時間:2017-03-13 17:13:46來源:馬小亮
本文是“新型油氣壓縮機(jī)用高壓M2C變頻器(Part-1)”一文的后續(xù)部分。中壓變頻器需要關(guān)注的幾個問題,H橋級聯(lián)變頻器(CHB)和模塊化多電平變頻器(M2C)的原理、特點(diǎn)及它們的比較己經(jīng)在那里介紹,本Part介紹M2C變頻器的低頻運(yùn)行問題及對策、另外兩種常用的中點(diǎn)鉗位三電平變頻器(3L-NPC)及基于三電平H橋的五電平變頻器(5L-HNPC)與CHB和M2C變頻器的比較,討論它們的冗余和可靠性,最后簡介西門子的GH150產(chǎn)品。
Ⅳ.M2C變頻器的低頻運(yùn)行問題及對策
M2C技術(shù)始于2001年,2006年前后西門子公司率先推出基于此技術(shù)的HVDCPLUS系統(tǒng),成功用于柔性直流輸電。人們希望把M2C技術(shù)用于變頻調(diào)速,簡化變壓器和整流電源,但存在一個技術(shù)障礙—低頻運(yùn)行問題。
依照器件電壓不同,3L-NPC變頻器有2.3kV、3(3.3)kV和4.16kV三個電壓等級,國內(nèi)基本上只用3(3.3)kV。它使用4.5kV器件,直流母線電壓Vdc≈5kV,輸出電壓臺階幅值DVstep=Vdc/2≈2.5kV。
3L-NPC變頻器的優(yōu)點(diǎn):
1)線路最簡單,元器件數(shù)量最少。
2)有公共直流母線,整流電源和油浸變壓器簡單,實現(xiàn)電動機(jī)制動能量吸收或回饋容易。與CHB變頻器相比它是優(yōu)點(diǎn),但與M2C變頻器相比它算不上優(yōu)點(diǎn),因為二者都有公共直流母線。
3)三相逆變共用直流貯能電容,數(shù)量少(2個),直流母線電流中無低頻交流分量,電容總能量也小(約是CHB的25%和M2C的40%)[16],使用壽命長的高壓薄膜電容,集中安裝。與使用電解電容的CHB變頻器相比它是重要優(yōu)點(diǎn),M2C變頻器也用薄膜電容,只是數(shù)量多及總能量大,分散安裝。
3L-NPC變頻器是進(jìn)入市場最早的中壓PWM變頻器,在國外應(yīng)用廣泛,我國早期曾進(jìn)口不少這種變頻器。CHB變頻器問世后,這類變頻器在我國不需要電動機(jī)制動能量吸收的油氣壓縮機(jī)和泵等調(diào)速傳動中用得越來越少。其原因是:
1)輸出電壓達(dá)不到6kv,不滿足我國中壓電壓等級標(biāo)準(zhǔn)。在無特殊理由的情況下采用非標(biāo)準(zhǔn)電壓,很難被用戶接受。
2)輸出電壓電平數(shù)少,加之PWM調(diào)制頻率低(高壓器件開關(guān)頻率<1kHz),一個基波周期中的PWM方波數(shù)少,諧波大。
3)輸出電壓臺階幅值DVstep高,dv/dt大,導(dǎo)致:普通中壓電動機(jī)不能承受,需加強(qiáng)絕緣(ABB要求[14]3.3kV電機(jī)的最小絕緣等級為7.2kV,變頻器和電機(jī)間聯(lián)接電纜按6kV有效值/10kV峰值選取)及采取防軸電流措施(絕緣軸承和軸接地電刷);電纜寄生電容引起的附加電流沖擊大,允許電纜長度<300m。若使用普通電機(jī),需在變頻器輸出端裝設(shè)龐大的輸出濾波器。
4)使用高壓開關(guān)器件,雖數(shù)量少,但由于高壓器件芯片厚、導(dǎo)通壓降和芯片面積大,芯片總面積反而比CHB大(50%左右),和M2C差不多[16]。
面對3L-NPC變頻器在中國市場的不利局面,ABB和日本TMEIC公司為適應(yīng)中國對6kv的需求,利用己有的中點(diǎn)鉗位三電平技術(shù)和相支路功率組件(PEBB)開發(fā)出改進(jìn)產(chǎn)品—基于三電平H橋的五電平變頻器5L-HNPC。
