直流融冰裝置整流技術(shù)的比較

楊和剛， 孫　鵬，劉紅恩，蓋振宇

(1. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 昭通供電局， 云南昭通657000； 2. 中電普瑞科技有限公司，北京102200)

直流融冰裝置整流技術(shù)的比較

楊和剛1， 孫鵬1，劉紅恩2，蓋振宇2

(1. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 昭通供電局， 云南昭通657000； 2. 中電普瑞科技有限公司，北京102200)

摘要：輸電線路覆冰會(huì)引起線路斷線、桿塔倒塌、大面積停電等事故，給國(guó)民生活造成嚴(yán)重影響,直流融冰技術(shù)是解決線路覆冰的有效手段。介紹了直流融冰技術(shù)的原理以及目前已實(shí)際應(yīng)用的三種直流融冰技術(shù)，并對(duì)三種整流技術(shù)的電路結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及適用范圍進(jìn)行了對(duì)比分析，得出結(jié)論：基于二極管整流技術(shù)的直流融冰裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，但是由于電壓控制問(wèn)題，只適用于中長(zhǎng)距離線路融冰；基于晶閘管整流技術(shù)的直流融冰裝置輸出電壓、電流可以連續(xù)調(diào)節(jié)，且可以作為SVC使用，是目前應(yīng)用最廣泛的直流融冰裝置；基于PWM整流技術(shù)的直流融冰裝置電能質(zhì)量及無(wú)功特性較好，但由于成本及技術(shù)問(wèn)題，目前僅在短距離、小容量融冰中有所應(yīng)用。結(jié)論對(duì)直流融冰實(shí)際應(yīng)用中裝置的選擇有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：直流融冰；整流技術(shù)；二極管；晶閘管；IGBT

中圖分類(lèi)號(hào):TM726

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:??碼: B

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.11.012

收稿日期：2015-09-24。

作者簡(jiǎn)介：楊和剛(1986-)，男，工程師，研究方向?yàn)楦唠妷汗こ膛c試驗(yàn)，E-mail：yhg023@qq.com。

Abstract：Icing on overhead electrical transmission lines can cause such serious problems as lines cut off, tower collapse and large blackout. Such problems may exert a serious influence on the national life. DC de-icing is an effective method to prevent its happening. On the basis of introducing the principle of DC de-icing, the paper compares the three kinds of rectification technology (diode rectifier, thyristor rectifier and PWM rectifier) used in DC de-icing devices in terms of its circuit structure, characteristics and application scope. Results show that the diode rectifier, though simple in structure and cost-effective, is only applicable to medium-and-long distance de-icing due to voltage control, that the thyristor rectifier, capable of smoothly regulating the output DC melting-icing voltage and current and being used as Static Var Compensator (SVC), is the most widely used DC de-icing device, and that the PWM rectifier, though excelling in power quality and reactive power consumption, is only applied to DC de-icing of low capacity and short distance transmission line due to its high cost and technical reasons.

Keywords：DC de-icing；rectification technology；diode；thyristor；IGBT

0引言

冬季持續(xù)的雨雪冰凍天氣等極端氣候條件會(huì)引起輸電線路覆冰，嚴(yán)重覆冰會(huì)導(dǎo)致輸電線路的機(jī)械和電氣性能急劇下降，從而導(dǎo)致電網(wǎng)事故。全國(guó)多省市都曾發(fā)生過(guò)輸電線路覆冰事故，已嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，并帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1，2]。

輸電線路直流融冰技術(shù)有別于傳統(tǒng)的交流融冰，是一種新型且有效的輸電線路融冰技術(shù)，克服了交流融冰方式的技術(shù)缺陷，被普遍認(rèn)為是解決線路覆冰問(wèn)題的較好方法。融冰技術(shù)尤其是直流融冰技術(shù)已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，受到電網(wǎng)公司、電力設(shè)備制造商、科研機(jī)構(gòu)及高等院校的廣泛關(guān)注。

