CN109921451B - 柔直换流阀内部弱电电路电磁干扰电流的评估方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔直换流阀内部弱电电路电磁干扰电流的评估方法及应用，包括以下步骤：获取柔直换流阀的模块化多电平换流器拓扑，并构建获得柔直换流阀的电势分布仿真模型；获取柔直换流阀的空间寄生电容分布模型及空间寄生电容参数值；推导获得弱电敏感性电路电磁干扰电流的计算公式通过电磁干扰电流计算公式，计算获得待评估柔直换流阀的各个子模块的各弱电敏感性电路的电磁干扰电流的计算值，根据电磁干扰电流的计算值完成评估。本发明能够对柔直换流阀内部弱电电路干扰电流大小做出准确预测，计算效率较高，可用于找出最易受干扰弱电电路，以便进行针对性保护。

Description

柔直换流阀内部弱电电路电磁干扰电流的评估方法及应用

技术领域

本发明属于柔性直流输电技术领域，特别涉及一种柔直换流阀内部弱电电路(PCB)电磁干扰电流的评估方法及应用。

背景技术

新型的柔性直流输电技术相比于传统的直流输电技术，没有无功补偿、换向失败等问题，既适合小容量输电***，也适合远距离大容量输电，更适合异步联网，是输配电技术领域的一项重大突破。同时，模块化多电平换流器以其低成本、低损耗、低谐波畸变率的优势在柔性直流输电中得到了广泛的应用，已经成为柔性直流输电工程的主流换流阀拓扑结构。

目前，基于柔直换流阀的电磁干扰研究大多关注于远场电磁辐射，这些研究忽略换流阀内部电磁场，将换流阀子模块视为天线，集中研究其对于外部工作人员及设备的安全影响。少部分考虑内部电磁场的研究，也仅停留在研究主电路电磁干扰的层面上，对于弱电电路无能为力。但相比于传统的换流器，大量的开关噪声在大规模柔直换流阀中，尤其是子模块间造成了复杂多变的强电磁干扰环境，距离阀开关最近的弱电电路受电磁干扰，会导致开关误动作或不响应，对于子模块的正常工作造成了极大的影响。

综上，亟需一种快速计算弱电电路电磁干扰电流的计算评估方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔直换流阀内部弱电电路电磁干扰电流的评估方法及应用，以便能够通过评估不同子模块弱电电路受到的电磁干扰等级，直接定位出最易受干扰弱电电路，在技术手段无法直接避免受干扰弱电电路误输出的情况下，从源头对最易受电磁干扰弱电电路进行保护提供指导性意见。本发明能够对柔直换流阀内部弱电电路干扰电流大小做出准确预测，计算效率较高，可用于找出最易受干扰弱电电路，以便进行针对性保护。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种柔直换流阀内部弱电电路电磁干扰电流的评估方法，包括以下步骤：

S1，根据待计算柔直换流阀的桥臂子模块数及子模块电压，获取柔直换流阀的模块化多电平换流器拓扑，并构建获得柔直换流阀的电势分布仿真模型；

S2，根据步骤S1获得的电势分布仿真模型获得柔直换流阀的空间寄生电容分布模型及空间寄生电容参数值；

S3，通过步骤S2获得的空间寄生电容分布模型及步骤S1获取的模块化多电平换流器拓扑，推导获得弱电敏感性电路电磁干扰电流的计算公式；

计算公式的表达式为：

式中，I_i第i个子模块对应弱电电路耦合的电磁干扰电流，n单个桥臂上子模块总数，j桥臂子模块由低电势到高电势的编号，k∈[1，j]，η_j第j个子模块的干扰电流权重系数，C_ij第i个弱电电路和第j个子模块之间的寄生电容，U_k第k个子模块的电压；

S4，通过步骤S3推导获得的电磁干扰电流计算公式，计算获得待评估柔直换流阀的各个子模块的各弱电敏感性电路的电磁干扰电流的计算值，根据电磁干扰电流的计算值完成评估。

