高順華，呂開鈞，王世君，王維斌，呂文娥

（中國石油西氣東輸管道公司，上海200122）

1 引言

10 MW 級以上的中壓大功率變頻調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)（簡稱PDS）產(chǎn)品在國內(nèi)的開發(fā)應(yīng)用上因受技術(shù)水平低、經(jīng)驗(yàn)不足、業(yè)績幾乎為零的現(xiàn)狀限制，一直為國外品牌廠家所壟斷，不但建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)成本居高不下，而且在國家戰(zhàn)略能源輸送上受制于人，因此，國產(chǎn)化研制迫在眉睫。

目前，國內(nèi)已具有開發(fā)研制10 MW級以上電驅(qū)機(jī)組的能力。2009年以來，國家能源局決定依托西氣東輸二線工程，采用聯(lián)合研制攻關(guān)模式開展國家重大科技專項(xiàng)——“20 MW級電驅(qū)機(jī)組國產(chǎn)化研制與應(yīng)用”等天然氣長輸管道關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化研制。

2 電驅(qū)機(jī)組的基本要求

電驅(qū)機(jī)組主要由變頻器、電機(jī)、壓縮機(jī)及輔助系統(tǒng)成套組合而成，其因輸出電壓高、功率大、轉(zhuǎn)速高、調(diào)速范圍寬、可靠性要求高等特點(diǎn)決定無論是單體還是成套，都是一個技術(shù)先進(jìn)、系統(tǒng)復(fù)雜，橫跨多學(xué)科、多專業(yè)領(lǐng)域的高度集成化系統(tǒng)設(shè)備。其中，PDS 是國產(chǎn)化研制的重點(diǎn)，科學(xué)選擇其國產(chǎn)化研制技術(shù)路線、方案及試驗(yàn)評價(jià)體系，是本項(xiàng)研制的重點(diǎn)課題，它必須綜合考慮其對PDS 的基本要求、國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀、方案優(yōu)勢及推廣應(yīng)用價(jià)值、設(shè)備制造及運(yùn)行維護(hù)成本、研制產(chǎn)品技術(shù)特點(diǎn)、國內(nèi)研制實(shí)力等各方面因素。

2.1 電驅(qū)機(jī)組PDS的基本要求

根據(jù)天然氣長輸管線的增壓要求和運(yùn)行工藝特點(diǎn)，結(jié)合壓氣站一般遠(yuǎn)離城市，社會依托性差、運(yùn)行維護(hù)力量薄弱等現(xiàn)狀，其基本要求是：1）適用于壓氣站周邊嚴(yán)酷的使用環(huán)境；2）運(yùn)行維護(hù)簡單、安全、可靠，運(yùn)行參數(shù)及故障查詢簡單方便,故障恢復(fù)時間快；3）抗電源波動能力強(qiáng)，宜在±10%及以上，諧波滿足國家（GB/T14549）《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》要求，不裝或少裝諧波濾波裝置；4）調(diào)速范圍寬、最大限度地降低系統(tǒng)損耗、效率高、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低。

2.2 PDS的國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

PDS 主要由變頻調(diào)速裝置、電動機(jī)組成。適用于輸氣管道壓縮機(jī)的電流源型變頻器（CSI）主要是晶閘管負(fù)載換向式變頻器（LCI），電壓源型變頻器（VSI）主要有H 橋單元串聯(lián)式多電平（簡稱CSML），二極管鉗位式三電平（簡稱NPC）及由此派生的混合5 電平單元級聯(lián)式等；電機(jī)通常為正壓通風(fēng)防爆無刷勵磁同步電機(jī)，一般有低速（1 000～1 500 r/min）加齒輪箱和4 500～5 200 r/min與壓縮機(jī)高速直聯(lián)驅(qū)動2種方式。由于國內(nèi)廠家沒有成熟的產(chǎn)品和應(yīng)用業(yè)績，主要由SIEMENS，ABB，TEMEIC，Converteam 等幾家國際公司壟斷。其各方案比較見表1。

