基于高频激励法的输电线路融冰激励源研究

荆群伟，周羽生，罗　屿,2，刘　亮

(1.长沙理工大学 智能电网运行与控制湖南省重点实验室，湖南长沙410114；2. 国网输变电设备防冰减灾技术重点实验室，湖南长沙410007)

基于高频激励法的输电线路融冰激励源研究

荆群伟1，周羽生1，罗屿1,2，刘亮1

(1.长沙理工大学 智能电网运行与控制湖南省重点实验室，湖南长沙410114；2. 国网输变电设备防冰减灾技术重点实验室，湖南长沙410007)

摘要：针对当前输电线路融冰技术的缺陷，国外有学者提出了一种在线高频激励融冰方法。此方法具有可实现在线融冰、融冰电流小和融冰效率高等优点，但成套融冰设备未得到深入研究。为推进此融冰方法在输电线路中的实际应用，提出一种针对500 kV交流输电线路的移动式高频融冰激励源设计方案，重点分析并计算了移相变压器与功率单元相关参数，并运用MATLAB对级联式高频激励源进行仿真。结果表明，此方案可行且具有谐波含量低、输出电压稳定等优势。

关键词：高频激励融冰；高频融冰激励源；移相变压器；功率单元；MATLAB

中图分类号:TM731

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.10.003

收稿日期：2015-07-27。

基金项目：国家自然科学基金(51407013)；湖南省高等学校创新平台基金资助项目(14K001)。

作者简介：荆群伟(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向为输电线路融冰技术，E-mail：jqwcsust@126.com。

Abstract：Considering the current defects of transmission line melting ice technologies, some foreign scholars have proposed a new online high-frequency excitation method of melting ice which has the advantages of online deicing, small deicing current and high deicing efficiency; but the complete sets of equipment for deicing still need more research. To promote the practical application of this method in the power system, this paper proposes a portable high-frequency excitation design program used in 500 kV transmission line, and focuses on the analysis and calculation of the phase-shifting transformers and power unit parameters. Then cascaded high-frequency excitation is simulated with MATLAB. The results show that this scheme is feasible and has many advantages such as low harmonic contents and stable output voltage.

Keywords：high-frequency excitation melting ice; high-frequency deicing excitation; phase-shifting transformer; power unit; MATLAB

0引言

由于输电线路覆冰引发的事故严重危害着电力系统的安全运行，所以输电线路融冰技术很早就得到了关注与研究。但截止目前，国内外常用的输电线路融冰技术都有各自不可克服的缺陷[1～4]。因此，探索新型融冰技术仍然是当前电力系统研究的重要课题之一。

2001年,Charles等人提出了高频激励融冰新技术。其基本原理是：接通高频激励源时，冰是一种有损耗电介质，利用冰本身的介质热和导体中高频电流产生的焦耳热可以以较小融冰电流获得较大发热功率，进而达到理想的输电线路融冰效果[5,6]。基于此研究成果，本文提出一种适用于500 kV交流输电线路的高频融冰激励源设计方案并运用MATLAB的Simulink仿真模块验证其可行性，以期逐步完成整套融冰装置的设计与制造，继而实现高频激励融冰技术的实际应用，为有效解决输电线路覆冰问题提供一种新的实用方案[7,8]。

1高频融冰激励源设计

1.1　设计方案

本文针对500 kV 架空输电线路高频高压激励源的设计原则有如下几点：(1)融冰回路采用交-直-交变频电路；(2)激励源采用不可控整流器件以便提高其稳定性；(3)将整流桥与分组变压器相互串接，从而达到级联调压的效果，实现输出电压可调节和装置可移动；(4)激励源采用十二脉波全波整流方式以便减少谐波占比，同时降低无功功率损耗；(5)采用降压变压器降压增流以使所需要融冰容量与激励源相匹配。

根据以上原则考虑，融冰激励源的输入采用500 kV变电站内35 kV变压器的次级。融冰激励源主电路拓扑设计如图1所示。该拓扑结构的优势在于：(1)独立的功率单元能够均摊总功率，从而大大降低了单个功率单元的额定功率，并且采用单个器件能够避免并联所带来的问题；(2)总输出电压由各个串联功率单元IGBT等分，因此可采用技术成熟，价格低廉的耐压较小的开关管，同时输出高电压；(3)通过载波移相技术和容错技术的应用，在不提高开关器件开关频率的同时，利用拓扑结构成倍地增大输出交流电压(电流)的频率，可提高装置效率，降低成本，同时提高了装置工作的可靠性；(4)功率单元模块化的设计方案有利于统一设计、生产以及维护。

