LM2500 燃气轮机发电机组双同期点并网的研究
发布时间：2021-11-23
摘要：航改型燃气轮发电机组的设计运用中，同期并网是至关重要的一步。在以往大量实际应用案例中，绝大多数燃气轮发电机仅设计了单点同期并网的运行方式，即利用发电机出口断路器进行同期并网。随着分布式能源站市场的发展，航改型轻型燃气轮发电机组的应用越来越广泛，单点同期的设计已经不能满足客户的需求，因此，在传统单点同期方式基础上增加利用高压断路器作为备选同期控制点的设计与研究成了必然趋势，具有很高的实用价值。
关键词：航改型轻型燃气轮发电机;发电机出口断路器;高压电网断路器;双同期点
0 引言
LM 航改型燃气轮发电机组标准配备单点同期功能，通过比较发电机断路器(QF2)两侧的电压，即发电机的输出电压及 10.5kV 电网电压来实现同期并网，此标准设计要求上游的 110kV 高压侧电网断路器保持合闸状态。用户提出，此方式下，110kV 高压侧电网发生波动时，高压波动电量会经 110kV 断路器施加到 线 路 当 中 的 10.5kV/ 110kV 升压变压器(GSU)的高压侧，形成冲击，对变压器的使用寿命存在不利影响。另外，用电需求不高时，机组处于待机状态，上游升压变压器一直连接在高压电网上带电运行，存在一定的电量损耗。因此，将回路当中的高压电网断路器也设计为同期并网的备用点的设计成了必然需求。要求在待机状态，高压电网断路器置于分闸位，可有效避免高压电网波动对升压变压器的冲击，同时，待机机组的升压变可将从电网中切除，避免了电量损耗。
1 LM 燃机发电机同期装置工作原理
燃机发电机与电网系统能够同期并列需要同时满足三个条件，即发电机与待并侧系统二者电压的频率一致、电压幅值一致、电压相位一致[3]。
发电机组的并网是借助同期装置来实现的[1]。
自动同期装置与燃机控制系统、发电机励磁系统相关联。电压互感器检检测并输出发电机出口断路器两侧的电压采样信号，发送到 2 个同期继电器及 1 个电子同期装置中。两个同期继电器分别检测不同相的信号(B-C 和 AC)，电子同期装置连接 A 和 C 相。这些排列需要确保所有的三相电压满足同期要求。如满足同期条件，则以上 3 个模块的触点(串联)同时闭合，满足同期条件，可使得断路器闭合[3]。
在启动同期程序前，确保燃机已达到同步怠速。
可通过以下两种方式实现同期：
①手动同期：
同期开关(S1)调节到手动位置
调节励磁系统(AVR)电压升/降开关(AMVAS)，在电子同期装置的面板上观察发电机出口电压与电网电压匹配。
调节燃机转速开关 SAS 直到同期表指针缓慢的旋转在慢-到快，顺时针方向，观察同期指示灯在同期表指针转到 12 点位置附近时发光。
当同期表指针转到 11 点位置时按下断路器合闸开关S2。
②自动同期：
同期开关 S1 调节到自动位置;
观察同期指示灯和同期表指针位置;
观察断路器合闸状态指示灯。
1.1 LM 燃气轮发电机组典型同期回路总线图图 1 中：
a)燃机发电机;b)燃机同期装置(回路);c)发电机出口电压互感器 TV12;d)发电机出口断路器 QF2;e)10.5kV 电网电压互感器 TV11;f)燃机主变 YNd11(10.5/110kV 升压变压器);g)110kV 高压电网断路器 QF1;h)I/II 段高压电网隔离开关 QS1/QS2;i)电压互感器 TV3;j)电压互感器 TV1;k)电压互感器 TV2。
1.2 标准发电机出口断路器(QF2)单点同期方式
LM 轻型燃机标准单点 QF2 同期实现步骤：①要求高压断路器隔离开关 QS1/QS2 及高压断路器 QF1 保持合闸位置，而发电机出口断路器 QF2 须处于分闸位;②检查机组辅机系统正常运行，马达控制系统及各路负载位于自动控制位;③确认控制系统显示“启机就绪”;④按燃机标准操作程序，按下一键启动按钮;⑤燃机运行至同步怠速，励磁系统开始投入;⑥燃机发电机升压至额定电压 10.5kV 左右;⑦TV12 感测机端电压，并将电压信号传送至燃机同期装置;⑧TV11 感测 10.5kV 电网电压信号，并将其发送至燃机同期装置;⑨要求 TV11、TV12 为同变比，同电压等级，同精度的电压互感器;輥輮訛同期装置分别分析 TV11/TV12 的电压信号的幅值、相角、频率，并进行比较，当两侧电压的 3 个指征差值都在允许范围内时，同期装置会发出允许同期指令至燃机控制系统;輥輯訛燃机控制系统接收同期装置的同期允许反馈，发出合闸指令;輥輰訛发电机出口断路器(QF2)合闸，同期完成。
