试验站试验电源中静止变频电源与机组变频电源的比较

2018-03-19丁亚清

上海大中型电机 2018年4期

丁亚清

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

0 引言

在现有电机试验站中，电机进行型式试验需要使用的变频变压电源，其在输出频率电压调节、电源供电质量以及一些特殊应用上都有较高的要求，系统比较复杂，造价占比也较高。对于大功率试验站的变频变压试验电源，目前可供采用的产品和方案大致可以分为静止变频电源与机组变频电源两大类。

机组变频电源以经典的拖动-发电机(D-F)机组电源为代表。其中，我厂风电电机试验站所采用的电源为一套交流电动机拖动同步发电机组的方案，而我厂直流试验站则采用一套直流电动机拖动的同步发电机组用于试验。

静止变频电源使用类似通用变频器的逆变电源，经滤波后形成较纯净的正弦波后再输出。我厂重型试验站和18 000 kW试验站均采用这种试验电源，其中18 000 kW试验站由2台20 MW级变频器作为试验电源，其容量和试验能力均居于国内外领先水平。

这两种技术方案各有优劣。现阶段，静态变频电源以其造价低、占地小、项目施工简单、电源组合便利等优点正逐步成为试验电源主流选择。但我们认为，机组电源方案依然是一个具有较强生命力的方案，短期内并不会被静态电源全面取代。

1 电源供电品质

在供电品质上，GB/T 755—2008《旋转电机定额和性能》第7.1、7.2两条以及GB/T 1032—2012《三相异步电动机试验方法》第4.2条均对电机试验电源作出了要求，综合二者条款考量，国家和行业的相关标准对电机试验电源品质主要指标要求如下：

电压的负序分量在消除零序分量的影响后，应小于正序分量的0.5%;

电压波形的瞬时值与基波分量瞬时值之差不应超过基波波幅的2.5%;

谐波电流因数不超过5%，负序和零序电流分量均不超过正序分量的5%。

目前，静止变频电源与机组变频电源供电品质上都能满足相关国家和行业的试验标准，实际应用时这方面区别已经不大。

同步发电机直接输出正弦波形，无需滤波等环节，在全频段和全电压范围内都可以保持供电，且品质更好一些。使用静止变频电源要获得正弦供电波形需要使用输出滤波环节，滤波器设计上常常无法兼顾全输出频率范围，会出现在某个特定工况范围内可以达到，而其余工况点上依然存在不确定性。

静止变频电源输出滤波环节设计和供电品质要求之间可能存在的问题，可以简单归结成以下两点。

电压电流谐波问题：特别是电流谐波问题，GB/T 1032—2012没有对电流谐波作明确说明，但GB/T 755 2008版则有要求。解决谐波问题只能加大滤波环节的滤波能力，我们要求电压从额定电压的10%～15%左右开始，一直到额定电压的125%，全输出范围内电压和电流谐波都要达到高品质输出要求，静止逆变变频电源在滤波器方面需要专门设计并特别制造。因为在要求正弦波的交流电压有效值比较低时，以690 V变频器为例，由于变频器的直流母线电压依然还保持在1 000 V左右，此时变频器调制比极大，谐波含量的百分比和输出与额定电压的比有着巨大的差异。如果需要降低直流母线电压而又要保证四象限运行，将增加成本代价。同时，进行较小电机空载试验时，当电压较低时，由于电流有效值更低，不但电压谐波满足要求有困难，电流谐波达标难度更大。资料表明，西门子/ABB类似产品在额定电流下电流谐波指标都仅为4%左右，小电流时其电流谐波更不容易达标。特别指出，如果考虑圆图计算法要求电源需要半频(25 Hz)甚至1/4频输出时，变频器的滤波电感电容参数要求急剧加大，成本大幅度上升。而滤波电感电容参数太大又会导致成本上升和系统谐振上升的可能。

电机齿谐波对电源的影响：交流电机由于设计和制造工艺问题，运行时必然或多或少会有齿谐波，该类谐波频率集中在11、13、17、19谐次上，容易与LC滤波环节谐振，导致相应频段电源电压谐波超标，甚至使试验不能进行。

