王亞婧 徐春建 朱宏超 霍乾濤

（國電南瑞科技股份有限公司，南京 210061）

燃?xì)廨啓C(jī)是國家能源安全和國防安全的重要保障，是調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)能源清潔高效利用、踐行節(jié)能減排的重要基石[1]。近年來隨著我國不斷加大對(duì)天然氣等清潔能源的利用以及電力調(diào)峰的需要，一批燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組相繼在各地投入建設(shè)[2]。熱電聯(lián)產(chǎn)是既產(chǎn)電又產(chǎn)熱的先進(jìn)能源利用形式，具有降低能源消耗、提升供熱效率、提高空氣質(zhì)量、改善城市形象等優(yōu)點(diǎn)。

空氣被高度壓縮是燃?xì)廨啓C(jī)良好工作的前提條件之一，一臺(tái)燃機(jī)大約有 2/3的功率用來驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)工作。因此，為了使燃?xì)廨啓C(jī)能夠開始工作，一定要有其他的動(dòng)力先使壓氣機(jī)開始工作。當(dāng)渦輪產(chǎn)生足夠壓縮比的氣體，進(jìn)入燃燒室的天然氣開始燃燒，燃?xì)廨啓C(jī)就可以自己維持旋轉(zhuǎn)，即在此速度下，機(jī)組可以產(chǎn)生使自己不斷升速的功率了。這就是燃?xì)廨啓C(jī)組的起動(dòng)過程[4]。

燃?xì)廨啓C(jī)組的起動(dòng)方式有柴油機(jī)起動(dòng)方式、蒸汽輪機(jī)起動(dòng)方式、SFC起動(dòng)方式3種[5]。SFC起動(dòng)方式的基本原理就是使發(fā)電機(jī)作為同步電機(jī)運(yùn)行，并利用同步電機(jī)的調(diào)速控制原理，從而達(dá)到起動(dòng)的目的[6]。首先通過外加（變頻）電源讓它將燃?xì)廨啓C(jī)組升速，在燃?xì)廨啓C(jī)開始自己作功后再退出電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，然后又作為發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電，這種起動(dòng)方式目前越來越多地被采用[3]。發(fā)電機(jī)作為同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，最有效的方法是通過調(diào)節(jié)電源頻率來實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，靜止變頻器就是為此設(shè)計(jì)的能夠提供可調(diào)頻率的電源裝置[7]，同時(shí)還必須有勵(lì)磁系統(tǒng)的配合。

本文以某電廠3×200MW 燃機(jī)項(xiàng)目為背景，對(duì)燃機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)與常規(guī)勵(lì)磁系統(tǒng)的不同之處進(jìn)行說明并探討。

1 燃?xì)廨啓C(jī)組起動(dòng)

由于同步發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)都是基于電磁感應(yīng)原理運(yùn)行的[8]，同步發(fā)電機(jī)也可作為同步電動(dòng)機(jī)工作。當(dāng)在電機(jī)定子上通人三相交流電，將產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，此時(shí)轉(zhuǎn)子上加勵(lì)磁也會(huì)建立一個(gè)磁場，同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩就由定子電流建立的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子磁場的相互作用而產(chǎn)生，僅僅在兩者相對(duì)靜止時(shí)，才能得到平衡電磁轉(zhuǎn)矩[3]。

電廠的同步發(fā)電機(jī)為兩極隱極式電機(jī)，如果由工頻電源給定子供電，則它只能在3000r/min下作電動(dòng)機(jī)工作，且作為常規(guī)發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子上沒有特別結(jié)構(gòu)（如類似異步電機(jī)籠條的起動(dòng)繞組）滿足直接起動(dòng)要求，因此必須通過提供可以改變頻率的電源使發(fā)電機(jī)完全處于同步電動(dòng)機(jī)狀態(tài)逐漸升速，以達(dá)到拖動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組起動(dòng)的目的。

靜止變頻器（SFC）就是一種可以改變頻率的電源，它把頻率可調(diào)的交變電流加到發(fā)電機(jī)定子上，使發(fā)電機(jī)變成調(diào)頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)方式轉(zhuǎn)動(dòng)起來，同軸帶動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)，加到定子上的是經(jīng)變頻器變頻后的交流電，使得起動(dòng)過程按照預(yù)先設(shè)定的速率加速上升。整個(gè)起動(dòng)過程發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子都由機(jī)組所配套的勵(lì)磁裝置施加有一定的勵(lì)磁電流，其電流的大小與SFC裝置配合，其勵(lì)磁裝置的工作方式由SFC控制[9]。

