國產(chǎn)化高壓變頻器在天然氣長輸管線高陵壓氣站的應(yīng)用

竺偉，王永紅，陳應(yīng)敏

（上海廣電電氣（集團）股份有限公司，上海 201401）

國產(chǎn)化高壓變頻器在天然氣長輸管線高陵壓氣站的應(yīng)用

竺偉，王永紅，陳應(yīng)敏

（上海廣電電氣（集團）股份有限公司，上海 201401）

近年來，國內(nèi)天然氣長輸管線中的大功率高壓變頻器一直被國外品牌壟斷，這對于國內(nèi)設(shè)備制造業(yè)的技術(shù)發(fā)展和能源安全極為不利。為打破這種壟斷，在能源局和中石油的大力支持下，上海廣電電氣（集團）股份有限公司成功研發(fā)和生產(chǎn)了首臺20 MW級大功率高壓變頻器。通過對此系列大功率高壓變頻器的原理、特點和未來發(fā)展趨勢的論述以及在首個國產(chǎn)化高陵壓氣站成功應(yīng)用的介紹，表明國內(nèi)變頻器廠家已具備自主研發(fā)和生產(chǎn)大功率高壓變頻器的能力，從而打破了國外品牌長期壟斷的局面，為客戶帶來非常可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。

大功率高壓變頻器；無速度傳感器矢量控制；勵磁；水冷；諧波；可靠性

1 引言

大功率水冷高壓變頻器采用若干水冷功率單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出。該變頻器具有容量大，調(diào)速性能優(yōu)，散熱效果強，對電網(wǎng)諧波污染小，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好等特點，并且不會導致電機附加的發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動、噪音等問題。此外，變頻器的輸出dv/dt及共模電壓小，無需配置輸出濾波器或電抗器就可以使用普通的交流電機。通過在西氣東輸二線高陵壓氣站的實際應(yīng)用表明：該變頻器可以完全滿足天然氣長輸管線工藝調(diào)節(jié)的需求，同時還具有節(jié)能減排的作用。大功率高壓變頻器的成功國產(chǎn)化可以為客戶帶來非?？捎^的經(jīng)濟效益和社會效益。

2 應(yīng)用案例及原理

長期以來壓縮機組核心技術(shù)一直為少數(shù)幾家國外大企業(yè)所壟斷，為打破國外壟斷、促進我國裝備工業(yè)發(fā)展、保證國家能源安全，在國家能源局的統(tǒng)一部署、領(lǐng)導以及中國機械工業(yè)聯(lián)合會的大力支持下，中國石油設(shè)立了“西氣東輸二線工程關(guān)鍵技術(shù)研究”重大專項課題，由西氣東輸管道公司牽頭聯(lián)合國內(nèi)數(shù)家機電制造行業(yè)骨干企業(yè)承擔起20 MW級天然氣長輸管線關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化的研制任務(wù)，經(jīng)過兩年半的艱難攻關(guān)，20 MW級電驅(qū)壓縮機組如期完成首套機組研制任務(wù)并在西二線高陵壓氣站成功完成了安裝、試驗并進行了工業(yè)性運行。高陵分輸壓氣站也成為了我國首個國產(chǎn)化20 MW級電驅(qū)壓縮機組工業(yè)性試驗站、我國首套全國產(chǎn)化壓縮機組樣板場站。

高陵分輸壓氣站共4臺電驅(qū)壓縮機組，機組為“3臺運行+1臺備用”配置。電驅(qū)壓縮機組主要由壓縮機、電機和高壓變頻器組成，高壓變頻器作為壓縮機組的驅(qū)動裝置，其高性能及可靠性至關(guān)重要，是保證整個電驅(qū)壓縮機組平穩(wěn)運行的關(guān)鍵設(shè)備之一。

高陵壓氣站選配了由上海廣電電氣制造的Innovert 10/10-25000S系列交-直-交電壓源型高壓變頻裝置。裝置輸入電壓10 kV，輸出電壓10 kV，適配同步電機功率20 000 kW，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 10 kV變頻器拓撲結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Topology structure diagram of 10 kV converter

