VSC直流融冰装置功能扩展的研究与应用

广西电网公司桂林供电局 钟来胜 李 俊 肖 宏 周泽民



VSC直流融冰装置功能扩展的研究与应用

广西电网公司桂林供电局 钟来胜 李 俊 肖 宏 周泽民

【摘要】针对式VSC直流融冰装置的使用具有较强周期性，从而存在的融冰装置资产闲置、投资性价比不高的问题，提出一套在非冰害季节将基于电压源型换流器的直流融冰装置扩展为静止无功补偿器、STATCOM、UPFC的运行控制方案。通过切换VSC装置的控制与接入方式，使其成为一种兼具直流融冰与静止无功补偿器或STATCOM功能的混合型大功率直流融冰装置，在覆冰期间作为直流融冰装置，其余时期作为静止无功补偿器或STATCOM为系统的稳定性提供有力撑作。实验和工程试点结果表明，所提出的混合型大功率直流融冰装置控制方案具有较好的直流融冰和无功补偿效果，提高了直流融冰装置的使用效率，可避免电力系统设备的重复投建，从而改善电力设备的投资经济性。

【关键词】VSC直流融冰；静止无功补偿器；STATCOM；UPFC；配置优化

引言

2008年在我国南方发生的冰雪灾害短期内对湖南、贵州、广西等地区的输电线路和电网结构造成了极大破坏[1]。此次冰雪灾害共造成8千多座110kV以上杆塔倾倒，3万多回电力线路及2千余座变电站停运，共170个县(市)供电被迫中断[2]。近年来，通过国内专家学者对直流融冰技术和融冰装置进行的大量研究，探索出了多种可用的融冰方法。按融冰方法的融冰原理可概括为四类：热力融冰、机械除冰、自然被动除冰和其他融冰方法[3,4]。

目前已有多种结构形式的直流融冰装置投入了实际运行，在四种融冰方法中热力融冰应用最为广泛。热力融冰即将覆冰线路作为电阻元件，通过将导线一端短接，在导线相间施加融冰电压使导线发出足够的热量以融化覆冰。根据所加电压的性质由分为直流融冰和交流融冰，其中交流融冰由于线路阻抗较高，多需要的电压和电源容量均较高，而直流融冰则具有需求电压低、功率消耗少等优点。因此实际工程中应用主要采用直流融冰方式[5]。

随着固定式直流融冰装置的大量投入，如何提高融冰装置的利用率，增加投资经济效益成为了研究热点。文献[6-8]提出在非融冰运行时对直流融冰装置进行系统改造和功能扩展，通过与交流母线配置的滤波器组相互配合，组成静止无功补偿器(SVC)，为电网提供无功支持；文献[9]，提出了一种兼具静止同步补偿器(STATCOM)功能的混合型大功率直流融冰电源；文献[10]提出了在非融冰运行时将VSC直流融冰装置扩展为统一潮流控制器( UPFC) 以有效调节交流线路潮流。

本文在充分考虑投资和经济性的前提下，对VSC固定式直流融冰装置的功能扩展进行分析，研究制定已有融冰装置的功能扩展方案，通过充分发挥电网设备资源优势，实现在不增加额外投资的情况改善电网电能质量、增强系统稳定性的目的。

1 VSC直流融冰原理

1.1 融冰原理

固定式融冰装置原理是通过整流变压器进行适当的电压变换，通过控制桥式整流装置得到为导线提供融冰电压的直流电源。直流融冰需要线路停运，通过将线路一端短路，在另一侧的相间施加直流电压，为导线提供直流电流使导线发热，从而达到融冰的目的[11,12]。装置一次设备主要由换流变压器、晶闸管整流器、电抗器、交直流滤波器及各类开关组成。

1.2 融冰装置结构

直流融冰装置最主要的组成部分为整流模块及其控制模块。由于不同开关器件组成的整流装置在性能上存在较大差异，采用全控型器件的整流装置在性能和后期控制扩展方面具有较明显优势，本文选取基于IGBT全控型器件的直流融冰装置作为研究对象。基于IGBT全控型器件的直流融冰装置电路结构图如图1.1所示。

图1.1　VSC直流融冰装置结构图

上图中，RL代表覆冰线路短接后接到直流电源上的电阻，C代表滤波稳压电容，VSC1至VSC6为各个桥臂上的IGBT与二极管的组合器件，L和R分别代表换流变压器电阻和漏感。通过换流变压器在变电站母线上取电，经过桥式整流装置整流，为覆冰线路提供融冰电流iA、iB、iC。在直流融冰时，断开变压器出口刀闸将待融冰线路停运，闭合融冰装置同线路间的刀闸，将线路去融冰装置链接，同时采用正弦脉宽调制( SPWM) 触发控制策略对整流装置的输出功率进行实时控制，以达到最好的榕屏效果。

