抽水蓄能机组与燃机发电机组的SFC系统对比分析

胡羽川，丁凯，舒欣，徐华安

(湖北省电力公司电力科学研究院，湖北武汉430077)

【摘　要】　本文根据国内抽水蓄能机组与燃机发电机组的SFC启动系统的实际应用情况，分别介绍两者的SFC启动系统的系统结构、启动过程和系统容量，总结归纳两者的SFC启动系统存在的差异。

【关键词】　SFC系统;抽水蓄能机组;燃机发电机组

0　引言

抽水蓄能电站在电网中承担着调峰的任务，在发电量富余的情况下进行抽水储能，在发电量缺额的情况下进行开闸发电。因此，抽水蓄能机组与常规水轮发电机的不同之处在于其独特的抽水工况，在此状态下，抽水蓄能机组作为一个同步电动机需要进行启动升转速的过程。静止变频器(SFC)变频启动方式已经成为了常规抽水蓄能机组的主要启动方式之一，拥有特殊的启动系统结构、启动过程、并网方式等。

同时，SFC启动方式也大量应用于燃气发电机，其技术方案与抽水蓄能存在差异性，本文针对抽水蓄能机组与燃气发电机组这两类机型的SFC启动系统进行对比分析，旨在对不同机组的SFC启动系统的差异性进行清晰的描述。

1　SFC系统简介

静止变频器(SFC)变频启动是通过晶闸管变频器输出不同频率的交流电流给调相机定子进行启动的。其原理是当定子绕组通入三相对称电流，气隙内会产生一个旋转磁场，如果此时转子绕组中有励磁电流，转子将被磁场产生的电磁转矩所带动以同步转速进行旋转。因此，可以通过增加定子电流频率的方式来改变转子转速，这种方式也称为变频调速。

SFC在抽水蓄能机组所承担的任务是将转速升至并网转速然后进行并网，从零转速开始全程参与启动过程之中。燃机发电机组的SFC系统则与之不同，由于燃机需要外部提供有功进行启动，所以SFC的功能是按照程序协助燃机进行旋转、点火、升速直至燃机启动，并不需要参与最后的并网过程[2]。

由于抽水蓄能机组SFC系统与燃机发电机SFC系统所承担的电机拖动的目标速度不同，其启动系统结构、启动过程、并网方式都存在差异。

2　SFC系统结构分析

常规的抽水蓄能机组的SFC系统主要由输入变压器、整流器、直流电抗器、逆变器、输出变压器、低速变压器旁路隔离开关组成，系统结构示意图见图1。整流器是将取自启动母线的工频交流电整成直流电，再依控制系统给出的信号由逆变器将直流电逆变成相应频率相位的交流电通入定子绕组中。输入变压器能够有效地减少启动过程中产生的3n次谐波，减少对电力系统的影响。另外，装设输入、输出变压器的另一目的是能够使变频器在较低工作电压下运行，降低了设备要求。但同时由于输出升压变压器。

燃机发电机组SFC启动系统与抽水蓄能机组SFC启动结构差异在于燃机SFC系统不设置输出变压器，其逆变器直接与机组定子相连，这种设计的优点是结构简单，不需要进行旁路隔离开关切换，缺点是无法在机端电压过高的情况下工作，其系统结构见图2。

另外，在整个启动过程中，SFC控制系统需要根据转速、转子位置、定子电流等信号对变流器进行调节，同时，根据变频启动原理，SFC系统通过控制励磁电流来对机组的升速过程进行调节，因此在变频启动过程中，励磁系统接收SFC系统的控制并且转为恒励磁电流控制方式。

常规自并励发电机组励磁电源取自发电机机端，最初的电源由发电机剩磁产生的电压供给。而无论是抽水蓄能机组或者燃机机组，在启动初期其最初转速为0或者由盘车带动保持在低转速，无法通过剩磁进行建压，因此，燃机机组与抽水蓄能机组的初始励磁电源一般取自厂用电。并且当初始励磁电源取自厂用电时需要加设切换装置在机端电压建立后将励磁系统切换至正常的自并励状态。另外，也可采取励磁电源直接取自主变低压出口处的方式，在这种接线方式下，励磁变始终带电，简化了操作流程，提高了可靠性。

3　启动过程分析

3.1　抽水蓄能机组启动过程

抽水蓄能机组SFC的启动方式主要应用于抽水工况下，转子从静止状态开始进行升速。启动系统的任务是将抽水蓄能机组转速从0升至100%转速，由同期装置和励磁装置将电机同期并网。从SFC的控制方式来考虑，抽水蓄能机组启动过程主要可分为断续换相、自然换相、同期并网三个部分。

其中断续换相是机组在低速运转时由于反电动势较小，可控硅无法进行反电势换流，因此需要采用断续换流方法进行换相。这种换流方法是当需要进行换相时，使整流器转为逆变状态，此时变频器直流侧的电流将降为0，使得逆变器的晶闸管全部关断。之后重新进行整流，开始下一次晶闸管触发。反电势换流又称为自然换流，是晶闸管利用调相机定子产生的反电势进行关断，能无需附加额外的控制自行进行关断。反电势换流的控制方法简单、易于实现，但通常需要调相机转速达到5%～10%额定转速以上才能发挥作用[1]。

由于存在输出变压器与旁路，抽水蓄能机组需要在启动过程中对两者进行切换。以湖北白莲河抽水蓄能电站为例，其启动过程如下:

