一種高壓變頻器電網(wǎng)電壓故障控制方法及其在天然氣長輸管線中的應(yīng)用

袁獻(xiàn)忠 吉 敏 卓 麟 譚保羅

（國家管網(wǎng)集團川氣東送天然氣管道有限公司，武漢 430000）

0 引言

隨著近年來國產(chǎn)大容量高壓變頻器的成熟應(yīng)用，新建的天然氣長輸管線電驅(qū)壓氣站已大批量采用國產(chǎn)大容量高壓變頻器作為壓縮機的驅(qū)動裝 置[1-2]。單元串聯(lián)型高壓變頻器輸出電壓可達(dá)10kV甚至更高，輸出無需增加升壓變壓器即可以驅(qū)動10kV電動機，且輸入輸出波形好，無需輸入輸出濾波器，是國產(chǎn)大容量高壓變頻器的主流方案。

壓縮機組是天然氣長輸管線的核心裝置，對設(shè)備的穩(wěn)定性要求很高，相對壓縮機組中的壓縮機和電動機來說，由于變頻器屬于電子設(shè)備，系統(tǒng)更加復(fù)雜，其對供電質(zhì)量的要求也相對較高[3-4]。而供電電網(wǎng)由于突發(fā)自然災(zāi)害、零星異物漂浮、野蠻施工破壞、配電系統(tǒng)短路故障等原因，不可避免會出現(xiàn)電網(wǎng)電壓跌落等供電異常問題[5]。當(dāng)供電電網(wǎng)出現(xiàn)異常時，對變頻器的影響更大。根據(jù)統(tǒng)計，導(dǎo)致壓縮機組停機的原因中，電網(wǎng)電壓的短時跌落或者短時中斷故障占據(jù)了其中相當(dāng)大的比例[6]。因此，研究單元串聯(lián)型高壓變頻器在電網(wǎng)電壓故障下的持續(xù)運行控制方法具有重要的意義[7-8]。

1 高壓變頻器電網(wǎng)電壓故障控制原理及 方法

應(yīng)用于天然氣長輸管線電驅(qū)壓縮機組的國產(chǎn)大容量高壓變頻器一般采用基于磁鏈定向的電動機矢量控制算法，為雙閉環(huán)控制，外環(huán)為轉(zhuǎn)速環(huán)和磁通環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。功率單元采用交-直-交型電壓源型拓?fù)?，整流環(huán)節(jié)采用三相全橋二極管不控整流方式。在正常運行工況，變頻器驅(qū)動電動機作為電動機運行，變頻器輸出有功功率，穩(wěn)態(tài)時，功率單元的直流母線電壓平均值與功率單元輸入交流電壓有效值的關(guān)系為

式中：Udc為功率單元直流母線電壓平均值；Uac為功率單元輸入交流線電壓的有效值。由式（1）可見，正常運行時，若電網(wǎng)電壓跌落或中斷，會導(dǎo)致功率單元的輸入交流電壓Uac也隨之跌落或中斷，從而導(dǎo)致功率單元的直流母線電壓Udc也跌落或中斷，造成變頻器的輸出電壓能力下降甚至觸發(fā)功率單元的欠電壓故障。而變頻器輸出電壓能力降低后，若變頻器仍需要輸出較高電壓，則會使變頻器處于過調(diào)制狀態(tài)或出現(xiàn)電流環(huán)飽和現(xiàn)象，過調(diào)制會使電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器處于非線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，容易導(dǎo)致輸出過電流故障，而電流環(huán)作為控制內(nèi)環(huán)，內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器飽和是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中的不穩(wěn)定狀態(tài)，也會導(dǎo)致輸出過電流故障。不管是功率單元欠電壓故障還是過電流故障，變頻器一旦檢測到故障狀態(tài)，就會進(jìn)入 故障處理邏輯，封鎖輸出脈沖，即使采用自動復(fù)位流程，也會由于自動復(fù)位邏輯的邏輯判斷延時，以及復(fù)位后系統(tǒng)的自檢流程等，導(dǎo)致自動復(fù)位處理流程的時間較長，在此過程中可能會導(dǎo)致壓縮機轉(zhuǎn)速下降過多觸發(fā)工藝聯(lián)鎖故障，或者導(dǎo)致其他輔助系統(tǒng)報故障的風(fēng)險。因此，在電壓跌落或中斷時，應(yīng)采取一定的控制方法，盡可能地保持變頻器的運行狀態(tài)，盡量少地觸發(fā)其自動復(fù)位功能。