本发明的进一步改进在于，还包括计算公式的验证，具体包括：

根据空间寄生电容参数值构建模块化多电平换流器电路仿真模型，通过模块化多电平换流器电路仿真模型获取每个子模块的各弱电敏感性电路的电磁干扰电流的仿真值；通过将每个子模块内各弱电敏感性电路的电磁干扰电流的计算值与仿真值相比较，完成计算公式的验证。

本发明的进一步改进在于，步骤S3中，考虑到不同子模块开关时间的错位和开通关断时干扰电流方向的不一致，系数η_j从-1到1取值。

本发明的进一步改进在于，忽略子模块之间的耦合效应，仅考虑子模块开通关断时的电压变化，并假定每个子模块的额定电压一致，电磁干扰电流计算公式的表达式为：

式中，U——子模块额定电压；

其中：x为与子模块在特定时刻运行方式相对应的常数：开通时x＝1，关断时x＝-1，不动作x＝0，m为桥臂子模块运行常数由低电势到高电势的编号，m∈[1，j]。

本发明的进一步改进在于，U_k为低电势到高电势的每个子模块电压，其中k∈[1，j]；U_k根据待计算的柔直换流阀的实际工况确定。

本发明的进一步改进在于，步骤S1中，

模块化多电平换流器的桥臂采用子模块级联的方式，每个桥臂由多个子模块和一个串联电抗器组成，同相的上下两个桥臂构成一个相单元；

采用阶梯波的方式来逼近正弦波，根据不同柔性直流输电工程的要求选择桥臂子模块数目和电压等级。

本发明的进一步改进在于，步骤S1的建模过程中，在电势分布仿真模型中构建有代表子模块开关不同电极及代表驱动芯片不同电源层与地的铜层，并根据实际运行工况赋电压值。

本发明的进一步改进在于，电势分布仿真模型通过ANSYS Maxwell软件构建；模块化多电平换流器电路仿真模型可通过CadencePspice软件构建。

本发明所述的柔直换流阀内部弱电敏感性电路电磁干扰电流的评估方法的应用，用于计算实际运行的柔直换流阀内部不同子模块对应弱电电路上耦合到的电磁干扰电流值，评估不同弱电电路受到的电磁干扰等级。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的方法，利用电磁场仿真软件提取计算所需子模块与弱电电路PCB模型间的寄生电容矩阵及电容分布特性，根据模块化多电平换流器拓扑及寄生电容布局，借助近场辐射电磁干扰计算方法，推导弱电电路电磁干扰电流计算公式，根据寄生电容值，利用电路级仿真软件仿真干扰电流大小并与计算大小比对。本发明的考虑近场辐射电磁干扰研究方法，首次以阀内部弱电电路为研究主体，并基于模块化多电平换流器拓扑的特殊性，提出了弱电电路电磁干扰电流的计算方法；其在算法简便的基础上，不仅能够大大加强弱电电路电磁敏感性的直观程度，同时可指出不同开关弱电电路受干扰的程度，能够为针对性保护弱电电路，维持换流阀安全高效运行提供指导性意见和理论支持。

本发明的应用中，可用于快速计算实际运行的柔直换流阀内部不同子模块对应弱电PCB上耦合到的电磁干扰电流值，评估不同PCB受到的电磁干扰等级，准确定位最易受到电磁干扰影响的PCB，在技术手段无法直接避免受干扰PCB误输出的情况下，从源头对最易受电磁干扰PCB进行保护提供指导性意见。

附图说明

图1是本发明实施例的一种柔直换流阀内部弱电敏感性电路电磁干扰电流的计算方法的流程示意框图；

图2是本发明实施例中模块化多电平换流器拓扑示意图；

图3是本发明实施例中1000V额定电压下子模块之间的空间电势分布示意；

图4是本发明实施例中换流阀单个桥臂内部的多导体***示意图；

图5是本发明实施例中换流阀单个桥臂单层的共模等效电路示意图；

图6是本发明实施例中仿真得到的弱电电路正常驱动电流与干扰驱动电流波形对比示意图；

图7是本发明实施例中从低电势到高电势仿真与计算干扰驱动电流比较示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

