（电磁场与微波技术专业论文）高压直流换流阀组时变拓扑天线阵模型的研究.pdf

华北电力人学硕十学位论文摘要 摘要 本文结合国家自然科学基会项目“高压直流换流阀组时变拓扑天线阵模型与电磁骚 扰特征统计方法的研究”( 项目编号：5 0 7 7 7 0 1 7 ) ，重点研究了换流阀天线阵模型的建立 及电磁辐射的计算问题，首先从理论上分析了1 2 脉动换流阀电磁骚扰的产生机理，说 明并比较了计算其电磁辐射的可行性方法；然后基于矩量法建立换流阀塔天线模型并计 算其辐射电场，通过搭建缩比模型试验进行验证，得到了单相换流阀塔在5 0 k h z - i m h z 频率范围内的场强曲线图。随后利用前述已验证的方法，建立了三相换流阀塔的辐射模 型，得出了其在周围空间产生的场强。最后进一步研究了换流阀塔时变拓扑天线阵模型 的建立，并给出了计算结果。 关键词：换流阀，电磁辐射，矩量法，电场强度，模型 a b s t r a c t s u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n au n d e rg r a n tn o 5 0 7 7 7 0 17 ， t h et i m e v a r y i n gt o p o l o g ya n t e n n aa r r a ya n de l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c es t a t i s t i cm e t h o d so f h v d cv a l v eg r o u pa 他m a i n l yr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r i nt h i sp a p e rt h eb u i l to fv a l v e a n t e n n a a r r a ya n dc o m p u t a t i o no fi t se l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n 瓣s t u d i e d f i r s t l y , t h e m e c h a n i s mo fe l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c e sw h i c ha r ep r o d u c e db yt h e12 一i m p u l s ev a l v ei s a n a l y z e di nt h e o r ya n dt h ef e a s i b i l i t yo fc o m p u t i n gi t se l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o ni si l l u s t r a t e d s e c o n d l y , t h em o d e la n t e n n ao fv a l v et o w e ri sb u i l t , a n di t sr a d i a t i o nd e c t r i cf i e l di s c o m p u t e d t h ee l e c t r i cf i e l dg r a p ho fs i n g l e - p h a s ev a l v er a n k i n gf r o m5 0k h zt o1m h z i sg o t a n dv e r i f i e db yt h es c a l e dm o d e l t h i r d l y , t h et h r e e - p h a s ev a l v et o w e rr a d i a t i o nm o d e li sb u i l t b yu s i n gt h ev e r i f i e dm e t h o dm e n t i o n e da b o v e , a n di t sf i e l di n t e n s i t yp r o d u c e da r o u n di s o b t a i n e d a tl a s tt h eb u i l to fv a l v et o w e rt i m e - v a r y i n gt o p o l o g ya n t e n n aa r r a ym o d e li s r e s e a r c h e df a t h e r l y , a n dt h ec o m p u t i n gr e s u l ti sd e m o n s t r a t e d g uj i a c u i ( e l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n dm i c r o w a v et e c h n o l o g y ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f z h a n gw e i d o n g k e yw o r d s ：h v d cc o n v e r t e rv a l v e ，e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n ，m e t h o do f m o m e n t s ，e l e c t r i cf i e l ds t r e n g t h ，m o d e l 华北电力人学硕十学位论文摘要 摘要 本文结合国家自然科学基会项目“高压直流换流阀组时变拓扑天线阵模型与电磁骚 扰特征统计方法的研究”( 项目编号：5 0 7 7 7 0 1 7 ) ，重点研究了换流阀天线阵模型的建立 及电磁辐射的计算问题，首先从理论上分析了1 2 脉动换流阀电磁骚扰的产生机理，说 明并比较了计算其电磁辐射的可行性方法；然后基于矩量法建立换流阀塔天线模型并计 算其辐射电场，通过搭建缩比模型试验进行验证，得到了单相换流阀塔在5 0 k h z - i m h z 频率范围内的场强曲线图。随后利用前述已验证的方法，建立了三相换流阀塔的辐射模 型，得出了其在周围空间产生的场强。最后进一步研究了换流阀塔时变拓扑天线阵模型 的建立，并给出了计算结果。 关键词：换流阀，电磁辐射，矩量法，电场强度，模型 a b s t r a c t s u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n au n d e rg r a n tn o 5 0 7 7 7 0 17 ， t h et i m e v a r y i n gt o p o l o g ya n t e n n aa r r a ya n de l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c es t a t i s t i cm e t h o d so f h v d cv a l v eg r o u pa r em a i n l yr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r i nt h i sp a p e rt h eb u i l to fv a l v e a n t e n n aa r r a ya n dc o m p u t a t i o no fi t se l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n 瓣s t u d i e d f i r s t l y , t h e m e c h a n i s mo fe l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c e sw h i c ha r ep r o d u c e db yt h e12 一i m p u l s ev a l v ei s a n a l y z e di nt h e o r ya n dt h ef e a s i b i l i t yo fc o m p u t i n gi t se l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o ni si l l u s t r a t e d s e c o n d l y , t h em o d e la n t e n n ao fv a l v et o w e ri sb u i l t , a n di t sr a d i a t i o nd e c t r i cf i e l di s c o m p u t e d t h ee l e c t r i cf i e l dg r a p ho fs i n g l e - p h a s ev a l v er a n k i n gf r o m5 0k h z t o1m h zi sg o t a n dv e r i f i e db yt h es c a l e dm o d e l t h i r d l y , t h et h r e e - p h a s ev a l v et o w e rr a d i a t i o nm o d e li sb u i l t b yu s i n gt h ev e r i f i e dm e t h o dm e n t i o n e da b o v e , a n di t sf i e l di n t e n s i t yp r o d u c e da r o u n di s o b t a i n e d a tl a s tt h eb u i l to fv a l v et o w e rt i m e - v a r y i n gt o p o l o g ya n t e n n aa r r a ym o d e li s r e s e a r c h e df a t h