表1 各類大型變頻電氣傳動方案比較Tab.1 Comparison among different type converter

2.3 中壓大功率PDS國產(chǎn)化能力分析

2.3.1 中壓大功率變頻調(diào)速裝置

一般說來，中壓大功率變頻調(diào)速裝置主要由隔離變壓器、防勵磁浪涌裝置、變頻器及控制系統(tǒng)、濾波裝置（如需要）及附屬設(shè)施等組成。

就國產(chǎn)變頻調(diào)速裝置而言，我國在小功率、低壓變頻器上已成熟應(yīng)用，隨著電力電子技術(shù)、大功率電子元件的飛速發(fā)展，隔離變壓器、水冷系統(tǒng)的不斷開發(fā)應(yīng)用，國內(nèi)已具有一定的中壓大功率變頻調(diào)速裝置研發(fā)制造能力和10 MV·A 變頻器的應(yīng)用業(yè)績，主流方案是功率單元串聯(lián)形成高壓的多重化技術(shù)（簡稱CSML）和高壓模塊的三電平結(jié)構(gòu)（簡稱NPC）兩種高-高的VSI 型方案。但就10 MV·A以上而言，與國外同行相比,有以下差距：1）變頻器的整機(jī)技術(shù)較落后,對控制等部分關(guān)鍵技術(shù)需要進(jìn)一步研究，沒能形成一定的技術(shù)力量和生產(chǎn)規(guī)模；2）依托工業(yè)性應(yīng)用搞研發(fā)能力差，未形成產(chǎn)品化生產(chǎn)，陷入“無業(yè)績、沒用戶、研制產(chǎn)品無市場”的怪圈，不能將理論轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品開展應(yīng)用；3）IGBT，IEGT 等高耐壓、大電流半導(dǎo)體器件等核心部件完全依賴進(jìn)口；4）與其相配套的產(chǎn)業(yè)不發(fā)達(dá)；5）國內(nèi)高壓大功率變頻器的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)很少并有待規(guī)范。

2.3.2 電機(jī)

適用于天然氣長輸管道的電驅(qū)機(jī)組直聯(lián)驅(qū)動電機(jī)一般采用3 000～5 200 r/min、額定轉(zhuǎn)速4 800 r/min左右的正壓通風(fēng)防爆型無刷勵磁同步電機(jī)，變頻調(diào)速。

國內(nèi)的多家大型電機(jī)制造骨干企業(yè)均具有幾十年汽輪發(fā)電機(jī)、大型同步電機(jī)的設(shè)計(jì)、制造經(jīng)驗(yàn)和與國外電機(jī)公司聯(lián)合設(shè)計(jì)、合作制造過大型同步電機(jī)的經(jīng)歷，有設(shè)計(jì)制造10～40 MW，3 000 r/min 及以下、10 kV 同步電機(jī)的能力和業(yè)績，具有一定的研發(fā)制造能力，但對于本項(xiàng)需求的同步電機(jī)，在軸承、振動、無刷勵磁裝置等的研制上仍有相當(dāng)難度。

3 PDS國產(chǎn)化研制方案選擇

3.1 方案選擇的基本原則

按照“高標(biāo)準(zhǔn)、高水平、重推廣”、“能與國外產(chǎn)品同臺競爭”的研制原則，符合PDS發(fā)展方向，既滿足大中型長輸天然氣管道常用壓縮機(jī)軸功率等級，又能在各領(lǐng)域推廣使用，同時兼顧國內(nèi)骨干企業(yè)的研發(fā)制造能力等確定國產(chǎn)化研制技術(shù)路線。

3.2 方案

成套機(jī)組采用“20 MW級高速直聯(lián)驅(qū)動壓縮機(jī)”方案，其PDS 具體方案是：1）變頻器，功率單元串聯(lián)多電平電壓源型變頻器，額定容量25 MV·A、額定輸出電壓10 kV，無速度傳感器PWM 矢量控制；2）電機(jī)，超高速正壓通風(fēng)防爆無刷勵磁超高速電機(jī)，額定功率20 MW級，額定轉(zhuǎn)速4 800 r/min,調(diào)速范圍3 120～5 040 r/min，與壓縮機(jī)高速直聯(lián)驅(qū)動。

