高壓變頻器在重型燃機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用

劉天軍

（中國(guó)東方電氣集團(tuán)東方日立（成都）電控設(shè)備有限公司，四川 成都 611731）

東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)屬于國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，為50MW重型燃?xì)廨啓C(jī)自主研制配套，試驗(yàn)臺(tái)的正常應(yīng)用是大型50MW燃?xì)廨啓C(jī)研制過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)和50MW燃機(jī)開發(fā)同步進(jìn)行。燃機(jī)原型機(jī)需要測(cè)試大量數(shù)據(jù)，為了得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，原型機(jī)對(duì)測(cè)試時(shí)的轉(zhuǎn)速精度要求極高。

試驗(yàn)時(shí)50MW燃機(jī)需要通過高壓電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，燃?xì)廨啓C(jī)的拖動(dòng)系統(tǒng)包括拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)、液力耦合器、齒輪箱三個(gè)部分，電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，調(diào)節(jié)液力耦合器輸出功率，通過齒輪箱后對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行調(diào)速。由于液力耦合器的固有特性，僅通過液力耦合器進(jìn)行調(diào)速在低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷要求時(shí)不能精確、穩(wěn)定地控制轉(zhuǎn)速；同時(shí)，由于試驗(yàn)平臺(tái)特性，機(jī)組啟停會(huì)比較頻繁。鑒于電機(jī)功率高達(dá)20MW，即使用了液力耦合器啟動(dòng)，電機(jī)啟動(dòng)電流仍然較大，易對(duì)電網(wǎng)形成沖擊，也不利于電機(jī)的安全運(yùn)行。若全部采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)方式進(jìn)行調(diào)速，為了滿足全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)需求，就需按照電機(jī)額定功率配置變頻器，造成變頻器成本會(huì)成倍數(shù)地增加，平臺(tái)建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性下降，而且特大容量變頻器系統(tǒng)可靠性也不易得到保證。

通過綜合論證，試驗(yàn)平臺(tái)最終選擇了1臺(tái)20MW的拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)、液力耦合器、齒輪箱、1臺(tái)10MVA容量高壓變頻器組成拖動(dòng)系統(tǒng)，成功解決了該試驗(yàn)平臺(tái)在50MW燃機(jī)各個(gè)階段測(cè)試所需。最終，國(guó)內(nèi)首臺(tái)自主研發(fā)F級(jí)50MW重型燃?xì)廨啓C(jī)于2019年9月在這套試驗(yàn)平臺(tái)上點(diǎn)火試驗(yàn)成功，2019年12月投入應(yīng)用。

1 系統(tǒng)組成

50MW燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)試驗(yàn)臺(tái)電機(jī)額定功率為20MW，電壓10kV，同步電動(dòng)機(jī)，采用無(wú)刷勵(lì)磁。傳動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示，電氣驅(qū)動(dòng)一次原理圖如圖2所示。

燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)如下：電動(dòng)機(jī)類型為三相異步電動(dòng)機(jī)，電機(jī)功率為20MW，額定電壓10kV，額定電流1116A，額定轉(zhuǎn)速1500r/min。

變頻器選型及主要參數(shù)如表1所示。

2 燃?xì)廨啓C(jī)試驗(yàn)平臺(tái)及主要調(diào)速設(shè)備的工作原理

圖1 重型燃機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)圖

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)一次原理圖

表1 變頻器基本參數(shù)

（1）燃?xì)廨啓C(jī)屬于旋轉(zhuǎn)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，是將連續(xù)流動(dòng)的燃?xì)庾鳛楣べ|(zhì)，然后將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)子機(jī)械能。其主要系統(tǒng)包括壓氣機(jī)、燃燒室、控制系統(tǒng)、輔助機(jī)械及透平三大部件。工質(zhì)的工作流程需要經(jīng)過吸氣壓縮、燃燒加熱、膨脹做工、排氣放熱四個(gè)步驟，在這個(gè)過程中熱力會(huì)通過循環(huán)方式來(lái)轉(zhuǎn)換能量。加熱后的高溫燃?xì)獾淖鞴δ芰︼@著提高，因而燃?xì)馔钙皆趲?dòng)壓氣機(jī)的同時(shí)，尚有余功作為燃?xì)廨啓C(jī)的輸出機(jī)械功帶動(dòng)其他負(fù)載或發(fā)電機(jī)。

