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一种基于 ANSYS Mechanical 的柔性直流输电换流阀 机械应力及抗震仿真分析方法 骆妮，苟锐锋，杨晓平，马志荣 （西安西电电力系统有限公司，西安市西三环西辅道 2 号，710075） 摘要：基于 ANSYS Mechanical 有限元软件，通过对柔性直流输电换流阀实体模 型合理的简化和模拟，建立柔性直流输电换流阀阀塔的有限元模型；通过加重力 载荷、地震响应谱及约束等边界条件，分别对柔性直流输电换流阀整机有限元模 型进行机械应力计算和抗震性能分析。在分析计算中考虑结构的大变形效应，并 考虑地震载荷和重力载荷的组合作用，对换流阀模型进行机械应力及抗震仿真计 算，为换流阀的结构进一步优化设计和建造施工提供有力的技术手段支持。 关键词：柔性直流输电；梁单元；机械应力；抗震 1 引言 随着人类对能源需求的不断增长和全球一次能源的逐渐枯竭，风能和太阳能 等可再生能源发电已成为电力系统的发展方向。柔性直流输电系统具有经济、灵 活和高可控性的特点，可以将这些分散以及远离主电网的清洁能源通过经济、环 保的方式接入交流电网。与传统直流输电技术相比，柔性直流输电系统运行时交 流系统无需提供电源，换流站有功无功独立控制，能够抑制电压波动、潮流波动、 电压闪变等问题，极大地增强了输电的灵活性，可以降低可再生能源间歇性和波 动性对系统的影响，提高并网效率和可靠性，满足大规模可再生资源并网需求， 应用前景非常广阔[1] [2]。 柔性直流输电是我国输电方式的发展趋势，换流阀机械应力计算及结构抗震 性能分析直接影响整个换流阀系统结构的稳定性和地震安全性[2]。国内直流输电 工程的建设，吸引了诸多专家学者在换流站抗震方面的研究。文献[3]、文献[4] 等通过建立完整的换流站有限元模型仿真计算换流站的地震响应，文献[5]通过 数值计算和实验检测的方法分析了阀厅的动态特性，并且他们都讨论了阀厅和阀 塔的相互影响作用。但以上换流站抗震方面的研究仅限于传统直流输电换流阀， 对柔性直流输电换流阀的机械应力及抗震性能分析目前未见报道。本文以± 350kV 柔性直流输电换流阀为例，基于 ANSYS Mechanical 有限元分析软件，建 立精确的换流阀塔的有限元模型, 通过模态分析计算结构的动态特性，分别对换 流阀整机有限元模型进行机械应力计算和抗震性能分析，在分析计算中考虑结构 的大变形效应, 并考虑地震载荷和重力载荷的组合作用，从机械应力和抗震特性 两个方面对阀结构设计的合理性进行了准确、有效的论证。 2 柔性直流输电换流阀结构特点 换流阀是柔性直流输电系统的核心设备，本文所举换流阀采用支撑式结构， 阀塔以一定的布置方式支撑于阀厅内。每个阀塔 4 层，顶部和层间均装有防护屏 蔽罩，每层由 48 个功率模块组成，层间由高强度复合材料螺栓连接。阀塔与地 面由 12 串支柱绝缘子连接。层间各由 12 串绝缘子连接。阀塔总重 350kN。阀塔 结构如图 2.1 所示。 图 2.1 ±350kV 柔性直流输电换流阀结构 阀塔的屏蔽罩结构采用硬质铝材料，安装部件承重绝缘横梁和层间框架均采 用结构钢材料，支柱绝缘子及层间绝缘子采用有机材料。换流阀各关键部件材料 属性如表 2.1 所示： 表 2.1 换流阀各关键部件材料属性 部件名称 密度（kg/m3） 弹性模量（GPa） 泊松比 绝缘子 2000 14 0.3 绝缘横梁 1950 21 0.3 屏蔽罩 2770 7.1 0.33 其余部件 7850 200 0.3 3 有限元模型建立与边界条件设定 3.1 有限元模型建立 如图 2.1 所