供電改造提升大功率變頻器低電壓穿越能力的措施

蒲斌 楊福超 韓小虎 李揚(yáng)

國家管網(wǎng)集團(tuán)西部管道公司

目前電驅(qū)壓縮機(jī)組相較燃驅(qū)壓縮機(jī)的顯著優(yōu)勢(shì)使其應(yīng)用越來越多[1-3]。“低電壓穿越”[4-6]是電驅(qū)壓縮機(jī)變頻器在供電電源電壓跌落時(shí)保持連續(xù)運(yùn)行的一種方式，西氣東輸二線輪吐支線某站3 臺(tái)榮信變頻器在2020～2021 年外電波動(dòng)中變頻器成功低電壓穿越26 次，未發(fā)生電壓跌落引起壓縮機(jī)故障停機(jī)的情況，極大增強(qiáng)了供電波動(dòng)時(shí)電驅(qū)壓縮機(jī)的運(yùn)行可靠性。電驅(qū)壓縮機(jī)站場(chǎng)單回路供電線路發(fā)生故障時(shí)，會(huì)造成高壓、低壓設(shè)備全部短時(shí)失電停止運(yùn)行，發(fā)生故障后恢復(fù)壓氣站正常運(yùn)行的時(shí)間要遠(yuǎn)長于電網(wǎng)波動(dòng)引起壓縮機(jī)停機(jī)的時(shí)間，在管線高壓力運(yùn)行情況下可能會(huì)導(dǎo)致管線超壓運(yùn)行，造成的后果較為嚴(yán)重。電驅(qū)壓縮機(jī)壓氣站輔助設(shè)備在短時(shí)供電恢復(fù)后可就地啟動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行，而恢復(fù)壓縮機(jī)運(yùn)行則需要全面檢查后重新啟動(dòng)。目前提升供電可靠性以研究母線殘壓變化使用快速切換裝置等措施為主，沒有對(duì)外電故障時(shí)大功率變頻器直流母線電壓隨時(shí)間變化的特征進(jìn)行研究、提出解決措施，勵(lì)磁系統(tǒng)采用的低壓變頻器在電源失電及切換時(shí)允許的失電時(shí)間方面也無相關(guān)研究。2019、2020 年輪吐線某站共發(fā)生兩起供電線路故障引起壓氣站停產(chǎn)的問題，供電線路發(fā)生故障后分析變頻器運(yùn)行狀態(tài)的特征，制定針對(duì)性的措施，提升變頻器低電壓穿越的能力，解決單回路供電故障時(shí)壓氣站停產(chǎn)的隱患具有重要意義。

1 變頻器低電壓穿越情況

1.1 同步電動(dòng)機(jī)變頻器原理

長輸管道大功率同步電動(dòng)機(jī)由主電動(dòng)機(jī)和無刷勵(lì)磁機(jī)組成，無刷勵(lì)磁機(jī)向主電動(dòng)機(jī)提供直流勵(lì)磁電源，通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流使同步電動(dòng)機(jī)在較高功率因數(shù)運(yùn)行，因此驅(qū)動(dòng)大功率同步電動(dòng)機(jī)的變頻器需要同時(shí)控制主電動(dòng)機(jī)和勵(lì)磁機(jī)運(yùn)行。

近年來長輸管道大功率同步電動(dòng)機(jī)變頻器以電壓源型為主，按照原理分為級(jí)聯(lián)型和鉗位二極管型，電氣主結(jié)構(gòu)均為高壓電源經(jīng)過移相變壓器降壓后整流，整流后的直流電源由變頻控制器控制逆變單元逆變后輸出至主電動(dòng)機(jī)，同時(shí)變頻控制器控制勵(lì)磁系統(tǒng)輸出勵(lì)磁電流，兩者共同作用驅(qū)動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。圖1為輸出線電壓為6 kV 電壓源H 橋級(jí)聯(lián)型變頻器原理圖，逆變單元采用電子注入增強(qiáng)門極晶體管（IEGT），三相均由兩組逆變單元H 橋結(jié)構(gòu)串聯(lián)，輸出6 kV 電壓。變頻控制系統(tǒng)按照同步發(fā)電機(jī)V 型曲線（圖2）控制輸出勵(lì)磁電流，使同步電機(jī)在接近功率因數(shù)為1 的狀態(tài)運(yùn)行。當(dāng)功率因數(shù)超前或滯后較多時(shí)，會(huì)引起主電動(dòng)機(jī)輸出過流。

