Solution to High Voltage VSD Redundancy

提迈克电机工业系统（中国）有限公司

周瑾（Zhou Jin）  邵贤强（Shao Xianqiang）  邢宗建（Xing Zongjian）

摘  要：介绍电动机驱动调速现状及变频调速的必要性，介绍变频工频主回路切换方案、备用设备变频或工频备用方案、变频器冗余方案对应的高可靠性场合解决方案。介绍TMEIC XL系列五电平高压变频器及MV系列多电平高压变频器整体冗余方案实际应用案例。

关键词：变频工频切换；备用设备变频或工频备用；单元旁路；高压变频器整体冗余

Abstract: Introduce the current situation of motor speed regulation and the necessity of frequency converter speed regulation. Introduce the switching scheme of frequency conversion and power frequency main circuit, backup equipment of frequency conversion or backup equipment of power frequency, and frequency converter redundancy scheme for high reliability case . Introduce practical application cases of the overall redundancy scheme for TMEIC XL series five level high voltage frequency converters and MV series multi-level high voltage frequency converters.

Key words: Frequency conversion power frequency switching; Backup equipment of frequency conversion or backup equipment of power frequency; Cell bypass; High voltage VSD overall redundancy

1  引言

电动机工频运行直接驱动机械设备方式负载对应电动机额定转速同步运行，无法做到根据工艺或产能需求改变机械设备转速达到调节负载压力及流量目的，只能通过在管网系统配置挡板、阀门、再循环或放空阀等方式调节负载压力及流量；此调节方式对管网承压能力要求高，对挡板阀门有比较大的冲击，调节精度及实时响应性差，能耗大；为保证安全稳定生产，减少设备的维护量，提高能源的利用率，通过改变电动机驱动机械设备转速来调节负载压力流量为必须选择。

对于需要调速高压电动机驱动设备，从目前技术层面及节能效果看，变频系统驱动高压电动机调速是非常契合的解决方案。变频系统属于电力电子驱动设备，由于电气原因、产品设计制造及控制算法原因、环境原因、器部件损坏等原因会导致变频故障，如何避免变频故障原因导致现场生产、运行停止情况发生，是变频系统厂家及变频系统使用方一直在持续探索解决的问题。

2  电动机驱动调速现状

现阶段电动机驱动负载主要调速方式有改变电动机转速调速方式及维持电动机转速恒定改变驱动机械设备转速调速方式二种调速方式。

2.1  维持电动机转速恒定改变驱动机械设备转速调速方式

在电机转速恒定情况下改变驱动机械设备转速调速方式有：永磁调速、行星齿轮调速、液力耦合器调速等调速方案。维持电动机转速恒定改变驱动机械设备转速调速方式在调速装置故障后，驱动机械设备将无法运转，只能停机，无法做到故障部件冗余或系统在线冗余，只能启用备用电动机及备用调速装置驱动备用机械设备运行；同时改变驱动机械设备转速调速方式调速精度偏低、调速范围比较窄，大功率电动机驱动现场采用高压变频器调速已为主流调速方式。

2.2  改变电动机转速调速方式

三相电动机转子转速为n=(1-s)

式中n为电机转速；f为供电电源频率；p为电机极对数；s为转差率（同步电动机s=0）。

电机转速与供电频率、电机极对数及转差率均有关系，通过改变这些参数能达到调节电机转速的效果。

改变电动机转速调速方式有：内反馈调速、串电阻调速、变极调速、变频调速等调速方案。

变频调速为改变输出给电动机电源频率值f的调速方式，变频调速可以做到在电动机额定频率及以下的恒磁通变频调速，额定频率以上弱磁调速。变频调速精度高，速度响应快，可以做到零速启动、零速停止、共振点跳跃、重载启动、恒转矩运行、恒功率运行、特定速度曲线运行等调速运行方式。

3  变频器分类

变频器按电压等级分为：高压变频器、中压变频器及低压变频器；高压变频器一般指电压等级高于11KV等级变频器，1KV~11KV为中压变频器，1KV以下为低压变频器。

变频器按主回路结构分为：交-交变频器及交-直-交变频器。交-交变频器为交流输入直接交流输出方式，无中间直流环节，主回路功率器件采用晶闸管；交-交变频器输出频率低于输入频率，功率因数低、谐波大，故现在市场很少有交交变频运行设备。随着可关断电力电子器件出现，对应着主回路拓扑结构也在不断升级，交直交变频器随之出现；交-直-交变频器交流输入电源通过整流、直流储能、逆变输出可变频率电源变频驱动电动机，其输出频率高、调速范围广，是目前市场主流变频器结构。

