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1、唱羌务阅叙扣年第第期彼欢旅洋特高压双脉波直流换流站系统可靠性评估陈炜骏,周家启刘洋金小明重庆大学电气工程学院高电压与电工新技术教育部重点实验室南方 电网技术研究中心摘要全国电网互联的趋势加快了对特高压直流输电技术的研究。特高压换流站系统输送容大,电压等级高,考虑运行及 设备制造原因,通常采用的都是双脉波接线。由于特 高压相对超高压而言,具有更多的元件设备数和运行状态模式,针对特高压 双脉 波直流换 流站 系统的可靠性评估将变得更加困难。墓于过程墓本原理和 累积状态之间转移频率 的性质,建立了特高压 双脉 波直流换流站 系统的数学模型。通过将特高压换流站 系统划分为若干个子系统,建立各子系统 的
2、状 态空间图和等效容模型,并加以层 层组合,最终建立起能表征整个特高压换流站系统运行状态及其 转移关系的等效容模型。建立了完整 的针对双脉波接线方 式行之有效的可靠性评估方法,通过对特高压双脉波和超高压单脉波换流站 系统可靠性评估的计算分析比较,证明 了该方法的可行性,分析了双脉波换流站特定结构对系统可靠性产生的影响。关健词特 高压换流站 系统双脉波接线可靠性评估引盲随着高压直流输电技术的不断发展 和实际工程的日益增多,高压直流输电系统的可靠性已成为影响整个电力系统可靠性 的重要 因素,其可靠性的改善也将给整个电力系统 的安全、可靠和经济运行带来巨大的效益。因此评估高压直流输电系统的可靠性以及
3、分析各种影响因素,是一项 十分重要 的工作川。现代高压直流输电系统一般采用 双 极 双桥脉波换流阀的接线方 式。由于每极 采 用脉波换流阀组个数有所不同,双极 双桥脉波换流 阀的接线方式可分为单脉波接线【,和双脉波接线。双脉 波接线每极有两个脉 波换流阀组,通过开关的切换,可以在每极任一换流阀组故障的情况下,保持该极的部分降流桥多个切换数不同部分运行,同时,在单 个换流 阀臂的相同承压下,可提高单极 的运行电压。由于特高压换流站系统输送容量大,电压等级高,考虑运行及设备制造原 因,通常采用 的都是双脉波接线。文献【作为可靠性 评估的 早 期著 作将理论和状态空间法 引 人电力系统可靠性评估。文
4、献【一文献将这两者应用于直流系一了一统,建立了高压直流输电系统可靠性评估的等效模型。文献【,采用结合确定性和概率性 的混合方法 进行高压直流输电 系统可靠性评估。文献仁以在交流系统可靠性评估 中模 拟直流系统三状态模型的方式建立起交直流系统可靠性评估的数学模型。上述文献主要 针对单脉波接线的直流输电系统,而国内外目前普遍缺乏双脉波接线方式的可靠性评估方法。本文基于过程基本原理和累积状态之间转移频率的性质,建立 了完整的针对双脉波接线方式行之有效的可靠性评估方 法,弥补 上述文献的不足。通 过 对特 高压 双脉波和超高压单脉波换流站系统可靠性评估的计算分析比较,证明了该方法的可行性,结合可靠性指
5、标和系统结构分析了系统可靠性影响因素。双脉波接线及五种可用容状态双脉波换流阀的接线方式如 图所示,它是 由两个单脉波换 流 阀相申联,且在换 流器 的两端串并联多个切换开关构成,在某个换流阀组发生故障时可以通过闭合切换开关保证输电系统的部分运行,提高整个特高压直流系统的输电能力。单脉波换流站有三种可 用容量状态,分别是双极运行 的容量,单极运行的容量特高压双脉波直流换流站系统可靠性评估喀羌务阅年第尝第期都含有多个 状态,且各子系统的状态数可能不 相同,为避免求解的繁杂和出错,先分别对各个子系统的状态空间图加以简化,作出其等效容量模型。下 面以换流桥子 系统为例介绍 双脉波换流站各子 系统 的状