图1　高频融冰激励源主电路结构图

综上可见，该电路结构不仅满足高频激励融冰激励源的基本要求，而且具有易于控制，制造工艺简单，运行也较为可靠等优点。在确定激励源整体设计方案的基础上，本文针对该装置的主要构成部分：移相变压器和功率单元分别进行了计算分析。

1.2　移相变压器

融冰激励源移相变压器采用延边三角形联结方式，其中，二次侧绕组移相方法的采用有利于多重化整流的实现。而为了使得二次侧相电压比一次侧相电压超前0°～60°之间的任意角度，可将Ydll确定为移相变压器的具体联结方式，并调整二次侧延边三角形加以实现。

本装置所采用的输入电压为35 kV±10%(线电压)，频率为50 Hz，另据文献[7]可知，高频高压电源的输出功率约为2.50～2.65 MW(本文计算取2.55 MW)。据此即可量化移相变压器相关参数。

(1)变压器容量

变压器容量可由下式确定：

(1)

式中：STN为移相变压器容量；PCN为高频高压电源输出功率；cosφCN为高频高压电源输入功率因数；η为高频高压电源效率。其中，激励源的功率因数根据输入端有无交流电抗器取值有所不同，但总的取值范围波动较小(0.6～0.85)，而高频激励融冰时电源端功率因数接近于1[6]，故本文取cosφCN=0.85，η=0.95，PCN=2.55 MW，则变压器设计容量为：

2.55/(0.85×0.95)=3.16(MVA)

按照变压器生产厂家的行业经验，一般取设计容量的130%作为标准进行生产，故变压器制造容量为：

(2)变压器移相角

根据变压器绕组接线方式可知，其相邻绕组间移相角为：

(2)

式中：Δθ为相邻绕组间的移相角；N为各相功率单元的串联个数。

针对本文融冰高频高压电源移相变压器，各相采用8个功率单元串联，则其两个相邻绕组间移相角为：

综上，移相变压器的移相角由大至小分别为±26.25°，±18.75°，±11.25°，±3.75°。

1.3　功率单元

功率单元组成结构采用级联方式，其变换部分主要由24个功率单元组成。每个功率单元的结构如图2所示，在输入端，功率单元表现为电压源特性，因为电路采用电力二极管不可控整流结构，并加以大电容平波。在电路输出端，每个IGBT反向并联一个功率二极管，构成典型的H桥逆变电路[9,10]。

图2　功率单元结构

为了使装置最终输出电压达到融冰要求，可将多个功率单元串联起来，从而提高输出电压幅值。电路的拓扑结构如图3所示。

图3　单相串联功率单元结构

此串联电路结构有两个显著特点：其一，N个功率单元串联，则各相输出电压等级达到2N+1个，分别为+NE，+(N-1)E，...，-(N-1)E，-NE。输出线电压的等级则有4N+1个，而由于输出电压等级数目的增加，会使得电流与电压波形更接近正弦波，即减少了谐波分量；其二，因为流经功率单元的电流为相电流，其端电压为装置最终输出相电压的1/N，因此每个功率单元的功率为融冰装置功率的1/(3N)，如此则降低了单个功率单元的功率要求[11,12]。

本装置输入端电压为35 kV，输出端电压要求为18 kV。功率单元采用双电平拓扑，各相串联8个功率单元，则整流输出端直流电压为：

(3)

经滤波电容平波后，可求得电压峰值为：

(4)

装置的输出线电流(相电流)可由下式计算：

(5)

I=2 550 000/18 000×0.95=167 (A)

针对融冰激励源整体而言，输入端三相电压首先经过整流部分整流，形成直流母线电压。通过计算可知，35 kV的工频输入电压经整流后，得到幅值约为24.2 kV的直流电压；然后直流母线电压再经由8个IGBT串联而成的单相逆变电路变压变频后，装置输出端最终输出频率范围0～40 kHz、电压幅值0～18 kV的交流电。

2高频融冰激励源可行性仿真

2.1　高频融冰激励源仿真模型

为验证所设计的高频融冰激励源能否按要求有效工作，运用MATLAB进行仿真。首先建立H桥功率单元模型并封装，功率单元模型如图4，然后同理生成8个并串联起来构成A相主电路结构，即A-phase模块。由8个H桥功率单元级联而成的A相电压输出是单个功率单元的8倍。再同理生成B-phase以及C-phase模块，同时设置每相120°的PWM输出波形相位差。仿真电路结构如图5所示，此即为级联型高频激励融冰激励源整体仿真模型[13]。

