（电磁场与微波技术专业论文）高压直流换流阀组电磁辐射模型的研究.pdf

m 广 弗，舢 分类号：学校代码：1 0 0 7 9 鼎嬲 密红：y 1 7 8 5 8 7 8 华北电力大学 硕士学位论文 国家自然科学基金资助项目( 项目编号：5 0 7 7 7 0 17 ) 题目：高压直流换流阀组电磁辐射模型的研究 英文题目：r e s e a r c ho fe l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o nm o d e lo fh v d c c o n v e r t e rv a l v eg r o u p 研究生姓名：李相利专业：电磁场与微波技术 研究方向：电磁兼容 导师姓名：张卫东职称：副教授 2 0 0 9 年1 2 月2 6 日 ， 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电磁辐射模型的研 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： e l 期：冱丝垒2 宜幽 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摘要 摘要 换流阀体每一次的快速通断都会产生瞬态电磁过程，同时向空间辐射频率很 高、频谱很宽的电磁波。本文结合国家自然科学基金项目“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 研究了换流阀组电磁辐射的模型。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，然后用c s t 软件对换流阀进行建模及仿真计算，最后又搭建了缩比模型 进行实验验证。通过仿真实验和缩比模型实验的结果对比，从而验证所建模型具有 可行性。 关键词：换流阀，电磁辐射，1 2 脉动换流器 a b s t r a ct v a l v ew i l lp r o d u c et r a n s i e n te l e c t r o m a g n e t i cw a v ep r o c e s sw h e ni tc u to f ff l e e t n e s s e v e r yt i m e ，t h e ni tw i l lr a d i a t eh i g hf r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cf i e l d s u p p o a e db yn a t i o n a l n a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n au n d e rg r a n tn o 5 0 7 7 7 0 1 7 ，t h et i m e v a r y i n gt o p o l o g y a 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 fh v d cv a l v eg r o u pa r e m a i n l yr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r f i r s t l y , t h em 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 h a r ep r o d u c e db yt h e12 一i m p u l s ev a l v ei sa n a l y z e di nt h e o r y t h e niu s e dc s tw i t hs i m u l a t i o n c o m p u t eo fh v d c v a l v eg r o u p l a s tib u i l tt h em o d e lo fv a l u et o w e r , a n d g o tc o n c l u s i o n t h e nc o m p a r et h et w og r o u p s d a t aa n dv e r i f yt h em o d e l l ix i a n g l 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 e p r o f z h a n gw e i d o n g k e yw o r d s ：c o n v e r t e rv a l v e ，r a d i a t i o n ，1 2i m p u l s ev a l v ec o m p o n e n t 华北电力大学硕士学位论文目录 中文摘要 目录 英文摘要 目录i 第一章引言1 1 1 选题背景及意义1 1 2 国内外研究现状3 1 2 1 国外研究现状4 1 2 2 国内研究现状5 1 