森兰高压变频器软起装置在电厂燃气轮机黒启动中的应用
发布时间：2021-07-12 21:34:29
高压变频软起装置在启动燃机起动电机时，由变频拖动切换至工频拖动过程中，输出电压可以跟随电网电压使两者频率、幅值、相位均保持一致，几乎没有冲击电流产生，不仅降低了电机启动时的发热问题，减小了大电流对电机寿命的影响，还解决了超大功率电机在启动时对电网的冲击问题。
1 背景及概况
随着社会的进步、科技的发展，电力在日常生产生活中扮演着不可或缺的角色，同时对电网以及供电系统也是一种挑战，要求具备一定的稳定性和可靠性。而21世纪初的电力系统较为老旧，导致停电情况时有发生，所以电力人一直在摸索和研究，如何让电力紧跟时代的步伐甚至超越，如今黑启动功能已成为热词并且在各种类型的电厂中得到广泛应用，黑启动是指当电网发生大面积区域停电或全部停电（全“黑”状态）情况下，少数特殊配置的具有自启动能力的发电厂先行启动发电，恢复局部电网供电，再带动电网内多数没有自启动能力的发电厂启动发电，逐渐恢复全部电网供电。
协鑫（集团）控股有限公司是一家以新能源、清洁能源为主，相关产业多元化发展的科技引领型综合能源龙头企业。广州协鑫蓝天燃气热电有限公司作为协鑫集团旗下标杆企业，系全国首家集“燃气热电冷联供、中水循环利用、LNG冷能综合利用、光能利用、储能充电”于一体的国家级多能互补示范工程。
公司建设2×196MW燃气-蒸汽联合循环热电冷联供机组，燃气轮机组采用美国GE公司PG9171E型重型燃气轮机，燃机采用先进的DLN1.0低氮燃烧器，配套建设国产双压自然循环余热锅炉和国产抽汽凝汽式供热机组，单台机组设计额定供热量为120t/h，最大供热量为140t/h，年供热量40余吨。目前已建成长达二十多公里的供热环网，同时对所在园区优化能源结构、环境综合治理做出重要贡献。
2 燃气轮机工作原理及启动步骤
2.1 燃气轮机工作原理
将过滤后符合温度和湿度要求的空气进入压气机压缩后，一部分与天然气混合，在火焰筒内燃烧，产生高温高压的燃气，另一部分作为冷却介质冷却各高温部件，最后和高温高压的燃气混合，进入透平做功（类似蒸汽在汽轮机的级内膨胀做功），作为动力源带动发电机做功输出电能，燃气轮机的排烟温度高（9E为538℃，9F为609℃左右），其尾部排烟经过烟道排入余热锅炉（HRSG）中，应用热交换器原理加热给水，产生高温高压的蒸汽，进入蒸汽轮机做功。燃气轮机监控图如图1所示。
图1 燃气轮机监控图
2.2 启动步骤（如图2所示）
图2 启动步骤
3 压气机、燃机起动电机
压气机是燃气轮机各部分中重要的部件之一，也是燃气轮机中耗能的大部件，燃气轮机透平在正常运行中产生的2/3的功将消耗在压气机上，剩余的1/3的功作为动力源输出到发电机。显然存在一个问题，在启动过程中点火之前和点火之后透平发出的功率小于压气机所需的功率，这段时间内必须由燃气轮机主机之外的动力来拖动机组的转子。换言之，燃气轮机的启动必须借助外部动力设备。在启动之后，再将外部动力设备脱开。该外部动力设备即燃机起动电机。该项目应用燃机起动电机参数如表1所示。燃机起动电机负载图如图3所示。
图3 燃机起动电机负载图
表1 燃机起动电机参数
4 森兰VFPS系列高压变频软起装置
4.1 变频软起装置工作原理
变频软起装置采用交-直-交型电压源型逆变器，主电路采用功率单元串联技术解决器件耐压问题，级间SPWM信号移相后叠加，提高了输出电压谐波性能、降低输出电压的dv/dt（电压变化率），通过电流多重化技术提高输入侧谐波性能，减小对电网的谐波污染，通过多样的算法，可以为不同类型的负载提供优异的启动性能。
功率单元串联式高压变频软启动装置由旁路切换开关柜、移相变压器、功率单元柜、控制柜和并网电抗器等部分组成。三相高压电源经高压开关柜进入，经移相变压器降压、移相给功率单元柜内的功率单元供电，每相的功率单元输出首尾相串联，由控制柜的主控制器通过光纤控制每一功率单元进行整流、逆变控制与检测。在变频软起模式下启动后，变频器的输出频率从0Hz逐步升至50Hz，输出电压从0V开始逐渐升高至电网电压，此时，主控制器启动锁相功能，使其输出电压逐步与输入电网电压同相位、同幅值、同频率后，自动切换至工频运行。
