Параллельная работа (синхронизация) дизель-генераторов

В соответствии с ГОСТ генераторы должны обеспечивать длительную устойчивую параллельную работу между генераторами одной серии и генераторами разных серий при предельном соотношении мощностей от 1:3 до 3:1.

Различают три варианта достижения устойчивой параллельной работы генераторов:

• установкой одинакового статизма по реактивному току (по статическим характеристикам);
• с уравнительными соединениями по переменному току;
• с уравнительными соединениями по постоянному току.

По первым двум вариантам параллельная работа может осуществляться между генераторами со статическим возбуждением и бесщеточными генераторами. По третьему варианту — только между генераторами со статическим возбуждением.

Наиболее распространенным является второй вариант параллельной работы, обеспечивающий высокую точность поддержания напряжения, хорошую равномерность распределения реактивных нагрузок, высокую степень устойчивости, гальваническую развязку по цепям ротора и системы возбуждения.

Параллельная работа по статическим характеристикам рассматривается как резервный вариант, осуществляемый в тех случаях, когда по каким-либо причинам неосуществим второй вариант, либо в тех случаях, когда предусмотрена лишь кратковременная параллельная работа на время перевода нагрузок с одного генератора на другой и параметры регулирования при параллельной работе по этой причине не оговариваются.

При параллельной работе по статическим характеристикам на генераторах устанавливают одинаковый статизм по реактивному току (обычно = 3%).

Это обеспечивает устойчивость и удовлетворительное распределение реактивных нагрузок, однако точность поддержания напряжения оказывается невысокой.

Параллельная работа по третьему варианту осуществляется путем соединения обмоток возбуждения параллельно работающих генераторов и возможна лишь между генераторами одной серии, имеющих одинаковое напряжение возбуждения, либо в тех случаях, когда напряжения возбуждения расходятся не более чем на (10—15%).

В этом варианте имеет место гальваническая связь между обмотками возбуждения и цепями систем возбуждения всех параллельно работающих генераторов, поэтому неисправность в цепи одного из генераторов может вызывать повреждения в любой из параллельно работающих машин.

Требования к параллельной работе генераторов

В соответствии с ГОСТ 14965 к параллельной работе генераторов предъявляются следующие требования:

1. Параллельная работа должна быть устойчивой;

2. Неравномерность распределения реактивных нагрузок при параллельной работе с уравнительными соединениями в установившемся тепловом состоянии генераторов не должна превышать +10% номинальной реактивной мощности генератора меньшей мощности при изменении суммарной нагрузки от 20 до 100% и при условии, что неравномерность распределения активных нагрузок не превышает +10% номинальной активной мощности генератора меньшей мощности.

3. Неравномерность распределения реактивных нагрузок при параллельной работе по статическим характеристикам в установившемся тепловом состоянии генераторов не должна превышать +10% от номинальной реактивной мощности меньшего генератора при изменении суммарной нагрузки от (75 до 100)% и при неравномерности распределения активных нагрузок по п2. При этом при изменении суммарной нагрузки от (20 до 75)% реактивная нагрузка на генераторах должна распределяться таким образом, чтобы токи возбуждения генераторов не превышали номинальных значений.

4. Генераторы должны допускать включение на параллельную работу методом самосинхронизации при скольжении не более 5%

Стандарты не оговаривают распределение реактивных нагрузок в неустановившемся тепловом состоянии генераторов или в варианте параллельной работы холодных и нагретых машин.

В этих случаях неравномерность распределения реактивных нагрузок может заметно превышать оговоренную в пп. 2, 3, что не следует рассматривать, как признак неудовлетворительной параллельной работы дизельных электростанций, так как с прогревом холодных машин реактивные нагрузки на генераторах выравниваются.

Отметим, что при параллельной работе по статическим характеристикам при изменении суммарной нагрузки от (20 до 100)% и условиях, оговоренных в п 3., как правило неравномерность распределения реактивных нагрузок удается ограничить нормой 15%.

Поэтому, на практике оптимальным следует признать такой вариант настройки, при котором при нагрузках 20—75% указанная неравномерность не превышает 15%, а при нагрузках 75—100 % — 10%.

