袁獻(xiàn)忠 吉 敏 卓 麟 譚保羅

（國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)川氣東送天然氣管道有限公司，武漢 430000）

0 引言

隨著近年來(lái)國(guó)產(chǎn)大容量高壓變頻器的成熟應(yīng)用，新建的天然氣長(zhǎng)輸管線電驅(qū)壓氣站已大批量采用國(guó)產(chǎn)大容量高壓變頻器作為壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝 置[1-2]。單元串聯(lián)型高壓變頻器輸出電壓可達(dá)10kV甚至更高，輸出無(wú)需增加升壓變壓器即可以驅(qū)動(dòng)10kV電動(dòng)機(jī)，且輸入輸出波形好，無(wú)需輸入輸出濾波器，是國(guó)產(chǎn)大容量高壓變頻器的主流方案。

壓縮機(jī)組是天然氣長(zhǎng)輸管線的核心裝置，對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定性要求很高，相對(duì)壓縮機(jī)組中的壓縮機(jī)和電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，由于變頻器屬于電子設(shè)備，系統(tǒng)更加復(fù)雜，其對(duì)供電質(zhì)量的要求也相對(duì)較高[3-4]。而供電電網(wǎng)由于突發(fā)自然災(zāi)害、零星異物漂浮、野蠻施工破壞、配電系統(tǒng)短路故障等原因，不可避免會(huì)出現(xiàn)電網(wǎng)電壓跌落等供電異常問(wèn)題[5]。當(dāng)供電電網(wǎng)出現(xiàn)異常時(shí)，對(duì)變頻器的影響更大。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，導(dǎo)致壓縮機(jī)組停機(jī)的原因中，電網(wǎng)電壓的短時(shí)跌落或者短時(shí)中斷故障占據(jù)了其中相當(dāng)大的比例[6]。因此，研究單元串聯(lián)型高壓變頻器在電網(wǎng)電壓故障下的持續(xù)運(yùn)行控制方法具有重要的意義[7-8]。

1 高壓變頻器電網(wǎng)電壓故障控制原理及 方法

應(yīng)用于天然氣長(zhǎng)輸管線電驅(qū)壓縮機(jī)組的國(guó)產(chǎn)大容量高壓變頻器一般采用基于磁鏈定向的電動(dòng)機(jī)矢量控制算法，為雙閉環(huán)控制，外環(huán)為轉(zhuǎn)速環(huán)和磁通環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。功率單元采用交-直-交型電壓源型拓?fù)?，整流環(huán)節(jié)采用三相全橋二極管不控整流方式。在正常運(yùn)行工況，變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，變頻器輸出有功功率，穩(wěn)態(tài)時(shí)，功率單元的直流母線電壓平均值與功率單元輸入交流電壓有效值的關(guān)系為

式中：Udc為功率單元直流母線電壓平均值；Uac為功率單元輸入交流線電壓的有效值。由式（1）可見(jiàn)，正常運(yùn)行時(shí)，若電網(wǎng)電壓跌落或中斷，會(huì)導(dǎo)致功率單元的輸入交流電壓Uac也隨之跌落或中斷，從而導(dǎo)致功率單元的直流母線電壓Udc也跌落或中斷，造成變頻器的輸出電壓能力下降甚至觸發(fā)功率單元的欠電壓故障。而變頻器輸出電壓能力降低后，若變頻器仍需要輸出較高電壓，則會(huì)使變頻器處于過(guò)調(diào)制狀態(tài)或出現(xiàn)電流環(huán)飽和現(xiàn)象，過(guò)調(diào)制會(huì)使電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器處于非線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，容易導(dǎo)致輸出過(guò)電流故障，而電流環(huán)作為控制內(nèi)環(huán)，內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器飽和是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中的不穩(wěn)定狀態(tài)，也會(huì)導(dǎo)致輸出過(guò)電流故障。不管是功率單元欠電壓故障還是過(guò)電流故障，變頻器一旦檢測(cè)到故障狀態(tài)，就會(huì)進(jìn)入 故障處理邏輯，封鎖輸出脈沖，即使采用自動(dòng)復(fù)位流程，也會(huì)由于自動(dòng)復(fù)位邏輯的邏輯判斷延時(shí)，以及復(fù)位后系統(tǒng)的自檢流程等，導(dǎo)致自動(dòng)復(fù)位處理流程的時(shí)間較長(zhǎng)，在此過(guò)程中可能會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下降過(guò)多觸發(fā)工藝聯(lián)鎖故障，或者導(dǎo)致其他輔助系統(tǒng)報(bào)故障的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在電壓跌落或中斷時(shí)，應(yīng)采取一定的控制方法，盡可能地保持變頻器的運(yùn)行狀態(tài)，盡量少地觸發(fā)其自動(dòng)復(fù)位功能。

