曾華榮，翁幸，楊旗，許逵，馬曉紅，周天吉，趙彪

(1. 南方電網(wǎng)貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550002；2. 南方電網(wǎng)防冰減災(zāi)聯(lián)合實驗室，貴州 貴陽 550002；3. 北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100085；4. 南方電網(wǎng)貴州凱里供電局，貴州 黔東南苗族侗族自治州 556099；5. 清華大學(xué) 電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京 100084)

輸電線路覆冰是威脅電網(wǎng)安全和穩(wěn)定運行的主要自然災(zāi)害之一。在低溫天氣下，輸電線路嚴(yán)重覆冰會增加其負(fù)重，并顯著降低其機械和電氣性能，甚至進而引發(fā)供電中斷等事故。在2008年我國南方大范圍的低溫、雨雪、冰凍等自然災(zāi)害中，許多輸電線路因覆冰而中斷供電，線路覆冰厚達30～60 mm[1-2]。此外，覆冰后的輸電線路修復(fù)工作難度大、耗時長，極大影響了經(jīng)濟民生。因此，研發(fā)線路融冰裝置顯得尤為重要。

國內(nèi)外在融冰裝置及其控制方法方面進行了大量研究。有文獻對近年來國內(nèi)外輸電線路交直流融冰方法進行了分類與總結(jié)，認(rèn)為直流融冰所需電源容量小，同時可兼有多饋線連接、無功補償?shù)裙δ?，是未來融冰技術(shù)的主流發(fā)展方向[3-7]。直流融冰的基本原理是從35、10、0.4 kV等交流線路取電，通過電力電子變換器轉(zhuǎn)化為直流并通入待融冰線路，利用電流的熱效應(yīng)對輸電線路的覆冰層進行加熱融冰[8]。由于直流融冰時的電流大小僅與線路電阻有關(guān)，相同融冰電流時直流融冰的電壓遠(yuǎn)小于交流融冰電壓，因此直流融冰具有更高的安全性和經(jīng)濟性[9-10]。此外，直流融冰時線路只消耗有功，無功消耗僅來源于變換器自身，因此該方法可適用于多種電壓等級的線路，無須考慮線路中無功補償不足的問題。從變換器拓?fù)浣嵌?，現(xiàn)有的直流融冰裝置主要有3種：基于晶閘管的三相可控整流電路、基于全橋子模塊的模塊化多電平變換器(modular multilevel converter，MMC)拓?fù)洹⑷仉娏髟葱妥儞Q器(current source rectifier，CSR)拓?fù)鋄11-13]?；诰чl管的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)受限于晶閘管的半控特性，在運行中會產(chǎn)生諧波、消耗無功，從而對交流系統(tǒng)產(chǎn)生影響[11]?；谌珮蜃幽K的MMC拓?fù)渌杵骷?shù)較多，裝置成本高、體積大、功率密度低，應(yīng)用場合較為受限[14]。全控CSR拓?fù)涫轻槍﹄娋W(wǎng)融冰場合提出的一種新型解決方案，該方案采用脈沖寬度調(diào)制(pulse wide modulation，PWM)的主動開關(guān)器件，諧波特性優(yōu)于晶閘管，所需濾波器體積更小；其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基于器件直串，體積、成本均優(yōu)于MMC方案；由于采用全控器件，該融冰裝置的控制策略靈活，還可以為交流系統(tǒng)提供無功補償。

在器件選擇方面，CSR拓?fù)溆捎诳偸橇魍ê愣娏?，需要重點關(guān)注其通態(tài)損耗。文獻[15]詳細(xì)對比了絕緣柵雙極型晶體管(insulated-gate bipolar transistor，IGBT)和集成門極換流晶閘管(integrated gate-commutated thyristor，IGCT)的器件原理、結(jié)構(gòu)、特性和應(yīng)用場合，IGBT器件因通態(tài)壓降較大、通態(tài)損耗較大，不適用于本文選用的CSR拓?fù)?。壓接封裝的逆阻型IGCT器件失效后能可靠短路、可以承受雙向電壓、通態(tài)損耗小于其他全控器件[16-17]的特點，恰好與全控CSR電流持續(xù)流通的需求相匹配[14]。注射增強型門極晶體管(injection enhanced gate transistor，IEGT)是東芝公司通過柵極注入增強技術(shù)改進的IGBT，其通態(tài)壓降相比IGBT有所改進，但仍然不及IGCT。IGBT和IEGT均采用多個小尺寸芯片并聯(lián)，封裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜；IGCT采用整晶圓芯片制作，封裝結(jié)構(gòu)簡單，其可靠性更高、成本更低、安全性好。因此，IGCT比IGBT和IEGT更適用于大電流、低開關(guān)頻率場合[18]。綜上所述，基于IGCT器件的CSR直流融冰裝置在技術(shù)上具有優(yōu)越性與可行性，在直流融冰領(lǐng)域中是一種效果優(yōu)良、成本可控的優(yōu)秀技術(shù)方案，但該方案仍存在一些具體的技術(shù)問題。針對CSR的濾波器會引入額外諧振的問題，文獻[19]研究了抑制諧振的有源阻尼控制策略。針對單個IGCT器件電壓等級不足的問題，文獻[20-21]研究了逆阻型IGCT器件的串聯(lián)使用、換流特性及均壓技術(shù)。文獻[13-14]研究了CSR的控制方法。文獻[22]研究了CSR的空間矢量脈沖寬度調(diào)制(space vector pulse wide modulation，SVPWM)方法。