4.2 变频软起装置现场应用
现场运行的PG9171E燃气轮机本身不具备黑启动功能，需要配备合适的柴油发电机来提供电力给起动电机以及一些辅机，从表1可知启动马达电压等级6kV，同时燃气轮机在启动过程中最大负载为起动电机，需要考虑到起动电机从带电到脱扣阶段的负荷特性，最终为现场提供希望森兰出品的VFPS-060-630变频软起装置，变频器容量为630kVA，额定输出电流为62A，输入频率50Hz，输出频率范围0～60Hz。该变频器电源由高压6kV输入，高压输出范围0～6000V。
4.3 变频软起装置一次回路（如图4所示）
图4 变频软起装置一次回路
4.4 一次回路构成及互锁要求
（1）一次回路构成
该装置包含用户进线开关QF1、燃机起动电机工频切换开关6104与6209、柜内隔离开关QS1与QS2、变频器充电电阻、柜内真空接触器KM1与KM2、输出电抗器L、一次系统预充电回路以及电流电压采样回路等。采用一次系统预充电的好处：
• 可大大抑制变频器上电时对电网的冲击电流，限制在额定电流以下；
• 降低对电网容量的需求，上电时不影响电网上其它设备的正常运行；
• 延长干式移相变压器及功率单元中电容及整流桥等设备的使用寿命；
• 限流开关无需上级断路器QF的接地刀互锁，不改变开关柜“五防”，不存在安全隐患，优于其它限流方式，为安全、性能优的限流方式。
（2）互锁要求
QS1与KM1，QS2与KM2相互联锁，即隔离开关合上后，与隔离开关对应的真空接触器才能合闸，真空接触器合上后，与真空接触器对应的隔离开关不能分开；KM1、KM2之间相互联锁，只要其中一个合上，另一个不能合闸。KM1与6104互锁、KM2与6209互锁，正常情况下只允许一个合闸。只有当变频软起输出与电网达到同步时，才能解锁KM1与6104、KM2与6209的互锁关系。
4.5 燃机起动电机工作流程（如图5所示）
图5 燃机起动电机工作流程
5 软起装置应用效果
5.1 工作性能
锁相功能确保了变频器输出电压与工频电网电压的主参数一致性，解决了电动机变频运行切换工频运行时可能产生电流冲击的问题。该装置将电动机由变频器拖动切换至工频电网过程中，电动机的电流波形和电网电压及变频器输出电压波形如图6所示。
图6 电流波形和电网电压及变频器输出电压波形
注：绿色（通道2）——变频器输出电压；
黄色（通道1）——变频器输入电压；
蓝色（通道3）——变频器输出电流；
高压变频软起装置在启动燃机起动电机时，由变频拖动切换至工频拖动过程中，输出电压可以跟随电网电压使两者频率、幅值、相位均保持一致，几乎没有冲击电流产生，不仅降低了电机启动时的发热问题，减小了大电流对电机寿命的影响，还解决了超大功率电机在启动时对电网的冲击问题。
5.2 装置优点
（1）设置一次预充功能，对设备及电网无冲击，延长设备使用寿命；
（2）能够实现电动机的软启动，延长机械使用寿命，减小维护工作量，降低维护费用等；
（3）启动全过程均小于额定电流，属于柔性启动，可大大降低对电网容量的需求，节省电网容量。
6 结语
希望森兰VFPS系列变频软起装置满足大功率电机柔性起动的需求，针对电网黑启动应用时，启动机容量有限、全程启动电流小于额定电流、投切平滑的特点，为电厂黑启动提供了一种解决方案，具有良好的应用前景。
作者简介：
陶 顶（1991-），男，云南曲靖人，工程师，学士，现就职于希望森兰科技股份有限公司，长期从事高压变频器在各类工业现场的应用研究。
吕海波（1982-），男，四川南充人，工程师，学士，现就职于希望森兰科技股份有限公司，长期从事高压变频器现场应用及研究工作。
来源：《自动化博览》2021年6月刊