e r l y , a n dt h ec o m p u t i n gr e s u l ti sd e m o n s t r a t e d g uj i a c u i ( e l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n dm i c r o w a v et e c h n o l o g y ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f z h a n gw e i d o n g k e yw o r d s ：h v d cc o n v e r t e rv a l v e ，e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n ，m e t h o do f m o m e n t s ，e l e c t r i cf i e l ds t r e n g t h ，m o d e l 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文高压直流换流阀组时变拓扑天线阵模 型的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 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 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日 期： 导师签名： 日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题的背景与意义 第一章引言 高压直流输电技术在远距离、大容量输电和电力系统联网方面具有明显的优 点，它的第一次商业应用是1 9 5 4 年在瑞典大陆到歌特蓝岛之间的输电。我国在1 9 9 0 年建设了第一条5 0 0 k v 高压直流输电工程，即葛洲坝南桥5 0 0 k v 高压直流输电工 程。迄今为止，我国投入运行的5 0 0 k v 高压直流输电工程有葛洲坝南桥、天生桥 广州、三峡常州、三峡广东、贵州广东五个工程。目前，我国已经成为世界上采 用高压直流输电系统最多的国家。随着我国西电东送战略的进一步实施，我国正在 建设并还将计划建设一大批5 0 0 k v 高压直流输电工程，并且在“十一五 期间，还 要建设8 0 0 k v 特高压直流输电工程。 电力系统中的发电和用电的绝大部分均为交流，要采用直流输电必须进行换 流。在我国已建和正在建设的5 0 0 k v 高压直流输电工程中，换流站的电磁兼容性设 计基本都是国外公司进行的。我国对5 0 0 k v 换流站的电磁骚扰特性和阀厅的电磁骚 扰外泄抑制措施方面缺乏必要的认识。这在一定程度上制约了5 0 0 k v 高压直流输电 工程国产化过程中换流站的电磁兼容性设计，也是我国“十一五期间建设8 0 0 k v 特高压直流输电工程换流站的电磁兼容性设计必须解决的关键问题。因此，在测量、 试验、建模、计算等方面对高压直流换流站的电磁兼容性问题开展深入的研究是十 分必要的。 按照运行方式划分，高压直流换流站的电磁环境可以分为稳态电磁环境和瞬态 电磁环境。稳态电磁环境是指在直流换流站稳态运行期间站内的电磁环境。瞬态电 磁环境主要是指直流换流站在开关操作时的电磁环境。对比交流变电站的电磁环 境，换流站稳态电磁环境的特点与交直流转换过程中换流阀的工作状态紧密相关。 无论是整流侧交流到直流的转换，还是逆变侧直流到交流的转换，都伴随着换流阀 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。所以说换流站 的稳态电磁环境是包含具有一定周期性的瞬态电磁过程的复杂电磁环境。其结果不 仅大大增加了交流和直流侧的谐波含量，而且伴随着换流阀体的快速通断过程也向 空间辐射频率甚高、频谱很宽的电磁场。另外，高压直流换流站是通过对换流阀体 的解锁与闭锁操作来控制输电功率的。为了实现高压直流换流站以及阀厅的电磁兼 容性设计，需要充分掌握高压直流换流站以及阀厅的电磁骚扰的特征信息，充分认 识稳态运行时换流阀的触发导通和关断截止过程产生稳态电磁骚扰的机理。图1 1 为课题组在某5 0 0 k v 换流站阀厅内巡视通道上扫频得到的电场强度频谱图。可以初 步判明稳态运行时的电磁骚扰的高频分量可达2 g h z 。另外，高压直流换流站的开关 l 华北电力人学硕_ ：学侮论文 操作与交流变电站相比也有诸多不同，比如交流变电站使用断路器接通与切断负荷 电流，而直流换流站则通过对换流阀体的解锁与闭锁操作来控制输电功率。 图1 1 阀厅内巡视通道上电场强度频谱图 为了实现高压直流换流站以及阀厅的电磁兼容性设计，需要充分掌握高压直流 换流站以及阀厅的电磁骚扰的特征信息，认识稳态运行时换流阀的触发导通和关断 截止过程产生稳态电磁骚扰的机理，以及换流站投切换流变压器、投切滤波器组和 改变直流运行方式等开关操作时产生瞬态电磁骚扰的机理；同时，还应该研究一次 系统对二次系统的电磁干扰耦合机理。