3 本文研究内容7 第二章换流阀电磁辐射的产生及分析9 2 1 换流器概述9 2 1 16 脉动换流器9 2 1 212 脉动换流器1o 2 212 脉动换流器运行工况分析1 1 2 3 换流器电磁骚扰的产生机理12 2 4 本章小结13 第三章计算电磁学的求解方法和软件的选择14 3 1 计算电磁学的分析方法14 3 1 1 矩量法14 3 1 2 差分法16 3 1 3 有限元法17 3 1 4 有限积分法18 3 2 算法比较及软件的选择19 3 3c s t 软件简介2 0 3 4 本章小结21 l 华北电力大学硕十学位论文目录 第四章换流阀组的建模分析2 2 4 1 阀组件及等效阻抗2 2 4 2 换流阀建模分析2 3 4 3 本章小结2 8 第五章换流阀缩比模型实验2 9 5 1 缩比模型的建立2 9 5 2 测量系统的组成3 0 5 3 实验过程及结果3 1 5 4 本章小结3 4 第六章结论3 5 参考文献一3 6 致谢一3 9 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 0 华北电力火学硕十学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章引言 h v d c ( h i g l lv o l t a g ed i r e c tc u r r e n t ) 是高压直流输电的缩写。高压直流输电与 交流输电相比，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f l l 。因 此它在我国也得到了广泛的应用。在我国西电东送和全国联网工程中起到重要的作 用。高压直流输电第一次商业应用是1 9 5 4 年在瑞典大陆到歌特蓝岛之间的输电， 而我国是在1 9 9 0 年才建设了第一条5 0 0 k v 高压直流输电工程，即葛洲坝一南桥 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 有葛洲坝一南桥、天生桥一广州、三峡一常州、三峡一广东、贵州一广东五个工程。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 略的迸一步实施，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。 在高压直流换流站稳态运行和开关操作时，将在换流站产生非常复杂的电磁环 境。安装在换流站及阀厅内的保护、控制、通信、监测、计量等二次设备能否正常 工作是影响换流站安全运行的关键问题。与高压交流变电站相比，高压直流换流站 有其显著的特点：从一次系统方面来看，高压直流换流站不仅具有换流变压器和交 流开关场，而且具有完成交流与直流转换的换流阀及其阀厅、平波电抗器、直流开 关场和不同功能的滤波器组等。从二次系统方面来看，高压直流换流站除具有与交 流变电站类似的变压器和开关的保护控制设备外，还具有实现换流阀体导通与关断 的控制与保护的电子控制系统以及换流阀体水冷系统的电子控制系统。因此，高压 直流换流站的电磁环境不同于交流变电站，也比交流变电站更加复杂。 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。图1 1 为本课题组在某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操作与交流变电站相比也有诸 1 华北电力大学硕十学位论文 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。再比如交流变电站的运行方式相对单 一，直流换流站则有双极运行、单极经大地回路运行和单极经金属回线运行等方式， 其运行方式的在线转换以及交流和直流侧滤波器的投切操作都将产生强烈的瞬态 电磁骚扰【2 】。 图1 1 阀厅内巡视通道上电场强度频潜图 然而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。阀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。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，而且每一次对应的辐射体结构均不同。这是一个 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。为了计算分析阀厅内的电磁场分布特征，本课题将研究建立描述电 磁辐射的复杂拓扑天线阵模型。 2 华北电力大学硕士学位论文 ( a )某换流站阀厅阀塔图片 ( b )阀塔结构模型 图1 2 某换流站阀厅阀塔图片以及结构模型 综上所述，我们知道在高压直流输电换流阀的周围会有很强的电磁辐射。本文 建立了换流阀组电磁辐射模型，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。