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新一代20MW级高压变频器在广州压气站的应用

1 引言

压缩机组是天然气长输管道工程的核心设备,电驱压缩机组具有运行稳定、故障少、操作维护简单、运行维护费用低、效率高、节能降耗、清洁环保等优点。西气东输、陕京线、中贵、中缅、川气东送及正在建设的西三线、中俄东线等项目均采用了大量的变频调速电驱压缩机组。

天然气长输管道的电驱压缩机组的功率大,电压等级高,系统复杂,对设备的稳定性要求近乎苛刻,以前一直采用进口设备。2009年,国家能源局牵头推动长输管道关键设备的国产化,其中就包括20MW级高压变频器的国产化。近年来,随着该项目的成功,国产的20MW级高压变频器已经基本替代了进口机组,在天然气长输管道压气站已有数十套运行业绩,且新建的电驱压气站基本均采用国产的高压变频器作为驱动装置。

亚傅体育app(以下简称“能科股份”)的技术团队结合其在20MW级电驱压缩机组高压变频器的国产化研制及工业性应用实施过程中积累的产品设计和现场应用经验,推出了新一代的NC HVVF系列大功率高压变频器。该产品较上一代的国产机组进行了多项重大改进和升级,使得产品的电气和安全防护性能得以大幅度提升,可以更好地满足天然气长输管道电驱压缩机组的应用需求。该产品已经在西气东输广州压气站实现了成功投运。
 

2 NC HVVF系列新一代20MW级大功率高压变频器

NC HVVF系列高压变频调速装置,是亚傅体育app推出的新一代具有自主知识产权的高性能高可靠性高压交流传动产品。该产品具有高性能高可靠性,在业内通过了安全完整性等级2级(SIL2)国际认证,是拥有改进型变频及电能质量综合装置技术的专利产品(ZL 2015 2 0959509.9),可分时实现变频驱动和无功补偿两大功能。产品中内置的ProCon(Process Continuous)技术可应对电网电压跌落等电能质量问题;TIPM(Transformer Integrity Protect Module)技术可在不增加额外硬件的前提下有效实现对输入移相变压器的二次侧绕组短路保护。

针对长输管道电驱压缩机组及其他应用行业的要求,考虑到日后应用需求和产品的系列化,NC HVVF系列大功率高压变频器的输出电压等级主要为6kV和10kV二种,对应功率单元分别为高压功率单元每相2个串联和高压功率单元每相4个串联,输入均为36脉冲整流,输出相电压分别为5电平和9电平。功率单元额定电流系列为800A,1000A,1450A,1750A和2100A。对应6kV输出电压等级的装置容量为8MVA~21MVA,对应10kV输出电压等级的装置容量为13MVA~36MVA。装置采用单元串联多电平技术,3300V/4500V高压IGBT功率器件,功率单元均采用水冷散热方式,输入移相变压器采用油浸式变压器,控制系统采用DSP+FPGA全数字控制方式,电机控制算法采用高性能矢量控制,下面介绍装置的主要技术特点。

2.1 油浸式移相变压器

NC HVVF系列大功率高压变频器输入移相变压器采用油浸变压器,现场应用时,油浸变压器户外安装,其余柜体室内安装。10kV系列和6kV系列大功率高压变频器配置的油浸移相变压器分别包含12和6组副边绕组,通过副边分别移相结合原边整体移相形成36脉冲整流结构。变压器网侧电流仅含36k±1及以上次谐波,而且各次谐波的有效值与其谐波次数成反比,而与基波有效值的比值是谐波次数的倒数,对电网的谐波污染小,输入功率因数高。

油浸变压器的二次出线经过电缆桥架,由电缆连接到高压功率单元,典型布置图如图1所示。

 

图1 典型的油浸变压器布置图

装置配置的油浸变压器具有如下技术特点:

  1. 采用双器身设计(大于15MW时),低压绕组移相结合高压绕组整体移相,移相角误差小(小于0.6°),可以确保输入谐波较优。
  2. 配置油面与绕组温度保护开关,压力保护装置,瓦斯气体保护装置,油位开关等,对变压器进行监测和保护。
  3. 油浸变压器的器身采用自主研发的紧固工艺;套管、密封材料、结构均采用非标、专门的设计方案,耐用性强,免吊芯。
  4. 制作上采用较特殊的工艺及高等级绝缘材料,局部放电小于70pc,低于国际及国内同类产品标准,延长了变压器使用寿命。

2.2 高压功率单元

NC HVVF系列大功率高压变频器采用功率单元串联式拓扑结构,功率单元采用高压水冷功率单元,与上一代采用低压功率单元的高压变频器相比,功率单元个数减少一半,具有如下技术特点。

  1. 采用高压IGBT作为主电路开关器件,IGBT电压等级为3300V/4500V,应用广泛,产品成熟;与IGCT和IEGT相比,IGBT供货商较多,不存在单一供货商的供货风险,且驱动电路简单,应用灵活;IGBT具有正温度系数,天然均流的特性,易于并联扩容;此外,IGBT适用较高载波频率,适合高频输出;
  2. 功率单元结构全面升级,功率密度更大(提升约15%),母排杂散电感更小;同等体积的功率单元电流规格可做到2100A;
  3. IGBT驱动电路具有开关过程中门极电阻多段切换功能,开关损耗降低约10%,输出dv/dt降低约10%; 具有动态有源电压钳位技术,有效抑制IGBT的尖峰电压;
  4. IGBT并联驱动技术升级,并联IGBT模块的电流不均衡度降低到3%以内;
  5. 采用复合母排,绝缘水平高,抗潮湿和灰尘,适合高海拔应用。
  6. 直流滤波环节采用金属化安全膜电容,长寿命,高纹波电流耐受。
  7. 采用水水冷却,且水电分离,每个功率单元只有一进一出两个水冷管,水冷管数量少,不易漏水,可靠性高。

