科学技术 柔性直流输电经济性分析 李志刚 （保定天威保变电气股份有限公司，河北保定０７１０５６） 摘要：本文分析ＩＧＢＴ直接串联两电平电压源换流器（２Ｌ—Ｖｓｃ）和模块化多电平换流器（ＭＭｃ）的经济性差异，对比了两种换流器的结构差异，在此 基础上通过选择合适的经济性评估指标，对两种换流器的经济性进行定量对比分析。 关键词：电压源换流器；模块化多电平；损耗；经济性 ０引言 成，主要包括：ＩＧＢＴ通态损耗、ＩＧＢＴ开关损耗、二极管通态损耗和二 本文对ＩＧＢＴ直接串联两电平换流器和模块化多电平换流器的主 极管反向恢复损耗。 电路进行对比，分析两种换流器的器件参数选择方法以及损耗计算方 ４换流器经济性评估 法，对两种换流器的主电路和损耗差异进行定量的对比分析，在此基 基于上述换流器参数设计方法和损耗计算模型，考虑ＩＧＢＴ直接串 础上，提出合适的经济性指标，对两种换流器经济性进行全面的评估 联两电平换流器采用ＳＰＷＭ调制，开关频率选用１３５０Ｈｚ，ＭＭＣ采用载 及对比。 波移相调制，开关频率选用４００Ｈｚ，针对１０ｋＶ（ＡＣ）／±ｌＯｋＶ（ＤＣ）／５ＭＷ、 １换流器主电路拓扑分析及参数选择 ２０ｋＶ／±２０ｋＶ／１２ＭＷ和３５ｋＶ／±３０ｋＶ／１８ＭＷ－Ｖ作条件，以投资成本、损耗 ＩＧＢＴ直接串联两电平换流器和模块化多电平换流器在电气结构上 费用以及成本效率为经济性评价指标，对两种换流器的经济性进行定 存在着较大差异，ＩＧＢＴ直接串联两电平换流器和模块化多电平换流器 量对比分析。 的在电路拓扑上的主要差异有以下３点：（１）前者的串联功率单元为 ４．１换流器投资成本分析 ＩＧＢＴ和反并联二极管（暂不考虑均压电路），而后者的串联功率单元 换流器投资成本是评价其经济性优劣的最直观的指标之一，换流 为两组ＩＧＢＴ和反并联二极管和支撑电容构成的子模块；（２）前者的换 器投资成本越低，反映其经济性越好。ＩＧＢＴ直接串联两电平换流器和 流电抗器是串联在每一相中，而后者的电抗器是直接串联在各个桥臂 模块化多电平换流器主电路投资成本对比结果如表１所示。 中；（３）前者的支撑电容直接跨接与直流母线上，而后者的支撑电容 衷１ １ｏｋＶ，５ＭＷ换澹嚣成本分析 置于每个子模块中。 下面对两种换流器的相电抗器、支撑电容、开关器件的参数设计 工作条件 ±ｌ０ｋＶ／５ＭＷ ±２０ｌ【Ｗｌ２ＭＷ ±３０ｋＷｌ８ＭＷ 进行详细分析。为方便分析，这里假设各ＩＧＢＴ和反并联二极管参数相 ２Ｌ—ＶＳＣ ７２．６５万元 ．１９１．Ｚ万元 ４９５ｌ０３万元 同。 ＭＭＣ １８５．７万元 ３７６．８万元 ５６４万元 １．１开关器件 由表１可以看到，３５ｋＶ及以下的柔性直流输电系统中，ＩＧＢＴ直接串 考虑各个开关器件实现良好均压，￣ＩＧＢＴ直接串联两电平换流器 联两电平换流器在投资成本低于模块化多电平换流器（这里只计及主 开关器件使用数量可表示为： 电路成本），且电压等级越低，这种优势越大。 ４．２换流器损耗费用分析 ６ 柔性直流输电换流器年损耗费用Ｆｔｍ定义为： 式中：ｕ 为直流侧电压，ＵＴ为每个器件的额定工作电压。 ＝ｌｌｖｓｃＰ Ｓｈ 记ＭＭＣ每个子模块工作电压ＵＳＭ，在不考虑冗余设计时，则ＭＭｃ 使用开关器件数量可表示为： 时数。式中：ｕ 为损耗率；Ｐ 为传输容量；ｓ为收购电价；ｈ为利用小 。 ． ，ｌ ２ ６ 考虑收购电￣－０．４１元（ｋＷ・ｈ）～，利用小时数为６０００ｈ，对ＩＧＢＴ直 Ｕ 接串联两电平换流器和模块化多电平换流器的年损耗费用进行比较， １．２支撑电容 结果ＩＧＢＴ直接串联两电平换流器在损耗率和损耗费用上要高于模块化 １．２．１ ＩＧＢＴ串联型两电平换流器支撑电容选型 多电平换流器。 （１）考虑稳定要求； ４．３换流器成本效率分析 （２）考虑储能要求； 由上面分析可见，在３５ｋＶ及以下输电场合，ＩＧＢＴ直接串联两电 （３）考虑电容值对系统有功功率调节动态响应时间的影响。 平换流器在投资成本方面低于模块化多电平换流器，但其输电损耗费 １．２．２ ＭＭＣ换流器支撑电容选型 高于后者，为权衡考虑，本文引入成本效率作为换流器经济性评估指 模块化多电平换流器中电容器为子模块提供电压支撑，通过控制 标。 子模块的投入和切出，使子模块电平叠加形成近似正弦的多电平波 成本效率是指投入产出的相对效率，具体是指换流器单位成本的 形。此外，子模块电容与两电平换流器的电容器功能类似，其参数设 输电效率，对于额定电压等级和输电容量相同的换流器，成本效率越 计原则相似： 高，说明单位成本对换流器效率的贡献越大，则经济性越好。对两种 （１）考虑子模块电容电压波动的要求； 结构换流器的单位成本效率进行计算，结果如表２所示。 （２）考虑储能要求； ・ 表２换流器单位成本效率 （３）考虑电容值对系统有功功率调节动态响应时间的影响。 电压等级 换流器类型 换流器单位成本效率 成本效率比例 ２谐波分析及滤波器设计 ２Ｌｅｖｅｌ—ＶＳＣ ０．０１３６ ±１０ｋＷ５ＭＷ ２．５１９：１ 载波移相正弦脉宽调制是模块化多电平换流器在工程应用中的 ＭＭＣ Ｏ．０ｏ５４ 典型调制策略，通过仿真可得到，在该调制策略下，当开关频率为 ２Ｌｅｖｄ—ＶＳＣ ＯＤｏ５２ ４００Ｈｚ、输出电平数大于２５时，ＭＭＣ输出相电压谐波畸变萼盖／Ｊ、于１．７％， ±２０ｋＶ／１２ＭＷ ２ｍ０：１ ＭＭＣ ０．００２６ 不需要额外进行滤波。而两电平换流器由于其输出谐波含量较高，在 ２Ｌｅｖｄ—ＶＳＣ ｎ０Ｄ２０ 工程应用中通常需要设计高通滤波器进行额外滤波，常用的二阶高通 ±３０ｋｖ／１８ＭＷ １．１１１：１ ＭＭＣ ｎ００１８ 滤波器其电容、电感和电阻参数可由以下关系式确定： 注：成本效率比例计算公式为ｈ２Ｌ—ＶＳＣ／ｈＭＭＣ 一 Ｑｒ １ ， Ｒ￣ａＴＣｎＺＱ 由表２Ｉ可见，在３５ｋＶ及以下输电场合，ＩＧＢ嚏接串联两电平换流器 式中：Ｑ 为无功补偿容量，ｆｎ为截止频率，Ｑ为品质因数。 的成本效率要高于模块化多电平换流器。 ３换滤器损耗计算模型 ５结论 换流器功率损耗主要由其开关器件（ＩＧＢＴ）及其反并联二极管造 通过分析得到结论： 在±１０ｋＶ／５ＭＷ、±２０ｋＶ／１２ＭＷ、 一２４０一 科学技术 浅论无锡地铁谈渡桥站商业配套工程桩基施工 王亮 （中铁十九局集团轨道交通公司，北京１０１３００） 摘要：本文结合无锡地铁１号线谈渡桥站商业配套工程的施工实践，就桩基施工的关键工序和技术控制进行了简要阐述。 关键词：地铁配套工程；桩基施工；关键工序；技术控制 中铁十九局集团轨道交通公司承建的无锡地铁谈渡桥站商业配套 工程，根据实际特点，其桩基施工分为钻孔灌注桩、三轴搅拌桩和双 重管高压旋喷桩三种，现分别就关键工序的技术控制进行阐述。 １钻孔灌注桩施工 钻孔灌注桩施工时采用ＧＰＳ一１５型工程钻机成孔作业，钻孔桩施工 采用原土自然造浆护壁法钻进。 １．１测量放样 对建设单位提供的现场测量点（红线点和水准点）进行妥善的保 护。根据红线点测放出桩位，用红漆在砼地坪上作好标记。 １．２护筒埋设 混凝土灌注：混凝土灌注前、清孔完毕后，应迅速安放混凝土漏 斗与隔水橡皮球胆，并将导管提离孔底０．５ｍ。混凝土初灌量必须保证 能埋住导管０．８～１．３ｍ；灌注过程中，导管埋＾深度宜保持在３ｍ一６ｎＩ之 间，最小埋人深度不得小于２ｍ。浇灌混凝土时随浇随提，严禁将导管 提出混凝土面或埋入过深，一次提拔不得超过６ｍ，导管的吊放和提升 不得碰撞钢筋笼；桩身实际浇注混凝土的数量不得小于桩身的计算体 积的１．Ｏ５倍，不应超过计算值的１．３倍。混凝土浇灌完毕后，应及时割 断吊筋。 ２兰轴搅拌桩施工 本工程Ａ、Ｂ基坑围护结构采用施工。 ２．１测量放线 ８５０＠６００Ｚ轴水泥土搅拌桩止水 护筒采用钢板卷制，板厚４ｒａｍ，护筒内径比桩身设计桩径大 １００ｍｍ。护筒埋设采用人工开挖，其中心线与桩位中心线允许偏差 不大于５０ｒａｍ；护筒埋设深度在粘性土中不小于１．０ｍ，砂土中不小于 １．５ｍ。应埋设在原状土中，并露出地面以上２０ｃｍ；埋设后，护筒周围 应用粘土分层回填夯实。 １．３成孔施工 根据交桩记录提供的坐标基准点、平面布置图。依据施工图放出 桩位控制线，设立临时控制桩。 ２．２场地平整、地下障碍物清除 ２．３移机就位 在工程桩两侧铺设高６０ｃｍ的路基箱，其上放枕木，钻机就位后， 钻机底座应平衡、坚固，滑轮与钻盘中心孔、护筒的中心，应在同一 铅垂线上；（钻具下放前，钻进中应注意第一、二根钻杆的进尺，保 证钻具与孔的中心垂直；钻进中需要根据地层的变化而变化钻进参 数，在粘土层中钻进速度宜为７０—１２ｏ车々份，在淤泥质土、亚砂土及粉 砂层的钻进速度宜为４０～７啭份；在容易缩径的地层中，采取钻完一 段再复扫一遍的方法。在提拔钻具时，发现有受阻现象的孔段；在粘 土、亚粘土地层中泥浆的比重控制在１．１～１．２，在砂层和松散易塌的地 层中泥浆的比重控制在１．２一１．２５，粘度１８—２４秒。 １．４清孔施工 桩机就位，桩机下铺设钢板、枕木，移动前看清上、下、左、右 各方面的情况，移动结束后检查定位情况并及时纠正；桩机应平稳、 平正，并用经纬仪或线锤进行观测以确保钻机的垂直度；搅拌桩桩位 定位偏差应小于１０ｍｍ。成桩后桩中心偏位不得超过５０ｒａｍ，桩身垂直 度偏差不得超过１陀０ｏ。 ２．