1. 引言
主泵变频器是三代非能动压水堆核电厂AP1000的关键单点失效电气设备，为主泵提供频率电压变换和限制主泵启动电流等功能，是主泵供电的唯一电源。任意一台主泵变频器非预期失效，将在1.1s内触发反应堆低流量停堆信号，导致非计划停堆。
图1 四台主泵/机组
图2 主泵原60Hz供电一次系统图
山东核电1、2号机组是世界首批三代非能动压水堆AP1000核电机组，也是我国三代核电自主化依托项目。自2018年首台机组商运以来，多次发生配套进口变频器故障导致的非计划停堆，为核电机组带来安全隐患，并造成了巨大直接经济损失。因此，解决主泵变频器“卡脖子”难题，进一步提升设备可靠性、保障核电运行安全迫在眉睫。
2. 系统方案概述
2022年，山东核电有限公司、上海核工程研究设计院股份有限公司、上海能传电气有限公司开展合作，于2023年成功研制出非能动三代核电AP1000主泵变频器。
原AP1000主泵电源系统设计如下图所示：
图3 原系统：一拖一，无热备机
基于AP1000核电堆型的主泵电源配置，对原有主泵电源（四台在运变频器）进行改造，增加一台变频器EV-71作为公共热备用电源。改造后一次系统方案图如下：
图4 四用一备系统拓扑方案
在任意一台主泵变频器故障状态下，实现公共热备用变频器快速切换（备机投入）。故障后修复的变频器可以通过回切技术恢复投入运行（备用变频器恢复备用），同时，在回切失败的极端工况下，备机还可重新投入。极大提高了主泵变频器运行可靠性与备用主泵变频器切换的灵活性，进一步提升了AP1000核电机组运行可靠性与经济性。
3. 主泵变频器基本配置
4. 主泵变频器实物
图5 主泵变频器整机实物
4.1 低压配电及高压预充电柜
低压配电柜内集成了多路380V风机动力电源和220V控制电源，完成自动切换后，分配给主泵变频器各功能板块。
预充电电路采用高压预充电方案，由预充电电阻和预充电旁路断路器并联组成。变频器上高压前，通过预充电电阻为功率单元的直流电容预充电，可有效降低高压合闸瞬间的励磁涌流，减少对高压电网的冲击。
4.2 变压器柜及空水冷
变压器柜内装有干式移相整流变压器，额定容量为12000kVA。一次侧为10.5kV电压输入，二次侧为9组1650V电压输出，为9个功率单元提供电源。
为从根本上解决变压器漏水问题，采用空水冷冷却方式，将干式变压器产生的热量，通过外部冷却水带走。柜顶冷却风机冗余设计，且可在线更换。
4.3 功率单元柜
功率单元柜是变频器的核心部件。每台变频器每相由3个功率单元串联组成，3相共9个功率单元。每个功率单元都是三相输入、单相输出的交直交电压源型逆变器，每相的3个功率单元，形成7相电平输出。极端工况下，旁路2个功率单元仍可满载输出。
4.4 控制柜
控制柜包含主控板、PLC、人机界面HMI等。其中，主控板、光纤、输入/输出电流和电压采样均采用冗余设计，典型切换时间<1ms。
4.5 水冷柜
恒定压力和流速的冷却介质源源不断地流经换热器，进行热交换，将主泵变频器功率单元回路产生的热量带走。其中，冷却泵、离子罐、板式换热器、氮气瓶、关键仪器仪表等均采用冗余设计。
5. 主泵变频器国产化里程碑
为提升AP1000核电机组主泵供电可靠性，上海能传电气有限公司助力山东核电一步一个脚印，实施主泵变频器国产化“三步走”战略，为我国同类型机组提供了可复制、可推广的“山核方案”。
2023年10月至11月，完成了1、2号机组"四用一备”改造，每台机组增加一台备用国产化主泵变频器。
2024年9月，首台主泵变频器国产化替代在2号机组改造完成，并通过实际应用充分验证了该技术路线的可行性和正确性。
2025年10月，完成2号机组剩余3台主泵变频器国产化替代，满负荷各项试验一次成功，成为我国首个完全依靠国产化主泵变频器带载运行的AP1000机组。
计划2026年上半年，完成1号机组剩余4台主泵变频器国产化替代。
6. 主备机切换关键技术指标
6.1 设备编码
6.2 工况一：主机故障切备机
EV-31/41/51/61主机带主泵运行至额定工况点，备机处于热备机状态。模拟主机故障，分断故障主机对应输出开关，待故障主机输出开关完全断开后，闭合备机EV-71输出开关，备机EV-71输出开关闭合后，备机EV-71首先根据电机的剩磁电压采样进行锁相跟踪，待锁相环跟踪有效后，可直接输出转矩运行。从故障至转速止跌总时间不超过400ms。
图6 主机故障切备机
6.3 工况二：备机回切主机
故障主机修复后，无需停机，可直接实现在线备机回切主机。回切时间≤30ms。
图7 备机回切主机
7. 获奖情况
2024年，列入国家能源局能源领域首台（套）重大技术装备名单。
2025年，获得中国核能行业协会科技进步二等奖。
8. 结束语
AP1000核电主泵变频器供电系统采用四用一备方案，任意一台主泵变频器故障，热备用变频器可在360ms-700ms内快速自动接管，大幅提高了主泵供电可靠性。故障后修复的主泵变频器可以在30ms内通过回切技术再次投入运行，备用变频器恢复热备状态。
主泵变频器主控系统采用冗余设计，主备控制系统典型切换时间小于1ms，且可在线更换，该技术处于国际领先地位，可保证机组长期连续稳定运行，极大提升了主泵变频器本体可靠性。
山东核电一期工程国产化改造的工程实践，充分验证了该技术路线的可行性和正确性。可在国内AP1000/CAP1000主泵供电系统推广应用。
