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中电普瑞闻福岳等:柔直换流阀子模块控制器EMC能力提升研究

柔直换流阀子模块控制器EMC能力提升研究

闻福岳1,2,卢昭禹1,2*,曹均正1,2,朱欢1,2,韩磊1,2,杜宇鹏1,2

(1. 中电普瑞电力工程有限公司;2. 北京市直流输配电工程技术研究中心)

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本文发表在《全球能源互联网》2020年第3期,受国家电网公司科技项目“高压大容量柔性直流工程换流阀标准化设计与可靠性提升技术研究”资助。

文章导读

近年来,随着柔性直流输电技术的迅速发展,柔直换流阀在电力系统中的应用越来越多,电压等级和容量也越来越大。柔直换流阀中采用的IGBT器件的开通关断过程非常迅速,一般为微秒级,因此在开关过程中会产生较多的高频分量,对IGBT控制驱动板卡造成强电磁干扰,特别是在开关高电压、大电流时,影响更加明显,因此对换流阀子模块控制器的电磁兼容性能提出严峻挑战。

文章亮点

1)利用时域有限差分计算软件,分析了柔直换流阀运行时产生的电磁干扰强度,对电磁兼容试验标准选定具有指导意义;

2)结合仿真分析结果和已有的研究测量结果,根据干扰特性设计了子模块控制器的2项电磁兼容试验;

3)通过试验结果分析,优化子模块控制器的电路参数和试验布局,对控制器的电磁兼容性能进行了提升和验证。

摘要

柔性直流输电换流阀所用的核心器件绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的开关速度很快,IGBT开关过程中会产生强烈的电磁骚扰,加上雷击等瞬态骚扰,导致阀厅形成非常规的强电磁骚扰环境。子模块控制器作为子模块的控制和保护单元,属于低压信号设备,位于高压端子模块本体上,负责接收阀基控制器的开关指令和子模块本体的控制保护,因此电磁兼容(EMC)性能面临着严峻考验。为提升换流阀子模块控制器的EMC能力,对换流阀子模块周围电磁环境进行了仿真分析,并根据分析结果和相关标准,制定了控制器相关EMC试验参数,对控制器进行了针对性的电磁骚扰试验考核。系统分析并优化电路和试验方法,顺利通过浪涌抗扰度试验和射频场感应的传导骚扰抗扰度试验, 并在实际工程应用中得到了验证。

主要内容

子模块控制器是换流阀模块的核心控制和保护单元,包含了微处理器、逻辑门等低压、高频操作元器件,属于柔直换流阀阀厅的二次控制设备。

图1 子模块控制器接口示意图

使用时域有限差分计算软件,对4500V/3000A IGBT开关过程的电磁场强度进行了仿真分析,IGBT开关动作产生的强瞬态场强分布如图1所示,仿真条件为子模块运行在电压2500V,统计场强高于10V/m的时间约占20%。

图2 4500V/3000A IGBT开关时场强分布

子模块控制器使用了浪涌吸收元件,浪涌吸收元件在低电压浪涌时不会动作,高电压等级的浪涌试验必须涵盖全部低电压等级试验,以检验浪涌吸收元件不动作的情况下设备是否可以正常工作。

图3 浪涌试验布置

控制器与电容、旁路开关、保护晶闸管的接口均为电信号接口,在阀厅中可能会接收到射频场辐射产生的传导干扰。试验时除了被测线路外,辅助设备与被测设备之间都需要安装去耦合装置,避免试验时辅助设备被干扰,影响测试结果。

图4射频传导抗扰度试验实物图

本文根据柔直换流阀阀厅的电磁骚扰特性,对子模块控制器进行了针对性的EMC能力考核,得到如下结论。

1

柔直换流阀阀厅电磁环境复杂,主要包含了浪涌干扰和辐射干扰;

2

子模块控制器过压保护电路作为子模块的主保护电路,对浪涌等高能量干扰比较敏感,合理配置缓冲器的延时是必要的,否则可能引起保护误动作,本文中通过增加缓冲器的延时,提高了子模块控制器的抗浪涌干扰能力;

3

射频场感应的传导骚扰抗扰度考核的是子模块外部导线,在特定频率段,干扰会影响高压电源的输出,本文通过延长高压电源与控制器之间的连接线,使电源远离干扰源,控制器通过测试。

该控制器的设计已经应用于厦门示范工程、渝鄂背靠背联网工程,换流阀运行状态良好,未发生因子模块控制器受电磁骚扰而旁路的子模块,进一步验证了控制器EMC能力提升的有效性。


本文引文信息

闻福岳,卢昭禹,曹均正,等. 柔直换流阀子模块控制器EMC能力提升研究[J]. 全球能源互联网,2020,3(3):248-254.


WEN Fuyue, LU Zhaoyu, CAO Junzheng, et al. Improvement of EMC capability of the submodule’s controller in the VSC-HVDC converter[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2020, 3(3): 248-254 (in Chinese).

作者简介


闻福岳


高级工程师


研究方向为直流输电和高电压技术

E-mail:

wenfuyue@sgepri.sgcc.com.cn



卢昭禹


中级工程师


研究方向为电力电子技术及其应用。通信作者

E-mail:

luzhaoyu@sgepri.sgcc.com.cn



曹均正


教授级高级工程师


研究方向为特高压直流输电、柔性直流输电、直流电网技术

E-mail:

caojunzheng@sgepri.sgcc.com.cn



朱欢


中级工程师


研究方向为直流输电、高电压技术、电气设计

E-mail:

zhuhuan@sgepri.sgcc.com.cn



韩磊


工程师


研究方向为柔性直流输电可靠性提升及高电位板卡设计

Email:

hanlei1@sgepri.sgcc.com.cn



杜宇鹏


初级工程师


研究方向为直流输电和高电压技术

E-mail:

duyupeng@sgepri.sgcc.com.cn


研究团队

中电普瑞电力工程有限公司柔性直流输电技术研究团队有10多名科技人员,其中特聘专家1名,教授级高工2名。在特聘专家的带领下,承担了多项有关柔性直流输电技术方向的国家重大专项科技项目和国家电网公司科技项目,参与编制多项柔性直流输电工程换流阀设备相关标准。项目团队针对柔性直流输电换流阀关键技术及工程化应用技术开展了大量研究工作,发表论文10余篇,专利20多项,形成了系列研究成果,并在实际工程中得到成功应用。

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编辑:张宇

审核:白恺