高压变频器带电抗器并网回馈规划项目技术材料方案.docx
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高压变频器带电抗器并网回馈规划项目技术材料方案
编号：
高压变频器带电抗器并网回馈项目技术方案
编制：
刘敏涛
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批准人
1
A/0
新编制归档
刘敏涛
2015-12
2
3
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8
9
10
1项目总体描述
1.1项目背景
目前国家电网给我司分配的容量只有1MW，也是说所有的实验平台带负载运行时最大不能超过额定容量1MW，对于大容量高压变频器出厂测试来说这是一项瓶颈，一方面如果大容量的高压变频器在厂内不能带满载试验，去了现场之后往往投不上，或许是启机时过流，或许是工切变试验不成功，这样会投入大量的人力、物力去现场解决，其实很多原因都是厂内不能模拟现场满负荷的工况。
另一方面高压变频器正朝着小型化、大容量化方向发展，国内知名的高压变频器厂家均已做到10MW以上，甚至有做到20MW，其实这也得益于电力电子器件飞速发展带来的结果，所以我司无论是满足大容量高压变频器测试还是研制超大容量高压变频器都必须搭建起测试平台。
在高压变频器行业内，整机老化的负载方式主要有两种:
空电机负载和能量回馈型负载。
空电机负载一般是高压变频器拖动一台高压电机，电机空载运行，运行时电流为电机空载电流，老化效果理想。
能量回馈型负载主要指高压变频器拖动原动机，由原动机拖动发电机发电，将通过四象限变频器将电能回馈到电网；此种方式虽然将能量回馈到电网，但是仍然有电机等旋转设备的机械损耗。
采用高压变频器带电抗器并网回馈装置，可避免上述两种整机老化存在的问题，而且操作简单，节电率高，具有相当可观的经济价值。
1.2项目目的及意义
我司高压变频器将朝着大功率，小型化，轻型化的方向发展，搭建大容量高压变频器测试平台迫在眉睫，特别对于超过5000kW以上高压变频器的出厂测试，如果厂内满足带满负载运行的条件，将极大提高产品出厂的质量，减少现场调试出现的问题，同时赢得用户的信赖。
本平台利用高压变频器带串联电抗器并网回馈装置替代传统的整机老化装置，将能量回馈到电网，电网只补充很少的系统损耗，使电能循环利用，从而达到整机老化目的，同时又能节能降耗。
另外测试平台体积小、控制方便、适用性强、老化效率高。
2测试平台介绍
2.1系统组成
本测试平台包括进线开关柜、高压变频器及控制系统、并网电抗器、出线开关柜。
其特征在于：
所述进线开关与高压变频器输入端相连，高压变频器输出端与并网电抗器相连，并网电抗器与出线开关相连，出线开关与进线开关输出端和高压变频器输入端相连；所述高压变频器控制系统对电网电压及高压变频器输出电流进行采样，并对其进行控制处理，控制高压变频器的输出脉冲，将能量回馈到电网。
本平台实现了高压变频器并网并向电网回馈能量，实现了高压变频器整机老化的目的，同时又可以节能降耗;占地面积小，操作性强，提高了生产效率。
图一高压变频器并网回馈装置系统图
2.2系统原理
2.2.1系统工作原理
我司10kV母线经过进线开关送达变频器输入开关，变频器合上输入开关之后即将10kV电压送到移相隔离变压器，变压器副边输出690V给功率模块供电，功率模块经过交直交变换，并且每一相将8个（或者8个以上）功率模块串联，通过模块串联倍压的技术方案，优化的PWM算法，直接实现0-10kV输出，当变频器频率升到50Hz时输出电压达到10kV，此时高压变频器控制系统对电网电压、高压变频器输出电流进行采样，并对采样信号进行处理，控制高压变频器的输出脉冲，通过电抗器直接并网后实现能量回馈。
2.2.2系统各部分的作用
2.2.2.1进线开关柜：
其作用为连接电网和高压变频器，当高压变频器故障时进线开关主动分断，起到防止事故扩大的保护作用。
2.2.2.2采样电路：
采样电路连接到功率回路和控制系统，采样电路包括并网绕组的三相电压采样电路、功率单元的输出电压采样电路和功率单元的输出电流采样电路，采样电路将各采样信号送到控制系统，由控制系统对采样信号进行处理。
