柔性直流换流站关键设备宽频模型

孙海峰，刘晓倩

(华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003)



柔性直流换流站关键设备宽频模型

孙海峰，刘晓倩

(华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003)

摘要：为研究柔性直流换流阀正常运行时产生的电磁骚扰的传播规律及其对换流站内的二次设备和周围的无线电台站的影响，基于黑箱理论，以点对点阻抗模型(NIF)为基础，利用网络分析仪测量了三相设备在外部端子不同的连接方式下的端口阻抗，根据测量的端口阻抗参数与NIF模型中虚拟阻抗的关系得到三相设备的宽频模型(频带范围100 kHz~50 MHz)。以华北电力大学新能源实验室VSC-HVDC换流系统为实验平台，对换流站内的三相设备变压器、EMI滤波器、换相电抗器进行建模。将建立的模型根据实际系统互相连接，模拟了整个交流系统对高频信号的衰减特性，为换流站的电磁干扰预测和电磁兼容提供可靠依据，并通过实验测量与仿真结果对比证明了本文方法和模型的有效性。

关键词：柔性直流输电(VSC-HVDC)；换流站；三相设备；宽频模型；阻抗测量

0引言

基于电压源型换流器的柔性直流输电作为一种新型的直流输电技术正日趋受到人们的重视，相对于传统的高压直流输电系统，柔性直流输电运行方式更灵活、系统的可控性更好，可以向弱交流系统甚至无源系统送电，非常适合应用于弱系统或孤岛供电、可再生能源等分布式发电并网、异步交流电网互联以及城市电网供电等领域[1]。

柔性直流换流系统主要由绝缘栅双极性晶体管(IGBT)换流阀系统、换流变压器、电抗器、电容器及滤波器等构成。换流阀IGBT在高频开关中会产生远大于传统高压直流系统的高频信号，甚至可达数十兆赫兹[2-3]。该高频信号一方面通过联结变压器和换相电抗器分别在交流侧和直流侧形成传导电磁骚扰，另一方面通过IGBT本体、整流或逆变回路和导线向空间辐射电磁能量，形成空间电磁辐射骚扰，不仅能够影响换流系统的正常工作，还可能会对换流站内的通讯设备、保护与控制系统、计算机和载波系统以及换流站附近的无线电台站等产生影响。因此，建立柔性直流换流系统 IGBT 换流阀及其关键设备(如换流变压器、电抗器、EMI滤波器等)的宽频模型是研究传导电磁骚扰沿线传播规律以及空间辐射电磁骚扰的分布特性，提出相应的滤波及屏蔽措施的前提条件。

近年来关于设备宽频建模的方法已有一定的研究成果，这些建模方法大体分为两类一类是传统等效电路模型[4]，另一类是黑箱模型[5-14]。黑箱模型又可以分为两类，一类是通过测量设备的阻抗或散射参数，借助网络综合等方法得到由集中参数元件R、L、C表示的设备宽频模型，文献[5-10]以此建立了包括互感器、单相变压器、高压直流输电换流站等设备的宽频模型，但是对于三相设备而言，如果采用该方法得到的模型可能会包含有多至上百个元件，这样所建立的模型会产生较大的误差。另一类是频变阻抗表示的数学模型，这种建模方法不需要了解元件的内部结构而且可以很好地表示设备与网络之间的互联，文献[11-14]采用这种方法建立变压器模型频带范围在1 MHz的范围内，不完全适用于柔性直流系统中，但是这种黑箱方法简单有效，因此，本文以实验室的VSC-HVDC系统为平台，采用第二类黑箱模型，建立了此换流系统中各个关键设备的宽频(100 kHz~30 MHz)模型。通过实验数据与仿真结果对比验证了该模型的正确性。

1三相设备的宽频建模方法

电力系统中的设备都可以由频变阻抗或导纳组成的模型来表示，所以对设备阻抗(或导纳)特性的测量尤为重要。对于具有多端子的设备，可以通过外部端子不同的连接方式来获得其端口参数。NIF模型是一种能够较为有效地反映多端口设备特性的模型，其基本的建模思想是从设备所有外部端子出发，将设备内部所有耦合全部体现在端子与端子间的阻抗(或导纳)参数上[15]。

一个具有n个端子的无源设备的NIF模型，它的每对端子之间都有一个频变阻抗或导纳连接，假设导纳数(NIF模型的支路数)为m，则模型端子数n与支路数m的关系可由式(1)得到

(1)

一台六端子的三相设备可以等效为一个六端子的NIF模型，如图1所示，字母A,B,C以及a,b,c分别表示设备一次、二次侧三个端子。显然，对于六端子的三相设备而言由15个点对点频变导纳组成，这些导纳参数由网络分析仪测量得到的端口阻抗推导得出。

