ABB中壓變頻傳動(dòng)系統(tǒng)失電跨越功能的研究與應(yīng)用

李曉東，李險(xiǎn)峰，官二勇，李德地，孫文生，高旭，巴玉江，朱壽珉

（1.北京ABB 電氣傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司，北京100015；2.蘭州石化公司 電儀事業(yè)部，甘肅 蘭州730060）

蘭州石化有限公司，110 kV 電網(wǎng)電壓不穩(wěn)，偶爾會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。 當(dāng)110 kV 電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)會(huì)造成化肥廠天然氣壓縮機(jī)變頻器直流母線低電壓跳閘，從而引起工藝連鎖停機(jī)，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。 圖1是2010年3月1日蘭州石化記錄的110 kV 化肥變電站110 kV 進(jìn)線化柳二線發(fā)生電網(wǎng)波動(dòng)的波形，雖然此次電源波動(dòng)時(shí)間只有不到0.05 s，但仍然使天然氣壓縮機(jī)變頻器直流母線低電壓跳閘，造成化肥廠合成氨裝置停車。

為了解決電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起天然氣壓縮機(jī)變頻器直流母線低電壓跳閘的問(wèn)題，對(duì)ABB 變頻器的失電跨越功能進(jìn)行了深入研究，通過(guò)理論研究、仿真分析、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等驗(yàn)證ABB 變頻器的失電跨越功能能夠解決蘭州石化電網(wǎng)波動(dòng)問(wèn)題。

圖1 蘭州石化110 kV 變電站進(jìn)線電網(wǎng)波動(dòng)波形Fig.1 The 110 kV grid voltage fluctuation of Sino Petrol Lanzhou

1 ABB 中壓傳動(dòng)失電跨越介紹

ABB 中壓變頻器具有失電跨越功能。 當(dāng)電網(wǎng)的瞬間閃變及工作電源切備用電源瞬間，變頻裝置保持短時(shí)不停機(jī)。

當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落或掉電，變頻器檢測(cè)到直流回路電壓跌落至80%時(shí)，變頻器將激活失電跨越功能。 此時(shí)依靠負(fù)載的慣性能量拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，變頻器通過(guò)快速降低電機(jī)定子端輸入電壓頻率，使得定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速快速下降。 當(dāng)定子磁鏈滯后于轉(zhuǎn)子磁鏈時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩反向，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)；由電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)經(jīng)逆變器續(xù)流二極管整流將能量回饋至變頻器中間直流回路，保持直流回路電壓不低于65%；在電機(jī)速度降至10%額定轉(zhuǎn)速前，系統(tǒng)不會(huì)停機(jī)。 電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常后，變頻器直流回路電壓恢復(fù)至80%以上時(shí)，失電跨越功能自動(dòng)退出，變頻器恢復(fù)至正常運(yùn)行狀態(tài)。 失電跨越過(guò)程如圖2所示。

圖2 ABB 中壓傳動(dòng)系統(tǒng)失電跨越功能示意圖Fig.2 The ride through function schematic of ABB MV drive system

2 仿真研究

為了便于系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，ABB 開(kāi)發(fā)了中壓傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型。 仿真模型是基于Matlab軟件Simulink 仿真平臺(tái)搭建的，仿真模型很大程度上與實(shí)際系統(tǒng)保持一致，能夠反應(yīng)實(shí)際系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

仿真所使用的電機(jī)及負(fù)載數(shù)據(jù)來(lái)自于蘭州石化，與現(xiàn)場(chǎng)一致；所采用的變頻器數(shù)據(jù)來(lái)自于ABB 選型參數(shù)，仿真時(shí)間參數(shù)見(jiàn)表1。 各參數(shù)為：額定功率3 575 kW，額定電壓4 160 V，額定頻率50 Hz，，額定電流559 A，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量40 kg·m2,功率因數(shù)0.92，額定轉(zhuǎn)矩11 480 N·m，額定速度2 974 r/min，效率96.6%，負(fù)載慣量80 kg·m2。 仿真用ABB 中壓變頻器選型參數(shù)：變頻器的輸出電壓為4 160 V，輸出電流為590 A。

從圖3和圖4可以看出在2 s 時(shí)，電網(wǎng)掉電；在2.5 s 時(shí)，電網(wǎng)恢復(fù)，由于變壓器存在涌流，圖4中的電流波形在電網(wǎng)來(lái)電時(shí)出現(xiàn)瞬時(shí)的沖擊，這符合變壓器的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。

圖3 電網(wǎng)電壓波形Fig.3 The grid voltage waveform

圖4 電網(wǎng)電流波形Fig.4 The grid current waveform

從圖5可以看出在2 s 時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到直流母線電壓低時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩變負(fù)，由100%變?yōu)?0.05%，表明電機(jī)由電動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)的慣性能量轉(zhuǎn)化為電能維持直流母線電壓；電機(jī)速度從接近于100%（2 974 r/min）開(kāi)始衰減。

