SFC培训教学课件

1、2022/8/31电气设备与运行华南理工大学电力学院夏成军第1页，共32页。2022/8/32第2页，共32页。2022/8/33第3页，共32页。2022/8/34燃气轮机与常规的机组不同, 整个燃机透平在运行中产生的功率有约1/2 消耗在压气机中, 燃机从启动、点火、加速到自持转速的过程, 燃机透平自身做功不足以满足启动的要求, 必须外加能量拖动转子转动。随着燃气机组容量的增加, 启动装置的型式也有很大的不同, 小型燃机一般有柴油机启动方式、启动马达式和蒸汽冲动式; 大型燃机如GE 和三菱的F 级燃机均用变频启动方式, 即通过静态变频器( SFC) 带动同步发电机作为同步电动机提供驱动力矩

2、。惠州天然气发电厂是国内首批采用F 级燃气机组的电厂。第4页，共32页。2022/8/35变频启动原理同步电动机以其可调的功率因数和输出转矩及对电网电压波动不敏感等良好的运行性能, 在电气传动领域中独占鳌头, 是驱动大型燃机的优选机型。然而大型同步电动机的启动一直是个相当复杂的问题, 如果采用异步启动方法, 依靠阻尼绕组进行启动, 对电力系统的干扰将十分严重。如果采用减压启动, 不但需要很大的电抗器, 而且启动绕组发热严重, 很难保证安全运行。而利用现代交直交调速技术对大型同步电动机进行静止变频启动, 则无论是效率还是控制性能都比较理想。第5页，共32页。2022/8/36变频器的作用是把电压

3、和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电。变频调速的依据是公式n = 60 f/p( n: 同步速度, f: 电源频率, p: 电机极对数) , 即电机的旋转速度同频率成比例。电机在工频电源供电时会产生一个大的启动电流, 启动和加速冲击很大, 而当使用变频器供电时, 变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的, 这些冲击就要弱一些。如果仅改变频率而不改变电压, 频率降低时发电机定子容易因过电流而损坏, 因此变频器在改变频率的同时必须要改变电压。第6页，共32页。2022/8/37静态变频器( SFC) 工作过程惠州天然气发电厂SFC 结构如图1 所示, 输入电源来自1 号或2 号机的6

4、 kV 厂用电。每套SFC 额定功率4 900 kW, 由谐波滤波器、SFC 变压器、整流装置、直流电抗器、逆变装置、控制屏和位置传感器7 部分组成。谐波滤波器用来吸收在整流和逆变过程中所产生的5 次、7 次谐波, 防止谐波对电厂其他电气设备造成影响或反送到电网中造成谐波污染。SFC 变压器将6 kV 电压降至3.8 kV, 为SFC 系统提供电源, 同时通过变压器漏抗限制晶闸管短路时的短路电流。整流装置通过对晶闸管导通角的控制把交流电转换成直流电, 并控制直流电压使直流电流达到适当值。经过整流后的直流电源再经直流电抗器限制波形, 使波形更加平滑后进入逆变装置, 把直流逆变成频率可变的交流,

5、其频率在0.0533.3 Hz内平滑可调, 使发电机平滑加速。第7页，共32页。2022/8/38 第8页，共32页。2022/8/39以上就是SFC 的工作原理, 为实现对其控制,在转子转轴上安装了相位传感器, 用以测量转子的相位, 其反馈信号为逆变器触发脉冲的参考信号。第9页，共32页。2022/8/310励磁系统工作过程发电机作为同步电动机启动, 定子加变频电流的同时, 转子也要加励磁。当发电机由SFC 启动运行时, 励磁装置通过励磁启动盘内装设的6 kV/150 V专用启动变压器向励磁系统供电, 即采用他励运行方式供给发电机励磁。当启动完成、SFC 退出运行后, 机组的转速达到额定转速

6、, 励磁装置转为自并励方式, 励磁系统按常规方式运行。上述控制模式的切换都是由SFC 控制屏自动完成, 它接受来自DCS( 分散控制系统) 、TCS( 机岛控制系统) 的控制信号, 控制和协调SFC 系统各部件的工作, 并且其内部有故障自我诊断、报警和保护功能。第10页，共32页。2022/8/311变频启动步骤SFC 从启动到退出运行经历启动升速、清扫、降速、点火、升速和停止各个阶段。为避免SFC 整流器与逆变器之间发生接地故障时, 中性点接地变压器受直流故障电流的冲击, 启动过程中发电机中性点接地变压器断路器应在断开位置。第11页，共32页。2022/8/3122.1 启动升速阶段发电机作

7、为同步电动机启动加速之前, 先由盘车电动机将其带动到3 r/min, 合上SFC 启动装置输入、输出开关, 然后投入转子励磁, 接着发送晶闸管触发脉冲使其开始加速。最初, 采用脉冲换相, 同步电动机加速到约7.5% 的额定转速, 转入负荷换相。第12页，共32页。2022/8/3132.2 高速盘车、清扫、水洗阶段转速达到约25%的额定转速后, 需要对燃机进行点火前的清扫, 将上次运行未燃尽的可燃气体吹出燃烧室, 防止点火时爆燃损坏机组。进入本阶段后, SFC 的输出电流和转速保持不变, 持续约400 s。另外, 空气中的灰尘经进气室过滤后, 仍有部分进入压气机进气道, 粘附在叶片上, 引起压

