試驗(yàn)站試驗(yàn)電源中靜止變頻電源與機(jī)組變頻電源的比較

丁亞清

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

在現(xiàn)有電機(jī)試驗(yàn)站中，電機(jī)進(jìn)行型式試驗(yàn)需要使用的變頻變壓電源，其在輸出頻率電壓調(diào)節(jié)、電源供電質(zhì)量以及一些特殊應(yīng)用上都有較高的要求，系統(tǒng)比較復(fù)雜，造價(jià)占比也較高。對于大功率試驗(yàn)站的變頻變壓試驗(yàn)電源，目前可供采用的產(chǎn)品和方案大致可以分為靜止變頻電源與機(jī)組變頻電源兩大類。

機(jī)組變頻電源以經(jīng)典的拖動-發(fā)電機(jī)(D-F)機(jī)組電源為代表。其中，我廠風(fēng)電電機(jī)試驗(yàn)站所采用的電源為一套交流電動機(jī)拖動同步發(fā)電機(jī)組的方案，而我廠直流試驗(yàn)站則采用一套直流電動機(jī)拖動的同步發(fā)電機(jī)組用于試驗(yàn)。

靜止變頻電源使用類似通用變頻器的逆變電源，經(jīng)濾波后形成較純凈的正弦波后再輸出。我廠重型試驗(yàn)站和18 000 kW試驗(yàn)站均采用這種試驗(yàn)電源，其中18 000 kW試驗(yàn)站由2臺20 MW級變頻器作為試驗(yàn)電源，其容量和試驗(yàn)?zāi)芰佑趪鴥?nèi)外領(lǐng)先水平。

這兩種技術(shù)方案各有優(yōu)劣。現(xiàn)階段，靜態(tài)變頻電源以其造價(jià)低、占地小、項(xiàng)目施工簡單、電源組合便利等優(yōu)點(diǎn)正逐步成為試驗(yàn)電源主流選擇。但我們認(rèn)為，機(jī)組電源方案依然是一個(gè)具有較強(qiáng)生命力的方案，短期內(nèi)并不會被靜態(tài)電源全面取代。

1 電源供電品質(zhì)

在供電品質(zhì)上，GB/T 755—2008《旋轉(zhuǎn)電機(jī) 定額和性能》第7.1、7.2兩條以及GB/T 1032—2012《三相異步電動機(jī)試驗(yàn)方法》第4.2條均對電機(jī)試驗(yàn)電源作出了要求，綜合二者條款考量，國家和行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對電機(jī)試驗(yàn)電源品質(zhì)主要指標(biāo)要求如下：

電壓的負(fù)序分量在消除零序分量的影響后，應(yīng)小于正序分量的0.5%;

電壓波形的瞬時(shí)值與基波分量瞬時(shí)值之差不應(yīng)超過基波波幅的2.5%;

諧波電流因數(shù)不超過5%，負(fù)序和零序電流分量均不超過正序分量的5%。

目前，靜止變頻電源與機(jī)組變頻電源供電品質(zhì)上都能滿足相關(guān)國家和行業(yè)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)這方面區(qū)別已經(jīng)不大。

同步發(fā)電機(jī)直接輸出正弦波形，無需濾波等環(huán)節(jié)，在全頻段和全電壓范圍內(nèi)都可以保持供電，且品質(zhì)更好一些。使用靜止變頻電源要獲得正弦供電波形需要使用輸出濾波環(huán)節(jié)，濾波器設(shè)計(jì)上常常無法兼顧全輸出頻率范圍，會出現(xiàn)在某個(gè)特定工況范圍內(nèi)可以達(dá)到，而其余工況點(diǎn)上依然存在不確定性。

靜止變頻電源輸出濾波環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)和供電品質(zhì)要求之間可能存在的問題，可以簡單歸結(jié)成以下兩點(diǎn)。

