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(guó)家對(duì)環(huán)保要求日趨嚴(yán)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(kuò)建燃煤燃油火電機(jī)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(duì)廣東省、特別是珠三角地區(qū)的環(huán)保排放帶來(lái)更高要求。與常規(guī)火力發(fā)電相比，燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組具有發(fā)電效率高、環(huán)保指數(shù)好、啟停迅速、運(yùn)行靈活、便于調(diào)峰等優(yōu)點(diǎn)。燃?xì)鈾C(jī)組啟動(dòng)裝置可分柴油機(jī)啟動(dòng)、蒸汽啟動(dòng)和變頻啟動(dòng)。因SFC變頻啟動(dòng)具有啟動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟等特點(diǎn)，大型燃機(jī)一般采用靜止變頻器啟動(dòng)。

1 SFC工作原理

燃?xì)廨啓C(jī)用天然氣作為燃料燃燒，因燃?xì)廨啓C(jī)和發(fā)電機(jī)同為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的軸系，所以燃?xì)廨啓C(jī)無(wú)法自動(dòng)啟動(dòng)。與此同時(shí)，天然氣點(diǎn)火還需要一個(gè)約510 r/min的基本轉(zhuǎn)速。所以，機(jī)組通常需要一個(gè)外部動(dòng)力來(lái)推動(dòng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。對(duì)三菱M701F4型燃機(jī)來(lái)說(shuō)，燃?xì)廨啓C(jī)組的啟動(dòng)過(guò)程就是燃?xì)廨啓C(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)升速到2 000 r/min的過(guò)程，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到2 000 r/min時(shí)，就能產(chǎn)生足夠的動(dòng)能驅(qū)動(dòng)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(dòng)的基本原理是通過(guò)改變發(fā)電機(jī)定子磁場(chǎng)的頻率來(lái)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(dòng)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。即三菱M701F4型燃機(jī)啟動(dòng)的過(guò)程是將用發(fā)電機(jī)作為交流同步電動(dòng)機(jī)使用，即在發(fā)電機(jī)定子上加入可以變化頻率的交流電流，使發(fā)電機(jī)變成一臺(tái)變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)同軸燃?xì)廨啓C(jī)組啟動(dòng)。定子交流電流由變頻器提供并按預(yù)定的速度加速起動(dòng)。整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子都由機(jī)組所配套的勵(lì)磁裝置施加一定的勵(lì)磁電流，其電流大小與SFC裝置配合，其勵(lì)磁裝置的工作方式由SFC控制[1]。

圖1 SFC原理圖

2 SFC啟動(dòng)過(guò)程

SFC啟動(dòng)過(guò)程通常分為五個(gè)階段，分別是啟動(dòng)加速階段、高速盤車吹掃及清洗階段、降速點(diǎn)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(dòng)過(guò)程參數(shù)表

圖2 SFC啟動(dòng)流程圖

(1) 啟動(dòng)加速階段。在發(fā)電機(jī)作為同步電動(dòng)機(jī)加速前，用盤車裝置使其達(dá)到一定轉(zhuǎn)速，合上SFC隔離開關(guān)和電源側(cè)斷路器。當(dāng)處于逆變器運(yùn)行時(shí)，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(lái)釋放勵(lì)磁電流控制器。建立轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在定子繞組上的感應(yīng)電壓。根據(jù)極性測(cè)量定子感應(yīng)電壓，確定轉(zhuǎn)子位置由此確定發(fā)電機(jī)側(cè)變換器的觸發(fā)順序，然后依次觸發(fā)，使發(fā)電機(jī)升速[2]。剛開始時(shí)采用脈沖換相，當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速到約300 r/min時(shí)，切換至負(fù)荷換相。

(2) 高速盤車、吹掃及清洗階段。為了預(yù)防天然氣點(diǎn)火的時(shí)候發(fā)生爆燃現(xiàn)象，需要在點(diǎn)火前將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持750 r/min時(shí)進(jìn)行吹掃和清洗工作，在這個(gè)階段，SFC的輸出電流和轉(zhuǎn)速保持不變。

(3) 降速點(diǎn)火階段。吹掃和清洗完成后，SFC裝置會(huì)自動(dòng)把轉(zhuǎn)速?gòu)?50 r/min降低至510 r/min，配合燃機(jī)點(diǎn)火啟動(dòng)，此時(shí)，發(fā)電機(jī)的電流和電壓降為0。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到510 r/min后，TCS系統(tǒng)發(fā)點(diǎn)火令。

