供电改造提升大功率变频器低电压穿越能力的措施.pdf

综合研究蒲斌等：供电改造提升大功率变频器低电压穿越能力的措施油气田地面工程 https:/供电改造提升大功率变频器低电压穿越能力的措施蒲斌杨福超韩小虎李扬国家管网集团西部管道公司摘要：目前国内天然气需求逐年增长，输气管道常年高压力运行，变频器低电压穿越能力不断提升使电驱压缩机在电网波动时连续运行的能力增强，但是供电线路故障引起压气站供电系统短时失电导致的停机停输可能造成管线运行超压。从维持变频器直流母线电压的时间需求出发，通过线路分列运行、调整线路重合闸、快速切换装置等方式提升供电可靠性；根据励磁变频器在电源切换过程中直流母线电压的变化趋势，使用静态转换开关、增加变频器直流电源的方式提升励磁变频器的供电可靠性。长输管道电驱压气站高压、低压供电系统改造方案对于压气站供电系统设计及电气系统运行提升具有借鉴意义。关键词：变频器；低电压穿越；直流母线；快切装置；直流电源Measures to Improve the Low Voltage Ride Through Capability of High Power Inverterby Power Supply TransformationPU Bin，YANG Fuchao，HAN Xiaohu，LI YangWest Pipeline Company，PipeChinaAbstract：At present，the domestic demand for natural gas is increasing year by year.The gas trans-mission pipeline operates under high pressure all year round，and the low voltage ride through capabilityof inverters has been continuously improved，which enhances the continuous operation ability of theelectric-driven compressor in case of voltage drops.However，the power supply line failure may causea short-term power outage in the compressor station power supply system，resulting in shutdown，which may cause pipeline operation overpressure.Starting from the time demand to maintain the DCbus voltage of the inverter，it is proposed to improve the reliability of the power supply by means ofseparate operation of the line，adjustment of the line reclosing method，and the use of a high-speedtransfer device.According to the changing trend of the DC bus voltage of the excitation inverter duringthe power switching process，the method of using a static transfer switch and adding the inverters DCpower supply is proposed to improve the power supply reliability of the excitation inverter.The mea-sures for the transformation of the high-voltage and low-voltage power supply system of the electric-driven compressor station in the long-distance pipeline have reference significance for improving the de-sign of the power supply system and the stable operation of the electrical system in compressor stations.Keywords：inverter；low voltage ride through(LVRT)；DC bus；high-speed transfer device；DCpower supply目前电驱压缩机组相较燃驱压缩机的显著优势使其应用越来越多1-3。