CN105243281A - 一种计及运行状态的晶闸管换流阀可靠性评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种计及运行状态的晶闸管换流阀可靠性评估方法。本发明基于傅里叶传热定律建立晶闸管的温度场模型，提出晶闸管的温度与故障率的公式，从而建立起基于运行状态的晶闸管可靠性模型，然后利用状态分割的原理，提出计及运行状态的换流阀可靠性评估方法。本发明在换流阀可靠性评估中计及了系统的运行状态，克服现有换流阀可靠性评估中无法计及实际运行状况的缺点，可以有效地提高基于晶闸管换流阀可靠性评估的精度，为高压直流输电系统的规划和运行提供更为可靠的依据。

Description

一种计及运行状态的晶闸管换流阀可靠性评估方法

技术领域

本发明属于电力系统可靠性评估领域，具体涉及一种计及运行状态的晶闸管换流阀可靠性评估方法。

背景技术

目前实际应用的输电方式有交流输电和直流输电两种。交流输电技术比较成熟，运行灵活方便，在多数情况下投资省，所以交流输电技术在目前电力系统占主体地位。但是大电网中(超/特)高压交流输电的稳定性问题、海底输电中交流电缆的电容电流问题等使交流输电技术难以适用特定的输电场合。高压直流输电技术作为现在电网的重要补充，在远距离大容量输电、电力系统非同步联网和海底输电等领域有着广泛的应用前景。

随着高压直流输电系统工程的增加，其可靠性也备受瞩目。换流阀作为高压直流输电系统的核心组件，也是高压直流输电系统的特征组件之一，其可靠性是决定高压直流输电系统的可靠性的关键之一。在现有的高压直流输电系统可靠性评估中，采用的换流阀(晶阀管)模型大多为恒故障率模型。然而，高压直流输电系统在实际运行中，会根据实际的电力需求，调节传输功率，在恶劣天气条件下，还会降低运行电压。不同的运行状态下，高压直流输电系统的可靠性表现差异明显，特别是换流阀中的电力电子设备，其故障率对于运行电压和运行电流敏感。在高压直流输电系统可靠性评估中，只有计及系统所处的运行状态所得到的结果才能更加真实地反映高压直流输电系统在实际运行中表现的可靠性，为电力系统的规划和运行决策提供更加可靠的依据。所以，采用计及运行状态的换流阀可靠性评估技术对于准确有效地评估高压直流输电系统的可靠性显得十分必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种计及运行状态的晶闸管换流阀可靠性评估方法，旨在解决现有换流阀可靠性评估只计及长期平均特性而不考虑实际运行状态差异的问题，提高换流阀可靠性评估的精度，从而提高高压直流输电系统可靠性评估的工程实用性。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

(1)基于傅里叶传热定律建立晶闸管的温度场模型，晶闸管的温度场模型以晶闸管传输功率和晶闸管参数表示；

(2)根据所述温度场模型建立基于运行状态的晶闸管可靠性模型；

(3)基于状态分割的原理，以一定功率为步长，将高压直流输电系统的全年持续传输功率曲线分段为多个传输功率区间，根据所述晶闸管可靠性模型分别评估各传输功率区间下所述换流阀的可靠性，然后统计各传输功率区间的持续时间，并采用如下公式计算得到所述换流阀的可靠性指标：

$Ind=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{t}_i{\mathrm{Ind}}_i}{\underset{i}{\overset{n}{\Σ}}{t}_i}$

其中，n为传输功率区间数目，t_i为第i个传输功率区间的持续时间，Ind_i为第i个传输功率区间对应的可靠性指标。

所述温度场模型表示为：

$T\left(r\right)=\frac{{\mathrm{\ρI}}^2}{4{\mathrm{\π}}^2{R}^4\mathrm{\λ}}(-r^2+R^2)+T_0$

