摘要：随着我国高压变频器技术的不断发展和成熟，高品质10MVA以上高压大功率变频器打破国外垄断的时机已经到来，大功率、高集成度、高密度功率单元、模块化设计、转速矢量控制已成为发展趋势，并在一些领域取得了成功。

高压变频调速装置是属于电力电子领域的新兴技术，主要用于高压大功率电动机的调速，广泛应用于石油天然气、电力、冶金、化工、市政、国防工业等领域，由于其对国民经济发展和国家安全具有重要的战略意义，该技术受到各国大力重视。 利用长距离管线输送油、气资源已经成为当今世界能源输送最主要的手段。世界上主要的油、气生产国和消费国都大量采用长输管线来解决油、气资源的运输问题。其中，天然气的输送95%以上采用管线输送方式。
长输管线压缩机是实现天然气长距离运输的关键设备，作为天然气长输管道压缩机驱动系统的重要组成部分，高压变频调速装置具有技术含量高，可靠性要求高等特点。 根据荣信电力电子股份有限公司与中石油签订的《天然气长输管道关键设备国产化20MW级电驱压缩机组研制合同》，荣信电力电子股份有限公司承担20MW级电驱压缩机组高压变频调速装置的研制任务，合同涉及黄陂站、鲁山站、高陵站3套高压变频调速装置研制和工业性运行试验工作。整个过程分3个阶段，即产品研制阶段、压缩机组整机联调负荷试验阶段、现场工业性运行试验阶段。

经过为期2年多的研发，高陵压气站、鲁山压气站、黄陂压气站相继投入商业运行，其中以高陵站1#机组运行时间最长，累计运行已超过4000小时。

2、20MW级电驱压缩机组高压变频调速装置基本原理

系统拓扑采用的是H桥级联拓扑结构，而串联H桥多电平逆变器是中压大功率传动系统中应用最为广泛的逆变器拓扑结构之一。系统由12个单相H桥逆变器（或称为功率单元）组成，把每个功率单元的交流输出串联连接，变频器的输出端多电平叠加，9电平正弦输出，为电机提供了变频电源。

变频器输入侧采用36脉波整流技术，可以消除35次以下的谐波，对电网真正达到了“零”污染，无需谐波治理设备。因为电源母线无容性特点，不会发生电网谐振。

本项目配置的变频装置，其输出电压为10kV，由4级功率单元串联而成。每个功率单元的输出电压也为1700V，同一相的4个单元串联后，相电压为1700V×4=6800V，则线电压在变频器控制系统的控制下最高可达11777V。如此，即使电网电压负跌落15%时，变频器仍然能自动控制输出10kV，具有更强的适应电网波动和偏差能力。

图3 变频装置电压叠加原理

串联H桥多电平逆变器主要有以下优点：

（1）模块化结构。多电平逆变器由多个完全相同的H桥单元组成，这使得模块化制造非常方便，可以降低成本；

（2）输出电压的THD和dv/dt小。逆变器输出电压波形由几个电平组成，电压台阶低。与两电平电压源型逆变器相比，多电平逆变器可以输出电压失真畸变率<5%，dv/dt<3000V/us的电压波形。

（3）不需要器件串联，可实现高电压、大电流运行。H桥单元输出电压的串联可以得到高电压，而不需要器件的串联，从而也不需要解决器件串联时的均压问题，增加了功率单元的功率密度。

20MW级电驱压缩机组高压变频调速装置是荣信SuperHVC系列产品，主要设备包括：移相整流隔离变压器、中压变频器及其配套控制、变频器的水冷却装置、保护监控系统、励磁控制装置和现场控制盘等。

系统概况如下图4所示。

图4 变频器系统方案图

变频器系统主要配置为：
u 25000 kVA电压源型变频器（每相4个功率单元串联，输出为9电平）；

u 配置电机旁的现场控制盘、水冷装置、励磁装置和低压交直流配电柜等辅助装置；

u 采用由荣信自主研发HUIC变频控制器，能够满足各种复杂系统及高性能控制需求；

u 变频调速系统和机组控制系统UCS间实现相互通讯。

功率单元是组成特大功率高压变频器的最小单位。本项目中功率单元采用IEGT器件，单元功率密度大，系统串联级数少，使整个系统的元件最少化，大幅度提高了设备运行可靠性；同时采用模块化全封闭纯水冷却设计技术，使功率单元在结构上实现了模块化，密封性好，故障后不会影响其它元件，易于安装拆卸和后期的维护，通用性好。功率单元的基本拓扑为交—直—交三相整流/单相逆变电路，主要由整流斩波模块和两个相模块组成，功率单元电气原理图如5所示。

