廣西電網(wǎng)公司桂林供電局 鐘來勝 李 俊 肖 宏 周澤民

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VSC直流融冰裝置功能擴展的研究與應用

廣西電網(wǎng)公司桂林供電局 鐘來勝 李 俊 肖 宏 周澤民

【摘要】針對式VSC直流融冰裝置的使用具有較強周期性，從而存在的融冰裝置資產(chǎn)閑置、投資性價比不高的問題，提出一套在非冰害季節(jié)將基于電壓源型換流器的直流融冰裝置擴展為靜止無功補償器、STATCOM、UPFC的運行控制方案。通過切換VSC裝置的控制與接入方式，使其成為一種兼具直流融冰與靜止無功補償器或STATCOM功能的混合型大功率直流融冰裝置，在覆冰期間作為直流融冰裝置，其余時期作為靜止無功補償器或STATCOM為系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供有力撐作。實驗和工程試點結果表明，所提出的混合型大功率直流融冰裝置控制方案具有較好的直流融冰和無功補償效果，提高了直流融冰裝置的使用效率，可避免電力系統(tǒng)設備的重復投建，從而改善電力設備的投資經(jīng)濟性。

【關鍵詞】VSC直流融冰；靜止無功補償器；STATCOM；UPFC；配置優(yōu)化

引言

2008年在我國南方發(fā)生的冰雪災害短期內(nèi)對湖南、貴州、廣西等地區(qū)的輸電線路和電網(wǎng)結構造成了極大破壞[1]。此次冰雪災害共造成8千多座110kV以上桿塔傾倒，3萬多回電力線路及2千余座變電站停運，共170個縣(市)供電被迫中斷[2]。近年來，通過國內(nèi)專家學者對直流融冰技術和融冰裝置進行的大量研究，探索出了多種可用的融冰方法。按融冰方法的融冰原理可概括為四類：熱力融冰、機械除冰、自然被動除冰和其他融冰方法[3,4]。

目前已有多種結構形式的直流融冰裝置投入了實際運行，在四種融冰方法中熱力融冰應用最為廣泛。熱力融冰即將覆冰線路作為電阻元件，通過將導線一端短接，在導線相間施加融冰電壓使導線發(fā)出足夠的熱量以融化覆冰。根據(jù)所加電壓的性質(zhì)由分為直流融冰和交流融冰，其中交流融冰由于線路阻抗較高，多需要的電壓和電源容量均較高，而直流融冰則具有需求電壓低、功率消耗少等優(yōu)點。因此實際工程中應用主要采用直流融冰方式[5]。

隨著固定式直流融冰裝置的大量投入，如何提高融冰裝置的利用率，增加投資經(jīng)濟效益成為了研究熱點。文獻[6-8]提出在非融冰運行時對直流融冰裝置進行系統(tǒng)改造和功能擴展，通過與交流母線配置的濾波器組相互配合，組成靜止無功補償器(SVC)，為電網(wǎng)提供無功支持；文獻[9]，提出了一種兼具靜止同步補償器(STATCOM)功能的混合型大功率直流融冰電源；文獻[10]提出了在非融冰運行時將VSC直流融冰裝置擴展為統(tǒng)一潮流控制器( UPFC) 以有效調(diào)節(jié)交流線路潮流。

本文在充分考慮投資和經(jīng)濟性的前提下，對VSC固定式直流融冰裝置的功能擴展進行分析，研究制定已有融冰裝置的功能擴展方案，通過充分發(fā)揮電網(wǎng)設備資源優(yōu)勢，實現(xiàn)在不增加額外投資的情況改善電網(wǎng)電能質(zhì)量、增強系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。

1 VSC直流融冰原理

1.1 融冰原理

固定式融冰裝置原理是通過整流變壓器進行適當?shù)碾妷鹤儞Q，通過控制橋式整流裝置得到為導線提供融冰電壓的直流電源。直流融冰需要線路停運，通過將線路一端短路，在另一側的相間施加直流電壓，為導線提供直流電流使導線發(fā)熱，從而達到融冰的目的[11,12]。裝置一次設備主要由換流變壓器、晶閘管整流器、電抗器、交直流濾波器及各類開關組成。