图1　三相设备的NIF模型Fig.1　NIF model of the there-phase device

每一对节点之间的导纳Yi(f)都可以通过联立系统的方程来求解，这个方程组中测量得到的端口导纳Yd为已知量，点对点的导纳Yn为未知量，两者之间通过关联矩阵C联系起来如式(2)所示。可以用驱动点的导纳矩阵乘以关联阵的逆矩阵得到点对点导纳参数，如式(3)所示，式中m表示支路数，n表示端子数。

(2)

(3)

一般而言，具有m条支路模型需要有m个方程来求解，求解方程的复杂程度依赖于端口阻抗的测量方法。例如，对于图1所示的三相设备而言，当我们采取不同的外部接线方式下进行测量时，BC端口间的导纳与各支路导纳之间关系的复杂程度不同，图2(a)为B接网络分析仪正极，其余端子均接地时，B与C之间的导纳Ya，表达式如式(4)所示，图2(b)为B接正极，A开路时，B与C之间的导纳Yb其表达式如式(5)所示。

(4)

(5)

图2　BC端口间的导纳Fig.2　Admittance of the BC port

由上述可知，如果测量时有端点开路时，求解过程较为复杂，为了保证用简单的线性方程来求点对点导纳时，在测量接线时让设备中没有开路端子，且尽可能多的端子接地来降低方程的复杂性。表1中列出了三相设备以c为参考点的接线方式，E表示接到网络分析仪的正极，G表示接地。第一种接线方式对应的测量示意图如3所示,其中N代表网络分析仪。

表1　三相设备阻抗测量接线方式

图3　接线示意图Fig.3　Wiring schematics

因为如图1所示的三相设备具有15条支路，其支路编号如图示，因此关联矩阵C是一个15行15列的矩阵，它的元素如式(6)所示。矩阵C的每一行与表1中的每一种测量方式相对应。

(6)

为了验证模型的正确性，采用了其他的测量方式来获得端口导纳，其接线示意图如图4(a)~(d)所示，其中N为网络分析仪，然后利用前面计算得到的点对点导纳推导得出在这种测量方式下的端口导纳，用仿真计算值与实验测量值对比，看二者是否吻合。

图4　模型验证接线方式Fig.4　Wiring schematics to validate model

2换流站内关键设备的宽频模型

本文基于华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室的柔性直流系统，对系统内的三相设备(EMI滤波器、变压器、电抗器)进行阻抗的测量与分析，实验室内的三相设备的实物图如下图5(a)~(c)所示。

文中选用网络分析仪Agilent 4395A对各设备进行阻抗的测量，网络分析仪可测量的阻抗频带范围在100 kHz~500 MHz的范围内，由于柔性直流输电系统产生的电磁骚扰频率在150 kHz~30 MHz,所以在阻抗测量时选用的频带范围为100 kHz~50 MHz，以便于以后用于电磁骚扰的分析中。

图5　三相设备实物图Fig.5　Three-phase equipment realy picture

2.1三相变压器

采用前文介绍的三相设备的宽频建模方法对变压器建模，首先用网络分析仪测量得到阻抗值转换为导纳，再根据式(3)计算出点对点导纳，这里不再一一列出各个测量方式下的端口阻抗的幅频和相频特性曲线，只给出了按图4(a)和(b)两种接线方式下测量与计算得到的幅频、相频特性曲线对比图，如图6所示。

图6　实验与仿真对比Fig.6　Comparison between experimental and simulation results

图6(a)和(b)分别为按图4(a)接线时的幅频特性和相频特性曲线，图6(c)和(d)分别为按图4(b)接线时的幅频特性和相频特性曲线，从图中可以看出在关心的频段范围内，两种测量方式下的变压器幅频、相频特性吻合度都很高，证明了所建立变压器模型的正确性。

2.2换相电抗器

将电抗器按图4(c)和(d)两种测量方式下的端口导纳得到的的幅频相频特性与仿真计算值进行比较，图7(a)和(b)分别为第一种连接方式下的幅频与相频特性曲线，图7(c)和(d)分别为第二种连接方式下的幅频与相频特性曲线，从对比图中可以看出在150 kHz~30 MHz的范围内吻合度较好，模型具有高度的准确性。

