陳志勇

(廣東粵電大亞灣綜合能源有限公司，廣東惠州 516083)

0 引言

隨著國家對環(huán)保要求日趨嚴格，廣東省不斷加大環(huán)境治理的力度。廣東省政府明確要求：珠三角地區(qū)禁止新建、擴建燃煤燃油火電機組或企業(yè)燃煤燃油自備電站。廣東產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和粵港澳大灣區(qū)的建設(shè)，對廣東省、特別是珠三角地區(qū)的環(huán)保排放帶來更高要求。與常規(guī)火力發(fā)電相比，燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組具有發(fā)電效率高、環(huán)保指數(shù)好、啟停迅速、運行靈活、便于調(diào)峰等優(yōu)點。燃氣機組啟動裝置可分柴油機啟動、蒸汽啟動和變頻啟動。因SFC變頻啟動具有啟動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟等特點，大型燃機一般采用靜止變頻器啟動。

1 SFC工作原理

燃氣輪機用天然氣作為燃料燃燒，因燃氣輪機和發(fā)電機同為起動轉(zhuǎn)矩大的軸系，所以燃氣輪機無法自動啟動。與此同時，天然氣點火還需要一個約510 r/min的基本轉(zhuǎn)速。所以，機組通常需要一個外部動力來推動轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。對三菱M701F4型燃機來說，燃氣輪機組的啟動過程就是燃氣輪機和發(fā)電機的轉(zhuǎn)子從靜止狀態(tài)升速到2 000 r/min的過程，當機組轉(zhuǎn)速達到2 000 r/min時，就能產(chǎn)生足夠的動能驅(qū)動轉(zhuǎn)子繼續(xù)加速至額定轉(zhuǎn)速。

靜止變頻器(SFC)主要由隔離變壓器、平波電抗器、整流器、逆變器等設(shè)備構(gòu)成(見圖1)。SFC變頻啟動的基本原理是通過改變發(fā)電機定子磁場的頻率來改變同步轉(zhuǎn)速，使定子和轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。即三菱M701F4型燃機啟動的過程是將用發(fā)電機作為交流同步電動機使用，即在發(fā)電機定子上加入可以變化頻率的交流電流，使發(fā)電機變成一臺變頻調(diào)速電動機來驅(qū)動同軸燃氣輪機組啟動。定子交流電流由變頻器提供并按預定的速度加速起動。整個啟動過程發(fā)電機轉(zhuǎn)子都由機組所配套的勵磁裝置施加一定的勵磁電流，其電流大小與SFC裝置配合，其勵磁裝置的工作方式由SFC控制[1]。

圖1 SFC原理圖

2 SFC啟動過程

SFC啟動過程通常分為五個階段，分別是啟動加速階段、高速盤車吹掃及清洗階段、降速點火階段、加速及退出階段和并網(wǎng)控制階段，具體見圖2和表1。

表1 SFC啟動過程參數(shù)表

圖2 SFC啟動流程圖

(1) 啟動加速階段。在發(fā)電機作為同步電動機加速前，用盤車裝置使其達到一定轉(zhuǎn)速，合上SFC隔離開關(guān)和電源側(cè)斷路器。當處于逆變器運行時，必須先切換SFC電源側(cè)變流器的斷路器，然后執(zhí)行初始觸發(fā)來釋放勵磁電流控制器。建立轉(zhuǎn)子磁場在定子繞組上的感應(yīng)電壓。根據(jù)極性測量定子感應(yīng)電壓，確定轉(zhuǎn)子位置由此確定發(fā)電機側(cè)變換器的觸發(fā)順序，然后依次觸發(fā)，使發(fā)電機升速[2]。剛開始時采用脈沖換相，當同步電動機轉(zhuǎn)速到約300 r/min時，切換至負荷換相。

(2) 高速盤車、吹掃及清洗階段。為了預防天然氣點火的時候發(fā)生爆燃現(xiàn)象，需要在點火前將發(fā)電機轉(zhuǎn)速保持750 r/min時進行吹掃和清洗工作，在這個階段，SFC的輸出電流和轉(zhuǎn)速保持不變。

(3) 降速點火階段。吹掃和清洗完成后，SFC裝置會自動把轉(zhuǎn)速從750 r/min降低至510 r/min，配合燃機點火啟動，此時，發(fā)電機的電流和電壓降為0。當發(fā)電機轉(zhuǎn)速達到510 r/min后，TCS系統(tǒng)發(fā)點火令。

(4) 加速及退出階段。點火成功后，燃氣燃燒產(chǎn)生的熱能由渦輪轉(zhuǎn)化為動能，SFC和燃氣輪機共同驅(qū)動機組加速。當發(fā)電機轉(zhuǎn)速達到2 000 r/min時，SFC的輸出電流和勵磁電流為0。相應(yīng)的斷路器跳閘，SFC和勵磁退出，燃機將轉(zhuǎn)速拉升至3 000 r/min。

