（电工理论与新技术专业论文）换流站换流系统的宽频电路建模方法和应用的研究.pdf

r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no fw i d e b a n dc i r c u i t m o d e l i n gm e t h o do fc o n v e r t e rs y s t e m si n c o n v e r t e rs t a t i o n s d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o n o r t hc h i n ae l e c t r i cp o w e r u n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f d o c t o ro fp h i l o s o p h y i n ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) b y s u nh a i f e n g s u p e r v i s e db y p r o f c u ix i a n g s c h o o lo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g d e c e m be r2 0 0 9 路建模方法 ，独立进行 论文的研究 献的其他个 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：2 壁盘萄 导师签名： 日 期：班1 翌) 3 3 、斗_ e l期： l o c ) 弓2 0 华北电力大学博士学位论文摘要 摘要 建立高压直流换流站换流系统宽频等效电路模型，是准确计算换流阀系统过电 压分布以及准确预测换流站电磁骚扰水平的关键，也是我国换流站电磁兼容技术国 产化的基本要求。本文结合国家自然科学基金项目“高压直流换流阀系统参数提取 及宽频等效电路模型的研究 ( 5 0 7 0 7 0 0 8 ) 和“十一五 国家科技支撑重大项目课题 2 0 “8 0 0 k v 直流输电线路表面电晕起始场强计算和4 - 8 0 0 k v 换流站阀厅的电磁兼 容问题研究”( 2 0 0 6 b a a 0 2 a 2 0 ) ，重点研究了高压直流换流阀系统以及换流站关键设 备的宽频电路建模方法，测量结果验证了本文所提出的换流系统宽频等效拓扑的有 效性和实用性。基于阀系统宽频等效电路，研究了换流阀系统过电压分布特性及其 影响因素；基于换流站换流系统宽频拓扑，研究了+ 8 0 0 k v 高压直流换流站的传导 电磁骚扰特性以及辐射电磁骚扰水平。本文主要研究成果如下： 1 提出了基于黑箱理论与传统等效电路相结合的建模方法，该方法不但可以保 持传统等效电路参数的意义，还可以考虑高频下器件的频变效应，有效的解 决了黑箱理论与传统等效电路存在的问题。基于该方法，建立了换流阀主要 器件的宽频等效电路。研究表明，采用所提方法建立的模型在较宽的频率范 围内均有效，能够应用于电力电子系统的宽频建模。 2 对不同型式的换流阀系统的各项寄生电容参数和寄生电感参数进行了提取， 结合换流阀主要器件的宽频模型，建立了用于过电压计算与分布的换流阀系 统宽频等效电路；对高压直流换流站交直流场内的关键设备进行了宽频建模 研究，建立了换流站换流系统宽频拓扑。 3 对阀模块以及多重阀塔开展了过电压实验研究，实验结果验证了换流阀宽频 等效电路的有效性；对换流站内各种类型的电磁骚扰进行了现场测量，测量 结果验证了换流站换流系统宽频拓扑的有效性。 4 根据换流阀系统宽频等效电路，对各种型式的阀模块以及阀塔在各种过电压 作用下的电压分布特性进行了计算，并对影响阀层电压梯度和晶闸管压降的 各项参数进行了分析，得出了高压直流换流阀过电压分布规律。该研究可用 于换流阀系统国产化过程中的均压和绝缘设计。 5 根据换流站换流系统宽频拓扑，对+ 8 0 0 k v 高压直流换流站的传导电磁骚扰 特性进行了仿真计算，以传导骚扰电流为激励，对换流站内以及周边的辐射 电磁骚扰水平进行了预测计算，计算结果对换流站的电磁屏蔽设计以及设备 的抗扰度要求有一定的工程参考价值。 