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燃气轮机的起动必须依赖外部起动设备。燃气轮机通过起动设备加速到自持转速后，才能在透平输出功率大于压气机功率的情况下继续升速至额定转速，进而实现机组的快速起动和并网发电。重型燃气轮机的起动大多采用静止变频器（static frequency converter, SFC）来实现。

作为一种被广泛应用的同步电机调速设备，SFC的原理是通过晶闸管搭建三相全控功率桥，通过功率桥的整流和逆变功能实现电源的交-直-交变换，将工频交流电源转换成频率可调的交流电源，并输送到同步电机定子，配合转子励磁实现对同步电机的拖动。

从SFC在燃气轮机中应用的适用性来看，国内市场F级及以上的重型燃气轮机基本被三菱、西门子、通用三大品牌垄断，各品牌的重型燃气轮机均采用SFC作为起动设备，因此SFC装置对重型燃气轮机至关重要。对于SFC的配置，多数电厂要求实现每台燃气轮机冗余配置SFC，SFC起动回路的设计直接关系着燃气轮机的运行安全。

近年来，国内燃气轮机项目应用衍生出多种起动回路连接形式，尽管各品牌燃气轮机的SFC和励磁回路配置略有差异，但发电机电气回路的设计基本一致，因此本文对SFC起动回路的论述具有广泛性。为描述准确，以下以国内应用最为广泛的三菱重型燃气轮机的起动回路为例，进行起动回路设计分析和多电厂协同应用论述。

1  燃气轮机SFC起动回路设计

重型燃气轮机的起动回路主要包括起动电源回路、SFC主回路和励磁主回路。其中，起动电源回路主要为SFC和励磁系统提供动力电源；SFC主回路通过SFC装置为发电机机端定子侧提供交变电源；励磁主回路通过励磁系统为发电机转子提供转子励磁。重型燃机的起动回路主要有以下几种结构。

1.1  厂用电源供电的SFC起动回路

图1所示为厂用电源供电的SFC起动回路，是重型燃气轮机起动系统回路的典型设计，也是燃气轮机电厂应用最为广泛的起动回路。其中，发电机出口到主变低压侧之间装设发电机出口断路器（generator circuit breaker, GCB）实现机组并网和解列。

在主变高压侧配气体绝缘金属封闭开关设备（gas insulated switchgear, GIS）52L，可作为第二同期点实现机组同期和主变隔离等操作。厂用6kV电源由连接于主变低压侧的高厂变提供，同时配置起备变，可根据机组运行情况与高厂变实现对6kV厂用电的供电切换。

图1  厂用电源供电的SFC起动回路

图1中，SFC主回路包括6kV厂用电源、SFC输入开关ICB-SFC、隔离变压器、SFC装置、切换开关DS11/12、GCB中的主断路器52G及隔离刀开关IPB；励磁主回路包括6kV厂用电源、励磁输入开关ICB-EXC、励磁起动变压器、切换开关MDS4/5、励磁系统及发电用励磁变压器。

燃气轮机起动阶段，52L开关处于合位、52G开关断开，SFC及励磁系统通过高厂变获得电源，SFC回路的ICB-SFC、DS11及IPB闭合，由SFC系统提供频率可变的交流电给发电机，同时励磁回路的ICB-EXC和MDS5闭合，励磁投入后为发电机提供励磁电源。此时，发电机被用作电动机运行。在燃气轮机转速达到自持转速后SFC退出，SFC及励磁各回路开关复位后SFC拖动结束。当机组满足并网条件后，通过同期装置操作52G合闸实现机组并网。

此起动回路结构简单，各设备功能明确。SFC回路所有设备均为短时运行设备，起动完成后自动隔离，燃气轮机控制系统也会旁路SFC回路，不会影响机组的涉网运行。同时，此回路装设有GCB，自带隔离开关，无需再单独配置。在厂用电源方面，整个机组只有在主变、厂用变压器故障时才需进行厂用电切换，电源稳定，可降低因厂用电频繁切换引起的潜在机组运行风险。

