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高压变频技术平台在燃气发电机组的“黑启动”定制化开发

时间:2021-06-16 17:59:53来源:刘军祥

导语:​随着城市化进程对于清洁电力能源和城市供电电网安全等用电诉求的不断升高,燃气蒸汽联合发电机组的大型电站越来越多地成为城市建设、电网安全、绿色环保的重要组成部分。燃气电站以其机组启动速度快、系统恢复周期短、调峰响应迅速、建设占地面积小、排放无污染等特点,成为国家电网、城市边缘电源点的重要补充。

       1燃气电站工艺介绍

  燃气电站主要以天然气作为一次能源,通过将天然气与空气混合燃烧推动燃气轮机旋转,拖动发电机运行输出电力。同时,配备有启动机组、燃气余热锅炉、蒸汽发电机组等,其燃气、蒸汽联合发电机组的工作原理如图1所示。

  系统一方面通过高温燃气,推动燃气轮机高效做功;另一方面,又通过余热锅炉,通过热交换吸收高温尾气余热, 产生高温高压蒸汽推动蒸汽发电机组做功发电。两台发电机输出的电能,可同时输送至电网,满足区域电网调峰及应急供电的需要。

  在图1中,M1为燃气轮机启动电动机、FC表示液力耦合器、COMP表示空压机、GAS表示燃气轮机、G1A表示燃气发电机、STM表示蒸汽轮机、G1B表示蒸汽发电机、DDP表示除氧器、CP表示凝结水泵、CWP表示循环水泵、FP表示给水泵、MWB表示低压汽包、HWB表示高压汽包、Boiler 表示锅炉。

  作为骨干电网应急响应的关键一环,为保证区域电网与骨干电网解列而出现大面积停电的情况下,快速恢复区域电网关键负荷供电的能力,保证城市指挥、抢险需要。通常对燃气发电机组,赋予孤网机组“黑启动”功能。

燃气电站工作原理图.png

  图 1 燃气电站工作原理图

  

“黑启动”模式燃气发电机组运行工艺分析.png

  图 2“黑启动”模式燃气发电机组运行工艺分析

  

  “黑启动”,是孤网电站应急自启动的俗称,指在没有外网电力接入的情况,依托自身配备的小型柴油发电机组, 完成发电站的机组启动、并网,恢复供电能力。具备“黑启动”能力的电站,通过自带柴油发电机及相应的配套设施, 完成机组启动、恢复。

  而高压变频技术则是燃气电站“黑启动”中的关键技术之一。

  2 燃气轮机变频启动应用方案

  基于对“黑启动”模式燃气发电机组运行工艺的分析,如图2所示。机组启动过程主要包括:启动电动机并入孤网启动、拖动汽轮机轴系运转、燃气轮机吹扫、机组点火暖机冲转、启动电动机退出、燃气轮发电机同步并网发电等几个阶段。

  与通用变频器驱动风机、泵类负载不同,高压变频器拖动燃气轮机组启动电机运行时,系统运行结构存在并网允许峰值电流低、负载静止启动转矩大、负载转移容易能量“返灌”等显著工况特征。

  这就要求面向燃气轮机孤网“黑启动”启动运行模式的高压变频器具备如下关键技术特征:

  (1)采用激磁涌流抑制技术,将变频器输入侧合闸时,峰值涌流控制在2In以内;

  (2)采用电压型单元串联多电平产品,20%负载以上功率因数达0.95;

  (3)采用“变频+液偶”的柔性软启动控制模式;

  (4)变频器采用逆功率抑制技术,自适应完成启动电动机向燃气轮机的负载转移。

  运用施耐德电气集团旗下利德华福品牌的电压源型单元串联多电平高压变频系统应用平台,开发的燃气发电机组“黑启动”定制化技术,实现了其微电网友好、负载启动平滑、机组负荷稳定过渡等多重工艺需求,为提升燃气发电机组的安全启动、可靠并网提供高品质技术保障。

  3实际项目应用案例

  华南某电力公司(以下简称电厂)占地18万平方米,已有2套9E联合循环机组于2005年全面投产运行,容量为2×180MW,使用天然气发电。

  为了应对电网的大面积停电事故,电网对电厂的“黑启动”能力日益重视。燃气发电机组能够快速启动、宽幅加载和灵敏响应,稍加改造即可成为合格的“黑启动”电站。

  华南某电网为了优化电网网络安全,加大对电厂“黑启动”的补贴,鼓励电厂进行“黑启动”改造。该电力公司积极响应电网政策,针对机组进行了“黑启动”改造。

  由于利德华福在燃气轮机“黑启动”有丰富的经验、成熟的应用案例,最终选择了利德华福为其提供高压变频设备,该项目已于2020年6月交付投入运行。

  (1)变频器参数: 额定电压:6kV

  

“黑启动”电动机一次主回路系统方案.png

  图 3 “黑启动”电动机一次主回路系统方案

  额定功率:1600kW

  (2)配置方案:

  ● 每相功率单元采用6级串联,具备功率单元旁路功能及N+1冗余功能;

  ● 黑启动转速跟踪响应功能;

  ● 逆功率虚拟控制技术;

  ● 电动机调速与液偶调速,双转速耦合;

  ● 控制电源采用双电源冗余+UPS供电方案(用户提供2 路AC220V)。

  (3)方案亮点:

  ● 采用一拖二手动旁路柜,可以分别驱动两套燃气轮机分别实现“黑启动”功能,提高了设备利用率;

  ● 具备N+1冗余功能,单个模块故障时,依然能够输出额定电压及额定功率,系统安全性极强;

  ● 风机电源和控制电源都采用双电源冗余供电结构,设备运行可靠性增强;

  ● 32位DSP处理器控制平台,实现真正的恒转矩和快速的动态响应。

  (4)用户收益:

  ● 一次性通过了华南某电科院的验收;

  ● 由于华南某省内燃机电厂都有互动沟通,在省内有很好的示范性;

  ● 优化“黑启动”解决方案的总投资,减少柴油发电机的投资成本,系统方案如图3所示。


标签: 高压变频器电力电子

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