一種高壓變頻器電網電壓故障控制方法及其在天然氣長輸管線中的應用

袁獻忠 吉 敏 卓 麟 譚保羅

（國家管網集團川氣東送天然氣管道有限公司，武漢 430000）

0 引言

隨著近年來國產大容量高壓變頻器的成熟應用，新建的天然氣長輸管線電驅壓氣站已大批量采用國產大容量高壓變頻器作為壓縮機的驅動裝 置[1-2]。單元串聯型高壓變頻器輸出電壓可達10kV甚至更高，輸出無需增加升壓變壓器即可以驅動10kV電動機，且輸入輸出波形好，無需輸入輸出濾波器，是國產大容量高壓變頻器的主流方案。

壓縮機組是天然氣長輸管線的核心裝置，對設備的穩(wěn)定性要求很高，相對壓縮機組中的壓縮機和電動機來說，由于變頻器屬于電子設備，系統更加復雜，其對供電質量的要求也相對較高[3-4]。而供電電網由于突發(fā)自然災害、零星異物漂浮、野蠻施工破壞、配電系統短路故障等原因，不可避免會出現電網電壓跌落等供電異常問題[5]。當供電電網出現異常時，對變頻器的影響更大。根據統計，導致壓縮機組停機的原因中，電網電壓的短時跌落或者短時中斷故障占據了其中相當大的比例[6]。因此，研究單元串聯型高壓變頻器在電網電壓故障下的持續(xù)運行控制方法具有重要的意義[7-8]。

1 高壓變頻器電網電壓故障控制原理及 方法

應用于天然氣長輸管線電驅壓縮機組的國產大容量高壓變頻器一般采用基于磁鏈定向的電動機矢量控制算法，為雙閉環(huán)控制，外環(huán)為轉速環(huán)和磁通環(huán)，內環(huán)為電流環(huán)。功率單元采用交-直-交型電壓源型拓撲，整流環(huán)節(jié)采用三相全橋二極管不控整流方式。在正常運行工況，變頻器驅動電動機作為電動機運行，變頻器輸出有功功率，穩(wěn)態(tài)時，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，正常運行時，若電網電壓跌落或中斷，會導致功率單元的輸入交流電壓Uac也隨之跌落或中斷，從而導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，則會使變頻器處于過調制狀態(tài)或出現電流環(huán)飽和現象，過調制會使電流內環(huán)調節(jié)器處于非線性調節(jié)狀態(tài)，容易導致輸出過電流故障，而電流環(huán)作為控制內環(huán)，內環(huán)調節(jié)器飽和是雙閉環(huán)控制系統中的不穩(wěn)定狀態(tài)，也會導致輸出過電流故障。不管是功率單元欠電壓故障還是過電流故障，變頻器一旦檢測到故障狀態(tài)，就會進入 故障處理邏輯，封鎖輸出脈沖，即使采用自動復位流程，也會由于自動復位邏輯的邏輯判斷延時，以及復位后系統的自檢流程等，導致自動復位處理流程的時間較長，在此過程中可能會導致壓縮機轉速下降過多觸發(fā)工藝聯鎖故障，或者導致其他輔助系統報故障的風險。因此，在電壓跌落或中斷時，應采取一定的控制方法，盡可能地保持變頻器的運行狀態(tài)，盡量少地觸發(fā)其自動復位功能。

由上述分析可知，變頻器電網電壓故障控制的關鍵是如何在電網電壓跌落或中斷時，盡量避免輸出過電流故障和功率單元欠電壓故障，在電網電壓恢復時，又可以自動恢復至正常運行狀態(tài)。

電網電壓故障控制方法框圖如圖1所示，是本文提出的一種應用于單元串聯型高壓變頻器的電網電壓故障控制方法，尤其適用于風機、壓縮機等大慣量負載。

圖1 電網電壓故障控制方法框圖

由圖1可知，來自用戶的電動機轉速設定值ωset與實時檢測得到的電網三相電壓有效值的平均值送入轉速給定限幅模塊，轉速給定限幅模塊的輸出作為轉速環(huán)的轉速參考值*ω，轉速給定限幅模塊的功能是檢測到電網電壓跌落或中斷時，限制轉速參考值的大小，避免變頻器在電網電壓跌落時，由于輸出電壓能力的下降而運行于過調制狀態(tài)，導致變頻器的穩(wěn)定裕度下降，從而避免電流環(huán)出現飽和的隱患。

根據電動機特性，在額定轉速以下，電動機的輸出電壓與電動機的轉速基本成正比，通過限制電動機的轉速參考值，可避免變頻器在所需電壓超過變頻器輸出電壓能力范圍的情況下運行的風險，有助于系統的穩(wěn)定運行。當電網電壓跌落到接近功率單元的欠電壓保護閾值時，圖1中點劃線框中的母線電壓閉環(huán)控制模塊將會投入，轉速環(huán)將會處于旁路狀態(tài)。