本案例變頻器原理如圖2所示，10 kV電網(wǎng)電壓經(jīng)過副邊多重化的隔離變壓器降壓后給水冷功率單元供電，水冷功率單元為三相輸入、單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)，水冷功率單元輸出疊加后實現(xiàn)接近于正弦波的多電平PWM波形輸出，最終實現(xiàn)變頻器的高壓直接輸出，供給高壓電動機。本裝置采用輸入36脈沖二極管整流結(jié)構(gòu)，輸出為17相電平33線電平的逆變結(jié)構(gòu)，每相由8個額定電壓為660 V，額定電流為1450A的水冷功率單元串聯(lián)而成，輸出額定線電壓10 000 V。

圖2 10 kV變頻器原理圖Fig.2 Schematic diagram of 10 kV converter

其控制系統(tǒng)采用DSP+FPGA全數(shù)字控制方式，控制策略采用基于定子磁鏈定向的無速度傳感器矢量控制方式，可驅(qū)動同步電機或異步電機，具有電機參數(shù)自測定功能和功率單元快速旁路功能；功率單元冷卻方式采用去離子水密閉循環(huán)冷卻；同步電機配套勵磁裝置采用異步交流無刷勵磁技術(shù)，靜止勵磁系統(tǒng)采用了冗余設(shè)計，具有實時在線切換功能。

本案例的拖動為“一拖一”方案，即一臺變頻器拖動一臺電機，其系統(tǒng)配置如圖3所示。

圖3 變頻器配置框圖Fig.3 Configuration diagram of converter

由圖3可見，變頻器主要包括限流柜、控制柜、隔離變壓器、功率單元柜、勵磁系統(tǒng)以及水冷系統(tǒng)等。限流柜采用了高壓預(yù)充電阻為移相變壓器預(yù)勵磁，同時給直流電容器充電，防止了主斷路器合閘時的電壓降和勵磁涌流，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高；隔離變壓器將電網(wǎng)和水冷功率單元的電源隔離，同時提供了水冷功率單元的輸入電壓，制造上采用技術(shù)成熟的H級絕緣材料，可以做到免維護，每臺變壓器配置一臺綜保裝置，進行一對一保護，繞組溫度保護采用光纖測溫裝置，溫度檢測準確，可靠性高；每面功率單元柜內(nèi)安裝有6個水冷功率單元，每個功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，模塊化設(shè)計，可以互換，簡單方便；勵磁系統(tǒng)為異步無刷勵磁機提供電源，勵磁系統(tǒng)的主電路和控制器均采用雙套冗余設(shè)計，具備在線切換功能，提高了系統(tǒng)的可靠性；水冷系統(tǒng)采用去離子水密閉循環(huán)方式，為變頻器水冷功率單元提供散熱，水冷系統(tǒng)水泵、主要部件及儀表均為冗余配置，可靠性高。

本案例的系統(tǒng)控制方式如圖4所示，變頻器遠程控制由壓縮機組UCS完成，通過干接點、4～20 mA模擬量以及總線通訊等方式來完成對變頻器的啟停、加減速等控制。變頻器相關(guān)運行參數(shù)、狀態(tài)信號通過變頻器控制器上傳至UCS；進線開關(guān)、電機輔助系統(tǒng)由UCS控制，電機振動信號直接接入UCS系統(tǒng)，進行檢測保護，實現(xiàn)變頻器室無人操作的設(shè)計，降低了人員運行成本。

圖4 系統(tǒng)控制框圖Fig.4 Block diagram of system control

按照工藝的需求，變頻器調(diào)速范圍控制在額定轉(zhuǎn)速的65%～105%，根據(jù)用氣量的高峰與低峰時段，通過調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率進行調(diào)速來滿足供氣量要求，避免在用氣低峰時造成的能源浪費，達到最大限度的能源有效利用，實現(xiàn)節(jié)能。