圖1 6 kV電壓源H橋級(jí)聯(lián)型變頻器原理Fig.1 Principle of 6 kV voltage source H-bridge cascade inverter

圖2 同步發(fā)電機(jī)V形曲線Fig.2 V-curve of synchronous generator

1.2 壓氣站電氣結(jié)構(gòu)

西氣東輸二線輪吐支線某站由110 kV 雙回路外電線路供電，經(jīng)過110 kV/10 kV主變后通過10 kV母線對(duì)三臺(tái)15 MVA變頻器供電，并經(jīng)過10 kV/0.4 kV變壓器后通過低壓母線對(duì)低壓系統(tǒng)設(shè)備供電，10 kV 兩段母線各配置3 MVar容量SVG 用于功率因數(shù)補(bǔ)償（圖3）。兩條110 kV 供電線路配置線路光纖差動(dòng)保護(hù)以及進(jìn)線保護(hù)，110、10、0.4 kV 三個(gè)電壓等級(jí)均為單母線分段供電方式，各母聯(lián)通過備自投方式切換，正常運(yùn)行時(shí)為分列運(yùn)行，故障時(shí)通過各級(jí)備自投動(dòng)作恢復(fù)供電[7]。

圖3 壓氣站供電系統(tǒng)一次回路Fig.3 Primary circuit of the power supply system of the compressor station

1.3 電壓跌落

受區(qū)域配電容量的影響，當(dāng)區(qū)域供電單回路線路發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，其余供電回路受影響，但其電壓跌落的幅度有限，故障線路的保護(hù)系統(tǒng)會(huì)對(duì)故障線路進(jìn)行切除，電壓跌落影響的時(shí)間也有限。在供電回路故障未排除時(shí)，故障回路的重合閘會(huì)引起供電電源多次電壓跌落。如果區(qū)域配電系統(tǒng)內(nèi)大功率電壓敏感設(shè)備因此停產(chǎn)時(shí)，有可能造成區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)電壓的連續(xù)波動(dòng)，但電壓波動(dòng)的幅度總體有限。IEEE 的電壓跌落為供電電壓有效值突然下降到額定值的90%～10%，持續(xù)時(shí)間為0.5～30 個(gè)工頻周期[8]，此種程度的電壓跌落，壓氣站110、10、0.4 kV三條母線電壓會(huì)不同程度跌落，跌落幅度逐級(jí)減小，繼電保護(hù)裝置不會(huì)動(dòng)作。

當(dāng)110 kV 發(fā)生電壓跌落時(shí)，0.4 kV 低壓設(shè)備受到110 kV/10 kV 及10 kV/0.4 kV 兩級(jí)變壓器隔離，且0.4 kV 低壓系統(tǒng)設(shè)備總體的用電負(fù)荷較小，電壓跌落后，電流略有增大（圖4），低壓設(shè)備均可連續(xù)運(yùn)行。

圖4 電壓跌落時(shí)0.4 kV進(jìn)線電流變化趨勢(shì)Fig.4 Variation trend of 0.4 kV incoming line current when voltage drops

典型的電壓跌落過程中電壓跌落的時(shí)間、幅度有限[8]，變頻器直流母線電壓變化的幅值有限（圖5），供電電壓恢復(fù)正常時(shí)，變頻器勵(lì)磁涌流較小，不會(huì)造成輸入側(cè)的過流。輪吐線某站榮信變頻器均可以通過其低電壓穿越功能恢復(fù)連續(xù)運(yùn)行。

