2MW高壓變頻器試驗系統設計

李建軍， 王傳軍， 汪玉山

(1. 河北新四達電機制造有限公司，河北 石家莊 052160 2. 上海電機系統節能工程技術研究中心有限公司，上海 200063)

0 引 言

隨著現代電力電子技術和微電子技術的發展，高壓大功率變頻器被廣泛應用。本文介紹了2MW高壓變頻器試驗系統的設計。該系統適用于多種類型多種規格的變頻器，可進行安全性能試驗及各加載方式下的帶載性能試驗等。采用計算機監控和測量，具有較高的自動化程度，準確度高、重復性好、節能降耗、運行可靠，實用價值高。

1 系統試驗能力及主要技術指標

1.1 試驗能力

試驗系統設計試驗能力如表1所示。被試驗三相高壓變頻器最大直接負載為2MW，額定頻率50Hz額定電壓10/6.0/3.3(3.0)kV，功率因數0.9以上，效率95%以上，1min短時間過載能力1.5倍。可通過調壓器調節被試變頻器輸入電壓在30%～120%額定電壓范圍內無級調節，可實現遠程操作控制。系統通過開關柜旁路調壓器，直接以10kV電網供電。

表1 試驗能力

試驗系統以特殊設計的2500kW三相異步電動機機組作為直接負載，以四象限變頻器作為負載控制以及實現能量回饋。

1.2 主要技術指標

主要技術指標如下： 電壓測量準確度為0.2%；電流測量準確度為0.2%；轉速測量準確度為0.5%；轉矩測量準確度為0.5%；溫度測試精度分辨率： 0.02 ℃；準確度：(3-Sigma)±0.05 ℃；絕緣電阻精度為5%。

試驗站使用環境條件如下： 環境溫度0～40 ℃ ；相對濕度≤95%(25 ℃)；海拔高度≤1000m；安裝地點為戶內。

2 系統試驗項目

試驗系統的變頻器測試按照GB/T 13422—2013《半導體電力變流器—電氣試驗方法》[1]和GB/T 3859.1—2013《半導體變流器 通用要求和電網換相變流器 第1-1部分 基本要求規范》[2]等國家標準規定進行試驗，主要針對共性電氣試驗項目。

試驗項目如下：

變頻器負載特性試驗；

變頻器長期負載考核及老化試驗；

變頻器功率器件溫升試驗；

變頻器變壓器等部件的溫升試驗；

變頻器斷相試驗；

變頻器短路試驗；

主電路漏電閉鎖試驗；

接地故障保護試驗；

其他試驗包括：額定輸出電壓及電壓不平衡度試驗；頻率精度試驗、效率試驗；變頻器輸出諧波分析。

3 系統結構

3.1 系統基本原理

系統原理框圖如圖1。系統由調壓器輸入輸出控制柜、三相油浸調壓器1T、三相油浸特殊變壓器2T、旁路開關柜、變壓器輸入輸出開關柜、變頻器輸入輸出測量控制柜、輸出短路及PT柜、再生型加載回饋變頻器2U、交流高壓負載機組等組成。

圖1 試驗系統原理框圖

3.2 系統各單元功能及技術參數

輸入開關柜： 額定電壓為10kV，額定容量為800kVA，主要實現輸入電源開關控制及綜合繼電保護。

試驗用三相油浸感應調壓器1T： 可通過調壓器調節被試變頻器輸入電壓在30%～120%額定電壓范圍內無級調節，實現遠程操作控制。加載容量超過800kVA時通過開關柜自動旁路調壓器。

調壓器主要參數如下： 相數3相，額定頻率50Hz；安裝類型為戶內安裝；冷卻方式為油浸自冷；額定容量為800kVA；額定輸入電壓為10kV；輸出電壓為0～13kV；輸入電壓諧波含量5%。

三相油浸特殊輸出變壓器2T： 該試驗系統的試驗對象涵蓋3.3、6、10kV等多種電壓等級。按最大試驗容量，特殊設計三繞組試驗專用變壓器。變壓器一次側繞組容量為800kVA，二次側二個繞組均設計為多抽頭可串并聯及星三角組合，繞組最大功率為2500kVA。根據試驗對象需求組合出6脈沖3.3、6、10kV等電壓等級，以及18脈沖3.3、 6kV等電壓等級。試驗中二次側二個繞組，實現能量回饋的向量耦合，實際測試數據表明，在滿載情況下，電網僅需提供約25%的能量即可。主要參數如下： 一次電壓為10kV；額定輸入容量為800kVA；額定設計頻率為50Hz；短路阻抗為6%。

