直流融冰运行模式下换流站交流侧无功及电能质量分析

中国南方电网有限责任公司超高压输电公司昆明局 王云龙 杨 涛 苏志龙 魏金林 梁钰华 马向南

东北电力大学电气工程学院 李红颖

近年气候变化严重冰雪灾害时常发生，南方电网易出现输电线路覆冰。如不及时处理会对整个电力系统的安全稳定运行产生危害，常会引起大面积的电力事故。为解决线路覆冰问题，我国研究了交流融冰和直流融冰两种方法。但在相同线路上分别使用交流和直流时，交流输电线路由于存在电抗其阻抗大于直流线路阻抗，相同时间内产生的热量少，直流输电线路没有电感，所有能量都用于电阻发热，融冰速度快，节约能量。目前工程中主要采用的直流融冰整流装置主要有三种典型拓扑结构：二极管不可控整流装置；基于晶闸管的6脉波或12脉波可控整流装置（IGBT）；基于绝缘栅双极晶体管整流装置。二极管整流器和晶闸管换流器在运行时主要有两个缺点：消耗大量的容性无功；产生大量的谐波，且二极管整流装置其直流输出电压不可调。而IGBT 的全控整流装置改善了谐波问题，输出电压可连续调节，且在其他时候可用作变电站无功补偿，可提高设备利用率，无功补偿模式与融冰模式转换操作便捷。

在我国现有的对线路融冰领域的研究中，有很多是针对输电线路融冰的物理过程的，研究电场融冰时的临界融冰电流、融冰时间的计算方式。没有对系统中使用装置后运行状态分析的。很多是对融冰技术的研究与完善，比如电网融冰计划决策与协同优化，直流融冰控制与保护策略。现在的文献中很少有人提出融冰装置产生谐波对换流站交流侧电能质量的影响以及安装融冰装置后对系统无功功率的影响，有也是针对的二极管不可控整流装置和基于晶闸管的6脉波或12脉波可控整流装置两种拓扑的，很少有人研究全桥型MMC 融冰装置对交流侧电压电流的影响。电网中谐波含量过大会带来严重问题，可能影响到控制保护装置、甚至是整个电力系统的安全稳定运行。

1 全桥型MMC 融冰装置拓扑结构及工作原理

1.1 全桥型MMC 融冰装置拓扑结构

设备应用如图1，其左侧与交流系统连接，右侧通过一组直流隔离开关（M1～M4）连接到输电线路上。直流融冰设备就是应用换流站整流功能将交流转换为直流，利用焦耳热为覆冰导线提供热量融化覆冰。为研究换流站交流测电压电流质量，交流测不加装滤波器，分析融冰装置运行时对交流测的影响。本文重点研究全桥型MMC 的拓扑结构如图2，换流器包括三个相单元，每相包含上、下两个桥臂。每个桥臂由N 个相同的FBSM 级联而成，上桥臂与下桥臂之间串联电感L0，主要功能是提供电压缓冲。该结构既有交流母线又有直流母线，可同时传输有功功率和无功功率。且由于每个FBSM 输出的电压中包含的直流分量都是可调控的，该融冰装置的直流输出电压可在0到额定值内连续调节[1]。

图1 融冰装置与系统连接图

图2 模块化多电平换流器的拓扑结构图

图3 全桥子模块图

图4 全桥型MMC 直流融冰装置的控制框图

1.2 全桥型MMC 的控制策略

全桥型子模块（FBSM）相对于半桥型子模（HBSM）控制灵活度更高，全桥型MMC 融冰装置运行时正极电压到udc/2、负极电压到-udc/2，FBSM 可输出正、零、负三电平电压，使装置实现直流侧电压在零到额定值间调节，满足不同线路在融冰时对直流电压的要求。当给某一特定线路融冰时线路电阻R 为固定值，Idc为融冰直流电流设定值，由公式Idc=Udc/R 可知融冰装置作用在不同线路时所需电压不同，因此融冰装置的输出直流电压需具备较宽的调节范围。本文采用了最近电平调制（NLM），NLM 技术具有开关频率低、损耗小、响应快等优点，计算方法是将直流电压参考值1/2Uref和桥臂调制波vm做加减法，在与平均电容电压Ucav的相比之后取整，分别得到上下桥臂所需导通的子模块数N0。全桥型MMC 直流融冰装置的控制框图如图4[2]，融冰装置的控制策略主要分为系统级控制和阀级控制两部分，其中系统级控制主要包括dq 解耦控制器和直流电流控制器等，阀级控制主要包括调制均压部分、环流抑制等。