1.2 融冰裝置結構

直流融冰裝置最主要的組成部分為整流模塊及其控制模塊。由于不同開關器件組成的整流裝置在性能上存在較大差異，采用全控型器件的整流裝置在性能和后期控制擴展方面具有較明顯優(yōu)勢，本文選取基于IGBT全控型器件的直流融冰裝置作為研究對象?；贗GBT全控型器件的直流融冰裝置電路結構圖如圖1.1所示。

圖1.1　VSC直流融冰裝置結構圖

上圖中，RL代表覆冰線路短接后接到直流電源上的電阻，C代表濾波穩(wěn)壓電容，VSC1至VSC6為各個橋臂上的IGBT與二極管的組合器件，L和R分別代表換流變壓器電阻和漏感。通過換流變壓器在變電站母線上取電，經(jīng)過橋式整流裝置整流，為覆冰線路提供融冰電流iA、iB、iC。在直流融冰時，斷開變壓器出口刀閘將待融冰線路停運，閉合融冰裝置同線路間的刀閘，將線路去融冰裝置鏈接，同時采用正弦脈寬調(diào)制( SPWM) 觸發(fā)控制策略對整流裝置的輸出功率進行實時控制，以達到最好的榕屏效果。

2 VSC融冰裝置非融冰時擴展功能

由于電壓源型換流器的直流融冰裝置環(huán)流器件為全控型器件IGBT，其控制方式較半控型器件更為靈活、方便，使其具備了重構為無功補償器和統(tǒng)一潮流控制器的可能。

2.1 靜止無功補償器（SVC）重構方案

因為靜止無功補償器同直流融冰裝置在電力電子器件的使用和控制上具有較強的相似性[13-15]，因此有了再非覆冰季節(jié)將直流融冰裝置擴展為SVC裝置運行的可能。根據(jù)不同結構SVC工作原理的不同，又可將直流融冰裝置擴展為可控電抗(Thyristor Controlled Reactor,TCR) 型SVC和可控整流器型SVC兩類，這兩種方案在國內(nèi)外實際工程中都已經(jīng)有較廣泛應用。TCR型（如圖2.1）具有響應速度快、產(chǎn)生諧波小的有點，可在晶閘管連接方式和晶閘管的控制上存在較大差異，因此在直流融冰裝置向TCR型SVC切換時需要先退出運行；可控整流器型（如圖2.2）主電路拓撲結構和控制方式與直流融冰基本相同，只需通過外部隔離開關的簡單分合操即可實現(xiàn)功能切換，但其存在響應速度慢、諧波大的缺點。

圖2.1　TCR型裝置主電路

上圖中單相TCR由一對反并聯(lián)的IGBT與一個電抗器Ltcr組成，TCR的觸發(fā)角α的可控范圍為90°～180°。當觸發(fā)角為90°時，晶閘管全導通；當觸發(fā)角從90°變到180°時，TCR中電流呈非連續(xù)脈沖形，對稱分布于正半波和負半波，通過控制晶閘管的導通狀態(tài)，等效改變TRC的電抗，從而實現(xiàn)對無功功率的連續(xù)快速控制。由單相等效電路，可以得到閥側基波線電流有效值：

式中，Bσ為整流變壓器折算到閥側的每相等效電納。12脈動TCR型靜止無功補償器所能提供的的總無功如下：

圖2.2　可控整流器型裝置主電路

由圖2.2可知，可控整流器型裝置通過刀閘Gd將穩(wěn)壓電容C短路，并接入電感Ld實現(xiàn)直流融冰裝置的切換。通過控制晶閘管導通角，使整流器的電流與電壓產(chǎn)生相位差，以控制靜止無功補償器輸出的無功功率[13]。當晶閘管觸發(fā)角穩(wěn)定運行在90°時，裝置所產(chǎn)生的無功功率與直流電流成正比，其無功功率為：

式中，U為整流橋的輸入線電壓有效值；Id為直流電流平均值；α為整流橋觸發(fā)滯后角；μ為換相角。這樣通過控制觸發(fā)角進而控制直流電流，可實現(xiàn)一定范圍內(nèi)對感性無功連續(xù)調(diào)節(jié)，使之成為一可調(diào)感性無功源。

