為解決國(guó)家能源工業(yè)結(jié)構(gòu)不合理、環(huán)境保護(hù)等問題，中國(guó)于2000年開始開展了西氣東輸?shù)裙こ痰慕ㄔO(shè)。之后，長(zhǎng)距離、大口徑輸氣管道進(jìn)入了建設(shè)的高峰期。為提高長(zhǎng)輸管道的輸送能力，補(bǔ)償輸氣管道上的壓力損失，需要在長(zhǎng)輸管道中間設(shè)立壓氣站，而壓氣站的主要設(shè)備為壓縮機(jī)組。傳統(tǒng)的壓氣站壓縮機(jī)組為燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)，它以較高的可靠性等優(yōu)點(diǎn)在中國(guó)長(zhǎng)輸管道壓氣站中得到了廣泛的應(yīng)用。近年，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由于其低投資費(fèi)用、低維護(hù)費(fèi)用、可遙控?zé)o人操作等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)長(zhǎng)輸管道壓氣站中開始得到應(yīng)用，并在一定程度上有取代燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)的趨勢(shì)。

　　當(dāng)前，西氣東輸一線、二線全線在內(nèi)的幾乎所有壓氣站中的壓縮機(jī)組為國(guó)外進(jìn)口機(jī)組，極大地限制了中國(guó)管道行業(yè)的發(fā)展。為了打破這一技術(shù)壟斷，近些年國(guó)內(nèi)多家單位參與國(guó)產(chǎn)電驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)組的研制工作。

　　2011年12月份容量為20MW的國(guó)產(chǎn)首臺(tái)套電驅(qū)壓縮機(jī)組出廠。2012年11月16曰，該壓縮機(jī)組72h現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試在西氣東輸二線高陵分輸壓氣站成功完成，并正式投產(chǎn)。這標(biāo)志著中國(guó)天然氣長(zhǎng)輸管線行業(yè)打破國(guó)外壟斷，使中國(guó)天然氣管道行業(yè)進(jìn)入1個(gè)嶄新的時(shí)代。

　　該國(guó)產(chǎn)電驅(qū)壓縮機(jī)組由容量為20MW的單元串聯(lián)多電平PWM電壓源型變頻器、同步電機(jī)、離心式壓縮機(jī)等設(shè)備組成。本文將以該機(jī)組為背景，簡(jiǎn)要介紹以變頻器和同步電機(jī)所組成的電驅(qū)部分的技術(shù)特點(diǎn)。

　　1壓縮機(jī)組電驅(qū)系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)**：郝星，1985年生，男，陜西西安人，2010年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)機(jī)械制造及自動(dòng)化專業(yè)，助理工程師。

　　1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)該電驅(qū)系統(tǒng)主要由帶阻尼啟動(dòng)的移相變壓、單元串聯(lián)多電平PWM電壓源型變頻器、同步電機(jī)及壓氣來自變壓器I組次級(jí)線圈由功率單元逆變電路結(jié)構(gòu)可知，每個(gè)單元存在4種不同的開關(guān)組合：VA和VD同時(shí)導(dǎo)通，輸出正的母線電壓為+Ud；VB和VC同時(shí)導(dǎo)通，輸出負(fù)的母線電壓為-Ud；VA和VC同時(shí)導(dǎo)通，或VB和VD同時(shí)導(dǎo)通，輸出電壓則為0；故每個(gè)功率單元輸出電壓為+Ud、0、-Ud三種電平。每相8個(gè)單元疊加，可以產(chǎn)生17種不同的電平，分別為+-7Ud、+-由于在接通變壓器的初始瞬間，變壓器的勵(lì)磁涌單元串聯(lián)多電平逆變電路采用多電平移相式站配套系統(tǒng)組成，其一次圖見1.2主要特點(diǎn)該電驅(qū)機(jī)組采用單元串聯(lián)多電平PWM電壓源型變頻器，2極防爆型無刷勵(lì)磁高速同步電機(jī)，變頻器和電機(jī)功率均為20MW，額定電壓10kV，電機(jī)具有正壓通風(fēng)防爆系統(tǒng)，調(diào)速范圍為3 4800r/min，*高轉(zhuǎn)速可達(dá)5040r/mm，并與離心式壓縮機(jī)直聯(lián)驅(qū)動(dòng)。

