CN109165393A - 一种hvdc换流阀本体冷却结构及其冷却系统和仿真分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种HVDC换流阀本体冷却结构及其冷却系统和仿真分析方法，包括M层顺序连接的水路模块；其中每层水路模块包括多个散热模块和多个电抗器，散热模块和电抗器并联或串联设置；每个散热模块具有N级串联晶闸管用散热器。该换流阀本体冷却结构及其冷却系统以散热均匀性为目标，其具有散热快速、稳定的优点；且其对应的仿真分析方法基于热流体仿真分析平台进行，能够对冷却系统特有的热流体结构进行仿真建模，实现了流量的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于高压直流输电工程技术领域；具体涉及一种HVDC换流阀本体冷却结构及其冷却系统和仿真分析方法。
背景技术
现有的换流阀冷却系统设计方法是由以往工程经验积累为主导方向的经验设计方法，该设计方法具有一定的实用性和可靠性，但同时也具有一定的局限性。经验设计方法的最初依据是靠有限的科研资源进行试验而来，在这基础之上，应该是：每经历一次实际工程，就积累一次工程经验，经历的实际工程越多，积累的工程经验就越丰富，有利于经验设计方法的不断完善。经验设计方法的局限性就在于人为设计的主观性太强，如果经验者对其所经历工程中的试验数据具有准确的甄别筛选能力和全面的总结归纳能力，那么经验设计方法基本上是可靠的，反之，则不可靠。现实中，设计过程都是由一个团队参与，避免单一设计的主观臆断，经验设计方法是一个很重要的设计参考。另外，经验设计方法的局限性还体现在对实际工程进行准确量化设计方面，经验设计方法很难实现对于实际工程的准确量化设计。
发明内容
本发明提供了一种HVDC换流阀本体冷却结构及其冷却系统和仿真分析方法；该换流阀本体冷却结构及其冷却系统以散热均匀性为目标，其具有散热快速、稳定的优点；且其对应的仿真分析方法基于热流体仿真分析平台进行，能够对冷却系统特有的热流体结构进行仿真建模，实现了流量的稳定性。
本发明的技术方案是：一种HVDC换流阀本体冷却结构，包括M层顺序连接的水路模块；其中每层水路模块包括多个散热模块和多个电抗器，散热模块和电抗器并联或串联设置；每个散热模块具有N级串联晶闸管用散热器。
更进一步的，本发明的特点还在于：
其中每层水路模块包括两个串联的散热单元，散热单元包括两个散热模块，两个散热模块之间连接两个并联的电抗器。
其中每层水路模块包括四个串联的散热单元，散热单元包括一个散热模块，散热模块串联一个电抗器。
其中每层水路模块包括两个串联的散热单元，每个散热单元包括一个散热模块，散热模块与两个并联的电抗器连接，其中散热模块还包括与晶闸管用散热器串联的N-1个水电阻。
其中该冷却结构的水路模块层数M和散热模块中晶闸管用散热器的数量N由电压等级和电流等级确定。
本发明还提供了基于上述HVDC换流阀本体冷却结构的HVDC换流阀冷却系统，其中HVDC换流阀本体冷却结构的进水端连通过滤装置的出水端，过滤装置的进水端连通外冷水路模块的出水端；过滤装置的出水端还连通稳压与净化水路模块的进水端；HVDC换流阀本体冷却结构的出水端和稳压与净化水路模块的出水端均连通动力源水路模块的进水端；动力源水路模块的出水端连接外冷水路模块的进水端；稳压与净化水路模块上还连通有补水水路模块。
更进一步的，本发明的特点还在于：
其中外冷水路模块为单独强迫液体冷却水路模块、强迫空气冷却与强迫液体冷却互相配合应用的冷却水路模块、强迫空气冷却和制冷机组冷却互相配合应用的冷却水路模块或单独强迫空气冷却水路模块。
