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1　背景及概況

隨著社會(huì)的進(jìn)步、科技的發(fā)展，電力在日常生產(chǎn)生活中扮演著不可或缺的角色，同時(shí)對(duì)電網(wǎng)以及供電系統(tǒng)也是一種挑戰(zhàn)，要求具備一定的穩(wěn)定性和可靠性。而21世紀(jì)初的電力系統(tǒng)較為老舊，導(dǎo)致停電情況時(shí)有發(fā)生，所以電力人一直在摸索和研究，如何讓電力緊跟時(shí)代的步伐甚至超越，如今黑啟動(dòng)功能已成為熱詞并且在各種類型的電廠中得到廣泛應(yīng)用，黑啟動(dòng)是指當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生大面積區(qū)域停電或全部停電（全“黑”狀態(tài)）情況下，少數(shù)特殊配置的具有自啟動(dòng)能力的發(fā)電廠先行啟動(dòng)發(fā)電，恢復(fù)局部電網(wǎng)供電，再帶動(dòng)電網(wǎng)內(nèi)多數(shù)沒(méi)有自啟動(dòng)能力的發(fā)電廠啟動(dòng)發(fā)電，逐漸恢復(fù)全部電網(wǎng)供電。

協(xié)鑫（集團(tuán)）控股有限公司是一家以新能源、清潔能源為主，相關(guān)產(chǎn)業(yè)多元化發(fā)展的科技引領(lǐng)型綜合能源龍頭企業(yè)。廣州協(xié)鑫藍(lán)天燃?xì)鉄犭娪邢薰咀鳛閰f(xié)鑫集團(tuán)旗下標(biāo)桿企業(yè)，系全國(guó)首家集“燃?xì)鉄犭娎渎?lián)供、中水循環(huán)利用、LNG冷能綜合利用、光能利用、儲(chǔ)能充電”于一體的國(guó)家級(jí)多能互補(bǔ)示范工程。

公司建設(shè)2×196MW燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電冷聯(lián)供機(jī)組，燃?xì)廨啓C(jī)組采用美國(guó)GE公司PG9171E型重型燃?xì)廨啓C(jī)，燃機(jī)采用先進(jìn)的DLN1.0低氮燃燒器，配套建設(shè)國(guó)產(chǎn)雙壓自然循環(huán)余熱鍋爐和國(guó)產(chǎn)抽汽凝汽式供熱機(jī)組，單臺(tái)機(jī)組設(shè)計(jì)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(zhǎng)達(dá)二十多公里的供熱環(huán)網(wǎng)，同時(shí)對(duì)所在園區(qū)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、環(huán)境綜合治理做出重要貢獻(xiàn)。

2　燃?xì)廨啓C(jī)工作原理及啟動(dòng)步驟

2.1　燃?xì)廨啓C(jī)工作原理

將過(guò)濾后符合溫度和濕度要求的空氣進(jìn)入壓氣機(jī)壓縮后，一部分與天然氣混合，在火焰筒內(nèi)燃燒，產(chǎn)生高溫高壓的燃?xì)猓硪徊糠肿鳛槔鋮s介質(zhì)冷卻各高溫部件，最后和高溫高壓的燃?xì)饣旌?，進(jìn)入透平做功（類似蒸汽在汽輪機(jī)的級(jí)內(nèi)膨脹做功），作為動(dòng)力源帶動(dòng)發(fā)電機(jī)做功輸出電能，燃?xì)廨啓C(jī)的排煙溫度高（9E為538℃，9F為609℃左右），其尾部排煙經(jīng)過(guò)煙道排入余熱鍋爐（HRSG）中，應(yīng)用熱交換器原理加熱給水，產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽，進(jìn)入蒸汽輪機(jī)做功。燃?xì)廨啓C(jī)監(jiān)控圖如圖1所示。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)監(jiān)控圖

2.2　啟動(dòng)步驟（如圖2所示）

圖2 啟動(dòng)步驟

3　壓氣機(jī)、燃機(jī)起動(dòng)電機(jī)