这对“十一五 期间建设的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意义。 1 2 国内外研究现状 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设备的应用三个 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。 但是，相对于超高压交流变电站而言，高压直流输电系统在世界范围内采用较少。 目前，国内外对高压直流换流站的电磁兼容性问题的研究还远远不如交流变电站深 3 华北电力大学硕士学位论文 入【3 】。 1 2 1 国外研究现状 国外对于高压交流变电站电磁兼容性问题的研究已经历时2 0 多年，美国、英 国、瑞士、俄罗斯和南非等国起步较早，成果较多。 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【4 】。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，且都基于实验， 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f 5 j 。在此基础上， 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。m a r u v a d a 和g i l s i g 于1 9 7 3 年总结了一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 6 1 。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，结果吻合得很好 7 1 。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【8 - 9 】。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1 1 0 。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 c 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【1 1 l ，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 2 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1 1 3 。 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 n n 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 1 4 1 ，并给出了站内电磁场强度和站外5 0 0 米 0 i 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【1 5 1 ， 详细分析和计算了电力载波的问题。 目前，研究工作主要集中在具有承担高压直流输电工程建设能力的几家大公 司，比如a b b 公司和西门子公司对换流站与阀厅电磁兼容性问题进行了较系统的 研究，取得了一些成果，并应用于其承担的高压直流输电工程中。图1 3 所示为西 门子公司给出的阀塔的仿真模型1 1 6 1 。 4 华北电力大学硕士学位论文 1 2 2 国内研究现状 图1 3 阀塔仿真模型 我国直流输电的发展起步较晚，上世纪7 0 年代末，我国才开始筹建直流输电 实验项目，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+ 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。武汉水利电力学院的贺 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【1 7 2 2 】。在葛洲坝建设和运行期间，中国电力科学研究院等单位对葛洲 坝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 和合成场强等方面的数据【2 3 _ 2 4 】。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。在此期间，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环境的影响，从标准或设计规 范出发，评估线路辐射是否超标【2 5 - 2 6 】。 目前，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【2 7 】。并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。 