气与电子工程学院,河北 保定 071003;2.河北省环境保护厅,河北 石家庄 050051)

高压直流换流站单相阀塔电磁辐射仿真及实验

王慧娟1,张卫东1,王 伟2

(1.华北电力大学 电气与电子工程学院,河北 保定 071003;2.河北省环境保护厅,河北 石家庄 050051)

根据目前国内外对高压直流换流站阀厅内电磁骚扰特性的研究,在直接频域计算方法的基础上,进一步研究了换流阀模块频域阻抗特性的计算方法,并采用其中一种方法获得的阀臂阻抗参数,利用基于矩量法的仿真软件FEKO搭建了单相阀塔的辐射模型,并进行了仿真计算,该模型考虑了阀模块的屏蔽罩、金属横梁等面天线结构,更准确地体现了阀塔的实际结构。还进行了单相阀塔的 10∶1缩比模型实验,通过实验验证了仿真的正确性。

高压直流;换流站;阀塔;电磁辐射;矩量法

0 引 言

高压直流换流站的电磁兼容问题是直流工程设计、建设和运行过程中的关键课题之一,换流阀在工作过程中,伴随着换流阀体的快速通断。换流阀体每一次的快速通断都会产生瞬态电磁过程。一部分瞬态量沿阀片附属电路传播,此过程中产生电磁骚扰,这部分骚扰量虽然频率较高但幅值很小。另一部分瞬态量沿换流阀的主回路传播过程中产生电磁骚扰,该部分骚扰量的幅值很大,是阀厅电磁骚扰的主要因素。换流站电磁环境的计算必须以阀厅内部的电磁骚扰水平为前提,而阀厅内结构复杂,计算难度较大,国内外许多专家对此作了大量研究[1～10],文献 [11]从时域和频域两个方面总结了计算电磁骚扰水平的两种种方法,即作者所概括的直接时域计算方法和直接频域计算方法。

本文在直接频域计算方法的基础上,进一步研究了换流阀模块频域阻抗特性的计算方法,并采用其中一种获得的阀臂阻抗参数,利用基于矩量法的软件 FEKO搭建了单相阀塔的辐射模型,并进行了仿真计算,该模型考虑了阀模块的屏蔽罩、金属横梁等面天线结构,更准确地体现了阀塔的实际结构。还进行了单相阀塔的 10∶1缩比模型实验,通过实验验证了仿真的正确性。

1 直换流阀电磁辐射直接频域计算方法的研究

1.1 直接频域计算方法

直接频域计算方法是首先通过计算或测量得到各个晶闸管两端的时域电压波形和电流波形,从而得到晶闸管的时域电阻波形,通过傅里叶变换得到频域的阻抗特性 Zk(f);然后获得阀厅交直流套管出线侧的时域电压波形,通过傅里叶变换得到电压的频域特性 UL(f);最后以 UL(f)为激励,加入阀臂的阻抗参数,使用矩量法分别计算各个频点下的空间辐射电磁场;从而得到各频点处的电磁场分布。

1.2 阀模块阻抗参数的获得

(1)用快速傅里叶变换的算法计算阀组件的频域阻抗参数。由于通常矩量法的计算软件 FEKO或 NEC都是频域的计算软件,阀臂阻抗参数的获得和终端激励电压的获得都需要由时域转换到频域,即要用到快速傅里叶变换算法,此种算法的特点是计算时至少需要一个工频周期的时域波形,计算的结果不能反映换流阀工作时每种工况下的辐射场。

(2)用小波变换或短时傅里叶变换的算法计算阀组件的频域阻抗参数。由于换流阀在工作时是一种时变的拓扑结构,频域信息主要集中在换流阀导通和关断的时刻,因此采用小波变换或短时傅里叶变换的算法能更好地表现换流阀工作时的时频特性。

(3)用阻抗分析仪测得的各个阀部件参数来计算阀组件的频域阻抗参数。

除了采用上述计算方法得到阀臂的阻抗参数外,还可以通过利用阻抗分析仪测量得到各个阀部件参数,包括晶闸管,饱和电抗器等,然后利用它们的串并联关系得到阀组件的频域阻抗参数。这种方法的优点是测量得到的阻抗参数较计算得到的更可靠,误差小;缺点是只能测量得到晶闸管截止工况的参数,其导通工况下的阻抗参数只能根据相关来做近似处理。本文下面即采用这种方法得到的阻抗参数来仿真计算。

2 ±500 kV阀厅电磁辐射的建模及仿真

2.1 换流阀的构成及阀模块阻抗参数的获得

换流阀的最基本的单位是可控硅级 (Thyristor level),由 1个晶闸管和与之并联构成 1个阀组件(Valve Section);2个阀组件串联组成 1个阀模块(Valve Module);3个阀模块串联构成 1个换流阀,即桥臂 (Valve);由 24个阀组件,即 4个换流阀串联构成 1座阀塔 (Valve Tower),又称四重阀,共 6层。1个极有 3座阀塔,整个换流站共两个极 (如图 1)。