关键词：高压直流换流站，换流阀，宽频建模，过电压，电磁骚扰 1 a ne f f i c i e n tm e t h o di sp r o p o s e dt om o d e lt h ep a s s i v ed e v i c e sw i t ht r a d i t i o n a l e q u i v a l e n t c i r c u i tc o m b i n e dw i t hb l a c k b o xt h e o r y t h en e wm e t h o de n a b l e st h e d e s i g n e r st or e t a i nt h e i re x i s t i n gp h y s i c a lm o d e l sw h i l ep r o v i d i n g am e a n st oc a p t u r et h e h i 曲疳e q u e n c ye f f e c t sa c c u r a t e l y b a s e do nt h i sm e t h o d ，w i d e b a n de q u i v a l e n tc i r c u i t so f t h ev a l v ec o m p o n e n t s ，s u c ha st h y r i s t o r ，s a t u r a b l er e a c t o ra n ds n u b b e rc i r c u i t s ，a r e o b t a i n e db a s e do ni m p e d a n c em e a s u r e m e n t 2 s t r a yc a p a c i t a n c e sa n di n d u c t a n c eo fd i f f e r e n tt y p eo ft h y r i s t o r v a l v e sa r e e x t r a c t e da n da n a l y z e d c o m b i n e dw i t ht h ew i d e b a n dm o d e l so fv a l v ec o m p o n e n t s ， w i d e b a n dm o d e lo ft h ew h o l ev a l v es y s t e mi sp r e s e n t e d t h ew i d e b a n dm o d e l so ft h e k e ye q u i p m e n t si na c a n dd cy a r da r ea l s op r o p o s e di nt h i sp a p e r ，s u c ha sc o n v e r t e r t r a n s f o r m e r ，s m o o t h i n gr e a c t o r ，f i l t e r s ，e ta 1 3 o v e r v o l t a g et e s t i n ge x p r i m e n t s a r ec a r r i e d o u t v o l t a g ed i s t r i b u t i o n s 8 1 e m e a s u r e db o t hi nv a l v em o d u l e sa n dv a l v et o w e r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f yt h e v a l i d i t y o ft h e p r o p o s e d w i d e b a n dm o d e lo ft h y r i s t o r v a l v e s e l e c t r o m a g n e t i c d i s t u r b a n c e sa r em e a s u r e do ns i t ea n dt h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ew i d e b a n dt o p o l o g yo f t h ew h o l ec o n v e r t e rs y s t e m si se f f e c t i v e 4 b a s e do nt h ew i d e b a n de q u i v a l e n tc i r c u i to ft h et h y r i s t o rv a l v e s ，t h ev o l t a g e g r a d i e n to fv a l v el a y e r sa n dv o l t a g ed i s t r i b u t i o na m o n