请参阅图1，本发明实施例的一种柔直换流阀内部弱电敏感性电路电磁干扰电流的估计方法，包括以下步骤：

步骤1，构建待计算的柔直换流阀的电势分布仿真模型；根据获得的电势分布仿真模型获得该柔直换流阀的空间寄生电容分布模型及空间寄生电容参数值C_ij。电势分布仿真模型可通过ANSYS Maxwell软件构建。

在建模过程中，对于子模块及弱电电路工作芯片的铜层进行了着重考虑。根据子模块和弱电电路PCB的实际结构，在模型中特别构建了代表子模块开关不同电极及代表驱动芯片不同电源层与地的铜层，并根据实际运行工况赋值。

步骤2，获取待计算的柔直换流阀的模块化多电平换流器拓扑。

其中，模块化多电平换流器拓扑具体为：模块化多电平换流器的桥臂采用子模块级联的方式，每个桥臂由多个子模块和一个串联电抗器组成，同相的上下两个桥臂构成一个相单元；其采用阶梯波的方式来逼近正弦波，根据不同柔性直流输电工程的要求自主选择桥臂子模块数目和电压等级。

步骤3，通过空间寄生电容分布模型及模块化多电平换流器拓扑，推导获得电磁干扰电流I_i的计算公式，表达式为：

式中，I_i电磁干扰电流，n单个桥臂上子模块总数，j桥臂子模块由低电势到高电势的编号，k桥臂子模块电压由低电势到高电势的编号，η_j第j个子模块的干扰电流权重系数，此概念由本专利首次提出，C_ij第i个PCB和第j个子模块之间的寄生电容，U_k第k个子模块的电压。

为了确认公式与实际工况的一致性，对推导出的公式进行验证。

步骤4，根据空间寄生电容参数值构建获得模块化多电平换流器电路仿真模型，通过模块化多电平换流器电路仿真模型获取每个子模块电磁干扰电流的仿真值；模块化多电平换流器电路仿真模型可通过CadencePspice软件构建。

将空间寄生电容参数值代入推导出的电磁干扰电流的计算公式中，计算得到每个子模块电磁干扰电流的计算值；通过将每个子模块电磁干扰电流的计算值与仿真值相比较，进行公式验证。对比结果表明计算值与仿真值随子模块编号变化趋势一致，同时针对同一编号子模块，电磁干扰电流的计算值与仿真值差值在±1A以内，计算公式验证合格。

本发明的估计方法的应用，结合具体工况，针对不同的弱电电路，根据对应器件手册及规范，预设弱电电路误输出干扰电流阈值；计算公式验证合格后，通过计算公式计算各个子模块内部各个弱电敏感性电路的电磁干扰电流，计算效率较高；将得到的电磁干扰电流值与预设阈值进行比较，将高于阈值的电磁干扰电流值对应的PCB进行针对性保护。

实施例

本发明实施例中，以含200个子模块的柔直换流阀塔为例，来说明计算电磁干扰电流的结果，同时进一步说明本发明的技术方案。

模块化多电平换流器是近年新提出的换流器类型，与传统的电压源换流器以脉冲宽度调制为基本理论不同，其换流理论为阶梯波逼近，即采用子模块级联的方式构成每个桥臂，子模块越多，输出波形越逼近正弦波。这一特性使得模块化多电平换流器对于同样的直流电压，采用的开关器件数量更多，约为传统的两电平拓扑的2倍，在换流阀内部造成了更加复杂多变的强电磁干扰环境，阀内部的弱电电路受干扰，对于子模块的正常工作造成了极大的影响。

针对于阀内部弱电电路受电磁干扰问题，本发明提出一种电磁干扰电流计算和估计方法。

请参阅图2和图3，为了提取阀内部空间寄生电容参数，本发明基于InfineonFF450R17ME4 IGBT半桥模块建立了子模块模型，工作额定电压为1000V，并考虑到换流阀内部的强电磁场，对于子模块及弱电电路工作芯片的铜层进行了着重考虑。模块化多电平换流器阀塔拓扑如图2所示；相邻子模块之间电势分布的仿真结果如图3所示。

