天然气管道行业中大功率变频驱动系统的应用

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摘要:文章介绍了在天然气管道行业中大功率变频驱动系统的部分性能参数选择原则和针对变频器输出侧谐波的常见解决方法。在实际项目中,西气东输一线按此进行设计实施,取得了良好的运行效果,目前正在设计中的西气东输二线也正在根据运行单位的现场反馈按此原则进行设计和采购。

关键词:天然气管道;大功率变频驱动系统;压缩机;输出侧谐波

中图分类号:TE973文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)21-0061-03

随着近年天然气管道行业的飞速发展,管道输量不断增加,口径不断增大,压缩机的功率随之提高,驱动压缩机所需要的大功率变频系统的应用也越来越多,在实际工程设计中首先就要考虑变频驱动系统和压缩机的各项性能参数的匹配。

同时,变频器是电力电子设备,易受外界的电磁干扰,变频器投入电网运行时,需要考虑电网电压是否对称、平衡,变压器容量的大小及配电母线上是否有非线性设备等;另一方面,变频器输入侧本身是一个非线性整流电路,对电网电源的波形就有影响,同时变频器输出侧电压、电流、非正弦波及非完全正弦波含有丰富的谐波。除此之外,变频器内其他器件和电路等都将产生连续的干扰频谱。这就是说变频器要投入运行既要防止外界干扰它,又要防止它干扰外界,本文就谐波方面重点讨论大功率变频器输出侧的谐波问题,也就是对输出侧负载的干扰。

一、压缩机和变频驱动系统的的性能参数选择

目前全世界只有极少数制造商能生产高性能的几十兆瓦功率级别的压缩机,这几个制造商生产的压缩机机芯的规格是确定的,在某种意思上来说,确定了压缩机的功率,也就选定了这个压缩机的其他特性、转速、扭矩。

离心式压缩机轴功率应按下列公式计算:

LtN=9.807×10-3qgRZT1(-1)

式中:N ――压缩机轴功率(kW);

T1 ――压缩机进口气体温度(K);

R――气体常数(kg•m/kg•k);

Z――气体平均压缩因子,Z=;

――压比;

――压缩机效率;

qg――天然气流量(kg/s);

K――气体比热比(K=cp/cv,cp为定压比热,cv为定容比热)。

其中气体平均压缩因子等参数的计算方法很复杂,工程中大多用The Stoner Pipeline Simulator(SPS)输气管道仿真软件来完成最终压缩机功率的确认。

确定压缩机的功率后,就需要选择驱动压缩机的电机各项性能参数,在选型前,首先要根据压缩机对转速(最高、最低)和转矩(起动、连续及过载)的要求,确定压缩机要求的最大输入功率(即电机的额定功率最小值)。电机的极数决定了同步转速,要求电机的同步转速尽可能地覆盖整个调速范围,为了充分利用设备潜能,避免浪费,可允许电机短时超出同步速度,但必须小于电机允许的最大速度。转矩取设备在起动、连续运行、过载或最高速等状态下的最大转矩。

变频器类型的选择要根据负载的要求进行。大多数变频器容量可从三个角度表述:额定电流、可用电动机功率和额定容量。其中后两项,变频器生产厂家由本国或公司生产的标准电动机给出,或随变频器输出电压而降低,都很难确切表达变频器的能力,选择变频器时,只有变频器的额定电流是一个反映半导体变频装置负载能力的关键量。负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器的基本原则。需要着重指出的是,确定变频器容量前应仔细了解设备的工艺情况及电动机参数,应保持在无故障状态下负载总电流均不允许超过变频器的额定电流。

变频器供给电动机的是脉动电流,电动机在额定运行状态下,用变频器供电与用工频电网供电相比电流要大,所以选择变频器电流或功率要比电动机电流或功率大一个等级,一般为:

Pnv≥1.1Pn

式中:Pnv――变频器额定功率,kW;Pn――电动机额定功率,kW。

需指出的是,变频器和电机的额定容量及参数是针对一定的海拔高度和环境温度而标出的,一般指海拔1000m以下,温度在40℃或25℃以下。若使用环境超出该规定,在根据变频器和电机参数确定型号前要考虑由此造成的降容因素。

二、变频器输出侧(电动机)谐波问题的解决方法

(一)谐波对电动机的危害

输出谐波对电机的影响主要有:引起电机附加发热,导致电机的额外温升,电机往往要降额使用;由于输出波形失真,增加电机的重复峰值电压,影响电机绝缘,谐波还会引起电机转矩脉动,噪音增加。由谐波引起的电动机的发热效应是按它能承受的谐波电压折算成等值的基波负序电压来考虑的。一般来讲,电动机在额定功率下持续承受3%额定电压的负序电压时,电动机的绝缘寿命要减少1/2。所以,电动机在持续工作条件下所承受的负序电压不宜超过额定电压的2%。