(5) 并網(wǎng)控制階段。在燃氣輪機的帶動下，發(fā)電機轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加。當轉(zhuǎn)速達到為3 000 r/min時，如果定子上的殘余電壓達到勵磁電壓時，剩余電壓通過連接到發(fā)電機出口的主勵磁變壓器進行降壓整流，提供勵磁電流，發(fā)電機可以實現(xiàn)自啟動；如果剩余電壓達不到勵磁電壓，則必須采用220 V直流電源啟動勵磁。當勵磁系統(tǒng)投入運行后，發(fā)電機開始輸出電壓，當滿足同期條件時，合上發(fā)電機出口斷路器，機組進入并網(wǎng)發(fā)電狀態(tài)。

3 SFC啟動特點

3.1 整流器運行(見圖3)

圖3 整流原理圖

整流器側(cè)的直流電壓U1調(diào)整到稍微大于逆變器側(cè)的直流電壓U2。直流電流I=(U1-U2)/R，通過整流器的相控，調(diào)節(jié)輸出直流電壓為任意值。

(1) 當整流器的觸發(fā)延遲角θ為30°時：

(2) 當整流器的觸發(fā)延遲角θ為90°時：

U1=1.35×U0×cosθ=0

(3) 當整流器的觸發(fā)延遲角θ為120°時：

式中：U1為輸出直流電壓；U0為輸入交流電壓。

當整流器觸發(fā)延遲角θ為30°至90°時，直流電壓輸出U1正值，此時為整流器運行；當整流器觸發(fā)延遲角θ為120°時，直流電壓輸出U1負值，此時為逆變器運行。

3.2 逆變器運行

逆變器根據(jù)安裝在發(fā)電機轉(zhuǎn)軸上的位置傳感器提供的位置信號依次實現(xiàn)換相[3]。

(1) 脈沖換相。在SFC啟動初期，當發(fā)電機沒有足夠的電壓輸出來實現(xiàn)逆變器換相時，必須每隔60°強制整流器切斷電流，使逆變器切斷換向，這種換相方法稱為脈沖換相。當發(fā)電機啟動前，轉(zhuǎn)子已經(jīng)勵磁，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中會在發(fā)電機定子繞組上感應(yīng)電壓。當發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁極和定子繞組作切割時，就會產(chǎn)生感應(yīng)電壓。所以，隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，在定子的三相繞組上就會產(chǎn)生不同相位的正弦電壓波形。機組啟動初期，由于發(fā)電機電壓過低，逆變側(cè)可控硅無法斷開，所以在啟動的初期過程中，將采用強制換相措施，即所謂的脈沖運行控制方式。

(2) 自然換相，又稱為負載換相。當發(fā)電機的速度達到約225 r/min時，SFC將自動進入負載換相模式。此時，發(fā)電機已經(jīng)能夠提供足夠的反電動勢來停止和完成逆變器的換相。當發(fā)電機轉(zhuǎn)速處于F>5 Hz的高速啟動階段時，由于機組轉(zhuǎn)速的提高，終端電壓和頻率也會升高，逆變側(cè)的輸出交流電壓也會增加。此時，元件已進入碳化硅輸出交流電壓，進入自然換相工作狀態(tài)。在這一階段，不需要依靠強制信號來觸發(fā)?？刂破鞲鶕?jù)轉(zhuǎn)矩整定值和頻率參考值，通過測量發(fā)電機側(cè)和線路側(cè)的電壓和電流，控制發(fā)電機側(cè)和線路側(cè)的觸發(fā)脈沖，調(diào)整SFC輸出電流的頻率。

3.3 發(fā)電機加速原理

SFC剛開始啟動時，由于發(fā)電機作為同步電動機運行，所以SFC的輸出和發(fā)電機定子線圈相連。通常利用位置傳感器來檢測發(fā)電機轉(zhuǎn)子的位置信號，并施加逆變器的觸發(fā)信號。逆變器換相頻率為60°，每個晶閘管的導通周期為120°。每到一個換相點，發(fā)電機定子產(chǎn)生的磁場旋轉(zhuǎn)60°。另一方面，發(fā)電機的轉(zhuǎn)子通過勵磁系統(tǒng)激磁而變成磁體。定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場作用于磁體轉(zhuǎn)子，結(jié)果發(fā)電機就通過SFC加速旋轉(zhuǎn)[4]。