4 “20 MW級高速直聯(lián)驅(qū)動壓縮機(jī)”方案的主要優(yōu)勢

4.1 “高速直聯(lián)”的優(yōu)點(diǎn)

電機(jī)與壓縮機(jī)的連接有“高速直聯(lián)”和“低速加齒輪箱增速”2種方式。兩相比較，后者可降低電機(jī)研制難度，但機(jī)組整體效率較前者低2%左右，潤滑油消耗和運(yùn)行維護(hù)成本較高。結(jié)合壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，參考西一線等進(jìn)口機(jī)組方案，采用3 120～5 040 r/min調(diào)速范圍、額定轉(zhuǎn)速4 800 r/min的高速直聯(lián)方案，機(jī)組可靠性好、效率高，綜合運(yùn)行維護(hù)成本低。

4.2 各參研方有一定的研發(fā)制造實(shí)力

對變頻器而言：H橋單元串聯(lián)多電平、無速度傳感器矢量控制技術(shù)理論成熟，經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)多；二極管、電容、IGBT/IEGT 等主要元器件技術(shù)成熟，采購渠道多；國產(chǎn)10 MV·A及以下變頻器已成熟利用多年，有一定的研究基礎(chǔ)和應(yīng)用業(yè)績。

對電機(jī)而言：有國產(chǎn)的10～40 MW 級中速（1 500 r/min）同步電機(jī)的應(yīng)用業(yè)績和制造能力。

4.3 電驅(qū)機(jī)組國產(chǎn)化發(fā)展的方向

4 800 r/min 的“高速直聯(lián)”驅(qū)動方式系統(tǒng)簡潔優(yōu)化，在西氣東輸一線、二線等項(xiàng)目獲得了大量應(yīng)用，也是國際主流公司的主要方案，有利于參與國際競爭，是電驅(qū)機(jī)組國產(chǎn)化發(fā)展的方向。

4.4 應(yīng)用前景廣闊

按照西一線、二線和陜—京二、三線的電驅(qū)機(jī)組配置情況，壓縮機(jī)軸功率一般在15～22 MW之間，能使壓氣站機(jī)組配置及運(yùn)行方式更為靈活，單套機(jī)組失效影響較小。也是西三線等后續(xù)待建油氣管線電驅(qū)機(jī)組的主要功率范圍。因此，將國產(chǎn)化電驅(qū)機(jī)組定為20 MW級，與主流壓縮機(jī)的軸功率最為匹配，將在西三線、西四線、LNG等項(xiàng)目中大量使用，成為主流的功率等級。同時，在能源、交通、冶金等行業(yè)也將獲得大量的推廣應(yīng)用，應(yīng)用前景廣闊。

5 PDS方案的特點(diǎn)

為確保研制成功和今后的推廣競爭，變頻器、電機(jī)分別研制了2套。限于篇幅，下面僅介紹1套變頻調(diào)速裝置和電機(jī)。

5.1 25 MV·A單元串聯(lián)多電平電壓源型結(jié)構(gòu)變頻器

5.1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖見圖1，帶旁路的功率單元簡圖如圖2所示，圖3是研制成功的25 MV·A變頻器。

5.1.2 主要技術(shù)參數(shù)

主要技術(shù)參數(shù)見表2。

5.1.3 主要特點(diǎn)