5 华北电力大学硕七学位论文 ( a ) 晶闸管级原理图( b ) 换流阀组件结构 图1 4 多个晶闸管级串联组件结构图以及晶闸管级原理图 然而现在的换流阀一般为1 2 脉冲桥4 重阀结构，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，西安电力整流器厂也在 探讨可控硅换流阀内暂态过电压分布特点的基础上建立了阀体的嵌套等值电路模 型【2 8 l 。如图1 5 和图1 6 所示。 1 半层阀：2 避雷器；3 屏蔽罩 图1 5 阀体结构 6 广l 华北电力大学硕士学位论文 c s 图1 6 层间等值模型 另外，华北电力大学和武汉高压研究所等单位，对5 0 0 k v 及以下电压等级的交 直流变电站的电磁兼容性问题开展了系统深入的研究工作，获得了大量的测量数据 以及断路器和隔离开关切合一次线路和空载母线的电路模型1 2 9 1 。所取得的重要研究 成果已开始应用于工程实践。 还有，华北电力大学顾家翠同学也做了这方面的研究 3 0 1 。她实现了激励电流源 和激励电压源，并计算出了换流阀各项的等效阻抗，且提出了时变拓扑天线阵模型 的概念并用f e k o 对1 2 脉动4 工况的状态进行了建模及仿真。同时还得到了单个阀 组运行工况下电场强度的分布。 1 3 本文研究内容 本文主要研究换流阀在运行及开关操作时由于结构及电流的变化而产生的电 磁辐射，分别对近场和远场进行考虑。得到近场和远场的情况下电磁辐射强度后与 试验数据进行比较，验证其正确性。 首先，需要建换流阀触发导通和关断截止的天线阵模型。在建立模型时，需要 考虑换流阀的5 工况运行，就是在换流阀触发导通的瞬间，某个单阀瞬间导通，而 被它取代的那个阀由于有电流的存在，电流并没有瞬间截止。这样就由原来的4 工 况变成了5 工况运行。 7 华北电力大学硕十学位论文 建好换流阀的电路模型后，通过计算仿真该模型在不同时刻不同结构时的辐射 场强，得到换流阀各个时刻不同区域的电场强度。 最后还要进行缩比模型实验，与实际物体尺寸按l t 1 0 进行缩放，用一个集中 阻抗来代替阀模块内部的器件。得到实验数据，再将仿真数据和实验数据进行比较， 验证模型的可行性。 8 华北电力大学硕士学位论文 第二章换流阀电磁辐射的产生及分析 换流阀阀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 。 2 1 换流器概述 换流器的功能是实现交流一直流或直流一交流的转换，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。在导通状态下，阀的额定电流可 达数百以至于数千安。阀的阳极一阴极之间只有很小的正向压降。在关断状态下， 阳极一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 3 1 1 。 2 1 16 脉动换流器 6 脉动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 v 6 为组成6 脉动换流器的6 个换流阀的代号，数字1 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，通常触发角用仪来表示。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 半桥和下半桥各1 个。 个导通，非换相的半桥 工况。这也是正常的运 端串联起来，组成一个 器是由两个6 脉动换流 而并联。1 2 脉动换流单 到换流变压器阀侧绕组 星形接线，而另一个为 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 l 、1 2 、2 1 、 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 2 2 、3 1 、3 2 、4 1 、4 2 、5 l 、5 2 、6 l 、6 2 。 在这里取基波周期为t = l 5 0 s 。即从一个 上r ：上土：上s 1 21 25 06 0 0 1 0 华北电力大学硕士学位论文 l 一 1 一 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。 2 212 脉动换流器运行工况分析 如图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开通的序 号，第二个数码表示桥号，以交流电压相位越前3 0 0 的一个桥为l 号，另一个为2 号，按此规定，整个双桥中1 2 个桥阀开通的次序为1 1 、1 2 、2 1 、2 2 、3 1 、3 2 、4 1 、 4 2 、5 1 、5 2 、6 l 、6 2 。以下就主要分析一下双桥和单桥的不同点。 ( 1 ) 换相角1 ， 3 0 0 的情况 当1 , 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 工况运行。一个桥在换相时，另一个桥不换相。