2.2 靜止同步補償器（STATCOM）重構方案

目前工程使用的靜止同步補償器多為基于電壓源型的橋式整流電路，所以STATCOM常常用于專指采用自換相的電壓型橋式電路作為主電路的動態(tài)無功補償裝置。VSC直流融冰兼具STATCOM裝置系統(tǒng)主電路拓撲如圖2.3所示。

圖中L為串聯(lián)電抗器，QS1為融冰裝置同STATCOM裝置的切換隔離開關，整流器晶閘管拓撲圖同直流融冰裝置相同，在換流變壓器處并聯(lián)一個電抗器L通過開關QF1和QF2實現(xiàn)各自切換。

圖2.3　擴展STATCOM裝置主電路

通過斷開在高壓斷路器QF1和隔離開關QS1、閉合高壓斷路器QF2，可使裝置工作在STATCOM模式下，從而實現(xiàn)STATCOM閥側與網(wǎng)側的無功功率交換。閉合網(wǎng)側高壓斷路器QF1、斷開高壓斷路器QF2、閉合隔離開關QS1，構成了直流融冰電源拓撲結構?？梢?，通過輸入斷路器和隔離開關的切換改造即可實現(xiàn)將直流融冰裝置擴展成為成STATCOM裝置。

2.3 統(tǒng)一潮流控制器( UPFC)重構方案

由于電網(wǎng)所占地域廣闊，融冰裝置容量有限，所以電網(wǎng)融冰時可能存在多臺融冰裝置的情況，此時較適合于構造成UPFC 運行，其電路拓撲如圖2.4所示。

圖2.4　擴展UPFC裝置主電路

統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)不僅能獨立作為STATCOM獨立工作，將串聯(lián)和并聯(lián)側組合可實現(xiàn)對線路有功、無功調(diào)控。此外統(tǒng)一潮流控制器還是新一代FACTS元件如廣義統(tǒng)一潮流控制器、線間潮流控制器、CSC等的重要組成部分。其并聯(lián)側和串聯(lián)側結構與上述VSC直流融冰裝置相似，只需將2臺融冰裝置輸出刀閘QS1斷開，連接到一起構成背靠背換流器運行。其中一個通過換流變T1并聯(lián)至電網(wǎng)，另一個通過串聯(lián)變壓器T2聯(lián)接到線路中。鑒于融冰和UPFC 控制目標不同，控制系統(tǒng)也必須作相應更改。

以線路首端為參考，設末端相位為-θB，交流線路潮流如式(4)和式(5)所示。由此可知通過調(diào)節(jié)線路兩端電壓和相角差以及線路電抗即可有效控制線路潮流。

式中XL為電抗。統(tǒng)一潮流控制器通過串聯(lián)側向輸電線路施加一個參數(shù)可調(diào)的電壓，從而實現(xiàn)對線路的有功無功綜合控制。計及其潮流控制作用后的線路功率如式(6)和式(7)所示。

式中Vser，θser——串聯(lián)側向線路注入的可控電壓幅值和相位。

并聯(lián)側一方面可以與系統(tǒng)獨立進行無功功率交換，控制并聯(lián)接入點的交流母線電壓，另一方面也可以實現(xiàn)與系統(tǒng)進行有功功率交換，維持直流側輸出電壓穩(wěn)定，進而平衡串聯(lián)側變流器的有功需求。

2.4 融冰裝置擴展功能比較分析

根據(jù)以上分析，可見通過對VSC直流融冰裝置附加控制，即可在非覆冰季節(jié)將固定式融冰裝置擴展為靜止無功補償器、STATCOM或UPFC運行，從而最大化設備利用率。

由VSC直流融冰裝置拓展的靜止無功補償器，其中可控整流器型SVC在模式切換具有簡單易行等優(yōu)點，但其缺點是諧波相對大，需要安裝的濾波器容量大；TCR 型SVC具有運行電壓應力、閥損耗和諧波相對較小的優(yōu)點，但TCR重構切換需要退出運行。

相對于靜止無功補償器，STATCOM有著明顯的優(yōu)勢，除了在維持電壓穩(wěn)定的能力強之外，STATCOM在浮空狀態(tài)下的損耗很小、響應時間短、不會產(chǎn)生諧振、產(chǎn)生諧波含量少、所需電容器和電抗器容量小、占地面積小、能在一定范圍內(nèi)提供有功功率，以及運行過程中電磁噪聲很低。但是，STATCOM控制比較復雜，而且成本比較高。

