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探讨消除压气站变频调速系统谐波污染的方式

发布时间:08-30  

引言



天然气的输送方式分为管道输送、LNG、CNG三种。而管道输送因其低输送成本、高输量、高安全性能成为天然气输送的主要方式。天然气在长输管道的运输过程中由于各种原因势必会造成压力的损失,而为了提高流量必须要求高压输送,这就要求管线上每隔一段距离设置一个压气站为天然气增压,压气站的核心设备是压缩机,目前离心式压缩机的驱动设备主要有燃气轮机和高压电机。



高压电机作为一种被广泛用于输气管道压气站的驱动设备,使用得较多。电机的主要优点是结构紧凑,体积小,投资省,运转平稳,便于自动控制,操作简单,工作可靠性高,寿命长。但是为适应压缩机负荷的变化,要通过一套调速装置来实现电机增速或减速。此过程中随之而来产生了较多的谐波,功率因数的降低,电网电压的降低,波形的变化等也就成为了困扰电驱发展的问题。



如何高效、合理的使用电能,同时寻求一条尽可能降低对电网的不利影响,甚至有利于电网的运行的路子成为我们迫切需要解决的问题。本文旨在探讨一种消除大功率调速系统谐波污染的方式,以便使得压气站的供电系统更加完善、高效、无污染,使之符合绿色经济的发展趋势。



1?大功率变频调速系统介绍



大功率交流电机变频调速系统由交流变频电机、电力电子变频器、调速控制系统组成。



异步电动机的高效调速方法的典型是变频调速。异步电动机采用变频调速不但能无级变速,而且根据负载特性的不同,通过适当调节电压与频率之间的关系,可使电机始终运行在高效区,并保证良好的运行特性。异步电动机采用变频起动能显著的改善其起动性能,大幅度降低电机的起动电流,增加起动转矩。



变频调速系统中,由变频器提供给电机频率变化的电压或电流激励均非正弦,除基波外还有大量的谐波。而有关分析表明,决定异步电动机变频运行特性的主要还是基波,谐波分量只起着使电机电压或电流畸变、产生谐波损耗、恶化力能指标、引起转矩脉动的作用。而且普通的变频调速也无法给予电机足够的无功补偿,一般常用的电容器直接进行无功补偿的方式也无法兼顾谐波的治理。



因此,常规的压气站变电站往往具备隔离变压器、变频器、滤波装置、阻尼装置等以便尽可能消除变频调速过程中出现的谐波损耗、电压畸变、功率因数降低等不利因素,达到较高的功率因数和较好的电压波形的目的。



1.1?交流电动机



交流电动机分为异步电动机和同步电动机两种,异步电机因其结构简单、牢固,价格便宜,运行可靠,无需维护,在交流传动中得到了极为广泛的应用。因其这种优良的性能,适合压气站的离心式压缩机运行需求,成为了压气站场变频调速系统中比较常用的电气设备。



对于电动机来说,功率因数低,将会降低电动机的效率。功率因数低,意味着电流与电压之间的相位差较大,功率因数低的最终结果,是电动机的铜损增加,故效率降低。电动机效率的降低,虽然是用户应该考虑的问题,但却并不是供电系统考虑的主要问题。



供电系统在为用户提供电源时,要受到电流大小的制约。因为电流太大了,会使导线发热严重,损坏绝缘。如果供电线路里无功电流太多了,则有功电流必减小,影响了供电能力。对于供电系统来说,这是更为重要的问题。所以,供电系统总是通过进线处的无功电度表来考察用户的功率因数的。



对于交-直-交变频器而言,电动机侧的无功电流将被直流电路的储能器件(电容器)吸收,反映不到变频器的输入电路中。因此,电动机的功率因数并不是供电系统考察的对象。



1.2?电力电子变频器



就变频器本身而言,大功率电力电子变频器面临的主要问题是大功率、高电压、大电流、高效率和高可靠性,而压气站因其特殊性,随着天然气市场的高速发展和压气站的不断建设,必将对于建设投资和运行成本提出更加苛刻的要求,因此要求变频器面临一个更加艰巨的使命:消除离心式压缩机驱动设备运行过程中带来的谐波污染,提高功率因数。而变频器的这些进步取决于电力电子元器件的发展。



目前兆瓦级变频器主要器件是晶闸管、二极管、场控器件绝缘栅双极晶体管IGBT或集成门极式可换流晶闸管IGCT。通过器件或变频器的串联可以增大输出电压,而采用并联则可扩大电流,增大系统输出功率。静止变频装置分为间接变频和直接变频两大类。间接变频装置先将工频交流电源整成直流,再经过逆变器变换成可变频率电流,因此也称为交-直-交变频器。直接变频器则将工频交流一次性变换成可变频率交流,故称为交-交变频器。交-直-交变频器变频器因其器件数量少,器件利用率高,调频范围宽,适用于多种调速系统,稳频稳压受到了天然气行业的青睐,成为了天然气行业的一种主要的变频方式。



1.3?调速控制系统



采用变频方式作为交流异步电动机的供电电源,实现对电机的转速控制,达到改善工艺和节能的目的,大约已有40年的历史。随着电力电子技术和微电子技术的广阔发展,变频器的控制方法经历了几次较大的发展变化,大体分为3个阶段。



