TMEIC 大型电驱方案在液化天然气LNG项目上的应用

1 概述

在石油天然气行业，大功率压缩机被广泛应用。随着电力电子技术的发展，大功率传动方案渐渐取代机械控制方案，被大量应用到大型压缩机的驱动中。相比于机械控制方案，电驱方案有着可靠性高、有效节约能源、显著减少维护、消除空气和噪声污染等各方面的优势。TMEIC公司的XL系列五电平电压源型变频器采用高可靠的电压源型结构，采用全球最大容量的功率器件，单机容量可达30MVA，适合于大型天然气压缩机的应用。

2 大容量变频技术的现状与发展

大容量变频技术的发展是随着电力电子技术和控制 理论的发展而同步发展起来的。随着功率器件的不断研发创新，大容量的变频器的应用得以不断的发展。

从图 1 可以看出，功率器件的发展分别基于晶体管 （Transistor Devices）和晶闸管 (Thyristor Devices) 的 基础发展起来的，功率器件是变频器的核心。基于晶体 管的技术其驱动是电压控制型的，基于晶闸管的技术其 驱动是电流驱动型的。

最早出现的是 LCI（负载换向逆变器）技术，出现于上世纪 80 年代，它使用半控器件可控硅 SCR 来实现 电源频率变换。由于可控硅 SCR 功率元件本质性的原 因（无自关断功能），LCI 系统在其性能上，及负载或 电源使用条件上受到限制，LCI 目前仅应用于超大型同 步电机的起动上，很少有用于长期运行的传动系统中其 使用业绩在逐年减少。

随着高性能全控功率元器件 IGBT 的开发，从中小 容量开始逐渐被电压源型调速装置（VSI）所代替。进入 90 年代后，随着 6 英寸大容量全控功率元件 (IEGT/GCT) 的问世，单机 10MW 级以上的电驱动系统成为可能，高 性能的 VSI 调速装置不但取代了 LCI 系统，而且扩大了 电气驱动的适用范围，使得大容量电机的起动和变频调速 均得到了飞速发展。

在石油天然气领域的应用，VSI 大量应用于 10MW 以下的压缩机驱动，并且在 20MW 至 25MW 容量范围 的压缩机驱动领域应用也在显著增加，而且其适用的容 量范围也有增大的倾向。

3 大型压缩机传动方案介绍

3.1 三电平电压源型技术

在上世纪 90 年代，由于大容量功率器件的相继出现，从 20 世纪开始采用 (IEGT/GCT) 器件的 VSI 进入 市场，使得单机容量 10MVA 的三电平变频器得以量产。

三电平拓扑结构相对于两电平结构在性能上有很 多优势。三电平拓扑结构具有输出容量大，输出电压高 （3kV 等级），电流谐波含量小等特点，使得三电平结 构的电压源型变频器在大功率交流电机变频调速领域得 到广泛应用。

3.2 五电平电压源型技术

五电平拓扑结构以三电平为基础，通过改变单元的接线，实现输出电压（6kV 等级）和输出容量的增大。

2000 年以后的市场以电压源型变频器为主流。五电平变频器结构简单，功率器件少，而且都是采用高压 大电流的器件，可以做到市面上最大的功率等级，单机 容量最高可达 30MVA。这种调速方式效率高、能耗低、 谐波小、可靠性高，所以石油天然气的大型压缩机的变 频调速被广泛应用。

3.3 多电平低压单元串联技术

在三电平和五电平高性能变频器快速发展的同时， 在上世纪九十年代中期出现一种完美无谐波多电平结构的电压源型变频器，这种变频器谐波少，输出波形好， 相较于三电平和五电平变频器结构相对复杂，可靠性较 低。但是由于其很高的性价比，在中小功率的普通负载 （风机，泵类）的应用中被广泛采用。

