1 概述 

在石油天然氣行業(yè)，大功率壓縮機(jī)被廣泛應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大功率傳動方案漸漸取代機(jī)械控制方案，被大量應(yīng)用到大型壓縮機(jī)的驅(qū)動中。相比于機(jī)械控制方案，電驅(qū)方案有著可靠性高、有效節(jié)約能源、顯著減少維護(hù)、消除空氣和噪聲污染等各方面的優(yōu)勢。TMEIC公司的XL系列五電平電壓源型變頻器采用高可靠的電壓源型結(jié)構(gòu)，采用全球最大容量的功率器件，單機(jī)容量可達(dá)30MVA，適合于大型天然氣壓縮機(jī)的應(yīng)用。

2 大容量變頻技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展 

大容量變頻技術(shù)的發(fā)展是隨著電力電子技術(shù)和控制 理論的發(fā)展而同步發(fā)展起來的。隨著功率器件的不斷研發(fā)創(chuàng)新，大容量的變頻器的應(yīng)用得以不斷的發(fā)展。

從圖 1 可以看出，功率器件的發(fā)展分別基于晶體管 （Transistor Devices）和晶閘管 (Thyristor Devices) 的 基礎(chǔ)發(fā)展起來的，功率器件是變頻器的核心?；诰w 管的技術(shù)其驅(qū)動是電壓控制型的，基于晶閘管的技術(shù)其 驅(qū)動是電流驅(qū)動型的。 

最早出現(xiàn)的是 LCI（負(fù)載換向逆變器）技術(shù)，出現(xiàn)于上世紀(jì) 80 年代，它使用半控器件可控硅 SCR 來實現(xiàn) 電源頻率變換。由于可控硅 SCR 功率元件本質(zhì)性的原 因（無自關(guān)斷功能），LCI 系統(tǒng)在其性能上，及負(fù)載或 電源使用條件上受到限制，LCI 目前僅應(yīng)用于超大型同 步電機(jī)的起動上，很少有用于長期運行的傳動系統(tǒng)中其 使用業(yè)績在逐年減少。

隨著高性能全控功率元器件 IGBT 的開發(fā)，從中小 容量開始逐漸被電壓源型調(diào)速裝置（VSI）所代替。進(jìn)入 90 年代后，隨著 6 英寸大容量全控功率元件 (IEGT/GCT) 的問世，單機(jī) 10MW 級以上的電驅(qū)動系統(tǒng)成為可能，高 性能的 VSI 調(diào)速裝置不但取代了 LCI 系統(tǒng)，而且擴(kuò)大了 電氣驅(qū)動的適用范圍，使得大容量電機(jī)的起動和變頻調(diào)速 均得到了飛速發(fā)展。 

在石油天然氣領(lǐng)域的應(yīng)用，VSI 大量應(yīng)用于 10MW 以下的壓縮機(jī)驅(qū)動，并且在 20MW 至 25MW 容量范圍 的壓縮機(jī)驅(qū)動領(lǐng)域應(yīng)用也在顯著增加，而且其適用的容 量范圍也有增大的傾向。

3 大型壓縮機(jī)傳動方案介紹 

3.1 三電平電壓源型技術(shù)

在上世紀(jì) 90 年代，由于大容量功率器件的相繼出現(xiàn)，從 20 世紀(jì)開始采用 (IEGT/GCT) 器件的 VSI 進(jìn)入 市場，使得單機(jī)容量 10MVA 的三電平變頻器得以量產(chǎn)。 

三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對于兩電平結(jié)構(gòu)在性能上有很 多優(yōu)勢。三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有輸出容量大，輸出電壓高 （3kV 等級），電流諧波含量小等特點，使得三電平結(jié) 構(gòu)的電壓源型變頻器在大功率交流電機(jī)變頻調(diào)速領(lǐng)域得 到廣泛應(yīng)用。

3.2 五電平電壓源型技術(shù)

五電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以三電平為基礎(chǔ)，通過改變單元的接線，實現(xiàn)輸出電壓（6kV 等級）和輸出容量的增大。 

2000 年以后的市場以電壓源型變頻器為主流。五電平變頻器結(jié)構(gòu)簡單，功率器件少，而且都是采用高壓 大電流的器件，可以做到市面上最大的功率等級，單機(jī) 容量最高可達(dá) 30MVA。這種調(diào)速方式效率高、能耗低、 諧波小、可靠性高，所以石油天然氣的大型壓縮機(jī)的變 頻調(diào)速被廣泛應(yīng)用。 

3.3 多電平低壓單元串聯(lián)技術(shù)

在三電平和五電平高性能變頻器快速發(fā)展的同時， 在上世紀(jì)九十年代中期出現(xiàn)一種完美無諧波多電平結(jié)構(gòu)的電壓源型變頻器，這種變頻器諧波少，輸出波形好， 相較于三電平和五電平變頻器結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，可靠性較 低。但是由于其很高的性價比，在中小功率的普通負(fù)載 （風(fēng)機(jī)，泵類）的應(yīng)用中被廣泛采用。

4 TMEIC 公司 XL 系列五電平電壓源型變頻器介紹

4.1TMdrive-XL 系列的創(chuàng)新理念 

4.1.1 先進(jìn)的功率器件技術(shù) 