3 性能特點

在此案例中，Innovert系列無速度傳感器矢量控制高壓變頻器最大限度地滿足了安全可靠的工藝調(diào)速要求，主要特點如下。

1）采用無速度傳感器矢量控制技術(shù)，其無速度傳感器矢量控制框圖如圖5所示，該技術(shù)具有調(diào)速范圍寬、穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速精度高、動態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間小、啟動轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點，性能指標達到國際先進水平。

2）成熟可靠的高壓預(yù)充電方案，避免了勵磁涌流對電網(wǎng)和移相變壓器造成的沖擊，變頻器啟動對電網(wǎng)無沖擊，保證了電網(wǎng)和下游設(shè)備及壓縮機組的運行安全。

圖5 電機無速度傳感器矢量控制框圖Fig.5 Block diagram of speed sensorless vector control

3）36脈沖整流輸入，諧波滿足IEEE519—1992和GB/T14549標準要求，無需配置輸入濾波器。圖6為使用諧波分析儀對現(xiàn)場變頻器額定運行時所測得的輸入電流諧波數(shù)據(jù)。

圖6 輸入電流諧波測試數(shù)據(jù)Fig.6 Test data of input current harmonics

4）輸入功率因數(shù)＞0.95，無需功率因數(shù)補償裝置。

5）17相電平33線電平PWM輸出，共模電壓和dv/dt低，無需設(shè)置輸出濾波器或輸出電抗器，適用普通電機，較3電平、5電平、9電平等變頻拓撲方案，電機發(fā)熱量低，電機效率高，從而保證整套PDS系統(tǒng)的效率最高，圖7為現(xiàn)場實測變頻器輸出波形圖。

圖7 變頻器輸出波形圖Fig.7 Output waveforms of converter

6）采用高效水冷技術(shù)，體積小，功率柜噪音小于70 dB；水冷系統(tǒng)水泵、主要部件及儀表均為冗余配置，可靠性高。

7）勵磁采用異步無刷勵磁方式。勵磁柜的主電路和控制器均采用雙套冗余設(shè)計，具備在線切換功能，此技術(shù)在行業(yè)內(nèi)屬于首創(chuàng)，大大提高了勵磁系統(tǒng)的可靠性。

8）可以承受高壓-40%的電壓下降，抗電網(wǎng)電壓跌落能力強。

9）驅(qū)動同步電機啟動時帶轉(zhuǎn)子初始位置自動檢測功能，啟動平穩(wěn)，沖擊電流小。

10）可實現(xiàn)功率單元自動旁路功能，任一功率單元故障均能夠快速自動旁路，保證機組繼續(xù)運行，該自動旁路功能在旁路時的電壓電流波形如圖8所示。

11）水冷功率單元模塊化，更換維修水冷功率單元簡單、方便、快捷，對處于野外，社會依托性差，故障處理能力相對薄弱的天然氣長輸管道壓氣站來說，非常有利于機組故障的快速處理，恢復(fù)機組運行。

4 應(yīng)用效果

上海廣電電氣作為承擔20 MW級電驅(qū)壓縮機組高壓變頻器國產(chǎn)化研制任務(wù)的單位之一，為高陵壓氣站電驅(qū)壓縮機組提供了3套高壓變頻器，分別驅(qū)動4#，3#和2#電驅(qū)壓縮機組，截止至2013年11月20日，3套高壓變頻器已累計運行10 000 h以上，電驅(qū)壓縮機組至今穩(wěn)定運行，在正式投運期間，該3套高壓變頻器運行故障率為零，表現(xiàn)出其高可靠性和高穩(wěn)定性。整個調(diào)試與試驗過程，關(guān)鍵技術(shù)指標如輸入輸出的電壓電流諧波，啟動沖擊電流，調(diào)速精度，輸出電壓電流的不平衡度，滿載溫升，整機效率等都優(yōu)于測試大綱和相關(guān)標準的規(guī)定。