只有充分掌握换流站电磁骚扰的特征和耦合 机理，才能提出科学合理的二次设备抗扰度要求，既避免因低估电磁骚扰的严重性 而导致的欠设计而埋下安全隐患；又避免因高估电磁骚扰的严重性而导致的过设 计，带来不必要的经济损失。只有充分认识了换流站瞬态电磁骚扰的产生机理和一 次系统对二次系统的电磁干扰的耦合机理，才能有针对性的采取适当措施以抑制电 磁骚扰产生与传播。 按照功能区域的不同，可将高压直流换流站的电磁环境分为阀厅内、换流站内 和换流站周边三个区域。为了科学的描述三个区域的电磁环境，需要研究各个环境 区域电磁骚扰的特征提取与统计方法。在电磁骚扰的产生机理研究方面，换流阀体 的触发导通和关断截止是高压直流换流站有别于交流变电站的关键地方。目前，换 流站的交流和直流转换普遍采用1 2 脉动整流与逆变方式，即在一个工频周期内，不 仅有1 2 次的换流阀体的导通和截止的转换，而且每次对应的辐射体结构均不同。 这是一个不同于以往的时变拓扑结构的电磁辐射问题。图1 2 为南方电网公司某换流 站阀厅阀塔的图片及结构模型图，可以看出换流阀是空间立体复杂结构体，辐射体 既含有水平分支，又含有垂直分支。因此，换流阀暂态仿真模型的建立是一个技术 2 华北电力大学硕士学位论文 难点，它是由许多单个器件串联组成的模块化单元，它的正常运行是保证直流输电 系统可靠运行的首要因素。 图12 某换流站阀厅阀塔图片 综上所述，建立换流阀组时变拓扑天线阵模型，能更好的研究、分析换流站的 电磁兼容问题，有助于计算出换流阀对周围空间的电磁辐射，对于指导我国- + 5 0 0 k v 高压直流输电工程国产化和“十五”期间的- + 8 0 0 k v 特高压直流输电工程的电磁 兼容性设计均具有重要的工程价值。 12 国内外研究概况 换流阀的发展经历了汞弧换流、晶闸管换流和新型半导体换流各的应用三个 时期，中国直流输电的发展起步较晚，它跨越了汞弧阀换流时期，在2 0 世纪7 0 年 代直接从晶闸管换流阀开始，在西安和上海先后建立相应的试验装置和试验工程】。 换流阀由晶闸管、阻尼电容、均压电容、阻尼电阻、均压电阻、饱和电抗器、晶闸 管控制单元等零部件组成。其中，晶闸管是换流阀的核心部件，它决定了换流阀的 通流能力通过将多个晶闸管元件串联可得到希望的系统电压。晶闸管的发展有汞 弧换流，晶闸管阀换流和新型半导体换流三个时期。 121 国外研究概况 目前可见的最早研究直流领域电磁兼容的文献发表于1 9 6 2 年，h y l t e nc a v a l l i u s 和o l s s o n 合作对高压直流系统射频电磁噪声进行了研究，并对汞弧阀换流站电磁噪 声的产生和衰减过程进行了讨论口】。此后，随着高压直流输电的发展，换流站的电 磁兼容研究逐渐受到重视，但几乎所有研究都集中在射频干扰范畴且部基于实验， 仿真计算也以经验模型为基础，1 9 7 1 年，h a r r o l d 对电力线射频电磁噪声的频率进 行了实验研究，并利用频谱分析仪分析了射频电磁噪声的干扰特性口】。在此基础上， 华北电力人学硕十学位论文 a n n e s t r a n d 对换流阀触发产生的射频干扰进行了研究【4 j 。m a m v a d a 和g i l s i g 于1 9 7 3 年总结了种用于计算换流站射频干扰水平的方法，并在v a n c o u v e r 岛换流站进行 了实验验证( 5 l 。m a r u v a d a ，g i l s i g 和o r t o n 通过数值分析和现场试验两种方法对换 流站射频辐射进行了分析f 6 j ，结果吻合得很好。1 9 7 6 年，m o r s e 等人对加拿大纳尔 逊河直流输电线路工程线路上的射频干扰进行了电磁场测量【7 j 。m e l v o l i l ，h a g l o f 和d e g n 等人对高压直流换流站载波频率范围内电磁噪声电压进行了分析【9 1 。1 9 8 0 年，b a c o n ，h e d r i c k ，f i e d l e r 和m o l n a e 等人对高压直流输电线路附近的交流线路 电磁噪声行了测量f l o 】，测量结果对于分析交直流线路间的干扰传播具有重要意义。 1 9 8 2 年国际无线电干扰特别委员会( i n t e r n a t i o n a ls p e c i a lc o m m i t t e eo nr a d i o i n t e r f e r e n c e c i s p r ) 根据试验线路和已运行的实际线路所得到的大量测量数据，提 出了适用于双极直流线路无线电干扰的计算公式【1 1 1 ，并在1 9 9 6 年c i s p r l 8 - 3 的补 充版推荐了利用激发函数法计算多分裂导线的无线电干扰公式【i 2 1 。 上世纪8 0 年代中期，美国电力科学研究院( e l e c t r i c a lp o w e rr e s e a r c h i n s t i t u t e e p r i ) 资助开展了针对高压直流换流站电磁兼容问题的专项研究，主要涉 及换流站产生的射频电磁骚扰以及电磁噪声的特性、传播过程和仿真计算等方面。 