化雨，陸佳政，譚艷軍，向往，文勁宇

(1.強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院)，武漢市 430074；2.湖南省電力公司試驗(yàn)研究院，國家電網(wǎng)公司輸變電設(shè)備防冰減災(zāi)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，長沙市410007)

不控整流型直流融冰裝置設(shè)計(jì)與仿真研究

化雨1，陸佳政2，譚艷軍2，向往1，文勁宇1

(1.強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院)，武漢市 430074；2.湖南省電力公司試驗(yàn)研究院，國家電網(wǎng)公司輸變電設(shè)備防冰減災(zāi)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，長沙市410007)

針對(duì)目前直流線路的直流融冰方法研究現(xiàn)狀，提出了一種基于雙24脈波不控整流器的直流融冰裝置，可以通過改變整流變壓器二次側(cè)電壓檔位以及整流器輸出連接方式來擴(kuò)大裝置融冰范圍。給出了詳細(xì)的直流融冰裝置設(shè)計(jì)方案，在PSCAD/EMTDC仿真軟件中搭建了直流融冰裝置模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性。

24脈波整流器；移相變壓器;直流融冰；高壓直流輸電；融冰參數(shù)

0 引 言

冰凍災(zāi)害對(duì)電力系統(tǒng)的直接影響是容易使輸電線路產(chǎn)生覆冰，線路覆冰容易導(dǎo)致絕緣子閃絡(luò)、倒塔、斷線等，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)闺娋W(wǎng)癱瘓，因此，輸電導(dǎo)線的除冰融冰是電力系統(tǒng)防冰抗災(zāi)的重點(diǎn)之一。目前國內(nèi)外已應(yīng)用和正在研制的除冰和融冰技術(shù)已有40余種，一般按照原理的不同將它們劃分為機(jī)械除冰、自然被動(dòng)除冰、熱力融冰和其他除冰方法。其中，熱力融冰是將電能轉(zhuǎn)換為熱能，通過在輸電線路上產(chǎn)生較大電流來提高導(dǎo)線溫度，使導(dǎo)線上的覆冰融化。熱力融冰有融冰時(shí)間短、操作簡易、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)[1]，已成為目前主流融冰方式。熱力融冰法又可以分為交流融冰和直流融冰。由于融冰電源容量限制，交流融冰一般只應(yīng)用于低壓等級(jí)電網(wǎng)中[2-3]，在220 kV及以上電壓等級(jí)電網(wǎng)中，一般采用直流融冰技術(shù)。一些常見線路在采用直流融冰方法時(shí)所需的電源容量如表1所示[3]。

目前國內(nèi)針對(duì)交流線路的直流融冰技術(shù)已較為成熟，如有湖南電網(wǎng)采用不控整流的直流融冰裝置[4]，江西電網(wǎng)基于電壓源換流器(voltage source converter，VSC)的直流融冰裝置[5]，以及重慶電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償兼直流融冰裝置[6]等。

表1 直流融冰法對(duì)電源容量要求

注：最小融冰電流計(jì)算環(huán)境溫度為-5 ℃，風(fēng)速為5 m/s，覆冰厚度為10 mm。

但是對(duì)于高壓直流線路的融冰問題，國際上并沒有成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)裝置，同時(shí)國內(nèi)的相關(guān)研究也較為初步。一些研究通過將換流器運(yùn)行在“保線方式”來獲得較大的運(yùn)行電流以防止線路覆冰，但是這種運(yùn)行方式需要對(duì)換流站的接線或控制方式進(jìn)行改變[1,7]。從表1可以看到，±500 kV超高壓直流線路要求的最小融冰電流是500 kV超高壓交流線路最小融冰電流的1.6倍，而±800 kV特高壓直流線路融冰電流則達(dá)到2.1倍，因此現(xiàn)有的針對(duì)交流線路的直流融冰裝置難以勝任。通過綜合考慮建設(shè)成本、裝置可靠性和可操作性等經(jīng)濟(jì)、技術(shù)問題，本文提出了以多脈波不控整流器為基礎(chǔ)的針對(duì)直流線路的直流融冰裝置。

本文首先介紹了直流線路直流融冰裝置的基本結(jié)構(gòu)與融冰方式，然后對(duì)直流融冰裝置的主要構(gòu)成部件即24脈波不控整流器進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)學(xué)建模和仿真研究，介紹了移相原理和仿真模型搭建方法，最后在PSCAD/EMTDC仿真軟件中搭建了直流融冰裝置的仿真模型，通過不同工況下的仿真結(jié)果驗(yàn)證了該裝置能夠滿足直流線路融冰的要求。

1 不控整流型直流融冰裝置設(shè)計(jì)

