1、高壓變頻器帶電抗 器并網回饋項目技術方案編號修訂記錄編 制:劉敏濤文件 序版號、本號+/) 內 容修 修訂、-訂日人期審 核:批 準:發布日期：新 編 制 歸 檔22345678910目錄1 項目總體描述 41.1 項目背景 41.2 項目目的及意義 42 測試平臺介紹 52.1 系統組成 52.2 系統原理 62.2.1 系統工作原理 62.2.2 系統各部分的作用 63 電氣設計方案 73.1 方案概述 73.2 電氣原理圖 73.3 平臺綜述 83.4 平臺設計關鍵點 93.4.1 平臺容量 93.4.2 并網點選擇 93.4.3 保留原有平臺 103.4.4 電抗器共用 103.4.5

2、 互鎖可靠性 114 控制系統設計方案 12164.1 控制系統原理 124.2 系統控制流程 135 電抗器選型 5.1 空心電抗器與鐵芯電抗器的選擇 165.2 可調電抗器的選擇 165.3 電抗器電感值計算與分析 175.4 電抗器散熱分析及風機選型 175.5 電抗器技術參數 186 開關柜及一次電纜選型 . 2010附圖 286.1 高壓開關型號及數量 206.2 高壓開關柜技術要求 206.3 一次電纜選型 257 平臺搭建區域選擇 268 項目成本預算 269 項目風險評估 271 項目總體描述1.1 項目背景目前國家電網給我司分配的容量只有 1MV,也是說所有的實驗平臺帶負載運

3、行時最 大不能超過額定容量 1MV，對于大容量高壓變頻器出廠測試來說這是一項瓶頸，一方面 如果大容量的高壓變頻器在廠內不能帶滿載試驗，去了現場之后往往投不上，或許是啟 機時過流，或許是工切變試驗不成功，這樣會投入大量的人力、物力去現場解決，其實 很多原因都是廠內不能模擬現場滿負荷的工況。另一方面高壓變頻器正朝著小型化、大 容量化方向發展，國內知名的高壓變頻器廠家均已做到10MW以上，甚至有做到20MV，其實這也得益于電力電子器件飛速發展帶來的結果，所以我司無論是滿足大容量高壓變 頻器測試還是研制超大容量高壓變頻器都必須搭建起測試平臺。在高壓變頻器行業內，整機老化的負載方式主要有兩種 : 空電機

4、負載和能量回饋型 負載。空電機負載一般是高壓變頻器拖動一臺高壓電機，電機空載運行，運行時電流為 電機空載電流，老化效果理想。能量回饋型負載主要指高壓變頻器拖動原動機，由原動 機拖動發電機發電，將通過四象限變頻器將電能回饋到電網；此種方式雖然將能量回饋 到電網，但是仍然有電機等旋轉設備的機械損耗。采用高壓變頻器帶電抗器并網回饋裝 置，可避免上述兩種整機老化存在的問題，而且操作簡單，節電率高，具有相當可觀的 經濟價值。1.2 項目目的及意義我司高壓變頻器將朝著大功率，小型化，輕型化的方向發展，搭建大容量高壓變頻 足帶滿負載運行的條件，將極大提高產品出廠的質量，減少現場調試出現的問題，同時 贏得用戶

5、的信賴。本平臺利用高壓變頻器帶串聯電抗器并網回饋裝置替代傳統的整機老化裝置，將能 量回饋到電網，電網只補充很少的系統損耗， 使電能循環利用， 從而達到整機老化目的， 同時又能節能降耗。另外測試平臺體積小、控制方便、適用性強、老化效率高。2 測試平臺介紹2.1 系統組成本測試平臺包括進線開關柜、高壓變頻器及控制系統、并網電抗器、出線開關柜。 其特征在于：所述進線開關與高壓變頻器輸入端相連，高壓變頻器輸出端與并網電抗器 相連，并網電抗器與出線開關相連，出線開關與進線開關輸出端和高壓變頻器輸入端相 連；所述高壓變頻器控制系統對電網電壓及高壓變頻器輸出電流進行采樣，并對其進行 控制處理，控制高壓變頻器

