不控整流型直流融冰装置设计与仿真研究

化雨，陆佳政，谭艳军，向往，文劲宇

(1.强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学电气与电子工程学院)，武汉市 430074；2.湖南省电力公司试验研究院，国家电网公司输变电设备防冰减灾技术实验室，长沙市410007)

不控整流型直流融冰装置设计与仿真研究

化雨1，陆佳政2，谭艳军2，向往1，文劲宇1

(1.强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学电气与电子工程学院)，武汉市 430074；2.湖南省电力公司试验研究院，国家电网公司输变电设备防冰减灾技术实验室，长沙市410007)

针对目前直流线路的直流融冰方法研究现状，提出了一种基于双24脉波不控整流器的直流融冰装置，可以通过改变整流变压器二次侧电压档位以及整流器输出连接方式来扩大装置融冰范围。给出了详细的直流融冰装置设计方案，在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建了直流融冰装置模型，仿真结果验证了设计的有效性。

24脉波整流器；移相变压器;直流融冰；高压直流输电；融冰参数

0 引 言

冰冻灾害对电力系统的直接影响是容易使输电线路产生覆冰，线路覆冰容易导致绝缘子闪络、倒塔、断线等，严重时甚至会使电网瘫痪，因此，输电导线的除冰融冰是电力系统防冰抗灾的重点之一。目前国内外已应用和正在研制的除冰和融冰技术已有40余种，一般按照原理的不同将它们划分为机械除冰、自然被动除冰、热力融冰和其他除冰方法。其中，热力融冰是将电能转换为热能，通过在输电线路上产生较大电流来提高导线温度，使导线上的覆冰融化。热力融冰有融冰时间短、操作简易、易于实现的优点[1]，已成为目前主流融冰方式。热力融冰法又可以分为交流融冰和直流融冰。由于融冰电源容量限制，交流融冰一般只应用于低压等级电网中[2-3]，在220 kV及以上电压等级电网中，一般采用直流融冰技术。一些常见线路在采用直流融冰方法时所需的电源容量如表1所示[3]。

目前国内针对交流线路的直流融冰技术已较为成熟，如有湖南电网采用不控整流的直流融冰装置[4]，江西电网基于电压源换流器(voltage source converter，VSC)的直流融冰装置[5]，以及重庆电网的动态无功补偿兼直流融冰装置[6]等。

表1 直流融冰法对电源容量要求

注：最小融冰电流计算环境温度为-5 ℃，风速为5 m/s，覆冰厚度为10 mm。

但是对于高压直流线路的融冰问题，国际上并没有成熟的运行经验和相关装置，同时国内的相关研究也较为初步。一些研究通过将换流器运行在“保线方式”来获得较大的运行电流以防止线路覆冰，但是这种运行方式需要对换流站的接线或控制方式进行改变[1,7]。从表1可以看到，±500 kV超高压直流线路要求的最小融冰电流是500 kV超高压交流线路最小融冰电流的1.6倍，而±800 kV特高压直流线路融冰电流则达到2.1倍，因此现有的针对交流线路的直流融冰装置难以胜任。通过综合考虑建设成本、装置可靠性和可操作性等经济、技术问题，本文提出了以多脉波不控整流器为基础的针对直流线路的直流融冰装置。

本文首先介绍了直流线路直流融冰装置的基本结构与融冰方式，然后对直流融冰装置的主要构成部件即24脉波不控整流器进行详细的数学建模和仿真研究，介绍了移相原理和仿真模型搭建方法，最后在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建了直流融冰装置的仿真模型，通过不同工况下的仿真结果验证了该装置能够满足直流线路融冰的要求。

1 不控整流型直流融冰装置设计

1.1 24脉波不控整流器融冰原理

直流融冰装置仅在特定的情况下进行工作[3]，年利用时间短。相比于更改换流站运行与接线方式的复杂融冰手段，直流融冰装置的操作应简单易行，并具有较高可靠性。从表1可以看出，直流线路融冰要求的融冰电源容量巨大，从经济上来看，只具有单一功能且年利用时间短的直流融冰装置不适宜采用可关断器件，因此本设计使用了不控整流器作为融冰电源主体。

由于采用了电力电子设备，融冰装置运行时将会对交流电网造成一定谐波影响，因此选择采用24脉波移相变压器，通过移相整流的办法降低直流融冰装置注入电网的谐波，其结构如图1所示。装置主要由整流变压器和不控整流桥构成。当直流线路需要进行融冰时，将直流融冰装置接入220 kV电源，同时将需要融冰的线路在另一端短接，构成融冰回路。