2 VSC融冰装置非融冰时扩展功能

由于电压源型换流器的直流融冰装置环流器件为全控型器件IGBT，其控制方式较半控型器件更为灵活、方便，使其具备了重构为无功补偿器和统一潮流控制器的可能。

2.1 静止无功补偿器（SVC）重构方案

因为静止无功补偿器同直流融冰装置在电力电子器件的使用和控制上具有较强的相似性[13-15]，因此有了再非覆冰季节将直流融冰装置扩展为SVC装置运行的可能。根据不同结构SVC工作原理的不同，又可将直流融冰装置扩展为可控电抗(Thyristor Controlled Reactor,TCR) 型SVC和可控整流器型SVC两类，这两种方案在国内外实际工程中都已经有较广泛应用。TCR型（如图2.1）具有响应速度快、产生谐波小的有点，可在晶闸管连接方式和晶闸管的控制上存在较大差异，因此在直流融冰装置向TCR型SVC切换时需要先退出运行；可控整流器型（如图2.2）主电路拓扑结构和控制方式与直流融冰基本相同，只需通过外部隔离开关的简单分合操即可实现功能切换，但其存在响应速度慢、谐波大的缺点。

图2.1　TCR型装置主电路

上图中单相TCR由一对反并联的IGBT与一个电抗器Ltcr组成，TCR的触发角α的可控范围为90°～180°。当触发角为90°时，晶闸管全导通；当触发角从90°变到180°时，TCR中电流呈非连续脉冲形，对称分布于正半波和负半波，通过控制晶闸管的导通状态，等效改变TRC的电抗，从而实现对无功功率的连续快速控制。由单相等效电路，可以得到阀侧基波线电流有效值：

式中，Bσ为整流变压器折算到阀侧的每相等效电纳。12脉动TCR型静止无功补偿器所能提供的的总无功如下：

图2.2　可控整流器型装置主电路

由图2.2可知，可控整流器型装置通过刀闸Gd将稳压电容C短路，并接入电感Ld实现直流融冰装置的切换。通过控制晶闸管导通角，使整流器的电流与电压产生相位差，以控制静止无功补偿器输出的无功功率[13]。当晶闸管触发角稳定运行在90°时，装置所产生的无功功率与直流电流成正比，其无功功率为：

式中，U为整流桥的输入线电压有效值；Id为直流电流平均值；α为整流桥触发滞后角；μ为换相角。这样通过控制触发角进而控制直流电流，可实现一定范围内对感性无功连续调节，使之成为一可调感性无功源。

2.2 静止同步补偿器（STATCOM）重构方案

目前工程使用的静止同步补偿器多为基于电压源型的桥式整流电路，所以STATCOM常常用于专指采用自换相的电压型桥式电路作为主电路的动态无功补偿装置。VSC直流融冰兼具STATCOM装置系统主电路拓扑如图2.3所示。

图中L为串联电抗器，QS1为融冰装置同STATCOM装置的切换隔离开关，整流器晶闸管拓扑图同直流融冰装置相同，在换流变压器处并联一个电抗器L通过开关QF1和QF2实现各自切换。

图2.3　扩展STATCOM装置主电路

通过断开在高压断路器QF1和隔离开关QS1、闭合高压断路器QF2，可使装置工作在STATCOM模式下，从而实现STATCOM阀侧与网侧的无功功率交换。闭合网侧高压断路器QF1、断开高压断路器QF2、闭合隔离开关QS1，构成了直流融冰电源拓扑结构。可见，通过输入断路器和隔离开关的切换改造即可实现将直流融冰装置扩展成为成STATCOM装置。

2.3 统一潮流控制器( UPFC)重构方案

由于电网所占地域广阔，融冰装置容量有限，所以电网融冰时可能存在多台融冰装置的情况，此时较适合于构造成UPFC 运行，其电路拓扑如图2.4所示。

图2.4　扩展UPFC装置主电路

统一潮流控制器(UPFC)不仅能独立作为STATCOM独立工作，将串联和并联侧组合可实现对线路有功、无功调控。此外统一潮流控制器还是新一代FACTS元件如广义统一潮流控制器、线间潮流控制器、CSC等的重要组成部分。其并联侧和串联侧结构与上述VSC直流融冰装置相似，只需将2台融冰装置输出刀闸QS1断开，连接到一起构成背靠背换流器运行。其中一个通过换流变T1并联至电网，另一个通过串联变压器T2联接到线路中。鉴于融冰和UPFC 控制目标不同，控制系统也必须作相应更改。

以线路首端为参考，设末端相位为-θB，交流线路潮流如式(4)和式(5)所示。由此可知通过调节线路两端电压和相角差以及线路电抗即可有效控制线路潮流。

式中XL为电抗。统一潮流控制器通过串联侧向输电线路施加一个参数可调的电压，从而实现对线路的有功无功综合控制。计及其潮流控制作用后的线路功率如式(6)和式(7)所示。