此起动回路的不足之处在于，厂用电源容量需考虑隔离变及励磁变，使高厂变的设计容量增大；同时，因厂用电源系统短路容量较小，起动阶段厂用电容易受到SFC谐波的影响。在实际工程应用中，多采用12脉冲整流结构的SFC减少5次和7次谐波分量，同时根据现场实际需要可选择配置谐波滤波器，减少谐波对厂用电源的污染。

1.2  不带GCB的SFC起动回路

燃气轮机电厂的GCB大多采用进口设备，设备价格昂贵，且需要的安装布置空间较大。经济性和空间布局等多方面因素促使相关人员开始考虑无GCB的燃气轮机主回路的可行性和可靠性。

无GCB的SFC起动回路如图2所示，在起动设备的配置上，除取消了52G以外，与1.1节所述方案基本一致。燃气轮机起动阶段52L处于分位，高厂变不带电，厂用电源及SFC系统电源通过起备变获得，SFC及励磁回路开关闭合后，由SFC提供定子电源、励磁提供转子电源拖动燃气轮机达到自持转速。之后SFC及励磁退出，各回路开关复位后燃气轮机起动结束。当机组满足并网条件时，通过同期装置操作52L开关合闸以实现机组并网，并网后厂用电源再由起备变回路切换至高厂变回路。

此起动回路无需配置GCB，可有效降低项目投资，压缩设备厂房空间，减少高压回路故障点，降低运行维护成本。与此同时，此结构存在的问题也比较明显，具体如下。

图2  无GCB的SFC起动回路

1）由于不装设GCB，起动回路需要增加一套独立的高压隔离开关IPB，以实现SFC系统与发电机机端封母的连接和隔离。

2）在拖动期间，SFC主回路除连接发电机定子外，还与主变、高厂变及励磁变连接，因此SFC在拖动机组起动的同时，还需带主变、高厂变和励磁变空载运行，导致变压器空载损耗增大、SFC起动容量增大。

3）连接机组在正常起停，以及发电机、汽机和燃气轮机故障需解列时，均须进行厂用电切换操作，导致厂用电切换频繁。即使采用最新型的快速切换装置，依然存在风险，降低了厂用电的可靠性。

4）机组并网只能通过52L实现，而52L的机械寿命和分合闸三相同期性均远低于GCB。因此，若机组进行频繁起停，可能会影响开关寿命。

1.3  主变低压侧供电的SFC起动回路

为减少SFC和励磁起动回路设备，对回路结构进行简化，同时可通过降低厂用电源负荷，减少高厂变和起备变的额定容量，降低投入成本。近年来，重型燃气轮机电站开始尝试采用主变低压侧供电的SFC起动回路结构。

主变低压侧供电的SFC起动回路如图3所示。机组停机时，52L开关闭合，52G开关断开，SFC及励磁系统直接通过连接于主变低压侧的隔离变压器和励磁变压器获得电源。起动阶段，SFC及励磁回路开关闭合，由SFC系统和励磁系统分别提供定、转子电流，拖动燃气轮机加速至自持转速后，SFC及励磁系统退出运行。当机组满足并网条件后，同期装置操作52G合闸，以实现机组并网。

图3  主变低压侧供电的SFC起动回路

主变低压侧供电的SFC起动回路结构的优点在于：

1）SFC和励磁系统的动力电源均从主变低压侧引接，无需配置励磁起动变压器、励磁电源切换开关，也无需配置谐波滤波装置，可以减少起动回路的设备配置，从而使回路结构更加简单，有利于整个燃气轮机电厂的布置和规划。

2）SFC和励磁动力电源均从机端接入，避免了SFC产生的谐波对厂用电源系统的污染。

同时，此设计也存在以下问题：

1）若将SFC输入回路断点设置在隔离变压器与主变之间，则需增加输入交流电抗器，以提高回路短路阻抗。因此，主变低压侧供电的SFC起动回路结构需在隔离变压器二次侧设置隔离断点。