6、的輸出脈沖，將能量回饋到電網。本平臺實現了高壓變頻器 并網并向電網回饋能量，實現了高壓變頻器整機老化的目的，同時又可以節能降耗 ; 占 地面積小，操作性強，提高了生產效率。圖一 高壓變頻器并網回饋裝置系統圖2.2 系統原理我司 10kV 母線經過進線開關送達變頻器輸入開關，變頻器合上輸入開關之后即將10kV電壓送到移相隔離變壓器，變壓器副邊輸出 690V給功率模塊供電，功率模塊經過 交直交變換，并且每一相將 8 個（或者 8個以上）功率模塊串聯，通過模塊串聯倍壓的技術方案，優化的PWMI法，直接實現0-10kV輸出，當變頻器頻率升到 50Hz時輸出電 壓達到10kV,此時高壓變頻器控制系統對電

7、網電壓、高壓變頻器輸出電流進行采樣，并 對采樣信號進行處理，控制高壓變頻器的輸出脈沖，通過電抗器直接并網后實現能量回 饋。其作用為連接電網和高壓變頻器，當高壓變頻器故障時進線幵關主動分斷，起到防止事 故擴大的保護作用。采樣電路連接到功率回路和控制系統，采樣電路包括并網繞組的三相電壓采樣電路、功 率單元的輸出電壓采樣電路和功率單元的輸出電流采樣電路，采樣電路將各采樣信號送 到控制系統，由控制系統對采樣信號進行處理。高壓變頻器控制系統：由采樣處理及并網控制單元、計算單元、脈沖控制單元、人機界面組成，控制系統對采樣電壓、電流進行處理；通過同步旋轉坐標系下基于PI控制的電流控制算法，計算得到三相參考電

8、壓，將參考電壓輸出到脈沖控制單元，進行脈沖管 理，生成對應的驅動信號，驅動高壓變頻器的功率部分，從而控制高壓變頻器的輸出； 人機界面通過設置不同的參數實現不同的老化電流控制。并網電抗器：并網電抗器連接到變頻器輸出幵關和并網幵關上，并網電抗器為鐵芯電抗 器，電抗器起到功率傳輸和濾波的作用，同時保證不同功率下功率單元輸出的電流諧波 小于標準值。3電氣設計方案3.1方案概述我司原有的高壓變頻器能量回饋型測試平臺主要由高壓變頻器拖動原動機，由原動 機拖動發電機發電，最后通過四象限變頻器將電能回饋到電網；此種方式雖然將能量回饋到電網，但是仍然有電機等旋轉設備的機械損耗。通過前期收集同行業變頻器帶負載老化

9、平臺及開會討論各平臺的優缺點，最終決定 采用高壓變頻器帶電抗器并網回饋裝置，可避免整機老化存在的問題，而且操作簡單， 節電率高，具有相當可觀的經濟價值。3.2 電氣原理圖3.2.1圖五 高壓變頻器測試平臺擴容項目總體電氣原理圖3.3 平臺綜述我司母線10kV進線經過高壓幵關柜送達10kV隔離變，一路10kV經過QF1之后送達10kV 高壓變頻器，同時合上變頻器輸出幵關QF2通過模塊串聯倍壓的技術方案，優化的 PWM算法，直接實現0-10kV輸出，當變頻器頻率升到50Hz時輸出電壓達到10kV,同時變頻器 跟蹤輸入10kV電壓相位，滿足頻率、相位、幅值均與電網同步，此時合上10kV并網電抗器輸出

10、幵關QF3,電抗器輸出掛在10kV隔離變后端（即QF輸入端），將雙擲轉換幵關打在 10kV側，通過電抗器直接并網后實現能量回饋。另一路10kV經過隔離變之后送達SC10-1000/10/6變壓器，經過此變壓器降壓之后輸出6kV電壓，6kV電壓經過經過QF4后送達6kV高壓變頻器，同時合上變頻器輸出幵關 QF5 通過模塊串聯倍壓的技術方案，優化的PW算法，直接實現0-6kV輸出，當變頻器頻率升到50Hz時輸出電壓達到6kV，同時變頻器跟蹤輸入6kV電壓相位，滿足頻率、相位、幅值 均與電網同步，此時合上10kV并網電抗器輸出幵關 QF3電抗器輸出掛在SC10-1000/10/6變壓器后端（即QF4