在圖1中，轉速參考值ω*與電動機轉速ω的差值通過轉速環(huán)PI調節(jié)器后得到轉矩給定值除以磁通值ψ后，得到轉矩電流給定值。為了防止電網電壓跌落幅值太大或短時中斷時造成的功率單元欠電壓故障，控制系統中增加了母線電壓閉環(huán)控制模塊，如圖1中點劃線框中所示，為功率單元直流母線電壓最小參考值，遠小于額定的直流母線電壓，(i= 1,2,… ,n)為每個功率單元的實測母線電壓，n為功率單元個數，(i=1,2,… ,n)取最小值與的差值經過母線電壓PI調節(jié)器后得到母線電壓閉環(huán)控制模塊的輸出，母線電壓PI調節(jié)器的上限值為一個較大值，遠大于額定轉矩電流，取與前述中的最小值作為轉矩電流調節(jié)器的轉矩電流參考值。

高壓變頻器電網電壓故障控制方法流程如圖2所示。電網電壓正常時，(i= 1,2,… ,n)的最小值也大于，母線電壓PI調節(jié)器飽和，大于，轉矩電流參考值即為轉速環(huán)的輸出，系統正常調速運行；當母線電壓由于電網電壓跌落的幅值過大或短時中斷時，(i= 1,2,… ,n)也減小，當小于后，母線電壓PI調節(jié)器退出飽和，調節(jié)器穩(wěn)定后，為負值，和二者取最小值后，也為負值，即電動機作為發(fā)電機運行，將電動機和負載的動能轉化為電能，給功率單元充電，維持功率單元母線電壓，防止出現功率單元欠電壓故障；若此后電網電壓恢復，則也變大，母線電壓PI調節(jié)器重新進入飽和狀態(tài)，系統自動恢復至正常運行狀態(tài)，若電網電壓長時間沒有恢復，電動機及負載的動能耗盡后，變頻器才觸發(fā)功率單元欠電壓故障，根據參數設定，變頻器可以執(zhí)行自動復位功能嘗試待電壓恢復后再起機或直接停機。

圖2 高壓變頻器電網電壓故障控制方法流程

2 電網電壓故障控制方法在天然氣長輸管線電驅壓氣站中的應用

國內某天然氣長輸管線壓氣站設計有3套電驅壓縮機組，功率均為7 000kW，電動機參數見表1。

表1 電動機參數

高壓變頻器采用國產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。系統采用高壓功率單元串聯式拓撲，每相2個1 750V/1 000A的水冷功率單元串聯，整機共6個功率單元，輸入移相整流變壓器的二次側有6個繞組，分別為6個功率單元供電，每個二次繞組的移相角度錯開10°，形成輸入36脈沖整流結構。為防止上高壓時的勵磁涌流，采用高壓預充電電阻R加旁路開關QF2實現變頻器的預充電功能，上高壓時QF2先斷開，上級進線開關QF1先合閘，通過預充電電阻R為變頻器功率單元充電，充電完成后，閉合QF2，將預充電電阻旁路，完成系統上高壓邏輯。當電網電壓跌落幅度太大或完全失電時，需要考慮電壓恢復時的高壓預充電上電邏輯，防止勵磁涌流過大導致前級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

為滿足現場對高壓變頻器電網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電壓故障控制方法。現場帶負載調試時，人為斷開上級進線開關QF1并立即重新合閘，進行電驅壓縮機組的電網電壓故障控制功能測試，利用示波器測得的波形如圖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、預充電電阻旁路開關QF2的觸頭反饋信號（高電平為合閘，低電平為分閘）。由圖4可見，變頻器控制系統檢測到電網失電時，系統立即進入電網電壓故障處理流程，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，同時將轉速給定值限制為較小值；由于電網電壓完全失電，QF2 斷開，將預充電電阻重新投入，防止電網電壓恢復后產生的勵磁涌流；電網失電約2s后，重新恢復，單元經預充電電阻充電完成后，QF2閉合；控制系統檢測到QF2的閉合信號后，退出電網電壓故障處理流程，變頻器輸出有功功率，且電流逐漸變大，電動機重新加速至原先的設定值，恢復正常運行。

圖4 電網電壓故障控制功能測試波形

3 結論

本文提出的高壓變頻器電網電壓故障控制方法，適用于國產高壓變頻器的主流方案——功率單元串聯型高壓變頻器，可以在電網電壓跌落或中斷時，避免輸出過電流故障和功率單元欠電壓故障，在電網電壓恢復時，又可以自動恢復至正常運行狀態(tài)，尤其適用于大慣量負載，如風機、壓縮機等負載，并且在天然氣長輸管線電驅壓氣站現場進行了實際的電網電壓短時斷電測試。試驗結果表明，該控制方法可以滿足壓氣站現場對變頻器電網電壓故障控制功能的要求。