大功率静止变频装置（SFC）在400MW级燃气轮机组起动.pdf

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1、大功率静止变频装置（SFC）在 400MW 级燃气轮机组起动中的应用 况明伟（东方电机股份有限公司 四川德阳 618000）摘要：本文概述了 400MW 级燃气轮机发电机组应用大功率静止变频装置（SFC）作为起动装置进行起动的过程，并详细地介绍了负载换相式变频装置的工作原理。关键词：燃气轮发电机组 静止变频装置 起动 负载换相（LCI）Abstract：The start up procedure of 400MW gas turbine generator unit using Static Frequency converter as start-up device are discuss

2、ed in this paperAlso the detailed principle of LCI(Load Commutated Inverter)is introduced Key Words：Gas turbine generator unit Static Frequency converter Start-up LCI 1 概述 目前在国内外常规燃煤火力蒸汽发电仍占主要位置，但是受能源供应、环境污染、能源结构的限止，其可持续发展受到影响。现今燃气蒸汽联合循环发电，在一些方面有其优点，如燃气轮机排放污染小、起动快、快速反应性能好；在电网中发挥调峰、调节或应急备用等，可起到电力结构中的

3、补充作用，并在某些领域内可替代常规火力发电。随着国家能源政策的调整和环境保护的增强，国家于 2000 年开始大幅度开发和利用天然气资源并用于电力领域。并在 2003 年以打捆招标的方式在华东、广东、福建等地拟建一批利用西气东送和进口油气为能源的、效率高、污染小、调峰性能好的 400MW 级重型燃气蒸汽联合循环电站。2 燃气轮机组起动概念 燃气轮机组起动是指燃气轮机组从静止（盘车）状态至机组到达一定转速的过程。对三菱重工701F 型 400MW 级重型燃气轮机组而言，是从 0 转速到达 2000 r.p.m，即将燃气轮机和发电机的转子加速到自持的速度，自持的速度也就是燃气轮机能够产生足够的动能带

4、动它继续加速运行，达到机组要求的额定转速。由于燃气轮机组的特点，起动的方式可分为机械式和电气式。机械式主要采用同轴外加一起动电机来拖动整个机组的起动，电气式主要采用变频方式将燃气轮发电机作为起动电机来实现整个机组的起动。对于象三菱重工 701F 型 400MW 级重型燃气轮机组来说，由于机组本身的轴功率太大，外配起动电机已不可能，采用大功率变频装置是唯一的办法。整个机组的起动过程大致可分成：变频起动装置引动到达燃机吹扫清洗、点火，着火后加速，在燃气轮与起动装置共同作用下升速到 2000 r.p.m 后起动装置退出，自持升速到额定转速等阶段。3 701F 型燃机变频起动原理及过程简述 701F

5、型燃机的起动是通过把发电机作交流同步电动机使用，用一套静止变频装置（简称 SFC）作为起动装置，SFC 把频率可调的交变电流加到发电机定子上，使发电机变成调频调速电动机方式转动起来，同轴带动燃气轮机起动，加到定子上的是经变频器变频后的交流电，使得起动过程按照预先设定的速率加速上升。整个起动过程发电机的转子都由机组所配套的励磁装置施加有一定的励磁电流，其电流的大小与 SFC 装置配合，其励磁装置的工作方式由 SFC 控制。起动过程如图 1。图中标明了不同转速下相应的控制设备工作方式变换点。由于燃气轮机和采用的 SFC 的不同，其起动的过程有所不同。图中当转速升到 300 r.p.m 后，SFC

6、的由强制换相工作方式转为负载换相工作方式，当转速升到 750 r.p.m 时，燃气机组进行吹扫、清洗。完成吹扫、清洗后转速降到 510 r.p.m 时，程序控制启动点火系统，点燃点火气体（石油气），点着火后，燃气燃烧产生的热能经透平转化为动能，同 SFC 一起推动机组继续升速直到转速到达 2000 r.p.m。此后，热力透平输出的功率已经可以 维持机组的转动及产生动力来继续升速或发电了，SFC 退出运行。在机组到达 2000 r.p.m 后 SFC 退出，调速器投入，对转速进行调节，使机组平滑到达同期转速 3000 r.p.m。随后，起励装置投入，机组发电机开始产生输出电压，同期控制器投入，当

