（1．山东年夜学电气工程学院，山东济南250061；
2．清华年夜学机电系，北京100084；
3．英国Strathclyde年夜学机电系，Glasgow，G11XW，UK）摘要：安装新型FACTS装备变电站的电磁兼容情况需要重新评估，以提出足够的电磁抗扰性措施。运用电磁场天线和光纤传输等技术，对一个典型的STATCOM变电站进行了现场测试和分析，成效讲明STATCOM的高频电磁辐射集中在10kHz~5MHz，STATCOM变电站的电磁兼容性要好过安装常规SVC装备的变电站。将丈数据与当前电工委员会的IEC61000－4系列电磁兼容尺度进行了相关比力，针对基于STATCOM的电磁辐射干扰提出两项抗扰性实验的具体改良建议。初步理论分析指出，GTO阀的开关特征和STATCOM结构的杂散参数是发生高频辐射干扰（谐波以上）的主要缘由。
关头词：电磁兼容测试；静态同步抵偿器；辐射干扰；电磁抗扰性
1引言
电力电子技术的快速成长为开发柔性交流输电系统（FACTS）装备提供了可行性和机遇，从而更好地哄骗现有电力系统。经由过程运用年夜功率电力电子器件，如门极关断晶闸管（GTO）、门极换流晶闸管（GCT）和尽缘栅双极晶体管（IGBT）等，可以使开发的FACTS装备有用地实现电力潮水控制、负载同享和电压调理、提高暂态稳定性并抑制电力系统振荡等。静态同步抵偿器（STATCOM）就是FACTS装备的一种，它一般基于哄骗脉宽调制技术（PWM）对GTO阀进行可控开关操作。与常规的静态无功抵偿器（SVC）相比，STATCOM可以有用地削减系统谐波并实现加倍柔性、鲁棒性的瞬时功率交换和抵偿。
由于GTO阀的频仍快速操作，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懦弱的电子控制单元和通讯举措措施的正常工作带来潜在威胁，甚至可造成整个系统的故障。是以需要对安装了STATCOM的现代新型变电站的电磁兼容情况进行测试和评估，并接纳适当地电磁抗扰性措施以保证所有的二次控制装备正常运行。在电工委员会（IEC）的IEC61000－4系列尺度[1-3]中有辐射抗扰性实验的相关划定，但这些实验水平只是一般性的指导原则，未必适合于一些特定场所。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的电磁干扰比力；提取STATCOM辐射干扰特征并与现今IEC电磁兼容尺度进行比力，提出更合理可行的电磁抗扰性（EMS）实验水平。
2丈系统
辐射干扰的丈系统见图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障车[4-5]。研究重点集中在STATCOM中GTO快速开关发生的干扰特征，是以工频与谐波将不在测试范围内。天线和数字示波器的拔取基于对变电站的初步现场丈和分析而定。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征。表1列出了组成丈系统的主要装备。 丈的准确度遭到所用天线频域特征（天线系数不恒定）的影响，是以凭据天线的特征响应曲线采用了数学建模和数字校正方式，并综合斟酌一些不肯定身分（如温度、湿度和随机影响等），可以使丈误差在丈的频率范围内限制在5之内。
具体丈时，电磁场天线安装在变电站主母线和STATCOM进口母线下面，并凭据电磁场标的目的准确定位天线的测试位置。凭据分歧的母线高度，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障车内以免其它外来干扰。天线和屏障车之间由光纤传输旌旗灯号。
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域的一个典型STATCOM变电站作为被测对象，其抵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在抵偿器“浮动（零抵偿）”状态时工作电流不年夜。当容性抵偿需求年夜于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变换器双方与缓冲电抗器相连，它由单相多联链式电路组成多级结构以尽削减谐波。基于PWM技术，此三相变换器在一个工频周期内要发生96个开关暂态脉冲。 辐射电磁干扰丈时的做法是，在系统操作允许的范围内，首先改变抵偿器的一系列分歧Mvar输出设定（如 95Mvar， 150Mvar等），记实各个稳态下的辐射干扰波形。另外为捕捉可能的坏电磁干扰情形，在抵偿器Mvar输出阶跃变化（如 100Mvar→ 110Mvar）的某些瞬态也进行了干扰测试。
4数据分析方式
