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大功率风水冷变频器应用于核工业脉冲发电机组项目

供稿:北京合康新能科技股份有限公司 2015/3/18 14:40:57

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  • 摘要:核工业西南物理研究院建于1965年,隶属中国核工业集团公司,是我国最早从事核聚变能源开发的专业研究院;是我国磁约束核聚变领域唯一获得过国家科技进步一等奖的单位;为我国核聚变能源开发事业做出了重要贡献,在国际上享有较高的声誉。

一、项目背景

    核工业西南物理研究院建于1965年,隶属中国核工业集团公司,是我国最早从事核聚变能源开发的专业研究院;是我国磁约束核聚变领域唯一获得过国家科技进步一等奖的单位;为我国核聚变能源开发事业做出了重要贡献,在国际上享有较高的声誉。

    中国环流器二号A(HL-2A)是核工业西南物理研究院与德国马克斯�普朗克等离子体物理研究所(IPP)科技合作建设而成的磁约束核聚变实验装置;是我 国第一个具有偏滤器位形的托卡马克装置。2009年在HL-2A装置上首次实现了偏滤器位形下高约束模式运行,这是我国磁约束聚变实验研究史上具有里程碑意义的重大进展,标志着我国磁约束聚变能源开发研究综合实力与水平得到了极大的提高。

    为保证环流器二号装置(HL-2M)能量的充足供应,机组采取机械储能、脉冲放电工作方式。利用合康提供的HIVERT-Y6/1200(6kV/10000kW)高压水冷变频调速系统拖动8500kW电机进行变频调速,以满足不同工况下脉冲发电机组的启动、放电跟踪和再加速要求,并根据中央控制系统指令进行自动控制。

二、总体方案

 

    在国内此种负载用途应用属于首例,我公司非常重视,从研发到生产特别成立专项小组来完成这具有重要意义的项目,拿出公司最强的技术力量来确保此项任务的圆满完成。

    根据技术参数,选用HIVERT-Y6/1200高压变频装置,额定输出电流为1200A,适配电机功率为10000kW。由手车断路器式自动旁路柜、启动柜、主变压器柜、功率单元柜、控制柜、水循环系统、接线柜等几部分组成。

    该项目结合脉冲发电机组的工况特性,融入了全数字矢量控制、IGBT并联设计、叠层母排技术、单元制动功能、水冷散热方式等多项高端技术。

设备具备如下优势:

1.全数字矢量控制,系统采用转速、电流双闭环调速系统;电流环采用PI调节器,实现简单,并能获得较好的电流跟踪性能。速度环采用PI调节器,能有效地限制动态响应的超调量,加快响应速度。

2.IGBT并联设计,采用了选进的并联均流技术,有效提高了电流密度,具有均匀热分布、灵活布局以及较高电气性能等优势。

3.叠层母排技术,以更低的电压降实现高电流承载能力,容易散热冷却, 温升更小,可有效减少内部杂散电感减少内部寄生电感;降低尖峰电压,保护IGBT。

4.单元制动功能,有效解决变频器在减速运行或者对电机进行制动时,因电机反馈给变频器能量引起的单元母线过压问题。

5.全封闭式水循环散热方式,提高了散热效率,变频器温升小,温度恒定,有利于设备稳定运行;体积小,重量轻,结构更紧凑。

1、HIVERT-Y系列变频装置主电路图

1.1、一次回路及保护

HIVERT系列高压水冷变频器采用交-直-交直接高压(高-高)方式,主电路开关元件为IGBT,功率单元采用串联,叠波升压,充分利用高压变频器的成熟技术,具有很高的可靠性。 隔离变压器为三相干式整流变压器,风水冷。变压器原边输入可为任意电压,Y接;副边绕组数量依变频器电压等级及结构而定,6kV系列为18个,延边三角形接法,为每个功率单元提供三相电源输入。为了最大限度抑制输入侧谐波含量,同一相的副边绕组通过延边三角形接法移相,绕组间的相位差由下式计算:

移相角度 =  60�/  每相单元数量

   由于为功率单元提供电源的变压器副边绕组间有一定的相位差,从而消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流,所以HIVERT变频器输入电流的总谐波含量(THD)远小于国家标准5%的要求,并且能保持接近1的输入功率因数。三相输出Y接,得到驱动电机所需的可变频三相高压电源。右图为6kV(六单元)、变频器系列的电压叠加示意图。

   右图为六个690VAC功率单元串联时,每个功率单元输出的电压波形及其串联后输出的相电压波形示意图,可以得到6~0~-6共13个不同的电压等级。增加电压等级的同时,每个等级的电压值大为降低,从而减小了dv/dt对电机绝缘的破坏,并大大削弱了输出电压的谐波含量。