（2）針對(duì)燃機(jī)試驗(yàn)時(shí)不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷情況需求，變頻器接收上端指令控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，與液力耦合器相互配合運(yùn)行實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)及燃機(jī)透平的調(diào)速。當(dāng)試驗(yàn)要求小于7500kW負(fù)荷情況下時(shí)，將液力耦合器的導(dǎo)葉根據(jù)實(shí)際情況調(diào)至固定值，通過變頻器控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)、燃機(jī)透平葉輪的調(diào)速；當(dāng)需要轉(zhuǎn)速升高在高負(fù)荷狀態(tài)下時(shí)，首先變頻器需調(diào)整電機(jī)至50Hz狀態(tài)，然后同期并網(wǎng)實(shí)現(xiàn)變頻到工頻的切換，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)在工頻下運(yùn)行，再通過調(diào)節(jié)液力耦合器導(dǎo)葉實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)、燃機(jī)透平葉輪的調(diào)速。

（3）液力耦合器優(yōu)勢(shì)：液力耦合器的輸出轉(zhuǎn)速比輸入轉(zhuǎn)速低，可消除彼此之間的沖擊與振動(dòng)；當(dāng)外界施加的負(fù)荷逐漸減小時(shí)，液力耦合器的轉(zhuǎn)速會(huì)逐漸增加，直到接近輸入軸的轉(zhuǎn)速，使傳遞的轉(zhuǎn)矩逐漸趨近于零。

（4）多電平高壓變頻器工作原理：多電平變頻器采用若干個(gè)獨(dú)立的低壓功率單元串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓輸出，10kV輸出電壓等級(jí)的變頻器由24個(gè)相同的功率單元模塊構(gòu)成，每8個(gè)模塊為1組，分別對(duì)應(yīng)輸出電源的A、B、C三相。變頻器脈沖數(shù)多達(dá)48個(gè)，輸出諧波低，dv/dt極低，無(wú)需增加任何濾波器可直接拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)。由于頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，按照設(shè)定的V/F曲線調(diào)節(jié)變頻器頻率從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

3 系統(tǒng)控制方案概述

重型燃機(jī)壓氣機(jī)有1-17級(jí)，在壓氣機(jī)的1-17級(jí)各級(jí)試驗(yàn)過程中，在低負(fù)荷范圍內(nèi)采用變頻器驅(qū)動(dòng)，在高負(fù)荷范圍內(nèi)采用工頻驅(qū)動(dòng)。

4 問題分析及解決方法

4.1 變頻調(diào)速過程中變頻器負(fù)荷計(jì)算及容量選擇

變頻器在運(yùn)行過程中重要運(yùn)行點(diǎn)的負(fù)載情況如表2所示。

表2 變頻器運(yùn)行過程中重要運(yùn)行點(diǎn)的負(fù)載情況

變頻器選擇容量為10MVA。在表2中的各試驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)，電機(jī)輸出軸功率都大于總負(fù)載，變頻器能夠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正常運(yùn)行。

4.2 變壓器的操作過電壓和勵(lì)磁涌流

該項(xiàng)目中，由于變頻器容量達(dá)到了10MVA的規(guī)格，變頻器配置2臺(tái)容量為5785VA的移相變壓器，合閘時(shí)將會(huì)產(chǎn)生操作過電壓及勵(lì)磁涌流較大的問題，對(duì)上端電網(wǎng)和進(jìn)線開關(guān)造成較大的沖擊。對(duì)此，采用東方日立公司的合閘低涌流技術(shù)（LSCT），以解決操作過電壓及勵(lì)磁涌流問題，保證移相變壓器在合閘時(shí)不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成沖擊。原理如圖3所示。

4.3 變頻器制動(dòng)回路選擇

當(dāng)燃機(jī)點(diǎn)火時(shí)，在極端情況下燃機(jī)驅(qū)動(dòng)軸系拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速可能高于電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)建立的轉(zhuǎn)速，這將導(dǎo)致能量倒灌入變頻器。能量倒灌將使單元直流母線電壓升高，引起變頻器過壓故障，試驗(yàn)平臺(tái)不能正常運(yùn)行。因此，為變頻器每個(gè)功率單元設(shè)置了制動(dòng)單元，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到直流母線電壓升高到預(yù)設(shè)的閾值時(shí)，系統(tǒng)控制制動(dòng)IGBT導(dǎo)通，倒灌的能量將在制動(dòng)電阻上消耗掉，達(dá)到制動(dòng)的目的。

