燃氣輪機組勵磁系統設計與應用

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）

燃氣輪機是國家能源安全和國防安全的重要保障，是調整能源結構、實現能源清潔高效利用、踐行節能減排的重要基石[1]。近年來隨著我國不斷加大對天然氣等清潔能源的利用以及電力調峰的需要，一批燃氣-蒸汽聯合循環的熱電聯產機組相繼在各地投入建設[2]。熱電聯產是既產電又產熱的先進能源利用形式，具有降低能源消耗、提升供熱效率、提高空氣質量、改善城市形象等優點。

空氣被高度壓縮是燃氣輪機良好工作的前提條件之一，一臺燃機大約有 2/3的功率用來驅動壓氣機工作。因此，為了使燃氣輪機能夠開始工作，一定要有其他的動力先使壓氣機開始工作。當渦輪產生足夠壓縮比的氣體，進入燃燒室的天然氣開始燃燒，燃氣輪機就可以自己維持旋轉，即在此速度下，機組可以產生使自己不斷升速的功率了。這就是燃氣輪機組的起動過程[4]。

燃氣輪機組的起動方式有柴油機起動方式、蒸汽輪機起動方式、SFC起動方式3種[5]。SFC起動方式的基本原理就是使發電機作為同步電機運行，并利用同步電機的調速控制原理，從而達到起動的目的[6]。首先通過外加（變頻）電源讓它將燃氣輪機組升速，在燃氣輪機開始自己作功后再退出電動機運行狀態，然后又作為發電機并網發電，這種起動方式目前越來越多地被采用[3]。發電機作為同步電動機運行，最有效的方法是通過調節電源頻率來實現對轉速的調節，靜止變頻器就是為此設計的能夠提供可調頻率的電源裝置[7]，同時還必須有勵磁系統的配合。

本文以某電廠3×200MW 燃機項目為背景，對燃機勵磁系統與常規勵磁系統的不同之處進行說明并探討。

1 燃氣輪機組起動

由于同步發電機和電動機都是基于電磁感應原理運行的[8]，同步發電機也可作為同步電動機工作。當在電機定子上通人三相交流電，將產生一個旋轉磁場，此時轉子上加勵磁也會建立一個磁場，同步電動機的電磁轉矩就由定子電流建立的旋轉磁場與轉子磁場的相互作用而產生，僅僅在兩者相對靜止時，才能得到平衡電磁轉矩[3]。

電廠的同步發電機為兩極隱極式電機，如果由工頻電源給定子供電，則它只能在3000r/min下作電動機工作，且作為常規發電機，轉子上沒有特別結構（如類似異步電機籠條的起動繞組）滿足直接起動要求，因此必須通過提供可以改變頻率的電源使發電機完全處于同步電動機狀態逐漸升速，以達到拖動燃氣輪機機組起動的目的。

靜止變頻器（SFC）就是一種可以改變頻率的電源，它把頻率可調的交變電流加到發電機定子上，使發電機變成調頻調速電動機方式轉動起來，同軸帶動燃氣輪機起動，加到定子上的是經變頻器變頻后的交流電，使得起動過程按照預先設定的速率加速上升。整個起動過程發電機的轉子都由機組所配套的勵磁裝置施加有一定的勵磁電流，其電流的大小與SFC裝置配合，其勵磁裝置的工作方式由SFC控制[9]。

燃氣輪機組起動前，SFC從6kV廠用母線取電，輸出通過隔離開關連接到發電機定子電樞繞組上。根據燃氣輪機的要求，首先由盤車系統將機組升速至 120～150r/min，退盤車。然后起動SFC裝置，SFC通過控制勵磁系統來建立轉子磁通，產生的磁鏈在定子繞組中感應出電動勢，通過測量并計算磁通可得出轉子位置[10]，由此選擇需要通流的兩相定子繞組。當定子通流后，在定轉子磁場的共同作用下，發電機開始升速，然后按照內部設定的曲線運行，在此過程中可以選擇機組的狀態，包括水洗、吹掃、常規起動三種模式，如圖1和圖2所示。

吹掃和水洗模式中，SFC控制電機保持恒定轉速，實現對燃氣輪機管道的清理，在此過程中，SFC控制勵磁系統的勵磁電流為恒定值。當為常規起動模式時，SFC首先輸出恒轉矩，帶動電機轉速上升，此時SFC控制勵磁電流仍為恒定值，當SFC的輸出功率達到最大值時，SFC變為恒功率運行，此時SFC控制勵磁為弱磁運行方式，與燃氣輪機共同作用提高電機的轉速。