國內(nèi)外文獻對基于全控器件PWM的CSR及已有諸多控制策略和系統(tǒng)協(xié)同層級的研究[13，22]，但均基于仿真分析和實驗室小樣機試驗。有文獻研究基于MMC的電壓源型融冰裝置或基于晶閘管的電流源型融冰裝置[11-12]，但目前尚無基于IGCT的電流源型融冰裝置工程見諸報道。本文在上述文獻研究的基礎(chǔ)上，提出一種基于IGCT串聯(lián)的電流源型拓?fù)渲绷魅诒b置的設(shè)計方案，并使用國產(chǎn)IGCT器件搭建1臺交流側(cè)電壓10 kV、最大融冰電流1 000 A的工程樣機，將IGCT串聯(lián)的電流源型拓?fù)鋺?yīng)用于實際融冰工程。首先，簡述所提融冰裝置的工作原理；然后，說明控制系統(tǒng)的技術(shù)方法與設(shè)計原理，將融冰功能與CSR的無功調(diào)節(jié)功能整合在一起，并提出不依賴電容電壓傳感器的控制方法；最后，針對具體應(yīng)用場景設(shè)計搭建樣機，通過實驗驗證所提技術(shù)方案和控制方法的有效性。

1 電流源型融冰裝置工作原理

本文研究的直流融冰裝置交流側(cè)從10 kV線路取電，其功能目標(biāo)是實現(xiàn)直流側(cè)輸出電壓在8 kV以下連續(xù)可調(diào)，輸出電流在1 000 A以下連續(xù)可調(diào)，并且交流側(cè)兼有一定的無功補償能力。

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

直流融冰裝置主電路原理如圖1所示，裝置采用三相全控CSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每相均由上下2個橋臂組成，共6個橋臂。由于現(xiàn)有IGCT器件無法滿足耐壓需求，采用多個開關(guān)器件串聯(lián)的形式構(gòu)成橋臂閥組。單個橋臂閥組原理如圖2所示，每個閥組由8只4.5 kV耐壓等級集成逆阻型IGCT構(gòu)成，其內(nèi)部原理等效為將普通非對稱型IGCT與二極管串聯(lián)構(gòu)成1個單元，采用1個并聯(lián)電阻實現(xiàn)靜態(tài)均壓、1個RC(電阻-電容)吸收電路實現(xiàn)動態(tài)均壓，8個串聯(lián)單元中有1個為冗余單元。由于CSR的特殊性，為確保融冰裝置直流側(cè)電感電流持續(xù)導(dǎo)通，圖1中設(shè)有續(xù)流二極管串，在融冰裝置CSR橋臂開路時仍能提供電感續(xù)流通路，增強裝置可靠性?？紤]到冗余化設(shè)計，該續(xù)流二極管串采用8只快恢復(fù)二極管串聯(lián)構(gòu)成，如圖3所示。圖1中，ug=(uga，ugb，ugc)為電網(wǎng)的三相交流電壓，ig=(iga，igb，igc)為三相交流電流，uc=(uca，ucb，ucc)為經(jīng)過濾波后的三相交流電壓，it=(iat，ibt，ict)為經(jīng)過濾波后的三相交流電流，Idc為直流側(cè)電流，Ldc、R分別為模擬融冰裝置負(fù)載的直流側(cè)電感、電阻，Lf、Cf分別為融冰裝置的濾波電感、濾波電容；圖2中，IGCT1—IGCT8為融冰裝置單個橋臂的8個串聯(lián)IGCT，Cs1—Cs8為IGCT的串聯(lián)吸收電容，Rs1—Rs8為IGCT的串聯(lián)吸收電阻，Rp1—Rp8為IGCT的并聯(lián)吸收電阻；圖3中，DD1—DD8為融冰裝置單個橋臂的8個串聯(lián)二極管，Css1—Css8為二極管的并聯(lián)吸收電容，Rpp1—Rpp8為二極管的并聯(lián)吸收電阻。

圖1 融冰裝置閥體主電路原理Fig. 1 The main circuit philosophy of ice-melting device valve

圖2 單橋臂主電路原理Fig.2 The main circuit philosophy of the single-bridge arm

圖3 續(xù)流二極管串電路原理Fig.3 The string circuit philosophy of freewheel diode

1.2 PWM生成

圖1所示融冰裝置的核心為三相CSR，為保證其直流側(cè)電流連續(xù)，裝置任意開關(guān)時刻上、下橋臂均需確保有1組閥串導(dǎo)通；由于CSR交流側(cè)并聯(lián)了濾波電容，為防止交流側(cè)相間短路，裝置任意時刻上、下橋臂至多僅能有1組閥串導(dǎo)通。因此，任意時刻上、下橋臂必須有且僅有1組閥串導(dǎo)通。根據(jù)此約束，可以枚舉出三相CSR共存在32種可能的橋臂導(dǎo)通模態(tài)，其中交流側(cè)電流經(jīng)上下橋臂開關(guān)管流入直流側(cè)的非零模態(tài)共6種，直流側(cè)電感電流經(jīng)橋臂直通或續(xù)流二極管串構(gòu)成續(xù)流回路的零模態(tài)3種。

當(dāng)采用SVPWM技術(shù)時，可將裝置交流側(cè)三相電流瞬時值iat、ibt、ict變換至兩相靜止αβ坐標(biāo)系。若只考慮電流中的三相對稱基波分量，則根據(jù)SVPWM原理，該融冰裝置的三相電流可以由αβ坐標(biāo)系中的1個空間同步旋轉(zhuǎn)矢量描述，即式(1)中的參考電流矢量I。

