The Application of TMEIC XL75 High Voltage Inverter Dual Use One Standby Redundancy Scheme in 2.04 Million Tons Per Year K-COT Propylene Refrigeration Compressor of Jingbo Petrochemical Co.LTD.

山东京博石油化工有限公司 周永斌(Zhou Yongbin)

东芝三菱电机工业系统（中国）有限公司 吴自强（Wu Ziqiang）

摘  要：本文简单介绍了采用二用一备在线热冗余方案的东芝三菱的XL75五电平高压变频器，在京博石化K-COT丙烯制冷压缩机上的应用。该系统可以在任一台变频器故障的情况下，利用另外两台变频器继续自动带丙烯压缩机满载运行，变频器的故障不会造成机组停机。

关键词：五电平高压变频器；丙烯制冷压缩机；二用一备在线热冗余

Abstract: This article briefly introduces the application of TMEIC XL75 high voltage inverter dual use one standby redundancy scheme in 2.04 million tons per year K-COT propylene refrigeration compressor of Jingbo Petrochemical Co.LTD.. The system can use the other two inverters to continue the full load operation of the propylene compressor when one inverter fails, and the failure of the inverter will not cause the unit to stop.

Key words: Five-level medium voltage inverter; Propylene refrigeration compressor; Dual use one standby redundancy

1  工艺和设备情况概述

山东京博石油化工有限公司新建一套204万吨/年K-COT制丙烯装置。K-COT制丙烯时，需要丙烯制冷压缩机产生大量的制冷量。

K-COT装置中的工艺气压缩机、丙烯制冷压缩机、乙烯制冷压缩机合称为“三机”。丙烯制冷压缩机的重要性是三机之首，是整个生产工艺中非常重要的设备，对可靠性的要求极高。

丙烯制冷压缩机采用单缸3段5级压缩结构，以满足丙烯压缩机各段压力和温度要求。其中第一段2个叶轮，第二段1个叶轮，第三段2个叶轮。为提高效率，压缩机全部采用高效叶轮。

丙烯制冷循环过程为压缩—冷凝—膨胀（节流）—蒸发，利用丙烯压缩机，将气态丙烯增压后用出口冷凝器的冷却水将气体丙烯冷凝为液体丙烯，再利用节流原理，使液态丙烯在节流阀中降压，使其液相沸点降低，通过蒸发，使液态丙烯在换热器中，蒸发成气态丙烯，吸收用户的热量，达到制冷的目的。

工艺需要的冷却量极大，因此丙烯制冷压缩机有着极为重要的作用，属于系统的核心部分。其可靠性与系统的制冷效果有着直接的关系。

由于系统要求的制冷量是变化的，工艺要求丙烯制冷压缩机进行速度调节。另外工艺上机组不能长期定速运行，因此不需要将电机同步切换到电网工频运行。

2  压缩机的速度调节方式

压缩机的功率很大，工艺要求进行速度调节。传统的方式是用汽轮机调速，需要大量的蒸汽，本项目蒸汽资源不足。而且汽机系统过于复杂，因此采用电机加变频器直接驱动。系统非常简单。

汽驱改电驱，是大功率传动技术发展的趋势。很多汽驱的设备都在由汽驱改电驱。因此电驱就成了该项目的必然选择。而用电驱，就必须用到高压电机和大功率的高压变频器。

随着电力电子技术的发展，变频器的功率也是越做越大。可以满足整套系统的需求。由于电机功率极大，在变频器的方案选择上，需要考虑选择什么样的变频器才能同时满足功率和可靠性的需要。要同时考虑电网电压和容量、整体的效率、功率因数、谐波、器件数量、系统的可靠性。以及故障后所采取的措施等综合因素。

3  电机选择

电机的额定功率21000kW。采用电压源变频，电网侧的功率因数大于0.95。电机的功率因数与电网侧的功率因数无关，因此可以采用4极异步电机。电机可靠性高，成本低，系统简单，电机可以防爆。

