重型燃氣輪機的變頻起動回路設計直接關系到機組的運行安全。為確保機組起動的可靠性，要求起動系統實現冗余配置，但靜止變頻器（SFC）作為短時運行設備，絕大多數時間處于待機狀態，存在設備投入大、設備利用率低等問題。東方電氣自動控制工程有限公司的王洋在2024年第12期《電氣技術》上撰文介紹多種燃氣輪機SFC起動系統的回路連接及應用情況，對各起動回路的優缺點進行分析，提出一種多個電廠SFC協同設計方法。實踐表明，本文所提方法可在確保機組運行可靠性的同時提高設備利用效率、減少設備配置、降低項目投入，可為新建燃氣輪機項目特別是擴建項目提供起動系統配置新方案。

燃氣輪機的起動必須依賴外部起動設備。燃氣輪機通過起動設備加速到自持轉速后，才能在透平輸出功率大于壓氣機功率的情況下繼續升速至額定轉速，進而實現機組的快速起動和并網發電。重型燃氣輪機的起動大多采用靜止變頻器（static frequency converter, SFC）來實現。

作為一種被廣泛應用的同步電機調速設備，SFC的原理是通過晶閘管搭建三相全控功率橋，通過功率橋的整流和逆變功能實現電源的交-直-交變換，將工頻交流電源轉換成頻率可調的交流電源，并輸送到同步電機定子，配合轉子勵磁實現對同步電機的拖動。

從SFC在燃氣輪機中應用的適用性來看，國內市場F級及以上的重型燃氣輪機基本被三菱、西門子、通用三大品牌壟斷，各品牌的重型燃氣輪機均采用SFC作為起動設備，因此SFC裝置對重型燃氣輪機至關重要。對于SFC的配置，多數電廠要求實現每臺燃氣輪機冗余配置SFC，SFC起動回路的設計直接關系著燃氣輪機的運行安全。

近年來，國內燃氣輪機項目應用衍生出多種起動回路連接形式，盡管各品牌燃氣輪機的SFC和勵磁回路配置略有差異，但發電機電氣回路的設計基本一致，因此本文對SFC起動回路的論述具有廣泛性。為描述準確，以下以國內應用最為廣泛的三菱重型燃氣輪機的起動回路為例，進行起動回路設計分析和多電廠協同應用論述。

1 燃氣輪機SFC起動回路設計

重型燃氣輪機的起動回路主要包括起動電源回路、SFC主回路和勵磁主回路。其中，起動電源回路主要為SFC和勵磁系統提供動力電源；SFC主回路通過SFC裝置為發電機機端定子側提供交變電源；勵磁主回路通過勵磁系統為發電機轉子提供轉子勵磁。重型燃機的起動回路主要有以下幾種結構。

1.1 廠用電源供電的SFC起動回路

圖1所示為廠用電源供電的SFC起動回路，是重型燃氣輪機起動系統回路的典型設計，也是燃氣輪機電廠應用最為廣泛的起動回路。其中，發電機出口到主變低壓側之間裝設發電機出口斷路器（generator circuit breaker, GCB）實現機組并網和解列。

在主變高壓側配氣體絕緣金屬封閉開關設備（gas insulated switchgear, GIS）52L，可作為第二同期點實現機組同期和主變隔離等操作。廠用6kV電源由連接于主變低壓側的高廠變提供，同時配置起備變，可根據機組運行情況與高廠變實現對6kV廠用電的供電切換。

圖1 廠用電源供電的SFC起動回路

圖1中，SFC主回路包括6kV廠用電源、SFC輸入開關ICB-SFC、隔離變壓器、SFC裝置、切換開關DS11/12、GCB中的主斷路器52G及隔離刀開關IPB；勵磁主回路包括6kV廠用電源、勵磁輸入開關ICB-EXC、勵磁起動變壓器、切換開關MDS4/5、勵磁系統及發電用勵磁變壓器。

燃氣輪機起動階段，52L開關處于合位、52G開關斷開，SFC及勵磁系統通過高廠變獲得電源，SFC回路的ICB-SFC、DS11及IPB閉合，由SFC系統提供頻率可變的交流電給發電機，同時勵磁回路的ICB-EXC和MDS5閉合，勵磁投入后為發電機提供勵磁電源。此時，發電機被用作電動機運行。在燃氣輪機轉速達到自持轉速后SFC退出，SFC及勵磁各回路開關復位后SFC拖動結束。當機組滿足并網條件后，通過同期裝置操作52G合閘實現機組并網。