(1)

式中：Im為交流側(cè)電流基波的峰值；t為時間；ω為角頻率。

可以將前述6種非零模態(tài)的CSR空間電流矢量繪制在αβ坐標(biāo)系中，如圖4所示，其中a、b、c坐標(biāo)軸分別代表t=0時三相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的位置，另外3種零模態(tài)則對應(yīng)αβ坐標(biāo)系中的零矢量。根據(jù)圖中的矢量合成關(guān)系可以推導(dǎo)出6個非零模態(tài)的空間電流矢量模值

(2)

圖4 融冰裝置中CSR不同工作模態(tài)下的空間電流矢量Fig.4 Space current space vector of CSR of the ice-melting device in different operation modes

根據(jù)圖4中6個非零矢量的空間分布角度，可以按照圖5所示方式將三相CSR的電流空間矢量劃分為I—VI共6個扇區(qū)。無論參考電流矢量I落在哪個扇區(qū)，均能通過合理分配該扇區(qū)相鄰的2個非零矢量、零矢量的作用時間，調(diào)整合成矢量的角度和模值，最終合成參考電流矢量I，從而實現(xiàn)融冰裝置的PWM生成。

圖5 空間電流矢量和SVPWM扇區(qū)分布Fig.5 Space current vector and SVPWM sector distribution

1.3 工作原理

圖1中，融冰裝置交流側(cè)從10 kV電網(wǎng)取電，經(jīng)LC濾波器、三相CSR變換為直流，輸出電流Idc經(jīng)自動換相刀閘通入遠(yuǎn)端短接的待融冰線路。由于待融冰線路為三相交流線路，融冰裝置輸出端僅有正、負(fù)2個端口，首先需要將待融冰線路的遠(yuǎn)端進行三相短接，然后自動換相刀閘按照一定的順序?qū)⑷诒b置輪流接入三相待融冰線路，檢查三相待融冰線路均無斷線等異常情況后，配合融冰裝置在不同融冰模式下的自動啟停，循環(huán)完成整個融冰過程。具體而言，本文融冰裝置包含2種融冰模式，如圖6所示。

圖6 融冰裝置接入三相線路的2種模式Fig.6 Two modes of ice-melting device connected to three-phase lines

a)1-1模式：將待融冰三相線路中的兩相導(dǎo)線(如a、b相)接入融冰裝置直流側(cè)，并將待融冰線路的另一端三相短路形成回路，對接入的兩相線路進行融冰；

b)1-2模式：將待融冰三相線路中的兩相導(dǎo)線(如a、b相)并聯(lián)接入融冰裝置直流側(cè)正極，將第三相導(dǎo)線(如c相)接入融冰裝置直流側(cè)負(fù)極，并將待融冰線路的另一端三相短路構(gòu)成回路，對全部三相線路進行融冰。

這2種模式均利用直流電流的熱效應(yīng)加熱導(dǎo)線，當(dāng)直流電流產(chǎn)生的熱量大于導(dǎo)線散熱量和融冰熱量之和時，覆冰即能融化。為保證三相線路覆冰均衡融化，本文所設(shè)計融冰裝置采用1-1模式、1-2模式交替循環(huán)，或3輪1-2模式循環(huán)的流程，待所有循環(huán)流程結(jié)束、線路覆冰檢測裝置給出停止信號時，融冰裝置自動切除負(fù)載線路，轉(zhuǎn)入停運或無功補償模式。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

總體控制方法原理如圖7所示，其中：id、iq分別為ig經(jīng)坐標(biāo)變換后得到的d軸、q軸電流；ud、uq分別為ug經(jīng)坐標(biāo)變換后得到的d軸、q軸電壓；ucd、ucq分別為uc經(jīng)坐標(biāo)變換后得到d軸、q軸電壓；Q為瞬時無功計算單元給出的無功功率；Pr、Qr分別為有功功率、無功功率參考值；md、mq分別為調(diào)制比的d軸、q軸分量；mdvr、mqvr分別為虛擬電阻計算單元給出的d軸、q軸修正分量；Udc為直流電壓；z-1為一階離散延遲環(huán)節(jié)；Lf/Tc為電容電壓觀測環(huán)節(jié)中的線性增益環(huán)節(jié)，其中Lf為融冰裝置交流側(cè)LC濾波器的電感值，Tc為電容電壓觀測單元數(shù)字控制系統(tǒng)的控制計算時間間隔；Kvr為虛擬電阻環(huán)節(jié)所用的電壓增益系數(shù)。該方法采用有功、無功解耦的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，包含瞬時無功計算單元、電容電壓觀測單元、虛擬電阻控制單元。上述各單元根據(jù)網(wǎng)側(cè)電壓電流與融冰裝置的有功、無功指令值計算得到md、mq，最后經(jīng)電流源型SVPWM生成開關(guān)脈沖，控制融冰換流器中CSR的6組閥串。

圖7 電流源型融冰裝置總體控制方法原理Fig.7 The overall control strategy of current source ice-melting device