电机的额定电压由最终选择的变频器决定，目前为6500V，额定电流2123.6A，功率因数0.90，效率97.6%，频率范围30-50Hz，防爆电机。

4  变频器技术路线的选择

目前变频器的发展方向是电压源变频器。采用的器件数量和技术路线也各不一样。则可靠性也不一样。因此电压源变频器的方案选型要考虑如下几个因素：

（1）电机功率太大，对电网要求的容量极大。因此采用35kV的电网，不用10kV的电网，不占用35/10kV主变的容量。而35kV的电网，采用油浸变压器，考虑到防火的要求，变压器和变频器分开布置。则变压器单独冷却。不用和变频器一起冷却。因此变压器的冷却简单可靠。

（2）工艺要求只变频运行，不会工频运行，不存在电机工频旁路运行的工况，电机与电网电压可以不一致。因此电网电压和变频器的输入电压为35kV，按变频器的输出电压选则电机电压。

（3）变频器功率太大，冷却方式必须采用水冷。不建议采用空冷变频器和空水冷装置。因为空冷变频器要求的通风量特别大，空水冷的风道风阻太大，会严重影响通风量，而且空水冷需要大量的冷却循环水，对冷却循环水的水温要求极高，用水量要求极大。则对变频器的整套系统来说，就太复杂了，也会影响整体的可靠性。

（4）目前国内的电压源高压变频器，对电网的谐波都没有问题，功率因数也没有问题。由于单元串联的变频器，基本上都是采用低压IGBT。为了减小输出电流，若要输出10kV电压，则每相单元串联数量太多，总的单元数量就更多，器件数量也更多，会影响整体的可靠性。如果变频单元采用水冷，由于单元数量多，每个单元都要有循环水进出水管，则整体的水冷系统也就非常复杂，影响整体的可靠性。

（5）另外低压IGBT为单面散热的元件，冷却效果差。如果用单个特大电流的IGBT，则因冷却效果不均衡，会造成散热器的温度极不均衡。为了散热的均衡，单个的IGBT的电流容量不能太大。要提高电流，就必须进行多个小电流的IGBT并联，实现IGBT的分散性的冷却和散热，才能使散热器的温度均衡。如此下来，IGBT器件的总数就更多。造成系统更加复杂，也影响整体的可靠性。

（6）丙烯制冷压缩机是关键的核心设备。因此对变频器自身的可靠性要求极高，功率系统应该采用冗余配置，即时万一有变频器故障，整套系统还可以继续运行，不会造成整个系统的停机。因此冗余配置是提高系统可靠性的关键。

5  提高变频器可靠性的方案选择

如果采用单元串联的多电平电压源变频器，采用干式变压器，变压器和变频器并柜安装，变压器必须是风冷加空水冷。变压器需要的空水冷装置数量多，而且通风量极大，空水冷的风道风阻太大，系统复杂而且影响风量。

变频器长期运行，冷却方式如果用风冷，则要求的空水冷的数量多，制冷量大，风量也大，通风困难，系统复杂。因此如此大功率的运行用的变频器应该用水冷。但单元串联的变频器采用水冷时，需要水冷的单元数量极多，冷却水管结构复杂，对可靠性也有影响。

因此本项目不建议用单元串联的变频器。单元数量多，器件数量更多，冷却系统复杂，对可靠性反而不好。

如此大功率的变频器，应该采用高压大电流的器件，可以减少器件的数量。而且采用水冷，也可以使水冷系统比较简单，提高整个系统的可靠性。

本项目采用东芝三菱的XL75系列的五电平高压变频器。采用东芝公司生产的IEGT器件，耐压4500V，电流最大可以达到5500A，属于高压大电流的器件。IEGT实际是将很多IGBT的硅片集成在一个模块内，见图1（b），无需并联即可以增大电流。器件的性能和IGBT类似，开关速度快，开关损耗小。实际相当于高压特大电流的IGBT器件。因此用IEGT的变频器，器件耐压高，电流大，器件数量少，输出容量大，则整体的可靠性大大提高。

IEGT器件采用双面散热，冷却效果好，见图1（a）。两侧的平面即是散热面，也是导电的电极，因此采用水冷散热器对两侧的平面进行双面冷却，冷却效果非常好。同时水冷散热器也是导电体，导电的接触面积大，接触电阻小，适合大电流。这样的器件不并联。不需要分散冷却。