TMEIC 是全球唯一全部采用自產(chǎn)功率元件的變頻 器整機(jī)制造商，擁有各種專利的自產(chǎn)功率元件 

GCT：全球最大容量功率器件（三菱專利）； 

IEGT：全球最大的電壓驅(qū)動型功率器件（東芝 專利）；

IGBT：新一代高壓 IGBT。 

4.1.2 適應(yīng)性廣（電壓 / 容量） 

全球標(biāo)準(zhǔn)電壓 3.3kV 等級和 6.6kV 等級； 

大容量，最高 120MVA。 

4.1.3 可靠性高，性能卓越 

極高的可靠性：久經(jīng)考驗的電路拓?fù)浜凸β势骷?冗余性； 

對電網(wǎng)友好：高效，高功率因數(shù)，諧波失真低； 

緊湊性設(shè)計：體積小； 

靈活性高：全球標(biāo)準(zhǔn)的 LAN 系統(tǒng)、PC 監(jiān)控、遠(yuǎn)程 維護(hù)。 

五電平輸出的切換過程如圖 5 所示。

5 TMEIC 公司 XL 系列五電平電壓源變頻器在楊 凌液化天然氣 (LNG) 項目上的應(yīng)用

陜西液化天然氣投資發(fā)展有限公司投資建設(shè)的楊凌 液化天然氣（LNG）應(yīng)急儲備調(diào)峰項目是 " 氣化陜西 "工程重要組成部分。項目均采用國際先進(jìn)的技術(shù)工藝， 是目前國內(nèi)采用引進(jìn)技術(shù)單線生產(chǎn)能力最大的 LNG 項 目，也是我國第一個以應(yīng)急調(diào)峰儲備為目的的大型 LNG 調(diào)峰工廠。 

在楊凌液化天然氣（LNG）應(yīng)急儲備調(diào)峰項目上， 針對 MR 壓縮機(jī)的控制，TMEIC 采用了 XL 系列水冷 五電平電壓源型變頻器和高壓 EXP( 正壓通風(fēng) ) 防爆 同步電機(jī)的變頻調(diào)速控制方案。同步電機(jī)額定功率為 26500kW， 電壓為 7000V。 XL85 五電平電壓源型變頻 器單機(jī)容量為 30MVA。機(jī)組與 2015 年已正式投運。 

楊凌 LNG 項目情況介紹： 

項目名稱：楊凌 LNG 應(yīng)急儲備調(diào)峰項目液化處理 能力 200 萬方； 

設(shè)計院：東華工程； 

工藝包：Technip； 

MR 壓縮機(jī)：DresserRand。 

TMEIC 基于變速驅(qū)動系統(tǒng)（VSDS）的解決方案： 

30.5MVA 油浸式變壓器； 

變頻驅(qū)動裝置 TMdrive-XL85（GCT）水冷變頻器； 

26.5MW 同步電機(jī)，7000V 4 極； 

MR 壓縮機(jī)：DresserRand； 

楊凌液化天然氣項目 TMEIC 變頻器原理如圖 6 所示。 

TMdrive-XL85 基本特點如下： 

36 脈沖二極管整流，輸入諧波極低，不需要輸入 濾波器； 

電壓源技術(shù)，輸入功率因數(shù)很高，無需額外的功率 因數(shù)補(bǔ)償裝置； 

5電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸出線電壓為 9 電平，輸出波形好， 無需 dv/dt 濾波器；

采用高壓 GCT 器件，5電平結(jié)構(gòu)無需功率器件直 接串聯(lián)就可以輸出 30MVA 容量等級；

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，逆變器件數(shù)量少（整機(jī)只有 24 個 GCT 器件）； 

效率很高。 

楊凌（LNG）應(yīng)急儲備調(diào)峰項目 MR 壓縮機(jī)機(jī)組于 2015 年 10 月調(diào)試完畢，11 正式投運并且滿載運行。采 用 XL 系列變頻器和 TMEIC 防爆高壓同步電機(jī)的電驅(qū) 方案，MR 壓縮機(jī)實現(xiàn)了平穩(wěn)調(diào)速運行并且節(jié)能效果相 當(dāng)可觀。 

TMEIC 變頻調(diào)速系統(tǒng)在楊凌 LNG 項目上至今運行 情況穩(wěn)定良好，整個系統(tǒng)節(jié)能可達(dá) 30%，為用戶節(jié)約了大量經(jīng)濟(jì)成本。 楊凌液化天然氣（LNG）應(yīng)急儲備調(diào)峰項目存儲能 力達(dá) 11 萬方，氣化能力達(dá)到 900 萬方 / 天，大大提升天 然氣儲備調(diào)峰能力。促進(jìn)天然氣上游資源、中游管道、 下游用戶的緊密銜接，對能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、改善大氣環(huán)境、 大幅降低有害物質(zhì)排放，對提高天然氣供應(yīng)保障能力發(fā) 揮十分重要的作用，對保證天然氣的安全平穩(wěn)供應(yīng)及提 高天然氣在一次能源中的利用率，推動區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)和 可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]SINAMICS 完美無諧波GH180 系列高壓變頻器[DB/OL]. https://www.industry.siemens.com.cn/drives/cn/ zh/ frequency-converter/mv-drives/Documents/gh- 180/ GH180.pdf . 

[2]TMdrive-XL75 系列新一代超大容量高壓變頻器 [Z]. 

作者簡介： 

金鳳 （1978 年 -）畢業(yè)于上海電力學(xué)院電氣工程專業(yè) 

目前就職于東芝三菱電機(jī)工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司 

專注于高壓大功率變頻器和電機(jī)在油氣行業(yè)的應(yīng)用