MMC水冷系統故障分析與參數設計

劉 泳，夏 冰，楊 光，郭有強

（國網江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇 南京 210019）

1 引言

隨著社會經濟的發展和城市建設步伐的加快，對供電可靠性和供電質量的要求也越來越嚴格，提高電能傳輸效率和能力的方法和技術也不斷涌現［1］。其中，由于電力電子技術和自動控制技術的不斷成熟，用基于功率半導體器件的電力電子裝備代替傳統電力設備的方法也開始應用到電網的輸-變-配-用環節，電網也逐漸“電力電子化”［2-4］。

為了適應不同的電壓等級和傳輸功率，學者們對基于功率半導體器件的電力電子換流器拓撲開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、模塊化結構、完全可控的有功及無功等優點，其中，特別適用于高電壓和大功率場合［8-9］。目前，國內已有相關基于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、張北柔性直流電網工程、魯西柔直異步電網互聯工程等工程［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、在線監控系統構成［16］。由于閥水冷卻方式具有冷卻效率高、占地面積小、技術成熟等優點，成為MMC最常用的冷卻方式［17］。然而，國內部分工程的運維經驗表明，閥水冷系統故障已成為影響換流站安全穩定運行的重要因素之一。當水冷系統發生故障時，會引起控制系統跳閘，導致直流閉鎖停運，影響電網的安全穩定運行。因此，研究水冷系統故障機理和參數設計具有重要作用［18］。

文獻［19］通過理論計算和試驗測試，建立冷卻系統管路物理模型，對進、出口水流量進行了設計。文獻［20］對換流閥水冷系統常見故障類型進行了歸納分析，并給出事宜的預防應對措施。文獻［21］給出了水冷系統故障檢測方法和具體維修步驟。然而，目前關于水冷系統的故障分析均是采用實驗湊試的方法，缺乏理論支撐，耗時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、理論仿真分析和實驗驗證三個步驟的水冷系統故障分析和參數設計方法。這里以南京220kV MMUPFC 為研究對象，對換流閥正常工作時水冷系統去離子支路出現漏氣的問題進行了研究。在ANSYS-FLUENT仿真軟件中建立了水冷系統去離子罐多相流仿真模型，對漏氣問題進行了理論分析，并對去離子罐液位高度進行了重新設計。最后，在設計的液位高度進行了實驗驗證，實驗結果表明了這里理論分析和液位高度設計的合理性和正確性。

2 南京220kV MMUPFC水冷系統

南京220kV MMUPFC 電路原理圖，如圖1 所示。MMUPFC共有3個MMC換流器構成，3個MMC換流器直流側并聯，交流側通過轉換刀閘接入南京交流大電網，其中，1號換流器通過普通變壓器并聯接入35kV線路上，2號和3號換流器通過串聯變壓器分別串聯接入鐵北至曉莊的兩路220kV線路上。通過2號和3號換流器在鐵北至曉莊的兩路220kV線路上串入一個幅值和相角可調節的電壓，從而實現鐵北至曉莊潮流的調節。

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 由三個換流器構成，對應存在三個換流閥，從而對應三套水冷系統，三套水冷系統結構相同，其中3號水冷系統結構圖，如圖2所示。水冷系統由主循環支路和去離子支路構成，主循環支路水流在換流器換流閥內部和散熱風機間循環，主要用于帶走換流閥產生的熱量。去離子支路用于去除水中的離子狀雜質，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的氮氣為整個水冷系統提供靜態壓差，實現主泵的正常工作。當去離子罐內的壓強降低時，去離子罐上部的閥門打開，氮氣瓶內氣體進入去離子罐從而維持去離子罐內部壓強在正常值。

圖2 3號水冷系統結構圖Fig.2 The No.3 Water-Cooling System Structure

3 水冷系統去離子罐建模與仿真

3.1 水冷系統故障定位

南京220kV MMUPFC 處于額定功率運行狀態近一年來，3號換流閥水冷系統后臺監控系統頻繁上報氮氣瓶補氣，存在氣-液混流的現象，氣-液流通路徑，如圖3 所示。其中，紅色箭頭表示氣體流經的路徑，藍色箭頭表示水流路徑。由于主循環回路脫氣罐不斷將氣體排出，故補氣罐一直補氣，即水冷系統存在漏氣現象。從圖中可以很明顯看出，水冷系統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 水冷系統去離子罐建模