变频器按储能方式分为：电压源型变频器、电流源型变频器。电流源型变频器中间环节储能元件为电抗器，控制主体为电流，通过控制电流流向具备能量回馈功能，驱动电动机电压等级不高于6.6KV电压等级，功率因数低，输入输出电源谐波大。电压源型变频器中间环节储能元件为电容器，控制主体为电压；大部分电压源型变频器采用二极管整流、二象限运行方式，部分变频器采用可逆变整流方式、能够驱动电动机四象限运行；电压源型变频器可以直接输出11KV或更高电压等级电源变频驱动同样电压等级电动机运行，其输入功率因数及输入输出谐波与变频器主回路拓扑结构有关。

变频器按输出电平数分为：两电平变频器、三电平变频器、五电平变频器、多电平变频器，变频器电平数对应变频器输出波形的台阶数量。电流源型变频器基本上都是采用二电平输出方式；电压源型低压变频器基本采用二电平输出方式，二电平电压源型中压变频器以其体积优势在牵引机车电动机调速、船舶螺旋桨驱动电动机调速等场合有应用。二电平变频器谐波大、功率因数偏低。

变频器按传动象限分为：二象限变频器、四象限变频器。二象限变频器可驱动电动机正转及反转，四象限变频器可驱动电动机正转及反转、同时也可在电动机发电状态时将电能回馈电网，四象限变频器适用于负载需要快速制动现场及电动机运行过程有发电状态现场。

变频器按控制方式分为：压频比控制、矢量控制、直接转矩控制。压频比控制为保持电动机磁通恒定的电压与频率成正比调速控制方式，矢量控制对应于电动机的磁通及转速控制，直接转矩控制对应于电动机的磁通及转矩控制；三种控制方式压频比控制方式相对控制精度低些、输出波形相对更完美，矢量控制控制速度、直接转矩控制转矩二种控制方式各有特色，直接转矩控制低速控制性能稍差些。

图1  变频器分类类型

图2  二电平主回路拓扑图

图3  三电平主回路拓扑图

图4  五电平主回路拓扑图

图5  多电平主回路拓扑图

4  变频调速系统故障解决方案

避免变频故障原因导致现场生产、运行停止的解决方案有：变频工频主回路切换方案、备用设备变频或工频备用方案、变频器冗余方案等。

4.1  变频工频主回路切换方案

变频工频主回路切换方案即运行变频故障后，通过系统配套的主回路开关切换，变频系统驱动电动机可以切换到工频运行，保证可以继续生产；变频工频主回路切换方案比较常见的有：一拖一、二拖二或多拖多变频工频主回路切换方案。

一拖一变频工频主回路切换方案一台变频器对应一台电动机，主回路含变频回路及工频回路，变频故障后，将电动机切换到工频运行；一拖一方式变频故障将电动机切换到工频运行会有一定的延时，非无缝切换方式，需要从工艺及设备角度确认驱动负载电动机是否允许短时间停止。

二拖二变频工频主回路切换方案二台变频器对应二台电动机，主回路含二台变频器交叉对应二台电动机的变频回路及工频回路，一台变频故障后，可以将正常变频器变频驱动的电动机切换到工频运行、然后正常变频器变频驱动故障变频器对应的电动机变频运行，系统从二台电动机均变频运行方式变为一台变频运行、一台工频运行方式，同时也可以将二台电动机均切换到工频运行；一台变频故障后，如条件允许也可以采用一拖一切换方式直接将故障变频器对应的电动机切换到工频运行。二拖二变频工频主回路切换方案故障变频器对应的驱动负载电动机会有一段时间内停止状态。

多拖多变频工频主回路切换方案为多台变频器对应多台电动机，其切换及运行方式与二拖二主回路类同，仅变频器及电动机数量有区别，切换过程中故障变频器对应的驱动负载电动机同样也会有一段时间内停止状态。

一拖一、二拖二或多拖多变频工频主回路切换方案在变频故障后，故障变频器是不可以运行的，仅通过主回路将电动机切换到工频运行，需要从工艺及设备角度确认驱动负载电动机是否允许短时间停止，在某些生产及设备现场变频工频主回路切换方案是无法满足使用要求。一拖一变频工频主回路切换单线如图6所示。二拖二变频工频主回路切换单线图如图7所示。