第一阶段为以恒压频比控制方式为基础的变频调速。恒压频比同步速随运行频率变化,不同运行频率下的转速降落基本不变,最大转矩随频率的降低而减小。所以恒压频比控制方式只适用于调速范围不大,最低转速不太低或负载转矩随转速降低而减小的负载。



第二阶段为矢量变换控制技术。其基本思想是通过矢量变换和磁场定向,实现定子电流转矩分量和励磁分量的解耦,得到类似于直流电机的动态数学模型,然后模拟直流电机进行控制,获得良好的静动态性能。从控制角度看,矢量控制的变换机理需要测速元件,以测量转子的瞬时状态来确定转子磁链的位置。从应用角度看要提高传动系统的控制精度就需要精确测量转子的转速,构成速度闭环控制,但因速度传感器安装要求高,机械调试工作量大,于是近年来许多公司逐渐推出无速度传感器的高性能调速系统。此种控制方法是目前较为流行的控制方法。



第三阶段为DTC控制技术,即直接转矩控制技术。其由ABB公司推出,摒弃了矢量控制方法中大量的坐标转换,直接以电机的磁场和力矩为目标进行控制。我站应用的变频器正是运用了这种控制方式,较好的满足了我站的调速要求。



2?变频调速过程的谐波产生及对电机影响



严格意义上讲谐波是指电流中所含的频率为基波整数倍的电量,一般是对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解,其余大于基波频率的电流产生的电量。



当变频装置对异步电动机供电时,电机输入的电压,电流非正弦,其中谐波分量对异步电动机的运行性能会产生显著影响。如使电机电流增大,损耗增加,效率功率因数降低,温升增加;还会出现转矩脉动,使振动和噪声增大,绕组绝缘也可能因为过电压而易老化。因此有必要分析变频器电源的非正弦特性,查处其对异步电动机的影响,并找到一种有效的谐波控制方式。



静止变频器的输出电压波形主要为多阶梯波。这样非正弦电压可依据傅里叶变换分解出一系列的谐波。对于典型的三相系统而言,只存在除3及其倍数次之外的奇次谐波。这样,如果不考虑铁芯饱和等非线性因素,可利用迭加原理采用异步电动机的等值电路计算出各次谐波电压产生的电流、功率、损耗、平均转矩等,从而有效的分析出非正弦供电对异步电机运行性能的影响。



分析可得,谐波的产生会增大定子额定电流有效值,电机气隙等效磁密度;并且非正弦供电下,高次谐波转差率约等于1,转子有效电阻比相应直流电阻值大好几倍,造成转子电流集中在槽口,大大增大了谐波损耗;再者,非正弦谐波量一方面使电机电流有效值增加,另一方面使磁路饱和程度提高,无功励磁电流增加,电机功率因数明显下降;变频器非正弦供电下,电机电压波形常因供电方式而不同,通常是在基波电压之上迭加换流(换相)引起的浪涌(脉冲)尖峰,这就要求加强电机的绝缘。



综上可见要减小非正弦供电时异步电机运行性能的不良影响,关键是要减小和限制谐波电压和电流。



3?谐波的消除



为了消除电力电子装置及其他谐波源的谐波污染问题,基本有两种思路:一是装设谐波补偿装置或滤波装置来补偿或吸收谐波;另一种是对电力电子装置本身进行改造,使其少产生甚至不产生谐波,并提高其功率因数。



就大功率变频调速系统而言,目前两种谐波治理思路均存在。大部分压气站比较常见的思路为专门建造房间,花费较大成本购进滤波装置和阻尼装置,在谐波产生后在消除谐波,就效果而言,消除了谐波并使之符合了电力系统的要求,但就运行投资而言,滤波装置和阻尼装置的增设增大了工程前期投资,增大了运行维护的难度和风险,且“先污染后治理”的思路也不符合可持续发展的思路。为此本文弃之不用。



随着变频器电力电子元器件的发展,并针对压气站谐波产生较为集中(主要为变频器的变频过程产生)的特点,本文重点推荐第二种谐波治理思路。



与第一种谐波治理方式相比较,它从根本上消除了谐波污染,且不用另购谐波消除装置,节约了资金投入,也节约了运行维护成本,节省了空间,符合科学发展观和可持续发展的理念。



4?榆林首站ABB变频器的消除谐波措施




图1?ABB变频调速原理图



榆林首站变频器选用ABB?公司ACS5000中压变频器ACS?5066-36L12R-1a12-W2。进线电压为1920V,经过整流器二极管整流成36脉冲方波,并经电容稳压和滤波,后经过IGCT逆变为9电平的极类似正弦波的波形。因输出波形开关电平多,允许使用标准电机。36脉冲整流器设计极大降低了谐波分量,变频器进线单元和逆变单元的电感起到了较好的消除谐波的作用,相当于交直流电抗器的组合使用,更类似于一个集成的滤波器,保证了功率因数达到0.95以上。实际运行过程中,功率因数大多控制在0.98以上,达到了消除谐振,提高功率因数的目的。采用此变频器后不需要电网谐波分析也不需要安装滤波器,因此首站无滤波装置和阻尼装置,但却良好的控制了谐波分量。



5?结论



电力电子元器件技术的发展及变频器先进控制理论的革新为变频器本身消除谐波和提高功率因数做了良好铺垫。先进变频器的运用,减少了压气站场用于滤波装置和阻尼装置的资金投入,降低了运行维护成本,是一种提高供电质量,值得大力推广的方式。

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