MMC水冷系統(tǒng)故障分析與參數(shù)設(shè)計(jì)

劉 泳，夏 冰，楊 光，郭有強(qiáng)

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇 南京 210019）

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市建設(shè)步伐的加快，對(duì)供電可靠性和供電質(zhì)量的要求也越來越嚴(yán)格，提高電能傳輸效率和能力的方法和技術(shù)也不斷涌現(xiàn)［1］。其中，由于電力電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的不斷成熟，用基于功率半導(dǎo)體器件的電力電子裝備代替?zhèn)鹘y(tǒng)電力設(shè)備的方法也開始應(yīng)用到電網(wǎng)的輸-變-配-用環(huán)節(jié)，電網(wǎng)也逐漸“電力電子化”［2-4］。

為了適應(yīng)不同的電壓等級(jí)和傳輸功率，學(xué)者們對(duì)基于功率半導(dǎo)體器件的電力電子換流器拓?fù)溟_展了大量的研究工作［5-7］。由于模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter，MMC）具有輸出交流電壓諧波小、模塊化結(jié)構(gòu)、完全可控的有功及無功等優(yōu)點(diǎn)，其中，特別適用于高電壓和大功率場合［8-9］。目前，國內(nèi)已有相關(guān)基于MMC 的輸變電工程，例如南京MMUPFC 工程、蘇州同里電力電子變壓器工程、蘇南500kV UPFC工程、舟山五端柔直工程、張北柔性直流電網(wǎng)工程、魯西柔直異步電網(wǎng)互聯(lián)工程等工程［10-15］。

基于MMC的輸配電工程的換流站由換流閥閥廳、直流場、交流場、水冷系統(tǒng)、在線監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成［16］。由于閥水冷卻方式具有冷卻效率高、占地面積小、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，成為MMC最常用的冷卻方式［17］。然而，國內(nèi)部分工程的運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)表明，閥水冷系統(tǒng)故障已成為影響換流站安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素之一。當(dāng)水冷系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，會(huì)引起控制系統(tǒng)跳閘，導(dǎo)致直流閉鎖停運(yùn)，影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，研究水冷系統(tǒng)故障機(jī)理和參數(shù)設(shè)計(jì)具有重要作用［18］。

文獻(xiàn)［19］通過理論計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試，建立冷卻系統(tǒng)管路物理模型，對(duì)進(jìn)、出口水流量進(jìn)行了設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)［20］對(duì)換流閥水冷系統(tǒng)常見故障類型進(jìn)行了歸納分析，并給出事宜的預(yù)防應(yīng)對(duì)措施。文獻(xiàn)［21］給出了水冷系統(tǒng)故障檢測(cè)方法和具體維修步驟。然而，目前關(guān)于水冷系統(tǒng)的故障分析均是采用實(shí)驗(yàn)湊試的方法，缺乏理論支撐，耗時(shí)長且不易查找問題的根本原因。

為此，這里給出了一種通過故障定位、理論仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三個(gè)步驟的水冷系統(tǒng)故障分析和參數(shù)設(shè)計(jì)方法。這里以南京220kV MMUPFC 為研究對(duì)象，對(duì)換流閥正常工作時(shí)水冷系統(tǒng)去離子支路出現(xiàn)漏氣的問題進(jìn)行了研究。在ANSYS-FLUENT仿真軟件中建立了水冷系統(tǒng)去離子罐多相流仿真模型，對(duì)漏氣問題進(jìn)行了理論分析，并對(duì)去離子罐液位高度進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。最后，在設(shè)計(jì)的液位高度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了這里理論分析和液位高度設(shè)計(jì)的合理性和正確性。

2 南京220kV MMUPFC水冷系統(tǒng)

南京220kV MMUPFC 電路原理圖，如圖1 所示。MMUPFC共有3個(gè)MMC換流器構(gòu)成，3個(gè)MMC換流器直流側(cè)并聯(lián)，交流側(cè)通過轉(zhuǎn)換刀閘接入南京交流大電網(wǎng)，其中，1號(hào)換流器通過普通變壓器并聯(lián)接入35kV線路上，2號(hào)和3號(hào)換流器通過串聯(lián)變壓器分別串聯(lián)接入鐵北至?xí)郧f的兩路220kV線路上。通過2號(hào)和3號(hào)換流器在鐵北至?xí)郧f的兩路220kV線路上串入一個(gè)幅值和相角可調(diào)節(jié)的電壓，從而實(shí)現(xiàn)鐵北至?xí)郧f潮流的調(diào)節(jié)。

