国产中压变频器在海洋石油平台的应用

徐建东，李长伟，郝　明，刘树慰

(海洋石油工程股份有限公司 设计公司，天津　300451)

国内海上石油平台的规模在不断增大，部分大型工艺生产设备有变频调速的需求。该类设备容量一般在1 000 kW以上，该容量级别电气设备均为中压范畴，如果采用变频调速需要考虑中压变频器。以往中压变频器价格高昂，考虑到成本控制一般海洋油气平台基本不考虑使用，而是采用其他变通方案。近年来随着中压变频技术的不断发展，在不断提高调速性能以及稳定可靠性的同时，价格更趋于合理，海上石油平台也逐渐开始选用中压变频器。

对于平台上的中压变频器选择，由于海洋平台远离陆地，运输、吊装费用高昂，平台设备安装空间狭小条件有限，故对变频器可靠性要求极高，需要故障后能够及时恢复，所以海洋平台上采用的中压变频器，基本以进口品牌为主。随着国产中压变频器的技术水平的提高，其稳定型已十分成熟，价格与进口品牌相比更是优势明显，目前一些海洋平台项目开始采用国产中压变频器。

1　中压变频器的主要类型

受功率器件耐压能力的限制，中压变频器的拓扑结构至今没有形成较为统一的结构[1-3]，在性能指标及价格上也有很大的不同。

图1　中压变频器分类

其中交交变频器和交直交变频器中的LCI型变频器目前已不是主流拓扑结构。[5]

电流源型变频器主要以国外品牌为主，产品以LCI变频器(ABB)及SGCT电流源型变频器(罗克韦尔)为代表。在IGBT及IGCT等功率器件发展成熟以后，更多厂家采用的是电压源型变频器，此类变频器可以分为中性点箝位型IGBT变频器、中性点箝位型IGCT变频器及单元串联多电平变频器。

2　适用于海洋石油平台需求的国外主流品牌

国内外中压变频器品牌众多，以进口品牌为主，均形成了系列化的产品，其控制系统也已实现全数字化，几乎所有的产品均具有矢量控制功能。其中比较有代表性的厂家为ABB，SIEMENS，AB和TMEIC等厂家。各厂家均有不同系列的产品，海洋石油平台中压变频需求主要在1 000～3 000 kW范围，负荷主要是往复式压缩机等。在这个功率区间范围，ABB的产品是ACS2000系列，SIEMENS是GH180系列(收购的美国罗宾康ROBICON技术)，AB的产品是PowerFlex7000系列产品，TMEIC的产品是TMdrive-MVG2系列产品。其中ACS2000、PowerFlex7000系列均有二极管整流DFE和有源前端AFE细分产品，而TMEIC的TMdrive-MVG2是二极管整流DFE，TMdrive-MVe2是有源前端AFE。考虑到如下3点因素，海洋石油平台一般只采用多脉冲二极管整流DFE方式。①无需能量回馈电网，2象限即可满足要求；②多脉冲二极管整流可以满足电网侧谐波限值需求；③AFE产品价格较DFE产品高出很多，需要控制成本。

各厂家以上系列产品的主要配置和性能对比参见表1。

表1　国外主流品牌主要配置和性能对比

3　国产品牌现状

绝大多数国产中压变频器厂家采用单元串联多电平电压源型拓扑结构。随着国内厂家的大力投入和经验的积累，该项技术已完全被国内厂家掌握，在稳定性和功能上国产中压变频器已经可以与进口变频器相比肩。国产中压变频器的主要配置和性能均可以达到表1中SIEMENS的GH180系列产品的水平，而就性能价格比而言，国内的中压变频器明显优于国外品牌产品。

海洋石油平台有变频需求的中压负载主要是往复式压缩机，属于恒转矩负载，并且平台没有能量回馈电网的需求。国产中压变频器采用的单元串联多电平电压源型结构完全可以满足各项性能的要求，在实际项目中重点关注变频器的启动转矩和运行转矩与负载的匹配性即可。经统计，国产中压变频器相对国外品牌可以节省成本至少30%以上。

4　实际海上项目应用

4.1项目系统方案

中海油某海上气田开发项目，位于南中国海西部，建造一个海上中心平台，用于天然气的采集和处理。根据工艺流程需要，平台上设置湿气压缩机3台(2用1备,正常运行时1台变频运行，1台工频运行)，干气压缩机2台(1用1备，正常运行时需要变频运行，但工艺流程允许短时间工频运行)。考虑到海上石油平台电网为自发电的小电网系统，电网抗冲击能力弱，各压缩机考虑变频软启。但平台空间只能考虑4台变频器的布置。结合工艺流程工况分析以及压缩机功率需求，最终方案确定采用4台变频器，其中CEP-VFD-001(6.3 kV，2 240 kW)采用1拖2方式，CEP-VFD-002/003(6.3 kV，1 800 kW)、CEP-VFD-004(6.3 kV，2 240 kW)采用1拖1方式，该方案可以满足所有工艺流程及单台设备检修倒机工况，主回路接线示意图如图2所示。