 （a）IEGT器件外形图

 
（b）IEGT器件内部硅片布置图

图1  IEGT器件图                

东芝三菱的XL75系列变频器，采用的是IEGT这种高压器件，五电平技术的变频器。相电压为单向三电平输出，线电压为单向五电平输出。实际相电压输出正负五电平，线电压输出正负九电平。由于器件耐压高，直流母线电压高，则用IEGT器件的五电平变频器可以输出6600V。考虑到变频器到电机的电缆有一定的压降，因此电机额定电压可以按6500V设计。

6  TMdrive-XL系列的主要特点

（1）先进的高压大电流的功率器件技术：TMEIC是全球唯一全部采用自产大功率元件的变频器整机制造商，拥有各种专利的自产功率元件。尤其是高压大电流的功率器件，可在提高变频器功率的同时，大大减少器件的数量，提高整体的可靠性。

（2）本项目采用东芝公司生产的IEGT器件。IEGT是从IGBT发展起来的新一代高压大功率的器件，相当于将很多高压大电流的IGBT的硅片集成在一个模块内的纯电压控制导通和关断的器件，器件特性和IGBT一致。触发控制系统简单，可靠性高。

（3）IEGT的额定电压4500V，和一般4500V的高压IGBT的耐压相同，但电流要比同电压的IGBT大得多，是超大电流的电压驱动型可关断功率器件。

（4）适应性广（电压/容量）：

l 标准电压6.6kV；

l 大容量，可以多机并联，最高96MVA。

（5）器件数量少，因此可靠性高，性能卓越：

l 极高的可靠性：久经考验的电路拓扑和功率器件，冗余性好；

l 对电网友好：高效率，高功率因数，电网侧低谐波；

l 紧凑性设计：变压器和变频器分开布置，占地空间小；

l 图2为五电平的拓扑图，相电压单向三电平，正负五电平。线电压单向五电平，正负九电平。

图2  XL系列五电平变频器拓扑图

XL系列五电平电压源变频器拓扑结构及五电平输出的原理图如图2所示。相电压输出电平为+2E，+1E，0，以及-1E，-2E。正向和负向都是2个电压台阶，因此相电压单向三电平。正负合计五电平。

线电压则为两个相电压的叠加，线电压正向和负向都是四个电压台阶。因此线电压单向五电平，正负合计九电平。五电平输出的切换过程如图3所示。

图3  XL系列五电平输出波形的切换过程

（6）XL五电平输出的电压和电流的波形如下。虽然输出电压有一定的谐波，但本项目多机并联，需要加均流电抗器。可以限制输出的电压谐波和dv/dt。

（7）图4为五电平输出电压和电流的波形，输出电压正负各4个电压台阶，加上零电平，因此是单向五电平，正负九电平输出。

图4  XL系列五电平变频器输出电压和输出电流的波形图

7  采用二用一备冗余配置的变频器的具体方案

变频器是按电机电流进行选型的。电机电流2123.6A，电机电压6.5kV。电机的视在功率为23.9MVA。因此变频器采用两台15MVA的2-BANK并联的方式，即2个15MVA的BANK并联，可以输出30MVA。每个BANK实际就是一个独立的功率柜系统，每个BANK都含独立的变压器，整流器和逆变器。2个BANK并联就是2套功率柜的并联，每个BANK的容量为15MVA，电流为1325A。2个BANK并联后可以输出30MVA，2650A的电流，远远大于电机电流。

为了实现冗余配置，另外再加1个BANK的变频器并联，实现3个BANK的功率柜并联方式。即可以实现二用一备，二用时每个BANK只带一半的负荷。也可以三个BANK并联后同时运行，每个BANK只带三分之一的负荷。则负载率更轻，电流更小，实际长期运行的可靠性更高。任何一个BANK故障（不论是变压器，整流器，逆变器故障），另外两个BANK还可以继续并联运行，可以保证二用。则可以大大提高系统整体的可靠性。二个BANK和三个BANK之间可以随意组合，随意切换。

变频器的控制系统同时对三个BANK进行控制。并负责各个BANK的切换。控制系统通过光纤同时控制每个BANK，保证每个BANK的输出电压，输出频率和输出相位完全一致和同步。变频器输出的电抗器，可以使每个BANK的输出电压和输出电流均衡。同时还限制了变频器输出电压的谐波和dv/dt。

