大功率靜止啟動變頻器在燃氣輪機啟動過程中的應用

摘 要：以大功率燃氣輪機靜止啟動變頻器為研究對象，通過對其功能特點、原理和技術結構的研究，分析了大功率靜止啟動變頻器在燃氣輪機啟動過程中的工作方式和主要作用。通過分析燃氣輪機機組啟動過程的具體工況，了解和掌握控制系統對于燃氣輪機機組啟動過程的控制邏輯和方法，同時總結了燃氣輪機啟動的技術特性。

關鍵詞：大功率；靜止啟動變頻器；燃氣輪機啟動

中圖分類號：TK477? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）03-0066-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.03.017

0? ? 引言

大功率靜止啟動變頻器（SFC）是適用于多種電壓等級三相交流同步電動機調速的電力變換裝置，能夠輸出高壓，實現大功率同步電機驅動。其控制系統一般采用全數字控制，采用高速CPU協同工作方式，保證控制系統可靠性；且控制系統和主電路通過光纖通信進行連接，實現強弱電壓完全隔離；具備故障自診斷、報警、參數顯示和歷史記錄等功能。SFC主要應用于同步電動機的軟啟動，如抽水蓄能機組的電動機啟動、燃氣發電機組的啟動及大型同步調相機的啟動。

SFC在燃氣輪機啟動過程中有著重要應用。在燃氣輪機啟動過程中，SFC可以通過控制電動機的轉速和負載，實現燃氣輪機的平穩啟動和運行。本文從燃氣輪機啟動用大功率靜止啟動變頻器功能特點和原理結構入手，分析其技術特性和燃氣輪機機組啟動的過程控制[1]。

1? ? 大功率靜止啟動變頻器的功能特點

1.1? ? 啟動輔助

燃氣輪機啟動時，通常需要額外的啟動電動機來幫助燃氣輪機達到啟動速度。SFC可以控制啟動電動機的轉速和負載，確保燃氣輪機在啟動過程中的平穩運行。

1.2? ? 啟動效率優化

SFC可以根據燃氣輪機啟動的實際需求，在不同負載情況下調整啟動電動機的輸出功率。通過優化啟動過程中的能量轉換效率，可以減少能源浪費和排放。

1.3? ? 啟動時間縮短

SFC可以通過快速調整電動機的轉速和負載，縮短燃氣輪機的啟動時間，這對于一些需要迅速投入運行的設備和系統非常重要，提高了生產效率和響應能力。

1.4? ? 啟動沖擊控制

在燃氣輪機啟動過程中，電動機的啟動會產生沖擊和振動。SFC可以通過精確控制電動機的啟動過程，降低啟動時的沖擊和振動，提高系統的安全性和穩定性。

1.5? ? 啟動序列控制

對于多臺燃氣輪機或多個運行模式的燃氣輪機系統，SFC可以實現啟動序列的控制和協調。它可以確保燃氣輪機按照預設的順序和時序啟動，降低系統的壓力和負荷波動。

總的來說，SFC在燃氣輪機啟動過程中起到了關鍵作用。它通過精確的控制和調節，實現燃氣輪機的平穩啟動、能效優化和沖擊控制。隨著對能源效率和環境保護的要求不斷提高，SFC在燃氣輪機啟動過程中的應用將會越來越重要。

2? ? 大功率靜止啟動變頻器的原理及主要控制方式

2.1? ? 原理與結構

同步電動機拖動系統主要包括大功率靜止啟動變頻器、勵磁系統、開關設備等。以電流源型大功率靜止啟動變頻器為例，其主要包含輸入變壓器、三相全控整流橋、直流濾波環節、三相全控逆變橋以及控制系統。輸入變壓器二次繞組分別采用星形和三角形接法，形成12脈波整流，可有效抑制低次諧波。控制系統通過控制三相全控整流橋，實現將輸入變壓器副邊的三相交流供電轉換為直流。直流濾波環節用于對直流電流進行紋波抑制，也用于對逆變橋和整流橋去耦。控制系統通過控制三相全控逆變橋，實現三相頻率和電壓可變的交流輸出，從而拖動同步電動機等旋轉負載。整流橋實現對直流母線電流的恒定控制，逆變橋實現對直流電流的切換控制，進而實現電機繞組電流的變頻調節。整流橋和逆變橋均采用全控大功率器件。控制系統除了控制整流橋和逆變橋的驅動功能，還具有信號采集、故障判斷等功能。

