国产化高压变频器在天然气长输管线高陵压气站的应用

竺伟，王永红，陈应敏

（上海广电电气（集团）股份有限公司，上海 201401）

国产化高压变频器在天然气长输管线高陵压气站的应用

竺伟，王永红，陈应敏

（上海广电电气（集团）股份有限公司，上海 201401）

近年来，国内天然气长输管线中的大功率高压变频器一直被国外品牌垄断，这对于国内设备制造业的技术发展和能源安全极为不利。为打破这种垄断，在能源局和中石油的大力支持下，上海广电电气（集团）股份有限公司成功研发和生产了首台20 MW级大功率高压变频器。通过对此系列大功率高压变频器的原理、特点和未来发展趋势的论述以及在首个国产化高陵压气站成功应用的介绍，表明国内变频器厂家已具备自主研发和生产大功率高压变频器的能力，从而打破了国外品牌长期垄断的局面，为客户带来非常可观的经济效益和社会效益。

大功率高压变频器；无速度传感器矢量控制；励磁；水冷；谐波；可靠性

1 引言

大功率水冷高压变频器采用若干水冷功率单元串联的方式实现直接高压输出。该变频器具有容量大，调速性能优，散热效果强，对电网谐波污染小，输入功率因数高，输出波形质量好等特点，并且不会导致电机附加的发热、转矩脉动、噪音等问题。此外，变频器的输出dv/dt及共模电压小，无需配置输出滤波器或电抗器就可以使用普通的交流电机。通过在西气东输二线高陵压气站的实际应用表明：该变频器可以完全满足天然气长输管线工艺调节的需求，同时还具有节能减排的作用。大功率高压变频器的成功国产化可以为客户带来非常可观的经济效益和社会效益。

2 应用案例及原理

长期以来压缩机组核心技术一直为少数几家国外大企业所垄断，为打破国外垄断、促进我国装备工业发展、保证国家能源安全，在国家能源局的统一部署、领导以及中国机械工业联合会的大力支持下，中国石油设立了“西气东输二线工程关键技术研究”重大专项课题，由西气东输管道公司牵头联合国内数家机电制造行业骨干企业承担起20 MW级天然气长输管线关键设备国产化的研制任务，经过两年半的艰难攻关，20 MW级电驱压缩机组如期完成首套机组研制任务并在西二线高陵压气站成功完成了安装、试验并进行了工业性运行。高陵分输压气站也成为了我国首个国产化20 MW级电驱压缩机组工业性试验站、我国首套全国产化压缩机组样板场站。

高陵分输压气站共4台电驱压缩机组，机组为“3台运行+1台备用”配置。电驱压缩机组主要由压缩机、电机和高压变频器组成，高压变频器作为压缩机组的驱动装置，其高性能及可靠性至关重要，是保证整个电驱压缩机组平稳运行的关键设备之一。

高陵压气站选配了由上海广电电气制造的Innovert 10/10-25000S系列交-直-交电压源型高压变频装置。装置输入电压10 kV，输出电压10 kV，适配同步电机功率20 000 kW，其拓扑结构如图1所示。

图1 10 kV变频器拓扑结构示意图Fig.1 Topology structure diagram of 10 kV converter

本案例变频器原理如图2所示，10 kV电网电压经过副边多重化的隔离变压器降压后给水冷功率单元供电，水冷功率单元为三相输入、单相输出的交直交PWM电压源型逆变器结构，水冷功率单元输出叠加后实现接近于正弦波的多电平PWM波形输出，最终实现变频器的高压直接输出，供给高压电动机。本装置采用输入36脉冲二极管整流结构，输出为17相电平33线电平的逆变结构，每相由8个额定电压为660 V，额定电流为1450A的水冷功率单元串联而成，输出额定线电压10 000 V。

图2 10 kV变频器原理图Fig.2 Schematic diagram of 10 kV converter

其控制系统采用DSP+FPGA全数字控制方式，控制策略采用基于定子磁链定向的无速度传感器矢量控制方式，可驱动同步电机或异步电机，具有电机参数自测定功能和功率单元快速旁路功能；功率单元冷却方式采用去离子水密闭循环冷却；同步电机配套励磁装置采用异步交流无刷励磁技术，静止励磁系统采用了冗余设计，具有实时在线切换功能。

本案例的拖动为“一拖一”方案，即一台变频器拖动一台电机，其系统配置如图3所示。

图3 变频器配置框图Fig.3 Configuration diagram of converter

由图3可见，变频器主要包括限流柜、控制柜、隔离变压器、功率单元柜、励磁系统以及水冷系统等。限流柜采用了高压预充电阻为移相变压器预励磁，同时给直流电容器充电，防止了主断路器合闸时的电压降和励磁涌流，结构简单，可靠性高；隔离变压器将电网和水冷功率单元的电源隔离，同时提供了水冷功率单元的输入电压，制造上采用技术成熟的H级绝缘材料，可以做到免维护，每台变压器配置一台综保装置，进行一对一保护，绕组温度保护采用光纤测温装置，温度检测准确，可靠性高；每面功率单元柜内安装有6个水冷功率单元，每个功率单元结构上完全一致，模块化设计，可以互换，简单方便；励磁系统为异步无刷励磁机提供电源，励磁系统的主电路和控制器均采用双套冗余设计，具备在线切换功能，提高了系统的可靠性；水冷系统采用去离子水密闭循环方式，为变频器水冷功率单元提供散热，水冷系统水泵、主要部件及仪表均为冗余配置，可靠性高。

本案例的系统控制方式如图4所示，变频器远程控制由压缩机组UCS完成，通过干接点、4～20 mA模拟量以及总线通讯等方式来完成对变频器的启停、加减速等控制。变频器相关运行参数、状态信号通过变频器控制器上传至UCS；进线开关、电机辅助系统由UCS控制，电机振动信号直接接入UCS系统，进行检测保护，实现变频器室无人操作的设计，降低了人员运行成本。