本文在結(jié)合國(guó)內(nèi)外直流融冰技術(shù)及應(yīng)用的基礎(chǔ)上，主要研究了目前已實(shí)際應(yīng)用的三種直流融冰技術(shù)，分別介紹了其原理、主電路結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，并總結(jié)了三種直流融冰技術(shù)的適用范圍。

1直流融冰原理

直流融冰的主要原理是將覆冰線路作為負(fù)載，施加直流電源，用較低電壓提供直流短路電流來(lái)加熱導(dǎo)線使線路覆冰融化[3]，如圖1所示。

圖1　直流融冰原理圖

由于輸電網(wǎng)導(dǎo)線的交流電阻遠(yuǎn)大于直流電阻，交流融冰需要系統(tǒng)提供的電源容量是直流的5～20倍。如對(duì)500 kV以上的超高壓交流輸電線路進(jìn)行交流融冰，當(dāng)線路長(zhǎng)度大于100 km時(shí)，系統(tǒng)需要提供的無(wú)功功率約為1 GVA～2 GVA之間，超過(guò)了一般系統(tǒng)所能承受的范圍，將影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

雖然超高壓交流輸電線路的交流阻抗較大，但其直流電阻一般只有交流阻抗的10%左右。采用直流融冰方案時(shí)，達(dá)到同樣融冰效果所需要的電源容量比交流融冰要小的多，只需要考慮整流裝置自身消耗的無(wú)功功率。根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究，220 kV及以上電壓等級(jí)輸電線路采用直流融冰是一種最有效的技術(shù)方案。

直流融冰裝置目前主要有三種整流技術(shù)：二極管整流、晶閘管整流、PWM整流。三種整流技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，本文在后續(xù)章節(jié)對(duì)三種技術(shù)的電路結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及適用范圍進(jìn)行總結(jié)，該工作對(duì)融冰裝置的選擇具有一定的指導(dǎo)意義。

2基于二極管整流技術(shù)的直流融冰裝置

基于二極管整流技術(shù)的直流融冰裝置由于采用不可控的二極管作為整流元件，所以又叫不可控整流融冰裝置，其電路結(jié)構(gòu)圖如下圖2所示。

圖2　基于二極管整流技術(shù)的直流融冰裝置電路結(jié)構(gòu)

圖中變壓器起隔離和變壓作用，Lr為換相電抗器，可以起到抑制諧波的作用，但是Lr會(huì)增大融冰的無(wú)功消耗，降低功率因數(shù)，實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)實(shí)際情況確定是否需要Lr[4]。

基于二極管整流技術(shù)的直流融冰裝置具有以下特點(diǎn)：

(1)不需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便；

(2)裝置體積小，重量輕，便于實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式融冰作業(yè)；

(3)可以滿足長(zhǎng)距離輸電線路的融冰需求；

(4)二極管相對(duì)于晶閘管、IGBT等可控元件成本較低。

基于二極管的直流融冰裝置具有上述優(yōu)點(diǎn)，但是其變壓器參數(shù)一旦確定，輸出直流電壓也隨之確定，無(wú)法調(diào)節(jié)。在實(shí)際應(yīng)用中為了增加電壓調(diào)節(jié)范圍，往往采用增加變壓器抽頭的方法或采用模塊串并聯(lián)的方法，但是其輸出電壓仍為分級(jí)調(diào)節(jié)，無(wú)法連續(xù)調(diào)節(jié)。對(duì)于有中長(zhǎng)距離融冰需求的變電站，可以通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)達(dá)到融冰需求，但是對(duì)于既有短距離融冰需求又有長(zhǎng)距離融冰需求的變電站，二極管融冰裝置較難達(dá)到融冰需求。

3基于晶閘管整流技術(shù)的直流融冰裝置

不同電壓等級(jí)和長(zhǎng)度的交流線路，所需的融冰電流和線路直流電阻共同決定了融冰裝置直流電壓變化范圍。對(duì)于覆冰線路較多，且線路長(zhǎng)度變化較大的變電站，采用基于二極管整流技術(shù)的直流融冰技術(shù)由于輸出電壓無(wú)法調(diào)節(jié)，故無(wú)法滿足融冰需求?；诰чl管整流技術(shù)的直流融冰裝置可以滿足上述需求。