目前國內燃氣電站靜止啟動變頻器的主回路構成中，普遍采用由可控硅、平波電抗器構成的交—直—交電流源型變頻器[1]。圖1為“12脈波高—高”拓撲結構。

電機轉速較低時，由于電機反電勢幅值太小，不足以使逆變橋晶閘管關斷，因此為實現逆變橋的可靠換相，此時需采用電流斷續的方式，即等待逆變橋電流降低至零，實現可靠關斷。該控制方式主要應用于反電動勢不足的情況，當電機轉速較高時，其反電勢已足夠大，此時一般采用負載超前換相控制。

2.2? ? 主要控制方式

2.2.1? ? 開環控制

這種控制方式是最簡單的方式，變頻器輸出固定頻率和電壓，電機轉速通過調整輸入頻率來控制。這種方式適用于對精確控制要求不高的場合。

2.2.2? ? 矢量控制

也稱為閉環矢量控制或矢量變頻控制，這種方式通過對電機電流和轉矩進行精確控制來實現高性能運行。它需要使用編碼器或其他位置傳感器來提供反饋，以實現閉環控制。

2.2.3? ? 矢量直接轉矩控制（DTC）

這是一種先進的矢量控制方式，通過測量電機轉矩和轉速的變化率來直接控制電機。DTC可以實現更快的動態響應和更高的效率，減少了對傳感器的依賴。

3? ? 燃氣輪機控制系統

燃氣輪機是一種將化學能轉化為機械能的設備，其控制系統起著關鍵作用。燃氣輪機控制系統的設計和優化是為了實現高效、穩定和可靠運行，同時還考慮到安全、環保和經濟等因素。不同型號的燃氣輪機控制系統可能會有所不同，但總體目標是確保燃氣輪機能在不同工況下穩定運行并提供所需的功率輸出。燃氣輪機的控制系統主要包括以下幾個方面：

3.1? ? 燃燒系統控制

燃燒系統控制著燃料的供應和燃氣的燃燒過程。它通過控制燃料供應、燃氣/空氣比例以及點火時機等，確保燃氣輪機能夠以穩定的方式燃燒燃料并提供所需的功率輸出。

3.2? ? 轉速控制

燃氣輪機的轉速控制是維持其運行穩定的重要因素。轉速控制系統通過調整燃氣輪機的負載和燃料供給，以及與發電機或機械設備的機械連接來實現。它能夠在負載變化的情況下，通過控制燃料流量和調整轉速來保持穩定運行。

3.3? ? 過熱器控制

燃氣輪機通常配備有過熱器系統，用于提高熱效率并增加汽輪機的功率輸出。過熱器控制系統通過調整過熱器的熱交換能力以及控制蒸汽流量和溫度，來確保蒸汽流經過熱器時能夠達到設計要求的溫度。

3.4? ? 變頻器控制

如果燃氣輪機用于驅動電動發電機，那么變頻器控制系統則用于調整發電機的頻率和電壓輸出，以滿足電網的要求和電力負荷的變化。

4? ? 燃氣輪機啟動工藝過程

燃氣輪機啟動是指燃氣輪機機組從轉速為零或者低速狀態達到額定轉速滿足并網條件的狀態。在啟動的過程中要求燃氣輪機機組能夠快速提升轉速，并且負載電流平穩，波動小。通過圖2燃氣輪機典型啟動曲線可以了解到，機組啟動過程中需要對大功率靜止啟動變頻器進行控制，主要控制過程如下：

1）將燃氣輪機從盤車轉速啟動到吹掃轉速并穩定運行；

2）將燃氣輪機從惰走轉速加速到點火轉速并保持到點火成功；

3）將燃氣輪機加速到固定轉速。

由圖2可以看出，燃氣輪機機組啟動過程分為以下幾步：

1）啟動前的檢查準備階段。

SFC系統自檢，高壓上電。同時檢查系統各部分是否具備機組啟動條件，如潤滑油輔油泵投入情況、壓力情況等。在機組啟動前，燃氣輪機啟動器應進行盤車。

2）啟動盤車和拖動。

啟動前準備完成后，主機轉子在靜止狀態，需盤車裝置進行盤車，使得轉子緩慢轉動，通過液力變扭器將轉子升速，并使得轉子穩定在盤車轉速。SFC可以代替盤車裝置進行盤車，也能夠在盤車轉速下啟動。

