9F燃气发电机组SFC静态变频器的应用

【摘要】介绍东方电气9F燃气-蒸汽联合循环机组关键设备静态变频器-SFC的特点、基本原理及在天津陈塘热电煤改气搬迁工程中的应用。

【关键词】静态变频器 燃气-蒸汽联合循环机组 燃气轮机 发电机 整流器 逆变器

一、概述

燃气-蒸汽联合循环机组是通过燃烧天然气作为动力，由于燃气轮机和发电机是一个轴系启动转矩大，燃气轮机本身无法自启动，同时天然气点火也需要一个基本的转速，大约在580转/分钟左右，所以需要一个外部的动力将整个轴系转动起来。

通常多以静止变频器SFC（Static Frequency Converter）作为主要启动方式。

二、燃机SFC的特点及选型方法

静止变频器SFC按其主回路供电方式的不同可分为有降压变压器的高-低-高型变频器和无降压变压器的高-高型变频器；按整流器和逆变器线路之间的耦合方式的不同分为交-直-交型变频器和交-交型变频器；按中间直流耦合组合方式的不同分为电抗器耦合方式的电流型变频器和电容器耦合方式的电压型变频器。

由于燃机机组在对静止变频器SFC的动态响应性能方面无特殊苛刻的要求，为此目前燃机电厂中的静止变频器SFC的主回路都普遍采用由可控硅、平波电抗器构成的交-直-交型电流源变频器。因此，静止变频器根据使用的可控硅整流桥和逆变桥的形式可选用6脉冲整流桥6脉冲逆变桥形式或12脉冲整流桥6脉冲逆变桥形式。

在静止变频器的脉波数的选择过程中一般参考系统对谐波的要求和投资的性价比进行选择。目前国际上没有一个专用于SFC谐波评估的标准，大多数借用IEEE519来作为SFC谐波的评估依据。理论上说，脉波数越高，SFC的低频段次谐波就越少，系统谐波耦合点PCC的谐波量的大小，与该点所在的系统短路容量及谐波源的工作方式有关。系统短路容量越大承受的谐波量就越大，对谐波源的要求就越低，谐波源的工作时间越短，考核谐波的标准也就相对降低。因此在实际的SFC选择时，脉波数的确定依据两个原则：一是所在系统的短路容量，二是工作时间长短。对于燃机电厂由于SFC一般连接于电厂6KV母线，且都为短时工作方式（启动时间不超过30分钟），按IEEE519标注的要求，6脉波就能满足要求，且我厂陈塘热电煤改气搬迁工程项目在SFC变压器前加装了谐波滤波柜，更加保证不会对6KV系统产生谐波污染。

静止变频器冷却方式的选择主要基于以下几个方面：可靠性和可用性；可维护性；SFC装置的容量。首先在可靠性和可控性方面：风冷系统由于只有风机及相关的控制电路，其结构简单，相对独立，启停控制方便；而相比较而言水冷系统虽然对可控硅原件的冷却效果更好，但由于水冷系统是一个单独的控制系统，与机组或其他的供水系统联系紧密，系统结构相对复杂，其可靠性和可用性受系统自身的技术成熟情况和水管路的影响较大。其次，从可维护性方面来考量：风冷系统的日常维护主要是检查通风回路是否畅通，风机是否有异常响声。而水冷系统的日常维护包括水管路的畅通情况，水泵的运行情况，冷却介质的情况，水系统的绝缘情况等，维护起来比较复杂。所以在SFC容量不大的情况下，基于以上方面的考量，目前在国内的燃机电厂的SFC装置多采用空冷方式。

三、SFC的基本原理介绍

静态变频驱动系统SFC从结构上看可分为两个部分，四个电器柜：基于微分处理器的控制部分（SFC控制柜）和交直流电源转换部分（整流&逆变柜、电感及其冷却风扇柜，负载切换&电压输出柜）。SFC系统采用6脉波电桥，包含有两个三相整流桥，输入输出均为三相交流电压（如图一所示），两桥连接电路是直流回路。网桥和机桥中的晶闸管导通顺序是相似的，每次网桥和机桥中应有两个晶闸管导通，假设网桥Ur和Zr导通时，机桥Ui和Zi导通，电流即从变压器低压侧U流经Ur，经电抗器，流经Ui，进入发电机U相，W相，经Zi，Zr流回变压器低压侧W构成电气回路。此时发电机定子电流产生U相和V相磁场，生成定子合成磁场Φi 。

同步电动机的转子磁场是由静止可控硅整流后的励磁电流通过可移动式碳刷环供给同步电动机（发电机）所建立。SFC的控制器给PEECC的励磁控制系统一个参考励磁电流信号，静态励磁电压调节器接收到信号后按启动要求供给励磁电流。当定子磁场建立时，励磁调节器提供转子励磁电流，转子磁场Φe也建立起来，定转子磁场之间的相互作用产生电磁转矩。当定子磁场Φi和转子磁场Φe之间的夹角小于180度时，如果电磁力矩又大于转子的机械力矩，转子就能转动起来，转子磁势将向定子合成磁势靠拢，两磁势夹角为零时，电磁力矩为零，停止转动。在转子磁势接近定子合成磁势时，控制晶闸管机桥Vi和Zi导通，定子合成磁势Φi超前转子磁势Φe（如图三所示），产生电磁转矩，带动转子继续转动。由此可见，通过控制晶闸管导通顺序，就可以控制定子合成磁势，控制电磁力矩，驱动发电机转子连续旋转。

