基于高頻激勵法的輸電線路融冰激勵源研究

荊群偉，周羽生，羅　嶼,2，劉　亮

(1.長沙理工大學 智能電網運行與控制湖南省重點實驗室，湖南長沙410114；2. 國網輸變電設備防冰減災技術重點實驗室，湖南長沙410007)

基于高頻激勵法的輸電線路融冰激勵源研究

荊群偉1，周羽生1，羅嶼1,2，劉亮1

(1.長沙理工大學 智能電網運行與控制湖南省重點實驗室，湖南長沙410114；2. 國網輸變電設備防冰減災技術重點實驗室，湖南長沙410007)

摘要：針對當前輸電線路融冰技術的缺陷，國外有學者提出了一種在線高頻激勵融冰方法。此方法具有可實現在線融冰、融冰電流小和融冰效率高等優點，但成套融冰設備未得到深入研究。為推進此融冰方法在輸電線路中的實際應用，提出一種針對500 kV交流輸電線路的移動式高頻融冰激勵源設計方案，重點分析并計算了移相變壓器與功率單元相關參數，并運用MATLAB對級聯式高頻激勵源進行仿真。結果表明，此方案可行且具有諧波含量低、輸出電壓穩定等優勢。

關鍵詞：高頻激勵融冰；高頻融冰激勵源；移相變壓器；功率單元；MATLAB

中圖分類號:TM731

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.10.003

收稿日期：2015-07-27。

基金項目：國家自然科學基金(51407013)；湖南省高等學校創新平臺基金資助項目(14K001)。

作者簡介：荊群偉(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向為輸電線路融冰技術，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

由于輸電線路覆冰引發的事故嚴重危害著電力系統的安全運行，所以輸電線路融冰技術很早就得到了關注與研究。但截止目前，國內外常用的輸電線路融冰技術都有各自不可克服的缺陷[1～4]。因此，探索新型融冰技術仍然是當前電力系統研究的重要課題之一。

2001年,Charles等人提出了高頻激勵融冰新技術。其基本原理是：接通高頻激勵源時，冰是一種有損耗電介質，利用冰本身的介質熱和導體中高頻電流產生的焦耳熱可以以較小融冰電流獲得較大發熱功率，進而達到理想的輸電線路融冰效果[5,6]?；诖搜芯砍晒疚奶岢鲆环N適用于500 kV交流輸電線路的高頻融冰激勵源設計方案并運用MATLAB的Simulink仿真模塊驗證其可行性，以期逐步完成整套融冰裝置的設計與制造，繼而實現高頻激勵融冰技術的實際應用，為有效解決輸電線路覆冰問題提供一種新的實用方案[7,8]。

1高頻融冰激勵源設計

1.1　設計方案

本文針對500 kV 架空輸電線路高頻高壓激勵源的設計原則有如下幾點：(1)融冰回路采用交-直-交變頻電路；(2)激勵源采用不可控整流器件以便提高其穩定性；(3)將整流橋與分組變壓器相互串接，從而達到級聯調壓的效果，實現輸出電壓可調節和裝置可移動；(4)激勵源采用十二脈波全波整流方式以便減少諧波占比，同時降低無功功率損耗；(5)采用降壓變壓器降壓增流以使所需要融冰容量與激勵源相匹配。

根據以上原則考慮，融冰激勵源的輸入采用500 kV變電站內35 kV變壓器的次級。融冰激勵源主電路拓撲設計如圖1所示。該拓撲結構的優勢在于：(1)獨立的功率單元能夠均攤總功率，從而大大降低了單個功率單元的額定功率，并且采用單個器件能夠避免并聯所帶來的問題；(2)總輸出電壓由各個串聯功率單元IGBT等分，因此可采用技術成熟，價格低廉的耐壓較小的開關管，同時輸出高電壓；(3)通過載波移相技術和容錯技術的應用，在不提高開關器件開關頻率的同時，利用拓撲結構成倍地增大輸出交流電壓(電流)的頻率，可提高裝置效率，降低成本，同時提高了裝置工作的可靠性；(4)功率單元模塊化的設計方案有利于統一設計、生產以及維護。

圖1　高頻融冰激勵源主電路結構圖

綜上可見，該電路結構不僅滿足高頻激勵融冰激勵源的基本要求，而且具有易于控制，制造工藝簡單，運行也較為可靠等優點。在確定激勵源整體設計方案的基礎上，本文針對該裝置的主要構成部分：移相變壓器和功率單元分別進行了計算分析。

1.2　移相變壓器

融冰激勵源移相變壓器采用延邊三角形聯結方式，其中，二次側繞組移相方法的采用有利于多重化整流的實現。而為了使得二次側相電壓比一次側相電壓超前0°～60°之間的任意角度，可將Ydll確定為移相變壓器的具體聯結方式，并調整二次側延邊三角形加以實現。

本裝置所采用的輸入電壓為35 kV±10%(線電壓)，頻率為50 Hz，另據文獻[7]可知，高頻高壓電源的輸出功率約為2.50～2.65 MW(本文計算取2.55 MW)。據此即可量化移相變壓器相關參數。

(1)變壓器容量

變壓器容量可由下式確定：

(1)

式中：STN為移相變壓器容量；PCN為高頻高壓電源輸出功率；cosφCN為高頻高壓電源輸入功率因數；η為高頻高壓電源效率。其中，激勵源的功率因數根據輸入端有無交流電抗器取值有所不同，但總的取值范圍波動較小(0.6～0.85)，而高頻激勵融冰時電源端功率因數接近于1[6]，故本文取cosφCN=0.85，η=0.95，PCN=2.55 MW，則變壓器設計容量為：

2.55/(0.85×0.95)=3.16(MVA)