gv a l v ec o m p o n e n t s w e r e c a l c u l a t e du n d e rd i f f e r e n tk i n d so fo v e r v o l t a g e si n c l u d i n gs w i t c h i n g ，l i g h t e n i n ga n df a s t f r o n to v e r v o l t a g e ，a n dt h ei n f l u e n c ef a c t o r s w e r ea l s od i s c u s s e d s o m er e g u l a r i t yw a s a b s t r a ( 玎 o b t a i n e d ，e g t h es t r a yc a p a c i t a n c e so ft h ev a l v e sh a v ea ne f f e c to nt h eo v e r v o l t a g e d i s t r i b u t i o na m o n gv a l v ec o m p o n e n t s ，w h i l et h ep a r a m e t e r so ft h ev a l v ec o m p o n e n t sc a n i n f l u e n c et h ev o l t a g ed r o po nt h y r i s t o r s l a s t l y ，s o m ei m p r o v e dm e a s u r e sa r ep r o p o s e d 5 b a s e do nt h ew i d e b a n dt o p o l o g yo ft h ew h o l ec o n v e r t e r s y s t e m s ，t h e c h a r a c t e r i s t i co ft h ec o n d u c t i v e e l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c e s i n + 8 0 0 k vh v d c c o n v e r t e rs t a t i o ni ss i m u l a t e da n da n s l y z e d a n dt h er a d i oi n t e r f e r e n c el e v e li sa l s o c a l c u l a t e db o t hi n s i d ea n ds u r r o u n d i n gt h ec o n v e r t e rs t a t i o n t h e s er e s u l t sc o u l dh a v ea g u i d eo ni m m u n i t ya n dv a l v eh a l ls c r e e n i n gd e s i g no ff u t u r eh v d cc o n v e r t e rs t a t i o n si n c h i n a k e y w o r d s ：h v d cc o n v e r t e rs t a t i o n ，t h y r i s t o rv a l v e s ，w i d e b a n dm o d e l ， o v e r v o l t a g e ，e l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c e 1 1 3 3 5 6 8 8 8 1o 2 1 2 1 有理函数逼近1 0 2 1 2 2 有理函数分解1 1 2 1 3 阻抗综合理论11 2 1 3 1 常数项和一次项等效电路1 l 2 1 3 2 实数极点项等效电路。