CN108667006A - 用于提升换流阀可靠性的单阀数字宽频故障风险分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于提升换流阀可靠性的单阀数字宽频故障风险分析方法，本方法采用了场路结合的宽频数字模型，以每个单阀为研究对象，模型中阀塔结构位置等引起的杂散参数，采用有限元分析进行计算；将晶闸管和饱和电抗器建立为包含其非线性特性和暂态过程的数字模型；其他设备采用电路元件进行建模。按照实际阀塔的电气连接方式将具体单阀宽频模型设置于系统电磁暂态分析模型中。本方法通过稳态工况下设备的运行参数评估其长期运行的故障风险。采用本方法可以实现对换流阀中关键设备故障风险的全面评估，将系统分析、具体设备的位置关系以及设备非线性故障特性相结合，可以实现对设备故障风险的准确评估。

Description

用于提升换流阀可靠性的单阀数字宽频故障风险分析方法

技术领域

本发明涉及电力工程技术领域，具体涉及一种用于提升换流阀可靠性的单阀数字宽频故障风险分析方法。

背景技术

基于晶闸管的高压直流输电系统以其技术成熟、损耗低以及成本低等特点，在长距离大容量送电及电网互联方面有着明显的优势。由于我国能源分布不均衡、经济发展水平差异大的特点，高压直流输电技术在我国“西电东送，全国联网”战略中发挥着重要作用。近几年，在我国已经有多条高压直流输电线路并网投入运行，而且伴随着经济发展与能源结构转型的趋势，未来直流输电线路会日益增多。

基于晶闸管的高压直流输电换流器在工程中以阀塔的形式运行在阀厅内，而每个阀塔则由若干晶闸管、饱和电抗器、屏蔽罩、水管以及其他辅助设备构成。换流阀结构比较复杂，每个阀塔由四个单阀或者两个单阀组成。单阀在运行过程中内部所有的晶闸级为串联关系，运行过程中同时触发导通或者关断状态。实际运行过程中由于触发、关断以及故障等因素，阀塔中晶闸管中的设备由于过电压和过电流等因素而出现损坏，由此导致换流阀可靠性的降低。目前业界内针对换流阀故障发生原因主要从系统运行以及系统故障方面去研究，也有部分针对故障发展特性的研究。而并未将换流阀内部的具体设备特性与运行方式相结合，而业内对于换流阀的等效模型也只是用于绝缘特性，并未考虑实际运行与换相过程。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种用于提升换流阀可靠性的单阀数字宽频故障风险分析方法，以提升高压直流输电系统换流阀可靠性。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种用于提升换流阀可靠性的单阀数字宽频故障风险分析方法，所述方法包括：

建立高压直流输电系统电磁暂态模型；

建立换流阀单阀数字宽频等效模型，所述换流阀单阀数字宽频模型由若干个组件构成，每个组件的宽频数字模型由晶闸管级数字等效模型、饱和电抗器模型以及阀塔杂散参数三部分组成；

将换流阀单阀数字宽频等效模型设置于高压直流输电系统电磁暂态模型中，并通过稳态分析和暂态分析得出该单阀的长期运行特性与极端运行特性。

所述晶闸管级模型将晶闸管电气参数和外电路特性相结合，以包含晶闸管运行过程中四种状态特性：小电阻、大电阻、导通过程以及关断过程，以将晶闸管特性曲线离散化以数据模型的形式反映其运行工况。

所述饱和电抗器模型，按照饱和电抗器的运行特性和铁心磁滞回线将饱和电抗器特性离散化，以数据模型的形式反映其运行工况。

所述阀塔杂散参数通过建立换流阀阀塔有限元模型而获得，换流阀阀塔有限元模型建立后，根据阀厅来确定有限元计算的边界条件，根据具体单阀所需的杂散参数进行相应的激励设置，然后提取阀塔杂散参数。

