直流融冰装置整流技术的比较

杨和刚， 孙　鹏，刘红恩，盖振宇

(1. 云南电网有限责任公司 昭通供电局， 云南昭通657000； 2. 中电普瑞科技有限公司，北京102200)

直流融冰装置整流技术的比较

杨和刚1， 孙鹏1，刘红恩2，盖振宇2

(1. 云南电网有限责任公司 昭通供电局， 云南昭通657000； 2. 中电普瑞科技有限公司，北京102200)

摘要：输电线路覆冰会引起线路断线、杆塔倒塌、大面积停电等事故，给国民生活造成严重影响,直流融冰技术是解决线路覆冰的有效手段。介绍了直流融冰技术的原理以及目前已实际应用的三种直流融冰技术，并对三种整流技术的电路结构、特点及适用范围进行了对比分析，得出结论：基于二极管整流技术的直流融冰装置结构简单、成本较低，但是由于电压控制问题，只适用于中长距离线路融冰；基于晶闸管整流技术的直流融冰装置输出电压、电流可以连续调节，且可以作为SVC使用，是目前应用最广泛的直流融冰装置；基于PWM整流技术的直流融冰装置电能质量及无功特性较好，但由于成本及技术问题，目前仅在短距离、小容量融冰中有所应用。结论对直流融冰实际应用中装置的选择有一定的指导意义。

关键词：直流融冰；整流技术；二极管；晶闸管；IGBT

中图分类号:TM726

文献标识码:��码: B

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.11.012

收稿日期：2015-09-24。

作者简介：杨和刚(1986-)，男，工程师，研究方向为高电压工程与试验，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

冬季持续的雨雪冰冻天气等极端气候条件会引起输电线路覆冰，严重覆冰会导致输电线路的机械和电气性能急剧下降，从而导致电网事故。全国多省市都曾发生过输电线路覆冰事故，已严重威胁电力系统的安全运行，并带来了巨大的经济损失[1，2]。

输电线路直流融冰技术有别于传统的交流融冰，是一种新型且有效的输电线路融冰技术，克服了交流融冰方式的技术缺陷，被普遍认为是解决线路覆冰问题的较好方法。融冰技术尤其是直流融冰技术已成为当前研究的热点，受到电网公司、电力设备制造商、科研机构及高等院校的广泛关注。

本文在结合国内外直流融冰技术及应用的基础上，主要研究了目前已实际应用的三种直流融冰技术，分别介绍了其原理、主电路结构及特点，并总结了三种直流融冰技术的适用范围。

1直流融冰原理

直流融冰的主要原理是将覆冰线路作为负载，施加直流电源，用较低电压提供直流短路电流来加热导线使线路覆冰融化[3]，如图1所示。

图1　直流融冰原理图

由于输电网导线的交流电阻远大于直流电阻，交流融冰需要系统提供的电源容量是直流的5～20倍。如对500 kV以上的超高压交流输电线路进行交流融冰，当线路长度大于100 km时，系统需要提供的无功功率约为1 GVA～2 GVA之间，超过了一般系统所能承受的范围，将影响到系统的稳定性。

虽然超高压交流输电线路的交流阻抗较大，但其直流电阻一般只有交流阻抗的10%左右。采用直流融冰方案时，达到同样融冰效果所需要的电源容量比交流融冰要小的多，只需要考虑整流装置自身消耗的无功功率。根据国内外相关研究，220 kV及以上电压等级输电线路采用直流融冰是一种最有效的技术方案。

直流融冰装置目前主要有三种整流技术：二极管整流、晶闸管整流、PWM整流。三种整流技术各有优缺点，本文在后续章节对三种技术的电路结构、特点及适用范围进行总结，该工作对融冰装置的选择具有一定的指导意义。

2基于二极管整流技术的直流融冰装置

基于二极管整流技术的直流融冰装置由于采用不可控的二极管作为整流元件，所以又叫不可控整流融冰装置，其电路结构图如下图2所示。

图2　基于二极管整流技术的直流融冰装置电路结构

图中变压器起隔离和变压作用，Lr为换相电抗器，可以起到抑制谐波的作用，但是Lr会增大融冰的无功消耗，降低功率因数，实际应用中根据实际情况确定是否需要Lr[4]。

基于二极管整流技术的直流融冰装置具有以下特点：

(1)不需要复杂的控制系统，装置结构简单，使用方便；

(2)装置体积小，重量轻，便于实现移动式融冰作业；

(3)可以满足长距离输电线路的融冰需求；

(4)二极管相对于晶闸管、IGBT等可控元件成本较低。

基于二极管的直流融冰装置具有上述优点，但是其变压器参数一旦确定，输出直流电压也随之确定，无法调节。在实际应用中为了增加电压调节范围，往往采用增加变压器抽头的方法或采用模块串并联的方法，但是其输出电压仍为分级调节，无法连续调节。对于有中长距离融冰需求的变电站，可以通过适当设计达到融冰需求，但是对于既有短距离融冰需求又有长距离融冰需求的变电站，二极管融冰装置较难达到融冰需求。

3基于晶闸管整流技术的直流融冰装置

不同电压等级和长度的交流线路，所需的融冰电流和线路直流电阻共同决定了融冰装置直流电压变化范围。对于覆冰线路较多，且线路长度变化较大的变电站，采用基于二极管整流技术的直流融冰技术由于输出电压无法调节，故无法满足融冰需求。基于晶闸管整流技术的直流融冰装置可以满足上述需求。