1.1 24脈波不控整流器融冰原理

直流融冰裝置僅在特定的情況下進(jìn)行工作[3]，年利用時(shí)間短。相比于更改換流站運(yùn)行與接線方式的復(fù)雜融冰手段，直流融冰裝置的操作應(yīng)簡單易行，并具有較高可靠性。從表1可以看出，直流線路融冰要求的融冰電源容量巨大，從經(jīng)濟(jì)上來看，只具有單一功能且年利用時(shí)間短的直流融冰裝置不適宜采用可關(guān)斷器件，因此本設(shè)計(jì)使用了不控整流器作為融冰電源主體。

由于采用了電力電子設(shè)備，融冰裝置運(yùn)行時(shí)將會(huì)對(duì)交流電網(wǎng)造成一定諧波影響，因此選擇采用24脈波移相變壓器，通過移相整流的辦法降低直流融冰裝置注入電網(wǎng)的諧波，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。裝置主要由整流變壓器和不控整流橋構(gòu)成。當(dāng)直流線路需要進(jìn)行融冰時(shí)，將直流融冰裝置接入220 kV電源，同時(shí)將需要融冰的線路在另一端短接，構(gòu)成融冰回路。

1.2 直流融冰裝置設(shè)計(jì)

以表 1中的貴州—廣州高壓直流輸電工程為例，該線路全長880 km，全線融冰所需的電源容量達(dá)到了484 MW。對(duì)于如此大的融冰功率需求，實(shí)現(xiàn)全線路一次融冰是不現(xiàn)實(shí)的；同時(shí)考慮到不可能整條線路都出現(xiàn)覆冰，因此可以考慮將融冰范圍縮減至線路長度的一半，通過分段融冰的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)與配置[3]。

圖1 24脈波整流器結(jié)構(gòu)圖

對(duì)不同長度線路進(jìn)行融冰時(shí)，直流融冰裝置應(yīng)該能夠根據(jù)不同的工作情況輸出不同的融冰電流。對(duì)于采用24脈波不控整流器的直流融冰裝置，除了可以通過調(diào)整變壓器分接頭來改變輸出電壓外，還可采用多臺(tái)24脈波不控整流器，通過改變它們的接線方式來調(diào)整輸出融冰電流。

綜合考慮經(jīng)濟(jì)和技術(shù)需求，可以采用2個(gè)相同的24脈波不控整流器構(gòu)成直流融冰裝置的方案，這樣不僅可以降低融冰裝置注入電網(wǎng)的諧波電流，也可以降低每個(gè)不控整流器的容量需求。對(duì)于覆冰線路長度較短的情況，可以采用“低壓檔位”+“整流器并聯(lián)”的方式降低融冰電流；對(duì)于長距離覆冰線路，可以采用“高壓檔位”+“整流器串聯(lián)”的方式提高線路兩端電壓，進(jìn)而提高融冰電流[8-9]，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 不同工況整流器接法與檔位

這種設(shè)計(jì)方案通過改變變壓器檔位和整流器接線方式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同長度覆冰線路的融冰，操作簡單、可靠。

采用上述方案，可以給出直流融冰裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)。一般直流線路的最小融冰電流為5.2 kA，緊急時(shí)最大融冰電流可以為9 kA[10-11]，本文主要考慮對(duì)直流線路的融冰，因此輸出電流設(shè)計(jì)為6 kA；融冰范圍按照輸電線路全長的一半長度考慮，設(shè)定直流融冰裝置的融冰范圍為85～450 km，即正負(fù)雙極線路總長度為170～900 km，根據(jù)式(1)可以計(jì)算得到整流器輸入交流線電壓有效值。

(1)

式中：I為融冰電流，取值范圍是5.5～9kA；L是覆冰線路長度；r是直流線路單位長度電阻，取0.009 95Ω/km；α是聯(lián)接系數(shù)，并聯(lián)時(shí)為1，串聯(lián)時(shí)為2。

計(jì)算得到整流器輸出電壓低壓和高壓檔位分別應(yīng)為15.22kV和24.63kV，裝置參數(shù)以及4種組合情況的融冰范圍計(jì)算結(jié)果如表2所示，可以看出4種搭配方式可以實(shí)現(xiàn)180～900km長度導(dǎo)線的全部覆蓋。

表2直流融冰裝置參數(shù)設(shè)計(jì)