圖1 南京220kV MMUPFC電路原理圖Fig.1 Circuit Schematic of Nanjing 220kV MMUPFC

由于南京220kV MMUPFC 由三個(gè)換流器構(gòu)成，對(duì)應(yīng)存在三個(gè)換流閥，從而對(duì)應(yīng)三套水冷系統(tǒng)，三套水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同，其中3號(hào)水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。水冷系統(tǒng)由主循環(huán)支路和去離子支路構(gòu)成，主循環(huán)支路水流在換流器換流閥內(nèi)部和散熱風(fēng)機(jī)間循環(huán)，主要用于帶走換流閥產(chǎn)生的熱量。去離子支路用于去除水中的離子狀雜質(zhì)，去離子支路存在去離子罐（緩沖罐），其主要作用是通過上部注入一定壓強(qiáng)的氮?dú)鉃檎麄€(gè)水冷系統(tǒng)提供靜態(tài)壓差，實(shí)現(xiàn)主泵的正常工作。當(dāng)去離子罐內(nèi)的壓強(qiáng)降低時(shí)，去離子罐上部的閥門打開，氮?dú)馄績?nèi)氣體進(jìn)入去離子罐從而維持去離子罐內(nèi)部壓強(qiáng)在正常值。

圖2 3號(hào)水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The No.3 Water-Cooling System Structure

3 水冷系統(tǒng)去離子罐建模與仿真

3.1 水冷系統(tǒng)故障定位

南京220kV MMUPFC 處于額定功率運(yùn)行狀態(tài)近一年來，3號(hào)換流閥水冷系統(tǒng)后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)頻繁上報(bào)氮?dú)馄垦a(bǔ)氣，存在氣-液混流的現(xiàn)象，氣-液流通路徑，如圖3 所示。其中，紅色箭頭表示氣體流經(jīng)的路徑，藍(lán)色箭頭表示水流路徑。由于主循環(huán)回路脫氣罐不斷將氣體排出，故補(bǔ)氣罐一直補(bǔ)氣，即水冷系統(tǒng)存在漏氣現(xiàn)象。從圖中可以很明顯看出，水冷系統(tǒng)去離子罐出口處存在氣體。

圖3 氣-液流通路徑圖Fig.3 Flow Path Diagram of Air-Liquid

3.2 水冷系統(tǒng)去離子罐建模

為了分析水冷系統(tǒng)故障原因，這里對(duì)水冷系統(tǒng)去離子罐進(jìn)行建模。去離子罐內(nèi)部涉及水、氮?dú)鈨上嗔鲉栴}，是一種復(fù)雜的紊流運(yùn)動(dòng)模型。

3.2.1 去離子罐內(nèi)部流體的控制方程

由于k-e模型能較好地預(yù)測(cè)復(fù)雜的紊流和有回流的水流運(yùn)動(dòng)且計(jì)算速度較快，所以這里采用RNG k-e 紊流模型。對(duì)于不可壓縮的流體，其控制方程組如下：

連續(xù)性方程為：

動(dòng)量方程為：

k方程為：

式中：uij—速度分量；xi—坐標(biāo)分量；ρ—水的密度；p—壓強(qiáng)；k—湍動(dòng)能；e—湍動(dòng)耗散率；Sij—應(yīng)變率張量；Gk—由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；μ—?jiǎng)恿φ扯?；μt—湍動(dòng)粘度系數(shù)。

3.2.2 去離子罐內(nèi)部水氮?dú)饨唤缑婵刂品匠?/p>

這里采用流體體積函數(shù)法（VOF）模擬去離子罐內(nèi)水-氮?dú)饨唤缑娴牧黧w運(yùn)動(dòng)情況。VOF控制方程為：

式中：去離子罐體積為V，V1和V2—氮?dú)夂退畬?duì)應(yīng)的體積。

對(duì)于兩種不相溶的流體組成的流場，需滿足：

式中：（u，v）—流體的速度場，則VOF函數(shù)可以表示為：

式中：ΔVij—去離子罐內(nèi)部有限元微單元。

水-氮?dú)饨缑娴母櫡匠虨椋?/p>

3.3 水冷系統(tǒng)去離子罐仿真分析

基于上述分析，在ANSYS-FLUENT中搭建去離子罐仿真模型。去離子罐的尺寸圖和仿真模型，如圖4所示。

為了加快仿真軟件求解速度，對(duì)模型進(jìn)行了一定的簡化。仿真參數(shù)，如表1所示。在仿真軟件FLUENT中選擇RNG k-e紊流模型和VOF算法后即可進(jìn)行求解計(jì)算。