2.1 瞬時無功計算

根據(jù)赤木泰文提出的瞬時無功理論，可以由交流網(wǎng)側(cè)三相電壓、三相電流計算出融冰裝置所消耗的瞬時無功。交流網(wǎng)側(cè)電壓ug經(jīng)式(3)所示的Park變換得到ud、uq；交流網(wǎng)側(cè)電流ig經(jīng)式(4)所示的Park變換得到id、iq，其中Park變換所需的頻率和相角信息均可由交流網(wǎng)側(cè)電壓經(jīng)鎖相環(huán)得到。上述Park變換后得到的電壓、電流按照式(5)計算即可得到交流側(cè)瞬時無功反饋值Q。

(3)

(4)

(5)

2.2 有功、無功控制

有功、無功功率控制環(huán)將根據(jù)融冰換流器中CSR直流側(cè)有功、無功功率反饋值分別計算融冰換流器的d軸、q軸調(diào)制比。其中有功功率反饋值由融冰電流反饋值Idc乘以直流電壓反饋值Udc得到，有功功率的參考值Pr與直流功率的反饋值之差經(jīng)過一個PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器的輸出與虛擬電阻控制單元的d軸輸出mdvr之和再經(jīng)過一個限幅環(huán)節(jié)，得到d軸調(diào)制比md。為防止過調(diào)制，上述限幅環(huán)節(jié)的限制為

-1≤md≤1.

(6)

在無功功率控制環(huán)中，無功功率參考值Qr與瞬時無功計算單元輸出的瞬時無功反饋值Q之差經(jīng)過一個PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器的輸出與虛擬電阻控制單元的q軸輸出mqvr之和再經(jīng)過一個限幅環(huán)節(jié)，得到q軸的電流調(diào)制比mq。由于本融冰裝置的首要目的是控制融冰換流器的直流側(cè)功率，而非控制融冰換流器的交流側(cè)無功，因此當(dāng)融冰功率與交流側(cè)無功要求發(fā)生沖突時，將對q軸調(diào)制比進行限幅，優(yōu)先保證融冰換流器的直流功率輸出能力。上述限幅環(huán)節(jié)的計算關(guān)系為

(7)

有功功率控制環(huán)和無功功率控制環(huán)的輸出md、mq經(jīng)過電流型SVPWM算法，得到融冰換流器的IGCT閥串控制脈沖，并控制換流器正常運行。

2.3 電容電壓觀測器

在圖7所示的控制方法中，后續(xù)虛擬電阻的計算需要使用到電容電壓信息。為減少傳感器數(shù)量，本文設(shè)計了一種不依賴電容電壓傳感器的電容電壓觀測單元。該方法間接利用網(wǎng)側(cè)電壓傳感器并通過差分方法實現(xiàn)：交流網(wǎng)側(cè)三相電流分別減去其延遲1個控制周期后的值，相減后的差值經(jīng)過系數(shù)為Lf/Tc的比例環(huán)節(jié)，交流網(wǎng)側(cè)三相電壓分別減去上述比例環(huán)節(jié)的輸出，得到LC濾波器中電容電壓的觀測值uc，該電容電壓觀測值經(jīng)式(8)所示Park變換得到ucd、ucq。

(8)

2.4 虛擬電阻控制

三相CSR的LC濾波器會引入額外的諧振峰，諧振頻率

(9)

當(dāng)融冰裝置交流側(cè)輸入電壓存在fr附近的諧波分量，或PWM信號存在fr附近的諧波分量時，電路將發(fā)生諧振。這種諧振輕則降低裝置交流側(cè)電能質(zhì)量，重則導(dǎo)致過壓、過流，影響裝置安全運行。因此，需要采取專門的諧振抑制措施。

小功率變換器往往采用串、并聯(lián)電阻的方式抑制諧振，但本文所研究的融冰裝置電壓高、功率大，直接加入串、并聯(lián)電阻會引入嚴(yán)重的損耗，因此選擇采用虛擬電阻的方式。具體而言，在前述有功、無功控制的基礎(chǔ)上，在md、mq上疊加一部分代表虛擬電阻的前饋量，從而在LC濾波器中的電容兩端構(gòu)建僅對高頻段起效的虛擬并聯(lián)電阻。以d軸為例，根據(jù)電容電壓觀測單元給出的d軸電容電壓ucd，經(jīng)過高通濾波器提取出諧振頻率附近的頻率成分，再乘以相應(yīng)的比例系數(shù)Kvr，最后除以直流電流反饋值Idc得到d軸的電流調(diào)制比前饋值mdvr。q軸虛擬電阻的生成與d軸類似。為了不影響控制系統(tǒng)的正常功能，同時避免基波分量造成虛擬電阻控制器飽和，構(gòu)建的等效并聯(lián)電阻不應(yīng)在基波附近起效，而應(yīng)重點消除fr附近的諧波分量。以電網(wǎng)電壓工作頻率50 Hz為例，高通濾波器截止頻率應(yīng)高于50 Hz、低于fr。

2.5 直流融冰與無功補償功能切換

本文設(shè)計的裝置兼有直流側(cè)融冰和交流側(cè)無功補償?shù)淖饔茫?種功能在同一控制模式下同時實現(xiàn)，可以根據(jù)實際需要在2種工作功能之間自由切換。當(dāng)裝置用作直流融冰時，其交流側(cè)連接10 kV電網(wǎng)，直流側(cè)連接待融冰線路，并根據(jù)待融冰線路的導(dǎo)線類型、線路長度調(diào)節(jié)輸出電壓和輸出電流。當(dāng)裝置用作動態(tài)無功補償時，交流側(cè)仍連接電網(wǎng)，只需將圖7中的直流輸出功率指令Pr設(shè)為0即可，無需進行控制策略切換，直接根據(jù)實際的無功補償需要靈活調(diào)節(jié)其無功輸出。