(二)消除变频器输出侧(负载)谐波的影响

解决谐波问题可以采用特定消谐的PWM调制方法,而更多采用的是在变频器的输出端加滤波器的方法,将输出的PWM波变为正弦波或准正弦波。

解决电机端过电压的问题主要采用三种方法:电机端加滤波器;变频器输出端加dv/dt抑制滤波器、变频器输出端加正弦波滤波器。

1.电机端滤波器。设置电机端滤波器的目的是使电机端的等效阻抗尽量与电缆的特性阻抗匹配,从而消除反射波。主要有三种形式:并联电阻,一阶的RC网络,二阶的RLC网络。(1)并联电阻。在电机端并联一个电阻,阻值等于电缆的波阻抗。但由于电缆的波阻抗较小,所以并联电阻上的损耗较大,故较少采用。(2)并联一阶RC网络。RC串联后再组成星接。设计时使此一阶滤波器的等效阻抗尽量与电缆的特性阻抗匹配,同时选择R使由凡C以及电缆的分布电感形成阻尼电路。由于C的存在,减小了功耗。(3)并联二阶RLC网络,RL并联后与C串联,再连成星形。参数的选择使滤波网络的等效阻抗尽量与电缆的特性阻抗匹配。同时,滤波器构成阻尼电路。滤波网络的谐振频率选为开关频率的五倍。

2.变频器输出dv/dt抑制型滤波器。由于PWM 脉冲的上升时间越短,所允许的电缆长度也越短,所以通过增加滤波装置来增加脉冲的上升时间,可以使可允许的电缆长度增加。这种用途的滤波器主要有:

(l)LR 并联型。将LR并联网络串联在变频器输出端作为dv/dt抑制器。参数值的选取如下:求取由LR并联网络和电缆的集中参数等效模型组成的网络的传输函数,由网络不出现振荡应满足的条件可以确定L,R的值。

(2)二阶RLC低通型。结构如图1所示,首先要确定所用的电缆长度,由电缆长度可以计算出临界上升时间,由临界上升时间确定出滤波器的截止频率。选择Rt,使之与电缆阻抗匹配,同时构成阻尼电路。综合以上条件,可以确定出元件值。计算公式如式(1)所示:

(3)带钳位二极管的LC滤波器。RLC滤波器中,电阻上消耗的能量很大。在带钳位二极管的LC电路中去掉了阻尼电阻,这时滤波器输出端会产生电压过冲,为消除过高的电压峰值,在滤波器的每个输出端增加了到直流母线的钳位二极管,使过冲的能量返回给直流母线上的储能电容,不仅消除了电压过冲,而且使效率提高,响应加快。

3.变频器输出正弦波滤波器。当采用变频器输出dv/dt抑制滤波器时,要根据所用电缆的长度设计输出滤波器,所以为一定长度的电缆设计的滤波器可能不适用于更长的电缆。而采用变频器输出正弦波滤波器可以适用于相当长的电缆,更具有通用性。

采用变频器输出正弦波滤波器入可以在滤波器的输出侧得到正弦波或准正弦波,并使输出波形的THD值在设计要求的范围内。变频器输出正弦波滤波器主要有三种形式:RLC低通滤波器,RLC串联谐振环节加RLC低通滤波器,RL并联谐振环节加RLC低通滤波器。

(l)RLC低通滤波器。RLC低通滤波器电感串联在变频器输出端和长线电缆之间,电容并联在电缆输入端。其优点是简单可靠。但是当设计不当时,流经LC滤波器的无功电流较大。在变频器启动时,会造成供给电机的电流不足,同时还会造成变频器的过载,使保护电路动作,严重时会损坏变频器。所以,在设计这种类型的变频器输出滤波器时,要充分考虑各种限制因素。

(2)LC串联谐振环节加低通滤波器。滤波器结构如图2所示。传统的RLC低通滤波器应用于变频器一电机系统时,主要矛盾是由于截止频率太低造成无功电流太大,必须将滤波器的截止频率提高。通过对SPWM侧变频器的谐波分析可知,谐波主要分布在载波频率以及载波频率的整数倍附近,所以可以在载波频率处以及载波频率的整数倍处设置带阻或带通滤波器,这样可以把低通滤波器的截至频率提高,从而使滤波电容值及无功电流减小。一种形式是将RLC串联谐振电路作为带通滤波器并联在变频器的输出端,另一种形式是将比并联谐振电路作为带阻滤波器串联在变频器的输出端。这种滤波器充分利用了变频器输出电压的谐波特性,在普通的低通RLC滤波器前级使用了一个带阻滤波器,因而允许有较高的截止频率,并且达到更好的滤波效果。通过合理的确定参数,这种滤波器不仅可以降低滤波器的造价,而且可以将输出电压的THD限制在很小的范围内。

(3)LC 并联谐振环节加低通滤波器。结构如图3所示。此种设计将LC带阻滤波器中心频率调在变频器的开关频率上,而低通滤波器的截止频率可以适当提高。这样,开关频率处的谐波受到低通滤波器和带阻滤波器的共同衰减。带阻滤波器主要考虑:阻带中心频率定在变频器的开关频率上;阻带的要有一定的带宽;LC滤波器对基波的衰减等因素。

三、结语

天然气管道行业近年来快速发展,在大功率变频系统驱动压缩机这种工作方式越来越成为主流的时候,对大功率变频系统的各项技术特点进行研究就越发重要。对几十兆瓦级别的变频驱动系统,目前国际上没有详细的规范和标准,核心技术被外国厂商掌握,而每个生产厂家都有各自不同的产品特点和设计思路。因此,加强对大功率变频驱动系统各方面的研究就显得格外迫切。

参考文献

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作者简介:林森(1979-),男,山东人,中国石油天然气管道工程有限公司初级工程师,硕士,研究方向:电气设计。