壓氣機(jī)是燃?xì)廨啓C(jī)各部分中重要的部件之一，也是燃?xì)廨啓C(jī)中耗能的大部件，燃?xì)廨啓C(jī)透平在正常運(yùn)行中產(chǎn)生的2/3的功將消耗在壓氣機(jī)上，剩余的1/3的功作為動(dòng)力源輸出到發(fā)電機(jī)。顯然存在一個(gè)問(wèn)題，在啟動(dòng)過(guò)程中點(diǎn)火之前和點(diǎn)火之后透平發(fā)出的功率小于壓氣機(jī)所需的功率，這段時(shí)間內(nèi)必須由燃?xì)廨啓C(jī)主機(jī)之外的動(dòng)力來(lái)拖動(dòng)機(jī)組的轉(zhuǎn)子。換言之，燃?xì)廨啓C(jī)的啟動(dòng)必須借助外部動(dòng)力設(shè)備。在啟動(dòng)之后，再將外部動(dòng)力設(shè)備脫開(kāi)。該外部動(dòng)力設(shè)備即燃機(jī)起動(dòng)電機(jī)。該項(xiàng)目應(yīng)用燃機(jī)起動(dòng)電機(jī)參數(shù)如表1所示。燃機(jī)起動(dòng)電機(jī)負(fù)載圖如圖3所示。

圖3 燃機(jī)起動(dòng)電機(jī)負(fù)載圖

表1 燃機(jī)起動(dòng)電機(jī)參數(shù)

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(lián)技術(shù)解決器件耐壓?jiǎn)栴}，級(jí)間SPWM信號(hào)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(guò)電流多重化技術(shù)提高輸入側(cè)諧波性能，減小對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，通過(guò)多樣的算法，可以為不同類型的負(fù)載提供優(yōu)異的啟動(dòng)性能。

功率單元串聯(lián)式高壓變頻軟啟動(dòng)裝置由旁路切換開(kāi)關(guān)柜、移相變壓器、功率單元柜、控制柜和并網(wǎng)電抗器等部分組成。三相高壓電源經(jīng)高壓開(kāi)關(guān)柜進(jìn)入，經(jīng)移相變壓器降壓、移相給功率單元柜內(nèi)的功率單元供電，每相的功率單元輸出首尾相串聯(lián)，由控制柜的主控制器通過(guò)光纖控制每一功率單元進(jìn)行整流、逆變控制與檢測(cè)。在變頻軟起模式下啟動(dòng)后，變頻器的輸出頻率從0Hz逐步升至50Hz，輸出電壓從0V開(kāi)始逐漸升高至電網(wǎng)電壓，此時(shí)，主控制器啟動(dòng)鎖相功能，使其輸出電壓逐步與輸入電網(wǎng)電壓同相位、同幅值、同頻率后，自動(dòng)切換至工頻運(yùn)行。

4.2　變頻軟起裝置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的PG9171E燃?xì)廨啓C(jī)本身不具備黑啟動(dòng)功能，需要配備合適的柴油發(fā)電機(jī)來(lái)提供電力給起動(dòng)電機(jī)以及一些輔機(jī)，從表1可知啟動(dòng)馬達(dá)電壓等級(jí)6kV，同時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中最大負(fù)載為起動(dòng)電機(jī)，需要考慮到起動(dòng)電機(jī)從帶電到脫扣階段的負(fù)荷特性，最終為現(xiàn)場(chǎng)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(gòu)成及互鎖要求

（1）一次回路構(gòu)成

該裝置包含用戶進(jìn)線開(kāi)關(guān)QF1、燃機(jī)起動(dòng)電機(jī)工頻切換開(kāi)關(guān)6104與6209、柜內(nèi)隔離開(kāi)關(guān)QS1與QS2、變頻器充電電阻、柜內(nèi)真空接觸器KM1與KM2、輸出電抗器L、一次系統(tǒng)預(yù)充電回路以及電流電壓采樣回路等。采用一次系統(tǒng)預(yù)充電的好處：

