[发明专利]一种柔直子模块的应力分析方法、装置及存储介质

说明书

本发明公开了一种柔直子模块的应力分析方法、装置及存储介质，通过结合电磁力体密度和机械结构建立电磁‑结构耦合模型，得到柔直子模块的结构应力和结构形变，根据电磁‑结构耦合模型分析的结果，优化柔直子模块结构设计和电流路径，然后返回步骤S100重新校核设计，直至满足设计要求。本发明实现柔直子模块的结构优化设计，极大降低从样机的设计到采购生产、样机实验、样机结构优化，重新试验等闭环环节需要花费的时间、人力和费用成本，对于优化子模块电气和结构设计、确保子模块故障工况下可靠旁路、保护相邻子模块和整个柔直系统，具有重要意义。

技术领域

本发明涉及柔性直流输电技术领域，特别涉及一种柔直子模块的应力分析方法、装置及存储介质。

背景技术

基于全控电力电子器件构成电压源换流器的柔性直流输电技术，简称柔直输电技术，由于其运行灵活、功率解耦、不依赖电网换相的特点，可广泛应用于可再生能源接入、孤岛供电、城市供电、电网互联等领域，在某些特殊的应用场合，柔性直流输电技术是唯一的解决方案。

柔直换流阀是柔性直流输电的核心设备，被喻为柔直系统的“心脏”，相比联接变压器、桥臂电抗器等其他主设备，换流阀集成的关键元件多、多物理场应力耦合程度高、电路控制难度大、机械结构复杂。随着柔性直流输电工程电压等级、容量的不断提升，柔直换流阀的研制难度不断加大。由于柔直技术发展迅速，柔直换流阀所使用的新材料、新部件、新工艺、新结构以及新的控制技术尚未得到工程充分验证与长期考验。根据国内已投运柔直工程的故障统计情况，柔直换流阀设备出现过诸多缺陷，如IGBT爆裂、子模块通讯故障、IGBT驱动误报、取能电源失效、水路泄露、阀塔起火以及控制保护定值设置不合理等，个别极端故障甚至造成了系统停运，严重影响了柔性直流输电工程的稳定性和安全性。对于优化子模块电气和结构设计、确保子模块故障工况下可靠旁路、保护相邻子模块和整个柔直系统，具有重要意义。

子模块短路故障下，短路电流高达数MA，此时子模块中的导电回路承受很大的电动力，电动力体密度达到数百N/mm³，在巨大的电动力密度下，连接铜排、叠排位置易发生形变，是设计的薄弱环节。子模块的电流路径和结构设计要求在极限工况下子模块的形变控制在一定范围内，放电回路没有碎金属屑飞溅，子模块外壳形变不影响相邻模块等。为保证子模块的可靠设计，通常需要对子模块进行相应极限试验验证子模块性能，极限试验从样机的设计到采购生产、样机实验、样机结构优化重新试验等闭环环节需要花费大量的时间、人力和费用。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种柔直子模块的应力分析方法、装置及存储介质，用以解决设计考虑不充分造成的柔直子模块在极限工况下应力及形变过大而爆炸、解体、飞溅，影响相邻模块，造成换流阀故障的问题。

本发明实施例第一方面提出一种柔直子模块的应力分析方法，包括以下步骤：S100、根据柔直子模块的电流流通路径建立电磁暂态仿真模型；S200、计算得到柔直子模块极限工况下的电流应力；S300、根据柔直子模块极限工况下的电流流通路径，搭建柔直子模块的三维磁场仿真模型，添加电流路径和电流应力，求解得到柔直子模块中导电元件的电磁力体密度；S400、结合电磁力体密度和机械结构建立电磁-结构耦合模型，得到柔直子模块的结构应力和结构形变；S500、根据电磁-结构耦合模型分析的结果，优化柔直子模块结构设计和电流路径，然后返回步骤S100重新校核设计，直至满足设计要求。

本发明实施例的一种柔直子模块的应力分析方法的有益效果为：将柔直子模块电气、电磁和结构多物理场耦合到一起，实现柔直子模块的结构优化设计，极大降低从样机的设计到采购生产、样机实验、样机结构优化，重新试验等闭环环节需要花费的时间、人力和费用成本，对于优化子模块电气和结构设计、确保子模块故障工况下可靠旁路、保护相邻子模块和整个柔直系统，具有重要意义。

根据本发明的实施例的一种柔直子模块的应力分析方法，所述S200还包括：S201、根据电磁暂态仿真模型获取柔直子模块在极限工况时的电流波形；S202、根据柔直子模块的电流波形计算得出极限工况时的电流应力。