电压源型大功率变频驱动系统在西气东输二线西段工程上的应用

林森，高山，彭晶，杨利，罗季

（1.中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊065000；2.中国石油西部管道分公司，新疆乌鲁木齐830013）

1 引言

西气东输二线是目前世界最长的跨国天然气管道工程，国外段气源来自中亚，国内段西起新疆霍尔果斯，途经14个省区市和香港特别行政区，包括1 条干线和8 条支干线，全长9 102 km，作为我国迄今为止管线最长、管径最大、输量最大的管道工程，其中西段工程（霍尔果斯—中卫）干线全长2 745.9 km，管径1 219 mm，设计压力速电机驱动压缩机（简称电驱），西段乌鲁木齐压气站、瓜州压气站、永昌压气站为3 座电驱站，每站4套电驱机组，共12套。这也是18 MW级电压源型大功率变频驱动系统第1次在国内长输天然气管道工程上进行应用。

2 电驱机组的特点及构成

10～12 MPa，共设置压气站14 座，其驱动方式有燃气轮机驱动压缩机（简称燃驱）和中压变频调

2.1 主要特点

西气东输二线西段电驱机组的变频驱动系统（PDS）主要由日本东芝三菱TMEIC 公司生产的XL-75型中压变频器和2极防爆型中压无刷励磁高速同步电机组成，其中变频器功率为20 MW，采用IEGT作为主要电子器件，VSI电压源方案，5电平输出；电机功率18 MW，额定电压5.94 kV，正压通风防爆，转速范围3 380～5 200 r/min，最高转速5 460 r/min，与压缩机直联驱动。主要特点是功率大，效率高，转速高，调速范围宽，连续运行。

2.2 系统构成

PDS系统包括带阻尼启动的隔离变压器、变频器、电机及站场配套外循环水系统构成。其主接线见图1。

图1 TMEIC PDS系统接线图Fig.1 The winding diagram of TMEIC PDS

3 主要设备功能及特点

3.1 带阻尼启动的隔离变压器

隔离变压器为双绕组结构，容量为21 MW，变压器副边绕组总共为6 组，电压变比为10/6×1.76 kV，各绕组间相移10°（电角度），对变频器提供36 脉冲电源，在降压和隔离的同时，减少谐波失真。由于在接通变压器的初始瞬间，变压器的击磁涌流会达到4 倍左右的变压器额定电流，导致10 kV 母线电压突然下降过大，对其他电气设备造成影响。为了使隔离变压器的瞬间合闸电流引起线电压的压降最小化，在10 kV 开关和隔离变压器之间连接了一个浪涌电流阻尼电阻器。

如图1 所示，在VCB2#合闸之前，VCB1#合上，电阻被加到启动电路中，由于增加了阻抗，所以限制了冲击电流，该电流可以控制在变压器的额定电流以下，在数十ms的延时后，VCB2#合上，电阻退出电路中。

3.2 变频器

3.2.1 方案选择

大功率中压变频器有电流源型（LCI）和电压源型（VSI）。LCI 技术最先出现，一般使用半控器件晶闸管来实现电源频率变换，技术方案比较成熟，但谐波量大，需要庞大的滤波装置，对电源条件要求很高，从20世纪90年代开始，由于大容量功率器件IEGT，IGCT的相继出现，使VSI变频驱动的大容量化，高性能化，小型化得到发展，从2000 年开始，大功率的VSI 变频驱动进入市场，逐渐确立了其在市场中的地位［1］。VSI 与LCI 综合性能比较见表1。

表1 VSI与LCI综合性能比较Tab.1 Comprehensive performance comparison between VSI and LCI

西气东输二线在设计方案选择时，充分考虑的西气东输一线LCI变频器使用以来暴露出的问题，邀请冶金、制造等领域的专家对LCI和VSI方案进行对比分析，结合西二线实际站场电源的恶劣条件，最后确定了在西气东输二线采用36脉冲5电平的VSI方案。这也是在国内长输天然气管线上首次应用VSI电压源技术。

3.2.2 电压源型变频器

TMEIC 为本项目提供的变频装置型号为TMdrive-XL75，在2 000 m 海拔处可以输出20 780 kV·A，输入为36 脉冲，6×1 760 A，输出为相电压5电平，线电压9电平，6 kV电压等级。采用PWM控制，功率器件采用4 500 V规格IEGT，在本系统中共采用24 个IEGT 作为功率开关器件，无需串联或并联使用。

3.2.3 控制系统

变频调速采用V/f控制方式，通过低压动态补偿，产生相应的电压和频率给定信号，由PWM发生器输出相应的PWM 调制信号，控制变频器进行变压变频调速。

励磁回路单独控制，在低于额定频率时，保持额定磁通不变，进行恒转矩调速；高于额定频率时，采取弱磁升速。其控制原理见图2。它具有速度设定输入、斜坡功能发生器、自动再启动控制、断路器控制、频率开窗、电机极限转矩设定、内部保护和监视、过流检测、绝缘监视和超速、停机、晶闸管保护等完善功能，可实现以太网通信和远程系统维护，采用矢量控制方式，能完全满足系统控制的需要。

图2 TMEIC PDS控制原理图Fig.2 The control diagram of TMEIC PDS

3.3 同步电机

采用防爆型中压无刷励磁高速同步电机，额定功率为18 MW，额定电压5.94 kV，双Y 型绕组接线，变频调速，与压缩机采用联轴器直联驱动，转速范围为3 380～5 200 r/min，最高转速为5 460 r/min。