由上述分析可知，變頻器電網(wǎng)電壓故障控制的關(guān)鍵是如何在電網(wǎng)電壓跌落或中斷時(shí)，盡量避免輸出過(guò)電流故障和功率單元欠電壓故障，在電網(wǎng)電壓恢復(fù)時(shí)，又可以自動(dòng)恢復(fù)至正常運(yùn)行狀態(tài)。

電網(wǎng)電壓故障控制方法框圖如圖1所示，是本文提出的一種應(yīng)用于單元串聯(lián)型高壓變頻器的電網(wǎng)電壓故障控制方法，尤其適用于風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等大慣量負(fù)載。

圖1 電網(wǎng)電壓故障控制方法框圖

由圖1可知，來(lái)自用戶的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定值ωset與實(shí)時(shí)檢測(cè)得到的電網(wǎng)三相電壓有效值的平均值送入轉(zhuǎn)速給定限幅模塊，轉(zhuǎn)速給定限幅模塊的輸出作為轉(zhuǎn)速環(huán)的轉(zhuǎn)速參考值*ω，轉(zhuǎn)速給定限幅模塊的功能是檢測(cè)到電網(wǎng)電壓跌落或中斷時(shí)，限制轉(zhuǎn)速參考值的大小，避免變頻器在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，由于輸出電壓能力的下降而運(yùn)行于過(guò)調(diào)制狀態(tài)，導(dǎo)致變頻器的穩(wěn)定裕度下降，從而避免電流環(huán)出現(xiàn)飽和的隱患。

根據(jù)電動(dòng)機(jī)特性，在額定轉(zhuǎn)速以下，電動(dòng)機(jī)的輸出電壓與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速基本成正比，通過(guò)限制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速參考值，可避免變頻器在所需電壓超過(guò)變頻器輸出電壓能力范圍的情況下運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，有助于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落到接近功率單元的欠電壓保護(hù)閾值時(shí)，圖1中點(diǎn)劃線框中的母線電壓閉環(huán)控制模塊將會(huì)投入，轉(zhuǎn)速環(huán)將會(huì)處于旁路狀態(tài)。

在圖1中，轉(zhuǎn)速參考值ω*與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ω的差值通過(guò)轉(zhuǎn)速環(huán)PI調(diào)節(jié)器后得到轉(zhuǎn)矩給定值除以磁通值ψ后，得到轉(zhuǎn)矩電流給定值。為了防止電網(wǎng)電壓跌落幅值太大或短時(shí)中斷時(shí)造成的功率單元欠電壓故障，控制系統(tǒng)中增加了母線電壓閉環(huán)控制模塊，如圖1中點(diǎn)劃線框中所示，為功率單元直流母線電壓最小參考值，遠(yuǎn)小于額定的直流母線電壓，(i= 1,2,… ,n)為每個(gè)功率單元的實(shí)測(cè)母線電壓，n為功率單元個(gè)數(shù)，(i=1,2,… ,n)取最小值與的差值經(jīng)過(guò)母線電壓PI調(diào)節(jié)器后得到母線電壓閉環(huán)控制模塊的輸出，母線電壓PI調(diào)節(jié)器的上限值為一個(gè)較大值，遠(yuǎn)大于額定轉(zhuǎn)矩電流，取與前述中的最小值作為轉(zhuǎn)矩電流調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)矩電流參考值。

高壓變頻器電網(wǎng)電壓故障控制方法流程如圖2所示。電網(wǎng)電壓正常時(shí)，(i= 1,2,… ,n)的最小值也大于，母線電壓PI調(diào)節(jié)器飽和，大于，轉(zhuǎn)矩電流參考值即為轉(zhuǎn)速環(huán)的輸出，系統(tǒng)正常調(diào)速運(yùn)行；當(dāng)母線電壓由于電網(wǎng)電壓跌落的幅值過(guò)大或短時(shí)中斷時(shí)，(i= 1,2,… ,n)也減小，當(dāng)小于后，母線電壓PI調(diào)節(jié)器退出飽和，調(diào)節(jié)器穩(wěn)定后，為負(fù)值，和二者取最小值后，也為負(fù)值，即電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，將電動(dòng)機(jī)和負(fù)載的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，給功率單元充電，維持功率單元母線電壓，防止出現(xiàn)功率單元欠電壓故障；若此后電網(wǎng)電壓恢復(fù)，則也變大，母線電壓PI調(diào)節(jié)器重新進(jìn)入飽和狀態(tài)，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)至正常運(yùn)行狀態(tài)，若電網(wǎng)電壓長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有恢復(fù)，電動(dòng)機(jī)及負(fù)載的動(dòng)能耗盡后，變頻器才觸發(fā)功率單元欠電壓故障，根據(jù)參數(shù)設(shè)定，變頻器可以執(zhí)行自動(dòng)復(fù)位功能?chē)L試待電壓恢復(fù)后再起機(jī)或直接停機(jī)。