2 非工频电机测试能力

随着电机制造业产品向变频化、直驱化发展，非工频电机越来越多，电机试验对试验电源的变频驱动能力要求也越来越高。

机组电源由于发电机输出受电机磁通限制等一系列因素制约，输出频域不可能太广。而对于电力电子变频器为核心的静态变频电源而言，可以轻松实现宽频域输出。例如，本厂重型试验站和18 000 kW试验站均实现了1～120 Hz输出或者12～80 Hz正弦满容输出，而风电试验站和直流试验站的机组电源设计上均只能满足45～65 Hz满容输出。

就这一点而言，静态变频电源无疑更能适应当前非工频电机试验需求的增长。

3 非线性负载能力

静态变频电源依靠电力电子器件开关形成变频变压输出，由输出滤波器保证输出波形质量，其电源输出端阻抗比较大，非线性负载形成的谐波可能与滤波器以及逆变器形成谐振，所以一般认为除非特殊设计，静态变频电源不宜带大功率非线性负载。而机组电源在这方面没有太多顾忌，对非线性负载的承受能力就要高得多。

本厂风电试验站，被试验双馈风力发电机需要配套转子变频器才能运行，而转子变频器就属于典型的电力电子类非线性负载。为此设计上选择了使用机组电源。

4 对特殊试验项目的支持能力

使用静止变频电源在进行叠频试验时有一定的优势，不需要两个机组电源，单静止变频电源即可使用双频调制法实现，总体成本较低，而且试验中主副双频设定和调整简单方便，稳定性好。

这种条件下叠频电压的全部分量都需要通过变压器隔离后输出，该输出变压器设计需要考虑通过叠频后的全功率调制波形，设计制造上都有一定难度。含有双频分量的合成波形由于具有相当的非基波成分，在通过同一个变压器再输出后，各频率信号成分衰减度不同，会影响电源波形输出形状，造成试验结果不确定性增加。此外变频器需要设置大容量电容器作为储能元件平滑叠频进行中的拍频能量波动。

以上这二种情况均会导致成本有一定增加，降低了运行可靠性。

机组电源理论上可以直接使用机组串联法叠加，即使需要使用叠频变压器，也可以让副频经叠频变压器叠加到主频机组，不会导致叠频波形变形，更符合GB/T 21211—2007 《等效负载和叠加试验技术》第10.4条的规定以及相关计算公式的应用。变频机组的电机飞轮转矩本身就是一个很大的储能元件，不需添加其余设备就可以很好的平滑叠频进行中的拍频能量波动。

在进行同步电机零功率因数试验时，静止变频电源由于存在输出滤波器，因此，一般情况下只能够进行简单的电压/频率控制。矢量计算能力减弱，其有功分量和无功分量在纯正弦波输出模式下很难单独调节。因此，实现等效负载下同步电机零功率因数有一定困难，强行实现，需要对电源及其输出变压器特殊设计，并大幅度增加逆变器以及输出铁磁元件输出功率，使静止逆变器(方案)失去原有相当的成本优势。

5 抗冲击能力

在耐冲击能力上，机组过载能力和耐冲击能力在同容量下必然优于静止变频电源。在增安型电机启动试验或异步电机最小转矩测试以及其他大电机启动/堵转/偶尔过电流试验中，机组电源的可利用性有一定优势。由于电力电子设备的固有特性，决定了静态电源实际上不具备太多的设计能力外的抗冲击及过载能力。

6 运行及维护保养

机组电源安装占地大，启动过程麻烦，运行时噪声高、损耗大，需要大量油水辅助系统，日常运行费用高。而静态变频电源占地一般仅为同容量机组电源的1/2，启停便捷，运行噪声低、损耗仅为同容量机组电源1/3或更低，也不需要庞大的辅机系统，日常运行费用低。从这点看，静态电源具备较高优势。

在后续可维护性上，电机厂运行维护人员对于机组的电动机和发电机均非常了解。我厂现有机组电源的电动机/发电机均为本厂产品，备件获得很容易，检修人员对装备也熟悉，相对维护比较方便。而静态变频电源采用的核心部件为变频器，对于电机制造工厂技术人员来说相对比较陌生，维护技术难度较大。实际运行状况证明一套有着良好的维修保养的机组电源，使用寿命高达40～50年，而变频电源即使有着良好的运行维护，其寿命一般不超过20年。