6、态空间图简化和等效容量模型。单个换流桥由个 晶闸管阀臂组成,桥 中阀臂所经历状态是工作一故障一修复一安装一工作。阀臂 中通常设有晶闸管备用阀,带个备用阀的单极换流桥的状态空间图如图所示。久、产,和,分别为阀臂的故障率、修复率和安装率。图中和分别表示脉波阀组由个换流桥 构成正常运行和修复后等待安装两种状态。以图中状 态至转移过程为例,系统由转 移至,说明有一个脉波阀组故障,考虑到每极有个脉波阀组,阀组中个 换 流 桥任一故 障引起 阀组故障,换流桥中个 阀臂任一故障引起 换流桥故障,可以确定状态至的转移率为、几、二人,。直流涟波器直流涟波器直流涟波器直流涟波器尸,产训曰兄们川川口月片一, 一匕八
7、孟乙兄,长 键拱欲早、内月峪目八曰臀苏产刀刀茄霭图双脉波换流阀接线方式和双极停运 的容量。与单脉波不同,由图可 知,双脉波换流站的运 行方式包括以下几种双极,全 电压运行,输电功率为容量。双极,混合电压运行一极全电压,一极半电压,输电功率为容量。 双极,半电压 运 行,输电功率为容量。单极,全 电压运 行,以大地 为回路或以另一极直流输电线作为回路,输电功率为容量。单极,半电压 运行,以大地 为回路或以另一极直流输电线作为回路,输电功率为容量。极,输电功率为容量。因此,双脉波换流站有五种可用容量状 态,评估双脉波换流 站的可靠性必 须先求出换 流站系统处于上述五种容量状态的稳 态概率、频率和平
8、均持续时 间 的基本可靠性 指标,然后 按 照一的要求,计 算系统可靠性 总 指标。图带个备用阀的单极换流桥 的状态空间图对 于每一种备用情况,均可以通 过法结合容量归并求出单极换流桥的等 效模型,如图所示。图中的、状态分别对应换流桥子系统的容量、容量 和容量 状 态。组合单极换流桥子 系统可以得到双极换流桥的五容量等效模型。双脉波换流站等效容模型高压 直流输 电换 流 站 是由多 种元件或 系统所组成的复杂 系统。按照理论,先将 系统划分为若干个子 系统,对它们 的内部特性进行充分的研究,全面地考虑各子 系统之 间 的关系,然后得到能表 征整个高压直流换流站 系统运行状态及其转移关系的状态空
9、间图。计及备用模式和运行条件的影响,将双脉波换流 站 子 系统划分为换流桥子 系统、换 流变压器子 系统、控制保护子系统、交流滤波器 子 系统和极设备子 系统。双脉 波 换 流站中的每个子 系统 的状态空 间图单极换流桥等效模型用类似的方法,可获得换流变压器子系统五容量状态等效模型,控制保护子 系统五容量状态等效模型以及极设备和交流滤波器子系统三容量状态等效模型。将各子系统的等效模型逐次地组合,获得整个特高压直流换流站系统的状态空间图,以适当增加求解等效模型个数为代价,降低了每次求解 问题的阶数。图为极设备表示和交 流 滤 波 器表一了一喀羌务闭么”年第第期特高压双脉波直流换流站系统可靠性评估
10、示组合的等效模型,考虑 同一侧交流滤波器能在两极所对应的交流母线上互相切换。刀刀图极设备与交流滤波器组合等效模型图为换流桥等效模型表示和控制保护等效模型表示组合。类 似可得 到换流 桥 系统、控制保护与换流 变 压 器 组合等效模型。将其表示和 图的极设备与交 流 滤 波 器等效模型表示组合形成整个特高压直流换流站 的状态空间图如图所 示,相应 的五状 态等效模型如图所示。状态空间图矛粗俪介端多粗俪 生剑,户位互 必气可丁巨之 剑加汀 日匕卫五状态等效模型口口口一一图整个特高压直流换流站等效模型式中,表示在稳态 运行下组合系统处 于状态的概率。由式和式,计算各状态或累积状态的频率、平均持续时间
11、力,二艺乙凡二,艺,艺。,了式中,为由某几个具有相同容量水平的单独状态所组成的某个累积状 态频率,是指单位 时间从累积状态向外转移频率为状态到状态的转移频率。累积状态的平均持续时间,艺,礼,二饭之了图换流桥与控制保护组合等效模型频率和持续时间法以图求取系统可靠性指标为例,根据图状态空间 图写出转移率矩阵,从而得到线性方程组至此利用频率和持续时间法,得到了高压直流换流站的各容量状态下的稳态概率、频率和平均持续时间,然后计算反映系统可靠性水平的指标总等值停运时间艺实邸运时间一些运碧 暴馨 霎查量。,式中,为各容量状态 的等值停运时间。能量不可用率研究 的时段以及单极强迫停运次数和双极 强迫停运次数
