燃机电厂SFC启动特点探讨

陈志勇

(广东粤电大亚湾综合能源有限公司，广东惠州 516083)

0 引言

随着国家对环保要求日趋严格，广东省不断加大环境治理的力度。广东省政府明确要求：珠三角地区禁止新建、扩建燃煤燃油火电机组或企业燃煤燃油自备电站。广东产业结构的调整和粤港澳大湾区的建设，对广东省、特别是珠三角地区的环保排放带来更高要求。与常规火力发电相比，燃气—蒸汽联合循环机组具有发电效率高、环保指数好、启停迅速、运行灵活、便于调峰等优点。燃气机组启动装置可分柴油机启动、蒸汽启动和变频启动。因SFC变频启动具有启动平稳、结构简单、技术成熟等特点，大型燃机一般采用静止变频器启动。

1 SFC工作原理

燃气轮机用天然气作为燃料燃烧，因燃气轮机和发电机同为起动转矩大的轴系，所以燃气轮机无法自动启动。与此同时，天然气点火还需要一个约510 r/min的基本转速。所以，机组通常需要一个外部动力来推动转轴旋转。对三菱M701F4型燃机来说，燃气轮机组的启动过程就是燃气轮机和发电机的转子从静止状态升速到2 000 r/min的过程，当机组转速达到2 000 r/min时，就能产生足够的动能驱动转子继续加速至额定转速。

静止变频器(SFC)主要由隔离变压器、平波电抗器、整流器、逆变器等设备构成(见图1)。SFC变频启动的基本原理是通过改变发电机定子磁场的频率来改变同步转速，使定子和转子之间产生的电磁转矩驱动转子同步旋转。即三菱M701F4型燃机启动的过程是将用发电机作为交流同步电动机使用，即在发电机定子上加入可以变化频率的交流电流，使发电机变成一台变频调速电动机来驱动同轴燃气轮机组启动。定子交流电流由变频器提供并按预定的速度加速起动。整个启动过程发电机转子都由机组所配套的励磁装置施加一定的励磁电流，其电流大小与SFC装置配合，其励磁装置的工作方式由SFC控制[1]。

图1 SFC原理图

2 SFC启动过程

SFC启动过程通常分为五个阶段，分别是启动加速阶段、高速盘车吹扫及清洗阶段、降速点火阶段、加速及退出阶段和并网控制阶段，具体见图2和表1。

表1 SFC启动过程参数表

图2 SFC启动流程图

(1) 启动加速阶段。在发电机作为同步电动机加速前，用盘车装置使其达到一定转速，合上SFC隔离开关和电源侧断路器。当处于逆变器运行时，必须先切换SFC电源侧变流器的断路器，然后执行初始触发来释放励磁电流控制器。建立转子磁场在定子绕组上的感应电压。根据极性测量定子感应电压，确定转子位置由此确定发电机侧变换器的触发顺序，然后依次触发，使发电机升速[2]。刚开始时采用脉冲换相，当同步电动机转速到约300 r/min时，切换至负荷换相。

(2) 高速盘车、吹扫及清洗阶段。为了预防天然气点火的时候发生爆燃现象，需要在点火前将发电机转速保持750 r/min时进行吹扫和清洗工作，在这个阶段，SFC的输出电流和转速保持不变。

(3) 降速点火阶段。吹扫和清洗完成后，SFC装置会自动把转速从750 r/min降低至510 r/min，配合燃机点火启动，此时，发电机的电流和电压降为0。当发电机转速达到510 r/min后，TCS系统发点火令。

(4) 加速及退出阶段。点火成功后，燃气燃烧产生的热能由涡轮转化为动能，SFC和燃气轮机共同驱动机组加速。当发电机转速达到2 000 r/min时，SFC的输出电流和励磁电流为0。相应的断路器跳闸，SFC和励磁退出，燃机将转速拉升至3 000 r/min。

(5) 并网控制阶段。在燃气轮机的带动下，发电机转速继续增加。当转速达到为3 000 r/min时，如果定子上的残余电压达到励磁电压时，剩余电压通过连接到发电机出口的主励磁变压器进行降压整流，提供励磁电流，发电机可以实现自启动；如果剩余电压达不到励磁电压，则必须采用220 V直流电源启动励磁。当励磁系统投入运行后，发电机开始输出电压，当满足同期条件时，合上发电机出口断路器，机组进入并网发电状态。

3 SFC启动特点

3.1 整流器运行(见图3)

图3 整流原理图

整流器侧的直流电压U1调整到稍微大于逆变器侧的直流电压U2。直流电流I=(U1-U2)/R，通过整流器的相控，调节输出直流电压为任意值。

(1) 当整流器的触发延迟角θ为30°时：

(2) 当整流器的触发延迟角θ为90°时：

U1=1.35×U0×cosθ=0

(3) 当整流器的触发延迟角θ为120°时：

式中：U1为输出直流电压；U0为输入交流电压。

当整流器触发延迟角θ为30°至90°时，直流电压输出U1正值，此时为整流器运行；当整流器触发延迟角θ为120°时，直流电压输出U1负值，此时为逆变器运行。

3.2 逆变器运行

逆变器根据安装在发电机转轴上的位置传感器提供的位置信号依次实现换相[3]。

(1) 脉冲换相。在SFC启动初期，当发电机没有足够的电压输出来实现逆变器换相时，必须每隔60°强制整流器切断电流，使逆变器切断换向，这种换相方法称为脉冲换相。当发电机启动前，转子已经励磁，转子在旋转过程中会在发电机定子绕组上感应电压。当发电机转子磁极和定子绕组作切割时，就会产生感应电压。所以，随着转子的旋转，在定子的三相绕组上就会产生不同相位的正弦电压波形。机组启动初期，由于发电机电压过低，逆变侧可控硅无法断开，所以在启动的初期过程中，将采用强制换相措施，即所谓的脉冲运行控制方式。

