AP1000核電機組冷卻劑泵變頻器特點及供電回路優(yōu)化

肖卉

(中核集團三門核電有限公司，浙江 三門 317112)

1 AP1000核電機組冷卻劑泵變頻器概述

AP1000核電機組每套反應堆冷卻劑系統(tǒng)含4臺冷卻劑泵(以下簡稱主泵)，主泵為屏蔽泵結構，額定電源 6.9 kV，60 Hz，功率約 7 600 kW，4 臺主泵分別從電廠內4條獨立的10.5 kV，50 Hz中壓母線取電。因此，AP1000核電機組需增加主泵變頻器，用于主泵電機的啟動、調速以及正常狀態(tài)下的電源供給。國內AP1000核電機組主泵的供電回路如圖1所示。

如圖1所示，每臺AP1000核電機組主泵由變頻器單一電源供電且需變頻器長期處于運行狀態(tài)。鑒于主泵獨特的電源要求、過高的運行功率以及其自身特點，AP1000核電機組對主泵變頻器的設備性能提出了很高的要求，主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)需具備良好的可靠性與冷卻性能，以保證主泵電機持續(xù)、穩(wěn)定的電源供給。

(2)需具備優(yōu)質的諧波控制能力與抑制共模電壓能力，以避免高次諧波與軸電流對主泵電機絕緣老化的影響。

(3)需具備良好的調速性能，以保證主泵電機的平滑啟動與調速。

(4)需具備完善的控制與保護系統(tǒng)，以保證變頻器的安全、穩(wěn)定運行。

變頻器上述各方面性能特點主要通過其設備結構、控制與保護方式以及運行特性得以實現(xiàn)。

2 設備結構

圖1 國內AP1000核電機組主泵供電回路圖

AP1000核電機組主泵變頻器主要由變壓器單元、功率單元、冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)4部分組成。10.5 kV中壓電源經變壓器進行電壓變換后進入各功率單元完成整流與逆變，為主泵電機提供電源;冷卻系統(tǒng)用于控制變頻器運行過程中的溫度;控制系統(tǒng)對變頻器各項參數(shù)進行實時監(jiān)控并與全廠控制系統(tǒng)進行通信，對變頻器實現(xiàn)遠方與就地控制。變頻器各組成系統(tǒng)主要特點如下［1－2］。

2.1 變壓器單元采用移相變壓器結構

AP1000核電機組主泵變頻器最重要的特點之一是變壓器單元采用了移相變壓器結構。變壓器一次繞組采用Y形接法，二次繞組采用延邊三角形接法，二次側共含有18個二次繞組(此處不考慮預充電回路繞組)，詳細結構如圖2所示。

圖2 變壓器二次繞組排列圖

如圖2所示，變壓器二次側電壓滯后或超前一次側電壓1個電角度。運用傅里葉基數(shù)對一次側與二次側電流展開分析，變壓器可以消除35次以下的諧波［3］，以達到優(yōu)質的諧波控制能力;同時，通過借助變壓器的對地電容，很好地抑制了共模電壓，減小高頻電壓與軸電流對主泵電機絕緣性能的影響［4］。

2.2 功率單元串聯(lián)多電平結構以及移相脈沖寬度調制(PWM)技術

AP1000核電機組主泵變頻器另一特點為采用PWM變頻器功率單元串聯(lián)方式實現(xiàn)高壓輸出，每個功率單元內部結構如圖3所示。變壓器二次側生成的三相750 V AC電源經整流橋整流與電容濾波后為4個絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)組成的H形單相逆變橋提供直流電源。單相逆變橋由PWM技術進行控制，通過PWM技術可獲得60 Hz的交變電壓，同時也可平均分配各功率單元的輸出功率［4］。

圖3 功率單元內部接線原理圖

該結構每個IGBT所承受的電壓應力小，無需均壓電路，開關損耗小，輸出波形好，不存在因諧波引起的電動機附加發(fā)熱、轉動脈矩、噪聲、輸出電壓變化率以及共模電壓問題［5］。

2.3 水冷式結構

由于AP1000核電機組主泵變頻器長期處于運行狀態(tài)且主泵功率較大，因此，要求變頻器具備優(yōu)質的冷卻性能，以保證變頻器的穩(wěn)定運行。AP1000核電機組主泵變頻器采用水冷方式進行冷卻，主要冷卻流程如圖4所示。冷卻水經過變壓器熱交換器與功率單元熱交換器對變壓器回路與功率單元回路進行冷卻后流至三通閥;此時由溫度監(jiān)控器對回水溫度進行監(jiān)控，并以此控制三通閥選擇回水進入外部熱交換器進行冷卻或直接進入循環(huán);去離子水箱用于控制冷卻水內的電離子率，保證水質。在冷卻系統(tǒng)運行過程中，對進出水溫度、泵的流量、電離子率進行全程監(jiān)測與控制，保證變頻器的穩(wěn)定運行。