其中，r为晶闸管中任意一点到晶闸管中心线的距离，ρ为晶闸管等效电阻率，R为晶闸管半径，λ为晶闸管导热系数，T₀为环境温度，I为通过晶闸管电流；

所述晶闸管可靠性模型表示为：

$\mathrm{\λ}\left(T\right)=\[{\mathrm{\α\λ}}_{s1}+(1-\mathrm{\α}){\mathrm{\λ}}_{s0}\]e^{\mathrm{\β}(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_s})}+{\mathrm{\λ}}_I$

其中，λ_s1和λ_s0为在标准测试温度T_s下测定的晶闸管在导通和阻断状态下的故障率，α为导通时间占工作周期的比例，β为晶闸管的特性参数，与导通能有关，λ_I为外部诱因的故障率，T为根据所述温度场模型计算得到的某运行状态下晶闸管的最高温度或平均温度。

本发明的有益效果为：

1.本发明提出了考虑运行状态的晶闸管故障模型(即晶闸管可靠性模型)，然后利用状态分割，提出了考虑换流阀运行状态的高压直流输电系统可靠性评估方法，本发明的模型和方法可以克服现有高压直流输电系统可靠性评估中无法计及系统运行状态的缺点。

2.本发明所提出考虑运行状态的晶闸管故障模型和基于状态分割原理的可靠性评估方法可直接用于高压直流输电系统的运行可靠性评估和风险评估等相关领域，提高了高压直流输电系统的运行可靠性评估和风险评估的精准度。

附图说明

图1为晶闸管热力学计算模型示意图；

图2为换流阀结构图；

图3为状态分割原理图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

1.晶闸管的温度场模型

晶闸管的结构一般为圆柱形纽扣状，本发明为了计算方便，将晶闸管近似为圆柱体，如图1所示。由傅里叶传热定律可得：

$(-\mathrm{\λ}\frac{dT}{dr})\left(2\mathrm{\π}r\mathrm{\Δ}x\right)={\left(\frac{I}{{\mathrm{\πR}}^2}{\mathrm{\πr}}^2\right)}^2\frac{\mathrm{\ρ}\mathrm{\Δ}x}{{\mathrm{\πr}}^2}---\left(1\right)$

其中，r为晶闸管中任意一点到晶闸管中心线的距离，ρ为晶闸管等效电阻率，R为晶闸管半径，Δx为所选取的晶闸管切片的长度，λ为晶闸管导热系数，I为通过晶闸管电流，I可结合换流阀的结构由运行功率和电压求得。

$\frac{dT}{dr}=-\frac{{\mathrm{\ρI}}^2}{2{\mathrm{\π}}^2{\mathrm{\λR}}^4}r---\left(2\right)$

此方程为一阶微分方程，考虑到边界条件为T(R)＝T₀，其中T₀为环境温度，可得晶闸管的温度场计算公式：

$T\left(r\right)=\frac{{\mathrm{\ρI}}^2}{4{\mathrm{\π}}^2{R}^4\mathrm{\λ}}(-r^2+R^2)+T_0---\left(3\right)$

由此可得晶闸管的最高温度为：

$T_{max}=T\left(0\right)=T_0+\frac{{\mathrm{\ρI}}^2}{4{\mathrm{\π}}^2{R}^2\mathrm{\λ}}---\left(4\right)$

晶闸管的平均温度为：

$\stackrel{\‾}{T}=\frac{\underset{0}{\overset{R}{\∫}}2\mathrm{\π}rT\left(r\right)dr}{{\mathrm{\πR}}^2}=\frac{{\mathrm{\ρI}}^2}{8{\mathrm{\π}}^2{\mathrm{\λR}}^2}+T_0---\left(5\right)$

由公式(3)可求得晶闸管任一点的温度，由公式(4)和公式(5)可分别求取晶闸管的最高温度和平均温度。

2.基于运行状态的换流阀可靠性模型

晶闸管的故障率与温度、承受逆向电压等因素密切相关。晶闸管的温度是由晶闸管产生的热量和晶闸管所处的散热环境所决定。晶闸管产生的热量可由晶闸管通过的电流和晶闸管的等效电阻得到。由于高压直流输电系统中换流塔均配有水冷装置，所以可以认为晶闸管所处的散热环境良好，可以维持环境温度恒定。于是，可以得到考虑温度影响的晶闸管故障率计算公式为：

