直流融冰裝置整流技術的比較

楊和剛， 孫　鵬，劉紅恩，蓋振宇

(1. 云南電網有限責任公司 昭通供電局， 云南昭通657000； 2. 中電普瑞科技有限公司，北京102200)

直流融冰裝置整流技術的比較

楊和剛1， 孫鵬1，劉紅恩2，蓋振宇2

(1. 云南電網有限責任公司 昭通供電局， 云南昭通657000； 2. 中電普瑞科技有限公司，北京102200)

摘要：輸電線路覆冰會引起線路斷線、桿塔倒塌、大面積停電等事故，給國民生活造成嚴重影響,直流融冰技術是解決線路覆冰的有效手段。介紹了直流融冰技術的原理以及目前已實際應用的三種直流融冰技術，并對三種整流技術的電路結構、特點及適用范圍進行了對比分析，得出結論：基于二極管整流技術的直流融冰裝置結構簡單、成本較低，但是由于電壓控制問題，只適用于中長距離線路融冰；基于晶閘管整流技術的直流融冰裝置輸出電壓、電流可以連續調節，且可以作為SVC使用，是目前應用最廣泛的直流融冰裝置；基于PWM整流技術的直流融冰裝置電能質量及無功特性較好，但由于成本及技術問題，目前僅在短距離、小容量融冰中有所應用。結論對直流融冰實際應用中裝置的選擇有一定的指導意義。

關鍵詞：直流融冰；整流技術；二極管；晶閘管；IGBT

中圖分類號:TM726

文獻標識碼:??碼: B

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.11.012

收稿日期：2015-09-24。

作者簡介：楊和剛(1986-)，男，工程師，研究方向為高電壓工程與試驗，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

冬季持續的雨雪冰凍天氣等極端氣候條件會引起輸電線路覆冰，嚴重覆冰會導致輸電線路的機械和電氣性能急劇下降，從而導致電網事故。全國多省市都曾發生過輸電線路覆冰事故，已嚴重威脅電力系統的安全運行，并帶來了巨大的經濟損失[1，2]。

輸電線路直流融冰技術有別于傳統的交流融冰，是一種新型且有效的輸電線路融冰技術，克服了交流融冰方式的技術缺陷，被普遍認為是解決線路覆冰問題的較好方法。融冰技術尤其是直流融冰技術已成為當前研究的熱點，受到電網公司、電力設備制造商、科研機構及高等院校的廣泛關注。

本文在結合國內外直流融冰技術及應用的基礎上，主要研究了目前已實際應用的三種直流融冰技術，分別介紹了其原理、主電路結構及特點，并總結了三種直流融冰技術的適用范圍。

1直流融冰原理

直流融冰的主要原理是將覆冰線路作為負載，施加直流電源，用較低電壓提供直流短路電流來加熱導線使線路覆冰融化[3]，如圖1所示。

圖1　直流融冰原理圖

由于輸電網導線的交流電阻遠大于直流電阻，交流融冰需要系統提供的電源容量是直流的5～20倍。如對500 kV以上的超高壓交流輸電線路進行交流融冰，當線路長度大于100 km時，系統需要提供的無功功率約為1 GVA～2 GVA之間，超過了一般系統所能承受的范圍，將影響到系統的穩定性。

雖然超高壓交流輸電線路的交流阻抗較大，但其直流電阻一般只有交流阻抗的10%左右。采用直流融冰方案時，達到同樣融冰效果所需要的電源容量比交流融冰要小的多，只需要考慮整流裝置自身消耗的無功功率。根據國內外相關研究，220 kV及以上電壓等級輸電線路采用直流融冰是一種最有效的技術方案。

直流融冰裝置目前主要有三種整流技術：二極管整流、晶閘管整流、PWM整流。三種整流技術各有優缺點，本文在后續章節對三種技術的電路結構、特點及適用范圍進行總結，該工作對融冰裝置的選擇具有一定的指導意義。

