Research and Application of High power Frequency converter Replacement

1中石油管道有限责任公司西气东输分公司

2上海能传电气有限公司

 关键词：  西气东输  变频器   国产化替代  励磁同步电机

1引言

随着国家能源局在2009年牵头开展长输管道关键设备的国产化项目以来，20MW级国产化大功率变频器已获得成功应用并已实现量产，在天然气长输管道压气站已有近百套运行业绩，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。经过数年的现场运行验证表明，国产高压变频器在技术性能上完全可以满足电驱压气站的应用要求，部分技术指标优于进口机组，且在成本和售后服务等方面有巨大的优势。

西气东输某压气站1#机组为电驱压缩机组，原主要设备为某国际公司生产，由高压变频调速装置、18.5MW同步电机和压缩机组成，于2013年建成投产，随着时间的推移，其设备的维护成本日益增高，经过多方考虑，2018年决定采用H桥功率单元级联式的国产高压变频器^[1]，实现对此进口高压变频器的替代改造。要实现20MW级变频设备的替代改造，要求变频器必须适应已有电机，且控制性能要达到原有进口品牌的控制性能。而现场已安装电机的设计参数除了铭牌参数外其它均为未知参数，这给变频器设备的设计和控制上带来难度。本文的主要内容是对前期方案设计的难点以及解决方案进行说明，并通过现场的调试至最终投运的运行数据对方案进行验证。

2 技术难点与方案设计

此次变频设备的替代改造主要涉及的设备包含20MW级变频器一台，励磁装置一台，单元水冷装置一套，在原有变频装置的安装空间内完成设备的整体替换，在技术方案上，需要着重考虑以及解决的问题主要有：

1， 低压预充电的核相以及逻辑处理

2， 无刷励磁的匹配以及电机参数的辨识

3， 低电电压穿越的实现

4， 电机转子初始位置的测定以及失步检测

5， 电机功率因数的控制

2.1 低压预充电的核相以及逻辑处理

现场原变频设备采用低压预充电的方式进行设备的预充电，由于现场10kV/380V变压器存在相角移相，进行低压预充完毕后合高压输入需要考虑移相角的差异，而现场无法提供确定的移相角度，为解决此问题，需要对现场可能出现的移相角度有充分的预案，设计时对输入移相变压器的角度进行约定，包含有与输入电压超前与滞后30°以及60°的相位输出，并对低压预充变压器进行定制，可通过调整接线端子进行相位的180°调整，基本保证能够覆盖现场可能出现的各种移相可能，低压预充电结构如图所示，系统准备高压上电时，首先通过低压预充变压器对变频系统进行反送电操作，并且使移相变压器输入端的相位与用户10kV侧的相位保持一致，当系统充电至额定80%以上时，合高压输入，有效减小对电网的冲击。

图1   低压预充电电气原理图 

2.2 无刷励磁柜的匹配以及电机参数辨识

原配置的励磁同步电机励磁装置由于控制接口不明，无法进行有效的控制，因此改造中需对励磁装置进行替换，下图是无刷励磁柜的系统框图，其中虚线部分为现场励磁同步电机，在原有励磁机以及励磁装置整定参数不明确的前提下，需要通过励磁柜实际的激磁测试与数据反馈分析以确定励磁设备的驱动参数。

图2   无刷励磁柜的系统框图

电机参数只能由现场电机铭牌获得，铭牌内容如下表所示。

由于电机的其它设计参数不明确，只有获得准确的电机参数，才能够实现准确的电机转速控制^[2]，因此需要现场通过对电机空载驱动进行电机参数的辨识，主要获取的参数有定子电阻Rs，定子漏感Ls，d轴反应电抗Lad，q轴反应电抗laq，d轴时间常数Td，q轴时间常数Tq以及磁化曲线，获取上述电机参数可以实现系统带负载更加稳定的运行。为获取上述参数，需要在现场电机空载时，通过对电机加直流，短时堵转以及旋转中改变励磁电流给定和速度给定的方式计算获得，变频驱动励磁同步电机采用下图开环矢量控制的方式，其中磁链观测器通过对电机电压以及电流的检测结合电机参数可实时计算出电机的转速以及转子位置，无需额外配置硬件速度传感器。

图3    变频驱动励磁同步机控制框图

2.3  低电压穿越的实现

现场设备在运行过程中，如果因为电网的短时失压造成故障跳机，势必会影响整个系统的正常运行，为有效避免此问题，变频设备增加低电压穿越的功能，具体实现的方法是：对于短时的电网失电（如100ms），系统的进线开关不动作，变频器驱动电机进行转矩限幅操作，待电网恢复正常后，取消转矩限幅，正常驱动电机运行；对于较长时间的电网失压（如2s），考虑电压恢复时输入变压器的励磁涌流冲击，需要重新投入低压预充电逻辑，电网失压时间较长时，系统首先断开高压输入开关，投入低压预充电回路，待电网电压恢复后，通过低压预充对系统缓充电，然后再合高压输入开关，有效避免电网恢复时的电流冲击。变频器在高压输入开关断开的时间内对电机进行转矩限幅驱动，从旋转的电机中吸收能量维持单元的直流电压，待高压输入开关再次闭合后恢复正常驱动，有效的避免系统出现故障停机。