控制定子磁场和转子磁场之间的位置关系，才能保证顺利启动和连续旋转，因此必须知道转子的初始位置，以便确定转子磁场的位置，进而正确决定应导通的两个晶闸管。有两种方法可以确定转子的初始位置，其一是采用120度角均匀分布的三个转子位置检测器，通过传感器输出的方波信号，准确检测转子的实际空间位置；其二是通过机侧电压测量（UMB MEAS），当转子以盘车转速低速转动时，通入较低的励磁电流，在发电机三相绕组有感应电压产生，通过测量各相电压大小和相位，就可以判定转子空间位置。发电机的感应电压正比于磁场强度的变化率（dφ/dt），当正弦波的磁场强度过零时（峰值过后90度），电压幅值最大。因此当正弦电压波形由负到正过零时刻，转子磁场北极的位置对应于定子线圈位置。9F燃机机组采用后一种方法确定转子位置和控制逆变器的触发脉冲，且转速在低于80rpm时，才能够准确判断转子空间位置。

SFC的控制可以分为两个阶段，第一个阶段是强制换相（脉冲换相），在8%～10%的额定转速（<300rpm）以下，9F机组的强制换相的设定转速是274rpm，在此转速之下，发电机定子不能提供足够的感应电势，实现逆变器晶闸管的截止，所以在换相时，控制整流器的导通角，让直流电流先减到零，然后再触发脉冲给需要导通的逆变器晶闸管，实现逆变器换相和发电机定子合成磁势转换。控制整流器晶闸管的触发角，就可以控制直流回路的输出电压和输出电流。第二个阶段是自然换相（负载换相），当同步电机转速达到10%以上时，发电机定子线圈产生足够大的反向电压，足以关断需截止的逆变器晶闸管，实现自然换相。确定由强制换相转为自然换相的临界值需考虑到以下两点：1）在强制换相时，直流电流要过零后才能导通其他的晶闸管，这取决于控制系统反应时间，转速越快，要求时间越短，高速转动时要控制直流频繁过零并不容易实现；2）发电机感应电势的大小取决于频率和磁场强度（定子电流和励磁电流），频率正比于转速，在励磁电流基本恒定情况下，随着转速的提高，感应电势也相应增加，当增加到换相时有足够的反向电压时，就不需要强制换相。平衡上述要求，就可以确定换相模式转换的转速设定值，调试工程师会依据现场实际测试结果确定其临界值并调整转速设定值。

四、SFC静态启动系统的启动过程

启动初期，燃气轮机发电机以盘车转速（7rpm）低速转动，SFC判定定子电压低于1500V，当收到启动指令，SFC控制系统启动整流器和电抗器的冷却风扇，合中压电源断路器，SFC变压器上电。SFC收到转速设定值信号，给出励磁请求信号，根据网桥侧检测到的三相电压值判定转子空间位置，决定网桥侧应导通的晶闸管，转子低速启动到设定转速。

SFC将机组加速到清吹转速设定值，机组保持在清吹转速14分钟。清吹结束后，SFC停止输出，机组降速到点火转速（14%额定转速）。当到达点火转速时，机组点火保持在恒定转速暖机。暖机过程结束后，SFC将机组加速到自持转速（2400rpm），然后SFC逐步减少输出力矩，负载分流，到2520rpm时，力矩降为零。此时燃机机组自身可以产生的足够转矩，独自加速转子到额定转速（3000rpm）。

在2520rpm时，启动指令消失，速度参考值置零，定子控制和启动励磁被闭锁，中压断路器断开。延时3分钟后，停冷却风机，SFC停止并推出。

启动过程中，SFC会一直检测各相关设备位置和状态，以及监控整流器/逆变器的电压电流信号，励磁电流和转速信号，遇到任何不满足预设条件和严重偏离控制参数时，SFC就会中止启动，自动跳闸。因此SFC系统对相关设备的可靠性有很高的要求，加强设备维护，提高设备的可靠性才能确保燃机顺利启动。

五、工程实际应用-天津陈塘热电煤改气搬迁工程

天津陈塘热电煤改气搬迁工程采用东方电机控制设备有限公司制造的A1206-101N465型静态变频器，电机侧视在功率4674KVA，额定输出电压1810V，额定输出电流1490A，输出频率范围0-35Hz，输入变压器容量5150KVA。该SFC系统具有启动力矩大，加速过程中力矩基本恒定、启动时间短的特点，非常适合燃气发电机组快速启动的要求。

参考文献：

[1]杨顺虎，燃气-蒸汽联合循环发电设备及运行【M】北京：中国电力出版社，2003.

[2]刘明行，赵玉，项立峥，燃气轮机发电机组静止变频启动装置研究【J】，能源研究与信息。

[3] 东方电机控制设备有限公司 SFC系统运行及维护手册

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