圖4 冷卻系統(tǒng)回路圖

2.4 預充電回路結構

為防止變頻器啟動過程中突然加壓對變頻器造成損壞，AP1000核電機組主泵變頻器采用了預充電技術，預充電回路如圖5所示。預充電回路包括3組接觸器(M2，M3，M4)和1組電容、電阻，M1為中壓進線路器，M1，M2，M3，M4的初始狀態(tài)均為打開。預充電過程如下:合上M2給電容充電，同時給變壓器反向充電;當電壓達到整定值時，合上M3并斷開M2以維持中壓額定電壓;M2斷開后合上M4，然后斷開M3繼續(xù)保持中壓額定電壓但是減少電阻回路壓降;最后斷開M4并合上M1啟動變頻器。

圖5 預充電回路

2.5 冗余結構

AP1000核電機組主泵變頻器還采用了冗余的設備結構，以保證其穩(wěn)定與可靠，主要體現(xiàn)如下:

(1)電源冗余:變頻器各外部電源均具有2路單獨的供電回路，以保證系統(tǒng)的冗余。

(2)控制系統(tǒng)冗余:控制系統(tǒng)分別在硬件配置與信號采集方面采用冗余結構，保證冗余備用。

(3)冷卻系統(tǒng)冗余:冷卻系統(tǒng)配置2臺互為備用的冷卻水泵、冗余的熱交換器及溫度調節(jié)裝置，以保證變頻器的溫度控制。

3 控制與保護方式

為保證AP1000核電機組主泵供電系統(tǒng)的持續(xù)與穩(wěn)定，需要變頻器具備完善的控制系統(tǒng)，其控制圖如圖6所示。變頻器控制系統(tǒng)主要由冷卻系統(tǒng)、主控制系統(tǒng)、外部系統(tǒng)3大部分組成。

冷卻系統(tǒng)可編程控制器(PLC)對變頻器進出水溫度、電離子率、冷卻水泵狀態(tài)等進行實時監(jiān)控并通過用戶界面進行控制，同時將信息反饋至主控制系統(tǒng)。

主控制系統(tǒng)采用冗余設計結構，互為備用的PLC A，PLC B與互為備用的控制器NXG A，NXG B在變頻器運行過程中對冷卻系統(tǒng)、變壓器單元以及功率單元內各參數(shù)進行實時監(jiān)控并通過用戶界面進行控制。

電廠外部控制系統(tǒng)與變頻器主控制系統(tǒng)之間實時進行通信，對變頻器狀態(tài)進行實時監(jiān)控，保證變頻器的穩(wěn)定運行。

4 運行特性

AP1000核電機組主泵變頻器以其良好的運行特性為主泵電機的平滑調速與穩(wěn)定運行提供保障。

主泵啟動階段，變頻器通過矢量控制對磁通電流與轉矩電流進行控制以調節(jié)勵磁與轉矩，對主泵電機實行平滑調速，使其達到額定轉速。此時若泵反轉，變頻器可工作在第四象限，通過回饋制動實現(xiàn)泵的正轉并將其調至額定轉速［6］。

在正常工作狀態(tài)下，變頻器通過PWM技術調整每個功率單元的輸出電壓與電流，為主泵電機提供額定電源(如圖7所示)，此時變頻器最大輸出電壓 Uomax=8.83 kV。

在部分功率單元發(fā)生故障的情況下(假定A6)，變頻器通過中性點漂移技術保證穩(wěn)定的電源輸出，即此時不需要跳開B/C相上的功率單元，通過中性點位置轉換實現(xiàn)新的三相電壓平衡(如圖8所示)。當功率單元出現(xiàn)故障時，變頻器輸出電壓為

式中:nb為故障功率單元的數(shù)量。

圖6 變頻器控制系統(tǒng)圖

中性點漂移技術保證了功率單元故障時電壓的穩(wěn)定輸出，同時大幅度提高了故障狀態(tài)下功率單元的利用率，使變頻器效率及功率單元使用壽命大幅度提高［7］。

5 潛在的問題與優(yōu)化方向

AP1000核電機主泵變頻器以其獨特的設備結構、控制保護方式與運行特性為主泵電機提供穩(wěn)定、優(yōu)質、可靠的電源，但由于主泵變頻器長期處于運行狀態(tài)，仍存在一定的安全隱患。為了更好地提高主泵電機的供電可靠性與穩(wěn)定性，在AP1000核電機組后續(xù)發(fā)展過程中，需在目前基礎上進行更深入的設計與研究。

現(xiàn)階段，主泵電機持續(xù)運行在60 Hz狀態(tài)下，因此可考慮在電廠內增設60 Hz電源母線。在主泵電機正常工作狀態(tài)下，由60 Hz母線直接為變頻器提供穩(wěn)定電源;在主泵電機啟動階段，可考慮將60 Hz變頻器用于主泵電機的啟動與調速，優(yōu)化后的供電回路如圖9所示。如廠內具備60 Hz電源母線，在主泵電機啟動階段，通過60 Hz變頻器為電機提供電源并調至額定轉速，當主泵電機達到額定轉速后，將電源切換至旁邊斷路器供電，變頻器無需長期運行，主泵電機的供電可靠性將得到極大的提高。

圖9 優(yōu)化后的供電回路

6 結束語

通過了解AP1000核電機組冷卻劑供電系統(tǒng)、主泵變頻器的結構與特點，可以更好地了解AP1000核電機組主泵供電系統(tǒng)以及供電設備的詳細情況，更好地思考AP1000核電未來發(fā)展與改進的方向，有利于我國核電技術的發(fā)展。

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