高压变频器在重型燃机试验平台的应用

刘天军

（中国东方电气集团东方日立（成都）电控设备有限公司，四川 成都 611731）

东方电气集团东方汽轮机有限公司燃气轮机整机试验平台建设属于国家重点建设项目，为50MW重型燃气轮机自主研制配套，试验台的正常应用是大型50MW燃气轮机研制过程中的关键环节，试验平台建设和50MW燃机开发同步进行。燃机原型机需要测试大量数据，为了得到准确的数据，原型机对测试时的转速精度要求极高。

试验时50MW燃机需要通过高压电机进行驱动，燃气轮机的拖动系统包括拖动电动机、液力耦合器、齿轮箱三个部分，电动机提供动力，调节液力耦合器输出功率，通过齿轮箱后对燃气轮机进行调速。由于液力耦合器的固有特性，仅通过液力耦合器进行调速在低转速低负荷要求时不能精确、稳定地控制转速；同时，由于试验平台特性，机组启停会比较频繁。鉴于电机功率高达20MW，即使用了液力耦合器启动，电机启动电流仍然较大，易对电网形成冲击，也不利于电机的安全运行。若全部采用驱动电机方式进行调速，为了满足全负荷运转需求，就需按照电机额定功率配置变频器，造成变频器成本会成倍数地增加，平台建设的经济性下降，而且特大容量变频器系统可靠性也不易得到保证。

通过综合论证，试验平台最终选择了1台20MW的拖动电动机、液力耦合器、齿轮箱、1台10MVA容量高压变频器组成拖动系统，成功解决了该试验平台在50MW燃机各个阶段测试所需。最终，国内首台自主研发F级50MW重型燃气轮机于2019年9月在这套试验平台上点火试验成功，2019年12月投入应用。

1 系统组成

50MW燃气轮机整机试验台电机额定功率为20MW，电压10kV，同步电动机，采用无刷励磁。传动系统如图1所示，电气驱动一次原理图如图2所示。

燃机试验台调速系统主要设备技术参数如下：电动机类型为三相异步电动机，电机功率为20MW，额定电压10kV，额定电流1116A，额定转速1500r/min。

变频器选型及主要参数如表1所示。

2 燃气轮机试验平台及主要调速设备的工作原理

图1 重型燃机试验平台传动系统图

图2 电机驱动一次原理图

表1 变频器基本参数

（1）燃气轮机属于旋转热力发动机，是将连续流动的燃气作为工质，然后将燃料的化学能转变为转子机械能。其主要系统包括压气机、燃烧室、控制系统、辅助机械及透平三大部件。工质的工作流程需要经过吸气压缩、燃烧加热、膨胀做工、排气放热四个步骤，在这个过程中热力会通过循环方式来转换能量。加热后的高温燃气的作功能力显著提高，因而燃气透平在带动压气机的同时，尚有余功作为燃气轮机的输出机械功带动其他负载或发电机。

（2）针对燃机试验时不同转速和负荷情况需求，变频器接收上端指令控制驱动电机，与液力耦合器相互配合运行实现压气机及燃机透平的调速。当试验要求小于7500kW负荷情况下时，将液力耦合器的导叶根据实际情况调至固定值，通过变频器控制驱动电机转速实现压气机、燃机透平叶轮的调速；当需要转速升高在高负荷状态下时，首先变频器需调整电机至50Hz状态，然后同期并网实现变频到工频的切换，使驱动电机在工频下运行，再通过调节液力耦合器导叶实现压气机、燃机透平叶轮的调速。

（3）液力耦合器优势：液力耦合器的输出转速比输入转速低，可消除彼此之间的冲击与振动；当外界施加的负荷逐渐减小时，液力耦合器的转速会逐渐增加，直到接近输入轴的转速，使传递的转矩逐渐趋近于零。

（4）多电平高压变频器工作原理：多电平变频器采用若干个独立的低压功率单元串联来实现高压输出，10kV输出电压等级的变频器由24个相同的功率单元模块构成，每8个模块为1组，分别对应输出电源的A、B、C三相。变频器脉冲数多达48个，输出谐波低，dv/dt极低，无需增加任何滤波器可直接拖动电动机。由于频率和电机转速成正比关系，按照设定的V/F曲线调节变频器频率从而控制电机转速。

3 系统控制方案概述

重型燃机压气机有1-17级，在压气机的1-17级各级试验过程中，在低负荷范围内采用变频器驱动，在高负荷范围内采用工频驱动。

4 问题分析及解决方法

4.1 变频调速过程中变频器负荷计算及容量选择

变频器在运行过程中重要运行点的负载情况如表2所示。

表2 变频器运行过程中重要运行点的负载情况

变频器选择容量为10MVA。在表2中的各试验关键点，电机输出轴功率都大于总负载，变频器能够驱动系统正常运行。

4.2 变压器的操作过电压和励磁涌流

该项目中，由于变频器容量达到了10MVA的规格，变频器配置2台容量为5785VA的移相变压器，合闸时将会产生操作过电压及励磁涌流较大的问题，对上端电网和进线开关造成较大的冲击。对此，采用东方日立公司的合闸低涌流技术（LSCT），以解决操作过电压及励磁涌流问题，保证移相变压器在合闸时不会对电网造成冲击。原理如图3所示。

4.3 变频器制动回路选择

当燃机点火时，在极端情况下燃机驱动轴系拖动电机转子转动，转速可能高于电机定子旋转磁场建立的转速，这将导致能量倒灌入变频器。能量倒灌将使单元直流母线电压升高，引起变频器过压故障，试验平台不能正常运行。因此，为变频器每个功率单元设置了制动单元，当系统检测到直流母线电压升高到预设的阈值时，系统控制制动IGBT导通，倒灌的能量将在制动电阻上消耗掉，达到制动的目的。

带制动功能功率单元原理图如图4所示。

4.4 压气机各级试验变频器和液力耦合器协调控制、运行方式

图3 抑制过电压及电磁涌流原理图

图4 带制动功能功率单元原理图

（1）压气机9-17级试验状态。采用变频器全程驱动的模式。控制方案如下：液力耦合器导叶全关（注油前）→变频器驱动电机至150r/min→液力耦合器注油→变频器驱动电机至317r/min→液力耦合器导叶开度根据试验方案调节→变频器根据试验需要给定电机转速。

（2）压气机1-8级试验状态。在低负荷范围内（424～1130r/min）采用变频器驱动，在高负荷范围内（1130r/min以上）采用工频驱动。控制方案如下：液力耦合器导叶全关（注油前）→变频器驱动电机至150r/min→液力耦合器注油→变频器驱动电机至424r/min→液力耦合器导叶开度根据试验方案调节→变频器在424～1130r/min转速区间内根据试验需要给定电机转速完成低负荷段试验→液力耦合器导叶全关→变频器驱动电机至1495r/min→检同期→并网→电机投入工频运行→通过液力耦合器调速继续做1130r/min转速以上试验。

（3）压气机1-17级试验状态：在低负荷范围内（424～989r/min）采用变频器驱动，在高负荷范围内（989r/min以上）采用工频驱动。控制方案如下：液力耦合器导叶全关（注油前）→变频器驱动电机至150r/min→液力耦合器注油→变频器驱动电机至424r/min→液力耦合器导叶开度根据试验方案调节→变频器在424～989r/min转速区间内根据试验需要给定电机转速完成低负荷段试验→液力耦合器导叶全关→变频器驱动电机至1495r/min→检同期→并网→电机投入工频运行→通过液力耦合器调速继续做989r/min转速以上试验。

通过以上方式，系统在全转速段内实现转速可控、电机运行平稳，转速控制精度达到试验台要求。同时，由于采用了变频启动，电机启动电流小，对电网系统几乎无冲击，保证了电网的运行稳定。

5 结束语

作为机械调速的液力耦合器在工业生产中应用已相当普遍，利用大型电机配液力耦合器对负载进行调速已经是相当成熟的技术，应用广泛；高压变频器和液力耦合器、大型电机相结合的控制方式在工业生产中也有比较多的应用，但一般是用在连续运行的工艺系统上，变频器需要完全根据负载特性选取所需的最大容量。试验平台具有系统不连续运行、随时启动、测试范围宽、控制精度高、处于随时待命状态的特点，采用高压变频器、能量制动控制技术、液力耦合器、同期并网等相结合的技术开展燃气轮机试验平台的建设在技术上是可行的，投资也比较合适，现已得到成功应用，该技术可以推广。同理，这套系统也可用于大型风洞、大型水泵、大型风机、大型压气机等相同类型的试验平台。