基于晶闸管整流技术的直流融冰装置电路结构如下图3所示。

图3　基于晶闸管整流技术的直流融冰装置电路结构

晶闸管整流技术把二极管整流电路中的二极管全部换成可以控制触发角的晶闸管，其余部分与二极管整流电路基本相同，通过控制晶闸管的触发角可以达到控制整流器输出直流电压的目的。由于晶闸管的延迟触发导致电流发生相移，晶闸管整流技术会消耗较大的无功功率，在实际应用中往往配置适当的滤波器，在滤除谐波的同时补偿整流消耗的无功功率。基于晶闸管整流技术的直流融冰装置在不需要融冰时还可作为SVC使用[5]，融冰模式与SVC模式模式转换简图如下图4所示。通过切换刀闸工作状态，可改变电抗器及晶闸管阀组串并联接线方式，以实现换相电抗器与TCR相控电抗器之间、整流器与TCR阀组之间的重构，从而通过同一套装置，实现融冰和SVC两种不同的功能。

图4　融冰模式与SVC模式间转换接线简图

文献[4]和文献[6]对12脉动的晶闸管整流融冰装置进行了工程设计和研究，并得出结论：在实际融冰应用中6脉动与12脉动各有优缺点，具体采用何种方式需要根据工程的设备投资、占地、损耗等因素综合判断确定。

基于晶闸管整流技术的直流融冰装置具有以下特点：

(1)输出电压及电流连续可调，对于不同线型及不同长度的融冰需求均可满足；

(2)可在冬季具有融冰需求时进行直流融冰，无融冰需求时，发挥SVC功能，进行连续动态的无功电压调节，大大提高了设备利用率；

(3)设备长期处于运行状态，大大减少了急需融冰时的复杂试验检测工作；

(4)通过合理滤波器设计可以达到滤除装置产生谐波的同时补偿装置消耗的无功功率，滤波器在SVC模式下也可使用，装置整体经济性较好。

(5)部分替代用于并联补偿装置的投资和占地，经济效益显著。

由于基于晶闸管整流技术的直流融冰装置输出电压连续可调，又可以扩展为SVC装置，兼具可靠性和经济性的优点，所以该融冰装置是目前应用最广泛的直流融冰装置。

4基于PWM整流技术的直流融冰装置

二极管整流与晶闸管整流器交流侧电流中均含有较大量的谐波，且需要消耗大量的无功功率，功率因数较低。在融冰容量较大时，需要额外的无功补偿。PWM控制技术首先是在直流斩波电路和逆变电路中发展起来的，随着以IGBT为代表的全控器件的不断进步，在逆变电路中采用PWM控制技术已相当成熟[7]，把逆变电路中的PWM控制技术用于整流电路，就形成了PWM整流电路。通过对PWM整流电路的适当控制，可以使其输入电流非常接近正弦波，且和输入电压同相位，功率因数近似为1。这种整流电路也可以称为单位功率因数变流器，或高功率因数整流器。

基于PWM整流技术的直流融冰装置电路结构如下图5、图6所示。

图5　基于PWM整流技术的直流融冰装置电路结构

图6　基于PWM整流技术的直流融冰装置电路改进结构

图5电路结构中直流侧电压可以平滑连续调节，但是直流侧电压最小值不能小于交流侧电压峰值，在一定程度上限制了其适用范围。文献[8]提出在图5基础上增加了直流斩波电路就构成了图6的电路结构，该种电路结构可根据当前负载所需电压进行移向斩波控制，大大增加其直流电压可调范围，但是该方法也相应增加了控制难度，在高电压和大容量应用场合较难实现。随着MMC-HVDC技术的进步[9]，文献[10]又提出了一种新型模块化多电平直流融冰装置，结合全桥MMC的结构特点，提出了兼顾直流融冰和无功补偿功能的控制方法，但是这种新型的模块化多电平直流融冰装置目前仅停留在理论阶段，还未见有相关实际应用的报道。

基于PWM整流技术的直流融冰装置具有以下特点：

(1)输出电压及电流连续可调，对于不同线型及不同长度的融冰需求均可满足；

(2)不需要电路重构即可实现无功补偿功能，如果参数设计合理可以满足在融冰的同时实现无功补偿的功能；

(3)装置工作特性好，不产生谐波，不需要从系统吸收无功功率；

(4)模块化应用，便于实现移动式应用；

(5)功能扩展能力强，应用前景广阔。

从上述特点可以看出基于PWM整流技术的直流融冰装置应用前景非常广阔，但是由于目前IGBT元件成本较高且大功率应用技术难度较大，多应用在小功率场合。

5结论

(1)基于二极管整流技术的不可控直流融冰装置结构简单、成本较低，有利于实现装置移动式应用，但是由于电压控制问题，只适用于中长距离线路融冰；

(2)基于晶闸管整流技术的直流融冰装置输出电压、电流可以连续调节，且可以作为SVC使用，有利于装置的重复利用，经济性好，是目前应用最广泛的直流融冰装置；

(3)基于PWM整流技术的直流融冰装置电能质量及无功特性较好，但由于成本及技术问题，目前仅在短距离、小容量融冰中有所应用。

参考文献:

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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)