请参阅图4和图5，在提取出空间寄生电容参数的情况下，推导计算公式。为了推导公式更加简洁明了，考虑单桥臂12模块的模块化多电平换流器，其典型安装方式在保证高功率密度和低占地面积的考虑下如图4所示，紧凑的排布结构使其内部可以被视为一个多导体***。考虑到寄生电容相对面积大小和层间绝缘子的存在，最终简化共模等效电路如图5所示。其中：

C_ij(i＝1,2,3,4；j＝1,2,3,4)——第i个PCB和第j个子模块之间的寄生电容；通过电势分布仿真模型获得。

U_j(j＝1,2,3,4)——从低电势到高电势的每个子模块电压；根据待计算的柔直换流阀的实际工况确定。

假设弱电敏感性电路(PCB)上总电荷量不变，并且PCB在换流阀塔中的相对位置不变，即PCB对地等效电容值不变，PCB对地电势保持不变，表达式为：

式中，U为PCB对地电势，Q为PCB总电荷量，C为PCB对地寄生电容。

即对于图5传导路径而言，子模块电压变化全部施加在子模块对PCB寄生电容上，第i个PCB上的电磁干扰电流可以表达为：

其中：η_j(j＝1,2,3,4)——本发明提出的干扰电流权重系数，考虑到不同子模块开关时间的错位和开通关断时干扰电流方向的不一致，该系数从-1到1取值。

在现实考虑下，忽略子模块之间的耦合效应，仅考虑子模块开通关断时的电压变化，并假定每个子模块的额定电压一致，干扰电流的表达式可以简化为：

其中：

U——子模块额定电压；

同时，η可以通过式(5)来计算：

其中：x—与子模块在特定时刻运行方式相对应的常数：开通时x＝1,关断时x＝-1,不动作x＝0。

具体举例说明，假设在某一特定时刻，子模块1和3开通，子模块2和4不动作，η的值和干扰电流的表达式可以通过下面的公式表达：

请参阅图6和图7，为了说明本发明提出的干扰电流计算方法的有效性，建立了强弱电相结合的含200个子模块的模块化多电平换流器电路仿真模型。

假定某一时间子模块全部开通，可以得到图6所示的弱电电路干扰驱动电流波形。同时，根据寄生电容值和FF450R17ME4IGBT半桥模块的开关特性，依据本发明提出的计算方法计算出了不同电势子模块弱电电路PCB上的干扰电流值，图7展示了二者进行对比的结果，可以得到如下结论：

(1)基于近场辐射共模电磁干扰研究方法推导出的计算公式可以较好地吻合仿真结果，其趋势表现一致。

(2)对于高电势位置的子模块来说，其弱电电路PCB上的干扰电流十分大，需要进行针对性保护。

(3)对于最高电势的子模块来说，由于其位于边界处，干扰电流传导路径较少，所以干扰电流有部分降低。

综上，本发明为一种考虑近场辐射共模电磁干扰的柔直换流阀内部驱动控制等弱电电磁敏感性电路上干扰电流的估计计算方法；具体地，本发明基于近场辐射电磁干扰研究方法，结合模块化多电平换流器拓扑，在共模电路的基础上提出了一种计算弱电电路电磁干扰电流的计算方法，包括：提取计算所需阀内部弱电电路与子模块间寄生电容布局及参数；推导弱电电路电磁干扰电流计算方法；用所提出的计算公式进行弱电电路电磁敏感性预测。本发明实施例在提取出空间寄生电容的基础上，将计算结果与电路仿真结果进行对比，证实了结果的准确性。利用本发明的方法，可以直观地看到不同弱电电路的受干扰程度，并找到受电磁干扰影响最大的弱电电路，为后续针对性保护提供指导性建议。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种柔直换流阀内部弱电电路电磁干扰电流的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，根据待计算柔直换流阀的桥臂子模块数及子模块电压，获取柔直换流阀的模块化多电平换流器拓扑，并构建获得柔直换流阀的电势分布仿真模型；