其中单独强迫液体冷却水路模块与外冷却液处理水路模块双向连通，单独强迫液体冷却水路模块还连接外冷却系统补液水路模块；强迫空气冷却与强迫液体冷却互相配合应用的冷却水路模块与外冷却液处理水路模块双向连通，强迫空气冷却与强迫液体冷却互相配合应用的冷却水路模块还连接外冷却系统补液水路模块；强迫空气冷却和制冷机组冷却互相配合应用的冷却水路模块与制冷机组辅助冷却水路模块双向连通。
本发明还提供了上述HVDC换流阀冷却系统的仿真分析方法，使用热流体系统仿真分析平台对HVDC换流阀冷却系统进行仿真分析，其具体过程是：
步骤S1，将HVDC换流阀本体冷却结构的散热模块按照其拓扑结构建立仿真模型；
步骤S2，在步骤S1的基础上，按照HVDC换流阀冷却系统的拓扑结构建立仿真模型；
步骤S3，设置HVDC换流阀本体冷却结构和HVDC换流阀冷却系统的输入工程实际参数；
步骤S4，在仿真分析平台下，根据稳态计算环境或瞬态计算环境进行热流体仿真运算，并得到仿真分析结果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该HVDC换流阀本体冷却结构能够根据工程换流阀功耗散热的需求，对本体中水路模块的层数和散热模块中的功耗器件晶闸管用散热器的数量进行设计，使其布局合理满足工程需求。
更进一步的，本发明提供多种具有不同结构的HVDC换流阀本体冷却结构，能够满足现有的工程需求。
本发明还提供了一种HVDC换流阀冷却系统，该冷却系统使用效果好，并且根据工程和环境需求具有多种不同的外冷水路模块。
本发明还提供了对上述HVDC换流阀冷却系统的仿真分析方法，该方法是一种高效率的HVDC换流阀冷却系统仿真分析方法，其具有快速性、准确性与稳定性，具有广阔的技术市场。该方法能够应用热流体系统仿真分析平台，根据实际工程换流阀冷却系统的运行参数进行建模仿真，针对高压直流输电(HVDC)用换流阀设备，是一种基于热流体仿真分析的换流阀冷却系统仿真分析方法，能够根据工程实际参数，得到冷却系统的实际设计参数，从而用于工程的实际实施。
该仿真分析方法具有以下优点：a.对换流阀本体内部水路进行仿真建模分析运算，实现以散热均匀性为目标的优化设计。b.根据a中所述内容得出最优流量值，对换流阀冷却系统整体水路进行仿真建模分析运算，实现以保持流量稳定性为目标的优化设计。c.根据b中所述内容得出换流阀冷却系统整体水路各个环节中关键节点的热流体分布集合参数，将作为冷却设备和冷却管道及其附件的选型设计依据。d.根据c中所述内容得出冷却设备相关保护定值的热流体分布集合参数，将作为换流阀冷却系统的控制与保护系统建模仿真及工程实现的设计依据。该仿真分析方法应用灵活、实用可靠，可应用于工程设计。
附图说明
图1为本发明中HVDC换流阀冷却系统的结构示意图；
图2为本发明中HVDC换流阀本体冷却结构的示意图；
图3为本发明中HVDC换流阀本体冷却结构的示意图；
图4为本发明中HVDC换流阀本体冷却结构的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步说明。
本发明提供了一种HVDC换流阀本体冷却结构，如图2-4所示，该HVDC换流阀本体冷却结构具有如图2-4所示三种冷却水路拓扑结构图，详见图中X1、X2和X3。具体的X1、X2和X3均具有M层顺序连接的水路模块。其中X1和X2中的散热模块均由N级晶闸管用散热器水路构成；具体的X1中每层水路模块由4个散热模块和4个电抗器分为两组散热单元，具体的散热单元为两个散热模块之间连接两个并联的电抗器；X2中每层水路模块由4个散热模块和4个电抗器组成，其中一个散热模块和一个电抗器串联组成散热单元，即每层水路模块包括4个串联的散热单元；X3包括两个散热单元，每个散热单元包括一个散热模块，散热模块连接两个并联的电抗器，且散热模块包括N级晶闸管用散热器，且每个晶闸管用散热器还串联一个水电阻。
