基于换流器和变压器多重因素故障模型的HVDC输电系统实时可靠性分析

摘要

很多希望大力发展可再生能源的国家对风能，特别是离岸风能的开发和利用十分重视。随着半导体技术的发展，高压直流（HVDC）技术被广泛应用于将风电从离岸风电场传输到陆上电网。高压直流输电技术的应用可以通过多种方式改善电力系统性能，如提高运行安全性，增强可靠性和经济性。随着HVDC技术使用量的增加，HVDC的可靠性表现在整个电力系统的可靠性方面起着重要的作用。虽然HVDC传输系统的可靠性已经被研究了一段时间，但大部分研究仅停留于规划阶段的可靠性评估，对运行可靠性的评估很少提到。 换流器和变压器是VSC-HVDC传输系统的主要设备。他们（变压器和换流器）的恒定故障率已被证明是可靠的，并且被广泛用于计算电力系统中长期平均可靠性指标。恒定故障率是通过统计相当长一段时间内的故障次数得到的经验平均值。然而，在不同的运行条件和运行环境下，平均故障率不能代表组件的实时故障概率。 在本论文中，作者建立并测试了换流器实时故障模型和变压器实时故障模型，并将这两种模型应用于两种 VSC-HVDC 传输系统（辐射型，区域型）中以计算实时可靠性指标。最后进行了一系列敏感性分析，用以评估各种因素的影响程度。 本文中换流器的实时故障模型是基于风速及其变化引起的电力电子设备的功率损耗而建立，并考虑了环境温度的影响。对于变压器实时故障模型，本文考虑了机械强度损失引起的老化故障，基于天气情况的随机故障和过流保护引起的故障。为了计算两个案例的实时可靠性，本文使用最小割集法简化系统结构，结合变压器和换流器等设备的实时可用性，计算出系统每小时的可靠性指标。在计算中，本文考虑了离岸和在岸的故障参数差异。在敏感性分析中显示了季节，直流电缆容量和风力发电机参数对系统实时可靠性的影响。 分析结果显示，本文所建立的多重因素故障模型可以更准确地反映主要部件的实时可靠性指标。系统的能量可用性在不同的操作条件和环境下变化明显。环境温度和风速是主要影响因素。一年模拟运行结果表明，系统可靠性呈现出一定程度的季节性规律。而且，系统拓扑结构，直流电缆容量，风力发电机参数都可能会影响系统的可靠性。

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第1章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.1.1 高压直流输电系统及其主要设备

1.1.2 高压直流输电系统可靠性

1.2 可靠性分析方法

1.2.1 仿真法

1.2.2 解析法

1.3 本文的主要工作

第2章 基于风速和环境温度的换流器实时故障模型

2.1 模型的建立

2.1.1 风场输出的计算

2.1.2 换流器能量损耗的计算

2.2 模型测试

2.3 本章小结

第3章 基于多重故障因素的变压器实时故障模型

3.1 模型的建立

3.1.1 老化故障模型

3.1.2 天气影响的故障模型

3.1.3 过流保护故障模型

3.2 模型测试

3.2.1 老化故障模型测试

3.2.2 过流保护故障模型测试

3.2.3 总故障率测试

3.3 本章小结

第4章 案例分析

4.1 设备可靠性及其参数

4.1.1 换流器及换流电抗器

4.1.2 变压器及GIS设备

4.1.3 直流系统

4.2 案例1: 辐射型HVDC输电系统

4.3 案例2: 区域型HVDC输电系统

4.4 本章小结

第5章 敏感性分析

5.1 全年计算和季节特性分析

5.2 风机参数对可靠性的影响

5.3 直流输电线路对可靠性的影响

5.4 本章小结

第6章 结论

参考文献

致谢