Отметим также, что при оптимальной настройке параллельной работы повышенная неравномерность распределения активных нагрузок не приводит, как показывает опыт, к существенному перекосу реактивных нагрузок.

Так, при проведении проверки параллельной работы двух одинаковых генераторов, активные нагрузки между генераторами были распределены в отношении 7:3, при этом при коэффициенте мощности суммарной нагрузки 0,8 коэффициенты мощности генераторов равнялись соответственно 0,83 и 0,78.

Распределение реактивных нагрузок

Значение реактивных нагрузок на параллельно работающих генераторах обуславливается двумя факторами:

• величиной реактивной нагрузки на общих шинах;
• степенью несовпадения внешних характеристик генераторов.

Первый фактор определяет значение реактивных нагрузок на генераторах при идеальном ее распределении. Второй вызывает перераспределение реактивных нагрузок между генераторами, т. е. обуславливает степень неравномерности ее распределения. В соответствии с ГОСТ 14965 неравномерность распределения реактивных нагрузок определяется по формуле:

где, — реактивные нагрузки на генераторах, — номинальные реактивные мощности генераторов.

Устойчивость параллельной работы дизель-генераторов

Как известно, различают статическую и динамическую устойчивость параллельной работы. Под статической устойчивостью понимают способность параллельно работающих генераторов сохранять устойчивость при малых возмущениях режима. Различают два вида нарушения статической устойчивости:

1. Возникновение устойчивых незатухающих колебаний при сохранении электрической связи между генераторами;

2. Развал параллельной работы, вызванный нарастанием тока между генераторами с отключением выключателя, соединяющего генераторы.

В наибольшей степени к автоколебаниям склонны генераторы с косвенным компаундированием. Наиболее устойчивы бесщеточные генераторы с тиристорным возбуждением.

Большой запас устойчивости и в диодных бесщеточных генераторах, хотя на практике в последнем случае автоколебания наблюдались. В целом, чем выше форсировочная способность системы возбуждения, тем менее генератор склонен к автоколебаниям.

Статическая устойчивость в большой степени зависит от совместимости приводного двигателя (дизеля) и генератора. На практике наблюдались случаи, когда генератор при работе с синхронным приводом (автономной или параллельной) устойчив, но при работе с дизелем на генераторе возникали незатухающие колебания, обусловленные взаимным раскачиванием генератора и дизеля.

Развал параллельной работы из-за потери статической устойчивости происходит в случае появления неисправностей в схеме, например при обрыве уравнительных соединений.

В момент потери устойчивости начинается форсировка возбуждения на одном генераторе и развозбуждение другого.

Так как в динамике процесс сопровождается не только увеличением разности ЭДС между генераторами, но и снижением индуктивных сопротивлений до значений близких к сверхпереходным, то уравнительный ток между генераторами в течение 13 сек нарастает до значений, соответствующих токовой уставке срабатывания секционного автомата (), последний срабатывает и параллельная работа разваливается.

В практике испытаний и эксплуатации генераторов приходится сталкиваться также и с динамической неустойчивостью параллельной работы. Такие случаи наблюдались при параллельной работе по статическим характеристикам в случае, если генератор статически неустойчив при емкостных нагрузках.

При этом исходный режим параллельной работы устойчив, т. к. оба генератора несут смешанную активно-индуктивную нагрузку, однако, при набросе нагрузки, кратковременный переход одного из генераторов в емкостной квадрант, приводит к развалу параллельной работы.

Следует отметить, что рассматриваемый случай при низких активных нагрузках () может оказаться и статически неустойчивым, т. к. с изменением теплового состояния генераторов их статические характеристики могут «разъехаться» что переведет один из генераторов в емкостной режим и параллельная работа развалится.

В этих случаях динамическая (и статическая) неустойчивость параллельной работы заставляет отказаться от работы по статическим характеристикам и перейти на работу с уравнителями по постоянному току (если работа с уравнителями по переменному току по каким-то причинам неосуществима).

Источник

Параллельная работа генераторов

На электрических станциях всегда устанавливают несколько турбо- или гидроагрегатов, которые работают совместно в параллельном соединении на общие шины генераторного или повышенного напряжения.