(4) 加速及退出階段。點(diǎn)火成功后，燃?xì)馊紵a(chǎn)生的熱能由渦輪轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，SFC和燃?xì)廨啓C(jī)共同驅(qū)動(dòng)機(jī)組加速。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到2 000 r/min時(shí)，SFC的輸出電流和勵(lì)磁電流為0。相應(yīng)的斷路器跳閘，SFC和勵(lì)磁退出，燃機(jī)將轉(zhuǎn)速拉升至3 000 r/min。

(5) 并網(wǎng)控制階段。在燃?xì)廨啓C(jī)的帶動(dòng)下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到為3 000 r/min時(shí)，如果定子上的殘余電壓達(dá)到勵(lì)磁電壓時(shí)，剩余電壓通過(guò)連接到發(fā)電機(jī)出口的主勵(lì)磁變壓器進(jìn)行降壓整流，提供勵(lì)磁電流，發(fā)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)；如果剩余電壓達(dá)不到勵(lì)磁電壓，則必須采用220 V直流電源啟動(dòng)勵(lì)磁。當(dāng)勵(lì)磁系統(tǒng)投入運(yùn)行后，發(fā)電機(jī)開始輸出電壓，當(dāng)滿足同期條件時(shí)，合上發(fā)電機(jī)出口斷路器，機(jī)組進(jìn)入并網(wǎng)發(fā)電狀態(tài)。

3 SFC啟動(dòng)特點(diǎn)

3.1 整流器運(yùn)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(guò)整流器的相控，調(diào)節(jié)輸出直流電壓為任意值。

(1) 當(dāng)整流器的觸發(fā)延遲角θ為30°時(shí)：

(2) 當(dāng)整流器的觸發(fā)延遲角θ為90°時(shí)：

U1=1.35×U0×cosθ=0

(3) 當(dāng)整流器的觸發(fā)延遲角θ為120°時(shí)：

式中：U1為輸出直流電壓；U0為輸入交流電壓。

當(dāng)整流器觸發(fā)延遲角θ為30°至90°時(shí)，直流電壓輸出U1正值，此時(shí)為整流器運(yùn)行；當(dāng)整流器觸發(fā)延遲角θ為120°時(shí)，直流電壓輸出U1負(fù)值，此時(shí)為逆變器運(yùn)行。

3.2 逆變器運(yùn)行

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

(1) 脈沖換相。在SFC啟動(dòng)初期，當(dāng)發(fā)電機(jī)沒(méi)有足夠的電壓輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)逆變器換相時(shí)，必須每隔60°強(qiáng)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(dāng)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)前，轉(zhuǎn)子已經(jīng)勵(lì)磁，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)在發(fā)電機(jī)定子繞組上感應(yīng)電壓。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極和定子繞組作切割時(shí)，就會(huì)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(huì)產(chǎn)生不同相位的正弦電壓波形。機(jī)組啟動(dòng)初期，由于發(fā)電機(jī)電壓過(guò)低，逆變側(cè)可控硅無(wú)法斷開，所以在啟動(dòng)的初期過(guò)程中，將采用強(qiáng)制換相措施，即所謂的脈沖運(yùn)行控制方式。

(2) 自然換相，又稱為負(fù)載換相。當(dāng)發(fā)電機(jī)的速度達(dá)到約225 r/min時(shí)，SFC將自動(dòng)進(jìn)入負(fù)載換相模式。此時(shí)，發(fā)電機(jī)已經(jīng)能夠提供足夠的反電動(dòng)勢(shì)來(lái)停止和完成逆變器的換相。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速處于F>5 Hz的高速啟動(dòng)階段時(shí)，由于機(jī)組轉(zhuǎn)速的提高，終端電壓和頻率也會(huì)升高，逆變側(cè)的輸出交流電壓也會(huì)增加。此時(shí)，元件已進(jìn)入碳化硅輸出交流電壓，進(jìn)入自然換相工作狀態(tài)。在這一階段，不需要依靠強(qiáng)制信號(hào)來(lái)觸發(fā)?？刂破鞲鶕?jù)轉(zhuǎn)矩整定值和頻率參考值，通過(guò)測(cè)量發(fā)電機(jī)側(cè)和線路側(cè)的電壓和電流，控制發(fā)電機(jī)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(jī)加速原理

SFC剛開始啟動(dòng)時(shí)，由于發(fā)電機(jī)作為同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，所以SFC的輸出和發(fā)電機(jī)定子線圈相連。通常利用位置傳感器來(lái)檢測(cè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，并施加逆變器的觸發(fā)信號(hào)。逆變器換相頻率為60°，每個(gè)晶閘管的導(dǎo)通周期為120°。每到一個(gè)換相點(diǎn)，發(fā)電機(jī)定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)60°。另一方面，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子通過(guò)勵(lì)磁系統(tǒng)激磁而變成磁體。定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用于磁體轉(zhuǎn)子，結(jié)果發(fā)電機(jī)就通過(guò)SFC加速旋轉(zhuǎn)[4]。