? 可大大抑制變頻器上電時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊電流，限制在額定電流以下；

? 降低對(duì)電網(wǎng)容量的需求，上電時(shí)不影響電網(wǎng)上其它設(shè)備的正常運(yùn)行；

? 延長(zhǎng)干式移相變壓器及功率單元中電容及整流橋等設(shè)備的使用壽命；

? 限流開(kāi)關(guān)無(wú)需上級(jí)斷路器QF的接地刀互鎖，不改變開(kāi)關(guān)柜“五防”，不存在安全隱患，優(yōu)于其它限流方式，為安全、性能優(yōu)的限流方式。

（2）互鎖要求

QS1與KM1，QS2與KM2相互聯(lián)鎖，即隔離開(kāi)關(guān)合上后，與隔離開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的隔離開(kāi)關(guān)不能分開(kāi)；KM1、KM2之間相互聯(lián)鎖，只要其中一個(gè)合上，另一個(gè)不能合閘。KM1與6104互鎖、KM2與6209互鎖，正常情況下只允許一個(gè)合閘。只有當(dāng)變頻軟起輸出與電網(wǎng)達(dá)到同步時(shí)，才能解鎖KM1與6104、KM2與6209的互鎖關(guān)系。

4.5　燃機(jī)起動(dòng)電機(jī)工作流程（如圖5所示）

圖5 燃機(jī)起動(dòng)電機(jī)工作流程

5　軟起裝置應(yīng)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(wǎng)電壓的主參數(shù)一致性，解決了電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行切換工頻運(yùn)行時(shí)可能產(chǎn)生電流沖擊的問(wèn)題。該裝置將電動(dòng)機(jī)由變頻器拖動(dòng)切換至工頻電網(wǎng)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)的電流波形和電網(wǎng)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(wǎng)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(lán)色（通道3）——變頻器輸出電流；

高壓變頻軟起裝置在啟動(dòng)燃機(jī)起動(dòng)電機(jī)時(shí)，由變頻拖動(dòng)切換至工頻拖動(dòng)過(guò)程中，輸出電壓可以跟隨電網(wǎng)電壓使兩者頻率、幅值、相位均保持一致，幾乎沒(méi)有沖擊電流產(chǎn)生，不僅降低了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的發(fā)熱問(wèn)題，減小了大電流對(duì)電機(jī)壽命的影響，還解決了超大功率電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊問(wèn)題。

5.2　裝置優(yōu)點(diǎn)

（1）設(shè)置一次預(yù)充功能，對(duì)設(shè)備及電網(wǎng)無(wú)沖擊，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命；

（2）能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)，延長(zhǎng)機(jī)械使用壽命，減小維護(hù)工作量，降低維護(hù)費(fèi)用等；

（3）啟動(dòng)全過(guò)程均小于額定電流，屬于柔性啟動(dòng)，可大大降低對(duì)電網(wǎng)容量的需求，節(jié)省電網(wǎng)容量。

6　結(jié)語(yǔ)

希望森蘭VFPS系列變頻軟起裝置滿足大功率電機(jī)柔性起動(dòng)的需求，針對(duì)電網(wǎng)黑啟動(dòng)應(yīng)用時(shí)，啟動(dòng)機(jī)容量有限、全程啟動(dòng)電流小于額定電流、投切平滑的特點(diǎn)，為電廠黑啟動(dòng)提供了一種解決方案，具有良好的應(yīng)用前景。

作者簡(jiǎn)介：

陶　頂（1991-），男，云南曲靖人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于希望森蘭科技股份有限公司，長(zhǎng)期從事高壓變頻器在各類工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用研究。

呂海波（1982-），男，四川南充人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于希望森蘭科技股份有限公司，長(zhǎng)期從事高壓變頻器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及研究工作。

摘自《自動(dòng)化博覽》2021年6月刊