４水泥浆液制备 本工程采用散装水泥，自动搅浆系统拌制水泥浆，在开机前进行 浆液的搅制；水泥浆配制好后，停滞时间不得超过 、时，搭接施工的 相邻三轴搅拌桩施工间隔不得超过１２￣Ｊｘ时。 ２．５钻进搅拌 第一次清孔：钻孔至设计深度后，停止进尺，稍提钻具离孔底 １０ ２０ｃｍ，保持泥浆正常循环，定时空转钻盘，把孑Ｌ底残余泥块磨成 泥浆排出，清孔时间约为３ｏ５Ｙ钟；第二次清孔：第一次清孔后，提出 钻具，测量孔深，接着应抓紧时间安放钢筋笼及砼导管，随后进行第 二次清孔，时间一般为０．５一ｌｄｘ时；第一、二次清孔后，分别测量孔 深及孔底沉渣；第二次清孔后，孔底沉渣厚度应￣＜５０ｍｍ，泥浆指标为 １．１５～１．２０，粘度为ｌ８—２４秒，含砂量为４％左右。 １．５钢筋笼和格构柱制作 钢筋笼加工：主筋净距必须大于混凝土粗骨粒径３倍以上；钢筋笼 的内径应比导管接头处外径大１００ｍｍ以上；加劲箍宜设在主筋外侧， 采用两搅一喷方式加固注浆，下沉时喷浆施工；为保证强度要 求，搅拌轴下沉至桩底位置后定喷３０ｓ。 ２．６质量控制要点 主筋一般不设弯钩。 格构柱制作：格构柱按图纸要求加工焊接，按图纸要求，焊缝长 度满足要求。 钢筋笼和格构柱安放：钢筋笼与格构柱的安放标高，可由护口管 顶端处的标高来计算，允许误差为±１００ｍｍ；钢筋笼下放时，应对准 孔位中心。一般采用正、反旋转慢慢地逐步下沉，放至设计标高后应 立即固定；钢筋笼安装入孔时和上下节笼对接施焊时，应使钢筋笼保 持垂直状态，对接钢筋笼时应两边对称施焊。 １．６混凝土施工 （１）严格控制搅拌桩下沉速度和搅拌提升速度，并保证均匀下 沉（提升）。在桩机筒身上做好明显标志，严格控制加固区顶、底标 高； （２）施工过程中随时检查施工记录，检查重点是水泥用量、桩 长、成桩过程中有否断桩现象、搅拌提升、下沉速度时间； （３）确保使用设计强度等级的水泥，进场水泥及时送检，合格后 方可使用； （４）施工前对桩机垂直度进行检查校正； （５）施工过程中由专人负责填写施工记录，施工记录表中详细记 录桩位编号、桩长、断面面积、下沉（提升）的时间及深度、水泥用 量、水灰比。 ３双■管高压旋喷桩施工 本工程Ａ、Ｂ基坑围护结构采用钻孔桩＋搅拌桩止水帷幕的支护体 系，局部止水帷幕采用ｃＩ）６５０＠４００的旋喷桩进行补强。 ３．１施工工艺流程 混凝土参数：水下混凝土施工级配比设计提高一级，实际施工时 采用商品混凝土、坍落度为１８～２２ｃｍ，扩散度为３４—３８ｃｍ。 旋喷桩施工工艺流程为：设备进场—设备安装调试—测放桩位一 引孔钻机就位叫苦动引孔钻机一主机钻进引孔—钻孔引孔至设计标高 一二重管旋喷注浆一自桩底匀速旋转提速高压喷浆至桩顶—停喷、停 ±３Ｏｋｗ１８Ｍｗ条件下，ＩＧＢＴ直接串联两电平换流器与模块化多电平换 流器相比，损耗费用较高，但投资成本和运行维护费用较低，且成本 效率高于后者，综合考虑，在３５ｋｖ及以下工作场合，ＩＧＢ喧接串联两 电平换流器经济性更好。 参膏文献 【１］于德政．基于模块化多电平换流器结构的ＨＶＤＣｌｉｇｈｔ系统研究［Ｄ］．合 肥工业大学，２００９ —２４１—