“低电压穿越”4-6是电驱压缩机变频器在供电电源电压跌落时保持连续运行的一种方式，西气东输二线轮吐支线某站 3台荣信变频器在 20202021年外电波动中变频器成功低电压穿越 26 次，未发生电压跌落引起压缩机故障停机的情况，极大增强了供电波动时电驱压缩机的运行可靠性。电驱压缩机站场单回路供电线路发生故障时，会造成高压、低压设备全部短时失电停止运行，发生故障后恢复压气站正常运行的时间要远长于电网波动引起压缩机停机的时间，在管线高压力运行情DOI:10.3969/j.issn.1006-6896.2024.01.01476第 43卷第 1期（2024-01）油气田地面工程 https:/综合研究况下可能会导致管线超压运行，造成的后果较为严重。电驱压缩机压气站辅助设备在短时供电恢复后可就地启动恢复运行，而恢复压缩机运行则需要全面检查后重新启动。目前提升供电可靠性以研究母线残压变化使用快速切换装置等措施为主，没有对外电故障时大功率变频器直流母线电压随时间变化的特征进行研究、提出解决措施，励磁系统采用的低压变频器在电源失电及切换时允许的失电时间方面也无相关研究。2019、2020 年轮吐线某站共发生两起供电线路故障引起压气站停产的问题，供电线路发生故障后分析变频器运行状态的特征，制定针对性的措施，提升变频器低电压穿越的能力，解决单回路供电故障时压气站停产的隐患具有重要意义。1变频器低电压穿越情况1.1同步电动机变频器原理长输管道大功率同步电动机由主电动机和无刷励磁机组成，无刷励磁机向主电动机提供直流励磁电源，通过调节励磁电流使同步电动机在较高功率因数运行，因此驱动大功率同步电动机的变频器需要同时控制主电动机和励磁机运行。近年来长输管道大功率同步电动机变频器以电压源型为主，按照原理分为级联型和钳位二极管型，电气主结构均为高压电源经过移相变压器降压后整流，整流后的直流电源由变频控制器控制逆变单元逆变后输出至主电动机，同时变频控制器控制励磁系统输出励磁电流，两者共同作用驱动同步电动机旋转。图 1为输出线电压为 6 kV电压源 H 桥级联型变频器原理图，逆变单元采用电子注入增强门极晶体管（IEGT），三相均由两组逆变单元 H 桥结构串联，输出 6 kV 电压。变频控制系统按照同步发电机 V 型曲线（图 2）控制输出励磁电流，使同步电机在接近功率因数为 1的状态运行。当功率因数超前或滞后较多时，会引起主电动机输出过流。图 2同步发电机 V形曲线Fig.2 V-curve of synchronous generator1.2压气站电气结构西气东输二线轮吐支线某站由 110 kV 双回路外电线路供电，经过 110 kV/10 kV主变后通过 10 kV母线对三台15 MVA变频器供电，并经过10 kV/0.4 kV变 压 器 后 通 过 低 压 母 线 对 低 压 系 统 设 备 供 电，10 kV两段母线各配置 3 MVar容量 SVG用于功率因数补偿（图 3）。两条 110 kV 供电线路配置线路光纤差动保护以及进线保护，110、10、0.4 kV 三个电压等级均为单母线分段供电方式，各母联通过备自投方式切换，正常运行时为分列运行，故障时通过各级备自投动作恢复供电7。1.3电压跌落受区域配电容量的影响，当区域供电单回路线图 16 kV电压源 H桥级联型变频器原理Fig.1 Principle of 6 kV voltage source H-bridge cascade inverter77综合研究蒲斌等：供电改造提升大功率变频器低电压穿越能力的措施油气田地面工程 https:/图 3压气站供电系统一次回路Fig.3 Primary circuit of the power supplysystem of the compressor station路发生严重故障时，其余供电回路受影响，但其电压跌落的幅度有限，故障线路的保护系统会对故障线路进行切除，电压跌落影响的时间也有限。在供电回路故障未排除时，故障回路的重合闸会引起供电电源多次电压跌落。如果区域配电系统内大功率电压敏感设备因此停产时，有可能造成区域配电网络电压的连续波动，但电压波动的幅度总体有限。