2）主变低压侧供电的SFC起动回路结构使短时运行的隔离变压器处于长期空载状态，需对隔离变压器状态进行长期监视。同时，由于励磁变的接入点在主变低压侧，发电机解列停机后并不能切除励磁变的电源，故无法按照常规设计将励磁变的保护功能放入发变组保护装置中实现。因此，隔离变和励磁变是否需要单独配置冗余的保护装置，多套保护装置是否会导致起动回路复杂度增加和可靠性降低，都是需要讨论和验证的问题。

3）由于SFC动力电源的隔离点ICB-SFC设置在隔离变压器二次侧，考虑到负荷开关动作的同步性等因素，主变低压侧供电的SFC起动回路结构中的SFC仅可采用6脉冲整流桥结构，这限制了SFC结构选择的多样性和SFC的最大输出容量，使通过12脉冲及以上整流桥串联方式提升SFC输出功率的策略不再适用。

综合比较上述三种SFC起动回路方案，在造价和成本方面，主变低压侧供电的SFC起动回路方案中回路设备少，并且可间接降低高厂变和起备变的容量；无GCB的SFC起动回路方案减少了昂贵的GCB的配置，具备成本优势。在运维便利性方面，三种起动回路均可实现一键起动，但无GCB的SFC起动回路在并网及厂用电源切换方面相对繁琐。

在系统可靠性方面，除厂用电源供电的SFC起动回路方案以外，其余两个方案的设计均存在待优化问题，在工程应用中存在运行风险及未解决的问题。在用户接纳度方面，厂用电源供电的SFC起动回路方案因其设计可靠性和运维便利性，在实际工程项目中得到大量应用。

2  多台燃气轮机SFC起动回路冗余设计

在重型燃气轮机项目中，为确保机组运行可靠性，SFC多为冗余配置，典型的2拖2 SFC冗余配置回路如图4所示。

图4  典型2拖2 SFC冗余配置回路

SFC1和SFC2可通过DS11和DS22分别起动1号燃气轮机和2号燃气轮机，同时SFC1可通过DS12连接至2号燃气轮机，SFC2可通过DS21连接至1号燃气轮机，再配合相应机组的励磁系统实现每台SFC对两台机组的起动。

为简化控制逻辑，确保起动设备控制的完整性和独立性，每个电厂均配置一套独立的切换逻辑柜。逻辑切换控制回路如图5所示，燃气轮机控制系统（turbine control system, TCS）与SFC的交互均通过逻辑切换控制柜完成，包括对起动设备的控制、起动回路的切换、起动过程的监视、起动事件的处理和起动信息的反馈等。

图5  逻辑切换控制回路

3  多电厂SFC起动回路协同设计

在“双碳”目标背景下，重型燃气轮机装机容量呈爆发式增长，已投运燃气轮机电厂的扩建项目不断增多。在新建电厂特别是扩建项目中，一方面SFC需满足冗余配置的要求，另一方面SFC作为短时运行设备，绝大多数时间处于待机状态，与每个电厂上千万的投入相比，存在设备投入大、设备利用率低等问题。因此，如何在降低投入成本的情况下实现扩建机组SFC的冗余配置，成为项目方特别是只有一台扩建机组的项目方不得不解决的问题。

扩建的燃气轮机项目大多具备以下特点：扩建项目与已投运机组大多在一个厂区或距离较近；装机容量大多类似；建成后大多由同一批运维人员统一管理等。针对以上需求，结合扩建项目特点和SFC短时运行工况，本文提出一种多电厂SFC起动回路协同设计方法，将已有SFC设备与扩建电厂机组实现共享，通过主回路连接和控制逻辑优化实现协同运行，以提高SFC设备利用率，减少扩建电厂设备配置。同时，此协同设计方法还可降低厂用电源负荷，减少高厂变等电力设备容量配置，从多方面实现电厂资源优化。

3.1  主回路协同设计

协同设计主回路如图6所示，GT1和GT2为已投运机组，GT3和GT4为新扩建机组，扩建机组不再配置SFC及回路设备，两套SFC可分别实现对两个电厂共4台机组的起动，具体实施方案如下：