所設(shè)計融冰裝置無需進行主回路拓?fù)渥兓涂刂撇呗郧袚Q，從而簡化了操作，降低了故障概率，改善了裝置可靠性。

2.6 故障與保護

融冰裝置采用光纖直驅(qū)IGCT的設(shè)計方案，采集驅(qū)動故障、電源故障、供電故障等保護信號。每個閥串8個串聯(lián)開關(guān)管中1個為冗余管，單管故障不影響裝置運行，單個閥串中2個及以上開關(guān)管故障則告警停機，整機冗余余量較大。

由于融冰裝置所用基礎(chǔ)拓?fù)錇镃SR，除上述冗余措施外還需要在各種常見故障工況下盡力避免直流側(cè)電感被開路。當(dāng)融冰裝置正常運行時，若有2個及以下數(shù)量的橋臂閥串同時報錯，則總能尋找到某一相上下橋臂均未發(fā)生故障。此時控制程序令未發(fā)生故障的此相上下橋臂一起導(dǎo)通，從而防止故障橋臂通流，并同時使得直流電流衰減，直到裝置閉鎖退出運行。

當(dāng)驅(qū)動掉電/二次側(cè)控制回路出現(xiàn)故障時，將不可避免地引起工作時所有橋臂均突發(fā)閉鎖，此時直流側(cè)電感會感應(yīng)出高電壓，然后令續(xù)流二極管通路導(dǎo)通，此時續(xù)流二極管將提供通流回路，并耗散電感中的能量。

3 裝置的數(shù)學(xué)模型與分析

直流融冰裝置的核心部分是CSR，CSR的交流端與10 kV等級配網(wǎng)相連，由于負(fù)載側(cè)有直流平波電抗(包含融冰線路電抗)可以將CSR看作直流源，變換器交流側(cè)連有LC濾波單元，能夠有效濾去交流側(cè)電流高次諧波，在變換器調(diào)制的基礎(chǔ)上降低網(wǎng)側(cè)諧波含量。為分析融冰裝置的數(shù)學(xué)模型，首先將CSR狀態(tài)方程進行恒功率Park變換，得到以網(wǎng)側(cè)電壓為參考的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的微分方程數(shù)學(xué)模型：

(10)

式中σd、σq分別為三相調(diào)制函數(shù)σ經(jīng)過dq坐標(biāo)變換的d、q軸分量。在三相坐標(biāo)系中：σ=1代表上管打開，下管關(guān)斷，電流流出交流端；σ=-1代表下管關(guān)斷，上管打開，電流流進交流端；σ=0代表上下管都打開或上下管都關(guān)斷，沒有電流經(jīng)過交流端。在CSR穩(wěn)態(tài)時，若調(diào)制相位角記為θ，存在式(11)、(12)所示的關(guān)系式，其中上劃線表示變量的穩(wěn)態(tài)值。

(11)

(12)

(13)

(14)

結(jié)合式(14)與(11)，可得到融冰裝置的交流側(cè)有功功率P和無功功率Q：

(15)

據(jù)此，可以得到融冰裝置的有功、無功范圍，繪制出CSR的功率可行域。以LC濾波器參數(shù)為4.5 mH、120 μF為例，當(dāng)線路負(fù)載電阻為8 Ω時，其有功、無功可行域如圖8所示。

圖8 CSR的有功、無功可行域Fig.8 The feasibility domain of active power and reactive power for CSR

從系統(tǒng)功率的可行域和表達式中可以看出，系統(tǒng)的有功功率受濾波器LC參數(shù)、CSR的調(diào)制比和相位角θ影響。此外，系統(tǒng)也存在由電容Cf決定的固定容性無功，但可以通過有功功率和相位角調(diào)節(jié)使其等于0。因此，該融冰換流器的調(diào)制目標(biāo)即為控制調(diào)制策略，通過改變調(diào)制比m、相位差θ，使系統(tǒng)有功等于所需融冰功率，且無功控制為0。

4 樣機設(shè)計

基于前文所述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法，搭建1臺三相電流源型IGCT串聯(lián)直流融冰裝置，機柜整體實物如圖9所示。閥串的工作電源采用多級隔離變壓器供電設(shè)計，既保證工作電源與一次主電路的絕對隔離，又能保證供電設(shè)備回路的簡捷和經(jīng)濟。

圖9 融冰裝置整機實物Fig.9 The ice-melting device cabinet

4.1 功率器件選擇

樣機所需功率器件主要包括全控開關(guān)管和二極管，其中全控開關(guān)管在理論上可以選用IGBT、IGCT或IEGT，表1給出了這3類備選器件多維度的比較分析結(jié)果，部分?jǐn)?shù)據(jù)來自文獻[13，15，17]。從表1可知，IGCT主要優(yōu)勢在于通態(tài)損耗小、可靠性高、成本低，劣勢在于開關(guān)頻率低、驅(qū)動功率大。本文所用直流融冰裝置基于CSR拓?fù)?，對通態(tài)損耗較為敏感；裝置工作頻率不高，器件開關(guān)頻率僅為750 Hz；裝置最終將應(yīng)用于電網(wǎng)實際工程中，需要較高的可靠性、安全性與較低的成本。綜上所述，本文選用中車株洲時代半導(dǎo)體公司和清華大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的國產(chǎn)IGCT-Plus器件，該器件進一步改善了IGCT驅(qū)動功率大、耐受di/dt能力方面的不足，可以進一步發(fā)揮IGCT器件在可靠性方面的優(yōu)勢。

