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摘要：本文通過森蘭一拖二高壓變頻軟起及無功補償一體化裝置在天然氣液化（LNG）生產企業的實際應用情況，介紹了該裝置的原理和工作性能，分析了該裝置的優點和實際意義。該裝置具有變頻驅動電機無擾投切至工頻以及無功補償（SVG）兩種工作模式，可以根據用戶需要靈活切換，并且具備一鍵啟動功能，操作方便，尤其適用于現場同時需要高壓變頻軟啟動和無功補償的場合，具有良好的應用前景。

關鍵詞：高壓變頻軟起  無功補償  SVG  天然氣液化  壓縮機    

1. 企業概述及生產工藝流程簡介

1.1 企業情況概述

寧夏新珂源能源利用有限公司成立于2013年4月，廠址位于鹽池縣高沙窩工業集中區，總占地面積163420平方米，建筑面積20856平方米，主要經營天然氣凈化、液化加工。       

圖1  寧夏新珂源能源利用有限公司

公司一期建設年產22.8萬噸液化天然氣（LNG）項目，具有得天獨厚的優勢，一是原材料充裕。長慶油田蘇里格氣田勘探儲量1.6萬億立方米，開采面積4萬平方公里。長慶油田蘇里格氣田天然氣產量答案大奧20億立方米。二是政府扶持力度較大。2013年1月19日，鹽池縣人民政府與長慶油田蘇里格氣田簽訂了《天然氣就地轉化框架協議》，長慶油田蘇里格氣田天然氣勘探開發實行就地轉化利用，保證當地企業生產用氣，對所用氣量給予足額保障供應。

公司目前的年產22.8萬噸LNG，項目生產的最終產品為液化天然氣（LNG），是經過物理加工等處理的液態產品，該產品具有清潔環保、高效節能、使用安全、便于儲存及運輸等特點。該項目產品可廣泛應用于城市燃氣調峰、工業加工原料、造船業、車船燃料等多個領域，對鹽池天然氣資源的利用和發展是必要和積極的，對地方經濟發展有著十分重要的意義。

1.2 現場生產工藝流程簡介

天然氣液化是一個低溫過程，原料氣經預處理后，進入換熱器進行低溫冷凍循環，冷卻至-162℃左右就會液化。目前世界上已成熟的天然氣液化工藝有：節流制冷循環、膨脹機制冷循環、階式制冷循環、混合冷劑制冷循環、帶預冷的混合制冷循環等工藝。寧夏新珂源能源利用有限公司使用的工藝為混合冷劑制冷液化工藝，工藝流程如下圖所示:

圖2  混合制冷劑制冷液化流程

此裝置采用兩級分離三級節流的單-混合冷劑制冷流程。混合冷劑液化流程（MRC）是以C₁至C₅的碳氫化合物及N₂等五種以上的多組分混合制冷劑為工質，組分為氮氣、甲烷、乙烯、丙烷、異戊烷，利用混合物各組分不同沸點，部分冷凝的特點，進行逐級的冷凝、蒸發、節流膨脹得到不同溫度水平的制冷量，以達到逐步冷卻和液化天然氣的目的。其中甲烷采用經凈化后的原料天然氣補充，氮氣通過液氮汽化或變壓吸附制取，僅乙烯、丙烷和異戊烷需要外購，采用MDEA脫除二氧化碳等酸性氣體，脫除徹底，且無再生氣消耗。

2. 冷劑壓縮機設備簡介

    壓縮機是混合制冷循環液化流程中必不可少的設備，他在流程中最重要的作用是壓縮制冷劑，產生制冷量，為后續流程中各節流閥降壓降溫做準備。本文中所述的為冷劑壓縮機，壓縮機和電機的參數如下：

表1  電機及負載參數

在混合冷劑制冷工藝中，冷劑壓縮機是最核心的設備之一，用于加工大循環量冷劑，設備密封性要求高，通常采用離心式電機驅動壓縮機，與往復式壓縮機比較，離心式壓縮機在密封性方面的優勢明顯，且同等條件下離心式壓縮機體積小、運行穩定、易損件少，因此一般可以不用備機。

3.  變頻軟起+無功補償裝置介紹

圖3  森蘭高壓變頻軟起及無功補償一體化裝置外觀

該現場采用森蘭一臺VFPS-100-7000裝置，兼具高壓變頻軟起和靜止無功發生器的功能（Static Var Generator，SVG），來實現一拖二電機軟起動及無功補償功能，該裝置的一次系統圖如下所示：