由上述分析可知，變頻器電網(wǎng)電壓故障控制的關(guān)鍵是如何在電網(wǎng)電壓跌落或中斷時，盡量避免輸出過電流故障和功率單元欠電壓故障，在電網(wǎng)電壓恢復(fù)時，又可以自動恢復(fù)至正常運行狀態(tài)。

電網(wǎng)電壓故障控制方法框圖如圖1所示，是本文提出的一種應(yīng)用于單元串聯(lián)型高壓變頻器的電網(wǎng)電壓故障控制方法，尤其適用于風(fēng)機、壓縮機等大慣量負(fù)載。

圖1 電網(wǎng)電壓故障控制方法框圖

由圖1可知，來自用戶的電動機轉(zhuǎn)速設(shè)定值ωset與實時檢測得到的電網(wǎng)三相電壓有效值的平均值送入轉(zhuǎn)速給定限幅模塊，轉(zhuǎn)速給定限幅模塊的輸出作為轉(zhuǎn)速環(huán)的轉(zhuǎn)速參考值*ω，轉(zhuǎn)速給定限幅模塊的功能是檢測到電網(wǎng)電壓跌落或中斷時，限制轉(zhuǎn)速參考值的大小，避免變頻器在電網(wǎng)電壓跌落時，由于輸出電壓能力的下降而運行于過調(diào)制狀態(tài)，導(dǎo)致變頻器的穩(wěn)定裕度下降，從而避免電流環(huán)出現(xiàn)飽和的隱患。

根據(jù)電動機特性，在額定轉(zhuǎn)速以下，電動機的輸出電壓與電動機的轉(zhuǎn)速基本成正比，通過限制電動機的轉(zhuǎn)速參考值，可避免變頻器在所需電壓超過變頻器輸出電壓能力范圍的情況下運行的風(fēng)險，有助于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落到接近功率單元的欠電壓保護(hù)閾值時，圖1中點劃線框中的母線電壓閉環(huán)控制模塊將會投入，轉(zhuǎn)速環(huán)將會處于旁路狀態(tài)。

在圖1中，轉(zhuǎn)速參考值ω*與電動機轉(zhuǎn)速ω的差值通過轉(zhuǎn)速環(huán)PI調(diào)節(jié)器后得到轉(zhuǎn)矩給定值除以磁通值ψ后，得到轉(zhuǎn)矩電流給定值。為了防止電網(wǎng)電壓跌落幅值太大或短時中斷時造成的功率單元欠電壓故障，控制系統(tǒng)中增加了母線電壓閉環(huán)控制模塊，如圖1中點劃線框中所示，為功率單元直流母線電壓最小參考值，遠(yuǎn)小于額定的直流母線電壓，(i= 1,2,… ,n)為每個功率單元的實測母線電壓，n為功率單元個數(shù)，(i=1,2,… ,n)取最小值與的差值經(jīng)過母線電壓PI調(diào)節(jié)器后得到母線電壓閉環(huán)控制模塊的輸出，母線電壓PI調(diào)節(jié)器的上限值為一個較大值，遠(yuǎn)大于額定轉(zhuǎn)矩電流，取與前述中的最小值作為轉(zhuǎn)矩電流調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)矩電流參考值。

高壓變頻器電網(wǎng)電壓故障控制方法流程如圖2所示。電網(wǎng)電壓正常時，(i= 1,2,… ,n)的最小值也大于，母線電壓PI調(diào)節(jié)器飽和，大于，轉(zhuǎn)矩電流參考值即為轉(zhuǎn)速環(huán)的輸出，系統(tǒng)正常調(diào)速運行；當(dāng)母線電壓由于電網(wǎng)電壓跌落的幅值過大或短時中斷時，(i= 1,2,… ,n)也減小，當(dāng)小于后，母線電壓PI調(diào)節(jié)器退出飽和，調(diào)節(jié)器穩(wěn)定后，為負(fù)值，和二者取最小值后，也為負(fù)值，即電動機作為發(fā)電機運行，將電動機和負(fù)載的動能轉(zhuǎn)化為電能，給功率單元充電，維持功率單元母線電壓，防止出現(xiàn)功率單元欠電壓故障；若此后電網(wǎng)電壓恢復(fù)，則也變大，母線電壓PI調(diào)節(jié)器重新進(jìn)入飽和狀態(tài)，系統(tǒng)自動恢復(fù)至正常運行狀態(tài)，若電網(wǎng)電壓長時間沒有恢復(fù)，電動機及負(fù)載的動能耗盡后，變頻器才觸發(fā)功率單元欠電壓故障，根據(jù)參數(shù)設(shè)定，變頻器可以執(zhí)行自動復(fù)位功能嘗試待電壓恢復(fù)后再起機或直接停機。