1550V/1450A的功率单元照片如下图所示

图2 1550V/1450A功率单元照片

2.3 高性能矢量控制

NC HVVF系列大功率高压变频器采用高性能矢量控制算法,具有电机参数离线辨识和在线校正功能,转速控制精度高,转矩动态响应快,调速范围大,采用相同控制软件系统的能科NC EVFD系列工程型变频器已经成功应用于宁波某不锈钢冷轧生产线上。该项目的调速范围要求0%~300%,张力控制精度要求小于1%,整条产线全部采用NC EVFD系列工程型变频器,已经成功投产,实现了冶金行业主轧机生产线全国产化交流传动的成功应用。高性能矢量控制算法框图见图3。


图3 高性能矢量控制算法原理框图

2.4 ProCon技术

NC HVVF系列高压变频器按照我国的实际电网情况进行专门设计,针对电网电压的波动,跌落以及短时断电,内置了先进的提高装置连续运行能力的ProCon(Process Continuous)技术。具有ProCon技术的高压变频器可以应对供电质量问题,尽可能地保证设备不受外部的干扰,保证生产的连续,降低客户的损失。    

Procon技术是针对输电线路遭遇雷击,暴风雪、结冰或其他原因导致的供电电源短时波动,跌落甚至中断时,确保高压变频器及辅助系统持续运行的一整套技术。ProCon集成了多种技术,包括动能缓冲低电压穿越LVRT(Low Voltage Ride Through),动态转速跟踪Spinning Load,平方转矩负载智能限幅,PWM马鞍形调制技术,过调制技术等等,并将这些技术模块有效整合。图4为其中的动能缓冲LVRT的算法框图。


图4 LVRT算法原理框图

2.5 TIPM技术

基于功率单元串联拓扑结构的高压变频器输入多绕组移相变压器是一种特种变压器,与常规的电力变有很大不同,在多绕组变压器的某个二次绕组出现短路,接地,匝间短路等问题时,一次绕组的电流并不会明显变大,常规的采用一次侧配置综保模块对多绕组移相变压器不能做到100%保护。

NC HVVF系列高压变频器内置有多绕组移相变压器的二次绕组故障保护技术(TIPM:Transformer Integrity Protect Module)。在二次绕组出现短路,接地,匝间短路等问题时,通过软件算法,可以第一时间诊断到故障并进行保护,防止故障扩大,消除安全隐患。


3 在西气东输广州压气站的应用

西气东输广州压气站是国家能源局督办的重点项目,对于改善地方产业结构升级和能源结构优化,促进管道沿线经济和社会低碳绿色发展,造福沿线地区人民群众,推动广东省社会经济与环境的良性循环与可持续发展,具有重要的现实和战略意义。

西气东输广州压气站的1#电驱压缩机组采用了能科股份的20MW级高压变频器作为驱动装置,驱动电机为高速同步电机,额定电压10kV,额定功率18MW,额定转速4800rpm,励磁采用异步交流无刷励磁。高压变频器产品型号为NC HVVF 10/10-22000SLONC HVVF为高压变频器产品系列号;10/10表示额定输入电压为10kV,额定输出电压为10kV22000表示变频驱动额定容量为22000kVAS表示驱动同步电机;L表示功率单元水冷散热;O表示采用油浸变压器。

变频器的一次原理框图如图5所示。变频器输入侧采用油浸式变压器,36脉冲整流技术,每个功率单元由变压器具有不同角度相位差的次级绕组供电,可以消除35次及以下的谐波,网侧谐波指标达到国家标准要求,无需配置输入滤波器。因此,基本没有了引发电网谐振的诱因,彻底消除了电网谐振的发生。每相41550V/1450A的高压功率单元串联,形成相电压9电平,线电压17电平输出,输出波形基本为标准正弦波波形,du/dt小,对电机及其连接动力电缆的绝缘无影响,更有利于电机长期稳定运行。

6NC HVVF 10/10-22000SLO的实物图,图7为电机和压缩机的实物图。

图5 高压变频器一次框图
 

图6 NC HVVF 10/10-22000SLO的实物图


图7 电机和压缩机的实物图

新一代20MWNC HVVF系列高压变频器更加适应压气站的应用需求,运行稳定可靠,现场仅用了计划时间的30%就完成了从高压上电到满载投运的整个调试过程,为广州压气站的成功交付使用奠定了良好基础。

8为额定负载时的波形图,图9为额定负载时的输入电流谐波频谱图。

图8 额定负载时的波形图


图9 额定负载时输入电流谐波频谱图

4 结束语

能科股份自主研发的20MW级高压变频器,采用油浸式变压器,高压水冷功率单元,高性能矢量控制算法。该产品较上一代的国产机组进行了多项重大改进和升级,使得产品的电气性能以及安全防护性能得以大幅度提升,可以更好地满足天然气长输管道电驱压缩机组的应用需求。该产品已经在西气东输广州压气站实现了成功投运,对于提升国产电驱压缩机组的整体技术性能具有重要作用,可以在今后的天然气长输管道压气站建设中推广应用。

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