大功率高压变频器在LNG接收站中的应用研究

大功率高压变频器在LNG接收站中的应用研究

王志磊

国家管网集团天津液化天然气有限责任公司    天津市滨海新区    300452

摘要：在LNG接收站建设中，对高压电机类设备的应用比较普遍，例如LNG 罐内低压泵、高压外输泵、海水泵、BOG 压缩机等设备。这些设备的启动与运行会对接收站内的配电系统以及设备的安全性产生影响，为了保证设备的稳定性，需要对大功率高压变频器进行应用，实现节能环保目标。在此次研究中，主要对大功率高压变频器的运行特点进行研究，并从变频器的设计要点出发明确其应用情况，对大功率高压变频器在LNG接收站的节能环保效益。以期为类似电气应用提供参考。

关键词：大功率高压变频器；LNG接收站；海水泵

前言

在LNG接收站运行中，主要依靠各种高压机电设备，这些设备本身对配电系统的要求比较高。目前，在LNG接收站各类设备运行中，高压外输泵、海水泵、BOG 压缩机等设备会直接影响LNG接收站的安全性与稳定性，也会对LNG接收站的节能环保效益产生影响。因此，需要根据LNG接收站的实际情况对各类设备进行智能控制与管理，提升LNG接收站的自动化水平与节能效果。而大功率高压变频器在运行中可以根据接收站的具体运行需求对不同设备的运行电压进行调节，可以在保证设备正常安全运行的基础上，降低电能消耗，符合LNG接收站可持续发展需求。

1大功率高压变频器的特点

1.1大功率高压变频器的运行原理

大功率高压变频器每相包括多个功率单元，这些功率单元为串联形式，可以实现叠波升压。不同的功率单元主要是由隔离变压器提供独立移相电源，可以对串联的功率单元数量进行调整，达到控制电压等级的目的。通常在变频器运行过程中，功率单元可以进行交流、直流、交流轮换运行，主电路开关元件主要为IGBT[1]。变频器的主回路原理图见图1。

在本次研究过程中，LNG接收站采用的大功率高压变频器的功率为6kV-1800kW。为了明确其是否可以在LNG接收站使用，需要对高压机电设备海水泵的性能进行分析，经过计算，海水泵的轴功率988kW，配套功率为1250kW。未超过大功率高压变频器功率。因此，变频器可以在接收站运行过程中发挥作用。

图1变频器主回路原理图

1.2大功率高压变频器的特点

此次选择的变频器可以在-5℃到40℃的环境中运行，不需要进行降容处理。并且变频器本身带有良好的散热性能，可以保证变频器在运行中的安全性，避免因为高温对变频器产生负面影响。变频器的后期维护和清理难度都比较低，有较强的电网适应能力，可以在10%到-25%的额定电压下长时间稳定运行。在对变频器进行设计时，功率单元的设计标准为标准符合的120%负载能力，全部电子器件都符合国家相关标准，可靠性比较高，可以直接输出6kV或10kV高压，也不需要改动电机。变频器在运行中的正反转速跟踪功能比较突出，可以对变频器的工况进行动态监测，避免出现突发情况。

2大功率高压变频器在LNG接收站中的应用

2.1变频器的控制器设计

在对变频器进行设计时，需要重视控制器设计，这是保证大功率高压变频器在LNG接收站可以充分发挥作用的关键。在具体的设计中，要考虑到BOG压缩机的运行要求。该压缩机是往复式压缩机，具有恒转矩的特点，对起动转矩的要求比较高。在变频器控制器设计中，可以通过有PID控制的恒转矩类变频器实现变频控制目标。控制器的主要组成包括断路器、变频器、PID 控制器、控制电路，可以对压缩机的不同起动进行有效控制[2]。

除了控制器设计，还需要根据接收站内高压机电设备的实际运行需求对变频器控制柜进行设计。控制柜是整个高压变频调速系统的关键部位，在整个变频控制过程中，几乎所有功能都需要借助控制柜实现。在控制柜设计中，需要保证电机处于最优运行状态。具体的设备包括以下内容：

（1）控制柜组成设计。在控制柜设计中，主要结构包括DSP/FPGA 高速处理器、人机操作界面、 PLC 等。在设计时，需要从这些层面出发保证设计效果。

（2）人机界面设计。这一环节的设计主要是保证人机界面的便捷性与简洁性，需要提供全中文监控以及操作界面，方便工作人员根据实际需求进行远程监控与控制。

（3）DSP/FPGA设计。这一部分设计的主要目的是通过PWM控制算法对变频器进行智能化控制，完成控制柜内的开关信号逻辑处理工作，与用户现场灵活接口，满足用户的个性化需求。

（4）可编程控制器设计。在设计时，需要利用PLC可编程控制器对不同开关类逻辑信号、用户现场控制系统流信号以及状态信号等进行全面分析和处理，使变频调速系统可以根据用户需求进行扩展和优化[3]。

2.2节能效益分析

针对此次研究的大功率高压变频器，对在LNG接收站的运行效益进行分析。主要是在不同启动模式下，统一电流大小的情况对高压机电设备的能耗进行计算。如果启动模式和启动电流不同，只有单台或者少量机电设备运行，不需要考虑变频器对设备的影响。

在实际计算时，根据LNG 接收站的实际情况，BOG压缩机功率为720kW，额定频率为50HZ，在正常状态下单台运行，假设每一台BOG压缩机的负荷为75%，每天运行8小时，变频器运行后的频率为40HZ。带负荷50%持续运行16小时的情况下，频率为20HZ，每年运转300天，可计算出节电量为4078080 kW·h，每度电按照 0.7 元计算，则每年共节约的电费大约为285万。因此，大功率高压变频器在LNG接收站的节能效益比较突出，具有可行性。

结束语

总而言之，在当前的LNG接收站建设过程中，为了实现节能环保目标，同时保证高压机电设备的安全性，可以对大功率高压变频器进行应用。这对保证接收站供配电系统的稳定性以及机电设备的长久性能有重要意义。从节能角度出发，大功率高压变频器的应用可以节省接收站的电能消耗，具有突出的节能效益与经济效益。

参考文献：

[1]韩燕清.关于高压变频器在介质泵中的应用研究[J].机械管理开发, 2020, 35(8):2.

[2]路文文,魏西平.高压变频器在LNG接收站海水泵上节能应用分析[J].变频器世界,2020(9):71-74

[3]郝永林.单元串联多电平国产高压变频器在天然气处理终端中的应用[J].产业科技创新, 2022(002):004.