基于晶閘管整流技術(shù)的直流融冰裝置電路結(jié)構(gòu)如下圖3所示。

圖3　基于晶閘管整流技術(shù)的直流融冰裝置電路結(jié)構(gòu)

晶閘管整流技術(shù)把二極管整流電路中的二極管全部換成可以控制觸發(fā)角的晶閘管，其余部分與二極管整流電路基本相同，通過(guò)控制晶閘管的觸發(fā)角可以達(dá)到控制整流器輸出直流電壓的目的。由于晶閘管的延遲觸發(fā)導(dǎo)致電流發(fā)生相移，晶閘管整流技術(shù)會(huì)消耗較大的無(wú)功功率，在實(shí)際應(yīng)用中往往配置適當(dāng)?shù)臑V波器，在濾除諧波的同時(shí)補(bǔ)償整流消耗的無(wú)功功率?；诰чl管整流技術(shù)的直流融冰裝置在不需要融冰時(shí)還可作為SVC使用[5]，融冰模式與SVC模式模式轉(zhuǎn)換簡(jiǎn)圖如下圖4所示。通過(guò)切換刀閘工作狀態(tài)，可改變電抗器及晶閘管閥組串并聯(lián)接線方式，以實(shí)現(xiàn)換相電抗器與TCR相控電抗器之間、整流器與TCR閥組之間的重構(gòu)，從而通過(guò)同一套裝置，實(shí)現(xiàn)融冰和SVC兩種不同的功能。

圖4　融冰模式與SVC模式間轉(zhuǎn)換接線簡(jiǎn)圖

文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[6]對(duì)12脈動(dòng)的晶閘管整流融冰裝置進(jìn)行了工程設(shè)計(jì)和研究，并得出結(jié)論：在實(shí)際融冰應(yīng)用中6脈動(dòng)與12脈動(dòng)各有優(yōu)缺點(diǎn)，具體采用何種方式需要根據(jù)工程的設(shè)備投資、占地、損耗等因素綜合判斷確定。

基于晶閘管整流技術(shù)的直流融冰裝置具有以下特點(diǎn)：

(1)輸出電壓及電流連續(xù)可調(diào)，對(duì)于不同線型及不同長(zhǎng)度的融冰需求均可滿足；

(2)可在冬季具有融冰需求時(shí)進(jìn)行直流融冰，無(wú)融冰需求時(shí)，發(fā)揮SVC功能，進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)的無(wú)功電壓調(diào)節(jié)，大大提高了設(shè)備利用率；

(3)設(shè)備長(zhǎng)期處于運(yùn)行狀態(tài)，大大減少了急需融冰時(shí)的復(fù)雜試驗(yàn)檢測(cè)工作；

(4)通過(guò)合理濾波器設(shè)計(jì)可以達(dá)到濾除裝置產(chǎn)生諧波的同時(shí)補(bǔ)償裝置消耗的無(wú)功功率，濾波器在SVC模式下也可使用，裝置整體經(jīng)濟(jì)性較好。

(5)部分替代用于并聯(lián)補(bǔ)償裝置的投資和占地，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

由于基于晶閘管整流技術(shù)的直流融冰裝置輸出電壓連續(xù)可調(diào)，又可以擴(kuò)展為SVC裝置，兼具可靠性和經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)點(diǎn)，所以該融冰裝置是目前應(yīng)用最廣泛的直流融冰裝置。

4基于PWM整流技術(shù)的直流融冰裝置

二極管整流與晶閘管整流器交流側(cè)電流中均含有較大量的諧波，且需要消耗大量的無(wú)功功率，功率因數(shù)較低。在融冰容量較大時(shí)，需要額外的無(wú)功補(bǔ)償。PWM控制技術(shù)首先是在直流斬波電路和逆變電路中發(fā)展起來(lái)的，隨著以IGBT為代表的全控器件的不斷進(jìn)步，在逆變電路中采用PWM控制技術(shù)已相當(dāng)成熟[7]，把逆變電路中的PWM控制技術(shù)用于整流電路，就形成了PWM整流電路。通過(guò)對(duì)PWM整流電路的適當(dāng)控制，可以使其輸入電流非常接近正弦波，且和輸入電壓同相位，功率因數(shù)近似為1。這種整流電路也可以稱為單位功率因數(shù)變流器，或高功率因數(shù)整流器。