图7　实验与仿真对比Fig.7　Comparison between experimental and simulation results

2.3三相EMI滤波器

与变压器类似，给出了滤波器的实验与仿真结果对比图。图8(a)和(b)分别为在图4(a)接线方式下的幅频与相频特性曲线，图8(c)和(d)分别为在在图4(b)接线方式下的幅频与相频特性曲线。图中大部分频段范围内是吻合的，在个别频段范围有一定的偏差，这是由于实验中人为因素的影响，造成某一次测量的不精确，但是从全频段范围看，图8中各曲线的计算值与测量值有相同的变化趋势，不会对传导电磁骚扰研究造成影响，因此本文所建立的滤波器模型正确有效。

图8　实验与仿真对比Fig.8　Comparison between experimental and simulation results

3换流站关键设备对电磁骚扰的衰减特性

在实际的系统中，由换流阀产生的传导电磁骚扰会沿着三相电抗器、变压器、EMI滤波器传播到交流电网中，为研究传导电磁骚扰的分布规律，有必要研究各个关键设备对高频信号的衰减作用。将得到的各三相设备的模型按照实际系统互相连接起来，这样整个交流系统相当于12个节点NIF模型，如下图9所示。若以EMI滤波器的C点为参考点，在节点9，10,11处施加频带范围内幅值为1的电流信号，在点对点导纳已知的情况下，可以很快的得到节点导纳阵[15]，从而用节点电压法方便的求得各个节点处的电压，由于具有相似性，只选取节点1,3,6,9四个关键点的电压进行比较分析，如图10所示。从图中可以看出节点9处的高频电压信号在经过这些设备后有明显的衰减。

图9　换流站交流系统模型Fig.9　AC part of VSC-HVDC station NIF model

图10　关键节点的电压频谱Fig.10　Voltage-frequency spectrum of key nodes

为了更直观地看出各个设备对高频信号的影响，给出了各个设备两端传导电压水平的对比图。从图11中可以看出传导电压在通过三相电抗器后，在600 kHz~9 MHz的范围内有明显的衰减，表2给出了此频带范围内电抗器前后各典型频点上传导电压骚扰水平及其衰减水平。从表中可知电抗器在刺频带范围内，传导电压骚扰水平衰减4.83~20.5 dB。在更高频段9~11 MHz也有一定的衰减作用，但效果不是很明显，故不再给出具体的数值。

图12为变压器两侧的电压频谱，从图中看出在100 kHz~5 MHz频带范围内传导电压有大幅度的衰减，表3给出了具体的衰减范围和衰减特征，由各典型频点的电压水平可知，变压器可将传导电压衰减-1.37 dB~64.776 dB。

图11　电抗器两侧的电压频谱Fig.11　Voltage-frequency spectrum of reactor both sides

滤波器两侧的的电压频谱如图13所示，图中显示终端开路状态下，滤波器对3~10 MHz的高频信号有衰减作用，具体的频点处的衰减范围见表4。由表可知，滤波器前后，3~10 MHz频段的电压衰减0.11~19.95 dB。

表2　电抗器的衰减特性

图12　变压器两侧的电压频谱Fig.12　Voltage-frequency spectrum of transformer both sides

表3　变压器的衰减特性

图13　EMI滤波器两侧的电压频谱Fig.13　Voltage-frequency spectrum of EMI filter both sides

表4　EMI滤波器的衰减特性

由以上分析可知，由于电抗器与变压器的高阻抗特性以及寄生电容的存在，传导电压在经过电抗器与变压器后有明显的衰减。尤其是经过变压器后，高频信号的衰减幅度更大，最高衰减水平可达64 dB，这是因为变压器原副边无直接的电气连接，内部电磁特性更加复杂所导致的。滤波器两端电压变化不大，只是对3~10 MHz频段的电压衰减0.11~19.95 dB。

4结论

(1)本文测量了换流站交流系统的关键设备(变压器、EMI滤波器、换流电抗器)的端口阻抗，依据测量的数据采用黑箱理论和点对点阻抗模型建立了各关键设备的频域阻抗模型；将建立的模型根据实际的系统互连，研究了各关键设备对高频信号的衰减作用。

(2)通过仿真结果与测量实验结果的对比证明了本文方法和模型的有效性，本文所建立的模型可为后续研究VSC-HVDC的传导与辐射电磁干扰奠定理论基础并提供依据。

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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

作者简介：孙海峰(1980-)，男，副教授，研究方向为电工理论与新技术，电力系统电磁兼容；刘晓倩(1989-)，女，硕士研究生，研究方向为电工理论与新技术，电力系统电磁兼容。

中图分类号：TM154

文献标识码：A

文章编号：1007-2691(2016)01-0014-07

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51207054)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(13MS75).

收稿日期：2015-05-14.

doi:10.3969/j.ISSN.1007-2691.2016.01.03