所述高压直流输电系统电磁暂态模型的建模流程为：

根据高压直流输电系统一次设备参数建立一次系统模型，其中包括换流器模型、换流变压器模型、平波电抗器、交流滤波器组模型以及绝缘配合方案，按照实际工程的接线图进行主设备的电磁暂态模型搭建；

一次系统建模完成，根据高压直流输电系统控制保护系统进行二次系统建模，分别建立整流站和逆变站换流器的基本控制回路，整流站和逆变站控制器均包括了定电流控制、定电压和定触发角控制。

所述将换流阀单阀数字宽频等效模型设置于高压直流输电系统电磁暂态模型中，并通过稳态分析和暂态分析得出该换流阀的长期运行特性与极端运行特性的过程为：

稳定运行工况分析时：

首先将稳态运行工况以及运行条件输入到高压直流输电系统电磁暂态模型中，经过仿真计算得到换流阀单阀的稳态运行参数，将稳态运行参数输出并保存；

将稳态运行参数作为换流阀阀塔有限元模型的仿真静态场计算的输入条件，换流阀阀塔有限元模型根据输入的电气量进行激励的设置，经过换流阀阀塔有限元模型的多物理场仿真分析，得到换流阀长期的运行环境参数，以对换流阀进行故障风险的判断；

暂态运行工况分析时：

首先将暂态运行工况输入到高压直流输电系统电磁暂态模型中，经过仿真计算得到换流阀的计算暂态运行参数，将暂态运行参数输出并保存；

将暂态参数作为换流阀阀塔有限元模型的仿真瞬态场分析计算的输入条件，换流阀阀塔有限元模型根据输入的电气量进行激励的设置，经过换流阀阀塔有限元模型的多物理场仿真分析，得到换流阀极端工况下的运行环境参数，以对换流阀进行故障风险的判断。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

本方法中以提升高压直流输电换流阀可靠性为目的，本方法对换流阀中关键设备和部件进行暂稳态运行特性的分析，对其故障风险进行提起预判和处理，以此来降低换流阀的故障率和停运风险。本方法采用了场路结合的宽频数字模型，以每个单阀为研究对象，模型中阀塔结构位置等引起杂散参数，采用有限元分析进行计算；将晶闸管和饱和电抗器建立为包含其非线性特性和暂态过程的数字模型；其他设备采用电路元件进行建模。按照实际阀塔的电气连接方式将具体单阀宽频模型设置于系统电磁暂态分析模型中。本方法通过稳态工况下设备的运行参数评估其长期运行的故障风险；通过暂态运行工况下设备的运行参数评估其极端工况下的暂态故障风险。采用本方法可以实现对换流阀中关键设备故障风险的全面评估，将系统分析、具体设备的位置关系以及设备非线性故障特性相结合，可以实现对设备故障风险的准确评估，并在此基础上指导换流阀的维护和优化升级，降低换流阀故障率和停运风险，从而实现对换流阀可靠性的提升，具有较好的实用性和经济性。

附图说明

图1为高压直流输电系统拓扑；

图2为用于计算换流阀设备杂散参数的阀塔有限元模型；

图3所示为换流阀晶闸管结构原理图；

图4为换流阀晶闸管级数字宽频等效模型；

图5为饱和电抗器的结构原理图；

图6为换流阀单阀接线原理图；

图7为换流阀单阀数字宽频等效模型；

图8为高压直流输电系统电磁暂态模型建模流程。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例：

图1所示高压直流输电系统拓扑，圈起来部分为单阀。在高压直流输电系统中，换流阀是高压直流输电系统的核心设备。实际运行过程中每个单阀为一个单元，任何一个设备的故障和损坏可能都会导致整个换流阀的损坏或者停运，造成换流阀可靠性降低。由于单阀中组件的位置不同，其中每个器件都存在不同的杂散参数。杂散参数可能会导致设备电流和电压特性出现变化。