式中Vser，θser——串联侧向线路注入的可控电压幅值和相位。

并联侧一方面可以与系统独立进行无功功率交换，控制并联接入点的交流母线电压，另一方面也可以实现与系统进行有功功率交换，维持直流侧输出电压稳定，进而平衡串联侧变流器的有功需求。

2.4 融冰装置扩展功能比较分析

根据以上分析，可见通过对VSC直流融冰装置附加控制，即可在非覆冰季节将固定式融冰装置扩展为静止无功补偿器、STATCOM或UPFC运行，从而最大化设备利用率。

由VSC直流融冰装置拓展的静止无功补偿器，其中可控整流器型SVC在模式切换具有简单易行等优点，但其缺点是谐波相对大，需要安装的滤波器容量大；TCR 型SVC具有运行电压应力、阀损耗和谐波相对较小的优点，但TCR重构切换需要退出运行。

相对于静止无功补偿器，STATCOM有着明显的优势，除了在维持电压稳定的能力强之外，STATCOM在浮空状态下的损耗很小、响应时间短、不会产生谐振、产生谐波含量少、所需电容器和电抗器容量小、占地面积小、能在一定范围内提供有功功率，以及运行过程中电磁噪声很低。但是，STATCOM控制比较复杂，而且成本比较高。

而UPFC 除了可实现交流潮流的高效调节、合理控制线路有功功率及无功功率的流动、提高线路的输送能力，其并联侧单独作用即可起到STATCOM的作用，也能提高功率极限，通过快速无功补偿可以稳定接入点电压，同时利用其串联侧可调节交流线路潮流，同时，还能改善系统阻尼，抑制交流系统的振荡。

因此，在研究直流融冰功能扩展必须就实际设备情况、运行控制环境和所允许的经济投入条件对SVC、STATCOM和UPFC三种方案进行抉择。

1）在工作环境较为恶劣、对电压稳定要求不高且只有一套设备的情况下，宜将直流融冰装置扩展为SVC。

2）在工作环境较好、对电压稳定要求较高且只有一套设备的情况下，宜将直流融冰装置扩展为STATCOM。

3）在有两套融冰装置的情况下，若对线路潮流控制有较高要求，并有提高系统阻尼需求时可将直流融冰装置扩展为UPFC。

3 试验与应用分析

3.1 SVC功能扩展的应用

在2008年冰灾后，兼动态SVC功能的直流融冰装置先后在国内的500kV湖南复兴变、浙江金华变以及广西桂林变等变电站得到了应用。其装置结构图如图3.1所示：

图3.1　直流融冰装置扩展为无功补偿装置结构图

以500kV桂南临边在南方电网“西电东送”主通道上的500kV桂林变电站的直流融冰装置为例，就具有融补兼顾、切换便捷、操作简单、接入灵活、易于实施的特点，可对超过300 km的500 kV线路进行融冰。其额定融冰功率225 MW，额定融冰电流4.5 kA，额定直流电压± 25 kV，SVC模式容量240 Mvar。

3.2 STATCOM及UPFC功能扩展的应用

直流融冰装置扩展为STATCOM及UPFC的相关网络拓扑和控制方案研究已比较成熟，但是由于其控制的复杂性，致使研究还集中在拓扑优化、控制提升的模拟研究，还未实际应用于工程。但由于STATCOM及UPFC功能的扩展在功用上有着明显的优势，随着电力系统的不断发展，STATCOM及UPFC在直流融冰装置功能扩展中的应用将非常广阔。

4 结语

本文就直流融冰装置使用率低的现象，提出了将直流融冰装置在非融冰期进行功能扩展并投入系统运行的构思。结合VSC直流融冰装置控制灵活、易于扩展的优势，分别对VSC直流融冰装置扩展为静止无功补偿器、STATCOM、UPFC的方案进行了研究，并针对其各自优势与劣势给出了VSC直流融冰装置在不同条件下的功能扩展方案推荐。最后对以上三种方案的模拟研究与工程应用进行了分析。结果表明，通过功能扩展解决了直流融冰装置资产闲置、投资性价比不高的问题，同时还能提高所在电网的运行稳定性。

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钟来胜（1986—），男，江西赣州人，大学本科，工程师，现供职于广西电网有限责任公司桂林供电局，研究方向：变电运行。

李俊（1975—），男，广西桂林人，大学本科，工程师，现供职于广西电网有限责任公司桂林供电局，研究方向：变电运行。

肖宏（1977—），男，广西桂林人，大学本科，工程师，现供职于广西电网有限责任公司桂林供电局，研究方向：变电运行。

周泽民（1983—），男，广西桂林人，大学本科，助理工程师，现供职于广西电网有限责任公司桂林供电局，研究方向：变电检修。

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