柔直换流阀用相变冷却工质击穿特性研究

相变冷却技术冷却效率高、安全可靠,有望攻克柔直换流阀散热瓶颈,实现其高压、大容量发展,在换流阀冷却领域具有良好的应用前景。为实现相变冷却换流阀绝缘系统可靠设计,该文设计研制了三相态相变冷却工质可调频绝缘特性测试专用平台,并以换流阀用相变冷却工质为研究对象,依据换流阀典型运行工况,利用专用测试平台开展了相变冷却工质三相态、50~300 Hz频率范围的绝缘击穿特性研究。得到了相变冷却工质击穿特性随工质相态及电压频率的变化规律,分析了相变冷却工质不同相态的击穿机理,揭示了工质相态和电压频率变化对冷却工质击穿特性的影响机制。研究工作不仅解决了高频下相变冷却工质的三相态耐压测试方法问题,且所得研究成果为相变冷却柔直换流阀的绝缘设计奠定了基础,同时可指导相变冷却技术在其他电力电子器件及装备上的应用。

传统直流换流阀动态关断模型及对换相失败评估准确性的影响

传统高压直流输电系统逆变侧发生交流故障时,换流阀晶闸管的关断特性会随正向电流、电流过零点下降率和结温等外部条件的改变而动态变化,而现有研究多将晶闸管视为理想器件或仅保留一定的关断裕度,很可能会导致换相失败判别结果不准确等问题。为掌握晶闸管关断特性的动态变化对换相失败评估准确性的影响,首先从理论上分析晶闸管关断特性影响换相过程的机理;然后考虑多维因素综合作用下的晶闸管关断特性,提出并建立换流阀动态关断模型,通过与SABER中晶闸管详细物理模型对比验证关断模型的正确性;最后在PSCAD/EMTDC中分别对比采用换流阀动态关断模型和采用传统模型的基于电网换相换流器的高压直流输电(line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)在单相和三相故障情况下的换相失败判别结果。结果表明,采用传统模型可能会在未发生换相失败时判断为已发生换相失败,对系统提出更高的关断要求,还可能会导致换相失败发生时刻判断不准确的问题;采用所提出的换流阀动态关断模型,能够使换相失败的判别结果更加准确。

红外测温技术在换流阀温度监测中的应用

随着工业自动化的发展,高效且准确的设备监控技术逐渐受到重视。在电力系统中,换流阀作为关键组件,其温度监测对于系统的稳定运行至关重要。基于此,文章探讨红外测温技术在换流阀温度监测中的应用及其优势。一方面,分析红外测温技术的原理和不同应用场景的需求;另一方面,展示红外测温技术在实际工业环境中的适用性和高效性。研究结果表明,应用红外测温技术能够更准确、实时地监测温度数据,对于预防设备故障和优化维护计划具有重要价值。

新型IGCT直流输电换流阀运行试验研究及其等效性评估

换相失败问题(commutation failure,CF)是电网换相换流高压直流输电技术(line commutated converter high voltage directcurrent,LCC-HVDC)面临的固有难题。为了解决该问题,已有文献主要从拓扑结构、控制策略等方面着手,鲜见抵御换相失败的新型换流阀研制及试验研究。该文开展基于大功率逆阻型集成门极换流晶闸管(reverse blocking integrated gate commutated thyristor,RB-IGCT)的新型换流阀试验研究及试验等效性分析。首先,阐释新型换流阀抵御换相失败的原理,并针对新型换流阀不同的工作模式,提出对新型电力电子器件的需求。然后,利用现有的型式试验合成回路平台开展适用于传统晶闸管换流阀的运行试验,并分析试验结果,得出大部分试验项目等效性较好而小熄弧角试验和关断试验等效性较差的结论。最后,针对这两项特殊试验提出新的试验方法和试验电路,可为新型换流阀的研发和应用提供一定的技术基础。

换流阀用阳极饱和电抗器温升特性及优化

阳极饱和电抗器(anode saturable reactor,ASR)是换流阀的关键一次设备,其在运行中因电磁损耗引发的温升问题明显并威胁绝缘体热老化。因此,准确分析ASR温升特性并寻求优化方法,对其状态评估、产品设计具有重要意义。为此首先根据发热机理和散热路径建立等效热路模型,定性分析了ASR实际运行中的温升特性;然后,建立ASR三维等效模型,结合瞬态传热原理来设定固体传热和空气对流参数,进一步应用基于湍流和实时混合假设的水冷却简化模型来模拟水冷散热过程,在兼顾准确性和高效性下开展多物理场耦合有限元仿真,定量计算ASR温度的大小变化和空间分布;最后,结合温度分布规律,提出不同截面积铁芯组合的结构优化方案,仿真验证了在电气性能不变前提下,各铁芯之间最大温差减少了原温差的91.7%,环氧树脂的最高温度降低3℃,为ASR的性能校验和参数设计提供借鉴。