7、同期条件（电压，频率，相角）满足后，合上同期并网开关，机组开始发电运行，起动过程完成。4 同步电动机调速 同步电机的转速 n 只与电机的极对数 p 和供电电源的频率 f 有关。即：n60f/p。改变同步电机 的转速的方法一是改变同步电机的极对数 p，变极调速；二是改变供电电源的频率 f，变频调速。鉴于技术上的可行性和调速范围的要求，同步电机调速主要采用变频调速。根据频率控制的方式不同，同步电机调速分为两类：他控变频调速和自控变频调速。用独立的变频装置给同步电机提供变压变频电源的叫做他控变频调速，用电机轴上所带转子位置检测器（或通过连接在机端的 TV 检测信号）来控制变频装置触发脉冲，使同步电机

8、工作在自同步状态的叫做自控变频调速。自控变频调速分为：负载换相自控式（交直交）和交交变频供电式。701F 型燃机起动采用了负载换相自控式变频装置。5 400MW 级燃气轮机组起动用静止变频装置（SFC）5.1 装置配置 对于大容量同步电机用的变频装置来说，如抽水蓄能机组和燃气轮机组的变频起动装置，目前还主要采用晶闸管器件。虽然晶闸管器件的开通可控、关断不可控，在逆变器中需采取特殊的关断措施才能达到变频的目的；且由晶闸管组成的逆变器要比自关断元件组成的逆变器复杂得多，但是如果把交直交晶闸管电流型逆变器与同步电机相结合，利用负载同步电机的交流反电动势来关断逆变器中的晶闸管，将省掉强迫换相装置，使逆

9、变器同样变得简单。这样的变频装置 SFC 由变压器、DC 电抗器、整流器、逆变器组成，见图 1.1 和配置图 1.2 所示。主回路采用交直交晶闸管电流型变频器。整流器采用三相六脉波全控晶闸管整流桥，将恒定的三相 AC 电压变成可变的 DC Y ZW VX U Eu IdXrYr Zr Ur Vr Wr UiVi WiXiYi ZiEaIUIVIWSFC transformer Converter DC reactor(DCL)InverterPosition sensor Turbine generatorSFC system Flux of magnetic field 图图 1.1 SFC

10、 主回路主回路 图图 1.2 SFC系统配置图系统配置图 表 1 装置 功能 降低厂用电的谐波水平和防止可能产生的非特征谐波和谐波谐振及避免继电保护误动。谐波滤波器 提供整流器的输入电压；一旦出现整流器的桥臂短路时，它的漏抗也起着限制短路电路的作用。SFC 变压器 整流器 通过相控晶闸管控制直流电压输出使直流电流为一个适当的值。DC 电抗器(DCL)对直流电流进行平波。通过相控晶闸管将直流逆变成频率与发电机转速一致的交流电压使发电机平滑加速。逆变器 电压。逆变器也是采用三相六脉波全控晶闸管整流桥，将整流桥输出的 DC 电压转变成变幅值和变频率的 AC 电压，这个可变的交流电源施加于发电机使发电

11、机加速到指定的转速。装置的每个功能见表 1。5.2 原理说明 5.2.1 整流器 Es Edr EdiId P=Ed IdEdr Edi 整流器采用传统的三相六脉波全控晶闸管整流桥结构。整流器侧的直流电压 Edr 调整到稍微大于逆变器侧的直流电压 Edi.(Edr Edi).直流电流 Id，等于电压差 V=Edr Edi 除以直流回路电阻 R，该电流流过直流回路。REdiEdrId=RV=通过整流器的相控可以调节输出直流电压为任意值。当整流器的触发延迟角 为 30、90 和 120 时的直流电压波形如图 2 所示。直流电压是触发延迟角 的函数。Ed=1.35 Es cos 这里 Ed:输出直流

12、电压 Es:输入交流电压(线电压)根据直流电流反馈控制调节整流器的触发延迟角 。改变 角就能改变输出直流电压的大小。a)=30 30 U V W NrPr 0X YZ Y(U)(V)(W)(X)(Y)(Z)(Y)Edr=Pr Nr Pr NrConverter output DC voltage Edr is PrNr.Edr=1.35 Es COS 30 =1.35 Es 32 b)=90 90 UVW0P r(U)(V)(W)(W)N rXYZY(Y)(Z)(X)(Y)Edr=1.35 Es COS 90 =0 c)=120 UVW120 0XYZYN r(U)(V)(W)(X)(Z)(Y