此起動回路結構簡單，各設備功能明確。SFC回路所有設備均為短時運行設備，起動完成后自動隔離，燃氣輪機控制系統也會旁路SFC回路，不會影響機組的涉網運行。同時，此回路裝設有GCB，自帶隔離開關，無需再單獨配置。在廠用電源方面，整個機組只有在主變、廠用變壓器故障時才需進行廠用電切換，電源穩定，可降低因廠用電頻繁切換引起的潛在機組運行風險。

此起動回路的不足之處在于，廠用電源容量需考慮隔離變及勵磁變，使高廠變的設計容量增大；同時，因廠用電源系統短路容量較小，起動階段廠用電容易受到SFC諧波的影響。在實際工程應用中，多采用12脈沖整流結構的SFC減少5次和7次諧波分量，同時根據現場實際需要可選擇配置諧波濾波器，減少諧波對廠用電源的污染。

1.2 不帶GCB的SFC起動回路

燃氣輪機電廠的GCB大多采用進口設備，設備價格昂貴，且需要的安裝布置空間較大。經濟性和空間布局等多方面因素促使相關人員開始考慮無GCB的燃氣輪機主回路的可行性和可靠性。

無GCB的SFC起動回路如圖2所示，在起動設備的配置上，除取消了52G以外，與1.1節所述方案基本一致。燃氣輪機起動階段52L處于分位，高廠變不帶電，廠用電源及SFC系統電源通過起備變獲得，SFC及勵磁回路開關閉合后，由SFC提供定子電源、勵磁提供轉子電源拖動燃氣輪機達到自持轉速。之后SFC及勵磁退出，各回路開關復位后燃氣輪機起動結束。當機組滿足并網條件時，通過同期裝置操作52L開關合閘以實現機組并網，并網后廠用電源再由起備變回路切換至高廠變回路。

此起動回路無需配置GCB，可有效降低項目投資，壓縮設備廠房空間，減少高壓回路故障點，降低運行維護成本。與此同時，此結構存在的問題也比較明顯，具體如下。

圖2 無GCB的SFC起動回路

1）由于不裝設GCB，起動回路需要增加一套獨立的高壓隔離開關IPB，以實現SFC系統與發電機機端封母的連接和隔離。

2）在拖動期間，SFC主回路除連接發電機定子外，還與主變、高廠變及勵磁變連接，因此SFC在拖動機組起動的同時，還需帶主變、高廠變和勵磁變空載運行，導致變壓器空載損耗增大、SFC起動容量增大。

3）連接機組在正常起停，以及發電機、汽機和燃氣輪機故障需解列時，均須進行廠用電切換操作，導致廠用電切換頻繁。即使采用最新型的快速切換裝置，依然存在風險，降低了廠用電的可靠性。

4）機組并網只能通過52L實現，而52L的機械壽命和分合閘三相同期性均遠低于GCB。因此，若機組進行頻繁起停，可能會影響開關壽命。

1.3 主變低壓側供電的SFC起動回路

為減少SFC和勵磁起動回路設備，對回路結構進行簡化，同時可通過降低廠用電源負荷，減少高廠變和起備變的額定容量，降低投入成本。近年來，重型燃氣輪機電站開始嘗試采用主變低壓側供電的SFC起動回路結構。

主變低壓側供電的SFC起動回路如圖3所示。機組停機時，52L開關閉合，52G開關斷開，SFC及勵磁系統直接通過連接于主變低壓側的隔離變壓器和勵磁變壓器獲得電源。起動階段，SFC及勵磁回路開關閉合，由SFC系統和勵磁系統分別提供定、轉子電流，拖動燃氣輪機加速至自持轉速后，SFC及勵磁系統退出運行。當機組滿足并網條件后，同期裝置操作52G合閘，以實現機組并網。

圖3 主變低壓側供電的SFC起動回路

主變低壓側供電的SFC起動回路結構的優點在于：

1）SFC和勵磁系統的動力電源均從主變低壓側引接，無需配置勵磁起動變壓器、勵磁電源切換開關，也無需配置諧波濾波裝置，可以減少起動回路的設備配置，從而使回路結構更加簡單，有利于整個燃氣輪機電廠的布置和規劃。

2）SFC和勵磁動力電源均從機端接入，避免了SFC產生的諧波對廠用電源系統的污染。

同時，此設計也存在以下問題：

1）若將SFC輸入回路斷點設置在隔離變壓器與主變之間，則需增加輸入交流電抗器，以提高回路短路阻抗。因此，主變低壓側供電的SFC起動回路結構需在隔離變壓器二次側設置隔離斷點。