5L-HNPC變頻器的特點(diǎn)及與其它變頻器的比較:
1)5L-HNPC可以輸出6(6.9)kV,雖然符合國標(biāo)中的保留電壓等級,但低于國標(biāo)推薦的10kV,對功率接近和超過10MW的大功率裝置來說6kV仍偏低。
2)與3L-NPC相比,5L-HNPC輸出相電壓電平數(shù)從3增至5,諧波有所減小。6kV的M2C和CHB變頻器(k=5)的相電壓電平數(shù)=11,遠(yuǎn)大于5L-HNPC。國家電控配電設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心應(yīng)用戶委托對5L-HNPC進(jìn)行了檢驗,結(jié)論是電流輸出諧波含量明顯偏大,電機(jī)噪音明顯比工頻運(yùn)行時大很多,對電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行有一定的影響。
3)與3L-NPC相比,5L-HNPC的電平數(shù)增加,但因仍使用4.5kV高壓器件,輸出電壓跳變臺階幅值DVstep≈2.5kV沒變,相應(yīng)dv/dt也沒變,只是相對變頻器額定輸出電壓來說減小了,電機(jī)和電纜仍需加強(qiáng)絕緣。根據(jù)TMEIC公司的計算:變頻器最大輸出電壓峰值=4×DVstep(見圖11),dv/dt引起的過壓尖峰最大1×DVstep,因此電機(jī)端部最大尖峰電壓=5×DVstep≈12.5kV,折算到有效值≈8.8kV,建議采用11kV絕緣。
4)和CHB一樣,5L-HNPC的貯能電容也接在單相逆變橋直流輸入端,都需吸收直流母線電流中的大幅值2倍輸出頻率之交流分量,它們每MVA的電容總能量差不多,比3L-NPC大許多。和CHB不同,因電壓高5L-HNPC使用薄膜電容。
5)因5L-HNPC也使用高壓開關(guān)器件,它每MVA的芯片總面積與和3L-NPC差不多,比CHB大,和M2C差不多[16]。
6)5L-HNPC有6套整流電源,36脈波整流,電網(wǎng)側(cè)電流諧波非常小。由于整流變壓器多套副方繞組間的移相及幅值誤差,實際的諧波減小效果和30或24脈波整流相差不大。整流電源套數(shù)多使其喪失3L-NPC實現(xiàn)制動能量吸收或回饋容易的優(yōu)點(diǎn)。5L-HNPC使用油浸變壓器。
7)美國IEEE的綜述報告指出[2],與使用4.5kv器件的兩級串聯(lián)(k=2)的CHB變頻器相比,5L-HNPC的輸出電壓大小和波形、電平數(shù),全控器件數(shù),整流電源數(shù),變壓器復(fù)雜性及dv/dt等都和CHB一樣,但多用12支鉗位二極管,沒什么優(yōu)點(diǎn)。ABB和TMEIC公司由于己有成熟的3L-NPC技術(shù)和相支路功率組件(PEBB)才選用此方案。
盡管5L-HNPC只是3L-NPC的改進(jìn),未能完全解決它的問題,還是受國內(nèi)不少用戶歡迎,在大功率節(jié)能調(diào)速領(lǐng)域占一席之地。
Ⅵ.冗余和可靠性
M2C和CHB是級聯(lián)型變頻器,由多個功率單元串聯(lián)構(gòu)成。為提高可靠性,可以在設(shè)計時多串聯(lián)一個單元(k+1冗余)或兩個單元(k+2冗余),出現(xiàn)單元故障時通過旁路開關(guān)去掉該單元,維持變頻器繼續(xù)工作。稱這種技術(shù)為“單元冗余及旁路”,增加設(shè)備和投資不多,效果顯著,對某些生產(chǎn)連續(xù)性要求高、故障停機(jī)會造成重大損失的應(yīng)用場合(例如油氣壓縮機(jī)、冶金和礦山風(fēng)機(jī)等)意義大。
