高壓變頻技術(shù)平臺在燃氣發(fā)電機組的“黑啟動”定制化開發(fā)
1燃氣電站工藝介紹
燃氣電站主要以天然氣作為一次能源，通過將天然氣與空氣混合燃燒推動燃氣輪機旋轉(zhuǎn)，拖動發(fā)電機運行輸出電力。同時，配備有啟動機組、燃氣余熱鍋爐、蒸汽發(fā)電機組等，其燃氣、蒸汽聯(lián)合發(fā)電機組的工作原理如圖1所示。
系統(tǒng)一方面通過高溫燃氣，推動燃氣輪機高效做功;另一方面，又通過余熱鍋爐，通過熱交換吸收高溫尾氣余熱，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽推動蒸汽發(fā)電機組做功發(fā)電。兩臺發(fā)電機輸出的電能，可同時輸送至電網(wǎng)，滿足區(qū)域電網(wǎng)調(diào)峰及應(yīng)急供電的需要。
在圖1中，M1為燃氣輪機啟動電動機、FC表示液力耦合器、COMP表示空壓機、GAS表示燃氣輪機、G1A表示燃氣發(fā)電機、STM表示蒸汽輪機、G1B表示蒸汽發(fā)電機、DDP表示除氧器、CP表示凝結(jié)水泵、CWP表示循環(huán)水泵、FP表示給水泵、MWB表示低壓汽包、HWB表示高壓汽包、Boiler表示鍋爐。
作為骨干電網(wǎng)應(yīng)急響應(yīng)的關(guān)鍵一環(huán)，為保證區(qū)域電網(wǎng)與骨干電網(wǎng)解列而出現(xiàn)大面積停電的情況下，快速恢復(fù)區(qū)域電網(wǎng)關(guān)鍵負荷供電的能力，保證城市指揮、搶險需要。通常對燃氣發(fā)電機組，賦予孤網(wǎng)機組“黑啟動”功能。
“黑啟動”，是孤網(wǎng)電站應(yīng)急自啟動的俗稱，指在沒有外網(wǎng)電力接入的情況，依托自身配備的小型柴油發(fā)電機組，完成發(fā)電站的機組啟動、并網(wǎng)，恢復(fù)供電能力。具備“黑啟動”能力的電站，通過自帶柴油發(fā)電機及相應(yīng)的配套設(shè)施，完成機組啟動、恢復(fù)。
而高壓變頻技術(shù)則是燃氣電站“黑啟動”中的關(guān)鍵技術(shù)之一。
2 燃氣輪機變頻啟動應(yīng)用方案
基于對“黑啟動”模式燃氣發(fā)電機組運行工藝的分析，如圖2所示。機組啟動過程主要包括：啟動電動機并入孤網(wǎng)啟動、拖動汽輪機軸系運轉(zhuǎn)、燃氣輪機吹掃、機組點火暖機沖轉(zhuǎn)、啟動電動機退出、燃氣輪發(fā)電機同步并網(wǎng)發(fā)電等幾個階段。
與通用變頻器驅(qū)動風(fēng)機、泵類負載不同，高壓變頻器拖動燃氣輪機組啟動電機運行時，系統(tǒng)運行結(jié)構(gòu)存在并網(wǎng)允許峰值電流低、負載靜止啟動轉(zhuǎn)矩大、負載轉(zhuǎn)移容易能量“返灌”等顯著工況特征。
這就要求面向燃氣輪機孤網(wǎng)“黑啟動”啟動運行模式的高壓變頻器具備如下關(guān)鍵技術(shù)特征：
(1)采用激磁涌流抑制技術(shù)，將變頻器輸入側(cè)合閘時，峰值涌流控制在2In以內(nèi);
(2)采用電壓型單元串聯(lián)多電平產(chǎn)品，20%負載以上功率因數(shù)達0.95;
(3)采用“變頻+液偶”的柔性軟啟動控制模式;
(4)變頻器采用逆功率抑制技術(shù)，自適應(yīng)完成啟動電動機向燃氣輪機的負載轉(zhuǎn)移。
運用施耐德電氣集團旗下利德華福品牌的電壓源型單元串聯(lián)多電平高壓變頻系統(tǒng)應(yīng)用平臺，開發(fā)的燃氣發(fā)電機組“黑啟動”定制化技術(shù)，實現(xiàn)了其微電網(wǎng)友好、負載啟動平滑、機組負荷穩(wěn)定過渡等多重工藝需求，為提升燃氣發(fā)電機組的安全啟動、可靠并網(wǎng)提供高品質(zhì)技術(shù)保障。
3實際項目應(yīng)用案例
華南某電力公司(以下簡稱電廠)占地18萬平方米，已有2套9E聯(lián)合循環(huán)機組于2005年全面投產(chǎn)運行，容量為2×180MW，使用天然氣發(fā)電。
為了應(yīng)對電網(wǎng)的大面積停電事故，電網(wǎng)對電廠的“黑啟動”能力日益重視。燃氣發(fā)電機組能夠快速啟動、寬幅加載和靈敏響應(yīng)，稍加改造即可成為合格的“黑啟動”電站。
華南某電網(wǎng)為了優(yōu)化電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全，加大對電廠“黑啟動”的補貼，鼓勵電廠進行“黑啟動”改造。該電力公司積極響應(yīng)電網(wǎng)政策，針對機組進行了“黑啟動”改造。
由于利德華福在燃氣輪機“黑啟動”有豐富的經(jīng)驗、成熟的應(yīng)用案例，最終選擇了利德華福為其提供高壓變頻設(shè)備，該項目已于2020年6月交付投入運行。
(1)變頻器參數(shù)：
額定電壓：6kV
額定功率：1600kW
(2)配置方案：
● 每相功率單元采用6級串聯(lián)，具備功率單元旁路功能及N+1冗余功能;
● 黑啟動轉(zhuǎn)速跟蹤響應(yīng)功能;
● 逆功率虛擬控制技術(shù);
● 電動機調(diào)速與液偶調(diào)速，雙轉(zhuǎn)速耦合;
● 控制電源采用雙電源冗余+UPS供電方案(用戶提供2路AC220V)。
(3)方案亮點：
● 采用一拖二手動旁路柜，可以分別驅(qū)動兩套燃氣輪機分別實現(xiàn)“黑啟動”功能，提高了設(shè)備利用率;
● 具備N+1冗余功能，單個模塊故障時，依然能夠輸出額定電壓及額定功率，系統(tǒng)安全性極強;
● 風(fēng)機電源和控制電源都采用雙電源冗余供電結(jié)構(gòu)，設(shè)備運行可靠性增強;
● 32位DSP處理器控制平臺，實現(xiàn)真正的恒轉(zhuǎn)矩和快速的動態(tài)響應(yīng)。
(4)用戶收益：
● 一次性通過了華南某電科院的驗收;
● 由于華南某省內(nèi)燃機電廠都有互動溝通，在省內(nèi)有很好的示范性;
● 優(yōu)化“黑啟動”解決方案的總投資，減少柴油發(fā)電機的投資成本，系統(tǒng)方案如圖3所示。
