電壓源型大功率變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在西氣東輸二線西段工程上的應(yīng)用

林森，高山，彭晶，楊利，羅季

（1.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊065000；2.中國石油西部管道分公司，新疆烏魯木齊830013）

1 引言

西氣東輸二線是目前世界最長的跨國天然氣管道工程，國外段氣源來自中亞，國內(nèi)段西起新疆霍爾果斯，途經(jīng)14個(gè)省區(qū)市和香港特別行政區(qū)，包括1 條干線和8 條支干線，全長9 102 km，作為我國迄今為止管線最長、管徑最大、輸量最大的管道工程，其中西段工程（霍爾果斯—中衛(wèi)）干線全長2 745.9 km，管徑1 219 mm，設(shè)計(jì)壓力速電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)（簡稱電驅(qū)），西段烏魯木齊壓氣站、瓜州壓氣站、永昌壓氣站為3 座電驅(qū)站，每站4套電驅(qū)機(jī)組，共12套。這也是18 MW級(jí)電壓源型大功率變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)第1次在國內(nèi)長輸天然氣管道工程上進(jìn)行應(yīng)用。

2 電驅(qū)機(jī)組的特點(diǎn)及構(gòu)成

10～12 MPa，共設(shè)置壓氣站14 座，其驅(qū)動(dòng)方式有燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)（簡稱燃驅(qū)）和中壓變頻調(diào)

2.1 主要特點(diǎn)

西氣東輸二線西段電驅(qū)機(jī)組的變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（PDS）主要由日本東芝三菱TMEIC 公司生產(chǎn)的XL-75型中壓變頻器和2極防爆型中壓無刷勵(lì)磁高速同步電機(jī)組成，其中變頻器功率為20 MW，采用IEGT作為主要電子器件，VSI電壓源方案，5電平輸出；電機(jī)功率18 MW，額定電壓5.94 kV，正壓通風(fēng)防爆，轉(zhuǎn)速范圍3 380～5 200 r/min，最高轉(zhuǎn)速5 460 r/min，與壓縮機(jī)直聯(lián)驅(qū)動(dòng)。主要特點(diǎn)是功率大，效率高，轉(zhuǎn)速高，調(diào)速范圍寬，連續(xù)運(yùn)行。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

PDS系統(tǒng)包括帶阻尼啟動(dòng)的隔離變壓器、變頻器、電機(jī)及站場(chǎng)配套外循環(huán)水系統(tǒng)構(gòu)成。其主接線見圖1。

圖1 TMEIC PDS系統(tǒng)接線圖Fig.1 The winding diagram of TMEIC PDS

3 主要設(shè)備功能及特點(diǎn)

3.1 帶阻尼啟動(dòng)的隔離變壓器

隔離變壓器為雙繞組結(jié)構(gòu)，容量為21 MW，變壓器副邊繞組總共為6 組，電壓變比為10/6×1.76 kV，各繞組間相移10°（電角度），對(duì)變頻器提供36 脈沖電源，在降壓和隔離的同時(shí)，減少諧波失真。由于在接通變壓器的初始瞬間，變壓器的擊磁涌流會(huì)達(dá)到4 倍左右的變壓器額定電流，導(dǎo)致10 kV 母線電壓突然下降過大，對(duì)其他電氣設(shè)備造成影響。為了使隔離變壓器的瞬間合閘電流引起線電壓的壓降最小化，在10 kV 開關(guān)和隔離變壓器之間連接了一個(gè)浪涌電流阻尼電阻器。

如圖1 所示，在VCB2#合閘之前，VCB1#合上，電阻被加到啟動(dòng)電路中，由于增加了阻抗，所以限制了沖擊電流，該電流可以控制在變壓器的額定電流以下，在數(shù)十ms的延時(shí)后，VCB2#合上，電阻退出電路中。