13、)P r(W)(X)Edr=1.35 Es COS 120 =-1.35 Es 12 图图.2 整流器输出的直流电压波形整流器输出的直流电压波形 5.2.2 逆变器 逆变器采用三相六脉波全控晶闸管整流桥，与同步电机绕组一起组成负载换相式电流源型变频器（Load commutated Inverter-LCI），负载为同步电动机。晶闸管的关断主要靠同步电动机定子电流反电动势自然完成，不需要强换相，逆变器晶闸管的换相与整流晶闸管的换相极其相似。变频器的输出频率一般不是独立调节的，而是依靠转子位置检测器得到的转子位置信号按一定顺序周期性地触发逆变器中的相应的晶闸管。LCI 这种“自控式”功能，保证变

14、频器的输出频率和电动机转速始终保持同步，不存在失步和振荡现象。同步电动机在整个调速范围内都必须提供超前的功率因数，以保证逆变器晶闸管的正常换相。具体的运行原理如下：a)脉冲方式运行 在起动之初和低转速（大约 10%或更低转速）时，当发电机没有足够的电压输出实现逆变器的换相时，逆变器的换相是通过脉冲方式运行来实现换相的。无论何时逆变器的电流需要换相时，整流器首先减直流电流到 0。不久之后，当有足够的时间便于逆变器的晶闸管恢复闭锁能力在下一相通流的晶闸管开通。来自整流器的电流再一次达到要求的值。图 3 给出了脉冲方式运行时的波形。由于在每个逆变换相点零电流期，SFC 输出最大的加速转矩，所以逆变角

15、可以设置为 =0。b)负载换流方式运行 在发电机加速到足够的转速并产生足够的电压以便逆变器换流后，逆变器运行在负载换流方式。负载换流方式运行的原理见图 4.1 和 4.2。现在，如果从U相换相点到V相：晶闸管Vi 由脉冲触发，如图 4.1(B)，那么晶闸管Ui因Vi的导通而承受U/V相的感应反向电压，如图 4.2 的U、V相换相电 (A)发电机感应电压波形(B)逆变器脉冲(C)DC 电流(D)发电机 U相电枢电流(E)发电机 V相电枢电流(F)发电机 W相电枢电流 Wi WiVi Ui YiZi XiYiEaw Eau Eav Eaw=0(for Ui)Zero-current period(

16、thyristor Ui is extinguished)图图.3 脉冲方式运行时的波形脉冲方式运行时的波形 路中，可见在两个导通的晶闸管Ui、Vi和电机的U、V相绕组之间出现一短路电流，方向为U相绕组晶闸管Ui晶闸管ViV相绕组，当短路电流与原通过晶闸管Ui的负载电流相等时，负载电流全部转移到晶闸管Vi，晶闸管Ui关断，换相完成。Wi Vi U iYiZiXi E uE v E w=0 U-ph a se=0 V-ph a se 00U V 换相点(A)发电机输出电压(B)逆变器脉冲信号(C)施加于 Ui晶闸管的电压施加于 U i 相晶闸管的电压施加于 Ui晶闸管的正向电压 Ui E w-E

17、 uE v-E u 反向电压时间 E v-E u 施加于 Ui晶闸管反向的电压 图图.4.1负载换流方式运行时的波形负载换流方式运行时的波形为了保证足够的反向电压和足够反向电压持续时间达到闭锁能力，逆变器的逆变角 设置为 0。其它相的换相顺序也按同样的方式进行。SFC输出交流电。在整个起动过程期间，电机转子上都施加有励磁电流，转子在空间旋转，就会在电枢绕组中感应反电动势。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。脉冲方式运行时 =0，负载换相方式运行时 =0，这里 0足以使逆变时电流换相。逆变器重复上面的换相而输出交流电。整 流器U-W 线 电 压(Vu-w)V-U