燃?xì)廨啓C(jī)組起動(dòng)前，SFC從6kV廠用母線取電，輸出通過隔離開關(guān)連接到發(fā)電機(jī)定子電樞繞組上。根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)的要求，首先由盤車系統(tǒng)將機(jī)組升速至 120～150r/min，退盤車。然后起動(dòng)SFC裝置，SFC通過控制勵(lì)磁系統(tǒng)來建立轉(zhuǎn)子磁通，產(chǎn)生的磁鏈在定子繞組中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，通過測(cè)量并計(jì)算磁通可得出轉(zhuǎn)子位置[10]，由此選擇需要通流的兩相定子繞組。當(dāng)定子通流后，在定轉(zhuǎn)子磁場的共同作用下，發(fā)電機(jī)開始升速，然后按照內(nèi)部設(shè)定的曲線運(yùn)行，在此過程中可以選擇機(jī)組的狀態(tài)，包括水洗、吹掃、常規(guī)起動(dòng)三種模式，如圖1和圖2所示。

吹掃和水洗模式中，SFC控制電機(jī)保持恒定轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)管道的清理，在此過程中，SFC控制勵(lì)磁系統(tǒng)的勵(lì)磁電流為恒定值。當(dāng)為常規(guī)起動(dòng)模式時(shí)，SFC首先輸出恒轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升，此時(shí)SFC控制勵(lì)磁電流仍為恒定值，當(dāng)SFC的輸出功率達(dá)到最大值時(shí)，SFC變?yōu)楹愎β蔬\(yùn)行，此時(shí)SFC控制勵(lì)磁為弱磁運(yùn)行方式，與燃?xì)廨啓C(jī)共同作用提高電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖1 典型水洗曲線

圖2 典型起動(dòng)曲線

當(dāng)檢測(cè)到機(jī)組轉(zhuǎn)速已達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)的自持轉(zhuǎn)速（本電廠為2100r/min）時(shí)，SFC退出運(yùn)行，并同時(shí)控制勵(lì)磁系統(tǒng)停機(jī)，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。之后，由燃?xì)廨啓C(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)平滑升速到同步轉(zhuǎn)速3000r/min。當(dāng)現(xiàn)場條件滿足時(shí)，由監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出勵(lì)磁開機(jī)令，勵(lì)磁系統(tǒng)之后作為常規(guī)勵(lì)磁系統(tǒng)來運(yùn)行，當(dāng)同期條件滿足后，合同期并網(wǎng)開關(guān)，機(jī)組開始并網(wǎng)運(yùn)行，起動(dòng)過程完成。

2 燃機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)配置

電廠配置有3臺(tái)200MW的燃?xì)廨啓C(jī)組，3臺(tái)機(jī)組配置有2臺(tái)SFC裝置和3臺(tái)勵(lì)磁裝置。SFC采用了如圖3所示的二對(duì)三方案，即每套SFC裝置可分別控制3臺(tái)機(jī)組的起動(dòng)。對(duì)于勵(lì)磁系統(tǒng)而言，也就意味著所有與SFC裝置連接的接收信號(hào)通道和反饋信號(hào)通道都是雙份的，且需要相互閉鎖，避免發(fā)生誤動(dòng)作。

電廠的勵(lì)磁系統(tǒng)除常規(guī)配置外，還有其特殊之處，包括硬件和軟件兩個(gè)方面。

2.1 硬件特殊配置

硬件包括與SFC的接口以及為實(shí)現(xiàn)二對(duì)三方案所做的硬件配置兩方面。

1）起動(dòng)階段與SFC的配合，主要是二次接口，包括開關(guān)量和模擬量，具體信號(hào)見表1。

2）由于SFC控制勵(lì)磁系統(tǒng)為二對(duì)一方式，因此勵(lì)磁系統(tǒng)需對(duì)兩路輸入信號(hào)進(jìn)行閉鎖，本勵(lì)磁系統(tǒng)通過硬件實(shí)現(xiàn)兩路信號(hào)之間的閉鎖，如圖4所示，其中K1為第一套SFC開機(jī)命令繼電器，K2為第二套SFC開機(jī)命令繼電器。此套硬件不僅實(shí)現(xiàn)了當(dāng)接收到第一套SFC的開入信號(hào)時(shí)，只能接收此套SFC的模擬量信號(hào)，還實(shí)現(xiàn)了當(dāng)沒有勵(lì)磁系統(tǒng)投入命令時(shí)，外部的4～20mA 信號(hào)不會(huì)開路，當(dāng)兩套SFC同時(shí)發(fā)出勵(lì)磁系統(tǒng)投入命令時(shí)，外部4～20mA 信號(hào)無法送入勵(lì)磁系統(tǒng)，此時(shí)SFC無法控制勵(lì)磁系統(tǒng)。