按照變壓器生產廠家的行業經驗，一般取設計容量的130%作為標準進行生產，故變壓器制造容量為：

(2)變壓器移相角

根據變壓器繞組接線方式可知，其相鄰繞組間移相角為：

(2)

式中：Δθ為相鄰繞組間的移相角；N為各相功率單元的串聯個數。

針對本文融冰高頻高壓電源移相變壓器，各相采用8個功率單元串聯，則其兩個相鄰繞組間移相角為：

綜上，移相變壓器的移相角由大至小分別為±26.25°，±18.75°，±11.25°，±3.75°。

1.3　功率單元

功率單元組成結構采用級聯方式，其變換部分主要由24個功率單元組成。每個功率單元的結構如圖2所示，在輸入端，功率單元表現為電壓源特性，因為電路采用電力二極管不可控整流結構，并加以大電容平波。在電路輸出端，每個IGBT反向并聯一個功率二極管，構成典型的H橋逆變電路[9,10]。

圖2　功率單元結構

為了使裝置最終輸出電壓達到融冰要求，可將多個功率單元串聯起來，從而提高輸出電壓幅值。電路的拓撲結構如圖3所示。

圖3　單相串聯功率單元結構

此串聯電路結構有兩個顯著特點：其一，N個功率單元串聯，則各相輸出電壓等級達到2N+1個，分別為+NE，+(N-1)E，...，-(N-1)E，-NE。輸出線電壓的等級則有4N+1個，而由于輸出電壓等級數目的增加，會使得電流與電壓波形更接近正弦波，即減少了諧波分量；其二，因為流經功率單元的電流為相電流，其端電壓為裝置最終輸出相電壓的1/N，因此每個功率單元的功率為融冰裝置功率的1/(3N)，如此則降低了單個功率單元的功率要求[11,12]。

本裝置輸入端電壓為35 kV，輸出端電壓要求為18 kV。功率單元采用雙電平拓撲，各相串聯8個功率單元，則整流輸出端直流電壓為：

(3)

經濾波電容平波后，可求得電壓峰值為：

(4)

裝置的輸出線電流(相電流)可由下式計算：

(5)

I=2 550 000/18 000×0.95=167 (A)

針對融冰激勵源整體而言，輸入端三相電壓首先經過整流部分整流，形成直流母線電壓。通過計算可知，35 kV的工頻輸入電壓經整流后，得到幅值約為24.2 kV的直流電壓；然后直流母線電壓再經由8個IGBT串聯而成的單相逆變電路變壓變頻后，裝置輸出端最終輸出頻率范圍0～40 kHz、電壓幅值0～18 kV的交流電。

2高頻融冰激勵源可行性仿真

2.1　高頻融冰激勵源仿真模型

為驗證所設計的高頻融冰激勵源能否按要求有效工作，運用MATLAB進行仿真。首先建立H橋功率單元模型并封裝，功率單元模型如圖4，然后同理生成8個并串聯起來構成A相主電路結構，即A-phase模塊。由8個H橋功率單元級聯而成的A相電壓輸出是單個功率單元的8倍。再同理生成B-phase以及C-phase模塊，同時設置每相120°的PWM輸出波形相位差。仿真電路結構如圖5所示，此即為級聯型高頻激勵融冰激勵源整體仿真模型[13]。

圖4　H橋功率單元模型

圖5　級聯型高頻激勵融冰電源模型

融冰激勵源仿真模型以35 kV工頻交流電壓作為輸入。首先，輸入端的35 kV交流電壓經過整流橋得到脈動的直流電壓，然后經由濾波電容變為平穩直流電壓，最后輸入采用SPWM方式控制的逆變單元進行逆變得到最終輸出。另外，為達到較理想的輸出，本次設計的融冰電源運用多電平移相載波技術。經計算，以15°作為其載波信號移相角可得最佳輸出，其中每相功率單元的輸入信號均相同。

2.2　仿真結果分析

在仿真模型中，輸入電壓經整流后，讀取直流電壓約為3 050 V，其波形如圖6；再經IGBT逆變后，讀取電壓約為1 800 V、頻率40 kHz，電壓波形見圖7。逆變后的電壓頻率高達40 kHz，即周期僅為2.5×10-5s，采樣相當密集。

圖6　融冰電源仿真模型的整流電壓波形

圖7　融冰電源仿真模型的逆變電壓波形

其中，0.028～0.03 s的逆變端輸出電壓波形如圖8所示?？梢?，輸出電壓很快達到穩定狀態且輸出波形理想。

圖8　融冰電源仿真模型的輸出電壓穩定波形

通過對該仿真模型輸出電壓進行FFT分析，可知所設計的激勵源輸出電壓頻率為40 kHz，且其中各次諧波含量總和占比較低，詳見圖9。因此，仿真驗證了此設計方案的可行性。

圖9　融冰電源仿真模型的FFT分析

3結論

本文討論了針對500 kV架空輸電線路的可移動式高頻激勵融冰電源的設計方案，重點分析了裝置的移相變壓器和功率單元部分，進而運用MATLAB對級聯式高頻融冰激勵源進行仿真，驗證了此方案的可行性，并得出如下結論：(1)利用H橋功率單元級聯可成倍提高融冰裝置輸出電壓，并且明顯降低諧波含量；(2)采用移相多重化技術，可在IGBT耐壓范圍內設計出理想的調頻器，獲得融冰所需的高頻電壓。

整套高頻激勵融冰裝置不僅包含高頻激勵源，還需研制一套相應的阻波器與之匹配以確保高頻融冰電流只在融冰線路段流動。此外，相應的保護裝置及后期如何接入覆冰輸電線路以實現高頻激勵在線融冰等問題都需要進一步研究與探討。

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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)