1 2 2 1 3 3 共轭复数极点项等效电路1 2 2 1 4 换流阀器件宽频等效电路1 3 2 1 4 1 建模前提1 3 2 1 4 2 晶闸管1 4 2 1 4 3 阳极饱和电抗器1 4 2 1 4 4 水冷电阻16 2 1 4 5 电容器l7 2 2 整体均压换流阀系统寄生电容分布1 9 2 2 1 阀模块内的寄生电容1 9 2 2 2 阀层的寄生电容分布2 0 2 3 分体均压换流阀系统寄生电容分布2 4 2 3 1 阀模块内的寄生电容分布2 4 2 3 2 阀层的寄生电容分布2 5 i 华北电力人学博士学位论文目录 2 4 换流阀寄生电感参数提取2 7 2 5 换流阀系统宽频等效电路2 7 2 5 1 整体均压换流阀2 7 2 5 2 分体均压换流阀2 8 2 6 小结2 9 第三章高压直流换流站关键设备宽频建模3 1 3 1 换流变压器宽频建模3 l 3 1 1 换流变压器等效电路3 l 3 1 2 换流变压器传输特性3 2 3 2 平波电抗器建模3 3 3 2 1 平波电抗器等效电路3 3 3 2 2 平波电抗器传输特性3 4 3 3 交直流滤波器建模3 5 3 3 1 直流滤波器3 5 3 3 2 交流滤波器3 7 3 4p l c 滤波器建模3 9 3 4 1 直流p l c 滤波器4 0 3 4 2 交流p l c 滤波器4 2 3 5 避雷器4 3 3 6 换流站换流系统宽频拓扑4 4 3 7 小结4 5 第四章换流系统宽频模型有效性验证4 6 4 1 换流阀系统过电压实验4 6 4 1 1 实验目的及设备一4 6 4 1 2 阀模块冲击实验4 6 4 1 3 悬吊阀塔冲击实验4 7 4 2 换流阀系统宽频模型有效性验证4 8 4 2 1 阀模块实验数据与计算数据对比4 8 4 2 2 阀塔实验数据与计算数据对比51 4 3 换流系统宽频模型有效性验证5 3 4 3 1 稳态电磁骚扰5 3 i i 华北电力大学博士学位论文目录 4 3 2 暂态电磁骚扰一5 4 4 3 3 空间电磁场5 5 4 4 州、结5 5 第五章换流阀系统过电压分布计算与分析5 6 5 1 电压梯度定义及过电压参数5 6 5 2 阀模块过电压分布及其影响因素分析5 7 5 2 1 阀模块过电压分布一5 7 5 2 2 晶闸管压降的影响因素分析5 8 5 2 2 1 阀组件内的寄生电容参数5 8 5 2 2 2 晶闸管及其辅助回路参数5 8 5 2 2 3 饱和电抗器参数5 9 5 3 阀塔过电压分布及其影响因素分析6 0 5 3 1 阀塔过电压分布一6 0 5 3 2 阀塔电压梯度影响因素分析6 2 5 3 2 1 阀层寄生电容参数6 2 5 3 2 2 饱和电抗器各参数6 4 5 3 2 3 晶闸管及其辅助回路各参数。6 5 5 3 3 晶闸管压降的影响因素分析。6 6 5 3 3 1 阀层寄生电容参数6 6 5 3 3 2 饱和电抗器各参数6 6 5 3 3 3 晶闸管及其辅助回路各参数6 7 5 3 4 补偿电容均压效能分析一6 7 5 3 5 屏蔽板均压效能分析6 9 5 4 小结6 9 第六章+ 8 0 0 k v 换流站电磁环境预测7 1 6 1 + 8 0 0 k v 换流站传导与辐射电磁骚扰机理分析7 l 6 1 1 传导电磁骚扰机理分析7 l 6 1 2 辐射电磁骚扰机理分析7 2 6 2 + 8 0 0 k v 换流站传导电磁骚扰预测7 3 6 2 1 阀组件内的电磁骚扰特性7 3 6 2 2 直流极导线上的电磁骚扰特性7 5 i l i 华北电力人学博士学位论文目录 6 2 3 平波电抗器对传导电磁骚扰的衰减 6 2 4 换流变压器对传导电磁骚扰的衰减 6 2 5 交直流滤波器的滤波性能 6 2 6p l c 滤波器对传导电磁骚扰的影响 6 2 7 直流输电线路对传导电磁骚扰的影响 6 3 + 8 0 0 k v 换流站空间电磁场预测 6 3 1 空间电磁场计算原理一 6 3 2 换流站内空间电磁场计算 6 3 3 空间电磁场随距离变化规律 6 3 4 换流站内周边无线电干扰计算8 8 6 4 小结9 0 第七章结论9 2 参考文献9 4 致谢10 2 攻读博士学位期间发表的学术论文1 0 3 攻读博士学位期间参加的科研工作1 0 5 华北电力人学博十学位论文 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 水能资源和煤炭作为我国发电能源供应的两大支柱，今后的开发多集中在西 南、西北和晋陕蒙地区，并逐渐向西部和北部地区转移；而东部沿海地区和中南地 区国民经济的持续快速发展，导致了能源产地与能源消费地区之间的距离越来越 大，使得我国能源配置的距离、特点和方式都发生了巨大变化，并决定了能源和电 力跨区域大规模流动的必然性【1 】【3 1 。随着西电东送和全国电力联网的发展，我国形 成了长距离大容量输电的电网格局，新的电网技术得到大量应用，其中高压直流输 电( h v d c ) f l q 于其输送容量大、输送距离长、稳定、投资较少等特点占据了重要地位。 与交流输电相比，高压直流输电具有很多优点，但也同样存在电磁骚扰问题。在环 境保护日益得到社会重视的情况下，必须对高压直流换流站和输电线路对周边环境 的电磁辐射问题提出相应的解决方案【4 】。