一种高压变频器电网电压故障控制方法及其在天然气长输管线中的应用

袁献忠 吉 敏 卓 麟 谭保罗

（国家管网集团川气东送天然气管道有限公司，武汉 430000）

0 引言

随着近年来国产大容量高压变频器的成熟应用，新建的天然气长输管线电驱压气站已大批量采用国产大容量高压变频器作为压缩机的驱动装 置[1-2]。单元串联型高压变频器输出电压可达10kV甚至更高，输出无需增加升压变压器即可以驱动10kV电动机，且输入输出波形好，无需输入输出滤波器，是国产大容量高压变频器的主流方案。

压缩机组是天然气长输管线的核心装置，对设备的稳定性要求很高，相对压缩机组中的压缩机和电动机来说，由于变频器属于电子设备，系统更加复杂，其对供电质量的要求也相对较高[3-4]。而供电电网由于突发自然灾害、零星异物漂浮、野蛮施工破坏、配电系统短路故障等原因，不可避免会出现电网电压跌落等供电异常问题[5]。当供电电网出现异常时，对变频器的影响更大。根据统计，导致压缩机组停机的原因中，电网电压的短时跌落或者短时中断故障占据了其中相当大的比例[6]。因此，研究单元串联型高压变频器在电网电压故障下的持续运行控制方法具有重要的意义[7-8]。

1 高压变频器电网电压故障控制原理及 方法

应用于天然气长输管线电驱压缩机组的国产大容量高压变频器一般采用基于磁链定向的电动机矢量控制算法，为双闭环控制，外环为转速环和磁通环，内环为电流环。功率单元采用交-直-交型电压源型拓扑，整流环节采用三相全桥二极管不控整流方式。在正常运行工况，变频器驱动电动机作为电动机运行，变频器输出有功功率，稳态时，功率单元的直流母线电压平均值与功率单元输入交流电压有效值的关系为

式中：Udc为功率单元直流母线电压平均值；Uac为功率单元输入交流线电压的有效值。由式（1）可见，正常运行时，若电网电压跌落或中断，会导致功率单元的输入交流电压Uac也随之跌落或中断，从而导致功率单元的直流母线电压Udc也跌落或中断，造成变频器的输出电压能力下降甚至触发功率单元的欠电压故障。而变频器输出电压能力降低后，若变频器仍需要输出较高电压，则会使变频器处于过调制状态或出现电流环饱和现象，过调制会使电流内环调节器处于非线性调节状态，容易导致输出过电流故障，而电流环作为控制内环，内环调节器饱和是双闭环控制系统中的不稳定状态，也会导致输出过电流故障。不管是功率单元欠电压故障还是过电流故障，变频器一旦检测到故障状态，就会进入 故障处理逻辑，封锁输出脉冲，即使采用自动复位流程，也会由于自动复位逻辑的逻辑判断延时，以及复位后系统的自检流程等，导致自动复位处理流程的时间较长，在此过程中可能会导致压缩机转速下降过多触发工艺联锁故障，或者导致其他辅助系统报故障的风险。因此，在电压跌落或中断时，应采取一定的控制方法，尽可能地保持变频器的运行状态，尽量少地触发其自动复位功能。

由上述分析可知，变频器电网电压故障控制的关键是如何在电网电压跌落或中断时，尽量避免输出过电流故障和功率单元欠电压故障，在电网电压恢复时，又可以自动恢复至正常运行状态。

电网电压故障控制方法框图如图1所示，是本文提出的一种应用于单元串联型高压变频器的电网电压故障控制方法，尤其适用于风机、压缩机等大惯量负载。

图1 电网电压故障控制方法框图

由图1可知，来自用户的电动机转速设定值ωset与实时检测得到的电网三相电压有效值的平均值送入转速给定限幅模块，转速给定限幅模块的输出作为转速环的转速参考值*ω，转速给定限幅模块的功能是检测到电网电压跌落或中断时，限制转速参考值的大小，避免变频器在电网电压跌落时，由于输出电压能力的下降而运行于过调制状态，导致变频器的稳定裕度下降，从而避免电流环出现饱和的隐患。

根据电动机特性，在额定转速以下，电动机的输出电压与电动机的转速基本成正比，通过限制电动机的转速参考值，可避免变频器在所需电压超过变频器输出电压能力范围的情况下运行的风险，有助于系统的稳定运行。当电网电压跌落到接近功率单元的欠电压保护阈值时，图1中点划线框中的母线电压闭环控制模块将会投入，转速环将会处于旁路状态。