该项目由俄亥俄州立大学电气工程系s e b o 和c a l d e c o t t 博士为首的科学家团队负责， 分阶段持续了近十年，弗吉尼亚工学院及州立大学l i uy i l u 博士等人在实验方面开展 了大量工作。研究以实验为基础，对位于明尼苏达的d i c k i n s o n ：t ：4 0 0 k v 直流输电工程 换流站无线电电磁发射进行了测量，该研究还包含一项换流站主要设备频变阻抗参 数测量项目。研究小组在总结实验结果的基础上，建立了换流变压器、平波电抗器 等设备的宽频频变模型【1 3 1 ；从经验模型出发，结合电路和电磁场理论，总结了一套 换流站电磁骚扰的定量计算方法，并开发了名为r a f c a p 的无线电发射计算分析程 序【1 4 】。s e b o ，d e v o t e ，c a l d e c o t t 和h e 等人设计并建造了d i c k i n s o n + 4 0 0 k v 高压直流 换流站的缩比( 1 ：4 0 ) 模型，并对其电磁环境进行了测量。该项目进行了频率范围 为0 i m h z 到5 m h z 的电磁干扰环境测量，获取了站内不同地点的电场和磁场数据， 测量内容还涉及电压、换流阀触发脉冲、阻抗及地面电磁场等方面【j 引。 其他较为系统的研究有1 9 8 8 年加拿大电力协会( c e a ) 资助的，在p s a r m a m a r u v a d a ，r m a l e w s k i 和p s w o n g 等人主持下对位于加拿大境内的两座士4 0 0 k v 换流站进行了全面的电磁骚扰测量【l9 1 ，并给出了站内电磁场强度和站外5 0 0 米 0 1 m 5 m h z 的无线电干扰与射频干扰测量结果。1 9 9 3 年新英格兰电力服务公司的 p j t a t r o 和k a a d a m s o n 等人通过对一个对士4 5 0 k v ，1 8 0 0 m w 换流站的测量【2 0 】， 详细分析和计算了电力载波的问题。 电磁兼容问题是系统设计公司和设备制造厂商需要解决的一个重要工程问题， 国际上有很大一部分研究力量集中在几家实力比较雄厚的大型电力设备公司，如 4 华北电力大学硕士学位论文 s i e m e n s 和a b b ，其研究目的是为了保证系统和设备的正常运行，并不对环境发 射过量的电磁噪声。所作研究具有很强的工程性，对换流站电磁干扰的研究侧重于 掌握电磁环境的水平，并在此基础上进行抗干扰措施设计。以s i e m e n s 公司为例， 其换流站电磁干扰研究中对换流阀电磁干扰水平的评估依靠试验测量，理论计算依 赖经验公式，研究电磁噪声的传播过程时，对设备模型进行了大量简化，只需保证 研究结果相对于某个标准线达到定精度，即可满足其设计要求。s i e m e n s 公司在 换流阀的电磁辐射研究方面采用矩量法( m e t h o do f m o m e n t m o m ) 进行电磁场数值 建模，将换流阀等效为金属条和金属线网络，计算结果相对准确【2 1 1 ，图1 3 所示为 西门子公司建立的阀塔的仿真模型。 1 2 2 国内研究概况 图1 3 阀塔仿真模型 国内直流输电技术应用较迟，因此换流站电磁兼容研究也起步较晚。上世纪7 0 年代末，我国开始筹建直流输电实验项目，直流输电的重到关注，但是关于换流站 电磁兼容的研究仍然较少。1 9 9 0 年，我国第一条长距离大容量直流输电线路湖 北葛洲坝至上海的双极直流输电线路投运，额定容量1 2 g w ，额定电压士5 0 0 k v ，送 电距离1 0 4 5 k m 。直流线路运行对电磁环境研究提出了实际要求，但此时的研究主要 集中在线路无线电干扰方面1 2 2 。2 引。武汉高压研究所针对士5 0 0 k v 葛洲坝一上海直流输 电线路进行了无线电干扰测试，并对测试结果进行了分析【26 。武汉水利电力学院贺 景亮教授在实验的基础上，应用网络模拟法，对换流站无线电频率干扰及其环境效 应进行了研究【2 7 】。在葛上线建设和运行期间，中国电力科学研究院等单位对葛上直 流线路的电磁环境进行了试验研究，获得了大量关于无线电干扰、可听噪声和合成 华北电力人学硕十学位论文 场强等方面的数据1 2 8 2 9 1 。随着我国直流输电的快速发展，先后有5 条高压直流线路 投入商业运行。在此期l 、日j ，中国电力科学研究院等单位对线路的无线电干扰进行了 系列测试，这类测试主要偏重于无线电干扰对坏境的影响，从标准或设计规范出发， 评估线路辐射是否超标0 。3 2 】。 目l i i ，国内学者在换流阀系统的建模方面侧重于晶闸管模型的构造【3 弘3 5 】，而对 于阳极电抗器、平波电抗器和换流变压器等几乎没有开展过任何研究工作。西安交 通大学邱毓昌教授提出了考虑二次效应、温度特性和反向恢复过程的晶闸管宏模 型，并利用该模型分析了晶闸管器件参数分散性和缓冲电路参数对换流阀内电压分 布特性的影响，但是该模型仅局限于低频应用【3 引。 c b r j 一一厂 r 广1 i 一 卜i ( a ) 晶闸管级原理图( b ) 换流阀组件结构 图l _ 4 多个晶闸管级串联组件结构图以及晶闸管级原理图 许继柔性输电系统公司借鉴超高压换流阀组件的成熟技术，研制出了基于5 英 寸晶闸管，额定电流为3 1 2 5 a 的特高压换流阀组件，并对其进行了相应的例行试验， 给出了由多个晶闸管级串联组件组成的换流阀组件结构图以及晶闸管级原理图，如 图1 4 所示。 