11、俞入端），將雙擲轉換幵關打在6kV側，通過電抗器直接并網后實現能量回饋3.4平臺設計關鍵點3.4.1平臺容量當變頻器滿負荷工作時，其損耗主要有變壓器損耗、幵關損耗，變頻器運行在50HZ時其總損耗 Q （轉變為熱量）約為系統額定功率的 4%網電抗器按照方案三選型，三相鐵芯電抗器系統額定電壓為 10kV，壓降 U最大按500V計算，可粗略計算得銅損所占系統總功率的2.8%，加上鐵損和渦流損耗等，總損耗所占比例按系統總功率的 4%計算。那么整個能量回饋系統總損耗為6（最好能從仿真中確定）|,那么有以下計算公式: Q （總損耗）=6%P外（電網可提供功率）=750kWP內（平口 可帶載功率）=P外75

12、0=12500kWQ6%從理論計算值可得平臺最大可擴容到12500kW但這只是理論值，其他產品測試時也會占用一部分電網容量，因此測試平臺實際按10MV選型3.4.2并網點選擇圖六 并網系統圖本平臺并網關鍵點是變頻器輸出10kV電壓的幅值、頻率和相位必須網側相同，其中頻率、幅值相對比較好控制，因此相位同步是并網最關鍵的點，鎖相一定要精準，如果鎖相產生誤差，并網過程中將會導致瞬時過流或者系統振蕩，為此在節省成本的原則 上并網點可選在隔離變之后。343保留原有平臺本測試平臺設計前提是在原有測試平臺之外增加新的測試平臺，原測試平臺與本測 試平臺相互獨立使用，預留方案 1接口，成本降至最低。原有的測試平

13、臺為電動機負載，容量為1000kW可滿足1MW以下變頻器的出廠調試試驗，大于1MW勺變頻器也可利用此平臺做啟動試驗、低頻特性試驗、諧振試驗等性能 試驗。本測試平臺初步計劃擴容到 10MW主要滿足1MW以上的變頻器進行滿負載試驗及老 化試驗，主要驗證額定負載下變頻器溫升情況。344電抗器共用為了節省項目成本及安裝空間，10kV變頻器與6kV變頻器共用一個電抗器并網，并網時利用轉換幵關進行轉換。3.4.5互鎖可靠性由于10kV變頻器與6kV變頻器共用一個電抗器進行并網，所以必須考慮各輸入、輸 出幵關的互鎖，其中10kV變頻器輸入幵關QF1與6kV變頻器輸入幵關QF3必須互鎖，防止 誤操作將兩路高壓

14、主電同時送入變頻器，確保設備及人身安全。4控制系統設計方案4.1系統控制原理高壓變頻器并網回饋控制系統主要包括采樣處理及并網控制單元、計算單元、脈 沖控制單元和人機界面，控制系統對采樣電壓、電流進行處理；通過同步旋轉坐標系下 基于PI控制的電流控制算法，計算得到三相參考電壓，將參考電壓輸出到脈沖控制單 元，進行脈沖管理，生成對應的驅動信號，驅動高壓變頻器的功率部分，從而控制高壓 變頻器的輸出；人機界面通過設置不同的參數實現不同的老化電流控制4.1.1 控制系統采用同步旋轉坐標系下基于 PI 控制的電流控制算法對采集到的電網電壓進行鎖相，得到電網電壓角度B;對電壓和輸出電流進行 clark和pa

15、rk變換，得到Ed、Eq、id、iq?？刂葡到y通過離散化處理，將初始電流id與給定值idref比較,得到的差值經PI控制器輸出，輸出的電壓值與電網電壓有功分量 日和i q 3L比較得到參考電壓有功 分量Udref。同樣，初始電流i q與給定值iqref比較，比較得出的差值經PI控制器輸出，得到的電 壓值與電壓無功分量Eq和i dWL比較得到參考電壓無功分量Uqref。得到的參考電壓Udref、Uqref經過pa*和Clak逆變換得出ABC三相參考電壓，送往脈沖控制單元進行脈沖分配，形成三相PWM信號。PWM信號傳輸到高壓變頻器功率模塊部分，控制功率模塊部分的開關器件的開通與關斷，使高壓變頻器輸