圖1 變頻器主接線示意圖Fig.1 Frame of converter

表2 變頻調(diào)速裝置主要技術(shù)參數(shù)Tab.2 Main technical data for domestic

圖2 功率單元原理圖Fig.2 Principle of power unit

圖3 研制的25 MV·A變頻器Fig.3 25 MV·A domestic converter

1）10 kV 輸入/輸出,容量為國際同類產(chǎn)品最大；2）功率單元模塊化設(shè)計(jì)，可互換，維護(hù)檢修方便、快捷；3）抗電壓波動能力強(qiáng)，能承受+10%，-15%的電壓波動，可自動完成電壓降落后恢復(fù)和故障切換功能；4）36 脈沖二極管整流輸入，效率高，功率因數(shù)達(dá)0.95 以上，電網(wǎng)側(cè)諧波小，不需輸入濾波和無功補(bǔ)償裝置；5）逆變器采用多電平PWM 無速度傳感器矢量控制技術(shù)，功率元件選用4 500 V/1 500 A的IEGT、或1 700 V/1 000 A 的IGBT，輸出電平數(shù)多，輸出轉(zhuǎn)矩脈動小于1%，不會額外引起軸系的共振，不影響臨界轉(zhuǎn)速的安全裕度。du/dt＜2 000 V/μs，對電機(jī)和電纜無特殊要求，降低了電機(jī)制造難度，可適用普通電纜；6）具有功率單元自動旁路功能，系統(tǒng)能在200 ms 內(nèi)自動將故障功率單元旁路，變頻器繼續(xù)降額運(yùn)行，確保生產(chǎn)的連續(xù)性；7）加減速過程自動轉(zhuǎn)矩限幅功能，防止加速過程中過流和減速過程中過壓；8）采用無速度傳感器閉環(huán)矢量控制的全數(shù)字控制系統(tǒng)，調(diào)速精度高，控制、保護(hù)功能齊全，運(yùn)行維護(hù)方便，使用光纖信號傳輸，抗干擾能力強(qiáng)；9）調(diào)速范圍寬，適用范圍廣，可在電力、石油化工、冶金、礦山、交通等各行業(yè)推廣。

5.2 20 MW級超高速防爆變頻調(diào)速同步電動機(jī)

5.2.1 主要技術(shù)參數(shù)

同步電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表3。

5.2.2 主要技術(shù)特點(diǎn)

與普通同步電機(jī)相比，具有以下主要特點(diǎn)：

1）具有超大氣隙和全阻尼結(jié)構(gòu)，有效削弱高次諧波影響，確保轉(zhuǎn)子無過熱點(diǎn)；

2）電機(jī)和勵磁機(jī)實(shí)現(xiàn)無滑環(huán)同步啟動，實(shí)現(xiàn)本質(zhì)防爆；

3）轉(zhuǎn)速高，額定轉(zhuǎn)速4 800 r/min,最高轉(zhuǎn)速5 040 r/min，調(diào)速范圍3 120～5 040 r/min 連續(xù)可調(diào)；

4）正壓通風(fēng)防爆。

表3 同步電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.3 Main technical data for synchronous motor

6 試驗(yàn)考核評價(jià)體系、試驗(yàn)結(jié)果

6.1 試驗(yàn)考核評價(jià)體系

為規(guī)避將缺乏驗(yàn)證和成熟度的研制產(chǎn)品直接應(yīng)用于大型天然氣管道輸氣系統(tǒng)帶來的輸氣運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和全方位的驗(yàn)證產(chǎn)品性能，首創(chuàng)采用了20 MW級電驅(qū)機(jī)組分級試驗(yàn)體系和評價(jià)技術(shù)，它區(qū)別于傳統(tǒng)及國外只進(jìn)行單體設(shè)備工廠單機(jī)測試模式，創(chuàng)新性形成了變頻調(diào)速電驅(qū)壓縮機(jī)組研制應(yīng)用分級試驗(yàn)體系，試驗(yàn)分3步：1）各單體設(shè)備的工廠分項(xiàng)試驗(yàn)、PDS 工廠聯(lián)調(diào)試驗(yàn)。各單體設(shè)備按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行工廠試驗(yàn)，隨后變頻器和電機(jī)在工廠聯(lián)機(jī)進(jìn)行空載、輕載全速試驗(yàn)，控制、保護(hù)功能驗(yàn)證；2）壓縮機(jī)組整機(jī)工廠聯(lián)機(jī)帶負(fù)荷綜合試驗(yàn)。將PDS和壓縮機(jī)工廠聯(lián)機(jī)，模擬現(xiàn)場工況，采用氮?dú)忾]式循環(huán)，進(jìn)行全功率、全轉(zhuǎn)速帶負(fù)荷綜合試驗(yàn)；3）壓氣站現(xiàn)場的4 000 h工業(yè)性應(yīng)用試驗(yàn)。安裝在壓氣站現(xiàn)場進(jìn)行4 000 h 工業(yè)性運(yùn)行，同時做相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，評估機(jī)組性能。