$\mathrm{\λ}\left(T\right)=\[{\mathrm{\α\λ}}_{s1}+(1-\mathrm{\α}){\mathrm{\λ}}_{s0}\]e^{\mathrm{\β}(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_s})}+{\mathrm{\λ}}_I---\left(6\right)$

其中，λ_s1和λ_s0为在标准测试温度T_s下测定的晶闸管在导通和阻断状态下的故障率，α为导通时间占工作周期的比例，β为晶闸管的特性参数，与导通能有关，其中E_a为导通能，c_E为一常数，一般可取8.617×10^-5，λ_I为外部诱因的故障率，T为根据所述温度场模型计算得到的某运行状态下晶闸管的最高温度或平均温度。

在本发明中，采用两状态模型来描述晶闸管的状态，即运行状态(“1”)和停运状态(“0”)，停运状态包含故障修复时间和安装时间。由于故障修复和安装时与运行状态无关，所以在本发明中平均修复时间(MTTR)采用与现有的高压直流输电系统可靠性评估方法相同的选取方法。

单个换流阀的结构如图2所示，是由若干个阀组件串联而成，而每个阀组件又由若干个串联晶闸管及阳极电抗器和均压电容构成。根据晶闸管和其他元件的串、并关系，即可得到换流阀的等效可靠性参数。由图2可知，单个换流阀是由若干个晶闸管、电容、电抗等各元件通过多次的串、并联组合而成，可由各元件的故障率和平均修复时间等参数经过有限次的运算得到单个换流阀的可靠性参数(不计及运行状态对晶闸管外其他元件的故障率等参数的影响)。

对于串联关系的元件，其等效的故障率λ_se和平均修复时间r_se为：

λ_se＝λ₁+λ₂(7)

$r_{se}=\frac{{\mathrm{\λ}}_1{r}_1+{\mathrm{\λ}}_2{r}_2+{\mathrm{\λ}}_1{r}_1{\mathrm{\λ}}_2{r}_2}{{\mathrm{\λ}}_1+{\mathrm{\λ}}_2}---\left(8\right)$

对于并联的元件，其等效的故障率λ_pe和平均修复时间r_pe为：

${\mathrm{\λ}}_{pe}=\frac{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2(r_1+r_2)}{1+{\mathrm{\λ}}_1{r}_2+{\mathrm{\λ}}_2{r}_2}---\left(9\right)$

$r_{pe}=\frac{r_1{r}_2}{r_1+r_2}---\left(10\right)$

其中，λ₁,λ₂为两串联元件或并联元件的故障率，r₁,r₂为两串联元件或并联元件的平均修复时间。

由公式(7)-(10)进行迭代运算，即可以得到单个换流阀的故障率和平均修复时间，基于这两个数据，可以进一步得到换流阀的各可靠性参数。

3.考虑换流阀运行状态的高压直流输电系统可靠性评估方法

传统的换流阀可靠性评估，都是建立在恒故障率模型之上，当考虑换流阀的运行状态后，换流阀的故障率不再是恒定值。本发明从理论证明了运行状态分割的可行性。

如图3中(a)所示，一换流阀在0～t₁时间内和(t₁+t₂)～(t₁+t₂+t₃)时间内运行在工作状态1下，对应的故障率为λ₁，在t₁～(t₁+t₂)时间段内运行在工作状态2下，对应的故障率为λ₂，则(a)对应的危险函数为：

$h_1=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&lambda;}}_1& 0\&le;t<t_1\\ {\mathrm{\&lambda;}}_2& t_1\&le;t<t_1+t_2\\ {\mathrm{\&lambda;}}_1& t_1+t_2\&le;t<t_1+t_2+t_3\end{array}\right.---\left(11\right)$

则在三个时间段内的故障次数为：

N₁(t₁+t₂+t₃)＝N_λ1(t₁)+N_λ2(t₂)+N_λ1(t₃)(12)