系统配置的原理图如图5所示。

图5  二用一备在线热冗余系统配置原理图

工作原理：

电机功率为21MW，正常工作时，QF11~QF32共六个高压开关都闭合，电机由A-BANK，B-BANK和C-BANK并联运行，内部自动平衡输出功率；每个BANK只带三分之一的负荷。

当A-BANK故障时（不论是变频器，还是变压器，都属于一个BANK），则控制系统发出信号，QF11和QF12分断，A-BANK变频系统的功率柜退出运行，进行维护。

当A-BANK功率系统维护时，B-BANK和C-BANK系统并联同时驱动电机，输出额定功率；每个BANK带一半的负荷。

当A-BANK系统维护完成后，先进行预充电；预充电完成后，控制系统发出信号QF11和QF12闭合，A-BANK系统再次投入运行，和B-BANK、C-BANK系统一起驱动电机。

同样，如果其他BANK故障，控制系统发信号同样处理。将故障的BANK隔离开来维护，正常后再恢复正常运行。

任何时候，至少两个BANK系统同时并联运行，输出30MVA的容量。电机可以满载运行。

8  实际运行图片

图6（a)为压缩机和电机布置图。压缩机为多级离心式压缩机。压缩机和电机之间有升速齿轮箱升速。

电机为4极异步防爆电机。额定功率21000kW，额定电流2123.6A，额定电压6.5kV，与变频器的输出电压匹配。变频器室内布置图如图6（b）所示。

（a）压缩机和电机布置图 

（b）变频器室内布置图

图6  压缩机和电机及变频器布置图

共三台变频器，配套水冷柜和电抗器柜。电抗器柜和水冷柜在室内的布置图片如图7所示。

（a）电抗器柜

                            
（b）水冷柜

图7  电抗器柜和水冷柜在室内的布置图

9  变频器故障切换过程波形图

3个BANK的变频器同时运行时，每个BANK输出三分之一的电流，电机电流为三个BANK的电流之和。任何一个BANK故障电流降低到零，则另外两个BANK的电流会增大。维持总电流不变。一旦故障的BANK恢复正常运行时，另外两个BANK的电流下降，使总电流仍不变。实现了无扰切换。MAIN_VAC_F为输出电压，I1_F为输出电流。

波形图8为模拟故障时的3个BANK各自的输出电压和电流变化的波形。I1_F_A，I1_F_B和I1_F_C分别为3个BANK的电流。

调试中先模拟C-BANK故障，输出电压MAIN_VAC_F_C降低到零，再恢复C-BANK运行，输出电压恢复。然后再分别模拟B-BANK和A-BANK的故障，输出电压也分别降低到零，各自恢复运行后电压也恢复。

 图8  变频器的切换过程波形图

 模拟C-BANK故障时，输出电压MAIN_VAC_F_C降低到零，I1_F_C降低到零，I1_F_A和I1_F_B增加，使总电流不变。C-BANK恢复运行时，输出电压恢复正常，I1_F_C恢复，则I1_F_A和I1_F_B下降，恢复到原来的状态。

其次模拟B-BANK的故障时，I1_F_B降低到零，I1_F_A和I1_F_C增加，电机电流不变。B-BANK恢复运行时，I1_F_B恢复，则另外两个BANK的电流下降，恢复到原来的状态。

同样模拟A-BANK的故障，则I1_F_A的电流降低到零，I1_F_B和I1_F_C的电流增大。总电流不变。A-BANK恢复时，另外两个BANK的电流下降恢复正常。电机总电流不变。

调试时分别模拟了三个BANK的故障和恢复运行，变频器始终输出电流，电机电流不变。因此任何一个BANK故障，电机电流不变，机组继续运行。保证了运行的连续性和可靠性。大大提高了机组的整体可靠性。

参考文献：

[1]东芝三菱高压变频器二用一备的技术方案及XL75变频器手册[Z].

[2]TMdrive commissioning京博石化调试报告[Z].

[3]丙烯制冷压缩机的工艺介绍[Z].

作者简介：

周永斌，山东京博石油化工有限公司电气工程师。