1.2 直流融冰装置设计

以表 1中的贵州—广州高压直流输电工程为例，该线路全长880 km，全线融冰所需的电源容量达到了484 MW。对于如此大的融冰功率需求，实现全线路一次融冰是不现实的；同时考虑到不可能整条线路都出现覆冰，因此可以考虑将融冰范围缩减至线路长度的一半，通过分段融冰的方法进行设计与配置[3]。

图1 24脉波整流器结构图

对不同长度线路进行融冰时，直流融冰装置应该能够根据不同的工作情况输出不同的融冰电流。对于采用24脉波不控整流器的直流融冰装置，除了可以通过调整变压器分接头来改变输出电压外，还可采用多台24脉波不控整流器，通过改变它们的接线方式来调整输出融冰电流。

综合考虑经济和技术需求，可以采用2个相同的24脉波不控整流器构成直流融冰装置的方案，这样不仅可以降低融冰装置注入电网的谐波电流，也可以降低每个不控整流器的容量需求。对于覆冰线路长度较短的情况，可以采用“低压档位”+“整流器并联”的方式降低融冰电流；对于长距离覆冰线路，可以采用“高压档位”+“整流器串联”的方式提高线路两端电压，进而提高融冰电流[8-9]，相应的结构如图2所示。

图2 不同工况整流器接法与档位

这种设计方案通过改变变压器档位和整流器接线方式，可实现对不同长度覆冰线路的融冰，操作简单、可靠。

采用上述方案，可以给出直流融冰装置的设计参数。一般直流线路的最小融冰电流为5.2 kA，紧急时最大融冰电流可以为9 kA[10-11]，本文主要考虑对直流线路的融冰，因此输出电流设计为6 kA；融冰范围按照输电线路全长的一半长度考虑，设定直流融冰装置的融冰范围为85～450 km，即正负双极线路总长度为170～900 km，根据式(1)可以计算得到整流器输入交流线电压有效值。

(1)

式中：I为融冰电流，取值范围是5.5～9kA；L是覆冰线路长度；r是直流线路单位长度电阻，取0.009 95Ω/km；α是联接系数，并联时为1，串联时为2。

计算得到整流器输出电压低压和高压档位分别应为15.22kV和24.63kV，装置参数以及4种组合情况的融冰范围计算结果如表2所示，可以看出4种搭配方式可以实现180～900km长度导线的全部覆盖。

表2直流融冰装置参数设计

Tab.2ParameterdesignofDCde-icingdevice

根据表1内容，如果要对贵州—广州的±500 kV高压直流输电线路的一半长度进行融冰工作，所需的电源容量至少应为242 MW，但是当采用文中所提的直流融冰装置时，在“高压档位串联”这种工况下，会出现融冰功率增大的情况。这是由于直流融冰装置直流侧输出电流不受控制，当对较短线路进行融冰时，装置输出融冰电流会增大，进而导致融冰功率增大，如图3所示。

2 仿真研究

直流融冰装置核心部分为24脉波不控整流器，整流器由4组移相角度不同的6脉波整流器并联构成，4组整流器应分别移相-22.5°、-7.5°、7.5°、22.5°[12-14]。常见的变压器移相接线可以分为延边三角形接线法、曲折星形接线法和自耦变压器接线法。

图3 融冰装置所需电源与线路长度关系

由于延边三角形接线法无法在高压侧提供接地点，无法应用于高压系统中，因此本文主要对曲折星形接线法的移相变压器进行研究。

2.1 曲折星形移相变压器

曲折星形移相变压器由移相绕组与主绕组采用曲折形连接而实现。如果将主绕组和移相绕组的合成电压相量竖直向上绘出，那么主绕组电压相量根据2个绕组连接方式的不同，可以在合成电压相量的左侧或右侧，即为左移曲折形绕组与右移曲折形绕组。主绕组与合成绕组电压相量之间的夹角称为移相角。采用曲折形实现移相的绕组联结示意图与电压相量图如图 4所示。

图4 曲折形绕组联结与电压相量图

在左移曲折形绕组中，由于移相绕组(A′x)的作用，使主绕组(AA′)的电压相量向左移了一个相位角α，而在右移曲折形绕组中，由于移相绕组(A′x)的作用，使主绕组(AA′)的电压相量向右移了一个相位角α。