表1 IGBT、IEGT、IGCT器件特性對比

器件選型方面，由于交流側(cè)線電壓為10 kV，考慮耐受最高1.1倍的過電壓，則線電壓最大值

(16)

IGCT功率器件采用中車4.5 kV IGCT-Plus器件CAC5000-45，其主要參數(shù)指標(biāo)見表2。出于冗余設(shè)計的考慮，每個閥串8只IGCT中有1個為冗余器件，因此當(dāng)某1個IGCT器件失效短路后，剩余7個IGCT的平均電壓為2.22 kV，仍然可以正常運行。當(dāng)某2個IGCT器件失效短路時，剩余器件平均電壓為2.59 kV，仍然可以保證可靠關(guān)斷?？旎謴?fù)二極管型號為FYB2000-45-02，其主要參數(shù)見表3。與IGCT類似，同樣采用8只快恢復(fù)二極管串聯(lián)的冗余設(shè)計。

表2 IGCT器件主要性能指標(biāo)

表3 二極管主要性能指標(biāo)Tab.3 The main performance indexes of diode

4.2 換流電感

由于CSR的特性，同側(cè)3個橋臂中必須有1個處于通流狀態(tài)。因此為保證換流安全，CSR存在換相重疊時間tC。以圖10中A相、B相換流為例，即B相上橋臂未關(guān)斷時，A相上橋臂先開通，經(jīng)過重疊時間tC后B相橋臂再關(guān)斷。由于IGCT開通的正反饋效應(yīng)，其電流上升率無法控制。開通過程中過大的di/dt可能導(dǎo)致劇烈的電磁干擾問題和器件損壞。因此，當(dāng)橋臂雜散電感不足以將di/dt限制在IGCT開通和二極管反向恢復(fù)的安全范圍時，需要額外設(shè)置換流電感Ls。基于晶閘管的傳統(tǒng)CSR的di/dt耐受能力僅為數(shù)百A/μs，往往需要采用飽和電抗器。而由于IGCT采用了同心環(huán)狀排列的條形陰極元胞設(shè)計，有助于IGCT在關(guān)斷期間快速將電流從陰極轉(zhuǎn)移至門極，包圍條形陰極元胞分布的門極區(qū)域在IGCT開通過程中為門極觸發(fā)電流提供了低阻橫向路徑，大幅提升了IGCT開通過程中電流的橫向擴散速度，其di/dt耐受能力可達kA/μs量級[15，17]。因此，本文所提出的融冰裝置只需采用μH級的普通空心電感，并可以布置在交流電容與換流器交流連接端之間。

圖10 A相電壓高于B相時，由B相上橋臂導(dǎo)通切換為A相上橋臂導(dǎo)通的換流過程Fig.10 Commutation process from conduction on the upper arm of phase B to conduction on the upper arm of phase A when the voltage of phase A is higher than phase B

具體到本文表2中所用器件，其臨界電流上升率為5 000 A/μs，根據(jù)式(17)計算可得換流電感取值應(yīng)大于2.8 μH。

(17)

4.3 串聯(lián)IGCT的靜態(tài)均壓

本文所用IGCT串聯(lián)方案需要考慮IGCT和二極管在阻斷狀態(tài)下的靜態(tài)均壓問題。常規(guī)解決方案是為每個器件都并聯(lián)1個靜態(tài)均壓電阻，使其電流遠(yuǎn)大于器件阻態(tài)漏電流，從而令串聯(lián)器件之間的電壓分配決定于并聯(lián)電阻而非半導(dǎo)體器件。但事實上對于圖1拓?fù)?，橋臂閥串承受反向阻斷電壓時，閥串中串聯(lián)的二極管也會限制漏電流，且由于圖11所示的反向阻斷特性，IGCT所承受的反向阻斷電壓總低于二極管，從而避免擊穿。此外，閥串中選用IGCT和二極管的電壓、電流等級相近，體積規(guī)格類似，故具有相似的反向阻斷漏電流，詳見表2、表3。因此，進一步簡化IGCT閥串的靜態(tài)均壓電路，采用如圖2所示的結(jié)構(gòu)，每個IGCT和二極管構(gòu)成1個器件單元，IGCT和二極管共用1個靜態(tài)均壓電阻Rpi(i=1，2，…，8)。

圖11 相同電壓、電流等級的串聯(lián)IGCT與二極管的反向伏安特性曲線示意Fig.11 Reverse current-voltage curves for series-connected IGCT and diode with the same voltage and current rating

當(dāng)器件關(guān)斷時，器件的截止電阻Roff與靜態(tài)均壓電阻Rsi(i=1，2，…，8)并聯(lián)，總等效電阻

(18)

顯然當(dāng)Rsi遠(yuǎn)小于Roff時，該等效電阻將幾乎只由Rsi決定。這種情況下器件分散性較容易控制，器件溫度系數(shù)也遠(yuǎn)低于半導(dǎo)體器件，可以粗略實現(xiàn)靜態(tài)均壓的效果。

例如將靜態(tài)均壓電阻取為IGCT關(guān)斷電阻的10%，取某量綱為1的系數(shù)a，假設(shè)同一閥串內(nèi)各個器件關(guān)斷的電阻最大值為(1+a)Roff，最小值為(1-a)Roff，則并聯(lián)均壓電阻后每個單元的最大等效電阻與最小等效電阻的差值如式(19)所示，可見此時并聯(lián)均壓電阻可將Roff偏差引起的靜態(tài)電壓差異縮小至原本的約十分之一，能夠滿足工程需要。