图4 系统控制框图Fig.4 Block diagram of system control

按照工艺的需求，变频器调速范围控制在额定转速的65%～105%，根据用气量的高峰与低峰时段，通过调节变频器的输出频率进行调速来满足供气量要求，避免在用气低峰时造成的能源浪费，达到最大限度的能源有效利用，实现节能。

3 性能特点

在此案例中，Innovert系列无速度传感器矢量控制高压变频器最大限度地满足了安全可靠的工艺调速要求，主要特点如下。

1）采用无速度传感器矢量控制技术，其无速度传感器矢量控制框图如图5所示，该技术具有调速范围宽、稳态转速精度高、动态转矩响应时间小、启动转矩大等优点，性能指标达到国际先进水平。

2）成熟可靠的高压预充电方案，避免了励磁涌流对电网和移相变压器造成的冲击，变频器启动对电网无冲击，保证了电网和下游设备及压缩机组的运行安全。

图5 电机无速度传感器矢量控制框图Fig.5 Block diagram of speed sensorless vector control

3）36脉冲整流输入，谐波满足IEEE519—1992和GB/T14549标准要求，无需配置输入滤波器。图6为使用谐波分析仪对现场变频器额定运行时所测得的输入电流谐波数据。

图6 输入电流谐波测试数据Fig.6 Test data of input current harmonics

4）输入功率因数＞0.95，无需功率因数补偿装置。

5）17相电平33线电平PWM输出，共模电压和dv/dt低，无需设置输出滤波器或输出电抗器，适用普通电机，较3电平、5电平、9电平等变频拓扑方案，电机发热量低，电机效率高，从而保证整套PDS系统的效率最高，图7为现场实测变频器输出波形图。

图7 变频器输出波形图Fig.7 Output waveforms of converter

6）采用高效水冷技术，体积小，功率柜噪音小于70 dB；水冷系统水泵、主要部件及仪表均为冗余配置，可靠性高。

7）励磁采用异步无刷励磁方式。励磁柜的主电路和控制器均采用双套冗余设计，具备在线切换功能，此技术在行业内属于首创，大大提高了励磁系统的可靠性。

8）可以承受高压-40%的电压下降，抗电网电压跌落能力强。

9）驱动同步电机启动时带转子初始位置自动检测功能，启动平稳，冲击电流小。

10）可实现功率单元自动旁路功能，任一功率单元故障均能够快速自动旁路，保证机组继续运行，该自动旁路功能在旁路时的电压电流波形如图8所示。

11）水冷功率单元模块化，更换维修水冷功率单元简单、方便、快捷，对处于野外，社会依托性差，故障处理能力相对薄弱的天然气长输管道压气站来说，非常有利于机组故障的快速处理，恢复机组运行。

4 应用效果

上海广电电气作为承担20 MW级电驱压缩机组高压变频器国产化研制任务的单位之一，为高陵压气站电驱压缩机组提供了3套高压变频器，分别驱动4#，3#和2#电驱压缩机组，截止至2013年11月20日，3套高压变频器已累计运行10 000 h以上，电驱压缩机组至今稳定运行，在正式投运期间，该3套高压变频器运行故障率为零，表现出其高可靠性和高稳定性。整个调试与试验过程，关键技术指标如输入输出的电压电流谐波，启动冲击电流，调速精度，输出电压电流的不平衡度，满载温升，整机效率等都优于测试大纲和相关标准的规定。

本项目高压变频器采用的异步无刷励磁、无速度传感器矢量控制、功率单元旁路和同步电机转子初始位置检测等技术具有创新性，总体性能指标在特大容量高压变频技术方面达到了国际先进水平。

5 结论

长期以来天然气长输管线压缩机组大功率水冷高压变频器的核心技术一直为少数几家国外大企业所垄断，直至高陵压气站20 MW级电驱压缩机组高压变频器国产化的正式投运，其良好应用效果和其高可靠性、稳定性得到了用户的认可，且上海广电电气高压变频器与国外同等级产品相比，在价格、技术、服务上均有较大优势，打破了长输管线压缩机组变频器领域的国外垄断局面，填补了国内大功率水冷变频器研发生产和实际应用的空白。

此外，上海广电电气在配置多重化油浸式变压器的大功率高压变频器方面也做出了一些有益的探索。公司为西气东输二线上海支干线抚州分输压气站12 MW级变频电驱压缩机组研制项目提供了容量为16 MV·A采用油浸式变压器的无速度传感器矢量控制高压变频器，驱动12 MW级的高速同步电机；该装置已经通过了用户见证试验并交付现场。同时，公司还自主研发了容量为25MV·A配置油浸式变压器的大功率高压变频器，该装置采用25 MV·A油浸式移相整流变压器和高压水冷功率单元，输入10 kV，输出10 kV，输入36脉冲整流，输出为9电平的高压逆变单元结构，其散热与控制性能等同或高于干变配置的25 MV·A高压变频器，该装置已经通过了国家能源科技成果鉴定。

［1］ 韩安荣.通用变频器及其应用［M］.第2版.北京：机械工业出版社，2000.

［2］ 竺伟，陈伯时.高压变频调速技术［J］.电工技术杂志，1999，18（3）：26-28.

［3］ 竺伟，王永红.单元串联多电平高压变频器在天然气长输管线中的应用［J］.中国化工装备，2012（s）：607-611.

［4］ 竺伟，陈伯时，周鹤良，等.单元串联式多电平高压变频器的起源、现状和展望［J］.电气传动，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

竺伟（1973-），男，博士，高级工程师，Email：wei.zhu@iper.com.cn