圖4  一次系統圖

此裝置包含進線開關QF3、主回路預充柜、變頻及電能質量綜合裝置VSV、輸出電抗器L1、工頻運行斷路器QF1和QF2、無功補償QF4以及電流電壓采樣回路。

需要作為高壓變頻軟起裝置驅動電機時，在選擇啟動M1或者M2電機后，裝置內部自動切換為變頻軟起模式相對應的參數，將變頻器進線開關QF3合上后，經過限流組件，充電完成后，自動合MQF1，合對應電機的輸出切換開關QF5或者QF6后，裝置就緒后自動啟動運行，自行加速至50Hz，檢測電網頻率、電壓幅值、相位具備并網條件后，解鎖QF5和QF1，或者解鎖QF6與QF2之間的互鎖關系，閉合QF1或QF2，電機不掉電無擾投切至工頻，切換成功后，系統自動分開QF5和QF3或者QF6和QF3，電機工頻帶載運行。

需要進行電能質量治理，作為無功補償裝置投入電網時，選擇SVG模式，此時裝置內部自動切換為SVG模式對應的參數，合上進線開關QF3后，經限流組件預充電，充電完成后，自動合MQF1，待設備就緒后，自動合并網開關QF4，裝置啟動并運行補償線路無功，根據給定功率因數自動實時調整變頻器輸出。

3.1 變頻軟起工作原理

高壓變頻軟起裝置采用交-直-交型電壓源型逆變器，主電路采用功率單元串聯技術解決器件耐壓問題，級間SPWM信號移相后疊加，提高了輸出電壓諧波性能、降低輸出電壓的dv/dt（電壓變化率），通過電流多重化技術提高輸入側諧波性能，減小對電網的諧波污染，通過多樣的算法，可以為不同類型的負載提供優異的啟動性能。

功率單元串聯式高壓變頻軟啟動裝置由旁路切換開關柜、移相變壓器、功率單元柜、控制柜和電抗器等部分組成。三相高壓電源經高壓開關柜進入，經移相變壓器降壓、移相給功率單元柜內的功率單元供電，每相的功率單元輸出首尾相串聯，由控制柜的主控制器通過光纖控制每一功率單元進行整流、逆變控制與檢測。在變頻軟起模式下啟動后，變頻器的輸出頻率從0Hz逐步升至50Hz，輸出電壓從0V開始逐漸升高至電網電壓，此時，主控制器啟動鎖相功能，使其輸出電壓逐步與輸入電網電壓同相位、同幅值、同頻率后，自動切換至工頻運行。

裝置可以實現電動機的一鍵全自動軟啟動，以啟動M1電機為例，全自動軟起動的流程如下圖（圖3）所示：

圖5  電機軟啟動流程

變頻器的鎖相功能，即通過檢測工頻電網電壓頻率、相位、幅值，使變頻器的輸出電壓跟蹤電網電壓使兩者的頻率、幅值、相位保持一致。只有變頻器鎖相成功后，才能將電動機由變頻運行切換至工頻運行，否則將出現類似發電機非同期合閘時的大電流沖擊，這種情況不僅會導致切換失敗，而且還會造成設備損壞，危機電網安全等嚴重的后果。在鎖相成功后，控制工頻切換開關QF2或者QF3閉合，變頻軟啟動器和電網同時給電動機供電，然后變頻軟起動器停止輸出，斷開變頻輸入輸出斷路器，完成電機的軟啟動。

3.2 SVG工作原理

在SVG工作模式工作時，通過控制橋式逆變電路中所有開關器件的通斷時間和順序，將功率單元整流橋逆變后的直流側電容電壓轉換為和交流側所接電網同頻率的交流電壓，相當于一個電壓型逆變器(Voltage Source Inverter, VSI)。忽略輸出電壓中包含的諧波分量，其基波分量可等效成一個幅值和相位都可控的交流電壓源，與電網通過連接電抗器相連，此時電網相對于VSI可以看成此電壓源的負載。控制改變其交流側的輸出電壓或電流，就改變了與電網側的無功功率交換，從而達到補償負載無功的目的。

考慮到連接電抗器及逆變器自身的損耗，SVG 的等效電路如圖4所示，其中電網電壓為U_S，SVG輸出電壓為U_I，電抗器X和等效電阻R上的電壓和為 U_L。因等效電阻的存在，使U_S與U_I間存在相位差δ，即變流器需要從電網中吸收有功能量以補償損耗，保證直流側電容電壓維持在一定水平。通過對 U_I和δ的調節，可實現對U_L的控制。由于電抗器流過的電流和其兩端電壓的關系，電抗器的電流I的相位和大小也發生改變，這也是SVG輸出的電流。上述控制可實現對 SVG 與電網交換的無功功率的調節：當 U_I大于 U_S時，輸出電流超前電壓90°，SVG 吸收容性的無功功率；當 U_I小于U_S時，輸出電流滯后電壓90°，SVG 吸收感性的無功功率。需要指出的是，由于損耗的存在，SVG輸出電壓U_I與電流I的相位差要比90°小一個微小的角度δ，而非嚴格的90°。

