靜止無功發生器閥堆結構優化設計

摘 要：設計了一種靜止無功發生器的閥堆結構，采用有限元軟件對其進行了結構強度仿真，并根據仿真結果對閥堆結構進行優化，然后對優化方案進行了相同的結構強度仿真，驗證了優化方案的有效性。最后通過隨機振動仿真模擬了優化后的閥堆結構在運輸過程中的受力情況，結果表明優化后的結構是可以滿足要求的。

關鍵詞：靜止無功發生器；閥堆；隨機振動；有限元仿真

中圖分類號：TM761+.12" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）06-0028-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.06.008

0" " 引言

靜止無功發生器（簡稱SVG）在電網中可起到無功補償、提高電能質量的作用[1-2]。

SVG主要運用于冶煉、軌道交通、新能源發電、變電站等領域，SVG功率閥組為核心設備，其是由多個模組串聯而成，模組最主要的元器件是IGBT和電容，根據用戶不同的需求，SVG可分為柜式、閥堆式以及集裝箱式[3-4]，本文主要介紹SVG閥堆式結構設計，通過三維模型建模，然后采用有限元軟件校核其結構強度，并對閥堆結構進行了優化。

1" " SVG工作原理

SVG采用三相橋式變流電路通過電抗器并聯于電網上，如圖1所示，通過調節橋式逆變電路的交流側輸出電壓相位和幅值，或直接控制其交流側的電流，來產生或吸收滿足要求的無功功率，從而實現從感性到容性無功功率全范圍動態無功功率補償[5]。

SVG并聯接入電網，運行過程中涉及交流環節和直流環節。交流環節主要與電網系統（或負載供電側）相連接；直流環節是SVG將交流電能變換為直流，將其保存至儲能元件內，然后直流側電壓經變流器轉換為交流電壓電流輸送至電網系統。SVG采用的橋式變流器可以看做是一個可調的電壓或電流源，通過控制基波電壓或電流的大小與相位，從而實現無功功率的動態實時補償[6-7]。

2" " 閥堆結構設計

2.1" " 閥堆結構

SVG閥堆結構如圖2所示。

閥堆底座、支撐絕緣子、絕緣框架以及頂部框架通過螺釘連接形成閥堆框架，SVG模組通過限位件安裝于絕緣框架上。

2.2" " 靜力仿真

為驗證閥堆結構的穩定性，對閥堆結構進行靜力仿真，由于主要是對閥堆框架進行強度校核，因此將框架以外的零件盡量簡化，然后導入有限元軟件中，如圖3所示。

需要確保在安裝過程中人為不能造成閥堆大的晃動，因此在閥堆薄弱方向施加1 000 N的推力，然后將閥堆框架底部固定，邊界條件設置完成后，進行模型的網格劃分，模型的網格劃分情況如圖4所示。

劃分之后，網格單元為471 600個，網格節點為1 013 459個，最后進行仿真求解，結果如圖5所示。

從圖5可以看出，閥堆的最大位移出現在閥堆頂部，最大位移為19 mm，此位移量較大，需對閥堆進行加固，減少閥堆的整體位移。

2.3" " 結構優化

在原來的基礎上增加了絕緣拉桿及絕緣拉板進行加固，如圖6所示。

將優化后的閥堆模型再次導入有限元軟件進行靜力分析，求解結果如圖7所示。

如圖7所示，閥堆的最大位移出現在絕緣拉桿中部，最大位移為4.8 mm，閥堆整體位移小于2.8 mm，與未加優化措施相比此晃動較為微小，因此所采取的優化措施是有效的。

3" " 隨機振動仿真分析

對優化后的結果進行隨機振動仿真分析，模擬實際運輸工況中閥堆的強度是否符合要求。

3.1" " 求解設置

將優化的模型導入有限元軟件，首先進行網格劃分，如圖8所示。

根據實際運輸包裝的工況施加約束，閥堆頂部與頂部都與包裝箱固定，閥堆中部采用泡棉進行限位。施加完約束后，進行模態分析，求解出閥堆的前6階固有頻率，如圖9所示。

最后進行響應譜分析，施加如圖10所示響應譜。

3.2" " 結果分析

求解得到位移及應力云圖如圖11所示。

由圖11可得，閥堆在隨機振動過程中最大位移發生在絕緣拉桿中部，最大位移為10.6 mm，最大應力出現在絕緣拉桿金具處，最大應力為21.6 MPa，而絕緣拉桿金具的材料為Q235，其屈服強度為235 MPa，隨機振動過程中所產生的最大應力遠小于材料的屈服強度，因此閥堆的結構強度是滿足運輸要求的。

4" " 結論

本文根據SVG閥堆實際生產和運輸的強度需求，首先對閥堆結構進行了靜力仿真，結果顯示閥堆晃動較大，然后對閥堆結構進行了優化并再次仿真驗證了結構的穩定性，最后通過隨機振動仿真分析閥堆結構在運輸工況中的位移及應力情況，結果表明優化后的方案可以滿足運輸需求。

[參考文獻]

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收稿日期：2023-09-18