从2 0 世纪8 0 年代开始，西安西电电力整流器有限责任公司参与了中国己建成 和正在建设的全部十三个直流输电工程的技术引进和设备制造工作，换流阀电压等 级从士5 0 k v j ：8 0 0 k v ，包括电触发晶闸管换流阀和光触发晶闸管换流阀，产品性能 达到目前国际先进水平。 换流阀一般为1 2 脉冲桥4 重阀结构，在建模计算时要考虑单阀之间的分布电容 的影响。西安交通大学电气工程学院，西安高压电器研究所，西安电力整流器厂的 赵中原，邱毓昌，方志等在探讨可控硅换流阀内暂态过电压分布特点的基础上建立 6 广il 华北电力大学硕士学位论文 了阀体的嵌套等值电路模型【3 7 1 。模型如图1 5 、图i - 6 所示。 1 半层阀；2 避雷器；3 屏蔽罩 图1 5 阀体结构 图1 6 层间等值模型 7 华北电力人学硕+ 学位论文 由于本课题研究的是一个电大尺寸结构的电磁辐射问题，在处理这种丌放域问 题时的方法有：有限元法、差分法、矩量法等。 基于有限元法以及差分法的高频电磁分析工具需要对传播空间划分网格，在距 离分析对象周围相当距离的位置设置具有一定层数、一定厚度的吸收边界条件，而 这些参数的设置对用户有较高的工程经验要求，且难于在当前计算机硬件条件下实 现大规模问题的分析。本文选用矩量法作为主要的分析方法，由于积分方程基于格 林函数构建，因此无需设置吸收边界条件，只要硬件条件许可，矩量法可以求解任 意复杂结构的电磁问题。 1 3 本文的研究内容 本文重点研究换流阀在运行时由于结构及电流的变化而产生的电磁辐射，并在 矩量法的基础上，系统地计算换流阀产生的电磁辐射。本文各章主要内容如下： 第一章是绪论部分，详细介绍本文研究工作的课题背景，说明研究工作的意义， 并简要介绍国内外对高压直流输电换流阀研究的发展现状以及论文的组织结构。 第二章系统地阐述换流阀的工作情况，并通过软件编程给出换流阀几种情况下 的波形，最后与仿真软件的结果进行比较，本章内容是建立换流阀模型的基础。 第三章介绍几种计算场的方法。重点介绍用于求解积分方程的矩量法( m o m ) 的关键技术，讨论使用f e k o 建立换流阀模型的可行性，并给出一个简单的仿真模 型以及结果。 第四章主要为仿真与实验部分。利用课题组宽频模型的计算结果，通过时域与 频域的转换，详细研究换流阀天线模型的建立，试验的步骤及方法，换流阀缩比模 型的搭建，测量结果以及与仿真结果的对比，验证该方法的可行性，由此为建立三 相换流阀模型提供了依据。 第五章基于上述方法，根据工程图给出的实际尺寸，建立换流阀的仿真模型， 得到不同频率下的仿真结果，绘制出不同方向上的电场强度曲线。最后再根据换流 阀运行工况，提出时变拓扑结构，给出计算结果 最后是本文的结论，对本文的工作进行归纳总结 8 华北电力大学硕士学位论文 第二章换流阀高频电流的产生及分析 阎厅内的电磁兼容问题主要表现在电磁骚扰的产生与屏蔽两个方面。在电磁骚 扰的产生机理研究方面，换流阀体的触发导通和关断截止是高压直流换流站有别于 交流变电站的关键地方。直流换流站中的换流阀起着交流和直流相互转换的作用， 在可控硅整流器导通瞬间，由于电流和电压的突变，在回路中产生高频振荡，同时 还以电磁波的形式向外辐射能量。这种电磁波不仅干扰换流站周围以及输电线附近 的无线电接收设备，而且干扰换流站内的敏感设备( 如载波通信系统、计算机系统 等) ，是直流高压系统中的重要干扰源。根据现场的实验结果表明，换流站产生的 辐射骚扰具有很宽的频率范围，其值可以从几十h z 直到上g h z 。为了研究阀体在 导通和关断时电流变化所产生的瞬态电磁场，本章对1 2 脉动换流阀的运行工况进 行了分析，并用m a t l a b 编程，给出不同触发角及换相角时1 2 脉动的波形，以便 能更好地计算换流阀体转换时产生的电磁辐射。 2 1 换流器概述 换流器的功能是实现交流直流或直流交流的变换，前者称为整流，后者称为 逆变。换流器是直流输电系统的关键设备，在交流侧电动势和触发脉冲的作用下， 按照晶闸管的开通和关断条件，进行有次序的开通和关断，将交流电变为直流电。 不论由哪一种元件构成的桥臂，都必须具有阀的特性，因而桥臂也称为阀。它 在正常情况下，只能从阳极到阴极这一方向导通。在通态下，阀的额定电流可达数 百以至于数千安。阀的阳极阴极之间只有很小的正向压降。在断态下，阳极阴极 之间承受较高的正向或反向电压而不导通，仅仅有很小的漏电流。阀的额定断态电 压峰值可高达数十到数百千伏。 2 1 16 脉动换流器 6 脉动换流单元的换流变压器可以采用三相结构也可以采用单相结构，其阀侧 绕组的接线方式可以是星形也可以是三角形接线，它的原理接线如图2 1 所示。6 脉动换流器由六个桥臂组成，v 1 一v 6 为组成6 脉动换流器的6 个换流阀的代号，数 字l 6 为换流阀的导通序号。在理想条件下，认为三相交流系统是对称的，触发脉 冲是等距的，换流阀的触发角也是相等的，通常触发角用徕表示。