1.4 變頻器主電源短時(shí)失電

在變頻器低壓系統(tǒng)供電正常時(shí)，變頻器勵(lì)磁電流正常輸出，切斷變頻器10 kV 主供電回路供電后，變頻器利用同步電動(dòng)機(jī)特性通過回饋充電會(huì)使直流母線電壓保持較為穩(wěn)定，失電2 s 時(shí)直流母線電壓下降較少，基本保持不變（圖6），再次恢復(fù)主電源供電時(shí)，變頻變壓器的勵(lì)磁涌流對(duì)變頻器整流部分的沖擊較小，變頻器控制系統(tǒng)對(duì)失去主電時(shí)間不進(jìn)行限制的情況下，主供電回路失電后可以在較長時(shí)間重新恢復(fù)運(yùn)行。

1.5 供電線路故障時(shí)變頻器運(yùn)行情況

1.5.1 供電波形變化

輪吐線某站2#外電線路110 kV B 相電源側(cè)單相接地，發(fā)生故障80 ms 后線路光纖差動(dòng)保護(hù)分?jǐn)嗑€路兩側(cè)斷路器（圖7），供電波形的變化特征為：

圖7 2#線路110 kV B相電源側(cè)單相接地故障電壓趨勢(shì)Fig.7 Trend of single-phase grounding fault voltage on 110 kV B-phase power supply side of 2#line

（1）由于上游供電電源220 kV 母線合環(huán)運(yùn)行，110 kV單條線路故障時(shí)引起區(qū)域供電網(wǎng)絡(luò)另一段電壓同時(shí)驟降。

（2）110 kVⅡ段電壓變化的幅度大于10 kVⅡ段電壓變化幅度，110 kVⅡ段電壓波形的畸變程度也較10 kVⅡ段明顯。

（3）線路光纖差動(dòng)保護(hù)后，110 kVⅡ段仍有較大零序電壓，而10 kVⅡ段零序電壓較小。

1.5.2 影響低壓設(shè)備

當(dāng)發(fā)生110 kV 供電線路故障，0.4 kV 設(shè)備即使經(jīng)過兩級(jí)變壓器隔離，在電源故障60 ms 時(shí)0.4 kV設(shè)備電流明顯減小，已經(jīng)有低壓設(shè)備的接觸器逐漸開始脫扣，而此時(shí)線路光纖差動(dòng)保護(hù)還未動(dòng)作（圖8）。

圖8 2#線路110 kV B相電源側(cè)單相接地故障0.4 kV母線電壓趨勢(shì)Fig.8 0.4 kV busbar voltage trend of single-phase grounding fault voltage on 110 kV B-phase power supply side of 2#line

1.5.3 影響變頻器運(yùn)行

輪吐線某站曾發(fā)生兩次110 kV 供電線路故障，其中2020 年8 月26 日發(fā)生的外電線路電源側(cè)B 相接地故障變頻器直流母線電壓接近1 500 V保護(hù)值，對(duì)變頻器波形記錄（圖9）進(jìn)行分析：

圖9 110 kV供電線路故障時(shí)變頻器參數(shù)變化趨勢(shì)Fig.9 Variation trend of inverter parameters when 110 kV power supply line fails

（1）6.0 s，網(wǎng)側(cè)電壓Uab有效值小于變頻器進(jìn)入低電壓穿越的9 000 V 閾值，變頻器進(jìn)入低電壓穿越狀態(tài)，此時(shí)變頻器A1、A2 單元直流母線電壓下降到2 150 V，隨后直流母線電壓先上升后開始下降。

（2）6.06 s，站場(chǎng)低壓設(shè)備部分接觸器開始脫扣，低壓系統(tǒng)總電流大幅度下降，此時(shí)變頻器A1、C2單元直流母線電壓下降到2 150 V。

（3）6.08 s，線路110 kV 光差保護(hù)動(dòng)作分負(fù)荷側(cè)進(jìn)線斷路器，此時(shí)變頻器C2 單元直流母線電壓下降到1 990 V。