3.2 變頻器

3.2.1 方案選擇

大功率中壓變頻器有電流源型（LCI）和電壓源型（VSI）。LCI 技術(shù)最先出現(xiàn)，一般使用半控器件晶閘管來實(shí)現(xiàn)電源頻率變換，技術(shù)方案比較成熟，但諧波量大，需要龐大的濾波裝置，對(duì)電源條件要求很高，從20世紀(jì)90年代開始，由于大容量功率器件IEGT，IGCT的相繼出現(xiàn)，使VSI變頻驅(qū)動(dòng)的大容量化，高性能化，小型化得到發(fā)展，從2000 年開始，大功率的VSI 變頻驅(qū)動(dòng)進(jìn)入市場(chǎng)，逐漸確立了其在市場(chǎng)中的地位［1］。VSI 與LCI 綜合性能比較見表1。

表1 VSI與LCI綜合性能比較Tab.1 Comprehensive performance comparison between VSI and LCI

西氣東輸二線在設(shè)計(jì)方案選擇時(shí)，充分考慮的西氣東輸一線LCI變頻器使用以來暴露出的問題，邀請(qǐng)冶金、制造等領(lǐng)域的專家對(duì)LCI和VSI方案進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)合西二線實(shí)際站場(chǎng)電源的惡劣條件，最后確定了在西氣東輸二線采用36脈沖5電平的VSI方案。這也是在國內(nèi)長輸天然氣管線上首次應(yīng)用VSI電壓源技術(shù)。

3.2.2 電壓源型變頻器

TMEIC 為本項(xiàng)目提供的變頻裝置型號(hào)為TMdrive-XL75，在2 000 m 海拔處可以輸出20 780 kV·A，輸入為36 脈沖，6×1 760 A，輸出為相電壓5電平，線電壓9電平，6 kV電壓等級(jí)。采用PWM控制，功率器件采用4 500 V規(guī)格IEGT，在本系統(tǒng)中共采用24 個(gè)IEGT 作為功率開關(guān)器件，無需串聯(lián)或并聯(lián)使用。

3.2.3 控制系統(tǒng)

變頻調(diào)速采用V/f控制方式，通過低壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，產(chǎn)生相應(yīng)的電壓和頻率給定信號(hào)，由PWM發(fā)生器輸出相應(yīng)的PWM 調(diào)制信號(hào)，控制變頻器進(jìn)行變壓變頻調(diào)速。

勵(lì)磁回路單獨(dú)控制，在低于額定頻率時(shí)，保持額定磁通不變，進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；高于額定頻率時(shí)，采取弱磁升速。其控制原理見圖2。它具有速度設(shè)定輸入、斜坡功能發(fā)生器、自動(dòng)再啟動(dòng)控制、斷路器控制、頻率開窗、電機(jī)極限轉(zhuǎn)矩設(shè)定、內(nèi)部保護(hù)和監(jiān)視、過流檢測(cè)、絕緣監(jiān)視和超速、停機(jī)、晶閘管保護(hù)等完善功能，可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信和遠(yuǎn)程系統(tǒng)維護(hù)，采用矢量控制方式，能完全滿足系統(tǒng)控制的需要。

圖2 TMEIC PDS控制原理圖Fig.2 The control diagram of TMEIC PDS

3.3 同步電機(jī)

采用防爆型中壓無刷勵(lì)磁高速同步電機(jī)，額定功率為18 MW，額定電壓5.94 kV，雙Y 型繞組接線，變頻調(diào)速，與壓縮機(jī)采用聯(lián)軸器直聯(lián)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速范圍為3 380～5 200 r/min，最高轉(zhuǎn)速為5 460 r/min。

TMEIC同步電機(jī)主要特點(diǎn)如下。

1）轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子是適合超高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)行的圓柱形狀，是2 極的隱極式結(jié)構(gòu)。具有3 套軸承系統(tǒng)（其中電機(jī)用2套，勵(lì)磁機(jī)用1套），可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)旋轉(zhuǎn)軸系的合理臨界速度和低振動(dòng)。另外，冷卻風(fēng)扇直接附在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，采用自通風(fēng)式系統(tǒng)。

