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1　背景及概況

隨著社會的進步、科技的發展，電力在日常生產生活中扮演著不可或缺的角色，同時對電網以及供電系統也是一種挑戰，要求具備一定的穩定性和可靠性。而21世紀初的電力系統較為老舊，導致停電情況時有發生，所以電力人一直在摸索和研究，如何讓電力緊跟時代的步伐甚至超越，如今黑啟動功能已成為熱詞并且在各種類型的電廠中得到廣泛應用，黑啟動是指當電網發生大面積區域停電或全部停電（全“黑”狀態）情況下，少數特殊配置的具有自啟動能力的發電廠先行啟動發電，恢復局部電網供電，再帶動電網內多數沒有自啟動能力的發電廠啟動發電，逐漸恢復全部電網供電。

協鑫（集團）控股有限公司是一家以新能源、清潔能源為主，相關產業多元化發展的科技引領型綜合能源龍頭企業。廣州協鑫藍天燃氣熱電有限公司作為協鑫集團旗下標桿企業，系全國首家集“燃氣熱電冷聯供、中水循環利用、LNG冷能綜合利用、光能利用、儲能充電”于一體的國家級多能互補示范工程。

公司建設2×196MW燃氣-蒸汽聯合循環熱電冷聯供機組，燃氣輪機組采用美國GE公司PG9171E型重型燃氣輪機，燃機采用先進的DLN1.0低氮燃燒器，配套建設國產雙壓自然循環余熱鍋爐和國產抽汽凝汽式供熱機組，單臺機組設計額定供熱量為120t/h，最大供熱量為140t/h，年供熱量40余噸。目前已建成長達二十多公里的供熱環網，同時對所在園區優化能源結構、環境綜合治理做出重要貢獻。

2　燃氣輪機工作原理及啟動步驟

2.1　燃氣輪機工作原理

將過濾后符合溫度和濕度要求的空氣進入壓氣機壓縮后，一部分與天然氣混合，在火焰筒內燃燒，產生高溫高壓的燃氣，另一部分作為冷卻介質冷卻各高溫部件，最后和高溫高壓的燃氣混合，進入透平做功（類似蒸汽在汽輪機的級內膨脹做功），作為動力源帶動發電機做功輸出電能，燃氣輪機的排煙溫度高（9E為538℃，9F為609℃左右），其尾部排煙經過煙道排入余熱鍋爐（HRSG）中，應用熱交換器原理加熱給水，產生高溫高壓的蒸汽，進入蒸汽輪機做功。燃氣輪機監控圖如圖1所示。

圖1 燃氣輪機監控圖

2.2　啟動步驟（如圖2所示）

圖2 啟動步驟

3　壓氣機、燃機起動電機

壓氣機是燃氣輪機各部分中重要的部件之一，也是燃氣輪機中耗能的大部件，燃氣輪機透平在正常運行中產生的2/3的功將消耗在壓氣機上，剩余的1/3的功作為動力源輸出到發電機。顯然存在一個問題，在啟動過程中點火之前和點火之后透平發出的功率小于壓氣機所需的功率，這段時間內必須由燃氣輪機主機之外的動力來拖動機組的轉子。換言之，燃氣輪機的啟動必須借助外部動力設備。在啟動之后，再將外部動力設備脫開。該外部動力設備即燃機起動電機。該項目應用燃機起動電機參數如表1所示。燃機起動電機負載圖如圖3所示。

圖3 燃機起動電機負載圖

表1 燃機起動電機參數

4　森蘭VFPS系列高壓變頻軟起裝置

4.1　變頻軟起裝置工作原理

變頻軟起裝置采用交-直-交型電壓源型逆變器，主電路采用功率單元串聯技術解決器件耐壓問題，級間SPWM信號移相后疊加，提高了輸出電壓諧波性能、降低輸出電壓的dv/dt（電壓變化率），通過電流多重化技術提高輸入側諧波性能，減小對電網的諧波污染，通過多樣的算法，可以為不同類型的負載提供優異的啟動性能。

功率單元串聯式高壓變頻軟啟動裝置由旁路切換開關柜、移相變壓器、功率單元柜、控制柜和并網電抗器等部分組成。三相高壓電源經高壓開關柜進入，經移相變壓器降壓、移相給功率單元柜內的功率單元供電，每相的功率單元輸出首尾相串聯，由控制柜的主控制器通過光纖控制每一功率單元進行整流、逆變控制與檢測。在變頻軟起模式下啟動后，變頻器的輸出頻率從0Hz逐步升至50Hz，輸出電壓從0V開始逐漸升高至電網電壓，此時，主控制器啟動鎖相功能，使其輸出電壓逐步與輸入電網電壓同相位、同幅值、同頻率后，自動切換至工頻運行。

