大功率静止启动变频器在燃气轮机启动过程中的应用

摘 要：以大功率燃气轮机静止启动变频器为研究对象，通过对其功能特点、原理和技术结构的研究，分析了大功率静止启动变频器在燃气轮机启动过程中的工作方式和主要作用。通过分析燃气轮机机组启动过程的具体工况，了解和掌握控制系统对于燃气轮机机组启动过程的控制逻辑和方法，同时总结了燃气轮机启动的技术特性。

关键词：大功率；静止启动变频器；燃气轮机启动

中图分类号：TK477    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2024）03-0066-04

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

0    引言

大功率静止启动变频器（SFC）是适用于多种电压等级三相交流同步电动机调速的电力变换装置，能够输出高压，实现大功率同步电机驱动。其控制系统一般采用全数字控制，采用高速CPU协同工作方式，保证控制系统可靠性；且控制系统和主电路通过光纤通信进行连接，实现强弱电压完全隔离；具备故障自诊断、报警、参数显示和历史记录等功能。SFC主要应用于同步電动机的软启动，如抽水蓄能机组的电动机启动、燃气发电机组的启动及大型同步调相机的启动。

SFC在燃气轮机启动过程中有着重要应用。在燃气轮机启动过程中，SFC可以通过控制电动机的转速和负载，实现燃气轮机的平稳启动和运行。本文从燃气轮机启动用大功率静止启动变频器功能特点和原理结构入手，分析其技术特性和燃气轮机机组启动的过程控制[1]。

1    大功率静止启动变频器的功能特点

1.1    启动辅助

燃气轮机启动时，通常需要额外的启动电动机来帮助燃气轮机达到启动速度。SFC可以控制启动电动机的转速和负载，确保燃气轮机在启动过程中的平稳运行。

1.2    启动效率优化

SFC可以根据燃气轮机启动的实际需求，在不同负载情况下调整启动电动机的输出功率。通过优化启动过程中的能量转换效率，可以减少能源浪费和排放。

1.3    启动时间缩短

SFC可以通过快速调整电动机的转速和负载，缩短燃气轮机的启动时间，这对于一些需要迅速投入运行的设备和系统非常重要，提高了生产效率和响应能力。

1.4    启动冲击控制

在燃气轮机启动过程中，电动机的启动会产生冲击和振动。SFC可以通过精确控制电动机的启动过程，降低启动时的冲击和振动，提高系统的安全性和稳定性。

1.5    启动序列控制

对于多台燃气轮机或多个运行模式的燃气轮机系统，SFC可以实现启动序列的控制和协调。它可以确保燃气轮机按照预设的顺序和时序启动，降低系统的压力和负荷波动。

总的来说，SFC在燃气轮机启动过程中起到了关键作用。它通过精确的控制和调节，实现燃气轮机的平稳启动、能效优化和冲击控制。随着对能源效率和环境保护的要求不断提高，SFC在燃气轮机启动过程中的应用将会越来越重要。

2    大功率静止启动变频器的原理及主要控制方式

2.1    原理与结构

同步电动机拖动系统主要包括大功率静止启动变频器、励磁系统、开关设备等。以电流源型大功率静止启动变频器为例，其主要包含输入变压器、三相全控整流桥、直流滤波环节、三相全控逆变桥以及控制系统。输入变压器二次绕组分别采用星形和三角形接法，形成12脉波整流，可有效抑制低次谐波。控制系统通过控制三相全控整流桥，实现将输入变压器副边的三相交流供电转换为直流。直流滤波环节用于对直流电流进行纹波抑制，也用于对逆变桥和整流桥去耦。控制系统通过控制三相全控逆变桥，实现三相频率和电压可变的交流输出，从而拖动同步电动机等旋转负载。整流桥实现对直流母线电流的恒定控制，逆变桥实现对直流电流的切换控制，进而实现电机绕组电流的变频调节。整流桥和逆变桥均采用全控大功率器件。控制系统除了控制整流桥和逆变桥的驱动功能，还具有信号采集、故障判断等功能。