本項目高壓變頻器采用的異步無刷勵磁、無速度傳感器矢量控制、功率單元旁路和同步電機轉(zhuǎn)子初始位置檢測等技術(shù)具有創(chuàng)新性，總體性能指標在特大容量高壓變頻技術(shù)方面達到了國際先進水平。

5 結(jié)論

長期以來天然氣長輸管線壓縮機組大功率水冷高壓變頻器的核心技術(shù)一直為少數(shù)幾家國外大企業(yè)所壟斷，直至高陵壓氣站20 MW級電驅(qū)壓縮機組高壓變頻器國產(chǎn)化的正式投運，其良好應(yīng)用效果和其高可靠性、穩(wěn)定性得到了用戶的認可，且上海廣電電氣高壓變頻器與國外同等級產(chǎn)品相比，在價格、技術(shù)、服務(wù)上均有較大優(yōu)勢，打破了長輸管線壓縮機組變頻器領(lǐng)域的國外壟斷局面，填補了國內(nèi)大功率水冷變頻器研發(fā)生產(chǎn)和實際應(yīng)用的空白。

此外，上海廣電電氣在配置多重化油浸式變壓器的大功率高壓變頻器方面也做出了一些有益的探索。公司為西氣東輸二線上海支干線撫州分輸壓氣站12 MW級變頻電驅(qū)壓縮機組研制項目提供了容量為16 MV·A采用油浸式變壓器的無速度傳感器矢量控制高壓變頻器，驅(qū)動12 MW級的高速同步電機；該裝置已經(jīng)通過了用戶見證試驗并交付現(xiàn)場。同時，公司還自主研發(fā)了容量為25MV·A配置油浸式變壓器的大功率高壓變頻器，該裝置采用25 MV·A油浸式移相整流變壓器和高壓水冷功率單元，輸入10 kV，輸出10 kV，輸入36脈沖整流，輸出為9電平的高壓逆變單元結(jié)構(gòu)，其散熱與控制性能等同或高于干變配置的25 MV·A高壓變頻器，該裝置已經(jīng)通過了國家能源科技成果鑒定。

［1］ 韓安榮.通用變頻器及其應(yīng)用［M］.第2版.北京：機械工業(yè)出版社，2000.

［2］ 竺偉，陳伯時.高壓變頻調(diào)速技術(shù)［J］.電工技術(shù)雜志，1999，18（3）：26-28.

［3］ 竺偉，王永紅.單元串聯(lián)多電平高壓變頻器在天然氣長輸管線中的應(yīng)用［J］.中國化工裝備，2012（s）：607-611.

［4］ 竺偉，陳伯時，周鶴良，等.單元串聯(lián)式多電平高壓變頻器的起源、現(xiàn)狀和展望［J］.電氣傳動，2006，36（6）：3-7.

Application of Domestic Medium Voltage VFDs in Gaoling Compressor Station of Long Distance Gas Pipeline

ZHU Wei，WANG Yong-hong，CHEN Ying-min
（Shanghai Guangdian Electric Group Co.，Ltd.，Shanghai 201401，China）

In the long distance gas pipeline，the application of high power medium voltage VFD is monopolized by a few foreign companies recently，which is challenge to the domestic industry and national energy security.With the support of national energy administration and China national petroleum corporation，Shanghai Guangdian Electric Group Co.，Ltd.successfully developed the first set of 20 MW high power medium voltage VFD to break the monopoly.The principle，characteristics and future development of the series high power medium voltage VFD were discussed and the first application in Gaoling compressor station was introduced and this indicates that the domestic manufacturer has the ability to develop and produce the high power medium voltage VFD to break the long-term monopoly by foreign companies，bring considerable economic and social benefit.

high power medium voltage variable frequency drive（VFD）；speed sensorless vector control；excitation；water-cooled；harmonic；reliability

T921

B

2013-10-23

修改稿日期：2014-01-09

竺偉（1973-），男，博士，高級工程師，Email：wei.zhu@iper.com.cn