1）增加回路电缆L1和L2，实现SFC1和SFC2对两个项目4台机组的主回路连接。

2）GT3和GT4的切换开关柜均按冗余回路进行配置，以满足起动设备与各机组间回路的电气隔离。

图6  协同设计主回路

3）在GT1、GT2机组增设DS13_4和DS23_4开关，以避免GT1、GT2拖动时SFC输出到扩建机组的L1和L2回路带电。

针对规划为频繁调峰的燃气轮机组，考虑运行中的极端起动工况，如3台燃气轮机同时起动等需求，需在新建电厂配置1套SFC系统，通过图7所示局部协同的主回路连接，即可实现 SFC1对GT1和GT2机组的起动，SFC2对GT1、GT2、GT3和GT4机组的起动，SFC3对GT3和GT4机组的起动，达到起动资源共享的目的。具体实施方案如下：

图7  局部协同的主回路

1）新增的SFC3与原有SFC配置和回路结构相同。

2）新增回路连接L1实现SFC2对新建项目2台机组的主回路连接。

3）新增DS23_4，避免SFC2运行时L1回路带电。

3.2  控制回路协同设计

多电厂协同的SFC控制回路设计涉及多个投运设备的改造，如逻辑切换控制盘、SFC装置、SFC输出切换开关柜等，具体实施方案如下：

1）对逻辑切换控制盘进行设备改造，以图6所示设备配置为例。协同设计的逻辑切换控制回路如图8所示，新的逻辑切换控制柜对外分别与4台机组的燃气轮机控制系统对接，对内与4台机组的励磁系统及其回路设备、两台SFC系统及其回路设备对接，起动逻辑包括两套SFC对4台机组的逻辑控制。

图8  协同设计的逻辑切换控制回路

2）对SFC的接口进行扩展，以满足单台SFC对4台燃气轮机的接口需求。

3）针对起动容量有差异的机组，SFC的控制软件和流程需进行相应的优化和升级，实现对不同起动容量机组的拖动。

4）增加切换开关的状态和控制信号、回路闭锁信号等。

此协同设计适用于与现有机组有同等出力要求的燃气轮机机组，同时通过优化SFC控制功能和参数，可实现SFC多种起动功率运行。对于出力要求大于现有机组要求的新机，采用本文所提方案需进行SFC改造，这对已投运机组的安全运行和扩建机组均无益处。

此协同设计方案受制于扩建机组与已投运机组的距离，若距离过远，将导致SFC主回路高压电缆用量增多，同时长供电回路需增设无功补偿设备以减少回路压降，导致设备数量增加、经济性降低。SFC输出主回路连接距离建议控制在400m以内。

多套SFC对同一台燃气轮机的配置中，燃气轮机对多套SFC的起动特性和控制性能均有一致性要求，因此建议在采用局部协同设计时，新增SFC系统应与原有SFC产品型号和控制参数保持一致，避免控制性能差异对燃气轮机的运行造成影响。

经过理论论证和项目实施论证后，上述协同设计方法已经开始在广东某燃气轮机电厂实施应用。经统计，本文所提协同设计方案可使SFC整体设备利用率提高30%以上。同时，根据具体工程项目的情况，对该回路加以扩展，还可实现2拖3、3拖5等多种应用，具有很强的通用性。

4  结论

厂用电源供电带GCB的SFC起动回路结构是目前设计最为完善、运行可靠的回路结构；针对厂用电系统的谐波治理，通过增加SFC功率单元的脉波数量，SFC的谐波对厂用电源已不产生实质性影响。

厂用电源供电不带GCB的SFC起动回路结构，建议仅用于非调峰机组，虽然不配置GCB能使成本降低，但是所带来的回路设计问题较多，整套起动回路的成熟度有待考量。

发电机机端电源供电的SFC起动回路结构，在减少设备配置的同时也导致隔离变压器等设备运行工况改变，使设备保护的实施变得困难，甚至需要增加配置多套专门保护装置。同时，这种回路结构限制了SFC的结构形式和容量等级，需要提出更加成熟的解决方案。

本文提出的多电厂SFC协同设计方法可实现SFC共享，具备高冗余度和高可靠性，可在确保机组稳定运行的同时提高设备利用效率，减少电厂设备，提高项目经济性，可为新建燃气轮机项目，特别是扩建项目中SFC设备的配置提供新的解决方案。