2）主變低壓側供電的SFC起動回路結構使短時運行的隔離變壓器處于長期空載狀態，需對隔離變壓器狀態進行長期監視。同時，由于勵磁變的接入點在主變低壓側，發電機解列停機后并不能切除勵磁變的電源，故無法按照常規設計將勵磁變的保護功能放入發變組保護裝置中實現。因此，隔離變和勵磁變是否需要單獨配置冗余的保護裝置，多套保護裝置是否會導致起動回路復雜度增加和可靠性降低，都是需要討論和驗證的問題。

3）由于SFC動力電源的隔離點ICB-SFC設置在隔離變壓器二次側，考慮到負荷開關動作的同步性等因素，主變低壓側供電的SFC起動回路結構中的SFC僅可采用6脈沖整流橋結構，這限制了SFC結構選擇的多樣性和SFC的最大輸出容量，使通過12脈沖及以上整流橋串聯方式提升SFC輸出功率的策略不再適用。

綜合比較上述三種SFC起動回路方案，在造價和成本方面，主變低壓側供電的SFC起動回路方案中回路設備少，并且可間接降低高廠變和起備變的容量；無GCB的SFC起動回路方案減少了昂貴的GCB的配置，具備成本優勢。在運維便利性方面，三種起動回路均可實現一鍵起動，但無GCB的SFC起動回路在并網及廠用電源切換方面相對繁瑣。

在系統可靠性方面，除廠用電源供電的SFC起動回路方案以外，其余兩個方案的設計均存在待優化問題，在工程應用中存在運行風險及未解決的問題。在用戶接納度方面，廠用電源供電的SFC起動回路方案因其設計可靠性和運維便利性，在實際工程項目中得到大量應用。

2 多臺燃氣輪機SFC起動回路冗余設計

在重型燃氣輪機項目中，為確保機組運行可靠性，SFC多為冗余配置，典型的2拖2 SFC冗余配置回路如圖4所示。

圖4 典型2拖2 SFC冗余配置回路

SFC1和SFC2可通過DS11和DS22分別起動1號燃氣輪機和2號燃氣輪機，同時SFC1可通過DS12連接至2號燃氣輪機，SFC2可通過DS21連接至1號燃氣輪機，再配合相應機組的勵磁系統實現每臺SFC對兩臺機組的起動。

為簡化控制邏輯，確保起動設備控制的完整性和獨立性，每個電廠均配置一套獨立的切換邏輯柜。邏輯切換控制回路如圖5所示，燃氣輪機控制系統（turbine control system, TCS）與SFC的交互均通過邏輯切換控制柜完成，包括對起動設備的控制、起動回路的切換、起動過程的監視、起動事件的處理和起動信息的反饋等。

圖5 邏輯切換控制回路

3 多電廠SFC起動回路協同設計

在“雙碳”目標背景下，重型燃氣輪機裝機容量呈爆發式增長，已投運燃氣輪機電廠的擴建項目不斷增多。在新建電廠特別是擴建項目中，一方面SFC需滿足冗余配置的要求，另一方面SFC作為短時運行設備，絕大多數時間處于待機狀態，與每個電廠上千萬的投入相比，存在設備投入大、設備利用率低等問題。因此，如何在降低投入成本的情況下實現擴建機組SFC的冗余配置，成為項目方特別是只有一臺擴建機組的項目方不得不解決的問題。

擴建的燃氣輪機項目大多具備以下特點：擴建項目與已投運機組大多在一個廠區或距離較近；裝機容量大多類似；建成后大多由同一批運維人員統一管理等。針對以上需求，結合擴建項目特點和SFC短時運行工況，本文提出一種多電廠SFC起動回路協同設計方法，將已有SFC設備與擴建電廠機組實現共享，通過主回路連接和控制邏輯優化實現協同運行，以提高SFC設備利用率，減少擴建電廠設備配置。同時，此協同設計方法還可降低廠用電源負荷，減少高廠變等電力設備容量配置，從多方面實現電廠資源優化。

3.1 主回路協同設計

協同設計主回路如圖6所示，GT1和GT2為已投運機組，GT3和GT4為新擴建機組，擴建機組不再配置SFC及回路設備，兩套SFC可分別實現對兩個電廠共4臺機組的起動，具體實施方案如下：