2基于二極管整流技術的直流融冰裝置

基于二極管整流技術的直流融冰裝置由于采用不可控的二極管作為整流元件，所以又叫不可控整流融冰裝置，其電路結構圖如下圖2所示。

圖2　基于二極管整流技術的直流融冰裝置電路結構

圖中變壓器起隔離和變壓作用，Lr為換相電抗器，可以起到抑制諧波的作用，但是Lr會增大融冰的無功消耗，降低功率因數，實際應用中根據實際情況確定是否需要Lr[4]。

基于二極管整流技術的直流融冰裝置具有以下特點：

(1)不需要復雜的控制系統，裝置結構簡單，使用方便；

(2)裝置體積小，重量輕，便于實現移動式融冰作業；

(3)可以滿足長距離輸電線路的融冰需求；

(4)二極管相對于晶閘管、IGBT等可控元件成本較低。

基于二極管的直流融冰裝置具有上述優點，但是其變壓器參數一旦確定，輸出直流電壓也隨之確定，無法調節。在實際應用中為了增加電壓調節范圍，往往采用增加變壓器抽頭的方法或采用模塊串并聯的方法，但是其輸出電壓仍為分級調節，無法連續調節。對于有中長距離融冰需求的變電站，可以通過適當設計達到融冰需求，但是對于既有短距離融冰需求又有長距離融冰需求的變電站，二極管融冰裝置較難達到融冰需求。

3基于晶閘管整流技術的直流融冰裝置

不同電壓等級和長度的交流線路，所需的融冰電流和線路直流電阻共同決定了融冰裝置直流電壓變化范圍。對于覆冰線路較多，且線路長度變化較大的變電站，采用基于二極管整流技術的直流融冰技術由于輸出電壓無法調節，故無法滿足融冰需求。基于晶閘管整流技術的直流融冰裝置可以滿足上述需求。

基于晶閘管整流技術的直流融冰裝置電路結構如下圖3所示。

圖3　基于晶閘管整流技術的直流融冰裝置電路結構

晶閘管整流技術把二極管整流電路中的二極管全部換成可以控制觸發角的晶閘管，其余部分與二極管整流電路基本相同，通過控制晶閘管的觸發角可以達到控制整流器輸出直流電壓的目的。由于晶閘管的延遲觸發導致電流發生相移，晶閘管整流技術會消耗較大的無功功率，在實際應用中往往配置適當的濾波器，在濾除諧波的同時補償整流消耗的無功功率。基于晶閘管整流技術的直流融冰裝置在不需要融冰時還可作為SVC使用[5]，融冰模式與SVC模式模式轉換簡圖如下圖4所示。通過切換刀閘工作狀態，可改變電抗器及晶閘管閥組串并聯接線方式，以實現換相電抗器與TCR相控電抗器之間、整流器與TCR閥組之間的重構，從而通過同一套裝置，實現融冰和SVC兩種不同的功能。

圖4　融冰模式與SVC模式間轉換接線簡圖

文獻[4]和文獻[6]對12脈動的晶閘管整流融冰裝置進行了工程設計和研究，并得出結論：在實際融冰應用中6脈動與12脈動各有優缺點，具體采用何種方式需要根據工程的設備投資、占地、損耗等因素綜合判斷確定。

基于晶閘管整流技術的直流融冰裝置具有以下特點：

(1)輸出電壓及電流連續可調，對于不同線型及不同長度的融冰需求均可滿足；

(2)可在冬季具有融冰需求時進行直流融冰，無融冰需求時，發揮SVC功能，進行連續動態的無功電壓調節，大大提高了設備利用率；

(3)設備長期處于運行狀態，大大減少了急需融冰時的復雜試驗檢測工作；

(4)通過合理濾波器設計可以達到濾除裝置產生諧波的同時補償裝置消耗的無功功率，濾波器在SVC模式下也可使用，裝置整體經濟性較好。

(5)部分替代用于并聯補償裝置的投資和占地，經濟效益顯著。

由于基于晶閘管整流技術的直流融冰裝置輸出電壓連續可調，又可以擴展為SVC裝置，兼具可靠性和經濟性的優點，所以該融冰裝置是目前應用最廣泛的直流融冰裝置。

4基于PWM整流技術的直流融冰裝置

二極管整流與晶閘管整流器交流側電流中均含有較大量的諧波，且需要消耗大量的無功功率，功率因數較低。在融冰容量較大時，需要額外的無功補償。PWM控制技術首先是在直流斬波電路和逆變電路中發展起來的，隨著以IGBT為代表的全控器件的不斷進步，在逆變電路中采用PWM控制技術已相當成熟[7]，把逆變電路中的PWM控制技術用于整流電路，就形成了PWM整流電路。通過對PWM整流電路的適當控制，可以使其輸入電流非常接近正弦波，且和輸入電壓同相位，功率因數近似為1。這種整流電路也可以稱為單位功率因數變流器，或高功率因數整流器。