IEEE 的电压跌落为供电电压有效值突然下降到额定 值 的 90%10%，持 续 时 间 为 0.530 个 工 频 周期8，此种程度的电压跌落，压气站110、10、0.4 kV三条母线电压会不同程度跌落，跌落幅度逐级减小，继电保护装置不会动作。当 110 kV发生电压跌落时，0.4 kV低压设备受到 110 kV/10 kV 及 10 kV/0.4 kV 两级变压器隔离，且 0.4 kV低压系统设备总体的用电负荷较小，电压跌落后，电流略有增大（图 4），低压设备均可连续运行。典型的电压跌落过程中电压跌落的时间、幅度有 限8，变 频 器 直 流 母 线 电 压 变 化 的 幅 值 有 限（图 5），供电电压恢复正常时，变频器励磁涌流较小，不会造成输入侧的过流。轮吐线某站荣信变频器均可以通过其低电压穿越功能恢复连续运行。1.4变频器主电源短时失电在变频器低压系统供电正常时，变频器励磁电流正常输出，切断变频器 10 kV 主供电回路供电后，变频器利用同步电动机特性通过回馈充电会使图 4电压跌落时 0.4 kV进线电流变化趋势Fig.4 Variation trend of 0.4 kV incoming line current when voltage drops图 5电压跌落时变频器参数变化趋势Fig.5 Variation trend of inverter parameters when voltage drops78第 43卷第 1期（2024-01）油气田地面工程 https:/综合研究直流母线电压保持较为稳定，失电 2 s 时直流母线电压下降较少，基本保持不变（图 6），再次恢复主电源供电时，变频变压器的励磁涌流对变频器整流部分的冲击较小，变频器控制系统对失去主电时间不进行限制的情况下，主供电回路失电后可以在较长时间重新恢复运行。1.5供电线路故障时变频器运行情况1.5.1供电波形变化轮吐线某站 2#外电线路 110 kV B相电源侧单相接地，发生故障 80 ms后线路光纤差动保护分断线路两侧断路器（图 7），供电波形的变化特征为：（1）由 于 上 游 供 电 电 源 220 kV 母 线 合 环 运行，110 kV单条线路故障时引起区域供电网络另一段电压同时骤降。（2）110 kV段电压变化的幅度大于 10 kV段电压变化幅度，110 kV段电压波形的畸变程度也较 10 kV段明显。（3）线路光纤差动保护后，110 kV段仍有较大零序电压，而 10 kV段零序电压较小。1.5.2影响低压设备当发生 110 kV供电线路故障，0.4 kV设备即使经过两级变压器隔离，在电源故障 60 ms 时 0.4 kV设备电流明显减小，已经有低压设备的接触器逐渐图 6切断变频器主回路供电时变频器电压趋势变化Fig.6 Variation of the inverter voltage trend when the main circuit power supply of the inverter is cut off图 72#线路 110 kV B相电源侧单相接地故障电压趋势Fig.7 Trend of single-phase grounding fault voltage on 110 kV B-phase power supply side of 2#line79综合研究蒲斌等：供电改造提升大功率变频器低电压穿越能力的措施油气田地面工程 https:/开始脱扣，而此时线路光纤差动保护还未动作（图 8）。1.5.3影响变频器运行轮 吐 线 某 站 曾 发 生 两 次 110 kV 供 电 线 路 故障，其中 2020年 8月 26日发生的外电线路电源侧 B相接地故障变频器直流母线电压接近 1 500 V 保护值，对变频器波形记录（图 9）进行分析：（1）6.0 s，网侧电压Uab有效值小于变频器进入低电压穿越的 9 000 V 阈值，变频器进入低电压穿越状态，此时变频器 A1、A2 单元直流母线电压下降到 2 150 V，随后直流母线电压先上升后开始下降。（2）6.06 s，站场低压设备部分接触器开始脱扣，低压系统总电流大幅度下降，此时变频器A1、C2单元直流母线电压下降到 2 150 V。（3）6.08 s，线路 110 kV 光差保护动作分负荷侧进线断路器，此时变频器 C2 单元直流母线电压下降到 1 990 V。（4）6.3 s，变频器 C2 单元直流母线电压下降到 1 650 V。（5）6.35 s，变频器 C2单元直流母线电压下降到最低 1 612 V。（6）6.5 s，励磁变频器直流母线欠压故障。（7）6.55 s，变频器发出紧急停车命令，开始紧急停车，此时变频器 C2 单元直流母线电压为1 634 V。