（4）6.3 s，變頻器C2 單元直流母線電壓下降到1 650 V。

（5）6.35 s，變頻器C2 單元直流母線電壓下降到最低1 612 V。

（6）6.5 s，勵(lì)磁變頻器直流母線欠壓故障。

（7）6.55 s，變頻器發(fā)出緊急停車命令，開始緊急停車，此時(shí)變頻器C2 單元直流母線電壓為1 634 V。

110 kV供電線路發(fā)生故障時(shí)變頻器電壓趨勢(shì)相較于電網(wǎng)波動(dòng)電壓跌落時(shí)的趨勢(shì)有以下區(qū)別：①電壓下降的時(shí)間較長，供電線路發(fā)生故障后由于受線路保護(hù)、線路重合閘、母聯(lián)備自投等保護(hù)與動(dòng)作時(shí)序匹配，供電電源的中斷時(shí)間較長；②供電線路發(fā)生故障時(shí)變頻器直流母線電壓下降的幅度較大，受站場(chǎng)用電負(fù)荷的影響變頻器直流母線電壓下降程度雖然不同，但是下降幅值較大已經(jīng)下跌到接近直流母線電壓保護(hù)值1 600 V 閾值；③勵(lì)磁電流反饋值較大時(shí)，經(jīng)過同步單機(jī)回饋充電變頻器直流母線電壓下降較慢，網(wǎng)側(cè)電壓殘壓下降到較低時(shí)，直流母線電壓下降趨緩；④110 kV 供電線路故障使0.4 kV低壓系統(tǒng)較長時(shí)間失電，引起勵(lì)磁變頻器直流母線欠壓，最終引起變頻器故障停機(jī)，變頻器主回路及低壓回路均影響變頻器低電壓穿越的能力。

2 供電系統(tǒng)的提升措施

2.1 運(yùn)行方式選擇

當(dāng)存在兩條供電回路時(shí)（圖3），有以下4種運(yùn)行方式：

（1）1#進(jìn)線運(yùn)行，2#進(jìn)線備用。

（2）2#進(jìn)線運(yùn)行，1#進(jìn)線備用。

（3）1#進(jìn)線、2#進(jìn)線分列運(yùn)行。

（4）1#進(jìn)線、2#進(jìn)線及母聯(lián)斷路器均合閘，供電系統(tǒng)合環(huán)運(yùn)行。

運(yùn)行方式（1）和（2）為主備運(yùn)行方式，在運(yùn)行線路出現(xiàn)故障時(shí)切換方式均為跳開運(yùn)行進(jìn)線，投入備用進(jìn)線，備自投動(dòng)作時(shí)會(huì)造成負(fù)荷側(cè)全站短時(shí)失電；方式（3）為分列運(yùn)行方式，在單條線路故障時(shí)跳開故障線路，另一線路不受影響，備自投動(dòng)作時(shí)負(fù)荷側(cè)僅故障線路一段短時(shí)失電；方式（3）的分列運(yùn)行方式有效避免了分段故障，運(yùn)行方式宜選擇分列運(yùn)行方式。

對(duì)于10 kV 和0.4 kV 供電方式同樣宜選擇方式（3）的分列運(yùn)行方式，該方式可靠性較高，可縮小電氣故障的影響范圍。地方供電公司一般不允許方式（4）的合環(huán)運(yùn)行方式。

2.2 線路重合閘的配置

受地方供電公司區(qū)域配電的規(guī)定，線路重合閘需要與其他線路保護(hù)方式進(jìn)行配合，110 kV線路重合閘的時(shí)間范圍為1～2 s，這就決定了當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)重合閘成功時(shí)線路最短失電時(shí)間為1 s，重合閘不成功時(shí)重合閘產(chǎn)生的電量信號(hào)將使備自投的動(dòng)作時(shí)間加長，失電時(shí)間將在3 s 以上。因此宜保留電源側(cè)線路的重合閘，退出負(fù)荷側(cè)線路的重合閘，此時(shí)母聯(lián)投入的時(shí)間將成倍縮短。線路重合閘成功時(shí)供電線路將處于熱備用狀態(tài)，可由人工切換至分列運(yùn)行。當(dāng)供電線路重合閘失敗時(shí)，則需要人為對(duì)故障進(jìn)行排除后送電恢復(fù)分列運(yùn)行。