基于PWM整流技術的直流融冰裝置電路結構如下圖5、圖6所示。

圖5　基于PWM整流技術的直流融冰裝置電路結構

圖6　基于PWM整流技術的直流融冰裝置電路改進結構

圖5電路結構中直流側電壓可以平滑連續調節，但是直流側電壓最小值不能小于交流側電壓峰值，在一定程度上限制了其適用范圍。文獻[8]提出在圖5基礎上增加了直流斬波電路就構成了圖6的電路結構，該種電路結構可根據當前負載所需電壓進行移向斬波控制，大大增加其直流電壓可調范圍，但是該方法也相應增加了控制難度，在高電壓和大容量應用場合較難實現。隨著MMC-HVDC技術的進步[9]，文獻[10]又提出了一種新型模塊化多電平直流融冰裝置，結合全橋MMC的結構特點，提出了兼顧直流融冰和無功補償功能的控制方法，但是這種新型的模塊化多電平直流融冰裝置目前僅停留在理論階段，還未見有相關實際應用的報道。

基于PWM整流技術的直流融冰裝置具有以下特點：

(1)輸出電壓及電流連續可調，對于不同線型及不同長度的融冰需求均可滿足；

(2)不需要電路重構即可實現無功補償功能，如果參數設計合理可以滿足在融冰的同時實現無功補償的功能；

(3)裝置工作特性好，不產生諧波，不需要從系統吸收無功功率；

(4)模塊化應用，便于實現移動式應用；

(5)功能擴展能力強，應用前景廣闊。

從上述特點可以看出基于PWM整流技術的直流融冰裝置應用前景非常廣闊，但是由于目前IGBT元件成本較高且大功率應用技術難度較大，多應用在小功率場合。

5結論

(1)基于二極管整流技術的不可控直流融冰裝置結構簡單、成本較低，有利于實現裝置移動式應用，但是由于電壓控制問題，只適用于中長距離線路融冰；

(2)基于晶閘管整流技術的直流融冰裝置輸出電壓、電流可以連續調節，且可以作為SVC使用，有利于裝置的重復利用，經濟性好，是目前應用最廣泛的直流融冰裝置；

(3)基于PWM整流技術的直流融冰裝置電能質量及無功特性較好，但由于成本及技術問題，目前僅在短距離、小容量融冰中有所應用。

參考文獻:

[1]中國南方電網公司.電網防冰融冰技術及應用 [M].北京：中國電力出版社，2010.

[2]彭向陽, 周華敏. 電網冰凍災害分析及防御對策[J]. 電力科學與工程, 2009, 25(7):16-19.

[3]王朗珠, 楊紹遠, 鄭連清. 500kV變電站的直流融冰技術研究[J]. 華北電力大學學報：自然科學版, 2013, 39(6):49-53.

[4]傅闖, 許樹楷, 饒宏,等. 交流輸電系統直流融冰裝置設計及其應用[J]. 高電壓技術, 2013, 39(3): 705-711.

[5]謝彬, 洪文國, 熊志榮,等. 500kV復興變電站固定式直流融冰兼SVC試點工程的設計[J]. 電網技術, 2009, 33(18):182-185.

[6]張翔, 丁勇, 朱炳坤,等. 大容量直流融冰兼靜止無功補償裝置的研制與應用[J]. 電力系統自動化, 2012, 36(20):104-108.

[7]Nguyen P H, 韓民曉. VSC-HVDC等效諧波阻抗與諧波諧振特性研究[J]. 華北電力大學學報：自然科學版, 2015, 42(2):8-14.

[8]劉棟, 賀之淵, 范瑞祥,等. 可關斷器件移動式直流融冰裝置研究[J]. 電網技術, 2012, 36(3):228-233.

[9]李威, 李庚銀. MMC-HVDC電磁暫態仿真模型比較分析研究[J]. 華北電力大學學報：自然科學版, 2015, 42(1):7-14.

[10]梅紅明, 劉建政. 新型模塊化多電平直流融冰裝置[J]. 電力系統自動化, 2013, 37(16):96-102.

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)