2 交流测无功补偿及电能质量分析

2.1 交流测无功补偿分析

无功特性与功率因数有关，一般情况下其功率因数较低所需无功功率较大，同时由于整流器采用PWM 控制，可进行四象限整流，其功率因数控制在1附近。融冰装置投入到系统运行且不配置无功补偿设备时，其无功需求随着电压和电流的变化而改变，与融冰电流成正比、与直流输出电压成反比。电流最大时融冰装置的无功需求最大，而零功率试验时电流最大，零功率时的无功消耗最大为额定功率的1.32倍。零功率试验消耗的无功较大，将会影响换流站的无功平衡，所以在融冰装置投入使用时都会先做零功率实验以确定其能安全运行[3]。

在设计融冰装置时应考虑装置中消耗的无功功率，装置应能自行补偿无功[4]。补偿的总量应为零功率实验中消耗的最大无功。但当将融冰装置与系统综合考虑后，为提高经济性应重新考虑融冰装置中无功补偿容量。若直流融冰装置在交直流系统下运行且不配置无功补偿设备，则需换流站内无功设备和交流系统补偿融冰装置所需无功，但无功补偿装置容量有限，未必能全补偿直流融冰系统所需无功。所以融冰系统在交直流联合系统下工作时，融冰装置单独运行时的无功补偿容量Qf1要求Qf1=Qfmax-Qacmax，式中Qfmax为融冰装置最大的无功需求，Qacmax为交流系统能够提供的最大无功。

融冰时直流输电系统过负荷运行。过负荷是指直流系统长期过负荷，换流站与融冰装置共同运行时的容量Qf2要求Qf2=Qfmax-Qacmax-（Qdc-Qfdc），式中Qdc是过负荷运行时原有换流站消耗最大无功，Qfdc为原有换流站的所有无功补偿量。考虑融冰装置所在变电站的站用变的容量限值，不增加额外的投资，无功补偿容量Qf3应满足Qf3≥Qfmax+Qr-Qt，式中Qr为在同一条母线上其他可投入使用的无功量，Qt为站用变的最大无功容量。

以上分了三种情况来计算融冰装置的无功补偿设备容量，可依情况按公式计算。

2.2 交流测电压电流分析

融冰装置具有低电压、大电流的特点。在计算出线路电阻值后，考虑线路融冰需求所需融冰电流基本在4～5kA。基于IGBT 的整流器相对于基于晶闸管或二极管的整流器产生谐波少，因其采用脉宽调制控制方式，可进行四象限整流，其功率因数控制在1附近。网侧电流几乎接近正弦值，谐波电流含量小，但也会对交流测电能质量产生影响，如果融冰装置产生的谐波电流使交流母线谐波电压畸变率超出标准的限值要求将严重影响母线的供电质量，也会影响直流控制保护设备，比如换流阀冷系统、继电保护系统等设备的运行，从而影响直流输电系统的安全稳定运行。如果融冰装置和直流输电系统对交流母线共同作用，将进一步威胁换流站母线电压的畸变率。

3 仿真分析

直流融冰参数设置。直流融冰装置会涉及到大量的参数[5]，这些参数的精准性将会对直流融冰装置的性能及其在日后的应用产生直接影响，针对某地线路中的全桥型融冰装置参数进行设定：变压器一次侧电压220kV、二次侧电压10.5kV、子模块数目19、子模块电容20mF、桥臂电抗0.003185H、交流电压10kV、有功功率50WM、直流电压12.5kV、直流电流2kA、覆冰导线电阻12Ω。

图5 交流电压谐波畸变率

建模仿真。在MATLAB/SIMULINK 中按照以上所设置的计算参数进行仿真计算。交流母线波形基本为正弦波、畸变率小，在对交流母线电压进行谐波分析后可得到图5，电压总畸变率接近为2%，基本都是奇次谐波，可满足电能质量要求。在直流融冰单独作用下对交流母线的影响不大，但如果和直流系统共同作用需重新考虑。