柔性直流輸電系統(tǒng)換流閥無線電干擾特性研究

國(guó)文亮

電子電力設(shè)備作為一個(gè)國(guó)家各個(gè)行業(yè)發(fā)展當(dāng)中最為主要的組成部分，其本身對(duì)社會(huì)以及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義，但是在實(shí)際當(dāng)中，電子電力設(shè)備一直是我國(guó)乃至國(guó)際上存在的一大問題，在對(duì)高壓柔性直流輸電的研究當(dāng)中發(fā)展，基于電力運(yùn)輸換流站的工程當(dāng)中會(huì)在內(nèi)部或外圍產(chǎn)生較大的無線電干擾，而這一干擾值必須小于固定的限值才能夠保障柔性直流電能夠正常投入到各種設(shè)備的使用當(dāng)中，進(jìn)一步滿足磁兼容設(shè)計(jì)中的需求，否則在投入使用過程中會(huì)由于無線電干擾影響到換流站中設(shè)備的使用。

柔性直流換流站當(dāng)中使用的多電平換流器作為電壓原型模塊，這種新型換流閥在投入使用當(dāng)中后產(chǎn)生的諧波相較于傳統(tǒng)的換流閥數(shù)值較小，而由于電流電壓的產(chǎn)生，在柔性直流換流站運(yùn)行當(dāng)中，會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，使用到新型閥流法則會(huì)在一定程度上降低電磁干擾。一般來講干擾頻率會(huì)小于30Mhz，但是這種電磁干擾頻率會(huì)導(dǎo)致多電平換流器受到一定影響，在調(diào)制策略控制下無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，這也是國(guó)內(nèi)外現(xiàn)階段對(duì)換流站設(shè)計(jì)使用過程當(dāng)中必須考慮的問題所在，而針對(duì)于這一原因，需要使用到直接頻率計(jì)算方法。利用換流站寬頻效率模型改變輸入點(diǎn)的電壓流域波形，促使快速Fourier在參數(shù)上發(fā)生轉(zhuǎn)變的同時(shí)能夠供給寬域直流電進(jìn)行負(fù)荷工作，促使各個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠在對(duì)應(yīng)的頻譜上對(duì)抗入阻頻數(shù)，并能夠應(yīng)用仿真計(jì)算公式對(duì)直流閥當(dāng)中的電磁干擾進(jìn)行計(jì)算，從而利用計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)干擾頻數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的控制。針對(duì)在高壓直流柔性輸電當(dāng)中出現(xiàn)的Hertz進(jìn)行計(jì)算，將換流閥當(dāng)中的閥體看做不同的Hertz偶極子模型，進(jìn)一步使用計(jì)算公式對(duì)其在直流電運(yùn)輸過程當(dāng)中進(jìn)行模擬，將換流站當(dāng)中由電磁輻射產(chǎn)生的數(shù)值進(jìn)行疊加，從而形成整體的輻射數(shù)值，進(jìn)而換算出換流站周圍的電磁干擾水平。

換流閥當(dāng)中的電磁輻射與無線電干擾特性，其最主要的運(yùn)行原理是由于物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及運(yùn)行機(jī)理之間的關(guān)系，如圖1所示，其中職測(cè)流電壓為Udc，而子模塊電流則表示為MMC，子模塊兩端電壓則表示為USM，電壓升為Uao，通過六個(gè)橋臂，由n個(gè)連接點(diǎn)相互構(gòu)成相同子模塊電抗器呻聯(lián)結(jié)構(gòu)，各個(gè)橋壁子模塊的串聯(lián)數(shù)量由于換流器產(chǎn)生電平數(shù)的差異，按照相同的開關(guān)規(guī)則，在多電平換流器當(dāng)中處于兩種運(yùn)行狀態(tài)。一種是基于開通狀態(tài)，開通VT2時(shí)關(guān)斷VT2，此時(shí)子模塊處于運(yùn)行狀態(tài)。能夠?qū)﹄妷哼M(jìn)行輸出，即電容CO左右的電壓UC，此時(shí)在橋臂中的電流將會(huì)對(duì)子模塊產(chǎn)生較為集中的放電，同樣也是在無線電干擾特性研究當(dāng)中最為常見的一種計(jì)算方式，通過與換流閥的主要電磁特性串聯(lián)方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，促使電磁輻射數(shù)值的變化從而檢測(cè)實(shí)際干擾特性。

圖1 運(yùn)行原理

同時(shí)，在MMC進(jìn)行正常運(yùn)轉(zhuǎn)的過程當(dāng)中，使用較為專業(yè)的調(diào)制策略對(duì)整體子模塊的電壓輸進(jìn)行一定的調(diào)節(jié)，保障其整體的總電壓輸出時(shí)能夠始終保持較為接近正弦調(diào)制波的數(shù)值促使電阻器上下的流域值差異較小時(shí)能夠?qū)虮圻B孤單的電壓值進(jìn)行計(jì)算，在這一過程當(dāng)中需要保障直流電壓始終處于統(tǒng)一數(shù)值狀態(tài)，在各個(gè)橋臂當(dāng)中投入的恒定子模塊數(shù)量能夠負(fù)荷上下橋臂的變化的同時(shí)，處于平滑變化曲線中的n導(dǎo)通狀態(tài)，形成單相電壓波形。（如圖2）

圖2 電壓波形

考慮到兼容的MMC電壓電容排序在轉(zhuǎn)換電流法狀態(tài)過程當(dāng)中，需要對(duì)某一特定子模塊當(dāng)中的電容電壓進(jìn)行大小排序，在這一狀態(tài)下，結(jié)合子模塊的實(shí)際順序?qū)⒖壳暗淖幽K投入到計(jì)算過程當(dāng)中，切除其余模塊。同時(shí)，保障模塊電容電壓處于本刻的變化狀態(tài)，對(duì)子模塊進(jìn)行通關(guān)時(shí)，需要考慮到電磁輻射的實(shí)際角度影響，在某一橋臂當(dāng)中發(fā)生通斷作用子模塊數(shù)量最大時(shí)，此時(shí)子模塊會(huì)發(fā)生關(guān)斷動(dòng)作的數(shù)量即為最大值。這一轉(zhuǎn)換動(dòng)作發(fā)生的過程，即為輻射無線電最為嚴(yán)重的時(shí)刻，根據(jù)電磁兼容設(shè)計(jì)的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)來看，在運(yùn)行換流閥的過程當(dāng)中產(chǎn)生的電磁干擾，對(duì)其他空間中的電力設(shè)備運(yùn)行不產(chǎn)生實(shí)際影響。因此，MMC模型建立在實(shí)際情況產(chǎn)生電磁符合最嚴(yán)重的模式下，從而計(jì)算出無限電磁干擾特性。

（一）獲取仿真參數(shù)

以逆變站為例，考慮換流直徑電流與交流出線處的抗阻數(shù)值在電子功率較大的設(shè)備構(gòu)件中的換流站，以及無線電干擾主要是由于頻繁通斷設(shè)備所產(chǎn)生的，因此，在對(duì)柔性直流輸電系統(tǒng)換流法無線電干擾特性進(jìn)行研究時(shí)，不考慮來自直流線路與交流線路的干擾貢獻(xiàn)，在一定程度上能夠達(dá)到對(duì)電路拓?fù)淠Ｐ偷暮?jiǎn)化工作。認(rèn)為直流進(jìn)線處為理想的最佳導(dǎo)體，假設(shè)交流出線處的熱損耗，考慮橋臂輸入阻抗結(jié)合域膜法，先對(duì)電力設(shè)備電磁系統(tǒng)仿真軟件建立MMC寬頻效率模型，結(jié)合各個(gè)換流閥中的橋臂電壓電流以及交流進(jìn)出口的電流波形成最佳理想導(dǎo)體，而直流出現(xiàn)處的抗阻，需要利用仿真計(jì)算式中的各節(jié)點(diǎn)抗阻值z(mì)頻率特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)稱轉(zhuǎn)換電壓計(jì)算，轉(zhuǎn)換后的A相橋臂電壓電流特性如圖3所示，在其中分別選用實(shí)部與虛部仿真頻率點(diǎn)計(jì)算，采取各個(gè)不同流域閾值，輸入不同頻率下的電壓U，單位V，獲得的抗組頻率特性可由下式求出。

圖3 電流特性

（二）分析結(jié)果

借助FEKO軟件的核心矩量法，首先需要計(jì)算出柔性直流輸電系統(tǒng)當(dāng)中表面的電流以及磁流數(shù)值，借助這些參數(shù)能夠計(jì)算出電磁場(chǎng)數(shù)值附近的遠(yuǎn)場(chǎng)方向參數(shù)，在仿真研究過程當(dāng)中，以大地為理想的導(dǎo)體設(shè)置出單頻電仿真形式，進(jìn)行各個(gè)頻點(diǎn)的計(jì)算，從而考慮到天線方向與實(shí)際的柔性直流輸電系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生空間隨著角度變化的特性，因此，在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，能夠促使換流站的無線干擾數(shù)值逐漸隨著頻率的增高而減小，在增強(qiáng)方向性的同時(shí)，導(dǎo)致閥塔橫向側(cè)場(chǎng)的強(qiáng)度明顯高于閥塔縱向側(cè)場(chǎng)強(qiáng)度。

（三）對(duì)比實(shí)測(cè)

在對(duì)柔性直流輸電系統(tǒng)換流閥無線電磁干擾特性進(jìn)行仿真計(jì)算過程當(dāng)中，以理想的仿真模型作為基礎(chǔ)模型，難以結(jié)合到實(shí)際運(yùn)行換流閥所處的環(huán)境對(duì)無線電磁干擾特性進(jìn)行研究，因此也無法排除其他換流站內(nèi)的設(shè)備產(chǎn)生的無線電干擾影響，在一定程度上與實(shí)際測(cè)量結(jié)果存在一定的差異。在后續(xù)的工作當(dāng)中，為了能夠保障柔性直流電力設(shè)備能夠更好地應(yīng)用在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，需要對(duì)電磁屏蔽室或者電波暗室搭建簡(jiǎn)易測(cè)量模型進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。在測(cè)量過程當(dāng)中，需要使用到無線電騷擾抗擾度測(cè)量方法規(guī)范進(jìn)行測(cè)試，分體使用環(huán)形天線測(cè)量準(zhǔn)峰值以及峰值位的電波強(qiáng)度，結(jié)合分水平極化以及垂直極化方向確定大致測(cè)量的背景值，一般來講在測(cè)量此數(shù)值時(shí)將忽略噪聲影響，選擇在換流站的大門處計(jì)算結(jié)果，將實(shí)際測(cè)量結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比則會(huì)發(fā)現(xiàn)實(shí)際的趨勢(shì)基本趨于相同，頻率的不斷升高也會(huì)在一定程度上降低換流閥產(chǎn)生的干擾值。

柔性直流輸電系統(tǒng)的換流閥無線電干擾特性在Hertz偶極子模型與直接頻域說法進(jìn)行計(jì)算后得出，其基于矩量法的結(jié)構(gòu)之下對(duì)換流閥運(yùn)行前進(jìn)產(chǎn)生的輻射會(huì)隨著頻率的升高而增強(qiáng)，自身特性值也會(huì)趨向于閥塔縱向側(cè)場(chǎng)。