图5 功率单元电气原理图

采用4500V的IEGT双面散热圆盘式压接器件构成有效值V等级的高压变频功率单元，是变频系统的基本组成。

（1）选择三相不控整流桥，结构更加简单；

（2）全密封水冷结构，具有IP54防护等级，及泄露自动报警功能；

（3）快速插拔自动闭锁水冷插头；

（1）采用A的IEGT器件

（2）全密封水冷结构，具有IP54防护等级，及泄露自动报警功能；

（3）快速插拔自动闭锁水冷插头。

3.1.3 本地控制和保护系统

单元控制系统包括单元控制板，电压采样板，IEGT驱动板等；采集并处理功率单元的交流电压、直流电压、驱动板反馈信号、模块内部泄露等，与主控制器通讯，控制功率单元的正常运行和保护动作。

3.2变频数字控制器系统

System，慧科)控制系统由荣信公司自主研发，具有架构完善、运算能力强、接口丰富、扩展性强等特点，能够满足各种复杂系统及高性能产品对于控制器的需求。HUIC控制器作为一款新型控制器，不仅具有更加强大的控制功能，而且为客户提供了一个新颖、灵活的硬件平台，使客户能够根据不同的需求，经过简单的调整，就可实现，为满足大功率变频矢量控制和系统监控提供有力技术保障。

荣信HUIC控制器的主要技术特点：

背板具有高达100Mbps*16bit的高速差分总线(BLVDS)通讯技术，同时兼容高速1.6Gbps、低速480Mbp；两套总线以支持不同类型的应用，高达1.5Gbp的SerDes高速串行通讯技术可支持多机箱的自由无限扩展。

全系列的多种功能标准板卡，可以轻松按照各种产品控制需求进行快速配置；接口数量可无限扩展，接口设计完善，完全满足不同产品对于光纤、数字量输入输出、模拟量输入输出、以太网、GPS，USB，RS485/422/232，CAN，USB，SSI等接口的需求；支持主控制器的双冗余热备设计。

主控板基于TI C6000系列高速工业级浮点DSP设计，具备高速浮点运算能力。子板卡配置了高速浮点DSP，使得系统具备很强的分布式计算能力，以适应越来越复杂的大型控制系统的需求。

水冷装置主要功能是对功率单元进行冷却，在本系统中水冷装置采用水—水冷却形式，内部纯水，外部采用工业循环软化水，水泵、热交换器和去离子装置采用冗余设计。外水温度5~35○C。水冷装置故障时实现变频器的联锁保护。

移相整流隔离变压器采用多重化设计以达到降低输入谐波的目的。变压器原边绕组直接联到电网的高压输入端，副边有12个二次绕组，采用延边三角形联结，分为6个不同的相位组，每个绕组相差10。

变压器一次侧上高压的励磁涌流抑制设计采用串联电阻法结合和选相位合闸法，如图7 所示。在二次低压绕组通入动力电源，通过限流电阻给变压器预充电，达到消除变压器上高压时的涌流冲击。通过采用该涌流抑制方式后，变压器上高压时，电网的冲击电流远小于变压器的额定电流，实现“零冲击”合闸，从而保证变压器的长期稳定运行。

图7抑制励磁涌流方案图

目前，交直交型高压变频器驱动高压同步电机的方式多以V/F开环控制为主，此控制方式实现简单，在一些对调速比要求不高，动态响应低的场合得到了广泛应用；但其缺点也较为明显，电机输出转矩低，起动电流大，容易失步，只能用于调速比要求不高，动态响应低负载较轻和变化不大的场合。

矢量控制与直接转矩控制作为基于动态模型的高性能交流调速方法，在实际中得到了广泛的应用；为保证高精度的电机转速控制，荣信SuperHVC系列大功率变频器控制系统采用同步电机磁场定向矢量控制方式。

同步电机磁场定向矢量控制系统为磁链环、速度环和电流环闭环结构，各控制环均采用PI调节器，实现简单，可获得较好的跟踪性能，同时有效地限制动态响应的超调量，加快响应速度。对于大功率无刷同步电机来说，多采用气隙磁链定向矢量控制方式，维持被控电机的气隙磁链恒定，可以实现电机的平稳启动、系统恒转矩输出，并且有效地提高了系统的动态响应和调速比。

本项目采用同步电机无速度传感器矢量控制。矢量控制可以实现电机的平稳启动、系统恒转矩输出，并且有效地提高了系统的动态响应和调速比。在额定转速以下，系统采用恒转矩控制，额定转速以上采用恒功率控制。

无速度传感器矢量控制方式，不仅具有上述矢量控制的优点，并且省略掉了码盘等测速装置，在保证控制性能的基础上降低了系统成本，提高了系统的可靠性。无速度传感器矢量控制的原理框图如图8所示。图中的速度估算模块通过采集电机的实际电压、电流以及励磁电流等信息参与程序中建立的电机模型的计算，并通过模型参考自适应算法实现对电机的转速及转子位置估算。

图8同步电机气隙磁链矢量定向控制框图

为保证系统长期运行，提高系统系统可靠性，控制软件具有单元故障自动旁路控制功能，每相最多可旁路1个单元。由于采用了先进的中性点偏移控制，在1个单元发生故障并成功旁路后，系统可以输出90%变频器额定功率，可保证工艺设备连续运行，大大提高了系统可靠性。

荣信SuperHVC系列大功率变频器主要技术及创新点如下：

u 功率单元的快插接电力接入技术

u 快插接电力接入创新使功率单元部件的维护更换仅需几分钟。传统的功率单元均是电缆螺栓电力连接方式，检修设备复杂费时。

u 专利技术水冷系统水路拔插自动闭锁技术。

u 整流模块单元和IEGT逆变模块单元维护更换时不需要提前放空水冷系统的水直接进行更换，更换时水路在单元拔插时自动闭锁，无滴水。大大提高了系统安全和维护的方便快捷。

u IP54的高防护等级功率模块技术。

u 无测速码盘大功率变频矢量控制技术

u 交流无刷励磁同步机控制技术

u 功率单元旁路技术

6、荣信变频技术方案、技术特征及国内外优势比较

长输管线压缩机是实现天然气长距离运输的“心脏”设备。长期以来该方面的核心技术一直为国外先进企业所垄断。天然气管道输送设备国产化的研制对于保证国家经济安全、促进我国石油工业以及装备工业发展具有十分重要的意义，对于提高我国企业核心竞争力、开拓未来广阔市场也具有极其深远的影响。作为天然气长输管道压缩机驱动系统的重要组成部分，高压变频调速装置具有技术含量高，可靠性要求高等特点，目前主要被西门子、ABB、TMEIC等少数跨国公司垄断。

我国高压变频器生产厂家产品档次相对较低，和国际先进国家的产品水平差距明显，主要服务低端市场。尤其在大容量高压变频调速装置方面相对落后，目前最大容量不超过10000kVA，且基本为空冷。研发大功率高压变频调速装置，对于提高国产装备制造水平，保障国家能源安全具有十分重要的战略意义。

荣信SuperHVC系列大功率变频器设备容量可达32MVA,在系统的简化程度、变频效率和电网侧的36脉波整流谐波指标等方面与国外产品达到一致，在变频系统输出电流裕量、输出波形电平数和输出波形谐波指标方面优于国外产品。主要技术指标比较如下：

以荣信电力电子股份有限公司承接的首套中石油特大变频器设备，并以IEGT功率器件为主的整流和逆变模块为基础，形成12MVA/6kV~16MVA/6kV、17MVA/10kV~32MVA/10kV、33MVA/10kV~40MVA/10kV、36MVA/13.8kV~50MVA/13.8kV等系列的大功率高压变频调速装置，满足各个工业领域生产工艺过程拖动机械对电机调速控制的要求；在高压特大功率变频器领域形成产业规模，为民族工业的发展做出重大的贡献。