(19)

當(dāng)器件關(guān)斷電壓為2 100 V、結(jié)溫125 ℃時，實驗測得IGCT的漏電流為3.2 mA。若要保證由Roff不均勻所引起的靜態(tài)壓差控制在10%以內(nèi)，則按照上述選取原則可計算得到靜態(tài)均壓電阻

(20)

結(jié)合上述結(jié)果，實際均壓電阻可選為50 kΩ。

4.4 串聯(lián)IGCT的動態(tài)均壓與緩沖吸收

本文所用IGCT串聯(lián)方案需要考慮器件開通、關(guān)斷過程中的動態(tài)均壓問題。文獻[23]分析了電壓源型變換器中串聯(lián)IGCT的動態(tài)均壓問題，并認(rèn)為串聯(lián)IGCT的開通過程均壓不是必需的。這是由于當(dāng)某個IGCT開通速度較快時，其電壓會轉(zhuǎn)移到di/dt限制電感上，而非閥串中的其他IGCT。

當(dāng)IGCT主動關(guān)斷時，由于半導(dǎo)體器件的分散性和壓接器件難以避免結(jié)溫差異，較快關(guān)斷的開關(guān)管將承受更高的管電壓。同時，換流回路中的換流電感、橋臂雜散電感與IGCT結(jié)電容諧振，也會產(chǎn)生極高的關(guān)斷過電壓[13]。對于本文所用CSR，常見的集中式RCD(電阻-電容-二極管)吸收電路存在以下問題：

a)多IGCT串聯(lián)導(dǎo)致橋臂雜散電壓較大，集中式RCD吸收電路位于變換器的端口，不能解決雜散電感導(dǎo)致的過電壓。

b)對于10 kV電壓等級的融冰裝置，集中式RCD中的二極管需要多個串聯(lián)，此時又會引入RCD電路中二極管的均壓問題。

因此，本文采用了將RC緩沖吸收電路分別與每個IGCT閥串基本單元(1個非對稱IGCT和1個二極管)并聯(lián)的分布式動態(tài)均壓電路，如圖2所示。其中電容Csi用于吸收能量，電阻Rsi用于提供阻尼以抑制振蕩過壓。這種吸收電路全部采用無源元件，結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性好，適合于本文所涉高壓大容量電能變換場合。當(dāng)IGCT關(guān)斷時，其換流電感、吸收RC電路和直流負(fù)載構(gòu)成回路，電流按照二階震蕩形式變化，難以求得解析解。故本文采用MATLAB仿真器件關(guān)斷行為，分析器件過電壓尖峰與RC電路具體取值的關(guān)系。

圖12給出了關(guān)斷電壓尖峰與RC電路參數(shù)的關(guān)系，圖中每個方格的顏色代表相應(yīng)Rsi、Csi取值時MATLAB仿真計算出的關(guān)斷電壓尖峰值，顏色越藍(lán)則尖峰電壓越大。從圖12可以看出，過高和過低的吸收電阻使均會導(dǎo)致關(guān)斷電壓較大，Rsi的合適取值應(yīng)該在2.5 Ω左右。較大的吸收電容在一定程度上有助于降低關(guān)斷電壓尖峰，但同時也會帶來更大的損耗。綜合考慮上述各種因素，本文最終將吸收電路參數(shù)取為Rsi=2.5 Ω、Csi=0.68 μF。

圖12 關(guān)斷電壓尖峰與吸收電容和電阻的關(guān)系Fig.12 The relationship of turn-off voltage spike and absorption capacitance and absorption resistance

5 實驗驗證

本章進行一系列實驗以驗證本文所提融冰裝置及其控制系統(tǒng)的有效性。在實驗中，融冰裝置從10 kV交流線路取電，其直流側(cè)為7.6 Ω電阻與55 mH電感串聯(lián)，模擬待融冰線路的阻抗。圖13、14分別為同一融冰裝置在相同工況下，采用前文所提控制方法與常規(guī)直流電流反饋控制方法時的直流側(cè)實驗波形，其中藍(lán)色曲線為實際融冰電流，黃色曲線為濾波后的實際融冰電流。圖15、16分別為同一融冰裝置在相同工況下，采用前文所提控制方法與常規(guī)直流電流反饋控制方法時的交流側(cè)三相電壓、電流波形，其中紅、綠、藍(lán)色曲線分別代表A、B、C相。圖17、18分別為同一融冰裝置在相同工況下，采用前文所提控制方法與常規(guī)直流電流反饋控制方法時的有功、無功與功率因數(shù)實驗波形。在采用所提控制方式的幾組實驗波形中，t=1.4 s時融冰系統(tǒng)開始啟動，融冰電流逐漸線性上升，t=5.4 s時升至最大值。

圖13 采用本文所提控制方法時的融冰裝置直流側(cè)實驗波形(實驗條件1)Fig.13 DC side experimental waveforms of ice-melting device using the proposed control method (under experimental condition 1)

圖14 采用常規(guī)直流反饋控制方法時的融冰裝置直流側(cè)實驗波形(實驗條件1)Fig.14 DC side experimental waveforms of ice-melting device using normal DC feedback control method (under experimental condition 1)