12、等。一工万特高压双脉波直流换流站系统可靠性评估喀羌务闹么扣年第卷第期算例 分析本文对特高压双脉波直流换流站系统的可靠性进行 评估,同 时,将所得 可靠性 指标 与士超高压单脉波直流换流站系统进行比较,分析了双脉波换流站特定结构对 系统可靠性产生的影响。因 目前国内外尚无特高压直流输电设备的运行经验,缺乏元件的可靠性基本参数,所以在进行可靠性评估时,参考土超高压直流系统的有关资料。本文所采用 的原始参数主要来源于贵广超高压直流输 电系统。各子 系统的可靠性参数如表所示。假设系统 的备用情况为阀备用、换流变压器备用。根据理论和状态空间法,分别对超高压单脉波和特高压双脉波直流换流站系统进行可靠性评估
13、,计算结果 如表和表所不。衰宜流换流站可靠性原始参数续基基本 指标标双 极运行行单极运行行双极停运运总总持续时间系系统总指标标总等值停运时时能可用用能不可用用间间间年率率表中西门子公司结果 由故障树法求得,由于两种算法模型不同必然 产生误差,对比本文结果,可以验证本文算法正确性。按照表和表计算得出的单双脉波 直流换流站的可靠性数 据,对停运状态包 括单极停运 和 双 极停运的 概率、频率,以及系统的总等值停运时间、能量不可用率进行了分析比较,对比得到特高压 双脉波和超高压单脉波直流换流站可靠性水平,如图一图所示。组组合元件件故障率次年修复率次年安装时间阀阀仲仲换换流变压器器】极极设备备控控制保
14、护护阀控阀控交交流滤波器器站控站控裹超高压单脉波宜流换流站可命性评估计算结果基基本指标标双 极 运行行单极停运运双极停运运发发生概率率发发生频率次年平平均持续时间口。沪一口一目总总持续时间系系统总指标标总等值停运时时能可用率率能量不 可用用间间间年率本本文计算结果果西西门子计算结果果表特高压双脉波宜流换流站可命性评估计算结果基基本指标标双极运行行单极停运运双 极停运运发发生 概率率 洲一发发生频率次年平平均持续时 间图系统的总等值停运时间和能量不可用率从图和图容易看出就单极停运 和双极停运可靠性指标包括概率和频率而言,特高压双脉 波比超高压单脉波 有明显 的优势。双脉波接线方式通过增加元件设备
15、,产生 了新的运行容量状态,从而达 到 了延 长 系统运行时 间 的目的,不但大大降低了换流站 双极停运 的概率指标和频率喀羌丢用助年第第期特高压双脉波直流换流站系统可靠性评估指标,也明显降低了换流站单极停运的概率指标和频率指标。从 图可以看 出,特高压 双脉波的总等值停运时间和能量不可用率与超高压单脉波比较接近,并略有增 加。分析原 因,由式可以看出,特高压双脉波换流 站 的总等值停运 时 间 主要由各容量状态的等值停运时间决定。观察表和表中数据,容量单极停运及其以下的特高压 双脉波的等值停运时间远低于超高压单脉波,但容量以上的特高压 双脉波的等值停运 时间却高于超高压单脉波容量以上单脉波的
16、等值停运 时间为。由于特高压双脉波换流站相对超高压单脉波具 有 更多的元件设备数,双脉波换 流站容量状态与容量状态之间存在大量的转移过程任何一个换流阀、控制保护或换流变压器 的元件故障均会导致这一转移,从而增 加容量的特高压 双脉 波的等值停运时间部分,最后 导致系统的总等值停运时 间 相对 超高压单脉波 略有增加。可以认 为,相对单脉波的这部分总等值停运 时 间的增加是由双脉波相对增加的元件设备数量所 引起的。由能量不可用率的算式,可由系统 的决定,因此,与具有相同的变化趋势。可以进一步进行元件灵敏度分析,图所示为系统频率指标 随换流 变压 器故障率的变化趋势,同样可以进行晶闸管、交流滤波器等元件的原始参数对系统可靠性的影响分析。极停运 的频率和概率都明显高于双脉波直流换流站,而总等值停运时间和能量不可用率两者却相差不大。根据计算结果可以认为,双脉波较之单脉波直流换流站,实际上是在略微降低直流输 电效率的情况下,显著提高了系统的运行率,延长 了系统运行 的时间,从而保证了整个特高压直流输