在这方面，国内科研院所有一些理论研究，一 但由于国内直流输电技术发展的历史不是很长，实际投产的几个直流工程主要的设 备和技术都来源于国外厂家，我们对很多新技术和设备的原理还没有完全掌握。因 此有必要结合现有的以及最新的直流输电工程技术，对换流站内的电磁兼容问题进 。 行比较深入的分析和研究。 换流站是交直流电能交换的中心，实现由交流系统到直流系统的能量传递，是 高压直流输电技术的核心，其运行状况直接影响整个直流输电系统甚至交流系统的 安全性和稳定性。自我国第一条+ 5 0 0 k v 超高压直流输电工程建成运行至今，经过 二十多年的引进、消化、吸收和应用，我国在_ + 5 0 0 k v 超高压直流输电工程设计、 建设和运行方面已经取得了长足进步，并实现了+ 5 0 0 k v 灵宝直流背靠背联网工程 的国产化设计和制造。从天广直流工程建设开始，特别是三峡高压直流输电工程在 规划设计、设备研发制造过程中，始终贯彻“以我为主、联合设计、合作生产、外 方保证 的国产化方针。但是，在换流站阀厅电磁兼容方面几乎未开展过任何研究 工作，主要是委托国外公司进行设计和制造，即使在5 0 0 k v 灵宝直流背靠背联网 工程的国产化工程中，也基本是模仿国外设计，对+ 5 0 0 k v 换流站阀厅电磁骚扰特 性和电磁骚扰外泄的抑制措施缺乏必要的知识和认识。这种情况下，不仅不能满足 + 5 0 0 k v 直流输电工程国产化后换流站阀厅的电磁兼容设计，更无法保证+ 8 0 0 k v 特 高压直流输电工程换流站阀厅的电磁兼容设计。 2 0 2 0 年前后西部水电的大部分电力将通过直流特高压通道向华中和华东地区 输送，其中金沙江一期的溪洛渡和向家坝水电站、二期的乌东德和白鹤滩水电站向 第一章绪论 华东、华中地区送电，锦屏水电站向华东地区送电，宁夏和关中煤电基地向华东地 区送电，呼伦贝尔盟的煤电基地向京津地区送电等，大约需要9 条输电容量为6g w 的8 0 0k v 级特高压直流输电线路。因此，必须对换流站阀厅电磁兼容问题进行深 入的理论、仿真和实验研究，对高压直流换流站的电磁兼容性问题开展深入的研究 有着重要的理论和实际应用价值。 高压直流换流站除了具备与一般交流高压变电站相同的电磁干扰问题外，还有 其特殊性。换流站阀体晶闸管周期性的导通与关断过程中，施加在晶闸管两端的电 压和通过晶闸管的电流会发生极快的变化，这种高幅值、快速变化的电压和电流一 方面通过换流变压器穿墙套管和直流穿墙套管分别在交流侧和直流侧形成传导电 磁骚扰，另一方面通过晶闸管本体、整流或逆变回路、交流侧和直流侧导线向空间 辐射电磁能量，形成空间电磁辐射骚扰【5 】- 【2 6 1 。传导和辐射骚扰的频带较宽，可达千 赫兹和兆赫兹，可能会对换流站内的通讯设备、保护与控制系统和载波系统以及换 流站附近的无线电台站等产生影响。为了更为准确地预测换流阀周期性触发和关断 过程中产生的传导电磁骚扰和空间电磁骚扰，有必要利用电磁场数值计算和实验手 段获取换流站内阀厅相关设备的宽频特性，进而建立相应的宽频电路模型，并在此 基础上提出抑制瞬态电磁骚扰的有效措施。 换流阀是直流输电系统的核心设备，由多个器件串联而构成，其三相桥式电路 在运行中要承受来自交、直流系统的操作过电压、雷电过电压以及陡波过电压。由 于高频下换流变压器和平波电抗器的高阻抗特性及其穿墙套管的存在，上升沿较陡 的过电压传播到换流阀时，其作用相当于操作过电压。但是，换流站内换流变压器 阀侧短路故障以及平波电抗器阀侧短路故障时，将产生波前很陡的过电压，类似雷 电过电压；另外，换流站内的一个换流阀在最大电压下触发时，将在另一个阀上产 生接近冲击电压的波形。晶闸管上出现的冲击过电压，尽管电压的幅值不是很高， 这些电压的快速前沿部分产生的容性电流将可能使阀晶闸管误导通。国内换流站用 换流阀全部来自s i e m e n s ，a b b 和a r e v a 等国外公司的技术，各家公司所生产的换 流阀在结构和器件参数方面存在一定的差异。就型式而言，主要有整体均压和分体 均压两种型式，两种型式的换流阀在各种过电压作用下其分布规律如何，哪些设备 参数起主导作用，寄生参数如何准确提取，这些问题在国内外参考文献以及技术报 告中均未见详细说明。因此，研究各种过电压下换流阀内的电压分布规律及其影响 因素，是我国换流阀技术国产化的基本要求，也是研究换流站电磁兼容的一个重要 课题。 综上所述，研究高压直流换流站换流阀以及换流站内交直流场关键设备的宽频 特性，并建立相应的宽频等效电路模型，可为进一步研究换流站内的传导电磁骚扰 和空间电磁骚扰等奠定基础，为推动我国换流站自主化设计提供必要的理论依据。 