±500 kV直流换流阀用饱和电抗器温度场与电场仿真研究

高压直流换流阀饱和电抗器在工作过程中发热量大、电场分布不均匀,使其成为阀厅的安全隐患。为改善饱和电抗器的温升效应,文中以实际±500 kV直流换流阀用饱和电抗器为研究对象,建立了改进的流体场与温度场耦合模型,该仿真模型综合考虑流体传热、空气对流散热、绕组焦耳热和铁心涡流热损耗等实际因素,仿真计算电抗器各部件的温度场分布及其影响因素。现场验证表明该模型计算结果更接近实际工作状况。还建立静电场仿真模型,仿真计算电场畸变情况。温度场结果表明:饱和电抗器的铁心温度最高、环氧树脂次之、冷却水管路温度最低;铁心最高温度可达342 K。提高冷却水入口流速是降低饱和电抗器温度的有效方法,阀塔冷却系统的入水流速设置为1 m/s时可达最佳的冷却效果。环氧树脂、铁心和冷却水管的最高温度均与冷却水入口温度呈线性递增关系,实际工作中应使冷却水的初始温度越低越好。电场结果表明:环氧树脂与铁心交界面处出现明显的电场畸变现象,最大电场强度可达1.26×105 V/m。应在此处采取均压措施以防止电场集中而导致的局部温度过高。文中所得结论可为直流换流阀用饱和电抗器的设计提供参考。

模拟换流阀长期运行工况的高压大功率晶闸管电热联合老化系统研制

近年来国内多个直流换流站发生严重事故,经调查发现事故起因多为长时间运行的换流阀晶闸管发生不同程度的老化甚至绝缘能力丧失。掌握晶闸管参数退化规律是开展晶闸管运维监测、预防此类事故继续发生的基础。因此为了深入了解换流阀晶闸管老化过程中特性参数退化规律与老化机理,首先需要搭建试验所需的模拟换流阀运行过程的晶闸管老化试验装置。文中首先分析了换流阀晶闸管的实际运行工况,并基于此设计了晶闸管电热联合老化主电路,接着对电路中涉及到的控制单元,包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的驱动电路与晶闸管的触发电路进行设计与搭建,并基于晶闸管的实际运行工况设计了晶闸管结温控制系统。为了获得晶闸管老化过程中特性参数的退化规律,设计了晶闸管漏电流在线监测系统与反向恢复离线测量系统。经过检验,各个模块以及主电路均能够保持长期稳定运行,为换流阀晶闸管的老化试验打下了良好基础。

高压直流换流阀无源宽频等效电路模型的建模

作为高压直流换流站中的关键设备之一,换流阀的宽频特性是一个颇受人们关注的问题。文中以晶闸管换流阀为对象,建立换流阀的无源宽频等效电路模型。采用矢量匹配法对晶闸管、均压电容器和阻容回路的频率阻抗特性进行有理函数逼近,得到极点—留数形式的有理多项式;利用网络综合原理将有理多项式分解和综合,得到宽频有源电路网络。依据端口无源的条件使用序列二次规划法进行端口无源优化,并使用全局优化算法进行严格无源优化,得到换流阀的无源宽频等效电路模型。

基于三维数值仿真的球式配流阀阀口空化流场特性研究

针对球式配流阀在配流过程中阀口出现的空化问题,建立三维流域仿真模型。结合Zwart-Gerber-Belamri空化模型和湍流黏度修正后的重整化群κ-ε湍流模型对球式配流阀空化现象进行数值模拟,通过典型工况下流场体积分数云图与气相等值面图,揭示阀口空化强度及空泡形态的周期性演变规律,并基于速度场和压力场分析,阐明空化周期性演变过程中的流场特性。同时探究阀口开度、入口压力和背压对空化流场的影响规律。结果表明:球式配流阀阀口空化特性受开度影响,开度越大,空化范围与强度越小,周期性的空化流场演变在开度超过0.3 mm后不再出现;背压的增高使空化区尾部无法向出口发展,抑制了流场空化范围,同时降低了流场周期性脉动频率;增大入口压力将加快阀口空化初生速率,当开度超过0.4 mm后,入口压力对阀口空化强度影响减弱。