圖1 典型水洗曲線

圖2 典型起動曲線

當檢測到機組轉速已達到燃氣輪機的自持轉速（本電廠為2100r/min）時，SFC退出運行，并同時控制勵磁系統停機，進入待機狀態。之后，由燃氣輪機帶動發電機平滑升速到同步轉速3000r/min。當現場條件滿足時，由監控系統發出勵磁開機令，勵磁系統之后作為常規勵磁系統來運行，當同期條件滿足后，合同期并網開關，機組開始并網運行，起動過程完成。

2 燃機勵磁系統配置

電廠配置有3臺200MW的燃氣輪機組，3臺機組配置有2臺SFC裝置和3臺勵磁裝置。SFC采用了如圖3所示的二對三方案，即每套SFC裝置可分別控制3臺機組的起動。對于勵磁系統而言，也就意味著所有與SFC裝置連接的接收信號通道和反饋信號通道都是雙份的，且需要相互閉鎖，避免發生誤動作。

電廠的勵磁系統除常規配置外，還有其特殊之處，包括硬件和軟件兩個方面。

2.1 硬件特殊配置

硬件包括與SFC的接口以及為實現二對三方案所做的硬件配置兩方面。

1）起動階段與SFC的配合，主要是二次接口，包括開關量和模擬量，具體信號見表1。

2）由于SFC控制勵磁系統為二對一方式，因此勵磁系統需對兩路輸入信號進行閉鎖，本勵磁系統通過硬件實現兩路信號之間的閉鎖，如圖4所示，其中K1為第一套SFC開機命令繼電器，K2為第二套SFC開機命令繼電器。此套硬件不僅實現了當接收到第一套SFC的開入信號時，只能接收此套SFC的模擬量信號，還實現了當沒有勵磁系統投入命令時，外部的4～20mA 信號不會開路，當兩套SFC同時發出勵磁系統投入命令時，外部4～20mA 信號無法送入勵磁系統，此時SFC無法控制勵磁系統。

表1 勵磁系統與SFC二次接口

圖3 電廠發電機組配置

圖4 二對一硬件閉鎖裝置

2.2 軟件特殊配置

軟件包括4～20mA 觸發角度控制以及SFC開機和正常開機信號之間的閉鎖。

1）SFC控制勵磁系統的具體流程為：在勵磁系統主回路就緒之后（磁場斷路器已合、系統無故障），SFC給勵磁系統發勵磁系統投入命令，當勵磁系統檢測到此信號且勵磁角度給定的模擬量采樣正常之后，給SFC反饋勵磁系統已投入信號，SFC即可根據勵磁電流實際值來調節勵磁角度給定，從而調整磁通；在上述過程中，當SFC檢測到勵磁系統發出的定子電壓大于2500V時，則立即停機，保護SFC整流設備；當勵磁系統檢測到勵磁系統投入命令取消后，即刻退出運行。

SFC給勵磁系統的4～20mA勵磁角度給定信號線性對應可控硅觸發角度180°～0°，即 4mA對應180°觸發角，12mA對應 90°觸發角，20mA對應 0°觸發角。由于電廠勵磁系統為它勵源，而發電機起動階段所需勵磁電流也不大，為防止勵磁電流過大，根據現場實際情況，勵磁系統將實際角度限制在150°～75°之間。

圖5 SFC拖動初期勵磁波形

圖5為起動時刻觸發角度與轉子電流的波形圖，由圖5可知在起動初期，觸發角度由150°一直增加直到 75°，然后經過SFC的調節，穩定在其穩態值87.5°，轉子電流也經過一個波頭的超調，最終穩定在11%左右，勵磁處于恒磁通控制環節。

2）由于勵磁系統存在兩路開機令，一路為起動階段SFC發出的，另一路為正常開機時監控系統給出的，兩路信號從不同的輸入通道進入勵磁系統，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進行了閉鎖，以防止在SFC模式中進入正常模式，或在正常模式中進入SFC模式。

3 結論

燃氣輪機組越來越多地采用發電機作為同步電動機拖動機組升速的起動方式，本文在介紹了燃氣輪機組起動流程的基礎上，闡述了燃氣輪機組的勵磁系統在配置上與常規勵磁系統在硬件與軟件方面的不同之處。

本勵磁系統在某電廠 3×200MW 的 1#、3#機組應用以來，未出現過異常動作，一次起動成功率100%，保證了機組的正常起動和運行，滿足規程要求，符合現代燃機勵磁系統的需求，具有很好的推廣應用價值。

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