所以换相过 程的分析计算与单桥相同；但是当一个桥换相时，造成该桥交流端的两相短路，将 使另外一个桥交流端电压发生某些畸变。由此，下表给出了当1 ，= 1 5 0 时，换流阀的工 况表，如表2 1 所示 华北电力大学硕士学位论文 表2 1 换流阀工况表 段号q f 导通的阀 换相的阀号 q j j 导通的阀 12 1 ，3 11 2 ，3 2 12 ，2 2 ，3 2 22 1 ，3 1 2 2 ，3 2 3 2 1 ，3 1 ，4 1 2 2 ，3 22 2 ，3 2 43 1 ，4 1 2 2 ，3 2 53 1 ，4 12 2 ，4 22 2 ，3 2 ，4 2 63 1 ，4 1 3 2 ，4 2 73 1 ，4 1 ，5 13 1 ，5 13 2 ，4 2 84 1 ，5 1 3 2 ，4 2 94 1 ，5 13 2 ，5 23 2 ，4 2 ，5 2 1 04 1 ，5 1 4 2 ，5 2 1 14 1 ，s 1 ，6 14 1 ，6 14 2 ，5 2 125 1 ，6 1 4 2 ，5 2 ( 2 ) 换相角伫3 0 。的情况 当换相角丫= 3 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 工况运行。 当3 0 。 y 6 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，交流侧电压 畸变。但是在正常的稳态工况中，通常换相角小于3 0 0 ，不会发生双交迭的现象。 只有在换流器过载或交流电压过低时，才可能出现双交迭的换相过程。 在3 0 。 y 6 0 。，1 , = 6 0 。，6 0 。 丫 9 0 。，丫= 9 0 。，9 0 。 丫 1 2 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 3 h 。 2 3 换流器电磁骚扰的产生机理 在换流阀运行期间引起的电磁骚扰是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 1 2 华北电力人学硕士学位论文 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。换流阀开关产生的一系 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。 2 4 本章小结 综上所述，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。而目前，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，而且每一次对应的辐射体结构均不同。这就决定了换流阀的电磁 辐射是一个复杂时变的问题。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 第三章计算电磁学的求解方法和软件的选择 由于换流阀本身拥有着庞大的体积及复杂的结构，因此这就决定了换流阀电磁 辐射模型的建立及计算是一个典型的电大尺寸结构的电磁辐射散射问题，该问题 历来是高频电磁场分析领域的难点，也是现今电磁计算技术的发展重点。目前，在 众多解决电磁辐射问题的计算方法中，处理这类开放域问题的方法有：有限元法、 差分法、矩量法、有限积分法等。本文根据换流阀的实际问题对上述方法进行了分 析和对比，最终选择了以有限积分法为基础的c s t 软件来解决问题。 3 1 计算电磁学的分析方法 计算电磁学研究的第一步是对电磁问题进行分析，抓住主要因素，忽略各种次 要因素，建立起相应的电磁、数学模型。这与电磁场理论的做法是一致的。在电磁、 数学模型确定之后，就要选择算法并使之在计算机上实现。解决电磁问题的主要方 法有基于传播空间离散化的微分方程方法和基于散射体表面或内部离散化的积分 方程方法及以各种混合方法。微分方程方法能够得到稀疏阵，但求解区域远大于散 射体本身，且场的传播在空间离散描述，造成空间色散误差。 3 1 1 矩量法 矩量法的原理是用许多离散的子域来代表整个连续区域。在子域中，未知函数 用带有未知系数的基函数来表示。因此，无限个自由度的问题就被转化成了有限个 自由度的问题，采用点匹配法、线匹配法或伽略金法得到一组代数方程( a p 矩阵方 程) ，最后通过求解这一矩阵方程获得解。矩量法是一种严格的数值方法，其精度 主要取决于目标几何建模和j 下确的基、权函数选择以及阻抗元素计算。用矩量法求 解积分方程包括下列步骤f 3 2 】： ( 1 ) 区域的离散或目标的剖分； ( 2 ) 基函数和权函数的选择； ( 3 ) 阻抗元素的求解； ( 4 ) 方程组的求解。 描述待求解问题的非齐次方程为 ( ) = g 1 4 ( 3 1 ) 华北电力大学硕士学位论文 式中三是算子，可以是微分算子或积分算子等，为场或响应，g 为源或激励。 矩量法就是将( 3 1 ) 所描述得连续方程离散化为代数方程组，以便用数值来近似解。 