2000年美國MaratbonAsbland石油公司在一套油氣壓縮機(jī)的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中使用了這技術(shù)[15]。該項目釆用CHB變頻器,功率5500Hp/電壓4.16kV,原本只需4級串聯(lián),為實現(xiàn)變頻調(diào)速系統(tǒng)5年連續(xù)運(yùn)行目標(biāo),它多串2級,共6級。在相故障單元數(shù)≤2時,變頻器仍能輸出額定電壓;在相故障單元數(shù)>3時,變頻器降低最大輸出電壓運(yùn)行。為在去掉故障單元后維持三相輸出線電壓平衡,有兩種旁路控制方法:
1)對稱旁路在無故障的另兩相旁路同樣數(shù)量的無故障單元,並維持三相相電壓彼此互差120°不變,此法簡單,適合用于相故障單元數(shù)≤2時。如果相故障單元數(shù)>3,仍用此方法,三相電壓雖平衡,但變頻器最大輸出電壓下降多。
2)中點(diǎn)偏移只旁路有故障單元,通過適當(dāng)調(diào)整三個相電壓間的相位關(guān)系,仍維持三
相輸出線電壓平衡,并減小電壓降低程度[15]。
CHB變頻器的旁路過程波形示于圖12,無電流時間約250ms,這期間電動機(jī)靠機(jī)械慣量維持自由運(yùn)行,轉(zhuǎn)速約降10%,旁路過程結(jié)束后恢復(fù)。
圖12CHB的旁路過程波形
為實現(xiàn)“單元冗余及旁路”,西門子公司也在其M2C變頻器的每個功率單元兩端都并聯(lián)一個旁路開關(guān)(圖13a),并為此開發(fā)專用快速旁路接觸器(圖13b)。這接觸器在變頻器運(yùn)行過程中一直處于待激活狀態(tài),它的動作時間約625ms,整個旁路操作時間<1ms。由于操作時間非常短,旁路操作期間電流穩(wěn)定,沒變化,因此也無轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速下降(“無縫”旁路操作),見圖14。
a)變頻器 b)旁路接觸器
圖13有旁路開關(guān)的M2C變頻器及其旁路接觸器
圖14旁路操作期間的變頻器輸出電壓和電流波形
應(yīng)指出,單元旁路技術(shù)不僅用于有功率單元冗余時,也可用于無功率單元有冗余時。若無冗余,即使只有一個單元故障及被旁路,變頻器最大輸出電壓也要下降,采用中點(diǎn)偏移控制能減小電壓降低程度。
3L-NPC和5L-HNPC不是由多個較小功率的單元通過串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成的變頻器,很難實現(xiàn)冗余。若想實現(xiàn)3L-NPC變頻器的k+1冗余需增加12個4.5kV高壓IGBT和二極管,若想實現(xiàn)k+2冗余需增加24個4.5kV高壓IGBT和二極管,代價巨大且操作麻煩。雖然己經(jīng)有一些代價較小的容錯運(yùn)行方案,但都因控制復(fù)雜及輸出電壓下降多而未實用。5L-HNPC變頻器的冗余更難實現(xiàn),未在市場出現(xiàn)。
3L-NPC和5L-HNPC變頻器使用4.5kV高壓器件,數(shù)量少,級聯(lián)型M2C和CHB變頻器使用1.7kV低壓器件,數(shù)量多。通常器件數(shù)量越少的變頻器越可靠,但從器件本身來說,低壓器件比高壓器件技術(shù)更成熟,使用量大、經(jīng)驗多、可靠,究竟那種變頻器更可靠?