2.3 母聯(lián)切換模式

2.3.1 裝置的選擇

由于供電線路發(fā)生故障變頻器直流母線的電壓下降趨勢(shì)較快，當(dāng)直流母線電壓下降較多時(shí)，恢復(fù)變頻器10 kV 主回路供電時(shí)變頻器將產(chǎn)生較大的勵(lì)磁涌流，并且會(huì)造成整流二極管流通電流較大，因此應(yīng)在變頻器直流母線的壓降較少時(shí)盡可能快速恢復(fù)變頻器主回路供電以減少勵(lì)磁涌流及對(duì)直流母線的沖擊。

當(dāng)切換時(shí)間在150 ms 以內(nèi)恢復(fù)主電源供電，此時(shí)變頻器的直流母線電壓降可以保持在1 750 V以上；當(dāng)切換時(shí)間在300 ms 以內(nèi)恢復(fù)主電源供電，此時(shí)變頻器的直流母線電壓有可能下降至1 600 V 接近停機(jī)保護(hù)值（圖8b）。因此當(dāng)線路故障保護(hù)切除后宜在300 ms 以內(nèi)恢復(fù)變頻器主電源供電，時(shí)間越短變頻器恢復(fù)供電的安全裕度越大。

備自投動(dòng)作時(shí)間較長，一般在500 ms 以上[9]，因此母聯(lián)斷路器的切換控制裝置宜選擇快速切換裝置（俗稱“快切”）。快速切換裝置[10-15]有四種切換方式：①快速切換；②同期捕捉切換；③殘壓切換；④長延時(shí)切換。其中方式①“快速切換”過程無電流時(shí)間為斷路器分、合閘時(shí)間之差，對(duì)于輪吐線某站110 kV GIS 斷路器，分閘時(shí)間為32±5 ms，合閘時(shí)間75±10 ms，失電時(shí)間可控制在110 ms 以內(nèi)，此時(shí)變頻器的直流母線電壓降可以保持在1 800 V 以上。方式②“同期捕捉切換”失電時(shí)間一般在300 ms 以內(nèi)，此時(shí)變頻器的直流母線電壓有可能下降至1 600 V。方式③和方式④切換方式與備自投相比無時(shí)間優(yōu)勢(shì)，因此通過方式①進(jìn)行切換時(shí)變頻器運(yùn)行有較充分裕量，方式②進(jìn)行切換時(shí)，變頻器有可能電壓下降過多導(dǎo)致聯(lián)鎖保護(hù)停機(jī)。

2.3.2 裝置的配置

220、110 kV 以上的快速切換裝置均已成功應(yīng)用[16]，110、10 kV、0.4 kV 等各電壓等級(jí)均有快切裝置成熟應(yīng)用[10-16]，為及時(shí)恢復(fù)變頻器主回路電源供電可選擇配置的快切裝置為110 kV 和10 kV，宜優(yōu)先選擇配置110 kV 快切裝置，主要原因有以下方面：

（1）線路保護(hù)配置的光差保護(hù)有優(yōu)良的靈敏性和可靠性[17-19]，相較于快切裝置的逆功率、無流、失壓等啟動(dòng)條件有顯著優(yōu)勢(shì)，利用光差保護(hù)聯(lián)鎖啟動(dòng)快切裝置時(shí)失電時(shí)間將明顯縮短，輔助配置其他啟動(dòng)方式可提升切換的可靠性。

（2）供電線路發(fā)生故障時(shí)，110 kV電壓變化趨勢(shì)及畸變程度較10 kV 明顯，目前管道變頻驅(qū)動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)可以達(dá)到0.98～0.99，站場(chǎng)總功率因數(shù)也在0.95 以上，因此10 kV SVG 一般投入“電壓補(bǔ)償”模式，此時(shí)10 kV 電壓下降趨勢(shì)將進(jìn)一步延緩，110 kV 配置快切裝置的啟動(dòng)時(shí)間較10 kV快。