4 TMEIC 公司 XL 系列五电平电压源型变频器介绍

4.1TMdrive-XL 系列的创新理念

4.1.1 先进的功率器件技术

TMEIC 是全球唯一全部采用自产功率元件的变频 器整机制造商，拥有各种专利的自产功率元件

GCT：全球最大容量功率器件（三菱专利）；

IEGT：全球最大的电压驱动型功率器件（东芝 专利）；

IGBT：新一代高压 IGBT。

4.1.2 适应性广（电压 / 容量）

全球标准电压 3.3kV 等级和 6.6kV 等级；

大容量，最高 120MVA。

4.1.3 可靠性高，性能卓越

极高的可靠性：久经考验的电路拓扑和功率器件， 冗余性；

对电网友好：高效，高功率因数，谐波失真低；

紧凑性设计：体积小；

灵活性高：全球标准的 LAN 系统、PC 监控、远程 维护。

五电平输出的切换过程如图 5 所示。

5 TMEIC 公司 XL 系列五电平电压源变频器在杨 凌液化天然气 (LNG) 项目上的应用

陕西液化天然气投资发展有限公司投资建设的杨凌 液化天然气（LNG）应急储备调峰项目是 " 气化陕西 "工程重要组成部分。项目均采用国际先进的技术工艺， 是目前国内采用引进技术单线生产能力最大的 LNG 项 目，也是我国第一个以应急调峰储备为目的的大型 LNG 调峰工厂。

在杨凌液化天然气（LNG）应急储备调峰项目上， 针对 MR 压缩机的控制，TMEIC 采用了 XL 系列水冷 五电平电压源型变频器和高压 EXP( 正压通风 ) 防爆 同步电机的变频调速控制方案。同步电机额定功率为 26500kW， 电压为 7000V。 XL85 五电平电压源型变频 器单机容量为 30MVA。机组与 2015 年已正式投运。

杨凌 LNG 项目情况介绍：

项目名称：杨凌 LNG 应急储备调峰项目液化处理 能力 200 万方；

设计院：东华工程；

工艺包：Technip；

MR 压缩机：DresserRand。

TMEIC 基于变速驱动系统（VSDS）的解决方案：

30.5MVA 油浸式变压器；

变频驱动装置 TMdrive-XL85（GCT）水冷变频器；

26.5MW 同步电机，7000V 4 极；

MR 压缩机：DresserRand；

杨凌液化天然气项目 TMEIC 变频器原理如图 6 所示。

TMdrive-XL85 基本特点如下：

36 脉冲二极管整流，输入谐波极低，不需要输入 滤波器；

电压源技术，输入功率因数很高，无需额外的功率 因数补偿装置；

5电平拓扑结构，输出线电压为 9 电平，输出波形好， 无需 dv/dt 滤波器；

采用高压 GCT 器件，5电平结构无需功率器件直 接串联就可以输出 30MVA 容量等级；

系统结构简单，逆变器件数量少（整机只有 24 个 GCT 器件）；

效率很高。

杨凌（LNG）应急储备调峰项目 MR 压缩机机组于 2015 年 10 月调试完毕，11 正式投运并且满载运行。采 用 XL 系列变频器和 TMEIC 防爆高压同步电机的电驱 方案，MR 压缩机实现了平稳调速运行并且节能效果相 当可观。

TMEIC 变频调速系统在杨凌 LNG 项目上至今运行 情况稳定良好，整个系统节能可达 30%，为用户节约了大量经济成本。 杨凌液化天然气（LNG）应急储备调峰项目存储能 力达 11 万方，气化能力达到 900 万方 / 天，大大提 然气储备调峰能力。促进天然气上游资源、中游管道、 下游用户的紧密衔接，对能源结构调整、改善大气环境、 大幅降低有害物质排放，对提高天然气供应保障能力发 挥十分重要的作用，对保证天然气的安全平稳供应及提 高天然气在一次能源中的利用率，推动区域经济协调和 可持续发展具有深远意义。

参考文献：

[1]SINAMICS 完美无谐波GH180 系列高压变频器[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压变频器 [Z].

作者简介：

金凤 （1978 年 -）毕业于上海电力学院电气工程专业

目前就职于东芝三菱电机工业系统（中国）有限公司

专注于高压大功率变频器和电机在油气行业的应用