直流融冰装置在500kV变电站中的工程运用及技术经济比较

吴小刚，何 锐

(中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东 广州 510663；2.西华大学电气与电子信息学院，四川 成都 610039)

0 引言

我国南方低温雨雪冰冻灾害对电力系统的安全稳定运行带来巨大挑战，2008年初的冰雪凝冻灾害给以贵州电网为主的南方电网供电区域设施带来严重破坏[1]。

融冰技术可以分为直流融冰和交流融冰两种，但理论分析表明，受限于输电线路交流电抗效应，500 kV 及以上交直流输电线路采用交流融冰方案基本不可行[2-4]。

应用于实际工程的直流融冰装置实现方案主要有基于绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)的全桥模块化多电平换流器(modular multi-level converter，MMC)型(以下简称“全桥MMC 型”)和基于晶闸管整流型，文献[5]从理论研究方面深入分析上述两种直流融冰技术区别，本文从某500 kV 变电站实际工程直流融冰装置设计角度出发，从装置技术选型、电能质量影响、装置可靠性、占地面积、工程投资等方面深入比较和全面分析典型直流融冰容量下(60 MW)全桥MMC 型和晶闸管整流型直流融冰装置在500kV变电站实际工程中的选用，以期供同类工程设计参考。

1 待融冰线路参数

规划建设的500 kV 变电站本期500 kV 出线2 回，220 kV 出线4 回，线路参数见表1所列。

表1 线路参数(按导线截面分类)

2 直流融冰装置参数计算

2.1 导线融冰

直流融冰装置参数计算选型思路为根据规划线路导线截面及路径长度，结合线路所经过的覆冰区域，根据布尔格斯道尔夫经验公式[5]进行导线最小融冰电流计算，依据选定的融冰电流及线路长度确定融冰所需压降，进而得出直流融冰装置额定容量，见表2所列。

表2 直流融冰装置参数计算表

根据DL/T 5511—2016《直流融冰系统设计技术规程》相关规定，选定的融冰电流应在最小融冰电流与最大融冰电流之间选取，当融冰电流小于最小融冰电流时会使融冰无效，当融冰电流大于最大融冰电流时会使导地线发生永久性变形，造成弧垂增大或损坏导线机械强度。

通过表2 可知，该站500 kV 各出线1 h 融冰电流的最大值为4 000 A，220 kV 各出线1 h融冰电流最大值2 000 A。因此直流融冰装置的额定直流输出电流取4 000 A，各出线直流电压的最大值为8.95 kV，结合远期规划出线按1.7 倍过载能力考虑，直流融冰装置的额定电压考虑为±7.5 kV，故直流融冰装置的额定容量为60 MW。

2.2 地线融冰

地线融冰在实际工程中，有两种方案：其一为全地线均考虑融冰，由于地线线径较小其直流电阻较大，故该方案其所需直流融冰容量较大，根据线路路径所经冰区及长度，额定直流融冰容量一般在120 ～250 MW 之间；其二为分段融冰，该方案在实际工程中较为常见，根据导线融冰所确定的直流融冰装置输出电压反推融冰线路长度，并考虑一定的裕度。该方案经济性较好，能够根据路径覆冰情况灵活的选择地线融冰分段长度。典型60 MW 融冰装置直流输出直流电压一般为±8 ～±10 kV 之间，该装置所确定的地线(例如：LBGJ-120-20AC 或者OPGW-24B1-120，其融冰电流选定为350 A)融冰线路长度一般在34 ～43 km 之间,实际工程地线融冰分段一般选取30 ～35 km。

3 直流融冰装置接线及布置型式

直流融冰装置交流侧电源引接，一般从站内最低一级母线电压引取，在常规500 kV 变电站中，一般从35 kV 母线引接。为便于运行及检修，两种类型直流融冰装置在其35 kV 交流融冰装置进线间隔一般均设置独立的断路器、隔离开关和电流互感器。由于直流输出侧的选相刀闸需与融冰管母直接相连，故融冰装置一般需布置于靠近围墙侧，以便于融冰管母靠近围墙顺向布置。

3.1 全桥MMC型

由于全桥MMC 型直流融冰装置兼具±120 Mvar 无功补偿功能，故可在35 kV 屋外配电装置无功补偿场地布置直流融冰成套装置。典型的全桥MMC 型直流融冰装置电气布置方案如图1所示。

图1 基于IGBT全桥整流的MMC直流融冰装置典型布置图

3.2 晶闸管整流型

由于晶闸管型直流融冰装置不具备无功补偿功能，故一般将其布置在35 kV 屋外配电装置紧邻围墙侧，以便于融冰管母搭接。典型的晶闸管型直流融冰装置电气布置方案如图2所示。

图2 基于晶闸管整流型直流融冰装置典型布置图

4 方案对比

4.1 电能质量影响对比

1)谐波含量对比

全桥MMC 型直流融冰装置通过子模块的电压叠加得到设定的直流高电压,输出电压谐波含量少，装置谐波与IGBT 开关频率、级联数量等有关。根据仿真及实测结果，全桥MMC型直流融冰装置在直流融冰工况或无功输出工况下交流侧谐波无明显差异，总体显示出低次谐波含量高于高次谐波，奇次谐波含量(主要集中在3/5/7/9/11 次)高于偶次谐波，无功模式中发出容性无功模式谐波含量高于发出感性无功模式的规律(5 次谐波含量最大)，由于其各次谐波含量均较小，故针对全桥MMC 型装置一般采用总体谐波畸变率(total harmonics distortion，THD)含量来表征。根据仿真及实测数据，MMC 型总体THD<3%，不会对交流并网点产生可观谐波，不需要配置交流滤波装置。