2.2.2.3高压变频器控制系统：
由采样处理及并网控制单元、计算单元、脉冲控制单元、人机界面组成，控制系统对采样电压、电流进行处理；通过同步旋转坐标系下基于PI控制的电流控制算法，计算得到三相参考电压，将参考电压输出到脉冲控制单元，进行脉冲管理，生成对应的驱动信号，驱动高压变频器的功率部分，从而控制高压变频器的输出；人机界面通过设置不同的参数实现不同的老化电流控制。
2.2.2.4并网电抗器：
并网电抗器连接到变频器输出开关和并网开关上，并网电抗器为铁芯电抗器，电抗器起到功率传输和滤波的作用，同时保证不同功率下功率单元输出的电流谐波小于标准值。
3电气设计方案
3.1方案概述
我司原有的高压变频器能量回馈型测试平台主要由高压变频器拖动原动机，由原动机拖动发电机发电，最后通过四象限变频器将电能回馈到电网；此种方式虽然将能量回馈到电网，但是仍然有电机等旋转设备的机械损耗。
通过前期收集同行业变频器带负载老化平台及开会讨论各平台的优缺点，最终决定采用高压变频器带电抗器并网回馈装置，可避免整机老化存在的问题，而且操作简单，节电率高，具有相当可观的经济价值。
3.2电气原理图
3.2.1
图五高压变频器测试平台扩容项目总体电气原理图
3.3平台综述
我司母线10kV进线经过高压开关柜送达10kV隔离变，一路10kV经过QF1之后送达10kV高压变频器，同时合上变频器输出开关QF2，通过模块串联倍压的技术方案，优化的PWM算法，直接实现0-10kV输出，当变频器频率升到50Hz时输出电压达到10kV，同时变频器跟踪输入10kV电压相位，满足频率、相位、幅值均与电网同步，此时合上10kV并网电抗器输出开关QF3，电抗器输出挂在10kV隔离变后端（即QF1输入端），将双掷转换开关打在10kV侧，通过电抗器直接并网后实现能量回馈。
另一路10kV经过隔离变之后送达SC10-1000/10/6变压器，经过此变压器降压之后输出6kV电压，6kV电压经过经过QF4之后送达6kV高压变频器，同时合上变频器输出开关QF5，通过模块串联倍压的技术方案，优化的PWM算法，直接实现0-6kV输出，当变频器频率升到50Hz时输出电压达到6kV，同时变频器跟踪输入6kV电压相位，满足频率、相位、幅值均与电网同步，此时合上10kV并网电抗器输出开关QF3，电抗器输出挂在SC10-1000/10/6变压器后端（即QF4输入端），将双掷转换开关打在6kV侧，通过电抗器直接并网后实现能量回馈。
3.4平台设计关键点
3.4.1平台容量
当变频器满负荷工作时，其损耗主要有变压器损耗、开关损耗，变频器运行在50HZ时其总损耗△Q（转变为热量）约为系统额定功率的4%；
网电抗器按照方案三选型，三相铁芯电抗器系统额定电压为10kV，压降△U最大按500V计算，可粗略计算得铜损所占系统总功率的2.8%，加上铁损和涡流损耗等，总损耗所占比例按系统总功率的4%计算。
那么整个能量回馈系统总损耗为6%（最好能从仿真中确定），那么有以下计算公式：
△Q（总损耗）=6%
P外（电网可提供功率）=750kW
P内（平台可带载功率）
=12500kW
从理论计算值可得平台最大可扩容到12500kW，但这只是理论值，其他产品测试时也会占用一部分电网容量，因此测试平台实际按10MW选型。
3.4.2并网点选择
图六并网系统图
本平台并网关键点是变频器输出10kV电压的幅值、频率和相位必须网侧相同，其中频率、幅值相对比较好控制，因此相位同步是并网最关键的点，锁相一定要精准，如果锁相产生误差，并网过程中将会导致瞬时过流或者系统振荡，为此在节省成本的原则上并网点可选在隔离变之后。
3.4.3保留原有平台
本测试平台设计前提是在原有测试平台之外增加新的测试平台，原测试平台与本测试平台相互独立使用，预留方案1接口，成本降至最低。
原有的测试平台为电动机负载，容量为1000kW，可满足1MW以下变频器的出厂调试试验，大于1MW的变频器也可利用此平台做启动试验、低频特性试验、谐振试验等性能试验。
本测试平台初步计划扩容到10MW，主要满足1MW以上的变频器进行满负载试验及老化试验，主要验证额定负载下变频器温升情况。