相对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自己的参数特征，数据分析将集中在5kHz以上的电磁辐射干扰。凭据对STATCOM电磁辐射的初步分析，决议用两个频率范围来描写其辐射干扰的特征：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开关操作所发生的高频辐射份的更多细节。在数据处置中对时域旌旗灯号序列运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份。在每一个实验中被选中分析的瞬态冲击脉冲，是为了获得年夜可能的电磁辐射干扰特征。
由于变电站中母线高度和丈天线的设置高度各不不异，同时也为便于干扰数据进行横向比力，所有的辐射干扰分析数据都进行了回一化，即转换成离被测母线2m处的电场和磁场值。
5分析成效与计议
5.1瞬态开关冲击及其频率特征
如第3节所述，凭据设计GTO阀发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，这是由于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、单个冲击延续时间和单个冲击内脉冲数目。 从表2可以看出，此STATCOM无功抵偿器发生的电磁辐射主要频率份包括：12kHz，80kHz，1.2MHz和2.7MHz，且实测得电场和磁场辐射的高频率不跨越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抵偿器无功输出年夜小的统计关系。图中，在近似统一个Mvar输出处多个直方条暗示分歧实验中测得的电磁辐射强度范围；而当统一个Mvar输出下进行屡次实验时，直方条会重合，但其中的横向标识表记标帜代表分歧次实验中所测得的年夜辐射强度。
从直方图统计中可见，年夜的电场和磁场辐射总是泛起在抵偿器输出为 95Mvar的时辰，这是由于此时STATCOM自己有较年夜的感性输出（-55Mvar），很是接近于其年夜的感性无功输出值（-75Mvar)。而当抵偿器总输出划分为0Mvar或 195Mvar时，STATCOM的无功输出划分为感性–23Mvar或容性 45Mvar。前一种情况是抵偿器的零输出状态，此时STATCOM经由过程较小的感性电流；后一种情况处于STATCOM的容性输出区，此时经由过程它的容性电流一般要小于感性输出时的电流，固然还有其它缘由。 5.3与常规SVC比力
与其它四个常规SVC变电站测得的电磁辐射特征相比力[7]，可以获得以下结论。
首先，不管常规SVC仍是STATCOM抵偿器，其发生的电磁辐射干扰频率都不跨越5MHz，且年夜干扰强度总是发生在晶闸管控电抗器（TCR）或STATCOM（抵偿器的主体）输出年夜感性无功时。
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抵偿器却能发生每工频周期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。
后，常规SVC与STATCOM抵偿器发生的电磁辐射强度有所分歧。在低频区(5k~100kHz)，常规SVC变电站中记实到年夜8./m和230V/m的磁场和电场辐射，而在STATCOM变电站中只测得0./m和37V/m的辐射干扰强度。在高频区(100k~5MHz)，图12和13示出了两种分歧类型的抵偿器电磁辐射干扰的分歧，讲明STATCOM的辐射干扰水平只有常规SVC的1/6~1/4。是以就干扰强度而言，STATCOM抵偿器的电磁兼容性要好过常规的SVC。 5.4干扰缘由初步分析
关于一般电力电子运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抵偿器的高频辐射干扰机制，经初步分析有两种身分，一是GTO阀的固有开关特征，二是STATCOM结构自身的杂散电容形成的RLC环路高频振荡。
GTO器件的开关时间凡是只有几个微秒，是以理论上将发生几兆赫兹的电磁干扰。另外，STATCOM自己的杂散电容也会对高频辐射干扰有所进献。图14给出了用于初步分析的等效模子，其中滤波器和TSC被疏忽失落，是由于它们或固定与系统毗连，或完全通或断。STATCOM的GTO变换器可以看做一个受控的电容C，L暗示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划分为电源电感与电阻。此等效模子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，其中频率高的份由L和CS发生