　　2壓縮機(jī)組電驅(qū)系統(tǒng)主要設(shè)備2.1帶阻尼啟動(dòng)的移相式變壓器單元串聯(lián)多電平PWM電壓源型變頻器輸入側(cè)由2個(gè)相同的一次側(cè)10kV輸入移相變壓器組成，它們分別給12個(gè)功率單元供電。每臺(tái)變壓器有12個(gè)隔離的三相二次繞組，每個(gè)二次繞組的額定電壓皆為660V，每2套副邊繞組為1個(gè)相位角，互相之間錯(cuò)開10個(gè)電角度，其移向角如表1所示。

　　表1移相變壓器移相角流會(huì)突變到變壓器額定電流的4倍左石，導(dǎo)致10kV母線電壓下降瞬時(shí)過大，對(duì)其他電氣設(shè)備造成影響。

　　采取在10kV合闡時(shí)先通過一阻尼電阻給變壓器次級(jí)預(yù)充電，供電約1s~10s后將電阻旁路，使在預(yù)充電時(shí)10kV母線電壓降在5%以內(nèi)，從而克服隔離變壓器在接通初始瞬間產(chǎn)生的浪涌效應(yīng)。電阻和斷路器安裝在同1個(gè)開關(guān)柜內(nèi)并在室內(nèi)安裝。

　　2.2變頻器2.2.1變頻器結(jié)構(gòu)及原理變頻器每相分別采用8個(gè)額定電壓為660V的功率單元串聯(lián)疊加，一共24個(gè)功率單元組成，每個(gè)功率單元相同可進(jìn)行互換且之間絕緣，三相構(gòu)成Y型接法，輸出相電壓*高為660Vx8=5280V，線電壓可達(dá)9144V.功率單元是1個(gè)由不可控二極管、電容、電阻以及低壓IGBT功率器件組成的三相輸入、單相輸出的交-直-交PWM電壓源型變頻器結(jié)構(gòu)，其功率單元系統(tǒng)圖見。每個(gè)功率單元由6只不可控二極管實(shí)現(xiàn)三相全波整流，與移相變壓器組成輸入側(cè)36脈波整流，可以消除35次以下諧波。

　　變頻器功率單元的額定輸入電壓為660V，經(jīng)整流后直流母線電壓Ud為900V左石，為了使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，在母線上并聯(lián)35個(gè)起濾波作用的容量為1100uF電容，以及2個(gè)能耗電阻。逆變側(cè)由4只額定電壓為1700V的IGBT組成H橋式單相逆變電路。主控系統(tǒng)由DSP主控板、PLC和相關(guān)電氣元件組成。DSP通過光纖實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行SPWM控制，使其輸出為單相0V660V的交流電壓，輸出頻率與同步電機(jī)相匹配*高可達(dá)84Hz. PWM技術(shù)，所謂‘移相式’是指同一相各功率單元的載波信號(hào)錯(cuò)開一定的電角度，使得疊加以后輸出電壓的階梯數(shù)增加，等效開關(guān)頻率提高，電壓波形更加接近于正弦波，電流諧波非常小。

　　2.2.2變頻器設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)a）該設(shè)計(jì)在減小諧波分量方面有很大進(jìn)步，不需要單獨(dú)設(shè)置濾波器，不存在由諧波引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)及電動(dòng)機(jī)發(fā)熱、噪聲等問題；b）功率單元串聯(lián)，不存在器件均壓的問題，每個(gè)功率單元承受全部電流，僅承受1/8的輸出相電壓和1/24的輸出功率；c）各功率單元采用模塊化設(shè)計(jì)具有相同的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，可以進(jìn)行互換，每個(gè)功率單元與系統(tǒng)的聯(lián)系僅為3個(gè)交流輸入線排，2個(gè)交流輸出線排排和2根光纖插頭，方便單元維修。該系統(tǒng)具有單元旁路功能，在個(gè)別單元故障時(shí)可在旁路控制板的控制下將該單元短路，系統(tǒng)仍能正常或降額運(yùn)行，*多每相可旁路2個(gè)功率單元。

　　2.3高速同步電機(jī)采用防爆型無刷勵(lì)磁高速同步電機(jī)，額定功率為20MW，額定電壓10kV，Y型接線，級(jí)數(shù)2級(jí)，額定轉(zhuǎn)速4800r/min，*高轉(zhuǎn)速5040r/min，功率因數(shù)高達(dá)10.勵(lì)磁機(jī)定子Y型接法，轉(zhuǎn)子雙繞組Y接法，與主電機(jī)轉(zhuǎn)子采用直接連接，中間裝有由12只不可控二極管組成的旋轉(zhuǎn)整流盤，以給主機(jī)轉(zhuǎn)子提供可調(diào)的直流電，示意圖見。該電機(jī)具有正壓通風(fēng)、空-水冷卻和高壓頂升等輔助系統(tǒng)。