圖15 采用本文所提控制方法時的融冰裝置交流側(cè)實驗波形(實驗條件1)Fig.15 AC side experimental waveforms of ice-melting device using the proposed control method(under experimental condition 1)

圖16 采用常規(guī)直流反饋方法時的融冰系統(tǒng)交流側(cè)實驗波形(實驗條件1)Fig.16 AC side experimental waveforms of ice-melting device using normal DC feedback control method(under experimental condition 1)

圖17 采用本文所提控制方法時的功率與功率因數(shù)實驗波形(實驗條件1)Fig.17 Experimental waveforms of power and power factors using the proposed control method (under experimental condition 1)

圖18 采用常規(guī)控制方法時的功率與功率因數(shù)實驗波形(實驗條件1)Fig.18 Experimental waveforms of power and power factors using normal control method (under experimental condition 1)

實驗結(jié)果表明，t=2.3 s時虛擬電阻單元投入運行，t=12.5 s時融冰電流從1 000 A階躍下降至750 A，暫態(tài)過程持續(xù)時間約為0.05 s。采用常規(guī)PI控制方式時，t=1.0 s時融冰系統(tǒng)開始啟動，融冰電流逐漸線性上升，t=4.0 s時升至最大值1 000 A。2.1 s時虛擬電阻單元投入運行，t=11.1 s時融冰電流從1 000 A階躍下降為750 A，暫態(tài)過程持續(xù)時間約為0.09 s。

為進一步比較所提方法的控制性能，圖19—22給出了另一組實驗條件下的直流側(cè)電流波形和交流側(cè)功率波形。在這組實驗中，融冰電流從1 000 A依次階躍為500 A、200 A，并最終逐漸降至0停機?？梢詮纳鲜霾ㄐ慰闯觯峥刂品椒ǖ膭討B(tài)響應(yīng)時間均優(yōu)于常規(guī)控制方法。

圖19 采用本文所提控制方法時的功率與功率因數(shù)實驗波形(實驗條件2)Fig.19 Experimental waveforms of power and power factors using the proposed control method (under experimental condition 2)

圖20 采用常規(guī)控制方法時的功率與功率因數(shù)實驗波形(實驗條件2)Fig.20 Experimental waveforms of power and power factors using normal control method (under experimental condition 2)

圖21 采用本文所提控制方法時的融冰裝置直流側(cè)實驗波形(實驗條件2)Fig.21 DC side experimental waveforms of ice-melting device using the proposed control method (under experimental condition 2)

圖22 采用常規(guī)直流反饋控制方法時的融冰裝置直流側(cè)實驗波形(實驗條件2)Fig.22 DC side experimental waveforms of ice-melting device using normal feedback control method

采用本文所提控制方法時，非輕載情況下融冰裝置交流側(cè)無功功率可控制在0，直流電流在任何工況下均能跟隨其等效指令值，交流側(cè)無功功率階躍響應(yīng)性能均優(yōu)于常規(guī)控制方法。此外，對滿功率工況下的上述2種控制方法進行網(wǎng)側(cè)電流總諧波畸變率(total harmonic distortion，THD)分析。采用本文所提控制方法時，融冰裝置10 kV交流側(cè)電流THD為4.57%；采用常規(guī)控制方法時，融冰裝置10 kV交流側(cè)電流THD為4.63%。二者沒有明顯區(qū)別，說明本文所提控制系統(tǒng)不會對網(wǎng)側(cè)電流帶來額外的諧波污染。上述實驗結(jié)果驗證了本文所提方法能有效實現(xiàn)基于IGCT的融冰裝置有功、無功解耦控制，且相比常規(guī)方法具有更快的動態(tài)響應(yīng)速度。

為驗證2.4節(jié)中虛擬電阻控制對于諧振抑制的性能，采用交流側(cè)逐次注入諧波電壓的方式，分別掃描加入虛擬阻抗控制單元前后融冰裝置的交流阻抗，如圖23、24所示，頻率掃描范圍100～1 000 Hz，間隔為5 Hz，阻抗掃描時融冰裝置輸出電流保持其額定值1 000 A。比較可知：圖23中，在LC濾波器的諧振頻率fr處具有約-10 dB的阻抗低谷，容易引發(fā)諧振；圖24中，虛擬電阻控制方法消除了這一阻抗低谷，降低了裝置諧振風(fēng)險，提高了交流側(cè)電能質(zhì)量。

圖23 無虛擬電阻控制時的融冰裝置交流阻抗掃描結(jié)果Fig.23 AC impedance sweep results without virtual resistance control

圖24 有虛擬電阻控制時的融冰裝置交流阻抗掃描結(jié)果Fig.24 AC impedance sweep results with virtual resistance control

6 結(jié)束語

本文提出了一種交流側(cè)電壓10 kV、最大融冰電流1 000 A的融冰裝置。該裝置使用基于串聯(lián)IGCT的三相電流源型拓?fù)洌瑸閲H首臺實現(xiàn)工程應(yīng)用的IGCT串聯(lián)電流源型融冰裝置。本文通過雙環(huán)解耦控制，同時實現(xiàn)了融冰功能和無功補償功能。為防止LC濾波器引入的高頻諧振，本文引入了虛擬電阻控制單元，有效地抑制了高頻諧波。此外，為了降低裝置成本和減少傳感器使用，本文提出了一種不依賴電容電壓傳感器的控制方法，從而實現(xiàn)了高效的控制。實驗波形證明了所提技術(shù)方案和控制方法的有效性，并為電網(wǎng)的實際需求提供了良好的解決方案。