110 kV供电线路发生故障时变频器电压趋势相较于电网波动电压跌落时的趋势有以下区别：电压下降的时间较长，供电线路发生故障后由于受线路保护、线路重合闸、母联备自投等保护与动作时序匹配，供电电源的中断时间较长；供电线路发生故障时变频器直流母线电压下降的幅度较大，受站场用电负荷的影响变频器直流母线电压下降程度虽然不同，但是下降幅值较大已经下跌到接近直流母线电压保护值 1 600 V 阈值；励磁电流反馈值较大时，经过同步单机回馈充电变频器直流母线电压下降较慢，网侧电压残压下降到较低时，直流母线电压下降趋缓；110 kV 供电线路故障使 0.4 kV低压系统较长时间失电，引起励磁变频器直流母线欠压，最终引起变频器故障停机，变频器主回路及低压回路均影响变频器低电压穿越的能力。图 82#线路 110 kV B相电源侧单相接地故障 0.4 kV母线电压趋势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图 9110 kV供电线路故障时变频器参数变化趋势Fig.9 Variation trend of inverter parameters when 110 kV power supply line fails80第 43卷第 1期（2024-01）油气田地面工程 https:/综合研究2供电系统的提升措施2.1运行方式选择当存在两条供电回路时（图 3），有以下 4种运行方式：（1）1#进线运行，2#进线备用。（2）2#进线运行，1#进线备用。（3）1#进线、2#进线分列运行。（4）1#进线、2#进线及母联断路器均合闸，供电系统合环运行。运行方式（1）和（2）为主备运行方式，在运行线路出现故障时切换方式均为跳开运行进线，投入备用进线，备自投动作时会造成负荷侧全站短时失电；方式（3）为分列运行方式，在单条线路故障时跳开故障线路，另一线路不受影响，备自投动作时负荷侧仅故障线路一段短时失电；方式（3）的分列运行方式有效避免了分段故障，运行方式宜选择分列运行方式。对于 10 kV 和 0.4 kV 供电方式同样宜选择方式（3）的分列运行方式，该方式可靠性较高，可缩小电气故障的影响范围。地方供电公司一般不允许方式（4）的合环运行方式。2.2线路重合闸的配置受地方供电公司区域配电的规定，线路重合闸需要与其他线路保护方式进行配合，110 kV线路重合闸的时间范围为 12 s，这就决定了当线路发生故障时重合闸成功时线路最短失电时间为 1 s，重合闸不成功时重合闸产生的电量信号将使备自投的动作时间加长，失电时间将在 3 s 以上。因此宜保留电源侧线路的重合闸，退出负荷侧线路的重合闸，此时母联投入的时间将成倍缩短。线路重合闸成功时供电线路将处于热备用状态，可由人工切换至分列运行。当供电线路重合闸失败时，则需要人为对故障进行排除后送电恢复分列运行。2.3母联切换模式2.3.1装置的选择由于供电线路发生故障变频器直流母线的电压下降趋势较快，当直流母线电压下降较多时，恢复变频器 10 kV 主回路供电时变频器将产生较大的励磁涌流，并且会造成整流二极管流通电流较大，因此应在变频器直流母线的压降较少时尽可能快速恢复变频器主回路供电以减少励磁涌流及对直流母线的冲击。当切换时间在 150 ms 以内恢复主电源供电，此时变频器的直流母线电压降可以保持在 1 750 V以 上；当 切 换 时 间 在 300 ms 以 内 恢 复 主 电 源 供电，此时变频器的直流母线电压有可能下降至1 600 V接近停机保护值（图 8b）。因此当线路故障保护切除后宜在 300 ms 以内恢复变频器主电源供电，时间越短变频器恢复供电的安全裕度越大。备自投动作时间较长，一般在 500 ms 以上9，因此母联断路器的切换控制装置宜选择快速切换装置（俗称“快切”）。快速切换装置10-15有四种切换方式：快速切换；同期捕捉切换；残压切换；长延时切换。其中方式“快速切换”过程无电流时间为断路器分、合闸时间之差，对于轮吐线某站 110 kV GIS 断路器，分闸时间为 325 ms，合闸时间 7510 ms，失电时间可控制在 110 ms以内，此时变频器的直流母线电压降可以保持在1 800 V 以上。方式“同期捕捉切换”失电时间一般在 300 ms 以内，此时变频器的直流母线电压有可能下降至 1 600 V。方式和方式切换方式与备自投相比无时间优势，因此通过方式进行切换时变频器运行有较充分裕量，方式进行切换时，变频器有可能电压下降过多导致联锁保护停机。