晶闸管在实际运行中的导通过程和关断过程中会出现相应的非线性特征，另外晶闸管触发导通后其呈现出小阻抗特性，完成关断后将出现大阻抗特性。建模分析过程中需要准确的对其进行处理。

饱和电抗器是换流阀中重要的设备，饱和电抗器为非线性设备，其电抗特性与铁心的磁滞回线、线圈漏抗以及铜耗等都相关。饱和电抗器的非线性对换流阀正常运行以及故障工况下的影响比较大。建模分析过程中需要准确的对其进行处理。

换流阀中部件的分析方法对于换流阀中关键设备和器件运行故障风险评估非常关键，方法结合了场路综合分析，将换流阀中具体设备杂散参数、非线性特性予以考虑，并结合换流阀具体的系统运行工况，通过对换流阀中关键设备在具体运行工况下的电气特性来分析其故障风险。以下结合附图说明本方法的内容以及实施步骤。

图2所示为用于高压直流输电换流阀杂散参数计算的阀塔有限元分析模型，箭头所指部分为阀塔中的单阀。建模过程中提取了实际组件模型的参数之后，进行简化和等效，组件的金属横梁、晶闸管两端的散热器、TCE外壳等金属部件必须保持原有的尺寸和形状；晶闸管也按照原来的形状进行设置，但是要根据开通或者关断两种状态给晶闸管设置不同的材料属性。

换流阀的有限元计算模型中，屏蔽系统也是比较关键的，根据本发明的设计方法，对屏蔽罩进行简化等效处理，保持了屏蔽罩的尺寸和外部形状，将内部的空心结构进行等效；阀塔两侧的母排保留其外侧的形状和尺寸，将导体内部的形状进行了简化等效；进线端的均压环也进行了等效简化。

换流阀阀塔有限元模型建立后，根据阀厅中的实际情况来确定有限元计算的边界条件。再根据具体单阀所需的杂散参数进行相应的激励设置，然后提取相关设备的杂散参数。

图3所示为换流阀晶闸管结构原理图，图4所示为换流阀晶闸管级数字等效模型。晶闸管运行过程分为四种状态：小电阻、大电阻、导通过程以及关断过程；四种运行状态下的阻抗情况和流过晶闸管的直流电流I_dc、触发脉冲以及两端电压U_T相关。晶闸管中电流I_dc方向为从阳极到阴极，不存在反方向的电流。

晶闸管的阻抗特性如下所示：

R＝f(U_T,α,i) (1)

在公式(1)中，α为晶闸管的触发脉冲；i为晶闸管中流过的电流，U_T为晶闸管两端的正向压降。

导通状态下，U_T为一个较小的正值，α已经出现过，且i为较大的值；晶闸管阻抗R为其自身的阻抗R_on，一般为毫欧级。

当α不再出现，且i开始逐渐降低为零后，U_T出现负值，晶闸管进入关断过程，R从R_on小值变化为R_off大值，该过程和U_T负值的持续时间相关。该过程中，R为关断过程中过渡阻抗，该值为非线性。

当α不再出现，且i降低为零后，U_T出现一定时间的负值，晶闸管进入关断状态，即完成了阻抗的过渡，晶闸管对外呈现大阻抗特性，R为R_off的值。

当U_T为正值，当触发脉冲α出现时，晶闸管中电流i开始逐渐从零上升，晶闸管进入导通过程，R从R_off大值变化为R_on小值，该过程中，R为关断过程中过渡阻抗，该值为非线性。当过渡过程完成后，晶闸管两端阻抗特性对外呈现为小阻抗特性，R为R_on的值，触发脉冲失去作用。

根据晶闸管的特性曲线，将晶闸管的电气参数离散化，以数据的形式将其保存至数字模型中。该数字模型将晶闸管电气参数、外电路特性等相结合，该数据模型能够包含晶闸管运行过程中四种状态特性。

