肖卉

(中核集團(tuán)三門核電有限公司，浙江 三門 317112)

1 AP1000核電機(jī)組冷卻劑泵變頻器概述

AP1000核電機(jī)組每套反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)含4臺(tái)冷卻劑泵(以下簡(jiǎn)稱主泵)，主泵為屏蔽泵結(jié)構(gòu)，額定電源 6.9 kV，60 Hz，功率約 7 600 kW，4 臺(tái)主泵分別從電廠內(nèi)4條獨(dú)立的10.5 kV，50 Hz中壓母線取電。因此，AP1000核電機(jī)組需增加主泵變頻器，用于主泵電機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速以及正常狀態(tài)下的電源供給。國(guó)內(nèi)AP1000核電機(jī)組主泵的供電回路如圖1所示。

如圖1所示，每臺(tái)AP1000核電機(jī)組主泵由變頻器單一電源供電且需變頻器長(zhǎng)期處于運(yùn)行狀態(tài)。鑒于主泵獨(dú)特的電源要求、過高的運(yùn)行功率以及其自身特點(diǎn)，AP1000核電機(jī)組對(duì)主泵變頻器的設(shè)備性能提出了很高的要求，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)需具備良好的可靠性與冷卻性能，以保證主泵電機(jī)持續(xù)、穩(wěn)定的電源供給。

(2)需具備優(yōu)質(zhì)的諧波控制能力與抑制共模電壓能力，以避免高次諧波與軸電流對(duì)主泵電機(jī)絕緣老化的影響。

(3)需具備良好的調(diào)速性能，以保證主泵電機(jī)的平滑啟動(dòng)與調(diào)速。

(4)需具備完善的控制與保護(hù)系統(tǒng)，以保證變頻器的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

變頻器上述各方面性能特點(diǎn)主要通過其設(shè)備結(jié)構(gòu)、控制與保護(hù)方式以及運(yùn)行特性得以實(shí)現(xiàn)。

2 設(shè)備結(jié)構(gòu)

圖1 國(guó)內(nèi)AP1000核電機(jī)組主泵供電回路圖

AP1000核電機(jī)組主泵變頻器主要由變壓器單元、功率單元、冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)4部分組成。10.5 kV中壓電源經(jīng)變壓器進(jìn)行電壓變換后進(jìn)入各功率單元完成整流與逆變，為主泵電機(jī)提供電源;冷卻系統(tǒng)用于控制變頻器運(yùn)行過程中的溫度;控制系統(tǒng)對(duì)變頻器各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并與全廠控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，對(duì)變頻器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方與就地控制。變頻器各組成系統(tǒng)主要特點(diǎn)如下［1－2］。

2.1 變壓器單元采用移相變壓器結(jié)構(gòu)

AP1000核電機(jī)組主泵變頻器最重要的特點(diǎn)之一是變壓器單元采用了移相變壓器結(jié)構(gòu)。變壓器一次繞組采用Y形接法，二次繞組采用延邊三角形接法，二次側(cè)共含有18個(gè)二次繞組(此處不考慮預(yù)充電回路繞組)，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 變壓器二次繞組排列圖

如圖2所示，變壓器二次側(cè)電壓滯后或超前一次側(cè)電壓1個(gè)電角度。運(yùn)用傅里葉基數(shù)對(duì)一次側(cè)與二次側(cè)電流展開分析，變壓器可以消除35次以下的諧波［3］，以達(dá)到優(yōu)質(zhì)的諧波控制能力;同時(shí)，通過借助變壓器的對(duì)地電容，很好地抑制了共模電壓，減小高頻電壓與軸電流對(duì)主泵電機(jī)絕緣性能的影響［4］。

2.2 功率單元串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)以及移相脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)

AP1000核電機(jī)組主泵變頻器另一特點(diǎn)為采用PWM變頻器功率單元串聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)高壓輸出，每個(gè)功率單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。變壓器二次側(cè)生成的三相750 V AC電源經(jīng)整流橋整流與電容濾波后為4個(gè)絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)組成的H形單相逆變橋提供直流電源。單相逆變橋由PWM技術(shù)進(jìn)行控制，通過PWM技術(shù)可獲得60 Hz的交變電壓，同時(shí)也可平均分配各功率單元的輸出功率［4］。

