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IEC 61000－4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（Filter Bank，+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。
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