每个晶闸管级由晶闸管、阻尼回路、直流均压回路、散热器以触发装置等，按照实际中晶闸管级的接线方式进行模型建立。其中R₁、C₁为每个晶闸管级两端阻尼回路的实际电阻和电容，R_d为晶闸管两端的直流均压电阻。按照图2所示的换流阀阀塔有限元模型进行杂散参数计算，提取出散热器两端的杂散电容C_S、并计算出晶闸管级两端水路的等效电阻Rw。

图5所示为换流阀饱和电抗器的原理图。饱和电抗器是换流阀中用来抑制过电压和过电流的设备，其内部结构包括线圈、铁心以及水冷等。稳态运行过程中由于电流比较大，电抗器铁心处于饱和状态，对外呈现出小电抗、小阻抗特性。当电流较小或者为零时，饱和电抗器对外呈现出大电抗特性。

饱和电抗器电抗特性如下所示：

L＝f(μ_r,i) (2)

在公式(2)中，μ_r为饱和电抗器的铁心磁导率特性；i为流过饱和电抗器的电流值。

稳态运行工况下，由于i值比较大，饱和电抗器铁心磁饱和，μ_r＝μ₀。饱和电抗器对外呈现出小电抗特性，该电抗L_k为漏抗，与线圈结构相关。

当饱和电抗器中电流出现较大范围波动，或者出现冲击的时候，饱和电抗器铁心处于非饱和状态，μ_r＝(3000～4000)μ₀。饱和电抗器对外呈现出大电抗特性。

根据铁心的磁滞回线，将饱和电抗器的电气参数离散化，以数据的形式将其保存至数字模型中。该数字模型将饱和电抗器电气参数、外电路特性等相结合，该数据模型能够包含饱和电抗器运行过程中各种电气特性。按照图2所示的换流阀阀塔有限元模型进行杂散参数计算，提取出饱和电抗器两端的杂散电容C_i、并计算出变化电抗器铁心等效电阻R_T。

图6所示为换流阀单阀接线原理图，7所示为换流阀单阀数字宽频等效模型。换流阀中组件的位置不同，其杂散参数和运行特性也会出现差异。所有关注部件的尺寸、形状、位置都会引起杂散参数的不同。换流阀中屏蔽、水管、金属固定件等都会与组件相连接形成局部的等电位连接。

换流阀单阀数字宽频模型由若干个组件按照实际接线方式构成，每个组件的宽频数字模型由晶闸管级模型、饱和电抗器模型以及阀塔杂散参数三部分组成。

在图2所示的模型中根据具体单阀在阀厅中的具体位置关系，设置相应的等电位连接方式，并按照实际阀塔所处的位置设置计算的边界条件。然后计算出阀塔中的杂散参数。

组件中C_pG1为节点1位置的对地杂散电容值，该值和组件在阀塔中的具体位置、屏蔽站和水路等相关。C_p12和C_p45为饱和电抗器两端端间杂散电容，该值和饱和电抗器安装方式、屏蔽罩接法、固定件接法以及水路相关。

而C_v12和C_v23为组件中阀段之间的端间杂散电容，该值和晶闸管阀段安装方式、屏蔽罩接法、固定件接法以及水路相关。如果阀段两端还有均压电容，C_v12和C_v23的值还包括了该均压电容值。

图8所示为高压直流输电系统电磁暂态模型建模流程。根据高压直流输电系统一次设备参数建立一次系统模型，其中包括换流器模型、换流变压器模型、平波电抗器、交流滤波器组模型以及绝缘配合方案等。按照实际工程的接线图进行主设备的电磁暂态模型搭建，其中接地刀等对系统稳态和暂态仿真影响不大的非主要设备可以忽略。

一次系统建模完成，根据高压直流输电系统控制保护系统进行二次系统建模，分别建立整流站和逆变站换流器的基本控制回路，整流站和逆变站控制器均包括了定电流控制、定电压和定触发角控制。