表1 仿真模型參數(shù)Tab.1 Parameters of the Simulation Model

仿真案例1：

去離子罐內(nèi)的液位高度為20 cm 的仿真結(jié)果，如圖5 所示。去離子罐進(jìn)水口橫切面的水流流速矢量分布圖，如圖5（a）所示。右邊刻度表示絕對(duì)水流流速，從圖中可以看出水面存在很明顯的旋渦現(xiàn)象且產(chǎn)生的旋渦半徑較大，從而導(dǎo)致氮?dú)鉂B入。去離子罐中心軸線切面流體分布圖，如圖5（b）所示。右邊刻度表示空氣所占比例，從圖中可以看出氮?dú)庖呀?jīng)滲入至罐底，出水口出現(xiàn)氮?dú)庑孤?。此外，由于氮?dú)庖呀?jīng)和水混合，出現(xiàn)“假液位”現(xiàn)象。仿真結(jié)果表明當(dāng)去離子罐液面高度較低時(shí)將出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象。

圖5 液位高度為20cm時(shí)的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation Results with the Water Height at 20cm

仿真案例2：

去離子罐內(nèi)的液液位高度為60cm的仿真結(jié)果，如圖6所示。去離子罐進(jìn)水口橫切面的水流流速矢量分布圖，如圖6（a）所示。右邊刻度表示絕對(duì)水流流速，去離子罐進(jìn)水口橫切面同樣存在很明顯的旋渦，但旋渦直徑較小，不會(huì)出現(xiàn)水吸氣現(xiàn)象。圖6（b）所示為去離子罐中心軸線切面流體分布圖，右邊刻度表示空氣所占比例，從分布圖可以看出，此時(shí)氮?dú)夂退嬖诤苊黠@的界限，氮?dú)鉀]有泄漏。仿真結(jié)果表明當(dāng)去離子罐液面高度較高時(shí)不會(huì)出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象。

圖6 液位高度為60cm時(shí)的仿真結(jié)果Fig.6 Simulation Results with the Water Height at 60cm

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證這里故障分析和仿真研究的正確性和有效性，在南京220 kV MMUPFC換流站對(duì)去離子罐不同液位高度情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。MMUPFC水冷系統(tǒng)實(shí)物圖，如圖7所示。

圖7 MMUPFC3號(hào)水冷系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.7 Object of No.3 MMUPFC Water-Cooling System

實(shí)驗(yàn)案例1：

由于MMUPFC穩(wěn)定運(yùn)行近一年來，3號(hào)換流閥水冷系統(tǒng)后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)頻繁上報(bào)氮?dú)馄垦a(bǔ)氣現(xiàn)象，故本實(shí)驗(yàn)直接將3號(hào)水冷系統(tǒng)去離子罐液面高度由原先的45cm提高至60cm。系統(tǒng)運(yùn)行10天后，上位機(jī)顯示水冷系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果，如圖8所示。液面高度變化曲線，從圖中可以看出液面連續(xù)10天在63cm上下波動(dòng)，如圖8（a）所示。水冷系統(tǒng)監(jiān)控畫面，從圖中可以看出水冷系統(tǒng)運(yùn)行正常，SOE不存在氮?dú)馄繗鈮哼^低報(bào)警，如圖8（b）所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了提高去離子罐液面高度可以解決漏氣問題的結(jié)論。

圖8 液位高度為60cm時(shí)3號(hào)水冷系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Operation Experimental Results of No.3 Water-Cooling System with the Water Height at 60cm

實(shí)驗(yàn)案例2：

為了進(jìn)一步驗(yàn)證這里理論和仿真分析的正確性，在2號(hào)換流閥水冷系統(tǒng)進(jìn)行了更改液面高度的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中將2號(hào)換流閥液面高度由60cm降低至35cm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖9所示。從圖9（a）中可以看出，2020年11月16日10時(shí)15分左右，液面高度由60cm降低至36.1cm，持續(xù)了一段時(shí)間后，液位上升到71cm附近。

圖9 液位高度變化時(shí)2號(hào)水冷系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Operation Experimental Results of No.2 Water-Cooling System with the Water Height Changes

從圖9（b）中可以看出，2020 年11 月16 日10 時(shí)18 分開始，SOE上報(bào)進(jìn)氣電磁閥工作，即氮?dú)馄垦a(bǔ)氣，系統(tǒng)存在漏氣的現(xiàn)象，同時(shí)說明圖9（a）中出現(xiàn)的71cm液位為“假液位”。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了這里仿真分析結(jié)果的正確性和有效性。

5 結(jié)論

（1）給出了一種通過故障定位、理論仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三個(gè)步驟的MMUPFC水冷系統(tǒng)故障分析和參數(shù)設(shè)計(jì)方法。（2）通過對(duì)MMUPFC運(yùn)行故障現(xiàn)象的分析，對(duì)水冷系統(tǒng)漏氣故障進(jìn)行了定位。MMUPFC 水冷系統(tǒng)漏氣現(xiàn)象與液位高度有關(guān)，當(dāng)液面高度值設(shè)置大于60cm時(shí)不會(huì)出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象。（3）這里研究方法和結(jié)論對(duì)于同類型換流站水冷系統(tǒng)的故障分析或參數(shù)設(shè)計(jì)具有一定的借鑒和參考意義。