直流融冰運(yùn)行模式下?lián)Q流站交流側(cè)無(wú)功及電能質(zhì)量分析

中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司昆明局 王云龍 楊 濤 蘇志龍 魏金林 梁鈺華 馬向南

東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院 李紅穎

近年氣候變化嚴(yán)重冰雪災(zāi)害時(shí)常發(fā)生，南方電網(wǎng)易出現(xiàn)輸電線(xiàn)路覆冰。如不及時(shí)處理會(huì)對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生危害，常會(huì)引起大面積的電力事故。為解決線(xiàn)路覆冰問(wèn)題，我國(guó)研究了交流融冰和直流融冰兩種方法。但在相同線(xiàn)路上分別使用交流和直流時(shí)，交流輸電線(xiàn)路由于存在電抗其阻抗大于直流線(xiàn)路阻抗，相同時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量少，直流輸電線(xiàn)路沒(méi)有電感，所有能量都用于電阻發(fā)熱，融冰速度快，節(jié)約能量。目前工程中主要采用的直流融冰整流裝置主要有三種典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：二極管不可控整流裝置；基于晶閘管的6脈波或12脈波可控整流裝置（IGBT）；基于絕緣柵雙極晶體管整流裝置。二極管整流器和晶閘管換流器在運(yùn)行時(shí)主要有兩個(gè)缺點(diǎn)：消耗大量的容性無(wú)功；產(chǎn)生大量的諧波，且二極管整流裝置其直流輸出電壓不可調(diào)。而IGBT 的全控整流裝置改善了諧波問(wèn)題，輸出電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)，且在其他時(shí)候可用作變電站無(wú)功補(bǔ)償，可提高設(shè)備利用率，無(wú)功補(bǔ)償模式與融冰模式轉(zhuǎn)換操作便捷。

在我國(guó)現(xiàn)有的對(duì)線(xiàn)路融冰領(lǐng)域的研究中，有很多是針對(duì)輸電線(xiàn)路融冰的物理過(guò)程的，研究電場(chǎng)融冰時(shí)的臨界融冰電流、融冰時(shí)間的計(jì)算方式。沒(méi)有對(duì)系統(tǒng)中使用裝置后運(yùn)行狀態(tài)分析的。很多是對(duì)融冰技術(shù)的研究與完善，比如電網(wǎng)融冰計(jì)劃決策與協(xié)同優(yōu)化，直流融冰控制與保護(hù)策略?，F(xiàn)在的文獻(xiàn)中很少有人提出融冰裝置產(chǎn)生諧波對(duì)換流站交流側(cè)電能質(zhì)量的影響以及安裝融冰裝置后對(duì)系統(tǒng)無(wú)功功率的影響，有也是針對(duì)的二極管不可控整流裝置和基于晶閘管的6脈波或12脈波可控整流裝置兩種拓?fù)涞?，很少有人研究全橋型MMC 融冰裝置對(duì)交流側(cè)電壓電流的影響。電網(wǎng)中諧波含量過(guò)大會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重問(wèn)題，可能影響到控制保護(hù)裝置、甚至是整個(gè)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 全橋型MMC 融冰裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 全橋型MMC 融冰裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

設(shè)備應(yīng)用如圖1，其左側(cè)與交流系統(tǒng)連接，右側(cè)通過(guò)一組直流隔離開(kāi)關(guān)（M1～M4）連接到輸電線(xiàn)路上。直流融冰設(shè)備就是應(yīng)用換流站整流功能將交流轉(zhuǎn)換為直流，利用焦耳熱為覆冰導(dǎo)線(xiàn)提供熱量融化覆冰。為研究換流站交流測(cè)電壓電流質(zhì)量，交流測(cè)不加裝濾波器，分析融冰裝置運(yùn)行時(shí)對(duì)交流測(cè)的影響。本文重點(diǎn)研究全橋型MMC 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2，換流器包括三個(gè)相單元，每相包含上、下兩個(gè)橋臂。每個(gè)橋臂由N 個(gè)相同的FBSM 級(jí)聯(lián)而成，上橋臂與下橋臂之間串聯(lián)電感L0，主要功能是提供電壓緩沖。該結(jié)構(gòu)既有交流母線(xiàn)又有直流母線(xiàn)，可同時(shí)傳輸有功功率和無(wú)功功率。且由于每個(gè)FBSM 輸出的電壓中包含的直流分量都是可調(diào)控的，該融冰裝置的直流輸出電壓可在0到額定值內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)[1]。

圖1 融冰裝置與系統(tǒng)連接圖

圖2 模塊化多電平換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖3 全橋子模塊圖

圖4 全橋型MMC 直流融冰裝置的控制框圖

1.2 全橋型MMC 的控制策略

全橋型子模塊（FBSM）相對(duì)于半橋型子模（HBSM）控制靈活度更高，全橋型MMC 融冰裝置運(yùn)行時(shí)正極電壓到udc/2、負(fù)極電壓到-udc/2，F(xiàn)BSM 可輸出正、零、負(fù)三電平電壓，使裝置實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓在零到額定值間調(diào)節(jié)，滿(mǎn)足不同線(xiàn)路在融冰時(shí)對(duì)直流電壓的要求。當(dāng)給某一特定線(xiàn)路融冰時(shí)線(xiàn)路電阻R 為固定值，Idc為融冰直流電流設(shè)定值，由公式Idc=Udc/R 可知融冰裝置作用在不同線(xiàn)路時(shí)所需電壓不同，因此融冰裝置的輸出直流電壓需具備較寬的調(diào)節(jié)范圍。本文采用了最近電平調(diào)制（NLM），NLM 技術(shù)具有開(kāi)關(guān)頻率低、損耗小、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，計(jì)算方法是將直流電壓參考值1/2Uref和橋臂調(diào)制波vm做加減法，在與平均電容電壓Ucav的相比之后取整，分別得到上下橋臂所需導(dǎo)通的子模塊數(shù)N0。全橋型MMC 直流融冰裝置的控制框圖如圖4[2]，融冰裝置的控制策略主要分為系統(tǒng)級(jí)控制和閥級(jí)控制兩部分，其中系統(tǒng)級(jí)控制主要包括dq 解耦控制器和直流電流控制器等，閥級(jí)控制主要包括調(diào)制均壓部分、環(huán)流抑制等。

2 交流測(cè)無(wú)功補(bǔ)償及電能質(zhì)量分析

2.1 交流測(cè)無(wú)功補(bǔ)償分析

無(wú)功特性與功率因數(shù)有關(guān)，一般情況下其功率因數(shù)較低所需無(wú)功功率較大，同時(shí)由于整流器采用PWM 控制，可進(jìn)行四象限整流，其功率因數(shù)控制在1附近。融冰裝置投入到系統(tǒng)運(yùn)行且不配置無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備時(shí)，其無(wú)功需求隨著電壓和電流的變化而改變，與融冰電流成正比、與直流輸出電壓成反比。電流最大時(shí)融冰裝置的無(wú)功需求最大，而零功率試驗(yàn)時(shí)電流最大，零功率時(shí)的無(wú)功消耗最大為額定功率的1.32倍。零功率試驗(yàn)消耗的無(wú)功較大，將會(huì)影響換流站的無(wú)功平衡，所以在融冰裝置投入使用時(shí)都會(huì)先做零功率實(shí)驗(yàn)以確定其能安全運(yùn)行[3]。

在設(shè)計(jì)融冰裝置時(shí)應(yīng)考慮裝置中消耗的無(wú)功功率，裝置應(yīng)能自行補(bǔ)償無(wú)功[4]。補(bǔ)償?shù)目偭繎?yīng)為零功率實(shí)驗(yàn)中消耗的最大無(wú)功。但當(dāng)將融冰裝置與系統(tǒng)綜合考慮后，為提高經(jīng)濟(jì)性應(yīng)重新考慮融冰裝置中無(wú)功補(bǔ)償容量。若直流融冰裝置在交直流系統(tǒng)下運(yùn)行且不配置無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，則需換流站內(nèi)無(wú)功設(shè)備和交流系統(tǒng)補(bǔ)償融冰裝置所需無(wú)功，但無(wú)功補(bǔ)償裝置容量有限，未必能全補(bǔ)償直流融冰系統(tǒng)所需無(wú)功。所以融冰系統(tǒng)在交直流聯(lián)合系統(tǒng)下工作時(shí)，融冰裝置單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的無(wú)功補(bǔ)償容量Qf1要求Qf1=Qfmax-Qacmax，式中Qfmax為融冰裝置最大的無(wú)功需求，Qacmax為交流系統(tǒng)能夠提供的最大無(wú)功。