圖3 功率單元內(nèi)部接線原理圖

該結(jié)構(gòu)每個(gè)IGBT所承受的電壓應(yīng)力小，無(wú)需均壓電路，開關(guān)損耗小，輸出波形好，不存在因諧波引起的電動(dòng)機(jī)附加發(fā)熱、轉(zhuǎn)動(dòng)脈矩、噪聲、輸出電壓變化率以及共模電壓?jiǎn)栴}［5］。

2.3 水冷式結(jié)構(gòu)

由于AP1000核電機(jī)組主泵變頻器長(zhǎng)期處于運(yùn)行狀態(tài)且主泵功率較大，因此，要求變頻器具備優(yōu)質(zhì)的冷卻性能，以保證變頻器的穩(wěn)定運(yùn)行。AP1000核電機(jī)組主泵變頻器采用水冷方式進(jìn)行冷卻，主要冷卻流程如圖4所示。冷卻水經(jīng)過變壓器熱交換器與功率單元熱交換器對(duì)變壓器回路與功率單元回路進(jìn)行冷卻后流至三通閥;此時(shí)由溫度監(jiān)控器對(duì)回水溫度進(jìn)行監(jiān)控，并以此控制三通閥選擇回水進(jìn)入外部熱交換器進(jìn)行冷卻或直接進(jìn)入循環(huán);去離子水箱用于控制冷卻水內(nèi)的電離子率，保證水質(zhì)。在冷卻系統(tǒng)運(yùn)行過程中，對(duì)進(jìn)出水溫度、泵的流量、電離子率進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)與控制，保證變頻器的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4 冷卻系統(tǒng)回路圖

2.4 預(yù)充電回路結(jié)構(gòu)

為防止變頻器啟動(dòng)過程中突然加壓對(duì)變頻器造成損壞，AP1000核電機(jī)組主泵變頻器采用了預(yù)充電技術(shù)，預(yù)充電回路如圖5所示。預(yù)充電回路包括3組接觸器(M2，M3，M4)和1組電容、電阻，M1為中壓進(jìn)線路器，M1，M2，M3，M4的初始狀態(tài)均為打開。預(yù)充電過程如下:合上M2給電容充電，同時(shí)給變壓器反向充電;當(dāng)電壓達(dá)到整定值時(shí)，合上M3并斷開M2以維持中壓額定電壓;M2斷開后合上M4，然后斷開M3繼續(xù)保持中壓額定電壓但是減少電阻回路壓降;最后斷開M4并合上M1啟動(dòng)變頻器。

圖5 預(yù)充電回路

2.5 冗余結(jié)構(gòu)

AP1000核電機(jī)組主泵變頻器還采用了冗余的設(shè)備結(jié)構(gòu)，以保證其穩(wěn)定與可靠，主要體現(xiàn)如下:

(1)電源冗余:變頻器各外部電源均具有2路單獨(dú)的供電回路，以保證系統(tǒng)的冗余。

(2)控制系統(tǒng)冗余:控制系統(tǒng)分別在硬件配置與信號(hào)采集方面采用冗余結(jié)構(gòu)，保證冗余備用。

(3)冷卻系統(tǒng)冗余:冷卻系統(tǒng)配置2臺(tái)互為備用的冷卻水泵、冗余的熱交換器及溫度調(diào)節(jié)裝置，以保證變頻器的溫度控制。

3 控制與保護(hù)方式

為保證AP1000核電機(jī)組主泵供電系統(tǒng)的持續(xù)與穩(wěn)定，需要變頻器具備完善的控制系統(tǒng)，其控制圖如圖6所示。變頻器控制系統(tǒng)主要由冷卻系統(tǒng)、主控制系統(tǒng)、外部系統(tǒng)3大部分組成。

冷卻系統(tǒng)可編程控制器(PLC)對(duì)變頻器進(jìn)出水溫度、電離子率、冷卻水泵狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并通過用戶界面進(jìn)行控制，同時(shí)將信息反饋至主控制系統(tǒng)。

