三菱燃气轮机组M701F4国产化励磁系统的特点

李建文

（国电南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

近年来，燃气发电机组在世界上发展十分迅速。燃气发电机组是以天然气为燃料的新型节能环保发电机组，具有起动性能好、发电质量高、噪声低振动小等众多优势。目前国内大型燃气轮机组多选用国外进口产品，国产化的辅机设备与其的配合程度显得尤为关键。重庆两江燃机电厂采用东方电气引进的日本三菱公司的M701F4 燃气轮机组，是国内第一台单轴供热F4 型联合循环机组，燃气轮机、蒸汽轮机与发电机同轴布置，一期装机容量 2×467MW。燃机起动时需要外部装置带动机组达到自维持转速（2100r/min），由于该燃气轮机组本身的轴功率太大，使用电动机拖动难以达到要求。该电厂选用的是ABB 公司的SFC 静止变频装置作为外部起动装置，在起动阶段将发电机作为电动机使用带动燃机到自维持转速。因此燃气轮机组的励磁系统不仅需要满足常规火电发电机组的电压控制和无功分配要求，同时还需配合SFC 完成燃气机组的起动过程。

1 燃机励磁系统的构成和设计特点

重庆两江燃机电厂的励磁系统和SFC 的总体框图如图1所示。

两江电厂励磁系统采用的是南瑞电控公司的NES5100 自并励可控硅整流励磁系统。励磁系统由励磁变压器、励磁调节装置、大功率可控硅整流装置和灭磁装置组成。

图1 励磁系统和SFC 原理框图

1.1 励磁变压器

励磁变压器出于与发电机封闭母线连接上的方便以及防止相间短路的考虑，由三个单相环氧干式变压器组成，采用Y/D-11 的接线方式，不仅降低了一次绕组的耐压水平，同时抵消了二次侧的三次谐波，改善了整流柜阳极的电压波形。高低压绕组之间有静电屏蔽，大大降低了高低压绕组之间的电容耦合引起的感应过电压。励磁变二次电压的选择充分考虑了顶值电压倍数、换相压降和主回路上的压降。在励磁变额定容量的选择上，考虑到谐波电流分量增加的谐波损耗，适当加大二次额定电流的数值，并根据已确定的励磁变二次侧电压来确定最终的额定容量。具体励磁变参数见表1。

表1 励磁变参数表

1.2 励磁调节器

励磁调节器（以下简称AVR）是燃机起动和发电机控制的核心环节，采用双微机双通道冗余配置，互为热备用，备用通道自动跟踪主套，并能在运行通道故障时自动实现无扰动切换到备用通道。在任一套装置故障后，单套装置能够实现励磁系统的所有控制功能，并保证其安全运行。调节器采用ARM高频处理器，采用高精度多点交流采样技术，真实准确的反应发电机真实工况。

1.3 可控硅整流装置

可控硅整流装置由四面整流柜并联而成，单柜按三相全控桥式接线。发电机额定励磁电流为3620A，单柜输出额定电流达到3000A，满足国标规定的N-1 及N-2 原则。可控硅元件选用ABB 公司的5STP28L4200，通态平均电流为3170A，反向不重复峰值电压为4200V，电压和电流均留有足够的储备系数。每组桥壁中可控硅元件串联配置快速熔断器，并联配置RC 阻容吸收回路。南瑞特有的选型计算得到的阻容参数能够将交流侧过电压限制到1.8 倍以下，大幅度改善了交流侧电压的波形。通过合理的铜排走线设计、可控硅门极强触发、增加脉冲宽度和可控硅缜密筛选等方法，提高各功率柜的均流能力，现场实际均流系数高达0.96。可控硅采用铝性散热器加强迫风冷的散热方式。整流柜配有两台冷却风机，互为备用。正常工作时单台风机起动，当该风机故障时，备用风机自动启用。每个整流桥直流侧和交流侧均设有隔离刀闸，便于单个整流桥的投入和切除，方便检修。

1.4 起励装置

自并励励磁系统在发电机升压开始阶段需要通过残压或起励回路完成建压，起励回路采用三相交流起励方式，电源取自厂用电源380V，通过起励降压变压器和整流模块输出直流电流给转子。相对于直流起励来说，交流起励的回路电流是断续的，比较有利于接触器可靠断弧；且降压变压器使得电源侧的电流减小，大大降低了起励电源的容量。

1.5 灭磁装置

为了最大程度发挥励磁系统内部电力电子器件的功能，正常停机时机组灭磁方式采用为逆变灭磁，在发电机解列后通过控制调节器的输出脉冲，将转子内部的能量快速的转移至电网侧，达到停机的目的。事故或紧急停机时采用“磁场断路器+线性电阻”灭磁的方式，切断励磁电源，同时将灭磁电阻通过机械跨接器和电子跨接器引入转子回路吸收消耗掉转子的储能，达到快速灭磁的目的。

2 SFC 起动过程中的励磁控制策略

2.1 励磁系统SFC 控制模式

SFC 又称之为静止变频器，能够产生频率可调的交流电源。SFC 输出变频交流电源到发电机定子端，将发电机作为电动机使用，通过调频调速使其按照预先设定的速率加速上升，同轴拖动燃气轮机旋转。整个起动过程发电机的转子都由励磁装置施加一定的励磁电流，其电流的大小由SFC 装置给定，其励磁装置的工作方式由SFC 控制。励磁调节器需要准确接受并理解透平控制系统（以下简称TCS）和SFC 发出的指令，配合SFC 拖动燃机到自维持转速。随后由TCS 发出退SFC 和退励磁的指令，由燃机自身动力将机组带到额定转速（3000r/min）。