4.2　變頻軟起裝置現場應用

現場運行的PG9171E燃氣輪機本身不具備黑啟動功能，需要配備合適的柴油發電機來提供電力給起動電機以及一些輔機，從表1可知啟動馬達電壓等級6kV，同時燃氣輪機在啟動過程中最大負載為起動電機，需要考慮到起動電機從帶電到脫扣階段的負荷特性，最終為現場提供希望森蘭出品的VFPS-060-630變頻軟起裝置，變頻器容量為630kVA，額定輸出電流為62A，輸入頻率50Hz，輸出頻率范圍0～60Hz。該變頻器電源由高壓6kV輸入，高壓輸出范圍0～6000V。

4.3　變頻軟起裝置一次回路（如圖4所示）

圖4 變頻軟起裝置一次回路

4.4　一次回路構成及互鎖要求

（1）一次回路構成

該裝置包含用戶進線開關QF1、燃機起動電機工頻切換開關6104與6209、柜內隔離開關QS1與QS2、變頻器充電電阻、柜內真空接觸器KM1與KM2、輸出電抗器L、一次系統預充電回路以及電流電壓采樣回路等。采用一次系統預充電的好處：

? 可大大抑制變頻器上電時對電網的沖擊電流，限制在額定電流以下；

? 降低對電網容量的需求，上電時不影響電網上其它設備的正常運行；

? 延長干式移相變壓器及功率單元中電容及整流橋等設備的使用壽命；

? 限流開關無需上級斷路器QF的接地刀互鎖，不改變開關柜“五防”，不存在安全隱患，優于其它限流方式，為安全、性能優的限流方式。

（2）互鎖要求

QS1與KM1，QS2與KM2相互聯鎖，即隔離開關合上后，與隔離開關對應的真空接觸器才能合閘，真空接觸器合上后，與真空接觸器對應的隔離開關不能分開；KM1、KM2之間相互聯鎖，只要其中一個合上，另一個不能合閘。KM1與6104互鎖、KM2與6209互鎖，正常情況下只允許一個合閘。只有當變頻軟起輸出與電網達到同步時，才能解鎖KM1與6104、KM2與6209的互鎖關系。

4.5　燃機起動電機工作流程（如圖5所示）

圖5 燃機起動電機工作流程

5　軟起裝置應用效果

5.1　工作性能

鎖相功能確保了變頻器輸出電壓與工頻電網電壓的主參數一致性，解決了電動機變頻運行切換工頻運行時可能產生電流沖擊的問題。該裝置將電動機由變頻器拖動切換至工頻電網過程中，電動機的電流波形和電網電壓及變頻器輸出電壓波形如圖6所示。

圖6 電流波形和電網電壓及變頻器輸出電壓波形

注：綠色（通道2）——變頻器輸出電壓；

黃色（通道1）——變頻器輸入電壓；

藍色（通道3）——變頻器輸出電流；

高壓變頻軟起裝置在啟動燃機起動電機時，由變頻拖動切換至工頻拖動過程中，輸出電壓可以跟隨電網電壓使兩者頻率、幅值、相位均保持一致，幾乎沒有沖擊電流產生，不僅降低了電機啟動時的發熱問題，減小了大電流對電機壽命的影響，還解決了超大功率電機在啟動時對電網的沖擊問題。

5.2　裝置優點

（1）設置一次預充功能，對設備及電網無沖擊，延長設備使用壽命；

（2）能夠實現電動機的軟啟動，延長機械使用壽命，減小維護工作量，降低維護費用等；

（3）啟動全過程均小于額定電流，屬于柔性啟動，可大大降低對電網容量的需求，節省電網容量。

6　結語

希望森蘭VFPS系列變頻軟起裝置滿足大功率電機柔性起動的需求，針對電網黑啟動應用時，啟動機容量有限、全程啟動電流小于額定電流、投切平滑的特點，為電廠黑啟動提供了一種解決方案，具有良好的應用前景。

作者簡介：

陶　頂（1991-），男，云南曲靖人，工程師，學士，現就職于希望森蘭科技股份有限公司，長期從事高壓變頻器在各類工業現場的應用研究。

呂海波（1982-），男，四川南充人，工程師，學士，現就職于希望森蘭科技股份有限公司，長期從事高壓變頻器現場應用及研究工作。

摘自《自動化博覽》2021年6月刊