燃气轮机组励磁系统设计与应用

王亚婧 徐春建 朱宏超 霍乾涛

（国电南瑞科技股份有限公司，南京 210061）

燃气轮机是国家能源安全和国防安全的重要保障，是调整能源结构、实现能源清洁高效利用、践行节能减排的重要基石[1]。近年来随着我国不断加大对天然气等清洁能源的利用以及电力调峰的需要，一批燃气-蒸汽联合循环的热电联产机组相继在各地投入建设[2]。热电联产是既产电又产热的先进能源利用形式，具有降低能源消耗、提升供热效率、提高空气质量、改善城市形象等优点。

空气被高度压缩是燃气轮机良好工作的前提条件之一，一台燃机大约有 2/3的功率用来驱动压气机工作。因此，为了使燃气轮机能够开始工作，一定要有其他的动力先使压气机开始工作。当涡轮产生足够压缩比的气体，进入燃烧室的天然气开始燃烧，燃气轮机就可以自己维持旋转，即在此速度下，机组可以产生使自己不断升速的功率了。这就是燃气轮机组的起动过程[4]。

燃气轮机组的起动方式有柴油机起动方式、蒸汽轮机起动方式、SFC起动方式3种[5]。SFC起动方式的基本原理就是使发电机作为同步电机运行，并利用同步电机的调速控制原理，从而达到起动的目的[6]。首先通过外加（变频）电源让它将燃气轮机组升速，在燃气轮机开始自己作功后再退出电动机运行状态，然后又作为发电机并网发电，这种起动方式目前越来越多地被采用[3]。发电机作为同步电动机运行，最有效的方法是通过调节电源频率来实现对转速的调节，静止变频器就是为此设计的能够提供可调频率的电源装置[7]，同时还必须有励磁系统的配合。

本文以某电厂3×200MW 燃机项目为背景，对燃机励磁系统与常规励磁系统的不同之处进行说明并探讨。

1 燃气轮机组起动

由于同步发电机和电动机都是基于电磁感应原理运行的[8]，同步发电机也可作为同步电动机工作。当在电机定子上通人三相交流电，将产生一个旋转磁场，此时转子上加励磁也会建立一个磁场，同步电动机的电磁转矩就由定子电流建立的旋转磁场与转子磁场的相互作用而产生，仅仅在两者相对静止时，才能得到平衡电磁转矩[3]。

电厂的同步发电机为两极隐极式电机，如果由工频电源给定子供电，则它只能在3000r/min下作电动机工作，且作为常规发电机，转子上没有特别结构（如类似异步电机笼条的起动绕组）满足直接起动要求，因此必须通过提供可以改变频率的电源使发电机完全处于同步电动机状态逐渐升速，以达到拖动燃气轮机机组起动的目的。

静止变频器（SFC）就是一种可以改变频率的电源，它把频率可调的交变电流加到发电机定子上，使发电机变成调频调速电动机方式转动起来，同轴带动燃气轮机起动，加到定子上的是经变频器变频后的交流电，使得起动过程按照预先设定的速率加速上升。整个起动过程发电机的转子都由机组所配套的励磁装置施加有一定的励磁电流，其电流的大小与SFC装置配合，其励磁装置的工作方式由SFC控制[9]。

燃气轮机组起动前，SFC从6kV厂用母线取电，输出通过隔离开关连接到发电机定子电枢绕组上。根据燃气轮机的要求，首先由盘车系统将机组升速至 120～150r/min，退盘车。然后起动SFC装置，SFC通过控制励磁系统来建立转子磁通，产生的磁链在定子绕组中感应出电动势，通过测量并计算磁通可得出转子位置[10]，由此选择需要通流的两相定子绕组。当定子通流后，在定转子磁场的共同作用下，发电机开始升速，然后按照内部设定的曲线运行，在此过程中可以选择机组的状态，包括水洗、吹扫、常规起动三种模式，如图1和图2所示。

吹扫和水洗模式中，SFC控制电机保持恒定转速，实现对燃气轮机管道的清理，在此过程中，SFC控制励磁系统的励磁电流为恒定值。当为常规起动模式时，SFC首先输出恒转矩，带动电机转速上升，此时SFC控制励磁电流仍为恒定值，当SFC的输出功率达到最大值时，SFC变为恒功率运行，此时SFC控制励磁为弱磁运行方式，与燃气轮机共同作用提高电机的转速。

图1 典型水洗曲线

图2 典型起动曲线

当检测到机组转速已达到燃气轮机的自持转速（本电厂为2100r/min）时，SFC退出运行，并同时控制励磁系统停机，进入待机状态。之后，由燃气轮机带动发电机平滑升速到同步转速3000r/min。当现场条件满足时，由监控系统发出励磁开机令，励磁系统之后作为常规励磁系统来运行，当同期条件满足后，合同期并网开关，机组开始并网运行，起动过程完成。