而UPFC 除了可實現(xiàn)交流潮流的高效調(diào)節(jié)、合理控制線路有功功率及無功功率的流動、提高線路的輸送能力，其并聯(lián)側單獨作用即可起到STATCOM的作用，也能提高功率極限，通過快速無功補償可以穩(wěn)定接入點電壓，同時利用其串聯(lián)側可調(diào)節(jié)交流線路潮流，同時，還能改善系統(tǒng)阻尼，抑制交流系統(tǒng)的振蕩。

因此，在研究直流融冰功能擴展必須就實際設備情況、運行控制環(huán)境和所允許的經(jīng)濟投入條件對SVC、STATCOM和UPFC三種方案進行抉擇。

1）在工作環(huán)境較為惡劣、對電壓穩(wěn)定要求不高且只有一套設備的情況下，宜將直流融冰裝置擴展為SVC。

2）在工作環(huán)境較好、對電壓穩(wěn)定要求較高且只有一套設備的情況下，宜將直流融冰裝置擴展為STATCOM。

3）在有兩套融冰裝置的情況下，若對線路潮流控制有較高要求，并有提高系統(tǒng)阻尼需求時可將直流融冰裝置擴展為UPFC。

3 試驗與應用分析

3.1 SVC功能擴展的應用

在2008年冰災后，兼動態(tài)SVC功能的直流融冰裝置先后在國內(nèi)的500kV湖南復興變、浙江金華變以及廣西桂林變等變電站得到了應用。其裝置結構圖如圖3.1所示：

圖3.1　直流融冰裝置擴展為無功補償裝置結構圖

以500kV桂南臨邊在南方電網(wǎng)“西電東送”主通道上的500kV桂林變電站的直流融冰裝置為例，就具有融補兼顧、切換便捷、操作簡單、接入靈活、易于實施的特點，可對超過300 km的500 kV線路進行融冰。其額定融冰功率225 MW，額定融冰電流4.5 kA，額定直流電壓± 25 kV，SVC模式容量240 Mvar。

3.2 STATCOM及UPFC功能擴展的應用

直流融冰裝置擴展為STATCOM及UPFC的相關網(wǎng)絡拓撲和控制方案研究已比較成熟，但是由于其控制的復雜性，致使研究還集中在拓撲優(yōu)化、控制提升的模擬研究，還未實際應用于工程。但由于STATCOM及UPFC功能的擴展在功用上有著明顯的優(yōu)勢，隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，STATCOM及UPFC在直流融冰裝置功能擴展中的應用將非常廣闊。

4 結語

本文就直流融冰裝置使用率低的現(xiàn)象，提出了將直流融冰裝置在非融冰期進行功能擴展并投入系統(tǒng)運行的構思。結合VSC直流融冰裝置控制靈活、易于擴展的優(yōu)勢，分別對VSC直流融冰裝置擴展為靜止無功補償器、STATCOM、UPFC的方案進行了研究，并針對其各自優(yōu)勢與劣勢給出了VSC直流融冰裝置在不同條件下的功能擴展方案推薦。最后對以上三種方案的模擬研究與工程應用進行了分析。結果表明，通過功能擴展解決了直流融冰裝置資產(chǎn)閑置、投資性價比不高的問題，同時還能提高所在電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性。

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鐘來勝（1986—），男，江西贛州人，大學本科，工程師，現(xiàn)供職于廣西電網(wǎng)有限責任公司桂林供電局，研究方向：變電運行。

李俊（1975—），男，廣西桂林人，大學本科，工程師，現(xiàn)供職于廣西電網(wǎng)有限責任公司桂林供電局，研究方向：變電運行。

肖宏（1977—），男，廣西桂林人，大學本科，工程師，現(xiàn)供職于廣西電網(wǎng)有限責任公司桂林供電局，研究方向：變電運行。

周澤民（1983—），男，廣西桂林人，大學本科，助理工程師，現(xiàn)供職于廣西電網(wǎng)有限責任公司桂林供電局，研究方向：變電檢修。

作者簡介：