表1 勵(lì)磁系統(tǒng)與SFC二次接口

圖3 電廠發(fā)電機(jī)組配置

圖4 二對(duì)一硬件閉鎖裝置

2.2 軟件特殊配置

軟件包括4～20mA 觸發(fā)角度控制以及SFC開機(jī)和正常開機(jī)信號(hào)之間的閉鎖。

1）SFC控制勵(lì)磁系統(tǒng)的具體流程為：在勵(lì)磁系統(tǒng)主回路就緒之后（磁場斷路器已合、系統(tǒng)無故障），SFC給勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)勵(lì)磁系統(tǒng)投入命令，當(dāng)勵(lì)磁系統(tǒng)檢測(cè)到此信號(hào)且勵(lì)磁角度給定的模擬量采樣正常之后，給SFC反饋勵(lì)磁系統(tǒng)已投入信號(hào)，SFC即可根據(jù)勵(lì)磁電流實(shí)際值來調(diào)節(jié)勵(lì)磁角度給定，從而調(diào)整磁通；在上述過程中，當(dāng)SFC檢測(cè)到勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)出的定子電壓大于2500V時(shí)，則立即停機(jī)，保護(hù)SFC整流設(shè)備；當(dāng)勵(lì)磁系統(tǒng)檢測(cè)到勵(lì)磁系統(tǒng)投入命令取消后，即刻退出運(yùn)行。

SFC給勵(lì)磁系統(tǒng)的4～20mA勵(lì)磁角度給定信號(hào)線性對(duì)應(yīng)可控硅觸發(fā)角度180°～0°，即 4mA對(duì)應(yīng)180°觸發(fā)角，12mA對(duì)應(yīng) 90°觸發(fā)角，20mA對(duì)應(yīng) 0°觸發(fā)角。由于電廠勵(lì)磁系統(tǒng)為它勵(lì)源，而發(fā)電機(jī)起動(dòng)階段所需勵(lì)磁電流也不大，為防止勵(lì)磁電流過大，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，勵(lì)磁系統(tǒng)將實(shí)際角度限制在150°～75°之間。

圖5 SFC拖動(dòng)初期勵(lì)磁波形

圖5為起動(dòng)時(shí)刻觸發(fā)角度與轉(zhuǎn)子電流的波形圖，由圖5可知在起動(dòng)初期，觸發(fā)角度由150°一直增加直到 75°，然后經(jīng)過SFC的調(diào)節(jié)，穩(wěn)定在其穩(wěn)態(tài)值87.5°，轉(zhuǎn)子電流也經(jīng)過一個(gè)波頭的超調(diào)，最終穩(wěn)定在11%左右，勵(lì)磁處于恒磁通控制環(huán)節(jié)。

2）由于勵(lì)磁系統(tǒng)存在兩路開機(jī)令，一路為起動(dòng)階段SFC發(fā)出的，另一路為正常開機(jī)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)給出的，兩路信號(hào)從不同的輸入通道進(jìn)入勵(lì)磁系統(tǒng)，且電源為DC220V，具有較高的抗干擾性。但是從安全性考慮，另外用軟件把兩路信號(hào)進(jìn)行了閉鎖，以防止在SFC模式中進(jìn)入正常模式，或在正常模式中進(jìn)入SFC模式。

3 結(jié)論

燃?xì)廨啓C(jī)組越來越多地采用發(fā)電機(jī)作為同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)機(jī)組升速的起動(dòng)方式，本文在介紹了燃?xì)廨啓C(jī)組起動(dòng)流程的基礎(chǔ)上，闡述了燃?xì)廨啓C(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)在配置上與常規(guī)勵(lì)磁系統(tǒng)在硬件與軟件方面的不同之處。

本勵(lì)磁系統(tǒng)在某電廠 3×200MW 的 1#、3#機(jī)組應(yīng)用以來，未出現(xiàn)過異常動(dòng)作，一次起動(dòng)成功率100%，保證了機(jī)組的正常起動(dòng)和運(yùn)行，滿足規(guī)程要求，符合現(xiàn)代燃機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的需求，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1]談燕.上海與清華開展燃?xì)廨啓C(jī)戰(zhàn)略合作[N].解放日?qǐng)?bào),2012-07-09.

[2]阮偉.靜態(tài)變頻器(SFC)在燃機(jī)電廠的應(yīng)用[J].電氣開關(guān),2007(2):48-50.

[3]張鑫,淺談燃機(jī)SFC系統(tǒng)[J].科技資訊,2010(4):113

[4]趙昌宗.燃?xì)廨啓C(jī)的SFC起動(dòng).燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)[J].2002,4(3-4):44-47.

[5]劉明行,蔡邁,王磊.燃?xì)廨啓C(jī)組SFC變頻裝置原理及應(yīng)用探究[J].華東電力,2010,38(11):1763-1768.

[6]李國東.發(fā)電機(jī)靜態(tài)起動(dòng)技術(shù)研究[D].浙江:浙江大學(xué),2009.

[7]王一.靜止變頻器在大型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中的應(yīng)用分析[J].廣東科技,2009(12):219-221.

[8]李發(fā)海,朱東起.電機(jī)學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2007.

[9]魯勇勤,況明偉,李宇俊,敖光華.燃機(jī)變頻起動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)引進(jìn)和創(chuàng)新開發(fā)設(shè)計(jì)[J].東方電氣評(píng)論,2009,23(92):43-48,56.

[10]李基成.現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用(第二版)[M].北京:中國電力出版社,2011:444-446.