MMC水冷系统故障分析与参数设计

刘 泳，夏 冰，杨 光，郭有强

（国网江苏省电力有限公司南京供电分公司，江苏 南京 210019）

1 引言

随着社会经济的发展和城市建设步伐的加快，对供电可靠性和供电质量的要求也越来越严格，提高电能传输效率和能力的方法和技术也不断涌现［1］。其中，由于电力电子技术和自动控制技术的不断成熟，用基于功率半导体器件的电力电子装备代替传统电力设备的方法也开始应用到电网的输-变-配-用环节，电网也逐渐“电力电子化”［2-4］。

为了适应不同的电压等级和传输功率，学者们对基于功率半导体器件的电力电子换流器拓扑开展了大量的研究工作［5-7］。由于模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）具有输出交流电压谐波小、模块化结构、完全可控的有功及无功等优点，其中，特别适用于高电压和大功率场合［8-9］。目前，国内已有相关基于MMC 的输变电工程，例如南京MMUPFC 工程、苏州同里电力电子变压器工程、苏南500kV UPFC工程、舟山五端柔直工程、张北柔性直流电网工程、鲁西柔直异步电网互联工程等工程［10-15］。

基于MMC的输配电工程的换流站由换流阀阀厅、直流场、交流场、水冷系统、在线监控系统构成［16］。由于阀水冷却方式具有冷却效率高、占地面积小、技术成熟等优点，成为MMC最常用的冷却方式［17］。然而，国内部分工程的运维经验表明，阀水冷系统故障已成为影响换流站安全稳定运行的重要因素之一。当水冷系统发生故障时，会引起控制系统跳闸，导致直流闭锁停运，影响电网的安全稳定运行。因此，研究水冷系统故障机理和参数设计具有重要作用［18］。

文献［19］通过理论计算和试验测试，建立冷却系统管路物理模型，对进、出口水流量进行了设计。文献［20］对换流阀水冷系统常见故障类型进行了归纳分析，并给出事宜的预防应对措施。文献［21］给出了水冷系统故障检测方法和具体维修步骤。然而，目前关于水冷系统的故障分析均是采用实验凑试的方法，缺乏理论支撑，耗时长且不易查找问题的根本原因。

为此，这里给出了一种通过故障定位、理论仿真分析和实验验证三个步骤的水冷系统故障分析和参数设计方法。这里以南京220kV MMUPFC 为研究对象，对换流阀正常工作时水冷系统去离子支路出现漏气的问题进行了研究。在ANSYS-FLUENT仿真软件中建立了水冷系统去离子罐多相流仿真模型，对漏气问题进行了理论分析，并对去离子罐液位高度进行了重新设计。最后，在设计的液位高度进行了实验验证，实验结果表明了这里理论分析和液位高度设计的合理性和正确性。

2 南京220kV MMUPFC水冷系统

南京220kV MMUPFC 电路原理图，如图1 所示。MMUPFC共有3个MMC换流器构成，3个MMC换流器直流侧并联，交流侧通过转换刀闸接入南京交流大电网，其中，1号换流器通过普通变压器并联接入35kV线路上，2号和3号换流器通过串联变压器分别串联接入铁北至晓庄的两路220kV线路上。通过2号和3号换流器在铁北至晓庄的两路220kV线路上串入一个幅值和相角可调节的电压，从而实现铁北至晓庄潮流的调节。

图1 南京220kV MMUPFC电路原理图Fig.1 Circuit Schematic of Nanjing 220kV MMUPFC

由于南京220kV MMUPFC 由三个换流器构成，对应存在三个换流阀，从而对应三套水冷系统，三套水冷系统结构相同，其中3号水冷系统结构图，如图2所示。水冷系统由主循环支路和去离子支路构成，主循环支路水流在换流器换流阀内部和散热风机间循环，主要用于带走换流阀产生的热量。去离子支路用于去除水中的离子状杂质，去离子支路存在去离子罐（缓冲罐），其主要作用是通过上部注入一定压强的氮气为整个水冷系统提供静态压差，实现主泵的正常工作。当去离子罐内的压强降低时，去离子罐上部的阀门打开，氮气瓶内气体进入去离子罐从而维持去离子罐内部压强在正常值。

图2 3号水冷系统结构图Fig.2 The No.3 Water-Cooling System Structure

3 水冷系统去离子罐建模与仿真

3.1 水冷系统故障定位

南京220kV MMUPFC 处于额定功率运行状态近一年来，3号换流阀水冷系统后台监控系统频繁上报氮气瓶补气，存在气-液混流的现象，气-液流通路径，如图3 所示。其中，红色箭头表示气体流经的路径，蓝色箭头表示水流路径。由于主循环回路脱气罐不断将气体排出，故补气罐一直补气，即水冷系统存在漏气现象。从图中可以很明显看出，水冷系统去离子罐出口处存在气体。

图3 气-液流通路径图Fig.3 Flow Path Diagram of Air-Liquid

3.2 水冷系统去离子罐建模

为了分析水冷系统故障原因，这里对水冷系统去离子罐进行建模。去离子罐内部涉及水、氮气两相流问题，是一种复杂的紊流运动模型。

3.2.1 去离子罐内部流体的控制方程

由于k-e模型能较好地预测复杂的紊流和有回流的水流运动且计算速度较快，所以这里采用RNG k-e 紊流模型。对于不可压缩的流体，其控制方程组如下：

连续性方程为：

动量方程为：

k方程为：

式中：uij—速度分量；xi—坐标分量；ρ—水的密度；p—压强；k—湍动能；e—湍动耗散率；Sij—应变率张量；Gk—由平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；μ—动力粘度；μt—湍动粘度系数。

