柔性直流换流系统宽频建模及电磁骚扰特性的研究

This research is based on the converter system in VSC-HVDC station. Wideband equivalent circuits and antenna model are presented to study the characteristics of conductive and radiative electromagnetic disturbance. And the research methods include theoretical calculation, simulation and experimental measurement. The contents of this project are as follows: (1) macro modeling method of IGBT considering on and off transient process; (2) extraction method of stray capacitances and inductances in the valve system; (3) wideband equivalent circuits of the key equipments in the converter system, such as converter transformer, inductors, filters and capacitors; (4) predictive calculation methods of conducted and radiative electromagnetic disturbance; (5) experimental study of converter system and measurement of conductive and radiative electromagnetic disturbance. The research results can improve and expand the wideband modeling methods of power electronics devices and equipments. The study of the characteristics of conductive and radiative disturbances can be used to guide the shielding effectiveness design of the valve hall and the control design of radio interference. Therefore, the research has important theoretical significance and engineering application value and can provide the necessary theoretical basis for China's own EMC design in VSC-HVDC station.

以柔性直流换流系统为研究对象，通过理论计算、仿真分析和试验研究等手段建立换流系统的宽频电路模型及天线模型，研究其传导和辐射电磁骚扰特性。主要研究内容包括：（1）考虑开通和关断瞬态过程的柔性直流功率器件IGBT宏模型的建立方法；（2）换流阀系统的各项寄生参数的提取方法；（3）换流系统内换流变压器、换相电抗器、滤波器、电容器等关键设备的宽频模型的建立方法；（4）传导电磁骚扰和辐射电磁骚扰特性预测计算方法；（5）搭建柔性直流换流系统实验平台，对传导和辐射电磁骚扰开展试验研究。本项目的研究成果是对电力电子器件及其相关设备宽频建模理论的完善和拓展，可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参考，为推动我国柔性直流换流站电磁兼容自主化设计提供必要的理论依据。

柔性直流换流系统主要由IGBT换流阀系统、换流变压器、电抗器、电容器及滤波器组成等构成。IGBT阀体周期性的导通与关断过程中，施加在阀体两端的电压和通过阀体的电流会发生极快的变化，产生前后沿很陡的脉冲。这种高幅值、快速变化的电压和电流一方面通过联结变压器和电抗器分别在交流侧和直流侧形成传导电磁骚扰，另一方面通过换流阀本体、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。.因此，建立柔性直流换流系统IGBT换流阀及其关键设备的宽频等效电路模型和天线模型，准确模拟电磁骚扰源特性，研究传导电磁骚扰传播规律和以及空间辐射电磁骚扰的分布特性，提出相应的滤波及屏蔽措施。其研究具有重要的理论意义和实际应用价值，可为柔性直流换流系统的电磁兼容设计奠定理论基础。.项目以柔性直流系统的宽频建模以及传导和辐射电磁骚扰特性为研究对象，主要研究内容及成果如下：.（1）使用网络分析仪对IGBT模块进行了测量，采用遗传算法，建立了未工作时IGBT模块的宽频电路模型；通过求解双极扩散方程，对IGBT特性进行了理论分析，获得了各主要参数的影响程度，对电压电流公式进行了简化，最后对比验证了稳态暂态模型的准确性；.（2）基于点对点阻抗理论，建立了柔性直流换流系统关键设备的宽频模型，包括变压器、滤波器、电抗器等；对雷电波作用下系统内部电压响应进行了计算与分析，通过实验验证了所建宽频模型的准确性； .（3）基于华北电力大学新能源实验室VSC-HVDC换流系统的实验平台，分析了VSC-HVDC换流系统的结构，开展了传导电磁骚扰和辐射电磁骚扰特性的测量工作，获得了柔性直流换流系统的电磁骚扰特性；.（4）建立了柔性直流系统传导电磁骚扰宽频电路模型，分析了各主要设备对电磁骚扰的衰减特性；.（5）采用天线理论与矩量法相结合的电磁场计算方法，将换流系统的金属导线、金属面、元器件分别用细线天线、面天线、端口进行等效，并采用矩量法进行剖分，将柔性直流换流系统这类电大尺寸物体的电磁辐射离散化处理，分别计算了两电平换流系统以及49电平换流系统辐射电磁骚扰水平；.（6）将优化理论应用到MMC子模块PCB中，从电源完整性、信号完整性及电磁兼容等方面对MMC子模块PCB电路板进行了优化。