2.3.2装置的配置220、110 kV 以上的快速切换装置均已成功应用16，110、10 kV、0.4 kV 等各电压等级均有快切装置成熟应用10-16，为及时恢复变频器主回路电源供电可选择配置的快切装置为 110 kV 和 10 kV，宜优先选择配置 110 kV 快切装置，主要原因有以下方面：（1）线路保护配置的光差保护有优良的灵敏性和可靠性17-19，相较于快切装置的逆功率、无流、失压等启动条件有显著优势，利用光差保护联锁启动快切装置时失电时间将明显缩短，辅助配置其他启动方式可提升切换的可靠性。（2）供电线路发生故障时，110 kV电压变化趋势及畸变程度较 10 kV 明显，目前管道变频驱动同步电动机功率因数可以达到 0.980.99，站场总功率因数也在 0.95 以上，因此 10 kV SVG 一般投入“电压补偿”模式，此时 10 kV 电压下降趋势将进一 步 延 缓，110 kV 配 置 快 切 装 置 的 启 动 时 间 较10 kV快。（3）当单独配置 10 kV 快切装置时，10 kV 快切装置将先于110 kV母联备自投动作，将缺少110 kV级备用供电回路全部负载转移至单个主变时有可能81综合研究蒲斌等：供电改造提升大功率变频器低电压穿越能力的措施油气田地面工程 https:/导致主变过载，10 kV 母联投入时会拉低运行段母线电压，使运行段电压再次跌落。（4）110 kV的 GIS断路器分闸时间为 325 ms，合闸时间 7510 ms，10 kV进线及母联配备了 ABB公司的 VD4 真空断路器，其分闸时间为 45 ms，合闸时间 70 ms，10 kV 分合闸总时间慢于 100 kV 断路器分合闸总时间。当站场供电系统选择配置 110、10 及 0.4 kV 多个母联快切装置时，多台快切装置须建立互锁逻辑20，对整体切换逻辑进行测试和优化，进一步提升可靠性，此种配置方式将增加系统的总体复杂性，需要根据配置及维护成本进行综合考虑。3变频器低压系统的提升措施3.1提升控制系统及辅助系统供电变频器控制回路供电应按照 SH/T 30822003石油化工仪表供电设计规范 规定设置双输出或多输出回路供电方案，单路电源故障时无扰动切换至备用电源。变频器柜内风机、照明以及变压器冷却风机等辅助设备应设置双回路供电电源，允许双回路供电电源切换过程中短时供电中断，中断过程中变频器可连续运行。变频器运行时水冷系统对变频器功率单元进行冷却，双回路交流电源通过 ATS主备切换提供水冷系统动力电源，在供电电压下降幅度过大导致接触器脱扣时可以通过蓄能器等辅助设备保持冷却水系统的循环运行，在供电回路 ATS切换过程中电源短时中断恢复后循环水系统恢复正常运行，ATS切换过程中应保持水冷系统对功率单元的连续冷却。3.2励磁系统供电提升措施3.2.1供电结构励磁系统为同步电动机励磁机提供交流电源，轮吐线荣信变频器励磁系统采用西门子 6SE70变频器控制励磁机输出电流，双回路交流电源通过施耐德 ATS主备切换提供励磁变频器的交流电源。当网侧电压跌落变频器进入低电压穿越时，励磁系统的作用为以下几点：（1）励磁系统正常供电可以对变频器直流母线进行回馈充电，防止直流母线电压快速下降。（2）励磁系统正常供电时，变频器可以对同步电动机转子进行实时定位。变频器具备飞车启动功能时，在供电电源恢复后变频器控制系统可重新输出励磁电流对转子重新定位；变频器不具备飞车启动功能时，励磁电流过低时变频器将不能检测到转子位置，造成低电压穿越失败。飞车启动功能可通过变频器控制程序升级实现，但是在主电源短时失电时励磁系统正常供电，可 回 馈 充 电 维 持 直 流 母 线 电 压（图 6b、图 9b），当同步电动机无励磁电流会引起变频器直流母线电压快速下降至保护值，导致低电压穿越失败。因此在外电故障时，宜保持励磁系统正常输出以维持变频器直流母线电压。屏蔽西门子 6SE70变频器直流母线欠压故障信号后，设定输出为额定输出的 15%对其进行主电源ATS切换测试，当励磁变频器主电源失电时，切换至备用电源时间大约为 2.8 s，由备用电源切换至主电源时间大约为 1.1 s（图 10），该型号变频器在100 ms时间到达直流母线的 76%的欠压阈值，此时励磁变频器将停止输出。配置的 ATS 切换时间较长，在切换过程中会导致励磁机无输出电流。图 10励磁变频器 ATS切换过程直流母线电压趋势Fig.10 DC bus voltage trend during ATS switchingprocess of excitation inverter3.2.2使用静态转换开关提升供电质量由于励磁变频器运行时需要较短的失电时间（小于 100 ms），满足要求的电源转换装置为静态转换开关（STS），切换时间为 5 ms。