圖2 高壓變頻器電網(wǎng)電壓故障控制方法流程

2 電網(wǎng)電壓故障控制方法在天然氣長輸管線電驅(qū)壓氣站中的應(yīng)用

國內(nèi)某天然氣長輸管線壓氣站設(shè)計有3套電驅(qū)壓縮機組，功率均為7 000kW，電動機參數(shù)見表1。

表1 電動機參數(shù)

高壓變頻器采用國產(chǎn)上海能傳電氣有限公司的NC HVVF系利高壓變頻器，其一次接線如圖3所示。系統(tǒng)采用高壓功率單元串聯(lián)式拓?fù)?，每?個1 750V/1 000A的水冷功率單元串聯(lián)，整機共6個功率單元，輸入移相整流變壓器的二次側(cè)有6個繞組，分別為6個功率單元供電，每個二次繞組的移相角度錯開10°，形成輸入36脈沖整流結(jié)構(gòu)。為防止上高壓時的勵磁涌流，采用高壓預(yù)充電電阻R加旁路開關(guān)QF2實現(xiàn)變頻器的預(yù)充電功能，上高壓時QF2先斷開，上級進(jìn)線開關(guān)QF1先合閘，通過預(yù)充電電阻R為變頻器功率單元充電，充電完成后，閉合QF2，將預(yù)充電電阻旁路，完成系統(tǒng)上高壓邏輯。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落幅度太大或完全失電時，需要考慮電壓恢復(fù)時的高壓預(yù)充電上電邏輯，防止勵磁涌流過大導(dǎo)致前級綜保故障而造成高壓上電失敗。

圖3 NC HVVF高壓變頻器一次接線

為滿足現(xiàn)場對高壓變頻器電網(wǎng)電壓故障控制功能的需求，NC HVVF高壓變頻器采用本文提出的電網(wǎng)電壓故障控制方法。現(xiàn)場帶負(fù)載調(diào)試時，人為斷開上級進(jìn)線開關(guān)QF1并立即重新合閘，進(jìn)行電驅(qū)壓縮機組的電網(wǎng)電壓故障控制功能測試，利用示波器測得的波形如圖4所示。圖4中的4條波形曲線從上至下分別為輸入電壓 inU、輸入電流inI、輸出電流outI、預(yù)充電電阻旁路開關(guān)QF2的觸頭反饋信號（高電平為合閘，低電平為分閘）。由圖4可見，變頻器控制系統(tǒng)檢測到電網(wǎng)失電時，系統(tǒng)立即進(jìn)入電網(wǎng)電壓故障處理流程，輸出電流限制為較小電流，并為功率單元反向充電，變頻器吸收有功功率，以維持功率單元的控制部分的供電，同時將轉(zhuǎn)速給定值限制為較小值；由于電網(wǎng)電壓完全失電，QF2 斷開，將預(yù)充電電阻重新投入，防止電網(wǎng)電壓恢復(fù)后產(chǎn)生的勵磁涌流；電網(wǎng)失電約2s后，重新恢復(fù)，單元經(jīng)預(yù)充電電阻充電完成后，QF2閉合；控制系統(tǒng)檢測到QF2的閉合信號后，退出電網(wǎng)電壓故障處理流程，變頻器輸出有功功率，且電流逐漸變大，電動機重新加速至原先的設(shè)定值，恢復(fù)正常運行。

圖4 電網(wǎng)電壓故障控制功能測試波形

3 結(jié)論

本文提出的高壓變頻器電網(wǎng)電壓故障控制方法，適用于國產(chǎn)高壓變頻器的主流方案——功率單元串聯(lián)型高壓變頻器，可以在電網(wǎng)電壓跌落或中斷時，避免輸出過電流故障和功率單元欠電壓故障，在電網(wǎng)電壓恢復(fù)時，又可以自動恢復(fù)至正常運行狀態(tài)，尤其適用于大慣量負(fù)載，如風(fēng)機、壓縮機等負(fù)載，并且在天然氣長輸管線電驅(qū)壓氣站現(xiàn)場進(jìn)行了實際的電網(wǎng)電壓短時斷電測試。試驗結(jié)果表明，該控制方法可以滿足壓氣站現(xiàn)場對變頻器電網(wǎng)電壓故障控制功能的要求。