电磁暂态模型应具备常用的故障保护功能，如在强制移相(GS)、故障闭锁停机和旁通对触发等常用保护功能。按照系统设计以及运行特性，对电磁暂态模型进行校核。高压直流输电系统电磁暂态模型建立完成后，可以对系统稳态、暂态运行工况进行仿真，并可以对换流阀的电压电特性进行分析。

高压直流输电系统在运行过程中，一个单阀(一个桥臂)中的晶闸管是同时处于开通或者关断状态。一个单阀中的设备同时处于同一种运行工况(大电流或者高电压)，但是由于阀塔的结构和布局不同，单阀中的不同设备可能处于不同的运行环境(电场、磁场和温度场)。

稳态分析时，首先将稳态运行工况以及运行条件输入到高压直流输电系统电磁暂态模型中，经过仿真计算得到相关的换流阀的运行参数，如电流、两端电压、对地电压等。将稳态运行参数输出并保存。

系统仿真完成后将运行参数作为换流阀阀塔有限元模型仿真静态场计算的输入条件，换流阀阀塔有限元模型根据输入的电气量进行激励的设置。按照阀塔接线方式和结构特点，对所有的带电设备进行激励设置，并根据水冷系统参数设置散热条件。

经过有限元多物理场仿真分析，得到换流阀长期的运行环境。如晶闸管或者均压电阻长期的电气特性为：耐压aV，通流bA，且长期处于电场为cV/mm、磁场为dA/mm以及温度场为f℃的环境。以上述五个量a、b、c、d、f并结合设备固有特性对其进行综合故障风险的判断。提前发现并建议对相关设备进行更换或者重新设计选型，以此来降低换流阀的故障停运次数和损坏率。

暂态分析时，首先将暂态运行工况输入到高压直流输电系统电磁暂态模型中，并结合实际的控制保护策略，经过仿真计算得到相关换流阀的计算暂态参数，如电流、两端电压、对地电压等参数的峰值，将暂态参数输出并保存。

将系统暂态参数作为换流阀阀塔有限元模型仿真瞬态场分析计算的输入条件，换流阀阀塔有限元模型根据输入的电气量进行激励的设置。经过有限元多物理场仿真分析，得到换流阀极端工况下的运行环境。如故障时晶闸管或者均压电阻极端暂态电气特性为：耐压a₁V，通流b₁A，电压变化率为a₁₁，电流变化率为b₁₁；且环境参量中瞬态电场为c₁V/mm、瞬态磁场为d₁A/mm以及温度场为f₁℃。根据上述七个量a₁，b₁，a₁₁，b₁₁，c₁，d₁，f₁并结合设备固有暂态特性综合对其进行故障风险的评判。提前发现并建议对相关设备进行更换，以此来降低换流阀的故障停运次数和损坏率。

本实施例提出的用于提升换流阀可靠性的单阀数字宽频故障风险分析方法。该方法中以提升高压直流输电换流阀可靠性为目的，该方法中对换流阀中关键设备和部件进行暂稳态运行特性的分析，对其故障风险进行提起预判和处理，以此来降低换流阀的故障率和停运风险。该方法中采用了场路结合的宽频数字模型，以每个单阀为研究对象，模型中阀塔结构位置等引起杂散参数，采用有限元分析进行计算；将晶闸管和饱和电抗器建立为包含其非线性特性和暂态过程的数字模型；其他设备采用电路元件进行建模。按照实际阀塔的电气连接方式将具体单阀宽频模型设置于系统电磁暂态分析模型中。本方法通过稳态工况下设备的运行参数评估其长期运行的故障风险；通过暂态运行工况下设备的运行参数评估其极端工况下的暂态故障风险。采用该方法可以实现对换流阀中关键设备故障风险的全面评估，将系统分析、具备设备的位置关系以及设备非线性故障特性相结合，可以实现对设备故障风险的准确评估，并在此基础上指导换流阀的维护和优化升级，降低换流阀故障率和停运风险，从而实现对换流阀可靠性的提升，具有较好的实用性和经济性性。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于提升换流阀可靠性的单阀数字宽频故障风险分析方法，其特征在于，所述方法包括：

