基于静态同步补偿器的变电站中电磁辐射测试分析_电工技术

基于静态同步补偿器的变电站中电磁辐射测试分析

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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，C_S 代表其缓冲电抗器的杂散电容（C>> C_S），而L_T和R_T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C_S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。
6.2 IEC 61000-4-3标准（射频电磁辐射抗扰性试验：Radiated Radio-frequency electromagnetic field immunity test）
        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。
6.3 IEC 61000-4-9 标准（脉冲磁场抗扰性试验：Pulse magnetic field immunity test）
        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。
6.4 IEC 61000-4-10标准（阻尼振荡磁场抗扰性试验: Damped oscillatory magnetic field imm-unity test）
        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：Oscillatory waves immunity test）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。