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新型油气压缩机用高压M2C变频器(2)

时间:2017-03-13   来源:马小亮

本文是“新型油气压缩机用高压M2C变频器(Part-1)”一文的后续部分。中压变频器需要关注的几个问题,H桥级联变频器(CHB)和模块化多电平变频器(M2C)的原理、特点及它们的比较己经在那里介绍,本Part介绍M2C变频器的低频运行问题及对策、另外两种常用的中点钳位三电平变频器(3L-NPC)及基于三电平H桥的五电平变频器(5L-HNPC)与CHB和M2C变频器的比较,讨论它们的冗余和可靠性,最后简介西门子的GH150产品。

Ⅳ.M2C变频器的低频运行问题及对策

M2C技术始于2001年,2006年前后西门子公司率先推出基于此技术的HVDCPLUS系统,成功用于柔性直流输电。人们希望把M2C技术用于变频调速,简化变压器和整流电源,但存在一个技术障碍—低频运行问题。

依照器件电压不同,3L-NPC变频器有2.3kV、3(3.3)kV和4.16kV三个电压等级,国内基本上只用3(3.3)kV。它使用4.5kV器件,直流母线电压Vdc≈5kV,输出电压台阶幅值DVstep=Vdc/2≈2.5kV。

3L-NPC变频器的优点:

1)线路最简单,元器件数量最少。

2)有公共直流母线,整流电源和油浸变压器简单,实现电动机制动能量吸收或回馈容易。与CHB变频器相比它是优点,但与M2C变频器相比它算不上优点,因为二者都有公共直流母线。

3)三相逆变共用直流贮能电容,数量少(2个),直流母线电流中无低频交流分量,电容总能量也小(约是CHB的25%和M2C的40%)[16],使用寿命长的高压薄膜电容,集中安装。与使用电解电容的CHB变频器相比它是重要优点,M2C变频器也用薄膜电容,只是数量多及总能量大,分散安装。

3L-NPC变频器是进入市场最早的中压PWM变频器,在国外应用广泛,我国早期曾进口不少这种变频器。CHB变频器问世后,这类变频器在我国不需要电动机制动能量吸收的油气压缩机和泵等调速传动中用得越来越少。其原因是:

1)输出电压达不到6kv,不满足我国中压电压等级标准。在无特殊理由的情况下采用非标准电压,很难被用户接受。

2)输出电压电平数少,加之PWM调制频率低(高压器件开关频率<1kHz),一个基波周期中的PWM方波数少,谐波大。

3)输出电压台阶幅值DVstep高,dv/dt大,导致:普通中压电动机不能承受,需加强绝缘(ABB要求[14]3.3kV电机的最小绝缘等级为7.2kV,变频器和电机间联接电缆按6kV有效值/10kV峰值选取)及采取防轴电流措施(绝缘轴承和轴接地电刷);电缆寄生电容引起的附加电流冲击大,允许电缆长度<300m。若使用普通电机,需在变频器输出端装设庞大的输出滤波器。

4)使用高压开关器件,虽数量少,但由于高压器件芯片厚、导通压降和芯片面积大,芯片总面积反而比CHB大(50%左右),和M2C差不多[16]。

面对3L-NPC变频器在中国市场的不利局面,ABB和日本TMEIC公司为适应中国对6kv的需求,利用己有的中点钳位三电平技术和相支路功率组件(PEBB)开发出改进产品—基于三电平H桥的五电平变频器5L-HNPC。

5L-HNPC变频器的特点及与其它变频器的比较:

1)5L-HNPC可以输出6(6.9)kV,虽然符合国标中的保留电压等级,但低于国标推荐的10kV,对功率接近和超过10MW的大功率装置来说6kV仍偏低。

2)与3L-NPC相比,5L-HNPC输出相电压电平数从3增至5,谐波有所减小。6kV的M2C和CHB变频器(k=5)的相电压电平数=11,远大于5L-HNPC。国家电控配电设备质量监督检验中心应用户委托对5L-HNPC进行了检验,结论是电流输出谐波含量明显偏大,电机噪音明显比工频运行时大很多,对电机的稳定运行有一定的影响。

3)与3L-NPC相比,5L-HNPC的电平数增加,但因仍使用4.5kV高压器件,输出电压跳变台阶幅值DVstep≈2.5kV没变,相应dv/dt也沒变,只是相对变频器额定输出电压来说减小了,电机和电缆仍需加强绝缘。根据TMEIC公司的计算:变频器最大输出电压峰值=4×DVstep(见图11),dv/dt引起的过压尖峰最大1×DVstep,因此电机端部最大尖峰电压=5×DVstep≈12.5kV,折算到有效值≈8.8kV,建议采用11kV绝缘。