本发明的HVDC换流阀本体冷却结构在具体工程施工过程中，其水路模块的级数M和晶闸管用散热器的数量N根据实际工程中电压等级和电流等级核定。
本发明还提供了一种基于上述HVDC换流阀本体冷却结构的HVDC换流阀冷却系统，如图1所示，该冷却系统包括HVDC换流阀本体冷却结构；HVDC换流阀本体冷却结构的进水端连通过滤装置的出水端，过滤装置的进水端连通外冷水路模块的出水端；过滤装置的出水端还连通稳压与净化水路模块的进水端；HVDC换流阀本体冷却结构的出水端和稳压与净化水路模块的出水端均连通动力源水路模块的进水端；稳压与净化水路模块上还连通有补水水路模块；动力源水路模块的出水端连接外冷水路模块的进水端。其中补水水路模块、动力源水路模块、过滤装置、外冷水路模块和稳压与净化水路模块均为冷却系统的使用模块。具体的补水水路模块用于向稳压与净化水路模块补充水；过滤装置通过过滤水向稳压与净化水路和HVDC换流阀本体冷却结构提供较为干净的水；稳压与净化水路模块用于稳定水压和进一步净化水；动力源水路模块用于提供水循环流动的动力；外冷却水路为外部的水冷却装置，具体有四种结构分别为：单独强迫液体冷却水路模块、强迫空气冷却与强迫液体冷却互相配合应用的冷却水路模块、强迫空气冷却和制冷机组冷却互相配合应用的冷却水路模块和单独强迫空气冷却水路模块。
如图2所示，单独强迫液体冷却水路模块与外冷却液处理水路模块双向连通，单独强迫液体冷却水路模块还连接外冷却系统补液水路模块；强迫空气冷却与强迫液体冷却互相配合应用的冷却水路模块与外冷却液处理水路模块双向连通，强迫空气冷却与强迫液体冷却互相配合应用的冷却水路模块还连接外冷却系统补液水路模块；强迫空气冷却和制冷机组冷却互相配合应用的冷却水路模块与制冷机组辅助冷却水路模块双向连通。
本发明还提供了一种对上述HVDC换流阀冷却系统的仿真分析方法，其具体包括以下过程：
首先，需要选择热流体系统仿真分析平台，本发明的采用的平台为Flow master、Fluent或Solid Works；该三种平台均为现有的能够进行流体系统仿真分析的平台，使用上述平台对本发明的HVDC换流阀冷却系统进行仿真分析的方法包括以下步骤：
步骤S1，按照HVDC换流阀本体冷却结构的拓扑结构(如图2-4所示)建立其仿真模型，具体的按照HVDC换流阀本体冷却结构的散热模块和散热单元，以及其使用的水电阻换热模型、电抗器换热模型、管道水路模型建立散热模块和散热单元的仿真模型，然后再建立多层的水路模块，最后的到HVDC换流阀本体冷却结构的仿真模型；根据图2-4三种HVDC换流阀本体冷却结构的拓扑结构，能够得到三种不同的HVDC换流阀本体冷却结构仿真模型。
步骤S2，在步骤S1的基础上，按照如图1所示的HVDC换流阀冷却系统的拓扑图建立其仿真模型，具体的按照图中多个模块之间的关系建立其仿真模型；其中根据图1所示的拓扑图中外冷水路模块的四种构型能够得到四个不同的仿真模型。
步骤S3，在步骤2中得到HVDC换流阀冷却系统仿真模型中输入工程实际参数，工程实际参数包括散热器模型、水电阻模型、电抗器模型的换热面积、进出口水力直径、流量-压差特性曲线、热负荷等参数，管路模型的内径、长度、粗糙度等参数，以及连接各模块水路模型之间的弯头和三通器件模型的进出口水力直径、曲率半径、流量-压差特性曲线等参数。