2 燃机励磁系统配置

电厂配置有3台200MW的燃气轮机组，3台机组配置有2台SFC装置和3台励磁装置。SFC采用了如图3所示的二对三方案，即每套SFC装置可分别控制3台机组的起动。对于励磁系统而言，也就意味着所有与SFC装置连接的接收信号通道和反馈信号通道都是双份的，且需要相互闭锁，避免发生误动作。

电厂的励磁系统除常规配置外，还有其特殊之处，包括硬件和软件两个方面。

2.1 硬件特殊配置

硬件包括与SFC的接口以及为实现二对三方案所做的硬件配置两方面。

1）起动阶段与SFC的配合，主要是二次接口，包括开关量和模拟量，具体信号见表1。

2）由于SFC控制励磁系统为二对一方式，因此励磁系统需对两路输入信号进行闭锁，本励磁系统通过硬件实现两路信号之间的闭锁，如图4所示，其中K1为第一套SFC开机命令继电器，K2为第二套SFC开机命令继电器。此套硬件不仅实现了当接收到第一套SFC的开入信号时，只能接收此套SFC的模拟量信号，还实现了当没有励磁系统投入命令时，外部的4～20mA 信号不会开路，当两套SFC同时发出励磁系统投入命令时，外部4～20mA 信号无法送入励磁系统，此时SFC无法控制励磁系统。

表1 励磁系统与SFC二次接口

图3 电厂发电机组配置

图4 二对一硬件闭锁装置

2.2 软件特殊配置

软件包括4～20mA 触发角度控制以及SFC开机和正常开机信号之间的闭锁。

1）SFC控制励磁系统的具体流程为：在励磁系统主回路就绪之后（磁场断路器已合、系统无故障），SFC给励磁系统发励磁系统投入命令，当励磁系统检测到此信号且励磁角度给定的模拟量采样正常之后，给SFC反馈励磁系统已投入信号，SFC即可根据励磁电流实际值来调节励磁角度给定，从而调整磁通；在上述过程中，当SFC检测到励磁系统发出的定子电压大于2500V时，则立即停机，保护SFC整流设备；当励磁系统检测到励磁系统投入命令取消后，即刻退出运行。

SFC给励磁系统的4～20mA励磁角度给定信号线性对应可控硅触发角度180°～0°，即 4mA对应180°触发角，12mA对应 90°触发角，20mA对应 0°触发角。由于电厂励磁系统为它励源，而发电机起动阶段所需励磁电流也不大，为防止励磁电流过大，根据现场实际情况，励磁系统将实际角度限制在150°～75°之间。

图5 SFC拖动初期励磁波形

图5为起动时刻触发角度与转子电流的波形图，由图5可知在起动初期，触发角度由150°一直增加直到 75°，然后经过SFC的调节，稳定在其稳态值87.5°，转子电流也经过一个波头的超调，最终稳定在11%左右，励磁处于恒磁通控制环节。

2）由于励磁系统存在两路开机令，一路为起动阶段SFC发出的，另一路为正常开机时监控系统给出的，两路信号从不同的输入通道进入励磁系统，且电源为DC220V，具有较高的抗干扰性。但是从安全性考虑，另外用软件把两路信号进行了闭锁，以防止在SFC模式中进入正常模式，或在正常模式中进入SFC模式。

3 结论

燃气轮机组越来越多地采用发电机作为同步电动机拖动机组升速的起动方式，本文在介绍了燃气轮机组起动流程的基础上，阐述了燃气轮机组的励磁系统在配置上与常规励磁系统在硬件与软件方面的不同之处。

本励磁系统在某电厂 3×200MW 的 1#、3#机组应用以来，未出现过异常动作，一次起动成功率100%，保证了机组的正常起动和运行，满足规程要求，符合现代燃机励磁系统的需求，具有很好的推广应用价值。

[1]谈燕.上海与清华开展燃气轮机战略合作[N].解放日报,2012-07-09.

[2]阮伟.静态变频器(SFC)在燃机电厂的应用[J].电气开关,2007(2):48-50.

[3]张鑫,浅谈燃机SFC系统[J].科技资讯,2010(4):113

[4]赵昌宗.燃气轮机的SFC起动.燃气轮机发电技术[J].2002,4(3-4):44-47.

[5]刘明行,蔡迈,王磊.燃气轮机组SFC变频装置原理及应用探究[J].华东电力,2010,38(11):1763-1768.

[6]李国东.发电机静态起动技术研究[D].浙江:浙江大学,2009.

[7]王一.静止变频器在大型燃气-蒸汽联合循环机组中的应用分析[J].广东科技,2009(12):219-221.

[8]李发海,朱东起.电机学[M].北京:科学出版社,2007.

[9]鲁勇勤,况明伟,李宇俊,敖光华.燃机变频起动系统技术引进和创新开发设计[J].东方电气评论,2009,23(92):43-48,56.

[10]李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用(第二版)[M].北京:中国电力出版社,2011:444-446.