随着我国电能负荷的不断升高,特高压直流输电(Ultra-High Voltage Direct Current,UHVDC)工程的重要性愈发凸显,其中使用晶闸管作为开关器件的线路换相型换流器型(Line Commutated Converter,LCC)UHVDC工程占据了主要地位。在UHVDC工程...
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随着我国电能负荷的不断升高,特高压直流输电(Ultra-High Voltage Direct Current,UHVDC)工程的重要性愈发凸显,其中使用晶闸管作为开关器件的线路换相型换流器型(Line Commutated Converter,LCC)UHVDC工程占据了主要地位。在UHVDC工程运维中,由于缺乏准确检测、评估换流阀工作状态的手段,存在诸多挑战,如换流阀载流量边界整定方法是通过采用大裕量设计计算得到额定值。在额定载流量的限制下,换流阀长期运行在较低负荷状态,利用效率较低;此外,为减少强迫停运次数,换流站采用高频主动停运检修方案,使得总停运次数和运维成本无法进一步降低。随着数字孪生等新兴技术的出现,上述问题有了新的解决思路与方案。论文将数字孪生技术应用于解决UHVDC换流阀载流量边界预测和安全运行状态评估问题,能够为提升换流阀载流能力利用效率,有效评估换流阀安全运行状态及安排检修提供可靠、灵活的参考。
首先,论文分析了换流阀载流量预测和安全运行状态评估的问题难点,阐述了将数字孪生技术引入相关问题的可行性;系统阐述了数字孪生技术的概念与定义,分析了数字孪生技术在电力系统中的技术要点和应用框架;结合课题研究目的与数字孪生技术要求,给出了UHVDC换流阀数字孪生模型的建模思路和技术框架。
随后,针对缺少物理机理建模的问题,论文对被应用于国内某±1100k V UHVDC工程的KP55Y8502N型晶闸管进行了介绍,建立了基于Sentaurus TCAD的晶闸管物理机理模型,提出了基于数据手册的模型校准方法,对晶闸管的TCAD模型进行了校准。使模型能够真实反映晶闸管实物的电、热特性,为后续研究提供了支撑。
之后,针对全工况热敏感参数数据提取问题,论文通过TCAD仿真获取了晶闸管全工况热敏感参数数据集;基于全连接神经网络,训练了晶闸管结温预测模型;结合热阻抗模型与换流站水冷系统运行逻辑与参数,构建了UHVDC换流阀载流量边界预测模型,提出了基于微环境数据的换流阀载流量边界预测动态校核方案。为换流站临时功率调整等决策提供了灵活、可靠的参考依据。
然后,针对换流阀安全运行评估指标问题,论文分析了故障电流对晶闸管寿命、失效率的影响,结合TCAD最大晶格温度仿真、晶闸管寿命模型和概率模型,建立了基于晶闸管冗余缺失和检修时间评估的UHVDC换流阀强迫停运风险评估模型,并提出了基于经验公式的换流阀故障率动态校核方案。
最后,针对工程应用需求,论文基于Python开发了数字孪生软件平台,实现了数据统一接受、存储和处理、虚实交互、同步运行及模型迭代更新功能,并为数字孪生平台开发了交互展示界面。验证了本文提出的构建的UHVDC换流阀数字孪生模型能够为提升换流阀载流能力利用率、评估停运风险、指定运行计划和评估检修计划提供参考。
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