2.4  电机转子初始位置的测定以及失步检测

     变频系统采用开环的矢量控制方式，每次开机对电机进行驱动前，都需要首先测定转子的初始位置，以避免定子电压产生的磁场与转子磁场由于方向不一致产生大的电流冲击，损坏机械设备^[3]。电机转子初始位置无法直接检测，在不确定转子位置之前使定子输出电压有可能会出现系统的电流冲击，为解决此问题，在变频器每次驱动电机前，通过控制励磁柜激磁的方式来获取电机转子的初始位置，在同样的方向对电机定子输出电压矢量控制，能够确保电机的平稳启动。此解决方案不仅可以实现电机的平稳驱动，在前期调试过程中，变频器不上高压电时通过此方法即可实现对电机转子位置的检测，又可提前确认变频器与励磁装置以及励磁机之间的硬件回路是否良好，节省了上高压后的系统调试时间。

     变频器驱动励磁同步电机运行过程中，若定子磁场与转子磁场之间角度较大时，如下图所示，会造成电机磁链的紊乱，造成电机的转速波动以及电流冲击，造成机械与电气的损伤，为避免此问题，系统增加失步检测保护，对电机的功角进行实时计算，当功角大于设定的保护阈值时，进行保护停机。

图4   励磁同步电动机励磁回路

2.5 电机功率因数的控制

     变频器驱动励磁同步电机时，功率因数控制为1时，需要变频器的容量最小，但研究现场电机以及励磁机参数可以推断，实际负载运行中需要变频器输出无功励磁电流以补偿电机的磁通，但具体输出多少无功电流不能确定，因此驱动方案采用恒功率因数的闭环控制，在系统驱动转矩大于一定数值时，系统的功率因数控制目标值由1逐步过渡至0.95。

励磁同步电动机定子电压、电流稳态矢量图绘于下图，图中电压矢量u^s和电流矢量i^s间的夹角被称为外功率因数角^[4]，它就是电动机的功率因数角f 。

图5  定子电压、电流稳态矢量图

图3中功率因数控制器完成定子电流磁化分量给定i^s_f1^*的计算，其方法为：

第1步    先根据设定的功率因数cosf ^*算出tg f ^*

第2步    计算定子电流转矩分量给定i^s_f2^*的绝对值︱i^s_f2^*︱

第3步    按下式计算i^s_f1^*

3 调试与数据

通过现场调试，顺利完成了逻辑信号以及保护信号的对接，相关的控制与保护逻辑均由变频装置完成，低压预充测试，电机空载驱动到最终变频器驱动压缩机投运，由于涉及内容较多，对调试数据不逐一列举，只对关键调试过程进行相关陈述。

3.1低压预充电逻辑的验证性测试

   拆除进线变压器的连接排，通过空合进线开关的方式获取用户侧10kV/380V的相位差异，根据相位差异调整低压预充电相关接线，最终使低压预充电相位与高压进行相位一致，经过三次预充电上高压的测试，均能顺利完成系统上高压的操作，用户10kV侧最大峰值电流不到50A，改造后的变频装置上高压对现场其它设备基本无影响，记录表如下表所示。

预充电记录波形如下图所示，其中C1为380V侧电压波形、C2为变频器输入侧10kV电压波形、C3为预充电变压器电流波形。

图6  低压预充电波形

3.2测转子位置测试

   在电机转子静止时，采用激磁方式对转子位置进行检测，测得电机三相电压反馈波形见下图所示，经过多次测试，电机转子位于不同位置均能准确获得转子位置。

图7  励磁激磁反馈波形

3.3电机空载驱动测试

现场首先对电机的静态参数测定，然后空载驱动电机对部分参数进一步测定，测定完毕后驱动电机空载运行，空载驱动电机最高运行至5040r/min,电机电压波形如下图所示，电机从静止至最高转速整个运行过程中电压电流以及转速平稳。运行数据记录见表3，同时通过空载运行的控制参数调整，优化了电机的驱动性能，为变频器最终驱动压缩机带载运行打下良好基础。

图8  电机空载5040r/min三相电压波形

3.4 负载运行数据

   国产化变频器驱动压缩机最终实现带载运行，负载运行数据记录见下表，变频器最大驱动输出功率达到17.5MW，由运行数据记录表可以看出，在各个转速点国产化变频器驱动效率约为98%。通过恒功率因数0.95的控制，在电机输出功率17.5MW时励磁电流为103.7A，控制在励磁机额定励磁115A以内，此时电机电流为1351A，满足现场最大驱动功率需求的同时电机电流仍然控制在额定电流以内。

通过与进口变频器驱动的历史数据对比，国产变频器的驱动性能以及运行数据与原进口变频器相当，通过优化参数控制以及功率因数调整，此次替代改造提高了系统的驱动效率，运行数据对比见下表所示，表中选取了较为接近的驱动工况下的运行数据进行对比。

    国产化变频设备替代改造完毕，变频设备驱动电机以及压缩机正式投运后，根据现场用户反馈，在现场出现高压短时跌落后，变频设备正常驱动运行，验证了低电压穿越功能的有效性。3.5  低电压穿越的有效性验证

4  总结

此次大功率20MW级变频调速装置的国产化替代改造，不仅在西气东输尚属首次，在国内同行业内外也无先例，完全没有成熟的经验可以借鉴，此次替代改造综合评估可节约相关费用500万元，国产化变频器至今已经稳定运行5000多小时，稳定可靠的保障着西气东输的正常运行，为今后各压气站以及重要装备国产化替代改造提供了重要参考和借鉴。