3.2.2 去离子罐内部水氮气交界面控制方程

这里采用流体体积函数法（VOF）模拟去离子罐内水-氮气交界面的流体运动情况。VOF控制方程为：

式中：去离子罐体积为V，V1和V2—氮气和水对应的体积。

对于两种不相溶的流体组成的流场，需满足：

式中：（u，v）—流体的速度场，则VOF函数可以表示为：

式中：ΔVij—去离子罐内部有限元微单元。

水-氮气界面的跟踪方程为：

3.3 水冷系统去离子罐仿真分析

基于上述分析，在ANSYS-FLUENT中搭建去离子罐仿真模型。去离子罐的尺寸图和仿真模型，如图4所示。

为了加快仿真软件求解速度，对模型进行了一定的简化。仿真参数，如表1所示。在仿真软件FLUENT中选择RNG k-e紊流模型和VOF算法后即可进行求解计算。

表1 仿真模型参数Tab.1 Parameters of the Simulation Model

仿真案例1：

去离子罐内的液位高度为20 cm 的仿真结果，如图5 所示。去离子罐进水口横切面的水流流速矢量分布图，如图5（a）所示。右边刻度表示绝对水流流速，从图中可以看出水面存在很明显的旋涡现象且产生的旋涡半径较大，从而导致氮气渗入。去离子罐中心轴线切面流体分布图，如图5（b）所示。右边刻度表示空气所占比例，从图中可以看出氮气已经渗入至罐底，出水口出现氮气泄漏。此外，由于氮气已经和水混合，出现“假液位”现象。仿真结果表明当去离子罐液面高度较低时将出现漏气现象。

图5 液位高度为20cm时的仿真结果Fig.5 Simulation Results with the Water Height at 20cm

仿真案例2：

去离子罐内的液液位高度为60cm的仿真结果，如图6所示。去离子罐进水口横切面的水流流速矢量分布图，如图6（a）所示。右边刻度表示绝对水流流速，去离子罐进水口横切面同样存在很明显的旋涡，但旋涡直径较小，不会出现水吸气现象。图6（b）所示为去离子罐中心轴线切面流体分布图，右边刻度表示空气所占比例，从分布图可以看出，此时氮气和水存在很明显的界限，氮气没有泄漏。仿真结果表明当去离子罐液面高度较高时不会出现漏气现象。

图6 液位高度为60cm时的仿真结果Fig.6 Simulation Results with the Water Height at 60cm

4 实验验证

为了验证这里故障分析和仿真研究的正确性和有效性，在南京220 kV MMUPFC换流站对去离子罐不同液位高度情况进行了实验研究。MMUPFC水冷系统实物图，如图7所示。

图7 MMUPFC3号水冷系统实物图Fig.7 Object of No.3 MMUPFC Water-Cooling System

实验案例1：

由于MMUPFC稳定运行近一年来，3号换流阀水冷系统后台监控系统频繁上报氮气瓶补气现象，故本实验直接将3号水冷系统去离子罐液面高度由原先的45cm提高至60cm。系统运行10天后，上位机显示水冷系统运行结果，如图8所示。液面高度变化曲线，从图中可以看出液面连续10天在63cm上下波动，如图8（a）所示。水冷系统监控画面，从图中可以看出水冷系统运行正常，SOE不存在氮气瓶气压过低报警，如图8（b）所示。实验结果验证了提高去离子罐液面高度可以解决漏气问题的结论。

图8 液位高度为60cm时3号水冷系统运行实验结果Fig.8 Operation Experimental Results of No.3 Water-Cooling System with the Water Height at 60cm

实验案例2：

为了进一步验证这里理论和仿真分析的正确性，在2号换流阀水冷系统进行了更改液面高度的实验。实验中将2号换流阀液面高度由60cm降低至35cm，实验结果，如图9所示。从图9（a）中可以看出，2020年11月16日10时15分左右，液面高度由60cm降低至36.1cm，持续了一段时间后，液位上升到71cm附近。

图9 液位高度变化时2号水冷系统运行实验结果Fig.9 Operation Experimental Results of No.2 Water-Cooling System with the Water Height Changes

从图9（b）中可以看出，2020 年11 月16 日10 时18 分开始，SOE上报进气电磁阀工作，即氮气瓶补气，系统存在漏气的现象，同时说明图9（a）中出现的71cm液位为“假液位”。实验结果验证了这里仿真分析结果的正确性和有效性。

5 结论

（1）给出了一种通过故障定位、理论仿真分析和实验验证三个步骤的MMUPFC水冷系统故障分析和参数设计方法。（2）通过对MMUPFC运行故障现象的分析，对水冷系统漏气故障进行了定位。MMUPFC 水冷系统漏气现象与液位高度有关，当液面高度值设置大于60cm时不会出现漏气现象。（3）这里研究方法和结论对于同类型换流站水冷系统的故障分析或参数设计具有一定的借鉴和参考意义。