　　旋轉(zhuǎn)整流器同步電機(jī)原理圖a）正壓通風(fēng)防爆系統(tǒng)：在啟機(jī)前先用潔凈壓縮空氣對(duì)電機(jī)腔內(nèi)氣體進(jìn)行吹掃置換，防止電機(jī)機(jī)殼內(nèi)存在危險(xiǎn)氣體，機(jī)組運(yùn)行時(shí)保持機(jī)腔內(nèi)50Pa左石的正壓力，使可燃?xì)怏w或粉塵不能進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部；b）空-水冷卻系統(tǒng)：同步電機(jī)頂部安裝有功率500kW的空水冷卻器，其內(nèi)部配有漏水檢測(cè)裝置，空冷器兩側(cè)分別裝有2組共4臺(tái)功率為22kW的風(fēng)機(jī)，它使熱空氣與空水冷卻器內(nèi)的冷卻水進(jìn)行充分的熱交換，并按照正確的方式使冷卻風(fēng)吹入電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子以起到冷卻作用；c）高壓頂升裝置：同步電機(jī)兩側(cè)安裝1對(duì)電壓380V，功率15kW的頂升油泵，它在同步電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)給滑動(dòng)軸承提供1個(gè)公稱壓力20MPa，公稱流量2.5L/min的潤(rùn)滑油，使轉(zhuǎn)子被潤(rùn)滑油頂起來，進(jìn)而確保轉(zhuǎn)子在低速運(yùn)行時(shí)與軸承良好運(yùn)行。

　　3機(jī)組建設(shè)和運(yùn)行中應(yīng)注意的事項(xiàng)結(jié)合西氣東輸一線壓縮機(jī)組建設(shè)和運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，該機(jī)組在建設(shè)和運(yùn)行中應(yīng)該注意以下幾個(gè)方面：a）變頻器采用去離子水冷卻，防止水結(jié)凍，造成設(shè)備損壞。為保證在冬季氣溫低時(shí)停運(yùn)機(jī)組去離子水不結(jié)凍，變頻器室溫不得低于5°，可在室內(nèi)配備空調(diào)等供暖，同時(shí)配備外電突然停電等情況下的應(yīng)急保安設(shè)施；b）變頻器和電機(jī)均采用循環(huán)水冷卻，建議選用不生銹的管材，露出地面段設(shè)置保溫和電伴熱、系統(tǒng)設(shè)置低點(diǎn)排污、高點(diǎn)排氣、管道外循環(huán)、電機(jī)內(nèi)的水排放及空氣吹掃設(shè)施。冬季機(jī)組停運(yùn)時(shí)應(yīng)將冷卻水排干，防止將管道凍裂；c）從西氣東輸運(yùn)行故障的歷史統(tǒng)計(jì)看，因輔助系統(tǒng)原因引起機(jī)組故障所占比例達(dá)7成以上，因此需要對(duì)關(guān)注輔助系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)了如指掌。例如：確保機(jī)組內(nèi)部溫度、壓力，機(jī)組外部潤(rùn)滑油、循環(huán)水系統(tǒng)的溫度、流量、壓力，滿足機(jī)組運(yùn)行要求；確保壓縮空氣內(nèi)不含水、油及固體顆粒等物，使壓縮空氣質(zhì)量合格。

　　西氣東輸二線高陵分輸壓氣站于2012年11月16曰正式完成該機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)72h運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試，標(biāo)志著國(guó)產(chǎn)化壓縮機(jī)的在天然氣長(zhǎng)輸管線上的正式投產(chǎn)使用。首臺(tái)套自主研發(fā)20MW電驅(qū)壓縮機(jī)組是使用在天然氣長(zhǎng)輸管線上功率*大、轉(zhuǎn)速*高的國(guó)產(chǎn)化電驅(qū)壓縮機(jī)組，該系統(tǒng)復(fù)雜而龐大，凝結(jié)了國(guó)人無數(shù)的聰明智慧，它使中國(guó)天然氣管道輸送行業(yè)邁向了新的臺(tái)階，開拓了中國(guó)民族工業(yè)發(fā)展的新方向。