2 华北电力人学博士学位论文 同时，研究各种过电压作用下换流阀系统电压分布规律及其影响因素，可为换流阀 国产化过程中的绝缘和均压设计提供参考；研究换流站由换流阀产生的传导电磁骚 扰和辐射骚扰源特性，为阀厅的屏蔽设计以及换流站附近的无线电干扰水平控制设 计提供依据。因此，该课题研究具有重要的理论意义和工程应用价值。 1 2 课题国内外研究现状 1 2 1 换流站电磁骚扰国内外研究现状 对高压直流换流站电磁干扰进行分析和研究的文献最早出现在19 6 2 年， h y l t e n - c a v a l l i u s 和o l s s o n 讨论了汞弧阀换流站射频干扰的产生机理以及衰减过程， 并提出了相应的抑制措施，如加设线路阻波器以及r c 和r l 衰减器等。同时还对 英法高压直流互联系统进行了测量【5 1 。 1 9 7 2 年，a n n e s t r a n d 对由换流阀导通产生的无线电干扰进行了研究【6 1 ，频率范 围从1 0 0 k h z 到1 0 m h z 。文中主要分析了影响无线电干扰水平的主要因素并提出了 相应的抑制方法。 1 9 7 3 年，m a r u v a d a 和g i l s i g 提出了利用等效电路计算换流站无线电干扰的方 法【7 】，该方法分为三个步骤：一、建立换流阀导通时的等效电路；二、基于等效电 路，计算各元件的电流；三、通过电流计算换流站附近的无线电干扰水平。该方法 被应用于温哥华岛高压直流换流站的无线电干扰计算【引，测量结果与计算结果吻合。 1 9 7 6 年，m o r s e ，j e f f r e y 和b u l a w k a 等人对加拿大纳尔逊河直流输电线路工程 线路上的无线电干扰进行了测量【9 】【10 1 。 1 9 7 9 年，t r e a s u r e 分析了由换流站产生的无线电干扰对p l c 系统的影响【】，并 对直流中性出线上的干扰频谱进行了测量。同年，m o r r i s ，m o r s e 等人总结了加拿 大纳尔逊河直流输电线路上电晕以及无线电干扰的测量结果，并对此类干扰的产生 机理进行了分析【12 1 。 1 9 8 0 年，m e l v o l d ，h a g l o f 和d e g n 等人分析了美国加利福尼亚州s y l m a r 高压直 流换流站产生的载波频率范围内的射频干扰【1 3 】，并将测量结果与计算结果进行了比 较。同年，b a c o n ，h e d r i c k 和f i e d l e r 等人对换流站附近的交流线路上的载波干扰进 行了测量研究，并指出加设交流线路p l c 滤波器的必要性【1 4 】。 1 9 8 2 年，f i s h e r ，l a s s e t e r 和r e e v e 等人总结了e p r i 有关高压直流换流站设备 载波噪声干扰计算和测量方面的研究报告，并发表了与换流站设备建模【1 5 】以及测量 相关的论文【1 6 】。 1 9 8 5 年，p a t t e r s o n 发表了一篇关于高压直流换流站载波频率干扰的综述【1 7 】。文 中就载波频率干扰的产生及其耦合机理进行了分析，并对当时几座高压直流换流站 3 忒 第一章绪论 内的各种抑制措施进行了比较。 1 9 8 9 年，m a r u v a d a 等人对两座不同类型的高压直流换流站的电磁环境进行了 测量【1 8 】。同年，m a r u v a d a 等人用矩量法计算了高压直流换流站的电磁骚扰水平，并 对不同屏蔽条件及不同结构的滤波器情况下换流站内的电磁干扰水平进行了比较 与分析【19 1 。 1 9 8 5 年1 9 9 4 年期间，以俄亥俄、i 1 寺- 大学的s e b o ，c a l d e c o t t 博士等学者为首的 团队以及弗吉尼亚工学院及州立大学刘奕路博士等人在高压直流换流站的实验和 建模方面丌展了大量工作。他们的研究成果包括【2 0 】【2 6 】：一、对明尼苏达的d i c k i n s o n 4 0 0 k v 换流站主要设备的阻抗进行了测量；二、对该换流站不同地点的电场和磁 场进行了测量；三、建立了该换流站的1 ：4 0 缩比模型，并对其电磁环境进行了测量； 四、开发了一套名为r a f c a p 的无线电干扰计算分析程序。 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， 因此，国际上很大一部分研究力量集中在几家实力比较强的大型电力设备公司，如 s i e m e n s 和a b b ，他们的研究目的是保证系统和设备的正常运行，同时不对环境发 射过量的电磁噪声，因此这类研究有很强的工程性，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换流阀电磁干扰水平依靠实验测量，理论计算依赖经验公 式，而在电磁噪声传播过程中，对设备模型进行大量的简化【2 7 1 ，只要保证研究结果 相对某个标准线达到一定精度，即可满足其设计要求【2 引。 