促进教师提高教学能力 为了满足信息化时代的不断发展，高职院校的教师要不断提高自己的专业水平。微课教学不能仅仅针对某一节课进行，而是对教师教学方式和教学风采的进一步巩固。这一教学模式体现了优秀教师的价值，而对一些经验尚不丰富的教师来说却是一个很大的挑战。微课主要就是要求教师对学生的教学主题有一个规划，借鉴优秀教师的教学方式，把握最新的教学方式，在传统教学的基础上合理应用微课教学，促进教师教学质量的提高。

考虑到现场工况、配电条件及检修等因素，本项目在中压变频器输入侧配置输入刀闸及预充磁电阻柜，输入侧配置输入刀闸可以方便变频器出现故障后检修变频器，预充磁电阻柜可以保证变频器合闸时对电网的冲击电流小于变压器额定电流。

在CEP-VFD-001变频器输出侧配备输出电抗器柜及输出切换柜，输出电抗器柜内配置电抗器和旁路接触器，输出切换柜内配置2个手动刀闸QS1、QS2，2个真空接触器KM1、KM2，可以实现压缩机的变频启动、运行、工频切变频、变频切工频等功能。

图2　电动机主回路接线示意图

4.2变频器功率选型校核

根据天然气压缩机厂家提供的数据，该项目负载转矩波动较大，最大转矩达到额定转矩的1.6倍，需要确认电动机及变频器的功率选型是否满足要求。

4.2.1高速段仿真

以2 240 kW的干气压缩机组为例进行分析，电动机额定转速990 r/min时的负载转矩曲线如图3所示。

图3　转速990 r/min时的负载转矩曲线

由图3知，负载的平均转矩小于20 000 N·m，最大转矩约为3 2821 N·m。最大转矩约为平均转矩的1.6倍。

首先计算电动机的额定转矩Te：

(1)

式中：Te为电动机额定转矩；P为电动机额定功率；n为电动机转速。电动机的额定转矩大于负载的平均转矩，但是小于负载的最大转矩。

由于电动机及负载的转动惯量较大，机电时间常数较大，波动的负载转矩经由一个较大的机电时间常数的系统驱动时，驱动转矩会被滤波，滤波后的转矩才是需要电动机提供的电磁转矩，只要电动机需要的电磁转矩始终在电动机的额定转矩范围内，电动机电流就不会过载。下面仿真分析电动机的电磁转矩。

电动机额定转速990 r/min，即16.5 r/s，每一转的负载曲线如图3所示，因为图3的曲线难以进行仿真，我们以图4的负载曲线进行代替。图4的负载曲线平均转矩为20 000 N·m，最大转矩为32 821 N·m，最大转矩的占空比为50%。图4的负载波动频率和图3一致，平均转矩要大于图3，只要图4的负载转矩可以满足要求，则实际的负载转矩时还有裕量。

图4　转速990 r/min时的等效负载转矩曲线

在PSIM软件中进行仿真，电动机及负载的转动惯量根据厂家数据进行设置，负载曲线按照图4设计，仿真后波形如图5所示。

图5　高速段仿真波形

由图5可见，负载转矩为占空比50%的方波，而电动机转矩曲线已经被滤为较为平滑的曲线，在平均转矩附近有轻微的波动。

4.2.2低速段校核

根据厂家提供的压缩机转矩曲线，转速最低为500 r/min，选取500 r/min时的转矩曲线进行校核。经查，最大转矩17 000 N·m，平均转矩10 000 N·m,均小于电动机的额定转矩21 608 N·m，因此，电动机和变频器均不会过载。

4.2.3仿真校核结论

因为系统的机电时间常数较大，负载转矩为高频的方波式波动曲线，所以电动机转矩被滤为较为平滑的在平均转矩附近的轻微波动的曲线。而变频器的输出电流只与电动机的电磁转矩有关，即电动机的电流也是平滑的曲线，不会有急剧的波动。

电动机转速越低，负载转矩波动的频率越低，而系统的机电时间常数基本不变，意味着电动机的电磁转矩波动也会越大。但是，低速时负载转矩降低，最大的负载转矩也小于电动机的额定转矩，电动机及变频器均不会过载。

综上所述，因为系统的机电时间常数较大，高速时负载转矩波动频率较高，低速时最大负载转矩小于额定转矩，变频器选型时按照负载的平均转矩选型即可满足要求。

4.3实际运行效果

该项目已实际投入运行2年左右，变频器运行状态良好，满足现场各种工况要求，各项指标均在要求范围之内。

5　结束语

总体来说，海洋平台上对于中压变频器的控制精度和性能要求不高，而可靠性和成本是选择的主要因素。因此选择技术成熟、性价比高的产品是首要的原则。目前变频器市场中，采用矢量控制的多电平串联结构的中压变频器技术已非常成熟，其拓扑结构带来的固有优势，以及各种提高可靠性的措施，如功率单元旁路、抗电网波动、掉电自恢复等功能，都非常适用于海洋平台。国产多电平串联结构的中压变频器的性能已经逐步赶上进口品牌，虽然这种拓扑结构的变频器不是目前国际上最前沿的技术，但是完全可以满足海上石油平台使用要求，且性价比优于国外品牌产品。相信在未来，这种优秀的中压变频器技术能够在海洋平台上有更大的作为。