2）無刷勵(lì)磁。勵(lì)磁系統(tǒng)在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)方面充分考慮了超高速的要求，轉(zhuǎn)子由桿和軸構(gòu)成，由單一的鍛造合金鋼加工而成。軸的一端設(shè)有1個(gè)驅(qū)動(dòng)聯(lián)軸器，軸中心是桿，桿上設(shè)有勵(lì)磁繞組用插槽，而軸的另一端設(shè)有交流勵(lì)磁機(jī)和旋轉(zhuǎn)整流器。設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子時(shí)，高轉(zhuǎn)速和臨界速度均列入考慮。轉(zhuǎn)子本體內(nèi)徹底加工的縱向槽含有勵(lì)磁線圈，勵(lì)磁線圈與槽絕緣一同置于槽中，可免受楔子地心引力的影響。勵(lì)磁線圈由矩形銅線構(gòu)成，其端頭由扣環(huán)扣住，線圈上設(shè)有用于通風(fēng)的槽形孔。

3）空-水冷卻。該電機(jī)的絕緣等級(jí)為155 ℃（F），定子繞組溫升限制為85 K，轉(zhuǎn)子繞組溫升限制為80 K，冷卻方式為IC81W。冷卻系統(tǒng)為完全封閉式，配備上插式空氣冷卻器。采用自通風(fēng)式系統(tǒng)，電機(jī)的內(nèi)部部件（鐵心、線圈等）是由內(nèi)部的空氣來冷卻的，而空氣則由固定在機(jī)殼頂部的空水冷卻器（熱交換器）來冷卻。由于冷卻風(fēng)機(jī)的作用使得冷空氣在電機(jī)內(nèi)部循環(huán)，定子、轉(zhuǎn)子和勵(lì)磁機(jī)都可以被冷卻。該電機(jī)上部空水冷卻器為雙層管路結(jié)構(gòu)，如果在工作中內(nèi)管發(fā)生泄漏，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出一個(gè)報(bào)警信號(hào)，此時(shí)電機(jī)還可以通過外管進(jìn)行100%的負(fù)載運(yùn)行。因此，該冷卻系統(tǒng)實(shí)際上具有120%的冷卻能力。

4 設(shè)計(jì)時(shí)需注意的問題

西氣東輸二線西段18 MW 級(jí)電壓源型變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在國內(nèi)天然氣長輸管道上是第1 次使用，由于其電力電子元器件多、功率大、電壓等級(jí)高、發(fā)熱量大，電機(jī)應(yīng)用于防爆場(chǎng)所，需要配備功能完善可靠的輔助系統(tǒng)。壓氣站均地處野外，相對(duì)孤立，周圍環(huán)境差，氣候變化大、社會(huì)依托薄弱，周圍沒有可依賴的工業(yè)輔助設(shè)施。因此，在整個(gè)壓氣站設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮站場(chǎng)輔助系統(tǒng)功能能否滿足機(jī)組在各種氣候條件、各種工況下的運(yùn)行需要［2］。

4.1 供配電系統(tǒng)

壓縮機(jī)停運(yùn)將對(duì)整個(gè)輸氣生產(chǎn)造成很大影響，因此，壓氣站屬1 類用電負(fù)荷，均采用2 路電源，由于西氣東輸二線西段每座壓氣站有4 套變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，整站負(fù)荷近50 MW，故采用2路110 kV外電線路，分列運(yùn)行。

壓氣站內(nèi)設(shè)置1 座110/10 kV 變電所，包括：110±8×1.25%/10.5 kV 50 000 kV·A 有載調(diào)壓變壓器2臺(tái)、10 kV開關(guān)柜、直流屏等。110 kV SF6氣體絕緣封閉式組合電器（GIS）戶內(nèi)布置，為后續(xù)電驅(qū)負(fù)荷擴(kuò)建預(yù)留110 kV 間隔出線位置，10 kV開關(guān)柜為成套配電裝置戶內(nèi)布置，為后續(xù)負(fù)荷擴(kuò)建預(yù)留10 kV開關(guān)柜位置，主變壓器戶內(nèi)布置。

設(shè)置1 座變頻裝置室，包括10/0.4 kV 2 000 kV·A 站變壓器2 臺(tái)、低壓配電柜及壓縮機(jī)組MCC，UPS 等。變頻隔離變壓器戶外布置，變頻設(shè)備戶內(nèi)布置，成套配電裝置戶內(nèi)布置，站變戶內(nèi)布置。

對(duì)不間斷供電負(fù)荷，如站場(chǎng)自控、通信、變電所操作電源、應(yīng)急照明以及機(jī)組應(yīng)急負(fù)荷等還應(yīng)按照國家規(guī)范要求，在2 個(gè)獨(dú)立主供電源供電的基礎(chǔ)上，采用不間斷電源（在線式UPS）作為供電可靠性的保證措施。

4.2 采暖通風(fēng)系統(tǒng)

變頻器內(nèi)部采用去離子水冷卻，如水結(jié)凍，將造成設(shè)備損壞。西氣東輸二線西段3座電驅(qū)站冬季最低溫度達(dá)到-40 ℃，為保證在冬季氣溫低時(shí)停運(yùn)機(jī)組去離子水不結(jié)凍，變頻器室溫不得低于5 ℃，在室內(nèi)配備空調(diào)等供暖。

4.3 外部循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

變頻器和電機(jī)均采用外循環(huán)水冷卻，為使外部循環(huán)水系統(tǒng)功能滿足機(jī)組運(yùn)行冷卻的需要和減少運(yùn)行維護(hù)工作量，外部循環(huán)水系統(tǒng)采用閉式冷卻水塔，冷卻水塔的噴淋水可采用一般工業(yè)用水，但為減緩結(jié)垢，噴淋水在自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)上設(shè)置軟化水裝置；根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件，設(shè)置防塵、防風(fēng)沙，冬季停運(yùn)后的防凍（保證水溫不低于5 ℃）設(shè)施，配備自動(dòng)補(bǔ)水和高點(diǎn)排氣裝置。

外部循環(huán)水系統(tǒng)管道選用不生銹的管材，露出地面段設(shè)置保溫和電伴熱、系統(tǒng)設(shè)置低點(diǎn)排污、高點(diǎn)排氣、管道外循環(huán)、電機(jī)內(nèi)的水排放及空氣吹掃設(shè)施?？刂葡到y(tǒng)宜與電驅(qū)設(shè)備聯(lián)控，系統(tǒng)管線上要安裝流量計(jì)、溫度計(jì)并上傳中控室監(jiān)控。

外部循環(huán)水系統(tǒng)的循環(huán)水泵配有4臺(tái)37 kW電機(jī)，根據(jù)工況需求自動(dòng)啟機(jī)，并互為備用。

由于站內(nèi)低壓供配電系統(tǒng)為單母線分段，當(dāng)一段低壓段檢修時(shí)，為保證循環(huán)水系統(tǒng)的正常運(yùn)行，應(yīng)在循環(huán)水系統(tǒng)的供電系統(tǒng)前增加雙電源切換裝置。

5 結(jié)論

西氣東輸二線年設(shè)計(jì)輸量300 億m3/a，所使用的變頻調(diào)速電驅(qū)機(jī)組已經(jīng)正式投產(chǎn)，輸量已達(dá)到設(shè)計(jì)值，現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行正常平穩(wěn)，能方便實(shí)現(xiàn)管道對(duì)流量迅速變化的需求。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、操作維護(hù)簡單、效率高。它的成功應(yīng)用，為西氣東輸三線等后續(xù)相似工程的建設(shè)提供了經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)依托此項(xiàng)目的技術(shù)積累，為此后同類設(shè)備國產(chǎn)化提供了必不可少的技術(shù)條件。

［1］吳斌.大功率變頻器及交流傳動(dòng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［2］呂開鈞.變頻高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)在西氣東輸?shù)倪\(yùn)用［J］.電氣傳動(dòng)，2010，40（5）：67-71.