目前国内燃气电站静止启动变频器的主回路构成中，普遍采用由可控硅、平波电抗器构成的交—直—交电流源型变频器[1]。图1为“12脉波高—高”拓扑结构。

电机转速较低时，由于电机反电势幅值太小，不足以使逆变桥晶闸管关断，因此为实现逆变桥的可靠换相，此时需采用电流断续的方式，即等待逆变桥电流降低至零，实现可靠关断。该控制方式主要应用于反电动势不足的情况，当电机转速较高时，其反电势已足够大，此时一般采用负载超前换相控制。

2.2    主要控制方式

2.2.1    开环控制

这种控制方式是最简单的方式，变频器输出固定频率和电压，电机转速通过调整输入频率来控制。这种方式适用于对精确控制要求不高的场合。

2.2.2    矢量控制

也称为闭环矢量控制或矢量变频控制，这种方式通过对电机电流和转矩进行精确控制来实现高性能运行。它需要使用编码器或其他位置传感器来提供反馈，以实现闭环控制。

2.2.3    矢量直接转矩控制（DTC）

这是一种先进的矢量控制方式，通过测量电机转矩和转速的变化率来直接控制电机。DTC可以实现更快的动态响应和更高的效率，减少了对传感器的依赖。

3    燃气轮机控制系统

燃气轮机是一种将化学能转化为机械能的设备，其控制系统起着关键作用。燃气轮机控制系统的设计和优化是为了实现高效、稳定和可靠运行，同时还考虑到安全、环保和经济等因素。不同型号的燃气轮机控制系统可能会有所不同，但总体目标是确保燃气轮机能在不同工况下稳定运行并提供所需的功率输出。燃气轮机的控制系统主要包括以下几个方面：

3.1    燃烧系统控制

燃烧系统控制着燃料的供应和燃气的燃烧过程。它通过控制燃料供应、燃气/空气比例以及点火时机等，确保燃气轮机能够以稳定的方式燃烧燃料并提供所需的功率输出。

3.2    转速控制

燃气轮机的转速控制是维持其运行稳定的重要因素。转速控制系统通过调整燃气轮机的负载和燃料供给，以及与发电机或机械设备的机械连接来实现。它能够在负载变化的情况下，通过控制燃料流量和调整转速来保持稳定运行。

3.3    过热器控制

燃气轮机通常配备有过热器系统，用于提高热效率并增加汽轮机的功率输出。过热器控制系统通过调整过热器的热交换能力以及控制蒸汽流量和温度，来确保蒸汽流经过热器时能够达到设计要求的温度。

3.4    变频器控制

如果燃气轮机用于驱动电动发电机，那么变频器控制系统则用于调整发电机的频率和电压输出，以满足电网的要求和电力负荷的变化。

4    燃气轮机启动工艺过程

燃氣轮机启动是指燃气轮机机组从转速为零或者低速状态达到额定转速满足并网条件的状态。在启动的过程中要求燃气轮机机组能够快速提升转速，并且负载电流平稳，波动小。通过图2燃气轮机典型启动曲线可以了解到，机组启动过程中需要对大功率静止启动变频器进行控制，主要控制过程如下：

1）将燃气轮机从盘车转速启动到吹扫转速并稳定运行；

2）将燃气轮机从惰走转速加速到点火转速并保持到点火成功；

3）将燃气轮机加速到固定转速。

由图2可以看出，燃气轮机机组启动过程分为以下几步：

1）启动前的检查准备阶段。

SFC系统自检，高压上电。同时检查系统各部分是否具备机组启动条件，如润滑油辅油泵投入情况、压力情况等。在机组启动前，燃气轮机启动器应进行盘车。

2）启动盘车和拖动。

启动前准备完成后，主机转子在静止状态，需盘车装置进行盘车，使得转子缓慢转动，通过液力变扭器将转子升速，并使得转子稳定在盘车转速。SFC可以代替盘车装置进行盘车，也能够在盘车转速下启动。

3）清吹。

燃气轮机清吹是指通过喷气或其他方式将气体从燃气轮机中排出，以清除其中的杂质和积碳。清吹可以帮助提高燃气轮机的性能和效率，并延长其使用寿命。此外，清吹还可以确保燃气轮机正常运行，减少故障和损坏的风险。对于重复启动或带有余热回收设备（即联合循环）的机组，则点火前必须进行清吹[2]。

4）点火。

清吹结束后，控制系统向SFC发出停机指令。机组处于惰走状态，等待机组转速达到点火转速，则进行点火。点火转速一般为机组额定转速的15%～22%，而清吹转速应高于点火转速。系统中的点火转速继电器触发，发出点火信号。为了保证点火成功，点火时实时调节燃料过程参数，燃烧室启动富油点火燃烧，同时投入冷却水系统的冷却风扇。

5）暖机升速。

暖机的目的是让机组高温燃气通道中的受热部件气缸与转子有一个均匀受热膨胀的时间，减少它们的热应力，并保证机组在启动过程中有良好的热对称，防止转子与静子之间出现过大的相对膨胀而使转子与静子发生碰擦，从而安全启动机组。

如果点火成功，火焰探测器探测到燃烧室中的火焰，控制系统向SFC发出启动指令，SFC稳定在暖机转速，机组进入暖机阶段。暖机阶段结束时，控制系统提升SFC转速指令，使机组进入升速阶段。但在启动控制系统中，SFC会将机组转速上升的加速度限定在参数设置的给定值。

6）同期并网阶段。

随着点火后机组转速的上升，压气机的空气流量和出口压力也逐步增长，同时机组燃料量增加，输出功率也随之增大。当SFC与燃气轮机将机组转速升到额定转速的90%时，SFC输出电流降低至最小值，控制系统向SFC发出停止指令。

控制系统启动同期功能，检测电气参数是否符合并网带负荷条件，实施燃气轮机的并网运行[3]。

5    大功率静止启动变频器的启动测试

燃气轮机启动过程需要国产大功率静止启动变频器和国产励磁装置配合实现，DCS控制SFC电源侧上电，完成系统检测后，下达启动命令给SFC，SFC输出励磁控制电流指令给励磁装置，通过整流桥、逆变器及控制系统将受控的电压和频率输出到同步电机，启动至吹扫转速为699 r/min并保持一段时间，完成吹扫后控制系统下达停止命令给SFC，SFC停止输出。完成点火后控制系统重新下达启动命令给SFC，SFC检测电机实际转速启动，继续加速至2 700 r/min，此过程SFC负责控制机端电压和转速升速速率，当电动机全压稳定运行，启动同期装置并网。等并网后，SFC启动系统退出运行控制，点火后启动时间在10～15 min。表1为SFC启动过程转速要求列表，图3为启动过程中网侧电流波形。

6    结论

基于大功率静止启动变频器（SFC）的特性，对采用SFC进行变频启动的燃气轮机启动工艺过程进行分析和测试，可以确保燃气轮机机组的正常启动及安全稳定运行，保证电力生产的顺利进行，创造可观的经济效益。

[参考文献]

[1] 方健.GE 9FA燃气蒸汽联合循环发电机组LCI变频启动装置研究[J].现代工业经济和信息化，2015，5（22）：64-65.

[2] 肖艳藏，王勇，杜凯，等.仿真系统在9FA燃气轮机控制系统国产化改造过程中的应用[J].发电设备，2023，37（2）：119-125.

[3] 李志刚.9F燃气轮机LCI启动系统及启动过程简介[J].燃气轮机技术，2005，18（2）：57-61.

收稿日期：2023-10-23

作者简介：翁继新（1972—），男，浙江杭州人，工程师，从事发电厂继电保护、励磁方面研究工作。