3.3 高壓回饋加載變頻器

該系統采用匯川生產的3.3kV高壓四象限能量再生型變頻器構成負載能量回饋及控制系統，由移相變壓器、功率單元和控制器等部分組成，移相變壓器采用免維護型干式變壓器，絕緣等級為H級。高壓回饋加載變頻器技術參數如表2所示。

能量回饋功率單元模塊化設計，每個功率單元內裝有獨立的DSP處理器和電壓、電流采樣電路，能夠在主控系統的協調下獨立地實現能量回饋的控制，回饋控制采用100%功率PWM整流有源前端，變頻器的最大回饋功率與最大輸出功率相同，達到2500kW。

能夠用此變頻器構成的變頻控制系統實現如下工作狀態：可根據需要設置負載時間、扭矩百分比、每一扭矩工作時間、變頻器輸入電壓85%～110%之間調節、每一輸入電壓運行時間，從而使被測變頻器按定義的負載及電壓特性工作。

3.4 負載機組

系統以兩臺三相異步電動機變頻電機構成的機組作為被試驗變頻器的負載。為適應不同電壓等級被試驗變頻器的需要，其中一臺電機設計為

表2 高壓回饋加載變頻器技術參數

3個工作電壓，且在三額定電壓下均達到2500kW，額定電壓分別為3.3、6、10kV，6極，IP23，B3安裝方式，F級絕緣。另一臺加載電機額定電壓3.3kV，與四象限加載變頻器共同實現加載及調節負載。

機組兩臺負載電機均裝有增量型旋轉光電編碼器，用于被試驗變頻器或者加載變頻器的轉速反饋。

機組軸端的轉矩轉速傳感器用于監測試驗輸出扭矩參數。

機組安裝方式如圖2所示，包含聯軸器、墊塊、壓板、螺栓等。

圖2 負載機組安裝結構示意圖

4 控制及測量系統

該試驗系統控制及測量部分由工業控制計算機、服務器、可編程邏輯控制器、受控設備部分組成，通過工業控制計算機實現集中控制，受控部分包括供電開關柜、調壓器、變壓器、被試驗變頻器、加載變頻器、各測試儀表等，原理框圖如圖3。控制系統的信號傳輸采用光纖，極大地提高了系統的抗干擾性能。

圖3 測控系統原理框圖

4.1 控制系統

控制系統由可編程邏輯控制器完成試驗設備組態，包括電源控制、主要開關合分閘等。試驗中僅需在上位工業控制計算機中選擇所需要的運行方式和負載特性即可。控制系統針對各試驗項目的要求控制電源的輸出，完成加載及負載調節，并從系統獲得被試驗變頻器的電參量和各環境參量。在試驗項目規定的時間內對被試對象的電壓、電流、轉速、功率、轉矩等參量形成閉環或開環控制，模擬各種加載工況，自動完成試驗項目。

各受控對象的狀態通過控制總線，上傳到PLC和上位工控機，由上位機顯示并判斷狀態是否健康，完成系統狀態監測。

4.2 電量測量系統

該系統采用AnyWay寬帶功率測試系統，遵循IEC及相關國家標準，可有效確保試驗的寬頻率范圍、寬幅值范圍及低功率因數等測試要求。

系統由寬帶功率傳感器及寬帶功率分析儀構成。寬帶功率傳感器在傳感器內部即將被測信號數字化，并以光纖為介質將數字量上傳至寬帶功率分析儀。寬帶功率分析儀對數字量進行分析、運算并以數值、圖表、波形等方式顯示被測參量信息。

為兼顧被測變頻器的輸入和輸出測量，選擇了兩套測量系統。額定電壓10kV，最大電流500A，共6只；電流測量在5～500A范圍內自動切換量程，分別組成CT1、CT2電流測量單元。

4.3 其他測量系統

配備轉矩轉速傳感器、轉矩轉速測量儀、溫度巡檢儀、接地電阻和絕緣電阻檢定電阻。

5 結 語

該試驗系統方案，采用3.3kV高壓四象限能量再生型變頻器實現加載和負載調節，采用特殊設計的三繞組變壓器，通過其二次側二個繞組的向量耦合實現能量的交流回饋。系統采用計算機數字總線控制，自動化程度高，適用于各種不同的加載模式。經試驗驗證，主要技術參數均達到了設計目標，投入使用后提高了企業產品研發和試驗驗證的能力，為產品質量監督檢驗提供了保證。

【參 考 文 獻】

[1] GB/T 13422—2013 半導體電力變流器電氣試驗方法[S].

[2] GB/T 3859.1—2013半導體變流器通用要求和電網換相變流器 第1-1部分 基本要求規范[S].

[3] 趙發.淺談高壓變頻器試驗系統的設計[J].變頻器世界，2007(6)： 75-78.