16、出三相電壓，經并網電抗 器后接入電網， 并向電網反饋能量。 與此同時電網通過進線開關向高壓變頻器提供能量， 形成能量的閉環。電網補償整個系統的功率損耗。圖六 系統控制原理圖4.2 系統控制流程4.2.1將采樣的電網電壓鎖相得到電網電壓角度e,將電網電壓、輸出電流進行矢量解耦，得到電網電壓有功分量 巳、電網電壓無功分量 E,、電網電流有功分量i d、電網電流 無功分量i q，初始電網電流有功分量 i d與有功分量給定值idref比較，得到的差值經 PI 控制器輸出;4.2.2輸出的電壓值與電網電壓有功分量£、i q wL比較得到參考電壓有功分量 Udref， W為角頻率、 L 為輸出電

17、抗器電感值;4.2.3同樣，初始電網電流無功分量 i q與無功分量給定值i qref比較，比較得出的差值經 PI控制器輸出，得到的電壓值與電壓無功分量 Eq、idwL比較得到參考電壓無功分量 Uqref ;4.2.4得到的參考電壓 山、uqref經過park和dark逆變換得出ABC三相參考電壓，送往脈沖控制單元進行脈沖分配，形成三相PWM信號，PWM信號傳輸到高壓變頻器功率模塊部分，驅動功率模塊部分的開關器件的開通與關斷，使高壓變頻器輸出三相電壓，經 并網電抗器后接入電網，并向電網反饋能量；圖七 系統控制流程圖4.2.5電流q軸分量PI調節步驟如下： q(n) = i qref ?i q(n

18、)其中i q®為q軸電流分量的參考值，i q(n)為采樣電流的q軸離散 化分量， q(n)為q軸電流分量的差值；比二？(© q(n)+K i " q(n) ? w L d+E,其中Kp為比例參數，K為積分參數，" q(n)為 q(n) 的累加值 ;4.2.6 電流 d 軸分量 PI 調節步驟如下： d(n)=i dref?i d(n)其中i dref為d軸電流分量的參考值，i d(n)為采樣電流的d軸離散 化分量， d(n)為d軸電流分量的差值；Udref二？(© d( n)+Ki"A d(n)+ w Li q+E 其中 Kp 為比例

19、參數，K 為積分參數，" d(n) 為 d(n) 的累加值。5 電抗器選型5.1空心電抗器與鐵芯電抗器的選擇空心電抗器一般有以下幾個特點： 、抗大電流沖擊能力較強，線性度好； 、抗飽和能力強; 、體積較大，安裝面積需要很大;鐵芯電抗器一般有以下幾個特點: 、用途和參數如果沒有發生變化時相對成本較低; 、抗飽和能力相對較弱； 、體積較??；鐵芯的便宜，空芯的貴、體積及用途對比，建議選擇三相鐵芯電抗器。5.2電抗器電感值計算與分析5.2.1電抗器電感值參數的選擇參照如下公式:變頻器測試平臺按照10MV計算，并網電壓等級為10kV，那么根據公式可得:IkPnv3 xun x cos?_ 10

20、000KW-3 x 10KV（cos?1 ）lK=577A計算可得變頻器額定電流為 577A;變頻器并網時，根據目標確定 I k 577A,電抗壓降（阻抗電壓）為500V,即變頻器輸出電壓U。比電網電壓U至少應大500V,并網時為了降低沖擊角度近似為0°,電網電壓U =10000V,則變頻器輸出電壓 U°=10500V。Uo2U22UoU cos/2 fLmLm 2.76 mH2.76mH,需滿足長時間由上述公式及數值可計算出滿足并網要求電抗器的電感值為 運行要求。由于并網過程中沖擊電流可能達到額定電流的1.52倍，因此要求電抗器廠家設計的電抗器過載能力達到如下要求：1.5

21、倍過流1S，2倍過流50us|（柜頂風機啟動下1.2 倍可長期運行）。5.4電抗器散熱分析及風機選型為了確保電抗器在額定負載下能夠長期穩定運行，必須保證有良好的散熱條件，設 計時還是考慮用風冷外循環散熱，因此風機選型及進風口面積設計可參考如下：10kV/10000KW電抗器損耗按最大的 3%損耗計算，則額定功率下電抗器每小時發熱 量為300KVY約定電抗柜空氣進口與出口溫差為 t10C，（空氣的比熱：1005J/kg C， 空氣的密度：1.165kg/m ）那么可以根據風冷系統的散熱原理計算總的通風量Qfo根據風冷系統的散熱原理， Q/1 x Qfx CpXp ,其中： Q:系統總的損耗功率；