1）增加回路電纜L1和L2，實現SFC1和SFC2對兩個項目4臺機組的主回路連接。

2）GT3和GT4的切換開關柜均按冗余回路進行配置，以滿足起動設備與各機組間回路的電氣隔離。

圖6 協同設計主回路

3）在GT1、GT2機組增設DS13_4和DS23_4開關，以避免GT1、GT2拖動時SFC輸出到擴建機組的L1和L2回路帶電。

針對規劃為頻繁調峰的燃氣輪機組，考慮運行中的極端起動工況，如3臺燃氣輪機同時起動等需求，需在新建電廠配置1套SFC系統，通過圖7所示局部協同的主回路連接，即可實現 SFC1對GT1和GT2機組的起動，SFC2對GT1、GT2、GT3和GT4機組的起動，SFC3對GT3和GT4機組的起動，達到起動資源共享的目的。具體實施方案如下：

圖7 局部協同的主回路

1）新增的SFC3與原有SFC配置和回路結構相同。

2）新增回路連接L1實現SFC2對新建項目2臺機組的主回路連接。

3）新增DS23_4，避免SFC2運行時L1回路帶電。

3.2 控制回路協同設計

多電廠協同的SFC控制回路設計涉及多個投運設備的改造，如邏輯切換控制盤、SFC裝置、SFC輸出切換開關柜等，具體實施方案如下：

1）對邏輯切換控制盤進行設備改造，以圖6所示設備配置為例。協同設計的邏輯切換控制回路如圖8所示，新的邏輯切換控制柜對外分別與4臺機組的燃氣輪機控制系統對接，對內與4臺機組的勵磁系統及其回路設備、兩臺SFC系統及其回路設備對接，起動邏輯包括兩套SFC對4臺機組的邏輯控制。

圖8 協同設計的邏輯切換控制回路

2）對SFC的接口進行擴展，以滿足單臺SFC對4臺燃氣輪機的接口需求。

3）針對起動容量有差異的機組，SFC的控制軟件和流程需進行相應的優化和升級，實現對不同起動容量機組的拖動。

4）增加切換開關的狀態和控制信號、回路閉鎖信號等。

此協同設計適用于與現有機組有同等出力要求的燃氣輪機機組，同時通過優化SFC控制功能和參數，可實現SFC多種起動功率運行。對于出力要求大于現有機組要求的新機，采用本文所提方案需進行SFC改造，這對已投運機組的安全運行和擴建機組均無益處。

此協同設計方案受制于擴建機組與已投運機組的距離，若距離過遠，將導致SFC主回路高壓電纜用量增多，同時長供電回路需增設無功補償設備以減少回路壓降，導致設備數量增加、經濟性降低。SFC輸出主回路連接距離建議控制在400m以內。

多套SFC對同一臺燃氣輪機的配置中，燃氣輪機對多套SFC的起動特性和控制性能均有一致性要求，因此建議在采用局部協同設計時，新增SFC系統應與原有SFC產品型號和控制參數保持一致，避免控制性能差異對燃氣輪機的運行造成影響。

經過理論論證和項目實施論證后，上述協同設計方法已經開始在廣東某燃氣輪機電廠實施應用。經統計，本文所提協同設計方案可使SFC整體設備利用率提高30%以上。同時，根據具體工程項目的情況，對該回路加以擴展，還可實現2拖3、3拖5等多種應用，具有很強的通用性。

4 結論

廠用電源供電帶GCB的SFC起動回路結構是目前設計最為完善、運行可靠的回路結構；針對廠用電系統的諧波治理，通過增加SFC功率單元的脈波數量，SFC的諧波對廠用電源已不產生實質性影響。

廠用電源供電不帶GCB的SFC起動回路結構，建議僅用于非調峰機組，雖然不配置GCB能使成本降低，但是所帶來的回路設計問題較多，整套起動回路的成熟度有待考量。

發電機機端電源供電的SFC起動回路結構，在減少設備配置的同時也導致隔離變壓器等設備運行工況改變，使設備保護的實施變得困難，甚至需要增加配置多套專門保護裝置。同時，這種回路結構限制了SFC的結構形式和容量等級，需要提出更加成熟的解決方案。

本文提出的多電廠SFC協同設計方法可實現SFC共享，具備高冗余度和高可靠性，可在確保機組穩定運行的同時提高設備利用效率，減少電廠設備，提高項目經濟性，可為新建燃氣輪機項目，特別是擴建項目中SFC設備的配置提供新的解決方案。

本工作成果發表在2024年第12期《電氣技術》，論文標題為“ 重型燃氣輪機變頻起動回路設計及應用 ”，作者為王洋。

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