3.4.4电抗器共用
为了节省项目成本及安装空间，10kV变频器与6kV变频器共用一个电抗器并网，并网时利用转换开关进行转换。
3.4.5互锁可靠性
由于10kV变频器与6kV变频器共用一个电抗器进行并网，所以必须考虑各输入、输出开关的互锁，其中10kV变频器输入开关QF1与6kV变频器输入开关QF3必须互锁，防止误操作将两路高压主电同时送入变频器，确保设备及人身安全。
图五互锁原理图
4控制系统设计方案
4.1系统控制原理
高压变频器并网回馈控制系统主要包括采样处理及并网控制单元、计算单元、脉冲控制单元和人机界面，控制系统对采样电压、电流进行处理；通过同步旋转坐标系下基于PI控制的电流控制算法，计算得到三相参考电压，将参考电压输出到脉冲控制单元，进行脉冲管理，生成对应的驱动信号，驱动高压变频器的功率部分，从而控制高压变频器的输出；人机界面通过设置不同的参数实现不同的老化电流控制。
4.1.1控制系统采用同步旋转坐标系下基于PI控制的电流控制算法
4.1.1.1对采集到的电网电压进行锁相，得到电网电压角度θ；对电压和输出电流进行clark和park变换，得到Ed、Eq、id、iq。
控制系统通过离散化处理，将初始电流id与给定值idref比较,得到的差值经PI控制器输出，输出的电压值与电网电压有功分量Ed和iqωL比较得到参考电压有功分量udref。
同样，初始电流iq与给定值iqref比较,比较得出的差值经PI控制器输出，得到的电压值与电压无功分量Eq和idωL比较得到参考电压无功分量uqref。
4.1.1.2得到的参考电压udref、uqref经过park和clark逆变换得出ABC三相参考电压，送往脉冲控制单元进行脉冲分配，形成三相PWM信号。
PWM信号传输到高压变频器功率模块部分，控制功率模块部分的开关器件的开通与关断，使高压变频器输出三相电压，经并网电抗器后接入电网，并向电网反馈能量。
与此同时电网通过进线开关向高压变频器提供能量，形成能量的闭环。
电网补偿整个系统的功率损耗。
图六系统控制原理图
4.2系统控制流程
4.2.1将采样的电网电压锁相得到电网电压角度θ，将电网电压、输出电流进行矢量解耦，得到电网电压有功分量Ed、电网电压无功分量Eq、电网电流有功分量id、电网电流无功分量iq，初始电网电流有功分量id与有功分量给定值idref比较，得到的差值经PI控制器输出；
4.2.2输出的电压值与电网电压有功分量Ed、iqωL比较得到参考电压有功分量udref，ω为角频率、L为输出电抗器电感值；
4.2.3同样，初始电网电流无功分量iq与无功分量给定值iqref比较,比较得出的差值经PI控制器输出，得到的电压值与电压无功分量Eq、idωL比较得到参考电压无功分量uqref;
4.2.4得到的参考电压udref、uqref经过park和clark逆变换得出ABC三相参考电压，送往脉冲控制单元进行脉冲分配，形成三相PWM信号，PWM信号传输到高压变频器功率模块部分，驱动功率模块部分的开关器件的开通与关断，使高压变频器输出三相电压，经并网电抗器后接入电网，并向电网反馈能量；
图七系统控制流程图
4.2.5电流q轴分量PI调节步骤如下：
Δq（n）＝iqref‑iq（n）其中iqref为q轴电流分量的参考值，iq（n）为采样电流的q轴离散化分量，Δq（n）为q轴电流分量的差值；
uqref=‑（KPΔq（n）+Ki∑Δq（n））‑ωL·id+Eq其中KP为比例参数，Ki为积分参数，∑Δq（n）为Δq（n）的累加值;
4.2.6电流d轴分量PI调节步骤如下：
Δd（n）=idref‑id（n）其中idref为d轴电流分量的参考值，id（n）为采样电流的d轴离散化分量，Δd（n）为d轴电流分量的差值;
udref=‑（KPΔd（n）+Ki∑Δd（n））+ωL·iq+Ed其中KP为比例参数，Ki为积分参数，∑Δd（n）为Δd（n）的累加值。
5电抗器选型
5.1空心电抗器与铁芯电抗器的选择
空心电抗器一般有以下几个特点：
①、抗大电流冲击能力较强，线性度好；
②、抗饱和能力强；
③、体积较大，安装面积需要很大；