步骤S4，在仿真分析平台下，对步骤S3中的仿真模型在工程实际参数下进行仿真分析，具体的可以在稳态计算环境或瞬态计算环境下进行热流体仿真运算，最后得到仿真模型在工程实际参数下仿真运算结果，即得到在该工程实际情况下，HVDC换流阀冷却系统的建立规模，以及HVDC换流阀本体冷却结构的水路模块层数和晶闸管用散热器的级数。
Claims (9)
1.一种HVDC换流阀本体冷却结构，其特征在于，包括M层顺序连接的水路模块；其中每层水路模块包括多个散热模块和多个电抗器，散热模块和电抗器并联或串联设置；每个散热模块具有N级串联晶闸管用散热器。
2.根据权利要求1所述的HVDC换流阀本体冷却结构，其特征在于，所述每层水路模块包括两个串联的散热单元，散热单元包括两个散热模块，两个散热模块之间连接两个并联的电抗器。
3.根据权利要求1所述的HVDC换流阀本体冷却结构，其特征在于，所述每层水路模块包括四个串联的散热单元，散热单元包括一个散热模块，散热模块串联一个电抗器。
4.根据权利要求1所述的HVDC换流阀本体冷却结构，其特征在于，所述每层水路模块包括两个串联的散热单元，每个散热单元包括一个散热模块，散热模块与两个并联的电抗器连接，其中散热模块还包括与晶闸管用散热器串联的N-1个水电阻。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的HVDC换流阀本体冷却结构，其特征在于，所述该冷却结构的水路模块层数M和散热模块中晶闸管用散热器的数量N由电压等级和电流等级确定。
6.一种HVDC换流阀冷却系统，其特征在于，该冷却系统具有如权利要求1所述的HVDC换流阀本体冷却结构，其中HVDC换流阀本体冷却结构的进水端连通过滤装置的出水端，过滤装置的进水端连通外冷水路模块的出水端；过滤装置的出水端还连通稳压与净化水路模块的进水端；HVDC换流阀本体冷却结构的出水端和稳压与净化水路模块的出水端均连通动力源水路模块的进水端；动力源水路模块的出水端连接外冷水路模块的进水端；稳压与净化水路模块上还连通有补水水路模块。
7.根据权利要求6所述的HVDC换流阀冷却系统，其特征在于，所述外冷水路模块为单独强迫液体冷却水路模块、强迫空气冷却与强迫液体冷却互相配合应用的冷却水路模块、强迫空气冷却和制冷机组冷却互相配合应用的冷却水路模块或单独强迫空气冷却水路模块。
8.根据权利要求7所述的HVDC换流阀冷却系统，其特征在于，所述单独强迫液体冷却水路模块与外冷却液处理水路模块双向连通，单独强迫液体冷却水路模块还连接外冷却系统补液水路模块；强迫空气冷却与强迫液体冷却互相配合应用的冷却水路模块与外冷却液处理水路模块双向连通，强迫空气冷却与强迫液体冷却互相配合应用的冷却水路模块还连接外冷却系统补液水路模块；强迫空气冷却和制冷机组冷却互相配合应用的冷却水路模块与制冷机组辅助冷却水路模块双向连通。
9.一种基于权利要求6所述的HVDC换流阀冷却系统的仿真分析方法，其特征在于，使用热流体系统仿真分析平台对HVDC换流阀冷却系统进行仿真分析，其具体过程是：
步骤S1，将HVDC换流阀本体冷却结构的散热模块按照其拓扑结构建立仿真模型；
步骤S2，在步骤S1的基础上，按照HVDC换流阀冷却系统的拓扑结构建立仿真模型；
步骤S3，设置HVDC换流阀本体冷却结构和HVDC换流阀冷却系统的输入工程实际参数；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190108 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |