摘要：人们生活水平的提高，用电需求的不断增多，促进了我国电力产业的不断发展。在电网运行过程中如果出现覆冰现象，就会造成输电线路倒塔、断线，影响输电线路安全运行，供电可靠性得不到保障，因此必须采用适宜的融冰措施。本文就特高压直流输电线路柔性直流融冰技术展开探讨。
关键词：柔性直流输电；输电线路冰害；融冰技术
1柔性直流输电的主要概念及主要优势
孤岛特性。近年来，我国新能源蓬勃发展，西部大量的新能源通过直流线路输送到东部负荷中心，交流端容量难以支撑大量直流线路的输入。相比于常规直流输电，柔性直流输电技术采用全控型器件，在受端电网表现为独立的交流电源。不仅对受端电网没有电压支撑要求，当交流网内部发生故障时，还可以提供低电压穿越。综合看来，柔性直流技术可以广泛应用于孤岛供电和大规模新能源消纳。（2）MMC技术与谐波无功控制。柔性直流输电采用两电平或三电平技术构成换流器。特高压直流输电的需求促使研究人员不断改进柔直换流器。2001年提出的MMC技术，从根本上解决了高压输电问题。串联的MMC子模块采用多电平技术进行高精度的输出电压控制。相比常规直流输电的滤波器需求，基于MMC技术的换流器几乎不需要滤波支路，提高了系统的整体稳定性，降低了成本。电力系统中70%的电能都被感应电机所消耗，带来了大量的无功需求。近年来，电力电子器件的发展促进了以SVC、SVG为代表的静态无功补偿装置的迅速发展。相比外置的无功补偿装置，基于柔性直流技术的换流器本身就可以提供无功补偿，且在响应速度、谐波控制、占地面积及经济造价方面具有不可比拟的优势。柔直换流器与SVG的容量配置，需要考虑多方面因素，如当地无功需求、无功补偿设备与换流器的无功响应速度、两种无功补偿方式的经济成本及发生故障时的低电压穿越能力需求等。（3）多端控制特性与配电网。常规直流输电需要受端电压提供支撑，多端控制较复杂。所以，国内已经建成的直流项目均采用点对点模式的长距离高压线路模式，将能源富集区的电力输送至负荷中心。随着国内经济的整体发展，多经济中心的格局出现。单纯的点对点输送方式不能构成多负荷中心及多能源输送中心互联的高压直流输电网络。
2输电线路直流融冰过程分析
直流融冰技术利用直流电通过线路产生的热能对输电线路进行除冰，当环境或线路温度持续高于零度时，线路覆冰将被融化而脱冰。根据覆冰物理模型，覆冰时导线结冰，被冰层包裹。输电线路为±800kV直流输电线路，按单条导线情况进行分析，其结构示意图如图１所示。定义线路焦耳热为ＱⅠ，覆冰过程中导线和冰层部分对外辐射和损耗的热量为ＱⅡ。则有
式中：ｈ为冰层表面与空气的热交换系数；ｌ为Ｍ点到导线中点的距离。在覆冰时，θｘ≤０°Ｃ，此时冰层无法吸收足够热量融解而覆冰加厚，那么必然有ＱⅠ＜ＱⅡ。由式（１）和式（２）可知，增加θｘ可使ＱⅠ增大，导线通过电流产生焦耳热使得导线温度升高；而ＱⅠ＝ＱⅡ时进入临界状态，进一步加大融冰电流，则随着θｘ的增加ＱⅠ增大，冰开始吸收热量向液态进行转变。同样环境温度θｅ的增加使ＱⅡ降低，当ＱⅠ＝ＱⅡ时，进入临界状态，随着θｅ的进一步增加而ＱⅡ减小，那么就可在冰—导线层因热交换使得冰融化成液态。因此，当开始融冰后，ＱⅠ＞ＱⅡ。定义ＱⅢ为融冰过程中冰液化所吸收的热量以及导线与冰层的热增加值，则ＱⅢ＝ＱⅠ－ＱⅡ。随着ＱⅢ的增大，覆冰开始吸收热量，自里向外呈现出液化趋势，这样就会产生一个液体层，使覆冰粘着力减小，开始进入脱冰过程，期间的融冰、脱冰能力还与风速、覆冰厚度与分布均匀度等因素相关。
图１ 导线覆冰截面图
3试验直流融冰装置
本文通过对特高压直流输电线路直流融冰电流以及直流融冰装置的分析,研制了符合本设计参数数值的直流融冰装置。该装置总共有6个功率单元级,并组成整流融冰电源,装置一次侧电源能够输入的电流为35kv,在经过多绕组变电器以后,能够对每组的功率单元进行研究,单元之间需要进行电流输入的部分,需要使用变压器进行电流隔离,直流斩波部分需要利用母线进行串联,上下模块之间进行连接,就形成了柔性直流融冰电源。其中每个功率单元的实际输出值和输入值分别为和850v和900A,脉冲整流电路中主要使用2400A和1700v等级,如果功率单元级联,就能够保证输出电流为900A。为了检验该直流融冰装置样机的使用性能,决定以200kv电网为例进行试验验证。该样机的硬件主要采用DSP+FPGA平台,软件使用斩波输入错相和瞬时电流进行控制。通过对功率单元交流电流和电压波形的分析可以了解到,功率单元直流侧输出斩波电压的频率可以达到50Hz。,在20ms以内,6个功率单元的变化导致输出电压增加。功率单元交流侧输入电流的值为890A,产生的波形与正弦波相类似,具有较低的谐波含量,仅此不会对电网产生过大的影响。当输出电流电压为5000V时,可以利用高压探头进行测量。通过波形分析能够了解到,输出电压主要是由单个模块进行叠加而产生的,并且具有较为稳定的波形,其一个脉冲周期中的脉波频率为单个单元的6倍。通过观察融冰装置中的输入电流可以了解到,其输出的平均值基本为900A,并且电流处于连续输出和较为稳定的状态。在利用分析仪来测定功率时,能够测得融冰功率为4.8MVA,35kv侧电流大约为80A,35kv,高压交流侧的谐波含量约为3.16%左右,网侧功率因数大约为0.985,这些数据都符合相关标准的要求。在融冰过程中输出的电流能够经过IGBT控制增加至额定值,并且具有较广的输出范围,网络谐波含量较低。通过对融冰前后线路覆冰效果的分析可以了解到,在融冰以后,线路上的覆冰慢慢开始溶解,在20min以后开始进行脱冰,并且能够取得较好的融冰效果。在该装置使用以后,能够使50KM的覆冰线路上的积雪都得到融化。
结语
输电线路运行中，容易受环境影响。输电线路的严重覆冰会造成线路倒塔、断线，进而带来其他次生危害。通过对柔性直流融冰技术的探究，了解到这一融冰装置的电容量较小，设备实际体积较小，但具有较强的负载适应性，可应用于较大范围的电流输出中，应用效果良好。
参考文献
[1]敬兵.输电线路柔性直流融冰技术[J].高电压技术，2015.
[2]王曦.柔性直流和常规直流互联输电系统协调控制策略[J].电力自动化设备，2016.
论文作者:李江春
论文发表刊物:《电力设备》2019年第3期
论文发表时间:2019/6/10
标签：线路论文; 柔性论文; 电流论文; 导线论文; 技术论文; 装置论文; 功率论文; 《电力设备》2019年第3期论文;