通過分級評價(jià)試驗(yàn)，全面檢驗(yàn)評估系統(tǒng)和成套機(jī)組的安全性、可用性和可靠性。3 階段試驗(yàn)順次支撐、逐項(xiàng)控制、持續(xù)改進(jìn)，能確保國產(chǎn)化研制成功、成套完善、整體先進(jìn)和快速成功推廣。

6.2 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)在65%～105%間轉(zhuǎn)速下運(yùn)行測試，實(shí)際測得的轉(zhuǎn)速與無傳感器矢量控制算法算出的轉(zhuǎn)速相比，其調(diào)速控制精度誤差在0.4%以下，功率因數(shù)達(dá)到0.96以上，輸出電壓/電流不平衡度分別為0.38%/0.94%，遠(yuǎn)小于5%的標(biāo)準(zhǔn)要求，額定負(fù)載下變頻器效率（包括隔離變壓器）98.52%，110 kV側(cè)電壓總諧波畸變率THD 為1.27%＜2%，試驗(yàn)驗(yàn)證，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗(yàn)測得的電流、電壓波形見圖4。

圖4 變頻器輸出電流、電壓波形（80 Hz時）Fig.4 Current and voltage output of converter at 80 Hz

7 結(jié)論

按照選擇的20 MW 級電驅(qū)機(jī)組國產(chǎn)化研制技術(shù)路線和試驗(yàn)體系，經(jīng)過3年多的努力，創(chuàng)新性地研發(fā)、制造、應(yīng)用了電驅(qū)機(jī)組3大主體單元及成套系統(tǒng)設(shè)備，在陸續(xù)完成工廠研制、試驗(yàn)和通過國家級能源科技成果新產(chǎn)品鑒定后，首套國產(chǎn)機(jī)組已在西二線東段高陵壓氣站成功投入工業(yè)性應(yīng)用，進(jìn)行4 000 h 工業(yè)性運(yùn)行試驗(yàn)考核，現(xiàn)已安全平穩(wěn)運(yùn)行3 500余h，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，性能穩(wěn)定，在國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)引起了巨大反響。

該項(xiàng)目研制的25 MV·A變頻裝置，取得了H橋級聯(lián)大功率變頻技術(shù)等數(shù)十項(xiàng)自主創(chuàng)新成果，填補(bǔ)了大功率高壓變頻調(diào)速裝置、超高速同步電機(jī)國產(chǎn)化空白。徹底打破了大功率、高轉(zhuǎn)速變頻電驅(qū)壓縮機(jī)組長期由國外主流公司所壟斷的局面，目前，已在西氣東輸三線、LNG等國家重點(diǎn)工程項(xiàng)目中得到推廣使用，也為相似科技專項(xiàng)的攻關(guān)研制提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。

［1］韓安榮.通用變頻器及其應(yīng)用［M］.第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

［2］呂開鈞.變頻電驅(qū)壓縮機(jī)組運(yùn)行中應(yīng)注意的問題及對策［J］.油氣儲運(yùn)，2009，28（10）：81-84.

［3］竺偉，王永紅，劉芝，等.單元串聯(lián)多電平高壓變頻器在天然氣長輸管線中的應(yīng)用［J］.中國化工裝備，2012（增刊）：607-611.