電壓電流諧波問題：特別是電流諧波問題，GB/T 1032—2012沒有對電流諧波作明確說明，但GB/T 755 2008版則有要求。解決諧波問題只能加大濾波環(huán)節(jié)的濾波能力，我們要求電壓從額定電壓的10%～15%左右開始，一直到額定電壓的125%，全輸出范圍內(nèi)電壓和電流諧波都要達(dá)到高品質(zhì)輸出要求，靜止逆變變頻電源在濾波器方面需要專門設(shè)計(jì)并特別制造。因?yàn)樵谝笳也ǖ慕涣麟妷河行е当容^低時(shí)，以690 V變頻器為例，由于變頻器的直流母線電壓依然還保持在1 000 V左右，此時(shí)變頻器調(diào)制比極大，諧波含量的百分比和輸出與額定電壓的比有著巨大的差異。如果需要降低直流母線電壓而又要保證四象限運(yùn)行，將增加成本代價(jià)。同時(shí)，進(jìn)行較小電機(jī)空載試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)電壓較低時(shí)，由于電流有效值更低，不但電壓諧波滿足要求有困難，電流諧波達(dá)標(biāo)難度更大。資料表明，西門子/ABB類似產(chǎn)品在額定電流下電流諧波指標(biāo)都僅為4%左右，小電流時(shí)其電流諧波更不容易達(dá)標(biāo)。特別指出，如果考慮圓圖計(jì)算法要求電源需要半頻(25 Hz)甚至1/4頻輸出時(shí)，變頻器的濾波電感電容參數(shù)要求急劇加大，成本大幅度上升。而濾波電感電容參數(shù)太大又會導(dǎo)致成本上升和系統(tǒng)諧振上升的可能。

電機(jī)齒諧波對電源的影響：交流電機(jī)由于設(shè)計(jì)和制造工藝問題，運(yùn)行時(shí)必然或多或少會有齒諧波，該類諧波頻率集中在11、13、17、19諧次上，容易與LC濾波環(huán)節(jié)諧振，導(dǎo)致相應(yīng)頻段電源電壓諧波超標(biāo)，甚至使試驗(yàn)不能進(jìn)行。

2 非工頻電機(jī)測試能力

隨著電機(jī)制造業(yè)產(chǎn)品向變頻化、直驅(qū)化發(fā)展，非工頻電機(jī)越來越多，電機(jī)試驗(yàn)對試驗(yàn)電源的變頻驅(qū)動能力要求也越來越高。

機(jī)組電源由于發(fā)電機(jī)輸出受電機(jī)磁通限制等一系列因素制約，輸出頻域不可能太廣。而對于電力電子變頻器為核心的靜態(tài)變頻電源而言，可以輕松實(shí)現(xiàn)寬頻域輸出。例如，本廠重型試驗(yàn)站和18 000 kW試驗(yàn)站均實(shí)現(xiàn)了1～120 Hz輸出或者12～80 Hz正弦滿容輸出，而風(fēng)電試驗(yàn)站和直流試驗(yàn)站的機(jī)組電源設(shè)計(jì)上均只能滿足45～65 Hz滿容輸出。

就這一點(diǎn)而言，靜態(tài)變頻電源無疑更能適應(yīng)當(dāng)前非工頻電機(jī)試驗(yàn)需求的增長。

3 非線性負(fù)載能力

靜態(tài)變頻電源依靠電力電子器件開關(guān)形成變頻變壓輸出，由輸出濾波器保證輸出波形質(zhì)量，其電源輸出端阻抗比較大，非線性負(fù)載形成的諧波可能與濾波器以及逆變器形成諧振，所以一般認(rèn)為除非特殊設(shè)計(jì)，靜態(tài)變頻電源不宜帶大功率非線性負(fù)載。而機(jī)組電源在這方面沒有太多顧忌，對非線性負(fù)載的承受能力就要高得多。

本廠風(fēng)電試驗(yàn)站，被試驗(yàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要配套轉(zhuǎn)子變頻器才能運(yùn)行，而轉(zhuǎn)子變頻器就屬于典型的電力電子類非線性負(fù)載。為此設(shè)計(jì)上選擇了使用機(jī)組電源。

4 對特殊試驗(yàn)項(xiàng)目的支持能力

使用靜止變頻電源在進(jìn)行疊頻試驗(yàn)時(shí)有一定的優(yōu)勢，不需要兩個(gè)機(jī)組電源，單靜止變頻電源即可使用雙頻調(diào)制法實(shí)現(xiàn)，總體成本較低，而且試驗(yàn)中主副雙頻設(shè)定和調(diào)整簡單方便，穩(wěn)定性好。

這種條件下疊頻電壓的全部分量都需要通過變壓器隔離后輸出，該輸出變壓器設(shè)計(jì)需要考慮通過疊頻后的全功率調(diào)制波形，設(shè)計(jì)制造上都有一定難度。含有雙頻分量的合成波形由于具有相當(dāng)?shù)姆腔ǔ煞?，在通過同一個(gè)變壓器再輸出后，各頻率信號成分衰減度不同，會影響電源波形輸出形狀，造成試驗(yàn)結(jié)果不確定性增加。此外變頻器需要設(shè)置大容量電容器作為儲能元件平滑疊頻進(jìn)行中的拍頻能量波動。