图6  一拖一变频工频主回路切换单线    

图7  二拖二变频工频主回路切换单线图

4.2  备用设备变频或工频备用方案

备用设备变频或工频备用方案生产现场配套满足生产需求的变频驱动设备外，还需另外备用一台或多台生产设备，通过配套备用变频系统变频运行或电动机直接工频运行备用设备。变频故障后，备用设备连锁启动到满足生产需求需要一定时间，需要从工艺及设备角度确认是否可行，此方案在某些生产及设备现场是无法满足使用要求的。

4.3 变频系统冗余方案

高压变频器通常包含变压器、功率部件、储能部件、控制系统、通风冷却系统及电气机械连接部件等部分，某些主回路拓扑结构变频器不需要单独配套变压器。变频器冗余方案的目的是变频器出现故障后通过冗余方式保证变频器还能满载运行或降容运行，变频器冗余方案有部分部件冗余方案及整体冗余方案。变频器部件组成如图8所示。

图8  变频器部件组成

4.3.1  部分部件冗余方案

部分部件冗余方案将变频器内部易损或易出故障部件做冗余设计配置，冗余部件有运行热冗余方式及待机冗余方式，运行中损坏部件维修有在线更换维修方式及必须停机维修方式；变频器配套的变压器及电缆、光纤、柜体、风道等电气机械连接部件，一般情况是不会做冗余配置的。

变频器控制系统响应速度快，可以做到快速切换，故从原理上讲，变频器控制系统是可以做到带电待机冗余设计的、在线更换维修。

变频器柜顶风机冗余方案有N+1冗余及1+1冗余二种方式；N+1冗余方式仅备用1台风机，如故障风机超过1台，则冗余方案满足不了变频器散热需求，N+1冗余风机布置位置原因也可能会出现不同位置风机故障变频器通风散热效果不同的情况；1+1冗余风机方式能达到一个好的通风散热效果，1+1冗余相对N+1冗余方式通风散热效果更好、风机数量会增加、柜顶布置空间大、成本会有一定的增加。柜顶冷却风机可以采用待机冗余方式、当运行风机出现故障后冗余风机投入运行即可；一般情况柜顶风机故障后需设备停机后维修，在合理设计情况下，柜顶冷却风机可以做到在线更换。

二电平变频器、三电平变频器及五电平变频器采用功率部件串并联方式，功率部件N+n冗余理论上讲是可行的，并且其控制算法相对多电平方式更简单；由于功率部件单体固定在高压主回路中，其控制电源与主回路高电压同电位，控制电源提供系统更复杂易出故障；功率部件冗余要求导致结构紧凑的主回路系统需要做安装空间拓展。

二电平变频器、三电平变频器及五电平变频器其内部储能部件故障时回路需要有明显的断开高压点，电容器及电抗器在线投入会造成主回路系统冲击，从安全角度及成本角度考虑，目前此三种输出电平方式变频器均无储能部件冗余功能。

多电平变频器主回路由多个功率单元串联组成三相输出，每个功率单元内都集成有功率部件及储能部件；多电平变频器通过功率单元旁路方案达到功率部件及储能部件冗余目的，功率单元旁路即短接故障功率单元，变频器继续运行，功率单元旁路方案有同级旁路方式与单独旁路故障功率单元中性点漂移方式二种旁路方案。

同级旁路方式（简称“同旁方式”）某相某个功率单元故障旁路，则另外二相与故障功率单元相应位置正常功率单元也需同时旁路，保证变频器内部三相输出对称；采用此旁路方式输出对称性好、控制算法简单，一个单元故障需同时旁路另外二相二个正常功率单元，功率单元利用率低，单元旁路后变频降容量大；为保证单元旁路后变频器还具备满载输出能力，变频器三相均需在常规配置功率单元数量基础上冗余1~2个功率单元；功率单元数量增加，在同等故障率情况下故障单元数量也会同时增加，单元数量增加从电气角度对驱动电动机也是有一定隐患的。

单独旁路故障功率单元中性点漂移方式（简称“单旁方式”）在单元故障后仅旁路故障功率单元，三相其它功率单元均正常运行，通过调整控制算法，保证输出给电动机三相电源为对称三相电源；由于变频器三相单元数量不对称，变频器内部功率单元串联回路中性点需要漂移才能保证输出给电动机三相电源对称。单旁方式功率单元旁路后，变频器输出降容量仅对应旁路功率单元容量，功率单元利用率高；单旁方式故障功率单元旁路后多电平系统内部中性点需要漂移，功率单元输出控制算法相对同旁方式会复杂些。