3.4 SFC退出運(yùn)行

SFC通過(guò)采集發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上位置傳感器的轉(zhuǎn)速信號(hào)來(lái)判斷是否需要退出運(yùn)行。當(dāng)SFC監(jiān)測(cè)到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到2 000 r/min時(shí)，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(yùn)。

3.5 SFC控制模式

SFC系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中是由SFC控制柜按照預(yù)定的程序進(jìn)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(jī)啟動(dòng)加速、降速點(diǎn)火、加速和退出階段中采用電流控制方式，發(fā)電機(jī)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(jī)的電樞電流，以確保發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定。

4 SFC啟動(dòng)過(guò)程中需注意的問(wèn)題

4.1 SFC與發(fā)變組保護(hù)之間的配合

與常規(guī)燃煤機(jī)組相比，燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組有一定的特殊性。由于SFC的存在，燃?xì)廨啓C(jī)組發(fā)電機(jī)在SFC啟動(dòng)過(guò)程中處于低頻同步電機(jī)模式，這對(duì)保護(hù)配置就提出了新的要求。發(fā)電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中，因頻率較低，發(fā)電機(jī)常規(guī)保護(hù)在相間故障時(shí)可能拒動(dòng)，所以需考慮增加低頻過(guò)流保護(hù)，避免SFC啟動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)相間故障時(shí)發(fā)生保護(hù)拒動(dòng)。在變頻啟動(dòng)過(guò)程中，發(fā)電機(jī)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(guò)程的零序電壓定子接地保護(hù)。為了保護(hù)SFC啟動(dòng)回路，在SFC啟動(dòng)過(guò)程中設(shè)置過(guò)電壓保護(hù)，通過(guò)發(fā)電機(jī)出口斷路器的位置和SFC輸出隔離開關(guān)的輔助接點(diǎn)來(lái)保護(hù)雙重閉鎖。同時(shí)，為防止SFC啟動(dòng)過(guò)程中保護(hù)誤動(dòng)，需要閉鎖發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)、逆功率保護(hù)、低頻保護(hù)和發(fā)電機(jī)過(guò)勵(lì)磁保護(hù)，確保SFC安全高效啟動(dòng)。

4.2 SFC直流側(cè)接地的影響

燃機(jī)發(fā)電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中，SFC作為啟動(dòng)設(shè)備和發(fā)電機(jī)連接，SFC的整流器出線側(cè)和逆變器進(jìn)線側(cè)之間是直流回路。當(dāng)在SFC直流回路發(fā)生接地故障時(shí)，則直流故障電流將流過(guò)發(fā)電機(jī)主回路，會(huì)有非常大的直流故障電流流過(guò)配電變壓器，由于配電變壓器容量較小，很可能在極短時(shí)間內(nèi)被燒毀。為了預(yù)防SFC直流側(cè)發(fā)生接地故障導(dǎo)致發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器被燒壞，在投入SFC前，可采用斷開發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地刀閘的方法。當(dāng)SFC直流側(cè)發(fā)生接地故障時(shí)，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地刀閘處于斷開位置，不會(huì)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(gè)諧波源。因此，消除和抑制諧波是SFC必須面臨的問(wèn)題。從理論上講，脈沖數(shù)越大，SFC的低頻次諧波越小，對(duì)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(fù)荷越大，諧波源的工作時(shí)間越短。因此，在實(shí)際的SFC選型中，脈沖數(shù)的確定基于兩個(gè)原則：一是系統(tǒng)的短路容量，二是工作時(shí)間。燃?xì)廨啓C(jī)SFC的電源主要來(lái)自6 kV供電回路，因此其公共耦合點(diǎn)(PCC)位于6 kV電源上。

通常SFC工作時(shí)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(duì)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(duì)電網(wǎng)的污染。常用的濾波器有無(wú)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(wú)源濾波器是比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方案[7]。

5 結(jié)論

隨著國(guó)家能源政策的調(diào)整和廣東省對(duì)環(huán)保要求不斷提高，燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組已成為廣東珠三角地區(qū)主力電源。SFC作為燃機(jī)啟動(dòng)的關(guān)鍵設(shè)備，熟練掌握SFC的工作原理、啟動(dòng)過(guò)程、啟動(dòng)特點(diǎn)和啟動(dòng)過(guò)程中需要注意的問(wèn)題，有利于運(yùn)維人員快速掌握SFC，對(duì)燃機(jī)運(yùn)維人員有至關(guān)重要的意義。