图1 单极三相换流阀结构Fig.1 Single pole three-phase converter va lve structure

现根据课题组提供的由阻抗分析仪测得的阀的各部件的阻抗参数,来计算阀组件在导通和关断两种情况下的等效阻抗参数。晶闸管关断时可按图 2所示元件的连接方式来计算,而晶闸管导通时,由于阻抗分析仪只能测量无源器件的阻抗参数,无法获得晶闸管导通时的阻抗参数,根据以往文献,晶闸管导通时一般等效为一根导线,其阻抗可忽略,因此,此时阀组件的阻抗可等效为一台补偿电容器与两台饱和电抗器并联的阻抗。

取一部分参数,见表 1和表 2。

图2 阀模块构成Fig.2 Valvemodules structure

表 1 晶闸管导通时阀组件的等效阻抗Tab.1 Equiva lent im pedance of valve components when thyristor conduction

表 2 晶闸管截止时阀组件的等效阻抗Tab.2 Equivalent im pedance of valve com ponentsw hen thy ristor close

2.2 用上述得到的阻抗参数来仿真

利用软件 FEKO建立单相阀塔的仿真模型,计算了阀塔前方 10m位置,频率为 2 MHz时下面几种工况的电场强度,如下所示。

(1)Va2Va4导通,Va1Va3截止时,频率为 2 MHz时,三维近场辐射图如图 3所示,图 4为 y=2.7m时,z方向的二维辐射图。

(2)阀 Va4导通,阀 Va1Va2Va3关断,频率为 2 MHz时,三维近场辐射图如图 5所示,图 6为 y=2.7 m时,z方向的二维辐射图。

(3)Va1导通,Va2Va3Va4截止,频率为 2 MHz时：三维近场辐射图如图 7所示,图 8为 y=2.7m时,z方向的二维辐射图。

3 实 验

3.1 实验设备及原理

用制作的 10∶1阀塔缩比模型,信号源,接收天线,接收机构成实验系统,采用阻抗分析仪测量的阀组件阻抗参数来测量阀辐射的近场电场强度。流程图如图9所示。环天线放在阀塔前方 1m的位置,因为实际距离 l与缩比模型实验距离 L及缩小比例 K之间的关系为：L=_所以该实验模拟的实际是距离阀塔前方 10 m位置的场强。

图9 缩比模型实验流程图Fig.9 Flow chart of the sca lem odel experiment

3.2 实验结果

Va1和 Va4分别导通时的底噪和辐射值如图10～图 13所示,接收电压为接收机读数。根据缩比模型实验理论,缩比模型的频率 f与实际频率 F的关系为：f=k◦F,其中 k为缩小比例,因此,缩比模型实验中 20 MHz时的实验数据与2 MHz的仿真结果相对应,在缩比模型实验中,根据环天线场强校准公式：场强 =接收机读数 +天线系数 +电缆损耗,校准所测数据,校准后可知,频率为 20 MHz,激励电压为 0.4 V,Va1导通时,电场强度为 -30 dBV/m,Va4导通时,电场强度为 -32 dBV/m,与仿真结果近似略小,原因可能是仿真不考虑阀厅墙体屏蔽结构,及阀厅内的其他散射体结构;模型实验的环境受到无线电干扰等因素。

3.3 实验结论

(1)随着激励电压的增加,底噪和加阀辐射值均基本呈线性增加趋势。

(2)大部分频点加上单相阀塔后,辐射值比底噪高 10～20 dB,说明了实验的有效性,而在某些频点底噪与加上阀塔后的辐射值相近,说明在该频点有无线电或其他干扰。

(3)实验的结果与仿真结果近似,说明了计算方法的正确性。

4 结 论

(1)给出了直接频域计算方法中阀模块频域阻抗参数的三种计算方法;

(2)建模并仿真计算了单相阀塔在几种工况下的电磁辐射;

(3)进行了缩比模型实验,通过实验与仿真结果的对比,验证了计算方法的正确性。

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Sim u lation and Experiments on Electromagnetic Radiation of HVDC
Converter Station Single-phase Valves

Wang Huijuan1,Zhang Weidong1,Wang Wei2
(1.School of Electrical and Electronic Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China;2.Hebei Environmental Protection Department,Shijiazhuang 050051,China)

Based on the direct frequency calculation method,this paper does some study on the converter valve module impedance parameters in frequency domain calculationmethod.Thenmakes simulation based on the impedance parameters obtained by one method above-mentioned using the software of FEKO which is based on moment method.The simu lation builds a single-phase valve tower electromagnetic radiationmodel.Themodel considers the valve shield module,metal beams and other antenna structures,more accurately reflects the actual structureof the valve tower.The paperalso carries outsingle-phase valve tower 10∶1 scalemodel experiment,the experimentverifies the correctness of the simulation.

HVDC;converter station;valve tower;electromagnetic radiation;momentmethod

T M46

A

2010-07-31。

王慧娟 (1981-),女,助理工程师,主要研究方向为电力系统电磁兼容,E-mail：juan2004juan@163.com。