图4　H桥功率单元模型

图5　级联型高频激励融冰电源模型

融冰激励源仿真模型以35 kV工频交流电压作为输入。首先，输入端的35 kV交流电压经过整流桥得到脉动的直流电压，然后经由滤波电容变为平稳直流电压，最后输入采用SPWM方式控制的逆变单元进行逆变得到最终输出。另外，为达到较理想的输出，本次设计的融冰电源运用多电平移相载波技术。经计算，以15°作为其载波信号移相角可得最佳输出，其中每相功率单元的输入信号均相同。

2.2　仿真结果分析

在仿真模型中，输入电压经整流后，读取直流电压约为3 050 V，其波形如图6；再经IGBT逆变后，读取电压约为1 800 V、频率40 kHz，电压波形见图7。逆变后的电压频率高达40 kHz，即周期仅为2.5×10-5s，采样相当密集。

图6　融冰电源仿真模型的整流电压波形

图7　融冰电源仿真模型的逆变电压波形

其中，0.028～0.03 s的逆变端输出电压波形如图8所示。可见，输出电压很快达到稳定状态且输出波形理想。

图8　融冰电源仿真模型的输出电压稳定波形

通过对该仿真模型输出电压进行FFT分析，可知所设计的激励源输出电压频率为40 kHz，且其中各次谐波含量总和占比较低，详见图9。因此，仿真验证了此设计方案的可行性。

图9　融冰电源仿真模型的FFT分析

3结论

本文讨论了针对500 kV架空输电线路的可移动式高频激励融冰电源的设计方案，重点分析了装置的移相变压器和功率单元部分，进而运用MATLAB对级联式高频融冰激励源进行仿真，验证了此方案的可行性，并得出如下结论：(1)利用H桥功率单元级联可成倍提高融冰装置输出电压，并且明显降低谐波含量；(2)采用移相多重化技术，可在IGBT耐压范围内设计出理想的调频器，获得融冰所需的高频电压。

整套高频激励融冰装置不仅包含高频激励源，还需研制一套相应的阻波器与之匹配以确保高频融冰电流只在融冰线路段流动。此外，相应的保护装置及后期如何接入覆冰输电线路以实现高频激励在线融冰等问题都需要进一步研究与探讨。

参考文献：

[1]李再华，白晓民，周子冠，等．电网覆冰防治方法和研究进展[J]．电网技术，2008，32(4)：7-13.

[2]尹世锋，卢勇，王闸，等.基于CACA-WNN的恶劣气候条件下架空输电线路覆冰厚度的预测[J].电力科学与工程，2012，28 ( 11) : 28- 31.

[3]吕健双，李健.特高压输电线路覆冰断线张力计算与分析[J].电力科学与工程，2013，29(8)：10-15.

[4]蒋兴良，毕茂强，黎振宇，等.自然条件下导线直流融冰与脱冰过程研究[J].电网技术，2013，37(9)：2626-2631.

[5]周羽生，陈佩瑶，高小刚，等.基于高频高压激励法的输电线路融冰方法研究[J].电瓷避雷器，2011，(6)：1-4.

[6]焦重庆，齐磊.输电线路外施中频电源融冰技术[J].电工技术学报，2010，25(7)：159-162.

[7]陈佩瑶.输电线路高频激励融冰技术及装置研究[D].长沙：长沙理工大学，2012：37-44.

[8]Mccurdy J D, Sullivan C R, Petrenko V F. et al. Using dielectric losses to de-ice power transmission lines with 100 kHz high-voltage excitation[C]//Industry Applications Conference, 2001. Thirty-sixth IAS Annual Meeting. Conference Record of the 2001 IEEE, 2001: 2515-2519.

[9]毛承雄，李维波，陆继明，等.高压变频器共模电压仿真研究[J].中国电机工程学报，2003，23(9)：57-62.

[10]陆继明，李维波，毛承雄，等.高压变频器输出滤波器研究[J].高电压技术，2002，28(11)：13-16.

[11]周凌，葛照强.基于MATLAB的多电平高压变频器的仿真研究[J].湖南工业大学学报，2008，22(4)：64-66.

[12]任冲，刘涤尘，潘晓杰，等.与三峡-万县输电线路相连电网的等值简化与实时仿真研究[J].电力科学与工程，2006，(1)：15-18.

[13]于群，曹娜.MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真[M].北京：机械工业出版社, 2011.

Research on Transmission Line De-icing Source Based on the Method of High-frequency Excitation

Jing Qunwei1, Zhou Yusheng1, Luo Yu1，2, Liu Liang1(1.Smart Grids Operation and Control Key Laboratory of Hunan Province, Changsha Universityof Science and Technology, Changsha 410114,China;2.Power Transmission and Distribution Equipment Anti-Ice & Reducing-Disaster Technology Key Laboratory of State Grid Corporation, Changsha 410007, China)