变频启动装置在燃气电厂中的应用

摘要：本文主要介绍了变频器的特点，接线；通过静态变频器作为9F燃机的启动装置，利用发电机作为同步电动机，将燃机从盘车转速升至点火转速，并一直到燃机达到自持转速的过程的实际应用；以及碰到的问题。

关键词：LCI、SFC、TCS；变频启动

1．前言

燃气轮机组主要由压气机、燃烧室、燃气透平和发电机四部分组成，如果是单轴联合循环机组，还包括汽轮机。燃气轮机与以煤为燃料的蒸汽轮机相比，它具有重量轻、体积小、装置效率高、污染少、开停灵活等优点。

燃机启动过程中，需要启动装置的外力将机组转速从盘车状态升速至点火转速，吹掉可能漏入机组热通道的燃料后点火，并随机组转速及燃料的增加，当达到自持转速以上，透平输出扭矩足以带动机组升速后，外力才停止输出。

作为燃机的启动装置，以前引进中国的燃机型号，大都采用高压交流电动机或柴油机利用离合器带动燃机的启动，而利用蒸汽冲动与燃机同轴的蒸汽轮机启动也早已应用，但利用变频器将固定频率变换成可调频率的交流电作为扭矩输出，将发电机作为同步电动机启动却是近十年高压变频技术发展的产物。

一般情况，将其变频器统称之为Load commutated Inverter,简称为LCI。将应用在燃机中专门用于起动的变频器，称之为Static Frequency Starter(SFC)，即静态变频启动装置。

2．变频器概述

理论支持：同步发电机在电磁原理上是完全可以作为电动机运行的。常规的发电机没有特别的结构来实现同步发电机直接启动成为同步电动机运行，况且，燃气轮机在启动初期时的转速不是很高并且是需要可以调节的，所以必须提供可以改变频率的电源使发电机在各种速度下做同步电动机运行,变频启动系统LCI就是为了实现这个功能而设计的。

变频器一般是指将某个频率的交流功率变换为另一个频率或可调频率交流功率电源系统。这样的变换通常有两种方法：一种是先把交流变换成直流，然后再把直流变换成固定或可调频率的交流，由于是通过中间直流环节的变频，因此也叫间接变频。另一种是不通过中间直流环节而实现变频，称之为直接变频，或交-交变频。

根据程序设计，采用合理的燃气轮机启动速度曲线对燃气轮机进行速度控制，实现启动加速。

静态启动装置在燃气轮机的应用可以省去装在轴系上的启动设备，如电动机或柴油机，扭距转换用的离合器和相应的辅助设备，而对于像9F这样单轴布置的9F联合循环机组，本身大轴就较长，减小由于启动设备对轴系的影响，这点犹为有利，同时又可以减少主机设备占有的空间；另外，由于输出频率可控，使燃机启动过程中的转速控制更加精确。

静态变频驱动系统，它使用专用的基于微处理器的软件和燃机控制系统TCS(Turbine control system)保持通讯并控制发电机的转速。从功能上，可以分为两部分，一是控制部分，二为电源转换部分，分别装在七个电气柜中，分别为：整流柜、逆变柜、控制柜和电源输入输出柜，冷却柜等等。它可以由6脉冲电桥或者12脉冲电桥两种配置.