融冰時(shí)直流輸電系統(tǒng)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行。過(guò)負(fù)荷是指直流系統(tǒng)長(zhǎng)期過(guò)負(fù)荷，換流站與融冰裝置共同運(yùn)行時(shí)的容量Qf2要求Qf2=Qfmax-Qacmax-（Qdc-Qfdc），式中Qdc是過(guò)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)原有換流站消耗最大無(wú)功，Qfdc為原有換流站的所有無(wú)功補(bǔ)償量。考慮融冰裝置所在變電站的站用變的容量限值，不增加額外的投資，無(wú)功補(bǔ)償容量Qf3應(yīng)滿(mǎn)足Qf3≥Qfmax+Qr-Qt，式中Qr為在同一條母線(xiàn)上其他可投入使用的無(wú)功量，Qt為站用變的最大無(wú)功容量。

以上分了三種情況來(lái)計(jì)算融冰裝置的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備容量，可依情況按公式計(jì)算。

2.2 交流測(cè)電壓電流分析

融冰裝置具有低電壓、大電流的特點(diǎn)。在計(jì)算出線(xiàn)路電阻值后，考慮線(xiàn)路融冰需求所需融冰電流基本在4～5kA?；贗GBT 的整流器相對(duì)于基于晶閘管或二極管的整流器產(chǎn)生諧波少，因其采用脈寬調(diào)制控制方式，可進(jìn)行四象限整流，其功率因數(shù)控制在1附近。網(wǎng)側(cè)電流幾乎接近正弦值，諧波電流含量小，但也會(huì)對(duì)交流測(cè)電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，如果融冰裝置產(chǎn)生的諧波電流使交流母線(xiàn)諧波電壓畸變率超出標(biāo)準(zhǔn)的限值要求將嚴(yán)重影響母線(xiàn)的供電質(zhì)量，也會(huì)影響直流控制保護(hù)設(shè)備，比如換流閥冷系統(tǒng)、繼電保護(hù)系統(tǒng)等設(shè)備的運(yùn)行，從而影響直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。如果融冰裝置和直流輸電系統(tǒng)對(duì)交流母線(xiàn)共同作用，將進(jìn)一步威脅換流站母線(xiàn)電壓的畸變率。

3 仿真分析

直流融冰參數(shù)設(shè)置。直流融冰裝置會(huì)涉及到大量的參數(shù)[5]，這些參數(shù)的精準(zhǔn)性將會(huì)對(duì)直流融冰裝置的性能及其在日后的應(yīng)用產(chǎn)生直接影響，針對(duì)某地線(xiàn)路中的全橋型融冰裝置參數(shù)進(jìn)行設(shè)定：變壓器一次側(cè)電壓220kV、二次側(cè)電壓10.5kV、子模塊數(shù)目19、子模塊電容20mF、橋臂電抗0.003185H、交流電壓10kV、有功功率50WM、直流電壓12.5kV、直流電流2kA、覆冰導(dǎo)線(xiàn)電阻12Ω。

圖5 交流電壓諧波畸變率

建模仿真。在MATLAB/SIMULINK 中按照以上所設(shè)置的計(jì)算參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算。交流母線(xiàn)波形基本為正弦波、畸變率小，在對(duì)交流母線(xiàn)電壓進(jìn)行諧波分析后可得到圖5，電壓總畸變率接近為2%，基本都是奇次諧波，可滿(mǎn)足電能質(zhì)量要求。在直流融冰單獨(dú)作用下對(duì)交流母線(xiàn)的影響不大，但如果和直流系統(tǒng)共同作用需重新考慮。