在图1中，转速参考值ω*与电动机转速ω的差值通过转速环PI调节器后得到转矩给定值除以磁通值ψ后，得到转矩电流给定值。为了防止电网电压跌落幅值太大或短时中断时造成的功率单元欠电压故障，控制系统中增加了母线电压闭环控制模块，如图1中点划线框中所示，为功率单元直流母线电压最小参考值，远小于额定的直流母线电压，(i= 1,2,… ,n)为每个功率单元的实测母线电压，n为功率单元个数，(i=1,2,… ,n)取最小值与的差值经过母线电压PI调节器后得到母线电压闭环控制模块的输出，母线电压PI调节器的上限值为一个较大值，远大于额定转矩电流，取与前述中的最小值作为转矩电流调节器的转矩电流参考值。

高压变频器电网电压故障控制方法流程如图2所示。电网电压正常时，(i= 1,2,… ,n)的最小值也大于，母线电压PI调节器饱和，大于，转矩电流参考值即为转速环的输出，系统正常调速运行；当母线电压由于电网电压跌落的幅值过大或短时中断时，(i= 1,2,… ,n)也减小，当小于后，母线电压PI调节器退出饱和，调节器稳定后，为负值，和二者取最小值后，也为负值，即电动机作为发电机运行，将电动机和负载的动能转化为电能，给功率单元充电，维持功率单元母线电压，防止出现功率单元欠电压故障；若此后电网电压恢复，则也变大，母线电压PI调节器重新进入饱和状态，系统自动恢复至正常运行状态，若电网电压长时间没有恢复，电动机及负载的动能耗尽后，变频器才触发功率单元欠电压故障，根据参数设定，变频器可以执行自动复位功能尝试待电压恢复后再起机或直接停机。

图2 高压变频器电网电压故障控制方法流程

2 电网电压故障控制方法在天然气长输管线电驱压气站中的应用

国内某天然气长输管线压气站设计有3套电驱压缩机组，功率均为7 000kW，电动机参数见表1。

表1 电动机参数

高压变频器采用国产上海能传电气有限公司的NC HVVF系利高压变频器，其一次接线如图3所示。系统采用高压功率单元串联式拓扑，每相2个1 750V/1 000A的水冷功率单元串联，整机共6个功率单元，输入移相整流变压器的二次侧有6个绕组，分别为6个功率单元供电，每个二次绕组的移相角度错开10°，形成输入36脉冲整流结构。为防止上高压时的励磁涌流，采用高压预充电电阻R加旁路开关QF2实现变频器的预充电功能，上高压时QF2先断开，上级进线开关QF1先合闸，通过预充电电阻R为变频器功率单元充电，充电完成后，闭合QF2，将预充电电阻旁路，完成系统上高压逻辑。当电网电压跌落幅度太大或完全失电时，需要考虑电压恢复时的高压预充电上电逻辑，防止励磁涌流过大导致前级综保故障而造成高压上电失败。

图3 NC HVVF高压变频器一次接线

为满足现场对高压变频器电网电压故障控制功能的需求，NC HVVF高压变频器采用本文提出的电网电压故障控制方法。现场带负载调试时，人为断开上级进线开关QF1并立即重新合闸，进行电驱压缩机组的电网电压故障控制功能测试，利用示波器测得的波形如图4所示。图4中的4条波形曲线从上至下分别为输入电压 inU、输入电流inI、输出电流outI、预充电电阻旁路开关QF2的触头反馈信号（高电平为合闸，低电平为分闸）。由图4可见，变频器控制系统检测到电网失电时，系统立即进入电网电压故障处理流程，输出电流限制为较小电流，并为功率单元反向充电，变频器吸收有功功率，以维持功率单元的控制部分的供电，同时将转速给定值限制为较小值；由于电网电压完全失电，QF2 断开，将预充电电阻重新投入，防止电网电压恢复后产生的励磁涌流；电网失电约2s后，重新恢复，单元经预充电电阻充电完成后，QF2闭合；控制系统检测到QF2的闭合信号后，退出电网电压故障处理流程，变频器输出有功功率，且电流逐渐变大，电动机重新加速至原先的设定值，恢复正常运行。

图4 电网电压故障控制功能测试波形

3 结论

本文提出的高压变频器电网电压故障控制方法，适用于国产高压变频器的主流方案——功率单元串联型高压变频器，可以在电网电压跌落或中断时，避免输出过电流故障和功率单元欠电压故障，在电网电压恢复时，又可以自动恢复至正常运行状态，尤其适用于大惯量负载，如风机、压缩机等负载，并且在天然气长输管线电驱压气站现场进行了实际的电网电压短时断电测试。试验结果表明，该控制方法可以满足压气站现场对变频器电网电压故障控制功能的要求。