3．燃机启动过程

工作过程：来自于6KV母线的电源经过//Y接线的三绕组隔离变压器（Lsolation Transformer）后提供给整流器的输入电压，整流器是一个可控硅整流电桥，由微处理器接受来自TCS的转速控制指令，经过微处理器内部处理后给整流器的可控硅一个正确的触发角和触发电压，经过整流器整流后的幅值可调的直流电压经过电抗器滤波后提供给和整流器一样基于微处理控制的逆变器，向同步发电机定子提供一个可变频率的三相交流电源，同时，微处理器根据TCS对转速的命令，通过励磁电压控制器，启动励磁系统向同步发电机的转子提供励磁电压，从而使同步发电机在两个磁场的相互作用下获得转矩而转动。在发电机转速为零或者很低转速的情况下，同步发电机的转动需要较大的转矩，而按照速度调节器的算法得出的电流的幅值和频率无法提供给同步发电机足够的转矩使之旋转，此时速度调节器停止使用，LCI实行强制换向功能，即两个直流电桥的可控硅触发角固定，向同步发电机提供固定频率和幅值的电流，强制的令发电机旋转，这个固定的频率和幅值的电流可以根据运行中的实际情况进行调整（或者斜升定子电流，直至检测到发电机开始旋转后，固定电流值）。当发电机到达一定转速时，速度调节器介入工作开始控制定子电流，产生正确的转矩来按照要求加速发电机，即进入负荷换向模式。 即：LCI最终是以电流来控制发电机转子转速，来自发电机转速的反馈与来自主控模块的转速命令相比较后进入速度调节器，在进入转矩夹，产生转矩命令（转矩电流命令），转矩电流命令经过一个最小电流限定器后与来自发电机定子的电流反馈进行比较，比较的结果进入电流调节器，电流调节器控制整流、逆变电桥的工作状态，从而达到控制发电机定子电流的目的，也就控制了发电机转子的转速。

根据上面工作原理的描述，为了使发电机成为同步电机，不仅需要控制发电机定子通入频率可调的交流电流，同时也需要在发电机转子中通入励磁电流，这就产生了SFC与励磁系统及TCS输出的配合问题。

以投入运行的北京郑常庄燃气热电项目为例，引进的西门子公司9E燃机S109FA联合循环机组,拥有TCS燃气轮机控制系统，该发电机组设备采用ABB静态变频器， ABB励磁控制设备，人机操作界面等。这些设备通过硬接线或是通讯口的方式互相联络通讯，从而形成一个完整的一体化控制系统。 SFC提供SFC、励磁系统及中压开关之间的接口，在运行过程中励磁系统接收SFC的命令控制励磁电压及电流。

4．SFC的配置方式

SFC根据燃机台数的不同，可以选择不同的配置方式，以提高启动可靠性，并达到最优化的成本。下面是部分举例说明。

一台燃机单独配备SFC。这种接线方式简单，但无法提供备用的启动装置，对频繁启停的燃机而言，一旦变频器检修，将使燃机无法启动，所以在多台燃机的电厂内，一般很少采用。

一台SFC用于多台燃机。在这种启动系统配置中，一台静态启动装置负责启动两，三或四台透平－发电机组，利用闸刀进行切换，操作员可以在TCS的屏幕上选择要启动的透平－发电机组。该启动系统配置只比一对一系统稍微复杂一点点，它提供了在多台透平－发电机组之间共享一台静态启动器的经济性，但可靠性较差。

两台SFC用于多台燃机。在这种启动系统配置中，两台静态启动装置可以负责启动两台或多台燃机－发电机组。厦门燃气电厂就是采用二台SFC控制四台9F燃机的启动，而包括国内多家燃机电厂均采用的是二台SFC控制二台9F燃机的启动，利用闸刀进行切换，操作员可以在TCS的屏幕上选择需要的静态启动装置对应启动的透平－发电机组进行启动。

当然也可以多台静态启动装置负责启动多台燃机方式，但不管采用哪种方式，均会考虑其安全性和经济性。

6．结束语

以上对燃机电厂的变频启动装置的一些主要特征进行了分析，随着燃气轮机技术的不断发展，燃机电厂的变频装置将会不断的完善，保证电力系统的安全稳定运行。

参考文献:

[1] 何语平.大型燃气—蒸汽联合循环电站工程的设计特点.中国电力.2001（2）.

[2] 张农.燃机发电厂电气控制简介. 电气设计技术.2000（2）.

[3] 赵光静.燃气—蒸汽联合循环电站厂用电接线探讨.电气设计技术.1998（4）.

[4] 郭予超,乐长义.中国发展燃气电厂的若干问题.华东电力.2001(2).

[5] 糜洪元,徐文军等.国内外燃气轮机发电现况和21世纪展望.燃气轮发电技术.1999(1).

[6] 朱成章.从小型热电联产走向冷热电联产. 燃气轮发电技术.2000(2).

[7] 李宇红.从天然气利用看我国燃气轮机热电联产的发展. 燃气轮发电技术.2000(2).

[8] 危师让，董卫国.关于下世纪我国火力发电、燃气轮机和联合循环发展的初步分析. 燃气轮发电技术.2001(1) .