（3）當(dāng)單獨(dú)配置10 kV 快切裝置時(shí)，10 kV 快切裝置將先于110 kV母聯(lián)備自投動(dòng)作，將缺少110 kV級(jí)備用供電回路全部負(fù)載轉(zhuǎn)移至單個(gè)主變時(shí)有可能導(dǎo)致主變過載，10 kV 母聯(lián)投入時(shí)會(huì)拉低運(yùn)行段母線電壓，使運(yùn)行段電壓再次跌落。

（4）110 kV的GIS斷路器分閘時(shí)間為32±5 ms，合閘時(shí)間75±10 ms，10 kV進(jìn)線及母聯(lián)配備了ABB公司的VD4 真空斷路器，其分閘時(shí)間為45 ms，合閘時(shí)間70 ms，10 kV 分合閘總時(shí)間慢于100 kV 斷路器分合閘總時(shí)間。

當(dāng)站場(chǎng)供電系統(tǒng)選擇配置110、10 及0.4 kV 多個(gè)母聯(lián)快切裝置時(shí)，多臺(tái)快切裝置須建立互鎖邏輯[20]，對(duì)整體切換邏輯進(jìn)行測(cè)試和優(yōu)化，進(jìn)一步提升可靠性，此種配置方式將增加系統(tǒng)的總體復(fù)雜性，需要根據(jù)配置及維護(hù)成本進(jìn)行綜合考慮。

3 變頻器低壓系統(tǒng)的提升措施

3.1 提升控制系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)供電

變頻器控制回路供電應(yīng)按照SH/T 3082—2003《石油化工儀表供電設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定設(shè)置雙輸出或多輸出回路供電方案，單路電源故障時(shí)無擾動(dòng)切換至備用電源。

變頻器柜內(nèi)風(fēng)機(jī)、照明以及變壓器冷卻風(fēng)機(jī)等輔助設(shè)備應(yīng)設(shè)置雙回路供電電源，允許雙回路供電電源切換過程中短時(shí)供電中斷，中斷過程中變頻器可連續(xù)運(yùn)行。

變頻器運(yùn)行時(shí)水冷系統(tǒng)對(duì)變頻器功率單元進(jìn)行冷卻，雙回路交流電源通過ATS主備切換提供水冷系統(tǒng)動(dòng)力電源，在供電電壓下降幅度過大導(dǎo)致接觸器脫扣時(shí)可以通過蓄能器等輔助設(shè)備保持冷卻水系統(tǒng)的循環(huán)運(yùn)行，在供電回路ATS切換過程中電源短時(shí)中斷恢復(fù)后循環(huán)水系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行，ATS 切換過程中應(yīng)保持水冷系統(tǒng)對(duì)功率單元的連續(xù)冷卻。

3.2 勵(lì)磁系統(tǒng)供電提升措施

3.2.1 供電結(jié)構(gòu)

勵(lì)磁系統(tǒng)為同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁機(jī)提供交流電源，輪吐線榮信變頻器勵(lì)磁系統(tǒng)采用西門子6SE70 變頻器控制勵(lì)磁機(jī)輸出電流，雙回路交流電源通過施耐德ATS主備切換提供勵(lì)磁變頻器的交流電源。當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓跌落變頻器進(jìn)入低電壓穿越時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)的作用為以下幾點(diǎn)：

（1）勵(lì)磁系統(tǒng)正常供電可以對(duì)變頻器直流母線進(jìn)行回饋充電，防止直流母線電壓快速下降。

（2）勵(lì)磁系統(tǒng)正常供電時(shí)，變頻器可以對(duì)同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。