為了分析水冷系統故障原因，這里對水冷系統去離子罐進行建模。去離子罐內部涉及水、氮氣兩相流問題，是一種復雜的紊流運動模型。

3.2.1 去離子罐內部流體的控制方程

由于k-e模型能較好地預測復雜的紊流和有回流的水流運動且計算速度較快，所以這里采用RNG k-e 紊流模型。對于不可壓縮的流體，其控制方程組如下：

連續性方程為：

動量方程為：

k方程為：

式中：uij—速度分量；xi—坐標分量；ρ—水的密度；p—壓強；k—湍動能；e—湍動耗散率；Sij—應變率張量；Gk—由平均速度梯度引起的湍動能k的產生項；μ—動力粘度；μt—湍動粘度系數。

3.2.2 去離子罐內部水氮氣交界面控制方程

這里采用流體體積函數法（VOF）模擬去離子罐內水-氮氣交界面的流體運動情況。VOF控制方程為：

式中：去離子罐體積為V，V1和V2—氮氣和水對應的體積。

對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函數可以表示為：

式中：ΔVij—去離子罐內部有限元微單元。

水-氮氣界面的跟蹤方程為：

3.3 水冷系統去離子罐仿真分析

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，對模型進行了一定的簡化。仿真參數，如表1所示。在仿真軟件FLUENT中選擇RNG k-e紊流模型和VOF算法后即可進行求解計算。

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

仿真案例1：

去離子罐內的液位高度為20 cm 的仿真結果，如圖5 所示。去離子罐進水口橫切面的水流流速矢量分布圖，如圖5（a）所示。右邊刻度表示絕對水流流速，從圖中可以看出水面存在很明顯的旋渦現象且產生的旋渦半徑較大，從而導致氮氣滲入。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，從圖中可以看出氮氣已經滲入至罐底，出水口出現氮氣泄漏。此外，由于氮氣已經和水混合，出現“假液位”現象。仿真結果表明當去離子罐液面高度較低時將出現漏氣現象。

圖5 液位高度為20cm時的仿真結果Fig.5 Simulation Results with the Water Height at 20cm

仿真案例2：

去離子罐內的液液位高度為60cm的仿真結果，如圖6所示。去離子罐進水口橫切面的水流流速矢量分布圖，如圖6（a）所示。右邊刻度表示絕對水流流速，去離子罐進水口橫切面同樣存在很明顯的旋渦，但旋渦直徑較小，不會出現水吸氣現象。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，此時氮氣和水存在很明顯的界限，氮氣沒有泄漏。仿真結果表明當去離子罐液面高度較高時不會出現漏氣現象。

圖6 液位高度為60cm時的仿真結果Fig.6 Simulation Results with the Water Height at 60cm

4 實驗驗證

為了驗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換流站對去離子罐不同液位高度情況進行了實驗研究。MMUPFC水冷系統實物圖，如圖7所示。

圖7 MMUPFC3號水冷系統實物圖Fig.7 Object of No.3 MMUPFC Water-Cooling System

實驗案例1：

由于MMUPFC穩定運行近一年來，3號換流閥水冷系統后臺監控系統頻繁上報氮氣瓶補氣現象，故本實驗直接將3號水冷系統去離子罐液面高度由原先的45cm提高至60cm。系統運行10天后，上位機顯示水冷系統運行結果，如圖8所示。液面高度變化曲線，從圖中可以看出液面連續10天在63cm上下波動，如圖8（a）所示。水冷系統監控畫面，從圖中可以看出水冷系統運行正常，SOE不存在氮氣瓶氣壓過低報警，如圖8（b）所示。實驗結果驗證了提高去離子罐液面高度可以解決漏氣問題的結論。

圖8 液位高度為60cm時3號水冷系統運行實驗結果Fig.8 Operation Experimental Results of No.3 Water-Cooling System with the Water Height at 60cm

實驗案例2：

為了進一步驗證這里理論和仿真分析的正確性，在2號換流閥水冷系統進行了更改液面高度的實驗。實驗中將2號換流閥液面高度由60cm降低至35cm，實驗結果，如圖9所示。從圖9（a）中可以看出，2020年11月16日10時15分左右，液面高度由60cm降低至36.1cm，持續了一段時間后，液位上升到71cm附近。

圖9 液位高度變化時2號水冷系統運行實驗結果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18 分開始，SOE上報進氣電磁閥工作，即氮氣瓶補氣，系統存在漏氣的現象，同時說明圖9（a）中出現的71cm液位為“假液位”。實驗結果驗證了這里仿真分析結果的正確性和有效性。

5 結論

（1）給出了一種通過故障定位、理論仿真分析和實驗驗證三個步驟的MMUPFC水冷系統故障分析和參數設計方法。（2）通過對MMUPFC運行故障現象的分析，對水冷系統漏氣故障進行了定位。MMUPFC 水冷系統漏氣現象與液位高度有關，當液面高度值設置大于60cm時不會出現漏氣現象。（3）這里研究方法和結論對于同類型換流站水冷系統的故障分析或參數設計具有一定的借鑒和參考意義。