3.4 SFC退出運行

SFC通過采集發(fā)電機轉(zhuǎn)子上位置傳感器的轉(zhuǎn)速信號來判斷是否需要退出運行。當SFC監(jiān)測到發(fā)電機轉(zhuǎn)速達到2 000 r/min時，SFC將根據(jù)邏輯斷開相應(yīng)的開關(guān)和刀閘，將SFC安全停運。

3.5 SFC控制模式

SFC系統(tǒng)在運行過程中是由SFC控制柜按照預定的程序進行順序控制的，由于在不同階段所控制的參數(shù)不同，所以可分為“電流控制方式”和“轉(zhuǎn)速控制方式”[5]。發(fā)電機啟動加速、降速點火、加速和退出階段中采用電流控制方式，發(fā)電機處于高速盤車及吹掃階段采用轉(zhuǎn)速控制方式，SFC調(diào)整提供給發(fā)電機的電樞電流，以確保發(fā)電機轉(zhuǎn)速恒定。

4 SFC啟動過程中需注意的問題

4.1 SFC與發(fā)變組保護之間的配合

與常規(guī)燃煤機組相比，燃氣輪機機組有一定的特殊性。由于SFC的存在，燃氣輪機組發(fā)電機在SFC啟動過程中處于低頻同步電機模式，這對保護配置就提出了新的要求。發(fā)電機在啟動過程中，因頻率較低，發(fā)電機常規(guī)保護在相間故障時可能拒動，所以需考慮增加低頻過流保護，避免SFC啟動過程中出現(xiàn)相間故障時發(fā)生保護拒動。在變頻啟動過程中，發(fā)電機的頻率隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化。因此，有必要增加適用于低頻過程的零序電壓定子接地保護。為了保護SFC啟動回路，在SFC啟動過程中設(shè)置過電壓保護，通過發(fā)電機出口斷路器的位置和SFC輸出隔離開關(guān)的輔助接點來保護雙重閉鎖。同時，為防止SFC啟動過程中保護誤動，需要閉鎖發(fā)電機差動保護、逆功率保護、低頻保護和發(fā)電機過勵磁保護，確保SFC安全高效啟動。

4.2 SFC直流側(cè)接地的影響

燃機發(fā)電機在啟動過程中，SFC作為啟動設(shè)備和發(fā)電機連接，SFC的整流器出線側(cè)和逆變器進線側(cè)之間是直流回路。當在SFC直流回路發(fā)生接地故障時，則直流故障電流將流過發(fā)電機主回路，會有非常大的直流故障電流流過配電變壓器，由于配電變壓器容量較小，很可能在極短時間內(nèi)被燒毀。為了預防SFC直流側(cè)發(fā)生接地故障導致發(fā)電機中性點接地變壓器被燒壞，在投入SFC前，可采用斷開發(fā)電機中性點接地刀閘的方法。當SFC直流側(cè)發(fā)生接地故障時，因為發(fā)電機中性點接地刀閘處于斷開位置，不會產(chǎn)生很大的故障電流。

4.3 SFC的諧波抑制

SFC主要由晶閘管等非線性電子元件構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)和元器件特性就決定了它是一個諧波源。因此，消除和抑制諧波是SFC必須面臨的問題。從理論上講，脈沖數(shù)越大，SFC的低頻次諧波越小，對SFC裝置所在供電系統(tǒng)的影響也越小。系統(tǒng)短路容量越大，諧波負荷越大，諧波源的工作時間越短。因此，在實際的SFC選型中，脈沖數(shù)的確定基于兩個原則：一是系統(tǒng)的短路容量，二是工作時間。燃氣輪機SFC的電源主要來自6 kV供電回路，因此其公共耦合點(PCC)位于6 kV電源上。

通常SFC工作時間至少為30 min，且廠用6 kV系統(tǒng)短路容量一般約為20 MVA。若SFC采用12-6脈沖模式，可不裝設(shè)諧波濾波器。若SFC采用6-6脈沖模式，SFC的低頻段次諧波(5次、7次)對所在的電網(wǎng)影響非常大[6]。因此，通常在SFC的輸入側(cè)配置諧波濾波器，濾除大部分諧波，減小對電網(wǎng)的污染。常用的濾波器有無源濾波器、有源濾波器和混合濾波器。由于SFC裝置工作電壓高、諧波電流大，諧波次數(shù)主要是5次和7次，因此，采用無源濾波器是比較經(jīng)濟實用的方案[7]。

5 結(jié)論

隨著國家能源政策的調(diào)整和廣東省對環(huán)保要求不斷提高，燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組已成為廣東珠三角地區(qū)主力電源。SFC作為燃機啟動的關(guān)鍵設(shè)備，熟練掌握SFC的工作原理、啟動過程、啟動特點和啟動過程中需要注意的問題，有利于運維人員快速掌握SFC，對燃機運維人員有至關(guān)重要的意義。