變頻器具備飛車啟動(dòng)功能時(shí)，在供電電源恢復(fù)后變頻器控制系統(tǒng)可重新輸出勵(lì)磁電流對(duì)轉(zhuǎn)子重新定位；變頻器不具備飛車啟動(dòng)功能時(shí)，勵(lì)磁電流過低時(shí)變頻器將不能檢測(cè)到轉(zhuǎn)子位置，造成低電壓穿越失敗。飛車啟動(dòng)功能可通過變頻器控制程序升級(jí)實(shí)現(xiàn)，但是在主電源短時(shí)失電時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)正常供電，可回饋充電維持直流母線電壓（圖6b、圖9b），當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)無勵(lì)磁電流會(huì)引起變頻器直流母線電壓快速下降至保護(hù)值，導(dǎo)致低電壓穿越失敗。因此在外電故障時(shí)，宜保持勵(lì)磁系統(tǒng)正常輸出以維持變頻器直流母線電壓。

屏蔽西門子6SE70 變頻器直流母線欠壓故障信號(hào)后，設(shè)定輸出為額定輸出的15%對(duì)其進(jìn)行主電源ATS切換測(cè)試，當(dāng)勵(lì)磁變頻器主電源失電時(shí)，切換至備用電源時(shí)間大約為2.8 s，由備用電源切換至主電源時(shí)間大約為1.1 s（圖10），該型號(hào)變頻器在100 ms時(shí)間到達(dá)直流母線的76%的欠壓閾值，此時(shí)勵(lì)磁變頻器將停止輸出。配置的ATS 切換時(shí)間較長，在切換過程中會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁機(jī)無輸出電流。

圖10 勵(lì)磁變頻器ATS切換過程直流母線電壓趨勢(shì)Fig.10 DC bus voltage trend during ATS switching process of excitation inverter

3.2.2 使用靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)提升供電質(zhì)量

由于勵(lì)磁變頻器運(yùn)行時(shí)需要較短的失電時(shí)間（小于100 ms），滿足要求的電源轉(zhuǎn)換裝置為靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)（STS），切換時(shí)間為5 ms。STS 可靠性高，但是成本相對(duì)較高。輪吐線某站0.4 kV 兩段供電電源幅值、相位滿足STS 的切換要求，可以采用STS提升勵(lì)磁系統(tǒng)供電可靠性，變頻器低壓動(dòng)力電源使用STS 時(shí)水冷系統(tǒng)交流電源也可接入STS，較短的切換時(shí)間可以避免水冷系統(tǒng)交流電源ATS切換過程中的水泵停止運(yùn)行的現(xiàn)象。

3.2.3 勵(lì)磁變頻器增加直流電源

勵(lì)磁系統(tǒng)采用西門子6SE70 變頻器，可在變頻器直流母線接線處接入直流電源，可以應(yīng)用的方案有公共直流母線[21-22]供電、二極管供電單元（DSU）[22]供電、蓄電池供電等三種方式。

（1）交流電源與公共直流母線方式。由獨(dú)立的整流裝置為公共直流母線提供電源，各變頻器由公共直流母線供電并將制動(dòng)產(chǎn)生的電能回饋至母線上。

（2）交流電源與DSU 直流電源供電方式。DSU使用橋式整流電路對(duì)交流電源整流及濾波后形成直流電源，DSU與勵(lì)磁變頻器主電源分為兩段電源供電，任一電源失電仍可以保持勵(lì)磁變頻器正常供電。DSU提供的功率較大，可以與主電源交流電源相同電壓，正常供電時(shí)主交流電源與DSU 故障時(shí)，任一電源故障時(shí)由另一單元供電；也可以經(jīng)過降壓變壓器使DSU 供電電壓低于主交流電源供電電壓，并高于主電源供電電壓76%，宜設(shè)置為90%，在主交流電源故障時(shí)切換至DSU供電。