圖2 高壓變頻器電網(wǎng)電壓故障控制方法流程

2 電網(wǎng)電壓故障控制方法在天然氣長(zhǎng)輸管線電驅(qū)壓氣站中的應(yīng)用

國(guó)內(nèi)某天然氣長(zhǎng)輸管線壓氣站設(shè)計(jì)有3套電驅(qū)壓縮機(jī)組，功率均為7 000kW，電動(dòng)機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 電動(dòng)機(jī)參數(shù)

高壓變頻器采用國(guó)產(chǎn)上海能傳電氣有限公司的NC HVVF系利高壓變頻器，其一次接線如圖3所示。系統(tǒng)采用高壓功率單元串聯(lián)式拓?fù)?，每?個(gè)1 750V/1 000A的水冷功率單元串聯(lián)，整機(jī)共6個(gè)功率單元，輸入移相整流變壓器的二次側(cè)有6個(gè)繞組，分別為6個(gè)功率單元供電，每個(gè)二次繞組的移相角度錯(cuò)開(kāi)10°，形成輸入36脈沖整流結(jié)構(gòu)。為防止上高壓時(shí)的勵(lì)磁涌流，采用高壓預(yù)充電電阻R加旁路開(kāi)關(guān)QF2實(shí)現(xiàn)變頻器的預(yù)充電功能，上高壓時(shí)QF2先斷開(kāi)，上級(jí)進(jìn)線開(kāi)關(guān)QF1先合閘，通過(guò)預(yù)充電電阻R為變頻器功率單元充電，充電完成后，閉合QF2，將預(yù)充電電阻旁路，完成系統(tǒng)上高壓邏輯。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落幅度太大或完全失電時(shí)，需要考慮電壓恢復(fù)時(shí)的高壓預(yù)充電上電邏輯，防止勵(lì)磁涌流過(guò)大導(dǎo)致前級(jí)綜保故障而造成高壓上電失敗。

圖3 NC HVVF高壓變頻器一次接線

為滿足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)高壓變頻器電網(wǎng)電壓故障控制功能的需求，NC HVVF高壓變頻器采用本文提出的電網(wǎng)電壓故障控制方法?，F(xiàn)場(chǎng)帶負(fù)載調(diào)試時(shí)，人為斷開(kāi)上級(jí)進(jìn)線開(kāi)關(guān)QF1并立即重新合閘，進(jìn)行電驅(qū)壓縮機(jī)組的電網(wǎng)電壓故障控制功能測(cè)試，利用示波器測(cè)得的波形如圖4所示。圖4中的4條波形曲線從上至下分別為輸入電壓 inU、輸入電流inI、輸出電流outI、預(yù)充電電阻旁路開(kāi)關(guān)QF2的觸頭反饋信號(hào)（高電平為合閘，低電平為分閘）。由圖4可見(jiàn)，變頻器控制系統(tǒng)檢測(cè)到電網(wǎng)失電時(shí)，系統(tǒng)立即進(jìn)入電網(wǎng)電壓故障處理流程，輸出電流限制為較小電流，并為功率單元反向充電，變頻器吸收有功功率，以維持功率單元的控制部分的供電，同時(shí)將轉(zhuǎn)速給定值限制為較小值；由于電網(wǎng)電壓完全失電，QF2 斷開(kāi)，將預(yù)充電電阻重新投入，防止電網(wǎng)電壓恢復(fù)后產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流；電網(wǎng)失電約2s后，重新恢復(fù)，單元經(jīng)預(yù)充電電阻充電完成后，QF2閉合；控制系統(tǒng)檢測(cè)到QF2的閉合信號(hào)后，退出電網(wǎng)電壓故障處理流程，變頻器輸出有功功率，且電流逐漸變大，電動(dòng)機(jī)重新加速至原先的設(shè)定值，恢復(fù)正常運(yùn)行。

圖4 電網(wǎng)電壓故障控制功能測(cè)試波形

3 結(jié)論

本文提出的高壓變頻器電網(wǎng)電壓故障控制方法，適用于國(guó)產(chǎn)高壓變頻器的主流方案——功率單元串聯(lián)型高壓變頻器，可以在電網(wǎng)電壓跌落或中斷時(shí)，避免輸出過(guò)電流故障和功率單元欠電壓故障，在電網(wǎng)電壓恢復(fù)時(shí)，又可以自動(dòng)恢復(fù)至正常運(yùn)行狀態(tài)，尤其適用于大慣量負(fù)載，如風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等負(fù)載，并且在天然氣長(zhǎng)輸管線電驅(qū)壓氣站現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)際的電網(wǎng)電壓短時(shí)斷電測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，該控制方法可以滿足壓氣站現(xiàn)場(chǎng)對(duì)變頻器電網(wǎng)電壓故障控制功能的要求。