基于振动烈度的乳化液泵配流阀弹簧故障特征提取研究

针对乳化液泵配流阀弹簧故障识别难度大、故障特征提取困难等一系列问题,提出一种基于振动烈度的乳化液泵配流阀弹簧故障特征提取方法。基于AMESim软件搭建乳化液泵仿真模型,通过分别设置不同参数模拟吸、排液阀弹簧故障形式,得到正常和吸、排液阀弹簧故障状态下的出口压力信号;根据振动烈度理论,将泵出口压力信号转换成加速度信号,在频域上对出口压力信号进行烈度特征值的提取和分析。研究结果表明:当吸、排液阀分别发生故障时,对出口压力烈度特征值的影响规律不同,随着吸液阀弹簧故障程度的加深,出口压力烈度特征值由正常时的15.82 mm/s^(2)增大到20.58、28.18、34.85 mm/s^(2),且在断裂时达到最大值;随着排液阀弹簧故障程度的加深,出口压力烈度特征值由正常时的15.82 mm/s^(2)减小到15.77、14.88、9.28 mm/s^(2),且在断裂时达到最小值。该结果可为后续乳化液泵的故障诊断提供理论依据。

基于混合子模块柔直换流阀的海上风电并网系统优化启动策略

近年来由一定比例的半桥子模块(HBSM)和全桥子模块(FBSM)组成的混合型换流阀被大量应用于海上风电柔性直流输电系统,使其具有直流故障穿越能力。在基于混合型模块化多电平换流器(H-MMC)的海上风电柔直并网系统中,快速、有效的预充电是整个系统正常启动的基础。由于全桥子模块和半桥子模块吸收电能的速度具有差异性,因此两类子模块在柔直系统启动过程中会出现分压不均的问题。通过分析两类子模块的充电机理,提出了一种利用均压调制系统的优化启动策略。该策略解决了海上风电柔直系统启动后子模块电压不一致的问题,并降低了海上风电柔直系统启动失败的风险。最后,基于所提出的策略在PSCAD/EMTDC仿真环境中对基于混合型MMC换流阀的海上风电柔直系统启动过程进行仿真,验证了优化启动策略的有效性。

海上柔直换流阀塔运行期间的疲劳特性研究

换流阀是海上柔直的核心设备。为研究支撑式海上换流阀塔运行期间的疲劳特性,依据某工程中的海上柔直换流阀建立有限元模型,通过等效损伤和荷载效应分析,研究了换流阀塔的疲劳特性和在环境荷载作用下的疲劳损伤。结合疲劳分析理论,进行了换流阀塔等效损伤值与荷载效应比分析。结果表明,换流阀各部位在服役年限下有较大安全裕度,换流阀塔疲劳寿命满足25年服役年限要求。

特高压换流阀TFM板卡降温研究与工程实践

特高压换流阀用TFM板内置直流均压电阻,工作温度高,具有明显的安全应用隐患。文中在理论分析基础上,通过仿真和试验,提出了可兼容原板卡设计和接口的电阻降温改进方案。基于热应力、振动、局放以及板卡功能等试验,进一步验证了所提出方案的可行性和可靠性。改进方案的工程应用及其现场测温结果表明,所提出方案可在兼容原有TFM板卡设计和接口的同时,显著降低电阻工作温度。

柔性直流换流阀等效运行试验方法研究综述

柔性直流换流阀在出厂前,均需开展等效运行试验以保证其工程运行可靠性。而研制更高电压等级、更大容量的柔性直流换流阀,需要有合适的等效试验方法支撑。首先追溯了直流输电技术的发展进程,分析了开展柔性直流换流阀等效运行试验方法研究的重要意义。其次探讨了运行试验遵循的等效性原则,分析了柔直阀运行试验内容及方法在常规直流阀试验上的借鉴及发展。然后,在此基础上总结了国内外对柔直阀运行试验装置的研究成果,根据关键性指标的对比,对等效运行试验方法的优化方向及关键技术进行了展望。

换流阀冷却系统均压电极垢层沉积声学检测方法

均压电极结垢是导致换流阀冷却系统故障的主要原因之一,传统检修采取的定期拆卸检测方式具有较大的盲目性且易造成系统漏水等故障。现有水质监测或间接检测法不能直接反映垢层沉积情况,而声学检测具有灵敏度高、检测速度快等优点。因此,该文提出了换流阀冷却系统均压电极垢层声学检测方法。首先,根据均压电极结垢特点,提出了适用于均压电极垢层的声学检测装置设计方法;其次,搭建了阀冷系统实验平台,在噪声环境中检验了装置的抗干扰性能,并对比分析无/有垢条件下回波信号的差异性;最后,从回波信号中提取电极垢层厚度的特征指标,建立了其与垢层厚度的数学映射关系,并进一步提出了垢层厚度预测策略。结果表明特征指标减小率与垢层厚度满足Boltzmann数学关系,能够可靠表征电极垢层厚度的变化过程,为均压电极的检修提供依据。