用矩量法求解该算子方程的解题步骤为： ( 1 ) 设空间为线性的，选择一组基函数 憋整l 在l 的定义域中展开未知函数，即 ， 厂= q z 忙1 ( 3 - 2 ) 式中a i 是未知系数，毛被称为展开函数或基函数。对于精确解，式( 3 - 2 ) 通常都是 无穷项之和。对于近似解，式( 3 2 ) 通常是有限项之和。将式( 3 2 ) 代入式( 3 1 ) ，再应 用算子l 的线性便可以得到 n ，、 ，中【) 2 9 l = l ( 3 3 ) ( 2 ) 选择加权函数或检验函数( 若采用迦辽金法则权函数选择与基函数一样) ， 对方程两边求内积得 函数内积定义为 j vq ( o ，巧) ：t j ，g )q ( o ，巧) = ，) ( 既，f ( x ) ) = ，w ( 工沙( x ) 出 方程组可以写为矩阵形式 式中 鸣m 】_ g l 鸣 = ( ，巧) ( ，欲) ( 乞，磁) ( 乞，砺) 一 ( ，磁) ( ，奶) 一 ( 3 - 4 ) ( 3 5 ) 华北电力大学硕士学位论文 【a , - - 口l 啦 ： q k = ( ，g ) ( 乞，g ) ( t j , g ) ( 3 ) n n ，式( 3 - 1 ) 的连续方程已经离散成式( 3 5 ) 的代数方程组了。如果 a i 嗣有逆 矩阵存在，记为 i ，则用直接法或迭代法求解这一矩阵方程从而待求系数 a ； 可求得 【口，i - - a ；1 g 月 ( 3 - 6 ) ( 4 ) 解出a i 后，将其代入式( 3 2 ) 就可以求得所需要的厶 矩量法是计算电磁学中最为常用的方法之一。自从2 0 世纪6 0 年代h a r r i n g t o n 出矩量法的基本概念以来，在理论上日臻完善，并广泛地应用于工程之中。特别 在电磁辐射与散射及电磁兼容领域，矩量法更显示出其独特的优越性。矩量法属 积分方程法，通过求解散射体表面或体积内的感应电流来分析散射问题。各个剖 单元在空间用格林函数的积分计算互耦，格林函数本身满足辐射条件，不需要设 吸收边界条件，也不存在空间色散误差，且数值结果精度高。 1 2 差分法 时域有限差分法( f d t d ) 也属于微分方程方法，它最早由k s y e e l s 在1 9 6 6 年 出，其后得到了不断发展。这种方法以差分原理为基础，直接从概括电磁场普遍 律的麦克斯韦方程出发，将其转化为差分方程组，在一定体积内和一段时间上对 续电磁场的数据采样。作为一种电磁场的数值计算方法，时域有限差分法具有一 非常突出的特点，这些特点最重要的有以下几个方面。 ( 1 ) 直接时域计算 时域有限差分法直接将含有时间变量的m a x w e l l 旋度方程在y e e 转化为差分方 。在这种差分格式中每个网格点上的电场( 或磁场) 分量仅与它相邻的磁场( 或 电场) 分量及上一时间步该点上的电场( 或磁场) 值有关。在每一时间步上计算网 格空间各点的电场和磁场分量，随着时间步的推进，即能直接模拟电磁波的传播及 其与物体的相互作用过程。时域有限差分法把各类问题都作为初值问题来处理，使 电磁波的时域特性被直接反映出来。这一特点可以使它能直接给出非常丰富的电磁 场问题的时域信息，给复杂的绘出清晰的物理图像。如果需要频域信息，只需对时 域信息进行f o u r i e r 变换。为获得宽频带的信息，只需在宽频谱的脉冲激励下进行一 1 6 华北电力大学硕士学位论文 次计算。 ( 2 ) 广泛的适用性 只需设定相应空间点以适当的参数，就可以模拟各种复杂的电磁结构。 ( 3 ) 节约存储空间和计算时间 f d t d 方法所需要的存储空间直接由网格的空间决定，与网格总数n 成正比。 ( 4 ) 适合并行运算 时域有限差分法的计算特点是：每一网格点上的电场( 或磁场) 只与其周围相 邻网格点处的磁场( 或电场) 及其上一时间步的电磁场值有关，这使得它特别适合并行 计算。 时域有限差分法直接建立在所有电磁问题的电磁场都满足的麦克斯韦方程组 基础之上，它能提供方程的齐次部分( 瞬时) 和非齐次部分( 稳态) 的全部解答。 它在每一网格反复的运行由m a x w e l l 旋度方程直接转换来的有限差分格式，从而实 现在计算机的数字空间中对波的传播及物体的作用进行模拟。这种模拟不需要后存 储，一般只涉及上一时间步的场值。这种方法的缺点是计算区域不仅在结构的表面， 还必须包括内部和足够的外部空间，以便有效的满足辐射条件。近几年将时域有限 差分法( f d t d ) 用于传输线的模型建立，并取得了良好的效果，但该方法对空间 和时间采用中心差分会引起吉布斯效应，而且对于传输线节点带有集中参数网络的 情况f d t d 处理起来比较困难，需要另求解网络的状态方程1 3 2 1 。 3 1 3 有限元法 对于非均匀目标如非均匀介质体散射、介质涂敷导体的散射、微带线辐射和波 导填充非均匀介质等问题，往往采用有限元法求解。有限元法能对复杂几何形状、 复杂非均匀目标灵活方便的进行连续场的离散与网格划分。有限元法的思想是由 c o u r a n t 于1 9 4 3 年提出的，其基本原理是用许多子域来代表整个连续区域。