基于PWM整流技術(shù)的直流融冰裝置電路結(jié)構(gòu)如下圖5、圖6所示。

圖5　基于PWM整流技術(shù)的直流融冰裝置電路結(jié)構(gòu)

圖6　基于PWM整流技術(shù)的直流融冰裝置電路改進(jìn)結(jié)構(gòu)

圖5電路結(jié)構(gòu)中直流側(cè)電壓可以平滑連續(xù)調(diào)節(jié)，但是直流側(cè)電壓最小值不能小于交流側(cè)電壓峰值，在一定程度上限制了其適用范圍。文獻(xiàn)[8]提出在圖5基礎(chǔ)上增加了直流斬波電路就構(gòu)成了圖6的電路結(jié)構(gòu)，該種電路結(jié)構(gòu)可根據(jù)當(dāng)前負(fù)載所需電壓進(jìn)行移向斬波控制，大大增加其直流電壓可調(diào)范圍，但是該方法也相應(yīng)增加了控制難度，在高電壓和大容量應(yīng)用場(chǎng)合較難實(shí)現(xiàn)。隨著MMC-HVDC技術(shù)的進(jìn)步[9]，文獻(xiàn)[10]又提出了一種新型模塊化多電平直流融冰裝置，結(jié)合全橋MMC的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了兼顧直流融冰和無(wú)功補(bǔ)償功能的控制方法，但是這種新型的模塊化多電平直流融冰裝置目前僅停留在理論階段，還未見(jiàn)有相關(guān)實(shí)際應(yīng)用的報(bào)道。

基于PWM整流技術(shù)的直流融冰裝置具有以下特點(diǎn)：

(1)輸出電壓及電流連續(xù)可調(diào)，對(duì)于不同線型及不同長(zhǎng)度的融冰需求均可滿足；

(2)不需要電路重構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償功能，如果參數(shù)設(shè)計(jì)合理可以滿足在融冰的同時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償?shù)墓δ埽?/p>

(3)裝置工作特性好，不產(chǎn)生諧波，不需要從系統(tǒng)吸收無(wú)功功率；

(4)模塊化應(yīng)用，便于實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式應(yīng)用；

(5)功能擴(kuò)展能力強(qiáng)，應(yīng)用前景廣闊。

從上述特點(diǎn)可以看出基于PWM整流技術(shù)的直流融冰裝置應(yīng)用前景非常廣闊，但是由于目前IGBT元件成本較高且大功率應(yīng)用技術(shù)難度較大，多應(yīng)用在小功率場(chǎng)合。

5結(jié)論

(1)基于二極管整流技術(shù)的不可控直流融冰裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，有利于實(shí)現(xiàn)裝置移動(dòng)式應(yīng)用，但是由于電壓控制問(wèn)題，只適用于中長(zhǎng)距離線路融冰；

(2)基于晶閘管整流技術(shù)的直流融冰裝置輸出電壓、電流可以連續(xù)調(diào)節(jié)，且可以作為SVC使用，有利于裝置的重復(fù)利用，經(jīng)濟(jì)性好，是目前應(yīng)用最廣泛的直流融冰裝置；

(3)基于PWM整流技術(shù)的直流融冰裝置電能質(zhì)量及無(wú)功特性較好，但由于成本及技術(shù)問(wèn)題，目前僅在短距離、小容量融冰中有所應(yīng)用。

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Comparison of Rectification Technologies Used in DC De-icing Devices

Yang Hegang1，Sun Peng1，Liu Hong’en2，Gai Zhenyu2(1. Zhaotong Power Supply Bureau， Yunnan Power Grid, Zhaotong, Yunnan 657000, China;2. China EPRI Science & Technology Co., Ltd, Beijing 102200, China)