多电平串联方式变频器功率单元是变频器内部非常重要的硬件设备，目前有些变频厂家变频具备功率单元旁路功能，其功率单元故障旁路后需变频器停止后才能维修处理故障功率单元，功率单元旁路后理论上讲变频器是还可以运行一段时间的，故从逻辑上讲单元旁路可以为生产企业争取事故应急处理时间。

功率单元旁路功能在故障功率单元允许旁路情况下才能旁路，但是如发生功率单元内部功率器件或储能部件短路形成内部短路电流、光纤通讯故障、功率单元内部控制板卡故障等情况，变频器是不允许故障功率单元旁路运行的，即功率单元旁路功能相对变频系统来讲不是万能的解决功率单元故障的功能。

当然也有些功率单元故障发生情况变频器单元旁路功能是有效的，有效的功率单元旁路功能从保证用户稳定生产角度看是一个不错的功能，如单元进风滤网堵塞导致的单体功率单元过热、功率单元结构不合理、控制算法不合理负载波动导致的单体功率单元短时过压或过流，这些情况单体功率单元旁路可以避免变频器故障停机，如果故障单元数量过多变频器也只能故障停止。目前市场上带功率单元旁路功能变频器在运行过程中功率单元旁路后，变频器停机检测发现报故障旁路功率单元实际没有损坏，这种单元误旁路情况时有发生；带功率单元旁路功能变频器需要在合理功率单元结构配置、控制算法更准确、保护回路设计设置更合理等方面提升变频系统，避免功率单元误旁路发生，提高变频系统稳定性。同旁方式示意图如图9所示。单旁方式示意图如图10所示。

图9  同旁方式示意图

图10  单旁方式示意图

4.3.2  整体冗余方案

在某些特殊应用现场，要求变频器具备冗余功能及在线更换维修切换功能；多电平变频器由于配套变压器二次侧绕组非常多，变压器不管是从切换回路高压耐压要求及繁杂性、占地面积等方面考虑，变压器单体做在线更换冗余设计是不合理的；变频器其它部件单独冗余及在线切换，如单元冗余、风机冗余、控制系统冗余等部件冗余，切换部件在退出及投入瞬间也会有一定的安全隐患，涉及到多点高压电源及动力电源在线切换，从安全角度考虑是不合理的，同时变频器硬件配置成本及安装空间都会有很大的增加；电气回路有明显断点方可进行维护是电气安全的基本规定，变频系统整体冗余切换方案具备在线冗余功能及在线更换维修切换功能，从保证变频系统运行可靠性来讲更安全更可靠。

变频系统整体冗余切换方案即对应单体负载配置二台100%变频器或三台50%变频器，正常情况配置变频器均运行状态，各变频器均匀出力驱动负载，变频系统配套变频冗余同时驱动负载；当某台变频器故障停止运行后，通过主回路开关断开故障变频器输入、输入高压回路，正常变频器立即加大输出保证满载驱动负载；故障变频器维护后，可以在线无扰切入正在变频运行系统，恢复原有变频系统配套变频冗余同时驱动负载方式。

变频系统整体冗余切换方案可以做到故障变频器在线安全切出高压主回路，故障变频器维修时有明显隔离断点，维修好的变频器可以在线安全投入高压系统，并在线无扰切入正在变频运行系统。变频系统整体冗余切换方案相对部分部件冗余方式，投入成本偏高。

5  变频整体冗余实际应用

5.1  五电平XL变频器整体冗余应用

某化工有限公司新建一套204万吨/年K-COT制丙烯装置。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。

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。

丙烯制冷压缩机采用21000kW/6.5kV异步电动机传动，生产工艺要求制冷量实时快速调节，丙烯制冷压缩机需采用变频调速来调节制冷量，丙烯生产中丙烯制冷压缩机稳定运行极为重要的，变频器驱动方案可靠性就尤为重要。

制丙烯装置一般一个连续生产周期不少于三年，变频系统驱动丙烯制冷压缩机组要求能够三年以上的不间断稳定运行，经工艺包、压缩机厂家及业主综合论证，决定选用TMEIC公司生产的XL五电平变频系统整体冗余方案驱动丙烯制冷压缩机电动机。变频系统采用50%额定容量冗余配置，配套三台XL/15MVA五电平变频器，三台变频器并联输出；正常情况三台变频器均运行，如单台变频器故障或有检修需求，另二台变频器可保证满载驱动丙烯制冷压缩机，故障或检修变频器正常后可在线投入变频运行系统。