主控制系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，互為備用的PLC A，PLC B與互為備用的控制器NXG A，NXG B在變頻器運(yùn)行過程中對(duì)冷卻系統(tǒng)、變壓器單元以及功率單元內(nèi)各參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并通過用戶界面進(jìn)行控制。

電廠外部控制系統(tǒng)與變頻器主控制系統(tǒng)之間實(shí)時(shí)進(jìn)行通信，對(duì)變頻器狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證變頻器的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 運(yùn)行特性

AP1000核電機(jī)組主泵變頻器以其良好的運(yùn)行特性為主泵電機(jī)的平滑調(diào)速與穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

主泵啟動(dòng)階段，變頻器通過矢量控制對(duì)磁通電流與轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制以調(diào)節(jié)勵(lì)磁與轉(zhuǎn)矩，對(duì)主泵電機(jī)實(shí)行平滑調(diào)速，使其達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。此時(shí)若泵反轉(zhuǎn)，變頻器可工作在第四象限，通過回饋制動(dòng)實(shí)現(xiàn)泵的正轉(zhuǎn)并將其調(diào)至額定轉(zhuǎn)速［6］。

在正常工作狀態(tài)下，變頻器通過PWM技術(shù)調(diào)整每個(gè)功率單元的輸出電壓與電流，為主泵電機(jī)提供額定電源(如圖7所示)，此時(shí)變頻器最大輸出電壓 Uomax=8.83 kV。

在部分功率單元發(fā)生故障的情況下(假定A6)，變頻器通過中性點(diǎn)漂移技術(shù)保證穩(wěn)定的電源輸出，即此時(shí)不需要跳開B/C相上的功率單元，通過中性點(diǎn)位置轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)新的三相電壓平衡(如圖8所示)。當(dāng)功率單元出現(xiàn)故障時(shí)，變頻器輸出電壓為

式中:nb為故障功率單元的數(shù)量。

圖6 變頻器控制系統(tǒng)圖

中性點(diǎn)漂移技術(shù)保證了功率單元故障時(shí)電壓的穩(wěn)定輸出，同時(shí)大幅度提高了故障狀態(tài)下功率單元的利用率，使變頻器效率及功率單元使用壽命大幅度提高［7］。

5 潛在的問題與優(yōu)化方向

AP1000核電機(jī)主泵變頻器以其獨(dú)特的設(shè)備結(jié)構(gòu)、控制保護(hù)方式與運(yùn)行特性為主泵電機(jī)提供穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)、可靠的電源，但由于主泵變頻器長(zhǎng)期處于運(yùn)行狀態(tài)，仍存在一定的安全隱患。為了更好地提高主泵電機(jī)的供電可靠性與穩(wěn)定性，在AP1000核電機(jī)組后續(xù)發(fā)展過程中，需在目前基礎(chǔ)上進(jìn)行更深入的設(shè)計(jì)與研究。

現(xiàn)階段，主泵電機(jī)持續(xù)運(yùn)行在60 Hz狀態(tài)下，因此可考慮在電廠內(nèi)增設(shè)60 Hz電源母線。在主泵電機(jī)正常工作狀態(tài)下，由60 Hz母線直接為變頻器提供穩(wěn)定電源;在主泵電機(jī)啟動(dòng)階段，可考慮將60 Hz變頻器用于主泵電機(jī)的啟動(dòng)與調(diào)速，優(yōu)化后的供電回路如圖9所示。如廠內(nèi)具備60 Hz電源母線，在主泵電機(jī)啟動(dòng)階段，通過60 Hz變頻器為電機(jī)提供電源并調(diào)至額定轉(zhuǎn)速，當(dāng)主泵電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，將電源切換至旁邊斷路器供電，變頻器無(wú)需長(zhǎng)期運(yùn)行，主泵電機(jī)的供電可靠性將得到極大的提高。

圖9 優(yōu)化后的供電回路

6 結(jié)束語(yǔ)

通過了解AP1000核電機(jī)組冷卻劑供電系統(tǒng)、主泵變頻器的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)，可以更好地了解AP1000核電機(jī)組主泵供電系統(tǒng)以及供電設(shè)備的詳細(xì)情況，更好地思考AP1000核電未來(lái)發(fā)展與改進(jìn)的方向，有利于我國(guó)核電技術(shù)的發(fā)展。

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