1 概述 

在石油天然氣行業，大功率壓縮機被廣泛應用。隨著電力電子技術的發展，大功率傳動方案漸漸取代機械控制方案，被大量應用到大型壓縮機的驅動中。相比于機械控制方案，電驅方案有著可靠性高、有效節約能源、顯著減少維護、消除空氣和噪聲污染等各方面的優勢。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構，采用全球最大容量的功率器件，單機容量可達30MVA，適合于大型天然氣壓縮機的應用。

2 大容量變頻技術的現狀與發展 

大容量變頻技術的發展是隨著電力電子技術和控制 理論的發展而同步發展起來的。隨著功率器件的不斷研發創新，大容量的變頻器的應用得以不斷的發展。

從圖 1 可以看出，功率器件的發展分別基于晶體管 （Transistor Devices）和晶閘管 (Thyristor Devices) 的 基礎發展起來的，功率器件是變頻器的核心。基于晶體 管的技術其驅動是電壓控制型的，基于晶閘管的技術其 驅動是電流驅動型的。 

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

隨著高性能全控功率元器件 IGBT 的開發，從中小 容量開始逐漸被電壓源型調速裝置（VSI）所代替。進入 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 10MW 級以上的電驅動系統成為可能，高 性能的 VSI 調速裝置不但取代了 LCI 系統，而且擴大了 電氣驅動的適用范圍，使得大容量電機的起動和變頻調速 均得到了飛速發展。 

在石油天然氣領域的應用，VSI 大量應用于 10MW 以下的壓縮機驅動，并且在 20MW 至 25MW 容量范圍 的壓縮機驅動領域應用也在顯著增加，而且其適用的容 量范圍也有增大的傾向。

3 大型壓縮機傳動方案介紹 

3.1 三電平電壓源型技術

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

三電平拓撲結構相對于兩電平結構在性能上有很 多優勢。三電平拓撲結構具有輸出容量大，輸出電壓高 （3kV 等級），電流諧波含量小等特點，使得三電平結 構的電壓源型變頻器在大功率交流電機變頻調速領域得 到廣泛應用。

3.2 五電平電壓源型技術

五電平拓撲結構以三電平為基礎，通過改變單元的接線，實現輸出電壓（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。五電平變頻器結構簡單，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 容量最高可達 30MVA。這種調速方式效率高、能耗低、 諧波小、可靠性高，所以石油天然氣的大型壓縮機的變 頻調速被廣泛應用。 

3.3 多電平低壓單元串聯技術

在三電平和五電平高性能變頻器快速發展的同時， 在上世紀九十年代中期出現一種完美無諧波多電平結構的電壓源型變頻器，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構相對復雜，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載 （風機，泵類）的應用中被廣泛采用。

4 TMEIC 公司 XL 系列五電平電壓源型變頻器介紹

4.1TMdrive-XL 系列的創新理念 

4.1.1 先進的功率器件技術 

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

GCT：全球最大容量功率器件（三菱專利）； 

IEGT：全球最大的電壓驅動型功率器件（東芝 專利）；

IGBT：新一代高壓 IGBT。 

4.1.2 適應性廣（電壓 / 容量） 

全球標準電壓 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：久經考驗的電路拓撲和功率器件， 冗余性； 

對電網友好：高效，高功率因數，諧波失真低； 

緊湊性設計：體積小； 

靈活性高：全球標準的 LAN 系統、PC 監控、遠程 維護。 

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) 項目上的應用

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

在楊凌液化天然氣（LNG）應急儲備調峰項目上， 針對 MR 壓縮機的控制，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 ) 防爆 同步電機的變頻調速控制方案。同步電機額定功率為 26500kW， 電壓為 7000V。 XL85 五電平電壓源型變頻 器單機容量為 30MVA。機組與 2015 年已正式投運。 

楊凌 LNG 項目情況介紹： 

項目名稱：楊凌 LNG 應急儲備調峰項目液化處理 能力 200 萬方； 

設計院：東華工程； 

工藝包：Technip； 

MR 壓縮機：DresserRand。 

TMEIC 基于變速驅動系統（VSDS）的解決方案： 

30.5MVA 油浸式變壓器； 

變頻驅動裝置 TMdrive-XL85（GCT）水冷變頻器； 

26.5MW 同步電機，7000V 4 極； 

MR 壓縮機：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，輸入功率因數很高，無需額外的功率 因數補償裝置； 

5電平拓撲結構，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電平結構無需功率器件直 接串聯就可以輸出 30MVA 容量等級；

系統結構簡單，逆變器件數量少（整機只有 24 個 GCT 器件）； 

效率很高。 

楊凌（LNG）應急儲備調峰項目 MR 壓縮機機組于 2015 年 10 月調試完畢，11 正式投運并且滿載運行。采 用 XL 系列變頻器和 TMEIC 防爆高壓同步電機的電驅 方案，MR 壓縮機實現了平穩調速運行并且節能效果相 當可觀。 

TMEIC 變頻調速系統在楊凌 LNG 項目上至今運行 情況穩定良好，整個系統節能可達 30%，為用戶節約了大量經濟成本。 楊凌液化天然氣（LNG）應急儲備調峰項目存儲能 力達 11 萬方，氣化能力達到 900 萬方 / 天，大大提升天 然氣儲備調峰能力。促進天然氣上游資源、中游管道、 下游用戶的緊密銜接，對能源結構調整、改善大氣環境、 大幅降低有害物質排放，對提高天然氣供應保障能力發 揮十分重要的作用，對保證天然氣的安全平穩供應及提 高天然氣在一次能源中的利用率，推動區域經濟協調和 可持續發展具有深遠意義。

參考文獻：

[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 -）畢業于上海電力學院電氣工程專業 

目前就職于東芝三菱電機工業系統（中國）有限公司 

專注于高壓大功率變頻器和電機在油氣行業的應用