1.3 高压电网断路器(QF1)点同期方式
如图 1 所示，利用高压断路器 QF1 作为同期点，需在标准 QF2 单点同期回路中额外增加升压变压器与 QF1 之间的一组电压互感器 TV3，增加 TV1/TV2 为 110kV 高压电网标配的电压互感器。
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高压断路器 QF1 同期方式实现方式：①选定 I 段或 II 段高压母线作为需要同期的网段，以下以选定 I 段母线为例进行分析;②额外设置辅助回路，实现 TV11/TV12 输出回路及 TV1/TV3 输出回路的互锁功能，保证燃机同期装置在同一时间段只检测分析一个等级的电压;③检查确认隔离开关 QS1 及 QS01 合闸;④检查确认 QF1 及 QF2 位于分闸位;⑤检查确保辅机系统正常运行;⑥检查燃机控制柜面板上的就地/遥控开关位于就地位;⑦检查燃机控制面板上的手动/自动开关位于手动位置;⑧启动燃机，燃机发电机组开始运行至同步怠速，手动合闸 QF1，励磁系统按照一定速率缓慢建立电压，直至达到额定值 10.5kV。此过程被称为死母线合闸，稍后详细分析该过程;⑨发电机出口断路器成功合闸，升压变压器被激活;⑩变压器的二次侧跟随燃机一起从 0 建立电压至 10.5kV，一次侧的电压也跟随从 0 升至 110kV;輥輯訛TV3 感测升压变压器的高压侧电压，将电压信号传至燃机同期装置;輥輰訛TV1 感测 110kV 电网电压信号，并将其发送至燃机同期装置;輥輱訛要求 TV1、 TV3 为同变比，同电压等级，同精度的电压互感器;輥輲訛利用辅助回路切断 TV11/TV12 至同期装置的输出;輥輳訛同期装置分别分析 TV1/TV3 发送来的电压信号的幅值、相角、频率，并进行比较，当两侧电压的 3 个指征差值都在允许范围内时，同期装置会发出可以同期指令至燃机总控系统;輥輴訛燃机控制系统接收来自同期装置的同期合闸指令，发出高压断路器合闸指令;輥輵訛高压断路器(QF1)合闸，同期并网成功。
2 死母线合闸详解
死母线是指不带电的母线，而死母线合闸，即指，在不带电的母线上实现合闸动作。死母线合闸前机组应满足如下状态条件：机组处于“启动就绪” 状态;发电机出口断路器(QF2)处于分闸位;高压电网侧断路器(QF1)处于分闸位;10.5kV 母线不带电(死母线);LM 燃机辅机系统正常运行;马达控制中心带电运行，所有负载(加热器、电机、风扇灯)处于自动控制位。
启动前提：用户/电厂输入一副干接点信号至燃机主控回路;继电器 K230 指示发电机出口断路器处于分闸位;继电器 K229A 指示发电机出口断路器未合闸;继电器 K232A 指示高压断路器处于分闸位;燃机控制柜上的就地/遥控按钮位于就地位;机组控制器显示“起动就绪”。确认满足上述死母线合闸条件，燃机控制系统界面会显示死母线合闸允许。
按照下述步骤操作：①按下燃机控制界面上的“最小负荷起动”按钮;②机组运行至同步怠速;③机组控制器使 K85(断路器合闸继电器)得电;④暖机过程完成;⑤手动将燃机控制柜面板上的发电机出口断路器控制开关 CBCS1 打到合闸位;⑥发电机出口断路器合闸成功后，通过继电器 K229 将合闸成功信号反馈到燃机控制系统; ⑦当机组运行至可以起动励磁系统建立电压的点，控制界面会出现一个“启动励磁”按钮;⑧操作员按下上述按钮，励磁系统开始启动，建立电压;⑨励磁系统按照 600V/秒的速率建立电压，直至达到额定电压。
3 结束语
LM 新控制系统，开发了 QF1/QF2 双同期点可选的控制功能，称为双同期点控制逻辑，可以选择、切换任意一个点作为同期控制对象。弥补了单以发电机出口断路器(QF2)为同期点的不足。由上述分析过程可以看出，以 QF1 作为同期点，解决了下列三个问题：避免高压电网波动对升压变压器高压侧的冲击;升压变压器的二次侧跟随燃机从零建立电压，也避免了 10.5kV 电压对二次侧的冲击;消除了升压变压器的无用损耗。需要注意的是，同一机组在同一过程中，只可以选定一个点作为同期点。在华电金湖分布式能源项目的设计工作中，针对双同期点的设计与配置与设计院、客户及国外设计团队进行了多次探讨，总结了上述技术方案。——论文作者：黄金梅 HUANG Jin-mei;邱冬 QIU Dong