计及金属化薄膜电容器与IGBT模块退化过程相关性的柔直换流阀组件可靠性评估方法

基于模块化多电平拓扑的换流阀是柔性直流输电系统的核心装备,随着柔直换流阀运行电压、功率密度以及运行场景的不断拓展,其运行可靠性成为突出问题。现有的柔直换流阀可靠性评估方法忽略了金属化薄膜电容器与IGBT模块性能退化的耦合关系,致使评估结果不准确。为此,该文提出了计及金属化薄膜电容器与IGBT模块退化过程相关性的可靠性评估方法。IGBT模块寿命采用威布尔分布,考虑了换流阀运行过程中的任务剖面变化;基于Wiener过程对金属化薄膜电容器的可靠性进行了评估,利用Copula理论将容值退化程度与IGBT模块寿命之间的耦合关系进行了建模。所提可靠性评估方法修正了现有不考虑相关性方法对柔直换流阀可靠性评估结果,平均无故障时间从4.05年修正为5.20年,评估结果更加精确。

感应流道式自动控流阀控水原理及性能分析

基于计算流体力学方法(有限体积法),针对一种感应流道式自动控流阀的控制原理及其内部流体流动特征进行研究。结果表明:该自动控流阀对流体黏度具有较强的识别能力,见水后自动控流阀能够有效自动关闭,当原油黏度大于2 mPa·s,该自动控流阀即可开启生产;感应流道的长度与流体黏度敏感性呈正相关,感应流道截面大小对流体黏度敏感性影响较大;与浮板式AICD和螺旋通道型AICD试验结果对比发现,相同条件下自动控流阀产油量更高,控水效果更好。研究结果对感应流道式自动控流阀的优化设计提供了理论依据。

特高压直流输电换流阀设备数字化思考与实践

在能源和电网数字化转型要求大背景下,作为我国电网核心资产的特高压直流输电换流阀设备正面临全面数字化的挑战。文章首先在梳理目前特高压换流阀设备数字化现状及其数字化提升意义基础上,结合目前研究热点——数字孪生及相关技术,提出了换流阀设备数字化的总体目标及其数字孪生体架构和数据基础构建方法。然后,为了实现换流阀设备底层数据的高可靠低成本获取,文章介绍了在特高压换流阀设备上开展高可靠低功耗无线智能传感关键技术应用研究的成果和经验,主要包括低功耗无线传感网络系统开发、多物理量智能传感器研制、验证测试等方面。最后,对换流阀设备数字化的思考和实践进行总结,对未来换流阀设备数字化工作进行了展望。

基于改进DBO优化的CNN-KELM柔性直流换流阀故障辅助决策方法

为提高柔性直流换流阀故障分类正确率,提出基于改进蜣螂优化算法(IDBO)的卷积神经网络融合-核极限学习机(CNN-KELM)柔性直流换流阀故障分类方法。对柔性直流换流阀故障特征库归一化处理,利用CNN进行故障特征提取,采用IDBO优化KELM的核参数和惩罚因子。将IDBO-CNN-KELM作为分类器对提取到的柔性直流换流阀故障库进行分类。通过实验证明,IDBO-CNN-KELM模型在故障测试集中的分类正确率达到97.727%,相较传统KELM、PSO(粒子群算法)-CNN-KELM提升了1.136%、0.577%,证明了IDBO-CNN-KELM模型的精确性。该方法有效提高了柔性直流换流阀故障分类的准确性和效率,增强了电网直流输电可靠性。

天广直流工程换流阀异常导通原因分析及对策

针对2014年7月以来天广直流工程相继发生的4起换流阀异常导通事件,首先通过研究电触发换流阀晶闸管电子板(TE板)工作原理,搭建TE板电路仿真模型进行仿真分析,然后在南方电网公司直流输电设备状态评估与故障诊断重点实验室搭建TE板加压试验平台,开展了正常情况以及高湿度环境下的TE板加压试验。结果表明,电触发换流阀TE板长时间运行后表面积污严重,在高湿度运行工况下造成其后备触发功能门槛值大大降低,导致在换流变正常充电过程中换流阀异常导通。提出的定期清洗换流阀TE板和控制好阀厅湿度等反事故措施已在天广直流成功应用,彻底解决了电触发换流变充电过程中出现的换流阀误导通问题。