6 脉动整流器触 发脉冲之间的间距为6 0 0 ( 电角度) ，图中的桥臂按正常轮流开通的次序编号。 9 华北电力人。学硕十学位论文 半桥 l r 3 a 下半桥 b c m 5 图2 1 三相桥式换流器的原理接线图 6 脉动换流器在非换相期同时有2 个阀导通( 阳极半桥和阴极半桥各1 个) ，在 换相期则同时有3 个阀导通( 换相半桥中2 个，非换相半桥中1 个) ，从而形成2 个阀和3 个阀同时导通按序交替的“2 3 工况。( 也称正常运行工况) 。6 脉动整流 器在正常运行时( 2 3 工况) 的直流电压平均值可用下式表示： 。：u ：。一3 _ x r 。l ：。c o s 口一d ，。l 万 一l = c o l r l d ，：三“ 石 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 式中，五l 为等值换相电抗；4 l 是一个单位直流电流在换相过程中引起的直流电压 降，故也称为比换相压降。式( 2 - 1 ) 表示整流器的直流电压和直流电流的关系，也称 为整流器的伏安特性或外特性。当u a o l 和4 l 不变时，它是一系列的直线。式( 2 一1 ) 只适合于“2 3 一工况，即p l 6 0 。的情况。换相角是换流器在运行中的一个重要参 考，它可用下式表示： 胪c o s 2 x r t l a - 卜 ( 2 - 4 ) 从上式可知，i 与厶、u i 、咒i 和口四个因素有关。当z i 和口不变时，i 随历 的增加或【，l 的下降而增大。很明显，当坼l 增大时，l 则增大。朋与口的关系，当 运行在整流工况( a 9 0 。) 时，i 随口的增加而减小。在a = o 。时，l 最大；在a = 9 0 。 时，l 最小。 l o 华北电力大学硕士学位论文 2 1 21 2 脉动换流器 在直流输电工程中，常把两个或两个以上换流桥的直流端串联起来，组成一个 多桥的换流器，以得到输电所需要的直流电压。1 2 脉动换流器是由两个6 脉动换流 器在直流测串联而成，其交流测通过换流变压器的网侧绕组而并联。1 2 脉动换流单 元可以采用双绕组换流变压器或三绕组换流变压器。为了得到换流变压器阀侧绕组 的电压相位相差3 0 0 ，其阀侧绕组的接线方式，必须一个为星形接线，而另一个为 三角形接线，从而使两个6 脉动换流器的交流测，得到相位差3 0 0 的换相电压。 1 2 脉动换流器共有1 2 个阀臂，其接线如图2 2 所示，正常运行时1 2 个臂开通 的次序如图中数字所注，为1 1 、1 2 、2 l 、2 2 、3 1 、3 2 、4 1 、4 2 、5 1 、5 2 、6 1 、6 2 。 各个臂开通时刻的间隔为1 1 2 基波周期， 阀关断到另一个阀开通的时间间隔为： 在这里取基波周期为t = l 5 0 s 。即从一个 ! 丁：土土：上s 1 21 25 06 0 0 ，、，n ，、，帆 ，、，帆，、m j ，、， l - 一一 ，h ，、，n ，、 _ j 、， ，、，h ，、，帆 图2 21 2 脉动换流器接线示意图 虽然双桥换流器中每一个桥的直流电压都是6 脉动的，但由于两者的三相交流 电压相差3 0 0 ，串联之后所得到的直流电压是1 2 脉动的。直流输电的换流器是借助 交流电网所提供的短路电流来实现换相。 目前直流输电换流器所用的阀有两种：汞弧阀和可控硅阀。本文主要针对可控 硅阀进行研究，它主要是由可控硅元件串并联组成的o 可控硅元件又叫做晶体闸流 管，因此可控硅阀又称为晶体闸流管阀或晶闸阀。 华北电力人学硕十学位论文 2 1 31 2 脉动换流器运行情况的特点 图2 2 所示阀的序号用两个数码表示。第一个数码表示阀在该桥中丌通的序号， 第二个数码表示桥号，以交流电压相位越d 矿3 0 0 的一个桥为1 号，另一个为2 号， 按此规定，整个双桥中l2 个桥阀丌通的次序为11 、l2 、2 1 、2 2 、3l 、3 2 、6 1 、6 2 。 ( 1 ) 换相角r 3 0 0 的情况 当坪3 0 0 时，在非换相期间，两个桥中只有4 个阀导通，在换相期间则有5 个阀 导通，即换流器以4 5 方式运行。一个桥在换相时，另一个桥不换相。 ( 2 ) 换相角庀3 0 0 的情况 当换相角产3 0 0 时，两个桥中经常有5 个阀导通，而其中总有一对阀在换相。 一对阀换相刚刚完成，就有另一对阀接着开始换相，所以双桥换流器在这种情况下 以5 方式运行。如果3 0 0 f 6 0 0 ，就会出现下述情况：一个桥中的一对阀换相尚未 结束之前，另一个桥中就有一对阀开始换相。从这时起到前一对阀换相结束的一段 时间内，有6 个阀同时导通，这段时间也称为双交迭过程。在双桥的双交迭过程中， 交流测电压畸变。 在3 0 0 y 6 0 0 ，7 = 6 0 0 ，6 0 0 y 9 0 0 ，y = 9 0 0 ，9 0 0 7 , 1 2 0 0 时，换流器分别以5 - 6 ， 6 ，7 和7 8 各种方式运行。这些运行情况下的分析较冗长，而且实用性不大，本文 主要就实际运行的情况进行研究分析，故不考虑上述情况。 2 1 4 传导电磁骚扰的产生机理 换流阀运行引起的电磁噪声在换流器阀体的晶闸管触发和关断过程中产生，这 种持续的骚扰噪声是换流站电磁骚扰环境最主要的骚扰源。在换流阀换相过程中， 晶闸管中会发生一个快速的电压击穿过程，换流阀端电压的剧烈变化同时伴随流过 换流阀电流的迅速增大，主要电流分量由阀电路电感决定。电压的快速变化还将在 缓冲阻尼回路的电容、换流阀、换流变压器、平波电抗器等设备的电容器或杂散电 容上引起充放电过程，这些电容的充放电过程将引起变化率很高的电流产生。在晶 闸管的关断过程中，其中流过的大部分能量储存在变压器绕组电感和阳极电抗器电 感中，晶闸管经过一个过渡过程最终达到电流为零的新稳态，并伴随电流的快速变 化。换流阀开断过程中极大的电压和电流变化率将产生能量较大、频带很宽的电磁 噪声，这部分噪声中也包含了大量的高频能量。换流阀丌断产生的一系列暂态电磁 噪声沿换流电路传播，通过直接的电气连接或耦合进入敏感设备，就产生了传导电 磁骚扰现象。 目l j ，换流站的交流和直流转换普遍采用1 2 脉动整流与逆变方式，即在一个 工频周期内，不仅有1 2 次的换流阀体的导通和截止的转换，而且每一次对应的辐 1 2 华北电力大学硕士学位论文 射体结构均不同。换流阀的突然导通，相当于在阳极和阴极之间加上一个上升沿很 陡的指数波的电压。 “( f ) = 一u o ( 1 一p 叫77 ) ( 2 5 ) 式中，矾为换流阀导通前瞬间阳极一阴极之间的电压值，它决定于换流变压器的输 出电压和控制角口；t 为时间常数，决定于可控硅的导通时间，本文取弘1 7 3 “s 。 2 21 2 脉动换流阀运行工况分析 换流阀体在导通和关断时，结构会发生变化并产生瞬态电流，从而使阀体成为 一个辐射体，向外辐射电磁场。所以，需要充分认识稳态运行时换流阀的触发导通 和关断截止过程产生电磁骚扰的机理。通过对1 2 脉动换流器的工况进行分析，与 换流阀体的导通和截止的转换相对应，从而为换流阀辐射模型提供了激励源以及建 立的论基础。 2 2 11 2 脉动换流器运行工况分析 如前所述，换流器运行于整流状态时，在4 5 工况范围内，序3 0 0 ，在非换相期 ( 4 个阀同时导通) ，由于直流电流在耦合电抗上无电压降，对母线电压波形则无影 响。在一个桥中有一对阀进行换相时( 5 个阀同时导通) ，造成该桥交流侧的两相短 路，此时的两相短路电流( 即换相电流) 在耦合电抗上产生电压降，使母线电压畸 变，从而使另一个桥上的阀电压产生附加换相齿，但此时的直流电压波形不会受到 影响。因此，可以认为耦合电抗在这种情况下，对整流器的工作没有影响。换流器 运行于逆变状态时，在4 5 工况当触发角i f 3 0 0 时，桥间的相互影响在实际中可以不 考虑。 在上述情况下，虽然阀电压波形上产生附加换相齿，但对逆变器的直流电压波 形和关断角均无影响。故本文主要就这种运行情况进行分析，最后通过编程给出1 2 脉动换流器直流电压的脉动波形。理想情况下，换流阀的处触发角a = 0 0 ，换相角尸o o ， 波形如图2 3 所示。 1 3 华北l u 力人 顿十 协论文 翠邋_ j 邋4 1 邋巡 图2 - 3 触发角萨0 。，换相角产o 。时的脉动波形 正常上况时，一般触发角旎围为5 。1 5 。，换相角为0 。1 5 。画出触发角萨15 。 换相角产o 。时，1 2 脉动换流器直流电压的脉动波形如图2 - 4 所示。 蚓 翟 h m 圈24 触发角萨1 5 。，换相角，卸。时的脉动波形 触发角萨1 5 。，换柏角产15 。时，1 2 脉动换流器直流电压的脉动波形如图2 - 5 所 j 趔1 1 罂1 ( a ) 2 5 小u h uuh ui i i u ，1u五o“uj”ujh j ikuiu jjivo 叫u， 。“u、 ，hu， u u h 川u 0 华北电力大学硕士学位论文 1 防孵酮哪酮哪阀哪酣 r1 _ 。，l | i ， “h r 垂o l ，j j ，y ； j 1 |7 ?l 一hhk! i 、? l m 5 jf f r ，h o7j+j i 。7 o - j j 、i ：- 一 i l 、! l 二j 2 c 2 - r 二j g l 一 0 24 e81 01 2 h 目 彻 图2 - 5 触发角o r = 1 5 。r 拽相擂y - 1 5 。时的脉动波形 如图2 - 5 ( a ) 所示，a 点为触发角a , = 1 5 。，b 点为换相角y = 1 5 。，a b 段为阀换相期 间，b c 段为阀导通期间。 表2 - i 换流周工况表 华北电力人学硕十学位论文 正常情况下，换流阀工作在4 5 工况。从图2 5 ( a ) 上的第1 段丌始到第2 4 段为 一个周期，表2 1 列出了半个周期内每一段对应导通的桥及导通的阀号，后半周期 依次类推。其中，前一个数字代表导通的阀号，后一个数字为该阀所在的桥号。 2 3l2 脉动换流站仿真 利用电磁暂态仿真软件e m t p ，搭建一个简单的1 2 脉动h v d c 换流站模型， 将理论分析与仿真结果进行对比。 2 3 1 电磁仿真软件e m t p e m t p 是加拿大h w d o m m e l 教授首创的电磁暂态分析软件，它具有分析功能 多、元件模型全和运算结果精确等优点，对于电网的稳态和暂态都可做仿真分析，