8、气机压比和效率降低, 因此需要定期对压气机进行清洗。压气机水洗分离线清洗和在线清洗。离线水洗就在此阶段进行, 完毕则直接降速停机。第13页，共32页。2022/8/3142.3 降速、点火阶段为保证点火成功, 三菱M701F 型燃机的规定点火转速( 约20% 额定转速) 比清扫转速低, 所以通过降低SFC 输出电流改变电磁转矩以达到降低转速的目的。第14页，共32页。2022/8/3152.4 升速、退出阶段约经过40 s 点火成功后, SFC 和燃机共同带动机组升速, 随着燃料量的加大, 到约67 % 的额定转速时, 燃机逐渐达到自持转速, SFC 开始降低输出电流, 当发电机转速达到约77

9、 % 的额定转速时, SFC输出电流和励磁电流全部降为0, 启动励磁变压器和SFC 同时退出, 发电机不再作为同步电动机发出拖动力矩, 转由燃机拖动升速。第15页，共32页。2022/8/3162.5 并网控制阶段在燃机的带动下, 机组继续升速, 当转速接近额定转速时, 若定子上的残压超过额定电压的20%,则将此残压经并接于发电机出口的主励磁变压器降压并整流, 以提供起励电流, 发电机可以实现自启动; 若残压达不到额定电压的20%, 则利用厂用220 V 直流电起励。发电机经同期并入电网, 此阶段和常规机组相同。第16页，共32页。2022/8/3173 变频启动特点分析3.1 SFC 的换相

10、方式( 1) 脉冲换相: 在启动或低转速初期( 转速R 7.5% 额定转速) , 发电机不能提供足够的反电势实现逆变器晶闸管的截止和换相, 必须每隔60强制整流器断流一次, 使逆变器截止和换相。这种换相方式称为脉冲换相方式。第17页，共32页。2022/8/318( 2) 负荷换相: 当发电机转速较高( 转速R7.5% 额定转速) , SFC 自动进入负荷换相方式。此时发电机已经能够提供足够的反电势使该换相的逆变器截止并完成换相。逆变器此时的换相方式称为负荷换相方式。第18页，共32页。2022/8/3193.2 SFC 的控制模式SFC 系统在运行过程中是由SFC 控制柜按照预定的程序进行顺

11、序控制的。由于在不同阶段所控制的参数不同, 所以可分为“电流控制方式”和“转速控制方式”。第19页，共32页。2022/8/320( 1) 电流控制方式: 在发电机升速或降速的过程中采用电流控制方式。SFC 保证供给发电机的电枢电流在某一时段为恒定值, 使发电机的转速不断升高或降低。第20页，共32页。2022/8/321( 2) 转速控制方式: 当需要维持发电机转速为恒定值时( 维持清扫或点火转速时) , SFC 采用转速控制方式。此时SFC 通过调节供给发电机的电枢电流, 以保证发电机转速为恒定值。第21页，共32页。2022/8/3223.3 励磁控制模式SFC 采用速度检测器来实现自动

12、励磁调节器(AVR) 控制方式的改变。( 1) 恒励磁电流模式: 在发电机转速较低、机端电压尚未达到规定电压值( 约17%额定电压) 时,SFC 控制柜发信号给励磁系统, 由AVR 维持励磁电流为恒定值。第22页，共32页。2022/8/323( 2) 恒电压模式: 当发电机转速已较高( 约15%额定转速) 、机端电压到达规定电压值( 约17%额定电压) 时, 为防止定子过电流, SFC 控制柜发信号给励磁系统, 由AVR 通过减小励磁电流维持机端电压保持恒定。第23页，共32页。2022/8/324结语用SFC 带动发电机作为同步电动机运行, 启动平稳, 不存在失步问题, 对电网也完全没有冲

13、击, 可靠性高, 具有较好的应用前景和较高的研究价值, 值得推广。三菱公司运行业绩证明, 用SFC 启动机组具有优异的调速性能, 且成功率高、维护量小、自诊断能力强。但其价格昂贵, 易产生谐波, 控制系统比较复杂, 包含有较多的控制环节和相关设备, 设备容量较大, 各种保护措施必须可靠。第24页，共32页。2022/8/325目前我国燃机发电的比重逐年上升, 在天然气发电项目中, 对日本三菱重工、美国GE 和德国西门子全球三大燃机厂商的燃机都有引进, 但关于变频器的相关文献不多, 本文旨在能与同行进行交流与探讨, 增进对变频启动调速的理解和认识, 从而提高燃机发电厂的运行与检修水平。第25页，共32页。2022/8/326天然气(LNG)发电