為比較油氣領(lǐng)域常用變頻器的可靠性和了解冗余效果,參考文獻(xiàn)[16]給出M2C、CHB、3L-NPC和5L-HNPC四種6.6kV中壓變頻器的平均故障間隔時間MTBF(meantimebetweenfailures)定量分析結(jié)果。
平均故障間隔時間MTBF=1/l
式中l(wèi)是總故障率,它等于109小時中所有部件的總故障次數(shù)。在計算故障率時計及電網(wǎng)側(cè)變壓器、電網(wǎng)側(cè)整流器、電機(jī)側(cè)逆變器、冷卻單元及變頻器控制系統(tǒng)等,電機(jī)沒考慮。為使計算結(jié)果更直觀,該文獻(xiàn)在介紹比較果時采用相對MTBF,以無冗余3L-NPC變頻器的MTBF值為100%,其它變頻器與之相比較。比較結(jié)果如下:
1)無冗余之四種變頻器的相對平均故障間隔時間MTBF示于圖15,彼此相差不大,都較可靠。
圖15無冗余變頻器的相對MTBF
2)有k+1和k+2冗余的級聯(lián)型M2C及CHB變頻器的MTBF大幅提高,效果顯著,可靠性遠(yuǎn)超3L-NPC和5L-HNPC變頻器。3L-NPC變頻器的冗余代價高,且效果不明顯,k+2反而不如k+1,這是由于實現(xiàn)冗余的復(fù)雜性所致。5L-HNPC變頻器不適合冗余。
圖16無冗余及有冗余(k+1和k+2)變頻器的相對MTBF
3)如果控制系統(tǒng)也有冗余,MTBF可增加16—20%。
Ⅶ.西門子公司的GH150系列M2C變頻器
西門子公司的GH150系列變頻器是進(jìn)入調(diào)速市場的首款M2C變頻器,目前只看到其它公司類似變頻器的研究報告,未見產(chǎn)品。由于M2C調(diào)速系統(tǒng)的低速轉(zhuǎn)矩<額定轉(zhuǎn)矩,所以西門子公司把GH150的應(yīng)用領(lǐng)域限制在大功率油氣壓縮機(jī)、泵和風(fēng)機(jī)等設(shè)備的電機(jī)驅(qū)動,它們調(diào)速范圍不大,且起動轉(zhuǎn)矩小。
M2C和CHB變頻器都基于功率單元級聯(lián),具有相同的優(yōu)良輸出性能:輸出電壓高、諧波和dv/dt小、使用普通電機(jī)、適合長電纜運(yùn)行和支持功率單元冗余等。西門子公司己經(jīng)有CHB變頻器系列產(chǎn)品GH180,被人們熟悉和廣泛應(yīng)用,這次又推出M2C的原因是:用增加約40%器件芯片總面積的代價,換取電網(wǎng)側(cè)變壓器和整流電源的簡化及靈活性。M2C有公共直流母線,可以通過加裝制動單元和電阻吸收電動機(jī)制動能量,從而實現(xiàn)快速制動,這性能對機(jī)械慣量大的風(fēng)機(jī)很重要。
目前GH150中逆變器的指標(biāo):功率4—13.3MVA,可擴(kuò)展至30MVA;電壓4.16—7.2kV;采用價廉、可靠的1.7kV低壓IGBT;6—7.2kV變頻器的cell(雙模塊)數(shù)=36,級聯(lián)數(shù)k=6;輸出電壓電平數(shù)=13(相)25(線);水冷散熱,未凈化水的入口溫度35℃,最大47℃。規(guī)劃指標(biāo)(單套):功率52MVA;電壓12kV。GH150的網(wǎng)側(cè)變壓器和整流電源根據(jù)用戶需要靈活配置:變壓器可干式或油浸,戶內(nèi)或戶外;整流電源脈波數(shù)12—36。GH150變頻柜及功率單元(cell)外形示于圖17。
a)變頻柜
b)cell
圖17GH150變頻柜及cell外形
GH150的部分應(yīng)用案例:
Part-2結(jié)論
西門子公司推出一款基于M2C技術(shù)的GH150系列調(diào)速變頻器,在獲得和CHB同樣優(yōu)良性能的基礎(chǔ)上,用增加約40%器件芯片總面積的代價,換取電網(wǎng)側(cè)變壓器和整流電源的簡化及靈活性。CHB和M2C的原理、特點(diǎn)及它們的比較己經(jīng)在本文PART-1中介紹。在本PART中討論了下列幾個問題:
A.M2C存在低頻運(yùn)行問題,可通過注入諧波解決,但它的低速持續(xù)運(yùn)行轉(zhuǎn)矩<額定轉(zhuǎn)矩,適用于壓縮機(jī)、泵、風(fēng)機(jī)等調(diào)速應(yīng)用。
B.文中介紹了另外兩種常用中壓變頻器,3L-NPC和5L-HNPC,并與M2C和CHB作比較。3L-NPC因其輸出電壓不滿足電壓等級國標(biāo)要求、諧波及dv/dt大、使用特殊電機(jī)等缺點(diǎn),不宜用于壓縮機(jī)、泵和風(fēng)機(jī)等設(shè)備。5L-HNPC只是3L-NPC的改進(jìn),未能完全解決它的問題。
C.M2C和CHB是級聯(lián)型變頻器,可以通過“單元冗余及旁路”技術(shù)大幅提高它們的可靠性。為此西門子開發(fā)了專用快速旁路接觸器,實現(xiàn)M2C無轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩下降的“無縫”旁路操作。文中示出四種中壓變頻器的平均故障間隔時間MTBF的定量分析結(jié)果。
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