1.2、二次回路及控制

    控制系统由控制器,IO板和人机界面组成。控制器由三块光纤板,一块信号板,一块主控板和一块电源板组成。各部分之间的联系如下图HIVERT变频器控制系统结构图所示。

2、变压器柜

    高压水冷变频器采用干式移相隔离变压器。绝缘等级为H级。额定容量为12500kVA。综合考虑现场实际情况、投资、运营、可靠性及维护成本,采用风-水冷却系统方案。

风路循环为:冷却变频器后的热空气由风机从柜顶导出,通过风道循环至换热器,换热器中通有冷却水,从而使空气得以冷却降温,冷却降温后的空气再次进入变频器对变频器进行冷却,如此进行循环冷却。

水路循环为:温度较低的冷却水由换热器下部进入换热器,与循环空气换热后,由换热器上部流出。被加热后的冷却水流至冷却塔等冷却设备进行冷却,经冷却降温的冷却水经水泵再次进入换热器对循环空气进行冷却,如此循环。



3、功率单元柜

     6kV变频器每相6个功率单元串联,单元采用前侧排列方式。从右往左排列,如A相从右到左分别为A1、A2、A3、A4、A5、A6(如下图(左)所示)。同相的6个单元由铜排或电缆串联并且三相的第一个单元短接成Y接中心点,三相的第六个单元即为变频器的三相高压输出。功率单元额定电压690V,变频器的额定输入/输出电压为6kV。正面右侧为二次控制室,安装有控制器、电源开关等,用户二次接线端子也布置在控制室内。功率单元采用水冷设计,安装在导轨上,由两个M8的螺钉与导轨固定。单元柜后侧为水循环管路(如下图(右)所示),把功率单元内产生的热量带到水-水热交换器,由外水循环系统将内水热量带走。柜门内侧装有行程开关,用于柜门连锁,柜门打开时将发出告警。



3.1、单元柜水冷循环系统

水冷分内循环和外循环两部分。内循环部分,变频器功率单元采用水冷板散热,去离子水通过管道进入水冷板,将IGBT等功率元件热量传递给去离子水后,由去离子水带走,进入水-水热交换器,水-水热交换器通过和外循环水换热,把热量由外循环水带走,冷水进入单元水冷板继续循环。内水循环装置如右图所示。

4、上位控制系统

变频器与PLC控制系统通讯:变频器与PLC控制系统之间物理通讯为485通讯,通讯协议为Modbus/RTU协议,可选Profibus协议。

自动控制系统:设备监控核心采用西门子S7系列可编程控制器,结合现场传感器和设备控制接口实现电机及附属设备的逻辑控制和运行状态、参数的实时在线监测,并采用PLC冗余系统,自动切换。PLC系统实时采集高压变频器的运行状态,并实时控制变频器运行。

在线监控系统:采用大屏幕真彩液晶显示器;按照双机冗余互为备用模式设计,置专业工业控制组态软件实时显示运行工况参数,动态显示工艺流程图形和设备运行状态。

三、项目进展

    2014年4月29日,核工业西南物理研究院供电所李华俊书记,聚变所王海兵高级工程师莅临合康变频进行参观指导,与合康变频各位专家就中国环流器二号(HL-2M)项目高压水冷变频调速装置进行了技术交流。针对有速度传感矢量控制原理与实现、系统控制流程(恒流启动加速、转速保持等待、脉冲放电转速跟踪、系统再加速)与控制方式、启动与运行过程保护与联锁、水冷功率单元技术特性与性能指标、电气控制系统原理与可靠性、系统结构与工艺设计等几方面的内容进行了讨论。两位专家还参观了公司单元组装、整机装配、产品测试等关键环节。

    2014年10月6日,核工业西南物理研究院宣伟民、李华俊、胡浩天、王海兵、徐丽荣等五位专家莅临合康变频,对合康6kV/10000kW高压水冷变频调速系统进行设备出厂性能验收实验。 核工业西南物理研究院专家对HIVERT-Y6/1200(6kV/10000kW)高压水冷变频调速系统予以了充分肯定。

    此项目将于近期发货并安装调试,目前在国内高压水冷变频调速系统在磁约束核聚变实验装置脉冲发电机组的应用尚属首例;合康变频将全力以赴,努力为祖国的科研事业尽绵薄之力。

更多内容请访问 北京合康新能科技股份有限公司(http://c.gongkong.com/?cid=35604)

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