3）清吹。

燃氣輪機清吹是指通過噴氣或其他方式將氣體從燃氣輪機中排出，以清除其中的雜質和積碳。清吹可以幫助提高燃氣輪機的性能和效率，并延長其使用壽命。此外，清吹還可以確保燃氣輪機正常運行，減少故障和損壞的風險。對于重復啟動或帶有余熱回收設備（即聯合循環）的機組，則點火前必須進行清吹[2]。

4）點火。

清吹結束后，控制系統向SFC發出停機指令。機組處于惰走狀態，等待機組轉速達到點火轉速，則進行點火。點火轉速一般為機組額定轉速的15%～22%，而清吹轉速應高于點火轉速。系統中的點火轉速繼電器觸發，發出點火信號。為了保證點火成功，點火時實時調節燃料過程參數，燃燒室啟動富油點火燃燒，同時投入冷卻水系統的冷卻風扇。

5）暖機升速。

暖機的目的是讓機組高溫燃氣通道中的受熱部件氣缸與轉子有一個均勻受熱膨脹的時間，減少它們的熱應力，并保證機組在啟動過程中有良好的熱對稱，防止轉子與靜子之間出現過大的相對膨脹而使轉子與靜子發生碰擦，從而安全啟動機組。

如果點火成功，火焰探測器探測到燃燒室中的火焰，控制系統向SFC發出啟動指令，SFC穩定在暖機轉速，機組進入暖機階段。暖機階段結束時，控制系統提升SFC轉速指令，使機組進入升速階段。但在啟動控制系統中，SFC會將機組轉速上升的加速度限定在參數設置的給定值。

6）同期并網階段。

隨著點火后機組轉速的上升，壓氣機的空氣流量和出口壓力也逐步增長，同時機組燃料量增加，輸出功率也隨之增大。當SFC與燃氣輪機將機組轉速升到額定轉速的90%時，SFC輸出電流降低至最小值，控制系統向SFC發出停止指令。

控制系統啟動同期功能，檢測電氣參數是否符合并網帶負荷條件，實施燃氣輪機的并網運行[3]。

5? ? 大功率靜止啟動變頻器的啟動測試

燃氣輪機啟動過程需要國產大功率靜止啟動變頻器和國產勵磁裝置配合實現，DCS控制SFC電源側上電，完成系統檢測后，下達啟動命令給SFC，SFC輸出勵磁控制電流指令給勵磁裝置，通過整流橋、逆變器及控制系統將受控的電壓和頻率輸出到同步電機，啟動至吹掃轉速為699 r/min并保持一段時間，完成吹掃后控制系統下達停止命令給SFC，SFC停止輸出。完成點火后控制系統重新下達啟動命令給SFC，SFC檢測電機實際轉速啟動，繼續加速至2 700 r/min，此過程SFC負責控制機端電壓和轉速升速速率，當電動機全壓穩定運行，啟動同期裝置并網。等并網后，SFC啟動系統退出運行控制，點火后啟動時間在10～15 min。表1為SFC啟動過程轉速要求列表，圖3為啟動過程中網側電流波形。

6? ? 結論

基于大功率靜止啟動變頻器（SFC）的特性，對采用SFC進行變頻啟動的燃氣輪機啟動工藝過程進行分析和測試，可以確保燃氣輪機機組的正常啟動及安全穩定運行，保證電力生產的順利進行，創造可觀的經濟效益。

[參考文獻]

[1] 方健.GE 9FA燃氣蒸汽聯合循環發電機組LCI變頻啟動裝置研究[J].現代工業經濟和信息化，2015，5（22）：64-65.

[2] 肖艷藏，王勇，杜凱，等.仿真系統在9FA燃氣輪機控制系統國產化改造過程中的應用[J].發電設備，2023，37（2）：119-125.

[3] 李志剛.9F燃氣輪機LCI啟動系統及啟動過程簡介[J].燃氣輪機技術，2005，18（2）：57-61.

收稿日期：2023-10-23

作者簡介：翁繼新（1972—），男，浙江杭州人，工程師，從事發電廠繼電保護、勵磁方面研究工作。