铁芯电抗器一般有以下几个特点：
①、用途和参数如果没有发生变化时相对成本较低；
②、抗饱和能力相对较弱；
③、体积较小；
铁芯的便宜，空芯的贵
综合成本、体积及用途对比，建议选择三相铁芯电抗器。
5.2电抗器电感值计算与分析
5.2.1电抗器电感值参数的选择参照如下公式：
变频器测试平台按照10MW计算，并网电压等级为10kV，那么根据公式可得：
=577A
计算可得变频器额定电流为577A；
变频器并网时，根据目标确定I
577A，电抗压降（阻抗电压）为500V，即变频器输出电压
比电网电压
至少应大500V，并网时为了降低冲击角度近似为0°，电网电压
=10000V，则变频器输出电压
=10500V。
I
2.76mH
由上述公式及数值可计算出满足并网要求电抗器的电感值为2.76mH，需满足长时间运行要求。
由于并网过程中冲击电流可能达到额定电流的1.5~2倍，因此要求电抗器厂家设计的电抗器过载能力达到如下要求：
1.5倍过流1S，2倍过流50us（柜顶风机启动下1.2倍可长期运行）。
5.4电抗器散热分析及风机选型
为了确保电抗器在额定负载下能够长期稳定运行，必须保证有良好的散热条件，设计时还是考虑用风冷外循环散热，因此风机选型及进风口面积设计可参考如下：
10kV/10000KW电抗器损耗按最大的3%损耗计算，则额定功率下电抗器每小时发热量为300KW，约定电抗柜空气进口与出口温差为△t≈10℃，（空气的比热：
1005J/kg℃，空气的密度：
1.165kg/m）那么可以根据风冷系统的散热原理计算总的通风量Qf。
根据风冷系统的散热原理，△Q=△t×Qf×Cp×ρ,其中：
△Q：
系统总的损耗功率；为300kW，即300000W
△t：
空气进口与出口的温差；为10℃
Cp：
空气的比热：
1005J/kg℃
ρ：
空气的密度：
1.165kg/m3
Qf：
系统总的通风量
那么Qf=
=25.6m3/S
另外进风口面积S≈Qf/V
根据进风口风速可以计算出进风口面积；
5.5电抗器技术参数
1）交流额定电压：
10kV（50Hz）
2）系统最高电压：
12kV
3）交流额定电流：
600A
4）额定最大电感：
3mH,允许误差±1%;相间不平衡度不大于2%。
5）频率特性：
50Hz（但要求能持续流过3kHz的开关纹波电流，但总电流不大于额定电流）
6）相数：
三相
7）结构：
干式铁芯
8）交流脉冲电压：
要求能持续承受±2倍额定电压的交流脉冲电压（3kHz）
9）散热方式：
自然冷却
10）绝缘等级：
H级
11）额定电流下噪音水平：
80dB以下
12）额定电流下绕组平均温升（K）：
60（柜顶风机启动情况下），电抗器允许在1.2倍额定电流下长期运行。
13）安装尺寸：
供方需提供图纸与结构设计组确认后方可生产
14）所有结构螺栓均采用电镀锌件。
15）绕组及接线板材质：
铝
16）输入输出接线端子：
用绝缘件支撑固定。
允许受力不小于500N
17）要求：
dV/dt>1000V/uS。
18）出线方式：
根据图纸设计确认
19）电抗器无外壳，无风机，无温控，无避雷器。
20）配温控仪探头用绝缘套管3个。
21）铭牌在”XYZ”接线侧，以铭牌为正方向，从右到左，顺序依次为“X,Y,Z”。
22）配温控仪探头用绝缘套管3个。
在电抗支架上配环氧管以便温度探头至绝缘套管的走线。
6高压开关及一次电缆选型
6.1高压开关柜型号及数量
由于测试平台要满足10kV及6kV两个电压等级的变频器做测试的要求，所以设计上必须考虑输入、及输出的互锁，宜采用户内金属铠装移开式开关设备比较安全。
在本项目中，需配置3台KYN28A-12开关柜，具体如下：
序号
物料编码
型号
数量
单位
备注
1
KYN28A-12
3
台
QF2用1250A，QF1及QF3可用小电流（待定）
6.2高压开关柜技术要求
6.2.1基本技术参数
规范
单位
参数
备注
1
使用标准
GB3906、IEC298
2
型式及型号
套
KYN28A－12
3
真空断路器规格型号
12kV-1250A-31.5kA操作电压：
AC220V
4
真空断路器生产厂家及产地
国产
5
额定电压（KV）