建立高压直流输电系统电磁暂态模型；

建立换流阀单阀数字宽频等效模型，所述换流阀单阀数字宽频模型由若干个组件构成，每个组件的宽频数字模型由晶闸管级数字等效模型、饱和电抗器模型以及阀塔杂散参数三部分组成；

将换流阀单阀数字宽频等效模型设置于高压直流输电系统电磁暂态模型中，并通过稳态分析和暂态分析得出该换流阀的长期运行特性与极端运行特性。

2.如权利要求1所述的用于提升换流阀可靠性的单阀数字宽频故障风险分析方法，其特征在于，所述晶闸管级模型将晶闸管电气参数和外电路特性相结合，以包含晶闸管运行过程中四种状态特性：小电阻、大电阻、导通过程以及关断过程，以将晶闸管特性曲线离散化以数据模型的形式反映其运行工况。

3.如权利要求1或2所述的用于提升换流阀可靠性的单阀数字宽频故障风险分析方法，其特征在于，所述饱和电抗器模型，按照饱和电抗器的运行特性和铁心磁滞回线将饱和电抗器特性离散化，以数据模型的形式反映其运行工况。

4.如权利要求1所述的用于提升换流阀可靠性的单阀数字宽频故障风险分析方法，其特征在于，所述阀塔杂散参数通过建立换流阀阀塔有限元模型而获得，换流阀阀塔有限元模型建立后，根据阀厅来确定有限元计算的边界条件，根据具体单阀所需的杂散参数进行相应的激励设置，然后提取阀塔杂散参数。

5.如权利要求4所述的用于提升换流阀可靠性的单阀数字宽频故障风险分析方法，其特征在于，所述高压直流输电系统电磁暂态模型的建模流程为：

根据高压直流输电系统一次设备参数建立一次系统模型，其中包括换流器模型、换流变压器模型、平波电抗器、交流滤波器组模型以及绝缘配合方案，按照实际工程的接线图进行主设备的电磁暂态模型搭建；

一次系统建模完成，根据高压直流输电系统控制保护系统进行二次系统建模，分别建立整流站和逆变站换流器的基本控制回路，整流站和逆变站控制器均包括了定电流控制、定电压和定触发角控制。

6.如权利要求5所述的用于提升换流阀可靠性的单阀数字宽频故障风险分析方法，其特征在于，所述将换流阀单阀数字宽频等效模型设置于高压直流输电系统电磁暂态模型中，并通过稳态分析和暂态分析得出该换流阀的长期运行特性与极端运行特性的过程为：

稳定运行工况分析时：

首先将稳态运行工况以及运行条件输入到高压直流输电系统电磁暂态模型中，经过仿真计算得到换流阀的稳态运行参数，将稳态运行参数输出并保存；

将稳态运行参数作为换流阀阀塔有限元模型的仿真静态场计算的输入条件，换流阀阀塔有限元模型根据输入的电气量进行激励的设置，经过换流阀阀塔有限元模型的多物理场仿真分析，得到换流阀长期的运行环境参数，以对换流阀进行故障风险的判断；

暂态运行工况分析时：

首先将暂态运行工况输入到高压直流输电系统电磁暂态模型中，经过仿真计算得到换流阀的计算暂态运行参数，将暂态运行参数输出并保存；

将暂态参数作为换流阀阀塔有限元模型的仿真瞬态场分析计算的输入条件，换流阀阀塔有限元模型根据输入的电气量进行激励的设置，经过换流阀阀塔有限元模型的多物理场仿真分析，得到换流阀极端工况下的运行环境参数，以对换流阀进行故障风险的判断。