由于在PSCAD/EMTDC下没有专门的曲折星形变压器，但是可以采用双绕组变压器按照相量图通过一定的接线方法实现曲折星形变压器模型，如图5所示。

图5 移相角度与绕组连接形式

由图4所示的移相绕组、主绕组以及主移合成绕组电压相量图，可知移相绕组电压与合成电压关系为

(2)

主绕组电压与合成电压关系为

(3)

此24脉波的4个整流器中不含有均衡电抗器，根据文献[15]，整流电压平均值与整流电压的傅里叶分解式分别为式(4)和式(5)。

(4)

k=1,2,3…

(5)

如前文图1所示，图1中的移相绕组即为图4所示的变压器组，为了使各个不控整流器输入电压一致，需要在移相绕组后接降压绕组，降压绕组采用Y/△接线，可以减小馈入电网中的三次谐波。

2.2 24脉波整流器模型搭建

搭建好移相变压器与降压变压器模型后，再加入不控整流桥模型，即可得24脉波整流器模型。整流器相应参数如表3所示。

表3 24脉波整流器参数表

24脉波整流器空载运行时，其直流输出电压及其谐波波形如图 6所示，可以看出在1个周期内直流电压出现24个波头，其中1 200 Hz即24次谐波值最大，与式(5)中计算的谐波次数相符合。

图7表示各个支路二次侧线电压相位角，可以看出模型中移相角度达到了所设计的角度值，说明所搭建的多脉波整流器能够正常产生24脉波。

2.3 直流融冰装置仿真验证性

对所搭建的24脉波不控整流器进行验证后，将其应用于直流融冰装置中，图8给出了对500 km线路采用低压档串联时的仿真结果，其中网侧电压与网侧电流均为a相相电压与相电流。

图6 空载下直流输出电压及其谐波

图7 移相角度仿真结果

图8 500 km下低压档串联仿真结果

从仿真结果可以看出，直流融冰装置能够正确启动，输出稳定的直流电流，且输出直流电流约为6.2 kA，能够实现融冰电流要求。网侧a相电流最大的谐波分布在23次、25次、48次和49次，符合24脉波整流器谐波分布规律，且各次谐波幅值都远远小于基波，电流波形的畸变也很小，说明直流融冰装置达到了预先的设计要求。

其余各种线路长度组合的仿真结果，例如直流侧输出电压、电流，交流侧输入电压、电流及其相应谐波等，记录在表4中。

表4 不同组合仿真结果

通过表4可以看出，直流融冰装置在各个组合情况下输出的融冰电流都达到了5.5～9 kA的要求，说明这种调压组合的融冰方式，不仅能够扩大不控整流器融冰装置的融冰范围，而且可以根据实际运行需求方便地调节融冰电流。融冰装置工作时，所产生的电流畸变仅为3%，对电网的影响较小。

在图2的计算结果与表4的仿真结果中，可以看到在高压档串联对550 km左右线路进行融冰时，由于此时设计直流融冰电流达到9 kA，对直流融冰装置容量的要求远远超过了线路融冰容量的最小要求，这是不控整流器无法对输出电流进行灵活控制所带来的弊端。

3 结 语

本文针对目前国内外对于高压直流输电线路融冰方法的研究现状，提出了一种对高压直流输电线路的直流融冰装置的设计方案，这种直流融冰装置由双24脉波不控整流器构成，能够通过改变整流变压器的二次侧电压等级，配合整流器直流侧输出连接方式的手段，扩大直流融冰装置的融冰范围。在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建了双24脉波移相变压器与直流融冰装置的仿真模型，通过仿真分析了直流融冰装置的工作特性，并验证了装置能够按照要求对不同长度线路的融冰工况进行正确的融冰。本文分析结果对我国直流线路的融冰装置研究具有一定的参考价值。

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(编辑：刘文莹)

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，硕士，研究方向为柔性直流输电系统，E-mail: asahy@qq.com；

陆家政(1969)，男，博士，高级工程师，主要从事电机、高电压技术、输变电设备防灾技术研究工作；

谭艳军(1983)，男，硕士，工程师，主要从事输变电设备防灾技术研究工作，E-mail: ynanyan@yahoo.com.cn；

向往(1990)，男，博士研究生，研究方向为柔性直流输电系统，E-mail: xiangwang1003@foxmail.com；

文劲宇(1970)，男，博士，教授，博士生导师，本文通信作者，主要研究领域为电力系统运行与控制、储能、多端直流输电、新能源并网运行与规划，E-mail: jinyu.wen@hust.edu.cn。