晶闸管整流型(12 脉动)直流融冰装置运行时本身会消耗较大的无功功率，对交流侧电网会产生以12n±1 次为主的谐波，因此在实际工程应用中需要配置适当的滤波器(主要是11次、13 次滤波支路)，在滤除谐波的同时补偿设备本身整流消耗的无功功率。

2)电压波动对比

直流融冰装置在满容量运行时，由于需要从交流侧电网吸收无功功率，其所引起的35 kV母线电压波动可按下式估算：

式中：ΔU为母线电压升高值，kV；Uso为融冰装置投入前的母线电压，kV；Q为母线上运行的电容器组容量，Mvar；Sd为母线三相短路容量，Mvar。

全桥MMC 型直流融冰装置，由于其在融冰工况下兼具无功补偿功能，能实时监测35 kV母线电压并可进行动态无功补偿以维持母线电压在设定值，故可认为交流侧母线电压无波动。

晶闸管整流型直流融冰装置，其在融冰工况运行时，需要从交流电网吸收大量无功功率，会同步拉低35 kV 母线电压，可采用配置适当的滤波器解决。不同类型融冰装置融冰工况谐波含量及35 kV 母线电压波动比较见表3所列。比较表3 中输入数据得出：直流电压±7.5 kV，直流电流4 000 A，融冰容量60 MW，整流变额定电压比：35/7 kV，短路容量：Sd=2 563 MVA；受限于篇幅，仅列出含量较高的各次谐波。

表3 不同装置谐波及电压波动比较表(60 MW容量)

4.2 装置可靠性及运维对比

4.2.1 装置可靠性对比

晶闸管整流型直流融冰装置阀体为晶闸管直接串联承受高电压，元器件损坏后不具备在线旁路功能，容错能力较差。任一晶闸管发生故障，均将导致整个装置退出运行，可靠性较低。

全桥MMC 型直流融冰装置采用模块化结构设计，所有功率单元模块结构形式一致可任意更换位置，更换时方便快捷，即插即用。桥臂单元可采用“N+2”冗余配置，具备容错能力，可靠性相对较高。

4.2.2 运行维护比较

晶闸管整流型直流融冰装置，由于其长期处于断电备用状态，仅在冬季来临气候环境达到设定的融冰工况时才投入使用。由于融冰装置长期闲置，根据现场运维经验，装置内部的易损元件往往在融冰装置投入运行前已经故障或者运行过程中发生故障，导致线路融冰失败。故在装置投运前，需对装置进行零功率试验，以便对各个主要子设备融冰的可靠性和有效性进行复核。

全桥MMC 型直流融冰装置，长期作为无功补偿装置投入运行，在冬季雨雪凝冻时切换为直流融冰模式，且在该模式下仍具备部分无功补偿能力，该无功补偿能力与装置容量及线路实际所需融冰容量有关。由于融冰装置一直处于运行状态，仅需按照运维规程进行例行巡视检查即可。

4.3 占地面积对比

在典型容量60 MW 下的直流融冰装置，由于全桥MMC 型融冰方案兼具无功补偿功能(±120 MVar)，其可以布置在原用于35 kV 并联电容器组和电抗器组的无功补偿装置场地，故更节约占地。根据工程经验，容量为60 MW 的直流融冰装置，其不同方案的占地面积比较见表4所列。

表4 占地面积比较表

4.4 工程投资对比

以典型融冰容量60 MW 为例，根据不同厂家已有工程中直流融冰装置设备的中标价格，忽略不同工程的不同地质条件等不确定性因素，仅装置本身投资比较见表5所列。

表5 工程投资比较表 万元

4.5 实际工程应用效果对比

晶闸管整流型的直流融冰装置在实际工程中应用较多，例如贵州电网公司下辖的500 kV奢香变、500 kV 八河变等。从技术经济性出发，该类型融冰装置在实际工程中往往未配置滤波器，相应采取在其融冰工况期间将融冰交流侧引接母线段所带的站用变、母线PT 等回路断开，同时投入母线并联电容器组方式。该类型融冰装置已经在冬季凝冻季节开展多次线路融冰，融冰效果较好。

全桥MMC 型直流融冰装置目前在500 kV变电站工程中应用相对较少，贵州电网公司下辖的500 kV 站仅在500 kV 习水变电站工程中采用，其工程应用效果有待验证。

5 结论

本文针对500 kV 变电站工程的直流融冰装置设计和选型，深入分析和比较全桥MMC 型和晶闸管整流型直流融冰装置在电能质量、装置可靠性、运行维护、占地面积、工程投资等方面的差异。分析得出以下结论(基于同容量(60 MW)的全桥MMC 型方案)：

1)晶闸管整流型直流融冰装置谐波含量较高，电压波动较大，电能质量相对较差。

2)晶闸管整流型直流融冰装置容错能力较差，可靠性相对较低。

3)闸管整流型直流融冰装置长期处于闲置状态，融冰前需对装置子设备融冰能力的可靠性及有效性进行复核(零功率实验)，增加运维工作量。

4)典型容量下晶闸管整流型直流融冰装置占地面积相对较大，差值约760 m2。

5)晶闸管整流型直流融冰装置工程综合投资较省，差值约为324.6 万元。

全桥MMC 型直流融冰方案为晶闸管整流型直流融冰产品的升级版，其在技术性能上较晶闸管整流型优势明显，但受限于IGBT 电子器件相较于晶闸管器件价格昂贵，目前暂未在实际工程中大量应用，缺乏大量运行维护经验，且工程投资偏高，建议在用地紧张、征地较困难的新建工程或扩建工程中推广应用。