Tab.2ParameterdesignofDCde-icingdevice

根據(jù)表1內(nèi)容，如果要對(duì)貴州—廣州的±500 kV高壓直流輸電線路的一半長度進(jìn)行融冰工作，所需的電源容量至少應(yīng)為242 MW，但是當(dāng)采用文中所提的直流融冰裝置時(shí)，在“高壓檔位串聯(lián)”這種工況下，會(huì)出現(xiàn)融冰功率增大的情況。這是由于直流融冰裝置直流側(cè)輸出電流不受控制，當(dāng)對(duì)較短線路進(jìn)行融冰時(shí)，裝置輸出融冰電流會(huì)增大，進(jìn)而導(dǎo)致融冰功率增大，如圖3所示。

2 仿真研究

直流融冰裝置核心部分為24脈波不控整流器，整流器由4組移相角度不同的6脈波整流器并聯(lián)構(gòu)成，4組整流器應(yīng)分別移相-22.5°、-7.5°、7.5°、22.5°[12-14]。常見的變壓器移相接線可以分為延邊三角形接線法、曲折星形接線法和自耦變壓器接線法。

圖3 融冰裝置所需電源與線路長度關(guān)系

由于延邊三角形接線法無法在高壓側(cè)提供接地點(diǎn)，無法應(yīng)用于高壓系統(tǒng)中，因此本文主要對(duì)曲折星形接線法的移相變壓器進(jìn)行研究。

2.1 曲折星形移相變壓器

曲折星形移相變壓器由移相繞組與主繞組采用曲折形連接而實(shí)現(xiàn)。如果將主繞組和移相繞組的合成電壓相量豎直向上繪出，那么主繞組電壓相量根據(jù)2個(gè)繞組連接方式的不同，可以在合成電壓相量的左側(cè)或右側(cè)，即為左移曲折形繞組與右移曲折形繞組。主繞組與合成繞組電壓相量之間的夾角稱為移相角。采用曲折形實(shí)現(xiàn)移相的繞組聯(lián)結(jié)示意圖與電壓相量圖如圖 4所示。

圖4 曲折形繞組聯(lián)結(jié)與電壓相量圖

在左移曲折形繞組中，由于移相繞組(A′x)的作用，使主繞組(AA′)的電壓相量向左移了一個(gè)相位角α，而在右移曲折形繞組中，由于移相繞組(A′x)的作用，使主繞組(AA′)的電壓相量向右移了一個(gè)相位角α。

由于在PSCAD/EMTDC下沒有專門的曲折星形變壓器，但是可以采用雙繞組變壓器按照相量圖通過一定的接線方法實(shí)現(xiàn)曲折星形變壓器模型，如圖5所示。

圖5 移相角度與繞組連接形式

由圖4所示的移相繞組、主繞組以及主移合成繞組電壓相量圖，可知移相繞組電壓與合成電壓關(guān)系為

(2)

主繞組電壓與合成電壓關(guān)系為

(3)

此24脈波的4個(gè)整流器中不含有均衡電抗器，根據(jù)文獻(xiàn)[15]，整流電壓平均值與整流電壓的傅里葉分解式分別為式(4)和式(5)。

(4)

k=1,2,3…

(5)

如前文圖1所示，圖1中的移相繞組即為圖4所示的變壓器組，為了使各個(gè)不控整流器輸入電壓一致，需要在移相繞組后接降壓繞組，降壓繞組采用Y/△接線，可以減小饋入電網(wǎng)中的三次諧波。

2.2 24脈波整流器模型搭建

搭建好移相變壓器與降壓變壓器模型后，再加入不控整流橋模型，即可得24脈波整流器模型。整流器相應(yīng)參數(shù)如表3所示。

表3 24脈波整流器參數(shù)表

24脈波整流器空載運(yùn)行時(shí)，其直流輸出電壓及其諧波波形如圖 6所示，可以看出在1個(gè)周期內(nèi)直流電壓出現(xiàn)24個(gè)波頭，其中1 200 Hz即24次諧波值最大，與式(5)中計(jì)算的諧波次數(shù)相符合。

圖7表示各個(gè)支路二次側(cè)線電壓相位角，可以看出模型中移相角度達(dá)到了所設(shè)計(jì)的角度值，說明所搭建的多脈波整流器能夠正常產(chǎn)生24脈波。

2.3 直流融冰裝置仿真驗(yàn)證性

對(duì)所搭建的24脈波不控整流器進(jìn)行驗(yàn)證后，將其應(yīng)用于直流融冰裝置中，圖8給出了對(duì)500 km線路采用低壓檔串聯(lián)時(shí)的仿真結(jié)果，其中網(wǎng)側(cè)電壓與網(wǎng)側(cè)電流均為a相相電壓與相電流。

