干河泵站大容量变频调速装置选型分析

干河泵站大容量变频调速装置选型分析

孟立明;禹向东

【摘要】牛栏江-滇池补水工程由德泽水库、干河泵站和输水渠道等建筑物组成.干河泵站担负每年从德泽水库向滇池补水5.72亿m3的任务,泵站外部供电电源采用两回110 kV电压接入,配套4台22.5 MW的同步电动机.因水库水位变幅达到38 m,需采用变频器对水泵电机进行调节运行.对常用的电流源型和电压源型两大类变

频器的特点以及在干河泵站的适用性进行了简要分析后,认为干河泵站选择电压源

型三电平和五电平变频器作为其调速装置的优势明显.

【期刊名称】《人民长江》

【年(卷),期】2013(044)012

【总页数】4页(P85-88)

【关键词】大容量变频器;选型;干河泵站;牛栏江-滇池补水工程

【作者】孟立明;禹向东

【作者单位】云南省水利水电勘测设计研究院,云南昆明650051;云南省水利水电

勘测设计研究院,云南昆明650051

【正文语种】中文

【中图分类】TV734

牛栏江-滇池补水工程干河泵站供水保证率为70%，多年平均年运行时间6 910 h。设计安装4台单级单吸立式离心泵，采用“三主一备”的运行方式，配套4台

22.5 MW的同步电动机，额定转速600 r/min。由于水库正常水位1 790 m，死水位1 752.0 m，水位变幅达38 m，根据水泵运行特性和节能要求，干河泵站需采用变频器对水泵电机进行调节运行，调速范围为80%～105%。

该泵站外部供电电源采用两回110 kV电压接入，110 kV采用单母线分段接线，两段110 kV母线各接1台50 MVA有载调压变压器降压至10 kV向变频器及电动机供电，10 kV母线采用单母线分段接线，两段10 kV母线上分别接2台主电动机。

1 调速用变频器分类

调速用变频器有交-直-交间接变频和交-交直接变频两大类。

交-直-交间接变频是采用电力半导体器件将工频交流电整流成直流电，再由电力半导体器件将直流电逆变成所需的交流电。根据中间直流贮能元件的不同，交-直-交间接变频器又分为电压源型和电流源型两种。中间直流贮能元件采用大电容滤波的被称为电压源型变频器。中间直流贮能元件采用大电感滤波的被称为电流源型变频器。

交-交直接变频器不经过直流，直接将工频交流电变换成可调的交流输出电压。交-交直接变频器也有两种：晶闸管交-交变频器和矩阵变频器。

晶闸管交-交变频器基于晶闸管移相控制，又称循环变换器(Cyclo-converter缩写CC)，它的输出频率不大于20 Hz，不能用于泵传动。

矩阵变频器(Matrix Converter 缩写MC)基于全控器件的脉宽调制(PWM)，目前只做到3.3 kV 3 MVA和3.3 kV 6 MVA，距该泵站单机功率(22.5 MW)要求相差甚远。因此交-交直接变频器不适用于干河泵站。

本文仅针对常用的电流源型和电压源型两大类变频器的特点进行分析。

2 交-直-交电流源型变频器

(1) 负载换相的交-直-交电流型变频器(LCI)。负载换相的交-直-交电流型变频器

(LCI) 是电流源型主流产品，其主电路如图1所示，核心器件是以半导体换流晶闸管构成整流(UR)和逆变(UI)电路，中间直流回路(L)及直流贮能元件为大电感，负载一般为同步电动机。

图1 LCI变频主电路

由于LCI采用晶闸管可控整流，会造成电源侧正弦波畸变，产生高次谐波。如采用三相全波可控整流，在整流侧(UR)的6个桥臂中施加控制脉冲(即三相6脉冲可控整流)，其脉冲数为相数的一倍，电源侧的电流中会含有3，5，7，11，13，…次谐波。谐波电流使电机产生附加发热和转矩脉动，而且还降低了功率因数。为了减少谐波，则需要增加电源相数也即脉冲数，如图2将三相输入(即6脉冲可控整流)改为六相输入(即12脉冲整流)，逆变侧(UI)采用六相输出。此种变频器配套电机

结构设计需采用双绕组且在定子空间上相互错开30°电气角，即把每对极下的电枢表面从原来的三相对称绕组的6 个相带改为12 个相带，每个相带的空间距离由60°变为30°空间电气角，这样可以使5， 7， 17， 19 次谐波相互抵消，有效地

克服电机电磁转矩的脉动，但仍有11，13，23，25，…次谐波。因此在整流侧还需要加装相应的滤波装置，对同步电动机要求采用特殊设计和制造，相应增加了投资。

图2 定子双重绕组的LCI变频主电路

LCI基于晶闸管自然换相。晶闸管额定电压高、电流大、导通管压降小、自然换向开关损耗小、技术成熟、价格低，这些特点使得这种变频器适合用于高电压(可达10 kV或更高)、特大功率(可达70 MW或更大)场合。它在大型风机、泵、压缩机等设备中曾得到广泛应用，近年来随着PWM中压变频器的发展，受到很大挑战。

(2) PWM调制的交-直-交电流型变频器。美国AB公司推出的输出电压为6.9kV

的PWM调制的交-直-交电流型PWM变频器，由整流器、逆变器及中间直流贮

能元件电感构成。逆变器使用的电力电子器件是能承受反向电压的IGCT-SGCT器

件，是基于PWM调制的，整流器有两种型式，一种是晶闸管18脉冲整流，见图3，另一种是电流型PWM整流(也使用SGCT器件)，见图4。

图3 晶闸管整流的电流型中压变频器主电路

图4 PWM整流的电流型中压变频器主电路

该电流型变频器逆变器输出端接有电容器，输出电压脉动小，接近正弦，无dv/dt 和轴电流问题，适合用于普通电动机。采用晶闸管整流时，18脉冲整流的网侧电流谐波小，但随转速降低，直流母线电压减小，移相控制使网侧功率因数变差，需庞大的无功补偿装置；采用PWM整流時，从原理上讲，网侧电流为正弦波，无谐波问题，但由于SGCT开关频率低，实际上仍有较大谐波。这种电流型变频器的价格比电压型变频器高，目前全世界只有AB公司一家生产，从AB公司提供的工程业绩知，它目前已投运的变频器最大输出功率未超过10 MW，与干河泵站要求相差甚远。

3 交-直-交电压源型变频器(VSI)

交-直-交电压源型变频器由整流器UR、逆变器UI和中间直流贮能电容C组成，如图5所示。在直流母线上，UR输出电流和UI的输入电流瞬时值不相等，需用电容C来吸收它们的差值，滤平直流电压。工作时直流母线电压Ud固定不变。图5 交-直-交电压型变频器主电路

电压源型变频器目前普遍采用的主要有二电平、三电平、五电平等变频器。二电平变频器一般用于小功率低压的变频场所，不适用于干河泵站，本文不讨论。

3.1 电压型三电平变频器

(1) 电压型三电平变频器的逆变器UI使用的是IGBT、IGCT及IEGT等电力电子器件，基于PWM调制，主电路如图6所示。

图6 三电平逆变器主电路

在这个逆变器中，通过对每相支路桥臂中电力电子开关器件的控制，可以使相支路