(1)机组SFC系统在接收到启动信号之后，根据机组频率信号“f<5Hz”将旁路隔离开关合上。

(2)励磁整流桥解锁，SFC接收到励磁投入信号。

(3)SFC计算转子位置，给出可控硅桥的触发脉冲，产生电流，以脉冲耦合工作方式使机组转动。

(4)当达到约8.5%额定频率时，SFC闭锁触发脉冲，断开旁路隔离开关，合上输出变压器支路隔离开关。

(5)重新解锁可控硅桥进行机组加速，约5Hz时进入自然换相阶段。

(6)当频率约为99%额定频率时，SFC交由同期装置进行控制并网。

(7)启动机组并网后，SFC立即闭锁触发脉冲，然后断开SFC输出开关。

此外，抽水蓄能机组的启动过程还包括压水过程，例如天荒坪电站水泵水轮机组首先在水中启动，当频率达到15%额定频率左右后，进行压水，转子与水分离，使转子在空气中转动，此方案的优点在于能够使机组以更快速度进行升转[3]。

3.2　燃机机组启动过程

燃机机组SFC的启动目标是将燃机机组从盘车状态升至自持转速。自持转速是指燃机无需外力就能维持旋转的最低转速，自持转速低于额定转速，因此燃机机组SFC启动系统与抽水蓄能电站的SFC启动过程完全不同。

燃机机组的SFC启动过程分为盘车、冷拖、清吹、降速点火、加速自持、退出并网6个阶段[4]。在启动过程中，冷拖阶段完全由SFC系统提供能量使机组加速，当清吹结束后，SFC系统闭锁使定子电流、电压降为0，转速自然下降。TCS(燃机控制系统)在转速降至目标值后发点火令，SFC重新解锁，之后机组在SFC与机组自身的共同作用下进行升速，当燃机机组达到自持转速后，SFC系统将逐步退出运行，之后机组的转速由燃机进行拖动加速至100%转速进行并网。另外，和抽水蓄能机组一样，燃机机组SFC系统也有断续换相、自然换相两种换相方式。

3.3　同期方式的差异

由于燃机机组可以在点火后通过自身出力保持转速进行并网，而运行于抽水工况下的抽水蓄能机组无法自行维持转速，必须依靠SFC将其带入到额定转速下进行并网。这导致抽水蓄能的同期过程需要有SFC进行参与，当转速上升至额定转速后，也需要升高机端电压以保证在SFC切除后，机组能够快速并网。而燃机机组的同期过程不需要SFC系统参与，其同期过程与常规发电机基本一致，但需要在SFC隔离开关和并网断路器之间进行联锁，防止并网运行期间误动SFC隔离开关[5]。同时，燃机机组SFC系统不参与同期过程，其SFC工作时的最大机端电压比抽水蓄能机组SFC系统面对的最大机端电压要低，所以燃机机组SFC可以采用直接与机组定子连接的方式，而抽水蓄能机组需要加装输出变压器。

4　SFC系统容量

在启动过程中，SFC产生的启动力矩需要阻力转矩，才能使机组转动。在整个升速过程中，机组的阻力转矩会随着转速的上升而增大。同等机组容量下，抽水蓄能机组要求SFC系统容量比燃机机组选用的容量大，国内已投产的抽水蓄能电站一般将SFC容量选定为机组容量的6%～10%[6]。而400MW燃机发电机组的SFC系统容量仅为4900kW，约为机组容量的1.2%[7]。造成两者容量主要差异原因有:①抽水蓄能机组SFC需要将机组拖动到100%额定转速，而燃机机组只需将其拖入自持转速;②同容量情况下，抽水蓄能机组转动惯量比燃机机组大;③燃机机组在进行点火后，机组的升速由机组本身和SFC系统共同承担。

5　结语

SFC启动系统作为大规模应用于抽水蓄能机组与燃机发电机组中的软启动设备，拥有启动容量大、对电网冲击小的特点，能够满足机组快速启动的要求。在SFC启动系统在抽水蓄能电站与燃机发电厂的实际应用中，其基本原理是一致的，但在具体的系统结构、控制方式上有所不同，根据上文总结分析，主要差异的体现在以下三点:

(1)在系统结构上，常规抽水蓄能机组SFC系统含有输出变压器并设有输出旁路，燃机发电机组则将发电机定子与SFC系统的逆变器直接相连。

(2)抽水蓄能机组SFC系统需要将机组带到额定转速并配合同期系统进行并网，燃机机组则按照与抽水蓄能机组完全不同的启动过程将机组带入自持转速即可退出运行。

(3)在机组同容量的情况下抽水蓄能机组SFC系统容量要大于燃机发电机组SFC系统容量。

参考文献:

[1]郑飞，吕宏水，朱晓东.抽水蓄能电站静止变频器(SFC)起动关键问题[J].变频器世界，2007 (2):69-72.

[2]李志刚.9F燃气轮机LCI启动系统及启动过程简介[J].燃气轮机技术，2005，18(2):57-61.

[3]徐银娣.抽水蓄能电站水泵电动机的启动方式[J].华东电力，2001，29(4):12-14.

[4]魏恒.6F燃气发电机组SFC静态变频器的应用[J].云南电力技术，2013，41(5):57-60.

[5]牛利涛，刘晓航，洪海程.大型IGCC电站燃机变频启动特性的研究[J].现代电子技术，2012，35 (18):188-191.

[6]杨莹，潘雪石，许翔，等.抽水蓄能机组抽水工况启动方式分析[J].河北电力技术，2011，30 (S1):9-11.

[7]鲁勇勤，况明伟，李宇俊，等.燃机变频启动系统技术引进和创新开发设计[J].东方电气评论，2009，23(4):43-48.

作者简介:

胡羽川(1991—　)，男，湖北咸宁人，硕士研究生，助理工程师，研究方向为发电机励磁系统及网源协调。E-mail:huyuchuan91@foxmail.com