（3）蓄電池供電輔助ATS 交流電源供電方式。輪吐線榮信變頻器采用的ATS切換裝置切換時(shí)間為1.1～2.8 s，可以保留ATS 交流供電方式接入壓氣站UPS、UMD等系統(tǒng)的蓄電池電源，蓄電池供電電壓應(yīng)大于勵(lì)磁變頻器正常運(yùn)行直流母線電壓值的76%，在ATS 電源切換過程中對(duì)勵(lì)磁變頻器直流母線電壓起支撐作用。某站15 MVA 變頻器運(yùn)行時(shí)勵(lì)磁變頻器最大輸出功率為11 kW，負(fù)荷相對(duì)較小，鉛酸蓄電池在3 s 內(nèi)的大電流放電對(duì)蓄電池總?cè)萘坑绊戄^小。此時(shí)蓄電池電源做為ATS切換過程中的過橋電源。

壓氣站使用的低壓變頻器較少，設(shè)置公共直流母線的成本較高不宜采用方式（1）。方式（3）總體實(shí)施成本較低，方式（2）的負(fù)載能力較高，可綜合評(píng)估進(jìn)行選擇。

使用STS 或直流電源任一方式均可有效提升變頻器低壓系統(tǒng)供電的可靠性，STS 提升勵(lì)磁系統(tǒng)變頻器供電可靠性的同時(shí)可以提升水冷系統(tǒng)的可靠性，當(dāng)水冷系統(tǒng)在電源ATS切換期間壓力流量變化較小時(shí)，可選擇成本較低的直流電源方式，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行情況及改造成本進(jìn)行綜合考慮。

4 改造后的效果

西氣東輸二線某壓氣站進(jìn)行了10 kV 快速切換裝置的應(yīng)用，采用同期捕捉切換的方式進(jìn)行切換，應(yīng)用后提升了20 MVA TMEIC 變頻器的可靠性，同期捕捉切換的方式在低壓負(fù)載較多時(shí)會(huì)造成壓氣站空壓機(jī)等低壓負(fù)載的失電停機(jī)，因此宜優(yōu)先采用快速切換的方式進(jìn)一步提升可靠性。

輪吐線某壓氣站進(jìn)行了勵(lì)磁系統(tǒng)STS 的應(yīng)用，提升了變頻器勵(lì)磁系統(tǒng)的供電可靠性，實(shí)現(xiàn)了不停機(jī)的電氣倒閘作業(yè)。

目前壓氣站基本電費(fèi)均采用了最大需量的計(jì)費(fèi)方式，提升供電系統(tǒng)可靠性可以避免因供電波動(dòng)導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)切換機(jī)組的情況，從而節(jié)約基本電費(fèi)。變頻器供電系統(tǒng)提升實(shí)現(xiàn)不停機(jī)高壓、低壓系統(tǒng)電氣倒閘，可減少因電氣檢修切換機(jī)組所產(chǎn)生的基本電費(fèi)。

5 結(jié)束語

目前大功率變頻器電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)低電壓穿越能力不斷提升，但在發(fā)生供電故障時(shí)其主供電回路及低壓供電回路均會(huì)受到影響，根據(jù)受影響的程度，通過技術(shù)手段及調(diào)整運(yùn)行方式等措施縮短主供電回路及低壓供電回路的失電時(shí)間，從而提升大功率變頻器的低電壓穿越能力。

電驅(qū)機(jī)組在長輸天然氣管道的總裝機(jī)比例不斷提高，未來將成為管道輸氣的核心動(dòng)力設(shè)備，雖然變頻器適應(yīng)電網(wǎng)波動(dòng)、保持連續(xù)運(yùn)行的能力不斷提升，但是電驅(qū)壓氣站未來對(duì)供電質(zhì)量的依賴將越來越強(qiáng)。繼電保護(hù)、快速切換裝置、靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)、二極管供電單元等技術(shù)和裝置已不斷成熟，電驅(qū)壓氣站應(yīng)從配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段使用成熟技術(shù)和設(shè)備，提升電驅(qū)壓氣站綜合供電系統(tǒng)的可靠性，擺脫地區(qū)供電質(zhì)量、電力公司等外部因素的不利影響，在運(yùn)行階段制定合理運(yùn)行方式，對(duì)電驅(qū)壓縮機(jī)及電驅(qū)壓氣站的可靠運(yùn)行及降低用電成本具有重要意義。