对于带有SFC 变频拖动装置的燃气轮机组，励磁系统存在两种不同的工作状态：燃机起动状态和并网发电状态，因此励磁系统需要额外增加一种控制模式即SFC 控制模式，在电流环状态下配合SFC完成燃气轮机起动过程。励磁系统的控制输入量有两个：“转子电流给定量（4～20mA）”和“SFC 投入”，接收到“SFC 投入”令后AVR 进入SFC 模式，将“转子电流给定量（4～20mA）”根据SFC 装置设定的标幺转化为实际值，该值与励磁电流反馈经过比较后形成误差信号输入AVR 的PID 回路。SFC模式下的逻辑框图如图2所示。

图2 励磁系统SFC 模式逻辑框图

2.2 燃机起动流程

励磁系统在燃机起动流程分以下4 个阶段：

1）准备阶段

励磁系统在燃机起动前保持发电机并网等待状态，即控制方式为电压环、灭磁开关（以下简称FCB）分闸、励磁变副变到整流柜阳极的断路器（以下简称MDS5）合闸、合上起动变副变的断路器（以下简称MDS4）分闸，待TCS 确认机组是否具备起动条件。

燃机满足起动条件后，由TCS 向SFC 发出“SFC投入令”，SFC 会完成一系列的开关分合闸流程，其中包括MDS5 分闸、MDS4 合闸。MDS4 和MDS5的状态切换使得励磁系统由自并励模式切换为他励模式，因为在SFC 投入运行时向发电机定子侧输入的是变频电源，通过励磁变压器后无法作为励磁源为转子提供励磁电流，这期间发电机的励磁电流由厂内电源通过起动变压器施加到整流柜的交流侧来提供，此时退出起励回路。

SFC 完成各开关的分合逻辑后，向AVR 发出“SFC 已投入”开关量信号，AVR 收到该信号后，控制模式由电压环切换为电流环，此时的电流给定值由SFC 发出的外部模拟量（4～20mA）确定。

2）起动阶段

机组起动一切准备就绪后，由TCS 同时分别向SFC 和励磁系统发出“投入令”，控制FCB 合闸并触发励磁建压令给AVR，AVR 运行状态由等待态转入空载态，触发可控硅控制脉冲，由于此时SFC 的转子电流给定值仍为0，触发角置逆变角。此刻AVR发出“SFC 已投入”开关量信号给SFC，反馈当前控制状态。随后SFC 发出“转子电流给定”模拟量信号（4～20mA）给AVR，AVR 根据模拟信号对应的实际电流给定值进行控制，维持发电机转子电流在给定水平。

3）升速阶段

燃机起动之后会经历吹扫、清洗、点火等一系列阶段，最终达到自维持转速（2100r/min）。SFC控制励磁使发电机按一定的磁通与转速的关系曲线运行，整个过程AVR 都是工作在电流环模式下，并接受SFC 发出的电流给定值实时控制。

4）停机阶段

燃机达到2100r/min 后，热力透平输出的功率已足够产生动力继续升速到额定转速，SFC 退出运行。TCS 向励磁系统发出“励磁切除令”，灭磁开关分闸，AVR 收到停机令，触发角置逆变角，将转子能量逆变至电网侧，转子电流下降为0，AVR 运行状态由空载态回到等待态。随后SFC 合上MDS5，分开MDS4，“SFC 已投入”开关量置0，AVR 控制模式由电流环切回电压环，为之后的并网开机做准备。

2.3 SFC 模式下的限制保护

在燃机起动过程中，由于初始阶段发电机的定子电压幅值很低且谐波大，加上机组转速低，频率和相序难以准确测量，常规励磁系统会误报出PT断线保护和机端相序故障，因此励磁系统在SFC 模式下应屏蔽掉这些功能，并在程序采样计算中设置为定时触发方式。

V/F限制又称过磁通限制，是为了防止发电机转子过激磁，通过计算定子电压和机端频率的比值，确定当前线圈过电流状态。燃机起动过程发电机机端频率变化范围在0.05～35Hz（15～2100r/min），定子电压变化范围在0～10%额定定子电压。常规励磁系统的V/F限制一般设置在1.06，涵盖了燃机起动过程的V/F变化。在电压频率准确测量的前提上，不需要单独设置针对SFC 模式下的V/F限制。实际应用中考虑到初始阶段的发电机定子电压质量较差，电压频率难以准确测量，为了防止误报，励磁系统也屏蔽掉了V/F限制功能。

3 燃机并网过程中的励磁控制策略

燃机机组达到额定转速（3000r/min）后，已具备开机升压条件。励磁系统再次接受TCS 的“励磁投入令”，灭磁开关合闸并发出励磁建压令，AVR发出可控硅触发脉冲，同时控制起励接触器投入起励回路，待定子电压达到20%额定机端电压后，切除起励回路，完全由励磁变副变提供励磁电源。升压过程中AVR 工作在电压环，一般以软起励的方式上升到到发电机的额定定子电压，完成发电机升压过程。此后准同期装置通过增减磁调整励磁系统的电压给定，使实际定子电压与系统电压保持一致，并在同期点合上发电机出口断路器，完成发电机的同期并网发电。

4 结论

励磁系统在燃机的起动和发电过程中具有极其 重要的作用，而SFC 模式下的电流环控制和并网模式下的电压环控制的准确切换尤为关键。国产励磁系统在与SFC 配合已经具有非常成熟的技术，针对不同的SFC 控制流程，制定相应的励磁控制策略，正确理解并反馈外部信号，保证燃机的平稳起动和并网运行中发电机的电压稳定，给类似机组起到一定的借鉴作用。

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