(2) 自然换相，又称为负载换相。当发电机的速度达到约225 r/min时，SFC将自动进入负载换相模式。此时，发电机已经能够提供足够的反电动势来停止和完成逆变器的换相。当发电机转速处于F>5 Hz的高速启动阶段时，由于机组转速的提高，终端电压和频率也会升高，逆变侧的输出交流电压也会增加。此时，元件已进入碳化硅输出交流电压，进入自然换相工作状态。在这一阶段，不需要依靠强制信号来触发。控制器根据转矩整定值和频率参考值，通过测量发电机侧和线路侧的电压和电流，控制发电机侧和线路侧的触发脉冲，调整SFC输出电流的频率。

3.3 发电机加速原理

SFC刚开始启动时，由于发电机作为同步电动机运行，所以SFC的输出和发电机定子线圈相连。通常利用位置传感器来检测发电机转子的位置信号，并施加逆变器的触发信号。逆变器换相频率为60°，每个晶闸管的导通周期为120°。每到一个换相点，发电机定子产生的磁场旋转60°。另一方面，发电机的转子通过励磁系统激磁而变成磁体。定子产生的旋转磁场作用于磁体转子，结果发电机就通过SFC加速旋转[4]。

3.4 SFC退出运行

SFC通过采集发电机转子上位置传感器的转速信号来判断是否需要退出运行。当SFC监测到发电机转速达到2 000 r/min时，SFC将根据逻辑断开相应的开关和刀闸，将SFC安全停运。

3.5 SFC控制模式

SFC系统在运行过程中是由SFC控制柜按照预定的程序进行顺序控制的，由于在不同阶段所控制的参数不同，所以可分为“电流控制方式”和“转速控制方式”[5]。发电机启动加速、降速点火、加速和退出阶段中采用电流控制方式，发电机处于高速盘车及吹扫阶段采用转速控制方式，SFC调整提供给发电机的电枢电流，以确保发电机转速恒定。

4 SFC启动过程中需注意的问题

4.1 SFC与发变组保护之间的配合

与常规燃煤机组相比，燃气轮机机组有一定的特殊性。由于SFC的存在，燃气轮机组发电机在SFC启动过程中处于低频同步电机模式，这对保护配置就提出了新的要求。发电机在启动过程中，因频率较低，发电机常规保护在相间故障时可能拒动，所以需考虑增加低频过流保护，避免SFC启动过程中出现相间故障时发生保护拒动。在变频启动过程中，发电机的频率随着转速的变化而变化。因此，有必要增加适用于低频过程的零序电压定子接地保护。为了保护SFC启动回路，在SFC启动过程中设置过电压保护，通过发电机出口断路器的位置和SFC输出隔离开关的辅助接点来保护双重闭锁。同时，为防止SFC启动过程中保护误动，需要闭锁发电机差动保护、逆功率保护、低频保护和发电机过励磁保护，确保SFC安全高效启动。

4.2 SFC直流侧接地的影响

燃机发电机在启动过程中，SFC作为启动设备和发电机连接，SFC的整流器出线侧和逆变器进线侧之间是直流回路。当在SFC直流回路发生接地故障时，则直流故障电流将流过发电机主回路，会有非常大的直流故障电流流过配电变压器，由于配电变压器容量较小，很可能在极短时间内被烧毁。为了预防SFC直流侧发生接地故障导致发电机中性点接地变压器被烧坏，在投入SFC前，可采用断开发电机中性点接地刀闸的方法。当SFC直流侧发生接地故障时，因为发电机中性点接地刀闸处于断开位置，不会产生很大的故障电流。

4.3 SFC的谐波抑制

SFC主要由晶闸管等非线性电子元件构成，其结构和元器件特性就决定了它是一个谐波源。因此，消除和抑制谐波是SFC必须面临的问题。从理论上讲，脉冲数越大，SFC的低频次谐波越小，对SFC装置所在供电系统的影响也越小。系统短路容量越大，谐波负荷越大，谐波源的工作时间越短。因此，在实际的SFC选型中，脉冲数的确定基于两个原则：一是系统的短路容量，二是工作时间。燃气轮机SFC的电源主要来自6 kV供电回路，因此其公共耦合点(PCC)位于6 kV电源上。

通常SFC工作时间至少为30 min，且厂用6 kV系统短路容量一般约为20 MVA。若SFC采用12-6脉冲模式，可不装设谐波滤波器。若SFC采用6-6脉冲模式，SFC的低频段次谐波(5次、7次)对所在的电网影响非常大[6]。因此，通常在SFC的输入侧配置谐波滤波器，滤除大部分谐波，减小对电网的污染。常用的滤波器有无源滤波器、有源滤波器和混合滤波器。由于SFC装置工作电压高、谐波电流大，谐波次数主要是5次和7次，因此，采用无源滤波器是比较经济实用的方案[7]。

5 结论

随着国家能源政策的调整和广东省对环保要求不断提高，燃气—蒸汽联合循环机组已成为广东珠三角地区主力电源。SFC作为燃机启动的关键设备，熟练掌握SFC的工作原理、启动过程、启动特点和启动过程中需要注意的问题，有利于运维人员快速掌握SFC，对燃机运维人员有至关重要的意义。