12kV
6
额定频率（Hz）
50Hz
7
额定电流（A）
1250A
8
额定短路开断电流
31.5kA
9
额定短路合断电流
80kA
10
工频耐压
42kV/1min
冲击耐压
75kV
11
合闸时间
≤55~65ms
12
分闸时间
≤35~45ms
13
额定操作顺序
O-0.3S-CO-180S-CO
14
机械寿命
30000次
15
操作机构型式
弹簧操作机构
16
进线/出线方式
上进出线
17
外形尺寸（L×W×H）
mm
18
重量
Kg
19
安装地点
室内
20
供应商及产地
中山市明阳电器有限公司，产地中山
6.2.2单台铠装移开式开关设备的主要器件明细表（单套）
序号
设备元件名称
型号规格
数量
单位
备注
1
真空断路器
12/1250A-31.5kA
1
台
2
电流互感器
1200/1A,0.5/5P30，20VA,12kV
3
台
3
带电显示器
DXN8
1
台
4
柜体
KYN28A－12
1
台
6.2.3KYN28A型铠装移开式开关基本技术要求
1）操作电压：
AC220V；
2）要求设置合闸、分闸按钮、指示灯，需要远方/就地选择开关；
3）要求在端子上提供合闸、分闸控制触点；
4）要求提供8对常开8对常闭触点；
6.3一次电缆选型
6.3.1额定电流计算
变频器测试平台按照10MW计算，并网电压等级为10kV，那么根据公式可得：
=577A
计算可得变频器额定电流为577A；
6.3.2一次电缆选型
YJV22-10kV3×400铜芯高压电缆的载流量为650A左右,（功率因数取0.85）能用10kV*650A*1.732*0.85=9500kW负荷，已满足试验要求。
因此一次电缆中（接线不动的部分）全部可以选择型号为：
YJV22-10kV3×400（铜芯交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套钢带铠装3芯电缆），每芯导体规格400mm2，电缆使用电压为10kV。
另外QS1到10kV变频器输入部分、变频器输出到QF2进线部分应选择不带铠装的单芯电缆，如果选择用一根电缆需要300mm2，电缆太粗给厂内调试人员接线带来很多不便，因此建议用两根10kV-120mm2电缆并联使用，其载流量可到达650A左右，已满足试验要求。
7平台搭建区域选择
整个测试平台需固定不动的设备有5台高压开关柜、1台电抗器、1台转换开关柜，预计需要20平方米的空间，在研发试验区域内内暂时还找不到这么大的一块剩余空地，所以建议中试装配区域腾出作为高压变频器测试平台搭建区域。
电抗器为高压电抗器，容量大，并网运行时磁场较强，噪声较大，因此建议加防护罩将电抗器隔离起来。
8项目成本预算
本测试平台成本主要指器件成本，不包括人工费、施工费、辅料费等，所使用到的器件价格均为估算价格，具体成本只能参照最终采购元器件的价格。
器件名称
型号参数
数量
单价（万）
总价（万）
品牌
高压开关柜
12kV-1250A-31.5kA操作电压：
AC220V
1台
6
6
明阳
高压开关柜
12kV-630A-31.5kA操作电压：
AC220V
2台
5
10
明阳
电抗器
10kV/577A
1台
7
7
外购
一次电缆
待定
60
600
3.6
操作台
待定
1
2
2
合计
28.6
9项目风险评估
1）锁相的精确度是并网是否成功的关键，在锁相过程中，由于动态调整，当电网电压波形发生畸变时可能会引起锁相角度的突变，相位角相差越大越会导致并网瞬时过电流，因此在程序设计中对积分前后需进行限幅。
2）程序设计如果不当，并网时容易输出过流甚至导致设备损坏。
因此，PLC程序、触摸屏程序以及主控程序（DSP和FPGA程序）在高压主电上电之前需进行仿真测试、模拟测试并且反复多次测试，保证所有开关互锁可靠，测试合格后，才允许给高压变频器送高压。
同时设计需有过流有效值保护、过流瞬时值保护、并网超时保护等保护，系统可以在出现故障时及时停机、分断高压，保障人员、设备的安全。
10附图
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