有限元 分析包括下列步骤： ( 1 ) 区域的离散或子域划分； ( 2 ) 插值函数的选择； ( 3 ) 方程组的建立； ( 4 ) 方程组的求解。 在有限元法分析中，区域离散是第一步，也是最关键的一步，因为区域离散的 方式将影响计算机内存需求、计算时间和数值结果的精确度。在这一步中，全域q 1 7 华北电力人学硕士学位论文 分成许多小区域，这些子域通常被称为单元。基本的离散单元有：用于一维曲线 散的直线段；用于二维区域的三角形或矩形；用于三维区域划分的四面体、三棱 或六面体。在多数有限元解中，问题是由与单元有关的结点上的未知函数( x ) 达的。对节点进行合理的编号可以大大的减少计算机存储量和运算时间。在区域 散之后，就要选择一个能近似表达一个单元中未知解的插值函数。常用的插值函 有：线性( 一阶) 、二阶和高阶多项式等。已知离散单元节点编号、该单元上的 值函数，利用变分法或伽略金法得到的代数方程组便可求出单元节点的场值。得 了每个单元节点的场值，再利用插值函数，便可得到整个区域的场解。 原理上，有限元法可用于求解几乎所有的电磁问题，但存在所需计算机内存大、 始数据准备工作繁琐等缺点。而且，有限元法属于微分方程法，它能够得到稀疏 ，但求解区域远大于散射体本身，且场的传播在空间离散描述，造成空间色散误 。另外，由于只能在有限区域内计算，这就必须设置吸收边界条件，对于复杂材 边界如介质和导体表面强加边界条件不容易1 3 3 1 。 1 4 有限积分法 有限积分法( f i t ) 是通过将m a x w e l l 积分方程的离散化来进行数值求解。其 要条件是建立合理的将连续变量离散化的网格空间剖分体系。y e e 网格是一个经 的网格剖分体系。直角坐标系的y e e 网格的特点是：电场和磁场各分量在空间的 值点被交叉的放置。使得在每个坐标平面上每个电场分量由4 个磁场分量所环绕， 时每个磁场分量也由4 个电场分量所环绕。这样的电磁场空间分配符合m a x w e l l 基本方程。 ( 3 7 ) 将m a x w e l l 方程离散化，我们定义一个网格上沿网格线的电压和磁通量为 e i = f l i 苣d ( 3 8 ) b i = l 茵矗 ( 3 9 ) 则我们可将第一个m a x w e l l 方程改写为 1 8 x 赢 一b。0，2 一一+ o q 舰瞟堂壮 一 以m s 一一 y墙扣蝣蛾 ，l一一小 吃 华北电力大学硕士学位论文 此方程可表示为 同样其他三个方程依次改写为 爹营d 未= 一，罢矗 k e l = 一鲁 将其一一映射到网格空间，形成如下网格矩阵 f s o i “ 出兰多瑙 通过对网格矩阵的求解，便可得到我们需要的电磁场量 3 3 1 。 3 2 算法比较及软件的选择 ( 3 1 0 ) ( 3 11 ) ( 3 1 2 ) ( 3 - 1 3 ) 以下对基于有限元法的h f s s 、基于矩量法的f e k o 和基于有限积分法的c s t 进行比较。如表3 1 所示 1 9 o = = = 咄h 葺；洲泌叫 & t 华北电力大学硕士学位论文 表3 1 算法及软件比较表 公司名称 c s ta n s o f t a n s y s 软件名称 m w sh f s s f e k 0 核心算法 f i tf e m m o m 求解器时域+ 频域频域 频域 结构逼近优 好一般 计算速度快慢很快 计算精度局两一般 时域分析可以不可以不可以 频域分析可以可以可以 结果信息丰富丰富一般 由上述分析可知，本文宜选用计算速度教快、结构逼近教好、且同时能支持时 域分析和频域分析的c s t 软件进行仿真计算 3 4 1 。 3 3c s i 软件简介 德国c s t 公司的m w s 软件采用时域的f i t 算法，是时域算法中的楚翘， 特善长于计算时域、电大复杂结构问题。其强大的实体建模前端基于著名的a c i s 建模内核，结构输入过程非常简便。再加上完善的图形化反馈，极大地简化了对各 种器件的定义。在所有器件建模完成后，会自动进行一个基于专家系统的全自动网 格剖分，然后才开始进行正式的仿真。 它的仿真器自带全新的理想边界拟合( p b a ) 和薄片技术( t s t ) ，与其他传统的仿 真器相比，在精度上有数量级的提高。c s t 中内含四种不同的求解器( 瞬态求解器、 频域求解器、本征模求解器、模式分析求解器) ，其瞬态求解器是最强的，可得到 最好的求解效果 3 5 1 。 本文用c s t 对线天线进行了简单的仿真分析，如图3 1 所示 华北电力大学硕士学位论文 得到结果如图3 - 2 所示 图3 1 线天线模型示意图 s 巾董董r e 瞻rm a g n t u d e o - 、 l | 、- - 一1 p f r f i e l d 呻p r o x i _ t i e l le n a b l e d k 麝) ，1 j h o n i t o r f a r f l e l d ( f - 2 ) 【1 1 ，l c o m p o n e n t r b s o u t p u td i r e c t i v i t y f r e q u e c ， 2