帶制動(dòng)功能功率單元原理圖如圖4所示。

4.4 壓氣機(jī)各級(jí)試驗(yàn)變頻器和液力耦合器協(xié)調(diào)控制、運(yùn)行方式

圖3 抑制過電壓及電磁涌流原理圖

圖4 帶制動(dòng)功能功率單元原理圖

（1）壓氣機(jī)9-17級(jí)試驗(yàn)狀態(tài)。采用變頻器全程驅(qū)動(dòng)的模式?？刂品桨溉缦拢阂毫︸詈掀鲗?dǎo)葉全關(guān)（注油前）→變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)至150r/min→液力耦合器注油→變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)至317r/min→液力耦合器導(dǎo)葉開度根據(jù)試驗(yàn)方案調(diào)節(jié)→變頻器根據(jù)試驗(yàn)需要給定電機(jī)轉(zhuǎn)速。

（2）壓氣機(jī)1-8級(jí)試驗(yàn)狀態(tài)。在低負(fù)荷范圍內(nèi)（424～1130r/min）采用變頻器驅(qū)動(dòng)，在高負(fù)荷范圍內(nèi)（1130r/min以上）采用工頻驅(qū)動(dòng)?？刂品桨溉缦拢阂毫︸詈掀鲗?dǎo)葉全關(guān)（注油前）→變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)至150r/min→液力耦合器注油→變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)至424r/min→液力耦合器導(dǎo)葉開度根據(jù)試驗(yàn)方案調(diào)節(jié)→變頻器在424～1130r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)根據(jù)試驗(yàn)需要給定電機(jī)轉(zhuǎn)速完成低負(fù)荷段試驗(yàn)→液力耦合器導(dǎo)葉全關(guān)→變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)至1495r/min→檢同期→并網(wǎng)→電機(jī)投入工頻運(yùn)行→通過液力耦合器調(diào)速繼續(xù)做1130r/min轉(zhuǎn)速以上試驗(yàn)。

（3）壓氣機(jī)1-17級(jí)試驗(yàn)狀態(tài)：在低負(fù)荷范圍內(nèi)（424～989r/min）采用變頻器驅(qū)動(dòng)，在高負(fù)荷范圍內(nèi)（989r/min以上）采用工頻驅(qū)動(dòng)?？刂品桨溉缦拢阂毫︸詈掀鲗?dǎo)葉全關(guān)（注油前）→變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)至150r/min→液力耦合器注油→變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)至424r/min→液力耦合器導(dǎo)葉開度根據(jù)試驗(yàn)方案調(diào)節(jié)→變頻器在424～989r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)根據(jù)試驗(yàn)需要給定電機(jī)轉(zhuǎn)速完成低負(fù)荷段試驗(yàn)→液力耦合器導(dǎo)葉全關(guān)→變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)至1495r/min→檢同期→并網(wǎng)→電機(jī)投入工頻運(yùn)行→通過液力耦合器調(diào)速繼續(xù)做989r/min轉(zhuǎn)速以上試驗(yàn)。

通過以上方式，系統(tǒng)在全轉(zhuǎn)速段內(nèi)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速可控、電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速控制精度達(dá)到試驗(yàn)臺(tái)要求。同時(shí)，由于采用了變頻啟動(dòng)，電機(jī)啟動(dòng)電流小，對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)幾乎無(wú)沖擊，保證了電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定。

5 結(jié)束語(yǔ)

作為機(jī)械調(diào)速的液力耦合器在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用已相當(dāng)普遍，利用大型電機(jī)配液力耦合器對(duì)負(fù)載進(jìn)行調(diào)速已經(jīng)是相當(dāng)成熟的技術(shù)，應(yīng)用廣泛；高壓變頻器和液力耦合器、大型電機(jī)相結(jié)合的控制方式在工業(yè)生產(chǎn)中也有比較多的應(yīng)用，但一般是用在連續(xù)運(yùn)行的工藝系統(tǒng)上，變頻器需要完全根據(jù)負(fù)載特性選取所需的最大容量。試驗(yàn)平臺(tái)具有系統(tǒng)不連續(xù)運(yùn)行、隨時(shí)啟動(dòng)、測(cè)試范圍寬、控制精度高、處于隨時(shí)待命狀態(tài)的特點(diǎn)，采用高壓變頻器、能量制動(dòng)控制技術(shù)、液力耦合器、同期并網(wǎng)等相結(jié)合的技術(shù)開展燃?xì)廨啓C(jī)試驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)在技術(shù)上是可行的，投資也比較合適，現(xiàn)已得到成功應(yīng)用，該技術(shù)可以推廣。同理，這套系統(tǒng)也可用于大型風(fēng)洞、大型水泵、大型風(fēng)機(jī)、大型壓氣機(jī)等相同類型的試驗(yàn)平臺(tái)。