22、為 300kVV即300000W t :空氣進口與出口的溫差；為 10CCp：空氣的比熱：1005J/kg Cp:空氣的密度：1.165kg/m3Qf :系統總的通風量 Q那么 Qf=25.6 m3/S t x Cpxp另外進風口面積S Qf /V根據進風口風速可以計算出進風口面積;5.5電抗器技術參數1）交流額定電壓：10kV （ 50Hz）2）系統最高電壓：12kV3） 交流額定電流：600A4）額定最大電感：3mH允許誤差土 1%;相間不平衡度不大于2%5） 頻率特性：50Hz（但要求能持續流過3kHz的幵關紋波電流，但總電流不大于額定電流）6）相數：三相7）結構：干式鐵芯8） 交流脈沖

23、電壓：要求能持續承受土2倍額定電壓的交流脈沖電壓（3kHz）9）散熱方式：自然冷卻10）絕緣等級：H級11） 額定電流下噪音水平：8fdB以下12） 額定電流下繞組平均溫升（K） : 60 （柜頂風機啟動情況下），電抗器允許在1.2倍 額定電流下長期運行。13 ）安裝尺寸：供方需提供圖紙與結構設計組確認后方可生產14）所有結構螺栓均采用電鍍鋅件。15 ）繞組及接線板材質：鋁16） 輸入輸出接線端子：用絕緣件支撐固定。允許受力不小于500N17）要求：dV/dt > 1000V/uS。18 ）出線方式：根據圖紙設計確認19）電抗器無外殼，無風機，無溫控，無避雷器。20）配溫控儀探頭用絕緣套

24、管 3個。21）銘牌在” XYZ'接線側，以銘牌為正方向，從右到左，順序依次為“X,Y,Z ”22）配溫控儀探頭用絕緣套管 3個。在電抗支架上配環氧管以便溫度探頭至絕緣套管 的走線。6高壓開關及一次電纜選型6.1高壓開關柜型號及數量由于測試平臺要滿足 10kV及6kV兩個電壓等級的變頻器做測試的要求，所以設計 上必須考慮輸入、及輸出的互鎖，宜采用戶內金屬鎧裝移開式開關設備比較安全。在本項目中，需配置 3臺KYN28A-12開關柜，具體如下:序號物料編碼型號數量單位備注1KY N28A-121臺QF2用QF1及小電流1250AQF3可用（待定）6.2高壓開關柜技術要求規范單位參數備注1使

25、用標準GB3906 IEC2982型式及型號套KY N28A 123真空斷路器規格型號12kV-1250A-31.5kA操作電壓：AC220V4真空斷路器生產廠家及產地國產5額定電壓（KV）12kV6額定頻率（Hz）50Hz7額定電流（A）1250A8額定短路幵斷電流31.5kA9額定短路合斷電流80kA10工頻耐壓42kV/1mi n沖擊耐壓75 kV11合閘時間< 5565ms12分閘時間< 3545ms13額定操作順序0-0.3S-C0-180S-C014機械壽命30000 次15操作機構型式彈簧操作機構16進線/出線方式上進出線17外形尺寸（LX W H）mm18重量Kg1

26、9安裝地點室內20供應商及產地中山市明陽電器有限公司，產地中山的主要器件明細表（單套）序號設備兀件名稱型號規格數量單位備注1真空斷路器12/1250A-31.5kA1臺2電流互感器1200/1A,0.5/5P30 , 20VA,12kV3臺3帶電顯示器DXN81臺4柜體KY N28A" 121臺6.2.3KYN28A型鎧裝移幵式幵關基本技術要求1）操作電壓：AC220V2）要求設置合閘、分閘按鈕、指示燈，需要遠方/就地選擇幵關;3）要求在端子上提供合閘、分閘控制觸點；4）要求提供8對常幵8對常閉觸點；6.3 一次電纜選型6.3.1額定電流計算變頻器測試平臺按照10MV計算，并網電壓等級為10kV，那么根據公式可得:PnIK = v3 xun X cos?.10000KW/c八IK =( cos? e 1 )K也 X 10KVIk=577A計算可得變頻器額定電流為577A;6.3.2 一次電纜選型YJV22-10kV 3 X 400銅芯高壓電纜的載流量為 650A左右，（功率因數取0.85 ）能用10kV*650A*1.732*0.85=9500kW 負荷，已滿足試驗要求。因此一次電纜中（接線不動的部分）全部可以選擇型