具体计较讲明，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发生约2.2MHz的杂散高频振荡，从而造成不异频率的空间辐射干扰。 当STATCOM稳态输出感性无功时，电感L贮存的能较年夜，响应的杂散振荡的幅度也年夜；而当STATCOM稳态输出容性无功时，电感L贮存的能较小，响应的杂散振荡的幅度也小，此时高频辐射将主要来历于GTO的开关特征。这可以从一个方面诠释为什么总在抵偿器的感性输出区丈到年夜电磁辐射干扰，而不是在其容性输出区。
不外，要具体肯定GTO开关操作和杂散振荡各自发生的电磁辐射水平，还需要进一步加倍细致的电磁兼容建模。
6电磁抗扰性实验建议
6.1概述
据丈和分析获得的STATCOM抵偿器的电磁辐射干扰，可与IEC现有的一般电磁兼容实验尺度进行比力，并就电磁抗扰性实验提出具体建议。
6.2IEC61000-4-3尺度（射频电磁辐射抗扰性实验：RadiatedRadio-frequencyelectromagneticfieldimmunitytest）
此抗扰性实验主要适用于对四周的发射机、接收机和其它分歧的工干扰源发生的电磁辐射具有敏感性的装备。本实验以考核电场辐射为主，实验频率为80~1000MHz，尺度实验水等分别为1、3和10V/m.STATCOM抵偿器发生的电磁场辐射不在射频区，是以针对此尺度及其实验要求在电力系统变电站的运用没有改良建议。
6.3IEC61000-4-9尺度（脉冲磁场抗扰性实验：Pulsemagneticfieldimmunitytest）
此尺度实验用于模拟和考核在雷击或操作冲击瞬态发生的脉冲磁场下装备的抗扰性能。在被试的STATCOM变电站测得的年夜磁场辐射强度为0./m，远小于尺度的低实验水平（level3:100A/m），是以针对此尺度及其实验要求在电力系统变电站的运用没有改良建议。
6.4IEC61000-4-10尺度（阻尼振荡磁场抗扰性实验:Dampedoscillatorymagneticfieldimm-unitytest）
此尺度实验用于模拟高压变电站中开关操作引发的振荡磁场辐射。尺度实验水平为10、30和100A/m,振荡实验波形要求为：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，尺度的实验水平完全可以接受，但实验频率和重复率有所差异。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），和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，抗扰性实验凭据干扰的频率、幅度、能和重复率而定。不外，由于实测得的辐射干扰幅度远小于尺度实验水平，是以没必要在实验中同时考核所有参数要求。以IEC尺度为根蒂根基，对于安装了STATCOM抵偿器的变电站，其中二次电子装备及通讯举措措施的抗扰性实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），加上尺度中已有的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）。斟酌到现实中实验装备的限制，10kHz的此类实验可能不太现实，此实验要求应尽地体现在传导干扰尺度61000-4-12（振荡波抗扰性实验：Oscillatorywavesimmunitytest）划定的等效实验中。是以推荐增加的实验频率与重复率为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实验，对于安装在距离STATCOM变电站母线2m范围内的电子装备都是必需的。
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发生的辐射干扰进行比力，但就辐射强度而言，讲明STATCOM变电站的电磁兼容性较好。
（2）将辐射干扰数据与IEC尺度比力分析后指出，对于安装了典型STATCOM抵偿器的变电站，其中二次电子装备和通讯举措措施的阻尼振荡波电磁抗扰性实验，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抵偿器发生高频电磁辐射的缘由做了初步理论分析，但需要更具体的电磁兼容建模来定研究和验证。基于实测的辐射干扰数据，未来研究工作将集中在若何合理地建立STATCOM变电站的高频电磁兼容模子，实现电磁辐射干扰的展望，以利于现代FACTS变电站的无扰综合化设计。 参考文献[1]IEC61000-4-3：1997，EMCpart4:testingandmeasurementtechniques，section3：radiated，radiofrequency，electromagneticfieldimmunitytest[S]．
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