国内直流输电技术应用较迟，因此换流站电磁兼容研究也较国际起步晚。上世 纪七十年代末，我国开始筹建直流输电实验项目，直流输电的重要性开始得到关注， 但关于换流站电磁兼容的研究仍然较少。1 9 9 0 年我国第1 条长距离大容量直流输电 线路葛洲坝至上海的葛南双极直流输电线路投运。直流线路的运行对电磁环境研究 提出了实际要求，但此时的研究也主要集中在线路无线电干扰方面。武汉高压研究 所针对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【3 0 1 ，并对测试结 果进行了分析，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干扰 及其环境效应进行了研究【3 1 1 。 近几年来，随着超特高压直流输电在我国的快速发展，国内高校和科研院所对 高压直流换流站的电磁兼容问题的研究也逐渐深入和系统化。武汉高压研究所和中 国电力科学院等单位对阀厅的屏蔽效能，换流站以及线路的无线电干扰进行了系列 测试【3 2 】- 【3 9 1 ，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。 清华大学与南方电网合作，对5 0 0 k v 换流站内的传导电磁骚扰进行了测量以 及仿真研究【4 0 】- 【4 7 1 ，对8 0 0 k v 换流站的传导电磁骚扰进行了预测计算【4 2 】【4 4 1 。 4 华北电力大学博士学位论文 华北电力大学崔翔教授带领的课题组对现有_ _ _ 5 0 0 k v 换流站的电磁环境进行了 多次系统测量【4 8 】【5 2 1 ，总结和分析了现有4 - 5 0 0 k v 换流站电磁骚扰的主要特性f 4 8 】【4 9 1 ， 对高压直流换流阀系统进行了宽频建模研究，并通过数值计算方法计算和分析了高 压直流换流站的电磁环境。 到目前为止，由于4 - 8 0 0 k v 直流输电技术还处于建设阶段，如何准确建立宽频 等效电路模型，如何准确预测换流站内以及周边的电磁骚扰水平，真正实现高压直 流换流站电磁兼容的国产化，这个课题正是本文研究的内容之一。 1 2 2 换流阀过电压分布计算国内外研究现状 国内外对换流阀系统过电压分布计算与分析的文献不多，大多数文献和标准主 要针对换流阀产品过电压测试的步骤和类型，对于改进换流阀系统的均压和绝缘设 计参考意义不大。 k a r a d yg 和g i l s i gt 针对汞弧阀系统分别于1 9 7 1 年1 9 7 3 年提出了汞弧阀开通 和关断过程【5 3 】【5 4 1 ，以及各种过电压作用下【5 5 1 的电压分布的计算方法。此研究所建 立的等效电路主要适用于汞弧阀系统，且部分元件没有考虑宽频特性，阀系统的寄 生参数只是给出了经验值f 5 5 】。 1 9 9 6 年，t a d o k o r om 等人研究了阀模块内不同安装位置的饱和电抗器对换流 阀过电压分布的影响【5 6 1 ，此研究侧重于分析饱和电抗器的作用，而对换流阀系统内 的过电压分布特性没有具体涉及。 文献 5 7 和文献 5 8 】主要讨论了阀避雷器以及晶闸管阀本身的保护装置。随后， 部分学者和机构针对换流阀系统的过电压测试以及换流站内的绝缘配合提出了要 求5 9 】【6 6 1 ，并给出了相关标准【6 2 】【6 6 1 。 国内对于换流阀的研究主要集中在晶闸管的动态建模【6 7 】【7 5 1 ，主要通过建立晶 闸管的宏模型分析器件参数分散性对晶闸管电压的影响【6 7 】- 【6 9 1 ，从而研究其过电压 保护策略【7 0 】- 【7 5 1 。而对换流阀过电压分布计算与分析的研究，主要考虑雷电冲击作 用下换流阀组件内的电压分布情况【7 6 】- 【7 引，所建立的等效电路比较简单，没有给出 换流阀各器件的宽频等效电路，换流阀的各项寄生电容参数没有通过数值计算方法 获取，只给出了经验值【7 6 】- 【7 8 1 ，所以对于不同结构和形式的换流阀，难以保证计算 结果的准确性。 所以，建立换流阀系统的宽频等效电路，研究各种过电压作用下换流阀过电压 分布特性，深入研究和分析各项参数对过电压分布的影响，是换流阀技术国产化的 基础，也是本课题需要研究的另一个主要内容。 5 第一章绪论 1 3 本文的主要工作 建立高压直流换流站换流系统宽频等效电路模型，是准确预测换流站电磁骚扰 水平以及准确计算换流阀系统过电压分布的关键，也是我国换流站电磁兼容技术国 产化的基本要求。本文结合国家自然科学基金项目“高压直流换流阀系统参数提取 及宽频等效电路模型的研究 ( 5 0 7 0 7 0 0 8 ) 和“十一五国家科技支撑重大项目课题 2 0 “8 0 0 k v 直流输电线路表面电晕起始场强计算和8 0 0 k v 换流站阀厅的电磁兼容 问题研究”( 2 0 0 6 b a a 0 2 a 2 0 ) ，重点研究了高压直流换流站换流系统宽频电路的建模 方法，对换流阀系统进行了过电压分布计算与分析，对士8 0 0 k v 直流换流站的传导和 辐射电磁骚扰以及换流站周边无线电干扰进行了预测计算。论文主要研究内容的结 构示意图，如图1 1 所示。 氆粤黔 而瓣 骂型翌 瘤 换流阀寄生 参数提取 换流阀过电压分布计算与分析 换流系统宽频 等效电路 换流站关键设、l 、 备宽频建模j 效性验征 换流站电磁环境预测 图1 - 1 论文结构示意图 全文共分七章，各章的具体内容如下： 第一章阐述了高压直流换流站内电磁兼容研究的重要性，综述了高压直流换流 站电磁骚扰研究以及换流阀系统过电压分布计算的国内外研究现状，指出了目前还 需要深入研究的问题，明确本文的研究思路。 第二章提出了基于黑箱理论与传统等效电路相结合的建模方法，该方法既可以 保持传统等效电路参数的意义，同时可以考虑高频下器件的频变效应，有效的解决 了黑箱理论与传统等效电路存在的问题。基于该方法建立了晶闸管、阳极饱和电抗 器、阻容回路等换流阀主要器件的宽频等效电路；对不同结构的换流阀系统的各项 寄生电容参数和寄生电感参数进行了提取，建立了用于过电压计算与分析的换流阀 系统宽频等效电路。 第三章建立了换流站内交直流场关键设备的宽频等效电路，包括换流变压器、 平波电抗器、交直流滤波器、p l c 滤波器、避雷器等。基于阀系统宽频等效电路和 关键设备宽频等效电路建立了高压直流换流站换流系统的宽频拓扑。 6 华北电力人学博+ 学位论文 第四章提出了高压直流换流阀系统的过电压测试方案，对换流阀系统开展了过 电压实验研究，实验内容包括阀模块过电压实验以及悬吊阀塔过电压实验，实验结 果验证了换流阀宽频等效电路的有效性。通过对换流站内各类电磁骚扰的实际测 量，验证了换流系统宽频拓扑的有效性。 第五章基于换流阀系统宽频等效电路，对换流阀模块以及阀塔在各种过电压作 用下的电压分布特性进行了计算，并对影响阀层电压梯度和晶闸管压降的各项参数 进行了分析，得出了过电压作用下高压直流换流阀电压分布规律。该研究成果可用 于换流阀系统国产化过程中的均压和绝缘设计。 第六章基于换流系统宽频拓扑，对+ 8 0 0 k v 直流换流站的传导电磁骚扰特性进行 了计算，并以传导骚扰电流为激励，对+ 8 0 0 k v 直流换流站内以及周边的空间电磁骚 扰水平进行了预测计算。该研究成果对我国高压直流换流站的电磁屏蔽设计以及相 关设备的抗扰度要求有一定的工程参考价值。 第七章对全文的研究工作进行了全面的总结，阐明了作者的主要研究成果，指 出了尚需深入研究的问题。 7 第二章换流阀系统宽频建模研究 第二章换流阀系统宽频建模研究 换流阀是联系交直流系统的关键设备，由晶闸管、阻容吸收回路、饱和电抗器、 均压电容器、电晕屏蔽罩、屏蔽板等构成，其结构比较复杂，也是高压直流换流站 内电磁骚扰的主要来源。换流阀宽频模型的准确性是换流阀系统过电压分布计算以 及换流站电磁骚扰预测计算的关键因素。本章基于黑箱理论与传统等效电路的建模 方法，建立了换流阀内主要器件的宽频等效电路，分别讨论了不同结构换流阀寄生 电容分布以及寄生电感的计算方法，建立了整体均压和分体均压换流阀系统的宽频 等效电路。 2 1 换流阀器件建模 2 1 1 建模思想 近几年来，随着电力电子技术的飞速发展，半导体开关型器件被广泛应用于高 压直流输电以及柔性交流输电系统【7 9 】- 【8 。研究表明，所有的电力电子设备均会产 生不同程度的频带较宽的电磁骚扰，该电磁骚扰可能会对其它设备和系统形成干扰 【8 0 】，所以电力电子中的电磁兼容问题已经得到越来越广泛的关注【7 9 】【8 5 1 。如何建立 电力电子相关器件的宽频等效电路模型已经成为准确计算和分析电磁干扰水平的 关键。电力电子器件等效电路的建模方法一般可以分为两类：一类是传统等效电路 模型，另一类是黑箱模型。 传统等效电路模型是根据所需建模的器件或设备的尺寸、材料、结构等计算出 相关的电阻、电容和电感( r l c ) 等效值，然后根据各元件的电气连接而建立物理模 型【8 6 1 。该方法的优点是直观，每一个元件均有物理