以上這二種情況均會導(dǎo)致成本有一定增加，降低了運(yùn)行可靠性。

機(jī)組電源理論上可以直接使用機(jī)組串聯(lián)法疊加，即使需要使用疊頻變壓器，也可以讓副頻經(jīng)疊頻變壓器疊加到主頻機(jī)組，不會導(dǎo)致疊頻波形變形，更符合GB/T 21211—2007 《等效負(fù)載和疊加試驗(yàn)技術(shù)》第10.4條的規(guī)定以及相關(guān)計(jì)算公式的應(yīng)用。變頻機(jī)組的電機(jī)飛輪轉(zhuǎn)矩本身就是一個(gè)很大的儲能元件，不需添加其余設(shè)備就可以很好的平滑疊頻進(jìn)行中的拍頻能量波動。

在進(jìn)行同步電機(jī)零功率因數(shù)試驗(yàn)時(shí)，靜止變頻電源由于存在輸出濾波器，因此，一般情況下只能夠進(jìn)行簡單的電壓/頻率控制。矢量計(jì)算能力減弱，其有功分量和無功分量在純正弦波輸出模式下很難單獨(dú)調(diào)節(jié)。因此，實(shí)現(xiàn)等效負(fù)載下同步電機(jī)零功率因數(shù)有一定困難，強(qiáng)行實(shí)現(xiàn)，需要對電源及其輸出變壓器特殊設(shè)計(jì)，并大幅度增加逆變器以及輸出鐵磁元件輸出功率，使靜止逆變器(方案)失去原有相當(dāng)?shù)某杀緝?yōu)勢。

5 抗沖擊能力

在耐沖擊能力上，機(jī)組過載能力和耐沖擊能力在同容量下必然優(yōu)于靜止變頻電源。在增安型電機(jī)啟動試驗(yàn)或異步電機(jī)最小轉(zhuǎn)矩測試以及其他大電機(jī)啟動/堵轉(zhuǎn)/偶爾過電流試驗(yàn)中，機(jī)組電源的可利用性有一定優(yōu)勢。由于電力電子設(shè)備的固有特性，決定了靜態(tài)電源實(shí)際上不具備太多的設(shè)計(jì)能力外的抗沖擊及過載能力。

6 運(yùn)行及維護(hù)保養(yǎng)

機(jī)組電源安裝占地大，啟動過程麻煩，運(yùn)行時(shí)噪聲高、損耗大，需要大量油水輔助系統(tǒng)，日常運(yùn)行費(fèi)用高。而靜態(tài)變頻電源占地一般僅為同容量機(jī)組電源的1/2，啟停便捷，運(yùn)行噪聲低、損耗僅為同容量機(jī)組電源1/3或更低，也不需要龐大的輔機(jī)系統(tǒng)，日常運(yùn)行費(fèi)用低。從這點(diǎn)看，靜態(tài)電源具備較高優(yōu)勢。

在后續(xù)可維護(hù)性上，電機(jī)廠運(yùn)行維護(hù)人員對于機(jī)組的電動機(jī)和發(fā)電機(jī)均非常了解。我廠現(xiàn)有機(jī)組電源的電動機(jī)/發(fā)電機(jī)均為本廠產(chǎn)品，備件獲得很容易，檢修人員對裝備也熟悉，相對維護(hù)比較方便。而靜態(tài)變頻電源采用的核心部件為變頻器，對于電機(jī)制造工廠技術(shù)人員來說相對比較陌生，維護(hù)技術(shù)難度較大。實(shí)際運(yùn)行狀況證明一套有著良好的維修保養(yǎng)的機(jī)組電源，使用壽命高達(dá)40～50年，而變頻電源即使有著良好的運(yùn)行維護(hù)，其壽命一般不超過20年。

7 結(jié)語

隨著技術(shù)的進(jìn)步，使用靜態(tài)變頻電源作為電機(jī)試驗(yàn)的電源已經(jīng)逐步成為主流方案，但機(jī)組電源在某些方面一樣具有前者不具備的優(yōu)勢。未來的大功率電機(jī)試驗(yàn)站，兩個(gè)方案應(yīng)該會在不同應(yīng)用場所發(fā)揮各自的不同優(yōu)勢。