STS 可靠性高，但是成本相对较高。轮吐线某站 0.4 kV两段供电电源幅值、相位满足 STS 的切换要求，可以采用 STS提升励磁系统供电可靠性，变频器低压动力电源使用 STS 时水冷系统交流电源也可接入 STS，较短的切换时间可以避免水冷系统交流电源 ATS切换过程中的水泵停止运行的现象。3.2.3励磁变频器增加直流电源励磁系统采用西门子 6SE70变频器，可在变频器直流母线接线处接入直流电源，可以应用的方案有 公 共 直 流 母 线21-22供 电、二 极 管 供 电 单 元（DSU）22供电、蓄电池供电等三种方式。82第 43卷第 1期（2024-01）油气田地面工程 https:/综合研究（1）交流电源与公共直流母线方式。由独立的整流装置为公共直流母线提供电源，各变频器由公共直流母线供电并将制动产生的电能回馈至母线上。（2）交流电源与 DSU 直流电源供电方式。DSU使用桥式整流电路对交流电源整流及滤波后形成直流电源，DSU与励磁变频器主电源分为两段电源供电，任一电源失电仍可以保持励磁变频器正常供电。DSU提供的功率较大，可以与主电源交流电源相 同 电 压，正 常 供 电 时 主 交 流 电 源 与 DSU 故 障时，任一电源故障时由另一单元供电；也可以经过降压变压器使 DSU 供电电压低于主交流电源供电电 压，并 高 于 主 电 源 供 电 电 压 76%，宜 设 置 为90%，在主交流电源故障时切换至 DSU供电。（3）蓄电池供电辅助 ATS 交流电源供电方式。轮吐线荣信变频器采用的 ATS切换装置切换时间为1.12.8 s，可以保留 ATS 交流供电方式接入压气站UPS、UMD等系统的蓄电池电源，蓄电池供电电压应大于励磁变频器正常运行直流母线电压值的76%，在 ATS电源切换过程中对励磁变频器直流母线电压起支撑作用。某站 15 MVA 变频器运行时励磁变频器最大输出功率为 11 kW，负荷相对较小，铅酸蓄电池在 3 s 内的大电流放电对蓄电池总容量影响较小。此时蓄电池电源做为 ATS切换过程中的过桥电源。压气站使用的低压变频器较少，设置公共直流母线的成本较高不宜采用方式（1）。方式（3）总体实施成本较低，方式（2）的负载能力较高，可综合评估进行选择。使用 STS或直流电源任一方式均可有效提升变频器低压系统供电的可靠性，STS提升励磁系统变频器供电可靠性的同时可以提升水冷系统的可靠性，当水冷系统在电源 ATS切换期间压力流量变化较小时，可选择成本较低的直流电源方式，需要根据现场设备的运行情况及改造成本进行综合考虑。4改造后的效果西气东输二线某压气站进行了 10 kV 快速切换装置的应用，采用同期捕捉切换的方式进行切换，应用后提升了 20 MVA TMEIC 变频器的可靠性，同期捕捉切换的方式在低压负载较多时会造成压气站空压机等低压负载的失电停机，因此宜优先采用快速切换的方式进一步提升可靠性。轮吐线某压气站进行了励磁系统 STS 的应用，提升了变频器励磁系统的供电可靠性，实现了不停机的电气倒闸作业。目前压气站基本电费均采用了最大需量的计费方式，提升供电系统可靠性可以避免因供电波动导致机组停机切换机组的情况，从而节约基本电费。变频器供电系统提升实现不停机高压、低压系统电气倒闸，可减少因电气检修切换机组所产生的基本电费。5结束语目前大功率变频器电网波动时低电压穿越能力不断提升，但在发生供电故障时其主供电回路及低压供电回路均会受到影响，根据受影响的程度，通过技术手段及调整运行方式等措施缩短主供电回路及低压供电回路的失电时间，从而提升大功率变频器的低电压穿越能力。电驱机组在长输天然气管道的总装机比例不断提高，未来将成为管道输气的核心动力设备，虽然变频器适应电网波动、保持连续运行的能力不断提升，但是电驱压气站未来对供电质量的依赖将越来越强。继电保护、快速切换装置、静态转换开关、二极管供电单元等技术和装置已不断成熟，电驱压气站应从配电系统设计阶段使用成熟技术和设备，提升电驱压气站综合供电系统的可靠性，摆脱地区供电质量、电力公司等外部因素的不利影响，在运行阶段制定合理运行方式，对电驱压缩机及电驱压气站的可靠运行及降低用电成本具有重要意义。参考文献1 卢鹏飞管道离心压缩机的两种驱动机（工业燃气轮机和变速电动机）方案的比较J天然气与石油，2003（4）：42-45LU PengfeiComparison of two types of drive 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