一种计及运行状态的晶闸管换流阀可靠性评估方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力系统可靠性评估领域，具体涉及一种计及运行状态的晶闸管换流 阀可靠性评估方法。
【背景技术】
[0002] 目前实际应用的输电方式有交流输电和直流输电两种。交流输电技术比较成熟， 运行灵活方便，在多数情况下投资省，所以交流输电技术在目前电力系统占主体地位。但是 大电网中（超/特）高压交流输电的稳定性问题、海底输电中交流电缆的电容电流问题等 使交流输电技术难以适用特定的输电场合。高压直流输电技术作为现在电网的重要补充， 在远距离大容量输电、电力系统非同步联网和海底输电等领域有着广泛的应用前景。
[0003] 随着高压直流输电系统工程的增加，其可靠性也备受瞩目。换流阀作为高压直流 输电系统的核心组件，也是高压直流输电系统的特征组件之一，其可靠性是决定高压直流 输电系统的可靠性的关键之一。在现有的高压直流输电系统可靠性评估中，采用的换流阀 (晶阀管）模型大多为恒故障率模型。然而，高压直流输电系统在实际运行中，会根据实际 的电力需求，调节传输功率，在恶劣天气条件下，还会降低运行电压。不同的运行状态下，高 压直流输电系统的可靠性表现差异明显，特别是换流阀中的电力电子设备，其故障率对于 运行电压和运行电流敏感。在高压直流输电系统可靠性评估中，只有计及系统所处的运行 状态所得到的结果才能更加真实地反映高压直流输电系统在实际运行中表现的可靠性，为 电力系统的规划和运行决策提供更加可靠的依据。所以，采用计及运行状态的换流阀可靠 性评估技术对于准确有效地评估高压直流输电系统的可靠性显得十分必要。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种计及运行状态的晶闸管换流阀可靠性评估方法，旨在 解决现有换流阀可靠性评估只计及长期平均特性而不考虑实际运行状态差异的问题，提高 换流阀可靠性评估的精度，从而提高高压直流输电系统可靠性评估的工程实用性。
[0005] 为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
[0006] (1)基于傅里叶传热定律建立晶闸管的温度场模型，晶闸管的温度场模型以晶闸 管传输功率和晶闸管参数表示；
[0007] (2)根据所述温度场模型建立基于运行状态的晶闸管可靠性模型；
[0008] (3)基于状态分割的原理，以一定功率为步长，将高压直流输电系统的全年持续传 输功率曲线分段为多个传输功率区间，根据所述晶闸管可靠性模型分别评估各传输功率区 间下所述换流阀的可靠性，然后统计各传输功率区间的持续时间，并采用如下公式计算得 到所述换流阀的可靠性指标：
[0010] 其中，η为传输功率区间数目，h为第i个传输功率区间的持续时间，IncU为第i 个传输功率区间对应的可靠性指标。
[0011] 所述温度场模型表示为：
[0013] 其中，r为晶闸管中任意一点到晶闸管中心线的距离，P为晶闸管等效电阻率，R 为晶闸管半径，λ为晶闸管导热系数，T。为环境温度，I为通过晶闸管电流；
[0014] 所述晶闸管可靠性模型表示为：
[0016] 其中，λ。和λs。为在标准测试温度Ts下测定的晶闸管在导通和阻断状态下的故 障率，α为导通时间占工作周期的比例，β为晶闸管的特性参数，与导通能有关，λ:为外 部诱因的故障率，Τ为根据所述温度场模型计算得到的某运行状态下晶闸管的最高温度或 平均温度。
[0017] 本发明的有益效果为：
[0018] 1.本发明提出了考虑运行状态的晶闸管故障模型（即晶闸管可靠性模型），然后 利用状态分割，提出了考虑换流阀运行状态的高压直流输电系统可靠性评估方法，本发明 的模型和方法可以克服现有高压直流输电系统可靠性评估中无法计及系统运行状态的缺 点。
[0019] 2.本发明所提出考虑运行状态的晶闸管故障模型和基于状态分割原理的可靠性 评估方法可直接用于高压直流输电系统的运行可靠性评估和风险评估等相关领域，提高了 高压直流输电系统的运行可靠性评估和风险评估的精准度。
【附图说明】
[0020] 图1为晶闸管热力学计算模型示意图；
[0021] 图2为换流阀结构图；
[0022] 图3为状态分割原理图；
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
[0024] 1.晶闸管的温度场模型
[0025] 晶闸管的结构一般为圆柱形纽扣状，本发明为了计算方便，将晶闸管近似为圆柱 体，如图1所示。由傅里叶传热定律可得：
[0027] 其中，r为晶闸管中任意一点到晶闸管中心线的距离，P为晶闸管等效电阻率，R 为晶闸管半径，AX为所选取的晶闸管切片的长度，λ为晶闸管导热系数，I为通过晶闸管 电流，I可结合换流阀的结构由运行功率和电压求得。
[0029] 此方程为一阶微分方程，考虑到边界条件为T(R) =Τ。，其中Τ。为环境温度，可得 晶闸管的温度场计算公式：
[0035] 由公式（3)可求得晶闸管任一点的温度，由公式（4)和公式（5)可分别求取晶闸 管的最高温度和平均温度。
[0036] 2.基于运行状态的换流阀可靠性模型
[0037] 晶闸管的故障率与温度、承受逆向电压等因素密切相关。晶闸管的温度是由晶闸 管产生的热量和晶闸管所处的散热环境所决定。晶闸管产生的热量可由晶闸管通过的电流 和晶闸管的等效电阻得到。由于高压直流输电系统中换流塔均配有水冷装置，所以可以认 为晶闸管所处的散热环境良好，可以维持环境温度恒定。于是，可以得到考虑温度影响的晶 闸管故障率计算公式为：
[0039] 其中，λsJPλs。为在标准测试温度Ts下测定的晶闸管在导通和阻断状态下的故
障率，α为导通时间占工作周期的比例，β为晶闸管的特性参数，与导通能有关： 中艮为导通能，（^为一常数，一般可取8.617X10 5, 11