В результате этого выработка электроэнергии на электростанциях производится несколькими параллельно работающими генераторами и такая совместная их работа имеет много ценных преимуществ.

Параллельная работа генераторов:

1. повышает гибкость эксплуатации оборудования электростанций и подстанций, облегчает проведение планово-предупредительных ремонтов генераторов, основного оборудования и соответствующих РУ при минимуме необходимого резерва.

2. повышает экономичность работы электростанции, так как дает возможность распределять наиболее рационально суточный график нагрузки между агрегатами, чем достигается наилучшее использование мощности и повышается к. п. д.; на ГЭС дает возможность наиболее полно использовать мощность водяного потока в период паводков и летней и зимней межени;

3. повышает надежность и бесперебойность работы электростанций и электроснабжения потребителей.

Рис. 1. Принципиальная схема параллельной работы генераторов

Для увеличения производства и улучшения распределения электроэнергии многие электростанции объединяются для параллельной работы в мощные энергетические системы.

В нормальном режиме эксплуатации генераторы присоединены на общие шины (генераторного или повышенного напряжения) и вращаются синхронно. Их роторы вращаются с одинаковой угловой электрической скоростью

При параллельной работе мгновенные значения напряжений на выводах обоих генераторов должны быть равны по величине и обратны по знаку.

Для подключения генератора на параллельную работу с другим генератором (или с сетью) нужно произвести его синхронизацию, т. е. отрегулировать скорость вращения и возбуждение подключаемого генератора в соответствии с работающим.

Генераторы, работающий и включаемый на параллельную работу, должны быть сфазированы, т. е. иметь одинаковый порядок чередования фаз.

Как видно из рис. 1, при параллельной работе генераторы по отношению друг к другу включены навстречу, т. е. их напряжения U1 и U2 на выключателе будут прямо противоположны. По отношению же к нагрузке генераторы работают согласно, т. е. их напряжения U1 и U2 совпадают. Эти условия параллельной работы генераторов отражены на диаграммах рис. 2.

Рис. 2. Условия включения генераторов на параллельную работу. Напряжения генераторов равны по величине и противоположны по фазе.

Существуют два метода синхронизации генераторов: точная синхронизация и грубая синхронизация, или самосинхронизация.

Условия точной синхронизации генераторов.

При точной синхронизации возбужденный генератор подключают к сети (шинам) выключателем В (рис. 1) при достижении условий синхронизма — равенства мгновенных значений их напряжений U1 = U2

При раздельной работе генераторов их мгновенные фазные напряжения будут соответственно равны:

Отсюда вытекают условия, необходимые для параллельного включения генераторов. Для включаемого и работающего генераторов требуется:

1. равенство действующих значений напряжений U1 = U2

2. равенство угловых частот ω1 = ω2 или f1 = f2

3. совпадение напряжений по фазе ψ1 = ψ2 или Θ= ψ1 -ψ2 =0.

Точное выполнение этих требований создает идеальные условия, которые характеризуются тем, что в момент включения генератора уравнительный ток статора будет равен нулю. Однако следует отметить, что выполнение условий точной синхронизации требует тщательной подгонки сравниваемых величин напряжения частоты и фазных углов напряжения генераторов.

В связи с этим на практике невозможно полностью выполнить идеальные условия синхронизации; они выполняются приближенно, с некоторыми небольшими отклонениями. При невыполнении одного из указанных выше условий, когда U2, на выводах разомкнутого выключателя связи В будет действовать разность напряжений:

Рис. 3. Векторные диаграммы для случаев отклонения от условий точной синхронизации: а — Действующие напряжения генераторов не равны; б — угловые частоты не равны.

При включении выключателя под действием этой разности потенциалов в цепи потечет уравнительный ток, периодическая составляющая которого в начальный момент будет

Рассмотрим два случая отклонения от условий точной синхронизации, показанные на диаграмме (рис. 3):

1. действующие напряжения генераторов U1 и U2 не равны, остальные условия соблюдаются;

2. генераторы имеют одинаковые напряжения, но вращаются с разными скоростями, т. е. их угловые частоты ω1 и ω2 не равны, и имеет место несовпадение напряжений по фазе.