圖6 空載下直流輸出電壓及其諧波

圖7 移相角度仿真結(jié)果

圖8 500 km下低壓檔串聯(lián)仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出，直流融冰裝置能夠正確啟動(dòng)，輸出穩(wěn)定的直流電流，且輸出直流電流約為6.2 kA，能夠?qū)崿F(xiàn)融冰電流要求。網(wǎng)側(cè)a相電流最大的諧波分布在23次、25次、48次和49次，符合24脈波整流器諧波分布規(guī)律，且各次諧波幅值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于基波，電流波形的畸變也很小，說明直流融冰裝置達(dá)到了預(yù)先的設(shè)計(jì)要求。

其余各種線路長度組合的仿真結(jié)果，例如直流側(cè)輸出電壓、電流，交流側(cè)輸入電壓、電流及其相應(yīng)諧波等，記錄在表4中。

表4 不同組合仿真結(jié)果

通過表4可以看出，直流融冰裝置在各個(gè)組合情況下輸出的融冰電流都達(dá)到了5.5～9 kA的要求，說明這種調(diào)壓組合的融冰方式，不僅能夠擴(kuò)大不控整流器融冰裝置的融冰范圍，而且可以根據(jù)實(shí)際運(yùn)行需求方便地調(diào)節(jié)融冰電流。融冰裝置工作時(shí)，所產(chǎn)生的電流畸變僅為3%，對(duì)電網(wǎng)的影響較小。

在圖2的計(jì)算結(jié)果與表4的仿真結(jié)果中，可以看到在高壓檔串聯(lián)對(duì)550 km左右線路進(jìn)行融冰時(shí)，由于此時(shí)設(shè)計(jì)直流融冰電流達(dá)到9 kA，對(duì)直流融冰裝置容量的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了線路融冰容量的最小要求，這是不控整流器無法對(duì)輸出電流進(jìn)行靈活控制所帶來的弊端。

3 結(jié) 語

本文針對(duì)目前國內(nèi)外對(duì)于高壓直流輸電線路融冰方法的研究現(xiàn)狀，提出了一種對(duì)高壓直流輸電線路的直流融冰裝置的設(shè)計(jì)方案，這種直流融冰裝置由雙24脈波不控整流器構(gòu)成，能夠通過改變整流變壓器的二次側(cè)電壓等級(jí)，配合整流器直流側(cè)輸出連接方式的手段，擴(kuò)大直流融冰裝置的融冰范圍。在PSCAD/EMTDC仿真軟件中搭建了雙24脈波移相變壓器與直流融冰裝置的仿真模型，通過仿真分析了直流融冰裝置的工作特性，并驗(yàn)證了裝置能夠按照要求對(duì)不同長度線路的融冰工況進(jìn)行正確的融冰。本文分析結(jié)果對(duì)我國直流線路的融冰裝置研究具有一定的參考價(jià)值。

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(編輯：劉文瑩)

DesignandSimulationResearchofDCDe-IcingDeviceforHVDCBasedonNon-ControlledRectifier

HUA Yu1, LU Jiazheng2, TAN Yanjun2, XIANG Wang1, WEN Jinyu1

(1. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;2.Power Transmission and Distribution Equipment Anti-Ice & Reducing-Disaster Technology Laboratory of State Grid Corporation, Hunan Electric Power Test and Research Institute, Changsha 410007, China)

According to the research status on DC de-icing method for DC transmission lines, a kind of DC de-icing device was designed based on double 24-pulse non-controlled rectifier, which could expand the ice-melting scope by changing the secondary voltage of rectifier transformer and the connection types of rectifier’s output. The detail design scheme of this DC de-icing device was proposed, and its model was built in simulation software PSCAD/EMTDC. The simulation results have verified the effectiveness of the design.

24-pulse rectifier; phase-shifting transformer; DC de-icing; high voltage DC power transmission; de-icing parameters

TM 752

： A

： 1000-7229(2014)06-0086-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.016

2013-12-25

：2014-02-18

化雨(1989)，男，碩士，研究方向?yàn)槿嵝灾绷鬏旊娤到y(tǒng)，E-mail: asahy@qq.com；

陸家政(1969)，男，博士，高級(jí)工程師，主要從事電機(jī)、高電壓技術(shù)、輸變電設(shè)備防災(zāi)技術(shù)研究工作；

譚艷軍(1983)，男，碩士，工程師，主要從事輸變電設(shè)備防災(zāi)技術(shù)研究工作，E-mail: ynanyan@yahoo.com.cn；

向往(1990)，男，博士研究生，研究方向?yàn)槿嵝灾绷鬏旊娤到y(tǒng)，E-mail: xiangwang1003@foxmail.com；

文勁宇(1970)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，本文通信作者，主要研究領(lǐng)域?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制、儲(chǔ)能、多端直流輸電、新能源并網(wǎng)運(yùn)行與規(guī)劃，E-mail: jinyu.wen@hust.edu.cn。