柔性直流换流系统辐射电磁骚扰计算

柔性直流(VSC-HVDC)换流站的建立和输电电压等级的提高对换流系统的电磁兼容问题提出了很高的要求。为此,提出了柔性直流换流系统辐射电磁骚扰的计算方法,并基于华北电力大学新能源实验室的VSC-HVDC实验平台开展了测试实验:首先分析了换流系统运行状况并采用高分辨率探头和高性能示波器测量获得了辐射电磁骚扰源特性;然后,采用天线理论并结合矩量法,对换流系统的实际物理结构进行了建模;最后,在仿真软件FEKO中计算了换流系统产生的辐射电磁骚扰,并对换流系统各关键点的辐射电磁骚扰特性进行了分析。研究结果表明:换流阀、变压器、电抗器、交直流母线周边辐射电磁骚扰强度最大,二次设备处辐射电磁骚扰强度随频率上升而缓慢增大,在频率为20 MHz以后有下降的趋势;因为换流系统近场在频率为20 MHz时产生广义谐振,所以其辐射电磁骚扰强度最大。空间电磁场实际测量结果与计算结果的对比验证了该建模方法的有效性。     

模块化多电平柔性直流换流阀寄生电容提取及分布特性研究

模块化多电平柔性直流换流阀的寄生电容是构成换流阀宽频等效电路模型的重要参数,影响换流阀内部瞬态电压分布是否均匀。为此,需要准确提取出换流阀的寄生电容。该文提出寄生电容的提取方法,并验证方法准确性;此方法结合换流阀的结构对称性,简化离散电容矩阵,详细给出基于有限元理论的电容容值计算公式。以国内某±420kV/1250MW模块化多电平柔性直流换流阀为例,对换流阀的寄生电容进行详细分类和计算,并给出其典型的电容值;获得换流阀的均压环和子模块自身及相互之间、以及对阀厅的电容分布特性。结果表明同层同阀段相邻子模块之间的电容值最大,约为100pF。     

基于有限元的模块化多电平换流器绝缘结构分析

模块化多电平柔性直流输电换流阀中分别采用了固体绝缘和空气绝缘结构,其中空气绝缘结构是比较薄弱的一个环节,实际运行或者试验中容易发生局部放电等绝缘故障.采用三维有限元电场计算方法,通过电场分布来分析模块化多电平柔性直流输电换流阀中空气绝缘结构.在换流阀空气绝缘结构分析中,分别对换流阀层间空气间隙中、换流阀外表面空气介质中以及阀厅中阀塔之间空气间隙中的电场进行计算.通过空气间隙中电场强度和电场分布情况来分析空气绝缘介质的绝缘强度,并指导换流阀绝缘结构的设计.     

柔性直流输电系统换流阀无线电干扰特性仿真分析

为了对柔性直流换流站运行时产生的无线电干扰(RI)水平进行预测,以某柔性直流输电工程为背景,采用仿真计算的方法,首先分析了模块化多电平换流器(MMC)物理拓扑结构和运行机理,结合Hertz偶极子模型搭建了柔直换流阀阀塔FEKO电磁辐射模型。采用直接频域计算方法,通过PSCAD电力系统仿真软件仿真获得了换流阀上、下桥臂电压和电流的时域波形,通过快速Fourier变换计算得到换流阀在稳态运行时各点的阻抗频率特性,得到了仿真计算的阻抗参数。最后将典型IGBT导通关断时的波形作为仿真激励参数,利用基于以矩量法为核心算法的FEKO软件,分析了柔性直流换流阀在运行期间无线电干扰特性。研究结果表明:随着频率升高,阀塔产生的RI在数值上逐渐减小,方向性逐渐增强,阀塔横向侧场强明显高于阀塔纵向侧场强,仿真计算得到最大干扰值约75.10 dB,数值上未超出规定的干扰限值。该研究对实际的柔性直换流阀电磁兼容设计和电磁干扰防护具有参考价值。     

高压换流站的主要电磁骚扰源特性

为研究换流站抗干扰设计基础的电磁骚扰源特性,采用基于EMTP的宽频时域电路方法和矩量法的频域电磁场计算方法分析了换流阀导通和关断时产生的骚扰水平,试验研究了断路器操作引起的电磁骚扰特性。研究结果表明,传导骚扰可覆盖达数MHz的频率范围,辐射骚扰在数MHz附近问题最严重,该类电磁噪声是直流高压换流站中最重要的骚扰源;直流系统操作会在二次电缆中产生几百V的振荡衰减波,直流管母线起晕电压高,直流场电晕引起的无线电骚扰水平较低。     

换流站阀厅电磁骚扰强度的计算分析

从时域和频域两个方面总结了应用矩量法计算阀厅内金属导体结构产生的电磁骚扰水平的方法。直接时域方法以电流为激励源进行计算,考虑因素少,计算简单;而直接频域方法由于可以同时考虑线路、金属架构等多种复杂结构的影响,模型更为准确,但是计算速度慢,建模复杂。考虑到常用的矩量法计算软件如NEC、FEKO等,不适合建立大量电流源模型,因此以电压源、导线、金属板和负载为基本元件的直接频域法就非常适合借助于成熟的软件进行工程计算。首先将±500 kV阀塔的元器件、金属导线和金属框架分别用阻抗、线天线和面天线模型进行等效。对一±500 kV换流站阀厅建立了电磁计算模型,研究了换流站在正常工作情况下由阀厅内金属导体结构产生的电磁骚扰特性,主要讨论阀厅墙体附近的辐射电磁场,阀厅外的无线电干扰水平。通过与测试结果和其它相关报告的结果对比验证了该计算方法和模型的有效性和正确性。应用该方法分析了±800 kV换流站阀厅内金属导体结构产生的电磁骚扰水平,并结合相关标准提出了阀厅墙体应具备的屏蔽效能。该研究既可以用来预测换流站内的电磁场分布,也可为阀厅的屏蔽设计提供依据。     

舟山多端柔性直流输电系统换流阀技术

首先对舟山多端柔性直流输电系统中模块化多电平换流器换流阀的工作原理、组成结构、技术特点等进行了介绍,对多端柔性直流系统换流阀控制和保护特性进行了归纳总结,给出了舟山多端柔性直流换流阀运行监视与故障处理的流程。最后,针对换流器加装阻尼模块后运行过程中发现的问题给出了解决方法,大大提升了舟山多端柔性直流系统运行的可靠性。     

高压直流换流站单相阀塔电磁辐射仿真及实验

根据目前国内外对高压直流换流站阀厅内电磁骚扰特性的研究,在直接频域计算方法的基础上,进一步研究了换流阀模块频域阻抗特性的计算方法,并采用其中一种方法获得的阀臂阻抗参数,利用基于矩量法的仿真软件FEKO搭建了单相阀塔的辐射模型,并进行了仿真计算,该模型考虑了阀模块的屏蔽罩、金属横梁等面天线结构,更准确地体现了阀塔的实际结构.还进行了单相阀塔的10∶1缩比模型实验,通过实验验证了仿真的正确性.     

模块化多电平换流阀新型运行试验拓扑及其控制方法

为了考核模块化多电平换流阀应力及其运行可靠性,针对高压大容量柔性直流换流阀子模块电压逐步提高的情况,提出了一种模块化多电平换流阀新型运行试验拓扑及其控制方法。首先对柔性直流换流阀的典型运行工况进行了应力分析;其次,结合应力分析,提出一种模块化多电平换流阀新型运行试验拓扑,并建立了该试验拓扑的数学模型,阐述了其运行机理;同时,通过控制量的对称性,实时消去了交直流控制量中的直流分量;最后,搭建了仿真模型并进行了验证。结果表明,提出的模块化多电平换流阀新型运行试验拓扑及其控制方法具有正确性和有效性,所提试验拓扑降低了直流试验电源的电压需求,其控制方法简化了试验电路的控制。     

高压直流换流站换流系统宽频建模研究

高压直流(high voltage DC,HVDC)换流站电磁骚扰主要由阀体内的晶闸管在周期性的导通和关断过程中产生。该骚扰中的高频分量通过辐射和传导2种形式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,所以,建立换流系统的宽频等效电路模型对该骚扰进行计算和预测,研究其时频特性是进行干扰机理分析的前提条件。该文给出了HVDC换流站各主要设备的建模方法及其等效电路,包括阀组件、换流变压器、平波电抗器、滤波器等。其中,阀组件内各元件的阻抗通过网络分析仪测量,然后通过矢量匹配进行零极点提取,最后通过布隆法进行网络综合得到阀组件各器件的宽频等效电路。应用有限元方法计算了阀塔以及散热片的寄生电容参数。以阀塔作为整体,基于PSCAD/EMTDC建立了HVDC换流站换流系统宽频仿真模型。在此基础上,研究了传导电磁骚扰特性。计算结果和测量结果的比较,验证了该文建模方法的正确性。     

适用于对称故障仿真的特高压柔性直流换流站动态相量建模

随着多项特高压柔性直流工程投运,建立高效而准确的模型用以研究特高压柔性直流换流站运行特性很有必要。为此提出了基于模块化多电平换流器的特高压柔性直流换流站的动态相量解析模型,该模型能准确描述稳态及发生对称故障时特高压柔性直流换流站的动态特性。首先通过研究高低端换流器交直流侧的相互作用关系,重新建立了多换流器与交直流系统的接口模型。然后结合考虑内部谐波特性的换流器模型,建立了特高压柔性直流换流站的动态相量解析模型。通过对已建立动态相量模型中交流侧状态空间方程的修正,进一步扩展了其在交流系统发生对称故障下的适用性。最后基于PSCAD/EMTDC中的电磁暂态仿真模型,验证了所建模型在稳态和故障下的正确性和高效性。     

基于MMC的柔性直流输电换流阀试验系统设计

换流阀是柔性高压直流输电工程中完成电能变换的核心模块,其运行可靠性直接关系到整个直流输电系统的稳定性,因此需对换流器阀进行严格的型式试验.运行试验是型式试验的重要一环,主要检测换流阀对电流、电压和温度应力的耐受情况.依据模块化多电平换流器(MMC)型电压源换流阀实际工程运行工况,采用等效试验的方法,设计了一种基于MMC的柔性直流输电换流阀试验系统,可对换流阀的稳态工况和暂态工况进行模拟,进而实现对换流器阀的导通、关断和有关电流特性的检验.详细介绍了基于MMC的柔性直流输电换流阀试验系统的主回路和控制系统设计,并以实际工程换流阀组件为试验对象,验证了所设计的基于MMC柔性直流输电换流阀试验系统的正确性和实用性.     

柔性直流换流阀

正柔性直流换流阀是柔性直流输电系统的核心设备。采用半桥式子模块的模块化多电平VSC结构,使用空气绝缘、水冷却的户内自立式换流阀塔,实现交流与直流的灵活转换。采用IGBT作为换流元件,成套装备由子模块、阀段、阀塔和高速阀控系统构成。     

柔性直流换流阀厅全模型电场多极子边界元分析

柔性直流换流阀厅内设备众多、结构复杂、多种介质共存且环境封闭,造成阀厅全模型电场强度数值计算建模难度大、计算规模大、采用传统方法计算效率低。对称多极子曲面边界元法计算速度快、内存占用少,适合于求解大规模问题。分别对2种不同结构的±160 kV柔性直流换流阀厅建模,应用对称多极子曲面边界元法计算阀厅全模型电场,计算中节点达到133万个。综合分析了阀塔屏蔽系统结构、桥臂电气连接方式以及阀厅布置方式对金具表面电场影响规律;掌握了阀厅空间内电场分布规律,为设备布置提供参考。所提方法为全面掌握柔性直流换流阀厅内电场分布提供有效手段,对设计过程中设备的绝缘配合具有重要意义。     

一种柔性直流输电阀控测试系统设计与实现

设计了一种模块化多电平柔性直流输电阀控测试系统,包括极控模拟装置、换流站主电路信号发生装置、换流阀子模块模拟装置和监控后台等。该测试系统可以在不使用极控系统和换流阀本体的条件下,完成对模块化多电平柔性直流输电阀控系统的基本功能测试,包括子模块电容电压的读取和状态监视、均压控制、阀控对子模块故障处理逻辑、阀控自身故障处理逻辑、系统电压电流的采集等。仅需调整子模块模拟装置的接口数量,即可满足不同容量和电压等级的柔性直流输电阀控系统测试需要。对MVCE 300型柔性直流输电阀控系统进行了实际测试,测试结果表明,该测试系统可以满足柔性直流输电阀控设备厂内调试的需要。     

基于模块化多电平换流器的柔性直流输电动态模拟系统

介绍了基于模块化多电平换流器拓扑的柔性直流输电动态模拟系统,该模拟系统为背靠背的试验系统。以实际工程为原型,对交流系统、换流阀、换流变压器及直流电缆进行了等效模拟。并给出了交流系统、直流系统、换流阀、换流变压器的参数设计及模拟比设计。模拟系统采用了和实际工程现场一致的测量系统。介绍了故障模拟以及故障点设置。最后,介绍了动态模拟系统的稳态及故障穿越试验,并与实际工程现场的试验波形进行了对比,表明其能够准确模拟实际工程中的稳态及暂态特性,可以为柔性直流控制保护系统的设计提供试验验证。     

柔性直流输电系统的功率模块涡流损耗及其温升分析北大核心CSCD

基于模块化多电平换流器的柔性直流输电在电力传输领域有着广阔的应用前景,而主回路母线的大电流会在功率模块的铁磁框架中产生涡流损耗,导致不必要的温升。因此文中针对柔性直流输电换流阀的功率模块建立电磁模型,对其进行电磁—热耦合仿真分析,得出了涡流损耗和温度的分布特征。根据仿真结果及相关分析,提出了3种改进温升问题的方法,对功率模块设计具有一定的指导意义。最后通过实验验证了仿真结果的真实性和改进方案的有效性,为今后功率模块的设计制造和模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的运行管理提供参考依据。     

模块化多电平柔性直流输电数字-模拟混合实时仿真技术

针对基于模块化多电平换流器的柔性直流输电(MMC-HVDC),提出了基于数字-模拟混合建模的实时仿真平台,介绍了其系统构成、等效原理、模拟比计算原则及其在我国首套工程开发中的应用。该平台包括相应的数字化系统模型、49电平MMC物理模拟装置、数字和模拟仿真平台接口,能够完成对实际工程中的换流阀阀基电子控制器(VBC)和换流站极控制保护(PCP)系统进行实时的全功能仿真验证。通过对上海南汇柔性直流输电示范工程进行故障态仿真,得出了相应的试验结果,并与电磁暂态仿真软件PSCAD的仿真结果进行了对比,证明了该系统为MMC-HVDC的动态特性和控制保护平台提供实时在线验证的有效性。     

±500 kV柔性直流换流阀外绝缘最小安全距离及海拔校正试验研究

张北±500 kV柔性直流示范工程首次构建了四端柔性直流电网,±500 kV是世界上现有的柔性直流输电的最高电压等级,±500 kV柔性直流换流阀是柔性直流输电的核心设备,由于张北地处高海拔区域,确定柔直换流阀外绝缘在高海拔地区所需要的室内最小空气间隙距离,对本工程和未来换流阀阀厅建设及阀厅内电力装置的布置方式有重要意义。在中国北京某特高压直流试验基地对±500 kV柔性直流换流阀外绝缘进行了操作冲击放电试验,得到其操作冲击放电特性曲线。通过比较不同的海拔校正方法,探讨和提取适用于±500 kV柔性直流换流阀外绝缘的海拔校正因数。最后依据试验得到的±500 kV换流阀外绝缘操作冲击放电特性曲线计算其在张北2 100 m海拔高度下所需要的最小空气间隙距离。     

MMC-HVDC系统直流断线故障特性分析

在柔性直流输电系统故障特性的研究中,对直流断线故障特别是模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)-HVDC系统的直流断线故障研究很少。基于对称单极主接线形式和模块化多电平拓扑结构,提出了系统直流断线故障发展过程中非故障直流母线上存在故障电流的新特性。首先,分析了非故障直流母线上故障电流产生的机理;其次,按照换流站运行及控制模式的不同,从直流场、交流场和换流阀3个方面对故障电流引起的系统电压电流变化特性进行了分析,并推导了故障电流的计算表达式;再次,从继电保护的角度分析了故障电流对整个柔性直流输电系统的影响;最后,基于PSCAD/EMTDC搭建了双端系统进行仿真,验证了故障特性分析的正确性。