4)和CHB一样,5L-HNPC的贮能电容也接在单相逆变桥直流输入端,都需吸收直流母线电流中的大幅值2倍输出频率之交流分量,它们每MVA的电容总能量差不多,比3L-NPC大许多。和CHB不同,因电压高5L-HNPC使用薄膜电容。

5)因5L-HNPC也使用高压开关器件,它每MVA的芯片总面积与和3L-NPC差不多,比CHB大,和M2C差不多[16]。

6)5L-HNPC有6套整流电源,36脉波整流,电网侧电流谐波非常小。由于整流变压器多套副方绕组间的移相及幅值误差,实际的谐波减小效果和30或24脉波整流相差不大。整流电源套数多使其丧失3L-NPC实现制动能量吸收或回馈容易的优点。5L-HNPC使用油浸变压器。

7)美国IEEE的综述报告指出[2],与使用4.5kv器件的两级串联(k=2)的CHB变频器相比,5L-HNPC的输出电压大小和波形、电平数,全控器件数,整流电源数,变压器复杂性及dv/dt等都和CHB一样,但多用12支钳位二极管,没什么优点。ABB和TMEIC公司由于己有成熟的3L-NPC技术和相支路功率组件(PEBB)才选用此方案。

尽管5L-HNPC只是3L-NPC的改进,未能完全解决它的问题,还是受国内不少用户欢迎,在大功率节能调速领域占一席之地。

Ⅵ.冗余和可靠性

M2C和CHB是级联型变频器,由多个功率单元串联构成。为提高可靠性,可以在设计时多串联一个单元(k+1冗余)或两个单元(k+2冗余),出现单元故障时通过旁路开关去掉该单元,维持变频器继续工作。称这种技术为“单元冗余及旁路”,增加设备和投资不多,效果显着,对某些生产连续性要求高、故障停机会造成重大损失的应用场合(例如油气压缩机、冶金和矿山风机等)意义大。

2000年美国MaratbonAsbland石油公司在一套油气压缩机的电机驱动系统中使用了这技术[15]。该项目釆用CHB变频器,功率5500Hp/电压4.16kV,原本只需4级串联,为实现变频调速系统5年连续运行目标,它多串2级,共6级。在相故障单元数≤2时,变频器仍能输出额定电压;在相故障单元数>3时,变频器降低最大输出电压运行。为在去掉故障单元后维持三相输出线电压平衡,有两种旁路控制方法:

1)对称旁路在无故障的另两相旁路同样数量的无故障单元,並维持三相相电压彼此互差120°不变,此法简单,适合用于相故障单元数≤2时。如果相故障单元数>3,仍用此方法,三相电压虽平衡,但变频器最大输出电压下降多。

2)中点偏移只旁路有故障单元,通过适当调整三个相电压间的相位关系,仍维持三

相输出线电压平衡,并减小电压降低程度[15]。

CHB变频器的旁路过程波形示于图12,无电流时间约250ms,这期间电动机靠机械惯量维持自由运行,转速约降10%,旁路过程结束后恢复。

图12CHB的旁路过程波形

为实现“单元冗余及旁路”,西门子公司也在其M2C变频器的每个功率单元两端都并联一个旁路开关(图13a),并为此开发专用快速旁路接触器(图13b)。这接触器在变频器运行过程中一直处于待激活状态,它的动作时间约625ms,整个旁路操作时间<1ms。由于操作时间非常短,旁路操作期间电流稳定,没变化,因此也无转矩和转速下降(“无缝”旁路操作),见图14。

a)变频器                         b)旁路接触器

图13有旁路开关的M2C变频器及其旁路接触器

图14旁路操作期间的变频器输出电压和电流波形

应指出,单元旁路技术不仅用于有功率单元冗余时,也可用于无功率单元有冗余时。若无冗余,即使只有一个单元故障及被旁路,变频器最大输出电压也要下降,采用中点偏移控制能减小电压降低程度。

3L-NPC和5L-HNPC不是由多个较小功率的单元通过串联或并联构成的变频器,很难实现冗余。若想实现3L-NPC变频器的k+1冗余需增加12个4.5kV高压IGBT和二极管,若想实现k+2冗余需增加24个4.5kV高压IGBT和二极管,代价巨大且操作麻烦。虽然己经有一些代价较小的容错运行方案,但都因控制复杂及输出电压下降多而未实用。5L-HNPC变频器的冗余更难实现,未在市场出现。

3L-NPC和5L-HNPC变频器使用4.5kV高压器件,数量少,级联型M2C和CHB变频器使用1.7kV低压器件,数量多。通常器件数量越少的变频器越可靠,但从器件本身来说,低压器件比高压器件技术更成熟,使用量大、经验多、可靠,究竟那种变频器更可靠?