    本项目TMEIC公司生产的XL整体冗余变频系统已于2024年4月正式投入生产运行，运行效果良好。在正式投运前，业主已进行多次模拟单台XL变频故障试验，XL整体冗余变频系统均能快速完成故障变频器切出、另2台变频器满载驱动丙烯制冷压缩机运行、切出变频器在线无扰切入变频驱动系统，满足丙烯制冷压缩机变频稳定、长期运行要求。三台XL变频冗余运行、模拟变频故障切换回路、现场丙烯制冷压缩机组、XL五电平变频器布置图分别如图11～图14所示。

         
图11  三台XL变频冗余运行                

图12  模拟变频故障切换回路

图13  现场丙烯制冷压缩机组 
               
图14  XL五电平变频器布置图

5.2  MV系列多电平变频器整体冗余应用

中石化某炼化公司PDH装置丙烷脱氢热泵压缩机采用TMEIC公司生产的30MW/10kV/1500rpm同步电动机传动，热泵压缩机能达到回收热量、预热进料气体、提高效率目的，PDH装置中的丙烷脱氢热泵压缩机通过回收和利用反应过程中的热量，显著提高了装置的能效和经济性。

本项目丙烷脱氢热泵压缩机变频驱动系统采用TMEIC公司MV系列3台15MVA/10kV多电平变频器并联驱动，50%额定容量冗余配置，正常情况三台变频器均运行，如单台变频器故障或有检修需求，另二台变频器可保证满载驱动丙烷脱氢热泵压缩机，故障或检修变频器正常后可在线投入变频运行系统。

考虑到PDH装置满载生产时会出现丙烷脱氢热泵压缩机驱动电动机直接工频运行能效更高的情况，本项目丙烷脱氢热泵压缩机驱动电动机配置了工频运行回路，配套变频系统具备变频调速电动机运行、也可以根据生产需求在线软切换电动机上、下切换到工频及变频运行功能。PDH装置需要满载生产时可通过二台或三台变频器驱动丙烷脱氢热泵压缩机电动机至工频转速1500rpm，然后在线同期软切换丙烷脱氢热泵压缩机电动机至工频运行，变频系统停止运行；PDH装置产能非满载情况需要调速丙烷脱氢热泵压缩机电动机低于工频转速运行时，可通过二台或三台变频器在线同期并入丙烷脱氢热泵压缩机电动机工频运行电网，断开工频开关输入电源，丙烷脱氢热泵压缩机软切换到变频运行方式。

采用上述方案，既能保证丙烷脱氢热泵压缩机变频稳定、长期运行要求，也能保证PDH装置不管是满载及非满载工况均能满足最佳节能运行效果，达到保障企业安全生产及提高能效利用率的目的。

本项目已于2024年10月投入运行，变频系统能保证丙烷脱氢热泵压缩机变频冗余运行及软切换在线上、下切无扰切换工频及变频运行，TMEIC供货丙烷脱氢热泵压缩机电动机及配套变频系统运行效果良好。10kV三拖一变频系统冗余及在线无扰切换单线图如图15所示。变频系统在线无扰切换波形如图16所示。

图15  10kV三拖一变频系统冗余及在线无扰切换单线图

图16  变频系统在线无扰切换波形

6  结论

外置主回路切换到工频、配套冗余生产设备、功率单元旁路、冷却风机冗余、控制系统冗余、变频器整体冗余等方式在合适的应用场合可以避免变频调速装置故障对生产造成影响；变频故障对生产短时间无影响场合，变频故障解决方案建议外置主回路切换到工频或配套冗余生产设备；功率单元旁路、冷却风机冗余、控制系统冗余等变频器部件冗余方式在特定情况下能达到避免变频故障影响生产目的，但是某些故障变频器部件冗余是无法避免变频器故障停机的；变频系统整体冗余方案相对部件冗余方式，投入成本偏高，在需要长时间稳定运行且不能停机关键负载现场，变频系统整体冗余方案为最佳避免变频故障影响生产的方案。

参考文献：

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［4］周永斌等. 东芝三菱XL75高压变频器二用一备在线热冗余方案在京博石化204万吨年K-COT丙烯制冷压缩机上的应用[J].变频器世界，2024，4.

第一作者简介：

周瑾，男，电气工程师，现供职于提迈克电机工业系统（中国）有限公司。