Как видно из диаграммы на рис. 3, а, неравенство действующих значений напряжений U1 и U2 обусловливает возникновение уравнительного тока I”ур, который будет почти чисто индуктивным, так как активные сопротивления генераторов и соединительных проводников сети весьма малы и ими пренебрегают. Этот ток не создает толчков активной мощности, а, следовательно, и механических напряжений в деталях генератора и турбины. В связи с этим при включении генераторов на параллельную работу разность напряжений может быть допущена до 5—10%, а в аварийных случаях — до 20%.

При равенстве действующих значений напряжений U1 = U2, но при расхождении угловых частот Δω=ω1 – ω2 ≠ 0 или Δf=f1 – f2 ≠ 0 происходит смещение векторов напряжений генераторов и сети (или 2-го генератора) на некоторый угол Θ, меняющийся во времени. Напряжения генераторов U1 и U2 в рассматриваемом случае будут отличаться по фазе не на угол 180°, а на угол 180°—Θ (рис. 3, б).

На выводах разомкнутого выключателя В, между точками а и б, будет действовать разность напряжений ΔU. Как и в предыдущем случае, наличие напряжения может быть установлено при помощи электрической лампочки, а действующую величину этого напряжения можно измерить вольтметром, включенным между точками а и б.

Если замкнуть выключатель В, то под действием разности напряжений ΔU возникает уравнительный ток I”ур, который в отношении U2 будет почти чисто активным и при включении генераторов на параллельную работу вызовет сотрясения и механические напряжения в валах и других деталях генератора и турбины.

При ω1 ≠ ω2 синхронизация получается вполне удовлетворительной, если скольжение s0

Вследствие инерционности регуляторов турбины нельзя осуществить длительное равенство угловых частот ω1 = ω2, и угол Θ между векторами напряжений, характеризующий относительное положение обмоток статора и ротора генераторов, не остается постоянным, а непрерывно меняется; его мгновенное значение будет Θ=Δωt.

На векторной диаграмме (рис. 4) последнее обстоятельство выразится в том, что с изменением угла сдвига фаз в между векторами напряжений U1 и U2 будет также изменяться ΔU. Разность напряжений при этом ΔU называется напряжением биений.

Рис. 4. Векторная диаграмма синхронизации генераторов при неравенстве частот.

Мгновенное значение напряжений биений Δu представляет собой разность мгновенных значений напряжений u1 и u2 генераторов (рис. 5).

Предположим, что достигнуто равенство действующих значений U1=U2, фазные углы начала отсчета времени ψ1 и ψ2 тоже равны.

Кривая изменения напряжения биений показана на рис.5.

Напряжение биений гармонически изменяется с частотой, равной полусумме сравниваемых частот, и с амплитудой, изменяющейся во времени в зависимости от угла сдвига фаз Θ:

Из векторной диаграммы рис. 4 для некоторого определенного значения угла Θ можно найти действующее значение напряжения биений:

Рис. 5. Кривые напряжения биений.

Учитывая изменение угла Θ с течением времени, можно написать выражение для огибающей по амплитудам напряжения биений, которое дает изменение амплитуд напряжения во времени (пунктирная кривая на рис. 5, б):

Как видно из векторной диаграммы на рис. 4 и последнего уравнения, амплитуда напряжения биений ΔU изменяется от 0 до 2Um. Наибольшая величина ΔU будет в тот момент, когда векторы напряжения U1 и U2 (рис. 4) совпадут по фазе и угол Θ = π, а наименьшая — когда эти напряжения будут отличаться по фазе на 180° и угол Θ = 0. Период кривой биений равен

При включении генератора на параллельную работу с мощной системой значение хс системы мало и им можно пренебречь (хс ≈ 0), тогда уравнительный ток

В случае неблагоприятного включения в момент Θ = π ударный ток в обмотке статора включаемого генератора может достигнуть двойного значения ударного тока трехфазного короткого замыкания на выводах генератора.

Активная составляющая уравнительного тока, как видно из векторной диаграммы на рис. 4, равна

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник