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北极星电力网技术频道 作者:3 2007/12/21 15:04:32
2．清华大学电机系，北京100084；
3．英国Strathclyde大学电机系，Glasgow，G11XW，UK）
1引言
电力电子技术的快速发展为开发柔性交流输电系统（FACTS）设备提供了可行性和空前机会，从而更好地利用现有电力系统。通过应用大功率电力电子器件，如门极关断晶闸管（GTO）、门极换流晶闸管（GCT）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）等，可使开发的FACTS设备有效地实现电力潮流控制、负载共享和电压调节、提高暂态稳定性并抑制电力系统振荡等。静态同步补偿器（STATCOM）就是FACTS设备的一种，它一般基于利用脉宽调制技术（PWM）对GTO阀进行可控开关操作。与常规的静态无功补偿器（SVC）相比，STATCOM可以有效地减少系统谐波并实现更加柔性、鲁棒性的瞬时功率交换和补偿。
由于GTO阀的频繁快速操作，传导与辐射干扰将经过传输线耦合和空间波导应运而生。这些电磁干扰将对系统二次边较脆弱的电子控制单元以及通信设施的正常工作带来潜在威胁，甚至可造成整个系统的故障。因此需要对安装了STATCOM的现代新型变电站的电磁兼容环境进行测试和评估，并采取适当地电磁抗扰性措施以保证所有的二次控制设备正常运行。在国际电工委员会（IEC）的IEC61000－4系列标准[1-3]中有辐射抗扰性试验的相关规定，但这些试验水平只是一般性的指导原则，未必适合于一些特定场合。本文研究工作的主要内容包括：STATCOM变电站现场测试和辐射干扰的数据分析；STATCOM和常规SVC的电磁干扰比较；提取STATCOM辐射干扰特征并与现今IEC电磁兼容标准进行比较，提出更合理可行的电磁抗扰性（EMS）试验水平。
2测量系统
辐射干扰的测量系统见图1，主要包括电场和磁场天线、频谱分析仪、数字存储示波器、100~300m的传输光纤若干和可移动的全金属屏蔽车[4-5]。研究重点集中在STATCOM中GTO快速开关产生的干扰特征，因此工频与谐波将不在测试范围内。天线和数字示波器的选取基于对变电站的初步现场测量和分析而定。频谱分析仪用于即时观测和确认被测位置辐射干扰的频谱特性。表1列出了组成测量系统的主要设备。
测量的准确度受到所用天线频域特性（天线系数不恒定）的影响，因此根据天线的特征响应曲线采用了数学建模和数字校正方法，并综合考虑一些不确定因素（如温度、湿度和随机影响等），可使测量误差在测量的频率范围内限制在5以内。
具体测量时，电磁场天线安装在变电站主母线和STATCOM入口母线下面，并根据电磁场方向正确定位天线的测试位置。根据不同的母线高度，天线的高度一般设定为离地面1.5m或2.5m。数字示波器和频谱分析仪安置在金属屏蔽车内以避免其它外来干扰。天线和屏蔽车之间由光纤传输信号。
3被试STATCOM变电站
选择了英国国家电网公司位于东克雷登地区的一个典型STATCOM变电站作为被测对象，其补偿器基本组成结构见图2。其中，额定输出为±75Mvar的STATCOM由一个固定的小型并联电容器组（FilterBank， 23Mvar）偏置，以保证STATCOM在补偿器“浮动（零补偿）”状态时工作电流不大。当容性补偿需求大于90Mvar时，由晶闸管控电容器组（TSC， 127Mvar）提供额外的容性输出。STATCOM的GTO变换器两边与缓冲电抗器相连，它由单相多联链式电路构成多级结构以尽可能减少谐波。基于PWM技术，此三相变换器在一个工频周期内要产生96个开关暂态脉冲。
辐射电磁干扰测量时的做法是，在系统操作允许的范围内，首先改变补偿器的一系列不同Mvar输出设定（如 95Mvar， 150Mvar等），记录各个稳态下的辐射干扰波形。另外为捕获可能的最坏电磁干扰情形，在补偿器Mvar输出阶跃变化（如 100Mvar→ 110Mvar）的某些瞬态也进行了干扰测试。
4数据分析方法
相对于GTO器件的开关操作，工频与谐波电磁辐射干扰更依赖于电力系统本身的参数特性，数据分析将集中在5kHz以上的电磁辐射干扰。根据对STATCOM电磁辐射的初步分析，决定用两个频率范围来描述其辐射干扰的特征：低频区(LF,5kHz~100kHz)和高频区(HF,>100kHz)。而且高频区又进一步细分为两个频率段，以便获得因GTO开关操作所产生的高频辐射分量的更多细节。在数据处理中对时域信号序列应用了窄带数字滤波器，以提取高、低频区占主导地位的单个频率分量。在每个试验中被选中分析的瞬态冲击脉冲，是为了获得最大可能的电磁辐射干扰特征。
由于变电站中母线高度和测量天线的设置高度各不相同，同时也为便于干扰数据进行横向比较，所有的辐射干扰分析数据都进行了归一化，即转换成离被测母线2m处的电场和磁场值。
5分析结果与讨论
5.1瞬态开关冲击及其频率特征
如第3节所述，根据设计GTO阀产生瞬态开关冲击的个数应为每工频周期96个，但实测辐射干扰的冲击个数要少于96，这是因为有些冲击的幅度与占主导地位的冲击幅度相比太小而被“淹没”。图3~图7给出了测得的GTO开关冲击干扰的典型例子，从波形上看电场辐射和磁场辐射具有相似的特征。
表2给出了高、低频区典型开关冲击的细节特征，包括每工频周期瞬态冲击数、单个冲击持续时间和单个冲击内脉冲数目。
从表2可以看出，此STATCOM无功补偿器产生的电磁辐射主要频率分量包括：12kHz，80kHz，1.2MHz和2.7MHz，且实测得电场和磁场辐射的最高频率不超过5MHz。
5.2电磁辐射幅度
图8~图11用直方图形式示出了电磁辐射强度高、低频区随STATCOM补偿器无功输出大小的统计关系。图中，在近似同一个Mvar输出处多个直方条表示不同试验中测得的电磁辐射强度范围；而当同一个Mvar输出下进行多次试验时，直方条会重合，但其中的横向标记代表不同次试验中所测得的最大辐射强度。
从直方图统计中可见，最大的电场和磁场辐射总是出现在补偿器输出为 95Mvar的时候，这是由于此时STATCOM本身有较大的感性输出（-55Mvar），非常接近于其最大的感性无功输出值（-75Mvar)。而当补偿器总输出分别为0Mvar或 195Mvar时，STATCOM的无功输出分别为感性–23Mvar或容性 45Mvar。前一种情况是补偿器的零输出状态，此时STATCOM通过较小的感性电流；后一种情况处于STATCOM的容性输出区，此时通过它的容性电流一般要小于感性输出时的电流，当然还有其它原因。
5.3与常规SVC比较
与其它四个常规SVC变电站测得的电磁辐射特征相比较[7]，可以得到如下结论。
首先，无论常规SVC还是STATCOM补偿器，其产生的电磁辐射干扰频率都不超过5MHz，且最大干扰强度总是发生在晶闸管控电抗器（TCR）或STATCOM（补偿器的主体）输出最大感性无功时。
其次，对于常规SVC每工频周期只测到12或18个分立的瞬态开关冲击干扰，而STATCOM补偿器却能产生每工频周期60~90的瞬态冲击干扰链，这是由于STATCOM的GTO阀中采用PWM控制策略。
最后，常规SVC与STATCOM补偿器产生的电磁辐射强度有所不同。在低频区(5k~100kHz)，常规SVC变电站中记录到最大8.5A/m和230V/m的磁场和电场辐射，而在STATCOM变电站中只测得0.5A/m和37V/m的辐射干扰强度。在高频区(100k~5MHz)，图12和13示出了两种不同类型的补偿器电磁辐射干扰的不同，表明STATCOM的辐射干扰水平只有常规SVC的1/6~1/4。因此就干扰强度而言，STATCOM补偿器的电磁兼容性要好于常规的SVC。
5.4干扰原因初步分析
关于一般电力电子应用系统的干扰机制已有许多研究内容[6-7]。而对本文研究的STATCOM补偿器的高频辐射干扰机制，经初步分析有两种因素，一是GTO阀的固有开关特性，二是STATCOM结构自身的杂散电容形成的RLC环路高频振荡。
GTO器件的开关时间通常只有几个微秒，因此理论上将产生几兆赫兹的电磁干扰。另外，STATCOM本身的杂散电容也会对高频辐射干扰有所贡献。图14给出了用于初步分析的等效模型，其中滤波器和TSC被忽略掉，是因为它们或者固定与系统连接，或者完全通或断。STATCOM的GTO变换器可以看作一个受控的电容C，L表示STATCOM的等效电感，CS代表其缓冲电抗器的杂散电容（C>>CS），而LT和RT分别为电源电感与电阻。此等效模型为一双网孔振荡回路，当GTO控制开关电容时，将在稳态输出上叠加三个瞬态振荡，其中频率最高的分量由L和CS产生
具体计算表明，对于被测试的STATCOM变电站，若STATCOM的缓冲电抗器结构具有1pF的寄生电容，将会在变电站母线上产生约2.2MHz的杂散高频振荡，从而造成相同频率的空间辐射干扰。
当STATCOM稳态输出感性无功时，电感L储存的能量较大，相应的杂散振荡的幅度也大；而当STATCOM稳态输出容性无功时，电感L储存的能量较小，相应的杂散振荡的幅度也小，此时高频辐射将主要来源于GTO的开关特性。这可以从一个方面解释为什么总在补偿器的感性输出区测量到最大电磁辐射干扰，而不是在其容性输出区。
不过，要具体确定GTO开关操作和杂散振荡各自产生的电磁辐射水平，还需要进一步更加细致的电磁兼容建模。
6电磁抗扰性试验建议
6.1概述
据测量和分析得到的STATCOM补偿器的电磁辐射干扰，可与IEC现有的一般电磁兼容试验标准进行比较，并就电磁抗扰性试验提出具体建议。
6.2IEC61000-4-3标准（射频电磁辐射抗扰性试验：RadiatedRadio-frequencyelectromagneticfieldimmunitytest）
此抗扰性试验主要适用于对附近的发射机、接收机以及其它不同的工业干扰源产生的电磁辐射具有敏感性的设备。本试验以考核电场辐射为主，试验频率为80~1000MHz，标准试验水平分别为1、3和10V/m.STATCOM补偿器产生的电磁场辐射不在射频区，因此针对此标准及其试验要求在电力系统变电站的应用没有改进建议。
6.3IEC61000-4-9标准（脉冲磁场抗扰性试验：Pulsemagneticfieldimmunitytest）
此标准试验用于模拟和考核在雷击或操作冲击瞬态产生的脉冲磁场下设备的抗扰性能。在被试的STATCOM变电站测得的最大磁场辐射强度为0.5A/m，远小于标准的最低试验水平（level3:100A/m），因此针对此标准及其试验要求在电力系统变电站的应用没有改进建议。
6.4IEC61000-4-10标准（阻尼振荡磁场抗扰性试验:Dampedoscillatorymagneticfieldimm-unitytest）
此标准实验用于模拟高压变电站中开关操作引起的振荡磁场辐射。标准试验水平为10、30和100A/m,振荡试验波形要求为：100kHz（重复率至少40次操作冲击瞬态/s）和1MHz（重复率至少400次操作冲击瞬态/s）。与实测干扰数据相比，标准的试验水平完全可以接受，但试验频率和重复率有所差别。据现场干扰数据，以下的磁场辐射被测到：12kHz和80kHz（两个重复率皆为4500次操作冲击瞬态/s），以及1.2MHz和2.7MHz（两个重复率皆为3500次操作冲击瞬态/s）。一般而言，抗扰性试验根据干扰的频率、幅度、能量和重复率而定。不过，由于实测得的辐射干扰幅度远小于标准试验水平，因此不必在试验中同时考核所有参数要求。以IEC标准为基础，对于安装了STATCOM补偿器的变电站，其中二次电子设备及通讯设施的抗扰性试验频率和重复率推荐为：10kHz（重复率至少4次操作冲击瞬态/s）和10MHz（重复率至少4000次操作冲击瞬态/s），加上标准中已有的100kHz（重复率至少40次操作冲击瞬态/s）和1MHz（重复率至少400次操作冲击瞬态/s）。考虑到现实中试验设备的限制，10kHz的此类实验可能不太实际，此试验要求应尽可能地体现在传导干扰标准61000-4-12（振荡波抗扰性试验：Oscillatorywavesimmunitytest）规定的等效试验中。因此推荐增加的试验频率与重复率为10MHz（重复率至少4000次操作冲击瞬态/s）。所有这些频率与重复率下的阻尼振荡波辐射抗扰性试验，对于安装在距离STATCOM变电站母线2m范围内的电子设备都是必须的。
7结论
（1）在一个英国国家电网公司所属的典型STATCOM变电站中对其电磁辐射进行了测试，并将干扰分析数据在时域和频域上与常规SVC产生的辐射干扰进行比较，但就辐射强度而言，表明STATCOM变电站的电磁兼容性较好。
（2）将辐射干扰数据与IEC标准比较分析后指出，对于安装了典型STATCOM补偿器的变电站，其中二次电子设备和通信设施的阻尼振荡波电磁抗扰性试验，应建议增加两项内容：10kHz（重复率至少4次操作冲击瞬态/s）和10MHz（重复率至少4000次操作冲击瞬态/s）。
（3）对STATCOM补偿器产生高频电磁辐射的原因做了初步理论分析，但需要更详细的电磁兼容建模来定量研究和验证。基于实测的辐射干扰数据，未来研究工作将集中在如何合理地建立STATCOM变电站的高频电磁兼容模型，实现电磁辐射干扰的预测，以利于现代FACTS变电站的无扰综合优化设计。
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