不控整流型直流融冰裝置設(shè)計與仿真研究

化雨，陸佳政，譚艷軍，向往，文勁宇

(1.強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室(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)實驗室，長沙市410007)

不控整流型直流融冰裝置設(shè)計與仿真研究

化雨1，陸佳政2，譚艷軍2，向往1，文勁宇1

(1.強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室(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)實驗室，長沙市410007)

針對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大裝置融冰范圍。給出了詳細(xì)的直流融冰裝置設(shè)計方案，在PSCAD/EMTDC仿真軟件中搭建了直流融冰裝置模型，仿真結(jié)果驗證了設(shè)計的有效性。

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械除冰、自然被動除冰、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。熱力融冰有融冰時間短、操作簡易、易于實現(xiàn)的優(yōu)點[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)用于低壓等級電網(wǎng)中[2-3]，在220 kV及以上電壓等級電網(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所需的電源容量如表1所示[3]。

目前國內(nèi)針對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)的動態(tài)無功補償兼直流融冰裝置[6]等。

表1 直流融冰法對電源容量要求

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

但是對于高壓直流線路的融冰問題，國際上并沒有成熟的運行經(jīng)驗和相關(guān)裝置，同時國內(nèi)的相關(guān)研究也較為初步。一些研究通過將換流器運行在“保線方式”來獲得較大的運行電流以防止線路覆冰，但是這種運行方式需要對換流站的接線或控制方式進行改變[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到2.1倍，因此現(xiàn)有的針對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、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，然后對直流融冰裝置的主要構(gòu)成部件即24脈波不控整流器進行詳細(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

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行工作[3]，年利用時間短。相比于更改換流站運行與接線方式的復(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)濟上來看，只具有單一功能且年利用時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，融冰裝置運行時將會對交流電網(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)直流線路需要進行融冰時，將直流融冰裝置接入220 kV電源，同時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

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到了484 MW。對于如此大的融冰功率需求，實現(xiàn)全線路一次融冰是不現(xiàn)實的；同時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行設(shè)計與配置[3]。

圖1 24脈波整流器結(jié)構(gòu)圖

對不同長度線路進行融冰時，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)濟和技術(shù)需求，可以采用2個相同的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，也可以降低每個不控整流器的容量需求。對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)計方案通過改變變壓器檔位和整流器接線方式，可實現(xiàn)對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)計參數(shù)。一般直流線路的最小融冰電流為5.2 kA，緊急時最大融冰電流可以為9 kA[10-11]，本文主要考慮對直流線路的融冰，因此輸出電流設(shè)計為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)時為1，串聯(lián)時為2。

計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算結(jié)果如表2所示，可以看出4種搭配方式可以實現(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

Tab.2ParameterdesignofDCde-icingdevice

根據(jù)表1內(nèi)容，如果要對貴州—廣州的±500 kV高壓直流輸電線路的一半長度進行融冰工作，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，在“高壓檔位串聯(lián)”這種工況下，會出現(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)對較短線路進行融冰時，裝置輸出融冰電流會增大，進而導(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，無法應(yīng)用于高壓系統(tǒng)中，因此本文主要對曲折星形接線法的移相變壓器進行研究。

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個整流器中不含有均衡電抗器，根據(jù)文獻[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脈波整流器空載運行時，其直流輸出電壓及其諧波波形如圖 6所示，可以看出在1個周期內(nèi)直流電壓出現(xiàn)24個波頭，其中1 200 Hz即24次諧波值最大，與式(5)中計算的諧波次數(shù)相符合。

圖7表示各個支路二次側(cè)線電壓相位角，可以看出模型中移相角度達到了所設(shè)計的角度值，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證性

對所搭建的24脈波不控整流器進行驗證后，將其應(yīng)用于直流融冰裝置中，圖8給出了對500 km線路采用低壓檔串聯(lián)時的仿真結(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，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到了預(yù)先的設(shè)計要求。

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組合情況下輸出的融冰電流都達到了5.5～9 kA的要求，說明這種調(diào)壓組合的融冰方式，不僅能夠擴大不控整流器融冰裝置的融冰范圍，而且可以根據(jù)實際運行需求方便地調(diào)節(jié)融冰電流。融冰裝置工作時，所產(chǎn)生的電流畸變僅為3%，對電網(wǎng)的影響較小。

在圖2的計算結(jié)果與表4的仿真結(jié)果中，可以看到在高壓檔串聯(lián)對550 km左右線路進行融冰時，由于此時設(shè)計直流融冰電流達到9 kA，對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輸出電流進行靈活控制所帶來的弊端。

3 結(jié) 語

本文針對目前國內(nèi)外對于高壓直流輸電線路融冰方法的研究現(xiàn)狀，提出了一種對高壓直流輸電線路的直流融冰裝置的設(shè)計方案，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，配合整流器直流側(cè)輸出連接方式的手段，擴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，并驗證了裝置能夠按照要求對不同長度線路的融冰工況進行正確的融冰。本文分析結(jié)果對我國直流線路的融冰裝置研究具有一定的參考價值。

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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，研究方向為柔性直流輸電系統(tǒng)，E-mail: asahy@qq.com；

陸家政(1969)，男，博士，高級工程師，主要從事電機、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，研究方向為柔性直流輸電系統(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)域為電力系統(tǒng)運行與控制、儲能、多端直流輸電、新能源并網(wǎng)運行與規(guī)劃，E-mail: jinyu.wen@hust.edu.cn。