圖6  SVG等效電路及工作原理

需要補償無功時，輸出電壓的基波頻率是和二次側母線電網電壓頻率一致的，通過調節輸出電壓基波的幅值和相位，實現無功功率輸出，無功功率可以是感性或容性，根據要實現的目標功率因數和電流電壓傳感器的檢測值一起決定。

裝置可以實現一鍵全自動啟動，只需要設置好功率因數目標值，由控制面板或者DCS給定SVG并網啟動信號，裝置會自動啟動運行至設定目標功率因數，補償母線無功，SVG一鍵啟動流程如下圖（圖3）所示：

         圖7  SVG一鍵啟動流程

4.裝置的工作性能

4.1 高壓變頻軟起工作性能

    鎖相功能確保了變頻器輸出電壓與工頻電網電壓的主參數一致性，完美解決了電動機變頻運行切換工頻運行時可能產生電流沖擊的問題。該裝置將電動機由變頻器拖動切換至工頻電網拖動過程中，電動機的電流波形和電網電壓及變頻器輸出電壓波形如圖6所示：

圖6 變頻切工頻的電流電壓波形

注：藍色（通道3）——變頻器輸出電流；

紅色（通道4）——工頻輸入電壓；

黃色（通道1）——變頻器輸出電壓

可以看出，該裝置作為高壓變頻軟起設備啟動冷劑壓縮機電機時，在由變頻拖動切換至工頻拖動過程中，輸出電壓可以完全跟隨電網電壓使兩者頻率、幅值、相位均保持一致，幾乎沒有沖擊電流產生，不僅降低了電機啟動時的發熱問題，減小了大電流對電機壽命的影響，還解決了超大功率電機在啟動時對電網的沖擊問題。

4.2 SVG工作性能

寧夏新珂源能源利用有限公司在投入壓縮機設備后，尤其在冷劑壓縮機投入運行后，廠內電網功率因數下降嚴重，一般會低于0.65，不滿足國家電網對于用電企業的考核要求，在投入該裝置后，選擇SVG模式，功率因數設置為0.9以上，設備可在很短時間內將功率因數補償至目標值，而且補償準確，能夠根據母線功率因數進行自動調整輸出，下圖為SVG模式下設備運行界面。

圖7 SVG模式運行設置界面

5.裝置的優點和應用意義

  該裝置具有以下優點：

(1)電網側諧波小，輸入功率因數高。裝置內部移相變壓器采用延邊三角形接法，保證系統工作在20%以上負載時電網側功率因數保持在0.96以上。

(2)輸出諧波小，無轉矩脈動和附加發熱。采用多重化正弦脈寬SPWM調制技術，輸出電壓dv/dt小、失真度低，電流諧波含量少，不會損傷普通電機絕緣，避免電動機額外發熱。

(3)降低電機啟動電流，啟動過程無沖擊。提供多條起動曲線，起動時間由運行人員設定，可保證電動機安全運行并延長其使用壽命，軟起動過程對電網不會產生沖擊電流。同時大大降低了電動機及其負載的機械磨損，節省了維護費用。

(4)可靠性高，維護方便。采用大功率的IGBT功率模塊。IGBT模塊的驅動與過流保護采用專用電路，具有很高的可靠性。功率單元組件具有互換性，若出現故障，可在幾分鐘內用簡單工具進行更換維修。

(5)補償性能強，能夠動態快速連續調節無功輸出，可以超前補償或者滯后補償，最大限度滿足功率因數補償要求。

(6)響應時間短，響應時間不大于10ms，對于快速暫態過程，有著重要的響應速度優勢。

作為變頻軟起和SVG一體化裝置，兼具軟啟動和無功補償功能，可以取得一舉兩得的效果，不需要單獨增設SVG等電能質量治理裝置，節省了成本和安裝空間，且便于維護，延長了電機等設備的使用壽命，提高了變頻軟起設備的利用率，具有極高的經濟效益。

6. 結語

   希望森蘭變頻軟起及無功補償一體化裝置使用1套電力電子變流裝置分時實現了變頻驅動電機和電能質量治理2種功能，使其滿足大功率電機變頻軟起動與無功補償的雙重需求。不但解決了大功率電動機啟動時電流大、對電網和電機沖擊大的問題，而且還可以通過無功補償模式提高廠內供電系統功率因數、抑制電壓波動達到節能降耗和改善電能質量的效果，具有良好的應用前景，值得大力推廣。