为比较油气领域常用变频器的可靠性和了解冗余效果,参考文献[16]给出M2C、CHB、3L-NPC和5L-HNPC四种6.6kV中压变频器的平均故障间隔时间MTBF(meantimebetweenfailures)定量分析结果。

平均故障间隔时间MTBF=1/l

式中l是总故障率,它等于109小时中所有部件的总故障次数。在计算故障率时计及电网侧变压器、电网侧整流器、电机侧逆变器、冷却单元及变频器控制系统等,电机沒考虑。为使计算结果更直观,该文献在介绍比较果时采用相对MTBF,以无冗余3L-NPC变频器的MTBF值为100%,其它变频器与之相比较。比较结果如下:

1)无冗余之四种变频器的相对平均故障间隔时间MTBF示于图15,彼此相差不大,都较可靠。

图15无冗余变频器的相对MTBF

2)有k+1和k+2冗余的级联型M2C及CHB变频器的MTBF大幅提高,效果显着,可靠性远超3L-NPC和5L-HNPC变频器。3L-NPC变频器的冗余代价高,且效果不明显,k+2反而不如k+1,这是由于实现冗余的复杂性所致。5L-HNPC变频器不适合冗余。

图16无冗余及有冗余(k+1和k+2)变频器的相对MTBF

3)如果控制系统也有冗余,MTBF可增加16—20%。

Ⅶ.西门子公司的GH150系列M2C变频器

西门子公司的GH150系列变频器是进入调速市场的首款M2C变频器,目前只看到其它公司类似变频器的研究报告,未见产品。由于M2C调速系统的低速转矩<额定转矩,所以西门子公司把GH150的应用领域限制在大功率油气压缩机、泵和风机等设备的电机驱动,它们调速范围不大,且起动转矩小。

M2C和CHB变频器都基于功率单元级联,具有相同的优良输出性能:输出电压高、谐波和dv/dt小、使用普通电机、适合长电缆运行和支持功率单元冗余等。西门子公司己经有CHB变频器系列产品GH180,被人们熟悉和广泛应用,这次又推出M2C的原因是:用增加约40%器件芯片总面积的代价,换取电网侧变压器和整流电源的简化及灵活性。M2C有公共直流母线,可以通过加装制动单元和电阻吸收电动机制动能量,从而实现快速制动,这性能对机械惯量大的风机很重要。

目前GH150中逆变器的指标:功率4—13.3MVA,可扩展至30MVA;电压4.16—7.2kV;采用价廉、可靠的1.7kV低压IGBT;6—7.2kV变频器的cell(双模块)数=36,级联数k=6;输出电压电平数=13(相)25(线);水冷散热,未净化水的入口温度35℃,最大47℃。规划指标(单套):功率52MVA;电压12kV。GH150的网侧变压器和整流电源根据用户需要灵活配置:变压器可干式或油浸,户内或户外;整流电源脉波数12—36。GH150变频柜及功率单元(cell)外形示于图17。

a)变频柜

b)cell

图17GH150变频柜及cell外形

GH150的部分应用案例:

Part-2结论

西门子公司推出一款基于M2C技术的GH150系列调速变频器,在获得和CHB同样优良性能的基础上,用增加约40%器件芯片总面积的代价,换取电网侧变压器和整流电源的简化及灵活性。CHB和M2C的原理、特点及它们的比较己经在本文PART-1中介绍。在本PART中讨论了下列几个问题:

A.M2C存在低频运行问题,可通过注入谐波解决,但它的低速持续运行转矩<额定转矩,适用于压缩机、泵、风机等调速应用。

B.文中介绍了另外两种常用中压变频器,3L-NPC和5L-HNPC,并与M2C和CHB作比较。3L-NPC因其输出电压不满足电压等级国标要求、谐波及dv/dt大、使用特殊电机等缺点,不宜用于压缩机、泵和风机等设备。5L-HNPC只是3L-NPC的改进,未能完全解决它的问题。

C.M2C和CHB是级联型变频器,可以通过“单元冗余及旁路”技术大幅提高它们的可靠性。为此西门子开发了专用快速旁路接触器,实现M2C无转速和转矩下降的“无缝”旁路操作。文中示出四种中压变频器的平均故障间隔时间MTBF的定量分析结果。

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