18、线 电 压(Vv-u)W-V 线 电 压(Vw-v)120 120 120 分 配 器 输 出 信 号 U-相 分配 器输 出信 号 W-相 分 配 器 输 出 信 号 W-相 U-p h ase =0X-p h ase=0 V-p h ase =0Y-p h ase =0 W-p h ase =0Z-p h ase =0发 电 机 轴传 感 器(当 一个 金属 部 件靠 近 时动 作)传 感 器的 放置 位 置由 下 面图 中给 出 的相 关 位置 关系 确 定。分 配 器 布 置 YZWVXUU i Vi W i Xi Yi Zi E aIU IV逆 变 器 汽 轮 发 电 机磁通 在 下

19、 面 显 示 的方 式1的 电 流和 磁 场 方 向 逆 变 器 触 发 信 号 S F C控 制 回 路 调节 逆变 角 P i N i E di=P i-N i eeee 图图.4.2 负载换流方式运行原理负载换流方式运行原理 1 c y c le方式 1 2 3 4 5 6 Ui Vi Wi 导通晶闸管 Yi Zi Xi Yi 电流方向 U X Y V U X Z W V Y Z W V Y X U W Z X U W Z Y V 磁通和电磁力 Y Z W V X U S N Flux Force Y Z W V X S N U Flux Force YZWVXUSNFluxForceY

20、ZWVXUSNFluxForceYZ WV X U SN Flux Force Y ZW VXUSNFluxForce 图图.5 发电机加速原理发电机加速原理 UWVe ee eeV1V3V5V4V6V2SLieV1V3V5V4V6V2SLiK K反电动势波形UVWUVUVe eU,V相换向电路+)-)+)-)5.2.3 发电机加速原理 图 5 显示了发电机如何通过 SFC 产生旋转磁场的。在起动时，发电机当作一个同步电动机。SFC 的输出与发电机的定子线圈连接。依据位置传感器检查到的发电机转子位置来施加逆变器的触发信号。逆变器的换相重复为 60，而每个晶闸管的导通周期为 120。在每一个换相

21、点，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。图 6 显示了逆变器在各个点的电压和电流波形。0Pi Ni Ui 触发时间 Ui ViWiUi Vi Wi Yi Zi XiYiZiXiEdi Wi Yi Xi 240 120 123456方式 Ui 可控硅触发时间 DC 电压发电机输出电压 Ui thyristor Vi thyristor Wi thyristor Xi thyristor Yi thyristor Zi thyristor Iu Iv Iw 基波分量 Id 每个可控硅的导通

22、周期 发电机电流波形 U-相电压 V-相电压 W-相电压 e 图图.6 负载换流方式下加速期间电压和电流波形负载换流方式下加速期间电压和电流波形 从上面的分析可知，同步电机的定子电流的频率由转子角速度决定，而流过定子的三相电流和定子的合成磁动势有严格的对应关系，定转子磁动势保持同步，根据统一的转矩公式：T=CemF Frssin，只要保证定转子磁动势同步旋转及两磁动势之间的夹角 0180，也就是定子磁动势超前转子磁动势一个角，同步电机就能产生电动的电磁转矩，使电机正常旋转、加速。定转子磁动势与流过它们的电流大小有关，为此同步电机采用负载换相变频调速就变得简单可行了，即只要控制定子电流的大小或改

23、变励磁电流的大小就能实现调速。但也应注意由于存在换相，这种变频方式的转矩过载能力不强，且存在一定的转矩脉动。6 结束语 三菱重工 701F 型 400MW 级重型燃气轮机组，其起动采用的负载换相变频装置 SFC 参数如下：额定输出容量：4900 kW 额定输出电压：3.4 kV 额定输出电流：1000 Arms 输出频率：0.05 33.3 Hz 额定输入电压：6 kV 额定输入容量：6600 Kva 由于整个机组起动期间 SFC 的工作时间大约是 30 分钟，SFC 只作起动用，对转矩过载、起动的快速均没有要求，起动的电流也不大。并且还因为它的结构简单，通过晶闸管元件的组合可以达到很高的输出容量，因此负载换相变频起动装置目前大量用于燃气轮机组及抽水蓄能机组等同步电机的起动。参考文献 1 交流调速控制系统 李华德 电子工业出版社 2003 2 Modern Power Electronics and AC Drives Bimal K.Bose.机械工业出版社 2003 作者简介 况明伟 男，1965.6 出生，1995.6 毕业于重庆大学工业自动化专业，硕士，从事发电机励磁系统设计，高级工程师，励磁设计室主任。E-mail：