TMEIC同步电机主要特点如下。

1）转子。转子是适合超高速旋转运行的圆柱形状，是2 极的隐极式结构。具有3 套轴承系统（其中电机用2套，励磁机用1套），可以实现整个旋转轴系的合理临界速度和低振动。另外，冷却风扇直接附在电机的转轴上，采用自通风式系统。

2）无刷励磁。励磁系统在转子结构方面充分考虑了超高速的要求，转子由杆和轴构成，由单一的锻造合金钢加工而成。轴的一端设有1个驱动联轴器，轴中心是杆，杆上设有励磁绕组用插槽，而轴的另一端设有交流励磁机和旋转整流器。设计转子时，高转速和临界速度均列入考虑。转子本体内彻底加工的纵向槽含有励磁线圈，励磁线圈与槽绝缘一同置于槽中，可免受楔子地心引力的影响。励磁线圈由矩形铜线构成，其端头由扣环扣住，线圈上设有用于通风的槽形孔。

3）空-水冷却。该电机的绝缘等级为155 ℃（F），定子绕组温升限制为85 K，转子绕组温升限制为80 K，冷却方式为IC81W。冷却系统为完全封闭式，配备上插式空气冷却器。采用自通风式系统，电机的内部部件（铁心、线圈等）是由内部的空气来冷却的，而空气则由固定在机壳顶部的空水冷却器（热交换器）来冷却。由于冷却风机的作用使得冷空气在电机内部循环，定子、转子和励磁机都可以被冷却。该电机上部空水冷却器为双层管路结构，如果在工作中内管发生泄漏，系统会发出一个报警信号，此时电机还可以通过外管进行100%的负载运行。因此，该冷却系统实际上具有120%的冷却能力。

4 设计时需注意的问题

西气东输二线西段18 MW 级电压源型变频驱动系统在国内天然气长输管道上是第1 次使用，由于其电力电子元器件多、功率大、电压等级高、发热量大，电机应用于防爆场所，需要配备功能完善可靠的辅助系统。压气站均地处野外，相对孤立，周围环境差，气候变化大、社会依托薄弱，周围没有可依赖的工业辅助设施。因此，在整个压气站设计时，要充分考虑站场辅助系统功能能否满足机组在各种气候条件、各种工况下的运行需要［2］。

4.1 供配电系统

压缩机停运将对整个输气生产造成很大影响，因此，压气站属1 类用电负荷，均采用2 路电源，由于西气东输二线西段每座压气站有4 套变频驱动系统，整站负荷近50 MW，故采用2路110 kV外电线路，分列运行。

压气站内设置1 座110/10 kV 变电所，包括：110±8×1.25%/10.5 kV 50 000 kV·A 有载调压变压器2台、10 kV开关柜、直流屏等。110 kV SF6气体绝缘封闭式组合电器（GIS）户内布置，为后续电驱负荷扩建预留110 kV 间隔出线位置，10 kV开关柜为成套配电装置户内布置，为后续负荷扩建预留10 kV开关柜位置，主变压器户内布置。

设置1 座变频装置室，包括10/0.4 kV 2 000 kV·A 站变压器2 台、低压配电柜及压缩机组MCC，UPS 等。变频隔离变压器户外布置，变频设备户内布置，成套配电装置户内布置，站变户内布置。

对不间断供电负荷，如站场自控、通信、变电所操作电源、应急照明以及机组应急负荷等还应按照国家规范要求，在2 个独立主供电源供电的基础上，采用不间断电源（在线式UPS）作为供电可靠性的保证措施。

4.2 采暖通风系统

变频器内部采用去离子水冷却，如水结冻，将造成设备损坏。西气东输二线西段3座电驱站冬季最低温度达到-40 ℃，为保证在冬季气温低时停运机组去离子水不结冻，变频器室温不得低于5 ℃，在室内配备空调等供暖。

4.3 外部循环冷却水系统

变频器和电机均采用外循环水冷却，为使外部循环水系统功能满足机组运行冷却的需要和减少运行维护工作量，外部循环水系统采用闭式冷却水塔，冷却水塔的喷淋水可采用一般工业用水，但为减缓结垢，喷淋水在自动补水系统上设置软化水装置；根据当地气象条件，设置防尘、防风沙，冬季停运后的防冻（保证水温不低于5 ℃）设施，配备自动补水和高点排气装置。

外部循环水系统管道选用不生锈的管材，露出地面段设置保温和电伴热、系统设置低点排污、高点排气、管道外循环、电机内的水排放及空气吹扫设施。控制系统宜与电驱设备联控，系统管线上要安装流量计、温度计并上传中控室监控。

外部循环水系统的循环水泵配有4台37 kW电机，根据工况需求自动启机，并互为备用。

由于站内低压供配电系统为单母线分段，当一段低压段检修时，为保证循环水系统的正常运行，应在循环水系统的供电系统前增加双电源切换装置。

5 结论

西气东输二线年设计输量300 亿m3/a，所使用的变频调速电驱机组已经正式投产，输量已达到设计值，现机组运行正常平稳，能方便实现管道对流量迅速变化的需求。该系统运行稳定、操作维护简单、效率高。它的成功应用，为西气东输三线等后续相似工程的建设提供了经验，同时依托此项目的技术积累，为此后同类设备国产化提供了必不可少的技术条件。

［1］吴斌.大功率变频器及交流传动［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［2］吕开钧.变频高速电机驱动压缩机在西气东输的运用［J］.电气传动，2010，40（5）：67-71.