圖5 電機(jī)轉(zhuǎn)矩和速度的波形Fig.5 The motor torque and speed waveforms

在2.5 s 時(shí)，電網(wǎng)恢復(fù)供電，電機(jī)轉(zhuǎn)矩由負(fù)變正，電機(jī)由發(fā)電狀態(tài)進(jìn)入正常的電動(dòng)狀態(tài)。在2.5 s 時(shí)，電機(jī)速度已經(jīng)衰減至86%，來(lái)電后經(jīng)過(guò)大概1.5 s 時(shí)間，電機(jī)加速到額定轉(zhuǎn)速。

由圖6看出在失電跨越階段，由于電機(jī)的慣性動(dòng)能回饋轉(zhuǎn)換為直流母線的電能，直流母線電壓維持在65%以上，使得中壓變頻器在電網(wǎng)波動(dòng)狀態(tài)下能夠保持短時(shí)不停機(jī)。

圖6 變頻器直流回路電壓波形Fig.6 The DC bus voltage waveform of the converter

圖7示出了整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中電機(jī)的定子電流波形。在整個(gè)的失電跨越過(guò)程中，電機(jī)仍然存在電流，表明在失電跨越時(shí)，電機(jī)保持勵(lì)磁，同時(shí)電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)而向變頻器直流回路回饋能量。

圖7 電機(jī)定子電流波形Fig.7 The motor stator current waveform

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及結(jié)論

3.1 ABB 中壓測(cè)試系統(tǒng)

北京ABB 電氣傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司具有一套功能強(qiáng)大的中壓系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，中壓測(cè)試系統(tǒng)可完成ACS1000/2000/5000 的常規(guī)測(cè)試。

測(cè)試系統(tǒng)單線示意圖如圖8所示，系統(tǒng)中ACS5000 為被測(cè)試的對(duì)象，ACS2000 為模擬負(fù)載系統(tǒng)，將測(cè)試能量回饋電網(wǎng)。 測(cè)試時(shí)被測(cè)傳動(dòng)ACS5000 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)M1運(yùn)行，另一臺(tái)背靠背電機(jī)M2作為被測(cè)傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載工作在發(fā)電狀態(tài)，通過(guò)4 象限運(yùn)行變頻器ACS2000 向電網(wǎng)反饋能量。

圖8 失電跨越測(cè)試系統(tǒng)單線示意圖Fig.8 The single line schematu of the ride through test system

3.2 失電跨越功能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

分別啟動(dòng)ACS5000 和ACS2000，ACS5000 的速度設(shè)定為-1 200 r/min，ACS2000 的速度設(shè)定為-900 r/min，作為模擬負(fù)載，ACS2000 的轉(zhuǎn)矩限幅設(shè)為70%。 手動(dòng)斷開(kāi)變壓器T201 前斷路器Q101，模擬電網(wǎng)失電狀態(tài)；ACS5000 直流母線電壓下降至4 000 V 時(shí)，從正常工作狀態(tài)進(jìn)入失電跨越狀態(tài)，電機(jī)通過(guò)逆變部分把慣性機(jī)械能回饋為直流母線電能，使得直流母線電壓上升至失電跨越狀態(tài)時(shí)的參考電壓4 200 V；同時(shí)，M1速度開(kāi)始下降；1 s 后，閉合斷路器Q101，模擬電網(wǎng)來(lái)電狀態(tài)，ACS5000 直流母線電壓迅速上升，當(dāng)該值上升至4 400 V 時(shí)，ACS5000 退出失電跨越狀態(tài)，進(jìn)入正常工作模式，M1加速到設(shè)定轉(zhuǎn)速-1 200 r/min。至此，ACS5000 失電跨越功能完成，見(jiàn)圖9。

圖9 失電跨越測(cè)試結(jié)果Fig.9 The test result of ride through

3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

在理論分析和工廠測(cè)試實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，蘭州石化天然氣壓縮機(jī)項(xiàng)目已于2011年成功改造完成。 2011年9月17日天然氣壓縮機(jī)供電系統(tǒng)發(fā)生1 s 電網(wǎng)波動(dòng)，天然氣壓縮機(jī)變頻器啟動(dòng)失電跨越功能，變頻器未因電網(wǎng)波動(dòng)停車。 圖10為現(xiàn)場(chǎng)記錄的波形曲線。

圖10 失電跨越現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果Fig.10 The site application result of ride through

仿真及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果證明，采用ABB 的中壓變頻設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)蘭州石化天然氣壓縮機(jī)在電網(wǎng)波動(dòng)過(guò)程中，變頻器保持不停機(jī)，電機(jī)不失磁，電機(jī)速度降落不大，系統(tǒng)能夠平穩(wěn)通過(guò)短時(shí)的電網(wǎng)波動(dòng)過(guò)程。 改造完成后，至今現(xiàn)場(chǎng)未出現(xiàn)由于電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的變頻器跳閘停車事故。

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