其中N_λ1(t)和N_λ2(t)分别表示泊松分布参数为λ₁和λ₂时在t时间内的故障次数。

再考虑图3中(b)所示，对应的危险函数为：

$h_2=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&lambda;}}_1& 0\&le;t<t_1+t_3\\ {\mathrm{\&lambda;}}_2& t_1+t_3\&le;t<t_1+t_3+t_2\end{array}\right.---\left(13\right)$

在三个时间段内的故障次数为：

N₂(t₁+t₃+t₂)＝N_λ1(t₁+t₃)+N_λ2(t₂)

＝N_λ1(t₁)+N_λ2(t₂)+N_λ1(t₃)(14)

即N₁＝N₂，所以当危险函数为分段常量函数时，所对应的随机过程仍具有平稳特性，即故障次数的增多只与在该状态下所经历的时间长有关，与发生的时间点无关。所以，本发明为了计算方便，采用运行状态分割的方式，只计算不同运行状态下的持续时间长度，无需考虑各状态的时序。

状态分割的具体实现方法为：以一定功率为步长，将高压直流输电系统的全年持续传输功率曲线进行分段，分别评估各段下的换流阀的可靠性，然后统计各传输功率区间的持续时间，以如下计算公式即可得到换流阀的可靠性指标：

$Ind=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{t}_i{\mathrm{Ind}}_i}{\underset{i}{\overset{n}{\&Sigma;}}{t}_i}---\left(15\right)$

其中，n为传输功率区间数目，t_i为第i个传输功率区间的总持续时间，Ind_i为第i个传输功率区间对应的可靠性指标。

Claims (3)

1.一种计及运行状态的晶闸管换流阀可靠性评估方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)基于傅里叶传热定律建立晶闸管的温度场模型；

(2)根据所述温度场模型建立基于运行状态的晶闸管可靠性模型；

(3)基于状态分割的原理，以一定功率为步长，将高压直流输电系统的全年持续传输功率曲线分段为多个传输功率区间，根据所述晶闸管可靠性模型分别评估各传输功率区间下所述换流阀的可靠性，然后统计各传输功率区间的持续时间，并采用如下公式计算得到所述换流阀的可靠性指标：

$Ind=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{t}_i{\mathrm{lnd}}_i}{\underset{i}{\overset{n}{\&Sigma;}}{t}_i}$

其中，n为传输功率区间数目，t_i为第i个传输功率区间的持续时间，Ind_i为第i个传输功率区间对应的可靠性指标。

2.根据权利要求1所述一种计及运行状态的晶闸管换流阀可靠性评估方法，其特征在于：所述温度场模型表示为：

$T\left(r\right)=\frac{{\mathrm{\&rho;I}}^2}{4{\mathrm{\&pi;}}^2{R}^4\mathrm{\&lambda;}}(-r^2+R^2)+T_0$

其中，r为晶闸管中任意一点到晶闸管中心线的距离，ρ为晶闸管等效电阻率，R为晶闸管半径，λ为晶闸管导热系数，T₀为环境温度，I为通过晶闸管电流。

3.根据权利要求1所述一种计及运行状态的晶闸管换流阀可靠性评估方法，其特征在于：所述晶闸管可靠性模型表示为：

$\mathrm{\&lambda;}\left(T\right)=\&lsqb;{\mathrm{\&alpha;\&lambda;}}_{s1}+(1-\mathrm{\&alpha;}){\mathrm{\&lambda;}}_{s0}\&rsqb;e^{\mathrm{\&beta;}(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_s})}+{\mathrm{\&lambda;}}_I$

其中，λ_s1和λ_s0为在标准测试温度T_s下测定的晶闸管在导通和阻断状态下的故障率，α为导通时间占工作周期的比例，β为晶闸管的特性参数，与导通能有关，λ_I为外部诱因的故障率，T为根据所述温度场模型计算得到的某运行状态下晶闸管的最高温度或平均温度。