S2，根据步骤S1获得的电势分布仿真模型获得柔直换流阀的空间寄生电容分布模型及空间寄生电容参数值；

S3，通过步骤S2获得的空间寄生电容分布模型及步骤S1获取的模块化多电平换流器拓扑，推导获得弱电敏感性电路电磁干扰电流的计算公式；

计算公式的表达式为：

式中，I_i为第i个子模块对应弱电电路耦合的电磁干扰电流，n为单个桥臂上子模块总数，j为桥臂子模块由低电势到高电势的编号，k∈[1，j]，η_j为第j个子模块的干扰电流权重系数，C_ij为第i个弱电电路和第j个子模块之间的寄生电容，U_k为第k个子模块的电压；

S4，通过步骤S3推导获得的电磁干扰电流计算公式，计算获得待评估柔直换流阀的各个子模块的各弱电敏感性电路的电磁干扰电流的计算值，根据电磁干扰电流的计算值完成评估。

2.根据权利要求1所述的一种柔直换流阀内部弱电电路电磁干扰电流的评估方法，其特征在于，还包括计算公式的验证，具体包括：

根据空间寄生电容参数值构建模块化多电平换流器电路仿真模型，通过模块化多电平换流器电路仿真模型获取每个子模块的各弱电敏感性电路的电磁干扰电流的仿真值；通过将每个子模块内各弱电敏感性电路的电磁干扰电流的计算值与仿真值相比较，完成计算公式的验证。

3.根据权利要求1所述的一种柔直换流阀内部弱电电路电磁干扰电流的评估方法，其特征在于，步骤S3中，考虑到不同子模块开关时间的错位和开通关断时干扰电流方向的不一致，系数η_j从-1到1取值。

4.根据权利要求1所述的一种柔直换流阀内部弱电电路电磁干扰电流的评估方法，其特征在于，忽略子模块之间的耦合效应，仅考虑子模块开通关断时的电压变化，并假定每个子模块的额定电压一致，电磁干扰电流计算公式的表达式为：

式中，U——子模块额定电压；

其中：x_m为与编号为m的桥臂子模块在特定时刻运行方式相对应的常数：开通时x_m＝1，关断时x_m＝-1，不动作x_m＝0，m为桥臂子模块运行常数由低电势到高电势的编号，m∈[1，j]。

5.根据权利要求1所述的一种柔直换流阀内部弱电电路电磁干扰电流的评估方法，其特征在于，U_k为低电势到高电势的每个子模块电压，其中k∈[1，j]；U_k根据待计算的柔直换流阀的实际工况确定。

6.根据权利要求1所述的一种柔直换流阀内部弱电电路电磁干扰电流的评估方法，其特征在于，步骤S1中，

模块化多电平换流器的桥臂采用子模块级联的方式，每个桥臂由多个子模块和一个串联电抗器组成，同相的上下两个桥臂构成一个相单元；

采用阶梯波的方式来逼近正弦波，根据不同柔性直流输电工程的要求选择桥臂子模块数目和电压等级。

7.根据权利要求1所述的一种柔直换流阀内部弱电电路电磁干扰电流的评估方法，其特征在于，步骤S1的建模过程中，在电势分布仿真模型中构建有代表子模块开关不同电极及代表驱动芯片不同电源层与地的铜层，并根据实际运行工况赋电压值。

8.根据权利要求2所述的一种柔直换流阀内部弱电电路电磁干扰电流的评估方法，其特征在于，电势分布仿真模型通过ANSYS Maxwell软件构建；模块化多电平换流器电路仿真模型可通过Cadence Pspice软件构建。

9.一种权利要求1所述的柔直换流阀内部弱电电路电磁干扰电流的评估方法的应用，其特征在于，用于计算实际运行的柔直换流阀内部不同子模块对应弱电电路上耦合到的电磁干扰电流值，评估不同弱电电路受到的电磁干扰等级。

Images